[發明專利]在基底上沉積層體系的涂布方法和具有層體系的基底

在審

• 申請號: 201310313395.6
• 申請日: 2013-04-19
• 公開（公告）號: CN104060225A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: J·費特爾;G·埃爾肯斯;J·米勒
• 申請（專利權）人: 蘇舍梅塔普拉斯有限責任公司
• 主分類號: C23C14/22
• 分類號: C23C14/22;C23C14/06
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李連濤;萬雪松

本發明涉及在基底上沉積硬質材料層的層體系的涂布方法，其采用電弧蒸發源(arc evaporation source)和可以HIPIMS模式工作的磁控放電源()，還涉及根據分別類別的獨立權利要求前序部分的具有層體系的基底。

背景技術

現有技術中已知的，采用陰極真空電弧蒸發技術(CVAE)沉積的PVD層在磨損防護領域中的許多應用中顯示了非常好的摩擦性能。如今采用氮化物層、碳化物層和氧化層以及它們的混合來涂布各種工具(切割，成型，初級成型，塑料)和機械部件(尤其是夾具)以及發動機零件(尤其是活塞環，閥)。已知PVD工藝的特征是高涂布速度，由于蒸發材料的高離子化而導致的致密層結構，以及工藝穩定性。然而，另一方面，已知的陰極真空電弧蒸發技術(CVAE)也有很多缺點。

一個實質的缺點是實踐中不可避免的微滴噴射(droplet emission)，例如納米至微米范圍的小金屬飛濺物噴射，其可在所選應用中在所生成的層中具有負面影響，或者其可在涂布后形成對確定足夠低的粗糙度值絕對重要的表面涂飾(surface finish)。另一個實質的缺點是，并不是所有的陰極材料都可以通過陰極真空電弧蒸發(CVAE)進行工業蒸發；這些例如包括材料諸如si、B、SiC、B₄C和其他對于本領域技術人員本身已知的材料。

在這方面，當典型的DC磁控濺射以在靶上至多20W/cm²的典型時間積分功率密度、在靶上典型地低于0.1A/cm²的電流密度操作時，其不具有上面提到的這兩個缺點。

在此方面，應當注意的是，對于在個別情況中的層粗糙度，，尤其是例如若干微米厚的、在工業條件下制造的厚磨損防護層，經常通過機械加工工序諸如擦光，噴丸(blasting)，拋光等進行后續的修平，以消除由不良生長引發的粗糙度峰。

較之于CVAE工藝，可用于典型DC磁控濺射的材料種類更多。比如，除了金屬及其合金，較低傳導性材料和脆性材料例如Si；B，SiC，B₄C；MoS₂， WS₂及其它也可被濺射。因此層組合物的生產能力的可能性顯著地比在CVAE中更多樣化。

然而，典型DC磁控濺射也有某些缺點。與陰極真空電弧蒸發相比，典型DC磁控濺射的特征是在工廠中較低的涂布速度，這自然也是在許多不同發面中的經濟缺點。另外，由于濺射材料相對較低的離子化，用典型直流磁控濺射制得的層經常具有明顯的柱狀生長的特征，不幸地是，這在許多應用中經常導致層功能性上的缺陷。

因此，典型的DC磁控濺射在過去幾年中被不斷地發展和改進。在這方面，通過以高電流或高電流密度在脈沖模式下操作磁控管，，其導致呈現更致密層形式的改進的層結構，特別是由于濺射材料提高了的離子化，，取得了很大進展。柱狀生長因此被抑制在可預先規定的程度或者甚至可被完全避免。這種利用高電流或高電流密度在脈沖模式下的磁控濺射工藝通常也被稱為“高離子化脈沖磁控濺射”或者縮寫為HIPIMS。HIPIMS中的靶處的電流密度通常超過典型DC磁控濺射中的電流密度，例如它們在高于0.1A/cm²到若干A/cm²，因此可以簡單地將若干100W/cm²至MW/cm²的功率密度施加至靶。

在磁控濺射和陰極真空電弧蒸發(CVAE)中用于沉積層的工藝條件通常不同。

在磁控濺射中經常用Ar作為濺射氣體。加入相應的反應性氣體以反應沉積氮化物、碳化物或氧化物層以及它們的混合。在實際中，經常使用大于用于層沉積的反應性氣體流量的氬氣氣體流量進行工作。涂布壓力通常在0.1-1Pa范圍內。

在CVAE中通常不使用Ar，即采用100％的反應性氣體進行工作。純氮氣經常用于氮化物層的沉積。層的反應沉積經常在0.05-1Pa的壓力范圍下進行。當使用具有高Al份數(portion)的粉末冶金陰極時，在這方面更高的壓力自身已經證明。那么，通常使用的反應性氣體壓力在2-10Pa范圍內。相應地，可以假定關于壓力范圍和使用的氣體之間兼容性的沖突情形。

因此本發明的目的是提供用于制造多層體系的改進涂布方法，以及由此產生的，避免了現有技術中已知缺陷的具有改進了的層體系的基底。

滿足這些目的的本發明主題的特征在于分別的獨立權利要求的特征。

從屬權利要求涉及本發明的特別優選實施方案。