DE3503397A1

DE3503397A1 - Sputteranlage zum reaktiven beschichten eines substrates mit hartstoffen

Info

Publication number: DE3503397A1
Application number: DE19853503397
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. Dr. 6450 Hanau Eligehausen; Günter Dr. 6454 Bruchköbel Herklotz
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1985-02-01
Filing date: 1985-02-01
Publication date: 1986-08-07
Also published as: DE3503397C2

Description

"Sputteranlage zum reaktiven Beschichten eines
Substrates mit Hartstoffen Die Erfindung betrifft eine Sputteranlage zum reaktiven Beschichten eines Substrates mit Hartstoffen, insbesondere mit Ti-Nitrid oder Ti-Karbid, die ein evakuierbares, auf Erdpotential liegendes Gehäuse mit einer Zuleitung für ein Reaktionsgas und ein Edelgas aufweist, und in dem die Sputter-Oberfläche eines als Sputter-Einheit dienenden Magnetrons sowie eine Halterung für das Substrat angeordnet sind, wobei das Substrat mittels der Halterung vor der Sputter-Oberfläche positioniert ist.
Derartige Sputteranlagen, mit denen Hochleistungskathodenzerstäubung durchgeführt wird, sind beispielsweise aus dem Sonderdruck ll-S01 "Herstellung von harten Titannitrid-Schichten mittels Hochleistungskathodenzerstäubung" (ebenfalls veröffentlicht in "Werkstoffe und ihre Veredlung", Heft 3, 1981, von W.D. Münz und G. Hessberger) der Leybold-Heraeus GmbH bekannt.
Mit solchen Sputteranlagen werden insbesondere Werkzeuge für die Zerspantechnik, beispielsweise Bohrer und Fräser, sowie Werkzeugformteile mit verschleißhemmenden Hartstoffschichten überzogen, um somit die Standzeiten der Werkzeuge gegenüber einem unbeschichteten Werkzeug zu erhöhen Die Hochleistungszerstäubung zeichnet sich dadurch aus, daß große Flächen gleichmäßig beschichtet werden können und darüber hinaus die Prozeßparameter genau und reproduzierbar einhaltbar sind. Die Qualität der beschichteten Substrate ist von Parametern wie Substratvorspannung, Substratstrom, Arbeitsdruck und Arbeitstemperatur abhängig.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Sputteranlage zu schaffen, mit der im Vergleich zu bekannten Anlagen der Substratstrom wesentlich erhöht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Magnetron eine Anode aus magnetisierbarem Werkstoff aufweist, daß zwischen dem Substrat und dem Magnetron eine an positiver Spannung liegende Elektrode angeordnet ist und das Substrat an negativer Spannung liegt, und daß sie vom Magnetron in Richtung des Substrates gesehen eine in den Raum hinter dem Substrat einen Elektronen-Strahl einleitende Elektronenkanone aufweist. Mit einer solchen Anordnung wird durch gezielten Elektroneneinschuß die Plasmadichte wesentlich erhöht. Es sind Substratströme erreichbar, die bei über 5 mA/cm2 liegen.
Mit solchen Bias-Strömen werden nahezu strukturlose Schichten und bessere Haftfestigkeiten erreicht. Die Sputterrate verringert sich hierbei nicht.
Eine zusätzliche Erhöhung des Bias-Stromes um etwa 30 °Ó kann durch einen in dem Gehäuse angeordneten Magnet erreicht werden, der die Bahn der vom Emitter ausgehenden Elektronen verlängert.
Hierbei sollte der Magnet vorteilhaft in einem Bereich gegenüber der Sputter-Oberfläche des Magnetrons und das Substrat zwischen der Sputter-Oberfläche und dem Magnet angeordnet sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Sputteranlage ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung, die im Schnitt eine schematische Darstellung einer Sputteranlage zeigt.
Die Sputteranlage weist ein geerdetes Gehäuse 1 auf, das über einen Anschlußstutzen 2 evakuierbar ist. Über Zuleitungen 3 und 4 kann dem Gehäuse 1 wahlweise ein Inertgas, beispielsweise Argon, und/oder ein Reaktionsgas zugeleitet werden.
In die Gehäusewandung ist eine Hochleistungszerstäubungskathode (Magnetron) 5 eingesetzt, auf die beispielsweise polykristallines Ti-Metall als Target aufgebondet ist. Das Magnetron 5 weist eine nicht näher dargestellte Anode aus magnetisierbarem Werkstoff auf. In unmittelbarer Nachbarschaft des Magnetrons 5, und zwar zwischen dem Magnetron 5 und einer Substrathalterung 6 sind zwei Elektroden 7 angeordnet, beispielsweise Wolfram-Stäbe, die an positiver Spannung liegen. Die Substrathalterung 6 mit den darauf angeordneten, nicht näher dargestellten Substraten, liegt hingegen an negativer Spannung.
Um eine gleichmäßige Beschichtung der auf der Substrathalterung aufgesetzten Substrate von allen Seiten zu gewährleisten, ist die Substrathalterung um eine Achse 8 drehbar angeordnet.
Weiterhin ist in dem Gehäuse 1 seitlich zum Magnetron 5 versetzt eine Elektronenkanone 9, bevorzugt eine sogenannte Breitband-Elektronenkanone, angeordnet, und zwar so, daß sie einen Elektronenstrahl 10 in den Raum hinter das Substrat - bei vom Magnetron 6 aus zur Substrathalterung 9 hin gerichteter Blickrichtung - einleitet. Der Elektronenstrahl 10 bewirkt eine Erhöhung der Ionisation und damit eine Erhöhung des Bias-Stromes. Schließlich ist in dem Gehäuse ein Permanentmagnet 11 angeordnet, und zwar mit Abstand zur Substrathalterung 6 vom Magnetron 5 aus gesehen. Mit diesem Magneten 11 wird infolge der Ablenkung des Elektronen-Strahles eine weitere Ionisationserhöhung um bis zu 30 °Ó erreicht.
Die mit einer solchen Anordnung beschichteten Werkzeuge weisen gegenüber mit einer herkömmlichen Sputteranlage beschichteten Werkzeugen eine Standzeiterhöhung von bis zu 1000 nÓ auf.

Claims

"Sputteranlage zum reaktiven Beschichten eines Substrat es mit Hartstoffen" Patentansprüche 1. Sputteranlage zum reaktiven Beschichten eines Substrates mit Hartstoffen, insbesondere mit Ti-Nitrid oder Ti-Karbid, die ein evakuierbares, auf Erdpotential liegendes Gehäuse mit einer Zuleitung für ein Reaktionsgas und ein Edelgas aufweist, und in dem die Sputter-Oberfläche eines als Sputter-Einheit dienenden Magnetrons sowie eine Halterung für das Substrat angeordnet sind, wobei das Substrat mittels der Halterung vor der Sputter-Oberfläche positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetron (5) eine Anode aus magnetisierbarem Werkstoff aufweist, daß zwischen dem Substrat (Substrathalterung 6) und dem Magnetron (5) eine an positiver Spannung liegende Elektrode (7) angeordnet ist und das Substrat (6) an negativer Spannung liegt, und daß sie vom Magnetron (5) in Richtung des Substrates (6) gesehen eine in den Raum hinter dem Substrat einen Elektronen-Strahl einleitende Elektronenkanone (9) aufweist.
2. Sputteranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (1) mindestens ein die Bahn des Elektronen-Strahles verlängernder Magnet (11) angeordnet ist.