EP2795658A1 - Homogenes hipims-beschichtungsverfahren - Google Patents

Homogenes hipims-beschichtungsverfahren

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EP2795658A1
EP2795658A1 EP12812516.8A EP12812516A EP2795658A1 EP 2795658 A1 EP2795658 A1 EP 2795658A1 EP 12812516 A EP12812516 A EP 12812516A EP 2795658 A1 EP2795658 A1 EP 2795658A1
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Siegfried Krassnitzer
Helmut Rudigier
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Oerlikon Trading AG Truebbach
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Definitions

  • the present invention relates to a HIPIMS method with which homogeneous layers can be deposited over the height of a coating chamber.
  • the HIPIMS process is a physical coating process from the gas phase. More specifically, it is a magnetron-assisted sputtering method in which a very high discharge current density is imposed on the sputtering material-supplying target, so that a high electron density is generated in the plasma and the majority of the sputtered particles are ionized.
  • Power densities between 250W / cm2 and 2000W / cm2 are used and special demands are placed on the generator supplying the power. In particular, it is not possible to permanently affect such a performance on the target, as this would overheat and thus be damaged. The power must therefore be pulsed.
  • the very high, desired discharge densities occur and the target heats up.
  • the target can cool down again.
  • Pulse duration and pulse pause must be coordinated so that the average power applied to the target does not exceed a threshold value. For HIPIMS therefore generators are required, which are able to deliver pulsed very high performance.
  • the workpieces are often distributed over the entire usable coating height. Workpieces are both tools and other components. In many cases, it is important to coat the workpieces with the same layer thickness and with the same layers, whether at the top, in the middle or at the bottom. In particular, if, as in the HIPIMS process, plasmas and their density have a significant influence on the coating rate, this goal is difficult to achieve. One of the reasons for this is that the plasmas themselves are influenced by the surrounding environment, which can lead to different coating rates over the height of the coating chamber. Typically, DC sputtering attempts to compensate for this by adjusting the magnetic fields across the height.
  • the procedure is such that a PVD sputtering cathode comprising a first part cathode and a second part cathode is operated, wherein a maximum average power input is predetermined for the part cathodes and wherein the duration of the power pulse intervals are predetermined and the method comprises the following steps: a) Provision of a generator with a predetermined power output, preferably at least after switching on and after expiry of a power setup interval b) Turning on the generator c) Connecting the first part cathode to the generator, so that the The first partial cathode is supplied with power from the generator.
  • FIG. 1 shows a corresponding situation with 6 partial cathodes and 3 groups.
  • the object is now achieved by individually selecting the length of the individual power pulse intervals and thus achieving a desired coating thickness profile over the height of the coating chamber. That According to the invention, the magnetic fields are not adjusted over the height of the coating chamber, as usual, but the duration of the power pulse intervals. The same is shown in FIG. It can be seen that the power pulse interval connected to the first sub-cathode is significantly longer than the power pulse interval connected to the sub-cathode 5. Due to the longer power pulse interval, the average coating rate starting from the partial cathode 1 becomes longer than the average coating rate starting from the partial cathode 5.
  • the power pulse intervals of all the subcathodes are selected to be the same length, and so a first coating is made for calibration. Subsequently, the coating thicknesses are measured over the height of the coating chamber. If there are differences in the thicknesses, then where the layers are too small in comparison to the average thickness, the power pulse intervals are somewhat prolonged. Where the layers are too large compared to the average thickness, the power pulse intervals are somewhat shortened. By doing so, a balance is achieved, it being clear to the person skilled in the art that several iteration steps can be carried out to further improve the homogenization.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein HIPIMS-Verfahren mit welchem über die Höhe einer Beschichtungskammer homogene Schichten abgeschieden werden können. Dabei kommen zwei Teilkathoden zum Einsatz. Erfindungsgemäss wird die Länge der einzelnen an den Teilkathoden anliegenden Leistungspulsintervalle individuell gewählt und so ein gewünschtes Beschichtungsdickenprofil über die Höhe der Beschichtungskammer erreicht.

Description

Homogenes HIPIMS-Beschichtungsverfahren
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein HIPIMS-Verfahren mit welchem über die Höhe einer Beschichtungskammer homogene Schichten abgeschieden werden können. Beim HIPIMS-Verfahren handelt es sich um ein physikalisches Beschichtungsverfahren aus der Gasphase. Genauer gesagt ist es ein Magnetron-unterstütztes Zerstäubungsverfahren bei dem das Zerstäubungsmaterial liefernde Target eine sehr hoher Entladungsstromdichte aufgezwungen wird, so dass im Plasma eine hohe Elektronendichte generiert wird und die Mehrheit der Zerstäubten Teilchen ionisiert werden. Dabei kommen Leistungsdichten zwischen 250W/cm2 und 2000W/cm2 zum Einsatz und an den die Leistung liefernden Generator sind somit besondere Anforderungen gestellt. Insbesondere ist es nicht möglich dauerhaft eine solche Leistung auf das Target einwirken zu lassen, da dieses überhitzen und somit Schaden nehmen würde. Die Leistung muss daher gepulst werden. Innerhalb des Leistungspulses kommt es zu den sehr hohen, gewünschten Entladungsdichten und das Target erhitzt sich. Während der Pulspause kann das Target wieder abkühlen. Pulsdauer und Pulspause müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass die mittlere auf das Target eingebrachte Leistung nicht einen Schwellenwert übersteigt. Für HIPIMS werden daher Generatoren benötigt, welche in der Lage sind gepulst sehr hohe Leistungen abzugeben.
Wird das HIPIMS-Verfahren zur Beschichtung von Werkstücken eingesetzt, so sind die Werkstücke oftmals über die gesamte nutzbare Beschichtungshöhe verteilt. Mit Werkstücken sind sowohl Werkzeuge als auch andere Komponenten gemeint. In vielen Fällen ist es wichtig, auf den Werkstücken, egal ob oben, in der Mitte oder unten angeordnet, mit derselben Schichtdicke und mit denselben Schichten zu beschichten. Insbesondere wenn, wie beim HIPIMS-Verfahren, Plasmen und deren Dichte einen wesentlichen Einfluss auf die Beschichtungsrate haben, ist dieses Ziel nur schwer zu erreichen. Dies liegt unter anderem daran, dass die Plasmen selbst von dem sie umgebendem Umfeld beeinflusst werden, wodurch es über die Höhe der Beschichtungskammer zu unterschiedlichen Beschichtungsraten kommen kann. Üblicherweise wird beim DC-Sputtern versucht, dies durch die Anpassung der Magnetfelder über die Höhe ausgeglichen. Eingriffe in das Magnetsystem können aber lokal zu veränderten Plasmabedingungen führen, was wiederum zu unterschiedlichen Schichteigenschaften führt. Hohe Anforderungen an die Schichtdickenverteilung bedingen einen eingeschränkten Nutzungsbereich (und dadurch verringerte Wirtschaftlichkeit), da die Wirksamkeit der erwähnten Methode betreffend Verbesserung der Schichtdickenhomogenität beschränkt. Eine weitere Methode der
BESTÄTIGUNGSKOPIE Korrektur der Schichtdickenverteilung ist die Verwendung von Masken, was allerdings wenig praktikabel ist, falls sich die Beladung oder die Werkstückgeometrie ändert.
Es wäre wünschenswert ein HIPIMS-Verfahren zur Verfügung zu haben, mit dem es in einfacher Weise möglich ist die Beschichtungsrate über die Höhe der Beschichtungskammer einzustellen und damit insbesondere eine homogene Beschichtung über die gesamte Kammerhöhe zu erreichen ohne nachteilige Beeinflussung der Plasmadichte und deren nachteiligen Auswirkungen auf die Schichteigenschaften.
Dem liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zugrunde.
Gemäss einem neuen Verfahren zur Bereitstellung von Leistungspulsen, welches im Rahmen einer anderen Patentanmeldung geschützt wird, wird so vorgegangen, dass eine PVD-Zerstäubungskathode, die eine erste Teilkathode und eine zweite Teilkathode umfasst betrieben wird, wobei für die Teilkathoden eine maximale mittlere Leistungsbeaufschlagung vorgegeben ist und wobei die Dauer der Leistungspulsintervalle vorgegeben werden und das Verfahren folgende Schritte umfasst a) Bereitstellen eines Generators mit vorgegebener vorzugsweise zumindest nach Anschalten und nach Ablauf eines Leistungsaufbauintervalls konstanter Leistungsabgabe b) Anschalten des Generators c) Anschluss der ersten Teilkathode an den Generator, so dass die erste Teilkathode mit Leistung vom Generator beaufschlagt wird d) Trennung des Generators von der ersten Teilkathode nach Ablauf eines vorgegebenen der ersten Teilkathode entsprechenden ersten Leistungspulsintervalls e) Anschluss der zweiten Teilkathode an den Generator so dass die zweite Teilkathode mit Leistung vom Generator beaufschlagt wird f) Trennung des Generators von der zweiten Teilkathode nach Ablauf eines vorgegebenen der zweiten Teilkathode entsprechenden zweiten Leistungspulsintervalls wobei das erste Leistungspulsintervall zeitlich vor dem zweiten Leistungspulsintervall beginnt und das erste Leistungspulsintervall zeitlich vor dem zweiten Leistungspulsintervall endet, und wobei die Schritte d) und e) so ausgeführt werden dass sich erstes Leistungspulsintervall und zweites Leistungspulsintervall zeitlich überlappen und alle Leistungspulsintervalle zusammen eine erste Gruppe bilden, so dass die Leistungsabgabe vom Generator durchgehend ohne Unterbrechung vom Anfang des ersten Leistungspulsintervalls bis zum Ende des zweiten Leistungspulsintervalls bestehen bleibt und es nicht zu einem zweiten Leistungsaufbauintervall kommt. Sind über die Höhe der Beschichtungskammer mehr als zwei Teilkathoden vorgesehen, so kann sich eine Gruppe aus mehr als zwei Leistungspulsintervallen zusammensetzten. Im Verfahren werden dann so viele Gruppen hintereinander geschalten, wie es den einzelnen Teilkathoden bezüglich Temperatureintrag zugemutet werde kann. Es schliesst sich dann eine Pause an. Figur 1 zeigt eine entsprechende Situation mit 6 Teilkathoden und 3 Gruppen.
Erfindungsgemäss wird nun die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Länge der einzelnen Leistungspulsintervalle individuell gewählt wird und so ein gewünschtes Beschichtungsdickenprofil über die Höhe der Beschichtungskammer erreicht wird. D.h. erfindungsgemäss wird nicht, wie sonst üblich, die Magnetfelder über die Höhe der Beschichtungskammer angepasst, sondern die Dauer der Leistungspulsintervalle. Entsprechendes ist in der Figur 1 gezeigt. Sichtbar ist, dass das mit der ersten Teilkathode verbundene Leistungspulsintervall deutlich länger ist als das mit der Teilkathode 5 verbundene Leistungspulsintervall. Aufgrund des längeren Leistungspulsintervalls wird die mittlere Beschichtungsrate ausgehend von der Teilkathode 1 länger als die mittlere Beschichtungsrate ausgehend von der Teilkathode 5.
In der Praxis kann beispielsweise so vorgegangen werden, dass zunächst die Leistungspulsintervalle sämtlicher Teilkathoden gleich lang gewählt werden und so eine erste Beschichtung zur Kalibierung vorgenommen wird. Anschliessend werden die Beschichtungsdicken über die Höhe der Beschichtungskammer vermessen. Zeigen sich Unterschiede in den Dicken so werden dort, wo die Schichten im Vergleich zur mittleren Dicke zu gering sind die Leistungspulsintervalle etwas verlängert. Dort wo die Schichten im Vergleich zur mittleren Dicke zu gross sind werden die Leistungspulsintervalle etwas verkürzt. Durch dieses Vorgehen wird ein Ausgleich erzielt, wobei dem Fachmann klar ist, dass mehrere Iterationsschritte zur weiteren Verbesserung der Homogenisierung durchgeführt werden können.
Die Erfindung wurde anhand der Homogenisierung der Schichtdicken über die Höhe der Beschichtungskammer erläutert. Sie sollte allerdings auch so verstanden werden, dass wenn ein insbesondere auch von der Homogenisierung abweichendes Schichdickenprofil erzielt werden soll, die erfindungsgemässen Massnahmen mutatis mutandis angewandt werden können.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur physikalischen Beschichtung aus der Gasphase mittels Zerstäuben in einer evakuierten Beschichtungskammer, insbesondere mittels HIPI S, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Generators mit vorgegebener vorzugsweise zumindest nach Anschalten und nach Ablauf eines Leistungsaufbauintervalls konstanter
, Leistungsabgabe b) Anschalten des Generators c) Anschluss der ersten Teilkathode an den Generator, so dass die erste Teilkathode mit Leistung vom Generator beaufschlagt wird d) Trennung des Generators von der ersten Teilkathode nach Ablauf eines vorgegebenen der ersten Teilkathode entsprechenden ersten Leistungspulsintervalls e) Anschluss der zweiten Teilkathode an den Generator so dass die zweite Teilkathode mit Leistung vom Generator beaufschlagt wird f) Trennung des Generators von der zweiten Teilkathode nach Ablauf eines vorgegebenen der zweiten Teilkathode entsprechenden zweiten Leistungspulsintervalls; dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des einen Leistungspulsintervalls derart an die Länge des anderen Leistungspulsintervalls angepasst wird, dass die aus der Beschichtung resultierende Schicht über die Höhe der Beschichtungskammer eine vorgegebene Schichtdickenverteilung aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als vorgegebene Schichtdickenverteilung eine homogene Schichtdickenverteilung gewählt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leistungspulsintervall zeitlich vor dem zweiten Leistungspulsintervall beginnt und das erste Leistungspulsintervall zeitlich vor dem zweiten Leistungspulsintervall endet, und wobei die Schritte d) und e) so ausgeführt werden dass sich erstes Leistungspulsintervall und zweites Leistungspulsintervall zeitlich überlappen und alle Leistungspulsintervalle zusammen eine erste Gruppe bilden, so dass die Leistungsabgabe vom Generator durchgehend ohne Unterbrechung vom Anfang des ersten Leistungspulsintervalls bis zum Ende des zweiten Leistungspulsintervalls bestehen bleibt und es nicht zu einem zweiten Leistungsaufbauintervall kommt.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Teilkathoden verwendet werden und die Schritte c) bis f) analog auf diese angewendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die relative Länge der Leistungspulsintervalle mittels einer der Beschichtung vorgängigen Kalibrationsbeschichtung ermittelt wird.
EP12812516.8A 2011-12-21 2012-11-23 Homogenes hipims-beschichtungsverfahren Withdrawn EP2795658A1 (de)

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