DE60224984T2

DE60224984T2 - Bogenbeschichtung mit Drehkathoden

Info

Publication number: DE60224984T2
Application number: DE60224984T
Authority: DE
Inventors: Mojmir Jilek; Tibor Cselle; Pavel Holubar; Peter Blösch; Marcus Morstein
Original assignee: Pivot AS
Current assignee: Pivot AS
Priority date: 2002-04-22
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2022-04-23
Also published as: EP1357577A8; EP1357577A1; PT1357577E; ATE386334T1; ES2300396T3; EP1357577B1; US6926811B2; DE60224984D1; US20040007455A1; DK1357577T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschichtung von Objektoberflächen (Substrate) mittels physikalischer Dampfabscheidung (PVD) unter Verwendung eines (Elektro)Bogens.
Aus der DE-A-43 29 155 ist bereits ein Verfahren bekannt, welches durch Ausbildung des Bogens auf das Ziel, beispielsweise auf die Katode mittels eines Magnetfeldes, welches annähernd parallel zur Oberfläche eines PVD-Zieles ausgebildet ist, verbessert werden kann hinsichtlich der Gleichförmigkeit der Verdampfung des Ziel-Materials.
Die WO-A-2002/50864 offenbart ein gattungsgleiches Gerät, mit welchem Material auf ein Objekt aufgebracht werden kann mittels eines physikalischen Verfahrens im Vakuum zum Zwecke einer Beschichtung eines Objektes (Substrat) oder einer Vielzahl von Substraten. In diesem Fall sind die Objekte (Substrate) in einer Vakuumkammer positioniert, wie es der Beschreibung zu entnehmen ist.
In der Beschichtungskammer sind eine oder mehrere im Wesentlichen zylindrische Katoden angeordnet und die Abscheidung des Materials wird mit Hilfe von Magnetfeldquellen überwacht. Die Magnetfeldquellen sind vorzugsweise in den Katoden angeordnet und die Katode wird ihrerseits relativ zu der Magnetfeldquelle gedreht oder die Magnetfeldquelle wird relativ zu der Katode gedreht, um einen einheitlichen Abtrag von Material von der Zielelektrode zu erreichen. Dieses Material wird dann auf den Substraten abgeschieden.
In einer derartigen Kammer werden Substrate üblicherweise auf einem Drehteller platziert und aufeinander folgend beschichtet, entsprechend der Drehung des Tellers. Nach dem Stand der Technik wird die Katode beispielsweise im Zentrum des Drehtellers platziert, sodass mehrere Objekte in einer Kammer beschichtet werden können. In der WO-A-2002/50864 ist bereits offenbart, dass die Katode – im hier beschriebenen Fall zwei Katoden – sogar an den Rändern der Vakuumkammer angeordnet werden können, wobei sich der Drehteller weiterhin im Zentrum der Kammer befindet. In der WO-A-2002/50864 ist bereits offenbart Katoden zu verwenden, in denen die Magnetfeldquelle gedreht werden kann.
Beispielsweise können TiN Bestandteile zur Beschichtung eingesetzt werden, wobei Titan von einer metallischen Titanzielelektrode (Katode) entfernbar ist, in einer Stickstoffatmosphäre mittels eines (Elektro)Bogens und das dabei gebildete TiN wird auf das Objekt (Substrat) aufgebracht, sodass es mittels der Spannungsdifferenz zwischen der Katode und dem Substrat zu einer entsprechenden Beschichtung kommt.
Üblicherweise gehen dem eigentlichen Beschichtungsprozess Ätzprozesse voraus. Zunächst wird die Kammer gereinigt, indem eine Inertgasatmosphäre angewandt wird, entsprechend dem Stand der Technik, in Zusammenhang mit Beschichtungsverfahren, worin Argon als in Inertgas beispielsweise verwendbar ist. In einem derartigen Prozess wird Titan, nicht TiN, von der Katode abgetragen. Da dieser Prozess jedoch zur Reinigung und nicht zur Beschichtung des Substrates gedacht ist, ist es wünschenswert, dass zumindest Teile des metallischen abgetragenen Titans nicht derart das Substrat erreichen.
Es besteht weiterhin das Problem, dass zu Beginn des Beschichtungsprozesses größere Teilchen von der Zielelektrode freigesetzt werden (sog. Tröpfchen). Diese größeren Teilchen sollen ebenfalls nicht das Substrat erreichen.
Zusätzlich tritt, falls die Objekte in einer derartigen Kammer oder in einer anderen Kammer entsprechend dem Stand der Technik beschichtet werden, das Problem der ungleichförmigen Beschichtungsdicke auf. Dies begründet sich darauf, dass während eines solchen Beschichtungsprozesses die Wirksamkeit des Beschichtungsgerätes (Magnetfeldquelle und Katode) relativ zur Höhe schwankt. Ohne besondere Maßnahme wird die Beschichtungsdicke im Zentrum relativ zur Höhe größer sein als die an der Spitze oder am Boden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Beschichtungsverfahren bereitzustellen, in welchem das Problem der größeren Partikel (Tröpfchen) und die vorausgehende Kontamination zu Beginn des Abscheidungsprozesses mit berücksichtigt werden kann.
Durch die Erfindung ergibt sich eine Lösung mittels eines Verfahrens entsprechend Anspruch 1. Die Maßnahmen entsprechend der Erfindung ergeben zunächst, dass ein Reinigungsprozess in der Beschichtungskammer ausführbar ist, sodass die Partikelgröße optimiert ist und jegliche kontaminierenden Teilchen (z. B. Kohlenstoff aus Acetylen) abgeschieden sind, vorzugsweise an einer Wand gegenüberliegend zu den Substraten, relativ zu den Zielelektroden.
Anhand von überwachten Modifizierungen der Magnetfelder kann die Beschichtungsdicke kontrolliert und dauerhaft verbessert werden.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann die vertikale Verteilung der Beschichtungsdicke überwacht werden, worin vorzugsweise eine gleichförmige Schichtdicke ausgewählt wird. Dabei werden die Magnete von der Spitze zum Boden bewegt oder umgedreht, damit die gesamte Höhe der Kammer ausgenützt wird, wenn die Substrate beschichtet werden. Dies findet vorzugsweise statt durch die Abscheidung in den oberen und unteren Zonen, die so genau wie möglich ausgeführt wird in der Richtung des zu beschichtenden Objektes, während in der zentralen Zone, in welcher ohne die Maßnahmen nach der Erfindung eine stärkere Beschichtung vorliegen würde, die Richtung der Abscheidung um etwa 5 Grad bis 20 Grad gedreht, vorzugsweise um 10 Grad, sodass die Abscheidungsrate und somit die Abscheidungsdicke wirksam reduzierbar sind innerhalb der gleichen Zeiteinheit.
Die oben beschriebenen Verfahrensschritte und solche, die beansprucht und in den folgenden Ausgestaltungen entsprechend der Erfindung beschrieben sind, sowie die relevanten Elemente, sind nicht Gegenstand irgendwelcher besonderer Ausschlussbedingungen hinsichtlich ihrer Größe, ihres Designs, ihres Materials, ihrer Verwendung und dem technischen System, sodass die Auswahlkriterien, die in dem speziellen Anwendungsfeld bekannt sind, ohne Einschränkungen benützt werden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile hinsichtlich der Erfindung können der folgenden Beschreibung der entsprechenden Figuren entnommen werden, worin das Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung erklärt wird.
Die Figuren zeigen im Einzelnen folgendes:
1 stellt ein schematisches Diagramm der Kammer mit zwei Katoden und Magnetfeldquellen dar, die darin in Ruheposition angeordnet sind,
2 zeigt ein schematisches Diagramm der Ausrichtung mit Magnetfeldquelle in einer normalen Position,
3 stellt ein schematisches Diagramm der Magnetfeldquellenausrichtung in der Reinigungsposition dar und/oder vor dem Beginn der Beschichtung, falls Tröpfchen zunächst separiert worden sind,
4 stellt ein schematisches Diagramm der Magnetfeldquellenausrichtung in Beschichtungsposition dar,
5 zeigt ein schematisches Diagramm der Bewegung von Magneten nach oben und nach unten, um die Substrate über ihre gesamte Höhe zu beschichten,
6 stellt ein schematisches Diagramm der Magnetfeldquellenausrichtung dar, falls die Magnete ungefähr an ihrem oberen oder unteren Punkt in Bezug auf ihre nach oben oder unten gerichtete Bewegung lokalisiert sind, und
7 stellt ein schematisches Diagramm der Magnetfeldquellenausrichtung dar, die um ungefähr 45 Grad nach au ßen gedreht sind, falls die Magnete sich ungefähr an ihrem Mittelpunkt im Verhältnis zu ihrer Bewegung nach oben oder nach unten befinden.
In einer Vakuumkammer, die insgesamt durch das Bezugszeichen 20 in 1 bezeichnet ist, befindet sich ein Drehteller 50 mit Objekten (Substraten) 10, welche darauf ungefähr im Zentrum der Kammer platziert sind. Die Substrate sind in einem PVD-Verfahren durch Anwendung eines elektrischen Feldes zwischen einer Anode 30 und der Katode 40 zu beschichten, wobei – im vorliegenden Beispiel der Ausgestaltung wird eine Zündvorrichtung verwendet – ein Bogen in der Richtung auf die Katode 40 erzeugt wird, wobei Material aus den Katoden abgelöst und in Richtung auf die Substrate 10 durch eine Niederspannung dc zwischen der Katode 40 und den Substraten 10 beschleunigt wird. Wie in der WO-A-2002/50864 beschrieben, sind die Katoden 40 annähernd zylindrisch ausgebildet, worin der Zylinder derart aufgebaut ist, dass er annähernd vertikal in der Vakuumkammer 20 steht und die Basis-Oberfläche des Katodenzylinders kann auch elliptisch ausgebildet sein. Während des Beschichtungsprozesses werden die Katoden 40 durch fließendes Wasser gekühlt. In den Katoden 40 sind Magnetfeldquellen 42, entsprechend der WO-A-2002/50864 angeordnet, und sind derart ausgestaltet, dass sie den Lichtbogenfleck auf die Katoden 40 in etwa dort bewegen, wo das Magnetfeld weitestgehend parallel zu der Katodenoberfläche ausgebildet ist.
Für den Beschichtungsprozess werden die Magnete 42 aufwärts und abwärts innerhalb der Katode 40 bewegt, wobei der Bogenfleck und somit die Quelle des Partikelstroms zu den Katoden 40 nach oben und nach unten wandert. Da aus geometrischen Gründen eine tatsächlich größere Schicht auf dem Substrat abgeschieden würde ohne die Maßnahmen entsprechender Erfindung zu ergreifen, wird nun im Zentrum an hohen Positionen das Magnetfeld und somit die Partikelstromquelle um ungefähr 45 Grad aus der Achse zwischen dem geeigneten Target und dem Substrat gedreht, womit der Partikelstrom einen tatsäch lich längeren Pfad erfährt im Vergleich zu dem an der oberen und unteren Höhenposition der Magnetfeldquelle 42 innerhalb des Targets (Katode 40). Am Beispiel dieser Ausgestaltung wird das Profil entsprechend einer Kosinusfunktion ausgewählt. In diesem Fall ist die weiteste Drehung der Magnetfeldquelle 42 von der Achse zwischen dem Target 40 und dem Substrat 10 ausgewählt für die kleinste Anlenkung aus dem Zentrum.
Vor Beginn des tatsächlichen Beschichtungsprozesses wird die Magnetfeldquelle 42 um ungefähr 180 Grad aus der Achse zwischen dem Target und dem Substrat gedreht, womit der Partikelabtrag aus dem Target auf die Kammerwand 24 trifft. Diese Maßnahme bewirkt, dass Kontaminationen auf dem Target als Ergebnis von vorausgegangenen Beschichtungsprozessen gleich zu Anfang verdampft werden können. Diese Maßnahme bewirkt ebenso, dass die größeren Tröpfchen, welche zu Beginn eines Verdampfungsvorganges ausgebildet sind, nicht das Substrat erreichen, sondern auch auf der rückwärtigen Wand der Kammer abgeschieden werden. Nach diesem Reinigungs- und Startverfahren wird die Magnetfeldquelle 42 in der Richtung der Achse zwischen dem Target 40 und dem Substrat 10 (0 Grad) gedreht und der oben beschriebene Prozess beginnt.
Es ist für den Fachmann klar ersichtlich, dass die Maßnahme zur Überwachung der Beschichtungsdicke hinsichtlich der Höhe durch Drehung der Magnetfeldquelle 42, welche nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist, auch vorteilhaft angewandt werden kann, wenn, egal aus welchem Grund, die Maßnahme zur Drehung der Magnetfeldquelle 42 vor dem Beginn des Beschichtungsverfahrens, sodass die abgetrennten Partikel auf einer Kammerwand abgeschieden werden, die von den zu beschichtenden Objekten abgewandt ist, nicht verwendet wird.

10: Substrat
20: Vakuumkammer
24: Tür (oder Kammerwand) oder Rückseitenschutz
30: Anodenmittel
40: Katode
42: Magnetfeldquelle
50: Drehteller
60: Target-Reinigungsposition und Position zur Abscheidung von großen Partikeln gegen die Wand
62: Abscheideposition (0 Grad)
70: Normalabstand zwischen Katoden und Substraten (Magnete bei 0 Grad)
72: erhöhter Abstand zwischen Katoden und Substraten, wobei das Magnetfeld um etwa 45 Grad gedreht ist zur Abscheidung von einer dünneren Beschichtung.

Claims

Verfahren zum Beschichten von Gegenständen (10) – in einer Vakuumkammer (20), in der eine physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD) ausgeführt werden kann, wobei – die Kammer wenigstens ein Anodenmittel (30), wenigstens eine Kathode (40) und wenigstens eine Magnetfeldquelle (42) umfasst, wobei ein Lichtbogen zwischen dem wenigstens einen Anodenmittel (30) und der wenigstens einen Kathode (40) gezündet werden kann, – die wenigstens eine Magnetfeldquelle (42) relativ zu der wenigstens einen Kathode (40) gedreht werden kann, und – die zu beschichtenden Gegenstände (10) in der Kammer angeordnet werden, – wobei Material von der Kathode oder den Kathoden freigesetzt wird, gekennzeichnet durch einen Schritt, in dem die Magnetfeldquelle (42) gedreht wird, bevor der Beschichtungsprozess beginnt, so dass das Material, das von der Kathode oder den Kathoden freigesetzt wird, nicht die Gegenstände (10) beschichtet, die in dem Beschichtungsprozess beschichtet werden sollen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenmittel durch das Gehäuse der Kammer (20) realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen für den physikalischen Dampfabscheidungsprozess zwischen der Kammerwand als dem Anodenmittel und der wenigstens einen Kathode (40) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen für den physikalischen Dampfabscheidungsprozess zwischen einer Stab- oder Plattenanode, die in der Kammer als das Anodenmittel angeordnet ist, und der wenigstens einen Kathode (40) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen für den physikalischen Dampfabscheidungsprozess mittels zwei Kathoden erzeugt wird, wobei wenigstens eine Kathode (40) als eine im Wesentlichen zylindrische Rohrkathode ausgebildet ist, und die wenigstens eine Magnetfeldquelle (42) als ein Dauer- oder Spulenmagnet ausgebildet ist, der in der Rohrkathode angeordnet ist, und wobei sich wenigstens eine Rohrkathode während des Beschichtungsprozesses um ihre Zylinderachse dreht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldquelle (42) gedreht wird, bevor der Beschichtungsprozess beginnt, so dass Partikel, die von der Kathode oder den Kathoden (40) freigesetzt werden, auf eine Kammerwand treffen, die von den zu beschichtenden Gegenständen (10) abgewandt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Dampfabscheidens vor dem Beginn des Beschichtungsprozesses relativ zu der Richtung der zu beschichtenden Gegenstände (10) um etwa 150° bis 180° gedreht wird, vorzugsweise um etwa 180°.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Schritte zum sukzessiven Ausführen des Beschichtens umfasst, wobei die Magnetfeldquelle (42) auf und ab bewegt wird, und die Magnetfeldquelle (42) während der Auf- und Abbewegung relativ zu der Kathode (40) gedreht wird, und auf diese Weise während der Bewegung der Magnetfeldquelle (42) die Beschichtungsrate verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldquelle (42) in der oberen Region und in der unteren Region des Dampfabscheidungsprozesses eine Richtung ein nimmt, in der die Beschichtungsrate größer ist als in der mittleren Region.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldquelle (42) in der mittleren Region um etwa 45° von der Richtung zwischen der Kathode (40) und dem zu beschichtenden Gegenstand (10) nach außen gedreht wird.