[發明專利]低溫電弧離子鍍涂層

有效

• 申請號: 201280070072.2
• 申請日: 2012-12-14
• 公開（公告）號: CN104114740B
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: S.克拉斯尼策爾;D.庫拉波夫;M.萊希塔勒
• 申請（專利權）人: 歐瑞康表面解決方案股份公司;普費菲孔
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;H01J37/32
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 韋欣華,梁謀

本發明涉及用來生產表現光滑表面和優良的機械性能的薄膜的低溫電弧離子鍍(AIP)沉積方法。

技術領域

AIP技術是最常見的物理氣相沉積(PVD)涂覆工藝之一，特征在于在真空條件下使用陰極電弧源來蒸發涂層材料(工作壓力約10^"2-10^-4mbar)。通過陰極電弧沉積，向靶(材料來源)釋放的高功率電弧導致一些靶材的蒸發，并由此提供待被沉積到基材上的高度電離的蒸汽。

術語IP(離子鍍)指在涂覆過程中用高能的帶正電荷的離子轟擊待涂覆的基材，這可以通過在基材上施加偏壓來實現。其促進高密度涂層凝結在基材上。此外，還可以在蒸發過程中將反應性氣體，如氮、乙炔或氧氣引入真空室中以沉積涂層，其包含由蒸發和電離的材料與所述反應性氣體之間的反應所導致的不同的化合物。

AlP-沉積的涂層除了上述高密度之外通常還表現出對基材良好的粘附性(涂層和基材之間的強結合)并且一般是高質量的，特別是在物理、結構和摩擦學性能方面。這些涂層現在還表現出高硬度和非常良好的切割性能。

使用AIP技術的另一重要的優點是與其他競爭的PVD技術，如磁控濺射離子鍍(MSIP)涂層沉積，相比實現了高的涂層沉積速度。

然而電弧蒸發工藝的一個缺點是，如果陰極輝點長時間呆在一個蒸發點，則其可能逐出大量大顆粒或液滴。由于其差的粘附并且可能貫穿涂層，這些液滴對涂層的性能是有害的。通過不使陰極輝點保持在一個靶位太長時間，可以減少涂層膜中的液滴數量。因此使用磁場來控制電弧的移動。

因為通過涂覆過程達到的相對高的基材溫度(高于300℃)，AIP工藝往往不用來涂覆溫度敏感的基材，如塑料和不銹鋼。

根據現有工藝，通過如下改良一些涂覆工藝參數或涂覆條件能夠在低溫(于300℃或更低的溫度)下完成電弧離子鍍工藝:

·在涂覆過程中，減小靶上的電弧電流或操作更低數量的靶。該措施涉及相關的和不可避免的涂層的沉積速度的降低，這是不利的。

·在涂覆過程中，在基材上不施加偏壓或施加減小的偏壓。該措施也是不利的，因為產生的涂層表現較低的密度和通常低劣的機械性能。

·在涂覆過程中，不斷地從基材中去除熱能。在這種情況下，必須在涂覆機器中安裝主動冷卻系統用于在涂覆過程中在冷卻劑和基材之間進行必要的熱傳遞，以從基材中提取過量的熱能或不期望的熱能。該措施可能會非常復雜和昂貴。

·不使用磁場或使用弱磁場或相當低的磁場強度。以這種方式，可以使用較冷的涂覆等離子體來執行涂覆過程，該較冷的涂覆等離子體的特征在于較低的電勢和與等價的較熱涂覆等離子體相同的電流，并由此具有較低的電功率。這有助于在涂覆過程中減少基材中熱能的產生。該措施的缺點為，陰極輝點在靶表面上移動較慢，因此在每個蒸發點上保持很長時間，其導致排出更大量的大顆粒或液滴。

發明內容

本發明的目的在于提供用于涂覆溫度敏感的基材的低溫電弧離子鍍沉積方法，其克服了現有技術的上述缺點。具體地，該低溫電弧離子鍍沉積方法應當使得在涂覆過程中基材溫度能夠保持在350℃之下，優選300℃之下，甚至在必要時在100℃和300℃之間或更低。此外，通過根據本發明的低溫電弧離子鍍涂層方法生成的薄膜應當表現出光滑表面和優良的機械性能或與在更高的基材溫度下沉積的等價薄膜類似的涂層質量。此外，根據本發明的涂覆方法應當允許與通過較高的基材溫度沉積的等價涂層膜獲得的那些相等的涂層沉積速度。

詳細說明

本發明涉及下述電弧離子鍍層沉積方法：用于在真空室中電弧涂覆或電弧離子鍍涂覆基材的涂覆方法，其中使用電弧蒸發器蒸發充當陰極的固體材料，在電弧蒸發過程中，使用磁場加速陰極輝點在固體材料表面上的移動來避免從固體材料表面逐出大量的大顆粒或液滴，由電弧蒸發產生的帶負電荷的顆粒從陰極流向陽極，特征在于帶負電荷的顆粒從陰極到陽極的移動不引起陰極和陽極之間的電勢差的絕對值的額外增大，使得在涂覆過程中實現更小的基材溫度升高。

隨后將更詳細地解釋本發明：

首先，為了更好地理解本發明將再次分析現有技術的情況。

通常通過使用更大的電弧電流和/或通過涂覆工藝操作更大量的靶來獲得更高的涂層沉積速度，但如上面已經解釋的，較高的電弧電流必然與較高的等離子體電功率相關聯，且因此與較高的基材溫度相關聯。