DE19850217C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten im Vakuum - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten im Vakuum, bei dem aus einem Target unter Verwendung eines Laserstrahls ein Plasma erzeugt und ionisierte Teilchen des Plasmas auf dem Substrat als Schicht abgeschieden werden, wobei inertes reaktives Gas oder ein Gasgemisch zugeführt wird. Mit der erfindungsgemäßen Lösung, soll eine Möglichkeit vorgegeben werden, um Gase bzw. Gasgemische lokal und zeitlich definiert zuführen zu können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Gas bzw. Gasgemisch aus und/oder durch ein poröses Target dem Plasma zugeführt wird, wobei das Target durch seine Porösität eine Zwischenspeicherfunktion aufweisen soll.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vor­ richtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei den verschiedensten bekannten PVD-Verfahren, mit denen die verschiedensten Substrate mit verschieden­ sten Beschichtungen versehen werden können, ist es bekannt, bestimmte Schichteigenschaften durch die Zugabe verschiedener Gase bzw. Gasgemische zu beein­ flussen. Dabei erfolgt die Zugabe solcher Gase bzw. Gasgemische in die Vakuumkammer mit einem entspre­ chend einstellbaren Gasdruck. Bei einer großen Anzahl solcher bekannten Verfahren wird gleichzeitig auch ein gewisser Anteil eines Gases wieder durch eine entsprechende Austrittsöffnung abgezogen.

Bei der Zuführung eines reaktiven Gases bzw. Gasgemi­ sches können infolge ablaufender chemischer Reaktio­ nen, die mit dem verdampften Targetmaterial und der jeweiligen Gaskomponente gebildeten Verbindungen als Schicht, wie z. B. eine Oxid- bzw. Nidridschicht abge­ schieden werden. Dabei können die in der Vakuumkammer ablaufenden chemischen Reaktionen nur begrenzt beein­ flußt werden und es können Inhomogenitäten, die die gewünschten Eigenschaften negativ beeinflussen, nicht generell ausgeschlossen werden.

Bei den verschiedensten PVD-Verfahren wird von einem Target ein Plasma erzeugt und die ionisierten Teil­ chen aus dem Plasma können eine Schicht auf der Ober­ fläche eines Substrates bilden. Die Erzeugung des Plasmas kann auf vielfältige Art und Weise erfolgen, wobei die erfindungsgemäße Lösung, besonders vorteil­ haft auf solche PVD-Verfahren gerichtet sein soll, die die Erzeugung des Plasmas unter Verwendung eines Laserstrahls, der auf das Target gerichtet wird, durchgeführt werden. Dabei kann das Plasma allein mit Hilfe eines Laserstrahls, ausreichender Intensität oder in Verbindung mit einer Vakuum-Bogenentladung, die auch laserunterstützt gezündet wird, erfolgen. Solche bekannten Verfahren sind z. B. in US 4,987,007 für die alleinige Anwendung eines Laserstrahls und in DD 279 695 B5 als sogenanntes Laser-Arc-Verfahren bekannt.

Das Plasma kann aber auch ohne jegliche Laserunter­ stützung, allein mit einer bekannten Vakuum-Bogenent­ ladung erzeugt und dann erfindungsgemäß gearbeitet werden.

Bei der Herstellung diamantähnlicher Kohlenstoff­ schichten können diese bekannten Verfahren ebenfalls Verwendung finden, wobei in diesem Falle nahezu rei­ ner Kohlenstoff, in Form von Graphit als Targetmate­ rial verwendet wird.

Es hat sich als günstig erwiesen, ein Gas, bevorzugt ein Edelgas in das expandierende Plasma einzuspeisen, um z. B. Nanostrukturen in der Schicht auszubilden. Dadurch können die sogenannten Nanoröhren, üblicher­ weise Nanotubes bzw. Fullerene genannt, in einer sol­ chen Schicht erhalten werden. Solche Strukturen kön­ nen in Form von Pulvern, Faserbündeln in eine amorphe Schicht eingebaut sein.

Mit diesen bekannten Lösungen sind jedoch nur geringe Ausbeuten bzw. Beschichtungsraten sowie eine Be­ schichtung von relativ klein bemessenen Flächen er­ reichbar. Außerdem werden die gewünschten kristalli­ nen Kohlenstoffstrukturen willkürlich mit geringer Konzentration in einer solchen Schicht eingebaut und es besteht keine Möglichkeit, gezielt Einfluß auf eine gewünschte Orientierung bzw. Texturierung zu nehmen.

Entscheidende Gründe für diese Nachteile bestehen darin, daß Gasen wegen des hohen Teilchendruckes im Plasma ein Eindringen in das Plasma weitestgehend nicht möglich ist.

Des weiteren ist in JP 05-230640 (A) (in Patents Ab­ stracts of Japan, C-1144) eine Sputtervorrichtung beschrieben, bei der an einem Target eine Gaszufüh­ rung für die Ausbildung einer reaktiv gebildeten Be­ schichtung vorhanden.

Eine ähnliche Lösung kann man DE 195 06 513 C2 ent­ nehmen, bei der das technische Prinzip des Magnetron- Sputterns verwendet wird. Hierbei sollen Teiltargets verwendet werden, wobei diese Teiltargets beabstandet zueinander angeordnet sind und zwischen den Teiltar­ gets Gas zugeführt wird.

Aus DE 19 38 131 B2 ist eine Vorrichtung zum Aufbrin­ gen dünner Schichten durch Kathodenzerstäubung be­ kannt. Bei dieser Vorrichtung soll eine Kathode ver­ wendet werden, die eine siebartig durchbrochene Flä­ che aufweist. Dabei soll durch entsprechend regelmä­ ßig angeordnete Durchbrüche bzw. die Porosität des Kathodenmaterials gewährleistet werden, das über die gesamte Kathodenfläche betrachtet, eine gleichmäßige Gasmenge zugeführt wird, indem sie diesen Bereich der Kathode durchströmt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ausgehend von bekannten Verfahren zur Beschichtung von Substraten im Vakuum, bei denen aus einem Target ein Plasma er­ zeugt wird, die Zuführung von Gasen bzw. Gasgemischen lokal und/oder zeitlich definiert zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 für das Verfahren und den Merkmalen des Anspruchs 13 für eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung eines solchen Verfahrens gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfin­ dung, ergeben sich, bei Verwendung der in den unter­ geordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmale. Gemäß der Erfindung soll dabei, ausgehend von den in DE 39 01 401 C1, DD 279 695 B5, DD 280 338 B5 und US 4,987,007 beschriebenen Verfahren, auf deren Offenbarungsgehalt für die Erfindung jeweils voll inhaltlich Bezug ge­ nommen werden soll, dahingehend ergänzt werden, daß zumindest eines der dabei verwendeten Targets ein gewisses Maß an Porösität aufweist, das geeignet ist, eine Zwischenspeicherfunktion für ein Gas bzw. Gasge­ misch in ausreichender Menge zu erfüllen sowie allein oder in Kombination mit der Zwischenspeicherfunktion geeignet ist, das Gas durch die Poren dem Plasma zeitlich und/oder örtlich definiert zuzuführen.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Plasma, unabhängig ob allein mittels Laserstrahl oder in der kombinier­ ten Verwendung von Laserstrahl und Vakuum-Bogenentla­ dung erzeugt wird, einen gepulsten Laserstrahl zu verwenden, wobei eine entsprechende Auswahl einer geeigneten Laserlichtquelle für die verschiedenen möglichen Targetmaterialien erfolgen kann, um eine hohe Effizienz zu erreichen.

Bei dem Laser-Arc-Verfahren sollte das Target aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. C, Al, Cu, Fe, Si, Ti, anderem Metall, Legierungen oder che­ mischen Verbindungen bestehen. Um die erforderliche Porösität zu sichern, können hierfür günstigerweise Sinterkörper und/oder faserverstärkte Verbunde ver­ wendet werden.

Wird das Plasma allein mittels Laserstrahl erzeugt, können auch Targets aus elektrisch nicht leitenden Materialien, wie z. B. verschiedenste Oxide, Nidride und Carbide Verwendung finden.

Wie bereits erwähnt, kann ein erfindungsgemäß ausge­ bildetes und zu verwendendes Target als Zwischenspei­ cher für die verschiedenen zu verwendenden Gase bzw. Gasgemische dienen. In diesem Fall wird vor dem ei­ gentlichen Einleiten der Beschichtung eine Infiltra­ tion des Targets mit dem jeweiligen Gas bzw. Gasge­ misch, bevorzugt bis an dessen Sättigungsgrenze durchgeführt und im Nachgang hierzu der eigentliche Beschichtungsvorgang eingeleitet.

Das jeweilige Gas bzw. Gasgemisch kann aber auch über Hohlräume, die innerhalb des Targets ausgebildet sind bzw. über eine bevorzugt rohrförmige Gaszuführung durch die Poren während der Beschichtung zu- bzw. bei nicht ausreichender Speicherkapazität eines Targets nachgeführt werden.

Als Gas können Edelgase (z. B. die Gase der VIII. Hauptgruppe), O₂, N₂, H₂ oder Kohlenwasserstoffverbin­ dungen oder Gasgemische verwendet werden.

In einer solchen Gaszuführung können bevorzugt Durch­ brechungen ausgebildet sein, durch die bei einem kon­ stanten Gasdruck eine dosierte Gaszuführung zum Plas­ ma infolge der Drosselwirkung der Durchbrechungen erreicht werden kann. Daraus resultiert ein weiterer Vorteil dadurch, daß das jeweilige Gas bzw. Gasge­ misch über einen Kreislauf geführt werden kann, bei dem ein Bestandteil die Gaszuführung ist und das Tar­ get durch das Gas, das in einem Überschuß im Kreis­ lauf geführt wird, gekühlt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich, beson­ ders vorteilhaft diamantähnliche Kohlenstoffbeschich­ tungen herstellen, in denen kristalline Nanostruktu­ ren, homogen verteilt, ausgebildet sind. Dabei wirkt sich insbesondere die Möglichkeit, der sowohl zeit­ lich, wie auch lokal definierten Zuführung von Gas, bei der Plasmaerzeugung günstig aus.

Außerdem kann eine koordinierte Bewegung des Substra­ tes (translatorisch, rotatorisches Verschwenken/Dre­ hen um eine Achse oder einen Punkt) in bezug zum Plasma zu einer gezielten Texturbildung, d. h. einer gewünschten Ausrichtung der Nano-Kristalle führen.

Die erfinderisch zu verwendenden Targets sollten eine Porösität von mindestens 3%, bevorzugt mehr als 5% aufweisen, um die gewünschten Eigenschaften zu erfül­ len.

Soll beispielsweise ein Mehrschichtaufbau verschiede­ ner Schichten ausgebildet werden, können mindestens zwei verschiedene geeignete Targetmaterialien verwen­ det werden. Dabei können sie getrennt voneinander angeordnet werden, wobei zumindest eines der ver­ schiedenen Targets erfindungsgemäß modifiziert ist. Es können auch verschiedene Gase bzw. Gasgemische über bzw. aus diesen Targets zugeführt werden.

Die verschiedenen Targetmaterialien können dabei auch unmittelbar benachbart angeordnet sein, wie dies z. B. als Teilscheiben eines walzenförmigen Targets der Fall sein kann. Im letzt genannten Fall können die einzelnen Teilscheiben mit getrennten Gaszuführungen und ggf. Abführungen verbunden sein.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie­ ben werden.

Dabei zeigt:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung, bei der Plasma von einem Target mit dem Laser-Arc-Verfahren erzeugt wird und

Fig. 2 den schematischen Aufbau eines Beispiels einer Vorrichtung, bei der Plasma von einem Target mit einem gepulsten Laserstrahl er­ zeugt wird.

Bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtun­ gen, wurde sämtlichst auf die Darstellung der Vakuum­ kammer, in der die in den Figuren dargestellten ein­ zelnen Komponenten aufgenommen sind, verzichtet, da davon ausgegangen werden kann, daß dies für den ein­ schlägigen Fachmann auf der Hand liegt.

Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Beispiel einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung, wird ein walzenförmiges Target 1 verwendet, das um seine Längsachse gleich­ förmig gedreht wird. Für die Erzeugung eines Plasmas aus einer Bogenentladung wird eine Anode 4 verwendet, die in bevorzugter Form als Anodenschirm mit einem zentralen Spalt, durch den das erzeugte Plasma aus­ treten kann, ausgebildet ist, wie dies mit der in Fig. 1 dargestellten Form der Anode 4 angedeutet ist. Zur Zündung der Vakuum-Bogenentladung wird ein Laserstrahl 5 in gepulster Form auf die Mantelober­ fläche des Targets 1 gerichtet und gleichzeitig die Anodenspannung ensprechend erhöht, so daß eine Boge­ nentladung zwischen Target 1 und Anode 4 gezündet und im Anschluß an die Verdampfung von Targetmaterial ein Plasma erzeugt werden kann, das durch den Anodenspalt in Richtung auf das Substrat 3 gelangt.

Bei diesem Beispiel kann am Substrat 3 ein elektrisch negatives Potential angelegt sein, was für bestimmte Zwecke (Beschleunigung der Ionen) günstig sein kann. Es ist aber nicht generell erforderlich, das Substrat auf ein elektrisch negatives Potential zu legen, son­ dern es kann ohne weiteres auch ein Anschluß an die Masse der Vorrichtung ausreichend sein.

Mit diesem Verfahren bzw. einer solchen Vorrichtung können relativ großformatige Substrate 3 beschichtet werden, wobei entsprechend lange walzenförmige Tar­ gets 1 verwendet werden können. Eine Begrenzung der Größe der zu beschichtenden Fläche kann lediglich durch Grenzen der Strahlformungseinheit des Laser­ strahls 5 auftreten, wobei ggf. aber auch zwei Laser­ strahlen parallel verwendet werden können.

In der Fig. 1 ist außerdem eine rohrförmige Gaszu­ führung 7 durch das Innere des walzenförmigen Targets 1 dargestellt, durch die das jeweilig verwendete Gas bzw. Gasgemisch über die gesamte Länge durch das wal­ zenförmige Target 1 geführt werden kann. Die rohrför­ mige Gaszuführung 7 kann beispielsweise aus einem relativ mechanisch festen Metall sein, in dessen Man­ telfläche Durchbrechungen in regelmäßigen Abständen und regelmäßig über den Umfang verteilt ausgebildet sind, durch die das Gas bzw. Gasgemisch in das poröse Material des walzenförmigen Targets 1 eindringen und bis an die Oberfläche, d. h. die äußere Mantelfläche des walzenförmigen Targets 1 und von dort unmittelbar in das Plasma gelangen kann. An den beiden Stirnsei­ ten der rohrförmigen Gaszuführung 7 können, nicht dargestellte Anschlüsse für eine Gaszu- und Abführung vorhanden sein, über die das verwendete Gas bzw. Gas­ gemisch gegebenenfalls unter Einbeziehung eines Wär­ metauschers im Kreislauf geführt werden kann, um gleichzeitig eine Kühlung des walzenförmigen Targets 1 zu erreichen.

Bei dem in der Fig. 2 gezeigten Beispiel einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung, werden wieder die glei­ chen einzelnen Komponenten verwendet, wie dies auch bei dem Beispiel nach Fig. 1 der Fall ist und ledig­ lich das Plasma allein mittels Laserstrahl 5 erzeugt wird.

Es wird ein herkömmlich geformtes aber poröses Target 1 verwendet, bei dem in diesem Fall ein negatives Potential angelegt ist, wobei hierauf aber auch ver­ zichtet werden kann. Auf das Target 1 wird ein bevor­ zugt gepulster Laserstrahl 5 gerichtet und das Plasma allein mit dessen Energie aus dem Targetmaterial er­ zeugt. Das Target 1 kann aus elektrisch nicht aber auch aus elektrisch leitendem Material bestehen, je nachdem welche Schicht auf dem Substrat 3 ausgebildet werden soll.

Das in der Fig. 2 dargestellte planare Target 1 kann, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung, allein durch Nutzung der Speicherkapazität im Target 1 erfindungsgemäß verwen­ det werden, es besteht aber auch die Möglichkeit, in hier nicht dargestellter Form, einmal in dessen Inne­ ren Hohlräume auszubilden, in die Gas bzw. Gasgemisch eingeführt werden kann oder zum anderen, ebenfalls nicht dargestellt, unterhalb des planaren Targets 1 einen kastenförmigen Hohlraum anzuordnen, in den Gas bzw. Gasgemisch zumindest eingeführt werden kann. Im letztgenannten Fall kann die Gasdosierung durch Ein­ stellung des Druckes im Hohlraum unter Berücksichti­ gung der Porösität des Targetmaterials erfolgen.

Bei einer Vorrichtung, wie sie mit dem Beispiel gemäß Fig. 1 beschrieben worden und die in Verbindung mit dem bekannten Laser-Arc-Verfahren betrieben werden kann, können verschiedenste Schichten auf verschie­ densten Substraten aufgebracht werden. So können Alu­ minium, verschiedene Aluminiumverbindungen (durch Zugabe entsprechend reaktiver Gase) und auch diamant­ ähnliche Kohlenstoffschichten aufgebracht werden.

Die Ausbildung einer diamantähnlichen Kohlen­ stoffschicht ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Dabei wurde Argon, als Edelgas über das Target 1 zu­ geführt und es ist weiter erkennbar, wie der ioni­ sierte Kohlenstoff in den zwei für diamantähnlichen Kohlenstoff typischen SP2- und SP3-Phasen auf der Oberfläche des Substrates 3, das hier jeweils um eine Achse, zur Ausbildung einer Textur, gedreht, abge­ schieden wird. Die Elektronen aus dem Plasma sollen bevorzugt vom Substrat, also der sich ausbildenden Schicht fern gehalten werden.

Insbesondere für die Herstellung diamantähnlicher Kohlenstoffschichten, haben sich Targets mit folgen­ den Eigenschaften als besonders günstig herausge­ stellt:

Dichte: 1,88 g/cm³
Porösität: 10 Vol % nach DIN 66133
Porengröße: 0,6 µm nach DIN 66133
spez. elektrischer Widerstand: 13 µ Ohmmeter

Claims (19)

1. Verfahren zur Beschichtung von Substraten im Vakuum, bei dem aus einem Target unter Verwen­ dung eines Laserstrahls ein Plasma erzeugt und ionisierte Teilchen des Plasmas auf dem Substrat als Schicht abgeschieden werden, wobei inertes und/oder reaktives Gas oder ein Gasgemisch zu­ geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas oder Gasgemisch aus und/oder durch das durch Porösität eine Zwischenspeicherfunk­ tion aufweisende Target (1) dem Plasma zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mit einem gepulsten Laserstrahl (5) erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mit einer mittels eines gepulsten Laserstrahls (5) gezün­ deten Vakuum-Bogenentladung erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mittels einer Vakuum-Bogenentladung erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Target (1) aus einem elektrisch leitenden Material verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas oder Gasge­ misch vor der Beschichtung in das poröse Target (1) infiltriert und dort bis zur Beschichtung gespeichert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas oder Gasge­ misch über Hohlräume innerhalb des Targets (1) durch die Poren des Targets (1) während der Be­ schichtung kontinuierlich zu- oder nachgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas oder Gasge­ misch in einem Kreislauf durch die Hohlräume oder eine rohrförmige Gaszuführung (7) im Über­ schuß geführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Target (1) aus C, Si, B, oder einem Metall oder einer Legierung oder einer Verbindung dieser Elemente verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas ein Edelgas, O₂, N₂, H₂ oder eine Kohlenwasserstoffverbindung oder ein Gasgemisch verwendet wird.

11. verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (3) während der Beschichtung translatorisch und/oder rotatorisch bewegt und/oder um einen Punkt oder eine Achse verschwenkt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Kohlen­ stoff-Target (1) diamantähnliche Kohlenstoff- Beschichtungen hergestellt werden.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einem Target, einer Plasmaerzeugungseinrichtung mit Hilfe ei­ nes Laserstrahls und einer Inert- und/oder Reaktivgaszuführung, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (1) aus einem porösen, zur Spei­ cherung eines Gases oder Gasgemisches geeigneten Material besteht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, daß das Target (1) ein Sinterkörper ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (1) eine Porösität von mindestens 3% aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (1) dreh­ bar und walzenförmig ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Tar­ gets (1) ein Hohlraum als Gaszuführung oder Gas­ speicher ausgebildet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Tar­ gets (1) eine rohrförmige Gaszuführung (7) vor­ handen ist, deren Mantelfläche Durchbrechungen zur Gasdosierung aufweist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem als Katho­ de geschalteten Target (1) eine Anode (4), zwi­ schen denen eine Bogenentladung mittels des La­ serstrahls (5) gezündet wird, vorhanden ist.