Einführung in die HiPIMS-Technologie

Nr. 1 Prinzip des gepulsten Hochleistungsmagnetronsputterns
Die Technik des gepulsten Magnetron-Sputterns mit hoher Leistung nutzt eine hohe Spitzenimpulsleistung (2–3 Größenordnungen höher als beim herkömmlichen Magnetron-Sputtern) und ein niedriges Puls-Tastverhältnis (0,5–10 %), um hohe Metalldissoziationsraten (>50 %) zu erreichen wird aus den Magnetron-Sputtereigenschaften abgeleitet, wie in Bild 1 dargestellt, wobei die maximale Targetstromdichte I proportional zur exponentiellen n-ten Potenz der Entladungsspannung U ist, I = kUn (n ist eine Konstante, die sich auf die Kathodenstruktur und das Magnetfeld bezieht und Material).Bei geringeren Leistungsdichten (Niederspannung) liegt der n-Wert üblicherweise im Bereich von 5 bis 15;Mit zunehmender Entladungsspannung nehmen die Stromdichte und die Leistungsdichte schnell zu, und bei hoher Spannung wird der n-Wert aufgrund des Verlusts des Magnetfeldeinschlusses zu 1.Bei niedrigen Leistungsdichten wird die Gasentladung durch Gasionen bestimmt, die sich im normalen gepulsten Entladungsmodus befindet;Wenn bei hohen Leistungsdichten der Anteil der Metallionen im Plasma zunimmt und einige Materialien umschalten, dann im Selbstsputtern-Modus, d B. Ar, werden nur zum Zünden des Plasmas verwendet. Anschließend werden die gesputterten Metallpartikel in der Nähe des Targets ionisiert und zurückbeschleunigt, um das gesputterte Target unter der Wirkung magnetischer und elektrischer Felder zu bombardieren, um die Hochstromentladung aufrechtzuerhalten, und das Plasma ist hoch ionisierte Metallpartikel.Aufgrund des Sputterprozesses kann die Erwärmung des Targets auf das Target ausgeübt werden. Um einen stabilen Betrieb des Targets in industriellen Anwendungen sicherzustellen, darf die direkt auf das Target angewendete Leistungsdichte nicht zu groß sein. Im Allgemeinen erfolgt die direkte Wasserkühlung und die Wärmeleitfähigkeit des Targetmaterials Im Fall von 25 W/cm2 sollte die indirekte Wasserkühlung unterschritten werden, die Wärmeleitfähigkeit des Zielmaterials ist schlecht, das Zielmaterial wird durch Fragmentierung aufgrund von thermischer Belastung verursacht oder das Zielmaterial enthält schwach flüchtige Legierungsbestandteile und in anderen Fällen kann die Leistungsdichte nur in sein 2 ~ 15 W/cm2 darunter, weit unter den Anforderungen einer hohen Leistungsdichte.Das Problem der Zielüberhitzung kann durch die Verwendung sehr schmaler Hochleistungsimpulse gelöst werden.Anders definiert gepulstes Hochleistungs-Magnetronsputtern als eine Art gepulstes Sputtern, bei dem die Spitzenleistungsdichte die durchschnittliche Leistungsdichte um zwei bis drei Größenordnungen übersteigt, das Target-Ionensputtern den Sputterprozess dominiert und die Target-Sputteratome stark dissoziiert sind .

Nr. 2 Die Eigenschaften der Beschichtungsabscheidung durch gepulstes Hochleistungsmagnetron-Sputtern

Durch gepulstes Hochleistungsmagnetronsputtern kann Plasma mit hoher Dissoziationsrate und hoher Ionenenergie erzeugt werden. Außerdem kann ein Vordruck zur Beschleunigung der geladenen Ionen angewendet werden. Der Beschichtungsabscheidungsprozess wird mit hochenergetischen Partikeln bombardiert, was eine typische IPVD-Technologie darstellt.Die Ionenenergie und -verteilung haben einen sehr wichtigen Einfluss auf die Qualität und Leistung der Beschichtung.
Über IPVD, basierend auf dem berühmten Thorton-Strukturregionsmodell, schlug Anders ein Strukturregionsmodell vor, das Plasmaabscheidung und Ionenätzen umfasst, und erweiterte die Beziehung zwischen Beschichtungsstruktur und Temperatur und Luftdruck im Thorton-Strukturregionsmodell auf die Beziehung zwischen Beschichtungsstruktur, Temperatur und Ionenenergie, wie in Bild 2 dargestellt. Im Fall einer Niederenergie-Ionenabscheidungsbeschichtung entspricht die Beschichtungsstruktur dem Strukturzonenmodell von Thorton.Mit zunehmender Abscheidungstemperatur erfolgt der Übergang von Bereich 1 (lose poröse Faserkristalle) zu Bereich T (dichte Faserkristalle), Bereich 2 (säulenförmige Kristalle) und Bereich 3 (Rekristallisationsbereich);Mit zunehmender Ablagerungsionenenergie nimmt die Übergangstemperatur von Region 1 zu Region T, Region 2 und Region 3 ab.Die hochdichten Faserkristalle und Säulenkristalle können bei niedriger Temperatur hergestellt werden.Wenn die Energie der abgeschiedenen Ionen auf die Größenordnung von 1–10 eV ansteigt, wird der Beschuss und das Ätzen der Ionen auf der Oberfläche der abgeschiedenen Beschichtungen verstärkt und die Dicke der Beschichtungen erhöht.

Nr. 3 Vorbereitung der harten Beschichtungsschicht durch Hochleistungs-Pulsmagnetron-Sputtering-Technologie
Die durch Hochleistungs-Pulsmagnetron-Sputtertechnologie hergestellte Beschichtung ist dichter, weist bessere mechanische Eigenschaften und eine hohe Temperaturstabilität auf.Wie in Bild 3 gezeigt, ist die herkömmliche magnetrongesputterte TiAlN-Beschichtung eine säulenförmige Kristallstruktur mit einer Härte von 30 GPa und einem Elastizitätsmodul von 460 GPa;die HIPIMS-TiAlN-Beschichtung hat eine Härte von 34 GPa, während der Elastizitätsmodul 377 GPa beträgt;Das Verhältnis zwischen Härte und Elastizitätsmodul ist ein Maß für die Zähigkeit der Beschichtung.Höhere Härte und kleinerer Elastizitätsmodul bedeuten eine bessere Zähigkeit.Die HIPIMS-TiAlN-Beschichtung weist eine bessere Hochtemperaturstabilität auf, wobei die hexagonale AlN-Phase in der herkömmlichen TiAlN-Beschichtung nach einer 4-stündigen Hochtemperatur-Glühbehandlung bei 1.000 °C ausgeschieden wird.Die Härte der Beschichtung nimmt bei hoher Temperatur ab, während die HIPIMS-TiAlN-Beschichtung nach einer Wärmebehandlung bei gleicher Temperatur und Zeit unverändert bleibt.Bei der HIPIMS-TiAlN-Beschichtung setzt die Oxidation bei hoher Temperatur auch höher ein als bei herkömmlichen Beschichtungen.Daher zeigt die HIPIMS-TiAlN-Beschichtung bei Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeugen eine viel bessere Leistung als andere beschichtete Werkzeuge, die im PVD-Verfahren hergestellt werden.