Introduzione alla tecnologia HiPIMS

No.1 Principio dello sputtering del magnetron pulsato ad alta potenza
La tecnica di sputtering del magnetron pulsato ad alta potenza utilizza un'elevata potenza dell'impulso di picco (2-3 ordini di grandezza superiore rispetto allo sputtering del magnetron convenzionale) e un ciclo di lavoro dell'impulso basso (0,5% -10%) per ottenere tassi di dissociazione del metallo elevati (> 50%), che è derivato dalle caratteristiche di magnetron sputtering, come mostrato in Fig 1, dove la densità di corrente target di picco I è proporzionale all'n-esima potenza esponenziale della tensione di scarica U, I = kUn (n è una costante correlata alla struttura del catodo, campo magnetico e materiale).A densità di potenza inferiori (bassa tensione) il valore n è generalmente compreso tra 5 e 15;con l'aumento della tensione di scarica, la densità di corrente e la densità di potenza aumentano rapidamente e ad alta tensione il valore n diventa 1 a causa della perdita del confinamento del campo magnetico.Se a basse densità di potenza, la scarica di gas è determinata da ioni di gas che si trova nella normale modalità di scarica pulsata;se ad alte densità di potenza, la proporzione di ioni metallici nel plasma aumenta e alcuni materiali cambiano, cioè nella modalità auto-sputtering, cioè il plasma è mantenuto dalla ionizzazione di particelle neutre polverizzate e ioni metallici secondari e atomi di gas inerte come Ar vengono utilizzati solo per accendere il plasma, dopodiché le particelle metalliche spruzzate vengono ionizzate vicino al bersaglio e accelerate indietro per bombardare il bersaglio spruzzato sotto l'azione di campi magnetici ed elettrici per mantenere l'elevata scarica di corrente, e il plasma è altamente particelle metalliche ionizzate.A causa del processo di sputtering dell'effetto di riscaldamento sul bersaglio, al fine di garantire il funzionamento stabile del bersaglio nelle applicazioni industriali, la densità di potenza applicata direttamente al bersaglio non può essere troppo grande, generalmente raffreddamento ad acqua diretto e conducibilità termica del materiale bersaglio dovrebbe essere nel caso di 25 W / cm2 al di sotto, raffreddamento ad acqua indiretto, la conducibilità termica del materiale target è scarsa, il materiale target causato dalla frammentazione dovuta allo stress termico o il materiale target contiene componenti di lega a bassa volatilità e altri casi di densità di potenza possono essere solo in 2 ~ 15 W / cm2 sotto, molto al di sotto dei requisiti di alta densità di potenza.Il problema del surriscaldamento del bersaglio può essere risolto utilizzando impulsi ad alta potenza molto stretti.Anders definisce lo sputtering di magnetron pulsato ad alta potenza come una sorta di sputtering pulsato in cui la densità di potenza di picco supera la densità di potenza media di 2 o 3 ordini di grandezza e lo sputtering di ioni target domina il processo di sputtering e gli atomi di sputtering target sono altamente dissociati .

No.2 Le caratteristiche della deposizione del rivestimento sputtering magnetron pulsato ad alta potenza

Lo sputtering di magnetron pulsato ad alta potenza può produrre plasma con un alto tasso di dissociazione e un'elevata energia ionica e può applicare una pressione di polarizzazione per accelerare gli ioni caricati e il processo di deposizione del rivestimento è bombardato da particelle ad alta energia, che è una tipica tecnologia IPVD.L'energia e la distribuzione degli ioni hanno un impatto molto importante sulla qualità e sulle prestazioni del rivestimento.
A proposito di IPVD, basato sul famoso modello di regione strutturale di Thorton, Anders ha proposto un modello di regione strutturale che include deposizione di plasma e attacco ionico, ha esteso la relazione tra struttura del rivestimento e temperatura e pressione dell'aria nel modello di regione strutturale di Thorton alla relazione tra struttura di rivestimento, temperatura ed energia ionica, come mostrato nella figura 2. Nel caso di rivestimento a deposizione di ioni a bassa energia, la struttura del rivestimento è conforme al modello di zona della struttura di Thorton.Con l'aumento della temperatura di deposizione, la transizione dalla regione 1 (cristalli di fibre porose sciolte) alla regione T (cristalli di fibre dense), regione 2 (cristalli colonnari) e regione 3 (regione di ricristallizzazione);con l'aumentare dell'energia ionica di deposizione, la temperatura di transizione dalla regione 1 alla regione T, regione 2 e regione 3 diminuisce.I cristalli di fibre ad alta densità e i cristalli colonnari possono essere preparati a bassa temperatura.Quando l'energia degli ioni depositati aumenta fino all'ordine di 1-10 eV, il bombardamento e l'attacco degli ioni sulla superficie dei rivestimenti depositati aumenta e lo spessore dei rivestimenti aumenta.

N. 3 Preparazione dello strato di rivestimento duro mediante tecnologia di sputtering a magnetron pulsato ad alta potenza
Il rivestimento preparato con la tecnologia di sputtering del magnetron pulsato ad alta potenza è più denso, con migliori proprietà meccaniche e stabilità alle alte temperature.Come mostrato nella figura 3, il rivestimento TiAlN spruzzato con magnetron convenzionale è una struttura cristallina colonnare con una durezza di 30 GPa e un modulo di Young di 460 GPa;il rivestimento HIPIMS-TiAlN ha una durezza di 34 GPa mentre il modulo di Young è di 377 GPa;il rapporto tra durezza e modulo di Young è una misura della tenacità del rivestimento.Una maggiore durezza e un modulo di Young più piccolo significano una migliore tenacità.Il rivestimento HIPIMS-TiAlN ha una migliore stabilità alle alte temperature, con la fase esagonale AlN precipitata nel rivestimento TiAlN convenzionale dopo il trattamento di ricottura ad alta temperatura a 1.000 °C per 4 ore.La durezza del rivestimento diminuisce ad alta temperatura, mentre il rivestimento HIPIMS-TiAlN rimane invariato dopo il trattamento termico alla stessa temperatura e tempo.Il rivestimento HIPIMS-TiAlN ha anche una temperatura di inizio dell'ossidazione ad alta temperatura più elevata rispetto al rivestimento convenzionale.Pertanto, il rivestimento HIPIMS-TiAlN mostra prestazioni molto migliori negli utensili da taglio ad alta velocità rispetto ad altri utensili rivestiti preparati mediante processo PVD.