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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur homogenen
PVD-Beschichtung
von dreidimensionalen Substraten.
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Die
magnetfeldunterstützte
Kathodenzerstäubung
(Magnetron Sputtering) hat Eingang gefunden in viele Bereiche der
modernen Oberflächentechnik.
Ausgehend von Anwendungen in der Mikroelektronik ist die magnetfeldunterstützte Kathodenzerstäubung heute
als industrielles Beschichtungsverfahren für Architekturglas, Flachbildschirme,
Brillengläser,
Bandmaterialien, Werkzeuge, dekorative Gegenstände und funktionelle Bauteile
etabliert. Dabei werden funktionelle Bauteile oft mit Korrosionsschutz-
oder Hartstoffschichten aus Nitriden wie TiN, TiAlN, VN, ZrN, CrN
oder Karbonitriden wie TiCN in ein oder Mehrlagentechnik versehen.
Zunehmend linden auch „superharte" Schichten auf Basis
von Nano-Mehrlagenschichten mit Härtewerten bis zu 50 GPa Anwendung.
In der Automobilindustrie sind reibungs- und verschleißmindernde
Metall-Kohlenstoff-Schichten bestens bewährt.
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Verfahren
und Anlagen zur homogenen Beschichtung ebener Flächen, wie z.B. Silizium Wafer
oder Glasscheiben sind technisch hoch entwickelt und gut beherrschbar.
Allerdings weisen die auf dreidimensionalen Substratkörpern – wie z.B.
Uhrengehäusen,
Schreibgeräten,
Brillengestellen, Schneid- und Umformwerkzeugen, medizinischen Geräten oder
Komponenten des Automobil-, Maschinen- und Gerätebaus – abgeschiedenen Schichten
mikroskopische Inhomogenitäten
auf. Diese Inhomogenitäten
beeinträchtigen
die Schichtqualität
und somit die funktionellen Eigenschaften und die mechanische Widerstandsfähigkeit
der beschichteten Komponenten.
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Die
Inhomogenitäten
sind eine Folge der Anisotropie des im Beschichtungsprozeß eingesetzten
Plasmas. Wird ein dreidimensionales Substrat vor einer planaren
Kathode angeordnet, so ist der Abstand zwischen der Kathode und
den Punkten auf der Substratoberfläche nicht konstant. Darüber hinaus
schattet die der Kathode zugewandte vordere Hälfte des Substrats die rückwärtige Seite
vom Plasma der Kathoden und damit von dem Ionenbeschuß und auch
vom Materialfluß ab.
Auf der rückwärtigen,
von der Kathode abgewandten Substratseite ist die Intensität des Ionenbeschusses
wesentlich geringer als auf der vorderen, dem Plasma der Kathoden
ausgesetzten Substratseite. Für
viele Anwendungen ist jedoch eine gleichmäßige Beschichtung der Substrate
erforderlich. Eine bewährte
Methode zur gleichmäßigen Beschichtung
dreidimensionaler Substrate besteht darin, die Substrate vor der
Beschichtungsquelle zu rotieren, wobei ein bestimmter Punkt der
Substratoberfläche
periodisch Bereiche mit intensivem und mit schwachem Ionenbeschuß durchläuft. Hierdurch
wird eine mehrlagige Beschichtung abgeschieden, die abhängig von
der Rotationsgeschwindigkeit und Abscheiderate aus Lagen mit Dicken
im Bereich von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern besteht.
Ein derartig inhomogener Schichtaufbau beeinflußt die Mikrostruktur, Härte, Eigenspannung,
Verschleiß-
und Korrosionsfestigkeit sowie die Farbe der Beschichtung zumeist
in unerwünschter
Weise.
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Wie
oben erörtert,
liegt die Hauptursache für
den inhomgenen Schichtaufbau in der Begrenzung des bei der Magnetronentladung
erzeugten Plasmas auf eine Raumzone vor der Kathode. Die Intensität des Innenbeschusses
der aufwachsenden Schicht variiert mit dem Abstand der Substratoberfläche von
der Kathode. Diese räumliche
Variation kann bei Substraten mit geringer Tiefenabmessung nahezu
vollständig
kompensiert werden, indem die Substrate während der Beschichtung zwischen
zwei sich gegenüberstehenden
Kathoden positioniert werden (siehe 1). Die
von den beiden Kathoden ausgehenden Plasmen überlagern sich in der Mitte,
wobei eine Raumzone mit praktisch isotropem Plasma und gleichmäßigen Beschichtungsbedingungen gebildet
wird. Es ist bekannt, daß auf
diese Weise z.B. zylindrische Substratkörper bis zu einem Durchmesser von
10 mm gleichmäßig rundum
beschichtet werden können,
ohne daß eine
spezielle Substratrotation um die Zylinderachse erforderlich ist.
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Sogenannte „balancierte" Planare Magnetronkathoden
(siehe 2a–2b) sind
mit Permanentmagneten ausgestattet, die vor dem auf der Kathode
montierten Target ein tunnelförmiges
geschlossenes Magnetfeld erzeugen. Wird dieser geschlossene Magnettunnel
mit einem elektrischen Feld überlagert,
so erfolgt die Bewegung der Elektronen vor dem Target auf schraubenförmigen Bahnen.
Dies bedeutet, daß die
Elektronen in einem Raumvolumenelement längere Wege zurücklegen
als im Falle einer Kathode ohne Magnetfeld, bei der sich die Elektronen
entlang der elektrischen Feldlinien – zumeist linear – bewegen.
Hierdurch nimmt die Anzahl der Stöße zwischen Elektronen und
Gasatomen bzw. -molekülen
je Raumvolumenelement zu und damit verbunden erhöht sich die Gasionisation,
wobei sich ein intensives Plasma ausbildet, das vor dem Target im
Bereich des Magnettunnels eingeschlossen wird.
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Wichtige
Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten, wie z.B. Zusammensetzung,
Morphologie, Haftung und Eigenspannung werden durch das Schichtwachstum
auf dem Substrat maßgeblich
bestimmt. Es ist bekannt, daß das
Schichtwachstum und damit die Schichteigenschaften durch Ionenbeschuß während des Beschichtungsvorgangs
beinflußt
werden. So haben Thornton (J. A. Thornton, Annu. Rev. Mater.
Sci. 7, p. 239, 1977) und Messier (R. Messier,
J. Vac. Sci. & Technol.,
2, 500, 1984) in ihren Arbeiten die Abhängigkeit der Schichtstruktur
von Gasdruck und Ionenbeschuß während des
Schichtwachstums untersucht. Insbesondere bei Hartstoffschichten,
die aus Materialien mit hohem Schmelzpunkt bestehen und deren Schichtwachstum
in dem von Thornton und Messier entwickelten Strukturzonenmodell
durch die Zone T beschrieben wird, ist ein intensiver Ionenbeschuß zwingend
erforderlich, um kompakte bzw. dichte Schichten abzuscheiden. Um
einen intensiven Ionenbeschuß der
Substrate zu realisieren, werden im Stand der Technik sogenannte "unbalancierte" Magnetronkathoden
eingesetzt. Bei einem unbalancierten Magnetron ist ein Teil der
magnetischen Feldlinien nicht vor dem Kathodentarget geschlossen,
sondern verläuft
in Richtung des Beschichtungsraums, in welchem sich die Substrate
befinden. Aufgrund dieser Feldkomponenten wird ein Teil der Elektronen
in Richtung der Substrate geführt,
so daß sich
das Plasma zu den Substraten hin ausdehnt. Durch das Anlegen eines
Substratpotentials werden Ionen aus dem substratnahen Plasma auf
die aufwachsende Schicht beschleunigt und der für das Schichtwachstum vorteilhafte
Ionenbeschuß liegt
vor.
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Beispiele
für Verfahren
und Vorrichtungen zur Kathodenzerstäubung mit Innenunterstützung sind
im nachfolgenden Stand der Technik aufgeführt.
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DE 40 42 289 A1 betrifft
eine Vorrichtung zum reaktiven Beschichten eines Substrates, die
eine Magnetron-Kathode und eine separate von der Beschichtungskammer
elektrisch isolierte Anode beinhaltet. Die Anode ist ringartig gestaltet
und räumlich
zwischen der Magnetron-Kathode
und dem zu beschichtenden Substrat angeordnet. Die direkte Sichtverbindung zwischen
Magnetron-Kathode und Anode ist durch eine Blende unterbunden, wodurch
die Beschichtung der Anode vermieden wird. Bei reaktiven Beschichtungsprozessen mit
Materialien, die eine hohe Affinität zum Reaktivgas haben, können die
Innenwände
der Beschichtungskammer, Blenden und andere Einbauten mit elektrisch
nichtleitenden oder schlecht leitenden Belägen beschichtet werden. Der
Einsatz einer gegen Beschichtung abgeschirmten Anode ermöglicht es
in einem solchen Fall, den Beschichtungsprozeß stabil und Arcing-frei zu
führen,
wobei es nicht erforderlich ist, die Beschichtungskammer und deren
Einbauten häufig
zu reinigen bzw. die Einbauten häufig
auszutauschen.
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Eine
Lichtbogen-Beschichtungsanlage gemäß
EP 0 534 066 A1 umfaßt eine
die zu beschichtenden Teile enthaltende Kammer, die mit Kathoden/Verdampfern
und einer ersten und einer zweite Anode ausgestattet ist. Während des
Beschichtungsvorgangs wird die zweite Anode auf einem Potential
gehalten, das höher ist
als das Potential der ersten Anode. Die Substrate befinden sich
hierbei auf einem negativen Potential, das größer ist als das negative Potential
der Kathode. In der beschriebenen Anordnung wird durch die Anoden
ein Teil der Elektronen aus dem Kathodenplasma abgesaugt und in
die Beschichtungskammer hienein beschleunigt. Hierdurch wird die
Ionisation der in der Beschichtungskammer befindlichen Gase verstärkt und
der Ionenbeschuß der
Substrate intensiviert.
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Die
in
US 5 556 519 A beschriebene
Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten mittels magnetfeldunterstützter Niederdruck-Entladungen
umfaßt
zwei oder mehrere Magnetronkathoden. Die äußeren magnetischen Pole benachbarter
Magnetronkathoden weisen entgegengesetzte Polarität auf und
erzeugen einen Magnetfeldkäfig,
der praktisch alle Elektronen der Niederdruck-Entladungen einschließt. Hierdurch
wird im Raum vor den Kathoden der Ionisierungsgrad der Niederdruck-Entladungen
erhöht
und der Ionenbeschuß der Substrate
intensiviert.
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DE 31 07 914 A1 lehrt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Formteils
mit dreidimensionaler Beschichtungsfläche durch magnetfeldunterstützte Kathodenzerstäubung, bei
dem das Formteil zwischen zwei sich gegenüberstehenden Kathoden angeordnet
ist und zugleich den Plasmawolken beider Kathoden ausgesetzt ist.
An das Formteil wird eine gegenüber
Massepotential negative Spannung niedriger/gleich –10 V angelegt.
Die Plasmen der gegenüberliegend
angeordneten Kathoden werden so überlagert, daß das Formteil
einem rundum gleichmäßigen Ionenbeschuß ausgesetzt
ist.
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DE 38 37 487 A1 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ätzen von Substraten mittels
einer magnetfeldunterstützten
Niederdruck-Entladung. Die Substrate sind zwischen Elektronen-Emittern
und Anoden angeordnet. Die Elektronen-Emitter sind von dem Magnetfeld
eines auf Massepotential befindlichen Magnetsystems umgeben. An
die Substrate werden negative Potentiale von 100 bis 1000 V angelegt.
Die Anodenpotentiale betragen 10 bis 250 V. Aus den mit Strom beheizten
Elektronen-Emittern treten Elektronen und werden zu den Anoden hin
beschleunigt. Die Elektronen kollidieren mit Gasatomen bzw. -molekülen, wobei durch
Stoßionisation
Gasionen und weitere Elektronen generiert werden. Das so erzeugte
Plasma dehnt sich aus und durchdringt die Substratanordnung. Aufgrund
des negativen Substratpotentials werden die positiven Gasionen aus
dem Plasma beschleunigt, so daß eine
intensive Innenätzung
der Substrate erzielt wird.
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WO 1998 0 31041 A1 beschreibt
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Einstellung der Ionenstromdichte
am Substrat. Die Vorrichtung besteht aus einer an ihrem Außenumfang
mit Magnetronkathoden oder Ionisationsquellen bestückten Vakuumkammer,
die um eine Beschichtungszone herum angeordnet sind und in deren
Zentrum sich eine aus einzelnen Permanentmagneten zusammengesetzte
Magnetanordnung befindet. Die Polungen der Magnetanordnung und der
sie umgebenden Magnetroaikathoden/Ionsationsquellen können gleich
oder entgegen gerichtet sein. Zusätzlich kann die magnetische
Feldstärke
der Magnetanordnung und die Position bzw. Orientierung ihrer Einzelmagnete
variiert werden. Hieraus resultieren vielfaltige Möglichkeiten
zur Einstellung des magnteischen Feldes in der Beschichtungszone
und damit verbunden zur Steuerung der Ionsisation am Substrat. Z.B.
werden bei umgekehrter Polung der Magnetanordnung und der Magnetronkathoden
magnetische Feldlinien durch die Beschichtungszone geführt, was
eine erhöhte
Ionsiation am Substrat zur Folge hat. Die in der Beschichtungszone
positionierten Substrate können
mit oder ohne Anlegen eines elektrischen Potentials beschichtet
werden. Zur elektrischen Versorgung der Substrate können sowohl
DC-, AC-, gepulste DC-, MF- und RF-Quellen eingesetzt werden.
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Bei
der industriellen Beschichtung von dreidimensionalen Substraten
arbeitet die überwiegende
Zahl der im Stand der Technik bekannten PVD-Verfahren mit stark
inhomogenen Entladungsplasmen. Die mit diesen PVD-Verfahren auf
dreidimensionalen Substraten abgeschiedenen Schichten weisen daher
Inhomogenitäten
auf. Demgegenüber
umfassen einige der bekannten PVD-Verfahren und -Anlagen Maßnahmen
bzw. Vorrichtungen, die ein homogenes Entladungsplasma aufweisen,
jedoch mit erheblichem apparativen Aufwand und Kosten, geringem
Substrat-Durchsatz und/oder einer Begrenzung der Substratdicke verbunden sind.
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Dementsprechend
hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen,
die es ermöglicht,
dreidimensionale Substrate auf kostengünstige und effektive Weise
mit einer homogenen PVD-Beschichtung zu versehen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung zur PVD-Beschichtung von Substraten, umfassend
eine Beschichtungskammer, zwei oder mehrere am Außenumfang
der Beschichtungskammer angeordnete Kathoden, Substratträger zur
Halterung der Substrate, Vakuumpumpen und Spannungsquellen, wobei
eine einzelne Anode zentrisch zwischen den Kathoden in der Beschichtungskammer
angeordnet ist und wobei die Substrate zwischen der Anode und den
Kathoden positioniert sind.
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In
Weiterbildung der Erfindung sind die Kathoden rotationssymmetrisch
um die Anode angeordnet und die Substratträger auf einem Drehteller montiert,
wobei der Drehteller zur Anode axial zentriert ist und die Substratträger drehbar
sind.
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Um
einen hohen Substratdurchsatz bei zugleich kompakter Bauweise zu
realisieren, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt mit
vier oder sechs Kathoden ausgestattet. Insbesondere sind die Kathoden
als balancierte Magnetronkathoden ausgeführt, die mittels konzentrisch
um die Magnetronkathoden angeordneter elektromagnetischer Spulen
als unbalancierte Magnetrons betrieben werden. Als Kathoden können Planare
Rechteckkathoden (Linearkathoden) oder Planare Rundkathoden eingesetzt
werden.
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Vorzugsweise
zeichnet sich die Anode dadurch aus, daß sie:
von teleskopartiger
Konstruktion ist, so daß die
Anodenlänge
zwecks Be- und Entladen der Beschichtungskammer reduziert werden
kann;
mit einer Kühlvorrichtung
ausgestattet ist zur Kompensation der Anodenaufheizung durch Plasmen
mit hoher Leistungsdichte; und
aus rostfreiem Stahl, Graphit
oder metallummanteltem Graphit besteht.
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Zwecks
horizontaler Be- und Entladung von Substraten ist die Beschichtungskammer
mit einer seitlich angeordneten Vakuumtür oder Vakuumschleuse ausgestattet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Beschichtungskammer mit einem Rezipienten
zur Aufnahme der zentralen Anode verbunden. Um die Anode beim Belüften der
Beschichtungskammer vor Kontamination zu schützen, ist zwischen dem Rezipienten
und der Beschichtungskammer ein Ventil installiert.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein kostengünstiges
und effektives Verfahren zur homogenen PVD-Beschichtung dreidimensionaler
Substrate bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein
Verfahren zur PVD-Beschichtung von Substraten, wobei zwischen einer
einzelnen, zentral positionierten Anode und mehreren Kathoden mittels
Gasentladungen Plasma erzeugt wird und wobei die Substrate während der
Beschichtung von Plasma umgeben sind.
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Erfindungsgemäß werden
die Gasentladungen in einem Modus betrieben, bei dem der Ionenbeschuß der den
Kathoden sowie den Anoden zugewandten Substratzonen eine mittlere
Stromdichte von 0,2 bis 8,0 mA/cm2, bevorzugt
von 0,2 bis 5,0 mA/cm2 und insbesondere
von 1,0 bis 3,0 mA/cm2 aufweist.
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Während des
Beschichtungsvorgangs werden die Substrate typischerweise bewegt.
Insbesondere werden die Substrate auf einer um die Anode zentrierten
Kreisbahn zwischen der Anode und den Kathoden geführt und
rotieren simultan um vertikale, auf der zentrierten Kreisbahn mitgeführte Achsen.
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In
einer vorteilhaften Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird durch wechselnde magnetische Polung benachbarter Kathoden ein
geschlossenes Magnetfeld erzeugt, wobei das Magnetfeld das Plasma
im Inneren der Beschichtungskammer und beabstandet von der Wand
der Beschichtungskammer einschließt.
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Weiterentwicklungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
nach den Ansprüchen
22 bis 27 sind dadurch gekennzeichnet,
daß an die Anode ein Potential
von +20 bis +200 V, bezogen auf Massepotential angelegt wird;
daß an die
Substrate ein Potential von 0 bis –1000 V, bezogen auf Massepotential
angelegt wird;
daß die
Substrate elektrisch isoliert sind und ein floatendes Potential
annehmen;
daß an
die Kathoden ein Potential von –50
bis –1000
V, bezogen auf Massepotential angelegt wird;
daß die PVD-Beschichtung
in einer Atmosphäre
erfolgt, die mindestens eines der Gase Argon, Neon, Helium, Sauerstoff,
Stickstoff oder Actylen enthält;
und
daß der
Druck in der Beschichtungskammer 10–3 bis
0,1 mbar beträgt.
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Die
Erfindung stellt eine kostengünstige
Vorrichtung und ein industriell einsetzbares Verfahren für die homogene
PVD-Beschichtung dreidimensionaler Substrate bereit.
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Zudem
eröffnet
das Verfahren Möglichkeiten,
Substrate mit dreidimensional ausgeprägter Oberflächentopographie zu beschichten,
die mit den bekannten Methoden nicht beschichtet werden können.
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Im
Weiteren wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Beispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Die
Plasmaverteilung einer Doppelkathode;
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2a–2b eine
Magnetronkathode;
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3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
mit zentraler Anode;
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4a die
Plasmaverteilung in einer bekannten PVD-Beschichtungsanlage mit
balancierten Magnetronkathoden;
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4b die
Plasmaverteilung in einer bekannten PVD-Beschichtungsanlage mit
unbalancierten Magnetronkathoden;
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4c die
Plasmaverteilung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zentraler
Anode;
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5a eine
Beschichtungskammer mit Rezipient für die zentrale Anode;
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5b eine
zentrale Anode von teleskopartiger Konstruktion; und
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6a–6c die
elektrischen Kennlinien einer Versuchsanlage nach der Erfindung.
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1 illustriert
die Funktionsweise der im Stand der Technik bekannten Doppelkathoden-Anordnung. Ein Substrat
ist mittig zwischen zwei sich gegenüberstehenden Kathoden A und
B positioniert. Die Dichte des von jeder einzelnen Kathode erzeugten
Plasmas nimmt mit dem Abstand von der Kathode rasch ab, so daß jedes
einzelne Plasma A bzw. B auf das Substrat stark unterschiedlich
(anisotrop) einwirkt. Demgegenüber entsteht
durch die Überlagerung
der beiden Plasmen A und B am Ort des Substrates eine Raumzone mit
einer im wesentlichen gleichmäßigen (isotropen)
Plasmadichte.
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In
der industriellen Beschichtungstechnik werden vorzugsweise Magnetronkathoden
eingesetzt. Die wesentliche Komponenten und das Bauprinzip einer
rechteckigen Planaren Magnetron-Kathode sind in 2a und 2b dargestellt.
Hinter dem Target, das beim Beschichtungsprozess abgetragen (zerstäubt) wird,
sind Permanentmagnet-Segmente angeordnet, wobei ein inneres lineares
Magnetsegment von einem äußeren Ring
aus Magnetsegmenten mit umgekehrter Polung umgeben ist. Diese Magnetanordnung
erzeugt vor dem Target ein tunnelförmiges geschlossenes Magnetfeld,
das beim Beschichtungsvorgang den Einschluß des Entladungsplasmas bewirkt.
Eine wassergekühlte
Trägerplatte
führt die
bei hohen Kathodenleistungen an der Targetoberfläche erzeugte Wärmeenergie
ab.
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3 zeigt
schematisch eine beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
Im Zentrum einer vakuumdichten Beschichtungskammer 2 ist
eine Anode 5 angeordnet. Die Anode 5 ist umgeben von
zwei oder mehr Kathoden 3, die an der Innenwand der Beschichtungskammer 2 angebracht
sind. Die Anzahl der Kathoden 3 beträgt n mit n = 2, 4, 6, 8 oder
2n + 1 mit n = 1, 2, 3. Zwischen der Anode 5 und den Kathoden 3 befinden
sich mit Substraten 4 bestückte Substratträger 6.
Die Substratträger 6 sind
auf einem zur Anode 5 axial zentrierten Drehteller 7 montiert.
Der Drehteller 7 und die auf Planetenachsen gelagerten
Substratträger 6 werden
mittels Motoren angetrieben, so daß die Substratträger 6 auf
einer Kreisbahn zwischen der Anode 5 und den Kathoden 3 hindurchgeführt werden
und simultan hierzu um ihre Längsachse
rotieren.
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Die
Rotationsgeschwindigkeiten der Substratträger 6 (ωS) und des Drehtellers 7 (ωD) sind so abgestimmt, daß die mittlere Verweildauer
jedes Substrats 4 vor den Kathoden 3 gleichlang
ist. Dies wird z.B. erreicht, wenn ωS ein
Vielfaches von ωD beträgt: ωS = m·ωD mit m > 3.
Hierdurch wird eine gleichmäßige Beschichtung
der Substrate gewährleistet.
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Die
Beschichtungskammer 2 ist mit mindestens einem inerten
oder reaktiven Prozeßgas
wie z.B. Argon, Neon, Helium oder Sauerstoff, Stickstoff, Acetylen
gefüllt,
dessen Druck mittels mit der Beschichtungskammer 2 verbundener
Vakuumpumpen 8 im Bereich von 10–3 bis
0,1 mbar gehalten wird. Die Substrate 4, die Kathoden 3 und
die Anode 5 sind mit Spannungsquellen 15, 16, 17 verbunden,
wobei das Bezugspotential der Spannungsquellen 15, 16, 17 und
das Potential der Beschichtungskammer 2 auf Massepotential
liegt. Üblicherweise
werden an die Anode 5 Potentiale von +20 bis +200 V, an
die Kathoden 3 Potentiale von –50 bis –1000 V und an die Substrate 4 Potentiale
von 0 bis –1000
V angelegt. Alternativ können
die Substrate 4 isoliert bzw. auf floatendem Potential
gehalten werden – wie
in 3 durch einen geöffneten Schalter 18 angedeutet. Die
Anode 5 wird durch eine nicht gezeigte Kühlvorrichtung
gekühlt.
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Der
in 4a in Aufsicht dargestellte Querschnitt zeigt
schematisch die räumliche
Verteilung von Entladungsplasmen 14 in einer konventionellen
PVD-Beschichtungsanlage mit vier als balancierte Magnetrons ausgeführten Kathoden 3,
die jeweils ein Target 13 und einen hinter dem Target 13 angeordneten
Permanentmagnetsatz 11 aufweisen. Wie die Pfeile 20 und 21 andeuten,
werden die Substratträger 6 auf
einer Kreisbahn an den Kathoden 3 vorbeigeführt und
rotieren simultan um ihre Längsachse.
Die Wand der Beschichtungskammer 2 fungiert hierbei als
Anode; alternativ werden auch separate, unmittelbar neben den Kathoden 3 angeordnete
Anoden eingesetzt (in 4a nicht gezeigt). An jeder
Kathode 3 wird ein Entladungsplasma 14 gezündet, das
sich in eine Raumzone vor der Kathode 3 erstreckt. Vor
dem Target 13 überlagern
sich das Magnetfeld des Permanentmagnetsatzes 11 und das – hierzu
im wesentlichen senkrecht gerichtete – elektrische Feld des Kathodenpotentials,
wodurch das Entladungsplasma 14 vor dem Target 13 konzentriert
und nahezu vollständig
eingeschlossen wird.
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4b zeigt
eine weitere PVD-Beschichtungsanlage bekannten Typs mit vier als
balancierte Magnetrons ausgeführten
Kathoden 3, die jeweils mit einer elektromagnetischen Spule 12 ausgestattet
sind. Mittels der elektromagnetischen Spule 12 wird ein
zusätzliches
Magnetfeld erzeugt dessen Feldlinien senkrecht zum Target 13 verlaufen
und das Magnetfeld der Außenpole
des Permanentmagnetsatzes 11 verstärken. Hierdurch wird der zuvor
beschriebene Plasmaeinschluß vor
den Kathoden 3 aufgehoben und das Entladungsplasma 14 füllt die
Raumzone vor den Kathoden 3. Eine nach diesem Prinzip arbeitende
Kathode wird allgemein als unbalancierte Magnetronkathode (Unbalanced
Magnetron) bezeichnet. Die Stärke
des von den elektromagnetischen Spulen 12 erzeugten Magnetfeldes
bestimmt die Einspeisung und Aufweitung des Entladungsplasmas 14 in
den Raum vor der Kathode 3. Somit können die Dichte und räumliche
Ausdehnung des Entladungsplasmas 14 in einem begrenzten
Bereich über
die Stromstärke
IUB in den elektromagnetischen Spulen 12 gesteuert werden.
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Wie
jedoch in 4b schematisch angedeutet, gelingt
es auch mit unbalancierten Magnetronkathoden 3 nicht, die
Entladungsplasmen 14 derart auszudehnen, daß die offenen
Bereiche der Raumzone 22 durchdrungen werden und die Substrate 4 gleichmäßig von
Plasma umgeben sind. Insbesondere, wenn der lichte Abstand zwischen
benachbarten Substratträgern 6 klein
ist, sind die von den Kathoden 3 abgewandten Substratseiten
praktisch gänzlich
von den Entladungsplasmen 14 abgeschirmt.
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4c zeigt
eine PVD-Beschichtungsanlage, die erfindungsgemäß mit einer zentralen Anode 5 ausgerüstet ist.
Die zentrale Anode 5 bewirkt, daß sich die Entladungsplasmen 14 bis
in den zentralen Bereich der Beschichtungskammer 2 erstrecken.
Die Entladungsplasmen 14 durchsetzen die offenen Bereiche
der Raumzone 22 und füllen
den Raum zwischen der Anode 5 und den Substratträgern 6,
wobei die Substrate 4 von Entladungsplasmen 14 umschlossen werden.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch
eine Anordnung, bei der die Permanentmagnetsätze 11 und die elektromagnetischen
Spulen 12 benachbarter Kathoden 3 zueinander entgegengesetzte
Polaritäten
aufweisen und ein geschlossenes Magnetfeld erzeugen. Die räumliche
Ausdehnung dieses geschlossenen Magnetfelds ist in 4c mittels
nach innen gekrümmerter
Linien illustriert, die jeweils von dem äußeren Nordpol eines Permanentmagnetsatzes 11 zu
den äußeren Südpolen der
beiden links und rechts benachbarten Permanentmagnetsätze 11 verlaufen.
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Industriell
genutzte Beschichtungsanlagen weisen z.T. Höhen von mehr als zwei Meter
auf. Zwecks effektiver Be- und Entladung der Substratchargen ist
die Beschichtungskammer mit einer seitlich angeordneten Vakuumtür oder Vakuumschleuse
ausgestattet. Eine derartige Vakuumtür/schleuse ermöglicht den
horizontalen Zugang zum Inneren der Beschichtungsanlage. 5a zeigt
schematisch eine derartige Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Beschichtungskammer 2 mit einem
vertikalen Rezipienten 9 zur Aufnahme der Anode 5 ausgestattet
ist. Die mit Substraten 4 bestückten Substratträger 6 sind
auf einer Halteplatte oder direkt auf dem Drehteller 7 montiert.
Zum Entladen der Beschichtungskammer 2 wird zunächst die
Anode 5 mittels eines Stellmotors (nicht gezeigt) aus ihrer
Arbeitsposition in ihre Be-/Entladeposition im Rezipienten 9 verfahren,
um den Innenraum der Beschichtungskammer 2 freizugeben.
Danach wird die Vakuumtür/-schleuse
(nicht gezeigt) geöffnet
und die Halteplatte mit den Substratträgern 6 und den Substraten 4 mittels
eines Chargierwagens horizontal aus der Beschichtungskammer 2 entnommen.
Zum Beladen der Beschichtungskammer 2 wird die Halteplatte
bzw. der Drehteller 7 mit den Substratträgern 6 und
den zu beschichtenden Substraten 4 mittels des Chargierwagens
horizontal in die Beschichtungskammer 2 eingebracht. Bei Verwendung
einer Halteplatte wird diese auf den Drehteller 7 gesetzt.
Hieran anschließend
wird die Vakuumtür/-schleuse
geschlossen, die Beschichtungskammer 2 evakuiiert, die
Anode 5 in ihre Arbeitsposition gefahren und der Beschichtungsprozeß gestartet.
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Um
die Anode 5 beim Belüften
der Beschichtungskammer 2 vor Kontamination zu schützen, ist
es zweckmäßig, den
Rezipienten 9 mit einem Ventil (nicht gezeigt) auszurüsten.
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5b,
deren Bezugszahlen analog zu jenen der 5a sind,
zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine Anode 5' eine teleskopartige
Konstruktion aufweist.
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Vor
dem Be-/Entladen der Beschichtungskammer 2 wird die Anode 5' teleskopartig
eingezogen. Dadurch wird es möglich,
die Bauhöhe
des Rezipienten 9 im Vergleich zu der Ausführungsform
nach 5a zu verringern bzw. gänzlich auf den Rezipienten 9 zu
verzichten.
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Beispiel
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Zur
Erprobung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wurde in eine, mit vier unbalancierten Magnetronkathoden ausgestattete
PVD-Beschichtungsanlage eine zentrale Anode eingebaut.
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Aufbau
und Konfiguration der erfindungsgemäßen Versuchsanlage entspricht
im wesentlichen den
3 und
4b. Die
wichtigsten Anlagen- und Versuchsparameter sind der nachfolgenden
Tabelle zu entnehmen:
Kammerdurchmesser: | ca.
1 m |
Kammerhöhe: | ca.
1 m |
Anzahl
Kathoden: | 4 |
Gesamtfläche Targets: | 0,6
m2 |
Gesamt-Kathoden-Leistung: | 10
bis 30 kW |
Kathodenspannung
(bei 10 kW): | ca. –400 V |
Gesamtkathodenstrom
(bei 10 kW): | 25
A |
Anzahl
Substrathaltezylinder: | 12 |
Durchmesser
Substrathaltezylinder: | 0,08
m |
Länge Substrathaltezylinder: | 0,45
m |
Gesamtfläche Substrathaltezylinder: | 1,4
m2 |
Substratpotential: | –40 V |
Abstand
Kathodentarget/Substratträgermitte: | 0,2
m |
Prozeßgas: | Argon |
Entladungsdruck: | 3·10–3 mbar |
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Als
Maß für den Beschuß der Substrate 4 mit
Argon-Ionen aus den Entladungsplasmen 14 dient der an den
Substratträgern 6 gemessene
Strom, der im Folgenden als Substratstrom bezeichnet wird. 6a zeigt die
Abhängigkeit
des Substratstroms vom Anodenpotential bei einem mittels der Spannungsversorgung 16 erzeugten
Substratpotential von –40
V und Kathodenleistungen von 10, 17 und 30 KW. Hierbei wurden die
vier Magnetronkathoden 3 im balancierten Modus betrieben,
d.h. die Stromstärke
IUB in den elektromagnetischen Spulen 12 betrug
Null. In konventionellen Beschichtungsanlagen sind die Entladungsplasmen 14 im
Betriebsmodus balancierter Magnetronkathoden 3 auf eine
kleine Raumzone vor den Kathodentargets 13 konzentriert, wobei
nur wenige Elektronen in die Nähe
der Substrate 4 bzw. Substratträger 6 gelangen. Dementsprechend wird
in Substratnähe
nur eine geringe Zahl von Argon-Atomen durch Elektronenstoß ionisiert,
so daß der
Beschuß der
Substrate mit Argon-Ionen und damit der Substratstrom sehr gering
ist.
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Demgegenüber werden
mittels der zentralen Anode 5 auch für balancierte Magnetronkathoden 3 (IUB = 0 A) Substratströme von einigen Ampere erzielt.
Wie aus 6a ersichtlich, nimmt der Substratstrom
annähernd
linear mit dem Anodenpotential zu. Allerdings ist an der Versuchsanlage
bereits bei einer Kathodenleistung von 17 KW und einem Anodenpotential
von etwa 100 V der Maximalstrom der Spannungsversorgung 17 der
Anode 5 erreicht. Aufgrund dieser apparativen Einschränkung der
Versuchsanlage kann der Substratstrom, der an den Anodenstrom gekoppelt
ist, nicht weiter erhöht
werden. In noch stärkerem
Maße trifft
dies für
eine Kathodenleistung von 30 KW zu, bei der der Grenzwert des Anodenstroms
bei einer Anodenspannung von etwa 30 V erreicht ist. Ungeachtet
dieser apparativen Einschränkung
zeigen die in 6a dargestellten Meßergebnisse,
daß bei
Verwendung der zentralen Anode 5 der Substratstrom bei
Erhöhung
der Kathodenleistung um ein Vielfaches ansteigt.
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Neben
den elektrischen Meßkurven
bestätigt
auch ein Blick durch das Fenster der Versuchsanlage die mittels
der erfindungsgemäßen zentralen
Anode 5 erzielten Effekte. In konventionellen PVD-Beschichtungsanlagen
bleibt der zentrale Bereich der Beschichtungskammer dunkel. In der
erfindungsgemäßen Versuchsanlage
hingegen ist die Raumzone zwischen der zentralen Anode 5 und
den Substratträgern 6 mit
leuchtendem Plasma gefüllt.
Hierbei nimmt die Lichtstärke
der Plasmaemission mit dem Anodenpotential zu. Die unerwartete und überraschend
starke Wirkung der zentralen Anode 5 wird hierdurch auf
eindrucksvolle Weise belegt.
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Wegen
der oben beschriebenen apparativen Einschränkung der Versuchsanlage wurde
die Kathodenleistung bei den weiteren Messungen auf 10 KW begrenzt.
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In 6b sind
der Substrat- und Anodenstrom als Funktion des Anodenpotentials
und der Stromstärke
IUB = 0 A, 3 A und 6 A in den elektromagnetischen
Spulen 12 dargestellt. Die Kathodenleistung beträgt 10 KW
und das Substratpotential –40
V. Wie oben erläutert,
wird das Magnetfeld, das die Aufweitung der Plasmazone der balancierten
Magnetron-Kathode bewirkt, über
IUB geregelt. Bei einer Erhöhung von
IUB von 0 auf 3 A nimmt der Substratstrom
um bis zu 80 % zu. Eine weitere Erhöhung von IUB auf
6 A hat jedoch keinen messbaren zusätzlichen Einfluß auf den
Substratstrom. Anders das Anodenpotential, mit dem der Substratstrom stetig
und annähernd
linear über
einen weiten Bereich von 20 bis zu 180 V ansteigt. Selbst bei einer
Kathodenleistung von lediglich 10 KW wird ein Substratstrom bis
zu 6,6 A erzielt (Anodenspannung 180V, IUB =
3 A), was einer mittleren Substratstromdichte von 0,47 mA/cm2 an der Oberfläche der Substratträger 6 entspricht. Durch
einfache Maßnahmen
wie Erhöhung
von Kathodenleistung, Anodenpotential und/oder Entladungsdruck sowie
Optimierung der Anoden- und Kathodengeometrie kann die Substratstromdichte
auf Werte von bis zu 8,0 mA/cm2 gesteigert
werden. Erfindungsgemäß werden
mittlere Substratstromdichten von 0,2 bis 5,0 mA/cm2 und
insbesondere von 1,0 bis 3,0 mA/cm2 bevorzugt.
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6c schließlich veranschaulicht
die Wirkung der erfindungsgemäßen Anode 5 anhand
der Differenz ΔI
zwischen dem Anodenstrom und dem Kathoden-Gesamtstrom. Die Meßwerte sind
bei einer Kathodenleistung von 10 KW, einem Substratpotential von –40 V und
einem Spulenstrom IUB = 6 A aufgenommen.
Während
der Kathoden-Gesamtstrom praktisch konstant 25 A beträgt, wächst der
Anodenstrom kontinuierlich an und übersteigt für Anodenpotentiale größer 50 V
den Kathoden-Gesamtstrom. Generell bedeuten Werte von ΔI > 0, daß die Zahl
der Elektronen, die von den Entladungsplasmen über die zentrale Anode abgeleitet
werden, größer ist
als die Zahl der in den kathodenseitigen Plasmazonen (Kathodenfall
bzw. Magnetron-Plasmafalle) generierten Argon-Ionen bzw. Elektronen.
lies ist nur möglich,
wenn in Anodennähe
zusätzliche
Ionisations-Mechanismen – insbesondere
Stoßionisation – wirken.
Es ist überraschend,
daß mittels
der erfindungsgemäßen zentralen
Anode 5 bereits in der Versuchsanlage Differenzströme ΔI von bis
zu 13 A erzielt werden.