特表 2023-542734 金属ターゲットからＰＶＤによって製造されたＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング層

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-10-11

(54)【発明の名称】金属ターゲットからＰＶＤによって製造されたＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング層

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/06 20060101AFI20231003BHJP

   B23B 27/14 20060101ALI20231003BHJP

【ＦＩ】

C23C14/06 L

C23C14/06 A

B23B27/14 A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023519576

(86)(22)【出願日】2021-09-29

(85)【翻訳文提出日】2023-05-15

(86)【国際出願番号】 EP2021076867

(87)【国際公開番号】W WO2022069589

(87)【国際公開日】2022-04-07

(31)【優先権主張番号】102020005954.6

(32)【優先日】2020-09-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】598051691

【氏名又は名称】エリコン・サーフェス・ソリューションズ・アクチェンゲゼルシャフト，プフェフィコーン

【氏名又は名称原語表記】ＯＥＲＬＩＫＯＮ ＳＵＲＦＡＣＥ ＳＯＬＵＴＩＯＮＳ ＡＧ， ＰＦＡＥＦＦＩＫＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】クラスニッツァー，ジークフリート

(72)【発明者】

【氏名】エバーソルド，マリヤナ・ミオニッチ

(72)【発明者】

【氏名】ヤラマンチリ，シバ・ファニ・クマール

【テーマコード（参考）】

3C046

4K029

【Ｆターム（参考）】

3C046FF10

3C046FF13

3C046FF19

3C046FF23

3C046FF24

4K029BA58

4K029BC02

4K029BD05

4K029CA04

4K029CA13

4K029DA08

4K029DD06

4K029EA03

4K029EA08

(57)【要約】

本発明は、コーティング層及びその製造方法に関し、該コーティング層は、Ａｌ、Ｔｉ及びＮを主成分として含み、式（Ａｌ_ａＴｉ_ｂ）_ｘＮ_ｙ（式中、ａ及びｂはそれぞれ、層中の化学元素組成の算出にＡｌ及びＴｉのみを考慮した原子比でのアルミニウム及びチタンの濃度であり、ここで、ａ＋ｂ＝１、且つ０≠ａ≧０．７及び０≠ｂ≧０．２であり、ｘはＡｌの濃度とＴｉの濃度の和であり、ｙは、層中の元素組成の算出にＡｌ、Ｔｉ及びＮのみを考慮した原子比での窒素の濃度であり、ここで、ｘ＋ｙ＝１、且つ０．４５≦ｘ≦０．５５である）によるこれらの元素に関する原子百分率の元素組成を有し、該コーティング層は、９０％以上のｆｃｃ立方相を呈し、圧縮応力が２．５ＧＰａ以上、好ましくは２．５ＧＰａ～６ＧＰａの間である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材の表面上に少なくとも１つのコーティング層を蒸着させることを含む、コーティングされた基材を製造するための方法であって、
●前記少なくとも１つのコーティング層が、反応性ＰＶＤ陰極アーク蒸発技術を使用することによって真空コーティングチャンバの内部で合成され、
前記真空コーティングチャンバ内に反応性ガスとして使用される窒素ガスが導入され、
ターゲット材料を蒸発させるためのカソードとして動作する前記ターゲット材料を含む少なくとも１つのアーク蒸発源が使用され、
前記ターゲット材料が、Ａｌ及びＴｉからなるか、又はＡｌ及びＴｉを主成分として含み、前記ターゲット材料中の原子百分率でＡｌ及びＴｉの含有量のみを考慮すると、前記ターゲット材料中のＡｌ［ａｔ％］／Ｔｉ［ａｔ％］の比が７０／３０以上、すなわちＡｌ［ａｔ％］／Ｔｉ［ａｔ％］≧７０／３０であり、
前記方法が、前記ターゲット材料からのアルミニウム及びチタンと、前記コーティングチャンバに含まれる前記窒素ガスからの窒素との間の反応の結果としての窒化アルミニウムチタンの反応性蒸着を伴い、
前記基材上への窒化アルミニウムチタンの前記反応性蒸着が、
ｉ．３６０℃未満の蒸着温度で、
ｉｉ．３Ｐａ未満、好ましくは２Ｐａ未満、より好ましくは１．５Ｐａ未満の窒素分圧で、－２５０Ｖ≦Ｕ_ｂ≦－３０Ｖに相当する範囲内で、好ましくは、－２００Ｖ≦Ｕ_ｂ≦－４０Ｖに相当する範囲内で、より好ましくは、－２００Ｖ≦Ｕ_ｂ≦－６０Ｖに相当する範囲内で、前記基材において、バイアス電圧Ｕ_ｂを用いて、行われ、
ｉｉｉ．形成される前記コーティング層が、
ａ．Ａｌ、Ｔｉ及びＮを単独で成分として、又は主成分として含み、式（Ａｌ_ａＴｉ_ｂ）_ｘＮ_ｙ（式中、ａ及びｂはそれぞれ、前記層中の化学元素組成の算出にＡｌ及びＴｉのみを考慮した原子比でのアルミニウム及びチタンの濃度であり、ここで、ａ＋ｂ＝１、且つ０≠ａ≧０．７及び０≠ｂ≧０．２であり、ｘはＡｌの濃度とＴｉの濃度の和であり、ｙは、前記コーティング層中の前記元素組成の算出にＡｌ、Ｔｉ及びＮのみを考慮した原子比での窒素の濃度であり、ここで、ｘ＋ｙ＝１、且つ０．４５≦ｘ≦０．５５である）によるこれらの元素に関する原子百分率の前記元素組成を有し、
ｂ．９０％以上のｆｃｃ立方相を呈し、
ｃ．圧縮応力が２．５ＧＰａ以上、好ましくは２．５ＧＰａ～６ＧＰａの間である、方法。

【請求項2】

前記蒸着温度が１５０℃～２５０℃の間の範囲にあり、前記窒素分圧が０．１Ｐａ～１．３Ｐａの間、好ましくは０．１Ｐａ～１Ｐａの間、より好ましくは０．１Ｐａ～０．９Ｐａの間の範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記アーク蒸発源が、３０Ｖを超える、好ましくは３０°Ｖ～５０°Ｖの間の放電電圧でアーク放電を生成させることによって作動されることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。

【請求項4】

前記アーク放電が、前記基材の加熱をもたらす、すなわち前記基材の熱負荷をもたらす電力の２０％未満の寄与を有するように生成されることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。

【請求項5】

以下の範囲の以下のプロセスパラメータ：
８０／２０≦Ａｌ［ａｔ％］／Ｔｉ［ａｔ％］≧９０／１０の範囲内の前記ターゲット材料中のＡｌ［ａｔ％］／Ｔｉ［ａｔ％］の比を呈する前記ターゲット材料、
１８０℃～２２０℃の間の範囲の蒸着温度、
０．１ＧＰａ～１ＧＰａの間の範囲の窒素分圧、
－９０Ｖ～－１６０Ｖの間、又は１００Ｖ～１５０Ｖの間の範囲のバイアス電圧
が使用されることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。

【請求項6】

先行する請求項のいずれかに記載の方法を使用することによって製造された少なくとも１つのコーティング層を含むコーティング系でコーティングされたコーティングされた基材であって、前記少なくとも１つのコーティング層が、
○Ａｌ、Ｔｉ及びＮを単独で成分として、又は主成分として含み、式（Ａｌ_ａＴｉ_ｂ）_ｘＮ_ｙ（式中、ａ及びｂはそれぞれ、前記層中の化学元素組成の算出にＡｌ及びＴｉのみを考慮した原子比でのアルミニウム及びチタンの濃度であり、ここで、ａ＋ｂ＝１、且つ０≠ａ≧０．７及び０≠ｂ≧０．２であり、ｘはＡｌの濃度とＴｉの濃度の和であり、ｙは、前記層中の前記元素組成の算出にＡｌ、Ｔｉ及びＮのみを考慮した原子比での窒素の濃度であり、ここで、ｘ＋ｙ＝１、且つ０．４５≦ｘ≦０．５５である）によるこれらの元素に関する原子百分率の前記元素組成を有し、９０％以上のｆｃｃ立方相を呈し、圧縮応力が２．５ＧＰａ以上、好ましくは２．５ＧＰａ～６ＧＰａの間である、コーティングされた基材。

【請求項7】

前記少なくとも１つのコーティング層が、ヤング率が３５０ＧＰａ～４２０ＧＰａの間の範囲内であり、硬度が３８ＧＰａ～５４ＧＰａの間の範囲内であることを特徴とする、請求項６に記載のコーティングされた基材。

【請求項8】

前記少なくとも１つのコーティング層が、ヤング率が３５０ＧＰａ～４１０ＧＰａの間の範囲内であり、硬度が３９ＧＰａ～５３ＧＰａの間の範囲内であることを特徴とする、請求項７に記載のコーティングされた基材。

【請求項9】

前記少なくとも１つのコーティング層が、０．７５≦ａ≦０．８の範囲内の係数ａに対応するアルミニウム含有量を呈することを特徴とする、請求項７又は８に記載のコーティングされた基材。

【請求項10】

前記少なくとも１つのコーティング層が、０．７６≦ａ≦０．７９の範囲内の係数ａに対応するアルミニウム含有量を呈することを特徴とする、請求項９に記載のコーティングされた基材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属ターゲットからの物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって製造されたＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング（以下、単にＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング層又はＡｌリッチＡｌＴｉＮ層又はＡｌリッチＡｌＴｉＮ膜とも称する）及びその製造方法に関する。

【0002】

本発明は更に、上述の本発明のＡｌリッチＡｌＴｉＮ層のうちの１つ以上からなる、又はそれを含むコーティング系に関する。

【背景技術】

【0003】

本発明によるＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング層は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）及び窒素（Ｎ）からなるコーティング層として、又はアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）及び窒素（Ｎ）を主成分として含むコーティング層として理解されるべきである。

【0004】

これに関連して、ＡｌリッチＡｌＴｉＮ層における「主成分であるＡｌ、Ｔｉ、Ｎ」という用語の使用は、ＡｌリッチＡｌＴｉＮ層の全化学元素組成を原子百分率で決定するために、ＡｌリッチＡｌＴｉＮ層に含有される全ての元素を考慮する場合、特に、原子百分率による濃度としてのＡｌリッチＡｌＴｉＮ層中のＡｌ、Ｔｉ及びＮの含有量の和が５０ａｔ％を超えること（すなわち、５０ａｔ％超から１００ａｔ％の間の値）、好ましくは７５ａｔ％超（すなわち、７５ａｔ％超から１００ａｔ％の間の値）、より好ましくは８０ａｔ％以上（すなわち、８０ａｔ％～１００ａｔ％の間の値）に相当することを意味する。

【0005】

これに関連して、「Ａｌリッチ」という用語は、原子百分率での化学元素組成の決定のためにＡｌ及びＴｉのみが考慮される場合（すなわち、Ａｌ［ａｔ％］／Ｔｉ［ａｔ％］≧７０／３０である）、対応するＡｌリッチＡｌＴｉＮ層中のアルミニウム（Ａｌ）の含有量が７０ａｔ％に等しいか好ましくは７０ａｔ％を超えることを示すために特に使用される。

【0006】

技術水準
立方晶構造及び柱状微細構造を呈する（Ｔｉに対して）７５ａｔ．－％を超えるＡｌ含有量を有するＡｌＴｉＮコーティング層は、ＬＰ－ＣＶＤプロセスによって合成されることが知られている。これらの種類のコーティングは、ＰＶＤベースのＡｌ_０．６７Ｔｉ_０．３３Ｎコーティング等のより低いＡｌ含有量を有するコーティングと比較して優れた摩耗保護を示すことが知られている。

【0007】

歴史的に、アーク蒸着及び反応性マグネトロンスパッタリング等のＰＶＤ法を使用して、最大７０ａｔ．－％ Ａｌの準安定立方晶（Ｂ１結晶構造）相のＡｌＴｉＮ層を製造できることはよく知られている。

【0008】

更に、Ａｌの準安定溶解限界を７０ａｔ．％を超えて高めるための可能な方法を提示するいくつかの刊行物もある。しかしながら、これまでに提案されたこれらの方法は全て、いくつかの欠点を伴う。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の目的
本発明の目的は、最新技術の欠点を克服又は緩和するＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング及びその製造方法を提供することである。

【0010】

ＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティングは、好ましくは立方相、高硬度、適切な圧縮応力、及びコーティング微細構造を呈するべきであり、これは、ＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティングが切削工具に適用される場合、好ましくは高い耐摩耗性及び改善された切削性能を達成することを可能にする。

【0011】

本発明の更なる目的は、本発明のＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティングを製造するための柔軟で信頼性の高い方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の説明
本発明の目的は、本明細書に記載され、請求項１～５にも記載される、基材をコーティングするためのＡｌリッチコーティング層を製造する方法を提供することによって達成される。更に、本発明の目的は、本明細書に記載され、また請求項６～１０に記載されるようなＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング層及び本発明のコーティング層でコーティングされた基材を製造することによって達成される。

【0013】

本発明は、具体的には、Ａｌ、Ｔｉ及びＮのみを含むか、又はＡｌ、Ｔｉ及びＮを主成分として含むコーティング層に関し、コーティング層中の原子百分率での化学元素組成は、これらの元素のみを考慮すると、式（Ａｌ_ａＴｉ_ｂ）_ｘＮ_ｙで与えられ、式中、ａ及びｂはそれぞれ、層中の元素組成の算出にＡｌ及びＴｉのみを考慮した原子比でのアルミニウム及びチタンの濃度であり、ここで、ａ＋ｂ＝１、且つ０≠ａ≧０．７及び０≠ｂ≧０．２であり、ｘはＡｌの濃度とＴｉの濃度の和であり、ｙは、層中の元素組成の算出にＡｌ、Ｔｉ及びＮのみを考慮した原子比での窒素の濃度であり、ここで、ｘ＋ｙ＝１、且つ０．４５≦ｘ≦０．５５であり、
●コーティング層は、
○９０％以上のｆｃｃ立方相、及び
○２．５ＧＰａ以上、好ましくは２．５ＧＰａ～６Ｐａの間の圧縮応力を呈する。

【0014】

かなり高い圧縮応力を必要とするいくつかの用途では、圧縮応力は好ましくは４～６Ｐａの間であり得る。更に、本発明は、具体的には、基材の表面上に請求項１に記載のコーティング層を製造する方法に関し、
●コーティング層は、反応性ＰＶＤ陰極アーク蒸発技術を使用することによって真空コーティングチャンバの内部で合成され、
真空コーティングチャンバ内に反応性ガスとして使用される窒素ガスが導入され、
ターゲット材料を蒸発させるためのカソードとして動作するターゲット材料を含む少なくとも１つのアーク蒸発源が使用され、
ターゲット材料が、Ａｌ及びＴｉからなるか、又はＡｌ及びＴｉを主成分として含み、ターゲット材料中の原子百分率でＡｌ及びＴｉの含有量のみを考慮すると、ターゲット材料中のＡｌ［ａｔ％］／Ｔｉ［ａｔ％］の比が７０／３０以上、すなわちＡｌ［ａｔ％］／Ｔｉ［ａｔ％］≧７０／３０、好ましくは７０／３０≦Ａｌ［ａｔ％］／Ｔｉ［ａｔ％］≦９０／１０であり、
方法は、ターゲット材料からのアルミニウム及びチタンとの間の反応の結果としての窒化アルミニウムチタンの反応性蒸着伴い、窒素が反応性ガスとしてコーティングチャンバに導入され、
窒化アルミニウムチタンの反応性蒸着は、
ｉ．３６０℃未満、好ましくは可能な限り低い、例えば１５０℃～２５０℃の間の蒸着温度で、
ｉｉ．３Ｐａ未満、好ましくは２Ｐａ未満、より好ましくは１．５Ｐａ未満、いずれの場合も０．０５Ｐａより高く、好ましくは０．１Ｐａ～１．３Ｐａの間の範囲、より好ましくは０．１Ｐａ～０．９Ｐａの間の範囲の窒素分圧で、化学量論的窒化物化合物を形成するのに十分なだけの窒素分圧で、
ｉｉｉ．－２５０Ｖ≦Ｕ_ｂ≦－３０Ｖに相当する範囲内、好ましくは、－２００Ｖ≦Ｕ_ｂ≦－４０Ｖに相当する範囲内で、より好ましくは、－２００Ｖ≦Ｕ_ｂ≦－６０Ｖに相当する範囲内で、バイアス電圧Ｕ_ｂを用いて、行われる。

【0015】

本発明者らは、上記で提案された範囲の低圧を、提案された範囲の他のプロセスパラメータと組み合わせて、特に低いプロセス温度（コーティングプロセス中の蒸着温度又は基材温度とも呼ばれる）と組み合わせて使用すると、高いＡｌ濃度（Ａｌ［ａｔ．％］／Ｔｉ［ａｔ．％］≧７０／３０）に対して立方相ｆｃｃの形成が可能になるが、アーク放電が不安定になる可能性があることを見出した。したがって、本発明者らは、アーク源における改善された磁場を使用することによってアーク放電を安定化させることを提案している。このような改善された磁場により、低い窒素分圧が使用される場合、より高い放電電圧を達成することが可能であり、安定したプロセスをもたらす。更に、このようにして、低い窒素分圧を使用することによって、本発明者らは、非常に少量の液滴を呈し、本発明のコーティング層の非常に滑らかな表面をもたらす、本発明によるＡｌリッチ窒化アルミニウムチタンコーティング層を製造することを達成した。

【0016】

上述の本発明による方法の好ましい実施形態によれば、アーク蒸発源は、低い窒素分圧にもかかわらず可能であった３０Ｖを超える、特に３０Ｖ～５０Ｖの間の放電電圧でアーク放電を生成させることによって作動される。通常、低い窒素分圧を使用すると放電電圧が低下する。

【0017】

３０Ｖを超える放電電圧を使用することによって達成される更なる利点は、コーティングプロセス中にターゲット材料とターゲット表面に存在する窒素との反応の結果として窒化又は部分的に窒化されるターゲット材料（例えば、１つ以上のＡｌＴｉターゲット）の表面を蒸発させることができることであった。

【0018】

更に、本発明者らは、（熱負荷をもたらす）散逸された電力は、コーティングされる基材における熱負荷を低減するために、ターゲット表面の近傍に留まるべきであり、コーティングされる基材内に散逸すべきではないことを示唆している。このようにして、プロセス温度を低く維持することができる。

【0019】

この意図で、好ましくは、この方法は、参照により本明細書に組み込まれるＰＣＴ／ＥＰ２０２０／０６８８２８（国際公開番号ＷＯ２０２１／００１５３６Ａ１を有する）の文献にＫｒａｓｓｎｉｔｚｅｒによって記載されているタイプの１つ以上のアーク蒸発源を使用することによって行われる。このようにして、例えば２００Ａのアーク電流をターゲットに印加することができ、同時にアーク放電において３０Ｖ（例えば、３０Ｖ～５０Ｖの間）を超える放電電圧を達成するが、基材加熱（これに関連して、基材加熱は、コーティングされる基材における熱負荷として理解されるべきである）をもたらすであろう電力の２０％未満の寄与を維持するように、反応性ＰＶＤコーティングプロセスを実施し、ＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング層（上記で説明したように７５ａｔ％より高いＡｌ含有量を有する）を製造することが可能である。多くの場合、２００Ａ又は実質的に２００Ａの好ましい電源電流は、各々の場合において本発明の限定として理解されてはならない。ソース電流は、アークソース及び使用されるターゲットの化学元素組成に応じて変化し得る。これは、１２０Ａ～２００Ａの間の範囲内とすることができる。

【0020】

立方晶構造で成長し（又は立方晶構造で少なくとも９０％まで成長し）、高い硬度を有する、Ａｌ＞７５％のコーティング層（例えば、（（Ａｌ_７６Ｔｉ_３３）Ｎと（Ａｌ_９０Ｔｉ_１０）Ｎとの間の範囲の化学元素組成を有するコーティング層）を有するＡｌＴｉＮは、好ましくは、コーティングプロセス中に低温（すなわち、コーティングプロセス中の低いプロセス温度）、イオンからの高いエネルギー入力を達成するための低いガス圧（これに関連して、低ガス圧は、特に低窒素分圧を指し、好ましくは、窒素ガスのみが、コーティングプロセス中にプロセスガス及び反応性ガスとしてコーティングチャンバに導入される）、及び高い負バイアス電圧を使用することによって、本発明に従って製造される。

【0021】

本発明者らは、ＡｌリッチＡｌＴｉＮ層における上述の比のＡｌ及びＴｉの組み合わせが、Ａｌ［ａｔ％］／Ｔｉ［ａｔ％］≧７０／３０、好ましくはＡｌ［ａｔ％］／Ｔｉ［ａｔ％］＞７０／３０、より好ましくは９０／１０≧Ａｌ［ａｔ％］／Ｔｉ［ａｔ％］≧８０／２０を意味し、工具及び／又は構成要素に対する摩耗保護の改善に大きな寄与を示すことを見出した。

【0022】

更に、本発明は、１つ以上の本発明のＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング層を含むコーティング系に関する。

【0023】

上記の本発明のＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング層を製造するための上記の本発明の方法はまた、異なるコーティング系、例えば多層及び／又は勾配コーティング系を製造するために、本発明のＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング層と組み合わされる他の種類のコーティング層を製造するために、例えば更なるターゲット及び／又は更なる反応性ガス流を使用することによって変更することもできる。

【0024】

更に、金属ターゲットを使用し、Ｎ_２ガスをコーティングＰＶＤチャンバ／装置に同時に導入することによる反応性ＰＶＤコーティングプロセスは、コーティング又はコーティング全体のナノ層及び／又は多層部分等の複雑なコーティングアーキテクチャ／設計を有する硬質ＰＶＤコーティングにとって非常に重要である。工具及び／又は構成要素上の硬質コーティングのためのＰＶＤコーティング溶液。好ましくは、このコーティング溶液は、微細構造、テクスチャ、弾性率、硬度及び応力等の所望のコーティング特性と、わずか５０ｎｍ以下に限定されない厚さ、及び単一の単結晶粒の配向又は非常に限定された低い残留圧縮応力等の汎用的な（あまり限定されない）コーティング特性との組み合わせを有するべきである。具体的には、このコーティング溶液はまた、そのような材料系はＰＶＤ硬質コーティング内で多くの注目を集め、その結果、例えば切削プロセス中の工具の耐摩耗性を改善することから、Ａｌ含有量が７０％未満のＡｌＴｉＮの特性を改善することができなければならない。

【0025】

本発明によるＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング層及び／又はコーティング系（すなわち、本発明によるＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング層を含む）は、優れた機械的特性を呈し、摩耗及び応力の集合にさらされる工具及び部品に優れた性能を提供するための有益な一連の特性を有すると予想される。

【0026】

上述の本発明の（Ａｌ_ａＴｉ_ｂ）_ｘＮ_ｙ層は、優先的に面心立方構造を呈する。重要なことに、本発明は、７０ａｔ．％を超え且つ１００ａｔ．％未満（好ましくは７５ａｔ％～９０ａｔ％の間）のＡｌを有する金属ＡｌＴｉターゲットをアーク放電することによる及びＮ_２（窒素）ガスをコーティングＰＶＤチャンバ／装置に同時に導入することによる反応性物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって、本発明のＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティングを製造する方法を記載する。

【0027】

本発明のより良い理解を提供するために、いくつかの実施例、表及び図を、本発明をより詳細に説明するために以下で使用する。しかしながら、これらの実施例、表及び図は、本発明の限定として理解されるべきではなく、本発明の具体例及び／又は好ましい実施形態としてのみ理解されるべきである。

【0028】

以下に記載されるように、本発明に従って蒸着されたＡｌリッチＡｌＴｉＮ層の本発明の実施例は、２００℃のプロセス温度（これに関連して、「プロセス温度」という用語は、特にコーティング蒸着プロセス中の設定温度を指すために使用される）、及び１．５Ｐａ未満の低窒素分圧で陰極アーク蒸発プロセスを使用することによって実施された。８０Ａｌ／２０Ｔｉのａｔ％の元素組成を有するＡｌＴｉターゲットをＡｌ及びＴｉ材料源として使用し、ターゲットを、２００Ａのアーク電流並びに各実施例について異なる基材バイアス電圧及び圧力を印加することによってカソードとして動作させた。

【0029】

詳細なプロセスパラメータを有するそのような蒸着プロセスの５つの実施例を表１に示す。

【0030】

実施例１～５に示すプロセスによって得られたＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティングの特性を図１～５に示す。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】（ａ）本発明の実施例１に従って蒸着されたＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング膜のＳＥＭ破断断面画像、及び（ｂ）蒸着されたままの膜のパターン。

【図2】（ａ）本発明の実施例２に従って蒸着されたＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング膜のＳＥＭ破断断面画像、及び（ｂ）蒸着されたままの膜のパターン。

【図3】（ａ）本発明の実施例３に従って蒸着されたＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング膜のＳＥＭ破断断面画像、及び（ｂ）蒸着されたままの膜のパターン。

【図4】（ａ）本発明の実施例４に従って蒸着されたＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング膜のＳＥＭ破断断面画像、及び（ｂ）蒸着されたままの膜のパターン。

【図5】（ａ）本発明の実施例５に従って蒸着されたＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティング膜のＳＥＭ破断断面画像、及び（ｂ）蒸着されたままの膜のパターン。

【発明を実施するための形態】

【0032】

図１（ａ）、２（ａ）、３（ａ）、４（ａ）及び５（ａ）：蒸着膜で測定されたヤング率（Ｅ）、硬度（Ｈ）、及びＡｌ含有量も含む、表１に示すパラメータを有するプロセスの５つの実施例で蒸着されたＡｌリッチＡｌＴｉＮのモノリシックコーティングのＳＥＭ破断断面画像。

【0033】

図１（ｂ）、２（ｂ）、３（ｂ）、４（ｂ）及び５（ｂ）：表１に示すパラメータを有するプロセスによって蒸着されたＡｌリッチＡｌＴｉＮコーティングの５つの実施例からの蒸着されたままの膜のＸＲＤパターン。

【0034】

【表1】

【0035】

膜構造分析を、ＣｕＫａ放射線源を備えたＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ Ｘ’Ｐｅｒｔ Ｐｒｏ ＭＰＤ回折計を使用してＸ線回折（ＸＲＤ）によって実施した。回折パターンをＢｒａｇｇ－Ｂｒｅｎｔａｎｏ幾何学で収集した。ＦＥＧＳＥＭ Ｑｕａｎｔａ Ｆ ２００ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）を用いて、膜破断断面の顕微鏡写真を得た。

【0036】

蒸着したままの試料の硬度及びインデンテーション弾性率は、Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈダイヤモンドチップを備えたＵｌｔｒａ－Ｍｉｃｒｏ－Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍを使用して決定した。試験手順は１０ｍＮの垂直荷重を含んでいた。硬度値は、Ｏｌｉｖｅｒ ａｎｄ Ｐｈａｒｒ法に従って評価した。それにより、本発明者らは、基材干渉を最小限に抑えるために、コーティング厚さの１０％未満のインデンテーション深さを確保した。

【0037】

図１（ａ）、２（ａ）、３（ａ）、４（ａ）及び５（ａ）は、実施例１～５の膜の破断断面のＳＥＭ顕微鏡写真並びにコーティング特性：弾性率（ヤング率）、硬度及びＡｌ含有量を示す。

【0038】

図１（ｂ）、図２（ｂ）、図３（ｂ）、図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、実施例１～５の蒸着されたままの膜のＸＲＤパターンを示し、それらのＸＲＤパターンは、全てのコーティングの面心立方晶構造を示唆している。この図は、特に、表１に示すように、本発明のコーティング層を種々のプロセスパラメータで処理した場合の微細構造の変化及び少量のウルツ鉱相の存在を示す。

【0039】

本発明のＡｌリッチＡｌＴｉＮ系膜を製造するために、本発明者らは、最小７０ａｔ％のＡｌを有する金属ターゲット上に反応性アーク蒸着プロセスを使用し、本発明の蒸着パラメータの組み合わせは、以下の理解に基づいて選択された：
ａ）ターゲット：アーク放電電流、磁場の分布及び強度は、Ａｌ、Ｔｉ、及びＮの単一及び複数の電荷イオンからなる膜形成種の所望のプラズマ状態を形成するように選択される。

【0040】

ｂ）基材において：バイアス電圧は、運動エネルギーを増加させるのに十分に高く、それによって薄膜成長面における入射イオンのクエンチ速度を増加させる。同時に、基材温度は、成長面上の吸着原子移動度を凍結するのに十分低い。

【0041】

ｃ）一般：窒素ガス圧は、窒素イオンの集合を減少させるのに十分低い所望のウインドウ内で操作され、それにより、成長表面に対するガスイオン誘起リミキシング効果によって可能になる六方晶相の核生成を抑制し、窒素ガス圧は、化学量論的なＡｌＴｉＮ薄膜を形成するのに十分高い。

【0042】

アーク蒸着の上記のプロセスレベルを最適化することによって、熱力学的に有利な六方晶相の核生成が成長表面で抑制され、それによってｃ－ＡｌＴｉＮ中のＡｌの準安定溶解度が７５ａｔ．％を超えて（例えば、８０ａｔ．％）より高い濃度に上昇した。

【0043】

その他
一般に、以下の１つ以上の（組み合わされた）段落による層及び／又は方法について、当初から存在する特許請求の範囲の保護とは独立しているか、追加的であるかを、その時が到来した場合に任意に請求することが意図されている：
コーティング層であって、Ａｌ、Ｔｉ及びＮを主成分として含み、式（Ａｌ_ａＴｉ_ｂ）_ｘＮ_ｙ（式中、ａ及びｂはそれぞれ、層中の化学元素組成の算出にＡｌ及びＴｉのみを考慮した原子比でのアルミニウム及びチタンの濃度であり、ここで、ａ＋ｂ＝１、且つ０≠ａ≧０．７及び０≠ｂ≧０．２であり、ｘはＡｌの濃度とＴｉの濃度の和であり、ｙは、層中の元素組成の算出にＡｌ、Ｔｉ及びＮのみを考慮した原子比での窒素の濃度であり、ここで、ｘ＋ｙ＝１、且つ０．４５≦ｘ≦０．５５である）によるこれらの元素に関する原子百分率の元素組成を有し、該コーティング層が、９０％以上のｆｃｃ立方相を呈し、圧縮応力２．５ＧＰａ以上、好ましくは２．５ＧＰａ～６ＧＰａの間である点で進歩的である、コーティング層。

【0044】

基材の表面上に上記段落に記載のコーティング層を製造する方法であって、反応性ＰＶＤ陰極アーク蒸発技術を使用することによって真空コーティングチャンバの内部でコーティング層を合成するという点で進歩的であり、反応性ガスとして使用されるために真空コーティングチャンバ内に窒素ガスが導入され、ターゲット材料を蒸発させるためのカソードとして動作するターゲット材料を含む少なくとも１つのアーク蒸発源が使用され、ターゲット材料がＡｌ及びＴｉからなるか、又はＡｌ及びＴｉを主成分として含み、ターゲット材料中の原子百分率でのＡｌ及びＴｉの含有量のみを考慮すると、ターゲット材料中のＡｌ［ａｔ％］／Ｔｉ［ａｔ％］の比が７０／３０以上であり、方法が、ターゲット材料からのアルミニウム及びチタンと、コーティングチャンバに含まれる窒素との間の反応の結果としての窒化アルミニウムチタンの反応性蒸着を伴い、窒化アルミニウムチタンの反応性蒸着が、－２５０Ｖ≦Ｕｂ≦－３０Ｖに相当する範囲内で、好ましくは、－２００Ｖ≦Ｕｂ≦－４０Ｖに相当する範囲内で、より好ましくは、－２００Ｖ≦Ｕｂ≦－６０Ｖに相当する範囲内で、バイアス電圧Ｕｂを用いて、３Ｐａ未満、好ましくは２Ｐａ未満、より好ましくは１．５Ｐａ未満の窒素分圧で、３６０℃未満の蒸着温度で行われる、方法。

【0045】

特に、アーク蒸発源が、３０Ｖを超える放電電圧でアーク放電を生成させることによって作動される、前項に記載の方法。

【0046】

アーク放電が、基材加熱をもたらす電力の２０％未満の寄与を有するように生成されることを特に特徴とする、前項に記載の方法。

【図1(a)】

【図1(b)】

【図2(a)】

【図2(b)】

【図3(a)】

【図3(b)】

【図4(a)】

【図4(b)】

【図5(a)】

【図5(b)】

【国際調査報告】