CN102027564A - 对物体进行预处理和涂覆的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过磁控雾化来对物体进行预处理和涂层的装置和方法。在具有金属室壁(26)的真空室中设置有带有溅射靶的磁控管，其中至少之一是HPPMS磁控管，通过电容元件(6)经由开关元件(5)与HPPMS磁控管的溅射靶相连来将电脉冲输送给该磁控管。为了实现对衬底的有效预处理和涂覆，根据第一方面设计了，开关元件设置在室壁上。

Description

对物体进行预处理和涂覆的装置和方法

本发明涉及一种用于借助磁控雾化来对物体进行预处理和涂覆的装置和方法。

已知的是，对物体或者物体的一部分设置表面涂层以改进机械特性。特别地，在此等离子体支持的PVD方法，例如弧蒸发和磁控溅射(Magnetronsputtern)证明是合适的，其中涂层材料借助等离子体作用被从所谓的靶上剥离并且随后沉积到衬底上。

磁控管除了靶之外还包括冷却装置，必要时包括电屏蔽装置以及尤其是包括用于产生磁场的装置，这些磁场提高了靶前的等离子体密度。在磁控管的工作中，靶被相对于磁控管的屏蔽装置和/或相对于室壁、或者相对于独立的电极(其用作阳极)作为阴极被连接。

相对于弧蒸发，磁控溅射具有优点，因为避免了液相。由此，在层合金上的几乎不受限的间距是可能的，并且这些层没有生长缺陷，所谓的小滴(Droplet)。

然而，涂层微粒的离子化程度在传统的磁控溅射情况下最大为百分之几。离子化在靶前最大，并且几乎不延伸到涂层室中。这可以通过在磁控管之后的非对称的磁场(所谓的不平衡磁控管(UBM))来略为改进，然而在大的涂层体积的情况下，如其在商业设备中常见的那样，是不够的。此外，离子化主要由工作气体的离子构成，并且仅仅非常小的部分由靶的离子化材料构成。

金属离子尤其具有的优点是，这些金属离子可以选择为使得它们属于涂层材料的组成部分并且并不污染该层。此外，这些金属离子具有比通常的工艺气体更低的离子化能量。

该方法的一个避免了该缺点的变形方案是所谓的“大功率脉冲磁控雾化”(英语：“High Power Puls Magnetron Sputtering”或者缩写为HPPMS)。在此，通过电等离子体生成装置的短的但是极为有能量的脉冲实现了在磁控管之前的涂层微粒的高的离子化密度，其接近达到100％。在能量足够高的脉冲的情况下，电流快速增大，使得快速经历辉光放电和大电流弧光放电(Arc)的等离子体状态，使得在磁控管之前可以形成具有非常高的载流子密度的稳定的等离子体。在一个脉冲期间最大输送的功率在此可以达到兆瓦的范围，并且每平方厘米的靶表面输送给靶的功率在千瓦范围，使得必须将脉冲时间选择得相应地短，以避免磁控管的损坏。

HPPMS提供了多种优点。通过电场和磁场可以确定能量以及离子化的涂层微粒(通常为离子)的方向或者轨迹。通过在磁控溅射时通常施加到衬底上的负电势(偏置)，现在也可以良好地到达空腔或者衬底的不在视线中的面。此外，偏置也确定了离子的能量，多种层特性取决于该能量。在磁控管的侧上通过高的离子轰击而实现涂层材料或者靶的明显更好的利用。此外，防止了通过与反应气体的反应导致的所谓的靶中毒(Targetvergiftung)。在金属靶在反应气体中的传统的磁控溅射情况下，在磁控管上形成绝缘的反应层，它们妨碍金属的有效雾化并且会导致绝缘的层和充电以及电弧。如果这通过降低反应气体压力来防止，则这些层具有过高的金属成分和降低的硬度。而正是硬材料层通常由具有金属和非金属的固定的化学计量学上的比例的化合物组成。必须分别从层速率(Schichtrate)和反应气流中选择折衷，在工艺期间必须严格地遵守该折衷。在具有高比例的靶离子、尤其是高比例的金属离子的HPPMS情况下，金属离子的一部分被朝着靶向回加速，并且阻止靶中毒。于是，确切的工作点较不关键，并且在反应工艺中可以借助类似于传统溅射的层速率来涂覆。

在纯金属层的情况下(其中不产生靶中毒的问题)，在HPPMS情况中的层速率会落在传统的磁控溅射的层速率之后。

高的离子化不仅涉及已有的溅射气体和反应气体，而且还涉及由HPPMS靶释放的、靶的离子，优选为金属靶的离子。HPPMS工艺也可以在非常低的压力情况下进行，使得HPPMS电极可以几乎仅仅用作金属离子的源。金属离子可以用于涂覆，然而也可以用于预处理衬底，也称为刻蚀。预处理尤其是通过将污物溅射掉或者通过将金属离子注入衬底中来进行。为此，将较高的偏置电压施加到衬底上。

HPPMS的原理由库兹涅佐夫尤其是在PCT申请WO98/040532中给出。特定电源的阐述在US6296742中。EP1609882给出了不同的可能性来将离子根据脉冲朝向衬底引导。D.J.Christie在J.Vac.Sci.Tech.A，23(2)(2005)330的“Target material pathways model for high power pulsed magnetron sputtering”中阐述了导致在HPPMS中的速率损失的效应。

本发明的任务是，说明一种方法和一种装置，借助其能够有效地对衬底进行预处理和涂覆。

该任务通过根据权利要求1的装置、根据权利要求7的可替选的装置和根据权利要求17的方法来解决。从属权利要求涉及本发明的有利的扩展方案。在此，对已知方法的所提出的改进被划分为上面提及的各方面，然而也可以在这些方面之间以任意方式组合。

借助根据本发明的装置和根据本发明的方法，原理上可以对任意物体进行预处理并且施加任意的层。优选的是在器件和工具(尤其是用于切削加工的工具)上的持久的和/或坚硬的保护层。如下面尤其是结合优选的实施例进一步阐述的那样，特别优选的是，将带有或者不带中间层、过渡层和附着层的硬材料层施加到衬底上。硬材料层在此理解为例如Ti-Al-N、Al₂O₃或者类似硬度的层。

根据本发明提出的根据权利要求1和权利要求7的装置分别设计用于通过磁控雾化来对物体预处理和涂覆。它们包括具有金属室壁的真空室。在真空室中设置有带有溅射靶(优选为金属靶)的磁控管。

磁控管的至少之一构建为HPPMS磁控管，即其可以根据大功率脉冲的磁控雾化来工作。为此，其与HPPMS电源相连。

可选的，此外也可以在真空室中设置传统的磁控管。传统的磁控管理解为并非HPPMS磁控管的类型。在现有技术中，在此已知了不同的类型。于是例如可以是DC驱动的、高频驱动的、在中频范围中工作的、单极或者双极脉冲驱动的磁控管。在双极脉冲驱动的磁控管情况下，脉冲频率优选在1-500kHz左右，进一步优选在2-200kHz左右，特别优选在4-100kHz左右。

当磁控管可以以HPPMS模式工作时，即连接到合适的HPPMS电源上时，在此称HPPMS磁控管。在此，理解为HPPMS的是，实现了库兹涅佐夫在WO98/040532中所描述的离子化状态，这可以根据电压和电流密度来识别。

此外，对于HPPMS工作而言，在脉冲持续时间和脉冲间歇之间的比例典型地在0.1以下，即脉冲间歇大于脉冲持续时间的10倍。典型的脉冲时间例如为100μs。

作为针对HPPMS工作的附加的、可选的标准可以适用的是，功率密度比较均匀地分布在靶上。

在文献中，在HPPMS的情况下，通常提到在靶上的、在脉冲中超过1000W/cm²的功率密度(计算为靶的电功率除以靶面积)。然而在实验中表明的是，这种功率密度通常并不可以实现，尤其是当施加绝缘层例如氧化铝时，然而HPPMS工作的特别的优点在低的功率密度情况下已经出现。于是，在功率密度从仅仅600W/cm²开始的情况下已经表现出该优点，而从仅仅300W/cm²开始也已经表现。

所有磁控管优选借助靶后的三个磁极来驱动。中间极优选具有比外部极更强的场。这些磁控管也称为不平衡的磁控管(UBM)。

在根据本发明设计的HPPMS磁控管的情况下，磁控管本身的实施可以是传统的类型。然而并不排除的是，借助HPPMS驱动的磁控管通过结构上的措施来特别地与该工作类型匹配。

在根据权利要求1的装置中，将电脉冲输送给HPPMS磁控管，其方式是将电容元件通过开关元件与HPPMS磁控管的溅射靶电连接。根据本发明，在此将开关元件设置在室壁上。

根据在权利要求1中所要求保护的发明方案，要实现的是，将用于HPPMS脉冲的开关元件尽可能接近关联的HPPMS电极地安装。用于对HPPMS电容器充电的电流是适度的，而在电容元件放电时出现极高的和短的功率脉冲，其具有相应的强烈的和宽带的干扰。根据本发明，开关元件直接固定在室壁的外侧上，优选接近用于连接到磁控管的真空穿通部。

由于在HPPMS中极高的脉冲能量，出现高的电干扰和电磁干扰，它们会敏感地干扰在现代工业设备中的复杂的调节回路。在多阴极系统中以及在电极之间的大的距离的情况下，如在下面描述的工作方式中，这些问题变得更为尖锐。在施加绝缘层的情况下，这些问题进一步尖锐化，因为在这些情况中通常将多个电极以脉冲工作方式驱动。充电和形成弧光放电一方面导致增强的电磁干扰，另一方面需要提高对调节回路的开销。在此，尤其是要称作用于快速地识别和关断电弧的电子电路。

通过根据权利要求1的根据本发明的开关元件的布置，显著降低了所切换的电流的线路长度，尤其是在室外的线路长度。证明的是，借助根据本发明的装置出现明显更小的电磁干扰。

根据权利要求1设计的HPPMS电源的主要元件是：电容元件，其在脉冲间歇中被优选连续地再充电；以及开关元件，其为了产生脉冲而将被充电的电容元件排空。脉冲时间的持续时间和序列可以通过控制装置来确定。开关元件虽然原则上可以是机械开关，然而优选由IGBT(绝缘栅双极性晶体管)功率半导体构建。

电容元件必须提供高的电压和电流。根据本发明的一个改进方案，将高耐压强度(优选超过1000V，特别优选为2000V的耐压强度，或者更高)的各电容器以紧密的封装密度在电学上并联地连接为电容器组。优选的是，电容器组在串联电路中包括多于5个、特别优选多于10个电容器。电容器组的总电容优选为20-100μF，进一步优选为大于30μF，特别优选为大于40μF。

开关元件和/或电容器组也可以与真空穿通部一同形成一个单元。该单元例如可以设置在共同的壳体中。

此外，也可以将冷却装置用于开关元件，该冷却装置已经设置在穿通部上或者室壁上。相同的措施对于双磁控管工作的开关元件也是有利的。

在一个优选的带有电极对的实施形式中(其电极以比较大的距离设置)，通过相应长的馈电线提高了电磁干扰的危险。在一个优选的实施形式中，线路因此在金属涂层室内引导并且由此减少了在外室中的电磁干扰。在另一优选的实施形式中，相对电极或者阳极的馈电线以与至电极本身的馈电装置相同的真空穿通部引导至室内。

根据权利要求7的根据本发明的装置基于的基本考虑是，借助已知的装置和方法虽然实现了在磁控管之前的高的离子密度，然而其离子密度在涂层体积中、即在要涂覆的衬底的位置处并不可以连续地使用。这尤其是适用于HPPMS以及适用于商业的设备，这些设备具有大的涂覆体积以及衬底和磁控管之间更大的距离。本发明能够实现借助磁控溅射对衬底的预处理和涂层，其中在整个涂覆体积中可以实现高的金属离子密度以及高的气体离子密度。由于优选在真空室中一方面设置传统的例如DC的磁控管并且另一方面设置HPPMS磁控管，所以可以通过相应地选择相应磁控管的电功率来预先给定金属离子以及气体离子的量。

高的离子密度通过电极的特别的连接来实现。在真空室中设置有至少一个产生等离子体的电极对。该电极对包括HPPMS磁控管作为第一电极。第二电极可以如下面进一步阐述的那样是第二HPPMS磁控管、传统的磁控管或者阳极。

根据本发明，第一电极和第二电极设置为使得容纳在衬底台上的物体设置在电极对的有源面之间，或者通过电极对的有源面的间隙来移动。

由此，优选将一个或者多个磁控管的相对极设置为使得有效的电极面的直视连接线(Sichtverbindungslinien)至少部分地或者暂时地与要处理的衬底相交。这通常也称为，在电极对的两个关联的电极之间的电场线至少部分地并且暂时地与衬底相交并且衬底表面借助载流子、尤其是借助金属离子和气体离子来处理。这在最简单的情况中通过如下方式来进行：衬底被置于电极对之间或者穿过电极对的间隙运动。

在此，磁控管可以作为正常的磁控管或者作为HPPMS磁控管来工作。

在本文中，电极对理解为两个电极以及电源，其中电极通过电源彼此连接。连接不必一定是直接的。该连接可以通过去干扰网络或者适配网络、开关元件和或其他电元件来引导。重要的是，输送给电极的电能主要由关联的电源来提供。电极也可以是多个电极对的一部分。当至少一个电极是磁控管电极时，称为磁控管电极对。

当电极对的一个电极相对于第二电极主要位于正电势上时，该电极对的该电极称为阳极。而当电极对的一个电极相对于第二电极主要位于负电势上时，该电极对的该电极称为阴极。

其中使用两个磁控管作为电极，这些电极相互交替地施加极性(双极性)，使得电极交替地为阳极和阴极，这种电极对也称为双磁控管，相应的工作方式称为双磁控管工作。

室优选具有溅射装置的通常的装置，如用于工作气体和反应气体的受调节的气体入口，以及被抽送的气体出口。衬底台优选位于该装置的中部。电极、尤其是磁控管优选位于壁附近并且围绕衬底台设置，优选均匀地设置。在此，靶朝着衬底的方向取向。台优选可旋转，使得衬底可以运动经过磁控管。在旋转台上也可以存在其他的转动轴，使得多个衬底可以以行星转动方式从所有侧面被涂覆。其中对衬底预处理以及涂覆的室也被称为涂覆体积，所有衬底连同关联的保持装置的全部称为炉料(Charge)。在至少一个磁控管电极对的情况下，在有源的电极面之间的至少一个视线至少部分地并且暂时地与衬底相交。

通过这种比较大的距离，在整个室中产生高的离子化，因为电子从阴极朝着阳极运动，并且在此在整个路径上引起附加的离子化。如果该室用工作气体和/或反应气体填充，则通过这种方式产生了高的气体离子化。

根据本发明的HPPMS磁控管尤其是负责高的金属离子密度。已证明的是，当设置阳极，该阳极相对于室壁被保持在确定的正电势上时，提高了离子化并且在涂覆体积中进一步扩展。为此，优选在阳极和室壁之间连接优选被电压调节的电源。

根据权利要求17的方法设置了一种特别类型的在刻蚀和涂覆之间的过渡。

在对衬底涂覆以及预处理时，衬底通常被施加以负电势。该电势通常也被称为偏置电势并且将离子拖拽到衬底表面上。这在涂覆的情况下尤其是导致层增厚并且减少拉伸应力，并且于是提高了层质量和层附着。刻蚀理解为去除污物，然而也理解为去除衬底的组成部分。与涂覆相对，在此进行材料的去除。在离子刻蚀的情况下，偏置电势通常被更强地负地调节。通过该强烈的轰击，将衬底表面净化并且活化。在HPPMS工作中借助金属离子轰击以及高的偏置电压的情况下，金属离子也可以在表面附近地被注入。这改进了随后的涂层生长。通过改变偏置电压，可以在刻蚀和涂覆之间并且由此在衬底和层之间产生连续的过渡。

通过自由地选择金属靶，优选自由地选择HPPMS金属靶，可以多方面地构建衬底和层之间的过渡。因为可以借助相同的金属进行刻蚀和涂覆，所以可以建立分级的界面和非常好的附着，其方式是首先在刻蚀步骤中在衬底上施加例如1000V的高的负偏置电压，并且该偏置电压随后连续地降低。

在根据本发明的方法的一个优选的实施形式中，首先将金属原子注入衬底中，其方式是在HPPMS靶运行中在例如-1200V的高的负的衬底偏置情况下将金属离子朝向衬底加速。随后，产生由相同材料构成的薄的金属中间层，其方式是降低偏置电压。随后，可以通过添加反应气体在考虑相同金属的情况下施加同样薄的硬材料中间层。最后，施加实际的硬材料层。在此，可以区分三种情况：其一，中间层的金属不同于硬材料层的金属；其二，中间层的至少一个金属也在硬材料层中；以及其三，中间层和硬材料层中的金属基本上相同。在硬材料层的多种应用情况中，可以通过实验分别确定最有利的情况。金属Ti和Cr已证明是特别适于作为中间层的元素。

优选的是，中间层和硬材料中间层可以分别具有1-200nm的厚度，特别优选为10-100nm的厚度。

通过合适地调节气体离子和金属离子密度，可以附加地在界面区域中产生最优的过渡。在此特别有利的是，在HPPMS刻蚀期间同时也借助气体离子进行充分的轰击。此外已表明的是，在HPPMS之前的纯的气体刻蚀进一步改进了附着。

偏置电压可以施加在衬底台和室之间。然而优选的是，偏置电源施加在衬底台和阳极之间。优选的是，室仅仅具有如下阳极电势：该阳极电势是所有对于衬底处理和衬底涂覆所需的电极的最正(positivst)的电势。然而可以将多个空间上分离的阳极彼此连接，并且于是置于该电势上。

气体离子密度和金属离子密度的优选的调节可能性能够实现进一步优化各种特性，例如层质量、层速率、层组分、层结构和层应力。在多层情况中的各种变形也是可能的。

在一个优选的变形方案中，HPPMS磁控管相对于远离的阳极来连接。如果衬底覆盖在HPPMS靶和关联的相对电极之间的视线，则在衬底附近实现高的金属离子密度和气体离子密度。电子在其朝向相对电极的路径上产生气体离子化；此外被溅射的或者复合的金属原子也重新离子化或者简单离子化的金属离子被多重离子化。

意想不到的是，该方法证明适合于绝缘层的涂覆，优选为氧化的、特别优选为氧化铝的涂覆。这些工艺进行更为稳定，因为较少出现充电和电弧。而当传统的磁控管对以双磁控管模式工作时，而同时也驱动HPPMS磁控管时，相同也适用。层速率在这些情况中甚至高于仅仅以传统的磁控管工作的情况。

下面将借助附图进一步阐述本发明的实施形式。其中：

图1在原理图中示出了通过涂覆装置的第一实施形式的水平横截面，该涂覆装置带有两个HPPMS磁控管和两个传统的磁控管，

图2在原理图中示出了根据图1的涂覆装置的电源的布线，

图3在原理图中示出了通过涂覆装置的第二实施形式的水平横截面，该涂覆装置带有四个HPPMS磁控管，

图4在原理图中示出了根据图3的涂覆装置的电源的布线，

图5在原理图中示出了通过涂覆装置的第三实施形式的水平横截面，该涂覆装置带有两个HPPMS磁控管和两个传统的磁控管，它们以双磁控管运行方式工作，

图6在原理图中示出了通过涂覆装置的第四实施形式的水平横截面，该涂覆装置带有两个HPPMS磁控管和两个传统的磁控管，其中所有磁控管相对于共同的阳极连接，

图7在原理图中示出了通过涂覆装置的第五实施形式的水平横截面，该涂覆装置带有四个HPPMS磁控管，它们相对于共同的阳极连接，

图8在原理图中示出了通过涂覆装置的第六实施形式的水平横截面，该涂覆装置带有电路装置，借助该电路装置将两个HPPMS磁控管双极性地彼此脉冲驱动，

图9示出了用于激励HPPMS磁控管的开关元件的电路图，以及

图10在原理图中示出了通过室壁以及安装在该室壁上的HPPMS电源的垂直横截面。

在图1-8中分别示出了PVD溅射装置的涂覆室，其具有四个磁控管和可旋转的衬底台4。磁控管包括用阴影示出的后部区域，该后部区域带有屏蔽装置、冷却装置和磁系统，以及分别具有(未被阴影示出的)要溅射的材料构成的靶。在所示的例子中，靶分别构建为矩形的板，其正面朝向衬底台4。

在所示的实施形式中，分别将磁控管的至少之一构建为HPPMS磁控管，并且在附图中通过在靶上的符号“H”表示。在此，“HPPMS磁控管”的名称首先涉及一种连接，即HPPMS磁控管连接到HPPMS电源上，而传统的UBM磁控管连接到传统的DC电源上，或者可替选地连接到传统的脉冲电源上，该脉冲电源具有常见能量的电压脉冲。磁控管本身在所示的例子中从其结构来看、即从靶的大小和形状、磁系统、冷却等等来看是相同的。可替选地也可能的是，磁控管装置根据作为HPPMS磁控管或者传统的UBM磁控管的应用来匹配，或者在磁场的强度或者形式、冷却的设计方面进行匹配。

HPPMS磁控管的靶分别以独立的HPPMS电源驱动。如针对各实施形式分别说明的那样，处于相同的电势的靶的屏蔽装置和/或室壁用作阳极，或者远离的阳极用作阳极。HPPMS磁控管的靶在溅射工作中产生金属离子，这些金属离子用于将通过衬底台引导的衬底进行预处理和涂层。远离的阳极在涂覆时通过电源相对于室壁优选保持在正电势Vc上。

在第一实施例中(图1)，在大小为大约0.7m³的金属涂覆室中在室壁附近有两个HPPMS磁控管1和两个传统的UBM磁控管2。其间有旋转的衬底台4。衬底台4具有转盘13，衬底11在这些转盘上固定在支架上并且导电连接。衬底是要涂覆的物体，其形状对应于相应的应用目的，或者衬底是切削工具。衬底在转盘上在行星转动中以变化的距离经过磁控管盘。在与衬底导电连接的衬底台4上施加有相对于阳极3的衬底偏置电压V_B。

传统的磁控管2在涂覆时与阳极3相对地工作，该阳极位于衬底台4的另一侧上。为此，与磁控管2关联的各电源分别产生电压V_M1和V_M2，借助这些电压将磁控管2作为阴极置于与阳极3相对的负电势上。通过在磁控管2和阳极3之间的大的距离，在阴极2上和在空间中产生的电子经过长的路径横向穿过室，并且产生进一步的离子化。在衬底11上于是在整个涂覆体积中有高的气体离子密度可用。

两个HPPMS磁控管1的靶在此同时主要提供金属离子。它们在该例子中在预处理和涂覆时相对于在该情况中用作阳极的磁控管的被接地的屏蔽装置工作。通过相对于纯粹的仅仅传统的磁控管由于HPPMS磁控管1的工作而提高的金属离子成分，得到了明显改进的层质量和附着。

在图2中示出了涂覆装置的HPPMS电源14的示意性电路图，其中HPPMS电源14仅仅示例性地针对HPPMS磁控管1而在左下方示出，并且对于另外的HPPMS磁控管关联有另外的、相同的HPPMS电源(未示出)。HPPMS电源14包括开关元件5、电容元件6和直流电源7。

图9示出了开关元件5的电路图。该开关元件包括功率晶体管16，其实施为IGBT并且串联地设置在电容元件6和HPPMS磁控管1之间。IGBT 16通过控制单元20来激励。此外，控制单元20具有激励接口24，通过该接口预先给定开关元件的状态。外部的控制计算机相应地激励控制单元20，该控制计算机预先给定脉冲的持续时间和定时。

电容元件6设计为电容器组，即设计为各电容器的并联电路。在一个优选的例子中，使用分别具有2000伏特的耐压强度的各电容器。在该优选的实施形式中，将所需的这种单个的电容器并联，以便实现电容器组6的例如30μF或者50μF的合适的总电容。

如在图2中首先示意性地示出的那样，开关元件5和电容器组6紧邻阴极地位于室壁外侧上的关联的电真空穿通部8上。开关元件的冷却可以通过室壁的冷却循环来进行，可替选地也可以进行空气冷却。

在脉冲间歇中对电容器组6的电容器充电的直流电源7与脉冲功率相比具有仅仅小的功率要求并且位于更远的开关柜中。

在图10中在原理图中示出了在室壁26上的开关元件5和电容器组6的布置。它们设置在壳体28中，该壳体直接安装在室壁26上。

对于设置在室内的HPPMS磁控管1设置有水冷装置，其具有冷却剂流入部30a和冷却剂回流部30b。冷却剂供给装置首先通过管道输送给壳体28。冷却剂至HPPMS磁控管1的进一步的引入和引出通过铜管36、38进行，这些铜管穿过室壁26的真空隔离装置32。

铜管36、38也用作电线路，以便将HPPMS电流脉冲从开关元件3引导至磁控管1。为此，开关元件3的电输出端通过套管34与两个管36、38电连接。隔离元件32负责相对于室壁26的电绝缘。

于是，一方面得到在穿通部8上的非常简单的结构。另一方面，管36、38可以用作导体，其具有比较大的横截面用于良好地引导非常大的电流。由于管36、38本身引导冷却剂，所以在没有附加开销的情况下得到了电线路的冷却。

电容器组6和开关元件5由此直接并排地布置，即例如彼此相距小于80cm，优选甚至小于20cm，以便将电流脉冲通过其引导的线路路径保持为尽可能短。电容器组6和开关元件5也安装在HPPMS磁控管1附近，其设置在室壁26的另一侧上，使得在此也将电流路径保持为较短，优选的是从开关元件5至HPPMS磁控管1小于50cm，特别优选小于30cm。

此外，该布置实现为使得在真空室之外仅仅设置最小的线路长度，HPPMS脉冲的电流通过该线路长度引导。金属真空室用作法拉第笼，使得将该装置之外的电磁干扰最小化并且实现了高的工作可靠性。

在根据第一实施形式的涂覆装置的一个示例性的装配中，所有靶(除了第一HPPMS靶，其仅仅由钛构成)由钛板构成，铝栓被引入其中(Ti-Al靶)。

下面将示例性地描述根据第一实施形式的对填装到衬底台4上的物体(衬底)11(例如切削工具)进行预处理和涂层的涂覆装置的工作。

首先将衬底加热到大约500℃。在第一刻蚀步骤中，将氩气引入室内，并且两个传统的磁控管2作为阳极共同地相对于大约45cm远的电极3工作，该电极在刻蚀时用作阴极。在此，衬底处于负电势上。这样在衬底附近产生的高的气体离子密度在第一刻蚀步骤中导致衬底表面的第一净化和活化。

在第二步骤中，在其余与第一刻蚀步骤相同的工作中，第一HPPMS磁控管1(其靶仅仅由钛构成)附加地在低的氩压力下工作。衬底通过合适地调节电压V_B和V_C而到相对于室壁的、-1100V的新的更高的负电势上。金属离子将衬底表面净化和刻蚀。离子的小部分在表面附近被注入。由于始终存在的氩压力，同时同样以氩离子进行轰击。

在数分钟的过渡时间间隔内(在一个例子中为5分钟)，将衬底偏置连续地从-1100V降低到-100V。在此，形成Ti构成的薄的界面。

接着，引入氮气数分钟长。形成由TiN构成的薄的硬材料层。随后，提高氩气流和反应气流，并且接通第二HPPMS磁控管(带有Ti-Al靶)。此外，传统的磁控管2现在在直流工作中作为相对于电极3(其现在用作阳极)的阴极工作。

三个附加的磁控管释放Al原子和Ti原子以及Al离子和Ti离子。通过至各磁控管的功率，可以调节硬材料层的化学计量。

在磁控管2之前产生的电子在电场中朝着阳极3运动并且通过这种方式在衬底附加产生其他的载流子。电场在图1中并且在随后的附图中示意性地通过虚线表明。该线大致对应于电场线，其与电极对的两个电极的中部相遇。由于在室内的其他电极，会出现场线的扭曲。

特别是通过旋转的衬底会暂时出现明显的偏差。然而在时间平均上，场线大致具有所示的走向。在活化的电极面之间的视线在较大的距离情况下仅仅略微偏离场线。在转动经过的衬底至少部分地并且暂时地与该视线相交。这样产生的气体离子于是以高的浓度供衬底使用。离子在涂覆期间由于衬底偏压V_B而朝着衬底加速。溅射气体的离子在此使得层变密，而反应气体的离子可以与被溅射的金属离子和金属原子反应成为所希望的涂覆材料TiAlN。金属原子主要来自传统的UBM磁控管，而这些金属离子主要来自HPPMS磁控管。通过该结合，以良好的层速率形成特别硬的并且附着牢固的层。

如果另一方面层在另外相同的试验结构中仅仅借助传统的UBM磁控管来制造，则得到具有比较低的硬度和附着强度以及提高的粗糙度的层。

在处理在1400MPa硬化的、X38CrMoV51构成的扁钢的情况下，可以在10mm的半径铣刀上实现提高21％的寿命。

在一个比较例子中，虽然除了传统的UBM磁控管之外还使用HPPMS磁控管，然而所有磁控管分别相对于被接地的屏蔽装置来驱动。在该比较例子中，相对于仅仅借助传统的UBM磁控管的涂覆部分地同样出现附着强度和硬度的改进。然而，层特性并不能够均匀地在整个衬底上固定。

在根据图3的第二实施例中，设置有四个HPPMS磁控管，该第二实施例其余方面与第一实施例一致。HPPMS磁控管的两个相对于远离的阳极来工作，使得电子在此也经过长的路径并且同样引起在整个涂覆体积中的高的气体离子化。

图4针对第二实施形式示例性地并且参照图3地示出了HPPMS磁控管和关联的相对电极的布线。在衬底台的另一侧上至阳极3的馈电线9在真空室内沿着室壁在屏蔽片(未示出)之后走向。通过该布置，将涂覆装置之外的电磁干扰最小化，并且实现了高的工作可靠性。

在借助根据第二实施例的装置对衬底涂覆时，在其他相同的结构和工艺过程的情况下产生具有更高硬度、然而具有高的压力的层。这种层特别适于硬切削，并且优选仅仅施加以小的层厚度。与第一实施形式的应用例子相比，得到进一步提高16％的寿命，即相对于传统的涂覆总计改进了37％。

在图5中示出了涂覆装置的第三实施例，其优选可以用于预处理衬底和/或用于将衬底以不导电的层、例如氧化层如氧化铝来涂覆。涂覆装置(其除了所示的和这里所讨论的针对布线的细节之外与上述实施形式一致)包括两个HPPMS磁控管和两个传统磁控管。HPPMS磁控管之一装备有铬构成的靶，并且仅仅使用在预处理和中间层的施加中。另一磁控管的靶由铝构成。在此，两个传统的UBM磁控管在涂覆时以双磁控管工作方式运行。

随后，示例性地描述根据第三实施形式的涂覆装置的用于产生氧化层的运行：

首先，类似于第一实施形式的示例性运行来执行刻蚀处理，然而其中替代HPPMS钛靶使用了HPPMS铬靶。如在第一例子中那样，制造硬材料中间层，其方式是首先沉积靶材料的金属层，并且随后引入反应气体。在第三实施形式的示例性运行中，产生CrN硬材料中间层，其方式是首先沉积Cr层并且随后引入氮气作为反应气体。

在进一步的涂覆运行中，反应气体氮气通过氧气来替代，使得首先形成非常薄的Cr-N-O过渡层，并且随后形成Cr₂O₃硬材料中间层。

随后将Cr磁控管的功率返回，而Al-HPPMS磁控管和两个传统的Al-HPPMS被输送有提高的电功率，以便形成实际的Al₂O₃硬材料层。

Al-HPPMS磁控管在此与室壁相对地工作。两个传统的磁控管在45cm的距离且50kHz的情况下以双磁控管运行方式工作。

由于与装备有Al靶的两个传统磁控管一同使用HPPMS磁控管，实现了高的层质量。此外已表明的是，工艺稳定性和层均匀性非常好，并且极少出现充电和电弧(Arc)。

图6示出了涂覆装置的第四实施形式的视图。在第四实施形式中(其在其他方面又与前面提及的实施形式一致)，涂覆装置包含四个HPPMS磁控管和两个传统磁控管，其中所有磁控管相对于共同的阳极来连接，以便实现在共同的涂覆体积中的金属离子的高密度。

图7示出了涂覆装置的第五实施形式的视图。在第五实施形式中(其在其他方面又与前面提及的实施形式一致)，涂覆装置包括四个HPPMS磁控管，它们都相对于共同的阳极来连接，以便在共同的涂层空间中产生金属离子的高密度。

在根据第五实施形式的涂覆装置的工作中，可以通过前面的借助金属离子的刻蚀来实现附着特别牢固的层。层质量同样非常好。此外，也在凹入的几何结构情况下实现了高的层厚度均匀性。然而，与其他例子相比，略为降低了层速率。HPPMS磁控管的电源如前面的例子那样构建。

在另外的、图8示出的涂覆装置的第六实施形式中(其在其他方面与前面提及的实施形式一致)，两个HPPMS磁控管相对彼此双极性地以脉冲驱动。

在第六实施形式中，两个HPPMS磁控管连接到共同的HPPMS电源40。电源40包括两个DC电源7、7a，它们对称地连接到中间抽头42上。与DC电源7、7a并联地连接有电容元件6、6a，它们优选二者构建为电容器组，如结合第一实施形式所阐述的那样。每个电容元件6、6a的各负的极通过串联的开关元件5、5a与相应的磁控管1、1a的靶电连接。

借助两个附加的开关10、10a(它们由控制单元12控制)，可以将HPPMS电源40的两个对称的每个短路。开关10、10a在磁控管1、1a(其中靶分别彼此交替地用作阳极和阴极)的双极性的脉冲驱动中分别将在下一个脉冲情况下应当作为阳极起作用的靶和关联的HPPMS电源的正极相连。另一开关保持断开。这样，在每个脉冲的情况下，两个HPPMS磁控管之一用作阳极，而另一个用作关联的阴极。

对开关10、10a的要求较低，因为它们在脉冲间歇中并且不是在电流影响下(unter Stromfluss)切换。控制单元12负责开关元件5、5a、10、10a的同步。在此，开关元件也共同地固定在室后壁上，并且借助电线路连接到HPPMS磁控管上，这些线路通过共同的真空穿通部8引导至室内。于是，电线路尽可能地在室内走向，优选在引导HPPMS脉冲的整个长度方面主要在室内走向。

在一个可替选的实施形式中(未示出)，设置了充电装置，其连接为使得其在脉冲间歇中将两个电容器组6、6a充电。

借助根据图8中所示的例子的装置，在工作中产生较少的充电，并且层变得平坦。两个另外的磁控管同样可以是HPPMS磁控管，并且以相同的方式工作。也可能的是，相对于地或者共同的相对电极3来工作。可替选地，两个另外的磁控管也可以是传统的磁控管。它们例如可以以双磁控管工作方式或者同样相对于地和共同的电极来工作。

Claims (26)

1.一种用于通过磁控雾化来对物体进行预处理和涂覆的装置，具有：

-真空室，其带有金属室壁(26)和设置在真空室中的带有溅射靶的磁控管(1，2)，

-其中磁控管的至少之一构建为HPPMS磁控管(1)，用于根据大功率脉冲磁控雾化来工作，

-其中通过电容元件(6)经由开关元件(5)与HPPMS磁控管(1)的溅射靶相连来将电脉冲输送给HPPMS磁控管(1)，

其特征在于，

-开关元件(5)设置在室壁(26)上。

2.根据权利要求1所述的装置，其中

-电容元件(6)构建为并联连接的电容器构成的电容器组，以及

-开关元件(5)和电容元件(6)设置在室壁(26)上。

3.根据上述权利要求之一所述的装置，其中

-在室壁(26)上设置有真空穿通部(8)用于对HPPMS磁控管供电，

-其中电容元件(6)、开关元件(5)和真空穿通部(8)形成一个单元。

4.根据上述权利要求之一所述的装置，其中

-设置有用于HPPMS磁控管(1)的冷却装置，其中冷却剂通过管(36，38)引导至HPPMS磁控管(1)，

-其中管(36，38)通过真空穿通部(8)穿过室壁(26)，以及

-其中管(36，38)用作电导体，借助所述电导体将电流从开关元件(5)引导至HPPMS磁控管(1)。

5.根据上述权利要求之一所述的装置，其中

-冷却装置设计用于室壁和/或其上的真空穿通部，

-其中冷却装置也构建用于冷却开关元件。

6.根据上述权利要求之一所述的装置，其中

-设置有至少一个电极对，其中至少一个电极是HPPMS磁控管(1)，

-其中设置有至电极对的电极的馈电装置，以及

-其中至两个电极的馈电装置通过共同的真空穿通部(8)或者两个相邻的真空穿通部引导至涂覆室中，并且馈电装置在室内延伸直到电极。

7.一种用于通过磁控雾化对物体进行预处理和涂覆的装置，具有：

-真空室，其具有金属室壁(26)和设置在该真空室中的带有溅射靶的磁控管(1，2)以及用于容纳要涂覆的物体的衬底台(4)，以及

-产生等离子体的至少一个电极对，所述电极对具有第一电极(1)和第二电极(3)，

-其中至少第一电极是HPPMS磁控管(1)，该HPPMS磁控管按照大功率脉冲磁控雾化来工作，其中在第一电极和第二电极之间设置有HPPMS电源，以及

-其中第一电极和第二电极设置为使得容纳在衬底台(4)上的物体设置在电极对的活化面之间，或者通过电极对的活化面的间隙运动。

8.根据权利要求7所述的装置，其中

-至少一个另外的电极对设置在真空室中，

-其中至少一个电极构建为磁控管(2)，该磁控管与直流电源或者传统的脉冲电源连接。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其中在电极对的至少之一的活化面之间的距离超过20cm，优选超过40cm，特别优选超过60cm。

10.根据权利要求7-9之一所述的装置，其中

-第二电极是阳极(3)，以及

-其中设置有偏置电压供给(V_B)用于在阳极(3)和衬底台(4)之间产生偏置电压。

11.根据权利要10所述的装置，其中

-在涂覆时阳极(3)的暴露于等离子体的面小于第一电极(1)的暴露于等离子体的面。

12.根据权利要10或11所述的装置，其中

-在阳极和室壁之间设置有电源(V_C)，以便在涂覆时将阳极保持在相对于室壁正的电势上。

13.根据权利要求10-12之一所述的装置，其中

-在涂覆时将至少两个磁控管相对于共同的阳极(3)来连接。

14.根据权利要8或9所述的装置，其中

-第二电极是HPPMS磁控管(1a)，以及

-在第一电极和第二电极之间设置有HPPMS电源(40)，借助该HPPMS电源可以将电极(1，1a)彼此以双极方式脉冲地驱动。

15.根据权利要14所述的装置，其中

-HPPMS电源(40)包括两个电容元件(6，6a)，其中一个极分别通过开关元件(5，5a)与HPPMS磁控管(1)相连，

-其中另一极通过另外的开关元件(10，10a)与另外的HPPMS磁控管相连。

16.根据权利要15所述的装置，其中

-设置有控制装置(12)，以便交替地分别将电容器元件(6，6a)之一通过开关元件(5，5a)与两个磁控管(1，1a)相连，而所述另外的电容器元件(6，6a)至少在一极上与磁控管(1，1a)电分离。

17.一种用于借助磁控雾化来对物体进行预处理和涂层的方法，其中

-物体设置在真空室中，该真空室具有金属室壁(26)和设置在真空室中的带有溅射靶的磁控管，

-在真空室中产生等离子体，其中溅射靶的至少之一被雾化，以及

-其中磁控管的至少之一作为HPPMS磁控管(1)根据大功率脉冲磁控雾化来工作，

其特征在于，

-在刻蚀步骤中将负的偏压(V_B)施加在物体(11)上并且通过用金属离子轰击来对物体(11)刻蚀，以及

-随后连续地降低偏压(V_B)，使得从溅射靶溅射出的材料引起在物体(11)上的层构建。

18.根据权利要求17所述的方法，其中

-随后施加硬材料层。

19.根据权利要求17、18所述的方法，其中

-按照至涂层的连续过渡首先施加金属的中间层。

20.根据权利要求17-19之一所述的方法，其中

-首先施加硬材料中间层并且随后施加硬材料层。

21.根据权利要求17-20之一所述的方法，其中

-首先施加金属中间层，

-随后施加硬材料中间层，以及

-随后施加硬材料层。

22.根据权利要求17-21之一所述的方法，其中

-溅射靶的至少之一的材料包括金属，该金属用于刻蚀衬底、用于施加金属中间层，和/或用于产生硬材料中间层，

-其中金属从周期表的4-6副族的金属中进行选择，

-其中优选的是金属为Ti或者Cr。

23.根据权利要求17-22之一所述的方法，其中

-在刻蚀步骤中首先以气体离子进行刻蚀，以及

-随后借助金属离子进行刻蚀。

24.根据权利要求17-23之一所述的方法，其中

-在刻蚀步骤中借助金属离子进行刻蚀，其中金属离子被注入到物体的表面中。

25.根据权利要求17-24之一所述的方法，其中

-至少一个方法步骤在同时金属离子轰击和气体离子轰击时进行。

26.根据权利要求17-25之一所述的方法，其中

-施加氧化铝构成的硬材料层。

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