DE19521007A1 - Deposition of diamond coatings on hard substrates - Google Patents

Deposition of diamond coatings on hard substrates

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DE19521007A1 DE1995121007 DE19521007A DE19521007A1 DE 19521007 A1 DE19521007 A1 DE 19521007A1 DE 1995121007 DE1995121007 DE 1995121007 DE 19521007 A DE19521007 A DE 19521007A DE 19521007 A1 DE19521007 A1 DE 19521007A1
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Abstract

The coating of hard substrates with a diamond film, comprises: (a) depositing a first intermediate diffusion barrier film; (b) depositing a second intermediate layer contg. a mixt. of the diffusion barrier material and a material with good diamond film adhesion; (c) depositing a third intermediate layer of good diamond film adhesion; and (d) depositing an outer diamond film. The prod. from the above process is also claimed.

Description

Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention 1. Feld der Erfindung1. Field of the invention

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Anwen­ dung von chemischer Bedampfung einer haftenden Diamant-Beschich­ tung auf einem harten Substrat. Die Erfindung bezieht sich fer­ ner auf Verbundgegenstände, die ein hartes Substrat mit einer haftenden Oberflächenbeschichtung aus Diamant enthalten. Im besonderen sieht die Erfindung mit Diamant beschichtete Schneid­ werkzeuge, Bohrerspitzen und ähnliches vor, die aus zementierten Karbiden, Cermet, keramischen Materialien, Stahl und Ahnlichem gefertigt sind und verbesserte Härte und Verschleißfestigkeit aufweisen.This invention relates to a method for users Chemical vapor deposition of an adhesive diamond coating on a hard substrate. The invention relates to fer ner on composite objects that have a hard substrate with a adhesive surface coating made of diamond. in the the invention particularly sees diamond-coated cutting tools, drill bits and the like made from cemented Carbides, cermet, ceramic materials, steel and the like are manufactured and improved hardness and wear resistance exhibit.

2. Beschreibung des Stands der Technik2. Description of the Prior Art

Diamant ist schon immer von großem Interesse für industrielle Anwendungen wegen seiner großen Härte, großen Wärmeleitfähigkeit, Beständigkeit gegenüber chemischem Angriff und Verschleißfestig­ keit gewesen. Jedoch wurden derartige industrielle Anwendungen begrenzt aufgrund außerordentlich hoher Kosten für natürliche und synthetische Diamanten. In den letzten Jahrzehnten wurden Verfahren für die chemische Bedampfung unter niedrigem Druck (im folgenden mit "CVD" bezeichnet) von Diamant auf verschiedene Substrate entwickelt, die die Anwendung solcher Diamant­ beschichteten Gegenstände zum Schneiden, Mahlen, Polieren usw. bei beträchtlich geringeren Kosten ermöglicht haben. Verschie­ dene Techniken wurden für die Niederdruck-CVD entwickelt, von denen die bedeutendsten die durch heißen Heizfaden unterstützte CVD (unter Benutzung eines Wolfram- oder Tantal-Heizfadens) und die Plasma-aktivierte CVD (unter Benutzung von Mikrowellen- und Hochfrequenz-Plasma) sind. Das zuletzt genannte "Plasma-akti­ vierte" Verfahren wird in Verbindung mit der vorliegenden Erfin­ dung beschrieben, und es sei verstanden, daß die Erfindung nicht darauf begrenzt ist.Diamond has always been of great interest to industrialists Applications because of its great hardness, great thermal conductivity, Resistance to chemical attack and wear resistant been. However, such industrial applications have been limited due to extremely high costs for natural and synthetic diamonds. Over the past few decades Process for chemical vapor deposition under low pressure (in hereinafter referred to as "CVD") from diamond to different Developed substrates that use such diamond coated objects for cutting, grinding, polishing etc. enabled at a significantly lower cost. Different techniques were developed for low pressure CVD by the most important of which were supported by hot filament CVD (using a tungsten or tantalum filament) and the plasma activated CVD (using microwave and High-frequency plasma). The latter "plasma acti fourth "method is used in conjunction with the present inven tion described, and it should be understood that the invention is not is limited to this.

Es wurde erkannt, daß haftende Diamantbeschichtungen durch CVD auf Karbid-bildende Metalle, Metallkarbide, Metallnitride und Metallkarbonitride aufgebracht werden können. Dagegen sind Substrate, die aus Metallen bestehen, welche keine Karbide bilden (z. B. Kobalt und Nickel), Metalloxide wie Aluminium und Zirkon, und verschiedene Arten von Stählen nicht geeignet für Diamantbeschichtung mittels CVD, da das vollständige Haften der Beschichtung auf dem Substrat verhindert wird. Insbesondere leidet die Diamantbeschichtung auf zementierten Karbiden unter der schlechten Haftung der Diamantschicht auf dem Substrat wegen der Verwendung von Kobalt als ein Bindemittel in zementierten Karbiden. Um dieses Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen, den Kobaltgehalt der zu beschichtenden, zementierten Karbidober­ fläche zu verringern oder den Kobaltgehalt vollständig von der Oberfläche zu beseitigen, z. B. durch chemische Säureätzung, wie in U.S. Patent Nr. 5 100 703, am 31. März 1992 an Mika et al. erteilt, beschrieben, oder durch physikalische Vorbehandlung der zementierten Karbidoberfläche, z. B. durch Kratzen oder kräftige mechanische Verfahren, wie etwa durch Ultraschallschleifen mit harten Schleifmitteln, oder durch konventionelle Schleiftech­ niken. Diese Verfahren leiden jedoch unter dem Nachteil, daß der Oberflächenbereich des zementierten Karbids, von dem das Kobalt entfernt worden ist, porös und von schlechter mechanischer Festigkeit ist, und obwohl die Diamantbeschichtung auf der Karbidoberfläche angebracht wurde, ist sie nicht fest mit dem Körper des Trägers selbst verbunden, und kann vergleichsweise leicht zusammen mit der Oberflächenschicht des Kobalt-freien Karbids entfernt werden.It has been recognized that adhering diamond coatings are caused by CVD on carbide-forming metals, metal carbides, metal nitrides  and metal carbonitrides can be applied. Are against Substrates made of metals that are not carbides form (e.g. cobalt and nickel), metal oxides such as aluminum and Zircon, and various types of steels are not suitable for Diamond coating using CVD, as the full adhesion of the Coating on the substrate is prevented. Especially the diamond coating on cemented carbides suffers because of the poor adhesion of the diamond layer on the substrate the use of cobalt as a binder in cemented Carbides. In order to solve this problem, it has been suggested that Cobalt content of the cemented carbide tops to be coated to reduce the area or the cobalt content completely from the Eliminate surface, e.g. B. by chemical acid etching, such as in U.S. Patent No. 5,100,703, issued March 31, 1992 to Mika et al. granted, described, or by physical pretreatment of the cemented carbide surface, e.g. B. by scratching or vigorous mechanical processes, such as by ultrasonic grinding with hard abrasives, or by conventional grinding technology niken. However, these methods suffer from the disadvantage that the Surface area of the cemented carbide from which the cobalt has been removed, porous and of poor mechanical Strength is, and although the diamond coating on the Carbide surface, it is not fixed with the Body connected to the wearer himself, and can be comparative easily along with the surface layer of the cobalt-free Carbides are removed.

Eine andere Lösung für die Beschichtung zementierter Karbide mit Diamant ist die Aufbringung einer Diamantbeschichtung auf einer Folie aus einem feuerfestem Material, z. B. Wolfram, welche anschließend mit dem zementierten Karbidträger durch Hartlöten verbunden wird. Eine Alternativlösung ist die Aufbringung einer einlagigen Schicht aus reinem Gruppe-Vb- oder -VIb-Metall auf dem Substrat, und dann Anbringung des CVD-Diamantfilms auf diesem reinen Metall, wie in dem am 19. November 1992 veröffent­ lichten Europäischen Patentantrag 0 514 032 A1 von Porat offen­ gelegt wurde. Diese einlagige Schicht aus reinem Metall erlaubt nicht immer die optimale Verbindung zwischen Metall und Substrat, wie auch zwischen Metall und Diamantfilm. Es ist auch möglich, ein wirksames Zwischenschichtmaterial zu wählen, das sich fest mit Diamant verbindet und die Haftung weiter verbes­ sert. U.S. Patent Nr. 4 707 384 legt die Benutzung einer einla­ gigen Titankarbidzwischenschicht offen. U.S.-Patente Nr. 4 998 421 und 4 992 082 legen die Verwendung einer Vielzahl von Schichten von getrennten Diamant- oder Diamant-ähnlichen Teil­ chen offen, zwischen die Schichten eines geebneten Verbindungs­ materials gelegt sind.Another solution for coating cemented carbides with diamond is the application of a diamond coating a film made of a refractory material, e.g. B. tungsten, which then with the cemented carbide support by brazing is connected. An alternative solution is to apply one single layer of pure Group Vb or VIb metal the substrate, and then attaching the CVD diamond film this pure metal, as published in on November 19, 1992 open European patent application 0 514 032 A1 from Porat was laid. This single layer of pure metal allows not always the optimal connection between metal and Substrate, as well as between metal and diamond film. It is also possible to choose an effective interlayer material that  bonds firmly with diamond and further improves adhesion sert. U.S. Patent No. 4,707,384 discloses the use of an inv common titanium carbide intermediate layer open. U.S. Patent No. 4,998,421 and 4,992,082 disclose the use of a variety of Layers of separate diamond or diamond-like part open between the layers of a leveled connection materials are laid.

Ähnlichen Problemen begegnet man beim Versuch, eine Diamant­ beschichtung auf einem keramischen Material auf der Basis von Oxiden und Additiven aufzubringen. Es gibt keine Affinität zwischen dem keramischen Gegenstand und der Diamantbeschichtung, und keine einheitliche Verbindung wird zwischen den beiden her­ gestellt. Dieses Problem ist besonders störend, wenn Halbleiter mit einer Schicht aus Diamant beschichtet werden, die als Wärme­ ableiter wirkt, um die in derartigen Halbleitern erzeugte große Wärmemenge abzuleiten. Wenn die Diamantbeschichtung nicht perfekt mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist, ist die Wirk­ samkeit der Wärmeableitung beträchtlich gemindert.Similar problems are encountered when trying to get a diamond coating on a ceramic material based on Apply oxides and additives. There is no affinity between the ceramic object and the diamond coating, and no unified connection is established between the two posed. This problem is particularly troublesome when semiconductors be coated with a layer of diamond that acts as heat arrester acts to the large generated in such semiconductors To dissipate heat. If the diamond coating is not The effect is perfectly connected to the semiconductor substrate significantly reduced heat dissipation.

Auch Stähle sind nicht für die Beschichtung mit Diamant geeignet, weil die hohe Affinität zwischen Diamant und Stahl zur Auflösung des Diamants in dem Metall führt.Steels are also not suitable for coating with diamond suitable because of the high affinity between diamond and steel Dissolution of the diamond in the metal leads.

Ziele und Zusammenfassung der ErfindungObjects and summary of the invention

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung verbesserter Haftung zwischen einem zementierten Karbidsubstrat und einer CVD-Diamantbeschichtung vorzusehen.An object of the present invention is to provide a method for Producing improved adhesion between a cemented Carbide substrate and a CVD diamond coating.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum haftenden Verbinden eines CVD-Diamantfilms mit einer Vielzahl unterschiedlicher Substrate vorzusehen, die normalerweise keine gute Haftung des CVD-Diamantfilms erlauben.Another object of the present invention is to provide a Process for adhering a CVD diamond film to to provide a variety of different substrates that do not normally allow the CVD diamond film to adhere well.

Ein wieder anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren für CVD-Diamant-beschichtete Schneidwerkzeuge, Bohrerspitzen und Ähnliches vorzusehen.Yet another object of the present invention is a process for CVD diamond coated cutting tools, To provide drill tips and the like.

Dementsprechend bezieht sich eine Form der vorliegenden Erfindung auf einen Prozeß zum Beschichten eines harten Sub­ strats mit einem Diamantfilm, die Schritte enthaltend: Aufbringung einer ersten Zwischenschicht aus einem Material, das ein Diffusionssperrfilm ist; Aufbringung einer zweiten Zwischen­ schicht, die einen Verbundstoff des Diffusionssperrfilmmaterials und ein Material mit guter Diamantfilmhaftung enthält; Aufbrin­ gung einer dritten Zwischenschicht, die ein Material mit guter Diamanthaftung enthält; und Aufbringung einer äußeren Film­ schicht aus Diamant.Accordingly, one form relates to the present Invention on a process for coating a hard sub strats with a diamond film containing the steps: Application of a first intermediate layer made of a material that is a diffusion barrier film; Applying a second intermediate  layer that is a composite of the diffusion barrier film material and contains a material with good diamond film adhesion; Aufbrin a third intermediate layer, which is a material with good Contains diamond adhesion; and applying an outer film layer of diamond.

Eine andere Form der Erfindung bezieht sich auf einen Prozeß zur Beschichtung eines zementierten Wolframkarbidsubstrats mit einem Diamantfilm, die Schritten enthaltend: Aufbringung einer ersten, TiN enthaltenden Zwischenschicht; Aufbringung einer zweiten Zwischenschicht, die eine Mischung aus TiN und einem Si- Werkstoff enthält, welcher aus der aus SiC und Si₃N₄ bestehenden Gruppe ausgewählt wird; Aufbringung einer dritten Zwischen­ schicht, die einen Si-Werkstoff enthält, welcher aus der aus SiC und Si₃N₄ bestehenden Gruppe ausgewählt wird, und der derselbe Si-Werkstoff wie der im zweiten Schritt genutzte ist; und Aufbringung einer äußeren Schicht aus Diamant.Another form of the invention relates to a process for coating a cemented tungsten carbide substrate with a diamond film, comprising the steps of: applying a first intermediate layer containing TiN; Applying a second intermediate layer, which is a mixture of TiN and a Si Contains material which consists of SiC and Si₃N₄ Group is selected; Applying a third intermediate layer, which contains a Si material, which consists of the SiC and Si₃N₄ existing group is selected, and the same Si material is like the one used in the second step; and Application of an outer layer of diamond.

Eine noch andere Form der Erfindung bezieht sich auf die entsprechend den offengelegten Prozessen hergestellten Produkte.Yet another form of the invention relates to the Products manufactured according to the disclosed processes.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, wie auch andere Ausführungsformen, Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, die in Verbindung mit den begleitenden Beispielen zu lesen ist.Preferred embodiments of the invention, as well as others Embodiments, objects, features and advantages of this invention will be apparent from the following detailed description, which should be read in conjunction with the accompanying examples.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der ErfindungDescription of the preferred embodiments of the invention

Die vorliegende Erfindung kann besser aus der Spezifikation in Verbindung mit den begleitenden Beispielen verstanden werden.The present invention can be better understood from the specification can be understood in conjunction with the accompanying examples.

Es ist in der Mikroelektronikindustrie bekannt, daß ein Film aus TiN eine wirksame Diffusionssperre gegen viele Metalle, ein­ schließlich Kobalt, ist. Diese Eigenschaft von TiN wird vorteil­ hafterweise auch in der Hartmetallindustrie genutzt, um die Dif­ fusion von Kobalt zur Oberfläche durch Beschichtungen wie etwa TiC und Al₂O₃ zu verhindern. So ist ein geradliniges Verfahren zur "Versiegelung" des Kobalts in dem zementierten Karbid­ substrat durch einen Diffusionssperrfilm aus TiN verfügbar. Da TiN eine gut akzeptierte Beschichtung für Schneidwerkzeuge mit ausgezeichneten Hochtemperatur- und Verschleißfestigkeits­ eigenschaften ist, ist der Prozeß der Aufbringung einer CVD-TiN- Beschichtung bei den mit der Schneidwerkzeugtechnologie Vertrauten wohl bekannt. Da jedoch TiN einen im Vergleich zu Diamant (1,1 × 10-6/°C) sehr hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat (9 × 10-6/°C), ist die Haftung von Diamant auf TiN nicht sehr gut. Wegen des Mangels an chemischer Affinität zwischen Diamant und TiN ist auch eine Kristallbindung von Diamant an TiN schwierig. Andererseits ist wohlbekannt, daß Diamant leicht eine Kristallbindung an Silizium, SiC und Si₃N₄ eingeht. Mit einer besseren Übereinstimmung der Gitterparameter und der Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten erlaubt die Kristallbindung und das Anwachsen von Diamant auf diesen letztgenannten Materialien die Bildung eines haftenden Films.It is known in the microelectronics industry that a film of TiN is an effective diffusion barrier against many metals, including cobalt. This property of TiN is advantageously used in the hard metal industry to prevent the diffusion of cobalt to the surface through coatings such as TiC and Al₂O₃. For example, a straightforward process for "sealing" the cobalt in the cemented carbide substrate by means of a diffusion barrier film made of TiN is available. Since TiN is a well accepted coating for cutting tools with excellent high temperature and wear resistance properties, the process of applying a CVD-TiN coating is well known to those familiar with cutting tool technology. However, since TiN has a very high coefficient of thermal expansion (9 × 10 -6 / ° C) compared to diamond (1.1 × 10 -6 / ° C), the adhesion of diamond to TiN is not very good. Because of the lack of chemical affinity between diamond and TiN, crystal bonding of diamond to TiN is also difficult. On the other hand, it is well known that diamond easily forms a crystal bond to silicon, SiC and Si₃N₄. With a better match of the lattice parameters and the coefficient of thermal expansion, crystal bonding and the growth of diamond on these latter materials allow the formation of an adhesive film.

Überraschenderweise wurde nun in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erkannt, daß dünne, haftende Beschich­ tungen von Diamant durch CVD auf verschiedene harte Metall- und Keramiksubstrate aufgebracht werden können, vorausgesetzt, daß jene Substrate zuerst mit dünnen Zwischenschichten durch OvD beschichtet werden, die aus einer ersten Zwischenschicht aus einem TiN, einer zweiten Zwischenschicht aus einem Verbund von TiN und SiC oder Si₃N₄ und einer dritten Zwischenschicht aus SiC oder Si₃N₄ bestehen.Surprisingly, now in accordance with the The present invention recognized that thin, adhesive coating diamond through CVD on various hard metals and Ceramic substrates can be applied, provided that those substrates first with thin intermediate layers by OvD are coated, which consist of a first intermediate layer a TiN, a second intermediate layer made of a composite of TiN and SiC or Si₃N₄ and a third intermediate layer made of SiC or Si₃N₄ exist.

Die vorliegende Erfindung sieht so einen verschleißfesten, verbundbeschichteten Gegenstand vor, enthaltend ein hartes Substrat aus zementierten Karbiden, TiN-basiertem, gesinterten Cermet, keramischem Materialien und Stahl, eine erste Beschich­ tung aus TiN, eine zweite Beschichtung aus einem Verbund von TiN und SiO oder Si₃N4, und eine dritte Beschichtung aus SiC oder Si₃N4, und eine äußere Schicht aus Diamant, wobei alle Schichten durch chemische Bedampfung aufgebracht werden. Ferner können die Schicht aus TiN und die Schicht aus SiC oder Si₃N₄ in unter­ schiedlichen Schritten oder in einem einzigen Prozeß aufgebracht werden. Deshalb sieht die vorliegende Erfindung die Konstruktion einer Vielschicht-Architektur vor, in der ein logischer und wirksamer Übergang vom Substrat, besonders von einem zementier­ ten Wolframkarbidsubstrat nach Diamant in einer Reihe von Schritten gemacht wird, die die Aufbringung von abgestuften Zwischenschichten auf der Oberfläche des Substrats einschließt.The present invention thus provides a wear-resistant, composite-coated article comprising a hard substrate made of cemented carbides, TiN-based, sintered cermet, ceramic materials and steel, a first coating made of TiN, a second coating made of a composite of TiN and SiO or Si₃N 4, and a third coating of SiC or Si₃N 4, and an outer layer of diamond, all layers being applied by chemical vapor deposition. Furthermore, the layer of TiN and the layer of SiC or Si₃N₄ can be applied in under different steps or in a single process. Therefore, the present invention provides for the construction of a multi-layer architecture in which a logical and effective transition from the substrate, particularly a cemented tungsten carbide to diamond substrate, is made in a series of steps involving the application of graded interlayers on the surface of the substrate includes.

Die Substrate, die in der oben beschriebenen Weise mit Diamant beschichtet werden können, schließen ein z. B. zemen­ tierte, auf Wolframkarbid basierende Karbide mit Kobalt als Bindemittel und optionaler Zugabe aus kubischen Karbiden, auf Titankarbonitrid basierende Germet-Materialien mit Kobalt, Nickel, Molybdän oder Kombinationen daraus als Bindemittel und mit Zugabe von kubischen Karbiden, auf Oxiden wie etwa Alumi­ niumoxid basierende keramische Materialien, möglicherweise mit ausgewählter Zugabe von Karbiden, Nitriden, Oxiden und Karbo­ nitriden von Wolfram, Molybdän, Titan, Vanadium, Zirkonium, Hafnium, Tantal, Niobium, Chrom und Stählen, besonders Hoch­ geschwindigkeits- und Legierungsstähle.The substrates used in the manner described above Diamond can be coated including z. B. zemen  tated carbide-based carbides with cobalt as Binder and optional addition of cubic carbides Titanium carbonitride based Germet materials with cobalt, Nickel, molybdenum or combinations thereof as binders and with the addition of cubic carbides, on oxides such as Alumi ceramic materials based on oxide, possibly with selected addition of carbides, nitrides, oxides and carbo nitrides of tungsten, molybdenum, titanium, vanadium, zirconium, Hafnium, tantalum, niobium, chrome and steels, especially high speed and alloy steels.

Die Materialien, die nach der vorliegenden Erfindung zur Aufbringung der Zwischenschichten zwischen dem Substrat und dem Diamant geeignet sind, schließen Nitride von Übergangsmetallen, wie etwa TiN, ZiN, HfN und ähnliche für die erste Zwischen­ schicht; SiC, Si₃N, Si, Si-Al-O-N-Verbunde und ähnliche für die dritte Zwischenschicht ein. Die erste Zwischenschicht sieht einen Diffusionssperrfilm vor, um das Kobalt oder andere, für die Diamantbeschichtung schädliche Metalle zu isolieren. Die dritte Zwischenschicht sieht einen kräftigen Verbundplatz für den Diamantfilm vor, und die zweite Zwischenschicht sieht einen kräftigen Verbund zwischen der ersten und der dritten Zwischen­ schicht vor. Das gegenwärtig bevorzugte Material für die erste Zwischenschicht ist TiN und das gegenwärtig bevorzugte Material für die dritte Zwischenschicht ist SiC oder Si₃N₄, wobei die zweite Zwischenschicht aus einen Übergangsverbundstoff von TiN und SiC oder Si₃N₄ ist.The materials used in the present invention Application of the intermediate layers between the substrate and the Diamond are suitable, include nitrides of transition metals, such as TiN, ZiN, HfN and the like for the first intermediate layer; SiC, Si₃N, Si, Si-Al-O-N composites and the like for the third intermediate layer. The first intermediate layer sees a diffusion barrier film to the cobalt or other, for the diamond coating to isolate harmful metals. The third intermediate layer sees a strong bond for the diamond film and the second intermediate layer sees one strong bond between the first and the third intermediate layer before. The currently preferred material for the first Interlayer is TiN and the currently preferred material for the third intermediate layer is SiC or Si₃N₄, the second intermediate layer made of a transition composite of TiN and SiC or Si₃N₄ is.

Die Zwischenschichten werden durch CVD nach den in der Tech­ nik wohlbekannten Prozeduren aufgebracht. Geeignete Prozeduren sind z. B. die in dem am 5. Januar 1971 an Darnell et al. erteil­ ten U.S. Patent Nr. 3 552 939, in dem am 8. Februar 1972 an Glaski et al. erteilten U.S. Patent Nr. 3 640 689 und in dem am 1. März 1988 an Konig erteilten U.S. Patent Nr. 4 728 579 offen­ gelegten, wie auch nach K.A.Gesheva und G.S.Beshkoe in Journal de Physique, Vol. 50 (viele, 1989). Wie im Folgende gezeigt, können die Zwischenschichten der vorliegenden Erfindung unter Benutzung dieser bekannten CVD-Techniken aufgebracht werden.The intermediate layers are covered by CVD according to the tech nik well-known procedures applied. Appropriate procedures are z. B. in the on January 5, 1971 to Darnell et al. issue ten U.S. Patent No. 3,552,939, which issued on February 8, 1972 Glaski et al. issued to U.S. Patent No. 3,640,689 and in which am U.S. March 1, 1988 to Konig U.S. Patent No. 4,728,579 as well as according to K.A. Gesheva and G.S.Beshkoe in Journal de Physique, Vol. 50 (many, 1989). As shown below The intermediate layers of the present invention can be found under Use of these known CVD techniques can be applied.

Oben auf den Zwischenschichten wird nach der vorliegenden Erfindung eine dünne Diamantbeschichtung durch CVD aufgebracht, entweder durch mit heißem Heizfaden unterstütztes CVD oder durch Plasma unterstütztes CVD. Diese Techniken sind bereits wohl­ bekannt, und ein Verweis kann gemacht werden auf R. Haubner und B. Lux in Journal de Physique, Vol. 50 (May, 1989) und dort gemachte Literaturverweise; X.X. Pan, R. Haubner und B. Lux in First Euro. Conf. Diamond and Diamond-like Carbon Coating, September 17-19, 1990; "Low-pressure synthesis of super hard coatings", B. Lux und R. Haubner, Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 8, No. 3, September 1989; Kunio Shibuki et al., Surface and Coatings Technology, 36 (1988), S. 295-302; und U.S. Patent 4 816 286, erteilt am 28. März 1989 an Hirose.On top of the intermediate layers, according to the present Invention applied a thin diamond coating by CVD, either by CVD assisted with hot filament or by  Plasma supported CVD. These techniques are already well known, and a reference can be made to R. Haubner and B. Lux in Journal de Physique, Vol. 50 (May, 1989) and there references made to literature; X.X. Pan, R. Haubner and B. Lux in First euro. Conf. Diamond and Diamond-like Carbon Coating, September 17-19, 1990; "Low-pressure synthesis of super hard coatings ", B. Lux and R. Haubner, Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 8, No. September 3, 1989; Kunio Shibuki et al., Surface and Coatings Technology, 36 (1988), pp. 295-302; and U.S. Patent 4,816,286, issued March 28, 1989 to Hirose.

Die Schritte der Aufbringung der Anfangsschicht aus TiN, der Übergangsschicht aus Si₃N₄ + TiN oder SiC + TiN Verbundstoffen und der Endschicht aus Si₃N₄ oder SiC kann in einem einzigen Reaktor mit Betriebsfähigkeit bei höheren Temperaturen durch­ geführt werden, oder kann wahlweise in zwei verschiedenen Reaktoren ausgeführt werden. Die unten angeführten Beispiele veranschaulichen typische Prozeßparameter, die für die Beschich­ tung bei einem atmosphärischem Druck benutzt werden können. Beschichtung bei niedrigeren Drücken kann auch unter Benutzung von geeigneten Prozeßparametern ausgeführt werden, die von den in den folgenden Beispielen gegebenen abweichen können oder nicht, und die ohne ungebührliches Probieren leicht bestimmt werden können. Es wird ferner verstanden, daß jede der bekannten CVD-Verfahren innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, einschließlich der in der Mikroelektronik­ industrie wohlbekannten. Die tatsächlichen Flüsse und andere Aufbringungsbedingungen können von Reaktor zu Reaktor variieren, abhängig von Entwurf, Prozeßfähigkeiten und Vorlieben. Da die tatsächlichen hydrodynamischen Bedingungen in einem CVD-Reaktor stark abhängig vom Reaktorentwurf sind, werden diese Bedingungen und Parameter von den in der Technik Geübten wohl verstanden, wie auch die Reaktoren, die jeder Routinier benutzt, und deshalb wird hier keine weitere Diskussion benötigt.The steps of applying the initial layer of TiN, the Transition layer made of Si₃N₄ + TiN or SiC + TiN composites and the final layer of Si₃N₄ or SiC can be in a single Reactor capable of operating at higher temperatures out, or can be optionally in two different Reactors are running. The examples below illustrate typical process parameters for coating can be used at an atmospheric pressure. Coating at lower pressures can also be used of suitable process parameters that are executed by the given in the following examples may differ or not, and easily determined without undue trying can be. It is further understood that each of the known ones CVD method within the scope of the present invention can be used, including those used in microelectronics industry well-known. The actual rivers and others Application conditions can vary from reactor to reactor, depending on design, process skills and preferences. Since the actual hydrodynamic conditions in a CVD reactor these conditions are highly dependent on the reactor design and parameters well understood by those practiced in technology, like the reactors that every veteran uses, and therefore no further discussion is needed here.

Die folgenden Beispiele sind Veranschaulichungen der vorlie­ genden Erfindung, aber sollten nicht dahingegen verstanden werden, daß sie die Erfindung in irgendeiner Weise begrenzen.The following examples are illustrations of the present Invention, but should not be understood against it that they limit the invention in any way.

BeispieleExamples Beispiel 1example 1

Ein zementiertes Wolframkarbidwerkzeugsubstrat, das ein Kobalt-Bindemittel und optional kubische Gammakarbide und/oder eine Kobalt-angereicherte Oberflächenschicht von einigen Mikron Dicke enthält, wird in einen konventionellen Reaktor plaziert, der mit Niederdruck- und mit Atmosphärendruck-Beschichtungs­ fähigkeiten ausgerüstet ist, und der in der Lage ist, bei Temperaturen oberhalb von 1200°C bis hinauf zu 1500°C zu beschichten. Eine haftende TiN-Beschichtung von etwa 2 µm Dicke wird unter Benutzung der folgenden Prozeßparameter aufgebracht; Druck = 1 Atmosphäre, Temperatur = 1000°C ± 10°C, TiCl₄-Fluß = 2 slm, N₂-Fluß = 15 slm, H₂-Fluß = 50 slm, Ar-Fluß = 33 slm, Gesamtfluß = 100 slm, Dauer 30 Minuten.A cemented tungsten carbide tool substrate, the one Cobalt binders and optional cubic gamma carbides and / or a cobalt-enriched surface layer of a few microns Containing thickness is placed in a conventional reactor, the one with low pressure and atmospheric pressure coating is equipped and capable of Temperatures above 1200 ° C up to 1500 ° C too coat. An adhesive TiN coating about 2 µm thick is applied using the following process parameters; Pressure = 1 atmosphere, temperature = 1000 ° C ± 10 ° C, TiCl₄ flow = 2 slm, N₂ flow = 15 slm, H₂ flow = 50 slm, Ar flow = 33 slm, Total flow = 100 slm, duration 30 minutes.

Ein goldfarbiger TiN-Film wird mit einer Orientierung von (220)/(111) = 3, und einer linsenförmigen Kristallmorphologie erhalten.A gold colored TiN film is made with an orientation of (220) / (111) = 3, and a lenticular crystal morphology receive.

Beispiel 2Example 2

Der Prozeß von Beispiel 1 wird wiederholt, außer daß am Ende der TiN-Aufbringungszeit die Temperatur auf 1225°C ± 10°C erhöht wird. Während der Dauer des Temperaturanstiegs wird ein Fluß von SiCl₄ begonnen und allmählich erhöht bis zum Endwert von 2 slm. Während dieser Zeit wird der Fluß von Stickstoff allmählich ver­ ringert, und Ammoniakgas wird eingeführt und sein Fluß allmäh­ lich bis zu einem Wert von 500 sccm gesteigert. Der Übergang zu der höheren Temperatur und die Einführung des neuen Gasflusses und Zusammensetzung benötigt etwa 15 Minuten. An diesem Punkt wird der Fluß von TiCl₄ allmählich bis auf Null verringert und die Aufbringung einer haftenden Siliziumnitridbeschichtung wird fortgesetzt, bis eine Dicke von etwa 2 Mikron von α-Si₃N₄ erreicht ist. Die Übergangsdauer, während der eine gemischte Si₃N₄ + TiN-Beschichtung aufgebracht wird, kann eingestellt werden, um jede gewünschte Dicke dieser Übergangsschicht zu erhalten. Typische Dicken sind etwa 2-3 µm. Der Prozeß wird bei Atmosphärendruck durchgeführt, oder er kann auch optional bei niedrigeren Drücken durchgeführt werden durch geeignete Ein­ stellung der Prozeßparameter.The process of Example 1 is repeated, except that at the end the TiN application time increases the temperature to 1225 ° C ± 10 ° C becomes. During the duration of the temperature rise, a flow of SiCl₄ started and gradually increased to the final value of 2 slm. During this time the flow of nitrogen is gradually reduced clears and ammonia gas is introduced and its flow gradually increased up to a value of 500 sccm. The transition to the higher temperature and the introduction of the new gas flow and composition takes about 15 minutes. At this point the flow of TiCl₄ is gradually reduced to zero and the application of an adhesive silicon nitride coating continued until a thickness of about 2 microns of α-Si₃N₄ is reached. The transition period during which a mixed Si₃N₄ + TiN coating is applied, can be adjusted to any desired thickness of this transition layer receive. Typical thicknesses are around 2-3 µm. The process is at Atmospheric pressure carried out, or it can also optionally at  lower pressures can be carried out by suitable on position of the process parameters.

Beispiel 3Example 3

Das so durch Beispiel 2 hergestellte Muster eines zementier­ ten Wolframkarbids wird in einen Mikrowellen-Plasma-CVD-Reaktor zur Diamantbeschichtung eingeführt. Typische Beschichtungs­ parameter sind: Druck = 25 Torr, Mikrowellenleistung = 1000 W, CH₄-Fluß = 6 sccm, H₂-Fluß = 194 sccm, Substrat-Temperatur = 925°C ± 25°C, Beschichtungszeit = 6 Stunden. Eine glatte, gleichförmige und haftende Beschichtung mit Diamant wird auf der Oberfläche erreicht. Die Beschichtungsdicke ist etwa 6-8 µm. Die Beschichtung hat eine einzigartige, quadratisch-facettierte Morphologie, typisch für eine (100) Orientierung.The cemented sample thus prepared by Example 2 Tungsten carbide is placed in a microwave plasma CVD reactor introduced for diamond coating. Typical coating parameters are: pressure = 25 Torr, microwave power = 1000 W, CH₄ flow = 6 sccm, H₂ flow = 194 sccm, substrate temperature = 925 ° C ± 25 ° C, coating time = 6 hours. A smooth, uniform and adhesive coating with diamond is on the Surface reached. The coating thickness is about 6-8 µm. The Coating has a unique, square-faceted Morphology, typical of one (100) orientation.

Obgleich die veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier beschrieben worden sind, ist zu verstehen, daß die Erfindung nicht auf genau diese Ausführungs­ formen begrenzt ist, und daß verschiedene andere Veränderungen und Modifikationen dabei von den in der Technik Geübten bewirkt werden können, ohne daß vom Rahmen oder Geist der Erfindung abgewichen wird.Although the illustrative embodiments of FIGS present invention have been described here is to understand that the invention is not based on this embodiment shape is limited, and that various other changes and modifications thereby brought about by those skilled in the art can be made without departing from the scope or spirit of the invention is deviated.

Claims (7)

1. Prozeß zur Beschichtung eines harten Substrats mit einem Diamant-Film, bestehend aus den Schritten:
  • a) Aufbringung einer ersten Zwischenschicht eines Verbund­ materials, das ein Diffusionssperrfilm ist;
  • b) Aufbringung einer zweiten Zwischenschicht, die ein Gemisch aus dem Material des Diffusionssperrfilms und einem Material mit guter Diamantfilmhaftung enthält;
  • c) Aufbringung einer dritten Zwischenschicht, die ein Material mit guter Diamantfilmhaftung enthält; und
  • d) Aufbringung einer äußeren Filmschicht aus Diamant.
1. Process for coating a hard substrate with a diamond film, consisting of the steps:
  • a) application of a first intermediate layer of a composite material which is a diffusion barrier film;
  • b) application of a second intermediate layer containing a mixture of the material of the diffusion barrier film and a material with good diamond film adhesion;
  • c) application of a third intermediate layer containing a material with good diamond film adhesion; and
  • d) application of an outer film layer of diamond.
2. Prozeß nach Anspruch 1, wobei der Diffusionssperrfilm aus TiN ist und das Material mit Diamantfilmhaftung aus SiC ist.2. The process of claim 1, wherein the diffusion barrier film is made of Is TiN and the material with diamond film adhesion is made of SiC. 3. Prozeß nach Anspruch 1, wobei der Diffusionssperrfilm aus TiN ist und das Material mit Diamantfilmhaftung aus Si₃N₄ ist.3. The process of claim 1, wherein the diffusion barrier film is made of Is TiN and the material with diamond film adhesion is Si₃N₄. 4. Prozeß nach Anspruch 1, wobei das harte Substrat aus­ gewählt wird aus der aus zementierten Karbiden, Cermeten, Keramiken und Stählen gebildeten Gruppe.4. The process of claim 1, wherein the hard substrate is made of is selected from that of cemented carbides, cermets, Ceramics and steels formed group. 5. Prozeß zur Beschichtung eines zementierten Wolframkarbid­ substrats mit einem Diamant-Film, bestehend aus den Schritten:
  • a) Aufbringung einer ersten Zwischenschicht, die TiN enthält;
  • b) Aufbringung einer zweiten Zwischenschicht, die ein Gemisch aus TiN und einem Si-Material enthält, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus SiC und Si₃N₄ besteht;
  • c) Aufbringung einer dritten Zwischenschicht, die ein Si- Material enthält, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus SiC und Si₃N₄ besteht, und welches dasselbe Si-Material ist, das in Schritt b) benutzt wurde; und
  • d) Aufbringung einer äußeren Schicht aus Diamant.
5. Process for coating a cemented tungsten carbide substrate with a diamond film, consisting of the steps:
  • a) application of a first intermediate layer containing TiN;
  • b) application of a second intermediate layer containing a mixture of TiN and an Si material, which is selected from the group consisting of SiC and Si₃N₄;
  • c) applying a third intermediate layer containing an Si material selected from the group consisting of SiC and Si₃N₄, which is the same Si material used in step b); and
  • d) application of an outer layer of diamond.
6. Das Produkt, das entsprechend dem Prozeß nach Anspruch 1 hergestellt wird. 6. The product according to the process of claim 1 will be produced.   7. Das Produkt, das entsprechend dem Prozeß nach Anspruch 5 hergestellt wird.7. The product according to the process of claim 5 will be produced.
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