บทนำเกี่ยวกับเทคโนโลยี HiPIMS

หลักการข้อที่ 1 ของการสปัตเตอร์ด้วยแมกเนตรอนแบบพัลส์กำลังสูง
เทคนิคการสปัตเตอร์แบบแมกเนตรอนแบบพัลส์กำลังสูง ใช้กำลังพัลส์สูงสุดสูง (สูงกว่าการสปัตเตอร์แบบแมกเนตรอนทั่วไป 2-3 เท่า) และรอบการทำงานของพัลส์ต่ำ (0.5%-10%) เพื่อให้ได้อัตราการแยกตัวของโลหะสูง (>50%) ซึ่งได้มาจากลักษณะเฉพาะของการสปัตเตอร์แบบแมกเนตรอน ดังแสดงในภาพที่ 1 โดยที่ความหนาแน่นกระแสเป้าหมายสูงสุด I เป็นสัดส่วนกับกำลังยกกำลัง n ของแรงดันไฟฟ้าในการปล่อยประจุ U, I = kUn (n เป็นค่าคงที่ที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างแคโทด สนามแม่เหล็ก และวัสดุ) ที่ความหนาแน่นกำลังต่ำ (แรงดันต่ำ) ค่า n มักจะอยู่ในช่วง 5 ถึง 15; เมื่อแรงดันไฟฟ้าในการปล่อยประจุเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นกระแสและความหนาแน่นกำลังจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และที่แรงดันสูง ค่า n จะกลายเป็น 1 เนื่องจากการสูญเสียการกักเก็บสนามแม่เหล็ก หากที่ความหนาแน่นกำลังต่ำ การปล่อยประจุของก๊าซจะถูกกำหนดโดยไอออนของก๊าซซึ่งอยู่ในโหมดการปล่อยประจุแบบพัลส์ปกติ หากที่ความหนาแน่นพลังงานสูง สัดส่วนของไอออนโลหะในพลาสมาจะเพิ่มขึ้น และวัสดุบางชนิดจะเปลี่ยนสถานะ กล่าวคือ อยู่ในโหมดการสปัตเตอร์ตัวเอง พลาสมาจะคงอยู่ได้ด้วยการแตกตัวเป็นไอออนของอนุภาคที่เป็นกลางที่ถูกสปัตเตอร์และไอออนโลหะรอง โดยใช้อะตอมของก๊าซเฉื่อย เช่น อาร์กอน เพื่อจุดพลาสมาเท่านั้น หลังจากนั้นอนุภาคโลหะที่ถูกสปัตเตอร์จะแตกตัวเป็นไอออนใกล้กับเป้าหมายและถูกเร่งกลับไปชนเป้าหมายที่ถูกสปัตเตอร์ภายใต้การทำงานของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าเพื่อรักษากระแสไฟฟ้าสูง และพลาสมาจะมีอนุภาคโลหะที่แตกตัวเป็นไอออนสูง เนื่องจากกระบวนการสปัตเตอริงทำให้เกิดความร้อนบนเป้าหมาย เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เสถียรของเป้าหมายในการใช้งานทางอุตสาหกรรม ความหนาแน่นของพลังงานที่ส่งตรงไปยังเป้าหมายจึงไม่ควรสูงเกินไป โดยทั่วไปแล้ว การระบายความร้อนด้วยน้ำโดยตรงและค่าการนำความร้อนของวัสดุเป้าหมายควรต่ำกว่า 25 W/cm² ส่วนการระบายความร้อนด้วยน้ำโดยอ้อม หากค่าการนำความร้อนของวัสดุเป้าหมายต่ำ วัสดุเป้าหมายเกิดการแตกตัวเนื่องจากความเครียดจากความร้อน หรือวัสดุเป้าหมายมีส่วนประกอบของโลหะผสมที่มีความผันผวนต่ำ และกรณีอื่นๆ ความหนาแน่นของพลังงานจะต่ำกว่า 2-15 W/cm² ซึ่งต่ำกว่าข้อกำหนดของความหนาแน่นของพลังงานสูง ปัญหาเรื่องเป้าหมายร้อนเกินไปสามารถแก้ไขได้โดยการใช้พัลส์พลังงานสูงที่มีช่วงแคบมาก Anders นิยามการสปัตเตอริงแบบแมกเนตรอนแบบพัลส์พลังงานสูงว่าเป็นการสปัตเตอริงแบบพัลส์ชนิดหนึ่งที่ความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดสูงกว่าความหนาแน่นของพลังงานเฉลี่ย 2-3 เท่า และการสปัตเตอริงของไอออนเป้าหมายเป็นกระบวนการสปัตเตอริงหลัก และอะตอมที่สปัตเตอริงออกจากเป้าหมายจะแตกตัวอย่างมาก

ข้อ 2 ลักษณะเฉพาะของการเคลือบผิวด้วยการสปัตเตอร์แมกเนตรอนแบบพัลส์กำลังสูง

การสปัตเตอร์ด้วยแมกเนตรอนแบบพัลส์กำลังสูงสามารถสร้างพลาสมาที่มีอัตราการแตกตัวสูงและพลังงานไอออนสูง และสามารถใช้แรงดันไบแอสเพื่อเร่งไอออนที่มีประจุได้ โดยกระบวนการเคลือบผิวจะถูกกระแทกด้วยอนุภาคพลังงานสูง ซึ่งเป็นเทคโนโลยี IPVD ทั่วไป พลังงานและการกระจายตัวของไอออนมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณภาพและประสิทธิภาพของสารเคลือบผิว
เกี่ยวกับ IPVD นั้น แอนเดอร์สได้เสนอแบบจำลองโครงสร้างบริเวณ (structural region model) ที่รวมการตกตะกอนด้วยพลาสมาและการกัดด้วยไอออน โดยขยายความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างการเคลือบกับอุณหภูมิและความดันอากาศในแบบจำลองโครงสร้างบริเวณของธอร์นตัน ไปสู่ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างการเคลือบ อุณหภูมิ และพลังงานไอออน ดังแสดงในภาพที่ 2 ในกรณีของการเคลือบด้วยการตกตะกอนด้วยไอออนพลังงานต่ำ โครงสร้างการเคลือบจะสอดคล้องกับแบบจำลองโครงสร้างบริเวณของธอร์นตัน เมื่ออุณหภูมิการตกตะกอนเพิ่มขึ้น จะมีการเปลี่ยนจากบริเวณที่ 1 (ผลึกเส้นใยพรุนหลวม) ไปยังบริเวณ T (ผลึกเส้นใยหนาแน่น) บริเวณที่ 2 (ผลึกทรงกระบอก) และบริเวณที่ 3 (บริเวณการตกผลึกใหม่) และเมื่อพลังงานไอออนในการตกตะกอนเพิ่มขึ้น อุณหภูมิการเปลี่ยนจากบริเวณที่ 1 ไปยังบริเวณ T บริเวณที่ 2 และบริเวณที่ 3 จะลดลง สามารถเตรียมผลึกเส้นใยความหนาแน่นสูงและผลึกทรงกระบอกได้ที่อุณหภูมิต่ำ เมื่อพลังงานของไอออนที่ตกกระทบเพิ่มขึ้นถึงระดับ 1-10 eV การชนและการกัดเซาะของไอออนบนพื้นผิวของสารเคลือบจะเพิ่มขึ้น และความหนาของสารเคลือบก็จะเพิ่มขึ้นด้วย

หมายเลข 3 การเตรียมชั้นเคลือบแข็งด้วยเทคโนโลยีการสปัตเตอร์แมกเนตรอนแบบพัลส์กำลังสูง
สารเคลือบที่เตรียมโดยเทคโนโลยีการสปัตเตอร์แบบแมกเนตรอนพัลส์กำลังสูงมีความหนาแน่นกว่า มีคุณสมบัติทางกลที่ดีกว่า และมีความเสถียรที่อุณหภูมิสูง ดังแสดงในภาพที่ 3 สารเคลือบ TiAlN ที่ได้จากการสปัตเตอร์แบบแมกเนตรอนทั่วไปมีโครงสร้างผลึกแบบคอลัมน์ มีความแข็ง 30 GPa และโมดูลัสของยัง 460 GPa ในขณะที่สารเคลือบ HIPIMS-TiAlN มีความแข็ง 34 GPa และโมดูลัสของยัง 377 GPa อัตราส่วนระหว่างความแข็งและโมดูลัสของยังเป็นตัววัดความเหนียวของสารเคลือบ ความแข็งที่สูงขึ้นและโมดูลัสของยังที่น้อยลงหมายถึงความเหนียวที่ดีขึ้น สารเคลือบ HIPIMS-TiAlN มีความเสถียรที่อุณหภูมิสูงได้ดีกว่า โดยมีเฟส AlN แบบหกเหลี่ยมตกตะกอนในสารเคลือบ TiAlN ทั่วไปหลังจากอบชุบด้วยความร้อนที่ 1,000 °C เป็นเวลา 4 ชั่วโมง ความแข็งของสารเคลือบจะลดลงที่อุณหภูมิสูง ในขณะที่สารเคลือบ HIPIMS-TiAlN ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิและเวลาเดียวกัน นอกจากนี้ สารเคลือบ HIPIMS-TiAlN ยังมีอุณหภูมิเริ่มต้นของการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงสูงกว่าสารเคลือบแบบดั้งเดิม ดังนั้น สารเคลือบ HIPIMS-TiAlN จึงแสดงประสิทธิภาพที่ดีกว่ามากในเครื่องมือตัดความเร็วสูง เมื่อเทียบกับเครื่องมือเคลือบอื่นๆ ที่เตรียมโดยกระบวนการ PVD