Nguyên lý số 1 của phương pháp lắng đọng phún xạ magnetron xung công suất cao
Kỹ thuật lắng đọng phún xạ magnetron xung công suất cao sử dụng công suất xung đỉnh cao (cao hơn 2-3 bậc so với lắng đọng phún xạ magnetron thông thường) và chu kỳ xung thấp (0,5%-10%) để đạt được tỷ lệ phân ly kim loại cao (>50%), xuất phát từ đặc tính phún xạ magnetron, như thể hiện trong Hình 1, trong đó mật độ dòng điện đỉnh mục tiêu I tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc 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 khả năng giam giữ từ trường. Nếu ở mật độ công suất thấp, sự phóng điện khí được xác định bởi các ion khí trong 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 bắn phá, nghĩa là plasma được duy trì bằng cách ion hóa các hạt trung tính bị bắn phá và các ion kim loại thứ cấp, và các nguyên tử khí trơ như Ar chỉ được sử dụng để kích hoạt plasma, sau đó các hạt kim loại bị bắn phá sẽ bị ion hóa gần mục tiêu và được gia tốc trở lại để bắn phá mục tiêu bị bắn phá dưới tác dụng của từ trường và điện trường để duy trì sự phóng điện dòng điện cao, và plasma chứa các hạt kim loại bị ion hóa cao. Do quá trình bắn phá tạo ra hiệu ứng nhiệt trên bia, để đảm bảo hoạt động ổn định của bia trong các ứng dụng công nghiệp, mật độ công suất trực tiếp tác dụng lên bia không được quá lớn. Thông thường, đối với làm mát bằng nước trực tiếp và độ dẫn nhiệt của vật liệu bia, mật độ công suất nên ở mức dưới 25 W/cm2. Đối với làm mát bằng nước gián tiếp, nếu độ dẫn nhiệt của vật liệu bia kém, vật liệu bia bị phân mảnh do ứng suất nhiệt hoặc chứa các thành phần hợp kim có độ bay hơi thấp, thì mật độ công suất chỉ có thể ở mức dưới 2 ~ 15 W/cm2, thấp hơn nhiều so với yêu cầu về mật độ công suất cao. Vấn đề quá nhiệt bia 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 đỉnh vượt quá mật độ công suất trung bình từ 2 đến 3 bậc độ lớn, và sự bắn phá ion bia chiếm ưu thế trong quá trình bắn phá, đồng thời các nguyên tử bắn phá bia bị phân ly mạnh.
Số 2. Đặc điểm của quá trình lắng đọng lớp phủ bằng phương pháp phún xạ magnetron xung công suất cao.
Phương pháp lắng đọng 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 áp dụng áp suất phân cực để tăng tốc các ion mang điện, và quá trình lắng đọng lớp phủ được thực hiện bằng cách bắn phá bởi các hạt năng lượng cao, đây là một 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 một mô hình vùng cấu trúc bao gồm lắng đọng plasma và khắc ion, mở rộng mối quan hệ giữa cấu trúc lớp phủ và nhiệt độ cũng như 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 phù hợp với mô hình vùng cấu trúc Thorton. Khi nhiệt độ lắng đọng tăng lên, quá trình chuyển đổi từ vùng 1 (tinh thể sợi xốp lỏng lẻo) sang vùng T (tinh thể sợi đặc), vùng 2 (tinh thể cột) và vùng 3 (vùng tái kết tinh) diễn ra; khi năng lượng ion lắng đọng tăng lên, nhiệt độ chuyển đổi từ vùng 1 sang vùng T, vùng 2 và vùng 3 giảm xuống. Có thể tạo ra các tinh thể sợi và tinh thể cột mật độ cao ở nhiệt độ thấp. Khi năng lượng của các ion lắng đọng tăng lên đến bậc 1-10 eV, sự bắn phá và khắc 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 lắng đọng phún xạ magnetron xung công suất cao.
Lớp phủ được chế tạo bằng công nghệ lắng đọng phún xạ từ tính xung công suất cao có mật độ cao hơn, với các đặc tính cơ học tốt hơn và độ ổn định ở nhiệt độ cao. Như thể hiện trong Hình 3, lớp phủ TiAlN được lắng đọng phún xạ từ tính thông thường có cấu trúc tinh thể dạng cột với độ cứng 30 GPa và mô đun Young là 460 GPa; lớp phủ HIPIMS-TiAlN có độ cứng 34 GPa trong khi mô đun Young là 377 GPa; tỷ lệ giữa độ cứng và mô đun Young là thước đo độ dẻo dai của lớp phủ. Độ cứng càng cao và mô đun Young càng nhỏ thì độ dẻo dai càng tốt. Lớp phủ HIPIMS-TiAlN có độ ổn định ở nhiệt độ cao tốt hơn, với pha lục giác AlN kết tủa trong lớp phủ TiAlN thông thường sau khi xử lý ủ ở nhiệt độ cao 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 quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao cao hơn so với các lớp phủ thông thường. Do đó, lớp phủ HIPIMS-TiAlN thể hiện hiệu suất tốt hơn nhiều trong các dụng cụ cắt tốc độ cao so với các dụng cụ được phủ khác được chế tạo bằng quy trình PVD.
Thời gian đăng bài: 08/11/2022