CH691776A5

CH691776A5 - Plasma-Beschichtungs-Verfahren und mit diesem Verfahren herstellbare Arbeitsschichten.

Info

Publication number: CH691776A5
Application number: CH00904/97A
Authority: CH
Inventors: Hermann Curtins
Original assignee: Bci Bloesch Corp Ag
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 2001-10-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Plasma-Beschichtungs-Verfahren - insbesondere ein PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition) wie z.B. ein Arc-(Lichtbogen-), Sputter-, Hohlkathoden-, Elektronenstrahlverdampfungs- oder Laserstrahlverdampfungs-Verfahren bzw. ein anderes, ebenfalls plasmagestütztes Verfahren zur Erzeugung von Hartstoffschichten bzw. Verschleissschutzschichten (im Folgenden Arbeitsschichten genannt) auf Substraten, wie z.B. ein plasmaunterstütztes CVD (Chemical Vapor Deposition) - welches unter Anlegen einer Biasspannung am Substrat und unter Verwendung eines Arbeitsgases in einer Kammer durchgeführt wird, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und mit diesem Verfahren herstellbare Arbeitsschichten und solche Arbeitsschichten aufweisenden Werkzeuge.

Arbeitsschichten (Hartstoff- bzw. Verschleissschutzschichten) zur Vergütung von Oberflächen sind seit Jahren bekannt und werden z.B. in der Herstellung von Werkzeugen zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstoffen u.a. in Form von Titannitrid (TiN), Titancarbonitrid (TiCN), Chromnitrid (CrN) oder Zirkonnitrid (ZrN) verwendet. Die physikalischen (z.B. mechanischen, optischen bzw. tribologischen) Eigenschaften dieser verbreitetsten Hartstoffschichten können bei ihrer Herstellung beeinflusst werden durch die Wahl der:

a) Abscheidetechnologie:

Zwischen den physikalischen Methoden (PVD), wie Kathodenzerstäubung, Hohlkathodenverdampfung etc. bestehen sicherlich Unterschiede, insbesondere, was die Flexibilität der Prozessführung und deren industrielle Implementation betrifft. Die Arc-Technologie (Lichtbogen-Verdampfung) darf heute zu den wichtigsten Beschichtungstechniken in diesem Bereich gezählt werden. Insbe sondere das vom gleichen Erfinder publizierte ["Surface and Coatings Technology" 76-77 (1995) 632-639] MAC-System (Magnetic Arc Confinement- = Lichtbogenbegrenzungs-System) des Anmelders ermöglicht eine konsequente Verhinderung der Targetvergiftung, welche früher für eine schlechte Reproduzierbarkeit der Schichtqualität verantwortlich war und eine der wichtigsten Störungsursachen in einem länger dauernden Beschichtungsprozess darstellte.

b) chemischen Zusammensetzung:

Die Schichteigenschaften werden stark durch die chemische Zusammensetzung beeinflusst. Vor allem die Arc- und die Sputter-Technologie sind hier äusserst flexibel, weil durch die Wahl der Targetzusammensetzung und der Reaktionsgase die Schichtzusammensetzung beeinflusst werden kann. Nachteile der Sputter-Technologie können in der schlechten Haftung und der groben Mikrostruktur (kolumnare Struktur) der Schichten gesehen werden.

c) makroskopischen Prozessparameter:

Von zentraler Bedeutung für eine Schicht sind Hauptparameter wie: Gaszusammensetzung GZ, Gasdruck p, Biasspannung Vb, Arc-Quellenströme Iarc, Temperatur des Substrats Ts.

Aufgabe der Erfindung ist es, in einer Kammer bzw. in einem Behälter durchzuführende, alternative Plasma-Beschichtungs-Verfahren zur Erzeugung von Arbeitsschichten (Hartstoff- bzw. Verschleissschutzschichten) auf Substraten und mit diesen Verfahren herstellbare Arbeitsschichten sowie solche Arbeitsschichten aufweisende Werkzeuge vorzuschlagen.

Ein Ansatz zum Lösen der Aufgabe bestünde beispielsweise darin, eine Parametermatrix versuchsweise abzufahren, in wel che sowohl das Optimieren der Abscheidetechnologie, des Schichtaufbaus als auch der chemischen Zusammensetzung der Schicht und der makroskopischen Prozessparameter eingebettet würde. So könnte versucht werden, mittels Lichtbogen-Verdampfen eine Schicht zu finden, bei deren Herstellung Totaldruck, Partialdruck der Reaktivgase, Biasspannung und chemische Zusammensetzung variiert würden. Dabei könnten die mechanischen Eigenschaften der Schichten (Dichte, Mikrostruktur, interne Spannungen etc.) z.B. über den Gasdruck und die Biasspannung reguliert werden. Für einige Schichten wie TiN, TiCN, CrN etc. kann diese Vorgehensweise zum gewünschten Resultat führen.

Für andere z.B. auf der Basis von TiAl beruhende Schichten, insbesondere für TiAlN-Schichten, ist dies nicht der Fall:

Einerseits ist bekannt, dass bei der Verwendung eines Targets mit Standardmischungen von 30/70% bis 80/20% Ti/Al, einer Biasspannung (Vb) von 100 bis 400 Volt und einem pumptechnisch und von der Schichtwachstumsrate her wirtschaftlichen Stickstoffpartialdruck (pN2) gute, verdichtete Hartstoffschichten hergestellt werden können. So werden routinemässig vorzugsweise 50/50% Ti/Al-Targets, Biasspannungen am Substrat von -100 bis -200 Volt und Reaktivgasdrucke von 1 x 10<-><3> bis 1,5 x 10<-><2> mbar verwendet (vgl. z.B. Abb. 7.10 in: H.-G. Prengel "PVD-Arc-Ion-Plating zur Herstellung von nitridischen Titan-Aluminium-Basis-Hartstoffschichten" D 82 (Diss. TH Aachen), Fortschr.-Ber. VDI Reihe 5 Nr. 205, VDI-Verlag GmbH Düsseldorf 1990).

Vorzugsweise wird dabei das zu beschichtende Stück gegenüber dem geerdeten Boden, der beispielsweise als Vakuumkammer ausgebildeten Kammer, auf ein negatives Potential gesetzt, so dass gilt: Vb < 0 V.

Andrerseits wird allgemein akzeptiert, dass ein tieferer Arbeitsdruck des Reaktivgases und/oder eine Biasspannung von weniger als 50 Volt poröse Schichten entstehen lassen, wel che den hohen Anforderungen an eine Hartstoff- bzw. Arbeitsschicht nicht genügen. Die zusätzliche Verwendung von Argon (Ar) führt zudem meistens zu einer höheren Sprödigkeit der Schichten.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich bei Biasspannungen von weniger als 50 Volt (kommerzielle Geräte zur Regulierung der Biasspannung liefern praktisch nur Werte von mehr als 50 V) Arbeitsschichten mit guten tribologischen Eigenschaften produzieren lassen. Eine Erklärung für diese unerwartet dauerhaften Arbeitsschichten liefert, zumindest ansatzweise, die Plasmachemie: Durch Zünden der Arc-Quellen und/oder durch Anlegen einer Spannung an das Target wird ein Plasma erzeugt, welches aus Ionen, Elektronen, Photonen, und anderen Radikalen, aber auch aus Neutralteilchen besteht. Die ladungstragenden bzw. angeregten Teilchen im Plasma können - durch z.B. Zusammenstösse oder Absorption von Photonen - die Dissoziation von Stickstoffmolekülen (N2) bewirken.

Diese Dissoziation kann für die Chemie im Plasma und deshalb auch für die Schichtcharakteristiken, wie Dichte, Mikrostruktur, Härte, innere Spannung, Textur etc. entscheidend sein. Dabei kann sich die Art und Weise der Dissoziation von N2 auf die chemische Reaktion mit den Metallen des Targets auswirken. Die elektronen- und photoneninduzierte Dissoziationsenergie für N2 im Plasma beträgt etwa 15,5 Elektronenvolt (eV), wobei die Elektronendissoziation (neben der ebenfalls zu erwartenden Photoionisation) den Hauptanteil ausmachen dürfte.

Wäre man dem üblichen Denkmuster der Fachleute auf dem Gebiet der plasmagestützten Beschichtungsprozesse gefolgt, hätte man höhere Energien gewählt, damit möglichst viele Moleküle des Arbeitsgases - unter Anwendung von hochenergetischen Elektronen - dem Dissoziationsprozess unterworfen würden. Diese Überlegungen sind zum Beispiel im Planar Magnetron-Sputtern durchaus üblich. Dort wird unter Einsatz von komplexen Mitteln (z.B. von Magnetfeldern bzw. zusätzlichen Ionisationsquellen) eine möglichst hohe Anregung angestrebt, um hohe Stromdichten zu erreichen und dadurch einen grossen Dissoziationsanteil im Arbeitsgas zu bewirken.

Aus der Dissertation von H.-G. Prengel geht hervor (siehe Seite 111), dass - beim Untersuchen der Schichtstruktur von Arc-(Ti,Al)N- und Arc-(Ti,Al,V)N-Schichten in Abhängigkeit der Biasspannung - alle abgeschiedenen Arc-Ion-Plating-Schichten, d.h. Beschichtungen mit höherer Biasspannung, feinere und dichtere Bruchstrukturen aufwiesen. Gleichzeitig wurden glattere und dropletarme Oberflächentopographien durch REM-(Raster Elektronenmikroskopie) Aufnahmen festgestellt. Zudem ist dieser Arbeit zu entnehmen (vgl. z.B. Abb. 7.33), dass mit höheren Biasspannungen (Vb = 400 V) und einer TiAl-Kathode (50/50) eine 2- bis 3-mal längere Standzeit von Hartmetallwendeschneidplatten erzielt werden kann als vergleichsweise mit Vb = 50 V.

Ferner wird darauf hingewiesen (Seite 101), dass Arc-(Ti,Al)N-Schichten, welche unter geringen Biasspannungen (Vb < 50 V) abgeschieden worden sind, ein unerwünschtes kohäsives Abplatzverhalten der Schicht schon bei geringen Lasten (Fkrit = 20-40 N) zeigen, wogegen kritische Lasten > 60 N - mit optimierten Prozessparametern immer erreicht wurden (vgl. Abb. 7.31).

Entgegen diesen Erfahrungen aus der Sputter- bzw. Arc-Technologie wurde aber gefunden, dass die mittlere Energie der Teilchen im Plasma viel kleiner sein kann als die Dissoziationsenergie für das N2 (vgl. Fig. 1). Bei einem Einstellwert von SIMILAR 20 Volt gelang es, Arbeitsschichten aus z.B. TiAlN herzustellen, deren mechanischen und tribologischen Eigenschaften sich durchaus mit denen herkömmlicher TiN- oder TiCN-Schichten messen können (vgl. Fig. 2 und 3) bzw. diesen sogar überlegen sind. Die so erhaltenen Schichten mit Vb < 50 V sind überraschenderweise sehr glatt und kompakt.

Um aussagekräftige Vergleiche zwischen Bohrern mit herkömmli chen und Bohrern mit erfindungsgemässen Arbeitsschichten anstellen zu können, wurde die Lebensdauer der Bohrer (mit einem Durchmesser von 6 mm) mit der Anzahl der gebohrten Sacklöcher (mit 15 mm Tiefe) pro Mikrometer Dicke der Arbeitsschicht (d.h. Hartstoff- bzw. Verschleissschutzschicht) ausgedrückt.

Optimiert wurde die Schicht, indem ein möglichst hoher Wert für die Biasspannung (Vb < 50 V) gefunden wurde, bei dem der Anteil der Elektronen mit einer Energie, welche grösser oder gleich dem Dissoziationspotential des Stickstoffes ist, möglichst gering ist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass - bei der Verwendung von Stickstoffgas - ein zu hoher Anteil an Elektronen mit einer Energie > 15,5 V (in der Folge höherenergetische Elektronen genannt) einerseits zu einer erwünschten Verdichtung der Schichten führt. Andrerseits resultiert eine unerwünschte, veränderte Schichttextur, was sich in einer anteilsmässigen Verschiebung von der erwünschten (200), (220) bzw. (222) Ausrichtung (vergl. Abb. 7.21 in der Dissertation von H.-G. Prengel) gegen eine unerwünschte (111) Ausrichtung der Schichten bemerkbar macht.

Gerade diese Erkenntnis, insbesondere beim Herstellen von TiAlN-Schichten, dass eine nur sehr kleine Anzahl von höherenergetischen Elektronen - welche zur Dissoziation des N2 führen - wünschbar ist, bzw. dass die elektroneninduzierte N2-Dissoziation für das Erreichen einer guten Schicht unerwünscht ist, erklärt schliesslich das überraschende Resultat der erfindungsgemässen Verwendung von Biasspannungen unterhalb von 50 V.

Die Erfindung, wie sie im Anspruch 1 beschrieben ist, betrifft deshalb ein Plasma-Beschichtungs-Verfahren zur Erzeugung von Hartstoffschichten auf Substraten, welches unter Anlegen einer Biasspannung am Substrat und unter Verwendung eines Arbeitsgases in einer Kammer durchgeführt wird und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Biasspannung von weniger als 50 Volt gewählt wird, womit das Maximum der Energieverteilungsfunktion der Elektronen im Plasma so weit unterhalb des Dissoziationspotentials des Arbeitsgases zu liegen kommt, dass die Anzahl der höherenergetischen Elektronen unterhalb eines sich nachteilig auf die Arbeitsschicht auswirkenden Wertes liegt.

Bevorzugt wird - bei der Verwendung von Stickstoff als Reaktionsgas und einer beispielsweisen Verwendung eines TiAl-Targets (50/50 Atomprozente) - eine Biasspannung von weniger als 50 Volt. Besonders bevorzugt sind Biasspannungen zwischen 1 und 40 Volt. Als besonders geeignet hat sich eine Biasspannung von 10 bis 25 Volt herausgestellt, wobei als ein optimaler Wert 20 Volt ermittelt worden ist. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Obwohl diese Parameterbereiche bzw. Einstellwerte durch ihre Grenzwerte bezeichnet wurden, gehören selbstverständlich die Grenzwerte selbst und die unmittelbar anschliessenden Parameterbereiche ebenfalls zum Umfang der Erfindung. Dies auch deshalb, weil erkannt wurde, dass die genannten Einstellwerte Energieverteilungen von Elektronen bewirken, welche jeweils einen Streubereich von vielen Elektronenvolt umfassen. Messungen der Elektronenenergieverteilungsfunktion EEDF (Electron Energy Distribution Function) in Plasmen zeigen eine annähernde Maxwellverteilung der Energien, wie aus der Figur 1 im Aufsatz "Electron energy distributions in oxygen microwave plasmas" von J.E. Heidenreich III et al. (J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 6, No. 1, Jan/Feb 1988: 288-292) hervorgeht.

Bei einer gewissen Einstellung der Biasspannung Vb liegt also die Hauptintensität der Verteilung bedeutend tiefer als Vb - nur ein verschwindend kleiner Teil der Elektronen bildet die höherenergetischen Elektronen und weist eine Energie auf, die nahe oder sogar oberhalb des Wertes Vb liegt. Somit treten bei einem, wenn auch sehr kleinen, Teil der Elektronen immer auch Energien auf, die ausserhalb der angegebenen Parameterbereiche liegen.

Im Folgenden werden, anhand eines Beispiels, das stellvertretend und keinesfalls einschränkend zu verstehen ist und bei dem Stickstoff als Arbeits- bzw. Reaktionsgas verwendet wurde, die bevorzugten Parameter beschrieben. Die erzielten, ebenfalls beispielhaften Resultate der mittels Arc-Technologie durchgeführten Experimente werden anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Resultate einer ersten Serie von Experimenten in Koordinatendarstellung: Überraschende Erhöhung der erreichbaren Lochzahl bei Arbeitsschichten, welche bei einer Biasspannung von weniger als 50 V hergestellt wurden;
Fig. 2 Resultate einer zweiten Serie von Experimenten in Koordinatendarstellung: Der bevorzugte Druckbereich liegt zwischen 1,0 mbar und etwa 5 x 10<-><2> mbar;
Fig. 3 Resultate einer dritten Serie von Experimenten in Koordinatendarstellung: Optimieren der Biasspannung Vb bei einem konstanten pN2 von 2 x 10<-><2> mbar.

Beispiel 1

<tb><TABLE> Columns=2
<tb><SEP>Beschichtungsparameter:<SEP>gefundenes Optimum:
<tb><SEP>Biasspannung 1 V < Vb < 25 V<CEL AL=L>20 V
<tb><SEP>Arbeitsgas 0.01 < p(N2) < 0,05 mbar<SEP>0,02 mbar
<tb></TABLE>

Als optimal werden hier Werte für eine Biasspannung und einen Partialdruck für ein Verfahren zum Herstellen von Arbeitsschichten bezeichnet, bei dem die Abscheiderate und die Qualität der erhaltenen Schicht als gut beurteilt wurden.

Für eine noch bessere Schichtqualität, d.h. für eine Schicht mit noch grösserer Lebensdauer, sollte der Druck des Arbeitsgases noch erhöht werden; damit sinkt aber die Abscheiderate, sodass schlussendlich ein Kompromiss zwischen der Lebensdauer der Schicht und der Beschichtungszeit gefunden werden muss.

Testparameter:

<tb><TABLE> Columns=2
<tb><SEP>HSS Bohrer ( DIAMETER )<SEP>6 mm
<tb><SEP>Schichtdicke (d)<SEP>2 bis 2,5 mu m
<tb><CEL AL=L>Drehzahl (n)<CEL AL=L>1850 rpm
<tb><SEP>Vorschub (f)<SEP>0,12 mm/rpm
<tb><SEP>Schnittgeschwindigkeit (vc)
<SEP>35 m/min
<tb><SEP>Material<SEP>1.2379 nach DIN 17 007,
vergütet auf 750-800 N/mm<2>
<tb><SEP>Bohrtiefe ( DELTA h)<SEP>15 mm (Sackloch)
<tb><SEP>Kühlung<SEP>Emulsion
<tb></TABLE>

Fig. 1 zeigt die Resultate einer ersten Serie von Experimenten zur Herstellung von TiAlN-Schichten in Koordinatendarstellung. Dabei ist die mögliche Anzahl von Bohrungen pro Mikrometer Dicke der Arbeitsschicht in Abhängigkeit der angelegten Biasspannung Vb dargestellt. Gearbeitet wurde mit einem pN2 von 1,5 x 10<-><2> mbar. Im normalen Arbeitsbereich, das heisst bei einer Biasspannung von mehr als 75 V, konnte eine Lochzahl von 10 bis 20 beobachtet werden, was in etwa der Leistung von üblichen, hartstoffbeschichteten Werkzeugen entspricht. Entgegen den Erwartungen erhöhte sich jedoch die Lochzahl bei Schichten, welche bei einer Biasspannung von weniger als 50 V hergestellt wurden, erheblich und bildete unterhalb von 25 V ein Maximum bei ca. 80 Löchern pro Mikrometer Schicht.

Sogar mit wenigen Volt Biasspannung konnten noch TiAlN-Schichten erzeugt werden, welche den erfindungsgemäss beschichteten Werkzeugen - gegenüber den mit einer standardmässigen Arbeitsschicht versehenen Werkzeugen - zu einer etwa doppelt so langen Standzeit verhalfen. Diese Resultate belegen, dass die mittlere Energie der Elektronen weit unterhalb des Dissoziationspotentials von N2 liegt.

Fig. 2 zeigt die Resultate einer zweiten Serie von Experimenten zur Herstellung von TiAlN-Schichten in Koordinatendarstellung. Dabei ist die mögliche Anzahl von Bohrungen pro Mikrometer Dicke der Arbeitsschicht in Abhängigkeit des Partialdruckes des Reaktionsgases N2 dargestellt. Vergleichsresultate lieferten HSS-Bohrer, welche eine 4 bis 4,5 mu m dicke Arbeitsschicht trugen und standardmässig mit TiN bzw. TiCN beschichtet waren. Wie die Kurve in Fig. 2 zeigt, lässt sich die Anzahl Bohrungen pro Mikrometer Dicke der Arbeitsschicht durch ein Erhöhen des pN2 bis gegen 1,5 x 10<-><2> mbar praktisch linear von 20 auf 80 verbessern. Diesem Druck zugeordnet werden kann ein Knickpunkt, ab welchem diese Kurve wieder praktisch linear gegen ca. 100 Bohrungen pro Mikrometer - bei einem pN2 von 4 x 10<-><2> mbar produzierte Arbeitsschicht - ansteigt.

Der wirtschaftlich sinnvollste Arbeitsbereich sollte nahe dem Maximum Bohrungen/ mu m Schicht liegen. Jedoch sollte der ausgewählte Arbeitsdruck noch eine vernünftige Abscheiderate des Beschichtungsmaterials zulassen. Demzufolge liegt der bevorzugte Druckbereich zwischen 1,0 mbar und etwa 5 x 10<-><2> mbar. Vergleicht man diese Werte mit den eingangs als Standardbereich definierten 1 x 10<-><3> bis 1,5 x 10<-><2> mbar als Partialdruck des Reaktionsgases, so stellt man fest, dass sich der hier vorgeschlagene Druckbereich ausserhalb des üblichen Arbeitsbereiches befindet. Dieser Druckbereich wurde zwar für verschiedene Applikationen auch bereits durchforscht (vgl. Abb. 7.11, Dissertation von H.-G. Prengel), gilt jedoch nicht als Standardbereich. Essentiell ist die geeignete Biasspannung einerseits, allenfalls in Kombination mit dem Partialdruck des Arbeitsgases andrerseits.

Fig. 3 zeigt die Resultate einer dritten Serie von Experimenten zur Herstellung von TiAlN-Schichten in Koordinatendarstellung. Das Optimieren der Biasspannung Vb wurde bei ei nem konstanten Stickstoffpartialdruck von 2 x 10<-><2> mbar ausgeführt. Aufgetragen ist die mögliche Anzahl von Bohrungen pro Mikrometer Dicke der Arbeitsschicht in Abhängigkeit von Vb. Bei einer Einstellung von etwa 20-22 V konnten - pro pm Schichtdicke - mit einem 6 mm HSS-Bohrer über 85 Sacklöcher mit 15 mm Tiefe gebohrt werden. Tiefere bzw. höhere Einstellwerte von Vb ergaben schlechtere Resultate.

Ein Vorteil der erfindungsgemässen Arbeitsschicht (d.h. Hartstoff- bzw. Verschleissschutzschicht) liegt darin, dass Werkzeuge mit einer wesentlich geringeren Arbeitsschichtdicke die gleichen oder besseren Leistungen wie herkömmliche Werkzeuge mit Hartstoffschichten liefern. Durch die dünneren Schichten lässt sich z.B. die Qualität in der Bearbeitung von Werkstoffen steigern, weil die erfindungsgemäss beschichteten Werkzeuge geringere Toleranzen aufweisen. Aus der Fig. 2 und 3 geht hervor, dass mit den erfindungsgemäss mit TiAlN beschichteten Werkzeugen gegen 100 Löcher pro mu m Dicke der Arbeitsschicht gebohrt werden konnten, dagegen wurden mit konventionellen Hartstoffschichten wie TiN oder TiCN nur 10 Löcher pro mu m Dicke der Arbeitsschicht erreicht.

Daraus folgt, dass - bei halber Schichtdicke - die erfindungsgemässen Werkzeuge den herkömmlichen um einen Faktor 5 in der Lebensdauer und gleichzeitig um einen Faktor 2 in der Reduktion der schichtbedingten Fertigungstoleranzen überlegen sind.

Stellt man die Biasspannung auf einen Wert, der bedeutend höher ist als die Dissoziationsenergie des N2, so erreicht man eine etwas schlechtere Schichtzusammensetzung bei etwa 30 V; bei Werten über 40 Volt waren die Resultate noch weniger befriedigend. Es wird erwartet, dass noch weitere günstige Einstellwerte zwischen 0 V und 30 V, insbesondere zwischen 5 V und 30 V gefunden werden können, kommen doch auch andere stickstoff- bzw. sauerstoffliefernde Arbeitsgase wie z.B. HCN, NH3, bzw. NO oder NO2 mit Dissoziationspotenzialen wie z.B. 13,8 V, 14,8 V, 11,2 V bzw. 9,5 V oder 11,0 V in Betracht.

Es hat sich überdies gezeigt, dass die Schichtzähigkeit von PVD- und/oder PECVD-Arbeitsschichten (PECVD = Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) auf Substraten erheblich gesteigert werden kann: Bei der Abscheidung - insbesondere von nitridbildenden Metallen und Metalllegierungen bzw. Gemischen von Beschichtungsmaterialien der Gruppen 4 (Ti, Zr, Hf), 5 (V, Nb, Ta), 6 (Cr, Mo, W) sowie der Gruppe 13 (B, Al, Ga, In, Tl) und 14 (C, Si, Ge, Sn, Pb) des Periodensystems der chemischen Elemente - wird zumindest ein Element der Gruppe 16 (O, S, Se, Te) des Periodensystems der chemischen Elemente, insbesondere Sauerstoff und/oder Schwefel und/oder ein Gemisch oder eine Verbindung von Sauerstoff und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Tellur, in einer die Schichtzähigkeit, die Oxidationsresistenz und/oder die tribologischen Eigenschaften verbessernden Menge eingebracht.

Vorzugsweise gelangen schwefel- und/oder sauerstoffenthaltende Gase wie z.B. Schwefeldioxid oder Schwefelwasserstoff bzw. Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid - zumindest während einer vorgebbaren Zeitspanne des Beschichtungsvorganges mit den nitridbildenden Metallen - in einer zumindest die Zähigkeit der Arbeitsschicht erhöhenden Menge in der Kammer zum Einsatz. Um die Schmierfähigkeit der Arbeitsschicht zu erhöhen, wird vorzugsweise zumindest eine Verbindung aus der Gruppe der Metallchalkogenide z.B. ein Metallsulfid, insbesondere Molybdändisulfid - in geeigneter Menge in die Kammer eingebracht.

Zur Durchführung dieses die Schichtzähigkeit verbessernden Verfahrens ist es lediglich erforderlich, aus z.B. DE 4 443 739, DE 4 443 740 bzw. EP 0 667 034 bekannte Anlagen mit einer regel- bzw. steuerbaren Zuführung für Gase wie z.B. Sauerstoff, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff oder Kohlendioxid zu versehen, was mit geringem Aufwand möglich ist. Die Biasspannung wird dabei erfindungsgemäss den Dissoziationspotenzialen der verwendeten Gase angepasst, sodass die Werte der Elektronenenergieverteilungsfunktion im Wesentlichen unterhalb des Dissoziationspotentials des Arbeitsgases zu liegen kommen.

Wird als nitridbildendes Metall Titan verwendet, dann beträgt das Verhältnis der Atomprozente von Stickstoff zu Titan vorzugsweise etwa 0,85 und das Verhältnis von Sauerstoff und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Tellur zu Titan vorzugsweise etwa 0,15. Die Zuführung von Schwefel, Selen oder Tellur kann - neben der Gasform - auch in fester Form über im Beschichtungsraum angeordnete, geeignete Targets erfolgen, welche z.B. Schwefel oder Metallsulfide insbesondere Molybdändisulfid (MoS2) aufweisen.

Selbstverständlich können sowohl einfache Arbeitsschichten als auch Mehrfachschichten bzw. Schichtsysteme hergestellt werden. Im Falle von Arbeitsschichtsystemen lassen sich im Anschluss an vorgebbare Haftschichten aus z.B. Titan bzw. Grundschichten aus z.B. TiN Mehrfachschichten herstellen, welche z.B. einen sich immer wiederholenden Schichtaufbau aufweisen. Dabei lassen sich hohe Zähigkeitswerte erreichen.

Die Ausgestaltung einer Einfachschicht bzw. einzelner Schichten einer Mehrfachschicht kann jedoch bezüglich Schichtdicke und/oder Anteil an eingelagertem Sauerstoff und/oder Schwefel und/ oder Selen in einem weiten Bereich variiert werden: Der Schichtauftrag kann beispielsweise ohne zugeführten Sauerstoff und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Tellur begonnen werden. Während dem weiteren Schichtauftrag wird dann eine zunehmend höhere Konzentration von Sauerstoff und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Tellur im Beschichtungsbehälter erzeugt, sodass der Anteil an eingelagertem Sauerstoff und/oder Schwefel innerhalb derselben Schicht kontinuierlich ansteigt.

Erfindungsgemäss wird die Blasspannung Vb kontinuierlich angelegt, sodass die eingestellte Spannung im Mittel innerhalb der bevorzugten Grenzen von 0 bis 50 V, bzw. 5 bis 30 V zu liegen kommt.

In einer alternativen Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Biasspannung Vb während der Beschichtung so variiert, dass das Spannungsmaximum über 50 V (z.B. 100 V) und das Spannungsminimum unter 50 V (z.B. bei 0 V) liegt. Durch Zeiten mit geringerer Spannung unterbrochene Spannungspulse Vp liegen bevorzugt unter 20% der Gesamtzeit (Vp < 20% duty cycle). Besonders bevorzugt sind Spannungspulse von etwa 5 bis 10% des duty cycle. Mit dieser alternativen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird ebenfalls erreicht, dass die Werte der Elektronenenergieverteilungsfunktion im Mittel unterhalb des Dissoziationspotentials des Arbeitsgases zu liegen kommen und dass damit die Anzahl der höherenergetischen Elektronen unterhalb eines sich nachteilig auf die Arbeitsschicht auswirkenden Wertes liegt.

Erfindungsgemässe Werkzeuge, insbesondere Zerspanungswerkzeuge wie Bohrer, Fräser, Gewindeschneider und Wendeschneidplatten, die mit einer Verschleissschutzschicht auf der Basis nitridbildender Metalle oder zumindest nitridbildende Metalle enthaltender Gemische versehen sind, zeichnen sich dadurch aus, dass die Verschleissschutzschicht mehr als 2 Atomprozent und vorzugsweise etwa 5 bis 25 Atomprozent Sauerstoff und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Tellur enthält.

Als weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens - unter Verwendung von Biasspannungen unterhalb von 50 V - ist die gute Kontrolle bzw. das Niedrighalten der Substrattemperatur Ts zu nennen. Dies ermöglicht es, sogenannte Mischchargen zu fahren, welche in der industriellen Produktion von grossem Vorteil sind: Grösste und kleinste Substrate (beispielsweise robuste Einzoll-Fräser und extrem hitzeempfindliche Werkzeuge, wie Gewindebohrer für Schraubendurchmesser im Millimeterbereich) können praktisch frei in den dafür vorgesehenen Vorrichtungen platziert werden. Damit wird eine optimale räumliche Ausnützung einer Apparatur für jede Charge ermöglicht und damit die mittlere Beschichtungszeit z.B. der Gesamtheit der zu beschichtenden Werkzeuge zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstoffen erheblich reduziert.

Claims

1. Plasma-Beschichtungs-Verfahren zur Erzeugung von Arbeitsschichten auf Substraten, welches unter Anlegen einer Biasspannung am Substrat und unter Verwendung eines Arbeitsgases in einer Kammer durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Biasspannung von weniger als 50 Volt gewählt wird, womit das Maximum der Energieverteilungsfunktion der Elektronen im Plasma so weit unterhalb des Dissoziationspotentials des Arbeitsgases zu liegen kommt, dass die Anzahl der höherenergetischen Elektronen unterhalb eines sich nachteilig auf die Arbeitsschicht auswirkenden Wertes liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Biasspannung angelegt wird, welche zwischen 5 und 30 Volt liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Biasspannung angelegt wird, welche zwischen 13 und 25 Volt liegt.

4.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer Vakuumkammer, insbesondere bei einem Partialdruck des Arbeitsgases zwischen 1,0 mbar und 5 x 10<-><2> mbar, durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Lichtbogenbegrenzungsvorrichtung [magnetic arc confinement (MAC)] verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Target verwendet wird, welches zumindest ein Metall aus den Gruppen 4, 5 oder 6 umfasst.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Target verwendet wird, welches zudem zumindest ein Metall aus der Gruppe 13 umfasst.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Target verwendet wird, welches aus 50/50 Atomprozenten Ti/Al besteht.

9.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Beschichtung Gase in die Kammer geleitet werden, welche Atome aus zumindest einer der Gruppen 13, 14, 15, oder 16 umfassen, Atome, die zusammen mit den Metallen auf dem Substrat die Arbeitsschicht aufbauen.

10. Arbeitsschicht in Form einer Hartstoff- bzw. Verschleissschutzschicht, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Schicht als Einfach- oder Mehrfachschicht ausgebildet ist.

11. Arbeitsschicht nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zudem eine Haftschicht aus Ti und/oder eine Übergangsschicht aus TiN umfasst, welche vor der Arbeitsschicht auf dem Substrat abgeschieden wurden.

12.

Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Arbeitsschicht in Form einer Hartstoff- bzw. einer Verschleissschutzschicht nach Anspruch 10 oder 11 umfasst.

13. Werkzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschicht zur Erhöhung der Schmierfähigkeit ein Metallsulfid, insbesondere Molybdändisulfid enthält.

14. Werkzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleissschutzschicht mehr als 2 Atomprozent Sauerstoff und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Tellur - zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften und zur Erhöhung der Schichtzähigkeit - enthält.