PT2041331E

PT2041331E - Método para o depósito de camadas electricamente isolantes

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Publication number: PT2041331E
Application number: PT77874501T
Authority: PT
Original assignee: Oerlikon Trading Ag Trübbach
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2015-01-14
Also published as: AU2007276186B2; RU2009105668A; CA2657726C; US8197648B2; WO2008009619A1; UA95809C2; JP2009543951A; ES2527877T3; EP2599891A3; KR101361234B1; US20090166188A1; CN101490305B; NZ573694A; RU2461664C2; CN101490305A; KR20090031904A; TWI411696B; HK1129910A1; WO2008009619A9; MY167043A

Description

DESCRIÇÃO "Método para o depósito de camadas electricamente isolantes"

Campo Técnico Método para a produção de camadas isolantes por meio de uma ou de várias fontes de arco, em que na superfície do alvo não é produzido ou apenas é produzido um pequeno campo magnético para o apoio do processo de evaporação. 0 método refere-se particularmente à produção de óxidos e a uma operação de pelo menos uma fonte de arco numa atmosfera que contém oxigénio.

Definições: • Consideramos no âmbito do presente pedido, composto por descrição, figuras e reivindicações, um "pequeno" campo magnético, um campo magnético, que perfaça entre 3 e 50 Gauss (incluídos ambos os limites), neste caso de preferência entre 5 e 25 Gauss (incluídos ambos os limites). • Consideramos no âmbito do presente pedido, composto por descrição, figuras e reivindicações, um material de "má" condutibilidade ou de "pior" condutibilidade, um material, cuja condutividade eléctrica é inferior à condutividade eléctrica dos metais, respectivamente das ligas metálicas. • Consideramos no âmbito do presente pedido, composto por descrição, figuras e reivindicações, um campo magnético, o qual é "essencialmente" perpendicular em relação à superfície do alvo e tem uma componente paralela em relação às superfícies do alvo - componente radial - a qual é menor do que a componente perpendicular em relação à superfície do alvo: O vector do campo eléctrico resultante inclui, com a superfície normal sobre a superfície de alvo, um ângulo cujo valor angular é menor do que 452. A componente radial de campo pode neste caso também ser zero, de modo que o vector do campo eléctrico e a superfície normal coincidem. • Consideramos no âmbito do presente pedido, composto por descrição, figuras e reivindicações, uma bobina substancialmente polarizada de modo axial, cujo eixo inclui com a superfície normal da superfície do alvo um ângulo no seu centro, cujo valor seja menor do que 452. • Consideramos um sistema magnético composto por uma bobina, o qual tenha uma geometria "semelhante" à do perímetro do alvo, um sistema magnético o qual, visto de cima sobre a superfície do alvo, se prolonga dentro e/ou fora da área do alvo e ao longo da sua área periférica, numa vista lateral, esteja disposto pelo menos parcialmente abaixo e/ou pelo menos parcialmente acima e/ou pelo menos parcialmente à mesma altura, tal como o bordo do alvo.

Estado da Técnica

Com o método de arco eléctrico conforme o actual estado da técnica não é possível operar fontes de faisca numa atmosfera que contém oxigénio, principalmente em oxigénio puro, conseguindo-se apenas de modo muito mal ou não se conseguindo de modo nenhum para uma adequada prática industrial. Comprovou-se por exemplo que, quando da utilização de fontes de arco eléctrico conhecidas, cujos campos magnéticos são concebidos para desviar a faísca para trajectórias essencialmente circulares, as superfícies dos alvos se cobrem com camadas espessas de óxidos e o processo de revestimento se torna instável. A superfície do alvo sobre a qual decorre a faísca contrai-se, isto é, a faísca prolonga-se sobre uma superfície do alvo cada vez mais pequena e a superfície do alvo não utilizada é altamente oxidada. Isto conduz em primeiro lugar a uma forte formação de salpicos e finalmente à instabilidade e a uma extinção da faísca.

Um controlo de processo, no qual os alvos de arcos eléctricos são banhados com gás inerte e o gás reactivo é introduzido na proximidade da superfície do substrato, não pode, devido ao elevado dispêndio da tecnologia do sistema, ser aplicado em cada caso e não apresenta sempre êxito, dado que por exemplo no caso de uma concentração de gás inerte demasiadamente elevada é precipitada uma mistura de metal e a liga de metal pretendida em principio.

Uma outra possibilidade para solucionar este problema consiste no facto de pulsar o fluxo de faisca, ou por meio da aplicação simultânea de um abastecimento - CC e um abastecimento de impulsos, como descrito na CH 00518/05 e na CH 1289/2005, ou por meio da aplicação de uma alimentação de corrente pulsada individual. Deste modo também podem ser operadas de forma continua e estável várias fontes de arco eléctrico, quando estas estiverem numa atmosfera de oxigénio e quando, durante o processo, as suas superfícies se cobrirem com uma camada isolante. Para este efeito é no entanto, para uma alimentação CC, necessária uma fonte de alimentação de pulsos complementar ou um gerador individual correspondentemente mais caro, em que pode sobrepor-se a uma corrente base um padrão adequado de corrente pulsada.

Quando da deposição de camadas condutoras, como por exemplo TiN, AlTiN, AlCrN entre outros, já é do conhecimento geral há algum tempo que, quando do aumento de um campo magnético que se prolonga em paralelo em relação à superfície, diminui a densidade da gotícula (droplet), enquanto que quando de linhas de campo orientadas na perpendicular em relação à superfície do alvo, são emitidas macro-partículas tendencialmente maiores. São revelados na CH 00792/6 e na WO 2004/057642 exemplos para fontes de arco eléctrico com linhas de campo essencialmente paralelas à superfície, respectivamente pequenas componentes verticais do campo magnético.

Além disso sabe-se também a partir da DE 4223592 (Hovsepian) que, para a minimização do número da gotícula e optimização do rendimento do alvo, é possível ajustar um campo magnético exterior ao respectivo valor do campo magnético produzido pela corrente do arco voltaico na ou seja sobre a superfície do alvo, o qual não exceda um valor de 10 Gauss (= 10_3 Tesla). Isto pode ser atingido por exemplo por uma bobina ligada entre o alvo e a fonte de corrente eléctrica. Neste caso, a capacidade do vaporizador é adicionalmente estabilizada e simultaneamente aumentada a formação de plasma pela indutância da bobina magnética.

Uma apreciação completamente diferente é proposta na US 6 334 405 com uma condução das linhas de campo, a qual é essencialmente perpendicular em relação à superfície do alvo. Neste caso a bobina indutora do campo ou o anel magnético estão dispostos na mesma altura ou antes da superfície do alvo. Ao mesmo tempo são utilizados campos magnéticos acentuadamente mais fortes em comparação com os campos dos métodos acima mencionados. A partir do actual estado da técnica não há até à data conhecimento do modo de optimizar campos magnéticos no que diz respeito a uma evaporação de faísca para a produção de camadas isolantes, respectivamente de camadas de óxido, em que também sejam formadas na superfície do alvo pelo menos temporariamente áreas de camadas isolantes ou pelo menos de pior condutibilidade. Os métodos de arco eléctrico para a deposição de camadas deste género não são utilizados industrialmente devido às dificuldades descritas até à data e também são mencionados a partir do estado da técnica só em casos isolados.

Uma excepção é a patente EP0285745B1 na qual é descrita uma redução da gotícula quando da evaporação de faísca, a qual se baseia num revestimento mútuo por exemplo de dois alvos de faísca opostos. Esta observação tem por objectivo que, após a bombagem da instalação de revestimento a vácuo e directamente após a ignição no primeiro período, a faísca esteja mais dividida e que gere menos gotículas. O documento descreve um método para o revestimento de peças a serem trabalhadas com diferentes ligas metálicas, tais como TiN, ZrN e ZrC>2, em que o alvo do arco eléctrico de recobrimento é exposto a uma segunda fonte de evaporação posicionada de forma adequada numa relação de 12 até 25 % da própria taxa de evaporação. As bobinas para a produção dos campos magnéticos através de alvos de faísca são, neste caso, bobinas de Helmholtz, dispostas no exterior do vácuo, as quais já com forças do campo magnético de aproximadamente 10 Gauss permitem um aumento da taxa de revestimento mútuo. Um método deste género é no entanto problemático por várias razões. Por um lado deve ser observada uma determinada disposição do alvo para neste caso ser garantida a uniformidade do revestimento, por outro lado há sempre devido aos revestimentos mútuos uma perda na taxa de revestimento sobre as peças a serem trabalhadas e consequentemente a redução da eficiência económica do método. A US2003/0209424 AI revela um método para a produção por exemplo de camadas de óxido sobre uma peça a ser trabalhada por meio de um revestimento de vácuo. Uma descarga de arco de corrente continua é operada numa atmosfera reactiva entre o ânodo e o cátodo de uma fonte de arco. Na superfície do alvo é produzido um campo magnético (54) essencialmente perpendicular em relação à superfície do alvo. Entre o cátodo e o ânodo encontra-se instalado, isolado electricamente de ambos, um anel de limitação (19) metálico.

Apresentação do invento 0 objectivo do presente invento é proporcionar um método de acordo com a reivindicação 1 para a deposição de camadas isolantes por meio de evaporação de faísca, no qual são evitadas as desvantagens do estado da técnica, e o qual permite realizar um processo de evaporação de faísca com boa produtividade. Um outro objectivo é proporcionar um método com o qual se torne possível pela primeira vez também, sem a utilização de fontes de arco pulsadas e/ou uma lavagem simultânea das fontes de arco com um gás inerte, respectivamente um recobrimento da superfície do alvo evaporada, operar um processo de evaporação de faísca de estabilidade a longo prazo numa atmosfera de gás reactivo, na qual sejam depositadas camadas mal condutoras ou isolantes.

Tem sido comprovado surpreendentemente que com uma medida relativamente simples, como a aplicação de um pequeno campo magnético exterior, essencialmente na superfície do alvo em relação a esta perpendicular, que por meio de pelo menos uma bobina axialmente polarizada com uma geometria semelhante à da periferia do alvo e uma componente perpendicular Bz bem como uma componente Br essencialmente, isto é sobre a maior parte da superfície do alvo, radialmente mais pequena ou paralela à superfície, seja também possível um processo de revestimento de longa duração para a produção de camadas de maus condutores, principalmente isolantes. De preferência a componente perpendicular Bz é regulada neste caso na superfície do alvo num intervalo entre 3 e 50 Gauss, no entanto principalmente num intervalo entre 5 e 25 Gauss.

Num método deste género também torna-se desnecessária a indispensabilidade descrita no estado da técnica do revestimento mútuo, de modo que a taxa de recobrimento da superfície alvo possa ser escolhida por outras fontes de revestimento menor do que 10%, de preferência menor do que 5%, em particular menor do que 1% ou zero % do que a quantidade de metal depositada pelo cátodo.

Em alternativa, o método também pode ser operado mesmo sem qualquer campo magnético, no entanto neste caso deve ser dispensada a ionização favoravelmente aumentada, a qual já ocorre sobre a superfície alvo, quando da aplicação de pequenos campos magnéticos.

Deste modo a disposição da(s) fonte (s) de faísca pode ser seleccionada essencialmente de forma livre, por exemplo em paralelo, em ângulo umas em relação às outras ou também opostas e, por exemplo, as peças a serem revestidas entre várias fontes de faisca podem ser posicionadas ou movimentadas de forma arbitrária pelo que o material alvo pode ser melhor aproveitado e a taxa de revestimento pode ser aumentada. Neste caso também podem ser dispensadas outras medidas auxiliares até à data usuais, tais como a lavagem do alvo com gás inerte ou a incorporação de maior quantidade de gás inerte no gás reactivo. O método pode nomeadamente também ser operado com uma parte de gás inerte inferior a 30 %, de preferência inferior a 10 %, respectivamente sem adição de gás inerte. Também neste caso não é necessária uma combinação do presente invento com o auxílio do método a partir da CH 00518/05 ("reative pulsed arc") e CH 1289/2005 ("dual pulsed arc"), por meio da aplicação de um sinal de impulso no(s) cátodo (s) Arc, embora uma combinação deste género pudesse ser favorável para determinadas utilizações, por exemplo quando fosse pretendido um aumento de ionização, um melhor aproveitamento do alvo, um aumento da taxa de revestimento ou um movimento mais rápido da faísca sobre a superfície alvo. O campo magnético sobre respectivamente a superfície alvo deve, neste caso, ser ajustado de tal modo que este não se torne suficientemente grande, para manter a faísca em trajectos definidos geometricamente. Isto é atingido pelo ajuste da componente perpendicular Bz do campo magnético para valores inferiores a 50 Gauss, sendo no entanto de preferência inferiores a 25 Gauss. A componente Br deve ser definida como sendo proporcionalmente menor.

Se forem depositadas camadas de baixa condutividade ou isolantes com estes processos, podem ser evitadas as conhecidas dificuldades dos métodos de CC com fonte de arco apoiada por um campo magnético, tal como uma contaminação em larga escala da superfície alvo, e o consequente desaproveitamento da taxa de revestimento resultar numa limitação da superfície alvo activa, respectivamente em instabilidades do processo, que podem conduzir até à falha da fonte de arco. Ao mesmo tempo pode ser atingida com este método uma melhor qualidade da superfície do material revestido, dado que a faísca já é dividida quando de pequenos fluxos de faíscas em pequenos pontos focais, os quais se movimentam rapidamente sobre a superfície alvo e que, deste modo, permitem uma remoção alvo uniforme com uma emissão reduzida de gotículas. Assim a contaminação da superfície alvo parece, em comparação com as superfícies condutoras, contribuir adicionalmente para uma melhor distribuição da faísca.

Este efeito é particularmente evidente em camadas isolantes, as quais aumentam a emissão dos electrões da superfície metálica alvo. São exemplos para este efeito as camadas de óxido de alumínio ou as camadas de óxido de metal de alumínio, as quais podem ser produzidas pela evaporação de ligas do alumínio, por exemplo, com um ou vários dos IV até VI subgrupos bem como Fe, Si, B, e C, de preferência de uma liga AITi, Alta, A1V, AlCr, respectivamente AlZr, numa atmosfera que contém oxigénio. Neste caso não é utilizada de preferência nenhuma ou é utilizada apenas uma parte relativamente reduzida de gás inerte, respectivamente azoto, de preferência menor do que 20% em volume, particularmente menos do que 10% em volume, para garantir uma oxidação completa das partículas metálicas evaporadas pelos alvos. Uma distribuição boa semelhante da faísca sobre a superfície alvo pode ser observada quando da produção de camadas isolantes de boreto, tais como por exemplo TÍB2. O processo também pode ser operado neste caso numa atmosfera que contém borano, por exemplo com diborano, mas também sem ou apenas com uma adição reduzida de gás inerte, respectivamente azoto.

Como explicação para o presente comportamento, sem reivindicar a totalidade e sem constituir uma prova científica, apresenta-se aqui a diferente emissão de electrões ou a função de saída de electrões de superfícies metálicas respectivamente oxidadas, a serem isoladas. Assim, por exemplo, o óxido de alumínio apresenta uma emissão de electrões significativamente mais elevada do que o alumínio metálico. Presumivelmente dá-se portanto, quando do método de acordo com o invento, devido à emissão de electrões da superfície contaminada num trajecto controlado das faíscas. Dado que a faísca já não é forçada para uma trajectória devido à aceleração transversal de um campo magnético radial, esta salta de preferência para aqueles pontos do alvo com uma maior emissão de electrões. No caso de um alvo de alumínio o qual é evaporado por arco sob oxigénio, esta desloca-se ao ponto onde a camada de óxido de alumínio cresce mais depressa. Um campo magnético perpendicular pobre pode neste caso apoiar adicionalmente a emissão, enquanto que um campo magnético perpendicular demasiado forte tem impactos negativos. Este último pode basear-se no facto de que campos magnéticos não podem ser produzidos com medidas técnicas e económicas justificáveis de forma homogénea sobre uma superfície do alvo. Assim, quando de campos magnéticos mais fortes adiciona-se também sempre ainda uma componente paralela crescente, a qual restringe eventualmente a mobilidade livre da faísca sobre a superfície. Para manter a faísca na face frontal do alvo podem ser aplicadas medidas conhecidas, tais como anéis de confinamento de um material isolante (por exemplo nitreto de boro), respectivamente anéis de confinamento de boa condutibilidade, que repelem a faísca em movimento através de um campo de corrente de Foucault gerado no anel.

Para produzir sistemas técnicos de camadas com características funcionais especiais, de acordo com a finalidade da aplicação, é desejável aplicar em conjunto com as mencionadas camadas isolantes ainda mais outras camadas, por exemplo metálicas, de nitreto, de carbeto ou de carbonitreto de aderência e/ou camadas duras sobre a peça a ser trabalhada, em que de preferência é aplicada na última etapa de revestimento uma camada que contém óxido, respectivamente uma camada de óxido. Estas últimas podem ser aplicadas como camada que possa ser submetida a uma abrasão, respectivamente como protecção contra oxidação para as camadas duras situadas por baixo. Para a deposição de sistemas de camadas adicionais podem ser proporcionados métodos em principio conhecidos, sendo no entanto favorável o método de deposição fisica de vapor (PVD) tal como a deposição catódica, revestimento por arco de baixa tensão, sendo no entanto principalmente proporcionada uma evaporação de faisca. Também é possível a produção de sistemas de multicamadas, em que alternadamente são depositadas camadas condutoras e não condutoras ou diferentes camadas não condutoras, com um método de acordo com o invento. Para este efeito uma fonte de arco pode por exemplo ser operada alternadamente sob azoto e oxigénio, ou várias fontes de arco com material alvo diferente e a seguir um material ser depositado com nitreto, carbonitreto ou um outro composto, e o outro material como óxido não condutor. Para este efeito, entre as camadas, ao contrário de outros métodos PVD e CVD, podem ser criadas sem problemas camadas de transição entre as áreas de camadas não condutoras e condutoras, por exemplo com um teor de oxigénio crescente, respectivamente decrescente, o que representa uma grande vantagem do método de acordo com o invento. Em comparação ocorrem nos processos de deposição catódica áreas de parâmetros instáveis devido a contaminação de alvos (curva de histerese), pelo que acontecem alterações abruptas das condições de deposição. Também é suprimida a complicada regulação dos diferentes niveis de temperaturas para a deposição de diferentes materiais duros e lavagens com gás inerte entre as etapas individuais do processo, tal como é necessário no método CVD. Em geral este método pode ser operado com temperaturas muito mais baixas do que com o método CVD e é por exemplo portanto também adequado para o revestimento de aços.

Quando da deposição de camadas múltiplas pode surgir o problema da evaporação de diferentes materiais alvo, em que alguns materiais só podem ser evaporados com um aproveitamento aceitável do alvo apenas sob a aplicação de um campo magnético. Nestes casos poderá ser favorável sobrepor à fonte de energia de CC um sinal de impulsos. Com referência a outros pormenores de um procedimento deste género faz-se referência aos pedidos de patentes CH 00518/05 e CH 1289/2005 já mencionados acima, nos quais são reveladas em pormenor duas possibilidades de um funcionamento deste género com impulsos. Além disso, tal como também resulta no exemplo acima mencionado, podem ser impostas outras exigências ao sistema magnético para uma evaporação de arco de um material alvo metálico para além das impostas a um sistema magnético para a evaporação do mesmo material com um revestimento de óxido. Por exemplo para a evaporação de arco de TiAl para a deposição de TiAlN é conveniente operar a fonte com um sistema magnético. Conforme a relação Ti/Al, diferentes sistemas magnéticos podem neste caso conduzir a resultados optimizados, em que eventualmente são utilizados campos magnéticos na gama dos limites da intensidade do campo magnético acima indicados ou mesmo superiores. Se nestes casos, por exemplo, quando da utilização de imanes permanentes, a intensidade do campo magnético não for adaptada às diferentes condições de evaporação (por exemplo superfícies alvo metálicas, de nitreto, de óxido) então, na situação de uma superfície alvo de óxido e campos magnéticos correspondentemente grandes, torna-se favorável ou até necessário um impulsionamento adicional. O mesmo se aplica para a realização de camadas graduadas e de camadas mistas de óxidos e, por exemplo, nitretos e/ou carbonetos. Nestes casos não se opera apenas numa pura atmosfera de oxigénio, mas sim em misturas com gases diferentes, frequentemente uma pequena proporção de oxigénio. Nestas condições a emissão de electrões na superfície alvo não é completamente controlada pelo oxigénio, dado que só existe uma superfície alvo parcialmente coberta de óxido. Também poderá neste caso ser favorável um impulsionamento adicional da corrente do alvo.

Muito embora geralmente com o método de acordo com o invento possam ser depositadas camadas isolantes sem quaisquer outras medidas, pode no entanto em determinadas circunstâncias, tal como acima referido, ser favorável alimentar a fonte de arco simultaneamente com uma corrente contínua tal como também com uma corrente de impulsos, respectivamente alternada. Neste caso a proporção CC do fluxo de corrente é de forma favorável regulada no âmbito de 100 até 300%, particularmente entre 100 e 200% da corrente de manutenção. Por corrente de manutenção entende-se, neste caso, a corrente mínima com a qual ainda é possível um funcionamento estável de uma fonte de arco de condutibilidade eléctrica com uma simples alimentação eléctrica de corrente CC. 0 valor da corrente de manutenção, respectivamente da potência de manutenção, depende neste caso do material alvo, do tipo da fonte Arc, respectivamente da operação de descarga, por exemplo se esta for operada sob vácuo com ou sem adição de gás inerte, respectivamente gás reactivo. Isto corresponde no caso de materiais alvo convencionais, quando da utilização das fontes de arco abaixo descritas em pormenor, a um fluxo de corrente CC no intervalo entre 30 até 90 A, de preferência entre 30 e 60 A.

Numa realização especial a fonte de alimentação de impulsos entre um cátodo e um segundo eléctrodo disposto separadamente de uma fonte de arco pode ser operada particularmente por um cátodo de mais outra fonte de arco. Em alternativa, a fonte de alimentação de impulsos também pode ser ligada entre a fonte de arco e um outro tipo de fonte, por exemplo, uma pulverização catódica de uma fonte de pulverização, principalmente de um magnetrão.

Em princípio um sistema magnético conhecido acoplado axialmente, o qual é composto por pelo menos uma bobina com uma geometria semelhante à periferia alvo, pode por exemplo ser actuado com uma corrente de excitação para a produção de um campo magnético. O sistema magnético é neste caso disposto essencialmente num plano com a superfície alvo, ou de preferência atrás da superfície alvo, uma vez que neste caso uma disposição da bobina em atmosfera pode ser relativamente simples. A geometria do sistema magnético pode neste caso também ser escolhida um pouco mais pequena do que a periferia alvo por razões de economia de espaço. Se no entanto for exigida uma distribuição perpendicular particularmente uniforme, é no entanto favorável uma geometria igual ou até um pouco maior, a qual por exemplo também permite abarcar o alvo, está paralela e tanto quanto possível próxima do plano geométrico da superfície alvo. A utilização de disposições de Helmholtz afastadas da fonte, as quais produzem um campo magnético sobre grandes áreas do sistema, não é necessária e por motivos de flexibilidade também não é desejável.

De forma particularmente simples pode ser produzido um campo magnético deste género, quando a corrente continua e/ou a corrente de impulsos respectivamente alternada da fonte de energia forem conduzidas ao cátodo através de uma bobina, por exemplo uma bobina do tipo acima mencionado. Neste caso prescinde-se de um gerador para a bobina magnética. A utilização de uma ligação em série de bobina e cátodo reflecte-se em particular no funcionamento de impulsos, onde ocorre uma ionização adicional, a qual favorece o funcionamento de impulsos, reforçando a emissão de electrões. 0 número de espiras da bobina para as correntes de fonte acima mencionadas é seleccionado para o efeito de forma favorável entre 1 e 20, de preferência entre 1 e 10, principalmente entre 1 e 5 espiras. Assim também é possível ajustar o campo magnético essencialmente para a grandeza do respectivo valor do campo magnético intrínseco da corrente do arco voltaico, o qual geralmente se situa numa ordem de grandeza menor ou igual a 10 Gauss. Um campo magnético exterior imediato, o qual pode surgir pela bobina quando da passagem de um pico de impulso, respectivamente de um flanco vertical, normalmente não tem interferência. É evidente que também é possível em alternativa alimentar o campo magnético separadamente de uma CC ou de uma fonte de arco operada por impulsos com uma alimentação de impulsos e de comando própria. Se a fonte de arco também for impulsionada pode ser prevista uma sincronização.

Deste modo, quando de uma configuração adequada das bobinas e quando for necessário proporcionar adicionalmente um anel magnético, também podem ser produzidos campos magnéticos maiores, quando for necessária uma densidade de plasma maior. Neste caso é no entanto favorável, quando da deposição de camadas isolantes, adicionalmente ao sinal CC aplicado nas fontes Arc, aplicar um sinal de impulsos tal como acima mencionado.

Além disso é favorável operar o método com uma fonte Arc, na qual entre o cátodo e o ânodo esteja disposto um anel limitador isolado electricamente de ambos, sendo este composto por um isolador eléctrico, tal como por exemplo BN, ou por um metal de boa condutibilidade, tal como por exemplo Ai, Cu, Ag. Assim é assegurado que a faísca não deixe a superfície do alvo principalmente em combinação com um pequeno campo magnético.

Breve Descrição dos Desenhos 0 invento é a seguir explicado em pormenor com base em figuras, as quais representam apenas diferentes exemplos de realização. Os mesmos mostram: na Figura 1 superfícies de alvos de arco reactivos; na Figura 2 a fonte de arco com sistema magnético; na Figura 3 a intensidade de campo Z num método conhecido; na Figura 4 a intensidade de campo V num método conhecido; na Figura 5 a fonte de arco com bobina; na Figura 6 a intensidade de campo no método de acordo com o invento.

Pode verificar-se a partir da fig. 1 o estado da superfície de diferentes alvos de faíscas após a operação numa pura atmosfera de oxigénio. Para o ensaio foram montados alvos com um diâmetro de 160 mm e uma espessura de 6 mm sobre uma fonte de arco normalizada da firma Balzers numa instalação de revestimento RCS e sob a utilização de diferentes sistemas magnéticos operados durante 50 minutos com uma corrente da fonte de 180A numa pura atmosfera de oxigénio. Os parâmetros utilizados foram os seguintes:

CorrenteArco da fonte 180A

Fluxo O2 Gradualmente aumentando de 400 sccm para 1600 sccm, foi operado em atmosfera de oxigénio puro.

Altura/largura do estágio: 300 sccm / 10 minutos

Pressão do processo: 0,44 até 4,9 Pa

Tensão do substrato: Impulso assimétrico bipolar:

-100 V / 36ps, +100 V / 4 ps

Tsubstrato: 550°C

Na Fig. 1 "MAG Z" e "MAGV" especificam dois alvos, os quais foram operados com um campo magnético relativamente intenso com uma componente radial Br característica. A superfície mostra em ambos os casos uma deposição muito irregular e vestígios nítidos essencialmente circulares da trajectória da faísca. A faísca, neste caso, deixou vestígios relativamente profundos e, em ambos os casos, já opticamente reconhecível, um máximo de remoção no centro do alvo. A superfície está em ambos os casos tão áspera e danificada que os alvos já não podem ser utilizados sem um processamento posterior da superfície. A trajectória da faísca estreita-se durante a operação cada vez mais e ocorrem instabilidades processuais. Um comportamento deste género, tal como descrito na CH 00518/05 e na CH 1289/2005, apenas poderia em grande parte ser evitado até à data por meio de impulsos da corrente alvo. Isto significa contudo um dispêndio adicional e exige alimentações especiais de energia eléctrica.

Uma imagem completamente diferente mostra na Fig. 1 a superfície "MAG S" a qual com excepção do campo magnético foi operada sob os mesmos parâmetros que as superfícies do alvo MAG Z e MAG V na Fig. 1. A superfície apresenta-se uniformemente removida sobre toda a área, o que também foi confirmado por meio de medições de perfilómetro. A condição para um comportamento deste género é um campo magnético pequeno com pelo menos uma pequena componente radial. A componente perpendicular pode ser seleccionada mais livremente. A seguir faz-se uma breve referência às diferenças dos sistemas magnéticos utilizados. A Fig. 2 mostra um corte transversal esquemático através de uma fonte de arco com um sistema magnético, tal como foi utilizado para os alvos da Fig. 1 MAG Z e MAG V. À volta da superfície 2 de um alvo 1 montado sobre uma placa de refrigeração 4 encontra-se instalado um anel de demarcação 3 para a limitação da faísca sobre a superfície alvo. Um contra-eléctrodo normalmente também envolvente, geralmente um ânodo, não é aqui representado em pormenor. Na área posterior central do alvo encontra-se a alimentação de corrente eléctrica 5, a qual neste caso também pode compreender tubagens de alimentação e de escoamento da água de refrigeração não representadas em pormenor. Do mesmo modo, na área posterior central, encontra-se um anel magnético permanente 6 interno, estando disposto na área da periferia exterior do alvo um anel magnético permanente 7 exterior. Ambos os anéis magnéticos estão axialmente magnetizados com pólos opostos, de modo que uma parte das linhas de campo, as quais partem do lado superior do anel magnético permanente 7 exterior, entram novamente no lado superior do anel magnético permanente 6 interno, enquanto que o trajecto das linhas de campo no lado posterior se prolongam em relação ao plano anular essencialmente como imagem simétrica. Para a alteração da intensidade de campo podem ser utilizados por exemplo imanes de diferentes intensidades, adicionalmente uma bobina como a que é utilizada na Fig. 5 e também outras disposições.

Na Fig. 3 é representada a intensidade de campo local de um sistema magnético, tal como, quando da utilização de um sistema magnético "MAG Z" de série da firma Balzers, surge na superfície de um alvo de arco. A figura mostra o trajecto da intensidade de campo da componente Bz perpendicular e da componente Br radial de uma metade de alvo. Bz apresenta no centro (coordenada 0) e no bordo (75 mm) um máximo e atravessa em aproximadamente 45 mm a linha zero. O ponto de 452 definido pelo ponto de intersecção das componentes absolutas, isto é, o ponto respectivamente na área circunscrita na qual as linhas de campo incidem num ângulo de 452 sobre a superfície alvo, situa-se aproximadamente a 27 e 59 mm. Na área intermédia a componente radial Br é maior do que a Bz e passa por um máximo. Ao contrário de Bz, a componente Br não passa na respectiva metade de alvo por qualquer mudança de direcção e intersecta a linha zero, respectivamente, no ponto zero e no bordo do alvo. Como seria de esperar, a área intermédia na qual, respectivamente nas quais, as faíscas que passam sobre o alvo actuam forças de aceleração radial relativamente elevadas, são uma área de localização preferida, o que também é claramente visível nas correspondentes características de erosão na Fig. 1 "MAG Z". Por outro lado, devido também à componente radial muito pequena na área central do alvo e relacionado com isto o movimento lento das faíscas individuais, as quais deixam a área de localização preferida, devido ao sobreaquecimento e à consequente evaporação explosiva, vai dar-se a um aumento da remoção, a uma danificação da superfície e a um aumento da formação de gotícula. Este efeito é menos importante no bordo do alvo dado que, por um lado, em relação à área central, escapam a partir da área preferida menos faíscas em proporção à superfície e, por outro lado, a faísca é repelida por um campo de corrente de Foucault auto-induzido no anel limitador metálico, por exemplo feito de cobre. A Fig. 4 mostra uma correspondente característica de intensidade de campo para a evaporação do alvo mostrado na Fig. 1 com o sistema magnético "MAG V". Numa característica à partida semelhante, o campo magnético difere por uma intensidade de campos em média aproximadamente 50% mais elevada em relação à Fig. 3 para ambos as componentes. Por conseguinte, vemos na superfície do alvo na Fig. 1 "MAG V" e também na área exterior uma remoção aumentada. A superfície é gravemente danificada também neste caso. A Fig. 5 mostra finalmente esquematicamente uma secção transversal através de uma fonte de arco com um sistema magnético "MAG S" 8, tal como foi utilizado para a evaporação de superfícies do alvo na Fig. 1 "MAG S" conforme o método de acordo com o invento. Em vez dos anéis magnéticos permanentes 6, 7 da Fig. 2, com aplicação neste caso atrás do alvo 1 na área da projecção do perímetro do alvo, é utilizada uma bobina electromagnética 8.

Os sistemas magnéticos são neste caso favoráveis, os quais são compostos por uma ou várias bobinas eléctricas, sem ou com um apoio reduzido de imanes permanentes. Nestes sistemas a corrente da bobina pode ser modificada de forma análoga em relação à alteração do estado da superfície do alvo. Por exemplo, o campo magnético pode ser voltado para baixo em paralelo em relação ao azoto da rampa para uma camada de óxido não condutora, quando da produção de uma transição contínua entre a camada dura de um nitreto condutor, enquanto que o fluxo de oxigénio é aumentado continuamente. Deste modo, mesmo sem o modo de impulsos da fonte de arco, podem ser produzidas quaisquer transições contínuas com materiais que, para a evaporação da superfície condutora, necessitam do apoio do campo magnético.

Na Fig. 6 é representada a intensidade de campo, a qual resulta quando da operação de um sistema magnético deste género com correntes reduzidas. Neste caso, um sistema magnético padrão "MAG S" (432 espiras) da firma Balzers foi operado com uma corrente de IA. Assim é possível, tal como representado, ajustar os campos magnéticos com um percurso muito uniforme da componente Bz assim como utilizar em média uma componente Br muito pequena. De forma favorável, a componente Bz é ajustada para menos de 50 Gauss, em particular num valor menor ou igual a 30 Gauss. Embora, surpreendentemente, as fontes de arco numa atmosfera de oxigénio possam em princípio ser operadas com uma taxa aceitável sem apoio de um campo magnético e com um padrão de erosão similar ao da Fig. 1 "MAG S", a utilização de um sistema magnético tal como o atrás descrito ainda proporciona no entanto uma melhor distribuição. Em campos com uma Bz menor do que 10 Gauss, por exemplo 3 e 5 Gauss, também já foi possível verificar um efeito. Neste caso é favorável uma trajectória Bz tão uniforme quanto possível, a qual na maior parte da superfície do alvo não varia em mais do que 10 até ao máximo de 20%. Apenas é admissível um desvio ligeiramente maior na área do bordo do alvo, aproximadamente 10 até 20 mm do bordo do alvo. Adicionalmente, um sistema magnético deste género facilita cada método de revestimento, no qual o alvo é utilizado consecutivamente para produzir camadas condutoras e de fraca condução, respectivamente não condutoras, dado que então os campos podem ser adaptados à respectiva etapa processual. É evidente que para a optimização de métodos deste género também podem ser utilizados outros sistemas magnéticos que são do conhecimento do técnico perito. Por exemplo, para alguns processos, seria favorável a utilização de um sistema adicional deslocável na perpendicular para com o plano do alvo, para, tal como por exemplo para a produção de determinados nitretos metálicos, produzir uma distribuição favorável do campo magnético com campos magnéticos maiores no lado superior do alvo, de forma análoga tal como na Fig. 3 e 4.

No exemplo a seguir é apresentada a sequência completa de um método de revestimento com um campo magnético fraco substancialmente perpendicular na área da superfície do alvo.

Após a inserção das peças a serem trabalhadas em suportes a serem rodados duas ou três vezes e a introdução dos suportes no dispositivo de tratamento em vácuo, a câmara de tratamento é bombeada para uma pressão de aproximadamente 10-4 mbar.

Para ajustar a temperatura, o processo apoiado por aquecimentos por irradiação de plasma de arco eléctrico de baixa tensão é sujeito à faísca entre uma câmara de cátodos separada por um diafragma com um cátodo quente e um ânodo ligado com as peças a serem trabalhadas numa atmosfera de árgon - oxigénio.

Neste caso são definidos os seguintes parâmetros:

Corrente de descarga 250 A

Fluxo de árgon 50 sccm

Fluxo de oxigénio 300 sccm

Pressão do processo 1,4 x lCh2 mbar

Temperatura do substrato ca. 5502C

Tempo de processamento 45 minutos

As alternativas são do conhecimento do perito da especialidade. Neste caso, os substratos foram de preferência ligados como ânodo para o arco eléctrico de baixa voltagem e de preferência adicionalmente pulsados de forma unipolar ou bipolar. É iniciado o processo de gravação como a próxima etapa do processo. Para este efeito é operado o arco eléctrico de baixa voltagem entre o filamento e o ânodo auxiliar. Também neste caso pode ser conectada uma CC, uma CC pulsada ou um fornecimento MF ou RF operado com corrente alternada entre as peças a serem trabalhadas e a massa. De preferência, as peças a serem trabalhadas foram contudo carregadas com uma tensão de polarização negativa.

Neste caso foram definidos os seguintes parâmetros de gravação:

Fluxo de árgon 60 sccm

Pressão do processo 2,4 x 10_3 mbar

Corrente de descarga NBI 150 A

Temperatura do substrato ca. 5002C

Tempo de processamento 45 minutos

Polarização 200 - 250 V

Para garantir a estabilidade das descargas de arco de baixa tensão (NBI) quando da produção das camadas isolantes, é operado em todas as etapas processuais NBI assistidas com um ânodo auxiliar quente condutor ou é ligado um fornecimento de corrente de alta potência pulsada entre o ânodo auxiliar e a massa.

Na próxima etapa processual é efectuado o revestimento do substrato com uma camada AlCrO e uma camada intermédia TiAlN. Todos os processos de revestimento podem, quando for necessário um aumento da ionização, ser favorecidos pelo plasma do arco eléctrico de baixa voltagem.

Neste caso foram definidos os seguintes parâmetros quando da deposição da camada intermédia TiAlN:

Fluxo de árgon 0 sccm (sem adição de árgon)

Fluxo de azoto pressão regulada a 3 Pa

Pressão do processo 3 x ICC2

Fonte de corrente CC TiAl 200 A

Corrente da fonte do campo magnético (MAG S) 1

A

Polarização do substrato de CC U = -40 V

Temperatura do substrato ca. 5502C

Tempo de processamento 25 minutos

Para os 15 minutos de duração da transição para a actual camada funcional são ligadas as fontes de arco AlCr a uma fonte de corrente CC de 200 A, em que o pólo positivo da fonte CC está ligado ao anel de ânodo da fonte e à massa. É aplicada aos substratos durante esta etapa uma polarização de substrato de CC de -40 V. 5 minutos após a ligação do alvo AlCr é iniciada a introdução do oxigénio, sendo este, de forma inerte, controlado dentro de 10 minutos de 50 para 1000 sccm. Simultaneamente ο N2 é reajustado para aproximadamente 100 sccm. Pouco antes da entrada do oxigénio a polarização do substrato de CC é comutada para impulsos bipolares e aumentada para U = -60V. No final da rampa de oxigénio os dois alvos TiAl são desligados. Assim a camada intermédia e a transição gradual para a camada funcional ficam completas. O revestimento dos substratos com a camada funcional efectiva efectua-se em oxigénio puro. Dado que quanto ao óxido de alumínio se trata de camadas isolantes, são utilizados ou um fornecimento de polarização pulsado ou uma AC.

Neste caso os principais parâmetros funcionais foram definidos tal como se segue:

Fluxo de oxigénio 1000 sccm

Pressão do processo 2 x 10_2 mbar

Fonte de corrente CC AI 200 A

Fonte de corrente do campo magnético (MAG S) 0,5 A

Polarização do substrato U = 60 V (bipolar, 36ps negativo, 4ps positivo)

Temperatura do substrato ca. 5502C

Tempo de processamento 60 até 120 minutos

Com o processo acima descrito foram realizadas camadas duras e de boa aderência. Ensaios comparativos da camada em ferramentas de torno e de fresagem comprovaram em comparação com as camadas conhecidas TiAlN uma vida útil significativamente melhor embora que a rugosidade se situasse significativamente acima dos valores de rugosidade de camadas puras TiAlN

Lisboa, 2014-12-30

Claims

REIVINDICAÇÕES

1 - Método para a produção de camadas isolantes sobre pelo menos uma peça a ser trabalhada por meio de revestimento a vácuo, em que é operada uma descarga de arco eléctrico entre pelo menos um ânodo e um cátodo de uma fonte de arco numa atmosfera que contém gás reactivo, e em que na superfície de um alvo ligado electricamente ao cátodo é produzido um campo magnético exterior, compreendendo uma componente Bz na perpendicular em relação à superfície do alvo, bem como correspondentemente uma radial menor ou em paralelo em relação à superfície de uma componente Br, para o apoio do processo de evaporação, em que um sistema magnético composto por pelo menos uma bobina polarizada axialmente é carregado com uma corrente de excitação, caracterizado por o sistema magnético apresentar uma geometria e um tamanho semelhante à da periferia do alvo, e por a componente perpendicular Bz na superfície do alvo ser escolhida num intervalo entre 3 e 50 Gauss.
2 - Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a componente perpendicular Bz na superfície do alvo ser ajustada num intervalo entre 5 e 25 Gauss.
3 - Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o sistema magnético estar disposto num plano com a superfície do alvo ou de preferência atrás da superfície do alvo.
4 - Método de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a descarga de faísca, respectivamente, a pelo menos uma fonte de arco, ser simultaneamente alimentada com uma corrente contínua bem como com uma corrente pulsada, respectivamente alternada.
5 - Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por, devido a um revestimento isolante da superfície alvo, ser efectuado um aumento da proporção CC da tensão da fonte de pelo menos 10%, de preferência 20% em relação à operação com uma superfície sem revestimento isolante.
6 - Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por ser operado um segundo fornecimento de corrente pulsada entre o cátodo de uma fonte de arco como primeiro eléctrodo e um segundo eléctrodo instalado separadamente da fonte de arco.
7 - Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o segundo eléctrodo ser operado como cátodo de uma outra fonte de arco e esta também estar ligada a um abastecimento de corrente CC.
8 - Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por, como segundo eléctrodo, estar ligado um cátodo de pulverização.
9 - Método de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por pelo menos dois alvos serem operados em disposição mutuamente angular ou oposta e pelo menos uma peça a ser trabalhada ser posicionada entre os alvos.
10 - Método de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a corrente de excitação ser a corrente continua e/ou a corrente pulsada, respectivamente alternada, a qual é a partir da fonte de corrente conduzida através da bobina para o cátodo.
11 - Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por a bobina ser concebida de tal modo que o campo magnético exterior, quando do fluxo da corrente de excitação, ser ajustado ao valor do campo automagnético da corrente do arco eléctrico.
12 - Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por ser utilizada uma bobina com um número de espiras entre 1 até 20, de preferência entre 1 até 10, em particular entre 1 e 5 espiras.
13 - Método de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por ser utilizado um alvo de uma liga à base de alumínio e por a partir da superfície do alvo ser evaporada uma liga à base de alumínio, respectivamente um composto de uma liga à base de alumínio.
14 - Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por a liga incluir alumínio puro, respect ivamente uma liga de alumínio com um ou vários dos metais de transição do subgrupo IV. até VI., bem como Fe, Si, B e C, de preferência no entanto uma liga AITi, Alta, A1V, AlCr, respectivamente uma liga AlZr.
15 - Método de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a atmosfera reactiva gasosa incluir oxigénio, sendo respectivamente composta por oxigénio, e por ser depositada uma camada à base de óxido, de preferência um óxido.
16 - Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por ser aplicada adicionalmente a pelo menos uma camada que contém óxido pelo menos uma outra camada de aderência e/ou dura sobre a peça a ser trabalhada, em que como última etapa de revestimento é aplicada uma camada que contém óxido, de preferência um óxido.
17 - Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por ser aplicada, pelo menos uma vez, entre duas camadas adesivas directamente contíguas, duras e/ou de óxido, uma camada de transição, a qual contém elementos das duas camadas directamente contíguas.
18 - Método de acordo com uma das reivindicações 1 até 15, caracterizado por a atmosfera que contém gás reactivo incluir um composto que contém boro, e por ser depositada uma camada que contém boro, de preferência um boreto, em particular de preferência TÍB2.
19 - Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a fonte de arco ser operada sozinha numa instalação de revestimento a vácuo ou por as outras fontes de revestimento estarem dispostas de tal forma na instalação de revestimento a vácuo que o grau de recobrimento da superfície alvo seja menor do que 10%, de preferência menor do que 5%, em particular de preferência menor do que 1% da quantidade de metal evaporada pelo cátodo.
20 - Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por entre o cátodo e o ânodo estar instalado um anel limitador, isolado electricamente de ambos, composto por um isolador eléctrico, de preferência BN, ou por metal, de preferência de Ai, Cu, Ag. Lisboa, 2014-12-30