DE4007523A1 - Vorrichtung zur plasmagestuetzten abscheidung von hartstoffschichtsystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung dient der plasmagestützten Beschichtung von metallischen und nichtmetallischen Substraten, Werkzeugen und Bauteilen mit haftfesten Hartstoffschichtsystemen auf der Basis Titan, Bor, Aluminium und Stickstoff zur Oberflächenveredlung, Korrosions-, Reibungs- und Verschleißminderung.

Es sind verschiedene Verfahren zur Abscheidung von Mehrfach- und Mischschichten bekannt.

In JP 58-217674 wird die Abscheidung von Titannitrid-Gold-Mischschichten beschrieben, wobei mehrere widerstandsbeheizte Verdampfer und eine Glühkathodenanordnung zur Plasmaerzeugung verwendet werden. Das ist auch möglich, wenn zwei Elektronenstrahlverdampfer für Titan- und Goldverdampfung eingesetzt werden und die Plasmaerzeugung durch eine Glimmentladung realisiert wird.

Alle diese Lösungen benötigen Zusatz- und Hilfseinrichtungen zur Plasmaerzeugung, die sich im allgemeinen störend in der Vakuumkammer auswirken und zusätzlich Verunreinigungen durch verdampfendes Kathodenmaterial bewirken.

Verdampferquelle und Plasmaerzeuger als Einheit in Form eines Hohlkathodenbogenverdampfers zur Titanverdampfung werden technisch realisiert (DD-WP 2 46 571). Als zweite Materialquelle werden eine oder mehrere Sputtereinrichtungen vorgeschlagen. Da es sich um Gleichstromsputtereinrichtungen handelt, können derartige Vorrichtungen nur zur Abscheidung einer zweiten Metallkomponente in Form eines Legierungsmaterials benutzt werden, da Sputtereinrichtungen dieser Form mit geringen Abscheidungsraten arbeiten. Echte Mischschichtsysteme sind auf diese Weise nicht herstellbar.

Außerdem werden durch den Hohlkathodenbogenverdampfer ein beträchtlicher Anteil Metalldampfionen in den Plasmaraum emittiert, die als Sputterionen äußerst nachteilig sind. Insbesondere verhindern sie die definierte Steuerbarkeit des Abscheidungsprozesses in bezug auf die Schichtzusammensetzung.

Durch die Erfindung soll erreicht werden, daß unter Verwendung nur eines Plasmaerzeugers auf beliebigen Substraten haftfeste Hartstoffschichten auf der Basis von Titan, Bor, Aluminium und Stickstoff in definierter Zusammensetzung abgeschieden werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem in einer Vakuumkammer getrennt und voneinander unabhängig regelbar ein Bogenentladungsverdampfer für Titan und ein Elektronenstrahlverdampfer für Bor oder Aluminium im homogenen Bereich eines Plasmas mit einer Ionendichte von (10⁹-10¹⁰) Ionen/cm³ angeordnet sind. Das Bogenentladungsplasma erstreckt sich über den gesamten Raum der Vakuumkammer und ist annähernd homogen im gesamten Substratbereich. Das Plasma besteht aus einem Argon-Stickstoff-Gemisch, welches gleichzeitig zur plasmagestützten Beschichtung als Reaktivgas zur Verfügung steht. Der Bogenentladungsverdampfer dient der Titanverdampfung, wobei der größte Teil des Titans ionisiert vorliegt. Die zweite Verdampfungsquelle ist ein Elektronenstrahlverdampfer zur Verdampfung von Bor oder Aluminium. Mittels einer einfachen, auf Massepotential liegenden Abschirmung werden die auf Hochspanung liegenden Teile des Elektronenstrahlverdampfers vom Plasmaraum getrennt, so daß beide Verdampfer bei vorhandenem Plasma arbeiten können.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß, während beide Verdampfertiegel quasi Massepotential besitzen, an den Substraten eine variable negative Spannung liegt, um sowohl Gasionen als auch Ionen der verdampfenden Komponenten beschleunigen zu können und somit eine plasmagestützte Schichtabscheidung zu realisieren.

Durch die getrennte Regelung beider Verdampfer können die Aufdampfgeschwindigkeiten von Titan, Bor und/oder Aluminium definiert variiert werden. Es können solche Betriebsarten eingestellt werden, daß entweder nur Titannitrid, nur Bornitrid, nur Aluminiumnitrid oder Mischverbindungen abgeschieden werden.

Die Leistung des Hohlkathodenbogenverdampfers läßt sich soweit reduzieren, daß es zu keiner wesentlichen Titanverdampfung, trotz Plasmaerzeugung im gesamten Beschichtungsraum, kommt.

In dieser Betriebsart kann außerdem die Reinigung der Substrate durch Beschuß mit Argonionen vorgenommen werden.

Durch die beschriebene Abschirmung kann der Elektronenstrahlverdampfer im Druckbereich (10⁻¹-10⁻² Pa) stabil betrieben werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigt Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Am Boden der Vakuumkammer 1 sind ein Elektronenstrahlverdampfer 2 und ein Hohlkathodenbogenverdampfer, bestehend aus Anode 3 und Hohlkathode 4, nebeneinander angeordnet. Eine auf Massenpotential liegende Abschirmung 11 umgibt den Elektronenstrahlverdampfer und trennt ihn vom Plasmabereich. Die schwenkbare Blende 6 verhindert vorzeitiges Bor-Bedampfen der Substrate 12. Die isoliert und drehbar über den beiden Verdampfungsquellen angeordnete Substrataufnahme 9 besteht aus drei um ihre Mittelpunktachse rotierbaren Kreisscheiben, auf denen sich die zu beschichtenden Substrate 9, in unserem Beispiel Wendeschneidplatten aus Hartmetall HG 123, befinden. Über den Gaseinlaß 5 wird ein definierter Reaktivgasdurchsatz geregelt, das Einströmen des Inertgases erfolgt über die Hohlkathode 4.

Mittels der Stromversorgungseinrichtung 7 wird die Bogenentladung zwischen Hohlkathode 3 und Anode 4 gezündet und geregelt. Das negative Potential für die Substrataufnahme kann wahlweise durch die Stromversorgungseinrichtung 7 oder eine externe Einrichtung 10 realisiert werden. Unabhängig davon dient die Stromversorgungseinrichtung 8 zum Betrieb des Elektronenstrahlverdampfers.

Im Beispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Titan-Bor-Nitrid-Schichtsystems auf Wendeschneidplatten aus Hartmetall HG 123 verwendet.

Während des Ionenätzens der Substrate 12, wobei deren negative Vorspannung kontinuierlich bis auf 600 V geregelt wird, erfolgt das Vorwärmen des bereits geschmolzenen Bors im Tiegel des Elektronenstrahlverdampfers 2 bis zu einer Leistung von 2,5 kW. Der Hohlkathodenbogenentladungsverdampfer brennt in dieser Zeit mit einer Leistung von 3 kW. Die Verdampfungsgeschwindigkeit des Titans ist bei dieser Leistung vernachlässigbar gering. Nach Beendigung des Reinigungsvorganges werden der Hohlkathodenbogenentladungsverdampfer auf 10 kW und der Elektronenstrahlverdampfer 2 bis 4 kW getrennt hochgeregelt. Gleichzeitig wird dem Inertgas (Argon) über das Gaseinlaßsystem 5 das Reaktivgas (Stickstoff) zugemischt. Während des Beschichtungsvorganges herrscht im Rezipienten 1 ein Arbeitsdruck von 2×10⁻¹ Pa. (Die Aufdampfgeschwindigkeit für Bor beträgt 0,4 nm/s, für Titan 2 nm/s.)

Die Hartmetall-Wendeschneidplatten befinden sich auf der rotierenden Substrataufnahme 9. Der mittlere Abstand der Substrate von den Verdampfern beträgt 50 cm.

Die mittels der Vorrichtung während einer Beschichtungszeit von 30 min abgeschiedene Titan-Bor-Nitridschicht hat eine Schichtdicke von ca. 1 µm und weist eine Härte von H 40 GPa bei guter Haftfestigkeit auf.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur plasmagestützten Abscheidung von Hartstoffschichtsystemen, insbesondere Misch- oder Mehrfachschichten mittels Verdampfung, dadurch gekennzeichnet,, daß in einer Vakuumkammer (1) getrennt und voneinander unabhängig regelbar ein Bogenentladungsverdampfer (3, 4) für Titan und ein Elektronenstrahlverdampfer (2) für Bor und Aluminium im homogenen Bereich eines Stickstoff-Argon-Plasmas und die Substrataufnahme (9) im Bereich einer konstanten Ionendichte von 10⁹-10¹⁰ Ionen/cm³ angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahlverdampfer (2) mittels einer Abschirmung (11) mit Massepotential vom Plasmabereich getrennt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate (12) eine variable negative Vorspannung aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bogenentladungsverdampfer aus Hohlkathode (4) und Anode (3) besteht.