專利名稱：適用于火花蒸發(fā)的靶的應(yīng)用以及適于此應(yīng)用的靶的制備方法
適用于火花蒸發(fā)的靶的應(yīng)用以及適于此應(yīng)用的靶的制備方
法本發(fā)明涉及一種靶的應(yīng)用，該靶用于通過火花蒸發(fā)(Fimkenverdampfimg)涂敷金 屬氧化化層和/或金屬氮化物層的涂層裝置中，本發(fā)明還涉及通過火花蒸發(fā)制備金屬氧化 物層的方法。本發(fā)明特別涉及該包含至少一種金屬成分和陶瓷成分的靶的運(yùn)行。本發(fā)明對 以鋁作為低熔點(diǎn)組分的靶特別重要。陰極火花蒸發(fā)是多年來的成熟方法，其已應(yīng)用于涂敷工件和構(gòu)件，并不僅用此淀 積多種多樣的金屬層，也用此淀積金屬氮化物、金屬碳化物和金屬碳氮化物。在所有這些 應(yīng)用中，該靶是火花放電的陰極，該陰極在低電壓和高電流下運(yùn)行，并由此蒸發(fā)該靶_(陰 極)_材料。為起動(dòng)該火花放電，可利用直流電壓源作為最簡單的和最廉價(jià)的電流源。借助于火花蒸發(fā)制備金屬氧化物是成問題的。其難以在氧氣中或含氧氣氛中起動(dòng) 直流火花放電，以例如在工件或構(gòu)件上淀積氧化物層。其危險(xiǎn)在于，由于在靶上覆有絕緣 層，所以使該過程幾乎是不可控的。這會導(dǎo)致靶上火花移動(dòng)的導(dǎo)電區(qū)的收縮，最后導(dǎo)致火花放電的中斷。在US 5518597中描述了氧化層的制備，其中在升溫下進(jìn)行層淀積，該方法基于還 將陽極加熱(800—1200°C)，且該反應(yīng)性氣體不直接在靶處進(jìn)入。高的陽極溫度使陽極呈 導(dǎo)電性，并可使火花穩(wěn)定運(yùn)行。類似陽極情況，該陰極在升溫下運(yùn)行應(yīng)至少降低靶中毒的問題。因此希望的是，可 在涂層裝置中于高溫下運(yùn)行靶，而且優(yōu)選在高于靶中所用金屬的熔點(diǎn)的溫度下運(yùn)行。這可通過使用具有熔點(diǎn)提高的靶材料的靶來實(shí)現(xiàn)，這導(dǎo)致該靶材料的高的蒸發(fā) 焓。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知一種適于制備氮化物層的工藝，該工藝中所用的靶不僅含金屬Ti 還含可導(dǎo)致靶熔點(diǎn)提高的導(dǎo)電TiN。在蒸發(fā)時(shí)脫出的TiN可直接引入層中。因?yàn)門iN是一 種導(dǎo)電材料，所以該火花可不受干擾地在靶表面上移動(dòng)，且基于該靶材料的提高的蒸發(fā)焓， 該靶材料和“中毒”的靶表面的蒸發(fā)焓的差降到最小。也已知使用鈦和鋁的合金靶來制備TiAlN-層，其中混入TiN導(dǎo)電材料以提高熔 點(diǎn)。如果該層也要包含鉻組分，則可應(yīng)用其中也混入導(dǎo)電的CrN的靶。按現(xiàn)有技術(shù)，混入金 屬靶中的材料需滿足兩個(gè)條件一方面該材料必需是導(dǎo)電的，另一方面該材料必需是該待 形成層的組分。周期表中IVa族、Va族、VIa族的金屬的氮化物是導(dǎo)電的，但其它的那些金 屬是非導(dǎo)電的。這自然就大大地限制了用于此工藝的材料的選用。由于用所述材料可升高 熔點(diǎn)，因此再進(jìn)一步升高熔點(diǎn)就變得很困難。還嚴(yán)重的是，如果要形成的層僅包含絕緣層， 則按現(xiàn)有技術(shù)就不可以熔點(diǎn)升高來操作。但這最終表明，上述的提高熔點(diǎn)的可能性對Al-靶而言至今未可應(yīng)用，因?yàn)榈?鋁和氧化鋁均是不導(dǎo)電的。因此僅包含鋁作為金屬成分的非導(dǎo)電層(如氧化物)的制備仍 是困難的。因此，本發(fā)明的目的是提供一種方法，按此方法可借助于火花蒸發(fā)在基底上涂敷 含金屬成分的非導(dǎo)電層。本發(fā)明應(yīng)用一種靶，其基質(zhì)由其氮化物和/或氧化物是非導(dǎo)電性的金屬組成，其
3中與現(xiàn)有技術(shù)相比，該靶具有升高的熔點(diǎn)。本發(fā)明應(yīng)用一種靶，其中將該靶的金屬的非導(dǎo)電氧化物和/或氮化物引入該靶的
金屬基質(zhì)中。在此情況下，在靶中混有非導(dǎo)電材料，以致該靶的表面從宏觀看仍是導(dǎo)電的。由此 可確保非導(dǎo)電成分引入導(dǎo)電的基材的基質(zhì)中。該導(dǎo)電基質(zhì)呈聯(lián)結(jié)的網(wǎng)絡(luò)位于表面上，在本 發(fā)明的應(yīng)用中，該網(wǎng)絡(luò)可使火花越過靶而移動(dòng)。按一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，應(yīng)用一種靶，其中使非導(dǎo)電的氧化鋁顆粒引入靶的鋁基質(zhì) 中。按另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，該氧化鋁顆粒的直徑小于100 ym，特別是小于50 μ m。 這里，該非導(dǎo)電組分以如此細(xì)的顆粒引入靶中，以致從宏觀看提高了靶的熔點(diǎn)和所需的蒸 發(fā)焓。此外還應(yīng)確保，該火花的熔化區(qū)域由更低的熔化溫度(如鋁)所限定。由此小滴散 發(fā)(Dropletemission)減少。優(yōu)選使用鋁基質(zhì)中氧化鋁含量小于70體積％的靶。按另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，該所用鋁靶是粉末冶金靶。另外，可使用由混入鋁中的氧化鋁粉末組成的靶。按另一個(gè)可選實(shí)施方案，使用借助于全息結(jié)構(gòu)化法制成的靶，其中氧化鋁層如此 構(gòu)造，使在氧化鋁之間形成的凹穴由鋁所充填。此外，如果所用的靶具有其中引入非導(dǎo)電氮化鋁顆粒的鋁基質(zhì)則也是優(yōu)選的。在所用靶中，優(yōu)選存在基本呈第一粒徑的氮化鋁粒和基本呈第二粒徑的鋁粒，其 中該第一粒徑大于該第二粒徑，特別是3倍于該第二粒徑。按另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，該第一粒徑約為120 μ m，該第二粒徑約為40 μ m。本發(fā)明還提供一種靶，其可用于通過火花蒸發(fā)制備金屬氧化物層和/或金屬氮化 物層，其中該靶具有由金屬組成的基質(zhì)，在基質(zhì)中引入有該金屬的非導(dǎo)電氧化物和/或氮 化物。該非導(dǎo)電氧化物和/或氮化物在基質(zhì)中的組分優(yōu)選小于70體積％。按另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，該基質(zhì)由鋁組成，其中引入有氧化鋁或氮化鋁。下面參閱附圖按實(shí)施例詳述本發(fā)明。

圖1示意出本發(fā)明的待應(yīng)用的靶的表面，該靶含約120 ym大的氮化鋁粒，該氮 化的鋁粒引入到由小至約三分之一的鋁粒所組成的鋁周圍，如在火花蒸發(fā)中所“看到”的火花。圖2示出借助于全息技術(shù)所制備的本發(fā)明的靶的截面，靶中有規(guī)律地分布有氧化 鋁-島(陰影線)，這些氧化鋁-島引入在鋁-十字柵格中(灰色背底)。圖3示意出其中嵌有氮化鋁粒的靶的鋁基質(zhì)的截面圖。本發(fā)明的實(shí)施方式首先示例性地以鋁靶來描述。鋁是低熔點(diǎn)材料。如要借助于火 花蒸發(fā)制備氧化鋁，則對鋁靶在通常待使用的蒸發(fā)條件下，鋁中毒是嚴(yán)重問題。如前所述， 按現(xiàn)有技術(shù)不可使用熔點(diǎn)升高的方法，因?yàn)檠趸X形成非常好的絕緣體。在本發(fā)明方法中，該靶的氧化鋁-顆粒的大小為約50 μ m，但優(yōu)選直徑最大為50 μ m或不應(yīng)明顯超過該直徑，以適配火花直徑的典型大小。由于較高的熔點(diǎn)，該氧化鋁不溶 解，且該氧化鋁顆粒是引入整個(gè)鋁基質(zhì)中。所以與鋁相比，該氧化鋁-份數(shù)越高，則特別在涂層應(yīng)用中該靶的熔點(diǎn)就越高。但已表明，在太低的鋁濃度下，該靶表面的電導(dǎo)太低，以致 不能實(shí)行穩(wěn)定的火花蒸發(fā)。因此，在該實(shí)施方式中，使用氧化鋁份數(shù)低于70體積％的靶?？蓱?yīng)用各種方該制備該靶。按第一種實(shí)施方式，該制備可借助于已知的粉末冶金 法來實(shí)現(xiàn)。其中將鋁研磨成細(xì)粉末和將氧化鋁也研磨成細(xì)粉末。按本發(fā)明方法，應(yīng)用全息結(jié)構(gòu)化法制備圖2中所描述的靶，其中氧化鋁層1經(jīng)構(gòu)造 成為有規(guī)律的柵格形狀。然后由此形成的凹穴2由鋁充填。該氧化鋁優(yōu)選呈X，y兩方向 構(gòu)造，以致形成有規(guī)律的氧化鋁島3，并使鋁本身可作為在X，y兩方向上可導(dǎo)電的十字柵 格。這種表面結(jié)構(gòu)可用幾10 nm—幾10 μ m的柵格間隔呈大面積形成。優(yōu)選使用的柵 格間隔為500 nm—20 μ m，特別優(yōu)選使用的柵格間隔為2 μ m。上面與鋁基質(zhì)和引入于其中的鋁氧化物相關(guān)所述的方法可應(yīng)用于任何電絕緣體， 只要該絕緣體是引入于導(dǎo)電基質(zhì)中。這里，術(shù)語基質(zhì)可廣義地解釋，因?yàn)樵摶|(zhì)僅應(yīng)確保其 可傳導(dǎo)電荷，以致在導(dǎo)電的表面上該火花亮斑總可無阻地移動(dòng)。如果要形成含AlN組分的層，則可如上述方法將AlN引入金屬基質(zhì)中。此外可將 提高熔點(diǎn)的本發(fā)明所述的措施與現(xiàn)有技術(shù)已知的措施相組合。例如為借助于火花蒸發(fā)制備 TiAlN-層，可應(yīng)用一種將金屬Ti、金屬Al、導(dǎo)電化合物TiN和絕緣體AlN整合在一起作為組 分的靶。但以此描述還應(yīng)闡明本發(fā)明的另一方面。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，以氧富集金 屬鋁粒會由于起擴(kuò)散阻擋作用的氧化皮而變得更困難。如已知的，即在氮化鋁情況下，氮可擴(kuò)散進(jìn)鋁大于100 nm,即AlN在表面上形成后 的穿透足以使更多的氮可擴(kuò)散進(jìn)鋁的更深的區(qū)域。已知這在氧化鋁的情況下是不可能的 首先最上面的和大部分僅為幾納米厚的層氧化鋁已形成對后續(xù)氧的強(qiáng)的擴(kuò)散阻擋，以致不 會發(fā)生進(jìn)一步的更深的氧化。盡管有在光學(xué)中鋁平面是穩(wěn)定的事實(shí)，但對這里所討論的相 關(guān)內(nèi)容而言，卻有不利的后果，即不可形成足夠的氧化鋁。為在涂層方法中避免上述問題，為制備優(yōu)選是氧化性質(zhì)的含鋁層，按一個(gè)實(shí)施方 案，應(yīng)用一種包含引入于鋁基質(zhì)中的細(xì)粒氮化物和含鋁-顆粒的靶。該顆粒用于使靶的熔 點(diǎn)升高，這對降低導(dǎo)致微顆粒散發(fā)的金屬的低溶點(diǎn)鋁的不可控局部熔化是必需的。如果在 火花蒸發(fā)過程中補(bǔ)加氧作為工藝氣體，則令人意外地發(fā)現(xiàn)，基本上形成不含氮的氧化鋁層。 這可能是AlN發(fā)生離解，并且Al與加入的氧發(fā)生化合。相應(yīng)于本發(fā)明的涂層方法，該靶的所需蒸發(fā)焓高于該純金屬的蒸發(fā)焓，但稍低于 組成材料的蒸發(fā)烚。在本發(fā)明的說明書中提出可應(yīng)用其氮化物和/或氧化物是非導(dǎo)電的金屬靶來實(shí) 施火花蒸發(fā)，其中該氮化物和/或氧化物可呈細(xì)的不導(dǎo)電的顆粒引入該金屬的基質(zhì)4中，并 用含這種組成材料的且具有升高熔點(diǎn)的靶可實(shí)施火花蒸發(fā)，此時(shí)如果甚至不可完全避免火 花收縮或不穩(wěn)定的問題，但也可明顯減弱這些問題。
權(quán)利要求
1.靶的應(yīng)用，該靶用于火花蒸發(fā)涂層法中以制備金屬氧化層和/或金屬氮化物層，其 中，應(yīng)用一種靶，在該靶中該靶的金屬的非導(dǎo)電氧化物和/氮化物引入該靶的金屬基質(zhì)中， 且由此該靶可在高于靶中所用金屬的熔點(diǎn)的溫度下運(yùn)行。
2.權(quán)利要求1的靶的應(yīng)用，其中，該靶具有鋁基質(zhì)，其中引入有非導(dǎo)電的氧化鋁顆粒 和/或氮化鋁顆粒。
3.權(quán)利要求2的靶的應(yīng)用，其中，該氧化鋁顆粒基本具有這樣的直徑，該直徑小于典 型的火花直徑，且由此小于100 μπι，優(yōu)選小于50 μπ ο
4.權(quán)利要求2或3的靶的應(yīng)用，其中，鋁基質(zhì)中的氧化鋁的份數(shù)小于70體積％。
5.權(quán)利要求1一4任一項(xiàng)的靶的應(yīng)用，其中，該靶是粉末冶金靶。
6.一種制備適于權(quán)利要求2—5任一項(xiàng)應(yīng)用的靶的方法，其中，該靶借助于全息結(jié)構(gòu) 化方法制備，其中將氧化鋁層構(gòu)造成柵格狀，并且其中在柵格中形成的凹穴充填有鋁。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用靶的方法，該靶適于通過火花蒸發(fā)制備金屬氧化物層和/或金屬氮化物層的涂層工藝，其中該靶可在高于靶中所用金屬的熔點(diǎn)的溫度下運(yùn)行，且其中該靶由其氧化物和/或氮化物是非導(dǎo)電性的金屬制成。此外，本發(fā)明還涉及一種靶的應(yīng)用，該靶用于通過火花蒸發(fā)制備金屬氧化物層和/或金屬氮化物層，其中該靶具有由金屬制成的基質(zhì)，其中引入有該金屬的非導(dǎo)電的氧化物和/或氮化物。
文檔編號C23C14/34GK102124138SQ200980132028
公開日2011年7月13日 申請日期2009年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月17日
發(fā)明者D·庫拉波夫, M·萊赫塔勒 申請人:歐瑞康貿(mào)易股份公司(特呂巴赫)