DE102018112335A1

DE102018112335A1 - Magnetronsputtervorrichtung

Info

Publication number: DE102018112335A1
Application number: DE102018112335.3A
Authority: DE
Inventors: Bastian Gaedike
Original assignee: Hartmetall Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH
Current assignee: Hartmetall Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2019-11-28
Also published as: US20210050192A1; JP7168686B2; CN112154226A; EP3768871A1; JP2021524884A; MX2020012423A; WO2019223959A1

Abstract

Magnetronsputtervorrichtung (100), die aufweist: ein Substrat (20); ein Target (16), das in einem elektrischen Gleichspannungsfeld eine Kathode (30) bildet und ein elektrisch leitfähiges Stoffgemisch (36) zum Beschichten des Substrates (20) aufweist; eine Anode (34) in dem elektrischen Gleichspannungsfeld; eine Reaktionskammer (10), in der das Target (16) und das Substrat (20) angeordnet sind, wobei das Target (16) räumlich getrennt von dem Substrat (20) angeordnet ist; und eine Spannungsquelle (26), die dazu eingerichtet ist, das elektrische Gleichspannungsfeld zwischen der Kathode (30) und der Anode (34) zu erzeugen; wobei das Stoffgemisch (36) ein erstes Material (38) sowie ein zweites Material (40) aufweist, und wobei das Substrat (20) ein drittes Material (42) aufweist, wobei das erste Material (38) ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff, das zweite Material (40) ein elektrisch leitfähiger Feststoff, und das dritte Material (42) ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetronsputtervorrichtung sowie ein Verfahren zum Magnetronsputtern.
Beispielhafte Magnetronsputtervorrichtungen sind bereits aus der DE 10 2014 105 947 A1 , der DE 11 2008 000 702 T5 sowie der EP 3 041 026 B1 bekannt.
Allgemein wird unter dem Begriff „Sputtern“, welcher sich aus dem englischen Verb „to sputter“ = „zerstäuben“ ergibt, ein physikalischer Vorgang verstanden, bei dem Atome aus einem Festkörper, einem sogenannten Target, durch einen Beschuss mit energiereichen Ionen herausgelöst werden und dabei in eine Gasphase übergehen. Die herausgelösten Atome beschichten einen Körper und setzen sich auf dessen Oberfläche als eine dünne Schicht ab. Der zu beschichtende Körper wird im Allgemeinen als „Substrat“ bezeichnet. In der technischen Anwendung wird der physikalische Vorgang beispielsweise bei der Beschichtung von Zerspanungswerkzeugen, Werkzeughaltern und Umformwerkzeugen genutzt.
Diese Art des Beschichtungsverfahrens wird auch als „Sputterdeposition“ bezeichnet und gehört zur Gruppe der vakuumbasierten PVD-Verfahren. Die Abkürzung PVD bezeichnet hierbei die physikalische Gasphasenabscheidung (engl.:„physical vapour deposition“). Die Beschichtung dient meist zur Erhöhung der Beständigkeit, des Verschleißschutzes sowie der mechanischen Härte.
Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung wird das Ausgangsmaterial in die Gasphase überführt. Die aus dem Target herausgelösten Atome werden durch einen Energieeintrag zu dem zu beschichtenden Substrat beschleunigt und schlagen sich auf der Oberfläche des Substrates als Grenzschicht nieder. Das abzuscheidende Material, d.h. das Targetmaterial, liegt bei einem PVD-Verfahren in der Regel als Feststoff vor und befindet sich zumeist in einer evakuierten Beschichtungskammer, die auch als Reaktionskammer bezeichnet wird. In dieser Reaktionskammer ist das zu beschichtende Substrat räumlich getrennt von dem Target angeordnet.
Beispielsweise erfolgt der Energieeintrag durch ein Anlegen eines elektrischen Gleichspannungsfeldes zwischen dem Target und einer Anode, wobei das Target im dem elektrischen Gleichspannungsfeld die negativ geladene Kathode bildet. Die Reaktionskammer ist in diesem Fall mit einem inerten Prozessgas gefüllt, das durch die Energiezufuhr des elektrischen Gleichspannungsfeldes in den ionisierten Zustand gebracht wird (Plasmabildung). Die positiv geladenen Prozessgasionen werden durch das elektrische Gleichspannungsfeld in Richtung des positiv geladenen Targets beschleunigt und schlagen durch diesen „Beschuss“ ,d.h. durch physikalische Stoßimpulsübertragung, Atome des Targetmaterials aus dessen Oberfläche heraus, die sich nachfolgend in die Richtung des Substrates bewegen und dessen Oberfläche beschichten. Es trifft also ein dauerhafter Strom aus positiv geladenen Ionen auf das Target, weshalb der Prozess auch als Gleichstrom- bzw. DC-Sputtern bezeichnet wird.
In einem Spezialfall des DC-Sputterns wird zusätzlich zu dem elektrischen Gleichspannungsfeld zwischen Kathode und Anode hinter dem Target durch einen oder mehrere Elektro- oder Permanentmagnete ein Magnetfeld erzeugt, weshalb dieser Prozess auch als „Magnetronsputtern“ bezeichnet wird.
Durch die Überlagerung des elektrischen Gleichspannungsfeldes mit dem magnetischen Feld bewegen sich die Ionen des Prozessgases nicht parallel zu den elektrischen Feldlinien, sondern werden auf ihrem Weg zur Targetoberfläche durch die Lorentz-Kraft auf eine Spiralbahn bzw. Schraubenbahn abgelenkt, wodurch die einzelnen Ionen einen längeren Weg bis zu ihrem Aufprall auf die Targetoberfläche zurücklegen. Durch diesen verlängerten Weg erhöht sich die Wahrscheinlichkeit weiterer Stöße zwischen ionisierten Prozessgasionen und nicht-ionisierten Prozessgasionen. Mit anderen Worten, durch das magnetische Feld wird die Stoßionisierung und mit dieser die Gesamtzahl der ionisierten Prozessgasatome erhöht. Dies hat insbesondere eine Erhöhung der Sputterrate zur Folge, wobei man unter der Sputterrate die Anzahl der herausgelösten Atome des Targetmaterials versteht. Somit können höhere Beschichtungsraten ohne eine Erhöhung des Prozessdrucks realisiert werden. Eine Erhöhung des Prozessdrucks führt ebenfalls zu einer Erhöhung der Ionisierungsrate, da durch höhere Druckbedingungen im Inneren der Reaktionskammer der Impuls der einzelnen Prozessgasionen erhöht werden kann. Durch das Magnetronsputtern kann somit das Schichtwachstum, die Homogenität und/oder die Schichteigenschaften auf der Substratoberfläche im Vergleich zu der einfachen Kathodenzerstäubung verbessert werden. Die Erhöhung der Sputterrate führt zu einer geringeren Streuung des Materials auf dem Weg zum Substrat und zu einer dichteren (weniger porösen) Oberflächenschicht auf der Substratoberfläche.
Der Nachteil an diesem Verfahren ist allerdings, dass bedingt durch das Funktionsprinzip, d.h. das Gleichspannungsfeld zwischen Target und Anode, lediglich elektrisch leitfähige Materialien als Target- bzw. Beschichtungsmaterial verwendet werden können. Wird ein elektrisch isolierendes Material als Targetmaterial verwendet, kommt es beim Abscheiden der Atome dieses isolierenden Materials zur Bildung einer elektrisch isolierenden Grenzschicht auf der Anodenoberfläche. Diese Anodenoberfläche kann bspw. die Oberfläche des Substrates oder die Oberfläche eines Opfer-Blechs sein, das als Anode geschaltet ist. Durch diese Grenzschicht verliert die ansonsten elektrisch leitfähige Anode ihre elektrisch leitende Eigenschaft und somit ihre Anodenfunktion im Gleichspannungsfeld. Dieses Phänomen wird wissenschaftlich auch als „disappearing anode effect“, d.h. als „Verschwinden der Anode“, bezeichnet und verhindert die Abscheidung von vielen technisch interessanten Materialien (z.B. Keramiken wie Aluminiumoxid). Dieser Effekt kann darüber hinaus eine Anlage zerstören oder zumindest zu einem Abbruch des Beschichtungsvorgangs führen. Auch bei reaktiven PVD-Beschichtungsprozessen, bei welchen zusätzlich zu dem Prozessgas ein Reaktivgas in der Reaktionskammer vorhanden ist, kann es zum Auftreten dieses Phänomens kommen. Werden z.B. Metalle (z.B. Aluminium oder Zirkon) durch Sauerstoffzugabe reaktiv in einem solchen reaktiven PVD-Prozess verarbeitet, entstehen elektrisch nicht-leitfähige Schichten, durch die die Anode „verschwinden“ kann.
Gerade bei der Beschichtung von Werkzeugen, Werkzeughaltern oder Ähnlichem ist es jedoch oftmals von Vorteil, elektrisch nicht-leitfähige Feststoffe, wie z.B. technische Keramiken, als Beschichtungsmaterial zu verwenden, da diese Werkstoffe eine hohe Härte, eine hohe thermische Beständigkeit, eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine hohe chemische Beständigkeit sowie Korrosionsfestigkeit aufweisen. Unter dem Begriff „technische Keramik“ wird hier vorliegend ein anorganischer nicht-leitfähiger Feststoff verstanden.
Somit besteht grundsätzlich das technische Problem, dass bei den bekannten Gleichstrom-Magnetronsputtervorrichtung keine elektrisch nicht-leitfähigen Materialen zur Beschichtung eines Substrates verwendet werden können, ohne dass das Risiko eines „disappearing anode effects“ bestehen bleibt.
Eine technische Möglichkeit Substrate mit einem elektrisch nicht-leitfähigen Stoff zu beschichten, wird durch das sogenannte Wechselstrom-Dual-Magnetronsputtern bereitgestellt. Zwischen den zwei Elektroden, bspw. zwischen dem Target und dem Substrat, wird ein Wechselstrom hin und her geschaltet, durch den die Substratoberfläche bei jeder Umkehrung des Stromrichtung gereinigt wird, wodurch der „disappearing anode effect“ verhindert werden kann [Quelle: http://www.semicore.com/news/97-what-is-mf-acsputtering; aufgerufen am 26.04.2018]. Als wesentlicher Unterschied zu dem Gleichstrom-Magnetronsputtern, wird bei diesem Beschichtungsverfahren ein Wechselspannungs- bzw. Wechselstromfeld benötigt, wodurch der Gesamtaufbau der Vorrichtung technisch wesentlich komplexer und voluminöser ausfällt und somit deutlich kostenintensiver ist und dadurch keine optimale Lösung für das technische Problem darstellt.
Die eingangs erwähnte DE 10 2014 105 947 A1 zeigt eine beispielhafte Gleichstrom-Magnetronsputtervorrichtung bzw. ein Verfahren zum Abscheiden eines dünnen piezoelektrischen Films auf einem akustischen Resonator. Das Target besteht aus elektrisch leitfähigem Aluminium, das mit einem ebenfalls elektrisch leitfähigen Seltenerdelement dotiert ist. Diese Druckschrift befasst sich im Wesentlichen mit der Aufgabe der Ausgestaltung eines magnetischen Feldes zugunsten der piezoelektrischen Eigenschaften der Resonatorbeschichtung. In der Druckschrift wird jedoch nicht das vorab geschilderte technische Problem gelöst, vielmehr ist explizit erwähnt, dass das Target aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
Auch in der zuvor genannten DE 11 2008 000 702 T5 wird das zuvor genannte technische Problem des disappearing anode effects nicht gelöst. Es wird eine Magnetronsputtervorrichtung beschrieben, die für die Beschichtung von Flüssigkeitskristalldisplaysubstraten oder Halbleitersubstraten verwendet wird, wobei sich diese Druckschrift mit der Positionierung der Magnete innerhalb der Vorrichtung befasst und somit einen anderen technischen Bereich beleuchtet.
In der eingangs erwähnten EP 3 041 026 B1 wird ein Gaseinlass für eine Vakuumkammer einer Magnetronsputtervorrichtung bereitgestellt, durch den die Verteilung eines Mischgases (Prozessgas + Reaktivgas) nach Eintritt in die Vakuumkammer vereinheitlicht werden soll.
Aus dem zuvor beschrieben technischen Problem ergibt sich nun die technische Aufgabe eine Magnetronsputtervorrichtung bzw. ein Verfahren zum Magnetronsputtern bereitzustellen, bei welcher bzw. welchem das Substrat mit einem elektrisch nicht-leitfähigen Material beschichtet werden kann, ohne dass es zum Auftreten des „disappearing anode effects“ kommt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe ausgehend von der eingangs genannten Magnetronsputtervorrichtung dadurch gelöst, dass die Magnetronsputtervorrichtung aufweist: ein Substrat; ein Target, das in einem elektrischen Gleichspannungsfeld eine Kathode bildet und ein elektrisch leitfähiges Stoffgemisch zum Beschichten des Substrates aufweist; eine Anode in dem elektrischen Gleichspannungsfeld; eine Reaktionskammer, in der das Target und das Substrat angeordnet sind, wobei das Target räumlich getrennt von dem Substrat angeordnet ist; und eine Spannungsquelle, die dazu eingerichtet ist, das elektrische Gleichspannungsfeld zwischen der Kathode und der Anode zu erzeugen; wobei das Stoffgemisch ein erstes Material sowie ein zweites Material aufweist, und wobei das Substrat ein drittes Material aufweist, wobei das erste Material ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff, das zweite Material ein elektrisch leitfähiger Feststoff, und das dritte Material ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren gelöst, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Substrates; Bereitstellen eines Targets, das in einem elektrischen Gleichspannungsfeld eine Kathode bildet und ein elektrisch leitfähiges Stoffgemisch zum Beschichten des Substrates aufweist, wobei das Stoffgemisch ein erstes Material sowie ein zweites Material aufweist, wobei das erste Material ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff und das zweite Material ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist; Bereitstellen einer Anode in dem elektrischen Gleichspannungsfeld; Anordnen des Targets und des Substrates in einer Reaktionskammer, wobei das Target räumlich getrennt von dem Substrat angeordnet ist, wobei das Substrat ein drittes Material aufweist, wobei das dritte Material ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist; Einleiten eines Prozessgases in den Innenraum der Reaktionskammer; und Erzeugen des elektrischen Gleichspannungsfeldes zwischen der Kathode und der Anode.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelingt es, trotz Gleichspannungs-Magnetronsputtern (DC- Magnetronsputtern) ein Substrat mit einem elektrisch nicht-leitfähigen Feststoff zu beschichten, ohne dass es zum Auftreten des disappearing anode effects kommt. Dies war bisher nur durch das wesentlich aufwendigere und teurere Wechselstrom-Magnetronsputtern (AC-Magnetronsputtern) möglich. Dieses Wechselstrom Magnetronsputtern wird häufig auch als MF- Magnetronsputtern bezeichnet. Durch die vorliegende Erfindung gelingt es nun jedoch, das Targets durch das Beifügen eines elektrisch leitfähigen Materials (zweites Material) elektrisch leitfähig zu machen und diese elektrische Leitfähigkeit auch nach dem Abscheiden der Atome des Targets auf der Substratoberfläche weiterhin zu gewährleisten. Somit kann auf einfache und kostengünstige Weise das Substrat beispielsweise mit einer technischen Keramik beschichtet werden, durch die zahlreiche vorteilhafte Schichteigenschaften entstehen. Die Schichtgüte und Schichteigenschaften der Substratbeschichtung werden erfindungsgemäß maßgeblich durch die mechanischen und thermischen Eigenschaften des elektrisch nicht-leitfähigen Materials (erstes Material) bestimmt. Das zweite Material wird nur zur Herstellung der elektrischen Leitfähigkeit hinzugemischt. Das am Target vorgesehene Stoffgemisch besteht daher vorzugsweise zu größeren Anteilen aus dem ersten Material. Der Anteil des zweiten Materials wird dagegen vorzugsweise möglichst gering gewählt, nämlich nur so groß wie es zur Herstellung der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit des Target-Stoffgemischs notwendig ist. In einem solchen Fall führen die Eigenschaften des zweiten Materials lediglich zu geringen, technisch tolerierbaren Veränderungen der Beschichtung am Substrat.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sich bereits im Einsatz befindliche, herkömmliche Magnetronsputtervorrichtungen - ohne die Notwendigkeit eines teuren und aufwändigen Retrofits bzw. Umbaus - verwenden lassen, da für die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren lediglich das Target ausgetauscht werden muss.
Ferner ergibt sich ein weiterer Vorteil aus dem Vergleich mit der vorstehend genannten AC-Magnetronsputtervorrichtung, da die erfindungsgemäße Vorrichtung zeitlich invariant ist und somit einfacher gehandhabt werden kann.
Als Substrat wird in allgemeinster Form das zu beschichtende Objekt bezeichnet. Im hier vorliegenden Anwendungsfall werden vorzugsweise jegliche Arten von Werkzeugen, Werkzeugteilen, Zerspanungswerkzeugen, Umformwerkzeugen, Werkzeughalter sowie Abschnitte von Werkzeughaltern als Substrat bezeichnet. Vorteilhaft jedoch nicht zwingend kann das Substrat in der Reaktionskammer beispielsweise auf einem Substrathalter angeordnet bzw. reversibel lösbar mit diesem befestigt sein.
Unter einem Target wird im vorliegenden Kontext ein Festkörper verstanden, der grundsätzlich jede Art von geometrischer Form aufweisen kann. In der Praxis haben sich jedoch Targets in Form eines Rechtecks oder Kreises etabliert, wobei das Target vorteilhafterweise auf einem Targethalter innerhalb der Reaktionskammer angeordnet sein kann. Ein solcher Targethalter kann beispielsweise als Befestigungsplattform während des Beschichtungsprozesses genutzt werden, auf der das Target reversibel lösbar befestigt werden kann.
Unter dem Begriff „Reaktionskammer“ wird hierbei das Gehäuse bzw. der Arbeitsraum bzw. das Arbeitsvolumen der Magnetronsputtervorrichtung bezeichnet, in dem das Target räumlich getrennt von dem Substrat angeordnet ist. Vorteilhafterweise weist die Reaktionskammer beispielsweise eine Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Vakuums in ihrem Innenraum auf. Vorteilhafterweise weist die Reaktionskammer zusätzlich eine Gas-Einlassöffnung auf, durch die nach dem Erzeugen des Vakuums, d.h. dem Entfernen der Luft aus dem Innenraum der Reaktionskammer, ein Prozessgas eingeleitet werden kann. Vorzugsweise ist das Prozessgas ein Edelgas, d.h. ein Gas, das sich chemisch inert verhält und somit keine Reaktion mit einem oder mehreren Reaktionspartnern eingeht.
Die Spannungsquelle liefert zwischen ihren Anschlusspunkten, z.B. realisiert durch Anschlussklemmen bzw. elektrischen Ausgänge, eine elektrische Spannung bzw. eine Potenzialdifferenz. Im Wesentlichen hängt die Spannung nur gering von der elektrischen Stromstärke ab, welche der Spannungsquelle entnommen wird. Die gelieferte elektrische Spannung ist im Idealfall somit unabhängig vom jeweilig angeschlossenen Verbraucher. Im hier vorliegenden Fall ist die Spannungsquelle eine elektrische Gleichspannungsquelle. D.h., der elektrische Ausgang der Gleichspannungsquelle, der eine negative Spannung liefert, wird mit dem Target über eine Kabelverbindung verbunden. Der elektrische Ausgang, der eine positive Spannung oder ein Nullpotenzial (Erdung) liefert, wird mit der Anode über eine Kabelverbindung verbunden. Hierbei sei erwähnt, dass aus sicherheitstechnischen Gründen eine Erdung der Anlage vorteilhaft an der Reaktionskammer angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Target weist ein erstes Material sowie ein zweites Material auf, was mit anderen Worten bedeutet, dass das Target zumindest aus einem ersten sowie einem zweiten Material besteht. Das Target weist also eine Stoffgemisch bzw. eine Materialkomposition bestehend aus zumindest dem ersten Material und dem zweiten Material auf, kann jedoch darüber hinaus noch weitere Materialien z.B. Trägermaterialien aufweisen. Ein erfindungsgemäßes Target wird vorteilhafterweise gesintert oder heißgepresst, kann aber auch durch andere Herstellungsverfahren hergestellt werden, durch die es möglich ist, zwei verschiedene Rohmaterialien bzw. Rohstoffe, die vorzugsweise vor der Herstellung in Pulverform oder als Granulat, d.h. als Feststoff, vorliegen, miteinander in einem Festkörper zu vereinen.
Es sei zudem darauf hingewiesen, dass sich das dritte Material bzw. das Substratmaterial von dem zweiten Material unterscheidet. Das heißt, dass sich die chemische Zusammensetzung des dritten Materials von der des zweiten Materials unterscheidet. Lediglich eine veränderte Morphologie bzw. Kristall-Gitterstruktur (z.B. kubisch raumzentriert, kubisch flächenzentriert oder hexagonal-dichtest-gepackt) reicht noch nicht für den Unterschied zwischen dem zweiten Material und dem dritten Material aus.
Im hier vorliegenden Fall ist die elektrische Leitfähigkeit, welche auch als Konduktivität bezeichnet wird, die physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Stoffes angibt, den elektrischen Strom zu leiten. In der Elektrotechnik wird die elektrische Leitfähigkeit oft als der Kehrwert des spezifischen Widerstandes eines Stoffes angegeben. Dieser Widerstand wird üblicherweise mit der SI-Einheit Ohmmeter (Ωm) angegeben. Die SI-Einheit der elektrischen Leitfähigkeit ist mit Siemens pro Meter angegeben (S/m).
Grundlegend können die Stoffe des Periodensystems hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit in vier Gruppen unterteilt werden. Hierbei unterscheidet man zwischen Supraleitern, Leitern, Halbleitern und Nichtleitern. Supraleiter bezeichnen hierbei Materialien bei denen unterhalb einer materialabhängigen Sprungtemperatur der elektrische Widerstand auf nahezu 0 herabsinkt und die elektrische Leitfähigkeit somit nahezu unendlich groß wird. Leiter bzw. leitende Stoffe verfügen bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C über eine elektrische Leitfähigkeit von > 10⁶ S/m. Bei der Gruppe der Halbleiter hängt die elektrische Leitfähigkeit von der Reinheit des Materials ab. Bei der Gruppe der Nichtleiter bzw. Isolatoren wird die elektrische Leitfähigkeit meist mit < 10^-8 S/m angegeben.
Physikalisch gesprochen kann die elektrische Leitfähigkeit auch anhand des sog. Bändermodels erklärt werden. Bei diesem Modell werden die Energieeigenschaften der Elektronen verschiedener Stoffe grundlegend in eine Lage innerhalb eines sog. Valenzbandes sowie eine Lage innerhalb eines sog. Leitungsbandes eingeteilt. Zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband besteht eine sog. Bandlücke, mit welcher sich im Wesentlichen die elektrischen Leiteigenschaften eines Materials erklären lassen. Weist ein Material bspw. eine große Bandlücke auf, gilt dieses Material als elektrisch nichtleitfähig bzw. als Isolator. Weist ein Material hingegen eine sehr kleine bzw. keine Bandlücke auf, d.h., dass das Leitungsband mit dem Valenzband überlappt oder direkt an diesem anschließt, gilt der Stoff als elektrisch leitfähig. Diese Eigenschaft gilt insbesondere für Metalle. Bei Isolatoren befinden sich alle Elektronen innerhalb des Valenzbandes und können nur durch einen sehr hohen Energieeintrag in das Leitungsband gehoben werden. Bei elektrisch leitfähigen Materialien befinden sich entweder alle oder zumindest eine Vielzahl der Elektronen innerhalb des Leitungsbandes, wodurch diese Materialien ohne einen zusätzlichen Energieeintrag elektrisch leitfähig sind.
Im hier vorliegenden Fall erscheint es sinnvoll, einen Feststoff als elektrisch leitfähig zu definieren, wenn er bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C eine elektrische Leitfähigkeit von > 10^-3 S/m aufweist. Ein Feststoff soll vorliegend hingegen als elektrisch nichtleitfähig gelten, wenn er bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C eine elektrische Leitfähigkeit von < 10^-3 S/m aufweist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das erste Material einen ersten volumetrischen Anteil ΔV₁ und das zweite Material einen zweiten volumetrischen Anteil ΔV₂ auf, wobei gilt ΔV₁ ≥ ΔV₂, vorzugsweise ΔV₁ ≥ 1,5 ΔV₂.
Es sei an dieser Stelle nochmals erwähnt, dass die Beimischung des zweiten Materials lediglich zur Gewährleistung der elektrischen Leitfähigkeit der Beschichtung erfolgt. Die vorteilhaften mechanischen und thermischen Eigenschaften der Beschichtung werden vorzugsweise über die Materialeigenschaften des ersten Materials bestimmt. Aus diesem Grund ergibt sich der Vorteil, das zweite Material in einem volumetrischen Anteil beizumischen, der kleiner ist als der volumetrische Anteil des ersten Materials. Zur Klarstellung der Formulierung ΔV₁ ≥ 1,5 ΔV₂. sei erwähnt, dass ein bevorzugtes Stoffgemisch mindestens 60 Volumenprozent des ersten Materials und höchstens 40 Volumenprozent des zweiten Materials aufweist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das erste Material ein erster anorganischer Feststoff.
Hierbei wird unter einem anorganischen Feststoff ein Stoff aus dem Periodensystem verstanden, welcher bis zu einer Temperatur von zumindest 150 °C in einem festen Zustand vorliegt. Zudem wird unter einem anorganischen Material ein Material verstanden, das keine belebte Natur aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der erste anorganische Feststoff ein Carbid, ein Nitrid und/oder ein Oxid.
Carbide und Nitride zeichnen sich durch sehr starke Bindungsenergien zwischen den Atomen aus, die zu einer hohen chemischen und thermischen Stabilität, Härte und Festigkeit, jedoch gleichzeitig auch zu einer geringeren Duktilität und zu einer recht hohen Sprödigkeit führen. Die hohe Bindungsenergie wird auf atomarer Ebene durch einen hohen Anteil kovalenter und einen geringen Anteil ionischer Bindungen repräsentiert.
Bei Oxiden dominieren hingegen die lonenbindungen. Oxide zeichnen sich allerdings ebenfalls durch eine hohe Härte, eine hohe Verschleißfestigkeit sowie durch eine gute Wärmebeständigkeit aus, sind jedoch spröder als die meisten gängigen Hartmetalle und daher in der Zerspanungstechnik vorzugsweise für Beschichtungen vorgesehen. Zudem weisen Oxide eine hohe Korrosionsbeständigkeit bis zu Temperaturen von >1000 °C auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der erste anorganische Feststoff ein Metalloxid.
Metalloxide bezeichnen Verbindungen zwischen einem Metall und Sauerstoff und sind für ihre vorteilhaften Eigenschaften als Beschichtungsmaterial bekannt. Bei Metalloxiden dominieren ebenfalls die lonenbindungen. Zudem zeichnen sie sich (wie Oxide) durch eine hohe Härte, eine hohe Verschleißfestigkeit sowie durch eine gute Wärmebeständigkeit aus.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Metalloxid ein Zirkoniumoxid (ZrO₂), ein Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder ein Titaniumoxid (TiO₂).
Ein Vorteil dieser Metalloxide als Beschichtung in der Zerspanungstechnik liegt in ihrer hohen Härte und der Wärmefestigkeit sowie der hohen chemischen und thermischen Beständigkeit. Sie sind zudem hoch korrosionsbeständig und bei hohen Temperaturen im Einsatzbereich bis 1000°C weiterhin einsetzbar. Auch das Metalloxid Aluminiumtitanat (Al₂TiO₅) kann als Beschichtungselement in der Zerspanungstechnik benutzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das zweite Material ein zweiter anorganischer Feststoff. Der zweite anorganische Feststoff unterscheidet sich von dem ersten anorganischen Feststoff. Der Unterschied liegt insbesondere, aber vorzugsweise nicht ausschließlich in den elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der zweite anorganische Feststoff ein elementares Metall, ein Borid, ein Carbid und/oder ein Nitrid. Bei dieser Einschränkung ist besonders die elektrische Leitfähigkeit des zweiten Materials zu beachten, wodurch nur elektrisch leitfähige Boride, Carbide und/oder Nitride als zweites Material genutzt werden können. Elementare Metalle verfügen stets über diese geforderte elektrische Leitfähigkeit.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der zweite anorganische Feststoff ein Carbid.
Carbide bezeichnen hierbei eine Stoffgruppe deren chemische Verbindung aus einem Element (E) und Kohlenstoff (C) mit der allgemeinen Strukturformel E_xC_y angegeben wird. Zu der Gruppe zählen sowohl salzartige als auch metallische Verbindungen. Im hier vorliegenden Fall sind insbesondere die metallischen Verbindungen von vorteilhafter Bedeutung und zeichnen sich durch eine hohe mechanische und thermische Stabilität sowie einen hohen Schmelzpunkt (3000°C bis 4000°C) aus.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Carbid Wolframcarbid (WC), Niobcarbid (NbC), Hafniumcarbid (HfC), Tantalcarbid (TaC), Titaniumcarbid (TiC), Molybdäncarbid (MoC) und/oder Chromcarbid (Cr₃C₂).
Wolframcarbid (WC) weist einen hohen Härtewert sowie einen Schmelzpunkt von 2785 °C auf. Allgemein ist Wolframcarbid Hauptbestandteil vieler Hartmetallsorten und wird vor allem für Zerspanungswerkzeuge und als Werkstoff für hochbelastbare Bauteile oder Umformwerkzeuge benutzt. Titaniumcarbid (TiC) ist eine anorganische chemische Verbindung aus den Elementen Titan und Kohlenstoff. Zudem weist der Stoff eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit auf und ist an der Luft bis zu einer Temperatur von 800 °C stabil. Es zeichnet sich zudem durch einen besonders hohen Härtewert von bis zu 4000 HV (Härte nach Vickers) aus. Der Stoff ist besonders als Beschichtungsmaterial für Wendeschneidplatten, Fräswerkzeuge, Räumnadeln, Formwerkzeuge, Sägeblätter und Ähnliches bekannt. Molybdäncarbid ist genauso wie Chromcarbid eine intermetallische Verbindung. Beide Stoffe sind als Basis für korrosionsfeste Hartmetallegierungen anwendbar. Niobcarbid (NbC) ist als Werkstoff für die Beschichtung von besonderem Vorteil, da dieses Carbid im Verglich zu Wolframcarbid einen wesentlich günstigeren Einkaufspreis hat. Zudem weißt es im Vergleich zu WC sehr ähnliche mechanische Eigenschaften auf, verfügt jedoch über eine geringere Dichte. Weitere vorteilhafte metallische Carbide sind Tantalcarbid (TaC) und Hafniumcarbid (HfC).
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das dritte Material Hartmetall, Cermet, kubisches Bornitrid oder Stahl. Diese Materialien finden besonders bei der Herstellung von Werkzeughaltern und Schneidwerkzeugen zur spanenden Bearbeitung z.B. für Wendeschneidplatten, Dreh-, Fräs-, Bohr-, Reib-, und Schlichtwerkzeuge Verwendung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Spannungsquelle dazu eingerichtet, das elektrische Gleichspannungsfeld durch Energieimpulse zu erzeugen.
Magnetronsputtervorrichtungen, bei welchen das elektrische Gleichspannungsfeld durch Energieimpulse bereitgestellt wird, sind auch unter dem Namen „Hochenergieimpuls Magnetronsputtervorrichtungen“ (HiPIMS) bekannt. Diese Ausgestaltungsform hat die vorteilhafte Wirkung, dass höhere Leistungen an die Kathode angelegt werden können, durch die die Ionisierung des Prozessgases (d.h. die Plasmabildung) verbessert werden kann. Das Targetmaterial (Materialgemisch aus erstem und zweitem Material) wird durch die Hochenergiepulse stärker ionisiert, wodurch bei der Schichtbildung auf dem Substrat deutlich dichtere und homogenere Schichten entstehen, d.h. die Beschichtung der Substratoberfläche optimiert wird. Die Energieimpulse haben typischerweise eine Pulslänge zwischen 1 µs und 150 µs und weisen besonders vorteilhaft Leistungen > 1 MW auf. Durch diese sehr hohen Leistungen an der Kathode können deutlich höhere Ionisierungsgrade des Targetmaterials erreicht werden. Dieser hohe Grad der Ionisierung kann über die geänderten Wachstumsmechanismen die Eigenschaften der aufwachsenden Schicht auf dem Substrat erheblich verändern und kann bspw. zu einer erhöhten Haftfestigkeit der Beschichtungsatome auf der Substratoberfläche beitragen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Spannungsquelle dazu eingerichtet, Energieimpulse mit einer Leistung > 0,1 MW, vorzugsweise > 0,5 MW, besonders bevorzugt > 1 MW zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Spannungsquelle dazu eingerichtet, das Substrat mit einer negativen Bias-Spannung zu beaufschlagen.
Beim Beaufschlagen des Substrates mit der Bias-Spannung ist das Substrat elektrisch von der Reaktionskammer isoliert in dieser angeordnet. Vorteilhafterweise dient in diesem Fall die Reaktionskammer bzw. ein Teil der Reaktionskammer als Anode und/oder Nullpotenzial bzw. Erdung für die Magnetronsputtervorrichtung. An dem Substrat wird vorzugsweise eine negative Spannung bzw. ein negatives Potential von -50 bis -200V angelegt, wobei die Bias-Spannung grundsätzlich auch unterhalb oder oberhalb des vorab genannten Intervalls liegen kann. Aufgrund dieser Substrat-Vorspannung erhöht sich die Ionenenergie des teilionisierten Plasmas, das durch den Energieeintrag des elektrischen Gleichspannungsfeldes zwischen der Kathode und der Anode erzeugt wird. Durch die Bias-Spannung kommt es zu einem Ionenbombardement des Substrats. Bei einem sehr hohen Ionenbombardement werden lose gebundene Oberflächenverunreinigungen auf der Substratoberfläche entfernt und zudem die Substratoberfläche aufgeraut. Dieser Effekt wird beispielsweise auch bei einem vorteilhaften Ätzvorgang vor dem Beschichten des Substrates genutzt, um die Schichthaftung zu verbessern. Bei einem moderaten Ionenbombardement (zwischen 50 und 150 V Bias-Spannung) während des Sputterprozesses wird die Bewegungsgeschwindigkeit der sich in der Gasphase befindlichen Atome des Targetmaterials erhöht. Dies hat in vorteilhaften Anwendungsfällen positive Auswirkungen auf die Schichtstruktur. Vorteile, die sich durch das Anlegen einer Bias-Spannung ergeben, können beispielsweise eine Erhöhung der Teilchenenergie (z.B. der Atome des Stoffgemischs), eine Erhöhung der Schichtverdichtung, eine Erhöhung der Druckspannung und/oder eine Erhöhung der Härte der Substratbeschichtung sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bildet das Substrat die Anode. Das bedeutet, dass das Substrat mit der Spannungsquelle verbunden ist oder auf einem Substrathalter angeordnet ist, der mit der Spannungsquelle verbunden ist.
Dies hat den Vorteil, dass der Aufbau bzw. die elektrische Verschaltung der Vorrichtung sehr einfach gestaltet werden kann, da die Spannungsquelle lediglich mit dem positiven Ausgang an das Substrat und mit dem negativen Ausgang an das Target angeschlossen werden muss.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Reaktionskammer eine Umhausung auf, die das Target zumindest teilweise und kontaktfrei umgibt, wobei das Substrat, die Reaktionskammer und/oder die Umhausung die Anode bildet.
Unter dem Begriff „Umhausung“ wird hier beispielsweise ein Kathodenblech verstanden, dass die Kathode zumindest teilweise umgibt, jedoch von dieser räumlich getrennt innerhalb der Reaktionskammer angeordnet ist. Ein solches Kathodenblech kann beispielsweise in einem definierten Abstand zu der Kathode angeordnet sein, sodass zwischen dem Kathodenblech und der Kathode ein Spalt besteht. In einem Fall, wo die Umhausung die Anode bildet, entsteht in dem Raum zwischen der Umhausung und der Kathode das für den Sputtervorgang notwendige Prozessgasplasma. In diesem Fall wird die Umhausung während des Beschichtungsvorgangs mitbeschichtet. Der Vorteil besteht darin, dass die Geometrie der Umhausung frei wählbar vorrichtungsspezifisch angepasst werden kann. Es kann beispielsweise eine sehr große Oberfläche bereitgestellt werden, die gesamthaft als Anode genutzt wird. Insbesondere beim HiPIMS ist eine große Anodenoberfläche für einen reibungslosen Prozessablauf nötig.
Die zuvor genannten Ausgestaltungsmöglichkeiten bzw. Aspekte der Magnetronsputtervorrichtung und die sich jeweils daraus ergebenden Vorteile gelten in äquivalenter Form für das erfindungsgemäße Verfahren zum Magnetronsputtern.
Gemäß einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Beschichtung der Oberfläche des Substrates Atome des ersten Materials sowie Atome des zweiten Materials auf, wobei die Atome des ersten Materials zu den Atomen des zweiten Materials derart angeordnet sind, dass die beschichtete Oberfläche des Substrates elektrisch leitfähig ist.
Unter der „Anordnung der Atome des ersten Materials zu den Atomen des zweiten Materials“ wird hier vorliegend die Homogenisierung bzw. die Verteilung der Atome über die Substratoberfläche verstanden. Vorteilhafterweise existiert kein Oberflächenabschnitt auf der Substratoberfläche auf dem Atome des ersten Materials oder Atome des zweiten Materials agglomeriert sind. Eine vorteilhafte Anordnung der Atome des ersten Materials zu den Atomen des zweiten Materials liegt bspw. dann vor, wenn die jeweiligen Grenzflächen zwischen den Atomen des ersten Materials zu den Atomen des zweiten Materials eine gesamthafte elektrische Leitfähigkeit der Substratoberfläche gewährleisten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das erfindungsgemäße Verfahren den folgenden zusätzlichen Schritt auf: Einleiten eines Reaktivgases in den Innenraum der Reaktionskammer, wobei das Reaktivgas Methan, Acetylen, Stickstoff oder Sauerstoff aufweist, und wobei Reaktivgasionen des Reaktivgases dazu eingerichtet sind, mit Atomen des ersten Materials und/oder Atomen des zweiten Materials zu reagieren.
Bei diesem sog. „reaktiven Sputtern“ werden dem inerten Prozessgas, vorzugsweise Argon, ein oder mehrere reaktive Reaktivgase beigemischt. Diese Reaktivgase reagieren am Target, in der Vakuumkammer oder am Substrat mit den zerstäubten Atomen des Stoffgemischs und bilden mit diesen weitere chemische Verbindungen. Die entstandenen Reaktionsprodukte scheiden sich anschließend auf der Substratoberfläche ab.
Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Schichteigenschaften beim reaktiven Sputtern unter anderem über den Reaktivgaszufluss bzw. den Reaktivgasvolumenstrom beeinflusst werden können. Neben Sauerstoff und Stickstoff können auch andere Reaktivgase wie z.B. Wasserstoff, Wasserdampf, Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Methan oder Tetrafluormethan eingesetzt werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Magnetronsputtervorrichtung;
2 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines beispielhaften Stoffgemischs ZrO₂-WC;
3 eine Lichtmikroskop-Aufnahme des beispielhaften Stoffgemischs ZrO₂-WC; und
4 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer beispielhaften Substratbeschichtung mit einem Stoffgemisch ZrO₂-WC; und
5 ein schematischer Verfahrensablauf.

1 zeigt eine Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Magentronsputtervorrichtung gesamthaft mit der Bezugsziffer 100 gekennzeichnet ist.
Die Magnetronsputtervorrichtung 100 weist eine Reaktionskammer 10 auf, in deren Innenraum 12 ein Substrattisch 14 angeordnet ist. Im hier vorliegenden Fall ist der Substrattisch 14 drehbar und kann über einen hier nicht dargestellten Antriebsmotor in einen Drehbewegung versetzt werden, wobei die Umdrehungsgeschwindigkeit (in U/min) steuerbar ist. Der Substrattisch 14 kann beispielsweise eine drehbar gelagerte kreisrunde Metallplatte sein.
Im dem Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 sind im hier dargestellten Anwendungsfall sechs Targets 16 in einer achteckförmigen Anordnung um den Substrattisch 14 angeordnet, wobei erfindungsgemäß lediglich ein Target 16 notwendig wäre.
Auf dem Substrattisch 14 ist ein Substratträger 18 angeordnet, der im hier dargestellten Fall drehbar gelagert auf dem Substrattisch 14 ist, wobei der Substratträger 18 lediglich vorteilhaft ist, jedoch nicht notwendigerweise vorhanden sein muss. Der Substratträger 18 kann beispielsweise als korbartige Vorrichtung ausgeführt sein und je nach Anwendungsfall aus einem elektrisch leitfähigen oder elektrisch nicht-leitfähigen Material hergestellt sein. Der Substratträger 18 dient zur Aufnahme bzw. reversiblen Fixierung des Substrates 20 während eines Beschichtungsvorgangs.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind auf dem Substratträger 18 vier Substrate 20 angeordnet, wobei die Substrate 20 beispielsweise Fräsköpfe sein können, die in der Magnetronsputtervorrichtung 100 beschichtet werden sollen. Erfindungsgemäß muss jedoch lediglich ein Substrat 20 vorhanden sein.
Target(s) 16 und Substrat(e) 20 sind im Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 räumlich getrennt voneinander angeordnet.
Die Reaktionskammer 10 ist im vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Vakuumpumpe 22 verbunden, die dazu eingerichtet ist, vor Beginn des Beschichtungsvorgangs im Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 ein Vakuum oder zumindest einen Unterdruck zu erzeugen. Die Vakuumpumpe 22 kann beispielsweise als Turbopumpe ausgestaltet sein. Sie wird dazu eingesetzt, aus dem Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 reaktive Gasmoleküle, wie z.B. Stickstoff und/oder Sauerstoff bzw. Luft vor Beginn des Beschichtungsvorgangs zu entfernen, wodurch im Innenraum 12 ein Unterdruck entsteht.
Vorteilhafterweise wird ein inertes Prozessgas, wie z.B. Argon oder ein anders Edelgas, über einen an der Reaktionskammer 10 angeordneten Gaseinlass 24 in den Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 eingeleitet, um in diesem einen inerte Arbeitsatmosphäre zu erzeugen. Der Gaseinlass 24 kann beispielsweise als Gaskupplung ausgeführt sein, wobei in jedem Fall ein hermetisches Verschließen des Gaseinlasses 24 sicherzustellen ist.
Die Magnetronsputtervorrichtung 100 weist zudem einen Spannungsquelle 26 auf, die dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Gleichspannungsfeld zu erzeugen. Die Spannungsquelle 26 aus 1 weist zwei elektrische Ausgänge 28, 30 auf, wobei in der hier gezeigten Darstellung der negative Spannungsausgang 28 jeweils mit den sechs dargestellten Targets 16 verschaltet ist, wodurch die Targets 16 im hier dargestellten Beispiel in dem elektrischen Gleichspannungsfeld die Kathoden 30 bilden.
Das Target 16 muss nicht zwingend als Kathode 30 dienen. Es ist ebenfalls möglich den Substrattisch 14 durch ein entsprechendes Verschalten mit dem negativen Spannungsausgang 28 bzw. durch die angelegte Spannung als (zusätzliche) Kathode 30 zu verwenden. Auch kann beispielsweise ein Targetträger (hier nicht dargestellt) als Kathode 30 verwendet werden.
Der positive Spannungsausgang 32 der Spannungsquelle 26 ist in 1 beispielhaft mit der Reaktionskammer 10 verbunden, wodurch die Reaktionskammer 10 in dem elektrischen Gleichspannungsfeld die Anode 34 bildet. In anderen, hier nicht gezeigten Ausführungsbeispielen der Erfindung kann als Anode 34 der Substratträger 18 oder eine Vorrichtung, wie z.B. eine oder mehrere Umhausung(en) für das bzw. die Target(s) 16, dienen. In weiteren, hier nicht gezeigten Anwendungsfällen können beispielsweise auch mehrere Anoden 34 verwendet werden. Darüber hinaus dient vorteilhafterweise zumindest eine Anode 34 als Erdung.
Die kommerziell verfügbare DC-Magnetronsputter-CemeCon-Anlage ist beispielsweise gegen ein „spezielles“ Anodenpaar 34 schaltbar, die als sogenannter „Booster“ bezeichnet wird. Diese „Booster“ verfügen über eine Kupferoberfläche.
Es sei erwähnt, dass in anderen Anwendungsfällen auch mehrere Spannungsquellen 26 und/oder eine Spannungsquelle 26 mit einer Vielzahl von elektrischen Ausgängen und/oder Eingängen (nicht gezeigt) verwendet werden können. Die Spannungsquelle(n) 26 kann/können dazu eingerichtet sein, der Kathode 30 eine gepulste elektrische Leistung zuzuführen, wobei diese Energieimpulse (d.h. das Bereitstellen der elektrischen Leistung für eine gewisse gepulste Zeitdauer) vorteilhafterweise eine Leistung > 0,1 MW, vorzugsweise > 0,5 MW, besonders bevorzugt > 1 MW haben. Dabei kann die Spannungsquelle 26 beispielsweise einen Pulsgeber und/oder einen Pulsweitenmodulator aufweisen und ist vorteilhafterweise dazu eingerichtet, eine Vielzahl an Pulsformen, Pulslängen und/oder Pulsamplituden zu erzeugen.
Wird die in 1 beispielhaft dargestellte Magnetronsputtervorrichtung 100 für einen Beschichtungsvorgang bzw. bei einem Verfahren zum Magnetronsputtern (siehe schematische Darstellung in 5) verwendet, wird das zu beschichtende Substrat 20 bereitgestellt und in dem Substratträger 18 angeordnet (Schritt S100). Dieses Anordnen kann beispielsweise durch ein Einlegen, Einfädeln, Aufspießen, Einspannen oder Anschrauben des Substrates 20 in den bzw. an dem Substratträger 18 erfolgen. Zudem ist das Target 16 (in 1 sechs Targets 16) bereitzustellen und in dem Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 anzuordnen (Schritt S101), wobei dieses Anordnen beispielsweise durch ein Befestigen des Targets an einem Targetträger erfolgen kann. Im hier vorliegenden Fall ist der Substratträger 18 mit dem positiven Spannungsausgang 32 der Spannungsquelle 26 verbunden, wodurch das Target 16 gemeinsam mit dem hier nicht gezeigten Targetträger, die Kathode 30 bildet.
Die sechs Targets 16 weisen ein elektrisch leitfähiges Stoffgemisch 36 zum Beschichten des Substrates 20 auf, wobei das Stoffgemisch 36 ein erstes Material 38 sowie ein zweites Material 40 aufweist. Das erste Material 38 ist ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff. Das zweite Material 40 ist ein elektrisch leitfähiger Feststoff.
Ebenfalls ist im Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 die Anode 34 bereitzustellen (Schritt S102), wobei dieses Bereitstellen beispielsweise (wie in 1) durch das Anschließen des positiven Spannungsausgangs 32 der Spannungsquelle 26 an der Reaktionskammer 10 erfolgen kann.
Das Substrat 20 weist ein drittes Material 42 auf, wobei das dritte Material 42 ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist.
Ist das Bereitstellen und Anordnen des Substrates 20 und des Targets 16 im Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 abgeschlossen, kann die Reaktionskammer 10 beispielsweise über eine hermetisch verschließbare Tür verschlossen werden. Sobald die Reaktionskammer 10 verschlossen ist, wird über die Vakuumpumpe 22 im Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 ein Unterdruck/Vakuum erzeugt. Hierbei kann beispielsweise auch ein zusätzliches Beheizen durch eine Heizeinrichtung (hier nicht gezeigt) erfolgen, durch die der Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 auf eine Prozesstemperatur aufgeheizt wird. Ist das Vakuum erzeugt, wird über den Gaseinlass 24 das Prozessgas in den Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 eingeleitet (Schritt S103) und durch die Spannungsquelle 26 ein elektrisches Gleichspannungsfeld zwischen der Kathode 30 und der Anode 34 erzeugt (Schritt S104).
Das durch die Spannungsquelle 26 erzeugte elektrische Gleichspannungsfeld ruft eine Stoßionisierung von Atomen des Prozessgases hervor, bei der sich die Atome des Prozessgases in negativ geladene Elektronen und positiv geladene Prozessgasionen aufteilen, wobei die positiv geladenen Prozessgasionen durch das anliegende Gleichspannungsfeld in Richtung des Targets 16 beschleunigt werden. Bei einem Aufprall der Prozessgasionen auf der Oberfläche des Targets 16 werden durch eine Impulsübertragung Atome des Stoffgemischs 36 herausgeschlagen, die sich von dem Target 16 in Richtung des Substrates 20 bewegen und eine Oberfläche des Substrates 20 beschichten (Schritt S105). Während dieses Beschichtungsvorgangs kann das Substrat 20 beispielsweise durch eine Drehbewegung des Substrattischs 14 und einer zusätzlichen dazu relativen Drehbewegung des Substratträgers 18 im Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 bewegt werden.
2 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Oberfläche eines beispielhaften Targets 16. Das Target 16 weist das elektrisch leitfähige Stoffgemisch 36 auf, welches im hier gezeigten Fall ZrO₂-WC ist.
3 zeigt eine entsprechende Lichtmikroskop-Aufnahme des Stoffgemischs 36. Das Stoffgemisch 36 besteht aus dem ersten elektrisch nicht-leitfähigen Material 38 (hier Zirkoniumoxid (ZrO₂)) und dem zweiten elektrisch leitfähigen Material 40 (hier Wolframcarbid (WC)). Vorteilhafterweise weist das erste Material 38 einen ersten volumetrischen Anteil ΔV₁ und das zweite Material 40 einen zweiten volumetrischen Anteil ΔV₂ auf, wobei vorteilhaft gilt: ΔV₁ ≥ ΔV₂, vorzugsweise ΔV₁ ≥ 1,5 ΔV₂.
In den 2 und 3 ist erkennbar, dass das zweite Material 40 bzw. Wolframcarbid dunkle und das erste Material 38 (hier Zirkoniumoxid (ZrO₂)) helle Gefügeanteile abbildet. Das Target 16 kann beispielsweise über Heißpressen oder einen Sintervorgang hergestellt werden. Je nach Herstellungsverfahren und Herstellablauf ergeben sich kleinere oder auch größere Gefügeanteile im Stoffgemisch 36.
Das erste Material 38 kann im allgemeinsten Fall ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff sein. Es ist vorteilhaft wenn das erste Material 38 ein erster anorganischer Feststoff ist. Ebenso vorteilhaft ist es, wenn der erste anorganische Feststoff ein Carbid, ein Oxid und/oder ein Nitrid, vorteilhafter ein Metalloxid ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Metalloxid ZrO₂, Al₂O₃ oder TiO₂ ist. Das zweite Material 40 kann im allgemeinsten Fall ein elektrisch leitfähiger Feststoff sein. Es ist vorteilhaft wenn das zweite Material 40 ein zweiter anorganischer Feststoff ist. Ebenso vorteilhaft ist es, wenn der zweite anorganische Feststoff ein elementares Metall, ein Borid, ein Carbid, und/oder ein Nitrid, vorteilhafter ein Carbid ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Carbid WC, NbC, HfC, TaC, TiC, MoC und/oder Cr₃C₂ ist.
4 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme nach der Beschichtung des Substrates 20 mit ZrO₂-WC. Hierbei wurde die ZrO₂-WC Schicht auf der Oberfläche des Substrates 20 abgeschieden, wobei das Substrat 20 das dritte Material 42 aufweist. Vorteilhafterweise ist das dritte Material 42 Hartmetall, Cermet, kubisches Bornitrid oder Stahl.

Von der Anmelderin wurden acht beispielhafte Beschichtungsprozesse durchgeführt, deren Prozessschritte nachfolgend mit den jeweiligen prozessspezifischen Parametern in Tabelle 1 dargestellt sind. Für die Abscheidung des erfindungsgemäßen Stoffgemischs 36 auf dem Substrat 20 wurde eine Beschichtungsanlage vom Typ CC800/HiPIMS der Firma CemeCon AG mit rotierendem Substratträger 18 verwendet (siehe vereinfacht in 1). Der Prozessschritt „Beschichten“ (siehe Tabelle 1) wurde bei unterschiedlichen Hochenergieimpulsfrequenzen und Pulslängen durchgeführt, wobei die daraus resultierenden Beschichtungseigenschaften in Tabelle 2 dargestellt sind. Tabelle 1: Prozessablauf eines Durchführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschichtungsprozess

Prozessphase	Prozesschritt	Maß/Einheit	Zeit
Heizphase 1	Startdruck zum Heizbeginn	3 mPa	3.000 s
	Heizleistung Heizung 1	9 kW
	Heizleistung Heizung 2	14 kW
	Turbopumpenleistung	100%
	Tischdrehung	0,33 U/min
Heizphase 2	Heizleistung Heizung 1	9 kW	1.200 s
	Heizleistung Heizung 2	14 kW
	Turbopumpenleistung	66%
	Tischdrehung	0,33 U/min
	Drucktestlimit	4 mPa
Ätzphase 1	Heizleistung Heizung 1	9 kW	1.200 s
	Heizleistung Heizung 2	14 kW
	Turbopumpenleistung	66%
	Tischdrehung	1,00 U/min
	MF-Biasspannung	-650 V
	Frequenz	240 kHz
	Argondruck	350 mPa
Ätzphase 2	Heizleistung Heizung 1	9 kW	3.600 s
	Heizleistung Heizung 2	14 kW
	Turbopumpenleistung	66%
	DC-Biasspannung	-200 V
	Plasma-Boosterstrom	20 A
	Argonfluss	250 min
	Kryptonfluss	190 min
	Tischdrehung	1,00 U/min
Beschichten	Heizleistung Heizung 1	9 kW	siehe Tabelle 2
	Heizleistung Heizung 2	14 kW
	Turbopumpenleistung	66%
	Tischdrehung	1,00 U/min
	Argonfluss	650 min
	HiPIMS-Frequenz	Siehe Tabelle 2
	HiPIMS-Pulslänge	Siehe Tabelle 2
	HiPIMS-Tisch Biasspannung	-70 V
	HiPIMS-Tisch Pulslänge	40 µs
	HiPIMS-Tisch Pulsoffset	20 µs
	Kathodenleistung	4.5 kW
Kühlen	Belüftungstemperatur	180 °C	1.800 s
	Turbopumpenleistung	66%
	Tischdrehung	1,00 U/min

Tabelle 2: Variation der Frequenz und Pulslänge von Hochenergieimpulsen in einem beispielhaften Hochenergieimpuls-Magnetronsputter-Verfahren und deren Einfluss auf die Substratbeschichtung.

Frequenz [Hz]	Pulslänge [µs]	Zeit [s]	Härte (GPa]	E-Modul [Gpa]	Schichtdicke [µm]
400	40	18000	21,8	410	1,5
500	40	18000	22,7	400	1,7
800	40	18000	22,0	380	1,9
1000	40	18000	22,5	420	2,0
2000	40	18000	22,8	380	2,4
2000	70	10800	22,5	420	1,5
2500	60	10800	21,5	440	1,8
4000	40	18000	21,7	350	2,5

Bei den zu beschreibenden Prozessen wurden als Targets 16 Kupferplatten verwendet, die mit aufgelöteten Keramikplatten (bestehend aus dem Stoffgemisch 36, mit dem erstem Material 38 und zweitem Material 40) bestückt waren. Die Keramikplatten wurden durch Heißpressen von Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxidpulver (erstes Material 38) und Wolframcarbidpulver (zweites Material 40) hergestellt.
Zu Beginn des jeweiligen Prozesses wurde eine erste Heizphase (Heizphase 1) durchgeführt, in der die Vakuumpumpe 22 bzw. Turbopumpe zur Erzeugung des Vakuums auf voller Leistung betrieben wurde. Diese volle Auslastung der Turbopumpe ist notwendig, da es während des Aufheizvorgangs, d.h. beim Erwärmen der Materialien von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur, innerhalb der Reaktionskammer 10 zum Ausgasen von materialgebundenen Gasatomen kommt (z.B. im Stoffgemisch o.Ä.), weshalb die Turbopumpe eine größere Menge an freien Molekülen aus der Reaktionskammer entfernen muss. Nach Ablauf von 3000 Sekunden folgte die zweite Heizphase (Heizphase 2), bei der die Turbopumpe auf 66 % ihrer Leistung betrieben wurde. Diese zweite Heizphase ist vorteilhaft, um eine komplettes Durchheizen der Targets 16 und des Substrates 20 zu gewährleisten, bzw. ein Stabilisieren der Prozesstemperatur zu gewährleisten.
Nach 1200 Sekunden folgte eine erste Ätzphase, die dem Fachmann auch unter dem Begriff „Mittelfrequenzätzen“ bekannt ist. Hierbei wird das Substrat 20 mit einer im Vergleich zur Kathodenspannung hohen Bias-Spannung beaufschlagt. Durch diese hohe negative Vorspannung schlagen mehr Prozessgasionen auf der Substratoberfläche ein als auf der Targetoberfläche. Dadurch wird die Oberfläche des Substrates 20 von Verunreinigungen befreit und zusätzlich dazu für den späteren Beschichtungsvorgang angeraut, wodurch die Schichthaftung verbessert werden kann. Die erste Ätzphase dauerte 1200 Sekunden.
Im Anschluss an die erste Ätzphase folgte die zweite Ätzphase für eine Dauer von 3600 Sekunden. Hierbei wurde Argon und Krypton in die Reaktionskammer 10 eingeleitet und durch einen zusätzlichen Plasma-Boosterstrom in einen ionisierten Zustand (in Form eines lonenstrahls) gebracht. Diese zweite Ätzphase ist besonders bei Substraten 20 mit einer Vielzahl von Kanten vorteilhaft, da die Kanten bei der ersten Ätzphase nur geringfügig gereinigt bzw. angeraut werden. Das „Argonionen-Ätzen“ führt zu einer besseren Haftung der Schicht auf der Substratoberfläche, wobei durch den lonenstrahl die Vielzahl der Kanten des Substrates gereinigt bzw. aufgeraut werden kann.
Nach der Ätzphase wurde der für die Erfindung relevante Prozessschritt „Beschichten“ durchgeführt, wobei sowohl die Frequenz als auch die Pulslänge der Hochenergieimpulse variiert wurde. Hierbei lässt sich die Schichtdicke durch das Einstellen von Abscheidungsparametern wie HiPIMS-Frequenz, HiPIMS-Pulsweite, Temperaturen, Bias-Spannung, Flussmengen der eingeleiteten Gase sowie die Menge der betriebenen Targets 16 beeinflussen, wobei der jeweilige Einfluss dieser Prozessparameter aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Beispielsweise wurde mit einer HiPIMS-Frequenz von 2000 Hz, einer Pulslänge an den Kathoden von 40 µs und einer Beschichtungszeit von 18000 s eine Substratbeschichtung mit einer Schichtdicke von 2,4 µm, einer Härte von 22,8 GPa sowie einem E-Modul von 380 GPa erzeugt. In einem weiteren beispielhaften Beschichtungsvorgang wurde mit einer HiPIMS-Frequenz von 2500 Hz, einer Pulslänge an den Kathoden von 60 µs und einer Beschichtungszeit von 10800 s eine Substratbeschichtung mit einer Schichtdicke von 1,8 µm, einer Härte von 21,5 GPa sowie einem E-Modul von 440 GPa erzeugt (siehe Tabelle 1).
Die Härte und der Elastizitätsmodul (E-Modul) wurden mittels Nanoindentierung in der Einheit GPa gemessen. Bei diesem Messverfahren wird ein Diamant-Prüfkörper, der eine dreiseitige Pyramidenform besitzt, in die Schicht gedrückt und eine Kraft-Weg-Kurve aufgezeichnet. Aus dieser Kurve können nach der Oliver-Pharr-Methode die mechanischen Kennwerte der Schicht bestimmt werden. Für die Nanoindentierung wurde ein NHT1 der Firma CSM, Schweiz, verwendet.
Als abschließender Prozessschritt wurde ein Kühlschritt durchgeführt, wobei die Reaktionskammer 10 durch Belüftung gekühlt wurde.
Es sei an dieser Stelle explizit erwähnt, dass die vorab erläuterten Prozessphasen (Heizphase 1, Heizphase 2, Ätzphase 1, Ätzphase 2 sowie Kühen) lediglich vorteilhaft sind, jedoch nicht notwendigerweise mit der erfindungsgemäßen Magnetronsputtervorrichtung 100 bzw. bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden müssen.
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 102014105947 A1 [0002, 0013]
DE 112008000702 T5 [0002, 0014]
EP 3041026 B1 [0002, 0015]

Claims

Magnetronsputtervorrichtung, die aufweist: - ein Substrat (20); - ein Target (16), das in einem elektrischen Gleichspannungsfeld eine Kathode (30) bildet und ein elektrisch leitfähiges Stoffgemisch (36) zum Beschichten des Substrates (20) aufweist; - eine Anode (34) in dem elektrischen Gleichspannungsfeld; - eine Reaktionskammer (10), in der das Target (16) und das Substrat (20) angeordnet sind, wobei das Target (16) räumlich getrennt von dem Substrat (20) angeordnet ist; und - eine Spannungsquelle (26), die dazu eingerichtet ist, das elektrische Gleichspannungsfeld zwischen der Kathode (30) und der Anode (34) zu erzeugen; wobei das Stoffgemisch (36) ein erstes Material (38) sowie ein zweites Material (40) aufweist, und wobei das Substrat (20) ein drittes Material (42) aufweist, wobei das erste Material (38) ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff, das zweite Material (40) ein elektrisch leitfähiger Feststoff, und das dritte Material (42) ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das erste Material (38) einen ersten volumetrischen Anteil ΔV₁ und das zweite Material (40) einen zweiten volumetrischen Anteil ΔV₂ aufweist, wobei gilt ΔV₁ ≥ ΔV₂, vorzugsweise ΔV₁ ≥ 1,5 ΔV₂.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Material (38) ein erster anorganischer Feststoff ist.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der erste anorganische Feststoff ein Carbid, ein Oxid und/oder ein Nitrid ist.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei der erste anorganische Feststoff ein Metalloxid ist.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei das Metalloxid ZrO₂, Al₂O₃ oder TiO₂ ist.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-6, wobei das zweite Material (40) ein zweiter anorganischer Feststoff ist.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei der zweite anorganische Feststoff ein elementares Metall, ein Borid, ein Carbid und/oder ein Nitrid ist.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei der zweite anorganische Feststoff ein Carbid ist.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei das Carbid WC, NbC, HfC, TaC, TiC, MoC und/oder Cr₃C₂ ist.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-10, wobei das dritte Material (42) Hartmetall, Cermet, kubisches Bornitrid oder Stahl ist.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-11, wobei der Kathode (30) durch die Spannungsquelle (26) eine gepulste elektrische Leistung zugeführt wird.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Spannungsquelle (26) dazu eingerichtet ist, Energieimpulse mit einer Leistung größer 0,1 MW, vorzugsweise größer 0,5 MW, besonders bevorzugt größer 1 MW zu erzeugen.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-13, wobei die Spannungsquelle (26) dazu eingerichtet ist, das Substrat (20) mit einer negativen Bias-Spannung zu beaufschlagen.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-14, wobei das Substrat (20) die Anode (34) bildet.
Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-15, wobei die Reaktionskammer (10) eine Umhausung aufweist, die das Target (16) zumindest teilweise und kontaktfrei umgibt, wobei das Substrat (20), die Reaktionskammer (10) und/oder die Umhausung die Anode (34) bildet.
Verfahren zum Magnetronsputtern, das folgende Schritte aufweist: - Bereitstellen (S100) eines Substrates (20); - Bereitstellen (S101) eines Targets (16), das in einem elektrischen Gleichspannungsfeld eine Kathode (30) bildet und ein elektrisch leitfähiges Stoffgemisch (36) zum Beschichten des Substrates (20) aufweist, wobei das Stoffgemisch (36) ein erstes Material (38) sowie ein zweites Material (40) aufweist, wobei das erste Material (38) ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff und das zweite Material (40) ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist; - Bereitstellen (S102) einer Anode (34) in dem elektrischen Gleichspannungsfeld; - Anordnen des Targets (16) und des Substrates (20) in einer Reaktionskammer (10), wobei das Target (16) räumlich getrennt von dem Substrat (20) angeordnet ist, wobei das Substrat (20) ein drittes Material (42) aufweist, wobei das dritte Material (42) ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist; - Einleiten (S103) eines Prozessgases in den Innenraum (12) der Reaktionskammer (10); und - Erzeugen (S104) des elektrischen Gleichspannungsfeldes zwischen der Kathode (30) und der Anode (34).
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei das erste Material (38) einen ersten volumetrischen Anteil ΔV₁ und das zweite Material (40) einen zweiten volumetrischen Anteil ΔV₂ aufweist, wobei gilt ΔV₁ ≥ ΔV₂, vorzugsweise ΔV₁ ≥ 1,5 ΔV₂.
Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei durch das von der Spannungsquelle (26) erzeugte elektrische Gleichspannungsfeld eine Stoßionisierung von Atomen des Prozessgases hervorgerufen wird, bei der sich die Atome des Prozessgases in negativ geladene Elektronen und positiv geladene Prozessgasionen aufteilen, wobei die positiv geladenen Prozessgasionen durch das anliegende Gleichspannungsfeld in Richtung des Targets (16) beschleunigt werden, wobei bei einem Aufprall der Prozessgasionen auf dem Traget (16) durch eine Impulsübertragung Atome des Stoffgemischs (36) herausgeschlagen werden, die sich von dem Target (16) in Richtung des Substrates (20) bewegen und eine Oberfläche des Substrates (20) beschichten (S105).
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei die Beschichtung der Oberfläche des Substrates (20) Atome des ersten Materials (38) sowie Atome des zweiten Materials (40) aufweist, wobei die Atome des ersten Materials (38) zu den Atomen des zweiten Materials (40) derart angeordnet sind, dass die beschichtete Oberfläche des Substrates (20) elektrisch leitfähig ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-20, mit dem zusätzlichen Schritt: - Einleiten eines Reaktivgases in den Innenraum (12) der Reaktionskammer (10), wobei das Reaktivgas Methan, Acetylen, Stickstoff oder Sauerstoff aufweist und wobei Reaktivgasionen des Reaktivgases dazu eingerichtet sind, mit Atomen des ersten Materials (38) und/oder Atomen des zweiten Materials (40) zu reagieren.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-20, wobei in den Innenraum (12) der Reaktionskammer (10) lediglich ein Prozessgas, jedoch kein Reaktivgas eingeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17-22, wobei das erste Material (38) ein erster anorganischer Feststoff ist.
Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei der erste anorganische Feststoff ein Carbid, ein Oxid und/oder ein Nitrid ist.
Verfahren gemäß Anspruch 24, wobei der erste anorganische Feststoff ein Metalloxid ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei das Metalloxid ZrO₂, Al₂O₃ oder TiO₂ ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-26, wobei das zweite Material (40) ein zweiter anorganischer Feststoff ist.
Verfahren gemäß Anspruch 27, wobei der zweite anorganische Feststoff ein elementares Metall, ein Borid, ein Carbid und/oder ein Nitrid ist.
Verfahren gemäß Anspruch 28, wobei der zweite anorganische Feststoff ein Carbid ist.
Verfahren gemäß Anspruch 29, wobei das Carbid WC, NbC, HfC, TaC, TiC, MoC und/oder Cr₃C₂ ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-30, wobei das dritte Material (42) Hartmetall, Cermet, kubisches Bornitrid oder Stahl ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-31, wobei die Spannungsquelle (26) dazu eingerichtet ist, das Substrat (20) mit einer negativen Bias-Spannung zu beaufschlagen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-31, wobei das Substrat (20) die Anode (34) bildet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-33, wobei die Reaktionskammer (10) eine Umhausung aufweist, die das Target (16) zumindest teilweise und kontaktfrei umgibt, wobei das Substrat (20), die Reaktionskammer (10) und/oder die Umhausung die Anode (34) bildet.