EP2220265A1 - Pvd vacuum coating unit - Google Patents

Pvd vacuum coating unit

Info

Publication number
EP2220265A1
EP2220265A1 EP08856536A EP08856536A EP2220265A1 EP 2220265 A1 EP2220265 A1 EP 2220265A1 EP 08856536 A EP08856536 A EP 08856536A EP 08856536 A EP08856536 A EP 08856536A EP 2220265 A1 EP2220265 A1 EP 2220265A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating
substrate carrier
sources
substrates
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08856536A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Juergen Ramm
Christian Wohlrab
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Original Assignee
Oerlikon Trading AG Truebbach
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Oerlikon Trading AG Truebbach filed Critical Oerlikon Trading AG Truebbach
Publication of EP2220265A1 publication Critical patent/EP2220265A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24Vacuum evaporation
    • C23C14/32Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325Electric arc evaporation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/50Substrate holders
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/50Substrate holders
    • C23C14/505Substrate holders for rotation of the substrates

Definitions

  • the invention relates to a vacuum coating system according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for the simultaneous coating of several sheet-like substrates with a hard material layer, according to the preamble of claim 23.
  • PVD vacuum coating systems with substrate holders for tools which are especially optimized for rotationally symmetrical workpiece geometries, such as, for example, shank tools with different dimensions.
  • Examples of this are described production systems of the company OC Oerlikon Balzers AG Liechtenstein, such as the system of the type RCS described in EP 186 681 A1 and in the EP 0 886 880 B1 detail running system type BAI 1200.
  • Typical rotating holders for indexable inserts, the used in these production systems are shown in Figures 1a and 1b.
  • the indexable inserts 7 can be fastened, for example, on drum-like magnetic workpiece carriers 40 or arranged on rods for the tool holder 27 and in alternation with spacers 39.
  • PVD systems are known in which small parts are rotated as bulk material in lattice drums and thereby moved, while they are simultaneously exposed to the coating of outside or inside the drum mounted cathodes as coating sources.
  • Such methods as mentioned for example in EP 0 632 846, have the disadvantage that the small parts strike against one another or against the drum as a result of the drum movement and thus, especially with hard metal parts, scratch surfaces and damage sharp edges such as cutting edges.
  • CVD coating machines for cutting tools such as indexable inserts have been known for a long time.
  • the chemical process for separating the desired material from the gas phase either purely thermally or, as in the present specification, additionally excited by a plasma applied between substrates and electrodes, such as a pulse plasma.
  • a disadvantage of such with respect to the substrate size and shape universal equipment is the loading and unloading of the substrates in the brackets and in the system.
  • the universality requirement with regard to the substrates rather requires an adaptation of the substrate holders to the system than to the substrates, thereby making it more difficult to automate the loading and unloading of the substrates.
  • CVD coatings with layers thicker than about 6 ⁇ m CVD processes have been established so far for economic reasons, which are capable of producing large batches in large-volume CVD coating systems (US Pat. Batches) with indexable inserts despite moderate CVD coating rate cost-effective coating.
  • the CVD approach was also supported until recently by the fact that there was no PVD production technology for indexable oxide production and CVD alone seemed possible.
  • An important feature of the CVD coating is a largely uniform distribution of the layers over the indexable insert or the region of the cutting edge, which is advantageous in many cases.
  • this advantage is disadvantageous if a predetermined layer thickness ratio of free and rake face is to be realized on an indexable insert.
  • the high process temperatures in the CVD approach are not suitable for all tools and therefore undesirable.
  • a disadvantage of the CVD technology is, in addition to the low coating rates, the low flexibility in the choice of materials for the coating materials, which are supplied via gaseous precursors.
  • the availability of the corresponding precursor is limited; on the other hand, rare precursors are associated with high production costs.
  • the gaseous precursors are difficult to handle for certain materials, the chemical reactions can not be controlled as freely and independently as is the case with PVD sources, and the CVD reactions are temperature-controlled and a greater variety of precursors in the process chamber makes it difficult to control the desired reaction.
  • the CVD coating rates are small and the heating and cooling cycles are long, so there is a compulsion to large batch plants.
  • the high temperatures and the inflexibility of the materials are disadvantageous. Pooling lots of lots in one batch increases process risk, interrupts substrate manufacturing flow, and reduces process control.
  • the CVD technology is limited and at least associated with high costs for the development of new materials, if at all possible.
  • the object of the present invention is to eliminate or reduce the disadvantages of the prior art.
  • a PVD vacuum coating system for the hard material coating of cutting tools, which are designed in particular as almost two-dimensional flat substrates, such as preferably indexable inserts (also called inserts) and the like Enables productivity or a very rapid layer growth and is preferably suitable for use in indexable insert production, ie Allows for easy, automated assembly and fits into the machine infrastructure of a CVD production line for indexable inserts.
  • the coating system is intended to enable high throughput even in the deposition of thick layers, in particular with poorly conductive, insulating such as oxide-containing layers, in which the substrate holders may have a substantially two-dimensional geometry and which equipped with a variety of substrates and coated at the same time with high efficiency can be.
  • Another object is to provide a new arrangement which PVD
  • Coating sources with substrate holders are combined in such a way that similar areal shaped substrate holders can be used, which can also meet handling requirements in the CVD coating technology already in use and preferably no longer make it absolutely necessary to rotate the substrates. Furthermore, a high flexibility is to be made possible both in the batch size as well as in the layer design with this approach.
  • Another object is the possibility of coating Schneidwerkzeu- gene, in particular indexable inserts, in which the layer thickness ratio of free surface to rake surface varies and can be selectively adjusted.
  • a further task is the simultaneous, as far as possible, simultaneous application of material from the PVD solid sources over the entire substrate surface during the coating, without any possible substrate rotation interrupting the material flow of the solid material sources.
  • Another mission is to develop the typical elements of training from the existing, previously used, CVD substrate mount, and which previously only fit into this technology and was previously only suitable for coating in batch systems, for a new PVD technology that offers higher coating rates makes it possible to take on important aspects and thereby preserve the remaining technical infrastructure of indexable insert production.
  • a further object is to provide a PVD technology by combining CVD substrate support and PVD source arrangement, for which preferably no substrate movement, such as in particular substrate rotation, is necessary, and nevertheless both a substantially uniform layer distribution over the cutting surfaces of the Indexable insert as well as a certain layer thickness ratio for the different cutting surfaces of the insert can be achieved.
  • a vacuum coating system comprises the following elements: a vacuum process chamber connected to a pumping system, at least one reactive gas inlet connected to at least one reactive gas container, at least one PVD coating source having an anode and a planar cathode a substrate carrier with a plurality of substrates, at least one door, which is arranged on the vacuum process chamber for loading or unloading the chamber with the substrate carrier or for passing in another chamber, a transport device for passing the substrate carrier through the door and positioning in the Vacuum process chamber spaced in the region of the flat cathode, at least one power supply, which is connected to the at least one PVD - Be Schweizerungsario.
  • the substrate carrier in which a plurality of substrates are deposited is in this case formed two-dimensionally, horizontally expanded, whereby it is positioned between at least two PVD coating sources.
  • the plurality of substrates are cutting tools with at least one cutting edge formed thereon, which is arranged in the peripheral edge region of the planar substrate. These substrates are deposited distributed in a plane of the two-dimensional extent of the substrate carrier, wherein the substrate carrier is positioned in a horizontal plane in the vacuum process chamber spaced between the planar cathodes of the at least two PVD coating sources such that at least a part of each of the at least one cutting edge Contains active cutting edge and this is at least one of the cathodes of the PVD coating sources aligned at all times in visual communication exposed.
  • the active cutting edge is that part of the edge which is used on the cutting tool in the cutting insert for cutting.
  • the cutting edge includes at least a respective part of the lateral surfaces along the edge which are referred to as chip and open spaces.
  • these cutting edges with the lateral cutting areas are therefore always exposed to at least one of the cathodes of a PVD coating source in direct line of sight.
  • the material flow which is deposited on the cutting edges is never interrupted, at least in the part of the edge which is the active cutting edge.
  • the material flow can vary at most in the deposition rate.
  • layers are deposited at high speed with high quality.
  • the substrate carrier or even the substrates can be moved on the substrate carriers in order to achieve additional homogenization of the layer thickness distribution.
  • substrates can also be rotated relative to the substrate carrier by means of a drive. In such a case, the cutting edges are alternately coated exposed from opposite sources, but always such that there is always a flow of material from at least one source on the at least one cutting edge or the at least two cutting edges of each substrate.
  • an arrangement in which the substrates are deposited fixedly on or within the substrate carrier is substantially preferred.
  • the cutting edges, in particular if several per substrate are present on its circumference, are thereby preferably assigned to the corresponding material flow with respect to one or the other opposite source, depending on which edge or which edge part in direct line of sight with respect to the relevant cathode Source is exposed.
  • edge parts can also be acted on from both sides, depending on the position of the substrates in the substrate carrier arrangement. It is advantageous if the two-dimensional substrates are deposited at right angles to one another in relation to the flat substrate carrier, advantageously slightly spaced apart from one another.
  • the substrates can be deposited slightly inclined relative to the plane of the substrate support, in order to additionally expose certain areas to the sources in an additional preferred manner. It is advantageous if the at least one cutting edge of each substrate on the substrate carrier, on the correspondingly assigned side of the at least one cathode at any time at least 50%, preferably 70% of its length is exposed in visual connection to this aligned and coated there and not there the support in the holder or in the substrate carrier is shaded. Within this area is then the coated active cutting edge, as used in the cutting process with the cutting tool. It can thereby be achieved that the cutting edge of the cutting tool to be used is completely desirably coated and is not disturbed by shading effects.
  • the efficiency (EFZ) of the PVD material flow can be defined as follows:
  • EFZ is the incorporation of target material amount into the layer per time / mass loss of target material per time. This is to some extent a transmission factor which states how much target material of the cathode arrives at the usable surfaces to be coated.
  • the variation of the deposition rate at the substrate surface to be coated (active cutting edge) is denoted by delta (EFZ). This is the temporal variation of this value with the goal of achieving a uniform coating, with or preferably without substrate movement or substrate rotation, based on the time average of EFZ.
  • the delta (EFZ) should be maximum ⁇ 30%, preferably ⁇ 20%, preferably ⁇ 10%.
  • the substrate carrier with the areal extent can, for example, have a lattice-shaped structure, in the spaces of which a plurality of substrates can be easily inserted during charging. Then, in the PVD vacuum process plant, the desired areas of the cutting edges can be coated simultaneously with the associated two-sided cutting surfaces in one process, very economically.
  • the coating of the lateral surfaces, the rake surfaces and the free surfaces according to specification targeted to each other, for example, different layer thicknesses and / or material composition and / or layer Eigen shadow.
  • FIG. 2 Schematic representation of an indexable insert with free surface
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a single-chamber system as an example with a PVD evaporator source
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a single-chamber system with two opposing sources and a horizontally arranged, flat substrate carrier
  • Fig. 5a, b, c a Spiesshalterung for indexable inserts with hole
  • b Spiesshalte- tion for indexable inserts without hole
  • c workpiece holder with rotating skewers
  • FIG. 7 a, b a substrate carrier with indexable inserts simply inserted into a rectangular grid
  • b inserted into a circular grid
  • FIG. 7 a, b a substrate carrier with indexable inserts simply inserted into a rectangular grid
  • b inserted into a circular grid
  • FIG. 10 a, b Schematic representation of a preferred PVD coating system with opposing arc source pairs (a) and two-dimensionally extended substrate carrier arranged therebetween and, for illustration, a sectional view of the same (b).
  • the substrates to be coated essentially have a two-dimensional shape or a planar expanded form. This means that the side lengths a and b are substantially greater than the third side length c of the body, as is the case with the preferred cutting tools 7 to be coated, the indexable inserts and as shown schematically and by way of example in FIG.
  • the aim of the coating is to coat the cutting edges E with the associated flank face B and the rake surface A. In such a cutting tool usually only a part of all formed on the tool edge lengths is used with the associated side surfaces during the cutting process. This part is referred to as the active cutting edge E 'and is within 50% or even only 30% of the total length of a cutting edge available on the workpiece.
  • the expansions E "away from the edge E in the flank B where the flank wear D occurs and away from the edge E into the rake face A where the scoring occurs are in the range of 50 ⁇ m to 5.0 mm and must also be coated It may be advantageous to provide the coating in these regions of the rake face and the flank face selectively with different layer thickness, which additionally makes the present invention possible.
  • the cutting tool has to be coated with the necessary high quality only in these specified areas, the others can Unused areas on the tool are used for the support, for example, by placing in a grid 25 'with openings 25 on the substrate carrier or by using a hole 28 in the central region of the substrate 7, which also lies in the unused area of the tool do not have to have planar surfaces and may also be curved on individual sides or on all sides or may also have other flat contours or contain depressions or elevations for example mounting arrangements in a tool holder or a better chip removal in the cutting process.
  • Cutting tools are preferably polygonal, flat bodies. Triangular and quadrangular bodies are preferably used, with the active cutting edges each starting from the corners, as shown in FIG.
  • the active cutting edges E 'to be coated with the associated lateral parts of the free surface B and the rake surface A to be coated are in the vicinity of the 4 cutting corners. In this case, these surfaces should be largely uniformly coated from the corner of the indexable insert about 2 to 5 mm, without the substrate carrier 6 leading to shadowing during the coating.
  • the indexable inserts 7 are used in the corners and a few hundred microns along the edges for the cutting process. This is the areas of crater wear C and flank wear D.
  • FIG. 3 greatly simplifies the basic arrangement of a vacuum coating system with which substrates 7 such as indexable inserts can be coated on a quasi-planar substrate carrier 6, preferably a grid.
  • the system consists of a vacuum chamber 1, which can be evacuated via a pumping system 2.
  • the workpiece carrier 6 with the several workpieces 7 are brought via a door or lock 4 in the transport direction 5 on the horizontal transport plane 3 in the coating position in front of the source 8.
  • the coating takes place with a PVD coating source 8, which is preferably an arc evaporation source, which is equipped with an ignition device 9, an anode 10 and a cathode or target 11.
  • the necessary reactive gases are introduced via at least one reactive gas inlet 12 from at least one reactive gas container 13.
  • an inert gas inlet 14 is provided for noble gases such as argon, which is connected to the inert gas container 15.
  • the reactive gas container 13 preferably contains one of the gases nitrogen, oxygen, hydrocarbon, silane, hydrogen boride, hydrogen, combinations of these gases and preferably oxygen for the reactive deposition of the desired layer compounds.
  • a plurality of reactive gas containers 13 may be connected to the plant containing various of these gases in order to produce multi-layer multilayer coating systems of various materials and / or to change the types of layers as needed.
  • the Arcverdampferetti is fed with a DC power supply 16 and / or advantageously with a pulse high current supply 17.
  • a further DC power supply 18 is used for a second source 21 on the opposite side of the plant, as shown in FIG.
  • the substrate carrier then lies in a plane 3 between the two sources 8 and 21, preferably parallel to the flat cathodes 11. It is also possible to arrange a plurality of planar substrate carriers 6, although a single large-area one is preferably used.
  • the substrates 7 are preferably acted upon via the substrate carrier 6 with an electrical bias by means of a bias current supply 19, which can be carried out both DC, AC, MF, RF, DC and / or preferably pulsed unipolar and bipolar. Normally, all power supplies are operated against ground 20.
  • the anode 10 in the case of the arc evaporator source it is also possible to keep the anode 10 separate from ground and to operate the source power supplies 16, 17, 18 therewith in a groundless manner between the anode 10 and the cathode 11.
  • the coating preferably takes place without substrate movement, it is possible to place the substrate carrier before, after or during the coating in the horizontal direction or towards the one or the other cathode while maintaining the parallel orientation to the horizontal plane.
  • the cathodes 11 can in this case also be tilted relative to this horizontal plane in order to favor the material flow preferably in a certain direction. It is also possible to rotate the entire substrate carrier 6 about its vertical axis in the horizontal coating plane. Such a rotation is particularly preferred when layer thickness ratios of free and rake surface must be set specifically or different materials are to be deposited on these surfaces.
  • the PVD coating sources proposed here may be sources of sputtering, such as magnetron sources and / or preferably arc-evaporation sources.
  • at least two opposing coating sources 8, 21, which form at least one PVD source pair and are substantially opposite, are provided with substrate carrier 6 therebetween, with each of the two sources being operated with a DC power supply 16, 18, and preferably both Cathodes 11 of the two sources 8, 21 are operated with a single pulse high current supply, as shown in the figures 4 and 6.
  • the one source of the source pair is thus positioned at a distance above the substrate carrier 6 and the other source is spaced below the substrate carrier. It is advantageous if at least one PVD source pair consists of arc evaporation sources.
  • FIG. 3 An arrangement with only one source 8 on one side of the substrate carrier 6, as shown in FIG. 3, alone does not yet permit all-round coating of the substrates 7, in particular if they are deposited in a substrate carrier which is extended in a planar manner. For this purpose, a rotation of the held indexable inserts 7 would have to be realized.
  • workpiece receivers 27, a kind of rods or skewers, which are inserted in a frame 23 and on which the indexable inserts 7 are held, are schematically illustrated in FIGS. 5a to 5c for indexable inserts. In the figure 5a this is shown for indexable inserts with hole 28 and without hole in Figure 5b with the fastener 29.
  • the rotation is via a rotary drive 30 with the direction of rotation 31.
  • the rotary drive is coupled to a gear 33 and the motor drive 32.
  • the coating can be deposited better and individually controlled at the desired areas on the substrate 7 and the arrangement is easier and more economical to handle.
  • the edge parts to be coated always see at least one of the at least two sources and are exposed to them.
  • On the correspondingly assigned side of the one cathode 11, at least 50%, preferably 70%, of the length of the cutting edge (E) of its length are thus exposed in visual contact to the corresponding cathode.
  • movements 22 of the entire substrate carrier 6 in the horizontal plane and / or in the direction of the cathodes 11 between the at least one source pair are possible.
  • the stationary arrangement of the Sustratizis 6 with the fixed therein substrates 7 is preferred.
  • Arc current, the set gas pressure and the resulting coating characteristics and can with the help of the known in the art simulation method be optimized so that a largely uniform coating thickness distribution on the areas to be coated of the substrates 7, in particular in the coated cutting edge areas of indexable inserts can be achieved.
  • the source evaporation characteristic can be further influenced and optimized by variable magnetic fields, the pulsing of the arc current and the gas pressure, which in addition allows a source arrangements with still greater degree of freedom than shown for example in Figures 3 and 4.
  • FIG. 6 shows how an in-line system is constructed based on this concept.
  • a plurality of indexable inserts (workpieces) 7 are again laid out on at least one workpiece carrier or substrate carrier 6. As a simple form, these are formed like a lattice, as shown in FIGS. 7a and 7b.
  • the workpiece carrier 7 consists of a frame 23 which surrounds the lattice-like workpiece support 24 with the corresponding plurality of openings 25 for insertion. supply of the substrates 7 in these openings.
  • the workpiece support may preferably be formed as a grid 25 'and is preferably made of conductive material, for example as a wire grid 25', so that a bias voltage can be applied to the substrates 7 in a simple manner.
  • This at least one workpiece carrier 6 is brought either by differential pumping or in corresponding pre-chambers in the process pressure environment. A pretreatment such as heating and etching can be done, for example, in antechambers. The coating then takes place in the system, as shown in FIG.
  • FIG. 34 A preferred version of a multi-chamber system 34 as regards flexibility in designing the process flow is shown in FIG.
  • the individual chambers 1a, 1b, 1c communicating with each other via a transport chamber 36 with central handling system connected to each other and the substrate carrier 6 with the several inserted indexable inserts 7 are according to predetermined process flow of a single chamber 1a - 1c to the other transported.
  • the advantage of such a system is that process steps of different lengths with a high duty cycle can also be inserted into the process flow.
  • Another advantage is, for example, that the coating with oxidic and nitridic materials can take place in different process chambers and that these chambers then have to be equipped only with the necessary components especially for these coatings.
  • the arc sources preferably have a magnet system with which it is possible to generate at the target surface a very small perpendicular magnetic field, for example between 3 and 50 Gauss, but preferably in a range between 5 and 25 Gauss.
  • the arc sources are completely without magnetic operated and it can be achieved with Arcverdampfer provoken nevertheless very high evaporation rates.
  • the pulsed operation of the sources which is also preferred, can influence the directionality of the vaporized source material.
  • the evaporation rates of arc sources can easily be adjusted to achieve coating rates of up to 20 ⁇ m / hr and greater on the substrates 7, such as preferably indexable inserts.
  • a pulse bias supply is preferred, preferably bipolar, for example with short positive and long negative voltage pulses, alternatively with alternating voltage (AC), and / or with DC supply at the substrate carrier 6 and one DC generator for the operation of each arc source connected.
  • the arc sources are preferably additionally connected to a pulse generator, either with a pulse generator between two arc sources, ie an arc source pair, or a pulse generator per arc source, superimposed parallel to the associated DC supply, as described in WO 2006/099760 and which hereby declared the integral part of this application.
  • An electronic ignition device is advantageously used, which enables the ignition of the arc sources even with an oxide occupancy of the cathodes (targets).
  • a gas inlet system with connection for at least one inert gas 14 for heating or etching steps and connections for at least two reactive gases 12 (eg nitrogen, oxygen, hydrocarbons, borane hydrogen, silicon hydrogen, hydrogen etc.) for the coating is advantageously provided.
  • gases 12 eg nitrogen, oxygen, hydrocarbons, borane hydrogen, silicon hydrogen, hydrogen etc.
  • This makes it easy to produce multi-layer layers of different materials with just one target material.
  • a metallic Adhesive layer followed by a nitridic or carbide hard layer followed by an oxide cover layer with hard or even flowing transitions between the individual materials of the different layer areas are deposited.
  • the production of multi-layer layers with micro- or nanometer-thick layer layers are thus easily adjustable, as this only a corresponding change in the gas flows, such as nitrogen and oxygen, is made.
  • such systems may consist of alternately deposited TiAIN / TiAIO, CrAIN / CrAIO, ZrAIN / ZrAIO layers.
  • FIG. 10 a shows schematically a preferred PVD arc source arrangement 8, 21 for a single-chamber system 1 and as a two-dimensional section (b).
  • an almost complete wrap-around of the cutting edge regions of the substrates 7 to be coated, in particular of indexable inserts, is achieved with good uniformity of the coating on the respective cutting surfaces E on both sides of the substrate carrier 6.
  • the indexable insert as already mentioned, is simple and strongly based on CVD handling and the existing infrastructure in CVD technology.
  • the indexable inserts are simply inserted into grids 25 'as shown in more detail in FIGS. 7a and 7b.
  • the uniformity of the coating is achieved by the arc source assembly 8, 21, which are mounted in the recipient wall.
  • the recipient consists of two hemispherical parts, in the middle of which the substrate carrier 6 is positioned with the grid 25 'with the indexable inserts 7 (FIG. 10). Accordingly, for multilayer systems based on different source materials, multiple sources, in particular source pairs with oppositely disposed sources, should be provided for different materials. It is convenient to arrange the sources accessible from the outside to the chamber wall, as shown in Figure 10.
  • sources can also be positioned within a vacuum chamber, whereby the chamber wall is not additionally exposed, at least in the source area, inclined or curved must be formed when the sources are to be aligned to certain areas of substrate carrier assemblies.
  • ionization sources or orifices may be disposed in front of the arc sources and heaters in the chamber, which is not shown here, but is known to those skilled in the art.
  • FIG. 10 shows a particularly suitable arrangement with four source pairs 8, 21, that is to say with a total of eight sources, which are slightly inclined relative to one another and directed towards the substrate carrier.
  • the coating conditions on the regions of the substrates to be coated can be set well, for example the deposition rates by individually different feeding of the sources with different arc currents or source power and / or the layer composition with different materials. These settings can also be varied during operation, whereby even different profiles, for example, the layer composition and / or the crystalline layer structure can be driven. You can also use only two source pairs or more than 4 source pairs, depending on the application. The source pairs may also be preferred in one direction, for example arranged in a line depending on how the substrates 7 are positioned with their cutting edges E positioned in the substrate carrier 6 and certain regions of the substrates 7, for example the cutting surface more or less preferably on certain Art to be coated.
  • the at least one paired, opposing source arrangement 8, 21 and the two-dimensional design of the substrate carrier 6 between them replaces a necessary substrate rotation.
  • the high evaporation rates of the PVD sources enable an economically high coating rate on the substrates 7.
  • the cutting edges with the cutting surfaces of the indexable inserts are continuously exposed during the coating to the material flow of the solid sources, which allows targeted multilayer structures on the substrate, without causing any rotation of these structures.
  • This feature of the presented process solution is of great importance for thick layer systems, in which the layer stress and other layer properties, such as hardness, must be controlled.
  • the coating can advantageously take place without substrate movement, it is additionally possible to connect the substrate carrier 6 to a movement device 22 which moves it, for example, periodically relative to the PVD coating sources 8, 21, preferably in a horizontal movement, for example parallel to the horizontal transport plane.
  • the substrate carrier 6 can accommodate at least 30 substrates 7, preferably up to a maximum of 1000.
  • a very suitable lot size is preferably at least 200 pieces to a maximum of 600 pieces.
  • a particularly important hard material coating arrangement comprises a source in which at least one cathode 11 contains one of the materials AL, Cr, Ti or Zr or its alloys, wherein at least one reactive gas container 13 contains the gas oxygen to the reactive coating.
  • the system may have a loading robot outside the vacuum for the efficient charging or discharging of the substrate carrier 6 with the substrates 7, which is operatively connected to the transport device 5.
  • the system door 4 can be designed as a vacuum lock for introducing at least one substrate carrier 6 into a pretreatment chamber 35 and / or vacuum processing chamber 1, 1a-1c.
  • At least two, preferably a plurality of vacuum chambers 1, 1a-1c can be operated to communicate with one another via openings 4, preferably via locks 4, for processing a plurality of process steps, wherein at least one of the vacuum chambers 1, 1a-1c has at least one arc vapor source 8, 21 ,
  • At least two arc evaporator sources 8, 8 ', 21, 21' can be arranged on one side, preferably on both sides, of the flat substrate carrier 6 and the surfaces of the associated cathodes 11 can be arranged inclined relative to one another in the direction of the substrate carrier 6 for focusing the material flow on preferred regions of the substrates 7, wherein the sources 8, 21 are preferably individually operable, for example by adjusting the arc current electrical power and / or pulse conditions.
  • at least four arc evaporator sources 8, 8 ', 21, 21' are arranged on one side, preferably on both sides, of the planar substrate carrier 6, and the surfaces of the associated cathodes 11 are arranged inclined relative to one another in the direction of the substrate carrier 6, the sources preferably are individually operable.
  • a layer deposited on the substrate 7 is economically produced on the side surfaces of the active cutting edge E with thicknesses in the range of 0.1 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • this combination of flat substrate holder and directional PVD coating allows for the first time the setting of predetermined layer thickness ratios of free and rake surface without substrate rotation. This was not possible with previously known coating systems. This feature now makes it possible to realize a very application-specific design for indexable insert coating. What has been said here for the layer thickness adjustment can also be applied analogously to the combination of different materials, for example, a first material can preferably be deposited on the flank A and a second material preferably on the rake face B, ie it can be scouring and flanking. It can be separated and optimized for specific coating material, which was not possible until now.

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Abstract

A vacuum coating unit contains a reactive gas inlet (12), at least one PVD coating source (8, 21) having a sheet-like cathode (11) and a substrate carrier (6) containing a plurality of substrates (7), where the substrate carrier (6) forms a two-dimensional horizontal extension and is positioned between at least two PVD coating sources and the plurality of substrates (7) are cutting tools having at least one cutting edge (E) in the peripheral region of the sheet-like substrate (7) and are distributed in a plane of the two-dimensional extension of the substrate carrier (6), where the substrate carrier (6) is positioned in a horizontal plane (3) in the vacuum process chamber (1) at a spacing between the sheet-like cathodes (11) of the at least two PVD coating sources (8, 21) in such a way that at least a part of each of the at least one cutting edge (E) contains an active cutting edge (E') which is at all times exposed in direct line of sight to at least one of the cathodes (11) of the PVD coating sources (8, 21).

Description

PVD - Vakuumbeschichtungsanlage PVD - Vacuum coating system
Die Erfindung betrifft eine Vakuumbeschichtungsanlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur gleichzeitigen Beschichtung von mehreren flächenförmigen Substraten mit einer Hartstoffschicht, gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 23.The invention relates to a vacuum coating system according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for the simultaneous coating of several sheet-like substrates with a hard material layer, according to the preamble of claim 23.
Es existieren PVD - Vakuumbeschichtungsanlagen mit Substrathalterungen für Werkzeuge, die vor allem für rotationssymmetrische Werkstückgeometrien, wie beispielsweise für Schaftwerkzeuge mit unterschiedlichen Abmessungen, optimiert sind. Beispiele dafür sind Produktionssysteme der Firma OC Oerlikon Balzers AG Liechtenstein beschrieben, wie die Anlage vom Typ RCS beschrieben in der EP1 186 681 A1 und der in der EP 0 886 880 B1 näher ausgeführten Anlage vom Typ BAI 1200. Typische rotierende Halterungen für Wendeschneidplatten, die in diesen Produktionssystemen eingesetzt werden, sind in der Figur 1a und 1b dargestellt. Die Wendeschneidplatten 7 können dabei beispielsweise auf trommelartigen magnetischen Werkstückträgern 40 befestigt werden oder auf Stäben zur Werkzeugaufnahme 27 und im Wechsel mit Distanzstücken 39 angeordnet sein.There are PVD vacuum coating systems with substrate holders for tools, which are especially optimized for rotationally symmetrical workpiece geometries, such as, for example, shank tools with different dimensions. Examples of this are described production systems of the company OC Oerlikon Balzers AG Liechtenstein, such as the system of the type RCS described in EP 186 681 A1 and in the EP 0 886 880 B1 detail running system type BAI 1200. Typical rotating holders for indexable inserts, the used in these production systems are shown in Figures 1a and 1b. The indexable inserts 7 can be fastened, for example, on drum-like magnetic workpiece carriers 40 or arranged on rods for the tool holder 27 and in alternation with spacers 39.
Für die Beschichtung von Kleinteilen sind PVD - Anlagen bekannt, in denen Kleinteile als Schüttgut in Gittertrommeln rotiert und dadurch bewegt werden, während sie gleichzeitig der Beschichtung von ausserhalb oder innerhalb der Trommel angebrachten Kathoden als Beschichtungsquellen ausgesetzt sind. Solche Verfahren, wie beispielsweise in der EP 0 632 846 erwähnt, haben den Nachteil, dass die Kleinteile durch die Trommelbewegung gegeneinander oder gegen die Trommel schlagen und somit, besonders bei Hartmetallteilen, Oberflächen zerkratzt und scharfe Kanten, wie Schneidkanten, beschädigt werden.For the coating of small parts PVD systems are known in which small parts are rotated as bulk material in lattice drums and thereby moved, while they are simultaneously exposed to the coating of outside or inside the drum mounted cathodes as coating sources. Such methods, as mentioned for example in EP 0 632 846, have the disadvantage that the small parts strike against one another or against the drum as a result of the drum movement and thus, especially with hard metal parts, scratch surfaces and damage sharp edges such as cutting edges.
CVD - Beschichtungsanlagen für Schneidwerkzeuge, wie Wendeschneidplatten sind seit langem bekannt. Ein typische Beispiel für einen solchen Anlagentyp, in dem Wendeschneidplatten in Gittern ausgelegt und in einer oder mehreren Ebenen beschichtet werden, ist aus der WO 99/27155 A1 , Fig.4a bekannt. Dabei kann der chemische Prozess zur Abscheidung des gewünschten Materials aus der Gaspha- se entweder lediglich thermisch oder wie in der vorliegenden Schrift zusätzlich durch ein zwischen Substraten und Elektroden angelegtes Plasma, wie einem Pulsplasma angeregt werden.CVD coating machines for cutting tools such as indexable inserts have been known for a long time. A typical example of such an installation type, in which indexable inserts are designed in lattices and coated in one or more planes, is known from WO 99/27155 A1, FIG. 4a. In this case, the chemical process for separating the desired material from the gas phase either purely thermally or, as in the present specification, additionally excited by a plasma applied between substrates and electrodes, such as a pulse plasma.
Aus den Anmeldungen CH 00518/05 und CH 1289/05 ist es bekannt, den Funkenstrom entweder durch gleichzeitiges Anlegen einer DC- und einer Pulsstromversorgung an eine Arcverdampferquelle, oder durch Anlegen einer einzelnen gepulsten Stromversorgung an zwei DC-gespeisten Arcverdampferquellen zu Pulsen. Auf diese Weise lassen sich mehrere Arcquellen sogar auch dann noch kontinuier- lieh und stabil betreiben, wenn sie in stark sauerstoffhaltiger oder reiner Sauerstoffatmosphäre betrieben werden und sich während des Prozesses ihre Oberflächen mit einer isolierenden Schicht belegen. Damit wird es möglich, isolierende, besonders auch Oxidschichten in PVD-Batch-Produktionsanlagen herzustellen.From applications CH 00518/05 and CH 1289/05 it is known to pulse the spark current either by simultaneously applying a DC and a pulse power supply to an arc evaporator source, or by applying a single pulsed power supply to two DC powered arc evaporator sources. In this way, several arc sources can even continue to operate lent and stable, if they are operated in a strongly oxygen-containing or pure oxygen atmosphere and occupy their surfaces with an insulating layer during the process. This makes it possible to produce insulating, especially oxide layers in PVD batch production plants.
Industrielle PVD-Anlagen für die Beschichtung von Werkzeugen und Bauteilen werden heute üblicherweise nicht so ausgelegt, dass sie nur auf eine Substratform und -grosse optimiert sind. Der Grund dafür besteht darin, dass in diesen Be- schichtungssystemen aus Rentabilitätsgründen eine Vielzahl von sehr unterschiedlichen Substratg rossen und -formen beschichtet werden müssen und dass für die bisher übliche PVD-Schichten lediglich Dickenbereiche von ca. 4 μm bis ca. 6 μm angestrebt werden bzw. diese auch nicht dicker hergestellt werden können wegen der dann auftretenden hohen Eigenspannungen. Um nun die Werkstücke mit oft komplexen dreidimensionalen Strukturen gleichmässig mit einem mehrere Mikrometer (μm) dicken Schichtsystem zu versehen, ist deshalb üblicherweise eine mehrfache Substratdrehung Voraussetzung. Das hat aber wiederum zur Folge, dass deshalb bei solchen Verfahren nur verhältnismässig kleine Wachstumsraten von einigen μm /h erreichbar sind und deshalb PVD-Anlagen heute verhältnismässig grosse Beschichtungskammern aufweisen, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen.Industrial PVD equipment for the coating of tools and components are usually not designed so that they are optimized only to a substrate shape and size. The reason for this is that, for profitability reasons, a multiplicity of very different substrate sizes and shapes must be coated in these coating systems and that only thickness ranges of approximately 4 μm to approximately 6 μm are desired for the previously used PVD layers or these can not be made thicker because of the then occurring high residual stresses. In order to provide the workpieces with often complex three-dimensional structures evenly with a layer system that is several micrometers (μm) thick, a multiple substrate rotation is therefore usually required. However, this in turn means that only relatively small growth rates of a few μm / h can be achieved in such processes and therefore PVD systems today have relatively large coating chambers in order to enable economic operation.
Ein Nachteil solcher mit Hinblick auf die Substratgrösse und -form universellen Anlagen ist das Be- und Entladen der Substrate in die Halterungen und in die Anlage. Die Universalitätsforderung bezüglich der Substrate bedingt viel eher eine Anpassung der Substrathalterungen an die Anlage als an die Substrate und erschwert dadurch eine Automatisierung des Be- und Entladens der Substrate.A disadvantage of such with respect to the substrate size and shape universal equipment is the loading and unloading of the substrates in the brackets and in the system. The universality requirement with regard to the substrates rather requires an adaptation of the substrate holders to the system than to the substrates, thereby making it more difficult to automate the loading and unloading of the substrates.
Es gibt noch weitere wesentliche Nachteile, die aus der Universalitätsforderung entstehen. Die dichte Packung der Substrate im PVD-Produktionssystem und die dadurch notwendige Rotation unterbrechen fortwährend periodisch den gerichtete Materialfluss der PVD-Quellen zum Substrat hin, während die zugeführten Reaktivgase kontinuierlich auf die Schicht wirken. Es gibt Ansätze, dass in PVD- Beschichtungssystemen mittig zusätzliche PVD-Quellen angebracht werden könnten, um das Problem zu verringern. Das verringert praktisch wohl die Problematik etwas, löst sie aber nicht wirklich, da auch hier der Materialfluss zeitlich nicht genügend konstant gehalten werden kann, zumindest unter der Anforderung von hoher Beladungsdichte mit hoher Produktivität. Die Variation im Materialfluss der PVD- Quellen zum Substrat führt zu einer Submultilayerstruktur beim Schichtaufbau, also einer Variation der Struktur bzw. Zusammensetzung der Schicht über die Schichtdicke. Diese kann vorteilhaft sein, beispielsweise mit Hinblick auf den Stresseinbau in die Schicht, besitzt aber auch Nachteile, falls sehr dicke Schichten hergestellt werden müssen. Vor allem hängt diese Submultilayerstruktur von der Geometrie der Substrathalterungen ab. Beim gegenwärtigen Stand der Technologie überwiegen die Nachteile und die Beschichtung mit PVD-Batchanlagen ist wegen der zu geringen Beschichtungsraten, insbesondere im Hinblick auf dicke Oxidschichten, nicht wirtschaftlich ist.There are other major disadvantages that arise from the universality requirement. The dense packing of the substrates in the PVD production system and the rotation thus required periodically interrupt the directional material flow of the PVD sources towards the substrate, while the reactive gases supplied continuously act on the layer. There are indications that additional PVD sources could be centrally placed in PVD coating systems to reduce the problem. This virtually reduces the problem somewhat, but does not really solve it, since here too the material flow can not be kept sufficiently constant over time, at least under the requirement of high loading density with high productivity. The variation in the material flow of the PVD sources to the substrate leads to a sub-multilayer structure in the layer structure, ie a variation of the structure or composition of the layer over the layer thickness. This may be advantageous, for example with regard to the stress in the layer, but also has disadvantages if very thick layers must be made. Above all, this submultilayer structure depends on the geometry of the substrate supports. In the current state of technology, the disadvantages outweigh the disadvantages and the coating with PVD batch equipment is not economical because of too low coating rates, especially with regard to thick oxide layers.
Als weiterer sehr wichtiger Nachteil der gegenwärtigen PVD- Beschichtungstechnologie ist die Schichtdickenverteilung auf dem Werkzeug zu sehen. Das soll am Beispiel der Wendeschneidplatte (schematisch in der Figur 2 dargestellt) näher erläutert werden, trifft aber sinngemäss auch auf alle Schneidwerkzeuge zu, die Schneidflächen in verschiedenen Ebenen aufweisen und im We- sentlichen zweidimensionaler Geometrie sind. Im Falle einer Halterung der Wendeschneidplatten für zweifache oder dreifache Rotation ist es nahezu unmöglich, mit vertretbarem Aufwand beispielsweise eine gleiche Schichtdicke auf Frei- und Spanfläche zu erzeugen, geschweige denn ein vorgegebenes Schichtdickenverhältnis zu realisieren. Dazu sind die Freiheiten beim rotierenden Betrieb in einer Batchanlage zu stark eingeschränkt und es lassen sich solche Anforderungen weder durch eine wirtschaftliche Substratrotation noch durch eine Bewegung der PVD- Quellen mit vertretbarem Aufwand erfüllen.Another very important disadvantage of current PVD coating technology is the layer thickness distribution on the tool. This will be explained in greater detail using the example of the indexable insert (shown schematically in FIG. 2), but applies analogously to all cutting tools which have cutting surfaces in different planes and are essentially of two-dimensional geometry. In the case of a holder of the indexable inserts for double or triple rotation, it is almost impossible, with reasonable effort, for example, an equal layer thickness on free and To produce clamping surface, let alone realize a predetermined layer thickness ratio. For this purpose, the freedoms in the rotating operation in a batch system are too limited and it can meet such requirements neither by an economical substrate rotation nor by a movement of the PVD sources with reasonable effort.
Das ist ein Grund dafür, dass für die Beschichtung von Wendeschneidplatten mit Schichten, die dicker als etwa 6 μm sind, sich aus wirtschaftlichen Gründen bisher vor allem CVD-Verfahren etabliert haben, die in der Lage sind, in grossvolumigen CVD-Beschichtungssystemen grosse Batches (Chargen) mit Wendeschneidplatten trotz moderater CVD-Beschichtungsrate kostengünstig zu beschichten. Unterstützt wurde der CVD-Ansatz bis vor kurzem auch noch durch die Tatsache, dass es keine PVD-Produktionstechnologie zur Oxidherstellung für Wendeschneidplatten gab und allein CVD dafür möglich schien. Wichtiges Merkmal der CVD-Beschichtung ist eine weitgehend uniforme Verteilung der Schichten über die Wendeschneidplatte bzw. des Bereichs der Schneidkante, die in vielen Fällen von Vorteil ist. Allerdings soll hier noch angemerkt werden, dass dieser Vorteil zum Nachteil wird, falls ein vorgegebenes Schichtdickenverhältnis von Frei- und Spanfläche an einer Wendeschneidplatte zu realisieren ist. Und schliesslich sind die hohen Pro- zesstemperaturen im CVD-Ansatz nicht für alle Werkzeuge geeignet und deshalb unerwünscht.This is one reason why for CVD coatings with layers thicker than about 6 μm, CVD processes have been established so far for economic reasons, which are capable of producing large batches in large-volume CVD coating systems (US Pat. Batches) with indexable inserts despite moderate CVD coating rate cost-effective coating. The CVD approach was also supported until recently by the fact that there was no PVD production technology for indexable oxide production and CVD alone seemed possible. An important feature of the CVD coating is a largely uniform distribution of the layers over the indexable insert or the region of the cutting edge, which is advantageous in many cases. However, it should also be noted here that this advantage is disadvantageous if a predetermined layer thickness ratio of free and rake face is to be realized on an indexable insert. And finally, the high process temperatures in the CVD approach are not suitable for all tools and therefore undesirable.
Wesentlich rationeller als bei den PVD-Systemen ist aber die Art und Weise, mit welcher die Wendeschneidplatten für den Betrieb in CVD-Beschichtungssystem be- und entladen werden. Diese beruht im Wesentlichen darauf, dass die Wendeschneidplatten auf tellerförmigen Gittern ausgelegt sind. Dieser Substrathandlings- ansatz wird vor allem auch durch die vor- und nachfolgenden Fertigungsschritte, wie beispielsweise das Sintern, das Flächen-, Seiten-, Kantenschleifen, das Sandstrahlen, das Polieren etc. bestimmt, die in kleinen Losgrössen von ca. 20 bis 400 sinnvoll sind und deren maschinelle Bearbeitungsinfrastruktur auf diese Losgrössen ausgelegt ist. Das Substrathandling in der CVD-Technologie ist demnach auf die oben erwähnten Losgrössen abgestimmt und lediglich bei der Beschichtung werden aus Gründen der Produktivität typisch 5 bis 30 solcher Lose zusammengefasst zu einem CVD-Batch.Much more efficient than the PVD systems, however, is the way in which the indexable inserts are loaded and unloaded for operation in a CVD coating system. This is essentially due to the fact that the indexable inserts are designed on plate-shaped grids. Above all, this substrate handling approach is also determined by the preceding and subsequent production steps, such as, for example, sintering, surface, side, edge grinding, sandblasting, polishing, etc., which make sense in small lot sizes of about 20 to 400 and whose machining infrastructure is designed for these lot sizes. The substrate handling in the CVD technology is therefore adapted to the above-mentioned lot sizes and only in the coating for productivity reasons typically 5 to 30 such lots combined into one CVD batch.
Als Nachteil bei der CVD-Technologie erweist sich neben den niedrigen Beschich- tungsraten auch die geringe Flexibilität in der Materialauswahl bei den Beschich- tungsmaterialien, deren Zuführung über gasförmige Precursor erfolgt. Zum einen ist die Verfügbarkeit der entsprechende Precursor limitiert, zum anderen sind seltene Precursor mit hohen Herstellkosten verbunden. Hinzu kommt, dass die gasförmigen Precursor für bestimmte Materialien nur schwer zu handhaben sind, dass die che- mischen Reaktionen nicht so frei und unabhängig voneinander gesteuert werden können wie es bei PVD-Quellen der Fall ist und dass die CVD-Reaktionen über die Temperatur geregelt werden müssen und eine grossere Vielfalt der Precursor in der Prozesskammer die Steuerung der gewünschten Reaktion erschwert. Das sind alles Gründe dafür, dass mit dieser Technologie heute vor allem nur TiC1 TiN, TiCN und AI2O3 Schichten hergestellt werden können. TiAIN Schichten, wie sie bei PVD beispielsweise problemlos möglich sind und grosse Vorteile in vielen Schneidanwendungen haben, fanden bisher noch keinen Eingang in die Standard CVD- Technologie.A disadvantage of the CVD technology is, in addition to the low coating rates, the low flexibility in the choice of materials for the coating materials, which are supplied via gaseous precursors. On the one hand, the availability of the corresponding precursor is limited; on the other hand, rare precursors are associated with high production costs. In addition, the gaseous precursors are difficult to handle for certain materials, the chemical reactions can not be controlled as freely and independently as is the case with PVD sources, and the CVD reactions are temperature-controlled and a greater variety of precursors in the process chamber makes it difficult to control the desired reaction. These are all reasons why only TiC 1 TiN, TiCN and Al 2 O 3 layers can be produced today with this technology. TiAIN coatings, for example, which are easily possible with PVD and have great advantages in many cutting applications, have not yet found their way into standard CVD technology.
Zusammenfassend lassen sich die Nachteile der existierenden Besen ichtungstech- nologien wie folgt darstellen:In summary, the disadvantages of the existing brushing technologies can be represented as follows:
PVD:PVD:
1. ungeeignetes Substrathand ling für grosse Batches gleicher, vor allem kleiner zweidimensionaler Substrate wie beispielsweise Wendeschneidplatten,1. unsuitable substrate state ling for large batches of the same, especially smaller two-dimensional substrates such as indexable inserts,
2. zu geringe Beschichtungsraten durch die notwendige Substratrotation in grossen Batchanlagen,2. too low coating rates due to the necessary substrate rotation in large batch plants,
3. rotationsbedingter Unterbruch des Materialflusses der Feststoffquelle zum Substrat hin, 4. nahezu unmögliche Einstellung des Schichtdickenverhältnisses zwischen3. rotation-related interruption of the material flow of the solid source towards the substrate, 4. almost impossible adjustment of the layer thickness ratio between
Frei- und Spanfläche. CVD:Free and rake surface. CVD:
1. Notwendigkeit von Batchanlagen aus wirtschaftlichen Gründen, wegen kleiner Beschichtungsraten und langen Aufheiz- und Abkühlungszyklen,1. The need for batch plants for economic reasons, because of small coating rates and long heating and cooling cycles,
2. geringe Flexibilität des CVD-Prozessansatzes bezüglich verschiedener Ma- terialien, da die Precursorauswahl eingeschränkt ist und die Reaktionsmechanismen im wesentlichen nur über die Prozesstemperatur gesteuert werden können,2. low flexibility of the CVD process approach with regard to different materials, since the precursor selection is limited and the reaction mechanisms can be controlled essentially only via the process temperature,
3. komplizierte Prozessentwicklung für neue Materialien und Materialkombinationen mit hohen Kosten beim Einsatz neuer Precursor.3. Complicated process development for new materials and material combinations with high costs when using new precursors.
Schlussfolgerung:Conclusion:
Metalloxide können seit kurzem mittels produktionstauglicher PVD-Technologie hergestellt werden. In Batchanlagen können aber nur kleine Beschichtungsraten realisiert werden wegen der notwendigen Rotation, die für universelle Substratgrö- ssen, nicht aber speziell für Wendeschneidplatten, geeignet ist. Der existierende Stand der Technik basiert auf einem eher ungeeigneten System mit ungeeigneter Substrathalterung bzw. Substrathandling, wodurch die PVD-Technologie in gewissen Anwendungsbereichen, die besonders dicke Schichten erfordern und die ein sehr einfaches, teilweise automatisiertes Handling von Wendeschneidplatten sinn- voll machen, der CVD - Technologie an Produktivität unterlegen ist. Zudem müssen in PVD-Batchanlagen aus wirtschaftlichen Gründen (möglichst hohe Beladungsdichte) die Wendeschneidplatten meist so gehaltert werden, dass die Freifläche gegenüber der Spanfläche dicker beschichtet wird. Dieser Ansatz hat bisher eher nur die spezielle Verwendungsmöglichkeit der Wendeschneidplatten für Fräs- zwecke unterstützt, ist aber kein bevorzugter Ansatz für die Drehanwendungen.Metal oxides have recently been made using production-ready PVD technology. In batch systems, however, only small coating rates can be realized because of the necessary rotation, which is suitable for universal substrate sizes, but not especially for indexable inserts. The existing state of the art is based on a rather inadequate system with inappropriate substrate support, which makes PVD technology useful in certain applications that require extra thick layers and that make very simple, partially automated handling of indexable inserts useful - Technology is inferior to productivity. In addition, in PVD batch plants for economic reasons (highest possible loading density), the indexable inserts usually have to be held in such a way that the free area is coated thicker than the chip area. This approach has hitherto only supported the specific use of indexable inserts for milling purposes, but is not a preferred approach for turning applications.
Die CVD-Beschichtungsraten sind klein und die Aufheiz- und Abkühlungszyklen lang, deshalb besteht der Zwang zu grossen Batchanlagen. Die hohen Temperaturen und die Inflexibilität bei den Materialien sind nachteilig. Die Zusammenfassung von vielen Losgrössen in einem Batch erhöht das Prozessrisiko, unterbricht den Substratfertigungsfluss und reduziert die Prozesskontrolle. Die CVD-Technologie ist dadurch begrenzt und zumindest mit hohen Kosten verbunden für die Entwicklung neuer Materialien, sofern dies überhaupt möglich ist.The CVD coating rates are small and the heating and cooling cycles are long, so there is a compulsion to large batch plants. The high temperatures and the inflexibility of the materials are disadvantageous. Pooling lots of lots in one batch increases process risk, interrupts substrate manufacturing flow, and reduces process control. The CVD technology is limited and at least associated with high costs for the development of new materials, if at all possible.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen bzw. zu verringern.The object of the present invention is to eliminate or reduce the disadvantages of the prior art.
Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine PVD - Vakuum- beschichtungsanlage für die Hartstoffbeschichtung von Schneidwerkzeugen, die insbesondere als nahezu zweidimensionale flächige Substrate ausgebildet sind, wie vorzugsweise Wendeschneidplatten (auch Inserts genannt) und ähnliche, zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Produktivität bzw. ein sehr rasches Schichtwachstum ermöglicht und vorzugsweise für den Einsatz in der Wendeschneidplattenfertigung geeignet ist, d.h. eine einfache automatisierbare Bestückung zulässt und in die maschinelle Infrastruktur einer CVD - Fertigungslinie für Wendeschneidplatten passt. Die Beschichtungsanlage soll hohen Durchsatz ermöglichen auch bei der Abscheidung von dicken Schichten, insbesondere mit schlecht leitenden, isolierenden wie beispielsweise oxidhaltigen Schichten, bei der die Substrathalterungen eine im wesentlichen zweidimensionale Geometrie aufweisen kann und welche mit einer Vielzahl von Substraten bestückt und gleichzeitig bei hoher Wirtschaftlichkeit beschichtet werden kann.In particular, it is the object of the present invention to provide a PVD vacuum coating system for the hard material coating of cutting tools, which are designed in particular as almost two-dimensional flat substrates, such as preferably indexable inserts (also called inserts) and the like Enables productivity or a very rapid layer growth and is preferably suitable for use in indexable insert production, ie Allows for easy, automated assembly and fits into the machine infrastructure of a CVD production line for indexable inserts. The coating system is intended to enable high throughput even in the deposition of thick layers, in particular with poorly conductive, insulating such as oxide-containing layers, in which the substrate holders may have a substantially two-dimensional geometry and which equipped with a variety of substrates and coated at the same time with high efficiency can be.
Weiter soll die Lösung ermöglichen sogenannte Batch - Systeme in CVD- und PVDFurthermore, the solution should enable so-called batch systems in CVD and PVD
- Technik zu ersetzen und die oben geschilderten Nachteile bei den gegenwärtigen PVD- und insbesondere CVD - Beschichtungsanlagen zu vermeiden.- To replace technology and to avoid the above-mentioned disadvantages in the current PVD and in particular CVD coating equipment.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine neue Anordnung zu schaffen welche PVDAnother object is to provide a new arrangement which PVD
- Beschichtungsquellen mit Substrathalterungen derart kombiniert, dass ähnliche flächig ausgebildete Substrathalterungen eingesetzt werden können, die auch Handlingsanforderungen in der bereits eingesetzten CVD - Beschichtungstechno- logie erfüllen können und vorzugsweise eine Rotation der Substrate nicht mehr zwingend notwendig macht. Weiter soll eine hohe Flexibilität sowohl in der Losgrösse wie auch im Schichtdesign mit diesem Ansatz ermöglicht werden.Coating sources with substrate holders are combined in such a way that similar areal shaped substrate holders can be used, which can also meet handling requirements in the CVD coating technology already in use and preferably no longer make it absolutely necessary to rotate the substrates. Furthermore, a high flexibility is to be made possible both in the batch size as well as in the layer design with this approach.
Eine weitere Aufgabe ist die Möglichkeit der Beschichtung von Schneidwerkzeu- gen, wie insbesondere Wendeschneidplatten, bei der das Schichtdickenverhältnis von Freifläche zu Spanfläche variiert und gezielt eingestellt werden kann.Another object is the possibility of coating Schneidwerkzeu- gene, in particular indexable inserts, in which the layer thickness ratio of free surface to rake surface varies and can be selectively adjusted.
Eine weitere Aufgabe ist die möglichst ununterbrochene, gleichzeitige Beaufschlagung mit Material von den PVD-Feststoffquellen über die gesamte Substratoberflä- che während der Beschichtung, ohne dass eine eventuelle Substratrotation den Materialfluss der Feststoffquellen unterbricht.A further task is the simultaneous, as far as possible, simultaneous application of material from the PVD solid sources over the entire substrate surface during the coating, without any possible substrate rotation interrupting the material flow of the solid material sources.
Eine weitere Aufgabe ist es, die typischen Elemente der Ausbildung von der bestehenden, bisher verwendeten, CVD-Substrathalterung, und die bisher nur in diese Technologie passt und bisher nur geeignet war für Beschichtungen in Batchanlagen, für eine neue PVD-Technologie, die höhere Beschichtungsraten ermöglicht, in - wesentlichen Punkten zu übernehmen und damit die übrige technische Infrastruktur der Wendeschneidplattenherstellung zu erhalten.Another mission is to develop the typical elements of training from the existing, previously used, CVD substrate mount, and which previously only fit into this technology and was previously only suitable for coating in batch systems, for a new PVD technology that offers higher coating rates makes it possible to take on important aspects and thereby preserve the remaining technical infrastructure of indexable insert production.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass eine PVD-Technologie geschaffen wird, durch die Kombination von CVD-Substrathalterung und PVD-Quellenanordnung, für welche vorzugsweise keine Substratbewegung, wie insbesondere eine Substratrotation, notwendig ist und trotzdem sowohl eine weitgehend uniforme Schichtverteilung über die Schneidflächen der Wendeschneidplatte als auch ein bestimmtes Schichtdickenverhältnis für die verschiedenen Schneidflächen der Wendeschneidplatte erzielt werden kann .A further object is to provide a PVD technology by combining CVD substrate support and PVD source arrangement, for which preferably no substrate movement, such as in particular substrate rotation, is necessary, and nevertheless both a substantially uniform layer distribution over the cutting surfaces of the Indexable insert as well as a certain layer thickness ratio for the different cutting surfaces of the insert can be achieved.
Die Wirtschaftlichkeit zur Herstellung von Schneidwerkzeugen bei hoher Flexibilität der Einstellbarkeit der gewünschten Schichtparameter mit der zu erzielenden hohen Beschichtungsqualität soll folglich wesentlich verbessert werden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Anordnung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Vorgehen nach Anspruch 23 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.The economy for the production of cutting tools with high flexibility of the adjustability of the desired layer parameters with the high coating quality to be achieved should therefore be substantially improved. The object is achieved by the arrangement according to the features of claim 1 and the procedure of claim 23. The dependent claims define further advantageous embodiments of the invention.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine Vakuumbeschich- tungsanlage folgende Elemente umfasst: eine Vakuumprozesskammer, die mit einem Pumpsystem verbunden ist, mindestens einen Reaktivgaseinlass welcher an mindestens einen Reaktivgasbehälter angeschlossen ist, - mindestens eine PVD - Beschichtungsquelle mit einer Anode und einer flächigen Kathode, einen Substratträger mit mehreren Substraten, mindestens eine Türe, die an der Vakuumprozesskammer angeordnet ist zur Be- oder Entladung der Kammer mit dem Substratträger oder zum Weiterrei- chen in eine weitere Kammer, eine Transporteinrichtung zur Durchreichung des Substratträgers durch die Tür und Positionierung in der Vakuumprozesskammer beabstandet im Bereich von der flächigen Kathode, mindestens eine Stromversorgung, die mit der mindestens einen PVD - Be- Schichtungsquelle verbunden ist.The object is achieved according to the invention in that a vacuum coating system comprises the following elements: a vacuum process chamber connected to a pumping system, at least one reactive gas inlet connected to at least one reactive gas container, at least one PVD coating source having an anode and a planar cathode a substrate carrier with a plurality of substrates, at least one door, which is arranged on the vacuum process chamber for loading or unloading the chamber with the substrate carrier or for passing in another chamber, a transport device for passing the substrate carrier through the door and positioning in the Vacuum process chamber spaced in the region of the flat cathode, at least one power supply, which is connected to the at least one PVD - Beschichtungsquelle.
Der Substratträger, in welchem mehrere Substrate abgelegt sind, wird hierbei zweidimensional, horizontal ausgedehnt ausgebildet, wobei dieser zwischen mindestens zwei PVD - Beschichtungsquellen positioniert ist. Die mehreren Substrate sind Schneidwerkzeuge mit mindestens einer daran ausgebildeten Schneidkante, wel- che im peripheren Randbereich des flächigen Substrates angeordnet ist. Diese Substrate sind in einer Ebene der zweidimensionalen Ausdehnung des Substratträgers verteilt abgelegt, wobei der Substratträger in einer horizontalen Ebene in der Vakuumprozesskammer beabstandet zwischen den flächigen Kathoden der mindestens zwei PVD - Beschichtungsquellen positioniert angeordnet ist derart, dass mindestens ein Teil jeder der mindestens einen Schneidkante eine aktive Schneidkante enthält und diese gegenüber mindestens einer der Kathoden der PVD - Beschichtungsquellen jederzeit in Sichtverbindung exponiert ausgerichtet ist. Die aktive Schneidkante ist derjenige Teil der Kante, welcher am Schneidwerkzeug im Schneideinsatz zum Schneiden benutzt wird. Die Schneidkante beinhaltet mindestens je einen Teil der seitlichen Flächen entlang der Kante welche als Span- und Freiflächen bezeichnet werden.The substrate carrier in which a plurality of substrates are deposited is in this case formed two-dimensionally, horizontally expanded, whereby it is positioned between at least two PVD coating sources. The plurality of substrates are cutting tools with at least one cutting edge formed thereon, which is arranged in the peripheral edge region of the planar substrate. These substrates are deposited distributed in a plane of the two-dimensional extent of the substrate carrier, wherein the substrate carrier is positioned in a horizontal plane in the vacuum process chamber spaced between the planar cathodes of the at least two PVD coating sources such that at least a part of each of the at least one cutting edge Contains active cutting edge and this is at least one of the cathodes of the PVD coating sources aligned at all times in visual communication exposed. The active cutting edge is that part of the edge which is used on the cutting tool in the cutting insert for cutting. The cutting edge includes at least a respective part of the lateral surfaces along the edge which are referred to as chip and open spaces.
Beim Beschichtungsvorgang sind diese Schneidkanten mit den seitlichen Schneidbereichen somit immer gegenüber mindestens einer der Kathoden einer PVD - Be- schichtungsquelle in direkter Sichtverbindung ausgesetzt. Dadurch wird der Materi- alfluss der auf die Schneidkanten abgelegt wird mindestens im Teil der Kante, die die aktive Schneidkante ist, nie unterbrochen. Der Materialfluss kann höchstens in der Abscheiderate variieren. Dadurch werden Schichten mit hoher Geschwindigkeit abgeschieden bei hoher Qualität. In gewissen Fällen kann der Substratträger oder gar die Substrate an den Substratträgern bewegt werden, um eine zusätzliche Ho- mogenisierung der Schichtdicken Verteilung zu erzielen. Substrate können beispielsweise auch gegenüber dem Substratträger zusätzlich über einen Antrieb rotiert werden. In einem solchen Fall werden die Schneidkanten abwechselnd von gegenüber liegenden Quellen exponiert beschichtet, aber immer derart, dass immer ein Materialfluss von mindestens einer Quelle an der mindestens einen Schneid- kante oder den mindestens zwei Schneidkanten eines jeden Substrates anliegt.During the coating process, these cutting edges with the lateral cutting areas are therefore always exposed to at least one of the cathodes of a PVD coating source in direct line of sight. As a result, the material flow which is deposited on the cutting edges is never interrupted, at least in the part of the edge which is the active cutting edge. The material flow can vary at most in the deposition rate. As a result, layers are deposited at high speed with high quality. In certain cases, the substrate carrier or even the substrates can be moved on the substrate carriers in order to achieve additional homogenization of the layer thickness distribution. For example, substrates can also be rotated relative to the substrate carrier by means of a drive. In such a case, the cutting edges are alternately coated exposed from opposite sources, but always such that there is always a flow of material from at least one source on the at least one cutting edge or the at least two cutting edges of each substrate.
Wesentlich bevorzugt wird allerdings eine Anordnung bei welcher die Substrate am bzw. innerhalb des Substratträgers feststehend positioniert abgelegt sind. Die Schneidkanten, insbesondere wenn mehrere pro Substrat vorhanden sind auf des- sen Umfang, sind dadurch gegenüber der einen oder der anderen gegenüberliegenden Quelle jeweils bevorzugt dem entsprechenden Materialfluss dieser Quelle zugeordnet, je nachdem welche Kante oder welcher Kantenteil in direkter Sichtverbindung gegenüber der betreffenden Kathode der Quelle exponiert ist. In gewissen Fällen können auch Kantenteile von beiden Seiten beaufschlagt werden, je nach Lage der Substrate in der Substratträgeranordnung. Es ist von Vorteil, wenn die flächigen Substrate gegenüber dem flächigen Substratträger rechtwinklig nebeneinander positioniert abgelegt sind, mit Vorteil etwas beabstandet voneinander. In gewissen Fällen können die Substrate gegenüber der Ebene des Substratträgers leicht geneigt abgelegt werden, um gewisse Bereiche gegenüber den Quellen zusätzlich bevorzugt zu exponieren. Es ist von Vorteil wenn die mindestens eine Schneidkante von jedem Substrat auf dem Substratträger, auf der entsprechend zugeordneten Seite der mindestens einen Kathode jederzeit mindestens 50%, vorzugsweise 70% ihrer Länge in Sichtverbindung exponiert zu dieser ausgerichtet ist und dort beschichtet wird und dort nicht von der Auflage in der Halterung bzw. im Substratträger abgeschattet wird. Innerhalb dieses Bereiches liegt dann die beschichtete aktive Schneidkante, wie sie beim Schneidvorgang mit dem Schneidwerkzeug benutzt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass die zu nutzenden Schneidkante des Schneidwerkzeuges vollständig erwünschtermassen beschichtet wird und nicht durch Abschatttungseffekte gestört wird.However, an arrangement in which the substrates are deposited fixedly on or within the substrate carrier is substantially preferred. The cutting edges, in particular if several per substrate are present on its circumference, are thereby preferably assigned to the corresponding material flow with respect to one or the other opposite source, depending on which edge or which edge part in direct line of sight with respect to the relevant cathode Source is exposed. In certain cases, edge parts can also be acted on from both sides, depending on the position of the substrates in the substrate carrier arrangement. It is advantageous if the two-dimensional substrates are deposited at right angles to one another in relation to the flat substrate carrier, advantageously slightly spaced apart from one another. In In certain cases, the substrates can be deposited slightly inclined relative to the plane of the substrate support, in order to additionally expose certain areas to the sources in an additional preferred manner. It is advantageous if the at least one cutting edge of each substrate on the substrate carrier, on the correspondingly assigned side of the at least one cathode at any time at least 50%, preferably 70% of its length is exposed in visual connection to this aligned and coated there and not there the support in the holder or in the substrate carrier is shaded. Within this area is then the coated active cutting edge, as used in the cutting process with the cutting tool. It can thereby be achieved that the cutting edge of the cutting tool to be used is completely desirably coated and is not disturbed by shading effects.
Da der Materialfluss an der zu beschichtenden Schneidkante nie unterbrochen wird, kann dieser höchsten um einen gewissen zugelassenen Grad variieren, wodurch eine hohe Schichtqualität mit geringen Eigenspannungen erzielt werden kann. Die Effizienz (EFZ) des PVD-Materialflusses kann folgendermassen definiert wer- den:Since the flow of material is never interrupted at the cutting edge to be coated, this highest can vary by a certain allowable degree, whereby a high layer quality can be achieved with low residual stresses. The efficiency (EFZ) of the PVD material flow can be defined as follows:
EFZ: ist der Einbau an Targetmaterialmenge in die Schicht pro Zeit/Massenverlust an Targetmaterial pro Zeit. Das ist gewissermassen ein Übertragungsfaktor welcher aussagt wieviel Targetmaterial der Kathode an den zu beschichtenden Nutzflächen ankommt. Die Variation der Abscheiderate an der zu beschichtenden Substratfläche (aktive Schneidkante) wird bezeichnet mit delta(EFZ). Dies ist die zeitliche Schwankung dieses Wertes mit dem Ziel eine uniforme Beschichtung zu erreichen, mit oder vorzugsweise ohne Substratbewegung oder Substratrotation, bezogen auf den zeitlichen Mittelwert von EFZ. Das delta(EFZ) sollte maximal ± 30% sein, bevorzugt ± 20%, bevorzugt ± 10%. Der Substratträger mit der flächigen Ausdehnung kann beispielsweise eine Gitter- förmige Struktur aufweisen, in dessen Zwischenräume eine Vielzahl von Substraten einfach eingelegt werden können beim chargieren. Danach können dann in der PVD - Vakuumprozessanlage die gewünschten Bereiche der Schneidkanten mit den zugehörigen beidseitigen Schneidflächen in einem Prozess gleichzeitig, sehr wirtschaftlich, beschichtet werden. Durch individuelle Ansteuerung der Quellen kann die Beschichtung der seitlichen Flächen, die Spanflächen und die Freiflächen, nach Vorgabe gezielt zueinander eingestellt werden, beispielsweise unterschiedliche Schichtdicken und / oder Materialzusammensetzung und / oder Schichteigen- schatten.EFZ: is the incorporation of target material amount into the layer per time / mass loss of target material per time. This is to some extent a transmission factor which states how much target material of the cathode arrives at the usable surfaces to be coated. The variation of the deposition rate at the substrate surface to be coated (active cutting edge) is denoted by delta (EFZ). This is the temporal variation of this value with the goal of achieving a uniform coating, with or preferably without substrate movement or substrate rotation, based on the time average of EFZ. The delta (EFZ) should be maximum ± 30%, preferably ± 20%, preferably ± 10%. The substrate carrier with the areal extent can, for example, have a lattice-shaped structure, in the spaces of which a plurality of substrates can be easily inserted during charging. Then, in the PVD vacuum process plant, the desired areas of the cutting edges can be coated simultaneously with the associated two-sided cutting surfaces in one process, very economically. By individual control of the sources, the coating of the lateral surfaces, the rake surfaces and the free surfaces, according to specification targeted to each other, for example, different layer thicknesses and / or material composition and / or layer Eigen shadow.
Mit der vorliegenden Erfindung werden folgende vorteilhafte Ergebnisse erzielt gegenüber dem Stand der Technik:With the present invention, the following advantageous results are achieved over the prior art:
• hohe Beschichtungsraten mit PVD - Quellen durch die vorteilhafte Geometrie, auch ohne Substratrotation (20 μm/h und mehr),• high coating rates with PVD sources due to the advantageous geometry, even without substrate rotation (20 μm / h and more),
• kein Unterbruch des PVD-Quellenmaterialflusses, dies ermöglicht eine Stressanpassung und dickere Schichten,• no interruption of PVD source material flow, allowing for stress adjustment and thicker layers,
• Multilayerdesign ist möglich,• multilayer design is possible
• einfache, handhabbare und automatisierbare Substrathalterung, • Möglichkeit von Mehrkammersystemen durch Kombination der Einzelkammern für Gesamtprozesssequenz in einer Kammer oder Aufteilung der Prozesssequenz auf mehrere Kammern,• simple, manageable and automatable substrate holder, • possibility of multi-chamber systems by combining the single chambers for the entire process sequence in one chamber or dividing the process sequence into several chambers,
• Anpassung der Losgrösse an die vorhandene Produktion und Infrastruktur,• adaptation of the lot size to the existing production and infrastructure,
• Kurze Prozess- bzw. Taktzeiten (1h gegen bisher 24h CVD, oder 12h PVD bis- her),• Short process or cycle times (1h versus 24h CVD, or 12h PVD so far),
• Gezielte Schichtdickenverhältnisse von Frei- zu Spanfläche des Werkstücks einstellbar,,• Targeted layer thickness ratios of free to chip surface of the workpiece adjustable,
• Keine oder stark reduzierte Substratbewegung,• no or greatly reduced substrate movement,
• Wirtschaftliches Handling von Kleinteilen wie Wendeschneidplatten, • Keine Notwendigkeit einer neuen Infrastruktur zur Adaption an CVD - Produktionslinien, Die Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise und mit schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:• Economical handling of small parts such as indexable inserts, • No need for a new infrastructure for adaptation to CVD production lines, The invention will now be explained in more detail by way of example and with schematic figures. Show it:
Fig.1a, b Eine typische Halterung für Wendeschneidplatten für 2-fach (a) oder 3-fach (a und b) Rotation, die in PVD-Batch-Produktionssystemen, gemäss Stand der Technik eingesetzt wird,1a, b A typical holder for indexable inserts for 2-fold (a) or 3-fold (a and b) rotation, which is used in PVD batch production systems, according to the prior art,
Fig. 2 Schematische Darstellung einer Wendeschneidplatte mit FreiflächeFig. 2 Schematic representation of an indexable insert with free surface
(B), Spanfläche (A) und den Bereichen, die bei der Zerspanung dem Kolkverschleiss (C) und Freiflächenverschleiss (D) ausgesetzt sind,(B), rake face (A) and the areas exposed to scoring (C) and flank wear (D) during cutting,
Fig. 3 Schematische Darstellung eines Einkammersystems als Beispiel mit einer PVD-Verdampferquelle,3 shows a schematic diagram of a single-chamber system as an example with a PVD evaporator source,
Fig. 4 Schematische Darstellung eines Einkammersystem mit zwei gegenüberliegenden Quellen und dazwischen horizontal angeordnetem, flächigen Substratträger,4 shows a schematic representation of a single-chamber system with two opposing sources and a horizontally arranged, flat substrate carrier,
Fig. 5a, b, c a: Spiesshalterung für Wendeschneidplatten mit Loch, b: Spiesshalte- rung für Wendeschneidplatten ohne Loch, c: Werkstückaufnahme mit drehenden Spiessen,Fig. 5a, b, c a: Spiesshalterung for indexable inserts with hole, b: Spiesshalte- tion for indexable inserts without hole, c: workpiece holder with rotating skewers,
Fig. 6 Konzept einer In-Iine Anlage mit linearer Bewegung der Substratträger,6 concept of an in-line system with linear movement of the substrate carrier,
Fig. 7a, b a: Substratträger mit Wendeschneidplatten einfach in rechteckförmi- ges Gitternetz eingelegt, b: in kreisförmiges Gitter eingelegt,FIG. 7 a, b a: substrate carrier with indexable inserts simply inserted into a rectangular grid, b: inserted into a circular grid, FIG.
Fig. 8 Konzept einer In-Iine Anlage mit getrennten Prozesskammern, Fig. 9 Mehrkammersystem mit zentraler Transportkammer und Vorbehandlungskammer,8 concept of an in-line system with separate process chambers, 9 multi-chamber system with central transport chamber and pre-treatment chamber,
Fig. 10 a,b Schematische Darstellung einer bevorzugten PVD-Beschichtungs- anlage mit gegenüberliegenden Arcquellenpaaren (a) und dazwischen angeordnetem zweidimensional ausgedehnten Substratträger sowie zur Verdeutlichung eine Schnittdarstellung derselben (b).10 a, b Schematic representation of a preferred PVD coating system with opposing arc source pairs (a) and two-dimensionally extended substrate carrier arranged therebetween and, for illustration, a sectional view of the same (b).
Die zu beschichteten Substrate besitzen im Wesentlichen eine zweidimensionale Form bzw. eine flächig ausgedehnte Form. Dies bedeutet dass die Seitenlängen a und b wesentlich grösser sind als die dritte Seitenlänge c des Körpers, wie es bei den zu beschichtenden bevorzugten Schneidwerkzeugen 7, den Wendeschneidplatten der Fall ist und wie dies in der Figur 2 schematisch und beispiels- weise dargestellt ist. Ziel der Beschichtung ist es, die Schneidkanten E mit der zugehörigen Freifläche B und der Spanfläche A zu beschichten. Bei einem derartigen Schneidwerkzeug wird üblicherweise nur ein Teil aller am Werkzeug ausgebildeten Kantenlängen mit den zugehörigen Seitenflächen beim Schnittvorgang benutzt. Dieser Teil wird als aktive Schneidkante E' bezeichnet und liegt innerhalb 50% oder gar nur 30% der gesamten am Werkstück verfügbaren Länge einer Schneidkante. Die Ausdehnungen E" von der Kante E weg in der Freifläche B, wo der Freiflä- chenverschleiss D auftritt und von der Kante E weg in die Spanfläche A, wo der Kolkverschleiss auftritt liegen im Bereich von 50 μm bis 5.0 mm und müssen ebenfalls beschichtet werden. Es kann vorteilhaft sein, die Beschichtung in diesen Bereichen der Spanfläche und der Freifläche gezielt mit unterschiedlicher Schichtdicke zu versehen, was die vorliegende Erfindung zusätzlich ermöglicht. Da das Schneidwerkzeug nur in diesen angegebenen Bereichen mit der notwendigen hohen Qualität beschichtet werden muss, können die anderen, nicht benötigten Bereiche am Werkzeug für die Halterung benutzt werden, beispielsweise durch einlegen in ein Gitter 25' mit Öffnungen 25 am Substratträger oder durch Verwendung eines Lochs 28 im zentralen Bereich des Substrates 7, welches ebenfalls im ungenutzten Bereich des Werkzeuges liegt. Derartige flächige Schneidwerkzeuge müssen nicht plane Oberflächen aufweisen und können an einzelnen Seiten oder an allen Seiten auch gewölbt ausgebildet sein oder können auch andere flächige Konturen aufweisen oder auch Vertiefungen oder Erhebungen enthalten für beispielsweise Befestigungsanordnungen in einem Werkzeughalter oder zu einer besseren Spanabhe- bung im Zerspanungsprozess. Die Ausdehnung a, b der bevorzugten flächigen Schneidwerkzeuge liegt mit Vorteil im Bereich von 5.0 mm bis 60 mm. Schneidwerkzeuge sind bevorzugt vieleckige, flächige Körper. Dreieckige und viereckige Körper werden bevorzugt verwendet, wobei die aktiven Schneidkanten dann jeweils von den Ecken ausgehen, wie in der Figur 2 dargestellt ist. Durch drehen des Werkzeuges 7 um die zentrale Achse und / oder durch umklappen kann nach Abnutzung der aktiven Schneidkante E' jeweils eine neue unbenutzte aktive Schneidkante E' eingestellt werden, wie dies in der mechanischen Materialbearbeitung seit langem bekannt ist. Obwohl weniger häufig, ist es auch möglich das Schneidwerkzeug rund auszubilden, wobei dann eine oder zwei Kanten E das Schneidwerkzeug ringförmig umschliessen und Teilbereiche davon als aktive Schneidkanten benutzt werden können.The substrates to be coated essentially have a two-dimensional shape or a planar expanded form. This means that the side lengths a and b are substantially greater than the third side length c of the body, as is the case with the preferred cutting tools 7 to be coated, the indexable inserts and as shown schematically and by way of example in FIG. The aim of the coating is to coat the cutting edges E with the associated flank face B and the rake surface A. In such a cutting tool usually only a part of all formed on the tool edge lengths is used with the associated side surfaces during the cutting process. This part is referred to as the active cutting edge E 'and is within 50% or even only 30% of the total length of a cutting edge available on the workpiece. The expansions E "away from the edge E in the flank B where the flank wear D occurs and away from the edge E into the rake face A where the scoring occurs are in the range of 50 μm to 5.0 mm and must also be coated It may be advantageous to provide the coating in these regions of the rake face and the flank face selectively with different layer thickness, which additionally makes the present invention possible.As the cutting tool has to be coated with the necessary high quality only in these specified areas, the others can Unused areas on the tool are used for the support, for example, by placing in a grid 25 'with openings 25 on the substrate carrier or by using a hole 28 in the central region of the substrate 7, which also lies in the unused area of the tool do not have to have planar surfaces and may also be curved on individual sides or on all sides or may also have other flat contours or contain depressions or elevations for example mounting arrangements in a tool holder or a better chip removal in the cutting process. The extent a, b of the preferred flat cutting tools is advantageously in the range of 5.0 mm to 60 mm. Cutting tools are preferably polygonal, flat bodies. Triangular and quadrangular bodies are preferably used, with the active cutting edges each starting from the corners, as shown in FIG. By rotating the tool 7 about the central axis and / or by folding over, after wear of the active cutting edge E 'a new unused active cutting edge E' can be set, as has been known for a long time in mechanical material processing. Although less common, it is also possible to make the cutting tool round, in which case one or two edges E enclose the cutting tool in an annular manner and partial areas thereof can be used as active cutting edges.
Bei der in Figur 2 dargestellten bevorzugten Wendeschneidplatte 7 liegen die zu beschichtenden aktiven Schneidkanten E' mit den zu beschichtenden zugehörigen seitlichen Teilen der Freifläche B und der Spanfläche A in der Nähe der 4 Schneidecken. Dabei sollten diese Flächen von der Ecke der Wendeschneidplatte ca. 2 bis 5 mm entlang weitgehend uniform beschichtet sein, ohne dass der Substratträger 6 bei der Beschichtung zu Abschattungen führt. Üblicherweise werden die Wendeschneidplatten 7 in den Ecken und einige hundert μm entlang der Kanten für den Schneidvorgang benutzt. Dies ist der Bereiche des Kolkverschleisses C und des Freiflächenverschleisses D.In the preferred indexable insert 7 shown in FIG. 2, the active cutting edges E 'to be coated with the associated lateral parts of the free surface B and the rake surface A to be coated are in the vicinity of the 4 cutting corners. In this case, these surfaces should be largely uniformly coated from the corner of the indexable insert about 2 to 5 mm, without the substrate carrier 6 leading to shadowing during the coating. Usually, the indexable inserts 7 are used in the corners and a few hundred microns along the edges for the cutting process. This is the areas of crater wear C and flank wear D.
In der Figur 3 ist stark vereinfacht die grundsätzliche Anordnung eines Vakuumbe- schichtungssystems dargestellt, mit dem Substrate 7 wie Wendeschneidplatten ge- haltert auf einem quasi planaren Substratträger 6, vorzugsweise einem Gitternetz, beschichtet werden können. Das System besteht aus einer Vakuumkammer 1 , die über ein Pumpsystem 2 evakuiert werden kann. Die Werkstückträger 6 mit den mehreren Werkstücken 7 werden über eine Tür oder Schleuse 4 in Transportrichtung 5 auf der horizontalen Transportebene 3 in Beschichtungsposition vor die Quelle 8 gebracht. Die Beschichtung erfolgt mit einer PVD-Beschichtungsquelle 8, die bevorzugt eine Arcverdampferquelle ist, die mit einer Zündvorrichtung 9, einer Anode 10 und einer Kathode bzw. Target 11 ausgestattet ist. Für die reaktiven Be- schichtungen werden über mindestens einen Reaktivgaseinlass 12 aus mindestens einem Reaktivgasbehälter 13 die notwendigen Reaktivgase eingelassen. Zusätzlich ist ein Inertgaseinlass 14 für Edelgase wie Argon vorgesehen, der mit dem Inertgasbehälter 15 verbunden ist. Der Reaktivgasbehälter 13 enthält bevorzugt eines der Gase Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenwasserstoff, Siliziumwasserstoff, Borwasserstoff, Wasserstoff, Kombinationen dieser Gase und vorzugsweise Sauerstoff zur reaktiven Abscheidung der gewünschten Schichtverbindungen. Es können mehrere Reaktivgasbehälter 13 an der Anlage angeschlossen sein, die verschiedene dieser Gase enthalten, um Schichtsysteme mit Mehrfachschichten aus verschiedenen Materialien herzustellen und / oder die Schichtarten nach Bedarf zu wechseln.FIG. 3 greatly simplifies the basic arrangement of a vacuum coating system with which substrates 7 such as indexable inserts can be coated on a quasi-planar substrate carrier 6, preferably a grid. The system consists of a vacuum chamber 1, which can be evacuated via a pumping system 2. The workpiece carrier 6 with the several workpieces 7 are brought via a door or lock 4 in the transport direction 5 on the horizontal transport plane 3 in the coating position in front of the source 8. The coating takes place with a PVD coating source 8, which is preferably an arc evaporation source, which is equipped with an ignition device 9, an anode 10 and a cathode or target 11. For the reactive coatings, the necessary reactive gases are introduced via at least one reactive gas inlet 12 from at least one reactive gas container 13. In addition, an inert gas inlet 14 is provided for noble gases such as argon, which is connected to the inert gas container 15. The reactive gas container 13 preferably contains one of the gases nitrogen, oxygen, hydrocarbon, silane, hydrogen boride, hydrogen, combinations of these gases and preferably oxygen for the reactive deposition of the desired layer compounds. A plurality of reactive gas containers 13 may be connected to the plant containing various of these gases in order to produce multi-layer multilayer coating systems of various materials and / or to change the types of layers as needed.
Die Arcverdampferquelle wird mit einer DC-Stromversorgung 16 und / oder mit Vorteil mit einer Puls-Hochstromversorgung 17 gespiesen.The Arcverdampferquelle is fed with a DC power supply 16 and / or advantageously with a pulse high current supply 17.
Gemäss der Erfindung wird eine weitere DC-Stromversorgung 18 für eine zweite Quelle 21 auf der gegenüberliegenden Anlagenseite benutzt, wie dies in der Figur 4 dargestellt ist. Der Substratträger liegt dann in einer Ebene 3 zwischen den beiden Quellen 8 und 21 , vorzugsweise parallel zu den flächigen Kathoden 11. Es können auch mehrere flächige Substratträger 6 angeordnet werden obwohl ein einzelner grossflächiger bevorzugt eingesetzt wird. Die Substrate 7 werden vorzugsweise über den Substratträger 6 mit einem elektrischen Bias beaufschlagt mittels einer Biasstromversorgung 19, welche sowohl DC, AC, MF, RF, DC und / oder vorzugsweise gepulst unipolar und bipolar ausgeführt sein kann. Im Normalfall werden alle Stromversorgungen gegen Masse 20 betrieben. Allerdings besteht bei der Arcverdampferquelle auch die Möglichkeit, die Anode 10 getrennt von Masse zu halten und die Quellenstromversorgungen 16, 17, 18 damit massefrei zwischen Anode 10 und Kathode 11 zu betreiben. Obwohl die Beschichtung bevorzugt ohne Substratbewegung stattfindet, besteht die Möglichkeit, den Substratträger vor, nach oder während der Beschichtung in horizontaler Richtung zu bewegen oder auch in Richtung zur einen oder anderen Kathode unter Beibehaltung der parallelen Ausrichtung zu der horizontalen Ebene. Die Kathoden 11 können hierbei gegenüber dieser horizontalen Ebene auch verkippt angeordnet sein, um den Materialfluss bevorzugt in eine bestimmte Richtung zu favorisieren. Möglich ist auch eine Rotation des gesamten Substratträgers 6 um seine vertikale Achse in der horizontalen Beschichtungsebene. Eine solche Rotation wird besonders dann bevorzugt, wenn Schichtdickenverhältnisse von Frei- und Spanfläche gezielt eingestellt werden müssen oder unterschiedliche Materialien auf diesen Flächen abgeschieden wer- den sollen.According to the invention, a further DC power supply 18 is used for a second source 21 on the opposite side of the plant, as shown in FIG. The substrate carrier then lies in a plane 3 between the two sources 8 and 21, preferably parallel to the flat cathodes 11. It is also possible to arrange a plurality of planar substrate carriers 6, although a single large-area one is preferably used. The substrates 7 are preferably acted upon via the substrate carrier 6 with an electrical bias by means of a bias current supply 19, which can be carried out both DC, AC, MF, RF, DC and / or preferably pulsed unipolar and bipolar. Normally, all power supplies are operated against ground 20. However, in the case of the arc evaporator source it is also possible to keep the anode 10 separate from ground and to operate the source power supplies 16, 17, 18 therewith in a groundless manner between the anode 10 and the cathode 11. Although the coating preferably takes place without substrate movement, it is possible to place the substrate carrier before, after or during the coating in the horizontal direction or towards the one or the other cathode while maintaining the parallel orientation to the horizontal plane. The cathodes 11 can in this case also be tilted relative to this horizontal plane in order to favor the material flow preferably in a certain direction. It is also possible to rotate the entire substrate carrier 6 about its vertical axis in the horizontal coating plane. Such a rotation is particularly preferred when layer thickness ratios of free and rake surface must be set specifically or different materials are to be deposited on these surfaces.
Die hier vorgeschlagenen PVD - Beschichtungsquellen können Zerstäubungsquellen, wie Magnetronquellen und / oder bevorzugt Arcverdampferquellen sein. Bevorzugt werden mindestens zwei gegenüberliegende Beschichtungsquellen 8, 21 welche mindestens ein PVD - Quellenpaar bilden und diese sich im wesentlichen gegenüber stehen, mit dazwischen angeordnetem Substratträger 6 vorgesehen, wobei jede der beiden Quellen mit einer DC - Stromversorgung 16, 18 betrieben wird und vorzugsweise zusätzlich beide Kathoden 11 der beiden Quellen 8, 21 mit einer einzelnen Puls- Hochstromversorgung betrieben werden, wie dies in den Fi- guren 4 und 6 dargestellt ist. Die eine Quelle des Quellenpaares ist somit beabstandet oberhalb des Substratträgers 6 positioniert und die andere Quelle beabstandet unterhalb des Substratträgers. Es ist von Vorteil wenn mindestens ein PVD - Quellenpaar aus Arcverdampferquellen besteht.The PVD coating sources proposed here may be sources of sputtering, such as magnetron sources and / or preferably arc-evaporation sources. Preferably, at least two opposing coating sources 8, 21, which form at least one PVD source pair and are substantially opposite, are provided with substrate carrier 6 therebetween, with each of the two sources being operated with a DC power supply 16, 18, and preferably both Cathodes 11 of the two sources 8, 21 are operated with a single pulse high current supply, as shown in the figures 4 and 6. The one source of the source pair is thus positioned at a distance above the substrate carrier 6 and the other source is spaced below the substrate carrier. It is advantageous if at least one PVD source pair consists of arc evaporation sources.
Eine Anordnung mit nur einer Quelle 8 auf einer Seite des Substratträgers 6, wie dies in der Figur 3 dargestellt ist, ermöglicht alleine noch keine allseitige Beschichtung der Substrate 7, insbesondere wenn diese in einem flächig ausgedehnten Substratträger abgelegt sind. Dazu müsste eine Rotation der gehalterten Wendeschneidplatten 7 realisiert werden. Zur Erzeugung einer Rotation 31 dienen Werk- stückaufnehmer 27, eine Art Stäbe oder Spiesse, die in einem Rahmen 23 eingelegt sind und auf denen die Wendeschneidplatten 7 gehaltert sind wie es schematisch in den Figuren 5a bis 5c für Wendeschneidplatten dargestellt ist. In der Figur 5a ist dies dargestellt für Wendeschneidplatten mit Loch 28 und ohne Loch in der Figur 5b mit dem Befestigungselement 29. Die Rotation erfolgt über einen Drehantrieb 30 mit der Drehrichtung 31. Der Drehantrieb ist mit einem Getriebe 33 und dem Motorantrieb 32 gekoppelt. Die Anordnung mit nur einer Quelle und der Rota- tion der Substrate 6 ermöglicht zwar eine hinreichend gute Schichtdickenverteilung, aber die notwendigen Schichtqualitäten ohne Unterbruch des Materialflusses bei der Beschichtung werden nicht erzielt und die hohe geforderte Wirtschaftlichkeit des Prozesses nicht erreicht. Diese Probleme werden erst durch die erfindungsge- mässen Anordnungen mit mindestens paarweise gegenüber liegend angeordneten Quellen mit dazwischen positionierter flächiger Substratträgeranordnung erzielt wie dies in den Figuren 4, 6, 10 dargestellt ist. Zusätzliches Rotieren innerhalb des Substratträgers 6 bei diesen Anordnungen kann unter gewissen Umständen erwünscht sein, solange die zu beschichtenden Kanten permanent dem Materialfluss der Quellen ausgesetzt sind, dieser also nicht periodisch unterbrochen wird. Es ist allerdings wesentlich vorteilhafter, ohne eine derartige Rotation zu arbeiten und die Substrate 7 feststehend im Substratträger abgelegt zu platzieren. Die Beschichtung kann dadurch an den gewünschten Bereichen am Substrat 7 besser und individuell kontrolliert abgeschieden werden und die Anordnung ist einfacher und wirtschaftlicher zu handhaben. Die zu beschichtenden Kantenteile sehen dadurch immer min- destens eine der mindestens zwei Quellen und sind diesen gegenüber exponiert ausgesetzt. Auf der entsprechend zugeordneten Seite der einen Kathode 11 ist dadurch jederzeit mindestens 50%, vorzugsweise 70% von der Schneidkante (E) ihrer Länge in Sichtverbindung exponiert zur entsprechenden Kathode ausgerichtet. Wie bereits erwähnt, sind Bewegungen 22 des gesamten Substratträgers 6 in der horizontalen Ebene und / oder in Richtung der Kathoden 11 zwischen dem mindestens einen Quellenpaar möglich. Die stationäre Anordnung des Sustratträgers 6 mit den darin feststehend abgelegten Substraten 7 ist allerdings bevorzugt.An arrangement with only one source 8 on one side of the substrate carrier 6, as shown in FIG. 3, alone does not yet permit all-round coating of the substrates 7, in particular if they are deposited in a substrate carrier which is extended in a planar manner. For this purpose, a rotation of the held indexable inserts 7 would have to be realized. To produce a rotation 31, workpiece receivers 27, a kind of rods or skewers, which are inserted in a frame 23 and on which the indexable inserts 7 are held, are schematically illustrated in FIGS. 5a to 5c for indexable inserts. In the figure 5a this is shown for indexable inserts with hole 28 and without hole in Figure 5b with the fastener 29. The rotation is via a rotary drive 30 with the direction of rotation 31. The rotary drive is coupled to a gear 33 and the motor drive 32. Although the arrangement with only one source and the rotation of the substrates 6 allows a sufficiently good layer thickness distribution, but the necessary layer qualities without interruption of the material flow in the coating are not achieved and the high required cost-effectiveness of the process is not achieved. These problems are only achieved by the arrangements according to the invention with at least two oppositely arranged sources with a flat substrate carrier arrangement positioned therebetween, as shown in FIGS. 4, 6, 10. Additional rotation within the substrate carrier 6 in these arrangements may be desirable in some circumstances, as long as the edges to be coated are permanently exposed to the material flow of the sources, ie, it is not periodically interrupted. However, it is much more advantageous to work without such a rotation and to place the substrates 7 fixed in the substrate carrier. The coating can be deposited better and individually controlled at the desired areas on the substrate 7 and the arrangement is easier and more economical to handle. As a result, the edge parts to be coated always see at least one of the at least two sources and are exposed to them. On the correspondingly assigned side of the one cathode 11, at least 50%, preferably 70%, of the length of the cutting edge (E) of its length are thus exposed in visual contact to the corresponding cathode. As already mentioned, movements 22 of the entire substrate carrier 6 in the horizontal plane and / or in the direction of the cathodes 11 between the at least one source pair are possible. However, the stationary arrangement of the Sustratträgers 6 with the fixed therein substrates 7 is preferred.
Die Anordnung und Anzahl der verwendeten Arcverdampferquellen bzw. Arcquellen richtet sich nach deren Grosse, deren Quellenmagnetfeldern (falls verwendet), demThe arrangement and number of Arcverdampferquellen or Arcquellen used depends on their size, their source magnetic fields (if used), the
Arcstrom, dem eingestellten Gasdruck und der daraus folgenden Beschichtung- scharakteristik und kann mit Hilfe dem Fachmann bekannten Simulationsverfahren so optimiert werden, dass eine weitgehend uniforme Schichtdickenverteilung auf den zu beschichtenden Bereichen der Substrate 7, insbesondere bei den zu beschichtenden Schneidkantenbereichen von Wendeschneidplatten erreicht werden kann. Bei fest vorgegebener Quellenanordnung kann die Quellenverdampfungscha- rakteristik weiter durch veränderliche Magnetfelder, das Pulsen des Arcstroms und den Gasdruck beeinflusst und optimiert werden, was zusätzlich eine Quellenanordnungen mit noch grosserem Freiheitsgrad ermöglicht als sie beispielsweise in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist.Arc current, the set gas pressure and the resulting coating characteristics and can with the help of the known in the art simulation method be optimized so that a largely uniform coating thickness distribution on the areas to be coated of the substrates 7, in particular in the coated cutting edge areas of indexable inserts can be achieved. With a fixed source arrangement, the source evaporation characteristic can be further influenced and optimized by variable magnetic fields, the pulsing of the arc current and the gas pressure, which in addition allows a source arrangements with still greater degree of freedom than shown for example in Figures 3 and 4.
Bis hierher wurde über die Beschichtung in Einkammersystemen dargestellt. Da bei den Produktionsprozessen der Durchsatz von entscheidender wirtschaftlicher Bedeutung ist, ist es in vielen Fällen sinnvoll, mehrere Einkammersysteme als In-Iine- Anordnung oder als Mehrkammersystem zu kombinieren, um kurze Prozesschritte in einer Kammer durchzuführen, ohne, dass dadurch die eigentliche Beschich- tungszeit verlängert wird. Schichtsysteme, die auf verschiedenen Materialien basieren, wie beispielsweise TiCN/AI-Cr-O oder TiAIN/AI-Cr-O können dann so gestaltet werden, dass die Ti-basierenden Schichten in einem System abgearbeitet werden, während die Oxidschichten in einem nächsten System beschichtet werden. Die Freiheit, diesen Substrathandlingsansatz und die grossen Beschichtungsraten mit einem In-Iine oder Mehrkammersystem zu kombinieren, eröffnet zusätzliche Möglichkeiten für höhere Produktivität, optimalen Prozessfluss und grossere Materialvielfalt. Diese vorteilhaften Möglichkeiten werden nun näher erläutert.So far, it has been shown about the coating in single-chamber systems. Since throughput is of decisive economic importance in the production processes, in many cases it makes sense to combine several single-chamber systems as an in-line arrangement or as a multi-chamber system in order to carry out short process steps in one chamber without thereby reducing the actual coating time is extended. Layer systems based on different materials, such as TiCN / Al-Cr-O or TiAIN / Al-Cr-O, can then be designed to process the Ti-based layers in one system, while the oxide layers in a next system be coated. The freedom to combine this substrate handling approach and the large coating rates with an in-line or multi-chamber system opens up additional possibilities for higher productivity, optimum process flow and greater material diversity. These advantageous possibilities will now be explained in more detail.
Ein Vorteil des einfachen Aufbaus des Einkammersystems wie oben besprochen, ist es, dass dieses zu einer weiteren Erhöhung der Produktivität auch auf In-Iine- Konzepte oder Mehrkammerkonzepte ausgeweitet werden kann. In Figur 6 ist gezeigt, wie ein In-Iine-System basierend auf diesem Konzept aufgebaut ist. Eine Mehrzahl Wendeschneidplatten (Werkstücke) 7 werden wieder auf mindestens einem Werkstückträger oder Substratträger 6 ausgelegt. Als einfache Form sind die- se gitterartig ausgebildet, wie es in den Figuren 7a und 7b dargestellt ist. Der Werkstückträger 7 besteht aus einem Rahmen 23 der die gitterartige Werkstückauflage 24 mit der entsprechenden Vielzahl von Öffnungen 25 umgibt zur Einle- gung der Substrate 7 in diese Öffnungen. Die Werkstückauflage kann vorzugsweise als Gitter 25' ausgebildet sein und wird bevorzugt aus leitendem Material gefertigt, beispielsweise als Drahtgitter 25', damit auf einfache Weise eine Biasspannung an die Substrate 7 gelegt werden kann. Dieser mindestens eine Werkstückträger 6 wird entweder über differentielles Pumpen oder in entsprechenden Vorkammern in Prozessdruckumgebung gebracht. Eine Vorbehandlung wie Heizen und Aetzen kann beispielsweise in Vorkammern erfolgen. Die Beschichtung erfolgt dann in dem System wie es in der Figur 6 dargestellt ist, indem die Substratträger 6 mit einer Transporteinrichtung 5 über eine Türe 4 oder Schleuse in dieses System einge- bracht werden und zwischen den Quellen transportiert 22 werden, um schliesslich dann beispielsweise in einer weiteren Kammer wieder abgekühlt und wieder auf Atmosphärendruck gebracht zu werden (nicht dargestellt) oder über die ursprüngliche Vorkammer zurücktransportiert und ausgeschleust werden.An advantage of the simple construction of the single chamber system as discussed above is that it can be extended to in-line concepts or multi-chamber concepts to further increase productivity. FIG. 6 shows how an in-line system is constructed based on this concept. A plurality of indexable inserts (workpieces) 7 are again laid out on at least one workpiece carrier or substrate carrier 6. As a simple form, these are formed like a lattice, as shown in FIGS. 7a and 7b. The workpiece carrier 7 consists of a frame 23 which surrounds the lattice-like workpiece support 24 with the corresponding plurality of openings 25 for insertion. supply of the substrates 7 in these openings. The workpiece support may preferably be formed as a grid 25 'and is preferably made of conductive material, for example as a wire grid 25', so that a bias voltage can be applied to the substrates 7 in a simple manner. This at least one workpiece carrier 6 is brought either by differential pumping or in corresponding pre-chambers in the process pressure environment. A pretreatment such as heating and etching can be done, for example, in antechambers. The coating then takes place in the system, as shown in FIG. 6, by introducing the substrate carriers 6 into the system via a door 4 or lock with a transport device 5 and transporting them between the sources, and then finally, for example, into Another chamber to be cooled again and brought back to atmospheric pressure (not shown) or transported back through the original antechamber and discharged.
Für Mehrlagenschichtsysteme, falls sie aus Produktivitäts- oder prozesstechnischen Gründen nicht in einem Einkammersystem hergestellt werden sollen oder mehrlagige Schichtsysteme, die mit verschiedenen Reaktivgasen hergestellt werden müssen und bei denen demzufolge ein „Übersprechen" oder die Gefahr von „cross contamination" der einzelnen Prozessschritte vermieden werden muss, wer- den die einzelnen Kammern entsprechend getrennt, entweder durch differentielles Pumpen oder durch Ventile bzw. Schleusen, so wie es in der Figur 8 dargestellt ist, welche ein derartiges Mehrkammer In-Iine System 34 zeigt. Dabei werden Schleusen und Vorbehandlungskammer(n) 35 von den eigentlichen Beschichtungskam- mern 1a, 1b durch Ventile bzw. Schleusen und / oder differentielles Pumpen vaku- umtechnisch getrennt.For multilayer systems, if they are not to be produced in a single-chamber system for reasons of productivity or process technology or multilayer coating systems which have to be produced with different reactive gases and thus avoid "cross talk" or the risk of "cross contamination" of the individual process steps The individual chambers must be correspondingly separated, either by differential pumping or by valves or locks, as shown in FIG. 8, which shows such a multi-chamber in-line system 34. Here, locks and pretreatment chamber (s) 35 are vacuum-technologically separated from the actual coating chambers 1a, 1b by valves or locks and / or differential pumps.
Eine bevorzugte Version eines Mehrkammersystems 34, was die Flexibilität bei der Gestaltung des Prozessablaufs betrifft, ist in Figur 9 dargestellt. Bei diesem Mehrkammersystem 34 sind die Einzelkammern 1a, 1b, 1c über eine Transportkammer 36 mit zentralem Handlingssystem miteinander kommunizierend verbunden und die Substratträger 6 mit den mehreren eingelegten Wendeschneidplatten 7 werden nach vorgegebenen Prozessablauf von einer Einzelkammer 1a - 1c zur anderen transportiert. Der Vorteil einer solchen Anlage ist, dass auch unterschiedlich lange Prozessschritte mit hohem duty cycle in den Prozessablauf eingefügt werden können. Ein weiterer Vorteil ist beispielsweise, dass die Beschichtung mit oxidischen und nitridischen Materialien in verschiedenen Prozesskammern ablaufen kann unddass diese Kammern dann jeweils nur mit den erforderlichen Komponenten speziell für diese Beschichtungen ausgerüstet werden müssen. Besonders deutlich wird dieser Vorteil für die Vor- und Nachbehandlungsschritte wie Heizen, Aetzen, Abkühlen oder andere Plasmabehandlungsschritte, beispielsweise in einer Vorbehandlungskammer 35 mit Behandlungseinrichtung 37, die nur zur Oberflächen mo- difikation von Substraten oder Schichten dienen, und deshalb andere typische Prozesszeiten haben als die Beschichtungssch ritte Die Flexibilität eines solchen Systems wird aber auch wichtig, wenn unterschiedliche Schichtdicken in kleinen Losen beschichtet werden müssen. Dann lässt sich, wie gesagt, ein effektiver Prozessablauf jeweils an die zu fahrenden Prozesse anpassen.A preferred version of a multi-chamber system 34 as regards flexibility in designing the process flow is shown in FIG. In this multi-chamber system 34, the individual chambers 1a, 1b, 1c communicating with each other via a transport chamber 36 with central handling system connected to each other and the substrate carrier 6 with the several inserted indexable inserts 7 are according to predetermined process flow of a single chamber 1a - 1c to the other transported. The advantage of such a system is that process steps of different lengths with a high duty cycle can also be inserted into the process flow. Another advantage is, for example, that the coating with oxidic and nitridic materials can take place in different process chambers and that these chambers then have to be equipped only with the necessary components especially for these coatings. This advantage is particularly clear for the pre- and post-treatment steps such as heating, etching, cooling or other plasma treatment steps, for example in a pre-treatment chamber 35 with treatment device 37, which serve only for surface modification of substrates or layers, and therefore have other typical process times than the coating steps However, the flexibility of such a system also becomes important when different layer thicknesses have to be coated in small batches. Then, as already mentioned, an effective process sequence can be adapted to the processes to be carried out.
In den folgenden Beschreibungen wird wieder auf ein Einzelkammersystem 1 Bezug genommen. Aus den bisherigen Erläuterungen geht hervor, dass solche Einzelkammersysteme 1 in der zuvor beschriebenen Art und Weise modular zu Mehrkammersystemen 34 zusammengefügt werden können. Ausserdem werden in den folgenden Beschreibungen vornehmlich die bevorzugten Arcquellen 8, 21 erwähnt, obwohl der Gebrauch von Sputterquellen zu ähnlichen Resultaten führt. Die Arcquellen 8, 21 sind allerdings die bevorzugten PVD-Quellen für das hier beschriebenen Prozesskonzept. Ein Grund dafür ist, dass diese auch, falls aus Uni- formitätsgründen notwendig und falls man eine grosse Zahl von Quellen bzw. Quellenpaare betreiben möchte, diese geometrisch klein gehalten werden können. Dies ist bei Arcquellen deshalb besonders einfach, da es für viele Anwendungen möglich ist, mit kleinen (und deshalb auch baulich kleinen) oder keinen Quellenmagnetfeldern zu arbeiten. Bevorzugt weisen die Arcquellen ein Magnetsystem auf, mit dem es möglich ist an der Targetoberfläche ein sehr kleines senkrechtes Ma- gnetfeld, beispielsweise zwischen 3 und 50 Gauss, bevorzugt jedoch in einem Bereich zwischen 5 und 25 Gauss zu erzeugen. Alternativ und besonders bevorzugt mit Hinblick auf die kleine Baugrösse werden die Arcquellen ganz ohne Magnetfei- der betrieben und es können mit Arcverdampferquellen trotzdem besonders hohe Verdampfungsraten erzielt werden..The following descriptions again refer to a single chamber system 1. From the previous explanations, it is apparent that such single-chamber systems 1 can be modularly combined to form multi-chamber systems 34 in the manner described above. In addition, the following descriptions primarily mention the preferred arc sources 8, 21, although the use of sputter sources gives similar results. However, the arc sources 8, 21 are the preferred PVD sources for the process concept described herein. One reason for this is that, if it is necessary for reasons of uniformity and if one wishes to operate a large number of sources or source pairs, these can be kept geometrically small. This is particularly easy with arc sources because it is possible for many applications to work with small (and therefore structurally small) or no source magnetic fields. The arc sources preferably have a magnet system with which it is possible to generate at the target surface a very small perpendicular magnetic field, for example between 3 and 50 Gauss, but preferably in a range between 5 and 25 Gauss. Alternatively, and particularly preferred in view of the small size, the arc sources are completely without magnetic operated and it can be achieved with Arcverdampferquellen nevertheless very high evaporation rates.
Ein weiterer Grund, warum die Arcquellen in diesem Zusammenhang bevorzugt werden, besteht darin, dass durch den, ebenfalls bevorzugten, Pulsbetrieb der Quellen die Richtungswirkung des verdampften Quellenmaterials beeinflusst werden kann. Mit anderen Worten, für gepulste Arcquellen ist es besonders einfach mit einer Vielzahl von baulich kleinen Arcquellen zu arbeiten, was wiederum positiven Einfluss auf die Schichtuniformität hat. Ausserdem können die Verdampfungsraten bei Arcquellen leicht so eingestellt werden, dass Beschichtungsraten bis zu 20 μm/h und grösser auf den Substraten 7, wie vorzugsweise auf Wendeschneidplatten, erreicht werden.Another reason why the arc sources are preferred in this context is that the pulsed operation of the sources, which is also preferred, can influence the directionality of the vaporized source material. In other words, for pulsed arc sources, it is particularly easy to work with a variety of architecturally small arc sources, which in turn has a positive influence on the Schichtuniformität. In addition, the evaporation rates of arc sources can easily be adjusted to achieve coating rates of up to 20 μm / hr and greater on the substrates 7, such as preferably indexable inserts.
Bevorzugt wird bei der Arcverdampfung eine Pulsbiasversorgung, bevorzugt bipo- lar, beispielsweise mit kurzen positiven und langen negativen Spannungspulsen, alternativ mit Wechselspannung (AC), und / oder mit DC-Versorgung am Substratträger 6 und jeweils ein DC-Generator für den Betrieb jeder Arcquelle angeschlossen. Bevorzugt sind zusätzlich auch die Arcquellen an einem Pulsgenerator angeschlossen und zwar entweder mit einem Pulsgenerator zwischen zwei Arcquellen, also einem Arcquellenpaar, oder ein Pulsgenerator je Arcquelle parallel zur zugehörigen DC-Versorung überlagert, wie dies in der WO 2006/099760 beschrieben worden ist und welche hiermit zum integrierenden Teil dieser Anmeldung erklärt wird.In the case of arc evaporation, a pulse bias supply is preferred, preferably bipolar, for example with short positive and long negative voltage pulses, alternatively with alternating voltage (AC), and / or with DC supply at the substrate carrier 6 and one DC generator for the operation of each arc source connected. In addition, the arc sources are preferably additionally connected to a pulse generator, either with a pulse generator between two arc sources, ie an arc source pair, or a pulse generator per arc source, superimposed parallel to the associated DC supply, as described in WO 2006/099760 and which hereby declared the integral part of this application.
Eine elektronische Zündvorrichtung wird mit Vorteil eingesetzt, welche das Zünden der Arcquellen auch bei einer Oxidbelegung der Kathoden (Targets) ermöglicht.An electronic ignition device is advantageously used, which enables the ignition of the arc sources even with an oxide occupancy of the cathodes (targets).
Vorteilhaft wird bei Einkammersystemen ein Gaseinlasssystem mit Anschluss für zumindest ein Inertgas 14 für Heiz- bzw. Ätzschritte und Anschlüssen für zumindest zwei Reaktivgase 12 (z.B. Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffe, Borwasser- stoff, Siliziumwasserstoff, Wasserstoff etc.) für die Beschichtung vorgesehen. Damit ist es einfach möglich, mit nur einem Targetmaterial mehrlagige Schichten aus unterschiedlichen Materialien herzustellen. Beispielsweise kann eine metallische Haftschicht, gefolgt von einer nitridischen oder karbidischen Hartschicht gefolgt von einer oxidischen Deckschicht mit harten oder gar fliessenden Übergängen zwischen den einzelnen Materialien der verschiedenen Schichtbereiche abgeschieden werden. Auch die Herstellung von Multilagenschichten mit mikro- oder nanometer- dicken Schichtlagen sind dadurch einfach einstellbar, da dazu lediglich eine entsprechende Änderung der Gasflüsse, beispielsweise Stickstoff und Sauerstoff, vorzunehmen ist. Solche Systeme können beispielsweise aus abwechselnd abgeschiedenen TiAIN/TiAIO-, CrAIN/CrAIO-, ZrAIN/ZrAIO-Schichten bestehen.In the case of single-chamber systems, a gas inlet system with connection for at least one inert gas 14 for heating or etching steps and connections for at least two reactive gases 12 (eg nitrogen, oxygen, hydrocarbons, borane hydrogen, silicon hydrogen, hydrogen etc.) for the coating is advantageously provided. This makes it easy to produce multi-layer layers of different materials with just one target material. For example, a metallic Adhesive layer, followed by a nitridic or carbide hard layer followed by an oxide cover layer with hard or even flowing transitions between the individual materials of the different layer areas are deposited. The production of multi-layer layers with micro- or nanometer-thick layer layers are thus easily adjustable, as this only a corresponding change in the gas flows, such as nitrogen and oxygen, is made. For example, such systems may consist of alternately deposited TiAIN / TiAIO, CrAIN / CrAIO, ZrAIN / ZrAIO layers.
In Figur 10a ist eine bevorzugte PVD-Arcquellenanordnung 8, 21 für ein Einzelkammersystem 1 und als zweidimensionaler Schnitt (b) schematisch dargestellt. Mit einer solchen Arcquellenanordnung wird eine nahezu vollständige Rundumbe- schichtung der zu beschichtenden Schneidkantenbereiche der Substrate 7, wie insbesondere von Wendeschneidplatten, erreicht mit guter Uniformität der Be- Schichtung an den jeweiligen Schneidflächen E auf beiden Seiten des Substratträgers 6. Die Handhabung bzw. das Handling der Wendeschneidplatten ist, wie schon erwähnt, einfach und lehnt sich stark an das CVD-Handling und an die existierende Infrastruktur in der CVD-Technologie an. In Figur 10b sind die Wendeschneidplatten einfach in Gitternetze 25' eingelegt wie das näher in Figur 7a und 7b dargestellt ist. Auf die dem Fachmann geläufigen Möglichkeiten zum Ablegen des Substratträgers in der Kammer wurde aus Uebersichtlichkeitsgründen auf die Darstellung in der Zeichnung verzichtet. Die Gleichmässigkeit der Beschichtung wird durch die Arcquellenanordnung 8, 21 erreicht, die in die Rezipientenwand angebracht werden. Idealerweise, aber nicht zwingend, besteht der Rezipient aus zwei halbkugelförmigen Teilen, in dessen Mitte der Substratträger 6 mit dem Gitternnetz 25' mit den Wendeschneidplatten 7 positioniert wird (Fig. 10). Für Mehrschichtsysteme, die auf verschiedenen Quellenmaterialien basieren, sind entsprechend mehrere Quellen, insbesondere Quellenpaare mit gegenüber liegend angeordneten Quellen, für verschiedene Materialien vorzusehen. Es ist günstig die Quellen von aussen zugänglich an der Kammerwand anzuordnen, wie dies in Figur 10 dargestellt ist. Quellen können aber auch innerhalb einer Vakuumkammer positioniert werden wodurch dann die Kammerwand nicht zusätzlich, mindestens im Quellen- bereich, geneigt oder gewölbt ausgebildet werden muss wenn die Quellen ausgerichtet werden sollen auf bestimmte Bereiche von Substratträgeranordnungen. Zusätzlich können lonisationsquellen bzw. Blenden vor den Arcquellen und Heizvorrichtungen in der Kammer angeordnet sein, was hier nicht gezeigt ist, aber dem Fachmann bekannt ist. In Figur 10 ist eine besonders geeignete Anordnung mit vier Quellenpaaren 8, 21 , also mit total acht Quellen dargestellt, die gegeneinander leicht geneigt, auf den Substratträger hin gerichtet sind. Dadurch lassen sich die Beschichtungsbedingungen an den zu beschichtenden Bereichen der Substrate gut einstellen, beispielsweise der Abscheideraten durch individuell unterschiedliche Speisung der Quellen mit unterschiedlichen Arcströmen bzw. Quellenleistung und / oder der Schichtzusammensetzung mit unterschiedlichen Materialien. Diese Einstellungen können auch im Betrieb variiert werden, wodurch sogar verschiedene Profile, beispielsweise der Schichtzusammensetzung und / oder der kristallinen Schichtstruktur gefahren werden können. Es können auch nur zwei Quellenpaare oder mehr als 4 Quellenpaare, je nach Anwendung eingesetzt werden. Die Quellenpaare können auch in einer Richtung bevorzugt, beispielsweise in einer Linie angeordnet werden je nach dem wie die Substrate 7 mit ihren Schneidkanten E positioniert ausgerichtet sind im Substratträger 6 und bestimmte Bereiche der Substrate 7, beispielsweise der Schneidfläche mehr oder weniger bevorzugt auf be- stimmte Art beschichtet werden sollen.FIG. 10 a shows schematically a preferred PVD arc source arrangement 8, 21 for a single-chamber system 1 and as a two-dimensional section (b). With such an arc source arrangement, an almost complete wrap-around of the cutting edge regions of the substrates 7 to be coated, in particular of indexable inserts, is achieved with good uniformity of the coating on the respective cutting surfaces E on both sides of the substrate carrier 6. The handling or the handling The indexable insert, as already mentioned, is simple and strongly based on CVD handling and the existing infrastructure in CVD technology. In FIG. 10b, the indexable inserts are simply inserted into grids 25 'as shown in more detail in FIGS. 7a and 7b. On the familiar to the expert options for placing the substrate carrier in the chamber has been omitted for reasons of clarity on the representation in the drawing. The uniformity of the coating is achieved by the arc source assembly 8, 21, which are mounted in the recipient wall. Ideally, but not necessarily, the recipient consists of two hemispherical parts, in the middle of which the substrate carrier 6 is positioned with the grid 25 'with the indexable inserts 7 (FIG. 10). Accordingly, for multilayer systems based on different source materials, multiple sources, in particular source pairs with oppositely disposed sources, should be provided for different materials. It is convenient to arrange the sources accessible from the outside to the chamber wall, as shown in Figure 10. However, sources can also be positioned within a vacuum chamber, whereby the chamber wall is not additionally exposed, at least in the source area, inclined or curved must be formed when the sources are to be aligned to certain areas of substrate carrier assemblies. In addition, ionization sources or orifices may be disposed in front of the arc sources and heaters in the chamber, which is not shown here, but is known to those skilled in the art. FIG. 10 shows a particularly suitable arrangement with four source pairs 8, 21, that is to say with a total of eight sources, which are slightly inclined relative to one another and directed towards the substrate carrier. As a result, the coating conditions on the regions of the substrates to be coated can be set well, for example the deposition rates by individually different feeding of the sources with different arc currents or source power and / or the layer composition with different materials. These settings can also be varied during operation, whereby even different profiles, for example, the layer composition and / or the crystalline layer structure can be driven. You can also use only two source pairs or more than 4 source pairs, depending on the application. The source pairs may also be preferred in one direction, for example arranged in a line depending on how the substrates 7 are positioned with their cutting edges E positioned in the substrate carrier 6 and certain regions of the substrates 7, for example the cutting surface more or less preferably on certain Art to be coated.
Im Unterschied zum existierenden Stand der Technik ersetzt in diesem erfindungs- gemässen Beschichtungssystem die mindestens eine paarweise, sich gegenüberliegende Quellenanordnung 8, 21 und die dazwischen liegende flächige Auslegung des Subtrattrrägers 6 eine notwendige Substratrotation. Zudem ermöglichen die hohen Verdampfungsraten der PVD-Quellen eine wirtschaftlich hohe Beschich- tungsrate auf den Substraten 7.In contrast to the existing state of the art, in this coating system according to the invention, the at least one paired, opposing source arrangement 8, 21 and the two-dimensional design of the substrate carrier 6 between them replaces a necessary substrate rotation. In addition, the high evaporation rates of the PVD sources enable an economically high coating rate on the substrates 7.
Die Schneidkanten mit den Schneidflächen der Wendeschneidplatten sind während der Beschichtung dem Materialfluss der Feststoffquellen ununterbrochen ausge- setzt, was gezielte Multilagenstrukturen auf dem Substrat ermöglicht, ohne dass es zu einer Rotationsbeeinflussung dieser Strukturen kommt. Diese Eigenschaft der vorgestellten Prozesslösung ist von grosser Bedeutung für dicke Schichtsysteme, bei denen der Schichtstress und andere Schichteigenschaften, wie beispielsweise die Härte, kontrolliert werden müssen.The cutting edges with the cutting surfaces of the indexable inserts are continuously exposed during the coating to the material flow of the solid sources, which allows targeted multilayer structures on the substrate, without causing any rotation of these structures. This feature of the presented process solution is of great importance for thick layer systems, in which the layer stress and other layer properties, such as hardness, must be controlled.
Obwohl die Beschichtung mit Vorteil ohne Substratbewegung erfolgen kann ist es zusätzlich möglich den Substratträger 6 mit einer Bewegungseinrichtung 22 zu verbinden, welche diesen beispielsweise periodisch relativ gegenüber der PVD - Be- schichtungsquellen 8, 21 bewegt, vorzugsweise in einer Horizontalbewegung, wie beispielsweise parallel zur horizontalen Transportebene. Dadurch kann ein weiterer Homogenisierungseffekt erzielt werden ohne unerwünschte Abschattungen an Be- reichen des Substrates 7 zu generieren, wie dies bei der bekannten Rotationsbewegung auftreten würde. Der Substratträger 6 kann mindestens 30 Substrate 7 aufnehmen, vorzugsweise bis maximal 1000. Eine sehr geeignete Losgrösse ist vorzugsweise mindestens 200 Stück bis maximal 600 Stück. Eine besonders wichtige Hartstoffbeschichtungsanordnung weist eine Quelle auf, bei der mindestens eine Kathode 11 eines der Materialien AL, Cr, Ti oder Zr oder dessen Legierungen enthält, wobei mindestens ein Reaktivgasbehälter 13 das Gas Sauerstoff enthält zur reaktiven Beschichtung.Although the coating can advantageously take place without substrate movement, it is additionally possible to connect the substrate carrier 6 to a movement device 22 which moves it, for example, periodically relative to the PVD coating sources 8, 21, preferably in a horizontal movement, for example parallel to the horizontal transport plane. As a result, a further homogenization effect can be achieved without generating unwanted shadows on regions of the substrate 7, as would occur in the known rotational movement. The substrate carrier 6 can accommodate at least 30 substrates 7, preferably up to a maximum of 1000. A very suitable lot size is preferably at least 200 pieces to a maximum of 600 pieces. A particularly important hard material coating arrangement comprises a source in which at least one cathode 11 contains one of the materials AL, Cr, Ti or Zr or its alloys, wherein at least one reactive gas container 13 contains the gas oxygen to the reactive coating.
Die Anlage kann ausserhalb des Vakuums einen Beschickungsroboter aufweisen zur rationellen Beschickung oder Entladung des Substratträgers 6 mit den Substraten 7, wobei dieser wirkverbunden ist mit der Transporteinrichtung 5. Die Anlagentüre 4 kann als Vakuumschleuse ausgebildet werden zur Einschleusung von mindestens einem Substratträger 6 in eine Vorbehandlungskammer 35 und / oder Vakuumprozesskammer 1 , 1a-1c. Es können mindestens zwei, vorzugsweise mehrere Vakuumkammern 1 , 1a-1c miteinander kommunizierend über Öffnungen 4, vorzugsweise über Schleusen 4 wirkverbunden betrieben werden zur Abwicklung mehrere Prozessschritte, wobei mindestens eine der Vakuumkammern 1 , 1a-1c mindestens eine Arcverdampfer- quelle 8, 21 aufweist.The system may have a loading robot outside the vacuum for the efficient charging or discharging of the substrate carrier 6 with the substrates 7, which is operatively connected to the transport device 5. The system door 4 can be designed as a vacuum lock for introducing at least one substrate carrier 6 into a pretreatment chamber 35 and / or vacuum processing chamber 1, 1a-1c. At least two, preferably a plurality of vacuum chambers 1, 1a-1c can be operated to communicate with one another via openings 4, preferably via locks 4, for processing a plurality of process steps, wherein at least one of the vacuum chambers 1, 1a-1c has at least one arc vapor source 8, 21 ,
Auf einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, des flächigen Substratträgers 6 können mindestens zwei Arcverdampferquellen 8, 8', 21 , 21' angeordnet werden und die Flächen der dazugehörigen Kathoden 11 können gegeneinander in Richtung des Substratträgers 6 geneigt ausgerichtet angeordnet werden zur Fokussie- rung des Materialflusses auf bevorzugte Bereiche der Substrate 7, wobei die Quellen 8, 21 vorzugsweise individuell betreibbar sind, beispielsweise durch Einstellung des Arcstromes bzw. der elektrischen Leistung und / oder der Pulsbedingungen. Vorzugsweise werden auf einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, des flächigen Substratträgers 6 mindestens vier Arcverdampferquellen 8, 8', 21 , 21' angeordnet betrieben und die Flächen der dazugehörigen Kathoden 11 werden gegeneinander in Richtung des Substratträgers 6 geneigt angeordnet, wobei die Quellen vorzugsweise individuell betreibbar sind.At least two arc evaporator sources 8, 8 ', 21, 21' can be arranged on one side, preferably on both sides, of the flat substrate carrier 6 and the surfaces of the associated cathodes 11 can be arranged inclined relative to one another in the direction of the substrate carrier 6 for focusing the material flow on preferred regions of the substrates 7, wherein the sources 8, 21 are preferably individually operable, for example by adjusting the arc current electrical power and / or pulse conditions. Preferably, at least four arc evaporator sources 8, 8 ', 21, 21' are arranged on one side, preferably on both sides, of the planar substrate carrier 6, and the surfaces of the associated cathodes 11 are arranged inclined relative to one another in the direction of the substrate carrier 6, the sources preferably are individually operable.
Für die bevorzugten Substrate 7, wie Schneidwerkzeuge und insbesondere für Wendeschneidplatten wird auf wirtschaftliche Weise eine auf das Substrat 7 abgeschiedenen Schicht an den Seitenflächen der aktiven Schneidkante E erzeugt mit Dicken im Bereich von 0.1 μm bis 50 μm.For the preferred substrates 7, such as cutting tools and in particular for indexable inserts, a layer deposited on the substrate 7 is economically produced on the side surfaces of the active cutting edge E with thicknesses in the range of 0.1 μm to 50 μm.
In Figur.10b wurde der einfache Ansatz des Substrathandlings auf Gitternetzen 25' illustriert. Bei der häufigen rechteckigen Wendeschneidplattengeometrie kann beispielsweise vorteilhaft ein Gitter 25' mit verhältnismässig dünnen Drähten verwendet werden, wobei die Maschen bzw. die Öffnung 25 im Gitter so ausgelegt sind, dass die einzelne Wendeschneidplatte jeweils in der Mitte zweier aneinandergren- zenden Umfangflächen aufliegt (Fig.7). Dadurch ist gewährleistet, dass die Be- schichtung der Kanten und Ecken und die Schneidflächenbereiche, die dann später dem Zerspanungsprozess ausgesetzt sind, gleichmässig erfolgt. Die vorzugsweise elektrische Kontaktierung, insbesondere bei Biasbetrieb, erfolgt dabei ebenfalls über das Gitter 25'. Für Wendeschneidplatten mit Loch 28 ist beispielsweise ein Gitter mit Stäben 27, welche durch die Löcher geführt sind, geeignet wie es in der Figur 5a abgebildet ist, vorzugsweise ohne Rotationsvorrichtung.In Figur.10b the simple approach of the substrate handling on lattices 25 'was illustrated. In the case of the frequent rectangular indexable insert geometry, for example, a grid 25 'with relatively thin wires can be advantageously used, wherein the mesh or the opening 25 in the grid are designed so that the individual indexable insert rests in each case in the center of two adjoining peripheral surfaces (FIG. 7). This ensures that the coating of the edges and corners and the cutting surface areas, which are later exposed to the cutting process, are uniform. The preferably electrical contacting, in particular during bias operation, likewise takes place via the grid 25 '. For indexable inserts with hole 28, for example, a grid with rods 27, which are guided through the holes, suitable as shown in Figure 5a, preferably without rotation device.
Es wurde oben erläutert, dass die Kombination von quasi zweidimensionaler Sub- strathalterung und PVD-Quellenanordnung eine weitgehend uniforme Schich- tabscheidung auf den Schneidflächen der Wendeschneidplatten ermöglicht. Eine solche Verteilung wird normalerweise bei einer CVD-Beschichtung erhalten aber nicht bei einer PVD - Beschichtung. Es gibt aber nun auch Anwendungen für Schneidwerkzeuge, bei denen in Abhängigkeit vom Werkstückmaterial und den Schnittparametern bei der Bearbeitung vor allem die Freifläche A oder vor allem die Spanfläche B beansprucht wird. Das heisst, dass es oft wünschenswert ist, ein vor- gegebenes Schichtdickenverhältnis zwischen Frei- und Spanfläche einzuhalten, um möglichst diejenige Fläche mit einer dickeren Schicht zu schützen, ohne die nicht beanspruchte oder wenig beanspruchte Fläche mit einer zu dicken Schicht zu belegen, was nicht funktionell wäre und zudem nur Haftungsprobleme in sich bergen würde. Die Lösung für dieses Problem soll anhand der Figur 10 erläutert werden. Als Beispiel gehen wir von dieser Quellenanordnung aus und verwenden den einfachen flachen Substratträger 6 für Wendeschneidplatte 7 feststehend abgelegt auf einem Gitter 25'. Falls es nun erwünscht ist, die Schichtdicke auf der Spanfläche B zu erhöhen, werden vor allem diejenigen Arcquellen 8, 21 betrieben, die in Richtung dieser Fläche beschichten, während alle senkrecht dazu beschichtenden Arcquellen 8, 21 ausgeschaltet oder mit kleinerer Beschichtungsrate betrieben werden durch Einstellung der elektrischen Leistungszufuhr. Falls man die Freifläche dicker beschichten möchte, werden entsprechend die Quellen, die eine normale Beschichtung zur Freifläche erlauben betrieben und die dazu senkrechten reduziert betrieben oder ausgeschaltet. Man sieht, dass diese Kombination von flächiger Substrathalterung und gerichteter PVD-Beschichtung erstmals die Einstellung von vorgegeben Schichtdickenverhältnissen von Frei-und Spanfläche ohne Substratrotation erlaubt. Dies war mit bisher bekannten Beschichtungssystemen nicht möglich. Diese Eigenschaft ermöglicht es nun, ein sehr anwendungsbezogenes Design für die Wendeschneidplattenbeschichtung zu realisieren. Was hier für die Schicht- dickenabstimmung gesagt wurde, kann sinngemäss auch auf die Kombination verschiedener Materialien angewendet werden, beispielsweise kann ein erstes Material bevorzugt auf die Freifläche A und ein zweites Material bevorzugt auf die Spanfläche B abgeschieden werden, d.h. es kann Kolkverschleiss und Freiflächenver- schleiss getrennt und schichtmaterialspezifisch optimiert werden, was bis anhin nicht möglich war. It has been explained above that the combination of quasi-two-dimensional substrate support and PVD source arrangement allows for a largely uniform layer deposition on the cutting surfaces of the indexable inserts. Such a distribution is normally obtained in a CVD coating but not with a PVD coating. However, there are now also applications for cutting tools in which, depending on the workpiece material and the cutting parameters during machining, especially the free surface A or especially the chip surface B is claimed. This means that it is often desirable to adhere to a predetermined layer thickness ratio between free and rake face in order to protect as far as possible that area with a thicker layer, without occupying the unclaimed or under-stressed area with an excessively thick layer, which is not would be functional and would only harbor liability problems. The solution to this problem will be explained with reference to FIG. As an example we start from this source arrangement and use the simple flat substrate carrier 6 for indexable insert 7 fixedly placed on a grid 25 '. If it is now desired to increase the layer thickness on the chip surface B, in particular those arc sources 8, 21 are operated, which coat in the direction of this surface, while all perpendicularly coating arc sources 8, 21 are switched off or operated at a lower coating rate by adjustment the electrical power supply. If you want to coat the open space thicker, accordingly, the sources that allow a normal coating to the open space operated and the perpendicular reduced or turned off. It can be seen that this combination of flat substrate holder and directional PVD coating allows for the first time the setting of predetermined layer thickness ratios of free and rake surface without substrate rotation. This was not possible with previously known coating systems. This feature now makes it possible to realize a very application-specific design for indexable insert coating. What has been said here for the layer thickness adjustment can also be applied analogously to the combination of different materials, for example, a first material can preferably be deposited on the flank A and a second material preferably on the rake face B, ie it can be scouring and flanking. It can be separated and optimized for specific coating material, which was not possible until now.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vakuumbeschichtungsanlage umfassend:1. Vacuum coating system comprising:
- eine Vakuumprozesskammer (1), die mit einem Pumpsystem (2) verbunden ist,a vacuum processing chamber (1) connected to a pumping system (2),
- mindestens einen Reaktivgaseinlass (12) welcher an mindestens einen Reaktivgasbehälter (13) angeschlossen ist,at least one reactive gas inlet (12) which is connected to at least one reactive gas container (13),
- mindestens eine PVD - Beschichtungsquelle (8, 21) mit einer Anode (10) und einer flächigen Kathode (11), - einen Substratträger (6) mit mehreren Substraten (7),at least one PVD coating source (8, 21) having an anode (10) and a planar cathode (11), a substrate carrier (6) having a plurality of substrates (7),
- eine Türe (4), die an der Vakuumprozesskammer (1) angeordnet ist zur Beladung der Kammer mit dem Substratträger (6),a door (4) which is arranged on the vacuum process chamber (1) for loading the chamber with the substrate carrier (6),
- eine Transporteinrichtung (5) zur Durchreichung des Substratträgers (6) durch die Tür (4) und Positionierung in der Vakuumprozesskammer (1) be- abstandet im Bereich von der flächigen Kathode (11),a transport device (5) for passing the substrate carrier (6) through the door (4) and positioning in the vacuum process chamber (1) spaced in the region of the planar cathode (11),
- eine Stromversorgung (16, 18), die mit der PVD - Beschichtungsquelle (8, 16) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratträger (6) eine zweidimensionale horizontale Ausdehnung ausbildet und dieser zwischen mindestens zwei PVD - Beschichtungsquellen positioniert ist und dass die mehreren Substrate- a power supply (16, 18) connected to the PVD coating source (8, 16), characterized in that the substrate carrier (6) forms a two - dimensional horizontal extension and is positioned between at least two PVD coating sources and that the several substrates
(7) Schneidwerkzeuge sind mit mindestens einer Schneidkante (E), im peripheren Randbereich des flächigen Substrates (7), die in einer Ebene der zweidimensionalen Ausdehnung des Substratträgers (6) verteilt abgelegt sind, wobei der Substratträger (6) in einer horizontalen Ebene (3) in der Vakuum- prozesskammer (1) beabstandet, zwischen den flächigen Kathoden (11) der mindestens zwei PVD - Beschichtungsquellen (8, 21) positioniert angeordnet ist derart, dass mindestens ein Teil jeder der mindestens einen Schneidkante (E) eine aktive Schneidkante (E') enthält und diese gegenüber mindestens einer der Kathoden (11) der PVD - Beschichtungsquellen (8, 21) jederzeit in Sichtverbindung exponiert ausgerichtet ist. (7) cutting tools are provided with at least one cutting edge (E), in the peripheral edge region of the sheet substrate (7), which are distributed in a plane of the two-dimensional extent of the substrate carrier (6), wherein the substrate carrier (6) in a horizontal plane ( 3) spaced apart in the vacuum process chamber (1), positioned between the planar cathodes (11) of the at least two PVD coating sources (8, 21) such that at least a portion of each of the at least one cutting edge (E) has an active cutting edge (E ') and at least one of the cathodes (11) of the PVD coating sources (8, 21) is always exposed in visual communication.
2. Beschichtungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass2. Coating plant according to claim 1, characterized in that
Substrate (7) mit einer Bewegungsvorrichtung (26, 27, 30) verbunden sind und diese zusammen in einer Ebene auf dem Substratträger (6) angeordnet sind, vorzugsweise derart, dass eine Rotationsanordnung für die Substrate (7) ausgebildet ist.Substrates (7) with a moving device (26, 27, 30) are connected and these are arranged together in a plane on the substrate carrier (6), preferably such that a rotational arrangement for the substrates (7) is formed.
3. Beschichtungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (7) innerhalb des Substratträgers (6) feststehend positioniert abgelegt sind, wobei die mindestens eine Schneidkante (E), auf der entsprechend zugeordneten Seite der einen Kathode (11) jederzeit mindestens 50%, vorzugsweise 70% ihrer Länge in Sichtverbindung exponiert zur entsprechenden Kathode ausgerichtet ist.3. Coating installation according to claim 1, characterized in that the substrates (7) are stored fixedly positioned within the substrate carrier (6), wherein the at least one cutting edge (E), on the correspondingly assigned side of a cathode (11) at any time at least 50th %, preferably 70% of its length is aligned in visual contact exposed to the corresponding cathode.
4. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD- Beschichtungsquellen (8, 21) Sputterquel- len, insbesondere Magnetronquellen, und / oder vorzugsweise Arcverdamp- ferquellen sind.4. Coating installation according to one of the preceding claims, characterized in that the PVD coating sources (8, 21) sputter sources, in particular magnetron sources, and / or preferably Arcverdamp- ferquellen are.
5. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratträger (6) eine Substratauflage (24) aufweist, die mit einer Vielzahl von Öffnungen (25) versehen ist in welche die flächigen Substrate (7) eingelegt sind, wobei die Anordnung vorzugsweise als Gitterstruktur ausgebildet ist, wie beispielsweise als Drahtgitter (25') welches durch einen umgebenden Rahmen (23) gehalten wird und dieses vorzugswei- se aus elektrisch leitendem Material besteht.5. Coating installation according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate carrier (6) has a substrate support (24) which is provided with a plurality of openings (25) into which the flat substrates (7) are inserted, wherein the arrangement is preferably formed as a grid structure, such as a wire grid (25 ') which is held by a surrounding frame (23) and this vorzugswei- se consists of electrically conductive material.
6. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratträger (6) mit einer Biasstromversorgung verbunden ist. 6. Coating installation according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate carrier (6) is connected to a bias power supply.
7. Beschichtungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die7. Coating plant according to claim 6, characterized in that the
Biasstromversorgung eine DC-, AC-, MF-, RF- oder vorzugsweise eine Pulsstromversorgung ist, wobei diese bipolare oder unipolare Pulse bildet.Biasstromversorgung is a DC, AC, MF, RF or preferably a pulse power supply, which forms bipolar or unipolar pulses.
8. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei PVD - Beschichtungsquellen (8, 21) vorgesehen sind und diese einander im wesentlichen gegenüber stehen und der Substratträger (6) in der horizontalen Transportebene (3) liegend, zwischen den flächigen Kathoden (11) beabstandet angeordnet ist, derart dass die eine Quelle oberhalb und die andere Quelle unterhalb des Substratträgers (6) positioniert ist und diese Quellen ein gegeneinander gerichtetes Beschichtungsquellen- paar (8, 21) bilden .8. Coating installation according to one of the preceding claims, characterized in that two PVD - coating sources (8, 21) are provided and these are substantially opposite each other and the substrate carrier (6) lying in the horizontal transport plane (3), between the flat cathodes (11) is spaced such that one source is positioned above and the other source below the substrate support (6) and these sources form a facing coating source pair (8, 21).
9. Beschichtungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei PVD - Beschichtungsquellenpaare (8, 21) vorgesehen sind.9. Coating plant according to claim 8, characterized in that at least two PVD coating source pairs (8, 21) are provided.
10. Beschichtungsanlage nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kathoden (11) eines Beschichtungsquellenpaares (8, 21) mit einer Puls - Hochstromversorgung (17) verbunden sind und dass mindestens ein Beschichtungsquellenpaar (8, 21) aus Arcverdampferquellen besteht.10. Coating plant according to one of claims 8 or 9, characterized in that the two cathodes (11) of a coating source pair (8, 21) with a pulse - high current supply (17) are connected and that at least one coating source pair (8, 21) from Arcverdampferquellen consists.
11. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (7) im Wesentlichen flächig, vorzugs- weise plattenförmig, ausgebildet sind und eine Ausdehnung im Bereich von11. Coating installation according to one of the preceding claims, characterized in that the substrates (7) are substantially flat, preferably plate-shaped, and have an extent in the range of
5mm bis 60 mm aufweisen und vorzugsweise Wendeschneidplatten sind.5mm to 60 mm and are preferably indexable inserts.
12. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktivgasbehälter (13) eines der Gase Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenwasserstoff, Siliziumwasserstoff, Borwasserstoff, Wasserstoff, vorzugsweise Sauerstoff enthält. 12. Coating plant according to one of the preceding claims, characterized in that the reactive gas container (13) contains one of the gases nitrogen, oxygen, hydrocarbon, silane, hydrogen boride, hydrogen, preferably oxygen.
13. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratträger (6) mindestens 30 Substrate (7) aufnimmt, vorzugsweise maximal 1000, vorzugsweise mindestens 200 bis maximal 600 Stück.13. Coating plant according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate carrier (6) receives at least 30 substrates (7), preferably at most 1000, preferably at least 200 to a maximum of 600 pieces.
14. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratträger (6) mit einer Bewegungseinrichtung (22) verbunden ist zur periodischen, relativen Bewegung gegenüber der PVD - Beschichtungsquellen (8, 21), wobei die Bewegungseinrichtung (22) vor- zugsweise eine Horizontalbewegungseinrichtung ist.14. Coating plant according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate carrier (6) is connected to a movement device (22) for periodic, relative movement with respect to the PVD coating sources (8, 21), wherein the movement device (22) is preferably a horizontal movement device.
15. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kathode (11) das Material AL, Cr , Ti oder Zr oder deren Legierungen enthält und mindestens ein Reaktivgasbe- hälter (13) Sauerstoff enthält.15. Coating plant according to one of the preceding claims, characterized in that at least one cathode (11) contains the material AL, Cr, Ti or Zr or their alloys and at least one Reaktivgasbe- container (13) contains oxygen.
16. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage ausserhalb des Vakuums einen Beschik- kungsroboter aufweist zur Beschickung oder Entladung des Substratträgers (6) mit den Substraten (7), wobei dieser wirkverbunden ist mit der Transporteinrichtung (5).16. Coating plant according to one of the preceding claims, characterized in that the system outside the vacuum has a Beschik- kungsroboter for charging or discharging the substrate support (6) with the substrates (7), which is operatively connected to the transport device (5).
17. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Türe (4) als Schleuse ausgebildet ist.17. Coating installation according to one of the preceding claims, characterized in that the door (4) is designed as a lock.
18. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, vorzugsweise mehrere Vakuumkammern (1 , 1a, 1b, 1c) miteinander kommunizierend über Öffnungen, vorzugsweise über Schleusen wirkverbunden sind zur Abwicklung mehrere Pro- zessschritte, wobei mindestens eine der Vakuumkammern (1 , 1a, 1b, 1c) mindestens eine Arcverdampferquelle (8, 21) aufweist. 18. Coating installation according to one of the preceding claims, characterized in that at least two, preferably a plurality of vacuum chambers (1, 1a, 1b, 1c) are operatively connected to each other via openings, preferably via sluices for processing a plurality of process steps, wherein at least one of the vacuum chambers (1, 1a, 1b, 1c) at least one Arcverdampferquelle (8, 21).
19. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, des flächigen Substratträgers (6) mindestens zwei Arcverdampferquellen (8, 8', 21 , 21') angeordnet sind und die Flächen deren Kathoden (11) gegeneinander in Richtung des Substratträgers (6) geneigt angeordnet sind und die Quellen vorzugsweise individuell betreibbar sind.19. Coating installation according to one of the preceding claims, characterized in that at least two Arcverdampferquellen (8, 8 ', 21, 21') are arranged on one side, preferably on both sides, of the planar substrate support (6) and the surfaces whose cathodes ( 11) are arranged inclined relative to each other in the direction of the substrate carrier (6) and the sources are preferably operated individually.
20. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, des flächigen Substratträgers (6) mindestens vier Arcverdampferquellen (8, 8', 21 ,20. Coating installation according to one of the preceding claims, characterized in that on one side, preferably on both sides, of the planar substrate support (6) at least four Arcverdampferquellen (8, 8 ', 21,
21') angeordnet sind und die Flächen deren Kathoden (11) gegeneinander in Richtung des Substratträgers (6) geneigt angeordnet sind und die Quellen vorzugsweise individuell betreibbar sind.21 ') are arranged and the surfaces whose cathodes (11) against each other in the direction of the substrate carrier (6) are arranged inclined and the sources are preferably operated individually.
21. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der auf das Substrat (7) abgeschiedenen Schicht an den Seitenflächen der aktiven Schneidkante (E) eine Dicke im Bereich von 0.1 μm bis 50 μm aufweist.21. Coating plant according to one of the preceding claims, characterized in that the layer thickness of the deposited on the substrate (7) layer on the side surfaces of the active cutting edge (E) has a thickness in the range of 0.1 .mu.m to 50 .mu.m.
22. Beschichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Substrate (7) im Substratträger mit der Anordnung der PVD - Beschichtungsquellen eine permanente, ununterbrochene Exponierung mindestens der aktiven Schneidkanten (E') der Substrate (7) gewährleistet, derart dass die Beschichtung in der Schichtdicke eine maximale Variation von ±30% beinhaltet, vorzugsweise von maximal22. Coating installation according to one of the preceding claims, characterized in that the alignment of the substrates (7) in the substrate support with the arrangement of the PVD coating sources ensures permanent, uninterrupted exposure of at least the active cutting edges (E ') of the substrates (7) that the coating in the layer thickness includes a maximum variation of ± 30%, preferably of maximum
±20% und speziell bevorzugt von maximal ±10%.± 20%, and more preferably of at most ± 10%.
23. Verfahren zur gleichzeitigen Beschichtung von mehreren flächenförmigen23. A method for simultaneous coating of several sheet-like
Substraten (7) mit einer Hartstoffschicht, umfassend: - eine Vakuumprozesskammer (1), die mit einem Pumpsystem (2) verbunden ist zur Evakuierung, - mindestens einen Reaktivgaseinlass (12) welcher an mindestens einen Reaktivgasbehälter (13) angeschlossen ist zum Einlassen von Prozessgasen,Substrates (7) with a hard material layer, comprising: - a vacuum process chamber (1) which is connected to a pumping system (2) for evacuation, at least one reactive gas inlet (12) which is connected to at least one reactive gas container (13) for the admission of process gases,
- mindestens eine PVD - Beschichtungsquelle (8, 21) mit einer Anode (10) und einer flächigen Kathode (11) zur Beschichtung des Substrates (7),at least one PVD coating source (8, 21) having an anode (10) and a planar cathode (11) for coating the substrate (7),
- einen Substratträger (6) auf den mehrere Substrate (7) abgelegt werden,- a substrate carrier (6) are placed on the plurality of substrates (7),
- eine Türe (4), die an der Vakuumprozesskammer (1) angeordnet ist zur Beladung der Kammer mit dem Substratträger (6),a door (4) which is arranged on the vacuum process chamber (1) for loading the chamber with the substrate carrier (6),
- eine Transporteinrichtung (5) zur Durchreichung des Substratträgers (6) durch die Tür (4) und Positionierung in der Vakuumprozesskammer (1) beabstandet im Bereich von der flächigen Kathode (11),- A transport device (5) for passing the substrate carrier (6) through the door (4) and positioning in the vacuum process chamber (1) spaced in the region of the flat cathode (11),
- eine Stromversorgung (16, 18), zum Betrieb der PVD - Beschichtungsquelle (8, 21), dadurch gekennzeichnet, dass der Substratträger (6) als zweidimensionale horizontale ausgedehnte Anordnung ausbildet wird und dieser zwischen mindestens zwei PVD - Beschichtungsquellen positioniert wird und dass als mehrere Substrate (7) Schneidwerkzeuge verwendet werden, die mindestens eine Schneidkante (E) im peripheren Randbereich des flächigen Substrates (7) aufweisen, die in einer Ebene der zweidimensionalen Ausdehnung des Sub- stratträgers (6) verteilt abgelegt werden, wobei der Substratträger (6) in einer horizontalen Ebene (3) in der Vakuumprozesskammer (1) beabstandet, zwischen den flächigen Kathoden (11) der mindestens zwei PVD - Beschichtungsquellen (8, 21) positioniert angeordnet werden derart, dass mindestens ein Teil jeder der mindestens einen Schneidkante (E) eine aktive Schneid- kante (E') enthält und diese gegenüber mindestens einer der Kathoden (11) der PVD - Beschichtungsquellen (8, 21) jederzeit in Sichtverbindung exponiert ausgerichtet werden und während der Beschichtung kein Unterbruch an der zu beschichtenden Oberfläche der Substrate (7) des abzulegenden Teilchenstromes erfolgt im Bereich der aktiven Schneidkante (E'). - a power supply (16, 18) for operating the PVD coating source (8, 21), characterized in that the substrate carrier (6) is formed as a two - dimensional horizontal extended array and this is positioned between at least two PVD coating sources and that a plurality of substrates (7) cutting tools are used which have at least one cutting edge (E) in the peripheral edge region of the planar substrate (7), which are distributed in a plane of the two-dimensional extent of the substrate carrier (6), wherein the substrate carrier (6 spaced apart in a horizontal plane (3) in the vacuum process chamber (1), are positioned between the planar cathodes (11) of the at least two PVD coating sources (8, 21) such that at least a portion of each of the at least one cutting edge (E ) contains an active cutting edge (E ') and this against at least one of the cathodes (11) of the PVD coating source n (8, 21) are exposed at all times exposed in the line of sight and during the coating no interruption at the surface to be coated of the substrates (7) of the deposited particle flow takes place in the region of the active cutting edge (E ').
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass Substrate (7) mit einer Bewegungsvorrichtung (26, 27, 30) gekoppelt werden und diese zusammen in einer Ebene auf dem Substratträger (6) angeordnet wird, vorzugsweise derart, dass die Substrate (7) rotierend bewegt werden.24. The method according to claim 23, characterized in that substrates (7) are coupled to a movement device (26, 27, 30) and this is arranged together in a plane on the substrate carrier (6), preferably in such a way that the substrates (7 ) are moved in rotation.
25. Verfahren nach Anspruch 23 , dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (7) an dem Substratträgers (6) feststehend positioniert abgelegt werden, wobei die mindestens eine Schneidkante (E), auf der entsprechend zugeordneten Seite der einen Kathode (11) jederzeit mindestens 50%, vorzugs- weise 70% von der Schneidkante (E) ihrer Länge in Sichtverbindung exponiert zur entsprechenden Kathode ausgerichtet wird.25. The method according to claim 23, characterized in that the substrates (7) are deposited fixedly positioned on the substrate carrier (6), wherein the at least one cutting edge (E), on the correspondingly assigned side of a cathode (11) at any time at least 50th %, preferably 70% of the cutting edge (E) of its length is aligned in visual contact with the corresponding cathode.
26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass als PVD- Beschichtungsquellen (8, 21) Sputterquel- len, insbesondere Magnetronquellen, und / oder vorzugsweise Arcverdamp- ferquellen verwendet werden26. The method according to any one of the preceding claims 23 to 25, characterized in that sputter sources, in particular magnetron sources, and / or preferably arc vapor sources are used as PVD coating sources (8, 21)
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratträger (6) mit einer Substratauflage (24) ausgebildet wird mit einer Vielzahl von Öffnungen (25) in welche die flächigen27. The method according to any one of the preceding claims 23 to 26, characterized in that the substrate carrier (6) with a substrate support (24) is formed with a plurality of openings (25) in which the flat
Substrate (7) eingelegt werden derart, wobei die Anordnung vorzugsweise als Gitterstruktur ausgebildet wird, wie beispielsweise als Drahtgitter welches durch einen umgebenden Rahmen (23) gehalten wird und dieses Gitter vorzugsweise aus elektrisch leitendem Material besteht.Substrates (7) are inserted in such a way, wherein the arrangement is preferably formed as a grid structure, such as a wire mesh which is held by a surrounding frame (23) and this grid is preferably made of electrically conductive material.
28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass an den Substratträger (6) eine elektrische Biasstrom- versorgung angelegt wird.28. The method according to any one of the preceding claims 23 to 27, characterized in that on the substrate carrier (6) an electrical bias current supply is applied.
29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Biasstrom- versorgung eine DC-, AC-, MF-, RF- Spannung abgibt und / oder Vorzugs- weise elektrische Pulse, wobei diese bipolare oder unipolare Pulse bilden kann.29. The method according to claim 27, characterized in that the bias power supply outputs a DC, AC, MF, RF voltage and / or preferred example, electrical pulses, which can form bipolar or unipolar pulses.
30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zwei PVD - Beschichtungsquellen (8, 21) vorgesehen werden und diese einander im wesentlichen gegenüber stehen und der Substratträger (6) in der horizontalen Transportebene (3) liegend, zwischen den flächigen Kathoden (11) beabstandet angeordnet wird, derart dass die eine Quelle oberhalb und die andere Quelle unterhalb des Substratträgers (6) po- sitioniert wird und diese Quellen ein gegeneinander gerichtetes Beschich- tungsquellenpaar (8, 21) bilden .30. The method according to any one of the preceding claims 23 to 29, characterized in that two PVD coating sources (8, 21) are provided and these are substantially opposite each other and the substrate carrier (6) lying in the horizontal transport plane (3) between the planar cathodes (11) is arranged at a distance, such that one source is positioned above and the other source below the substrate carrier (6) and these sources form a mutually facing coating source pair (8, 21).
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei PVD - Beschichtungsquellenpaare (8, 21) vorgesehen werden.31. Method according to claim 30, characterized in that at least two PVD coating source pairs (8, 21) are provided.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 oder 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kathoden (11) eines Beschichtungsquellenpaares (8, 21) mit einer Puls - Hochstromversorgung (17) verbunden betrieben werden und dass mindestens ein Beschichtungsquellenpaar (8, 21) mit Arcverdampfer- quellen betrieben wird.32. Method according to claim 30, characterized in that the two cathodes (11) of a coating source pair (8, 21) are operated connected to a pulse high current supply (17) and that at least one coating source pair (8, 21) Arcverdampfer- sources is operated.
33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass im wesentlichen flächige, vorzugsweise plattenförmige Substrate (7) verwendet werden mit einer Ausdehnung im Bereich von 5mm bis 60 mm und vorzugsweise Wendeschneidplatten beschichtet werden.33. The method according to any one of the preceding claims 23 to 32, characterized in that substantially flat, preferably plate-shaped substrates (7) are used with an extension in the range of 5mm to 60 mm and preferably indexable inserts are coated.
34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktivgas eines der Gase Stickstoff Sauerstoff, Kohlenwasserstoff, Siliziumwasserstoff, Borwasserstoff, Wasserstoff, vor- zugsweise Sauerstoff in die Vakuumprozesskammer (1) eingelassen wird. 34. The method according to any one of the preceding claims 23 to 33, characterized in that as reactive gas of one of the gases nitrogen oxygen, hydrocarbon, silane, hydrogen boride, hydrogen, preferably oxygen in the vacuum process chamber (1) is admitted.
35. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Substratträger (6) zur gleichzeitigen Be- schichtung mindestens 30 Substrate (7) abgelegt werden, vorzugsweise maximal 1000, vorzugsweise mindestens 200 bis maximal 600 Stück.35. The method according to any one of the preceding claims 23 to 34, characterized in that on the substrate carrier (6) for simultaneous coating at least 30 substrates (7) are stored, preferably at most 1000, preferably at least 200 to a maximum of 600 pieces.
36. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Substratträger (6) und der PVD - Beschich- tungsquellen (8, 21) mit Hilfe einer Bewegungseinrichtung (22) eine Relativbewegung erfolgt, wobei die Bewegungseinrichtung (22) vorzugsweise eine Horizontalbewegungseinrichtung ist und vorzugsweise der Substratträger (6) bewegt wird.36. Method according to one of the preceding claims 23 to 35, characterized in that a relative movement takes place between substrate carrier (6) and the PVD coating sources (8, 21) with the aid of a movement device (22), wherein the movement device (22) is preferably a horizontal movement device and preferably the substrate carrier (6) is moved.
37. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens eine Kathode (11) das Material AL, Cr, Ti, oder Zr oder deren Legierungen verdampft oder zerstäubt wird und mindestens ein Reaktivgas als Sauerstoff dem Plasmaprozess zugeführt wird.37. The method according to any one of the preceding claims 23 to 36, characterized in that at least one cathode (11) the material AL, Cr, Ti, or Zr or their alloys is vaporized or atomized and at least one reactive gas is supplied as oxygen to the plasma process ,
38. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass ausserhalb der Vakuumprozesskammer (1) ein Be- schickungsroboter vorgesehen wird zur Beschickung oder Entladung des38. The method according to any one of the preceding claims 23 to 37, characterized in that outside the vacuum process chamber (1) a loading robot is provided for charging or discharging the
Substratträgers (6) mit den Substraten (7), wobei dieser wirkverbunden wird mit der Transporteinrichtung (5).Substrate carrier (6) with the substrates (7), which is operatively connected to the transport device (5).
39. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Türe (4) als Schleuse ausgebildet wird durch welche Substratträger (6) in die Vakuumkammer (1) ein- und ausgeschleust werden können.39. The method according to any one of the preceding claims 23 to 38, characterized in that the door (4) is designed as a lock through which substrate carrier (6) in the vacuum chamber (1) can be inserted and removed.
40. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, vorzugsweise mehrere Vakuumkammern (1 , 1a, 1b, 1c) miteinander kommunizierend über Öffnungen, vorzugsweise über Schleusen wirkverbunden werden zur Abwicklung mehrere Prozessschritte, wobei mindestens in oder an einer der Vakuumkammern (1 , 1a, 1b, 1c) mindestens eine Arcverdampferquelle (8, 21) betrieben wird.40. The method according to any one of the preceding claims 23 to 39, characterized in that at least two, preferably a plurality of vacuum chambers (1, 1a, 1b, 1c) communicating with each other via openings, preferably via locks are operatively connected to the settlement of several Process steps, wherein at least one or both of the vacuum chambers (1, 1a, 1b, 1c) at least one Arcverdampferquelle (8, 21) is operated.
41. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, des flächigen Substratträgers (6) mindestens zwei Arcverdampferquellen (8, 8', 21 , 21') angeordnet betrieben werden und die Flächen der jeweiligen Kathoden (11) gegeneinander in Richtung des Substratträgers (6) geneigt angeordnet sind und die Quellen vorzugsweise individuell angesteuert betrieben wer- den.41. The method according to any one of the preceding claims 23 to 40, characterized in that at least two Arcverdampferquellen (8, 8 ', 21, 21') are arranged arranged on one side, preferably on both sides of the flat substrate support (6) and the Surfaces of the respective cathodes (11) are arranged inclined relative to one another in the direction of the substrate carrier (6) and the sources are preferably operated individually controlled.
42. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 41 , dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, des flächigen Substratträgers (6) mindestens vier Arcverdampferquellen (8, 8', 21 , 21') angeordnet betrieben werden und die Flächen der jeweiligen Kathoden42. The method according to any one of the preceding claims 23 to 41, characterized in that at least four Arcverdampferquellen (8, 8 ', 21, 21') are arranged arranged on one side, preferably on both sides of the planar substrate support (6) and the Surfaces of the respective cathodes
(11) gegeneinander in Richtung des Substratträgers (6) geneigt angeordnet sind und die Quellen vorzugsweise individuell angesteuert betrieben werden.(11) are arranged inclined towards each other in the direction of the substrate carrier (6) and the sources are preferably operated individually controlled.
43. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Substrat (7) an den Seitenflächen der aktiven43. The method according to any one of the preceding claims 23 to 42, characterized in that on the substrate (7) on the side surfaces of the active
Schneidkante (E') eine Schicht abgeschiedenen wird mit einer Schichtdicke im Bereich von 0.1 μm bis 50 μm.Cutting edge (E ') a layer is deposited with a layer thickness in the range of 0.1 .mu.m to 50 .mu.m.
44. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (7) im Substratträger zusammen mit der44. The method according to any one of the preceding claims 23 to 43, characterized in that the substrates (7) in the substrate carrier together with the
Anordnung der PVD - Beschichtungsquellen eine permanente, ununterbrochene Exponierung mindestens der aktiven Schneidkanten (E') der Substrate (7) gewährleistet, derart dass der Materialfluss von der Quelle zum Substrat nicht unterbrochen wird während der ganzen Beschichtungsdauer, wobei eine maximale Variation des Materialflusses von ±30% eingehalten wird, vorzugsweise von maximal ±20% und speziell bevorzugt von maximal ±10%. Arrangement of the PVD coating sources ensures a permanent, uninterrupted exposure of at least the active cutting edges (E ') of the substrates (7), so that the material flow from the source to the substrate is not interrupted during the entire coating period, with a maximum variation of the material flow of ± 30% is maintained, preferably of a maximum of ± 20% and more preferably of a maximum of ± 10%.
45. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der mehreren Substrate (7) auf einem Substratträger (6) innerhalb einer Taktzeit von kleiner 3.0 Stunden, vor- zugsweise kleiner 1.0 Stunde erfolgt.45. The method according to any one of the preceding claims 23 to 44, characterized in that the coating of the plurality of substrates (7) on a substrate carrier (6) within a cycle time of less than 3.0 hours, preferably less than 1.0 hour takes place.
46. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass an den Freiflächen (B) und den Spanflächen (A) der Substrate (7), mindestens entlang und seitlich der Schneidkante (E) auf bei- den Flächen, unterschiedliche Schichtdicken eingestellt werden durch individuelle Einstellung der Leistungszufuhr an den mindestens zwei PVD- Be- schichtungsquellen (8, 21), vorzugsweise an den mehreren Besen ichtungs- quellen (8, 21).46. The method according to any one of the preceding claims 23 to 45, characterized in that at the free surfaces (B) and the clamping surfaces (A) of the substrates (7), at least along and laterally of the cutting edge (E) on both surfaces, different Layer thicknesses are set by individual adjustment of the power supply to the at least two PVD coating sources (8, 21), preferably at the plurality of brushing sources (8, 21).
47. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass an den Freiflächen (B) und den Spanflächen (A) der Substrate (7), mindestens entlang und seitlich der Schneidkante (E) auf beiden Flächen, unterschiedliche Materialzusammensetzungen eingestellt werden durch individuelle Einstellung der Leistungszufuhr an den mindestens zwei PVD- Beschichtungsquellen (8, 21), vorzugsweise an den mehreren Be- schichtungsquellen (8, 21) welche mit wahlweise verschiedenen Kathodenmaterialien bestückt sind. 47. The method according to any one of the preceding claims 23 to 46, characterized in that set at the free surfaces (B) and the rake surfaces (A) of the substrates (7), at least along and laterally of the cutting edge (E) on both surfaces, different material compositions By individual adjustment of the power supply to the at least two PVD coating sources (8, 21), preferably to the plurality of coating sources (8, 21) which are equipped with optional different cathode materials.
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