TWI582258B - Pvd層系統沈積之方法 - Google Patents

Description

PVD層系統沈積之方法

本發明涉及硬質材料塗層，此種塗層是經由物理氣相沈積(PVD=Physical Vapor Deposition)及磁控濺鍍(MS=Magnetron Sputtering)沈積在工件上。

磁控濺鍍的兩種主要方法是典型的DC-MS及HiPIMS。

HiPIMS是將非常高的放電電流密度強加於提供濺鍍材料的標靶，因而在電漿內產生很高的電子密度，以及使被濺鍍的粒子具有很高的電離度。HiPIMS使用的功率密度在250W/cm²至2000W/cm²之間，因此對於提供功率的脈衝發生器有特殊的要求。尤其是不能讓這麼高的功率持續作用在標靶上，以免標靶因為過熱而受損。因此必須以脈衝方式提供功率。在功率脈衝期間，很高的放電密度作用在標靶上，並將標靶加熱，而在功率間隔期間標靶可以再度冷卻。脈衝持續時間及脈衝間隔必須彼此調諧，以使作用在標靶上的平均功率不會超過一個上限值。因此HiPIMS需要的是能夠以脈衝方式產生很高功率的脈衝發生器。

HiPIMS使用的通常是以電容器放電的原理設計的特殊的脈衝發生器，其能夠在脈衝期間產生會改變的放電電流。以這種方式無法執行以電流-電壓變化為基礎的檢查方法。另外一種方式是先使電漿預電離化，以便能夠延長高功率脈衝的脈衝持續時間。透過對接通的電壓的 調制，可以控制放電電流。以這種方式最長可以使脈衝保持4ms。

另外一種完全不同的情況是以低功率密度進行濺鍍，例如功率密度在5W/cm²至50W/cm²之間。在這種情況下，標靶可以持續接受這個功率的衝擊。因此僅需使用簡單的脈衝發生器即可，因為既不需要產生很高的功率，也不需以脈衝方式產輸出功率。因此這種情況使用的是典型的DC-MS。

將HiPIMS層與DC-MS層作一比較，可發現二者在結構上有很大的差異。以TiAlN層為例，使用DC-MS時，其成長出的TiAlN層基本上是柱形結構(參見第1圖)。使用HiPIMS時，則基本上工作氣體離子無需進入層內，即可透過被蒸發之金屬的電離產生非常細致的層結構，因為當基板接通負偏壓，電離化的金屬原子就會加速朝基板移動。一種有利的情況是，由於被濺鍍的材料含有很高比例的離子，因而使產生負的基板偏壓，所以能夠產生高度密集的HiPIMS層。

雖然結構細致的HiPIMS層比柱形結構的DC-MS層更硬且更密集，但是也有層附著及力學特性方面的缺點。相較於DC-MS層，這種結構細致的HiPIMS層雖然具有較佳的磨性能，因此使用壽命較長。但缺點是無法預知何時會用壞，也就是說無法預知使用壽命何時結束，而是以非常突然的方式(例如爆裂破開)宣告使用壽命已告結束，這可能是由於其力學特性的關係。因此使用者很難估計何時應更換有塗層的工具。

本發明的目的是提出一種塗層，其具有HiPIMS技術能夠達到的典型硬度，而且在使用期間能夠透過工作效率變差的方式向使用者預告即將完全磨損，這樣使用者就可以即時更換工具。

如前面所述，目前已知的HiPIMS脈衝發生器的脈衝持續時間最長能夠達到4ms。但是根據一種產生高功率脈衝的新方法，能夠將脈衝持續時間延長到25ms或更長。

這種方法是驅動一個PVD濺鍍陰極，其中PVD濺鍍陰極包含第一個子陰極及第二個子陰極，同時對子陰極有規定一個最大平均功率饋入量，以及對功率脈衝時間間隔有規定持續時間，本發明的方法分成以下的步驟：a)準備一個脈衝發生器，此脈衝發生器至少在接通及達到滿載功率的時間間隔結束後，能夠提供固定的功率輸出；b)接通脈衝發生器；c)將第一個子陰極連接到脈衝發生器，使第一個子陰極獲得脈衝發生器供應的功率；d)經過為第一個子陰極規定的第一個功率脈衝時間間隔後，將第一個子陰極與脈衝發生器分開；e)將第二個子陰極連接到脈衝發生器，使第一個子陰極獲得脈衝發生器供應的功率；f)經過為第二個子陰極規定的第二個功率脈衝時間間隔後，將第二個子陰極與脈衝發生器分開； 其中第一個功率脈衝時間間隔在時間上比第二個功率脈衝時間間隔更早開始，同時第一個功率脈衝時間間隔在時間上比第二個功率脈衝時間間隔更早結束，其中步驟d)及e)的執行方式使第一個功率脈衝時間間隔與第二個功率脈衝時間間隔在時間上有重疊，同時所有的功率脈衝時間間隔共同構成第一個群組，因此脈衝發生器能夠從第一個功率脈衝時間間隔的開頭一直到第二個功率脈衝時間間隔的尾端始終保持連續的功率輸出，而不會出現第二個達到滿載功率的時間間隔。

在使用這種方法時，令發明人感到訝異的一個發現是，在使用壽命即將結束時，具有以脈衝持續時間在5ms以上的方式被濺鍍上去的HiPIMS層的工具會顯示出明顯不同於具有以較短的脈衝持續時間的方式被濺鍍上去的HiPIMS層的工具的特性。令人感興趣的是，從第3圖可以明顯看出，斷裂棱邊的SEM圖顯示以較長的脈衝持續時間的方式被濺鍍上去的層具有明顯較粗糙的形態。這個層形態的差異僅與脈衝持續時間有關，與其他影響參數無關。

相較於以較短的脈衝持續時間的方式沈積出的層，以脈衝持續時間5ms或更長的方式沈積出的本發明的層具有較高的彈性模數，以及較大的硬度。

例如，發明人利用HiPIMS法分別以脈衝持續時間250μs及25000μs的方式分別沈積出的TiAlN-層。其中以脈衝持續時間250μs的方式沈積出的層的彈性模數約為425GPa，硬度為2900HV，而以脈衝持續時間25000μs 的方式沈積出的層的彈性模數為475GPa，硬度大於3100HV。

由於以上述方法產生功率脈衝可以用很簡單的方式調整及改變脈衝持續時間，因此要在一個鍍膜過程中產生形態較細致及形態較粗糙之HiPIMS層交替出現的層系統，只需在濺鍍時交替使用一個較短及一個較長的脈衝持續時間即可實現。因為從兩種濺鍍方式測得的層應力大致上是相等的，因此可預期這種交替層系統具有很好的降低磨損特性。這種交替層系統可以顯示不連貫的過渡，因此能夠在細粒層及粗粒層之間形成真正的交界面。另一種可能性是實現一或數個漸近的過渡，其中脈衝持續時間不是突然改變，而是以連續漸進改變。

此處要指出的是，在同一個鍍膜過程中當然也可以改變功率脈衝的高度。尤其是可以間歇性的選擇很小的脈衝高度，以產生具有DC-MS之典型柱形成長的層區域。以這種方式可以實現由HiPIMS層及DC-MS層構成的層系統，這樣做是因為不同的層應力有助於提高層系統的穩定性。

第1圖係顯示長出的TiAlN層是柱形結構；第2圖係SEM圖；及第3圖係顯示斷裂棱邊的SEM圖。

Claims (7)

1. 一種PVD層系統沈積之方法，其藉由利用濺鍍的氣相沈積將該PVD層系統沈積在至少一個基板上，其中該層系統具有至少一第一HiPIMS層、及一第二HiPIMS層，該第一和該第二HiPIMS層係使用HiPIMS法沈積而成，該HiPIMS法係能達到功率密度250W/cm²或更高，且脈衝持續時間為5ms或更長，其特徵為該方法包括：在將基板偏壓施加在該基板上時，藉由施加具有至少5ms的脈衝持續時間之功率脈衝以達到功率密度至少250W/cm²，來沈積該第一HiPIMS層或沈積該第二HiPIMS層，且其中使用具有較長之脈衝持續時間的功率脈衝來沈積該第一及該第二HiPIMS層中之一者，使用具有較短之脈衝持續時間的功率脈衝來沈積該第一及該第二HiPIMS層中之另一者，以致於使用具有較長之脈衝持續時間的功率脈衝沈積之HiPIMS層的型態不同於使用具有較短之脈衝持續時間的功率脈衝沈積之HiPIMS層的型態；其中較長之脈衝持續時間和較短之脈衝持續時間是以下述方式選用的，使用較長之脈衝持續時間所沈積之層相較於使用較短之脈衝持續時間所沈積之層呈現更為粗糙的型態，且於此方式該PVD層系統包括一粗粒層及一細粒層，而該粗粒層係呈現該粗糙型態之層。
2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該PVD層系統包括由細粒層和粗粒層沈積之多層HiPIMS層，該細粒層及該粗粒層係交替沈積而形成一交替層系統。
3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中脈衝持續時間係至少一次連續漸進地改變，以便於達成分別具備有細粒和粗粒型態之二層間之一漸進的過渡。
4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該功率脈衝之高度係被改變至少一次。
5. 如申請專利範圍第4項的方法，其中該功率脈衝之高度係被改變至少多次，以便於選用可產生柱狀成長的層區域之一低脈衝高度。
6. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該功率密度不超過2000W/cm²。
7. 如申請專利範圍第1項的方法，其中在製造過程中改變脈衝持續時間，因而形成含有不同形態之HiPIMS層的PVD層系統；其中在不同形態的HiPIMS層之間的過渡中至少有一次是連續漸進的過渡之方式來改變該脈衝持續時間。