JP6122975B2 - ＴｉｘＳｉ１−ｘＮ層を含んでなるコーティングによりワークピースをコーティングする方法 - Google Patents

Description

本発明は、ケイ素を含有する少なくとも１つの層を含んでなるコーティングに関する。

ケイ素は、層応力を増加させるために硬質材料層と共に使用されることもある化学元素である。層応力の増加は、通常、層の硬度の増加を導く。またこれは、例えば窒化チタンと共に使用される。得られる層は、構造式Ｔｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ（式中、ｘは、金属元素のみが考慮される原子％で表されるＴｉの濃度である）によって化学的に記載することができる。このように記載される場合、パーセントで示される原子濃度は合計で１００％となる。

そのような層は、いわゆるカソードスパーク蒸着によって、極めて硬質の形態で製造することができる。ここで火花は、カソードとして使用される、金属元素を提供するターゲットとアノードとの間で、高密度電子流がターゲット表面から引き抜かれる手段によって発火される。ターゲット表面の極めて局所化された、非常に高い電流密度のため、ターゲット表面は局所的に過熱状態であり、および材料が電離型で蒸発する。

そのように電離型で蒸発した材料は、次いで、基板に印加される負電圧によって促進されて基板の方へ加速される。反応性ガスがコーティングチャンバーに追加的に導入される場合、蒸発したイオンは反応性ガスと組み合わせて、基板表面上で適合するコーティングを形成する。

しかしながら、この方法において、いわゆる、液滴の問題がしばしば観察されるおそれがある。ターゲット表面上の突然の局所的加熱は、爆発的溶解が生じる原因となり、これによって、ターゲット材料の全液滴が、周囲の領域に飛び出す。これらの液滴のいくつかは基板表面に生じるため、したがって、一般に層特性およびそれらの品質に悪影響がもたらされる。これらの液滴を同時に濾去する方法もあるが、そのような濾過装置はコーティング速度を激減させ、コーティングプロセスを経済的に操作することが実質的に不可能となる。

他方、１５原子％より高いケイ素含有量が、スパーク蒸着の間、ターゲットへのダメージを導くことが非常に多い。極端な事例においては、ターゲットを各コーティングプロセスの後に交換しなければならなくなり、再びプロセスの経済的な実行可能性を低減させる。

マグネトロン（マグネトロンスパッタリング）を用いた蒸着による気相からの従来の堆積の場合、当業者は、これらの問題に対処する必要はない。しかしながら、イオン衝撃によってターゲット表面から削られた粒子は、イオン化されないか、または非常に限られた範囲でイオン化され、したがって、基板に印加される基板バイアスによって基板の方へ加速することができない。結果として、従来の方法でスパッタリングされた層は、比較的低い密度および硬度を有する。

スパーク蒸着法で達成されるものと同様のスパッタリングされた層の密度および硬度を達成する周知のアプローチは、いわゆるＨｉＰＩＭＳ法（ＨｉＰＩＭＳ＝ハイパワーインパルスマグネトロンスパッタリング（ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｉｍｐｕｌｓｅ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ））である。このスパッタリング法において、強力なパルス密度がスパッタリングカソードに適用され、それによって、カソードによってスパッタリングされた材料が、高い割合までイオン化される。ここで、コーティングされるワークピースに負電圧が印加される場合、これらのイオンはワークピースの方へ加速され、非常に高密度の層が導かれる。

スパッタリングカソードに適用される電力は、電力と共に導入された熱を分散させるための時間を与えるために、パルス方式で適用されなければならない。したがって、ＨｉＰＩＭＳ法において、電力源としてパルス発生器が必要である。このパルス発生器は非常に強力であるが、非常に短いパルスを産出することが可能でなければならない。現在利用可能なパルス発生器は、例えば、パルス高さおよび／またはパルス幅に関する適応性をほとんど有さない。理想的には、矩形波パルスが産出されなければならない。しかしながら、パルス内の出力は、一般に時間に高度に依存しており、これは、硬度、接着性、残留応力などの層特性に即時に影響を及ぼす。さらにコーティング速度は、矩形波プロフィールからの偏差により悪影響を受ける。

これらの問題は、特に、再現性に関する課題を生じる。

本発明者らが知る限り、ＨｉＰＩＭＳ法によってＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層を製造することはまだ試されていない。

したがって、高い電力を用いるマグネトロンスパッタリングによってＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層を製造することができる方法が要求されている。

本発明によると、電力源（動力源）が常に高い出力を出すスパッタリング法によって層が製造される。本明細書において、複数のスパッタリングカソードが使用される。従来のＨｉＰＩＭＳ法とは異なり、パルス発生器は使用せず、むしろ、電力源の全出力を使用し、したがって、最初に、高い出力密度が第１のスパッタリングカソードに適用されるのみである。その後、第２のスパッタリングカソードが電力源の出力に接続される。最初、第２のスパッタリングカソードのインピーダンスは、この時点で第１のスパッタリングカソードのインピーダンスより実質的に高いため、比較的ほとんど何も生じない。第１のスパッタリングカソードが電力源の出力から分離される時のみ、電力は実質的に、第２のスパッタリングカソードを経て産出される。適合するハイパワーマグネトロンスパッタリング法は、国際公開第２０１３０６０４１５号パンフレットにおいてより細かく記載されている。典型例として、電力源は約６０ｋＷで操作される。スパッタリングカソードが時間平均でさらされる典型的な電力は、約８ｋＷである。

ターゲット中のＳｉ含有量（原子％）と粒度（ｎｍ）との関係を示す。 ターゲット中のＳｉ含有量（原子％）とＴｉ_１−ｘＳｉ_ｘ中のｘ（原子％）との関係を示す。 カルーセル上の位置と粒度（ｎｍ）との関係を示す。 ターゲット中のＳｉ含有量（原子％）と硬度（ＧＰａ）および弾性率（ＧＰａ）との関係を示す。 本発明による２層構造を示す。 窒素分圧（Ｐａ）と窒素消費量（ｓｃｃｍ）との関係を示す。 窒素消費量（ｓｃｃｍ）と粒度（ｎｍ）との関係を示す。

本発明者らは、今や、驚いたことに、１５原子％以上のケイ素含有量を有するＴｉＳｉターゲットを用いて操作した場合、そのような方法によって、再現可能な方法で非常に良好な機械的特性を有するナノ結晶層を製造することが可能であることを発見した。特に興味深いことは、図１に示すように、１５原子％以上のターゲット中のＳｉ濃度によって、ナノ結晶が１５ｎｍ未満の平均粒度を有するということである。図２は、コーティングに使用されるターゲットの濃度条件が、コーティングされた層でほぼ直接的に反映されることを示す。図７に示すように、特定のＳｉ濃度を有するターゲットが選択されると直ちに、窒素消費量によって粒度が微調節可能であることに留意すべきである。

図３から分かるように、これは高度に確固とした現象である。回転カルーセルの種々の位置でコーティングされた層の粒度を測定した。黒塗りの円による一連の表示は、Ｔｉ_９５Ｓｉ_５ターゲットを指す。白抜きの円による一連の表示は、Ｔｉ_９０Ｓｉ_１０ターゲットを指す。黒塗りの正方形による一連の表示は、Ｔｉ_８５Ｓｉ_１５ターゲットを指す。白抜きの三角形による一連の表示は、Ｔｉ_８０Ｓｉ_２０ターゲットを指す。黒塗りの三角形による一連の表示は、Ｔｉ_７５Ｓｉ_２５ターゲットを指す。明らかに、粒度は、チャンバーの全コーティング高さにおいて維持される。

ケイ素含有量が増加すると、図４に示すように、層の硬度は増加し、弾性率は減少する。これは、層内の濃度比ではなく、層を製造するために使用されるターゲット中のＴｉ対Ｓｉ濃度比を示す。

本発明のさらなる実施形態によると、金属成分の少なくとも１５原子％のＳｉ含有量を有するＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層は、コーティングされる基板上に直接適用されず、むしろ、ＴｉＡｌＮ層が、基板と本発明による層との間の中間層として備えられる。この中間層は、特に、それほど脆性ではない基板と、極めて高い残留応力を有する、極めて硬質のＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層との間の応力および／または圧力条件に関する移行部として機能するという利点を有する。したがって、剥離は非常に低減し、および層の接着性は適合して改善される。

図５は、本発明による一連のそのような２層構造を示す。すでに検討されたとおり、図中で示されるように、Ｔｉ_ｘＳｉ_１−ｘ層をコーティングするために異なるターゲットが使用される。一連のＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘ層の異なる構造を明確に見ることができ、これは、Ｓｉ含有量が増加すると、ますます微細となる。本実施例において、ターゲットは中間層を製造するために使用され、それは４０原子％のチタンおよび６０原子％のアルミニウムを含んでなる。２つの層ＴｉＡｌＮおよびＴｉＳｉＮが（２００）テクスチャーを有する場合、それが特に有利であることが確立された。

異なるＳｉ含有量を有するそのような二重層を、ツール上で試験した。機械加工試験は、以下の条件で実行した：４５ＨＲＣまで硬化されたワークピース鉄鋼ＤＩＮ１．２３４４、ツール直径１０ｍｍ、固体超硬合金フライス、切断速度２２０ｍ／分、歯あたりの送り０．１ｍｍ、軸送り１０ｍｍ、半径方向送り０．５ｍｍ。損害を受けることなく、適合するツールを何メートル機械加工することができるかを測定した。通常の商業的に入手可能なコーティングでコーティングされたツールは、２００ｍ強にわたって耐久性を示す。上記の二重層でコーティングされたツールは、外部層が５％のケイ素のみを含有する場合、ほぼ同距離にわたって耐久性を示す。対照的に、この試験は、外部層が少なくとも１５％のケイ素を含有する場合、ツールが５００ｍを超えても耐久性を示し得ることを示す。表１は、１４０ｍの切断距離後にツール上で測定される摩耗値を示す。３０％のケイ素を含有するコーティングで摩耗が最も低いことを非常に明らかに見ることができる。

さらなる有利な実施形態によると、同時スパッタリング（コスパッタリング）によって製造された移行層が、ＴｉＡｌＮ中間層とＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘ層との間に備えられる。上記スパッタリング法で、同時スパッタリングは、例えば、異なるターゲットのためのパルス幅が、コーティングチャンバーに存在する圧力の関数としての反応性ガス消費曲線の最大が本質的に互いに上にあるように選択されるような方法で確実に実行することができる。パルス幅が、適合する最大の位置に直接影響するため、これは可能である。これは、例えば図６に示される。ここでは、３つの異なるパルス幅（０．０５ｍｓ、０．２ｍｓおよび２ｍｓ）がスパッタリングに使用された。このように、チャンバーに存在する同一圧力で、および同一ガス流条件で、両ターゲットを最適に操作することが可能である。

本発明のさらなる実施形態によると、移行層は、基板表面増加からの距離が増加するとＴｉＡｌＮの含有量が減少し、かつＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮの含有量が増加する段階的な層として実施される。

本発明のさらなる実施形態によると、最終Ｔｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層は、純粋なＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層ではなく、特定の割合のＴｉＡｌＮも含有する。

本発明のさらなる実施形態によると、コーティングのために、０≦ｘ≦１および０≦ｚ≦１であるが、ｚ≠ｘである第１のＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘターゲットおよび第２のＴｉ_ｚＳｉ_１−ｚターゲットが使用され、すなわち、第１および第２のターゲットは、それらの組成物が異なり、かつ（ｘ＋ｚ）／２≦０．８５であり、１５原子％以上のＳｉ濃度を有する層がさらに製造可能である。この方法において、両ターゲットは上記の同時スパッタリング法によって操作することができる。これによってコーティングの間にＳｉ濃度が変化することが可能となり、すなわち、Ｓｉ濃度勾配を実施することが可能となる。

さらにまた、本発明者らは、驚くべきことに、中間層としてＣｒ_ｙＡｌ_１−ｙＮ層を用いることによって本発明に従って堆積した層によって、優れた層性能を達成できることを確立した。したがって、以下で記載される本発明のさらなる好ましい実施形態は、中間層としてＣｒ_ｙＡｌ_１−ｙＮ層を含んでなる。

本発明のさらなる実施形態によると、金属成分の少なくとも１５原子％のＳｉ含有量を有するＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層は、コーティングされる基板上に直接適用されず、むしろ、Ｃｒ_ｙＡｌ_１−ｙＮ層が、基板と本発明による層との間の中間層として備えられる。４０原子％のクロムパーセントおよび６０原子％のアルミニウム含有量は、それが有利であることが証明されている。この中間層は、特に、それほど脆性ではない基板と、極めて高い残留応力を有する、極めて硬質のＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層との間の応力および／または圧力条件に関する移行部として機能するという利点を有する。したがって、剥離は非常に低減し、および層の接着性は適合して改善される。

上記項目および以下の記載において、金属元素のみが考慮される場合、ｘは原子％で表されるＴｉの濃度であり、およびｙは原子％で表されるＣｒ濃度である。

異なるＳｉ含有量を有するそのような二重層を、ツール上で試験した。適合するツールが著しく損害を受けることなく、何メートル機械加工することができるかを測定した。機械加工試験は、以下の条件で実行した：６９ＨＲＣまで硬化されたワークピース鉄鋼ＤＩＮ１．２３７９、ツール直径２ｍｍ、固体超硬合金球頭フライス、切断速度１１０ｍ／分、歯あたりの送り０．０４ｍｍ、軸送り０．１ｍｍ、半径方向送り０．０４ｍｍ。通常の商業的に入手可能なコーティングでコーティングされたツールは、６０ｍ強にわたって耐久性を示した。これに対して、上記の二重層でコーティングされたツールは、外部層が少なくとも１０％のケイ素を含有する場合、１００ｍを超えて耐久性を示した。興味深い事実は、ＣｒＡｌＮ層が比較的薄くされなければならないということである。これは、ＣｒＡｌＮ層が本質的に接合層の役割を果たすことを示すようである。

さらなる有利な実施形態によると、同時スパッタリングによって製造された移行層が、ＣｒＡｌＮ中間層とＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘ層との間に備えられる。上記スパッタリング法により、例えば、異なるターゲットのためのパルス幅が、コーティングチャンバーに存在する圧力の関数としての反応性ガス消費曲線の最高点が本質的に互いに上にあるように選択されるような方法で、同時スパッタリングを確実に実行することができる。パルス幅が、適合する最大の位置に直接影響するため、これは可能である。これは、例えば図６に示される。ここでは、３つの異なるパルス幅（０．０５ｍｓ、０．２ｍｓおよび２ｍｓ）がスパッタリングに使用された。このように、チャンバーに存在する同一圧力で、および同一ガス流条件で、両ターゲットを最適に操作することが可能である。

本発明のさらなる実施形態によると、移行層は、基板表面増加からの距離が増加するとＣｒＡｌＮの含有量が減少し、かつＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮの含有量が増加する段階的な層として実施される。

本発明のさらなる実施形態によると、最終Ｔｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層は、純粋なＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層ではなく、特定の割合のＣｒＡｌＮも含有する。

また本発明は、特に、少なくとも１つのＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層を含んでなるコーティングを有するワークピースにおいて、ｘ≦０．８５であり、かつＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層がナノ結晶を含有し、かつ存在するナノ結晶が、１５ｎｍ以下の平均粒度を有し、好ましくは（２００）テクスチャーを有することを特徴とするワークピースに関する。また本発明は、少なくとも上記のＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層を含んでなるコーティングによってワークピースをコーティングする方法であって、Ｔｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層を製造するために使用される方法がスパッタリング法であり、少なくとも１つのＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘターゲットがスパッタリングターゲットとして使用され、原子％でｘ≦０．８５であり、少なくとも０．２Ａ／ｃｍ^２、好ましくは０．２Ａ／ｃｍ^２を超える電流密度が、スパッタリングターゲットのターゲット表面で発生する方法に関する。好ましくは、ＴｉＡｌＮまたはＣｒＡｌＮまたはＴｉＡｌＮおよびＣｒＡｌＮを含有する中間層は、Ｔｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層とワークピースの基板本体との間に備えられる。

移行層が堆積される、本発明によるワークピースをコーティングする方法の好ましい実施形態によると、移行層は同時スパッタリングによって製造される。

それが特定の用途に関して有利である場合、本発明によるＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層は、ＴｉＡｌＮまたはＣｒＡｌＮまたはＴｉＡｌＮおよびＣｒＡｌＮパーセントを含有することもできる。

用途次第で、所望の層特性を達成するために、ＴｉＡｌＮまたはＣｒＡｌＮの代わりに、本発明の上記の実施形態におけるコーティングのために他の金属窒化物または金属窒化物をベースとする材料を使用することも可能である。

Claims (11)

1. 少なくとも１つのＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層を含んでなるコーティングによりワークピースをコーティングする方法において、ｘ≦０．８５であり、かつＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層がナノ結晶を含有し、かつ存在する前記ナノ結晶が、１５ｎｍ以下の平均粒度を有し、金属元素のみが考慮される場合、ｘが、原子％で表されるＴｉの濃度であり、前記Ｔｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層を製造するためにスパッタリングプロセスが使用され、少なくとも１つの第１のＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘターゲットがスパッタリングターゲットとして使用され、原子％でｘ≦０．８５であり、少なくとも０．２Ａ／ｃｍ^２、好ましくは０．２Ａ／ｃｍ^２を超える電流密度が、前記スパッタリングターゲットのターゲット表面で発生し、
   Ｔｉ _ｚ Ｓｉ _１−ｚ の組成を有する第２のターゲットがさらに使用され、０≦ｚ≦１であるがｚ≠ｘであり、すなわち、Ｔｉ及びＳｉを有する前記第１のターゲットおよび前記第２のターゲットは、それらの組成が異なり、かつ（ｘ＋ｚ）／２≦０．８５であり、それにより１５原子％以上のＳｉ濃度を有する層が製造されることを特徴とする方法。
2. 前記方法は、ワークピースをコーティングするために使用され、
   ＴｉＡｌＮ含有中間層が、前記Ｔｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層と前記ワークピースの基板本体との間に備えられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記方法は、ワークピースをコーティングするために使用され、
   ＴｉＡｌＮおよびＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮの両方を含有する移行層が、前記中間層と前記Ｔｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層との間に備えられることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記方法は、ワークピースをコーティングするために使用され、
   前記移行層が、基板表面からの距離が増加すると増加するケイ素含有量を有する段階的な層であることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記方法は、ワークピースをコーティングするために使用され、
   Ｃｒ_ｙＡｌ_１−ｙＮ含有中間層が、前記Ｔｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層と前記ワークピースの前記基板本体との間に備えられ、前記金属元素のみが考慮される場合、ｙが、原子％で表されるＣｒ濃度を示すことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記方法は、ワークピースをコーティングするために使用され、
   Ｃｒ_ｙＡｌ_１−ｙＮおよびＴｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮの両方を含有する移行層が、前記中間層と前記Ｔｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ層との間に備えられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記方法は、ワークピースをコーティングするために使用され、
   前記移行層が、基板表面からの距離が増加すると増加するケイ素含有量を有する段階的な層であることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記方法は、両ターゲットが同時スパッタリング法によって操作され、これによってコーティングの間にＳｉ濃度の変化を創出するステップを有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 前記両ターゲットの同時スパッタリング操作の間にＳｉ濃度勾配を実施することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記方法は、前記ナノ結晶の粒度が窒素消費量によって調節されるステップを有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
11. 前記移行層が同時スパッタリングによって製造されることを特徴とする、請求項３、４、６または７のいずれか一項に記載のワークピースをコーティングする方法。

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