DE19754821A1

DE19754821A1 - Verfahren und Vorrichtung für eine PVD-Beschichtung

Info

Publication number: DE19754821A1
Application number: DE19754821A
Authority: DE
Inventors: Antonius Dr Ing Leyendecker; Georg Dipl Ing Erkens; Bernd Dipl Ing Hermeler; Stefan Dr Ing Esser; Hans-Gerd Dipl Ing Fus; Rainer Dipl Ing Wenke
Original assignee: Cemecon Ceramic Metal Coatings Dr Ing Antonius Leyendecker GmbH
Current assignee: Cemecon AG
Priority date: 1997-04-14
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 1998-10-15
Also published as: DE69808267T2; DE69808267D1; JP2001518982A; JP4792571B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine PVD-Beschich tungsvorrichtung mit einer evakuierbaren Kammer,

- die mit mindestens einem Gaszuführungsanschluß ausge stattet ist und
- in der mindestens eine Target-Kathode, die einem Zer stäubungsprozeß ausgesetzt wird, mindestens eine Anode und mindestens ein Substrathalter zur Aufnahme minde stens eines Substrates, der mit dem jeweils eingesetz ten Substrat elektrisch leitend verbunden ist, an geordnet sind, und
- mit einer Steuervorrichtung, die eine erste Spannung liefert, um die Target-Kathode mit einem negativen, elektrischen Potential relativ zur Anode zur Ausbil dung eines Plasmas, in dessen Bereich das Substrat angeordnet wird, zu versorgen, und
- die eine zweite Spannung liefert, um die Anode mit einem positiven, elektrischen Potential zur Kammerwand zu versorgen,

sowie auf ein PVD-Beschichtungsverfahren zur Herstellung eines beschichteten Substrates.

Bekannte PVD-Beschichtungsvorrichtungen werden verwendet, um Werkzeuge und Bauteile aller Art zur funktionalen, aber auch dekorativen Gestaltung der Oberfläche mit Beschichtungen zu versehen. Bei Werkzeugen sind dies überwiegend Beschichtungen mit metallhaltigen Verbindungen wie z. B. TiAlN.

Eine bekannte Technik zur Herstellung der Beschichtungen ist das Abscheiden von Kondensaten aus der Gasphase. Dabei kommen eine Reihe von Vorrichtungen, die jeweils für bestimmte Ver fahren optimiert sind, zur Anwendung. Besonders vorteilhaft für eine Ausbildung der Beschichtung sind Vorrichtungen, bei denen ein hoher Anteil an ionisierten Atomen aus einem Plasma die Beschichtung aufbaut.

Bei Beschichtungsvorrichtungen, mit denen ein hoher Anteil an Metallionen im Plasma erzeugt wird, wird regelmäßig ein metal lisches Material der Target-Kathode verdampft, und hohe Antei le des abgedampften Materials werden ionisiert. Bei solchen Vorrichtungen wird das Target-Kathodenmaterial zunächst ge schmolzen, bevor es in die Gasphase eintritt. Der Ionisie rungsgrad des verdampften Materials ist hoch.

Bei solchen bekannten Vorrichtungen, bei denen das Target-Kathodenmaterial eine Schmelzphase durchläuft, ist jedoch der Nachteil festzustellen, daß sich bei der Verdampfung von Le gierungen in der Gasphase Tröpfchen bilden und die Gasphase nicht homogen ist. Entsprechend weisen die kondensierten Be schichtungen sog. "droplets" auf, und/oder die Zusammensetzung der Beschichtung wird inhomogen.

Andere bekannte Beschichtungsvorrichtungen sind so ausgelegt, daß zur Verdampfung des Target-Kathodenmaterials ein Kathoden zerstäuben stattfindet, wobei ein Magnetronfeld zur Erhöhung der Ionisationseffizienz angewandt wird. Hierbei wird das Material aus dem festen Zustand unmittelbar in den dampfförmi gen Zustand überführt, ohne daß es sich zwischenzeitlich in einem geschmolzenen Zustand befindet.

Vorrichtungen zum Kathodenzerstäuben haben jedoch den Nach teil, daß das verdampfte Material nur gering ionisiert ist. Das Plasma besteht überwiegend aus verdampften Neutralteilchen (Ionisierungsgrad ca. 5%) und anderen ionisierten Gasteilchen, die von Arbeitsgasen zum Herausschlagen von Targetatomen und -ionen und zum Herstellen des Plasmas oder von Reaktivgasen, die mit den Target-Kathodenmaterialien Bindungen eingehen, stammen. Die aus diesen Plasmen abgeschiedenen Beschichtungen haben bei rauhen, insbesondere gestrahlten oder geschliffenen, technischen Oberflächen Nachteile hinsichtlich ihrer Eigen schaften Haftung, Härte, Struktur und Oberflächentopografie (Glätte und Farbe). Bei solchen Substratoberflächen ist bisher eine Herstellung einer sogenannten "dimpled surface"-Beschich tung, die sich durch eine dichte, kompakte Struktur mit glat ter Oberfläche auszeichnet, nicht möglich.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße PVD-Be schichtungsvorrichtung derart weiterzuentwickeln, daß Material der Target-Kathode aus der festen Phase ohne Schmelzphase verdampft und dabei ein hoher Anteil des Materials haftfest auf dem Substrat kondensiert wird, wobei das Substrat auch mit einer rauhen, insbesondere geschliffenen oder gestrahlten, technischen Oberfläche versehen sein kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung da durch gelöst, daß die Steuervorrichtung eine dritte Spannung liefert, die das Substrat mit einem elektrischen Potential versorgt, das negativer als das Potential der Anode ist.

In dieser Weise wird erreicht, daß innerhalb der Kammer und bei Betrieb der PVD-Beschichtungsvorrichtung im Plasma eine weitere Elektrode, nämlich das Substrat, mit definiertem Po tential vorgesehen wird, die innerhalb des Plasmas angeordnet ist und für einen vorteilhaften Potentialverlauf in der Kammer sorgt. Insbesondere läßt sich mittels der zweiten Spannung, nämlich der Anodenspannung, der am Substrat fließende Strom einstellen, während die dritte Spannung, nämlich die Substrat- oder Biasspannung, konstant bleiben kann. Die Beschichtungs verhältnisse am Substrat lassen sich so besonders einfach optimieren.

Diese Verschaltung wirkt sich auch in entscheidender Weise auf die Elektronen-Dichteverteilung in der Kammer aus. Da das Potential des Substrates negativer als das Potential der Anode ist, wird erreicht, daß die Trajektorien der Elektronen über wiegend entweder, zur Aufrechterhaltung des Plasmas, von der Target-Kathode zur Anode oder, zur verstärkten Ionisierung der aus der Target-Kathode herausgeschlagenen Metallatome, von der Target-Kathode zum Substrat verlaufen. Die verstärkte Ionisie rung ergibt s-ich aus dem Zusammenfallen der Transportwege der Metallatome von der Target-Kathode zum Substrat und dem letzt genannten Teil der Elektronen-Trajektorien.

Es kann durch den sich erfindungsgemäß einstellenden Potenti alverlauf in der Kammer ein Ionisierungsgrad von bis zu 50% der herausgeschlagenen Target-Metallatome erreicht werden. Infolge dessen wird mit dieser Beschichtungsvorrichtung in einem Zerstäubungsverfahren ein Ionisationsgrad erreicht, der geeignet ist, auf dem Substrat Schichten mit einer "dimpled surface" abzuscheiden, selbst wenn die Oberflächen des Sub strates rauh sind, beispielsweise aufgrund einer Schleif- oder Strahlbehandlung. An der Target-Kathode läßt sich eine Lei stungsdichte von bis zu 45 W/cm² erreichen, der Entladungsstrom ist gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht.

Des weiteren hat der Potentialverlauf in der Kammer auch die Folge, daß ein Potential des zwischen Target-Kathode und Anode brennenden Plasmas im Bereich des Substrats grundsätzlich positiver als das Substratpotential ist. Dies führt dazu, daß beispielsweise aus dem Plasma in diesem Bereich der Kammer stammende Ionen mit hoher Wahrscheinlichkeit in Richtung des Substrates transportiert werden und dort abgeschieden werden können.

Es wird demgegenüber vermieden, daß Elektronen zur Kammerwand gelangen und damit für eine Ionisierung dieser Metallatome nicht wirksam sind. Bevorzugt hat das Substrat zu diesem Zweck dasselbe Potential wie die Target-Kathode oder ist gegenüber der Target-Kathode positiv vorgespannt, so daß Elektronen zur Ionisierung des Target-Materials in Richtung Substrat gezogen werden. Es ist jedoch auch möglich, daß das Potential der Target-Kathode positiver als das Potential des Substrates ist.

Es können auch mehrere Anoden und Target-Kathoden vorgesehen sein, die derart symmetrisch angeordnet sind, daß sich das Substrat während des Beschichtungsvorgangs im Plasma befindet.

Bei den Substraten handelt es sich beispielsweise um Schneid werkzeuge, die mit einer Hartstoffbeschichtung zu versehen sind.

Bevorzugt sind die zweite und die dritte Spannung so einge stellt, daß das positive, elektrische Potential der Anode zur Kammerwand kleiner ist als das positive, elektrische Potential der Anode zum Substrat und daß das Substrat der Target-Kathode benachbart angeordnet ist.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird die Optimierung der Elektronen-Dichteverteilung in der Kammer vor der Target-Kathode besonders effizient erzielt. Denn durch die negative Vorspannung des Substrats zur Anode und die Nähe des Substrats zur Target-Kathode wird der Anteil an zum Substrat verlaufen den Elektronen-Trajektorien weiter erhöht und damit die Ioni sierung der Metallatome aus der Target-Kathode verbessert.

Vorzugsweise sind die erste, die zweite und die dritte Span nung so eingestellt, daß ein Schwebepotential, das sich beim Zünden des Plasmas zwischen Target-Kathode und Anode im Be reich des Substrates einstellt, um zwischen etwa 40 Volt bis zu etwa 400 Volt, bevorzugt 130 Volt, höher liegt als das Potential des Substrats.

Auf diese Weise wird gewährleistet, daß im Bereich des Sub strats aus dem Plasma stammende Ionen weit überwiegend in Richtung auf das Substrat fliegen und auf dem Substrat zum Aufbau einer Beschichtung abgeschieden werden können. Die Verluste an Ionen durch deren Rekombination an der Kammerwand sind daher minimiert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Spannung so eingestellt, daß die Anode auf einem Potential liegt, das um bis zu etwa 800 Volt höher liegt als das Potential der Target-Kathode. Die zweite Spannung kann so eingestellt sein, daß die Anode auf einem Potential liegt, das um zwischen etwa 50 Volt bis 250 Volt, positiver als das Potential der Kammer wand ist, während die dritte Spannung bevorzugt so eingestellt ist, daß die Anode auf einem Potential liegt, das um bis zu 800 Volt, insbesondere 100 Volt bis 250 Volt, positiver als das Potential des Substrats ist.

Diese Wertebereiche für die Potentialdifferenzen zwischen Anode, Target-Kathode, Kammerwand und Substrat haben sich experimentell als besonders günstig erwiesen. Bei der Ein stellung der Potentiale, insbesondere dem Potential zwischen Anode und Kathode, sind die jeweiligen Eigenschaften der Tar get-Materialien zu berücksichtigen, insbesondere auch deren magnetische Eigenschaften.

Das Verhältnis des Abstandes zwischen Target-Kathode und Sub strat zu dem Abstand zwischen Target-Kathode und Anode beträgt bevorzugt etwa 1 : 5.

Dieses Abstandsverhältnis führt zu einer Geometrie der Elek troden, Target-Kathode, Substrat, Kammerwand und Anode, die sich durch einen besonders günstigen Verlauf der Äquipotenti allinien, welche die Trajektorien der Ladungsträger und ins besondere die Elektronen-Dichteverteilung bestimmen, auszeich net.

Der Substrathalter kann beispielsweise so angeordnet sein, daß das Substrat etwa in einem Abstand von 40 mm zu der Target-Kathode angeordnet ist, und daß der Abstand zwischen der Tar get-Kathode und der Anode im Bereich von 250 mm liegt.

In dieser Weise wird eine besonders kompakte Struktur der PVD-Beschichtungsanlage erreicht. Insbesondere der geringe Abstand der Target-Kathode zum Substrat führt zu sehr hohen Schich traten für die Beschichtung des Substrats. Daraus ergibt sich eine wirtschaftlich günstige Herstellung der Beschichtung durch hohe Produktionsgeschwindigkeit.

Bevorzugterweise weist die Steuervorrichtung für jede der drei Spannungen jeweils eine zugeordnete Spannungsquelle auf, wobei die erste Spannungsquelle zwischen Anode und Target-Kathode, die zweite Spannungsquelle zwischen Anode und Kammerwand und die dritte Spannungsquelle zwischen Anode und Substrat ge schaltet ist. Mit der zweiten Spannungsquelle wird in diesem Fall der Strom am Substrat durch Beeinflussung des Plasmas eingestellt, während durch Beibehaltung der Einstellung der dritten Spannungsquelle die Potentialdifferenz zwischen Sub strat und Anode auch dann aufrechterhalten wird, wenn die Einstellung der zweiten Spannungsquelle und damit der Sub stratstrom verändert wird.

In diesem Fall ist auch gesichert, daß etwaige Schwankungen des Anodenpotentials keine Auswirkungen auf die Spannungs differenzen zwischen Anode und Target-Kathode sowie Anode und Substrat haben, so daß ein stabiler Betrieb der PVD-Beschich tungsvorrichtung erreicht wird.

Es ist jedoch ebenfalls möglich, daß sämtliche drei Spannungs quellen mit einem ihrer Pole an der Kammerwand liegen.

Alternativ zu der Ausführungsform mit drei Spannungsquellen kann die Steuervorrichtung nur eine Spannungsquelle aufweisen, die die erste Spannung zwischen Anode und Target-Kathode lie fert, sowie für die zweite und die dritte Spannung jeweils einen variablen Widerstand, der zu der Spannungsquelle par allel geschaltet ist. Die variablen Widerstände sind so einge stellt, daß an ihren jeweiligen Abnehmern die erforderlichen Potentiale für die Anode und das Substrat vorliegen.

Erfindungswesentlich ist jedoch unabhängig von der Art der Verschaltung die Einhaltung des oben beschriebenen Potential verlaufs in der Kammer.

Die oben genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein PVD-Beschichtungsverfahren zur Herstellung eines beschichteten Substrates, umfassend die Schritte

- Anordnen mindestens einer Target-Kathode, die einem Zerstäubungsprozeß ausgesetzt wird, mindestens einer Anode und des Substrates, das auf einem Substrathal ter, der mit dem Substrat elektrisch leitend verbunden wird, angeordnet wird, in einer evakuierbaren Kammer;
- Befüllen der Kammer mit einem Arbeitsgas und/oder einem Reaktivgas über mindestens einen Gaszuführungs anschluß;
- Anlegen einer ersten Spannung, um die Target-Kathode mit einem negativen, elektrischen Potential relativ zur Anode zur Ausbildung eines Plasmas, in dessen Bereich das Substrat angeordnet ist, zu versorgen;
- Anlegen einer zweiten Spannung, um die Anode mit einem positiven, elektrischen Potential zur Kammerwand zu versorgen;
- Anlegen einer dritten Spannung, die das Substrat mit einem elektrischen Potential versorgt, das negativer als das oder gleich dem Potential der Anode ist; und
- Entnehmen des Substrates aus der Kammer nach einer vorbestimmten Beschichtungszeit.

Der wesentliche Schritt dieses Herstellungsverfahrens für ein beschichtetes Substrat besteht in dem Verfahrensschritt des Anlegens der dritten Spannung, wie er vorstehend beschrieben ist. Dieser Verfahrensschritt erhöht die Elektronendichte vor der Target-Kathode erheblich und ist damit für die im Ver gleich zum Stand der Technik bessere Qualität und schnellere Herstellung der Beschichtung maßgeblich. Das Verfahren kann vorteilhafterweise unter Ausnutzung der oben beschriebenen Beschichtungsvorrichtungsmerkmale weiterentwickelt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielshalber noch näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer elektrischen Ver sorgung einer PVD-Beschichtungsvorrichtung; und

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer Abwandlung der elektrischen Versorgung von Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild dargestellt, das eine elektrische Versorgung einer PVD-Beschichtungsvorrichtung veranschaulicht. Die PVD-Beschichtungsvorrichtung gemäß der dargestellten Ausführungsform weist eine Beschichtungskammer 1 auf. In diese Kammer 1 wird während eines Beschichtungsvorgan ges durch einen Gasanschluß (nicht dargestellt) ein Arbeits gasgemisch eingeleitet.

Das Arbeitsgas kann ein Edelgas, beispielsweise Argon, sein.

Außerdem werden in die Kammer 1 durch einen Gasanschluß (nicht dargestellt) Reaktivgase eingeleitet, bei denen es sich um Stickstoff, kohlenstoffhaltige Gase wie CH₄, C₂H₂ oder C₂H₈ handeln kann, die zur Bildung von Nitriden, Carbiden und Car bonitriden verwendet werden können.

Zu Beginn eines Beschichtungsvorgangs wird innerhalb einer Atmosphäre aus einem Arbeitsgas-Reaktivgas-Gemisch ein Plasma (P) gezündet. Dazu weist die Beschichtungsvorrichtung zwei Anoden 2 und vier Target-Kathoden 3 auf, wobei die Target-Kathoden 3 paarweise einander gegenüberliegend und die Anoden 2 einander im wesentlichen gegenüberliegend seitlich eines Zwischenraumes zwischen den sich gegenüberliegenden Target-Kathoden 3 angeordnet sind.

Die Anoden 2 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Hochionisations-Anoden gemäß dem europäischen Patent Nr. 0 434 797. Zur Anpassung ihrer für den Ionisationsvorgang wirksamen Anodenfläche an die eingestellte Target-Kathodenleistung sind die Anoden durch eine Blende teilweise abgedeckt, wobei die Blende elektrisch leitend ausgebildet ist. Die Blende weist dasselbe elektrische Potential auf wie die Kammerwand 8. Diese Anoden 2 sind besonders günstig für eine hohe Ionisierung des Plasmas (P). Grundsätzlich reicht jedoch eine Anodenkonfigura tion aus, bei der eine aktive Anodenfläche definiert ist.

Bei den Target-Kathoden handelt es sich bevorzugt um sog. "unbalanced magnetrons".

Die Anoden 2 sind gegenüber den Target-Kathoden 3 positiv vorgespannt. Dazu ist jede der Target-Kathoden 3 jeweils an eine Kathoden-Spannungsquelle 4 angeschlossen. Die Spannungs quellen 4 liefern jeweils eine erste Spannung U_K mit einem Wert von etwa 500 Volt. Dieser Wert gilt für die Dauer des Be schichtungsvorganges, d. h. nachdem das Plasma (P) gezündet ist.

Nach dem Zünden des Plasmas (P) liegt in der Kammer 1 eine Plasmawolke vor, die unter anderem Arbeitsgasionen enthält. Diese Arbeitsgasionen werden in Richtung auf die Target-Katho den 3 durch das zwischen den Anoden 2 und den Target-Kathoden 3 anliegende elektrische Feld, insbesondere infolge des Poten tialgradienten zwischen der Plasmawolke und den Target-Katho den 3, beschleunigt.

Die Target-Kathoden 3 tragen Targetmaterial 5, im dargestell ten Beispiel handelt es sich um Titan/Aluminium-Mischtargets 5a, 5b. Es sind jedoch auch beispielsweise Targets einsetzbar, die Kupfer, Platin, Chrom, Nickel oder andere Metalle enthal ten, aber auch Nichtleiter wie keramische Materialien, bei denen zur Aufrechterhaltung des Plasmas (P) ein elektrisches Wechselfeld erforderlich ist.

Dieses Targetmaterial 5 ist dem Beschuß mit Arbeitsgasionen, d. h. einem Zerstäubungsprozeß, ausgesetzt, was dazu führt, daß das Targetmaterial 5 in atomarer oder ionisierter Form die Target-Kathoden 3 verläßt. Dabei liegt das Targetmaterial beim unmittelbaren Austritt aus den Target-Kathoden 3 zu einem Anteil von etwa 5% in ionisierter Form vor.

Bei einem derart geringen Ionenanteil läßt sich eine Beschich tungsstruktur, die sich durch eine hohe Dichte und Kompaktheit mit glatter Oberflächenstruktur auszeichnet, nicht erreichen.

Zur Erhöhung des Ionisationsgrades weist die Beschichtungsvor richtung neben den Kathoden-Spannungsquellen, die bei der Kathoden-Anoden-Spannung von 500 Volt mit einer Leistung von bis zu 12 kW betrieben werden, zwei weitere Spannungsquellen 6, 7 auf, deren eingestellte Spannungswerte für die gewünschte Erhöhung des Ionisationsgrades des Targetmaterials maßgeblich sind. Diese Spannungsquellen 6, 7 werden bei einer Leistung von bis zu 6 kW betrieben. Sämtliche Spannungsquellen 4, 6 und 7 sind zur Fein-Optimierung des Beschichtungsprozesses ein stellbar ausgebildet.

Die Spannungsquelle 6 versorgt die Anoden 2 mit einem positi ven Potential gegenüber der Wand 8 der Kammer 1, dem Anodenpo tential. Die Spannungsquelle 6 liefert eine zweite Spannung U_An, die zwischen 50 Volt und 250 Volt betragen kann. Die Ano den 2 sind daher gegenüber der Kammerwand 8, die geerdet ist, um die zweite Spannung U_An positiv vorgespannt.

Die Spannungsquelle 7 liefert eine dritte Spannung U_Bi, die sogenannte Biasspannung, deren Pluspol an die Anoden 2 an geschlossen ist. Der Minuspol dieser Spannungsquelle 7 ist mit einem Substrattisch 9 verbunden, der innerhalb der Kammer 1 so angeordnet ist, daß ein Satz Substrate 10 etwa in einem Ab stand von 40 mm zu der Target-Kathode 3 angeordnet ist, und daß der Abstand zwischen der Target-Kathode 3 und der Anode 2 im Bereich von 250 mm liegt.

Der Substrattisch 9 ist elektrisch leitend mit dem Satz Sub strate 10 verbunden. Es ist für den Beschichtungsvorgang er forderlich, daß das Anodenpotential positiver als das Sub stratpotential ist. Die Spannungsquelle 7, die eine negative Spannung liefert, ist daher so eingestellt, daß an dem Satz Substrate 10 ein Potential vorliegt, daß bis zu 800 Volt nega tiver als das Potential der Anoden 2 sein kann.

Es ist dabei sowohl ein symmetrischer Betrieb der Spannungs quellen 6 und 7, bei dem die Kammerwand 8 und der Satz Sub strate 10 auf gleichem Potential liegen, als auch ein asymme trischer Betrieb dieser beiden Spannungsquellen 6, 7 möglich, bei dem das Anodenpotential positiver als das Substratpotenti al ist. Das Kammerpotential kann bevorzugterweise positiver als das Substratpotential sein, so daß Targetionen zum Sub strat gezogen werden und nicht an der Kammerwand 8 rekombinie ren. Ein gegenüber dem Substratpotential negatives Kammerpo tential ist jedoch auch möglich.

Typische Potentialwerte gegenüber der geerdeten Kammer 1 als Referenzpotential mit 0 Volt sind somit: Anoden 2 +50 Volt bis +250 Volt, Target-Kathoden 3 -350 Volt bis -750 Volt, Sub strattisch 9/Substrate 10 +200 Volt bis -1000 Volt. Dabei ist jeweils einzuhalten, daß die Substrate 10 ein negativeres Potential aufweisen als die Anoden 2 und die Potentialdiffe renz zwischen Anoden 2 und Target-Kathoden 3 für den jeweili gen (materialabhängigen) Beschichtungsvorgang, insbesondere zur Aufrechterhaltung des jeweiligen Plasmas optimiert ist.

Bei dem dargestellten Beispiel mit Titan/Aluminium-Mischtar gets 5a, 5b liegt bei asymmetrischem Betrieb der Spannungs quellen 6 und 7 das Anodenpotential bei +180 Volt, das Sub stratpotential bei -20 Volt, das Kammerpotential bei 0 Volt und das Kathodenpotential bei -320 Volt.

Der Satz Substrate 10 ist innerhalb der Plasmawolke angeord net, die sich zwischen den Target-Kathoden 3 und den Anoden 2 ausbildet. Diese Plasmawolke ist durch ein Potential gekenn zeichnet, das aufgrund der angelegten Spannungen U_K, U_An und U_Bi bei einem Wert von etwa +130 Volt relativ zu den Substraten 10 liegt. Dieses Potential der Plasmawolke muß allgemein einen solchen Wert haben, daß Targetmaterialionen aus dem Plasma (P) zum Abscheiden zu dem Satz Substrate 10 transportiert werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit vier Target-Kathoden 3 und zwei Anoden 2 und der Spannung U_Bi im Bereich von 0 Volt bis 130 Volt stellt sich bei einer Kathodengesamt leistung von bis zu 32 kW ein Biasstrom von bis zu 30 A und ein Anodenstrom von bis zu 45 A ein.

Durch die erfindungsgemäße Verschaltung wird ein Potentialge fälle innerhalb der Kammer 1 derart eingestellt, daß unabhän gig von der Art der Substrate 10 ein hoher Targetmaterialio nenanteil generiert wird. Durch den Betrieb der Spannungs quellen 6 und 7 wird ein großer Teil der sonst an der Kammer wand 8 rekombinierenden Ladungsträger, sowohl Ionen, metasta bile Spezies als auch Elektronen aus dem Plasma (P), für die Ionisation von Targetmaterialatomen während deren Transport von den Katoden 3 zu den Substraten 10 bereitgestellt. Durch die beschriebene Verschaltung der Anoden 2 mit den Target-Kathoden 3 wird die Ladungsträgerdichte vor den Target-Katho den 3 erhöht und zerstäubtes Target-Kathodenmaterial während dessen Transportphase zu dem Satz Substrate 10 ionisiert. Aufgrund des hohen Ionenanteils beim zerstäubten Target-Katho denmaterial und des beschriebenen Potentialverlaufs innerhalb der Kammer 1 können auf dem Satz Substrate 10 dichte, kompakte Schichtstrukturen, sog. "dimpled surfaces" aufgestrahlten und geschliffenen Oberflächen der Substrate 10 hervorgebracht werden, selbst bei dreidimensionalen Substraten 10.

Die Schichtstrukturen bestehen aus einem Material, das bei der Verwendung von Reaktivgasen aus der Gas-Atmosphäre in der Kammer 1 durch eine chemische Reaktion des Targetmaterials mit dem Reaktivgas entsteht. Beispielsweise findet bei einer Be schichtung des Satzes Substrate 10 mit TiAlN in der Kammer 1 eine chemische Reaktion zwischen den Targetmaterialen Titan und Aluminium und dem Reaktivgas Stickstoff statt.

Um möglichst gleichmäßige Eigenschaften der Schichtstrukturen zu erzielen, können die Substrate 10 planetär um bis zu vier Drehachsen zwischen den Target-Kathoden 3 bewegt werden.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Abwandlung der elektrischen Versorgung von Fig. 1.

Im Vergleich zu Fig. 1 ist in Fig. 2 zusätzlich eine Pulsein richtung 11 vorgesehen, die zwischen die Spannungsquelle 7 und den Substrattisch 9 geschaltet ist. Die Pulseinrichtung 11 ist beispielsweise so eingestellt, daß am Substrattisch 9 eine maximale Biasspannung von 350 Volt anliegt, wobei die mittlere Potentialdifferenz zwischen dem Substrattisch 9 und dem Plasma (P) wie im Beispiel der Fig. 1 etwa 130 Volt beträgt.

Durch das Vorsehen der Pulseinrichtung 11 können bei hohem mittlerem Ionenstrom Kanten der Substrate 10 schonend be schichtet werden, und zwar durch Zurückdrängen des bekannten "resputtering"-Effekts, der eine Kantenbeschichtung verhindern kann.

Im übrigen unterscheidet sich der Aufbau von Fig. 2 nicht von dem Aufbau gemäß Fig. 1. Insbesondere bleibt auch das Anoden potential U_An gleich.

Eine weitere alternative Ausführungsform der PVD-Beschich tungsvorrichtung (nicht dargestellt) mit der Pulseinrichtung 11 ist so ausgelegt, daß das Potential der Anoden 2 gepulst ist. In diesem Fall ist die Pulseinrichtung 11 unter Beibehal tung der Verschaltung gemäß Fig. 1 zwischen die Spannungs quelle 6 und die Anoden 2 geschaltet. An dem Satz Substrate 10 liegt dann ein Offset-Potential eines Wertes an, wie er gemäß der Beschreibung der Verschaltung von Fig. 1 für die Spannung U_Bi gewählt wird.

Bei beiden Ausführungsformen mit Pulseinrichtung liegt die Frequenz für den Pulsbetrieb im Bereich von 0,5 Hz bis 1 MHz, bevorzugt 0,1 bis 10 Hz.

Ergänzend zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen können bei der PVD-Beschichtungsvorrichtung zur zusätzlichen Erhöhung des Ionisationsgrades noch Arc-Verdampfer, Niedervoltbögen, Hohlkathoden, Ionenquellen oder ähnliches als Verdampfer oder Ionenquellen eingesetzt werden (Hybridverfahren).

Mit jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen für die PVD-Beschichtungsvorrichtung läßt sich ein PVD-Beschich tungsverfahren mit den nachfolgenden Schritten durchführen:

- Anordnen mindestens einer Target-Kathode, die einem Zerstäubungsprozeß ausgesetzt wird, mindestens einer Anode und des Substrates, das auf einem Substrathal ter, der mit dem Substrat elektrisch leitend verbunden wird, angeordnet wird, in einer evakuierbaren Kammer;
- Befüllen der Kammer mit einem Arbeitsgas und/oder einem Reaktivgas über mindestens einen Gaszuführungs anschluß;
- Anlegen einer ersten Spannung, um die Target-Kathode mit einem negativen, elektrischen Potential relativ zur Anode zur Ausbildung eines Plasmas, in dessen Bereich das Substrat angeordnet ist, zu versorgen;
- Anlegen einer zweiten Spannung, um die Anode mit einem positiven, elektrischen Potential zur Kammerwand zu versorgen;
- Anlegen einer dritten Spannung, die das Substrat mit einem elektrischen Potential versorgt, das negativer als das der Anode ist; und
- Entnehmen des Substrates aus der Kammer nach einer vorbestimmten Beschichtungszeit.

Dieses Verfahren dient zur Herstellung beschichteter Substrate mit überragenden Schichteigenschaften ("dimpled surfaces"). Der Beschichtungsvorgang dauert etwa 8 Stunden. Es ist bei 8-mm-Bohrern als Substratmaterialien möglich, bis zu 860 Stück gleichzeitig zu beschichten.

Claims

1. PVD-Beschichtungsvorrichtung mit einer evakuierbaren Kammer (1),

- die mit mindestens einem Gaszuführungsanschluß ausge stattet ist und
- in der mindestens eine Target-Kathode (3), die einem Zerstäubungsprozeß ausgesetzt wird, mindestens eine Anode (2) und mindestens ein Substrathalter (9) zur Aufnahme mindestens eines Substrates (10), der mit dem jeweils eingesetzten Substrat (10) elektrisch leitend verbunden ist, angeordnet sind, und
- mit einer Steuervorrichtung (4, 6, 7), die eine erste Spannung liefert, um die Target-Kathode (3) mit einem negativen, elektrischen Potential relativ zur Anode (2) zur Ausbildung eines Plasmas (P), in dessen Be reich das Substrat (10) angeordnet wird, zu versorgen, und
- die eine zweite Spannung liefert, um die Anode (2) mit einem positiven, elektrischen Potential zur Kammerwand (8) zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, daß
- die Steuervorrichtung (4, 6, 7) eine dritte Spannung liefert, die das Substrat (10) mit einem elektrischen Potential versorgt, das negativer als das Potential der Anode (2) ist.

2. PVD-Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Spannung das Substrat (10) mit einem elektrischen Potential versorgt, daß positiver als das Potential der Target-Kathode (8) ist.

3. PVD-Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und die dritte Spannung so eingestellt sind, daß das positive, elek trische Potential der Anode (2) zur Kammerwand (8) klei ner ist als das positive, elektrische Potential der Anode (2) zum Substrat (10), und daß das Substrat (10) der Target-Kathode (3) benachbart angeordnet ist.

4. PVD-Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, die zweite und die dritte Spannung so eingestellt sind, daß ein Schwebepotential, das sich beim Zünden des Plasmas (P) zwischen der Target-Kathode (3) und der Anode (2) im Bereich des Substrates (10) einstellt, etwa 40 Volt bis 400 Volt positiver ist als das Potential des Substrats (10).

5. PVD-Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwebepotential etwa 130 Volt positiver ist als das Potential des Substrats (10).

6. PVD-Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung so eingestellt ist, daß die Anode (2) auf einem Potential liegt, das um bis zu etwa 800 Volt positiver als das Potential der Target-Kathode (3) ist.

7. PVD-Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannung so eingestellt ist, daß die Anode (2) auf einem Potential liegt, das um etwa zwischen 50 Volt bis zu 250 Volt posi tiver als das Potential der Kammerwand (8) ist.

8. PVD-Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Spannung so eingestellt ist, daß die Anode (2) auf einem Potential liegt, das um bis zu 800 Volt positiver als das Potential des Substrats (10) ist.

9. PVD-Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Spannung so eingestellt ist, daß die Anode (2) auf einem Potential liegt, das um zwischen 100 Volt bis 180 Volt positiver als das Potenti al des Substrats (10) ist.

10. PVD-Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwi schen dem Abstand zwischen der Target-Kathode (3) und dem Substrat (10) und dem Abstand zwischen der Target-Kathode (3) und der Anode (2) etwa 1 : 5 beträgt.

11. PVD-Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Substrathalter (9) so angeordnet ist, daß das Substrat (10) etwa in einem Abstand von 40 mm zu der Target-Kathode (3) angeordnet ist, und daß der Abstand zwischen der Target-Kathode (3) und der Anode (2) im Bereich von 250 mm liegt.

12. PVD-Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (4, 6, 7) für jede der drei Spannungen jeweils eine zu geordnete Spannungsquelle aufweist, wobei die erste Span nungsquelle (4) zwischen Anode (2) und Target-Kathode (3), die zweite Spannungsquelle (6) zwischen Anode (2) und Kammerwand (8) und die dritte Spannungsquelle (7) zwischen Anode (2) und Substrat (10) geschaltet ist.

13. PVD-Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (4, 6, 7) eine Spannungsquelle aufweist, die die erste Spannung liefert, und daß für die zweite und die dritte Spannung jeweils ein variabler Widerstand vorgesehen ist, der zu der Spannungsquelle parallel geschaltet ist.

14. PVD-Beschichtungsverfahren zur Herstellung mindestens eines beschichteten Substrates, umfassend die Schritte

- Anordnen mindestens einer Target-Kathode, die einem Zerstäubungsprozeß ausgesetzt wird, mindestens einer Anode und des Substrates, das auf einem Substrathal ter, der mit dem Substrat elektrisch leitend verbunden wird, angeordnet wird, in einer evakuierbaren Kammer;

- Befüllen der Kammer mit einem Arbeitsgas und/oder einem Reaktivgas über mindestens einen Gaszuführungs anschluß;

- Anlegen einer ersten Spannung, um die Target-Kathode mit einem negativen, elektrischen Potential relativ zur Anode zur Ausbildung eines Plasmas, in dessen Bereich das Substrat angeordnet ist, zu versorgen;

- Anlegen einer zweiten Spannung, um die Anode mit einem positiven, elektrischen Potential zur Kammerwand zu versorgen;

- Anlegen einer dritten Spannung, die das Substrat mit einem elektrischen Potential versorgt, das negativer als das der Anode ist; und

- Entnehmen des Substrates aus der Kammer nach einer vorbestimmten Beschichtungszeit.