[發(fā)明專利]低溫電弧離子鍍涂層

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201280070072.2
• 申請(qǐng)日: 2012-12-14
• 公開（公告）號(hào): CN104114740B
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: S.克拉斯尼策爾;D.庫(kù)拉波夫;M.萊希塔勒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 歐瑞康表面解決方案股份公司;普費(fèi)菲孔
• 主分類號(hào): C23C14/32
• 分類號(hào): C23C14/32;H01J37/32
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 韋欣華,梁謀

本發(fā)明涉及用來(lái)生產(chǎn)表現(xiàn)光滑表面和優(yōu)良的機(jī)械性能的薄膜的低溫電弧離子鍍(AIP)沉積方法。

技術(shù)領(lǐng)域

AIP技術(shù)是最常見(jiàn)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(lái)蒸發(fā)涂層材料(工作壓力約10^"2-10^-4mbar)。通過(guò)陰極電弧沉積，向靶(材料來(lái)源)釋放的高功率電弧導(dǎo)致一些靶材的蒸發(fā)，并由此提供待被沉積到基材上的高度電離的蒸汽。

術(shù)語(yǔ)IP(離子鍍)指在涂覆過(guò)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(guò)在基材上施加偏壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。其促進(jìn)高密度涂層凝結(jié)在基材上。此外，還可以在蒸發(fā)過(guò)程中將反應(yīng)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(fā)和電離的材料與所述反應(yīng)性氣體之間的反應(yīng)所導(dǎo)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(xiàn)出對(duì)基材良好的粘附性(涂層和基材之間的強(qiáng)結(jié)合)并且一般是高質(zhì)量的，特別是在物理、結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)性能方面。這些涂層現(xiàn)在還表現(xiàn)出高硬度和非常良好的切割性能。

使用AIP技術(shù)的另一重要的優(yōu)點(diǎn)是與其他競(jìng)爭(zhēng)的PVD技術(shù)，如磁控濺射離子鍍(MSIP)涂層沉積，相比實(shí)現(xiàn)了高的涂層沉積速度。

然而電弧蒸發(fā)工藝的一個(gè)缺點(diǎn)是，如果陰極輝點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間呆在一個(gè)蒸發(fā)點(diǎn)，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(duì)涂層的性能是有害的。通過(guò)不使陰極輝點(diǎn)保持在一個(gè)靶位太長(zhǎng)時(shí)間，可以減少涂層膜中的液滴數(shù)量。因此使用磁場(chǎng)來(lái)控制電弧的移動(dòng)。

因?yàn)橥ㄟ^(guò)涂覆過(guò)程達(dá)到的相對(duì)高的基材溫度(高于300℃)，AIP工藝往往不用來(lái)涂覆溫度敏感的基材，如塑料和不銹鋼。

根據(jù)現(xiàn)有工藝，通過(guò)如下改良一些涂覆工藝參數(shù)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(guò)程中，減小靶上的電弧電流或操作更低數(shù)量的靶。該措施涉及相關(guān)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(guò)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?yàn)楫a(chǎn)生的涂層表現(xiàn)較低的密度和通常低劣的機(jī)械性能。

·在涂覆過(guò)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(jī)器中安裝主動(dòng)冷卻系統(tǒng)用于在涂覆過(guò)程中在冷卻劑和基材之間進(jìn)行必要的熱傳遞，以從基材中提取過(guò)量的熱能或不期望的熱能。該措施可能會(huì)非常復(fù)雜和昂貴。

·不使用磁場(chǎng)或使用弱磁場(chǎng)或相當(dāng)?shù)偷拇艌?chǎng)強(qiáng)度。以這種方式，可以使用較冷的涂覆等離子體來(lái)執(zhí)行涂覆過(guò)程，該較冷的涂覆等離子體的特征在于較低的電勢(shì)和與等價(jià)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(guò)程中減少基材中熱能的產(chǎn)生。該措施的缺點(diǎn)為，陰極輝點(diǎn)在靶表面上移動(dòng)較慢，因此在每個(gè)蒸發(fā)點(diǎn)上保持很長(zhǎng)時(shí)間，其導(dǎo)致排出更大量的大顆粒或液滴。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)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(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)。具體地，該低溫電弧離子鍍沉積方法應(yīng)當(dāng)使得在涂覆過(guò)程中基材溫度能夠保持在350℃之下，優(yōu)選300℃之下，甚至在必要時(shí)在100℃和300℃之間或更低。此外，通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的低溫電弧離子鍍涂層方法生成的薄膜應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出光滑表面和優(yōu)良的機(jī)械性能或與在更高的基材溫度下沉積的等價(jià)薄膜類似的涂層質(zhì)量。此外，根據(jù)本發(fā)明的涂覆方法應(yīng)當(dāng)允許與通過(guò)較高的基材溫度沉積的等價(jià)涂層膜獲得的那些相等的涂層沉積速度。

詳細(xì)說(shuō)明

本發(fā)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(fā)器蒸發(fā)充當(dāng)陰極的固體材料，在電弧蒸發(fā)過(guò)程中，使用磁場(chǎng)加速陰極輝點(diǎn)在固體材料表面上的移動(dòng)來(lái)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(fā)產(chǎn)生的帶負(fù)電荷的顆粒從陰極流向陽(yáng)極，特征在于帶負(fù)電荷的顆粒從陰極到陽(yáng)極的移動(dòng)不引起陰極和陽(yáng)極之間的電勢(shì)差的絕對(duì)值的額外增大，使得在涂覆過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更小的基材溫度升高。

隨后將更詳細(xì)地解釋本發(fā)明：

首先，為了更好地理解本發(fā)明將再次分析現(xiàn)有技術(shù)的情況。

通常通過(guò)使用更大的電弧電流和/或通過(guò)涂覆工藝操作更大量的靶來(lái)獲得更高的涂層沉積速度，但如上面已經(jīng)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(guān)聯(lián)，且因此與較高的基材溫度相關(guān)聯(lián)。