JP3679113B2 - 層堆積方法および装置 - Google Patents
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Description
特に硬質材料層、例えば、チタンおよびIVb属の他の金属の炭化物および窒化物の層をイオンプレーティングにより堆積することが知られている。然しながら、イオンプレーティングプロセスの際にコーティングすべきワークは、概ね300℃を越える比較的強い温度負荷を受ける。ずっと以前から上述の種類の硬質材料層を反応性プロセスを用いて、低温にて堆積させることを可能にする方法の開発が試みられている。それについては原理的にはカソードスパッタリングによる堆積が提供される。然しながら、現在まで300℃より低い温度でカソードスパッタリングにより上述の層を、その層に通常求められる要求、特に耐摩耗性に関する要求を満たすように堆積させることには成功していない。
そのために、例えばいわゆるハイブリッド方法が知られており、この方法では固体の一部が、同一出願人のEP−A−0306612号公報およびEP−A−0432090号公報から知られているように、カソードスパッタリングに加えてアーク放電内で蒸発される。然しながら、その場合に必要とされる出力密度では、ワークを冷却することなく300℃より低い所望の低温水準に達することはできない。更に、このハイブリッド方法は技術的に比較的複雑であるので、シリーズ部品のコーティングの場合に使用することは報われないことが多い。
更にそのために、開放された磁場構成を有するカソードスパッタリング源、いわゆる「アンバランスド マグネトロン」が使用されている。この処理の重要な欠点として出力収率が小さいことを考慮しなければならない。投入出力の約10%しかスパッタリングには利用されずにコストに影響する冷却水に移行し、開放された磁場構造を有する装置では、プラズマエネルギの半分以上は固体のスパッタリングにではなく、ワーク近傍におけるプラズマの発生に使用され、それにより更に熱的な問題ももたらす。従って、この方法は現在では低温での反応性コーティングにはまったく使用されない。
更に、種々の補助イオン化装置をカソードスパッタリング方法と組み合わせることが知られている。DE−A−3503397号公報からは、硬質材料層の堆積のために固体を磁場支援されるカソードスパッタリング源、いわゆるマグネトロンを用いてスパッタリングし、その場合にワークをマグネトロンの領域に配置し、それに対して後方に電子銃を設けることが知られている。ワークとマグネトロンの間の領域にはアノードバーが設けられており、このアノードバーは電子銃からもたらされる電子をマグネトロンプラズマ放電の領域へ引き込む。それによりこの領域におけるプラズマ密度が増加する。
DE−A−3503398号公報によれば、ワークとマグネトロン間に第1の電極が設けられ、ワークの他方の側に第2の電極が設けられる。その場合に第2の電極は、マグネトロン−プラズマ放電の領域でプラズマ密度を増大させるために、電子放射器として使用される。
上述の2つの方法ではワークが著しく加熱されるので、ワークまたはその横断面が、カソードスパッタリング源またはマグネトロンのスパッタリング面に比べて小さい場合にしか使用できない。これに関してはDE−A−4011515号公報にも記載されている。
最後に述べた制限により、この種の装置は経済的に利用することができない。それは更にもたらされるコーティングを装置へのワークの装填に依存するようにし、それはこの種の方法を通常のように使用する場合にはローンコーティングとしてのワークの改良には使用できない。
DE−A−4011515号公報によればワークとマグネトロンの間に電極の対が設けられており、そこにホットカソードとして形成された電極が電子を放出する。それによりマグネトロン放電プラズマのプラズマ密度が増大される。その場合に硬質材料層でなく、金属または金属合金層が堆積され、スパッタリング源プラズマのプラズマ密度が局所的に増大することによりワークの温度負荷が比較的大きくなる。
同様にUS−A−4389299号公報にも、熱的に放出される電子を用いてマグネトロンプラズマのプラズマ密度を増大させることが提案されている。
従来技術に関する他の文献として、EP−A−0328257号公報、DE−A−3503397号公報、DE−A−4115616号公報、EP−A−0282835号公報、DE−A−3426795号公報を挙げる。
EP−A−0328257号公報からは、層を交互に金属モードと反応モードにおいて、各々カソードスパッタリングにて形成することにより、光学的なワークに光学層を堆積形成することが知られている。そのために光学的なワークは約50Hzの比較的大きい周波数で上述の層形成源に交互に供給される。その場合に反応モードと金属モード間で使用される比較的大きいクロック周波数を考慮して、ワークをそれに従って急速に移動させるために、複雑な手段を講じなければならない。これはまた、上述の2つの層モードを分離するために各々の源間に任意に短い間隙を挿入できないことにもよる。加工雰囲気内でワークが移動されるにもかかわらず、かつガス拡散プロセスにもかかわらず、局所的に主として金属モード条件と、それから分離された、局所的に主として反応モード条件を保証するように配慮しなければならない。
本発明の課題は、300℃より低い低温においてシリーズ部品上にも硬質材料を経済的に堆積させることができ、それが化学量論、密度および付着に関してイオンプレーティングにより堆積された層と少なくとも同等であり、かつ上述の欠点、例えばEP−A−0328257号公報に記載の処理に関する欠点を克服した、冒頭で述べた種類の方法を提供することである。
これは、請求の範囲第1幌の特徴部分に記載された上述の方法により解決される。
それによれば、コーティングすべきワーク表面が交互にカソードスパッタリングと、カソードスパッタリングにほぼ関与しない他のプラズマ放電を受ける。他のプラズマ放電は明らかにその直前にコーティングされた表面を均一化しかつ圧縮するためであって、かつカソードスパッタリングのプラズマ密度は他のプラズマ放電により高められたとしても、それほど高められてはいないので、ワークの温度負荷も必要とされる最大値を超えることはない。他のプラズマ放電では、まず形成された層成分の本来の後処理が行われ、層材料の著しい変化はもはや行われない。
請求の範囲第2項の文言によれば、最も簡単な方法でコーティングすべき表面がワークの旋回または回転移動によりカソードスパッタリングに、そして他のプラズマ放電に交互に向けられる。
請求の範囲第3項に記載の文言によれば、その場合に重要なことは、特に表面が湾曲している場合に、他のプラズマ放電を最適に利用するために、他のプラズマ放電に向けられた、コーティングすべき表面に接する接線平面がほぼその中央領域において、他の放電の放電路に接する接線に対してほぼ平行になることであって、その場合に上述の表面に沿って上述の放電のほぼ均一なプラズマ密度分布が充分に利用される。
特にシリーズ製品をコーティングするために更に、請求の範囲第4項の文言に記載のように行うことが提案されている。
その場合に好ましい方法は、請求の範囲第5項の文言に示すような特徴を有し、その場合に「旋回動作」という表現は、ワークに関して変位した回転軸線を中心とする回転運動であり、「回転動作」というのはワークのそれ自体の回転運動である。
請求の範囲第6項の文言によれば、他のプラズマ放電がビーム放電として形成されることにより、カソードスパッタリングの他のプラズマ放電の影響領域の分離が更に形成される。
本発明による方法のきわめて好ましい実施例では、すなわち請求の範囲第7項の文言によれば、その化学量論を含む堆積された層材料に関して、層は大体においてカソードスパッタリングで堆積される。その場合に堆積された層材料は他のプラズマ放電により後処理され、特に圧縮される。
そのために好ましくは請求の範囲第8項に示すように、他のプラズマ放電はほぼ不活性ガス内、例えばアルゴン内の放電として行われ、その場合に中性ガス雰囲気と反応ガス雰囲気との絶対的な分離は必要ない。然しながら、反応ガス雰囲気をほぼカソードスパッタリング源、好ましくはマグネトロンの領域に設け、かつ他のプラズマ放電、特にアーク放電は中性ガス雰囲気内で駆動することが推奨される。
その場合に請求の範囲第9項の文言に示すように、求められる層特性を得るために堆積された層の後処理は、大きな確率で、主として不活性ガスのイオンによるイオンシューティングにより行われる。
請求の範囲第10項の文言によれば、設けられている他のプラズマ放電の作用は、ワークの電位を他の放電のプラズマポテンシャルに関してネガティブに選択すること、好ましくは+10Vよりも少なく、好ましくは最大で+5V、特に好ましくは最大で−5V、好ましくは−5Vと−300Vの間、代表的には約−150Vに選択することにより、最適化される。これは、アースに対して約+20Vの他のプラズマ放電のプラズマポテンシャルに基づいている。
更に、上述の現象により、カソードスパッタリングおよび他のプラズマ放電におけるワークの急速な交換停止が不要になるので、本発明方法の好ましい実施例において、請求の範囲第11項の文言によれば、この交換周波数は最大で30Hz、好ましくは最大で10Hz、好ましくは更に1Hzより低く、代表的には約0.1Hzである。それによりワークホルダおよびワーク駆動のための構造的なコストの著しい削減が得られ、それはカソードスパッタリングと他のプラズマ放電区間間のきわめて低速の交換移動が実現できることにより行われる。
特に請求の範囲第12項に示す方法では、ビームを調節することにより、他のプラズマ放電側のワーク表面が暴露されるプラズマ密度を、後処理プロセスに関して最適にし、かつまた他のプロセス段階、すなわち加熱またはエッチングのために調節することが可能になる。
請求の範囲第13項の文言によれば、上述の目的のために好ましくはワークにおける電位も調節可能に形成されているので、異なる表面処理プロセスと後処理プロセスを実施すること、および最適化することが可能になる。
請求の範囲第14項ないし第15項に記載の閉ループ制御により、この種の制御を設けない場合には非安定になる作業点においても、すなわちカソードスパッタリング源のスパッタリングされる表面が公知のように汚染される作業点においても、反応性のカソードスパッタリングプロセスの最適な安定化が達成される。
反応ガス供給ならびに上述の閉ループ制御の好ましい実施例は、2つ或いは多数のカソードスパッタリング源が設けられている場合に、請求の範囲第16項ないし第17項により定義される。
請求の範囲第18項の文言に示すように、ワークをカソードスパッタリングに対してシールドすることができることにより、すでに説明したように、更に、他のプラズマ放電によってのみワーク表面を選択的に処理すること、例えばエッチングすることが可能になる。その場合に層堆積の例えば前段に設けられたこの種のプロセスステップにおいて、作動ガスとして例えばアルゴンなどの希ガスのみを導入することができる。同時に、シールドにより、カソードスパッタリング源を自由にスパッタリングすることができる。その場合公知のように、層堆積のために後にスパッタリングされるカソードスパッタリングのターゲットは、例えば標準雰囲気で発生する酸化物層を清掃される。
請求の範囲第19項に記載のように、他のプラズマ放電側のワーク表面の所定箇所における他のプラズマ放電を変化させること、かつ/またはワークの電位を変化させることにより、該表面をエッチングまたは加熱することができる。その場合に、例えば放電々流の増大および/またはプラズマビームを変化させることにより、プラズマ密度を変化させることができる。
特に、ワーク表面の領域において他のプラズマ放電のプラズマ密度を選択することにより、既述のように、他のプラズマ放電のビーム制御によっても、かつ/またはその出力制御によっても行うことができ、かつ請求の範囲第20項の文言によれば、ワークの電位の選択により300℃より低いワークの温度が得られ、それにもかかわらず特に請求の範囲第22項の文言に示すように、少なくともほぼ、かつこの種の層に要請される特性、例えば摩耗特性に関して、イオンプレーティング方法により堆積された層と同様な硬質材料層が堆積される。
本発明によるコーティング装置は、請求の範囲第23項の文言によれば、請求の範囲第24項から第36項に記載の好ましい実施例を特徴としている。
次に添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図1は、好ましい構造例を用いて本発明方法の原理または本発明のコーティング装置の原理を基本的な処理シーケンスの形式で略示する側面図と上面図であり、
図2は、考察するワーク表面を図1に示すカソードスパッタリングモードから他のプラズマ処理モードへ移動させる好ましい方法、ないしはそれに関して本発明による装置において実施される好ましい方法を略示するものであり、
図3は、図1と図2の処理において、カソードスパッタリング領域と他のプラズマ放電の領域をワークに関して、かつカソードスパッタリングに関してワークを制御してシールドすることにより実施される種々のプロセスモードを原理的に示すものであり、
図4は、本発明による処理装置の概略的な縦断側面図であり、
図5は、好ましくは更に手段が設けられる、図4の装置を示すものである。
本発明方法の概略および原理を示す図1では、1はカソードスパッタリング源、特にマグネトロン源のスパッタリングされる面、すなわちターゲットを示している。
カソードスパッタリング源1から離れて他のプラズマ放電区間3が設けられている。他のプラズマ放電区間3は、電源5で略示するように、最も一般的な考察方法ではDC駆動、マイクロ波領域までのAC駆動、或いはDCと重畳されたACで駆動される。図1には、他のプラズマ放電は2つの電極間で、すなわち容量的に発生されるものとして図示されているが、この他のプラズマ放電はここで考察される最も一般的な場合では任意の公知の方法で発生させることができる。
ワーク7は、本発明によれば、そのコーティングすべき表面をカソードスパッタリング源1と、区間3において付加的に設けられたプラズマ放電とに交互に暴露される。これは図1では両方向矢印Sで略示されている。
図1には更に、点線で、真空反応容器9が図示されている。
イオン化すべきガス、例えばアルゴンが、タンク12から制御弁11を介して反応容器9内に導入される。更に、好ましくはカソードスパッタリング源1の領域で、ガス導入装置13により反応ガスないしは反応混合ガスがタンク装置15から弁装置17により制御または調節されて導入される。それにより少なくとも主にカソードスパッタリング源1の領域において反応性のコーティングプロセスが行われ、他のプラズマ放電区間3の領域では堆積された層が「改良」される。
好ましい実施例において、カソードスパッタリングプロセスは閉ループ制御される。その場合に好ましくは測定される制御量Xのセンサとしてプラズマ放出モニタの検出ヘッドが使用され、特にカソードスパッタリング源1の直後の領域に配置される。その出力信号は、プラズマ放電モニタで解析されて(図示せず)、微分ユニット21でガイド信号Wと比較される。操作量として好ましくは反応容器9に供給される反応性ガスの材料流、ないしはその混合比が、弁装置17により調節される。これは場合によっては制御器23を介して行われる。
然しながら、カソードスパッタリングプロセスは他の方法でも、例えば電気的センサを用いて或いは測定される制御量の記録装置として結晶層厚測定装置を用いて、スパッタリング率を測定することにより制御することができる。反応ガスの調節の代わりに、或いはそれに加えてスパッタリング源の電気的な駆動電圧、特にまたマグネトロン源の磁場発生を調節することもできる。
図1には制御可能なマスクなどのシールド装置25が一点鎖線で図示されている。シールド装置により(制御されて)反応容器9内でカソードスパッタリング源1を有する空間領域を、他のプラズマ放電区間3を有する空間領域からシールドするすることができる。これは本発明の好ましい実施例に設けられている。
こうして特に図3に示すように、ワーク7が他のプラズマ放電3の領域内で位置決めされている場合に、シールド25を閉鎖することができ、かつ、カソードスパッタリング源1、好ましくはマグネトロンは自由にスパッタリングすることができる。同時に他のプラズマ放電3に暴露されるワークの表面7をエッチングし、加熱し或いは原則的にプラズマ表面処理することができる。そのために図1の電源5により他のプラズマ放電区間の出力、例えば放電々流が調節され、かつ/または磁場Bにより制御された他のプラズマ放電3のビームと、それに伴って制御された出力密度分布が得られるように、ワーク7のプラズマ放電3側の表面におけるプラズマ密度が所望に調節される。
その場合に上述の表面において実施される処理プロセスを制御するために、更に、図1に略示するように、ワーク7における電位φ7が所望に調節され、それにより、当業者に周知のように、イオンシューティング密度とワーク7におけるイオンシューティング強度が調節される。その場合にφ73は好ましくは他のプロセス放電3のプラズマポテンシャルに比べて負に選択され、好ましくは+10Vより低く、好ましくは最大で+5V、特に最大で−5Vに選択され、その場合に好ましくは−5Vと−300Vの間、代表的には約−150Vに選択される。
特に図3に示すように、例えばアルゴンなど希ガスが反応容器内に、この希ガスが上述の容器内でほぼ均一に分配されるように供給される。特に、反応ガスrはカソードスパッタリング源1の直接の領域に導入される。然しながら、図3に点線で示すように、他のプラズマ放電3の領域においてシールド25が好ましい方法で閉鎖されているときに、反応性プロセスを実施しようとする場合には、そこに反応ガスを任意に噴射することも可能である。
図から明らかなように、本発明によればコーティングすべきワーク表面は交互にカソードスパッタリング源のターゲット面1ないしは他のプラズマ放電3に暴露される。これを図1において下方に概略的な上面図で図示されている。その場合に、カソードスパッタリング源φ71の領域における電気的なワーク電位φ7を、φ73で示される他のプラズマ放電の領域におけるのとは異なるように選択することは当然可能である。
ワーク7のコーティングすべき表面を交互に暴露することは、図2に示すように好ましい方法で旋回動作または回転動作により実施される。そのためにワーク7は、そのコーティングすべき表面が交互にスパッタリング源1と他のプラズマ放電の放電路Pに向くように旋回軸線Aを中心として旋回される。それがω2で図示されている。或いは例えばディスク状のワークなど、ワーク7aはワーク自体の軸線Aを中心にω1のように回動されてその両表面がコーティングされる。交換周波数としては低い周波数が効力を発揮し、それにより著しい簡略化がもたらされる。効果的に使用される周波数は最大で30Hzであり、好ましくは10Hzより低く、更に好ましくは最大で1Hzであり、代表的には約0.1Hzである。
コーティングすべき表面が湾曲している場合には、表面において少なくともほぼ均一なプラズマ密度の分布を保証するために、この面に接する接線面Eが、他のプラズマ放電の放電路Pへの接線Tに対してほぼ平行になるように位置決めしなければならない。
図4に、本発明による装置の縦断面を略示する。図4において、図1から図3を参照して説明した機能ユニットと変数には、同一符号が付されている。
中心軸線Zを中心にほぼ円筒状に構成された、真空ポンプ用の排気スリーブ27を有する真空処理容器9の外側面に、2つ或いはそれ以上のカソードスパッタリング源1が、電気的に絶縁されて取り付けられている。その場合、好ましくは、磁場支援されるスパッタリング源は一般にマグネトロン源の概念で知られているものである。同様に公知のようにスパッタリング源はアノードリング29に包囲されており、かつ、各々スパッタリングすべき固体のターゲットプレート31を有している。
当業者には周知であって、ここでは図示しないが、効果的に使用されるマグネトロンスパッタリング源においてトンネル状の磁場が静的または動的に、スパッタリングすべきターゲット表面の上方で発生する。それにより、概略的にPL1で示すように、カソードスパッタリング源プラズマのプラズマ密度が著しく増大される。反応ガスr用のガス導入装置13が、スパッタリングすべきターゲット表面の領域に直接設けられている。これは、図4では見やすくするために、マグネトロン1の右だけに図示されている。好ましくは、これは、ターゲット周辺を一周する少なくとも1つのパイプループ33により形成され、ターゲット表面側にガス用の流出開口部を有し、この開口部を通して、好ましくは約45°の角度にて、反応ガスがターゲット31の表面へ吹き付けられる。
中心軸線Zに対して同軸にイオン化チャンバ35が設けられており、このイオン化チャンバは、マスク37を介して反応容器9の内部空間と連通している。好ましくは、マスク37は反応容器9の壁に関しても、イオン化チャンバ35の壁に関しても絶縁体39により電気的に絶縁されている。同様に電気的に絶縁されて、イオン化チャンバ35内に電子放出カソードとしてヒータ電流端子43を有するホットカソード41が設けられている。上述の軸線Zに対して同軸に、マスク37の開口部に対向して、反応容器9内にアノード45が反応容器9の壁に関して絶縁されて取り付けられている。公知のようにして、イオン化チャンバ35とアノード45間に、他のプラズマ放電3としての低電圧プラズマ放電が、マスク37を通してプラズマビームの形状で発生される。
この種の低電圧アーク蒸発区間の構造については、例えばスイス特許公報第631743号に詳細に記載されている。
アルゴンなどのイオン化すべきガス用の、他のガス導入口11がイオン化チャンバ35に設けられている。更に、軸線Zに対して同軸に1つ或いは複数のコイル47が設けられており、このコイルにより反応容器9内にほぼ軸方向の磁場が発生される。コイル47により結合される磁場を変化させることにより、他の放電3のプラズマビームのビームが調節される。
アノード45の周囲には、ワーク用の支持装置49が設けられている。支持装置には支持リング51が設けられている。この支持リングは中心軸線Zを中心としてローラ53上を回転する。モータ54により、リング51の周面に分配されたローラ53の少なくとも1つが駆動される。リング51上には軸線Zに対して平行に立設された複数の回転スタンド55が、電気的に絶縁されて、回転可能に支持されている。そのために、駆動ローラ57が、反応容器9の壁に固定的に取り付けられ軸線Zに対して同軸に設けられた円筒部分59と係合している。それにより回転スタンド55は自らの軸を中心としてω55で示すように回転し、同時に、リング51により中心軸線Zを中心としてω51で示すように回転する。
ツリー状に形成された回転スタンド55には、複数の張り出した支持体61が設けられており、それにワーク7が吊り下げられ或いは載置されて保持されている。こうしてワーク7は、回転運動ω55により、各々のカソードスパッタリング源1の領域と他のプラズマ放電3の領域に交互に旋回され、それと同時に回転運動ω51により1つのカソードスパッタリング源1から次のカソードスパッタリング源へ移送される。更に、符号65と63はカソードスパッタリング源1を駆動する、或いはアノード45に関する電子放出カソードに電位を印加するための電源である。
更に調節可能な電源67が設けられている。電源67により、例えばモータ54の駆動軸と、ローラ53と、リング51と、回転スタンド55とを介してワーク7の電位が調節される。
図5には、図4に示す装置が再び図示されている。然しながら、図5では図面を見やすくするために図4には図示されていない、他の好ましい手段が図示されている。各カソードスパッタリング源1に対して測定値検出器70、好ましくはプラズマ放出モニタの検出ヘッドが設けられている。これは概略的に符号72で示すように、他のプラズマ放電3の放射に対して相当する形状に形成され、かつ配置されたシールドにより遮閉が行われる。各測定値検出器の出力信号は評価された後に、所定の目標値またはガイド値、図5によれば同一の値Wと比較され、比較結果が制御偏差Δとして各々カソードスパッタリング源1に対して設けられたアクチュエータ、好ましくは各々反応ガス供給部内に制御弁により形成されたアクチュエータ74へ供給される。
それにより各カソードスパッタリング源1においてコーティングプロセスが個別に効果的に制御される。従って、特に電気的に不良の或いは絶縁しない層でワークをコーティングする場合に、源からスパッタされた固体の反応生成物として反応ガスを用いて、閉ループ制御なしでは安定化されないであろう作業点、すなわちスパッタされたターゲット表面が上述の不良または導電性でない反応生成物により汚染されて、コーティングプロセスは、完全に中断されない場合には、いわゆる「アーキング(arcing)」により支配できなくなる、その作業点も調節することが可能になる。
更に好ましくは、各カソードスパッタリング源1とワーク支持体装置49の移動路との間に制御移動されるシールド74が、例えば上方と下方のガイド内で走行するように設けられている。駆動装置76により各シールド74は、ターゲット表面およびガス導入パイプ33とワーク支持体49との間に導入され、かつ、この領域から引き戻され、そのとき、該当するワークがカソードスパッタリングに暴露される。
上述の方法と効果的に使用される装置は、特に、工具などのワークを硬層、特に窒化チタンから成る、或いはまた硬層として知られる層である窒化物層、炭化物層または窒素酸化物層もしくはそれとタンタル、チタン、ハフニウム、ジルコンまたはアルミニウムとの混合物でコーティングするのに適している。その場合に固体としては好ましくはチタンなどの金属相がスパッタされ、その場合にサブ窒化、サブ酸化、或いはサブ炭化化合物をカソードスパッタリングすることは全く可能である。
次に、ドリルをコーティングすることについて、図4および図5を用いて説明したような装置における処理を示す。
1.加熱
真空反応容器9は、2×10-5mbarまで排気される。ワーク支持体の駆動装置が起動し、ホットカソードが150Aの加熱電流で加熱される。スリーブ11を介して、アルゴンが3×10-3mbarの圧力まで導入され、続いて低電圧アーク放電3が点火される。その放電々流は60Aに調節される。その後、アルゴンの圧力は25×10-3mbarに減圧され、回転するワークが約12分間プラズマ加熱される。ユニット67によりワークの電位が例えば接地された反応容器壁に対して調節される。
2.エッチング
反応容器内のアルゴン圧力は3×10-3mbarに増圧され、コイル47により放電3のプラズマビームが特に収束される。アーク放電3の放電々流が70Aに増加される。電源67によりワークの電位を約−200Vに低下させることにより、ワーク方向へのイオン加速電圧が増加されて、ワーク表面がエッチングされる。このエッチングプロセスの間マスク74は好ましくは閉鎖されているので、反応容器9の中央のチャンバ部分内でエッチングプロセスが行われ、同時にカソードスパッタリング源1のターゲット表面は自由にスパッタリングすることができる。
3.コーティング
アルゴン圧力は18.10-3mbarに増圧され、プラズマ放電3の放電ビームはコイル47内のコイル電流の減少によりデフォーカスされる。放電3の放電々流は更に約50Aに戻される。カソードスパッタリング源1がオンになっている場合には、シールド74が引き戻されて、ワークはω55に示すように回転することにより交互に各々カソードスパッタリング源1と他の放電3の中央プラズマビームに暴露される。
本発明方法と本発明装置によれば、硬質材料層が形成され、この硬質材料層はイオンプレーティングにより形成された層とほぼ同一の要請を満たす。
3.のところで上述した処理に従って、図5に示す装置を用いて高速度鋼HSSからなる6mmドリルがTiNでコーティングされた。図5に示す装置に設けられている16のツリーの回転速度ω55は約0.1Hzであった。
次に示す表に、コーティングプロセスパラメータを変化させて、穴あけテストの結果が「穴数」にまとめられている。穴あけテストとして品質保証のための標準テストが使用された。それにより「穴数」の記載はドリルの相対的な品質基準である。
表に示す試験についてのコメント
第1番:
90Aのアーク電流による低電圧中心放電(NZE)によるスパッタリング。基板電流は第8番の4倍。それによりスパッタリング温度がより高い(310℃)。ワークの中心プラズマ密度が高いことにより金色に輝くコンパクトな層が得られる。穴あけテストの際の成績は例えば第8倍の場合よりもずっと良好である。
第2番と第3番:
より小さいNZE−プラズマ流−電流密度によるスパッタリング。ワークにおけるイオンシューティングとそれよる基盤温度は小さい。然しながら、層はなおコンパクトで輝いている。しかも、穴あけテストの際の成績は第1番よりもよい。
第4番:
基板電流を小さくすることによりコーティング温度を低下、穴あけ成績の目だった減少なし。
第5番:
より高いコイル電流(10A)でアルゴンのイオン化度が増大し、それにより基板におけるNZEプラズマ密度(基板電流)が高くなる。穴あけ成績はややよいが、温度は第6番のバッチに比較して著しく高い。
第6番:
最も低いコーティング温度で良好な穴あけ結果。磁場−アーク電流の最適な組合せ。層はコンパクトでゴールド。
第7番:
実際にはコイル電流なしで試料におけるNZEプラズマ密度は満足のゆくものではなく、それによってより粗い層構造と穴あけ成績の悪化がもたらされた。
第8番:
純粋に反応性スパッタリング(低電圧中心放電なし)。達成可能な最も低い温度(3×8kWによる)、然しながら、穴あけ結果はコーティングされていないドリルと同様である。粗い、茎形状の構造を有するマットでブラウンの層。
第9番:
12kWのスパッタリング出力により堆積率は著しく増大。然しながら、第6番のバッチのパラメータでは、Arイオンによる充分なイオンシューティングを保証するためには、ワークにおけるプラズマ密度は小さ過ぎる。層は余りコンパクトでなく、穴あけ成績は著しく悪化。
第10番:
45AのNZEプラズマ流−電流密度で初めて、3×12kWスパッタリング出力においてワークにおけるArイオンシューティングは、コンパクトな層の堆積を可能にするために充分になった。穴あけ成績は良好であるが、温度は300℃を越える。
Claims (30)
- 第1のプラズマ放電ゾーン(PL1)において反応性ガス供給下で固体物質のカソードスパッタリング(1)を実施し、固体物質と反応性ガスからの反応生成物をワーク(7)の表面に層として堆積し、
前記カソードスパッタリング・プラズマ放電(PL1)に加えて、少なくとも1回の更なるプラズマ放電(3)を前記第1のプラズマ放電ゾーンから空間的に切り離して発生させ、
ワーク(7)の被覆すべき表面を前記カソードスパッタリングと、前記更なるプラズマ放電に交互にさらして行うワーク(7)の表面に層を堆積する方法において、
前記更なるプラズマ放電(3)を更なる固体材料の供給を行うことなく実施し、先に施された層または部分層を実質的にそれ以上成長させることなく後処理を行い、前記更なるプラズマ放電が低電圧アーク放電として実施されることを特徴とする方法。 - ワーク(7、7a)の旋回運動(ω2)または回転運動(ω1)によってワーク表面を前記両方の処理に交互にさらすことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- スパッタリングの源(1)を円軌道に沿って配置し、ワーク(7)を円軌道(ω51)に沿って源(1)を通過するように移動させ、円軌道面にほぼ垂直な放電路(P)を持つ更なるプラズマ放電(3)を、該放電路に対してほぼ中心(Z)の位置で生じさせ、ワーク(7)を前記両方の処理に交互にさらすために旋回運動または回転運動させることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
- 更なるプラズマ放電(3)をアーク放電またはビーム放電とたことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の方法。
- 皮膜をほぼカソードスパッタリング(1)によって堆積し、更なるプラズマ放電(3)によって後処理することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の方法。
- 更なるプラズマ放電を実質的な不活性ガス、特にアルゴンの中での放電として実施することを特徴とする請求項5に記載の方法。
- ワークを、更なるプラズマ放電のプラズマ電位より低い電位に置くことを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の方法。
- 前記電位は−5Vから−300Vの範囲であることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- ワークを30Hz以下の周波数のプラズマ放電に交互にさらすことを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の方法。
- 反応性ガスの質量流量を制御は少なくとも1つのプラズマエミッションモニタを使って制御量(X)を記録しながら行うことを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載の方法。
- 反応性ガスをカソードスパッタリング源(1)の直近の位置で注入(33)することを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載の方法。
- 一つ以上のカソードスパッタリング源が設けられ、カソードスパッタリング源(1)の各々への反応性ガス質量流量を個別に制御(75)することを特徴とする請求項1〜11の何れか1項に記載の方法。
- 更なるプラズマ放電(3)に面したワーク表面(74)の場所においてそのプラズマ密度を変えることによって、ワーク(7)にかけられた電位(φ7)を変えることによって、ワーク(7)における表面エッチングプロセスまたは加熱プロセスを実行することを特徴とする請求項1〜12の何れか1項に記載の方法。
- ワーク温度を300℃未満に保つことを特徴とする請求項1〜13の何れか1項に記載の方法。
- カソードスパッタリング源としてマグネトロンを使用することを特徴とする請求項1〜14の何れか1項に記載の方法。
- 特にスパイラルドリルなどの工具の表面における硬質物質皮膜、特にチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどの炭化物、窒化物および/または酸窒化物の皮膜の堆積を実施することを特徴とする請求項1〜15の何れか1項に記載の方法。
- 真空受容体(9)、
第1のプラズマ放電区間を持つ少なくとも1つのカソードスパッタリング源(1)、
カソードスパッタリング源(1)と協働し、反応性ガスまたは混合ガスを含む作用ガスのための少なくとも1つのガス導入装置(13)、
前記第1のプラズマ放電区間から空間的に切り離されていて、それに関係なく運転できる更なるプラズマ放電区間(3)、
被覆すべきワーク表面が、カソードスパッタリング(1)と更なるプラズマ放電区間(3)に交互にさらされるように、少なくとも1つのワーク(7)が真空受容体(9)の中を移動できるようにするワーク支持体装置を備えたコーティング装置であって、
更なるプラズマ放電区間(3)が、固体材料を供給する装置を持たず、カソードスパッタリング源(1)によって施された層または部分層を実質的にそれ以上成長させることなく後処理するように形成されており、前記更なるプラズマ放電区間が低電圧アーク放電区間であることを特徴とするコーティング装置。 - 少なくとも二つのカソードスパッタリング源(1)が設けられ、カソードスパッタリング源(1)は円に沿って配置され、ワーク支持体装置(49)が同心(Z)の軌道上をカソードスパッタリング源(1)に沿って移動できるようにスパッタリング面(31)の面法線がほぼ半径方向に向けられており、また、更なるプラズマ放電区間(3)が同心(Z)に、かつ円軌道を描く円形面にほぼ垂直に配置されていることを特徴とする請求項17に記載の装置。
- ワーク支持体装置(49)が、更なるプラズマ放電区間(3)にほぼ平行に立つスタンド(55)を包含し、これが、その軸(ω55)を中心として移動すべく駆動できるようになっていることを特徴とする請求項18に記載の装置。
- ワーク支持体装置(49)が、これによって支持されたワーク(7)を半径方向外向きと半径方向内向きの方向に交互に向かせるために少なくとも1つの回転器(55、61)を具備することを特徴とする請求項18または19に記載の装置。
- 設けられた少なくとも1つのカソードスパッタリング(1)がマグネトロンスパッタリング源であることを特徴とする請求項17〜20の何れか1項に記載の装置。
- ガス導入装置(13)によって注入されたガスの量、特に反応性ガスの量を制御するための制御回路(19、21、17)が設けられ、さらに、制御量を記録するためのプラズマ放出モニタ検出ヘッド(19)を備えていることを特徴とする請求項17〜21の何れか1項に記載の装置。
- 少なくとも2つのカソードスパッタリング源(1)が設けられ、反応性ガスのための導入装置をカソードスパッタリング源(1)の各々の領域内に1つずつ備えていることを特徴とする請求項17〜22の何れか1項に記載の装置。
- プラズマ放出モニタ検出ヘッド(70)が、更なるプラズマ放電区間(3)によって実質的に光反射に対して遮蔽されていることを特徴とする請求項22に記載の装置。
- 更なるプラズマ放電区間(3)が、プラズマビーム放電区間またはアーク放電区間として形成されていることを特徴とする請求項17〜24の何れか1項に記載の装置。
- 更なるプラズマ放電区間(3)が、ホットカソード(41)と排出マスク(37)を備えたイオン化チャンバ(35)を包含することを特徴とする請求項25に記載の装置。
- プラズマビーム(3)のビーム強度を制御するために制御可能な磁界発生手段(47)が設けられていることを特徴とする請求項25または26に記載の装置。
- 少なくとも、ワーク支持体装置(49)におけるワーク(7)の支持領域(61)が電源(67)と結合しており、これで、前記電源が制御された電位に置かれるようになっていることを特徴とする請求項17〜27の何れか1項に記載の装置。
- 更なるプラズマ放電区間とカソードスパッタリング源の領域の中に不活性ガス供給管がつながり、不活性ガスタンク、特にアルゴンタンクと結合していることを特徴とする請求項17〜28の何れか1項に記載の装置。
- ワーク支持体装置においてワークを接触させるために設けられた領域が、この領域を−5Vから−300Vの範囲の電位に置く直流電源と結合していることを特徴とする請求項17〜29の何れか1項に記載の装置。
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