借助HIPIMS的具有减少的生长缺陷的TiCN制造技术

本发明专利技术涉及一种用于借助HiPIMS在待涂覆基材的表面施加具有至少一个TiCN层的涂层的方法，其中，为了沉积所述至少一个TiCN层而采用至少一个含钛靶作为用于产生该TiCN层的钛源，该含钛靶在反应气氛中借助HiPIMS方法在涂覆室内被溅射，其中，该反应气氛包含至少一种稀有气体且最好是氩气和至少作为反应气体的氮气，其中，为了在沉积所述至少一个TiCN层时减少生长缺陷，该反应气氛作为第二反应气体附加包含含碳气体优选是CH4，该含碳气体被用作用于产生该TiCN层的碳源，其中，在沉积该TiCN层期间将双极偏电压加到待涂覆基材上，或者作为用于产生TiCN层的碳源而采用至少一个石墨靶，该石墨靶在该涂覆室内利用只具有氮气作为反应气体的反应气氛并借助HiPIMS方法被溅射，其中，该钛靶最好借助第一功率供应装置或第一功率供应单元以脉冲功率运行，该石墨靶借助第二功率供应装置或第二功率供应单元以脉冲功率运行。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】借助HIPIMS的具有减少的生长缺陷的TiCN本专利技术涉及用具有减少的生长缺陷的TiCN涂层涂覆表面且尤其是工件、构件或工具表面的方法。
技术介绍
在借助反应溅射工艺或HIPIMS工艺的涂覆中，通常采用金属靶作为雾化材料源，此时除了工作气体外还采用至少一种反应气体。在本专利技术范围内，术语“雾化”和“溅射”被认为相同。在本专利技术范围内，靶是指溅射源的下述组成部分，其在所述方法中被去除材料。为了在反应溅射工艺中或也在也被称为Arcen的阴极电弧蒸发中沉积层，通常需要两种反应气体。对应于现有技术地，它们一般是氮气以及含碳气体，含碳气体大多是乙炔(C2H2)。虽然电弧蒸发可被视为相对“鲁棒”的工艺过程，但尤其是在溅射工艺或HIPIMS工艺中，工艺过程调控扮演了对工艺稳定性重要的角色。Krassnitzer例如在WO2014207154中公开了一种用于借助HiPIMS沉积TiCN层的方法，在这里，钛靶在含氮气和乙炔的反应气氛中被溅射，以施加TiCN层到基材表面。HiPIMS工艺在采用功率脉冲和/或功率脉冲串的情况下，以关于靶面积的至少0.2焦耳/cm2的单位功率脉冲或单位功率脉冲串的内能来执行。它提出了通过控制或调整反应气体流来控制在涂覆室内的反应气体浓度，并且通过涂覆室内的反应气体浓度来控制各种不同性能例如色觉。知道了，在溅射过程或HIPIMS过程中，这两种反应气体与蒸发靶材反应并且在基材上形成金属陶瓷层。为了获得层的致密，通常在基材上加载负基材偏压即偏电压，以使带正电离子向基材加速。也知道了，为了能再现地调节出最佳的层性能，准确知道并控制溅射工艺或HIPIMS工艺是极其重要的。在此情况下，最佳工作点的选择可被视为非常关键，因为相对于工作点的略微偏差在工艺过程中可能已经导致层质量的波动、变化的颜色性能、乃至工艺过程不稳定，最终导致工艺过程中断。在此情况下，工作点是指工作气体与所述一种或多种反应气体的某个比例。为了在工艺过程中恒定保持所选工作点，一般采用气体流量调整或分压调整。这在仅有一种反应气体即例如在沉积TiN的情况下意味着0.40Pa氩气分压和0.03Pa氮气分压，借此调节出0.43Pa总压力。在HIPIMS工艺中，工作点可主要取决于所选工艺条件例如平均脉冲功率Pav或者脉冲持续时间tpuls，但也可能取决于所用靶的状态和寿命或者泵功率。所设定的工作点或者各个氮气分压或所得到的总压力一般通过调整氮气流量来进行。但如果现在同时采用两种或两种以上的反应气体比如氮气和乙炔，则无法再采用这种概念，因为人们只能以控压方式控制一种反应气体，另一种反应气体通常以固定流量被通入室内。因此，出于上述理由，显然工艺影响参数的略微变化就引起偏离期望的工作点，这又可能不利地影响到期望的层质量。上述问题尤其在TiCN反应沉积中扮演了重要角色，其中，两种元素碳和氮取自气相并与自钛靶溅射的钛反应生成TiCN。最佳工作点的略微偏离就可能造成层性能的显著偏差。反应溅射工艺或HIPIMS工艺中的另一个关键方面是一种或多种反应气体与靶面的反应，由此一般形成陶瓷反应产物。通常，此过程被称为靶毒化或靶中毒，并且可显著影响到溅射特性或工艺过程的工作点。当在靶毒化中在靶面形成弱传导性的或甚至绝缘的化合物时，这可能在整个靶面“增长”时导致放电电压急剧升高并且在最糟糕情况下造成溅射等离子体击穿。EP2565291A1提出了，在利用不同靶材的反应溅射过程使用中如下避免靶毒化现象：其中在各溅射源上加装气体流量调节器，然后其依据各溅射靶的毒化程度多高来调节反应气体流量，这又通过测量该源电压来进行并因此根据预定理想值来实现反应气流量的调节。但所述方法实现起来相对复杂并且需要详细了解与反应气体相关的靶上变化过程。另外，无法就工作气体与反应气体之比而言选择任意的工作点。因此，拥有如下方法是尤其有意义的：其根据期望的层性能也能任意选择为此所需的工作点并且同时稳定运行。本专利技术恰好允许该措施。为了获得层的致密化，通常在基材上加载负基材偏压即偏电压，以将带正电离子朝向基材加速。当在反应溅射工艺或HIPIMS工艺中沉积层时，在使用直流(DC)偏电压情况下，所用电压应该高于等离子体电位。通常，加载高于-30伏即例如-40伏的直流偏电压，以获得离子向基材加速。通过例如从-40伏到-80伏提高直流偏电压，获得离子能量提高，这表现为层明显变得更致密，通常也表现为层内应力增大。通常，也可以因内应力增大而观察到层硬度增大。但是，虽然在许多应用场合中希望有高硬度，但由于内应力同时增大而可能相当难以获得在构件或工具的期望部位上的几微米的期望层厚。过高的层内应力造成部分或甚至大面积的层龟裂。在常见的溅射工艺或HIPIMS工艺中，所述层生长包含生长缺陷嵌埋。在借助常见的溅射工艺或HIPIMS工艺制造TiCN时，在层生长中完成生长缺陷的嵌埋，其例如可能来自未完全雾化的金属靶粒子或者也还有设备内的杂质。另外，难以区分恰好在哪里进行雾化靶材与反应气体的反应，这意味着可能在一个钛靶的靶面上已经有反应完的TiCN，其随后以“微粒”形式被雾化且作为生长缺陷可能长入在基材上生长的层中。反应气体与靶材在靶面上的反应过程通常被称为“毒化”，并且其主要取决于工艺参数且在此尤其是反应气体流量控制。可以说，当靶面完全被一个或多个反应产物覆盖时，一个靶被完全毒化。另外，在基材上的层的高表面质量通常与层厚相关，因为在层生长过程中的较小生长缺陷就导致被涂覆的构件或工具的粗糙度显著增大。这意味着，与在相同沉积条件时更薄层的情况相比，较厚的层符合发展趋势地具有较高粗糙度。专利技术任务本专利技术任务在于提供一种方法，其容许制造出具有较少生长缺陷的TiCN层，但同时尽可能不导致层硬度损失或者层内应力增大。值得期待地，本专利技术方法应该顾及到高的工艺过程不稳定性。根据本专利技术的解决方案本专利技术的任务通过提供根据权利要求1的方法来完成。根据本专利技术，借助HiPIMS将具有至少一个TiCN层的涂层施加在待涂覆基材的表面上，其中，为了沉积至少一个TiCN层，采用至少一个含钛靶例如Ti靶作为用于产生TiCN层的钛源，含钛靶在反应气氛中借助HiPIMS方法在涂覆室内被溅射，其中，该反应气氛包含至少一种稀有气体最好是氩气和至少氮气作为反应气体，其中，为了在沉积所述至少一个TiCN层时减少生长缺陷：-该反应气氛包含含碳气体(优选是CH4)附加作为第二反应气体，该含碳气体被用作用于产生TiCN层的碳源，其中，在沉积该TiCN层期间将双极偏电压加到待涂覆基材上，或者-作为用于产生TiCN层的碳源而采用至少一个含碳靶例如石墨靶，该含碳靶在涂覆室内利用只具有氮气作为反应气体的反应气氛并借助HiPIMS方法被溅射，其中，含钛靶最好借助第一功率供应装置或第一功率供应单元以脉冲功率运行，且含石墨靶最好借助第二功率供应装置或第二功率供应单元以脉冲功率运行。专利技术说明专利技术人已经发现，出人意料地可行的是，如果在HIPIMS工艺中采用双极偏电压，则可以借助反应HIPIMS工艺来制造在具有很光滑的层表面并且还具有比较低的内应力的同时还具有很高硬度的由TiCN构成的硬质材料层。专利技术人也发现了，出乎意料地可能的是，如果在HIPIMS工艺中仅采用氮气为反应气体并由含碳靶提供碳以制造TiCN，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于借助HiPIMS在待涂覆基材的表面施加具有至少一个TiCN层的涂层的方法，其中，为了沉积所述至少一个TiCN层而采用至少一个含钛靶作为用于产生该TiCN层的钛源，该含钛靶在反应气氛中借助HiPIMS方法在涂覆室内被溅射，其中，该反应气氛包含至少一种稀有气体且最好是氩气和作为反应气体的至少氮气，其特征是，为了在沉积所述至少一个TiCN层时减少生长缺陷：‑该反应气氛附加包含含碳气体作为第二反应气体，该含碳气体被用作用于产生该TiCN层的碳源，其中，在沉积该TiCN层期间，将双极偏电压施加到待涂覆基材上，或者‑作为用于产生TiCN层的碳源而采用至少一个含碳靶，该含碳靶在该涂覆室内利用只具有氮气作为反应气体的反应气氛并借助HiPIMS方法被溅射。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.22 US 62/326,0981.一种用于借助HiPIMS在待涂覆基材的表面施加具有至少一个TiCN层的涂层的方法，其中，为了沉积所述至少一个TiCN层而采用至少一个含钛靶作为用于产生该TiCN层的钛源，该含钛靶在反应气氛中借助HiPIMS方法在涂覆室内被溅射，其中，该反应气氛包含至少一种稀有气体且最好是氩气和作为反应气体的至少氮气，其特征是，为了在沉积所述至少一个TiCN层时减少生长缺陷：-该反应气氛附加包含含碳气体作为第二反应气体，该含碳气体被用作用于产生该TiCN层的碳源，其中，在沉积该TiCN层期间，将双极偏电压施加到待涂覆基材上，或者-作为用于产生TiCN层的碳源而采用至少一个含碳靶，该含碳靶在该涂覆室内利用只具有氮气作为反应气体的反应气氛并借助HiPIMS方法被溅射。2.根据权利要求1所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：徳尼斯·库拉珀夫，西格弗里德·克拉斯尼策尔，
申请(专利权)人：欧瑞康表面处理解决方案股份公司普费菲孔，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH