DE4202211A1

DE4202211A1 - Sputteranlage mit wenigstens einer magnetron-kathode

Info

Publication number: DE4202211A1
Application number: DE19924202211
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr Daube; Bernd Dipl Ing Hensel; Andreas Dipl Ing Rack; Siegfried Dr Schulz
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1993-07-29

Description

Die Erfindung betrifft eine Sputteranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Auf zahlreichen Gebieten der Technik ist es erforderlich oder erwünscht, Gegenstände mit dünnen Schichten bestimmter Stoffe zu versehen. Beispielsweise werden technische Pro dukte, etwa Uhrengehäuse, die im wesentlichen aus weniger wertvollen oder weniger an sehnlichen Metallen bestehen, oft einer dekorativen Oberflächenbehandlung unterworfen. Die meisten der metallischen Oberflächen werden mit Farben, Lacken, Pulvern oder auf elektrochemischem Weg oberflächenveredelt, wobei oft gleichzeitig ein Korrosionsschutz erzielt werden soll oder muß.

In den letzten Jahren haben allerdings auch Vakuumbeschichtungsanlagen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Mit diesen Anlagen wird zumeist eine physikalische Dampfabschei dung ("physical vapor deposition" = PVD) in Form eines Ionenplattierens vorgenommen. Die mit der Dampfabscheidung erzielten Abscheideraten sind allerdings relativ klein im Vergleich zu denen anderer Verfahren, z. B. der Galvanik. Deshalb werden die PVD-Ver fahren nur bei der Herstellung sehr dünner Schichten in der Größenordnung von weniger als 1 µm eingesetzt. Der Vorteil der PVD-Verfahren, insbesondere des Sputter- oder Zer stäubungsverfahrens, besteht darin, daß es relativ leicht ist, Legierungen in ungewöhnli cher Zusammensetzung abzuscheiden. Damit die physikalisch aufgebrachten Schichten den üblichen Anforderungen hinsichtlich Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit genü gen, müssen sie - neben erwünschten optischen Eigenschaften - chemisch beständig und vor allem abriebbeständig sein. Hartstoffe wie Nitride, Karbide, Oxyde und deren Gemische besitzen genau diese Eigenschaften und werden daher für dekorative Beschichtungen eingesetzt. Die Herstellung derartiger Schichten erfolgt durch sogenannte reaktive Prozes se, bei denen auf einem Substrat die chemische Reaktion zum Hartstoff erfolgt. Reaktive Prozesse erfordern oft eine sehr starke Ionenunterstützung.

Ein Verfahren, das sich gerade für die Abscheidung von dekorativen harten Schichten als besonders zweckmäßig und flexibel erwiesen hat, ist das sogenannte Sputter-Ionen-Plattie ren. Hierbei wird das Beschichtungsmaterial durch Zerstäuben in die Gasphase überführt und seine Kondensation unter ständigem Ionenbeschuß erreicht. Mit Hilfe des Sputter-Io nen-Plattierens können Schichten mit unterschiedlicher Farbe und Eigenschaft hergestellt werden, z. B. CrN_x, TiN_x, TiC_xNy, TiAlC_xN_y, TiAlN_x die metallisch, hellgelb-goldfarben bzw. goldfarben-rotbraun aussehen.

Für die Durchführung des Sputter-Ionen-Plattierverfahrens ist bereits eine Doppelkatho denanordnung bekannt, bei der die zu beschichtenden Objekte zwischen zwei sich gegenü berstehenden Magnetronkathoden angeordnet sind (DE-C-31 07 914, US-A-44 26 267, DE-C-35 45 636). Diese Magnetronkathoden erzeugen ein Plasma, welches die auf negati vem Potential liegenden Objekte umgibt. Durch den Zerstäubungsprozeß an den Kathoden wird bewirkt, daß das Targetmaterial stöchiometrisch abgetragen wird und gleichmäßig über die Objekte hinweg unter ständigem Ionenbeschuß kondensiert. Die Folge ist eine gleichmäßige Schichtverteilung mit konstanten Schichteigenschaften rund um das Objekt.

Um eine dünne Schicht möglichst fest und schnell auf einem Substrat aufzubringen, ist es wichtig, daß unmittelbar vor dem zu beschichtenden Substrat eine hohe Ionisationsdichte vorhanden ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Ionisationsdichte im Substrat bereich bei Anlagen mit Magnetron-Kathoden zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß eine Erhöhung der Biasstromdichte gleichmäßig um das Substrat erzielt wird, wodurch eine dichtere, d. h. feinkristallinere Struktur auf dem Substrat abgeschieden werden kann. Außerdem kann ei ne verbesserte Beschichtung von dreidimensionalen Substraten erreicht werden. Ferner ist es möglich, für dekorative Anwendungen hochbrillante Schichten abzuscheiden und eine verbesserte farbliche Rundumverteilung zu erzielen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im fol genden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine herkömmliche Doppelmagnetronkathodenanordnung, mit der Brillen beschichtet werden;

Fig. 2 die Doppelmagnetronkathodenanordnung nach Fig. 1 in einem Schnitt A-A mit Abschirmblechen, die das Plasma begrenzen und auf dem Potential eines Rezipientengehäuses liegen;

Fig. 3 eine Doppelmagnetronkathodenanordnung, bei welcher die Abschirmbleche gegenüber dem Rezipientengehäuse isoliert sind;

Fig. 4 eine Doppelmagnetronkathodenanordnung gemäß Fig. 3, bei welcher zusätzliche Magneten an den Abschirmblechen vorgesehen sind;

In der Fig. 1 ist eine bekannte Doppelkathoden-Sputteranordnung 1 dargestellt, mit der sich das Sputter-Ionen-Plattieren durchführen läßt. Die Vakuumkammer mit den Gaszu führungen etc., in der sich die ganze Anordnung 1 befindet, ist nicht gezeigt. Mit 2 bzw. 3 sind zwei Kathodenwannen bezeichnet, die sich gegenüberliegen. In den Kathodenwan nen 2, 3 ist jeweils ein dreipoliger Dauermagnet 4 bzw. 5 derart angeordnet, daß die Magnetfelder seiner Pole cusp-förmig in den Raum 6 zwischen den beiden Kathodenwan nen 2, 3 ragen. In diesem Raum sind vier Brillen 7 bis 10 auf einem Stab 11 angeordnet, die in Richtung eines Pfeils 12 durch die Magnetfelder bewegt werden. Der Raum 6 zwi schen den Kathodenwannen 2, 3 ist mit einem Plasma erfüllt, das sich bis zu den Brillen 7 bis 10 erstreckt. Dieses Plasma enthält neben Ladungsträgern atomare oder molekulare Teilchen, die aus einem Target 13 bzw. 14 herausgeschlagen werden, das sich jeweils vor den Kathodenwannen 2, 3 befindet. Seitlich neben den Kathodenwannen 2, 3 befinden sich Isolatoren 15 bis 18, welche die elektrische Isolation der Kathodenwannen 2, 3 gegenüber U-förmigen Teilen 19, 20 gewährleisten. Diese Teile 19, 20 sind in Richtung auf den Raum 6 offen und tragen dort Abschirmbleche 21, 22, 23, 24. Mit 19 ist ein Teil einer Rezipien tenwand bezeichnet, in den die Kathodenwanne eingesetzt ist. Die Bezugszahl 20 bezeich net dagegen einen Atmosphärenbehälter, in den eine Kathodenwanne eingebaut ist und der sich im Inneren des Rezipienten befindet. Die metallischen Abschirmbleche 21 bis 24 sind fest mit den ebenfalls metallischen Teilen 19, 20 verbunden (vgl. hierzu auch Fig. 1 der DE-C-35 45 636). Die Kathodenwannen 2, 3 liegen an negativem Potential einer Gleich spannungsquelle 25, 26, die mit ihrem positiven Pol an Masse liegt.

In der Fig. 2 ist die Anordnung der Fig. 1 noch einmal im Schnitt A-A dargestellt. Bei die ser Darstellung sind jedoch die Brillen 7 bis 10 nicht gezeigt. Dafür ist jedoch der Plasma raum 6 mit den beiden von den Elektroden 2, 3 ausgehenden Plasmaräumen 27, 28 hervor gehoben. Man erkennt hierbei, daß sich die beiden Räume 27, 28 in einem Bereich 29 überlappen. Dieser Überlappungsbereich 29 ist derjenige, in den die zu beschichtenden Objekte gebracht werden. Hierdurch ist es möglich, die Objekte von allen Seiten zu be schichten. Der Überlappungsbereich 29 ist allerdings relativ schmal, weil die Abschirmble che 21 bis 24 direkt an der Rezipientenwand angebracht sind, die ihrerseits auf Erdpotenti al liegt. Dies führt dazu, daß im Plasma enthaltene Ladungsträger über die Abschirmblen den zum Erdpotential abfließen können und für die Beschichtung verloren sind.

In der Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt, welche im wesentlichen die gleichen Bauteile enthält wie die Anordnung gemäß Fig. 2. Diese Bauteile sind deshalb mit denselben Bezugszahlen versehen.

Die gesamte Anordnung ist hierbei von einem Gehäuse 30 umgeben, das an Masse 31 bzw. Erdpotential liegt in das Gehäuse 30 kann über eine Zuführung 32 Gas eingegeben und über einen Abführstutzen 33 abgeführt werden. Innerhalb des Gehäuses 30 herrschen Vakuumverhältnisse.

Wesentlich ist, daß die Abschirmbleche 21 bis 24 gegenüber dem geerdeten Gehäuse 30 elektrisch isoliert sind. Dies ist durch Isolatoren 34 bis 37 angedeutet.

Das zu beschichtende Objekt 38 befindet sich in der Überlappungszone 29 und liegt an ei ner variablen Spannungsquelle 39. Dadurch, daß die Abschirmbleche 21 bis 24, die zur Begrenzung der räumlichen Ausdehnung des Plasmas dienen, elektrisch isoliert angeordnet sind, können keine Ladungsträger aus dem Plasma nach Erdpotential abfließen. Dies be wirkt eine Erhöhung der Ionisationsdichte, was durch den größeren Überlappungsbereich 29 angedeutet ist. Die Abschirmbleche 21 bis 24 nehmen ein Potential an, das dem jeweili gen Potential des Plasmas entspricht, d. h. sie floaten. Das Material, aus dem die Ab schirmbleche 21 bis 24 bestehen, ist ein temperaturbeständiger unmagnetischer Werkstoff, z. B. ein 2 mm starker Edelstahl.

In der Fig. 4 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei welcher zusätzlich seitliche Magnete 40 und 41 an den Abschirmblechen 21 bis 24 vorgesehen sind, die ein cusp-Feld in den Plasmaraum 6 geben. Durch diese Maßnahme wird der Überlappungsbereich 29 noch einmal vergrößert. Die Abschirmbleche 21 bis 24 sind über elektrische Isolatoren 34 bis 37 mit der Innenwand des Rezipientengehäuses 56 verbunden.

Ebenso wie in der Fig. 3 liegen die Kathodenwannen 2, 3 über Dichtungen 44 bis 51 und Isolatoren 52 bis 55 auf einem Rezipientengehäuse 56 auf. Diese Isolatoren entsprechen funktionsmäßig den Isolatoren 15-18 gemäß Fig. 2. Das zu beschichtende Objekt oder Sub strat 38 liegt wieder an negativem Potential der variablen Spannungsquelle 39. Die Ab schirmbleche 21 bis 24 können im Bedarfsfall auf ein eigenes Potential gelegt werden, um eine weitere Beeinflussung des Plasmas zu erreichen. Hierfür ist eine weitere Spannungs quelle 60 vorgesehen.

Die Ausführungsbeispiele der Fig. 1 bis 4 zeigen zwar Doppelmagnetronkathodenanord nungen, doch versteht es sich, daß die Erfindung ebensogut bei Einfachanordnungen ein gesetzt werden kann.

Claims

1. Vorrichtung für die Erzeugung eines Plasmas in einer auf einem ersten Potential liegen den Vakuumkammer, insbesondere zum Beschichten von Substraten, wobei wenigstens ei ne an einem zweiten elektrischen Potential liegende Elektrode in die Vakuumkammer hin einragt, die von einem Abschirmblech umgeben ist, das zur Begrenzung der räumlichen Ausdehnung des Plasmas dient, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmblech (21 bis 24) von der Vakuumkammer (30, 56) elektrisch isoliert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Potential, auf dem die Vakuumkammer (30, 56) liegt, Erdpotential ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine an ne gativem Potential liegende Kathode (2) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) mit ei nem Target (13) versehen ist, das aus einem Material besteht, mit dem das Substrat (38) beschichtet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) mit ei nem Magneten (4) versehen ist, dessen Magnetfeld kreisbogenförmig in die Vakuumkam mer (30, 56) hineinragt, wodurch ein Magnetron gebildet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmblech (21 bis 24) an einer Spannungsquelle (60) mit variabler Spannungsquelle liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (38) an einer Spannungsquelle (39) mit variabler Spannung liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmblech (21 bis 24) aus einem nicht-ferromagnetischen, elektrisch gut leitenden Material besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Abschirmblech (21 bis 24) ein Magnet (40 bis 43) vorgesehen ist, dessen Magnetfeld sich kreisbogenför mig in den Plasmaraum (6) hinein erstreckt.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß zwei sich gegenüberliegende Magnetrons (2, 4; 3, 5) mit Targets (13, 14) aus gleichem Material vorgesehen sind, die jeweils zwei Abschirmbleche (21, 22; 23, 24) aufweisen, die vom Vakuumgehäuse (30, 56) elektrisch isoliert sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Span nungsquelle (60) zwischen -50 V und +50 V variabel ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmbleche et wa 2 mm stark sind und aus Edelstahl bestehen.