DD233279A3

DD233279A3 - Verfahren zur substratheizung

Info

Publication number: DD233279A3
Application number: DD26138784A
Authority: DD
Inventors: Frank Schrade; Dietmar Schulze; Ruediger Wilberg
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1984-03-29
Filing date: 1984-03-29
Publication date: 1986-02-26

Abstract

Das Anwendungsgebiet der Erfindung sind die plasmagestuetzten Beschichtungsverfahren mit Bogenentladungsverdampfern. Die Erfindung hat das Ziel, haftfeste Beschichtungen zu realisieren. Die Aufgabe besteht darin, mit einfachen Mitteln eine stabile Erwaermung und Temperaturhaltung der Substrate zu gewaehrleisten. Die Erfindung loest die Aufgabe, indem das elektrische Potential der Substrate bzw. der Substrathalterung derart gesteuert wird, dass die im Plasma enthaltenen Elektronen in erforderlicher Menge und der notwendigen Energie durch die Substrate extrahiert werden. Der Elektronenbeschuss kann mit dem verfahrensbedingten Ionenbeschuss alternierend erfolgen.

Description

der lonenbeschuß durchgeführt. Auf diese Weise erfolgt die Aufheizung der Substrate weitestgehend unabhängig von der lonenbeschußreinigung und beide Prozeßschritte können dem Beschichtungsgut optimal angepaßt werden. Nach Beendigung der lonenreinigung wird die Phase der plasmagestützten Beschichtung eingeleitet. Hierbei ist es, entsprechend der Substrat- und Beschichtungsmaterialien sowie der verfahrensspezifischen Ziele, erforderlich, ein vorgegebenes Substrattemperaturregime während der Beschichtung exakt auf recht zu halten. Die Substrattemperatur wird ständig kontrolliert. Die Schichtkondensation wird durch das Öffnen der Verdampferblenden eingeleitet. Sobald die Substrattemperatur unter einen technologisch ermittelten unteren Wert fällt, wird impulsartig das Potential der Substrate geändert und auf positives Potential gelegt. Damit wird der Elektronenstrom, wie bereits erläutert, auf die Substrate gelenkt und diese aufgeheizt. In der Regel ist die Heizwirkung so intensiv, daß nur kurze Heizphasen erforderlich sind. Die Verdampfungsrate wird dadurch praktisch kaum unterbrochen, da der Verdampfer eine relativ hohe thermische Trägheit aufweist.

Die Temperaturmessung an den Substraten kann dabei nach verschiedenen bekannten Methoden erfolgen und wird hier nicht näher beschrieben. Ebenso liegt die Regelschaltung Substrattemperatur — Potential der Substrate nicht innerhalb der Aufgabe der Erfindung.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.

In einer bekannten Chargenanlage für ionengestützte Beschichtungen mit Hohlkatodenbogenverdampfer und Substrathalter sollen Uhrengehäuse mit einer Titannitridschicht goldfarbig beschichtet werden. Die Uhrengehäuse werden oft gereinigt in die Anlage gebracht. Die Anlage wird evakuiert. Danach soll verfahrensgemäß eine lonenbeschußreinigung erfolgen. Die Substrate werden erfindungsgemäß auf eine Temperatur von 350⁰C aufgeheizt, indem sie auf ein Potential von 15 V gelegt werden. Die Elektronen aus dem Plasma, welches durch den vorher gezündeten Hohlkatodenbogenverdampfer gebildet wurde, werden auf die Substrate extrahiert und diese durch Elektronenbeschuß sehr intensiv geheizt. Nach Erreichen der Substrattemperatur wird der Eletronenbeschuß beendet, das Potential der Substrate auf —200 V gegenüber Masse gelegt und es erfolgt ein lonenbeschuß mit dem Ziel, die Substratoberfläche zu reinigen. Die Dauer der lonenreinigung beträgt 10'. Zur Auf rechterhaltung der erreichten Substrattemperatur erfolgt dabei intermittierend wiederum ein Elektronenbeschuß variabler Dauer.

Nach Beendigung der lonenreinigung wird die plasmagestützte Beschichtung durchgeführt. Die Blenden, die bis hierher den Verdampfer abgedeckt haben, werden beseitigt und die Leistung des Hohlkatodenbogens wird so erhöht, daß das Titan in Tiegel geschmolzen und verdampft wird. Innerhalb des Plasmas wird ein Teil des Titandampfes und ein Teil des ebenfalls in der Kammer vorhandenen Reaktivgases ionisiert und auf das Substrat hin, welches auf —25 V liegt, beschleunigt. Dort tritt die bekannte verfahrenstypisch gute Haftung auf dem Substrat als Verbindung TIN auf. Zwischenzeitlich wird ständig die Temperatur der Substrate überwacht, die bei 350⁰C liegen soll. Wenn diese unzulässig absinkt, wird impulsartig die Polung der Substrate von -25V auf +15V verändert. Dadurch wird wieder ein intensiver Elektronenstrom auf die Substrate gelenkt und diese aufgeheizt. Die Verdampfung erfolgt dabei infolge der thermischen Trägheit mit etwa konstanter Rate. Wenn die Umschaltung des Substratpotentials impulsartig erfolgt, tritt praktisch keine Unterbrechung der Schichtbildung ein, da der erneute lonenbeschuß auf die Substrate auch eine gewisse Tiefenwirkung auf die inzwischen einfach bedampft abgeschiedenen Teile hat.

Der erfindungsgemäße Vorteil besteht insbesondere in der intensiven Elektronenstoßheizung ohne besondere Zusatzgeräte und in der einfachen Temperaturhaltung während der Beschichtung.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Substratheizung bei plasmagestützten Beschichtungsverfahren mit Bogenentladungsverdampfern mittels Extraktion der im Plasma enthaltenen Elektronen in Abhängigkeit von der Regelgröße Temperatur der Substrate, gekennzeichnet dadurch, daß der Elektronenbeschuß entsprechend der gewünschten Substrattemperatur verfahrensgemäß im Wechsel mit dem Ionenbeschuß zum Zwecke der lonenreinigung der Substrate bzw. der plasmagestützten Beschichtung der Substrate erfolgt.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß in der Beschichtungsphase der Wechselbetrieb von Elektronenbeschuß und lonenbeschuß in gepulster Form erfolgt.

Anwendungsgebiet der Erfindung ·

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Substratheizung bei plasmagestützten Beschichtungsverfahren mit Bogenentladungsverdampfern. Derartige Beschichtungsverfahren werden zunehmend zur Herstellung von harten, verschleißfesten und dekorativen Schichten auf verschiedenartige Substrate angewandt. Ein verbreitetes Einsatzgebiet ist z.B. die Beschichtung von Schneidwerkzeugen mit Titannitrid, wodurch Standzeiterhöhungen von über 400% erzielt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Der Vorteil der plasmagestützten Beschichtungsverfahren (physikalische Dampfabscrteidung — PVD) gegenüber dem älteren chemischen Dampfabscheidungsverfahren (CVD) besteht insbesondere darin, daß die Substrattemperaturen, die für eine haftfeste Schichtbindung erforderlich sind, unter 500⁰C liegen und, daß dadurch auch gehärtete Stähle beschichtet werden können, ohne, daß deren Festigkeit bzw. Härte beeinträchtigt wird.

Dennoch ist eine Temperatur der Substrate im Bereich von ca. 300 bis 500⁰C, je nach Ziel der Beschichtung, erforderlich. Diese Temperatur muß aber sehr exakt gehalten werden. Sie sollte bereits für die lonenreinigung vorhanden sein, um den gewünschten Effekt zu erzielen und sie muß bei der Beschichtung von Anfang bis Ende stabil gehalten werden. Verfahrensgemäß ist es bei den plasmagestützten Beschichtungsverfahren üblich, die bereits gut vorgereinigten Substrate innerhalb der Beschichtungskammer vor der eigentlichen Beschichtung einer lonenbeschußreinigung auszusetzen. Dabei wird in bekannter Weise der Tiegel des Verdampfers auf positives, die Plasmaquelle hingegen auf negatives Potential gelegt. Die im Plasma befindlichen Elektronen werden zum Tiegel hin beschleunigt, während die Ionen durch die negativ vorgespannten Substrate abgesaugt werden. Durch eine entsprechende Steuerung der Verdampferleistung sowie durch Blenden kann erreicht werden, daß auf den Substraten kein Schichtmaterial kondensiert und lediglich ein lonenbeschuß der Substrate erfolgt. Dabei wird das Substratmaterial durch die hohe Masse der auftreffenden Ionen abgestäubt (sputering), die Substratoberfläche wird durch lonenbeschuß gereinigt. Die pro Zeiteinheit abgestäubte Materialmenge steht in Abhängigkeit von der Ionenenergie und der lonenstromdichte. Parallel zur Sputterwirkung der Ionen führt der lonenbeschuß auch zur Erwärmung der Substrate. Die Substrattemperatur ist abhängig von der Ionenenergie und der lonenstromdichte sowie von den Masse und Geometrie der Substrate. Eine Substrattemperaturerhöhung ist funktionell mit einer verstärkten Oberflächenzerstäubung verbunden. Nach dem Stand derTechnikgibt es verschiedenartige Substratheizungen. Die gebräuchlichsten sind die Strahlungsheizungen, die einmal von der Substratrückseite oder die Quarzstrahler, die meist die Vorderseite heizen. Bekannt ist des weiteren auch das Heizen der Substrate mit Elektronenbeschuß aus einer speziellen Quelle. In der DD 118306 wird ein Verfahren zum Aufheizen von Substraten beschrieben, derart, daß auf die den Substraten gegenüberliegende Seite des Substratträgers in einem speziellen Raum ein Plasma gezündet wird und der Substratträger einem Elektronenüberschuß ausgesetzt wird. Die Substrate werden in der Folge durch Wärmeübertragung aufgeheizt.

Bei allen Verfahren bzw. Einrichtungen zur Beheizung von Substraten besteht der Hauptnachteil darin, daß meist gesonderte selbständige Quellen mit allem elektrischen und steuerungstechnischem Aufwand erforderlich sind. Problematisch ist dabei die zusätzliche Erwärmung der Substrate durch verfahrensbedingte Prozesse, so, daß eine stabile Temperaturhaltung erschwert wird.

Bekannt ist weiterhin die gezielte Nutzung des bei plasmaunterstützten Beschichtungsverfahren einen Verfahrensbestandteil darstellenden lonenbeschuß der Substrate vor und während der Beschichtung. Die dabei auftretende Energieübertragung führt zu einer Erhöhung der Substrattemperatur, die, abhängig von der Energie des lonenstromes und dessen Dichte, in weiten Grenzen gewählt werden kann. Hohe Substrattemperaturen bedingen aber eine hohe Ionenenergie bzw. eine große lonenstromdichte. Dies führt infolge der Impulsübertragung zu einer verstärkten Zerstäubung der Substratoberfläche, die häufig unerwünscht ist. Weiterhin erfolgt keine auf die gesamte Substratoberfläche gleichmäßige Erwärmung, da diese als Funktion der elektrischen Feldstärke in der Nähe der Substrate, an Ecken und Kanten, besonders hoch ist. Bekannt gewordene Versuche zur Beseitigung dieser Nachteile führten bisher zu unbefriedigenden Ergebnissen. Ein Beispiel einer lonenbeschußheizung ist in der DD 116856 bekannt geworden. Im Beispiel wird Bandstahl durch lonenbeschuß auf die erforderliche Temperatur aufgeheizt.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, mittels plast lagestützter Beschichtungsverfahren eine haftfecte Beschichtung von Substraten zu gewährleisten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, welches mit einfachen Mitteln eine verfahrensbedingte stabile Erwärmung und Temperaturhaltung der Substrate gewährleistet.

Die Aufgabe wird gelöst, indem das elektrische Potential der Substrate bzw. der Substrathalterung derart gesteuert wird, daß die im Plasma enthaltenen Elektronen in erforderlicher Menge und der notwendigen Energie durch die Substrate extrahiert werden, wobei als Regelgröße die Temperatur der Substrate ausgenutzt wird. Der Elektronenbeschuß kann dabei verfahrensgemäß im Wechsel mit dem lonenbeschuß zum Zwecke der lonenreinigung bzw. der plasmagestützten Beschichtung der Substrate erfolgen.

In Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Phase der lonenbeschußreinigung mit einfachen Mitteln wesentlich verkürzt werden. Die Substrate werden auf ein positives Potential gelegt und die Elektronen des Plasmas auf die Substrate hin extrahiert. Das positive Potential entspricht dabei etwa dem des Verdampfertiegels und kann schaltungstechnisch entsprechend gekoppelt werden. Nach Erreichen einer vorgegebenen Temperatur werden die Substrate auf negatives Potential geschaltet und