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WO1992014859A1 - Verfahren und vorrichtung zur reduzierung von droplets bei der beschichtung von oberflächen mit hartstoffen nach dem pvd-verfahren - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur reduzierung von droplets bei der beschichtung von oberflächen mit hartstoffen nach dem pvd-verfahren Download PDF

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Publication number
WO1992014859A1
WO1992014859A1 PCT/EP1992/000348 EP9200348W WO9214859A1 WO 1992014859 A1 WO1992014859 A1 WO 1992014859A1 EP 9200348 W EP9200348 W EP 9200348W WO 9214859 A1 WO9214859 A1 WO 9214859A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coated
heating
coating
heating element
wall
Prior art date
Application number
PCT/EP1992/000348
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Jürgen LOHMANN
Original Assignee
Eifeler Werkzeuge Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eifeler Werkzeuge Gmbh filed Critical Eifeler Werkzeuge Gmbh
Publication of WO1992014859A1 publication Critical patent/WO1992014859A1/de

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
    • C23C14/541—Heating or cooling of the substrates

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a device according to the preamble of claim 9, as well as objects obtainable by coating with hard materials according to claim 13.
  • CVD chemical vapor deposition
  • DD-PS 236,950 describes an improved CVD process.
  • a glow discharge is generated between the reactor wall and the object to be coated, the surface of the object to be coated being first provided with a nitride layer within preferably 60 minutes.
  • the titanium coating then takes place in accordance with the CVD method.
  • DE-OS 35 10 608 describes a corrosion-resistant and high-temperature-resistant, lubrication-free, low-friction, sliding system particularly suitable for shut-off devices.
  • the surfaces of this sliding system are provided with titanium nitride and / or titanium carbide, which is coated by the CVD process.
  • DE-OS 36 23 360 relates to devices between which high pressures and / or high frictional loads occur.
  • the surfaces of these systems are coated by high-frequency sputtering.
  • the PVD (physical vapor deposition) process avoids the use of these high temperatures and operates in the range from temperatures up to 500 ° C.
  • Various systems are known as coating systems based on the PVD process, which are essentially characterized by distinguish the type of evaporation sources of the material provided for the coating. What the different process variants have in common is that they take place in a high vacuum.
  • Metal nitrides and carbides and mixtures of nitrides and carbides are known as layers. The selection of the corresponding hard materials for coating the materials depends on the application area of these tools. For example, titanium nitride, titanium carbide and titanium nitride / carbide surfaces are characterized by wear resistance and good friction properties.
  • the titanium nitride or titanium carbide or titanium nitride / carbide (CiNC) coatings are carried out by evaporating the metal in the presence of nitrogenous or carbon-containing gases.
  • the use of ultrapure nitrogen, ultrapure methane or ethylene or acetylene or mixtures thereof have been proven in practice.
  • DD-PS 241 273 describes a process for coating cast iron in accordance with the PVD process.
  • the object underlying this patent specification is to provide a technology which leads to a reduction in the graphite content on the component surface and thus enables a pore-free coating of cast iron with titanium nitride. This is achieved by smooth rolling the components before coating.
  • DE-OS 37 14 327 relates to a metal body for ink transfer and metering in printing units, the surface of which is provided with titanium nitride in a layer thickness between 1 and 8 ⁇ m.
  • the body is for the purpose of production to a temperature up to 500 "C, preferred wise between 380 C and 450 ⁇ ⁇ C preheated, is evaporated after which the titanium nitride.
  • the evaporation in a high vacuum on the surface to be coated takes place in a vacuum chamber which must have an outlet to the vacuum pump and an inlet for the reaction gas.
  • the objects to be coated are arranged in a holder which is usually rotated during the exposure process in order to facilitate a uniform coating.
  • the metal is converted into the vapor phase by different physical processes. For example, the process of cathode sputtering, the process of so-called ion plating (ionized reactive evaporation) and the evaporation of the metal by means of arc discharge have been introduced in technology.
  • the arc discharge method has proven to be advantageous in practice, since it is possible to work with several arc evaporators which can be arranged in the coating chamber in any spatial position.
  • this method works by avoiding a liquid metal phase.
  • the coating material is applied as a cathode (target) to the negative pole of a voltage source.
  • an arc high currents, low voltage
  • the arc attacks the cathode at the cathode spot, diameter 10 to 100 ⁇ m. This results in extremely rapid heating of microscopic tips of the target surface, which then evaporates as a dense metal plasma with a sufficient number of ions and electrons for an independent discharge.
  • Negative substrate bias (bias) accelerates the titanium ions towards the substrate.
  • the technical problem on which the invention is based consists, on the one hand, of providing a coating process which largely avoids the formation of droplets and ensures uniform heating of the tool to be coated, and on the other hand consists in making objects provided with hard material layers whose surface is characterized by an extremely small number of droplets.
  • the process measure, the surface and the object to be coated with hard material, before the actual coating process with radiation to the temperature required for the coating, ensure that no overheating occurs at sharp-edged transitions of the object . Rather, the radiation uniformly reaches every contour of the surface to be coated. According to the prior art, this is accelerated in the electric field There are no metal ions which transfer their energy to the tool and thus heat up through impact and other heat transfers. Correspondingly high field densities occur at the tips and edges, so that more energy is transferred there accordingly and the tips and edges are heated up correspondingly more strongly.
  • the following method steps are preferably carried out in the method according to the invention: a) evacuation of the vacuum chamber charged with the surface to be coated, b) heating of the object to be coated by means of thermal radiation, c) treatment of the surface of the object with an ionized noble gas or mixed, d) switching off the radiation source, e) briefly bombarding the surface of the object to be coated with titanium atoms or ions with a relatively high bias voltage, f) reaction gas entry, with a relatively low bias voltage and treatment of the surface to be coated of the item for a longer period of time.
  • the surface of the object to be treated is preferably treated with radiation for a period of 45 to 120 minutes, depending on the size of the object to be coated.
  • a temperature of 300 to 500 ° C. has been reached, a mixture of an inert gas, preferably argon, and hydrogen is admitted into the chamber in order to free the surface of oxides Volts applied and the item with titanium Ion bombarded. This process preferably takes 60 to 90 seconds. This also prepares the surface for later coating.
  • the bias voltage is then reduced to 150 to 500 volts, preferably 150 to 400 volts, and the actual coating of the surface to be coated begins in the presence of the corresponding reaction gas.
  • nitrogen, methane, ethylene or acethylene are used as the pure gases or mixtures thereof as the reaction gases.
  • the partial pressure of the reaction gas being in the range from 10 -3 to 1 mbar, particularly preferably around 10 -2 mbar.
  • the method according to the invention is preferably suitable for the arc vapor ion deposition method.
  • Radiation heating which is arranged on the inner wall of the coating chamber, has proven to be suitable as the radiation source for heating the surface and the object in the reaction chamber.
  • the device for heating an object in a vacuum chamber, the surface of which is coated by means of the PVD method has a heating element which is arranged on the inner wall of the coating chamber.
  • the device is electrically heated and has a hollow cylinder with an axial resistance heating wire. This is designed as a PTC thermistor in the area of the electrical supply line.
  • the lumen of the hollow cylinder forming the heating element is preferably filled with a heat-resistant filler.
  • the heating element is either plate-shaped or in the form of heating coils.
  • the area that contains the container to be vaporized with the arc is preferably left out.
  • suitable reflectors can be arranged between the heating element and the inner wall of the reaction chamber.
  • Metal foils are particularly suitable.
  • the reflector surfaces have a curvature parallel to the curvature of the inner wall. It is also advantageous to design this curvature in such a way that the tool to be coated can be focused.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of the device according to the invention, which is shown in cross section in FIG. 2 along the line A ... A * of FIG.
  • FIG. 3 schematically shows a longitudinal section through a heating element of the heating device, which appear in cross section in FIG. 1.
  • FIGS. 4 to 6 are scanning electron microscope images of surfaces coated with hard materials.
  • FIGS. 4 and 5 show surfaces produced by the method according to the invention, while FIG. 6 shows a surface produced according to the prior art.
  • FIGS. 1 and 2 show a preferred embodiment of a device according to the invention which can be used in the method according to the invention.
  • the heating element for example a heating conductor, which is arranged on the inner wall 10 of the double-walled water-cooled coating chamber 11 (recipient), consists of arcuate heating coils 5.
  • a reflector surface 12 is arranged between the inner wall 10 and the heating element 1 , the radius of curvature of which runs parallel to the radius of curvature of the semi-circular vacuum chamber 11.
  • the reflector surface 12 is recessed (FIG. 2).
  • the reflector surface 12 is preferably made of metal, which on the one hand reinforces the heating of the substrate 16 by reflection of the thermal radiation incident on it and on the other hand reduces heating of the wall of the vacuum chamber 11, usually the substrate 16 rotates during the coating process about its own axis and additionally on a rotatable substrate holder 17 which is connected to the substrate voltage supply 19 via the rotary feedthrough 18.
  • the substrate holder 17 preferably has a planetary gear.
  • the recipient is evacuated through the passage 21 leading to the vacuum pumping station, while the process gas enters the inlet 22.
  • the cooling water enters the cavity 24 through the inlet 23 in order to leave the cavity again at the outlet 25.
  • FIG. 3 shows a cross section through the heating element of the heating element 1. It consists of a hollow cylinder 2, the outer jacket 6 of which is preferably made of Inconel. A resistance heating wire (heating conductor 3) is arranged axially therein. The supply area at the cold end is preferably formed by a PTC thermistor 7. PTC thermistor 7 and heating element 3 are preferably connected to one another at position 8 by welding. The wall of the - 10 -
  • Hollow cylinder 2 is expanded in the area of the weld.
  • the lumen of the hollow cylinder 2 is preferably filled with a heat-resistant filler 4.
  • Compacted aluminum oxide powder is preferably used for the insulation between the outer jacket and the heating conductor and the cold end.
  • the heating element is preferably supplied with power by a vacuum-tight feedthrough 26 at the respective cold end 27 of the heating element 1.
  • FIGS. 4 and 5 each show surfaces that can be obtained by using the method according to the invention.
  • the almost completely smooth surface is clearly recognizable.
  • Only in FIG. 5 is a droplet visible, which is located on the edge of the coating.
  • the white bar appearing on the left edge of the image corresponds to a size of 2 ⁇ m.
  • FIG. 6, shows a surface as can be obtained by the method according to the prior art. It can be seen that there is in principle no homogeneous coating at all, but rather the surfaces produced in this way are composed of a large number of droplets, which results in an enormous increase in surface area.
  • the droplets are moreover responsible for the poorer properties of the surfaces compared to the surfaces according to the invention, which are obtainable according to the prior art.
  • the white bar appearing at the lower left edge of the image corresponds to a distance of 5 ⁇ m.
  • the method according to the invention preferably carried out in a device according to the invention, makes it possible to produce objects coated with hard materials which are distinguished by an extremely small number of droplets.
  • the present invention thus also relates to objects with a hard material layer obtainable by the process according to the invention.

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Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben zur Beschichtung von Gegenständen mit Hartwerkstoffen nach dem PVD-(physical vapor deposition)-Verfahren mit vorgewärmtem zu beschichtenden Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Gegenstandes und/oder seiner Oberfläche mittels Strahlung vor der Beschichtung der Oberfläche erfolgt. Eine bevorzugte Ausgestaltung des beschriebenen Verfahrens arbeitet mittels eines Heizelements als Strahlungsquelle und bei einem erhöhten Partialdruck des Reaktionsgases, vorzugsweise im Bereich von 10-3 bis 1 mbar. Eine Vorrichtung, die als Strahlungsquelle im erfindungsgemässen Verfahren dienen kann, ist ein Heizelement (1) mit einem elektrisch heizbaren Heizdraht, der axial in dem Hohlzylinder angeordnet ist. Zwischen Heizelement (1) und Innenwand (10) der Reaktionskammer (11) befindet sich vorzugsweise eine Reflektorfläche (12). Die Gegenstände (16), die durch das erfindungsgemässe Verfahren erhältlich sind, zeichnen sich durch verbesserte mechanische Eigenschaften aus, da ihre mit Hartstoffen versehene Oberflächen, wenn überhaupt, nur eine geringe Anzahl von sogenannten Droplets aufweisen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Droplets bei der Beschichtung von Oberflächen mit Hartstoffen nach dem PVD-Verfahren
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie Gegenstände, erhältlich durch Beschichten mit Hartstoffen gemäß An¬ spruch 13.
Gegenstände aller Art, in erster Linie Werkzeuge und Maschinenbauteile, werden zur Verlängerung ihrer Lebens¬ dauer und Schutz vor Beanspruchungen mit Hartstoffbe- schichtungen versehen. Zur Beschichtung von Werkzeugen mit harten und verschleißbeständigen Schichten, wie zum Beispiel Titannitrid und Titancarbid, ist seit langem das sogenannte CVD-Verfahren (Chemical vapor deposition) be¬ kannt. Nachteilig daran sind die relativ hohen Tempera¬ turen, wodurch sich bei den zu behandelnden Werkzeugen Gefügeveränderungen einstellen können. Dementsprechend sind teilweise aufwendige Nachbehandlungsverfahren erfor¬ derlich.
In der DD-PS 236,950 wird ein verbessertes CVD-Verfahren beschrieben. Dabei wird zwischen Reaktorwand und zu be¬ schichtendem Gegenstand eine Glimmentladung erzeugt, wo¬ bei innerhalb von vorzugsweise 60 Minuten die Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes zunächst mit einer Nitridschicht versehen wird. Danach findet die Beschich¬ tung mit Titan gemäß dem CVD-Verfahren statt.
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In der DE-OS 35 10 608 wird ein korrosions- und hoch¬ temperaturbeständiges schmierungsfreies reibungsarmes, besonders für Absperrvorrichtungen geeignetes Gleitsystem beschrieben. Die Oberflächen dieses Gleitsystems sind mit Titannitrid und/oder Titancarbid versehen, das durch CVD- Verfahren beschichtet wird.
Die DE-OS 36 23 360 betrifft Einrichtungen, zwischen denen hohe Drücke und/oder hohe Reibungsbeanspruchungen auftreten. Die Oberflächen dieser Systeme werden durch Hochfrequenzsputterung beschichtet.
Das PVD-(physical vapor deposition)-Verfahren vermeidet die Anwendung dieser hohen Temperaturen und arbeitet im Bereich von Temperaturen bis 500βC. Als Beschichtungs- systeme auf der Basis des PVD-Verfahrens sind verschie¬ dene Systeme bekannt, die sich im wesentlichen durch die Art der Verdampfungsquellen des für die Beschichtung vor¬ gesehenen Materials unterscheiden. Gemeinsam ist den unterschiedlichen Verfahrensvarianten, daß sie im Hoch¬ vakuum stattfinden. Als Schichten sind Metallnitride und Carbide und Mischungen aus Nitriden und Carbiden bekannt. Die Auswahl der entsprechenden Hartstoffe zur Beschich¬ tung der Werkstoffe richtet sich nach dem Anwendungsge¬ biet dieser Werkzeuge. So zeichnen sich beispielsweise Titannitrid-, Titancarbid- und Titannitrid/Carbid-Ober- flächen durch Verschleißbeständigkeit und gute Reibungs¬ eigenschaften aus. Die Titannitrid- bzw. Titancarbid- oder Titannitrid/Carbid(CiNC)-Beschichtungen erfolgen durch Verdampfen des Metalls in Gegenwart von stickstoff- bzw. kohlenstoffhaltigen Gasen. Die Verwendung von Reinst-Stickstoff, Reinst-Methan oder Ethylen oder Acetylen oder Mischungen derselben sind in der Praxis bewährt.
In der DD-PS 241 273 ist ein Verfahren zum Beschichten von Gußeisen beschrieben gemäß dem PVD-Verfahren. Die dieser Patentschrift zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Technologie bereitzustellen, die zu einer Verringerung der Graphitanteile an der Bauteiloberfläche führt und somit eine porenfreie Beschichtung von Gußeisen mit Titannitrid ermöglicht. Dies wird erreicht durch Glattwalzen der Bauteile vor dem Beschichten.
Die DE-OS 37 14 327 betrifft einen Metallkörper zur Farb¬ übertragung und -dosierung in Druckwerken, dessen Ober¬ fläche mit Titannitrid in einer Schichtdicke zwischen 1 und 8 μ versehen ist. Der Körper wird zum Zwecke der Herstellung auf eine Temperatur bis zu 500"C, vorzugs¬ weise zwischen 380βC und 450βC vorgewärmt, worauf das Titannitrid aufgedampft wird.
Das Aufdampfen im Hochvakuum auf die zu beschichtende Oberfläche findet in einer Vakuum-Kammer statt, die einen Auslaß zur Vakuum-Pumpe und einen Einlaß für das Reak¬ tionsgas aufweisen muß. Die zu beschichtenden Gegenstände werden in einem Halter angeordnet, der während des Be¬ senichtungsVorgangs üblicherweise gedreht wird, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erleichtern. Das Metall wird durch unterschiedlich physikalische Verfahren in die Dampfphase überführt. So sind beispielsweise das Verfah¬ ren der Kathodenzerstäubung (sputtering) , das Verfahren des sogenannten Ion-plating (ionisiertes reaktives Auf¬ dampfen) und das Verdampfen des Metalls mittels Bogen- entladung (arc-discharge) in der Technik eingeführt. Da¬ bei hat sich das Bogenentladungsverfahren in der Praxis als vorteilhaft erwiesen, da mit mehreren Bogenver- dampfern gearbeitet werden kann, die in jeder Raumlage in der Beschichtungska mer angeordnet werden können. Dieses Verfahren arbeitet im Gegensatz zu den anderen Verfahren unter Vermeidung einer flüssigen Metallphase. Der Beschichtungswerkstoff wird als Kathode (Target) am negativen Pol einer Spannungsquelle angelegt. Durch Kon¬ takt der Kathodenoberfläche mit einem geerdeten Trigger wird ein Bogen (hohe Ströme, niedrige Spannung) erzeugt, der anschließend zwischen der Kathode (Target) und der Anode (Kammerwand) brennt. Der Bogen greift die Kathode am Kathodenfleck, Durchmesser 10 bis 100 μm, an. Dadurch kommt es zu einer extrem schnellen Aufheizung mikros¬ kopischer Spitzen der Targetoberfläche, die dann als ein dichtes Metallplasma mit für eine selbständige Entladung ausreichende Anzahl von Ionen und Elektronen verdampft. Durch eine negative Substratvorspannung (Bias) werden die Titanionen auf das Substrat hin beschleunigt. Hochioni¬ sierte und hochenergetische Titanteilchen aus dem Plasma kondensieren nach der Reaktion mit in die Kammer einge¬ lassenen Stickstoff auf der Substratoberfläche. Nachteil an dieser an sich zu bevorzugenden Verfahrensweise ist die Ausbildung von sogenannten Droplets und ungeladenen Titanclustern. Die Droplets bilden auf der Oberfläche des zu beschichtenden Werkzeuges diskrete Bereiche, die sich nicht mit der übrigen homogenen Beschichtung mit hinreichender Festigkeit verbinden. Diese diskreten Teile sind somit Störstellen in der Beschichtung, die auch über die Beschichtung hinaus ragen können. Bei mechanischer Belastung können diese sogenannten Droplets aus der Be¬ schichtung herausgelöst werden und bilden somit Poren in der homogenen Beschichtung. Die Poren sind nun wiederum Angriffsstellen für Sekundärprozesse, die letztlich das Verschleißen der Werkzeuge durch Zerstörung der Hart¬ stoffschicht beschleunigen.
Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens nach dem Stand der Technik beruht darauf, daß das zu beschichtende Werk¬ stück durch Bombardement mit den Metallionen oder Metall- atomen bei hoher Bias-Spannung, etwa 1.000 Volt, aufge¬ heizt wird. Dies dauert je nach Produktionsziel 10 bis 60 Minuten. Durch dieses recht unspezifische Erwärmen, durch Stoßen der Metallteile auf die Werkzeugoberfläche, treten überhitzungen an scharfkantigen Übergängen auf, was wie¬ derum zu einer nicht homogenen Beschichtung beim späteren Aufdampfen und Niederschlagen des Metalldampfes führt.
Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht also darin, zum einen ein Beschichtungsverfahren bereitzustellen, was die Bildung von Droplets weitest- gehend vermeidet und eine gleichmäßige Erwärmung des zu beschichtenden Werkzeuges gewährleistet und zum anderen darin besteht, mit Hartstoffschichten versehene Gegen¬ stände herstellbar zu machen, deren Oberfläche sich durch eine äußerst geringe Anzahl von Droplets auszeichnen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst gemäß kennzei¬ chnenden Teil des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 9 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens. Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Ansprüchen 10 bis 13 beansprucht. Die Ansprüche 14 und 15 betreffen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren er¬ hältlichen Gegenstände.
Durch die Verfahrensmaßnahme, die Oberfläche und den Ge¬ genstand, der mit Hartstoff beschichtet werden soll, vor dem eigentlichen Beschichtungsvorgang mit Strahlung auf die bei der Beschichtung erforderliche Temperatur erwär¬ men, wird gewährleistet, daß keine überhitzung an scharf¬ kantigen Übergängen des Gegenstands erfolgt. Die Strah¬ lung erreicht vielmehr gleichmäßig jede Kontur der zu beschichtenden Oberfläche. Dies ist gemäß dem Stand der Technik mit den im elektrischen Feld beschleunigten Metallionen, die durch Stoßen und andere Wärmeübertra¬ gungen ihre Energie auf das Werkzeug übertragen und damit erhitzen, nicht gegeben. An Spitzen und Kanten treten entsprechend hohe Felddichten auf, so daß dort entspre¬ chend mehr Energie übertragen wird und die Spitzen und Kanten entsprechend stärker aufgeheizt werden.
Vorzugsweise werden beim erfindungsgemäßen Verfahren fol¬ gende Verfahrensschritte durchlaufen: a) Evakuierung der mit der zu beschichtenden Ober¬ fläche beschickten Vakuum-Kammer, b) Erwärmung des zu beschichtenden Gegenstands mittels Wärmestrahlung, c) Behandlung der Oberfläche des Gegenstands mit einem ionisierten Edelgas oder -gemisch, d) Abschalten der Strahlungsquelle, e) kurzzeitiger Beschüß der zu beschichtenden Ober¬ fläche des Gegenstands mit Titan-Atomen oder -Ionen bei relativ hoher Bias-Spannung, f) Reaktionsgaseintritt, bei relativ geringer Bias- Spannung und Behandlung der zu beschichtenden Oberfläche des Gegenstandes für einen längeren Zeitraum.
—5 Nachdem im Schritt a) die Reaktionskammer auf < 10 Torr evakuiert wurde, wird die Oberfläche des zu behandelnden Gegenstands vorzugsweise für einen Zeitraum von 45 bis 120 Minuten, je nach Größe des zu beschichtenden Gegen¬ stands, mit Strahlung behandelt. Sobald eine Temperatur von 300 bis 500"C erreicht ist, wird eine Mischung aus einem Edelgas, vorzugsweise Argon, und Wasserstoff in die Kammer eingelassen, um die Oberfläche von Oxiden zu be¬ freien. Danach wird kurzzeitig eine Bias-Spannung von 900 bis 1.500 Volt angelegt und der Gegenstand mit Titan- Ionen beschossen. Dieser Vorgang dauert vorzugsweise 60 bis 90 Sekunden. Auch damit wird die Oberfläche für die spätere Beschichtung vorbereitet. Anschließend wird die Bias-Spannung auf 150 bis 500 Volt, vorzugsweise 150 bis 400 Volt, gesenkt und die eigentliche Beschichtung der zu beschichtenden Oberfläche in Gegenwart des entsprechenden Reaktionsgases setzt ein. Als Reaktionsgase werden je nach gewünschter Oberflächenbeschichtung Stickstoff, Methan, Ethylen oder Acethylen als Reinstgase oder Mi¬ schungen davon verwendet.
Zur Unterdrückung der sogenannten "Droplet-'-Bildung hat sich eine Verfahrensweise als vorteilhaft erwiesen, wobei der Partialdruck des Reaktionsgases im Bereich von 10 -3 bis 1 mbar, besonders bevorzugt bei etwa 10 —2 mbar liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorzugsweise für das Lichtbogen-Dampf-Ionen-Abscheidungsverfahren.
Als Strahlungsquelle für die Aufheizung der Oberfläche und des Gegenstands in der Reaktionskammer hat sich eine Strahlungsheizung, die an der Innenwand der Beschich- tungskammer angeordnet ist, als geeignet erwiesen.
Die Vorrichtung zur Erwärmung eines in einer Vakuum- Kammer befindlichen Gegenstandes, dessen Oberfläche mittels PVD-Verfahren beschichtet wird, weist ein Heiz¬ element auf, das an der Innenwand der Beschichtungskammer angeordnet ist. Die Vorrichtung ist elektrisch beheizbar und weist einen Hohlzylinder auf, mit einem axialen Widerstandsheizdraht. Dieser ist im Bereich der elek¬ trischen Zuleitung als Kaltleiter ausgebildet. Das Lumen des das Heizelement bildenden Hohlzylinders wird vorzugs¬ weise mit einem hitzebeständigen Füllstoff ausgefüllt. Um eine gleichmäßige Wärmestrahlung zu gewährleisten, wird das Heizelement entweder plattenförmig oder in Form von Heizschlangen ausgebildet. Vorzugsweise wird dabei der Bereich, der das mit dem Lichtbogen zu verdampfende Me¬ tall enthaltenden Behälter, ausgespart.
Um eine Aufheizung der Innenwand der Reaktionskammer zu vermeiden, können zwischen Heizelement und Innenwand der Reaktionskammer geeignete Reflektoren angeordnet werden. Dazu kommen insbesondere Metallfolien in Frage. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Reflektorflächen eine zu der Krümmung der Innenwand parallele Krümmung auf. Es ist ebenso vorteilhaft, diese Krümmung derartig zu gestalten, daß eine Fokussierung auf das zu beschich¬ tende Werkzeug erfolgen kann.
Die Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in Figur 2 gemäß der Linie A...A* der Figur 1 im Querschnitt gezeigt ist.
Die Figur 3 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Heizstab der HeizVorrichtung, die in der Figur 1 im Querschnitt erscheinen.
Die Figuren 4 bis 6 sind rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von mit Hartstoffen beschichteten Oberflächen. Die Figuren 4 und 5 zeigen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Oberflächen, während die Figur 6 eine Oberfläche, hergestellt nach dem Stand der Technik, zeigt.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungs- form einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im erfin¬ dungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann. Das Heiz- element 1, zum Beispiel ein Heizleiter, das an der Innen¬ wand 10 der doppelwandigen wassergekühlten Beschichtungs- kammer 11 (Rezipient) angeordnet ist, besteht aus bogen¬ förmig angeordneten Heizschlangen 5. Zwischen Innenwand 10 und Heizelement 1 ist eine Reflektorfläche 12 ange¬ ordnet, deren Krümmungsradius parallel zum Krümmungs¬ radius der hier halbrund ausgestalteten Vakuum-Kammer 11 verläuft. Im Bereich der Kathode 14, die das zur Be¬ schichtung dienende Metall 15 trägt (Verdampfer mit Ver¬ dampferstromversorgung 20) , ist die Reflektorfläche 12 ausgespart (Figur 2) . Vorzugsweise besteht die Reflektor¬ fläche 12 aus Metall, welches durch Reflektion der auf sie treffenden Wärmestrahlung zum einen die Erwärmung des Substrats 16 verstärkt und zum anderen eine Erwärmung der Wand der Vakuum-Kammer 11 verringert, üblicherweise ro¬ tiert das Substrat 16 während des Beschichtungsvorgangs um seine eigene Achse und zusätzlich auf einem drehbaren Substrathalter 17, der über die Drehdurchführung 18 mit der Substratspannungsversorgung 19 verbunden ist. Der Substrathalter 17 weist vorzugsweise ein Planetengetriebe auf. Der Rezipient wird durch den Durchlaß 21, der zum Vakuumpumpenstand führt, evakuiert, während das Prozeßgas am Einlaß 22 eintritt. Das Kühlwasser tritt durch den Einlaß 23 in den Hohlraum 24 ein, um beim Auslaß 25 den Hohlraum wieder zu verlassen.
In Figur 3 ist ein Querschnitt durch den Heizstab des Heizelemts l gezeigt. Er besteht aus einem Hohlzylinder 2, dessen Außenmantel 6 vorzugsweise aus Inconel besteht. Darin ist axial ein Widerstandsheizdraht (Heizleiter 3) angeordnet. Vorzugsweise wird der Zuleitungsbereich am Kaltende durch einen Kaltleiter 7 ausgebildet. Kaltleiter 7 und Heizelement 3 werden vorzugsweise bei Position 8 durch Schweißen miteinander verbunden. Die Wandung des - 10 -
Hohlzylinders 2 ist im Bereich der Verschweißung aufge¬ weitet. Das Lumen des Hohlzylinders 2 ist vorzugsweise mit einem hitzebeständigen Füllstoff 4 gefüllt. Vorzugs¬ weise wird verdichtetes Aluminiumoxidpulver zur Isolie¬ rung zwischen Außenmantel und Heizleiter und Kaltende verwendet.
Die Stromversorgung des Heizelements erfolgt vorzugsweise durch eine vakuumdichte Stromdurchführung 26 am jeweili¬ gen Kaltende 27 des Heizelements 1.
In Figur 4 und 5 werden jeweils Oberflächen gezeigt, die erhältlich sind durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Deutlich erkennbar ist die fast völlig glatte Oberfläche. Lediglich in Figur 5 ist ein Droplet erkenn¬ bar, das an der Kante der Beschichtung befindlich ist. Der am linken Bildrand erscheinende weiße Balken ent¬ spricht einer Größe von 2 μm. Die Figur 6 zeigt hingegen eine Oberfläche, wie sie nach dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik erhältlich ist. Es ist erkennbar, daß hier eine homogene Beschichtung im Prinzip gar nicht vor¬ liegt, sondern die so hergestellten Oberflächen sich aus einer Vielzahl von Droplets zusammensetzen, wodurch sich eine enorme Oberflächenvergrößerung ergibt. Die Droplets sind im übrigen verantwortlich für die im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Oberflächen schlechteren Eigen¬ schaften der Oberflächen, die erhältlich sind gemäß dem Stand der Technik. Der am unteren linken Bildrand er¬ scheinende weiße Balken entspricht einer Strecke von 5 μm.
Bedingt durch die relativ rauhe Oberfläche, wie sie in Figur 6 dargestellt wird, erscheint die Oberfläche der so beschichteten Gegenstände matt. Hingegen ist die Oberflä¬ che der erfindungsgemäß beanspruchten Gegenstände glän¬ zend.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren, vorzugsweise durch¬ geführt in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist es möglich, mit Hartstoffen beschichtete Gegenstände herzu¬ stellen, die sich durch eine äußerst geringe Anzahl von Droplets auszeichnen. Gegenstand der vorliegenden Erfin¬ dung sind somit auch Gegenstände mit einer Hartstoff¬ schicht, erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Claims

5- 12 -PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Beschichtung von Gegenständen mit Hart¬ werkstoffen nach dem PVD-(physical vapor deposition)- Verfahren mit vorgewärmtem zu beschichtenden Gegen¬ stand, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Gegenstandes und/oder seiner Oberfläche mittels Strahlung vor der Beschichtung der Oberfläche er¬ folgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die folgenden Ver¬ fahrensschritte durchlaufen werden: a) Evakuierung der mit der zu beschichtenden Ober¬ fläche beschickten Vakuum-Kammer, b) Erwärmung des zu beschichtenden Gegenstands mittels Wärmestrahlung, c) Behandlung der Oberfläche des Gegenstands mit einem ionisierten Edelgas oder -gemisch, d) Abschalten der Strahlungsquelle, e) kurzzeitiger Beschüß der zu beschichtenden Ober¬ fläche des Gegenstands mit Titan-Atomen oder -Ionen bei relativ hoher Bias-Spannung, f) Reaktionsgaseintritt, bei relativ geringer Bias- Spannung und Behandlung der zu beschichtenden Oberfläche des Gegenstandes für einen längeren Zeitraum. - 13 -
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Vakuum im Schritt a) < 10 -5 Torr betragt, die Erwärmung der zu beschichtenden Oberfläche des Gegenstandes im Schritt b) auf eine Tempera¬ tur von 300 bis 500"C erfolgt und/oder als Edelgas im Schritt c) Argon verwendet wird und/oder die Bias-Spannung beim Titan-Beschuß im Schritt e) 900 bis 1.500 Volt beträgt und/oder der Titan-Beschuß im Schritt e) während einer Dauer von 60 bis 90 Sekunden erfolgt und/oder die Bias-Spannung auf 150 bis 500 Volt im Schritt f) gesenkt wird und/oder im Schritt f) die Behandlung des zu beschichten¬ den Gegenstands in Gegenwart des Reaktionsgases in einem Zeitraum von 30 bis 90 Minuten erfolgt.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Reaktionsgas Stickstoff, Methan, Ethylen, Acetylen, Sauerstoff oder Sauerstoff abspal¬ tende Gase oder eine Mischung derselben ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Partialdruck des
—3
Reaktionsgases im Bereich von 10 bis 1 mbar liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Partialdruck
—2 etwa 10 mbar beträgt.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zur Beschichtung vorgesehene Metall mittels eines Lichtbogens verdampft wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der zu beschichtende Gegenstand durch eine Strahlungsheizung, die an der Innenwand der Beschich- tungskammer angeordnet ist, erwärmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zur Erzeugung der Strahlung zur Erwärmung des Gegenstan¬ des Heizelemente, wie WiderStandsheizungen, Mikrowel¬ len und/oder Induktionsheizungen verwendet werden.
10. Vorrichtung zur Erwärmung eines in einer Vakuum- Kammer befindlichen Gegenstandes, dessen Oberfläche mittels PVD-Verfahren beschichtet wird, mit einem Heizelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Heiz¬ element (1) an der Innenwand (10) der Beschichtungs- kammer (11) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (1) elektrisch beheizbar ist, einen Hohlzylinder (2) aufweist, mit einem axialen Widerstandsheizdraht (3) , welcher im Bereich der Zu¬ leitung als Kaltleiter ausgebildet ist, und das rest¬ liche Lumen des das Heizelement (1) bildenden Hohl¬ zylinders (2) mit einem hitzebeεtändigen Füllstoff (4) ausgefüllt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 und/oder 11 mit einer zwischen Innenwand (10) und Heizvorrichtung (11) an¬ geordneten Reflektorfläche (12) .
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Reflektor¬ fläche (12) eine zu der Krümmung der Innenwand (10) parallele Krümmung aufweist.
14. Gegenstände mit Hartstoffbeschichtung aus TiN und/ oder TiNC und/oder TiC erhältlich durch Beschichtung gemäß einem Verfahren nach mindestens einem der An¬ sprüche 1 bis 9.
15. Gegenstände nach Anspruch 14, die eine glänzende Oberfläche aufweisen.
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