Nr 1 Princip för högeffektspulsad magnetronsputtring
Tekniken med hög effektpulserad magnetronsputtring använder hög topppulseffekt (2–3 storleksordningar högre än konventionell magnetronsputtring) och låg pulsdriftscykel (0,5–10 %) för att uppnå höga metalldissociationshastigheter (>50 %), vilket härleds från magnetronsputtringsegenskaper, såsom visas i bild 1, där toppströmtätheten I är proportionell mot den exponentiella n:te potensen av urladdningsspänningen U, I = kUn (n är en konstant relaterad till katodstruktur, magnetfält och material). Vid lägre effekttätheter (låg spänning) ligger n-värdet vanligtvis i intervallet 5 till 15; med ökande urladdningsspänning ökar strömtätheten och effekttätheten snabbt, och vid hög spänning blir n-värdet 1 på grund av förlusten av magnetfältsinneslutning. Vid låga effekttätheter bestäms gasurladdningen av gasjoner som är i normalt pulserat urladdningsläge; Om andelen metalljoner i plasmat ökar vid höga effekttätheter och vissa material växlar, det vill säga i självsputtringsläge, dvs. plasmat upprätthålls genom jonisering av sputtrade neutrala partiklar och sekundära metalljoner, och inerta gasatomer som Ar används endast för att antända plasmat, varefter de sputtrade metallpartiklarna joniseras nära målet och accelereras tillbaka för att bombardera det sputtrade målet under inverkan av magnetiska och elektriska fält för att upprätthålla den höga strömurladdningen, och plasmat är högt joniserade metallpartiklar. På grund av sputteringprocessens uppvärmningseffekt på målet, för att säkerställa målets stabila drift i industriella tillämpningar, bör effekttätheten som appliceras direkt på målet inte vara för stor. Generellt bör direkt vattenkylning och målmaterialets värmeledningsförmåga vara 25 W/cm2 lägre, medan indirekt vattenkylning, målmaterialets värmeledningsförmåga är dålig, målmaterialet orsakas av fragmentering på grund av termisk stress eller målmaterialet innehåller lågflyktiga legeringskomponenter och i andra fall kan effekttätheten endast vara 2 ~ 15 W/cm2 lägre, vilket är långt under kraven för hög effekttäthet. Problemet med överhettning av målet kan lösas genom att använda mycket smala högeffektspulser. Anders definierar högeffektspulsad magnetronsputtring som en typ av pulsad sputtering där toppeffekttätheten överstiger den genomsnittliga effekttätheten med 2 till 3 storleksordningar, och måljonsputtringen dominerar sputteringsprocessen, och målsputtringsatomerna är starkt dissocierade.
Nr 2 Egenskaperna hos högeffektspulsad magnetronsputtringsbeläggningsavsättning
Högeffektspulserad magnetronsputtring kan producera plasma med hög dissociationshastighet och hög jonenergi, och kan applicera förspänningstryck för att accelerera de laddade jonerna, och beläggningsprocessen bombarderas av högenergipartiklar, vilket är en typisk IPVD-teknik. Jonenergin och fördelningen har en mycket viktig inverkan på beläggningens kvalitet och prestanda.
Angående IPVD, baserat på den berömda Thorton-strukturregionmodellen, föreslog Anders en strukturregionmodell som inkluderar plasmadeponering och jonkstning, och utvidgade sambandet mellan beläggningsstruktur och temperatur och lufttryck i Thorton-strukturregionmodellen till sambandet mellan beläggningsstruktur, temperatur och jonenergi, såsom visas i bild 2. Vid lågenergijondeponeringsbeläggning överensstämmer beläggningsstrukturen med Thorton-strukturzonmodellen. Med ökande deponeringstemperatur sker övergången från region 1 (lösa porösa fiberkristaller) till region T (täta fiberkristaller), region 2 (kolumnära kristaller) och region 3 (omkristalliseringsregion); med ökande jonenergi minskar övergångstemperaturen från region 1 till region T, region 2 och region 3. Högdensitetsfiberkristaller och kolumnära kristaller kan framställas vid låg temperatur. När energin hos deponerade joner ökar till storleksordningen 1-10 eV, ökar bombardemanget och etsningen av joner på den deponerade beläggningsytan och beläggningarnas tjocklek ökar.
Nr 3 Framställning av hårt beläggningsskikt med högeffektspulsad magnetronsputtringsteknik
Beläggningen som framställts med högeffektspulsad magnetronsputtringsteknik är tätare, med bättre mekaniska egenskaper och hög temperaturstabilitet. Som visas i bild 3 har den konventionella magnetronsputtrade TiAlN-beläggningen en kolumnär kristallstruktur med en hårdhet på 30 GPa och en Youngs modul på 460 GPa; HIPIMS-TiAlN-beläggningen har en hårdhet på 34 GPa medan Youngs modul är 377 GPa; förhållandet mellan hårdhet och Youngs modul är ett mått på beläggningens seghet. Högre hårdhet och mindre Youngs modul innebär bättre seghet. HIPIMS-TiAlN-beläggningen har bättre högtemperaturstabilitet, där AlN-hexagonal fas utfälls i den konventionella TiAlN-beläggningen efter högtemperaturglödgningsbehandling vid 1 000 °C i 4 timmar. Beläggningens hårdhet minskar vid hög temperatur, medan HIPIMS-TiAlN-beläggningen förblir oförändrad efter värmebehandling vid samma temperatur och tid. HIPIMS-TiAlN-beläggningen har också en högre ingångstemperatur för högtemperaturoxidation än konventionell beläggning. Därför uppvisar HIPIMS-TiAlN-beläggningen mycket bättre prestanda i höghastighetsskärverktyg än andra belagda verktyg som framställts med PVD-processen.
Publiceringstid: 8 november 2022