DE102013007305A1

DE102013007305A1 - Reaktives Sputtern mit intermetallischem oder keramischem Target

Info

Publication number: DE102013007305A1
Application number: DE201310007305
Authority: DE
Inventors: Richard Rachbauer; Mirjam Arndt
Original assignee: Oerlikon Trading AG Truebbach
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2013-04-29
Filing date: 2013-04-29
Publication date: 2014-10-30
Also published as: WO2014177255A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sputterverfahren zur Herstellung von Al-Cr-N Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass im für das Verfahren eingesetzten Target die Elemente nicht elementar sondern in einer Verbindung vorliegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Substraten aus der Gasphase mittels Magnetron-Zerstäuben. Magnetron Zerstäuben ist ein bekanntes PVD Verfahren (PVD = physical vapor deposition). Unter Vakuum werden dabei Ionen auf die Oberfläche eines das Beschichtungsmaterial liefernden Targets geschossen. Durch den Beschuss wird Material aus der Oberfläche herausgeschlagen (zerstäubt) welches sich auf den zu beschichtenden Substraten niederschlagen kann. Die Ionen entstehen über Stossionisation aus dem Zusammenstoss von Atomen zum Beispiel eines Arbeitsgases mit freien Elektronen. Um die für diese Ionsiation benötigten freien Elektronen in ausreichender Anzahl bereit zu stellen werden die Elektronen mittels Magnetfelder auf eine Bahn gezwungen.
Bei solchem Magnetronsputtern wird zwischen Reaktivsputtern und Nichtreaktivsputtern unterschieden.
Beim Nichtreaktivsputtern kommt lediglich ein Arbeitsgas, z. B. Argon zum Einsatz, welches die für den Prozess notwendigen Ionen bereitstellt. Diese Arbeitsgasionen werden zwar auch teilweise in die Schicht eingebaut. Da als Arbeitsgas ein inertes Gas verwendet wird kommt es nicht zur chemischen Reaktion mit dem Targetmaterial. Der Sputterprozess ist nichtreaktiv.
Demgegenüber kann dem Arbeitsgas auch ein Reaktivgas, zum Beispiel Stickstoff beigemischt werden. Dieses Reaktivgas reagiert mit dem Targetmaterial und legt sich in Form einer chemischen Verbindung auf den zu beschichteten Substraten nieder. In diesem Fall ist der Sputterprozess reaktiv.
Für die wirtschaftliche Betreibung eines solchen Beschichtungsprozess sind ausreichend hohe Beschichtungsraten notwendig. Die Erhöhung der Beschichtungsrate bei möglichst nicht schlechter werdender Schichtqualität ist daher ein immer vorhandenes Bedürfnis. Dem liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zugrunde.
Die Erfinder haben festgestellt, dass, sollen Schichten realisiert werden, welche zwei metallische Elemente in Verbindung mit einem nichtmetallischen enthalten, die Verwendung von Targets, welche die metallischen Elemente in Form einer intermetallischen Verbindung enthalten zu einer signifikanten Erhöhung der Beschichtungsrate führt, falls der Sputterprozess reaktiv durchgeführt wird. Dies trifft auch zu, wenn von einem keramischen Target ausgegangen wird in dem die metallischen Elemente bereits in einer Verbindung mit dem nichtmetallischen Element vorliegen. D. h. dass obwohl in diesem Fall bereist die gewünschte Verbindung im Target vorliegt und die Zugabe von Reaktivgas nicht notwendig wäre, führt die Zugabe von Reaktivgas im Falle des keramischen Target zu einer signifikanten Erhöhung der Beschichtungsrate.
Die Erfindung wird nun anhand des Beispiels einer AlCrN Schicht beispielhaft und im Detail erläutert.
Ausgangspunkt war eine Standardbeschichtung mittels eines pulvermetallurgisch hergestellten Targets bei dem zur Herstellung des Targets metallisches Aluminiumpulver und metallisches Chrompulver in einem Verhältnis Al/Cr von 70at%/30at% gemischt wurde. Als Beschichtungstemperatur wurden 500°C gewählt. Die Beschichtungskammer wurde auf einen Druck von 0.5 Pa evakuiert. Auf das Target wurde eine Leistung von 250 W aufgebracht und die Substrate wurden einem rf-Bias von 5 W unterworfen. Als Gas wurde ein Gemisch aus Arbeitsgas/Reaktivgas von 50% Ar und 50% N eingesetzt. Dies resultierte in einer Beschichtungsrate von 11 nm/min.
Gemäss einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde das oben beschriebene Target durch ein pulvermetallurgisch hergestelltes Target ersetzt welches auf der Basis eines Pulvers aus einer intermetallischen Verbindung von Aluminium und Chrom (Al₈Cr₅) hergestellt wurde. Alle anderen Beschichtungsparameter wurden beibehalten. Zum Erstaunen der Erfinder führte dies zu einer Beschichtungsrate welche mit 16.5 nm/min einer Steigerung um 50 Prozent entspricht.
Gemäss einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben die Erfinder das Target durch ein Target ersetzt, zu dessen Herstellung ein Pulver aus 70% AlN und 30% CrN gemischt wurde. Der Beschichtungsprozess wurde zunächst lediglich mit Arbeitsgas (100% Ar) gefahren. Die anderen Beschichtungsparameter wurden wie oben beibehalten. Das Ergebnis war eine Beschichtungsrate von 11.3 nm/min, d. h. lediglich eine kleine Steigerung gegenüber dem Vergleichsfall.
Im Anschluss wechselten die Erfinder auf das oben genannte Reaktivgasgemisch von 50% Ar und 50% N. Zu ihren Erstaunen stellten sie wiederum eine deutlich erhöhte Rate von 15.3 nm/min fest, was einer Steigerung von nahezu 40% gegenüber dem Sputtern vom metallischen Target entspricht.
Die Untersuchung der dementsprechend hergestellten Schichten hat ergeben, dass für alle reaktiv hergestellten Schichten eine ausgeprägte kolumnare Struktur mit vorherrschender (111) Orientierung vorlag, während die nichtreaktiv vom keramischen Target gesputterten Schichten nanokristalline dichtere Schichten bildeten deren XRD-Spektren auf eine vorherrschende (200) Orientierung hinwiesen. Die vom intermetallischen Target geputterten Schichten zeigten ähnliche Härten und Young Module wie die vom metallischen Target gesputterten Schichten, während die vom keramischen Target gesputterten Schichten, egal ob reaktiv oder nichtreaktiv gesputtert, erhöhte Härtewerte zeigten. Die grösste Härte wurde mit dem nichtreaktiv geputterten Keramiktarget erzielt.

Claims

Sputterverfahren zur Herstellung von Al-Cr-N Schichten, dadurch gekennzeichnet dass im für das Verfahren eingesetzten Target die Elemente nicht elementar sondern in einer Verbindung vorliegen.
Sputterverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Target Al und Cr als intermetallische Verbindung enthält und der Prozess reaktiv unter Beigabe von Stickstoff als Reaktivgas durchgeführt wird.
Sputterverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Target Aluminium und Chrom im Wesentlichen lediglich in Form von AlN und CrN umfasst und somit ein keramisches Target bildet.
Sputterverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nichtreaktiv, also lediglich unter Zugabe von Arbeitsgas durchgeführt wird.
Sputterverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren reaktiv unter Beigabe von Stickstoff als Reaktivgas durchgeführt wird.