DE3737404A1 - Verfahren und einrichtung zur erzeugung haftfester vakuumbeschichtungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Einrichtungen, die es ermöglichen, groß­ flächige metallene Werkstücke sehr haftfest zu beschich­ ten, wobei die Beschichtungsflächen von den verschie­ densten Arten sein können oder aus einer Aufeinander­ folge von verschiedenen Schichten bestehen können.

Unter den zur Zeit verwendeten PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition), Vakuumbeschichten durch Aufdampfen, durch Kathodenzerstäubung und ionenge­ stütztes Beschichten (ion-plating), ist die mit die­ sen Verfahren erzielte Haftfestigkeit der Beschich­ tungsoberfläche an dem Substrat mit der oben angeführ­ ten Reihenfolge der Verfahren zunehmend, während die mögliche Größe der beschichteten Oberfläche abnehmend ist. Da die PVD-Verfahren gut bekannt sind (1), gehen wir hier nicht näher auf sie ein. Wir wollen nur heraus­ heben, daß man bei Beschichten mit PVD-Verfahren, bei relativ niedrigen Temperaturen der zu beschichtenden Substrate (Werkstücke), selbst bei 600°C im Falle von Beschichten mit einigen Hartmetallen (W, Mo, Co, Cr, Ti usw.), eine treppenförmige Oberflächenschichte (d. h. die Konzentration der Beschichtungskomponenten fällt bei der Berührung mit dem Substrat jäh und un­ vermittelt auf Null) von geringer Haftfestigkeit an dem Substrat erhält. Die Haftfestigkeit könnte erhöht werden, wenn man die Temperatur des Substrats (Werkstüc­ kes) erhöhen würde: dann würde eine Diffusion der Be­ schichtungskomponenten in den Substrat stattfinden. Die nötige Temperaturerhöhung der zu beschichtenden Werk­ stücke, die zu einem bedeutenden Anwachsen der Diffu­ sion führen würde, ist jedoch in den meisten Fällen nicht gestattet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine große Haftfestigkeit der Beschichtungsoberfläche an dem Sub­ strat dadurch erreicht, daß man zwischen der Oberflä­ chenschicht und dem Substrat eine Verbindungsschicht erzeugt, in welcher die Konzentration der Beschichtungs­ komponenten allmählich gegen den Substrat hin (mit ge­ ringer werdendem Abstand vom Substrat) abnimmt (ideal wäre ein mit dem Abstand von der Beschichtungsoberflä­ che lineares Abnehmen) und in demselben Verhältnis die Konzentration der Substratkomponenten zunimmt (Ver­ bindungsschicht mit Neigung - rampenförmige Verbin­ dungsschicht). Die Verbindungsschicht erscheint auf diese Weise als eine Pseudo-Diffusionsschicht, die eine feste Verbindung der Beschichtungsoberfläche an den Substrat zustande bringt.

In einem ersten Beispiel der Erzeugung einer sol­ chen Verbindungsschicht werden die durch ein PVD-Ver­ fahren beschichteten Werkstücke, die sich in einem vakuumdichten Behälter (Rezipient) befinden, und die Kathode einer Glimmentladung in einem Arbeitsgas von niederem, im voraus festgesetztem Druck darstellen. Als eine Folge des Ionenbombardements findet eine Ka­ thodenzerstäubung der dünnen Beschichtungsoberfläche und eines Teiles des Substrats statt, und wegen des im voraus festgesetzten Druckes kommt es auch zu einer Rückdiffusion der meisten zerstäubten Teilchen, so daß man als Endergebnis auf der Oberfläche des Substrats (Werkstückes) eine Schicht erhält, die aus einem Ge­ misch der Beschichtungs- und Substratkomponenten besteht, wobei das Verhältnis Beschichtungskomponenten/Substrat­ komponenten von der Dicke der primären Beschichtungsflä­ che abhängt. Dieses Verfahren (Beschichten - Zerstäuben + Rückdiffusion) kann wiederholt werden bis man, zu­ sammen mit dem Anwachsen der Dicke, eine Verbindungs­ schicht in Rampenform erhält, worauf man fortfährt, nur noch mit dem Beschichtungsmaterial zu beschichten. Das Verfahren kann mit Hilfe eines Mini-Computer au­ tomatisiert werden. In dem Fall, wenn das Arbeitsgas aus einem Edelgas (z. B. Argon) und einem oder mehre­ ren aktiven Gasen (wie z. B. N, C-Träger) zusammenge­ setzt ist, kann man erreichen, daß auch die Verbindungs­ schicht Nitride oder/und Karbide der Beschichtungskom­ ponenten enthält.

Der oben beschriebene Vorgang ist in einer Katho­ denzerstäubungseinrichtung relativ leicht zu verwirk­ lichen, wenn diese (mit ebener oder zylindrischer Geo­ metrie) so eingerichtet ist, daß man die Polarität der Elektroden, respektiv der Charge und des Beschichtungs­ metalles, abwechselnd umtauschen kann.

In dem Fall einer Einrichtung für ionengestütztes (ion-plating) Aufdampfen (als zweites Beispiel) braucht man wenigstens zwei Verdampfer: einer der das Beschich­ tungsmetall aufdampft (eventuell ein Hartmetall) und ein zweiter der das Substratmetall aufdampft. Der zweite Verdampfer wird nur während der Erzeugung der Verbindungsschicht benützt. Die Verdampfungsgeschwin­ digkeiten der beiden Verdampfer werden während des Vor­ gangs so geregelt, daß eine Verbindungsschicht in Ram­ penform entsteht.

Im Falle des Beschichtens durch Vakuumaufdampfen (drittes Beispiel) wird der Verdampfer in eine Elektro­ de eingeführt, die die Anode einer Glimmentladung dar­ stellt, während die Charge (Werkstücke) die Kathode bildet. Durch abwechselnde Kathodenzerstäubung und Be­ schichtung durch Aufdampfen wird, wie im ersten Beispiel, eine Verbindungsschicht erzeugt, eventuell eine in Ram­ penform.

Die weiter oben beschriebenen Verfahren und Ein­ richtungen ermöglichen es, Beschichtungsschichten, die metallene Werkstücke bedecken, von hoher Haftfestigkeit zu erhalten dank der Existenz der Verbindungsschicht.

Die Erfindung wird durch die folgende Beschrei­ bung und durch die Abbildungen näher er­ klärt.

Fig. 1 stellt einen Querschnitt eines Werkstückes (W) dar, wobei zwischen der Beschichtungsoberfläche (B) und dem Substrat (S) eine rampenförmige Verbindungs­ schicht (V) zu sehen ist. In derselben Abbildung ist auch die von dem Abstand (a) von der Oberfläche ab­ hängige rampenförmige Änderung der Konzentration der Beschichtungskomponenten (B %-) und jener der Sub­ stratkomponenten (S %-) dargestellt.

Fig. 2 zeigt schematisch den Längsschnitt eines Rezipienten (R) einer zylinderförmigen Kathodenzerstäu­ bungseinrichtung. An die Flansche V _p wird das Vakuum­ pumpensystem angeschlossen, und durch die Flasche G wird das Arbeitsgas eingeführt. Die Charge (Ch) und die Elektrode E, von der das Beschichtungsmetall zerstäubt wird, sind beide elektrisch von dem Rezipienten isoliert, und an eine elektrische Energieversorgungseinheit (Gleichrichter) angeschlossen. Während der Beschich­ tungsdauer wird die Charge an die Anode des Gleichrich­ ters (+) und die Elektrode E an seine Kathode (-) ange­ schlossen. Um eine effiziente Beschichtung zu gewähr­ leisten, ist der Druck im Rezipienten niedrig. Um den Strom/die Leistung der Entladung und damit implizit die Zerstäubungsgeschwindigkeit (Zerstäubungsrate) zu erhöhen, wird der aus einem nicht ferromagnetischen Metall hergestellte Rezipient von einer Spule (B _s ) um­ schlossen, die ein axiales Magnetfeld erzeugt, und demzufolge zu einer Entladungsstruktur desTypes eines zylinderförmigen Magnetrons führt. Während der Dauer der Zerstäubung und Rückdiffusion des Beschichtungsme­ talles ist die Charge an die Kathode und die Elektro­ de E an die Anode angeschlossen. Während dieses Pro­ zesses wird der Druck etwas erhöht, um eine effizien­ tere Rückdiffusion zu veranlassen.

Es ist zu bemerken, daß die Struktur solcher Ein­ richtungen sehr ähnlich jener von Ionnitrier-Anlagen ist. Daraus geht hervor, daß man mit Hilfe von ei­ fachen Anpassungen, die sich aus dem weiter oben ge­ sagten ergeben, das der vorliegenden Erfindung entspre­ chende Verfahren auch in Ionnitrier-Anlagen anwenden kann. Außer der Möglichkeit einiger sofortigen Anwen­ dungen, ergibt sich daraus, daß auch großflächige Werk­ stücke beschichtet werden können. Die Werkstücke, aus denen die Charge besteht, befinden sich auf unbewegli­ chen oder beweglichen Charge-Vorrichtungen.

Fig. 3 stellt einen Querschnitt durch eine Char­ ge (Ch) und eine Elektrode E dar, wie sie in einer in Fig. 2 vorgeführten Einrichtung verwendet werden. In diesem Fall besteht die Elektrode aus einer Folge von Metallplatten E _i (i = 1, 2, 3 . . .), wobei jede einen Teil der Mantelfläche eines Zylinders darstellt. Jede Plat­ te kann eine Drehung von 180° ausführen, und alle sind untereinander elektrisch verbunden. Die Drehung der Platten wird simultan ausgeführt. Durch ihre Drehung in eine Richtung (z. B. im Uhrzeigersinn) erzeugt man eine pseudo-zylinderförmige Elektrode E, wobei jede der Platten E eine ihrer Seiten der Charge zuwendet, z. B. jene auf der sich das Beschichtungsmaterial (B _m ) befindet. Beim Drehen der Platten E _i in entgegen­ gesetzte Richtung (z. B. entgegengesetzt dem Uhrzeiger­ sinne) entsteht ein neuer Pseudo-Zylinder E, wobei die Platten E _i der Charge ihre andere Seite zuwenden. In dieser letzteren Stellung kann man vor der ersten Be­ schichtung eine Reinigung der Werkstücke, die die Char­ ge darstellen, durch Kathodenzerstäubung vornehmen (in diesem Fall ist die Charge Kathode und die Elektrode E Anode).

Fig. 4 stellt schematisch eine Struktur vom Typ einer ebenen Magnetronkathode (Doppelkathodenanordnung) dar, in der das magnetische Feld mit Hilfe einiger Ma­ gnete (N-S) erzeugt wird. Die Polarität +/- der Elektro­ den bestehend aus der Charge (Ch) und dem Beschichtungs­ material (E) wird abwechselnd geändert (entsprechend dem weiter oben beschriebenen Prozeß) während der Er­ zeugung der Beschichtungsschicht (V).

Mit solchen Magneten (N-S) kann das magnetische Feld auch in einer Struktur vom Typ einer zylindrischen Magnetronkathode erzeugt werden, wie sie in Fig. 3 be­ schrieben ist.

Bibliographie:

(1) K. H. Kloos, E. Broszeit, T. Roth: Die Abscheidung von Hartstoffen nach den PVD-Verfahren, in: HTM 41 (1986) 3, S. 137-144.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erzeugung haftfester Vakuumbe­ schichtungen (PVD-Verfahren), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Oberflächenschicht (B) und dem Sub­ strat (S - Werkstücke) eine Verbindungsschicht (V) erzeugt wird, in welcher die Konzentration der Be­ schichtungskomponenten allmählich gegen den Substrat hin abnimmt, und in demselben Verhältnis die Konzen­ tration der Substratkomponenten zunimmt.

2. Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die durch ein PVD-Verfahren beschichteten Werkstücke (Ch), die sich in einem va­ kuumdichten Behälter (Rezipient - R) befinden und die Kathode einer Glimmentladung in einem Arbeitsgas von niederem, im voraus festgesetztem Druck darstellen, einem Ionenbombardement ausgesetzt werden, das zu ei­ ner Kathodenzerstäubung der dünnen Beschichtungsober­ fläche und eines Teiles des Substrates führt, und gleichzeitig, wegen des im voraus festgesetzten Druckes, auch zu einer Rückdiffusion der meisten zerstäubten Teilchen, so daß sich als Endergebnis auf der Oberflä­ che des Substrates (Werkstückes) eine Schicht bildet, die aus einem Gemisch der Beschichtungs- und Substrat­ komponenten besteht, wobei das Verhältnis Beschich­ tungskomponenten/Substratkomponenten von der Dicke der primären Beschichtungsfläche abhängt. Dieses Ver­ fahren (Beschichten - Zerstäuben + Rückdiffusion) kann wiederholt werden, bis man gleichzeitig mit dem Anwachsen der Dicke eine Verbindungsschicht, eventuell in Rampenform, erhält.

3. Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas ein Edelgas (z. B. Argon) ist.

4. Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas aus einem Edel­ gas (z. B. Argon) und einem Aktivgas (z. B. N, C-Träger) zusammengesetzt ist.

5. Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas aus einem Edelgas (z. B. Argon) und mehreren Aktivgasen (z. B. N, C-Träger) zusammengesetzt ist.

6. Beschichtungseinrichtung nach den Ansprüchen 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Rezi­ pient (R) die Charge (Ch) und die Elektrode (E), von der das Beschichtungsmaterial zerstäubt wird, beide von dem Rezipient elektrisch isoliert sind und an eine elektrische Energieversorgungseinheit (Gleichrichter) angeschlossen sind. Während der Beschichtungsdauer wird die Charge an die Anode des Gleichrichters (+) und die Elektrode (E) an seine Kathode (-) angeschlossen; um eine effiziente Beschichtung zu gewährleisten ist der Druck im Rezipienten niedrig; während der Dauer der Zerstäubung und Rückdiffusion des Beschichtungsmaterials ist die Charge an die Kathode und die Elektrode (E) an die Anode angeschlossen; während dieses Prozesses wird der Druck etwas erhöht, um eine effiziente Rückdiffusion zu veranlassen; an die Flansche (V _p ) wird das Vakuumpum­ pensystem angeschlossen und durch die Flansche (G) wird das Arbeitsgas eingeführt.

7. Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Elektrode (E) und ungefähr parallel zu dieser ein magnetisches Feld erzeugt wird.

8. Beschichtungseinrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (E) aus einer Folge von Metallplatten (E _i ) (i = 1, 2, 3. . .) be­ steht. Jede Platte kann eine Drehung von 180° ausfüh­ ren, und alle sind untereinander elektrisch verbunden. Die Drehung der Platten wird simultan ausgeführt. Durch ihre Drehung in eine Richtung (z. B. im Uhrzei­ gersinne) wendet jede der Platten (E _i ) eine ihrer Sei­ ten der Charge zu, z. B. jene auf der sich das Be­ schichtungsmaterial (B _m ) befindet; beim Drehen der Platten (E _i ) in entgegengesetzte Richtung (z. B. ent­ gegengesetzt dem Uhrzeigersinne) wenden die Platten (E _i ) der Charge ihre andere Seite zu.

9. Beschichtungseinrichtung für ionengestütztes (ion-plating) Aufdampfen nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie wenigstens zwei Verdampfer ent­ hält: Einer der das Beschichtungsmaterial aufdampft und ein zweiter der das Substratmetall aufdampft. Der zweite Verdampfer wird nur während der Erzeugung der Verbindungsschicht benützt. Die Verdampfungsgeschwin­ digkeiten der beiden Verdampfer werden während des Vorgangs so geregelt, daß eine Verbindungsschicht in Rampenform entsteht.

10. Beschichtungseinrichtung nach den Ansprüchen 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschich­ tungsmaterial durch Vakuumaufdampfen aufgetragen wird, und der Verdampfer in eine Elektrode (E) eingeführt ist, die die Anode einer Glimmentladung darstellt, während die Charge (Werkstücke) die Kathode bildet. Durch ab­ wechselnde Kathodenzerstäubung und Beschichtung durch Aufdampfen wird eine Verbindungsschicht erzeugt, even­ tuell eine in Rampenform.