Principe van hoogvermogen gepulseerde magnetron sputtering
De hoogvermogen gepulseerde magnetron sputtertechniek maakt gebruik van een hoog piekvermogen (2-3 ordes van grootte hoger dan bij conventionele magnetron sputtering) en een lage pulsduur (0,5%-10%) om hoge metaaldissociatiesnelheden (>50%) te bereiken. Dit is afgeleid van de magnetron sputterkarakteristieken, zoals weergegeven in Afbeelding 1, waarbij de piekstroomdichtheid I evenredig is met de exponentiële n-de macht van de ontladingsspanning U, I = kUn (waarbij n een constante is die verband houdt met de kathodestructuur, het magnetische veld en het materiaal). Bij lagere vermogensdichtheden (lage spanning) ligt de waarde van n meestal tussen de 5 en 15; met toenemende ontladingsspanning nemen de stroomdichtheid en vermogensdichtheid snel toe, en bij hoge spanning wordt de waarde van n gelijk aan 1 als gevolg van het verlies van magnetische veldconfinering. Bij lage vermogensdichtheden wordt de gasontlading bepaald door gasionen, wat overeenkomt met de normale gepulseerde ontladingsmodus; Bij hoge vermogensdichtheden neemt het aandeel metaalionen in het plasma toe en schakelen sommige materialen over, dat wil zeggen in de zelf-sputtermodus. Hierbij wordt het plasma in stand gehouden door de ionisatie van gesputterde neutrale deeltjes en secundaire metaalionen, en worden inerte gasatomen zoals Ar alleen gebruikt om het plasma te ontsteken. Vervolgens worden de gesputterde metaaldeeltjes nabij het doelwit geïoniseerd en onder invloed van magnetische en elektrische velden teruggekatalyseerd om het gesputterde doelwit te bombarderen en de hoge stroomontlading in stand te houden, waardoor het plasma bestaat uit sterk geïoniseerde metaaldeeltjes. Vanwege het verhittingseffect van het sputterproces op het doelwit, mag de direct op het doelwit aangelegde vermogensdichtheid niet te hoog zijn om een stabiele werking van het doelwit in industriële toepassingen te garanderen. Over het algemeen moet de vermogensdichtheid bij directe waterkoeling en een lage thermische geleidbaarheid van het doelwitmateriaal lager zijn dan 25 W/cm². Indirecte waterkoeling, gevallen met een lage thermische geleidbaarheid van het doelwitmateriaal, fragmentatie van het doelwit door thermische spanning of de aanwezigheid van vluchtige legeringscomponenten, en andere gevallen, mag de vermogensdichtheid slechts tussen de 2 en 15 W/cm² liggen, wat ver onder de eisen voor een hoge vermogensdichtheid ligt. Het probleem van oververhitting van het doelwit kan worden opgelost door gebruik te maken van zeer smalle, hoogvermogenpulsen. Anders definieert hoogvermogen gepulseerd magnetron sputteren als een vorm van gepulseerd sputteren waarbij de piekvermogensdichtheid de gemiddelde vermogensdichtheid met 2 tot 3 ordes van grootte overschrijdt, waarbij de sputtering van doelwitionen het sputterproces domineert en de sputteratomen in het doelwit sterk gedissocieerd zijn.
Nr. 2 De kenmerken van coatingafzetting met behulp van hoogvermogen gepulseerde magnetron sputteren.
Hoogvermogen gepulseerde magnetron sputtering kan plasma produceren met een hoge dissociatiesnelheid en hoge ionenenergie. Door het toepassen van voorspanning kunnen de geladen ionen worden versneld, en het coatingafzettingsproces wordt gebombardeerd met hoogenergetische deeltjes, wat een typische IPVD-technologie is. De ionenenergie en -verdeling hebben een zeer belangrijke invloed op de kwaliteit en prestaties van de coating.
Wat betreft IPVD, gebaseerd op het bekende Thorton-structuurgebiedmodel, stelde Anders een structuurgebiedmodel voor dat plasma-afzetting en ionenetsen omvat. Hij breidde de relatie tussen coatingstructuur en temperatuur en luchtdruk in het Thorton-structuurgebiedmodel uit naar de relatie tussen coatingstructuur, temperatuur en ionenenergie, zoals weergegeven in afbeelding 2. In het geval van coatings die met lage energie door ionenafzetting worden aangebracht, voldoet de coatingstructuur aan het Thorton-structuurgebiedmodel. Met de toenemende afzettingstemperatuur vindt de overgang plaats van gebied 1 (losse poreuze vezelkristallen) naar gebied T (dichte vezelkristallen), gebied 2 (kolomvormige kristallen) en gebied 3 (herkristallisatiegebied); met de toenemende ionenenergie neemt de overgangstemperatuur van gebied 1 naar gebied T, gebied 2 en gebied 3 af. De dichte vezelkristallen en kolomvormige kristallen kunnen bij lage temperatuur worden geprepareerd. Wanneer de energie van de afgezette ionen toeneemt tot de orde van 1-10 eV, wordt de bombardering en etsing van het oppervlak van de afgezette coatings door de ionen versterkt en neemt de dikte van de coatings toe.
Nr. 3 Voorbereiding van een harde coatinglaag met behulp van hoogvermogen gepulseerde magnetron sputtertechnologie
De coating die is vervaardigd met behulp van de hoogvermogen gepulseerde magnetron sputtertechnologie (HIPIMS) is dichter, heeft betere mechanische eigenschappen en een hogere temperatuurstabiliteit. Zoals weergegeven in afbeelding 3, heeft de conventionele magnetron gesputterde TiAlN-coating een kolomvormige kristalstructuur met een hardheid van 30 GPa en een Young-modulus van 460 GPa; de HIPIMS-TiAlN-coating heeft een hardheid van 34 GPa en een Young-modulus van 377 GPa. De verhouding tussen hardheid en Young-modulus is een maat voor de taaiheid van de coating. Een hogere hardheid en een lagere Young-modulus betekenen een betere taaiheid. De HIPIMS-TiAlN-coating heeft een betere stabiliteit bij hoge temperaturen, waarbij in de conventionele TiAlN-coating een hexagonale AlN-fase neerslaat na een gloeibehandeling bij 1000 °C gedurende 4 uur. De hardheid van de coating neemt af bij hoge temperaturen, terwijl die van de HIPIMS-TiAlN-coating onveranderd blijft na een warmtebehandeling bij dezelfde temperatuur en tijd. De HIPIMS-TiAlN-coating heeft bovendien een hogere aanvangstemperatuur voor oxidatie bij hoge temperaturen dan conventionele coatings. Daarom presteert de HIPIMS-TiAlN-coating aanzienlijk beter in snijgereedschappen voor hoge snelheden dan andere gecoate gereedschappen die via het PVD-proces zijn vervaardigd.
Geplaatst op: 08-11-2022