專利名稱：硬材料層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1的前序部分所述的作為氧化的電弧
PVD功能層(32)沉積在工件(30)上的硬材料層，以及如權(quán)利要求 21的前序部分所述的一種用硬材料層對(duì)工件涂層的方法。
背景技術(shù)：
通過饋給電脈沖運(yùn)行的也稱為電火花陰極的電弧蒸發(fā)源長(zhǎng)期以來 為所屬技術(shù)領(lǐng)域所公知。用電弧蒸發(fā)源可以經(jīng)濟(jì)地達(dá)到高的蒸發(fā)速度 并且從而在涂層時(shí)達(dá)到高的沉積速度。此外， 一個(gè)這樣的源的結(jié)構(gòu)在 技術(shù)上實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)簡(jiǎn)單。所述源在典型地約IOOA或以上的電流和幾 伏至幾十伏的電壓條件下工作，這可以用相對(duì)成本合算的直流電源實(shí) 現(xiàn)。這樣的源的一個(gè)明顯的缺點(diǎn)在于，在陰極斑的區(qū)域中發(fā)生非?？?速變化的靶表面熔融，由此形成熔滴，即所謂的微滴，然后所述熔滴 被作為飛濺物甩脫并且凝結(jié)在所述工件上，從而不期望地影響層特 性。例如由此使得層結(jié)構(gòu)不均勻并且劣化表面粗糙度。在對(duì)層質(zhì)量高 要求的情況下往往在商業(yè)上不能夠采用這樣產(chǎn)生的層。因此人們已經(jīng) 償試了減輕所述問題，其中用電源的純脈沖運(yùn)行來運(yùn)行電弧蒸發(fā)源。 然而到目前為止由此在飛'減物形成方面只達(dá)到有限的改善。
采用反應(yīng)氣體在反應(yīng)等離子中將化合物沉積在金屬耙上直到現(xiàn)在 都只限于制造導(dǎo)電層。在制造不導(dǎo)電的、也就是介電層時(shí)，例如在采 用氧作為反應(yīng)氣體情況下的氧化物加重了飛濺物形成的問題。在這種 情況下所述過程固有的用不導(dǎo)電層重新覆蓋所述電孤蒸發(fā)源的靶表面 和反電極譬如陽極以及所述真空處理設(shè)備的其它部分，會(huì)導(dǎo)致完全不 穩(wěn)定的特性并且甚至導(dǎo)致熄弧。在這種情況下必須總要重新觸發(fā)電 弧，不然由此會(huì)使得完全不能夠進(jìn)行所述處理。
在EPO "6 33SB1中提出為了用電弧蒸發(fā)器沉積純金屬材料， 向所述直流電流迭加脈沖式電流以便能夠由此降低DC基礎(chǔ)電流，以減 少所述飛濺物形成。在此需要達(dá)5000A的脈沖電流，所述脈沖電流要
在100Hz至50kHz范圍內(nèi)的相對(duì)低的脈沖頻率時(shí)用電容器放電產(chǎn)生
下阻止微滴形成。然而在該文獻(xiàn)中沒有說明沉積不導(dǎo)電的、介電層的 技術(shù)方案。
在借助于電弧蒸發(fā)源反應(yīng)涂層的情況下存在不足的反應(yīng)和過程穩(wěn) 定性，尤其是在制造絕緣層的情況下。與其它PVD過程(例如噴濺) 相反，借助于電弧蒸發(fā)的絕緣層到目前為止只能夠用導(dǎo)電靶制造。一 種用高頻的工作，譬如在噴濺的情況那樣，直到現(xiàn)在都不成功于缺乏 用高頻運(yùn)行大電流電源的技術(shù)。用脈沖式電源工作是一個(gè)選擇。然而， 如前所說明的那樣就總是要重新觸發(fā)電弧，或者要把脈沖頻率選擇得 大到不會(huì)熄滅火花。在應(yīng)用特定的材料譬如石墨時(shí)這看來是起作用 的，如在DE3901401中所說明的。然而要注意的是，石墨不是絕緣體
而是導(dǎo)電的，即使導(dǎo)電性低于一般的金屬。
在靶表面氧化的情況下不能夠通過機(jī)械接觸和借助于DC電源進(jìn)行
再觸發(fā)。在所述反應(yīng)電弧蒸發(fā)中的真正的問題是在靶上和在所述陽極 上或者在作為陽極接入的涂層腔上覆蓋絕緣層。這種絕緣層在其形成 的過程中提高了火花放電的點(diǎn)火電壓，導(dǎo)致飛賊物和飛弧的增加，這 是一種以火花放電中斷結(jié)束的不穩(wěn)定的過程。隨著所述靶的涂層而來 的島生長(zhǎng)減少了導(dǎo)電的表面。 一種強(qiáng)稀釋的反應(yīng)氣體(例如氬/氧混合 氣體)可以延遲這種在所述耙上的生長(zhǎng)，但是過程穩(wěn)定性的基本問題 沒有得到解決。根據(jù)US5103766的提議，即用相應(yīng)的再次觸發(fā)交替地 運(yùn)行陰極和陽極，盡管對(duì)過程穩(wěn)定性起作用，但是卻導(dǎo)致飛濺物的增 加。
通過一種脈沖式電源譬如在反應(yīng)噴濺中可能的那樣的出路在一個(gè) 傳統(tǒng)電火花蒸發(fā)的情況下行不通。這是因?yàn)槿绻袛嚯娫垂┙o，輝光 放電比電弧的"壽命長(zhǎng)"。
為了能夠克服用絕緣層覆蓋靶的所述問題，在制造絕緣層的反應(yīng) 過程中要么把反應(yīng)氣體入口在位置上與所述靶分隔開(于是所述過程 的反應(yīng)性只是在基底上的溫度使得可以進(jìn)行氧化/反應(yīng)時(shí)才得到保 證)，要么采取飛濺物與電離的部分之間的分隔(所謂過濾了的電弧)， 并且在過濾以后向所述電離了的蒸汽添加所述反應(yīng)氣體。
此外還希望可以進(jìn)一步減少或縮放所述基底的熱負(fù)荷以及存在在
陰極火花涂層中進(jìn)行低溫處理的可能性。
在WO-03018862中把等離子源的脈沖運(yùn)行描述為一種降低基底上 的熱負(fù)荷的可能途徑。然而在此說明的理由可能對(duì)噴濺過程的領(lǐng)域還 成立。它對(duì)于火花蒸發(fā)不產(chǎn)生任何關(guān)系。
對(duì)于硬材料涂層的應(yīng)用范圍，尤其是長(zhǎng)期以來存在能夠制造具有 對(duì)應(yīng)的硬度、附著強(qiáng)度并且按照所希望的磨擦特性控制的氧化硬材料 的需要。在此鋁氧化物，尤其是鋁鉻氧化物可以起重要的作用。在PVD (物理蒸發(fā)沉積)領(lǐng)域中的迄今為止的現(xiàn)有技術(shù)多數(shù)只用于制造珈瑪 及阿爾法鋁氧化物。多數(shù)所述方法是雙磁控噴'減，這種方法在這種應(yīng) 用中在過程可靠性和成本方面有很大的缺點(diǎn)。日本專利只專注于與工 具關(guān)聯(lián)的層系統(tǒng)并且例如把電弧離子鍍過程用作制造方法。人們普遍 希望能夠沉積阿爾法鋁氧化物。然而當(dāng)前的PVD方法卻為此需要約700 r或者更高的基底溫度以得到這種結(jié)構(gòu)。 一些使用者希望通過成核作 用層完美地避免這種高溫(TiAlN的氧化、Al-Cr-0-系統(tǒng))。然而這 不一定使得所述過程便宜和快速。當(dāng)前看來不可能借助于電弧蒸發(fā)滿 意地制造阿爾法鋁氧化物層。
在現(xiàn)有技術(shù)方面歸結(jié)有以下的缺點(diǎn)，尤其是涉及用反應(yīng)過程制造 氧化層
1. 如果在電孤蒸發(fā)器陰極或者電弧放電的陽極與帶有反應(yīng)氣體入 口的基底區(qū)域之間沒有給出空間上的分隔，就不能夠穩(wěn)定地進(jìn)行用于 沉積絕緣層的過程。
2. 沒有解決飛濺物問題的基本方案不能夠完全反應(yīng)透聚結(jié)物(飛 濺物)，其中在所述層中出現(xiàn)金屬成分，提高了層表面的粗糙性，并 且干擾層結(jié)構(gòu)和化學(xué)計(jì)量的均勻性。
3. 實(shí)現(xiàn)低溫過程的可能性不充分，因?yàn)橛酶邷叵嘀圃煅趸飼r(shí)的 基底熱負(fù)荷過大。
4. 到目前為止還不能夠借助于電弧蒸發(fā)制造絕緣層的平坦梯度的 中間層。
與噴賊相反的是，借助于陰極電火花的涂層實(shí)質(zhì)上是一種蒸發(fā)過 程。人們?cè)O(shè)想，在熱的陰極斑與其邊緣之間的過渡中吸引了不在原子 大小范圍的部分。這種聚結(jié)物作為不能夠在飛'減物中反應(yīng)透的聚結(jié)物 而出現(xiàn)在基底上并且造成粗糙的層。這種飛濺物的避免和分散至目前
為止不成功，甚至于對(duì)于反應(yīng)涂層過程完全不成功。在此，例如在氧 氣環(huán)境中于電弧蒸發(fā)器源的陰極上附加地還構(gòu)成薄的氧化層，所述薄 氧化層導(dǎo)致飛濺物形成的增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。本發(fā)明的任務(wù)尤其
是，用至少一個(gè)電弧蒸發(fā)源經(jīng)濟(jì)地沉積具有更好特性的層，其方式是 通過更較好地電離所蒸發(fā)的材料和參與所述過程的反應(yīng)氣體提高過程 中的反應(yīng)。在這種反應(yīng)過程中應(yīng)當(dāng)顯著降低所述飛濺物的頻度和大 小，尤其是在制造絕緣層的反應(yīng)過程的情況下。此外還應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)較好 的過程控制，譬如控制蒸發(fā)速度、提高層的質(zhì)量、層特性的可調(diào)節(jié)性、 改善反應(yīng)的均勻性以及減低所沉積的層的表面粗糙性。這些改善還在 制造梯度層和/或合金的情況下有意義。在制造絕緣層的反應(yīng)過程的情 況下所述過程穩(wěn)定性應(yīng)當(dāng)普遍地提高。
尤其是應(yīng)當(dāng)使得能夠有一種使得能夠經(jīng)濟(jì)地沉積氧化的硬材料 層，即鋁氧化物層和/或鉻鋁氧化物層的電弧蒸發(fā)過程，所述層優(yōu)選地 主要具有阿爾法和/或珈瑪結(jié)構(gòu)。
此外即使在所述方法的經(jīng)濟(jì)性較高的情況下也應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)一種 低溫過程，所述溫度優(yōu)選地在700TC以下。此外還應(yīng)當(dāng)把裝置以及是尤 其是脈沖式運(yùn)行用的功率耗費(fèi)保持得很低。以上說明的任務(wù)既可以單 個(gè)地出現(xiàn)也可以依據(jù)相應(yīng)要求的使用范圍以其組合出現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明所述任務(wù)通過權(quán)利要求1所述的用一種電弧蒸發(fā)PVD
方法制造的硬材料層完成，并且通過采取權(quán)利要求n的在工件上制造
這樣一種層的方法完成。從屬權(quán)利要求確定其它有利的實(shí)施方式。
根據(jù)本發(fā)明所述任務(wù)的解決是通過在工件上沉積一種硬材料層 作為電弧PVD功能層，其中該功能層基本上構(gòu)成為由金屬(Me) Al、 Cr、 Fe、 Ni、 Co、 Zr、 Mo、 Y至少之一組成的電絕緣的氧化物，并且 所述功能層具有低于2%的惰性氣體和/或卣素的含量。其中惰性氣體的 含量?jī)?yōu)選地低于0.1%，尤其是低于0. 05%，或者更好地是零，和/或卣 素的含量?jī)?yōu)選地低于0. 5%，尤其是低于0. 1%，或者更好地是零。這些 氣體應(yīng)當(dāng)以盡可能小的規(guī)模出現(xiàn)在所述層中，因此只用純的反應(yīng)氣體 或者沒有惰性氣體譬如He、 Ne、 Ar的純反應(yīng)氣體混合物或者卣素氣體
譬如Fh Cl2、 Br2、 L或者含卣素的化合物譬如CF6或者類似物進(jìn)行所
述電弧蒸發(fā)過程。
公知的CVD過程用卣素氣體在約11001C的不希望高溫條件下沉積
一個(gè)層。公知的噴濺過程在反應(yīng)處理?xiàng)l件下也用高含量的惰性氣體譬 如氬運(yùn)行。這樣的氣體在所述層中的含量應(yīng)當(dāng)在前述的值之下或者優(yōu) 選地是零。如本發(fā)明所述的脈沖電弧蒸發(fā)過程不用這樣的過程氣體也 能夠勝任。
申請(qǐng)?zhí)枮镃H00518/05的在先專利申請(qǐng)基本上已經(jīng)為解決該問題
提出了一個(gè)技術(shù)方案組。該申請(qǐng)?zhí)岢隽艘粋€(gè)第一技術(shù)方案，所述第一 技術(shù)方案尤其良好地適于完全反應(yīng)的靶表面并且相對(duì)于DC驅(qū)動(dòng)的蒸發(fā)
器耙來說明顯減少了飛濺物的形成。在該申請(qǐng)中提出對(duì)所述電孤蒸發(fā) 源的DC饋電用一個(gè)脈沖電源迭加高電流脈沖，如在圖2中示意地示出。
在較高的經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)進(jìn)一步地減少飛濺物和降低其大小通過下 面的專利申請(qǐng)CH01289/05的做法達(dá)到，該專利要求CH00518/05的優(yōu) 先權(quán)并且形成其擴(kuò)展。在該申請(qǐng)中， 一種用于對(duì)工件進(jìn)行表面處理的 真空處理設(shè)備具有至少一個(gè)電弧蒸發(fā)源，所述至少一個(gè)電弧蒸發(fā)源包 含與一個(gè)DC電源連接的第一電極，其中附加地設(shè)置一個(gè)與所述電弧蒸 發(fā)源分開安放的第二電極，并且這兩個(gè)電極都與一個(gè)脈沖電源連接。 從而在這兩個(gè)電極之間僅用一個(gè)單個(gè)的脈沖電源運(yùn)行一個(gè)附加的放電 路段，所述脈沖電源在非常良好的過程可控制性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)所參與材 料的特別高的電離。
在此所述第二電極可以是另一個(gè)電弧蒸發(fā)源、 一個(gè)工件固定裝置 或者所述工件本身，由此在這種情況下把所述笫二電極作為偏置電極 運(yùn)行，或者所述第二電極也可以構(gòu)成為蒸發(fā)缽，所述蒸發(fā)缽構(gòu)成一個(gè) 低電壓電弧蒸發(fā)器的陽極。
一個(gè)尤其優(yōu)選的實(shí)施方式在于，這兩個(gè)電極各是一個(gè)電弧蒸發(fā)源 的陰極，并且這兩個(gè)電弧蒸發(fā)源各直接與一個(gè)DC電源連接以維持保持 電流，并且其中這兩個(gè)陰極都與一個(gè)單個(gè)的脈沖電源連接，其連接方 式是使得所述電弧或者說這兩個(gè)源的電弧放電在運(yùn)行中不會(huì)熄滅。 從而在該配置中只需要一個(gè)脈沖電源，因?yàn)樵撁}沖電源直接地接在電 孤蒸發(fā)器的這兩個(gè)陰極之間。除了所述過程的高電離度和良好的可控制性以外還設(shè)置了所述配置的較高的功效。在這兩個(gè)電極與由此附加 地產(chǎn)生的脈沖—放電路段之間，在該放電路段對(duì)面構(gòu)成一個(gè)有負(fù)的部 分和正的部分的雙極脈沖，由此可以把饋入的交變電壓的整個(gè)周期長(zhǎng) 度都用于所述過程。實(shí)際上不出現(xiàn)不被利用的脈沖間歇，并且不論是 負(fù)脈沖還是正脈沖都無間斷地一起用于所述過程。由此另外提高了沉 積速度，而不必使用附加的昂貴的脈沖電源。這種具有兩個(gè)電弧蒸發(fā)
1。用這種配置甚至可以完全地l欠棄支"的惰性氣體，譬如氬，并且 可以用純反應(yīng)氣體工作，甚至以令人吃驚的方式用純氧氣工作。通過 由此可達(dá)到的不論是蒸發(fā)的材料還是反應(yīng)氣體譬如氧氣的高電離度， 產(chǎn)生具有較高的質(zhì)量的不導(dǎo)電層，所述質(zhì)量幾乎夠得上散裝材料的質(zhì) 量。在此所述過程進(jìn)行得非常穩(wěn)定，并且令人吃驚的是急劇地降低或 者近乎完全避免了飛'減物形成。然而上述的優(yōu)點(diǎn)還可以通過用其它的 源作第二電極達(dá)到，譬如用一個(gè)偏置電極或者一個(gè)低壓電弧蒸發(fā)缽， 盡管所述有利作用不會(huì)達(dá)到用兩個(gè)電弧蒸發(fā)器的配置所達(dá)到的同樣的 程度。
本申請(qǐng)要求這兩個(gè)上述的申請(qǐng)CH00518/05和01289/05的優(yōu)先 權(quán)，這兩個(gè)在先申請(qǐng)基本上為本發(fā)明沉積不導(dǎo)電的氧化層的任務(wù)展示 出一個(gè)第一技術(shù)方案組。在本申請(qǐng)中提出的發(fā)明在過程進(jìn)行和應(yīng)用方 面形成一種擴(kuò)展。因此這兩個(gè)申請(qǐng)都是本申請(qǐng)的集成的組成部分。


下面參照附圖用實(shí)施例詳細(xì)地說明本發(fā)明。在附圖中
圖1示出對(duì)應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)的一種電弧蒸發(fā)器涂層設(shè)備的一個(gè)示意
圖2示出在用迭加的大電流脈沖運(yùn)行的情況下具有一個(gè)DC饋電的
電弧蒸發(fā)源的如本發(fā)明第一配置；
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的具有兩個(gè)DC饋電的電弧蒸發(fā)源和接于其間 的大電流電源的第二配置，即一種雙脈沖電弧蒸發(fā)配置；
圖4示出根據(jù)本發(fā)明作為多重層的沉積層的橫截面；
圖5示出根據(jù)圖4的層放大了的橫截面。
具體實(shí)施例方式
圖1中示出一個(gè)真空處理設(shè)備，所述真空處理設(shè)備具有用一個(gè)DC 電源13運(yùn)行一個(gè)電弧蒸發(fā)源5的由現(xiàn)有技術(shù)公知的配置。所述設(shè)備l 配備一個(gè)泵系統(tǒng)2，用于在所述真空處理設(shè)備1的腔內(nèi)產(chǎn)生所需要的真 空。所述泵系統(tǒng)2使得能夠在< 101亳巴的壓力下運(yùn)行所述涂層設(shè)備并 且還用典型的反應(yīng)氣體譬如02、 N2、 SiH4、氫氣等等確保運(yùn)行。所述反 應(yīng)氣體通過一個(gè)氣體入口 11 i丈入腔1中并且在所述腔中對(duì)應(yīng)地分布。 此外還可以通過另一個(gè)氣體入口放入附加的反應(yīng)氣體，或者還在例如 對(duì)蝕刻過程或者對(duì)沉積非反應(yīng)層需要時(shí)放入惰性氣體，譬如氬氣，以 單個(gè)地和/或混合地使用所述氣體。安放在所述設(shè)備中的工件固定裝置 3起容納和電連接在此不再示出的工件的作用，所述工件通常用金屬的 材料制造，并且用于用這樣的過程沉積硬材料層。 一個(gè)偏置電源4與 工件固定裝置3電連接，用于在所述工件上施加基底電壓或者說偏置 電壓。所述偏置電源4可以是一個(gè)DC或者AC電源或者是一種雙極脈 沖或者單極脈沖基底電源。通過一個(gè)過程氣體入口 ll可以放入一種惰 性氣體或者一種反應(yīng)氣體，以在所述處理腔中預(yù)先給定和控制過程壓 力和氣體組成。
電弧蒸發(fā)源5的組成部分是一個(gè)靶5 、以及置于其下方的冷卻板， 和一個(gè)安放在所述靶表面的周邊區(qū)域中的火花塞7以及一個(gè)包圍所述 耙的陽極6。用一個(gè)開關(guān)l4可以在所述電源13的正極的陽極6的浮動(dòng)
運(yùn)行與用確定的零電位或者接地電位的運(yùn)行之間進(jìn)行選擇。用所述火 花塞7例如在觸發(fā)所述電弧蒸發(fā)源5的電弧時(shí)產(chǎn)生與所述陰極的短暫 接觸并且然后再把它拿開，由此觸發(fā)電火花。例如為此火花塞7通過 一個(gè)限流電阻與陽極電位連接。
如果所述過程做法需要，所述真空處理設(shè)備1可以附加地配備一 個(gè)附加的等離子源9。在這種情況下，等離子源9構(gòu)成用熱陰極產(chǎn)生低 電源電弧的源。所述熱陰極例如可以構(gòu)成為安放在一個(gè)小的電離腔中 的絲極，在所述小的電離腔中用一個(gè)氣體入口 8放入一種工作氣體， 例如氬氣，以產(chǎn)生在真空處理設(shè)備1的主腔中展開的低壓電弧放電。 一個(gè)用于構(gòu)成所述低壓電弧放電的陽極15對(duì)應(yīng)定位地設(shè)置在真空設(shè)備 1的所述腔中并且以7>知的方式和方法用一個(gè)在離子源9的陰極和陽 極15之間的DC電源運(yùn)行。在需要時(shí)可以設(shè)置附加的線團(tuán)10、 10、，
例如圍繞空間處理設(shè)備1放置的斧柄木那樣(helmholzartig)的配 置，用于磁聚焦或者引導(dǎo)所述低壓電弧等離子。
對(duì)應(yīng)地根據(jù)本發(fā)明，如圖2所示附加地用一個(gè)脈沖大電流電源16、 饋電也就是運(yùn)行第一電弧蒸發(fā)源5。該脈沖電源16、有利地直接迭加所 述DC電源。當(dāng)然必須相互電退耦地運(yùn)行這兩個(gè)電源，以對(duì)其加以保護(hù)。 這可以通常地用濾波器進(jìn)行，譬如用電感，如電子領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人 員熟知的那樣。對(duì)應(yīng)于本發(fā)明在這樣的配置中已經(jīng)可以只用純反應(yīng)氣 體或者反應(yīng)氣體混合物來沉積層，譬如氧化物、氮化物等等，而不需 要不受歡迎的支持氣體成分，譬如在PVD噴濺過程中的氬或者CVD過 程中的卣素前體。尤其是因此實(shí)現(xiàn)了非常難于經(jīng)濟(jì)地達(dá)到的、以所希 望的結(jié)晶形式產(chǎn)生不導(dǎo)電的純氧化物并作為層沉積。這種反應(yīng)的脈沖 電弧蒸發(fā)方法在本文中稱為RPAE方法。
在本發(fā)明真空處理設(shè)備的另一個(gè)更好的實(shí)施方式中，除了一個(gè)具 有靶電極5、的笫一電弧蒸發(fā)源5以外還設(shè)置具有第二靶電極20、的第 一電孤蒸發(fā)源20，如在圖3中所示。這兩個(gè)電弧蒸發(fā)源5、 20各用一 個(gè)DC電源13、 13、運(yùn)行，運(yùn)行的方式是所述DC電源用一個(gè)基礎(chǔ)電 流確保維持所述電弧放電。DC電源13、 13、對(duì)應(yīng)于當(dāng)今的現(xiàn)有技術(shù)并 且可以成本合算地實(shí)現(xiàn)。構(gòu)成這兩個(gè)電弧蒸發(fā)源5、 20的陰極的兩個(gè) 電極5、、 20、對(duì)應(yīng)于本發(fā)明地各與一個(gè)脈沖電源16連接，所述脈沖電 源能夠在這兩個(gè)電極5 、、20、上輸出具有一定脈沖波形和升降沿陡度的 大脈沖電流。在圖3所示的配置中這兩個(gè)電弧蒸發(fā)源5、 20的陽極6 與處理設(shè)備1的地電位關(guān)聯(lián)。由此也稱為雙脈沖式電弧蒸發(fā)(DPAE )。
還可以接地或者無接地運(yùn)行所述電弧放電。在優(yōu)選無接地的情況 下第一 DC電源13以其負(fù)極與第一電弧蒸發(fā)源5的陰極5 、連接，并以 其正極與第二電弧蒸發(fā)源"的對(duì)置的陽極連接。類似地運(yùn)行第二電弧 蒸發(fā)源"并且第二電源13、與第一電弧蒸發(fā)源5的陽極的正極連接。 這種對(duì)置地運(yùn)行所述電弧蒸發(fā)源的陽極導(dǎo)致在過程中更好地電離所述 材料。所述不接地的運(yùn)行或者說懸浮或者浮動(dòng)地運(yùn)行電弧蒸發(fā)源5、 20 還可以不采用對(duì)置的陽極饋電地進(jìn)行。此外還可以設(shè)置一個(gè)開關(guān)14， 以有選擇地在不接地的和接地運(yùn)行之間切換，如在圖1中所示。
這種"雙脈沖模式"的電源必須能夠覆蓋不同的阻抗區(qū)域，并且 即使如此在電壓上也是"硬"的。這意味著，所述電源必須提供大的
電流，并且在此還有在很大程度上可以電壓穩(wěn)定地運(yùn)行。這樣的電源
的一個(gè)例子在與前述專利申請(qǐng)CH1289/05的同一日以CH518/05號(hào)并 列地提出了申請(qǐng)。
本發(fā)明的第一且優(yōu)選的應(yīng)用范圍是利用兩個(gè)脈沖式電弧蒸發(fā)源 5、 20的陰極電火花蒸發(fā)，如其在圖3中所示。在該應(yīng)用中阻抗在約 0. OIQ至1Q的區(qū)間內(nèi)。在此還必須注意，通常在其間"雙脈沖"的所 述源的阻抗是不同的。這可能由于該源由不同的材料或者合金構(gòu)成、 所述源的磁場(chǎng)不同或者所述源的材料損壞處于不同的階段?，F(xiàn)在所述 "雙脈沖模式"使得能夠這樣地通過調(diào)節(jié)脈沖寬度進(jìn)行平衡使得兩 個(gè)源吸收相同的電流。結(jié)果在所述源上導(dǎo)致不同的電壓。當(dāng)然還可以 在電流方面不對(duì)稱地加栽所述電源，如果對(duì)于所述過程進(jìn)行是值得追 求的話，這例如對(duì)不同材料的梯度層是這樣。相應(yīng)離子的阻抗越小， 電源的電壓穩(wěn)定性就越難于實(shí)現(xiàn)。因此電源對(duì)不同的輸出阻抗的可切
換性或者受控的可跟蹤性是尤其有利的，如果想要充分地利用其功率 的全部范圍的話，所述功率范圍例如也就是在500V/100A至50V/1000A
的范圍，或者如同在并列申請(qǐng)CH518/05中實(shí)現(xiàn)的那樣。
這樣一種雙脈沖式陰極配置并且尤其是由兩個(gè)電弧蒸發(fā)源構(gòu)成的
雙脈沖式陰極配置的優(yōu)點(diǎn)綜合如下
1. 在陡直脈沖情況下提高的電子發(fā)射產(chǎn)生較大的電源(還有基 底電流)和所述蒸發(fā)的材料和反應(yīng)氣體的較高的電離；
2. 較高的電子密度還對(duì)較快速的基底表面放電起作用，在制造 絕緣層的情況下，就是說在基底上的再充電時(shí)間比較小(或者還只是 偏壓的脈沖間歇)就足以放電所述構(gòu)成的絕緣層；
3. 在兩個(gè)陰極的電弧蒸發(fā)源之間的雙極運(yùn)行使得能夠有近于 100%的脈沖-間歇比例(占空比)，而僅用一個(gè)源的脈沖總是需要一 個(gè)間歇并且因此效率不是太高；
4. 相互對(duì)置的兩個(gè)陰極火花源的雙脈沖式運(yùn)行把所述基底區(qū)域 浸入密集的等離子中并且提高了該區(qū)域中的反應(yīng)，也提高了反應(yīng)氣體 的反應(yīng)。事實(shí)表明還提高了基底電流；
5. 在氧氣環(huán)境中的反應(yīng)處理可以在脈沖式運(yùn)行中達(dá)到更高的電 子發(fā)射值，并且看來在很大程度上避免了在傳統(tǒng)蒸發(fā)金屬靶的情況下 所出現(xiàn)的電火花區(qū)域熔融。在沒有其它雜質(zhì)氣體或者支持氣體的純氧 化反應(yīng)模式的工作現(xiàn)在毫無問題地實(shí)現(xiàn)了 。
為了在以上說明的本發(fā)明的各種可能的實(shí)施方式的情況下能夠達(dá)
到所闡述的有利的過程特性，所述脈沖電源16、 16、必須滿足各種條 件。在雙極的脈沖形成的情況下必須能夠在從10Hz至500kHz范圍內(nèi) 的一種頻率下運(yùn)行所述過程。由于電離性能，在此重要的是脈沖的可 規(guī)定的升降沿陡度。不論是上升沿U2 (U-tl) 、 Ul/(t6-t5)還是下 降沿U2 ( t4-t3) 、 Ul/(t8-t7都應(yīng)當(dāng)具有在0. 02V/ns至2. 0V/ns的 范圍內(nèi)的陡度，并且至少在空栽運(yùn)行的情況下也就是說無負(fù)荷的情況 下是這樣的，優(yōu)選的是有負(fù)荷時(shí)也在所述范圍內(nèi)。視對(duì)應(yīng)的負(fù)荷大小 或者所施加的阻抗或者對(duì)應(yīng)的設(shè)定而異，在運(yùn)行時(shí)所述升降沿陡度當(dāng) 然起作用。在雙極的圖示中的脈沖寬度對(duì)t4至tl和t8至t5有利的 是》l^is，其中，間歇"至t4和t9至"有利地可以是基本上為0, 但是在一定的前提條件下也可以》Ops。如果所述脈沖間歇>0，就把 這種運(yùn)行稱為有間隙的，并且可以例如通過脈沖間隙寬度的可變的時(shí)
間推移調(diào)節(jié)輸入到等離子中的能量并且調(diào)節(jié)其穩(wěn)定性。尤其有利是， 這樣地設(shè)計(jì)所述脈沖電源使得在1000V的電壓下可以實(shí)現(xiàn)達(dá)到500A
的脈沖運(yùn)4亍，其中，在此脈沖間歇比例(占空比)必須對(duì)應(yīng)地加以考 慮或者必須針對(duì)所設(shè)計(jì)的電源的可能功率匹配脈沖間歇比例(占空 比)。除了所述脈沖電壓的升降沿陡度以外優(yōu)選地還要注意，所述脈 沖電源16能夠在至少ljus的時(shí)間把電流上升到500A。
隨著以上說明的用DC饋電和迭加的大電流脈沖饋電運(yùn)行電弧蒸發(fā) 源(RPAE、 DPAE)，能夠高質(zhì)量地用反應(yīng)氣體環(huán)境從一個(gè)或者多個(gè)金 屬靶向一個(gè)工件30沉積對(duì)應(yīng)的金屬化合物。這尤其適于產(chǎn)生純氧化 層，因?yàn)樵摲椒ㄍ耆恍枰郊拥闹С謿怏w，譬如惰性氣體，這一般 是氬。從而電弧蒸發(fā)器5、 20的等離子放電可以例如并且優(yōu)選地在所 希望的工作壓力下于純氧氣的環(huán)境中進(jìn)行，而不會(huì)不穩(wěn)定放電、防礙 放電或者得出不需要的結(jié)果，譬如過強(qiáng)的飛濺物形成或者差的層特 性。還不需要如在CVD方法中那樣必須使用卣素化合物。這首先是實(shí) 現(xiàn)了在低的過程溫度，優(yōu)選地是在5001C以下，經(jīng)濟(jì)地制造高質(zhì)量的耐 磨損的氧化硬材料層，所述硬材料層在結(jié)果上卻是耐高溫的，優(yōu)選地 耐> 8 0(TC的溫度并且所述硬材料層化學(xué)上非常穩(wěn)定，例如有高的氧化 穩(wěn)定性。此外為實(shí)現(xiàn)一種穩(wěn)定的層系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)盡可能地避免氧氣隨著與
此關(guān)聯(lián)的氧化在底部的層系統(tǒng)中和/或在工件上的滲透。
現(xiàn)在可以亳無困難地用元素周期表的副族IV、 V、 VI的過渡金屬 和A1、 Si、 Fe、 Co、 Ni、 Y在純氧氣作為反應(yīng)氣體的環(huán)境中產(chǎn)生氧化 層，其中優(yōu)選A1、 Cr、 Mo、 Zr以及Fe、 Co、 Ni、 Y。功能層應(yīng)當(dāng)是一 種或者多種這些金屬的氧化物不含氣體和/或鹵素譬如Cl ，但是至少含 有低于0. 1%或最好低于0. 05%的惰性氣體和低于0. 5%或者最好是低于 0.1%的卣素，以達(dá)到所述希望的層質(zhì)量。
這樣的功能層32或者多層系統(tǒng)33 (Multilayer)尤其是作為硬 材料層應(yīng)當(dāng)有0. 5至Upm范圍，優(yōu)選地1. 5至5. 0pm的厚度。所述 功能層可以直接沉積在工件30上，所述工件是一個(gè)工具、 一個(gè)機(jī)器部 件，優(yōu)選的是一個(gè)刀具，譬如一個(gè)轉(zhuǎn)向刀板。在該層與工件30之間還 可以沉積至少一個(gè)其它層或者層系統(tǒng)，尤其是構(gòu)成一個(gè)中間層31,所 述中間層構(gòu)成一個(gè)附著層并且優(yōu)選地包含元素周期表的副族IVa、 Va 和Via的金屬和/或Al或者SI或者其混合物。良好的附著特性用這些 金屬與N、 C、 0、 B或者其混合物的化合物達(dá)到，其中所述化合物優(yōu)選 地包含N。中間層31的層厚應(yīng)當(dāng)在0. 05至5 pm的范圍，優(yōu)選地在0. 1 至0. 5 Mm的范圍。功能層32和/或中間層31的至少一個(gè)可以有利地 構(gòu)成為演化層34，由此造成各個(gè)層的特性更好的過渡。所述演化可以 從金屬開始，經(jīng)過氮化物至氮氧化物并且一直演化到純氧化物。也就 是構(gòu)成一種演化區(qū)域34，在此相互接觸的層的材料相互混合，或者如 果沒有中間層的話則工件材料相互混合。
在需要時(shí)，在功能層32上可以沉積另一個(gè)層或者層系統(tǒng)35作為 覆蓋層。 一個(gè)覆蓋層35可以沉積成為附加的減磨擦層，以進(jìn)一步提高
被覆蓋的工件的磨擦性能。
視要求而異上述的層或者層系統(tǒng)的一個(gè)或者多個(gè)層可以在它們相 鄰界的區(qū)域中構(gòu)成為演化層34，或者在各個(gè)層內(nèi)部產(chǎn)生任意方式的濃 度梯度。在本發(fā)明中這通過在真空設(shè)備1中受控制地放入反應(yīng)氣體實(shí) 現(xiàn)，以調(diào)節(jié)反應(yīng)電弧等離子過程所需的各氣體類型和氣體量。
現(xiàn)在還可以毫不困難地用所希望的硬材料特性制造鋁氧化物層 (A 1203 )作為功能層32，所述鋁氧化物層甚至主要具有化學(xué)計(jì)量的組 成。作為功能層32特別有利的硬材料層主要由一種(A"Me卜x) A形 式的鋁金屬(Me)混合氧化層組成，其中Me是Cr、 Fe、 Ni、 Co、 Zr、
Mo、 Y的一種，單個(gè)或者混合的，可以視參與材料的期望成分x、 y和 z而異地調(diào)節(jié)。另外特別優(yōu)選的是鉻作為金屬M(fèi)e構(gòu)成在(Al,Me卜J y0z 的金屬混合氧化物中，這從而構(gòu)成(AlxCri-x) y(h或者(AlCr) 702的形 式。在此在層5中金屬鉻的成分l-x應(yīng)當(dāng)有5-80At%，優(yōu)選地是10到 60At% (原子％)。
非常適于作硬材料功能層32的還有一種金屬氮化物，尤其是鋁鉻 氮化物(AlCr) yNz或者還可以是(AlTi) yNz。
通過過程進(jìn)行的有針對(duì)性的手段，現(xiàn)在還可以在鋁氧化物和鋁鉻 氧化物的情況下達(dá)到特別希望的阿爾法和/或珈瑪結(jié)構(gòu)。
由于上述通過控制反應(yīng)氣體的輸送而簡(jiǎn)單地以層組成調(diào)節(jié)層條件 并且由于穩(wěn)定的過程進(jìn)行，第一次可以制造有任意多層的并且有任意 組成以及甚至有演化的多層系統(tǒng)(Multilayer) 33。在此可以用不同 的材料制造多層，并且往往有利的是用交替的相同材料制造成一種夾 層方式。對(duì)于硬材料功能層32， 一種材料組成周期性改變的具有重復(fù) 的層序列對(duì)33的層系統(tǒng)是有利的。首先一個(gè)從Mei至Me2氧化物和/或 從Mei氮化物到Me!氧化物和/或從Mei氮化物到Me2氧化物的結(jié)構(gòu)帶來 在功能層或者其層系統(tǒng)的使用壽命和較少的開裂形成方面優(yōu)良的結(jié) 果。 一個(gè)作為多層33的功能層32的例子示出在圖4中并且以放大的 橫截面示出在圖5中。圖中示出用本發(fā)明所述的方法優(yōu)選地按化學(xué)計(jì) 量的材料組成制造的鋁鉻氮化物(AlCr) A與鋁鉻氧化物(AlCr) x0y 交替的一種優(yōu)選的材料對(duì)。在該例中所述疊層包含42個(gè)具有交替的材 料的層對(duì)，如以上所說明的。作為多層33的功能層32的總層厚約4. 1 Him，其中一個(gè)層對(duì)也就是說兩個(gè)層的厚度為98nm。
其它優(yōu)選的材料對(duì)是用根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選地按化學(xué)計(jì)量的材 料組成制造的交替的鋁鋯氮化物(AlZr ) A與鋁鋯氧化物(AlZr ) x0y。 對(duì)于作為功能層32的硬材料層，這在所述多層系統(tǒng)33具有至少20個(gè) 層時(shí)是有利的，優(yōu)選地達(dá)到500個(gè)層。在此每個(gè)層的厚度在0. 01至0. 5 pm的范圍中，優(yōu)選地在0. 02至0. 1 nm的范圍。在所述層的各個(gè)相 鄰的區(qū)域中也可以看到提供良好的過渡性能的演化34。
在圖4所示的例子中還在功能層32、 33上沉積一個(gè)覆蓋層35作 為磨擦減輕層。所述覆蓋層由鈦氮化物構(gòu)成并且約0. 83pm厚。
作為例子在所述功能層下方還附加地設(shè)置一個(gè)中間層31作為粘附
層，所述粘附層約1. 31 nm厚并且作為Al-Cr-N中間層用RPAE沉積在 工件30上。
在此提出的涂層，不論是單個(gè)層還是多層系統(tǒng)，都應(yīng)當(dāng)優(yōu)選具有 一個(gè)不低于2 jam的Rz值和/或一個(gè)不低于0. 2 M m的Ra值。這些值分 別在可能的表面后處理之前，譬如在刷、照射、拋光等等之前，直接 地在所述表面上測(cè)量。從而這些值表現(xiàn)為純過程決定的表面粗糙度。Ra 理解為根據(jù)DIN4768的平均粗糙度。這是粗糙度輪廓R在整個(gè)測(cè)量段 L內(nèi)與平均線的所有偏離的算術(shù)平均值。Rz理解為根據(jù)DIN4768的平 均粗糙深度。這是在粗糙度輪廓中五個(gè)相繼的單個(gè)測(cè)量段1。中單個(gè)粗 糙濃度的平均值。Rz只取決于最高的峰與最深的谷之間的距離。通過 構(gòu)成平均值減少單個(gè)的峰(谷)的影響，并且計(jì)算其中包括所述R輪 廓的帶的平均寬度。
根據(jù)本發(fā)明所提出的涂層尤其適用于工具、刀具、變型工具、壓 鑄工具或者沖模工具，但是特別地適用于轉(zhuǎn)向刀板。
下面說明在采用本發(fā)明的條件下在反應(yīng)的脈沖電弧蒸發(fā)涂層過程 中的一種基底處理的典型流程。除了在其中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的真正的涂層 過程以外，還說明涉及所述工件的預(yù)處理和后處理的其它過程步驟。 所有這些步驟都可以包括許多變例，在一定的條件下還可以去掉、縮 短或者延長(zhǎng)或者組合一些步驟。
在第 一步驟中通常使所述基底受到濕化學(xué)清潔，所述濕化學(xué)清潔 可以視材料和以前的層而異不同地進(jìn)行。
例1:
描述借助于RPAE (反應(yīng)脈沖電弧蒸發(fā))制造Al-Cr-0層32 (以及 Al-Cr-N/Al-Cr-0多層33)和Al-Cr-N中間層31的典型過程流程， 用于對(duì)工件30，譬如刀具，優(yōu)選旋轉(zhuǎn)刀板涂層。
1. 如領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員所公知地預(yù)處理(清潔等等)工件(30) (基底)。
2. 在為此設(shè)置的固定裝置中放入所述基底并且送入所述涂層系統(tǒng)
中
3. 如領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員所公知地借助于一個(gè)泵系統(tǒng)把所述涂層 腔抽吸到約1"亳巴的壓力(前泵/擴(kuò)散泵、前泵/渦流分子泵，可以達(dá) 到約10—7毫巴的最終壓力)
4. 在氬-氫等離子或者其它的等離子處理中用加熱步驟在真空中
開始所述基底處理。無限制地可以用以下的參數(shù)進(jìn)行這種預(yù)處理
低壓電弧放電的等離子，具有約100A的放電電流、達(dá)200A、達(dá)
4 0 0A ，優(yōu)選地把所述基底作為這種低壓電弧放電的陽極接入。 氬氣流50sccm 氫氣流300sccm
基底溫度500。C (部分通過等離子加熱、部分通過射束加熱) 處理時(shí)間4 0分4中
優(yōu)選地在該步驟過程中在基底與地或者其它的參照電位之間設(shè)置 一個(gè)電源，利用該電源既可以用DC (優(yōu)選是正的)也可以用脈沖式DC (單極的、雙極的)對(duì)基底加載，或者也可以作為MF (中頻)或者RF (高頻)對(duì)基底加載。
5. 下個(gè)過程步驟是開始蝕刻。為此在燈絲與輔助陽極之間運(yùn)行所 述低壓電弧。在基底與地之間接入一個(gè)DC、脈沖式DC、 MF或者RF電 源并且優(yōu)選地用負(fù)電壓加載所述基底。在脈沖式電源和MF、 RF電源的 情況下還在基底上施加正電壓?？梢詥螛O地或者雙極地運(yùn)行所述電 源。在該步驟過程中典型的然而并非排它的過程參數(shù)是
氬氣流60sccm 低壓電弧放電電流150A
基底溫度5001C (部分通過等離子加熱、部分通過射束加熱) 處理時(shí)間30分鐘
為了在制造絕緣層的情況下保證所述低壓電弧放電的穩(wěn)定性，要 么用較熱的、導(dǎo)電的輔助陽極15工作，要么在輔助陽極與地之間接入 脈沖式大電流電源。
6. 用所述中間層開始涂層(約15分鐘)
借助于電火花蒸發(fā)覆蓋CrN中間層300nm (源電流140A、 Ar80sccm、 N2 1200sccm，具有-80V或者-1 OOV的偏置，下降到-60V 或者40V。
所述涂層可以用也可以不用低壓電弧進(jìn)行。
7. 向功能層的過渡(約5分鐘)
在向真正的功能層過渡中把電弧源附加地與一個(gè)第二電源的單級(jí) DC脈沖并聯(lián)地迭加，所述第二電源可以用50kHz運(yùn)行(圖2)。附加
地以相同的方式運(yùn)行一個(gè)Al靶，以把AlCr制造成層。在所述例子中 以lOju s脈沖/10p s間歇工作并且在該脈沖中產(chǎn)生達(dá)150A的電流。 然后放入200sccm的氧氣。
8. 返回AlCrN涂層
在氧氣流穩(wěn)定以后，進(jìn)行AlCrN涂層的沉積。為此降低N2氣流。 這種下降進(jìn)行約IO分鐘。接著把Ar氣流下降到零(如果不用低壓電 弧工作的話)。
9. 用功能層32涂層
用真正的功能層對(duì)基底涂層是在純反應(yīng)氣體中進(jìn)行的(在這種情 況下是氧氣)。最重要的過程參數(shù)是 氧氣流400sccm
基底溫度5001C DC源電流6 OA
對(duì)于所述DC源電流迭加一個(gè)具有脈沖頻率50kHz和10y s脈沖 /IOjlxs間歇的脈沖特性的脈沖式DC電流(單極的)。
在涂層腔中的過程壓力是9x10—3毫巴。在基底上的偏壓返回到-40。因?yàn)殇X氧化物涉及絕緣層，所以采用或DC脈沖式或作為MF (50kHz-350kHz)運(yùn)行的偏置電源。
所述涂層還可以與低壓電弧同時(shí)進(jìn)行。在此情況下實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的提 高。此外在涂層過程中同時(shí)地使用所述低壓電弧還有可以減少所述源 的DC成分的優(yōu)點(diǎn)。隨著提高電弧電流還可以進(jìn)一步地減少所述DC成 分。
這樣進(jìn)行的涂層過程在多個(gè)小時(shí)期間是穩(wěn)定的。所述靶5、 5、上覆 蓋了薄的、光滑的氧化層。盡管所述靶表面由于氧氣改變卻不出現(xiàn)絕 緣的島，這也用點(diǎn)火電壓的提高來表示。靶表面基本保持光滑。電弧 安靜地運(yùn)行并且劃分成許多更小的電弧。顯著降低了飛濺物形成。
所描述的過程是一種基礎(chǔ)的優(yōu)選方式，因?yàn)樗鼘?duì)脈沖電源的要求 很低。DC電源提供電弧的最低電流或保持電流，而脈沖式大電流電源 16、 16、用于避免飛賊物并且確保過程穩(wěn)定。
一種產(chǎn)生多層33，即上述層例的多層系統(tǒng)33的可能性現(xiàn)在在于， 在所述層沉積的過程中降低或者完全關(guān)閉氧氣氣流，而通入氮?dú)饬鳌?這可以用排它或者混合的氧氣-氮?dú)鉂舛戎芷诤头侵芷诘剡M(jìn)行。以此方
式制造舉例地用橫剖面在圖4和在圖5中放大地示出的多層。在許多 情況下該功能層32向外結(jié)束所述涂層，在其上沒有后續(xù)的其它層。
視應(yīng)用和需要而異可以用一個(gè)或者多個(gè)覆蓋層35 "在頂部上給 予，，磨擦特性。以上說明的具有TiN頂層的AlCrN/AlCrO多層的例子 同樣地示出在圖4中。在此情況下所述至少一個(gè)覆蓋層35例如可以是 一種磨擦降低層，其中硬材料層32或者所述功能層或者所述多層用作 磨擦降低層的支持層。
如果希望制造帶有特別薄的含氧化物的層厚的多層功能層33或多
層中間層時(shí)，這還可以在一個(gè)優(yōu)選的過程變例中如下地進(jìn)行在氧氣 流的情況下把構(gòu)成氧化物的靶的運(yùn)行進(jìn)行到直到所述靶顯示第一中毒 現(xiàn)象(電壓上升，多數(shù)是在數(shù)分鐘以后)并且然后分別重新切換到氮 氣流為止。該過程變例特別的簡(jiǎn)單并且可以用現(xiàn)有技術(shù)(圖1)實(shí)現(xiàn)， 也就是說沒有靶-脈沖運(yùn)^f亍地實(shí)現(xiàn)。然而卻不能夠把所述層厚與相應(yīng)的 要求自由匹配。
在用兩個(gè)或者多個(gè)蒸發(fā)源的雙脈沖運(yùn)行中實(shí)施上述例子在過程引 導(dǎo)和經(jīng)濟(jì)性方面帶來附加的優(yōu)點(diǎn)。 例2:
借助于DPAE (雙脈沖電弧蒸發(fā)器)用一種Al-Cr-0硬材料層系統(tǒng) "和Cr-N中間層31來覆蓋工件30，所述工件譬如是刀具，優(yōu)選的是 轉(zhuǎn)向刀板。
步驟1至5 (含)類似于例1。
6. 用所述中間層開始涂層(約15分鐘)
借助于電火花蒸發(fā)覆蓋AlCrN中間層300nm (耙材料AlCr (50%、 50%)、源電流180A、 N2 800sccm，具有-180V的雙極偏壓(36 y s 負(fù)，4ys正))。
所述涂層可以用也可以不用4氐電壓電弧進(jìn)4亍。 直到此點(diǎn)都遵循例如在圖1中所描繪的現(xiàn)有技術(shù)。
7. 向功能層32的過渡(約5分鐘)
在向真正的功能層過渡中把氮?dú)鈴?00sccm下降到約600sccm并 且然后接入400sccm的氧氣?，F(xiàn)在關(guān)閉氮?dú)饬鳌?br> 8. 用功能層32涂層
現(xiàn)在在這兩個(gè)電弧蒸發(fā)器陰極5、 20之間投入運(yùn)行雙極大電流電
源16，如在圖3中所示。在所述過程中用約50A的時(shí)間上的正或負(fù)的 均值電流工作。正的及負(fù)的電壓區(qū)域的脈沖寬度各為10ps，在其間于 W0V的電壓下各有s的間歇。流過所述雙極脈沖電源16的電流 峰值取決于相應(yīng)的脈沖波形。流過各電弧蒸發(fā)器陰極5、 20的DC電流 與雙極脈沖電流的峰值之間的差不得低于所述電火花蒸發(fā)器陰極5、 20 的保持電流，因?yàn)椴蝗痪蜁?huì)發(fā)生電弧(火花)的熄滅。
在所述涂層的頭10分鐘中把偏壓從-180V上升到—0V。對(duì)于雙旋 轉(zhuǎn)工件30的典型涂層速度在3pm/h與6pm/h之間。
也就是用真正的功能層32對(duì)工件30的涂層是在純反應(yīng)氣體(在 該例的情況下是氧氣)中進(jìn)行。最重要的過程參數(shù)再次總結(jié)為
氧氣流400sccm
工件溫度5001C
DC源電流180A，不論是對(duì)Al源還是對(duì)Cr源。 在這兩個(gè)陰極之間的雙極脈沖式DC電流具有"kHz的頻率。 處理壓力約9 x 10 3毫巴。
如前所說明，所述涂層還可以與低壓電弧的運(yùn)行同時(shí)進(jìn)行。在此 情況下首先在所述工件中達(dá)到反應(yīng)的提高。此外在涂層過程中同時(shí)地 使用所述低壓電弧還有可以減少所述源的DC成分的優(yōu)點(diǎn)。隨著提高 電弧電流還可以進(jìn)一步地減少所述DC成分。
這樣進(jìn)行的涂層過程在多個(gè)小時(shí)過程中也是穩(wěn)定的。所述耙5、 20' 上覆蓋薄的、光滑的氧化層。這是所希望的并且是一個(gè)很大程度上無 飛濺物且穩(wěn)定的過程的前提。該覆蓋用耙上電壓的提高來表明。
用不同的層對(duì)工件涂層并且在同一條件下進(jìn)行一種實(shí)際的比較檢測(cè)。
旋轉(zhuǎn)檢測(cè)的檢測(cè)條件
作為這種檢測(cè)的指標(biāo)采用公知的TiAlN層和公知的、借助于CVD 沉積的阿爾法鋁氧化物層。在所有的檢測(cè)層中都研究4 urn的層厚。作 為檢測(cè)的材料采用不銹鋼(1.1192)。作為旋轉(zhuǎn)周期分別選取l、 2和 4分鐘。切削速度為350m/min，進(jìn)給0. 3mm/rev，嚙合深度2mm。所 述條件選擇為在工件的刃溫度很高的情況下可以達(dá)到短的檢測(cè)時(shí)間。
研究在游離面和張緊面上的磨擦以及所處理的鋼的表面粗糙度， 并且確定直到達(dá)到 一定的提高的粗糙度時(shí)的時(shí)間間隔。作為磨損的定
量標(biāo)準(zhǔn)確定其使用壽命。
結(jié)果
a) CVD阿爾法鋁氧化物層(現(xiàn)有技術(shù))， 層厚d=4 pm。
所述工件經(jīng)受住了 4分鐘的檢測(cè)。然而在SEM中在該檢測(cè)以后所 述張緊面上卻不再有層材料了 。
b) TiAlN層(現(xiàn)有技術(shù))，d-4jnm。
該層在不到2分鐘之后就表現(xiàn)出首次損壞并且在所述工件上提供 粗粒的表面。 本發(fā)明
c )AlCrN中間層，d-O. 4 AlCrN/AlCrO多層，d=3. 6 ym TiN頂層，d=0. 8 y m 壽命4分鐘
d) AlCrN中間層，d-O. 4 y m AlCrN/AlCrO多層，d-3.6pm。 3分鐘40鈔
e ) AlCrN中間層，d=0. 3 p m AlCrO單層，d=2. 9pm TiN頂層，d=0. 9 jam 4分鐘
f )AlCrN中間層，d-0. 35 jnm AlCrO單層，d=3. 5 pm 3分鐘20鈔
g) ZrN中間層，d=0. 3pm ZrN/AlCrO多層，d=3. 8 p m ZrN頂層，d=0. 5 |uin 3分鐘10鈔
h) ZrN中間層，d=0. 2pm ZrO/AlCrO多層，d=6. 4 y m ZrN頂層，d=0. 8 pm 4分鐘
i )AlCrN中間層，d=0. 5 Mm AlCrO/阿爾法鋁多層，d=8.2Mm 4分鐘
k) (Ti、 AlCrN)中間層，d=0. 4jum AlCrO/TiAlCrN多層，d=4.5ym 3分鐘50秒
含有用所說明的材料制造的氧化層的層或者說多層在高的切削速 度下顯示出明顯少的磨擦。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)電層(TiAlN)在高的切 削速度下在磨擦方面明顯地次于如本發(fā)明所述的氧化系統(tǒng)。用(AlCr) ,02和(AlZr ) yOz制造的如本發(fā)明所述的系統(tǒng)顯示出與公知的用a-鋁氧 化物類似的很低的磨擦，但是沒有涂層過程的高溫度負(fù)荷或者由于工 件的侵蝕化學(xué)作用引起的負(fù)荷這樣的缺點(diǎn)。此外所述過程引導(dǎo)可以實(shí) 質(zhì)上簡(jiǎn)單地例如通過切換氣體或者受控制地改變氣體組分(例如02到 N2)和/或從一個(gè)靶或者受控制地改變耙饋給的組分切換到其它地進(jìn) 行，而在CVD的情況下卻需要中間沖洗以及對(duì)一個(gè)多層的層系統(tǒng)的單 個(gè)層的溫度水平的匹配。
權(quán)利要求
1.一種作為電弧PVD功能層(32)沉積在工件(30)上的硬材料層，其中該功能層主要構(gòu)成為由元素周期表的副族IV、V、VI的過渡金屬和Al、Si、Fe、Ni、Co、Y中至少一種金屬(Me)組成的電絕緣的氧化物，其特征在于，功能層(32)具有含量低于2％的惰性氣體和/或鹵素。
2. 如權(quán)利要求1所述的硬材料層，其特征在于，所述惰性氣體在功能層(32)中的含量最高為0.1%，優(yōu)選地最高為0.05%，和/或鹵素的含量最高為0.5%,優(yōu)選地最高為0.1%,優(yōu)選地基本上沒有惰性氣體和/或鹵素。
3. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的硬材料層，其特征在于，所述功能層(32)的厚度在0.5μ m至12μ m范圍內(nèi)，優(yōu)選地在1.0至5μ m 的范圍內(nèi)。
4. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的硬材料層，其特征在于，所述功能層(32)主要是一種(AlxMe1-x)yOz形式的鋁金屬混合氧化物，其 中Me優(yōu)選的是Al、 Cr、 Mo、 Zr、 Fe、 Co、 Ni、 Y的一種，單個(gè)的或 者以其混合形式存在。
5. 如權(quán)利要求4所述的硬材料層，其特征在于，Me是金屬鉻并且構(gòu)成(AlxCr1-x)yOz的形式。
6. 如權(quán)利要求5所述的硬材料層，其特征在于，金屬鉻的含量l-x 是5-80At%，優(yōu)選地是10到60At%。
7. 如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的硬材料層，其特征在于，功能層(32)主要是Al203形式的化學(xué)計(jì)量的鋁氧化物層。
8. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的硬材料層，其特征在于，功能層(32)構(gòu)成最外層或者一個(gè)附加的支持層，具有至少一個(gè)放于其上的覆蓋層(35)，尤其是一個(gè)磨擦減輕層(35)。
9. 如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的硬材料層，其特征在于，功能層 (32)具有高于800℃的溫度耐受性并且所述功能層是耐受化學(xué)反應(yīng)的。
10. —種具有如1至9中任一項(xiàng)所述的硬材料層的工件，其特征在于，工件(30)是工具、機(jī)器部件，優(yōu)選地是轉(zhuǎn)向刀板。
11. 如權(quán)利要求l0所述的工件，其特征在于，在功能層(32)和工 件(30)之間設(shè)置另一個(gè)層，所述另一個(gè)層構(gòu)成中間層(31)，所述 中間層尤其是形成粘附層(31)，并且優(yōu)選地包含元素周期表的副族 IV、 V和VI的金屬和/或Al、 Si、 Fe、 Co、 M、 Co、 Y或者其混合物。
12. 如權(quán)利要求10所述的工件，其特征在于，中間層(31)的金屬 是與N、 C、 O、 B或者其混合的化合物，其中優(yōu)選地是與N的化合物。
13. 如權(quán)利要求11或12所述的工件，其特征在于，中間層(31) 的層厚在0.05至5 n m的范圍，優(yōu)選地在0.1至0.5 ju m的范圍。
14. 如權(quán)利要求11至13中任一頂所述的工件，其特征在于，至少 一個(gè)層，尤其是功能層(32)和/或中間層(31)構(gòu)成為演化層(34)， 所述演化從金屬開始，經(jīng)過氮化物和/或從氮化物至氮氧化物并且一直 演化到氧化物。
15. 如權(quán)利要求IO至14中任一項(xiàng)所述的工件，其特征在于，所述 層的至少一個(gè)，尤其是功能層(32)構(gòu)成為具有不同的材料組成的多 層系統(tǒng)(33)，其中優(yōu)選地多個(gè)層(33)在其主要組成方面交替地重 復(fù)，并且多層系統(tǒng)(33)優(yōu)選地包含至少三個(gè)層。
16. 如權(quán)利要求15所述的工件，其特征在于，所述層系統(tǒng)的重復(fù)的 層序列對(duì)交替地改變材料組成，如優(yōu)選地從Me,至Me2氧化物和/或從 一種Met氮化物到Met氧化物和/或從Met氮化物到Me2氧化物地改 變。
17. 如權(quán)利要求15或16所述的工件，其特征在于，所述層系統(tǒng)的 重復(fù)的層序列對(duì)交替地包含(AlxCn-x) yN,和(AlxCri-x) yOz的材料組 成，并且所述材料組成優(yōu)選地按化學(xué)計(jì)量法組成，如(AlxOb) N和(AlxCn_x) 2o3。
18. 如權(quán)利要求15或16所述的工件，其特征在于，所述層系統(tǒng)的 重復(fù)的層序列對(duì)交替地包含(AlZr) xNy和(AlZr) xOy的材料組成， 并且所述材料組成優(yōu)選地按化學(xué)計(jì)量法組成，如(AlxZri.x) N和(AlxZn_x) 2o3。
19. 如權(quán)利要求15至18中任一項(xiàng)所述的工件，其特征在于，多層 系統(tǒng)(33)具有至少20個(gè)層，優(yōu)選地達(dá)到500個(gè)層。
20. 如權(quán)利要求15至19中行一項(xiàng)所述的工件，其特征在于，多層 系統(tǒng)(33)的一個(gè)層的厚度在0.01至0.5 pm的范圍中，優(yōu)選地在0.02至0.1 μm的范圍。
21. —種用于在一個(gè)真空處理設(shè)備(1)中在工件(30)上沉積作為 功能層的一種硬材料層(32)的方法，所述功能層基本上構(gòu)成為由元 素周期表的副族IV、 V、 VI的過渡金屬和A1、 Si、 Fe、 Co、 Ni、 Y的 至少一種金屬(Me)組成的電絕緣的氧化物，并且所述層由一個(gè)電弧 蒸發(fā)源(5)沉積，所述電弧蒸發(fā)源用一個(gè)DC電源(13)運(yùn)行，其特 征在于，疊加脈沖電源(16、 16、)，其中電弧蒸發(fā)源(5、 20)的耙(5、、 20)包含所述金屬之一，并且把這樣蒸發(fā)的金屬在含氧的反應(yīng)氣體環(huán) 境中反應(yīng)成氧化物。
22. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，向真空設(shè)備(1)的 處理空間的反應(yīng)氣體環(huán)境中輸送惰性氣體和/或卣素氣體，其輸送量少 到使得在所沉積的層中形成最高0.5%的所述氣體，優(yōu)選地基本上沒有 所述氣體。
23. 如權(quán)利要求21或22所述的方法，其特征在于，運(yùn)行兩個(gè)DC 饋電的電弧蒸發(fā)源(5、 20)，其中附加地運(yùn)行一個(gè)與這兩個(gè)源(5、 20)都連接的單個(gè)的脈沖電源(16)，并且按照這種方式構(gòu)成一個(gè)雙 脈沖電弧蒸發(fā)配置(5、 20)。
24. 如權(quán)利要求21至23中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述 工件主要由鋼、含鐵、鉻、鈷或者鎳的一種或者多種金屬的合金、硬 金屬、陶瓷、金屬陶瓷，或者立方硼氮化物構(gòu)成，其中借助于PVD方 法沉積至少一個(gè)其它并且所述其它層是直接與工件(30)交界的粘附 層(31)，其中所述層或者至少一個(gè)后續(xù)的層，即所述功能層(32) 實(shí)質(zhì)上由入1203或者(AlxMe) 203構(gòu)成，其中Me包含元素周期表的副 族IV、 V和VI的至少一種過渡金屬，并且用電弧蒸發(fā)器(5、 20)沉 積至少鋁氧化物層或者鋁金屬氧化物層，其中由至少一個(gè)在所述表面 上中毒的靶(5、、 20、)在含氧的環(huán)境中蒸發(fā)鋁氧化物、金屬氧化物或 者鋁金屬氧化物。
25. 如權(quán)利要求21至24中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述 涂層產(chǎn)生不低于0.2μm的粗糙度值Ra。
26. 如權(quán)利要求21至25中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，沉積至少一個(gè)其它層，所述其它層主要具有無鋁的或者含有多種其它金屬 氧化物的氧化層，其中所述金屬氧化物含有元素周期表的副族IV、 V、VI的至少一種過渡金屬或者硅，但是優(yōu)選的是含有鉻或者鋯。
27. 如權(quán)利要求24至26中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述粘附層(31)含有元素周期表的副族IV、 V、 VI的至少一種過渡金屬和/或鋁或者硅。
28. 如權(quán)利要求24至27中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述粘附層(31)包含一個(gè)硬層，所述硬層含有元素周期表的副族IV、 V、 VI的至少一種過渡金屬和/或鋁或者硅的氮化物、碳化物或者硼化物， 或者這些化合物的混合物。
29. 如權(quán)利要求21至28中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述 功能層(32)硬材料層系統(tǒng)沉積，其包含元素周期表的副族IV、 V、 VI的至少一種過渡金屬和/或鋁或者硅的氮化物、碳化物或者硼化物的 多個(gè)層(33)，或者這些化合物的混合物，其中至少直接交界的層通過其金屬或非金屬含量的化學(xué)計(jì)量來互相區(qū)分。
30. 如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述硬材料層(32) 的沉積用一個(gè)或者多個(gè)含鋁鉻氧化物的層(33)進(jìn)行。
31. 如權(quán)利要求29至30中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在硬材料層系統(tǒng)U2)的各個(gè)層(32)之間的過渡在其金屬含量或者非金屬含量的化學(xué)計(jì)量方面連續(xù)地或者階梯狀地增加或者降低。
32. 如權(quán)利要求29至31中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，硬材料系統(tǒng)(32)的各個(gè)層以0.01至0.5um之間的厚度，優(yōu)選地以0.02 um至0.1 um之間的厚度沉積。
33. 如權(quán)利要求30至32中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，交替地沉積含氮化物、碳化物或者硼化物的層和含鋁鉻氧化物的層。
34. 如權(quán)利要求24至33中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，粘附層(31)向含鋁氧化物的層或者向硬材料層系統(tǒng)(32)的過渡，以及所述硬材料層系統(tǒng)(32)或含鋁氧化物的層向覆蓋層(35)的過渡在其金屬含量或者非金屬含量的化學(xué)計(jì)量方面連續(xù)地或者階梯狀地增加或者降低。
35. 如權(quán)利要求21至34中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述 含鋁氧化物的層主要沉積為(Al1-xCrx) 2O3，其中0.05<x<0.80，然 而優(yōu)選的是0.01 < x < 0.60。
36. 如權(quán)利要求21至35中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，作為工件(30)對(duì)工具，尤其是刀具、成型工件或者壓鑄工具進(jìn)行沉積。
37.如權(quán)利要求21至36中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，作為 工件(30)對(duì)部件，尤其是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的部件或者氣輪機(jī)的部件進(jìn)行 沉積。
全文摘要
本發(fā)明涉及用電弧PVD方法在工件(30)上沉積的作為功能層(32)的一種硬材料層，其中該功能層主要構(gòu)成為由元素周期表的副族IV、V、VI的過渡金屬和Al、Cr、Fe、Ni、Co、Y中至少一種金屬(Me)組成的電絕緣的氧化物，并且功能層(32)不含有惰性氣體也不含有鹵素。
文檔編號(hào)C23C14/32GK101175867SQ200680009395
公開日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2006年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月24日
發(fā)明者B·維德里格, J·拉姆, W·卡爾斯 申請(qǐng)人:奧爾利康貿(mào)易股份公司(特呂巴赫)