Hyrje në Teknologjinë HiPIMS

Parimi Nr. 1 i spërkatjes magnetronike me puls të fuqisë së lartë
Teknika e spërkatjes me magnetron të pulsuar me fuqi të lartë përdor fuqi pulsi me kulm të lartë (2-3 rend madhësie më të lartë se spërkatja konvencionale me magnetron) dhe cikël pune me puls të ulët (0.5%-10%) për të arritur shkallë të larta të disociimit të metaleve (>50%), e cila rrjedh nga karakteristikat e spërkatjes me magnetron, siç tregohet në Fig. 1, ku dendësia e rrymës së synuar maksimale I është proporcionale me fuqinë eksponenciale të n-të të tensionit të shkarkimit U, I = kUn (n është një konstante e lidhur me strukturën e katodës, fushën magnetike dhe materialin). Në dendësi më të ulëta të fuqisë (tension i ulët) vlera n është zakonisht në rangun prej 5 deri në 15; me rritjen e tensionit të shkarkimit, dendësia e rrymës dhe dendësia e fuqisë rriten me shpejtësi, dhe në tension të lartë vlera n bëhet 1 për shkak të humbjes së kufizimit të fushës magnetike. Nëse në dendësi të ulëta të fuqisë, shkarkimi i gazit përcaktohet nga jonet e gazit që janë në modalitetin normal të shkarkimit me puls; Nëse në dendësi të larta fuqie, përqindja e joneve metalike në plazmë rritet dhe disa materiale kalojnë në modalitetin e vetë-spërkatjes, d.m.th. plazma mbahet nga jonizimi i grimcave neutrale të spërkatura dhe joneve metalike sekondare, dhe atomet e gazit inerte si Ar përdoren vetëm për të ndezur plazmën, pas së cilës grimcat metalike të spërkatura jonizohen pranë objektivit dhe përshpejtohen përsëri për të bombarduar objektivin e spërkatur nën veprimin e fushave magnetike dhe elektrike për të ruajtur shkarkimin e lartë të rrymës, dhe plazma është grimca metalike shumë e jonizuar. Për shkak të efektit të ngrohjes së procesit të spërkatjes në objektiv, për të siguruar funksionimin e qëndrueshëm të objektivit në aplikimet industriale, dendësia e fuqisë së aplikuar direkt në objektiv nuk mund të jetë shumë e madhe, në përgjithësi ftohja direkte e ujit dhe përçueshmëria termike e materialit të objektivit duhet të jenë në rastin e 25 W/cm2 më poshtë, ftohja indirekte e ujit, përçueshmëria termike e materialit të objektivit është e dobët, materiali i objektivit shkaktohet nga fragmentimi për shkak të stresit termik ose materiali i objektivit përmban komponentë të ulët të paqëndrueshëm të aliazhit dhe raste të tjera të dendësisë së fuqisë mund të jetë vetëm në 2 ~ 15 W/cm2 më poshtë, shumë më poshtë kërkesave të dendësisë së lartë të fuqisë. Problemi i mbinxehjes së objektivit mund të zgjidhet duke përdorur pulse shumë të ngushta me fuqi të lartë. Anders e përcakton spërkatjen magnetronike të pulsuar me fuqi të lartë si një lloj spërkatjeje të pulsuar ku dendësia maksimale e fuqisë tejkalon dendësinë mesatare të fuqisë me 2 deri në 3 urdhra madhësie, dhe spërkatja e jonit të objektivit dominon procesin e spërkatjes, dhe atomet e spërkatjes së objektivit janë shumë të disociuara.

Nr. 2 Karakteristikat e depozitimit të veshjes me spërkatje magnetronike me fuqi të lartë të pulsuar

Spërkatja magnetronike e pulsuar me fuqi të lartë mund të prodhojë plazmë me shkallë të lartë disociimi dhe energji të lartë jonike, dhe mund të ushtrojë presion të polarizuar për të përshpejtuar jonet e ngarkuara, dhe procesi i depozitimit të veshjes bombardohet nga grimca me energji të lartë, e cila është një teknologji tipike IPVD. Energjia dhe shpërndarja e joneve kanë një ndikim shumë të rëndësishëm në cilësinë dhe performancën e veshjes.
Lidhur me IPVD-në, bazuar në modelin e famshëm të rajonit strukturor Thorton, Anders propozoi një model të rajonit strukturor që përfshin depozitimin e plazmës dhe gdhendjen e joneve, zgjeroi marrëdhënien midis strukturës së veshjes dhe temperaturës dhe presionit të ajrit në modelin e rajonit strukturor Thorton në marrëdhënien midis strukturës së veshjes, temperaturës dhe energjisë së joneve, siç tregohet në Fig. 2. Në rastin e veshjes së depozitimit të joneve me energji të ulët, struktura e veshjes përputhet me modelin e zonës së strukturës Thorton. Me rritjen e temperaturës së depozitimit, kalimi nga rajoni 1 (kristale të lirshme fibre poroze) në rajonin T (kristale të dendura fibre), rajonin 2 (kristale kolonare) dhe rajonin 3 (rajoni i rikristalizimit); me rritjen e energjisë së joneve të depozitimit, temperatura e kalimit nga rajoni 1 në rajonin T, rajonin 2 dhe rajonin 3 zvogëlohet. Kristalet e fibrave me dendësi të lartë dhe kristalet kolonare mund të përgatiten në temperaturë të ulët. Kur energjia e joneve të depozituara rritet në rendin e 1-10 eV, bombardimi dhe gdhendja e joneve në sipërfaqen e veshjeve të depozituara rritet dhe trashësia e veshjeve rritet.

Nr. 3 Përgatitja e shtresës së fortë të veshjes me anë të teknologjisë së spërkatjes magnetronike me puls të fuqisë së lartë
Veshje e përgatitur me anë të teknologjisë së spërkatjes magnetronike me puls të fuqisë së lartë është më e dendur, me veti mekanike më të mira dhe stabilitet në temperaturë të lartë. Siç tregohet në Fig. 3, veshja konvencionale TiAlN e spërkatur me magnetron është një strukturë kristalore kolone me një fortësi prej 30 GPa dhe një modul elastik të Young-ut prej 460 GPa; veshja HIPIMS-TiAlN është 34 GPa fortësi, ndërsa moduli i Young-ut është 377 GPa; raporti midis fortësisë dhe modulit të Young-ut është një masë e fortësisë së veshjes. Fortësia më e lartë dhe moduli më i vogël i Young-ut nënkuptojnë fortësi më të mirë. Veshje HIPIMS-TiAlN ka stabilitet më të mirë në temperaturë të lartë, me fazën gjashtëkëndore AlN të precipituar në veshjen konvencionale TiAlN pas trajtimit të pjekjes në temperaturë të lartë në 1,000 °C për 4 orë. Fortësia e veshjes zvogëlohet në temperaturë të lartë, ndërsa veshja HIPIMS-TiAlN mbetet e pandryshuar pas trajtimit termik në të njëjtën temperaturë dhe kohë. Veshje HIPIMS-TiAlN gjithashtu ka një temperaturë fillimi më të lartë të oksidimit në temperaturë të lartë sesa veshja konvencionale. Prandaj, veshja HIPIMS-TiAlN tregon performancë shumë më të mirë në mjetet prerëse me shpejtësi të lartë sesa mjetet e tjera të veshura të përgatitura me procesin PVD.