DE102008005771A1

DE102008005771A1 - Zerstäubungstarget zur Herstellung von PVD-Beschichtungen aus mehreren chemischen Elementen

Info

Publication number: DE102008005771A1
Application number: DE200810005771
Authority: DE
Inventors: Stavros Dr.-Ing. Kouptsidis
Original assignee: WOLF BESCHICHTUNGSTECHNOLOGIE; WOLF BESCHICHTUNGSTECHNOLOGIE GmbH
Current assignee: WOLF BESCHICHTUNGSTECHNOLOGIE; WOLF BESCHICHTUNGSTECHNOLOGIE GmbH
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2009-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mehrkomponentiges Zerstäubungstarget zur Herstellung von PVD-Beschichtungen aus mehreren metallischen Elementen, das aus einer mit geeigneten Vertiefungen versehenen Grundplatte aus mindestens einem der Beschichtungselemente besteht, wobei die restlichen Komponenten aus verschiedenen Metallen bzw. Metalllegierungen ineinander und zur Grundplatte verschachtelt eingebettet und über eine gemeinsame Verschraubung außerhalb des aktiven Targetbereiches an der Kathode befestigt sind, sodass die gewünschte chemische Zusammensetzung der Beschichtung aus dem Flächenverhältnis der Elemente, deren Zerstäubungskoeffizienten und der lokalen Ionenstromverteilung im aktiven Targetbereich bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zerstäubungstarget zur Herstellung von PVD-Beschichtungen das aus mehreren Komponenten nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2 aufgebaut ist.
Stand der Technik
Bei einem PVD-Zerstäubungsprozess (Physical Vapour Deposition) wird ein Plasma in einer geeigneten Atmosphäre mit Hilfe von elektrischen bzw. und magnetischen Feldern erzeugt, dessen positiv geladene Ionen in Richtung der negativen Kathode beschleunigt werden und dort beim Aufprall die Zerstäubung des Kathodenmaterials herbeiführen. Hiermit werden Substrate, die um die Kathode angeordnet sind, beschichtet.
Die Vielzahl der PVD-Beschichtungsverfahren lässt sich hauptsächlich in zwei Kategorien aufteilen: das Lichtbogenentladungsverfahren und das Kathodenzerstäubungsverfahren. In die zuletzt genannte Kategorie gehört auch das viel verbreitete Zerstäubungsverfahren mit Hilfe eines Planarmagnetrons (1). Es besteht im Wesentlichen aus dem auf einem Kühlkörper (2) befestigten Target (1) und einem dahinter angeordneten Magnetsystem (5), welches das entstehende Plasma (3) in der Nähe der Targetoberfläche in der Form eines geschlossenen Schlauches konzentriert. Unterhalb des Plasmaschlauches (3) entsteht durch eine intensive Kathodenzerstäubung des Targets der typische Zerstäubungsgraben (6). Dagegen ist der Kathodenabtrag bei einem Zerstäubungsverfahren ohne Magnetfelder weniger intensiv und mehr oder weniger gleichmäßig auf der gesamten Kathodenoberfläche verteilt.
Neben den elektrischen und magnetischen Feldern benötigt man zur Plasmaerzeugung bei der „nicht reaktiven Zerstäubung" ein Edelgas – meistens Argon – z. B. in einem Druckbereich um 10^–3 mbar. Im Falle der „reaktiven Zerstäubung" wird dem Edelgas ein reaktives Gas (N₂‚ O₂, Kohlenwasserstoffe, usw.) beigemischt, das mit dem Kathodenmaterial reagiert und zur Beschichtung der Substrate mit den Reaktionsprodukten führt.
Nach dem heutigen Stand der Technik finden PVD-Schichten nicht nur für dekorative Zwecke Anwendung, sondern werden vielmehr auch als funktionaler Überzug auf diverse Bauteile und Werkzeuge aufgebracht. Es ist bekannt, dass PVD-Schichten aus z. B. Titannitrid (TiN), Titan-Aluminiumnitrid (TiAlN), Titancarbonitrid (TiCN) usw. zur Erhöhung der Oberflächenhärte bzw. der Verschleißfestigkeit der Substrate eingesetzt werden. Damit lassen sich Standzeiten von Bauteilen und Werkzeugen wesentlich verlängern.
Im Laufe der Zeit hat die Praxis gezeigt, dass es außer den bekannten binären (wie z. B. TiN, CrN) und ternären (wie z. B. TiAlN, TiCN) Schichtsystemen wünschenswert wäre, auch quaternäre bzw. mehrkomponentige PVD-Beschichtungen herstellen zu können. Durch Zugabe von bestimmten Elementen (wie z. B. Si oder B) und durch Variation deren Konzentrationen in der Schicht lassen sich gezielt verschiedene Funktionalitäten der Schicht (wie z. B. Härte oder Reibwert) für den jeweiligen Anwendungsfall optimieren. Eine Reihe der Schichtelemente (wie z. B. C oder N) lassen sich zwar über die Gasphase durch reaktive Zerstäubung einbauen, die Mehrzahl jedoch wird bevorzugt über die Zerstäubung des Kathodenmaterials erzeugt.
Zu diesem Zweck verwendet man häufig pulvermetallurgisch – mit der gewünschten Zusammensetzung – hergestellte Kathodentargets, oder man lässt die räumlich rotierenden Substrate aus mehreren Zerstäubungsquellen beschichten. Beide Methoden sind jedoch sehr kostspielig und unflexibel bei der ständigen Anpassung an den zunehmend wachsenden Bedarf für neue Schichtarten mit mehreren Elementen.
Nach dem US-Patent US-4,505,798 werden mehrkomponentige Targets aus nebeneinander liegenden Segmenten oder Sektoren von Metallelementen vorgeschlagen. Dies kann entweder mit Hilfe einer elektrolytischen Abscheidung – wie im Falle des beschriebenen Systems Nickel/Chrom – oder durch Bonden der Segmente auf den Kathodengrundkörper hergestellt werden. Beide Verfahren sind jedoch kostenintensiv und nicht immer auf alle chemischen Elemente anwendbar.
Zur Herstellung von großen Targets ist in dem Patent EP 1614767A1 vorgeschlagen, auf einer Grundplatte mehrere rechteckige bzw. nicht rechteckige Plättchen mit gleicher chemischer Zusammensetzung als ein- bzw. zweidimensionale Reihe zu bonden. Nach dieser Technik könnte man prinzipiell auch durch Wahl von Plättchen mit verschiedener chemischer Zusammensetzung jede gewünschte Verbundbeschichtung auf Substraten erzeugen. Solche Targets sind aber kostspielig, da die Plättchen auf die Grundplatte gebondet werden müssen. Darüber hinaus verbergen sie eine signifikante Gefahr der unerwünschten Mitzerstäubung der Grundplatte an möglichen unbedeckten Grenzflächen zwischen den Plättchen.
Zweikomponentige Targets für Titan-Aluminium-Verbindungen werden von der Fa. CemeCon – Ceramic Metal Coatings – Dr.-Ing., Antonius Leyendecker AG in D52146 Würselen, nach der Offenlegungsschrift DE 100 39 478 A1 serienmäßig gefertigt. Sie bestehen aus einer Kupfergrundplatte, die über eine Sprengplattierung mit einer Titanplatte gebondet sind. Zur Erzeugung der gewünschten Ti-Al-Zusammensetzung sind Aluminiumstopfen in entsprechende Bohrungen der Titanplatte eingebaut. Die freiliegende Stopfenoberfläche soll laut Anmeldung besonders geformt werden, um die Gleichmäßigkeit der Beschichtung während der gesamten Lebensdauer des Targets zu gewährleisten.
Es ist leicht ersichtlich, dass eine derartige Targetfertigung sehr kostspielig ist, zumal die Platten nach dem Explosionsbonding gerichtet, beidseitig plangefräst und zur Aufnahme der Aluminiumstopfen bearbeitet werden müssen. Darüber hinaus steigen die Fertigungskosten durch die Formgebung der Stopfenoberfläche und durch das Fügen der Stopfen in die Plattenbohrungen.
Im besonderen Fall der weit verbreiteten Targets für einen Planarmagnetron (1) entsteht durch die Zerstäubung bis zum Targetumtausch ein Graben (6) entsprechend der Ionendichteverteilung des darüber liegenden Plasmaschlauches (3). Dabei beträgt die Abtragung nur etwa 20% des Targetmaterials. Daher wurde versucht, die Targets durch Füllung des Grabens mit Hilfe des Plasmaspray-Verfahrens aus dem entsprechenden Pulvermaterial zu regenerieren. Dieses Verfahren ist jedoch aufwendig und liefert darüber hinaus ein Füllmaterial im Graben, das einen erhöhten Anteil an unerwünschten Verunreinigungen aufweist.
Abschließend sei auch das Problem vom Recycling der hochwertigen Bestandteile aus den verbrauchten Targets erwähnt. Durch eine Verwertung dieser Materialien könnte man die Umwelt schonen und darüber hinaus die Targetkosten reduzieren. Leider sind die Bestandteile in den meisten Targets miteinander so gebondet, dass ein Recycling je nach Bonding-Verfahren sehr aufwendig bzw. teilweise auch unmöglich ist.
Aufgabenstellung
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Merkmalen ein mehrkomponentiges Target zu schaffen, das – verglichen mit der bisher bekannten Technik – leicht herstellbar ist, eine erhöhte Wirtschaftlichkeit sowie hohe Flexibilität zur Variation der Bestandteile in der Beschichtung aufweist und nach Verbrauch durch ein einfaches Recycling kostengünstig verwertet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 der vorliegenden Erfindung gelöst. Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Vorteile wird es zuerst im Falle des am meisten verwendeten rechteckigen zweikomponentigen Targets für Planarmagnetrons ausführlich erläutert.
In einem rechteckigen Planarmagnetrontarget (1) findet die Zerstäubung nur im Bereich unterhalb des Plasmaschlauches (3) statt. Die lokale Zerstäubungsintensität entspricht der Ionendichteverteilung im Plasma. Da letztere gaußförmig ist, entsteht durch die Zerstäubung der bekannte Targetgraben (6) in der Form einer Gaußglocke mit einer Standardabweichung von typisch etwa 2σ = 8 mm. Diese Standardabweichung hängt hauptsächlich von der Magnetfeldverteilung (4) des Planarmagnetrons ab. In der Mitte des Grabens hat die Zerstäubungsrate ihr Maximum; bei ab nur ca. 15 mm rechts und links der Grabenmitte findet praktisch keine Zerstäubung statt.
Es ist daher ersichtlich, dass die chemische Zusammensetzung in der Beschichtung – abgesehen von Anteilen eventuell vorhandener reaktiver Gase in der Entladungsatmosphäre – nur von der örtlichen Verteilung der Elemente im Graben, der lokalen Intensität der Zerstäubung sowie dem Zerstäubungskoeffizienten abhängig ist. Daher wäre es eigentlich denkbar, nur die teuren Komponenten der Beschichtung im Bereich des Grabens einzubetten. Damit könnten sich die Targetkosten beträchtlich reduzieren lassen, da der Grabenanteil im Target bei nur etwa 20% liegt.
In folgendem Beispiel wird die chemische Zusammensetzung der Beschichtung in einem Planarmagnetron bei einer nicht reaktiven Zerstäubung aus einem Target (2 und 3) mit zwei Komponenten bestimmt. Sei der Graben 6 in (2) und (3) mit einer Standardabweichung von z. B. 2σ = 8 mm belegt mit einer Komponenten (11) z. B. aus Titan bis zu einer Distanz von z. B. x = 2 mm über die Mitte des Grabens und dem Rest aus der Komponenten (10) z. B. Aluminium. Ferner seien α_Al und α_Ti die Zerstäubungskoeffizienten für Aluminium und Titan. Daraus folgt:
Relative lokale Innenintensität:
Relative lokale Zerstäubungsrate: α_Al·f(x) bzw. α_Ti·f(x)
Relative Zerstäubung für Titan:
Der Intergral lässt sich mit Hilfe der bekannten Fehlerfunktion erf(x/σ√2) berechnen:
Dementsprechend ergibt sich auch die relative Zerstäubung für Aluminium:
Die prozentuale atomare Konzentration der Elemente in der Beschichtung ist dann:
Die Zerstäubungskoeffizienten der Elementen findet man z. B. aus dem Internet: http://www.npl.co.uk/nanoanalysis/sputtering_yields.html.
Die Standardabweichung σ des Grabens lässt sich für jedes Magnetron durch Messungen an dem ausgebildeten Graben nach einer langen Zerstäubung jedes beliebigen einkomponentigen Targets bestimmen.
Für den vorliegenden Fall ist dann:
α_Ti = 0,58, α_Al = 1,00, erf(x/σ√2) = erf(0,35) = 0,38, Z_Ti = 0,40, Z_Al = 0,31 C_Ti = 56% Ti, C_Al = 44% Al
Die erfindungsgemäße technische Realisierung eines solchen Targets ist in 3 dargestellt. Das Target besteht aus einer z. B. 10 mm dicken Aluminium Grundplatte (10), die in ihrer Mitte bis zu einer Tiefe von z. B. 5 mm ausgefräst ist. Diese Ausfräsung (8) läuft z. B. 2 mm über die Mitte des Zerstäubungsgrabens und dient zum Einbetten des zur Ausfräsung passenden 5 mm dicken Titan-Bleches (11). Über gemeinsame Schrauben (9) – die z. B. in der von Ionen nicht bombardierten neutralen Mitte des Titanbleches liegen könnten – wird dann das Titanblech auf die Aluminiumplatte gepresst und zusammen auf die Kühlplatte des Planarmagnetrons festgeschraubt.
Damit erreicht man eine optimale Kühlung des Targets ohne Anwendung eines kostspieligen Bonding-Verfahrens, eine Reduzierung vom teuren Titan-Material, eine Reduzierung der Bearbeitungskosten, eine vollständige und einfache Verwertung der Bestandteile des verbrauchten Targets und vor allem eine Verlängerung der Einsatzzeit, da die oberhalb der Kühlplatte liegende Aluminiumkomponente eine versehentliche Mitzerstäubung der Kühlplatte kurz vor Abnutzung des Targets ausschließt.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Erfindung für ein Target mit drei Komponenten (10, 11 und 12), wobei die zwei Komponenten (11) und (12) ineinander und zur Grundplatte aus der Komponente (10) eingebettet sind und über eine gemeinsame Verschraubung in der neutralen Mitte des Targets an der Kathodenkühlplatte befestigt werden. In der Ausführung der 5 werden zusätzliche Komponente (13) und (14) über Verschraubungen im Bereich des vom Ionenbombardements freien und neutralen Randes eingebaut. Damit lassen sich Targets aus vier bzw. fünf Komponenten realisieren. Darüber hinaus lässt sich die Zahl der Elemente im Target durch die Wahl von gängigen Metalllegierungen als Targetkomponente beliebig variieren.
Mit steigender Anzahl von Elementen in der Schicht wird in der Regel die Konzentration speziell von teueren Elementen gering. In diesem Fall (5) werden diese Elemente (13) und (14) erfindungsgemäß nur am Rand des Grabens eingebettet. Damit lassen sich die notwendigen Mengen von teuren Elementen und damit auch die Kosten reduzieren. Die Befestigung aller Targetkomponenten auf der Kühlplatte der Kathode erfolgt über Verschraubungen in den vom Ionenbombardement freien Zonen außerhalb des Zerstäubungsgrabens.
Zur Vermeidung von Änderungen in der Schichtzusammensetzung, bedingt durch mechanische Toleranzen bei der Bestimmung der Grabenmitte und Platzierung des Targets, wird nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung (6) die Trennlinie (20) zwischen den Komponenten mehr oder weniger wellenförmig moduliert. Diese Modulation bewirkt den Ausgleich von unerwünschten Unterschieden in der Zerstäubungsintensität zwischen den Targetkomponenten im Bereich der Grabenmitte. Bei einer Vergrößerung der Modulationsamplitude (21) über den Graben hinaus, erreicht man dann die totale Unabhängigkeit der Schichtzusammensetzung von der Lage des Grabens. In diesem Fall hängt dann die Zusammensetzung nur vom Flächenverhältnis in Bereich des Grabens und den entsprechenden Zerstäubungskoeffizienten der Elemente ab.
Anstelle der Modulation der Trennlinie werden die Komponenten des Targets in einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung (7) als Streifen in entsprechende Einfräsungen der Grundplatte eingebettet. Das Flächenverhältnis dieser Streifen bestimmt dann die Zusammensetzung der Beschichtung. Bei einer Targetgeometrie mit wenig Platz am Targetrand werden diese Streifen bzw. andere Komponenten am Grabenrand von der zur Kathode zugewandten Seite an die Grundplatte (10) verschraubt (16). Das Target wird dann über die Hauptverschraubungen (9) an die Kathode befestigt.
Nach einer bevorzugten Targetausführung für größere Fertigungsserien kann z. B. die Komponente (11) mit jeder gewünschten Randmodulation (20 bzw. 21) kostengünstig gestanzt, oder mit Wasser- bzw. Laserstrahl geschnitten und über Heißpressen, -walzen oder -gesenkschmieden in die Grundplatte (10) eingebettet werden.
Mehrere der beschriebenen Targets wurden bereits erfolgreich getestet und serienmäßig gefertigt und zur Beschichtung von Werkzeugen und Bauteilkomponenten erfolgreich eingesetzt. Durch Wahl der Elemente und Variation der Konzentration konnte man die Eigenschaften der Beschichtungen mit den Erfordernissen leicht und kostengünstig anpassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 505798 [0008]
- EP 1614767 A1 [0009]
- DE 10039478 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- http://www.npl.co.uk/nanoanalysis/sputtering_yields.html [0022]

Claims

Zerstäubungstarget (1) zur Herstellung von PVD-Beschichtungen aus mehreren metallischen Elementen, bestehend aus mehreren zur Schichterzeugung erforderlichen Targetkomponenten, dadurch gekennzeichnet, dass die der Kathode (2) zugewandte Targetrückseite aus mindestens einer mit geeigneten Vertiefungen versehenen Grundplatte (10) besteht, in der die restlichen Komponenten z. B. (11), (12), (13) und (14) so ineinander verschachtelt eingebettet sind, dass sie über mindestens eine gemeinsame Verschraubung (9) im neutralen Targetbereich zusammengehalten und an die Kathode (2) fest verschraubt werden.
Zerstäubungstarget (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verschachtelten Targetkomponenten so eingebettet sind, dass mindestens in dem, dem Ionenbombardement zugewandten aktiven Bereich des Targetgrabens (6) ein Flächenverhältnis der Komponenten entsteht, das unter Berücksichtigung der lokalen Dichte des Ionenebombardements sowie der Zerstäubungskoeffizienten der in den Targetkomponenten vorhandenen chemischen Elementen zur gewünschten Schichtzusammensetzung führt.
Zerstäubungstarget (1) nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponentengrenzlinie (8) im Grabenbereich (6) parallel zur Symmetrieachse (7) des Grabens (6) verläuft.
Zerstäubungstarget (1) nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponentengrenzlinie (20) bzw. (21) mit einer zur Symmetrieachse (7) senkrechten Modulation versehen ist und innerhalb (20) bzw. außerhalb (21) des Grabens verläuft.
Zerstäubungstarget (1) nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass kostspielige Targetkomponenten (13, 14) insbesondere am Rand des Zerstäubungsgrabens (6) in Vertiefungen der Grundplatte (10) eingebettet werden.
Zerstäubungstarget (1) nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (15) in Form von Streifen über den Zerstäubungsgraben (6) senkrecht zu seiner Symmetrieachse (7) in Vertiefungen der Grundplatte (10) eingebettet und über Verschraubungen (16) aus der zur Kathode zugewandten Seite befestigt sind.
Zweikomponentiges Zerstäubungstarget (1) nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente für die Grundplatte (10) aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen besteht und mit einer passenden Ausfräsung zur Einbettung der zweiten Komponente (11) aus Titan oder Titanlegierungen versehen ist.
Zweikomponentiges Zerstäubungstarget (1) nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (11) bzw. (15) aus Titan oder Titanlegierungen in der Grundplatte (10) aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen über eine Heißpressung oder durch Heißwalzen bzw. Gesenkschmieden eingebettet wird.
Zweikomponentiges Zerstäubungstarget (1) nach den Ansprüchen 6 bzw. 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (10) aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen von 8 mm bis 30 mm, bevorzugt 10 mm und die zweite Komponente (11) aus Titan oder Titanlegierungen 3 mm bis 25 mm, bevorzugt 5 mm, dick sind.
Verfahren zur Bestimmung der zu erwartenden chemische Zusammensetzung einer Beschichtung aus einem mehrkomponentigen Target, dadurch gekennzeichnet, dass sie über eine Flächenintegration im Grabenbereich (6) unter Berücksichtigung der Zerstäubungskoeffizienten der dort eingebauten Elemente und unter der Annahme einer Gausverteilung der Plasmaionendichte, deren Standardabweichung sich aus der Abmessungen des zerstäubten Grabens (6) ergibt, ermittelt wird.