Nguyên lý số 1 của phương pháp phún xạ magnetron xung công suất cao
Kỹ thuật phún xạ magnetron xung công suất cao sử dụng công suất xung đỉnh cao (cao hơn 2-3 bậc độ lớn so với phún xạ magnetron thông thường) và chu kỳ xung thấp (0,5%-10%) để đạt được tốc độ phân ly kim loại cao (>50%), có nguồn gốc từ các đặc tính phún xạ magnetron, như thể hiện trong Hình 1, trong đó mật độ dòng điện mục tiêu đỉnh I tỷ lệ thuận với lũy thừa n của điện áp phóng điện U, I = kUn (n là hằng số liên quan đến cấu trúc catốt, từ trường và vật liệu). Ở mật độ công suất thấp hơn (điện áp thấp), giá trị n thường nằm trong khoảng từ 5 đến 15; khi điện áp phóng điện tăng, mật độ dòng điện và mật độ công suất tăng nhanh và ở điện áp cao, giá trị n trở thành 1 do mất giới hạn từ trường. Nếu ở mật độ công suất thấp, quá trình phóng điện khí được xác định bởi các ion khí ở chế độ phóng điện xung bình thường; nếu ở mật độ công suất cao, tỷ lệ ion kim loại trong plasma tăng lên và một số vật liệu chuyển đổi, tức là ở chế độ tự phun, tức là plasma được duy trì bằng cách ion hóa các hạt trung tính bị phun và các ion kim loại thứ cấp, và các nguyên tử khí trơ như Ar chỉ được sử dụng để đốt cháy plasma, sau đó các hạt kim loại bị phun được ion hóa gần mục tiêu và được tăng tốc trở lại để bắn phá mục tiêu bị phun dưới tác động của từ trường và điện trường để duy trì dòng điện phóng điện cao, và plasma là các hạt kim loại bị ion hóa cao. Do quá trình bắn phá của hiệu ứng gia nhiệt lên mục tiêu, để đảm bảo mục tiêu hoạt động ổn định trong các ứng dụng công nghiệp, mật độ công suất áp dụng trực tiếp cho mục tiêu không được quá lớn, nói chung làm mát bằng nước trực tiếp và độ dẫn nhiệt của vật liệu mục tiêu phải trong trường hợp dưới 25 W / cm2, làm mát bằng nước gián tiếp, độ dẫn nhiệt của vật liệu mục tiêu kém, vật liệu mục tiêu bị phân mảnh do ứng suất nhiệt hoặc vật liệu mục tiêu chứa các thành phần hợp kim dễ bay hơi thấp và các trường hợp khác mật độ công suất chỉ có thể ở dưới 2 ~ 15 W / cm2, thấp hơn nhiều so với yêu cầu về mật độ công suất cao. Vấn đề quá nhiệt của mục tiêu có thể được giải quyết bằng cách sử dụng các xung công suất cao rất hẹp. Anders định nghĩa bắn phá magnetron xung công suất cao là một loại bắn phá xung trong đó mật độ công suất cực đại vượt quá mật độ công suất trung bình từ 2 đến 3 cấp độ và bắn phá ion mục tiêu chi phối quá trình bắn phá và các nguyên tử bắn phá mục tiêu bị phân ly cao.
Số 2 Đặc điểm của lớp phủ lắng đọng bằng phương pháp phun magnetron xung công suất cao
Phun xạ magnetron xung công suất cao có thể tạo ra plasma với tốc độ phân ly cao và năng lượng ion cao, có thể áp dụng áp suất phân cực để tăng tốc các ion tích điện, và quá trình lắng đọng lớp phủ bị bắn phá bởi các hạt năng lượng cao, đây là công nghệ IPVD điển hình. Năng lượng và sự phân bố ion có tác động rất quan trọng đến chất lượng và hiệu suất lớp phủ.
Về IPVD, dựa trên mô hình vùng cấu trúc Thorton nổi tiếng, Anders đã đề xuất một mô hình vùng cấu trúc bao gồm lắng đọng plasma và khắc ion, mở rộng mối quan hệ giữa cấu trúc lớp phủ với nhiệt độ và áp suất không khí trong mô hình vùng cấu trúc Thorton thành mối quan hệ giữa cấu trúc lớp phủ, nhiệt độ và năng lượng ion, như thể hiện trong Hình 2. Trong trường hợp lớp phủ lắng đọng ion năng lượng thấp, cấu trúc lớp phủ tuân theo mô hình vùng cấu trúc Thorton. Khi nhiệt độ lắng đọng tăng, sự chuyển đổi từ vùng 1 (tinh thể sợi xốp lỏng lẻo) sang vùng T (tinh thể sợi dày đặc), vùng 2 (tinh thể cột) và vùng 3 (vùng kết tinh lại); khi năng lượng ion lắng đọng tăng, nhiệt độ chuyển đổi từ vùng 1 sang vùng T, vùng 2 và vùng 3 giảm. Các tinh thể sợi mật độ cao và tinh thể cột có thể được chế tạo ở nhiệt độ thấp. Khi năng lượng của các ion lắng đọng tăng lên đến bậc 1-10 eV, sự bắn phá và khắc của các ion trên bề mặt lớp phủ lắng đọng được tăng cường và độ dày của lớp phủ được tăng lên.
Số 3 Chuẩn bị lớp phủ cứng bằng công nghệ phún xạ magnetron xung công suất cao
Lớp phủ được chế tạo bằng công nghệ phun magnetron xung công suất cao có mật độ dày hơn, với các tính chất cơ học tốt hơn và độ ổn định nhiệt độ cao. Như thể hiện trong Hình 3, lớp phủ TiAlN phun magnetron thông thường là cấu trúc tinh thể dạng cột với độ cứng là 30 GPa và mô đun Young là 460 GPa; lớp phủ HIPIMS-TiAlN có độ cứng là 34 GPa trong khi mô đun Young là 377 GPa; tỷ lệ giữa độ cứng và mô đun Young là thước đo độ dai của lớp phủ. Độ cứng cao hơn và mô đun Young nhỏ hơn có nghĩa là độ dai tốt hơn. Lớp phủ HIPIMS-TiAlN có độ ổn định nhiệt độ cao tốt hơn, với pha lục giác AlN kết tủa trong lớp phủ TiAlN thông thường sau khi xử lý ủ nhiệt độ cao ở 1.000 °C trong 4 giờ. Độ cứng của lớp phủ giảm ở nhiệt độ cao, trong khi lớp phủ HIPIMS-TiAlN vẫn không thay đổi sau khi xử lý nhiệt ở cùng nhiệt độ và thời gian. Lớp phủ HIPIMS-TiAlN cũng có nhiệt độ bắt đầu oxy hóa ở nhiệt độ cao cao hơn lớp phủ thông thường. Do đó, lớp phủ HIPIMS-TiAlN cho thấy hiệu suất tốt hơn nhiều trong các công cụ cắt tốc độ cao so với các công cụ phủ khác được chế tạo bằng quy trình PVD.
Thời gian đăng: 08-11-2022