硬材料層的製作方法
2023-05-05 10:25:41
專利名稱：硬材料層的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1的前序部分所述的作為氧化的電弧
PVD功能層(32)沉積在工件(30)上的硬材料層，以及如權利要求 21的前序部分所述的一種用硬材料層對工件塗層的方法。
背景技術：
通過饋給電脈沖運行的也稱為電火花陰極的電弧蒸發源長期以來 為所屬技術領域所公知。用電弧蒸發源可以經濟地達到高的蒸發速度 並且從而在塗層時達到高的沉積速度。此外， 一個這樣的源的結構在 技術上實現起來相對簡單。所述源在典型地約IOOA或以上的電流和幾 伏至幾十伏的電壓條件下工作，這可以用相對成本合算的直流電源實 現。這樣的源的一個明顯的缺點在於，在陰極斑的區域中發生非常快 速變化的靶表面熔融，由此形成熔滴，即所謂的微滴，然後所述熔滴 被作為飛濺物甩脫並且凝結在所述工件上，從而不期望地影響層特 性。例如由此使得層結構不均勻並且劣化表面粗糙度。在對層質量高 要求的情況下往往在商業上不能夠採用這樣產生的層。因此人們已經 償試了減輕所述問題，其中用電源的純脈衝運行來運行電弧蒸發源。 然而到目前為止由此在飛'減物形成方面只達到有限的改善。
採用反應氣體在反應等離子中將化合物沉積在金屬耙上直到現在 都只限於製造導電層。在製造不導電的、也就是介電層時，例如在採 用氧作為反應氣體情況下的氧化物加重了飛濺物形成的問題。在這種 情況下所述過程固有的用不導電層重新覆蓋所述電孤蒸發源的靶表面 和反電極譬如陽極以及所述真空處理設備的其它部分，會導致完全不 穩定的特性並且甚至導致熄弧。在這種情況下必須總要重新觸發電 弧，不然由此會使得完全不能夠進行所述處理。
在EPO "6 33SB1中提出為了用電弧蒸發器沉積純金屬材料， 向所述直流電流迭加脈衝式電流以便能夠由此降低DC基礎電流，以減 少所述飛濺物形成。在此需要達5000A的脈沖電流，所述脈衝電流要
在100Hz至50kHz範圍內的相對低的脈衝頻率時用電容器放電產生
下阻止微滴形成。然而在該文獻中沒有說明沉積不導電的、介電層的 技術方案。
在藉助於電弧蒸發源反應塗層的情況下存在不足的反應和過程穩 定性，尤其是在製造絕緣層的情況下。與其它PVD過程(例如噴濺) 相反，藉助於電弧蒸發的絕緣層到目前為止只能夠用導電靶製造。一 種用高頻的工作，譬如在噴濺的情況那樣，直到現在都不成功於缺乏 用高頻運行大電流電源的技術。用脈衝式電源工作是一個選擇。然而， 如前所說明的那樣就總是要重新觸發電弧，或者要把脈沖頻率選擇得 大到不會熄滅火花。在應用特定的材料譬如石墨時這看來是起作用 的，如在DE3901401中所說明的。然而要注意的是，石墨不是絕緣體
而是導電的，即使導電性低於一般的金屬。
在靶表面氧化的情況下不能夠通過機械接觸和藉助於DC電源進行
再觸發。在所述反應電弧蒸發中的真正的問題是在靶上和在所述陽極 上或者在作為陽極接入的塗層腔上覆蓋絕緣層。這種絕緣層在其形成 的過程中提高了火花放電的點火電壓，導致飛賊物和飛弧的增加，這 是一種以火花放電中斷結束的不穩定的過程。隨著所述靶的塗層而來 的島生長減少了導電的表面。 一種強稀釋的反應氣體(例如氬/氧混合 氣體)可以延遲這種在所述耙上的生長，但是過程穩定性的基本問題 沒有得到解決。根據US5103766的提議，即用相應的再次觸發交替地 運行陰極和陽極，儘管對過程穩定性起作用，但是卻導致飛濺物的增 加。
通過一種脈衝式電源譬如在反應噴濺中可能的那樣的出路在一個 傳統電火花蒸發的情況下行不通。這是因為如果中斷電源供給，輝光 放電比電弧的"壽命長"。
為了能夠克服用絕緣層覆蓋靶的所述問題，在製造絕緣層的反應 過程中要麼把反應氣體入口在位置上與所述靶分隔開(於是所述過程 的反應性只是在基底上的溫度使得可以進行氧化/反應時才得到保 證)，要麼採取飛濺物與電離的部分之間的分隔(所謂過濾了的電弧)， 並且在過濾以後向所述電離了的蒸汽添加所述反應氣體。
此外還希望可以進一步減少或縮放所述基底的熱負荷以及存在在
陰極火花塗層中進行低溫處理的可能性。
在WO-03018862中把等離子源的脈衝運行描述為一種降低基底上 的熱負荷的可能途徑。然而在此說明的理由可能對噴濺過程的領域還 成立。它對於火花蒸發不產生任何關係。
對於硬材料塗層的應用範圍，尤其是長期以來存在能夠製造具有 對應的硬度、附著強度並且按照所希望的磨擦特性控制的氧化硬材料 的需要。在此鋁氧化物，尤其是鋁鉻氧化物可以起重要的作用。在PVD (物理蒸發沉積)領域中的迄今為止的現有技術多數隻用於製造珈瑪 及阿爾法鋁氧化物。多數所述方法是雙磁控噴'減，這種方法在這種應 用中在過程可靠性和成本方面有很大的缺點。日本專利只專注於與工 具關聯的層系統並且例如把電弧離子鍍過程用作製造方法。人們普遍 希望能夠沉積阿爾法鋁氧化物。然而當前的PVD方法卻為此需要約700 r或者更高的基底溫度以得到這種結構。 一些使用者希望通過成核作 用層完美地避免這種高溫(TiAlN的氧化、Al-Cr-0-系統)。然而這 不一定使得所述過程便宜和快速。當前看來不可能藉助於電弧蒸發滿 意地製造阿爾法鋁氧化物層。
在現有技術方面歸結有以下的缺點，尤其是涉及用反應過程製造 氧化層
1. 如果在電孤蒸發器陰極或者電弧放電的陽極與帶有反應氣體入 口的基底區域之間沒有給出空間上的分隔，就不能夠穩定地進行用於 沉積絕緣層的過程。
2. 沒有解決飛濺物問題的基本方案不能夠完全反應透聚結物(飛 濺物)，其中在所述層中出現金屬成分，提高了層表面的粗糙性，並 且幹擾層結構和化學計量的均勻性。
3. 實現低溫過程的可能性不充分，因為用高溫相製造氧化物時的 基底熱負荷過大。
4. 到目前為止還不能夠藉助於電弧蒸發製造絕緣層的平坦梯度的 中間層。
與噴賊相反的是，藉助於陰極電火花的塗層實質上是一種蒸發過 程。人們設想，在熱的陰極斑與其邊緣之間的過渡中吸引了不在原子 大小範圍的部分。這種聚結物作為不能夠在飛'減物中反應透的聚結物 而出現在基底上並且造成粗糙的層。這種飛濺物的避免和分散至目前
為止不成功，甚至於對於反應塗層過程完全不成功。在此，例如在氧 氣環境中於電弧蒸發器源的陰極上附加地還構成薄的氧化層，所述薄 氧化層導致飛濺物形成的增加。
發明內容
本發明的任務在於克服上述現有技術的缺點。本發明的任務尤其
是，用至少一個電弧蒸發源經濟地沉積具有更好特性的層，其方式是 通過更較好地電離所蒸發的材料和參與所述過程的反應氣體提高過程 中的反應。在這種反應過程中應當顯著降低所述飛濺物的頻度和大 小，尤其是在製造絕緣層的反應過程的情況下。此外還應當實現較好 的過程控制，譬如控制蒸發速度、提高層的質量、層特性的可調節性、 改善反應的均勻性以及減低所沉積的層的表面粗糙性。這些改善還在 製造梯度層和/或合金的情況下有意義。在製造絕緣層的反應過程的情 況下所述過程穩定性應當普遍地提高。
尤其是應當使得能夠有一種使得能夠經濟地沉積氧化的硬材料 層，即鋁氧化物層和/或鉻鋁氧化物層的電弧蒸發過程，所述層優選地 主要具有阿爾法和/或珈瑪結構。
此外即使在所述方法的經濟性較高的情況下也應當能夠實現一種 低溫過程，所述溫度優選地在700TC以下。此外還應當把裝置以及是尤 其是脈衝式運行用的功率耗費保持得很低。以上說明的任務既可以單 個地出現也可以依據相應要求的使用範圍以其組合出現。
根據本發明所述任務通過權利要求1所述的用一種電弧蒸發PVD
方法製造的硬材料層完成，並且通過採取權利要求n的在工件上製造
這樣一種層的方法完成。從屬權利要求確定其它有利的實施方式。
根據本發明所述任務的解決是通過在工件上沉積一種硬材料層 作為電弧PVD功能層，其中該功能層基本上構成為由金屬(Me) Al、 Cr、 Fe、 Ni、 Co、 Zr、 Mo、 Y至少之一組成的電絕緣的氧化物，並且 所述功能層具有低於2%的惰性氣體和/或卣素的含量。其中惰性氣體的 含量優選地低於0.1%，尤其是低於0. 05%，或者更好地是零，和/或卣 素的含量優選地低於0. 5%，尤其是低於0. 1%，或者更好地是零。這些 氣體應當以儘可能小的規模出現在所述層中，因此只用純的反應氣體 或者沒有惰性氣體譬如He、 Ne、 Ar的純反應氣體混合物或者卣素氣體
譬如Fh Cl2、 Br2、 L或者含卣素的化合物譬如CF6或者類似物進行所
述電弧蒸發過程。
公知的CVD過程用卣素氣體在約11001C的不希望高溫條件下沉積
一個層。公知的噴濺過程在反應處理條件下也用高含量的惰性氣體譬 如氬運行。這樣的氣體在所述層中的含量應當在前述的值之下或者優 選地是零。如本發明所述的脈衝電弧蒸發過程不用這樣的過程氣體也 能夠勝任。
申請號為CH00518/05的在先專利申請基本上已經為解決該問題
提出了一個技術方案組。該申請提出了一個第一技術方案，所述第一 技術方案尤其良好地適於完全反應的靶表面並且相對於DC驅動的蒸發
器耙來說明顯減少了飛濺物的形成。在該申請中提出對所述電孤蒸發 源的DC饋電用一個脈沖電源迭加高電流脈衝，如在圖2中示意地示出。
在較高的經濟性的同時進一步地減少飛濺物和降低其大小通過下 面的專利申請CH01289/05的做法達到，該專利要求CH00518/05的優 先權並且形成其擴展。在該申請中， 一種用於對工件進行表面處理的 真空處理設備具有至少一個電弧蒸發源，所述至少一個電弧蒸發源包 含與一個DC電源連接的第一電極，其中附加地設置一個與所述電弧蒸 發源分開安放的第二電極，並且這兩個電極都與一個脈衝電源連接。 從而在這兩個電極之間僅用一個單個的脈衝電源運行一個附加的放電 路段，所述脈沖電源在非常良好的過程可控制性的同時實現所參與材 料的特別高的電離。
在此所述第二電極可以是另一個電弧蒸發源、 一個工件固定裝置 或者所述工件本身，由此在這種情況下把所述笫二電極作為偏置電極 運行，或者所述第二電極也可以構成為蒸發缽，所述蒸發缽構成一個 低電壓電弧蒸發器的陽極。
一個尤其優選的實施方式在於，這兩個電極各是一個電弧蒸發源 的陰極，並且這兩個電弧蒸發源各直接與一個DC電源連接以維持保持 電流，並且其中這兩個陰極都與一個單個的脈沖電源連接，其連接方 式是使得所述電弧或者說這兩個源的電弧放電在運行中不會熄滅。 從而在該配置中只需要一個脈衝電源，因為該脈衝電源直接地接在電 孤蒸發器的這兩個陰極之間。除了所述過程的高電離度和良好的可控制性以外還設置了所述配置的較高的功效。在這兩個電極與由此附加 地產生的脈衝—放電路段之間，在該放電路段對面構成一個有負的部 分和正的部分的雙極脈衝，由此可以把饋入的交變電壓的整個周期長 度都用於所述過程。實際上不出現不被利用的脈衝間歇，並且不論是 負脈沖還是正脈衝都無間斷地一起用於所述過程。由此另外提高了沉 積速度，而不必使用附加的昂貴的脈沖電源。這種具有兩個電弧蒸發
1。用這種配置甚至可以完全地l欠棄支"的惰性氣體，譬如氬，並且 可以用純反應氣體工作，甚至以令人吃驚的方式用純氧氣工作。通過 由此可達到的不論是蒸發的材料還是反應氣體譬如氧氣的高電離度， 產生具有較高的質量的不導電層，所述質量幾乎夠得上散裝材料的質 量。在此所述過程進行得非常穩定，並且令人吃驚的是急劇地降低或 者近乎完全避免了飛'減物形成。然而上述的優點還可以通過用其它的 源作第二電極達到，譬如用一個偏置電極或者一個低壓電弧蒸發缽， 儘管所述有利作用不會達到用兩個電弧蒸發器的配置所達到的同樣的 程度。
本申請要求這兩個上述的申請CH00518/05和01289/05的優先 權，這兩個在先申請基本上為本發明沉積不導電的氧化層的任務展示 出一個第一技術方案組。在本申請中提出的發明在過程進行和應用方 面形成一種擴展。因此這兩個申請都是本申請的集成的組成部分。
下面參照附圖用實施例詳細地說明本發明。在附圖中
圖1示出對應於現有技術的一種電弧蒸發器塗層設備的一個示意
圖2示出在用迭加的大電流脈衝運行的情況下具有一個DC饋電的
電弧蒸發源的如本發明第一配置；
圖3示出根據本發明的具有兩個DC饋電的電弧蒸發源和接於其間 的大電流電源的第二配置，即一種雙脈衝電弧蒸發配置；
圖4示出根據本發明作為多重層的沉積層的橫截面；
圖5示出根據圖4的層放大了的橫截面。
具體實施例方式
圖1中示出一個真空處理設備，所述真空處理設備具有用一個DC 電源13運行一個電弧蒸發源5的由現有技術公知的配置。所述設備l 配備一個泵系統2，用於在所述真空處理設備1的腔內產生所需要的真 空。所述泵系統2使得能夠在< 101亳巴的壓力下運行所述塗層設備並 且還用典型的反應氣體譬如02、 N2、 SiH4、氫氣等等確保運行。所述反 應氣體通過一個氣體入口 11 i丈入腔1中並且在所述腔中對應地分布。 此外還可以通過另一個氣體入口放入附加的反應氣體，或者還在例如 對蝕刻過程或者對沉積非反應層需要時放入惰性氣體，譬如氬氣，以 單個地和/或混合地使用所述氣體。安放在所述設備中的工件固定裝置 3起容納和電連接在此不再示出的工件的作用，所述工件通常用金屬的 材料製造，並且用於用這樣的過程沉積硬材料層。 一個偏置電源4與 工件固定裝置3電連接，用於在所述工件上施加基底電壓或者說偏置 電壓。所述偏置電源4可以是一個DC或者AC電源或者是一種雙極脈 沖或者單極脈衝基底電源。通過一個過程氣體入口 ll可以放入一種惰 性氣體或者一種反應氣體，以在所述處理腔中預先給定和控制過程壓 力和氣體組成。
電弧蒸發源5的組成部分是一個靶5 、以及置於其下方的冷卻板， 和一個安放在所述靶表面的周邊區域中的火花塞7以及一個包圍所述 耙的陽極6。用一個開關l4可以在所述電源13的正極的陽極6的浮動
運行與用確定的零電位或者接地電位的運行之間進行選擇。用所述火 花塞7例如在觸發所述電弧蒸發源5的電弧時產生與所述陰極的短暫 接觸並且然後再把它拿開，由此觸發電火花。例如為此火花塞7通過 一個限流電阻與陽極電位連接。
如果所述過程做法需要，所述真空處理設備1可以附加地配備一 個附加的等離子源9。在這種情況下，等離子源9構成用熱陰極產生低 電源電弧的源。所述熱陰極例如可以構成為安放在一個小的電離腔中 的絲極，在所述小的電離腔中用一個氣體入口 8放入一種工作氣體， 例如氬氣，以產生在真空處理設備1的主腔中展開的低壓電弧放電。 一個用於構成所述低壓電弧放電的陽極15對應定位地設置在真空設備 1的所述腔中並且以7>知的方式和方法用一個在離子源9的陰極和陽 極15之間的DC電源運行。在需要時可以設置附加的線團10、 10、，
例如圍繞空間處理設備1放置的斧柄木那樣(helmholzartig)的配 置，用於磁聚焦或者引導所述低壓電弧等離子。
對應地根據本發明，如圖2所示附加地用一個脈衝大電流電源16、 饋電也就是運行第一電弧蒸發源5。該脈沖電源16、有利地直接迭加所 述DC電源。當然必須相互電退耦地運行這兩個電源，以對其加以保護。 這可以通常地用濾波器進行，譬如用電感，如電子領域內普通技術人 員熟知的那樣。對應於本發明在這樣的配置中已經可以只用純反應氣 體或者反應氣體混合物來沉積層，譬如氧化物、氮化物等等，而不需 要不受歡迎的支持氣體成分，譬如在PVD噴濺過程中的氬或者CVD過 程中的卣素前體。尤其是因此實現了非常難於經濟地達到的、以所希 望的結晶形式產生不導電的純氧化物並作為層沉積。這種反應的脈沖 電弧蒸發方法在本文中稱為RPAE方法。
在本發明真空處理設備的另一個更好的實施方式中，除了一個具 有靶電極5、的笫一電弧蒸發源5以外還設置具有第二靶電極20、的第 一電孤蒸發源20，如在圖3中所示。這兩個電弧蒸發源5、 20各用一 個DC電源13、 13、運行，運行的方式是所述DC電源用一個基礎電 流確保維持所述電弧放電。DC電源13、 13、對應於當今的現有技術並 且可以成本合算地實現。構成這兩個電弧蒸發源5、 20的陰極的兩個 電極5、、 20、對應於本發明地各與一個脈衝電源16連接，所述脈衝電 源能夠在這兩個電極5 、、20、上輸出具有一定脈衝波形和升降沿陡度的 大脈衝電流。在圖3所示的配置中這兩個電弧蒸發源5、 20的陽極6 與處理設備1的地電位關聯。由此也稱為雙脈衝式電弧蒸發(DPAE )。
還可以接地或者無接地運行所述電弧放電。在優選無接地的情況 下第一 DC電源13以其負極與第一電弧蒸發源5的陰極5 、連接，並以 其正極與第二電弧蒸發源"的對置的陽極連接。類似地運行第二電弧 蒸發源"並且第二電源13、與第一電弧蒸發源5的陽極的正極連接。 這種對置地運行所述電弧蒸發源的陽極導致在過程中更好地電離所述 材料。所述不接地的運行或者說懸浮或者浮動地運行電弧蒸發源5、 20 還可以不採用對置的陽極饋電地進行。此外還可以設置一個開關14， 以有選擇地在不接地的和接地運行之間切換，如在圖1中所示。
這種"雙脈衝模式"的電源必須能夠覆蓋不同的阻抗區域，並且 即使如此在電壓上也是"硬"的。這意味著，所述電源必須提供大的
電流，並且在此還有在很大程度上可以電壓穩定地運行。這樣的電源
的一個例子在與前述專利申請CH1289/05的同一日以CH518/05號並 列地提出了申請。
本發明的第一且優選的應用範圍是利用兩個脈衝式電弧蒸發源 5、 20的陰極電火花蒸發，如其在圖3中所示。在該應用中阻抗在約 0. OIQ至1Q的區間內。在此還必須注意，通常在其間"雙脈沖"的所 述源的阻抗是不同的。這可能由於該源由不同的材料或者合金構成、 所述源的磁場不同或者所述源的材料損壞處於不同的階段。現在所述 "雙脈衝模式"使得能夠這樣地通過調節脈衝寬度進行平衡使得兩 個源吸收相同的電流。結果在所述源上導致不同的電壓。當然還可以 在電流方面不對稱地加栽所述電源，如果對於所述過程進行是值得追 求的話，這例如對不同材料的梯度層是這樣。相應離子的阻抗越小， 電源的電壓穩定性就越難於實現。因此電源對不同的輸出阻抗的可切
換性或者受控的可跟蹤性是尤其有利的，如果想要充分地利用其功率 的全部範圍的話，所述功率範圍例如也就是在500V/100A至50V/1000A
的範圍，或者如同在並列申請CH518/05中實現的那樣。
這樣一種雙脈衝式陰極配置並且尤其是由兩個電弧蒸發源構成的
雙脈沖式陰極配置的優點綜合如下
1. 在陡直脈衝情況下提高的電子發射產生較大的電源(還有基 底電流)和所述蒸發的材料和反應氣體的較高的電離；
2. 較高的電子密度還對較快速的基底表面放電起作用，在製造 絕緣層的情況下，就是說在基底上的再充電時間比較小(或者還只是 偏壓的脈衝間歇)就足以放電所述構成的絕緣層；
3. 在兩個陰極的電弧蒸發源之間的雙極運行使得能夠有近於 100%的脈衝-間歇比例(佔空比)，而僅用一個源的脈沖總是需要一 個間歇並且因此效率不是太高；
4. 相互對置的兩個陰極火花源的雙脈沖式運行把所述基底區域 浸入密集的等離子中並且提高了該區域中的反應，也提高了反應氣體 的反應。事實表明還提高了基底電流；
5. 在氧氣環境中的反應處理可以在脈衝式運行中達到更高的電 子發射值，並且看來在很大程度上避免了在傳統蒸發金屬靶的情況下 所出現的電火花區域熔融。在沒有其它雜質氣體或者支持氣體的純氧 化反應模式的工作現在毫無問題地實現了 。
為了在以上說明的本發明的各種可能的實施方式的情況下能夠達
到所闡述的有利的過程特性，所述脈衝電源16、 16、必須滿足各種條 件。在雙極的脈衝形成的情況下必須能夠在從10Hz至500kHz範圍內 的一種頻率下運行所述過程。由於電離性能，在此重要的是脈衝的可 規定的升降沿陡度。不論是上升沿U2 (U-tl) 、 Ul/(t6-t5)還是下 降沿U2 ( t4-t3) 、 Ul/(t8-t7都應當具有在0. 02V/ns至2. 0V/ns的 範圍內的陡度，並且至少在空栽運行的情況下也就是說無負荷的情況 下是這樣的，優選的是有負荷時也在所述範圍內。視對應的負荷大小 或者所施加的阻抗或者對應的設定而異，在運行時所述升降沿陡度當 然起作用。在雙極的圖示中的脈沖寬度對t4至tl和t8至t5有利的 是》l^is，其中，間歇"至t4和t9至"有利地可以是基本上為0, 但是在一定的前提條件下也可以》Ops。如果所述脈沖間歇>0，就把 這種運行稱為有間隙的，並且可以例如通過脈衝間隙寬度的可變的時
間推移調節輸入到等離子中的能量並且調節其穩定性。尤其有利是， 這樣地設計所述脈沖電源使得在1000V的電壓下可以實現達到500A
的脈衝運4亍，其中，在此脈衝間歇比例(佔空比)必須對應地加以考 慮或者必須針對所設計的電源的可能功率匹配脈衝間歇比例(佔空 比)。除了所述脈沖電壓的升降沿陡度以外優選地還要注意，所述脈 衝電源16能夠在至少ljus的時間把電流上升到500A。
隨著以上說明的用DC饋電和迭加的大電流脈沖饋電運行電弧蒸發 源(RPAE、 DPAE)，能夠高質量地用反應氣體環境從一個或者多個金 屬靶向一個工件30沉積對應的金屬化合物。這尤其適於產生純氧化 層，因為該方法完全不需要附加的支持氣體，譬如惰性氣體，這一般 是氬。從而電弧蒸發器5、 20的等離子放電可以例如並且優選地在所 希望的工作壓力下於純氧氣的環境中進行，而不會不穩定放電、防礙 放電或者得出不需要的結果，譬如過強的飛濺物形成或者差的層特 性。還不需要如在CVD方法中那樣必須使用卣素化合物。這首先是實 現了在低的過程溫度，優選地是在5001C以下，經濟地製造高質量的耐 磨損的氧化硬材料層，所述硬材料層在結果上卻是耐高溫的，優選地 耐> 8 0(TC的溫度並且所述硬材料層化學上非常穩定，例如有高的氧化 穩定性。此外為實現一種穩定的層系統應當儘可能地避免氧氣隨著與
此關聯的氧化在底部的層系統中和/或在工件上的滲透。
現在可以亳無困難地用元素周期表的副族IV、 V、 VI的過渡金屬 和A1、 Si、 Fe、 Co、 Ni、 Y在純氧氣作為反應氣體的環境中產生氧化 層，其中優選A1、 Cr、 Mo、 Zr以及Fe、 Co、 Ni、 Y。功能層應當是一 種或者多種這些金屬的氧化物不含氣體和/或滷素譬如Cl ，但是至少含 有低於0. 1%或最好低於0. 05%的惰性氣體和低於0. 5%或者最好是低於 0.1%的卣素，以達到所述希望的層質量。
這樣的功能層32或者多層系統33 (Multilayer)尤其是作為硬 材料層應當有0. 5至Upm範圍，優選地1. 5至5. 0pm的厚度。所述 功能層可以直接沉積在工件30上，所述工件是一個工具、 一個機器部 件，優選的是一個刀具，譬如一個轉向刀板。在該層與工件30之間還 可以沉積至少一個其它層或者層系統，尤其是構成一個中間層31,所 述中間層構成一個附著層並且優選地包含元素周期表的副族IVa、 Va 和Via的金屬和/或Al或者SI或者其混合物。良好的附著特性用這些 金屬與N、 C、 0、 B或者其混合物的化合物達到，其中所述化合物優選 地包含N。中間層31的層厚應當在0. 05至5 pm的範圍，優選地在0. 1 至0. 5 Mm的範圍。功能層32和/或中間層31的至少一個可以有利地 構成為演化層34，由此造成各個層的特性更好的過渡。所述演化可以 從金屬開始，經過氮化物至氮氧化物並且一直演化到純氧化物。也就 是構成一種演化區域34，在此相互接觸的層的材料相互混合，或者如 果沒有中間層的話則工件材料相互混合。
在需要時，在功能層32上可以沉積另一個層或者層系統35作為 覆蓋層。 一個覆蓋層35可以沉積成為附加的減磨擦層，以進一步提高
被覆蓋的工件的磨擦性能。
視要求而異上述的層或者層系統的一個或者多個層可以在它們相 鄰界的區域中構成為演化層34，或者在各個層內部產生任意方式的濃 度梯度。在本發明中這通過在真空設備1中受控制地放入反應氣體實 現，以調節反應電弧等離子過程所需的各氣體類型和氣體量。
現在還可以毫不困難地用所希望的硬材料特性製造鋁氧化物層 (A 1203 )作為功能層32，所述鋁氧化物層甚至主要具有化學計量的組 成。作為功能層32特別有利的硬材料層主要由一種(A"Me卜x) A形 式的鋁金屬(Me)混合氧化層組成，其中Me是Cr、 Fe、 Ni、 Co、 Zr、
Mo、 Y的一種，單個或者混合的，可以視參與材料的期望成分x、 y和 z而異地調節。另外特別優選的是鉻作為金屬Me構成在(Al,Me卜J y0z 的金屬混合氧化物中，這從而構成(AlxCri-x) y(h或者(AlCr) 702的形 式。在此在層5中金屬鉻的成分l-x應當有5-80At%，優選地是10到 60At% (原子％)。
非常適於作硬材料功能層32的還有一種金屬氮化物，尤其是鋁鉻 氮化物(AlCr) yNz或者還可以是(AlTi) yNz。
通過過程進行的有針對性的手段，現在還可以在鋁氧化物和鋁鉻 氧化物的情況下達到特別希望的阿爾法和/或珈瑪結構。
由於上述通過控制反應氣體的輸送而簡單地以層組成調節層條件 並且由於穩定的過程進行，第一次可以製造有任意多層的並且有任意 組成以及甚至有演化的多層系統(Multilayer) 33。在此可以用不同 的材料製造多層，並且往往有利的是用交替的相同材料製造成一種夾 層方式。對於硬材料功能層32， 一種材料組成周期性改變的具有重複 的層序列對33的層系統是有利的。首先一個從Mei至Me2氧化物和/或 從Mei氮化物到Me!氧化物和/或從Mei氮化物到Me2氧化物的結構帶來 在功能層或者其層系統的使用壽命和較少的開裂形成方面優良的結 果。 一個作為多層33的功能層32的例子示出在圖4中並且以放大的 橫截面示出在圖5中。圖中示出用本發明所述的方法優選地按化學計 量的材料組成製造的鋁鉻氮化物(AlCr) A與鋁鉻氧化物(AlCr) x0y 交替的一種優選的材料對。在該例中所述疊層包含42個具有交替的材 料的層對，如以上所說明的。作為多層33的功能層32的總層厚約4. 1 Him，其中一個層對也就是說兩個層的厚度為98nm。
其它優選的材料對是用根據本發明的方法優選地按化學計量的材 料組成製造的交替的鋁鋯氮化物(AlZr ) A與鋁鋯氧化物(AlZr ) x0y。 對於作為功能層32的硬材料層，這在所述多層系統33具有至少20個 層時是有利的，優選地達到500個層。在此每個層的厚度在0. 01至0. 5 pm的範圍中，優選地在0. 02至0. 1 nm的範圍。在所述層的各個相 鄰的區域中也可以看到提供良好的過渡性能的演化34。
在圖4所示的例子中還在功能層32、 33上沉積一個覆蓋層35作 為磨擦減輕層。所述覆蓋層由鈦氮化物構成並且約0. 83pm厚。
作為例子在所述功能層下方還附加地設置一個中間層31作為粘附
層，所述粘附層約1. 31 nm厚並且作為Al-Cr-N中間層用RPAE沉積在 工件30上。
在此提出的塗層，不論是單個層還是多層系統，都應當優選具有 一個不低於2 jam的Rz值和/或一個不低於0. 2 M m的Ra值。這些值分 別在可能的表面後處理之前，譬如在刷、照射、拋光等等之前，直接 地在所述表面上測量。從而這些值表現為純過程決定的表面粗糙度。Ra 理解為根據DIN4768的平均粗糙度。這是粗糙度輪廓R在整個測量段 L內與平均線的所有偏離的算術平均值。Rz理解為根據DIN4768的平 均粗糙深度。這是在粗糙度輪廓中五個相繼的單個測量段1。中單個粗 糙濃度的平均值。Rz只取決於最高的峰與最深的谷之間的距離。通過 構成平均值減少單個的峰(谷)的影響，並且計算其中包括所述R輪 廓的帶的平均寬度。
根據本發明所提出的塗層尤其適用於工具、刀具、變型工具、壓 鑄工具或者沖模工具，但是特別地適用於轉向刀板。
下面說明在採用本發明的條件下在反應的脈沖電弧蒸發塗層過程 中的一種基底處理的典型流程。除了在其中實現本發明的真正的塗層 過程以外，還說明涉及所述工件的預處理和後處理的其它過程步驟。 所有這些步驟都可以包括許多變例，在一定的條件下還可以去掉、縮 短或者延長或者組合一些步驟。
在第 一步驟中通常使所述基底受到溼化學清潔，所述溼化學清潔 可以視材料和以前的層而異不同地進行。
例1:
描述藉助於RPAE (反應脈衝電弧蒸發)製造Al-Cr-0層32 (以及 Al-Cr-N/Al-Cr-0多層33)和Al-Cr-N中間層31的典型過程流程， 用於對工件30，譬如刀具，優選旋轉刀板塗層。
1. 如領域內普通技術人員所公知地預處理(清潔等等)工件(30) (基底)。
2. 在為此設置的固定裝置中放入所述基底並且送入所述塗層系統
中
3. 如領域內普通技術人員所公知地藉助於一個泵系統把所述塗層 腔抽吸到約1"亳巴的壓力(前泵/擴散泵、前泵/渦流分子泵，可以達 到約10—7毫巴的最終壓力)
4. 在氬-氫等離子或者其它的等離子處理中用加熱步驟在真空中
開始所述基底處理。無限制地可以用以下的參數進行這種預處理
低壓電弧放電的等離子，具有約100A的放電電流、達200A、達
4 0 0A ，優選地把所述基底作為這種低壓電弧放電的陽極接入。 氬氣流50sccm 氫氣流300sccm
基底溫度500。C (部分通過等離子加熱、部分通過射束加熱) 處理時間4 0分4中
優選地在該步驟過程中在基底與地或者其它的參照電位之間設置 一個電源，利用該電源既可以用DC (優選是正的)也可以用脈沖式DC (單極的、雙極的)對基底加載，或者也可以作為MF (中頻)或者RF (高頻)對基底加載。
5. 下個過程步驟是開始蝕刻。為此在燈絲與輔助陽極之間運行所 述低壓電弧。在基底與地之間接入一個DC、脈衝式DC、 MF或者RF電 源並且優選地用負電壓加載所述基底。在脈衝式電源和MF、 RF電源的 情況下還在基底上施加正電壓。可以單極地或者雙極地運行所述電 源。在該步驟過程中典型的然而並非排它的過程參數是
氬氣流60sccm 低壓電弧放電電流150A
基底溫度5001C (部分通過等離子加熱、部分通過射束加熱) 處理時間30分鐘
為了在製造絕緣層的情況下保證所述低壓電弧放電的穩定性，要 麼用較熱的、導電的輔助陽極15工作，要麼在輔助陽極與地之間接入 脈衝式大電流電源。
6. 用所述中間層開始塗層(約15分鐘)
藉助於電火花蒸發覆蓋CrN中間層300nm (源電流140A、 Ar80sccm、 N2 1200sccm，具有-80V或者-1 OOV的偏置，下降到-60V 或者40V。
所述塗層可以用也可以不用低壓電弧進行。
7. 向功能層的過渡(約5分鐘)
在向真正的功能層過渡中把電弧源附加地與一個第二電源的單級 DC脈沖並聯地迭加，所述第二電源可以用50kHz運行(圖2)。附加
地以相同的方式運行一個Al靶，以把AlCr製造成層。在所述例子中 以lOju s脈衝/10p s間歇工作並且在該脈衝中產生達150A的電流。 然後放入200sccm的氧氣。
8. 返回AlCrN塗層
在氧氣流穩定以後，進行AlCrN塗層的沉積。為此降低N2氣流。 這種下降進行約IO分鐘。接著把Ar氣流下降到零(如果不用低壓電 弧工作的話)。
9. 用功能層32塗層
用真正的功能層對基底塗層是在純反應氣體中進行的(在這種情 況下是氧氣)。最重要的過程參數是 氧氣流400sccm
基底溫度5001C DC源電流6 OA
對於所述DC源電流迭加一個具有脈衝頻率50kHz和10y s脈衝 /IOjlxs間歇的脈衝特性的脈衝式DC電流(單極的)。
在塗層腔中的過程壓力是9x10—3毫巴。在基底上的偏壓返回到-40。因為鋁氧化物涉及絕緣層，所以採用或DC脈衝式或作為MF (50kHz-350kHz)運行的偏置電源。
所述塗層還可以與低壓電弧同時進行。在此情況下實現反應的提 高。此外在塗層過程中同時地使用所述低壓電弧還有可以減少所述源 的DC成分的優點。隨著提高電弧電流還可以進一步地減少所述DC成 分。
這樣進行的塗層過程在多個小時期間是穩定的。所述靶5、 5、上覆 蓋了薄的、光滑的氧化層。儘管所述靶表面由於氧氣改變卻不出現絕 緣的島，這也用點火電壓的提高來表示。靶表面基本保持光滑。電弧 安靜地運行並且劃分成許多更小的電弧。顯著降低了飛濺物形成。
所描述的過程是一種基礎的優選方式，因為它對脈沖電源的要求 很低。DC電源提供電弧的最低電流或保持電流，而脈衝式大電流電源 16、 16、用於避免飛賊物並且確保過程穩定。
一種產生多層33，即上述層例的多層系統33的可能性現在在於， 在所述層沉積的過程中降低或者完全關閉氧氣氣流，而通入氮氣流。 這可以用排它或者混合的氧氣-氮氣濃度周期和非周期地進行。以此方
式製造舉例地用橫剖面在圖4和在圖5中放大地示出的多層。在許多 情況下該功能層32向外結束所述塗層，在其上沒有後續的其它層。
視應用和需要而異可以用一個或者多個覆蓋層35 "在頂部上給 予，，磨擦特性。以上說明的具有TiN頂層的AlCrN/AlCrO多層的例子 同樣地示出在圖4中。在此情況下所述至少一個覆蓋層35例如可以是 一種磨擦降低層，其中硬材料層32或者所述功能層或者所述多層用作 磨擦降低層的支持層。
如果希望製造帶有特別薄的含氧化物的層厚的多層功能層33或多
層中間層時，這還可以在一個優選的過程變例中如下地進行在氧氣 流的情況下把構成氧化物的靶的運行進行到直到所述靶顯示第一中毒 現象(電壓上升，多數是在數分鐘以後)並且然後分別重新切換到氮 氣流為止。該過程變例特別的簡單並且可以用現有技術(圖1)實現， 也就是說沒有靶-脈衝運^f亍地實現。然而卻不能夠把所述層厚與相應的 要求自由匹配。
在用兩個或者多個蒸發源的雙脈沖運行中實施上述例子在過程引 導和經濟性方面帶來附加的優點。 例2:
藉助於DPAE (雙脈衝電弧蒸發器)用一種Al-Cr-0硬材料層系統 "和Cr-N中間層31來覆蓋工件30，所述工件譬如是刀具，優選的是 轉向刀板。
步驟1至5 (含)類似於例1。
6. 用所述中間層開始塗層(約15分鐘)
藉助於電火花蒸發覆蓋AlCrN中間層300nm (耙材料AlCr (50%、 50%)、源電流180A、 N2 800sccm，具有-180V的雙極偏壓(36 y s 負，4ys正))。
所述塗層可以用也可以不用4氐電壓電弧進4亍。 直到此點都遵循例如在圖1中所描繪的現有技術。
7. 向功能層32的過渡(約5分鐘)
在向真正的功能層過渡中把氮氣從800sccm下降到約600sccm並 且然後接入400sccm的氧氣。現在關閉氮氣流。
8. 用功能層32塗層
現在在這兩個電弧蒸發器陰極5、 20之間投入運行雙極大電流電
源16，如在圖3中所示。在所述過程中用約50A的時間上的正或負的 均值電流工作。正的及負的電壓區域的脈衝寬度各為10ps，在其間於 W0V的電壓下各有s的間歇。流過所述雙極脈衝電源16的電流 峰值取決於相應的脈衝波形。流過各電弧蒸發器陰極5、 20的DC電流 與雙極脈衝電流的峰值之間的差不得低於所述電火花蒸發器陰極5、 20 的保持電流，因為不然就會發生電弧(火花)的熄滅。
在所述塗層的頭10分鐘中把偏壓從-180V上升到—0V。對於雙旋 轉工件30的典型塗層速度在3pm/h與6pm/h之間。
也就是用真正的功能層32對工件30的塗層是在純反應氣體(在 該例的情況下是氧氣)中進行。最重要的過程參數再次總結為
氧氣流400sccm
工件溫度5001C
DC源電流180A，不論是對Al源還是對Cr源。 在這兩個陰極之間的雙極脈沖式DC電流具有"kHz的頻率。 處理壓力約9 x 10 3毫巴。
如前所說明，所述塗層還可以與低壓電弧的運行同時進行。在此 情況下首先在所述工件中達到反應的提高。此外在塗層過程中同時地 使用所述低壓電弧還有可以減少所述源的DC成分的優點。隨著提高 電弧電流還可以進一步地減少所述DC成分。
這樣進行的塗層過程在多個小時過程中也是穩定的。所述耙5、 20' 上覆蓋薄的、光滑的氧化層。這是所希望的並且是一個很大程度上無 飛濺物且穩定的過程的前提。該覆蓋用耙上電壓的提高來表明。
用不同的層對工件塗層並且在同一條件下進行一種實際的比較檢測。
旋轉檢測的檢測條件
作為這種檢測的指標採用公知的TiAlN層和公知的、藉助於CVD 沉積的阿爾法鋁氧化物層。在所有的檢測層中都研究4 urn的層厚。作 為檢測的材料採用不鏽鋼(1.1192)。作為旋轉周期分別選取l、 2和 4分鐘。切削速度為350m/min，進給0. 3mm/rev，嚙合深度2mm。所 述條件選擇為在工件的刃溫度很高的情況下可以達到短的檢測時間。
研究在游離面和張緊面上的磨擦以及所處理的鋼的表面粗糙度， 並且確定直到達到 一定的提高的粗糙度時的時間間隔。作為磨損的定
量標準確定其使用壽命。
結果
a) CVD阿爾法鋁氧化物層(現有技術)， 層厚d=4 pm。
所述工件經受住了 4分鐘的檢測。然而在SEM中在該檢測以後所 述張緊面上卻不再有層材料了 。
b) TiAlN層(現有技術)，d-4jnm。
該層在不到2分鐘之後就表現出首次損壞並且在所述工件上提供 粗粒的表面。 本發明
c )AlCrN中間層，d-O. 4 AlCrN/AlCrO多層，d=3. 6 ym TiN頂層，d=0. 8 y m 壽命4分鐘
d) AlCrN中間層，d-O. 4 y m AlCrN/AlCrO多層，d-3.6pm。 3分鐘40鈔
e ) AlCrN中間層，d=0. 3 p m AlCrO單層，d=2. 9pm TiN頂層，d=0. 9 jam 4分鐘
f )AlCrN中間層，d-0. 35 jnm AlCrO單層，d=3. 5 pm 3分鐘20鈔
g) ZrN中間層，d=0. 3pm ZrN/AlCrO多層，d=3. 8 p m ZrN頂層，d=0. 5 |uin 3分鐘10鈔
h) ZrN中間層，d=0. 2pm ZrO/AlCrO多層，d=6. 4 y m ZrN頂層，d=0. 8 pm 4分鐘
i )AlCrN中間層，d=0. 5 Mm AlCrO/阿爾法鋁多層，d=8.2Mm 4分鐘
k) (Ti、 AlCrN)中間層，d=0. 4jum AlCrO/TiAlCrN多層，d=4.5ym 3分鐘50秒
含有用所說明的材料製造的氧化層的層或者說多層在高的切削速 度下顯示出明顯少的磨擦。根據現有技術的導電層(TiAlN)在高的切 削速度下在磨擦方面明顯地次於如本發明所述的氧化系統。用(AlCr) ,02和(AlZr ) yOz製造的如本發明所述的系統顯示出與公知的用a-鋁氧 化物類似的很低的磨擦，但是沒有塗層過程的高溫度負荷或者由於工 件的侵蝕化學作用引起的負荷這樣的缺點。此外所述過程引導可以實 質上簡單地例如通過切換氣體或者受控制地改變氣體組分(例如02到 N2)和/或從一個靶或者受控制地改變耙饋給的組分切換到其它地進 行，而在CVD的情況下卻需要中間沖洗以及對一個多層的層系統的單 個層的溫度水平的匹配。
權利要求
1.一種作為電弧PVD功能層(32)沉積在工件(30)上的硬材料層，其中該功能層主要構成為由元素周期表的副族IV、V、VI的過渡金屬和Al、Si、Fe、Ni、Co、Y中至少一種金屬(Me)組成的電絕緣的氧化物，其特徵在於，功能層(32)具有含量低於2％的惰性氣體和/或滷素。
2. 如權利要求1所述的硬材料層，其特徵在於，所述惰性氣體在功能層(32)中的含量最高為0.1%，優選地最高為0.05%，和/或滷素的含量最高為0.5%,優選地最高為0.1%,優選地基本上沒有惰性氣體和/或滷素。
3. 如以上權利要求中任一項所述的硬材料層，其特徵在於，所述功能層(32)的厚度在0.5μ m至12μ m範圍內，優選地在1.0至5μ m 的範圍內。
4. 如以上權利要求中任一項所述的硬材料層，其特徵在於，所述功能層(32)主要是一種(AlxMe1-x)yOz形式的鋁金屬混合氧化物，其 中Me優選的是Al、 Cr、 Mo、 Zr、 Fe、 Co、 Ni、 Y的一種，單個的或 者以其混合形式存在。
5. 如權利要求4所述的硬材料層，其特徵在於，Me是金屬鉻並且構成(AlxCr1-x)yOz的形式。
6. 如權利要求5所述的硬材料層，其特徵在於，金屬鉻的含量l-x 是5-80At%，優選地是10到60At%。
7. 如權利要求1至3中任一項所述的硬材料層，其特徵在於，功能層(32)主要是Al203形式的化學計量的鋁氧化物層。
8. 如以上權利要求中任一項所述的硬材料層，其特徵在於，功能層(32)構成最外層或者一個附加的支持層，具有至少一個放於其上的覆蓋層(35)，尤其是一個磨擦減輕層(35)。
9. 如以上權利要求中任一項所述的硬材料層，其特徵在於，功能層 (32)具有高於800℃的溫度耐受性並且所述功能層是耐受化學反應的。
10. —種具有如1至9中任一項所述的硬材料層的工件，其特徵在於，工件(30)是工具、機器部件，優選地是轉向刀板。
11. 如權利要求l0所述的工件，其特徵在於，在功能層(32)和工 件(30)之間設置另一個層，所述另一個層構成中間層(31)，所述 中間層尤其是形成粘附層(31)，並且優選地包含元素周期表的副族 IV、 V和VI的金屬和/或Al、 Si、 Fe、 Co、 M、 Co、 Y或者其混合物。
12. 如權利要求10所述的工件，其特徵在於，中間層(31)的金屬 是與N、 C、 O、 B或者其混合的化合物，其中優選地是與N的化合物。
13. 如權利要求11或12所述的工件，其特徵在於，中間層(31) 的層厚在0.05至5 n m的範圍，優選地在0.1至0.5 ju m的範圍。
14. 如權利要求11至13中任一頂所述的工件，其特徵在於，至少 一個層，尤其是功能層(32)和/或中間層(31)構成為演化層(34)， 所述演化從金屬開始，經過氮化物和/或從氮化物至氮氧化物並且一直 演化到氧化物。
15. 如權利要求IO至14中任一項所述的工件，其特徵在於，所述 層的至少一個，尤其是功能層(32)構成為具有不同的材料組成的多 層系統(33)，其中優選地多個層(33)在其主要組成方面交替地重 復，並且多層系統(33)優選地包含至少三個層。
16. 如權利要求15所述的工件，其特徵在於，所述層系統的重複的 層序列對交替地改變材料組成，如優選地從Me,至Me2氧化物和/或從 一種Met氮化物到Met氧化物和/或從Met氮化物到Me2氧化物地改 變。
17. 如權利要求15或16所述的工件，其特徵在於，所述層系統的 重複的層序列對交替地包含(AlxCn-x) yN,和(AlxCri-x) yOz的材料組 成，並且所述材料組成優選地按化學計量法組成，如(AlxOb) N和(AlxCn_x) 2o3。
18. 如權利要求15或16所述的工件，其特徵在於，所述層系統的 重複的層序列對交替地包含(AlZr) xNy和(AlZr) xOy的材料組成， 並且所述材料組成優選地按化學計量法組成，如(AlxZri.x) N和(AlxZn_x) 2o3。
19. 如權利要求15至18中任一項所述的工件，其特徵在於，多層 系統(33)具有至少20個層，優選地達到500個層。
20. 如權利要求15至19中行一項所述的工件，其特徵在於，多層 系統(33)的一個層的厚度在0.01至0.5 pm的範圍中，優選地在0.02至0.1 μm的範圍。
21. —種用於在一個真空處理設備(1)中在工件(30)上沉積作為 功能層的一種硬材料層(32)的方法，所述功能層基本上構成為由元 素周期表的副族IV、 V、 VI的過渡金屬和A1、 Si、 Fe、 Co、 Ni、 Y的 至少一種金屬(Me)組成的電絕緣的氧化物，並且所述層由一個電弧 蒸發源(5)沉積，所述電弧蒸發源用一個DC電源(13)運行，其特 徵在於，疊加脈衝電源(16、 16、)，其中電弧蒸發源(5、 20)的耙(5、、 20)包含所述金屬之一，並且把這樣蒸發的金屬在含氧的反應氣體環 境中反應成氧化物。
22. 如權利要求21所述的方法，其特徵在於，向真空設備(1)的 處理空間的反應氣體環境中輸送惰性氣體和/或卣素氣體，其輸送量少 到使得在所沉積的層中形成最高0.5%的所述氣體，優選地基本上沒有 所述氣體。
23. 如權利要求21或22所述的方法，其特徵在於，運行兩個DC 饋電的電弧蒸發源(5、 20)，其中附加地運行一個與這兩個源(5、 20)都連接的單個的脈衝電源(16)，並且按照這種方式構成一個雙 脈衝電弧蒸發配置(5、 20)。
24. 如權利要求21至23中任一項所述的方法，其特徵在於，所述 工件主要由鋼、含鐵、鉻、鈷或者鎳的一種或者多種金屬的合金、硬 金屬、陶瓷、金屬陶瓷，或者立方硼氮化物構成，其中藉助於PVD方 法沉積至少一個其它並且所述其它層是直接與工件(30)交界的粘附 層(31)，其中所述層或者至少一個後續的層，即所述功能層(32) 實質上由入1203或者(AlxMe) 203構成，其中Me包含元素周期表的副 族IV、 V和VI的至少一種過渡金屬，並且用電弧蒸發器(5、 20)沉 積至少鋁氧化物層或者鋁金屬氧化物層，其中由至少一個在所述表面 上中毒的靶(5、、 20、)在含氧的環境中蒸發鋁氧化物、金屬氧化物或 者鋁金屬氧化物。
25. 如權利要求21至24中任一項所述的方法，其特徵在於，所述 塗層產生不低於0.2μm的粗糙度值Ra。
26. 如權利要求21至25中任一項所述的方法，其特徵在於，沉積至少一個其它層，所述其它層主要具有無鋁的或者含有多種其它金屬 氧化物的氧化層，其中所述金屬氧化物含有元素周期表的副族IV、 V、VI的至少一種過渡金屬或者矽，但是優選的是含有鉻或者鋯。
27. 如權利要求24至26中任一項所述的方法，其特徵在於，所述粘附層(31)含有元素周期表的副族IV、 V、 VI的至少一種過渡金屬和/或鋁或者矽。
28. 如權利要求24至27中任一項所述的方法，其特徵在於，所述粘附層(31)包含一個硬層，所述硬層含有元素周期表的副族IV、 V、 VI的至少一種過渡金屬和/或鋁或者矽的氮化物、碳化物或者硼化物， 或者這些化合物的混合物。
29. 如權利要求21至28中任一項所述的方法，其特徵在於，所述 功能層(32)硬材料層系統沉積，其包含元素周期表的副族IV、 V、 VI的至少一種過渡金屬和/或鋁或者矽的氮化物、碳化物或者硼化物的 多個層(33)，或者這些化合物的混合物，其中至少直接交界的層通過其金屬或非金屬含量的化學計量來互相區分。
30. 如權利要求29所述的方法，其特徵在於，所述硬材料層(32) 的沉積用一個或者多個含鋁鉻氧化物的層(33)進行。
31. 如權利要求29至30中任一項所述的方法，其特徵在於，在硬材料層系統U2)的各個層(32)之間的過渡在其金屬含量或者非金屬含量的化學計量方面連續地或者階梯狀地增加或者降低。
32. 如權利要求29至31中任一項所述的方法，其特徵在於，硬材料系統(32)的各個層以0.01至0.5um之間的厚度，優選地以0.02 um至0.1 um之間的厚度沉積。
33. 如權利要求30至32中任一項所述的方法，其特徵在於，交替地沉積含氮化物、碳化物或者硼化物的層和含鋁鉻氧化物的層。
34. 如權利要求24至33中任一項所述的方法，其特徵在於，粘附層(31)向含鋁氧化物的層或者向硬材料層系統(32)的過渡，以及所述硬材料層系統(32)或含鋁氧化物的層向覆蓋層(35)的過渡在其金屬含量或者非金屬含量的化學計量方面連續地或者階梯狀地增加或者降低。
35. 如權利要求21至34中任一項所述的方法，其特徵在於，所述 含鋁氧化物的層主要沉積為(Al1-xCrx) 2O3，其中0.05<x<0.80，然 而優選的是0.01 < x < 0.60。
36. 如權利要求21至35中任一項所述的方法，其特徵在於，作為工件(30)對工具，尤其是刀具、成型工件或者壓鑄工具進行沉積。
37.如權利要求21至36中任一項所述的方法，其特徵在於，作為 工件(30)對部件，尤其是內燃發動機的部件或者氣輪機的部件進行 沉積。
全文摘要
本發明涉及用電弧PVD方法在工件(30)上沉積的作為功能層(32)的一種硬材料層，其中該功能層主要構成為由元素周期表的副族IV、V、VI的過渡金屬和Al、Cr、Fe、Ni、Co、Y中至少一種金屬(Me)組成的電絕緣的氧化物，並且功能層(32)不含有惰性氣體也不含有滷素。
文檔編號C23C14/32GK101175867SQ200680009395
公開日2008年5月7日 申請日期2006年1月19日 優先權日2005年3月24日
發明者B·維德裡格, J·拉姆, W·卡爾斯 申請人:奧爾利康貿易股份公司(特呂巴赫)