DE4034034A1

DE4034034A1 - Verfahren zum beschichten eines wenig korrosionsbestaendigen substrats

Info

Publication number: DE4034034A1
Application number: DE19904034034
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Kopacz; Christoph Daube; Andreas Rack; Horst Becker; Uwe Dipl Ing Konietzka; Martin Dr Weigert
Original assignee: Leybold AG; Degussa GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1990-10-26
Filing date: 1990-10-26
Publication date: 1992-05-14
Also published as: DE4034034C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Be schichten eines wenig korrosionsbeständigen oder nicht korrosionsbeständigen Substrats, insbesondere Metall mit einer mindestens Ni, Cr und Fe aufweisenden Legie rung in einer evakuierbaren Beschichtungskammer und einer an eine Stromquelle anschließbaren Elektrode, die elektrisch mit einem Target in Verbindung steht, das zerstäubt wird und dessen zerstäubte Teilchen sich auf dem Substrat niederschlagen, wobei in die Beschich tungskammer Prozeßgase einbringbar sind.

Es ist allgemein bekannt, daß bei ungehindertem Sauer stoffzutritt zur Metalloberfläche der Angriff auf die Metalloberfläche allgemein gering bleibt und daß sich sogar eine schützende Oxydschicht bilden kann. Ist je doch der Sauerstoffzutritt an manchen Stellen behin dert, wie z. B. durch Spalte, Risse, Poren usw, so nimmt infolge von Konzentrationsunterschieden im Elektrolyten das Material an diesen Stellen ein anderes Potential an, es wird zur Anode. Unter der Abdeckung, das heißt, in den Spalten oder Poren wird der Elektrolyt an Sauer stoff verarmen. Es kommt zu der Bildung einer sauer stoffarmen und einer sauerstoffreichen Zone.

An der Grenze der beiden Zonen entstehen Korro sionsprodukte.

Beim Einsatz von dekorativen Schichten direkt auf nicht korrosionsbeständigen Substraten, kommt es zu Bildung von Lokalelementen mit starkem Korrosionsangriff be dingt durch den großen Unterschied der elektrochemi schen Potentiale z. B. für TiN ca. 1,5 V und begünstigt durch die Stengelstruktur der Hartschicht mit Mikroporen. Zur Lösung dieses Problems wird industriell zur Zeit eine galvanische Zwischenschicht eingesetzt, die einen ausreichenden Korrosionsschutz sicherstellt. Ein derartiges Beschichtungsverfahren ist jedoch sehr aufwendig und teuer.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Targetmaterial zur Verfügung zu stellen und die Oberfläche des Substrats derart zu behandeln, daß auf die galvanische Zwischenschicht verzichtet werden kann. Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß eine amorph kondensierende Schicht unter Verwendung einer reaktiven Atmosphäre in der Beschichtungskammer auf das Substrat aufgebracht wird. Hierdurch erhält man auf einfache Weise auf dem Substrat eine amorph konden sierende Barriereschicht, die keine Korngrenzen oder Mikroporen enthält, so daß auf eine galvanische Zwischenschicht verzichtet werden kann, da diese mit tels Kathodenzerstäubung aufgebrachte Schicht einen ausreichenden Korrosionsschutz bietet. Hierzu ist es vorteilhaft, daß als ein Beschichtungsschritt den Legierungsbestandteilen des Targets neben Ni,Cr, und Fe ein Glasbildner als Legierungsbestandteil zugegeben wird und in die Beschichtungskammer als Prozeßgas ein reaktives Gas eingeführt wird. Vorteilhaft ist es fer ner, daß als Target eine massive Platte des gewünschten Materials eingesetzt wird, die bezüglich der Zusammen setzung der Dünnschicht entspricht, die nicht aus amor phen Material besteht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil haft, daß das Target aus den Legierungsbestandteilen Nickel, Eisen, Chrom, Phosphor und Bor zusammengesetzt wird und die reaktive Atmosphäre in der Beschichtungs kammer N₂ enthält. Der Einsatz einer reaktiven Atmosphäre trägt wesentlich dazu bei, daß eine einwand frei amorphe Schicht gebildet und dadurch eine Korro sionsbeständigkeit erreicht wird. Hierzu ist es beson ders vorteilhaft, daß die amorphen Schichten durch Zerstäuben des Targets hergestellt werden, wobei das Target in vorteilhafter Weise aus gesinderten oder heißgepreßten Pulvermischungen besteht, deren Bestand teile über 50% Ni, Cr und Fe aufweisen, ferner ist es vorteilhaft,daß das Target einen Legierungsanteil von Ni zwischen 30% und 40%, von Cr zwischen 10% und 20% und von Fe zwischen 30% und 40% aufweist. Eine zusätz liche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß das Target einen Legierungsanteil von P zwischen 5% und 12% und von B zwischen 6% und 12% aufweist.

Das Target läßt sich auf einfache Weise dadurch her stellen, daß es in der Zusammensetzung Ni, Fe, Cr, P, B durch heißisostatisches Pressen oder durch uniaxiales Heißpressen hergestellt und auf ein Magnetron gebondet wird.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfah rens besteht darin, daß das Target aus einer Legierung besteht, die Ni, Fe, Cr, Si, B enthält.

Vorteilhafter ist es ferner, daß zur Abscheidung amor pher Schichten ein Prozeßgas verwendet wird, das zumin dest Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O), oder Stick stoff (N) oder Acetylen (C₂H₂) enthält.

Ferner ist es vorteilhaft, daß zur Abscheidung amorpher Schichten eine Substratvorspannung zwischen 50 und 60 V insbesondere 60 V gewählt wird. Durch diese Substrat vorspannung erhält man eine optimale Packungsdichte, ohne daß das Substrat thermisch zu stark belastet wird.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerk malen erfindungswesentlich sind.

In den Figuren ist die Erfindung anhand von zwei Ausführungsformen beispielsweise dargestellt, ohne auf diese Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt

Fig. 1 eine Magnetronanordnung für ein Verfah ren zur Herstellung einer Barriere schicht,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Beschichtungsanlage mit einer Doppel magnetronanordnung,

Fig. 3 eine amorphe Atomanordnung,

Fig. 4 eine Draufsicht gemäß Fig. 2.

In der Zeichnung ist ein Substrat 1 dargestellt, das mit einer dünnen Barriereschicht 2 versehen werden soll. Diesem Substrat 1 liegt ein Target 3 gegenüber, das zu zerstäuben ist. Das Target 3 steht über ein im Schnitt U-förmiges Element 4 mit einer Kathode 5 in Verbindung, die auf einem Joch 6 ruht, welches zwischen sich und dem Element 4 drei Dauermagnete 7, 8, 9 einschließt. Die auf das Target 3 gerichteten Polari täten der Pole der drei Dauermagnete 7, 8, 9, wechseln sich ab, so daß jeweils die Südpole der beiden äußeren Dauermagnete 7, 9 mit dem Nordpol des mittleren Dauer magneten 8 durch das Target 3 ein etwa kreisbogen förmiges Magnetfeld bewirken. Dieses Magnetfeld ver dichtet das Plasma vor dem Target 3, so daß es dort, wo die Magnetfelder das Maximum ihres Kreisbogens besit zen, seine größte Dichte hat. Die Ionen im Plasma werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt, das sich aufgrund einer Gleichspannung aufbaut, die von einer Gleichstromquelle 10 angegeben wird. Diese Gleichstromquelle 10 ist mit ihrem negativen Pol über zwei Induktivitäten 11, 12 mit der Kathode 5 verbunden. Das elektrische Feld steht senkrecht auf der Oberfläche des Targets 3 und beschleunigt die positiven Ionen des Plasmas in Richtung des Targets 3 in der Prozeß kammer 25 bzw. im Behälter 24 angeordnet ist. Hierdurch werden mehr oder weniger viele Atome oder Partikel aus dem Target 3 herausgeschlagen, und zwar insbesondere aus den Bereichen 13, 14, wo die Magnet felder ihre Maxima haben. Die zerstäubten Atome oder Partikel wandern in Richtung auf das Substrat 1 , das sich unterhalb der Blende 26 am Boden des Behälters 24 befindet, wo sie sich als dünne Schicht 2 nieder schlagen. Für die Steuerung der dargestellten Anordnung kann ein in der Zeichnung nicht dargestellter Prozeß rechner vorgesehen werden, der Meßdaten verarbeitet und Steuerungsbefehle abgibt. Diesem Prozeßrechner können beispielsweise die Werte des gemessenen Partialdrucks in der Beschichtungskammer 15, 15a zugeführt werden. Aufgrund dieser und anderer Daten kann er zum Beispiel einen reaktiven Gasfluß aus einem Behälter 16 oder einem anderen Gasfluß aus einem Behälter 17 über in die Zuführungsleitung 22 eingeschaltete Ventile 18, 19 bzw. über in die Zuführungsleitung 23 eingeschaltete Ven tile 30, 31 regeln und die Spannung an der Kathode 5 einstellen. Der Prozeßrechner ist auch in der Lage, alle anderen Variablen, zum Beispiel die Stromzufuhr zu überwachen.

Die gemäß Fig. 2 verwendete Anlage ist mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Pumpenstand zur Hoch vakuumerzeugung ausgestattet. Der Ionenätzprozeß wird mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Gleich stromversorgung durchgeführt. Eine weitere Gleichstrom versorgung dient zur Substratvorspannung während des Beschichtungsprozesses. Als Kathodenversorgung stehen zwei Sputterstromversorgungen zur Verfügung. Diese Stromversorgungen sind stromgeregelt und können maximal 23 A bzw. 750 V abgeben. Zur Hochleistungkathoden zerstäubung können in der Anlage vier Kathoden ange bracht sein.

Das in Fig. 2 dargestellte Doppelmagnetron 28 besteht aus zwei symmetrisch angeordneten Hochleistungszerstäu berkathoden 5. Durch die Überlagerung der beiden gegen überliegenden Gasentladungen vor den Kathoden, im Zentrum der Anordnung, entsteht ein homogenes Plasma.

Dieses Plasma weist einen Beschichtungsbereich mit weitgehend gleichmäßigen Kondensationsbedingungen auf. Aufgrund dieser Anordnung kann eine gleichmäßige Rund umbeschichtung von Formteilen ohne Eigenrotation erfol gen. In vorteilhafter Weise besitzt das Magnetron 27 eine Vorrichtung zur Änderung der Magnetfeldposition, um durch Einstellung der Feldstärke auf der Targetober fläche die Betriebscharakteristik der Kathode 5 zu beeinflussen.

Die in der Zeichnung gezeigte Beschichtungsanlage läßt sich ohne weiteres über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Microprosessor betreiben. Dies erlaubt einen aufwendigen Beschichtungsprozeß mit ca. 48 ein zelnen, genau reproduzierbaren Prozeßschichten. Die Sputterenergieversorung ist stromgeregelt, es ist aber auch möglich, mit einer Leitungsregelung zu arbeiten.

Zum Freisputtern einer Doppelmagnetromanordnung 28 wird eine auf einer Substratdrehvorrichtung 41 montierte Blende 42 zwischen die Kathoden 5 gefahren. Im Anschluß daran werden die Kathoden 5 in zwei Stufen freigesput tert. Die erste Stufe ist ein kurzes Sputtern bei geringem Druck und geringem Kathodenstrom, in der zwei ten Stufe wird der Druck und der Strom erhöht. Der Sputterstrom übersteigt hierbei den Strom während des Beschichtens. Der Druck ist in etwa dem Beschichtungs druck gleich.

Typische Freisputterparameter sind:
Arbeitsdruck Pf = 6,0×10³mbar, Sputterstrom I f = 3,0 A, tf = 0,5 min.

Die Freisputterzeit richtet sich dabei nach dem Target material und dem angewendeten Beschichtungsprozeß.

Gemäß Fig. 4 ist in einer Rezipiententür 29 der Beschichtungsanlage der Doppelmagnetromanordnung 28 ein Schauglas 32 zur Beobachtung des Arbeitsprozesses vor gesehen.

Es ist allgemein bekannt, daß bei ungehindertem Sauer stoffzutritt zur Metalloberfläche der Angriff auf die Metalloberfläche allgemein gering bleibt, so daß sich sogar eine schützende Oxydschicht bilden kann. Ferner ist es auch bekannt, die zu schützende Oberfläche mit einem metallischen Überzug zu versehen, hierdurch erhält man einen passiven Korrosionsschutz. In den meisten Fällen ist jedoch der metallische Überzug nicht absolut dicht, sondern weist Schwachstellen oder Poren und Risse auf. Um z. B. den Einfluß der Kontaktkorrosion klein zu halten, ist es vorteilhaft, einen porenfreien Überzug auf das Substrat aufzubringen. Um eine porenfreie Beschichtung insbesondere bei dekorativen Schichten zu erhalten, war bisher ein großer Aufwand notwendig, insbesondere dann, wenn die Oberfläche eine ausreichende Brillanz haben sollte.

Um eine zufriedenstellende Barriereschicht zu erhalten ist ein Targetmaterial zur Verfügung zu stellen und die Oberfläche des Substrats derart zu behandeln, daß auf die galvanische Zwischenschicht verzichtet werden kann.

Ein Beschichtungsschritt besteht darin, amorphe Schich ten durch Zerstäuben eines Targets 3 herzustellen, das aus amorphen Ausgangsmaterial aufgebaut ist. Das Target aus der Zusammensetzung Ni₃₆, Fe₃₃, Cr₁₄, P₈, B₉ ist hierzu heißisostatisch gepreßt und auf ein entsprechen des Magnetron gebondet.

Für eine Optimierung der Schichteigenschaft von amor phen Barriereschichten müssen bestimmte Parameter ein gestellt werden. Wichtige Einflußgrößen sind unter anderem die Substratvorspannung und der Stickstoff partialdruck. Besonders vorteilhaft ist z. B. eine Sub stratvorspannung von 60V.

Ferner ist es besonders vorteilhaft, wenn den Legie rungsbestandteilen ein Glasbildner zugegeben wird und als Prozeßgas in die Beschichtungskammer 15a ein reak tives Gas z. B. N₂ eingeführt wird. Hierdurch kann die Schicht unproblematisch amorph abgeschieden werden.

Beim Einsatz von dekorativen Schichten direkt auf nicht korrosionsbeständige Substrate 2 kommt es zu Bildung von Lokalelementen mit starkem Korrosionsangriff bedingt durch den großen Unterschied der elektrochemi schen Potentiale (z. B. für TiN ca. 1,5V und begünstigt durch die Stengelstruktur der Hartschicht mit Mikro poren.

Eine deutliche Steigerung der Haftfestigkeit der Schicht 2 auf dem Substrat 1 ist das Ergebnis der Ver wendung von Helium-Gas als Prozeßgas, bis eine Schicht dicke erreicht ist (z. B. Aluminium 350 s 400 A), die für die UV-Strahlung des anschließenden Argon-Prozesses undurchlässig ist.

Für den Sputterprozeß wird beispielsweise in einer ersten Phase des Prozesses ein Argon-Plasma während einer extrem kurzen Zeitdauer in der Beschichtungskam mer 15, 15a aufrecht erhalten und zwar so lange, bis der dabei erzeugte Sputterprozeß, insbesondere durch Ausgasung des PMMA-Substrats, vom oxidischen zum metal lischen Prozeß übergeht, woraufhin für eine zweite Phase des Prozesses Helium-Gas in die Beschichtungs kammer 15a über eine Zuführungsleitung 22 eingelassen wird, so daß ein Helium-Plasma gezündet werden kann, woraufhin für eine dritte Prozeßphase wiederum Argon-Gas über eine Zuführungsleitung 23 in die Beschichtungs kammer 15, 15a eingelassen und ein Argon-Plasma gezündet wird, wobei dieser Argon-Plasmaprozeß bis zum Erreichen der gewünschten Dicke der Schicht 2 aufrecht erhalten wird.

Um bei Abschluß der einzelnen Prozeßphasen (I III) ein rasches Spülen bzw. Auspumpen der Beschichtungs kammer 15a und der einzelnen Gaszuführungsleitun gen 22, 23 bzw. des Anschlußstutzens zu ermöglichen, ist eine besondere Vakuumpumpe 37 über Abpumpleitun gen 38, 39 bzw. 40 an die Leitungen 22, 23 bzw. die Beschichtungskammern 15a angeschlossen. Die Abpumplei tungen 38, 39 sind mit Ventilen 35, 36 versehen, die ver hindern, daß bei geöffneten Ventilen 18, 30 aus den Behältern 16, 17 Gas direkt nach außen strömen kann. Um den Gasaustritt aus den Rohren 22, 23 zu mindern, sind Drosselventile 33, 34 in die Leitungen 38, 39 einge schaltet.

Bezugzeichenliste

1 Substrat
2 Schicht
3 Target
4 Element
5 Kathode
6 Joch
7 Dauermagnet
8 Dauermagnet
9 Dauermagnet
10 Gleichstromquelle
11 Induktivität
12 Induktivität
13 Bereich
14 Bereich
15 Beschichtungskammer
15a Beschichtungskammer
16 Behälter
17 Behälter
18 Ventil
19 Ventil
22 Zuführungsleitung
23 Zuführungsleitung
24 Behälter
25 Prozeßkammer
26 Blende
27 Magnetron
28 Doppelmagnetronanordnung
29 Rezipiententür
30 Ventil
31 Ventil
32 Schauglas
33 Drosselventil
34 Drosselventil
35 Ventil
36 Ventil
37 Vakuumpumpe
38 Abpumpleitung
39 Abpumpleitung
40 Abpumpleitung
41 Substratdrehvorrichtung
42 Blende

Claims

1. Verfahren zum Beschichten eines wenig korrosions beständigen oder nicht korrosionsbeständigen Sub strats (2) insbesondere Metall mit einer minde stens Ni, Cr und Fe aufweisenden Legierung in einer evakuierbaren Bschichtungskammer (15), 15a und einer an eine Stromquelle (10) anschließbaren Elektrode, die elektrisch mit einem Target (3) in Verbindung steht, das zerstäubt wird und des sen zerstäubte Teilchen sich auf dem Substrat (2) niederschlagen, wobei in die Beschichtungskam mer (15), 15a Prozeßgase einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine amorph kondensierende Schicht 2 unter Verwendung einer reaktiven Atmo sphäre in der Beschichtungskammer (15, 15a) auf das Substrat 1 aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß eine amorphe kondensierende Schicht 2 unter Verwendung einer reaktiven Atmosphäre in der Beschichtungskammer (15, 15a) auf das Substrat (1) aufgebracht wird, wobei als Target eine mas sive Platte eingesetzt wird, die bezüglich der Zusammensetzung der Dünnschicht entspricht, die nicht aus amorphem Material besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß als ein Beschichtungsschritt den Legie rungsbestandteilen des Targets (3) neben Ni, Cr, und Fe ein Glasbildner als Legierungsbestandteil zugegeben wird und als Prozeßgas in die Beschich tungskammer (15) bzw 15a ein reaktives Gas ein geführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Target (3) aus den Legierungs bestandteilen Nickel, Eisen, Chrom, Phosphor und Bor zusammengesetzt wird und die reaktive Atmo sphäre in der Beschichtungskammer (15), 15a N₂ enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Legierungsbestandteile für das Target (3) über 50 at% Ni, Cr und Fe aufweisen.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) einen Legierungsanteil von Ni zwischen 30% und 40%, von Cr zwischen 10 at% und 20 at% und von Fe zwischen 30 at% und 40 at% aufweist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) einen Legierungsanteil von P zwischen 5 at% und 12 at% und von B zwischen 6 at% und 12 at% aufweist.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) in der Zusammensetzung Ni, Fe, Cr, P, B durch heißisostatisches Pressen oder uniaxia les Heißpressen einer geeigneten Pulvermischung hergestellt und auf ein Magnetron (27) gebondet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) aus einer Legierung besteht, die Ni, Fe, Cr, si, B enthält.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) während des Aufdampfungsprozesses gekühlt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung amorpher Schichten ein Prozeßgas verwendet wird, das zumindest Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O), Stickstoff (N) oder Acetylen (C₂H₂) enthält.