DD227987A1 - Katode fuer hohlkatodenbogenverdampfer - Google Patents

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DD227987A1
DD227987A1 DD26865684A DD26865684A DD227987A1 DD 227987 A1 DD227987 A1 DD 227987A1 DD 26865684 A DD26865684 A DD 26865684A DD 26865684 A DD26865684 A DD 26865684A DD 227987 A1 DD227987 A1 DD 227987A1
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titanium
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evaporation
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DD26865684A
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Bernd Buecken
Eberhard Steigmann
Original Assignee
Hochvakuum Dresden Veb
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Katode fuer Hohlkatodenbogenverdampfer zur Erzeugung von Titankarbid- bzw. Titankarbonitrid-Schichten mittels plasmagestuetzter Vakuumbeschichtungsverfahren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Katode fuer einen Hohlkatodenbogenverdampfer zu entwickeln, die zur Herstellung von Metallkarbidschichten geeignet ist. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die Hohlkatode des Hohlkatodenbogenverdampfers aus hochreinem Graphit besteht. Es wurde gefunden, dass eine derartige Katode in ausreichender Menge Kohlenstoffatome emittiert, die innerhalb der Hohlkatodenbogenentladung teilweise ionisiert werden und verfahrensgemaess (Ionplating) an der Schichtabscheidung mit der Metallkomponente, meist Titan, beteiligt sind.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Katode für Hohlkatodenbogenverdampfer zur Erzeugung von Titankarbid- bzw. Titankarbonitrid-Schichten mittels plasmagestützter Vakuumbeschichtungsverfahren.
Die plasmagestützten Beschichtungsverfahren (lonplating) werden zunehmend für die Hartstoffbeschichtung von Schneid- und Umformwerkzeugen eingesetzt, mit dem Ziel, die Standzeit der Werkzeuge wesentlich zu steigern. Als Schichten sind insbesondere Titannitrid (TiN)-, Titankarbid (TiC)- und Titankorbonitrid (TiCxNy)-Schichten bekannt geworden.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Zur Erzeugung von z. B. Titankarbid-Schichten sind nach dem Stand der Technik mehrere Verfahren bekannt geworden. Eine Lösung besteht darin, das TiC, als Verbindung direkt, unter den Bedingungen der plasmagestützten Vakuumbeschichtung zu verdampfen. Jedoch geht dabei die Stöchiometrie des TiC durch Dissoziation des Karbids bei dem erforderlichen hohen Verdampfungstemperaturen verloren. Die abgeschiedenen Schichten sind qualitativ sehr unterschiedlich.
Insbesondere wegen der hohen Verdampfungstemperaturen von über 3000 K kommt dieses Verfahren kaum zur Anwendung. Eine andere Lösung besteht darin, die Stoffe Titan und Kohlenstoff aus zwei verschiedenen Verdampfertiegeln zu verdampfen. Das hat den Nachteil eines sehr hohen technischen Aufwandes und der immer noch hohen Verdampfungstemperaturen des Kohlenstoffes (~ 3000 K).
Die derzeit praktisch günstigste Lösung zur Herstellung von TiC-Schichten ist die Verdampfung von Titan in einer Kohlenwasserstoff-Atmosphäre unter den Bedingungen der plasmagestützten Vakuumbeschichtung. Der Nachteil besteht dabei jedoch insbesondere darin, daß die Kohlenwasserstoffe meist giftig und explosibel sind und damit erhebliche Sicherheitseinrichtungen erfordern. Bei Verwendung eines Hohlkatodenbogenverdampfers, zur Verdampfung des Titan, tritt aus physikalischen Gründen ein starker Verschleiß, der im übrigen schwerverarbeitbaren Katodenmaterialien Wolfram oder Tantal, auf. Die Standzeit der Katoden wird dadurch auf einige 10 Stunden begrenzt.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, qualitativ hochwertige Metallkarbid-Schichten, insbesondere Titankarbid-Schichten herzustellen.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu gründe, eine Katode für einen Hohlkatodenbogenverdampfer zu entwickeln, die zur Herstellung von Metallkarbidschichten geeignet ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Hohlkatode des Hohlkatodenbogenverdampfers aus hochreinem Graphit besteht.
Es wurde gefunden, daß eine derartige Katode in ausreichender Menge Kohlenstoffatome emittiert, die innerhalb der Hohlkatodenbogenentladung teilweise ionisiert werden und verfahrensgemäß (lonplating) an der Schichtabscheidung mit der Metallkomponente, meist Titan, beteiligt sind. Der Verdampfungsprozeß des Titan verläuft dabei in bekannter Weise, wie bei Hohlkatodenbogenverdampfern mit Wolfram- oder Tantalkatoden.
Die erfindungsgemäße Hohlkatode aus Graphit wird damit zu einer selbstaufzehrenden Katode.
Die Verfahrensführung kann in verschiedener Weise variiert werden, derart, daß das Metall-Kohlenstoffverhältnis als Verfahrensgröße der abzuscheidenden Schicht wirkt. Wenn di» Metallbedampfung durch Blenden oder ähnliche Maßnahmen unterbunden wird, ist es auch möglich reine Kohlenstoffschichten herzustellen. Dieser Vorteil ist besonders bei der Herstellung von Zwischen- bzw. Übergangsschichten gut nutzbar. Wenn die Atmosphäre der Beschichtungskammer mit Stickstoff angereichert wird, besteht auch die Möglichkeit Titankarbonitrid-Schichten (TiCxNy) herzustellen.
Die selbstaufzehrende Katode wird konstruktiv vorteilhafterweise so ausgebildet, daß sie über Klemmverbindungen leicht ausgewechselt werden kann.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Als Hohlkatodenbogenverdampfer wird einer mit 180° Bogenumlenkung eingesetzt. Dabei steht die Katode senkrecht in einer Klemmhalterung, die einen guten elektrischen Kontakt und einfache Gasführung gewährleistet. Die Katode besteht aus hochreinem Graphit und ist an den Kontaktstellen dickwandig ausgeführt, während die „heiße Zone" durch einen dünnwandigen Abschnitt bestimmt wird. Die mechanische Bearbeitung einer derartigen Katode ist sehr einfach.
Nach dem Zünden der Entladung durch bekannte Maßnahmen und Einstellen der Prozeßparameter beginnt der Beschichtungsprozeß.
Im Ausführungsbeispiel wurden mit einem 6 kW Hohlkatodenbogenverdampfer Verdampfungsraten von 7 x 10“5 g/cm2s für Titan und die erfindungsgemäße Graphit-Hohlkatode in der heißen Zone auf etwa 2800 K aufgeheizt. Die Abdampfrate des Kohlenstoffes betrug dabei etwa 2 x 10-4 g/cm2s bei einem Kohlenstoffdampfdruck von etwa 1 Pa.
Das negativ vorgespannte Substrat befand sich 250 mm über der Ebene des Verdampfertiegels.
Die abgeschiedene Schicht hatte eine gute Stöchiometrie von Titankarbid mit guter Haftfestigkeit und hoher Härte. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht dabei darin, daß im Verfahren keinerlei Substanzen mit giftigen und explosiblen Wirkungen eingesetzt werden, wie es bei Kohlenwasserstoffen der Fall ist.

Claims (1)

  1. -1- 686
    Erfindungsanspruch:
    Katode für Hohlkatodenbogenverdampfer zur Erzeugung von Metallkarbidschichten mittels plasmagestützter Vakuumbeschichtungsverfahren (lonplating), gekennzeichnet durch eine Hohkatode, die aus hochreinem Graphit besteht.
    Anwendungsgebiet der Erfindung
    Die Erfindung betrifft eine Katode für Hohlkatodenbogenverdampfer zur Erzeugung von Titankarbid- bzw. Titankarbonitrid-Schichten mittels plasmagestützter Vakuumbeschichtungsverfahren.
    Die plasmagestützten Beschichtungsverfahren (lonplating) werden zunehmend für die Hartstoffbeschichtung von Schneid- und Umformwerkzeugen eingesetzt, mit dem Ziel, die Standzeit der Werkzeuge wesentlich zu steigern. Als Schichten sind insbesondere Titannitrid (TiN)-, Titankarbid (TiC)- und Titankorbonitrid (TiCxNy)-Schichten bekannt geworden.
    Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
    Zur Erzeugung von z. B. Titankarbid-Schichten sind nach dem Stand der Technik mehrere Verfahren bekannt geworden. Eine Lösung besteht darin, das TiC, als Verbindung direkt, unter den Bedingungen der plasmagestützten Vakuumbeschichtung zu verdampfen. Jedoch geht dabei die Stöchiometrie des TiC durch Dissoziation des Karbids bei dem erforderlichen hohen Verdampfungstemperaturen verloren. Die abgeschiedenen Schichten sind qualitativ sehr unterschiedlich.
    Insbesondere wegen der hohen Verdampfungstemperaturen von über 3000 K kommt dieses Verfahren kaum zur Anwendung. Eine andere Lösung besteht darin, die Stoffe Titan und Kohlenstoff aus zwei verschiedenen Verdampfertiegeln zu verdampfen. Das hat den Nachteil eines sehr hohen technischen Aufwandes und der immer noch hohen Verdampfungstemperaturen des Kohlenstoffes (~ 3000 K).
    Die derzeit praktisch günstigste- Lösung zur Herstellung von TiC-Schichten ist die Verdampfung von Titan in einer Kohlenwasserstoff-Atmosphäre unter den Bedingungen der plasmagestützten Vakuumbeschichtung. Der Nachteil besteht dabei jedoch insbesondere darin, daß die Kohlenwasserstoffe meist giftig und explosibel sind und damit erhebliche Sicherheitseinrichtungen erfordern. Bei Verwendung eines Hohlkatodenbogenverdampfers, zur Verdampfung des Titan, tritt aus physikalischen Gründen ein starker Verschleiß, der im übrigen schwerverarbeitbaren Katodenmaterialien Wolfram oder Tantal, auf. Die Standzeit der Katoden wird dadurch auf einige 10 Stunden begrenzt.
    Ziel der Erfindung
    Das Ziel der Erfindung besteht darin, qualitativ hochwertige Metallkarbid-Schichten, insbesondere Titankarbid-Schichten herzustellen.
    Darlegung des Wesens der Erfindung
    Der Erfindung liegt die Aufgabe zu gründe, eine Katode für einen Hohlkatodenbogenverdampfer zu entwickeln, die zur Herstellung von Metallkarbidschichten geeignet ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Hohlkatode des Hohlkatodenbogenverdampfers aus hochreinem Graphit besteht.
    Es wurde gefunden, daß eine derartige Katode in ausreichender Menge Kohlenstoffatome emittiert, die innerhalb der Hohlkatodenbogenentladung teilweise ionisiert werden und verfahrensgemäß (lonplating) an der Schichtabscheidung mit der Metallkomponente, meist Titan, beteiligt sind. Der Verdampfungsprozeß des Titan verläuft dabei in bekannter Weise, wie bei Hohlkatodenbogenverdampfern mit Wolfram- oder Tantalkatoden.
    Die erfindungsgemäße Hohlkatode aus Graphit wird damit zu einer selbstaufzehrenden Katode.
    Die Verfahrensführung kann in verschiedener Weise variiert werden, derart, daß das Metall-Kohlenstoffverhältnis als Verfahrensgröße der abzuscheidenden Schicht wirkt. Wenn di$ Metallbedampfung durch Blenden oder ähnliche Maßnahmen unterbunden wird, ist es auch möglich reine Kohlenstoffschichten herzustellen. Dieser Vorteil ist besonders bei der Herstellung von Zwischen- bzw. Übergangsschichten gut nutzbar. Wenn die Atmosphäre der Beschichtungskammer mit Stickstoff angereichert wird, besteht auch die Möglichkeit Titankarbonitrid-Schichten (TiCxNy) herzustellen.
    Die selbstaufzehrende Katode wird konstruktiv vorteilhafterweise so ausgebildet, daß sie über Klemmverbindungen leicht ausgewechselt werden kann.
    Ausführungsbeispiel
    Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
    Als Hohlkatodenbogenverdampfer wird einer mit 180° Bogenumlenkung eingesetzt. Dabei steht die Katode senkrecht in einer Klemmhalterung, die einen guten elektrischen Kontakt und einfache Gasführung gewährleistet. Die Katode besteht aus hochreinem Graphit und ist an den Kontaktstellen dickwandig ausgeführt, während die „heiße Zone" durch einen dünnwandigen Abschnitt bestimmt wird. Die mechanische Bearbeitung einer derartigen Katode ist sehr einfach.
    Nach dem Zünden der Entladung durch bekannte Maßnahmen und Einstellen der Prozeßparameter beginnt der Beschichtungsprozeß.
    Im Ausführungsbeispiel wurden mit einem 6 kW Hohlkatodenbogenverdampfer Verdampfungsraten von 7 χ 10~6 g/cm2s für Titan und die erfindungsgemäße Graphit-Hohlkatode in der heißen Zone auf etwa 2800 K aufgeheizt. Die Abdampfrate des Kohlenstoffes betrug dabei etwa 2 x 10~4 g/cm2s bei einem Kohlenstoff dampf druck von etwa 1 Pa.
    Das negativ vorgespannte Substrat befand sich 250 mm über der Ebene des Verdampfertiegels.
    Die abgeschiedene Schicht hatte eine gute Stöchiometrie von Titankarbid mit guter Haftfestigkeit und hoher Härte. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht dabei darin, daß im Verfahren keinerlei Substanzen mit giftigen und explosiblen Wirkungen eingesetzt werden, wie es bei Kohlenwasserstoffen der Fall ist.
DD26865684A 1984-10-24 1984-10-24 Katode fuer hohlkatodenbogenverdampfer DD227987A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2060539A1 (es) * 1993-01-22 1994-11-16 Tekniker Proceso para la obtencion de recubrimientos de carbono y carbono-metal mediante deposicion fisica en fase vapor por arco metalico con catodo de grafito.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2060539A1 (es) * 1993-01-22 1994-11-16 Tekniker Proceso para la obtencion de recubrimientos de carbono y carbono-metal mediante deposicion fisica en fase vapor por arco metalico con catodo de grafito.

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