היכרות טכנולוגית HiPIMS

עיקרון מס' 1 של קפיצת מגנטרון בעוצמה גבוהה
טכניקת הקזת המגנטרון הדופק עם הספק גבוה משתמשת בהספק שיא גבוה (2-3 סדרי גודל גבוה יותר מקיזור מגנוטרון קונבנציונלי) ובמחזור פעילות דופק נמוך (0.5%-10%) כדי להשיג שיעורי ניתוק מתכות גבוהים (>50%), אשר נגזרת ממאפייני הקפיצה של המגנטרונים, כפי שמוצג בתמונה 1, כאשר שיא זרם היעד I הוא פרופורציונלי לחזק ה-n-המעריכי של מתח הפריקה U, I = kUn (n הוא קבוע הקשור למבנה הקתודה, השדה המגנטי וחומר).בצפיפות הספק נמוכה יותר (מתח נמוך) ערך n הוא בדרך כלל בטווח של 5 עד 15;עם מתח הפריקה הגובר, צפיפות הזרם וצפיפות ההספק גדלות במהירות, ובמתח גבוה ערך n הופך ל-1 עקב אובדן הכליאה של השדה המגנטי.אם בצפיפות הספק נמוכה, פריקת הגז נקבעת על ידי יוני גז שנמצאים במצב פריקה פעימה רגילה;אם בצפיפות הספק גבוהה, שיעור יוני המתכת בפלזמה גדל וחלק מהחומרים עוברים, כלומר במצב ריזור עצמי, כלומר הפלזמה נשמרת על ידי יינון של חלקיקים ניטרליים מקרטעים ויוני מתכת משניים, ואטומי גז אינרטי כגון Ar משמשים רק כדי להצית את הפלזמה, ולאחר מכן חלקיקי המתכת המקרטעים מיוננים ליד המטרה ומואצים בחזרה כדי להפציץ את המטרה המקרטעת תחת פעולת שדות מגנטיים וחשמליים כדי לשמור על פריקת הזרם הגבוהה, והפלזמה היא גבוהה חלקיקי מתכת מיוננים.בשל תהליך הקפיצה של השפעת החימום על המטרה, על מנת להבטיח את הפעולה היציבה של המטרה ביישומים תעשייתיים, צפיפות ההספק המופעלת ישירות על המטרה לא יכולה להיות גדולה מדי, בדרך כלל קירור מים ישיר ומוליכות תרמית של חומר המטרה. צריך להיות במקרה של 25 W/cm2 מתחת, קירור מים עקיף, מוליכות תרמית של חומר המטרה ירודה, חומר מטרה שנגרם על ידי פיצול עקב מתח תרמי או חומר מטרה מכיל רכיבי סגסוגת נדיפים נמוכים ומקרים אחרים של צפיפות הספק יכולים להיות רק ב 2 ~ 15 W / cm2 מתחת, הרבה מתחת לדרישות של צפיפות הספק גבוהה.ניתן לפתור את הבעיה של התחממות יתר של המטרה על ידי שימוש בפולסים צרים מאוד בהספק גבוה.אנדרס מגדיר קפיצת מגנטרון פועמת בהספק גבוה כסוג של קימוט פועם שבו צפיפות שיא ההספק עולה על צפיפות ההספק הממוצעת ב-2 עד 3 סדרי גודל, וקיזוז יון המטרה שולט בתהליך הקפיצה, והאטומים המקרטעים של המטרה מנותקים מאוד. .

מס' 2 המאפיינים של תצהיר ציפוי מקרטע מגנטרון בעוצמה גבוהה

קפיצת מגנטרון בעוצמה גבוהה יכולה לייצר פלזמה עם קצב ניתוק גבוה ואנרגיית יונים גבוהה, ויכולה להפעיל לחץ הטיה כדי להאיץ את היונים הטעונים, ותהליך שקיעת הציפוי מופגז על ידי חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה, שהיא טכנולוגיית IPVD טיפוסית.לאנרגיית היונים והפצה יש השפעה חשובה מאוד על איכות הציפוי והביצועים.
אודות IPVD, המבוסס על מודל האזור המבני המפורסם של Thorton, אנדרס הציע מודל אזור מבני הכולל שקיעת פלזמה וחריטת יונים, הרחיב את הקשר בין מבנה הציפוי לטמפרטורה ולחץ האוויר במודל האזור המבני של Thorton לקשר בין מבנה הציפוי, טמפרטורה ואנרגיית יונים, כפי שמוצג בתמונה 2. במקרה של ציפוי בתצהיר יונים באנרגיה נמוכה, מבנה הציפוי תואם את מודל אזור המבנה של Thorton.עם עליית טמפרטורת השקיעה, המעבר מאזור 1 (גבישי סיבים נקבוביים רופפים) לאזור T (גבישי סיבים צפופים), אזור 2 (גבישים עמודים) ואזור 3 (אזור התגבשות מחדש);עם הגדלת אנרגיית יונים בתצהיר, טמפרטורת המעבר מאזור 1 לאזור T, אזור 2 ואזור 3 יורדת.ניתן להכין את גבישי הסיבים בצפיפות גבוהה והגבישים העמודים בטמפרטורה נמוכה.כאשר האנרגיה של יונים שהושקעו גדלה בסדר גודל של 1-10 eV, ההפצצה והתחריט של יונים על פני הציפויים המופקדים מוגברת ועובי הציפויים גדל.

מס' 3 הכנת שכבת ציפוי קשיחה על ידי טכנולוגיית קפיצת מגנטרון בעוצמה גבוהה
הציפוי שהוכן על ידי טכנולוגיית קיצוץ מגנטרונים בעוצמה גבוהה הוא צפוף יותר, עם תכונות מכניות טובות יותר ויציבות טמפרטורה גבוהה.כפי שמוצג בתמונה 3, ציפוי ה-TiAlN המקובל במגנטרון הוא מבנה גבישי עמודי עם קשיות של 30 GPa ומודול יאנג של 460 GPa;ציפוי HIPIMS-TiAlN הוא קשיות של 34 GPa בעוד המודולוס של Young הוא 377 GPa;היחס בין קשיות ומודול יאנג הוא מדד לקשיחות הציפוי.קשיות גבוהה יותר ומודול קטן יותר של יאנג פירושם קשיחות טובה יותר.לציפוי HIPIMS-TiAlN יש יציבות טובה יותר בטמפרטורה גבוהה, כאשר שלב משושה של AlN מושקע בציפוי TiAlN הרגיל לאחר טיפול חישול בטמפרטורה גבוהה ב-1,000 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות.קשיות הציפוי יורדת בטמפרטורה גבוהה, בעוד שציפוי HIPIMS-TiAlN נשאר ללא שינוי לאחר טיפול בחום באותה טמפרטורה וזמן.לציפוי HIPIMS-TiAlN יש גם טמפרטורת התחלה גבוהה יותר של חמצון בטמפרטורה גבוהה מאשר ציפוי קונבנציונלי.לכן, ציפוי HIPIMS-TiAlN מציג ביצועים טובים בהרבה בכלי חיתוך מהירים מאשר כלים מצופים אחרים שהוכנו בתהליך PVD.