Verfahren und Vorrichtung zur Mehrkathoden-PVD-Beschichtung und Substrat mit PVD-Beschichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mehrkathoden-PVD- Beschichtung von Substraten.

Die Kathodenzerstäubung hat im Bereich der PVD-Beschichtung zusehend an Bedeutung gewonnen. Sowohl die Materialvielfalt wie auch Reproduzierbarkeit des Beschichtungs- verfahrens haben zu dieser Entwicklung beigetragen. Neben monolithisch aufgebauten Schichtstrukturen haben im letzten Jahrzehnt Mehrlagen-Schicht-Architekturen an Einfluß gewonnen. Insbesondere im Bereich der nano-skalierten Mehrlagenschichten und der sog. übergitter-Schichten (Superlattice) werden herausragende Schichteigenschaften hinsichtlich Verschleißfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit erzielt.

Insbesondere die Härte der kondensierten nanokristallinen Schichten konnte erheblich gesteigert werden, nämlich bis auf ca. 50 % der Diamanthärte, d.h. bis auf ca. 50 GPa [I].

Diese neuartigen superharten Schichten weisen in der Regel enorme Druckspannungen auf und zwar bis über -7GPa. Aus diesem Grund spielt die Haftfestigkeit der kondensierten Schichten auf den Substraten, die üblicherweise aus Stahl, Hartmetall oder mittels galvanischer Schichten vorpräparierten Materialien bestehen, eine entscheidende Rolle.

Im Laufe der Entwicklung der Kathodenzerstäubung hat sich herausgestellt, daß die Haftfestigkeit derartiger superharter Schichtsysteme begrenzt ist, wenn die Substrate nur mit Argon-Ionen als in vacuo Reinigung vorbehandelt wurden.

Neben verfahrensmäßig aufwendig herzustellenden Mehrlagen-Zwischenschichten werden auch mechanische Vorbehandlungen [2] vorgenommen, um das Druckspannungsgefälle zwischen dem relativ weichen Substrat und der PVD-Schicht zu reduzieren.

Eine Metallionen- Vorbehandlung vor der eigentlichen Beschichtung reduziert die Druckspannungen. Diese Methode wurde im Rahmen der Beschichtungstechnik mittels kathodischer Bogenentladung [3] entwickelt.

In einer kathodischen Bogenentladung bildet sich ein Plasma aus, das in hoher Konzentration ein- bis mehrfach geladene Metallionen enthält [4].

Grundlegende Untersuchungen haben gezeigt [5, 6] daß bei kombinierter Vorbehandlung der Substrate mit Metallionen aus einer kathodischen Bogenentladung nachfolgende mit einem unbalancierten Magnetron (UBM) abgeschiedene Schichten ein punktuelles epitaktisches Schichtwachstum aufweisen, das eine erhöhte Haftung der Schichten bewirkt [7].

Empirisch ist dieser Zusammenhang schon länger bekannt [8, 9, 10] und wird im sogenannten Arc-Bond-Sputter- Verfahren industriell angewandt [H]. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß während der Metallionen-Vorbehandlung die für kathodische Bogenentladungen typischen Makropartikel, sogenannte Droplets [12] entstehen, die zu unerwünschten Inhomogenitäten in der Schicht führen. Solche Inhomogenitäten beinflussen auch das an sich Droplet-freie, nachfolgende Beschichtungsverfahren mittels UBM nachteilig [13].

Aus der EP 1260603 A2 ist ein P VD- Verfahren zur Beschichtung von Subtraten bekannt, bei dem das Substrat im Plasma einer gepulsten magnetfeldgestützten Kathodenzerstäubung (HIPIMS) vorbehandelt wird. Während der Vorbehandlung wird eine Magnetron-Kathode zur Magnetfeldunterstützung eingesetzt. Nach der Vorbehandlung erfolgt eine Weiterbeschichtung z.B. mittels UB M- Kathodenzerstäubung. Für die Vorbehandlung und die Beschichtung werden identische Kathoden und identische Magnetfeldanordnungen benutzt.

Aus der EP 0521045 Bl ist ein Verfahren zur Ionenplattierung mit einem ersten und zweiten Magnetron bekannt, von denen jedes einen inneren Pol und einen äußeren Ringpol entgegengesetzter Polarität aufweist. Die Magnetrons sind so angeordnet, daß der äußere Ringpol eines Magnetrons und der äußere Ringpol des zweiten oder weiterer Magnetrons benachbart zu dem jeweils anderen angeordnet und von entgegengesetzter Polarität sind. Eines der Magnetrons wird im unbalancierten Zustand betrieben.

Die WO 98/40532 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung mit magnetisch unterstützter Kathodenzerstäubung, wobei die Kathode mit Hochleistungpulsen betrieben wird (HIPIMS).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur PVD- Beschichtung von Substraten zu schaffen, bei denen das Auftreten von Makropartikeln, die zu unerwünschten Inhomogenitäten in der Beschichtung führen, weitgehend vermieden wird und Mehrlagenschichten hoher Härte mit guter Haftung auf dem Substrat erzeugt werden.

Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß durch folgende Schritte gelöst:

(a) Vorbehandlung der Substratoberfläche durch Hochleistungs-Impuls-Magnetron- Kathodenzerstäubung (HIPIMS),

(b) Beschichtung mittels Unbalancierter-Magnetron-Kathodenzerstäubung (UBM), (c) Beschichtung mittels HIPIMS, und

(d) ein- bis mehrfache Wiederholung der Schritte (b) und (c).

In Weiterbildung des Verfahrens erfolgt der Schritt (a) mit einem Kathodentarget aus Metall in einer Gasatmosphäre bei einem Druck kleiner/gleich 1 ^• 10 ^"2 mbar und mit einem Substratpotential von -500 bis -2000 V, wobei die Substratoberfläche mit ein- bis mehrfach positiv geladenen Metallionen geätzt und implantiert wird.

Die weitere Ausgestaltung des Verfahrens ergibt sich aus den Patentansprüchen 3 bis 15.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Mehrkathoden-PVD-Beschichtung ist mit einer oder mehreren Prozeßkammern ausgestattet, wobei jede Prozeßkammer mindestens eine HIPIMS- Kathode und mindestens eine UBM-Kathode aufweist.

Die weitere Ausgestaltung der Vorrichtung ergibt sich aus den Patentansprüchen 17 bis 20.

Das erfmdungsgemäße Substrat mit PVD-Beschichtung umfaßt eine durch HIPIMS in der Substratoberfläche erzeugte Implantationsschicht und eine oder mehrere mittels UBM und HIPIMS abgeschiedene Doppelschichten.

Die Weiterbildung des Substrats ist in den Patentansprüchen 22 bis 30 beschrieben.

Mit der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß das Metallionen-ätzen bei der Vorbehandlung mittels HIPIMS vonstatten geht und dadurch die Entstehung von Makropartikeln stark

reduziert wird. Der Aufbau der Mehrlagenschichtarchitektur erfolgt durch simultanen Einsatz von UBM und HIPIMS.

Die spezielle Methode der HIPIMS-Kathodenzerstäubung wurde zunächst allein zur Abscheidung von PVD-Schichten benutzt [14]. Eine Berücksichtigung von HIPIMS beim Metall-Ionen-ätzen als Substratvorbehandlung jedoch in strikter Kombination mit dem nachfolgenden Beschichten exklusiv mit dem unbalancierten Magnetron wurde erst kürzlich aufgezeigt [17]. Jedoch werden bei diesem Verfahren die UBM- und HIPIMS-Kathoden nicht simultan betrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Schichtsystem eines Substrats nach der

Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Vorrichtung; und Fig. 4 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Vorrichtung.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß ein Plasma erzeugt wird, und dass ähnlich wie bei der kathodischen Bogenentladung mehrfach geladene Metall-Ionen generiert werden, jedoch keine Makropartikel (Droplets) erzeugt werden.

Das Metall-Ionen-ätzen geht vor dem Beschichten mit dem HIPIMS Verfahren von statten. Darüber hinaus wird das HIPIMS Verfahren jedoch simultan mit dem unbalancierten Magnetron (UBM) zur Beschichtung benutzt.

Die Erfindung besteht nicht alleine in der simultanen Anwendung der beiden Verfahrensweisen während der Beschichtung sondern auch in der Tatsache daß die Beschichtungsmaterialien für HIPIMS und UBM grundsätzlich unterschiedlich sind. So werden im HIPIMS-Verfahren zur Vorbehandlung Materialien wie Ti. Cr, Zr, V. Nb, Mo, Ta, W oder Al benutzt. Während der Beschichtung werden diese Materialien als Nitride, Carbide,

Carbon-Nitride, Oxide oder Oxynitride abgeschieden. Mit dem UBM werden Materialien abgeschieden die nicht identisch mit den mit dem HIPIMS abgeschiedenen Materialien sind. So kann wahrend mit HIPIMS CrN abgeschieden wird mit dem UBM simultan TiNx oder z.B. NbN abgeschieden werden. Somit entstehen Schichtsysteme vom Typ der in Fig. 1. gezeigten Schichten.

Mit dem UBM ist es auch möglich Multikomponentenmaterialien wie TiAl, TiAlY, CrAl, ZrAl oder reines Graphit zu zerstäuben, sodass Schichtfolgen wie z.B. CrN/TiAIN oder TiN/CrAIN oder W/C entstehen. Als besonders bevorzugte Abscheidungsbedingung gilt die Erzeugung von Schichten nach der Superlatticearchitektur [1, 18]. Dabei sind die Beschichtungsparameter so zu wählen, daß die Dicke der Doppelschicht z. B. VN/TiAIN ca. 3-5nm beträgt.

Um diese neuartigen Schichten zu verwirklichen, sind spezielle Kathodenanordnungen in den zu verwendenden PVD- Anlagen erforderlich. Fig. 2 bis 4 zeigen drei Basis-Konfigurationen der Prozeßkammern gemäß der Erfindung.

Beispiel 1

Die in Fig. 2 dargestellte erste Ausführungsform einer Prozeßkammer 6 enthält zwei Beschichtungsquellen, dies sind eine HIPIMS-Kathode 9 und eine UBM-Kathode 10 und wird vorzugsweise in kleinen Anlagen eingesetzt. In einer Anlage mit einem Vakuumkessel von 700 mm Durchmesser und 700 mm Kesselhöhe (Innenmaße) werden 500 mm lange

Linearkathoden eingesetzt. Die HIPIMS-Kathode 9 ist beispielsweise mit Wolfram

Targetmaterial und die UBM-Kathode 10 ist mit Graphit als Targetmaterial ausgerüstet. Ein zwischen den Kathoden angeordneter rotierender Substratträger 7 hat einen Durchmesser von

400 mm und kann über eine Höhe von 400 mm bestückt werden. Auf dem Substratträger 7 sind z.B. 10 rotierende Planeten mit 50 mm Durchmesser eingesetzt, die mit für die

Vakuumbeschichtung vorgereinigten, sauberen Substraten 8 bestückt sind. Die Substrate 8 können Bauteile für PKW, Armaturen, Beschläge und dergl. sein, die beispielsweise aus dem Werkstoff 1 OOCrό gefertigt sind.

Nach dem Beladen der Anlage wird die Kammertür geschlossen und es wird durch Abpumpen in der Vakuumkammer der Kammerdruck von Atmosphäre bis zu einem Druck

von < 5 ^• 10 ⁵ mbar abgesenkt. Nachfolgend wird Argon in die Kammer eingelassen bis ein Druck von 2 ^• 10 ^"3 mbar erreicht ist.

Die HIPIMS-Kathode 9 ist mit einem Solenoid-Elektromagneten 11 ausgestattet. Die UBM- Kathode 10 ist gleichfalls mit einem Solenoid-Elektromagneten 12 ausgerüstet.

Durch den Betrieb der HIPIMS-Kathode 9 wird bei gleichzeitigem Anlegen eines Substratpotentials von —1000 V mit einem kombinierten Ionenätzprozeß und Beschichrungs- prozeß eine Wolfram-Implantationsschicht erzeugt.

Nachfolgend werden Argon und Acetylen in die Prozeßkammer eingeleitet und ein Druck von

5 10 ^"3 mbar eingestellt. Gleichzeitig wird das negative Substratpotential auf -100 V vermindert und die UBM-Kathode 10 zugeschaltet.

Bei dem gleichzeitigem Betrieb der HIPIMS-Kathode 9 und der UBM-Kathode 10 wird ein mehrfacher Doppelschichtaufbau aus W/C, wie in Fig. 1 gezeigt, aufgebracht.

Beispiel 2

Die in Fig. 3 gezeigte zweite Ausführungsform einer Prozeßkammer 15 enthält drei Beschichtungsquellen, dies sind eine HIPIMS-Kathode 9 und zwei UBM-Kathoden 10, 13 und wird vorzugsweise für Cluster-Inline- Anlagen eingesetzt. In den Prozeßkammern der

Cluster-Inline-Anlage vom Typ DeQoTec der Firma Systec System- und Anlagenbau GmbH

6 Co. KG., Karlstadt, Deutschland, mit Innenabmessungen der Kammer von 930 x 172O x 550 mm (Länge x Höhe x Breite) werden 1350 mm lange Linearkathoden 9, 10, 13 eingesetzt. Die HIPIMS-Kathode 9 ist beispielsweise mit Titan Targetmaterial und die beiden UBM-Kathoden 10, 13 sind mit Graphit als Targetmaterial ausgerüstet. Der zwischen den Kathoden angeordnete rotierende Substratträger 7 hat einen Durchmesser von 300 mm und kann über eine Höhe von 1000 mm bestückt werden. Auf dem Substratträger 7 sind beispielsweise acht rotierende Planeten mit 50 mm eingesetzt, die mit für die Vakuumbeschichtung vorgereinigten, sauberen Substraten 8 bzw. Bauteilen aus Werkstoff 1 OOCrό bestückt sind. Dieser Werksstoff wird beispielsweise für Kugellager verwendet.

Die HIPIMS-Kathode 9 ist mit einem Solenoid-Elektromagneten 11 und die beiden UBM- Kathoden 10, 13 sind mit Solenoid-Elektromagneten 12, 14 ausgerüstet.

Nach dem Beladen der Einschleus/Ausschleuskammer der Anlage wird die Kammertür geschlossen und es wird durch Abpumpen in der Vakuumkammer der Kammerdruck von Atmosphäre bis zu einem Druck von < 5 10° mbar abgesenkt. Die zwischen einer Zentralkammer und den Prozeßkammern befindlichen öffnungen sind hierbei mit Dichtplatten verschlossen. Nachfolgend werden über einen zentralen Antriebsmechanismus, der sich in der Zentralkammer befindet, alle Dichtplatten, welche auch die Konsolen tragen, auf denen die Substratträger 8 eingesetzt sind, geöffnet und die Substratträger werden in die Zentralkammer hineinbewegt und dann durch eine 90° Drehbewegung vor der nächsten Prozeßkammer positioniert und in diese Kammer hineingefahren. Mit dem Erreichen der Endposition des Substratträgers in der aufnehmenden Prozeßkammer wird gleichzeitig durch die Dichtplatten wieder die Verbindung der Prozeßkammer zu der Zentralkammer verschlossen.

In der auf die Einschleus/ Ausschleuskammer folgenden Prozeßkammer befindet sich die oben beschriebene Kathodenanordnung. In diese Prozeßkammer wird nun Argon eingelassen bis ein Druck von 3 ^■ 10 ^"3 mbar erreicht wird.

Durch den Betrieb der HIPIMS-Kathode 9 wird beim gleichzeitigem Anlegen eines Substratpotentials von -1 100 V durch einen simultanen Ionenätzprozeß und Beschichtungs- prozeß eine Titan-Implantationsschicht erzeugt.

Nachfolgend wird Argon und Acetylen eingeleitet und ein Druck von 4 -10 ^~J mbar eingestellt. Gleichzeitig wird das negative Substratpotential auf -80 V vermindert und es werden die beiden UBM-Kathoden 10, 13 zugeschaltet.

Bei dem gleichzeitigem Betrieb der HIPIMS-Kathode 9 und der UBM-Kathoden 10, 13 wird eine Mehrlagenbeschichrung mit TiC/C in der Schichtarchitektur gemäß Fig. 1 aufgebracht.

Der Reibungskoeffizient μ dieser Schicht ist kleiner 0,2.

Beispiel 3

Die in Fig. 4 gezeigte dritte Ausführungsform einer Prozeßkammer 20 enthält vier Beschichtungsquellen, das sind zwei HIPIMS-Kathoden 9, 16 und zwei UBM-Kathoden 13, 18 und wird vorzugsweise für mittelgroße und große Einkammer- Anlagen eingesetzt. In einer Anlage vom Typ Zl 200 der Firma Systec System- und Anlagenbau GmbH & Co. KG., Karlstadt, Deutschland, mit einem quadratischen Vakuumkessel mit Innenabmessungen 1500 mm x 1500 mm (Länge x Breite) und 1500 mm Kesselhöhe werden 950mm lange Linearkathoden eingesetzt. Die beiden HIPIMS-Kathoden 9, 16 sind mit Chrom Targetmaterial und die UBM-Kathoden 13, 18 sind mit Ti/Al (50/50 Atom-%) als Targetmaterial ausgerüstet. Zwischen den Kathoden befindet sich in zentraler Position ein rotierender Substratträger 7, der einen Durchmesser von 400 mm besitzt und über eine Höhe von 600 mm bestückt werden kann. Auf dem Substratträger sind z.B. zehn rotierende Planeten mit 150 mm Durchmesser eingesetzt, die mit für die Vakuumbeschichtung vorgereinigten, sauberen Substraten 8 bzw. Bauteilen aus dem Werkstoff 100Cr6 bestückt sind.

Die HIPIMS-Kathoden 9, 16 sind mit Solenoid-Elektromagneten 1 1, 17 und die beiden UBM- Kathoden 13, 18 sind mit Solenoid-Elektromagneten 14, 19 ausgerüstet.

Nach dem Beladen der Anlage wird die Kammertür geschlossen und es wird durch Abpumpen in der Vakuumkammer der Kammerdruck von Atmosphäre bis zu einem Druck von < 3 10 ^"5 mbar abgesenkt. Nachfolgend wird Argon in die Kammer eingelassen bis ein Druck von 2,5 ^• 10 ^"3 mbar erreicht ist.

Durch den Betrieb der HIPIMS-Kathoden 9, 16 findet beim Anlegen eines Substratpotentials von -1200 V gleichzeitig ein lonenätzprozeß und ein Beschichtungsprozeß statt, durch den eine Chrom-Implantationsschicht erzeugt wird.

Nachfolgend wird Argon und Sticksstoff eingeleitet und ein Druck von 7 ^• 10 ^"3 mbar eingestellt. Gleichzeitig wird das negative Substratpotential auf -75 V vermindert und es werden zusätzlich die beiden UBM-Kathoden 13, 18 eingeschaltet.

Bei dem gleichzeitigem Betrieb der beiden HIPIMS-Kathoden 9, 16 und der UBM-Kathoden 13, 18 wird eine Mehrlagenbeschichtung aus CrN/TiAIN mit einem Doppelschichtaufbau gemäß Fig. 1 erzeugt.

Um die Härte der entstehenden Schichten zu optimieren, wird eine Schichtdicke von 3 bis 4 nm der CrN/TiAlN-Doppelschichten angestrebt. Die sich einstellende Schichthärte liegt bei ca. 48 GPa.

Für die PVD-Beschichtung werden Materialien eingesetzt, die in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt sind:

V V ^" TϊäϊN V/tiAlN ^"~

Cr CrN NbN CrN/NbN

Mit der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Mehrkathoden-PVD-Beschichtung geschaffen, basierend auf den Kathodenzerstäubungsvarianten HIPIMS und UBM. Zur Substratvorbehandlung werden die Kathoden im HIPIMS-Modus betrieben, während der Beschichtung werden die Kathoden sowohl im HIPIMS- wie auch im UBM-Modus simultan betrieben.

Dabei werden im HIPIMS- und im UBM-Modus bevorzugt unterschiedliche Targetmaterialien benutzt.

Die Schichtdicken der Material-Doppelschichten liegen bevorzugt im Bereich von 3 bis 5 nm und es tritt der Superlattice-Effekt für superharte Schichten auf, mit einer plastischen Härte > 40 GPa.

Der Abstand zwischen der einzelnen Kathode und den Substraten übersteigt 75 cm nicht.

Die Magnetfelder der einzelnen Kathode sind mittels Solenoid-Elektromagneten weitgehend magnetisch verkoppelt.

Durch die Solenoid-Elektromagneten, mit denen die Kathoden ausgerüstet sind, wird im Kathodenplasma der Unbalance-Effekt erzeugt. Die Magnetron-Kathoden sind mit balancierten Permanentmagneten ausgerüstet. Die Materialien der Permanentmagneten sind beispielsweise NdFeB oder SmCo.

Die magnetfeldunterstützte Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Kathodenzerstäubung (HIPIMS) wird unter folgenden Entladungsbedingungen betrieben. Die dem auf der HIPIMS- Kathode montierten Target zugeführten Impulse weisen typischerweise Leistungsdichten von 800 bis 3000 Wem ^'2 auf, bei Pulslängen von 50 bis 250 μs und Pulsintervallen von 20 bis 200 ms. Die Spitzenspannungen könnten bis zu -1200 V betragen. Die mittlere Leistungsdichte wird im Bereich von 10 Wem ^"2 gehalten. Damit ist die mittlere Leistungsdichte von HIPIMS vergleichbar mit der Leistungsdichte beim Gleichstrom UBM die ebenfalls um die 8 bis 10 Wem ^"2 liegt.

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Referenzen

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