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WO2011138331A2 - Pvd-hybridverfahren zum abscheiden von mischkristallschichten - Google Patents

Pvd-hybridverfahren zum abscheiden von mischkristallschichten Download PDF

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WO2011138331A2
WO2011138331A2 PCT/EP2011/057064 EP2011057064W WO2011138331A2 WO 2011138331 A2 WO2011138331 A2 WO 2011138331A2 EP 2011057064 W EP2011057064 W EP 2011057064W WO 2011138331 A2 WO2011138331 A2 WO 2011138331A2
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mixed crystal
arc
aluminum
pvd
metal
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Wolfgang Engelhart
Veit Schier
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Walter AG
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Walter AG
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    • Y10T428/12972—Containing 0.01-1.7% carbon [i.e., steel]

Definitions

  • the present invention relates to a method for depositing mixed crystal layers having at least two metals (M1, M2) on a substrate by means of PVD methods.
  • Cutting tools that are used, for example, for machining metal, usually consist of a base body (substrate) made of hard metal, cermet, steel or high-speed steel with a wear-resistant single or multi-layer coating of metallic hard coatings, oxide layers and the like.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • sputtering arc vapor deposition
  • ion plating electron beam evaporation
  • electron beam evaporation electron beam evaporation and laser ablation.
  • Sputtering such as magnetron sputtering, reactive magnetron sputtering or high power impulse magnetron sputtering (HI PI MS), and arc evaporation are among the PVD processes most commonly used for coating cutting tools.
  • sputtering sputtering
  • atoms or molecules are removed from the target by bombardment with high-energy ions and transferred to the gas phase, where they are then deposited either directly or after reaction with a reaction gas on the substrate.
  • a reaction gas on the substrate.
  • an arc burns between the chamber and the target, which melts and vaporizes the target material.
  • a large part of the evaporated material is ionized and accelerated toward the substrate occupied by a negative potential and deposited on the substrate surface.
  • Both by magnetron sputtering and arc evaporation metal oxide layers can be deposited on a substrate.
  • Arc evaporation usually yields higher deposition rates.
  • the variants of the simple and of the dual magnetron sputtering have the disadvantage that many oxides in the particularly stable and therefore desirable alpha phase can not be achieved or at most partially, as for example in the case of aluminum oxide or aluminum-chromium mixed oxide.
  • arc evaporation one can achieve a very high proportion of alpha phase of the metal oxides.
  • a disadvantage of the arc evaporation is that due to the process, a large number of macroparticles (droplets) are deposited, the avoidance of which is extremely complicated.
  • the layers deposited by the aforementioned methods often do not have the sufficiently high hardness and low thermal conductivity for certain applications where these properties are required due to deposition as unstable phases or mixed phases and / or deposition with many macroparticles.
  • DE 44 05 477 and DE 43 31 890 describe the production of nitride layers, in which the deposition of a base material by means of unbalanced magnetron sputtering (simple magnetron sputtering) is started. In the later course of the layer deposition then cathodic arc discharge is switched on to incorporate additional metals (paving material) in the layer of the deposited base material. The result is a multi-layer coating, whereby it can be assumed that multiphase layers are produced due to the low plasma energies in the case of unbalanced magnetron sputtering.
  • US 2005/0284747 describes the production of silicon-containing multilayer coatings by means of magnetron sputtering and arc vapor deposition, wherein the coatings have a multi-phase structure with alpha silicon nitride and beta silicon nitride. No mixed crystal structure is achieved. Aluminiuim and alloys thereof are deposited in the arc, resulting in the formation of macroparticles (droplets).
  • EP 0 306 612 describes the production of coatings on substrates by means of cathode sputtering and arc evaporation in order to obtain more compact, denser layers compared to pure cathode sputtering.
  • the deposited layers are disadvantageously generally mixed phases and many macroparticles.
  • the object of the present invention was to provide a method for depositing mixed crystal layers with at least two different metals on a substrate by means of PVD method, with which one obtains mixed crystal layers that are as free of macroparticles (droplets) and the highest possible proportion a desirably have crystalline phase, in particular single-phase mixed crystal layers, and which are highly crystalline.
  • This object is achieved according to the invention by a method of the type mentioned, in which the deposition of the mixed crystal layer with simultaneous application i) of the sputtering process dual magnetron sputtering or high power impulse magnetron sputtering (HIPIMS) and ii) arc vapor deposition (Arc-PVD) is performed.
  • HIPIMS high power impulse magnetron sputtering
  • Arc-PVD arc vapor deposition
  • Particularly preferred mixed crystal layers according to the invention are layers of single-phase mixed crystals of aluminum-chromium oxide (AICr) 2 O 3 .
  • Layers of this composition can be deposited by both arc evaporation and by single or dual magnetron sputtering of, for example, an AICr (70/30) at% target.
  • AICr aluminum-chromium oxide
  • PVD deposition by arc evaporation alone although a high proportion of the thermodynamically stable alpha phase of the mixed crystal is obtained, at the same time a very high proportion of precipitated macroparticles (droplets) which considerably worsen the quality of the mixed crystal layer.
  • the process according to the invention which uses simultaneous use of dual magnetron sputtering or HIPIMS and arc vapor deposition, can deposit mixed crystal layers which simultaneously give highly crystalline mixed crystal layers which are virtually free of macroparticles (droplets) and which are single phase or at least least a very high proportion of a desired phase, z.
  • the use of simple magnetron sputtering and arc evaporation, as also described in the prior art, does not lead to the desired result.
  • At least two different targets are used, namely a target with at least one first metal (M1) as the cathode in the arc process and another target with at least one further metal for the cathode sputtering in the dual magnetron process or HIPIMS.
  • the pure metals can be used, for example pure aluminum targets or chrome targets, or mixed metallic targets, such as, for example, aluminum / chromium (70/30) at% targets.
  • ceramic targets which already contain the compounds to be deposited, for example metal oxides, metal nitrides, metal carbides or metal borides.
  • An example which is advantageous according to the invention is the use of a metallic chromium target in the arc process and of a metallic aluminum target in the dual magnetron process or HI PI MS.
  • the mixed crystal layers are monophasic or substantially single-phase mixed crystal layers of mixed oxides, carbides, nitrides, carbonitrides, oxynitrides, oxicarbides, oxicarbonitrides, borides, boron nitrides, borocarbides, borocarbonitrides, borooxynitrides, borooxocarbides, borooxocarbonitrides, oxoboronitrides at least two different metals (M1, M2).
  • the mixed crystal layers consist of mixed oxides of the at least two different metals (M1, M2).
  • a particularly preferred system are mixed crystal layers of aluminum-chromium oxide.
  • dual magnetron sputtering and High Power Impulse magnetron sputtering are dual magnetron sputtering and High Power Impulse magnetron sputtering (HI PI MS).
  • HI PI MS High Power Impulse magnetron sputtering
  • reactive dual Magnetron sputtering for example using pure metallic targets and oxygen as a reactive gas.
  • At least one target containing at least the first metal (M1) is used for the application of the dual magnetron method or HIPIMS.
  • mixed metallic targets may also be used which contain both the first metal (M1) and the second metal (M2) and optionally further metals.
  • An example of a mixed metallic target in the aforementioned aluminum-chromium-oxide system would be an aluminum / chromium (70/30) at% target.
  • At least one target is used which contains at least the second metal (M2).
  • M2 the second metal
  • a target contains one metal or several metals
  • the first metal and the second metal are selected from the elements of subgroups IVa to VIIa of the periodic table, lithium, boron, aluminum and silicon.
  • the first metal and the second metal are aluminum and chromium.
  • An aluminum-chromium mixed oxide layer within a tool coating has proved to be particularly advantageous. These coatings have a very high hardness and wear resistance.
  • two aluminum targets or an aluminum target and a mixed aluminum-chromium target are used for the production of aluminum-chromium mixed oxide layers for the application of the dual magnetron process or HIPIMS.
  • arc vapor deposition Arc-PVD
  • one or two chromium targets are used.
  • targets provided for the same PVD method are disposed on opposite sides of the substrate holders.
  • the mixed crystal layers are deposited in layer thicknesses of 0.2 nm to 10 ⁇ m, preferably from 5 nm to 1 ⁇ m, particularly preferably 10 nm to 100 nm. Too large layer thicknesses have the disadvantage that the layers can flake off due to unfavorable stress states.
  • the deposition rate decreases with increasing layer thickness, so that the deposition can become uneconomical due to the very low deposition rate.
  • the mixed crystal oxide layers of the present invention may inherently have a layer structure which may be generated due to the rotation of the substrates upon deposition in the PVD apparatus depending on the rotation speed.
  • the layers arranged one above the other can have different chemical compositions and / or different orientations of the crystals according to the target composition, wherein the crystal system of the layers arranged one above the other within a mixed crystal oxide layer is the same.
  • the thickness of the individual layers within a mixed crystal oxide layer can be from 0.1 nm to 1 ⁇ m, preferably 2 nm to 500 nm, particularly preferably 3 nm to 50 nm, very particularly preferably 5 nm to 15 nm.
  • the substrate for the deposition of the mixed crystal layers is made of hard metal, cermet, steel or high-speed steel (HSS). Particularly preferably, the substrate is made of hard metal or cermet.
  • target material with a melting point above 700.degree. C. preferably above 1000.degree. C., particularly preferably above 1500.degree. C.
  • Arc-PVD arc flash evaporation
  • the present invention also includes a cutting tool having a substrate and a single or multi-layer coating applied thereto, wherein at least one layer of the multi-layered coating is a mixed crystal layer formed using the method of any one of the preceding claims.
  • the at least one mixed crystal layer of the multilayer coating is an aluminum-chromium-oxide mixed crystal layer which is fully or at least 90% by volume thereof in the alpha phase.
  • the mixed crystal layer according to the invention has the advantage that it has a particularly high degree of crystallinity and a low proportion of deposited macroparticles (droplets).
  • thermodynamically stable alpha phase of the mixed crystal is obtained using the method according to the invention.
  • the advantages are high hardness, high wear resistance, high temperature resistance, high thermal shock resistance,
  • Example 1 Comparative Comparison Example 1
  • Example 2 dual magnetron AI-AI and AI AICr (70/30) at% - rectangle targets
  • AICr (70/30) at% - rectangle targets rectangle targets (81 cm x 16 cm) rectangle targets (81 cm x 16cm) (81cm x 16cm)

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Mischkristallschichten mit wenigstens zwei verschiedenen Metallen (M1, M2) auf einem Substrat mittels PVD-Verfahren. Um ein Verfahren zum Abscheiden von Mischkristallschichten mit wenigstens zwei verschiedenen Metallen auf einem Substrat mittels PVD-Verfahren bereitzustellen, mit dem man Mischkristallschichten erhält, die möglichst frei sind von Makropartikeln (Droplets) und die einen möglichst hohen Anteil einer gewünschten kristallinen Phase aufweisen und hochkristallin sind, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Abscheiden der Mischkristallschicht unter gleichzeitiger Anwendung i) des Kathodenzerstäubungsverfahrens duales Magnetronsputtern oder High Power Impulse Magnetronsputtern (HIPIMS) und ii) Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD) durchgeführt wird.

Description

PVD-Hybridverfahren zum Abscheiden von Mischkristallschichten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Mischkristallschichten mit wenigstens zwei Metallen (M1 , M2) auf einem Substrat mittels PVD-Verfahren.
Stand der Technik
Schneidwerkzeuge, die beispielsweise zur spanabhebenden Metallbearbeitung eingesetzt werden, bestehen in der Regel aus einem Grundkörper (Substrat) aus Hartmetall, Cermet, Stahl oder Schnellarbeitsstahl mit einer verschleißbeständigen ein- oder mehrlagigen Be- schichtung aus metallischen Hartstoffschichten, Oxidschichten und dergleichen. Zum Aufbringen solcher Beschichtungen werden CVD-Verfahren (Chemische Gasphasenabschei- dung) und/oder PVD-Verfahren (Physikalische Gasphasenabscheidung) angewendet. Bei den PVD-Verfahren unterscheidet man zwischen verschiedenen Varianten, beispielsweise Kathodenzerstäubung (Sputter-Abscheidung), Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD), lonenplat- tierung, Elektronenstrahlverdampfung und Laserablation. Kathodenzerstäubung, wie Magnetronsputtern, reaktives Magnetronsputtern oder High Power Impulse Magnetronsput- tern (Hl PI MS), und das Lichtbogenverdampfen zählen zu den am häufigsten für die Be- schichtung von Schneidwerkzeugen angewendeten PVD-Verfahren.
Beim Sputtern (Kathodenzerstäubung) werden aus dem Target durch Beschuss mit energiereichen Ionen Atome oder Moleküle herausgelöst und in die Gasphase überführt, wo sie dann entweder direkt oder nach Umsetzung mit einem Reaktionsgas auf dem Substrat abgeschieden werden. Beim Lichtbogenverdampfen brennt zwischen der Kammer und dem Target ein Lichtbogen, der das Targetmaterial schmilzt und verdampft. Dabei wird ein großer Teil des verdampften Materials ionisiert und zu dem mit einem negativen Potential belegten Substrat hin beschleunigt und auf der Substratoberfläche abgeschieden.
Sowohl durch Magnetronsputtern als auch Lichtbogenverdampfen können Metalloxidschich- ten auf einem Substrat abgeschieden werden. Durch Lichtbogenverdampfen werden üblicherweise höhere Abscheidungsgeschwindigkeiten erzielt. Die Varianten des einfachen und des dualen Magnetronsputtern haben den Nachteil, dass viele Oxide in der besonders stabilen und daher erwünschten Alpha-Phase nicht oder höchstens teilweise erzielt werden können, wie beispielsweise beim Aluminiumoxid oder beim Aluminium-Chrom-Mischoxid. Beim Lichtbogenverdampfen kann man einen sehr hohen Anteil an Alpha-Phase der Metalloxide erreichen. Ein Nachteil des Lichtbogenverdampfens ist allerdings, dass verfahrensbedingt sehr viele Makropartikel (Droplets) mit abgeschieden werden, deren Vermeidung äußerst aufwendig ist. Die nach den vorgenannten Verfahren abgeschiedenen Schichten haben aufgrund der Abscheidung als instabile Phasen oder Mischphasen und/oder der Abscheidung mit sehr vielen Makropartikeln häufig nicht die ausreichend hohe Härte und niedrige Wärme- leitfähigkeit für bestimmte Anwendungen, bei denen diese Eigenschaften erforderlich sind.
Die DE 44 05 477 und Die DE 43 31 890 beschreiben die Herstellung von Nitridschichten, bei dem die Abscheidung eines Grundmaterials mittels unbalanziertem Magnetronsputtern (einfaches Magnetronsputtern) gestartet wird. Im späteren Verlauf der Schichtabscheidung wird dann kathodische Bogenentladung zugeschaltet, um zusätzliche Metalle (Einbaumaterial) in die Schicht des abgeschiedenen Grundmaterials einzubauen. Es ergibt sich eine mehrlagige Be- schichtung, wobei davon auszugehen ist, dass aufgrund der niedrigen Plasmaenergien beim unbalanzierten Magnetronsputtern mehrphasige Schichten entstehen.
Die US 2005/0284747 beschreibt die Herstellung siliziumhaltiger Mehrlagenbeschichtungen mittels Magnetronsputtern und Lichtbogenverdampfen, wobei die Beschichtungen ein mehrphasiges Gefüge mit Alpha-Siliziumnitrid und Beta-Siliziumnitrid aufweisen. Es wird kein Mischkristallgefü- ge erzielt. Aluminiuim und Legierungen davon werden im Lichtbogen abgeschieden, was zur Bildung von Makropartikeln (Droplets) führt.
Die EP 0 306 612 beschreibt die Herstellung von Beschichtungen auf Substraten mittels Kathodenzerstäubung und Bogenverdampfung, um gegenüber reiner Kathodenzerstäubung kompaktere, dichtere Schichten zu erhalten. Die abgeschiedenen Schichten weisen mit Nachteil in der Regel Mischphasen und viele Makropartikeln auf.
Aufgabe
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, ein Verfahren zum Abscheiden von Mischkristallschichten mit wenigstens zwei verschiedenen Metallen auf einem Substrat mittels PVD-Verfahren bereitzustellen, mit dem man Mischkristallschichten erhält, die möglichst frei sind von Makropartikeln (Droplets) und die einen möglichst hohen Anteil einer ge- wünschten kristallinen Phase aufweisen, insbesondere einphasigen Mischkristallschichten, und die hochkristallin sind.
Beschreibung der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem das Abscheiden der Mischkristallschicht unter gleichzeitiger Anwendung i) des Kathodenzerstäubungsverfahrens duales Magnetronsputtern oder High Power Impulse Magnetronsputtern (HIPIMS) und ii) Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD) durchgeführt wird.
Durch die erfindungsgemäße gleichzeitige Anwendung von dualem Magnetronsputtern oder HIPIMS und Lichtbogenverdampfen lassen sich mit Vorteil hochkristalline einphasige Mischkristallschichten herstellen, die im Wesentlichen frei sind von Makropartikeln (Droplets), zumindest aber eine deutlich geringere Anzahl von Makropartikeln aufweisen als nach bekann- ten Verfahren hergestellte Schichten. Es wird angenommen, dass sich die im Wesentlichen einphasige Mischkristallstruktur aufgrund der beim dualen Magnetronsputtern oder HI PIMS gegenüber einfachem Magnetronsputtern deutlich höheren Plasmaenergien ausbildet. Dies war überraschend. Gleichzeitig zeichnen sich die erfindungsgemäß hergestellten Schichten aufgrund Ihrer besonderen Gefügeeigenschaften durch vorteilhafte Härte und Wärmeleitfä- higkeit aus.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugte Mischkristallschichten sind Schichten von einphasigen Mischkristallen von Aluminium-Chrom-Oxid (AICr)203. Schichten dieser Zusammensetzung können sowohl durch Lichtbogenverdampfen als auch durch einfaches oder duales Magnetronsputtern von beispielsweise einem AICr(70/30) at%-Target abgeschieden werden. Bei der PVD-Abscheidung durch Lichtbogenverdampfen alleine erhält man zwar einen hohen Anteil der thermodynamischen stabilen Alpha-Phase des Mischkristalls, aber gleichzeitig auch einen sehr hohen Anteil an mit abgeschiedenen Makropartikeln (Droplets), welche die Qualität der Mischkristallschicht erheblich verschlechtern. Bei der Abscheidung durch Magnetronsputtern wird zwar die Anzahl der mit abgeschiedenen Makropartikel (Droplets) gegenüber dem Lichtbogenverdampfen vermindert, jedoch erhält man kaum thermodyna- misch stabile Alpha-Phase des Mischkristalls. Es konnte nun überraschend gezeigt werden, dass man durch das erfindungsgemäße Verfahren, welches gleichzeitige Anwendung von dualem Magnetronsputtern oder HIPIMS und Lichtbogenverdampfen einsetzt, Mischkristall- schichten abscheiden kann, bei denen man gleichzeitig hochkristalline Mischkristallschichten erhält, die nahezu frei von Makropartikeln (Droplets) sind und die einphasig sind oder zumin- dest einen sehr hohen Anteil einer gewünschten Phase, z. B. stabile Alpha-Phase im Falle von Aluminium-Chrom-Oxid, und allenfalls geringe Anteile weiterer Phasen, z. B. Gamma- Phase im Falle von Aluminium-Chrom-Oxid, besitzen. Die Anwendung von einfachem Magnetronsputtern und Lichtbogenverdampfen, wie sie auch im Stand der Technik beschrie- ben ist, führt nicht zu dem gewünschten Ergebnis.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden wenigstens zwei verschiedene Targets eingesetzt, nämlich ein Target mit wenigstens einem ersten Metall (M1 ) als Kathode im Lichtbogenverfahren und ein weiteres Target mit wenigstens einem weiteren Metall für die Katho- denzerstäubung im dualen Magnetronverfahren oder HIPIMS.
Als Targets können die reinen Metalle eingesetzt werden, beispielsweise reine Aluminium- Targets oder Chrom-Targets, oder gemischt metallische Targets, wie beispielsweise Alumi- nium/Chrom(70/30) at%-Targets. Alternativ können auch keramische Targets eingesetzt wer- den, welche die abzuscheidenden Verbindungen bereits enthalten, beispielsweise Metalloxide, Metallnitride, Metallcarbide oder Metallboride. Zweckmäßigerweise setzt man das höher schmelzende Targetmaterial im Lichtbogenverfahren und das niedriger schmelzende Targetmaterial im dualen Magnetronverfahren oder HIPIMS ein. Ein erfindungsgemäß vorteilhaftes Beispiel ist die Verwendung eines metallischen Chrom-Targets im Lichtbogenverfahren und eines metallischen Aluminium-Targets im dualen Magnetronverfahren oder HI PI MS. Setzt man die vorgenannten Targets umgekehrt ein, erhält man eine höhere Abscheidung von Makropartikeln (Droplets) und einen geringeren Grad an Kristallinität der Mischkristallschichten. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Mischkristallschichten einphasige oder im Wesentlichen einphasige Mischkristallschichten aus gemischten Oxiden, Carbiden, Nitriden, Carbonitriden, Oxinitriden, Oxicarbiden, Oxicarbonitriden, Boriden, Boro- nitriden, Borocarbiden, Borocarbonitriden, Borooxinitriden, Borooxocarbiden, Borooxocarbo- nitriden, Oxoboronitriden der wenigstens zwei verschiedenen Metalle (M1 , M2). Vorzugswei- se bestehen die Mischkristallschichten jedoch aus gemischten Oxiden der wenigstens zwei verschiedenen Metalle (M1 , M2). Ein ganz besonders bevorzugtes System sind Mischkristallschichten aus Aluminium-Chrom-Oxid.
Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich duales Magnetronsputtern und High Po- wer Impulse Magnetronsputtern (HI PI MS). Ganz besonders bevorzugt ist reaktives duales Magnetronsputtern, beispielsweise unter Verwendung rein metallischer Targets und Sauerstoff als Reaktivgas.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird für die Anwendung des dualen Magnetronverfahrens oder HIPIMS wenigstens ein Target verwendet, welches wenigstens das erste Metall (M1 ) enthält. Alternativ können für die Anwendung des dualen Magnetronverfahrens oder HIPIMS aber auch gemischt metallische Targets verwendet werden, die sowohl das erste Metall (M1 ) als auch das zweite Metall (M2) und gegebenenfalls weitere Metalle enthalten. Ein Beispiel für ein gemischt metallisches Target in dem bereits genannten Aluminium-Chrom-Oxid-System wäre ein Aluminium/Chrom(70/30) at%-Target.
Für die Anwendung des Lichtbogenverdampfens (Arc-PVD) wird wenigstens ein Target verwendet, welches wenigstens das zweite Metall (M2) enthält. Wenn im Zusammenhang mit dieser Anmeldung angegeben ist, dass ein Target ein Metall oder mehrere Metalle enthält, so umfasst dies sowohl rein metallische Targets als auch keramische Targets, in denen das Metall oder die Metalle beispielsweise als Oxid, Nitrid, Car- bid oder Borid vorliegt bzw. vorliegen. Generell eignet sich nahezu jedes Metall zum Abscheiden der erfindungsgemäßen Mischkristallschichten. In einer Ausführungsform der Erfindung sind das erste Metall und das zweite Metall unter den Elementen der Nebengruppen IVa bis Vlla des Periodensystems, Lithium, Bor, Aluminium und Silizium ausgewählt. Vorzugsweise sind jedoch das erste Metall und das zweite Metall Aluminium und Chrom. Eine Aluminium-Chrom-Mischoxidschicht in- nerhalb einer Werkzeugbeschichtung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Diese Be- schichtungen weisen eine sehr hohe Härte und Verschleißbeständigkeit auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden für die Herstellung von Aluminium-Chrom-Mischoxidschichten für die Anwendung des dualen Magnetronverfahrens oder HIPIMS zwei Aluminium-Targets oder ein Aluminium-Target und ein gemischtes Aluminium- Chrom-Target verwendet. Für das Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD) werden ein oder zwei Chrom-Targets verwendet. Innerhalb der PVD-Vorrichtu ng sind für das gleiche PVD- Verfahren vorgesehenen Targets auf einander gegenüberliegenden Seiten der Substrathalter angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Mischkristallschichten in Schichtdicken von 0,2 nm bis 10 μηη, vorzugsweise von 5 nm bis 1 μηη, besonders bevorzugt 10 nm bis 100 nm abgeschieden. Zu große Schichtdicken haben den Nachteil, dass die Lagen aufgrund ungünstiger Spannungszustände abplatzen können. Zudem nimmt die Abscheidungsgeschwindigkeit mit zunehmender Schichtdicke ab, so dass die Ab- scheidung aufgrund sehr geringer Abscheidungsgeschwindigkeit unwirtschaftlich werden kann.
Die Mischkristalloxidschichten der vorliegenden Erfindung können in sich eine Lagenstruktur aufweisen , die aufgrund der Rotation der Substrate bei der Abscheidung in der PVD- Apparatur in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit entstehen kann. Die übereinander angeordneten Lagen können dabei gemäß der Target-Zusammensetzung unterschiedliche Chemische Zusammensetzung und/oder unterschiedliche Orientierungen der Kristalle aufweisen, wobei das Kristallsystem der übereinander angeordneten Lagen innerhalb einer Mischkristalloxidschicht das gleiche ist. Die Dicke der einzelnen Lagen innerhalb einer Mischkristalloxidschicht kann von 0,1 nm bis 1 μηη, vorzugsweise 2 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt 3 nm bis 50 nm, ganz besonders bevorzugt 5 nm bis 15 nm betragen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Substrat für die Abscheidung der Mischkristallschichten aus Hartmetall, Cermet, Stahl oder Schnellar- beitsstahl (HSS) hergestellt. Besonders bevorzugt ist das Substrat aus Hartmetall oder Cermet hergestellt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für das Lichtbo- genverdampfen (Arc-PVD) Targetmaterial mit einem Schmelzpunkt über 700 °C, vorzugsweise über 1000 °C, besonders bevorzugt über 1500 °C verwendet. Die Verwendung eines Targetmaterials mit einem hohen Schmelzpunkt im Lichtbogenverfahren hat den Vorteil, dass gegenüber einem niedrig schmelzenden Targetmaterial erheblich weniger Makroparti- kel (Droplets) mit abgeschieden werden.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Schneidwerkzeug mit einem Substrat und einer darauf aufgebrachten ein- oder mehrlagigen Beschichtung, wobei wenigstens eine Schicht der mehrlagigen Beschichtung eine unter Anwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche hergestellte Mischkristallschicht ist. Bevorzugt ist die wenigstens eine Mischkristallschicht der mehrlagigen Beschichtung eine Aluminium-Chrom-Oxid-Mischkristallschicht, welche vollständig oder wenigstens 90 Vol.-% davon in der Alpha-Phase vorliegt. Die erfindungsgemäße Mischkristallschicht hat den Vorteil, dass sie ein besonders hohes Maß an Kristallinität und einen geringen Anteil an abgeschiedenen Makropartikeln (Droplets) aufweist. Im System der Aluminium-Chrom-Mischoxide und in vergleichbaren Sytemen mit ähnlicher Kristallstruktur erhält man unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein besonders hohen Anteil der thermodynamisch stabilen Alpha-Phase des Mischkristalls. Die Vorteile sind hohe Härte, hohe Verschleißbeständigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Temperaturwechselbeständigkeit,
Beispiele In einer PVD-Apparatur wurden Hartmetallsubstrate gemäß der vorliegenden Erfindung (Beispiele 1 und 2) sowie konventionell (Vergleichsbeispiele 1 und 2) mittels dualem Magnetronsputtern alleine (Vergleichsbeispiele) oder in Kombination mit Lichtbogenverdampfung (erfindungsgemäße Beispiele) mit Aluminium-Chrom-Mischoxidschichten bzw. Aluminiumoxid beschichtet. Anschließend wurden die Vickers-Härte (HV) und das reduzierte E-Modul (EIT/(1 -v2)) bestimmt. Die Versuchsparameter und Ergebnisse sind in den nachfolgenden Tabellen wiedergegeben.
Durch Röntgenbeugungsuntersuchungen wurde bestätigt, dass die Schichten der Beispiele 1 und 2 einphasige Mischkristallschichten aus Alpha-Aluminium-Chrom-Oxid waren, wogegen Vergleichsbeispiel 1 nur ein Gemisch aus Gamma-Aluminiumoxid und amorphem Aluminiumoxid und Vergleichsbeispiel 2 eine Mischung aus Alpha- und Gamma-Phasen lieferten. Alle Schichten waren im Wesentlichen frei von Makropartikeln (Droplets). Prozessparameter Beispiel 1 Beispiel 2 VergleichsVergleichsbeispiel 1 beispiel 2 duales Magnetron AI- AI- und AI- AICr(70/30) at%- Rechtecktargets AICr(70/30) at%- Rechtecktargets Rechtecktargets (81 cm x 16cm) Rechtecktargets (81 cm x 16cm) (81 cm x 16cm)
(81 cm x 16cm)
Lichtbogenverdampfung 4 Cr- 4 Cr-
Rundquellen Rundquellen
(0 63mm) mit je (0 63mm) mit je
75A 75A
S u bstratvo rs pan n u ng 120V (unipolar 60V (unipolar 150V 150V
gepulst Fregepulst Frequenz 100Hz) quenz 100Hz)
Leistung (duales 20kW 20kW 20kW 20kW
Magnetron)
Argonfluss 180sccm 180sccm 500sccm 500sccm
Sauerstofffluss 500sccm 500sccm 1 OOsccm 1 OOsccm
Beispiel 1 Beispiel 2 VergleichsVergleichsbeispiel 1 beispiel 2
Vickers-Härte (HV) 2438 2270 2101 2602
EIT/(1-v 328 GPa 280 GPa 315 GPa 339 GPa

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Verfahren zum Abscheiden von Mischkristallschichten mit wenigstens zwei verschiedenen Metallen (M1 , M2) auf einem Substrat mittels PV D-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der Mischkristallschicht unter gleichzeitiger Anwendung i) des Kathodenzerstäubungsverfahrens duales Magnetronsputtern oder High Power Impulse Magnetronsputtern (HIPIMS) und ii) Lichtbogenverdampfen (Arc- PVD) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkristallschichten einphasige Mischkristallschichten aus gemischten Oxiden, Carbiden, Nitriden, Carbo- nitriden, Oxinitriden, Oxicarbiden, Oxicarbonitriden, Boriden, Boronitriden, Borocarbi- den, Borocarbonitriden, Borooxinitriden, Borooxocarbiden, Borooxocarbonitriden, Oxoboronitriden der wenigstens zwei verschiedenen Metalle (M1 , M2) sind, vorzugsweise einphasige Mischkristallschichten aus gemischten Oxiden der wenigstens zwei verschiedenen Metalle (M1 , M2).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metall und das zweite Metall ausgewählt sind unter den Elementen der Nebengruppen IVa bis Vlla des Periodensystems, Lithium, Bor, Aluminium und Silizium.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei verschiedenen Metalle (M1 , M2) Aluminium und Chrom sind.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass f ü r d i e Anwe n d u n g des Kathodenzerstäubungsverfahrens duales Magnetronsputtern oder High Power Impulse Magnetronsputtern (HIPIMS) wenigstens ein Target verwendet wird, welches wenigstens das erste Metall (M1 ) enthält und gegebenenfalls zusätzlich das zweite Metall (M2) und gegebenenfalls weitere Metalle enthält, und für die Anwendung des Lichtbogenverdampfens (Arc-PVD) wenigstens ein Target verwendet wird, welches wenigstens das zweite Metall (M2) enthält. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anwendung des Kathodenzerstäubungsverfahrens duales Magnetronsputtern oder High Power Impulse Magnetronsputtern (HIPIMS) mit zwei Aluminium-Targets oder einem Aluminium-Target und einem gemischten Aluminium- Chrom-Target verwendet wird und für das Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD) wenigstens ein Chrom-Target verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Mischkristallschichten in Schichtdicken von 0,2 nm bis 10 μηη, vorzugsweise von 5 nm bis 1 μηη, besonders bevorzugt von 10 nm bis 100 nm abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Hartmetall, Cermet, Stahl oder Schnellarbeitsstahl (HSS) hergestellt ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD) Targetmaterial mit einem Schmelzpunkt über 700 °C, vorzugsweise über 1000 °C, besonders bevorzugt über 1500 °C verwendet werden.
Schneidwerkzeug mit einem Substrat und einer darauf aufgebrachten ein- oder mehrlagigen Beschichtung, wobei wenigstens eine Schicht der mehrlagigen Beschichtung eine unter Anwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche hergestellte Mischkristallschicht ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Mischkristallschicht der mehrlagigen Beschichtung eine Aluminium-Chrom-Oxid- Mischkristallschicht ist, welche vollständig oder wenigstens 90 Vol.-% davon in der Alpha-Phase vorliegt.
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