DE4206110A1

DE4206110A1 - Mehrlagen-pvd-beschichtungsverfahren zur herstellung dekorativer und korrosionsschuetzender hartstoffoberflaechen

Info

Publication number: DE4206110A1
Application number: DE19924206110
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Dr Muenz
Original assignee: HAUZER HOLDING
Current assignee: HAUZER HOLDING
Priority date: 1992-02-27
Filing date: 1992-02-27
Publication date: 1993-09-02

Description

Es ist bekannt, daß sich herkömmliche PVD-Hartstoffschich ten, wie TiN, TiCN, ZrN, ZrCN, CrN etc. in wäßrigen sauren Lösungen durch ein ausgeprägt positives elektrochemisches Potential auszeichnen. Demgegenüber weisen typische Sub strat-Materialien, auf denen Hartstoffschichten aufgebracht werden, zum Beispiel Fe, FeNiCr, Ni, Cr, Cu, CuZn, negative elektrochemische Potentiale auf.

Aus diesem "natürlichen" Tatbestand ergibt sich die nachhal tige Situation, daß bei Vorhandensein einer Pore in der Hart stoffschicht und bei Vorhandensein von Feuchtigkeit und zum Beispiel Spuren von Halogen-Ionen, wie sie durch Abdrücke zum Beispiel von Fingerschweiß entstehen, sich elektrochemi sche Lokalelemente ausbilden, die zwangsläufig zu Lochfraß im Substrat-Material führen.

Es ist heute bekannt, daß man diese Lochfraßbildung weitge hend unterdrücken kann, wenn man die Substratoberfläche mit einer elektrochemisch positiven Deckschicht versieht. Be kannt ist zum Beispiel das Aufbringen einer 0,1 µm bis 2 µm dicken galvanischen NiPd-Schicht, wobei das Edelmetall Pd als positiver Potentialgeber funktioniert. Diese Methode ist jedoch teuer wegen des hohen Edelmetallanteils.

Ferner ist bekannt, daß man das elektrochemische Verhalten der Schichtfolge Metall/Hartstoffschicht deutlich verbes sern kann, wenn man während der Anfangsphase zum Beispiel der TiN-Abscheidung Pd in das Schichtgefüge miteinbaut. Die se Möglichkeit ist jedoch verfahrensmäßig kompliziert und läßt sich nur bei Aufdampfverfahren mit Flüssigkeitsquellen realisieren. Diese wiederum sind industriell ziemlich unin teressant.

Die als chemisch besonders resistent wirksamen Materialien wie Ta und Nb sollten sich als Zwischenschicht zwischen Metall-Substrat und keramischer Hartstoffschicht besonders gut eignen. Benützt man nämlich eine derartige Zwischen schicht, dann bilden sich im Falle einer Pore in der Hart stoffschicht und bei Anwesenheit von sauren wäßrigen Medien direkt unterhalb der Pore elektrisch nicht leitfähige Oxide Ta₂O₅, die ihrerseits nur in flußsäurehaltigen Lösungen ange griffen werden können. Das System weist somit einen selbst heilenden Charakter auf.

Problematisch ist jedoch, daß sich diese Lösung nur sehr schwer, insbesondere industriell sehr schwer realisieren läßt, da weder Ta noch Nb einfach und in dichten dünnen Schichten abgeschieden werden können. Bekannterweise lassen sich Ta wie Nb auch nicht in wäßrigen galvanischen Prozes sen abscheiden.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine besonders vorteilhaf te und technisch unproblematisch zu realisierende Lösung un ter Verwendung des kombinierten Arc-Sputter-Verfahrens, wie es beispielsweise in den europäischen Patentanmeldungen 9 09 09 697.6 und 9 11 06 331.1 beschrieben ist.

Dabei wird zunächst mittels des Arc-Verfahrens die Oberflä che des Substrats im mehrfach ionisiertem Metalldampf von Ta und Nb mit Atomen von Ta oder Nb, einer Legierung aus diesen beiden Elementen oder aus Legierungen, bei denen Ta bzw. Nb den überwiegenden Hauptanteil darstellen, während des bekann ten Ätzschrittes angereichert.

Nach dieser Vorbehandlung wird das Substrat bzw. das zu be schichtende Teil mit einer Schicht, die vorzugsweise 0,05 µm bis circa 2 µm beträgt, aus den oben genannten Materialsyste men beschichtet. Als Beschichtungsverfahren kommt entweder die Arc-Technik oder das Sputter-Verfahren in Frage. Auf die ser Zwischenschicht erfolgt dann die Weiterbeschichtung mit einer Hartstoffschicht, zum Beispiel TiN, ZrN etc.

Besonders vorteilhafte Merkmale der Erfindung und Verfahrens weisen sind in den Patentansprüchen angegeben.

Claims

1. PVD (Physical Vacuum Deposition)-Hartstoff-Beschich tungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen einer Hartstoffschicht, insbeson dere bestehend aus TiN, TiCN, ZrN, ZrCN, HfN, HfCN, TiZrN, TiZrCN, TiNbN, TiNbCN, CrN, CrCN eine Anreiche rung der Substratoberfläche mit Ta- und/oder Nb-Ionen während des Ätzverfahrens nach der Arc-Methode, insbe sondere nach EP 9 09 09 697.6, im hochionisierten Metall dampf von Ta und Nb erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Vorbehandlung mit Ta- und/oder Nb-Atomen eine Beschichtung des Substrats mit Ta und/oder Nb, insbesondere mit einer Schichtdicke von etwa 0,05 µm bis 2 µm, erfolgt, und zwar nach dem insbesondere in EP 9 09 09 697.6 oder in EP 9 11 06 331.1 beschriebenen Arc-Verfahren.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Vorbehandlung mit Ta- und/oder Nb-Atomen die Weiterbeschichtung mit Ta bzw. Nb nach dem Sputter- Verfahren erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Arc-Magnetron-Kathode verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Durchführung des Ätzverfahrens an den Substraten bzw. an den Teilen eine negative Vorspannung von -1000 V bis -1400 V anliegt.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß während des Vorgangs der Beschichtung der Substrate bzw. Teile mit Ta bzw. Nb eine negative Spannung von circa -25 V bis -150 V anliegt.

7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kondensierten Schichten aus Ta bzw. Nb im ku bisch raumzentrierten Kristallgitter abgeschieden wer den.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Weiterbeschichtung der Substrate bzw. Teile TiN, TiCrN, ZrN, ZrCN, HfN, HfCN, TiZrN, TiZrCN, TiNbN, TiNbCN, CrN, CrCN in der dropletfreien Sputter-Technik erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Weiterbeschichtung vorzugsweise unter Verwen dung eines unbalanzierten Magnetrons erfolgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Weiterbeschichtung in einer Mehrkathodenanlage erfolgt, so daß die Substratoberflächen-Anreicherung mit Ta- bzw. Nb-Atomen, die Aufbringung der Zwischen schicht aus Ta bzw. Nb und die darauffolgende Aufbrin gung der dropletfreien Hartstoffschicht in einem einzi gen Vakuumprozeß und in einer einzigen Vakuumanlage durchgeführt wird, wie sie insbesondere in der EP 9 01 15 527.5 beschrieben ist.