Schattke, Alexander (Kaiserslauterer Str. 20, Stuttgart, 70499, DE)
Henke, Sascha (Obere Talstr. 5/2, Weil Der Stadt, 71263, DE)
Schier, Veit (Obere Gärten 21/1, Echteringen, 70771, DE)
WALTER AG (Derendinger Strasse 53, Tübingen, 72010, DE)
Beck, Thomas (Eberhardstr. 13, Kirchberg, 71737, DE)
Schattke, Alexander (Kaiserslauterer Str. 20, Stuttgart, 70499, DE)
Henke, Sascha (Obere Talstr. 5/2, Weil Der Stadt, 71263, DE)
Schier, Veit (Obere Gärten 21/1, Echteringen, 70771, DE)
| 1. | Verfahren zur Erzeugung einer nanostrukturierten, insbesondere keramikartigen Funktionsbeschichtung (17) auf einem Substrat (16), wobei mit wenigstens einer Plasmaquelle (11,12) ein gepulstes Plasma (13,14) erzeugt wird, mit dem auf dem Substrat (16) über einen Werkstoffeintrag eine Mat rixphase (30) und mindestens eine, darin eingebettete, na noskalige Einlagerungsphase (31) abgeschieden wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle (11,12) mit einer Frequenz von 500 Hz bis 100 kHz, insbesondere 10 kHz und 90 kHz, gepulst wird, wobei Pulse mit zumindest näherungsweise rechteckförmiger, trapezförmiger, sägezahnförmiger oder sinusförmiger Pulsform und/oder Pulsformen mit unterschiedlicher Anstiegsund Ab fallfunktion eingesetzt werden. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass das Pulsen der Plasmaquelle (11,12) mit ei nem PulsPauseVerhältnis von 1 : 10 bis 2 : 1, insbesondere 1 : 4 bis 1 : 1, erfolgt. |
| 4. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle (11,12) mit ei ner Pulsspitzenleistung von 5 kW bis 40 kW betrieben wird. |
| 5. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass als Plasmaquelle (11,12) eine Sputterquelle, insbesondere eine MagnetronSputterquelle, o der eine ArcVerdampferquelle eingesetzt wird. |
| 6. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von gepulst betrie benen Plasmaquellen (11,12) eingesetzt wird, die zeitlich korreliert oder synchronisiert zueinander gepulst werden. |
| 7. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Plasmaquellen (11,12) ab wechselnd, insbesondere unipolar oder bipolar gepulst be trieben werden, wobei die Plasmaquellen (11,12) ein diesen jeweils zugeordnetes Plasma (13,14) erzeugen. |
| 8. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass dem oder den Plasmen (13,14) ein Plasmagas wie Argon oder Helium und/oder ein mindestens Re aktivgas wie Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere ein Kohlenwasserstoff, zugeführt wird. |
| 9. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche, von der Plasma quelle (11,12) verschiedene Energiequelle zum Energieein trag in den aus dem Plasma (13,14) auf dem Substrat (16) abgeschiedenen Werkstoff eingesetzt wird, wobei dieser Ener gieeintrag in den vor und/oder auf dem Substrat (16) befind lichen Werkstoff erfolgt. |
| 10. | Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag über eine Mikrowelleneinheit, eine Ionenquelleneinheit, eine Hohlkathodeneinheit, eine UV Einheit oder ein zwischen der Plasmaquelle (11,12) und dem Substrat (16) erzeugtes elektrisches Feld erfolgt und/oder dass das Substrat (16) mit einer insbesondere hochfrequenten Substratspannung beaufschlagt wird. |
| 11. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Funktionsbe schichtung in einer Vakuumkammer (10) bei einem Arbeitsdruck von 104 mbar bis 102 mbar erfolgt. |
| 12. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Funktionsbe schichtung (17) derart erfolgt, dass das Substrat (16) und/oder die Funktionsbeschichtung (17) auf dem Substrat (16) auf eine Temperatur von maximal 250°C, insbesondere ma ximal 200°C, aufgeheizt wird. |
| 13. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Substrat (16) auf einem be weglichen oder rotierenden Substratträger (15) angeordnet, und insbesondere periodisch an der oder den Plasmaquellen (11, 12) mit ihrem jeweils zugeordneten Plasma (13,14) vor beigeführt wird, wobei das Substrat (16) dem jeweiligen Plasma (13,14) zum Werkstoffeintrag ausgesetzt wird. |
| 14. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass eine amorphe, metallische, mikro kristalline oder kristalline Matrixphase (30) und eine na nokristalline Einlagerungsphase (31) mit einer mittleren Korngröße von 1 nm bis 100 nm, insbesondere 3 nm bis 30 nm, abgeschieden wird. |
| 15. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass eine Matrixphase (30) aus einem Metall oder einer Legierung, einem Siliziumnitrid, MoSi2, a morphem Kohlenstoff oder DLC ("diamont like carbon") erzeugt wird, in die als nanoskalige Einlagerungsphase (31) ein Me talloxid, ein Metallnitrid, ein Metallcarbid, ein Metallcar bonitrid oder eine andere Hartstoffphase, insbesondere Zir koniumnitrid, Siliziumnitrid, Titannitrid, Titancarbid, Si liziumcarbid, Titanoxid, Chromoxid, Zirkoniumoxid oder Tan taloxid, eingebettet ist. |
| 16. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass eine aus mehreren Teilschichten aufgebaute Funktionsbeschichtung (17) abgeschieden wird. |
| 17. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Funktionsbeschichtung (17) und/oder zumindest einzelne Teilschichten der Funktionsbe schichtung (17) mit einer chemisch gradierten Zusammenset zung erzeugt werden. |
| 18. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Funktionsbeschichtung (17) auf einem metallischen Substrat (16), insbesondere einem Bauteil oder Zerspanwerkzeug, abgeschieden wird. |
| 19. | Nanostrukturierte, insbesondere keramikartige Funkti onsbeschichtung auf einem Substrat, mit einer Matrixphase und mindestens einer darin eingebetteten nanoskaligen Einla gerungsphase, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsbe schichtung (17) frei von Chlor und/oder Schwefel ist und mindestens ein Metall und/oder mindestens ein Element ausge wählt aus der Gruppe Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Helium, Argon oder Neon enthält. |
| 20. | Nanostrukturierte Funktionsbeschichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 hergestellt worden ist. |
Stand der Technik Verschleißschutzschichten, insbesondere in Form von Hart- stoffschichten auf Carbonitridbasis, sind in Einlagenaufbau oder Mehrlagenaufbau mit Schichtdicken im Mikrometerbereich sowohl auf Werkzeugen als auch auf Bauteilen bekannt.
Nachteilig bei derartigen Schichten sind die vielfach rela- tiv hohen Reibwerte, auftretende intrinsische Spannungen und daher reduzierte Haftfestigkeiten, sowie die im Vergleich zur Härte starke Sprödigkeit. Weiter wirkt sich eine Verbes- serung der Verschleißbeständigkeit durch Erhöhung der Härte bei diesen Schichten nachteilig auf andere gewünschte Eigen- schaften wie Zähigkeit, Schlagbeständigkeit und Substrathaf- tung aus.
Neben Hartstoffschichten auf Carbonitridbasis sind reibmin- dernde, verschleißfeste Schichten aus diamantartigem Kohlen- stoff (DLC ="diamond like carbon") und Molybdändisilizid bekannt. Deren Nachteile liegen jedoch in der vergleichswei- se geringen Abrasionsbeständigkeit, einer unzureichenden Me- dienbeständigkeit und einer eingeschränkten Temperaturfes- tigkeit, die im Fall von DLC unter 350°C liegt.
Zur Überwindung der genannten Nachteile sind weiter bereits nanostrukturierte Funktionsbeschichtungen entwickelt worden, bei denen eine nanokristalline Phase vorliegt, die in eine amorphe oder kristalline Matrixphase eingebettet ist.
Zur Herstellung derartiger, nanostrukturierter Schichten werden vor allem CVD-Verfahren ("chemical vapour depositi- on") und PVD-Verfahren ("physical vapour deposition") einge- setzt. Besonders die PVD-Verfahren wie Magnetronsputtern o- der Arc-Verdampfen zeichnen sich durch eine große Flexibili- tät in der Materialauswahl aus, und bieten so die Möglich- keit, den Schichtaufbau je nach gewünschter Anwendung ge- zielt zu beeinflussen bzw. einzustellen.
So wird von R. Hauert et al., Advanced Materials, 11, No. 2, (1999), Seiten 175 bis 177, vorgeschlagen, über einen PACVD- Prozess ("plasma activated chemical vapour deposition") na- noskalige Titannitrid-Partikel mit einer Teilchengröße von 10 nm bis 20 nm in eine amorphe Siliziumnitridmatrix oder eine Matrix aus amorphem Silizium einzubetten.
M. Diserens et al., Interface and Coatings Technology, 108 bis 109, (1998), Seiten 241 bis 246, beschreiben ein PACVD- Verfahren, bei dem mittels einer Magnetronsputtertechnik ("reactiv unbalanced magnetron sputtering"), in einer Vaku- umkammer auf einem Substrat bei Temperaturen von unter 350°C eine nanostrukturierte (Ti, Si) N-Schicht erzeugt wird. Kon- kret liegen dort nanoskalige bzw. nanokristalline Titannit- rid-Partikel mit einer mittleren Kristallitgröße von ca.
20 nm in einer amorphen Silizium-oder Siliziumnitrid-Matrix eingebettet vor. Um einen zusätzlichen Energieeintrag bei der Abscheidung der Beschichtung auf dem Substrat zu gewähr- leisten wird dort weiter eine hochfrequente Substratspannung (Bias-Spannung) zwischen 0 V und-140 V an die zu beschich- tenden Substrate angelegt.
In der unveröffentlichten Anmeldung DE 101 04 611.1-45 ist schließlich eine Vorrichtung zur keramikartigen Beschichtung eines Substrates beschrieben, mit der über eine Werkstoff- quelle und ein Plasma auf einem Substrat ein Werkstoff abge- schieden wird. Dort ist eine von der Werkstoffquelle ver- schiedene Energiequelle zum örtlich definierten Energieein- trag in den vor und/oder auf der Oberfläche befindlichen Werkstoff vorgesehen.
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung einer na- nostrukturierten Funktionsbeschichtung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch die eingesetzte gepulste Plasmaquelle eine erheblich höhere Ionendichte im Plasma erreicht wird, d. h. es sind nunmehr in einfacher Wei- se Schichten erzeugbar, die bei der Abscheidung eine hohe I- onendichte erfordern. Die Abscheidung derartiger Schichten ist bei herkömmlichen PACVD-Prozessen nur mit Hilfe einer zusätzlichen Ionisationsquelle möglich, die nun entfallen kann.
Insbesondere weisen die erfindungsgemäß abgeschiedenen bzw. auf dem Substrat auftreffenden Teilchen oder Atome zunächst eine relativ hohe kinetische Energie auf, die ausreichend ist, auf dem Substrat über Diffusionsprozesse nanoskalige Kristallite zu bilden, bzw. dort eine Mikrokristallitbildung fördert. Zudem wird durch die hohe Ionenenergie eine zumin- dest teilweise Zerschlagung von möglicherweise in den er- zeugten Plasmen vorhandenen und/oder zunächst auf dem Sub- strat abgeschiedenen Mikrokristalliten erreicht, was eben- falls das gewünschte nanokristalline Wachstum der Einlage- rungsphase begünstigt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass durch die eingesetzte gepulste Plasmaquelle und die damit erreichte höhere Ionisation der zur Beschichtung eingesetzten Materialien bzw. Atome die Oberflächenenergie im Bereich des zu beschichtenden Substrates gezielt auf ein für die Ausbildung des gewünschten nanostrukturierten Gefü- ges erforderliches Niveau einstellbar ist.
Daneben hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil einer insgesamt einfacheren Verfahrenstechnik mit einer verringer- ten Zahl von Anlagenkomponenten. So erlaubt es nunmehr eine weitgehend beladungsunabhängige und bauteilunabhängige Pro- zessführung, d. h. es ist gegenüber bekannten RF-Techniken, d. h. Verfahren, die mit einer hochfrequenten Substratelekt- rodenspannung arbeiten, erheblich flexibler.
Ein weiterer, wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt schließlich darin, dass das Substrat und/oder die darauf abgeschiedene Funktionsbeschichtung bei deren Erzeugung lediglich auf Temperaturen von maximal 250°C, insbesondere weniger als 200°C, aufgeheizt wird. In- sofern kann vielfach auf eine zusätzliche Kühlung des Sub- strates bei der Schichtabscheidung ganz verzichtet werden, oder es bedarf lediglich einer üblichen Kühlvorrichtung mit vergleichsweise niedriger Kühlleistung.
Die erfindungsgemäße nanostrukturierte Funktionsbeschichtung hat den Vorteil, dass sie gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Beschichtungen, die beispielsweise nach CVD-Verfahren hergestellt sind, frei von unerwünschten Reak- tionsrückständen wie Chlorrückständen oder Schwefelrück- ständen von entsprechenden Prozessgasen herstellbar ist.
Insbesondere ist als Reaktionsrückstand bei den insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Funkti- onsbeschichtungen neben den erwünschten, die Zusammensetzung der erzeugten Funktionsbeschichtung definierenden Elemente wie O, H, N, C und/oder weiteren Metallen lediglich das als Plasmagas eingesetzte Edelgas darin nachweisbar.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist vorteilhaft, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf Bauteilen bzw. Zerspanwerkzeugen sowohl einlagige als auch mehrlagige Beschichtungen, insbesondere mit unter- schiedlicher Zusammensetzung oder unterschiedlichen Eigen- schaften, abscheidbar sind. Zudem kann die erzeugte na- nostrukturierte Funktionsbeschichtung bzw. zumindest eine Teilschicht der Funktionsbeschichtung eine chemisch gradier- te Zusammensetzung aufweisen, d. h. die chemische Zusammen- setzung der Beschichtung ändert sich als Funktion der Schichtdicke.
Beim Pulsen der Plasmaquelle hat es sich hinsichtlich einer hohen Ionendichte und effizienten Abscheidung als vorteil- haft herausgestellt, wenn die Plasmaquelle mit einer Fre- quenz von 500 Hz bis 100 kHz, insbesondere 10 kHz bis 90 kHz, gepulst wird. Dabei kann die Form der eingesetzten Pulse in einfacher Weise variiert und an die jeweilige An- wendung angepasst werden, d. h. es können je nach im Einzel- fall zu treffender Wahl zumindest näherungsweise rechteck- förmige, trapezförmige, sägezahnförmige oder sinusförmige Pulsformen eingesetzt werden, die zudem variabel einstellba- re Anstiegsfunktionen bzw. Abfallfunktionen aufweisen.
Daneben kann die Pulsung der eingesetzten Plasmaquellen so- wohl unipolar als auch bipolar erfolgen.
Schließlich ist vorteilhaft, wenn das Pulsen der Plasmaquel- le mit einem Puls-Pause-Verhältnis zwischen 1 : 10 und 2 : 1, insbesondere 1 : 4 bis 1 : 1, erfolgt, wobei die Plasmaquelle mit einer Pulsspitzenleistung von 5 kW bis 40 kW betrieben wird. Außerdem kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft auf, abgesehen von der Pulsung, etab- lierte und übliche Plasmaquellen wie Sputterquellen, vor- zugsweise Magnetron-Sputterquellen, oder auch Arc- Verdampferquellen zurückgegriffen werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Verfahrens sieht den Einsatz einer Mehrzahl von zeitlich korreliert oder synchronisiert zueinander gepulst betriebenen Plasmaquellen vor, die jeweils ein Material oder eine Verbindung dem der Plasmaquelle zugeordneten Plasma zum Werkstoffeintrag auf dem Substrat, gegebenenfalls nach Reak- tion mit einem Reaktivgas, zuführen. Bevorzugt werden zwei oder drei Plasmaquellen eingesetzt, die abwechselnd, insbe- sondere unipolar oder bipolar gepulst betrieben werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt schließlich darin, dass neben der gepulsten Plasmaquelle bei Bedarf auch eine zusätzliche, von der Plasmaquelle verschie- dene Energiequelle zum Energieeintrag in den aus dem Plasma auf dem Substrat geschiedenen Werkstoff bzw. die erzeugte Funktionsbeschichtung, beispielsweise zur Bereitstellung ei- ner Aktivierungsenergie für Diffusionsprozesse, eingesetzt werden kann. Dieser Energieeintrag erfolgt dann in der in DE 101 04 611.1-45 vorgeschlagenen Weise entweder vor und/oder auf dem Substrat mittels einer Mikrowelleneinheit, einer zu- sätzliche Ionenquelleneinheit, einer Hohlkathodeneinheit, eine UV-Einheit zur Bestrahlung des Substrates mit UV-Licht, eines zwischen der Plasmaquelle und dem Substrat erzeugten elektrischen Feldes und/oder mittels Anlegen einer hochfre- quenten Substratelektrodenspannung (Bias-Spannung).
Zeichnungen Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach- folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 ei- ne Prinzipskizze einer Magnetron-Sputterquelle zur Durchfüh- rung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Figur 2 eine sche- matische, dreidimensionale Darstellung eines Ausschnittes aus einer hergestellten Funktionsbeschichtung.
Ausführungsbeispiele Die Erfindung geht aus von einer in Figur 1 dargestellten, Beschichtungsanlage 5, wie sie in ähnlicher Form auch in M.
Diserens et al., Interface and Coatings Technology, 108 bis 109, (1998), Seite 242, beschrieben ist.
Im Einzelnen weist die Beschichtungsanlage 5 eine geerdete Vakuumkammer 10, eine erste Plasmaquelle 11, eine zweite Plasmaquelle 12, einen Substratträger 15 mit einem darauf befindlichen Substrat 16, einen Gasauslass 18 und einen Gas- einlass 19 auf. Weiter ist vorgesehen, dass mit der ersten Plasmaquelle 11 ein dieser zugeordnetes erstes Plasma 13, und mit der zweiten Plasmaquelle 12 ein dieser zugeordnetes zweites Plasma 14 erzeugt wird, aus denen über einen Werk- stoffeintrag auf der Oberfläche des Substrates 16 eine Be- schichtung 17 abgeschieden wird.
Die Figur 1 zeigt weiter, dass die erste Plasmaquelle 11 mit einer ersten Hochspannungsquelle 22 und die zweite Plasma- quelle 12 mit einer zweiten Hochspannungsquelle 20 in Ver- bindung steht, mit deren Hilfe die Plasmaquellen 11,12 je- weils zunächst unabhängig voneinander pulsbar sind. Zudem ist eine mit den beiden Hochspannungsquellen 20,22 in Ver- bindung stehende elektronische. Steuereinheit 21 vorgesehen, die eine zeitliche Korrelation der Pulsung der beiden Plas- maquellen 11,12 relativ zueinander, insbesondere ein ab- wechselndes Pulsen der beiden Plasmaquellen 11,12, bewirkt.
Es sei an dieser Stelle betont, dass prinzipiell auch eine gemeinsame Hochspannungsquelle zur Versorgung der beiden Plasmaquellen 11,12 ausreichend ist, die dann beispielswei- se abwechselnd über die Steuereinheit 21 mit einer zur Plas- maerzeugung geeigneten Hochspannung beaufschlagt werden. Zu- dem kann die Steuereinheit 21 auch in eine der Hochspan- nungsquellen 20,22 integriert sein.
Die Figur 2 zeigt eine mit der Beschichtungsanlage 5 erzeug- te nanostrukturierte Funktionsbeschichtung 17 in einem drei- dimensionalen Ausschnitt, wobei eine nanoskalige Einlage- rungsphase 31 in eine Matrixphase 30 eingebettet ist.
Zur Erzeugung einer nanoskaligen Titannitrid-Einlagerungs- phase 31 in eine Matrixphase 30 aus amorphem Siliziumnitrid auf einem Bauteil aus einem Metall wie Werkzeugstahl wird die erste Plasmaquelle 11 der Beschichtungsanlage 5 gemäß Figur 1 mit einer Kathode mit einem Titan-Target und die zweite Plasmaquelle 12 mit einer Kathode mit einem Silizium- Target bestückt. Gleichzeitig wird der Kammer 10 über den Gaseinlass 19 als Reaktivgas Stickstoff zugeführt, dem zu- sätzlich als Plasmagas Argon zugemischt ist. Weiter werden die beiden Plasmaquellen 11, 12 jeweils mit einer Pulsfre- quenz zwischen 20 kHz und 70 kHz mit einem Puls-Pause- Verhältnis von 1 : 4 bis 3 : 4 abwechselnd bipolar mit trapez- förmiger Pulsform gepulst.
Insbesondere ist jeweils eine der beiden Plasmaquellen 11, 12 gerade dann aktiv, wenn an der anderen eine Pulspause an- liegt, d. h. die Intensität des jeweils zugeordneten Plasmas 13,14 ein Minimum erreicht hat bzw. es am Erlöschen oder bereits erloschen ist. Die Pulsspitzenleistung der beiden Plasmaquellen 11,12 liegt jeweils beispielsweise bei 20 kW entsprechend einer Durchschnittsleistung von 20 kW bei übli- chem DC-Magnetronbetrieb.
Unter dem Pulsen des Plasmas 13 bzw. des Plasmas 14 ist so- mit allgemein eine zeitliche Veränderung der jeweiligen Plasmaintensität zwischen einer Maximalintensität und einer Minimalintensität zu verstehen, wobei die Minimalintensität bevorzugt durch das Erlöschen des betreffenden Plasmas 13, 14 in den Pulspausen gegeben ist. Alternativ kann die Mini- malintensität auch dadurch gegeben sein, dass das jeweilige Plasma 13,14 in den Pulspausen mit geringfügig oberhalb zum Erlöschen führender Verfahrensparameter betrieben wird, so dass es zwar nicht erlischt, die Minimalintensität aber er- heblich niedriger als die Maximalintensität ist.
Die Plasmaquellen 11,12 sind bevorzugt Sputterquellen, de- ren Effizienz durch ein Magnetron verstärkt ist, d. h. sie Zerstäuben jeweils einen als Kathode oder Target eingesetz- ten Werkstoff. Dieser ist beispielsweise einerseits ein von einer Plasmaquelle 11,12 bereitgestelltes Metall oder ein Metalloxid, insbesondere Titan, Chrom, Kupfer oder Zirkoni- um, sowie andererseits von der jeweils anderen Plasmaquelle 11,12 bereitgestelltes Silizium oder Kohlenstoff. Prinzi- piell ist jedoch auch lediglich eine Plasmaquelle 11,12 mit einem entsprechenden Target sowie einem geeigneten Reaktiv- gas zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. zur Abscheidung einer nanostrukturierten Funktionsbeschich- tung ausreichend. Bevorzugt werden jedoch zwei oder mehr Plasmaquellen 11,12 mit vorzugsweise zeitlich getaktet zu- gesetzten Reaktivgasen eingesetzt.
Die Figur 1 zeigt schließlich, dass das Substrat 16 bevor- zugt auf einem rotierenden Substratträger 15 angeordnet ist, so dass es periodisch an den beiden Plasmaquellen 11,12 mit ihrem jeweils zugeordneten Plasma 13,14 vorbeigeführt wird.
Somit stellt sich bei dem Vorbeiführen des Substrates 16 in dem Einwirkungsbereich der Plasmen 13,14 jeweils ein Werk- stoffeintrag auf die Oberfläche des Substrates 16 ein.
Im Übrigen sei erwähnt, dass die Erzeugung der Funktionsbe- schichtung 17 in der Kammer 10 bei einem Arbeitsdruck von 10-4 mbar bis 10-2 mbar, beispielsweise 10-3 mbar, erfolgt.
Dazu sind geeignete, nicht dargestellte Mittel zur Gewähr- leistung eines entsprechenden Vakuums in der Kammer 10 vor- gesehen. Das Substrat 16 ist beispielsweise ein metallisches Substrat, insbesondere ein metallisches Bauteil oder ein Zerspanwerkzeug, das über den Substratträger 16 elektrisch leitend mit der geerdeten Kammer 10 in Verbindung steht.
Durch das erläuterte Beschichtungsverfahren wird insgesamt erreicht, dass Substrat und/oder die Funktionsbeschichtung 17 auf dem Substrat auf eine Temperatur von weniger als 200°C, insbesondere lediglich ca. 150°C, aufgeheizt wird.
Durch Analyse der Struktur der wie beschrieben erzeugten Be- schichtung 17 wurde festgestellt, dass sich eine weitgehend amorphe Matrixphase 30 aus Siliziumnitrid eingestellt hat, in die eine nanoskalige bzw. nanokristalline Titannitrid- Einlagerungsphase 31 eingebettet ist.
Die mittlere Korngröße der Einlagerungsphase 31 liegt dabei je nach Verfahrensführung bei ca. 1 nm bis ca. 100 nm, vor- zugsweise ca. 3 nm bis ca. 30 nm.
Je nach Wahl des Materials für die Matrixphase 30 ist es weiter auch möglich anstelle einer amorphen Matrixphase 30 eine metallische, mikrokristalline oder kristalline Matrix- phase 30 zu erzeugen.
Als Material für die Matrixphase 30 kommt neben dem be- schriebenen Silizium bzw. Siliziumnitrid auch ein Metall, eine Legierung, Molybdändisilizid, amorpher Kohlenstoff oder DLC in Frage.
Als Material für die nanoskalige Einlagerungsphase 31 eignet sich neben Titannitrid auch ein Metalloxid, ein anderes Me- tallnitrid, ein Metallcarbid, ein Metallcarbonitrid oder ei- ne andere Hartstoffphase, insbesondere Zirkoniumnitrid, Si- liziumnitrid, Titancarbid, Siliziumcarbid, Titanoxid, Chrom- oxid, Zirkoniumoxid oder Tantaloxid.
Bevorzugt sind die Kombinationen Siliziumnitrid als Matrix- phase 30 und Titannitrid als nanoskalige Einlagerungsphase 31 oder ein Metall wie Kupfer als Matrixphase 30 und Zirko- niumnitrid als nanoskalige Einlagerungsphase 31.
Die Zusammensetzung der zu erzeugenden bzw. abzuscheidenden Matrixphase 30 sowie der nanoskaligen Einlagerungsphase 31 hängt neben den von den Plasmaquellen 11,12 bereitgestell- ten Werkstoffen von dem den Plasmen 13,14 zugeführten Reak- tivgas ab. Dieses ist beispielsweise der bereits erwähnte, über den Gaseinlass 19 zugeführte Stickstoff oder alternativ Sauerstoff, Wasserstoff oder ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere ein Kohlenwasserstoff. Dem Reaktivgas ist wei- ter bevorzugt ein Plasmagas wie Argon oder Helium zugesetzt.
Es sei jedoch betont, dass auf Zufuhr eines Reaktivgases je nach den von den Plasmaquellen 11, 12 bereitgestellten Werk- stoffen und der gewünschten Zusammensetzung der Funktionsbe- schichtung 17 prinzipiell auch verzichtet werden kann, bei- spielsweise bei Verwendung eines Metalloxids als Kathode o- der Target in einer der Plasmaquellen 11,12. In diesem Fall wird der Kammer 10 lediglich das Plasmagas zugeführt.
Weiterhin ist klar, dass durch Variation des dem ersten Plasma 13 bzw. dem zweiten Plasma 14 zugeführten Materials als Funktion der Zeit, beispielsweise durch Veränderung der Art oder Menge des zugeführten Reaktivgases, eine aus mehre- ren Teilschichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung auf- gebaute Funktionsbeschichtung 17 abscheidbar ist. Daneben ist es auch möglich, durch gezielte, insbesondere kontinu- ierliche Veränderung der Art und/Menge des zugeführten Reak- tivgases eine chemisch gradierte Zusammensetzung der Funkti- onsbeschichtung 17 bzw. der einzelnen Teilschichten zu er- zeugen.
Eine Weiterführung der vorstehend erläuterten Ausführungs- beispiele sieht vor, neben den Plasmaquellen 11,12 eine zu- sätzliche, von diesen verschiedene Energiequelle zum Ener- gieeintrag in den aus den Plasmen 13,14 auf dem Substrat 16 abgeschiedenen Werkstoff zu verwenden, wobei dieser Energie- eintrag in den vor und/oder auf dem Substrat 16 befindli- chen, die Beschichtung 17 bildenden Werkstoff erfolgt. Als Energiequelle eignen sich die bereits in DE 101 04 611.1-45 beschriebenen Einrichtungen, d. h. beispielsweise eine Mikro- welleneinheit, eine Ionenquelleneinheit, eine Hohlkathoden- einheit, eine UV-Einheit, ein Mittel zur Erzeugung eines e- lektrischen Feldes zwischen der Plasmaquelle 11,12 und dem Substrat 16 und/oder eine Hochfrequenzspannungsquelle zum Beaufschlagen des Substrates 16 mit einer hochfrequenten Substratspannung (Bias-Spannung) gegen Erde.
Insgesamt mit der Hilfe der erläuterten Ausführungsbeispiele stets eine nanostrukturierte, insbesondere keramische, qua- litativ hochwertiges Schicht 17 oder ein entsprechendes Schichtsysteme auf dem Substrat 16 erhalten, die neben der nanoskaligen Einlagerungsphase 31 in einem weiteren Gefüge eine Matrixphase 30 umfasst, die bevorzugt amorph oder me- tallisch in Form eines refraktären Netzwerkes ausgebildet ist, die aber auch kristallin sein kann. Dabei ist der An- teil des Oberflächenvolumens der Einlagerungsphase 31 am Ge- samtvolumen sehr hoch, und die Grenzflächen zwischen den Na- nokristalliten der Einlagerungsphase 31 und der umgebenden, insbesondere amorphen Matrix 30 sind vergleichsweise scharf.
Insbesondere werden durch Einlagerung einer solchen, na- noskaligen Hartstoffphase Beschichtungen 17 mit Härten von über 4000 HV erhalten, die eine durch die erzeugte Na- nostrukturierung reduzierte Sprödheit aufweisen.
Die Dicke der wie erläutert erzeugten Funktionsbeschichtung 17 auf dem Substrat 16 liegt üblicherweise im Bereich von 100 nm bis 10 gm, insbesondere 500 nm bis 5 Zm, wobei neben dieser zwischen dem Substrat 16 und der Funktionsbeschich- tung 17 zusätzliche noch eine an sich bekannte haftvermit- telnde Zwischenschicht bzw. auf der Funktionsbeschichtung 17 eine Deckschicht oder Einlaufschicht, beispielsweise auf a- morphem Kohlenstoff, vorgesehen sein kann.
Als Substrat 16 kommen zudem neben planaren Substraten 16 auch dreidimensionale Bauteile wie Bohrer, Wellen, Lagerkom- ponenten, Kolben, Zahnräder oder dergleichen in Frage.
Next Patent: METHOD FOR PRODUCING A FLUORESCENT MATERIAL LAYER