(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のプラズマ放電ゾーン（ＰＬ1）において反応性ガス供給下で固体物質のカソードスパッタリング（１）を実施し、固体物質と反応性ガスからの反応生成物をワーク（７）の表面に層として堆積し、
前記カソードスパッタリング・プラズマ放電（ＰＬ1）に加えて、少なくとも１回の更なるプラズマ放電（３）を前記第１のプラズマ放電ゾーンから空間的に切り離して発生させ、
ワーク（７）の被覆すべき表面を前記カソードスパッタリングと、前記更なるプラズマ放電に交互にさらして行うワーク（７）の表面に層を堆積する方法において、
前記更なるプラズマ放電（３）を更なる固体材料の供給を行うことなく実施し、先に施された層または部分層を実質的にそれ以上成長させることなく後処理を行い、前記更なるプラズマ放電が低電圧アーク放電として実施されることを特徴とする方法。
【請求項２】
ワーク（７、７ａ）の旋回運動（ω2）または回転運動（ω1）によってワーク表面を前記両方の処理に交互にさらすことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
スパッタリングの源（１）を円軌道に沿って配置し、ワーク（７）を円軌道（ω51）に沿って源（１）を通過するように移動させ、円軌道面にほぼ垂直な放電路（Ｐ）を持つ更なるプラズマ放電（３）を、該放電路に対してほぼ中心（Ｚ）の位置で生じさせ、ワーク（７）を前記両方の処理に交互にさらすために旋回運動または回転運動させることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
更なるプラズマ放電（３）をアーク放電またはビーム放電とたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の方法。
【請求項５】
皮膜をほぼカソードスパッタリング（１）によって堆積し、更なるプラズマ放電（３）によって後処理することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の方法。
【請求項６】
更なるプラズマ放電を実質的な不活性ガス、特にアルゴンの中での放電として実施することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ワークを、更なるプラズマ放電のプラズマ電位より低い電位に置くことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記電位は−５Ｖから−３００Ｖの範囲であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ワークを３０Ｈｚ以下の周波数のプラズマ放電に交互にさらすことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の方法。
【請求項１０】
反応性ガスの質量流量を制御は少なくとも１つのプラズマエミッションモニタを使って制御量（Ｘ）を記録しながら行うことを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の方法。
【請求項１１】
反応性ガスをカソードスパッタリング源（１）の直近の位置で注入（３３）することを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の方法。
【請求項１２】
一つ以上のカソードスパッタリング源が設けられ、カソードスパッタリング源（１）の各々への反応性ガス質量流量を個別に制御（７５）することを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の方法。
【請求項１３】
更なるプラズマ放電（３）に面したワーク表面（７４）の場所においてそのプラズマ密度を変えることによって、ワーク（７）にかけられた電位（φ7）を変えることによって、ワーク（７）における表面エッチングプロセスまたは加熱プロセスを実行することを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の方法。
【請求項１４】
ワーク温度を３００℃未満に保つことを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載の方法。
【請求項１５】
カソードスパッタリング源としてマグネトロンを使用することを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載の方法。
【請求項１６】
特にスパイラルドリルなどの工具の表面における硬質物質皮膜、特にチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウムなどの炭化物、窒化物および／または酸窒化物の皮膜の堆積を実施することを特徴とする請求項１〜１５の何れか１項に記載の方法。
【請求項１７】
真空受容体（９）、
第１のプラズマ放電区間を持つ少なくとも１つのカソードスパッタリング源（１）、
カソードスパッタリング源（１）と協働し、反応性ガスまたは混合ガスを含む作用ガスのための少なくとも１つのガス導入装置（１３）、
前記第１のプラズマ放電区間から空間的に切り離されていて、それに関係なく運転できる更なるプラズマ放電区間（３）、
被覆すべきワーク表面が、カソードスパッタリング（１）と更なるプラズマ放電区間（３）に交互にさらされるように、少なくとも１つのワーク（７）が真空受容体（９）の中を移動できるようにするワーク支持体装置を備えたコーティング装置であって、
更なるプラズマ放電区間（３）が、固体材料を供給する装置を持たず、カソードスパッタリング源（１）によって施された層または部分層を実質的にそれ以上成長させることなく後処理するように形成されており、前記更なるプラズマ放電区間が低電圧アーク放電区間であることを特徴とするコーティング装置。
【請求項１８】
少なくとも二つのカソードスパッタリング源（１）が設けられ、カソードスパッタリング源（１）は円に沿って配置され、ワーク支持体装置（４９）が同心（Ｚ）の軌道上をカソードスパッタリング源（１）に沿って移動できるようにスパッタリング面（３１）の面法線がほぼ半径方向に向けられており、また、更なるプラズマ放電区間（３）が同心（Ｚ）に、かつ円軌道を描く円形面にほぼ垂直に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
ワーク支持体装置（４９）が、更なるプラズマ放電区間（３）にほぼ平行に立つスタンド（５５）を包含し、これが、その軸（ω55）を中心として移動すべく駆動できるようになっていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
ワーク支持体装置（４９）が、これによって支持されたワーク（７）を半径方向外向きと半径方向内向きの方向に交互に向かせるために少なくとも１つの回転器（５５、６１）を具備することを特徴とする請求項１８または１９に記載の装置。
【請求項２１】
設けられた少なくとも１つのカソードスパッタリング（１）がマグネトロンスパッタリング源であることを特徴とする請求項１７〜２０の何れか１項に記載の装置。
【請求項２２】
ガス導入装置（１３）によって注入されたガスの量、特に反応性ガスの量を制御するための制御回路（１９、２１、１７）が設けられ、さらに、制御量を記録するためのプラズマ放出モニタ検出ヘッド（１９）を備えていることを特徴とする請求項１７〜２１の何れか１項に記載の装置。
【請求項２３】
少なくとも２つのカソードスパッタリング源（１）が設けられ、反応性ガスのための導入装置をカソードスパッタリング源（１）の各々の領域内に１つずつ備えていることを特徴とする請求項１７〜２２の何れか１項に記載の装置。
【請求項２４】
プラズマ放出モニタ検出ヘッド（７０）が、更なるプラズマ放電区間（３）によって実質的に光反射に対して遮蔽されていることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
更なるプラズマ放電区間（３）が、プラズマビーム放電区間またはアーク放電区間として形成されていることを特徴とする請求項１７〜２４の何れか１項に記載の装置。
【請求項２６】
更なるプラズマ放電区間（３）が、ホットカソード（４１）と排出マスク（３７）を備えたイオン化チャンバ（３５）を包含することを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
プラズマビーム（３）のビーム強度を制御するために制御可能な磁界発生手段（４７）が設けられていることを特徴とする請求項２５または２６に記載の装置。
【請求項２８】
少なくとも、ワーク支持体装置（４９）におけるワーク（７）の支持領域（６１）が電源（６７）と結合しており、これで、前記電源が制御された電位に置かれるようになっていることを特徴とする請求項１７〜２７の何れか１項に記載の装置。
【請求項２９】
更なるプラズマ放電区間とカソードスパッタリング源の領域の中に不活性ガス供給管がつながり、不活性ガスタンク、特にアルゴンタンクと結合していることを特徴とする請求項１７〜２８の何れか１項に記載の装置。
【請求項３０】
ワーク支持体装置においてワークを接触させるために設けられた領域が、この領域を−５Ｖから−３００Ｖの範囲の電位に置く直流電源と結合していることを特徴とする請求項１７〜２９の何れか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は請求の範囲第１項の前提部分に記載の方法、請求の範囲第２３項の前提部分に記載のコーティング装置および請求の範囲第２２項ないしは第３９項に記載の前記方法ないしは前記装置の使用に関するものである。
特に硬質材料層、例えば、チタンおよびIVb属の他の金属の炭化物および窒化物の層をイオンプレーティングにより堆積することが知られている。然しながら、イオンプレーティングプロセスの際にコーティングすべきワークは、概ね３００℃を越える比較的強い温度負荷を受ける。ずっと以前から上述の種類の硬質材料層を反応性プロセスを用いて、低温にて堆積させることを可能にする方法の開発が試みられている。それについては原理的にはカソードスパッタリングによる堆積が提供される。然しながら、現在まで３００℃より低い温度でカソードスパッタリングにより上述の層を、その層に通常求められる要求、特に耐摩耗性に関する要求を満たすように堆積させることには成功していない。
そのために、例えばいわゆるハイブリッド方法が知られており、この方法では固体の一部が、同一出願人のＥＰ−Ａ−０３０６６１２号公報およびＥＰ−Ａ−０４３２０９０号公報から知られているように、カソードスパッタリングに加えてアーク放電内で蒸発される。然しながら、その場合に必要とされる出力密度では、ワークを冷却することなく３００℃より低い所望の低温水準に達することはできない。更に、このハイブリッド方法は技術的に比較的複雑であるので、シリーズ部品のコーティングの場合に使用することは報われないことが多い。
更にそのために、開放された磁場構成を有するカソードスパッタリング源、いわゆる「アンバランスド  マグネトロン」が使用されている。この処理の重要な欠点として出力収率が小さいことを考慮しなければならない。投入出力の約１０％しかスパッタリングには利用されずにコストに影響する冷却水に移行し、開放された磁場構造を有する装置では、プラズマエネルギの半分以上は固体のスパッタリングにではなく、ワーク近傍におけるプラズマの発生に使用され、それにより更に熱的な問題ももたらす。従って、この方法は現在では低温での反応性コーティングにはまったく使用されない。
更に、種々の補助イオン化装置をカソードスパッタリング方法と組み合わせることが知られている。ＤＥ−Ａ−３５０３３９７号公報からは、硬質材料層の堆積のために固体を磁場支援されるカソードスパッタリング源、いわゆるマグネトロンを用いてスパッタリングし、その場合にワークをマグネトロンの領域に配置し、それに対して後方に電子銃を設けることが知られている。ワークとマグネトロンの間の領域にはアノードバーが設けられており、このアノードバーは電子銃からもたらされる電子をマグネトロンプラズマ放電の領域へ引き込む。それによりこの領域におけるプラズマ密度が増加する。
ＤＥ−Ａ−３５０３３９８号公報によれば、ワークとマグネトロン間に第１の電極が設けられ、ワークの他方の側に第２の電極が設けられる。その場合に第２の電極は、マグネトロン−プラズマ放電の領域でプラズマ密度を増大させるために、電子放射器として使用される。
上述の２つの方法ではワークが著しく加熱されるので、ワークまたはその横断面が、カソードスパッタリング源またはマグネトロンのスパッタリング面に比べて小さい場合にしか使用できない。これに関してはＤＥ−Ａ−４０１１５１５号公報にも記載されている。
最後に述べた制限により、この種の装置は経済的に利用することができない。それは更にもたらされるコーティングを装置へのワークの装填に依存するようにし、それはこの種の方法を通常のように使用する場合にはローンコーティングとしてのワークの改良には使用できない。
ＤＥ−Ａ−４０１１５１５号公報によればワークとマグネトロンの間に電極の対が設けられており、そこにホットカソードとして形成された電極が電子を放出する。それによりマグネトロン放電プラズマのプラズマ密度が増大される。その場合に硬質材料層でなく、金属または金属合金層が堆積され、スパッタリング源プラズマのプラズマ密度が局所的に増大することによりワークの温度負荷が比較的大きくなる。
同様にＵＳ−Ａ−４３８９２９９号公報にも、熱的に放出される電子を用いてマグネトロンプラズマのプラズマ密度を増大させることが提案されている。
従来技術に関する他の文献として、ＥＰ−Ａ−０３２８２５７号公報、ＤＥ−Ａ−３５０３３９７号公報、ＤＥ−Ａ−４１１５６１６号公報、ＥＰ−Ａ−０２８２８３５号公報、ＤＥ−Ａ−３４２６７９５号公報を挙げる。
ＥＰ−Ａ−０３２８２５７号公報からは、層を交互に金属モードと反応モードにおいて、各々カソードスパッタリングにて形成することにより、光学的なワークに光学層を堆積形成することが知られている。そのために光学的なワークは約５０Ｈｚの比較的大きい周波数で上述の層形成源に交互に供給される。その場合に反応モードと金属モード間で使用される比較的大きいクロック周波数を考慮して、ワークをそれに従って急速に移動させるために、複雑な手段を講じなければならない。これはまた、上述の２つの層モードを分離するために各々の源間に任意に短い間隙を挿入できないことにもよる。加工雰囲気内でワークが移動されるにもかかわらず、かつガス拡散プロセスにもかかわらず、局所的に主として金属モード条件と、それから分離された、局所的に主として反応モード条件を保証するように配慮しなければならない。
本発明の課題は、３００℃より低い低温においてシリーズ部品上にも硬質材料を経済的に堆積させることができ、それが化学量論、密度および付着に関してイオンプレーティングにより堆積された層と少なくとも同等であり、かつ上述の欠点、例えばＥＰ−Ａ−０３２８２５７号公報に記載の処理に関する欠点を克服した、冒頭で述べた種類の方法を提供することである。
これは、請求の範囲第１幌の特徴部分に記載された上述の方法により解決される。
それによれば、コーティングすべきワーク表面が交互にカソードスパッタリングと、カソードスパッタリングにほぼ関与しない他のプラズマ放電を受ける。他のプラズマ放電は明らかにその直前にコーティングされた表面を均一化しかつ圧縮するためであって、かつカソードスパッタリングのプラズマ密度は他のプラズマ放電により高められたとしても、それほど高められてはいないので、ワークの温度負荷も必要とされる最大値を超えることはない。他のプラズマ放電では、まず形成された層成分の本来の後処理が行われ、層材料の著しい変化はもはや行われない。
請求の範囲第２項の文言によれば、最も簡単な方法でコーティングすべき表面がワークの旋回または回転移動によりカソードスパッタリングに、そして他のプラズマ放電に交互に向けられる。
請求の範囲第３項に記載の文言によれば、その場合に重要なことは、特に表面が湾曲している場合に、他のプラズマ放電を最適に利用するために、他のプラズマ放電に向けられた、コーティングすべき表面に接する接線平面がほぼその中央領域において、他の放電の放電路に接する接線に対してほぼ平行になることであって、その場合に上述の表面に沿って上述の放電のほぼ均一なプラズマ密度分布が充分に利用される。
特にシリーズ製品をコーティングするために更に、請求の範囲第４項の文言に記載のように行うことが提案されている。
その場合に好ましい方法は、請求の範囲第５項の文言に示すような特徴を有し、その場合に「旋回動作」という表現は、ワークに関して変位した回転軸線を中心とする回転運動であり、「回転動作」というのはワークのそれ自体の回転運動である。
請求の範囲第６項の文言によれば、他のプラズマ放電がビーム放電として形成されることにより、カソードスパッタリングの他のプラズマ放電の影響領域の分離が更に形成される。
本発明による方法のきわめて好ましい実施例では、すなわち請求の範囲第７項の文言によれば、その化学量論を含む堆積された層材料に関して、層は大体においてカソードスパッタリングで堆積される。その場合に堆積された層材料は他のプラズマ放電により後処理され、特に圧縮される。
そのために好ましくは請求の範囲第８項に示すように、他のプラズマ放電はほぼ不活性ガス内、例えばアルゴン内の放電として行われ、その場合に中性ガス雰囲気と反応ガス雰囲気との絶対的な分離は必要ない。然しながら、反応ガス雰囲気をほぼカソードスパッタリング源、好ましくはマグネトロンの領域に設け、かつ他のプラズマ放電、特にアーク放電は中性ガス雰囲気内で駆動することが推奨される。
その場合に請求の範囲第９項の文言に示すように、求められる層特性を得るために堆積された層の後処理は、大きな確率で、主として不活性ガスのイオンによるイオンシューティングにより行われる。
請求の範囲第１０項の文言によれば、設けられている他のプラズマ放電の作用は、ワークの電位を他の放電のプラズマポテンシャルに関してネガティブに選択すること、好ましくは＋１０Ｖよりも少なく、好ましくは最大で＋５Ｖ、特に好ましくは最大で−５Ｖ、好ましくは−５Ｖと−３００Ｖの間、代表的には約−１５０Ｖに選択することにより、最適化される。これは、アースに対して約＋２０Ｖの他のプラズマ放電のプラズマポテンシャルに基づいている。
更に、上述の現象により、カソードスパッタリングおよび他のプラズマ放電におけるワークの急速な交換停止が不要になるので、本発明方法の好ましい実施例において、請求の範囲第１１項の文言によれば、この交換周波数は最大で３０Ｈｚ、好ましくは最大で１０Ｈｚ、好ましくは更に１Ｈｚより低く、代表的には約０．１Ｈｚである。それによりワークホルダおよびワーク駆動のための構造的なコストの著しい削減が得られ、それはカソードスパッタリングと他のプラズマ放電区間間のきわめて低速の交換移動が実現できることにより行われる。
特に請求の範囲第１２項に示す方法では、ビームを調節することにより、他のプラズマ放電側のワーク表面が暴露されるプラズマ密度を、後処理プロセスに関して最適にし、かつまた他のプロセス段階、すなわち加熱またはエッチングのために調節することが可能になる。
請求の範囲第１３項の文言によれば、上述の目的のために好ましくはワークにおける電位も調節可能に形成されているので、異なる表面処理プロセスと後処理プロセスを実施すること、および最適化することが可能になる。
請求の範囲第１４項ないし第１５項に記載の閉ループ制御により、この種の制御を設けない場合には非安定になる作業点においても、すなわちカソードスパッタリング源のスパッタリングされる表面が公知のように汚染される作業点においても、反応性のカソードスパッタリングプロセスの最適な安定化が達成される。
反応ガス供給ならびに上述の閉ループ制御の好ましい実施例は、２つ或いは多数のカソードスパッタリング源が設けられている場合に、請求の範囲第１６項ないし第１７項により定義される。
請求の範囲第１８項の文言に示すように、ワークをカソードスパッタリングに対してシールドすることができることにより、すでに説明したように、更に、他のプラズマ放電によってのみワーク表面を選択的に処理すること、例えばエッチングすることが可能になる。その場合に層堆積の例えば前段に設けられたこの種のプロセスステップにおいて、作動ガスとして例えばアルゴンなどの希ガスのみを導入することができる。同時に、シールドにより、カソードスパッタリング源を自由にスパッタリングすることができる。その場合公知のように、層堆積のために後にスパッタリングされるカソードスパッタリングのターゲットは、例えば標準雰囲気で発生する酸化物層を清掃される。
請求の範囲第１９項に記載のように、他のプラズマ放電側のワーク表面の所定箇所における他のプラズマ放電を変化させること、かつ／またはワークの電位を変化させることにより、該表面をエッチングまたは加熱することができる。その場合に、例えば放電々流の増大および／またはプラズマビームを変化させることにより、プラズマ密度を変化させることができる。
特に、ワーク表面の領域において他のプラズマ放電のプラズマ密度を選択することにより、既述のように、他のプラズマ放電のビーム制御によっても、かつ／またはその出力制御によっても行うことができ、かつ請求の範囲第２０項の文言によれば、ワークの電位の選択により３００℃より低いワークの温度が得られ、それにもかかわらず特に請求の範囲第２２項の文言に示すように、少なくともほぼ、かつこの種の層に要請される特性、例えば摩耗特性に関して、イオンプレーティング方法により堆積された層と同様な硬質材料層が堆積される。
本発明によるコーティング装置は、請求の範囲第２３項の文言によれば、請求の範囲第２４項から第３６項に記載の好ましい実施例を特徴としている。
次に添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は、好ましい構造例を用いて本発明方法の原理または本発明のコーティング装置の原理を基本的な処理シーケンスの形式で略示する側面図と上面図であり、
図２は、考察するワーク表面を図１に示すカソードスパッタリングモードから他のプラズマ処理モードへ移動させる好ましい方法、ないしはそれに関して本発明による装置において実施される好ましい方法を略示するものであり、
図３は、図１と図２の処理において、カソードスパッタリング領域と他のプラズマ放電の領域をワークに関して、かつカソードスパッタリングに関してワークを制御してシールドすることにより実施される種々のプロセスモードを原理的に示すものであり、
図４は、本発明による処理装置の概略的な縦断側面図であり、
図５は、好ましくは更に手段が設けられる、図４の装置を示すものである。
本発明方法の概略および原理を示す図１では、１はカソードスパッタリング源、特にマグネトロン源のスパッタリングされる面、すなわちターゲットを示している。
カソードスパッタリング源１から離れて他のプラズマ放電区間３が設けられている。他のプラズマ放電区間３は、電源５で略示するように、最も一般的な考察方法ではＤＣ駆動、マイクロ波領域までのＡＣ駆動、或いはＤＣと重畳されたＡＣで駆動される。図１には、他のプラズマ放電は２つの電極間で、すなわち容量的に発生されるものとして図示されているが、この他のプラズマ放電はここで考察される最も一般的な場合では任意の公知の方法で発生させることができる。
ワーク７は、本発明によれば、そのコーティングすべき表面をカソードスパッタリング源１と、区間３において付加的に設けられたプラズマ放電とに交互に暴露される。これは図１では両方向矢印Ｓで略示されている。
図１には更に、点線で、真空反応容器９が図示されている。
イオン化すべきガス、例えばアルゴンが、タンク１２から制御弁１１を介して反応容器９内に導入される。更に、好ましくはカソードスパッタリング源１の領域で、ガス導入装置１３により反応ガスないしは反応混合ガスがタンク装置１５から弁装置１７により制御または調節されて導入される。それにより少なくとも主にカソードスパッタリング源１の領域において反応性のコーティングプロセスが行われ、他のプラズマ放電区間３の領域では堆積された層が「改良」される。
好ましい実施例において、カソードスパッタリングプロセスは閉ループ制御される。その場合に好ましくは測定される制御量Ｘのセンサとしてプラズマ放出モニタの検出ヘッドが使用され、特にカソードスパッタリング源１の直後の領域に配置される。その出力信号は、プラズマ放電モニタで解析されて（図示せず）、微分ユニット２１でガイド信号Ｗと比較される。操作量として好ましくは反応容器９に供給される反応性ガスの材料流、ないしはその混合比が、弁装置１７により調節される。これは場合によっては制御器２３を介して行われる。
然しながら、カソードスパッタリングプロセスは他の方法でも、例えば電気的センサを用いて或いは測定される制御量の記録装置として結晶層厚測定装置を用いて、スパッタリング率を測定することにより制御することができる。反応ガスの調節の代わりに、或いはそれに加えてスパッタリング源の電気的な駆動電圧、特にまたマグネトロン源の磁場発生を調節することもできる。
図１には制御可能なマスクなどのシールド装置２５が一点鎖線で図示されている。シールド装置により（制御されて）反応容器９内でカソードスパッタリング源１を有する空間領域を、他のプラズマ放電区間３を有する空間領域からシールドするすることができる。これは本発明の好ましい実施例に設けられている。
こうして特に図３に示すように、ワーク７が他のプラズマ放電３の領域内で位置決めされている場合に、シールド２５を閉鎖することができ、かつ、カソードスパッタリング源１、好ましくはマグネトロンは自由にスパッタリングすることができる。同時に他のプラズマ放電３に暴露されるワークの表面７をエッチングし、加熱し或いは原則的にプラズマ表面処理することができる。そのために図１の電源５により他のプラズマ放電区間の出力、例えば放電々流が調節され、かつ／または磁場Ｂにより制御された他のプラズマ放電３のビームと、それに伴って制御された出力密度分布が得られるように、ワーク７のプラズマ放電３側の表面におけるプラズマ密度が所望に調節される。
その場合に上述の表面において実施される処理プロセスを制御するために、更に、図１に略示するように、ワーク７における電位φ７が所望に調節され、それにより、当業者に周知のように、イオンシューティング密度とワーク７におけるイオンシューティング強度が調節される。その場合にφ７３は好ましくは他のプロセス放電３のプラズマポテンシャルに比べて負に選択され、好ましくは＋１０Ｖより低く、好ましくは最大で＋５Ｖ、特に最大で−５Ｖに選択され、その場合に好ましくは−５Ｖと−３００Ｖの間、代表的には約−１５０Ｖに選択される。
特に図３に示すように、例えばアルゴンなど希ガスが反応容器内に、この希ガスが上述の容器内でほぼ均一に分配されるように供給される。特に、反応ガスｒはカソードスパッタリング源１の直接の領域に導入される。然しながら、図３に点線で示すように、他のプラズマ放電３の領域においてシールド２５が好ましい方法で閉鎖されているときに、反応性プロセスを実施しようとする場合には、そこに反応ガスを任意に噴射することも可能である。
図から明らかなように、本発明によればコーティングすべきワーク表面は交互にカソードスパッタリング源のターゲット面１ないしは他のプラズマ放電３に暴露される。これを図１において下方に概略的な上面図で図示されている。その場合に、カソードスパッタリング源φ７１の領域における電気的なワーク電位φ７を、φ７３で示される他のプラズマ放電の領域におけるのとは異なるように選択することは当然可能である。
ワーク７のコーティングすべき表面を交互に暴露することは、図２に示すように好ましい方法で旋回動作または回転動作により実施される。そのためにワーク７は、そのコーティングすべき表面が交互にスパッタリング源１と他のプラズマ放電の放電路Ｐに向くように旋回軸線Ａを中心として旋回される。それがω２で図示されている。或いは例えばディスク状のワークなど、ワーク７ａはワーク自体の軸線Ａを中心にω１のように回動されてその両表面がコーティングされる。交換周波数としては低い周波数が効力を発揮し、それにより著しい簡略化がもたらされる。効果的に使用される周波数は最大で３０Ｈｚであり、好ましくは１０Ｈｚより低く、更に好ましくは最大で１Ｈｚであり、代表的には約０．１Ｈｚである。
コーティングすべき表面が湾曲している場合には、表面において少なくともほぼ均一なプラズマ密度の分布を保証するために、この面に接する接線面Ｅが、他のプラズマ放電の放電路Ｐへの接線Ｔに対してほぼ平行になるように位置決めしなければならない。
図４に、本発明による装置の縦断面を略示する。図４において、図１から図３を参照して説明した機能ユニットと変数には、同一符号が付されている。
中心軸線Ｚを中心にほぼ円筒状に構成された、真空ポンプ用の排気スリーブ２７を有する真空処理容器９の外側面に、２つ或いはそれ以上のカソードスパッタリング源１が、電気的に絶縁されて取り付けられている。その場合、好ましくは、磁場支援されるスパッタリング源は一般にマグネトロン源の概念で知られているものである。同様に公知のようにスパッタリング源はアノードリング２９に包囲されており、かつ、各々スパッタリングすべき固体のターゲットプレート３１を有している。
当業者には周知であって、ここでは図示しないが、効果的に使用されるマグネトロンスパッタリング源においてトンネル状の磁場が静的または動的に、スパッタリングすべきターゲット表面の上方で発生する。それにより、概略的にＰＬ１で示すように、カソードスパッタリング源プラズマのプラズマ密度が著しく増大される。反応ガスｒ用のガス導入装置１３が、スパッタリングすべきターゲット表面の領域に直接設けられている。これは、図４では見やすくするために、マグネトロン１の右だけに図示されている。好ましくは、これは、ターゲット周辺を一周する少なくとも１つのパイプループ３３により形成され、ターゲット表面側にガス用の流出開口部を有し、この開口部を通して、好ましくは約４５°の角度にて、反応ガスがターゲット３１の表面へ吹き付けられる。
中心軸線Ｚに対して同軸にイオン化チャンバ３５が設けられており、このイオン化チャンバは、マスク３７を介して反応容器９の内部空間と連通している。好ましくは、マスク３７は反応容器９の壁に関しても、イオン化チャンバ３５の壁に関しても絶縁体３９により電気的に絶縁されている。同様に電気的に絶縁されて、イオン化チャンバ３５内に電子放出カソードとしてヒータ電流端子４３を有するホットカソード４１が設けられている。上述の軸線Ｚに対して同軸に、マスク３７の開口部に対向して、反応容器９内にアノード４５が反応容器９の壁に関して絶縁されて取り付けられている。公知のようにして、イオン化チャンバ３５とアノード４５間に、他のプラズマ放電３としての低電圧プラズマ放電が、マスク３７を通してプラズマビームの形状で発生される。
この種の低電圧アーク蒸発区間の構造については、例えばスイス特許公報第６３１７４３号に詳細に記載されている。
アルゴンなどのイオン化すべきガス用の、他のガス導入口１１がイオン化チャンバ３５に設けられている。更に、軸線Ｚに対して同軸に１つ或いは複数のコイル４７が設けられており、このコイルにより反応容器９内にほぼ軸方向の磁場が発生される。コイル４７により結合される磁場を変化させることにより、他の放電３のプラズマビームのビームが調節される。
アノード４５の周囲には、ワーク用の支持装置４９が設けられている。支持装置には支持リング５１が設けられている。この支持リングは中心軸線Ｚを中心としてローラ５３上を回転する。モータ５４により、リング５１の周面に分配されたローラ５３の少なくとも１つが駆動される。リング５１上には軸線Ｚに対して平行に立設された複数の回転スタンド５５が、電気的に絶縁されて、回転可能に支持されている。そのために、駆動ローラ５７が、反応容器９の壁に固定的に取り付けられ軸線Ｚに対して同軸に設けられた円筒部分５９と係合している。それにより回転スタンド５５は自らの軸を中心としてω５５で示すように回転し、同時に、リング５１により中心軸線Ｚを中心としてω５１で示すように回転する。
ツリー状に形成された回転スタンド５５には、複数の張り出した支持体６１が設けられており、それにワーク７が吊り下げられ或いは載置されて保持されている。こうしてワーク７は、回転運動ω５５により、各々のカソードスパッタリング源１の領域と他のプラズマ放電３の領域に交互に旋回され、それと同時に回転運動ω５１により１つのカソードスパッタリング源１から次のカソードスパッタリング源へ移送される。更に、符号６５と６３はカソードスパッタリング源１を駆動する、或いはアノード４５に関する電子放出カソードに電位を印加するための電源である。
更に調節可能な電源６７が設けられている。電源６７により、例えばモータ５４の駆動軸と、ローラ５３と、リング５１と、回転スタンド５５とを介してワーク７の電位が調節される。
図５には、図４に示す装置が再び図示されている。然しながら、図５では図面を見やすくするために図４には図示されていない、他の好ましい手段が図示されている。各カソードスパッタリング源１に対して測定値検出器７０、好ましくはプラズマ放出モニタの検出ヘッドが設けられている。これは概略的に符号７２で示すように、他のプラズマ放電３の放射に対して相当する形状に形成され、かつ配置されたシールドにより遮閉が行われる。各測定値検出器の出力信号は評価された後に、所定の目標値またはガイド値、図５によれば同一の値Ｗと比較され、比較結果が制御偏差Δとして各々カソードスパッタリング源１に対して設けられたアクチュエータ、好ましくは各々反応ガス供給部内に制御弁により形成されたアクチュエータ７４へ供給される。
それにより各カソードスパッタリング源１においてコーティングプロセスが個別に効果的に制御される。従って、特に電気的に不良の或いは絶縁しない層でワークをコーティングする場合に、源からスパッタされた固体の反応生成物として反応ガスを用いて、閉ループ制御なしでは安定化されないであろう作業点、すなわちスパッタされたターゲット表面が上述の不良または導電性でない反応生成物により汚染されて、コーティングプロセスは、完全に中断されない場合には、いわゆる「アーキング（ａｒｃｉｎｇ）」により支配できなくなる、その作業点も調節することが可能になる。
更に好ましくは、各カソードスパッタリング源１とワーク支持体装置４９の移動路との間に制御移動されるシールド７４が、例えば上方と下方のガイド内で走行するように設けられている。駆動装置７６により各シールド７４は、ターゲット表面およびガス導入パイプ３３とワーク支持体４９との間に導入され、かつ、この領域から引き戻され、そのとき、該当するワークがカソードスパッタリングに暴露される。
上述の方法と効果的に使用される装置は、特に、工具などのワークを硬層、特に窒化チタンから成る、或いはまた硬層として知られる層である窒化物層、炭化物層または窒素酸化物層もしくはそれとタンタル、チタン、ハフニウム、ジルコンまたはアルミニウムとの混合物でコーティングするのに適している。その場合に固体としては好ましくはチタンなどの金属相がスパッタされ、その場合にサブ窒化、サブ酸化、或いはサブ炭化化合物をカソードスパッタリングすることは全く可能である。
次に、ドリルをコーティングすることについて、図４および図５を用いて説明したような装置における処理を示す。
１．加熱
真空反応容器９は、２×１０-5mbarまで排気される。ワーク支持体の駆動装置が起動し、ホットカソードが１５０Ａの加熱電流で加熱される。スリーブ１１を介して、アルゴンが３×１０-3mbarの圧力まで導入され、続いて低電圧アーク放電３が点火される。その放電々流は６０Ａに調節される。その後、アルゴンの圧力は２５×１０-3mbarに減圧され、回転するワークが約１２分間プラズマ加熱される。ユニット６７によりワークの電位が例えば接地された反応容器壁に対して調節される。
２．エッチング
反応容器内のアルゴン圧力は３×１０-3mbarに増圧され、コイル４７により放電３のプラズマビームが特に収束される。アーク放電３の放電々流が７０Ａに増加される。電源６７によりワークの電位を約−２００Ｖに低下させることにより、ワーク方向へのイオン加速電圧が増加されて、ワーク表面がエッチングされる。このエッチングプロセスの間マスク７４は好ましくは閉鎖されているので、反応容器９の中央のチャンバ部分内でエッチングプロセスが行われ、同時にカソードスパッタリング源１のターゲット表面は自由にスパッタリングすることができる。
３．コーティング
アルゴン圧力は１８．１０-3mbarに増圧され、プラズマ放電３の放電ビームはコイル４７内のコイル電流の減少によりデフォーカスされる。放電３の放電々流は更に約５０Ａに戻される。カソードスパッタリング源１がオンになっている場合には、シールド７４が引き戻されて、ワークはω５５に示すように回転することにより交互に各々カソードスパッタリング源１と他の放電３の中央プラズマビームに暴露される。
本発明方法と本発明装置によれば、硬質材料層が形成され、この硬質材料層はイオンプレーティングにより形成された層とほぼ同一の要請を満たす。
３．のところで上述した処理に従って、図５に示す装置を用いて高速度鋼ＨＳＳからなる６ｍｍドリルがＴｉＮでコーティングされた。図５に示す装置に設けられている１６のツリーの回転速度ω５５は約０．１Ｈｚであった。
次に示す表に、コーティングプロセスパラメータを変化させて、穴あけテストの結果が「穴数」にまとめられている。穴あけテストとして品質保証のための標準テストが使用された。それにより「穴数」の記載はドリルの相対的な品質基準である。
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表に示す試験についてのコメント
第１番：
９０Ａのアーク電流による低電圧中心放電（ＮＺＥ）によるスパッタリング。基板電流は第８番の４倍。それによりスパッタリング温度がより高い（３１０℃）。ワークの中心プラズマ密度が高いことにより金色に輝くコンパクトな層が得られる。穴あけテストの際の成績は例えば第８倍の場合よりもずっと良好である。
第２番と第３番：
より小さいＮＺＥ−プラズマ流−電流密度によるスパッタリング。ワークにおけるイオンシューティングとそれよる基盤温度は小さい。然しながら、層はなおコンパクトで輝いている。しかも、穴あけテストの際の成績は第１番よりもよい。
第４番：
基板電流を小さくすることによりコーティング温度を低下、穴あけ成績の目だった減少なし。
第５番：
より高いコイル電流（１０Ａ）でアルゴンのイオン化度が増大し、それにより基板におけるＮＺＥプラズマ密度（基板電流）が高くなる。穴あけ成績はややよいが、温度は第６番のバッチに比較して著しく高い。
第６番：
最も低いコーティング温度で良好な穴あけ結果。磁場−アーク電流の最適な組合せ。層はコンパクトでゴールド。
第７番：
実際にはコイル電流なしで試料におけるＮＺＥプラズマ密度は満足のゆくものではなく、それによってより粗い層構造と穴あけ成績の悪化がもたらされた。
第８番：
純粋に反応性スパッタリング（低電圧中心放電なし）。達成可能な最も低い温度（３×８ｋＷによる）、然しながら、穴あけ結果はコーティングされていないドリルと同様である。粗い、茎形状の構造を有するマットでブラウンの層。
第９番：
１２ｋＷのスパッタリング出力により堆積率は著しく増大。然しながら、第６番のバッチのパラメータでは、Ａｒイオンによる充分なイオンシューティングを保証するためには、ワークにおけるプラズマ密度は小さ過ぎる。層は余りコンパクトでなく、穴あけ成績は著しく悪化。
第１０番：
４５ＡのＮＺＥプラズマ流−電流密度で初めて、３×１２ｋＷスパッタリング出力においてワークにおけるＡｒイオンシューティングは、コンパクトな層の堆積を可能にするために充分になった。穴あけ成績は良好であるが、温度は３００℃を越える。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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