專利名稱：用于借助陶瓷靶進(jìn)行電弧氣相沉積的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于借助陰極電弧氣相沉積以及導(dǎo)電陶瓷靶來(lái)對(duì)工件涂層的方法。本發(fā)明尤其是涉及一種用于涂層設(shè)備的源，所述涂層設(shè)備用于執(zhí)行上述方法。本發(fā)明尤其是涉及一種用于執(zhí)行上述方法的涂層設(shè)備。
背景技術(shù)：
已公開(kāi)的是，通過(guò)如下方式來(lái)對(duì)工件涂層在真空室中在材料源(下面稱為靶)上產(chǎn)生高電流一低電壓一電弧放電形式的等離子體。要?dú)庀喑练e的材料在該工藝中作為陰極設(shè)置在電壓源的負(fù)極上。借助點(diǎn)火設(shè)備點(diǎn)燃電弧。電弧將陰極在一個(gè)或者多個(gè)陰極斑點(diǎn)上熔融，電流過(guò)渡部集中在所述陰極斑點(diǎn)中。在此，電子主要從陰極拉出。因此為了維持電弧， 始終考慮在相應(yīng)的陰極表面上進(jìn)行電子補(bǔ)給。電弧(或者同義地也稱為Arc)或多或少隨機(jī)地在陰極面上移動(dòng)。出現(xiàn)對(duì)小的靶表面區(qū)域的極快的加熱，由此局部地對(duì)材料進(jìn)行氣相沉積。這在金屬靶材料的情況下不是問(wèn)題，因?yàn)榻饘侔胁牧匣旧暇哂袩釠_擊耐抗性以及導(dǎo)熱性，以便無(wú)損地承受通過(guò)電弧引起的這種點(diǎn)狀的熱沖擊。然而在金屬祀的電弧氣相沉積的情況下，小滴問(wèn)題(Drop I et-Prob I emat i k )有著重大的影響通過(guò)快速地局部加熱金屬靶材料，來(lái)自于熔融的靶材料的肉眼可見(jiàn)的濺射物被從靶拋出，所述濺射物作為小滴沉積在要涂層的表面上。這種小滴可能極為不利地影響層特性，例如耐磨損性或者表面粗糙度。因此，需要大量開(kāi)銷以便基本上避免這種小滴。一種可能性在于，在小滴可以降落在基底上之前將小滴濾除。然而這種措施費(fèi)事并且通常具有對(duì)于涂層速率不利的影響。因?yàn)殡娀≡诮饘侔斜砻嫔弦苿?dòng)得越慢，則小滴形成得越大，所以也存在的可能性是通過(guò)如下方式來(lái)減少小滴問(wèn)題例如借助水平地徑向取向的磁力線來(lái)強(qiáng)迫電弧在靶表面上快速移動(dòng)。已公開(kāi)的專利申請(qǐng)W0200016373在這方面公開(kāi)了涂層源的一種配置，其中在金屬靶之后設(shè)置有磁性裝置，該磁性裝置在靶的中央?yún)^(qū)域之外導(dǎo)致這種希望的磁場(chǎng)分布。因?yàn)樵诎械闹醒雲(yún)^(qū)域中磁場(chǎng)的垂直分量占主導(dǎo)地位，其會(huì)在一定程度上捕獲電弧，所以在那里借助覆蓋物來(lái)防止電弧到達(dá)那里。作為覆蓋物，例如提出了氮化硼和/或氮化鈦。這些材料如那里描述的那樣具有比金屬靶材料更小的次級(jí)電子發(fā)射率以及更小的表面能。這里要注意的是，在陶瓷靶的范圍中，小滴問(wèn)題基本上不存在。在陶瓷靶的情況下，靶材料的熔融由于高熔點(diǎn)而明顯比在這種金屬化合物的情況下更為復(fù)雜。氣相沉積可能更多涉及一種升華過(guò)程。大多通過(guò)電弧而肉眼可見(jiàn)地從陶瓷靶表面打出的塊大到使得這些塊由于重力而并不到達(dá)要涂層的工件上，而是沉積在涂層室的底部上。在工件上形成的層雖然包括還可測(cè)的所謂的小滴，然而這些小滴的密度較小，使得無(wú)需對(duì)其采取其他措施。與此相對(duì)，一個(gè)大的問(wèn)題是，陶瓷材料大多具有非常低的熱沖擊耐抗性。如果該材料不耐熱沖擊，則形成裂縫，電弧的陰極斑點(diǎn)難以經(jīng)過(guò)所述裂縫。還沒(méi)有完全清楚為何在裂縫上出現(xiàn)這種捕獲。一種可能的解釋是可能借助所謂的場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)，其中在尖端和邊緣上出現(xiàn)變得容易的電子逸出。由于較長(zhǎng)的停留時(shí)間，在那里的材料附加地被加熱，這在陶瓷材料的情況下導(dǎo)致對(duì)于電子發(fā)射的閾值局部降低。然而這又意味著，始終尋找表面的從中電弧可以最容易地發(fā)射電子的區(qū)域的電弧更長(zhǎng)地停留在裂縫上。因此在這方面涉及一種自身強(qiáng)化的毀壞性的效應(yīng)。因此，目前在電弧氣相沉積的情況下，陶瓷靶在工業(yè)上基本不使用。碳化鎢形成了對(duì)此的例外，其熱沖擊耐抗性相比于其他陶瓷材料、尤其是例如氮化鈦(TiN)、硼化鈦(TiB2)、ZrB2、NbB2、硼化鎢(WB)或者氮化鎢(W2N)更小。因此，目前僅僅普遍的是基于碳化鎢靶(WC靶)的電弧氣相沉積。然而在市面上存在的需求是也能夠借助電弧來(lái)經(jīng)濟(jì)地氣相沉積陶瓷靶的這種迄今在任何情況下在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)上都不可能做到的層材料。尤其是應(yīng)當(dāng)可以考慮TiN、TiB2、WB和/或還有W2N靶用于借助電弧的氣相沉積，而不會(huì)提早出現(xiàn)靶斷裂。對(duì)于TiB2 革E,相應(yīng)地在 surface and coating technology 49 (1991)第 263 頁(yè) 至 267 頁(yè) O. Knotek, F. Loeffler 的文章“ceramic cathodes for arc-physical vapordeposition: development and application”中報(bào)告了問(wèn)題,其發(fā)現(xiàn)陰極斑點(diǎn)集中在局部的位置上，這導(dǎo)致板的過(guò)熱并且甚至導(dǎo)致板的斷裂。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明所基于的任務(wù)是，也能夠借助電弧來(lái)經(jīng)濟(jì)地氣相沉積陶瓷靶的這種迄今在任何情況下在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都是不可能做到的層材料。尤其是應(yīng)當(dāng)可以考慮將TiN、TiB2, WB和/或還有W2N靶用于借助電弧的氣相沉積，而不會(huì)提早出現(xiàn)靶斷裂。因此，本發(fā)明提出的問(wèn)題是，如何可以有效地?cái)r截通過(guò)電弧而傳輸?shù)桨猩系臒釠_擊。從濺射技術(shù)(這是替換電弧氣相沉積的PVD涂層方法)中已知的是，濺射靶材料與所謂的冷卻板粘附(接合)，以便能夠?qū)崿F(xiàn)有效的散熱。這種冷卻板具有高導(dǎo)熱性，并且盡可能大面積地并且具有良好熱橋地固定在濺射靶材料上。優(yōu)選的是，所述冷卻板具有與用于濺射的靶材料相似的膨脹系數(shù)。由于在濺射時(shí)高的靶性能，通過(guò)比較高的放電電壓出現(xiàn)至濺射靶上的高的熱輸入，然而均勻地分布在整個(gè)靶上。但是，在電弧氣相沉積情況下出現(xiàn)的、可能導(dǎo)致熱沖擊的熱負(fù)荷被局部化，并且特征在于高的熱梯度，這導(dǎo)致陶瓷靶的機(jī)械過(guò)載。與此相對(duì)，在濺射情況下熱沖擊耐抗性由于均勻的溫度分布而與靶并不相關(guān)。因此，在用于借助電弧來(lái)氣相沉積的陶瓷靶情況下簡(jiǎn)單地使用冷卻板并不導(dǎo)致令人滿意的結(jié)果，此外，靶斷裂的危險(xiǎn)是突出的。出現(xiàn)的是，局部化的溫度施加通常導(dǎo)致接合連接正是在那里局部地受到損傷，于是在實(shí)際上最需要之處不再存在良好的熱接觸。然而發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，令人吃驚的是，與金屬靶的電弧氣相沉積關(guān)聯(lián)導(dǎo)致減少小滴問(wèn)題的一些措施與陶瓷靶關(guān)聯(lián)導(dǎo)致能夠可靠地并且對(duì)設(shè)置有冷卻板的陶瓷靶無(wú)損地使用電弧氣相沉積。因此根據(jù)本發(fā)明，執(zhí)行電弧氣相沉積，使得從其后側(cè)上接合有冷卻板的陶瓷靶借助電弧來(lái)氣相沉積，其特征在于，電弧被強(qiáng)制為在靶表面上快速移動(dòng)。因此，根據(jù)本發(fā)明的用于電弧氣相沉積的涂層設(shè)備的電弧源包括至少一個(gè)陶瓷靶，在陶瓷靶的后側(cè)上具有良好熱接觸地、優(yōu)選接合地設(shè)置有冷卻板，其特征在于，在所述設(shè)備中設(shè)置有如下裝置借助該裝置強(qiáng)制電弧的陰極斑點(diǎn)移動(dòng)，所述移動(dòng)減少局部加熱并且由此減少形成微裂縫，并且甚至在形成小的微裂縫情況下防止陰極斑點(diǎn)在該位置上的增大的停留可能性。


下面借助附圖示例性地進(jìn)一步闡述本發(fā)明。其中
圖I在示意性側(cè)視圖中示出了帶有根據(jù)本發(fā)明的靶板的根據(jù)本發(fā)明的源。圖2示出了電弧源的根據(jù)本發(fā)明的組成部分的一個(gè)實(shí)施形式。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的電弧源的組成部分的另一實(shí)施形式。
具體實(shí)施例方式在圖I中示出了根據(jù)本發(fā)明的電弧氣相沉積源，如其在用于對(duì)襯底涂層的電弧氣相沉積室中所使用的那樣。該電弧氣相沉積源通常包括點(diǎn)燃設(shè)備20(如純粹示意性地示出 的那樣)用于點(diǎn)燃電弧。此外，在靶板I和陽(yáng)極21之間(又純粹示意性地示出)連接有大電流一 IH、低電壓U1j —直流電壓源23。根據(jù)本發(fā)明的電弧源包括導(dǎo)電的陶瓷靶板1，其帶有要?dú)庀喑练e的表面2。在靶板I的后側(cè)的表面7上，即在背離要?dú)庀喑练e的表面2的表面上，與靶板I大面積地有效熱連接地設(shè)置有冷卻板10。冷卻板10由具有高導(dǎo)熱性的材料構(gòu)成。通過(guò)大面積的熱接觸，冷卻板能夠?qū)⑼ㄟ^(guò)陰極斑點(diǎn)而進(jìn)行至靶表面2上的局部能量輸入快速并且有效地分布到整個(gè)靶橫截面上。由此，由于熱沖擊而損毀靶板I的危險(xiǎn)已經(jīng)通過(guò)該預(yù)防措施而略為減弱。如果冷卻板附加地導(dǎo)電，則可以通過(guò)冷卻板10來(lái)實(shí)現(xiàn)靶板I至電壓源23的電接觸。例如，考慮鑰作為冷卻板材料，然而也可以使用如從濺射技術(shù)中已知的其他材料。優(yōu)選的是，有效熱連接性通過(guò)將冷卻板接合到靶板上來(lái)建立。然而已表明的是，雖然有冷卻板，局部仍然出現(xiàn)加熱，該加熱導(dǎo)致電子會(huì)局部地更容易逸出。沒(méi)有其他措施情況下，斑點(diǎn)因此保持在該位置上，這導(dǎo)致熱沖擊數(shù)量級(jí)增大，甚至冷卻板不再可以將其攔截。因此，根據(jù)本發(fā)明的電弧源此外包括如下裝置其強(qiáng)制電弧的一個(gè)陰極斑點(diǎn)或者必要時(shí)的多個(gè)陰極斑點(diǎn)在靶上移動(dòng)，并且必要時(shí)強(qiáng)制離開(kāi)微裂縫。在圖I所示的實(shí)施形式中，該裝置包括布置在冷卻板之后的內(nèi)部的永磁體11和外部的環(huán)形磁體13，該外部的環(huán)形磁體相對(duì)于內(nèi)部的永磁體11極性相反地取向。由于內(nèi)部的永磁體11和外部的環(huán)形磁體13，在要?dú)庀喑练e的表面2上存在從北向南或者從南向北分布的磁力線。在表面2上建立的磁場(chǎng)的水平分量導(dǎo)致電弧的陰極斑點(diǎn)在表面2上的強(qiáng)制移動(dòng)。與此相對(duì)，在該情況中在表面2上建立的磁場(chǎng)的垂直分量導(dǎo)致電弧的一個(gè)陰極斑點(diǎn)或者多個(gè)陰極斑點(diǎn)基本上保持在表面的相應(yīng)位置上，或者至少減緩陰極斑點(diǎn)的移動(dòng)。因此在本發(fā)明的這里所討論的實(shí)施形式中，采取措施，以便將陰極斑點(diǎn)保持遠(yuǎn)離表面2的其中磁場(chǎng)的垂直分量占主導(dǎo)的區(qū)域。因此，在導(dǎo)電的陶瓷靶板I的表面2上將覆蓋物3布置在中央?yún)^(qū)域中，其中覆蓋物3實(shí)現(xiàn)為使得在該區(qū)域中不再保證可能在陰極斑點(diǎn)上饋送電弧的電子補(bǔ)給。在該例子中，至少覆蓋物3的表面由非導(dǎo)電材料、例如Al2O3或者氮化硼構(gòu)成。然而也可能的是，覆蓋物3雖然由導(dǎo)電材料制成，然而其與電壓源23絕緣或者至少與電壓源23較差地電接觸。由此，借助這種布置，防止了或者至少?gòu)?qiáng)烈地阻擋了電子補(bǔ)給。電弧的陰極斑點(diǎn)優(yōu)選向著考慮足夠電子補(bǔ)給的地方移動(dòng)，并且由此避開(kāi)了其中磁場(chǎng)的垂直分量占主導(dǎo)的中央?yún)^(qū)域6。
不同的根據(jù)本發(fā)明的布置是可能的，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將與其問(wèn)題匹配地選擇對(duì)于其最佳地合適的實(shí)現(xiàn)方式。圖2示意性示出了帶有接合的冷卻板10的靶板I。靶板具有中央鉆孔，并且冷卻板10具有內(nèi)螺紋，使得根據(jù)本發(fā)明的屏蔽裝置3可以借助同樣示出的螺釘15擰緊到靶板I和冷卻板10構(gòu)成的組合物上。圖3示出了帶有接合的冷卻板10和屏蔽裝置3的靶板I的另一根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施形式。在該實(shí)施形式中，屏蔽裝置3被引入靶板I的大面積的孔中。優(yōu)選的是，如所示的那樣，在靶板I上存在屏蔽裝置3的小的過(guò)渡部，以避免陰極斑點(diǎn)陷于靶板I的邊緣附近并 且在那里在一定程度上被捕獲。
權(quán)利要求
1.ー種電弧氣相沉積源,包括 一帶有導(dǎo)電陶瓷靶板(I)的陰極， -陽(yáng)極(21)， 一電壓源(23)，其與靶板(I)和陽(yáng)極(21)連接，使得靶板(I)能夠相對(duì)于陽(yáng)極(21)置于負(fù)電勢(shì)上， 一用于點(diǎn)燃電弧的點(diǎn)燃裝置(20)， 其特征在干， 靶板(I)與冷卻板(10)大面積地?zé)釋W(xué)地并且優(yōu)選通過(guò)接合連接來(lái)有效連接， 并且設(shè)置有用于強(qiáng)制陰極斑點(diǎn)移動(dòng)的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電弧氣相沉積源，其特征在于，用于強(qiáng)制移動(dòng)的裝置設(shè)計(jì)為使得甚至在靶板中存在微裂縫的情況下陰極斑點(diǎn)也能夠保持移動(dòng)。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的電弧氣相沉積源，其特征在于，用于強(qiáng)制陰極斑點(diǎn)移動(dòng)的裝置在氣相沉積表面上、即在陰極斑點(diǎn)在靶板的表面上能夠到達(dá)的所有部位上基本相同地作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電弧氣相沉積源，其特征在于，用于強(qiáng)制陰極斑點(diǎn)移動(dòng)的裝置包括磁性裝置，所述磁性裝置導(dǎo)致陰極斑點(diǎn)的基本上均勻的移動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電弧氣相沉積源，其特征在于，所述磁性裝置被構(gòu)成為，使得該磁性裝置導(dǎo)致在氣相沉積表面上的基本上均勻的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的磁力線基本上垂直于氣相沉積表面取向或者可替換地在整個(gè)氣相沉積表面上以相對(duì)于氣相沉積表面上的法線的大于45°的角度取向。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的電弧氣相沉積源，其特征在于，用于強(qiáng)制移動(dòng)的裝置在冷卻板側(cè)包括內(nèi)部永磁體和外部永磁體環(huán)，所述外部永磁體環(huán)相對(duì)于內(nèi)部永磁體極性相反地取向，使得在靶板(I)的要?dú)庀喑练e的表面(2)上建立磁場(chǎng)分布，并且用于強(qiáng)制移動(dòng)的裝置包括在要?dú)庀喑练e的表面(2)的中央?yún)^(qū)域(6)上的屏蔽裝置(3)，其中屏蔽裝置(3)的表面與電壓源(23)至少基本上電絕緣，并且由此在氣相沉積源運(yùn)行時(shí)在該區(qū)域中沒(méi)有電子補(bǔ)給可用。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電弧氣相沉積源，其特征在干，屏蔽裝置(3)由電絕緣材料構(gòu)成，優(yōu)選由氧化鋁或者氮化硼構(gòu)成，或者具有氧化鋁或者氮化硼表面。
8.ー種用于將襯底涂層的涂層設(shè)備，具有至少ー個(gè)根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的電弧氣相沉積源。
9.一種用于將襯底涂層的方法，其特征在于，為了涂層使用根據(jù)權(quán)利要求8所述的涂層設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電弧氣相沉積源，其帶有導(dǎo)電的陶瓷靶板(1)，在靶板的后側(cè)上設(shè)置有冷卻板(10)，其中在要?dú)庀喑练e的表面(2)上在中央?yún)^(qū)域中設(shè)置有屏蔽裝置(3)，使得在氣相沉積源運(yùn)行時(shí)，電弧的陰極斑點(diǎn)并不到達(dá)表面的中央?yún)^(qū)域(6)中。
文檔編號(hào)C23C14/32GK102859027SQ201180022287
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月4日
發(fā)明者M.萊希塔勒 申請(qǐng)人:歐瑞康貿(mào)易股份公司(特呂巴赫)