Принцип №1 высокомощного импульсного магнетронного распыления
Высокомощная импульсная магнетронная технология распыления использует высокую пиковую мощность импульса (на 2-3 порядка выше, чем при традиционном магнетронном распылении) и низкий коэффициент заполнения импульса (0,5%-10%) для достижения высоких скоростей диссоциации металла (>50%), что обусловлено характеристиками магнетронного распыления, 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 (низком напряжении) значение n обычно находится в диапазоне от 5 до 15; с увеличением напряжения разряда плотность тока и плотность мощности быстро возрастают, а при высоком напряжении значение n становится равным 1 из-за потери удержания магнитного поля. Если при низких плотностях мощности газовый разряд определяется ионами газа, то есть происходит обычный импульсный разряд; Если при высоких плотностях мощности доля ионов металла в плазме увеличивается, и некоторые материалы переключаются, то есть переходят в режим самораспыления, то есть плазма поддерживается за счет ионизации распыленных нейтральных частиц и вторичных ионов металла, а атомы инертного газа, такие 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 высокотокового разряда, и плазма состоит из сильно ионизированных частиц металла. Из-за эффекта нагрева мишени в процессе распыления, для обеспечения стабильной работы мишени в промышленных условиях плотность мощности, непосредственно подаваемой на мишень, не может быть слишком высокой. Как правило, при прямом водяном охлаждении теплопроводность материала мишени должна быть ниже 25 Вт/см². При косвенном водяном охлаждении, низкой теплопроводности материала мишени, фрагментации материала мишени из-за термического напряжения или наличии в материале мишени низколетучих легирующих компонентов, плотность мощности может составлять всего 2–15 Вт/см², что значительно ниже требований к высокой плотности мощности. Проблема перегрева мишени может быть решена с помощью очень узких импульсов высокой мощности. Андерс определяет импульсное магнетронное распыление высокой мощности как вид импульсного распыления, при котором пиковая плотность мощности превышает среднюю плотность мощности на 2–3 порядка, в процессе распыления преобладает распыление ионов мишени, а атомы, распыляемые мишенью, обладают высокой степенью диссоциации.
№2. Характеристики нанесения покрытий методом высокомощного импульсного магнетронного распыления.
Импульсное магнетронное распыление высокой мощности позволяет создавать плазму с высокой скоростью диссоциации и высокой энергией ионов, а также применять смещающее давление для ускорения заряженных ионов, в результате чего процесс нанесения покрытия подвергается бомбардировке высокоэнергетическими частицами, что является типичной технологией IPVD. Энергия и распределение ионов оказывают очень важное влияние на качество и характеристики покрытия.
Что касается IPVD, то, основываясь на известной модели структурных областей Тортона, Андерс предложил модель структурных областей, включающую плазменное осаждение и ионное травление, расширив связь между структурой покрытия и температурой и давлением воздуха в модели структурных областей Тортона до связи между структурой покрытия, температурой и энергией ионов, как показано на рис. 2. В случае покрытия, полученного методом ионного осаждения с низкой энергией, структура покрытия соответствует модели структурных зон 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 снижается. Высокоплотные волокнистые и столбчатые кристаллы могут быть получены при низкой температуре. Когда энергия осаждаемых ионов возрастает до порядка 1-10 эВ, бомбардировка и травление ионов на поверхности осажденных покрытий усиливаются, а толщина покрытий увеличивается.
№3. Получение твердого покрытия методом высокомощного импульсного магнетронного распыления.
Покрытие, полученное с помощью технологии импульсного магнетронного распыления высокой мощности, обладает большей плотностью, лучшими механическими свойствами и высокой термостойкостью. Как показано на рис. 3, обычное покрытие TiAlN, полученное методом магнетронного распыления, имеет столбчатую кристаллическую структуру с твердостью 30 ГПа и модулем Юнга 460 ГПа; твердость покрытия HIPIMS-TiAlN составляет 34 ГПа, а модуль Юнга — 377 ГПа; отношение твердости к модулю Юнга является показателем прочности покрытия. Более высокая твердость и меньший модуль Юнга означают лучшую прочность. Покрытие HIPIMS-TiAlN обладает лучшей высокотемпературной стабильностью: гексагональная фаза AlN осаждается в обычном покрытии TiAlN после высокотемпературного отжига при 1000 °C в течение 4 часов. Твердость покрытия снижается при высоких температурах, в то время как твердость покрытия HIPIMS-TiAlN остается неизменной 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 демонстрирует гораздо лучшие характеристики в высокоскоростных режущих инструментах, чем другие инструменты с покрытием, полученные методом PVD.
Дата публикации: 08.11.2022