CN105339521A - 用于执行稳定的反应溅射工艺的靶老化补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于执行反应溅射工艺的方法，其中，与靶老化无关地保持靶溅射特性以及沉积速率恒定，或者至少在工业生产环境可接受的范围内。

Description

用于执行稳定的反应溅射工艺的靶老化补偿方法

本发明涉及执行反应溅射工艺的方法，其与靶的老化无关地保持靶溅射特性及沉积速率恒定或至少在工业生产环境所允许的范围内。

背景技术

溅射技术是已广为接受的物理气相沉积(PVD)方法，其被用于沉积薄膜以供各种用途所用。尤其是，用于切削刀具用途的耐磨保护涂层能通过利用溅射技术被成功沉积。尤其是，涂覆质量可以利用高功率脉冲磁控溅射(HIPIS)方法被显著改善。

溅射设备的基础部件是至少一个溅射靶，其作为材料源被用于提供在安放于涂覆室内的基材表面上的涂层生长所需要的沉积物种。在反应溅射工艺的情况下，从靶中获得的物种与在涂覆室内的反应气体反应以在待涂覆基材表面上形成薄膜。来自靶面的靶材通过离子(主要来自电离化非反应气体的离子)碰撞被溅射，所述离子通过施加磁场而被靶面吸引。于是，靶溅射过程导致靶面侵蚀，结果造成靶重量改变。

尤其可以在遇到强磁场的靶区域中看到靶面强烈侵蚀，该强磁场导致不希望有的涂覆等离子体状况变化，进而导致在基材表面的涂层生长的变化。

目前，由现有技术提出了用于避免这些不希望有的变化的不同方法。

例如专利文献WO0116394A1提出了一种用于控制化合物的反应溅射沉积的方法，所述化合物是由源自反应气体激发的反应物种和作为阴极的靶所包含的材料之间的反应所形成的。该方法包括以下步骤：以反应气体的标称流速或分压建立反应溅射沉积；通过调节施加至阴极的功率，将阴极电压稳定在标称电压，其中，该标称电压和标称流速或分压根据在阴极电压、反应气体的标称流速或分压和施加至阴极的功率之间的平衡状态或稳态状况来确定。

相似地，专利文献US5783048A、WO0005745和WO2013045493A1提出了用于通过调节磁场来控制溅射沉积的各种溅射设备和溅射方法，以补偿在靶面溅射过程中因靶侵蚀而造成的不希望有的变化。

US5783048A披露了一种用于在基材上形成薄膜的溅射设备，所形成的膜显示出基本均匀的厚度。该设备包括用于提供靶材以形成薄膜的靶，其中，该靶包括第一区域。该溅射设备还包括用于能实现从靶上去除靶材的等离子体放电。另外，主磁体设置用于产生主磁场来控制等离子体放电以去除靶材。另外，采用邻近第一区域就位的补偿磁体。该补偿磁体产生补偿磁场，其与主磁场相互配合以控制第一区域中的等离子体放电，从而在第一区域中形成期望的侵蚀图案并能允许在基材上形成基本均匀的膜厚。

WO0005745A1披露了用于补偿在表面物理气相处理中产生的过程相关的非对称性的设备和方法，尤其当来自源头的溅射材料被沉积到基材上以形成薄膜时。补偿磁体被构造和定位以产生补偿磁场，从而抵消腔室和过程相关的非对称性的作用，尤其是那些影响到在基材上的等离子体处理分布的作用，否则等离子体在基材上已经对称产生。

WO2013045493A1提出了一种在溅射设备内的磁控溅射方法，溅射设备具有阴极、设置在阴极表面或阴极表面局部上的靶和设置在背向该表面的阴极侧面上的磁体组，其中，靶在溅射过程中在侵蚀面的至少一些区域内被侵蚀，并且磁体组和靶侵蚀面之间的距离在侵蚀过程中被调节，从而包括阴极的电路的阻抗只在侵蚀过程中因侵蚀而改变了不到预定值；在未调节的距离下，该预定值小于用于未侵蚀靶的阻抗和用于最大侵蚀靶的阻抗之间的阻抗差。

但是，在工业生产环境下涂覆不同类型的用于不同用途的基材牵涉到不易通过使用由现有技术所提供的当前技术来解决的附加难题。

为了获得所需要的再现性、工作效率和为了在工业生产环境下保证产品质量，在稳定状况下(尤其尽量相同的状况下)运行所有的涂覆批次是重要的，但就此而言，靶必须被使用很长时间以完成多个批次。它导致不仅由靶面侵蚀的类型和/或形状造成的涂覆条件不稳定，也导致由靶质量明显减小造成的涂覆条件不稳定，这种靶质量减小源自在几个批次后的靶延长侵蚀，这在本发明的上下文中将被称为靶老化。尤其当如图1和图2所示完成反应溅射工艺时，靶老化又导致不希望有的靶溅射特性变化和膜沉积速率变化。对于大多数涂覆应用并且尤其在工业生产环境下，这些变化是不可接受的。

图1示出与靶重量(克)相关的源(靶)电压(伏特)和电流密度(安培/平方厘米)的变化，该靶重量是通过在施加约1kW/cm²的恒定靶功率密度并保持氮气分压恒定在0.27Pa值的情况下在氩氮气氛中反应溅射一个铝铬靶来获得的。针对所有尝试，基材温度也在溅射过程中被保持恒定。通过使用设置在靶后的永磁体来产生磁场以增大在靶前方区域中截留电子的可能性。所用的靶是盘形靶，其具有恒定的直径150mm和可变厚度，其在溅射过程中减小，进而造成靶重量减轻。所用的靶的元素成分为60原子％的Al和40原子％的铬。

图2示出与用于膜沉积的靶的重量(克)相关的沉积在平面样品表面上的膜的测量涂覆厚度(μm)。通过在氮氩气氛中反应溅射AlCr靶来沉积每层膜。这些膜通过利用与被用来完成图1所示实验的涂覆配置相同的涂覆配置并在与之相同的涂覆条件下被沉积。为了能分析沉积速率和靶重量之间的关系，每层膜在关于靶功率密度、反应分压、基材温度的相同涂覆条件下在117分钟内被沉积在相应的样品上。只有靶重量由于所完成的每层膜的沉积而不同。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于在工业生产环境下涂覆不同类型基材以供不同用途所用的简单方法，其克服了因在反应溅射过程中所产生的靶质量损失而带来的难题。尤其是，本发明的一个目的是提供一种用于执行反应溅射工艺的不复杂的方法，其与靶老化无关地保持靶溅射特性及沉积速率恒定或至少在工业生产环境可接受的范围内。另外，本发明的一个目的是提供一种用于在工业生产环境下通过使用反应溅射技术和实施本发明的方法来涂覆基材的溅射设备。

具体实施方式

本发明如此实现上述目的，即提供一种通过根据靶老化调节反应气体分压的方法，以便通过反应溅射涂覆工艺获得恒定的靶溅射特性及恒定的沉积速率。

出乎意料地，本发明人发现，如果反应气体分压根据靶重量被调节并且同时靶溅射功率密度在反应溅射涂覆过程中被保持恒定，则可将靶溅射特性及沉积速率保持几乎恒定或更确切地说保持在可接受的变化范围内。

在本发明的上下文中，用于工业生产环境的可接受变化范围是：

-用于溅射特性(尤其关于靶电压和靶电流密度)的尤其约±10％或更小，

-用于沉积速率的尤其约±15％或更小，

与针对每个参数(即靶电压、靶电流密度和沉积速率)所规定的相应目标值相关。这些目标值最好是在以下的涂覆条件下限定的，所述涂覆条件通过使用处于下述状态的靶而获得，所述状态与被制造用于执行涂覆工艺的状态相同。

在本发明的上下文中，像制造状况将也被称为新状况。当然，在新状况下的靶应显示出最大靶重量，因为它仍然还未被用于执行涂覆工艺或至少未被长时间用于执行涂覆工艺。

优选地，在本发明的上下文中的可接受变化范围对于溅射特性是约±7％或更小，对于沉积速率是约±10％或更小。更优选地，在本发明的上下文内的可接受变化范围对于溅射特性是约±5％或更小，对于沉积速率是约±7％或更小。

通过在利用HIPIMS技术来运行溅射靶时实施本发明方法以维持几乎恒定的靶溅射特性及沉积速率来获得尤其很好的结果。

本发明方法应用的实验例：

为了能够比较在本实验例中获得的结果与如图1和图2所示的结果，采用相同的涂覆配置和条件，除了反应气体分压外。用于执行该实验例的靶也是盘形含铝铬的靶(AlCr靶)，其通过采用粉末冶金技术来制造并具有恒定直径150mm和根据靶老化变化的靶厚。同样，按照原子百分比的所用的靶的元素成分是60原子％的Al和40原子％的Cr。为了执行涂覆工艺，采用由OerlikonBalzers公司制造的真空溅射设备，其包括可以实现反应HIPIMS膜沉积的涂覆室。执行多次溅射沉积(涂覆)。对于这个实验例，按照与前述相同的方式，通过使用设置在靶后的永磁体来产生磁场以增大在涂覆过程中在靶前面的区域中截留电子的可能性。在作业之间不使永磁体布置变化，但当然通过靶厚变化的作用，所述靶厚在每次涂覆中变得越来越薄，该靶面变得越来越靠近永磁体，因此靶面上的磁场强度根据靶厚而变化。氮气被用作反应气体。AlCr靶在涂覆室内部通过在氩氮反应气氛中使用HIPIMS技术被溅射。在开始每次涂覆之前，经过清理的未涂覆扁平基材样品(尤其是高速钢和硬质合金样品)布置在转动样品座中，转动样品座又安置在涂覆室内。AlCrN膜分别在每次涂覆中被沉积到对应的待涂覆样品表面上。靶(阴极)上溅射功率密度对于所有涂覆操作被保持恒定在约1.0kW/cm²的主要值。基材温度也针对所有涂覆操作被保持恒定在约450℃值。在每次涂覆之前和之后测量靶重量。所用的AlCr靶在崭新条件(执行第一次涂覆前)下具有约830克重量。每次涂覆后的靶重量减少被确认符合预期。一直使用所述靶，直至达到约570克重量。用于完成一次涂覆的最低靶重量主要由此时靶的机械稳定性未受损的最小靶厚度来决定。在每次涂覆中，通过测量靶电压电流密度来监视靶特性。在每次涂覆开始时，尽量快速调节氮气分压(不到5分钟)以保持靶溅射特性尽量恒定。这在本发明上下文中尤其意味着反应分压被调节以保持靶电压和电流密度值在可接受的变化范围内。随后，保持氮气分压恒定，直到用于在每次涂覆中将膜形成到待涂覆样品表面上的总有效涂覆时间结束。用于每次涂覆的总有效涂覆时间为117分钟。在每次涂覆之后测量沉积的AlCrN膜厚度。在此实验例内的、考虑了在每次涂覆开始时所调节出的每个氮气分压值而测定的氮气分压总变化范围为从0.27Pa至0.19Pa。

在每次涂覆中测量的靶电压电流密度的平均值及在每次涂覆后与靶在每次涂覆中所具备的平均重量相关地测量的膜厚度分别如图3和图4所示。

于是，事实表明，通过使用根据本发明的方法，可以与靶老化无关地保持靶溅射特性以及膜沉积速率几乎恒定或者在工业生产环境可接受的变化范围内。

本发明提供一种执行牵涉溅射技术的涂覆工艺的方法，其中，至少一个靶在包含至少一种反应气体的气氛中被溅射并且溅射特性值和/或涂覆速率被尽可能保持在预定目标值内，该方法包括以下步骤：通过依据靶重量w_靶调节反应气体分压p_反应气体，将溅射特性和/或涂覆速率值相对于目标值的偏差保持在工业生产环境可接受的偏差范围内。

在本发明方法的一个实施例中，该靶通过以下述方式供应功率来作为阴极使用，即靶功率密度在靶溅射过程中被保持恒定。

在本发明方法的另外一个实施例中，反应气体分压p_反应气体依据靶重量w_靶并根据在相应的涂覆条件下先前所确定的p_反应气体与w_靶的关系被调节。

在执行涂覆工艺前最好通过采用至少包括以下步骤的方法来确定p_{反应气 体}与w_靶的关系：

a)提供涂覆设备和其它所需零部件以及至少一个靶(最好是崭新状态)该靶的类型与上述溅射涂覆工艺相同的涂覆条件下完成涂覆工艺所需相同，上述溅射涂覆工艺具有溅射特性和/或涂覆速率值相对于目标值的、在工业生产环境可接受的偏差范围内的偏差，

b)在完成涂覆工艺i前测量靶重量以获得w_靶-i-初始，

c)完成涂覆工艺i以沉积膜f_i，按照与之前提到的涂覆工艺一致的方式保持所有涂覆参数，除了反应气体分压外，该反应气体分压在涂覆工艺i开始时被改变，直到该反应气体分压值p_{反应气体-i}被调节到“与溅射特性相关地预先定义的目标值”为止，并且随后保持反应气体分压值p_{反应气体-i}恒定，直到涂覆时间t_i结束，

b)在完成涂覆工艺i之后测量靶重量以获得W_靶-i-最终，最好也测量在该涂覆工艺i中沉积的膜fi的厚度，

d)针对i＝1，2，…n，重复步骤b、c和d，其中n＞2，

g)通过使用p_{反应气体-i}与W_靶-i-初始的测量值或者p_{反应气体-i}与(W_靶-i-初始+W_{靶 -i-最终})/2的测量值找出p_反应气体与w_靶的关系。

数字i＝n对应于为了确定p_反应气体与w_靶的关系而要完成的涂覆工艺的总数量，数字i＝n的选取最好考虑了靶厚度，最好通过最小靶厚度的达到来限制最大的n，在所述最小靶厚度下，靶的机械稳定性尚未受损。

最好尽量长地选择涂覆时间t_i以便沉积具有下列厚度的膜f_i，所述厚度足以实现涂覆工艺i过程中的平均沉积速率的可靠评估。t_i最好对于每个涂覆工艺i是相同的。

最好如此选择用于每个涂覆工艺i的涂覆时间t_i，即该溅射特性和/或涂覆速率值相对于目标值的偏差在每个涂覆工艺i中被保持在工业生产环境可接受的偏差范围内，t_i最好对于每个涂覆工艺i是相同的。

根据本发明方法的另一个实施例，在开始涂覆工艺之前测量初始靶重量w_靶初始，并且从涂覆工艺开始起调节反应气体分压p_反应气体并在涂覆工艺过程中保持反应气体分压恒定。

根据本发明方法的另一个实施例，从涂覆工艺开始起和/或在涂覆工艺过程中测量靶重量w_靶，并且在涂覆工艺开始起和/或在涂覆工艺过程中调节反应气体分压p_反应气体。

该反应气体分压p_反应气体优选被自动调节。

所述至少一个靶最好包含至少一种选自Ti、Al、Si、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn和Cd的元素。

该至少一种反应气体优选是氮气或氧气或含碳气体或包含其中至少两种的混合物。

涂覆气氛最好包含至少一种惰性气体，其最好是氩气或氖气或氪气或者包含其中至少两种的混合物。

所述溅射技术最好牵涉到磁控溅射技术和/或磁控溅射离子镀覆技术和/或HIPIMS技术。

本发明也披露一种涂覆有涂层的基材，该涂层包含至少一个根据按照本发明方法执行的涂覆工艺而产生的膜。

涂覆基材最好是工具，尤其是切削刀具或成形工具。

相似地，涂覆基材可以是部件，尤其是发动机部件或涡轮机部件或者汽车部件或装饰部件或医疗器械等。

另外，本发明披露一种用于根据本发明的方法完成涂覆工艺的设备。

该设备优选包括用于自动测量靶重量w_靶的装置。

该设备优选包括用于自动调节反应气体分压的装置。

根据本发明的方法总体而言可以被用于通过使用溅射技术执行涂覆工艺，其中，溅射特性值和涂覆速率被尽量保持在预定目标值内，该涂覆工艺在溅射设备的涂覆室内进行，该作业牵涉到使用至少一个靶，该靶包括至少一种金属元素，该靶通过由功率源供应功率给该靶而作为阴极来使用，从而靶功率密度在靶溅射过程中在包含至少一种反应气体和至少一种惰性气体的气氛下被保持恒定，该惰性气体被至少部分电离化，从而靶面至少通过带正电离子的惰性气体撞击靶的作用被溅射，靶具有在溅射开始前的初始靶重量w_靶-初始，靶面溅射导致靶重量从初始靶重量w_靶-初始减小到减轻靶重量w_{靶 -减轻}＜w_靶-初始，这又造成溅射特性和/或涂覆速率值偏离目标值，该方法包括以下步骤：

-与靶重量无关地将溅射特性和/或涂覆速率值相对于目标值的偏差保持在工业生产环境可接受的偏差范围内，其做法是：根据靶重量w_靶调节反应气体分压p_反应气体，最好是根据在相应的涂覆条件下此前所确定的p_反应气体与w_靶关系。

Claims (17)

1.一种用于执行包含溅射技术的涂覆工艺的方法，其中，至少一个靶在包含至少一种反应气体的气氛中被溅射，并且溅射特性值和/或涂覆速率被尽可能保持在预定的目标值内，

其特征是，

溅射特性和/或涂覆速率值相对于所述目标值的偏差是通过依据靶重量w_靶调节反应气体分压p_反应气体而被保持在工业生产环境可接受的偏差范围内的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，该靶是通过以如下方式供应功率而作为阴极来工作的：在该靶上的功率密度在该靶的溅射过程中保持恒定。

3.根据权利要求1至2之一所述的方法，其特征是，该反应气体分压p_反应气体是依据靶重量w_靶并根据在相应涂覆条件下预先确定的p_反应气体与w_靶的关系来调节的。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，在执行涂覆工艺之前，通过采用至少包括以下步骤的方法来确定p_反应气体与w_靶的关系：

a)提供涂覆设备和其它所需零部件以及至少一个靶，最好是处于新状态的靶，该靶的类型与完成根据权利要求3所述涂覆工艺的涂覆工艺所需一致，

b)在完成涂覆工艺i之前，测量靶重量以获得w_靶-i-初始，

c)通过按照与权利要求3所述的涂覆工艺一致的方式保持所有涂覆参数来完成涂覆工艺i以沉积膜f_i，除了反应气体分压外，该反应气体分压在涂覆工艺i开始时被改变，直到该反应气体分压值p_{反应气体-i}被调节到与溅射特性相关地预先定义的目标值为止，并且随后保持该反应气体分压值p_{反应气体-i}恒定，直到涂覆时间t_i结束，

b)在完成涂覆工艺i之后测量靶重量以获得W_靶-i-最终，最好也测量在该涂覆工艺i中沉积的膜f_i的厚度，

d)针对i＝1，2，…n，重复步骤b、c和d，其中n＞2，

g)通过使用p_{反应气体-i}与W_靶-i-初始的测量值，或者通过使用p_{反应气体-i}与(W_靶-i-初始+W_靶-i-最终)/2的测量值，找出p_反应气体与w_靶的关系。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，数字i＝n对应于为确定p_{反应 气体}与w_靶之关系而有待执行的涂覆工艺的总数量，所述数字i＝n是在考虑靶厚度的情况下选取的，最大的n最好是限于最小靶厚度的达到，在所述最小靶厚度下，靶的机械稳定性尚未受损。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征是，尽量长地选择涂覆时间t_i以便沉积具有下述厚度的膜f_i，所述厚度足以实现涂覆工艺i过程中的平均沉积速率的可靠评估，t_i最好对于每个涂覆工艺i是相同的。

7.根据权利要求4至6之一所述的方法，其特征是，用于每个涂覆工艺i的涂覆时间t_i是如此选择的，即，该溅射特性和/或涂覆速率值相对于目标值的偏差在每个涂覆工艺i中被保持在工业生产环境可接受的偏差范围内，t_i最好对于每个涂覆工艺i是相同的。

8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征是，在开始涂覆工艺之前测量初始靶重量w_靶初始，并且从涂覆工艺开始起调节反应气体分压p_{反应气 体}并在涂覆工艺过程中保持反应气体分压恒定。

9.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征是，从涂覆工艺开始起和/或在涂覆工艺过程中测量靶重量w_靶，并且在涂覆工艺开始起和/或在涂覆工艺过程中调节反应气体分压p_反应气体。

10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征是，该反应气体分压p_反应气体被自动调整。

11.根据权利要求1至10之一所述的方法，其特征是，所述至少一个靶包含选自Ti、Al、Si、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn和Cd中的至少一种元素。

12.根据权利要求1至11之一所述的方法，其特征是，所述至少一种反应气体是氮气或氧气或含碳气体，或含有至少其中两种的混合物。

13.根据权利要求1至12之一所述的方法，其特征是，该气氛包含至少一种惰性气体，其最好是氩气、氖气或氪气或者包含其中至少两种的混合物。

14.根据权利要求1至13之一所述的方法，其特征是，溅射技术牵涉到磁控溅射技术和/或磁控溅射离子镀覆技术和/或HIPIMS技术。

15.一种涂覆有涂层的基材，该涂层包含通过根据权利要求1至14之一的方法执行的涂覆工艺所生产的至少一个膜。

16.一种用于执行根据权利要求1至15之一所述方法的涂覆工艺的设备，其特征是，该设备包括用于自动测量靶重量w_靶的装置。

17.一种用于执行根据权利要求1至15之一所述方法的涂覆工艺的设备或者根据权利要求16的设备，其特征是，该设备包括用于自动调节反应气体分压的装置。