Бр. 1 Принцип импулсног магнетронског распршивања велике снаге
Техника магнетронског распршивања велике снаге користи високу вршну снагу импулса (2-3 реда величине већу од конвенционалног магнетронског распршивања) и низак радни циклус импулса (0,5%-10%) да би се постигле високе стопе дисоцијације метала (>50%), што је изведено из карактеристика магнетронског распршивања, као што је приказано на слици 1, где је вршна густина струје мете I пропорционална експоненцијалном n-том степену напона пражњења U, I = kUn (n је константа повезана са структуром катоде, магнетним пољем и материјалом). При нижим густинама снаге (низак напон) вредност n је обично у опсегу од 5 до 15; са повећањем напона пражњења, густина струје и густина снаге брзо расту, а при високом напону вредност n постаје 1 због губитка ограничења магнетног поља. Ако је при ниским густинама снаге, гасно пражњење одређено јонима гаса, односно у нормалном импулсном режиму пражњења; Ако се при високим густинама снаге удео металних јона у плазми повећава и неки материјали прелазе у режим самораспршивања, тј. плазма се одржава јонизацијом распршених неутралних честица и секундарних металних јона, а атоми инертног гаса као што је Ar користе се само за паљење плазме, након чега се распршене металне честице јонизују близу мете и убрзавају назад да бомбардују распршену мету под дејством магнетних и електричних поља како би се одржало високо струјно пражњење, а плазма је високо јонизована метална честица. Због процеса распршивања који делује на мету, како би се осигурао стабилан рад мете у индустријским применама, густина снаге директно примењена на мету не сме бити превелика, генерално, директно хлађење водом и топлотна проводљивост материјала мете треба да буду у случају директног хлађења водом испод 25 W/cm2, индиректно хлађење водом, топлотна проводљивост материјала мете је лоша, материјал мете је узрокован фрагментацијом услед термичког напрезања или материјал мете садржи компоненте легуре са ниским садржајем испарљивих материја и у другим случајевима густина снаге може бити само 2 ~ 15 W/cm2 испод, што је далеко испод захтева за високу густину снаге. Проблем прегревања мете може се решити коришћењем веома уских импулса велике снаге. Андерс дефинише импулсно магнетронско распршивање велике снаге као врсту импулсног распршивања где вршна густина снаге премашује просечну густину снаге за 2 до 3 реда величине, а распршивање јона мете доминира процесом распршивања, а атоми распршивања мете су високо дисоцирани.
Бр. 2 Карактеристике наношења премаза импулсним магнетронским распршивањем велике снаге
Магнетронски распршивач велике снаге може да произведе плазму са високом брзином дисоцијације и високом енергијом јона, и може да примени преднапонски притисак да би убрзао наелектрисане јоне, а процес наношења премаза је бомбардован честицама високе енергије, што је типична IPVD технологија. Енергија и дистрибуција јона имају веома важан утицај на квалитет и перформансе премаза.
Што се тиче IPVD-а, на основу чувеног Тортоновог модела структурног региона, Андерс је предложио модел структурног региона који укључује плазма таложење и јонско нагризање, проширивши везу између структуре премаза и температуре и притиска ваздуха у Тортоновом моделу структурног региона на везу између структуре премаза, температуре и енергије јона, као што је приказано на слици 2. У случају премаза јонским таложењем ниске енергије, структура премаза се подудара са Тортоновим моделом зоне структуре. Са повећањем температуре таложења, прелази се из региона 1 (лабави порозни кристали влакана) у регион Т (густи кристали влакана), регион 2 (стубасти кристали) и регион 3 (регион рекристализације); са повећањем енергије јона таложења, температура прелаза из региона 1 у регион Т, регион 2 и регион 3 се смањује. Кристали влакана високе густине и стубасти кристали могу се припремити на ниској температури. Када се енергија наталожених јона повећа на ред величине 1-10 eV, бомбардовање и нагризање јона на површини наталоженог премаза се побољшава, а дебљина премаза се повећава.
Бр. 3 Припрема слоја тврдог премаза технологијом магнетронског распршивања великом снагом импулсног магнетронског распршивања
Премаз припремљен технологијом магнетронског распршивања велике снаге је гушћи, са бољим механичким својствима и стабилношћу на високим температурама. Као што је приказано на слици 3, конвенционални магнетронски распршени TiAlN премаз има стубчасту кристалну структуру са тврдоћом од 30 GPa и Јанговим модулом еластичности од 460 GPa; HIPIMS-TiAlN премаз има тврдоћу од 34 GPa, док је Јангов модул еластичности 377 GPa; однос између тврдоће и Јанговог модула еластичности је мера жилавости премаза. Већа тврдоћа и мањи Јангов модул еластичности значе бољу жилавост. HIPIMS-TiAlN премаз има бољу стабилност на високим температурама, са хексагоналном фазом AlN која се исталаже у конвенционалном TiAlN премазу након жарења на високим температурама на 1.000 °C током 4 сата. Тврдоћа премаза се смањује на високим температурама, док HIPIMS-TiAlN премаз остаје непромењен након термичке обраде на истој температури и времену. HIPIMS-TiAlN премаз такође има вишу почетну температуру оксидације на високим температурама него конвенционални премаз. Стога, HIPIMS-TiAlN премаз показује много боље перформансе у алатима за брзо сечење него други алати са премазом припремљени PVD поступком.
Време објаве: 08.11.2022.