Введение в технологию HiPIMS

№ 1 Принцип мощного импульсного магнетронного распыления
Метод распыления магнетрона высокой мощности использует высокую пиковую мощность импульса (на 2-3 порядка выше, чем при обычном распылении магнетрона) и низкий рабочий цикл импульса (0,5% -10%) для достижения высоких скоростей диссоциации металла (>50%), что вытекает из характеристик распыления магнетрона, как показано на рис. 1, где пиковая плотность тока мишени I пропорциональна экспоненциальной n-й степени напряжения разряда U, I = kUn (n - константа, связанная со структурой катода, магнитным полем и материалом). При более низких плотностях мощности (низкое напряжение) значение n обычно находится в диапазоне от 5 до 15; с ростом напряжения разряда плотность тока и плотность мощности быстро увеличиваются, а при высоком напряжении значение n становится равным 1 из-за потери ограничения магнитного поля. Если при низких плотностях мощности газовый разряд определяется ионами газа, что находится в обычном режиме импульсного разряда; если при высоких плотностях мощности доля ионов металла в плазме увеличивается и некоторые материалы переходят, то есть в режим самораспыления, т.е. плазма поддерживается за счет ионизации распыленных нейтральных частиц и вторичных ионов металла, а атомы инертного газа, такого как Ar, используются только для зажигания плазмы, после чего распыленные частицы металла ионизируются вблизи мишени и ускоряются обратно для бомбардировки распыленной мишени под действием магнитных и электрических полей для поддержания сильноточного разряда, а плазма представляет собой высокоионизированные частицы металла. Из-за процесса распыления теплового эффекта на мишень, чтобы обеспечить стабильную работу мишени в промышленных приложениях, плотность мощности, непосредственно приложенной к мишени, не может быть слишком большой, как правило, прямое водяное охлаждение и теплопроводность материала мишени должны быть в случае 25 Вт/см2 ниже, косвенное водяное охлаждение, теплопроводность материала мишени плохая, материал мишени вызван фрагментацией из-за термического напряжения или материал мишени содержит низколетучие компоненты сплава и другие случаи плотности мощности могут быть только в 2 ~ 15 Вт/см2 ниже, что намного ниже требований высокой плотности мощности. Проблема перегрева мишени может быть решена с помощью очень узких импульсов высокой мощности. Андерс определяет высокомощное импульсное магнетронное распыление как вид импульсного распыления, где пиковая плотность мощности превышает среднюю плотность мощности на 2-3 порядка, а распыление ионов мишени доминирует в процессе распыления, а атомы распыления мишени сильно диссоциированы.

№ 2 Характеристики нанесения покрытий методом импульсного магнетронного распыления высокой мощности

Высокомощное импульсное магнетронное распыление может производить плазму с высокой скоростью диссоциации и высокой энергией ионов, а также может применять смещающее давление для ускорения заряженных ионов, а процесс осаждения покрытия бомбардируется частицами высокой энергии, что является типичной технологией IPVD. Энергия и распределение ионов оказывают очень важное влияние на качество и производительность покрытия.
Что касается IPVD, то на основе известной модели структурной области Тортона Андерс предложил модель структурной области, которая включает плазменное осаждение и ионное травление, расширил связь между структурой покрытия и температурой и давлением воздуха в модели структурной области Тортона до связи между структурой покрытия, температурой и энергией ионов, как показано на рис. 2. В случае покрытия с низкоэнергетическим ионным осаждением структура покрытия соответствует модели структурной зоны Тортона. С повышением температуры осаждения происходит переход из области 1 (рыхлые пористые волокнистые кристаллы) в область T (плотные волокнистые кристаллы), область 2 (столбчатые кристаллы) и область 3 (область рекристаллизации); с повышением энергии ионов осаждения температура перехода из области 1 в область T, область 2 и область 3 уменьшается. Высокоплотные волокнистые кристаллы и столбчатые кристаллы могут быть получены при низкой температуре. При увеличении энергии осаждаемых ионов до порядка 1-10 эВ усиливается бомбардировка и травление ионами поверхности осаждаемых покрытий, увеличивается толщина покрытий.

№3 Подготовка твердого слоя покрытия методом мощного импульсного магнетронного распыления
Покрытие, полученное с помощью технологии высокомощного импульсного магнетронного распыления, более плотное, с лучшими механическими свойствами и высокой температурной стабильностью. Как показано на рис. 3, обычное магнетронное распыленное покрытие TiAlN представляет собой столбчатую кристаллическую структуру с твердостью 30 ГПа и модулем Юнга 460 ГПа; покрытие HIPIMS-TiAlN имеет твердость 34 ГПа, а модуль Юнга составляет 377 ГПа; соотношение между твердостью и модулем Юнга является мерой прочности покрытия. Более высокая твердость и меньший модуль Юнга означают лучшую прочность. Покрытие HIPIMS-TiAlN имеет лучшую высокотемпературную стабильность, с гексагональной фазой AlN, выделенной в обычном покрытии TiAlN после высокотемпературной обработки отжигом при 1000 °C в течение 4 часов. Твердость покрытия снижается при высокой температуре, в то время как покрытие HIPIMS-TiAlN остается неизменным после термообработки при той же температуре и времени. Покрытие HIPIMS-TiAlN также имеет более высокую температуру начала высокотемпературного окисления, чем обычное покрытие. Поэтому покрытие HIPIMS-TiAlN показывает гораздо лучшие характеристики в высокоскоростных режущих инструментах, чем другие покрытые инструменты, изготовленные методом PVD.