WO1993003195A1 - VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER Ti-BN-BESCHICHTUNG AUF EINEM SUBSTRAT MITTELS SPUTTERN - Google Patents

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER Ti-BN-BESCHICHTUNG AUF EINEM SUBSTRAT MITTELS SPUTTERN Download PDF

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sputtering
coating
mbar
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Thomas Friesen
Justus Haupt
Wolfram Gissler
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Europäische Wirtschaftsgemeinschaft (Ewg)
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a coating of titanium and boron nitride on a metallic or non-metallic substrate by means of sputtering.
  • Layers made of the materials mentioned are distinguished by their high abrasion resistance and increasingly serve as a coating for reducing the wear on tools. According to the prior art, such layers are produced by means of CVD (Chemical Vapor Deposition), plasma-assisted CVD or by means of reactive sputtering of TiB 2 targets (see, for example, Coatings Technology, vol. 41 (1990), pages 351-363).
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • plasma-assisted CVD or by means of reactive sputtering of TiB 2 targets (see, for example, Coatings Technology, vol. 41 (1990), pages 351-363).
  • An ion-supported coating method with alternative deposition of titanium and boron layers with simultaneous or alternative implantation of nitrogen ions has also become known. However, the additional effort involved in ion implantation is considerable.
  • the invention is based on the object of specifying a method with which hard layers of the Ti-BN type can be produced in a simple manner on the basis of sputtering technology.
  • This object is achieved in that at least one Ti target and at least one BN target are sputtered onto the substrate in an Ar / N 2 atmosphere.
  • a Ti target and a BN target preferably lie next to one another in a target plane, while the substrate lies opposite them in a plane parallel to them. It is also possible to arrange several targets of the two types alternately next to one another in a common target plane and to place the substrate in a plane parallel to this arrangement.
  • the substrate can be arranged on a turntable in order to ensure a more uniform composition of the layer.
  • the partial pressure of N 2 is between 10 -5 and 10 is preferably "4 mbar and the argon between 10" 3 and 10 "2 mbar.
  • a titanium target and a boron nitride target are used, which are arranged next to one another in a target plane.
  • the substrate to be coated for example a glass plate, is arranged at a suitable distance from the target plane parallel to it in such a way that part of the substrate is opposite the titanium target and another part is opposite the boron nitride target.
  • two sputter clouds form in front of the targets, which penetrate more or less and produce a precipitate on the substrate, which is predominantly titanium on one end and the other End predominantly consists of boron nitride, while continuous transition zones are formed in between.
  • Such a test arrangement shows a great dependence on the hardness of the coating and, surprisingly, a clear maximum of the hardness between the two ends.
  • the greatest hardness values result in an area in which the titanium content of the layer is approximately twice that of boron nitride. Vickers hardness values of 3600 were measured in this area. With this simple process, very high hardness values can be achieved in narrow areas of the substrate. If you want to enlarge these areas, you can either alternately arrange a large number of targets of the two types next to each other in the target plane in order to achieve an intensive penetration of the sputtering clouds of the two types, or you can also move the substrate through the clouds during sputtering conditions, for example by mounting it on a turntable.
  • the thickness of the layers that can be achieved in this way is limited by the increasingly effective compressive stresses in the layer. However, these are significantly reduced if an argon / nitrogen mixture is used as the working gas - albeit with a slight loss of hardness. If the partial pressures of nitrogen are ⁇ 1.10 " 4 mbar and those of argon 5.10" 3 mbar, layers with a thickness of 6 ⁇ m and more and a hardness of over HV 3000 can be produced.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Ti-BN-Beschichtung auf einem Substrat mittels Sputtern. Erfindungsgemäß wird von mindestens einem Ti-Target und von mindestens einem BN-Target auf das Substrat gleichzeitig gesputtert.

Description

Verfahren zur Herstellung einer
Ti-BN-Beschichtung auf einem Substrat mittels Sputtern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung aus Titan und Bornitrid auf einem metalli¬ schen oder nicht-metallischen Substrat mittels Sputtern.
Schichten aus den genannten Materialien zeichnen sich durch hohe Abriebfestigkeit aus und dienen zunehmend als Beschich¬ tung zur Verschleißminderung von Werkzeugen. Nach dem Stand der Technik werden derartige Schichten mittels CVD (Chemical Vapour Deposition), plasma-unterstütztem CVD oder mittels reaktivem Sputtern von TiB2-Targets hergestellt (siehe z.B. Coatings Technology, vol. 41 (1990), Seiten 351-363). Bekannt¬ geworden ist auch ein ionengestütztes Beschichtungsverfahren mit alternativer Abscheidung von Titan- und Borschichten bei gleichzeitiger oder alternativer Implantation von Stickstoff¬ ionen. Jedoch ist der zusätzliche Aufwand der Ionenimplanta¬ tion erheblich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren an- zugeben, mit dem auf der Basis der Sputtertechnik auf einfache Weise harte Schichten vom Ti-BN-Typ hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von mindestens einem Ti-Target und von mindestens einem BN-Target in einer Ar/N2-Atmosphäre auf das Substrat gleichzeitig gesput- tert wird.
Vorzugsweise liegen ein Ti-Target und ein BN-Target nebenein¬ ander in einer Targetebene während das Substrat in einer dazu parallelen Ebene diesen gegenüberliegt. Es ist auch möglich, mehrere Targets der beiden Arten in einer gemeinsamen Targetebene abwechselnd nebeneinander anzuordnen und dieser Anordnung das Substrat in einer dazu parallelen Ebene gegenüberzulegen.
In an sich bekannter Weise kann das Substrat auf einem Dreh¬ teller angeordnet werden, um eine gleichmäßigere Zusammenset¬ zung der Schicht zu gewährleisten.
Vorzugsweise beträgt der Partialdruck von N2 zwischen 10~5 und 10"4mbar und der des Argon zwischen 10"3 und 10"2mbar.
Die Erfindung wird nun anhand einiger bevorzugter Ausführungs- beispiele näher erläutert.
In einer einfachsten Ausführungsform des Verfahrens verwendet man ein Titantarget und ein Bornitridtarget, die nebeneinander in einer Targetebene angeordnet werden. Das zu beschichtende Substrat, beispielsweise eine Glasplatte, wird in geeignetem Abstand zur Targetebene parallel zu dieser so angeordnet, daß ein Teil des Substrats dem Titaήtarget und ein anderer Teil dem Bornitridtarget gegenüberliegt. Auf diese Weise bilden sich in einer handelsüblichen mit einem Argon-Stickstoff-Ge¬ misch betriebenen Sputteranordnung zwei Sputterwolken vor den Targets aus, die sich mehr oder minder durchdringen und einen Niederschlag auf dem Substrat erzeugen, der am einen Ende überwiegend aus Titan und am anderen Ende überwiegend aus Bornitrid besteht, während dazwischen kontinuierliche Über¬ gangszonen gebildet werden. In einer solchen Versuchsanordnung zeigt sich eine große Abhängigkeit der Härte der Beschichtung und überraschenderweise ein deutliches Maximum der Härte zwi¬ schen den beiden Enden. Größte Härtewerte ergeben sich in einem Bereich, in dem der Titananteil der Schicht etwa doppelt so hoch wie der des Bornitrids ist. Es wurden Vickers-Härte- werte von 3600 in diesem Bereich gemessen. Mit diesem einfachen Verfahren lassen sich also in schmalen Bereichen des Substrats sehr hohe Härtewerte erzielen. Will man diese Bereiche vergrößern, dann kann man entweder in der Targetebene abwechselnd eine Vielzahl von Targets der beiden Typen nebeneinander anordnen, um eine intensive Durchdringung der Sputterwolken der beiden Typen zu erreichen, oder man kann auch das Substrat während des Sputterns durch die Wolken bewe¬ gen, indem man es beispielsweise auf einen Drehteller mon¬ tiert.
Die Dicke der so erzielbaren Schichten wird durch die zuneh¬ mend wirksamen Druckspannungen in der Schicht begrenzt. Diese werden jedoch wesentlich reduziert, wenn als Arbeitsgas ein Argon/Stickstoff Gemisch benutzt wird - allerdings unter ge- ringfügiger Einbuße an Härte. Betragen die Partialdrücke des Stickstoffs <1.10"4mbar und die des Argon 5.10"3mbar, können Schichten einer Dicke von 6 μm und mehr und einer Härte von über HV 3000 hergestellt werden.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung einer Ti-BN-Beschichtung auf einem Substrat mittels Sputtern, dadurch gekennzeichnet, daß von mindestens einem Ti-Target und von mindestens einem BN- Target in einer Ar/N2-Atmosphäre auf das Substrat gleichzeitig gesputtert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ti-Target und ein BN-Target nebeneinander in einer Targetebene liegen und daß das Substrat in einer dazu parallelen Ebene • diesen gegenüberliegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd mehrere Ti-Targets und mehrere BN-Targets in einer gemeinsamen Targetebene liegen und daß das Substrat in einer dazu parallelen Ebene diesen gegenüberliegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Substrat auf einem Drehteller angebracht ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß während des Sputterns der Partialdruck des Stickstoffs zwischen 10"5 und 10"*mbar und der des Argon zwi¬ schen 10~3 und 10"2mbar liegt.
PCT/EP1992/001757 1991-08-08 1992-08-03 VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER Ti-BN-BESCHICHTUNG AUF EINEM SUBSTRAT MITTELS SPUTTERN WO1993003195A1 (de)

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