DE3726731A1 - Verfahren zum aufbringen von ueberzuegen auf gegenstaende mittels magnetfeldunterstuetzter kathodenzerstaeubung im vakuum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Über­ zügen auf Gegenständen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 an­ gegebenen Art.

Für die Beschichtung von Gegenständen aller Art stehen heute verschiedene Vakuumbeschichtungsverfahren zur Verfügung. Die eingangs genannte magnetfeldunterstützte Kathodenzerstäubung ist eines dieser Verfahren, das in den letzten Jahren zuneh­ mend an wirtschaftlicher Bedeutung gewonnen hat.

Die am meisten angewandte Variante der Kathodenzerstäubung ist die reaktive Magnetronzerstäubung. Dieses Verfahren wird ins­ besondere eingesetzt, um Werkstücke mit goldfarbenähnlichen Überzügen aus Titannitrid zu versehen. Die goldähnliche Farbe wird dadurch erreicht, daß die Titan- und Stickstoffanteile der die Überzüge bildenden Verbindungen in einem stöchiometri­ schen Verhältnis zueinander stehen. Hierfür ist es notwendig, daß der Reaktivgasanteil in der Beschichtungskammeratmosphäre, nämlich der in die Kammer eingeleitete Stickstoff, im Über­ schuß vorliegt. Mit anderen Worten enthält die Atmosphäre in der Beschichtungskammer zusätzlich zum Edelgas-Partialdruck, der zur Aufrechterhaltung der für die Zerstäubung des Target­ materials notwendigen Glimmentladung erforderlich ist, auch einen Stickstoffpartialdruck.

Nachteilig bei der reaktiven Magnetronzerstäubung ist es, daß die Erosionszone der Targetoberfläche mit Verbindungen aus Me­ tall- und Reaktionsgasatomen beschlagen wird, was eine drasti­ sche Reduzierung der Zerstäubungsrate zur Folge hat, da diese Verbindungen unter vergleichbaren Prozeßbedingungen eine we­ sentlich geringere Zerstäubungsausbeute (Anzahl der zerstäub­ ten Metallteilchen je einfallendem Reaktivgasion) erbringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genann­ te Kathodenzerstäubungsverfahren weiterzuentwickeln und we­ sentlich zu verbessern, um die Zerstäubungsausbeute und daher auch die Beschichtungsrate gegenüber den Verfahren nach dem Stand der Technik beträchtlich zu erhöhen.

Gelöst wird diese Aufgabe in Übereinstimmung mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß ist es also vorgesehen, die Beschichtungskam­ mer kontinuierlich mit Reaktivgas zu beschicken, wobei die Be­ schickungsmenge derart bemessen ist, daß der Reaktivgasanteil in der die Überzüge auf den Werkstücken bildenden Metall- Reaktivgasverbindung im unterstöchiometrischen Verhältnis vor­ liegt. Dadurch wird erreicht, daß die Atmosphäre der Beschich­ tungskammer keinen Reaktivgas-Partialdruck enthält, d.h. der Gesamtdruck in der Beschichtungskammer wird ausschließlich von dem Edelgas-Partialdruck bestimmt, da in die Beschichtungskam­ mer nur soviel Reaktivgas eingeleitet wird, wie bei der Her­ stellung der Metall-Reaktivgasverbindung verbraucht wird.

Weiterhin ist erfindungsgemäß eine spezielle Führung der Reak­ tivgasströmung vorgesehen, und zwar wird das Reaktivgas in der Beschichtungskammer unter Umgehung der Zerstäubungskathode un­ mittelbar in den Bereich der zu beschichtenden Werkstücke ge­ leitet. Dadurch wird erreicht, daß die Targeterosionszone, aus der die Metallatome abgestäubt werden, frei von Metall- Reaktivgasverbindungen ist, so daß im Vergleich zu den Ver­ fahren nach dem Stand der Technik, bei denen die Erosionszone der Targetoberfläche mit diesen Verbindungen beschlagen wer­ den, eine wesentlich höhere Zerstäubungsausbeute erzielbar ist.

Zu der verbesserten Zerstäubungsausbeute trägt entscheidend bei, daß in der Beschichtungskammer kein Reaktivgas­ Partialdruck aufgebaut wird. Mit anderen Worten ließe es sich bei Vorhandensein eines Reaktivgas-Partialdruckes nicht ver­ hindern, daß trotz der erfindungsgemäß gewählten Strömungsfüh­ rung des Reaktivgases ein gewisser Anteil dieses Gases in den Bereich unmittelbar über die Targetoberfläche gelangt, wo es in Verbindung mit zerstäubtem Metall mit der Folge einer ver­ ringerten Zerstäubungsausbeute auf die Erosionszone niederge­ schlagen werden würde.

Während mit den Verfahren nach dem Stand der Technik, also bei der Herstellung von stöchiometrischen Metall-Reaktivgasverbin­ dungen, regelmäßig eine Zerstäubungsausbeute von etwa 40% bezogen auf eine Zerstäubung desselben Targetmaterials bei nicht-reaktiver Prozeßführung erreicht wird, beträgt die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare, ebenfalls auf eine Zerstäubung bei nicht-reaktiver Prozeßführung bezogene Zer­ stäubungsausbeute 90%.

Die Zerstäubungsausbeute bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also um mehr als das Doppelte höher als bei An­ wendung der bekannten Verfahren. Berücksichtigt man weiterhin, daß die Reaktivgas-Durchflußmenge bei Aufrechterhaltung des erfindungsgemäß einzustellenden unterstöchiometrischen Ver­ hältnisses in der Metall-Reaktivgasverbindung zugunsten des Metallanteils proportional zur verbesserten Zerstäubungsaus­ beute erhöhbar ist, so wird klar, daß auch die Beschichtungs­ rate bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Ver­ gleich zu den bekannten Verfahren um mehr als das Doppelte verbessert werden kann.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die verbesserte Zerstäubungsausbeute bzw. Beschich­ tungsrate die Keimbildung für das Schichtwachstum an der Werkstückoberfläche wesentlich erhöht. Die erhöhte Schicht­ wachstumsgeschwindigkeit bewirkt, daß der Schichtaufbau beson­ ders gleichmäßig verläuft, daß also die Schichteigenschaften weitgehend isotrop verteilt sind, wodurch unter anderem vor al­ lem die Eigenspannungen in der auf den Werkstückoberflächen aufgebauten Beschichtungen im Vergleich zu den mit den bekann­ ten Verfahren erreichbaren Schichten wesentlich verringert sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht es vor, das Reaktivgas in ionisiertem Zustand in die Beschichtungskam­ mer einzuleiten. Dadurch wird der Ionisierungsgrad in der Be­ schichtungskammer zugunsten einer intensiveren Raumladung er­ höht, welche die Entstehung der Metall- und Reaktivgasverbin­ dung begünstigt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß in­ folge der erhöhten Raumladung die an die Zerstäubungskathode angelegte Spannung ohne Beeinträchtigung der Zerstäubungsaus­ beute verringert werden kann. Schließlich wird wegen der er­ höhten Raumladungsdichte auch die Plasmaentladung an der Tar­ getoberfläche wesentlich stabiler. D.h., das mehr oder weniger ausgeprägte Schwingen des Plasmas in Abhängigkeit der Prozeß­ parameter und der Geometrie der Beschichtungskammer wird weit­ gehend bedämpft.

Die Leistung der Zerstäubungskathode spielt bei der Herstel­ lung von unterstöchiometrischen Schichten im Sinne des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens eine wesentliche Rolle. So können die­ se Schichten erst dann wirklich zufriedenstellend erzeugt wer­ den, wenn die auf die Targeterosionszone der Zerstäubungska­ thode bezogene Leistung mindestens 10 Watt/cm² beträgt. Vor­ teilhafterweise ist diese Leistung jedoch mit mehr als 20 Watt/cm² anzusetzen. Noch bessere Ergebnisse werden mit Lei­ stungen oberhalb von 30 Watt/cm² erzielt.

Auch der Edelgaspartialdruck sollte vorzugsweise im Bereich von 2 bis 5×10^-3 gewählt werden. Die besten Ergebnisse werden dabei im unteren Druckbereich erzielt, da ein niedrigerer Druck einer größeren mittleren freien Weglänge der Teilchen in der Beschichtungskammer entspricht, was wiederum eine Steige­ rung der Beschichtungsrate im Verhältnis zur Zerstäubungsrate bewirkt, da die Anzahl der Zusammenstöße zwischen den Parti­ keln auf dem Weg vom Target zum Werkstück abnimmt. Außerdem wird durch einen möglichst niedrigen Druck die Keimbildung für das Schichtwachstum an der Oberfläche der Werkstücke erhöht.

Vorteilhafterweise wird an die Werkstücke eine negative Vor­ spannung in der Größenordnung von einigen 50 Volt angelegt. Dadurch wird während des Beschichtungsvorgangs auf der Werks­ tückoberfläche eine gewisse Zerstäubung der Beschichtung be­ wirkt, durch die schlecht haftende Partikel wieder von der Werkstückoberfläche abgestäubt werden. Derselbe vorteilhafte Effekt läßt sich auch durch das Anlegen einer hochfrequenten Spannung vergleichbarer Intensität an die Werkstücke errei­ chen.

Als Targetmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl reines Metall wie auch Legierungen aus reinem Me­ tall. So können beispielsweise mit Vorteil Zirkon, Hafnium, Molybdän, Wolfram, Titan ebenso verwendet werden wie Titan- Aluminium-, Titan-Wolfram-, Wolfram-Molybdän- und Chrom- Nickel-Legierungen, beispielsweise zur Herstellung von Titan­ nitrid oder Titankarbid.

Ebenfalls weitgehend frei wählbar sind die für das erfindungs­ gemäße Verfahren mit Vorteil einsetzbaren Reaktivgase. In Fra­ ge kommen Stickstoff, Kohlenstoff, Bor und Silizium enthalten­ de Gase ebenso wie deren Mischungen sowie Mischungen mit wei­ teren Gasen, also beispielsweise Stickstoff mit Äthen oder Kohlendioxid, Bor und Äthen und Azethylen und/oder Stickstoff, Silan und Azethylen und/oder Stickstoff.

Die sich daraus unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ergebenden Überzüge auf den Werkstücken sind dann nahezu unzähliger Art, wie beispielsweise Titan-Aluminium-Oxinitrid, Titan-Wolfram-Silizium-Karbid, Wolfram-Molybdän-Carbonitrid.

Vorteilhafte Anwendungen des erfindunsgemäßen Verfahrens be­ treffen das Beschichten von Werkzeugen,wie beispielsweise Spi­ ralbohrer, Gewindebohrer, Schneideisen, Fräsern, Wendeschneid­ platten, Reibahlen, Stempeln und Matrizen. Durch eine erfin­ dungsgemäße Beschichtung solcher Werkzeuge aus Schnellarbeits­ stahl oder aus Hartmetall wird deren Verschleiß- und/oder Kor­ rosionswiderstand wesentlich erhöht.

Ähnliche Vorteile werden auch bei der erfindungsgemäßen Be­ schichtung von Maschinenteilen erreicht, wie beispielsweise von Fadenführern, Wellen, Zahnrädern, Lagern, Führungsteilen, Spannzangen, Schrauben und Muttern.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch mit Vorteil zur Hartstoffbeschichtung von Gebrauchsgegenständen geeignet, vor allen zur Verbesserung deren Lebensdauer sowie optischen Ei­ genschaften. Solche Gebrauchsgegenstände sind beispielsweise: Spitzen von Tuschezeichnerröhrchen oder von Kugelschreibern, Schreibgeräte, Uhrengehäuse, Brillengestelle, Armbänder, Tür­ griffe, Geräte für die chirurgische Medizin sowie Gegenstände aller Art aus Glas, Kunststoff oder keramischen Werkstoffen.

Weitere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Vortei­ le sollen nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Diagramm, in dem das Verhältnis zwischen Gesamtgasdruck in der Beschichtungskammer und der Reaktivgas- (hier Stickstoff) Durchflußmenge bei kon­ stantem Edelgas-Partialdruck dargestellt ist.

Die Gerade zwischen den Punkten D und A entspricht dem Edel­ gas-Partialdruck, der sowohl bei den bekannten Verfahren wie auch beim erfindungsgemäßen Verfahren konstant gehalten wird, bei welchem er dem Gesamtdruck in der Beschichtungskammer ent­ spricht.

Bei der Herstellung von stöchiometrischen Titannitrid- Verbindungen gemäß den Verfahren nach dem Stand der Technik, hat sich der Stickstoff-Partialdruck in der Beschichtungskam­ mer bereits eingestellt, wenn die Zerstäubungskathode in Gang gesetzt wird. Die Größe dieses Partialdrucks entspricht dem Punkt E im Diagramm. Da bei der Herstellung der Titan-Nitrid- Verbindung laufend Stickstoff verbraucht wird, sinkt trotz konstant eingestelltem Stickstoffdurchfluß der Gesamtdruck in der Kammer bis auf den Punkt C. Der Stickstoffpartialdruck in der Kammer entspricht dann der senkrechten Koordinatenkompo­ nente des Abstandes zwischen den Punkten C und D. Die bekann­ ten Verfahren werden mit diesem konstanten Stickstoff- Partialdruck zusätzlich zu dem Edelgas-Partialdruck betrieben.

Bei der Herstellung von unterstöchiometrischen Titannitrid- Verbindungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Zerstäubungskathode zuerst oder gleichzeitig mit dem Stick­ stoff-Durchfluß eingeschaltet, so daß keine Nitrierung der Targeterosionszone stattfinden kann. Der Stickstoffdurchfluß wird mit niedriger Rate gestartet, anschließend kontinuierlich erhöht und schließlich auf einen Wert zwischen den Punkten D und A eingestellt, deren Verbindungsgerade dem konstanten Edelgas-Partialdruck entspricht, so daß sich in der Atmosphäre in der Beschichtungskammer kein Stickstoffpartialdruck aufbau­ en kann, obwohl die Stickstoffdurchflußmenge wesentlich größer ist als bei den Verfahren nach dem Stand der Technik.

Nachfolgend soll anhand des Diagrammes der Fig. 1 beschrieben werden, wie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Mehrfachschichten, beispielsweise zur Aufbringung einer zu­ sätzlichen Schicht, die Metallanteile im Unterschuß enthält, auf einfache Weise modifiziert werden kann.

Wenn man entgegen den Vorgaben für das erfindungsgemäße Ver­ fahren die Stickstoffdurchflußmenge entweder den Punkt A er­ reichen läßt oder wenn die Leistung der Zerstäubungskathode verringert wird, was einer Verschiebung der Geraden durch die Punkte A und B im Diagramm nach links in Richtung geringerer Stickstoffdurchflußmenge entspricht, beschlägt die Targetero­ sionszone mit Titannitrid-Verbindungen. Um diesen Niederschlag auf der Erosionszone zu entfernen, muß die Stickstoffdurch­ flußmenge verringert werden, bis der Punkt D erreicht wird. Wird die Stickstoffdurchflußmenge hingegen konstant gehalten, so besteht die Atmosphäre in der Beschichtungskammer zusätz­ lich zum Edelgas-Partialdruck aus einem Stickstoffpartial­ druck, entsprechend der Differenz zwischen den Punkten B und A, wodurch überstöchiometrische Titannitrid-Verbindungen mit einem Metallunterschuß erzeugt werden.

Auf diese Weise ist es in einfacher Weise, nämlich ohne Unter­ brechung des Beschichtungsprozesses möglich, Mehrfachschichten auf die Werkstücke aufzubringen, die sich durch ihre unter­ schiedlichen Eigenschaften sinnvoll ergänzen. Beispielsweise kann zur Erfüllung eines funktionellen Zwecks, wie etwa eine Erhöhung des Korrosionswiderstands, eine unterstöchiometri­ sche Schicht, also eine Schicht mit Metallüberschuß auf die Werkstückoberflächen und anschließend eine überstöchiometri­ sche Schicht aufgebracht werden, die Metall im Unterschuß ent­ hält und bessere optische Eigenschaft als die erste Schicht aufweist.

Bei Messungen an den erfindungsgemäß unterstöchiometrisch her­ gestellten Beschichtungen auf Werkzeugen, also mit Metall im Überschuß, wurde überraschenderweise gefunden, daß die Schichthärte vergleichbar derjenigen von mit den bekannten Verfahren hergestellten stöchiometrischen Beschichtungen ist. Während letztere wegen ihrer relativ geringen Zähigkeit und den auftretenden Schichtspannungen auf Schichtdicken bis zu maximal 3 µm beschränkt sind, können auch Werkstücke mit dem erfindungsgemäßen Verfahren problemlos bis zu Schichtdicken von 6 µm beschichtet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt also eine große Varia­ tion bei der chemischen Zusammensetzung und der Dicke der Schichten, so daß die Schichteigenschaften optimal an den spe­ zifischen Anwendungsfall angepaßt werden können. Dies ist ne­ ben der erhöhten Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens einer der bedeutendsten Vorteile gegenüber den be­ kannten Beschichtungsverfahren.

Claims (14)

1. Verfahren zum Aufbringen von Überzügen auf Gegenstände mit­ tels magnetfeldunterstützter Kathodenzerstäubung im Vakuum, bei dem zur Aufrechterhaltung der für die Zerstäubung des Tar­ getmaterials notwendigen Glimmentladung ein Edelgas kontinui­ erlich in die Beschichtungskammer eingeleitet und mit Hilfe einer Vakuumpumpe derart fortlaufend abgepumpt wird, daß ein konstanter Edelgas-Partialdruck in der Beschichtungskammer aufrecht erhalten wird, und bei dem wenigstens ein Reaktivgas in die Beschichtungskammer eingeleitet wird, das mit dem zer­ stäubten metallischen Targetmaterial eine Verbindung eingeht, mit der die Werkstücke überzogen werden, dadurch gekennzeich­ net, daß die gesamte kontinuierlich in die Beschichtungskammer eingeleitete Reaktivgasmenge derart bemessen ist, daß der Re­ aktivgasanteil in der Metall-Reaktivgasverbindung des Überzugs im unterstöchiometrischen Verhältnis vorliegt und kein Reak­ tivgaspartialdruck aufgebaut wird, und daß die Reaktivgasströ­ mung in der Beschichtungskammer unter Umgehung der Zerstäu­ bungskathode unmittelbar in den Raum zwischen Zerstäubungska­ thode und zu beschichtenden Werkstücke geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubung des Targetmaterials der Zerstäubungskathode ent­ weder vor oder gleichzeitig mit der Reaktivgaseinleitung be­ gonnen wird, und daß die eingeleitete Reaktivgasmenge langsam auf den bestimmungsgemäßen Endwert erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktivgas über ein Gasverteilungssystem unmittelbar auf die Werkstückoberflächen geführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Reaktivgas in ionisiertem Zustand in die Be­ schichtungskammer eingeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die auf die Targeterosionszone bezogene Leistung der Zerstäubungskathode mindestens 10 Watt/cm², vor allem 30 Watt/cm² oder mehr beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der den Gesamtdruck in der Beschichtungskammer bildende Edelgas- Partialdruck zwischen 1 und 10×10^-3 mbar, vor allem zwischen 2 und 5×10^-3 mbar beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die Werkstücke eine Vorspannung angelegt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung eine negative Spannung mit einem Betrag von minde­ stens 50 Volt, vor allem von 100 bis 150 Volt ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichntet, daß die Vorspannung eine hochfrequente Wechselspannung ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Targetmaterial ein reines Metall, voral­ lem Zirkon, Hafnium, Molybdän, Wolfram, Titan, oder eine Le­ gierung aus reinen Metallen, vor allem eine Titan-Aluminium-, Titan-Wolfram-, Wolfram-Molybdän- oder eine Chrom-Nickel- Legierung ist, und daß das Reaktivgas ein Gemisch aus Stick­ stoff, Kohlenstoff, Sauerstoff, gasförmigem Bor und/oder Si­ lizium ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nachfolgend auf die Aufbringung eines Über­ zugs mit einem unterstöchiometrischen Reaktivgasanteil ein weiterer Überzug mit einem überstöchiometrischen Reaktivgasan­ teil auf die erste Überzugsschicht aufgebracht wird.

12. Herstellung von hartstoffbeschichteten Werkzeugen unter Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

13. Herstellung von mit Hartstoffschichten belegten Maschinen­ teilen unter Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

14. Herstellung von mit Hartstoffschichten belegten Gebrauchs­ gegenständen unter Anwendung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 11.