JP6312357B2 - 真空コーティング装置およびナノ・コンポジット被膜を堆積する方法 - Google Patents
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Description
このため、AlxSi1−x−yNyに関しては、Si3N4のマトリックス内にアルミニウム窒化物のナノサイズ粒子が存在する。
すべての金属/シリコン窒化物は、AlSiNと同様なものである。TiSiNも違わない。
例えば、1:3のAr:N2比を使用することができる。同一の考察がAlSiN系にも通用する。
例示としては、Al−SiOxおよびAl−SiNxの被膜は、この技術によって堆積されている。Al−SiNx被膜の圧入硬度は、22GPaである。加えてAl−SiNxは、デュアル・アーク法によってTiNxと混合されて、ナノ・コンポジットのTiAlSiNxを生成する、フィルタ・アーク・コーティングは、きわめて低速だが、この理由は、フィルタがコーティングされた基材上に滴るのを避けることを目的とし、これが100倍程度のファクタで通常のアーク・コーティングに対し、コーティング速度を低減させてしまうからである。
NbCおよびNbNは、メタンおよび窒素をそれぞれの反応性ガスとして使用する反応性堆積によって形成され、40Gpaを超える硬度値を有する。NbN/Niナノ・コンポジットコーティングは、63GPaの硬度を有することが報告されている。
さらに、他の目的は、好ましいコストで提供できかつ使用できる上述した装置および方法を提供することにある、さらに他の目的は、完全に柔軟性の有るコーティング・システムを提供することにある。
20kWの最大電力が特定のカソードに印加される。HIPIMS動作においては、典型的には、20μs幅のパルスでパルス繰返し周波数を5kHzとして典型的な出力を印加することができる電源が使用される。したがって、各パルスが180kWを与えるとき、それに伴う平均電力は以下の通りである。
パルスDCの周波数範囲は、1−350kHz、好ましくは1〜100kHz
パルス・アークの周波数範囲は、HIPIMSスパッタリングと同一であり、電源もまたほとんど同じである。
AITiN/AITiO(N), AICrN/AlCrO(N), TiN/TiOx.
位置2:アーク
位置3:MPPまたはDMS
位置4:MPP
位置5:アーク
位置6:MPPまたはDMS
まず始めに、図10では例えばサーメット、タングステン・カーバイドやボロン・カーバイドなどのカーバイド、炭化窒素、その他、特にHSS鋼や工具鋼といったスチールのいずれかから成る典型的な基材100上に3層被膜が形成される。基材100は、好ましくはまず最初に清浄化され、少なくとも1つのさらなるカソードを使用し、高い基材バイアス電位の下で、または欧州特許第1260603号に記載されるようにHIPIMS法を使用して、または代替的な方法ではドイツ国実用新案登録出願第20 2101 001497号に記載された方法を使用して、従来のアルゴン・イオン・エッチングによってエッチングされることが好ましい。
パルス化マグネトロン・カソードとして(または好適な電源が提供される場合、DCマグネトロン・カソード)のCrカソードからCr、
不活性ガスおよび窒素を含有する雰囲気中での上述のTiまたはCrの反応性スパッタリングによるTiNまたはCrN、
これらは、基本的には、実施例1〜4と同一であるが、実施例5〜8では、結合層が省略されている(ある種の基材上では結合層が本質的でない故)。例えば、AlCrN/AlN,CrSiN,AlNである。例えば結合層は、WC基材および鋼のいくつかのタイプ(工具鋼およびダイス鋼)には必要とはされない。
図11に示すこれらの実施例では、結合層102がここでも基材100上に提供され、実際のその組成および堆積方法は、実施例1〜4で上述したと同一である。その後、交互にAlNの薄層112およびSiNの薄層から成る多層被膜110が、カソード1および4および6および7を実施例1〜4に関連して上述した方法で提供される。相違点は、真空チャンバの中心軸を中心とするテーブル28上(1重回転)でのワークピースの回転速度が異なるだけであり、任意的にワークピースは個別的なテーブル40の垂直軸を中心として同時に回転(2重回転)されても良く、さらに任意的にテーブル40に担持される径方向の支持アーム上でそれら自体の軸を中心として回転(3重回転)されても良く、これらは、多層システムがそれぞれのカソードの前面にあるテーブル28上のワークピースの回転により生じるように選択される。回転速度は、それぞれのカソードからのコーティング・フラックスの存在時間を規定し、これが層厚を決定する。多層の総数は、回転速度に関連して全コーティング時間を適切に選択することによって規定される。多層堆積を行う場合、個々の層の間で組成が徐々に変化するが、これは不利ではなく、実際上有益である。
2−カソード
3−カソード
4−カソード
6−カソード
7−カソード
8−デュアル・マグネトロン電源
9−ガス・フレーム
10−ガス・フレーム
12−O2インレット・バルブ
14−O2インレット・バルブ
16−真空ポンプ
18−フィードバック・レギュレータ
20−フィードバック・レギュレータ
22−アルゴン・インレット位置
28−回転テーブル
30−レギュレータ
31−真空チャンバ
32−レギュレータ
33−真空チャンバの中心位置
34−真空チャンバのヒンジ止めされたドア
36−真空チャンバのヒンジ止めされたドア
38−回転方向
40−より小さな回転テーブル
42−パルス化マグネトロン・スパッタリング電源
44−パルス化マグネトロン・スパッタリング電源
46−基材(ワークピース)用のパルス化バイアス・モード電源
50−曲線
52−ピーク
54−曲線
56−曲線
58−曲線
60−曲線
62−ピーク
64−ピーク
66−ピーク
68−ピーク
70−定常レベル
71−対応ピーク
72−定常レベル
73−対応ピーク
74−定常レベル
75−対応ピーク
76−定常レベル
77−対応ピーク
80−開くことができるドア
82−固定側部
84−固定側部
86−固定側部
88−枢軸
100−基材
102−結合層
104−ナノ・コンポジット層
106−被覆層
110−多層コーティング
112−薄層AlN
114−薄層SiN
Claims (12)
- 真空チャンバと、少なくとも1の対向カソードの対(1,4)と、前記対向カソードの対(1,4)にAC電圧を供給して、前記対向カソードの対(1,4)をデュアル・マグネトロン・スパッタリング・モードで動作させる電源(8)と、前記真空チャンバ内でPVDコーティングを提供するための少なくとも1のさらなるカソード(6および/または7)とを備える真空コーティング装置であって、前記さらなるカソード(6および/または7)は、マグネトロン・カソードまたはアーク・カソードであり、前記マグネトロン・カソードまたは前記アーク・カソードに接続され、前記対向カソードの対と同時駆動されるパルス化DC電源の形式のさらなる電源(42および/または44)を備えることを特徴とする、真空コーティング装置。
- 前記さらなる電源(42および/または44)は、最大デューティ・サイクルが、1〜35%の範囲のパルス化DC電源である、請求項1に記載の装置。
- 前記さらなる電源(42および/または44)は、1〜2kHzのパルス繰返し周波数を有するパルス化DC電源である、請求項1または2の装置。
- 前記真空チャンバは、4または6いずれかのカソード位置を備え、前記対向カソードの対(1,4)のための2つの対向カソード位置および前記さらなるカソード(6および/または7)のための第1および/または第2のさらなるカソード位置を備え、前記さらなるカソードは、単一のカソードか、またはさらなるカソードのアレイである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の装置。
- 前記真空チャンバは、6のカソード位置を備え、前記対抗カソードの第1の対(1および4)および第2の対(2および3)のための4つの対抗カソード位置および前記さらなるカソード(6および/または7)のための第1および/または第2のさらなるカソード位置を備え、前記対向カソードの第1の対(1および4)に対してAC電圧を供給するように構成された前記電源(8)は、前記対向カソードの第2の対(2および3)に対しても前記真空チャンバ内で接続可能とされる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置。
- 複数のマグネトロン・カソードが前記さらなるカソード位置のいずれかに提供され、前記パルス化DC電源(42および/または44)は、いずれかの前記さらなるカソード位置の選択したマグネトロン・カソードに接続可能とされる、請求項4または5に記載の装置。
- 前記対向カソードの対は、窒素ガス雰囲気を使用して対応するナイトライドを堆積させるためのAl,Si,AlSi,B4C,ガラス様カーボンまたはグラファイト、または酸素ガス雰囲気を使用して対応する酸化物を堆積させるためのアルミニウム、チタニウム、シリコン、タンタル、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、タングステン、またはこれらのいかなる2元合金といった非導電性酸化物を有するいかなる金属、任意に、いかなる希土類金属添加物のいずれか1つを有する前記金属から成る、請求項1〜6のいずれか1項に記載の装置。
- 前記さらなるカソードは、導電性金属ナイトライドを堆積させるための金属から成る、請求項7に記載の装置。
- アルゴンまたはネオンといった不活性ガス、窒素または酸素といった反応性ガス、Siターゲットとの組み合わせにおいてHMDSOまたはTMSといったシリコン前駆体、および/またはC2H2またはCH4といった炭素含有ガスのいかなる1またはいかなる組み合わせを供給するガス供給システムを含む、請求項1〜8のいずれか1項の記載の装置。
- 不活性ガスと反応性ガスの比を変化させるための制御手段を含む請求項9に記載の装置。
- すべてのマグネトロン・カソードがUBM、すなわちアンバランスド・マグネトロン・カソードであり、前記真空チャンバの周囲を取り囲んでN極とS極とが交代する閉磁界となるように配置される、請求項1〜10のいずれか1項に記載の装置。
- 少なくとも1の対向カソードの対(1および4)と、デュアル・マグネトロン・スパッタリング・モードで前記対向カソードの対(1および4)に接続可能なAC電源(8)と、パルス化DC電源を伴う少なくとも1のさらなるカソード(6および/または7)とを備える真空チャンバ内で基材上に被膜を製造する方法であって、前記さらなるカソード(6および/または7)と、前記対向カソードの対(1および4)とを前記パルス化DC電源および前記AC電源により同時駆動し、イオン化プラズマを前記対向カソードの対(1および4)の間に確立し、前記イオン化プラズマの存在により、前記対向カソードの対と同時駆動される前記さらなるカソード(6および/または7)の動作を助勢する、方法。
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