BR112014015332B1

BR112014015332B1 - método para revestimento por laminação de íons em arco de baixa temperatura

Info

Publication number: BR112014015332B1
Application number: BR112014015332-9A
Authority: BR
Inventors: Siegfried Krassnitzer; Denis Kurapov; Markus Lechthaler
Original assignee: Oerlikon Surface Solutions Ag, Trübbach
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2021-03-16
Also published as: EP2794952A1; US10865472B2; RU2014130048A; JP2015506410A; EP2794952B1; MX2014007674A; WO2013091802A1; US20150001064A1; BR112014015332A2; CN104114740A; EP2607517A1; KR102294551B1; BR112014015332A8; CA2860079A1; RU2634101C2; KR20200036034A; JP2019023351A; KR20140104021A; JP6896691B2; CN104114740B

Abstract

REVESTIMENTO DE LAMINAÇÃO DE ÍONS EM ARCO DE BAIXA TEMPERATURA. A presente invenção refere- se a um método de revestimento para revestimento de arco ou revestimento de laminação de íons em arco de substratos em uma câmara a vácuo na qual usando um evaporador de arco de material sólido que funciona como catodo é evaporado, durante a evaporação de arco o movimento do ponto de catodo na superfície do material sólido é acelerado usando um campo magnético para evitar a ejeção de uma grande quantidade de macro partículas ou gotículas a partir da superfície do material sólido, as partículas negativamente carregadas resultaram a partir do fluxo de evaporação de arco a partir do catodo para um anodo, caracterizado pelo fato de que o movimento das partículas negativamente carregadas a partir do catodo para o anodo fundamentalmente não causa um aumento adicional do valor absoluto da diferença potencial entre catodo e anodo permitindo um incremento mais baixo da temperatura do substrato durante revestimento.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para

[0001] A presente invenção se refere a um método de deposição de íons em arco em baixa temperatura (AlP) para a produção de filmes delgados que exibem uma superfície lisa e excelentes propriedades mecânicas.

ESTADO DA TÉCNICA

[0002] A técnica de AlP é um dos processos de revestimento mais comum de deposição de vapor físico (PVD) caracterizada pelo fato de usar fontes de arco catódico para a evaporação do material de revestimento em condições à vácuo (pressão de trabalho de cerca de (10"2 a 10~4 mbar)). Por deposição de arco catódico um arco elétrico de alta potência descarregado no alvo (fonte de material) resulta em uma evaporação de algum material-alvo e assim um vapor altamente ionizado é proporcionado para ser depositado sobre o substrato.

[0003] O termo IP (laminação por íons) se refere ao bombardeio do substrato a ser revestido com íons energéticos positivamente carregados durante o processo de revestimento, que pode ser alcançado ao se aplicar uma voltagem de orientação ao substrato. A mesma promove a condensação de revestimentos de alta densidade no substrato. Adicionalmente, gases reativos tais como nitrogênio, acetileno ou oxigênio podem ser também introduzidos na câmara a vácuo durante a evaporação de modo a depositar revestimentos que compreendem diferentes compostos resultaram a partir da reação entre o material evaporado e o ionizado e o gás reativo.

[0004] Revestimentos depositados por AIP exibem em geral além da alta densidade já acima mencionada também muito boa adesão ao substrato (forte ligação entre o revestimento e o substrato) e em geral alta qualidade, especialmente com relação às propriedades relacionadas físicas, estruturais e tribologicas. Os referidos revestimentos exibem atualmente também alta rigidez e um desempenho de corte muito grande.

[0005] Outra importante vantagem de usar a técnica de API é alcançar os altos coeficientes de deposição de revestimento em comparação a outras técnicas PVD competitivas tais como deposição de revestimento por laminação de íons por cintilação de magnetron (MSIP).

[0006] Uma desvantagem do processo de evaporação de arco é entretanto que se o ponto de catodo se encontra em um ponto de evaporação por um tempo demasiadamente longo o mesmo pode ejetar uma grande quantidade de macropartículas ou gotículas. As referidas gotículas são prejudiciais ao desempenho do revestimento na medida em que as mesmas são pobremente aderidas e podem se estender através do revestimento. Ao não permitir que o ponto de catodo permaneça em uma posição alvo por um tempo demasiadamente longo o número de gotículas no filme de revestimento pode ser reduzido. Portanto os campos magnéticos são usados para controlar o movimento do arco.

[0007] Com frequência os processos AIP não são usados para o revestimento de substratos sensíveis a temperatura tais como materiais plásticos e aço inoxidável pelo fato da relativa alta temperatura dos substratos alcançada pelo processo de revestimento (mais alta do que 300°C).

[0008] De acordo com o estado da técnica é possível se realizar processos por laminação a arco por íons em baixas temperaturas (a 300°C ou temperaturas mais baixas) ao se modificar alguns parâmetros do processo de revestimento ou condições de revestimento como a seguir:

[0009] . Reduzir a corrente do arco no alvo ou operar um número mais baixo de alvos durante o processo de revestimento. Essa ação envolve uma redução associada e inevitável do coeficiente de deposição de revestimento que é desvantajoso.

[00010] Não aplicar a voltagem de orientação ou aplicar uma voltagem de orientação reduzida no substrato durante o processo de revestimento. A referida ação é também desvantajosa pelo fato de que os revestimentos produzidos exibiram densidade mais baixa e em geral propriedades mecânicas inferiores.

[00011] Remover a energia de aquecimento a partir do substrato continuamente durante o processo de revestimento. Nesse caso um sistema de resfriamento ativo deve ser instalado na máquina de revestimento para a necessária transferência de calor entre o refrigerante e o substrato durante o processo de revestimento de modo a extrair o excesso de energia de aquecimento ou a energia de aquecimento indesejável a partir de substrato. A referida ação pode ser muito complexa e antieconômica.

[00012] Não usar os campos magnéticos ou usar os campos magnéticos fracos ou em vez disso campos magnéticos de baixas intensidades. Desse modo é possível se executar o processo de revestimento usando plasmas de revestimento mais frios caracterizados pelo fato de ter potencial elétrico mais baixo do que e a mesma corrente elétrica que os plasmas de revestimento mais quentes equivalentes e consequentemente tendo potência elétrica mais baixa. Isso ajuda a reduzir o rendimento de energia de aquecimento no substrato durante o processo de revestimento. Essa ação envolve a desvantagem de que o ponto de catodo se move mais lento na superfície-alvo e consequentemente permanece por um tempo mais longo em cada ponto de evaporação que leva à ejeção de uma quantidade maior de macropartículas ou gotículas.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

[00013] É um objetivo da presente invenção proporcionar um método de deposição por laminação de íons de arco de baixa temperatura para o revestimento de substratos sensíveis a temperatura que supere as desvantagens acima mencionadas do estado da técnica. Particularmente, o método de deposição por laminação de íons de arco de baixa temperatura deve permitir que a temperatura do substrato durante o revestimento seja mantida abaixo de 350 °C, preferivelmente abaixo de 300°C ou mesmo se necessário entre 100 °C e 300 °C ou mais baixo. Adicionalmente, os filmes delgados produzidos pelo método de deposição por laminação de íons de arco de baixa temperatura de acordo com a presente invenção deve exibir superfície lisa e excelentes propriedades mecânicas ou em vez disso uma qualidade de revestimento similar em comparação aos filmes delgados equivalentes depositados em temperaturas mais elevadas do substrato. Ademais o método para revestimento de acordo com a presente invenção deve permitir coeficientes de deposição de revestimento que sejam iguais aos alcançados pela deposição de filmes de revestimento equivalentes por temperaturas mais altas dos substratos.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[00014] A presente invenção se refere a um método de deposição de revestimento por laminação de íons em arco como descrito na reivindicação 1.

[00015] A presente invenção será subsequentemente explicada em mais detalhes:

[00016] Primeiramente, a situação pelo estado da técnica será analisada mais uma vez de modo a se obter uma melhor compreensão da presente invenção.

[00017] Coeficientes de deposição de revestimento mais elevados são em geral alcançados ao se usar correntes de arco mais altas e/ou ao se operar um maior número de alvos pelo processo de revestimento, mas correntes de arco mais altas são obrigatoriamente associadas a uma potência elétrica de descarga de plasma mais elevada e consequentemente a temperaturas mais elevadas dos substratos como já explicado anteriormente.

[00018] Da mesma forma, densidades de revestimento mais altas e propriedades mecânicas aprimoradas incluindo mesmo em caso de sistemas de revestimento particulares dureza de significantemente aumentada pode ser obtida ao se aplicar determinadas voltagens de orientação. Por esse motivo a realização do processo de revestimento sem voltagem de orientação ou o uso reduzido de voltagens de orientação de modo a obter temperatura mais baixa dos substratos resulta normalmente em uma qualidade inferior do revestimento em comparação aos revestimentos equivalentes depositados em temperaturas mais elevadas.

[00019] Além disso, a utilização de sistemas de resfriamento ativos para o resfriamento do substrato é também indesejável em virtude da complexidade e das altas despesas que estão obrigatoriamente envolvidas com os mesmos.

[00020] Adicionalmente, altas intensidades de campo magnético são especialmente boas para a produção filmes de revestimentos depositados a arco tendo quantidade reduzida de gotículas e tamanho, em outras palavras para a produção filmes de revestimentos depositados a arco que exibem robustez mais baixa. Entretanto, altas intensidades de campo magnético levam a alta ionização do processo de gás que resulta em maiores voltagens de descarga de plasma e maiores temperaturas de elétron de descarga de plasma. As referidas condições de plasma levam subsequentemente a rendimentos mais altos de energia de aquecimento no o substrato e consequentemente a temperatura mais alta dos substratos.

[00021] Considerando todos os aspectos descritos acima os inventores propuseram então a criação de uma descarga de plasma de revestimento, mas de tal modo que a mesma pode ser gerada usando exatamente os mesmos parâmetros de revestimento usados por um processo de revestimento AIP de alta temperatura já conhecido, em particular com relação a corrente de arco, número de alvos ativados, voltagem de orientação e intensidade de campo magnético, entretanto exibindo um potencial elétrico consideravelmente mais baixo e consequentemente uma potência elétrica consideravelmente mais baixa em comparação à descarga de plasma de revestimento mais quente tipicamente gerada. Ao assim proceder, seria possível se produzir filmes de revestimento tendo os mesmos ou essencialmente os mesmos coeficientes de deposição de revestimento e as mesmas ou essencialmente as mesmas qualidades de revestimento do que os filmes de revestimento produzidos por temperatura mais alta dos substratos, mas nesse caso produzidos por temperaturas dos substratos consideravelmente mais baixas (cerca de 100 °C a 300 °C ou mais baixa).

[00022] Os inventores propõem fundamentalmente a prevenção de um incremento adicional do potencial elétrico causado pelo uso de altas intensidades de campo magnético.

[00023] De modo a entender melhor a ideia da presente invenção o caso típico do estado da técnica que ocorre quando altas intensidades de campo magnético são usadas (vide figura 1) será analisado em m ais detalhes:

[00024] Partículas negativamente carregadas 107 geradas por um processo de evaporação de arco são liberadas a partir do alvo (catodo) e direcionadas ao anodo. O anodo é em geral disposto distante a partir do catodo e pode ser, por exemplo, a câmara 103. Quando altas intensidades de campo magnético são usadas (cerca de 40 Gauss - 500 Gauss), as partículas negativamente carregadas que fluem para o anodo são influenciadas pelas linhas do campo magnético (não ilustradas na figura 1) de tal modo que as mesmas fluem a partir do catodo através do campo magnético em uma trajetória de movimento em espiral 109 até o anodo (nesse caso a parede da câmara 103) é alcançada. O referido fenômeno envolve algumas interações físicas tais como a ionização do gás de processo o que resulta em um salto do potencial elétrico na frente do catodo e consequentemente em um incremento do potencial elétrico e energia na descarga de plasma de revestimento que da mesma forma resulta em um maior rendimento de energia de aquecimento no substrato e subsequentemente um incremento da temperatura do substrato.

[00025] Levando todos os referidos fatores em consideração, os inventores propõem uma primeira modalidade preferida, na qual o método para revestimento de acordo com a presente invenção compreende uma etapa na qual o anodo é disposto o mais próximo possível do catodo.

[00026] Uma modalidade preferida adicional de um método para revestimento de acordo com a presente invenção compreende uma etapa na qual as linhas de campo magnético ou pelo menos a maioria das linhas de campo magnético são orientadas diretamente a partir do catodo para o anodo.

[00027] Uma modalidade mais preferida de um método para revestimento de acordo com a presente invenção considera que a posição do anodo e a geometria em relação ao catodo permite que as linhas de campo magnético encontrem a superfície do anodo basicamente perpendicularmente ou pelo menos formando um ângulo de pelo menos 45° em relação à superfície do anodo (vide figura 2).

[00028] Em outra modalidade preferida de um método para revestimento de acordo com a presente invenção a posição do anodo 201 e a geometria em relação ao catodo 209 são escolhidos de modo que as linhas de campo magnético (ilustradas na figura 2 mas não numeradas) e as linhas de campo elétrico 207 que vão de encontro a superfície do anodo são essencialmente paralelas (vide figura 2).

[00029] Todas as modalidades da presente invenção mencionadas acima ajudam a evitar o proeminente movimento em espiral das partículas carregadas ao fluir a partir do catodo para o substrato.

[00030] Seguindo alguns exemplos e figuras serão descritas de modo a explicar mais aspectos da presente invenção. O amago da presente invenção pode não ser limitado pelos referidos exemplos e figuras.

[00031] A figura 1 mostra um desenho de um sistema de revestimento por arco 100 de acordo com o estado da técnica contendo: 100: dispositivo de revestimento por arco de acordo com o estado da técnica 101: evaporador de arco 103: câmara de revestimento 105: fixação do substrato e ou substrato a ser revestido 107: ponto de evaporação, onde partículas evaporadas e carregadas são formadas 109: trajetória das partículas negativamente carregadas produzidas por evaporação do alvo ou fonte de material sólido por fluir a partir de catodo para o anodo 110: unidade de fornecimento de energia para fornecer voltagem de orientação

[00032] A figura 2 mostra um desenho de um evaporador de arco para revestimento usando um método de acordo com a presente invenção contendo: 200: evaporador de arco de acordo com a presente invenção 201: anodo disposto de acordo com a presente invenção 203: ponto de evaporação, onde as partículas evaporadas e carregadas são formadas 205: meios magnéticos para a criação de um campo magnético 207: trajetória das partículas negativamente carregadas produzidas por evaporação do alvo ou fonte de material sólido por fluir a partir de catodo para o anodo 209: alvo ou material sólido a ser evaporado

[00033] A figura 3 mostra um desenho de um sistema de revestimento por arco 300 de acordo com a presente invenção e correspondendo ao caso da invenção 2 descrito em exemplo 1 contendo: 300: dispositivo de revestimento por arco para revestimento de acordo com um método para revestimento de acordo com a presente invenção 301: evaporador de arco de acordo com a presente invenção 303: câmara de revestimento 305: fixação do substrato e ou substrato a ser revestido 307: ponto de evaporação, onde partículas evaporadas e carregadas são formadas 310: unidade de fornecimento de energia para fornecer voltagem de orientação

[00034] A figura 4 mostra um desenho de um sistema de revestimento por arco 400 de acordo com presente invenção e que corresponde ao caso da presente invenção 3 descrito no exemplo 1 contendo: 400: dispositivo de revestimento por arco para revestimento de acordo com um método para revestimento de acordo com a presente invenção 401: evaporador de arco de acordo com a presente invenção 403: câmara de revestimento 405: fixação do substrato e ou substrato a ser revestido 407: ponto de evaporação, onde as partículas evaporadas e carregadas são formadas 410: unidade de fornecimento de energia para fornecer voltagem de orientação

EXEMPLO 1:

[00035] Os inventores realizaram três variantes do mesmo processo de revestimento de modo a comparar os valores de potencial elétrico das descargas de plasma de revestimento geradas. Dando prosseguimento ao processo, os parâmetros de revestimento foram fixados e mantidos constantes para todas as três variantes do processo de revestimento analisadas:

[00036] Gás do processo: N2

[00037] Composição alvo: Ti:AI 50:50 a %

[00038] corrente de arco no alvo (lARC): 200 A

[00039] Número de alvos ativados por revestimento: 1

[00040] Intensidade do campo magnético usado foi cerca de 60 Gauss

[00041] Voltagem de orientação: 0 V

[00042] Fluxo do gás do processo e voltagem de orientação foram iguais para as outras variantes do processo e em todos os casos foram mantidas constantes durante o processo de revestimento.

[00043] A diferença do potencial entre catodo e anodo (UARC) assim como o rendimento geral de energia de aquecimento transferida para o fluido de resfriamento (QTOTAL) foi medida. A energia elétrica introduzida total no processo de revestimento (PTOTAL) foi calculada multiplicando UARC e IARC (PTOTAL = UARC x IARC) - o rendimento total de energia de aquecimento transferida para o fluido de resfriamento é um resultado da soma dos rendimentos de energia de aquecimento dispensados no fluido de resfriamento (nesses casos água) na placa de resfriamento alvo (qCATODO) sistema de resfriamento das paredes da câmara (qCÂMARA) e sistema de resfriamento de anodo (q ANODO). Foi observado que descargas de plasma de revestimentos mais frias que exibiram energia de aquecimento substancialmente mais baixa (q PLASMA) ou em vez disso energia elétrica substancialmente mais baixa (PPLASMA) pode ser produzido de acordo com a presente invenção. De modo surpreendente o método de acordo com a presente invenção foi possível diminuir a energia de aquecimento em plasma em um fator maior do que 0 vezes (vide na D -Tabela 1. O equilíbrio da energia para comparação de energia de aquecimento em plasma de revestimentos de acordo com o estado da técnica e de acordo com a presente invenção. TABELA 1

[00044] As três variantes do processo de revestimento variaram apenas na disposição do anodo com relação ao catodo. A primeira variante analisada do processo de revestimento é ilustrada na figura 1 e corresponde a uma variante do estado da técnica comumente usada na qual a câmara de revestimento 105 é usada como o anodo. As segunda e terceira variantes analisadas do processo de revestimento são ilustradas respectivamente nas figuras 3 e 4 e que correspondem às variantes de acordo com a presente invenção. A segunda variante analisada do processo de revestimento corresponde à configuração ilustrada na figura 3, o anodo é disposto muito próximo a substrato e as linhas de campo magnético ou a maioria das linhas de campo magnético (não ilustrada na figura 3) são orientadas diretamente a partir de alvo (catodo) para o anodo. A terceira variante analisada do processo de revestimento corresponde à configuração ilustrada na figura 4, nesse caso um anodo é disposto de modo similar e no caso 2 (figura 3), mas o anodo é adicionalmente eletricamente conectado à câmara de revestimento de tal modo que não só o anodo mas também a câmara de revestimento estão no mesmo potencial elétrico e consequentemente se tornam o anodo. Em outras palavras no caso 3 anodo + câmara de revestimento juntas funcionam como o mesmo anodo.

EXEMPLO 2:

[00045] Os dois tipos de filmes de revestimento AICrN foram depositados ao se usar os mesmos parâmetros de revestimento mas a primeira vez usando um anodo arranjado de acordo com o estado da técnica e a segunda vez usando um anodo arranjado de acordo com a presente invenção. Ambos os filmes de revestimento exibiram muito boa qualidade de revestimento e essencialmente as mesmas propriedades de revestimento. A única diferença clara foi a temperatura do substrato alcançada pelos referidos processos de revestimento. No primeiro caso a temperatura máxima do substrato alcançada pelo revestimento foi de cerca de 475 °C, enquanto pelo revestimento no segundo caso a temperatura máxima do revestimento de 210 °C foi alcançada. Foi assim observada uma estupenda diminuição da temperatura do substrato como pode ser visto na figura 5.

[00046] Em ambos os casos 1 e 2, a corrente de arco constante por alvo de 150 A foi usada durante o revestimento.

[00047] A voltagem de orientação foi também idêntica em ambos os casos 1 e 2. Dois diferentes valores de voltagens de orientação foram ajustados durante o revestimento, como é mostrado na figura 6, de modo a analisar a influência do referido parâmetro quando o processo de revestimento é realizado de acordo com a presente invenção.

[00048] Uma diminuição da voltagem do catodo usando o método para revestimento de acordo com a presente invenção pode ser verificada como é mostrado na figura 7.

[00049] Surpreendentemente também uma considerável diminuição da corrente de orientação no alvo foi obtida usando o método de acordo com a presente invenção como é mostrado na figura 8.

[00050] Qualquer diferença relevante relativa à dureza do revestimento, módulo de Young, adesão ao substrato e espectro de raio X foi observada entre os revestimentos depositados por altas temperaturas (cerca de 350°C - 500°C) de acordo com o estado e os revestimentos depositados por baixas temperaturas (cerca de 100°C - 300°C ou mais baixo) por se usar os mesmos parâmetros de revestimento.

[00051] Na figura 9 são dois espectros de raio X que correspondem a um revestimento de AlCrN depositado de acordo com o estado da técnica por uma temperatura do substrato de cerca de 400 °C - 450°C (acima) e um revestimento de AlCrN depositado pelos mesmos parâmetros de revestimento mas de acordo com a presente invenção (abaixo).

Claims

1. Método de revestimento para revestimento por arco ou por arco ionizado de substratos em uma câmara a vácuo na qual é gerada uma descarga de plasma de revestimento utilizando um evaporador de arco de tal modo que um alvo colocado no evaporador de arco e consistindo em material sólido, funciona como catodo e é evaporado, sendo que durante a evaporação do arco, o movimento do ponto do catodo na superfície do material sólido é acelerado utilizando um campo magnético com intensidades de campo magnético predeterminadas para evitar a projeção de uma grande quantidade de macropartículas ou gotículas da superfície do material sólido, sendo que partículas com carga negativa resultantes da evaporação do arco saem da superfície do material sólido do cátodo e fluem para um anodo, e sendo que pelo menos parte do anodo está separada das paredes da câmara a vácuo, o referido método sendo caracterizado pelo fato de que: um incremento adicional do potencial elétrico do plasma de revestimento causado pela utilização das referidas intensidades de campo magnético é prevenido: - colocando o anodo (201) e o catodo (209) de tal forma que uma porção do anodo, que se sobrepõe a uma superfície lateral do cátodo, está em uma linha de visão da superfície lateral do cátodo, e - direcionando as linhas do campo magnético, ou pelo menos a maioria das linhas do campo magnético, diretamente da superfície do material sólido do catodo (209) para uma superfície do anodo (201) ao longo de caminhos isentos de outros componentes, e onde se escolhe a posição e a geometria do ânodo em relação ao cátodo de tal forma que as linhas do campo magnético e as linhas do campo elétrico (207) estejam paralelas na superfície do ânodo, de modo que um movimento em espiral proeminente das partículas negativas carregadas, fluindo do cátodo ao ânodo, seja evitado, e de modo que, ao fazê-lo, um menor incremento da temperatura do substrato durante o revestimento é obtido.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a intensidade do campo magnético utilizado é uma intensidade alta do campo magnético, que é de 40 Gauss a 500 Gauss.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a posição e geometria do anodo em relação ao catodo são escolhidas de tal forma que as linhas do campo magnético se encontram basicamente com a superfície do anodo perpendicularmente ou, pelo menos, formando um ângulo de pelo menos 45° em relação à superfície do anodo.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a temperatura do substrato está entre 100°C e 300°C.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o alvo compreende alumínio.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o alvo compreende titânio ou cromo.

7. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a intensidade do campo magnético utilizado é de 60 Gauss.

8. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a energia térmica no plasma é diminuída em um fator superior a 10 vezes.

9. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a tensão catódica é diminuída.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma corrente de polarização durante o revestimento é menor em comparação com um processo de revestimento no qual são utilizados parâmetros de revestimento idênticos e o ânodo inclui ainda as paredes da câmara de vácuo.