專利名稱：硬質涂層及其形成方法
技術領域：
本發明涉及一種硬質涂層及其形成方法，更為詳細地涉及一種在以斜角形成涂層后以垂直形成涂層，從而具有柱狀結構的硬質涂層及其形成方法。
背景技術：
一般來說，硬質涂覆是通過改變氮化物、碳化物或氧化物等涂層組分或者添加異種物質而提高機械特性的技術。此外，最近備受關注的是在涂層內形成納米大小的晶體結構或者由互不相同的物質以數nm的厚度形成多層涂層以提高機械特性的方法。然而，上述方法具有涂覆工藝不容易，工藝變量的控制較難，且即使提高了硬度也比較易碎的缺點。

發明內容
本發明的實施方式的目的在于提供一種改變了形狀的硬質涂層，該硬質涂層通過改變硬質涂層的結構，提高了機械特性。在本發明的一個或多個實施方式中，可提供一種硬質涂層的形成方法，包括以下步驟:洗滌基板；在真空設備安裝經過洗滌的所述基板，并將所述真空設備的內部做成真空；清潔所述基板；在所述基板上以斜角形成斜角涂層；以及在形成所述斜角涂層之后，施加偏壓，以與所述基板垂直的方向在所述斜角涂層上形成垂直涂層。在本發明的一個或多個實施方式中，斜角涂層及垂直涂層可為多層，所述斜角涂層的傾斜方向可朝相反方向改變兩次以上，所述斜角涂層及所述垂直涂層可由氮化鈦構成。在本發明的一個或多個實施方式中，其特征在于，由醇和丙酮對基板進行超聲波洗滌，所述真空設備內部的真空度為10_6torr以下。此外，在本發明的一個或多個實施方式中，其特征在于，在將氬氣注入于所述真空設備，使得真空度達到2 X IO^torr至2 X IO^torr時執行斜角涂層及垂直涂層的形成，所述斜角的大小可為10 80°，在200V以下的范圍內施加所述偏壓。在本發明的一個或多個實施方式中，可提供一種硬質涂層，所述硬質涂層形成有:斜角涂層，以與基板傾斜的方向形成于基板上；及垂直涂層，以與所述基板垂直的方向形成于所述斜角涂層上。在本發明的一個或多個實施方式中，斜角涂層及垂直涂層可為多層，所述斜角涂層的傾斜方向可朝相反方向改變兩次以上，所述斜角涂層及垂直涂層可由氮化鈦構成。本發明的實施方式通過以斜角和垂直方式形成硬質涂層，從而能夠使得硬質涂層具有高硬度的機械物理性質。


圖1為本發明的實施例的形成于基板的硬質涂層的剖視圖。
圖2為對本發明實施例的硬質涂層結構所進行的硬度檢測結果曲線圖。圖3為本發明的實施例的硬質涂層的形成工藝順序圖。圖4為本發明的實施例的真空涂覆設備的示意圖。
具體實施例方式下面，參照

本發明的實施例，以便本發明所屬技術領域的技術人員能夠易于實施本發明。以下實施例是本發明的一實施方式，本發明所屬技術領域的技術人員能夠實現各種不同的形式，因此本發明的權利范圍不限于下述實施例。本發明的實施例通過在基板上形成斜角涂層和垂直涂層，以提高硬度，下面參照圖3及圖4進行說明。圖3是本發明實施例的硬質涂層的形成工藝順序圖，圖4是本發明實施例的真空涂覆設備的不意圖。在本發明的實施例中，為了形成硬質涂層，首先洗滌基板(substrate) 10 (SlO)，再將經過洗滌的所述基板10安裝于真空設備100中，并將所述真空設備100的內部做成真空(S20)后，清潔基板10(S30)。然后在清潔后的所述基板10上形成涂層，在本發明的實施例中通過使基板保持架120旋轉，從而對基板10傾斜地實施涂覆。通過所述涂覆，在基板10上形成斜角涂層20(S40)，完成所述斜角涂層20的形成后施加偏壓，從而以與所述基板10垂直的方式在所述斜角涂層20上形成垂直涂層30(S50)。即，通過在所述斜角涂層20上形成垂直涂層30以改變結構。所述垂直涂覆是為了提高楊氏模量(Youn g' s Modulus)和硬度而實施的，斜角涂覆是為了提高脆性(brittleness)從而使之不易破碎而實施的。此時，所述斜角涂層20和所述垂直涂層30可形成為多層，尤其是所述斜角涂層20如“之”字形(zigzag)形狀或“<”形狀，可形成為斜角涂層20的傾斜方向朝相反方向改變兩次以上，所述“之”字形形狀或“ < ”形狀可通過使支承基板10的基板保持架120旋轉而形成。在本發明的實施例中形成為斜角涂層20和垂直涂層30的理由是通過施加偏壓而改變組織。此外，可將斜角涂層20和垂直涂層30重復形成兩次以上，其中所述斜角涂層20和垂直涂層30的層壓形狀如圖1及圖2所示。圖1是表示在本發明實施例的基板上形成有硬質涂層的狀態，圖2是表示本發明實施例的多個硬質涂層及其硬度的曲線圖。在本發明的實施例中，將氮化鈦(TiN)作為涂層原料來使用，但這只不過是一個實施例，也可使用鋯、TiAl、氮化物及碳化物等。在本發明的實施例中，在進行涂覆工藝之前為了洗滌基板10，用醇和丙酮進行超聲波洗滌，在涂覆之前將所述真空設備100的內部做成真空的時候，使真空度成為10_6torr以下。將真空設備100的內部做成真空后，為了形成涂層，向真空設備100內注入氬氣以提高真空度。在本發明的實施例中，當真空度為2 X 10_2torr至2 X 10_4torr時實施涂覆。若真空度低于2X10_2torr，則由電弧(arc)所產生的金屬離子受到其他離子等障礙物的阻礙而無法到達基板10,從而導致沉積率(deposition rate)的下降,若真空度高于2 X l(T4torr,則氣體分子數量減少，從而引起濺射的可能性下降，可能不產生等離子或電弧。
此外，用于形成本發明實施例的斜角涂層20的偏壓優選為200V以下，若大于200V,則離子氣體會加速到達試樣,從而產生再派射(resputtering),即產生派射而不是涂覆，因此優選為200V以下。斜角的大小α為銳角即可，不受特別的限制，但優選為10 80°。所述涂層在遮蔽效應(shadowing effect)下其水平方向的成長受到抑制，因此一般形成10°以上的涂層，若所述斜角的大小大于80°，斜角涂層20的傾角接近直角，提高硬度的效果微弱，因此將斜角大小限制為上述范圍。下面，更加具體地說明本發明的實施例。在本發明的實施例中，和以往的與基板表面垂直形成涂層的工藝不同地，通過斜角涂覆形成傾斜的涂層。所述斜角涂覆用于控制涂層結構，形成多種形狀的涂層結構。可通過斜角涂覆形成的典型結構為“之”字形、螺旋形和斜柱等，這些結構與常規涂層相比其比表面積大，因此可適用于氣體傳感器等的應用領域中。在本發明的實施例中涂層結構不具有上述結構，而接近于斜柱狀結構。從這種涂層的結構變化和多層結構涂層的形成可期待涂層的物理特性的變化。本發明的實施例由可通過硬質涂層的形狀設計和真空涂覆方法形成涂層的工藝構成，在本發明的實施例中，基板10使用不銹鋼板。用醇和丙酮超聲波洗滌所述基板10后，將所述基板10安裝于真空設備100，并通過渦輪分子泵150和轉動葉片泵160將真空排氣進行至10_6torr。在進行真空排氣之后，向真空設備100的內部注入氬氣(Ar)，當真空度達到7xl0_4torr 時，對安裝有鈦靶140的陰極電弧源130施加直流電源，以產生電弧，從而對基板10施加約400V的電壓，以實施試樣清潔。當結束基板10的清潔工序后，與氬氣一起注入氮氣，并在與基板10的清潔時的壓力相同的壓力下形成氮化鈦(titanium nitride,TiN)涂層。在形成TiN涂層時,使基板保持架120旋轉，從而使得基板10和陰極電弧源130不構成垂直而構成斜角后實施涂覆。斜角α的大小為45°。按所需的厚度結束斜角涂覆之后，基板保持架120在傾斜狀態下對基板10施加約100V的電壓以涂覆最上層。在涂覆所需厚度的最上層之后結束工藝。在本發明的實施例中如圖2所示形成各種形狀的涂層，當作為比較例在基板10上單純地只形成垂直涂層30時，具有26GPa左右的低硬度，相反，在基板10上以“之”字形形成斜角涂層20后再形成垂直涂層30后(樣品號4)的硬度為34GPa左右，從而可知樣品號4的硬度非常高。此外，可知在將斜角涂層20和垂直涂層30反復層壓兩次時(樣品號6)也能獲得超過30GPa的硬度。可知當將所述樣品號6的情況和將斜角涂層20和垂直涂層30的層壓只進行一次的情況(樣品號2)相比時，反復層壓兩次的樣品號6的硬度更高。一般來說，不易使氮化鈦涂層的硬度超過30GPa，但在本發明的實施例中能夠形成涂層硬度超過30GPa的氮化鈦涂層。在本發明的實施例中，在使基板10傾斜的狀態下實施斜角涂覆的過程中對基板10施加電場，從而使得傾斜成長的涂層以與基板10垂直的狀態下成長。通過使用斜角涂覆法和電場施加，能夠形成各種形狀的硬質涂層，經特性分析的結果，可知當通過斜角涂覆法形成涂層，并通過施加電場來形成最上層垂直涂層結構時，能夠提高硬質涂層的硬度等機械特性。以上說明了本發明的優選實施例，但本發明不限于上述實施例，而包括本發明所屬技術領域的技術 人員由本發明的實施例易于變更，并被視為等同的范圍內的所有變更。
權利要求
1.一種硬質涂層的形成方法，包括以下步驟: 洗漆基板； 在真空設備中安裝經過洗滌的所述基板，并將所述真空設備的內部做成真空； 清潔所述基板； 在所述基板上以斜角形成斜角涂層；以及 在形成所述斜角涂層之后，施加偏壓，以與所述基板垂直的方向在所述斜角涂層上形成垂直涂層。
2.根據權利要求1所述的硬質涂層的形成方法， 所述斜角涂層及所述垂直涂層為多層。
3.根據權利要求1所述的硬質涂層的形成方法， 所述斜角涂層的傾斜方向朝相反的方向改變兩次以上。
4.根據權利要求1 至3中的任一項所述的硬質涂層的形成方法， 所述斜角涂層及所述垂直涂層由氮化鈦構成。
5.根據權利要求1至3中的任一項所述的硬質涂層的形成方法， 使用醇和丙酮對所述基板進行超聲波洗滌。
6.根據權利要求1至3中的任一項所述的硬質涂層的形成方法， 所述真空設備內部的真空度為10_6torr以下。
7.根據權利要求1至3中的任一項所述的硬質涂層的形成方法， 在將氬氣注入所述真空設備中，使得真空度達到2X 10_2torr至2X 10_4torr時執行所述斜角涂層及所述垂直涂層的形成。
8.根據權利要求1至3中的任一項所述的硬質涂層的形成方法， 所述斜角的大小為10 80°。
9.根據權利要求1至3中的任一項所述的硬質涂層的形成方法， 在200V以下的范圍內施加所述偏壓。
10.一種硬質涂層，形成有:斜角涂層，以與所述基板傾斜的方向形成在基板上；及垂直涂層，以與所述基板垂直的方向形成于所述斜角涂層上。
11.根據權利要求10所述的硬質涂層， 所述斜角涂層及所述垂直涂層為多層。
12.根據權利要求10或11所述的硬質涂層， 所述斜角涂層的傾斜方向朝相反的方向改變兩次以上。
13.根據權利要求10或11所述的硬質涂層， 所述斜角涂層及所述垂直涂層由氮化鈦構成。
全文摘要
本發明提供一種硬質涂層及其形成方法，該方法包括以下步驟洗滌基板；在真空設備中安裝經過洗滌的所述基板，并將所述真空設備內部做成真空；清潔所述基板；在所述基板上以斜角形成斜角涂層；以及在形成所述斜角涂層之后，施加偏壓，以與所述基板垂直的方向在所述斜角涂層上形成垂直涂層。本發明通過以斜角和垂直形成硬質涂層，從而使得硬質涂層具有高硬度的機械物理性質。
文檔編號C23C14/06GK103184414SQ20121011871
公開日2013年7月3日 申請日期2012年4月20日 優先權日2011年12月28日
發明者梁智勛, 鄭在仁 申請人:浦項產業科學研究院