ＰＶＤ被膜形成方法
本発明は、金属酸化物、窒化物、若しくは炭化物、又はそれらの混合物の被膜を形成する方法に関するものであり、これによれば、アルゴンと反応性ガスとの混合ガス（５、６）中で、２００Ｗｃｍ-2より大きいピークパルス電力で、一個以上のターゲット（３）における高電力インパルス・マグネトロン・スパッタリングＨＩＰＩＭＳ放電を操作することにより、成膜速度が向上すると共に反応性ガス分圧フィードバックシステムの必要性が除去される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高成膜速度を有する大電力パルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
硬いＰＶＤ被膜は、下に置かれる材料を酸化及び磨耗から保護するためにしばしば使用されている。そのような硬い被膜は、反応性マグネトロン・スパッタリングのようなＰＶＤ法によって蒸着される。反応性スパッタガスを用いることは問題を引き起こす、というのも所望の材料が、金属表面に比較して異なる特性を有する電気絶縁層のような層をターゲット表面上に形成するからである。特に、反応されるターゲット表面のスパッタ率又は電子放射率が金属表面のそれとは異なっているとき、プロセスを不安定にするヒステリシス効果が発生する。
【０００３】
確立されたＰＶＤ技術は、ターゲット上における厚い被反応層の形成を避けるために、二重マグネトロンつまり二重マグネトロン・スパッタリング（ＤＭＳ）及び直流パルス電力によってどのように硬質被膜を反応的に蒸着するかを教示している。被反応ターゲット表面からの低いスパッタ率についての問題は依然として残り；所望の複合物を獲得するために、ある特定の反応ガス分圧が必要とされるが、同時にターゲット表面は反応物によって同様に覆われる。結果はよく知られたヒステリシス問題であり、前記ヒステリシス問題は、反応ガスの流量を制御するための多少とも複雑な（圧力、光学的、又は電気的）フィードバックシステムによって通常は克服される。
【０００４】
大電力パルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＩＰＭＳ）は、金属被膜の蒸着、又は例えばＣｒＮのような金属窒化物を反応性ＨＩＰＩＭＳによって導くために用いられている。ＴｉＯ2は、ＨＩＰＩＭＳを利用してセラミックＴｉＯ1.8ターゲットから成長されて高速度が達成された。ＨＩＰＭＩＳは、アルミナの反応性スパッタリングに使用されてきたが、従来のヒステリシス現象と酸素流量のフィードバック制御とをともなっており、また成膜速度はパルスＤＣスパッタリングに比較して２５〜３０％だけであった。他の問題は、混合金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の被膜が蒸着されるとき、異なる金属ターゲットが反応して、異なる反応性ガス分圧においてヒステリシス効果を示し、混合金属硬質被膜を共に蒸着することを、不可能でないなら、困難にする。
【０００５】
ＸＲＤアモルファス・アルミナ層を蒸着するために、反応性アルゴン／酸素混合気において、アルミニュウムターゲットを備えるマグネトロン及びＨＩＰＩＭＳ電源をどのように操作するかについてもよく知られている。前記層がナノメータサイズのガンマ・アルミナ粒子を含んでいるとしても、微細構造は多孔性であって、多くの被膜の用途における蒸着層の適合性を低下させる。
【０００６】
ＨＩＰＩＭＳ技術を利用した蒸着は、グロッカー（Glocker）他による「酸化ジルコニウム及び酸化タンタルの大電力パルス反応性スパッタリング」、２００４年真空被膜学会（Society of Vacuum Coaters）５０５／８５６−７１８８、ＩＳＳＮ０７３７−５９２１、第４７回年次技術会議議事録（２００４年４月２４〜２９日）、米国テキサス州ダラス、頁１８３〜１８６、コンスタンチニディス（Konstantinidis）他による、「大パルスマグネトロン・スパッタリングによって蒸着された酸化チタン薄膜」、固体薄膜（Thin Solid Film）、第５１５巻、２００６年１１月２３日、Ｎｏ．３、頁１１８２〜１１８６、スプロール（Spraul）他による「高インパルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＰＰＭＳ）を用いる酸化アルミナ被膜の反応性スパッタ蒸着」２００４年真空被膜学会５０５／８５６−７１８８、ＩＳＳＮ０７３７−５９２１、第４７回年次技術会議議事録（２００４年４月２４〜２９日）、米国テキサス州ダラス、頁９６〜１００、及びミュエンツ（Muenz）他による、独国特許出願公開第１０２００５０３３７６９号に記載されている。しかしながら、上述の問題は解決されるべきものとしてまだ残っている。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的は、成膜速度が速く、且つ反応性ガス分圧フィードバックシステムに対する必要性が除かれる方法を提供することである。さらに、広い表面上への均一な被膜の蒸着が可能にされ、及び発明された方法によって、異なる金属又は合金のターゲットから混合金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の共蒸着が可能にされる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】真空蒸着装置の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態により被覆されたインサートの走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明の一実施形態により被覆されたインサートからのＸ線回折図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明によると、例えば切削及び成形用工具への、並びに金属薄板への、並びに例えば表面技術、装飾、及び表面保護の目的のための構成要素への、特にアルミナを含む混合金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の被膜を形成するためのマグネトロン・スパッタリング法が提供される。切削工具インサートへの被膜の蒸着に利用される方法が、図１を参照して、以下によって実行される。
【００１０】
超硬合金、サーメット、立方晶窒化硼素、ダイヤモンド、セラミック、又は高速度鋼のような硬質材料の基材、好適には超硬合金の基材が準備され、金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の適切な化学量論的結晶性の被膜を成長させるために、前記基材上に良好な付着性の硬質耐磨耗性被膜がマグネトロン・スパッタリングを用いて蒸着され、蒸着は、ターゲットの表面を本質的に金属状態に維持する一方で、同時に基材における反応性条件を維持することに基礎を置く。これは、損害を与えるヒステリシス性プロセス挙動を選択された動作点においてターゲット表面が有する程度にはターゲット表面が反応性ガスによって反応されないことを意味している。これは、アルゴンと反応性ガスとを含む混合ガス中で、２００Ｗｃｍ-2より大きいピークパルス電力で、好適には少なくとも３２０Ｗｃｍ-2で、及び好適には１５ｍＴｏｒｒ以下の全圧、より好適には１０ｍＴｏｒｒ以下の全圧、最も好適には６ｍＴｏｒｒ以下の全圧で、一以上のターゲット（３）におけるＨＩＰＩＭＳ放電を操作することによって達成される。得られた層の化学量論組成と、スパッタ・ターゲットの反応性ガス被覆率とを測定すると、ターゲットが反応性ガスによって極く僅かに覆われる状態の下で、層の完全な化学量論組成が達成されることが驚くべきことに見出される。
【００１１】
さらに驚くべきことに、ヒステリシス効果が減少又は除去され、従ってパルスＤＣスパッタリングの場合のように成膜速度が低下しないことが見出される。従って、反応性ガス分圧フィードバックシステムに対する必要性が解消される。動作点におけるヒステリシスがない場合、プロセスは、酸素流量の各選択値に対するよく規定された特性パラメータを有する安定したモードで作動され得る。
【００１２】
ＨＩＰＩＭＳでは、高ピークパルス電力は、スパッタされた原子のイオン密度を非常に高め、従ってスパッタリングがターゲット金属イオンによって実行され、このことはＨＩＰＩＭＳにおける低成膜速度をもたらす。驚くべきことに、本発明による方法を適用することによって達成された速度は、先行技術に比較して少なくとも３倍速い。
【００１３】
基材として準備された適切なタイプの切削工具が、真空チャンバ内において本発明の次の実施形態による金属酸化物被膜で被覆される。
【００１４】
基材（１０）に標準的な清浄化処置を施した後、基材は、蒸着中に回転操作可能な基材ホルダ（４）に搭載される。蒸着面積、即ち基材ホルダ（４）とそこに搭載された基材（１０）の露出した表面の合計は、一個以上のターゲットの合計面積の好適には少なくとも１０倍であり、一個以上のターゲットの合計面積の好適には１０〜２５倍であり、ターゲット（３）を備える少なくとも一つのマグネトロン・スパッタ源から好適には６ｃｍの最小距離で、より好適には８〜２０ｃｍの間の距離にある。基材ホルダ（４）は電気的に浮遊しているか、接地されているか、又はオプションのバイアス電源（８）に接続されているかであり、前記バイアス電源（８）は、当業者に一般的な方法に従って、直流又は交流又はパルス直流作動モードを備えるものである。ターゲット（３）の材料は、所望の被膜の金属組成によって選択される。ターゲット（３）が搭載されるマグネトロン源のタイプは、平衡形又は不平衡形又は調節式の磁石システムを有する任意の標準的な市販の構造又は特別な構造であってよく、その形状は例えば円形又は長方形であってよい。
【００１５】
蒸着は真空チャンバ（１）内で実行され、前記真空チャンバ（１）は最初に高真空ポンプ（２）によって５×１０-4Ｔｏｒｒ未満まで、好適には５×１０-6Ｔｏｒｒ未満まで排気される。蒸着前に、基材（１０）は、３００〜９００℃、好適には４５０〜７００℃、最も好適には５７０〜６３０℃の間の温度まで好適に加熱される。アルゴンがスパッタガスとして用いられ、前記アルゴンは第１弁又は質量流量制御器（５）をとおして真空チャンバ（１）内に導かれる。一定流量のアルゴンが用いられて、チャンバ圧力を１５ｍＴｏｒｒ以下、好適には１〜１０ｍＴｏｒｒ、最も好適には３〜８ｍＴｏｒｒにする。蒸着は好適には純アルゴンスパッタガス内で開始されるが、第２弁又は質量流量制御器（６）をとおしてシステム内に酸素を導入するのと同時に又はその後にさえ始められてもよい。酸素ガス（Ｏ2）は一定流量で導入され、これは蒸着中維持される。純アルゴンスパッタガス中での開始の場合、酸素ガス（Ｏ2）は、１０分未満の遅延の後、より好適には１〜３分の遅延の後に好適に導入される。酸素ガス（Ｏ2）の流量は、化学量論的酸化物が得られるように選択され、前記流量は例えばターゲットの大きさ及びポンピング速度のような蒸着装置の特性に依存する。適切な酸素流量値は、被覆酸素の化学量論組成の測定により流量値を調節することによって、熟練技術者により経験的に決められる。しかしながら、通常サイズの生産システムに関しては、２００〜１０００ｓｃｃｍの酸素ガス（Ｏ2）流量が用いられるだろう。
【００１６】
蒸着は、電源（７）によって生み出された、２００Ｖから、好適には５００Ｖから、最も好適には６５０Ｖから２０００Ｖまで、好適には１０００Ｖまで、最も好適には７５０Ｖまでの範囲の負電圧パルスを陽極（真空チャンバの壁）に対してターゲットに印加することによって始められる。パルス幅は、２μｓから、好適には１０μｓから、最も好適には２０μｓから２００μｓまで、好適には１００μｓまで、より好適には１００μｓ未満、より好適には７５μｓ未満、最も好適には４０μｓまでの範囲にあり、また繰返し周波数は、１００Ｈｚから、好適には３００Ｈｚから、最も好適には５００Ｈｚから１０ｋＨｚまで、好適には３ｋＨｚまで、最も好適には１．５ｋＨｚまでの範囲にある。電源（７）は、好適には直流定電圧源または最も好適には統合パルス直流電源で給電される目的に適したパルスユニットを具備している。好適には一定電圧を有しているパルスは、マグネトロン・スパッタリング・グロー放電（９）を点火させ、前記グロー放電（９）は、各パルス中の最大ピークまで増大する電流を有し、そこでピークパルス電力に達する。電流は最大値に到達した後は、一定であるか又はピーク値の最低でも５０％まで低下する。しかしながら、好適には電流の最大値は電圧パルスの最後に達せられる。二つの連続するパルスの間において、蒸着装置に対する電力の入力はなく、従ってプラズマは、イオン／電子再結合によって消失する。各パルス間の時間は、グロー放電が好適に決して消失しないように本技術分野の熟練した操作者によって選択される。さらに、ピーク電流パルス最大値、パルス幅、及び繰返し周波数は、十分に、即ち上述の限界によって選択され、その結果例えば成膜速度、ターゲット電圧、発光、及び被膜のような特性パラメータにおける酸素流量に対するヒステリシス効果はターゲット酸化物被覆率と同様に低減または除去される。
【００１７】
蒸着は適切な時間継続され、その後インサートは２００℃未満に冷めるまで放置され、そして真空システムから取り出される。
【００１８】
本発明の方法の一実施形態では、ターゲット（３）の面積は１０００〜２０００ｃｍ2であり、基材ホルダ（４）の面積は１００００〜２００００ｃｍ2である。代替実施形態のために、最大スパッタ電流は、９８０〜２８００Ａ、好適には１１２０〜１６８０Ａであり、及び最大瞬時電力は、２００ｋＷから、好適には３２０ｋＷから２０００ｋＷまで、好適には４０００ｋＷまでのものである。
【００１９】
本発明の方法の他の実施形態では、ターゲットを有する二つ以上のマグネトロン・スパッタ源が準備され、これらターゲットは互いに同じか又は異なる金属組成を有してよい。
【００２０】
一実施形態では、一個以上のターゲットはＡｌＭｅ合金の同じ金属組成のものであり、ここでＭｅは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、及びＳｎのグループの一つ以上の金属を表す記号であり、並びに真空チャンバ内の混合ガスはアルゴンと酸素ガス（Ｏ2）との混合ガスであり、蒸着被膜は、二相酸化物、又は（Ａｌ1-xＭｅx）2Ｏ3若しくはスピネル（Ｍｅ）xＡｌ2Ｏ3+x（０<ｘ≦１）のタイプの混合酸化物を含んでいる。好適には同じ金属組成の一個以上のターゲットはアルミニュウムのものであり、その場合蒸着被膜は、好適には０．１〜３０μｍ、より好適には１〜１０μｍ、最も好適には２〜５μｍの厚さに蒸着されたアルミナの結晶相、より詳しくはガンマもしくはアルファ・アルミナの結晶相を含んでいる。最も好適には蒸着被膜は単相アルファ・アルミナを含んでいる。
【００２１】
本発明の方法の更なる一実施形態では、互いに異なる金属組成を有する二個以上のターゲット、並びにアルゴン及び酸素ガス（Ｏ2）の混合ガスが用いられて、（Ａｌ1-xＭｅx）2Ｏ3若しくはスピネル（Ｍｅ）xＡｌ2Ｏ3+x（０<ｘ≦１）のタイプの多層若しくは混合酸化物、又は二相酸化物が蒸着される。
【００２２】
本発明の一代替実施形態では、基材として準備された適切なタイプの切削工具が、本発明の方法の第１実施形態で説明されたように進行することによって、真空チャンバ（１）内で、金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物で被覆されるが、酸素だけを用いる代わりに、酸素又は窒素又は窒素と炭化水素との混合ガスのような酸素、窒素、及び／又は炭素含有ガスを含む反応性混合ガスを用いてもよい。この代替実施形態では、一個以上のターゲットはＡｌＭｅ合金の同じ金属組成のものであり、ここでＭｅは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、及びＷのグループの一つ以上の金属を表す記号である。この代替実施形態では、蒸着は純アルゴンのスパッタガス中で開始されるが、第２弁又は質量流量制御器（６）をとおして反応性ガスを導入するのと同時に又はその後にさえ始められてもよい。純アルゴンのスパッタガス中で開始する場合、反応性ガスは１０分未満の遅延の後、より好適には１〜３分の遅延の後に好適に導入される。反応性ガスの組成は、酸素／窒素／炭素の所望のバランスで被膜を得るために当業者が選択することに従って選択される。反応性ガス流量は、酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の化学量論的被膜が獲得されるように熟練技術者によって選択され、前記流量は、例えばターゲットの大きさ及びポンピング速度のような蒸着装置の特性に依存する。しかしながら、通常サイズの生産システムに関しては、全反応性ガスの２００〜１０００ｓｃｃｍの流量が用いられるだろう。
【００２３】
さらに別の代替実施形態では、二個以上のターゲットが互いに異なる金属組成を有していて、酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の、混合又は多層ＡｌＭｅ被膜が得られ、ここでＭｅは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、及びＷのグループの一つ以上の金属を表す記号である。
【００２４】
金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の間及び頂部に、酸化物、炭化物、若しくは窒化物、又はその混合物の耐摩耗性の他の層が、本発明の方法により、又は本技術分野で公知の方法により蒸着されてよい。一つの例は、切削工具の磨耗検出に用いられるＴｉＮの頂層である。
【００２５】
本発明によると、例えば切削及び成形用工具、並びに金属薄板、並びに例えば表面技術、装飾、及び表面保護の目的のための構成要素に適した、アルミナを含んでいる酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物も提供され、切削工具インサートへの被膜の蒸着は、図１を参照して以下によって実行される。
【００２６】
超硬合金、サーメット、立方晶窒化硼素、ダイヤモンド、セラミック、又は高速度鋼のような硬質材料の基材、好適には超硬合金の基材が準備され、前記基材の上に良好な付着性の硬質耐磨耗性被膜が、酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の化学量論的結晶性の被膜を成長させるマグネトロン・スパッタリングを用いて蒸着され、蒸着は、基材における反応状態を有する一方で、同時にターゲットの表面を本質的に金属状態に維持することに基礎を置いている。これは、アルゴン及び反応性ガスを含む混合ガス中で、２００Ｗｃｍ-2より大きいピークパルス電力で、好適には少なくとも３２０Ｗｃｍ-2ピークパルス電力で、及び好適には１５ｍＴｏｒｒ以下の全圧、より好適には１０ｍＴｏｒｒ以下の全圧、最も好適には６ｍＴｏｒｒ以下の全圧で、及び十分高い繰返し周波数で一以上のターゲット（３）におけるＨＩＰＩＭＳ放電を操作することによって達成される。得られた層の化学量論組成と、成膜ターゲットの反応性ガス被覆率とを測定すると、ターゲットが反応性ガスによって極く僅かに覆われる条件の下で、層の完全な化学量論組成が達成されることが驚くべきことに見出される。
【００２７】
一実施形態では、一個以上のターゲットはＡｌＭｅ合金の同じ金属組成のものであり、ここでＭｅは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、及びＳｎのグループの一つ以上の金属を表す記号であり、並びに真空チャンバ内の混合ガスはアルゴンと酸素ガス（Ｏ2）との混合ガスであり、この場合蒸着被膜は、（Ａｌ1-xＭｅx）2Ｏ3若しくはスピネル（Ｍｅ）xＡｌ2Ｏ3+x（０<ｘ≦１）のタイプの混合酸化物、又は二相酸化物を含んでいる。好適には同じ金属組成の一個以上のターゲットはアルミニュウムのものであり、その場合蒸着被膜は、好適には０．１〜３０μｍ、より好適には１〜１０μｍ、最も好適には２〜５μｍの厚さに蒸着されたアルミナの結晶相、より詳しくはガンマもしくはアルファ・アルミナの結晶相を含んでいる。最も好適には蒸着被膜は単相アルファ・アルミナを含んでいる。
【００２８】
本発明の方法の更なる一実施形態では、互いに異なる金属組成を有する二個以上のターゲット、並びにアルゴン及び酸素ガス（Ｏ2）の混合ガスが用いられて、（Ａｌ1-xＭｅx）2Ｏ3若しくはスピネル（Ｍｅ）xＡｌ2Ｏ3+x（０<ｘ≦１）のタイプの多層若しくは混合酸化物、又は二相酸化物が蒸着される。
【００２９】
一つの代替実施形態では、一個以上のターゲットはＡｌＭｅ合金の同じ金属組成のものであり、ここでＭｅは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、及びＷのグループの一つ以上の金属を表す記号であり、真空チャンバ内の混合ガスは、アルゴンと反応性ガスとの混合ガスであり、前記反応性ガスは、酸素又は窒素又は窒素と炭化水素との混合ガスのような、酸素、窒素、及び／又は炭素含有ガスを含むものであって、この場合蒸着被膜は立方晶ＡｌＭｅ（Ｃ、Ｎ、Ｏ）被膜を含んでいる。好適には、同じ金属組成の一個以上のターゲットはＡｌＴｉのものであり、この場合蒸着被膜は、好適には０．１〜３０μｍ、より好適には１〜１０μｍ、最も好適には２〜５μｍの厚さで蒸着された、ＮａＣｌ構造を有するＡｌＴｉ（Ｃ、Ｎ）の結晶相を含む。最も好適には、同じ金属組成の一個以上のターゲットはＴｉのものであって、この場合蒸着被膜はＴｉ（Ｃ、Ｎ）を含む。
【００３０】
さらに別の一代替実施形態では、二個以上のターゲットが互いに異なる金属組成を有し、この場合酸化物、窒化物、炭化物、若しくはそれらの混合物の、混合又は多層ＡｌＭｅ被膜が得られ、ここでＭｅは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、及びＷのグループの一つ以上の金属を表す記号である。
【００３１】
金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の間及び頂部に、酸化物、炭化物、又は窒化物、又はその混合物の耐摩耗性の他の層が、本発明の方法により、又は本技術分野で公知の方法により蒸着されてよい。さらに別の被膜の例は、切削工具の磨耗検出に用いられるＴｉＮの頂層である。
【００３２】
例１：
コバルトがＷＣ１０％の組成の市販グレードＨ１０Ｆの切削工具インサート及びインサートスタイルＳＮＵＮ１２０４（サイズ１２×１２×４ｍｍ）が、以下によって、図１の超高真空蒸着装置内で被覆された。インサート（１０）は、標準的な処置手順を利用して清浄化されて、基材ホルダ（４）に搭載され、前記基材ホルダ（４）は、蒸着中に回転操作可能であって、２００ｃｍ2の面積を有しており、マグネトロン・スパッタ・ターゲット（３）の上方約１０ｃｍの位置にあった。基材ホルダ（４）は電気的に浮遊していた。ターゲット（３）は、直径５０ｍｍで厚さ３ｍｍのアルミニュウム円板であった。蒸着は真空チャンバ（１）内で実行され、前記真空チャンバ（１）は最初に５×１０-7Ｔｏｒｒまで排気された。蒸着が開始される前に、インサート（１０）は、適切な表面温度の約６００℃まで加熱された。アルゴンがスパッタガスとして用いられ、前記スパッタガスは第１質量流量制御器（５）を通してチャンバ（１）内に導入された。１００ｓｃｃｍの一定流量のアルゴンが用いられ、前記流量はチャンバ（１）内の６ｍＴｏｒｒの全圧を招来した。
【００３３】
蒸着は、７００Ｖの負電圧パルスを陽極（チャンバの壁）に対してターゲット（３）に印加することにより始められた。パルス幅は３５μｓであり、また繰返し周波数は１ｋＨｚであった。この目的のために電源（７）が用いられ、前記電源（７）は、直流定電圧源（ピナクル、アドバンストエナジー（Pinnacle, Advanced Energy））で給電されるパルスユニット（ＳＰＩＫ、Ｍｅｌｅｃ Ｇｍｂｈ）を具備するものである。一定電圧を有する、結果として生じたパルスは、パルス中に最大限度まで増大する電流を有するマグネトロン・スパッタリング・グロー放電（９）を点火した。蒸着は、第１質量流量制御器（５）を通して導入された純アルゴンのスパッタガス中で開始された。蒸着の開始から約２分後に、酸素ガス（Ｏ2）が第２質量流量制御器（６）を通して３．４ｓｃｃｍの一定流量で導入された。蒸着がシステム内でヒステリシスなしに実行されたので、プロセスは、酸素流量の選択された値のための、パルスの明確に規定された最大スパッタ電流とともに安定したモードで操作されることができた。この特定の蒸着の実行のために選択された電圧及び酸素流量は、１１０Ｗの時間平均電力を与えた。この条件のための最大スパッタ電流は、９．１Ａ、即ち６．４ｋＷの最大瞬時電力に決定された。蒸着は３時間継続され、蒸着後、インサートは真空システムから取り出される前に、２００℃未満に冷めるまで放置された。
【００３４】
図２に示されたインサートの分析は、基材（ｂ）上の被膜（ａ）が、良好な付着性のアルミナ層であって、可視的光学範囲において透明で２．０μｍの厚さを有し、比較表１のように０．６７μｍ／ｈの成膜速度に対応しているアルミナ層から構成されていることが明らかになった。被膜が、図３のＸ線回折像に示されるように少なくとも五つのピークによって識別される一つの化学量論的結晶層のアルファＡｌ2Ｏ3を含むことが見出された。アルファとして指定されたピーク以外のピークの全ては基材で生じたものである。
【表１】
【００３５】
本発明による方法を用いたとき、成膜速度が、従来技術に比較して少なくとも３倍速いことが表１からわかる。ＤＭＳの成膜速度は比較のため含まれている。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高成膜速度を有する大電力パルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
硬いＰＶＤ被膜は、下に置かれる材料を酸化及び磨耗から保護するためにしばしば使用されている。そのような硬い被膜は、反応性マグネトロン・スパッタリングのようなＰＶＤ法によって蒸着される。反応性スパッタガスを用いることは問題を引き起こす、というのも所望の材料が、金属表面に比較して異なる特性を有する電気絶縁層のような層をターゲット表面上に形成するからである。特に、反応されるターゲット表面のスパッタ率又は電子放射率が金属表面のそれとは異なっているとき、プロセスを不安定にするヒステリシス効果が発生する。
【０００３】
確立されたＰＶＤ技術は、ターゲット上における厚い被反応層の形成を避けるために、二重マグネトロンつまり二重マグネトロン・スパッタリング（ＤＭＳ）及び直流パルス電力によってどのように硬質被膜を反応的に蒸着するかを教示している。被反応ターゲット表面からの低いスパッタ率についての問題は依然として残り；所望の複合物を獲得するために、ある特定の反応ガス分圧が必要とされるが、同時にターゲット表面は反応物によって同様に覆われる。結果はよく知られたヒステリシス問題であり、前記ヒステリシス問題は、反応ガスの流量を制御するための多少とも複雑な（圧力、光学的、又は電気的）フィードバックシステムによって通常は克服される。
【０００４】
大電力パルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＩＰＭＳ）は、金属被膜の蒸着、又は例えばＣｒＮのような金属窒化物を反応性ＨＩＰＩＭＳによって導くために用いられている。ＴｉＯ2は、ＨＩＰＩＭＳを利用してセラミックＴｉＯ1.8ターゲットから成長されて高速度が達成された。ＨＩＰＭＩＳは、アルミナの反応性スパッタリングに使用されてきたが、従来のヒステリシス現象と酸素流量のフィードバック制御とをともなっており、また成膜速度はパルスＤＣスパッタリングに比較して２５〜３０％だけであった。他の問題は、混合金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の被膜が蒸着されるとき、異なる金属ターゲットが反応して、異なる反応性ガス分圧においてヒステリシス効果を示し、混合金属硬質被膜を共に蒸着することを、不可能でないなら、困難にする。
【０００５】
ＸＲＤアモルファス・アルミナ層を蒸着するために、反応性アルゴン／酸素混合気において、アルミニュウムターゲットを備えるマグネトロン及びＨＩＰＩＭＳ電源をどのように操作するかについてもよく知られている。前記層がナノメータサイズのガンマ・アルミナ粒子を含んでいるとしても、微細構造は多孔性であって、多くの被膜の用途における蒸着層の適合性を低下させる。
【０００６】
ＨＩＰＩＭＳ技術を利用した蒸着は、グロッカー（Glocker）他による「酸化ジルコニウム及び酸化タンタルの大電力パルス反応性スパッタリング」、２００４年真空被膜学会（Society of Vacuum Coaters）５０５／８５６−７１８８、ＩＳＳＮ０７３７−５９２１、第４７回年次技術会議議事録（２００４年４月２４〜２９日）、米国テキサス州ダラス、頁１８３〜１８６、コンスタンチニディス（Konstantinidis）他による、「大パルスマグネトロン・スパッタリングによって蒸着された酸化チタン薄膜」、固体薄膜（Thin Solid Film）、第５１５巻、２００６年１１月２３日、Ｎｏ．３、頁１１８２〜１１８６、スプロール（Spraul）他による「高インパルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＰＰＭＳ）を用いる酸化アルミナ被膜の反応性スパッタ蒸着」２００４年真空被膜学会５０５／８５６−７１８８、ＩＳＳＮ０７３７−５９２１、第４７回年次技術会議議事録（２００４年４月２４〜２９日）、米国テキサス州ダラス、頁９６〜１００、及びミュエンツ（Muenz）他による、独国特許出願公開第１０２００５０３３７６９号に記載されている。しかしながら、上述の問題は解決されるべきものとしてまだ残っている。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的は、成膜速度が速く、且つ反応性ガス分圧フィードバックシステムに対する必要性が除かれる方法を提供することである。さらに、広い表面上への均一な被膜の蒸着が可能にされ、及び発明された方法によって、異なる金属又は合金のターゲットから混合金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の共蒸着が可能にされる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】真空蒸着装置の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態により被覆されたインサートの走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明の一実施形態により被覆されたインサートからのＸ線回折図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明によると、例えば切削及び成形用工具への、並びに金属薄板への、並びに例えば表面技術、装飾、及び表面保護の目的のための構成要素への、特にアルミナを含む混合金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の被膜を形成するためのマグネトロン・スパッタリング法が提供される。切削工具インサートへの被膜の蒸着に利用される方法が、図１を参照して、以下によって実行される。
【００１０】
超硬合金、サーメット、立方晶窒化硼素、ダイヤモンド、セラミック、又は高速度鋼のような硬質材料の基材、好適には超硬合金の基材が準備され、金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の適切な化学量論的結晶性の被膜を成長させるために、前記基材上に良好な付着性の硬質耐磨耗性被膜がマグネトロン・スパッタリングを用いて蒸着され、蒸着は、ターゲットの表面を本質的に金属状態に維持する一方で、同時に基材における反応性条件を維持することに基礎を置く。これは、損害を与えるヒステリシス性プロセス挙動を選択された動作点においてターゲット表面が有する程度にはターゲット表面が反応性ガスによって反応されないことを意味している。これは、アルゴンと反応性ガスとを含む混合ガス中で、２００Ｗｃｍ-2より大きいピークパルス電力で、好適には少なくとも３２０Ｗｃｍ-2で、及び好適には１５ｍＴｏｒｒ以下の全圧、より好適には１０ｍＴｏｒｒ以下の全圧、最も好適には６ｍＴｏｒｒ以下の全圧で、一以上のターゲット（３）におけるＨＩＰＩＭＳ放電を操作することによって達成される。得られた層の化学量論組成と、スパッタ・ターゲットの反応性ガス被覆率とを測定すると、ターゲットが反応性ガスによって極く僅かに覆われる状態の下で、層の完全な化学量論組成が達成されることが驚くべきことに見出される。
【００１１】
さらに驚くべきことに、ヒステリシス効果が減少又は除去され、従ってパルスＤＣスパッタリングの場合のように成膜速度が低下しないことが見出される。従って、反応性ガス分圧フィードバックシステムに対する必要性が解消される。動作点におけるヒステリシスがない場合、プロセスは、酸素流量の各選択値に対するよく規定された特性パラメータを有する安定したモードで作動され得る。
【００１２】
ＨＩＰＩＭＳでは、高ピークパルス電力は、スパッタされた原子のイオン密度を非常に高め、従ってスパッタリングがターゲット金属イオンによって実行され、このことはＨＩＰＩＭＳにおける低成膜速度をもたらす。驚くべきことに、本発明による方法を適用することによって達成された速度は、先行技術に比較して少なくとも３倍速い。
【００１３】
基材として準備された適切なタイプの切削工具が、真空チャンバ内において本発明の次の実施形態による金属酸化物被膜で被覆される。
【００１４】
基材（１０）に標準的な清浄化処置を施した後、基材は、蒸着中に回転操作可能な基材ホルダ（４）に搭載される。蒸着面積、即ち基材ホルダ（４）とそこに搭載された基材（１０）の露出した表面の合計は、一個以上のターゲットの合計面積の好適には少なくとも１０倍であり、一個以上のターゲットの合計面積の好適には１０〜２５倍であり、ターゲット（３）を備える少なくとも一つのマグネトロン・スパッタ源から好適には６ｃｍの最小距離で、より好適には８〜２０ｃｍの間の距離にある。基材ホルダ（４）は電気的に浮遊しているか、接地されているか、又はオプションのバイアス電源（８）に接続されているかであり、前記バイアス電源（８）は、当業者に一般的な方法に従って、直流又は交流又はパルス直流作動モードを備えるものである。ターゲット（３）の材料は、所望の被膜の金属組成によって選択される。ターゲット（３）が搭載されるマグネトロン源のタイプは、平衡形又は不平衡形又は調節式の磁石システムを有する任意の標準的な市販の構造又は特別な構造であってよく、その形状は例えば円形又は長方形であってよい。
【００１５】
蒸着は真空チャンバ（１）内で実行され、前記真空チャンバ（１）は最初に高真空ポンプ（２）によって５×１０-4Ｔｏｒｒ未満まで、好適には５×１０-6Ｔｏｒｒ未満まで排気される。蒸着前に、基材（１０）は、３００〜９００℃、好適には４５０〜７００℃、最も好適には５７０〜６３０℃の間の温度まで好適に加熱される。アルゴンがスパッタガスとして用いられ、前記アルゴンは第１弁又は質量流量制御器（５）をとおして真空チャンバ（１）内に導かれる。一定流量のアルゴンが用いられて、チャンバ圧力を１５ｍＴｏｒｒ以下、好適には１〜１０ｍＴｏｒｒ、最も好適には３〜８ｍＴｏｒｒにする。蒸着は好適には純アルゴンスパッタガス内で開始されるが、第２弁又は質量流量制御器（６）をとおしてシステム内に酸素を導入するのと同時に又はその後にさえ始められてもよい。酸素ガス（Ｏ2）は一定流量で導入され、これは蒸着中維持される。純アルゴンスパッタガス中での開始の場合、酸素ガス（Ｏ2）は、１０分未満の遅延の後、より好適には１〜３分の遅延の後に好適に導入される。酸素ガス（Ｏ2）の流量は、化学量論的酸化物が得られるように選択され、前記流量は例えばターゲットの大きさ及びポンピング速度のような蒸着装置の特性に依存する。適切な酸素流量値は、被覆酸素の化学量論組成の測定により流量値を調節することによって、熟練技術者により経験的に決められる。しかしながら、通常サイズの生産システムに関しては、２００〜１０００ｓｃｃｍの酸素ガス（Ｏ2）流量が用いられるだろう。
【００１６】
蒸着は、電源（７）によって生み出された、２００Ｖから、好適には５００Ｖから、最も好適には６５０Ｖから２０００Ｖまで、好適には１０００Ｖまで、最も好適には７５０Ｖまでの範囲の負電圧パルスを陽極（真空チャンバの壁）に対してターゲットに印加することによって始められる。パルス幅は、２μｓから、好適には１０μｓから、最も好適には２０μｓから２００μｓまで、好適には１００μｓまで、より好適には１００μｓ未満、より好適には７５μｓ未満、最も好適には４０μｓまでの範囲にあり、また繰返し周波数は、１００Ｈｚから、好適には３００Ｈｚから、最も好適には５００Ｈｚから１０ｋＨｚまで、好適には３ｋＨｚまで、最も好適には１．５ｋＨｚまでの範囲にある。電源（７）は、好適には直流定電圧源または最も好適には統合パルス直流電源で給電される目的に適したパルスユニットを具備している。好適には一定電圧を有しているパルスは、マグネトロン・スパッタリング・グロー放電（９）を点火させ、前記グロー放電（９）は、各パルス中の最大ピークまで増大する電流を有し、そこでピークパルス電力に達する。電流は最大値に到達した後は、一定であるか又はピーク値の最低でも５０％まで低下する。しかしながら、好適には電流の最大値は電圧パルスの最後に達せられる。二つの連続するパルスの間において、蒸着装置に対する電力の入力はなく、従ってプラズマは、イオン／電子再結合によって消失する。各パルス間の時間は、グロー放電が好適に決して消失しないように本技術分野の熟練した操作者によって選択される。さらに、ピーク電流パルス最大値、パルス幅、及び繰返し周波数は、十分に、即ち上述の限界によって選択され、その結果例えば成膜速度、ターゲット電圧、発光、及び被膜のような特性パラメータにおける酸素流量に対するヒステリシス効果はターゲット酸化物被覆率と同様に低減または除去される。
【００１７】
蒸着は適切な時間継続され、その後インサートは２００℃未満に冷めるまで放置され、そして真空システムから取り出される。
【００１８】
本発明の方法の一実施形態では、ターゲット（３）の面積は１０００〜２０００ｃｍ2であり、基材ホルダ（４）の面積は１００００〜２００００ｃｍ2である。代替実施形態のために、最大スパッタ電流は、９８０〜２８００Ａ、好適には１１２０〜１６８０Ａであり、及び最大瞬時電力は、２００ｋＷから、好適には３２０ｋＷから２０００ｋＷまで、好適には４０００ｋＷまでのものである。
【００１９】
本発明の方法の他の実施形態では、ターゲットを有する二つ以上のマグネトロン・スパッタ源が準備され、これらターゲットは互いに同じか又は異なる金属組成を有してよい。
【００２０】
一実施形態では、一個以上のターゲットはＡｌＭｅ合金の同じ金属組成のものであり、ここでＭｅは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、及びＳｎのグループの一つ以上の金属を表す記号であり、並びに真空チャンバ内の混合ガスはアルゴンと酸素ガス（Ｏ2）との混合ガスであり、蒸着被膜は、二相酸化物、又は（Ａｌ1-xＭｅx）2Ｏ3若しくはスピネル（Ｍｅ）xＡｌ2Ｏ3+x（０<ｘ≦１）のタイプの混合酸化物を含んでいる。好適には同じ金属組成の一個以上のターゲットはアルミニュウムのものであり、その場合蒸着被膜は、好適には０．１〜３０μｍ、より好適には１〜１０μｍ、最も好適には２〜５μｍの厚さに蒸着されたアルミナの結晶相、より詳しくはガンマもしくはアルファ・アルミナの結晶相を含んでいる。最も好適には蒸着被膜は単相アルファ・アルミナを含んでいる。
【００２１】
本発明の方法の更なる一実施形態では、互いに異なる金属組成を有する二個以上のターゲット、並びにアルゴン及び酸素ガス（Ｏ2）の混合ガスが用いられて、（Ａｌ1-xＭｅx）2Ｏ3若しくはスピネル（Ｍｅ）xＡｌ2Ｏ3+x（０<ｘ≦１）のタイプの多層若しくは混合酸化物、又は二相酸化物が蒸着される。
【００２２】
本発明の一代替実施形態では、基材として準備された適切なタイプの切削工具が、本発明の方法の第１実施形態で説明されたように進行することによって、真空チャンバ（１）内で、金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物で被覆されるが、酸素だけを用いる代わりに、酸素又は窒素又は窒素と炭化水素との混合ガスのような酸素、窒素、及び／又は炭素含有ガスを含む反応性混合ガスを用いてもよい。この代替実施形態では、一個以上のターゲットはＡｌＭｅ合金の同じ金属組成のものであり、ここでＭｅは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、及びＷのグループの一つ以上の金属を表す記号である。この代替実施形態では、蒸着は純アルゴンのスパッタガス中で開始されるが、第２弁又は質量流量制御器（６）をとおして反応性ガスを導入するのと同時に又はその後にさえ始められてもよい。純アルゴンのスパッタガス中で開始する場合、反応性ガスは１０分未満の遅延の後、より好適には１〜３分の遅延の後に好適に導入される。反応性ガスの組成は、酸素／窒素／炭素の所望のバランスで被膜を得るために当業者が選択することに従って選択される。反応性ガス流量は、酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の化学量論的被膜が獲得されるように熟練技術者によって選択され、前記流量は、例えばターゲットの大きさ及びポンピング速度のような蒸着装置の特性に依存する。しかしながら、通常サイズの生産システムに関しては、全反応性ガスの２００〜１０００ｓｃｃｍの流量が用いられるだろう。
【００２３】
さらに別の代替実施形態では、二個以上のターゲットが互いに異なる金属組成を有していて、酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の、混合又は多層ＡｌＭｅ被膜が得られ、ここでＭｅは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、及びＷのグループの一つ以上の金属を表す記号である。
【００２４】
金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の間及び頂部に、酸化物、炭化物、若しくは窒化物、又はその混合物の耐摩耗性の他の層が、本発明の方法により、又は本技術分野で公知の方法により蒸着されてよい。一つの例は、切削工具の磨耗検出に用いられるＴｉＮの頂層である。
【００２５】
本発明によると、例えば切削及び成形用工具、並びに金属薄板、並びに例えば表面技術、装飾、及び表面保護の目的のための構成要素に適した、アルミナを含んでいる酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物も提供され、切削工具インサートへの被膜の蒸着は、図１を参照して以下によって実行される。
【００２６】
超硬合金、サーメット、立方晶窒化硼素、ダイヤモンド、セラミック、又は高速度鋼のような硬質材料の基材、好適には超硬合金の基材が準備され、前記基材の上に良好な付着性の硬質耐磨耗性被膜が、酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の化学量論的結晶性の被膜を成長させるマグネトロン・スパッタリングを用いて蒸着され、蒸着は、基材における反応状態を有する一方で、同時にターゲットの表面を本質的に金属状態に維持することに基礎を置いている。これは、アルゴン及び反応性ガスを含む混合ガス中で、２００Ｗｃｍ-2より大きいピークパルス電力で、好適には少なくとも３２０Ｗｃｍ-2ピークパルス電力で、及び好適には１５ｍＴｏｒｒ以下の全圧、より好適には１０ｍＴｏｒｒ以下の全圧、最も好適には６ｍＴｏｒｒ以下の全圧で、及び十分高い繰返し周波数で一以上のターゲット（３）におけるＨＩＰＩＭＳ放電を操作することによって達成される。得られた層の化学量論組成と、成膜ターゲットの反応性ガス被覆率とを測定すると、ターゲットが反応性ガスによって極く僅かに覆われる条件の下で、層の完全な化学量論組成が達成されることが驚くべきことに見出される。
【００２７】
一実施形態では、一個以上のターゲットはＡｌＭｅ合金の同じ金属組成のものであり、ここでＭｅは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、及びＳｎのグループの一つ以上の金属を表す記号であり、並びに真空チャンバ内の混合ガスはアルゴンと酸素ガス（Ｏ2）との混合ガスであり、この場合蒸着被膜は、（Ａｌ1-xＭｅx）2Ｏ3若しくはスピネル（Ｍｅ）xＡｌ2Ｏ3+x（０<ｘ≦１）のタイプの混合酸化物、又は二相酸化物を含んでいる。好適には同じ金属組成の一個以上のターゲットはアルミニュウムのものであり、その場合蒸着被膜は、好適には０．１〜３０μｍ、より好適には１〜１０μｍ、最も好適には２〜５μｍの厚さに蒸着されたアルミナの結晶相、より詳しくはガンマもしくはアルファ・アルミナの結晶相を含んでいる。最も好適には蒸着被膜は単相アルファ・アルミナを含んでいる。
【００２８】
本発明の方法の更なる一実施形態では、互いに異なる金属組成を有する二個以上のターゲット、並びにアルゴン及び酸素ガス（Ｏ2）の混合ガスが用いられて、（Ａｌ1-xＭｅx）2Ｏ3若しくはスピネル（Ｍｅ）xＡｌ2Ｏ3+x（０<ｘ≦１）のタイプの多層若しくは混合酸化物、又は二相酸化物が蒸着される。
【００２９】
一つの代替実施形態では、一個以上のターゲットはＡｌＭｅ合金の同じ金属組成のものであり、ここでＭｅは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、及びＷのグループの一つ以上の金属を表す記号であり、真空チャンバ内の混合ガスは、アルゴンと反応性ガスとの混合ガスであり、前記反応性ガスは、酸素又は窒素又は窒素と炭化水素との混合ガスのような、酸素、窒素、及び／又は炭素含有ガスを含むものであって、この場合蒸着被膜は立方晶ＡｌＭｅ（Ｃ、Ｎ、Ｏ）被膜を含んでいる。好適には、同じ金属組成の一個以上のターゲットはＡｌＴｉのものであり、この場合蒸着被膜は、好適には０．１〜３０μｍ、より好適には１〜１０μｍ、最も好適には２〜５μｍの厚さで蒸着された、ＮａＣｌ構造を有するＡｌＴｉ（Ｃ、Ｎ）の結晶相を含む。最も好適には、同じ金属組成の一個以上のターゲットはＴｉのものであって、この場合蒸着被膜はＴｉ（Ｃ、Ｎ）を含む。
【００３０】
さらに別の一代替実施形態では、二個以上のターゲットが互いに異なる金属組成を有し、この場合酸化物、窒化物、炭化物、若しくはそれらの混合物の、混合又は多層ＡｌＭｅ被膜が得られ、ここでＭｅは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、及びＷのグループの一つ以上の金属を表す記号である。
【００３１】
金属酸化物、窒化物、炭化物、又はそれらの混合物の間及び頂部に、酸化物、炭化物、又は窒化物、又はその混合物の耐摩耗性の他の層が、本発明の方法により、又は本技術分野で公知の方法により蒸着されてよい。さらに別の被膜の例は、切削工具の磨耗検出に用いられるＴｉＮの頂層である。
【００３２】
例１：
コバルトがＷＣ１０％の組成の市販グレードＨ１０Ｆの切削工具インサート及びインサートスタイルＳＮＵＮ１２０４（サイズ１２×１２×４ｍｍ）が、以下によって、図１の超高真空蒸着装置内で被覆された。インサート（１０）は、標準的な処置手順を利用して清浄化されて、基材ホルダ（４）に搭載され、前記基材ホルダ（４）は、蒸着中に回転操作可能であって、２００ｃｍ2の面積を有しており、マグネトロン・スパッタ・ターゲット（３）の上方約１０ｃｍの位置にあった。基材ホルダ（４）は電気的に浮遊していた。ターゲット（３）は、直径５０ｍｍで厚さ３ｍｍのアルミニュウム円板であった。蒸着は真空チャンバ（１）内で実行され、前記真空チャンバ（１）は最初に５×１０-7Ｔｏｒｒまで排気された。蒸着が開始される前に、インサート（１０）は、適切な表面温度の約６００℃まで加熱された。アルゴンがスパッタガスとして用いられ、前記スパッタガスは第１質量流量制御器（５）を通してチャンバ（１）内に導入された。１００ｓｃｃｍの一定流量のアルゴンが用いられ、前記流量はチャンバ（１）内の６ｍＴｏｒｒの全圧を招来した。
【００３３】
蒸着は、７００Ｖの負電圧パルスを陽極（チャンバの壁）に対してターゲット（３）に印加することにより始められた。パルス幅は３５μｓであり、また繰返し周波数は１ｋＨｚであった。この目的のために電源（７）が用いられ、前記電源（７）は、直流定電圧源（ピナクル、アドバンストエナジー（Pinnacle, Advanced Energy））で給電されるパルスユニット（ＳＰＩＫ、Ｍｅｌｅｃ Ｇｍｂｈ）を具備するものである。一定電圧を有する、結果として生じたパルスは、パルス中に最大限度まで増大する電流を有するマグネトロン・スパッタリング・グロー放電（９）を点火した。蒸着は、第１質量流量制御器（５）を通して導入された純アルゴンのスパッタガス中で開始された。蒸着の開始から約２分後に、酸素ガス（Ｏ2）が第２質量流量制御器（６）を通して３．４ｓｃｃｍの一定流量で導入された。蒸着がシステム内でヒステリシスなしに実行されたので、プロセスは、酸素流量の選択された値のための、パルスの明確に規定された最大スパッタ電流とともに安定したモードで操作されることができた。この特定の蒸着の実行のために選択された電圧及び酸素流量は、１１０Ｗの時間平均電力を与えた。この条件のための最大スパッタ電流は、９．１Ａ、即ち６．４ｋＷの最大瞬時電力に決定された。蒸着は３時間継続され、蒸着後、インサートは真空システムから取り出される前に、２００℃未満に冷めるまで放置された。
【００３４】
図２に示されたインサートの分析は、基材（ｂ）上の被膜（ａ）が、良好な付着性のアルミナ層であって、可視的光学範囲において透明で２．０μｍの厚さを有し、比較表１のように０．６７μｍ／ｈの成膜速度に対応しているアルミナ層から構成されていることが明らかになった。被膜が、図３のＸ線回折像に示されるように少なくとも五つのピークによって識別される一つの化学量論的結晶層のアルファＡｌ2Ｏ3を含むことが見出された。アルファとして指定されたピーク以外のピークの全ては基材で生じたものである。
【表１】
【００３５】
本発明による方法を用いたとき、成膜速度が、従来技術に比較して少なくとも３倍速いことが表１からわかる。ＤＭＳの成膜速度は比較のため含まれている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶性の金属酸化物、窒化物、若しくは炭化物、又はそれらの混合物の被膜の蒸着方法であって、
アルゴンと反応性ガスとの混合ガス中で、２００Ｗｃｍ-2より大きなピークパルス電力で、１００μｓまでのパルス幅で、及び１００Ｈｚからの繰返し周波数で、一個以上のターゲットにおける高電力インパルス・マグネトロン・スパッタリングＨＩＰＩＭＳ放電を操作することにより特徴付けられる、蒸着方法。
【請求項２】
電源によって生み出された２００Ｖから、好適には５００Ｖから、最も好適には６５０Ｖから２０００Ｖまで、好適には１０００Ｖまで、最も好適には７５０Ｖまでの範囲の負電圧パルスを陽極に対して前記ターゲットに印加することによって蒸着が開始されることを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項３】
２μｓから、好適には１０μｓから、最も好適には２０μｓから４０μｓまでのパルス幅によって特徴付けられる、請求項１又は２に記載の蒸着方法。
【請求項４】
３００Ｈｚから、最も好適には５００Ｈｚから１０ｋＨｚまで、好適には３ｋＨｚまで、最も好適には１．５ｋＨｚまでの繰返し周波数によって特徴付けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の蒸着方法。
【請求項５】
マグネトロン・スパッタ・グロー放電（９）をパルスが点火するパルスユニットを具備する電源（７）を使うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸着方法であって、
前記グロー放電（９）は、ピークパルス電力が達せられる各パルス中の最大ピークまで上昇する電流をともない、その後電流は一定であるか又はピーク値の最低でも５０％まで低下する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸着方法。
【請求項６】
１５ｍＴｏｒｒ以下、好適には１０ｍＴｏｒｒ以下、最も好適には６ｍＴｏｒｒ以下の全圧によって特徴付けられる請求項１〜５のいずれか一項に記載の蒸着方法。
【請求項７】
前記被膜が切削工具に蒸着されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の蒸着方法。
【請求項８】
前記被膜が、Ｘ線回折によって測定されたとき、結晶性酸化物層を含んでいることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の蒸着方法。
【請求項９】
前記被膜が、二相酸化物、又は（Ａｌ1-xＭｅx）2Ｏ3若しくはスピネル（Ｍｅ）xＡｌ2Ｏ3+xのタイプの混合酸化物を含んでいることを特徴とする請求項８に記載の蒸着方法であって、前記ｘは、０<ｘ≦１であり、及び前記Ｍｅは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、及びＳｎのグループの一つ以上の金属を表している、請求項８に記載の蒸着方法。
【請求項１０】
前記酸化物被膜が、Ｘ線回折によって測定されたとき、結晶性アルファＡｌ2Ｏ3を含んでいることを特徴とする、請求項８に記載の蒸着方法。
【請求項１１】
酸化物、窒化物、若しくは炭化物、又はそれらの混合物の被膜と、硬質材料の基材とを具備する切削工具であって、
アルゴンと反応性ガスとの混合ガス中で、２００Ｗｃｍ-2より大きなピークパルス電力で、１００μｓまでのパルス幅で、及び１００Ｈｚからの繰返し周波数で、一個以上のターゲットにおける高電力インパルス・マグネトロン・スパッタリング・ＨＩＰＩＭＳ放電を操作することにより前記被膜が蒸着される切削工具。
【請求項１２】
前記被膜が、Ｘ線回折によって測定されたとき、結晶性酸化物層を含んでいることを特徴とする、請求項１１に記載の切削工具。
【請求項１３】
前記被膜が、二相酸化物、又は（Ａｌ1-xＭｅx）2Ｏ3若しくはスピネル（Ｍｅ）xＡｌ2Ｏ3+xのタイプの混合酸化物を含んでいることを特徴とする請求項１２に記載の切削工具であって、前記ｘは、０<ｘ≦１であり、及び前記Ｍｅは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、及びＳｎのグループの一つ以上の金属を表している、請求項１２に記載の切削工具。
【請求項１４】
前記酸化物被膜が、Ｘ線回折によって測定されたとき、結晶性アルファＡｌ2Ｏ3を含んでいることを特徴とする、請求項１２に記載の切削工具。
【請求項１】
結晶性の金属酸化物、窒化物、若しくは炭化物、又はそれらの混合物の被膜の蒸着方法であって、
アルゴンと反応性ガスとの混合ガス中で、２００Ｗｃｍ-2より大きなピークパルス電力で、１００μｓまでのパルス幅で、及び１００Ｈｚからの繰返し周波数で、一個以上のターゲットにおける高電力インパルス・マグネトロン・スパッタリングＨＩＰＩＭＳ放電を操作することにより特徴付けられる、蒸着方法。
【請求項２】
電源によって生み出された２００Ｖから、好適には５００Ｖから、最も好適には６５０Ｖから２０００Ｖまで、好適には１０００Ｖまで、最も好適には７５０Ｖまでの範囲の負電圧パルスを陽極に対して前記ターゲットに印加することによって蒸着が開始されることを特徴とする、請求項１に記載の蒸着方法。
【請求項３】
２μｓから、好適には１０μｓから、最も好適には２０μｓから４０μｓまでのパルス幅によって特徴付けられる、請求項１又は２に記載の蒸着方法。
【請求項４】
３００Ｈｚから、最も好適には５００Ｈｚから１０ｋＨｚまで、好適には３ｋＨｚまで、最も好適には１．５ｋＨｚまでの繰返し周波数によって特徴付けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の蒸着方法。
【請求項５】
マグネトロン・スパッタ・グロー放電（９）をパルスが点火するパルスユニットを具備する電源（７）を使うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸着方法であって、
前記グロー放電（９）は、ピークパルス電力が達せられる各パルス中の最大ピークまで上昇する電流をともない、その後電流は一定であるか又はピーク値の最低でも５０％まで低下する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸着方法。
【請求項６】
１５ｍＴｏｒｒ以下、好適には１０ｍＴｏｒｒ以下、最も好適には６ｍＴｏｒｒ以下の全圧によって特徴付けられる請求項１〜５のいずれか一項に記載の蒸着方法。
【請求項７】
前記被膜が切削工具に蒸着されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の蒸着方法。
【請求項８】
前記被膜が、Ｘ線回折によって測定されたとき、結晶性酸化物層を含んでいることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の蒸着方法。
【請求項９】
前記被膜が、二相酸化物、又は（Ａｌ1-xＭｅx）2Ｏ3若しくはスピネル（Ｍｅ）xＡｌ2Ｏ3+xのタイプの混合酸化物を含んでいることを特徴とする請求項８に記載の蒸着方法であって、前記ｘは、０<ｘ≦１であり、及び前記Ｍｅは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、及びＳｎのグループの一つ以上の金属を表している、請求項８に記載の蒸着方法。
【請求項１０】
前記酸化物被膜が、Ｘ線回折によって測定されたとき、結晶性アルファＡｌ2Ｏ3を含んでいることを特徴とする、請求項８に記載の蒸着方法。
【請求項１１】
酸化物、窒化物、若しくは炭化物、又はそれらの混合物の被膜と、硬質材料の基材とを具備する切削工具であって、
アルゴンと反応性ガスとの混合ガス中で、２００Ｗｃｍ-2より大きなピークパルス電力で、１００μｓまでのパルス幅で、及び１００Ｈｚからの繰返し周波数で、一個以上のターゲットにおける高電力インパルス・マグネトロン・スパッタリング・ＨＩＰＩＭＳ放電を操作することにより前記被膜が蒸着される切削工具。
【請求項１２】
前記被膜が、Ｘ線回折によって測定されたとき、結晶性酸化物層を含んでいることを特徴とする、請求項１１に記載の切削工具。
【請求項１３】
前記被膜が、二相酸化物、又は（Ａｌ1-xＭｅx）2Ｏ3若しくはスピネル（Ｍｅ）xＡｌ2Ｏ3+xのタイプの混合酸化物を含んでいることを特徴とする請求項１２に記載の切削工具であって、前記ｘは、０<ｘ≦１であり、及び前記Ｍｅは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、及びＳｎのグループの一つ以上の金属を表している、請求項１２に記載の切削工具。
【請求項１４】
前記酸化物被膜が、Ｘ線回折によって測定されたとき、結晶性アルファＡｌ2Ｏ3を含んでいることを特徴とする、請求項１２に記載の切削工具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２０１０−５２９２９５（Ｐ２０１０−５２９２９５Ａ）
【公表日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１０７４２（Ｐ２０１０−５１０７４２）
【出願日】平成２０年５月２８日（２００８．５．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／０５６５２８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１４８６７３
【国際公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【出願人】（５０５２７７５２１）サンドビック インテレクチュアル プロパティー アクティエボラーグ (284)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２８日（２００８．５．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／０５６５２８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１４８６７３
【国際公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【出願人】（５０５２７７５２１）サンドビック インテレクチュアル プロパティー アクティエボラーグ (284)
【Ｆターム（参考）】
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