Nguyên lý số 1 của phương pháp phún xạ xung điện từ công suất cao
Kỹ thuật phún xạ magnetron xung công suất cao sử dụng công suất xung cực đại cao (cao hơn 2-3 bậc so với phún xạ magnetron thông thường) và chu kỳ nhiệm vụ xung thấp (0,5% -10%) để đạt được tỷ lệ phân ly kim loại cao (>50%). được bắt nguồn từ các đặc tính phún xạ của máy phát điện từ, như thể hiện trong Hình 1, trong đó mật độ dòng mục tiêu cực đại I tỷ lệ với công suất thứ n theo cấp số nhân của điện áp phóng điện U, I = kUn (n là hằng số liên quan đến cấu trúc catốt, từ trường và vật chất).Ở mật độ công suất thấp hơn (điện áp thấp), giá trị n thường nằm trong khoảng từ 5 đến 15;với điện áp phóng điện ngày càng 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 khả năng giam giữ từ trường.Nếu ở mật độ công suất thấp, việc xả khí được xác định bởi các ion khí ở chế độ xả xung thông thường;nếu ở mật độ năng lượng cao, tỷ lệ các ion kim loại trong plasma tăng lên và một số vật liệu chuyển đổi, tức là ở chế độ tự phún xạ, tức là. Plasma được duy trì nhờ quá trình ion hóa các hạt trung tính được phún xạ và các ion kim loại thứ cấp, và các nguyên tử khí trơ. chẳng hạn như Ar chỉ được sử dụng để đốt cháy plasma, sau đó các hạt kim loại phún xạ được ion hóa gần mục tiêu và được tăng tốc trở lại để bắn phá mục tiêu phún xạ dưới tác động của từ trường và điện trường để duy trì dòng điện cao, và plasma cao hạt kim loại bị ion hóa.Do quá trình phún xạ của hiệu ứng làm nóng trên mục tiêu, để đảm bảo mục tiêu hoạt động ổn định trong các ứng dụng công nghiệp, mật độ năng lượng áp dụng trực tiếp cho mục tiêu không thể quá lớn, nói chung là làm mát trực tiếp bằng nước và 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 năng lượng chỉ có thể ở 2 ~ 15 W / cm2 dưới đây, thấp hơn nhiều so với yêu cầu của mật độ năng lượng cao.Vấn đề mục tiêu quá nóng có thể được giải quyết bằng cách sử dụng các xung công suất cao rất hẹp.Anders định nghĩa phún xạ magnetron xung công suất cao là một loại phún xạ xung trong đó mật độ công suất cực đại vượt quá mật độ công suất trung bình từ 2 đến 3 bậc độ lớn và quá trình phún xạ ion mục tiêu chiếm ưu thế trong quá trình phún xạ và các nguyên tử phún xạ mục tiêu bị phân ly cao .
Số 2 Các đặc tính của quá trình lắng đọng lớp phủ phún xạ xung magnetron công suất cao
Phương pháp phún xạ magnetron xung công suất cao có thể tạo ra plasma với tốc độ phân ly cao và năng lượng ion cao, đồng thời có thể tạo áp suất phân cực để tăng tốc các ion tích điện, đồng thời 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 của lớp phủ.
Về IPVD, dựa trên mô hình vùng cấu trúc Thorton nổi tiếng, Anders đã đề xuất mô hình vùng cấu trúc bao gồm lắng đọng plasma và ăn mòn 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 trong Hình 2. Trong trường hợp lớp phủ lắng đọng ion năng lượng thấp, cấu trúc lớp phủ phù hợp với mô hình vùng cấu trúc Thorton.Khi tăng nhiệt độ lắng đọng, sự chuyển tiếp từ vùng 1 (tinh thể sợi xốp rời) sang vùng T (tinh thể sợi đặc), vùng 2 (tinh thể cột) và vùng 3 (vùng kết tinh lại);với sự gia tăng năng lượng ion lắng đọng, nhiệt độ chuyển tiếp 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 điều chế ở nhiệt độ thấp.Khi năng lượng của các ion lắng đọng tăng lên khoảng 1-10 eV, sự bắn phá và ăn mòn của các ion trên bề mặt lớp phủ lắng đọng được tăng cường và độ dày của lớp phủ tăng lên.
Số 3 Chuẩn bị lớp phủ cứng bằng công nghệ phún xạ magnetron xung công suất cao
Lớp phủ được chuẩn bị bằng công nghệ phún xạ từ trường xung công suất cao dày đặc hơn, với các tính chất cơ học tốt hơn và độ ổn định nhiệt độ cao.Như được hiển thị trong Hình 3, lớp phủ TiAlN phún xạ từ thông thường là một cấu trúc tinh thể cột có độ cứng 30 GPa và mô đun Young là 460 GPa;lớp phủ HIPIMS-TiAlN có độ cứng 34 GPa trong khi mô đun của Young là 377 GPa;tỷ lệ giữa độ cứng và mô đun Young là thước đo độ dẻo dai của lớp phủ.Độ cứng cao hơn và mô đun Young nhỏ hơn có nghĩa là độ dẻo dai tốt hơn.Lớp phủ HIPIMS-TiAlN có độ ổn định ở nhiệt độ cao tốt hơn, với pha lục giác AlN được kết tủa trong lớp phủ TiAlN thông thường sau khi xử lý ủ ở 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 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 quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao cao hơn so với lớp phủ thông thường.Do đó, lớp phủ HIPIMS-TiAlN thể hiện hiệu suất tốt hơn nhiều trong các công cụ cắt tốc độ cao so với các công cụ được phủ khác được chuẩn bị bởi quy trình PVD.
Thời gian đăng: Nov-08-2022