[发明专利]用于物理气相沉积的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于通过物理气相沉积(PVD)技术来沉积材料的设备及方法。更具体地说，本发明涉及用于通过PVD来在一种基体、尤其是纳米层涂层上沉积一个或多个涂覆层的设备和方法，其中，这些涂层展现了改进的涂层周期性和/或这些涂覆层之间清晰突出的边界。

背景技术

迄今为止，PVD技术对于在一种基体上沉积一个或多个涂覆层一直是有用的。一个示例性种类的基体是这样一种基体：当涂覆有一种适当的涂覆材料时，它作为一种切削工具在金属切削(或其他的材料去除)应用中是有用的，这些应用包括(但不限于)形成切屑的材料去除应用。以下文件披露了PVD技术来生产涂覆的切削工具的用途：授予Prizzi等人的美国专利号5,879,823：a Coated Cutting Tool(一种涂覆的切削工具)。对这个专利的确认并不旨在限制本发明的范围，而是仅仅示出适合于通过PVD进行涂覆的代表性物品。这个专利特此通过引用结合在此。

PVD技术对于沉积多个纳米层的涂覆材料是有用的。典型地，一个单一纳米层具有的厚度是等于或小于约100纳米。涂覆纳米层的PVD沉积的示例性文件是授予Penich等人的美国专利号6,660,133：Nanolayered Coated Cutting Tool and Method for Making the Same，以及授予Penich等人的美国专利号6,884,499：Nanolayered CoatedCutting Tool and Method for Making the Same。对这些文件的确认并不旨在限制本发明的范围，而是仅仅示出了通过PVD所施加的涂覆纳米层的代表性例子。这些专利特此通过引用结合在此。

参见PVD方法的说明，Donald Mattox(1998)的出版物Handbookof Physical Vapor Deposition(PVD)Processing(由Noyes Publications，Westwood，New Jersey USA出版)总体上描述了PVD方法。总体上，PVD方法是原子学的沉积方法，其中从一种固态或液态源中溅射或蒸发出处于离子、原子或分子形式的材料，该材料被输送穿过一种低压离子体环境(并且经常与其进行反应)到达该基体，在此处该材料冷凝并形成一种薄膜。PVD方法可以用来沉积厚度为从几个纳米到几千个纳米的薄膜。PVD方法还可以用来沉积多层薄膜、分级的组合物沉积物、非常厚的沉积物以及独立式结构。PVD方法可以用来沉积这样一种薄膜：该薄膜包括被蒸发的材料与一种周围的气体环境(例如，像可以与蒸发的钛进行反应从而在基体上沉积氮化钛的氮气)的反应产物。

该Noyes出版社还描述了几种物理气相沉积方法。这些PVD方法包括真空沉积或真空蒸发；溅射沉积、电弧气相沉积、以及离子电镀。在溅射沉积方法中，存在着从一个表面(“靶材”)去除的颗粒通过物理溅射方法进行的沉积。电弧气相沉积使用高电流、低电压的电弧来将一个阴极电极(阴极电弧)或阳极电极(阳极电弧)蒸发并且将所蒸发的材料沉积在一个基体上。在离子电镀(有时候被称为离子辅助沉积(IAD)或离子气相沉积(IVD))中，沉积材料可以或者通过蒸发、溅射电弧侵蚀或者通过一种化学蒸汽前体的分解而被蒸发。所有方法都利用了对沉积薄膜的同时的或周期性的轰击来修饰并控制沉积薄膜的特性。

在一种真空沉积或真空蒸发方法中，来自一种热蒸发源的这些离子、原子或分子到达该基体，伴随着与沉积室中的剩余气体分子的最小碰撞。真空沉积正常地要求好于10^-4托的真空。

虽然所有PVD涂覆技术都已经成功用于涂覆一种基体，甚至涂覆带有一种涂覆方案(包括多个具有不同组成的层)的基体，但仍存在着改进此种方法的需要。关于在相邻涂覆层之间的边界处发生的涂覆材料的重叠，这是尤其正确的。

更确切地说，从靶材上逐出的涂覆材料可能以在某种程度上展开的方式行进，例如，该涂覆材料采取了一种羽流的形式，有时候是通过余弦定律分布(cosinus law distribution)进行描述。其结果是，从一个靶材发射出的涂覆材料的某个部分偏离了垂直于靶材的方向并且可能重叠在来自另一靶材的涂覆材料的沉积区域上。当所有靶材(或阴极)都是同种材料时，来自各个靶材的涂覆材料的重叠有助于在整个加载中使该涂层均质化并且因此是所希望的。但是，在靶材为不同材料的情况下，涂覆材料的重叠可能产生涂覆材料的不利混合物并且是不希望的，因为沉积在基体上的实际的纳米层涂覆方案与所打算的涂覆方案将不相符。