DE4011515C1 - Coating substrate with metal (alloy) - by magnetic sputtering, with substrate mounted on surface held at negative voltage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschichten von Substraten mit einem Metall oder einer Metall-Legierung durch Magnetronzerstäubung, wobei die Substrate auf einer an negativer Spannung liegenden Halterungsfläche an­ gebracht und vor einem Target des Magnetrons zur Beschichtung wiederholt vor­ bei bewegt werden.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 44 26 267 bekannt. Um eine gleich­ mäßige Beschichtung selbst auf Substraten mit komplizierter Form zu erzielen, wird eine zweite Kathoden-Anordnung mit gleichem Target-Werkstoff wie bei der ersten Kathoden-Anordnung vorgesehen.

Bei diesen bekannten Verfahren wurde beobachtet, daß die abgeschiedenen me­ tallischen Schichten infolge ihrer zum Teil sehr porösen Stengelstruktur nicht die geforderten Eigenschaften besitzen. Bekannt ist es, daß durch verschiedene Abscheidungsparameter die abzuscheidende Schicht und deren Eigenschaften in gewünschter Weise beeinflußt werden können. So ist es möglich, durch Erhöhung der Substrattemperatur während der Abscheidung dichtere Schichten auf den Substraten zu erzielen. Dabei kann nicht ausgeschlossen werden, daß gleich­ zeitig mit der Erzielung einer verbesserten Eigenschaft andere Substrat­ eigenschaften, wie Substrathärte oder die Biegefestigkeit des beschichteten Substrats, negativ beeinflußt werden. Auch kann durch Änderung des Druckes in der Sputteranlage während der Magnetron­ zerstäubung eine Änderung des Schichtaufbaus bewirkt werden. Die Abhängigkeit der Schichtstruktur eines beschichteten Substrates von Druck und Temperatur ist im Thorton Diagramm (J. Vac. Sci. Technol 12 (1975) S. 830/835) wiederge­ geben. Auch ein Anlegen von negativer Biasspannung an das zu beschichtende Substrat kann zu einer günstigen Beeinflussung der Schichtstruktur auf dem Substrat führen. In vielen Fällen gelingt es jedoch nicht durch Änderung von Substrattemperatur, von Druck während des Beschichtens oder Anlegen einer negativen Biasspannung die gewünschten Schichteigenschaften zu erzielen. So erhält man beispielsweise bei der Beschichtung von Messing mit einer Sil­ ber-Zinn 37-Legierung durch Magnetronzerstäubung bei Substrattemperaturen von unterhalb 200°C und Drücken im Bereich von 5×10^-3 bis 20 × 10^-3 mbar und negativen Biasspannungen von weniger als 200 V stark poröse, matte Schichten mit geringer Korrosionsbeständigkeit und hohem Reibungskoeffizienten, wodurch diese Schichten als Kontaktwerkstoff für Steckkontakte ungeeignet sind. Bei der Beschichtung von Eisen-Nickel-Substraten mit Molybdän werden selbst bei Substrattemperaturen von 500°C stark stengelförmige Schichten geringer Haft­ festigkeit erhalten, die als Kontaktpartner in einem Relais ungeeignet sind.

Aus der DE-PS 35 03 398 ist eine Sputteranlage zum reaktiven Beschichten eines Substrats mit aus Metallverbindungen bestehenden Hartstoffen, wie Titan-Nitrid oder Titankarbid, bekannt. Bei dieser Anlage befindet sich das Substrat wäh­ rend seiner Beschichtung zwischen einer zusätzlich zum Magnetron vorhandenen Ionisationseinrichtung mit wenigstens zwei Elektroden, wovon die eine Elek­ trode als Elektronenemitter dient und die andere Elektrode gegenüber dem Emitter auf positives Potential gelegt ist. Das Substrat besteht aus einzel­ nen, im Vergleich zum Target kleinen Teilen, die auf einer Halterung angeord­ net sind. Die vom Elektronenemitter ausgesandten Elektronen können durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Substraten zur Anode gelangen und be­ wirken so durch Stoß eine Ionisationserhöhung. Bei großflächigen Substraten wären Elektronenemitter und Anode durch das Substrat getrennt, so daß keine Elektronen zur Anode gelangen können, wodurch die zusätzliche Ionisations­ einrichtung wirkungslos wäre.

In der U.S. Patentschrift 43 89 299 wird die Magnetronaufstäubung von Metallen mit Gleich- oder Wechselspannung beschrieben, bei der zusätzlich zum Aufstäubungsplasma eine Ionisation mittels einer beheizten Wolframglühkathode und einer Spannung von 15 Volt zwischen Glühkathode und Anode eingesetzt wird, wobei der Wolframdraht auf die zur Elektronenemission erforderliche Temperatur erhitzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Beschichten von Substraten, bei dem diese Substrate an großen Halterungsflächen angebracht sind, mit Me­ tallen oder Metall-Legierungen bereitzustellen, mit dem die Eigenschaften der aufgesputterten Schichten, wie Haftfestigkeit, Reibungskoeffizient, Kontakt­ übergangswiderstand und Reflexion, reproduzierbar verbessert werden.

Diese Aufgabe wird für das eingangs charakterisierte Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Verwendung von Halterungsflächen, die größer als die Target-Fläche sind, die Substrate einem zu dem Ionenstrom durch Magnetron­ zerstäubung zusätzlichem Ionenstrom ausgesetzt werden, der durch Stoß­ ionisation von aus einer im wesentlichen außerhalb des Magnetfeldes des Magnetrons vor dessen Target angeordneten Glühkathode emittierten Elektronen erzeugt wird, die von einer im wesentlichen außerhalb des Magnetfeldes des Magnetron vor dem Rand des Targets angeordneten Anode abgesaugt werden, daß als Glühkathode eine Wolfram-Kathode verwendet wird, die auf einer Temperatur zwischen 2200°C und 3000°C gehalten wird, daß zwischen Glühkathode und Anode eine Spannung von < 0 und 60 V aufrechterhalten wird, daß die zusätz­ liche Ionenstromdichte während der Beschichtung zwischen 0,05 und 5 mA/cm² gewählt wird, und daß während des Aufsputterns der ersten Atomlagen auf die Substrate eine Biasspannung im Bereich von -60 bis -200 V aufrechterhalten wird, die danach auf einen Wert von < 0 bis -60 V vermindert wird.

Vorteilhafterweise wird während des Aufsputterns der ersten Atomlagen eine Biasspannung im Bereich von -100 bis -200 V aufrechterhalten.

Durch die erfindungsgemäßen Verfahrensmaßnahmen wird durch die Erhöhung der Ionisation des Teilchenstroms zum Substrat ein Auftreffen von mehr hochener­ getischen Teilchen auf das Substrat erreicht, was sich in einer Erhöhung des Substratstroms bemerkbar macht. Diese hochenergetischen Teilchen bewirken ein Absputtern von Substratmaterial und damit in der Grenzschicht eine Schicht­ mischung und ein Absputtern von schwach gebundenem Schichtmaterial. In Mikrobereichen wird durch den Aufprall und die Konden­ sation der hochenergetischen Teilchen das Substrat stark erwärmt, ohne daß die zulässige Substrattemperatur überschritten wird. Durch die Mischschichtbildung wird eine hohe Haftfestigkeit der auf das Substrat abgeschiedenen Schicht erzielt, durch die starke Temperaturerhöhung in Mikrobereichen und die Dif­ fusion hochenergetischer Teilchen wird der Aufbau einer sehr dichten Schicht auf dem Substrat begünstigt. In jedem Fall hat es sich als zweckmäßig er­ wiesen, den günstigsten Ionisationsgrad des Plasmas zu ermitteln. Dazu ist es erforderlich, daß der Ionisationsgrad kontinuierlich variierbar ist, was da­ durch bewirkt wird, daß der Emissionsstrom der Glühkathode und/oder die Anodenspannung erhöht wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorteilhafterweise die Glühkathode in einem Abstand von 4 bis 5 cm vor dem Target und die Anode 3 bis 4 cm vor dem Rand des Target angeordnet. Hierdurch ist sichergestellt, daß die emittierten Elektronen auf ihrem Weg zur Anode in das Plasma vor dem Target gelangen und zur Erhöhung des Ionisationsgrades beitragen.

Die Glühkathode wird bei der Durchführung des Verfahrens zweckmäßigerweise auf einer Temperatur von 2500 bis 2800°C gehalten, daß ausreichend Elektronen zur Verfügung stehen, um die erforderliche zusätzliche Ionenstromdichte zu er­ halten.

Bewährt hat es sich zur Erzielung optimaler Ergebnisse zwischen Glühkathode und Anode eine Spannung von 30 bis 60 V aufrechtzuerhalten.

Die zusätzliche Ionenstromdichte während der Zerstäubung wird zwischen 1,5 und 3,5 mA/cm² verändert, um den günstigsten Ionisationsgrad des Plasmas einzustellen.

Vorteilhafterweise wird nach Aufsputtern der ersten Atomlagen auf die Sub­ strate, die Biasspannung auf -20 bis -50 V vermindert.

Als Halterungsflächen für die Substrate hat sich die Oberfläche einer Trommel besonders bewährt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Sputteranlage zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 einen Querschnitt durch Fig. 1 entlang der Linie A......B.

Die Sputteranlage weist ein geerdetes Gehäuse 1 auf, das über einen im Boden­ bereich befindlichen Stutzen 2 evakuierbar ist. Über die Zuleitung 3 wird ein Inertgas, beispielsweise Argon, in das Gehäuse 1 eingeleitet. In die Seiten­ wandung 5 ist ein Magnetron 6 eingesetzt, das ein Target aus metallischem Beschichtungswerkstoff aufweist. Die zu beschichtenden Substrate sind auf der Außenoberfläche der Trommel 12 angeordnet. Die Trommel 12 ist in Isolatoren 16 an einem drehbaren Halter 13, der, wie durch Pfeil 14 angedeutet, um die Rotationsachse 10, die in der Gehäuseachse liegt, drehbar ist. Mit 15 ist eine Heizstation bezeichnet. Während der Rotation der Trommel 12 bewegt sich diese mit den Substraten durch die Heizstation hindurch. Zwischen Magnetron 8 und der Trommel 12 ist die Anode 7 und als Elektronenemitter 8 eine Wolfram-Glüh­ kathode angeordnet, wobei wie aus Fig. 2 ersichtlich, die Anode vor dem Rand des Magnetrons angeordnet ist.

Zur Beschichtung von auf der Außenoberfläche der Trommel 12 gehaltertem Messingband mit einer Silber-Zinn-Legierung, die aus 37 Gew.-% Zinn, Rest Silber besteht, die Legierung bildet den Target-Werkstoff des Magnetrons, wird wie folgt vorgegangen:
Die mit Messingband bewickelte Trommel 12 wird in der Sputteranlage in die Isolatoren 16 des drehbaren Halters 13 eingesetzt. Der Abstand zwischen dem Target und dem Messingband beträgt 10 cm. Das Messingband wird während seiner Beschichtung mit Hilfe der Heizstation 15 auf einer Temperatur von 150°C ge­ halten. In der Anlage wird eine Argonatmosphäre von 6×10^-3 mbar aufrecht­ erhalten; es wird eine Sputterleistung von 12 W/cm² eingestellt, die Glüh­ kathode 8 auf einer Temperatur von 2600°C gehalten, sowie eine Biasspannung von -100 V für die ersten Atomlagen, aufrechterhalten, die danach auf -30 V vermindert wird. Die Trommel 12 wurde mit einer Geschwindigkeit von 2 U/min gedreht. So wurde bei einem zusätzlichen Ionenstrom von 2 mA/cm² auf dem Messingband eine hochglänzende, sehr dichte Schicht aus Silber-Zinn 37-Le­ gierung, die einen Reibungskoeffizienten von 0,28 und sehr gute Korrosions­ beständigkeit aufweist (die Korrosionsbeständigkeit wurde mittels Auslagerung in Schadstoffklima bestimmt) erhalten. Vergleichsversuche unter identischen Bedingungen jedoch ohne zusätzlichen Ionenstrom lieferten eine sehr matte Silber-Zinn 37-Legierungs-Schicht mit stark stengeliger Struktur und einem Reibungskoeffizienten von 0,45; außerdem wies sie eine schlechte Korrosionsbeständigkeit auf, sie wurde korrosiv angegriffen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Beschichten von Substraten mit einem Metall oder einer Me­ tall-Legierung durch Magnetronzerstäubung, wobei die Substrate auf einer an negativer Spannung liegenden Halterungsfläche angebracht und vor einem Target des Magnetrons zur Beschichtung wiederholt vorbei bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Halterungsflächen, die größer als die Target-Fläche sind, die Substrate einem zu dem Ionenstrom durch Magnetronzerstäubung zusätzlichem Ionenstrom ausgesetzt werden, der durch Stoßionisation von aus einer im wesentlichen außerhalb des Ma­ gnetfeldes des Magnetrons vor dessen Target angeordneten Glühkathode emittierten Elektronen erzeugt wird, die von einer im wesentlichen außer­ halb des Magnetfeldes des Magnetron vor dem Rand des Targets angeordneten Anode abgesaugt werden, daß als Glühkathode eine Wolfram-Kathode verwendet wird, die auf einer Temperatur zwischen 2200°C und 3000°C gehalten wird, daß zwischen Glühkathode und Anode eine Spannung von < 0 und 60 V aufrechterhalten wird, daß die zusätzliche Ionenstromdichte während der Beschichtung zwischen 0,05 und 5 mA/cm² gewählt wird, und daß während des Aufsputterns der ersten Atomlagen auf die Substrate eine Biasspannung im Bereich von -60 bis -200 V aufrechterhalten wird, die danach auf einen Wert von < 0 bis -60 V vermindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Auf­ sputterns der ersten Atomlagen eine Biasspannung von -100 bis -200 V aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode in einem Abstand von 4 bis 5 cm vor dem Target und die Anode 3 bis 4 cm vor dem Rand des Targets angeordnet werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode auf einer Temperatur von 2500°C bis 2800°C gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Glühkathode und der Anode eine Spannung von 30 bis 60 V auf­ rechterhalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Ionenstromdichte während der Zerstäubung zwischen 1,5 und 3,5 mA/cm² verändert wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Aufsputtern der ersten Atomlagen auf die Sub­ strate die Biasspannung auf -20 bis -50 V vermindert wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Halterungsfläche die Oberfläche einer Trommel verwendet wird.