DD275883B5

DD275883B5 - Process for homogeneous layer deposition by means of arc discharge

Info

Publication number: DD275883B5
Application number: DD32022888A
Authority: DD
Inventors: Dietmar Dipl-Phys Schulze; Peter Dr Rer Nat Siemroth; Hans-Joachim Dr Rer Na Scheibe; Ruediger Dipl-Ing Wilberg; Bernd Dipl-Phys Buecken
Original assignee: Fraunhofer Ges Forschung
Priority date: 1988-09-29
Filing date: 1988-09-29
Publication date: 1995-10-19
Also published as: DD275883A1

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur homogenen plasmagestützten Schichtabscheidung mittels Bogenentladung. Mit derartigen Verfahren können reine Metallschichten als auch leitfähige Verbindungsschichten mit hoher Beschichtungsrate abgeschieden werden. Besonders bedeutsam ist das Verfahren für hochwertige optische Schichten.The invention relates to a method for homogeneous plasma-assisted layer deposition by means of arc discharge. With such methods, pure metal layers as well as conductive compound layers can be deposited at a high deposition rate. Particularly important is the process for high-quality optical layers.

Characteristic of the known state of the art

Zur plasmagestützten Abscheidung dünner Schichten sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt geworden. Als vorteilhaft haben sich Verfahren erwiesen, bei denen das Beschichtungsmaterial mittels einer Bogenentladung verdampft, da bei diesen Verfahren gleichzeitig im Beschichtungsraum das erforderliche Plasma erzeugt wird. Derartige Bogenentladungsverdampfer können mit Hohlkatode oder Glühkatode arbeiten. Die Bogenentladung brennt jeweils zwischen der Katode und der aus dem zu verdampfenden Material bestehenden tiegelförmigen Anode, schmilzt diese auf und verdampft das Material. Die Dampfteilchen gelangen in den mit einem Plasma ausgefüllten Beschichtungsraum, werden dort teilweise ionisiert und danach auf dem meist negativ vorgespannten Substrat abgeschieden.For plasma-assisted deposition of thin layers, a variety of methods have become known. Methods have proven advantageous in which the coating material evaporates by means of an arc discharge, since the required plasma is simultaneously generated in the coating space in these processes. Such arc discharge evaporator can work with Hohlkatode or Glühkatode. The arc discharge burns each between the cathode and the existing of the material to be vaporized crucible anode, this melts and evaporates the material. The vapor particles pass into the plasma-filled coating space, where they are partially ionized and then deposited on the substrate, which is usually biased negatively.

Der Nachteil dieses Verfahrens liegt gegenüber Elektronenstrahl-Verdampfern mit gesonderter Plasmaerzeugung in einer relativ geringen Beschichtungsrate infolge der geringen Strahlfokussierung. Weiterhin ist die Lageorientierung durch das Schmelzbad und damit die ausschließliche Verdampfung von unten nach oben oft ungünstig. Auch hat die Katode einen unerwünscht hohen Verschleiß, wobei das abgetragene Katodenmaterial in der Schicht zu störenden Einlagerungen führen kann.The disadvantage of this method is compared to electron beam evaporators with separate plasma generation in a relatively low coating rate due to the low beam focusing. Furthermore, the orientation of the location through the molten bath and thus the exclusive evaporation from bottom to top is often unfavorable. Also, the cathode has an undesirably high wear, wherein the removed cathode material in the layer can lead to disturbing inclusions.

Die andere bekannte Gruppe der Vakuum-Bogenentladungsverdampfer (siehe z. B. VDI-Zeitschrift 129 [1987] 1,S. 89-94) hat eine relativ großflächige Katode, die aus dem zu verdampfenden leitfähigen Material besteht, und eine Anode. Durch bekannte Methoden wird zwischen beiden Elektroden ein Vakuumbogen gezündet und das Katodenmaterial mit hoher Rate verdampft. Auf der Katodenoberfläche erfolgt dabei der Stromaustritt im sogenannten Brennfleck, auch Katodenfleck oder Spot genannt, aus dem die erosive Materialabtragung vonstatten geht. Die sehr hohe Energiedichte im Brennfleck führt zu einer explosionsartigen Verdampfung sowie Ionisierung des verdampften Materials und umgebender Gasteilchen. Diese Verdampfungsverfahren weisen gegenüber anderen Verfahren wichtige Vorteile auf, die besonders in einem hohen energetischen Wirkungsgrad, einem hohen lonisierungsgrad des abgetragenen Materials sowie einer hohen Beschichtungsrate bei beliebiger Einbaulage des Verdampfers bestehen. Einige Nachteile verhindern jedoch, daß diese Verfahren bei Beschichtungsverfahren mit besonders hohen Ansprüchen an die Homogenität und Reproduzierbarkeit der Schicht eingesetzt werden können. Ein besonderes Problem ist die explosionsartige Verdampfung des Katodenmaterial, was neben der Erzeugung von Dampf (neutral und ionisiert) auch zur Emittierung von makroskopischen Teilchen (Spritzer oder Droplets) führt. Dieser Vorgang wird durch den hohen lonendruck (ca. 10⁹ Pa) unmittelbar über der Katodenoberfläche verursacht, der das im Spotzentrum schmelzflüssige Material kraterbildend zur Seite schleudert, wobei das nicht sofort verdampfte Material in Tröpfenform unerwünscht auch auf die Substrate gelangen kann. Ein weiterer Nachteil besteht in der schlechten Steuer- und Beeinflußbarkeit der unregelmäßigen, chaotischen Brennfleckbewegung auf der Targetoberfläche. In der DE-PS 3 413 891 wird vorgeschlagen, zwischen einer Katode und einer Anode bei niedrigem Druck einen Vakuumbogen zu enden, dessen Elektronen die drahtförmige Anode verdampfen. Die Katode soll aus dem gleichen Material wie das zu verdampfende Anodenmaterial sein oder die Katode ist gut abzuschirmen, damit dieses Material nicht an das Substrat gelangen kann. Vorteilhafterweise wird bei dieser Lösung keine störende makroskopische Partikelemission des Anodenmaterials beobachtet (siehe auch J. Vac. Sei. Technol. A/6 [1988] 1, 134-138).The other known group of vacuum arc-discharge evaporators (see, for example, VDI Journal 129 [1987] 1, pp. 89-94) has a relatively large-area cathode consisting of the conductive material to be evaporated and an anode. By known methods, a vacuum arc is ignited between the two electrodes and the cathode material is evaporated at a high rate. On the cathode surface, the current exit occurs in the so-called focal spot, also called the cathode spot or spot, from which the erosive material removal takes place. The very high energy density in the focal spot leads to an explosive evaporation and ionization of the vaporized material and surrounding gas particles. These evaporation methods have important advantages over other methods, which consist in particular in a high energy efficiency, a high degree of ionization of the removed material and a high coating rate in any installation position of the evaporator. However, some disadvantages prevent that these methods can be used in coating processes with particularly high demands on the homogeneity and reproducibility of the layer. A particular problem is the explosive evaporation of the cathode material, which in addition to the generation of vapor (neutral and ionized) also leads to the emission of macroscopic particles (splashes or droplets). This process is caused by the high ion pressure (about 10 ⁹ Pa) immediately above the cathode surface, which crumbles the material melting in the spot center crater forming to the side, wherein the not immediately evaporated material in droplet shape can also undesirably reach the substrates. Another disadvantage is the poor control and influenceability of the irregular, chaotic focal spot movement on the target surface. In DE-PS 3 413 891 it is proposed to end between a cathode and an anode at low pressure, a vacuum arc whose electrons evaporate the wire-shaped anode. The cathode should be made of the same material as the anode material to be evaporated or the cathode should be well shielded so that this material can not get to the substrate. Advantageously, no troublesome macroscopic particle emission of the anode material is observed in this solution (see also J. Vac, See, Technol. A / 6 [1988], 1, 134-138).

Diese Lösung weist jedoch auch eine Reihe prinzipieller Mängel auf. So wird durch die hohe Energiekonzentration die gesamte Anode aufgeschmolzen. Damit entsteht das Problem der Halterung des zu verdampfenden Materials. Grundsätzlich ist die Einrichtung auf kleinflächige Anoden und damit auf geringe zu verdampfende Materialmengen beschränkt, sofern keine aufwendigen Nachfütterungseinrichtungen eingesetzt werden.However, this solution also has a number of principal shortcomings. Thus, the entire anode is melted by the high energy concentration. This creates the problem of mounting the material to be evaporated. Basically, the device is limited to small-area anodes and thus to small amounts of material to be evaporated, provided that no complex Nachfütterungseinrichtungen be used.

Das gezielte Verdampfen größerer Anodenbereiche ι stellt ein generelles Problem bei der Ausnutzung anodischer Brennflecke dar, da die Anodenflecken, im Gegensatz zu den Katodenflecken, von Natur aus stationär sind. So kommt es insbesondere bei hohen Strömen schnell zu makroskopischen Aufschmelzungen, Abtropfen von Anodenmaterial und auch zur Zerstörung der Anode.Targeted evaporation of larger anode areas is a general problem in the exploitation of anodic focal spots since the anode spots, unlike the cathode spots, are inherently stationary. Thus, especially at high currents, macroscopic melting, dripping of anode material and also destruction of the anode occur rapidly.

Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren zur homogenen plasmagestützten Schichtabscheidung mit hoher Rate anzugeben.The invention aims to provide a method for homogeneous plasma-assisted layer deposition at high rate.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels Bogenentladung örtlich begrenzte Anodenbereiche so aufzuheizen, daß eine Verdampfung mit hoher Rate bei intensiver Plasmabildung erzielt wird, ohne daß die Anode makroskopisch aufschmilzt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Bogenentladung zwischen einer Katode und der aus dem zu verdampfenden Material bestehenden Anode in bekannter Weise gezündet und bei so niedriger Stromstärke aufrecht erhalten wird, daß kein Aufschmelzen und Verdampfen der Anode auftritt. Die Bogenentladung kann dabei mit einer beliebigen Katodenart realisiert werden, z. B. Hohlkatode oder Glühkatode.The invention has for its object to heat by arc discharge locally limited anode areas so that evaporation at a high rate with intensive plasma formation is achieved without the anode melts macroscopically. According to the invention the object is achieved in that an arc discharge between a cathode and the existing of the material to be evaporated material ignited in a known manner and maintained at such low current that no melting and evaporation of the anode occurs. The arc discharge can be realized with any type of cathode, z. B. hollow cathode or thermionic cathode.

Zur Verdampfung des Anodenmaterials wird in der Folge ein örtlich variierbarer fokussierter Laserstrahlimpuls mit einer derartigen Energiedichte auf die Oberfläche der Anode geleitet, daß sich am Auftreffort ein örtlich begrenztes dichtes Plasma ausbildet und gleichzeitig ein Hochstromimpuls durch geeignete Mittel zugeschaltet, was im Zusammenwirken zu einer Vakuum-Bogenentladung zwischen dem anodischen Verdampfungsmaterial am Auftreffort des Laserstrahlimpulses und einer Katode führt. Am Auftreffort des Laserstrahles kommt es zur explosionsartigen Verdampfung des Anodenmaterial. Die Verdampfung erfolgt dabei in der für Anoden typischen Weise ohne Entstehung von störenden Makroteilchen (Droplets), wie es bei der Katodenverdampfung der Fall ist.For evaporation of the anode material, a spatially variable focused laser beam pulse with an energy density is subsequently directed onto the surface of the anode such that a locally dense dense plasma is formed at the point of impact and at the same time a high-current pulse is switched on by suitable means, which, in cooperation with a vacuum generator. Arc discharge between the anodic evaporation material at the impact of the laser beam pulse and a cathode leads. At the point of impact of the laser beam, explosive evaporation of the anode material occurs. The evaporation takes place in the manner typical for anodes without the formation of interfering macroparticles (droplets), as is the case with cathode evaporation.

Ohne Einleitung des fokussierten Laserstrahlimpulses würde die Ausbildung eines konzentrierten Brennfleckes auf der großflächigen Anode trotz Hochstromimpuls nur schwer möglich sein bzw. nur großflächig, nicht konzentriert und damit ohne reale Verdampfungswirkung brennen. Auch nach Verlöschen des Laserstrahlimpulses brennt die Vakuum-Bogenentladung, die einmal gezündet wurde, weiter zwischen der Katode und dem durch den Laserimpuls festgelegten Anodenfleck. Die Bogenentladung bleibt auf den Zündort begrenzt und führt durch die geringe flächige Ausdehnung des Anodenfleckes zur Hochrateverdampfung bei intensiver Ionisierung. Das Nichtaustreten von Spritzern aus dem Anodenfleck ergibt sich aus dem fehlenden lonendruck. Ebenfalls tritt die stochastische Bewegung des Brennfleckes, die vom Katodenfleck bekannt ist, beim Anodenfleck nicht auf. Verfahrensgemäß wird die Brennzeit der Vakuum-Bogenentladung zur Vermeidung einer großflächigen, makroskopischen Aufschmelzung der Anode zeitlich begrenzt. Die kontinuierliche Verdampfung wird durch eine Folge vieler solcher impulsartiger Verdampfungen erzielt. Der technische Aufwand dazu kann mit bekannten Mitteln relativ gering gehalten werden, da die Bogenentladung zwischen Anode und Katode ständig aufrechterhalten bleibt und damit auch das Raumplasma. Damit bleibt insbesondere auch der erforderliche Anodenfall mit ausreichender Ladungsträgerkonzentration an der Anodenoberfläche erhalten, der das sofortige und leichte Zünden des konzentrierten Vakuumbogens zwischen Katode und Anode in beschriebener Weise ermöglicht. Der Laserstrahl-Auftreffort wird in vorteilhafter Weise periodisch über die gesamte Anodenoberfläche gerastert. Damit werden örtliche Überhitzungen der Anode vermieden und die Anode wird gleichmäßig abgetragen.Without initiation of the focused laser beam pulse, the formation of a concentrated focal spot on the large-area anode would be difficult despite high current pulse or only over a large area, not concentrated and thus burn without real evaporation effect. Even after the laser beam pulse is extinguished, the vacuum arc discharge once ignited continues to burn between the cathode and the anode spot defined by the laser pulse. The arc discharge remains limited to the ignition location and, due to the small areal extent of the anode spot, leads to high-rate evaporation with intensive ionization. The non-leakage of splashes from the anode spot results from the lack of ion pressure. Also, the stochastic movement of the focal spot, which is known from the cathode spot, does not occur at the anode spot. According to the method, the firing time of the vacuum arc discharge to limit a large-scale, macroscopic melting of the anode is limited in time. The continuous evaporation is achieved by a series of many such pulse-like evaporations. The technical complexity can be kept relatively low by known means, since the arc discharge between the anode and cathode is constantly maintained and thus the space plasma. Thus, in particular, the required anode case with sufficient charge carrier concentration on the anode surface is maintained, which allows the immediate and easy ignition of the concentrated vacuum arc between the cathode and anode in the manner described. The laser beam impact location is advantageously periodically rastered over the entire anode surface. Thus, local overheating of the anode can be avoided and the anode is removed evenly.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die plasmagestützte Abscheidung homogener hochreiner Schichten mit hohen Abscheideraten und guter Beeinflußbarkeit der Prozeßparameter.The inventive method allows the plasma-assisted deposition of homogeneous high-purity layers with high deposition rates and good influenceability of the process parameters.

embodiment

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisch eine geeignete Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens.The invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment. The accompanying drawing shows schematically a suitable device for implementing the method.

In einem metallischen Rezipienten 1 ist eine Hohlkatode 2 und eine großflächige, wassergekühlte Anode 3 aus Titan so angeordnet, daß eine Hohlkatoden-Bogenentladung im Trägergas Argon, das durch die Hohlkatode 2 in den Rezipienten 1 einströmt, mittels des Stromversorgungsgerätes 4 gezündet und aufrechterhalten werden kann. Die Substrate 5 sind isoliert gegenüber dem Rezipienten 1 angeordnet und derart mit einem negativen Potential beaufschlagt, daß eine Extraktion von Ionen aus dem Plasma der Hohlkatoden-Bogenentladung auf die Substrate möglich ist.In a metallic recipient 1, a hollow cathode 2 and a large area, water-cooled anode 3 made of titanium are arranged so that a hollow cathode arc discharge in the carrier gas argon, which flows through the hollow cathode 2 in the recipient 1, can be ignited and maintained by means of the power supply unit 4 , The substrates 5 are arranged isolated from the recipient 1 and subjected to such a negative potential that an extraction of ions from the plasma of the hollow cathode arc discharge on the substrates is possible.

Weiterhin ist eine geeignete Laserstrahleinrichtung 6, deren Laserstrahl 7 optisch über die gesamte Anodenoberfläche 3a gerastert werden kann, und eine zusätzliche Stromversorgungseinrichtung 8 für die Anode 3 vorhanden. Verfahrensgemäß wird zuerst die Bogenentladung zwischen der Hohlkatode 2 und der Anode 3 in bekannter Weise gezündet. Der Bogen wird mit einer Stromstärke von ca. 100 A aufrechterhalten. Die Bogenentladung bildet innerhalb des Rezipienten 1 ein intensives Plasma aus, ohne daß dies zur Verdampfung der Anode 3 führt. Innerhalb dieser Verfahrensstufe wird die bekannte lonenreinigung der Substrate realisiert. Dazu werden die Substrate 5 auf ein negatives Potential von 500 V gegenüber dem Plasma gelegt, was zu einem intensiven lonenbeschuß führt. Zum Zwecke der Beschichtung werden die Substrate 5 auf ein Potential von -50 V gelegt.Furthermore, a suitable laser beam device 6, the laser beam 7 can be optically scanned over the entire anode surface 3a, and an additional power supply device 8 for the anode 3 is present. According to the method, the arc discharge between the hollow cathode 2 and the anode 3 is first ignited in a known manner. The bow is maintained with a current of about 100 A. The arc discharge forms within the recipient 1 an intense plasma, without this leading to the evaporation of the anode 3. Within this process stage, the known ion cleaning of the substrates is realized. For this purpose, the substrates 5 are placed at a negative potential of 500 V with respect to the plasma, which leads to an intense ion bombardment. For the purpose of coating, the substrates 5 are placed at a potential of -50V.

Danach wird die erfindungsgemäße Verdampfung eingeleitet. Die Bogenentladung zwischen Katode 2 und Anode 3 wird in beschriebener Weise aufrechterhalten. Mittels der Laserstrahleinrichtung 6 wird ein hochfokussierter Laserstrahlimpuls 7 mit einer Leistungsdichte von 2 χ 10⁸ W/cm² und auf eine beliebige Stelle der Anodenoberfläche 3a gesendet. Das allein führt zur Ausbildung eines räumlich begrenzten dichten Plasmas über dem Auftreffort. Gleichzeitig wird zusätzlich mittels der Stromversorgung 8 ein Hochstromimpuls zwischen der Anode 3 und dem als Katode dienenden Rezipienten 1 erzeugt. Das gemeinsam führt zur Ausbildung einer Vakuum-Bogenentladung zwischen dem Rezipienten 1 und dem Auftreffort des Laserstrahlimpulses 7 auf der Anodenoberfläche 3a. Im Beispiel beträgt die Maximalstromstärke 500 A bei einer Halbwertszeit von 10 ms. Der Anoden-Brennfleck wird örtlich durch den Auftreffort des Laserstrahlimpulses exakt festgelegt und ist kleinflächig entsprechend der Größe des dichten Plasmas an dieser Stelle. Dies führt durch die hohe Energiekonzentration zur Verdampfung des Anodenmaterials mit hoher Rate. Der Hochstromimpuls wird im Beispiel mittels der Schalter 9 und 10 sowie eines Kondensators 11 über eine entsprechende Stromversorgung 12 realisiert. Durch geeignete Dimensionierung wird eine Verdampfungs-Impulsfrequenz von 5 Hz eingestellt.Thereafter, the evaporation according to the invention is initiated. The arc discharge between the cathode 2 and anode 3 is maintained in the manner described. By means of the laser beam device 6, a highly focused laser beam pulse 7 with a power density of 2 × 10 ⁸ W / cm ² and sent to an arbitrary position of the anode surface ³ a. This alone leads to the formation of a spatially limited dense plasma over the place of impact. At the same time a high-current pulse between the anode 3 and serving as a cathode recipient 1 is additionally generated by means of the power supply 8. This together leads to the formation of a vacuum arc discharge between the recipient 1 and the point of impact of the laser beam pulse 7 on the anode surface 3a. In the example, the maximum current is 500 A with a half-life of 10 ms. The anode focal spot is accurately determined locally by the location of the laser beam pulse and is small in area corresponding to the size of the dense plasma at that location. Due to the high energy concentration, this leads to evaporation of the anode material at a high rate. The high current pulse is realized in the example by means of the switches 9 and 10 and a capacitor 11 via a corresponding power supply 12. By appropriate dimensioning, an evaporation pulse frequency of 5 Hz is set.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können in neutraler Atmosphäre haftfeste Titanschichten und in reaktiver Stickstoff-Atmosphäre TiN-Schichten mit einer Rate von 10 pm/h bei hoher Homogenität auch auf temperaturempfindlichen Substraten abgeschieden werden. Die beispielsweise so erzeugten TiN-Schichten sind vorzugsweise (200)-orientiert und wachsen äußerst feinkristallin und dropletfrei auf. Diese Feinkristallinität sowie die Homogenität der Schichten ermöglicht deren Einsatz sowohl für Verschleißschutzzwecke, als auch für optische und mikroelektronische Anwendungen.With the method according to the invention can be deposited in a neutral atmosphere adherent titanium layers and in a reactive nitrogen atmosphere TiN layers at a rate of 10 pm / h with high homogeneity on temperature-sensitive substrates. The TiN layers thus produced, for example, are preferably (200) -oriented and grow extremely fine-crystalline and droplet-free. This fine crystallinity and the homogeneity of the layers allows their use both for wear protection purposes, as well as for optical and microelectronic applications.

Claims

Process for homogeneous layer deposition by means of arc discharge, characterized in that the arc discharge j between a cathode (2) and an anode to be evaporated (3) is ignited and maintained with a current which does not alone lead to the evaporation of the anode material and that at the anode firing a train of additional, localized, pulsed high current discharges by means of locally variable high focussed laser beam pulses.

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