DE3737404C2 - - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung, die zur haftfesten Beschichtung großflächiger, metallischer Werkstücke vorgesehen sind. Die zu beschichtenden Flächen können beliebig sein und selbst aus mehreren verschiedenen Schichten bestehen.

Unter den zur Zeit verwendeten PVD-Verfahren (physical vapor deposition) wie Vakuumbedampfung, Kathodenzerstäubung und Ionenbedampfung ist die erzielbare Haftung der Beschichtung auf der Substratfläche zwar in der angegebenen Reihenfolge zunehmend, jedoch wird die Größe der beschichtbaren Oberflächen kleiner. Mit den bekannten Verfahren ist es möglich, bei relativ niedrigen Substrattemperaturen von etwa 600°C bei der Abscheidung von Hartmetallen wie W, Mo, Co, Cr oder Ti Oberflächenschichten mit treppenförmigem Konzentrationsverlauf zu erzeugen, bei denen die Konzentration an der Phasengrenze zum Substrat auf Null abfällt und damit eine geringe Haftfestigkeit verursacht. Zwar ist es möglich, mit einer Substrattemperaturerhöhung eine Art Diffusionsbindung zu erreichen, jedoch ist dieses in den meisten Fällen nicht gestattet.

In den Ansprüchen der DE-OS 36 24 772 ist ein PVD-Verfahren beschrieben, mit dessen Hilfe Gradientenschichten auf ein Substrat aufgebracht werden können, in denen sich das Verhältnis der Schichtkomponenten innerhalb der Schicht allmählich ändert. Angewendet wird das Verfahren auf Komponenten wie Al, Cr, Zr und die Reaktivgase O₂, N₂ oder C₂H₂.

In den Ansprüchen der DE-OS 19 30 021 ist beschrieben, metallische Legierungsschichten mit über die Schichtdicke variierender Zusammensetzung dadurch zu erzeugen, daß während des Aufstäubungsprozesses eine der Komponenten durch Rückstäuben selektiv wieder entfernt wird.

Die Plasmatronaufstäubung von Verbindungsschichten kann nach der DD-PS 1 57 808 dadurch erreicht werden, daß mindestens zwei verschiedene Targets, die z. B. aus Si oder Al bzw. Ti oder Ta bestehen, in einer Ar-O₂-Atmosphäre als Mischoxide abgeschieden werden, wobei die Schichtzusammensetzung über das U-I-Diagramm der Entladung gesteuert wird.

Schichtzusammensetzungen mit rampenförmigem Konzentrationsverlauf, wie sie in Fig. 9b der GB-OS 20 77 300 dargestellt sind, werden durch Magnetronaufstäubung in der in Fig. 6a und 7a gezeigten Vorrichtung erhalten.

Das in den Beispielen der GB-OS 21 78 061 beschriebene Verfahren betrifft die Aufstäubung von Legierungen, deren Zusammensetzung infolge von Rückstäubung variiert werden kann. Die Rückstäubung wird durch Anlegen einer Vorspannung an das Substrat erreicht.

In der US-PS 39 86 944 wird ein Aufstäubungsverfahren beschrieben, das die Herstellung von Zweikomponentenlegierungen von z. B. Al und Au mit rampenförmigem Konzentrationsverlauf erlaubt.

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens, das unter Ausnutzung bekannter PVD-Verfahren gestattet, großflächige metallische Werkstücke haftfest dadurch zu beschichten, daß eine Haftvermittlerschicht mit rampenförmigem Verlauf der Konzentrationen von Substrat- und Beschichtungsmaterial abgeschieden wird.

Eine derartige Beschichtung wird dadurch erreicht, daß man zwischen der Oberflächenschicht und dem Substrat eine Verbindungsschicht erzeugt, in welcher die Konzentration der Beschichtungskomponenten allmählich gegen das Substrat hin abnimmt und im selben Verhältnis die Konzentration der Substratkomponenten zunimmt. Die Verbindungsschicht erscheint auf diese Weise als eine Pseudo- Diffusionsschicht, die eine feste Verbindung der Beschichtungsoberfläche am Substrat zustande bringt.

In einem ersten Beispiel zur Erzeugung einer solchen Verbindungsschicht werden die durch ein PVD-Verfahren beschichteten Werkstücke, die sich in einem evakuierten Rezipienten befinden, und eine Kathode einer Glimmentladung in einem Arbeitsgas mit niedrigem, vorher festgesetzten Druck darstellen, einem Ionenbeschuß ausgesetzt. Als Folge des Ionenbeschusses findet eine Kathodenzerstäubung der dünnen Beschichtungsoberfläche und eines Teiles des Substrates statt, und wegen des vorbestimmten Druckes kommt es auch zu einer Rückdiffusion abgestäubter Teilchen, so daß man auf der Substratoberfläche eine Schicht erhält, die aus einem Gemisch der Beschichtungs- und Substratkomponenten besteht, wobei das Verhältnis der Komponenten von der Dicke der primären Beschichtungsfläche abhängt. Dieses Verfahren, das die Einzelstufen Beschichten, Zerstäuben und Rückdiffusion beinhaltet, kann wiederholt werden, bis man zusammen mit dem Anwachsen der Dicke eine Verbindungsschicht mit einem rampenförmigen Konzentrationsverlauf erhält, die nun noch mit dem Beschichtungsmaterial weiter beschichtet wird. Das Verfahren kann mit Hilfe eines Mini-Computers automatisiert werden. Beim Einsatz eines Arbeitsgases aus einem Edelgas wie Argon und einem oder mehrerer N- oder C-haltiger Reaktivgase kann man erreichen, daß auch die Verbindungsschicht Nitride und/oder Carbide der Beschichtungskomponenten enthält.

Diese Art der Beschichtung ist relativ leicht mit einer Kathodenzerstäubungsvorrichtung zu verwirklichen, wenn die Vorrichtung mit z. B. ebener oder zylindrischer Geometrie so eingerichtet ist, daß man die Polarität der Elektroden bzw. des Substrates und des Beschichtungsmetalls wechseln kann.

Wird beim Beschichten ein Aufdampfvorgang eingesetzt, so wird der Verdampfer in eine Elektrode eingeführt, die die Anode einer Glimmentladung darstellt, während die Substrate bzw. Werkstücke die Kathode bilden. Durch abwechselnde Zerstäubung und Aufdampfung wird ebenfalls eine Verbindungsschicht erzeugt, die eventuell einen rampenförmigen Konzentrationsverlauf aufweist.

Die Erfindung wird durch die folgende Beschreibung und die Figuren näher erklärt.

Fig. 1 stellt einen Querschnitt eines Werkstücks (1) dar, wobei zwischen der Beschichtungsoberfläche (2) und dem Werkstück (1) bzw. dem Substrat (3) eine rampenförmige Verbindungsschicht (4) zu sehen ist. In der Figur ist auch die vom Abstand (a) von der Oberfläche abhängige rampenförmige, relative Änderung der Konzentration der Beschichtungskomponenten (2) und jener der Substratkomponenten (1) dargestellt.

Fig. 2 zeigt schematisch den Längsschnitt des Rezipienten (5) einer zylinderförmigen Kathodenzerstäubungsvorrichtung. An die Flansche (6) wird das Vakuumpumpsystem angeschlossen, und über Anschluß (7) wird das Arbeitsgas zugeführt. Das Werkstück (1) und die Elektrode (8), von der das Beschichtungsmetall abgestäubt wird, sind beide vom Rezipienten (5) elektrisch isoliert und an einen Gleichrichter als Stromversorgungseinheit angeschlossen. Während der Beschichtungsdauer sind das Werkstück anodisch und die Elektrode kathodisch geschaltet. Um eine effiziente Beschichtung zu gewährleisten, ist der Druck im Rezipienten niedrig. Zur Erhöhung der Entladungsleistung und damit der Zerstäubungsgeschwindigkeit wird der nichtferromagnetische Rezipient (5) von einer Spule (9) umschlossen, die ein axiales Magnetfeld erzeugt und zu der Entladungsstruktur eines zylinderförmigen Magnetrons führt. Während der Dauer der Zerstäubung und Rückdiffusion des Beschichtungsmetalls sind Werkstück (1) kathodisch und Elektrode (8) anodisch geschaltet, und gleichzeitig wird der Druck etwas erhöht, um eine effizientere Rückdiffusion zu veranlassen.

Es ist zu bemerken, daß die Struktur solcher Vorrichtungen ähnlich der von Ionitrier-Anlagen ist. Daraus folgt, daß man mit Hilfe von einfachen Anpassungen der vorher erwähnten Art das beanspruchte Verfahren auch in Ionitrier-Anlagen durchführen kann, daß die Behandlung großflächiger Werkstücke erlauben. Die Werkstücke können auf starren oder beweglichen Halterungen angeordnet werden.

Fig. 3 stellt einen Querschnitt durch ein Werkstück (1) und eine zylinderförmige Elektrode gemäß Fig. 2 dar. In diesem Fall besteht die Elektrode (8) aus einer Reihe von beweglichen Metallplatten (10), wobei jede Platte einen Teil einer Zylindermantelfläche darstellt. Jede der untereinander elektrisch verbundenen Platten kann um 180° gedreht werden, wobei die Drehung simultan ausgeführt wird. Durch die Drehung in z. B. Uhrzeigersinn erzeugt man eine pseudo-zylindrische Elektrode, wobei jede der Platten eine ihrer Seiten, z. B. die mit einem Beschichtungsmaterial (11), dem Werkstück zuwendet. Beim Drehen in der entgegengesetzten Richtung entsteht ein neuer Pseudo-Zylinder, gebildet aus der anderen Plattenseite. In dieser letzten Stellung kann man vor der ersten Beschichtung eine Reinigung der Werkstücke durch Kathodenzerstäubung vornehmen.

Fig. 4 stellt schematisch eine Struktur vom Typ einer Doppelkathodenanordnung aus ebenen Magnetronkathoden dar, in der das Magnetfeld mit N-S-N-Magneten erzeugt wird. Die elektrische Polarität der Elektroden, bestehend aus dem Werkstück (1) und den Targets (8), wird während der Beschichtung abwechselnd geändert.

Mit solchen Magnetsystemen kann das Magnetfeld auch in der Vorrichtung gemäß Fig. 2 erzeugt werden.

Bibliographie:
K.H. Kloos, E. Broszeit, T. Roth: Die Abscheidung von Hartstoffen nach dem PVD-Verfahren, in HTM 41 (1986), Heft 3, S. 137-144,
J.L. Vossen, W. Kern: Thin Film Processes, Academic Press 1978, S. 51,
Thin Solid Films 63 (1979), S. 347,
Thin Solid Films 40 (1977), S. 211,
Thin Solid Films 20 (1974), S. 187,
Review Sci. Instruments 33 (1962), S. 744.

Claims (8)

1. PVD-Verfahren zur haftfesten Vakuumbeschichtung großflächiger Werkstücke mit Abscheidung verschiedener Dünnschichten oder Dünnschichtstapel auf der Werkstückoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Rezipienten (5) die in einem PVD-Verfahren beschichteten, kathodisch geschalteten Werkstücke (1) bei einem im voraus festgesetzten Arbeitsgasdruck einem Ionenbeschuß ausgesetzt werden, bei dem sowohl eine Kathodenzerstäubung des Materials der Dünnschicht und eines Teiles der Werkstückes (1) als auch eine Rückdiffusion der abgestäubten Teilchen stattfindet, so daß auf der Werkstückoberfläche ein Gemisch aus Komponenten der Dünnschicht und des Werkstückes abgeschieden wird, wobei das Verhältnis der Komponenten von der Dicke der Dünnschicht abhängt, und bei Wiederholung des Vorganges, dessen Einzelstufen Beschichten, Zerstäuben und Rückdiffusion sind, eine Verbindungsschicht (4) mit einem Konzentrationsverlauf in Rampenform, in der die Konzentration der Dünnschichtkomponenten zum Werkstück (1) hin allmählich abnimmt, erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschichtung bei niedrigem Arbeitsgasdruck die Werkstücke (1) als Anode und die Elektrode (8) mit dem Beschichtungsmaterial als Kathode an eine Gleichspannungsversorgung angeschlossen werden und auf die Werkstückoberfläche eine Dünnschicht aufgestäubt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen des Beschichtungsmaterials die anodische Elektrode (8) als Verdampfer ausgebildet wird, so daß auf dem kathodischen Werkstück (1) durch abwechselnde Aufdampfung und Zerstäubung eine Verbindungsschicht (4) erzeugt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsgas ein Edelgas wie Aron eingesetzt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsgas ein Gemisch aus einem Edelgas wie Argon und einem Stickstoff- und/oder kohlenstoffhaltigem Reaktivgas eingesetzt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Rezipienten (5), der mit der Leitung (6) mit dem Pumpsystem verbunden ist und in den durch die Leitung (7) das Arbeitsgas eingeführt wird, das Werkstück (1) und die Elektrode (8) mit dem Beschichtungsmaterial an eine Gleichspannungsversorgung angeschlossen und vom Rezipienten (5) elektrisch isoliert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld parallel zur Elektrode (8) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (8) aus einer Reihe von elektrisch verbundenen und um 180° simultan drehbaren Metallplatten (10) besteht, so daß abwechselnd beide Plattenseiten zum Werkstück (1) hin zeigen, wobei die eine Plattenseite das Beschichtungsmaterial (11) trägt.