DE3107914A1

DE3107914A1 - Verfahren und vorrichtung zum beschichten von formteilen durch katodenzerstaeubung

Info

Publication number: DE3107914A1
Application number: DE19813107914
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8757 Karlstein Heßberger; Wolf-Dieter Dr. Dr.-phil. 6463 Somborn Münz
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 1981-03-02
Filing date: 1981-03-02
Publication date: 1982-09-16
Also published as: IT1150221B; JPS57203773A; AT378971B; US4544468A; USRE33530E; GB2093866B; CH657381A5; JPH0211669B2; FR2500852B1; ATA47082A; SE455602B; US4426267A; IT8219920A0; NL8200838A; BE892326A; SE8200697L; FR2500852A1; GB2093866A; DE3107914C2

Description

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26. Februar 1981 81503

LEYBOLD-HERAEUS GmbH
Bonner Straße 504

5000 Köln - 51

Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten von Formteilen durch Katodenzerstäubung "

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Formteilen mit dreidimensionaler Beschichtungsflache durch Katodenzerstäubung von Targetmaterial einer ersten Katodenanordnung mit Konzentration eines ersten Entladungsraums (Plasmawolke) im Bereich der Targetoberfläche durch ein gegenüber dem Target räumlich geschlossenes erstes Magnetfeld (Plasmafalle).

Ein analoges Beschichtungsverfahren für Substrate mit zweidimensional er Beschichtungsflache ist beispielsweise durchdie DE-OS 22 43 708 bekannt. Wegen der bevorzugten Wanderungsrichtung der abgestäubten Ionen ist mit dem bekannten Verfahren bzw. mit der bekannten Vorrichtung eine Beschichtung von

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Forinteilen nicht oder mit Einschränkungen nur dann möglich, wenn die Formteile eine kontinuierliche Drehbewegung gegenüber der Katodenanordnung ausführen. Mit einer solchen überlagerten Drehbewegung können aber auch im wesentlichen nur die äußeren Umfangsflachen der sich drehenden Körper beschichtet werden, während die Stirnflächen keinen ausreichenden Niederschlag des Schichtmaterials erhalten. Will man dies zusätzlich erreichen, so müssen Substrathalter verwendet werden, die komplizierte zusammengesetzte Be wegungen um drei verschiedene Achsen ermöglichen. Die An triebsvorrichtungen für derartige Substrathalter sind aufwendig und erlauben nur eine sehr geringe Kapazität der Vorrichtung. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß die Substrate im wesentlichen nur aus einer Richtung be schichtet werden, so daß sich der Beschichtungsvorgang zeitlich in die Länge zieht. Außerdem ist die Beschickung derartiger Substrathalter wegen der notwendigen Befestigung der Substrate umständlich. Für kontinuierliche Durchlaufanlagen scheiden solche Substrathalter in der Regel aus.

Im Vergleich zum sogenannten Vakuum-Aufdampfverfahren,"bei dem sich die verdampften Partikel geradlinig von der Dampfquelle zum Substrat bewegen, was beim Formteilen zu extrem ungleichförmigen Schichtdickenverteilungen und -zusammensetzungen* führt, hat das Katodenzerstäubungsverfahren ähnlich wie das

Ionenplattieren einen gewissen Vorteil, der darauf beruht,

daß die genannten Verfahren gegenüber dem Aufdampfverfahren

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in einem Druckbereich von 5 χ 10 bis 5 χ 10 mbar durchgeführt werden. Dies bedeutet, daß die mittlere freie Weglänge der am

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Prozeß beteiligten Ionen und Atome im Bereich von 5 bis 50 mm liegt, so daß die einzelnen Partikel auf dem Weg von der Quelle zum Substrat mehrfach untereinander kollidieren. Als Folge davon stellt sich ein ungeordneter Material transport ein, was in gewissen Grenzen ein Beschichten "um die Ecke" ermöglicht.

Im Hinblick auf die allseitige Beschichtung von Formteilen wäre zwar das sogenannte CVD-Verfahren günstig, welches für zahlreiche Anwendungsfälle eine weite Verbreitung gefunden hat, jedoch scheidet dieses Verfahren für temperaturempfindliche Teile aus, da die verschiedenen CVD-Verfahren Substrattemperaturen von 900 bis 1100 ⁰C bedingen. Diese Temperaturen scheiden für Schnellarbeitsstähle aus, deren maximale Temperaturbelastung bei etwa 600 ⁰C liegt. Der genannte Temperaturbereich scheidet erst recht für Beschichtungsverfahren beispiels· weise von Uhrengehäusen oder Uhrenarmbändern aus, bei denen es beispielsweise um die reproduzierbare Erzielung einer goldähnlichen Oberfläche geht. Bei Uhrenarmbändern kommt erschwerend hinzu, daß diese häufig in fertigem Zustand Federelemente enthalten,'die keine höhere Temperaturbelastung vertragen.

Im Gegensatz dazu liegt die Substrattemperatur bei der Vakuumbeschichtung vorteilhaft in einem Bereich zwischen 200 und 500 ⁰C und kann auf den besonderen Anwendungsfall spezifisch eingestellt werden. Im Hinblick auf das Ionenplattieren und das Katodenzerstäuben bringt das zuerst genannte Verfahren zunächst die günstigeren Voraussetzungen mit sich. Aufgrund der hohen Beschleunigungsspannung von 3000 bis 5000 Volt am

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Substrat und wegen des damit verbundenen Ionenbeschusses liegen bei diesem Prozeß die Substrattemperaturen zwischen 250 und 500 ⁰C, wodurch das Wachstum kristalliner Hartschichten wie beispielsweise Titannitridschichten begünstigt wird. Bei der Katodenzerstäubung erfolgt die Erwärmung im wesentlichen durch Sekundärelektronenbeschuß. Die sich dabei einstellenden Temperaturen liegen im Bereich zwischen 50 und 300 ⁰C und sind sogar vielfach zu niedrig, um die gewünschten Schichthärten zu erzielen.

Das Katodenzerstäubungsverfahren der eingangs beschriebenen Art, das auch häufig als Hochleistungs-Katodenzerstäubungsverfahren oder "Magnetron Sputtering" bezeichnet wird, bietet aufgrund der Entladungsgeometrie ideale Voraussetzungen für die Beschichtung im Durchlaufbetrieb. Damit sind Beschichtungsanlagen mit hoher Produktivität möglich. Die Besonderheit bei der Hochleistungszerstäubung ist die durch die Magnetfeldlinien gebildete Plasmafalle, die die Entladung im wesentlichen auf den Bereich an der Targetoberfläche beschränkt, so daß dort eine besonders starke Abtragung des Targetmaterials erfolgt. Dies führt zu einer wesentlich größeren Zerstäubungsund Niederschlagsrate. Einzelheiten dieses Vorgangs sind jedoch in der Literatur sehr umfassend beschrieben worden, so daß sich ein weiteres Eingehen hierauf erübrigt.

Für das Katodenzerstäubungsverfahren spricht weiterhin, daß der Bau von Katoden bis zu mehreren Metern Länge möglich ist, und daß heute ein besonders hoch entwickeltes System der Prozeßsteuerung bzw. -regelung zur Verfügung steht. Die Möglichkeit von Substrattemperaturen unter 250 ⁰C erweitert den Anwendungsbereich

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z.B. in die Richtung auf Kunststoffe, montierte Armbänder mit temperaturempfindlichen Federelementen, temperaturempfindliche Gußmaterialien, etc. Weiterhin gestattet die Katodenzerstäubung das problemlose Beschichten mit Metallegierungen und Metallverbindungen, beispielsweise des Titans und Zirkoniums.

Während bei der klassischen Katodenzerstäubung ohne Magnet-

2 feldunterstützung die Targetbelastung bei maximal ca. 5 Watt/cm liegt, kann sie beim eingangs beschriebenen Zerstäubungsver-

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fahren auf bis zu 25 Watt/cm gesteigert werden. Die erzielbaren Zerstäubungs- bzw. Niederschlagsraten sind der dem Target zugeführten Leistung proportional. Die aus diesem Prozeß resultierenden hohen Ladungsträgerdichten führen zu einer Reduzierung der Entladungsspannung auf 200 bis 600 Volt, was insgesamt gesehen zu einer höheren Targetbelastbarkeit führt.

Aufgrund der Wirkung des Magnetfeldes und der Konzentration des Plasmas vor dem Target verliert der Substratträger die sonst übliche Anodenfunktion. Bei der Hochleistungszerstäubung fliessen die'Elektronen zum Rezipienten oder zu Innenaufbauten der Zerstäubungsanlage, während die Substrate mehr oder weniger kalt bleiben. Je nach dem Volumen und der Wärmeleitfähigkeit der Substrate stellen sich bei der Hochleistungszerstäubung Substrattemperaturen zwischen 50 und 300 ⁰C ein.

Die Höchleistungszerstä'ubung ist auch fur das reaktive Zerstäuben von metallischen Targets anwendbar. Einzelheiten dieses Verfahrens s.ind jedoch gleichfalls seit langem Stand der Technik, so daß auf eine Beschreibung der verschiedenen möglichen Reaktionsabläufe mit den verschiedensten Reaktionsgasen verzichtet werden kann. Auch für eine Steuerung bzw.

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Regelung der reaktiven Zerstä'ubungsverfahren sind 1n der Vergangenheit mehrere brauchbare Vorschläge gemacht worden, so daß Schichten mit reproduzierbaren Eigenschaften erzielt werden können, wie beispielsweise Oxide, Nitride oder Karbide.

Das Verfahren der Hoch!eTStungszerstäubung wurde bisher vor allem zur Beschichtung von ebenen Substraten angewandt, wobei der Anwendungsbereich von der Beschichtung von SiIizium-Wafern und Keramik-Substraten in der Mikroelektronik, Glassubstraten für LCD-Displays bis hin zu Glasscheiben von Abmessungen bis zu mehreren Quadratmetern reicht. Dabei sinkt die Aufstä'ubrate mit zunehmenden Abstand vom Target. Dies bedeutet, daß die Schichtdicke des Niederschlags nicht an allen Stellen eines Formteils gleich sein kann. Zu-dem wird dieser Effekt von zumindest teilweise auftretenden Abschattungen liberlagert, die. durch die Geometrie des Formteils bedingt sind.

Handelt es sich bei dem Zerstä'ubungsprozeß um einen reaktiven Prozeß, so resultieren aus den unterschiedlichen Aufstäubraten auch unterschiedliche Zusammensetzungen des Niederschlags je nach der Entfernung relativ zum Target. Dies liegt darin begründet, daß der Partialdruck des Reaktivgases über den gesamten Entladungsraum weitgehend konstant ist, die stöchiometrischen Verhältnisse des Niederschlags aber vom Verhältnis der Auftreffwahrscheinlichkeit der Metallpartikel und der reaktiven Gaspartikel abhängt. Dies hat zur Folge, daß sich die Härte der Schicht auf der dem Target zugewandten Seite von derjenigen auf der Rückseite unterscheidet, oder daß bei dekorativen Schichten beispielsweise der Goldton eines Uhrengehäuses auf der Vorder- und Rückseite nicht identisch ist. Darüberhinaus

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ist der Einfluß des Ionenbeschusses als Folge einer Substratvorspannung IL u ebenfalls abstandsabhängig, was zu unterschiedlichen Temperaturen und verschiedener Wirkung des sogenannten Selbstreinigungseffekts führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung so zu verbessern, daß damit auch bei Formteilen komplizierter Geometrie eine möglichst gleichförmige Beschichtung über die gesamte Oberfläche hinsichtlicht der wesentlichsten Eigenschaften erzielt wird, zu den die chemische und mechanische Beständigkeit einschließlich der Härte, das Aussehen, die Schichtdicke und die chemische Zusammensetzung der Schicht gehören.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß man das Formteil bzw. die Formteile auf der der ersten Katodenanordnung gegenüberliegenden Seite gleichzeitig dem Zerstäubungsvorgang einer zweiten Katodenanordnung mit dem gleichen Targetmaterial und mit Konzentration eines zweiten Entladungsraums im Bereich der Targetoberfläche durch ein gegenüber dem Target räumlich geschlossenes, zweites Magnetfeld aussetzt, und daß man an das Formteil eine gegenüber Masse negative Spannung U₅. von solcher Höhe anlegt, daß die Entl adungsra'ume beider Katodenanordnungen bis an das Formteil, dieses berührend, heranreichen.

Die Erfindung besteht nicht etwa nur in einer symmetrischen An-Ordnung zweier Entladungsvorgänge auf beiden Seiten des Formteils bzw. der Formteile, vielmehr spielt hier zusätzlich das Anlegen einer negativen Spannung U-. an die Formteile eine

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wesentliche Rolle. Man kann das Eintreten des erfindungsgemäßen Zustandes auch sehr gut durch ein Fenster der Vorrichtung beobachten: Zwischen zwei jeweils für sich herkömmlichen Katodenanordnungen mit Magnetfelderzeugern (Hochleistungskatoden, Magnetrons) brennen zunächst zwei Entladungen die voneinander durch einen Dunkelraum getrennt ^ und auf den Bereich unmittelbar vor den beiden Targetflächen beschränkt sind. Ein Substrat bzw. Formteil ist zunächst nicht vorhanden. Wird alsdann ein an eine entsprechend vorgewählte negative Spannung (gegenüber Masse) gelegtes Substrat in den Zwischenraum zwischen die Targets bewegt, so vergrößern sich sprunghaft die Entladungsräume bzw. Plasmawolken, bis sie das Formteil allseitig umschliessen. Bei kleineren Formteilen gehen die Plasmawolken ineinander über bzw. durchdringen sich gegenseitig, so daß der Raum zwischen den Targets durch eine Glimmentladung ausgefüllt ist. Bei diesem Vorgang wird auch die Helligkeit der Entladung sprunghaft^ gesteigert.

Man kann auch umgekehrt verfahren, daß man das Formteil zunächst ohne elektrischen Anschluß oder auf Massepotential geleot in den Raum zwischen den Targets einbringt. Hierbei verändern sich die Glimmentladungen zunächst nicht merklich. Wird alsdann eine Spannung an das Formteil gelegt und kontinuierlich gesteigert, so vergrößern sich allmählich die Plasmawolken in Richtung auf das Formteil, bis sie dieses erreichen und umspülen. Es ist auf diese Weise leicht.möglich , diejenige negative Spannung ΙΙς _b zu bestimmen, bei der die Entladungsräume beider Katodenanordnungen bis an das Formteil, dieses berührend, heranreichen. Als Tendenz ist aufzuzeigen, daß diese

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Spannung um so höher sein muß, je größer der Abstand der beiden Entladungsräume (ohne Formteil) ist und je "dünner" das Formteil ist.

Auf diese Weise entsteht, bedingt durch die negative Vorspannung des Formteils, eine wechselseitige Förderung und Durchdringung der beiden Plasmaentladungen mit allseitiger Kondensation des Beschichtungsmaterials. Da bei reaktiven Aufstäubprozessen die Stöchiometrie des Kondensats auch an der Substratoberfläche allseitig weitgehend gewährleistet ist, ergibt sich eine äußerst homogene Schichtzusammensetzung. Eine sehr große Gleichförmigkeit ergibt sich auch hinsichtlich der Schichtdickenverteilung, d.h. nennenswerte Abschattungseffekte konnten nicht beobachtet werden. Auch die Härtevertei1ung, bzw. bei dekorativen Schichten, das Aussehen der Oberfläche war auf dem Gesamtumfang des Formteils ausgesprochen gleichförmig. Die Formteile liessen sich trotz großer Schichthärte auf einem niedrigen Temperaturniveau halten, so daß beispielsweise Uhrengehäuse und Uhrenarmbänder mit eingebauten Federelementen einwandfrei beschichtet werden konnten. Dabei ergab sich außerdem eine ausgezeichnete Haftfestigkeit der aufgestäubten Schichten.

Die Erfindung läßt sich dadurch vorteilhaft weiter ausgestalten, daß die Verfahrensparameter wie Zerstäubungsleistung pro Flächeneinheit des Targets, Targetabstand untereinander, Magnetfeldstärke, so gewählt werden, daß sich die Entladungsräume beider Targetoberflächen auch bei Abwesenheit des Formteils bzw. der Formteile mindestens teilweise Überschneiden

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und daß die an das Formteil angelegte Spannung U- . mindestens 10 Volt (negativ) gegenüber Masse beträgt. Die Tendenz bzw. Einflußgrößen der einzelnen-Verfahrensparameter werden weiter unten in der Detai1beschreibung noch näher erläutert. Es sei hier nur so viel angegeben, daß die Magnetfeldstärke gegenüber der üblichen Magnetfeldstärke beim Hochleistungszerstäuben vermindert ist, wodurch die übliche starke Einschnürung der Entladung teilweise aufgehoben wird. Infolgedessen ist bereits eine verhältnismäßig geringe Spannung IL u ausreichend, um die Einwirkung der Entladung auf das Formteil zu verstärken bzw. zu vergleichmäßigen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Herstellen von Schichten aus Titannitrid (TiN). Dabei wird gemäß der weiteren Erfindung dafür gesorgt, daß die Zerstäubungsatmosphäre außer einem Edelgas (Argon) Stickstoff mit einem

-4 -4 Partialdruck zwischen 4 χ 10 und 8 χ 10 mbar bei einem

- 3 -2 Gesamtdruck von 5 χ 10 bis 2 χ 10 mbar enthält.

Die Beschichtung von Formteilen verschiedener Anwendungszwecke mit Titannitrid ist seit mehreren Jahren Gegenstand von Untersuchungen. Insbesondere die Möglichkeiten auf dem Gebiet der Werkzeugveredelung wie die Beschichtung von Bohrern, Fräsern oder Wendeschneidplatten haben die Entwicklung vorangetrieben. In letzter Zeit hat sich ein neues Anwendungsgebiet eröffnet, nämlich die Verwendung von Titannitrid als Goldersatz, z.B.

zur Beschichtung von Uhrengehäusen, Armbändern und anderen Gebrauchsgegenständen. Hier spielt vor allem die Materialkosteneinsparung und die Eliminierung von Abwasserproblemen eine Rolle, wie sie für die herkömmlichen Galvanikprozesse typisch sind. Die gegenüber Gold wesentlich größere Schichthärte

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ergibt sich dabei als zusätzlicher Vorteil. Die Prozeßkontrone des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gegenüber dem klassischen Verfahren wesentlich weiter entwickelt. Dies ist Inbesondere wichtig im Hinblick auf die reproduzierbare Erzeugung der bereits beschriebenen Goldton-Schichten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung werden in den Unteransprüchen sowie in der nachfolgenden Detailbeschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine grafische Darstellung des Über das Formteil fliessenden Substratstromes ¹SUb ^ⁿ Abhängigkeit von der Substratspannung ΙΙς . bei verschiedenen Abständen "d" zwischen Target und Formteil,

Figur 2 eine grafische Darstellung des über das Formteil fliessenden Substratstromes I_Suk in Abhängigkeit von der Substratspannung U- . bei verschiedenen Leistungen, bezogen auf das Target,

Figur 3 eine grafische Darstellung der Substrattemperaturen im Beharrungszustand (Selbsterwärmung) in Abhängigkeit von der Substratspannung bei verschiedenen Abständen "d" und Magnetfeldstärken H,

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Figur 4 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit verschiedener Parameter des Zerstäubungsvorgangs in Abhängigkeit vom Abstand Target/ Substrat bei nur einseitiger Anordnung einer Katode,

Figur 5 eine Darstellung analog Figur 4, jedoch bei beidseitiger Anordnung je einer Katode,

Figur 6 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des über das Formteil fliessenden Substrat-Stroms I^_uj-, bei einer Anordnung gemäß Figur 5,

Figur 7 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Härte einer TiN-Schicht vom Stickstoff-Partialdruck beim Aufstäuben,

Figur 8 ein sogenanntes Auger-Diagramm des Schichtaufbaus,

Figur 9 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit

der Härte einer TiN-Schicht von der Substrattemperatur,

Figur 10 eine perspektivische Darstellung einer erfindungs· gemäßen Vorrichtung für chargenweisen Betrieb,

Figur 11 einen Querschnitt durch die Katodenanordnung gemäß Figur 10 in vergrößertem Maßstab und in eingebautem Zustand der inneren Katodenanordnung und

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Figur 12 . eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä'ßen Großanlage für kontinuierlichen Betrieb.

Figur 1 erläutert folgenden Zusammenhang: Gemäß den obigen Ausführungen ist bei der Hochleistungszerstäubung durch die Wirkung des Magnetfeldes das Plasma dicht vor dem Target konzentriert. Das Substrat ist im Prinzip vom Entladungsraum elektrisch isoliert; es wird von der Plasmawolke nicht umhüllt. Legt man ein Substrat, beispielsweise ein aus Kupfer bestehendes Formteil mit einem Gewicht, von 200 g an eine negative Vorspannung D- . zwischen -100 und -2500 V, so fließt zwischen der auf Massepotential liegenden Vakuumkammer und dem Substrat ein Strom I- . der kleiner ist als 50 mA, solange der Abstand zwischen Substrat und Target größer ist als 40 mm. Das Substrat ist elektrisch entkoppelt.

Dies ist um so bemerkenswerter, als die Entladungsspannung vor dem Substrat selbst nur ca. U- .= 350 V beträgt. Die Horizontalkomponente des Magnetfeldes H_ beträgt hierbei

P _ 3 700 Oe. Der Entladungsdruck liegt bei 5 χ 10 mbar. Wie das Diagramm zeigt, kann man die Spannung U<. . sehr stark steigern, ohne auch nur eine nennenswerte Zunahme des Stroms Ις . zu erreichen. Unterschreitet man jedoch einen bestimmten Grenzabstand, der 1m vorliegenden Falle bei 25 mm liegt, so ist die elektrische Verbindung zwischen der Plasmawolke und dem Substrat hergestellt, und der Substratstrom Ic₁₁U steigt bereits bei einer Spannung U-. = -300 Volt sprunghaft an. Unter diesen Bedingungen werden dem Plasma positive Ionen entzogen und in Richtung auf das Substrat beschleunigt. Es liegen infolgedessen ähnliche Bedingungen vor wie beim Ionenplattieren. Das Substrat beginnt je nach der Intensität des

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Ionenbescbusses, die durch die angelegte Substratspannung geregelt werden kann, selbst zu zerstäuben, d.h. der bekannte Selbstreinigungseffekt und die verstärkte Möglichkeit der Beschichtung von abgeschatteten Substratteilen (rauhe oder strukturierte Oberfläche) ist gegeben.

Figur 2 erläutert folgenden Zusammenhang:

Der anhand von Figur 1 beschriebene Effekt hängt nicht allein vom Abstand Substrat-Target ab, sondern die räumliche Begrenzung der Plasmawolke wird ebenso von der dem Target zuge- führten Leistung beeinflußt. Das Plasma dehnt sich hierbei um so weiter aus, je größer die Targetbelastung ist. Aus Figur 2 geht deutlich hervor, daß der Substratstrom mit zunehmender Leistung steigt, auch wenn der Abstand Target-Substrat mit 20 mm konstant bleibt. Der Entladungsdruck lag

bei 5 χ 10 mbar; die Horizontal komponente des Magnetfeldes betrug 250 Oe, die Fläche des Substrats ca. 44 cm².

Figur 3 erläutert folgenden Zusammenhang: Als dritte Komponente spielt die Stärke des Magnetfeldes eine wichtige Rolle. In Figur 3 ist die durch Ionenbeschuß erzielbare Selbst erwärmung der Substrate in Abhängigkeit von der Substrat spannung U_Sub bei zwei verschiedenen Magnetfeldstärken von 200 und 700 Oe sowie bei zwei verschiedenen Abständen Substrat-Target von 28 und 50 mm dargestellt. Je nach den Parametern wurde ein 200 g schweres Formteil aus Kupfer unterschiedlich erwärmt. Dabei betrug die Beschichtungszeit 2 Minuten, die Zerstäubungsleistung 800 Watt und der Entladungsdruck 5 χ 10" mbar, Es ist deutlich zu erkennen, daß die Magnetfeldstärke

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eine ähnliche Wirkung ausübt, wie die Zerstäubungsleistung. Durch eine hohe Magnetfeldstärke von 700 Oe wird die Plasmawolke praktisch eingeschnürt, und selbst bei dem geringen Target-Substrat-Abstand von d = 28 mm übersteigt die Substrattemperatur den Wert von 100 ⁰C nur unwesentlich. Reduziert man jedoch die Magnetfeldstärke H auf 200 Oe, so sind unter diesen Entladungsbedingungen durch Ionenbeschuß Substrattemperaturen bis über 300 ⁰C möglich. Damit sind die Tendenzen der einzelnen Parameter auf das erfindungsgemäße Verfahren aufgezeigt.

In Figur 4 ist zusätzlich die räumliche Anordnung eines zylindrischen Formteils zur Targetoberfläche dargestellt, die man sich am Abszissenwert 0 zu denken hat. Die Längsachse des Formteils befindet sich somit in etwa 60 mm Abstand von der Targetoberfläche. Das Formteil soll während des Transports, den man sich parallel zur Targetoberfläche denken kann, nicht gedreht werden. Auf der Ordinate sind die Aufstäubrate, die Ladungsträgerdichte und der Partialdruck des Reaktivgases (Sti cksto.ff) in willkürlichen Einheiten (wE) aufgetragen. Wie aus der Figur zu erkennen ist, sinkt die Aufstäubrate gemäß der Kurve A mit zunehmenden Abstand vom Target. Dies hat die bereits weiter oben beschriebenen Nachteile zur Folge.

Figur 5 erläutert die Verhältnisse bei einer paarweisen An-Ordnung von zwei Katodensystemen auf beiden Seiten des Formteils F, und zwar in spiegelsymmetrischer Anordnung, Die

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Unke Targetoberfläche befindet sich am Abszissenwert 0, die rechte Targetoberfläche ist am Abszissenwert 120 mm zu denken. Für jede der einzelnen Katodenanordnungen gelten zwar die anhand von Figur 4 erläuterten Zusammenhänge, d.h. für die beiden Targets gelten die strichpunktiert dargestellten Aufstäubraten, wobei die¹ nach links oben weisende Kurve A₁ für das linke Target und die nach rechts oben weisende Kurve A₂ für das rechte Target gilt. Durch die Oberlagerung der Vorgänge entsteht jedoch ein Beschichtungsbereich, in dem weitgehend gleichmäßige Kondensationsbedingungen vorliegen. Die Breite der Zone konstanter Kondensations- und Entladungsparameter hängt von den einzelnen Prozeßparametern ab und ist Gegenstand einer Optimierung des Verfahrens und der Vorrichtung, wobei die Dimensionierung des Magnetfeldes der Hochleistungskatoden, der Targetabstand, das Druckverhältnis von Reaktivgas und Inertgas (Trägergas) sowie die elektrischen Daten eine, entscheidende Rolle spielen. Tendenzen für die Vornahme der Optimierungsvorgänge wurden bereits weiter oben aufge zeigt.

Anhand von Figur 6 wird folgender Einfluß erläutert: Bei der paarweisen Katodenanordnung wird der Ionenbeschuß des Substrats und damit die erzielbare Temperaturerhöhung bzw. der Selbstreinigungseffekt wesentlich gesteigert. Bei einem

Verhältnis von Targetfläche/Substratfläche von 3:1 können

2 bei Verwendung einer Katode mit einer Targetfläche von 430 cm bei einer Substratvorspannung von 250 Volt etwa 2 Ampere, d.h.

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500 Watt Substratbelastung aus dem Plasma "gezogen" werden, wenn die Belastung der Katode bei 4,6 kW liegt. Damit liegen die erzielbaren Substratflächenbelastungen mit etwa 3,6 W/cm vergleichbar hoch wie beim Ionenplattieren.

Beispiel:

In einer Vorrichtung, wie sie nachfolgend anhand der Figuren

10 und 11 noch näher beschrieben wird_s wurden folgende Versuche durchgeführt: Die paarweise angeordneten Targets bestanden aus Titan zum Zwecke der Herstellung von Titannitrid-Schichten. Der Abstand der Targetoberflächen betrug 120 mm; der Zerstäubungsdruck lag in einem Druckbereich von

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5 bis 10 χ 10 mbar. Bei einer Targetbelastung von ca.

11 W/cm betrug die Aufstäubrate des gebildeten Titannitrids etwa 27 8/s. Als wichtigste Einflußgröße erwies sich der Partialdruck des Stickstoffs, der im Bereich der in Figur 7 angegebenen Abszissenwerte variiert wurde. Figur 7 zeigt die Schichthärte als Funktion des Stickstoffpartialdrucks. Zu erkennen ist, daß in einem sehr schmalen Partialdruckbereich, der unter den gegebenen Bedingungen zwischen 6 bis 7 χ 10~ mbar lag, die Kondensation von sehr harten Titannitrid-Schichten stattfand. Als maximale Härte von 5 iim dicken Ti N-Schi chten auf V2A-Substraten wurde etwa Hy₁₀ = 3000 kp/mm ermittelt. Unter den genannten Bedingungen bestand das Kondensat im Bereich großer Härte aus im wesentlichen stöchiometrischem TiN.

Figur 8 zeigt eine Auger-Prof11 aufnähme der Verteilung von Titan, Stickstoff, Sauerstoff und Eisen als Funktion der Schichtdicke. Als Ordinate ist die Konzentration der genannten

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Elemente in Atomprozent aufgetragen; die Abszisse stellt die Schichtdicke in um dar. Im Bereich von 0,2 bis 5 um besteht die Schicht im wesentlichen aus 43 % Ti und 50 % N. Außerdem ist ein Sauerstoffanteil von ca. 5% über die gesamte Tiefe festzustellen. An der Schichtoberfläche beobachtet man in einer Tiefe von 0,2 um eine Sauerstoffanreicherung, die auf eine dtlnne Oxidhaut schliessen läßt. Ebenso tritt an der Schichtbasis ein Anstieg des Sauerstoffanteils auf. Hier wurde offenbar der Oxidüberzug des V2A-Substrats reduziert, wobei der atomare Sauerstoff unter dem Temperatureinfluß gegen die Schichtoberfläche hin diffundiert. Der scharfe Anstieg des Fe-Signals läßt die V2A-0berflache erkennen (die entsprechenden Signale für Cr und Ni sind in der Darstellung nicht berücksichtigt). Schließlich weist der relativ langsame Abfall des Ti-Signals im Bereich von 5 um bis 6 um auf eine Diffusion von Ti in die V2A-0berflache hin. Dies ist offenbar die Ursache für die hervorragende Haftfestigkeit der so aufgestäubten TiN-Schichten.

Aus Figur 9 geht der Einfluß der Substrattemperatur auf die Härte der Schicht hervor. Durch unterschiedliche Substratvorspannung, aber auch durch eine entsprechende Substratvorwärmung wurden die Formteile auf Temperaturen zwischen 50 und 600 ⁰C aufgeheizt. In diesem Temperaturbereich stiegt die Härte von etwa Hy₁₀ s 1000 auf 3750 kp/mm² an.

Die Katodenzerstäubungsvorrichtung gemäß Figur 10 dient zur Beschichtung von Formteilen kleinerer Abmessungen wie Uhrengehäuse, Armbänder, kleine Bohrer etc. Es handelt sich um eine chargenweise betriebene Anlage mit einer Vakuumkammer 1 mit.

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einem Durchmesser von 700 mm. Die Vakuumkammer besitzt eine nach vorn zu öffnende Tür 2 und einen trommeiförmigen, um eine senkrechte Achse drehbaren Substrathalter 3, dessen Mantel fläche.aus einzelnen Mantelteilen 4 zusammengesetzt ist. Die Mantelteile enthalten Stäbe 5, an denen die Formteile bzw. Substrate befestigt werden. Eines der Mantelteile ist entlang der gestrichelten Linien nach vorn herausgezogen, um den Einblick in die Vorrichtung zu erleichtern.

Auf dem Umfang des Substrathalters 3 ist eine erste Katoden-

anordnung 6 angeordnet. Im Betriebszustand befindet sich dieser gegenüber im Innern des Substrathalters 3 eine zweite Katodenanordnung 7, die in Figur 10 nach vorn herausgezogen dargestellt ist. Das Herausnehmen der zweiten Katodenanordnung nach vorn geschieht mittels einer Führungseinrichtung 8 am Boden der Vakuumkammer 1. Sobald die zweite Katodenanordnung wieder in eine Position gebracht worden ist, in der sie der ersten Katodenanordnung gegenüberliegt, wobei die Symmetrieebenen beider Katodenanordnungen in einer radialen Ebene des Substrathalters liegen, kann auch das Mantelteil 4 wieder in den Substrathalter eingesetzt werden. Nach dem Herstellen der bereits beschriebenen Betriebsbedingungen ist die Vorrichtung alsdann betriebsbereit. Für die Stromversorgung dient ein Schaltschrank 9 in Verbindung mit einer Hochfrequenzanpassung 10, von der jedoch nur das Gehäuse dargestellt ist.

Die erste Katodenanordnung 6 kann gleichfalls, beispielsweise zum Targetwechsel , ausgebaut werden, jedoch geschieht dies nach außen durch eine Seitenwand der Vakuumkammer. Der Abstand

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der beiden Katoden beträgt 120 mm.

In Figur 11 sind die erste Katodenanordnung 6 und die zweite Katodenanordnung 7 gemäß Figur 10 im Schnitt bzw. in der Draufsicht gezeigt. Zwischen den Katodenanordnungen liegt der strichpunktiert angedeutete Transportweg 11 des Substrathalters 3 bzw. der Formteile. Der Transportweg 11 ist geradlinig gezeichnet, verläuft jedoch im Wirklichkeit schwach gekrümmt, je nach dem Radius des Substrathalters in Fig. 10. Bei der Vorrichtung nach Fig. 12 verläuft der Transportweg tatsächlich geradlinig. Die erste Katodenanordnung besitzt ein erstes Target 12, während die zweite Katodenanordnung 7 ein zweites Target 13 besitzt. Die in den einzelnen Katodenanordnungen untergebrachten Magnetfelderzeuger sowie die von diesen durch die Targets 12 und 13 hindurchgesandten Magnetfeldlinien sind nicht im einzelnen dargestellt, da dies - für sich genommen - zum Stande der Technik gehört. Die einzelnen Targetoberflächen sind mit 12a bzw. 13a bezeichnet. Die Targetoberflächen 12a und 13a schliessen einen Zwischenraum 14 ein, in dem die den Zerstäubungsvorgang bewirkende Glimmentladung brennt. Festzuhalten ist noch, daß der Substrathalter 3 durch isolierte Aufhängung gegenüber Masse bzw. gegenüber der Vakuumkammer isoliert und mit einer Spannungsquelle zur Erzeugung einer negativen Potentialdifferenz gegenüber Masse verbunden ist.

In einer Vorrichtung gemäß den Figuren 10 und 11 können etwa 350 bis 500 Herrenuhrengehäuse in einem Zyklus mit goldfarbenem Titannitrid mit einer Schichtdicke von 0,25 um beschichtet werden, wobei die Zykluszeit etwa 45 Minuten beträgt. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei dem Gegenstand von Figur 12 um eine Durchlaufanlage. Diese wird über eine Schleusenkammer 15 beschickt, die gleichzeitig auch

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Heizeinrichtungen 16 zur thermischen Vorbehandlung besitzt. Diese Anlage ist für die Beschichtung von Formteilen bis zu 200 mm Durchmesser geeignet. Die betreffenden Formteile werden in der Schleusenkammer 15 zunächst auf Temperaturen bis zu 500 ⁰C aufgeheizt und entgast. An die Schleusenkammer schließt sich die eigentliche Zerstäubungskammer 17 an. An die Zerstäubungskammer schließt sich wiederum eine Schleusenkammer 18 für die Ausschleusung der fertig beschichteten Produkte an. Um einen taktweisen Betrieb der Vorrichtung zu ermöglichen, sind die Schleusenkammern 15 und 18 ebenso wie die Zerstäubungskammer 17 mit getrennten Vakuumpumpen verbunden. Die Verlegung der Saugleitungen geschieht auf die dargestellte Weise. Als Vakuumpumpen werden Wälzkolbenpumpen 19, Drehschieberpumpen 20 und Turbomolekularpumpen 21 verwendet.

Die Ausrüstung der Vorrichtung gemäß Figur 12 mit getrennten Pumpen ermöglicht einen Taktbetrieb. Während in der Schleusenkammer 15 eine Charge der zu beschichtenden Formteile vorgeheizt wird, läuft parallel dazu in der Zerstäubungskammer ein Beschichtungsprozeß ab, während in der Schleusenkammer eine bereits beschichtete Charge abkühlt. Die Zerstäubungskammer 17 1st mit zwei Ventilen von den Schleusenkammern getrennt.

In der Zerstäubungskammer 17 sind zwei erste Katodenanordnungen 6 und zwei zweite Katodenanordnungen 7 untergebracht. Die Katodenpaare 6/7 sind im Abstand zueinander verstellbar, um auf diese Weise optimale Kondensationsbedingungen für die ver-

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schiedensten Formteile zu erzielen. Die Formteile werden im Durchlauf beschichtet. Je nach GröBe dieser Teile ist eine Eigendrehbewegung der Formteile möglich und gegebenenfalls auch zusätzlich erforderlich. Weiterhin ist es möglieh, Formteile auch in einer Pendelbewegung im Beschichtungs- raum zu bewegen, um auf diese Weise die Gleichmäßigkeit der Beschichtung noch zusätzlich zu verbessern. Die Kapazität der Vorrichtung gemäß Figur 12 hängt von den Dimensionen der Formteile, deren Packungsdichte in der Vakuumkammer und den anwendbaren Beschichtungsparametern ab, wobei eine _H Optimierung der Verhältnisse aufgrund der weiter oben ge- \'~ machten Angaben ohne weiteres möglich ist.

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Leerseite

Claims

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ANSPRÜCHE:

Verfahren zum Beschichten von Formteilen mit dreidimensionaler Beschi chtungsflä'che durch Katodenzerstä'ubung von Targetmaterial einer ersten Katodenanordnung mit Konzentration eines ersten Entladungsraums (Plasmawolke) im Bereich der Targetoberfläche durch ein gegenüber dem Target räumlich geschlossenes erstes Magnetfeld (Plasmafalle), dadurch gekennzeichnet, daß man das Formteil bzw. die Formteile auf der der ersten Katodenanordnung gegenüberliegenden Seite gleichzeitig dem Zerstäubungsvorgang einer zweiten Katodenanordnung mit dem gleichen Targetmaterial und mit Konzentration eines zweiten Entladungsraums im Bereich der Targetoberfläche durch ein gegenüber dem Target räumlich geschlossenen zweites Magnetfeld aussetzt, und daß man an das Formteil eine gegenüber Masse negative Spannung u^u von solcher Höhe anlegt, daß die Entladungsräume beider Katodenanordnungen bis an das Formteil, dieses berührend, heranreichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensparameter (Zerstäubungsleistung pro Flächeneinheit des Targets, Targetabstand untereinander, Magnetfeldstärke) so gewählt werden, daß sich die Entladungsräume beider Targetoberflächen auch bei Abwesenheit des Formteils bzw. der Formteile mindestens teilweise überschneiden und daß die an das Formteil angelegte Spannung U_Su· mindestens 10 Volt (negativ) gegenüber Masse beträgt.

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Verfahren nach Anspruch 1 zum Herstellen von Hartschichten, vorzugsweise aus Nitriden, dadurch gekennzeichnet, daß 1n Bezug auf die beiden Katodenanordnungen folgende Zerstäubungsparameter eingestellt werden: Entladungsspannung: U_ = 200 bis 1000 V, Substratspannung: U_S(jb = -50 bis -500 Volt, Zerstäubungsleistung N = 5 bis 30 Watt/cm , vorzugsweise

Magnetfeld

Targetabstand

Zerstäubungsdruck

Formte 11 temρeratüren

10 bis 15 Watt/cnT,

bezogen auf die Targetfläche,

150 bis 350 Oe, vorzugsweise 200 bis 250 Oe 80 bis 200 mm, vorzugswei se 100 bis 150 mm, zuzüglich Formtei1 dicke "D"

10"³ bis

_ ρ
10 mbar,

10"³ bis 2 χ

vorzugsweise

150 bis 500 ⁰C, vorzugsweise 250 bis 300 ⁰C.

_ 2 10 mbar

Verfahren nach Anspruch 3 zum Herstellen von Schichten aus Titannitrid (T1N), dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstä'ubungsatmosphäre außer einem Edelgas (Argon) Stickstoff

-4 mit einem Partialdruck zwischen 4 χ 10 und 8 χ bei einem Gesamtdruck von 5 χ 10" bis 2 χ

10 mbar

10"² enthält.

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5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer ersten Katodenanordnung mit einem ersten Target und einem Magnetfelderzeuger zur Konzentration einer ersten Entladung im Bereich der ersten Targetoberflache durch ein gegenüber dem ersten Target räumlich geschlossenes erstes Magnetfeld und mit einem Substrathalter zur Halterung der Formteile im Beschichtungsbereich bzw. zum Transport der Formteile durch den Beschichtungsbereich der ersten Katodenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Katodenanordnung (6 ) gegenüber eine zweite Katodenanordnung (7) mit einem zweiten Target (13) aus dem gleichen Material und einem Magnetfelderzeuger zur Konzentration einer zweiten Entladung im Bereich der zweiten Targetoberfläche (13a) durch ein gegenüber dem zweiten Target (13) räumlich geschlossenes zweites Magnetfeld angeordnet ist, daß die Targetoberflächen (12a, 13a) beider Katodenanordnungen ( 6» 7) aufeinander zu gerichtet sind, daß der Substrathalter ( 3) etwa in der Mitte zwischen den Targetoberflächen angeordnet oder durch den Zwischenraum (14) hindurch bewegbar ist und daß der Substrathalter gegenüber Masse isoliert und mit einer Spannungsquelle zur Erzeugung einer negativen Potentialdifferenz gegenüber Masse verbindbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Targetoberflächen (12a,13a) in der Weise gekrümmt ausgebildet sind, daß sie einen hohlen Zylindersektor zwischen sich einschliessen.

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7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6 mit einem trommeiförmigen, um seine Achse drehbaren Substrathalter ( 3), dessen einzelne Mantelteile ( 4) zum Chargenwechsel herausnehmbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Katodenanordnung ( 7) innerhalb des Substrathalters (3 ) und die andere Katodenanordnung ( 6) außerhalb des Substrathalters angeordnet sind, und daß die innere Katodenanordnung nach Herausnahme mindestens eines Mantelteils ( 4) aus dem Raum innerhalb des Substrathalters herausnehmbar ist. .

8. Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Herstellung von mit Hartschichten belegten Werkzeugen wie Bohrern, Fräsern, Wendeschneidplatten.

9. Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung goldähnlicher Schichten auf Uhrengehäusen, Armbändern und anderen Gebrauchsgegenständen.