DD254858A3 - Einrichtung zur ionengestuetzten beschichtung von substratkoerpern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur ionengestuetzten Beschichtung von Substratkoerpern. Diese Einrichtung ist ueberall dort vorteilhaft einsetzbar, wo Substratkoerper beschichtet werden sollen, die eine komplizierte geometrische Konfiguration aufweisen. Das sind insbesondere Substratkoerper mit exponierten Spitzen und Kanten, z. B. Spiralbohrer und Fraeser. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die es ermoeglicht, oertliche thermische Ueberlastungen des Substratwerkstoffes und ungleiche Abstaeubeeffekte bei Substratkoerpern mit komplizierten geometrischen Konfigurationen durch Beeinflussung der elektrostatischen Felder in Substratnaehe zu verhindern. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe derart geloest, dass zwischen Substrathalter und zu beschichtenden Flaechen des Substratkoerpers eine flaechige Elektrode isoliert zu diesen angeordnet ist. Das Potential der Elektrode ist gegenueber dem Substratpotential unterschiedlich, vorzugsweise negativ. Figur

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur ionengestützten Beschichtung von Substratkörpern. Diese Einrichtung ist überall dort vorteilhaft einsetzbar, wo Substratkörper beschichtet werden sollen, die eine komplizierte geometrische Konfiguration aufweisen. Das sind insbesondere Substratkörper mit exponierten Spitzen und Kanten, z. B. Spiralbohrer und Fräser.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die ionengestützte Verfahrenstechnik zur Hartstoffbeschichtung hat sich in den letzten Jahren schnell entwickelt und wird gegenwärtig bereits in relativ großem Umfang zur Beschichtung von Werkzeugen und Konstruktionsbauteilen eingesetzt.

Das Wesen der Verfahrenstechnik besteht darin, daß eine Vakuumverdampfung eines Hartstoff bildenden Materials mit einer, meist in reaktiv wirkenden Gasen brennenden Entladung, überlagert wird. Die Gasentladung wird darüber hinaus benutzt, um die Substrate vorher meist unter Edelgaszufuhr einer Glimmreinigung zu unterziehen.

In denpraktischen Ausführungen befindet sich in einem Rezipient eine Verdampferquelle, eine Plasmaquelle und die negativ vorgespannte Kombination Substrat und Substrathalter.

Die konkreten Ausführungen der einzelnen Baugruppen sind oft sehr unterschiedlich. Mit dem sogenannten Hohlkatodenbogenverdampfer werden z. B. die Baugruppen Verdampferquelle und Plasmaquelle sehr sinnvoll miteinander in einer Konstruktionsgruppe vereinigt.

Verfahrensgemäß werden durch die Gasentladung Elektronen, Ionen und angeregte Teilchen emittiert, die einen Fall des Trägergases, Reaktivgases und des Verdampfungsmaterials ionisieren. Die Ionen werden aufgrund des Potentialunterschiedes zwischen Verdampferquelle und Plasma zum negativ vorgespannten Substrathalter und den Substraten hin beschleunigt und treffen dort mit hoher Energie auf die Oberfläche. In der Zeit der Vorreinigung wird die Verdampfung unterbunden und es wird lediglich das Trägergas der Gasentladung, ein Inertgas, sehr oft Argon, ionisiert. Diese Ionen werden mit einer Energie, die durch die am jeweiligen Ort des Substrates wirkende Feldstärke bestimmt ist, zu den negativ vorgespannten elektrisch leitenden Substraten beschleunigt. Die elektrische Feldstärke ist eine Funktion der Substratspannung und in hohem Maße abhängig vom Oberflächenprofil. An exponierten Stellen, wie Spitzen, Ecken und Kanten, kommt es zu Feldkonzentrationen. Dadurch treffen an diesen Stellen die Ionen mit einer sehr hohen Energie auf. Dies führt zu einer hohen thermischen Belastung und Materialabtragung durch Zerstäubung, während an anderen Stellen des gleichen Substrates das Ionenbombardement bedeutend geringer ist. Sehr schnell kommt es so zu thermischen Überlastungen und Kantenabrundungen, wodurch das Substrat, z.B. bei Werkzeugstählen, weich und stumpf und dann unbrauchbar wird.

In der Phase der eigentlichen Beschichtung wird zur Gasentladung die Verdampfung des Schichtmaterials hinzugeschalten. Im allgemeinen kann man davon ausgehen, daß die Substrate in beliebiger Form, oft planetenartig, bewegt werden, so daß sich das Schichtmaterial allseitig gleichmäßig abscheiden kann.

An den oben erwähnten Spitzen, Ecken und Kanten, bei Spiralbohrern z. B. die Schneiden, tritt durch die örtlich hohe Feldstärke und den damit verbundenen lonenstrom gerade an diesen Stellen neben der bei der Beschichtung verstärkten thermischen Belastung der bereits erwähnte Abstäubeeffekt auf. Das heißt, das gerade aufgedampfte Material wird durch die Ionen bei ungünstiger Substratgeometrie sofort wieder zerstäubt. Somit wirkt gerade an den wichtigsten Stellen, den Schneidkanten, eine hohe thermische Belastung und ein durch Zerstäubung verminderter Schichtaufbau. An den unbedeutenderen Stellen, wie die Spannut, wird dagegen eine relativ starke Schicht aufgebaut. Es kommt zu einer sehr ungleichmäßigen Schichtdicke, die noch dazu bei bestimmten Anwendungen im umgekehrten Verhältnis zu den Erfordernissen stehen kann.

Ein weiterer Nachteil der normalen Verfahrensführung tritt bei der Ausbildung der Kristallstruktur des Schichtmaterials auf. Die Kristallstruktur wird im wesentlichen direkt von der Energie der auftreffenden Teilchen, deren Einfallswinkel und der Stromdichte am Auftreffort bestimmt. Durch die beschriebenen Effekte, die zur ungleichen Schichtausbildung führen, kommt es auch zu einer sehr ungleichmäßigen Kristallstruktur.

Diese generellen Probleme, die in den physikalischen Grundlagen des Verfahrens liegen, werden meist durch relativ niedrige Feldstärken, die zu verminderten lonenströmen führen, umgangen.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen (DD-WP C 23 C/240784/3 und DD-WP C23 C/240785/1), die elektrische Feldstärke in Substratnähe derart zu beeinflussen, daß diese gleichmäßig auf die zu beschichtende Oberfläche einwirkt. Dazu wird um jeden konkreten Substratkörper eine der spezifischen Oberfläche des Substratkörpers angepaßte transparente Formelektrode angeordnet, die gegenüber dem Substrat auf positivem Potential liegt. Damit soll eine gleichmäßige Beschichtung erreicht werden, im Ausführungsbeispiel eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht. Diese Lösung hat den Nachteil, daß sie technisch sehr aufwendig ist und einen hohen Platzbedarf hat. Jedes einzelne Substrat benötigt eine eigene spezielle Formelektrode und jede Formelektrode hat einen konkreten Platzbedarf. Damit wird die Zahl der Substrate pro Beschichtungszyklus stark eingeschränkt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die ionengestützte Beschichtung für Substratkörper mit komplizierter geometrischer Konfiguration, besonders mit exponierten Spitzen, Ecken und Kanten, wirkungsvoll einzusetzen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, örtliche thermische Überlastungen des Substratwerkstoffes und ungleicher Abstäubeeffekte bei Substratkörpern mit komplizierten geometrischen Konfigurationen durch Beeinflussung der elektrostatischen Felder in Substratnähe zu verhindern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe derart gelöst, daß zwischen Substrathalter und zu beschichtenden Flächen des Substratkörpers eine flächige Elektrode isoliert zu diesen angeordnet ist. Diese Elektrode kann aus Blech mit Durchbrüchen für die Substrate bestehen oder auch netzartig ausgebildet sein. Das Potential der Elektrode ist gegenüber dem Substratpotential negativ.

Der Isolationsabstand der Elektrode zu den Substraten entspricht etwa der Stärke der Raumladungsschicht, die sich entsprechend den Verfahrensbedingungen aufbaut. Von den Substratspitzen wird die Elektrode etwa das Zwei- bis Vierfache der Stärke der Raumladungsschicht entfernt angeordnet.

Damit wird, bei der Anwendung der Elektrode, der Feldlinienverlauf und die Feldlinienstärke innerhalb der Raumladungsschicht derart beeinflußt, daß bei geringerer Spannung zwischen Plasma und Substrat keine Überhitzungen an den exponierten Stellen mehr auftreten, andererseits wird aber an den Seitenflächen eine stärkere loneneinwirkung erzielt, was in diesem oberen Bereich zu einer wesentlichen Homogenisierung führt.

Bei größerem Abstand der Elektrode von den Substratspitzen wird ein Bereich mit geringer loneneinwirkung auf die Seitenflächen geschaffen, was Fehlstellen in der Schicht gleichkommt. Der Schichtaufbau erfolgt gleichmäßig mit hoher Qualität und nahezu einheitlich in der Kristallstruktur. Die funktionsbedingt hochbelasteten Spitzenbereiche, z. B. eines Spiralbohrers (Spitze mit folgendem Bohrerschaft), können erfindungsgemäß so beschichtet werden, daß beträchtliche Standzeiterhöhungen, auch bei mehrmaligem Anschleifen, erzielt werden.

Des weiteren kann die Zeitdauer des Beschichtungszyklus gesenkt werden und die Packungsdichte der zu beschichtenden Substrate je Charge beträchtlich gesteigert werden.

Ausführungsbeispiei

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel nachfolgend näher erläutert werden.

Die zugehörige Zeichnung zeigt eine prinzipielle Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung.

In einer an sich bekannten Substrathalterung 1 sind als Substrate 2 Spiralbohrer angeordnet. Die Substrathalterung 1 ist als rotierendes Planetenrad ausgebildet. Die Planetenradachse ist mit 3 bezeichnet. Meist werden drei oder vier Planetenräder in einem Planetensystem angeordnet. Durch diese Anordnung werden allseitig gute und gleichmäßige Beschichtungen ermöglicht.

Entsprechend der Erfindung ist an der Substrathalterung 1 zusätzlich eine Elektrode 4 zwischen den zu beschichtenden Flächen 5 der Substrate 2 und dem Substrathalter 1 isoliert angeordnet. Die Isolation wird im Beispiel durch den Isolator 6 gegenüber der Substrathalterung 1 erreicht. Gegenüber den Substraten 2, die elektrisch leitend mit der Substrathalterung 1 verbunden sind, wird die Isolation durch einen ausreichend großen Isolationsspalt 7 gesichert. Die Substrathalterung 1 mit den Substraten 2 und die Elektrode 4 sind jeweils gesondert in bekannter Weise an ein elektrisches Potential anschließbar.

Nachfolgend wird die Einrichtung im Betrieb beschrieben. Verfahrensgemäß erfolgt die Beschichtung in zwei Prozeßschritten, der lonenbeschußreinigung der Substrate 2 und der Beschichtung selbst. Bei der lonenreinigung wird bei einem konstanten Substratpotential das Potential an der Elektrode 4 so bemessen, daß ein starkes elektrisches Feld zwischen den Substraten 2 und der Masse aufgebaut wird. Die Ionen werden dann vorzugsweise auf die Substrate 2 gelenkt. Bei der eigentlichen Beschichtung wird das Potential der Elektrode 4 negativ gegenüber den Substraten 2 verändert, so daß bei weiterhin konstantem Substratpotential die Ionen von den exponierten Stellen des Substrates 2, z. B. Ecken und Kanten, abgelenkt werden und sich bevorzugt zur Elektrode 4 bewegen. Damit werden örtliche Feldkonzentrationen und erhöhter lonenbeschuß an gefährdeten Spitzen, Ecken und Kanten vermieden, demzufolge können auch keine thermischen Werkstoffüberlastungen auftreten.

Claims (1)

1. Einrichtung zur ionengestützten Beschichtung von Substratkörpern, insbesondere von mehreren langgestreckten und parallel zueinander und rechtwinklig auf einem Substrathalter angeordneten Substraten, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Substrathalter unterhalb der Substratspitzen eine flächige Elektrode angeordnet ist, die gegenüber dem Substrathalter und den Substraten auf einem negativen Potential liegt und zu den Substraten in einem Isolationsabstand von etwa der Stärke der Raumladungsschicht und von den Substratspitzen etwa das Zwei- bis Vierfache der Stärke der Raumladungsschicht entfernt angeordnet ist.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung