DD293145A5

DD293145A5 - METHOD FOR PRODUCING MULTICOMPONENTAL LAYERS

Info

Publication number: DD293145A5
Application number: DD32682089A
Authority: DD
Inventors: Joerg Vetter; Jan Siegel; Bernd Rother
Original assignee: Tu Chemnitz,De; Komb. Haushaltgeraete,De
Priority date: 1989-03-23
Filing date: 1989-03-23
Publication date: 1991-08-22

Abstract

Das Verfahren zur Herstellung von Mehrkomponentenschichten findet Anwendung fuer Schutzschichten gegen Reibung, Verschleisz und Korrosion sowie fuer elektrische, optisch aktive, biologisch aktive und dekorative Schichten. Die erfindungsgemaesze Loesung besteht darin, dasz eine aus mehreren Arbeitsflaechen bestehende Katode verwendet wird und die einzelnen Arbeitsflaechen in Arbeitsrichtung des Katodenbrennflecks einen steigenden Katodenfall aufweisen, ein aeuszeres Magnetfeld, das zeitlich und oertlich veraenderbar ist, dessen magnetische Induktion parallel zu den Arbeitsflaechen bis zu 10 mT betraegt, angelegt wird und den Katodenbrennfleck entsprechend der geforderten Schichtzusammensetzung auf die verschiedenen Arbeitsflaechen zwingt.{Mehrkomponentenschichten; Vakuumbogenverdampfung; unterschiedliche Katodenmaterialien; Arbeitsrichtung; steigender Katodenfall; Magnetfelder; Korrosion; Verschleisz; optische, elektrische, biologisch aktive und dekorative Schichten; Supraleiter}The process for the production of multi-component layers is used for protective coatings against friction, wear and corrosion as well as for electrical, optically active, biologically active and decorative coatings. The inventive solution consists in that a cathode consisting of several working surfaces is used and the individual working surfaces in the working direction of the cathode spot have an increasing cathode drop, an external magnetic field which can be changed in time and place, whose magnetic induction is parallel to the working surfaces up to 10 mT is applied, applied and forces the cathode burn spot on the various work surfaces according to the required layer composition. Vacuum arc evaporation; different cathode materials; Working direction; rising cathode fall; magnetic fields; Corrosion; Verschleisz; optical, electrical, biologically active and decorative layers; superconductor}

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Das Verfahren zur Herstellung von Mehrkomponentenschichten mittels Vakuumbogenverdampfung ist für die Abscheidung von Schutzschichten gegen Reibung, Verschleiß und Korrosion, von optisch aktiven, elektrischen, dekorativen, biologisch aktiven Schichten sowie von Supergittern geeignet.The process for producing multicomponent layers by means of vacuum arc evaporation is suitable for the deposition of protective layers against friction, wear and corrosion, optically active, electrical, decorative, biologically active layers and super gratings.

Characteristic of the known state of the art

Eine bekannte Methode zur Abscheidung von Mehrkomponentenschichten mittels der Vakuumbogenverdampfung besteht darin, daß eine Katode aus mehreren metallischen Ringen derart zusammengesetzt wird, daß die Katodenfälle der Materialien von innen nach außen abnehmen. Durch die Wirkung eines von außen eingekoppelten, axialsymmetrischen, zeitlich konstanten Magnetfeldes wird ein stationärer Zustand der Verdampfungsraten der einzelnen Ringe eingestellt, so daß sich ein gleichmäßiger Katodenabtrag ergibt (US-PS 4,563,262). Als Beispiele werden angeführt: Zweiringkatode mit innerem Ring aus Niobium (Katodenfall: 28V) und äußerem Ring aus Titanium (Katodenfall: 20,5V), eine Vierringkatode in der Reihenfolge von innen nach außen: Zirkonium (Katodenfall: 26V), Titanium, Chromium (Katodenfall: 20,2 V) und Aluminium (Katodenfall: 20,0V). Die Nachteile dieser Lösung bestehen darin, daß nur Mehrkomponentenschichten in Form von Legierungsschichten bzw. mehrphasigen Schichten bei nichtreaktiver Prozeßführung abscheidbar sind und der Anteil der Komponenten in der ιA known method for the deposition of multi-component layers by means of vacuum arc evaporation is that a cathode is composed of a plurality of metallic rings such that the Katodenfälle the materials decrease from the inside out. By the action of an externally coupled, axially symmetric, temporally constant magnetic field, a stationary state of the evaporation rates of the individual rings is set so that a uniform Katodenabtrag results (US Patent 4,563,262). As examples are given: two-ring cathode with inner ring of niobium (cathode case: 28V) and outer ring of titanium (cathode case: 20.5V), a four-ring cathode in order from the inside to the outside: zirconium (cathode case: 26V), titanium, chromium ( Cathode case: 20.2 V) and aluminum (cathode case: 20.0 V). The disadvantages of this solution are that only multi-component layers in the form of alloy layers or multi-phase layers can be deposited in non-reactive process control and the proportion of components in the ι

abgeschiedenen Schicht durch die Ringabmessungen unveränderlich eingestellt wird.deposited layer is invariably set by the ring dimensions.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, mittels des bekannten Verfahrens der Vakuumbogenverdampfung technologisch einfach dünne Mehrkomponentenschichten unterschiedlicher Zusammensetzung für ein breites Anwendungsgebiet herzustellen.The aim of the invention is to produce by means of the known method of vacuum arc evaporation technologically simple thin multi-component layers of different composition for a wide range of applications.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels der Vakuumbogenverdampfung Mehrkomponentenschichten, wie z. B. Legierungsschichten, Gradientenschichten, Supergitter oder Mehrlagenschichten reaktiv oder nicht reaktiv herzustellen, wobei die Schichtzusammensetzung während eines Beschichtungsprozesses beliebig einstellbar ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem eine aus mehreren Arbeitsflächen bestehende Katode verwendet wird und die einzelnen Arbeitsflächen in Arbeitsrichtung des Katodenbrennflecks einen steigenden Katodenfall aufweisen, ein äußeres Magnetfeld, das zeitlich und örtlich veränderbar ist, dessen magnetische Induktion parallel zu den Arbeitsflächen bis zu 1OmT beträgt, angelegt wird, und den Katodenbrennfleck entsprechend der geforderten Schichtzusammensetzung auf die verschiedenen Arbeitsflächen zwingt.The invention is based on the object by means of the vacuum arc evaporation multi-component layers, such as. B. alloy layers, gradient layers, super lattice or multilayer reactive or non-reactive, wherein the layer composition is arbitrarily adjustable during a coating process. According to the invention, the object is achieved by using a cathode consisting of several working surfaces and the individual work surfaces in the working direction of the cathode focal spot having an increasing cathode fall, an external magnetic field which is temporally and locally changeable, the magnetic induction is parallel to the work surfaces up to 1OmT , is applied, and forces the cathode patch according to the required layer composition on the different work surfaces.

Auf einer Katode mit mehreren Arbeitsflächen, die von verschiedenen Materialien gebildet werden, konzentriert sich die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Katodenbrennflecks auf die Arbeitsfläche, deren Material den niedrigsten Katodenfall aufweist. Als Katodenfälle für verschiedene Materialien seien genannt: Aluminium: 20,0V, Chromium: 20,2 V, Titanium: 20,5V, Zirkonium: 26 V. So wird sich auf einer Katode, die aus den vier genannten Materialien besteht, der Katodenbrennfleck vorrangig auf der Arbeitsfläche befinden, die aus Aluminium besteht. Mittels zu den Arbeitsflächen der Katode paralleler äußerer Magnetfeldkomponenten wird dem Katodenbrennfleck eine zur regellosen Bewegung überlagerte Bewegungsrichtung aufgezwungen, so daß sich dieser von Arbeitsflächen der Materialien niedrigen Katodenfalls auf Arbeitsflächen von Materialien höheren Katodenfalls bewegt. Diese dem Katodenbrennfleck von außen aufgezwungene Bewegungsrichtung ist die für Erfindung ausgenutzte Arbeitsrichtung. Wird das äußere Magnetfeld abgeschwächt oder abgeschaltet, so kehrt der Katodenbrennfleck wieder auf die Arbeitsfläche des Materials mit einem niedrigeren Katodenfall zurück. Besteht eine Katode im einfachsten Falle aus nur zwei Arbeitsflächen unterschiedlicher Materialien, so kann der Katodenbrennfleck bei sich zeitlich periodisch ändernder magnetischer Induktion des äußeren Magnetfeldes beide Materialien alternierend verdampfen. Dabei sind fertigungstechnisch günstig Katoden mit konzentrisch angeordneten, kreissektorförmigen, kreisabschnittsförmigen oder polyedrischen Arbeitsflächen herstellbar, wobei der Katodenfall der Materialien der einzelnen Arbeitsflächen in Arbeitsrichtung des Katodenbrennflecks anwachsen muß. Sollen dabei Mehrlagenschichten abgeschieden werden, so muß die magnetische Induktion des äußeren Magnetfeldes je nach der geforderten Dicke der Teilschichten bis zu einigen Minuten in einer Periode konstant gehalten werden. Diese Tatsache ergibt sich aus der Schichtaufwachsrate von einigen 0,1 pmmin"¹ bis zu einigen pmmin"¹. Die Abscheidung von Legierungsschichten bzw. Kompositschichten erfordert eine Einstellung der Verweildauer des Katodenbrennflecks auf einer Arbeitsfläche der Katode derart, daß die Volumenanteile des verdampften Materials in der Schichtebene der geforderten Schichtzusammensetzung entspricht. Die Verweildauer des Katodenbrennflecks auf einer Arbeitsfläche muß dabei im Bereich von einigen Zehntelsekunden bis zu einigen Sekunden liegen, damit sich keine Schichtlagen ausbilden können. Gradientenschichten sind dadurch abscheidbar, daß der Katodenbrennfleck, ausgehend von der Verdampfung des Materials einer Arbeitsfläche, stetig auf eine weitere Arbeitsfläche getrieben wird, wodurch die Anteile des von letzterer Arbeitsfläche verdampften Materials allmählich zunehmen bis schließlich das Material ersterer Arbeitsfläche nicht mehr verdampft wird. Alle genannten Schichten können auch unter Anwesenheit eines Reaktivgases hergestellt werden. Ein gleichmäßiger Abtrag der Katode wird mittels der Einstellung des Bogenstroms im Bereich von 30 A bis 300 A und der Verweildauer des Katodenbrennflecks auf den einzelnen Arbeitsflächen der Katode derart eingestellt, daß entsprechend den Massenabtragskoeffizienten der einzelnen Materialien und den Flächenverhältnissen zwischen den Arbeitsflächen ein im zeitlichen Mittel konstanter Abtrag der Katode erfolgt.On a cathode with multiple work surfaces formed of different materials, the probability of the cathode burn spot being concentrated on the work surface whose material has the lowest cathode fall. As cathode cases for various materials may be mentioned: aluminum: 20.0 V, chromium: 20.2 V, titanium: 20.5 V, zirconium: 26 V. Thus, on a cathode, which consists of the four materials mentioned, the cathode spot becomes a priority located on the work surface, which is made of aluminum. By means of the external magnetic field components parallel to the working surfaces of the cathode, a direction of motion superimposed on the random movement is imposed on the cathode focal spot, so that it moves from work surfaces of the materials of low cathode fall to work surfaces of materials of higher cathode fall. This movement direction imposed on the cathode spot from the outside is the working direction used for the invention. When the external magnetic field is attenuated or turned off, the cathode spot returns to the working surface of the material with a lower cathode fall. If a cathode in the simplest case consists of only two working surfaces of different materials, the cathode focal spot can evaporate both materials alternately with temporally periodically changing magnetic induction of the external magnetic field. In this case, production-favorable cathodes with concentrically arranged, circular sector-shaped, circular section-shaped or polyhedral work surfaces can be produced, wherein the cathode case of the materials of the individual work surfaces must increase in the direction of the Katodenbrennflecks. If multilayer films are to be deposited, the magnetic induction of the external magnetic field must be kept constant for up to a few minutes in one period, depending on the required thickness of the partial layers. This fact results from the layer growth rate of a few 0.1 pmmin " ¹ to a few pmmin" ¹ . The deposition of alloy layers or composite layers requires an adjustment of the residence time of the cathode focal spot on a working surface of the cathode such that the volume fractions of the evaporated material in the layer plane corresponds to the required layer composition. The residence time of the cathode spot on a work surface must be in the range of a few tenths of a second to a few seconds, so that no layer layers can form. Gradient layers are depositable by driving the cathode patch steadily onto another work surface, starting from the evaporation of the material of a work surface, whereby the proportions of the material evaporated from the work surface gradually increase until finally the material of the first work surface is no longer evaporated. All of these layers can also be prepared in the presence of a reactive gas. A uniform removal of the cathode is adjusted by adjusting the arc current in the range of 30 A to 300 A and the residence time of Katodenbrennflecks on the individual working surfaces of the cathode such that in accordance with the mass removal coefficients of the individual materials and the area ratios between the work surfaces on average over time constant removal of the cathode takes place.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigenThe invention will be explained in more detail below with reference to two exemplary embodiments. Show it

Fig. 1: eine zylinderförmige Katode mit dem Feldlinienverlauf des äußeren Magnetfeldes und Fig. 2: den zeitlichen Verlauf der magnetischen Induktion des Magnetfeldes.Fig. 1: a cylindrical cathode with the field line of the external magnetic field and Fig. 2: the time course of the magnetic induction of the magnetic field.

Dabei wird eine zylinderförmige Katode, deren Arbeitsflächen eine Stirnfläche der Katode bilden, betrachtet. Die Katode hat die in Fig. 1 dargestellte axialsymmetrische Form, wobei sich im Inneren ein Aluminiumzylinder 1 befindet, der einen Katodenfall von 20,0V besitzt und von einem Titaniummantel 2 mit einem Katodenfall von 20,5V umgeben ist. Zur Beeinflussung des Aufenthaltsortes des Katodenbrennflecks dient das äußere Magnetfeld 3, das durch entgegengesetzt gepolte Helmholtzspulen erzeugt wird.In this case, a cylindrical cathode whose working surfaces form an end face of the cathode is considered. The cathode has the axially symmetrical shape shown in Fig. 1, wherein inside an aluminum cylinder 1 is located, which has a Katodenfall of 20.0 V and is surrounded by a titanium jacket 2 with a cathode drop of 20.5V. The external magnetic field 3, which is generated by oppositely poled Helmholtz coils, serves to influence the location of the cathode spot.

Erfindungsgemäß wird eine TiAIN-Kompositschicht mittels der Vakuumbogenverdampfung der Arbeitsflächen obengenannter Katode unter Anwesenheit des Reaktivgases Stickstoff abgeschieden. Dabei beträgt der Stickstoffdruck 0,1 Pa. Die Vakuumbogenentladung brennt mit einem Bogenstrom von 100 A. Die Ansteuerung der beiden magnetfelderzeugenden Spulen erfolgt mit rechteckförmigen Stromimpulsen, die eine Amplitude der magnetischen Induktion von 5 mT erzeugen, derart, daß die magnetische Induktion parallel zu den Arbeitsflächen der Katode den in Fig. 2 dargestellten zeitlichen Verlauf besitzt. Bei Einstellung der Frequenz des Steuerstromes der Spulen auf 1 Hz und des Tastverhältnisses t„:t, auf 1:6 werden eine TiAIN-Legierungsschicht am Substrat abgeschieden und dabei die Katode gleichmäßig abgetragen. Die Massenanteile der in der abgeschiedenen Schicht enthaltenen Elemente Titanium und Aluminium haben ein Verhältnis von 7:1. Das zweite Ausführungsbeispiel betrifft die Abscheidung einer Titanium/Aluminium-Mehrlagenschicht. Die Vakuumbogenentladung brennt hierbei ohne Reaktivgas bei einem Druck von etwa 3 · 10"⁴Pa. Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel wird nur die Frequenz des magnetfelderzeugenden Stromes geändert. Sie liegt etwa bei 1 min"¹, was zur Herstellung einer Mehrlagenschicht mit 0,1 μηη dicken Aluminiumschichten und 0,5 μηη dicken Titaniumschichten führt.According to the invention, a TiAIN composite layer is deposited by means of the vacuum arc evaporation of the working surfaces of the above-mentioned cathode in the presence of the reactive gas nitrogen. The nitrogen pressure is 0.1 Pa. The vacuum arc discharge burns with an arc current of 100 A. The control of the two magnetic field generating coils is carried out with rectangular current pulses, which produce an amplitude of magnetic induction of 5 mT, such that the magnetic induction parallel to the working surfaces of the cathode shown in FIG has temporal course. When the frequency of the control current of the coils is set to 1 Hz and the duty cycle t ": t to 1: 6, a TiAIN alloy layer is deposited on the substrate and the cathode is removed uniformly. The mass fractions of the titanium and aluminum elements contained in the deposited layer have a ratio of 7: 1. The second embodiment relates to the deposition of a titanium / aluminum multilayer coating. The vacuum arc discharge burns here without reactive gas at a pressure of about 3.times.10.sup.- ⁴ Pa. Compared with the first embodiment, only the frequency of the magnetic field-generating current is changed, which is about 1 min.sup.- ¹ , which produces a multi-layer layer of 0.1 .mu.m. thick aluminum layers and 0.5 μηη thick titanium layers leads.

Claims

1. A process for the production of multi-component layers by means of vacuum arc evaporation, wherein the cathode consists of different materials, for the deposition of tribological, decorative, anti-corrosive, optical, electrically active and biocompatible layers, characterized in that a consisting of multiple work surfaces cathode is used and the individual Working surfaces in the direction of the Katodenbrennflecks have an increasing Katodenfall, an external magnetic field (3), which is temporally and spatially changeable, the magnetic induction is parallel to the work surfaces up to 1OmT, is applied and the Katodenbrennfeck according to the required layer composition on the different work surfaces forces.

2. The method according to claim 1, characterized in that the magnetic induction of the external magnetic field (3) is temporally changed periodically.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the magnetic induction of the external magnetic field (3) is kept constant within a period up to a few minutes.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the magnetic induction of the external magnetic field (3) is varied and all work surfaces are removed evenly.

5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the arc current of the vacuum arc evaporation is set to a value between 30 A and 300 A.

6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that a cathode is used which consists of concentrically arranged or circular sector-shaped or circular-section-shaped or polyhedral work surfaces.

7. The method according to claim 1 to 6, characterized in that the working direction of the Katodenbrennflecks runs at concentric working surfaces radially outward.

8. The method according to claim 1 to 7, characterized in that the evaporation of the cathode takes place in the presence of reactive gases.

9. The method according to claim 1 to 8, characterized in that alloy layers, gradient layers, super lattice or multilayer coatings are deposited.