č.1 Princíp vysokovýkonného pulzného magnetrónového naprašovania
Technika vysokovýkonného pulzného magnetrónového naprašovania využíva vysoký špičkový pulzný výkon (o 2 – 3 rády vyšší ako konvenčné magnetrónové naprašovanie) a nízky pracovný cyklus pulzu (0,5 % – 10 %) na dosiahnutie vysokej miery disociácie kovov (> 50 %), čo je odvodený z magnetrónových naprašovacích charakteristík, ako je znázornené na obr. 1, kde maximálna cieľová prúdová hustota I je úmerná exponenciálnej n-tej mocnine výbojového napätia U, I = kUn (n je konštanta súvisiaca so štruktúrou katódy, magnetické pole a materiál).Pri nižších výkonových hustotách (nízke napätie) je hodnota n zvyčajne v rozsahu 5 až 15;so zvyšujúcim sa napätím výboja sa rýchlo zvyšuje hustota prúdu a hustota výkonu a pri vysokom napätí sa hodnota n stáva 1 v dôsledku straty obmedzenia magnetického poľa.Pri nízkych hustotách výkonu je výboj plynu určený iónmi plynu, ktorý je v normálnom režime pulzného výboja;ak pri vysokých výkonových hustotách narastá podiel kovových iónov v plazme a niektoré materiály sa prepínajú, to je v režime samonaprašovania, tj plazma je udržiavaná ionizáciou naprašovaných neutrálnych častíc a sekundárnych kovových iónov a atómov inertného plynu ako je Ar, sa používajú iba na zapálenie plazmy, po ktorom sa rozprášené kovové častice ionizujú v blízkosti terča a urýchľujú späť, aby bombardovali naprašovaný terč pôsobením magnetických a elektrických polí, aby sa udržal vysoký prúdový výboj, a plazma je vysoko ionizované kovové častice.V dôsledku procesu zahrievania terča naprašovaním, aby sa zabezpečila stabilná prevádzka terča v priemyselných aplikáciách, hustota výkonu priamo aplikovaná na terč nemôže byť príliš veľká, vo všeobecnosti priame chladenie vodou a tepelná vodivosť materiálu terča by malo byť v prípade 25 W / cm2 nižšie, nepriame chladenie vodou, tepelná vodivosť materiálu terča je slabá, materiál terča spôsobený fragmentáciou v dôsledku tepelného namáhania alebo materiál terča obsahuje nízko prchavé zliatinové zložky a iné prípady hustoty výkonu môžu byť len v 2 ~ 15 W / cm2 nižšie, hlboko pod požiadavkami na vysokú hustotu výkonu.Problém prehriatia cieľa možno vyriešiť použitím veľmi úzkych impulzov s vysokým výkonom.Anders definuje vysokovýkonné pulzné magnetrónové naprašovanie ako druh pulzného naprašovania, kde špičková hustota výkonu presahuje priemernú hustotu výkonu o 2 až 3 rády a cieľové iónové naprašovanie dominuje procesu naprašovania a cieľové naprašovacie atómy sú vysoko disociované. .
č.2 Charakteristika vysokovýkonného pulzného magnetrónového naprašovania nanášania povlakov
Vysokovýkonné pulzné magnetrónové naprašovanie môže produkovať plazmu s vysokou rýchlosťou disociácie a vysokou energiou iónov a môže použiť predpätý tlak na urýchlenie nabitých iónov a proces nanášania povlaku je bombardovaný vysokoenergetickými časticami, čo je typická technológia IPVD.Energia a distribúcia iónov má veľmi dôležitý vplyv na kvalitu a výkon povlaku.
O IPVD, založený na slávnom modeli štruktúrnej oblasti Thorton, Anders navrhol model štruktúrnej oblasti, ktorý zahŕňa plazmovú depozíciu a iónové leptanie, rozšíril vzťah medzi štruktúrou povlaku a teplotou a tlakom vzduchu v modeli štruktúrnej oblasti Thorton na vzťah medzi štruktúrou povlaku, teplota a energia iónov, ako je znázornené na obr. 2. V prípade povlaku nanášania iónov s nízkou energiou sa štruktúra povlaku zhoduje s modelom zóny štruktúry Thorton.So zvyšujúcou sa teplotou nanášania prechod z oblasti 1 (voľne porézne kryštály vlákna) do oblasti T (kryštály hustého vlákna), oblasti 2 (stĺpcové kryštály) a oblasti 3 (oblasť rekryštalizácie);so zvyšujúcou sa energiou depozície iónov sa teplota prechodu z oblasti 1 do oblasti T, oblasti 2 a oblasti 3 znižuje.Kryštály vlákien s vysokou hustotou a stĺpcové kryštály sa môžu pripraviť pri nízkej teplote.Keď sa energia deponovaných iónov zvýši na rádovo 1-10 eV, zosilní sa bombardovanie a leptanie iónov na povrchu deponovaných povlakov a zväčší sa hrúbka povlakov.
č.3 Príprava vrstvy tvrdého povlaku technológiou vysokovýkonného pulzného magnetrónového naprašovania
Povlak pripravený technológiou vysokovýkonného pulzného magnetrónového naprašovania je hustejší, s lepšími mechanickými vlastnosťami a vysokou teplotnou stabilitou.Ako je znázornené na obr. 3, konvenčný magnetrónový naprašovaný povlak TiAlN má stĺpcovú kryštálovú štruktúru s tvrdosťou 30 GPa a Youngovým modulom 460 GPa;povlak HIPIMS-TiAlN má tvrdosť 34 GPa, zatiaľ čo Youngov modul je 377 GPa;pomer medzi tvrdosťou a Youngovým modulom je mierou húževnatosti povlaku.Vyššia tvrdosť a menší Youngov modul znamená lepšiu húževnatosť.Povlak HIPIMS-TiAlN má lepšiu stabilitu pri vysokej teplote, pričom hexagonálna fáza AlN sa vyzráža v bežnom povlaku TiAlN po spracovaní žíhaním pri vysokej teplote pri 1 000 °C počas 4 hodín.Tvrdosť povlaku pri vysokej teplote klesá, zatiaľ čo povlak HIPIMS-TiAlN zostáva po tepelnom spracovaní pri rovnakej teplote a čase nezmenený.Povlak HIPIMS-TiAlN má tiež vyššiu teplotu začiatku vysokoteplotnej oxidácie ako konvenčný povlak.Povlak HIPIMS-TiAlN preto vykazuje oveľa lepší výkon vo vysokorýchlostných rezných nástrojoch ako iné nástroje s povlakom pripravené procesom PVD.
Čas uverejnenia: 8. novembra 2022