WO2021048136A2 - Mehrlagige beschichtung - Google Patents

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WO2021048136A2
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Werner Kölker
Stephan Bolz
Oliver Lemmer
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Cemecon Ag
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    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
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Definitions

  • the invention relates to a method for coating a substrate, a coating system for carrying out the method and a coated body.
  • a substrate e.g. a hard metal or steel substrate
  • an ion etching step in which ions are accelerated in the direction of the substrate by means of an acceleration voltage and an etching effect is achieved on the substrate surface.
  • WO 2009/132822 A2 describes a device and a method for pre-treating and for coating bodies by means of magnetron sputtering.
  • the device comprises a vacuum chamber with a metallic chamber wall and magnetrons with sputter targets arranged therein. At least one of the magnetrons is intended for operation according to high-power pulsed magnetron sputtering (HPPMS, also referred to as HIPIMS). Electrical pulses are fed to an HPPMS magnetron by connecting a capacitance element to the sputter target through a switching element.
  • HPPMS high-power pulsed magnetron sputtering
  • Electrical pulses are fed to an HPPMS magnetron by connecting a capacitance element to the sputter target through a switching element.
  • a body to be coated is placed in the Arranged vacuum chamber of the device and generated a plasma while operating the HPPMS magnetron.
  • a negative bias voltage is applied to the body and the body is etched by bombarding it with metal ions.
  • the bias voltage is then continuously reduced so that the material sputtered off by the sputtering targets leads to a layer structure on the body.
  • Substrate carriers rotatable about a central axis are arranged in a vacuum chamber.
  • At least one evaporation source and at least one hollow cathode are arranged radially outside of the substrate carrier.
  • the line between the hollow cathode and the associated anode is offset by 150 to 70 ° in relation to the line between the target of the evaporation source and the axis in the plane at right angles to the axis.
  • the hollow cathode arc discharge is maintained parallel to the axis and for evaporation of target material from the evaporation source.
  • a basic idea of the present invention is therefore not to produce a coating continuously, but to increase the layer growth in a targeted manner one or more times interrupt and then restart.
  • the method according to the invention initially provides, in a first method step, a pretreatment of the substrate in an ion etching method.
  • Ions are generated, for example gas or preferably metal ions, and accelerated by a bias voltage in the direction of the substrate surface.
  • the impacting ions achieve an etching effect over a duration of action, which can include activation of the substrate surface, superficial material removal and also an implantation of ions.
  • a first coating layer with a thickness of 0.0 mm to 6 ⁇ m is deposited on the substrate by means of a PVD method. Magnetron sputtering is preferred as the coating method. The coating process is carried out for a selected coating time so that the first coating layer is deposited on the substrate surface.
  • the application of the coating is interrupted in the second step by a third method step, which is a further etching step.
  • the surface of the previously produced first coating layer is treated by means of an ion etching method.
  • the ion etching process of the third process step can preferably be the same type of process as in the first process step; the process parameters used, in particular the etching time and the bias voltage, can be chosen to be the same or different from one another.
  • the layer growth is initially interrupted.
  • the layer material can be removed to a greater or lesser extent.
  • the etching process can lead to a nucleation of the surface due to the introduction of micro-defects.
  • a further coating layer with a thickness of 0.1 ⁇ m to 6 ⁇ m is deposited on the first coating layer or on its surface prepared by the previous etching step by means of a PVD method.
  • the same type of loading can preferably be used in the fourth process step.
  • layering processes are used as in the second process step. Individual or all of the process parameters can be selected to be the same or different from one another in the two steps.
  • the method according to the invention thus comprises a sequence of steps: coating - etching - coating, which can also be referred to as a “repeat start” procedure.
  • the repeat-start procedure i.e. interruption of the coating process by ion etching and subsequent continuation of the coating
  • a microstructure occurring during the layer build-up can be at least partially interrupted by the intermediate etching step, so that the subsequent coating step does not result in a seamless continuation of the previous growth, but rather, for example, new growth nuclei are formed.
  • the continuous continuation of the coating may cause the layer morphology to become coarser in the direction of growth, this effect can be reduced or even completely reset by the intermediate etching step. It is thus possible to achieve a morphology of the coating in which the further coating layer applied after the intermediate etching step is finer in terms of its layer structure than the previous coating layer at least at the beginning, ie adjacent to the interface area to the previous coating layer Surface.
  • the internal stresses in the layer can increase as the duration and thickness of the coating progress. It has been shown that if the coating is interrupted and restarted as part of the repeat start procedure, the residual stresses in the multi-layer layer do not increase to the same extent as in the case of a single layer. With a longer coating duration and greater coating thickness, repeat start results in layers with lower residual stresses overall. Layers with lower internal stresses have more favorable toughness properties and better adhesion to the substrate. It has been shown that the single or multiple interruption of the growth can produce layers overall which have a smaller number of imperfections and are therefore denser and less porous. On the one hand, this can result in a smoother layer surface. On the other hand, a denser layer has considerable advantages in terms of chemical resistance, since the denser structure means that there are fewer diffusion paths, for example for the undesired diffusion of atmospheric oxygen during use, which can lead to layer failure.
  • the person skilled in the art will recognize, it would be possible to modify the above-mentioned sequence of the first to fourth step, for example by dividing a coating or etching step into several sub-steps with different coating or etching parameters or by procedural steps arranged in between with other treatment measures, e.g. Heat treatment (annealing) or chemical treatment (for example oxidation, carburization), etc.
  • other treatment measures e.g. Heat treatment (annealing) or chemical treatment (for example oxidation, carburization), etc.
  • the basic pattern ie the sequence of the first to fourth steps, is always retained.
  • the surface of the then topmost coating layer can first be treated by means of the ion etching process and then another coating layer can be deposited on the underlying coating layer by means of the PVD process. This can be repeated one or more times so that, for example, at least three or four coating layers result.
  • the total number of repetitions of the repeat-start sequence can be selected, for example, depending on the type and desired thickness, so that 2-50 coating layers are formed, preferably 3-20, more preferably 3-10 or 3-5.
  • the advantages of the interruption and subsequent continuation of the layer growth can also be used if individual or even all of the procedural steps are carried out spatially and / or temporally separated from one another, i.e. for example at separate locations and in separate treatment or coating systems, if necessary after intermediate storage, etc.
  • the application of the process steps within the same coating system, in particular the same vacuum chamber is particularly efficient.
  • Two or more of the above process steps are preferably used without interrupting the vacuum, for example the use of the repeat start steps (second process step - coating, third process step - ion etching, fourth process step - coating), particularly preferably the first to fourth Step.
  • the process steps can be carried out in the same vacuum chamber of a coating system and / or using the same electrodes (e.g. cathodes and / or electrical connection on the substrate or holder), with only electrical power supplies and / or means for changing pressure or atmosphere can be switched to carry out the different process steps without retooling.
  • different magnetron cathodes for example HIPIMS cathodes and DC cathodes
  • Cathodes with different target equipment can also be used. In this way, process parameters that differ from one another can be achieved in successive process steps by purely external control, without the system having to be converted between the process steps or the vacuum having to be interrupted.
  • the coating steps, as well as the etching steps arranged in between, can be the same or different from one another, for example with regard to the duration of use and / or with regard to the process parameters such as pressure, atmospheric composition, target materials, voltage / electrical power, etc.
  • the bias voltage in the second method step is preferably higher than in the first and second method step.
  • a higher bias voltage accelerates ions of the plasma more strongly towards the substrate, so that ion etching takes place at a higher bias voltage.
  • further coating steps can optionally also be carried out so that a respective coating layer is obtained with a thickness of 0.14m to 64m, preferably 0.54m - 54m, more preferably 14m - 44m.
  • the thicknesses of at least two successive coating layers deviate from one another by less than +/- 50%, more preferably by less than +/- 25%, particularly preferably by less than +/- 15% (in each case based on the thinner coating layer) .
  • This also preferably applies to all coating layers that are produced in the repeat start process.
  • layers of very different overall thickness can be produced.
  • a very thin total layer thickness of just 0.54m, which consists of two or more coating layers, can be sufficient.
  • the total thickness can be up to 304m, for example.
  • the continuous production of such thick single-layer layers by means of a PVD coating process often results in such coarse structures and / or high inherent stresses that the layers can no longer be used for many applications, e.g. due to insufficient layer adhesion and / or excessive roughness.
  • subdividing the thick coatings into, for example, two or more, preferably three or more coating layers, it is surprisingly possible to avoid these disadvantages.
  • a cathode sputtering method is preferably used, in which at least one target of at least one magnetron cathode is preferably sputtered.
  • a direct voltage, alternating voltage or pulsed voltage applied to a cathode can be used with this, a HIPIMS method is special prefers.
  • This is a class of processes that are also known as "high-performance pulsed magnetron sputtering" and in which the magnetron cathodes are supplied with electrical power in the form of very short but extremely high-energy pulses, which results in a high ion density of the coating particles in front of the Mag Netron cathodes is achieved.
  • a high peak power of, for example, 60 W / cm 2 or more, preferably 100 W / cm 2 or more, particularly preferably 200 W / cm 2 to 2300 W / cm 2 (per cathode, based on) is characteristic of HIPIMS operation on the target surface of the respective cathode) during a pulse.
  • a pulse duty factor between the pulse duration and the pulse pause is usually below 0.5, ie the pulse pause is longer than the pulse duration.
  • Devices and methods for operating magnetron cathodes via HIPIMS are disclosed, for example, in WO 2009/132822 A2 by the applicant.
  • a HIPIMS coating process is preferably understood to mean that one, more or all of the cathodes in the vacuum chamber of a coating system are operated with high-power pulses according to the HIPIMS process, with additional cathodes also being able to run simultaneously in DC mode.
  • the pulse durations preferably used in the HIPIMS method can be, for example, 5-200 ps.
  • the HIPIMS pulses can preferably be generated with frequencies of, for example, 100-10,000 Hz, particularly preferably 2000-6000 Hz.
  • a bias voltage is preferably applied to the substrate, in particular a negative bias voltage, so that positively charged ions are accelerated in the direction of the substrate surface.
  • the bias voltage can be a constant or pulsed direct voltage.
  • a pulsed direct voltage is preferably pulsed in a unipolar manner.
  • the pulse frequency can be in the mf (medium frequency) range, for example at 50 kHz to 3 MHz, preferably 100 kHz to 1 MHz, particularly preferably 150 to 500 kHz.
  • the HIPIMS coating process is carried out with the application of a pulsed bias voltage on the substrate.
  • the bias pulses can preferably be timed with the HIPIMS pulses applied to a cathode be synchronized.
  • Synchronized means that the pulses of the bias voltage (bias pulses) are applied with the same frequency as the HIPIMS pulses on one or more cathodes, or that the frequencies are an integral multiple of each other.
  • the pulse frequency of the bias pulses preferably corresponds to at least the HIPIMS pulse frequency multiplied by the number of HIPIMS cathodes.
  • the HIPIMS pulses and the bias pulses can be synchronized in time so that they have the same duration and begin at the same time, but preferably the duration can also differ and / or a lead time or delay time (offset) of the bias pulse be given to the respective HIPIMS pulse.
  • the synchronization is particularly preferred such that the bias pulse occurs with a delay (offset) of, for example, 5 ps or more compared to the assigned HIPIMS pulse, preferably 20-504 s or more.
  • the synchronization is preferably such that the bias pulse has a lag time of, for example, 5 ps or more, preferably tops or more, compared to the assigned HIPIMS pulse.
  • composition of the coating or of each coating layer can be used for the composition of the coating or of each coating layer.
  • this includes one or more target Materials released by atomization.
  • components can be supplied in gaseous form.
  • coating can take place in a reactive coating process, for example by supplying reactive gas containing nitrogen, oxygen and / or carbon.
  • the coating is preferably a hard material layer.
  • Each coating layer can, for example, consist of a material system that has one or more metallic elements, or preferably at least one metallic element and at least one non-metallic element. In particular, it can be composed of one or more metallic elements and one or more non-metallic elements. Binary, ternary and quaternary hard materials are preferred, i.e. with two, three or four different metallic elements. Compositions are preferred in which the metallic element or elements are selected from the group comprising Al, Si, B and elements of groups 4-6 of the periodic table according to IUPAC (1988). (For the sake of simplicity, the semimetals Si and B are regarded as metallic elements in this context.) Particularly preferably, Ti is contained in the composition as one of the metallic elements.
  • the non-metallic elements can, for example, be selected from the group comprising C, N and O, preferably from the group comprising C and N, particularly preferably N is provided as the only non-metallic element.
  • compositions of layers are either directly referred to as chemical compounds or phases or as material systems.
  • Material systems are identified by listing the elements contained therein, separated from one another by a hyphen, whereby the metallic elements are specified first and then the non-metallic elements.
  • the metallic and non-metallic elements are preferably named one after the other in the order according to their proportion (in atomic percent).
  • the specification of the material system can correspond to the chemical compound, but this is not the case in all cases.
  • the material system Ti-C will contain the hard material compound TiC or consist entirely of it, while the material system Ti-B includes or consists of the hard material compound TiB 2.
  • Preferred material systems include, for example, Al-Ti-N, Ti-B, Ti-Si-N, Al-Ti-Si-N, Ti-CN, Al-Ti-Cr-Si-N or Ti-Al-CN.
  • Metal le for example Al, Ti, Si and / or Cr, preferably provided in solid form as components of one or more targets on cathodes.
  • At least one coating layer is formed from Al x -Ti - x -N, more preferably with x> 0.4 or x> 0.5, particularly preferably 0.55 ⁇ x ⁇ 0, 65.
  • the Al proportion x is preferably a maximum of 70%.
  • At least two, preferably several or all of the coating layers of the coating formed during the coating steps can comprise the same elements, i.e. the same material system and possibly the same relative proportions of the elements contained. Alternatively, however, it is also possible to specify different compositions of the coating layers.
  • the ion etching process in the first, third and / or further process steps can preferably be carried out in that a plasma is ignited by a cathode and a relatively high acceleration voltage (bias voltage) is applied to the substrate.
  • a plasma can mainly consist of gas ions.
  • cathodes can be operated with HIPIMS pulses in order to generate a plasma with a high number of metal ions.
  • the bias voltage can preferably be a constant or unipolar or bipolar (mf-) pulsed direct voltage.
  • the ion etching process can comprise several partial steps, for example a partial etching step in which a plasma is generated and a bias voltage in the form of a bipolar mf-pulsed DC voltage with a frequency of 50 kHz, for example -iMHz and a pulse height of, for example, 100 V-1000 V, preferably 300 V-800 V, is applied for a first period of time and a further partial etching step in which, after a plasma has been generated, a bias voltage in the form of a direct voltage, for example in Range from -50 V to -400V, preferably -100 V to -300V, is applied for a second period of time.
  • the second time period is preferably longer than the first time period, more preferably at least twice as long.
  • the first period of time can be 5 to 30 minutes and the second period of time 30 to 200, preferably 40 to 150 minutes.
  • the two partial etching steps differ in their effect on the substrate, in particular others through the use of electrical edge effects in the case of DC voltage bias.
  • the etching with mf-pulsed bias voltage has a largely uniform effect on all surfaces of the substrate.
  • edges are etched, i.e. in particular the cutting edges.
  • the parameters of the ion etching process in the first process step, in which the substrate is etched can match the parameters of the etching process in the third process step (and possibly further process steps in which a further intermediate etch is carried out).
  • the substrate can be etched longer in the first process step than the respective surface of the coating layers in a subsequent intermediate etching step. More preferably, for example, a lower bias voltage can be applied in the first method step than in further etching steps.
  • the total etching removal in an intermediate etching step is preferably less than 20%, more preferably less than 10%, more preferably 5% or less, particularly preferably 2% or less of the thickness of the respective coating layer.
  • the method according to the invention is particularly suitable for producing a tool, in particular a tool with at least one cutting edge.
  • a tool in particular a tool with at least one cutting edge.
  • it is preferably, for example, a drill, milling cutter or an indexable insert.
  • the coated substrate can consist of various materials, for example steel (HSS). It is preferably a hard metal, in particular WC / Co sintered material.
  • HSS steel
  • WC WC / Co sintered material
  • the method according to the invention can also be applied to other types of substrate materials, such as, for example, cBN substrates or ceramic substrates.
  • the invention also relates to a coating installation for carrying out the method according to the invention.
  • This comprises a vacuum chamber and a device for arranging a substrate in the vacuum chamber, for example a substrate holder, preferably for rotating the substrate, particularly preferably for planetary rotation.
  • Means for generating a plasma are provided in the vacuum chamber, preferably magnetron cathodes, which are connected to a suitable electrical power supply.
  • There are also means for generating a bias voltage on the substrate provided, preferably an electrical power supply which is ruled out to the substrate. Both power supplies can be connected to a counter electrode, for example the wall of the chamber or a separate anode.
  • the coating system comprises control means for controlling the coating system for the automatic execution of the method according to the invention.
  • the control means can, for example, comprise a programmable computer with an operating program that specifies the method steps according to the invention.
  • the means for generating the plasma and / or the means for generating the bias voltage are preferably controllable by the control means.
  • the programming preferably has at least one loop for repeating programmed method steps in order to implement the repeat-start method explained above.
  • the invention also relates to a coated body, preferably produced by means of the method according to the invention.
  • the coated body according to the invention comprises a substrate and at least one coating applied thereon.
  • the coating comprises at least two coating layers with a thickness of 0.1 ⁇ m to 6 ⁇ m each.
  • An interface area formed by ion etching is arranged at least between two of the coating layers. At the interface area, the coating layers have an apparent structural change due to the above-explained interruption of the layer growth, namely different layer morphologies directly adjacent to one another.
  • the coating can preferably have more than two coating layers of 0.1 ⁇ m to 6 ⁇ m each, between which interface areas formed by ion etching are arranged.
  • the layer morphology of the coating is preferably such that when - considered in the direction of increasing distance from the substrate - a first and subsequent second coating layer are separated from one another by an interface area, the structure of the second coating layer adjacent to the interface area is finer than the structure of the first coating system adjacent to the interface area.
  • the interface area is thus preferably characterized by a change in the layer morphology from one coarser to a finer morphology.
  • An assessment of the morphology can, as is known to the person skilled in the art, for example.
  • structure zone models for example according to Thornton (Thornton, J., 1974. Influence of geometry apparatus and deposition conditions in the structure and topography of thick sputtered coatings. Journal of Vacuum Science & Technology, Vol. 11, pp. 666-670).
  • the coating preferably has overall lower internal stresses compared to a coating of the same thickness, which - under otherwise identical conditions - is deposited continuously, i.e. without interruption and formation of interface areas, by ion etching.
  • FIG. 1 In a schematic representation, a plan view of a coating installation;
  • FIG. 2 shows, in a perspective, likewise schematic representation, a view of parts of the coating system from FIG. 1;
  • FIG. Fig. 3 shows an embodiment of a coated body in the form of an indexable cutting plate;
  • FIG. 4 shows, in a schematic sectional view, a coating of the coated body from FIG. 3 with a plurality of layer layers;
  • FIG. Fig. 5 is a flow chart of an embodiment of a coating process
  • FIG. 6 shows a diagram showing the course of various electrical quantities over time during a coating step
  • FIG. 7a shows a photograph of a spherical cut of a coating according to the exemplary embodiment
  • 7b shows a photographic image of a dome grind of a coating according to a reference method
  • FIG. 7c shows an SEM image of a coating on a substrate
  • FIG. 7d shows an enlarged view of part of the SEM image from FIG. 7c.
  • a PVD coating system 10 is shown with a vacuum chamber 12.
  • An interior 20 of the vacuum chamber 12 can be evacuated by a hood 14 to generate a vacuum.
  • a process gas preferably a noble gas or a mixture of different noble gases, for example argon and / or krypton, can be admitted through an access 16.
  • a reactive gas such as nitrogen can be introduced through an access 18.
  • the inlets 16, 18 can also be replaced by a common inlet for a process gas and a non-combustible reactive gas.
  • magnetron cathodes 22a, 22b, 22c, 22d are arranged in the interior 20 of the vacuum chamber 12, each with plate-shaped sputter targets 24a, 24b, 24c, 24d.
  • Fig. 2 only two magnetron cathodes 22a, 22b are shown for a better overview.
  • the magnetron cathodes 22a, 22b, 22c, 22d are aligned with their sputter targets 24a, 24b, 24c, 24d in the direction of the center of the vacuum chamber 12.
  • cutting inserts 40 are charged as substrates.
  • the substrate carriers 34 are upright, rod-like holders on which the indexable inserts 40 are slipped.
  • the indexable inserts 40 are electrically connected to the substrate table via the substrate carrier 32 and substrate plate 32
  • An indexable insert 40 is shown in FIG. 3. It has a rake face 42 and a free face 44. In the arrangement shown in FIG. 2, the free surface 44 is arranged parallel to the sputter targets 24a, 24b, 24c, 24d of the magnetron cathodes 22a, 22b, 22c, 22d. The edges between the surfaces 42, 44 are provided for use as cutting edges during machining.
  • the indexable insert 40 consists of a WC / Co sintered hard metal.
  • the indexable insert 40 is merely an example of a substrate to be coated. Alternatively, components or tools of various shapes can be charged to suitably shaped substrate holders 34 in each case.
  • the magnetron cathodes 24a, 24b, 24c, 24d are each connected to a controllable electrical power supply 26a, 26b, 26c, 26d, by means of which an electrical voltage can be applied to the electrically conductive wall of the vacuum chamber 12.
  • a controllable bias power supply 36 is connected to the substrate table 30, by means of which an electrical voltage can be applied opposite the wall of the vacuum chamber 12 to the substrate table 30, the substrate holder 34 and the substrates 40.
  • the power supplies 26a, 26b, 26c, 26d, 36 are each shown here only schematically as controllable electrical voltage supplies. These can be conventional DC power supplies, pulsed power supplies and / or HPIMS power supplies. In the example shown, the power supplies 26a, 26b, 26c, 26d can be switched between DC and HIPIMS operating modes in a controlled manner. In alternative embodiments, however, dedicated DC and HIPIMS cathodes can also be arranged within the vacuum chamber 12 and connected to dedicated DC and HIPIMS power supplies, which can then be selectively activated or deactivated by control from the central controller 36.
  • the power supplies 26a, 26b, 26c, 26d, 36 and pumps (not shown) at the inlets and outlets 14, 16, 18 are each connected to a central controller 36 of the system 10.
  • the central control 36 is programmable so that all parameters of the pretreatment and coating processes running in the interior 20 of the vacuum chamber 12 are controlled by the control 36.
  • a hard material layer with a particularly great thickness of more than 1 mm is to be applied.
  • Such thick layers usually cannot be applied with sufficient layer adhesion for machining applications.
  • FIG. 5 a sequence of the coating process automatically predetermined by programming the central control 36 is shown schematically.
  • titanium plates are each equipped with aluminum plugs as sputter targets 24a, 24b, 24c, 24d.
  • a preparation step 60 the substrates 40 are charged within the system 10, and the vacuum chamber 12 is evacuated to a pressure of 350 mPa and heated.
  • a first etching step 62 the surface 54 of the hard metal material 52 of the substrates 40 is etched.
  • the first etching step 62 is a combined etching step with a first and a second partial etching step, by means of which the substrate surface is cleaned and etched by means of gas ions.
  • ion etching takes place, in which a plasma is initially ignited by means of the magnetron cathodes 22a, 22b, 22c, 22d.
  • the bias power supply 36 is controlled in such a way that a bipolar mf-pulsed bias voltage (240 kHz) of ⁇ 650 V against the wall of the chamber is applied to the substrate 40. In this way, gas ions of the plasma are accelerated onto the surface 54 of the substrate 40.
  • the first partial etching step is used for a duration of approx. 15 minutes.
  • the result is a low etching rate of 0.1 pm / h.
  • a further ion etching takes place, for which a plasma is initially ignited, likewise by means of the magnetron cathodes 22a, 22b, 22c, 22d.
  • the bias power supply 36 is controlled in such a way that the substrate 40 has a negative potential applied to it by a constant DC bias voltage of -200V.
  • the etching removal in the second partial etching step is approx. 0.5 ⁇ m / h.
  • the etching step 62 is followed by a switchover on the part of the central controller 36 without vacuum interruption, in which the power supplies 26a, 26b, 26c, 26d of the magnetron cathodes 22a, 22b, 22c, 22d are controlled so that they are in HIPIMS mode operated with short, high voltage pulses.
  • Each of the four magnetron cathodes 22a, 22b, 22c, 22d is supplied with a peak power of approximately 100 kW during the coating step 64.
  • the bias voltage supply 36 is controlled in such a way that a pulsed bias voltage of for example -50 to -150 V is applied, the bias pulses being synchronized with the power pulses of the magnetron cathodes 22a, 22b, 22c, 22d .
  • the bias voltage is provided with an offset so that the bias pulses start with a slight time delay compared to the HIPIMS pulses.
  • nitrogen is also supplied as a reactive gas.
  • FIG. 6 shows, by way of example, the time courses of various curves of electrical variables during the coating step 64, namely the voltage 80 at the magnetron cathodes 24a, 24b, 24c, 24d (solid line), the cathode current 82 (dotted line), the cathode peak power 84 (dashed line) -dotted line), the bias voltage 86 (dash-double-dotted line) and the bias current 88 (dashed line).
  • the voltage 80 is applied to the magnetron cathodes 24a, 24b, 24c, 24d in pulses 90, while the bias voltage 86 is applied in temporally trailing bias pulses 92.
  • FIG. 4 shows schematically the structure of a coating 50 on the hard metal substrate material 52.
  • a first coating layer 56a is produced there.
  • the coating rate is approximately 2 ⁇ m / h, so that at the end of the coating step 64 a thickness of the first coating layer 56a of approximately 3 ⁇ m is achieved.
  • the material system of the first coating layer 56a is Al-Ti-N.
  • An Al content x of around 60% is achieved (among the metallic elements). Due to the delay of the bias pulses 92 with respect to the HIPIMS pulses 90, relatively few gas ions are implanted into the coating layer 56a, so that it has a relatively low internal stress.
  • the coating step 64 is followed by an intermediate etching step 66.
  • the intermediate etching step 66 is carried out with the same parameters as the first etching step 62, i.e. with two successive partial etching steps.
  • the etching steps 62, 66 are carried out with different parameters, in particular the intermediate etching step is of shorter duration than the first etching step 62.
  • the etching removal achieved in the intermediate etching step 66 is significantly less than the values specified above for the first etching step 62, since the etched coating layer 56a is harder than the substrate surface etched in the first etching step 62.
  • the coating step 68 corresponds to the previous coating step 64 with regard to all parameters.
  • the coating step 68 is also carried out for the same duration as the previous coating step 64.
  • different coating steps can be carried out with different parameters, so that, for example, coating layers that differ from one another in terms of thickness, structure and / or composition result.
  • the cycle of coating / intermediate etching / coating is run through so often that a total of four coating layers 56a, 56b, 56c, 56d each with intermediate etching of the one below Surface are deposited on each other (Fig. 4).
  • the substrates 40 are then cooled in the subsequent step 70.
  • the coating steps 64, 68 are each carried out with identical parameters, the resulting coating 50 has a structure with recognizable separate coating layers 56a, 56b, 56c, 56d.
  • FIG. 7a shows this with a spherical cut on the surface 44 of a coated body 40.
  • the interface areas formed by the intermediate etching steps between the coating layers 56a, 56b, 56c, 56d can be seen as rings.
  • a continuously produced coating in the dome cut shows no such rings.
  • FIG. 7c shows an SEM image of the substrate material 52 with the coating layers 56a, 56b, 56c, 56d formed thereon.
  • the interface areas are marked by white frames.
  • the respective change in the layer morphology is sometimes difficult to see in the magnification shown, but becomes more visible at a higher magnification (Fig. 7d).
  • Fig. 7d At least for the first interface area - seen from the substrate surface - it can already be seen from the illustration in FIG. 7c and even more clearly seen in FIG. 7d that the layer morphology changes from a coarser structure to a significantly finer structure. In Thornton's structural zone model, this corresponds to a change from structural zone 1 to structural zone T.
  • the surface of the coating 50 turns out to be smooth, tight and largely free of pores.
  • the tool 40 coated therewith thus has a high level of resistance for various purposes, in particular for machining applications.
  • the coating 50 has a total layer thickness of approximately 12 ⁇ m. While a comparative layer applied with the same parameters, but continuously applied, has a very high intrinsic layer stress and has poor adhesion to the substrate material 52, the coating 50 of the same thickness only has a compressive stress of approximately -1.4 GPa and good layer adhesion.
  • the layer materials, total layer thickness, number of coating layers and the type of the tool coated with it, its application and the workpiece material to be processed with it are specified for various examples.
  • coating layers of at least essentially the same thickness are assumed in each case, that is to say, for example, with a total layer thickness of 12 ⁇ m and 4 coating layers of 3 ⁇ m thick coating layers each.
  • magnetron cathodes can also be used within the vacuum chamber 12 .
  • Different cathodes can be connected to different types of electrical power supplies, for example also to pure DC power supplies.
  • the power supplies can be connected against the chamber wall, as shown, but alternatively a separate anode, electrically insulated from the chamber wall, can also be provided.
  • a separate anode electrically insulated from the chamber wall, can also be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats (40), eine Beschichtungsanlage zum Ausführen des Verfahrens sowie einen beschichteten Körper. In einem ersten Verfahrensschritt (62) wird das Substrat (40) in einem Ionen-Ätzverfahren vorbehandelt. In einem zweiten Verfahrensschritt (64) wird mittels eines PVD-Verfahrens eine erste Beschichtungslage (56a) mit einer Dicke von 0,1µm bis 6µm auf das Substrat (40) abgeschieden. Um eine besonders hochwertige und haltbare Beschichtung (50) zu erreichen, wird in einem dritten Verfahrensschritt (66) die Oberfläche der ersten Beschichtungslage (56a) mittels eines Ionen-Ätzverfahrens behandelt und in einem vierten Verfahrensschritt (68) mittels eines PVD-Verfahrens eine weitere Beschichtungslage (56b) mit einer Dicke von 0,1µm bis 6µm auf die erste Beschichtungslage (56a) abgeschieden. Der beschichtete Körper umfasst auf einem Substrat (40) mindestens zwei Beschichtungslagen (56a, 56b, 56c, 56d) mit einer Dicke von 0,1µm bis 6µm, wobei zwischen den Beschichtungslagen (56a, 56b, 56c, 56d) ein durch Ionen-Ätzen gebildeter Interface-Bereich angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Mehrlagige Beschichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats, eine Beschichtungs anlage zum Ausführen des Verfahrens sowie einen beschichteten Körper.
Es ist bekannt, Körper oder Teile von Körpern mit einer Oberflächenbeschichtung zur Verbesserung der Eigenschaften zu versehen. Insbesondere für Werkzeuge ist es be kannt, Funktionsflächen mit einer Hartstoffschicht zu versehen. Eine Klasse bekannter Verfahren für das Aufbringen von Hartstoffschichten bilden PVD (Physical Vapor Deposition) Verfahren, darunter bspw. Kathodenzerstäuben und Licht bogenzerstäuben. Bei diesen werden auf Substraten Schichten aus zerstäubten Target materialien abgelagert. Dabei ist es bekannt, das Substrat vor dem Aufbringen einer Beschichtung vorzubehan deln, um insbesondere eine gute Schichthaftung zu erzielen. Neben chemischen und mechanischen Vorbehandlungsschritten eignet sich für die Vorbehandlung eines Sub strats, bspw. eines Hartmetall- oder Stahlsubstrats, insbesondere ein Ionen-Ätzschritt, bei dem Ionen mittels einer Beschleunigungsspannung in Richtung des Substrats beschleunigt werden und dabei auf der Substratoberfläche eine Ätzwirkung erzielt wird.
Die WO 2009/132822 A2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vorbe handeln und zum Beschichten von Körpern mittels Magnetronzerstäubens. Die Vorrich tung umfasst eine Vakuumkammer mit metallischer Kammerwandung und darin angeordneten Magnetrons mit Sputter-Targets. Zumindest eines der Magnetrons ist zum Betrieb nach dem hochleistungsgepulsten Magnetronzerstäuben (HPPMS, auch bezeichnet als HIPIMS) vorgesehen. Einem HPPMS-Magnetron werden elektrische Pulse zugeführt, indem ein Kapazitätselement durch ein Schaltelement mit dem Sputter- Target verbunden wird. Bei dem Verfahren wird ein zu beschichtender Körper in der Vakuumkammer der Vorrichtung angeordnet und unter Betrieb des HPPMS- Magnetrons ein Plasma erzeugt. In einem Ätzschritt wird eine negative Bias-Spannung an den Körper angelegt und der Körper durch Beschuss mit Metallionen geätzt. An schließend wird die Bias-Spannung kontinuierlich abgesenkt, so dass das von den Sputter-Targets abgesputterte Material zu einem Schichtaufbau auf dem Körper führt.
Die DE io 2006019 000 Ai beschreibt eine Einrichtung und ein Verfahren zur plasma gestützten Abscheidung von Hartstoffschichten, insbesondere zur Herstellung von Titan- Aluminium-Nitrid-Schichten. In einer Vakuumkammer sind um eine zentrische Achse rotierbare Substratträger angeordnet. Mindestens eine Verdampfungsquelle und min destens eine Hohlkathode sind radial außerhalb des Substratträgers angeordnet. Dabei ist die Linie zwischen der Hohlkathode und der zugehörigen Anode gegenüber der Linie zwischen dem Target der Verdampfungsquelle und der Achse in der Ebene rechtwinklig zur Achse um 150 bis 70° versetzt. Die Hohlkathodenbogenentladung wird parallel zur Achse und zur Verdampfung von Targetmaterial aus der Verdampfungsquelle aufrecht erhalten. Zur Herstellung einer Titan-Aluminium-Nitrid-Schicht innerhalb einer reakti ven Stickstoffatmosphäre mit einem Ti:Al-Anteil von 50 : 50 bis 40 : 60 wird ein Target mit einem Ti:Al-Anteil von 1 : 1 eingesetzt.
Es kann als Aufgabe angesehen werden, einen beschichteten Körper sowie ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats und eine Beschichtungsanlage zum Ausführen des Verfah rens anzugeben, bei denen besonders hochwertige und haltbare Beschichtungen erzielt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Beschichtungsanlage gemäß Anspruch 13 und einen beschichteten Körper gemäß Anspruch 14. Abhängige An sprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Es hat sich gezeigt, dass in PVD-Verfahren aufgebrachte Schichten abhängig von der Schichtdicke variierende Eigenschaften haben können. Insbesondere zeigt sich vielfach bei längerer Beschichtungsdauer und -dicke ein Anstieg bspw. von Rauheit und Schichteigen spannungen. Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Beschichtung nicht durchgängig zu erzeugen, sondern das Schichtwachstum gezielt ein- oder mehrfach zu unterbrechen und nachfolgend neu zu starten.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zunächst in einem ersten Verfahrensschritt eine Vorbehandlung des Substrats in einem Ionen-Ätzverfahren vor. Dabei werden Ionen er zeugt, bspw. Gas- oder bevorzugt Metallionen, und durch eine Bias-Spannung in Richtung der Substratoberfläche beschleunigt. Durch die auftreffenden Ionen wird über eine Ein wirkdauer eine Ätzwirkung erzielt, die eine Aktivierung der Substratoberfläche, einen oberflächlichen Materialabtrag sowie auch eine Implantation von Ionen umfassen kann.
In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels eines PVD- Verfahrens eine erste Beschichtungslage einer Dicke von o,mm bis 6 um auf das Substrat abgeschieden. Als Beschichtungsverfahren wird Magnetronzerstäuben bevorzugt. Der Beschichtungsvorgang wird für eine ausgewählte Beschichtungsdauer ausgeführt, so dass die erste Beschichtungslage auf der Substratoberfläche abgelagert wird.
Erfindungsgemäß wird das Aufbringen der Beschichtung im zweiten Schritt durch einen dritten Verfahrensschritt unterbrochen, bei dem es sich um einen weiteren Ätz-Schritt handelt. Im dritten Verfahrensschritt wird erfindungsgemäß die Oberfläche der zuvor erzeugten ersten Beschichtungslage mittels eines Ionen-Ätzverfahrens behandelt. Bei dem Ionen-Ätzverfahren des dritten Verfahrensschrittes kann es sich bevorzugt um dieselbe Art von Verfahren handeln wie im ersten Verfahrensschritt; die verwendeten Verfahrenspara meter, insbesondere die Ätzdauer und die Bias-Spannung können gleich oder voneinander abweichend gewählt werden.
Durch die Anwendung des Ätzverfahrens im dritten Verfahrensschritt wird das Schicht wachstum zunächst unterbrochen. Je nach Intensität des Ätzschritts kann es zu einem mehr oder weniger starken Abtrag von Schichtmaterial kommen. Zudem kann das Ätzverfahren zu einer Nukleierung der Oberfläche durch das Einbringen von Mikrodefekten führen.
In einem erfindungsgemäß folgenden vierten Verfahrensschritt wird mittels eines PVD- Verfahrens eine weitere Beschichtungslage einer Dicke von o,ium bis 6 um auf die erste Beschichtungslage bzw. auf deren durch den vorherigen Ätzschritt vorbereitete Oberfläche abgeschieden. Dabei kann bevorzugt im vierten Verfahrensschritt derselbe Typ von Be- schichtungsverfahren angewendet werden wie im zweiten Verfahrensschritt. Einzelne oder alle Verfahrensparameter können in den beiden Schritten gleich oder voneinander abwei chend gewählt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst somit eine Abfolge von Schritten Beschichten - Ätzen - Beschichten, die auch als „Repeat-Start“-Prozedur bezeichnet werden kann.
Überraschend hat sich gezeigt, dass sich durch die Repeat-Start Prozedur, d.h. Unterbre chung des Beschichtungsvorgangs durch Ionen-Ätzen und nachfolgende Fortsetzung der Beschichtung, eine strukturelle Änderung der mehrlagigen Beschichtung ergibt, verglichen mit einer in einem Zug aufgebrachten einlagigen Beschichtung ohne Unterbrechung des Schichtaufbaus durch den zwischengeschalteten Ätzschritt. Eine während des Schichtauf- baus entstehende Mikrostruktur kann durch den Zwischen-Ätzschritt mindestens zum Teil unterbrochen werden, so dass sich beim darauffolgenden Beschichtungsschritt keine nahtlo se Fortsetzung des vorherigen Wachstums ergibt, sondern sich bspw. neue Wachstumskeime bilden. Während bei durchgängiger Fortsetzung der Beschichtung u.U. die Schichtmorpho logie in Wachstumsrichtung gröber wird, kann dieser Effekt durch den Zwischen-Ätzschritt vermindert oder sogar vollständig zurückgesetzt werden. So ist es möglich, eine Morpholo gie der Beschichtung zu erreichen, bei der die nach dem Zwischen-Ätzschritt aufgebrachte weitere Beschichtungslage mindestens zu Beginn, d.h. angrenzend an den Interface-Bereich zur vorherigen Beschichtungslage von ihrer Schichtstruktur her feiner ist als die vorherige Beschichtungslage an ihrer Oberfläche.
Insbesondere kann sich eine Auswirkung auf Eigenspannungen in der erzeugten Beschich tung ergeben. Die Eigenspannungen in der Schicht können mit fortschreitender Beschich tungsdauer und -dicke anwachsen. Es hat sich gezeigt, dass im Fall der Unterbrechung und des Neustarts der Beschichtung im Rahmen der Repeat-Start Prozedur die Eigenspannun gen in der mehrlagigen Schicht nicht in gleichem Maß ansteigen wie im Fall einer einlagigen Schicht. Bei längerer Beschichtungsdauer und größerer Beschichtungsdicke werden mittels Repeat-Start so im Ergebnis Schichten mit in der Summe geringeren Eigenspannungen erzielt. Schichten mit geringeren Eigenspannungen weisen günstigere Zähigkeitseigenschaf ten und bessere Haftung am Substrat auf. Es hat sich gezeigt, dass sich durch die ein- oder mehrfache Unterbrechung des Wachstums insgesamt Schichten erzeugen lassen, die eine geringere Anzahl an Fehlstellen aufweisen und somit dichter und weniger porös sind. Hierdurch kann sich einerseits eine glattere Schichtoberfläche ergeben. Andererseits hat eine dichtere Schicht erhebliche Vorteile hinsichtlich der chemischen Beständigkeit, da es durch die dichtere Struktur weniger Diffusionspfade, z.B. für das unerwünschte Eindiffundieren von Luftsauerstoff während des Einsatzes gibt, das zum Schichtversagen führen kann.
Wie der Fachmann erkennen wird, wäre es möglich, die o.g. Abfolge des ersten bis vierten Schritts zu modifizieren, bspw. durch Unterteilung eines Beschichtungs- oder Ätzschrittes in mehrere Teilschritte mit verschiedenen Beschichtungs- oder Ätzparametern oder durch zeitlich dazwischen angeordnete Verfahrensschritte mit anderen Behandlungsmaßnahmen, bspw. Wärmebehandlung (Glühen) oder chemische Behandlung (bspw. Oxidation, Karburi- sation), etc. Dabei bleibt aber stets das Grundmuster, d.h. die Abfolge der ersten bis vierten Schritte erhalten.
Während sich Vorteile der Repeat-Start Prozedur bereits bei einfacher Anwendung zeigen, kann eine mehrfache Anwendung besondere Vorteile zeigen. So kann bspw. folgend auf den vierten Verfahrensschritt zunächst die Oberfläche der dann obersten Beschichtungslage mittels des Ionen-Ätzverfahrens behandelt werden und darauffolgend mittels des PVD- Verfahrens eine weitere Beschichtungslage auf die darunterliegende Beschichtungslage abgeschieden werden. Dies kann ein- oder mehrfach wiederholt werden, so dass sich bspw. mindestens drei oder vier Beschichtungslagen ergeben. Die Gesamtzahl der Wiederholun gen der Repeat-Start Abfolge kann bspw. je nach Art und gewünschter Dicke so gewählt werden, dass sich 2 - 50 Beschichtungslagen bilden, bevorzugt 3 - 20, weiter bevorzugt 3 - 10 oder 3 - 5.
Im Prinzip können die Vorteile der Unterbrechung und anschließenden Fortsetzung des Schichtwachstums auch dann genutzt werden, wenn einzelne oder sogar alle der Verfah rensschritte räumlich und/oder zeitlich getrennt voneinander ausgeführt werden, d.h. bspw. an getrennten Orten und in getrennten Behandlungs- oder Beschichtungsanlagen, ggfs nach Zwischenlagerung, etc. Besonders effizient ist aber die Anwendung der Verfahrens schritte innerhalb derselben Beschichtungsanlage, insbesondere derselben Vakuumkammer. Bevorzugt erfolgt dabei die Anwendung von zwei oder mehr der o.g. Verfahrensschritte ohne Vakuumunterbrechung, bspw. die Anwendung der Repeat-Start Schritte (zweiter Verfah rensschritt - Beschichten, dritter Verfahrensschritt - Ionen-Ätzen, vierter Verfahrensschritt - Beschichten), insbesondere bevorzugt der erste bis vierte Schritt.
Bevorzugt können mehrere oder alle der Verfahrensschritte in derselben Vakuumkammer einer Beschichtungsanlage und/oder unter Nutzung derselben Elektroden (bspw. Kathoden und/oder elektrischer Anschluss am Substrat bzw. -halter) durchgeführt werden, wobei lediglich elektrische Leistungsversorgungen und/ oder Mittel zur Änderung von Druck oder Atmosphäre umgeschaltet werden, um die unterschiedlichen Verfahrensschritte ohne Umrüstung durchzuführen. Es können aber auch innerhalb derselben Vakuumkammer bspw. verschiedene Magnetron-Kathoden (bspw. HIPIMS-Kathoden und DC-Kathoden) angeordnet sein, die dann in den Verfahrensschritten verschieden angesteuert bzw. in einzelnen Verfahrensschritten auch abgeschaltet werden können. Ebenso können Kathoden mit unterschiedlicher Target-Bestückung verwendet werden. Auf diese Weise können in aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten voneinander abweichende Prozessparameter durch rein äußere Ansteuerung erreicht werden, ohne dass die Anlage zwischen den Verfah rensschritten umgerüstet oder das Vakuum unterbrochen werden muss.
Die Beschichtungsschritte können ebenso wie die zeitlich dazwischen angeordneten Ätz schritte gleich oder voneinander verschieden sein, bspw. bezüglich der Anwendungsdauer und/ oder bezüglich der Prozessparameter wie bspw. Druck, Atmosphärenzusammenset zung, Targetmaterialien, Spannung/elektrische Leistung, etc.
Bevorzugt wird sowohl während der Beschichtungsschritte, d.h. dem zweiten und vierten Verfahrensschritt sowie ggfs weiteren Verfahrensschritten, in denen mittels eines PVD- Verfahrens, bevorzugt Magnetron-Sputtern, eine Beschichtungslage erzeugt wird als auch während des Ätzschrittes bzw. der Ätzschritte eine negative Bias-Spannung an das Substrat angelegt. Dabei ist bevorzugt die Bias-Spannung im zweiten Verfahrensschritt höher als im ersten und zweiten Verfahrensschritt. Durch eine höhere Bias-Spannung werden Ionen des Plasmas stärker auf das Substrat hin beschleunigt, so dass bei höherer Bias-Spannung Ionen-Ätzen stattfindet. Somit kann durch Änderung der Bias-Spannung zwischen Be triebsarten des Beschichtens und des Ätzens umgeschaltet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können neben dem zweiten und dem vierten Verfahrensschritt ggfs auch weitere Beschichtungsschritte so ausgeführt werden, dass sich eine jeweilige Beschichtungslage einer Dicke von 0,14m bis 64m ergibt, bevorzugt 0,54m - 54m, weiter bevorzugt 14m - 44m. Besonders bevorzugt weichen die Dicken von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Beschichtungslagen um weniger als +/- 50%, weiter bevorzugt um weniger als +/- 25%, besonders bevorzugt um weniger als +/- 15% voneinander ab (jeweils bezogen auf die dünnere Beschichtungslage). Weiter bevorzugt gilt dies für alle Beschichtungslagen, die im Repeat- Start Verfahren erzeugt werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Schichten von sehr unterschiedlicher Gesamtdicke erzeugt werden. Beispielsweise kann für einige Anwendungen eine sehr dünne Gesamtschichtdicke von bereits 0,54m ausreichen, die aus zwei oder mehr Beschichtungsla gen besteht. Bevorzugt sind für die meisten Anwendungen dickere Schichten einer Gesamt- dicke von 14 oder mehr, weiter bevorzugt 34m oder mehr.
Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich für dicke Schichten, d.h. bspw. einer Gesamtdicke von 64m oder mehr, bevorzugt 104m oder mehr, besonders bevorzugt 124m oder mehr. Die Gesamtdicke kann bspw. bis zu 304m betragen. Bei der durchgehenden Herstellung derartig dicker einlagiger Schichten mittels eines PVD- Beschichtungsverfahrens ergeben sich oft derartig grobe Strukturen und/oder hohe Eigen spannungen, dass die Schichten für viele Anwendungen nicht mehr brauchbar sind, bspw. wegen zu geringer Schichthaftung und/oder zu großer Rauheit. Durch die Unterteilung der dicken Beschichtungen in bspw. zwei oder mehr, bevorzugt drei oder mehr Beschichtungsla- gen wird es überraschend ermöglicht, diese Nachteile zu vermeiden.
Für mindestens einen, bevorzugt alle der Verfahrensschritte mit Aufbringen einer Beschich tung (also den zweiten, vierten und/oder einen oder mehrere weitere Verfahrensschritte) wird bevorzugt ein Kathodenzerstäubungsverfahren angewendet, bei dem bevorzugt min- destens ein Target mindestens einer Magnetronkathode zerstäubt wird.
Während bei diesem bspw. eine an eine Kathode angelegte Gleichspannung, Wechselspan nung oder gepulste Spannung verwendet werden kann, ist ein HIPIMS-Verfahren besonders bevorzugt. Hierbei handelt es sich um eine Klasse von Verfahren, die auch als "hochleis tungsgepulstes Magnetronzerstäuben" bezeichnet werden und bei denen den Magnetronka thoden elektrische Leistung in Form sehr kurzer, aber äußerst energiereicher Pulse zuge führt werden, wodurch eine hohe Ionendichte der Beschichtungsteilchen vor den Mag netronkathoden erzielt wird. Charakteristisch für den HIPIMS-Betrieb ist eine hohe Peak- Leistung von bspw. 6o W/cm2 oder mehr, bevorzugt ioo W/cm2 oder mehr, besonders bevorzugt 200 W/cm2 bis 2300 W/cm2 (je Kathode, bezogen auf die Targetfläche der jeweiligen Kathode) während eines Pulses. Dabei liegt ein Tastverhältnis zwischen der Pulsdauer und der Pulspause üblicherweise unter 0,5, d. h., dass die Pulspause ist länger als die Pulsdauer. Vorrichtungen und Verfahren zum Betrieb von Magnetron-Kathoden per HIPIMS sind bspw. offenbart in der WO 2009/132822 A2 der Anmelderin. Unter einem HIPIMS-Beschichtungsverfahren wird bevorzugt verstanden, dass eine, mehrere oder alle Kathoden in der Vakuumkammer einer Beschichtungsanlage mit Hochleistungspulsen gemäß dem HIPIMS-Verfahren betrieben werden, wobei ggfs weitere Kathoden zeitgleich auch im DC-Betrieb laufen können.
Die im HIPIMS-Verfahren bevorzugt verwendeten Pulsdauern können bspw. 5-200 ps betragen. Die HIPIMS-Pulse können bevorzugt mit Frequenzen von bspw. 100 - 10.000 Hz erzeugt werden, besonders bevorzugt 2000 - 6000 Hz.
In einem oder mehreren der Beschichtungsschritte wird bevorzugt eine Bias-Spannung an das Substrat angelegt, insbesondere eine negative Bias-Spannung, so dass positiv geladene Ionen in Richtung der Substratoberfläche beschleunigt werden. Insbesondere bei Anwen dung von Magnetronzerstäuben, sei es bspw. mit Gleichspannung, gepulster Gleichspan nung oder HIPIMS-Pulsen an mindestens einer Magnetron-Kathode, kann die Bias- Spannung eine konstante oder gepulste Gleichspannung sein. Eine gepulste Gleichspan nung ist dabei bevorzugt unipolar gepulst. Die Pulsfrequenz kann im mf (Mittelfrequenz) - bereich liegen, bspw. bei 50 kHz - 3 MHz, bevorzugt 100 kHz - 1 MHz, besonders bevorzugt 150 - 500 kHz.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird aber das HIPIMS-Beschichtungsverfahren unter Anlegung einer gepulsten Bias-Spannung am Substrat durchgeführt. Bevorzugt können dabei die Bias-Pulse zeitlich mit den an einer Kathode angelegten HIPIMS-Pulsen synchronisiert sein. Unter „synchronisiert“ wird verstanden, dass die Pulse der Bias- Spannung (Bias-Pulse) mit gleicher Frequenz angelegt werden wie die HIPIMS-Pulse an einer oder mehreren Kathoden, oder dass die Frequenzen ein ganzzahliges Vielfaches voneinander sind. Im Fall mehrerer HIPIMS-Kathoden, die so angesteuert werden, dass HIPIMS-Pulse nicht gleichzeitig, sondern aufeinanderfolgend angelegt werden, entspricht die Pulsfrequenz der Bias-Pulse bevorzugt mindestens der HIPIMS-Pulsfrequenz multipli ziert mit der Anzahl der HIPIMS-Kathoden.
Dabei können die HIPIMS-Pulse und die Bias-Pulse zeitlich so synchronisiert sein, dass sie gleiche Dauer haben und gleichzeitig beginnen, bevorzugt kann aber die Dauer auch abwei chen und/oder eine Vorlauf- bzw. Verzögerungszeit (Offset) des Bias- Pulses gegenüber dem jeweiligen HIPIMS-Puls vorgegeben sein. Besonders bevorzugt ist die Synchronisation derart, dass der Bias-Puls jeweils mit einer Verzögerung (Offset) von bspw. 5 ps oder mehr gegenüber dem zugeordneten HIPIMS-Puls auftritt, bevorzugt 20 - 504s oder mehr. Weiter ist die Synchronisation bevorzugt derart, dass der Bias-Puls gegenüber dem zugeordneten HIPIMS-Puls jeweils eine Nachlaufzeit von bspw. 5 ps oder mehr aufweist, bevorzugt tops oder mehr.
Es hat sich gezeigt, dass sich beim Anlegen eines HIPIMS-Pulses unterschiedliche Arten von Ionen zu verschiedenen Zeiten auftreten, insbesondere Metall- und Gasionen. Gasionen werden oft bereits in einer frühen Phase zu Beginn des HIPIMS-Pulses in großer Zahl beobachtet, während ein Auftreten einer höheren Dichte von Metallionen zeitlich verzögert zu beobachten ist. Durch eine gezielte Verzögerung des Bias-Pulses gegenüber dem HIPIMS-Puls kann so erreicht werden, dass durch die angelegte Bias-Spannung bevorzugt Metall-Ionen und weniger Gasionen in Richtung des Substrats beschleunigt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Implantation von Gasionen in der entstehenden Beschichtung maß geblich zu einem Anstieg von Eigenspannungen in der Schicht beiträgt. Durch zeitliche Synchronisation des Bias-Pulses mit dem Kathoden-Puls so, dass die Spannung des Bias- Pulses während eines an Metallionen reichen Zeitintervalls anliegt, kann so eine Beschich tung mit geringen Eigenspannungen erreicht werden.
Für die Zusammensetzung der Beschichtung bzw. jeder Beschichtungslage kommen ver schiedene Bestandteile in Frage. Dies umfasst einerseits eines oder mehrere Target- Materialien, die durch Zerstäubung freigesetzt werden. Andererseits können Bestandteile gasförmig zugeführt werden. Insbesondere kann eine Beschichtung in einem reaktiven Beschichtungsverfahren erfolgen, bspw. durch Zuführung von reaktivem Gas, das Stickstoff, Sauerstoff und/oder Kohlenstoff enthält.
Bevorzugt handelt es sich bei der Beschichtung um eine Hartstoffschicht. Jede Beschich tungslage kann bspw. aus einem Materialsystem bestehen, das ein oder mehrere metallische Elemente aufweist, oder bevorzugt mindestens ein metallisches Element und mindestens ein nichtmetallisches Element. Sie kann insbesondere zusammengesetzt sein aus einem oder mehreren metallischen Elementen und einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen. Bevorzugt werden binäre, ternäre und quaternäre Hartstoffe, d.h. mit zwei, drei oder vier verschiedenen metallischen Elementen. Bevorzugt sind dabei Zusammensetzun gen, bei denen das metallische Element oder die metallischen Elemente ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Al, Si, B und Elemente der Gruppen 4-6 des Periodensystems nach IUPAC (1988). (Die Halbmetalle Si und B werden in diesem Zusammenhang vereinfachend als metallische Elemente angesehen.) Besonders bevorzugt ist in der Zusammensetzung als eines der metallischen Elemente Ti enthalten. Die nichtmetallischen Elemente können bspw. ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend C, N und O, bevorzugt aus der Gruppe umfassend C und N, besonders bevorzugt ist N als einziges nichtmetallisches Element vorgesehen.
In den nachfolgenden Darstellungen werden die Zusammensetzungen von Schichten entweder direkt als chemische Verbindungen bzw. Phase oder als Materialsysteme genannt. Materialsysteme werden dabei bezeichnet durch Auflistung der darin enthaltenen Elemente, jeweils durch einen Bindestrich voneinander getrennt, wobei zunächst die metallischen Elemente und danach die nichtmetallischen Elemente angegeben sind. Dabei werden bevorzugt jeweils nacheinander die metallischen und nichtmetallischen Elemente in der Reihenfolge entsprechend ihrem Anteil (in Atomprozent) genannt. Die Angabe des Materi alsystems kann dabei der chemischen Verbindung entsprechen, dies ist aber nicht in allen Fällen so. Beispielsweise wird das Materialsystem Ti-C die Hartstoffverbindung TiC enthal ten oder vollständig hieraus bestehen, während das Materialsystem Ti-B die Hartstoffver bindung TiB2 umfasst oder hieraus besteht. Bevorzugte Materialsysteme umfassen bspw. Al- Ti-N, Ti-B, Ti-Si-N, Al-Ti-Si-N, Ti-C-N, Al-Ti-Cr-Si-N oder Ti-Al-C-N. Dabei werden Metal- le, bspw. Al, Ti, Si und/oder Cr bevorzugt in fester Form als Bestandteile eines oder mehre rer Targets an Kathoden bereitgestellt.
In einer bevorzugten Ausführung ist mindestens eine Beschichtungslage, bevorzugt mehrere oder alle Beschichtungslagen aus Alx-Ti -x-N gebildet, weiter bevorzugt mit x > 0,4 oder x > 0,5, besonders bevorzugt 0,55 < x <0,65. Der Al-Anteil x beträgt bevorzugt maximal 70%.
Mindestens zwei, bevorzugt mehrere oder alle der während der Beschichtungsschritte gebildeten Beschichtungslagen der Beschichtung können dieselben Elemente umfassen, d.h. dasselbe Materialsystem sowie ggfs dieselben relativen Anteile der enthaltenen Elemente. Alternativ ist es aber auch möglich, unterschiedliche Zusammensetzungen der Beschich tungslagen vorzugeben.
Das Ionen-Ätzverfahren im ersten, im dritten und/oder in weiteren Verfahrensschritten kann bevorzugt ausgeführt werden, indem ein Plasma durch eine Kathode gezündet und eine relativ hohe Beschleunigungsspannung (Bias-Spannung) an das Substrat angelegt wird. Dabei kann bspw. ein Plasma hauptsächlich aus Gasionen bestehen. Alternativ können Kathoden mit HIPIMS-Pulsen betrieben werden um ein Plasma mit einer hohen Anzahl an Metallionen zu erzeugen. Die Bias-Spannung kann bevorzugt eine konstante oder unipolar oder bipolar (mf-)gepulste Gleichspannung sein.
Wie nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird, kann das Ionen- Ätzverfahren mehrere Teilschritte umfassen, bspw. einen Teil-Ätzschritt, bei dem ein Plasma erzeugt und eine Bias-Spannung in Form einer bipolar mf-gepulsten Gleichspan nung einer Frequenz von bspw. 50 kHz-iMHz und einer Pulshöhe von bspw. 100 V- 1000 V, bevorzugt 300 V - 800 V für eine erste Zeitdauer angelegt wird und eine weiteren Teil- Ätzschritt, bei dem nach Erzeugung eines Plasmas eine Bias-Spannung in Form einer Gleichspannung bspw. im Bereich von - 50 V bis - 400V, bevorzugt -100 V bis - 300V für eine zweite Zeitdauer angelegt wird. Die zweite Zeitdauer ist bevorzugt länger als die erste Zeitdauer, weiter bevorzugt mindestens doppelt so lang. Bspw. kann die erste Zeitdauer 5 - 30 Minuten und die zweite Zeitdauer 30 - 200, bevorzugt 40 - 150 Minuten.
Die beiden Teil-Ätzschritte unterscheiden sich in ihrer Wirkung auf das Substrat insbeson- dere durch die Nutzung von elektrischen Kanteneffekten bei Gleichspannungs-Bias. Die Ätzung mit mf-gepulster Bias-Spannung wirkt weitgehend gleichmäßig auf allen Flächen des Substrats. Beim Ätzen mit Gleichspannungs-Bias werden vorwiegend Kanten geätzt, also insbesondere die Schneidkanten.
Die Parameter des Ionen-Ätzverfahrens im ersten Verfahrensschritt, bei dem das Substrat geätzt wird, können mit den Parametern des Ätzverfahrens im dritten Verfahrensschritt (und ggfs weiteren Verfahrensschritten, bei denen eine weitere Zwischen-Ätzung durchge führt wird) übereinstimmen. Alternativ ist es aber auch möglich, abweichende Parameter zu verwenden. Beispielsweise kann das Substrat im ersten Verfahrensschritt länger geätzt werden als in einem nachfolgenden Zwischen-Ätzschritt die jeweilige Oberfläche der Be schichtungslagen. Weiter bevorzugt kann bspw. im ersten Verfahrensschritt eine geringere Bias-Spannung angelegt werden als in weiteren Ätz-Schritten. Der gesamte Ätzabtrag in einem Zwischen-Ätzschritt beträgt bevorzugt weniger als 20%, weiter bevorzugt weniger als io%, weiter bevorzugt 5% oder weniger, besonders bevorzugt 2% oder weniger von der Dicke der jeweiligen Beschichtungslage.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung eines Werkzeugs, insbesondere eines Werkzeugs mit mindestens einer Schneide. Insbesondere handelt es sich bevorzugt bspw. um einen Bohrer, Fräser oder eine Wendeschneidplatte.
Das beschichtete Substrat kann aus verschiedenen Materialien bestehen, bspw. Stahl (HSS). Bevorzugt handelt es sich um Hartmetall, insbesondere WC/Co Sintermaterial. Ebenso ist das erfindungsgemäße Verfahren aber auch auf andere Typen von Substratmaterialien anwendbar, wie bspw. cBN-Substrate oder keramische Substrate.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung auch eine Beschichtungsanlage zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese umfasst eine Vakuumkammer und eine Vorrichtung zur Anordnung eines Substrats in der Vakuumkammer, bspw. einen Substrathalter, bevorzugt zur Drehung des Substrats, besonders bevorzugt zur planetaren Drehung. In der Vakuumkammer sind Mittel zur Erzeugung eines Plasmas vorgesehen, bevorzugt Magnetron-Kathoden, die an eine geeignete elektrische Leistungsversorgung angeschlossen sind. Weiter sind Mittel zur Erzeugung einer Bias-Spannung am Substrat vorgesehen, bevorzugt eine elektrische Leistungsversorgung, die an das Substrat angeschlos sen ist. Beide Leistungsversorgungen können an eine Gegenelektrode, bspw. die Kammer wandung oder eine separate Anode, angeschlossen sein.
Erfindungsgemäß umfasst die Beschichtungsanlage St euerungs mittel zur Steuerung der Beschichtungsanlage zur automatischen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Steuerungsmittel können bspw. einen programmierbaren Rechner mit einem Betriebs programm umfassen, das die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte vorgibt. Insbesondere sind bevorzugt die Mittel zur Erzeugung des Plasmas und/oder die Mittel zur Erzeugung der Bias-Spannung durch die Steuerungsmittel steuerbar. Die Programmierung weist bevorzugt mindestens eine Schleife zur Wiederholung von programmierten Verfahrensschritten auf, um das oben erläuterte Repeat-Start Verfahren zu realisieren.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung neben dem erfindungsgemäßen Verfah ren auch einen beschichteten Körper, bevorzugt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt. Der erfindungsgemäße beschichtete Körper umfasst ein Substrat und zumindest eine darauf aufgebrachte Beschichtung. Die Beschichtung umfasst zumindest zwei Beschich tungslagen einer Dicke von jeweils o,ium bis 6 um. Mindestens zwischen zwei der Beschich tungslagen ist ein durch Ionen-Ätzen gebildeter Interface-Bereich angeordnet. Am Inter face-Bereich weisen die Beschichtungslagen durch die oben erläuterte Unterbrechung des Schichtwachstums eine ersichtliche Strukturänderung auf, nämlich direkt aneinander angrenzend unterschiedliche Schichtmorphologie.
Die Beschichtung kann bevorzugt mehr als zwei Beschichtungslagen von jeweils o,ium bis 6mih aufweisen, zwischen denen jeweils durch Ionen-Ätzen gebildete Interface-Bereiche angeordnet sind.
Bevorzugt ist die Schichtmorphologie der Beschichtung so, dass wenn -betrachtet in Rich tung ansteigender Entfernung vom Substrat - eine erste und darauffolgende zweite Be schichtungslage durch einen Interface-Bereich voneinander getrennt sind, die Struktur der zweiten Beschichtungslage angrenzend an den Interface-Bereich feiner ist als die Struktur der ersten Beschichtungsanlage angrenzend an den Interface-Bereich. Der Interface-Bereich ist somit bevorzugt gekennzeichnet durch einen Wechsel der Schichtmorphologie von einer gröberen auf eine feinere Morphologie.
Eine Bewertung der Morphologie kann, wie dem Fachmann bekannt ist, erfolgen bspw. anhand von Strukturzonenmodellen, z.B. gemäß Thornton (Thornton, J., 1974. Influenceof apparatus geometry and deposition conditions in the structure and topography of thick sputtered coatings. Journal of Vacuum Science &Technology, Vol. 11, pp. 666-670).
Bevorzugt weist die Beschichtung insgesamt geringere Eigenspannungen auf, verglichen mit einer Beschichtung gleicher Dicke, die - unter sonst gleichen Bedingungen - durchgehend, d.h. ohne Unterbrechung und Bildung von Interface-Bereichen durch Ionen-Ätzen abge schieden wird.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen
Fig. 1 In einer schematischen Darstellung eine Draufsicht auf eine Beschich- tungsanlage; Fig. 2 in einer perspektivischen, ebenfalls schematischen Darstellung eine Ansicht von Teilen der Beschichtungsanlage aus Fig. 1; Fig. 3 eine Ausführungsform eines beschichteten Körpers in Form einer Wende schneidplatte;
Fig. 4 in einer schematischen Schnittansicht eine Beschichtung des beschichteten Körpers aus Fig. 3 mit mehreren Schichtlagen; Fig. 5 eine Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Beschichtungsab laufs
Fig. 6 ein Diagramm mit Darstellung des Verlaufs verschiedener elektrischer Größen über die Zeit während eines Beschichtungsschrittes, Fig. 7a fotografische Aufnahme eins Kalottenschliffs einer Beschichtung gemäß des Ausführungsbeispiels; Fig. 7b fotografische Aufnahme eins Kalottenschliffs einer Beschichtung gemäß eines Referenzverfahrens;
Fig. 7c eine REM- Aufnahme einer Beschichtung auf einem Substrat Fig. 7d eine vergrößerte Ansicht eines Teils der REM-Aufnahme aus Fig. 7c. In Fig. l, Fig. 2 ist eine PVD-Beschichtungsanlage io dargestellt mit einer Vakuum-Kammer 12. Ein Innenraum 20 der Vakuum-Kammer 12 kann durch einen Abzug 14 zur Erzeugung eines Vakuums evakuiert werden. Durch einen Zugang 16 kann ein Prozessgas, bevorzugt ein Edelgas oder Mischung verschiedener Edelgase eingelassen werden, bspw. Argon und/oder Krypton. Durch einen Zugang 18 kann ein Reaktivgas wie bspw. Stickstoff einge lassen werden. In alternativen Ausführungen können die Einlässe 16, 18 auch durch einen gemeinsamen Einlass für ein Prozessgas und ein nicht brennbares Reaktivgas ersetzt sein. Im Innenraum 20 der Vakuum-Kammer 12 sind vier Magnetron-Kathoden 22a, 22b, 22c, 22d angeordnet, jeweils mit plattenförmigen Sputter-Targets 24a, 24b, 24c, 24d. In Fig. 2 ist sind zur besseren Übersicht nur zwei Magnetron-Kathoden 22a, 22b gezeigt.
Die Magnetron-Kathoden 22a, 22b, 22c, 22d sind mit ihren Sputter-Targets 24a, 24b, 24c, 24d in Richtung der Mitte der Vakuum-Kammer 12 ausgerichtet. Dort befindet sich ein drehbarer Substrat-Tisch 30, auf dem eine Anzahl von drehbaren Substrat-Tellern 32 mit Substratträgern 34 angeordnet sind. Im gezeigten Beispiel sind als Substrate Wende schneidplatten 40 chargiert. Die Substratträger 34 sind aufrecht stehende, stangenartige Halter, auf denen die Wendeschneidplatten 40 aufgesteckt sind. Die Wendeschneidplatten 40 sind über die Substratträger 32 und Substrat-Teller 32 elektrisch an den Substrat-Tisch
30 angeschloossen. In Fig. 2 ist sind zur besseren Übersicht nur die Substratträger 34 eines Substrat-Tellers 32 gezeigt.
Eine Wendeschneidplatte 40 ist in Fig. 3 gezeigt. Sie weist eine Spanfläche 42 und eine Freifläche 44 auf. In der in Fig. 2 gezeigten Anordnung ist die Freifläche 44 parallel zu den Sputter-Targets 24a, 24b, 24c, 24d der Magnetron-Kathoden 22a, 22b, 22c, 22d angeordnet. Die Kanten zwischen den Flächen 42, 44 sind zur Nutzung als Schneidkanten bei der Zerspanung vorgesehen. Die Wendeschneidplatte 40 besteht aus einem WC/Co-Sinter- Hartmetall.
Bei der Wendeschneidplatte 40 handelt es sich lediglich um ein Beispiel eines zu beschich tenden Substrats. Alternativ können Bauteile oder Werkzeuge verschiedener Form an jeweils geeignet geformten Substrathaltern 34 chargiert werden. Die Magnetron-Kathoden 24a, 24b, 24c, 24d sind jeweils an eine steuerbare elektrische Leistungsversorgung 26a, 26b, 26c, 26d angeschlossen, mittels derer eine elektrische Spannung gegenüber der elektrisch leitenden Wandung der Vakuum-Kammer 12 angelegt werden kann.
Am Substrattisch 30 ist eine steuerbare Bias-Leistungsversorgung 36 angeschlossen, mittels derer eine elektrische Spannung gegenüber der Wandung der Vakuum-Kammer 12 an den der Substrattisch 30, die Substrathalter 34 und die Substrate 40 angelegt werden kann.
Die Leistungsversorgungen 26a, 26b, 26c, 26d, 36 sind hier jeweils lediglich schematisch als steuerbare elektrische Spannungsversorgungen dargestellt. Es kann sich dabei um her kömmliche DC-Leistungsversorgungen, um gepulste Leistungsversorgungen und/oder um HPIMS-Leistungsversorgungen handeln. Im gezeigten Beispiel sind die Leistungsversor- gungen 26a, 26b, 26c, 26d gesteuert umschaltbar zwischen DC- und HIPIMS-Betriebsmodi. In alternativen Ausführungen können aber auch jeweils dedizierte DC- und HIPIMS- Kathoden innerhalb der Vakuum-Kammer 12 angeordnet und mit dedizierten DC- und HIPIMS-Leistungsversorgungen verbunden sein, die dann durch Ansteuerung von der zentralen Steuerung 36 selektiv aktiviert oder deaktiviert werden können.
Die Leistungsversorgungen 26a, 26b, 26c, 26d, 36 sowie Pumpen (nicht dargestellt) an den Ein- und Auslässen 14, 16, 18 sind jeweils an eine zentrale Steuerung 36 der Anlage 10 angeschlossen. Die zentrale Steuerung 36 ist programmierbar, so dass sämtliche Parameter der im Innenraum 20 der Vakuumkammer 12 ablaufenden Vorbehandlungs- und Beschich- tungsverfahren durch die Steuerung 36 gesteuert werden.
Nachfolgend wird beispielhaft der Ablauf eines in der zentralen Steuerung 36 programmier ten Beschichtungsverfahrens erläutert: Beispiel: PVD-Hartstoffschicht mit großer Dicke
Zur Beschichtung von Substraten wie der Wendeschneidplatte 40 soll eine Hartstoffschicht von besonders großer Dicke von mehr als icmm aufgebracht werden. Derart dicke Schichten können üblicherweise nicht mit für Zerspanungsanwendungen ausreichender Schichthaf tung aufgebracht werden.
In Fig. 5 ist schematisch ein Ablauf des durch eine Programmierung der zentralen Steue rung 36 automatisch vorgegebenen Beschichtungsvorgangs dargestellt. Innerhalb der Anlage 10 sind als Sputter-Targets 24a, 24b, 24c, 24djeweils Titan-Platten mit Aluminium- Stopfen bestückt. In einem Vorbereitungsschritt 60 werden die Substrate 40 innerhalb der Anlage 10 chargiert, die Vakuumkammer 12 auf einen Druck von 350 mPa evakuiert und aufgeheizt.
Nachfolgend wird in einem ersten Ätzschritt 62 die Oberfläche 54 des Hartmetall-Materials 52 der Substrate 40 geätzt. Im dargestellten Beispiel handelt es sich beim ersten Ätzschritt 62 um einen kombinierten Ätzschritt mit einem ersten und einem zweiten Teil-Ätzschritt, durch die mittels Gasionen die Substratoberfläche gereinigt und geätzt wird.
Im ersten Teil-Ätzschritt erfolgt ein Ionen-Ätzen, bei dem zunächst mittels der Magnetron- Kathoden 22a, 22b, 22c, 22d ein Plasma gezündet wird.
Die Bias-Leistungsversorgung 36 wird so angesteuert, dass eine bipolar gegen die Kammer wandung mf-gepulste Biasspannung (240 kHz) von - 650V am Substrat 40 anliegt. So werden Gasionen des Plasmas auf die Oberfläche 54 des Substrats 40 beschleunigt.
Der erste Teil-Ätzschritt wird für eine Dauer von ca. 15 Minuten angewendet. Es ergibt sich ein geringer Ätzabtrag von 0,1 pm/h.
Im zweiten Teil-Ätzschritt erfolgt ein weiteres Ionen-Ätzen, für das zunächst ebenfalls mittels der Magnetron-Kathoden 22a, 22b, 22c, 22d ein Plasma gezündet wird.
Für eine Behandlungsdauer von 60 Minuten wird unter Zufuhr einer Argon/Krypton- Mischung als Prozessgas die Bias-Leistungsversorgung 36 so angesteuert, dass das Substrat 40 durch eine konstante DC-Biasspannung von - 200V mit einem negativen Potential beaufschlagt ist. Der Ätzabtrag im zweiten Ätz-Teilschritt beträgt ca. 0,5 um/h.
Auf den Ätzschritt 62 folgt durch Umschaltung seitens der zentralen Steuerung 36 ohne Vakuumunterbrechung ein Beschichtungsschritt 64, bei dem die Leistungsversorgungen 26a, 26b, 26c, 26d der Magnetron-Kathoden 22a, 22b, 22c, 22d so angesteuert werden, dass diese im HIPIMS-Betrieb mit kurzen, hohen Spannungspulsen betrieben werden. Jede der vier Magnetron-Kathoden 22a, 22b, 22c, 22d wird während des Beschichtungsschritts 64 mit einer Peakleistung von ca. 100 kW versorgt.
Die Bias-Spannungsversorgung 36 wird dabei so angesteuert, dass eine gepulste Bias- Spannung von bspw. - 50 bis - 150 V angelegt wird, wobei die Bias-Pulse zu den Leistungs impulsen der Magnetron-Kathoden 22a, 22b, 22c, 22d synchronisiert sind. Die Bias Span nung ist dabei mit einem Offset versehen, so dass die Bias-Pulse mit einer geringen zeitli chen Verzögerung gegenüber den HIPIMS-Pulsen starten.
Während der Beschichtungsdauer von ca. 100 Minuten wird neben Argon/Krypton als Prozessgas zusätzlich Stickstoff als Reaktivgas zugeführt.
Fig. 6 zeigt beispielhaft Zeitverläufe verschiedener Kurven elektrischer Größen während des Beschichtungsschritts 64, nämlich der Spannung 80 an den Magnetron-Kathoden 24a, 24b, 24c, 24d (durchgezogene Linie), des Kathodenstroms 82 (gepunktete Linie), der Kathoden peakleistung 84 (strich-punktierte Linie), der Bias-Spannung 86 (strich-doppelpunktierte Linie) und des Bias-Stroms 88 (gestrichelte Linie). Wie deutlich sichtbar ist, wird die Spannung 80 an den Magnetron-Kathoden 24a, 24b, 24c, 24d in Pulsen 90 angelegt, während die Bias-Spannung 86 in zeitlich nachlaufenden Bias-Pulsen 92 angelegt wird.
Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau einer Beschichtung 50 auf dem Hartmetall- Substratmaterial 52. Im Beschichtungsschritt 64 wird dort eine erste Beschichtungslage 56a erzeugt. Die Schichtrate beträgt ca. 2 um/h, so dass am Ende des Beschichtungsschrittes 64 eine Dicke der ersten Beschichtungslage 56a von etwa 3 um erreicht wird.
Das Materialsystem der ersten Beschichtungslage 56a ist Al-Ti-N. Dabei wird (unter den metallischen Elementen) ein Al-Anteil x von etwa 60% erreicht. Durch die Verzögerung der Bias-Pulse 92 gegenüber den HIPIMS-Pulsen 90 werden relativ wenige Gasionen in die Beschichtungslage 56a implantiert, so dass diese eine relativ geringe Eigenspannung aufweist.
Auf den Beschichtungsschritt 64 folgt ein Zwischen-Ätzschritt 66. Im dargestellten Beispiel wird der Zwischen-Ätzschritt 66 mit denselben Parametern durchgeführt wie der erste Ätzschritt 62, d.h. mit zwei aufeinanderfolgenden Teil-Ätzschritten. Wie bereits erwähnt ist es alternativ möglich, das die Ätzschritte 62, 66 mit verschiedenen Parametern ausgeführt werden, insbesondere der Zwischen-Ätzschritt von geringerer Dauer ist als der erste Ätz schritt 62.
Der im Zwischen-Ätzschritt 66 erreichte Ätzabtrag ist deutlich geringer als die oben für den ersten Ätzschritt 62 angegebenen Werte, da die geätzte Beschichtungslage 56a härter ist als die ersten Ätzschritt 62 geätzte Substratoberfläche.
Anschließend folgt ein weiterer Beschichtungsschritt 68. Im vorliegenden Beispiel ent spricht der Beschichtungsschritt 68 bezüglich aller Parameter dem vorherigen Beschich tungsschritt 64. Der Beschichtungsschritt 68 wird im dargestellten Beispiel auch für dieselbe Dauer ausgeführt wie der vorherige Beschichtungsschritt 64 . Alternativ können verschiede ne Beschichtungsschritte mit unterschiedlichen Parametern ausgeführt werden, so dass sich bspw. hinsichtlich der Dicke, der Struktur und/oder der Zusammensetzung voneinander abweichende Beschichtungslagen ergeben. Im aktuellen Beispiel wird, gesteuert durch eine Programmierung der zentralen Steuerung 36 in Form einer Schleife, der Zyklus aus Beschichten/Zwischen-Ätzen/Beschichten so oft durchlaufen, dass insgesamt vier Beschichtungslagen 56a, 56b, 56c, 56d jeweils unter Zwischen-Ätzen der darunterliegenden Oberfläche aufeinander abgeschieden werden (Fig. 4). Danach folgt im anschließenden Schritt 70 ein Abkühlen der Substrate 40.
Durch die jeweilige Unterbrechung des Schichtwachstums mittels der Zwischen-Ätzschritte 66 ergibt sich nach erneutem Beginn des darauffolgenden Beschichtungsschrittes 68 keine Fortsetzung des Wachstums von Kristalliten, sondern es bilden sich neue Kristallisations- keime. Obwohl im obigen Beispiel die Beschichtungsschritte 64, 68 jeweils mit identischen Parametern durchgeführt werden, weist die entstehende Beschichtung 50 eine Struktur mit erkennbar separaten Beschichtungslagen 56a, 56b, 56c, 56d auf.
Fig. 7a zeigt dies an einem Kalottenschliff auf der Oberfläche 44 eines beschichteten Körpers 40. Die durch die Zwischen-Ätzschritte gebildeten Interface-Bereiche zwischen den Be schichtungslagen 56a, 56b, 56c, 56d sind als Ringe zu erkennen. Im Vergleich zeigt in Fig. 7b eine durchgängig erzeugte Beschichtung im Kalottenschliff keine solchen Ringe.
Fig. 7c zeigt eine REM-Aufnahme des Substratmaterials 52 mit den darauf gebildeten Beschichtungslagen 56a, 56b, 56c, 56d. Die Interface-Bereiche sind durch weiße Rahmen gekennzeichnet. Der jeweilige Wechsel in der Schichtmorphologie ist in der gezeigten Vergrößerung z.T. schwer zu erkennen, wird jedoch bei höherer Vergrößerung (Fig. 7d) besser sichtbar. Zumindest für den - von der Substrat-Oberfläche her gesehen - ersten Interface-Bereich ist bereits aus der Darstellung in Fig. 7c erkennbar und in Fig. 7d noch deutlicher ersichtlich, dass sich die Schichtmorphologie von einer gröberen Struktur auf eine wesentlich feinere Struktur ändert. Im Strukturzonenmodell nach Thornton entspricht dies einem Wechsel von Strukturzone 1 nach Strukturzone T.
Die Oberfläche der Beschichtung 50 erweist sich als glatt, dicht und weitgehend frei von Poren. Das damit beschichtete Werkzeug 40 weist somit hohe Beständigkeit für verschiede ne Einsatzzwecke auf, insbesondere für Zerspanungsanwendungen.
Die Beschichtung 50 weist insgesamt ein Schichtdicke von ca. I2um auf. Während eine mit gleichen Parametern, allerdings durchgehend aufgebrachte Vergleichsschicht eine sehr hohe Schichteigenspannung aufweist und schlechte Haftung auf dem Substratmaterial 52 hat, weist die Beschichtung 50 gleicher Dicke lediglich eine Druckspannung von ca. - 1,4 GPa und eine gute Schichthaftung auf.
Weitere mögliche Ausführungsformen lassen sich der nachstehenden Tabelle entnehmen. Dabei sind für verschiedene Beispiele jeweils die Schichtwerkstoffe, Gesamt-Schichtdicke, Anzahl der Beschichtungslagen angegeben sowie die Art des damit beschichteten Werk zeugs, dessen Anwendung und das damit zu bearbeitende Werkstück-Material. In den Beispielen wird dabei vereinfachend von jeweils mindestens im Wesentlichen gleich dicken Beschichtungslagen ausgegangen, also bspw. bei einer Gesamt-Schichtdicke von 12 pm und 4 Beschichtungslagen von je 3pm dicken Beschichtungslagen.
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Während vorstehend Ausführungsformen des Verfahrens nur beispielhaft angegeben sind, wird der Fachmann erkennen, dass sich das Prinzip für verschiedene Materialsysteme, Schichtstrukturen, Beschichtungstypen und -Parameter sowie verschiedenste Anwendungs- zwecke nutzen lässt. Während vorstehend die Vorteile für besonders dicke Beschichtungen 50 aufgezeigt wurden, können sich ebenso für dünne Beschichtungen Vorteile ergeben, bspw. eine Beschichtung mit weniger als mm Gesamtdicke auf einem sehr feinen Bohrer (Micro Drill), die aus bspw. drei Schichtlagen von je 0,2 pm gebildet wird. Die PVD-Beschichtungsanlage 10 und insbesondere die Bestückung mit Magnetron- Kathoden 22a, 22b, 22c, 22d darin ist ebenso wie deren elektrische Verschaltung rein beispielhaft zu verstehen. Es können innerhalb der Vakuum-Kammer 12 alternativ auch eine andere Anzahl von Magnetron-Kathoden vorgesehen sein. Verschiedene Kathoden können an unterschiedliche Typen von elektrischen Leistungsversorgungen angeschlossen sein, bspw. auch an reine DC-Leistungsversorgungen. Die Leistungsversorgungen können wie dargestellt gegen die Kammerwandung geschaltet sein, es kann aber alternativ auch eine separate, von der Kammerwandung elektrisch isolierte Anode vorgesehen sein. Insbe sondere für DC-Betrieb von Magnetron-Kathoden ist es bevorzugt, diese gegen eine solche Anode zu schalten.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats (40), bei dem in einem ersten Verfahrensschritt (62) das Substrat in einem Ionen- Ätzverfahren vorbehandelt wird, in einem zweiten Verfahrensschritt (64) mittels eines PVD-Verfahrens eine erste Beschichtungslage (56a) einer Dicke von o,ΐmiti bis 6 um auf das Sub strat (40, 52) abgeschieden wird, in einem dritten Verfahrensschritt (66) die Oberfläche der ersten Beschich tungslage (56a) mittels eines Ionen-Ätzverfahrens behandelt wird, und in einem vierten Verfahrensschritt (68) mittels eines PVD-Verfahrens eine weitere Beschichtungslage (56b) einer Dicke von q,ΐmiti bis 6mih auf die erste Beschichtungslage (56a) abgeschieden wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgend auf den vierten Verfahrensschritt (68) ein- oder mehrfach - zunächst die Oberfläche der jeweils obersten Beschichtungslage (56b, 56c) mittels eines Ionen-Ätzverfahrens behandelt wird, und darauffolgend mittels des PVD-Verfahrens eine weitere Beschichtungs lage (56c, 56d) auf die darunterliegende Beschichtungslage (56b, 56c) abge schieden wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der zweite, dritte und vierte Verfahrensschritt (64, 66, 68) ohne Vakuumunterbrechung ausgeführt werden. 4. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten, zweiten und dritten Verfahrensschritt jeweils eine Bias-Spannung an das Substrat angelegt wird, wobei die Bias-Spannung im zweiten Verfahrensschritt höher ist als im ers- ten und zweiten Verfahrensschritt..
5. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Dicke der aufeinander abgeschiedenen Beschichtungslagen (56a, 56b,
56c, 56d) in Summe 0,5pm - 30 pm beträgt.
6. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - beim Ionen-Ätzverfahren Metallionen erzeugt und durch eine Bias-
Spannung in Richtung der Substratoberfläche beschleunigt werden.
7. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Abscheidung im zweiten, vierten und/ oder einem oder mehreren weite ren Verfahrensschritten (64, 68) mittels eines Kathodenzerstäubungsverfah ren erfolgt.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenzerstäubungsverfahren ein HIPIMS-Beschichtungsverfahren ist.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das HIPIMS-Beschichtungsverfahren unter Anlegung einer Bias-Spannung am Substrat durchgeführt wird, wobei die Bias-Spannung in Bias-Pulsen angelegt wird, und wobei die Bias-Pulse zeitlich synchronisiert sind mit HIPIMS-Pulsen, mit denen eine Kathode (24a, 24b, 24c, 24d) beaufschlagt wird. 10. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Beschichtungslagen (56a, 56b, 56c, 56d) zumindest im Wesentlichen eine Zusammensetzung aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend
Al-Ti-N,
Ti-B,
Ti-Si-N,
Al-Ti-Si-N,
Ti CN,
Ti-Al-C-N,
Al-Ti-Cr-Si-N.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Beschichtungslagen (56a, 56b, 56c, 56d) aus denselben Elemen ten erzeugt werden.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (40) ein Werkzeug mit mindestens einer Schneide ist.
Beschichtungsanlage zum Ausführen des Verfahrens gemäß einem der vorangehen den Ansprüche, umfassend eine Vakuumkammer (12), eine Vorrichtung (30, 32, 34) zur Anordnung eines Substrats (40) in der Va kuumkammer (12)
Mitteln (24a, 24b, 24c, 24d) zur Erzeugung eines Plasmas in der Vakuum kammer (12),
Mitteln (36) zur Erzeugung einer Bias-Spannung am Substrat (40) und Steuerungsmitteln (36) zur Steuerung der Beschichtungsanlage (10) zur automatischen Ausführung des Verfahrens.
Beschichteter Körper, umfassend ein Substrat (40) und eine auf dem Substrat aufgebrachte Beschichtung (50) umfassend min- destens zwei Beschichtungslagen (56a, 56b, 56c, 56d) einer Dicke von jeweils q,ΐmih bis 6pm, wobei zwischen den Beschichtungslagen (56a, 56b, 56c, 56d) ein durch Io- nen-Ätzen gebildeter Interface-Bereich angeordnet ist.
15. Beschichteter Körper gemäß Anspruch 14, bei dem
- die Beschichtung (50) drei oder mehr Beschichtungslagen (56a, 56b, 56c, 56d) einer Dicke von jeweils q,ΐmih bis 6pm aufweist, wobei jeweils zwischen den Beschichtungslagen (56a, 56b, 56c, 56d) ein durch Ionen-Ätzen gebildeter Interface-Bereich angeordnet ist.
16. Beschichteter Körper gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem
- die Beschichtungslagen (56a, 56b, 56c, 56d) eine erste Beschichtungslage (56a) und darauf eine zweite Beschichtungslage (56b) aufweisen, zwischen denen der Interface-Bereich angeordnet ist,
- wobei die Struktur der zweiten Beschichtungslage (56b) angrenzend an den Interface-Bereich feiner ist als die Struktur der ersten Beschichtungsanlage (56a) angrenzend an den Interface-Bereich. 17. Beschichteter Körper gemäß einem der Ansprüche 14 - 16, bei dem
- die Beschichtung (50) geringere Eigenspannungen aufweist als eine durch gehende, ohne Interface-Bereich gebildete Beschichtung gleicher Dicke.
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