DD254858A3

DD254858A3 - DEVICE FOR ION-BASED COATING OF SUBSTRATE BODIES

Info

Publication number: DD254858A3
Application number: DD24798983A
Authority: DD
Inventors: Dietmar Schulze; Ruediger Wilberg
Original assignee: Dietmar Schulze; Ruediger Wilberg
Priority date: 1983-02-16
Filing date: 1983-02-16
Publication date: 1988-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur ionengestuetzten Beschichtung von Substratkoerpern. Diese Einrichtung ist ueberall dort vorteilhaft einsetzbar, wo Substratkoerper beschichtet werden sollen, die eine komplizierte geometrische Konfiguration aufweisen. Das sind insbesondere Substratkoerper mit exponierten Spitzen und Kanten, z. B. Spiralbohrer und Fraeser. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die es ermoeglicht, oertliche thermische Ueberlastungen des Substratwerkstoffes und ungleiche Abstaeubeeffekte bei Substratkoerpern mit komplizierten geometrischen Konfigurationen durch Beeinflussung der elektrostatischen Felder in Substratnaehe zu verhindern. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe derart geloest, dass zwischen Substrathalter und zu beschichtenden Flaechen des Substratkoerpers eine flaechige Elektrode isoliert zu diesen angeordnet ist. Das Potential der Elektrode ist gegenueber dem Substratpotential unterschiedlich, vorzugsweise negativ. FigurThe invention relates to a device for ion-supported coating of Substratkoerpern. This device can be used advantageously everywhere where substrate bodies are to be coated which have a complicated geometric configuration. These are in particular substrate bodies with exposed peaks and edges, z. B. Twist drill and milling cutter. The invention has for its object to provide a device that makes it possible to prevent local thermal overloads of the substrate material and unequal Abstaeubeeffekte substrate bodies with complicated geometric configurations by influencing the electrostatic fields in the substrate. According to the invention, the object is achieved in such a way that between the substrate holder and the surface of the substrate body to be coated, a planar electrode is arranged in isolation therefrom. The potential of the electrode is different from the substrate potential, preferably negative. figure

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur ionengestützten Beschichtung von Substratkörpern. Diese Einrichtung ist überall dort vorteilhaft einsetzbar, wo Substratkörper beschichtet werden sollen, die eine komplizierte geometrische Konfiguration aufweisen. Das sind insbesondere Substratkörper mit exponierten Spitzen und Kanten, z. B. Spiralbohrer und Fräser.The invention relates to a device for ion-supported coating of substrate bodies. This device can be used advantageously wherever substrate bodies are to be coated which have a complicated geometric configuration. These are in particular substrate body with exposed peaks and edges, z. B. Twist drill and cutter.

Characteristic of the known technical solutions

Die ionengestützte Verfahrenstechnik zur Hartstoffbeschichtung hat sich in den letzten Jahren schnell entwickelt und wird gegenwärtig bereits in relativ großem Umfang zur Beschichtung von Werkzeugen und Konstruktionsbauteilen eingesetzt.The ion-assisted process technology for hard coating has developed rapidly in recent years and is currently used to a relatively large extent for the coating of tools and construction components.

Das Wesen der Verfahrenstechnik besteht darin, daß eine Vakuumverdampfung eines Hartstoff bildenden Materials mit einer, meist in reaktiv wirkenden Gasen brennenden Entladung, überlagert wird. Die Gasentladung wird darüber hinaus benutzt, um die Substrate vorher meist unter Edelgaszufuhr einer Glimmreinigung zu unterziehen.The essence of the process technology is that a vacuum evaporation of a material forming a hard material is superimposed with a discharge burning mostly in reactive gases. The gas discharge is also used in order to subject the substrates previously usually under noble gas supply to a glow cleaning.

In denpraktischen Ausführungen befindet sich in einem Rezipient eine Verdampferquelle, eine Plasmaquelle und die negativ vorgespannte Kombination Substrat und Substrathalter.In practical embodiments, in a recipient, there is an evaporator source, a plasma source, and the negatively biased combination of substrate and substrate holder.

Die konkreten Ausführungen der einzelnen Baugruppen sind oft sehr unterschiedlich. Mit dem sogenannten Hohlkatodenbogenverdampfer werden z. B. die Baugruppen Verdampferquelle und Plasmaquelle sehr sinnvoll miteinander in einer Konstruktionsgruppe vereinigt.The concrete designs of the individual modules are often very different. With the so-called Hohlkatodenbogenverdampfer z. B. the assemblies evaporator source and plasma source very meaningfully combined with each other in a design group.

Verfahrensgemäß werden durch die Gasentladung Elektronen, Ionen und angeregte Teilchen emittiert, die einen Fall des Trägergases, Reaktivgases und des Verdampfungsmaterials ionisieren. Die Ionen werden aufgrund des Potentialunterschiedes zwischen Verdampferquelle und Plasma zum negativ vorgespannten Substrathalter und den Substraten hin beschleunigt und treffen dort mit hoher Energie auf die Oberfläche. In der Zeit der Vorreinigung wird die Verdampfung unterbunden und es wird lediglich das Trägergas der Gasentladung, ein Inertgas, sehr oft Argon, ionisiert. Diese Ionen werden mit einer Energie, die durch die am jeweiligen Ort des Substrates wirkende Feldstärke bestimmt ist, zu den negativ vorgespannten elektrisch leitenden Substraten beschleunigt. Die elektrische Feldstärke ist eine Funktion der Substratspannung und in hohem Maße abhängig vom Oberflächenprofil. An exponierten Stellen, wie Spitzen, Ecken und Kanten, kommt es zu Feldkonzentrationen. Dadurch treffen an diesen Stellen die Ionen mit einer sehr hohen Energie auf. Dies führt zu einer hohen thermischen Belastung und Materialabtragung durch Zerstäubung, während an anderen Stellen des gleichen Substrates das Ionenbombardement bedeutend geringer ist. Sehr schnell kommt es so zu thermischen Überlastungen und Kantenabrundungen, wodurch das Substrat, z.B. bei Werkzeugstählen, weich und stumpf und dann unbrauchbar wird.According to the method, the gas discharge emits electrons, ions and excited particles which ionize a case of the carrier gas, reactive gas and the evaporation material. Due to the potential difference between the evaporator source and the plasma, the ions are accelerated towards the negatively biased substrate holder and the substrates, where they hit the surface with high energy. In the time of pre-cleaning the evaporation is inhibited and it is only the carrier gas of the gas discharge, an inert gas, very often argon, ionized. These ions are accelerated to the negatively biased electrically conductive substrates with energy determined by the field strength acting at the respective site of the substrate. The electric field strength is a function of the substrate stress and highly dependent on the surface profile. In exposed areas, such as peaks, corners and edges, field concentrations occur. As a result, the ions strike at these points with a very high energy. This leads to a high thermal load and material removal by sputtering, while at other locations of the same substrate, the ion bombardment is significantly lower. Very quickly, thermal overloads and edge rounding occur, causing the substrate, e.g. in tool steels, soft and dull and then unusable.

In der Phase der eigentlichen Beschichtung wird zur Gasentladung die Verdampfung des Schichtmaterials hinzugeschalten. Im allgemeinen kann man davon ausgehen, daß die Substrate in beliebiger Form, oft planetenartig, bewegt werden, so daß sich das Schichtmaterial allseitig gleichmäßig abscheiden kann.In the phase of the actual coating, the vaporization of the layer material is added to the gas discharge. In general, it can be assumed that the substrates in any form, often planet-like, are moved, so that the layer material can be evenly deposited on all sides.

An den oben erwähnten Spitzen, Ecken und Kanten, bei Spiralbohrern z. B. die Schneiden, tritt durch die örtlich hohe Feldstärke und den damit verbundenen lonenstrom gerade an diesen Stellen neben der bei der Beschichtung verstärkten thermischen Belastung der bereits erwähnte Abstäubeeffekt auf. Das heißt, das gerade aufgedampfte Material wird durch die Ionen bei ungünstiger Substratgeometrie sofort wieder zerstäubt. Somit wirkt gerade an den wichtigsten Stellen, den Schneidkanten, eine hohe thermische Belastung und ein durch Zerstäubung verminderter Schichtaufbau. An den unbedeutenderen Stellen, wie die Spannut, wird dagegen eine relativ starke Schicht aufgebaut. Es kommt zu einer sehr ungleichmäßigen Schichtdicke, die noch dazu bei bestimmten Anwendungen im umgekehrten Verhältnis zu den Erfordernissen stehen kann.At the tips mentioned above, corners and edges, with twist drills z. As the cutting occurs through the local high field strength and the associated ion current just at these points in addition to the increased during the coating thermal load of the aforementioned Abstäubeeffekt. This means that the material that has just been vapor-deposited is immediately atomized by the ions in the case of unfavorable substrate geometry. Thus, especially in the most important places, the cutting edges, a high thermal load and a reduced by atomization layer structure. At the less significant places, such as the flute, on the other hand, a relatively thick layer is built up. It comes to a very uneven layer thickness, which may also be in certain applications inversely related to the requirements.

Ein weiterer Nachteil der normalen Verfahrensführung tritt bei der Ausbildung der Kristallstruktur des Schichtmaterials auf. Die Kristallstruktur wird im wesentlichen direkt von der Energie der auftreffenden Teilchen, deren Einfallswinkel und der Stromdichte am Auftreffort bestimmt. Durch die beschriebenen Effekte, die zur ungleichen Schichtausbildung führen, kommt es auch zu einer sehr ungleichmäßigen Kristallstruktur.Another disadvantage of the normal process control occurs in the formation of the crystal structure of the layer material. The crystal structure is determined essentially directly by the energy of the incident particles, their angle of incidence and the current density at the point of impact. Due to the effects described, which lead to uneven layer formation, it also leads to a very irregular crystal structure.

Diese generellen Probleme, die in den physikalischen Grundlagen des Verfahrens liegen, werden meist durch relativ niedrige Feldstärken, die zu verminderten lonenströmen führen, umgangen.These general problems, which are in the physical basis of the process, are usually by relatively low field strengths, which lead to reduced ion currents, bypassed.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen (DD-WP C 23 C/240784/3 und DD-WP C23 C/240785/1), die elektrische Feldstärke in Substratnähe derart zu beeinflussen, daß diese gleichmäßig auf die zu beschichtende Oberfläche einwirkt. Dazu wird um jeden konkreten Substratkörper eine der spezifischen Oberfläche des Substratkörpers angepaßte transparente Formelektrode angeordnet, die gegenüber dem Substrat auf positivem Potential liegt. Damit soll eine gleichmäßige Beschichtung erreicht werden, im Ausführungsbeispiel eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht. Diese Lösung hat den Nachteil, daß sie technisch sehr aufwendig ist und einen hohen Platzbedarf hat. Jedes einzelne Substrat benötigt eine eigene spezielle Formelektrode und jede Formelektrode hat einen konkreten Platzbedarf. Damit wird die Zahl der Substrate pro Beschichtungszyklus stark eingeschränkt.It has also been proposed (DD-WP C 23 C / 240784/3 and DD-WP C23 C / 240785/1) to influence the electric field strength near the substrate in such a way that it acts evenly on the surface to be coated. For this purpose, a transparent shaping electrode adapted to the specific surface of the substrate body is arranged around each concrete substrate body, which is at a positive potential with respect to the substrate. This is intended to achieve a uniform coating, in the exemplary embodiment a diamond-like carbon layer. This solution has the disadvantage that it is technically very complicated and has a large footprint. Each individual substrate requires its own special formula electrode and each formula electrode has a concrete footprint. This severely limits the number of substrates per coating cycle.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die ionengestützte Beschichtung für Substratkörper mit komplizierter geometrischer Konfiguration, besonders mit exponierten Spitzen, Ecken und Kanten, wirkungsvoll einzusetzen.The object of the invention is to effectively utilize the ion-supported coating for substrate bodies having complicated geometric configurations, especially with exposed peaks, corners and edges.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, örtliche thermische Überlastungen des Substratwerkstoffes und ungleicher Abstäubeeffekte bei Substratkörpern mit komplizierten geometrischen Konfigurationen durch Beeinflussung der elektrostatischen Felder in Substratnähe zu verhindern.The invention has for its object to provide a device which makes it possible to prevent local thermal overloads of the substrate material and unequal Abstäubeeffekte substrate bodies with complicated geometric configurations by influencing the electrostatic fields near the substrate.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe derart gelöst, daß zwischen Substrathalter und zu beschichtenden Flächen des Substratkörpers eine flächige Elektrode isoliert zu diesen angeordnet ist. Diese Elektrode kann aus Blech mit Durchbrüchen für die Substrate bestehen oder auch netzartig ausgebildet sein. Das Potential der Elektrode ist gegenüber dem Substratpotential negativ.According to the invention, the object is achieved in such a way that between the substrate holder and surfaces to be coated of the substrate body a flat electrode is arranged in isolation therefrom. This electrode may consist of sheet metal with openings for the substrates or be formed like a net. The potential of the electrode is negative with respect to the substrate potential.

Der Isolationsabstand der Elektrode zu den Substraten entspricht etwa der Stärke der Raumladungsschicht, die sich entsprechend den Verfahrensbedingungen aufbaut. Von den Substratspitzen wird die Elektrode etwa das Zwei- bis Vierfache der Stärke der Raumladungsschicht entfernt angeordnet.The insulation distance of the electrode to the substrates corresponds approximately to the thickness of the space charge layer, which builds up according to the process conditions. From the substrate tips, the electrode is placed about two to four times the thickness of the space charge layer removed.

Damit wird, bei der Anwendung der Elektrode, der Feldlinienverlauf und die Feldlinienstärke innerhalb der Raumladungsschicht derart beeinflußt, daß bei geringerer Spannung zwischen Plasma und Substrat keine Überhitzungen an den exponierten Stellen mehr auftreten, andererseits wird aber an den Seitenflächen eine stärkere loneneinwirkung erzielt, was in diesem oberen Bereich zu einer wesentlichen Homogenisierung führt.Thus, in the application of the electrode, the field line and the field line strength within the space charge layer influenced such that at lower voltage between the plasma and substrate no overheating at the exposed sites occur more, but on the other hand, a stronger ion action is achieved on the side surfaces, which This upper area leads to a substantial homogenization.

Bei größerem Abstand der Elektrode von den Substratspitzen wird ein Bereich mit geringer loneneinwirkung auf die Seitenflächen geschaffen, was Fehlstellen in der Schicht gleichkommt. Der Schichtaufbau erfolgt gleichmäßig mit hoher Qualität und nahezu einheitlich in der Kristallstruktur. Die funktionsbedingt hochbelasteten Spitzenbereiche, z. B. eines Spiralbohrers (Spitze mit folgendem Bohrerschaft), können erfindungsgemäß so beschichtet werden, daß beträchtliche Standzeiterhöhungen, auch bei mehrmaligem Anschleifen, erzielt werden.As the electrode is spaced from the substrate tips, an area of low ion impact is created on the side surfaces, which equates to imperfections in the layer. The layer structure is uniform with high quality and almost uniform in the crystal structure. The functional high-loaded peak areas, z. As a twist drill (tip with the following drill shaft), according to the invention can be coated so that considerable increases in service life, even with repeated grinding, can be achieved.

Des weiteren kann die Zeitdauer des Beschichtungszyklus gesenkt werden und die Packungsdichte der zu beschichtenden Substrate je Charge beträchtlich gesteigert werden.Furthermore, the duration of the coating cycle can be reduced and the packing density of the substrates to be coated per batch considerably increased.

Ausführungsbeispiei

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel nachfolgend näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail in an embodiment below.

Die zugehörige Zeichnung zeigt eine prinzipielle Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung.The accompanying drawing shows a basic embodiment of the solution according to the invention.

In einer an sich bekannten Substrathalterung 1 sind als Substrate 2 Spiralbohrer angeordnet. Die Substrathalterung 1 ist als rotierendes Planetenrad ausgebildet. Die Planetenradachse ist mit 3 bezeichnet. Meist werden drei oder vier Planetenräder in einem Planetensystem angeordnet. Durch diese Anordnung werden allseitig gute und gleichmäßige Beschichtungen ermöglicht.In a known per se substrate holder 1 2 twist drills are arranged as substrates. The substrate holder 1 is formed as a rotating planetary gear. The planetary gear is designated 3. Usually three or four planet gears are arranged in a planetary system. This arrangement allows good and uniform coatings on all sides.

Entsprechend der Erfindung ist an der Substrathalterung 1 zusätzlich eine Elektrode 4 zwischen den zu beschichtenden Flächen 5 der Substrate 2 und dem Substrathalter 1 isoliert angeordnet. Die Isolation wird im Beispiel durch den Isolator 6 gegenüber der Substrathalterung 1 erreicht. Gegenüber den Substraten 2, die elektrisch leitend mit der Substrathalterung 1 verbunden sind, wird die Isolation durch einen ausreichend großen Isolationsspalt 7 gesichert. Die Substrathalterung 1 mit den Substraten 2 und die Elektrode 4 sind jeweils gesondert in bekannter Weise an ein elektrisches Potential anschließbar.According to the invention, an electrode 4 is additionally arranged insulated between the surfaces 5 of the substrates 2 to be coated and the substrate holder 1 on the substrate holder 1. The isolation is achieved in the example by the insulator 6 relative to the substrate holder 1. Compared to the substrates 2, which are electrically conductively connected to the substrate holder 1, the insulation is secured by a sufficiently large insulation gap 7. The substrate holder 1 with the substrates 2 and the electrode 4 are each connected separately in a known manner to an electrical potential.

Nachfolgend wird die Einrichtung im Betrieb beschrieben. Verfahrensgemäß erfolgt die Beschichtung in zwei Prozeßschritten, der lonenbeschußreinigung der Substrate 2 und der Beschichtung selbst. Bei der lonenreinigung wird bei einem konstanten Substratpotential das Potential an der Elektrode 4 so bemessen, daß ein starkes elektrisches Feld zwischen den Substraten 2 und der Masse aufgebaut wird. Die Ionen werden dann vorzugsweise auf die Substrate 2 gelenkt. Bei der eigentlichen Beschichtung wird das Potential der Elektrode 4 negativ gegenüber den Substraten 2 verändert, so daß bei weiterhin konstantem Substratpotential die Ionen von den exponierten Stellen des Substrates 2, z. B. Ecken und Kanten, abgelenkt werden und sich bevorzugt zur Elektrode 4 bewegen. Damit werden örtliche Feldkonzentrationen und erhöhter lonenbeschuß an gefährdeten Spitzen, Ecken und Kanten vermieden, demzufolge können auch keine thermischen Werkstoffüberlastungen auftreten.The device in operation will be described below. According to the method, the coating is carried out in two process steps, the ion bombardment of the substrates 2 and the coating itself. In the ion cleaning at a constant substrate potential, the potential at the electrode 4 is dimensioned so that a strong electric field between the substrates 2 and the mass is built up. The ions are then preferably directed to the substrates 2. In the actual coating, the potential of the electrode 4 is negatively changed with respect to the substrates 2, so that at a further constant substrate potential, the ions from the exposed areas of the substrate 2, z. As corners and edges, are deflected and preferably move to the electrode 4. Thus, local field concentrations and increased ion bombardment of endangered peaks, corners and edges are avoided, consequently no thermal material overloads can occur.

Claims

Device for ion-supported coating of substrate bodies, in particular of a plurality of elongate substrates arranged parallel to each other and at right angles to a substrate holder, characterized in that parallel to the substrate holder below the substrate tips a planar electrode is arranged which lies at a negative potential with respect to the substrate holder and the substrates and spaced approximately two to four times the thickness of the space charge layer to the substrates at an isolation distance of about the thickness of the space charge layer and from the substrate tips.

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