DE69329161T2 - Verbesserungen von Verfahren der physikalischen Dampfphasen-Abscheidung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit einer Hartmaterialschicht, die aus zumindest einem aus TiN, TiCN, ZrN, ZrCN, HfN, HfCN, TiAlN, TiAlCN, TiZrN, TiZrCN, TiNbN, TinBCN, CrN und CrCN besteht, durch einen physikalischen Vakuumabscheidungsprozeß.
• Ein Verfahren dieser Art ist aus der WO-A-91 00 374 bekannt, die einen Prozeß zum Abscheiden einer Hartmaterialbeschichtung, wie beispielsweise TiN beschreibt, bei dem eine Anreicherung der Substratfläche mit Nb- oder Ta-Ionen unter Verwendung einer Vakuumlichtbogenverdampfung unter Verwendung eines Verfahrens zur Vakuumlichtbogenverdampfung durchgeführt wird. Mit diesem bekannten Verfahren wird nur eine Übergangsschicht gebildet, die eine Dicke von etwa 1500 bis 2000 Å aufweist. Die EP-A-320 706 offenbart ein Verfahren zum Abscheiden einer Schicht aus Ta und/oder Nb durch physikalische Dampfabscheidung entweder durch Sputtern oder Lichtbogenverdampfung, bevor die Lichtbogenmaterialbeschichtung abgeschieden wird. Auch schlägt man bei diesem bekannten Verfahren nur die Verwendung einer Übergangsschicht vor, die nicht zu Antikorrosionseigenschaften führt, die für viele technische Zwecke erforderlich sind.
• Es ist bekannt, daß gebräuchliche Hartmaterialschichten, wie beispielsweise TiN, TiCN, ZrN, ZrCN, CrN etc., die durch physikalische Dampfabscheidung gebildet werden, in wäßrig sauren Lösungen durch ein ausgeprägt positives elektrochemisches Potential gekennzeichnet sind. Im Ge gensatz dazu weisen typische Substratmaterialien, auf die Hartmaterialschichten aufgetragen werden, wie beispielsweise Fe, FeNiCr, Ni, Cr, Cu, CuZn, negative elektrochemische Potentiale auf.
• Diese "natürlichen" Umstände haben das Problem zur Folge, daß sich unter bestimmten Bedingungen örtlich begrenzte elektrochemische Zellen oder elektrochemische Lokalelemente bilden können, die notwendigerweise zu einer örtlich begrenzten Korrosion in dem Substratmaterial führen. Diese Bedingungen liegen bei Anwesenheit einer Pore in einer Hartmaterialschicht und bei Anwesenheit von Feuchtigkeit und beispielsweise Spuren von Halogenionen vor. Feuchtigkeit und Halogenionen können beispielsweise bei der Handhabung beispielsweise infolge von Schweiß entstehen, der z. B. durch Finger- oder Handabdrücke abgeschieden wird. Es ist heutzutage bekannt, daß man diese örtlich begrenzte Korrosion umfassend unterdrücken kann, wenn man die Substratfläche mit einer elektrochemisch positiven Deckschicht versieht. Es ist beispielsweise bekannt, eine 0,1 um bis 2 um dicke galvanische NiPd-Schicht aufzutragen, wobei das Edelmetall Pd die Bildung eines positiven Potentials bewirkt. Dieses Verfahren ist jedoch angesichts des hohen Prozentsatzes der Edelmetallkomponente teuer.
• Es ist davon auszugehen, daß die Materialien, wie beispielsweise Ta und Nb, die besonders chemisch beständig sind, besonders gut als eine Zwischenschicht zwischen dem Metallsubstrat und der keramischen Hartmaterialschicht geeignet sind. Wenn man nämlich eine Zwischenschicht dieser Art verwendet, dann bilden sich in dem Fall einer Pore in der Hartmaterialschicht und bei Anwesenheit von sauren wäßrigen Medien elektri sche nichtleitende Oxide Ta&sub2;O&sub5; direkt unter der Pore. Diese Oxide können nur durch Lösungen mit Fluorwasserstoffsäure angegriffen werden. Das System besitzt somit einen selbstheilenden Charakter.
• Es ist jedoch problematisch, daß dieser Vorschlag nur unter großen Schwierigkeiten realisiert, insbesondere industriell realisiert werden kann, da weder Ta noch Nb einfach und in dichten dünnen Schichten abgeschieden werden kann. Es ist bekannt, daß Ta und Nb auch nicht unter Verwendung wäßriger galvanischer Prozesse abgeschieden werden kann. Das durch die vorliegende Erfindung zu lösende Problem besteht darin, den Systemen aus Hartmaterialbeschichtung/Substrat gute Antikorrosionseigenschaften zu verleihen.
• Dieses Problem wird durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale von Anspruch 1 umfaßt. Bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Bei dem Prozeß der vorliegenden Erfindung wird die Fläche des Substrates zuerst mittels des Lichtbogenprozesses während des bekannten Ätzschrittes in dem mehrfach ionisierten Metalldampf aus Ta und Nb mit Ta- oder Nb-Atomen angereichert.
• Nach dieser Vorbehandlung wird das Substrat oder der zu beschichtende Teil mit einer vorzugsweise 0,05 um bis ca. 2 um umfassenden Schicht der oben erwähnten Materialsysteme beschichtet, d. h. den Elementen Ta oder Nb. Für den Beschichtungsprozeß kommt entweder die Lichtbogentechnik oder der Sputterprozeß in Betracht. Die weitere Beschichtung mit einer Hartmaterialschicht, beispielsweise TiN, ZrN etc. erfolgt dann auf dieser Zwischenschicht.
• Die Erfindung wird nun detaillierter unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 6 erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 ein Diagramm der typischen Verteilung der kinetischen Energien der Partikel, die auf das Substrat bei Beschichtung eines Substrates mittels eines gebräuchlichen Verfahrens zur Lichtbogenentladungsverdampfung einfallen,
• Fig. 2 grundsätzliche Kreisdiagramme, um die Prozesse der Lichtbogenentladungsverdampfung und Kathodensputterung zu erläutern,
• Fig. 3 eine schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung zur Durchführung des Prozesses,
• Fig. 4 ein Beispiel der Prozeßschritte in einer schematischen Veranschaulichung,
• Fig. 5 eine Längsschnittansicht entlang der Linien A-A von Fig. 6, und
• Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linien B-B von Fig. 5.
• Das Diagramm von Fig. 1 zeigt die typische Verteilung der kinetischen Energien der Partikel, die auf ein zu beschichtendes Substrat einfallen, wie beispielsweise bei einer Beschichtung, die mittels eines gewöhnlichen Verfahrens zur Lichtbogenentladungsverdampfung gebildet wird. Die kinetische Energie ist an der Abszisse aufgezeichnet und die Einfallshäufigkeit der kondensierenden Partikel ist an der Ordinate aufgezeichnet. Wie aus diesem Diagramm ersichtlich ist, liegt der ideale Energiebereich erfahrungsgemäß bei etwa 40 bis 80 eV. Kleinere oder größere Energien führen zu defekten Mechanismen, die in dem Diagramm dargestellt sind. Die grundsätzlichen Kreisdiagramme für Lichtbogenentladungsverdampfung und für Kathodensputterung sind in Fig. 2 gezeigt.
• In dem Behälter 1 ist eine Kathode 2 angeordnet. In dem Fall der Lichtbogenentladungsverdampfung liegt diese Kathode bei einem Potential von -20 V bis -50 W Der Lichtbogenstrom bildet sich zwischen der Kathode 2 und der Anode 3.
• Die Anode liegt bei einem typischen Potential im Bereich zwischen 0 und +50 V. Der Lichtbogenstrom kann mehrere hundert Ampere betragen. Ein Teil des Stromes breitet sich in dem Raum in der Richtung der Substrate 4 aus. Diese Substrate liegen, wie es erforderlich ist, bei einer negativen Vorspannung von bis zu 2000 V in dem Falle eines Ätzprozesses und beispielsweise zwischen 1100 und 1200 V in dem Falle der Bildung der Übergangsschicht oder bei ca. 100 V während der Beschichtung.
• Die Substrate sind an dem Substrathalter 5 befestigt, wobei dieser elektrisch isoliert in die Kammer 1 eingebaut ist und mit einer geeigneten Energieversorgung verbunden sein kann.
• In dem Fall der herkömmlichen Kathodensputterung liegt die negative Vorspannung bei 3000 bis 4000 V. Typische Werte für eine Magnetronsputterung liegen zwischen 400 und 700 V. Das raumfüllende Plasma des herkömmlichen Kathodensputterungsprozesses ist schematisch mit. Bezugszeichen 6 gezeigt. Dieselben Bedingungen gelten für die Substrate 4 und den Substrathalter 5 ebenso in dem Fall der Lichtbogenentladun gsverdampfung.
• Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispieles einer Vorrichtung zur Ausführung der Erfindung. Bei dieser Anordnung ist eine herkömmliche Kathode 2 für die Lichtbogenentladungsverdampfung und für die Kathodensputterung vorgesehen.
• Die Kathode 2 ist durch eine Dunkelfeldabschirmung, die bei Erdpotential oder bei einem schwebendem Potential vorliegt, oder von Isolationsmaterial 7 umgeben. Die Kathode 2 und Anode 3 sind in der Schaltung 8 miteinander verbunden. Die Energieversorgung 9 zur Beibehaltung der Lichtbogenentladung und der Schalter 10 zur selektiven Betätigung der Lichtbogenentladungsverdampfung liegen in dieser Leistungsschaltung.
• Parallel zu der Leistungsschaltung 8 liegt die Leistungsschaltung 11, die die Energieversorgung 12 mit der Kathode 2 über den Schalter 13 zur selektiven Beibehaltung der Kathodensputterentladung verbindet. Der positive Ausgang der Energieversorgung 12 liegt in bekannter Weise bei Erdpotential. Schließlich verbindet eine Schaltung 14 den Substrathalter 5 mit dem negativen Ausgang der Energieversorgung 148 über einen Schalter 15. Der positive Ausgang liegt in diesem Fall entweder bei Erdpotential oder bei dem Potential der Kammer. Mit den Bezugszeichen 17 und 18 sind zwei mögliche Ausführungsformen von Magnetisierungsvorrichtungen für das Plasma gezeigt (Bezugszeichen 6 in Fig. 2). Abhängig von der technischen Realisierung sind diese Magnetisierungsvorrichtungen 17 und 18, die aus Streufeldwicklungen bestehen, mit den DC-Versorgungen 19 bzw. 20 elektrisch verbunden. Die Höhe des Wicklungsstromes ist bei dieser Anordnung so gewählt, daß die Ionenstromdichte an den Substraten 4 über 2 mÅ/cm² unter der Wirkung der negativen Vorspannung liegt, die von der Energieversorgung 16 abstammt.
• Fig. 4 gibt schematisch die einzelnen Prozeßschritte wieder und zeigt die Zeitabfolge der charakteristischen elektrischen Verfahrensparameter in einer schematischen Darstellung.
• Bei dem Ätzprozeß befindet sich das Vorspannungspotential an dem Substrat an seinem höchsten Punkt (typischerweise -1600 V) und wird allmählich zur Bildung der Übergangszone (typischerweise -1100 V) und bei der Beschichtung mit Hilfe der Energieversorgung 16 verringert. Der Strom an den Substraten ist anfänglich sehr hoch und wird während der Bildung der Übergangsschicht verringert.
• Bei der Beschichtung mittels Lichtbogenentladungsverdampfung wie auch bei der Phase der Kathodensputterung kann die negative Substratvorspannung bei einer konstanten Höhe gehalten werden, nämlich typischerweise 50 V ± 25 V.
• Um einen angemessenen Jonenstrom an dem Substrat zu erreichen, wird der Lichtbogenstrom (Energieversorgung 9) erhöht.
• Das Kathodenpotential wird bei den ersten Prozeßschritten mittels der Energieversorgung 9 beinahe konstant gehalten (typischerweise -20 V) und wird bei der Beschichtung durch Kathodensputtern beispielsweise unter Verwendung von Magnetronkathoden mittels der Energieversorgung 12 auf typischerweise -500 V erhöht oder eingestellt.
• Der Kathodenstrom bei der Kathodensputterung ist stromgesteuert (Energieversorgung 12) und bleibt während des Verlaufes des weiteren Beschichtungsprozesses konstant.
• Der Ionenstrom zu den Substraten (Vorstrom) ist durch die Verwendung von zusätzlicher magnetischer Ionisierung entsprechend hoch (beispielsweise mittels der Magnetisierungsvorrichtungen 17, 18) und liegt über 2 mÅ/cm².
• Die wichtigsten Prozeßparameter sind in der folgenden Tabelle dargestellt: Tabelle: Prozeßparameter
• Weitere nützliche Vorrichtungen zur Ausführung der vorliegenden Erfindung sind nun unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 erläutert.
• Die Fig. 5 und 6 zeigen schematisch eine Vorrichtung, die mit zwei Elektromagneten hinter einer kreisförmigen Kathode ausgerüstet ist. Die Vorrichtung besteht aus einer Kammer 101, die eine Vakuumkammer ist, die aus magnetisch weichem Material besteht und eine zylindrische Form aufweist, wobei ihre Achse horizontal orientiert ist. Die Kammer 101 dient auch als Anode 103. Die Kammer 101 ist mit einem Einlaß 108, der Arbeitsgas liefert, und einem Pumpenauslaß 109 ausgerüstet. Fluchtend mit einer vertikalen Wand der Kammer 101 und koaxial zu dieser ist eine flache kreisförmige Kathode 102 aus Titan angeordnet. Eine kreisförmige Halterung 104 für Substrate 105 ist koaxial zu der Kammer 101 und gegenüberliegend der Kathode 102 befestigt, wobei die Halterung 104 so einstellbar befestigt ist, daß die Distanz zwischen der Halterung 104 und der Kathode 102 zwischen 30 und 300 mm variiert werden kann. Die Quelle 106 für Kathodenspannung Ux und Quelle 107 für Substratspannung Us sind außerhalb der Kammer 101 angeordnet. Die Quelle 106 der Spannung Ux ist eine Quelle für Gleichspannung von Null- bis 1.000 V; wobei ihr negativer Pol mit Kathode 102 und ihr positiver Pol mit Kammer 101 verbunden ist. Die Quelle 107 für Gleichspannung Us ist zwischen Null und 1.000 variabel, wobei ihr negativer Pol mit einer leitfähigen Halterung 104 und ihr positiver Pol mit einer Kammer 101 verbunden ist. Quellen für das mehrpolige Magnethaltefeld sind teilweise Permanentmagneten 110, 111, 112 und teilweise zwei Elektromagnete 115, 117.
• Wie in Fig. 5 gezeigt ist, sind Permanentmagnete 110, 111 an der Innenfläche der Kammer 101 in Gruppen 122, 123 untergebracht und befestigt, die eine gerade Anzahl von Reihen, von denen in Fig. 5 acht gezeigt sind, parallel zu der Achse der Vorrichtung bilden. Alle Magnete in einer gegebenen Gruppe haben übereinstimmende Orientierungen und besitzen radiale Richtungen. Die Magnete der benachbarten Gruppen 122, 123 besitzen Orientierungen entgegengesetzter Polarität. Zu diesem Zweck sind die Magnete 111, die näher an der Kathode 102 liegen, in einer Orientierung verdoppelt. Die Permanentmagnete 112 sind ferner an der vertikalen Innenwand der Kammer hinter den Substraten untergebracht und ihre Pole sind parallel zu der Achse der Vorrichtung orientiert und ihr Feld steht mit den Feldern der Magnete in den Gruppen 122, 123 an der Innenfläche der Kammer 101 in Verbindung.
• Die Vorrichtung ist ferner mit zwei Elektromagneten zur Bildung eines Haltemagnetfeldes ausgerüstet. Der erste Elektromagnet besteht aus einer Wicklung 115, die über Stromquelle 11 verbunden und hinter der Kathode 101 angeordnet und koaxial zu dieser angeordnet ist, und einem Kern 116 aus Weicheisen, der in den zentralen Hohlraum der ersten Wicklung 115 eingesetzt ist. Der zweite Elektromagnet besteht aus der zweiten Wicklung 117, die über Stromquelle 12 verbunden ist und hinter der Kathode 101 und koaxial zu dieser um die erste Wicklung 115 angeordnet ist. Ein Hohlkern 118 aus Weicheisen in der Form eines zylindrischen Kreisrings füllt den Raum zwischen der ersten und der zweiten Wicklung und ist über Platte 119, die aus Weicheisen besteht, mit dem Kern 116 verbunden. Der Gesamtaufbau der Kathode 102, der ersten und der zweiten Wicklung 115 und 117 und des magnetischen Kreises 116, 118, 119 sind über einen Packungs- und Isolationsring 121 mit Hilfe des Flansches 120 an dem Rand des kreisförmigen Ausschnittes in der vertikalen Wand der Kammer 101 befestigt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind verschie dene Komponenten nicht gezeigt, wie beispielsweise: die Quellen der Ströme 11 und 12, die Gasfüll- und -pumpsysteme, Packung, Isolation, Vakuumeinrichtungen, Einrichtungen zur Kühlung der Kathode, Kammer und Substrate und Einrichtungen zum Erwärmen der Substrate. Wenn es der Prozeß zum Sputtern von Schichten erfordert, kann die Vorrichtung auch einen bewegbaren Verschluß zwischen der Kathode und den Substraten umfassen.
• Die Vorrichtung funktioniert wie folgt: Kammer 1 wird durch Einlaß 8 mit einem Arbeitsgas oder einer Gasmischung, wie beispielsweise einer Mischung aus Argon und Stickstoff, auf einen erforderlichen Gesamtdruck pT befüllt. Dann wird eine Glühentladung zwischen Kathode 102 und Kammer 1 gezündet, die auch als Anode 103 dient. Diese Entladung ist abhängig und wird durch die mehrpoligen Magnethaltefeldlinien von Kraft 113, 114 beeinflußt, die den Halteraum umschließen, in dem Substrate 105 und Halterung 104 untergebracht sind. Die Kraftlinien des mehrpoligen Feldes an der Begrenzung des Halteraumes ändern ihre Richtung an verschiedenen Stellen infolge der wechselnden Polaritäten der Magnetgruppen 122, 123. Daher fällt, wenn man sich von dem Rand des Halteraumes zu dem Zentrum bewegt, die Magnetfeldintensität schnell ab. Dieses Feldmuster übt einen magnetischen Druck auf das Plasma von den Rändern in Richtung des Zentrums des Halteraumes aus, wodurch ein dichtes Plasma eingegrenzt wird.
• Die magnetische Induktion an der Begrenzung des Halteraumes beträgt gewöhnlich 10 mT bis 50 mT oder sogar mehr, wobei sie im mittleren Bereich, der die Substrate enthält, gewöhnlich zwischen Null und 2 mT beträgt. Damit das Plasma perfekt gehalten wird, ist es erforderlich, daß von dem Mittelbereich des Halteraumes zu der Anode kein Kanal mit einer niedrigeren als der minimalen Größe der magnetischen Induktion läuft, die gewöhnlich zwischen 1 und 10 mT liegt. Wenn ein solcher Kanal vorhanden ist, wird nur teilweise gehalten und die Dichte des Plasmas ist verringert. Auch kann die Entladungsstabilität verringert sein.
• Ein Teil des mehrpoligen Magnethaltefeldes ist das Magnetfeld über der Kathode 102, das durch Wicklungen 115 und 116 und magnetische Kreise 116, 118, 119 gebildet wird, die hinter der Kathode 102 angeordnet sind. Ein Strom 11 der Wicklung 115 von einem geschlossenen Tunnel aus Kraftlinien 114 über der Kathode und ein Strom 12 der zweiten Wicklung 117 bildet ein Magnetfeld, wobei Kraftlinien von dem Rand der Kathode 102 entweichen und mit Kraftlinien in Verbindung treten, die durch Permanentmagnete 111 gebildet werden. Es ist möglich, die Form und Intensität des durch die Wicklungen 115 und 117 gebildeten Magnetfeldes durch Änderung der Polarität und Größe der Ströme 11 und 12 zu ändern, wodurch das Haltevermögen des Plasmas beeinflußt wird.
• Daher wird aus der Wechselwirkung der Glühentladung zwischen Kathode 102 und Anode 103 mit dem mehrpoligen Magnethaltefeld ein dichtes Plasma bewirkt und in dem Halteraum beibehalten. Partikel aus diesem. Plasma, insbesondere Elektronen und positive Ionen, treffen auf die Substrate auf und können die Eigenschaften der wachsenden Schichten beeinflussen. Wenn die Substrate elektrisch leitfähig sind, ist es möglich, eine Spannung Us von Quelle 107 an diese anzulegen und dadurch die Art und Energie der beschießenden Partikel zu ändern und auch um weitere Bedingungen des Wachstums der Schichten zu ändern. Eine Spannung Us von -20 bis -100 V ist gewöhnlich bei der Schichtenabscheidung aus reichend, um solche Effekte zu erreichen. In dem Fall einer höheren Spannung Us, die gewöhnlich im Bereich von zumindest -200 bis -1.000 V liegt, ist es möglich, ein ionisches Ätzen der Substrate 105 zu erzielen.
• Es ist auch möglich, Eigenschaften der Schichten durch Änderung der Distanz zwischen der Kathode und den Substraten zu beeinflussen. Es ist herausgefunden worden, daß bei einer Vorrichtung gemäß den Fig. 5 und 6 während eines Sputterns von Titan in Argon mit einem Druck pT = 0,1 Pa und mit einer konstanten Kathodenentladung der Ionisierungsstrom Is, der auf die Substrate mit einer Vorspannung von Us = -100 V fließt, bei Abständen von Kathode zu Substrat im Bereich von 80 bis 220 mm nur um ±10% von seinem Mittelwert variierte. Dies ist ein wichtiger Vorteil des vorliegenden Verfahrens und der vorliegenden Vorrichtung, der die hohe Homogenität des Plasmas in dem Halteraum bestätigt und zur Beeinflussung von Eigenschaften der Schichten verwendet werden kann.
Beispiele
• Das Verfahren der Sputterung von Schichten ist nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele von Titannitridschichten erläutert, die in einer in den Fig. 5 und 6 dargestellten Vorrichtung gebildet werden.
Beispiel 1
• Es wurden Substrate 105, die aus Schnellarbeitsstahl bestanden und an einer Halterung 104 angeordnet waren, auf eine Temperatur von 500ºC bei einem Druck von niedriger als 10&supmin;² Pa erhitzt. Es wurde eine Spannung Us = -600 V an die Substrate 105 für 120 Sekunden angelegt und eine Spannung Ux = -500 V an die Kathode 102 bei einem Argondruck von 0,09 Pa angelegt, um die Substrate und die Kathode mittels Ionen zu reinigen. Anschließend wurden Titannitridschichten für 90 Minuten in einer Mischung aus Argon und Stickstoff bei einem Gesamtdruck von 0,09 Pa mit einer Kathodenspannung von Ux = -600 V und einem Kathodenstrom Ix = 5 A gesputtert. Die Substrate 5 wurden bei einer Distanz von 200 mm von der Kathode 102 angeordnet und es wurde eine Vorspannung US = 100 V an diese angelegt. Mit einem Strom 11 = 0,9 A für Wicklung 115 und einem Strom 12 = 4 A für Wicklung 1 17 wurden die Substrate während des Schichtenwachstums größtenteils durch Ionen aus dem Plasma mit einem Gesamtstrom IS = 610 mA beschossen.
• Eine Schicht, die wie oben beschrieben hergestellt wurde, besaß eine Dicke von 3,2 um und eine Mikrohärte nach Vickers von HV = 2.590 ± 90 kg/ mm², was eine kompakte Mikrostruktur der Schicht zeigt, wie auch eine helle Goldfarbe.
Beispiel 2
• Es wurden Titannitridschichten mit demselben Prozeß wie bei Beispiel 1, außer, daß die Vorspannung an den Substraten Us = -50 V betrug, mit einer Textur (220) hergestellt, während sich andere physikalische Eigenschaften der Schichten im Vergleich zu Beispiel 1 nicht erheblich änderten.
Beispiel 3
• Es wurden Titannitridschichten mit demselben Prozeß wie bei Beispiel 1 hergestellt, aber die Quelle Us war getrennt und es wurde ein schwebendes Potential Uü = 31 V bezüglich der Anode 3 verwendet. Die Schichten besaßen eine Dicke von 5,5 um nach einer Abscheidungszeit von 120 min und besaßen eine Mikrohärte von HV = 2.070 ± 80 kg/mm², so daß sie zu kompakt waren. Eine Röntgenstrahlenanalyse ergab die folgenden Ergebnisse: α&sub1;&sub1;&sub1; = 0,4255 nm, α&sub2;&sub0;&sub0; = 0,4243 nm; β&sub1;&sub1;&sub1; = 0,23º, β&sub2;&sub0;&sub0; = 0,27º, β&sub2;&sub2;&sub2; = 0,51º; e = (4,0 + 0,5) · 10&supmin;³, δ = 2,9 GPa. Die Schichten besaßen eine verringerte Textur (111) + (200), während eine Relation von korrigierten Reflexionsintensitäten I&sub2;&sub0;&sub0;/I&sub1;&sub1;&sub1; = 1 betrug. Diese Eigenschaften sind verglichen mit Titannitrid, das durch andere physikalische Verfahren einschließlich eines herkömmlichen Sputterns beschichtet wurden, unüblich und sie zeigen niedrigen Spannungen in den Schichten und einen niedrigen Kristallgitterschaden bezüglich der niedrigen Energie von beschießenden Ionen und gleichzeitigem Beschuß durch Elektronen mit ausreichender Stromdichte. In Verbindung mit einer ausreichend hohen Mikrohärte besitzen diese Schichten eine hohe Anhaftung an Polster und haben sehr nützliche Eigenschaften, wenn sie auf Schneidwerkzeuge aufgetragen sind.
Beispiel 4
• Beispiel 4 beschreibt die Steuerung einer Schichtentextur durch Steuerung der Größe des schwebenden Potentials Ufl. Es wurde derselbe Prozeß wie bei Beispiel 3 verwendet, aber mit einem Strom 12 = 10 A und 11 = 2 A, wobei das schwebende Potential der Substrate Ufl auf -45 V erhöht wurde und die beschichtete Schicht eine bevorzugte Orientierung von (111) mit einer Relation von I&sub2;&sub0;&sub0;/I&sub1;&sub1;&sub1; = 0,2 besaß. Eine Verringerung der Vorspannung von Ufl auf -24 V wurde durch Änderung der Ströme 12 auf 3,8 A und 11 auf 1,6 A und Änderung der bevorzugten Orientierung auf (200) mit einer Relation von I&sub2;&sub0;&sub0;/ I&sub1;&sub1;&sub1; = 5 erreicht. Andere Schichtparameter, wie beispielsweise Mikrohärte, Spannung und Gitterparameter änderten sich nicht wesentlich. Es ist anzunehmen, daß Schichten mit gesteuerter Textur zur optimalen Beschichtung von Schneidwerkzeugen mit einem breiten Anwendungsbereich wichtig sind.
• Die vorliegende Erfindung wird nun ferner unter Bezugnahme auf die bezüglich des oben beschriebenen Prozesses durchgeführten Modifikationen beschrieben.
• Zuerst wird ein Mehrkathodensystem verwendet.
• Die Kathode 2, die mit dem Permanentmagnetsystem ausgerüstet ist und als die erste Kathode bezeichnet ist, bildet die Magnetronkathode zur Abscheidung des Hartmaterials und trägt ein Target, das aus zumindest einem von Ti, Zr, Zi, Hf, TiAl, TiZr, TiNb und Cr besteht. Im Gebrauch der Vorrichtung mit der ersten Kathode im Betrieb wird die Kammer mit einem Gas befüllt, das Stickstoff N oder Kohlenstoff und Stickstoff CN liefert, um die tatsächliche Hartmaterialbeschichtung aus TiN, TiCN, ZrN, ZiCN, HfN, HfCN, TiAlN, TiAlCN, TiZrN, TiZrCN, TiNbN, TiNbCN, CrN und CrCN zu bilden. Eine andere der Kathoden 2, die zweite Kathode, besitzt eine Target, das aus einem der Elemente Ta und Nb besteht und zum Ätzen des Substrates und zur Bildung einer Übergangsschicht aus Ta oder Nb verwendet wird. Die dritte Kathode 2 besitzt ein Target, das mit dem Target identisch ist, das an der ersten Kathode verwendet ist. Sie ist auch als eine Magnetronkathode ausgeführt, d. h. mit einer Magnetanordnung; ähnlich derjenigen der ersten Kathode versehen.
• Gemäß dieser Anordnung wird eine Ätzvorbehandlung zuerst unter Verwendung der zweiten Kathode ausgeführt, wobei das Substrat bei einer Vorspannung mit negativem Potential im Bereich von 1300 bis 2000 V und vorzugsweise 1500 bis 1600 V beibehalten wird. Es wird ein geeignetes Magnetsystem mit der zweiten Kathode verwendet, um ein Ätzen durch einen Lichtbogenprozeß zu erreichen.
• Die Prozeßparameter sind gemäß den in der vorhergehenden Tabelle angegebenen Ätzwerten gewählt.
• Danach wird eine Übergangsschicht auf dem Substrat wiederum unter Verwendung der zweiten Kathode gebildet, wobei die negative Substratvorspannung auf eine Vorspannung mit negativem Potential im Bereich von 1000 bis 1400 V verringert ist.
• Während dieses Prozesses werden Ta- oder Nb-Ionen in das Substrat implantiert, um eine Übergangs- oder Verankerungsschicht zu bilden. Danach wird das Magnetsystem in ein Magnetronkathodensystem geändert, und es wird eine Schicht aus Ta und/oder Nb von 0,05 um bis 2 um Dicke auf der Übergangsschicht mit einer negativen Substratvorspannung von typischerweise -25 V bis -150 V unter Verwendung von Prozeßparametern abgeschieden, die ähnlich denjenigen sind, die für die Beschichtung mit einem unausgeglichenen Magnetron in der vorhergehenden Tabelle beschrieben sind. Dieser Lichtbogenprozeß und der Sputterprozeß werden vorzugsweise in einer Atmosphäre aus Argon (bei verringertem Druck) ausgeführt.
• Anschließend wird die erste und dritte Kathode in Gebrauch genommen und zwar wiederum mit Prozeßparametern, wie sie in der Tabelle für ein unausgeglichenes Magnetron beschrieben sind, um die tatsächliche Hartmaterialbeschichtung abzuscheiden. Dazu wird das geeignete Gas in die Kammer zugeführt.
• Die zweite Kathode wird mit einem bewegbaren Magnetsystem realisiert, um den Betrieb dieser Kathode von einem Lichtbogenabscheidungsprozeß zu einem Kathodensputterprozeß zu ändern.
• Auf eine ähnliche Art und Weise kann die Vorrichtung der Fig. 5 und 6 modifiziert werden, um den Prozeß der vorliegenden Erfindung auszuführen.
• In dem Fall der Fig. 5 und 6 muß die einzelne Kathode durch zwei Kathoden ersetzt werden, wobei eine Kathode ein Target aus dem Ta- und/oder Nb-Material aufweist, d. h. eine Kathode mit einem der Elemente Ta oder Nb, und eine zweite Kathode ein Target aus dem Material aufweist, das für den Hartmaterialbeschichtungsprozeß verwendet wird, wie beispielsweise Ti.
• Beispielsweise kann die kreisförmige Kathode von Fig. 5 und 6 in eine zentrale kreisförmige Kathode in dem einen Material und eine Außenringkathode in dem anderen Material unterteilt werden, wobei jede Kathode mit ihrem eigenen Magnetsystem versehen ist, um den für den Sputterbe trieb erforderlichen Tunnel zu erzeugen. Es ist auch erforderlich, jeweilige Energieversorgungen für die beiden Kathoden vorzusehen, um deren getrennten Betrieb zu ermöglichen.
• Wenn die eine Kathode aus Ta oder Nb für Ionenreinigung, Bildung der Übergangsschicht und Abscheidung der 0,05 um bis 2 um dicken Ta- oder Nb-Schicht durch den Lichtbogenverdampfungsprozeß verwendet wird, d. h. ohne Inanspruchnahme bei der Abscheidung der 0,05 um bis 2 um dicken Ta- oder Nb-Schicht durch Sputtern, dann erfordert sie kein separates Magnetsystem zur Erzeugung eines Tunnels aus Feldlinien, sondern vielmehr ein Magnetsystem für einen Lichtbogenbetrieb. Das Magnetsystem kann gemäß der U. S. 5,160,595 konstruiert sein, so daß es für beide Betriebstypen anwendbar ist.
• Auch können vier Kathoden vorgesehen sein. Bei Verwendung für den Prozeß der vorliegenden Erfindung kann zumindest eine der Kathoden und können vorzugsweise zwei Kathoden mit Targets versehen sein, die aus Ta- oder Nb-Material bestehen und zum Ionenätzen, zur Bildung der Übergangszone und zur Abscheidung der 0,05 um bis 2 um dicken Schicht aus Ta oder Nb verwendet werden. Wenn zwei Kathoden verwendet sind, können sie benachbart zueinander angeordnet sein, sind aber vorzugsweise gegenüberliegend zueinander angeordnet, wodurch eine bessere Gleichförmigkeit der Beschichtung erzielt wird. Die verbleibenden Kathoden können für die Abscheidung der Hartmaterialbeschichtung verwendet werden. Alternativ dazu kann jede der bestehenden rechtwinkligen Kathoden in zwei Kathoden unterteilt werden, wobei eine ein Target aus dem Ta- oder Nb-Material und die andere ein Target aus dem Material aufweist, das für die Hartmaterialbeschichtung erforderlich ist.
• Wenn das Ionenätzen, die Bildung der Übergangszone und die Abscheidung der 0,05 um bis 2 um dicken Schicht aus Ta oder Nb alle durch den Lichtbogenverdampfungsprozeß bewirkt werden, dann erfordern die jeweiligen Kathoden kein tunnelerzeugendes Magnetsystem, sondern vielmehr ein Magnetsystem, das für Lichtbogenverdampfung geeignet ist.
• Wenn jedoch die Abscheidung der 0,05 um bis 2 um dicken Schicht aus Ta oder Nb durch Sputtern bewirkt wird, dann ist ein tunnelerzeugendes Magnetsystem für die jeweiligen Kathoden erforderlich und sollte wie beispielsweise bei U. S. Patent 5,160,595 entfernbar angeordnet sein, um ein Ionenätzen und eine Implantation (d. h. Bildung der Übergangszone) durch den Lichtbogenprozeß zuzulassen.
• Es sollten verschiedene Typen von Kathoden, wie vorher, mit jeweiligen Energieversorgungen vorgesehen sein, um einen Betrieb in den verschiedenen Betriebszuständen zuzulassen.
• Das Ionenätzen, die Ionenimplantation (Abscheidung der Übergangszone) und die Abscheidung der Ta- oder Nb-Schicht mit einer Dicke von 0,05 um bis 2 um wird vorzugsweise in einem Inertgas, typischerweise Argon, oder in einer Atmosphäre aus Argon und Stickstoff bewirkt, obwohl dies nicht so vorteilhaft ist, da der Stickstoff eine Versprödung bewirkt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit einer Hartmaterialschicht, die aus zumindest einem aus TiN, TiCN, ZrN, ZrCN, HfN, HfCN, TiAlN, TiAICN, TiZrN, TiZrCN, TiNbN, TiNbCN, CrN und CrCN besteht, durch einen physikalischen Vakuumabscheidungsprozeß, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(1) eine Ätzvorbehandlung, die durch Lichtbogenverdampfung unter Verwendung von Ta- oder Nb-Ionen und einer hohen negativen Substratvorspannung ausgeführt wird,

(2) gefolgt durch die Bildung einer Übergangsschicht an der Oberfläche des Substrats durch Implantation von Ta-Ionen, wenn Ta-Ionen bei Schritt (1) verwendet worden sind, oder Nb- Ionen, wenn Nb-Ionen bei Schritt (1) verwendet worden sind, auch durch Lichtbogenverdampfung, aber mit einer im Vergleich zu (1) niedrigeren Substratvorspannung,

(3) die Abscheidung einer Schicht aus Ta, wenn Ta bei den Schritten (1) und (2) verwendet worden ist, oder Nb, wenn Nb bei den Schritten (1) und (2) verwendet worden ist, auf der Oberseite der Übergangsschicht entweder durch Lichtbogenverdampfung oder durch Sputtern,

(4) und schließlich die Abscheidung der Hartmaterialbeschichtung durch Sputtern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ta- und/oder Nb-Beschichtung eine Schichtdicke von 0,05 um bis 2 um aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schritt (3) die Abscheidung der Schicht durch Sputtern ausgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtbogenmagnetronkathode für den Sputterprozeß verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenmagnetronkathode auch als eine Kathode für den Ätzprozeß verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine negative Vorspannung von -1300 V bis -2000 V an das Substrat oder an die Teile während der Ausführung des Ätzprozesses angelegt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Beschichtung der Substrate oder Teile mit zumindest einem aus TiN, TiCrN, ZrN, ZrCN, HfN, HfCN, TiZrN, TiZrCN, TiNbN, TiNbCN, CrN, CrCN unter Verwendung der tröpfchenfreien Sputtertechnik ausgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Beschichtung vorzugsweise unter Verwendung eines unausgeglichenen Magnetrons ausgeführt wird.