DD141039A1 - Verfahren zur herstellung harter schichten mit hoher haftfestigkeit - Google Patents

Abstract

Aufbringen auf metallischen und nichtmetallischen Substraten mittels Ionenplattieren und/oder Ionenablagerung. Harte, verschleißfeste Schichten hoher Lebensdauer, Korroslons- und Klimaschutzwirkung; Verbesserung: Passivierung aktiver und passiver Oberflächen, Verwendung als selbständige Elemente, Isoliereigenschaften, Widerstandverhalten, Anpaßbarkeit an Verwendungszweck; optimaler Einsatz von Material, Kosten, anzuwendender Technik. Herstellung unterschiedlicher Schichten und Schichtkombinationen im gleichen Verfahren, die aus Metall-C-, Metall-N-, Metall-B-, B-Cund/oder B-N-Verbindungen bestehen, auf Substraten und/oder von Schichten unter Beimischung von Elementen oder Verbindungen mit gleichmäßiger Verteilung und Konzentrationsgradienten bei wahlweiser Erzielung eines Gradienten von Schichtzusammensetzung, Schichtaufbau, Schichteigenschaften. Ätzen des Substrats ira Vakuum mittels Ionenstrahl, danach werden Gas und/oder Dampf der Materialien mittels Elektronenstoß ionisiert, beschleunigt und Edelgasionen beigemischt und in Feldern behandelt unter Beimischung eines Ionenstrahls aus Metall oder Metalloid. Anwendung: Maschinen- und Gerätebau, Feinwerk.technik, Elektronik. •G*S··«» •«J« ·» nES «IM ·»£« C«tl· •ÄS 9

Description

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Verfahren zur Herstellung harter Schichten hoher Haftfestigkeit . . ·

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung harter Schichten hoher Haftfestigkeit auf metallischen und nichtmetallischen Substraten mittels Ionenplattieron und/oder lonenablagerung. Derartige Schichten erhöhen die Lebensdauer, den Verschleißwiderstand und die Funktionseigenschaften von damit versehenen Substraten. Außerdem dienen sie in den meisten Fällen zusätzlich als Korrosions- und Klimaschutz, weiterhin zur Passivierung von aktiven und passiven Substratoberflächen und/oder zur gezielten Herstellung oder Veränderung von Isoliereigenschaften oder des elektrischen Widerstandes des Substrates·

Die Verwendung solcher Schichten als selbständige Elemente ist möglich.

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In verschiedenen Varianten sind Verfahren, bei denen die Schichtbildung durch Ionen unterstützt wird, die aus einem Plasma oder einer speziellen lonisierungsvorrichtung stammen und zum Substrat hin beschleunigt werden, bekannt.

Fur die gute Haftung der nach dem Vakuum-Verfahren hergestellten Schichten ist vermutlich das lonenätzen unmittelbar vor der Beschichtung verantwortlich (Varga, 3. E.; Bailey, W. A.; Solid State Technology, Dez. 1973, 79 - 86), wobei die Haftfestigkeit der unterschiedlichen Sputterverfahren im allgemeinen unter der Haftung der lon-Plating-Verfahren liegt und die Abscheiderate bei Verwendung der Sputterverfahren sehr gering ist. Harte Schichten werden mit Ausnahme von Kohlenstoffschichten vorwiegend durch Reaktivverfahren hergestellt, wobei als Reaktanten Metalle sowie Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff einschließlich ihrer Verbindungen zur Anwendung gelangen.

Die bekanntesten Vakuum-Verfahren zur Ablagerung von harten, haftfesten Schichten sind einmal das reaktive Ion-Plating, zum anderen die aktivierte reaktive Verdampfung sowie die Reaktiv-Zerstäubung,

Beim Ion-Plating nach Mattox (D. M. Mattox, "Fundamentals of Ion-Plating", D. Vac. Sei. Technol., Vol. 10, No. 1, Oan/Febr. 1973) werden Substanzen in einer Edelgasoder Reaktivgas-Glimmentladung verdampft, wobei das Substrat gleichzeitig Katode der Entladung ist. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Energiebreite der auf das Substrat auftreffenden Ionen zu groß ist und damit viele physikalische. Eigenschaften der zu erhaltenden Schicht, die stark von der jeweiligen lonen-Energie abhängen, nicht gezielt erreichbar sind.

Bei der aktivierten reaktiven Verdampfung (R. F. Bunshah and A. C. Raghuram; "Activated Reactive Evaporation Process for High Rate Deposition of Compounds" ; D. Vac. Sei. Technol.; Vol. 9, No. 6, Nov./Dec. 1972) reagieren Metalldämpfe in der Dampfphase mit dem Reaktionsgas im Abstand vom Substrat, wobei sich auf dem Substrat die entsprechenden Verbindungen abscheiden. Die Dampfphasenreaktion wird durch Ionisation des Reaktionsgases aktiviert. Es ist jedoch oft für das Erzielen gewisser physikalischer Eigenschaften von Vorteil« wenn die Reaktion auf der Substratoberfläche selbst erfolgt. Die relativ geringen Mikrohärtewerte von ca. 2000 ... 2750 kHN für TiC sind ein Hinweis dafür.

Mah, Nordin und Fuller verwenden für die Herstellung von TiC und TiN eine Trioden-Sputteranordnung. Die reaktiven Zerstäubungsverfahren weisen für technische Anwendungen eine sehr geringe Aufwachsrate auf (G. Mah, C. VV. Nordin and 0. F. Fuller, "Structure and Properties of Sputtered Titanium Carbide and Titanium Nitride Coatings", 0. Vac. Sei. Technol.; Vol. 11; No. 1, Dan/ Febr. 1974).

Ziel der Erfindung

Durch das Verfahren sollen Schichten erzeugt werden, die hart und verschleißfest sind, deren Lebensdauer, Funktionseigenschaften, Korrosions- und Klimaschutzwirkung gegenüber den bekannten Schichten weitaus höher liegen, mit denen eine bessere Passivierung aktiver und passiver Substratoberflächen erreicht wird, die eine bessere Verwendung als selbständige Elemente gewährleisten, die eine gezieltere Hersteilung oder Veränderung von Isoliereigenschaften oder des elektrischen Widerstandes ermöglichen,

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deren Herstellung dem Vervyendungs zweck anpaßbar ist, die eine optimale Aufwendung hinsichtlich Material, Zeit und Technik einräumen und somit eine Erhöhung der Arbeitsproduktivität, eine Senkung der Kosten und das Freiwerden von Devisen für Importe bewirken»

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, spezifisch unterschiedliche Schichten oder Schichtkombinationen mit gleicher Verfahrenscharakteristik herzustellen, die vornehmlich aus Metall-Kohlenstoff-, Metall-Stickstoff-, Metall-Bor-, Bor-Kohlenstoff- und/oder Bor-Stickstoff-Verbindungen auf metallischen und nichtmetallischen Substraten bestehen, dabei die Herstellung von Schichten mit vorgegebener Beimischung anderer Elemente oder Verbindungen mit gezielter gleichmäßiger Verteilung oder mit bestimmtem Konzentrationscjradienten gestattet, wobei die Möglichkeit der Erzielung eines Gradienten der Schichtzueammensetzung, des Schichtaufbaues und der Schichteigenschaften eingeschlossen werden soll.

Die Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß das zu beschichtende Substrat in einem Vakuum von 1O" ... 10** Torr mit einem Edelgas-Ionenstrahl, der in einer Ionenquelle erzeugt wird, geätzt wird und im Anschluß daran in einer Ionenquelle wahlweise zeitlich und/oder örtlich kontinuierlich variabel kohlenstoff-, Stickstoff- und/oder borhaltige Ionen aus Gasen und/oder aus verdampften Flüssigkeiten bei einem Druck von 1O" ·.. 10 Torr erzeugt, auf Energien bis zu 30 KeV beschleunigt und den Edelgas-Ionen, deren Anteil wahlweise veränderbar ist, zugegeben werden und eventuell nach wahlweisem zusätzlichen Durchlaufen elektrischer und/ oder magnetischer Felder mit einer elektrischen FeIdstärke von 0 ·.. 100 kVm und/oder einer magnetischen

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Feldstärke von O ... 100 kAm auf die Substratoberfläche aufgebracht werden und damit eine harte Schicht auf dem Substrat abgeschieden wird·, wobei wahlweise ein zeitlich und/oder örtlich kontinuierlich variabler Metall- oder Metalloiddampfstrahl oder ein Metall- oder Metalloid-Ionenstrahl dem vorhandenen Ionenstrahl beigemischt wird.

Beim Abscheiden sehr dicker Schichten werden die Ionen in einem Gegenfeld, das unmittelbar am Substrat anliegt, zusätzlich abgebremst.

J Am' Ort des Substrates wird der Vektor der elektrischen Feldstärke auf UuIl gehalten oder von der Oberfläche weggerichtet.

Die Substrattemperatur wird während der Beschichtung kleiner als 500 K gehalten.

Die Ionen werden durch zusätzlich angeordnete elektrische und/oder magnetische Felder um die Ecken und Kanten des Substrates herumgelenkt, wodurch eine mehrseitige Beschichtung des Substrates gewährleistet wird.

Als Kohlenstoffträger wird vorzugsweise Benzol-, Tetralin-, d" Methyl-Eaphthalin-Dampf oder Methan verwendet.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert: .

Die Substratoberfläche wird über eine Zeit von 3 ... 30 min mit Xe-Ionen einer Energie von 5 KeY bei einer Substrat-

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stromdichte von 0,5 mAom geätzt. ITac-h dieser Ionenätzung v/erden der Xe-Ionenstrom und die Ionenbeschleunigungsspannung kontinuierlich auf einen bestimmten Y/ert verringert. Dem Xe-Ionenstrahl wird gleichzeitig ein Cr-Dampf-

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strahl beigemischt. Während dieser Cr-Beschichtung werden dem Xe-Ionenstrahl wahlweise später kohlenstoffhaltige Ionen zugegeben, so daß eine Cr-Schicht mit eingelagerten Cr-Karbiden entsteht. Anschließend wird .die Cr--'Rate kontinuierlich verringert, bis eine reine Ionenablagerung einer Diatnantschicht erfolgt.

Auf diese Weise wird ein Gradient der chemischen und physikalischen Eigenschaften, insbesondere der Härte, erreicht.

Die Substrattemperatur wird während der Beschichtung bei ca. 400 K gehalten. Soll das Substrat mehrseitig beschichtet werden, ist es vorteilhaft, wenn der Ionenstrahl zusätzliche elektrische und/oder magnetische Umlenkfelder durchläuft.

Sollen dicke Schichten abgeschieden werden, wirkt es sich positiv aus, daß der Ionenstrahl zusätzliche Bremsfelder durchläuft.

Als Kohlenstoffträger fungieren vorzugsweise Benzol, Tetralin, o(. -,Methyl-Naphthalin oder Methan.

Während des Verfahrensablaufes liegt der Druck bei etwa

-3 10 Torr.

Claims (6)

-7- 200431 Erfindunnsansprüche

1· Verfahren zur Herstellung harter Schichten hoher Hsii.festigkeit auf metallischen und nichtmetallischen Substraten mittels lonenplattieren und/oder Ionenablagerung«
dadurch gekennzeichnet,

daß das zu beschichtende Substrat in einem Vakuum von IO bis 10 Torr mit einem Edelgasionenstrahl, der in einer Ionenquelle erzeugt wird, geätzt wird und im Anschluß daran in einer Ionenquelle wahlweise zeitlich und/oder örtlich kontinuierlich variabel kohlenstoff-, stickstoff- und/oder borhaltige Ionen aus Gasen und/oder aus verdampften Flüssigkeiten bei

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einem Druck von 10" ... 10" Torr erzeugt, auf Energien bis zu 30 KeV beschleunigt und den Edelgasionen, deren Anteil wahlweise veränderbar ist, zugegeben werden und eventuell nach wahlweisem zusätzlichen Durchlaufen elektrischer und/oder magnetischer Felder mit einer elektrischen Feldstärke von O ... 100 kVm" und/oder einer magnetischen Feldstärke von

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O ··. 100 kAm auf die Substratoberfläche aufgebracht werden und damit eine harte Schicht auf dem Substrat abgeschieden wird, wobei wahlweise ein zeitlich und/oder örtlich kontinuierlich variabler Metalloder Metalloiddampfstrahl oder ein Metall- oder Metalloid-Ionenstrahl dem vorhandenen Ionenstrahl beige· mischt wird.

2. Verfahren nach Punkt 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Ionen beim Abscheiden sehr dicker Schichten in einem Gegenfeld, das unmittelbar am Substrat anliegt, zusätzlich abgebremst werden.

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3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ort des Substrates der Vektor der elektrischen Feldstärke auf Null gehalten oder von der Oberfläche weggerichtet wird·

4. Verfahren nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrattemperatur während der Beschichtung kleiner als 600 K gehalten wird.

5« Verfahren nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen durch zusätzlich angeordnete elektrische und/oder magnetische Felder um die Ecken und Kanten des Substrates herumgelenkt werden, wodurch eine mehrseitige Beschichtung des Substrates gewährleistet wird.

6. Verfahren nach Punkt 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenstoffträger vorzugsweise Benzol, Tetralin-, c( -Methyl-Naphthalin-Dampf oder Methan verwendet wird.