DE3611492A1 - Verfahren und vorrichtung zum beschichten von werkzeugen fuer die zerspanungs- und umformtechnik mit hartstoffschichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Werkzeugen für die Zerspanungs- und Umformtechnik mit Hartstoffschichten mit mindestens einem Metall aus der Gruppe: Titan, Zirkonium, Chrom, Wolfram, Tantal, Vana­ dium, Niob, Hafnium und Molybdän in ihren Verbindungen mit mindestens einem Element aus der Gruppe Stickstoff und Kohlenstoff, durch Katodenzerstäubung von mindestens zwei beiderseits der Werkzeuge angeordneten Targets mit mindestens einem Metall aus der obigen Gruppe, insbeson­ dere mit einem Zusatz von 5 bis 60 Atomprozent an Alumi­ nium zum Metall in einer mindestens ein Gas aus der Gruppe Stickstoff und einer gasförmigen Kohlenstoffverbindung enthaltenden Atmosphäre, wobei die Werkzeuge auf einer Vorspannung von -40 bis -200 V gegenüber Masse gehalten und von dem während der Katodenzerstäubung gebildeten, Elektronen und Ionen enthaltenden Plasma berührt werden.

Ein Verfahren der vorstehenden Gattung ist durch die DE-OS 31 07 914 bekannt. Durch die am Substrat anliegende Vor­ spannung wird nicht nur bei Substraten, die keine Drehbe­ wegung um ihre Achse ausführen, eine allseitige Beschich­ tung erzielt, sondern auch ein beträchtlicher Ionenbeschuß der im Aufbau befindlichen Schicht erzielt. Dieser Ionen­ beschuß führt zu einer guten Haftung am Untergrund (Sub­ strat bzw. Werkzeug) und zu einer großen Dichte bzw. Härte der Schicht selbst, so daß die Standzeit der Werkzeuge merklich erhöht wird.

Einerseits ist der Ionenbeschuß des Substrats aus den vor­ genannten Gründen erwünscht, andererseits muß jedoch bei dem bekannten Verfahren zur Erzielung des beschriebenen Effekts eine entsprechend hohe Vorspannung von -250 V und darüber gewählt werden, andererseits führt eine solche Vorspannung bei Werkstücken mit ausgeprägten Schneidkanten zu einer entsprechend hohen über das Substrat fließenden Leistung, der sogenannten Biasleistung, und damit zu einer thermischen Schädigung des Substrats. Darüber hinaus führt eine hohe Vorspannung an den Substraten, die sogenannte Biasspannung, zu hohen elektrischen Feldstärken an den Kanten und damit zu einem verstärkten Ionenbeschuß im Be­ reich dieser Kanten, was wiederum zum Abtragen von Material an diesen Stellen führt. Diese Begleiterscheinung kann nicht nur zu einer Verringerung der Schichtdicke des aufgetra­ genen Materials führen, sondern sogar zum Abtragen von Substrat- bzw. Grundmaterial, so daß die Spitzen bzw. Kanten abgerundet werden, so daß sie ihre Schneidfähig­ keit verlieren. Mit anderen Worten: es kann bei ungüns­ tigem Zusammentreffen der Prozeßparameter und der Werk­ zeuggeometrie ausgerechnet an denjenigen Stellen zu einer Schädigung des Substrats kommen, die durch den Beschichtungs­ prozeß eigentlich verbesserte Eigenschaften erhalten sollten. Aus den vorstehenden Darlegungen ergibt sich, daß sich bei der Beschichtung der eingangs beschriebenen Werk­ zeuge im Grunde zwei Effekte diametral entgegenstehen: einerseits bewirkt eine hohe Biasspannung eine gute Haf­ tung am Grundwerkstock und eine gute Schichtstruktur, andererseits bewirkt sie eine hohe Biasleistung und da­ mit eine Substratschädigung, die bis zum Abtragen von Schichtmaterial und Grundwerkstoff führen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Vor­ teile des bekannten Verfahrens zu erhalten, ohne dessen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen, d.h. die Schicht­ eigenschaften sollen bei dem bekannten Verfahren im Be­ reich von Schneidkanten und Spitzen an Werkzeugen ver­ bessert werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß die das Plasma verlassenden Elektronen durch im Randbereich eines jeden Targets angeordnete und auf eine Spannung von +10 bis +200 V gegenüber Masse gelegte Anoden nochmals beschleunigt werden, derart, daß durch Kollision dieser Elektronen mit Gasteilchen weitere Ionen gebildet werden.

Zum Verständnis dieser Maßnahme sei folgendes ausgeführt: für derartige Beschichtungsverfahren werden als Zerstäu­ bungskatoden regelmäßig sogenannte Magnetron-Katoden ver­ wendet, d.h. Katodensysteme, bei denen sich hinter dem Target ein Magnetsystem befindet, durch das auf der Vor­ derseite des Targets ein geschlossener Tunnel aus magne­ tischen Feldlinien gebildet wird, der häufig auch als "magnetische Falle" oder "magnetische Flasche" bezeichnet wird. Ein derartiger magnetischer Tunnel hat eine Kon­ zentration des letztendlich die Zerstäubung bewirkenden Plasmas in der Nähe der Targetoberfläche zur Folge. Der­ artige Magnetron-Katoden sind im übrigen in der DE-OS 31 07 914 näher erläutert. In dieser Schrift ist auch angegeben, auf welche Weise man durch sorgfältige Ab­ stimmung der geometrischen Verhältnisse der Vorrich­ tung und der Verfahrensparameter sowie durch entsprechen­ de Wahl der magnetischen Feldstärke erreicht, daß das Plasma bis an die zu beschichtenden Substrate heranreicht bzw. diese berührt.

Bevorzugt in der Nähe der Targetoberfläche befinden sich bei derartigen Magnetron-Katoden Elektronen, die unter Verlängerung ihrer Bewegungsbahn um die magnetischen Feldlinien kreisen, und zwar bei entsprechend ausge­ richtetem Anfangsimpuls entlang schraubenlinienförmiger Bahnen, so daß die Kollisionswahrscheinlichkeit mit Teil­ chen der Gasatmosphäre beträchtlich erhöht wird. Hierauf ist bekanntlich die hohe Zerstäubungsleistung derartiger Magnetron-Katoden zurückzuführen. Mit zunehmender Anzahl von Kollisionen nimmt aber die Energie bzw. Geschwindig­ keit der Elektronen allmählich ab, bis sie aus dem mag­ netischen Tunnel heraustreten und ihren Weg in Richtung auf ein entsprechenden Gegenpotential nehmen, das in der Regel von auf Massepotential liegenden metallischen Teilen der Vorrichtung gebildet wird, wie Vakuumkammer, Substrat­ halter, Katodenabschirmungen und Gasverteilungssysteme. Es ist auch an sich bekannt, im Randbereich derartiger, nur einzeln verwendeter Katoden, eine besondere Anode vorzusehen, die zusammen mit der Katode "floatet", d.h. sich auf ein durch die Geometrie des Systems und die Parameter des Prozesses bedingtes positives Potential gegenüber Masse einstellt. Bei den bekannten Systemen fin­ det jedoch wegen der hohen Konzentrationswirkung des Mag­ netfeldes auf das Plasma außerhalb dieses Plasmas keine merkliche Wechselwirkung der (verlangsamten) Elektronen mit der Gasatmosphäre mehr statt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen, bei dem das Plasma eine wesentlich größere räumliche Ausdehnung hat, findet eine Wechselwirkung zwischen den von den Anoden angezogenen Elektronen und den im Weg der Elektronen be­ findlichen Gasteilchen statt, so daß dadurch weitere Ionen gebildet werden. Diese Wirkung tritt bereits bei verhältnismäßig geringen Anodenspannungen von +10 V ein. Hierbei muß man sich vor Augen halten, daß der größte Teil des Katodenpotentials, das zwischen etwa -300 V bis -600 V liegt, im Bereich des sogenannten Katodenfalls abgebaut wird, und daß das Potential sich in Richtung auf die Anode in etwa asymptotisch dem Massepotential an­ nähert. Infolgedessen hat bereits eine sich merklich von Massepotential unterscheidende Anodenspannung eine deut­ liche Beschleunigungswirkung auf die Elektronen.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist es möglich, den Stromfluß über das Substrat zu erhöhen, da durch die Anoden und ihre Wirkung auf die Elektronen zusätzliche Ionen er­ zeugt werden. Durch die Erhöhung der Ionendichte im Plasma kann die Biasspannung merklich reduziert werden, ohne daß der Biasstrom reduziert wird. Dadurch werden eine gute Haftung und eine gute Schichtstruktur des aufgebrachten Materials erreicht, ohne daß das Grundmaterial (Substrat) geschädigt würde und ohne daß aufgrund eines hohen Feld­ effektes ein überproportional großer Abtrag der bereits aufgebrachten Schicht bzw. des Grundwerkstoffs erfolgt. Dadurch werden sowohl die Zerspanungsleistung (bei Zer­ spanungswerkzeugen) als auch die Standzeit der fertig be­ schichteten Werkzeuge merklich erhöht.

So ist es beispielsweise durch eine entsprechende Ano­ denspannung gelungen, gegenüber einer Zerstäubungskatode ohne Anoden mehr als doppelt so hohe Substratströme bei wesentlich verringerter negativer Substratvorspannung zu erreichen. Damit ließen sich sehr dichte Schichtstrukturen mit hoher Haftfestigkeit auf dem Grundmaterial erzeugen.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durch­ führung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Diese Vor­ richtung besitzt in herkömmlicher Weise eine Vakuumkammer mit einem Substrathalter für die Aufnahme mindestens eines Werkzeugs, eine Spannungsquelle für die Versorgung des Substrathalters mit einer Vorspannung zwischen -40 und -200 V gegenüber Masse, mindestens zwei beiderseits des Substrathalters spiegelsymmetrisch zu diesem angeordnete Zerstäubungskatoden mit je einem Target und je einer Mag­ netanordnung zum Einschluß des Plasmas zwischen dem je­ weiligen Target und dem Werkstück, wobei das Target min­ destens ein Metall aus der Gruppe Ti, Zr, Cr, W, Ta, V, Nb, Hf und Mo und vorzugsweise einen Anteil von 5 bis 60 Atomprozent Al aufweist, sowie mindestens eine Gas­ quelle zur Versorgung der Vakuumkammer mit einem Edelgas und mindestens einem Reaktionsgas aus der Gruppe N ₂ und einer gasförmigen Kohlenstoffverbindung zur Erzeugung einer reaktiven Zerstäubungsatmosphäre im Bereich der Zerstäubungskatoden.

Eine solche Vorrichtung ist zur Lösung der gleichen Auf­ gabe erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß im Rand­ bereich eines jeden Targets in an sich bekannter Weise mindestens je eine Anode angeordnet ist, derart, daß sich beiderseits des Substrathalters in spiegelsymmetrischer Anordnung zum Substrathalter mindestens je eine Anode befindet, und daß den Anoden mindestens eine Spannungs­ quelle zugeordnet ist, durch die Anoden auf eine Spannung von +10 V bis +200 V gegenüber Masse legbar sind.

Durch den (an sich bekannten) Zusatz von Aluminium zum Targetwerkstoff wird erreicht, daß das durch den reaktiven Zerstäubungsprozeß gebildete Schichtmaterial die Zusammen­ setzung (MeAl)N _x oder (MeAl)C _x , wobei Me eines der obigen Metalle ist, aufweist. Eine derartige Oberflächen­ schicht führt bereits zu einer merklichen Verlängerung der Standzeiten der damit beschichteten Werkzeuge. Der Aluminiumanteil in der Targetlegierung kann dabei zwischen 5 und 60 Atomprozent liegen, wird aber vorzugsweise zwischen 40 und 50% gewählt. Es wird noch aufgezeigt werden, daß durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme in Ver­ bindung mit einer derartigen Targetlegierung ganz besonders große Standzeiten der mit dem Reaktionsprodukt beschichteten Werkzeuge erzielt werden.

Bei den Werkzeugen für die Zerspanungstechnik handelt es sich um Bohrer, Gewindebohrer, Fräser, Messerköpfe, Wende­ schneidplatten und Reibahlen. Bei den Werkzeugen für die Umformtechnik handelt es sich um Stanzwerkzeuge, Prage­ stempel, Matrizen und Ziehwerkzeuge. Auch derartige Werk­ zeuge haben häufig scharfe Kanten, die nicht vorzeitig verschleißen dürfen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungs­ gegenstandes ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle(n) für die Anoden mit ihren negativen Pol an die zugehörige(n) Zerstäubungs­ katode(n) gelegt sind und daß der positive, mit den Ano­ den verbundene Pol über eine weitere Spannungsquelle an Masse gelegt ist, derart, daß das Potential der Anode(n) in einen Bereich zwischen +40 und +200 V anhebbar ist.

Durch die weitere Spannungsquelle wird das freie "Floaten" durch ein definiertes positives Potential ersetzt, wodurch der Beschichtungsvorgang weiter stabilisiert werden kann. Während sich beim freien "Floaten" je nach den geome­ trischen Verhältnissen der Vorrichtung und den Verfahrens­ parametern Anodenpotentiale bis knapp unter +40 V ein­ stellen, können durch die weitere Spannungsquelle auch Potentiale in dem angegebenen Bereich vorgegeben werden. Es ist wenig sinnvoll, die Obergrenze des Bereichs von +200 V zu überschreiten, weil sich bereits innerhalb des angegebenen Bereichs voll zufriedenstellende Ergebnisse einstellen.

Der Erfindungsgegenstand eignet sich sowohl für einen chargenweisen als auch für einen Durchlaufbetrieb in konti­ nuierlich oder quasi-kontinuierlich betreibbaren Anlagen. Üblicherweise werden dabei die Substrate bzw. Werkzeuge an oder in einem Substrathalter befestigt, der die Substrate in den Zwischenraum zwischen den Targets hinein und aus diesem wieder heraus transportiert. Dieser Transport kann kontinuierlich oder schrittweise geschehen. Bei einer schritt­ weisen Bewegung wird der Substrathalter für die Dauer des Beschichtungsvorgangs so angehalten, daß sich die Substrate im Zwischenraum zwischen den Targets befinden. Es ist dann möglich, in der Bewegungsbahn der Substrate eine Mehrzahl von Substrathaltern in Bereitschaftsstellung zu halten und nacheinander in den Zwischenraum zwischen den Targets einzuführen. Es ist ausreichend, wenn die Spiegelsymmetrie von Substraten und Targets beim Beschichten im wesentlichen eingehalten wird, d.h. eine durch die Krümmung der Trans­ portbahn bedingte Abweichung in der Substratstellung ist unkritisch.

Bei derartigen kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Verfahren werden bevorzugt rechteckförmige Zerstäubungs­ katoden mit einer langen und einer kurzen Targetseite ver­ wendet, wobei die Transportrichtung senkrecht zur langen Targetseite verläuft. Bei einer solchen Zerstäubungskatode ist es besonders vorteilhaft, wenn der Substrathalter mit mindestens einer Einzelhalterung, vorzugsweise mit mehreren Einzelhalterungen, zum Einsetzen je eines eine Längsachse aufweisenden Werkzeugs in einer solchen Raumlage ausge­ stattet ist, daß diese Längsachse parallel zu den Target­ oberflächen, aber unter einem Winkel von 30 bis 80° zu den langen Targetseiten verläuft.

Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn mehrere Einzel­ halterungen des Substrathalters in bezug auf zwei gegen­ überliegende Targets so ausgerichtet sind, daß die Längs­ achsen der Werkzeuge in fischgrätähnlicher Anordnung aus­ gerichtet sind.

Durch die vorstehend angegebene Winkelstellung der Werk­ zeugachsen wird folgendes erreicht: die Beschichtung in Umfangsrichtung der Werkzeuge ist um so stärker bzw. gleich­ mäßiger, je mehr wirksame Targetfläche das jeweils betrachtete Flächenelement des Werkzeuges "sieht". Kritisch sind die Verhältnisse besonders für solche Flächenelemente, die im wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen der Targets verlaufen. Würden die Werkzeugachsen (z.B. bei Bohrern) senkrecht zur Transportrichtung bzw. parallel zu den langen Targetseiten verlaufen, dann entspricht der maximale "Blickwinkel" der Targetbreite, d.h. der kurzen Targetseite. Besonders ungünstig sind die Verhältnisse bei den Magnetron­ katoden, bei denen die wirksame Targetfläche einem linien­ förmigen Erosionsgraben entspricht. M.a.W.: Bei einem Recht­ ecktarget ist die wirksame Targetfläche in Transportrichtung sehr viel kleiner als die Targetbreite.

Durch die erfindungsgemäße Schrägstellung der Werkzeug­ achsen wird jedoch erreicht, daß der genannten "Blickwinkel" des Flächenelements vergrößert wird und beispielsweise im Grenzfall der Länge der Targetdiagonalen bzw. der langen Targetseite entspricht. Hieraus resultiert nicht nur eine gleichmäßigere Beschichtung in Umfangsrichtung (um die Werkzeugachse herum) , sondern auch eine bessere Haftung auf dem Untergrund und eine bessere Schicht­ struktur, weil nämlich der Anteil der tangential bzw. streifend auftreffenden Materialpartikel zurückgeht, und zwar zu Gunsten von Materialpartikeln, die unter einem wesentlich günstigeren Raumwinkel auf die Werkzeugober­ fläche auftreffen. Optimale Verhältnisse würden dann vor­ liegen, wenn die Materialpartikel senkrecht auf jedes Flächenelement auftreffen. Diese Bedingung ist jedoch bei stationär geführten Substraten für die vorstehend ge­ nannten kritischen Bereiche nur angenähert zu erreichen; die Verhältnisse werden jedoch durch die angegebene Schräg­ stellung der Werkzeugachsen deutlich verbessert.

Besonders gute Beschichtungsergebnisse mit einer durch­ schnittlichen Verlängerung der Standzeiten um etwa den Faktor 2 gegenüber dem Stand der Technik werden durch die vorstehend beschriebene Schrägstellung der Werkzeugachsen in Verbindung mit einem Schichtsystem der Zusammensetzung (TiAl) N₂ erreicht, wobei von einer Targetlegierung ausgegangen wird, die jeweils 50 Atomprozent Ti und 50 Atomprozent Al enthält.

Der Erfindungsgegenstand ist bei ausreichend großem, aber konstantem Abstand der einander gegenüberliegenden Ober­ flächen der Targets auch nicht besonders kritisch im Hin­ blick auf den Werkzeugdurchmesser, wobei vorausgesetzt wird, daß die Werkzeugachse in der Symmetrieebene zwischen den Targets liegend durch deren Zwischenraum hindurch­ geführt wird. Es ist hierbei sogar möglich, ein und den­ selben Substrathalter mit Teilen stark unterschiedlicher Durchmesser zu beschicken, wobei der Durchmesserbereich ohne weiteres zwischen 1 und 25 mm liegen kann.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nach­ folgend anhand der Fig. 1-4 beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt durch eine Vorrichtung für chargenweisen Betrieb mit einer kreis­ förmigen Bewegungsbahn der Substrate,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Substrathalters mit mehreren in fischgrätähnlicher Anordnung ge­ haltenen Werkzeugen (Bohrern) sowie mit einer Draufsicht auf das dahinterliegende Target und

Fig. 4 eine Balkendarstellung der mit den verschiede­ nen Beschichtungsverfahren erreichbaren Stand­ zeiten am Beispiel von Bohrern.

In Fig.1 ist ein Katodengrundkörper 1 dargestellt, der in an sich bekannter Weise aus einem Hohlkörper (aus Kupfer) besteht, in dem ein Magnetsystem untergebracht ist und der an einen nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf ange­ schlossen ist. Dieser Katodengrundkörper ist in gut wärme­ leitender Verbindung mit einem Target 2 bestückt, das aus einem der weiter oben angegebenen Materialien besteht. Auf mindestens zwei Seiten des rechteckigen Targets 2 (bei kreisförmigen Targets vorzugsweise auf dem gesamten Umfang) ist ein Gasverteiler 3 angeordnet, durch den dem Target das für die Hartstoffbildung erforderliche Reak­ tionsgas zugeführt wird. Durch diesen Gasverteiler kann auch zusätzlich eines der üblichen Zerstäubungsgase (Edel­ gas, vorzugsweise Argon) zugeführt werden. Es ist jedoch möglich, dieses Zerstäubungsgas auch an einer anderen Stelle des Systems einzuleiten.

Das rechteckige Target 2 ist entlang seiner zwei langen Seiten von Anoden 4 umgeben, deren Potential in einem Bereich von +10 V bis +200 V liegen kann. Dieser Wert ist in Relation zu einer Spannung von -300 V bis -600 V am Katodengrundkörper zu sehen. Zur Versorgung des Katoden­ grundkörpers 1 und der Anoden 4 dient eine Spannungsquelle 5, die nicht unmittelbar mit Masse verbunden ist. Dadurch könnten sich Katodengrundkörper 1 und Anoden 4 auf ein freies Potential gegenüber der auf Massepotential liegen­ den Vakuumkammer 6 einstellen. Zwischen dem positiven, mit den Anoden 4 verbundenen Pol der Spannungsquelle 5 und dem Massepotential befindet sich jedoch noch eine weitere Spannungsquelle 7, durch die das Potential der Anoden 4 anhebbar ist, beispielsweise in einen Bereich zwischen +40 und +200 V.

Vor der freien Oberfläche des Targets 2 ist ein (beweg­ licher) Substrathalter 8 angeordnet, dessen zur Zeichen­ ebene senkrecht verlaufende Hauptebene planparallel zum Target 2 ausgerichtet ist. Dieser Substrathalter ist gegen­ über Masse durch eine Spannungsquelle 9 auf ein negatives Potential gelegt, das zwischen -40 V und -200 V liegt.

Auf der gegenüberliegenden Seite des Substrathalters 8 ist in spiegelsymmetrischer Anordnung ein identisches System angeordnet, das aus Katodengrundkörper, Target, Gasverteiler, Anoden und den zugehörigen Spannungsquellen besteht, jedoch im einzelnen nicht näher bezeichnet ist. Die gesamte Anordnung ist von der Vakuumkammer 6 umgeben, in der mittels nicht dargestellter Vakuumpumpen ein für die Katodenzerstäubung erforderliches Betriebsvakuum auf­ recht erhalten wird. Durch die dargestellte Anordnung in Verbindung mit den angegebenen Potentialdifferenzen wird die in der Detailbeschreibung angegebene Wirkung erzielt. Die Gasverteiler 3 sind über Regelventile 10 mit einer Gasquelle 11 für das Reaktionsgas (Stickstoff und/oder eine gasförmige Kohlenstoffverbindung) verbunden. Die Va­ kuumkammer 6 ist über ein weiteres Regelventil 12 mit einer weiteren Gasquelle 13 mit einem der üblichen Zer­ stäubungsgase (Argon) verbunden.

In Fig. 2 ist der Einbau zweier Katodensysteme C 1 und C 2 in die zylindrische Vakuumkammer 6 dargestellt, und zwar ist der jeweils radial außen liegende Katodengrund­ körper 1 in die Wand der Vakuumkammer 6 eingebaut. Der nur einfach eingezeichnete Substrathalter 8 rotiert kon­ tinuierlich oder schrittweise auf einer kreisförmigen Bewegungsbahn 14, die auch durch eine Heizstation H hin­ durchführt, die aus zwei Heizelementen 15 und 16 besteht, durch die die Substrate auf eine für den Beschichtungs­ vorgang günstige Temperatur vorgeheizt werden können.

Der jeweils außen liegende Katodengrundkörper 1 ist in die (zylindrische) Wand der Vakuumkammer 6 eingesetzt,während der jeweils innen liegende Katodengrundkörper an einer in der Vakuumkammer liegenden, nicht gezeigten Halte­ vorrichtung befestigt ist. Die Vakuumkammer 6 besitzt noch eine segmentformige Tür 6 a für die Chargierung der Vorrichtung.

Aus Fig. 2 ist weiterhin noch zu entnehmen, daß die zwischen den Targets 2 liegenden Reaktionsräume teil­ weise durch Blenden 17 abgegrenzt sind, die jedoch ein Einleiten des Reaktionsgases von den Gasverteilern 3 her zulassen. Auch die Anoden 4 sind so angeordnet, daß die das Plasma verlassenden Elektronen in Richtung auf die Anoden 4 beschleunigt werden. Der Gasaustritt aus den Gasverteilern 3 erfolgt jedenfalls in jedem Falle in Rich­ tung auf die zwischen den Blenden 7 liegenden Öffnungen.

Fig. 3 zeigt einen Substrathalter 8 in Form eines recht­ eckigen Rahmens 18, der sich über eine Stütze 19 auf einem nicht gezeigten Transportmechanismus abstützt, der den Substrathalter 8 auf der Bewegungsbahn 14 gemäß Fig. 2 führt. Der Rahmen 18 besteht aus einem nach innen offenen Hohlprofil, in dem eine Vielzahl von Einzelhalterungen 20 befestigt ist, die aus einseitig verschlossenen Hülsen bestehen. In dieser Einzelhalterungen ist jeweils ein Werk­ zeug 21 eingesetzt, das im vorliegenden Falle durch einen Bohrer gebildet wird, dessen Längsachse A unter einem Winkel "α" zu den langen Targetseiten 2 a verläuft. Dieser Winkel beträgt beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 45°. Dadurch wird erreicht, daß die Längsachsen A der Werkzeuge 21 in fischgrätähnlicher Anordnung ausgerichtet sind.

Beispiel:

In einer Vorrichtung mit den Details nach den Fig. 2 und 3 (Schrägstellung von Bohrern mit einem Durch­ messer von 6 mm unter einem Winkel von 45°) wurden Targets aus Ti/Al mit einem Anteil von jeweils 50 Atom­ prozent zerstäubt. Die Herstellung der Targets erfolgte durch ein pulvermetallurgisches Preßverfahren aus Pulvern der beiden Komponenten. Die Werkzeuge 21 bestanden aus Bohrern aus Schnellarbeitsstahl mit einem Durchmesser von 6 mm und waren entsprechend vorgereinigt. Nach Erreichen eines Druckes unterhalb von 10^-4 mbar wurden die Werkzeuge 21 in der Heizvorrichtung H mittels Strahlungsheizung auf eine Temperatur von ca. 400° aufgeheizt. Unmittelbar nach Erreichen dieser Temperatur wurden die Werkzeuge 21 in das Katodensystem C 2 eingefahren (das Katodensystem C 1 wurde bei diesem Versuch nicht benötigt), und über die Gasverteiler 3 wurde Argon bis zu einem Druck von 1,5× 10^-2 mbar eingelassen. Bei diesem Druck wurde im Katoden­ system C 2 ein Plasma geringer Leistung gezündet. Das Katodensystem wurde hierbei ohne die Spannungsquelle 7 betrieben, so daß sich eine Anodenspannung von +28 V einstellte. Durch das Anlegen eines negativen Potentials an den (gegenüber der Vakuumkammer isolierten) Substrat­ halter 8 über entsprechende Schleifkontakte wurde zu­ nächst ein Ionen-Ätzprozeß durchgeführt, durch den die Oberflächen der Werkzeuge 21 physikalisch gereinigt wurden ohne daß die Substrattemperatur absank.

Nach einer Ätzzeit von 10 Minuten wurde die Argonströmung im Gasverteiler 3 reduziert, bis sich ein Druck von 10^-2 mbar einstellte. Hierauf wurde dem Argon das Reaktionsgas N ₂ zugemischt. Mit einer Leistungsdichte von 7 W/cm², be­ zogen auf die Targetoberfläche, einem Stickstoff-Partial­ druck von 6×10^-4 mbar wurde eine mittlere Aufstäub­ rate von 3,0 nm/s erzielt. Der Beschichtungsvorgang wurde fortgesetzt, bis eine Schicht aus (Ti, Al) N mit einer Dicke von 4 µm abgeschieden worden war. Untersuchungen der Härte ergaben Werte von H V _0,01=2300. Das Standzeitverhalten der solchermaßen beschichteten Bohrer wurde durch Bohr­ versuche wie folgt festgestellt:

In Platten aus dem Werkstoff X 210CrW12 wurden mit den 6-mm-Bohrern Bohrungen mit einer Tiefe von 15 mm herge­ stellt. Die Schnittgeschwindigkeit betrug 20 m/min. bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,2 mm pro Umdrehung. Als zu bohrender Werkstoff wurde bewußt die vorstehende Legierung gewählt, da diese Karbid-Partikel enthält, die einen besonders hohen abrasiven Verschleiß zur Folge haben. Hierdurch können bei relativ kurzer Versuchsdauer durchaus Vergleichsversuche mit anderen Oberflächenbe­ schichtungen bzw. Beschichtungsverfahren durchgeführt werden.

Fig. 4 zeigt vergleichsweise die Anzahl der bis zum Abtrag der Schicht durchgeführten Bohrvorgänge (Ordi­ natenwerte). Der Balken a zeigt, daß mit unbeschichteten Bohrern im Mittel nur 25 Bohrungen durchführbar waren, bis die Bohrer durch Verschleiß ihrer Schneidkanten aus­ fielen. Der Balken b zeigt, daß mit einer herkömmlichen Hartstoffbeschichtung aus TiN im Mittel nur 143 Bohrungen durchgeführt werden konnten, bis die Bohrer dem Verschleiß erlagen. Der Balken c zeigt, daß mit einer gleichfalls her­ kömmlichen Beschichtung aus (TiAl) N _x zwar verbesserte Werte von - im Mittel - 222 Bohrungen durchgeführt werden konnten, bevor die Bohrer durch Abtragung der Schicht verschlissen. Der Balken d zeigt die Ergebnisse bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung. In diesem Falle konnten im Mittel 385 Bohrungen durchgeführt werden, bevor die Bohrer durch Verschleiß ausfielen.

Ein solches Verhalten kann gegenüber dem Stande der Technik als hervorragend bezeichnet werden.

Vergleichsversuch:

Nach dem Ausbau der Anoden 4 sank der über die Substrate fließende Biasstrom auf weniger als die Hälfte ab. Die damit hergestellten Bohrer zeigten hinsichtlich ihrer Standzeit ein Verhalten, das dem Balken c entsprach.

Claims (5)

1. Verfahren zum Beschichten von Werkzeugen für die Zer­ spanungs- und Umformtechnik mit Hartstoffschichten mit mindestens einem Metall aus der Gruppe Titan, Zirkonium, Chrom, Wolfram, Tantal, Vanadium, Niob, Hafnium und Molybdän in Verbindungen mit mindestens einem Element aus der Gruppe Stickstoff und Kohlenstoff, durch Katodenzer­ stäubung von mindestens zwei beiderseits der Werk­ zeuge angeordneten Targets mit mindestens einem Metall aus der obigen Gruppe, insbesondere mit einem Zusatz von 5-60 Atomprozent an Aluminium zum Metall, in einer mindestens ein Gas aus der Gruppe Stickstoff und einer gasförmigen Kohlenstoffverbindung enthaltenden Atmos­ phäre, wobei die Werkzeuge auf einer Vorspannung von -40 bis -200 V gegenüber Masse gehalten und von dem während der Katodenzerstäubung gebildeten, Elektronen und Ionen enthaltenden Plasma berührt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die das Plasma verlassenden Elek­ tronen durch im Randbereich eines jeden Targets ange­ ordnete und auf eine Spannung von +10 bis +200 V gegen­ über Masse gelegte Anoden nochmals beschleunigt werden, derart, daß durch Kollision dieser Elektroden mit Gas­ teilchen weitere Ionen gebildet werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 mit einer Vakuumkammer, einem Substrathalter für die Aufnahme mindestens eines Werkzeugs, mit einer Spannungsquelle für die Versorgung des Substrathalters mit einer Vorspannung zwischen -40 und -200 V gegen über Masse mit mindestens zwei beiderseits des Substrat­ halters spiegelsymmetrisch zu diesem angeordneten Zer­ stäubungskatoden mit je einem Target und je einer Magnet­ anordnung zum Einschluß des Plasmas zwischen dem jewei­ ligen Target und dem Werkstück, wobei das Target mindes­ tens ein Metall aus der Gruppe Ti, Zr, Cr, W, Ta, V,Nb, Hf und Mo und vorzugsweise einen Anteil von 5-60 Atom-% Al aufweist, und mit mindestens einer Gasquelle zur Ver­ sorgung der Vakuumkammer mit einem Edelgas und mindestens einem Reaktionsgas aus der Gruppe N₂ und einer gasför­ migen Kohlenstoffverbindung zur Erzeugung einer reaktiven Zerstäubungsatmosphäre im Bereich der Zerstäubungskatoden, dadurch gekennzeichnet, daß im Randbereich eines jeden Targets (2) in an sich bekannter Weise mindestens je eine Anode (4) angeordnet ist, derart, daß sich beider­ seits des Substrathalters (8) in spiegelsymmetrischer Anordnung zum Substrathalter mindestens je eine Anode (4) befindet, und daß den Anoden mindestens eine Span­ nungsquelle (5) zugeordnet ist, durch die die Anoden auf eine Spannung von +10 V bis +200 V gegenüber Masse legbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (5) für die Anoden mit ihrem negativen Pol an die zugehörige(n) Zerstäubungska­ tode(n) (1) gelegt sind und daß der positive, mit den Anoden (4) verbundene Pol über eine weitere Spannungs­ quelle (7) an Masse gelegt ist, derart, daß das Poten­ tial der Anoden (4) in einen Bereich zwischen +40 und +200 V anhebbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, mit rechteckförmigen Targets (2) mit einer langen und einer kurzen Target­ seite, dadurch gekennzeichnet, daß der Substrathalter (8) mit mindestens einer Einzelhalterung (20) zum Ein­ setzen je eines eine Längsachse (A) aufweisenden Werk­ zeugs in einer solchen Raumlage ausgestattet ist, daß diese Längsachse parallel zu den Oberflächen der Tar­ gets (2), aber unter einem Winkel "a" von 30 bis 80° zu den langen Targetseiten (2 a) verläuft.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einzelhalterungen (20) des Substrathalters (8) in bezug auf zwei einander gegenüberliegende Tar­ gets (2) so ausgerichtet sind, daß die Längsachsen (A) der Werkzeuge (21) in fischgrätähnlicher Anordnung ausgerichtet sind.