DD292677A5 - Vorrichtung zur plasmagestuetzten abscheidung von hartstoffschichtsystemen - Google Patents

Abstract

Die Vorrichtung zur plasmagestuetzten Abscheidung von Hartstoffschichtsystemen auf der Basis von Titan, Bor, Aluminium, Stickstoff dient der Beschichtung von metallischen und nichtmetallischen Substraten, Werkzeugen und Bauteilen zur Oberflaechenveredlung, Korrosions-, Reibungs- und Verschleiszminderung. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe geloest, indem in einer Vakuumkammer getrennt und unabhaengig voneinander regelbar ein Bogenentladungsverdampfer fuer Titan und ein Elektronenstrahlverdampfer fuer Bor oder Aluminium im homogenen Bereich eines Stickstoff-Argon-Plasmas und die Substrataufnahme im Bereich einer konstanten Ionendichte von (109-1010) Ionen/cm3 angeordnet sind. Fig. 1{plasmagestuetzte Abscheidung; Hartstoffschichtsysteme; Bogenentladungsverdampfer; Elektronenstrahlverdampfer; Stickstoff-Argon-Plasma; Titan; Bor; Aluminium; Stickstoff}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung dient der plasmagestützten Beschichtung von metallischen und nichtmetallischen Substraten, Werkzeugen und Bauteilen mit haftfesten Hartstoffschlchtsystemon auf der BaslsTitan, Bor, Aluminium und Stickstoff zur Oberflächenveredlung, Korrosions·, Roibungs- und Verschleißminderung.

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Es sind verschiedene Verfahren zur Abscheidung von Mehrfach- und Mischschichten bekannt.

In JP 58-217674 wird dio Abscheidung von Titannitrld-Gold-Mischschichten beschrieben, wobei mehrere widerstandsbeheizte Verdampfer und eine Glühkatodenanordnung zur Plasmaerzeugung verwendet werden. Das ist auch möglich, wenn zwei Elektronenstrahlverdampfer für Titan und Gold-Verdampfung eingesetzt werden und die Plasmaerzeugung durch eine Glimmentladung realisiert wird.

Alle diese Lösungen benötigen Zusatz- und Hilfseinrichtungen zur Plasmaerzeugung, die sich im allgemeinen störend in der Vakuumkammer auswirken und zusätzlich Verunreinigungen durch verdampfendes Katodenmaterial bewirken.

Verdampforquelle und Plasmaerzeuger als Einheit in Form einos Hohlkatodenbogenverdampfers zur Titanverdampfung werden technisch realisiert. Als zweite Materialquelle werden eine oder mehrere Sputtereinrichtungen vorgeschlagen. Da es sich um Gleichstromsputtereinrichtungen handelt, können derartige Vorrichtungen nur zu Abscheidung einer zweiten Metallkomponente in Form eines Legierungsmaterials benutzt werden, da Sputtereinrichtungen dieser Form mit geringen Abscheidungsraten arbeiten. Echte Mischschichtsysteme sind auf diese Weise nicht herstellbar.

Außerdem werden durch den Hohlkatodenbogenverdampfer ein beträchtlichter Anteil Metalldampfionen in den Plasmaraum emittiert, die als Sputterionen äußerst nachteilig sind. Insbesondere verhindern sie die definierte Steuerbarkeit des Abscheidungsprozesses in bezug auf die Schichtzusammensetzung.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Abscheidung von Hartstoffschichtsystemen in hoher Qualität mit geringem technologischem Aufwand zu ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabezugrunde,eine Vorrichtung für die plasmagestützte Abscheidung von Hartstoffschichtsystemen zu realisieren, mit deren Hilfe unter Verwendung nur eines Plasmaerzeugers auf beliebigen Substraten haftfeste Hartstoffschichten auf der Basis von Titan, Bor, Aluminium und Stickstoff in definierter Zusammensetzung abgeschieden werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem in einer Vakuumkammer getrennt und voneinander unabhängig regelbar ein Bogenentladungsverdampfer für Titan und ein Elektronenstrahlverdampfer für Bor oder Aluminium im homogenen Bereich eines Plasmas mit einer lonendichte von (10⁹-10¹⁰) Ionen/cm³ angeordnet sind. Das Bogenentladungsplasma erstreckt sich über den gesamten Raum der Vakuumkammer und ist annähernd homogen im gesamten Substratbereich. Das Plasma besteht aus einem Argon-Stickstoff-Gemisch, welches gleichzeitig zur plasmagestützten Beschichtung als Reaktivgas zur Verfügung steht. Der Bogenentladungsverdampfer dient der Titan-Verdampfung, wobei der größte Teil des Titans ionisiert vorliegt. Die zweite Verdampfungsquelle ist ein Elektronenstrahlverdampferzur Verdampfung von Bor oder Alunimium. Mittels einereinfachen, auf Massepotential liegenden Abschirmung, werden die auf Hochspannung liegenden Teile des Elektronenstrahlverdampfers vom Plasmaraum getrennt, so daß beide Verdampfer bei vorhandenem Plasma arbeiten können.

Während beide Vordampfortlogol quasi Maeaopotontlol bosltzon, llogt an den Substraten olno variablo nogativo Spannung, um

sowohl Gasionen als auch Ionon dor vordampfondon Kompononton boechlounlgon zu könnon und somit plosmagostützto

Schlchtabscholdung zu roollsloron. Durch die gotronnte Rogolung beider Verdampfer könnon dlo AufdampfgtschwlndlgkiHon von Titan, Bor und/oder Aluminium

definiert variiert worden. Es könnon eolcho Betriebsarten oingostollt worden, daß ontwodor nur Titannitrid, nur Bornitrid, nur

Aluminiumnitrid odor Mischvorblndungon abgeschieden wordon. Die Leistung dos Hohlkatodenbogonvordampfers läßt sich sowoit roduzloron, daß oszu kölner wesentlichen Titanvordampfung,

trotz Plasmaerzeugung Im gesamten Boschlchtungsreum, kommt.

!n dieser Betriebsart kann außordom dio Reinigung der Substrats durch Beschüß mit Argonionen vorgonommon wordon.

Durch vorher bezeichnete Abschirmung kann dor Elektrononstrahlverdampfor Im Druckborelch (ΚΓ'-ΚΓ² Pa) stabil betrieben

worden.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung wird nachfolgend on tilnom AusfUhrungsbeisplel erläutert. Es zeigt Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der

erfindungsgemäßon Vorrichtung.

Am Boden der Vakuumkammer 1 sind ein Elektronenstrahlverdampfor 2 und ein Hohlkatodenbogenvordampfer, bestehend aus Anode 3 und Hohlkatode 4, nebeneinander angeordnet. Eine auf Massopotontlal liegende Abschirmung 11 umgibt den Elektrononstrahlverdampfer 2 und trennt ihn vom Pldsmaboroich. DIo schwenkbare Blonde 6 verhindert vorzeitiges Bor- Bedampfon der Substrate 12. Die isoliert und drehbar über den beiden Vordampfungsquellen angeordnete Substrntauf nähme 9

besteht aus drei um ihre Mittelpunktachse rotierbaren Kroisschelben, auf denen sich die zu beschichtenden Substrate 9, in

unserem Beispiel Wendeschneidplatten aus Hartmetall HG 123, befinden. Über den Gaseinlaß 6 wird ein definierter

Reaktivgasdurchsatz goregelt, das Einströmen dos Inortgases erfolgt über die Hohlkatode 4. Mittels der Stromversorgungseinrichtung 7 wird die Bogenentladung zwischen Hohlkatode 3 und Anode 4 gezündet und

geregelt. Das negative Potential für die Substrataufnahmo kann wahlweise durch die Stromversorgungseinrichtung 7 oder eineexterne Einrichtung 10 realisiert worden.

Unabhängig davon dient dio Stromversorgungseinrichtung 8 zum Betrieb des Elektronenstrahlverdampfers. Im Beispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Titan-Bor-Nitrid-Schichtsystems auf Wendeschneidplatten aus Hartmetall HG 123 verwendet. Während des lonenätzens der Substrate 12, wobei deren negative Vorspannung kontinuierlich bis auf 600 V geregelt wird, erfolgt

das Vorwärmen des bereits vorgeschmolzenen Bors im Tiegel des Elektronenstrahlverdampfers 2 bis zu einer Leistung von

2,5kW. Der Hohlkatodenbogenentladungsvordr.mpfer brennt in dieser Zeit mit einer Leistung von 3kW. Die

Verdampfungsgeschwindigkeit dos Titans ist bei dieser Leistung vernachlässigbar gering. Nach Beendigung des Reinigungsvorganges werden der Hohlkatodenentladungsverdampfer auf 1OkW und der Elektronenstrahlverdampfer 2 auf

4kW getrennt hochgeregelt. Gleichzeitig wird dom Inertgas (Argon) über das Gaseinlaßsystem 5 das Reaktivgas (Stickstoff)

zugemischt. Während des Beschichtungsvorganges herrscht im Rezipienten 1 ein Arbeitsdruck von 2x 10"¹ Pa.

(Die Aufdampfgeschwindigkeit für Bor beträgt 0,4nm/s, für Titan 2 nm/s).

Die Hartmetall-Wendeschneidplatten befinden sich auf der rotierenden Substrataufnahme 9. Der mittlere Abstand der Substrate

von den Verdampfern beträgt 50cm.

Die mittels der Vorrichtung während einer Beschichtungszeit von 30 min abgeschiedene Titan-Bor-Nitridschicht hat eine Schichtdicke von ca. 1 pm und weist eine Härte von H » 40GPa bei guter Haftfestigkeit auf.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur plasuinagestützten Abscholdung von Hartstoffschichtsystemen, Insbesondere Misch- oder Mohrfochschlchton mlttols Verdampfung, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Vakuumkammer (1) getrennt und voneinander unabhängig regelbar, ein Bogonentladungsverdampfer (3,4) für Titan und ein Elektronenstrahlverdampfer (2) für Bor und Aluminium im homogenen Beroich eines Stickstoff-Argon-Plasmas und die Substrataufnahmo (9) Im Bereich einer konstanten lonendlchte von 19⁹-10¹⁰lonen/cm³.angeordnetsind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahlverdampfer (2) mittels einer Abschirmung (11) mit Massepotential vom Plasmabereich betrennt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate (12) eine variable negative Vorspannung aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bogenentladungsverdampfer aus Hohlkatode (4) und Anode (3) besteht.