HiPIMS テクノロジーの紹介

No.1 高出力パルスマグネトロンスパッタリングの原理
高出力パルスマグネトロンスパッタリング技術は、高いピークパルス出力（従来のマグネトロンスパッタリングより2～3桁高い）と低いパルスデューティサイクル（0.5%～10%）を使用して、高い金属解離率（>50%）を達成します。図 1 に示すように、マグネトロン スパッタリング特性から導出されます。ピーク ターゲット電流密度 I は、放電電圧 U の指数 n 乗に比例します。I = kUn (n はカソード構造、磁場に関連する定数です)と素材）。より低い電力密度 (低電圧) では、n 値は通常 5 ～ 15 の範囲になります。放電電圧が増加すると、電流密度と電力密度が急速に増加し、高電圧では磁場閉じ込めが失われるため、n 値は 1 になります。電力密度が低い場合、ガス放電は通常のパルス放電モードにあるガスイオンによって決定されます。高電力密度では、プラズマ中の金属イオンの割合が増加し、一部の材料が切り替わります。つまり、セルフスパッタリングモードになります。つまり、プラズマは、スパッタされた中性粒子と二次金属イオン、および不活性ガス原子のイオン化によって維持されます。 Ar などのガスはプラズマを点火するためだけに使用され、その後、スパッタリングされた金属粒子がターゲット付近でイオン化され、磁界と電界の作用下で加速されてスパッタリングされたターゲットに衝突し、高電流放電が維持されます。イオン化した金属粒子。スパッタリングプロセスによるターゲットへの加熱効果により、産業用途でターゲットの安定した動作を確保するには、ターゲットに直接適用される電力密度が大きくなりすぎてはならず、一般的には直接水冷とターゲット材料の熱伝導率が考慮されます。 25W/cm2以下の場合、間接水冷、ターゲット材料の熱伝導率が悪い、熱応力による断片化によるターゲット材料、またはターゲット材料に低揮発性合金成分が含まれる場合など、出力密度が以下の場合のみ可能2 ～ 15 W/cm2 以下であり、高出力密度の要件をはるかに下回っています。ターゲットの過熱の問題は、非常に狭い高出力パルスを使用することで解決できます。アンダース氏は、高出力パルスマグネトロンスパッタリングを、ピークパワー密度が平均パワー密度を2～3桁上回り、ターゲットイオンスパッタリングがスパッタリングプロセスの大半を占め、ターゲットスパッタリング原子が高度に解離している一種のパルススパッタリングと定義しています。 。

No.2 高出力パルスマグネトロンスパッタリング成膜の特徴

高出力パルスマグネトロンスパッタリングは、高い解離速度と高いイオンエネルギーを備えたプラズマを生成することができ、バイアス圧力を適用して荷電イオンを加速することができ、コーティング堆積プロセスには高エネルギー粒子が衝突します。これは典型的な IPVD 技術です。イオンのエネルギーと分布は、コーティングの品質と性能に非常に重要な影響を与えます。
IPVD については、有名な Thorton 構造領域モデルに基づいて、Anders がプラズマ蒸着とイオン エッチングを含む構造領域モデルを提案し、Thorton 構造領域モデルにおけるコーティング構造と温度および気圧の関係をコーティング構造間の関係に拡張しました。写真 2 に示すように、温度とイオン エネルギー。低エネルギー イオン蒸着コーティングの場合、コーティング構造は Thorton 構造ゾーン モデルに準拠します。堆積温度の上昇に伴い、領域 1 (緩い多孔質繊維結晶) から領域 T (密な繊維結晶)、領域 2 (柱状結晶)、および領域 3 (再結晶領域) に移行します。堆積イオンエネルギーの増加に伴い、領域 1 から領域 T、領域 2、および領域 3 への転移温度は低下します。高密度のファイバー結晶や柱状結晶を低温で作製することができます。堆積されたイオンのエネルギーが 1 ～ 10 eV のオーダーに増加すると、堆積されたコーティング表面上のイオンの衝撃とエッチングが強化され、コーティングの厚さが増加します。

No.3 高出力パルスマグネトロンスパッタリング技術によるハードコート層の作製
高出力パルスマグネトロンスパッタリング技術によって作成されたコーティングは、より緻密で、より優れた機械的特性と高温安定性を備えています。写真 3 に示すように、従来のマグネトロン スパッタリング TiAlN コーティングは、硬度 30 GPa、ヤング率 460 GPa の柱状結晶構造です。HIPIMS-TiAlN コーティングの硬度は 34 GPa、ヤング率は 377 GPa です。硬度とヤング率の比は、コーティングの靭性の尺度になります。硬度が高く、ヤング率が小さいほど、靱性が優れていることを意味します。HIPIMS-TiAlN コーティングは、1,000 °C で 4 時間の高温アニール処理後に従来の TiAlN コーティング中に AlN 六方晶相が析出し、高温安定性が優れています。コーティングの硬度は高温で低下しますが、HIPIMS-TiAlN コーティングは同じ温度および時間で熱処理した後でも変化しません。HIPIMS-TiAlN コーティングは、従来のコーティングよりも高温酸化の開始温度が高くなります。したがって、HIPIMS-TiAlN コーティングは、高速切削工具において、PVD プロセスで製造された他のコーティング工具よりもはるかに優れた性能を示します。