DE102004060670B4 - Method and arrangement for producing high-temperature-resistant scratch-resistant coatings with low surface roughness - Google Patents

Method and arrangement for producing high-temperature-resistant scratch-resistant coatings with low surface roughness Download PDF

Info

Publication number
DE102004060670B4
DE102004060670B4 DE200410060670 DE102004060670A DE102004060670B4 DE 102004060670 B4 DE102004060670 B4 DE 102004060670B4 DE 200410060670 DE200410060670 DE 200410060670 DE 102004060670 A DE102004060670 A DE 102004060670A DE 102004060670 B4 DE102004060670 B4 DE 102004060670B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layers
metal
resistant
scratch
deposited
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE200410060670
Other languages
German (de)
Other versions
DE102004060670A1 (en
Inventor
Christoph Dr. Köckert
Falk Dr. Milde
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Original Assignee
Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Von Ardenne Anlagentechnik GmbH filed Critical Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Priority to DE200410060670 priority Critical patent/DE102004060670B4/en
Publication of DE102004060670A1 publication Critical patent/DE102004060670A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102004060670B4 publication Critical patent/DE102004060670B4/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C17/00Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating
    • C03C17/34Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating with at least two coatings having different compositions
    • C03C17/3411Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating with at least two coatings having different compositions with at least two coatings of inorganic materials
    • C03C17/3417Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating with at least two coatings having different compositions with at least two coatings of inorganic materials all coatings being oxide coatings
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C17/00Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating
    • C03C17/22Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by coating with other inorganic material
    • C03C17/23Oxides
    • C03C17/245Oxides by deposition from the vapour phase
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036Reactive sputtering
    • C23C14/0042Controlling partial pressure or flow rate of reactive or inert gases with feedback of measurements
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08Oxides
    • C23C14/083Oxides of refractory metals or yttrium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/35Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C2217/00Coatings on glass
    • C03C2217/20Materials for coating a single layer on glass
    • C03C2217/21Oxides
    • C03C2217/24Doped oxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C2218/00Methods for coating glass
    • C03C2218/10Deposition methods
    • C03C2218/15Deposition methods from the vapour phase
    • C03C2218/154Deposition methods from the vapour phase by sputtering
    • C03C2218/156Deposition methods from the vapour phase by sputtering by magnetron sputtering

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

Verfahren zur Herstellung dielektrischer hochtemperaturbeständiger Kratzschutzschichten mit geringer Oberflächenrauigkeit aus Metalloxid und/oder Metallnitrid und/oder Metallcarbid und/oder Metalloxonitrid und/oder Metallcarbonitrid und/oder Metalloxocarbonitrid durch reaktives Magnetronsputtern, bei dem auf einen stabilen Arbeitspunkt auf einer materialspezifischen Hysteresekurve des Übergangsbereiches des reaktiven Sputterprozesses geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Regelung (4, 5, 6) des Reaktivgaszuflusses (8) und durch einen Leistungseintrag (9) mit einer Leistungsdichte von mehr als 8 W pro Quadratzentimeter Targetfläche der Arbeitspunkt des reaktiven Sputterprozesses in die unmittelbare Nähe eines materialspezifischen Schwell-Arbeitspunktes gelegt wird, oberhalb welchem die abgeschiedenen Schichten absorbierende Eigenschaften aufweisen, das heißt in einen Bereich vom Schwell-Arbeitspunkt bis zu einem Punkt, bei welchem die abgeschiedenen Schichten eine Absorption im infraroten Spektralbereich von 5% aufweisen, und dass die in den abgeschiedenen Schichten aufgetretene unerwünschte Ab sorption anschließend mittels einer durch Aufheizung der beschichteten Substrate bewirkten Nachoxidation unter Erhalt der mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften der Schichten wieder beseitigt wird.Method for producing dielectric high-temperature-resistant scratch-resistant layers with low surface roughness of metal oxide and / or metal nitride and / or metal carbide and / or metal oxonitride and / or metal carbonitride and / or metal oxocarbonitride by reactive magnetron sputtering, in which a stable operating point on a material-specific hysteresis curve of the transition region of the reactive sputtering process is regulated, characterized in that by means of the control (4, 5, 6) of the reactive gas flow (8) and by a power input (9) with a power density of more than 8 W per square centimeter target surface, the operating point of the reactive sputtering process in the immediate vicinity a material-specific threshold operating point is set, above which the deposited layers have absorbing properties, that is in a range from the threshold operating point to a point at which the deposited layers ei ne absorption in the infrared spectral range of 5%, and that the occurred in the deposited layers unwanted absorption from Ab subsequently by means of a heating by the coated substrates post-oxidation while preserving the mechanical and thermo-mechanical properties of the layers is removed again.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung hochtemperaturbeständiger Kratzschutzschichten mit geringer Oberflächenrauigkeit entsprechend den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Ausführung dieses Verfahrens entsprechend den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13.The The invention relates to a method and a device for the production high temperature resistant Scratch protective layers with low surface roughness accordingly the features of the preamble of claim 1 and an arrangement for execution this method according to the features of the preamble of Claim 13.

Hochtemperaturbeständige Kratzschutzschichten finden beispielsweise Anwendung als Schutzschichten für Glaskeramik-Kochflächen. Dafür sind insbesondere Metalloxide interessant, wie sie unter anderem aus US 4 920 014 A oder WO 04/026786 A1 bekannt sind.High-temperature resistant scratch-resistant coatings are used, for example, as protective layers for glass-ceramic cooking surfaces. In particular, metal oxides are interesting, as they include, inter alia US 4,920,014 or WO 04/026786 A1 are known.

Als kostengünstiges Abscheideverfahren, das es gestattet, dünne Schichten großflächig reproduzierbar abzuscheiden, hat sich das Magnetronsputtern technisch etabliert. Dabei wird ein Niedertemperaturplasma in einem Inertgas, z. B. Argon, genutzt, um ein auf der Kathode liegendes Targetmaterial abzutragen und auf einem gegenüberliegenden Substrat abzuscheiden. Für die Abscheidung von Verbindungsschichten ist das reaktive Sputtern bekannt, bei welchem dem Sputtergas noch ein Reaktivgas (Sauerstoff für Oxide) zugemischt wird. Die Art der reaktiven Prozessführung, die u. a. durch die Art und den Betrag des Reaktivgasflusses und die applizierte Leistungsdichte und damit die Sputterrate bestimmt wird, entscheidet über die Eigenschaften der abgeschiedenen Schicht.When cost-effective Deposition method, which allows thin layers over a large area reproducible to separate, the magnetron sputtering has become technically established. In this case, a low-temperature plasma in an inert gas, for. Argon, used to ablate a lying on the cathode target material and on an opposite substrate deposit. For the deposition of interconnect layers is reactive sputtering in which the sputtering gas is still a reactive gas (oxygen for oxides) is mixed. The type of reactive process control that u. a. through the Type and amount of reactive gas flow and the applied power density and so that the sputtering rate is determined, decide on the Properties of the deposited layer.

Für den Einsatz als Schutzschichten für Glaskeramik-Kochflächen wird neben der Temperaturbeständigkeit eine geringe Oberflächenrauigkeit im Hinblick auf ein geringes Verschmutzen sowie ein gutes Reinigungsverhalten gefordert. Außerdem sollten die Schutzschichten im Hinblick auf einen guten Wärmetransfer von dem darunter liegenden Heizelement sowie eine optisch ansprechende Oberfläche sowohl im sichtbaren als auch infraroten Spektralbereich transparent sein.For use as protective layers for glass ceramic cooking surfaces in addition to the temperature resistance a low surface roughness in the With regard to low contamination and good cleaning behavior required. Furthermore should be the protective coatings for good heat transfer from the underlying heating element and a visually appealing Surface both be transparent in the visible and infrared spectral range.

Die bekannten Verfahren zur Abscheidung kratzfester und zugleich hochtemperaturbeständiger Schichten sind sehr aufwendig. In US 4 920 014 A gelingt es zudem nicht, gleichzeitig eine glatte Schichtoberfläche zu erreichen. In der WO 04/026786 A1 ist ein Schichtsystem beschrieben, das aus säulenartig aufwachsenden Funktionsschichten besteht, zwischen welche dünnere Zwischenschichten zum Glätten der aufwachsenden Säulenstruktur eingebaut werden. Obgleich diese Schichten zufriedenstellende Eigenschaften aufweisen, ist deren Herstellung jedoch mit einem hohen Verfahrensaufwand verbunden und somit teuer.The known methods for depositing scratch-resistant and at the same time high-temperature resistant layers are very expensive. In US 4,920,014 Moreover, it does not succeed in simultaneously achieving a smooth layer surface. In the WO 04/026786 A1 a layer system is described, which consists of columnar growing functional layers, between which thinner intermediate layers are incorporated for smoothing the growing columnar structure. Although these layers have satisfactory properties, however, their production is associated with a high process complexity and thus expensive.

Bei Thiel et al., ”Deposition and properties of yttriastabilized zirconia thin films using reactive direct current magnetron sputtering”, J. Vac. Sci. Technol. A9(6), 1991, 3054–3060, sind yttriumstabilisierte Zirkonoxid (YSZ) – Schichten mit ebenfalls einer säulenartigen Schichtstruktur, wie bei der WO 04/026786 A1 , zur Verwendung in Sauerstoffsensoren und Festoxid-Brennstoffzellen beschrieben.Thiel et al., "Deposition and properties of yttriastabilized zirconia thin films using reactive direct current magnetron sputtering", J. Vac. Sci. Technol. A9 (6), 1991, 3054-3060, are yttrium - stabilized zirconia (YSZ) layers also having a columnar layer structure, as in the WO 04/026786 A1 , described for use in oxygen sensors and solid oxide fuel cells.

Aoki et al. ”Preparation of in-plane textured Y2O3-doped ZrO2 thin film an polycrystalline metallic tage by modified bias sputtering”, J. Vac. Sci. Technol. A12(2), 1994, 501–505, beschreibt die Kornausrichtung in YSZ-Schichten, die als Unterlage für supraleitende Dünnschichten dienen.Aoki et al. "Preparation of in-plane textured Y 2 O 3 -doped ZrO 2 thin film on polycrystalline metallic days by modified bias sputtering", J. Vac. Sci. Technol. A12 (2), 1994, 501-505 describes grain alignment in YSZ layers which serve as a substrate for superconducting thin films.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines hochtemperaturbeständigen Kratzschutzschichtsystems mit geringer Oberflächenrauigkeit aufzuzeigen, mit welchen Schichten mit den zuvor benannten Eigenschaften einfacher und somit kostengünstiger hergestellt werden können.Of the The invention is therefore based on the object, an improved method and an apparatus for producing a high-temperature resistant scratch-resistant coating system with low surface roughness To show with which layers with the previously named properties easier and thus cheaper can be produced.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit Hilfe eines Verfahrens zur Herstellung dielektrischer hochtemperaturbeständiger Kratzschutzschichten mit geringer Oberflächenrauigkeit aus Metalloxid und/oder Metallnitrid und/oder Metallcarbid und/oder Metalloxonitrid und/oder Metallcarbonitrid und/oder Metalloxocarbonitrid durch reaktives Magnetronsputtern, bei dem auf einen stabilen Arbeitspunkt auf einer materialspezifischen Hysteresekurve des Übergangsbereiches des reaktiven Sputterprozesses geregelt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass mit Hilfe der Regelung des Reaktivgaszuflusses und durch einen Leistungseintrag mit einer Leistungsdichte von mehr als 8 W pro Quadratzentimeter Targetfläche der Arbeitspunkt des reaktiven Sputterprozesses in die unmittelbare Nähe eines materialspezifischen Schwell-Arbeitspunktes gelegt wird, oberhalb welchem die abgeschiedenen Schichten absorbierende Eigenschaften aufweisen, das heißt in einen Bereich von unmittelbar unterhalb des Schwell-Arbeitspunktes bis zu einem Punkt, bei welchem die abgeschiedenen Schichten eine Absorption im infraroten Spektralbereich von 5% aufweisen, und dass die in den abgeschiedenen Schichten aufgetretene, an sich unerwünschte Absorption anschließend mittels einer durch Aufheizung der beschichteten Substrate bewirkten Nachoxidation unter Erhalt der mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften der Schichten wieder beseitigt wird.The solution This object is achieved by means of a method for production Dielectric high-temperature resistant scratch-resistant coatings with low surface roughness of metal oxide and / or metal nitride and / or metal carbide and / or Metal oxonitride and / or metal carbonitride and / or metal oxocarbonitride by reactive magnetron sputtering, where at a stable operating point on a material-specific hysteresis curve of the transition region the reactive sputtering process is regulated, the method characterized in that by means of the regulation of the reactive gas inflow and through a power input with a power density of more as 8 W per square centimeter of target area the working point of the reactive Sputtering process in the immediate vicinity of a material-specific Schwell operating point is placed, above which the deposited Have layers of absorbent properties, that is in one Range from immediately below the threshold operating point to to a point where the deposited layers have an absorption in the have infrared spectral range of 5%, and that in the Deposited layers occurred, undesirable in itself absorption then by means of a post-oxidation effected by heating the coated substrates while preserving the mechanical and thermomechanical properties the layers is removed again.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der Energieeintrag durch Verstärken des Ionenstroms erhöht werden, indem an eine Dunkelfeldabschirmung des Doppelmagnetrons oder an andere leitfähige Zusatzelemente, die einen Plasmabereich zwischen Target und Substrat umgeben, eine positive Vorspannung angelegt wird. Diese sollte im Bereich von 30 bis 200 Volt, bevorzugt im Bereich von 40 bis 100 Volt und am meisten bevorzugt im Bereich von 50 Volt bis 100 Volt liegen.In a particularly advantageous embodiment of the method, the energy input can be increased by amplifying the ion current, by a dark field shield of Doppelmagnetrons or other conductive additional elements, the plasma region between the target and substrate surrounded, a positive bias is applied. This should be in the range of 30 to 200 volts, preferably in the range of 40 to 100 volts, and most preferably in the range of 50 volts to 100 volts.

Zur Erzielung der gewünschten Schichteigenschaften ist es dabei verfahrensseitig außerdem günstig, das Substrat während der Abscheidung auf eine erhöhte Substrattemperatur von mehr als 150°C aufzuheizen.to Achieving the desired Layer properties, it is procedurally also cheap, the Substrate during the deposition on an increased Substrate temperature of more than 150 ° C to heat.

In einer weiteren günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein in dem Prozess sekundär entstehender Streudampf mit Hilfe von bis zum Substrat hin verlängerten Blenden abgeschnitten werden.In another cheap Embodiment of the method according to the invention can be a secondary in the process resulting stray steam with the help of extended to the substrate Apertures are cut off.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsweise im Hinblick auf den Verfahrensaufwand stellt die Abscheidung der Kratzschutzschicht in einer Dicke von mindestens 1500 nm in einer einzigen Schicht dar. Als Schichtmaterial ist dafür insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkonoxid, besonders bevorzugt mit einem Y2O3-Anteil von etwa 7,8 Mol-% geeignet.A particularly advantageous embodiment with regard to the process complexity is the deposition of the scratch-resistant layer in a thickness of at least 1500 nm in a single layer. As the layer material is in particular yttrium-stabilized zirconia, particularly preferably with a Y 2 O 3 content of about 7.8 Mol% suitable.

Alternativ kann die Kratzschutzschicht durch Einfügen dielektrischer gesputterter Zwischenschichten als Wechselschichtsystem aufgebaut werden, wobei die Dicke der Zwischenschichten etwa 2% der Dicke der Funktionsschichten ausmacht. Die Zwischenschichten können dabei aus dielektrischem Material wie etwa SiO2 oder Nb2O5 abgeschieden werden.Alternatively, the scratch-resistant layer may be constructed by interposing dielectric sputtered interlayers as the alternating layer system, the thickness of the interlayers being about 2% of the thickness of the functional layers. The intermediate layers can be deposited from dielectric material such as SiO 2 or Nb 2 O 5 .

Der Sputterprozess kann in einer Inline-Anlage mit einem oder mehreren Durchläufen des Substrates in der Anlage ausgeführt werden.Of the Sputtering process can be done in an inline facility with one or more runs of the substrate are carried out in the system.

Die erfindungsgemäße Nachoxidation der abgeschiedenen Schichten kann bevorzugt mit Hilfe einer Nachbehandlung bei einer Temperatur von etwa 400°C erfolgen.The post-oxidation according to the invention the deposited layers may preferably be by means of a post-treatment at a temperature of about 400 ° C respectively.

Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur Herstellung dielektrischer hochtemperaturbeständiger Kratzschutzschichten mit geringer Oberflächenrauigkeit mit Hilfe des vorstehend ausgeführten Verfahrens, wobei die Anordnung eine Magnetron-Sputterbeschichtungsanlage mit Regelungseinrichtungen zur stabilen Einstellung von Arbeitspunkten eines reaktiven Sputterprozesses im Übergangsmodus umfasst, wobei die Magnetronsputteranlage Einrichtungen zum Erzeugen einer Leistungsdichte von mehr als 8 W pro Quadratzentimeter Targetfläche sowie Einrichtungen zum Anlegen einer positiven Vorspannung an leitfähige Elemente, die den Plasmabereich zwischen Target und Substrat umgeben, umfasst. Diese leitfähigen Elemente können in besonders vorteilhafter Ausgestaltung die Dunkelfeldabschirmung der Magnetronsputterquelle umfassen.The The object is further achieved by an arrangement for Production of dielectric high-temperature resistant scratch-resistant coatings with low surface roughness with Help of the above Method, wherein the arrangement is a magnetron sputter coating system with control devices for stable adjustment of operating points a reactive sputtering process in the transition mode, wherein the magnetron sputtering system means for generating a power density of more than 8 W per square centimeter of target area as well as facilities for Apply a positive bias to conductive elements that cover the plasma area surrounded between target and substrate. These conductive elements can In a particularly advantageous embodiment, the dark field shield the magnetron sputtering source.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können in der Beschichtungskammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung bis zum Substrat hin verlängerten Blenden zum Abschneiden eines in dem Prozess sekundär entstehenden Streudampfes vorgesehen sein.According to one further advantageous embodiment can in the coating chamber the device according to the invention extended to the substrate Apertures to cut off a secondary build in the process Be provided with scattered steam.

Mit Hilfe der vorstehend spezifizierten Anlage sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dabei ein dielektrisches Schichtsystem mit hoher Temperaturbeständigkeit, Kratzfestigkeit und Oberflächenglätte aus Metalloxid und/oder Metallnitrid und/oder Metallcarbid und/oder Metalloxonitrid und/oder Metallcarbonitrid und/oder Metalloxocarbonitrid durch reaktives Magnetronsputtern abgeschieden werden, wobei das Schichtsystem dadurch gekennzeichnet ist, dass es nach der Abscheidung eine Absorption im infraroten Spektralbereich von bis zu 5% aufweist und diese Absorption durch eine thermische Nachbehandlung des Schichtsystems im Wesentlichen beseitigt wird, wobei die mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften der Schicht erhalten bleiben.With Help the above-specified system and the method according to the invention can be a dielectric layer system with high temperature resistance, Scratch resistance and surface smoothness Metal oxide and / or metal nitride and / or metal carbide and / or Metal oxonitride and / or metal carbonitride and / or metal oxocarbonitride be deposited by reactive magnetron sputtering, wherein the Layer system is characterized in that it after the deposition has an absorption in the infrared spectral range of up to 5% and this absorption by a thermal aftertreatment of the layer system is essentially eliminated, with the mechanical and thermomechanical Properties of the layer are preserved.

Ein besonders vorteilhafter Schichtaufbau einer Kratzschutzschicht im Hinblick auf den Verfahrensaufwand besteht dabei aus einer einzigen Schicht in einer Dicke von mindestens 1500 nm, wobei sich als Schichtmaterial insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkonoxid, besonders bevorzugt mit einem Y2O3-Anteil von etwa 7,8 Mol-%, eignet.A particularly advantageous layer structure of a scratch-resistant layer with regard to the process outlay consists of a single layer in a thickness of at least 1500 nm, wherein as layer material in particular yttrium-stabilized zirconium oxide, particularly preferably with a Y 2 O 3 content of about 7.8 molar %, is suitable.

Alternativ kann das Schichtsystem als Wechselschichtsystem aufgebaut sein, bei welchem dielektrische gesputterte Zwischenschichten zwischen den Kratzschutzschichten angeordnet sind, wobei die Dicke der Zwischenschichten etwa 2% der Di cke der Funktionsschichten ausmacht. Die Zwischenschichten können dabei aus dielektrischem Material wie etwa SiO2 oder Nb2O5 abgeschieden werden.Alternatively, the layer system may be constructed as a alternating layer system in which dielectric sputtered intermediate layers are arranged between the scratch-resistant layers, wherein the thickness of the intermediate layers makes up about 2% of the thickness of the functional layers. The intermediate layers can be deposited from dielectric material such as SiO 2 or Nb 2 O 5 .

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind der folgenden detaillierten Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels sowie den anliegenden Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigt:Further Features and advantages of the invention are the following detailed Description based on an embodiment as well as the attached drawings. Showing:

1 qualitativ den Zusammenhang zwischen dem Reaktivgaszufluss und verschiedenen Prozessparameter für einen reaktiven Magnetronsputterprozess; und 1 qualitatively the relationship between the reactive gas inflow and various process parameters for a reactive magnetron sputtering process; and

2 eine Prinzipskizze einer beispielhaften Sputteranordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 a schematic diagram of an exemplary sputtering arrangement for carrying out the method according to the invention.

1 veranschaulicht in einer graphischen Darstellung den qualitativen Zusammenhang zwischen Reaktivgaszufluss und Spannung, Intensität des Plasmas sowie Sputterrate, die mit der Intensität des Plasmas korreliert, für einen reaktiven Magnetronsputterprozess. Es ist zu erkennen, dass bei Erhöhung des Reaktivgasflusses (Sauerstoff im Falle oxidischer Verbundschichten) der Prozess aus dem metallischen Modus (links oben) in den reaktiven Modus (rechts unten) abkippt. In Letzterem ist die Sputter- und damit Abscheiderate gering, aber die Schichten sind stöchiometrisch. Bei einem Arbeitspunkt im metallischen Modus ergeben sich stark unterstöchiometrische Schichten mit geringem Reaktivgasanteil, die eine hohe Absorption aufweisen. Die wichtigste Herausforderung bei der reaktiven Prozessführung besteht darin, stabil in dem dazwischen liegenden Übergangsbereich zu arbeiten, der nicht allein durch den Reaktivgaseinlass regelbar ist. Eine Stabilisierung der reaktiven Entladung gelingt beispielsweise mit Hilfe der PEM®-Regelung (Plasma-Emissions-Monitor) der Anmelderin, die noch unter Bezugnahme auf 2 naher erläutert wird. Diese ermöglicht über die Messung von Intensitäten targetmaterialspezifischer Plasmaemissionslinien und die daraus resultierende schnelle Regelung des Reaktivgaszuflusses (d. h. mit einer Zeitkonstante deutlich unter 100 ms) ein stabiles Arbeiten im so genannten Transition-Mode mit Arbeitspunkten auf der in 1 durch Quadrate gekennzeichneten materialspezifischen Hysteresekurve. Damit wird die Herstellung von Verbundschichten mit einem definierten Reaktionsgrad und dadurch definierten Eigenschaften möglich. 1 Illustrates in a graph the qualitative relationship between reactive gas inflow and voltage, intensity plasma and sputter rate, which correlates with the intensity of the plasma, for a reactive magnetron sputtering process. It can be seen that when the reactive gas flow is increased (oxygen in the case of oxide composite layers), the process tilts from the metallic mode (top left) to the reactive mode (bottom right). In the latter, the sputtering rate and hence the deposition rate is low, but the layers are stoichiometric. At an operating point in the metallic mode, strongly substoichiometric layers with a low reactive gas content result, which have a high absorption. The main challenge in reactive process management is to work stably in the intermediate transition region, which is not controllable by the reactive gas inlet alone. Stabilization of the reactive discharge is possible, for example with the aid of the ® PEM Scheme (plasma emission monitor) of the applicant, still with reference to 2 will be explained in more detail. This allows the measurement of intensities targetmaterialspezifischer plasma emission lines and the resulting rapid control of the reactive gas flow (ie with a time constant well below 100 ms) a stable work in the so-called transition mode with operating points on the in 1 squares-marked material-specific hysteresis curve. This makes it possible to produce composite layers having a defined degree of reaction and thus defined properties.

Was nun die angestrebten hochtemperaturfesten Kratzschutzschichten mit glatter Oberfläche betrifft, so werden für diese im Zusammenhang mit der Anwendung als Schutzschichten für Glaskeramik-Kochflächen ausgezeichnete Transmissionseigenschaften im infraroten Spektralbereich im Hinblick auf eine gute Wärmeübertragung von dem darunter liegenden Heizelement durch die Schutzschicht hindurch zum Kochgeschirr sowie eine geringe bzw. definierte Absorption im sichtbaren Spektralbereich im Hinblick auf das optische Erscheinungsbild der Oberfläche gefordert.What now the desired high-temperature resistant scratch protection layers smooth surface, so be for these excellent in connection with the application as protective coatings for glass ceramic cooking surfaces Transmission properties in the infrared spectral range with respect on a good heat transfer from the underlying heating element through the protective layer to cookware and a low or defined absorption in the visible spectral range in terms of visual appearance the surface required.

Um transparente Schichten zu erhalten, wäre der Arbeitspunkt des reaktiven Sputterprozesses normalerweise in den unteren Bereich der Hysteresekurve zu legen, deutlich unter einen Arbeitspunkt, oberhalb welchem Schichten mit absorbierenden Eigenschaften entstehen, also in einen Bereich, in dem ein hoher Reaktivitätsgrad vorliegt und nahezu ideal stöchiometrische Schichten abgeschieden werden. Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass über den Umweg unterstöchiometrischer und damit in gewissem Grade absorbierender Schichten im Zusammenhang mit einer hohen Leistungsdichte (Generatorleistung pro Targetfläche) und optional einem weiter erhöhten Energieeintrag durch Anlegen einer positiven Vorspannung an die Dunkelfeldabschirmung des Magnetrons dicht gepackte Strukturen abgeschieden werden können, die nicht mehr in Säulenform aufwachsen, und dass dennoch eine günstige Schichtmorphologie erhalten werden kann, die für die angestrebten Schichteigenschaften wichtig ist. Somit können die in der WO 04/026786 A1 erforderlichen Zwischenschichten weggelassen werden, wodurch der Abscheidungsprozess erheblich einfacher und damit kostengünstiger wird. Die auftretende Absorption in den Schichten lässt sich durch einen anschließenden Aufheizvorgang, bei dem es zu einer Nachoxidation der Schichten kommt, wieder beseitigen.In order to obtain transparent layers, the working point of the reactive sputtering process would normally be placed in the lower part of the hysteresis curve, well below an operating point above which layers with absorbing properties emerge, ie in a region where there is a high degree of reactivity and almost ideally stoichiometric Layers are deposited. Surprisingly, it has now been found that dense-packed structures can be deposited via the detour of stoichiometric and thus to some extent absorbing layers in connection with a high power density (generator power per target area) and optionally a further increased energy input by applying a positive bias to the dark-field shield of the magnetron that no longer grow in columnar form, and that nevertheless a favorable layer morphology can be obtained, which is important for the desired layer properties. Thus, in the WO 04/026786 A1 required intermediate layers are omitted, making the deposition process considerably easier and thus cheaper. The occurring absorption in the layers can be eliminated by a subsequent heating process, in which it comes to a post-oxidation of the layers again.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Hochtemperaturbeständige Kratzschutzschichten aus im Wesentlichen yttriumstabilisiertem Zirkonoxid wurden mit Hilfe eines MF-Doppelmagnetron-Sputterprozesses auf CERAN®-Kochfeldern in einer Inline-Beschichtungsanlage, wie sie von der Anmelderin vertrieben wird, abgeschieden. Eine solche Anlage umfasst üblicherweise mehrere Vakuumkammern, darunter eine Einschleusekammer, Vorbehandlungskammer(n), Beschichtungskammer(n), optionale Nachbehandlungskammer(n) und eine Ausschleusekammer, durch welche die Substrate durchgeführt werden. 2 zeigt die Prinzipskizze einer Planar-Doppelmagnetron-Sputteranordnung, wie sie in einer der Beschichtungskammern der Inlineanlage enthalten sein kann, zusammen mit den für die Schichtabscheidung wesentlichen Regelmöglichkeiten.The inventive method will now be explained in more detail with reference to an embodiment. High temperature resistant scratch protection layers of substantially yttrium-stabilized zirconium oxide were measured using an MF-double-magnetron sputtering process on CERAN ® -Kochfeldern in an inline coating installation, such as is sold by the applicant, is deposited. Such equipment typically includes multiple vacuum chambers, including an in-feed chamber, pre-treatment chamber (s), coating chamber (s), optional aftertreatment chamber (s), and a discharge chamber through which the substrates are passed. 2 shows the schematic diagram of a planar double magnetron sputter assembly, as it may be included in one of the coating chambers of the inline system, together with the essential for the layer deposition control options.

Zur Abscheidung von oxidischen Verbindungsschichten wird in dem Beschichtungsraum zwischen dem auf der Kathode liegenden Target 2 und dem durch die Kammer laufenden Substrat 3 ein Plasma 10 erzeugt. Dabei wird Argon als Sputtergas sowie Sauerstoff 8 als Reaktivgas eingelassen. Im elektrischen Feld zwischen Anode und Kathode beschleunigte und durch das Magnetfeld der Magnetrons 1 geführte Argonionen treffen auf das Targetmaterial 2 auf und zerstäuben dieses. Die abgesputterten Targetteilchen reagieren mit dem Reaktivgas und scheiden sich als Verbindungsschicht auf dem Substrat 3 ab. Ein Regelkreis (4, 5, 6,) nutzt die in-situ-Messung 4 der Intensität von Spektrallinien des gesputterten Targetmaterials, um in Bezug auf einen Sollwert für die Intensität 7 die Zufuhr 8 des Reaktivgases Sauerstoff in Abhängigkeit von dem gemessenen Intensitätssignal zu regeln (5, 6). Für die vorliegenden Ausführungsbeispiele kam der bei der Anmelderin der vorliegenden Erfindung zu beziehende PEM®05-Regelkreis zum Einsatz, welcher das Stoßzahlverhältnis zwischen den gesputterten Metallpartikeln und den eingelassenen Reaktivgasteilchen regelt. Am gewünschten Arbeitspunkt wird dieses Verhältnis konstant gehalten. Damit ist es möglich, nahezu jeden Arbeitspunkt im Übergangsbereich des reaktiven Sputterprozesses zu stabilisieren. Alternativ könnte jedes andere schnelle Regelungssystem genutzt werden, das eine Abscheidung bei einem stabilen, definierten Arbeitspunkt des reaktiven Sputterprozesses garantiert.For the deposition of oxide compound layers is in the coating space between the target lying on the cathode 2 and the substrate passing through the chamber 3 a plasma 10 generated. This argon is used as a sputtering gas and oxygen 8th embedded as a reactive gas. Accelerated in the electric field between the anode and cathode and by the magnetic field of the magnetron 1 Guided argon ions strike the target material 2 up and atomize this. The sputtered target particles react with the reactive gas and separate as a bonding layer on the substrate 3 from. A control loop ( 4 . 5 . 6 ,) uses in situ measurement 4 the intensity of spectral lines of the sputtered target material, with respect to a target value for the intensity 7 the feed 8th of the reactive gas to regulate oxygen as a function of the measured intensity signal ( 5 . 6 ). For the present embodiments, the PEM® 05 control loop to be used by the assignee of the present invention was used, which controls the number of impact ratios between the sputtered metal particles and the recessed reactive gas particles. At the desired operating point, this ratio is kept constant. This makes it possible to use almost every operating point in the transition region of the re stabilize active sputtering process. Alternatively, any other fast control system could be used which guarantees deposition at a stable, defined operating point of the reactive sputtering process.

In einem ersten Ausführungsbeispiel wurde yttriumstabilisiertes Zirkonoxid mit einem Y2O3-Anteil von etwa 7,8 Mol-% vom (Y)Zr-Target mit Sauerstoff als Reaktivgas in einer Schichtdicke von etwa 2000 nm abgeschieden. Der Arbeitspunkt des reaktiven Sputterprozesses wurde dabei mit Hilfe der PEM®05-Regelung in den oberen Übergangsbereich der Hysteresekurve des Materials gelegt, in welchem die Schichten beginnen, absorbierend zu werden. Die Abscheidung erfolgte auf vorgeheizte Substrate mit einer Substrattemperatur von mindestens 150°C. Die Substratvorheizung begünstigt die Ausbildung besonders fester (Y)ZrOx-Phasen, die sich bei Raumtemperatur sonst nicht ausbilden würden. Es ergaben sich leicht sauerstoffdefizitäre (Y)ZrOx-Schichten mit einem Transmissionsabfall bei λ = 900 nm von bis zu 5%. Die zunächst aufgetretene Absorption konnte durch anschließendes Aufheizen der beschichteten Substrate auf etwa 400°C und die dadurch realisierte Nachoxidation der Schichten wieder beseitigt werden. Bei applizierten Leistungsdichten (9 in 2) von mehr als 8 Watt pro Quadratzentimeter Targetfläche bildeten sich unter diesen Bedingungen Schichten mit ei ner dicht gepackten Struktur und – im Gegensatz zu den aus WO 04/026786 A1 bekannten Schichten – eben nicht mehr säulenförmiger Struktur aus. Dadurch erübrigt sich der Einbau von Zwischenschichten zum Glätten der sonst säulenförmig aufwachsenden Strukturen. Durch Anlegen einer positiven Vorspannung (12 in 2) an die Dunkelfeldabschirmung 11 des Doppelmagnetrons konnte die Rauigkeit der Schichten noch weiter verringert werden. Dies ist auf eine Verstärkung des Ionenstroms durch Abzug von Elektronen aus dem Plasma und damit eine weitere Erhöhung des Energieeintrages zurückzuführen. Für diesen Zweck erwies sich eine Spannung im Bereich von 30–200 V als sinnvoll, beste Ergebnisse wurden bei U > 50 Volt erzielt. Alternativ könnte die positive Vorspannung auch an andere Bleche im Bereich des Plasmas zwischen Target und Substrat angelegt werden.In a first exemplary embodiment, yttrium-stabilized zirconium oxide having a Y 2 O 3 content of about 7.8 mol% of the (Y) Zr target with oxygen as the reactive gas was deposited in a layer thickness of about 2000 nm. The operating point of the reactive sputtering was placed with the aid of the ® 05 PEM control in the upper transition region of the hysteresis curve of the material in which the layers begin to be absorbing. The deposition was carried out on preheated substrates with a substrate temperature of at least 150 ° C. Substrate preheating favors the formation of particularly strong (Y) ZrO x phases, which otherwise would not form at room temperature. Oxygen-deficient (Y) ZrO x layers with a transmission drop at λ = 900 nm of up to 5% were obtained. The initially occurring absorption could be eliminated by subsequent heating of the coated substrates to about 400 ° C and the post-oxidation of the layers thereby realized. At applied power densities ( 9 in 2 ) of more than 8 watts per square centimeter of target area, layers with a densely packed structure formed under these conditions and, in contrast to those of US Pat WO 04/026786 A1 known layers - just no longer columnar structure. As a result, the installation of intermediate layers for smoothing the otherwise columnar growing structures is unnecessary. By applying a positive bias ( 12 in 2 ) to the dark field shield 11 of the double magnetron, the roughness of the layers could be further reduced. This is due to an amplification of the ion current by deduction of electrons from the plasma and thus a further increase in the energy input. For this purpose, a voltage in the range of 30-200 V proved to be useful, best results were achieved at U> 50 volts. Alternatively, the positive bias could also be applied to other sheets in the area of the plasma between the target and the substrate.

Außerdem erwies es sich als günstig, den während des Prozesses sekundär entstehenden Streudampf mit Hilfe von bis zum Substrat hin verlängerten Blenden abzuschneiden.In addition, proved it turns out to be cheap, while secondary to the process resulting stray steam with the help of extended to the substrate Cut off the panels.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wurde unter analogen Prozessbedingungen ein Schichtsystem aus wechselweise zirka 150 nm dicken Funktionsschichten aus (Y)ZrOx und zirka 3 nm dicken Zwischenschichten aus SiOx in einer Gesamtdicke von etwa 2000 nm abgeschieden.In a second exemplary embodiment, a layer system of mutually approximately 150 nm thick functional layers of (Y) ZrO x and approximately 3 nm thick intermediate layers of SiO x in a total thickness of approximately 2000 nm was deposited under analogous process conditions.

Die Schichtabscheidung erfolgte in einer Inline-Anlage im Mehrfach-Überlaufmodus (multiple pass mode) über einer Sputterquelle oder für das Wechselschichtsystem abwechselnd über zwei verschiedenen Sputterquellen.The Layer deposition took place in an inline system in the multiple overflow mode (multiple pass mode) over a sputtering source or for the alternating layer system alternately over two different sputter sources.

Bei ausreichend vielen hintereinander angeordneten Sputterquellen kann die Schichtabscheidung auch in einem Einfachdurchlauf erfolgen. Dieser Vorgang wurde im so genannten sputter-up-Verfahren, bei dem das Substrat über der Sputterquelle hinwegbewegt wird, und im so genannten sputter-down- Verfahren, bei dem das Substrat unter der Sputterquelle hinwegbewegt wird, ausgeführt.at sufficiently many sputtering sources arranged one behind the other can the layer deposition also take place in a single pass. This process was used in the so-called sputter-up process, in which the substrate over the sputtering source is moved away, and in the so-called sputter-down method, in which the substrate is moved away under the sputtering source.

Für die Herstellung von Schichten mit geringer Defektdichte in der abgeschiedenen Schicht kann das Verfahren auch in einer Anlage, die als vertikale Anlage ausgeführt ist, durchgeführt werden. Dabei kann vermieden werden, dass parasitäre Partikel auf das Substrat oder das Target fallen. In einer derartigen Anlage steht das Substrat meist nicht exakt senkrecht, sondern in einem Winkel kleiner 10° zur Senkrechten geneigt.For the production of low defect density layers in the deposited layer the process also in a plant designed as a vertical plant, carried out become. It can be avoided that parasitic particles fall onto the substrate or the target. In such a facility the substrate is usually not exactly vertical, but in one Angle less than 10 ° to Vertical inclined.

Das Verfahren kann auch unter Verwendung von Magnetron mit rotierendem Target (so genannten rotatable magnetron oder C-Mag) durchgeführt werden.The Method can also be performed using magnetron with rotating Target (so-called rotatable magnetron or C-Mag) are performed.

Alle erfindungsgemäß abgeschiedenen Schichten weisen eine hohe Kratzfestigkeit und geringe Rauigkeit auf und halten der thermischen und thermomechanischen Belastung beim Erhitzen auf 700°C und dem anschließenden schnellen Abkühlen für mindestens 15 Stunden stand. Somit bietet das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Sputteranlage eine Möglichkeit zur einfachen und kostengünstigen Abscheidung von hochtemperaturtauglichen Kratzschutzschichten mit hoher Oberflächenglätte.All Layers deposited according to the invention have a high scratch resistance and low roughness and hold the thermal and thermomechanical load when heated to 700 ° C and the subsequent fast cooling for at least 15 hours stood. Thus, the inventive method in context with the sputtering system according to the invention a possibility for easy and inexpensive Deposition of high temperature scratch resistant coatings with high surface smoothness.

11
Magnetronmagnetron
22
Targettarget
33
durchlaufendes Substratby running substratum
44
Intensitätsmessungintensity measurement
55
PEM®-RegelungPEM ® control
66
Regelventil für Reaktivgaseinlasscontrol valve for reactive gas inlet
77
Sollwert für Intensitätsetpoint for intensity
88th
ReaktivgaszufuhrReactive gas supply
99
Generatorleistunggenerator power
1010
Plasmaplasma
1111
DunkelfeldabschirmungDarkfield shield
1212
Vorspannung für Dunkelfeldabschirmungpreload for dark field screening

Claims (15)

Verfahren zur Herstellung dielektrischer hochtemperaturbeständiger Kratzschutzschichten mit geringer Oberflächenrauigkeit aus Metalloxid und/oder Metallnitrid und/oder Metallcarbid und/oder Metalloxonitrid und/oder Metallcarbonitrid und/oder Metalloxocarbonitrid durch reaktives Magnetronsputtern, bei dem auf einen stabilen Arbeitspunkt auf einer materialspezifischen Hysteresekurve des Übergangsbereiches des reaktiven Sputterprozesses geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Regelung (4, 5, 6) des Reaktivgaszuflusses (8) und durch einen Leistungseintrag (9) mit einer Leistungsdichte von mehr als 8 W pro Quadratzentimeter Targetfläche der Arbeitspunkt des reaktiven Sputterprozesses in die unmittelbare Nähe eines materialspezifischen Schwell-Arbeitspunktes gelegt wird, oberhalb welchem die abgeschiedenen Schichten absorbierende Eigenschaften aufweisen, das heißt in einen Bereich vom Schwell-Arbeitspunkt bis zu einem Punkt, bei welchem die abgeschiedenen Schichten eine Absorption im infraroten Spektralbereich von 5% aufweisen, und dass die in den abgeschiedenen Schichten aufgetretene unerwünschte Ab sorption anschließend mittels einer durch Aufheizung der beschichteten Substrate bewirkten Nachoxidation unter Erhalt der mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften der Schichten wieder beseitigt wird.Process for producing high dielectric temperature-resistant scratch-resistant layers with low surface roughness of metal oxide and / or metal nitride and / or metal carbide and / or metal oxonitride and / or metal carbonitride and / or metal oxocarbonitride by reactive magnetron sputtering, in which is regulated to a stable operating point on a material-specific hysteresis curve of the transition region of the reactive sputtering, characterized characterized in that by means of the scheme ( 4 . 5 . 6 ) of the reactive gas inflow ( 8th ) and by a service entry ( 9 ) with a power density of more than 8 W per square centimeter of target surface, the working point of the reactive sputtering process is placed in the immediate vicinity of a material-specific threshold operating point above which the deposited layers have absorbing properties, that is, in a range from the threshold operating point to one Point at which the deposited layers have an absorption in the infrared spectral range of 5%, and that the unwanted absorption occurred in the deposited layers is then removed again by means of a post-oxidation caused by heating of the coated substrates while preserving the mechanical and thermomechanical properties of the layers , Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag durch Verstärken des Ionenstroms durch Anlegen einer positiven Vorspannung (12) an eine Dunkelfeldabschirmung (11) des Doppelmagnetrons oder an andere leitfähige Zusatzelemente, die einen Plasmabereich zwischen Target und Substrat umgeben, erhöht wird.A method according to claim 1, characterized in that the energy input by amplifying the ion current by applying a positive bias voltage ( 12 ) to a dark field shield ( 11 ) of the double magnetron or other conductive additional elements surrounding a plasma region between the target and the substrate. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Vorspannung im Bereich von 30 bis 200 Volt, bevorzugt 40 bis 100 Volt und am meisten bevorzugt 50 Volt bis 100 Volt liegt.Method according to claim 2, characterized in that that the positive bias in the range of 30 to 200 volts, preferred 40 to 100 volts, and most preferably 50 volts to 100 volts. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachoxidation bei einer Temperatur von 400°C erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the post-oxidation at a temperature of 400 ° C takes place. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Prozess sekundär entstehender Streudampf mit Hilfe von bis zum Substrat hin verlängerten Blenden abgeschnitten wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a secondary in the process resulting stray steam with the help extended from to the substrate Apertures are cut off. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat während der Abscheidung auf eine Temperatur von T > 150°C aufgeheizt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the substrate during the deposition on a Temperature of T> 150 ° C heated becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kratzschutzschicht in einer Dicke von mindestens 1500 nm abgeschieden wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the scratch-resistant layer is at a thickness of at least 1500 nm is deposited. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kratzschutzschicht als Schicht aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid mit einem Y2O3-Anteil von 7,8 Mol-% abgeschieden wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the scratch-resistant layer is deposited as a layer of yttrium-stabilized zirconia with a Y 2 O 3 content of 7.8 mol%. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kratzschutzschicht in einer einzigen Schicht abgeschieden wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the scratch-resistant layer in a single layer is deposited. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kratzschutzschicht durch Einfügen dielektrischer gesputterter Zwischenschichten als Wechselschichtsystem aufgebaut wird, wobei die Dicke der Zwischenschichten 2% der Dicke der Funktionsschichten ausmacht.Method according to Claims 1 to 8, characterized that scratch-resistant layer by inserting dielectric sputtered Intermediate layers is constructed as a alternating layer system, wherein the Thickness of the intermediate layers 2% of the thickness of the functional layers accounts. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als dielektrische Zwischenschichten Schichten aus SiO2 oder Nb2O5 abgeschieden werden.A method according to claim 10, characterized in that as dielectric intermediate layers of SiO 2 or Nb 2 O 5 are deposited. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sputterprozess in einer Inline-Anlage mit einem oder mehreren Durchläufen der Anlage erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the sputtering process in an inline plant with one or more passes the plant is made. Anordnung zur Herstellung dielektrischer hochtemperaturbeständiger Kratzschutzschichten mit geringer Oberflächenrauigkeit entsprechend den Ansprüchen 1 bis 12, umfassend eine Magnetron-Sputterbeschichtungsanlage mit Regelungseinrichtungen zur stabilen Einstellung von Arbeitspunkten eines reaktiven Sputterprozesses im Übergangsmodus, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetronsputteranlage Einrichtungen zum Erzeugen einer Leistungsdichte von mehr als 8 W pro Quadratzentimeter Targetfläche sowie Einrichtungen zum Anlegen einer positiven Vorspannung an leitfähige Elemente, die den Plasmabereich zwischen Target und Substrat umgeben, umfasst.Arrangement for the production of dielectric high-temperature resistant scratch-resistant coatings with low surface roughness according to the claims 1 to 12, comprising a magnetron sputter coating machine with Control devices for stable adjustment of operating points a reactive sputtering process in the transition mode, characterized in that that the magnetron sputtering system means for generating a power density of more than 8 W per square centimeter of target area as well as facilities for Apply a positive bias to conductive elements that cover the plasma area surrounded between target and substrate. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die den Plasmabereich umgebenden leitfähigen Elemente die Dunkelfeldabschirmung der Magnetronsputterquelle umfassen.Arrangement according to claim 13, characterized the conductive elements surrounding the plasma region are the dark field shield the magnetron sputtering source. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungskammer bis zum Substrat hin verlängerte Blenden zum Abschneiden eines in dem Prozess sekundär entstehenden Streudampfes aufweist.Arrangement according to claim 13 or 14, characterized that the coating chamber extended to the substrate towards aperture for cutting off a secondary generated in the process littering steam having.
DE200410060670 2004-12-15 2004-12-15 Method and arrangement for producing high-temperature-resistant scratch-resistant coatings with low surface roughness Expired - Fee Related DE102004060670B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200410060670 DE102004060670B4 (en) 2004-12-15 2004-12-15 Method and arrangement for producing high-temperature-resistant scratch-resistant coatings with low surface roughness

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200410060670 DE102004060670B4 (en) 2004-12-15 2004-12-15 Method and arrangement for producing high-temperature-resistant scratch-resistant coatings with low surface roughness

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102004060670A1 DE102004060670A1 (en) 2006-06-29
DE102004060670B4 true DE102004060670B4 (en) 2010-07-01

Family

ID=36580175

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200410060670 Expired - Fee Related DE102004060670B4 (en) 2004-12-15 2004-12-15 Method and arrangement for producing high-temperature-resistant scratch-resistant coatings with low surface roughness

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102004060670B4 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009061065A1 (en) 2009-06-26 2011-09-29 Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh Process for coating a substrate in a vacuum chamber with a rotating magnetron
DE102013107167B4 (en) 2013-07-08 2017-10-05 Von Ardenne Gmbh Arrangement for protecting installations in vacuum chambers

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004026786A1 (en) * 2002-09-14 2004-04-01 Schott Ag Protective layer, method and arrangement for the production of protective layers

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004026786A1 (en) * 2002-09-14 2004-04-01 Schott Ag Protective layer, method and arrangement for the production of protective layers

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Deposition and properties of yttria-stabilized zirconia thin films using reactive direct current magnetron sputtering", Thiele, et.al.: J. Vac. Sci. Technol. A9(6), 1991, 3054-3060 *
"Deposition and properties of yttria-stabilized zirconia thin films using reactive direct current magnetron sputtering", Thiele, et.al.: J. Vac. Sci. Technol. A9(6), 1991, 3054-3060 "Preparation of in-plane textured Y2O3-doped ZrO2 thin film on polycrystalline metallic tape by modified bias sputtering, Aoki, et.al.: J. Vac. Sci. Technol. A12(2), 1994, 501- 505
"Preparation of in-plane textured Y2O3-doped ZrO2 thin film on polycrystalline metallic tape by modified bias sputtering, Aoki, et.al.: J. Vac. Sci. Technol. A12(2), 1994, 501- 505 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102004060670A1 (en) 2006-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102005004402B4 (en) Hard material layer system and method for its formation
DE102006000149B4 (en) A method of producing an element formed with an α-alumina layer
DE4408250A1 (en) Process for coating the surface of a substrate and coating material
DE2852748A1 (en) PROCESS FOR DEPOSITING AN ALUMINUM CONTAINING ALLOY COATING LAYER FROM A METAL VAPOR ON A SUBSTRATE
DE10002861A1 (en) Cutting tool with carbonitride coating
DE10100746A1 (en) Device and method for forming films
EP0734459B1 (en) Plasma-activated vapour-deposition process and device
DE4106579A1 (en) METHOD AND DEVICE FOR VACUUM EVAPORATION
EP2050837B1 (en) Method for ion-plasma application of film coatings and a device for carrying out said method
DE102004060670B4 (en) Method and arrangement for producing high-temperature-resistant scratch-resistant coatings with low surface roughness
EP0438627B1 (en) Arc-evaporator with several evaporation crucibles
EP1029104B1 (en) GAZ JET PVD METHOD FOR PRODUCING A LAYER WITH MoSi2
DE102005015631B4 (en) Method for producing a reflection-reducing scratch-resistant coating system for plastics
EP1238120B1 (en) Device and method for coating objects at a high temperature
EP2286643B1 (en) Device and method for high-performance pulsed gas flow sputtering
EP1080248A1 (en) Tool coating and method for the production thereof
DE19632410C1 (en) Coating components with thermal insulation layers
EP1655385B1 (en) Method for making optical coatings
DE4396720C1 (en) Process and plant for layer deposition and use of the plant
DE4421045C2 (en) Device for the plasma-supported coating of substrates, in particular with electrically insulating material
DE19618863C2 (en) Process for producing an adherent and corrosion-resistant hard material layer on a substrate with a Ni / Cr coating
DE102016012460A1 (en) Device and method for producing defined properties of gradient layers in a system of multilayer coatings in sputtering systems
DE3936550C1 (en) Substrate coating for wear resistance - with titanium nitride in vacuum chamber contg. titanium evaporator and heater with rotary substrate holder
DE102011103464B4 (en) Plasma ion source for a vacuum coating system
DE60024051T2 (en) ELECTRIC RAY PVD DEVICE

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8127 New person/name/address of the applicant

Owner name: VON ARDENNE ANLAGENTECHNIK GMBH, 01324 DRESDEN, DE

8364 No opposition during term of opposition
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20130702