[发明专利]TixSi1-xN层及其制造

说明书

本发明涉及具有涂层的工件，该涂层包含至少一个Ti_xSi_1‑xN层，其特征是，x≤0.85并且所述Ti_xSi_1‑xN层包含纳米晶，所包含的纳米晶具有不大于15nm的平均粒度和(200)织构。本发明还涉及用于制造上述层的方法，其特征是，为了制造而采用溅射法，其中在溅射靶的靶表面上出现大于0.2A/cm²的电流密度，该靶是Ti_xSi_1‑x靶，其中x≤0.85。最好在Ti_xSi_1‑xN层和工件基材体之间设有含有TiAlN或CrAlN的中间层。

本发明涉及涂层，其包括至少一个含硅的层。

硅是这样的化学元素，其与硬质材料层相关地有时被用于提高层应力。如果层应力提高，则这一般导致该层有较大硬度。这例如也与氮化钛结合使用。由此得到这样的层，其在化学上是通过结构式Ti_xSi_1-xN来描述的，在这里，x是按照原子百分比表示的钛浓度，如果只考虑该金属元素。在此书写方式下，按百分比给出的原子浓度相加为100％。

这样的层可以按照很硬的形式借助所谓的阴极电火花气化来制造。此时，在提供金属元素的且被用作阴极的靶和阳极之间点燃电火花，通过电火花从靶表面吸引出高密度电子流。因为在靶表面上有极其集中的很高电流密度，故靶表面被局部明显加热并且所述材料以离子化形式气化。

这样被气化和电离的材料随后借助施加在基材上的负电压朝向基材加速。如果附加地在涂覆室中通入反应气体，则气化的离子与反应气体结合并在基材表面上形成相应的层。

但在此方法中通常会出现所谓的小液滴问题：因为在靶表面上的突然局部加热而出现爆炸状的熔体，该熔体将通过靶材的整个小液滴被甩到周围环境中。所述小液滴有时着落于基材表面，这一般不利地影响到层膜性能及其质量。虽然目前有了滤掉小液滴的方法。但这种过滤器可能使得涂覆速率很低，并且几乎无法再经济地运行涂覆作业。

另一方面，超过15原子％的硅含量很常见地在电火花气化过程中导致靶受损。极端情况下必须在每次涂覆后换靶，这又不利于工艺经济性。

本领域技术人员在借助磁控辅助溅射(磁控溅射)的传统气相沉积中没有遇到这些问题。但是，通过离子轰击从靶表面被撞击出的粒子没有或几乎没有电离化，因此也可以没有借助施加于基材的基材偏压朝向基材加速。这种通过传统方式溅射的层相应地具有相对小的密度和硬度。

在类似于电火花气化的领域中“移动”溅射层的密度和硬度的一种已知的可能性是：所谓的HiPIMS(高功率脉冲磁控溅射)方法。HiPIMS＝High Power Impulse MagnetronSputtering。在此溅射方法中，溅射阴极被施以高功率脉冲密度，这导致了由阴极雾化的材料被电离至高百分比。如果现在施加负电压到待涂覆工件上，则这些离子被朝向工件加速，这导致极为致密的层。

溅射阴极须以脉冲形式被施加功率，以便让其有时间散走伴随功率而来的热输入。因此在HiPIMS方法中需要脉冲发生器作为功率源。脉冲发生器须能够发出很高但很短的功率脉冲。目前可获得的脉冲发生器表现得不太灵活，这例如涉及脉冲高度和/或脉冲持续时间。理想地应该发出矩形脉冲。但大多时候在一个脉冲内的功率输出明显依赖于时间，这直接影响到层膜性能例如像硬度、附着性、内应力等等。另外，涂覆速率受到了偏离矩形轮廓的不利影响。

尤其是所述难点提出了再现性的问题。

就发明人所知，与之相应地尚未研究借助HiPIMS方法来制造Ti_xSi_1-xN 层。

因此，人们需要这样的方法，根据该方法可以在高功率的情况下借助磁控溅射来制造Ti_xSi_1-xN层。