HiPIMS technologijos įvadas

Nr. 1 didelės galios impulsinio magnetroninio dulkinimo principas
Didelės galios impulsinio magnetroninio dulkinimo technika naudoja didelę maksimalią impulso galią (2–3 dydžio eilėmis didesnę nei įprastinis magnetroninis dulkinimas) ir mažą impulso darbo ciklą (0,5–10 %), kad būtų pasiektas didelis metalų disociacijos greitis (> 50 %), kuris gaunamas iš magnetroninio dulkinimo charakteristikų, kaip parodyta 1 paveiksle, kur didžiausias tikslinės srovės tankis I yra proporcingas išlydžio įtampos U eksponentei n-tajai laipsniui, I = kUn (n yra konstanta, susijusi su katodo struktūra, magnetiniu lauku ir medžiaga). Esant mažesniam galios tankiui (žemai įtampai), n vertė paprastai yra nuo 5 iki 15; didėjant išlydžio įtampai, srovės tankis ir galios tankis sparčiai didėja, o esant aukštai įtampai n vertė tampa lygi 1 dėl magnetinio lauko apribojimo praradimo. Esant mažam galios tankiui, dujų išlydį lemia dujų jonai, esantys normaliame impulsinio išlydžio režime; Esant dideliam galios tankiui, metalo jonų dalis plazmoje padidėja, o kai kurios medžiagos persijungia, t. y. plazma palaikoma jonizuojant išpurkštas neutralias daleles ir antrinius metalo jonus, o inertinių dujų atomai, tokie kaip Ar, naudojami tik plazmai uždegti. Po to išpurkštos metalo dalelės jonizuojamos šalia taikinio ir pagreitinamos atgal, kad bombarduotų išpurkštą taikinį veikiant magnetiniams ir elektriniams laukams, palaikydamos didelę iškrovos srovę, ir plazma yra labai jonizuota. Dėl išpurškimo proceso kaitinimo poveikio taikiniui, siekiant užtikrinti stabilų taikinio veikimą pramonėje, tiesiogiai taikiniui taikomas galios tankis negali būti per didelis. Paprastai tiesioginis vandens aušinimas, o taikinio medžiagos šilumos laidumas turėtų būti mažesnis nei 25 W/cm2, netiesioginis vandens aušinimas – taikinio medžiagos šilumos laidumas yra prastas. Taikinio medžiaga suyra dėl terminio įtempio arba taikinio medžiagoje yra mažai lakiųjų lydinių komponentų. Kitais atvejais galios tankis gali būti tik 2–15 W/cm2, gerokai mažesnis nei didelio galios tankio reikalavimai. Taikinio perkaitimo problemą galima išspręsti naudojant labai siaurus didelės galios impulsus. Andersas didelės galios impulsinį magnetroninį dulkinimą apibrėžia kaip impulsinio dulkinimo rūšį, kai didžiausias galios tankis viršija vidutinį galios tankį 2–3 dydžio eilėmis, o taikinio jonų dulkinimas dominuoja dulkinimo procese, o taikinio dulkinimo atomai yra labai disocijuoti.

Nr. 2. Didelės galios impulsinio magnetroninio dulkinimo dangos nusodinimo charakteristikos

Didelės galios impulsinis magnetroninis dulkinimas gali sukurti plazmą su dideliu disociacijos greičiu ir didele jonų energija, ir gali būti taikomas poslinkio slėgis įkrautiems jonams pagreitinti, o dangos nusodinimo procesas yra bombarduojamas didelės energijos dalelėmis, kas yra tipiška IPVD technologija. Jonų energija ir pasiskirstymas turi labai didelę įtaką dangos kokybei ir eksploatacinėms savybėms.
Remdamasis garsiuoju Tortono struktūrinio regiono modeliu, Andersas pasiūlė IPVD struktūrinio regiono modelį, apimantį plazminį nusodinimą ir jonų ėsdinimą, išplėtė dangos struktūros, temperatūros ir oro slėgio ryšį Tortono struktūrinio regiono modelyje iki dangos struktūros, temperatūros ir jonų energijos ryšio, kaip parodyta 2 paveiksle. Mažos energijos jonų nusodinimo dangos atveju dangos struktūra atitinka Tortono struktūros zonų modelį. Didėjant nusodinimo temperatūrai, vyksta perėjimas iš 1 srities (laisvi porėti pluošto kristalai) į T sritį (tankūs pluošto kristalai), 2 sritį (stulpeliniai kristalai) ir 3 sritį (rekristalizacijos sritis); didėjant nusodinimo jonų energijai, perėjimo temperatūra iš 1 srities į T, 2 ir 3 sritis mažėja. Didelio tankio pluošto kristalai ir stulpeliniai kristalai gali būti paruošti žemoje temperatūroje. Kai nusodintų jonų energija padidėja iki 1–10 eV eilės, sustiprėja jonų bombardavimas ir ėsdinimas ant nusodinto dangos paviršiaus, o dangos storis padidėja.

Nr. 3 Kietojo dangos sluoksnio paruošimas naudojant didelės galios impulsinį magnetroninį purškimo technologiją
Didelės galios impulsinio magnetroninio purškimo technologija gauta danga yra tankesnė, pasižymi geresnėmis mechaninėmis savybėmis ir stabilumu aukštoje temperatūroje. Kaip parodyta 3 paveiksle, įprastinė magnetroninio purškimo būdu gauta TiAlN danga yra stulpelinės kristalinės struktūros, kurios kietumas yra 30 GPa, o Youngo modulis – 460 GPa; HIPIMS-TiAlN dangos kietumas yra 34 GPa, o Youngo modulis – 377 GPa; kietumo ir Youngo modulio santykis yra dangos tvirtumo matas. Didesnis kietumas ir mažesnis Youngo modulis reiškia geresnį tvirtumą. HIPIMS-TiAlN danga pasižymi geresniu stabilumu aukštoje temperatūroje, nes įprastoje TiAlN dangoje po 4 val. aukštoje temperatūroje atkaitinimo 1000 °C temperatūroje nusodinama AlN šešiakampė fazė. Dangos kietumas aukštoje temperatūroje mažėja, o HIPIMS-TiAlN danga po terminio apdorojimo toje pačioje temperatūroje ir laiku išlieka nepakitusi. HIPIMS-TiAlN danga taip pat turi aukštesnę aukštoje temperatūroje oksidacijos pradžios temperatūrą nei įprastinė danga. Todėl HIPIMS-TiAlN danga pasižymi daug geresnėmis eksploatacinėmis savybėmis greitaeigiuose pjovimo įrankiuose nei kiti PVD būdu pagaminti dengti įrankiai.