-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein PVD-Beschichtungsverfahren, bei
welchem in einer Vakuumkammer wenigstens zwei unterschiedliche Beschichtungsmaterialien
unter Verwendung von wenigstens zwei Magnetrons nacheinander auf
wenigstens ein Substrat abgeschieden werden.
-
-
Ausgehend
vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren der oben genannten Gattung zur Verfügung
zu stellen, mit welchem eine höhere Abscheiderate sowie verbesserte
Schichteigenschaften zur Verfügung gestellt werden können.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren der genannten Gattung gelöst,
wobei wenigstens bei einem Abscheideschritt eines der Beschichtungsmaterialien
alle zur Beschichtung vorgesehenen Magnetrons als Kathode geschaltet
werden und wenigstens ein nicht zur Beschichtung vorgesehenes Magnetron und/oder
wenigstens eine vor diesem, wenigstens einen Magnetron angeordnete,
bewegbare Abschirmvorrichtung (Shutter) als Anode geschaltet wird.
-
Damit
bildet das wenigstens eine, nicht zur Abscheidung genutzte Magnetron
oder die davor vorgesehene Abschirmvorrichtung, das oder die als
Anode geschaltet wird, eine zusätzliche Anode zu der eigentlichen
Anode der in der Vakuumkammer vorgesehenen Beschichtungsvorrichtung.
Durch die somit erfindungsgemäß wenigstens eine
zusätzlich bereitgestellte Anode kann die Feldverteilung
in der Vakuumkammer geändert und der Ionisationsgrad im Plasma
erhöht werden, wodurch die Abscheiderate erhöht
werden kann. Darüber hinaus kann die Verteilung der Plasmadichte
durch die zusätzliche(n) Anode(n) gesteuert werden. Hiermit
kann eine hohe Homogenität der Ionenverteilung im Plasma
eingestellt werden, sodass Schichten mit besonders vorteilhaften
Schichteigenschaften zur Verfügung gestellt werden können.
So können beispielsweise mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren Substrate mit Hartstoffschichten hoher Härte
und dennoch guter Haftfestigkeit beschichtet werden.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird wenigstens bei einem weiteren Abscheideschritt zur Abscheidung
eines weiteren der Beschichtungsmaterialien wenigstens ein, in einem
vorhergehenden oder nachfolgenden Abscheideschritt als Kathode geschaltetes
Magnetron und/oder wenigstens eine vor diesem, wenigstens einen
Magnetron angeordnete Abschirmvorrichtung als Anode geschaltet.
Auf diese Weise können die in der Vakuumkammer vorgesehenen Magnetrons
und/oder vor den jeweiligen Magnetrons angeordnete Abschirmvorrichtungen
wechselseitig jeweils als Kathode oder als Anode geschaltet werden,
sodass ein Magnetron, das während eines Abscheideschrittes
zur Schichtabscheidung genutzt wird, in einem anderen Abscheideschritt
zur Erhöhung und Homogenisierung der Ionisation im Kammerinneren
durch die Schaltung als Anode verwendet werden kann.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden
Erfindung werden peripher an der Vakuumkammer angeordnete, paarweise
gegenüberliegende Magnetrons verwendet, wobei wenigstens
ein Magnetronpaar als Kathode und wenigstens ein anderes Magnetronpaar und/oder
wenigstens eine vor diesem anderen Magnetronpaar angeordnete, bewegbare
Abschirmvorrichtung als Anode geschaltet. Bei dieser Verfahrensweise
kann jeweils wenigstens ein Magnetronpaar zur Schichtausbildung
genutzt werden, während wenigstens ein weiteres Magnetronpaar
zur Erhöhung der Ionisation im Kammerinneren und damit
zur Effektivierung des Beschichtungsprozesses und zur Verbesserung
der Schichteigenschaften der abgeschiedenen Schicht(en) genutzt
werden kann.
-
Entsprechend
eines besonders günstigen Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung wird bei einem ersten Abscheideschritt
wenigstens eine Haftvermittlungsschicht und bei einem zweiten Abscheideschritt
wenigstens eine Hartstoffschicht auf der Haftvermittlungsschicht
abgeschieden. Somit kann in dem ersten Abscheideschritt durch die
Abscheidung der wenigstens einen Haftvermittlungsschicht ein haftfähigkeitserhöhendes
Interface zwischen Substrat und eigentlicher Beschichtung, nämlich
der Hartstoffschicht, geschaffen werden. Auf dem Interface kann
die Hartstoffschicht mit einer geringeren Schichtspannung abgeschieden
werden, wodurch auch Hartstoffschichten mit großer Härte
dauerhaft haltbar auf dem Substrat aufgebracht werden können.
-
Beispielsweise
können während der Herstellung des Interfaces
alle zur Beschichtung vorgesehenen Magnetron-Kathoden als Anode
geschaltet werden, während bei der Abscheidung der eigentlichen Beschichtung
die zur Interface-Herstellung dienenden Magnetron-Kathoden sowie
im Falle eines Multilayer-Schichtaufbaus auch die gerade nicht an
der Beschichtung teilnehmenden Magnetron-Kathoden als Anode geschaltet
werden.
-
Dabei
können zur Bildung der Haftvermittlungsschicht Materialien
wie Cr, Ti, Nb, Ta, W, CrN, TiN, WN oder WC und zur Ausbildung der
wenigstens einen Hartstoffschicht Materialien wie CrN, CrCN, TiN,
TiCN, TiAlN, TiAlCN, ta-C, ta-C:H, a-C:H oder a-C:H:Me verwendet
werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden an das
oder die als Kathode geschaltete Magnetron(s) eine negative Vorspannung
von etwa 200 V bis etwa 1000 V gelegt und an das oder die als Anode
geschaltete Magnetron(s) und/oder an die wenigstens eine vor diesem, wenigstens
einen Magnetron angeordnete, bewegbare Abschirmvorrichtung eine
positive Spannung von etwa 0 V bis etwa 250 V gelegt.
-
Es
hat sich ferner als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Magnetrons
so mit Permanent- und/oder Elektromagneten versehen werden, dass sich
zwischen den Magnetrons entlang eines Kammermantels der Vakuumkammer
ein geschlossenes Magnetfeld einstellt. Diese Verfahrensweise ermöglicht
es, das Magnetfeld am Rand der Vakuumkammer so zu steuern, dass
die Ionen im Inneren der Vakuumkammer gezielt auf das wenigstens
eine zu beschichtende Substrat gerichtet werden können.
Dadurch können eine höhere Abscheiderate sowie
verbesserte Schichteigenschaften der auf dem wenigstens einem Substrat
abgeschiedenen Schicht oder Schichtfolge erzielt werden.
-
In
einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist
die Vakuumkammer eine zentrale Anode auf, deren Potenzial auf das
gleiche Potenzial wie das des oder der als Anode(n) geschalteten
Magnetron(s) und/oder der vor diesem Magnetron angeordneten, bewegbaren
Abschirmvorrichtung gelegt wird oder deren Potenzial unabhängig
von dem des oder der als Anode(n) geschalteten Magnetron(s) oder
der vor diesem bzw. dieses Magnetron(s) angeordneten, bewegbaren
Abschirmvorrichtung(en) eingestellt wird.
-
Bei
dieser Ausführungsvariante der Erfindung ist es besonders
günstig, wenn die Spannung an der separat geschalteten
Anode so gewählt wird, dass etwa die Hälfte des
Gesamtanodenstromes über die zentrale Anode fließt
und der Rest des Gesamtanodenstromes auf das oder die als Anode
geschaltete(n) Magnetron(s) und/oder die vor diesem oder diesen
Magnetron(s) angeordnete(n), bewegbare(n) Abschirmvorrichtung(en)
verteilt wird. Hierdurch kann der Plasmaprozess mehr in die Mitte
der Vakuumkammer ausgerichtet werden, wobei insbesondere die Teilchendichte
in der Mitte der Vakuumkammer, wo das wenigstens eine Substrat zu
beschichten ist, dichter ist. infolge dessen können eine
erhöhte Abscheiderate als auch verbesserte Schichteigenschaften
der abgeschiedenen Schicht oder Schichtfolge realisiert werden.
-
Vorteilhafte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Funktion
und Vorteile werden im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnung näher
erläutert, wobei
-
1 schematisch
eine Anordnung einer bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren einsetzbaren Vakuumkammer während eines ersten
Abscheideschrittes zeigt;
-
2 schematisch
die Vakuumkammer aus 1 während eines weiteren
Abscheideschrittes zeigt; und
-
3 schematisch
eine bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbare
Vakuumkammer mit zusätzlichen, an den Magnetrons vorgesehenen
Magneten zeigt.
-
1 zeigt
schematisch eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens verwendbare Vakuumkammer 1. Die Vakuumkammer 1 weist in
dem in 1 gezeigten Beispiel vier Magnetrons 4, 5, 6, 7 auf,
die jeweils paarweise gegenüberliegend peripher an der
Vakuumkammer 1 angeordnet sind. Jedes der Magnetrons 4, 5, 6, 7 weist
ein Target 41, 51, 61, 71 auf,
wobei die jeweils gegenüberliegenden Magnetrons 4, 6 bzw. 5, 7,
Targets 41, 61 bzw. 51, 71 mit
gleichen Beschichtungsmaterialien 2 bzw. 3 aufweisen.
-
Mittig
in der Vakuumkammer 1 ist eine zentrale Anode 11 vorgesehen.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Anode 11 separat von den Magnetrons 4, 5, 6, 7 mit
einer Spannung beaufschlagbar. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten
der Erfindung kann die zentrale Anode 11 auch so eingebaut
sein, dass sie auf ein identisches Potenzial wie wenigstens eins
der peripher angeordneten Magnetrons 4, 5, 6, 7 gebracht
werden kann.
-
Um
die zentrale Anode in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel sind mehrere Substrathalterungen für
zu beschichtende Substrate 8 vorgesehen.
-
Ferner
weist die Vakuumkammer 1 eine geschlossene Kammerwand bzw.
einen geschlossenen Kammermantel 10 sowie wenigstens eine
Gaszuleitung 14 und wenigstens eine Gasabführung 15 mit
einer Vakuumpumpe und einem Drosselventil 16 auf.
-
In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die Magnetrons 4, 6 als Kathoden K geschaltet,
während die Magnetrons 5, 7 als Anoden
A geschaltet sind. Dabei können die als Kathode K geschalteten
Magnetrons 4, 6 an einer negativen Vorspannung
von etwa 200 V bis etwa 1000 V liegen, während die als
Anoden A geschalteten Magnetrons 5, 7 an einer
positiven Spannung im Bereich von etwa 0 V bis etwa 250 V liegen.
-
Die
Spannung an der in 1 gezeigten, separat geschalteten
zentralen Anode 11 wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
so gewählt, dass vorzugsweise die Hälfte des Gesamtanodenstromes über
die zentrale Anode 11 fließt und sich der Rest des
Gesamtanodenstromes sich auf die peripheren Anoden 5, 7 verteilt.
Auf diese Weise kann der Plasmaprozess mehr in die Mitte der Vakuumkammer 1 ausgerichtet
werden, sodass eine effektivere Beschichtung der Substrate 8 erfolgen
kann.
-
Bei
der in 1 gezeigten Anordnung werden die Magnetrons 4, 6 zur
Ausbildung eines Interfaces aus dem Beschichtungsmaterial 2 auf
den Substraten 8 verwendet. Das Interface kann beispielsweise
aus einer oder mehreren Haftvermittlungsschichten, welche aus Materialien
wie Cr, Ti, Nb, Ta, W, CrN, TiN, WN oder WC bestehen können,
ausgebildet werden.
-
Die
während der Abscheidung des Interfaces als Anode A geschalteten
Magnetrons 5, 7, die nicht am Beschichtungsprozess
beteiligt sind, dienen der Erhöhung und Homogenisierung
der Ionisation im Kammerinneren der Vakuumkammer 1. Auf
diese Weise kann das Interface mit einer hohen Abscheiderate und
vorteilhaften Schichteigenschaften erzeugt werden.
-
2 zeigt
schematisch die Vakuumkammer 1 aus 1 während
eines weiteren in der Vakuumkammer 1 ausgeführten
Abscheideschrittes. In diesem Abscheideschritt sind Abschirmvorrichtungen 9, die
vor die Magnetrons 4, 6, die im vorhergehenden Abscheideschritt
als Kathoden geschalten waren, bewegt worden sind, als Anoden A
geschaltet. Die im vorhergehenden Abscheideschritt als Anoden geschalteten
Magnetrons 5, 7 werden in dem in 2 dargestellten
Abscheideschritt als aktive Kathoden K geschaltet. In diesem Abscheideschritt
wird das Beschichtungsmaterial 3 der Targets 51, 71 auf
das auf den Substraten 8 ausgebildete haftfähigkeitserhöhende
Interface abgeschieden. Beispielsweise kann das Beschichtungsmaterial 3 eine
Hartstoffschicht aus Materialien wie CrN, CrCN, TiN, TiCN, TiAlN,
TiAlCN, ta-C, ta-C:H, a-C:H oder a-C:H:Me sein. Die so abgeschiedene
Hartstoffschicht kann durch die Verwendung der Abschirmvorrichtungen 9,
die vor den nicht zur Abscheidung verwendeten Magnetrons 5, 7 angeordnet
sind, mit einer geringen Schichtspannung auf das Interface abgeschieden
werden, wodurch sich eine hohe Haftfestigkeit der abgeschiedenen
Hartstoffschicht ergibt. Anstelle von Hartstoffschichten können
jedoch auch andere Beschichtungsmaterialien eingesetzt werden.
-
In
einer anderen Variante der Erfindung können anstelle der
in 2 als Anode A geschalteten Abschirmvorrichtungen 9 auch
die Magnetrons 4, 6 selbst als Anode geschaltet
werden. Analog dazu können in dem in 1 dargestellten
Abscheideschritt auch Abschirmvorrichtungen 9 vor den Magnetrons 5, 7 angeordnet
und als Anode geschaltet werden.
-
Darüber
hinaus sei darauf verwiesen, dass die in 1 und 2 dargestellten
Magnetronanordnungen nur beispielhaft sind. Grundsätzlich
ist es erfindungsgemäß ausreichend, wenn wenigstens zwei
Magnetrons vorgesehen sind, welche abwechselnd als Kathode oder
Anode bei aufeinanderfolgenden Abscheideschritten verwendet werden.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass beispielsweise sechs
oder mehr Magnetrons in der Vakuumkammer 1, vorzugsweise
jeweils paarweise einander gegenüberliegend, angeord net
sind. Bei den jeweiligen Abscheideschritten werden hierbei die Magnetrons,
die die Targets mit den abzuscheidenden Beschichtungsmaterialien
aufweisen, als Kathode geschaltet, während wenigstens ein
anderes, nicht an der Abscheidung beteiligtes Magnetron oder eine
davor vorgesehene Abschirmvorrichtung als Anode geschaltet wird.
Dabei ist es grundsätzlich auch denkbar, dass während
eines solchen Abscheideschrittes mit einer Mehrzahl von Magnetrons
ein oder mehrere dieser Magnetrons weder als Anode noch als Kathode
geschaltet sind.
-
Es
sei ebenfalls darauf verwiesen, dass die Anordnung aus 1 und 2 mit
der zentralen Anode 11 nur beispielhaft ist, da das erfindungsgemäße
Verfahren auch bei solchen Anordnungen einsetzbar ist, in welchen
keine zentrale Anode verwendet wird.
-
3 zeigt
schematisch eine in dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendbare Vakuumkammer 1 mit Magnetrons 4, 5, 6, 7,
welchen Targets 41, 51, 61, 71,
mit Beschichtungsmaterialien 2, 3 zugeordnet sind.
Die Vakuumkammer 1 weist, wie die Anordnungen in 1 und 2 eine
zentrale Anode 11, darum angeordnete Substrathalterungen
für Substrate 8 und einen Kammermantel 10 auf,
in dessen Nähe die Magnetrons 4, 5, 6, 7 in
der Vakuumkammer 1 peripher angeordnet sind. In dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel sind an jedem der Magnetrons 4, 5, 6, 7 seitlich
zusätzliche Permanentmagnete 12, 13 vorgesehen.
Anstelle der seitlich an den Magnetrons 4, 5, 6, 7 vorgesehenen
Permanentmagnete können auch um die Magnetrons 4, 5, 6, 7 Elektromagnete
(Spulen) vorgesehen sein. Die jeweils an den Magnetrons 4, 5, 6, 7 vorgesehenen Magnete
sind so vorgesehen, dass sich entlang des Kammermantels 10 der
Vakuumkammer 1 ein geschlossenes Magnetfeld einstellt (closed
field arrangement). Durch das Vorsehen der zusätzlichen
Magnete 12, 13 kann das Magnetfeld am Rand der
Vakuumkammer 1 gesteuert werden, sodass die Ionen im Inneren
der Vakuumkammer 1 gezielt auf die Substrate 8 gerichtet
werden können, um vorteilhafte Abscheideergebnisse zu erzielen.
-
Erfindungsgemäß können
superharte Beschichtungen auf Substraten erzeugt werden, die Härtewerte über
40 GPa gekennzeichnet sind. Hierfür kann eine herkömmliche
PVD-Magnetron-Sputteranlage verwendet werden.
-
Beispielsweise
können in der Vakuumkammer 1 vier Magnetrons 4, 5, 6, 7 mit
750 mm Länge angeordnet werden, wobei die jeweiligen Kammeraußenseiten
einen Durchmesser von etwa 900 mm aufweisen. Während der
Abscheidung können, wie oben erläutert, jeweils
zwei der Magnetrons 4, 6, bzw. 5, 7 zur
Abscheidung einer Haftvermittlungsschicht eingesetzt werden, während
die anderen beiden Magnetrons für eine Abscheidung von
etwa 0,5 μm bis etwa 3 μm dicken superharten Schichten
eingesetzt werden können.
-
Es
ist allgemein bekannt, dass superharte Schichten Schichtspannungen
aufweisen, wodurch die Haftfestigkeit dieser Schichten auf Substraten
bei bisher bekannten Schichtabscheideverfahren leidet. Die Haftfestigkeit
solcher superharten Schichten kann erfindungsgemäß deutlich
verbessert werden. Dies wird durch die erfindungsgemäße
Vorgehensweise erreicht, in welcher durch zwei Magnetrons 4, 6 eine
Basisbeschichtung, beispielsweise aus Cr, Ti, Nb, W oder WC, erzeugt
wird, wobei das jeweilig eingesetzte Material vom jeweiligen Anwendungsfall und
dem jeweiligen Beschichtungsmaterial in einem nachfolgenden Abscheideschritt
abhängig ist.
-
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
-
- - DE 102006020004
A1 [0002]