DE102008021912C5 - coating process - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Vorbehandeln und Beschichten von Körpern unter Verwendung von Magnetronsputtern mit mindestens zwei HIPIMS-Leistungsversorgungen in einer Beschichtungskammer, dadurch gekennzeichnet, dass – eine erste HIPIMS-Leistungsversorgung (1) an eine Magnetronsputterquelle (3) angeschlossen wird, – eine zweite HIPIMS-Leistungsversorgung (2) als Versorgung an die vorzubehandelnden und zu beschichtenden Körper angeschlossen wird, und – die HIPIMS-Leistungsversorgungen synchronisiert werden, – wobei zunächst eine Übergangschicht erzeugt wird, indem Metallionen aus der Magnetronsputterquelle (3) in die Körper implantiert werden – und anschließend eine Haftschicht aufgebracht wird, die ebenfalls Metallionen aus dem Magnetron (3) enthält. – und anschließend eine kohlenstoffbasierte Schicht erzeugt wird, die Wasserstoff und/oder Stickstoff enthält.A process for pretreating and coating bodies using magnetron sputtering with at least two HIPIMS power supplies in a coating chamber, characterized in that - a first HIPIMS power supply (1) is connected to a magnetron sputtering source (3), - a second HIPIMS power supply (2) is connected as a supply to the bodies to be pretreated and coated, and - the HIPIMS power supplies are synchronized, - wherein a transition layer is first formed by implanting metal ions from the magnetron sputtering source (3) into the body - and then an adhesive layer is applied, which also contains metal ions from the magnetron (3). - And then a carbon-based layer is generated, which contains hydrogen and / or nitrogen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten und Behandeln von Körpern mittels des so genannten Magnetronzerstäubens.The invention relates to a method for coating and treating bodies by means of the so-called magnetron sputtering.
Es ist bekannt, Körper oder Teile von Körpern mit einer Oberflächenbeschichtung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zu versehen. Besonders haben sich hier plasmagestützte PVD-Verfahren, wie das Arc-Verdampfen und das Magnetronsputtern bewährt, wobei das Beschichtungsmaterial von so genannten Targets mittels Plasmaeinwirkung abgetragen wird und sich anschließend auf den Substraten niederschlägt.It is known to provide bodies or parts of bodies with a surface coating for improving the mechanical properties. In particular, plasma-assisted PVD processes, such as arc evaporation and magnetron sputtering, have proved successful here, with the coating material being removed from so-called targets by means of plasma action and subsequently being deposited on the substrates.
Das Magnetron beinhaltet neben dem Target, Kühleinrichtungen, ggf. elektrische Abschirmungen, insbesondere Mittel zum Erzeugen von Magnetfeldern, die die Plasmadichte vor dem Target erhöhen. Das Target fungiert als Kathode und ist gegen die Kammer und/oder die Abschirmung des Magnetrons oder gegen eine separate Elektrode, die als Anode fungiert, geschaltet.The magnetron contains, in addition to the target, cooling devices, possibly electrical shields, in particular means for generating magnetic fields, which increase the plasma density in front of the target. The target acts as a cathode and is connected against the chamber and / or the shield of the magnetron or against a separate electrode which acts as an anode.
Gegenüber dem Arc-Verdampfen weist das Magnetronsputtern Vorteile auf, da die flüssige Phase vermieden wird. Somit wird eine fast unbegrenzte Spanne an Schichtlegierungen möglich und die Schichten sind frei von Wachstumsfehlern, sog. Droplets.Compared to arc evaporation, magnetron sputtering has advantages because the liquid phase is avoided. Thus, an almost unlimited range of layered alloys is possible and the layers are free of growth defects, so-called. Droplets.
Allerdings beträgt der Ionisierungsgrad der Beschichtungsteilchen beim herkömmlichen Magnetronsputtern maximal einige wenige Prozent. Die Ionisation ist vor dem Target am höchsten und dehnt sich kaum in den Beschichtungsraum aus. Dies kann durch asymmetrische magnetische Felder hinter dem Magnetron, so genanntes unbalanciertes Magnetron etwas verbessert werden, ist jedoch gerade bei großen Beschichtungsvolumina, wie sie in kommerziellen Anlagen üblich sind, nicht ausreichend. Ferner besteht die Ionisation weit überwiegend aus Ionen des Arbeitsgases und nur zu einem sehr kleinen Teil aus ionisiertem Material des Targets.However, the degree of ionization of the coating particles in conventional magnetron sputtering is a maximum of a few percent. The ionization is highest in front of the target and hardly expands into the coating space. This can be somewhat improved by asymmetric magnetic fields behind the magnetron, so-called unbalanced magnetron, but is not sufficient even with large coating volumes, as are customary in commercial installations. Furthermore, the ionization consists predominantly of ions of the working gas and only a very small part of ionized material of the target.
Metallionen haben u. a. den Vorteil, dass sie so gewählt werden können, dass sie zum Bestandteil des Beschichtungsmaterials gehören und die Schicht nicht kontaminieren. Ferner haben sie geringere Ionisierungsenergie als die üblichen Prozessgase.Metal ions have u. a. the advantage that they can be chosen so that they are part of the coating material and do not contaminate the layer. Furthermore, they have lower ionization energy than the usual process gases.
Eine Variante dieses Verfahren, die diesen Nachteil vermeidet, ist das so genannte ”hochleistungsgepulste Magnetronzerstäuben” oder HIPIMS (englisch ”High Power Impuls Magnetron Sputtering”). Gebräuchlich ist auch die Bezeichnung HPPMS (englisch ”High Power Puls Magnetron Sputtering”). Hier wird durch kurze aber sehr energiereiche Impulse der elektrischen Plasmageneratoren eine hohe Ionisationsdichte der Beschichtungsteilchen vor dem Magnetron erzielt, die bis an 100% heranreichen. Bei einem hinreichend energiereichen Puls steigt der Strom so schnell an, dass die Plasmazustände der Glimmentladung und der Hochstrom-Bogenentladung (Arc) so schnell durchlaufen werden, dass sich vor dem Magnetron ein stabiles Plasma mit sehr hoher Ladungsträgerdichte ausbilden kann. Die maximal zugeführte Leistung während eines Pulses kann dabei bis in den Megawatt-Bereich hineinreichen und die dem Target zugeführte Leistung pro cm2 Targetfläche in den Kilowatt-Bereich, so dass die Pulszeit entsprechend kurz gewählt werden muss, um Beschädigungen des Magnetrons zu vermeiden.A variant of this method, which avoids this disadvantage, is the so-called "high-power pulsed magnetron sputtering" or HIPIMS (English "High Power Impulse Magnetron Sputtering"). Also commonly used is the term HPPMS (High Power Pulse Magnetron Sputtering). Here is achieved by short but very high-energy pulses of electric plasma generators, a high ionization density of the coating particles in front of the magnetron, which come close to 100%. With a sufficiently high-energy pulse, the current increases so rapidly that the plasma states of the glow discharge and the high-current arc discharge (arc) are traversed so fast that a stable plasma with very high carrier density can form before the magnetron. The maximum power supplied during a pulse can extend into the megawatt range and the power supplied to the target per cm 2 target area in the kilowatt range, so that the pulse time must be selected to be short in order to avoid damage to the magnetron.
HIPIMS bietet zahlreiche Vorteile. Durch elektrische und magnetische Felder können sowohl die Energie, als auch die Richtung oder Flugbahn der ionisierten Beschichtungsteilchen bestimmt werden. Durch das beim Magnetronsputtern in der Regel an das Substrat angelegte negative Potential (Bias) werden nun auch Hohlräume oder nicht in Sichtlinie liegende Flächen des Substrates gut erreicht. Der Bias bestimmt ferner auch die Energie der Ionen, von der zahlreiche Schichteigenschaften abhängen. Auf der Seite des Magnetrons wird durch den hohen Ionenbeschuss eine wesentlich bessere Ausnutzung des Beschichtungsmaterials bzw. des Targets erreicht. Darüber hinaus wird die so genannte Targetvergiftung durch Reaktion mit Reaktivgasen verhindert. Beim konventionellen Magnetronsputtern von Metalltargets bilden sich isolierende Reaktivschichten auf den Magnetron, die ein effektives Zerstäuben des Metalls verhindern und zu isolierenden Schichten und Aufladungen und Arcs führen können. Wird dies verhindert, dadurch dass der Reaktivgasdruck abgesenkt wird, haben die Schichten dagegen einen zu hohen Metallanteil und reduzierte Härte. Gerade Hartstoffschichten setzen sich aber in der Regel aus Verbindungen mit festem stöchiometrischen Verhältnis von Metallen und Nichtmetallen zusammen. Man muss jeweils einen Kompromiss aus Schichtrate und Reaktivgasfluss wählen, der während des Prozesses genauestens eingehalten werden muss. Beim HIPIMS mit einem hohen Anteil an Ionen des Targets im Besonderen an Metallionen wird ein Teil Metallionen jedoch auf das Target zurückbeschleunigt und die Targetvergiftung unterbunden. Der genaue Arbeitspunkt ist also weniger kritisch und es kann bei reaktiven Prozessen mit einer dem konventionellen Sputtern ähnlichen Schichtrate beschichtet werden.HIPIMS offers many advantages. By electrical and magnetic fields, both the energy and the direction or trajectory of the ionized coating particles can be determined. As a result of the negative potential (bias) usually applied to the substrate during magnetron sputtering, cavities or surfaces of the substrate that are not in line of sight are now also well achieved. The bias also determines the energy of the ions, on which numerous layer properties depend. On the side of the magnetron a much better utilization of the coating material or the target is achieved by the high ion bombardment. In addition, the so-called target poisoning is prevented by reaction with reactive gases. In conventional magnetron sputtering of metal targets, insulating reactive layers form on the magnetron, which can prevent effective sputtering of the metal and lead to insulating layers and charges and arcs. If this is prevented by lowering the reactive gas pressure, the layers, on the other hand, have too high a metal content and reduced hardness. However, hard coatings are usually composed of compounds with a fixed stoichiometric ratio of metals and nonmetals. You have to choose a compromise between layer rate and reactive gas flow, which must be strictly adhered to during the process. However, with HIPIMS, which has a high ionic content of the target, especially metal ions, some metal ions are re-accelerated to the target and target poisoning is inhibited. The exact operating point is thus less critical and it can be coated in reactive processes with a conventional sputtering layer rate.
Bei rein metallischen Schichten, bei denen man nicht mit vergifteten Targets zu tun hat, kann die Schichtrate beim HIPIMS allerdings hinter der des konventionellen Magnetronsputterns zurückbleiben.However, for purely metallic layers that do not involve poisoned targets, the layer rate for HIPIMS may lag behind that of conventional magnetron sputtering.
Die hohe Ionisation betrifft nicht nur die vorhandenen Sputter- und Reaktivgase sondern auch die von dem HIPIMS-Target freigeschlagenen Ionen des Targets, bevorzugt des Metalltargets. Der HIPIMS Prozess kann auch bei sehr niedrigen Drücken betrieben werden, so dass die HIPIMS-Elektrode fast ausschließlich als Quelle von Metallionen dienen kann. Die Metallionen können zum Beschichten aber auch zur Vorbehandlung der Substrate genutzt werden. Die Vorbehandlung erfolgt im Besonderen durch Wegsputtern von Verunreinigungen oder durch die Implantation von Metallionen ins Substrat. Hierzu wird eine höhere Biasspannung ans Substrat gelegt.The high ionization affects not only the existing sputtering and reactive gases but also the released from the HIPIMS target Ions of the target, preferably the metal target. The HIPIMS process can also be operated at very low pressures, so that the HIPIMS electrode can almost exclusively serve as a source of metal ions. The metal ions can be used for coating but also for the pretreatment of the substrates. The pretreatment is carried out in particular by way sputtering of impurities or by the implantation of metal ions into the substrate. For this purpose, a higher bias voltage is applied to the substrate.
Die Grundlagen des HIPIMS finden sich bei Kouznetsov, besonders in der PCT-Anmeldung
Die Ionendichte und -energie im Besonderen der günstigen Metallionen ist auf der Substratseite nach wie vor zu gering. Versucht man durch hohe Biasspannungen die Ionenenergie zu erhöhen, führt dies nur zu einer mäßigen Zunahme der Ionendichte. Die Reinigungseffekte bei der Vorbehandlung sind zu gering; ebenso der Beschuss durch Ionen während der Beschichtung. Dadurch erhalten die Schichten nicht die notwendige Dichte und Härte. Anderseits wird die Substrattemperatur dadurch erhöht. Höhere Substrattemperaturen können die Substrate verändern, bspw. bei Stahl die Härte verringern, und erhöhen i. d. R. die Schichtspannungen. Gegenüber dem konventionellen Metallionenätzen mittels Magnetronsputterns (
Im Artikel von W.-D. Münz ”HIPIMS: Die neue PVD-Technologie” in Vakuum in Forschung und Praxis 19 (2007) Nr. 1, 12–17 wird von der Verwendung extrem hoher Puls-Leistungen von 4–6 MW in Puls-Sputtertechniken berichtet. Typische Pulsparameter sind Spitzenspannungen von 1,5–2,5 kV, Spitzenströme von 0,5–4 kA und mehr. Der Pulsstrom hegt, bezogen auf die Gesamtfläche des Targets, bei 1 A oder höher. Pulsdauer und Wiederholfrequenzen liegen zwischen 15 und 200 μs bzw. zwischen 50 und 200 Hz. In einer Beschichtungsanlage sind vier Kathoden enthalten, von denen zwei für den HIPIMS-Betrieb vorgesehen sind, eine dritte Kathode für UBM und eine vierte Kathode, die wahlweise als HIPIMS oder UBM betrieben werden kann.In the article by W.-D. Coin "HIPIMS: The New PVD Technology" in Vacuum in Research and Practice 19 (2007) No. 1, 12-17 is reported to use extremely high pulse powers of 4-6 MW in pulse-sputtering techniques. Typical pulse parameters are peak voltages of 1.5-2.5 kV, peak currents of 0.5-4 kA and more. The pulse current, based on the total area of the target, is 1 A or higher. Pulse duration and repetition rates are between 15 and 200 μs and between 50 and 200 Hz. In a coating system four cathodes are included, two of which are intended for HIPIMS operation, a third cathode for UBM and a fourth cathode, optionally as HIPIMS or UBM can be operated.
In der
In der
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu beschreiben, bei der die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.It is therefore an object of the invention to describe a method in which the aforementioned disadvantages of the prior art are avoided.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.This object is achieved by a method according to claim 1. Dependent claims relate to advantageous embodiments of the invention.
Grundgedanke der Erfindung ist es, die Vorteile, des HIPIMS-Verfahrens weiter zu verbessern, dadurch dass auf der Substratseite ebenfalls Pulse eingesetzt werden und diese zusätzlich in bestimmter Weise mit den Pulsen am HIPIMS-Magnetron synchronisiert werden. Dies ist in
Die Begriffe Substrat und Körper werden in dieser Schrift synonym verwendet. Es wird von Körpern im Plural gesprochen; dies schließt nicht aus, dass auch ein einzelner Körper erfindungsgemäß vorbehandelt und beschichtet werden kann. Die Körper werden bevorzugt auf einem drehbaren Substrattisch chargiert, der auch mehrere Drehachsen haben kann, so dass die Körper in einer planetären Drehung an dem Magnetron oder den Magnetronen vorbeigeführt werden können. Unter Vorbehandlung sind Prozessschritte zu verstehen, die das Aufbringen der eigentlichen Schicht erleichtern und zu der notwendigen Haftung der Schicht beitragen. Hierzu zählen das Reinigen, Ätzen und Aktivieren der Substrate durch Ionenbeschuss sowie Implantieren von Ionen in die Oberflächenzone des Substrates. Hierzu sind die höchsten Ionenenergien notwendig.The terms substrate and body are used synonymously in this document. It is spoken by bodies in the plural; this does not exclude that even a single body can be pretreated and coated according to the invention. The bodies are preferably charged on a rotatable substrate table, which can also have several axes of rotation, so that the bodies can be guided past the magnetron or the magnetrons in a planetary rotation. By pretreatment are meant process steps that facilitate the application of the actual layer and contribute to the necessary adhesion of the layer. These include cleaning, etching and activating the substrates by ion bombardment and implanting ions in the surface zone of the substrate. For this the highest ion energies are necessary.
Durch das kontinuierliche Absenken der Ionenenergie kann vom Implantieren über das Ätzen bis hin zum Beschichten eine haftvermittelnde Zwischenschicht erzeugt werden.Due to the continuous lowering of the ion energy, an adhesion-promoting intermediate layer can be produced from the implantation via the etching to the coating.
Während des Beschichtens kann der Ionenbeschuss i. d. R. geringer als bei den Vorbehandlungsschritten ausfallen. Die Ionenenergie und -dichte kann auch während des Beschichtens durch die Pulsdauer, Pulsfrequenz, Pulsspannung, Pulsstrom vor allem an der HIPIMS-Leistungsversorgung (
Während des Ätzens beträgt die Spitzenspannung des Pulses bei der HIPIMS-Leistungsversorgung (
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können im Prinzip beliebige Körper vorbehandelt werden und beliebige Schichten aufgebracht werden, im Besonderen ist an beständige und/oder harte Schutzschichten auf Bauteilen und Werkzeugen, im Besonderen auf Werkzeuge zum Zerspanen gedacht. Aber ebenso an Hartstoffschichten und Schutzschichten für Verschleißteile und Datenträger.With the method according to the invention, in principle, any body can be pretreated and arbitrary layers are applied, in particular is intended to resistant and / or hard protective coatings on components and tools, in particular tools for machining. But also on hard material layers and protective layers for wearing parts and data carriers.
Es können weitere Magnetrone in der Anlage vorhanden sein. Dabei kann es sich um weitere HIPIMS-Magnetrone handeln, die synchronisiert sind oder nicht, erfindungsgemäß oder auf andere Art synchronisiert sind, oder um konventionelle Magnetrone handeln.There may be more magnetrons in the system. These may be further HIPIMS magnetrons which are synchronized or not, are synchronized according to the invention or in another way, or which are conventional magnetrons.
In folgenden ein Beispiel. In einer ca. 0,7 m3 großen, metallischen Beschichtungskammer in Anlehnung an
In
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