TWI498442B - 物理氣相沈積用真空塗層設備 - Google Patents

Description

物理氣相沈積用真空塗層設備

本發明涉及一種依據申請專利範圍第1項前言之真空塗層設備。此外，本發明亦涉及一種依據申請專利範圍第23項前言之對具有硬材料層之多個平面式基板同時進行塗層的方法。

目前已存在具有基板支件之物理氣相沈積(PVD)-真空塗層設備，此種工具主要是在旋轉對稱的工件幾何(例如，用於不同尺寸的軸工具)中已最佳化。例如，OC Oerikon Balzers AG Liechtenstein公司已描述了此種工具，例如，EP1 186 681 A1中描述的型式RCS之設備以及EP 0 886 880 B1中詳述的型式BAI 1200之設備。可逆切削板用的典型旋轉式支件用於此種生產系統中且顯示在第1a和1b圖中。可逆切削板7例如可固定在轉筒形式的工件載體40上或配置在工具容器27用的棒上且與距離支件39互相替換。

就小零件的塗層而言，PVD-設備已為人所知，其中小零件作為保護物而在柵格轉筒中旋轉而移動，且同時以安裝在轉筒外部或內部的陰極作為塗層源來對這些小零件進行塗層。此種方法例如已描述在EP 0 632 846中，其缺點在於：這些小零件由於轉筒移動而互相擊打或打擊該轉筒，且因此特別是在硬金屬部中表面會碰壞且尖銳邊緣(例如，切割邊緣)會受損。

切割工具(例如，可逆切削板)用的CVD塗層設備長久以來已為人所知。此種設備的一種典型的例子在WO 99/27155 A1第4a圖中已為人所知，其中可逆切削板設置成柵格且在一個平面或多個平面中被塗層。於此，由氣相來沈積所期望的材料用的化學過程只以熱來激發或像目前的文件中所述的一樣另外藉由一種施加於基板和電極之間的電漿(例如，脈波電漿)來激發。

由申請文件CH 00518/05和CH 1289/05中已知藉由同時施加一種DC和脈波電流至弧光蒸發器源或藉由施加各別的脈波式電流至二個DC-供電的弧光蒸發器源來發出脈波式火花電流。以此種方式，則多個弧光源甚至在含氧量很高-或一種純氧的大氣中操作且在此過程中其表面施加有絕緣層時亦可連續而穩定地操作。因此，可在一種PVD批次生產設備中製成絕緣層，特別是氧化物層。

工業上用於工具和構件之塗層的PVD-設備目前通常未設計成只在一種基板形式和尺寸上最佳化。其原因在於，此種塗層系統中由於可租用的原因而必須對多個很不相同的基板大小和基板形式進行塗層且對目前一般的PVD-層而言只能達成4微米至6微米之厚度、或亦不能製成更厚的塗層，此乃因將會產生大的應力。現在，為了對工件設置通常很複雜的三維結構，其上均勻地施加數微米厚的層系統，則先決條件通常是基板須進行多次旋轉。但這樣的結果是，在此種方法中只能達成一種每小時數微米的較小的生長速率，此種PVD-設備因此具有較大的塗層室，以達成一種經濟的操作。

此種就基板大小和形式而言都適用的設備之缺點在於，基板在支件和設備中的載入和去載的問題。

對基板的一般需求是與基板支件相對於該設備和基板的適應性很有關係，且因此使基板之載入和缷載的自動化變得困難。

此外，亦存在另一由於一般性的需求所形成的主要缺點。PVD生產系統中基板的緊密封裝以及因此所需的旋轉會持續周期性地中斷PVD源至基板之材料流，此時所輸送的反應氣體連續地作用在該層上。於是，在PVD塗層系統中可在中央安裝另外的PVD源，以使上述問題減小。但這樣只稍微減小此問題，實際上未能有效地解決，此乃因材料流此處不能在時間上保持定值，至少在需要較高的生產性的較大的負載密度時。PVD源至基板之材料流的變動會在層構造中造成次(sub)多層結構，即，層之結構或組成相對於層厚度的變動。這就該層中應力的構成而言是有利的，但在必須製造很厚的層時亦有缺點。此種次多層結構主要是與基板支件之幾何形式有關。在過去使用的技術中存在著此種缺點，且以PVD批次(batch)設備來進行的塗層由於太小的塗層速率(特別是針對厚的氧化物層而言)而不經濟。

過去的PVD-塗層技術之另一很重要的缺點在於工具上的層厚度的分佈。這例如已詳細顯示在可逆切削板(顯示於第2圖)中，但亦發生在不同平面上具有切割面的所有的切割工具上，此種切割工具基本上具有二維的幾何形式。在二面式或三面式旋轉用的可逆切削板之支件的情況下，幾乎不可能以可取代的耗費而在空平面和切削面上產生相同的層厚度，更談不上實現一種預設的層厚度比例。於是，在批次設備中在旋轉式操作時自由度大大地受到限制，且使上述需求既不能藉由經濟有效的基板旋轉來實現，亦不能藉由PVD源之移動來實現。

造成上述事實的一個原因在於，就可逆切削板之大約較6微米還厚的塗層而言，由於經濟上的因素目前主要是已使用CVD方法，其在大體積的CVD塗層系統中以可逆切削板來對大的批次(裝料)以成本有利的方式進行塗層。CVD配件藉由以下的事實來支持，即，其不需CVD生產技術即可形成氧化物且顯示CVD是可行的。CVD塗層的主要特徵是可使各層在可逆切削板上或切割邊緣的區域上達成均勻的分佈，這在很多情況下是有利的。當然，此處亦須注意，若要在一可逆切削板上實現空平面和切削面之預設的層厚度分佈，則上述優點將變成缺點。最後，CVD配件中存在之高的製程溫度對所有的工具並不適合且是不期望的。

然而，在PVD系統中重要的是用來操作CVD塗層系統的可逆切削板在載入和缷載時所用的方式。這基本上是與可逆切削板設計成盤形的柵格有關。此種基板操控方式主要是藉由先前-或隨後的製程步驟(例如，繞結、表面、側面、邊緣研磨噴砂、拋光等等)來決定，這些步驟在大約20至400之小的散裝件數時是有意義的且其機械上的加工結構以此種散裝件數來設計。以CVD技術來操控基板時可以上述的散裝件數來調整且只有在塗層時由於生產率的原因典型上5至30個此種散裝件可組合成一種CVD-批次。

CVD技術的缺點除了小的塗層速率以外，亦包括塗層材料選擇上的變化性較少，材料的供應是經由氣體形式的先質(precursor)來達成。又，相對應的可使用的先質是有限的。另一方面，稀有的先質是與高的製造成本有關。於是，對特定的材料而言，氣體形式的先質不易處理，各種化學上的反應因此不能像PVD源那樣自由地且互相獨立地受到控制，且CVD反應必須在溫度上進行調整，處理室中多樣化的先質會使所期望的反應不易受到控制。這是此種技術目前只能用來製造TiC,TiN,TiCN和Al2O3層的主要原因。TiAlN層就像在PVD中一樣可以無問題地製成且在很多切割的應用中具有顯著的優點，但仍未出現標準的CVD技術。

總之，目前的塗層技術所顯示的缺點如下：

PVD:

1.在相同且較小的二維基板(例如，可逆切削板)所形成的大批次時不適當的基板操控，

2.在大的批次設備中由於基板需要旋轉而造成太小的塗層速率，

3.固體材料源之材料通量由於旋轉而造成該材料通量至基板的中斷，

4.在空平面和切削面之間幾乎不可能調整層厚度的比例。

CVD:

1.由於經濟上的原因以及低的塗層速率、長的加熱和冷卻周期而需要批次設備，

2.CVD製程方式相對於不同的材料的可變化性較小，此乃因先質的選擇受到限制且反應機構基本上只可藉由製程溫度來控制，

3.在使用新的先質時對新材料和材料組合需以高的成本來進行複雜的製程研發。

結論：

金屬氧化物短時間內可藉由適當的PVD技術來製造。然而，在批次設備中只能實現小的塗層速率，此乃因需要旋轉，這對一般的基板(特別是可逆切削板)是適當的。現有的技術是以一種具有不適當的基板支件的系統為主，這樣會使PVD技術在某些需要特別厚的層之應用範圍中在生產時利用CVD-技術，此種應用中可很簡單地使可逆切削板的操控的一部份被自動化。此外，由於經濟上的原因(儘可能高的負載密度)，在PVD批次設備中可逆切削板大部份都需受到支撐，使空平面可較切削面塗佈成更厚。此種方式目前只有在可逆切削板特別用在銑切目的時才有用，但對旋轉應用而言並無較佳的方式。

CVD塗層速率較小且加熱和冷卻周期較長，因此需有較大的批次設備。缺點是溫度較高且材料缺乏可變性。多個散裝件數組成批次會使製程的危險性提高、中斷基板的通量且使製程可控制性下降。CVD技術因此會受到限制且至少與研發新材料的成本有關，只要材料是主要的因素時。

本發明的目的是消除-或減少先前技術的缺點。

本發明的目的特別是使用一種PVD-真空塗層設備以進行切削工具之硬材料的塗佈，該切削工具特別是形成幾乎是二維之平面基板，較佳是可逆切削板(亦稱為Inserts)或類似物，其可達成一種高的生產性或很快速的層生長且較佳是可用在可逆切削板的製程中，即，允許一種簡單的可自動化的配備且可在可逆切削板之CVD生產線之機械式下部結構(infrastructure)中通過。此種塗層設備在沈積厚的層(特別是不導電之具有絕緣性的含有氧化物之層)時亦可達成高的物料流通量，其中基板支件可具有二維的幾何形式且可設有多個基板，同時在高的經濟性下進行塗層。

此外，上述解法可取代CVD和PVD技術中的所謂批次系統，且可避免過去之PVD且特別是CVD塗層設備中的上述缺點。

本發明的另一目的在於提供一種新的PVD配置，

-將塗層源與基板支件相組合，以便使用近似平坦的基板支件，其亦可滿足已使用的CVD塗層技術中的操控需求，且較佳是使基板不需旋轉。

此外，散裝件數和此種方式中的層設計亦可具有高的可變化性。

本發明的另一目的是可對切削工具(特別是可逆切削板)進行塗層，其中空平面對切削面之層厚度的比例可改變且可適當地調整。

本發明的另一目的是儘可能不中斷地同時在塗層期間在整個基板表面上施加多個PVD固體材料源，使基板旋轉不會中斷固體材料源的材料流。

本發明的另一目的是在重要的點中承接現在所使用的CVD基板支件所形成的典型元件、以及可高速塗層的新PVD技術中目前只適用於批次設備的元件，且因此可獲得可逆切削板製造的其它技術上的下部結構(infrastructure)。

本發明的另一目的是提供一種PVD技術，藉由CVD基板支件和PVD源配置相組合，使基板移動(特別是基板旋轉)成為不需要，且可在可逆切削板之切削面上達成均勻的層分佈，以及亦可在可逆切削板之不同的切削面上達成特定的層厚度分佈。

因此，在所期望的層參數之可調整性有較大的變化性時，能以可達成的高的塗層品質使切削工具之製造上的經濟性大大地獲得改進。

本發明的上述目的藉由具有申請專利範圍第1項特徵的配置和第23項特徵之方法來達成。申請專利範圍各附屬項定義了本發明之其它有利的實施形式。

本發明的上述目的藉由一種真空塗層設備來達成，其包括以下的元件：

-真空製程室，其與一種泵系統相連接，

-至少一反應氣體入口，其連接在至少一反應氣體容器上，

-至少一PVD塗層源，其具有陽極和平坦的陰極，

-一基板載體，具有多個基板，

-至少一門，其配置在真空製程室以使製程室中載入基板載體或使基板載體繼續送至下一個製程室，

-一輸送裝置，將基板載體經由該門而輸送且定位在真空製程室中而與該陰極相隔一空間，

-至少一電流源，其是與至少一PVD塗層源相連接。

載置多個基板之基板載體是以二維的水平形式來形成且定位在至少二個PVD塗層源之間。該多個基板是切削工具，其具有至少一形成於其上的切削邊緣，該切削邊緣配置在平坦基板之周圍的邊緣區域。各基板分佈在基板載體之二維的平面中，其中基板載體在真空製程室的水平面中配置在至少二個PVD塗層源之平坦陰極之間且與陰極相隔開，使至少一切削邊緣之至少一部份都包括一活性的(active)切削邊緣且此切削邊緣相對於PVD塗層源之至少一陰極而言在每一時間都曝露出來而可被看見。

活性的切削邊緣是邊緣的一部份，其在切削工具上用來切削。此切削邊緣包括沿著邊緣之側面的至少一部份，其稱為切削面和空平面。

在塗層過程中，具有側面切削區之切削邊緣因此通常可相對於PVD塗層源之至少一陰極而直接被看到。於是，施加在切削邊緣上的材料流至少在活性邊緣的此部份中是不會中斷的。材料流可在沈積速率中改變。具有較高速率的層以較高的品質沈積而成。在一些情況下，基板可在基板載體上移動，以使層厚度分佈達到均勻性。例如，基板亦可另外藉由驅動器而對基板載體進行旋轉。在此種情況下，切削邊緣可交替地由相面對的源露出而被塗層，但通常是使材料流由至少一源施加到每一基板之至少一切削邊緣或至少二個切削邊緣。

當然，較佳是設置一種配置，其中基板固定在基板載體上或固定在基板載體內部。各切削邊緣(特別是每一基板在周圍有多個切削邊緣時)較佳是針對一個源或另一個相面對的源而分別配屬於該源之相對應的材料流，這是依據哪一個邊緣相對於該源的相關的陰極而言可露出而直接被看到而定。在某種情況下，依據基板在基板載體中的位置而由二側來處理邊緣的各部份。當各平面基板相對於平面基板載體而以直角方式相鄰地定位而稍微互相隔開時是有利的。在一些情況下，基板可相對於基板載體的平面而稍微傾斜，以使一些區域可相對於各源而露出。

當至少一切削邊緣由每一基板對準至基板載體且在該處進行塗層時是有利的，在該處此至少一切削邊緣未被支件或基板支件中之承載面所遮蔽。基板載體上至少一陰極之相對應的側面在每一時間都使陰極長度之至少50%(較佳是70%)露出而可被看見。已塗層之活性的切削邊緣位於上述區域的內部，就像其用在以切削工具來進行的切削過程中一樣。因此，該切削工具之可使用的切削邊緣完全可依據所期望的方式來塗層且不會受到遮蔽效應所干擾。

由於材料流在待塗層的切削邊緣上不會中斷，則最高可以某種可允許的等級來改變此材料流，這樣就可達成一種高的層品質，其固有應力較小。

PVD材料流之效率(EFZ)可以下述方式來定義：

EFZ:該層中靶材料上的質量損耗/每一單位時間。這在某種程度上是一種轉移(transfer)因素，其指出陰極中有多少靶材料已到達待塗層的有效面上。

待塗層之基板面(活性的切削邊緣)上的沈積速率的改變稱為δ(EFZ)。此為相對於EFZ時間平均值的時間變動值，其用來達成一種均勻的塗層，較佳是不需移動基板或不需旋轉基板。δ(EFZ)最多應是±30%，較佳是±20%，更佳是±10%。

平面之基板載體例如可具有柵格形式的結構，其中間空間中可在裝料時儲存有多個基板。然後，在PVD真空處理設備中各切削邊緣之所期望的區域可在二側的切削面上同時很經濟地被塗層。藉由對各源各別地進行控制，則各側面的塗層、各切削面和空平面可預先互相調整，例如，可調整各種不同的層厚度及/或材料成份及/或層特性。

藉由本發明，則可相對於先前技術來達成以下的結果：

-以PVD源來達成高的塗層速率，這是藉由幾何形式來達成而不需旋轉基板(20微米/小時及更大)，

-不中斷PVD-源材料流，這樣可調整應力且形成較厚的層，

-可進行多層設計，

-可簡易地以自動方式來操控基板支件，

-可對整個程序而在一室中藉由組合多個單一室來形成多室系統，或將製程劃分成多個室來進行，

-依據現有的產量和下部結構來調整散裝件數，

-製程時間或周期時間較短(1小時對目前的24小時之CVD，或目前的12小時的PVD)，

-可對工件之空平面和切削面調整出適當的層厚度比例，

-不需移動基板或使移動度大大地下降，

-可對小零件(例如，可逆切削板)進行經濟的操控。

-調整CVD生產線時不需新的下部結構(infrastructure)。

本發明以下將依據圖式來詳述。

待塗層的基板具有二維的形式或平坦的形式。這表示：該物體之邊長a和b較第三邊c大很多，就像如待塗層之切削工具7(此處是可逆切削板)所示一樣且這已顯示在第2圖中。塗層的目的是將各切削邊緣E塗佈以所屬的空平面B和切削面A。在此種切削工具中，在切削時通常只使用形成在該工具上的邊長的一部份。此部份稱為切削邊緣E’且少於一個切削邊緣之整個可用在該工件上的長度的50%或只有30%。空平面B(其中會形成空平面損耗D)中由邊緣E偏離以及切削面A(其中會形成鍋穴損耗)中由邊緣E偏離的範圍E”是在50微米至5.0毫米之範圍中且同樣須塗層。有利的方式是：該切削面和空平面之這些範圍中的塗層適當地設有不同的層厚度，這樣可達成本發明的目的。由於該切削工具只須在上述設定的範圍中以所需的高品質來塗層，則該工具上其它不需要的範圍可作為支件，這例如藉由在基板載體上形成一種具有開口25之柵格25’來達成或藉由該基板7之中央區域中形成一孔28來達成，該孔同樣位於該工具之未使用的區域中。此種平坦的切削工具不必具有平面式的表面且可形成在各別的側面上或以拱形方式形成在全部的側面上，或亦可具有其它平坦的外形或凹口或凸起，以用於工具支件中的固定配置中或在切削過程中用來達成較佳的切削。平坦式切削工具之範圍a,b較佳是位於5.0毫米至60毫米之範圍中。該切削工具較佳是四邊形的平坦物體。較佳是使用三角形和四角形之物體，其中活性的切削邊緣由角落來看時如第2圖所示。藉由工具7繞一中央軸旋轉及/或藉由翻轉，則在使用該活性的切削邊緣E’之後對一新的未使用的活性切削邊緣E’進行調整，就像機械材料部門中長久已為人所知的方式一樣地進行。雖然不常如此，但亦可以圓形方式來形成該切削工具，其中一個或二個邊緣E以環形方式圍繞該切削工具，且邊緣的一部份區域作為活性的切削邊緣。

第2圖所示的可逆切削板7中，待塗層的活性切削邊緣E’具有空平面B和切削面A之待塗層的側面部份且位於4個切削邊緣之附近。因此，這些面應由可逆切削板之角落均勻地塗佈2至5毫米，且基板載體6在塗層時不會造成陰影。通常，可逆切削板7在切削過程中用在角落和沿著邊緣之數百微米的範圍中。這是鍋穴損耗C和空平面損耗D之範圍。

第3圖顯示真空塗層系統之簡化很多的基本配置，基板7可被塗層，可逆切削板固定在一種類似平面的基板載體6(較佳是一種柵格網)上。此系統由真空室1構成，真空室1可經由泵系統2而抽成真空。具有多個工件7之工件載體6經由輸送裝置5中的門或閘4而在水平的輸送面3上輸送至源8之前的塗層位置中。塗層以PVD塗層源8(其較佳是電弧蒸發器源)來進行，塗層源8設有點燃裝置9，陽極10、和陰極或靶11。在反應式塗層時，經由至少一反應氣體入口12而由至少一反應氣體容器13導入所需的氣體。此外，設有例如氬氣用的鈍氣入口，其是與鈍氣容器15相連接。該反應氣體容器13較佳是含有氣體氮、氧、碳氫、矽氫、硼氫、氫或這些氣體的組合且較佳是含有氧以將所期望的層化合物進行反應式沈積。多個反應氣體容器13可連接至塗層設備，各容器13中含有不同的氣體，以便由不同的材料來製成多層的層系統及/或依據需要來切換各層的形式。電弧蒸發器源以DC電流源16及/或以脈波高電流源來供電。

依據本發明，第二源21用之另一DC電流源18用在相面對的設備側，如第4圖所示。基板載體位於一種介於二個源8和21之間的平面3中且較佳是與平面陰極11平行。亦可配置多個平面基板載體6，但較佳是使用一個大面積的基板載體。基板7較佳是經由基板載體6以藉由偏壓電流源19來施加一種偏壓，偏壓電流源19以DC,AC. MF,RF,DC及/或脈波式單極性或雙極性偏壓電流源來構成。在正常情況下，全部的電流源都可對接地20來操作。當然，在電弧蒸發器源中亦可將陽極10與接地相分離，且因此在陽極10和陰極11之間以無接地的方式來操作各個電流源16，17，18。雖然該塗層較佳是不需移動基板即可進行，但亦可在塗層之前、之後或塗層期間在水平方向中移動該基板載體，或亦可在至一個陰極或另一陰極之方向中在保持平行地對準該水平面的方向中移動該基板載體。陰極11亦可相對於該水平面而傾斜，以便使材料流傾向於一特定的方向中。亦可將整個基板載體6對其在水平塗層面中的垂直軸旋轉。此種旋轉在該空平面和切削面之層厚度比例適當地調整時或不同的材料沈積在上述各面上時特別有利。

此處所建議的PVD塗層源可以是噴鍍源，例如，磁控管源及/或電弧蒸鍍源。較佳是設有至少二個相面對的塗層源8，21，其形成至少一對PVD源且互相面對，其間配置著基板載體6，其中每一源都以DC電流源16，18來操作且該二個源8，21之二個陰極11較佳是另外以一各別的脈波高電流源來操作，如第4和6圖所示。該一對源之一個源因此相隔開而配置在基板載體6之上方且另一源亦相隔開而配置在基板載體之下方。當PVD源對由電弧蒸發器源來構成時是有利的。

在基板載體6之一側上只具有一源8之配置如第3圖所示，此種配置不能在基板7之全部的側面上進行塗層，特別是當基板設定在一平坦的基板載體上時。於是，固定的可逆切削基板7必須可旋轉。為了達成一種旋轉31，須使用工件容納件27，其形式是一種棒或長矛且放在一框23中，框上固定著該可逆切削基板7，如第5a至5c圖所示。第5a中顯示一種具有孔28之可逆切削基板，第5b圖中顯示一種無孔之可逆切削基板，其具有固定元件29。旋轉是經由一旋轉驅動器30而在旋轉方向31中旋轉。旋轉驅動器是與傳動器33和馬達驅動器32相耦合。此配置只具有一源且基板6之旋轉可使層厚度達成足夠良好的分佈，但所需的層品質在材料流不中斷時不能達成且不能達成此製程所需的高的經濟性。這些問題只能藉由本發明的配置來解決，其具有至少一對相面對的源，其間定位著平坦的基板載體配置，如第4，6，10圖所示。此些配置中，基板載體6內的其它旋轉在某種情況下是可預期的，只要待塗層的邊緣永久承受到各源的材料流，則材料流即不會周期地中斷。當然，更有利的是，不需此種旋轉且將基板7固定在基板載體中。此塗層因此可較佳地各別沈積在基板7上所期望的區域上且可簡易且經濟地操控此配置。待塗層的邊緣部份因此通常可看到至少二個源中的至少一個源且明顯地受到此源的影響。在一陰極11之相對應的此側上因此每一時間都至少有50%，較佳是70%，之切削邊緣(E)的長度可被看見而對準至相對應的陰極。如上所述，整個基板載體6之移動22可在水平面中進行及/或在至少一對源之間的陰極11之方向中進行。固定配置之基板載體6(其中固定著基板)當然較佳。

所使用之電弧蒸發器源或電弧源之配置和數目依據大小、源磁場(若使用時)、弧光電流、已調整的氣壓和由此而導出的塗層特性來決定且可藉助於此行的專家所知悉之模擬方法而被最佳化，以便在基板7之待塗層之區域(特別是可逆切削板之待塗層之切削邊緣區域)上達成一種均勻的層厚度分佈。在預設的固定之源配置中，源蒸發特性可進一步受到可變的磁場、弧光電流和氣壓的影響而被最佳化，這樣可另外達成一種例如較第3，4圖中有更大自由度的源配置。

目前為止，只顯示單一室系統之塗層。由於在生產過程中物料流通量在經濟上是有意義的，因此在許多情況下將多個單一室系統組合成線上配置或多室系統時是有意義的，以便在一室中進行短的製程而不使原來的塗層時間延長。可形成以不同的材料(例如，TiCN/Al-Cr-O或TiAlN/Al-Cr-O)為主之層系統，使以鈦-為主的層可在系統中處理，氧化物層則可在下一系統中進行塗層。將基板操控配件和大的塗層速率來與線上或多室系統相組合時的自由度可造成較高的生產性、最佳的程序流和更多的材料種類。此種有利的情況將詳述於下。

如上所述的單一室系統之簡單構造的優點在於，亦能以線上概念或多室概念來進一步提高生產率。第6圖中顯示一種以上述概念為主之線上系統之構造。多個可逆切削板(工件)7亦設計在至少一工件載體上或基板載體6上。作為簡單的形式，此種柵格形式顯示在第7a,7b圖中。工件載體7由框23構成，框23圍繞柵格形式的工件承載面24，其上具有多個開口25，基板7被放入這些開口25中。工件承載面較佳是以柵格25’來形成且由導電材料來製成，例如可以導線柵格25’來形成，於是，偏壓可簡易地施加至基板7上。至少一工件載體6可經由差動泵或在對應的前室中導入至壓力環境中。加熱或蝕刻之類的預處理例如可在前室中進行。塗層然後在例如第6圖的系統中進行，此時基板載體6藉由輸送裝置5以經由門4或閘而導入至系統中且在各源之間輸送22，以便最後例如在另一室中繼續冷卻且又被帶領至大氣壓力(未顯示)中或經由原來的前室而又輸送回來。

就多層系統而言，若其由於生產或製程上的原因而不應在一單一室系統中製造，則須以不同的反應氣體來製成且因此必須防止各別的步驟的“串音”或“橫向污染”的危險性，則各別的室須相隔開，這可藉由差動泵或閥或閘來達成，如第8圖所示，其顯示此種線上之多室系統34。因此，閘和預處理室35藉由閥或閘及/或差動泵以真空技術來與原來的塗層室1a,1b相隔開。

多室系統34之較佳版本顯示在第9圖中。在此種多室系統34中，單一室1a,1b,1c經由輸送室36而與中央的操控室互相連通，且基板載體6(其上具有多個可逆切削板7)在預定的流程之後由單一室1a-1c輸送至另一室。此種設備的優點在於，工作周期較長的不同長度之步驟可加入至此流程中。另一優點是具有氧化物和氮化物之塗層可在不同的製程室中運行且這些製程室分別只設有所需的組件(特別是用來塗層)。上述優點對預處理-和後處理步驟特別重要，這些步驟例如加熱、蝕刻、冷卻或其它的電漿處理步驟，例如，在預處理室35中以處理裝置37來進行，該處理裝置37只用來對基板或層作表面修改。當不同的層厚度必須在小的散裝件中進行塗層時，上述系統的可變化性亦很重要。如上所述，一種有效的流程須分別依據將運行的過程來調整。

在以下的描述中，將再參考一種單一室系統1。由目前為止的描述可知，此種單一室系統1可以先前所述的方式模組式地組成多室系統34。此外，在以下的描述中主要是提及較佳的電弧源8，21，雖然使用濺鍍源可造成類似的結果。電弧源8，21當然是較佳的PVD-源，其原因在於，若由於均勻度上的需要且若須驅動大數目的源或源對時，則電弧源8，21在幾何上可保持較小。這對電弧源而言特別容易，此乃因對多種應用而言能以小的(構造上亦較小)源或小的源磁場來操作。上述之電弧源較佳是具有一種磁鐵系統，藉此可在靶表面上產生一種很小的垂直磁場，例如，此磁場的大小介於3和5高斯之間，但較佳是在5和25高斯之間。另一方式對小的構造特別有利，此時電弧源完全不需磁場即可操作且能以弧光蒸發器源而達成特別高的蒸發速率。

電弧源為何較佳的其它原因在於，藉由各源之脈波操作，則可使已蒸發之源材料之方向有效性受到影響。換言之，對脈波驅動的電弧源而言，可特別簡單地以多個構造較小的電弧源來操作，這又會對層的均勻度有好的影響。此外，可容易地對電弧源中的蒸發速率進行調整，使基板(較佳是可逆切削板)7上的塗層速率可達20微米/小時或更大。

在弧光蒸發時較佳是以雙極性的脈波偏壓來操作，例如，以短的正和負的長電壓脈波交替的交流電壓(AC)，及/或DC電源而在基板載體6上操作，且分別以一種DC產生器來操作每一電弧源。此外，較佳是亦將電弧源連接至脈波產生器且在二個電弧源之間重疊一脈波產生器，或每一電弧源之脈波產生器平行於所屬的DC電源，如WO 2006/099760中所述且將詳述以作為本說明書的一部份。

可有利地使用電子式點燃裝置，其亦可在陰極(靶)上出現氧化物時點燃各電弧源。

在單一室系統中可有利地設有氣體導入系統，其包括：至少一鈍氣14用的終端，用於加熱或蝕刻步驟中；以及至少二種反應氣體12(例如，氮、氧、碳氫、硼氫、矽氫、氫等等)用的終端，其用來塗層。因此，亦能只以靶材料而由不同的材料來製成多層式的層。例如，可沈積一種金屬黏合層、然後一種氮化物層或碳化物黏合層，然後是一種氧化物覆蓋層，其在不同的層區域之各別材料之間具有硬接面或流動式接面。多層式的層(各層具有微米或奈米之厚度)之製造亦可簡單地調整，此乃因只須使氣流(例如，氮氣和氧氣)作相對應的改變即可。上述各系統例如亦可由交替地沈積的TiAiN/TiAlO,CrAiN/CrAlO,ZrAlN/ZrAlO層來構成。

第10a圖中顯示一較佳的PVD電弧源8，21，其用於單一室系統1且顯示成二維的切面圖(第10b圖)。藉由此種電弧源，則可使基板7(特別是可逆切削板)之待塗層的切削邊緣區域達成一種幾乎完全是圓形的塗層，其在基板載體6之二側上之各別的切削面E上具有較佳的均勻性。如上所述，可逆切削板之操控是與CVD操控很有關係且與CVD技術中現有的下部結構很有關係。第10b圖中可逆切削板單純地導入至柵格網25’中，如第7a,7b圖所示。此行的專家可能常常將基板載體儲放在室中，為了清楚之故而省略了其圖式。塗層之均勻性藉由電弧源配置8，21來達成，其施加在容器壁中。然而，理想情況下該容器未必由二個半球形的部份所構成，具有可逆切削板7之基板載體6以柵格網25’定位在該容器之中央(第10圖)。就以不同的源材料為主之多層系統而言，對不同材料可設有多個源，特別是可設置具有相面對而配置的源之源對(pair)。以可由外部接近的方式而在室壁上配置多個源時是有利的，如第10a、10b圖所示。然而，各源亦可定位在真空室的內部，這樣在各源應對準至基板載體配置之特定區域時，即不需另外至少在源區域中使該室壁傾斜或成拱形地形成。此外，離子源或遮蔽物在室中可配置在電弧源和加熱裝置之前，此處未顯示，但此行的專家已知悉。第10a、10b圖中在基板載體上有一特別適當的配置，其具有四個源對8，21，即，共有八個源，其可容易地互相傾斜。於是，在該基板之待塗層的區域上可良好地對各種塗層條件進行調整。例如，可藉由對各源供應以不同的弧光電流或源功率及/或以材料成份不同的層組成來調整上述的沈積速率。此種調整亦可在操作時改變，這樣亦可達成層成份及/或結晶的層結構之不同的外形(profile)。亦可依據應用上的不同而只使用二個源對或使用多於4個源對(pair)。各源對亦可配置在一方向(例如，一直線)上，這是依據該基板7如何以其切削邊緣E而定位在基板載體6中而定，且基板7之特定區域(例如，切削面)或多或少都應以特定方式來塗層。

與現有的技術不同，本發明的塗層系統中至少一對相面對的源配置8，21以及位於其間的基板載體6之平面式佈置取代了所需的基板旋轉。此外，PVD源之高的蒸發速率可在基板7上達成一種經濟有效的高塗層速率。

可逆切削板之具有切削面之切削邊緣在塗層時會不中斷地承受固體材料源之材料流，這樣可在基板上形成適當的多層結構而不會對各結構造成旋轉上的影響。預設的處理溶液之特性對厚的層系統而言很重要，此時須控制層應力和其它的層特性，例如，硬度。

雖然能有利地不須移動基板即可進行塗層，但亦可將基板載體6與一種移動裝置22相連接，此移動裝置22可周期性地相對於PVD塗層源8，21而移動，較佳是在水平方向移動，例如，平行於水平輸送面而移動。於是，可達成進一步的均勻效果而不會在基板的區域上產生不期望的遮蔽，但這在習知的旋轉式移動時會發生。基板載體6可容納至少30個基板7，較佳是最多可容納1000個基。適當的散裝件數是至少200件至最多600件。

特別重要的固體材料塗層配置具有一源，其中至少一陰極11含有材料鋁、鉻、鈦或鋯或其合金，其中至少一反應氣體容器13含有氣體氧以進行反應式塗層。

上述設備除了真空之外可具有一裝料機器人以對基板載體6供應基板7或將基板去載，此時基板載體是與輸送裝置5相連接。此設備之門4可以真空閘來形成以使至少一基板載體6進入至預處理室35及/或真空製程室1,1a-1c中。

至少二個、較佳是多個真空室1，1a-1c經由開口4(較佳是經由閘4)而互相連通以進行多個步驟，其中至少一真空室1，1a-1c具有至少一電弧蒸發器源8，21。

在平坦式基板載體6之一側(較佳是二側)上配置至少二個電弧蒸發器源8,8’,21,21’，且所屬的陰極11之各面在基板載體6之方向中互相傾斜以將材料流集中至基板7的一些區域上，其中各源8，21較佳是可各別地操作，例如，藉由調整弧光電流或電功率及/或脈波條件來操作。較佳是在平坦式基板載體6之一側(較佳是二側)上配置至少四個電弧蒸發器源8，8’,21,21’，且所屬的陰極11之各面在基板載體6之方向中互相傾斜，其中各源8，21較佳是可各別地操作。

就較佳的基板7(例如，切削工具且特別是可逆切削板)而言，在活性之切削邊緣E之側面上以經濟的方式產生一種沈積在基板7上的層，其厚度在0.1微米至50微米之範圍中。

第10b圖中顯示基板在柵格網25’上進行操控之簡單方式。在一般是矩形的可逆切削板的幾何形式中，例如可有利地使用一種導線較薄的柵格25’，其中網孔或開口25設置在柵格中，使各別的可逆切削板分別定位在二個相鄰之周面之中央(第7圖)。於是，可確保各邊緣和角隅之塗層以及切削面之區域(其稍後將受到切削)之塗層可均勻地進行。電性接觸(特別是在偏壓操作時)同樣經由柵格25’來進行。就具有孔28之可逆切削板而言，一種具有多根棒27之柵格適用於此處，如第5a圖所示，較佳是不需旋轉裝置。

如上所述，準(quasi)二維基板支件和PVD源配置之組合可在可逆切削板之切削面上達成均勻的層沈積。此種分佈通常可在CVD塗層中獲得但不能在PVD塗層中獲得。然而，此種組合亦可應用在切削工具中，其中依據工件材料和處理時的切削參數主要是針對空平面A和切削面B來進行。即，通常須在空平面和切削面之間保持一預定的層厚度比例，以便儘可能以較厚的層來保護上述各面而不會使未利用的面或幾乎未利用的面上具有太厚的層，否則將失去功能且會造成黏合上的問題。此問題的解法將依據第10a、10b圖來詳述。以源配置作為例子且使用可逆切削板7用的平坦式基板載體6，其固定在一柵格25’上。現在，若期望該切削面B上的層厚度提高，則主要須操作各電弧源8，21，其在該面的方向中進行塗層，但相垂直的塗層用的全部電弧源8，21須關閉或以較小的塗層速率來操作，這是藉由電功率的供應量之調整來進行。若期望將空平面塗佈成較厚，則可依據可對空平面進行正常塗層的各源來進行操作或關閉。由平坦式基板載體和對準的PVD塗層所形成的組合只允許在基板未旋轉時對該空平面和切削面的預設之層厚度比例進行調整。這不可能以目前已知之塗層系統來進行。此種特性可使可逆切削板塗層達成一種應用範圍很廣泛的設計。就此處所提及的層厚度之調整而言，亦可應用至不同的材料之組合。例如，第一材料較佳是沈積在空平面A且第二材料較佳是沈積在該切削面B上，即，可各別地且依據層材料來使鍋穴損耗和空平面損耗最佳化，這直至目前為止是不可能的。

1．．．真空室

1a．．．塗層室

1b．．．塗層室

1c．．．塗層室

2．．．泵系統

3．．．輸送面、平面

4．．．門或閘

5．．．輸送裝置

6．．．基板、載體

7．．．基板、工件、切削工具、可逆切削板

8．．．源、塗層源、電弧蒸發器源

8’．．．電弧蒸發器源

8’’．．．電弧蒸發器源

9．．．點燃裝置

10．．．陽極

11．．．陰極或靶

12．．．反應氣體入口

13．．．反應氣體容器

14．．．鈍氣

15．．．鈍氣容器

16．．．電流源

16’．．．電流源

16’’．．．電流源

17．．．電流源

17’．．．電流源

17’’．．．電流源

18．．．電流源

18’．．．電流源

18’’．．．電流源

19．．．偏壓電流源

20．．．接地

21．．．源、塗層源、電弧蒸發器源

21’．．．電弧蒸發器源

21’’．．．電弧蒸發器源

22．．．移動

23．．．框

24．．．工件承載面

25．．．開口

25’．．．柵格、柵格網

26．．．移動裝置

27．．．工具容器、工件容納件、移動裝置

28．．．孔

29．．．固定元件

30．．．旋轉驅動器、移動裝置

31．．．旋轉方向

32．．．馬達驅動器

33．．．傳動器

34．．．多室系統

35．．．預處理室

36．．．輸送室

37．．．處理裝置

39．．．距離支件

40．．．工件載體

a．．．邊長

b．．．邊長

c．．．第三邊

A．．．切削面

B．．．空平面

C．．．鍋穴損耗

D．．．空平面損耗

E．．．切削邊緣

E’．．．切削邊緣

E’’．．．由邊緣E偏離的範圍

第1a、1b圖用在先前技術之PVD批次生產系統中旋轉2次(a)或3次(a和b)之可逆切削板用的典型支件。

第2圖可逆切削板之圖解，其具有空平面(B)、切削面(A)和多個區域，這些區域在切削時會受到鍋穴磨損(C)和空平面磨損(D)。

第3圖單一室系統的圖解，其作為具有PVD蒸發器源的例子。

第4圖具有二個相面對的源之單一室，各源之間水平配置著平面基板載體。

第5a、5b及5c圖第5a圖：可逆切削板用的長矛式支件，其上有孔；第5b圖：可逆切削板用的長矛式支件，其上無孔；第5c圖：工件容納區，其具有可旋轉的長矛。

第6圖線上設備之概念，其具有可直線移動的基板載體。

第7a、7b圖第7a圖：具有可逆切削板之基板載體，各板簡單地設置在長方形的柵格網中；第7b圖：各板設置在圓形的柵格中。

第8圖線上設備的概念，其具有相隔開的製程室。

第9圖多室系統，其具有中央輸送室和預處理室。

第10a、10b圖較佳之PVD塗層設備之圖解，其具有相面對的電弧源對(pair)，其中第10a圖為配置在電弧源之間的二維之基板載體，第10b圖為其斷面圖。

1．．．真空室

4．．．門或閘

6．．．基板、載體

8,21．．．源、塗層源、電弧蒸發器源

Claims (22)

1. 一種真空塗層設備，包括：- 真空製程室(1)，其與泵系統(2)連接，- 至少一個反應氣體入口(12)，其連接於至少一個反應氣體容器(13)；- 至少兩個PVD塗層源(8、21)，其具有陽極(10)和具有二維延伸表面的陰極(11)；- 基板載體(6)，其用於在該等陰極之間的多個基板(7)；- 閘(4)，其配置在真空製程室(1)上，用於給該製程室裝載該基板載體(6)；- 輸送裝置(5)，其用於將該基板載體(6)經由該閘(4)轉移且與該等陰極(11)之間的區域分開地定位在該真空製程室(1)中；- 電源(16、18)，其與該PVD塗層源(8、16)連接；其特徵為：該基板載體(6)係水平地延伸且建構為接收多個二維延伸的扁平基板，該等二維延伸的扁平基板，係依以下的方式沿著該基板載體的水平延展範圍(extent)分配：該等扁平基板的二維延伸表面上的多條法線係基本上與該等陰極的二維延伸表面上的多條法線垂直。
2. 如申請專利範圍第1項之塗層設備，其中設置移動裝置(26、27、30)以接收在該基板載體(6)上的平面中的多個基板(7)。
3. 如申請專利範圍第1項之塗層設備，其中該基板載體(6)係建構為保持該等基板(7)固定。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之塗層設備，其中該基板載體(6)包括設有多個開口(25)的基板承載面(24)用於接收該等基板(7)。
5. 如申請專利範圍第4項之塗層設備，其中該基板承載面係形成為柵格結構。
6. 如申請專利範圍第5項之塗層設備，其中該基板承載面包括導電材料。
7. 如申請專利範圍第1項之塗層設備，其中該基板載體(6)係建構為容納至少30片基板。
8. 如申請專利範圍第1項之塗層設備，其中該基板載體(6)係連接至移動裝置(22)，該移動裝置(22)係產生該基板載體相對於該等PVD塗層源(8、21)的相對周期性運動。
9. 如申請專利範圍第1項之塗層設備，其中該等PVD塗層源係多個電弧蒸鍍源。
10. 如申請專利範圍第1項之塗層設備，其中該等基板係多個基板板(substrate plates)。
11. 一種用於同時將多個基板(7)塗布硬質材料層之方法，利用：- 與泵系統(2)連接的真空製程室(1)，其用於抽真空；- 至少一個反應氣體入口(12)，其連接於至少一個反應氣體容器(13)，用於導入多個製程氣體；- 至少兩個PVD塗層源(8、21)，其具有陽極(10)和具有 二維延伸表面的陰極(11)，用於將多個基板(7)塗層；- 基板載體(6)，其用於該等基板(7)；- 配置在該真空製程室(1)上的閘(4)，其用於給該製程室裝載該基板載體(6)；- 輸送裝置(5)，其用於將該基板載體(6)經由該閘(4)轉移且將該基板載體與在該等陰極(11)之間的區域分開地定位在該真空製程室(1)中；- 電源(16、18)，其用於使該等PVD塗層源(8、21)運作；其特徵為：設置具有二維水平延伸表面的該基板載體，且沿著該基板載體的該水平二維延伸表面施加該等二維延伸的扁平基板，以便該等基板的該等二維延伸表面上的多條法線係基本上與該等PVD塗層源的該等二維延伸表面上的法線垂直。
12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該等基板(7)與移動裝置(26、27、30)耦接且在一個平面上配置在該基板載體(6)上。
13. 如申請專利範圍第11或12項之方法，其中該基板載體(6)係包含基板承載面(24)，該基板承載面(24)具有多個開口(25)，該等基板(7)被放置在該等開口(25)中。
14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該基板承載面係實施為柵格結構。
15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中柵格結構包括導電材料。
16. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該等基板係利用電弧蒸鍍來塗佈。
17. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該等基板係板狀的。
18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該等板狀的基板具有5mm至60mm的延展範圍。
19. 如申請專利範圍第11項之方法，其中在該基板載體上設置有至少30片基板(7)。
20. 如申請專利範圍第11項之方法，其中在該基板載體(6)與該等PVD塗層源(8、21)之間產生相對運動。
21. 如申請專利範圍第11項之方法，其中在該等基板的側面的至少一部分上沉積層，該層的厚度在0.1μm至50μm的範圍內。
22. 如申請專利範圍第11項之方法，其中在該PVD塗層源的配置情況下，該基板載體中之該等基板(7)確保了至少該等基板(7)的有效的切削邊緣(E’)持久地連續地暴露，使得在整個塗層期間從該源到該基板的材料流(material flow)不中斷，其中材料流的變化維持在最大為±30%。