用于借助陶瓷靶進行電弧氣相沉積的方法與流程
技術領域
本發明涉及一種用于借助陰極電弧氣相沉積以及導電陶瓷靶來對工件涂層的方法。本發明尤其是涉及一種用于涂層設備的源，所述涂層設備用于執行上述方法。本發明尤其是涉及一種用于執行上述方法的涂層設備。
背景技術：
已公開的是，通過如下方式來對工件涂層：在真空室中在材料源（下面稱為靶）上產生高電流－低電壓－電弧放電形式的等離子體。要氣相沉積的材料在該工藝中作為陰極設置在電壓源的負極上。借助點火設備點燃電弧。電弧將陰極在一個或者多個陰極斑點上熔融，電流過渡部集中在所述陰極斑點中。在此，電子主要從陰極拉出。因此為了維持電弧，始終考慮在相應的陰極表面上進行電子補給。電弧（或者同義地也稱為Arc）或多或少隨機地在陰極面上移動。出現對小的靶表面區域的極快的加熱，由此局部地對材料進行氣相沉積。這在金屬靶材料的情況下不是問題，因為金屬靶材料基本上具有熱沖擊耐抗性以及導熱性，以便無損地承受通過電弧引起的這種點狀的熱沖擊。
然而在金屬靶的電弧氣相沉積的情況下，小滴問題（Droplet-Problematik）有著重大的影響：通過快速地局部加熱金屬靶材料，來自于熔融的靶材料的肉眼可見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。然而這種措施費事并且通常具有對于涂層速率不利的影響。因為電弧在金屬靶表面上移動得越慢，則小滴形成得越大，所以也存在的可能性是通過如下方式來減少小滴問題：例如借助水平地徑向取向的磁力線來強迫電弧在靶表面上快速移動。已公開的專利申請WO200016373在這方面公開了涂層源的一種配置，其中在金屬靶之后設置有磁性裝置，該磁性裝置在靶的中央區域之外導致這種希望的磁場分布。因為在靶的中央區域中磁場的垂直分量占主導地位，其會在一定程度上捕獲電弧，所以在那里借助覆蓋物來防止電弧到達那里。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電子發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而明顯比在這種金屬化合物的情況下更為復雜。氣相沉積可能更多涉及一種升華過程。大多通過電弧而肉眼可見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的所謂的小滴，然而這些小滴的密度較小，使得無需對其采取其他措施。
與此相對，一個大的問題是，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，電弧的陰極斑點難以經過所述裂縫。還沒有完全清楚為何在裂縫上出現這種捕獲。一種可能的解釋是可能借助所謂的場發射效應，其中在尖端和邊緣上出現變得容易的電子逸出。由于較長的停留時間，在那里的材料附加地被加熱，這在陶瓷材料的情況下導致對于電子發射的閾值局部降低。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射電子的區域的電弧更長地停留在裂縫上。因此在這方面涉及一種自身強化的毀壞性的效應。因此，目前在電弧氣相沉積的情況下，陶瓷靶在工業上基本不使用。碳化鎢形成了對此的例外，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經濟地氣相沉積陶瓷靶的這種迄今在任何情況下在工業標準上都不可能做到的層材料。尤其是應當可以考慮TiN、TiB2、WB和/或還有W2N靶用于借助電弧的氣相沉積，而不會提早出現靶斷裂。
對于TiB2靶，相應地在surface and coating technology 49 (1991)第263頁至267頁O. Knotek, F. Loeffler的文章“ceramic cathodes for arc-physical vapor deposition: development and application”中報告了問題，其發現陰極斑點集中在局部的位置上，這導致板的過熱并且甚至導致板的斷裂。
技術實現要素：
因此本發明所基于的任務是，也能夠借助電弧來經濟地氣相沉積陶瓷靶的這種迄今在任何情況下在工業標準中都是不可能做到的層材料。尤其是應當可以考慮將TiN、TiB2、WB和/或還有W2N靶用于借助電弧的氣相沉積，而不會提早出現靶斷裂。
因此，本發明提出的問題是，如何可以有效地攔截通過電弧而傳輸到靶上的熱沖擊。從濺射技術（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），以便能夠實現有效的散熱。這種冷卻板具有高導熱性，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。由于在濺射時高的靶性能，通過比較高的放電電壓出現至濺射靶上的高的熱輸入，然而均勻地分布在整個靶上。
但是，在電弧氣相沉積情況下出現的、可能導致熱沖擊的熱負荷被局部化，并且特征在于高的熱梯度，這導致陶瓷靶的機械過載。與此相對，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。
因此，在用于借助電弧來氣相沉積的陶瓷靶情況下簡單地使用冷卻板并不導致令人滿意的結果，此外，靶斷裂的危險是突出的。出現的是，局部化的溫度施加通常導致接合連接正是在那里局部地受到損傷，于是在實際上最需要之處不再存在良好的熱接觸。
然而發明人發現，令人吃驚的是，與金屬靶的電弧氣相沉積關聯導致減少小滴問題的一些措施與陶瓷靶關聯導致能夠可靠地并且對設置有冷卻板的陶瓷靶無損地使用電弧氣相沉積。因此根據本發明，執行電弧氣相沉積，使得從其后側上接合有冷卻板的陶瓷靶借助電弧來氣相沉積，其特征在于，電弧被強制為在靶表面上快速移動。
因此，根據本發明的用于電弧氣相沉積的涂層設備的電弧源包括至少一個陶瓷靶，在陶瓷靶的后側上具有良好熱接觸地、優選接合地設置有冷卻板，其特征在于，在所述設備中設置有如下裝置：借助該裝置強制電弧的陰極斑點移動，所述移動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在該位置上的增大的停留可能性。
附圖說明
下面借助附圖示例性地進一步闡述本發明。其中：
圖1在示意性側視圖中示出了帶有根據本發明的靶板的根據本發明的源。
圖2示出了電弧源的根據本發明的組成部分的一個實施形式。
圖3示出了根據本發明的電弧源的組成部分的另一實施形式。
具體實施方式
在圖1中示出了根據本發明的電弧氣相沉積源，如其在用于對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燃設備20（如純粹示意性地示出的那樣）用于點燃電弧。此外，在靶板1和陽極21之間（又純粹示意性地示出）連接有大電流－IH、低電壓UL－直流電壓源23。
根據本發明的電弧源包括導電的陶瓷靶板1，其帶有要氣相沉積的表面2。在靶板1的后側的表面7上，即在背離要氣相沉積的表面2的表面上，與靶板1大面積地有效熱連接地設置有冷卻板10。冷卻板10由具有高導熱性的材料構成。通過大面積的熱接觸，冷卻板能夠將通過陰極斑點而進行至靶表面2上的局部能量輸入快速并且有效地分布到整個靶橫截面上。由此，由于熱沖擊而損毀靶板1的危險已經通過該預防措施而略為減弱。如果冷卻板附加地導電，則可以通過冷卻板10來實現靶板1至電壓源23的電接觸。例如，考慮鉬作為冷卻板材料，然而也可以使用如從濺射技術中已知的其他材料。
優選的是，有效熱連接性通過將冷卻板接合到靶板上來建立。然而已表明的是，雖然有冷卻板，局部仍然出現加熱，該加熱導致電子會局部地更容易逸出。沒有其他措施情況下，斑點因此保持在該位置上，這導致熱沖擊數量級增大，甚至冷卻板不再可以將其攔截。
因此，根據本發明的電弧源此外包括如下裝置：其強制電弧的一個陰極斑點或者必要時的多個陰極斑點在靶上移動，并且必要時強制離開微裂縫。在圖1所示的實施形式中，該裝置包括布置在冷卻板之后的內部的永磁體11和外部的環形磁體13，該外部的環形磁體相對于內部的永磁體11極性相反地取向。由于內部的永磁體11和外部的環形磁體13，在要氣相沉積的表面2上存在從北向南或者從南向北分布的磁力線。在表面2上建立的磁場的水平分量導致電弧的陰極斑點在表面2上的強制移動。與此相對，在該情況中在表面2上建立的磁場的垂直分量導致電弧的一個陰極斑點或者多個陰極斑點基本上保持在表面的相應位置上，或者至少減緩陰極斑點的移動。
因此在本發明的這里所討論的實施形式中，采取措施，以便將陰極斑點保持遠離表面2的其中磁場的垂直分量占主導的區域。因此，在導電的陶瓷靶板1的表面2上將覆蓋物3布置在中央區域中，其中覆蓋物3實現為使得在該區域中不再保證可能在陰極斑點上饋送電弧的電子補給。在該例子中，至少覆蓋物3的表面由非導電材料、例如Al2O3或者氮化硼構成。然而也可能的是，覆蓋物3雖然由導電材料制成，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，防止了或者至少強烈地阻擋了電子補給。
電弧的陰極斑點優選向著考慮足夠電子補給的地方移動，并且由此避開了其中磁場的垂直分量占主導的中央區域6。
不同的根據本發明的布置是可能的，并且本領域技術人員將與其問題匹配地選擇對于其最佳地合適的實現方式。
圖2示意性示出了帶有接合的冷卻板10的靶板1。靶板具有中央鉆孔，并且冷卻板10具有內螺紋，使得根據本發明的屏蔽裝置3可以借助同樣示出的螺釘15擰緊到靶板1和冷卻板10構成的組合物上。
圖3示出了帶有接合的冷卻板10和屏蔽裝置3的靶板1的另一根據本發明的實施形式。在該實施形式中，屏蔽裝置3被引入靶板1的大面積的孔中。優選的是，如所示的那樣，在靶板1上存在屏蔽裝置3的小的過渡部，以避免陰極斑點陷于靶板1的邊緣附近并且在那里在一定程度上被捕獲。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！