DD292677A5 - DEVICE FOR PLASMA-ASSISTED DEPOSITION OF HARD-PLASTIC LAYER SYSTEMS - Google Patents

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DD292677A5
DD292677A5 DD30067387A DD30067387A DD292677A5 DD 292677 A5 DD292677 A5 DD 292677A5 DD 30067387 A DD30067387 A DD 30067387A DD 30067387 A DD30067387 A DD 30067387A DD 292677 A5 DD292677 A5 DD 292677A5
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titanium
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DD30067387A
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Dietmar Roth
Juergen Liebich
Ellen Weissmantel
Peter Harwardt
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Technische Universitaet,De
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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}The device for plasma-assisted deposition of hard material layer systems based on titanium, boron, aluminum, nitrogen is used to coat metallic and non-metallic substrates, tools and components for surface refinement, corrosion, friction and wear reduction. According to the invention, the object is achieved by separating and independently controllable in a vacuum chamber an arc discharge evaporator for titanium and an electron beam evaporator for boron or aluminum in the homogeneous region of a nitrogen argon plasma and the substrate uptake in the region of a constant ion density of (109-1010) ions / cm3 are arranged. Fig. 1 {plasma-assisted deposition; Hard coating systems; Arc evaporator; Electron beam evaporator; Nitrogen-argon plasma; Titanium; Boron; Aluminum; Nitrogen}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention is used for the plasma-assisted coating of metallic and non-metallic substrates, tools and components with an adherent hard material growth system on the basalt titanium, boron, aluminum and nitrogen for surface refinement, corrosion, reduction of roughness and wear.

Charakteristik der bekannten technischen LosungenCharacteristic of the known technical solutions

Es sind verschiedene Verfahren zur Abscheidung von Mehrfach- und Mischschichten bekannt.Various methods for depositing multiple and mixed layers are known.

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.JP 58-217674 describes the deposition of titanium nitride-gold mixed layers using a plurality of resistance-heated evaporators and a glow-cathode arrangement for plasma generation. This is also possible when two electron beam evaporators are used for titanium and gold evaporation and the plasma generation is realized by a glow discharge.

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.All of these solutions require additional and auxiliary devices for plasma generation, which generally have a disturbing effect in the vacuum chamber and additionally cause contamination by evaporating cathode material.

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.Verdampforquelle and plasma generator as a unit in the form of a Hohlkatodenbogenverdampfers for titanium evaporation are technically realized. As a second material source, one or more sputtering devices are proposed. Since these are DC sputtering devices, such devices can only be used to deposit a second metal component in the form of an alloy material, since sputtering devices of this form operate at low deposition rates. Real mixed-layer systems can not be produced in this way.

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.In addition, a considerable amount of metal vapor ions are emitted into the plasma chamber by the hollow cathode arc evaporator, which are extremely disadvantageous as sputtering ions. In particular, they prevent the defined controllability of the deposition process with respect to the layer composition.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Abscheidung von Hartstoffschichtsystemen in hoher Qualität mit geringem technologischem Aufwand zu ermöglichen.The aim of the invention is to enable the deposition of hard material layer systems in high quality with little technological effort.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The object of the invention is to realize an apparatus for the plasma-assisted deposition of hard material layer systems, with the aid of which only one plasma generator is used to deposit adhering hard coatings based on titanium, boron, aluminum and nitrogen in defined composition on any substrates.

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.According to the invention the object is achieved by a vacuum chamber separated and independently controlled an arc discharge evaporator for titanium and an electron beam evaporator for boron or aluminum in the homogeneous region of a plasma with an ion density of (10 9 -10 10 ) ions / cm 3 are arranged. The arc discharge plasma extends over the entire space of the vacuum chamber and is approximately homogeneous throughout the substrate area. The plasma consists of an argon-nitrogen mixture which is available as a reactive gas at the same time as the plasma-assisted coating. The arc discharge evaporator is used for titanium evaporation, with most of the titanium ionized present. The second source of evaporation is an electron beam evaporator for evaporation of boron or alunimium. By means of a simple, lying at ground potential shield, which are at high voltage parts of the electron beam evaporator separated from the plasma space, so that both evaporators can work with existing plasma.

Während beide Vordampfortlogol quasi Maeaopotontlol bosltzon, llogt an den Substraten olno variablo nogativo Spannung, umWhile both Vordampfortlogol quasi Maopotontlol bosltzon, lolgt to the substrates olno variablo nogativo tension to

sowohl Gasionen als auch Ionon dor vordampfondon Kompononton boechlounlgon zu könnon und somit plosmagostütztoBoth gas ions and ionone may be used by the composites in order to protect them and thus plosmagostützto

Schlchtabscholdung zu roollsloron.Schlchtabscholdung to roollsloron. Durch die gotronnte Rogolung beider Verdampfer könnon dlo AufdampfgtschwlndlgkiHon von Titan, Bor und/oder AluminiumBy the gotronnte Rogolung of both vaporizers, the vapor deposition of titanium, boron and / or aluminum can

definiert variiert worden. Es könnon eolcho Betriebsarten oingostollt worden, daß ontwodor nur Titannitrid, nur Bornitrid, nurhas been varied. It may have been set to eolcho modes that ontwodor only titanium nitride, only boron nitride, only

Aluminiumnitrid odor Mischvorblndungon abgeschieden wordon.Aluminum nitride or mixed blinds deposited wordon. Die Leistung dos Hohlkatodenbogonvordampfers läßt sich sowoit roduzloron, daß oszu kölner wesentlichen Titanvordampfung,The power dos Hohlkatodenbogonvordampfers can be sowoit roduzloron that oszu kölner essential Titanvordampfung,

trotz Plasmaerzeugung Im gesamten Boschlchtungsreum, kommt.Despite plasma generation In the entire Bochts reverence comes.

!n dieser Betriebsart kann außordom dio Reinigung der Substrats durch Beschüß mit Argonionen vorgonommon wordon.In this mode of operation, except for the cleaning of the substrate by bombardment with argon ions, it may be wordon.

Durch vorher bezeichnete Abschirmung kann dor Elektrononstrahlverdampfor Im Druckborelch (ΚΓ'-ΚΓ2 Pa) stabil betriebenBy previously designated shielding the Elektrononstrahlverdampfor in Druckborelch (ΚΓ'-ΚΓ 2 Pa) operated stably

worden.Service.

Ausführungsbeispielembodiment Die Erfindung wird nachfolgend on tilnom AusfUhrungsbeisplel erläutert. Es zeigt Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau derThe invention is explained below on the basis of the exemplary embodiment. 1 shows the basic structure of

erfindungsgemäßon Vorrichtung.according to the invention device.

Am Boden der Vakuumkammer 1 sind ein Elektronenstrahlverdampfor 2 und ein Hohlkatodenbogenvordampfer, bestehend ausAt the bottom of the vacuum chamber 1 are a Elektronenstrahlverdampfor 2 and a Hohlkatodenbogenvordampfer, consisting of Anode 3 und Hohlkatode 4, nebeneinander angeordnet. Eine auf Massopotontlal liegende Abschirmung 11 umgibt denAnode 3 and hollow cathode 4, arranged side by side. A lying on Massopotontlal shield 11 surrounds the Elektrononstrahlverdampfer 2 und trennt ihn vom Pldsmaboroich. DIo schwenkbare Blonde 6 verhindert vorzeitiges Bor-Electron beam evaporator 2 and separates it from the Pldsmaboroich. The pivoting Blonde 6 prevents premature boring Bedampfon der Substrate 12. Die isoliert und drehbar über den beiden Vordampfungsquellen angeordnete Substrntauf nähme 9Bedampfon the substrates 12. The isolated and rotatably arranged on the two pre-evaporation sources Substratnt take 9

besteht aus drei um ihre Mittelpunktachse rotierbaren Kroisschelben, auf denen sich die zu beschichtenden Substrate 9, inconsists of three Kroisschelben rotatable around its center axis, on which the substrates to be coated 9, in

unserem Beispiel Wendeschneidplatten aus Hartmetall HG 123, befinden. Über den Gaseinlaß 6 wird ein definierterIn our example indexable inserts made of carbide HG 123, are located. About the gas inlet 6 is a defined

Reaktivgasdurchsatz goregelt, das Einströmen dos Inortgases erfolgt über die Hohlkatode 4.Reaktivgasdurchsatz goregelt, the influx of inort gas via the hollow cathode. 4 Mittels der Stromversorgungseinrichtung 7 wird die Bogenentladung zwischen Hohlkatode 3 und Anode 4 gezündet undBy means of the power supply device 7, the arc discharge between hollow cathode 3 and anode 4 is ignited and

geregelt. Das negative Potential für die Substrataufnahmo kann wahlweise durch die Stromversorgungseinrichtung 7 oder eineexterne Einrichtung 10 realisiert worden.regulated. The negative potential for the Substrataufnahmo can optionally by the power supply device 7 or an external device 10 has been realized.

Unabhängig davon dient dio Stromversorgungseinrichtung 8 zum Betrieb des Elektronenstrahlverdampfers.Regardless of the dio power supply device 8 is used to operate the electron beam evaporator. Im Beispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Titan-Bor-Nitrid-Schichtsystems aufIn the example, the device according to the invention for producing a titanium-boron nitride layer system Wendeschneidplatten aus Hartmetall HG 123 verwendet.Indexable inserts made of carbide HG 123 used. Während des lonenätzens der Substrate 12, wobei deren negative Vorspannung kontinuierlich bis auf 600 V geregelt wird, erfolgtDuring the ion etching of the substrates 12, wherein the negative bias voltage is continuously controlled to 600 V, takes place

das Vorwärmen des bereits vorgeschmolzenen Bors im Tiegel des Elektronenstrahlverdampfers 2 bis zu einer Leistung vonpreheating the already premelted boron in the crucible of the electron beam evaporator 2 up to a power of

2,5kW. Der Hohlkatodenbogenentladungsvordr.mpfer brennt in dieser Zeit mit einer Leistung von 3kW. Die2.5kW. The hollow cathode arc pre-damper burns at this time with a power of 3kW. The

Verdampfungsgeschwindigkeit dos Titans ist bei dieser Leistung vernachlässigbar gering. Nach Beendigung desEvaporation rate of titanium is negligible at this power. After completion of the Reinigungsvorganges werden der Hohlkatodenentladungsverdampfer auf 1OkW und der Elektronenstrahlverdampfer 2 aufCleaning process, the Hohlkatodenentladungsverdampfer to 1OkW and the electron beam evaporator 2 on

4kW getrennt hochgeregelt. Gleichzeitig wird dom Inertgas (Argon) über das Gaseinlaßsystem 5 das Reaktivgas (Stickstoff)4kW separately up-regulated. At the same time, inert gas (argon) is injected via the gas inlet system 5 into the reactive gas (nitrogen).

zugemischt. Während des Beschichtungsvorganges herrscht im Rezipienten 1 ein Arbeitsdruck von 2x 10"1 Pa.admixed. During the coating process, a working pressure of 2 × 10 -1 Pa prevails in the recipient 1.

(Die Aufdampfgeschwindigkeit für Bor beträgt 0,4nm/s, für Titan 2 nm/s).(The vapor deposition rate for boron is 0.4 nm / s, for titanium 2 nm / s).

Die Hartmetall-Wendeschneidplatten befinden sich auf der rotierenden Substrataufnahme 9. Der mittlere Abstand der SubstrateThe carbide indexable inserts are located on the rotating substrate holder 9. The mean distance between the substrates

von den Verdampfern beträgt 50cm.of the evaporators is 50cm.

Die mittels der Vorrichtung während einer Beschichtungszeit von 30 min abgeschiedene Titan-Bor-Nitridschicht hat eineThe titanium boron nitride layer deposited by the device during a coating time of 30 minutes has a Schichtdicke von ca. 1 pm und weist eine Härte von H » 40GPa bei guter Haftfestigkeit auf.Layer thickness of about 1 pm and has a hardness of H »40GPa with good adhesion.

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.1. An apparatus for plasuinagestützten Abscholdung of hard material coating systems, in particular Misch- or Mohrfochschlchton mlttols evaporation, characterized in that in a vacuum chamber (1) separated and independently controllable, a Bogonentladungsverdampfer (3,4) for titanium and an electron beam evaporator (2) for boron and aluminum in the homogeneous atmosphere of a nitrogen-argon plasma and the substrate receptacle (9) are arranged in the region of a constant ion power of 19 9 -10 10 l / cm 3 . 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahlverdampfer (2) mittels einer Abschirmung (11) mit Massepotential vom Plasmabereich betrennt ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the electron beam evaporator (2) by means of a shield (11) is grounded with ground potential from the plasma region. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate (12) eine variable negative Vorspannung aufweisen.3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the substrates (12) have a variable negative bias. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bogenentladungsverdampfer aus Hohlkatode (4) und Anode (3) besteht.4. Apparatus according to claim 1 to 3, characterized in that the arc discharge evaporator consists of hollow cathode (4) and anode (3).
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