DE102005004402B4

DE102005004402B4 - Hartstoff-Schichtsystem und Verfahren zu dessen Bildung

Info

Publication number: DE102005004402B4
Application number: DE102005004402A
Authority: DE
Inventors: Kenji Kobe Yamamoto; Susumu Takasago Kujime; Kazuki Takasago Takahara; Hirofumi Takasago Fujii
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: DE102005063421B4; CN100419117C; HK1109175A1; DE102005063536B4; US7258912B2; US20050170162A1; KR20060042924A; CN1651596A; US20070278090A1; US8197647B2; DE102005004402A1; DE102005063537B4; KR100669590B1

Abstract

Hartstoff-Schichtsystem, umfassend abwechselnd abgeschiedene Schichten A und B, wobei
• die Schicht A eine Verbindung aus einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus der Gruppe 4A, 5A, 6A, Al und Si, und einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus B, C und N, ist,
• die Schicht B eine Verbindung aus einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus der Gruppe 4A, 5A, 6A und Al, und einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus B, C und N, ist, oder ein Nitrid-, Carbonitrid oder Carbid von einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus B, Si, Cu, Co, Ni und C, ist, oder aus metallischem Cu, metallischem Co und metallischem Ni ausgewählt ist,
• die Dicke der Schicht A pro Schicht 200 nm oder weniger und die Dicke der Schicht B pro Schicht 0,5 nm oder mehr beträgt,
• die Dicke der Schicht A pro Schicht das Zweifache oder mehr der Dicke der...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hartstoff-Schichtsystem und ein Verfahren zu dessen Bildung.
Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Hartstoff-Schichtsystem (bzw. einen laminierten Hartfilm), bei dem die Kristallteilchengröße derart genau gesteuert ist, dass es eine hervorragende mechanische Beständigkeit aufweist, ein verschleißfestes Hartstoff-Schichtsystem, das auf der Oberfläche von Bearbeitungswerkzeugen oder gleitenden Teilen für Kraftfahrzeuge ausgebildet ist, und ein Hartstoff-Schichtsystem mit einer hervorragenden Verschleißfestigkeit und hervorragenden Antioxidationseigenschaften.
Das erfindungsgemäße Hartstoff-Schichtsystem kann mit einer kombinierten Beschichtungsvorrichtung (Filmbildungskombinationsvorrichtung), die eine Lichtbogenverdampfungsquelle und eine Sputterzerstäubungsquelle (Sputterverdampfungsquelle) umfasst, mit vorstehend genannten hervorragenden Eigenschaften gebildet werden.
In den letzten Jahren bestand ein steigender Bedarf zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von superharten Legierungen, von Schneidwerkzeugen aus Thermitstahl oder Schnellarbeitswerkzeugstahl als Basismaterialien und von gleitenden Teilen für Kraftfahrzeuge, und es wird die Möglichkeit einer Verbesserung des verschleißfesten Films bzw. Schicht(systems) (im Folgenden kann „Film” sowohl einen Einzelfilm als auch ein Filmsystem aus mehreren Filmen bezeichnen und „Schicht” sowohl eine Einzelschicht als auch ein Schichtsystem aus mehreren Schichten bezeichnen) in Betracht gezogen, der auf der Oberfläche dieser Teile verwendet wird.
DE 102 33 222 A1 beschreibt einen harten verschleißwiderstandsfähigen Film bzw. Schicht. US 65 86 122 B2 beschreibt ein Schneidwerkzeug mit Mehrfachbeschichtung. US 45 56 607 A beschreibt Oberflächen- und Unterbeschichtungen. US 52 34 561 A beschreibt ein duales Beschichtungsverfahren mittels physikalischer Gasphasenabscheidung. EP 0 403 552 B1 beschreibt eine Vorrichtung zur dualen Beschichtung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung.
Der im Stand der Technik verwendete verschleißfeste Film bzw. Schicht umfasst eine Hartstoff-Schicht bzw. einen Hartfilm wie z. B. TiAlN, bei dem es sich um einen Mischnitridfilm bzw. -schicht aus TiN oder TiCN, Ti und Al handelt, der auf diesem Basismaterial (Teil) aufgebracht ist.
Um die Verschleißfestigkeit dieses verschleißfesten Films bzw. Schicht zu verbessern, wurde im Allgemeinen ein drittes Element zugesetzt, um die Feinheit der Kristallteilchen des Films bzw. Schicht zu erhöhen und dessen Eigenschaften zu verbessern. Beispielsweise wurde im Fall von Schneidwerkzeugen berichtet, dass die Zugabe von Si oder B zu einem TiAlN-Film bzw. -Schicht die Verschleißfestigkeit verbessert und die Härte erhöht, und zwar durch Erhöhen der Feinheit von Kristallteilchen ( US 55 80 653 A und US 53 18 840 A ). Es wurde auch vorgeschlagen, B dem CrN-Film bzw. -Schicht zuzusetzen, der in gleitenden Teilen verwendet wird, wie z. B. einem Kolbenring eines Kraftfahrzeugs, um die Verschleißfestigkeit durch Erhöhen der Härte zu verbessern ( US 62 32 003 B1 ).
Bezüglich des Hinzufügens von Elementen zu Hartfilmen bzw. -schichten im Stand der Technik gibt es auch ein Beispiel eines Versuchs, die Eigenschaften wie z. B. die Härte durch Hinzufügen von Si durch Sputtern, während ein TiN-Film bzw. -Schicht durch eine Lichtbogenverdampfungsquelle in einer Vorrichtung gebildet wird, die sowohl mit einer Lichtbogenverdampfungsquelle als auch mit einer Sputterzerstäubungsquelle ausgestattet ist, so dass ein TiSiN-Film bzw. -Schicht gebildet wird, zu verbessern (K. H. Kim et al., Surf. Coat. Technol. 298 (2002), Seiten 243–244, 247).
Bei diesen Verfahren zur Erhöhung der Feinheit von Kristallteilchen eines verschleißfesten Films bzw. Schicht durch Hinzufügen anderer Elemente wird die Feinheit der Kristallteilchen durch die Zugabemenge des Elements bestimmt und die Film- bzw. Schichtteilchengröße kann lediglich durch Variieren der Zugabemenge des Elements gesteuert werden. Daher muss zur Herstellung von Filmen bzw. Schichten mit verschiedenen Teilchengrößen eine Mehrzahl von Targets mit verschiedenen Elementzugabemengen erzeugt werden. Es ist jedoch extrem schwierig, eine Probe mit genau der richtigen Teilchengröße für einen bestimmten Zweck herzustellen, d. h. einen Film bzw. Schicht herzustellen, der Eigenschaften aufweist, die für einen bestimmten Zweck gestaltet sind, und dabei treten in der Praxis Probleme auf.
Hartfilme bzw. -schichten mit hervorragender Härte und Verschleißfestigkeit mit im Wesentlichen einer Steinsalzkristallstruktur wurden ebenfalls zur Verwendung in Schneidwerkzeugen vorgeschlagen ( US 67 67 658 B2 , US 2002 168 552 A1 ). Diese Hartfilm bzw. -schichtzusammensetzungen sind z. B. (Ti_a, Al_b, V_c)(C_1-dN_d), worin 0,02 ≤ a ≤ 0,3, 0,5 < b ≤ 0,8, 0,05 < c, 0,7 ≤ b + c, a + b + c = 1, 0,5 ≤ d ≤ 1 (a, b, c sind jeweils die Atomverhältnisse von Ti, Al, V und d ist das Atomverhältnis von N).
Im Allgemeinen können Hartfilme bzw. -schichten mit einer Steinsalzstruktur mittels Röntgenbeugung mit dem θ-2θ-Verfahren gemessen werden. Beispielsweise weisen Hartfilme bzw. -schichten wie (TiAlV)(CN) eine Steinsalzkristallstruktur auf und bilden ein Mischnitrid mit einer Steinsalzstruktur, bei der Al und V die Ti- und TiN-Plätze in der Steinsalzstruktur ersetzen. In diesem Fall ist das AlN in der Steinsalzstruktur (Gitterkonstante 4,12 Å) eine Hochtemperatur-Hochdruckphase und eine sehr harte Substanz, und wenn das Verhältnis von Al in (CN)(TiAlV) erhöht wird, während die Steinsalzstruktur beibehalten wird, kann die Härte des (TiAlV)(CN)-Films bzw. -Schicht weiter erhöht werden.
Zur Bildung eines Hartstoff-Mehrschichtsystems bzw. Mehrschichthartfilms dieses Typs gibt es Vorrichtungen und Verfahren, bei denen abhängig von den verwendeten Hartmaterialien mehrere Lichtbogenverdampfungsquellen und Sputterzerstäubungsquellen oder Elektronenstrahlverdampfungsquellen zur Bildung verschiedener Hartstoff-Schichten bzw. Hartfilmschichten auf einem Substrat kombiniert werden können.
Von diesen Vorrichtungen weist eine Vorrichtung, bei der mehrere Lichtbogenverdampfungsquellen und Sputterzerstäubungsquellen zur aufeinander folgenden Ausbildung von Hartstoff-Schichten bzw. Hartfilmschichten auf dem Substrat kombiniert werden, im Hinblick darauf, dass der Film bzw. Schicht durch die Nutzung der verschiedenen Eigenschaften einer Lichtbogenverdampfungsquelle und einer Sputterzerstäubungsquelle gebildet werden kann, angeblich eine hohe Beschichtungs- bzw. Filmbildungseffizienz auf.
Beispielsweise bildet die Lichtbogenverdampfungsquelle im Hinblick auf die relativen Eigenschaften einer Lichtbogenverdampfungsquelle und einer Sputterzerstäubungsquelle einen Film bzw. Schicht schneller aus als eine Sputterzerstäubungsquelle, jedoch ist es schwierig, die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsgeschwindigkeit einzustellen und die Dicke der gebildeten Dünnfilmschicht genau zu steuern. Andererseits bildet die Sputterzerstäubungsquelle einen Film bzw. Schicht langsamer als eine Lichtbogenverdampfungsquelle, jedoch kann die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsgeschwindigkeit einfach eingestellt werden, und da sie selbst mit einer extrem geringen Eingangsleistung betrieben werden kann, kann die Dicke des Dünnfilms bzw. -schicht, der gebildet wird, genau gesteuert werden.
Folglich kann durch die Verwendung einer Lichtbogenverdampfungsquelle für relativ dicke Beschichtungen bzw. Filmschichten und einer Sputterzerstäubungsquelle für relativ dünne Beschichtungen bzw. Filmschichten die Dicke jeder Filmschicht) einfach gesteuert werden und die Gesamt-Beschichtungs- bzw. -Filmbildungsgeschwindigkeit kann erhöht werden.
Im Stand der Technik ist eine kombinierte Beschichtungsvorrichtung bekannt, bei der eine Mehrzahl von Lichtbogenverdampfungsquellen und Sputterzerstäubungsquellen in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer kombiniert ist.
Beispielsweise wurde ein Verfahren zur Bildung eines Hartfilms bzw. -schicht vorgeschlagen, bei dem die Lichtbogenverdampfungsquelle und die Sputterzerstäubungsquelle abwechselnd betrieben werden. Als erstes wird durch die Lichtbogenverdampfungsquelle ein Metallionenätzen durchgeführt, dann wird die Lichtbogenverdampfungsquelle gestoppt, ein Prozessgas wird eingeführt und die Sputterzerstäubungsquelle wird betrieben ( US 52 34 561 A ).
Es wurde auch eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der eine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds (Magnetfeldanwendungsmechanismus bzw. Magnetfeldanlegungsfunktion) mit einer Lichtbogenverdampfungsquelle und einer Sputterzerstäubungsquelle kombiniert wird ( EP 0 403 552 B1 , US 62 32 003 B1 ). In der 7 der US 62 32 003 B1 , wobei es sich um eine der Techniken des Standes der Technik handelt, bei der keine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds verwendet wird, stören sich die Magnetfelder der Lichtbogenverdampfungsquelle und der Sputterzerstäubungsquelle gegenseitig.
Im Stand der Technik ist auch bekannt, dass die Lichtbogenverdampfungsquelle und die Sputterzerstäubungsquelle zur Bildung eines Hartfilms bzw. -schicht gleichzeitig betrieben werden können, und wenn dem Film bzw. Schicht ein drittes Element hinzugefügt wird, nimmt die Feinheit der Kristallteilchen des Films bzw. Schicht zu, was die Verschleißfestigkeit und andere Eigenschaften verbessert. Beispielsweise wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem Si oder B einem TiN-Film bzw. -Schicht oder einem TiAlN-Film bzw. -Schicht für Schneidwerkzeuge zugesetzt wird, was die Verschleißfestigkeit verbessert und die Härte aufgrund der feineren Kristallteilchen erhöht ( US 55 80 653 A , US 53 18 840 A , K. H. Kim et al., Surf. Coat. Technol. 298 (2002), Seiten 243–244, 247). Es wurde auch ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem B einem CrN-Film bzw. -Schicht zugesetzt wird, der in gleitenden Teilen wie z. B. dem Kolbenring von Kraftfahrzeugen zugesetzt wird, um die Verschleißfestigkeit durch Erhöhen der Härte zu verbessern ( US 62 32 003 B1 ).
Selbst in einem Hartfilm bzw. -schicht, der hauptsächlich eine Halogenidkristallstruktur aufweist, gibt es abhängig von den Beschichtungs- bzw. Filmbildungsbedingungen, wenn die Kristallteilchengröße (nachstehend auch als Kristallgröße) des Halogenidhartfilms bzw. -schicht grob ist, eine Grenze für die Verbesserung der Verschleißfestigkeit, die durch die Erhöhung der Härte erhalten werden kann.
In dem vorstehend genannten Stand der Technik wurde in jedem Fall während der Beschichtung bzw. Filmbildung ein spezifisches Element einheitlich zugesetzt und dadurch wurde ein Einschichtfilm mit einer einzigen chemischen Zusammensetzung gebildet. Der auf diese Weise gebildete Film bzw. Schicht weist aufgrund der feineren Kristallteilchen, die den Film bzw. Schicht bilden, eine erhöhte Härte und eine verbesserte Verschleißfestigkeit auf, jedoch gab es dann, wenn der Reibungskoeffizient der Schicht- bzw. Filmoberfläche nicht ausreichend vermindert worden ist, nur eine geringe Verbesserung der Verschleißfestigkeit und des Gleitvermögens, und aufgrund der erhöhten Härte neigte der Film bzw. Schicht stärker dazu andere Elemente zu beschädigen, und somit war eine weitere Verbesserung erwünscht.
Darüber hinaus wiesen die mit diesen Verfahren und Techniken des Standes der Technik gebildeten Hartfilme bzw. -schichten keine ausreichende Leistung auf, um die immer strenger werdenden Anforderungen bezüglich Schneidwerkzeugen und gleitenden Teilen zu erfüllen, so dass eine erhöhte Verschleißfestigkeit und eine bessere Dauerbeständigkeit erwünscht waren.
Wenn beispielsweise ein Element wie B oder Si dem vorstehend beschriebenen verschleißfesten Film bzw. Schicht zugesetzt wird, um die Feinheit der Kristallteilchen zu erhöhen, wird die Feinheit durch die Zugabemenge bestimmt und die Schicht- bzw. Filmteilchengröße kann lediglich durch Variieren der Zugabemenge gesteuert werden. Daher muss zur Herstellung von Filmen bzw. Schichten mit unterschiedlichen Teilchengrößen eine Mehrzahl von Targets mit variierenden Elementzugabemengen hergestellt werden. Es ist folglich sehr unzweckmäßig, eine Probe mit einer spezifischen Teilchengröße für einen speziellen Zweck herzustellen, z. B. einen Film bzw. Schicht mit Eigenschaften, die für einen speziellen Zweck gestaltet sind, und es gibt daher eine praktische Grenze für die Verbesserung der Verschleißfestigkeit des Hartfilms bzw. -schicht, die erhalten werden kann.
Im Fall der vorstehend genannten Vorrichtung konnten dann, wenn eine Lichtbogenverdampfungsquelle und eine Sputterzerstäubungsquelle in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer betrieben wurden, selbst dann, wenn die Lichtbogenverdampfungsquelle. und die Sputterzerstäubungsquelle abwechselnd betrieben wurden, verschiedene Probleme nicht vermieden werden, z. B. war es manchmal schwierig, einen feinen Hartfilm bzw. -schicht oder einen Hartfilm bzw. -schicht mit der gewünschten Zusammensetzung abhängig von dem Hartfilm- bzw. -schichtmaterial und den Beschichtungs- bzw. Filmbildungsbedingungen zu bilden, und während des Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahrens traten manchmal anomale elektrische Entladungen auf. Folglich gab es auch eine Grenze bezüglich der Verbesserung der Verschleißfestigkeit, die durch Erhöhen der Härte des Films bzw. Schicht erhalten werden konnte.
Wenn beispielsweise Hartnitridfilme bzw. -schichten wie TiN, TiCN oder TiAlN gebildet werden, wird die Beschichtung bzw. Filmbildung in einer Mischgasatmosphäre aus Ar und Stickstoff zur Bildung des Nitrids durchgeführt. In der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer neigen jedoch Elektronen, die von der Lichtbogenverdampfungsquelle oder der Sputterzerstäubungsquelle abgegeben werden, dazu, leicht an die Kammerwände angezogen zu werden, die in der gleichen Weise wie das Substrat als Anode wirken. Als Folge davon wird die Konzentration abgegebener Elektronen geringer, die Kollisionen mit dem Sputtergas oder dem Reaktivgas nehmen ab und es ist schwierig, eine hocheffiziente Gasionisierung durchzuführen.
Ferner wird in einer Sputterzerstäubungsquelle ein inertes Sputtergas wie z. B. Ar (Argon), Ne (Neon) oder Xe (Xenon) verwendet, wohingegen in einer Lichtbogenverdampfungsquelle ein Reaktivgas (Reaktionsgas) wie z. B. Stickstoff, Methan oder Acetylen verwendet wird. Wenn folglich eine Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und eine Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer gleichzeitig durchgeführt werden, und insbesondere dann, wenn der Partialdruck des Reaktivgases wie z. B. Stickstoff erhöht wird, um die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsleistung zu erhöhen, kann das Sputtertargetmaterial abhängig von dem verwendeten Sputterzerstäubungsquellenmaterial mit dem Reaktionsgas reagieren, so dass ein Isolator (isolierende Substanz) auf der Oberfläche des Targetmaterials gebildet wird. Aufgrund dieses Isolators besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit einer anomalen Entladung (Lichtbogenbildung), die in der Sputterzerstäubungsquelle auftritt. Dies stört auch eine hocheffiziente Gasionisierung.
Wenn eine Störung einer hocheffizienten Gasionisierung vorliegt, kann die ionische Bestrahlung des Substrats nicht intensiviert werden, so dass die Feinheit der Hartfilmschicht nicht erhöht werden kann, die Oberflächen gröber und die Oberflächeneigenschaften schlechter werden. Als Folge davon gab es in der Beschichtungsvorrichtung (Filmbildungsvorrichtung) des Standes der Technik und insbesondere dann, wenn eine Lichtbogenverdampfungsquelle und eine Sputterzerstäubungsquelle gleichzeitig in dergleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer betrieben wurden, eine schwerwiegende Beschränkung bezüglich der Ver besserung von Eigenschaften und der Leistung, die durch Erhöhen der Schicht- bzw. Filmhärte erreicht werden kann.
Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme ist es daher Aufgabe dieser Erfindung, ein Hartstoff-Schichtsystem bzw. einen laminierten Hartfilm mit überlegener Verschleißfestigkeit, überlegenem Gleitvermögen und überlegenen Antioxidationseigenschaften bereitzustellen, und zwar durch Erhöhen der Feinheit der Kristallteilchen eines Hartfilms bzw. -schicht mit Steinsalzstruktur.
Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe umfasst das Hartstoff-Schichtsystem bzw. der laminierte Hartfilm der vorliegenden Erfindung abwechselnd abgeschiedene Schichten A und B, wobei

• die Schicht A eine Verbindung aus einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus der Gruppe 4A, 5A, 6A, Al und Si, und einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus B, C und N, ist,
• die Schicht B eine Verbindung aus einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus der Gruppe 4A, 5A, 6A und Al, und einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus B, C und N, ist, oder ein Nitrid-, Carbonitrid oder Carbid von einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus B, Si, Cu, Co, Ni und C, ist, oder aus metallischem Cu, metallischem Co und metallischem Ni ausgewählt ist,
• die Dicke der Schicht A pro Schicht 200 nm oder weniger und die Dicke der Schicht B pro Schicht 0,5 nm oder mehr beträgt,
• die Dicke der Schicht A pro Schicht das Zweifache oder mehr der Dicke der Schicht B pro Schicht beträgt und
• die Schicht A eine kubische Steinsalzstruktur aufweist und die Kristallstruktur der Schicht B davon verschieden ist.

Der laminierte Hartfilm ist eine feinkristalline Hartstoff-Schicht bzw. ein feinkristalliner Hartfilm mit einer laminierten Filmstruktur, bei der eine Hartstoff- bzw. Hart(film)schicht A mit einer kubischen Steinsalzstruktur und eine Hartstoff- bzw. Hart(film)schicht B mit einer von der kubischen Steinsalzstruktur verschiedenen Kristallstruktur abwechselnd abgeschieden sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Kristallteilchengröße des Hartfilms bzw. -schicht A mit einer kubischen Steinsalzkristallstruktur als Hauptphase durch Ausbilden einer laminierten Struktur, bei der zwei Schichten mit unterschiedlichen Kristallstrukturen miteinander kombiniert werden, einfach und genau gesteuert.
Insbesondere dann, wenn die Hartfilmschicht A mit einer kubischen Steinsalzkristallstruktur und die Hartfilmschicht B mit einer Kristallstruktur, die keine kubische Steinsalzstruktur aufweist, zur Bildung eines Films bzw. Schicht abwechselnd und aufeinander folgend abgeschieden (laminiert) werden, wird das Kristallwachstum der Hartfilmschicht A, die unterhalb dieser Hartfilmschicht B liegt, vorübergehend gestoppt. Wenn auf dem Film bzw. Schicht als nächstes die Hartfilmschicht A abgeschieden (laminiert) wird, wird über der Hartfilmschicht B ein neues Kristallwachstum der Hartfilmschicht A ausgelöst. Daher kann die Kristallteilchengröße der Hartfilmschicht A genau gesteuert werden.
Wenn der Film bzw. Schicht andererseits durch Abscheiden nur der Hartfilmschicht A ohne Bereitstellung der Hartfilmschicht B gebildet wird oder wenn der Film bzw. Schicht durch Abscheiden von Hartfilmschichten A mit identischen kubischen Steinsalzkristallstrukturen gebildet wird, setzt sich selbst dann, wenn sie unterschiedliche Komponenten aufweisen, das Kristallwachstum der Hartfilmschicht A ohne Unterbrechung fort. Als Folge davon besteht eine Tendenz dahingehend, dass die Kristallteilchengröße grob wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können durch Erhöhen der Feinheit der Kristallteilchen der Hartfilmschicht A überlegene Eigenschaften, die in Hartfilmen bzw. -schichten des Standes der Technik nicht erreicht werden konnten, erhalten werden, wie z. B. eine erhöhte Härte und Verschleißfestigkeit des Hartfilms bzw. -schicht.
Ein geeignetes Verfahren zur Bildung des Hartstoff-Schichtsystems bzw. des laminierten Hartfilms der vorliegenden Erfindung besteht darin, diesen feinkristallinen Film bzw. Schicht unter Verwendung einer Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung auszubilden, die eine oder mehrere von jeweils einer Lichtbogenverdampfungsquelle, die eine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds umfasst, und eine Sputterzerstäubungsquelle umfasst, wobei die Bestandteilskomponenten der Hartfilmschicht A durch die Lichtbogenverdampfungsquelle und die Bestandteilskomponenten der Hartfilmschicht B durch die Sputterzerstäubungsquelle verdampft bzw. zerstäubt werden, so dass die Hartfilmschichten A und B aufeinander folgend abwechselnd auf dem Substrat abgeschieden werden.
Dementsprechend ist eine kombinierte Beschichtungsvorrichtung eine Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung, die eine oder mehrere von jeweils einer Lichtbogenverdampfungsquelle, die eine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds aufweist, und einer Sputterzerstäubungsquelle innerhalb der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer, und eine Einrichtung zum aufeinander folgenden Verschieben des Substrats, auf dem ein Film bzw. Schicht gebildet werden soll, zwischen der Lichtbogenverdampfungsquelle und der Sputterz erstäubungsquelle umfasst, wobei die Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds so konfiguriert ist, dass die Magnetkraftlinien der angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen miteinander verbunden sind.
Die kombinierte Beschichtungsvorrichtung umfasst eine oder mehrere von jeweils einer Lichtbogenverdampfungsquelle, die eine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds umfasst, und eine Sputterzerstäubungsquelle innerhalb der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer, und eine Einrichtung zum aufeinander folgenden Verschieben des Substrats, auf dem ein Film bzw. Schicht gebildet werden soll, zwischen der Lichtbogenverdampfungsquelle und der Sputterzerstäubungsquelle, wobei während des Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahrens ein Sputtergas in der Nähe der Sputterzerstäubungsquelle eingeführt wird und ein Reaktionsgas in der Nähe der Lichtbogenverdampfungsquelle eingeführt wird.
Darüber hinaus kann die Sputterzerstäubungsquelle eine Sputterzerstäubungsquelle sein, die in der vorstehend beschriebenen kombinierten Beschichtungsvorrichtung verwendet wird, bei der ein Material, bei dem es sich um einen elektrischen Isolator handelt, außerhalb eines Erosionsbereichs verwendet wird.
Entsprechend weist die Sputterzerstäubungsquelle, die in der kombinierten Beschichtungsvorrichtung verwendet wird, in einer weiteren Variation der Sputterzerstäubungsquelle eine Abschirmung auf, die sich an einem Schwebepotenzial („floating potential”) oder einem Erdungspotenzial bezogen auf das Potenzial des Sputtertargets außerhalb des Erosionsbereichs befindet.
In der kombinierten Beschichtungsvorrichtung ist die Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds so bereitgestellt, dass die Magnetkraftlinien der angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen während des Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorgangs verbunden sind, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
Folglich sind die Magnetkraftlinien innerhalb der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer geschlossen (geschlossener Magnetfeldaufbau) und, wie es später beschrieben wird, werden Elektronen, die von den Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen abgegeben werden, durch dieses geschlossene Magnetfeld eingefangen, so dass sie nicht leicht von der Kammer angezogen werden, bei der es sich wie bei dem Substrat um eine Anode handelt. Folglich nimmt selbst dann, wenn die Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und die Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung gleichzeitig in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer durchgeführt werden, die Konzentration der abgegebenen Elektronen zu, die Kollisionen zwischen dem Sputtergas und dem Reaktivgas nehmen zu und eine hocheffiziente Gasionisierung kann stattfinden.
In der kombinierten Beschichtungsvorrichtung besteht ein zusätzliches Merkmal darin, dass während des Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorgangs das Sputtergas in der Nähe der Sputterzerstäubungsquelle eingeführt wird und das Reaktionsgas in der Nähe der Lichtbogenverdampfungsquelle eingeführt wird. Wenn folglich eine Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und eine Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung gleichzeitig in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer durchgeführt werden, und insbesondere selbst wenn der Partialdruck des Reaktivgases wie z. B. Stickstoff während der Beschichtung bzw. Filmbildung erhöht wird, um die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsleistung zu erhöhen, werden Probleme wie z. B. die Schwierigkeit des Mischens des Reaktionsgases wie z. B. Stickstoff mit dem Sputtergas, die Bildung eines Isolierfilms bzw. -schicht auf der Targetoberfläche aufgrund des ionisierten Gasgemischs und eine anomale elektrische Entladung unterdrückt. Daher kann eine hocheffiziente Gasionisierung durchgeführt werden.
In den verschiedenen Ausführungsformen oder kombinierten Ausführungsformen wird eine Ionenbestrahlung des Substrats durch Fördern einer hocheffizienten Gasionisierung intensiviert und die Eigenschaften werden aufgrund der erhöhten Härte, die aus der Feinheit der Hartfilmschicht resultiert, verbessert. Ferner können anomale Ereignisse während der Beschichtung bzw. Filmbildung wie z. B. eine anomale elektrische Entladung unterdrückt werden.
Ferner wird bei den vorstehend genannten zwei Variationen der Sputterzerstäubungsquelle verhindert, dass eine Spannung auf den nicht-Erosionsbereich der Sputterzerstäubungsquelle einwirkt, so dass Teilchen, die von dem Erosionsbereich gesputtert worden sind, mit dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff in dem nicht-Erosionsbereich reagieren und sich mit diesem Vereinigen und nicht abgeschieden werden. Als Folge davon wird eine anomale elektrische Entladung aufgrund dieses Faktors verhindert und es findet eine hocheffiziente Gasionisierung statt.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich in einer vollständigeren Weise aus der folgenden Beschreibung.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht der laminierten Struktur bzw. Schichtstruktur eines erfindungsgemäßen Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Hartfilms bzw. -schicht des Standes der Technik.
3 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen Aspekt einer Vorrichtung zur Bildung des erfindungsgemäßen Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt.
4 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen weiteren Aspekt einer Vorrichtung zur Bildung des erfindungsgemäßen Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt.
5 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen weiteren Aspekt einer Vorrichtung zur Bildung des erfindungsgemäßen Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt.
6 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen weiteren Aspekt einer Vorrichtung zur Bildung des erfindungsgemäßen Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt.
7A ist ein Diagramm, das die Mikrostruktur eines Querschnitts des erfindungsgemäßen Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems in der Dickenrichtung zeigt, wobei es sich um eine schematische Ansicht handelt.
7B ist ein Diagramm, das die Mikrostruktur eines Querschnitts des erfindungsgemäßen Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems in der Dickenrichtung zeigt, wobei es sich um einen vertikalen Schnitt handelt.
8 ist eine Vorderansicht, die einen weiteren Aspekt der kombinierten Beschichtungsvorrichtung zeigt.
9 ist eine Draufsicht, die einen weiteren Aspekt der kombinierten Beschichtungsvorrichtung zeigt.
10 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stickstoffpartialdruck und dem Stickstoffgehalt eines Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt.
11 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stickstoffpartialdruck und der Oberflächenrauhigkeit Ra eines Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt.
12 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stickstoffpartialdruck und der Vickershärte eines Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt.
13A zeigt einen Aspekt einer Sputterzerstäubungsquelle, wobei es sich um eine Draufsicht auf ein Sputtertargetmaterial handelt.
13B zeigt einen Aspekt einer Sputterzerstäubungsquelle, wobei es sich um eine Vorderansicht der Sputterzerstäubungsquelle handelt.
14A zeigt einen weiteren Aspekt der Sputterzerstäubungsquelle, wobei es sich um eine Draufsicht auf ein Sputtertargetmaterial handelt.
14B zeigt einen weiteren Aspekt der Sputterzerstäubungsquelle, wobei es sich um eine Vorderansicht der Sputterzerstäubungsquelle handelt.
15A zeigt einen weiteren Aspekt der Sputterzerstäubungsquelle, wobei es sich um eine Draufsicht auf ein Sputtertargetmaterial handelt.
15B zeigt einen weiteren Aspekt der Sputterzerstäubungsquelle, wobei es sich um eine Vorderansicht der Sputterzerstäubungsquelle handelt.
Einige Ausführungsformen dieser Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Hartfilm- bzw. -schichtanforderungen beschrieben.
Als erstes wird eine Technik zur Steuerung der Teilchengröße beschrieben.
Steuerung der Kristallteilchengröße einer Hartfilmschicht A
Eine gewöhnliche Hartfilmschicht A, wie z. B. TiN, CrN oder TiAlN, die verbreitet für Schneidwerkzeuge oder verschleißfeste gleitende Teile verwendet und durch Sputtern oder Ionenplattieren gebildet wird, wie es schematisch durch das Film- bzw. Schichtkristallwachstumsmuster in der 2 gezeigt ist, geht von einem Kern auf dem Substrat aus und wächst zu einer Säule, wobei die Breite dieses säulenförmigen Teilchens während des Wachsens zunimmt.
Andererseits wird beispielsweise in dem Fall der vorliegenden Erfindung, die schematisch durch das Film- bzw. Schichtkristallwachstumsmuster in der 1 gezeigt ist, ein Film bzw.
Schicht mit Kristallen ohne kubische Steinsalzstruktur als Hartfilmschicht B ausgewählt und diese wird abwechselnd mit der Hartfilmschicht A abgeschieden (gebildet). In diesem Fall wird das Wachstum der Hartfilmschichten A durch Insertieren der Hartfilmschicht B vorübergehend unterbrochen und die Hartfilmschichten A erzeugen wiederholt Keime und wachsen ausgehend von den Hartfilmschichten B. Daher ist im Vergleich zur 2 die Kristallteilchengröße in der Schicht- bzw. Filmdickenrichtung und der Parallelrichtung (laterale Richtung) zu der Substratoberfläche geringer. Die 1 und 2 sind vereinfachte graphische Darstellungen der Ergebnisse, die durch eine TEM-Untersuchung (TEM = Transmissionselektronenmikroskop) des Querschnitts eines Hartfilms bzw. -schicht oder laminierten Hartfilms bzw. Hartstoff-Schichtsystems bei 45000-facher Vergrößerung erhalten werden.
Beispielsweise zeigt, wenn ein TiAlN-Film bzw. -Schicht als Hartfilmschicht A ausgewählt und ein SiN-Film bzw. -Schicht als Hartfilmschicht B ausgewählt wird, die Dicke der Schicht A etwa 5 nm und die Dicke der Schicht B etwa 5 nm beträgt, eine TEM-Untersuchung des laminierten TiAlN/SiN-Films bzw. -Schichtsystems mit der vorstehend genannten laminierten Struktur, dass im Vergleich zur 2 das Kristallteilchenwachstum in der Schicht- bzw. Filmdickenrichtung an jeder Schicht unterbrochen wird, so dass die Kristallteilchen feiner sind. Aufgrund dieser erhöhten Feinheit kritischer Teilchen können nunmehr überlegene bzw. hervorragende Eigenschaften erhalten werden, die mit den Hartschichten (gehärteten Filmen) des Standes der Technik nicht erreicht werden konnten.
Als nächstes werden die strukturellen Anforderungen eines Schichtsystems bzw. Laminats bzw. einer Mehrschichtstruktur aus zwei Typen von Hartfilmschichten beschrieben.
Dicke des Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms
Die Gesamtdicke des erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms hängt von der Anwendung wie z. B. als Schneidwerkzeuge oder gleitende Teile ab. Im Allgemeinen liegt die Gesamtdicke im Fall von Schneidwerkzeugen in der Größenordnung von 1 bis 5 μm, und im Fall von gleitenden Teilen in der Größenordnung von 3 bis 100 μm. Daher kann die Schicht- bzw. Filmdicke durch Festlegen der Dicken der Schichten A und B gemäß den folgenden Standards und dann Variieren der Anzahl der laminierten Schichten derart, dass diese Dicken der Hartstoff-Schichtsysteme bzw. laminierten Hartfilme erhalten werden, gesteuert werden.
Beziehung zwischen der (Film) Dicke der Schicht A und der (Film) Dicke der Schicht B
In dem erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsystem bzw. laminierten Hartfilm beträgt die Dicke der Schicht A das Zweifache oder mehr der Dicke der Schicht B pro Schicht. Die Schicht A, bei der es sich um die Hauptphase des erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms handelt, bestimmt im Wesentlichen die Vorgaben wie z. B. die Härte, die Verschleißfestigkeit und die Antioxidationseigenschaften, die für das erfindungsgemäße Hartstoff-Schichtsystem bzw. laminierten Hartfilm erforderlich sind. Wenn die Schicht A weniger als die zweifache Dicke der Schicht B aufweist, werden die Eigenschaften der Schicht B bei den Eigenschaften des Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms vorherrschend, so dass der Film bzw. Schicht die erforderlichen Eigenschaften nicht länger aufweist. Daher beträgt die Dicke der Schicht A das Zweifache oder mehr der Dicke der Schicht B.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Hartfilmschicht A mit einer kubischen Steinsalzstruktur die Hauptphase, welche die Verschleißfestigkeit im Wesentlichen festlegt, und obwohl die Hartfilmschicht B, die eine von der kubischen Steinsalzstruktur verschiedene Kristallstruktur aufweist, hart sein kann, ist deren Verschleißfestigkeit schlechter als diejenige der Hartfilmschicht A. Um daher einen Hartfilm bzw. -schicht mit einer überlegenen Verschleißfestigkeit bereitzustellen, muss eine ausreichende Dicke sichergestellt werden, so dass die Eigenschaften der Hartfilmschicht A, welche die kubische Steinsalzstruktur aufweist, in dem Hartfilm bzw. -schicht vorherrschend sind.
Dicke der Schicht A
Die Dicke (Filmdicke) der Schicht A pro Schicht beträgt 200 nm oder weniger, vorzugsweise 100 nm oder weniger, jedoch mehr bevorzugt 50 nm oder weniger. Die Dicke der Schicht A pro Schicht sollte weniger als 200 nm betragen, und wenn die Dicke diese Obergrenze übersteigt, so dass die Schicht A dicker ist, verschwindet der Verbundeffekt des Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Films und es besteht kein großer Unterschied zu dem Fall, bei dem die Schicht B nicht bereitgestellt ist und nur die Schicht A zur Bildung des Films bzw. Schichtsystems abgeschieden wird. In diesem Fall zeigen sich nur die Eigenschaften der Schicht A und die Schicht B kann die Eigenschaften der Schicht A nicht ergänzen.
Wenn die Dicke der Schicht A 200 nm übersteigt, sind die Kristallteilchen nicht viel feiner, es besteht kein großer Unterschied zu dem Fall, bei dem die Hartfilmschicht B nicht bereitgestellt ist und nur die Hartfilmschicht A zur Bildung eines Films abgeschieden wird, und die Kristalle der Hartfilmschicht A neigen zu einem groben Wachstum, bevor die Hartfilmschicht B bereitgestellt wird. Daher sind die Eigenschaften denjenigen eines Hartfilms bzw. -schicht äquivalent, der ohne Unterbrechung des Kristallwachstums des Standes der Technik wachsen gelassen worden ist.
Andererseits sollte die Dicke der Schicht A pro Schicht vorzugsweise 2 nm oder mehr betragen. Wenn die Dicke der Schicht A weniger als 2 nm beträgt, kann es unmöglich sein, die Eigenschaften der Schicht A in dem Hartstoff-Schichtsystem bzw. laminierten Hartfilm sicherzustellen, und zwar selbst dann, wenn die Anzahl der laminierten Schichten A erhöht wird.
Dicke der Schicht B
Die Dicke der Schicht B pro Schicht beträgt 0,5 nm, jedoch vorzugsweise 1 nm oder mehr. Die Dicke der Schicht B variiert gemäß der Dicke der Schicht A, jedoch besteht dann, wenn deren Dicke weniger als 0,5 nm beträgt, d. h. bei Dicken unter dieser Untergrenze, kein großer Unterschied bezüglich des Falls, bei dem die Schicht B nicht bereitgestellt ist und nur die Schicht A zur Bildung des Schichtsystems bzw. Films abgeschieden wird. In diesem Fall treten nur die Eigenschaften der Schicht A auf und die Schicht B kann die Eigenschaften der Schicht A nicht ergänzen. Wenn beispielsweise die Dicke der Schicht B weniger als 0,5 nm beträgt, ist die Schicht B zu dünn, und eine Unterbrechung des Kristallwachstums der Schicht A durch die Schicht B tritt gegebenenfalls nicht auf. In diesem Fall sind die Kristallteilchen des laminierten Hartfilms bzw. -schicht A gegebenenfalls nicht feiner.
Andererseits beträgt die Obergrenze der Dicke der Schicht B pro Schicht vorzugsweise die Hälfte oder weniger der Dicke der Schicht A.
Wenn die Dicke der Schicht B die Hälfte der Dicke der Schicht A übersteigt und die Schicht A dünn ist, werden die Eigenschaften des Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms insgesamt stark durch die Schicht B beeinflusst, und die Eigenschaften der Schicht A können sich gegebenenfalls nicht manifestieren.
Die Dicken der Schicht A und der Schicht B können als Durchschnitte der Werte berechnet werden, die in 2 Feldern bei einer 500000- bis 1500000-fachen Vergrößerung durch eine TEM-Querschnittsuntersuchung gemessen werden.
Zustand der Hart(film)schicht A und der Hart(film)schicht B nach Bildung derselben (Laminierung)
Die Schichten des erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms werden im Wesentlichen so angeordnet, dass die Zusammensetzungen der Schicht A und der Schicht B abwechseln und im Fall von Schicht A/Schicht B/Schicht A/Schicht B-Einheiten, bei denen die Schicht A mit der Schicht B abwechselt, ist es bevorzugt, eine Mehrschichtstruktur (Laminat) zu bilden, bei dem diese Einheit mehrmals wiederholt wird. Zur Bildung der Mehrschichtstruktur (Laminat) können jedoch auch Schicht A/Schicht A/Schicht B/Schicht B-, Schicht A/Schicht B/Schicht B/Schicht A-, Schicht B/Schicht B/Schicht A/Schicht A- bzw. Schicht B/Schicht A/Schicht A/Schicht B-Einheiten kombiniert werden. Es sollte beachtet werden, dass diese laminierten Schichten A und Schichten B nicht notwendigerweise die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Mit anderen Worten: Innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung können die Zusammensetzungen jeder der Schichten A und der Schichten B je nach dem Zweck unterschiedlich eingestellt werden, wie z. B. in Schicht A1/Schicht B1/Schicht A2/Schicht B2. Die dritte Hartfilmschicht C weist eine Kristallstruktur (z. B. eine kubische Steinsalzstruktur) auf, die mit derjenigen der Schicht A identisch ist, jedoch kann auch eine Hartfilmschicht (eine weitere Substanz), die unterschiedliche Komponenten aufweist, ausgewählt werden, und diese Hartfilmschicht kann dazwischen angeordnet werden, wodurch Schicht A/Schicht B/Schicht C-Einheiten oder Schicht B/Schicht A/Schicht B/Schicht C-Einheiten gebildet werden, die dann jeweils zur Bildung der Mehrschichtstruktur (Laminat) kombiniert werden. Die Anzahl dieser laminierten Einheiten kann abhängig von der Dicke des gewünschten Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms gegebenenfalls innerhalb eines Bereichs von 20 bis 1000 eingestellt werden.
Als nächstes werden die Zusammensetzungen der Hartstoff- bzw. Hartfilmschichten A, B beschrieben.
Zusammensetzung der Hartstoff- bzw. Hartfilmschicht A
Die Zusammensetzungsformel der Hartfilmschicht A, bei der es sich um die Hauptphase des erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsystems bzw. Hartfilms handelt, erfordert die Auswahl einer Substanz mit einer Steinsalzkristallstruktur, einer großen Härte und einer hohen Verschleißfestigkeit. Dieser Hartfilm bzw. -schicht mit einer Steinsalzkristallstruktur kann z. B. ein Nitrid, ein Carbonitrid oder Carbid mit einer kubischen Steinsalzstruktur sein, das Ti, Cr, Al oder V enthält, wie z. B. TiN, CrN oder TiAlN, die in Schneidwerkzeugen und verschleißfesten gleitenden Teilen verbreitet verwendet werden. Darüber hinaus kann es auch eine Verbindung von einem oder mehreren Element(en), das bzw. die aus der Gruppe 4A, 5A, 6A und Al oder Si ausgewählt ist bzw. sind, mit einem oder mehreren Element(en) sein, das bzw. die aus B, C und N ausgewählt sind. Diese Verbindungen weisen alle eine kubische Steinsalzstruktur, eine große Härte und eine überlegene Verschleißfestigkeit auf. Wenn der Schicht A eine geringe Menge Sauerstoff von 10% oder weniger (0,1 oder weniger bezogen auf das Atomverhältnis) innerhalb eines Bereichs zugesetzt wird, bei dem die Steinsalzkristallstruktur der Hartfilmschicht A aufrechterhalten wird, kann eine Oxynitrid- oder Oxycarbonitridschicht aus einem oder mehreren Element(en), die aus der Gruppe 4A, 5A, 6A und Al oder Si ausgewählt sind, oder eine Schicht, welche dieses Oxynitrid oder Oxycarbonitrid enthält, erzeugt werden, und dies kann Eigenschaften weiter verstärken, was ebenfalls innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegt.
Die allgemeine Formel der Verbindung, die für diese Hartfilmschichten A eingesetzt wird, können für ein Element durch Ti(C_1-xN_x), Cr(C_1-xN_x) oder V(C_1-xN_x) [worin x ein Wert von 0 bis 1 ist, wobei nachstehend das Gleiche gilt) dargestellt werden. Für zwei Elemente kann sie durch TiAl(C_1-xN_x), TiSi(C_1-xN_x), TiCr(C_1-xN_x), TiV(C_1-xN_x), TiB(C_1-xN_x), CrAl(C_1-xN_x), CrSi(C₁_ _xN_x), CrV(C_1-xN_x), CrB(C_1-xN_x), VAl(C_1-xN_x), VSi(C_1-xN_x), VB(C_1-xN_x) dargestellt werden. Für drei Elemente kann sie durch TiAlSi(C_1-xN_x), TiAlCr(C_1-xN_x), TiAlV(C_1-xN_x), TiAlB(C_1-xN_x), TiCr-Si(C_1-xN_x), TiCrV(C_1-xN_x), TiCrB(C_1-xN_x), TiVSi(C_1-xN_x), TiVB(C_1-xN_x), CrAlSi(C_1-xN_x), CrAlV(C_1-xN_x), CrAlB(C_1-xN_x), CrSiV(C_1-xN_x), CrSiB(C_1-xN_x), CrVB(C_1-xN_x), VAlSi(C_1-xN_x), VAlB(C_1-xN_x) dargestellt werden.
Für vier Elemente kann sie durch TiAlSiCr(C_1-xN_x), TiAlSiV(C_1-xN_x), TiAlSiB(C_1-xN_x), TiAlCrV(C_1-xN_x), TiAlCrB(C_1-xN_x), TiAlVB(C_1-xN_x), TiCrSiV(C_1-xN_x), TiCrSiB(C_1-xN_x), TiCrVB(C_1-xN_x), CrAlSiV(C_1-xN_x), CrAlSiB(C_1-xN_x), CrAlVB(C_1-xN_x), CrSiVB(C_1-xN_x), VAlSiB(C_1-xN_x) dargestellt werden.
Von diesen Verbindungen weisen diejenigen, die eines von Ti, Cr oder Al enthalten, eine erhöhte Härte auf. Beispiele für solche Verbindungen sind TiN, TiCN, TiAlN, CrN, TiCrAlN und CrAlN. Insbesondere weisen Verbindungen, die Al enthalten, eine überlegene Oxidationsbeständigkeit auf und sind insbesondere für Schneidwerkzeuganwendungen geeignet, bei denen eine solche Oxidationsbeständigkeit erforderlich ist. Für Maschinenteilanwendungen sind Verbindungen, die Cr enthalten (wie z. B. CrN, TiCrN, CrCN) geeignet.
Im Allgemeinen können Hartfilme bzw. -schichten, die eine Steinsalzkristallstruktur aufweisen, mittels Röntgenbeugung mit dem θ-2θ-Verfahren gemessen werden. Bei der Röntgenbeugung ergeben alle Hartfilme bzw. -schichten mit einer Steinsalzstruktur hohe Peakintensitäten für die (111)-Ebene, die (200)-Ebene und die (220)-Ebene. Beispielsweise weisen Hart filme bzw. -schichten wie (TiAl)(CN) eine Steinsalzkristallstruktur auf und bilden ein Mischnitrid mit Steinsalzstruktur, bei dem Al das Ti in dem TiN der Steinsalzstruktur ersetzt hat. In diesem Fall ist das AlN (Gitterkonstante 4,12 Å) der Steinsalzstruktur eine Hochtemperatur-Hochdruckphase und da es sich um eine sehr harte Substanz handelt, wenn das Verhältnis von Al in (TiAl)(CN) erhöht wird, während die Steinsalzstruktur beibehalten wird, kann die Härte des (TiAl)(CN)-Films bzw. -Schicht weiter erhöht werden.
Zusammensetzung der Hartstoff- bzw. Hartfilmschicht B
Die Hartfilmschicht B wird vorzugsweise aus (1) einer Verbindung (kubische Kristalle) aus einem oder mehreren Element(en), das bzw. die aus der Gruppe 4A, 5A, 6A und Al ausgewählt ist bzw. sind, die jeweils keine kubische Steinsalzstruktur aufweisen, und einem Element, das aus B, C und N ausgewählt ist, (2) einem Nitrid, Carbonitrid oder Carbid aus einem oder mehreren Element(en), die aus B, Si, Cu, Co, Ni, C ausgewählt ist bzw. sind, oder (3) metallischem Cu, metallischem Co oder metallischem Ni ausgewählt. Von diesen Gruppen ist die Gruppe (2) besonders bevorzugt.
Im Wesentlichen kann dann, wenn die Hartfilmschicht B eine Substanz ist, die keine kubische Steinsalzstruktur aufweist, der vorstehend genannte Teilchenfeinheitseffekt erhalten werden. In einem Fall, bei dem das erfindungsgemäße Hartstoff-Schichtsystem bzw. Hartfilm bei einer hohen Temperatur verwendet wird, wie z. B. in Schneidwerkzeugen, oder unter Berücksichtigung der Eigenschaften, die für gleitende Teile erforderlich sind, sind Substanzen in den vorstehend genannten Gruppen bevorzugt, die eine Wärme- und Abriebbeständigkeit aufweisen. Von diesen Substanzen sind in der vorstehend genannten Gruppe (2) BN, BCN, SiN, SiC, SiCN, B-C, die B oder Si enthalten, oder Cu, CuN, CuCN oder metallisches Cu geeignet.
Als nächstes werden einige Beispiele einer kombinierten Beschichtungsvorrichtung, die zur Herstellung des Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms der vorliegenden Erfindung geeignet ist, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Die 5 ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung zeigt. Die 6 ist eine Draufsicht, die eine Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung eines Vergleichsbeispiels zeigt. Die 8 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Beispiel der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung zeigt. Die 9 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Beispiel der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung zeigt.
In den in den 5 und 6 gezeigten Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtungen wird eine Mehrzahl von Substraten 1 (vier symmetrische Substrate in der 5) innerhalb einer Kammer 8 auf einer Drehplattform angeordnet. Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 und Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 sind in einer kreisförmigen Anordnung (in einem Kreis) um diese Drehplattform derart angeordnet, dass die Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 und die Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 zueinander symmetrisch sind. Die Sputterzerstäubungsqueilen und die Lichtbogenverdampfungsquellen sind abwechselnd angrenzend aneinander angeordnet.
Die Substrate 1 werden durch die Drehung der Drehplattform 9 so gedreht, dass die Substrate 1 abwechselnd an der Vorderseite der Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 und der Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 vorbeigeleitet werden. In diesem Fall können auch die Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 und die Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 um die Substrate 1 gedreht werden, ohne die Drehplattform 9 oder die Substrate 1 zu drehen, oder, mit anderen Worten, die Substrate, auf denen der Film bzw. Schichtsystem) gebildet werden soll, müssen lediglich eine Einrichtung zum relativen Verschieben der Substrate eines nach dem anderen zwischen den Lichtbogenverdampfungsquellen und den Sputterzerstäubungsquellen aufweisen.
Alternativ können in einer anderen Form der Erfindung die Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 und die Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 abwechselnd in Reihe wie z. B. einer geraden Linie angeordnet werden, ohne sie in einer kreisförmigen Anordnung anzuordnen, und die Substrate, auf denen der Film bzw. Schichtsystem) gebildet werden soll, werden eines nach dem anderen zwischen den Lichtbogenverdampfungsquellen und den Sputterzerstäubungsquellen relativ verschoben.
Wenn ein Hartfilm bzw. -schicht wie z. B. TiAlN unter Verwendung der Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 gebildet werden soll, wird das Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff, Methan oder Acetylen in die Kammer 8 eingeführt, und die Beschichtung bzw. Filmbildung wird unter Verwendung eines TiAl-Targets in einer Atmosphäre, die das Reaktivgas mit einem Druck von etwa mehreren Pa enthält, durchgeführt.
Entsprechend wird dann, wenn ein Hartfilm bzw. -schicht wie z. B. TiAlN unter Verwendung der Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 gebildet wird, ein TiAl-Target verwendet, das mit demjenigen identisch ist, das verwendet wird, wenn die Beschichtung bzw. Filmbildung unter Verwendung eines Lichtbogens durchgeführt wird. Inertgase wie z. B. Ar, Ne, Xe, bei denen es sich um Sputtergase handelt, werden jedoch mit dem Reaktivgas wie z. B. Stickstoff ge mischt, und der Gesamtdruck der Atmosphäre ist nur ein Bruchteil von 1 Pa, wobei es sich um einen niedrigeren Druck handelt, wie wenn die Beschichtung bzw. Filmbildung unter Verwendung eines Lichtbogens durchgeführt wird.
Folglich werden Schichten bzw. Filme aufeinander folgend durch Sputtern oder mittels Lichtbogen durch Drehen der Drehplattform 9 und der Substrate 1 derart gebildet, dass die Substrate 1 abwechselnd vor den Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 und den Sputterzerstäubungsqueilen 2, 3 vorbeigeleitet werden und Hartstoff-Schichten bzw. Hartfilme mit identischen oder verschiedenen Zusammensetzungen und Dicken werden aufeinander folgend in mehreren Schichten auf den Substraten 1 unter Verwendung identischer oder verschiedener Hartmaterialien gebildet.
Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds
Die in den 5 und 6 gezeigten Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtungen nutzen ein Magnetfeld 10, das durch eine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds 4, wie z. B. einen Permanentmagneten, erzeugt und gesteuert wird, mit dem die Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 und die Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 ausgestattet sind.
Wenn dieses Magnetfeld 10 jedoch in der erfindungsgemäßen Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung von 5 eingesetzt wird, sind die Magnetfelder 10 der beiden angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen, z. B. die Magnetfelder 10 zwischen z. B. der Lichtbogenverdampfungsquelle 5 und den Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 miteinander verbunden. Mit anderen Worten: Während der Beschichtung bzw. Filmbildung ist die vorstehend genannte Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds 4 so angeordnet, dass die Magnetkraftlinien (Magnetfeld 10) angrenzender Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen miteinander verbunden sind.
Daher ist das Magnetfeld 10 (Magnetkraftlinien) in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer 8 geschlossen (geschlossenes Magnetfeld) und Elektronen, die von den Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen abgegeben werden, werden in diesem geschlossenen Magnetfeld eingefangen, so dass sie nicht leicht von der Kammer 8 angezogen werden, die in der gleichen Weise wie das Substrat 1 eine Anode bildet. Als Folge davon nimmt die Konzentration abgegebener Elektronen zu, die Kollisionen zwischen dem Sputtergas und dem Reaktionsgas nehmen zu und es kann eine hocheffiziente Gasionisierung stattfinden.
Selbst wenn die Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und die Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung in der erfindungsgemäßen Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung, die in der 1 gezeigt ist, in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer gleichzeitig durchgeführt werden, nimmt die Ionenbündelung von den beiden angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen zu, die Ionenbestrahlung der beiden Substrate 1 nimmt zu und es kann ein Schichtsystem bzw. Film bzw. Schicht mit überlegenen Eigenschaften erzeugt werden.
Andererseits sind in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung des in der 6 gezeigten Vergleichsbeispiels die Magnetfelder 10 der beiden angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen, z. B. die Magnetfelder 10 zwischen der Lichtbogenverdampfungsquelle 5 und den Sputterzerstäubungsquellen 2, 3, nicht miteinander verbunden und unabhängig.
Somit ist das Magnetfeld 10 (Magnetkraftlinien) in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer 8 offen (offenes Magnetfeld) und Elektronen, die von den Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen abgegeben werden, werden von der Kammer 8 in der Richtung der Magnetfelder 10 (Magnetkraftlinien) schnell (leicht) angezogen. Als Folge davon ist die Konzentration abgegebener Elektronen gering, Kollisionen zwischen dem Sputtergas und dem Reaktionsgas finden weniger statt und die Gasionisierungseffizienz ist gering, wenn die Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und die Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer gleichzeitig durchgeführt werden.
Daher ist in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung des Vergleichsbeispiels von 6 die Ionenbündelung von den beiden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen schwach, die Ionenbestrahlung des Substrats nimmt ab und es liegt eine höhere Wahrscheinlichkeit einer Störung der Beschichtungs- bzw. Filmbildungseigertschaften oder der Beschichtungs- bzw. Filmbildungseffizienz vor.
Verifikation der Zunahme der Ionenbestrahlung
Der Ionenstrom, der durch die Substrate 1 fließt, wurde unter Verwendung der in den 5 und 6 gezeigten Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtungen gemessen. In der erfindungsgemäßen Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung, die in der 5 gezeigt ist, wurde gefunden, dass durch die Substrate 1 ein Ionenstrom von etwa 14 mA/cm² fließt, was zeigt, dass der Ionenstrom, der durch die Substrate 1 fließt, deutlich zugenommen hat. Andererseits betrug der Ionenstrom, der durch die Substrate 1 fließt, im Fall der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung des Vergleichsbeispiels von 6 nur etwa die Hälfte dieses Werts, d. h. 7 mA/cm², was zeigt, dass der Ionenstrom, der durch die Substrate 1 fließt, nicht zugenommen hat. Dieses Ergebnis bestätigt auch, dass in der erfindungsgemäßen Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung die Ionenbestrahlung des Substrats erhöht ist, so dass ein Schichtsystem bzw. Film bzw. Schicht mit überlegenen Eigenschaften gebildet wird.
Weitere Variation der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung
Als nächstes wird ein weiteres Beispiel der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung unter Bezugnahme auf die 8 beschrieben. In der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung, die in der 8 gezeigt ist, sind die Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 und die Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 nicht in einer kreisförmigen Anordnung, wie sie in der 5 gezeigt ist, angeordnet, sondern abwechselnd in einer geraden Linie in der Kammer 8. Die Anordnung der Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen kann anstelle einer geraden Linie eine Kurve darstellen und die Anzahl der Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen kann frei gewählt werden.
Im Fall der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung von 8 werden die Substrate 1, die behandelt werden sollen, oder die Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 und die Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 mit einer geeigneten Einrichtung relativ verschoben, so dass die Substrate 1 abwechselnd vor den Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 und den Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 vorbeigeleitet werden. Die Hart(film)schichtkomponente wird dann unter Verwendung der Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 bzw. unter Verwendung der Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 in einer Atmosphäre, die das Reaktionsgas in der Kammer 8 enthält, verdampft bzw. zerstäubt, so dass eine Hartfilmschicht abwechselnd und aufeinander folgend mit einer Hartfilmschicht auf den Substraten 1 abgeschieden wird, um den gewünschten Hartfilm bzw. -(stoff)schicht bzw. -(stoff)schichtsystem zu bilden.
Auch in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung von 8 sind die Magnetfelder 10 der beiden angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen, z. B. die Magnetfelder 10 der Lichtbogenverdampfungsquelle 5 und der Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 miteinander verbunden. Insbesondere ist die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds 4 so konfiguriert, dass während der Beschichtung bzw. Filmbildung die Magnetkraftlinien der angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen miteinander verbunden sind. Daher ist das Magnetfeld 10 in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer 8 geschlossen (geschlossenes Magnetfeld), und die Elektronen, die von den Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen abgegeben werden, werden durch dieses ge schlossene Magnetfeld eingefangen, so dass sie nicht leicht von der Kammer 8 angezogen werden, die wie die Substrate 1 eine Anode ist. Als Folge davon nimmt in der gleichen Weise wie in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung von 5 die Konzentration der abgegebenen Elektronen zu, die Kollisionen zwischen dem Sputtergas und dem Reaktionsgas nehmen zu und eine hocheffiziente Gasionisierung kann stattfinden.
Stickstoffpartialdruck
In der vorstehend beschriebenen Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung, die in den 5 und 8 gezeigt ist, ist es bevorzugt, dass Stickstoff mit dem Sputtergas gemischt wird, so dass der Partialdruck des Mischstickstoffs 0,5 Pa oder mehr beträgt, wenn die Lichtbogenverdampfungsquellen und die Sputterzerstäubungsquellen gleichzeitig betrieben werden und ein Stickstoff-enthaltender Hartfilm bzw. -schicht bzw. -schichtsystem wird gebildet.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, unterscheiden sich die Umgebungsgasbedingungen und die Druckbedingungen bei der Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und der Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung stark. Folglich beträgt z. B. gemäß K. H. Kim et al., Surf. Coat. Technol., dann, wenn ein Hartfilm bzw. -schicht wie z. B. TiSiN durch gleichzeitiges Betreiben der Lichtbogenverdampfungsquellen und der Sputterzerstäubungsquellen gebildet wird, das Verhältnis von Ar, bei dem es sich um das Sputtergas handelt, zu dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff 3:1, der Gesamtdruck liegt in der Größenordnung von 0,08 Pa, der Stickstoffpartialdruck liegt in der Größenordnung von 0,02 Pa, Ti wird durch die Lichtbogenverdampfungsquellen und Si wird durch die Sputterzerstäubungsquellen verdampft bzw. zerstäubt.
Wenn jedoch die Beschichtung bzw. Filmbildung unter diesen Bedingungen durchgeführt wird, ist der Partialdruck von Stickstoff in dem gasförmigen Gemisch zu niedrig, so dass dem Hartfilm bzw. -schicht nicht genügend Stickstoff hinzugefügt wird und die Makroteilchen in dem Hartfilm bzw. -schicht zunehmen. Als Folge davon ist es schwierig, einen feinen Film bzw. Schicht zu bilden.
Um dem Hartfilm bzw. -schicht ausreichend Stickstoff hinzuzufügen, die Erzeugung von Makroteilchen in dem Hartfilm bzw. -schicht zu steuern und einen feinen Film bzw. -schicht mit überlegenen Oberflächeneigenschaften zu bilden, wie es vorstehend beschrieben worden ist, beträgt der Partialdruck von Stickstoff, der mit dem Sputtergas gemischt ist, vorzugsweise 0,5 Pa oder mehr.
Der Effekt dieses Stickstoffpartialdrucks wurde in dem Fall der Bildung eines TiAlCrN-Hartfilms bzw. -schicht durch gleichzeitiges Betreiben der Lichtbogenverdampfungsquellen und der Sputterzerstäubungsquellen unter Verwendung der in der 3 gezeigten Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung untersucht. Während eine TiAl-Legierung (Ti50:Al50) durch die Lichtbogenverdampfungsquellen verdampft wurde, wurde Cr gleichzeitig durch die Sputterzerstäubungsquellen zerstäubt, und das Verhältnis von Ar, bei dem es sich um das Sputtergas handelte, zu Stickstoff, bei dem es sich um das Reaktionsgas handelte (Stickstoffpartialdruck) wurde mehrmals variiert. Bei jeder Gelegenheit wurden der Stickstoffgehalt in dem Hartfilm bzw. -schicht (Atom-%), die Oberflächenrauhigkeit Ra des Hartfilms bzw. -schicht und die Vickers-Härte (Hv) gemessen.
Die 10 bis 12 zeigen die Ergebnisse, die aufgrund dieses Stickstoffpartialdrucks erhalten wurden. Die 10 zeigt die Beziehung zwischen dem Stickstoffpartialdruck und dem Stickstoffgehalt des Hartfilms bzw. -schicht, die 11 zeigt die Beziehung zwischen dem Stickstoffpartialdruck und der Oberflächenrauhigkeit Ra des Hartfilms bzw. -schicht und die 12 zeigt die Beziehung zwischen dem Stickstoffpartialdruck und der Vickershärte des Hartfilms bzw. -schicht.
Wie es aus der 10 ersichtlich ist, zeigt der Stickstoffgehalt des Hartfilms bzw. -schicht an der Grenzlinie, bei welcher der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa beträgt, eine deutliche Differenz. Insbesondere in dem Bereich, in dem der Stickstoffpartialdruck weniger als 0,5 Pa beträgt, nimmt der Stickstoffgehalt des Hartfilms bzw. -schicht im Vergleich zu dem Bereich, bei dem der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa oder mehr beträgt, mehr oder weniger stetig beträchtlich ab. Andererseits ist in dem Bereich, bei dem der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa oder mehr beträgt, der Stickstoffgehalt des Hartfilms bzw. -schicht auf einem hohen Niveau von etwa 50 Atom-% stabil.
Wie es aus der 11 ersichtlich ist, zeigt die Oberflächenrauhigkeit Ra des Hartfilms bzw. -schicht an der Grenzlinie, bei welcher der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa beträgt, ebenfalls eine deutliche Differenz. Insbesondere in dem Bereich, in dem der Stickstoffpartialdruck weniger als 0,5 Pa beträgt, nimmt die Oberflächenrauhigkeit Ra des Hartfilms bzw. -schicht schnell auf etwa 0,38 μm zu. Andererseits ist in dem Bereich, bei dem der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa oder mehr beträgt, die Oberflächenrauhigkeit Ra des Hartfilms bzw. -schicht auf einem niedrigen Niveau von 0,1 μm oder weniger effektiv stabil.
Wie es aus der 12 ersichtlich ist, zeigt darüber hinaus auch die Vickers-Härte des Hartfilms bzw. -schicht an der Grenzlinie, bei welcher der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa beträgt, eine deutliche Differenz. Insbesondere in dem Bereich, in dem der Stickstoffpartialdruck weniger als 0,5 Pa beträgt, sinkt die Vickers-Härte schnell auf ein Niveau von 1100 Hv. Andererseits ist in dem Bereich, bei dem der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa oder mehr beträgt, die Vickers-Härte des Hartfilms bzw. -schicht auf einem hohen Niveau von etwa 2500 Hv stabil.
Aus diesen Ergebnissen zeigt sich die Wichtigkeit der Aufrechterhaltung des Partialdrucks von Stickstoff, der mit dem Sputtergas gemischt ist, bei 0,5 Pa oder mehr, bei der Sicherstellung eines ausreichenden Hinzufügens von Stickstoff zu dem Hartfilm bzw. -schicht(system), der Unterdrückung der Bildung von Makroteilchen in dem Hartfilm bzw. -schicht(system) und der Bildung eines feinen Films bzw. Schicht(systems) mit überlegenen Oberflächeneigenschaften. Es sollte beachtet werden, dass diese Ergebnisse und Trends neben TiAlCrN, das untersucht wurde, auch für andere Hartfilme bzw. -schichten gelten, d. h. für TiN, TiCN oder TiAlN.
Anomale elektrische Entladung aufgrund einer Isolatorbildung
Wenn die Beschichtung bzw. Filmbildung durchgeführt wird, wenn der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa oder mehr beträgt und die Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und die Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung gleichzeitig in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer durchgeführt werden, können abhängig von dem Material, das als Sputterzerstäubungsquelle verwendet wird, jedoch auch andere Probleme auftreten. Insbesondere kann das Sputtertargetmaterial mit dem Reaktionsgas unter Bildung eines Isolators (isolierende Substanz) auf der Targetmaterialoberfläche reagieren und aufgrund dieses Isolators kann in der Sputterzerstäubungsquelle eine anomale elektrische Entladung (Lichtbogenbildung) stattfinden. Wenn beispielsweise Si als Targetmaterial verwendet wird und dieses Targetmaterial in Stickstoff gesputtert wird, besteht eine Tendenz dahingehend, dass Si mit Stickstoff unter Bildung eines SiN-Isolators auf der Targetmaterialoberfläche reagiert, was leicht zu dieser anomalen elektrischen Entladung führt.
Selbst wenn dieser Isolator nicht gebildet wird, kann dann, wenn aufgrund einer Reaktion zwischen dem Sputtertargetmaterial und dem Reaktionsgas eine Verbindung auf der Targetmaterialoberfläche gebildet wird, die Zerstäubungssgeschwindigkeit in der Sputterzerstäubungsquelle aufgrund der Gegenwart dieser Oberflächenverbundschicht abnehmen. Diese Probleme stören auch eine hocheffiziente Gasionisierung.
Um diese Probleme zu beseitigen, wurde im Stand der Technik der Partialdruck des Reaktionsgases wie z. B. Stickstoff relativ zu dem Sputtergas niedrig gehalten, um eine Reaktion zwischen dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff mit dem Sputtertargetmaterial zu unterdrücken, so dass das Sputtern des Targetmaterials durch das Sputtergas gefördert wurde.
Dies ist auch der Grund dafür, warum in K. H. Kim et al., Surf. Coat. Technol., dann, wenn ein Hartfilm bzw. -schicht wie z. B. TiSiN durch gleichzeitiges Betreiben der Lichtbogenverdampfungsquellen und der Sputterzerstäubungsquelle gebildet wurde, der Partialdruck des Reaktionsgases wie z. B. Stickstoff relativ zu Ar, dem Sputtergas, niedrig gemacht wurde, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, besteht jedoch dann, wenn ein Schichtsystem bzw. Film bzw. Schicht unter Verwendung der in der 5 oder 6 gezeigten Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtungen gebildet wird, eine große Differenz zwischen Atmosphärenzusammensetzungen und Druckbereichen während der Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und der Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung. Wenn daher eine Lichtbogenverdampfungsquelle, die einen relativ hohen Druck erfordert, und eine Sputterzerstäubungsquelle zur Bildung eines Schichtsystems bzw. Films bzw. Schicht gleichzeitig betrieben werden, muss der Partialdruck des Reaktionsgases, wie z. B. Stickstoff, relativ zu dem Sputtergas erhöht werden, was die Möglichkeit verstärkt, dass die vorstehenden Probleme auftreten.
Verfahren zum Einführen von Umgebungsgas
Um dieses Problem zu lösen wird während der Beschichtung bzw. Filmbildung das Sputtergas in die Kammer in der Nähe der Sputterzerstäubungsquellen eingeführt und das Reaktionsgas wird in die Kammer in der Nähe der Lichtbogenverdampfungsquellen eingeführt. Diese Anordnung ist in der 9 gezeigt. Der Grundaufbau der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung in der 9 ist mit demjenigen von 5 identisch, jedoch wird während der Beschichtung bzw. Filmbildung das Sputtergas in der Nähe der Sputterzerstäubungsquellen und das Reaktionsgas in der Nähe der Lichtbogenverdampfungsquellen eingeführt.
Insbesondere wird in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung von 9 das Sputtergas während der Beschichtung bzw. Filmbildung in der Nähe der Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 durch ein Führungsrohr 12 und die Verzweigungsrohre 12a, 12b eingeführt. Das Reaktionsgas wird in der Nähe der Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 durch ein Führungsrohr 11 und Verzweigungsrohre 11a, 11b eingeführt.
Aufgrund dieser Anordnung wird der Partialdruck des Reaktionsgases wie z. B. Stickstoff relativ zu dem Einlasssputtergas in der Nähe der Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 niedrig gehal ten, so dass eine Reaktion zwischen dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff mit dem Sputtertargetmaterial unterdrückt und das Sputtern des Targetmaterials durch das Sputtergas gefördert wird.
Andererseits kann das Verhältnis von Stickstoff, bei dem es sich um das Reaktionsgas handelt, relativ zu dem Sputtergas in der Atmosphäre in der Kammer (Stickstoffpartialdruck) erhöht werden, um die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsleistung zu verbessern. Ferner kann auch der Druck des Reaktionsgases gemäß den Beschichtungs- bzw. Filmbildungsbedingungen, die durch den Lichtbogen erzeugt werden, in der Nähe der Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 erhöht werden.
Unabhängig davon, ob diese Umgebungsgase im Zusammenhang mit einer Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds, wie z. B. derjenigen, die in den 5 und 9 gezeigt ist, eingeführt oder allein verwendet werden, findet ein Mischen des Reaktionsgases wie z. B. Stickstoff mit dem inerten Sputtergas nicht leicht statt, so dass die Bildung eines Isolierfilms bzw. -schicht auf der Targetoberfläche aufgrund des ionisierten Gasgemischs, der zu einer anomalen elektrischen Entladung führt, unterdrückt wird. Somit kann eine hocheffiziente Gasionisierung stattfinden.
Anomale elektrische Entladung aufgrund eines Magnetfelds
Eine anomale elektrische Entladung in dem Sputtertarget kann nicht nur aufgrund der Bildung eines elektrischen Isolators auf der Targetmaterialoberfläche aufgrund einer Reaktion mit dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff erzeugt werden, sondern auch aufgrund anderer Ursachen.
Dies kann als Problem beschrieben werden, das für eine Sputtersteuerung durch ein Magnetfeld, wie z. B. durch die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds 4, spezifisch ist. Dieses Problem wird nachstehend detailliert unter Bezugnahme auf die 13A und 13B beschrieben. Die 14A und 14B zeigen den detaillierten Aufbau der Sputterzerstäubungsquellen 2, 3. Die 13A ist eine Draufsicht auf ein Targetmaterial 20 in den Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 und die 13B ist eine Vorderansicht der Sputterzerstäubungsquellen 2, 3. In der 13B ist 4 eine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds, 13 ist eine Abschirmung des Targetmaterials 20, 15 eine Erdung der Abschirmung 13, 14 eine Packungsplatte des Targetmaterials 20, 16 eine Sputter-Energieversorgung und 17 eine Aufspannvorrichtung zum Fixieren des Targetmaterials 20.
Gemäß der 13B bilden die Magnetronsputterzerstäubungsquellen 2, 3 unter Verwendung eines Magnetfelds das Magnetfeld 10 parallel zur Oberfläche des Targetmaterials 20 und, wie es vorstehend beschrieben worden ist, Elektronen werden absichtlich eingefangen, um die Elektronendichte zu erhöhen, die Ionisierung des Sputtergases zu fördern und die Sputtereffizienz zu erhöhen.
In diesem Fall werden auf der Oberfläche des Targetmaterials, das in der 13A gezeigt ist, zwangsläufig ein Erosionsbereich 21 und ein nicht-Erosionsbereich 22 erzeugt. In dem Erosionsbereich 21, bei dem es sich um den schattierten Teil handelt, werden aus dem Sputtergas viele Ionen erzeugt, die Elektronendichte ist hoch und das Sputtern wird gefördert. Andererseits findet in den nicht-Erosionsbereichen 22 des Mittelteils des Targetmaterials 20 und des Teils, der den Erosionsbereich 21 umgibt, kaum ein Sputtern statt. in den nicht-Erosionsbereichen 22 reagieren gesputterte Teilchen von dem Erosionsbereich 21 mit dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff und vereinigen sich damit und neigen zu einer Abscheiung. Als Folge davon bildet dieses abgeschiedene Material einen Isolator (isolierender Film bzw. Schicht) auf der Oberfläche des Targetmaterials und kann Probleme bezüglich einer elektrischen Entladung verursachen.
Sputterzerstäubungsquelle
Um dieses Problem zu beseitigen, ist es während der Beschichtung bzw. Filmbildung bevorzugt, dass die Spannung nicht auf die nicht-Erosionsbereiche 22 der Sputterzerstäubungsquelle einwirkt.
Ein Mittel, um dies zu erreichen, ist die Verwendung eines Materials, bei dem es sich um einen elektrischen Isolator handelt, in den nicht-Erosionsbereichen außerhalb des Erosionsbereichs 21. Die 14A und 14B zeigen ein Beispiel dafür, wobei der Grundaufbau der Vorrichtung mit demjenigen der 13A und 13B identisch ist. In den 14A und 14B wird in nicht-Erosionsbereichen 23 in dem Mittelteil des Targetmaterials 20 und dem Teil, der den Erosionsbereich 21 umgibt, ein Material verwendet, bei dem es sich um einen elektrischen Isolator handelt, und bildet einen Isolator 23. Dieses Material ist vorzugsweise ein wärmebeständiges Material wie z. B. BN (Bornitrid) oder Aluminiumoxid, das der Wärme widerstehen kann, die in der Sputterzerstäubungsquelle erzeugt worden ist.
Die 15 zeigt ein anderes Mittel, um zu verhindern, dass eine Spannung auf den nicht-Erosionsbereich einwirkt, bei dem eine Abschirmung bereitgestellt ist, das an einem Schwe bepotenzial oder an einem Erdungspotenzial bezogen auf das Potenzial des Sputtertargets in einem Teil außerhalb des Erosionsbereichs liegt.
In den 15A und 15B ist der Grundaufbau der Vorrichtung ebenfalls mit den 13A und 13B identisch. In den 15A und 15B ist eine Abschirmung, die sich an einem Schwebepotenzial befindet, in einem nicht-Erosionsbereich 25 in der Mitte des Targetmaterials 20 bereitgestellt. Eine Abschirmung, die sich an einem Erdungspotenzial befindet (mit einer Erdung 15 verbunden) ist ferner in einem nicht-Erosionsbereich 24 bereitgestellt, der den Erosionsbereich 21 umgibt.
Bei dem Aufbau, der in der 9 und der 10 gezeigt ist, und bei dem verhindert wird, dass eine Spannung auf die nicht-Erosionsbereiche 22 einwirkt, reagieren Teilchen, die von dem Erosionsbereich 21 gesputtert werden, mit dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff auf den nicht-Erosionsbereichen 23 und vereinigen sich mit dem Reaktionsgas, und werden nicht abgeschieden. Daher wird verhindert, dass Probleme bezüglich einer elektrischen Entladung auftreten.
Als nächstes wird das Verfahren zur Bildung der Hartstoff-Schichtsysteme bzw. laminierten Hartfilme der vorliegenden Erfindung erläutert.
Als erstes werden Probleme, die diesem Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahren inhärent sind, und Verfahren zu deren Lösung beschrieben.
Ein Verfahren zur Bildung der Hartstoff-Schichtsysteme bzw. laminierten Hartfilme ist z. B. die Kombination einer Mehrzahl von Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 gemäß der 3 zur Bildung der Hartfilmschichten A, B auf dem Substrat 1. In diesem Fall wird z. B. die Hartfilmschicht A-Komponente von der Sputterzerstäubungsquelle 2 als aufgestäubte bzw. aufgedampfte Substanz 2a auf das Substrat 1 aufgestäubt bzw. aufgedampft, und die Hartfilmschicht B-Komponente wird von der Sputterzerstäubungsquelle 3 als aufgestäubte bzw. aufgedampfte Substanz 3b auf das Substrat 1 aufgestäubt bzw. aufgedampft.
Gemäß der 4 gibt es auch ein Verfahren zur Bildung der Hartfilmschichten A, B auf dem Substrat 1 unter Verwendung einer Mehrzahl von Elektronenstrahlverdampfungsquellen 5, 6. In diesem Fall wird z. B. die Hartfilmschicht A-Komponente von der Elektronenstrahlverdampfungsquelle 5 als aufgedampfte Substanz 5a auf das Substrat 1 aufgedampft, und die Hartfilmschicht B-Komponente wird von der Elektronenstrahlverdampfungsquelle 6 als aufgedampfte Substanz 6b auf das Substrat 1 aufgedampft.
Erfindungsgemäß ist es jedoch am meisten bevorzugt, die Hartfilmschicht A unter Verwendung der Lichtbogenverdampfungsquelle aufzudampfen und die Hartfilmschicht B unter Verwendung der Sputterzerstäubungsquelle aufzustäuben bzw. aufzudampfen, um das erfindungsgemäße Schichtsystem bzw. Film in einer Atmosphäre zu bilden, die das Reaktionsgas enthält, wie es in der 5 gezeigt ist. Dieses Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahren aus einer Kombination der Lichtbogenverdampfungsquelle mit der Sputterzerstäubungsquelle und des aufeinander folgenden Verschiebens oder Vorbeileitens des Substrats vor der Lichtbogenverdampfungsquelle und der Sputterzerstäubungsquelle, so dass die Hartfilmschicht A-Komponente von der Lichtbogenverdampfungsquelle und die Hartfilmschicht B-Komponente von der Sputterzerstäubungsquelle abwechselnd und aufeinanderfolgend auf dem Substrat abgeschieden werden, weist verglichen mit den Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahren gemäß den 3, 4 die folgenden Vorteile auf.
Der signifikanteste Vorteil besteht darin, dass in dem Fall einer Lichtbogenverdampfung die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsgeschwindigkeit höher ist als bei einer Sputterzerstäubung. Folglich kann die Schicht A, deren Dicke etwa fünfmal größer sein muss als die Dicke der Schicht B, durch Bilden der Hartfilmschicht A-Komponente durch eine Lichtbogenverdampfungsquelle mit einer hohen Geschwindigkeit abgeschieden werden. Da ferner eine Sputterzerstäubungsquelle eine leichtere Einstellung der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsgeschwindigkeit ermöglicht als eine Lichtbogenverdampfungsquelle und betrieben werden kann, wenn die Eingangsleistung sehr klein ist (z. B. 0,1 kW), kann die Dicke einer Dünnfilmschicht wie z. B. der Schicht B genau gesteuert werden.
Ferner kann durch die Kombination der Merkmale einer Lichtbogenverdampfung mit den Merkmalen einer Sputterzerstäubung das Verhältnis der Dicken der Schicht A und der Schicht B innerhalb eines bevorzugten Bereichs von Eingangsleistungen für die Lichtbogenverdampfungsquelle und die Sputterzerstäubungsquelle eingestellt werden, und durch anschließendes Variieren der Umdrehungen (Drehzahl, Verschiebungsgeschwindigkeit) des Substrats, kann die Wiederholungsperiode von Schicht A + Schicht B in der gewünschten Weise festgelegt werden. Die Dicke der Schicht A (die Kristallteilchengröße) kann ebenfalls in der gewünschten Weise eingestellt werden.
Nachstehend wird das Verfahren zur Bildung des Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms (Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahren) der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Der Grund, warum es bevorzugt ist, die Vorrichtung gemäß 5 zu verwenden, wird im Hinblick auf den Fall erläutert, bei dem die Schicht A TiN und die Schicht B SiN ist. Wenn die Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 die in der 3 gezeigt sind, einfach kombiniert werden, könnten TiN, SiN als Targets verwendet werden, oder das Sputtern könnte unter Verwendung von Ti, Si als Targets abwechselnd in einer Mischgasatmosphäre aus Ar, dem Sputtergas und Stickstoff, dem Reaktionsgas, durchgeführt werden. Die Dicken der Schichten A, B können durch Steuern der Betriebszeit der Sputterzerstäubungsquellen oder der Beschichtungs- bzw. Filmbildungszeit unter Verwendung einer Blende, die vor der Quelle angeordnet ist, eingestellt werden. Da die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsgeschwindigkeit in dem Sputterverfahren jedoch niedrig ist, ist zur Bildung der Schicht A mit der erforderlichen (Film)dicke von etwa dem Fünffachen der Dicke der Schicht B eine beträchtliche Zeit erforderlich, weshalb das Verfahren nicht als effizient bezeichnet werden kann.
Wenn die in der 4 gezeigte Elektronenstrahlverdampfung verwendet wird, könnten Ti, Si durch die Elektronenstrahlverdampfungsquellen 5, 6 zur Bildung der Schichten A, B geschmolzen werden. Bei dem Elektronenstrahlverfahren variiert die Verdampfungsgeschwindigkeit jedoch aufgrund der verbleibenden Menge an verdampftem Material in den Elektronenstrahlverdampfungsquellen 5, 6 (Tiegel), und es ist schwierig, die (Film)dicken der Schichten zu steuern.
Deshalb wird die Hartfilmschicht A-Komponente unter Verwendung der Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 verdampft und die Hartfilmschicht B-Komponente wird unter Verwendung der Sputterzerstäubungsquelle 2, 3 zerstäubt bzw. verdampft, und zwar in einer Atmosphäre, die das Reaktivgas innerhalb der Kammer 8 enthält, so dass die Schichten A und B abwechselnd und aufeinander folgend auf dem Substrat 1 zur Bildung des erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsystems bzw. Hartfilms abgeschieden werden.
In dem Fall, bei dem die Schicht A TiN und die Schicht B Si ist, wird erfindungsgemäß Ti, bei dem es sich um die Schicht A-Komponente handelt, mit den Lichtbogenverdampfungsquellen 5, 6 verdampft, und Si, bei dem es sich um die Schicht B-Komponente handelt, wird durch die Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 zerstäubt bzw. verdampft. Die Beschichtung bzw. Filmbildung wird in Ar, dem Sputtergas, und Stickstoff, dem Reaktionsgas, durchgeführt, und das Substrat 1 wird so gedreht, dass es abwechselnd vor den Lichtbogenverdampfungsquellen und den Sputterzerstäubungsquellen vorbeigeleitet wird. Somit werden TiN und SiN abwechselnd und aufeinander folgend auf dem Substrat abgeschieden und das erfindungsgemäße Hartstoff-Schichtsystem bzw. Hartfilm aus TiN + SiN kann einfach gebildet werden.
Partialdruck des Reaktionsgases
In dem Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahren der vorliegenden Erfindung, das vorstehend beschrieben worden ist, kann die Beschichtungs- bzw. Schicht- bzw. Filmbildungsatmosphäre dann, wenn die Lichtbogenverdampfungsquellen und die Sputterzerstäubungsquellen zur Bildung des Stickstoff-enthaltenden Hartfilms bzw. -schicht(systems) gleichzeitig betrieben werden, ein Gemisch aus einem Reaktivgas (Reaktionsgas), wie z. B. Stickstoff, Methan oder Acetylen, und einem Sputterinertgas, wie z. B. Ar (Argon), Ne (Neon) oder Xe (Xenon) sein.
Der Partialdruck des gemischten Reaktivgases beträgt vorzugsweise 0,5 Pa oder mehr. Wenn die Beschichtung bzw. Filmbildung durchgeführt wird, wenn der Partialdruck des gemischten Reaktivgases weniger als 0,5 Pa beträgt, wird dem Hartfilm bzw. -schicht(system) zu wenig Stickstoff hinzugefügt und Makroteilchen in dem Hartfilm bzw. -schicht(system) nehmen ebenfalls zu. Folglich kann nicht länger ein feiner Film bzw. Schicht(system) erhalten werden.
Um dem Hartfilm bzw. -schicht(system) ausreichend Stickstoff hinzuzufügen, die Bildung von Makroteilchen in dem Hartfilm bzw. -schicht(system) zu unterdrücken und einen feinen Film bzw. Schichtsystem) mit überlegenen Oberflächeneigenschaften zu bilden, beträgt der Partialdruck des Reaktivgases, das mit dem Sputtergas gemischt ist, vorzugsweise 0,5 Pa oder mehr, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
Als nächstes wird die vorliegende Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf spezifische Beispiele beschrieben, jedoch sollte beachtet werden, dass die Erfindung nicht durch die Beispiele beschränkt wird und dass innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche, die Teil der vorliegenden Anmeldung sind, verschiedene Modifizierungen möglich sind
Beispiel 1-1
Der Effekt der Kristallstruktur der Schicht B wurde wie folgt untersucht. Insbesondere wurde ein Material mit einer kubischen Steinsalzkristallstruktur als Schicht A ausgewählt, ein Material mit der gleichen kubischen Steinsalzkristallstruktur oder einer davon verschiedenen Kristallstruktur wurde als Schicht B ausgewählt und es wurde verifiziert, ob die Feinheit der Kristallteilchen irgendeinen Effekt hatte.
Insbesondere wurde ein Film bzw. Schicht mit der in der Tabelle 1 gezeigten Schichtstruktur (laminierten Struktur) unter Verwendung einer Sputterbeschichtungs- bzw. -filmbildungsvorrichtung gemäß der 3 gebildet, die zwei Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 enthielt. Das Substrat 1 war eine superharte Legierung (mit einer hochglanzpolierten Oberfläche), das für Härtemessungen verwendet wurde. Nach dem Einbringen dieses Substrats in die Vorrichtung gemäß 3 wurde die Substrattemperatur auf etwa 400 bis 500°C erhöht, die Vorrichtung wurde unter ein Vakuum von 3 × 10^–3 Pa oder weniger gesetzt, mit Ar-Ionen wurde ein Reinigen durchgeführt (Druck 0,6 Pa, Substratspannung 500 V, Behandlungszeit 5 min) und Schichten bzw. Filme wurden dann aufeinander folgend gebildet.
Zur Beschichtung bzw. Filmbildung wurden Metallfilme bzw. -schichten in einer reinen Ar-Atmosphäre gebildet, Nitride wurden in einem Gemisch aus Ar und Stickstoff (Mischungsverhältnis 65:35) gebildet, und Carbonitride wurden in einem Gemischaus Ar, Stickstoff und Methan (Mischungsverhältnis 65:30:5) gebildet, wobei der Gesamtdruck konstant bei 0,6 Pa lag.
Die Dicken der Schicht A und der Schicht B wurden durch Variieren der Betriebszeit der Sputterzerstäubungsquellen eingestellt. Die Dicke der Schicht A lag konstant bei 50 nm und die Dicke der Schicht B lag konstant bei 10 nm, und die Schicht A und die Schicht B (Laminiereinheiten) wurden wiederholt insgesamt 50 Mal abgeschieden, um einen Film bzw. Schichtsystem mit einer Dicke von etwa 3000 nm zu bilden. Nach der Beschichtung bzw. Filmbildung wurde eine Probe entnommen, und der Beschichtungs- bzw. Filmquerschnitt wurde mittels TEM bei einer 45000-fachen Vergrößerung untersucht, um festzustellen, ob sich die Feinheit der Kristallteilchen erhöht hatte oder nicht, wie es aus der 1 ersichtlich ist. Wenn dieser Effekt vorlag, wurde dies mit 0 bewertet, und wenn der Effekt nicht vorlag, wurde dies mit X bewertet. Diese Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben.
Gemäß der Tabelle 1 wurde im Fall der Vergleichsbeispiele Nr. 1 bis 4 ein Material mit einer kubischen Steinsalzkristallstruktur als Schicht A ausgewählt und auch als Schicht B wurde ein Material mit einer kubischen Steinsalzkristallstruktur ausgewählt. Daher wuchsen die Kristallteilchen kontinuierlich ohne Unterbrechung des Kristallwachstums zwischen der Schicht A und der Schicht B, und die Kristallteilchen wurden nicht feiner.
Andererseits wuchsen in den erfindungsgemäßen Beispielen Nr. 5 bis 13, wenn als Schicht B ein Material mit einer Kristallstruktur ausgewählt wurde, die von der Kristallstruktur der Schicht A verschieden war, wie es in der 1 ersichtlich ist, die Kristalle nicht kontinuierlich zwischen den Schichten A und B, und als Folge davon wurden die Kristallteilchen der Schicht A zu einer Feinheit in der Größenordnung der Dicke der Schicht A (50 nm) vermindert. Auch das AlN, das für die Schicht B des Vergleichsbeispiels 4 verwendet worden ist, ist ein Material, das eine stabile kubische B₄-Struktur aufweist. Wenn es jedoch zusammen mit dem Material der Schicht A abgeschieden wurde, das eine Steinsalzstruktur wie in diesem Beispiel aufweist, nahm die AlN-Schicht in dem gebildeten Schichtsystem bzw. Film eine Steinsalzstruktur an und es fand keine Zunahme der Kristallteilchenfeinheit der Schicht A statt.
Aus den vorstehenden Ergebnissen wurde gefunden, dass dann, wenn ein Hartstoff-Schichtsystem bzw. laminierter Hartfilm der Schicht A mit einer kubischen Steinsalzstruktur gebildet wurde, die Kristallteilchen nicht feiner wurden, so lange nicht ein Material mit einer von der kubischen Steinsalzstruktur der Schicht A verschiedenen Kristallstruktur ausgewählt wurde.
Beispiel 1-2
Der Effekt der Kristallstruktur der Schicht B wurde auf der Basis der Ergebnisse des Beispiels 1-1 weiter untersucht. Insbesondere wurde die Gegenwart oder das Fehlen einer erhöhten Kristallteilchenfeinheit und einer erhöhten Schicht- bzw. Filmhärte untersucht, wenn ein Hartschicht bzw. -filmmaterial mit einer kubischen Steinsalzkristallstruktur wie z. B. TiAlN, CrN, TiN als Schicht A ausgewählt wurde, ein Material mit einer von einer kubischen Steinsalzkristallstruktur verschiedenen Kristallstruktur wie z. B. Cu, Co, SiN, BN oder ein Material mit einer kubischen Steinsalzkristallstruktur wie z. B. CrN, MoN, WN, TaN, AlN als Schicht B ausgewählt wurde, oder wenn die Schicht B nicht bereitgestellt wurde.
Insbesondere dann, wenn die in der 3 gezeigte Sputterbeschichtungs- bzw. -filmbildungsvorrichtung, welche die beiden Sputterzerstäubungsquellen 2, 3 umfasste, und die in der 5 gezeigte Lichtbogen/Sputter-Kombinationsbeschichtungsvorrichtung kombiniert verwendet wurden, wurde ein Schichtsystem bzw. Film mit der in der Tabelle 2 gezeigten Schichtstruktur bzw. laminierten Struktur gebildet. Das Substrat war die gleiche superharte Legierung (hochglanzpoliert), die für die Härtemessung im Beispiel 1-1 verwendet worden ist. Nach dem Einbringen des Substrats in die vorstehend genannten beiden Vorrichtungen wurde die Substrattemperatur auf etwa 400 bis 500°C erhöht, die Vorrichtungen wurden unter ein Vakuum von 3 × 10^–3 Pa oder weniger gesetzt, mit Ar-Ionen wurde ein Reinigen durchgeführt (Druck 0,6 Pa, Substratspannung 500 V, Behandlungszeit 5 min) und anschließend wurden Schichten bzw. Filme gebildet.
Im Fall der in der 3 gezeigten Sputterbeschichtungs- bzw. -filmbildungsvorrichtung wurde die Beschichtung bzw. Filmbildung zur Bildung eines Nitrids in einem gasförmigen Gemisch aus Ar und Stickstoff (Mischungsverhältnis 65:35) durchgeführt, und zur Bildung eines Carbonitrids wurde die Beschichtung bzw. Filmbildung in einem gasförmigen Gemisch aus Ar, Stickstoff und Methan (Mischungsverhältnis 65:30:5) unter einem Gesamtdruck von 0,6 Pa durchgeführt. Die Dicken der Schicht A und der Schicht B wurden durch Variieren der Betriebszeiten der Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen eingestellt.
Im Fall der in der 5 gezeigten kombinierten Beschichtungsvorrichtung wurde die Beschichtung bzw. Filmbildung zur Bildung eines Nitrids in einem gasförmigen Gemisch aus Ar und Stickstoff (Mischungsverhältnis 50:50) durchgeführt, und zur Bildung eines Carbonitrids wurde die Beschichtung bzw. Filmbildung in einem gasförmigen Gemisch aus Ar, Stickstoff und Methan (Mischungsverhältnis 50:45:5), wobei der Gesamtdruck 2,66 Pa betrug. Die Dicken der Schicht A und der Schicht B wurden durch das Eingangsleistungsverhältnis für die Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen festgelegt und das Dickenverhältnis von Schicht A + Schicht B wurde durch die Drehperiode des Substrats festgelegt. Die Schicht- bzw. Filmdicke lag konstant bei etwa 3 μm. Die Schicht A wurde durch die Lichtbogenverdampfungsquelle gebildet und die Schicht B wurde durch die Sputterzerstäubungsquelle gebildet.
Die Härte, bei der es sich um eine mechanische Eigenschaft des Schichtsystems bzw. Films handelt, wurde mit einem Mikro-Vickers-Messgerät (Last 0,245 N (25 gf)) gemessen. Die Kristallstrukturen der Schicht A und der Schicht B wurden mittels TEM-Untersuchung eines Schichtsystem- bzw. Filmquerschnitts bei 45000-facher Vergrößerung analysiert, die (Film)dicken und die Kristallteilchengrößen der Schicht A und der Schicht B wurden aus den TEM-Querschnittsbildern bestimmt, und die Gegenwart oder das Fehlen einer erhöhten Kristallteilchenfeinheit der Schicht A wurde wie im Beispiel 1-1 bewertet. Diese Testergebnisse sind in der Tabelle 2 gezeigt.
Wie es aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, wurde nur dann, wenn ein Hartschicht- bzw. filetmaterial mit einer kubischen Steinsalzkristallstruktur, wie z. B. TiAlN, CrN, TiN als Schicht A ausgewählt wurde, und ein Material, das eine von einer kubischen Steinsalzkristallstruktur verschiedene Kristallstruktur aufwies, wie z. B. Cu, Co, SiN, BN, als Schicht B ausgewählt wurde, wie dies bei den erfindungsgemäßen Beispielen Nr. 20, 21, 24 bis 27 und 29 der Fall ist, eine Zunahme der Kristallteilchenfeinheit und eine entsprechende beträchtliche Zunahme der Schicht(system)- bzw. Filmhärte festgestellt.
Wenn andererseits die Schicht B nicht bereitgestellt wurde, wie dies in den Vergleichsbeispielen Nr. 14 bis 19 der Fall war, oder wenn ein Material mit einer kubischen Steinsalzkristallstruktur als Schicht B ausgewählt wurde, wie dies in den Vergleichsbeispielen Nr. 22, 23 und 28 der Fall war, ergab sich keine erhöhte Kristallteilchenfeinheit und auch die Schicht(system)- bzw. Filmhärte war niedriger.
Beispiel 1-3
Als nächstes wurde der Effekt der Dicke der Schicht B, die ein Material mit einer Kristallstruktur umfasste, die von einer kubischen Steinsalzkristallstruktur verschieden war, auf die Erhöhung der Feinheit der Kristallteilchen der Schicht A untersucht.
Die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung war die gleiche Sputtervorrichtung und kombinierte Beschichtungsvorrichtung wie im Beispiel 1-2. Als Schicht A wurden (Ti_0,5Al_0,5)N, CrN und TiN, die eine große Härte aufweisen, als typische Beispiele für Materialien mit einer kubischen Halogenidkristallstruktur ausgewählt und als Schicht B wurden SiN, BN und Cu ausgewählt. Zur Bildung der Schichten aus SiN, BN und Cu wurden Si-, B₄C- und Cu-Targets ausgewählt.
Die Dicke der Schicht A lag konstant bei 30 nm und die Dicke der Schicht B wurde innerhalb des Bereichs von 0,2 bis 100 nm variiert, um den Effekt der Dicke der Schicht B auf die Erhöhung der Feinheit der Kristallteilchen zu untersuchen. Wie im Fall des Beispiels 1-2 wurden eine Härtemessung durchgeführt und die Gegenwart oder das Fehlen einer erhöhten Feinheit von Kristallteilchen wurde durch Querschnitts-TEM eines nach der Beschichtung bzw. Filmbildung erhaltenen Probenmaterials untersucht. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 gezeigt.
Gemäß der Tabelle 3 lag bei einem Vergleich innerhalb der Gruppen Nr. 30 bis 36, 37 bis 43 und 44 bis 50, für welche die Bedingungen außer im Hinblick auf die Dicke der Schicht B identisch waren, in allen diesen Gruppen für die Nr. 30, 37 und 44, bei denen die Dicke der Schicht 0,2 nm betrug, was unter 0,5 nm liegt, keine erhöhte Feinheit von Kristallteilchen vor. Daher liegt die Dicke der Schicht B vorzugsweise mindestens in der Größenordnung von 0,5 nm oder mehr, was über diesen 0,2 nm liegt.
Andererseits sind gemäß der Tabelle 3 für die Nr. 35, 36, 42, 43 oder 49 und 54, bei denen die Dicke der Schicht B relativ zur Schicht A die Hälfte der Dicke der Schicht A übersteigt und relativ groß ist, die Eigenschaften der Schicht B bei den Eigenschaften des insgesamt gebil deten Schichtsystems bzw. Films vorherrschend. Als Folge davon konnte verglichen mit den Nr. 31 bis 34, 38 bis 41 oder 45 bis 48, bei denen die Dicke der Schicht B relativ zur Schicht A in jeder Gruppe relativ gering ist, eine beträchtliche Härtesteigerung nicht länger festgestellt werden. Daraus wird klar, dass die Dicke der Schicht B vorzugsweise die Hälfte oder weniger der Dicke der Schicht A beträgt.
Beispiel 1-4
Als nächstes wurde der Effekt der Dicke der Schicht A auf die Erhöhung der Kristallteilchenfeinheit und die Härte des Hartstoff-Schichtsystems bzw. Hartfilms untersucht.
(Ti_0,5Al_0,5)N als Schicht A und SiN als Schicht B wurden unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1-2 unter Verwendung der im Beispiel 1-2 verwendeten kombinierten Beschichtungsvorrichtung von 5 gebildet. Die Dicke der Schicht B lag konstant bei 2 nm und die Dicke der Schicht A wurde innerhalb eines Bereichs von 1 bis 300 nm variiert, um ein Probenmaterial herzustellen. Für dieses Probenmaterial wurde wie im Fall des Beispiels 1-2 eine Härtemessung durchgeführt und die Erhöhung der Feinheit der Kristallteilchen wurde mittels Querschnitts-TEM untersucht. Die Testergebnisse sind in der Tabelle 4 gezeigt.
Gemäß der Tabelle 4 sind im Fall von Nr. 51, bei dem die Dicke der Schicht A einen im Vergleich zur Dicke der Schicht B von 2 nm einen kleinen Wert von 1 nm aufweist, die Eigenschaften der Schicht B in dem Gesamtschichtsystem bzw. -film vorherrschend und die Kristallteilchen werden feiner, jedoch nimmt verglichen mit den Nr. 52 bis 55 die Härte ab. Andererseits liegt im Fall von Nr. 53, für das die Dicke der Schicht A 200 nm übersteigt, keine Zunahme der Kristallteilchenfeinheit vor, so dass sich die Größe der Kristallteilchen derjenigen von Produkten des Standes der Technik annähert, und die Härte ist im Wesentlichen mit der Härte von Produkten des Standes der Technik identisch. Daher liegt die Dicke der Schicht A vorzugsweise im Bereich von 2 bis 200 nm.
Beispiel 1-5
Als nächstes wurde die Zunahme der Oxidationsbeständigkeit abhängig von dem als Schicht B ausgewählten Material im Hinblick auf die Oxidationsstarttemperatur des Hartstoff-Schichtsystems bzw. Hartfilms untersucht.
Unter Verwendung der kombinierten Beschichtungsvorrichtung von 5, die im Beispiel 1-2 eingesetzt worden ist, wurden (Ti_0,5Al_0,5)N als Schicht A und SiN, BN, MoN und Ti als Schicht B zur Bildung einer Platinfolie (Dicke 0,1 mm) verwendet. Die (Film)dicken der Schicht A und der Schicht B lagen konstant bei 2 nm und zur Bildung dieses Schichtsystems bzw. Films wurden insgesamt etwa 90 Schichten von Schicht A + Schicht B laminiert.
Die Oxidationszunahme des gebildeten Schichtsystems bzw. Films wurde im Temperaturbereich bis 1000°C gemessen und die Oxidationsbeständigkeit wurde untersucht. Zur Untersuchung der Oxidationsbeständigkeit wurde eine Thermowaage zur Erhöhung der Temperatur auf 1000°C bei einer Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit von 4°C/min in trockener Luft eingesetzt und die Oxidationsstarttemperatur wurde aus der Gewichtszunahme aufgrund der Oxidation bestimmt.
Gemäß der Tabelle 5 erhöhte sich in dem Fall der erfindungsgemäßen Beispiele Nr. 58 und 59, bei denen SiN, BN als Schicht B ausgewählt wurden, verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 57, das den Materialien des Standes der Technik entsprach und bei dem die Schicht nicht bereitgestellt war, und mit dem Vergleichsbeispiel 60, das eine Steinsalzkristallstruktur aufwies, die eine Oxidationsstarttemperatur von 850°C aufwies, die Oxidationsstarttemperatur auf 900°C. In der erfindungsgemäßen Schicht- bzw. Filmstruktur ist ersichtlich, dass dann, wenn SiN, BN als Schicht B ausgewählt werden, SiN, BN nicht nur die Härte erhöhen, sondern auch die Oxidationsbeständigkeit verbessern. Es sollte beachtet werden, dass im Fall des erfindungsgemäßen Beispiels Nr. 61, bei dem Ti als Schicht B ausgewählt worden ist, die Kristallteilchenfeinheit der Schicht A zunimmt, jedoch die Oxidationsstarttemperatur niedriger ist.
Beispiel 1-6
Als nächstes wurde bezüglich der Unterschiede bei den Beschichtungs- bzw. Filmbildungsbedingungen der Effekt auf die Beschichtung bzw. Filmbildung, wenn die Magnetkraftlinien der Lichtbogenverdampfungsquelle und der Sputterzerstäubungsquelle verbunden wurden, und der Effekt, wenn diese Magnetkraftlinien nicht verbunden wurden, untersucht. Das Schichtsystem bzw. Film wurde im Wesentlichen unter den gleichen Bedingungen wie in den vorhergehenden Beispielen gebildet, d. h. die Schicht A war (Ti_0,5Al_0,5)N oder CrN bis zu einer Dicke von 30 nm, die Schicht B war SiN oder BN bis zu einer Dicke von 3 nm und es wurden insgesamt 90 Schicht A + Schicht B-Einheiten abgeschieden.
Dieses Schichtsystem bzw. Film wurde unter Verwendung der kombinierten Beschichtungsvorrichtung von 5 gebildet, jedoch wurde für Vergleichszwecke eine Beschichtung bzw. Filmbildung unter Verwendung einer Vorrichtung, bei der die Magnetkraftlinien der Lichtbo genverdampfungsquelle und der Sputterzerstäubungsquelle von 5 verbunden waren, und einer Vorrichtung durchgeführt, bei der die Magnetkraftlinien dieser Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsvorrichtungen von 6 nicht verbunden waren. Die Testergebnisse sind in der Tabelle 6 gezeigt. Die Vorrichtungen und Beschichtungs- bzw. Filmbildungsbedingungen in den 5 und 6 sind mit denjenigen von 5 im Beispiel 1-2 identisch.
Gemäß der Tabelle 6 waren die Eigenschaften für die Nr. 62, 64, bei denen die Magnetkraftlinien verbunden waren (5), verglichen mit den Eigenschaften für die Nr. 63, 65, bei denen die Magnetkraftlinien nicht verbunden waren (6), (Nr. 62 und 63, 64 und 65), bezuglich der Oxidationsbeständigkeit im Wesentlichen identisch, jedoch war die Härte groß.

Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass aufgrund einer Erhöhung der Ionendichte, wenn die Magnetkraftlinien verbunden sind, ein hartes Schichtsystem bzw. Film gebildet werden kann. Tabelle 1

Nr.			Schicht	Schicht A (50 nm)
			Kristallstruktur	Steinsalz	Steinsalz	Steinsalz	Steinsalz
			Material	Ti0,5, Al0,5, N	TiN	CrN	TiCN
	Schicht	Kristallstruktur	Material
1	Schicht B (10 nm)	Steinsalz	Ti0,5, Al0,5, N	x	x	x	x
2		Steinsalz	TiN	x	x	x	x
3		Steinsalz	CrN	x	x	x	x
4		Steinsalz	AlN	x	x	x	x
5		bcc	Ti	O	O	O	O
6		bcc	Cr	O	O	O	O
7		bcc	Ta	O	O	O	O
8		fcc	Ni	O	O	O	O
9		fcc	Cu	O	O	O	O
10		Diamant	Si	O	O	O	O
11		amorph	Si-N	O	O	O	O
12		amorph	B-N	O	O	O	O
13		amorph	C	O	O	O	O

Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann durch Steuern des erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsystems bzw. Hartfilms und der Hartschicht- bzw. -filmkristallteilchengröße die Kristallteilchengröße des Hartfilms bzw. -schicht mit Steinsalzstruktur feiner gemacht werden, was die Eigenschaften wie z. B. die Hartschicht- bzw. -film-Verschleißfestigkeit verbessert. Dieses Schichtsystem bzw. Film kann daher als verschleißfestes Schichtsystem bzw. Film in Schneidwerkzeugen aus Thermitstahl oder Schnellarbeitswerkzeugstahl als Substrat oder für gleitende Teile für Fahrzeuge verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Hartstoff-Schichtsystem bzw. laminierten Hartfilm mit überlegener Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit und ein Verfahren zur Bildung dieses Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms bereit. Dieses Schichtsystem bzw. Film kann daher als verschleißfestes Schichtsystem bzw. Film in superharten Legierungen, Schneidwerkzeugen aus Thermitstahl oder Schnellarbeitswerkzeugstahl als Substrat oder für gleitende Teile für Fahrzeuge verwendet werden.

Claims

Hartstoff-Schichtsystem, umfassend abwechselnd abgeschiedene Schichten A und B, wobei • die Schicht A eine Verbindung aus einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus der Gruppe 4A, 5A, 6A, Al und Si, und einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus B, C und N, ist, • die Schicht B eine Verbindung aus einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus der Gruppe 4A, 5A, 6A und Al, und einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus B, C und N, ist, oder ein Nitrid-, Carbonitrid oder Carbid von einem oder mehreren Element(en), ausgewählt aus B, Si, Cu, Co, Ni und C, ist, oder aus metallischem Cu, metallischem Co und metallischem Ni ausgewählt ist, • die Dicke der Schicht A pro Schicht 200 nm oder weniger und die Dicke der Schicht B pro Schicht 0,5 nm oder mehr beträgt, • die Dicke der Schicht A pro Schicht das Zweifache oder mehr der Dicke der Schicht B pro Schicht beträgt und • die Schicht A eine kubische Steinsalzstruktur aufweist und die Kristallstruktur der Schicht B davon verschieden ist.
Hartstoff-Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem • die Schicht A aus einem Nitrid, Carbonitrid oder Carbid von Ti, C, Al und V ausgewählt ist und • die Schicht B aus BN, BCN, SiN, SiC, SiCN, B-C oder Cu, CuN, CuCN oder metallischem Cu ausgewählt ist.
Verfahren zur Bildung des Hartstoff-Schichtsystems nach Anspruch 1, wobei in einer Beschichtungsvorrichtung, die eine oder mehrere einer Lichtbogenverdampfungsquelle und einer Sputterzerstäubungsquelle umfasst, die in dem gleichen Vakuumbehälter auch eine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds aufweisen, die Lichtbogenverdampfungsquelle und die Sputterzerstäubungsquelle gleichzeitig in einer Schichtbildungsatmosphäre, die ein Reaktivgas umfasst, betrieben werden, so dass die Komponenten der Schicht A durch die Lichtbogenverdampfungsquelle und die Komponenten der Schicht B durch die Sputterzerstäubungsquelle verdampft bzw. zerstäubt werden, und bei dem ein Substrat relativ zu den Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen bewegt wird, so dass die Schicht A und die Schicht B abwechselnd auf dem Substrat abgeschieden werden.
Verfahren zur Bildung eines Hartstoff-Schichtsystems nach Anspruch 3, bei dem die Schichtbildungsatmosphäre ein gasförmiges Gemisch des Reaktivgases mit einem Inertgas zum Sputtern ist, wobei der Partialdruck des Reaktivgases 0,5 Pa oder mehr beträgt.
Verfahren zur Bildung eines Hartstoff-Schichtsystems nach Anspruch 3, bei dem die Lichtbogenverdampfungsquelle und die Sputterzerstäubungsquelle gleichzeitig betrieben werden, und bei der Bildung einer Stickstoffenthaltenden Hartstoff-Schicht Stickstoff mit dem Sputtergas gemischt wird, so dass der Partialdruck des zugemischten Stickstoffs 0,5 Pa oder mehr beträgt.