[發明專利]用于物理氣相沉積的設備和方法

無效

• 申請號: 200980132064.4
• 申請日: 2009-07-27
• 公開（公告）號: CN102124135A
• 公開（公告）日: 2011-07-13
• 發明（設計）人: A·因斯佩克特;J·J·普里齊
• 申請（專利權）人: 鈷碳化鎢硬質合金公司
• 主分類號: C23C14/00
• 分類號: C23C14/00;C23C14/24
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 鄧斐

技術領域

本發明涉及用于通過物理氣相沉積(PVD)技術來沉積材料的設備及方法。更具體地說，本發明涉及用于通過PVD來在一種基體、尤其是納米層涂層上沉積一個或多個涂覆層的設備和方法，其中，這些涂層展現了改進的涂層周期性和/或這些涂覆層之間清晰突出的邊界。

背景技術

迄今為止，PVD技術對于在一種基體上沉積一個或多個涂覆層一直是有用的。一個示例性種類的基體是這樣一種基體：當涂覆有一種適當的涂覆材料時，它作為一種切削工具在金屬切削(或其他的材料去除)應用中是有用的，這些應用包括(但不限于)形成切屑的材料去除應用。以下文件披露了PVD技術來生產涂覆的切削工具的用途：授予Prizzi等人的美國專利號5,879,823：a?Coated?Cutting?Tool(一種涂覆的切削工具)。對這個專利的確認并不旨在限制本發明的范圍，而是僅僅示出適合于通過PVD進行涂覆的代表性物品。這個專利特此通過引用結合在此。

PVD技術對于沉積多個納米層的涂覆材料是有用的。典型地，一個單一納米層具有的厚度是等于或小于約100納米。涂覆納米層的PVD沉積的示例性文件是授予Penich等人的美國專利號6,660,133：Nanolayered?Coated?Cutting?Tool?and?Method?for?Making?the?Same，以及授予Penich等人的美國專利號6,884,499：Nanolayered?CoatedCutting?Tool?and?Method?for?Making?the?Same。對這些文件的確認并不旨在限制本發明的范圍，而是僅僅示出了通過PVD所施加的涂覆納米層的代表性例子。這些專利特此通過引用結合在此。

參見PVD方法的說明，Donald?Mattox(1998)的出版物Handbookof?Physical?Vapor?Deposition(PVD)Processing(由Noyes?Publications，Westwood，New?Jersey?USA出版)總體上描述了PVD方法。總體上，PVD方法是原子學的沉積方法，其中從一種固態或液態源中濺射或蒸發出處于離子、原子或分子形式的材料，該材料被輸送穿過一種低壓離子體環境(并且經常與其進行反應)到達該基體，在此處該材料冷凝并形成一種薄膜。PVD方法可以用來沉積厚度為從幾個納米到幾千個納米的薄膜。PVD方法還可以用來沉積多層薄膜、分級的組合物沉積物、非常厚的沉積物以及獨立式結構。PVD方法可以用來沉積這樣一種薄膜：該薄膜包括被蒸發的材料與一種周圍的氣體環境(例如，像可以與蒸發的鈦進行反應從而在基體上沉積氮化鈦的氮氣)的反應產物。

該Noyes出版社還描述了幾種物理氣相沉積方法。這些PVD方法包括真空沉積或真空蒸發；濺射沉積、電弧氣相沉積、以及離子電鍍。在濺射沉積方法中，存在著從一個表面(“靶材”)去除的顆粒通過物理濺射方法進行的沉積。電弧氣相沉積使用高電流、低電壓的電弧來將一個陰極電極(陰極電弧)或陽極電極(陽極電弧)蒸發并且將所蒸發的材料沉積在一個基體上。在離子電鍍(有時候被稱為離子輔助沉積(IAD)或離子氣相沉積(IVD))中，沉積材料可以或者通過蒸發、濺射電弧侵蝕或者通過一種化學蒸汽前體的分解而被蒸發。所有方法都利用了對沉積薄膜的同時的或周期性的轟擊來修飾并控制沉積薄膜的特性。

在一種真空沉積或真空蒸發方法中，來自一種熱蒸發源的這些離子、原子或分子到達該基體，伴隨著與沉積室中的剩余氣體分子的最小碰撞。真空沉積正常地要求好于10^-4托的真空。

雖然所有PVD涂覆技術都已經成功用于涂覆一種基體，甚至涂覆帶有一種涂覆方案(包括多個具有不同組成的層)的基體，但仍存在著改進此種方法的需要。關于在相鄰涂覆層之間的邊界處發生的涂覆材料的重疊，這是尤其正確的。

更確切地說，從靶材上逐出的涂覆材料可能以在某種程度上展開的方式行進，例如，該涂覆材料采取了一種羽流的形式，有時候是通過余弦定律分布(cosinus?law?distribution)進行描述。其結果是，從一個靶材發射出的涂覆材料的某個部分偏離了垂直于靶材的方向并且可能重疊在來自另一靶材的涂覆材料的沉積區域上。當所有靶材(或陰極)都是同種材料時，來自各個靶材的涂覆材料的重疊有助于在整個加載中使該涂層均質化并且因此是所希望的。但是，在靶材為不同材料的情況下，涂覆材料的重疊可能產生涂覆材料的不利混合物并且是不希望的，因為沉積在基體上的實際的納米層涂覆方案與所打算的涂覆方案將不相符。