การแนะนำเทคโนโลยี HiPIMS

หลักการหมายเลข 1 ของแมกนีตรอนพัลซิ่งกำลังสูง
เทคนิคการสปัตเตอร์แมกนีตรอนแบบพัลส์พลังงานสูงใช้พลังงานพัลส์สูงสุดสูง (2-3 คำสั่งของขนาดที่สูงกว่าแมกนีตรอนสปัตเตอร์ทั่วไป) และรอบการทำงานของพัลส์ต่ำ (0.5%-10%) เพื่อให้ได้อัตราการแยกตัวของโลหะสูง (>50%) ซึ่ง ได้มาจากลักษณะการสปัตเตอริงของแมกนีตรอนดังแสดงในรูปที่ 1 โดยที่ความหนาแน่นกระแสเป้าหมายสูงสุด I เป็นสัดส่วนกับกำลังเอ็กซ์โปเนนเชียล n ของแรงดันดิสชาร์จ U, I = kUn (n เป็นค่าคงที่ที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างแคโทด, สนามแม่เหล็ก และวัสดุ).ที่ความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่า (แรงดันไฟฟ้าต่ำ) ค่า n มักจะอยู่ในช่วง 5 ถึง 15;ด้วยแรงดันดิสชาร์จที่เพิ่มขึ้น ความหนาแน่นกระแสและความหนาแน่นของพลังงานจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และที่แรงดันสูง ค่า n จะกลายเป็น 1 เนื่องจากการสูญเสียการกักกันของสนามแม่เหล็กถ้าที่ความหนาแน่นของพลังงานต่ำ การปล่อยก๊าซจะถูกกำหนดโดยไอออนของก๊าซที่อยู่ในโหมดการปล่อยแบบพัลซิ่งปกติถ้าที่ความหนาแน่นพลังงานสูง สัดส่วนของไอออนโลหะในพลาสมาจะเพิ่มขึ้น และวัสดุบางชนิดเปลี่ยน ซึ่งอยู่ในโหมดการสปัตเตอร์ตัวเอง กล่าวคือ พลาสมาจะถูกรักษาไว้โดยการแตกตัวเป็นไอออนของอนุภาคที่เป็นกลางและไอออนของโลหะทุติยภูมิที่สปัตเตอร์ และอะตอมของก๊าซเฉื่อย เช่น Ar ใช้เพื่อจุดไฟพลาสมาเท่านั้น หลังจากนั้นอนุภาคโลหะที่สปัตเตอร์จะถูกแตกตัวเป็นไอออนใกล้กับเป้าหมายและเร่งความเร็วกลับไปเพื่อระดมยิงเป้าหมายที่สปัตเตอร์ภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าเพื่อรักษากระแสไฟที่สูง และพลาสมานั้นมีค่าสูง อนุภาคโลหะที่แตกตัวเป็นไอออนเนื่องจากกระบวนการสปัตเตอริงของเอฟเฟกต์ความร้อนบนชิ้นงาน เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เสถียรของชิ้นงานในงานอุตสาหกรรม ความหนาแน่นของพลังงานที่ใช้โดยตรงกับชิ้นงานต้องไม่ใหญ่เกินไป โดยทั่วไป การระบายความร้อนด้วยน้ำโดยตรงและการนำความร้อนของวัสดุเป้าหมาย ควรเป็นกรณีด้านล่าง 25 W / cm2, การระบายความร้อนด้วยน้ำทางอ้อม, การนำความร้อนของวัสดุเป้าหมายไม่ดี, วัสดุเป้าหมายที่เกิดจากการแตกกระจายเนื่องจากความเครียดจากความร้อนหรือวัสดุเป้าหมายมีส่วนประกอบของโลหะผสมที่ระเหยง่าย และกรณีอื่นๆ ของความหนาแน่นของพลังงานสามารถอยู่ใน ต่ำกว่า 2 ~ 15 W / cm2 ต่ำกว่าข้อกำหนดของความหนาแน่นพลังงานสูงปัญหาของชิ้นงานร้อนเกินไปสามารถแก้ไขได้โดยใช้พัลส์กำลังสูงที่แคบมากAnders นิยามแมกนีตรอนพัลเตอริงกำลังสูงว่าเป็นชนิดของการสปัตเตอร์แบบพัลซิ่งที่ความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดเกินความหนาแน่นของพลังงานเฉลี่ย 2 ถึง 3 ลำดับความสำคัญ และการสปัตเตอร์ไอออนเป้าหมายครอบงำกระบวนการสปัตเตอร์ และอะตอมของสปัตเตอร์เป้าหมายจะแยกออกจากกันอย่างมาก .

หมายเลข 2 ลักษณะของการทับถมของสารเคลือบแมกนีตรอนพัลเตอริงกำลังสูง

แมกนีตรอนสปัตเตอริงกำลังสูงสามารถผลิตพลาสมาที่มีอัตราการแยกตัวสูงและพลังงานไอออนสูง และสามารถใช้แรงดันไบอัสเพื่อเร่งไอออนที่มีประจุ และกระบวนการเคลือบผิวจะถูกโจมตีโดยอนุภาคพลังงานสูง ซึ่งเป็นเทคโนโลยี IPVD ทั่วไปพลังงานไอออนและการกระจายตัวมีผลกระทบที่สำคัญมากต่อคุณภาพและประสิทธิภาพของการเคลือบผิว
เกี่ยวกับ IPVD ซึ่งอิงตามแบบจำลองขอบเขตโครงสร้าง Thorton ที่มีชื่อเสียง Anders ได้เสนอแบบจำลองขอบเขตโครงสร้างที่รวมถึงการทับถมในพลาสมาและการกัดด้วยไอออน ขยายความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างการเคลือบกับอุณหภูมิและความดันอากาศในแบบจำลองขอบเขตโครงสร้าง Thorton ไปจนถึงความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างการเคลือบ อุณหภูมิและพลังงานไอออนดังแสดงในรูปที่ 2 ในกรณีของการเคลือบผิวด้วยไอออนพลังงานต่ำ โครงสร้างการเคลือบเป็นไปตามแบบจำลองโซนโครงสร้าง Thortonเมื่ออุณหภูมิสะสมเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนจากบริเวณ 1 (ผลึกเส้นใยที่มีรูพรุนหลวม) ไปยังบริเวณ T (ผลึกเส้นใยหนาแน่น) บริเวณที่ 2 (ผลึกเรียงเป็นแนว) และบริเวณที่ 3 (บริเวณการเกิดผลึกซ้ำ);เมื่อพลังงานไอออนสะสมเพิ่มขึ้น อุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านจากบริเวณ 1 ไปยังบริเวณ T, บริเวณที่ 2 และบริเวณที่ 3 จะลดลงสามารถเตรียมคริสตัลไฟเบอร์ความหนาแน่นสูงและคริสตัลเรียงเป็นแนวที่อุณหภูมิต่ำได้เมื่อพลังงานของไอออนที่สะสมเพิ่มขึ้นเป็นลำดับที่ 1-10 eV การทิ้งระเบิดและการกัดของไอออนบนผิวเคลือบที่สะสมจะเพิ่มขึ้นและความหนาของสารเคลือบจะเพิ่มขึ้น

ลำดับที่ 3 การเตรียมชั้นเคลือบแข็งด้วยเทคโนโลยีแมกนีตรอนสปัตเตอริงกำลังสูง
การเคลือบที่เตรียมโดยเทคโนโลยีแมกนีตรอนสปัตเตอริงแบบพัลซิ่งกำลังสูงนั้นมีความหนาแน่นมากกว่า มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีกว่าและมีความเสถียรต่ออุณหภูมิสูงดังที่แสดงในรูปที่ 3 การเคลือบ TiAlN แบบแมกนีตรอนสปัตเตอร์แบบทั่วไปเป็นโครงสร้างผลึกแบบเรียงเป็นแนวที่มีความแข็ง 30 GPa และโมดูลัสของ Young ที่ 460 GPa;การเคลือบ HIPIMS-TiAlN มีความแข็ง 34 GPa ในขณะที่โมดูลัสของ Young คือ 377 GPaอัตราส่วนระหว่างความแข็งและโมดูลัสของ Young คือการวัดความเหนียวของสารเคลือบความแข็งที่สูงขึ้นและโมดูลัสของ Young ที่เล็กลงหมายถึงความเหนียวที่ดีขึ้นการเคลือบ HIPIMS-TiAlN มีความเสถียรต่ออุณหภูมิสูงที่ดีกว่า โดยเฟสหกเหลี่ยมของ AlN จะตกตะกอนในการเคลือบ TiAlN แบบเดิมหลังจากการอบอ่อนด้วยอุณหภูมิสูงที่ 1,000 °C เป็นเวลา 4 ชั่วโมงความแข็งของสารเคลือบผิวจะลดลงที่อุณหภูมิสูง ในขณะที่การเคลือบผิว HIPIMS-TiAlN ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิและเวลาเดียวกันการเคลือบ HIPIMS-TiAlN ยังมีอุณหภูมิเริ่มต้นของการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงสูงกว่าการเคลือบแบบทั่วไปดังนั้น การเคลือบผิว HIPIMS-TiAlN จึงแสดงประสิทธิภาพที่ดีกว่ามากในเครื่องมือตัดความเร็วสูงมากกว่าเครื่องมือเคลือบอื่นๆ ที่เตรียมโดยกระบวนการ PVD