DE102014207454B4 - Vorrichtung zur Ausbildung einer Beschichtung auf einer Substratoberfläche - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Ausbildung einer Beschichtung auf einer Substratoberfläche, bei der innerhalb einer Vakuumkammer von einem als Kathode geschaltetem Target (1), das aus einem chemischen Element, mit dem die Beschichtung gebildet wird, besteht, mittels einer elektrischen Bogenentladung ein Plasma (2) generiert und in Richtung auf die zu beschichtende Substratoberfläche beschleunigt wird, wobei zwischen dem Target und der Substratoberfläche eine Einrichtung (5, 5.1, 6, 7.1, 7.2) zur Erhöhung der Energiedichte des Plasmas (2) vorhanden ist, wobei das Plasma (2) auf direktem, kürzestem Weg ausgehend vom Target (1) zur Substratoberfläche auftrifft,dadurch gekennzeichnet,dass die Einrichtung ein Reflektorelement (6), durch das das Plasma (2) in Richtung auf die Substratoberfläche gerichtet ist, und in das mindestens ein Korpuskularstrahl (6.1) oder Laserstrahl so gerichtet ist, dass ein Korpuskularstrahl (6.1) oder Laserstrahl mehrfach in unterschiedliche Richtungen reflektiert wird,ein Parallelplattenreaktor (7), der an eine elektrische Wechselspannungsquelle (7.3) angeschlossen ist, und das Plasma (2) zwischen den Platten (7.1, 7.2) des Parallelplattenreaktors (7) in Richtung auf die Substratoberfläche geführt ist, odereine zusätzliche Elektronenquelle, die zwischen einer Anregungsanode (5) und der Substratoberfläche außerhalb des gebildeten Plasma (2) angeordnet ist und dabei die Elektronenquelle eine zweite Kathode (5.1) ist, auf deren Oberfläche eine elektrische Bogenentladung betrieben ist, wobei die Elektronenquelle in Richtung Plasma (2) und Substratoberfläche mit einer Blende (5.2) abgeschirmt ist, ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausbildung einer Beschichtung auf einer Substratoberfläche, bei der innerhalb einer Vakuumkammer von einem als Kathode geschalteten Target, das aus einem chemischen Element, mit dem die Beschichtung gebildet wird, besteht, mittels einer elektrischen Bogenentladung ein Plasma generiert und in Richtung auf die zu beschichtende Substratoberfläche beschleunigt wird. Solche Vorrichtungen werden auch als Vakuumbogenverdampfer bezeichnet. Mit ihnen können Beschichtungen, die aus dem chemischen Element, aus dem das Target gebildet ist, aber auch aus chemischen Verbindungen dieses chemischen Elements, die bevorzugt insitu reaktiv innerhalb des Prozesses gebildet werden, ausgebildet werden. Es können auch Dotierungen in der Beschichtung erreicht werden.
  • Die elektrische Bogenentladung kann kontinuierlich aber auch gepulst betrieben werden. Bei einem gepulsten Betrieb wird die elektrische Bogenentladung, bevorzugt an verschiedenen Positionen alternierend gezündet, wodurch ein gleichmäßigerer Werkstoffabtrag an der Targetoberfläche erreichbar ist.
  • Bekanntermaßen haben Beschichtungsverfahren, die das Prinzip der elektrischen Bogenentladung nutzen, eine höhere Beschichtungsrate, als dies mit anderen PVD- oder CVD-Verfahren erreichbar ist. Ein großes Problem ist aber die Bildung von Makropartikeln, die auch als Droplets bezeichnet werden. Diese lagern sich in die ausgebildete Beschichtung ein und verschlechtern dabei die Oberflächengüte, wegen der relativ großen Partikelgrößen bis in den Mikrometerbereich, erheblich. Insbesondere bei harten Beschichtungen ist dann ein erheblicher Aufwand für eine Oberflächennachbearbeitung erforderlich, der auch zu einem Werkstoffabtrag mit Reduzierung der Dicke der Beschichtung führt.
  • Um diesem Problem entgegen zu wirken, sind mehrere Lösungsansätze bekannt. So werden häufig Filter eingesetzt, um ein Eindringen von Droplets in die Beschichtung zu vermeiden. Dabei werden magnetische oder elektrische Felder genutzt und das bei der elektrischen Bogenentladung gebildete Plasma so umgelenkt, dass es erst nach einer erheblichen Richtungsänderung auf die Substratoberfläche auftrifft. Neben der zusätzlich erforderlichen Energie sind ein Absinken der möglichen Beschichtungsrate, eine unvollständige Nutzung des abgetragenen Targetwerkstoffs und eine erforderliche Säuberung in der Vakuumkammer und dem eingesetzten Filter durch vagabundierende Plasmabestandteile und Droplets nachteilig.
  • Um dem entgegen zu wirken sind aus DE 198 18 868 A1 und US 6 391 164 B1 technische Lösungen bekannt, bei denen eine beheizte Anode eingesetzt wird. Die Anode ist dabei so angeordnet bzw. ausgebildet, dass das bei der elektrischen Bogenentladung gebildete Plasma nicht auf direktem und kürzesten Weg zur Substratoberfläche gelangen kann. Ein Teil des Plasma und insbesondere Droplets sollen auf die Oberfläche der Anode auftreffen und dann verdampft werden. Dabei gelangt nur ein Teil direkt von der Anodenoberfläche zur Substratoberfläche. Ein anderer Teil trifft wieder auf die Oberfläche des als Kathode geschalteten Targets auf und muss anschließend wieder mittels elektrischer Bogenentladung in Plasma überführt werden, was den Wirkungsgrad und die Beschichtungsrate beeinträchtigt. Teilweise ist auch nur ein alternierender Betrieb zwischen elektrischer Bogenentladung und Verdampfung an der Anodenoberfläche möglich.
  • Aus US 2014 / 0 034 484 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der bei einer Vakuumbogenentladung gebildetes Plasma mit einer Einrichtung zur Ausbildung eines magnetischen und einer Einrichtung zur Ausbildung eines elektrischen Feldes ausgebildet sein soll.
  • Die DE 20 2012 012 908 U1 betrifft eine Anordnung eines Vakuumbogenverdampfers mit einem Targetrohr.
  • Ein Sputterverfahren zur Beschichtung eines Grundkörpers ist in DE 10 2008 019 202 A1 beschrieben.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Ausbildung von Beschichtungen mittels elektrischer Bogenentladung anzugeben, mit den bei erhöhter Beschichtungsrate die Einlagerung von Droplets in die Beschichtung zumindest weitestgehend vermieden und/oder die Größe eingelagerter Droplets reduziert werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird der Gedanke aufgegriffen, dem gebildeten Plasma zusätzlich Energie zuzuführen und dadurch eine Verdampfung von Droplets zu erreichen.
  • Dabei ist zwischen dem Target und der Substratoberfläche eine Einrichtung zur Erhöhung der Energiedichte des Plasmas vorhanden. In und/oder mit der Einrichtung wird durch Einwirkung elektromagnetischer oder Korpuskularstrahlung oder elektrischer Wechselfelder eine Erhöhung der Temperatur des Plasma erreicht. Das Plasma trifft auf direktem, kürzestem Weg ausgehend vom Target auf die Substratoberfläche auf. Unter kürzestem und direktem Weg soll dabei kein Umweg durch eine gezielte Umlenkung oder ein im Weg des Plasma zwischen Target und Substratoberfläche angeordnetes Element verstanden werden. Die normale Divergenz des vom Target emittierten Plasma soll aber zulässig sein.
  • Die Einrichtung kann eine Anode, durch die das Plasma in Richtung auf die Substratoberfläche geführt ist, mit zusätzlicher Elektronenquelle, sein.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit besteht in der Nutzung eines Reflektorelements, durch das das Plasma in Richtung auf die Substratoberfläche gerichtet ist. In das Reflektorelement, ist mindestens ein Korpuskularstrahl oder Laserstrahl so gerichtet, dass ein Korpuskularstrahl oder Laserstrahl mehrfach in unterschiedliche Richtungen reflektiert wird. Durch die Mehrfachreflexion kann eine effizientere Energieübertragung in das Plasma erreicht werden. Es kann ein Laserstrahl eingesetzt werden, dessen mindestens eine Wellenlänge mit einem hohen Anteil vom Plasma absorbiert wird. Als Korpuskularstrahl kann bevorzugt ein Elektronenstrahl eingesetzt werden. Ein Reflektorelement sollte aus einem Werkstoff gebildet sein, der von einem Korpuskularstrahl oder Laserstrahl unbeeinflusst bleibt. Bei einem Korpuskularstrahl kann dies ein Werkstoff mit hoher Ordnungszahl, wie z.B. Wolfram sein. Bei Einsatz eines Laserstrahls kann die Innenwand des Reflektorelements mit einer den jeweiligen Laserstrahl reflektierenden Beschichtung versehen sein.
  • Als weitere Alternative kann auch ein Parallelplattenreaktor, der an eine elektrische Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, und das Plasma zwischen den Platten des Parallelplattenreaktors in Richtung auf die Substratoberfläche geführt ist, als Einrichtung eingesetzt werden.
  • Hohlkathoden, Anoden, Reflektorelemente oder ein Resonator sollten bevorzugt in Form eines Hohlzylinders oder eines an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten offenen kastenförmigen Gehäuses ausgebildet sein.
  • Wie bereits in der Beschreibungseinleitung angesprochen, kann auch eine Beschichtung durch insitu erfolgende chemische Reaktion gebildet werden. Dazu kann eine Zuführung für ein Reaktivgas an der Vakuumkammer vorhanden sein, durch die ein geeignetes Reaktivgas oder Gasgemisch in die Vakuumkammer in dosierter Form eingeführt werden kann. So können beispielsweise Beschichtungen als Oxid, Nitrid, Carbid oder Carbonitrid ausgebildet werden, wenn als Reaktivgas, Sauerstoff, Stickstoff oder eine geeignete Kohlenwasserstoffverbindung zugeführt wird.
  • Als Einrichtung kann zwischen einer Hohlkathode und der Substratoberfläche eine Ringanode, durch die das Plasma ebenfalls in Richtung auf die Substratoberfläche gerichtet ist, angeordnet sein. Damit kann eine elektrische Bogenentladung zwischen der Hohlkathode und der Ringanode ausgenutzt werden, um zusätzliche Elektronen frei zu setzen, deren Energie zur Erhöhung der Energiedichte des Plasma und zur Verdampfung von nicht bzw. nicht mehr in der Gasphase befindlicher Bestandteile des Plasma genutzt wer-7den kann.
  • Eine zusätzliche Elektronenquelle ist dabei zwischen einer Anregungsanode und der Substratoberfläche außerhalb des gebildeten Plasma angeordnet. Dabei handelt es sich um eine zweite Kathode, an der eine elektrische Bogenentladung betrieben wird. Diese zweite Kathode ist in Richtung Plasma und Substratoberfläche mit einer Blende abgeschirmt, so dass lediglich die damit freigesetzten Elektronen in den Bereich des Plasma und einer Anode, durch die das Plasma in Richtung Substratoberfläche geführt ist, gelangen und außer dem zusätzlichen Energieeintrag keine weitere Wirkung entfalten können.
  • Erfolgt der Energieeintrag mit einem Laser- oder Korpuskularstrahl, ist es günstig, einen Laserstrahl oder einen Korpuskularstrahl, insbesondere einen Elektronenstrahl mit wechselnden Einfallswinkeln in das Reflektorelement zu richten. Dadurch ändert sich auch der Reflexionswinkel der jeweiligen Strahlung an der Innenwand des Reflektorelements, wodurch ein größeres Volumen des Plasma beeinflusst werden kann. Hierfür kann auch die Oberfläche des Reflektorelements, auf die ein Laser- oder Korpuskularstrahl auftrifft, eine eine wechselnde Reflexionsrichtung der Laser- oder Korpuskularstrahls hervorruffende Strukturierung aufweisen. Dies kann bereits mit einer gewissen ausreichenden Oberflächenrauheit erreicht werden. Ein Laser- oder Korpuskularstrahl kann durch eine entsprechend in der Wandung des Reflektorelements vorhandenen Durchbrechung in das Reflektorelement gerichtet werden. Dazu kann die Durchbrechung mit einer bevorzugt elektrisch isolierenden Hülse umschlossen sein. Bei Einsatz eines Laserstrahls kann auch ein für die jeweilige Strahlung transparentes Fenster in die Wandung des Reflektorelements eingelassen sein.
  • Die elektrische Bogenentladung kann mit elektrischen Strömen im Bereich 30 A bis 300 A und elektrischen Spannungen im Bereich 15 V bis 30V, bevorzugt mit 100 A und 20V betrieben werden. Innerhalb der Vakuumkamer kann ein Druck im Bereich 0,01 Pa bis 100 Pa, bevorzugt 1Pa eingehalten sein, was bevorzugt mit einem Inertgas und besonders bevorzugt mit Argon erreicht werden kann.
  • Bei der Erfindung kann durch geeignete Anordnung und Dimensionierung der einzelnen Elemente ein direkter Kontakt der Plasmabestandteile auf dem Weg zwischen Target- und Substratoberfläche vermieden werden, wodurch der Reinigungsaufwand entfällt und der eingesetzte Targetwerkstoff nahezu vollständig ausgenutzt werden kann, was wiederum zur Erhöhung der Beschichtungsrate führt. Das erforderliche Innenvolumen kann im Vergleich zu den technischen Lösungen, bei denen Filter eingesetzt werden, reduziert werden.
  • Die Anzahl und Größe von Droplets lässt sich ebenfalls reduzieren, was zur Verbesserung der Homogenität und der Oberflächenbeschaffenheit der Beschichtung führt, da keine bzw. deutlich kleinere Droplets in die Beschichtung eingelagert werden. Häufig kann daher auf eine Nachbearbeitung der Oberfläche der Beschichtung verzichtet oder der erforderliche Aufwand dafür erheblich reduziert werden.
  • Mit der Vorrichtung können alle möglichen Arten an Beschichtungen, die mit elektrischer Bogenentladung erhalten werden können, ausgebildet werden.
  • Die Einrichtung und die dafür genutzten Elemente sind kostengünstig beschaffbar und können überwiegend wartungsfrei betrieben werden.
  • Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
    • 1 in schematischer Form ein nicht unter die Erfindung fallendes Beispiel mit einer Hohlkathode;
    • 2 in schematischer Form ein nicht unter die Erfindung fallendes Beispiel mit einer Hohlkathode und einer Ringanode;
    • 3 in schematischer Form ein Beispiel mit einer Anregungsanode und zweiter Kathode als zusätzliche Elektronenquelle;
    • 4 in schematischer Form ein Beispiel mit einem Reflektorelement in dessen Inneren ein Elektronenstrahl gerichtet ist und
    • 5 in schematischer Form ein Beispiel mit einem Parallelplattenreaktor.
  • Bei dem in 1 gezeigten, nicht erfindungsgemäßen Beispiel wird eine elektrische Bogenentladung zwischen der Wand der Vakuumkammer oder einer nicht dargestellten Anode und einem elektrisch als Kathode geschalteten Target 1 mit einer elektrischen Gleichspannung von 20 V und 100 A betrieben. Das Target 1 besteht aus Titan. Das so gebildete Plasma 2 gelangt durch eine Hohlkathode 3, die an eine elektrische Spannungsquelle mit 10 A und 1 kV angeschlossen ist. Sie kann auch in einem Bereich 0,1 kV bis 10 kV und 0,1 A bis 10 A, bevorzugt bei 1 kV und 5 A betrieben werden.
  • Die Hohlkathode 3 ist ein Hohlzylinder und im Inneren werden infolge einer Glimmentladung Elektronen frei gesetzt, die auf Bestandteile des Plasma 2 auftreffen und dabei erfolgt eine Energieübertragung auf das Plasma 2, mit der ein Verdampfen von Droplets, die noch im Plasma 2 enthalten sind, erreicht wird. Durch die Glimmentladung wird auch ein kleiner Anteil an Werkstoff, infolge eines Sputtereffekts freigesetzt, der ebenfalls zu Ausbildung der Beschichtung beiträgt, da die Hohlkathode 3, wie das Target 1 aus Titan gebildet ist.
  • Innerhalb der Vakuumkammer kann Argon mit einem Partialdruck von 2 Pa enthalten sein.
  • In nicht dargestellter Form kann zusätzlich Stickstoff in die Vakuumkammer und in den Bereich des gebildeten Plasma 2 eingeführt werden, wenn keine Beschichtung aus Titan auf der Oberfläche des Substrats 8, sondern eine Beschichtung aus Titannitrid ausgebildet werden soll.
  • Die Hohlkathode 3 kann mit einer Wasserkühlung versehen sein. Allein oder zusätzlich dazu kann auch eine Einrichtung zur Ausbildung magnetischer oder elektromagnetischer Felder an der Hohlkathode 3 vorhanden sein. Eine solche Ausbildung ist auch bei allen anderen Beispielen und Ausführungsformen mit Hohlkathoden möglich.
  • An das Substrat 8 kann eine elektrische Spannung (BIAS-Spannung) angelegt sein, mit der eine zusätzliche Beschleunigung des Plasma 2 in Richtung Substratoberfläche erreicht werden kann. Dies kann auch bei allen folgend noch zu beschreibenden Beispielen so sein.
  • Bei dem in 2 gezeigten, nicht erfindungsgemäßen Beispiel ist wieder ein Target 1 aus Titan vorhanden, bei dem elektrische Bogenentladungen mit den gleichen Parametern, wie beim Beispiel nach 2 betrieben werden. Zwischen Target 1 und Substrat 8 sind eine Hohlkathode 4 aus Tantal oder einem hochtemperaturstabilem Werkstoff und aus Richtung Target 1 nachfolgend dazu eine Ringanode 4.1 angeordnet. Hohlkathode 4 und Ringanode 4.1 sind an Pole einer elektrischen Gleichspannungsquelle angeschlossen, bei der eine elektrische Spannung von 20 V und ein elektrischer Strom von 200 A eingehalten sind. Es ist aber auch ein Betrieb im Bereich 1 V bis 50 V und 0 bis 500 A möglich. Im Inneren der Vakuumkammer ist wieder ein Argonpartialdruck von 2 Pa eingehalten.
  • Die Hohlkathode 4 und die Ringanode 4.1 sind ebenfalls Hohlzylinder, so dass, wie auch beim Beispiel nach 1 das Plasma 2 ausgehend vom Target 1 durch Hohlkathode 4 und Ringanode 4.1 in Richtung Substratoberfläche hindurch geführt ist.
  • Im Inneren der Hohlkathode 4 werden durch die infolge des elektrischen Stromes erreichten hohen Temperaturen Elektronen von der Hohlkathode 4 ausgehend emittiert, die ihre Energie wieder auf das Plasma 2 übertragen und flüssige Bestandteile verdampfen. In diesem Fall erfolgt keine Freisetzung von Werkstoff der Hohlkathode 4, so dass die Beschichtung nur mit dem vom Target 1 bei der elektrischen Bogenentladung abgetragenem Titan als Werkstoff gebildet wird.
  • In nicht dargestellter Form kann an der Hohlkathode 4 auch eine Zusatzheizung vorhanden sein, die die Zeit bis zum Erreichen einer ausreichend hohen Temperatur in der Hohlkathode 4 verkürzen kann.
  • Auch hier kann durch Zugabe von Stickstoff Titannitrid für die Ausbildung der Beschichtung gebildet werden.
  • Auch bei dem in 3 gezeigten Beispiel ist das Target 1 aus Titan gebildet und die elektrische Bogenentladung wird wieder mit den gleichen Parametern betrieben.
  • Zwischen Target 1 und Substrat 8 ist eine hohlzylinderförmige Anode 5, nachfolgend als Anregungsanode 5 bezeichnet, angeordnet, durch die das gebildete Plasma 2 in Richtung auf das Substrat 8 geführt wird. Die Anregungsanode 5 ist an den positiven Pol einer elektrischen Gleichspannungsquelle mit 20 V und 200 A angeschlossen. Prinzipiell kann die Anregungsanode 5 mit einer elektrischen Spannung zwischen 0 und 40 V und elektrischem Strom zwischen 0 und 500 A betrieben werden. Sie sollte mit maximal 10% mehr als alle Bogenentladungsquellen zusammen betrieben werden.
  • Die Anregungsanode 5 besteht aus Kupfer. Seitlich neben dem Plasma 2, das aus der Anregungsanode 5 austritt ist eine zweite Kathode 5.1 als zusätzliche Elektronenquelle angeordnet, auf der elektrische Bogenentladungen mit einer elektrischen Spannung von 20 V und einem elektrischen Strom von 100 A betrieben werden. Zur Vermeidung eines Auftreffens von Plasma oder anderer Bestandteile von der zweiten Kathode 5.1 in das vom Target 1 gebildete Plasma 2 und die zu beschichtende Substratoberfläche ist eine Blende 5.2 oberhalb der Oberfläche der zweiten Kathode 5.1, auf der die elektrische Bogenentladung gezündet ist, angeordnet. Die elektrischen Bogenentladungen an der zweiten Kathode 5.1 können mit den gleichen Parametern, wie sie für die elektrischen Bogenentladungen am Taget 1 genutzt werden, betrieben werden.
  • Die Anregungsanode 5 weist an der äußeren Oberfläche eine elektrisch isolierende Abschirmung auf. In das Innere der Anregungsanode 5 gelangen Elektronen, die aus der elektrischen Bogenentladung vom Target 1 und der zweiten Kathode 5.1 stammen. Mit deren Energie werden bis dahin nicht verdampfte Bestandteile des vom Target 1 emittierten Plasma 2 verdampft.
  • Es besteht die Möglichkeit die Anregungsanode 5 mit einer Kühlung, bevorzugt Wasserkühlung zu betreiben.
  • Auch hier kann ein Argonpartialdruck von 2 Pa eingehalten und mit Stickstoffzufuhr gearbeitet werden, wenn keine Titan-, sondern eine Titannitridschicht ausgebildet werden soll.
  • Bei dem in 4 gezeigten Beispiel wird das wieder mittels elektrischer Bogenentladung vom Target 1 mit den gleichen elektrischen Parametern gebildete Plasma 2 durch ein hohlzylinderförmiges Reflektorelement 6 und von dort zur zu beschichtenden Oberfläche des Substrats 8 geführt.
  • In einer Wand es Reflektorelements 6 ist eine Durchbrechung 6.2 ausgebildet, durch die in diesem Fall ein Elektronenstrahl 6.1 als Korpuskularstrahl in das Innere des Reflektorelements 6 gerichtet ist. Prinzipiell könnte so auch ein Laserstrahl genutzt werden.
  • Der Elektronenstrahl 6.1 sollte dabei mindestens entlang einer Achse also mindestens eindimensional ausgelenkt werden, so dass er an verschiedenen Positionen und mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die Innenwand des Reflektorelements 6 bei der ersten und dann auch nachfolgenden Reflexion(en) auftrifft. Dadurch kann ein größeres Volumen des Plasma 2 mit der Energie der Elektronen beeinflusst und dahin Energie übertragen werden, die wieder zur Verdampfung noch flüssiger Plasmabestandteile genutzt werden kann. Die Innenwand des Reflektorelements 6 kann an der Oberfläche strukturiert sein, so dass die Reflexion des Elektronenstrahls 6.1 durch Streueffekte vorteilhaft beeinflusst werden kann.
  • Das Reflektorelement 6 besteht aus Wolfram und ist elektrisch gegenüber der Umgebung isoliert. Die Elektronen werden von einer Elektronenkanone 6.2, die mit 10 kW bis 20 kW betrieben werden kann, emittiert. Bei Einsatz eines Elektronenstrahls 6.1 kann mit Beschleunigungsspannungen im Bereich 10 kV bis 60 kV und elektrischem Strom im Elektronenstrahl 6.1 im Bereich 0,1 A bis 10 A, bevorzugt bei 10 kV und 2 A gearbeitet werden.
  • Die Auslenkung des Elektronenstrahls 6.1 kann in bekannter Weise mit elektromagnetischen Feldern in gezielter und an sich bekannter Form erreicht werden. Durch die Reflexion und die Auslenkung kann eine Schwing- oder Kreisbewegung des Elektronenstrahls 6.1 erreicht werden. Ein Laserstrahl kann durch mindestens ein verschwenkbares reflektierendes Element ausgelenkt und in das Innere des Reflektorelements 6 gerichtet werden. Ein Laserstrahl kann bevorzugt von einer Nd:Yag-Laserquelle mit einer Wellenlänge von 1,06 um und einer Strahlleistung im Bereich 10 W bis 10 kW, bevorzugt 1 kW eingestzt werden. Es ist auch ein gepulster Betrieb möglich.
  • Es erfolgt kein Werkstoffabtrag vom Reflektorelement 6.
  • Die Innenatmosphäre kann bei diesem Beispiel, wie auch bei allen anderen Beispielen gleich gewählt werden.
  • Die 5 zeigt ein Beispiel, bei dem die Einrichtung als Parallelplattenreaktor ausgebildet ist. Dabei sind zwei Platten 7.1 und 7.2 aus elektrisch leitfähigem Werkstoff in einem Abstand zueinander angeordnet. Das vom Target 1 mittels elektrischer Bogenentladung gebildete Plasma wird zwischen den beiden Platten 7.1 und 7.2 zur Oberfläche des Substrats 8, die beschichtet werden soll, geführt. Die Platten 7.1 und 7.2 sind an eine elektrische Wechselspannungsquelle 7.3 angeschlossen, die mit einer Leistung von 10 kW bei 2 kV effektiv und bei einer Frequenz von 50 kHz betrieben wird. Prinzipiell kann ein Betrieb bei Frequenzen im Bereich 20 kHz bis 100 kHz und einer Leistung bis 200 kW, typ: 50kHz erfolgen. Es kann ein RF- Generator mit einer Frequenz von 13,56 MHz und einer Leistung bis zu 50 kW, bevorzugt 3 KW eingesetzt werden.
  • Mit dem zwischen den beiden Platten 7.1 und 7.2 ausgebildeten elektrischen Wechselfeld erfolgt ein Energieeintrag in das Plasma 2, der zur Verdampfung noch flüssiger Bestandteile im Plasma 2 führt.
  • Das Target 1 ist auch hier aus Titan gebildet, die elektrische Bogenentladung wird mit den gleichen elektrischen Parametern betrieben und es kann auch optional wieder Stickstoff zur Ausbildung einer Titannitridschicht zugeführt werden. Der Argonpartialdruck ist gegenüber den anderen Beispielen etwas auf 10 Pa erhöht.
  • Bei allen Beispielen kann die elektrische Bogenentladung auch gepulst betrieben werden, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei können Targets 1 mit einem Durchmesser von 63 mm eingesetzt werden. Hohlkathoden 3, 4, Anoden 5 und Reflektorelemente 6 sollten mit ihren stirnseitigen Öffnungen an einer Seite möglichst nah an der Oberfläche des Targets 1 angeordnet sein. Ein geeigneter Abstand von 20 mm bis 50 mm kann dabei eingehalten sein. Bei hohlzylindrischer Ausbildung können diese Elemente Innendurchmesser im Bereich 100 mm bis 200 mm aufweisen.
  • In den Figuren sind im Plasma 2 enthaltene Partikel oder Droplets als Punkte dargestellt.

Claims (4)

  1. Vorrichtung zur Ausbildung einer Beschichtung auf einer Substratoberfläche, bei der innerhalb einer Vakuumkammer von einem als Kathode geschaltetem Target (1), das aus einem chemischen Element, mit dem die Beschichtung gebildet wird, besteht, mittels einer elektrischen Bogenentladung ein Plasma (2) generiert und in Richtung auf die zu beschichtende Substratoberfläche beschleunigt wird, wobei zwischen dem Target und der Substratoberfläche eine Einrichtung (5, 5.1, 6, 7.1, 7.2) zur Erhöhung der Energiedichte des Plasmas (2) vorhanden ist, wobei das Plasma (2) auf direktem, kürzestem Weg ausgehend vom Target (1) zur Substratoberfläche auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung ein Reflektorelement (6), durch das das Plasma (2) in Richtung auf die Substratoberfläche gerichtet ist, und in das mindestens ein Korpuskularstrahl (6.1) oder Laserstrahl so gerichtet ist, dass ein Korpuskularstrahl (6.1) oder Laserstrahl mehrfach in unterschiedliche Richtungen reflektiert wird, ein Parallelplattenreaktor (7), der an eine elektrische Wechselspannungsquelle (7.3) angeschlossen ist, und das Plasma (2) zwischen den Platten (7.1, 7.2) des Parallelplattenreaktors (7) in Richtung auf die Substratoberfläche geführt ist, oder eine zusätzliche Elektronenquelle, die zwischen einer Anregungsanode (5) und der Substratoberfläche außerhalb des gebildeten Plasma (2) angeordnet ist und dabei die Elektronenquelle eine zweite Kathode (5.1) ist, auf deren Oberfläche eine elektrische Bogenentladung betrieben ist, wobei die Elektronenquelle in Richtung Plasma (2) und Substratoberfläche mit einer Blende (5.2) abgeschirmt ist, ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung für ein Reaktivgas an der Vakuumkammer vorhanden ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl oder eine Korpuskularstrahl (6.1), insbesondere ein Elektronenstrahl mit wechselnden Einfallswinkeln in das Reflektorelement (6) gerichtet ist und/oder die Oberfläche des Reflektorelements (6), auf die ein Laser- oder Korpuskularstrahl (6.1) auftrifft, eine eine wechselnde Reflexionsrichtung der Laser- oder Korpuskularstrahls (6.1) hervorrufende Strukturierung aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektorelement (6) aus einem Werkstoff gebildet ist, der von einem Korpuskularstrahl (6.1) oder Laserstrahl unbeeinflusst bleibt.
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