Prinsipp nr. 1 for høyeffekts pulserende magnetronsputtering
Teknikken med høy effektpulsert magnetronsputtering bruker høy topppulseffekt (2–3 størrelsesordener høyere enn konvensjonell magnetronsputtering) og lav pulsdriftssyklus (0,5–10 %) for å oppnå høye metalldissosiasjonsrater (>50 %), som er avledet fra magnetronsputteregenskapene, som vist i bilde 1, hvor toppmålstrømtettheten I er proporsjonal med den eksponensielle n-te potensen til utladningsspenningen U, I = kUn (n er en konstant relatert til katodestruktur, magnetfelt og materiale). Ved lavere effekttettheter (lav spenning) er n-verdien vanligvis i området 5 til 15; med økende utladningsspenning øker strømtettheten og effekttettheten raskt, og ved høy spenning blir n-verdien 1 på grunn av tap av magnetfeltinneslutning. Ved lave effekttettheter bestemmes gassutladningen av gasioner som er i normal pulsert utladningsmodus; Hvis andelen metallioner i plasmaet øker ved høye effekttettheter, og noen materialer bytter, det vil si i selvsputteringsmodus, dvs. plasmaet opprettholdes ved ionisering av sputterte nøytrale partikler og sekundære metallioner, og inerte gassatomer som Ar brukes kun til å antenne plasmaet, hvoretter de sputterte metallpartiklene ioniseres nær målet og akselereres tilbake for å bombardere det sputterte målet under påvirkning av magnetiske og elektriske felt for å opprettholde den høye strømutladningen, og plasmaet er sterkt ioniserte metallpartikler. På grunn av sputteringsprosessens oppvarmingseffekt på målet, bør ikke effekttettheten som påføres direkte på målet være for stor for å sikre stabil drift av målet i industrielle applikasjoner. Generelt bør direkte vannkjøling og målmaterialets termiske ledningsevne være under 25 W/cm2. Indirekte vannkjøling, dårlig termisk ledningsevne, målmaterialet forårsaket av fragmentering på grunn av termisk stress eller målmaterialet inneholder lavflyktige legeringskomponenter, og i andre tilfeller kan effekttettheten bare være under 2 ~ 15 W/cm2, langt under kravene til høy effekttetthet. Problemet med overoppheting av målet kan løses ved å bruke svært smale høyeffektpulser. Anders definerer høyeffektspulsert magnetronsputtering som en type pulsert sputtering der toppeffekttettheten overstiger den gjennomsnittlige effekttettheten med 2 til 3 størrelsesordener, og målionsputteringen dominerer sputteringsprosessen, og målsputteringsatomene er sterkt dissosierte.
Nr. 2 Egenskapene til høyeffektspulserende magnetronsputteringbeleggavsetning
Høyeffekts pulserende magnetronsputtering kan produsere plasma med høy dissosiasjonshastighet og høy ioneenergi, og kan bruke biastrykk for å akselerere de ladede ionene, og beleggavsetningsprosessen bombarderes av høyenergipartikler, noe som er en typisk IPVD-teknologi. Ioneenergien og -fordelingen har en svært viktig innvirkning på beleggets kvalitet og ytelse.
Om IPVD, basert på den berømte Thorton-strukturregionmodellen, foreslo Anders en strukturregionmodell som inkluderer plasmaavsetning og ionetsing, utvidet forholdet mellom beleggstruktur og temperatur og lufttrykk i Thorton-strukturregionmodellen til forholdet mellom beleggstruktur, temperatur og ionenergi, som vist i bilde 2. Ved lavenergi-ionavsetningsbelegg samsvarer beleggstrukturen med Thorton-struktursonemodellen. Med økende avsetningstemperatur går overgangen fra region 1 (løse porøse fiberkrystaller) til region T (tette fiberkrystaller), region 2 (søyleformede krystaller) og region 3 (omkrystalliseringsregion); med økende ionenergi for avsetning reduseres overgangstemperaturen fra region 1 til region T, region 2 og region 3. Fiberkrystaller med høy tetthet og søyleformede krystaller kan fremstilles ved lav temperatur. Når energien til avsatte ioner øker til størrelsesorden 1-10 eV, forbedres bombardementet og etsingen av ioner på den avsatte beleggoverflaten, og tykkelsen på beleggene økes.
Nr. 3 Fremstilling av hardt belegglag ved hjelp av høyeffekts pulserende magnetronsputteringsteknologi
Belegget som er fremstilt ved hjelp av høyeffektspulsert magnetronsputteringsteknologi er tettere, med bedre mekaniske egenskaper og høy temperaturstabilitet. Som vist i bilde 3, har det konvensjonelle magnetronsputterede TiAlN-belegget en søyleformet krystallstruktur med en hardhet på 30 GPa og en Youngs modulus på 460 GPa; HIPIMS-TiAlN-belegget har en hardhet på 34 GPa, mens Youngs modulus er 377 GPa; forholdet mellom hardhet og Youngs modulus er et mål på beleggets seighet. Høyere hardhet og mindre Youngs modulus betyr bedre seighet. HIPIMS-TiAlN-belegget har bedre høytemperaturstabilitet, med AlN-heksagonal fase utfelt i det konvensjonelle TiAlN-belegget etter høytemperaturglødebehandling ved 1000 °C i 4 timer. Beleggets hardhet avtar ved høy temperatur, mens HIPIMS-TiAlN-belegget forblir uendret etter varmebehandling ved samme temperatur og tid. HIPIMS-TiAlN-belegg har også en høyere starttemperatur for høytemperaturoksidasjon enn konvensjonelt belegg. Derfor viser HIPIMS-TiAlN-belegget mye bedre ytelse i høyhastighets skjæreverktøy enn andre belagte verktøy fremstilt med PVD-prosessen.
Publisert: 08. november 2022