DE4115616A1

DE4115616A1 - Oberflaechenschicht fuer substrate insbesondere fuer arbeitswerkzeuge

Info

Publication number: DE4115616A1
Application number: DE4115616A
Authority: DE
Inventors: Dieter Hofmann; Bernd Hensel
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Oerlikon Deutschland Holding GmbH
Priority date: 1991-03-16
Filing date: 1991-05-14
Publication date: 1992-09-17
Anticipated expiration: 2011-05-15
Also published as: DE4115616C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Oberflächenschicht für Endprodukte, die aus einer Mischung von Metallen gebildet wird, wobei die Gruppe 1 mindestens Titan, Zirkonium, Hafnium oder Vanadium und die Gruppe 2 min destens Aluminium oder Silicium enthält und eine derar tige Metallmischung im Vakuumverfahren insbesondere in reaktiver Stickstoff-Atmosphäre auf das Endprodukt auf gebracht wird.

Es ist bereits bekannt, Verbindungen wie TiN, TiC, Al₂O₃ für die Beschichtung von Schneid- und Umformwerk zeugen zur Verschleißminderung zu verwenden (Sonderdruck aus Heft 7, 42, Jahrgang 1988, Metall Ver lag Berlin). Andere Anwendungsgebiete sind Diffusions barrieren in der Mikroelektronik, Erst-Wand-Beschich tungen in Fusionsanlagen oder der mögliche Einsatz in der Supraleitungstechnik. Den verschiedenen technischen Anwendungen entsprechend werden sehr unterschiedliche Eigenschaften für die Hartstoffe gefordert. Die weitaus größte Anwendung liegt derzeit auf dem Gebiet Ver schleißminderung von Schneid- und Umformwerkzeugen und der dekorativen Beschichtung, wobei die Verschleiß beständigkeit der Werkzeug durch die Beschichtung ver bessert wird.

Die am häufigsten untersuchten Schichtmaterialien sind die "binären" Nitride und Carbide TiN und TiC. In einer Reihe von Untersuchungen werden auch die Metallgemische anderer Übergangsmetalle behandelt, vor allem ZrN und HfN, aber auch CrN, NbN und andere. Schon früh fand das "ternäre" Metallgemisch Ti (C_xN_1-x) Interesse, das wegen der vollständigen Mischbarkeit des Systems TiC-TiN einen graduellen Übergang der Eigenschaften von einem zum anderen Hartstoff aufweist.

Bisher wurden TiAl-N_x-Schichten nur nach Prozessen der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD-Physical Vapour Deposition) hergestellt, vorwiegend durch reak tives Magnetronsputtern im Gleichspannungs- und HF-Betrieb mit Einzel- und Doppelkathodenanordnung, aber auch nach dem reaktiven Arc-Verdampfer-Prozeß und Trioden-Ionen-Plattieren. Je nach verwendeter Apparatur und gewählten Prozeßbedingungen erhielt man sehr unter schiedliche Schichten. Als besonders einflußreiche Ab scheidungsparameter haben sich der Partialdruck bzw. Gasfluß für Stickstoff (Reaktivgas) im Verhältnis zum Argon (Sputtergas) sowie die negative Substratvorspan nung und die Plasmadichte in Substratnähe erwiesen, durch die ein Ionenbeschluß des Substrats während der Abscheidung erreicht wird.

Als Targets für das Magnetronsputtern fanden sowohl mechanisch hergestellte Targets mit einem in ein Titan target eingefügten Aluminiumtropfen aber vorzugsweise pulvermetallurgisch hergestellte TiAl-Targets Verwen dung.

Als Substratmaterialien wurden Schnellarbeitsstahl, Werkzeugstähle und nichtrostende Stähle verschiedener Sorten sowie Hartmetall und Stellit (Schneidplättchen) verwendet. Diese Materialien bilden die üblichen Werk stoffe für die Schneid- bzw. Formwerkzeuge und Bau teile.

Es ist ferner bekannt (DE 30 30 149 C2), bei Schneid plättchen und für Schneidwerkzeuge aus Hochleistungs-Schnell arbeitsstahl oder Hartmetall zwischen Grundkör per und Metallschicht eine Zwischenschicht vorzusehen. Die bekannte Zwischenschicht besteht hier aus auf gedampftem Titan und die Verschleißwiderstandsschicht aus einem aufgedampften Titan-Metallgemisch aus der Gruppe Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonnitrid, Titanoxycarbid und Titanoxycarbonnitrid, wobei die Dicke der Zwischenschicht 0,9 µm nicht übersteigt und die Verschleißwiderstandsschicht 0,5 bis 10 µm dick ist. Die Hartstoffschichten bröckeln aufgrund ihrer hohen Eigenspannung leicht ab, zudem sind Nachteile bei der Anwendung des Werkzeugs durch die "weiche" Zwischenschicht zu erwarten.

Aus der US 38 95 156 ist es bekannt, Hartstoffschichten in der Weise aufzubringen, daß sich Schichten aus rei nen Hartstoffen und Schichten aus Metallen abwechseln. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die auf weichen Zwischenschichten angeordneten harten Schichten gegen über punktförmiger Belastung sehr empfindlich sind und wegen der Nachgiebigkeit der weichen Schicht zum Ab bröckeln neigen.

Ferner besteht bisher auch das Problem, daß dicke Schichten hohe Eigenspannungen aufweisen, so daß bei funktionellen Teilen, die im Arbeitseinsatz hohen Bela stungen ausgesetzt sind, die Beschichtungen leicht ab gelöst werden bzw. abplatzen und die funktionellen Teile nach kurzer Zeit nicht mehr einsetzbar sind.

Durch die EP 01 21 625 B1 ist es auch bekannt, bei der Herstellung von Hartstoffschichten aus Metallen der Gruppe IVa des Periodischen Systems, darunter Ti, mit einer pulsierenden Zufuhr von Stickstoff zu arbeiten, um eine Verringerung der Niederschlagsrate zu vermei den, die sonst bei kontinuierlicher Reaktivgaszufuhr einsetzt. Die Änderung der Gaszufuhr erfolgt bei diesem bekannten Verfahren mit einer derart großen Frequenz, daß dies zu keiner erkennbaren Änderung in der Schicht struktur führt, vielmehr werden hierdurch lediglich homogene Schichten gebildet.

Bei sämtlichen bisher bekannten Schichten mit sehr har ter Oberfläche bestand ein weiteres Problem darin, daß diese Schichten einen relativ hohen Reibungskoeffizien ten aufwiesen, der beim Einsatz der Schichten gleich falls zu hohen Schichtbeanspruchungen führte.

Demgemäß besteht die Erfindungsaufgabe darin, die Standzeiten von Arbeitswerkzeugen zu verbessern, indem man die funktionellen Teile mit einer dicken Hartstoff schicht insbesondere mit einer TiAl-N_x-Schicht über zieht, die eine geringe Eigenspannung bei niedrigem Reibungskoeffizienten aufweist.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Oberflächenschicht aus mehreren einzelnen Schichten gebildet ist, wobei das Verhältnis der Metallgemische, insbesondere der aus einem TiAl-N_x-Metallgemisch beste henden Schicht, zu einer angrenzenden, ebenfalls aus einem Metallgemisch, insbesondere aus einem TiAl-N_y-Me tallgemisch, bestehenden Schicht unterschiedlich groß ist.

Bei der Beschichtung von funktionellen Teilen bei spielsweise von Stählen, inbesondere von HSS wird die Abscheidung mit einer TiAl-N_x-Schicht mit hohem Stick stoffanteil begonnen. Anschließend wird in Form einer Rampe der Stickstoffanteil abgesenkt, wobei abschlie ßend eine Zusammensetzung in Elementanteilen von ca. Ti_0,34Al_0,37N_0,29 eingestellt wird. Die Rampenfunk tion ist eine Funktion der Gaszufuhr, d. h. durch die Gaszufuhr gemäß des Rampenabschnittes wird in der Beschichtung eine besondere Struktur ausgebildet, in der der Stickstoffanteil groß ist. Der Rampenbereich bezieht sich auf Schichtdicken von ca. 0,05 bis 0,15 µm. Die oben bezeichnete nachfolgende Schicht z. B. Ti_0,34Al_0,37N_0,29 mit konstanter Zusammensetzung ist ca. 0,5 bis 1,5 µm dick auszuführen. Durch Anwendung einer Rampe wird eine bis zu 100% erhöhte N-Zufuhr im Vergleich zu der für die dicke Schicht verwendeten N-Zufuhr eingesetzt, durch die dann im Vergleich zur dicken Schicht eine Beschichtung mit erhöhtem H-Anteil und einer Zusammensetzung von ca. Ti_0,32Al_0,36N_0,32 auf gebaut wird. Nachfolgend wird diese Schicht wieder mit einer Schicht konstanter Zusammensetzung Ti_0,34Al_0,37N_0,29 mit einer Schichtdicke zwischen 0,5 und 1,5 µm abgedeckt. Dieser Wechsel von stickstoff reicher Rampe und Ti_0,34Al_0,37N_0,29 wird so oft wieder holt, bis die erforderliche Gesamtschichtdicke erreicht ist. Mit vorliegender Methode ist der Aufbau von 12 µm dicken Hartstoff-Mehrlagenschichten (Hartstoff-Multi layerschichten) realisiert worden, wobei mittels Kratz-Test auf gehärtetem HSS-Stahl kritische Lasten bis zu 90 N gemessen wurden. Die Haftung erwies sich gemessen mit der für kritischen Last als Maß für die Schichthaf tung für Schichten mit Schichtdicken aus dem Bereich von 4-12 µm als nahezu unabhängig von der Schichtdicke. Dies bedeutet, die Belastung (Vorspannung) des Inter faces durch die Eigenspannung der Hartstoffschicht (Druckspannungen, welche mit zunehmender Schichtdicke vermehrt werden) wird durch Einsatz des Mehrschichtauf baus herabgesetzt und dadurch sehr unkritisch.

Bei der Anwendung des Werkzeugs treten an den Schichten kurzfristig Oberflächentemperaturen bis zu 600°C auf. Unter diesen Bedingungen können Oxydationsprozesse auf treten, die die Schichten in ihrem Gebrauchswert beein trächtigen. Das Schichtmaterial TiAl-N_x hat den Vor teil, daß durch das in der Schicht vorliegende Al an der Oberfläche der Schicht eine aluminiumoxidhaltige Deckschicht gebildet wird. Hierdurch werden die thermi sche Beständigkeit der Schicht und die Eigenschaften der Arbeitsoberfläche des Werkzeugs mit Bezug auf das zu bearbeitende Material im Vergleich zu Hartstoff schichten wie TiN, TiC und TiCN wesentlich verbessert.

Die extreme Härte des Hartstoffs, ausgeführt als TiAl-N_x-Schicht mit dazwischen liegenden dünnen, stickstoff reichen Schichten, weist bei der Anwendung am Werkzeug nur eine geringe Neigung zur Bildung von Aufbauschnei den und einen geringen Reibungskoeffizienten auf. Dies sind hervorragende Eigenschaften für den technischen Einsatz dieses Schichtsystems. Teilweise können die PVD-Schichten infolge der Wahl bestimmter Prozesspara meter die für die Anwendung erforderlichen Eigenschaf ten im Vergleich zum Bulkmaterial (welches meist stö chiometrlsch ist) weit übertreffen.

Für die Funktion des Schichtsystems, bestehend aus TiAl-N_x ist es vorteilhaft, daß die einzelnen Schichten eine unterschiedlich große Dicke aufweisen und daß sich an die aus Hartstoffmaterial bestehende dicke Schicht jeweils eine ebenfalls aus Hartstoffmaterial bestehende dünne Schicht anschließt, wobei die dünnen Schichten bezogen auf das Nitrid bildende Metall (Ti) einen höhe ren Stickstoffanteil aufweisen als die dicken Schich ten.

Ferner ist es vorteilhaft, daß die Schichten mit hohem Stickstoffanteil jeweils eine Dicke zwischen 0,05 und 0,15 µm aufweisen und daß die Stickstoff zufuhr während des Schichtaufbaus zwischen zwei Grenzwerten variiert, wobei das Verhältnis Ti : N durch die Zufuhr von H bei der Beschichtung zwischen 100% und 50% variiert wird.

Vorteilhaft ist es außerdem, daß das Verhältnis der Atomanteile Ti : N zumindest einer Schicht aus dem Bereich 1,3 bis 1,1 insbesondere 1,2 und das Verhältnis Ti : N der angrenzenden dünnen Schicht aus dem Bereich 1,1 : 0,9 insbesondere 1,0 gewählt ist.

Vorteilhaft ist es ferner, daß das Verhältnis der Atom anteile Al : Ti mindestens einer Schicht und/oder des Targets zwischen 1,15 und 1,2 oder 1 : 0,8 und 1 : 1 ist und daß das Verhältnis der Atomanteile Ti : N der dünnen Schicht 1,17 : 1 und das Verhältnis der Atomanteile Ti : N der angrenzenden Schicht 1,06 : 1 gewählt ist Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbil dung des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß die Varia tion der Stickstoff zufuhr einer zeitlichen Veränderung unterworfen wird, wobei der Stickstoffgehalt der Ober flächenschicht alternierend zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert schwankt und gleichzeitig im Bereich der Substratoberfläche eine Plasmaentladung aufrecht erhalten wird, wobei das Substrat im Temperaturbereich zwischen 350°C und 600°C gehalten wird.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfin dung, daß das Taktverhältnis zwischen den Zeiten hoher Stickstoff zufuhr und den Zeiten niedriger Stickstoff zufuhr zwischen 1:5 und 1:10 gewählt wird. Zur Bildung einer dünnen Schicht von ca. 0,1 µm wird gemäß der Rampe eine Zeit von einer Minute und für eine Schichtdicke von ca. 0,9 µm eine Zeit von 9 Minuten benötigt.

Im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschicht ist es von Vorteil, daß nach Beendi gung des Aufbaus einer Schicht mit niedrigem Stick stoffanteil der Gasfluß sich sprunghaft auf den Maxi malwert erhöht und anschließend allmählich, kontinuier lich bzw. stufenweise wieder auf den Wert des Gasflus ses für die Schicht mit niedrigerem Stickstoffanteil reduziert wird.

Vorteilhaft ist es ferner, daß das Targetausgangsmate rial aus einer TiAl-Legierung besteht, die zwischen 25 und 60 at% Al insbesondere aber zwischen 30 at% und 55 at% Al vorzugsweise 50 at% Al enthält.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Schicht han delt es sich um ein Dreistoffsystem. Das Aluminium hat einen relativ kleinen Atomradius, so daß ausgehend von TiN durch Einlagerung des Al, anstelle von Ti, in das Gitter die Gitterkonstante verändert wird und eine ent sprechende Eigenspannung erzeugt wird. Diese Verände rung kann über den Al-Anteil gesteuert werden. Norma lerweise vermehrt der Al-Anteil die Eigenspannung des Schichtwerkstoffes und verkleinert die Gitterkonstante. Die Entspannung der Schicht wird durch die Anwendung des beschriebenen Schichtsystems mit Änderung der Wachstumsbedingungen durch die Abscheidung von Zwi schenschichten mit erhöhter Stickstoff zufuhr bewirkt. Durch die Anwendung der dicken Schicht mit dem geringe ren Stickstoffanteil läßt sich auf dem beschichteten Teil ein geringerer Reibungswiderstand gegen einen ab gleitenden Span oder ein entsprechendes Werkstück erreichen. Es empfiehlt sich somit, die stickstoffarme dicke Schicht als äußere bzw. Deckschicht einzusetzen.

Außerdem ist es vorteilhaft, daß das zu beschichtende Material bzw. Werkstück zuerst mit der dünneren Schicht beschichtet wird, so daß in dem Übergang zwischen der übrigen Gesamtschicht und dem zu beschichtenden Mate rial eine sogenannte Verbindungsschicht vorliegt.

Der in die Gasatmosphäre eingegebene Stickstoff wird im Plasma aktiviert (reaktiv) und verbindet sich mit dem von der Kathode abgestäubten Material auf der Ober fläche des Substrats, so daß eine Oberflächenschicht auf dem Werkzeug entsteht, die durch das ursprünglich aus TiAl bestehende Targetmaterial und die entspre chende Stickstoffbeimengung gebildet wird. Durch die Beimengung von Stickstoff kommt man zu einem Werkstoff mit hoher Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit.

Vorteilhaft ist es ferner, daß das zu beschichtende Endprodukt bzw. Werkstück zuerst mit der dünneren Schicht beschichtet wird und daß in den oberen und/oder letzten Schichten Kohlenstoff mit zur Oberfläche hin zunehmendem Kohlenstoffgehalt eingebracht wird. Hier durch erhält man nur an der Oberfläche eine weniger oxidationsbeständige Schicht. Dies betrifft jedoch bei der Anwendung nur die am stärksten beanspruchten Funk tionsflächen. Hierdurch wird einer derartigen Schicht eine reibungsmindernde Komponente zugegeben. Der Koh lenstoffanteil kann mit Bezug auf das Titan 50 at% betragen.

Vorteilhaft ist es außerdem, daß zumindest eine der Schichten einen Legierungsbestandteil von 35 at% Ti, 35 at% Al und 30 at% N aufweist.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbil dung der erfindungsgemäßen Oberflächenschicht, daß zu mindest eine der Schichten, insbesondere die Deck schicht, aus einem Material besteht, das eine der Materialzusammensetzung MO₂B₅, W₂B₅, MOB₂, NbB₂, VB₂, CrB₂, HfB₂, TaB₂, ZrB₂, TiB₂, B₄C, BH, Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂ aufweist.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprü chen, in der Beschreibung und in den Figuren beschrie ben bzw. dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Ein zelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen erfindungswesentlich sind.

In den Figuren ist die Erfindung an mehreren Ausfüh rungsformen beispielsweise dargestellt, ohne auf diese Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt:

Fig. 1 einen Horizontalschnitt durch eine Vakuumanlage mit vertikaler Kammerachse und zwei Stationen zum alternierenden Ätzen und Beschichten von Substraten (der für die Erfindung wesentliche Teil ist durch das strichpunktierte Rechteck hervorgehoben),

Fig. 2 den Ausschnitt innerhalb des strich punktierten Rechtecks in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung des Gegen standes nach Fig. 2 durch Hinzufügung einer Magnetron-Zerstäubungskathode in der Wand der Vakuumkammer,

Fig. 4 eine Variante des Gegenstandes nach Fig. 2, bei der die Hilfselektrode mit Magnetsystem durch eine Magnetron-Kathode mit einem Target ersetzt wurde,

Fig. 5 eine Erweiterung des Gegenstandes nach Fig. 4 durch Hinzufügen einer weiteren Magnetron-Kathode, die analog Fig. 3 ergänzt wurde,

Fig. 6 eine räumliche Umkehrung des Bauprin zips nach Fig. 3, bei der die Hilfs elektrode mit Magnetsystem und Elektro nen-Emittern in die Wand der Vakuumkam mer eingesetzt wurde, während die Quelle S für das Beschichtungsmaterial in das Kammerinnere verlagert wurde,

Fig. 7 eine Variante des Gegenstandes nach Fig. 6, bei der die Hilfselektrode durch eine Magnetron-Kathode mit einem Target ersetzt wurde,

Fig. 8 eine Seitenansicht eines mit Substraten (Bohrern) bestückten, drehbar angeord neten Substrathalters,

Fig. 9 eine Mehrlagenschicht (Multilayer schicht), wobei die dickere Schicht aus TiAlN_x einen niedrigeren Stickstoff anteil aufweist als die darunter liegende dünnere Schicht,

Fig. 10 eine Atomanordnung im Ti-N_x-Gitter,

Fig. 11 eine Atomanordnung TiAl-N_x mit zuneh mender Gitterkonstante, vergleichsweise zum Ti-N_x gemäß Fig. 10, das eine geringere Gitterkonstante aufweist,

Fig. 12 die Darstellung einer Polierkalotte nach Ausführung eines Calotests (6 µm) in einer dicken Mehrlagenschicht (Multilayerschicht) aus TiAl-N_x-Hart stoffmaterial, wobei die dunklen Ringe die Hartstoff-Zwischenschichten und die hellen Ringe die stickstoffärmere Mate rialzusammensetzung darstellen,

Fig. 13 die Stickstoffzufuhr in % während des Beschichtungsvorgangs zur Bildung alternierender Schichten über die Zeit t (min),

Fig. 14 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer schematisch dargestellten vollständigen Sputteranlage im Vertikalschnitt.

In Fig. 1 ist eine Vakuumkammer 1 dargestellt, die eine zylindrische Kammerwand 2 mit senkrechter Achse besitzt. Ein Teil dieser Kammerwand ist segmentförmig abgetrennt und bildet eine Tür 2a, die durch ein Schar nier 3 mit der Vakuumkammer verbunden ist.

Zur Vakuumkammer gehört eine hier nicht näher dar gestellte Bewegungseinrichtung mit einer koaxialen Welle 4, durch die ein Substrathalter 5, der in Fig. 8 noch näher dargestellt ist, auf einer kreisförmigen Bewegungsbahn 6 für den Substrathalter geführt werden kann. Die Welle 4 ist in nicht dargestellter Weise isoliert gelagert und mit einem Stromanschluß für die Beaufschlagung des Substrathalters mit einem gegenüber Masse negativen Ätzpotential versehen.

Im Bereich der Bewegungsbahn 6 und im wesentlichen spiegelsymmetrisch zu dieser ist eine Beschichtungs station C angeordnet, die für sich Stand der Technik ist und daher nur kurz erläutert wird. Die Beschich tungsstation C besitzt zwei Magnetron-Kathoden 7 und 8 bekannter Bauart mit Targets 9 und 10 aus dem Beschich tungsmaterial. Sofern, wie im vorliegenden Fall, die niedergeschlagenen Schichten eine chemische Verbindung aus dem Metallgemisch enthalten, beispielsweise aus TiAl-N_x, dann bestehen die Targets 9 und 10 aus TiAl, und sie werden in einer reaktiven Atmosphäre in Gegen wart von Stickstoff zerstäubt.

Die Oberflächenschicht 72 gemäß Fig. 9 kann aus unter schiedlichen Metallmischungen gebildet sein, so kann die Gruppe 1 mindestens Titan, Zirkonium, Hafnium oder Vanadium und die Gruppe 2 mindestens Aluminium oder Silicium enthalten. Eine derartige Metallmischung wird auf das Endprodukt im Vakuumverfahren insbesondere in reaktiver Stickstoff-Atmosphäre aufgebracht. Als End produkte können in vorteilhafter Weise Arbeitswerkzeuge der Umform- oder Zerspannungstechnik oder temperatur beständige Bauteile von Arbeitsmaschinen oder Arbeits geräten, Schmuckwaren und Produkte des täglichen Bedarfs mit einer Mehrlagenschicht (Multilayer schicht) 72 versehen werden.

Der zwischen den Targets liegende Reaktionsraum wird auf dem Umfang bis auf einen Durchtrittsspalt für den Substrathalter 5 durch Blenden 11 abgeschirmt. Für die Zufuhr des Reaktionsgases dienen Gasverteilerrohre 12. Das System wird durch Anoden 13 vervollständigt, in die die aus der Entladung hervorgehenden Elektronen eintre ten.

Die Magnetron-Kathode 7 ist unter Zwischenschaltung eines nicht näher bezeichneten Isolierkörpers, der gleichzeitig die Abdichtung bewirkt, in ein Kathoden gehäuse 14 eingesetzt, das die Magnetron-Kathode auch an den Seiten unter Belassung eines Spalts umschließt, dessen Breite enger ist als der unter den Betriebs bedingungen gegebene Dunkelraumabstand. In analoger Weise ist auch die Magnetron-Kathode 8 in einem Katho dengehäuse 15 untergebracht, das vakuumdicht in die Kammerwand 2 eingesetzt ist. Es versteht sich, daß auf dem Umfang der Bewegungsbahn 6 auch mehrere solcher Beschichtungsstationen C angeordnet sein können.

Auf der der Beschichtungsstation C (vergl. Fig. 1) gegenüberliegenden Seite befindet sich die strichpunk tiert umrandete Ätzstation E, deren Einzelheiten anhand von Fig. 2 unter Zuhilfenahme der Fig. 8 näher erläu tert werden.

Gemäß Fig. 2 bewegt sich der Substrathalter 5 auf sei ner Bewegungsbahn 6 oder positioniert die zubehandeln den Substrate vor die entsprechende Bearbeitungssta tion, wo dann eine stationäre Behandlung erfolgen kann. Der Substrathalter 5 besitzt einen oder mehrere Rah men 16, in die gemäß Fig. 8 mehrere Substrate 17 ein gesetzt sind. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um Bohrer, die in Fischgrätmuster-förmiger Anordnung im Rahmen 16 gehalten sind, wobei die Achsen der Bohrer in etwa tangential zu einer Zylinderfläche verlaufen, in der die Bewegungsbahn 6 liegt. Dadurch ist die etwas gebogene Geometrie der unteren und der oberen Seite des Rahmens 16 hinreichend definiert.

Die Behandlung der Bohrer geschieht aus Gründen der Gleichmäßigkeit vorzugsweise unter Anwendung einer Sub rotation der Bohrer.

Auf der einen Seite der Bewegungsbahn 6 des Sub strathalters 5 sind in Richtung auf die Achse A der Vakuumkammer 1 zwei Elektronen-Emitter 18 und 19 ange ordnet, während auf der gegenüberliegenden Seite der Bewegungsbahn 6 zwei Anoden 20 und 21 angeordnet sind. Die Anordnung ist dabei wie folgt getroffen: Legt man durch die Achsen der Elektronen-Emitter einerseits und der Anoden andererseits zwei untereinander parallele Ebenen E1 und E2, die in der Zeichnung als strichpunk tierte Linien dargestellt sind, und zeichnet man zu den beiden Strecken die gemeinsame Mittelsenkrechte MS, die im übrigen radial zur Achse A (Fig. 1) verläuft, so wird diese Mittelsenkrechte MS durch die Bewegungs bahn 6 in eine größere und eine kleinere Strecke unter teilt. Die größere Strecke entspricht dem Abstand a der Elektronen-Emitter von der Bewegungsbahn und ist um mindestens den Faktor 1,5 größer als die andere Strecke, die dem Abstand b der Anoden von der Bewe gungsbahn entspricht. Die gesamte Anordnung gemäß Fig. 2 ist spiegelsymmetrisch zur Mittelsenkrechten MS aufgebaut.

Die Anoden 20 und 21 sind als zylindrische Stäbe ausge bildet, deren Achsen einen Abstand von 95 mm voneinan der und von etwa 20 mm von der Kammerwand 2 haben. Die Länge der Anoden 20 und 21 entspricht dabei mindestens der Höhe des in Fig. 8 gezeigten Substrathalters 5. Die Enden der Anoden 20 und 21 sind in der Vakuumkam mer 1 isoliert befestigt und an eine Spannungsquelle angeschlossen.

Das Anodenpaar 20, 21 ist zwischen Gasverteilerrohren 22 und 23 angeordnet, deren zahlreiche Gas-Austritts öffnungen zur Kammerwand 2 hin gerichtet sind. Jedes Gasverteilerrohr ist von einem U-förmigen Leitblech 24 bzw. 25 umgeben, so daß das eingeleitete Gas bzw. Gas gemisch in Richtung auf die Bewegungsbahn 6 bzw. den Substrathalter 5 umgelenkt wird.

Die in den Fig. 2 dargestellten Gasverteilerrohre 12, 22, 23 bzw. 33, 34 insbesondere deren Austrittsöffnungen für die Zufuhr des Reaktionsgases sind in vorteilhafter Weise in engstmöglicher Nachbarschaft der Targets 9 und 10 angeordnet, damit bei Änderung der Gasflußrate im Targetbereich ein unmittelbarer Zugriff auf den Parti aldruck des System möglich wird und damit der unter schiedliche Schichtaufbau positiv beeinflußt werden kann.

Auf der der Bewegungsbahn 6 abgekehrten Seite der Elek tronen-Emitter 18 und 19 befindet sich ein Magnet system 26, das aus mehreren Permanentmagneten und einer ferromagnetischen Jochplatte 27 besteht. Die Permanente sind nicht näher beziffert, wohl aber ist ihre entge gengesetzte Pollage durch Pfeile angedeutet. Die freien Polflächen der Permanentmagnete stoßen an eine aus Kup fer bestehende Tragplatte 28 an, auf die eine Kühlmit telleitung 29 mit Anschlüssen 29a und 29b aufgelötet ist. Das gesamte Magnetsystem 26 ist von einem aus Edelstahl bestehenden Gehäuse 30 umgeben und bildet eine sogenannte Hilfselektrode 31, die an Massepoten tial gelegt ist.

Das Magnetsystem 26 bildet in der Draufsicht (in radi aler Richtung) entlang der Mittelsenkrechten MS eine ineinanderliegende Anordnung von Magnetpolen entgegen gesetzter Polarität, die einen auf dem Umfang geschlos senen magnetischen Tunnel in Form eines Ovals bzw. einer Rennbahn (Bewegungsbahn 6) erzeugen. Dieser magnetische Tunnel ist durch die bogenförmigen, gestri chelten Linien angedeutet, die von der Oberfläche der Hilfselektrode 31 ausgehen und zu ihr zurückkehren. Die Elektronen-Emitter 18 und 19 haben in diesem Magnet feld 32 eine ganz bestimmte räumliche Lage, die durch den Betrag der Feldstärke im Sinne der Lehre der Erfin dung definiert wird. Die Feldstärke im Bereich der Sub strate 17 ist jedenfalls deutlich geringer.

Auch die Hilfselektrode 31 ist auf beiden Seiten von Gasverteilerrohren 33 und 34 eingerahmt, die ihrerseits wiederum von U-förmigen Leitblechen 35 und 36 umgeben sind, wobei die Anordnung auch in diesem Fall so getroffen ist, daß das Gas bzw. Gasgemisch aus den Gas verteilerrohren 33 und 34 zunächst nach hinten austritt (bezogen auf die Elektronen-Emitter 18 und 19), dann jedoch durch die Leitbleche 35 und 36 in Richtung auf die Bewegungsbahn 6 umgelenkt wird.

Wesentlicher Teil der Hilfselektrode 31 ist die den Elektronen-Emittern 18 und 19 zugekehrte Frontplat te 30a des Gehäuses 30. Diese Frontplatte 30a ist jedenfalls zwischen dem Magnetsystem 26 und den Elek tronen-Emittern 18 und 19 angeordnet. Das Zentrum der Vakuumkammer 1 wird durch die Welle 4 gebildet, die sich gemäß Fig. 1 hinter der Hilfselektrode 31 befin det.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 befindet sich auf der Seite der Anoden 20 und 21 in der Kammerwand 2 der Vakuumkammer eine Magnetron-Kathode 37 mit einem aus Beschichtungsmaterial bestehenden Target 38. Es handelt sich um ein ganz ähnliches Magnetron, wie es in Fig. 1 unten dargestellt ist.

Die Magnetron-Kathode 37 ist durch einen Isolierkör per 39, der gleichzeitig als Dichtungskörper ausgebil det ist, im Kathodengehäuse 15 (vergl. Fig. 1) gehal ten, und zwar unter Freilassung eines Luftspaltes 40, dessen Weite geringer ist als der sich unter den übli chen Betriebsbedingungen einstellende "Dunkelraum abstand". Für die seitliche Begrenzung des Targets 38 sind an der Kammerwand 2 in gleichem Abstand winkelför mige Erdungsschirme 41 angeordnet. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß sich auf dem Umfang des Kathoden grundkörpers 42 und des Targets 38 keine Glimmentladung ausbildet.

Die Magnetron-Kathode 37 in Fig. 3 dient zum Beschich ten der Substrate 17 nach Beendigung des Ätzprozesses. Während die Substrate 17 (Bohrer) während des Ätzpro zesses nicht gedreht werden müssen, muß wegen der ein seitig wirkenden Magnetron-Kathode 37 während des Beschichtungsvorganges jedoch eine Rotation der Sub strate im Sinne der gestrichelten Pfeile 43 stattfin den.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist der obere Teil gegenüber Fig. 2 unverändert. An die Stelle der Hilfselektrode 31 mit dem Magnetsystem 26 ist jedoch eine Magnetron-Kathode 44 getreten, und zwar auf der der Bewegungsbahn 6 abgekehrten Seite der Elektronen-Emit ter 18 und 19. Auch diese Magnetron-Kathode 44 trägt ein aus Beschichtungsmaterial bestehendes Tar get 45. Die Magnetron-Kathode 44 ist im Kathoden gehäuse 14 gleichfalls mittels eines Isolierkörpers 39 gehalten und über eine elektrische Leitung 47 mit einer variablen Spannungsquelle 46 verbunden. Eine solche Anordnung läßt sich von Ätzen auf Beschichten umschal ten. Der Ätzprozeß wird bei einem negativen Kathoden potential von 100-250 V durchgeführt. Als Substrat potential werden negative Potentiale von 300-1000 Volt verwendet. Während der Ätzphase bildet das Target 45 gewissermaßen die Hilfselektrode. Durch Einstellen eines negativen Kathodenpotentials von etwa 400-700 V, wodurch eine Erhöhung der Leistungsdichte von <1 Watt/cm² auf etwa 8-15 Watt/cm² erfolgt (bezogen auf die Targetoberfläche), läßt sich der Ätzprozeß in einen Beschichtungsprozeß umschalten. Das Substratpotential wird für die Beschichtung typisch aus dem Bereich von 1-10 Volt bis -100 Volt gewählt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 sind auf bei den Seiten der Bewegungsbahn 6 in gegenüberliegender Anordnung Magnetron-Kathoden 37 (gemäß Fig. 3) und 44 (gemäß Fig. 4) angeordnet, die mit Targets 38 bzw. 45 versehen sind. Mindestens eine der Magnetron-Kathoden ist in analoger Weise wie in Fig. 4 an eine variable Spannungsquelle angeschlossen, deren Ausgangsspannung von Ätzbetrieb auf Beschichtungsbetrieb umschaltbar ist. Der Magnetron-Kathode 44 sind hier in analoger Weise wie in Fig. 4 die beiden Elektronen-Emitter 18 und 19 zugeordnet, während der Magnetron-Kathode 37 die Anoden 20 und 21 zugeordnet sind. Die räumliche Lage der Elektronen-Emitter 18 und 19 und der Anoden 20 und 21 stimmt im übrigen relativ zur Bewegungsbahn 6 mit derjenigen in Fig. 2 überein, insbesondere im Hinblick auf das Abstandsverhältnis a:b.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist die räum liche Lage gegenüber derjenigen in Fig. 3 im wesent lichen umgekehrt, d. h. die ansonsten völlig überein stimmende Hilfselektrode 31 mit dem Magnetsystem 26 ist nunmehr in die Kammerwand 2 eingesetzt. Ihr sind gleichfalls in Übereinstimmung mit Fig. 3 die Elek tronen-Emitter 18 und 19 vorgelagert. Auf der den Elek tronen-Emittern 18 und 19 gegenüberliegenden Seite der Bewegungsbahn 6 sind nunmehr in Richtung auf das Zen trum der Vakuumkammer die beiden Anoden 20 und 21 ange ordnet. Die hinter diesen angeordnete Beschichtungs quelle "S" ist nur sehr schematisch dargestellt, sie kann ein Vakuum-Verdampfer oder eine andere PVD-Mate rialquelle sein.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 sind die Elektronen-Emitter 18 und 19 gleichfalls auf der Seite der Bewegungsbahn 6 angeordnet, die der Kammerwand 2 zugekehrt ist. Von der Bewegungsbahn 6 aus gesehen be findet sich hinter den Elektronen-Emittern 18 und 19 an der Kammerwand 2 eine Magnetron-Kathode 44, die mit derjenigen nach Fig. 4 (unten) übereinstimmt und mit einem Target 45 versehen ist. Auch diese Magnetron-Kathode ist in nicht näher dargestellter Weise an eine variable Spannungsquelle 46 angeschlossen, wie dies in der genannten Fig. 4 (unten) dargestellt ist. Durch entsprechende Änderung der Ausgangsspannung der Span nungsquelle 46 läßt sich die Vorrichtung von "Ätz betrieb" auf "Beschichtungsbetrieb" umschalten. Hiermit ist auch eine entsprechende Änderung des Substrat potentials vorzunehmen.

Fig. 8 zeigt den unteren Teil des Rahmens 16 des Sub strathalters 5 mit mehreren Einsteckhülsen 48, deren Achsen unter einem Winkel α zur Senkrechten ausgerich tet sind. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei den Substraten 17 um sogenannte Spiralbohrer, die aufgrund der Schrägstellung der Einsteckhülsen 48 nach Art eines Fischgrätmusters aufgerichtet sind. Die untere Rahmen seite 16a ist mit einer Tragstütze 49 versehen, die ihrerseits lösbar in eine Halterung eingesetzt ist, die an der Welle 4 (Fig. 1) befestigt ist. Fig. 8 zeigt auch die Umrißlinie der Hilfselektrode 31 bzw. die Frontplatte 30a und die beiden Elektronen-Emitter 18 und 19, die sich in Form langgestreckter Drähte in vertikaler Richtung vor der Frontplatte 30a und paral lel zu dieser erstrecken. Die Fußpunkte 18a und 19a der Elektronen-Emitter sind an Masse gelegt, während die beiden oberen Enden mit einer Spannungsquelle 50 ver bunden sind, so daß sich die beiden Elektronen-Emitter auf Temperaturen aufheizen lassen, bei denen eine nen nenswerte Elektronen-Emission stattfindet.

Sämtliche Targets, Magnetron-Kathoden, Hilfselektroden etc. haben einen rechteckigen Umriß, dessen längste Achse senkrecht verläuft. Auch der geometrisch ähnlich ausgebildete Rahmen 16 des Substrathalters 5 besitzt eine senkrecht ausgerichtete, längste Achse. Auch die Elektronen-Emitter 18 und 19 bzw. die Anoden 20 und 21 haben eine solche Länge, daß sie sich durch das gesamte Ätzsystem hindurch erstrecken.

Beispiel

In einer Vakuum-Ätz- und Beschichtungsanlage des Typs Z 700 der Firma Leybold Aktiengesellschaft in Hanau, Bundesrepublik Deutschland, die gemäß den Fig. 1, 2 und 8 besonders ausgestattet war, wurden Spi ralbohrer mit einem Durchmesser von 8 mm zunächst geätzt und dann mit einem Hartstoffüberzug aus TiAl-N_x beschichtet.

Die Bohrer 17 waren mit Dichlormethan entfettet und in alkalischen Lösungen gereinigt und abschließend in Fluorchlorkohlenwasserstoff getrocknet worden. Die sau beren Teile wurden dann in den Substrathalter gemäß Fig. 8 eingesetzt. Die Vakuumkammer 1 wurde zunächst bis auf einen Druck von 10^-5 mbar evakuiert, und anschließend wurde Argon mit einem Reinheitsgrad von 99,99% eingelassen, bis der Druck in der Vakuumkammer 2·10^-3 mbar betrug.

Der Achsabstand zwischen den Anoden 20 und 21 betrug 95 mm, der Achsabstand zwischen den beiden Elektronen-Emit tern 18 und 19 war 60 mm. Das Maß a betrug 85 mm, das Maß b 40 mm. Der Abstand der durch die Elektronen-Emit ter 18 und 19 hindurch gelegten Ebene E1 von der Frontplatte 30a war 20 mm, und die Ebene E1 von den Polflächen der Permanentmagnete 30 mm. Die Breite der Hilfselektrode 31 lag bei 80 mm, ihre Länge (in verti kaler Richtung) bei 500 mm.

Das Anodenpotential wurde auf +60 V eingestellt, an die Substrate wurde ein negatives Potential von 500 V ange legt. Die Feldstärke des Magnetfeldes im Substrat bereich betrug 600 A/m, im Bereich der Elektronen-Emit ter 3500 A/m. Während des gesamten Ätzbetriebs, der sich über die Dauer von 4 Minuten erstreckte, wurde eine Leistungsdichte von 2 Watt/cm² bezogen auf die Substratoberfläche eingestellt. Es ergab sich eine ein wandfreie Ätzung, die sich über die gesamte Oberfläche der Bohrer 17 erstreckte und bei der keine Beschädigung der Schneidkanten erfolgte.

In einem nachfolgenden Beschichtungsprozeß wurden die Bohrer mit einem 4 µm dicken Schichtsystem aus TiAl-N_x beschichtet. Belastungsversuche ergaben, daß die TiAl-N_x-Schicht nicht zu Ablösungen neigte.

Als Target wurde eine Zusammensetzung von Ti:Al 50:50 at% eingesetzt. Die Beschichtung fand unter Anwendung von N als Reaktivgas wie oben beschrieben statt.

Bei dieser Anlage mit kontinuierlicher Substratrotation (vergleiche auch EP 02 11 057 und EP 03 71 252) genügt es zur Erzeugung mehrerer alternierender Schich ten 52, 51, die Umlaufgeschwindigkeit der Substrate so hoch zu wählen, daß während der Zeitabschnitte mit hohen und niedrigem Partialdruck jeweils mehrere Durch läufe der Substrate durch den Beschichtungsbereich vor der Materialquelle (Magnetron-Kathode) notwendig sind.

Nachfolgende Tabelle verdeutlicht die unterschiedlichen Schichteigenschaften.

Die Sputteranlage nach einem weiteren Ausführungsbei spiel (Fig. 14) besitzt ein vakuumdichtes, geerdetes Gehäuse 61, das über einen im Bodenbereich befindlichen Anschlußstutzen 62 für eine Vakuumpumpe evakuierbar ist. Über die Zuleitungen 63 für Argon und die Zulei tung 64 für N₂ im Deckenbereich des Gehäuses 61 kann wahlweise ein Inertgas, beispielsweise Argon, und/oder ein Reaktionsgas, beispielsweise Stickstoff, in das Gehäuse 61 eingeleitet werden. In die seitliche Gehäu sewandung 65 ist ein Magnetron 66 (eine sogenannte Hochleistungs-Zerstäubungskathode) eingesetzt, auf die beispielsweise ein Ti/Al-Target mit 50 at% Al aufgebon det ist.

In unmittelbarer Nachbarschaft des Magnetrons 66 in dem Gehäuse 61 ist eine Ionisationseinrichtung mit zwei Elektroden 67 und 68 angeordnet, zwischen denen auf einer kreisförmigen Bahn eine Substrathalterung 69 hin durchführbar ist, an der die nicht gezeigten Substrate befestigt sind.

Von den beiden Elektroden 67 und 68 der Ionisationsein richtung liegt die dem Magnetron 66 näher liegende Elektrode 67 in positiver Spannung, während die dem Magnetron abgewandte Elektrode die Emitter-Elektrode 68 ist. Bei den Elektroden handelt es sich bevorzugt um jeweils einen oder zwei Stäbe aus einem temperatur beständigen Metall, wie z. B. Wolfram. Hinter der Emit ter-Elektrode 68 ist (in Blickrichtung vom Magnetron 66 zur Gehäuseachse 81) ein Magnetsystem 86 angeordnet, das die weiter oben beschriebene Erhöhung des Bias-Stroms um bis zu 30 at% bewirkt.

Die Substrathalterungen 69 sind um je eine Achse 82 drehbar gelagert, so daß durch die Rotation der Sub strate eine allseitige und gleichmäßige Beschichtung der Substrate im Bereich der Ionisierungseinrichtung und des Magnetrons erfolgen kann. Eine ganze Anzahl solcher Substrathalterungen 69 sind an einer horizonta len Trageinrichtung 83 für den Substrataufbau befe stigt, die mittels einer hierzu koaxialen Antriebs welle 84 um die Gehäuseachse 81 drehbar ist.

In dem der Ionisationseinrichtung gegenüber liegenden Gehäusebereich ist eine Heizstation 85 angeordnet, an der die Substrat-Halterungen 69 mit den Substraten bei Rotieren der Trageinrichtung 83 um die Gehäuseachse 81 vorbeigeführt werden, um sie vor der Beschichtung auf zuheizen.

Der Beschichtungsvorgang ist nachfolgend beschrieben:

Aus dem Target werden mehr oder weniger viele Atome oder Partikel herausgeschlagen, insbesondere aus den Bereichen, wo die Horizontalkomponenten der Magnet felder ihre Maxima haben. Ein hoher Anteil der abge stäubten Atome verläßt das Target in Richtung auf das Substrat, wo durch Zugabe von Stickstoff gemäß Fig. 7 ein dünne Mehrlagenschicht niedergeschlagen wird. Die Schichtbildung vollzieht sich in einzelnen Verfahrens abschnitten.

Für die Steuerung des Prozeßablaufs kann ein in der Zeichnung nicht dargestellter Prozeßrechner vorgesehen werden, der Meßdaten verarbeitet und Steuerungsbefehle abgibt. Diesem Prozeßrechner können beispielsweise die Werte des aus der Messung bestimmten Partialdrucks für das Reaktivgas zugeführt werden. Aufgrund dieser und anderer Daten kann er zum Beispiel einen reaktiven Gas fluß aus einem Behälter oder einen anderen Gasfluß aus einem Behälter über in die Zuführungslei tung eingeschaltete Ventile regeln und die elektroni schen Betriebsdaten der Kathode einstellen. Der Prozeß rechner ist auch in der Lage, alle anderen Variablen zu überwachen.

Die in der Zeichnung gezeigte Beschichtungsanlage läßt sich auch über einen in der Zeichnung nicht dargestell ten Microprozessor betreiben. Dies erlaubt es einen aufwendigen Beschichtungsprozeß mit mehreren einzelnen, genau reproduzierbaren Prozeßschritten auszuführen. Die Sputterenergieversorgung ist stromgeregelt, es ist aber auch möglich, mit einer Leitungsregelung zu arbeiten.

Zum Freisputtern der Magnetron-Kathoden werden auf einer Drehvorrichtung montierte Blenden zwischen die Kathoden und die Substrate gefahren. Im Anschluß daran werden die Kathoden in zwei Stufen freigesputtert. Die erste Stufe ist ein kurzes Sputtern bei geringem Druck und geringem Kathodenstrom, in der zweiten Stufe wird der Druck und der Strom erhöht. Der Sputterstrom über steigt hierbei den Strom während des Beschichtens. Der Druck ist in etwa dem Beschichtungsdruck gleich.

Die Freisputterzeit richtet sich dabei nach dem Target material und dem angewendeten Beschichtungsprozeß.

Durch Prozesse wie Magnetronsputtern stehen Beschich tungstechniken zur Verfügung, die den PVD-Prozeß auch bei relativ niedrigen Substrattemperaturen (200°C-600°C) ermöglichen.

Bei der neuen Mehrlagenschicht wird die gesamte Hart stoffschicht durch Einfügen zahlreicher Zwischenschich ten 51 und 52, die ebenfalls aus Hartstoffmaterial bestehen, gemäß Fig. 9 gebildet. Hierdurch wird die Eigenspannung der Gesamtschicht (Fig. 9) vermindert.

Auf diese Art können Schichtwerkstoffe hergestellt wer den, wie sie in konventionellen, metallurgischen Schmelzprozessen nicht gewonnen werden können.

Endprodukte, unter anderem Gebrauchsgegenstände, Werk zeugmaterialien wie Werkzeugstähle, HSS-Stähle, Hart metalle, Stellite und nichtrostende Edelstähle werden zuerst entfettet und in alkalischen Ultraschallbädern gereinigt. Anschließend werden die Werkzeuge abgespült und getrocknet.

An diese mechanische und chemische Reinigung schließt sich das Ionenätzen (Sputtercleaning) an. Dieser Vor gang dauert abhängig von der Ätzleistung und der Ver schmutzung der Substrate ca. 1-10 Minuten. Die Sub strate werden hierbei mit einem Potential von -300 V bis 1-1750 V versorgt, der Argon-Druck liegt im Bereich von 10^-2 mbar.

Die Qualität der nachfolgenden abzuscheidenden Schicht hängt u. a. von der geometrischen Prozeßordnung, der Sputterleistung und vom Reaktivgasfluß ab. Die typi schen Abscheidungsraten für TiAl-N_x liegen im DC-Betrieb bei einer Leistungsdichte am Target von 10 W/cm² und einem Kammerdruck von 5·10^-3 mbar Argon um ca. 100 nm/min. Mit zunehmendem N₂-Partialdruck sinkt die Abscheidungsrate. Bei zu hohem Partialdruck besteht die Gefahr, daß die Targetoberfläche nitriert wird.

Das zu beschichtende Substrat wird gemäß Fig. 1 gegen über der Rezipientenwand auf negatives Potential (Bias) gelegt. Dadurch erreicht man, daß das zu beschichtende Substrat während des Beschichtungsprozesses permanent mit Metall- und Inertgas-Ionen beschossen wird. Dieser Teilchenbeschuß sorgt zusätzlich zu Beginn des Beschichtungsprozesses für eine verbesserte Adhäsion zwischen Schicht und Substrat (Interface). Im weiteren Prozeßverlauf führt dieser Ionenbeschuß zu einer Ver dichtung der Deckschicht.

Die Deposition energiereicher Teilchen verknüpft mit zusätzlicher Beheizung der Substrate sorgt für erhöhte Beweglichkeit und Diffusion der abgeschiedenen Atome an der Substratoberfläche, wodurch neben den Schichteigen schaften auch das Schichtwachstum stark beeinflußt wird.

Zur Struktur, Morphologie und Textur ist zu sagen, daß der Gitteraufbau für TiAl-N_x in etwa dem des Materials TiN mit NaCl Struktur entspricht, wobei je nach Al-Gehalt Ti-Atome durch die Al-Atome substituiert werden.

In Fig. 10 ist der Gitteraufbau von TiN und in Fig. 11 der Gitteraufbau für TiAl-N_x veranschaulicht, wobei der mit 60 bezeichnete kleine Durchmesser N, der mit 59 bezeichnete Durchmesser Al und der mit 61 bezeichnete Durchmesser Ti wiedergibt.

Die Gitterkonstante von 4.24 A für das Material TiN wird mit zunehmendem Al-Anteil bedingt durch den klei neren Atomradius von Al im Vergleich zu Ti (siehe Fig. 10) kleiner und schrumpft für das Material TiAl-N_x (siehe Fig. 11) bis um ca. 0,07 A. In Abhängigkeit von der Substrat-Biasstromdichte, dem Argon-Druck und der Substrattemperatur, läßt sich (wie auch im Modell von Thornton erklärt) die Schichtstruktur beeinflussen. Die besten Schichteigenschaften lassen sich bei Ausbil dung der Struktur gemäß Zone T im Thornton-Modell er reichen. Es handelt sich dabei um eine Übergangs struktur aus dichtgepackten, faserförmigen Körnern. Die Schichtoberfläche ist dabei sehr glatt. Die Schicht wächst je nach Prozeßführung mit einer (111)-Vorzugs- bzw. einer (111, 220, 200)-Multiorientierung auf.

Um bei Werkzeugen insbesondere bei Schneidwerkzeugen hochfeste Funktionsschichten aus TiAl-N_x einsetzen zu können, die eine für die Dünnschichttechnik vergleichs weise große Schichtdicke aufweisen müssen, ist es er forderlich, daß die ternäre Sputterschicht wie die kon ventionellen, binären PVD-Schichten eine geringe Eigen spannung aufweist. Die Gesamtspannung, die bei Einsatz der Schicht am Interface-Schicht-Substrat auftritt, verhinderte bisher die Anwendung und teilweise sogar die Herstellung dicker tenärer Schichten, die dann nicht funktionell einsetzbar waren.

Das neue Verfahren bzw. die hiermit hergestellte neue Schicht als Mehrlagenschicht bewirkt, daß durch die zwischenliegenden Schichten immer wieder ein neuer Wachstumsabschnitt begonnen wird, der unabhängig von der zuvor gebildeten Schicht entsteht. Durch die Mehrfach unterbrechung bzw. durch Einfügen dünner Schichten mit höherem N/Ti-Anteil wird die Schicht insgesamt span nungsfreier als herkömmliche einlagige Schichten.

Diese mehrlagigen Schichten eignen sich für Endprodukte insbesondere für Schneidwerkzeuge, die eine hohe Festigkeit besitzen und die eine hohe Standzeit insbe sondere auch für den kritischen Bereich scharfkantiger Schneiden und Schneidecken aufweisen sollen. Im Ar beitseinsatz überlagert man nämlich die Spannung aus dem Bearbeitungsvorgang, insbesondere bei Materialien mit hoher Festigkeit, durch die am Schneidwerkzeug bereits vorliegenden Spannungen. Die am Schneidwerkzeug im Interface-Schicht-Substrat auftretenden Spannungen können also auf vorteilhafte Weise durch "Entspannung" der Hartstoffschicht durch Hinzufügen mehrerer Zwi schenschichten in die Schicht vermindert werden, so daß eine Ablösung bzw. Abplatzen des Schichtmaterials bzw. der Funktionsschichten, die das Werkzeug vollständig umgeben und vor Verschleiß schützen, verhindert wird.

Die in Fig. 9 dargestellte Mehrlagenschicht 72 kann also das Arbeitswerkzeug bzw. Substrat 17 bzw. alle Funktionsflächen vollständig umgeben. Werkzeuge, die in der Herstellung nicht so aufwendig sind, werden meist nur einmal beschichtet, während die in der Herstellung teuren Werkzeuge ohne weiteres mehrmals beschichtet werden können.

In Fig. 13 ist der zeitliche Ablauf der Schichtbildung auf dem zu beschichtenden Material veranschaulicht. Hieraus geht hervor, wie der Stickstoffanteil in die Vakuumkammer über die Zeit t (min) eingegeben wird. Der Stickstoffanteil in der Zwischenschicht 52 wird in vor teilhafter Weise zuerst sehr hoch eingestellt und danach wird die Stickstoffzufuhr in Form einer Rampe 73 heruntergefahren. Die Rampenfunktion ist eine Funktion der Gaszufuhr. Der zeitliche Ablauf ergibt sich aus Fig. 13, wobei zur Bildung der Schicht 52 von ca. 0,1 µm in etwa 1 Minute und zur Bildung der Schicht 51 von ca. 0,9 µm ca. 9 Minuten benötigt werden.

Je nach Verwendungszweck bildet man auf dem Substrat oder Werkstück zuerst eine dünne Schicht 52 mit einer Schichtdicke zwischen 0,05 und 0,15 µm, deren Stick stoffanteil relativ hoch ist. (Vergleiche hierzu den Kurvenverlauf im 1. Abschnitt gemäß Fig. 13, Schicht 52.) Die relativ dünne Schicht 52 hat die Funk tion einer Kittmasse in dem Beschichtungssystem, die es gestattet, auf der einen Schicht 52 eine zweite, weni ger Stickstoff aufweisende, spannungsreiche, dicke Schicht 51 aufzubringen.

Beim reaktiven Sputtern wird aufgrund der an der Kathode vorliegenden Targetchemie die Sputterrate her untergefahren, dadurch wird bei erhöhter Stickstoff zufuhr kurzfristig Al im Substrat angereichert, weil bevorzugt das Ti mit dem zunehmenden Stickstoffanteil in der Anlage reagiert. Durch das geänderte Ti:Al:N-Verhält nis wird ein Einfluß auf das Wachstum der Schicht 52 erzielt. Die beschriebene Veränderung des Konzentrationsverhältnisses Ti:Al muß anschließend wie der so verändert werden, daß das Ti:Al-Verhältnis annä hernd gleich bleibt (vergl. Schicht 51).

Die gesamte Schicht 72 kann insgesamt aus sechs einzel nen Schichten 51, 52 bestehen, wobei jeweils auf eine dünne Schicht 52 eine dicke Schicht 51 folgt. Der Schichtaufbau ergibt sich auch aus den Fig. 9 und 10, die einen Calotest veranschaulichen. Eine derartige Schicht bzw. Funktionsschicht 72 für Arbeitswerkzeuge bzw. HSS-Stähle kann ca. 3,5 µm Schichtdicke aufweisen. Turbinenschaufeln können sogar eine Schichtdicke von ca. 12 µm und mehr aufweisen.

Die dickere Schicht 51 kann eine Stärke zwischen 0,5 und 1,5 µm aufweisen. Die dickere Schicht ist aufgrund des geringeren N-Gehaltes im Vergleich zu der stick stoffreicheren Schicht reibungsärmer. Die dickere Schicht ist aus diesem Grund mit Bezug auf das zubear beitende Werkzeug im Abgleitungsverhalten wesentlich günstiger.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Schicht 72 läßt sich erstmalig TiAl-N_x als dicke Funktionsschicht auf einem hochbelasteten Werkzeug aufbringen, ohne daß ein Abplatzen zu befürchten ist, da diese Schicht im Ver gleich zu einer einlagigen Ausführung der Schicht ins gesamt spannungsärmer bzw. spannungsfreier ist. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, daß zwischen zwei dicken stickstoffarmen Schichten 51 eine stickstoffreichere Schicht 52 vorgesehen ist.

Die dickere Schicht 51 aus TiAl-N_x vermeidet meist die im Schichtaufbau bei der kontinuierlich fortgeführten Schichtbildung auftretende Fortpflanzung von Wachstums fehlern, da das Wachstum der sich aufbauenden Schicht nach gewissen Zeitintervallen (gemäß Fig. 13) durch die zweite dünnere, stickstoffreichere Schicht 52 unterbrochen wird. Hierdurch wird auch der Einfluß der Fortsetzung von Wachstumsfehlern in der Schicht mit zu nehmender Schichtdicke vermieden.

Die bessere Oxidationsbeständigkeit für TiAl-N_x im Ver gleich zu TiN kann durch die Bildung von Al₂O₃ und die selektive Oxidation von Al an der Substratoberfläche geklärt werden. Al diffundiert aus der TiAl-N_x-Schicht in die Randzone und durch den Sauerstoff aus der Umge bung wird die Oberfläche oxidiert.

Die Zugabe von Aluminium verursacht im TiN-System eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit. Die sich im Ver schleißprozeß bildende Oxidhaut an der Schichtober fläche wirkt als Sperrschicht für weitere Diffusions prozesse. Diffusionsinduzierte Verschleißprozesse kön nen dadurch vermindert werden. Zusätzlich besitzt die sich an der Oberfläche ausbildende Al₂O₃-Schicht auch eine hohe mechanische Stabilität, die verschleiß mindernd wirkt.

Untersuchungen haben gezeigt, daß sich im Randschicht bereich der TiAl-N_x-Schicht nach der Oxidation fast ausschließlich Al und O befinden. Ti und N sind in der äußeren Oxidationszone fast vollständig verschwunden. Allgemein läßt sich feststellen, daß der TiAl-N_x im Vergleich zu TiN eine verbesserte Oxidationsbeständig keit (TiN 600°C, TiAl-N_x 700 750°C) besitzt und hervor ragende Verschleißeigenschaften z. B. an Wendeschneid platten, Bohrern oder Drahtziehsteinen und Turbinen schaufeln aufweist.

Bei der Abscheidung von Hartstoff-Schichten wird in der Regel ein möglichst geschlossenes, der Zone T des Thornton-Diagramms entsprechendes Wachstum angestrebt. Selbst bei einem optimalen Schichtwachstum verursachen Kanten und Spitzen an Werkzeugen und Bauteilen eine Störung des homogenen Schichtwachstums in mikroskopisch kleinen Bereichen.

Dieser Effekt ist insbesondere dort zu beobachten, wo in den Deckschichten zweier sich berührender Flächen hauptsächlich eine Orientierung vorherrscht. In Über gangsbereichen wie Schneiden und Kanten treten, wie bereits ausgeführt, in der Tat verstärkt Wachstums fehler auf.

Am Beispiel der Beschichtung eines Bohrers kann gezeigt werden, daß insbesondere die Bereiche der Haupt- und Nebenschneiden und der Bereich der Schneidecken bezüg lich des Schichtwachstums problematisch sind.

Durch ein ununterbrochenes Wachstum mit Vorzugsorien tierung treten an allen Schneiden und Schneidecken "Wachstumsübergänge" auf, weil in diesen Bereichen ent sprechend viele beschichtete Flächen aufeinander treffen.

An diesen Übergängen werden bei der Anwendung schnell Aufbrüche und ein Verschleiß der Schicht bei vorliegen der mechanischer Beanspruchung des Werkzeugs führen.

Ein frühes Versagen der Hartstoffschicht und der früh zeitige Ausfall des Werkzeugs sind die Folge.

Eine Alternative hierzu bilden die mehrlagigen TiAl-N_x-Schich ten. Die Besonderheit dieser Schichten liegt in der gezielten Störung des homogenen Schichtwachstums. Dies führt dazu, daß solche Problemzonen, wie sie bei spielsweise am Bohrwerkzeug beschrieben wurden, in den Kantenbereichen von beschichteten Werkzeugen nicht in der beschriebenen ausgeprägten und daher kritischen Form auftreten. Außerdem werden die Eigenspannungen der gesamten Hartstoffschicht durch dieses Beschichtungs verfahren erheblich reduziert.

Im Vergleich zu einlagigen Schichten aus TiN und TiAl-N_x lassen sich mit der neuentwickelten Mehrlagen schicht, die vorzugsweise mit mehreren Vorzugsorien tierungen (Texturen) ausgeführt ist, dichte Verschleiß schutzschichten herstellen, deren Schichtdicken die der konventionellen Schichten um das vier- bis sechsfache übersteigen.

Die kritische Last als Maß für die Haftung der Hart stoffschicht wird durch Anritzen der Oberflächenschicht mit einem kegelförmigen Diamanten untersucht. Unter kritischem Lastwert wird das Auflagegewicht verstanden, bei dem sich die Schicht vom Grundsubstrat ablöst.

Die kritischen Lastwerte für eine mehrlagige TiAl-N_x-Hart stoffschicht liegen auf polierten Stahlsubstraten aus HSS (S6-5-2) zwischen 45 N und 90 N.

Der Reibungskoeffizient wurde mit einem Stift-Scheibe-Tester ermittelt. Der Reibungskoeffizient für TiN als Scheibenbeschichtung und 100 Cr 6 als Kugelmaterial liegt bei 0,44, der für TiAl-N_x zum gleichen Kugelwerk stoff bei 0,58. Der Reibungskoeffizient der neu entwi ckelten Schicht weist für 100 Cr6 einen Wert von 0,25 auf.

Die Werkstoffpaarung HSS/100 Cr6 weist einen Reibungs koeffizienten von 0,73 auf.

Wird als Kugelmaterial ein HSS-Stahl verwendet, so läßt sich der Reibungskoeffizient bei der Paarung mit TiAl-N_x um den Faktor 2,2 und bei der Paarung mit den Hart stoffschichten TiAl-N_x oder TiN auf ca. 40% vermindern.

Es werden Bohrversuche sowohl mit TiN als auch mit TiAl-N_x beschichteten Bohrern durchgeführt. Als zu bear beitender Werkstoff werden X 10 CrNiMoTi 18 10 bzw. 42 CrMo 4 verwendet. Die Bohrwerkzeuge sind hierbei aus HSS-Stahl (S6-5-2) gefertigt.

Für die Bohrversuche wurden Bohrer mit Durchmessern von 5 mm und 10 mm verwendet.

Bei den TiN-beschichteten Bohrern konnten doppelt so hohe Schnittgeschwindigkeiten bzw. Vorschübe bei glei cher mechanischer Belastung gefahren werden wie bei blanken Werkzeugen.

Ferner ist es vorteilhaft, daß in den oberen und/oder letzten Schichten 51 ein zur Oberfläche hin zunehmender Kohlenstoffgehalt vorliegt.

In der oberen und/oder letzten Schicht 51 kann der Koh lenstoffgehalt mit Bezug auf Ti 50 at% betragen.

Ferner ist es möglich, daß zumindest eine der Schichten einen Legierungsbestandteil von 35 at% Ti, 35 at% Al und 30 at% N aufweist.

Ferner ist es möglich, die letzte dicke Schicht bzw. Deckschicht aus Gründen des Verschleißschutzes aus einer anderen Materialzusammensetzung als sehr harte Deckschicht auszubilden, wobei dieses Material eine der Materialzusammensetzung Mo₂B₅, W₂B₅, MoB₂, NbB₂, VB₂, CrB₂, HfB₂, TaB₂, ZrB₂, TiB₂, B₄C, BN, Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂ aufweist. Diese Schicht eignet sich insbesondere dort, wo eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit gefordert wird.

Bezugszeichenliste

1 Vakuumkammer
2 Kammerwand
2a Tür
3 Scharnier
4 Welle
5 Substrathalter
6 Bewegungsbahn für Substrathalter
7 Magnetron-Kathode
8 Magnetron-Kathode
9 Target
10 Target
11 Blende
12 Gasverteilerrohre
13 Anode
14 Kathodengehäuse
15 Kathodengehäuse
16 Rahmen
17 Substrat=Bohrer
18 Elektronen-Emitter
19 Elektronen-Emitter
20 Anode
21 Anode
22 Gasverteilerrohr
23 Gasverteilerrohr
24 Leitblech
25 Leitblech
26 Magnetsystem
27 Jochplatte
28 Tragplatte
29 Kühlmittelleitung
29a, b Anschluß
30 Gehäuse
30a Frontplatte
31 Hilfselektrode
32 Magnetfeld
33 Gasverteilerrohr
34 Gasverteilerrohr
37 Magnetron-Kathode
38 Target
39 Isolierkörper
40 Luftspalt
41 Erdungsschirm
42 Kathodengrundkörper
43 Pfeil
44 Magnetron-Kathode
45 Target
46 Spannungsquelle
47 elektrische Verbindung
48 Einsteckhülse
49 Tragstütze
50 Spannungsquelle
51 dicke Zwischenschicht TiAl-N_x
53 dünne Schicht 1
59 Aluminium
60 Stickstoff
61 Titan
62 Anschlußstutzen für Vakuumpumpe
63 Zuleitung für Argon
64 Zuleitung für N₂
65 Gehäusewandung
66 Magnetron
67 Elektrode
68 Elektrode
69 Substrathalterung
72 Mehrlagenschicht (Multilayerschicht)
73 Rampe für N-Zufuhr
81 Gehäuseachse
82 Achse
83 Trageinrichtung für Substrataufbau
84 Antriebswelle
85 Heizstation
86 Magnetstation
C Beschichtungsstation
E Ätzstation
MS Mittelsenkrechte
S Beschichtungsquelle "S"

Claims

1. Oberflächenschicht für Endprodukte, wobei die Oberflächenschicht aus einer Mischung aus Metal len gebildet wird, wobei die Gruppe 1 mindestens Titan, Zirkonium, Hafnium oder Vanadium und die Gruppe 2 mindestens Aluminium oder Silicium ent hält und eine derartige Metallmischung auf das Endprodukt im Vakuumverfahren insbesondere in reaktiver Stickstoff-Atmosphäre aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen schicht (2) aus abwechselnden Schichten (51 bis 52) gebildet ist, wobei das Verhältnis des Metallgemisches, insbesondere der aus einer TiAl-N_x-Metallgemisch bestehenden Schicht zu dem Verhältnis der angrenzenden, ebenfalls aus einem Metallgemisch, insbesondere aus TiAl-N_x bestehen den Schicht unterschiedlich groß ist.

2. Oberflächenschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schich ten (51 und 52) eine unterschiedlich große Dicke aufweisen.

3. Oberflächenschicht nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß sich an die aus einem Hartstoffmaterial bestehende dicke Schicht (51) jeweils eine ebenfalls aus einem Hartstoffmate rial bestehende dünne Schicht (52) anschließt.

4. Oberflächenschicht nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Schichten (52) einen höheren Stickstoffanteil aufweisen als die dicken Schich ten (51).

5. Oberflächenschicht nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit hohem Stickstoffanteil eine Dicke zwischen 0,05 und 0,15 µm aufweist.

6. Oberflächenschicht nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Atomteile Ti:N der einen Schicht (51) aus dem Bereich 1,3 bis 1,1 insbe sondere 1,2 und das Verhältnis der Atomteile Ti:N der angrenzenden dünnen Schicht (52) aus dem Bereich 1,1:0,9 insbesondere 1,0 gewählt ist.

7. Oberflächenschicht nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Atomteile Ti:N der dünnen Schicht (52) aus dem Bereich von 0,95 bis 1,0 und das Verhältnis der Atomteile Ti:N der angrenzen den Schicht (51) aus dem Bereich von 1,15 bis 1,2 gewählt ist.

8. Oberflächenschicht nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Atomteile Al:Ti mindestens einer Schicht (51, 52) und/oder des Targets zwi schen 1:0,8 und 1:1 ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Oberflächen schicht nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stickstoff zufuhr während des Schichtaufbaus zwi schen zwei Grenzwerten variiert wird, wobei die Zufuhr von Stickstoff bei der Beschichtung zwischen 100% und 50% variiert wird.

10. Verfahren zur Herstellung einer Oberflächen schicht nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stickstoffzufuhr einer zeitlichen Veränderung unterworfen wird, wobei der Stickstoffgehalt der dünnen Schicht (52) alternierend zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert schwankt und gleichzeitig im Bereich der Substratoberfläche eine Plasmaentladung aufrechterhalten wird, wobei das Substrat auf einer Temperatur zwischen 350°C und 600°C gehalten wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer Oberflächen schicht nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoffgehalt der Oberflächenschicht alternie rend zwischen einem Maximal- und einem Minimal wert schwankt und gleichzeitig im Bereich der Substratoberfläche eine Plasmaentladung auf rechterhalten wird, wobei das Substrat bei HSS-Stahl zwischen 350°C und 550°C gehalten wird.

12. Verfahren zur Herstellung einer Oberflächen schicht nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoffgehalt der Oberflächenschicht alternie rend zwischen einem Maximal- und einem Minimal wert schwankt und gleichzeitig im Bereich der Substratoberfläche eine Plasmaentladung auf rechterhalten wird, wobei das Substrat bei Hart metall als Substratmaterial auf einer Temperatur zwischen 500°C und 600°C gehalten wird.

13. Oberflächenschicht nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der oberen Schicht (51) mit dem geringen Stickstoffgehalt eine Schichtdicke zwischen 0,5 und 2,0 µm aufweist.

14. Verfahren zur Herstellung einer Oberflächen schicht nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Taktverhältnis zwischen den Zeiten hoher Stick stoffzufuhr und den Zeiten niedriger Stickstoff zufuhr zwischen 1:5 und 1:15 gewählt wird.

15. Verfahren zur Herstellung einer Oberflächen schicht nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung des Aufbaus einer Schicht mit niedri gem Stickstoffanteil der Gasfluß sich sprunghaft auf den Maximalwert erhöht und anschließend all mählich, kontinuierlich bzw. stufenweise bis auf den Minimalwert des Gasflusses reduziert wird.

16. Oberflächenschicht nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetausgangsmaterial eine TiAl-Zusammen setzung besitzt, die zwischen 25 at% und 60 at% Al, insbesondere zwischen 30 at% und 55 at% Al, vorzugsweise 50 at% Al enthält.

17. Oberflächenschicht nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu beschichtende Material bzw. Werkstück zuerst mit der dünneren Schicht (52) beschichtet wird.

18. Oberflächenschicht nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der oberen und/oder in den letzten Schich ten (51) ein zunehmender Kohlenstoffgehalt vor liegt.

19. Oberflächenschicht nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der oberen und/oder letzten Schicht (51) der Kohlenstoffgehalt mit Bezug auf Ti 50 at% beträgt.

20. Oberflächenschicht nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Schichten eine Zusammen setzung von 35 at% Ti, 35 at% Al und 30 at% N aufweist.

21. Oberflächenschicht nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Schichten, insbesondere die Deckschicht (51), aus einem Material besteht, das eine der Materialzusammensetzung Mo₂B₅, W₂B₅, MoB₂, NbB₂, VB₂, CrB₂, HfB₂, TaB₂, ZrB₂, TiB₂, B₄C, BN, Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂.