DE102013106351A1

DE102013106351A1 - Verfahren zur Vorbehandlung einer zu beschichtenden Oberfläche

Info

Publication number: DE102013106351A1
Application number: DE102013106351.9A
Authority: DE
Inventors: Jones Alami
Original assignee: INNOVATIVE ION COATINGS Ltd
Current assignee: INNOVATIVE ION COATINGS Ltd
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2014-12-18
Also published as: WO2014202648A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche eines Substrats, bei dem eine Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche in einem Ätzverfahren zwecks Reinigung der Oberfläche erfolgt, wobei die anschließende Beschichtung der Oberfläche des Substrats durch Magnetronsputtern, insbesondere durch Hochenergieimpulsmagnetronsputtern erfolgt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels einer Anordnung von Spulen (17, 18) ein zusätzliches Magnetfeld erzeugt wird, dessen Feldlinien (19) sich im Wesentlichen quer zur Normalen zur Ebene wenigstens eines der Targets (12, 15) erstrecken, das mit Gleichspannungspulsen beaufschlagt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet eine effektivere und raschere Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche als die bislang bekannten Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche eines Substrats, bei dem eine Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche in einem Ätzverfahren zwecks Reinigung der Oberfläche erfolgt, wobei die anschließende Beschichtung der Oberfläche des Substrats insbesondere durch Hochenergieimpulsmagnetronsputtern erfolgt, wobei mittels einer Anordnung von außerhalb der Reaktorkammer angeordneten Spulen ein zusätzliches Magnetfeld erzeugt wird.
Die Technik des Hochenergieimpulsmagnetronsputterns, die sich insbesondere zur Aufbringung von hochdichten und glatten Beschichtungen auf Substraten eignet, ist aus dem Stand der Technik seit einigen Jahren bekannt. Bei dieser Variante des Magnetronsputterns lässt man während des Sputtervorgangs kurze Spannungsimpulse auf das Target (Kathode) einwirken und erhält aufgrund der hohen Plasma-Elektronendichte hohe Elektronenstoß-Ionisierungsraten, was zu einem hohen Ionisierungsanteil der gesputterten Spezies führt. HiPIMS verwendet typischerweise sehr hohe Target-Leistungsdichten bei kurzen Pulsen im Bereich von etwa 10 µs bis etwa 10 ms und einem niedrigen Tastverhältnis (Ein-Aus-Verhältnis) von meist weniger als 10 %. Durch den kurzen Puls-Modus und das niedrige Tastverhältnis wird eine Überhitzung des Targets und anderer Systemkomponenten vermieden.
In der US 2010/0183900 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Metalloxid-Beschichtungen mittels Hochenergieimpulsmagnetronsputtern (HiPIMS) beschrieben, bei dem in einem Gasgemisch aus Argon und einem Reaktivgas wie z.B. Sauerstoff mit einer Peak-Puls Leistung von mehr als 200 Wcm^–2 und bei Verwendung eines Al-Targets auf einem Substrat eine kristalline α-Al₂O₃-Schicht erzeugt wird. Bei diesem bekannten Verfahren werden unipolare Spannungspulse verwendet und das Substrat wird auf eine Temperatur von 300 ° bis 900 °C vorgeheizt.
In der EP 2 157 205 B1 ist ein gepulstes Hochleistungs-Magnetronsputterverfahren beschrieben, bei dem für eine erste Pulszeit ein Hochleistungs-Sputterpuls angelegt wird, der eine negative Polarität bezogen auf die Anode aufweist, wobei diesem ersten Puls ein elektrischer Ladungsreinigungspuls nachfolgt, der eine positive Polarität bezogen auf die Anode aufweist, wobei dieser zweite Puls jedoch eine niedrige Leistung hat. Der zweite Puls ist zudem mindestens doppelt so lang wie der erste Puls. Bei diesem bekannten Verfahren wird das Substrat mit einem keramischen Material, insbesondere einem Nitrid, Oxid oder Carbid beschichtet, welches nicht weiter spezifiziert wird.
Aus dem Stand der Technik ist es grundsätzlich bekannt, bei Plasmasputterverfahren die Oberfläche des zu behandelnden Substrats vor der Beschichtung durch ein Ätzverfahren zu Reinigen, um so die Oberfläche zu aktivieren und eine bessere Haftung der anschließend aufzubringenden Beschichtung zu erzielen. Aus der DE 695 28 290 T2 ist es bekannt, dabei in die Reaktionskammer ein Plasmagas einzuführen, um ein aktives Plasma zu erzeugen. Das Substrat wird über eine Hochfrequenzleistung vorgespannt, wodurch das vorgespannte Substrat geladene Teilchen anzieht, die die Oberfläche des Substrats bombardieren und so eine Materialschicht von dem Substrat mittels Sputtern wegätzen. Es wird eine Spule um die Außenseite der Reaktorkammer gewickelt, um ein induktives Feld im Reaktor zu erzeugen und so das Gas induktiv anzuregen. Der Plasmasteuerkreis arbeitet mit einer Hochfrequenzspannungsquelle, die in einem Bereich von 0,1–100 MHz arbeitet. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird kein Target verwendet, sondern das Substrat wird unmittelbar von dem Plasmagas geätzt. Die magnetischen Feldlinien des von der Spule erzeugten Magnetfelds verlaufen senkrecht zur Oberfläche des zu ätzenden Substrats.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Vorbehandlung einer zu beschichtenden Oberfläche der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, welches eine effektivere und raschere Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche gewährleistet als die bislang bekannten Verfahren.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zur Vorbehandlung einer zu beschichtenden Oberfläche der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens ein in der Reaktorkammer angeordnetes metallisches Target vorgesehen ist, das mit Gleichspannungspulsen beaufschlagt wird und das in der Reaktorkammer so angeordnet ist, dass sich die magnetischen Feldlinien des zusätzlichen Magnetfelds im Wesentlichen quer zur Normalen zur Ebene des wenigstens einen Targets erstrecken. Mit dem Ausdruck „zusätzliches Magnetfeld“ ist im Rahmen der vorliegenden Anmeldung gemein, dass es sich um ein weiteres Magnetfeld handelt, welches nicht das bei einer Magnetronsputtereinrichtung ohnehin vorhandene und zur Beaufschlagung der Targets verwendete Magnetfeld ist. Wenn beispielsweise zwei in einer Reaktionskammer einander gegenüber liegende Targets vorhanden sind, dann liegen die Magneten des Magnetrons in der Regel jeweils hinter den Targets und die Feldlinien des Magnetfelds verlaufen durch die Targets in der Reaktionskammer in etwa in Richtung der Normalen zur Ebene der Targets. Die Feldlinien des von den erfindungsgemäßen Spulen erzeugten zusätzlichen Magnetfelds verlaufen bei einer solchen Anordnung somit bevorzugt etwa senkrecht zu der vorgenannten Normalen und folglich etwa quer zu dem primären Magnetfeld des Magnetrons.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird ein Hilfsgas in der Reaktionskammer verwendet, insbesondere ein Edelgas wie z.B. Argon, welches ionisiert wird. Die positiv geladenen Ionen dieses ionisierten Gases (z.B. Ar +) Ätzen dann durch Stöße die Oberfläche des zu reinigenden Substrats.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird eine Vorspannung auf das Substrat in Bezug auf die Targets angelegt. Wenn eine Vorspannung auf den Substrattisch bzw. das Substrat angelegt wird, werden dadurch die geladenen Ionen des ionisierten Hilfsgases angezogen. Die Ätzrate kann beispielsweise bei zwischen etwa 20 nm/h bis zu etwa 5 µm/h liegen. Typischerweise liegt die Ätzrate zum Beispiel zwischen etwa 0,5 µm/h und etwa 2 µm/h.
Vorzugsweise ist bei Verwendung von zwei Targets, an die eine gepulste Gleichspannung angelegt wird, wenn die auf das eine Target einwirkende Spannung positiv ist, die an das andere Target angelegte Spannung negativ. Das jeweilige Vorzeichen der Spannung wird durch die Pulskonfiguration vorgegeben. Bei Verwendung bipolarer Spannungspulse wechselt das Vorzeichen der Spannung bei jedem Target von negativ zu positiv mit der durch die Pulsfrequenz vorgegebenen Frequenz.
Das durch die erfindungsgemäß verwendeten Spulen erzeugte Magnetfeld fängt die durch die Spannungspulse erzeugten Elektronen, wenn sie sich von dem negativ geladenen Target zu dem positiv geladenen Target bewegen, in einem für die Reinigung des Substrats relevanten Bereich, so dass dort ein Plasma mit erhöhter Elektronendichte vorliegt und führt zu einer verstärkten Ionisierung des Hilfsgases, durch das die Substratoberfläche geätzt wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung wird eine mit Abstand vor wenigstens einem Target in der Reaktionskammer angeordnete Abschirmeinrichtung (Blende) verwendet, welche eine zu starke Wanderung von Ionen aus dem Targetmaterial in das Plasma im mittleren Bereich der Reaktionskammer, in dem sich das zu beschichtende Substrat befindet, verhindert. Vorzugsweise ist diese Abschirmeinrichtung wenigstens so breit ist wie das wenigstens eine Target.
Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigen:
1 eine schematisch vereinfachte Seitenansicht einer Reaktorkammer einer erfindungsgemäßen Magnetronsputtereinrichtung;
2 eine schematisch vereinfachte horizontale Schnittansicht durch eine Reaktorkammer gemäß 1 mit Draufsicht auf den Substrattisch.
Nachfolgend wird zunächst auf 1 Bezug genommen. Diese zeigt eine schematisch vereinfachte Seitenansicht einer beispielhaften erfindungsgemäßen Magnetronsputtereinrichtung mit einer Reaktorkammer, welche insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Sputtereinrichtung umfasst ein Magnetron 11, welches ein erstes beispielsweise etwa plattenförmiges metallisches Target 12 in der Reaktorkammer 10 über einen Pulsgeber 13, der von einer Stromquelle 14 versorgt wird, mit Spannungspulsen beaufschlagt. Dem ersten Target 12 gegenüber liegend ist an der anderen Seite in der Reaktorkammer ein zweites metallisches Target 15 von ähnlicher Beschaffenheit angeordnet, welches ebenfalls mit Spannungspulsen von dem Pulsgeber 13 beaufschlagt wird. Zwischen den beiden Targets 12, 15 befindet sich ein Substrattisch 16, auf dem die in dem Verfahren zu ätzenden Substrate angeordnet werden.
In dem Ausführungsbeispiel sind zwei Targets 12, 15 vorgesehen. Es können jedoch im Rahmen der Erfindung auch mehr als zwei Targets verwendet werden. Im Prinzip ist die Anzahl der Targets beliebig, wobei jedoch mindestens zwei Targets verwendet werden sollten.
Erfindungsgemäß sind nun zwei Spulen vorgesehen, nämlich eine erste Spule 17 an der Oberseite über der Reaktorkammer und eine zweite Spule 18 an der Unterseite unterhalb der Reaktorkammer 10, so dass die beiden Spulen 17, 18 einander gegenüber liegen und bei Durchfluss eines Stroms durch die beiden Spulen ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen magnetische Feldlinien 19 sich in Richtung der Pfeile durch die Reaktorkammer hindurch erstrecken. Wie man in 1 erkennt erstrecken sich die magnetischen Feldlinien 19 in einer Richtung etwa parallel zur Oberfläche der beiden Targets 12, 15, das heißt sie verlaufen senkrecht zu einer Normalen auf der Oberfläche der Targets oder anders ausgedrückt, die magnetischen Feldlinien 19 verlaufen senkrecht zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen den beiden Targets, welche senkrecht zu deren Oberfläche steht. Das von den beiden Spulen 17, 18 erzeugte Magnetfeld erzeugt magnetische Feldlinien 19, die quasi senkrecht von oben nach unten durch den Substrattisch 16 hindurch verlaufen. Die Wirkungen dieses durch die beiden Spulen 17, 18 erzeugten zusätzlichen Magnetfelds auf das in der Kammer erzeugte Plasma werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 näher erläutert.
2 zeigt die Reaktorkammer 10 in schematisch vereinfachter Darstellung in einem horizontalen Schnitt, so dass sich eine Draufsicht auf den Substrattisch 16 ergibt. Die Reaktorkammer 10 hat einen in etwa rechteckigen Grundriss und weist zwei einander gegenüber liegende Querwände 20, 21 in der Zeichnung links und rechts auf sowie zwei einander gegenüber liegende Längswände 22, 23 in der Zeichnung oben und unten zu erkennen. Man erkennt die beiden rechts und links in der Reaktorkammer 10 jeweils in Nähe der beiden Querwände 20, 21 und etwa parallel zu diesen ausgerichteten Targets 12 und 15, wobei bei der Beaufschlagung mit Spannnungspulsen das erste Target 12 in der Zeichnung rechts beispielsweise negativ geladen ist und das zweite Target 15 dann positiv geladen ist. An den etwa im mittleren Bereich der Reaktorkammer 10 angeordneten Substrattisch 16 wird über eine separate Stromquelle 24 eine negative Vorspannung angelegt. Durch den Sputterprozess werden aus dem metallischen Material des Targets 12 positiv geladene Metallionen herausgelöst, die jedoch von der Oberfläche des Targets nur in vergleichsweise kurze Strecke in die Reaktorkammer hinein wandern können, da mit Abstand vor dem Target 12 und parallel zu diesem und zur rechten Querwand 21 eine Blende 25 angeordnet ist, die die Metallkationen abschirmt, es aber Elektronen e^– ermöglicht an der Blende 25 vorbei weiter in die Reaktorkammer hinein zu wandern wie dies in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet ist. Mit Abstand vor dem zweiten Target 15 auf der anderen Seite der Reaktorkammer ist ebenfalls eine etwa parallel zum Target verlaufende Blende 26 angeordnet. Die Elektronen e^– wandern von dem durch negative Vorspannung geladenen Target 12 durch die Reaktorkammer 10 an den Blenden 25, 26 vorbei zu dem durch positive Vorspannung geladenen Target 15, wie in 2 durch gestrichelte Pfeile angedeutet ist. Die Metallionen Me⁺ aus dem Target 12 verbleiben in dem Raum jenseits der Blende 25 zwischen Blende 25 und Target 12 und erreichen in der Regel den Substrattisch 16 nicht.
In der Reaktorkammer 10 befindet sich ein Edelgas als Reaktorgas, beispielsweise Argon. Durch die vom Target 12 aus in den Reaktor wandernden Elektronen wird das Reaktorgas Argon ionisiert und es entstehen Argon⁺ Ionen. Diese Argon⁺ Ionen wandern zu dem in der Reaktormitte befindlichen Substrattisch 16, auf dem sich die zu beschichtenden Substrate befinden. Der Substrattisch 16 steht unter einer Vorspannung von der Spannungsquelle 24. Die auf dem Substrattisch 16 befindlichen Substrate werden durch die Stöße mit Argon+ Ionen geätzt und dadurch für die Beschichtung vorbereitet. Die Beschichtung selbst kann anschließend in der gleichen Reaktorkammer 10 durch Magnetronsputtern, insbesondere Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern (HiPIMS) erfolgen. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, dass man für den Ätzvorgang und einen anschließenden Beschichtungsvorgang nur eine Reaktorkammer benötigt, wodurch sich eine erhebliche Zeitersparnis ergibt und sich auch der apparative Aufbau reduziert.
Die Elektronen werden auf ihrem Weg von dem negativ geladenen Target zum positiv geladenen Target durch das Magnetfeld gefangen, welches mittels der Spule erzeugt wird, was zu einer hohen Elektronendichte in der Mitte der Kammer führt. Die Wahrscheinlichkeit für eine Ionisierung des Ätzgases (zum Beispiel Argon) steigt und als Ergebnis wird eine wesentlich effizientere Ätzrate erzielt.
Bezugszeichenliste

10: Reaktorkammer
11: Magnetron
12: erstes Target
13: Pulsgeber
14: Stromquelle
15: zweites Target
16: Substrattisch
17: Spule
18: Spule
19: magnetische Feldlinien
20: Querwand links
21: Querwand rechts
22: Längswand oben
23: Längswand unten
24: Stromquelle für Vorspannung
25: Blende
26: Blende

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0183900 A1 [0003]
EP 2157205 B1 [0004]
DE 69528290 T2 [0005]

Claims

Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche eines Substrats, bei dem eine Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche in einem Ätzverfahren zwecks Reinigung der Oberfläche erfolgt, wobei die anschließende Beschichtung der Oberfläche des Substrats durch Magnetronsputtern, insbesondere durch Hochenergieimpulsmagnetronsputtern erfolgt, wobei mittels einer Anordnung von außerhalb der Reaktorkammer angeordneten Spulen ein zusätzliches Magnetfeld erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein in der Reaktorkammer (10) angeordnetes metallisches Target (12, 15) vorgesehen ist, das mit Gleichspannungspulsen beaufschlagt wird und das in der Reaktorkammer so angeordnet ist, dass sich die magnetischen Feldlinien (19) des zusätzlichen Magnetfelds im Wesentlichen quer zur Normalen zur Ebene des wenigstens einen Targets (12, 15) erstrecken.
Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche eines Substrats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Abstand vor wenigstens einem Target (12, 15) in der Reaktionskammer (10) angeordnete Abschirmeinrichtung/Blende (25, 26) vorgesehen ist, welche eine zu starke Wanderung von Ionen aus dem Targetmaterial in das Plasma im mittleren Bereich der Reaktionskammer, in dem sich das zu beschichtende Substrat befindet, verhindert.
Verfahren zu Beschichtung einer Oberfläche eines Substrats nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmeinrichtung/Blende (25, 26) wenigstens so breit ist wie das wenigstens eine Target (12, 15).
Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsgas in der Reaktionskammer (10) ein Edelgas, insbesondere Argon verwendet wird, welches ionisiert wird.
Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Substrats im Anschluss an die Reinigung der Oberfläche des Substrats in der gleichen Reaktionskammer erfolgt.
Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbehandlung eine Vorspannung (24) an das Substrat angelegt wird.
Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktionskammer (10) zwei einander gegenüber liegende, insbesondere etwa plattenförmige, Targets (12, 15) vorgesehen sind und das zusätzliche Magnetfeld mittels zweier einander gegenüber liegender Spulen (17, 18) erzeugt wird, wobei die Feldlinien im Wesentlichen senkrecht zur Verbindungslinie zwischen den beiden Targets (12, 15) oder etwa parallel zur Oberfläche der Targets verlaufen.
Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Targets (12, 15) gesputterte Ionen durch die Abschirmeinrichtung/Blende (25, 26) von einer Wanderung in Richtung auf das Substrat abgehalten werden, das Hilfsgas mittels vom Target in die Kammer wandernder Elektronen ionisiert wird und das ionisierte Hilfsgas die Oberfläche des Substrats ätzt, bevor diese in der Reaktorkammer beschichtet wird.