Результат интеллектуальной деятельности: СЛОИ HIPIMS

Данное изобретение относится к слоям из высокопрочных соединений, которые наносятся с помощью физического осаждения из газовой фазы (PVD = Physical Vapor Deposition - нанесение осаждением паров), а именно посредством магнетронного распыления (MS = Magnetron Sputtering).

Двумя основными вариантами процесса магнетронного распыления являются классический способ DC-MS (магнетронное распыление на постоянном токе) и способ HIPIMS (магнетронное распыление импульсами высокой мощности).

В способе HIPIMS поставляющая материал распыления мишень имеет очень высокую плотность разрядного тока, так что в плазме создается высокая плотность электронов, и распыленные частицы в высокой степени подвергаются ионизации. При этом используются плотности мощности между 250 Вт/см² и 2000 Вт/см², и к поставляющему мощность генератору предъявляются тем самым особые требования. В частности, невозможно продолжительное воздействие такой мощности на мишень, поскольку она перегревается и за счет этого повреждается. Поэтому мощность должна быть импульсной. Внутри импульса мощности достигаются очень высокие, желаемые плотности разряда, и мишень нагревается, а во время паузы между импульсами мишень может снова охлаждаться. Длительность импульсов и паузы между импульсами должны быть согласованы друг с другом так, что средняя подаваемая в мишень мощность не превышает порогового значения. Поэтому для способа HIPIMS необходимы генераторы, которые могут подавать очень большие импульсные мощности.

Поэтому в способе HIPIMS используются специальные генераторы, которые работают по принципу разрядки конденсаторов, это приводит к разрядному току, который изменяется во время импульса. Однако контролируемый процесс в части изменения тока и напряжения при этом не достигается. Согласно другому принципу, плазму сначала подвергают предварительной ионизации с мишенью обеспечения увеличения длительности импульса в рамках импульса высокой мощности. При этом разрядным током управляют с помощью модуляции приложенного напряжения. Таким образом, можно создавать импульсы длительностью до 4 мс.

Совершенно другой является ситуация, когда распыление осуществляется с низкой плотностью тока, то есть, например, между 5 Вт/см² и 50 Вт/см². В этом случае можно длительно подавать на мишень мощность. Можно использовать простые генераторы, поскольку не должна отдаваться высокая мощность, а также не требуется импульсная мощность. В данном случае речь идет о классическом способе DC-MS.

При сравнении покрытий HIPIMS со слоями DC-MS обнаруживаются большие структурные различия. Например, слои TiAlN растут в способе DC-MS по существу с колоннообразной структурой (см. фиг. 1). В противоположность этому, в способе HIPIMS можно по существу без встраивания ионов рабочего газа в слой получать тонкую структуру слоя за счет ионизации испаренного металла, поскольку в случае приложения к подложке отрицательного напряжение смещения ионизированные атомы металлов сами ускоряются в направлении подложки. Предпочтительно к этому добавляется то, что в слоях HIPIMS отрицательное напряжение смещения на подложке, вследствие высокой доли ионов в распыленном материале, приводит к слишком сильному уплотнению слоев.

Тонкие слои HIPIMS, хотя являются более твердыми и более плотными, чем грубые колоннообразные слои DC-MS, однако проявляют недостатки относительно адгезии слоя и механических свойств. А именно тонкие слои HIPIMS имеют по сравнению со слоями DC-MS улучшенные характеристики износа, что приводит к более длительному сроку службы. Однако недостатком является то, что об износе, то есть в конце срока службы слоя, не уведомляется, однако предположительно на основе механических свойств он проявляется очень быстро, например в виде отслоений. Таким образом, пользователю очень трудно оценивать, когда необходимо заменять снабженные покрытием инструменты.

Поэтому в основу изобретения положена задача создания слоев, которые имеют типичные для технологии HIPIMS значения твердости, однако износ которых проявляется при применении, например, с помощью возникающей со временем уменьшенной эффективности обработки, так что пользователь имеет возможность замены соответствующих инструментов.

Как указывалось выше, в настоящее время известны генераторы HIPIMS, с помощью которых обеспечивается длительность импульсов максимально до 4 мс. Однако на основе нового способа создания импульсов высокой мощности обеспечивается возможность реализации длительности импульсов 25 мс и больше.

Способ состоит в том, что используется распыляемый катод PVD, который содержит первый частичный катод и второй частичный катод, при этом для частичных катодов задана максимальная средняя мощность нагрузки и при этом задана длительность интервалов между импульсами мощности, и способ содержит следующие этапы:

а) обеспечение генератора с заданной, предпочтительно по меньшей мере после включения и после окончания интервала нарастания мощности постоянной выходной мощностью,

b) включение генератора,

с) соединение первого частичного катода с генератором, так что первый частичный катод нагружается мощностью генератора,

d) отсоединение генератора от первого частичного катода после окончания заданного первого импульса мощности, соответствующего первому частичному катоду интервала,

е) соединение второго частичного катода с генератором, так что второй частичный катод нагружается мощностью генератора,

f) отсоединение генератора от второго частичного катода после окончания заданного второго интервала импульса мощности, соответствующего второму частичному катоду,

при этом первый интервал импульсной мощности начинается по времени перед вторым интервалом импульсной мощности, и первый интервал импульсной мощности заканчивается по времени перед вторым интервалом импульсной мощности, и при этом этапы d) и е) выполняют так, что первый интервал импульсной мощности и второй интервал импульсной мощности накладываются друг на друга во времени, и все интервалы импульсной мощности совместно образуют первую группу, так что выходная мощность генератора остается постоянной без перебоев с начала первого интервала импульсной мощности до конца второго интервала импульсной мощности, и не возникает второй интервал нарастания мощности.

При применении этого способа авторы изобретения неожиданным образом установили, что инструменты, которые были покрыты слоями HIPIMS при длительности импульсов от 5 мс и больше, к концу срока службы инструмента, снабженного покрытием, проявляют существенно другие характеристики, чем инструменты, которые покрыты слоями HIPIMS с более короткой длительностью импульсов. На изображениях, полученные с помощью растрового электронного микроскопа (SEM), показано, что кромки излома слоев, нанесенных с помощью длинных импульсов, интересным образом имеют более грубую морфологию, как это отчетливо видно на фиг. 3. При этом это различие в морфологии слоя можно достигать исключительно за счет вариации длины импульсов без изменения других параметров влияния.

Слои, нанесенные с помощью импульсов длительностью больше 5 мс, согласно изобретению, имеют по сравнению со слоями, нанесенными с помощью коротких импульсов, увеличенный модуль упругости, а также большую твердость.

Например, авторы изобретения в качестве примера наносили слои TiAlN с помощью способа HIPIMS, с одной стороны, с длительностью импульсов 250 мкс и, с другой стороны, с длительностью импульсов 25000 мкс. Слои, нанесенные с помощью импульсов с длительностью 250 мкс, имели модуль упругости примерно 425 ГПа и твердость по Виккерсу 2900, в то время как слои, нанесенные с помощью импульсов с длительностью 25000 мкс, имели модуль упругости 475 ГПа и твердость по Виккерсу больше 3100.

Поскольку с помощью указанного выше способа создания импульсов мощности очень простым образом можно устанавливать длительность импульсов, а также варьировать ее, то внутри одного покрытия обеспечивается возможность создания системы слоев, в которой чередуются слои HIPIMS с более тонкой и более грубой морфологией. Это реализуется простым образом тем, что для нанесения попеременно выбираются небольшая и большая длительность импульсов. Поскольку для обоих видов нанесения измеряются примерно одинаковые напряжения слоев, то такая система чередующихся слоев в соответствии с ожиданиями имеет очень хорошие свойства относительно уменьшения износа. При этом система чередующихся слоев может иметь резкие переходы, так что между мелкозернистым слоем и крупнозернистым слоем образуются регулярные поверхности раздела. Однако возможна также реализация одного или нескольких постепенных переходов за счет не резкого, а постепенного изменения длительности импульсов.

Следует отметить, что на одном и том же этапе нанесения покрытия, естественно, можно изменять также высоту импульса мощности. В частности, можно временно выбирать такую небольшую высоту импульсов, что образуются зоны слоя с типичным для способа DC-MS колоннообразным ростом. Таким образом, возможна также реализация системы из чередующихся слоев HIPIMS и слоев DC-MS, что за счет различных напряжений слоев можно улучшать стабильность системы слоев.