用单复合靶制造涂层的方法技术

本发明专利技术涉及通过物理气相沉积（PVD）制备涂层的方法，其中在曲线阴极电弧放电中蒸发二元靶或具有两种以上成分的靶，使具有不同质量（元素）的离子分离，离子分离造成沉积室中在不同位置处不同质量（元素）的比率的变化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及生成和控制通过PVD，尤其通过阴极电弧蒸发沉积的薄层的内应力的方法。相关技术阴极电弧蒸发是制造切削工具的耐磨涂层的主要PVD技术。其一个原因是这种技术与溅射和中空阴极蒸发相比的稳定性和低运行成本。另一原因是在反应性方法中除纯金属层外还产生二元和三元氮化物和碳氮化物的简单性，其不需要如溅射和蒸发的情况中那样的反应性气流的复杂控制。这种方法特征对由于PVD电弧沉积之前的制造步骤而具有变化的负荷和对不同基底类型的脱气的有限控制的制造环境中的分批型加工尤其重要。最近，电弧技术延伸至在P3eTM制造方法中的氧化物形成(J. Ramm, M. Ante, Τ. Bachmann, B. ffidrig, H. Brandle, Μ. Dobeli, Surf. Coat. Technol. 202 (2007) 876、WO 2006/099758、WO 2006/099760、WO 2008/009619)。这种新技术的主要优点是可能将基底温度降至大约50(TC，但在这种条件下仍形成高温结晶刚玉型结构(J. Ramm, Μ. Ante, H. Brandle, A. Neels, A. Dommann, Μ. Dobeli, Advanced Engineering Materials 9 (2007) 604)。这种优点是双重的。一方面，可以涂布不能耐受用于形成氧化物的CVD加工中的高工艺温度的基底材料，例如高速钢。另一方面，降低归因于氧化物层与基底之间的热失配的外应力。这些PVD氧化物用于切削工具的用途的特别重要的一个问题是控制层中的内应力。不同于PVD氮化物层，如果在纯氧气氛中和在适中基底偏压(-60 C至0 V)中沉积层， 氧化物通常表现出小和主要拉伸应力。这在一些切削工具用途中是不利的，因为拉伸应力不能如从表现出通常大压缩应力(_2至-6 GPa)的PVD氮化物的经验中获知的那样容易地抵抗裂纹扩展。该经验证实，尤其在断续切削操作中，表现出压缩应力的涂层具有优点。因此，影响内应力的方法具有很大的实际意义。由施加的负基底电压(所谓的基底偏压)吸收到基底上的离子电流已知在内在层应力的生成和优化中起到基本作用(A. Anders, Cathodic Arcs, Springer, 2008, 第 376页，第439页)。不幸地，不仅与氩气中的金属蒸发相比，还与在氮气氛中的电弧源操作相比，发现在纯氧反应性气体中的电弧蒸发在类似工艺条件下显著降低离子基底电流。这是可归因于“靶中毒”(A. Anders, Cathodic Arcs, Springer, 2008，第 414 页)或在等离子体中或在基底表面上的其它化学过程的一种效应。将氩气添加到氧气中和更高(更负) 的偏压具有影响内应力的潜力。但是，它们可能造成如基底表面的增加(和优先)的溅射并由于在层中并入氩气而造成层不稳定性之类的缺点。现有技术的缺点用于合成由电弧蒸发产生的氧化物的现有技术状况(和原始发展动力)以下列缺点为特征1.氧化物层表现出低和通常拉伸应力。如果其施加到切削工具上，该涂层在一些用途中不能防止裂纹扩展，尤其是如果在一些断续切削法中使用该涂布的工具。2.在层中诱发压应力的可能的方法可以是使用更高(更负)的基底偏压。但是，采用氧气作为反应性气体的电弧沉积法中的基底离子电流与金属、金属氮化物和金属碳氮化物的沉积法相比非常低。3.将氩气添加到氧气中不提高基底离子电流并因此不适合设计特定层应力。4.实验表明，氧气反应性气体压力降至实现基底表面处的化学计量氧化物所必需的最小值也提高基底离子电流。但是，在降低的氧气压力下操作也提高蒸发速率。这两种效应的平衡需要更复杂的工艺控制。除上文提到的方面外，需要以提高氧化物的硬度和断裂韧度，即找出改变氧化物材料的基本性质的可能性为目的的生成和控制氧化物涂层中的内应力的额外措施。专利技术目的本专利技术的目的是提供在基底上制造改进的涂层的方法。改进例如涉及机械、光学和或电子性质。专利技术概述本专利技术基于以找到影响内在层应力的方法为目标进行的调查研究。由在电弧蒸发中利用Al-Cr复合靶合成(All-XCrX)203层的实验获得所示结果。但是，专业人员清楚的是，结果也适用于基于利用复合靶的沉积的其它三元(和更高级)氧化物，并也适用于三元(和更高级)氮化物。由于三元氧化物是通过电弧蒸发制成的相当新的材料(WO 2006/099754.W0 2008/043606)，因此尚未在所有细节上都获得研究，对生成、控制和影响这些材料中的内应力及获得优化切削工具用的这些材料的性能的基础知识的可能性的研究是有意义的。因此，这是研究电弧源的脉冲工作(如相同专利技术人之前的专利申请中所描述(W0 2006/099758、WO 2006/099760))及其对基底离子电流的作用作为平衡基底离子电流降低的一种措施和获得影响内在层应力的有用工艺参数的意图。令人惊讶地，除此以外，在这些研究过程中发现也可用于影响内在层应力的另一新方法。该方法基于在简单和成本有效的方法中形成多层涂层。基于这种方法，可以合成表现出独特结构并也可以在生产条件下设计其内应力的层。除改变机械层性质外，这种方法还具有改变三元和更高级化合物中，尤其是氧化物中的电和光学性质的潜力。该方法基于二元(或具有多于2种成分)靶的使用，其用作DC或脉冲曲线电弧放电中的阴极。曲线在本文中是指相对于与靶表面垂直的轴不对称。本专利技术人发现，这种曲线电弧放电造成不同金属的离子的部分分离。金属离子的这种部分分离造成涂布室的第一区域中第一金属的离子的较高浓度和第二区域中第二金属的离子的较高浓度。当要涂布的基底经过第一区域和随后经过第二区域时，沉积的层表现出金属的不同浓度。应该指出，如果切换(switched)电弧放电的不对称性，也可以用不动基底实现这种浓度变化。本专利技术人无法证明什么造成这种不对称电弧放电中的离子分离。但是，作为工作假说，可以假定容易将电子导向阳极的电弧曲线性不引导具有高得多的质量和惰性的离子。由于离子倾向于以直接方式离开放电，电荷分离可能造成使离子弯曲回放电的电力 (electric force) 0对不同离子质量和电荷状态而言，这种回弯(back bending)造成离子分离。改善涂层的一种可能性是控制(提高和/或降低)涂层的内应力。根据本专利技术，验证可用于控制和提高/降低内应力的氧化物(但不仅限于氧化物)层合成的新方法。根据本专利技术的方法，基于在电弧蒸发中优选使用单复合靶，可以提高压缩应力，尤其在氧化物中。本专利技术的方法可用在包含旋转以及非旋转基底的生产系统中。根据本专利技术，可以基于多层结构的形成在二元和更高级化合物中生成和控制内应力，其源自随涂层深度而变的层中靶成分的化学计量变化。此外，可以在该多层中引入晶体的晶格参数或甚至晶体结构的变化。也可以在生产系统中将这些多层结构控制至该双层的纳米级。借助本专利技术的方法，通过应变层外延生长在这些多层结构中生成应变是可能的。 这能够特定影响该层的机械性质。其也是基于机械应变生成影响层材料的电和光学性质的 ■石出。这些方法基于利用包含多于一种成分，即二元、三元或具有更多成分的靶。尽管这种方法可用于金属、氮化物、碳氮化物和其它化合物，在本文中尤其描述用于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J拉姆，B维德里希，H鲁迪吉尔，
申请(专利权)人：J拉姆，B维德里希，H鲁迪吉尔，
类型：发明
国别省市：