EP4577681A1 - Beschichtungsverfahren zur abscheidung eines schichtsystems auf einem substrat, sowie ein substrat mit einem schichtsystem - Google Patents

Beschichtungsverfahren zur abscheidung eines schichtsystems auf einem substrat, sowie ein substrat mit einem schichtsystem

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Publication number
EP4577681A1
EP4577681A1 EP23761803.8A EP23761803A EP4577681A1 EP 4577681 A1 EP4577681 A1 EP 4577681A1 EP 23761803 A EP23761803 A EP 23761803A EP 4577681 A1 EP4577681 A1 EP 4577681A1
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EP
European Patent Office
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dcms
hipims
layer
mode
sputtering
Prior art date
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Pending
Application number
EP23761803.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg Vetter
Jürgen Müller
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Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Original Assignee
Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
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Filing date
Publication date
Application filed by Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon filed Critical Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Publication of EP4577681A1 publication Critical patent/EP4577681A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01J37/3464—Operating strategies
    • H01J37/3467—Pulsed operation, e.g. HIPIMS

Definitions

  • a thickness of the individual layer which can be varied in layer thickness, in a layer system consisting of the HiPIMS layers and the DCMS layers produced in an unpulsed and / or pulsed DCMS sputtering process can be in a range from 1 nm to 5000 nm, preferably in a range from 2 nm to 500nm, in particular in a range from 5nm to 250nm.
  • a target power of approximately 4.5 kW was selected for the bonded TiB2 target mounted on the magnetron.
  • the flow of argon used as sputtering gas was 120 sccm.
  • a negative bias voltage of 125V was applied to the substrate holder.
  • the coating time was 2 hours.
  • a modulated layer consisting of a HiPIMS single layer with a deposition time of 4 min plus a pulsed DCMS single layer with a deposition time of 2 min was deposited within 2 hours.
  • the result was an alternating layer structure, as shown in general and as an example in Fig. 2c, whereby, depending on the process, either the HiPIMS layer or the DCMS layer was of course applied directly to the substrate.
  • Table 1 The most important deposition parameters and the results are summarized in Table 1 below.
  • the pulsed DCMS process which does not belong to the HiPIMS discharges, is characterized by typical values for this process.
  • the HiPIMS process is characterized by typical peak values.
  • the maximum current density of 0.48 A/cm 2 is 30 times greater than in the pulsed DCMS process, the peak power density is approx. 350W/cm 2 .
  • the absolute peak power is 189kW.
  • the layer sequence of pulsed DCMS and HiPIMS resulting from the layer rate of 0.67 m/h results in a thickness of the double layer of approx. 66nm.
  • the coating rates were determined using a method well known to those skilled in the art using dome grinding.
  • the hardness was measured with a load of 30mN using a Berkovich diamond and the internal stresses were determined using a bending method in a manner known per se.
  • the method according to the invention shows a significant increase in the coating rate compared to the pure HiPIMS method in the direction of the rate of the pulsed DCMS method.
  • a reduction in the internal stress state compared to the HiPIMS process could also be achieved without a significant loss of hardness.
  • Embodiment 2 (reactive process)
  • a reactive coating process for the deposition of AITiN hard material layers was implemented, which is representative of all other possible reactive processes with different reactive gases.
  • a target power of 10 kW was selected for the targets with the composition 55 at% Al and 45 at%.
  • the flow of argon used as sputtering gas was 120 sccm.
  • a stepped preload of 40V, 80V and 120V were applied to the substrate holder for one third of the total coating time.
  • the coating time for the HiPIMS was
  • Table 2 Process parameters for deposition of an AITiN layer system.
  • the coating rates were determined using a method well known to those skilled in the art using dome grinding.
  • the hardness was measured with a load of 30mN using a Berkovich diamond and the internal stresses were determined using a bending method in a manner known per se.
  • the pulsed DCMS process which does not belong to the HiPIMS discharges, is characterized by typical values for this process.
  • the maximum current density of 0.034 mA/cm 2 which is constant throughout the entire pulse (power 10kW), corresponds to a power density of 19W/cm 2 .
  • the HiPIMS process is characterized by typical peak values in the pulse.
  • the maximum current density of 1.43A/cm 2 is 42 times greater than in the pulsed DCMS process, the peak power density is approx. 1180W/cm 2 .
  • the absolute peak power is 618kW.
  • the single layer thicknesses within a HiPIMS-DCMS double layer were 135nm for the HiPIMS single layer and 145nm for the DCMS single layer.
  • non-reactive process and reactive process can of course also be combined combinatorially.
  • An example would be the Cr/CrN system.
  • the Cr layers could be deposited non-reactively with HiPIMS in order to achieve a particularly high density for a corrosion protection effect, whereas the hard CrN is deposited using DCMS to enable wear protection, or vice versa, depending on the desired property profile.
  • layer architectures can be realized that contain a gradient with at least one element of the reactive gas or mixture, so that For example, starting with CrN, CrNO is initially created by adding O2 and CrO is formed as the top layer.
  • Fig. 2a shows a sequence of HiPIMS discharge pulses for deposition of the HiPIMS layer according to Fig. 2c;
  • FIG. 2b shows a sequence of DCMS discharge pulses for depositing the DCMS layer according to FIG. 2c;
  • FIGS. 2a and 2b shows a simple exemplary embodiment of a layer system according to the invention produced with the pulse sequences according to FIGS. 2a and 2b;
  • 3a shows a schematic of a rectangular HiPIMS or DCMS discharge pulse
  • 3b shows a schematic triangular HiPIMS or DCMS discharge pulse
  • Fig. 3c shows a schematic of a needle-shaped HiPIMS or DCMS discharge pulse
  • 3d shows a schematic of a rectangular HiPIMS or DCMS discharge pulse according to FIG. 3a with a preparation pulse
  • FIG. 3e schematically shows a triangular HiPIMS or DCMS discharge pulse according to FIG. 3b with a positive square-wave pulse
  • FIG. 3f shows schematically a bipolar pulse sequence with needle-shaped discharge pulses;
  • Fig. 4 Deposition rate as a function of magnetic field strength and pulse frequency.
  • a coating device B known per se is shown below with reference to FIG Fig. 1 comprising a DC power supply 81 and a pulse unit 82, described schematically.
  • At least the first power supply unit 7 must be designed and operable in such a way that the method according to the invention can be carried out by means of the magnetron 4, as will be explained in more detail below.
  • the second power supply unit 8 can either be identical to the first power supply unit 7, or can also be different from the power supply unit 7, depending on which specific sputtering process is to be carried out with the magnetron 400.
  • the second magnetron 400 with a second power supply unit is not required and therefore can also be missing, or operated with the same parameters as the first magnetron.
  • the magnetic field source 41 is designed such that a magnetic field strength MFS of Magnetic field source 41 during the pulsed and / or unpulsed DCMS sputtering process can be selected differently from a magnetic field strength MFS of the magnetic field source 41 during the HiPIMS sputtering process.
  • Typical magnetic field strengths MFS are, for example, in the range from approx. 50Gauss to approx. WOOGauss.
  • magnetic field strengths MFS in the range of approximately 50Gauss to 600Gauss are advantageously selected for the HiPIMS process, while typical magnetic field strengths MFS for the DCMS process are often in the range of approximately 300Gauss to WOOGauss.
  • the magnetic field strength MFS can be varied in a manner known per se via an electromagnetic coil, which can be provided in the vicinity of the magnetron 4 and / or the primary target 42 a current through the electromagnetic coil can be changed or adjusted, so that the magnetic field strength MFS at the location or in the surroundings of the magnetron 4 or the primary target 42 can be variably adjusted to a predetermined value.
  • the first power supply unit 7 can provide a sequence consisting of a plurality of HiPIMS discharge pulses 5 of high power density with pulse duration TI in the operating state on the magnetron 4 for carrying out a HiPIMS sputtering method in a HiPIMS mode.
  • the first power supply unit 7 can alternatively also be operated in a DCMS mode in a different operating state for carrying out a pulsed and/or non-pulsed DCMS sputtering process.
  • the first power supply unit 7 is then operated in such a way that the magnetron 4 is operated with one or a plurality of DCMS discharge pulses 6 of low power density with a pulse duration T2 to form the DCMS layer.
  • An unpulsed DCMS can also be selected.
  • the second power supply unit 8 is electrically connected to the magnetron 400 comprising a magnetic field source 401 and a primary target 402 with a coating material 403. In the operating state, the second power supply unit 8 can supply the second magnetron 400 with electrical energy in order to carry out a sputtering process in a manner well known to those skilled in the art.
  • the second magnetron 400 it is possible for the second magnetron 400 to operate like the first by means of the second power supply unit 8 as described above Magnetron 4 is operated. However, it is also possible to operate the magnetron 400 according to any other sputtering method known per se, with or without the support of a magnetic field source 401.
  • the substrates 1 to be coated are advantageously, but not absolutely necessary in certain special cases, provided on a rotating substrate holder 9 in a manner known to those skilled in the art, so that a uniform coating of the substrates 1 can be ensured.
  • the rotating substrate holder 9 is here advantageous, but also fundamentally not necessary, connected to an electrical bias voltage supply 10, so that the rotating substrate holder 9 can be electrically biased to a predeterminable bias voltage.
  • the same or different sputtering gases 2, 21, 22 or predeterminable mixtures thereof can be supplied to the process chamber in a known manner.
  • the sputtering gas 21 is used in the HiPIMS sputtering process, while the sputtering gas 22 is used to carry out the DCMS sputtering process.
  • the process chamber 3 is flooded with the sputtering gas 21.
  • frequently used sputtering gases include noble gases such as argon or krypton or other known sputtering gases.
  • the process chamber can optionally be additionally supplied with the same or different process gases HPG, DCG or predeterminable mixtures thereof in a known manner.
  • the process gas HPG is used in the HiPIMS sputtering process, while the process gas DCG is used to carry out the DCMS sputtering process.
  • the process chamber 3 is flooded with the process gas HPG.
  • frequently used process gases include reactive gases such as C2H2, Ar, N2, O2 or other reactive gases known to those skilled in the art.
  • the magnetron 4 and the second magnetron 400 can comprise the same or different coating materials 43, 403.
  • the coating device B according to FIG. 1 has a high vacuum pump system, which is not shown here for reasons of clarity.
  • a radiation heater also not shown here
  • an AEGD module Arc Enhanced Glow Discharge
  • 2c of a very simple layer system S according to the invention was created using a coating device B according to FIG. 1 in a first process step in a HiPIMS sputtering process using the primary target 42 by depositing the HiPIMS layer HS from coating material 43 directly onto the substrate 1 deposited using a sequence consisting of a plurality of HiPIMS discharge pulses 5 of high power density with pulse duration TI according to FIG. 2a.
  • the DCMS layer DS was then made from the same coating material 43 using one and the same primary target 42 in a pulsed DCMS sputtering process deposited on the HiPIMS layer in a DCMS mode by means of a sequence of a plurality of DCMS discharge pulses 6 of low power density with pulse duration T2 according to FIG. 2b.
  • the HiPIMS discharge pulses 5 of the sequence according to FIG. 2a are rectangular HiPIMS discharge pulses 5 with a pulse duration TI of 5 ms each, i.e. the DCMS duty cycle DUD of the individual DCMS discharge pulses 6 was 5 ms, and the HiPIMS discharge pulses 5 were in one A distance of 150ms, i.e. at a distance of a HiPIMS death time Ti of 150ms, is applied to the primary target 42.
  • the HiPIMS duty cycle DUH of the sequence of HiPIMS discharge pulse 5 and HiPIMS death time Ti is therefore approx. 3.2%.
  • a partial sequence consisting of a HiPIMS duty cycle DUH of a single HiPIMS discharge pulse 5 and a HiPIMS death time Ti was a total of 155 ms, so that almost 400 individual HiPIMS discharge pulses 5 were used in the total coating time of 60 s, which corresponds to a pulse frequency of approx .6Hz, so that the entire duty cycle of the total coating time of around 60s also accounts for approx.
  • a circular primary target 42 with a rather small area of approximately 30cm 2 was used as the primary target 42.
  • the applied rectangular sputtering voltage of the HiPIMS discharge pulses 5 was approx. 600V and the current of approx. 30A of the individual pulses was rectangular, so that a Pulse power of 18KW was achieved with each HiPIMS discharge pulse 5, which corresponds to a pulse power of 600W/cm 2 on the primary target 42, as can be easily calculated.
  • the DCMS layer DS was then applied to the HiPIMS layer HS in a DCMS sputtering process in a DCMS mode using a sequence consisting of a plurality of DCMS discharge pulses 6 of low power density with a pulse duration T2 according to FIG. 2b the coating material 43 is deposited directly onto the HiPIMS layer HS.
  • the DCMS discharge pulses 6 of low power density of the sequence of discharge pulses 6 according to FIG. 2b are rectangular DCMS discharge pulses 6 with a pulse duration T2 of 10Ops each, i.e. the DCMS duty cycle DUD of the individual DCMS discharge pulses 6 was 100ps and the DCMS Discharge pulses 6 were applied to the primary target 42 at a distance of 10ps, i.e. at a distance of a DCMS death time T2 of 10ps.
  • the DCMS duty cycle DUD of the sequence of DCMS discharge pulse 5 and DCMS death time Ti is therefore approx. 90%.
  • the DCMS layer DS of FIG. 2c was also deposited within 60 s, as can be seen from FIG.
  • a partial sequence consisting of a duty cycle and a DCMS death time T2 was a total of 110ps, so that around 550,000 individual DCMS discharge pulses 6 were used in the total coating time of 60s, which corresponds to a pulse frequency of approx. 9kHz, so that the entire duty -Cycle of the total coating time of around 60s also accounts for approximately 90%, since the pulse duration T2 of the DCMS discharge pulses 6 and also the DCMS death time T2 were not changed during the entire coating process, which of course would be possible in principle and is also practiced in special methods according to the invention becomes.
  • a circular primary target 42 with a rather small area of approximately 30cm 2 was used as the primary target 42.
  • the applied rectangular sputtering voltage of the DCMS discharge pulses 6 was approximately 500V and the current of approximately 1.3A of the individual pulses was also rectangular, so that a pulse power of around 600W was achieved with each DCMS discharge pulse 6, which was on the primary target 42 corresponds to a pulse power of 20W/cm 2 , as can be easily calculated.
  • the primary target 42 does not necessarily have to be circular, but basically has any suitable geometry can.
  • the HiPIMS discharge pulses 5 and/or the DCMS discharge pulses 6 applied to the rectangular primary target 42 were triangular or needle-shaped discharge pulses 5, 6 with pulse durations in the range from a few ps to several 100 ms or even up to in the second range, for example if the DCMS layer DS is to be deposited in an unpulsed DCMS mode.
  • the specific pulse duration to be selected is, as the person skilled in the art knows, determined by the type of discharge pulse (HiPIMS or DCMS discharge pulse) and depends on the coating material 43, the desired layer properties, such as hardness, E-modulus. Yield strength, adhesion strength, thermal stability of the layers to be produced, etc.
  • a layer system S according to the invention often has a plurality of sequences of the same or different HiPIMS layers, HS and DCMS layers deposited directly on top of one another DS can include and other, different types of layers, which are deposited using a different sputtering process, can also be provided between, below or above a sequence of HiPIMS and DCMS layer sequences deposited directly on one another.
  • the order of the deposited HiPIMS layers HS and DCMS layers DS can also be in the reverse order to that shown schematically in Fig. 2c, depending on the requirement or application. It is therefore entirely possible that the DCMS layer is first deposited in a sequence of different layers and then the HiPIMS layer HS is deposited on the DCMS layer DS.
  • pulse shapes i.e. rectangular, needle-shaped or triangular pulses
  • the applied voltage is usually always rectangular, but in special cases it can of course have any other suitable shape. For clarity, this situation will be briefly explained using FIGS. 3a to 3f.
  • FIGS. 3a to 3f show schematically some selected possible pulse shapes of current and voltage, which in practice have a particular significance for forming HiPIMS discharge pulses 5, but of course can also be used to form DCMS discharge pulses 6 and can be used advantageously when carrying out methods according to the invention.
  • the negative target voltage U and the target current I are plotted on the ordinate upwards, while the time is plotted on the abscissa.
  • the solid line U p schematically represents the time course of the voltage
  • the dashed line l p schematically represents the time course of the current of the HiPIMS discharge pulses 5 or the DCMS discharge pulses 6.
  • both the voltage U p and the current l p of the discharge pulse 5, 6 have a rectangular shape, which is why such pulses are referred to as rectangular discharge pulses.
  • a typical triangular pulse is shown in Fig. 3b.
  • the current l p of the discharge pulse 5, 6 increases linearly over time t in the form of a ramp, while the voltage U p has a rectangular shape.
  • Fig. 3c shows two successive needle-shaped discharge pulses 5, 6.
  • the current l p rises rapidly as a function of time t in the form of a sharp needle to a peak value and then suddenly falls back to zero with voltage.
  • the time course of the voltage U p is again rectangular.
  • 3d shows a schematic diagram of a rectangular discharge pulse according to FIG / or the reactive gases RG, RG1, RG2 can be achieved.
  • 3e shows a further special pulse shape in which a first triangular discharge pulse 5, 6 according to FIG. 3b is followed by an oppositely polarized rectangular pulse with a positive voltage.
  • Fig. 3f shows a so-called bipolar pulse sequence in which a reversed polarity needle-shaped pulse with positive voltage follows between two needle-shaped discharge pulses 5, 6 according to Fig. 3c.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren zur Abscheidung eines Schichtsystems (S) auf einem Substrat (1), wobei mindestens eine HiPIMS-Schicht (HS) und eine DCMS-Schicht (DS) mittels Magnetronsputtern auf dem Substrat (1) abgeschieden wird. Dabei wird eine ein Sputtergas (2, 21, 22) enthaltende evakuierbare Prozesskammer (3) mit einer Anode und einem als Kathode ausgebildeten Magnetron (4), umfassend eine Magnetfeldquelle (41) sowie ein Primär-Target (42) mit einem Beschichtungsmaterial (43), bereitgestellt. Erfindungsgemäss wird mit ein und demselben Primär-Target (42) in beliebiger Reihenfolge und nacheinander abwechselnd die HiPIMS-Schicht (HS) durch ein HiPIMS-Sputterverfahren in einem HiPIMS-Mode mittels einer Sequenz bestehend aus einer Mehrzahl von HiPIMS-Entladungspulsen (5) hoher Leistungsdichte mit Pulsdauer (τ1) mit mindestens einer Atomlage aus dem Beschichtungsmaterial (43) abgeschieden, und die DCMS-Schicht (DS) durch ein gepulstes und / oder ungepulstes DCMS-Sputterverfahren in einem DCMS-Mode mittels eines DCMS-Entladungspulses (6) niedriger Leistungsdichte mit Pulsdauer (τ2) zur Bildung der DCMS-Schicht (DS) aus dem Beschichtungsmaterial (43) abgeschieden wird.

Description

Beschichtungsverfahren zur Abscheidung eines Schichtsystems auf einem
Substrat, sowie ein Substrat mit einem Schichtsystem
Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren mittels Magnetronsputtern, wobei abwechselnd in einem HIPIMS-Mode und in einem DCMS-Mode ein Schichtsystem auf einem Substrat abgeschieden wird, sowie ein Substrat mit einem solchen Schichtsystem gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie.
Magnetron Sputtern (MS) ist eine PVD-Methode (Physical Vapor Deposition), die als Standardmethode in Wissenschaft und Technik heutzutage fest etabliert ist und insbesondere in unterschiedlichen Varianten zur Beschichtung von Substraten mit dünnen Schichten eingesetzt wird. So z.B. zur Herstellung von Korrosionsschutzbeschichtungen, verschleißfesten Hartstoffbeschichtungen für Werkzeuge und Maschinenteile aller Art, thermoresistiven Beschichtungen, dekorativen Beschichtungen oder optischen Beschichtungen und wird in einer Vielzahl weiterer Anwendungen sehr erfolgreich zur Beschichtung von Substraten eingesetzt.
Beim Sputterprozess selbst wird in einer evakuierten Prozesskammer aus einem ein Beschichtungsmaterial umfassenden Target ein Dampf von Atomen oder Molekülen erzeugt, die anschließend auf dem zu beschichtenden Substrat abgeschieden werden. Der Dampf selbst entsteht durch das Herausschlagen der Atome oder Moleküle aus dem Target durch ein ionisiertes Arbeitsgas (Sputtergas) das meistens ein inertes Gas, häufig ein Edelgas wie Argon (Ar) oder Krypton (Kr) ist. Die Ionen des Arbeitsgases werden durch eine elektrische Entladung, welche zur Erzeugung von Elektronen führt, die wiederum das Gas ionisieren, erzeugt. Beim MS wird weiter in der Umgebung des Targets ein Magnetfeld erzeugt, welches die erzeugten Elektronen in eine Art Elektronenwolke zwängt, wodurch es zu einer Konzentration der Elektronen vor der Oberfläche des Targets kommt, was eine erhöhte Ionisierung des Sputtergases ermöglicht. Das Target liegt dabei auf einem niedrigeren elektrischen Potential als der Bereich, in dem die Elektronenwolke positioniert ist. Dadurch werden die positiven Ionen zum Target hin beschleunigt und schlagen dort Atome oder Moleküle des Beschichtungsmaterials aus dem Target heraus. Die herausgelösten Atome oder Moleküle scheiden sich schliesslich an allen Oberflächen innerhalb der Prozesskammer und somit auch auf der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats ab.
Im Vergleich zu anderen Sputterverfahren, die ohne Unterstützung durch ein Magnetfeld arbeiten, werden beim MS aufgrund des magnetischen Einschlusses der Elektronenwolke relativ hohe lonisationseffizienzen erreicht. Dies hat zur Folge, dass nur eine verhältnismässig geringe elektrische Leistung bei gleichzeitig hohen Sputterraten benötigt wird. Durch geeignete Wahl der Magnetfeldgeometrie kann zusätzlich der senkrecht zu den Magnetfeldlinien vorhandene Elektronenverlust stark reduziert werden, wodurch ein Auftreffen dieser auf dem Substrat minimiert und somit die Erwärmung des Substrats, insbesondere der auf dem Substrat wachsenden Beschichtung signifikant verringert werden.
Dabei ermöglicht MS die Verwendung einer grossen Vielfalt zur Verfügung stehender Materialien. So lassen sich neben Metallen und deren Legierungen auch weniger leitfähige Materialien sowie spröde Materialien wie Si, B, Ti, TiB2 SiC, B4C, M0S2, WS2 und viele andere Materialien sputtern.
Auch für reaktives Sputtern mittels eines reaktiven Prozessgase, wie z.B. C2H2, NH3, Ar, N2, O2 und deren Mischungen, sowie einer Vielzahl weiterer reaktiver Prozessgase ist die Verwendung von MS als Beschichtungsverfahren hervorragend geeignet. Zur reaktiven Abscheidung von beispielsweise nitridischen, karbidischen oder oxidischen Schichten und deren Mischungen wird das entsprechende Reaktivgas zugegeben. Beim reaktiven Sputtern reagieren die gesputterten Atome oder Moleküle mit den reaktiven Prozessgasen, wobei die Reaktionsprodukte schliesslich die Beschichtung auf dem Substrat bilden.
Dabei wurden bis heute eine Vielzahl von Varianten des Magnetronsputterns (MS) entwickelt.
Beim klassischen Geichspannungs-Magnetronsputter (DCMS) werden entweder Gleichspannungen als Sputterspannungen am Target verwendet (ungepulstes DCMS) oder beim gepulsten DCMS wird die Gleichspannung in einer Sequenz von separierten Einzelimpulsen an das Target angelegt. Dabei werden typischerweise zeitlich integrierte Leistungsdichten von bis zu 20W/cm2 auf dem Target erreicht, wobei typische Stromdichten auf dem Target meist unterhalb von 0.1A/cm2 liegen.
DCMS ermöglicht dabei im Vergleich zu anderen Sputterverfahren hohe Schichtraten beim Aufbau der Beschichtungen auf dem Substrat. Da während des Beschichtungsprozesses eine niedrige Substrattemperatur gewährleistet werden kann, ist es auch möglich, empfindliche Materialien zu beschichten.
Vorteilhafte Eigenschaften von Beschichtungen, die durch DCMS hergestellt werden, sind z.B. eine hohe Haftfestigkeit der Beschichtungen auf dem Substrat sowie eine geringe Porosität und geringere Defektdichten in den Schichten.
Darüber hinaus verursacht magnetisch unterstütztes DCMS nur geringe Strahlungsschäden an dem zu beschichtenden Substrat.
Ein wesentlicher Nachteil des MS im Allgemeinen und des DCMS im Besonderen ist die dem Fachmann wohl bekannte geringe Ausnutzung des Targets und der damit einhergehende Effekt, dass die abgeschiedenen Schichten oft ungleichmässige Dicken aufweisen. Der Grund hierfür liegt darin, dass aufgrund der geringen Energie (Temperatur), die die Elektronen besitzen, die Ionisation des Sputtergases sehr lokalisiert stattfindet und der Ort der lonisationsregionen somit auf der Targetoberfläche abgebildet wird, was zu einer ungleichmäßigen Erosion oder Abnutzung des Targets (Bildung von Sputtergräben) führt, was wiederum dazu führt, dass nur ein begrenzter Teil des Targets verwendet werden kann, bis es durcherodiert ist.
Der Erhöhung der Menge an ionisiertem Gas sind beim DOMS Grenzen gesetzt. Selbstverständlich kann durch Erhöhen der angelegten Sputterspannung die Menge an ionisiertem Sputtergas relativ einfach erhöht werden, was aber die Wahrscheinlichkeit einer Lichtbogenbildung (Arcing) signifikant erhöht und zu den dem Fachmann bekannten negativen Schichteigenschaften führt. Gleichermassen ist eine erhöhte Sputterspannung limitiert, da eine thermische Überhitzung des Targets die eingebrachte Leistung begrenzt.
Ausserdem sind die durch DOMS erzeugten Schichten häufig durch ein ausgeprägtes kolumnares Wachstum, bedingt durch die verhältnismässig niedrige Ionisation des abgesputterten Materials gekennzeichnet, was leider häufig in vielen Anwendungen zu einem Nachteil der Funktionalität der Schichten führt.
Daher wurde das klassische DC-Magnetronsputtern (DOMS) in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten ständig weiterentwickelt und verbessert. Wesentliche Fortschritte sind dabei durch einen Betrieb des Magnetrons im gepulsten Mode mit hohen Strömen bzw. Stromdichten erzielt worden, was zu einer verbesserten Schichtstruktur in Form von dichteren Schichten, insbesondere aufgrund einer verbesserten Ionisation des abgesputterten Materials führt. Dadurch kann z.B. das kolumnare Wachstum deutlich unterdrückt bzw. kann sogar gänzlich verhindert werden.
Derartige Verfahren des Magnetronsputterns im gepulsten Mode mit hohen Strömen bzw. Stromdichten sind dem Fachmann unter der Bezeichnung „High Power Impuls Magnetron Sputtering“ oder abgekürzt HiPIMS wohl bekannt. Die Stromdichten am Target übersteigen beim HiPIMS typischerweise die des klassischen DCMS wesentlich, d.h. , sie liegen oft deutlich oberhalb von 0.1 A/cm2 und bis zu einigen A/cm2, so dass Leistungsdichten von einigen 100W/cm2 bis hin zu MW/cm2 am Target kurzzeitig anliegen können. HiPIMS zeichnet sich dabei gegenüber dem konventionellen DCMS durch eine höhere Plasmadichte und dadurch durch ein deutlich höheres lonisationsvermögen des Arbeitsgases und des Reaktivgases, vor allem auch des Anteils an ionisierten gesputterten Targetatomen aus.
Zur Verdeutlichung der enormen Verbesserung der lonisationsraten bei Verwendung eines HiPIMS-Sputterverfahrens im Vergleich zu einem DCMS- Sputterverfahren sei auf das folgende Zahlenbeispiel verwiesen.
Typischerweise liegt bei einem HiPIMS- oder DCMS-Beschichtungsverfahren ein Prozessdruck in der Prozesskammer in einem Druckbereich von ca. 10’4 Torr bis 10-2 Torr (ca. 0.013 Pa bis 1 .3 Pa). In der Praxis liegt bei einem klassischen DCMS-Sputterverfahren eine maximale Kathodenstromdichte im Bereich von Jmax < 0.1 A/cm2, wobei die Entladungsspannungen im Bereich von ca. 0.3kV bis 0.6kV liegen. Durch geeignete Wahl von Kathodenstromdichte und Entladungsspannung werden entsprechende Kathodenleistungsdichten üblicherweise im Bereich kleiner als 0.1 kW/cm2 gewählt. Bei einem Prozessdruck von beispielsweise 1 Pa in der Prozesskammer beträgt die Teilchenzahl n ca. 1 O20 Atome pro m3
Aus dieser Anzahl von Atomen können bei einem DCMS-Sputterprozess ca. 1016 bis maximal 1018 aller Gasneutralteilchen des Gemischs aus Prozessgas und Targetmaterial, also lediglich zwischen 0.01 % und höchstens bis zu 1 % aller Neutralteilchen ionisiert werden. D.h. es wird eine lonisationsfraktion von maximal ca. 1 % erreicht. Davon bestehen dann lediglich ca. 1 % bis ca. 3 % aus ionisierten Targetatomen. Bei einem HiPIMS-Sputterverfahren wird dagegen eine viel höhere maximale Kathodenstromdichte im Bereich von Jmax <10 A/cm2 gewählt, wobei die Entladungsspannungen im Bereich von ca. 0.5kV bis 1.5kV liegen. Durch geeignete Wahl von Kathodenstromdichte und Entladungsspannung werden in einem HiPIMS-Prozess entsprechende Kathodenleistungsdichten üblicherweise in einem Bereich von ca. 1 kW/cm2 bis ca. 3kW/cm2 eingestellt. Wie oben bereits erwähnt, beträgt bei einem Prozessdruck von beispielsweise 1 Pa in der Prozesskammer die Teilchenzahl n ca. 1O20 Atome pro m3 Aus dieser Anzahl von Atomen können bei einem HiPIMS-Sputterprozess ca. 3’1019 bis zu ca. 9’1019 aller Gasneutralteilchen des Gemischs aus Prozessgas und Targetmaterial, also ein enormer Anteil zwischen ca. 30% und 90% aller Neutralteilchen ionisiert werden. D.h. es wird eine enorme lonisationsfraktion von zwischen ca. 30% und 90% erreicht. Wobei von diesen die ionisierten Targetatome einen Volumenanteil von bis zu 90 % bilden können.
Dabei haben alle Sputtertechniken ein inhärentes Leistungslimit, welches durch die Kühlbarkeit des Targets und des Targetmaterials selbst vorgegeben ist. Lässt sich die Temperatur an der Targetoberfläche nicht schnell genug abführen, schmilzt das Targetmaterial. Beim konventionellen DCMS liegt die Obergrenze der Leistungsdichten auf dem Target in der Regel im Bereich von höchstens 50W/cm2. Oft liegt diese maximale Belastungsgrenze im kontinuierlichen DCMS Betrieb eher sogar bei nur höchstens 20W/cm2. Um die Leistung weiter zu erhöhen, ohne dabei das Target zu überhitzen, muss die Entladung gepulst werden. Der zunehmende Energieeintrag und die damit einhergehende Temperaturentwicklung an der Targetoberfläche kann kompensiert werden, indem der Arbeitszyklus (duty cycle) reduziert wird. Zu diesem Zweck werden im Hochleistungsbereich die Sputterfrequenzen und die Pulslängen variiert.
Der hohe lonisationsgrad der gesputterten Targetatome bei Verwendung eines HiPIMS-Verfahrens bietet eine verbesserte Kontrolle des Schichtwachstums und der Schichtstruktur. Durch Anlegen einer elektrischen Substratvorspannung (Bias-Spannung) kann darüberhinaus die Energie der eintreffenden Ionen kontrolliert und letztere gezielt gesteuert werden. Gezieltes lonenbombardement mittels Sputtergasionen (z.B. Ar) und insbesondere der Ionen des gesputterten Targetmaterials kann einen signifikanten Einfluss auf die Struktur und Schichteigenschaften, sowie Kristallorientierung, Korngröße, Dichte und mechanische Schichtspannung ausüben. Der hohe lonisationsgrad ermöglicht eine Verbesserung der Schichtqualität durch eine höhere Dichte und Härte, eine verbesserte Schichthaftung und eine geringere Rauigkeit.
Wesentliche Merkmale des HiPIMS sind Spitzenströme und Spitzenleistungsdichten, die bis zu mehreren Grössenordnungen über deren durchschnittlicher Leistungsdichte liegen.
Vorteile von mittels HiPIMS erzeugten Beschichtungen sind also insbesondere eine dichtere Schichtmorphologie. Dies kann bei verschiedenen Schichtsystemen, wie beispielsweise bei AITiN-Schichten, zu einer höheren Härte, aber auch zu einem niedrigeren E-Modul führen.
Während zum Beispiel vergleichbare mittels DCMS hergestellte TiAIN oder AITiN-Schichten über eine Härte von typischerweise im Bereich bis zu 27 GPa und ein E-Modul von bis zu 400 GPa verfügen, kann eine Härte solcher mittels HiPIMS hergestellter Beschichtungen problemlos bis zu 35 GPa bei einem E- Modul von bis zu 500 GPa. Das Verhältnis aus Härte und E-Modul ist dabei ein Maß für die Zähigkeitseigenschaften der Schicht. Günstig ist für viele Anwendungen eine hohe Härte bei relativ kleinem E-Modul. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Optimierung durch die Kombination beider Schichttypen möglich.
Ein weiterer sehr wichtiger Vorteil der HiPIMS-Schichten ist die extrem hohe thermische Stabilität, die unter anderem aus der dichteren Schichtstruktur resultiert.
Zudem kann durch die Verwendung von HiPIMS die Schichthaftung im
Vergleich zu mittels DCMS-Verfahren hergestellten Schichten erhöht werden so dass HiPIMS-Schichten besonders vorteilhaft zum Beispiel bei der Beschichtung von Zerspanwerkzeugen Verwendung finden, die dadurch mit signifikant erhöhten Zerspanungsparametern hergestellt werden können und sich durch einen weitaus geringeren Werkzeugverschleiss im Betrieb auszeichnen.
Dabei ist der Fachmann aber auch durchaus mit einigen Nachteilen des HiPIMS-Verfahrens konfrontiert, die im Folgenden kurz skizziert werden, wobei die nachfolgende Aufzählung nicht abschliessend zu verstehen ist.
So werden nicht selten bei einigen Beschichtungsprozessen erhöhte Eigenspannungen (innere Spannungen) in HiPIMS Beschichtungen beobachtet, die zu mechanischen Defekten, wie Rissen, Wölbungen oder zum Abplatzen der Schicht führen können.
Auch ist die Abscheiderate und damit die Geschwindigkeit des Schichtwachstums (Beschichtungsrate) bei HiPIMS-Verfahren im Vergleich zu DCMS-Verfahren deutlich reduziert, und zwar sowohl bei reaktiven als auch bei nicht-reaktiven Verfahren. So können die Abscheideraten und damit die Beschichtungsraten bei HiPIMS im Vergleich zu DCMS um bis zu 70% reduziert sein.
Eine Hauptursache der niedrigeren Beschichtungsraten der HiPIMS-Entladung gegenüber der DCMS-Entladung bei gleicher eingespeister Energie ist der Rücklauf Effekt der Ionen („backflow“). Dieser wird wesentlich dadurch verursacht, dass ein Anteil der positiv geladenen Ionen des abgesputterten Targetmaterials aufgrund der räumlichen Plasmapotentialverteilung während des Hochspannungsimpulses zurück zum Tage gezogen werden, das negativ vorgespannt ist. Dadurch kommt es zum „self-sputtering“ des Targets. Man spricht hier auch von „Re-Deposition“. Gerade dieser negative Effekt ist leider eine Charakteristik des HiPIMS-Sputterprozesses. Schliesslich ist auch das dem Fachmann wohl bekannte Problem des «Arcing» bei HiPIMS-Prozessen signifikant höher als bei DCMS-Prozessen. Unter Arcing versteht der Fachmann unerwünschte Entladungen, die zum Beispiel auf Sputtertargets beobachtet werden können. Diese Entladungen sind lokale, zeitlich begrenzte kathodische Vakuumbogenentladungen. Arcing führt insbesondere zu ungleichmässiger Beschichtung, insbesondere auch durch die Bildung von unerwünschten Partikeln, die die Beschichtungen negativ beeinflussen.
Nicht zuletzt ist auch der Energieverbrauch pro Schichtvolumen bei HiPIMS signifikant höher als bei Verwendung eines DCMS Verfahrens.
Neben der Anwendung von reinen HiPIMS-Verfahren bzw. der Anwendung von reinen DCMS-Verfahren sind im Stand der Technik auch sogenannte Hybrid- Verfahren bekannt, die unter Verwendung einer oder mehrerer gleicher oder verschiedener Magnetrone bzw. Sputterquellen in unterschiedlichen Varianten HiPIMS-Verfahren und DCMS-Verfahren zur Bildung von Beschichtungen auf einem Substrat gleichzeitig in ein und demselben Prozessschritt verwenden.
Die Idee dabei ist, die Vorteile von HiPIMS- und DCMS-Beschichtungsverfahren zu kombinieren. Einen aktuellen Überblick zu derartigen Beschichtungstechniken findet man z.B. bei V.O. Oskirko et al. In Vacuum 181 (2020) 109670.
Durch die Verwendung solcher Hybrid-Beschichtungsverfahren können zwar einige der zuvor beschriebenen Nachteile zumindest teilweise reduziert werden. Allerdings haben solche Hybridverfahren prozessbedingt unter anderem andere erhebliche Nachteile bzw. legen den Beschichtungsprozessen Beschränkungen auf, die ihrerseits die Vorteile solcher Prozesse ganz oder teilweise wieder zunichte machen.
So können zum Beispiel bei diesen Hybrid-Prozessen, in denen HiPMS- und DCMS-Verfahren gleichzeitig, also gemischt eingesetzt werden, beispielweise der Gasdruck in der Prozesskammer oder die Bias-Vorspannung am Target entweder nur für den HiPIMS-Anteil des Hybridprozesses oder nur für den DCMS-Anteil des Hybridprozesses optimiert werden. Beziehungsweise man muss für diese oder weitere Prozessparameter entsprechend Kompromisse suchen, die dann nicht zu ausreichend optimalen Beschichtungsergebnissen führen.
Vor allem auch was reaktive Beschichtungsverfahren unter Verwendung von reaktiven Prozessgasen angeht, führen derartige Hybridverfahren zu massiven unvermeidbaren Einschränkungen bei der Prozessgestaltung. So können bei diesen Hybridverfahren naturgemäss die verwendeten Reaktivgase, deren Mischungen, Partialdrücke (Flüsse) usw. nicht jeweils optimal an den HiPIMS- Prozess und an den DCMS-Prozess gleichzeitig angepasst werden, da beide Prozesse gleichzeitig angewendet werden und Änderungen dieser Prozessparameter der Gasflüsse letztlich auch nur sehr träge vorgenommen werden können, so dass grundsätzlich bei den bekannten Hybridverfahren eine gleichzeitige optimale Parameterwahl für den HiPIMS-Prozess und den DCMS- Prozess ausgeschlossen ist, sowohl bezüglich der Schichteigenschaften, der je nach Beladung und Rotation sich einstellenden Schichtdicke der Einzelschichten, als auch der Abscheideraten.
Dabei weiss der Fachmann, dass die Beschichtungsraten BR sowohl beim HiPIMS als auch beim DCMS-Prozess empfindlich einerseits von der Magnetfeldstärke MFS des Magnetfeldes vor dem Target als auch von den Pulsfrequenzen der HiPIMS- bzw. DCMS-Pulssequenzen abhängen, wie bespielhaft anhand der Fig. 4 ( J W Bradley et al 2015 J. Phys. D Appl.
Phys. 48 215202) nochmals in Erinnerung gerufen werden soll. Der wesentliche Punkt ist dabei, dass die Abhängigkeit der Beschichtungsrate BR von der Magentfeldstärke MFS des Magnetfeldes bei HiPIMS-Prozessen und DCMS-Prozessen genau gegenläufig ist, wie der Fig. 4 eindrücklich zu entnehmen ist.
Während bei DCMS-Prozessen die Beschichtungsrate BR mit steigender
Magnetfeldstärke MFS des Magnetfelds zunimmt, nimmt bei HiPIMS-Prozessen die Beschichtungsrate BR mit steigender Magnetfeldstärke MFS des Magnetfelds ab. Man beachte, dass in Fig. 4 Die Magnetfeldstärke MFS des Magnetfeldes nach links zunimmt.
Das führt natürlich bei den bekannten Hybridverfahren dazu, dass grundsätzlich die Magnetfeldstärke MFS des Magnetfeldes entweder nur an den HiPMS- Prozess oder nur an den DCMS-Prozess optimal angepasst werden kann oder dass man einen Kompromiss bezüglich der Magnetfeldstärke MFS des Magnetfeldes eingehen muss, so dass die Magnetfeldstärke MFS des Magnetfeldes weder optimal für den HiPIMS-Prozess und auch nicht optimal für den DCMS-Prozess gewählt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Beschichtungsverfahren zur Herstellung eines Mehrschichtsystems mittels Magnetronsputterns und daraus resultierend ein Substrat mit einem verbesserten Schichtsystem bereitzustellen, wobei möglichst alle Vorteile des HiPIMS- und diejenigen des DCMS-Verfahrens gleichzeitig optimal realisiert werden können, ohne die Nachteile der bekannten Hybridverfahren in Kauf nehmen zu müssen.
Die diese Aufgaben lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gekennzeichnet. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung betrifft somit ein Beschichtungsverfahren zur Abscheidung eines Schichtsystems auf einem Substrat, wobei mindestens eine HiPIMS-Schicht und eine DCMS-Schicht mittels Magnetronsputtern auf dem Substrat abgeschieden wird. Dabei wird eine ein Sputtergas enthaltende evakuierbare Prozesskammer, mit einer Anode und einem als Kathode ausgebildeten Magnetron umfassend eine Magnetfeldquelle sowie ein Primär-Target mit einem Beschichtungsmaterial, bereitgestellt. Erfindungsgemäss wird mit ein und demselben Primär-Target in beliebiger Reihenfolge und nacheinander abwechselnd die HiPIMS-Schicht durch ein HiPIMS-Sputterverfahren in einem HiPIMS-Mode mittels einer Sequenz bestehend aus einer Mehrzahl von HiPIMS-Entladungspulsen hoher Leistungsdichte mit Pulsdauer mit mindestens einer Atomlage aus dem Beschichtungsmaterial abgeschieden, und die DCMS- Schicht wird durch ein gepulstes und / oder ungepulstes DCMS- Sputterverfahren in einem DCMS-Mode mittels eines DCMS-Entladungspulses niedriger Leistungsdichte mit Pulsdauer zur Bildung der DCMS-Schicht aus dem Beschichtungsmaterial abgeschieden.
Durch die vorliegende Erfindung ist es erstmals gelungen, das HiPIMS- Sputterverfahren und das DCMS-Sputterverfahren erfolgreich in einem einzigen Beschichtungsverfahren derart zu kombinieren, dass erstmals im wesentlichen alle Vorteile des DCMS-Sputterverfahrens und im wesentlichen alle Vorteile des HiPIMS-Sputterverfahrens zur Bildung von Schichtsystemen auf einem Substrat gleichzeitig ausgenützt werden können, ohne bei den Beschichtungsparametern Kompromisse zu Gunsten bzw. Ungunsten des HiPIMS-Sputterverfahrens oder des DCMS-Sputterverfahrens eingehen zu müssen.
Ein erfindungsgemässes Beschichtungsverfahren weist also praktisch alle Vorteile des DCMS-Sputterns auf, wie z.B. hohe Beschichtungsraten, Gewährleistung einer niedrigen Substrattemperatur zur Beschichtung empfindlicher Materialien, eine hohe Haftfestigkeit der Beschichtungen auf dem Substrat, eine geringe Porosität und geringere Defektdichten in den Schichten, bei gleichzeitig geringen Strahlungsschäden an dem zu beschichtenden Substrat aufgrund des magnetischen Feldes des Magnetrons, sowie einen geringeren Energieverbrauch.
Gleichzeitig zeigt ein erfindungsgemässes Beschichtungsverfahren auch alle Vorteile der an sich bekannten HiPIMS-Sputterverfahren. Wie z.B. ein hoher lonisationsgrad der Sputtergase und der gesputterten Targetatome, was eine verbesserte Kontrolle des Schichtwachstums und der Schichtstruktur gewährleistet. Gezieltes lonenbombardement mittels Sputtergasionen (z.B. Ar) und insbesondere der Ionen des gesputterten Targetmaterials kann einen signifikant positiven Einfluss auf die Struktur und Schichteigenschaften, sowie Kristallorientierung, Korngrösse, Dichte und mechanische Schichtspannung ausüben. Der hohe lonisationsgrad beim HiPIMS-Sputtern ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Schichtqualität durch eine höhere Dichte und Härte, eine noch weiter verbesserte Schichthaftung, und eine geringere Rauigkeit.
Vorteile von mittels HiPIMS erzeugten Beschichtungen sind weiter insbesondere eine dichtere Schichtmorphologie und ein weniger kolumnar geprägtes Schichtwachstum. Dies kann bei verschiedenen Schichtsystemen, wie beispielsweise bei AITiN-Schichten, zu einer höheren Härte führen. Ein weiterer sehr wichtiger Vorteil der HiPIMS-Schichten ist die extrem hohe thermische Stabilität, die unter anderem aus der dichteren Schichtstruktur resultiert.
Nicht nur alle diese Vorteile der HiPIMS-Sputterverfahren und DCMS- Sputterverfahren können durch das erfindungsgemässe Beschichtungsverfahren erstmals erfolgreich kombiniert werden. Sondern auch die bekannten Nachteile der HiPIMS-Sputterverfahren sowie diejenigen der DCMS-Sputterverfahren können zumindest signifikant reduziert bzw. ganz vermieden werden. Das trifft insbesondere mit Blick auf die aus dem Stand der Technik bekannten Hybrid-Sputterverfahren zu, die, wie bereits beschrieben, mit eher mässigem Erfolg und unter Inkaufnahme wesentlicher Nachteile versucht haben, die Vorteile des HiPIMS-Sputterns und des DCMS-Sputterns zu kombinieren, indem jeweils ein HiPIMS-Sputterverfahren und ein DCMS Sputterverfahren gleichzeitig bzw. zeitlich überlagert durchgeführt wird.
So werden bei reinen HiPIMS-Schichtsystemen nicht selten erhöhte Eigenspannungen (innere Spannungen) beobachtet, die zu mechanischen Defekten, wie Rissen, Wölbungen oder zum Abplatzen der Schicht führen können. Diese Gefahr wird durch die erfindungsgemässe Abscheidung von abwechselnd direkt aufeinander abgeschiedenen reinen HiPIMS- und DCMS- Schichten deutlich reduziert bzw. fast ganz vermieden.
Auch wird das Problem der verhältnismässig niedrigen Abscheiderate und damit die Geschwindigkeit des Schichtwachstums (Beschichtungsrate) bei reinen HiPIMS-Verfahren in Bezug auf das gesamte Schichtsystem deutlich reduziert. Und zwar sowohl bei reaktiven als auch bei nicht-reaktiven Verfahren. So können die Abscheideraten bei einem erfindungsgemässen Verfahren je nach Prozessführung und Verhältnis der Schichtdicken von HiPIMS- Teilschichten zu DCMS-Teilschichten eines erfindungsgemässen Schichtsystems, und damit die Beschichtungsraten im Vergleich zu Beschichtungen, die beispielweise nur mit einem HiPIMS-Sputterverfahren abgeschieden werden, erfindungsgemäss problemlos um z.B. 15% oder 50% und bis zu 90% oder mehr erhöht werden.
Wie bereits erwähnt, ist eine Hauptursache der niedrigeren Beschichtungsraten der reinen HiPIMS-Entladung gegenüber der DCMS-Entladung bei gleicher eingespeister Energie der Rücklauf Effekt der Ionen („backflow“). Dieser wird wesentlich dadurch verursacht, dass ein Anteil der positiv geladenen Ionen des abgesputterten Targetmaterials aufgrund der räumlichen Plasmapotentialverteilung während des Hochspannungsimpulses zurück zum Target gezogen werden, das negativ vorgespannt ist. Dadurch kommt es zum „self-sputtering“ des Targets. Man spricht hier auch von „Re-Deposition“. Dieser negative Effekt ist bekannterweise eine inhärente Charakteristik des HiPIMS- Sputterprozesses und lässt sich selbstverständlich auch in einem entsprechenden Teilschritt eines HiPIMS-Sputterverfahrens im Rahmen eines erfindungsgemässen Beschichtungsverfahrens nicht per se vermeiden.
Bei einem erfindungsgemässen Beschichtungsverfahren wird dieser wesentliche Nachteil des HiPIMS-Sputterverfahrens jedoch zumindest teilweise positiv ausgenutzt. Wie ebenfalls bereits ausgeführt, ist ein wesentlicher Nachteil des Magnetronsputterns im Allgemeinen und des gepulsten oder ungepulsten DCMS im Besonderen, die geringe Ausnutzung des Targets und der damit einhergehende Effekt, dass die abgeschiedenen Schichten oft ungleichmäßige Dicken aufweisen. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Ionisation des Sputtergases sehr lokalisiert stattfindet und der Ort der lonisationsregionen somit auf der Targetoberfläche abgebildet wird, was zu einer ungleichmäßigen Erosion oder Abnutzung des Targets (Bildung von Sputtergräben) führt, was wiederum dazu führt, dass nur ein begrenzter Teil des Targets verwendet werden kann, bis es durcherodiert ist.
Hier wirkt sich dann der oben beschriebene, an sich negative Re-Deposition Effekt des HiPIMS-Sputterverfahrens bei einem auf einen DCMS-Schritt folgenden H iPIMS-Schritt durch die vorliegende Erfindung plötzlich erstaunlicherweise positiv aus. Der durch den «backflow» der gesputterten Targetionen verursachte Re-Deposition Effekt im HiPIMS-Verfahrensschritt führt nämlich dazu, dass bereits abgesputterte Targetionen auf das Target zurückkehren, sich auf der Targetoberfläche wieder anlagern und so die durch das zuvor durchgeführte DCMS-Sputtern «beschädigte» Oberfläche des Targets zumindest teilweise wieder herstellen, sozusagen zumindest teilweise heilen, in dem die durch das DCMS-Sputtern erzeugten Erosionsschäden durch erneute Anlagerung von auf die Oberfläche des Targets zurückgefallen Targetionen zumindest teilweise wieder repariert werden. Dadurch sind bei einem erfindungsgemässen Beschichtungsverfahren die Targets nicht nur viel länger nutzbar, als bei einem reinen DCMS-Sputterverfahren, sondern die DCMS-Teilschichten werden bei Verwendung eines erfindungsgemässen Beschichtungsverfahrens gleichmässiger, d.h. weisen unter anderem eine wesentlich gleichmässigere Dicke auf, als bei Verwendung eines bekannten reinen DCMS-Sputterverfahrens. Das wirkt sich natürlich nicht nur isoliert auf die DCMS-Schichten eines erfindungsgemässen Schichtsystem aus, sondern verbessert die Eigenschaft des erfindungsgemässen Schichtsystems insgesamt, z.B. unter dem Aspekt der Haftung der Teilschichten, Resistenz gegen Abplatzen, der Härte, Temperaturbeständigkeit usw..
Auch ist bei einem erfindungsgemässen Beschichtungsverfahren das bekannte und oben beschriebene Problem des «Arcings» bei HiPIMS-Prozessen in Bezug auf die Ausbildung des Schichtsystems insgesamt signifikant reduziert. Allein schon deshalb, weil die HiPIMS-Prozesschritte nur während eines Teils des gesamten Beschichtungsprozesses, also nicht über die gesamte Beschichtungsdauer angewendet werden.
Insbesondere auch im Vergleich zu den bekannten Hybrid-Prozessen, bei welchen zumindest teilweise HiPIMS-Pulse und DCMS-Pulse gleichzeitig am Target angelegt werden, was dazu führen kann, dass das Arcing durch die eingemischten HiPIMS-Entladungspulse sogar während des bezüglich Arcing an sich eher unproblematischen DCMS-Beschichtungsphasen induziert werden kann, zeigt das erfindungsgemässe Beschichtungsverfahren deutlich bessere Eigenschaften und führt zu deutlich verbesserten Eigenschaften der erfindungsgemässen Schichtsysteme.
Dabei sei sehr ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemässe Beschichtungsverfahren keinesfalls mit den weiter oben bereits diskutierten Hybrid-Beschichtungsverfahren verwechselt werden darf. Das Beschichtungsverfahren der vorliegenden Erfindung weist nämlich insbesondere im Vergleich zu den bekannten Hybrid-Verfahren aus dem Stand der Technik, bei welchen HiPIMS-Sputterverfahren und DCMS- Sputterverfahren zeitgleich oder zeitlich überlappend durchgeführt werden, sehr wesentliche Vorteile auf, die mit den bekannten Hybridverfahren grundsätzlich nicht erreicht werden können. Ausserdem haben solche bekannten Hybridverfahren prozessbedingt erhebliche Nachteile bzw. legen den Beschichtungsprozessen Beschränkungen auf, die durch die vorliegende Erfindung im Wesentlichen vollständig vermieden werden können. So können zum Beispiel wie bereits beschrieben bei den bekannten Hybrid- Prozessen, in denen HiPMS- und DCMS-Verfahren gleichzeitig, also gemischt eingesetzt werden, beispielweise der Gasdruck in der Prozesskammer oder die Bias-Vorspannung am Target oder die Magnetfeldstärke am Target entweder nur für den HiPIMS-Anteil des Hybridprozesses oder nur für den DCMS-Anteil des Hybridprozesses jeweils optimiert werden. Beziehungsweise man muss für diese oder weitere Prozessparameter entsprechend Kompromisse suchen, die dann nicht zu ausreichend optimalen Beschichtungsergebnissen führen.
Bei einem erfindungsgemässen Beschichtungsverfahren ist es jedoch problemlos möglich, Prozessparameter wie beispielweise den Gasdruck in der Prozesskammer und / oder die Bias-Vorspannung am Target und / oder die Magnetfeldstärke am Target sowohl für den HiPIMS-Prozesschritt als auch für den DCMS-Prozesschritt jeweils getrennt optimal zu wählen, obwohl erfindungsgemäss die HiPIMS-Schicht und die DCMS-Schicht mit ein und demselben Primär-Target erzeugt wird, weil bei einem erfindungsgemässen Verfahren im Gegensatz zu den bekannten Hydridverfahren der HiPIMS- Sputterprozess und der DCMS-Spautterprozess voneinander zeitlich entkoppelt sind, und nacheinander abwechselnd durchgeführt werden.
Dies ist vor allem auch was reaktive Beschichtungsverfahren unter Verwendung von reaktiven Prozessgasen angeht ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens im Vergleich zu den bekannten Hybridverfahren, bei welchen HiPIMS-Prozesse und DCMS-Prozesse zeitgleich bzw. zeitlich überlagert durchgeführt werden. So können anders als bei den bekannten Hybridverfahren bei einem erfindungsgemässen Beschichtungsverfahren die verwendeten Reaktivgase, deren Mischungen, Partialdrücke, Flüsse usw. jeweils optimal an den HiPIMS-Prozess und an den DCMS-Prozess separat angepasst werden, auch wenn die Änderung dieser Prozessparameter eher träge vonstatten gehen, da die beiden verschiedenen Sputterverfahren erfindungsgemäss nicht gleichzeitig sondern zeitlich voneinander entkoppelt nacheinander angewendet werden. Ein weiterer wesentliche Vorteil eines erfindungsgemässen Verfahrens im Vergleich zu den bekannten Hybrid-Verfahren ergibt sich aus der Tatsache, dass wie ebenfalls bereits erwähnt, die Beschichtungsraten sowohl beim HiPIMS als auch beim DCMS-Prozess empfindlich einerseits von der Magnetfeldstärke des Magnetfeldes vor dem Target abhängen. Der wesentliche Punkt ist dabei, dass die Abhängigkeit der Beschichtungsrate von der Magnetfeldstärke des Magnetfeldes bei HiPIMS-Prozessen und DCMS- Prozessen genau gegenläufig ist, wie anhand der Fig. 4 bereits eindrücklich gezeigt wurde.
Während bei DCMS-Prozessen die Beschichtungsrate mit steigender Magnetfeldstärke MFS des Magnetfelds zunimmt, nimmt bei HiPIMS-Prozessen die Beschichtungsrate mit steigender Magnetfeldstärke MFS des Magnetfelds ab.
Im Gegensatz zu den bekannten Hybridverfahren kann bei Verwendung eines erfindungsgemässen Verfahrens die Magnetfeldstärke des Magnetfeldes vor dem Magnetron problemlos sowohl an den HiPIMS-Prozess als auch an den DCMS-Prozess separat optimal angepasst werden, ohne dass man einen Kompromiss bezüglich der Magnetfeldstärke des Magnetfeldes eingehen muss, wie bei den bekannten Hybridprozessen. Typische Magnetfeldstärken liegen z.B. im Bereich von ca. 50Gauss bis ca. WOOGaus. Dabei werden in der Praxis für den HiPIMS-Prozess vorteilhaft Magnetfeldstärken im Bereich von ca. 50Gauss bis 600Gauss gewählt, während typische Magnetfeldstärken beim DCMS-Prozess häufig im Bereich von ca. 300Gauss bis WOOGauss liegen.
Natürlich wiederum, weil die beiden verschiedenen Sputterverfahren HiPIMS und DCMS erfindungsgemäss nicht gleichzeitig, sondern zeitlich voneinander entkoppelt nacheinander angewendet werden.
Nicht zuletzt ist natürlich auch der Verbrauch elektrischer Energie pro abgeschiedenem Schichtvolumen bei einem erfindungsgemässen Beschichtungsverfahren deutlich reduziert, zumindest im Vergleich zu einem bekannten reinen HiPIMS-Sputterverfahren.
Im Folgenden werden ganz allgemein und schematisch noch wesentliche Ausführungsbeispiele und Verfahrensparameter berichtet, die sich als vorteilhaft für die Durchführung erfindungsgemässer Beschichtungsverfahren und zur Herstellung von entsprechenden Substraten herausgestellt haben.
Bevorzugt liegt im HiPIMS-Mode bei einem erfindungsgemässen Verfahren die maximale Leistungsdichte des HiPIMS-Entladungspulses auf dem Primär- Target in einem Bereich von 0.05kW/cm2 und 10kW/cm2, bevorzugt von 0.1 kW/cm2 und 5kW/cm2, im Speziellen von 0.2kW/cm2 bis 3kW/cm2, besonders bevorzugt bei ca. 0.4kW/cm2 oder 2kW/cm2, wobei im HiPIMS-Mode in der Sequenz aus HiPIMS-Entladungspulsen die Pulsdauer des HiPIMS- Entladungspulses zwischen 5ps und 20ms, bevorzugt zwischen 20ps und 10ms, insbesondere bei ca. 50ps bis 5ms gewählt wird und / oder im HiPIMS- Mode eine HiPIMS-Todzeit in der Sequenz aus HiPIMS-Entladungspulsen zwischen zwei aufeinander folgenden HiPIMS-Entladungspulsen zwischen 100ps und 500ms, bevorzugt zwischen 250ps und 250ms, insbesondere zwischen ca. 500ps und 150ms gewählt wird, und / oder wobei ein HiPIMS- Duty-Cycle einer Sequenz aus HiPIMS-Entladungspuls und HiPIMS-Todzeit zwischen 0.5% und 20%, bevorzugt zwischen 1 % und 10%, besonders bevorzugt zwischen ca. 2% bis 6% der Dauer der Sequenz aus HiPIMS- Entladungspuls und HiPIMS-Todzeit gewählt wird.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass in einer Sequenz aus HiPIMS Entladungspulsen und HiPIMS- Todzeit die Pulsdauer des HiPIMS-Entladungspulses und / oder die Dauer der HiPIMS-Todzeit und / oder der HiPIMS-Duty-Cycle während der Abscheidung des Schichtsystems nach einem vorgebbaren Schema verändert wird. Dieses Vorgehen kann zum Beispiel vorteilhaft verwendet werden, um die Schichteigenschaften zu optimieren bzw. Teilschichten mit variierenden Schichteigenschaften wie Haftfestigkeit, Härte, Eigenspannungen, thermischer Beständigkeit, Elastizitätsmodul und weiteren variierenden bzw. unterschiedlichen Eigenschaften zu erzeugen. Auch können dadurch eventuell die später noch erwähnten erfindungsgemässen Gradientenschichten erzeugt werden.
Im DCMS-Mode wird die Leistungsdichte des DCMS-Entladungspulses auf dem Primär-Target dagegen bevorzugt in einem Bereich von 1W/cm2 und 50W/cm2, bevorzugt zwischen 2W/cm2 und 30W/cm2, besonders bevorzugt von ca. 5W/cm2 bis 25W/cm2 gewählt, und / oder im gepulsten und / oder ungepulsten DCMS-Mode wird die Pulsdauer des DCMS-Entladungspulses vorteilhaft aber nicht notwendig zwischen 1 ps und 10ms, bevorzugt zwischen 5ps und 500ps, insbesondere bei ca. 20ps oder 200ps gewählt, wobei im gepulsten DCMS- Mode eine DCMS-Todzeit in einer Sequenz aus DCMS-Entladungspulsen zwischen zwei aufeinander folgenden DCMS-Entladungspulsen in der Praxis häufig zwischen 0.5ps und 10ms, bevorzugt zwischen 2ps und 300ps, insbesondere bei ca. 5ps bis 100ps gewählt wird, und / oder wobei ein DCMS- Duty-Cycle einer Sequenz aus DCMS-Entladungspuls und DCMS-Todzeit zwischen 30% und 99%, bevorzugt zwischen 50% und 97%, besonders bevorzugt bei ca. 75% oder 95% der Dauer der Sequenz aus DCMS- Entladungspuls und DCMS-Todzeit gewählt wird.
Bei einem weiteren speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann in einer Sequenz aus DCMS-Entladungspulsen und DCMS-Todzeit die Pulsdauer des DCMS-Entladungspulses und / oder die Dauer der HiPIMS-Todzeit und / oder der HiPIMS-Duty-Cycle während der Abscheidung des Schichtsystems nach einem vorgebbaren Schema verändert werden. Eine solche Manipulation der Parameter der DCMS-Pulssequenzen kann ebenfalls vorteilhaft verwendet werden, um die Schichteigenschaften eines erfindungsgemässen Schichtsystems zu optimieren bzw. Teilschichten mit variierenden Schichteigenschaften wie Haftfestigkeit, Härte, Eigenspannungen, thermischer Beständigkeit, Elastizitätsmodul und weiteren variierenden bzw. unterschiedlichen Eigenschaften zu erzeugen. Auch können dadurch eventuell die später noch erwähnten erfindungsgemässen Gradientenschichten erzeugt werden.
In der Praxis ist der HiPIMS-Entladungspuls hoher Leistungsdichte und / oder DCMS-Entladungspuls niedriger Leistungsdichte ein rechteckförmiger und / oder ein dreieckförmiger und / oder ein nadelförmiger Entladungspuls, im Speziellen ein bipolarer Entladungspuls bzw. eine bipolare Sequenz von Entladungspulsen, wie sie an sich bekannt sind und z.B. in den Fig. 3a bis 3f. schematisch dargestellt sind.
Wie bereits angedeutet, kann bei einem erfindungsgemässen Beschichtungsverfahren die HiPIMS-Schicht im HiPIMS-Mode und / oder die DCMS-Schicht im DCMS-Mode jeweils mittels eines reaktiven und / oder eines nicht-reaktiven Sputterverfahrens abgeschieden werden, wobei die HiPIMS- Schicht im HiPIMS-Mode unter Verwendung eines HP-Prozessgases und die DCMS-Schicht im DCMS-Mode unter Verwendung eines vom HP-Prozessgas verschiedenen DC-Prozessgases abgeschieden wird, und / oder wobei als HP- Prozessgas und / oder als DC-Prozessgas bevorzugt eine Mischung aus einer Mehrzahl verschiedener Reaktivgase verwendet wird.
Dabei kann bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen reaktiven Sputterverfahrens während der Abscheidung der HiPIMS-Schicht im HiPIMS-Mode eine Zusammensetzung des HP- Prozessgases und / oder während der Abscheidung der DCMS-Schicht im DCMS-Mode eine Zusammensetzung des DC-Prozessgases nach einem vorgebbaren Schema variiert werden, z.B., aber nicht nur um eine bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung eine Gradientenschicht zu bilden oder um die Schichteigenschaften zu optimieren bzw. Teilschichten mit variierenden Schichteigenschaften wie Haftfestigkeit, Härte, Eigenspannungen, thermischer Beständigkeit, Elastizitätsmodul und weiteren variierenden bzw. unterschiedlichen Eigenschaften zu erzeugen.
Aus den gleichen oder anderen Gründen, die von den gewünschten Eigenschaften des zu erzeugenden Schichtsystems abhängen, kann während der Abscheidung der HiPIMS-Schicht im HiPIMS-Mode ein Partialdruck des HP- Prozessgases und / oder während der Abscheidung der DCMS-Schicht im DCMS-Mode ein Partialdruck des DC-Prozessgases variiert werden.
Ebenso aus den gleichen oder anderen Gründen, die von den gewünschten Eigenschaften des zu erzeugenden Schichtsystems abhängen, kann während der Abscheidung der HiPIMS-Schicht im HiPIMS-Mode eine HP-Bias-Spannung des Substrats verschieden von einer DC-Bias-Spannung während der Abscheidung der DCMS-Schicht im DCMS-Mode gewählt werden und / oder während der Abscheidung der HiPIMS-Schichtim HiPIMS-Mode kann die HP- Bias-Spannung variiert werden und / oder während der Abscheidung der DCMS-Schicht im DCMS-Mode kann auch die DC-Bias-Spannung des Substrats vorteilhaft variiert werden.
Besonders vorteilhaft kann wie oben bereits beschrieben eine Magnetfeldstärke der Magnetfeldquelle während des gepulsten und / oder ungepulsten DCMS- Sputterverfahrens verschieden von einer Magnetfeldstärke der Magnetfeldquelle während des HiPIMS-Sputterverfahrens gewählt werden.
Dies kann z.B. mittels einer mechanischen Verstellvorrichtung, die z.B. mittels eines Schrittmotors oder anderer mechanischen Verstelleinheiten, die dem Fachmann an sich bekannt sind, erfolgen, die eine Position und / oder Ausrichtung der Magnetfeldquelle in Bezug auf das Magnetron bzw. in Bezug auf das Primär-Target verändern bzw. einstellen können, so dass so die Magnetfeldstärke am Ort bzw. in der Umgebung des Magnetrons bzw. des Primär-Targets auf einen vorgegeben Wert variabel eingestellt werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass alternativ oder zusätzlich zur zuvor beschriebenen mechanischen Verstellvorrichtung, die Magnetfeldstärke über eine elektromagnetische Spule, die in der Umgebung des Magnetrons und / oder des Primär-Targets vorgesehen werden kann, in an sich bekannter Weise durch Variation eines Stromes durch die elektromagnetische Spule verändert bzw. eingestellt wird, so dass so die Magnetfeldstärke am Ort bzw. in der Umgebung des Magnetrons bzw. des Primär-Targets auf einen vorgegeben Wert variabel eingestellt werden kann.
Grundsätzlich können neben den zuvor erwähnten Möglichkeiten auch andere, dem Fachmann bekannte Massnahmen ergriffen werden, um die Magnetfeldstärke am Ort des Magnetrons bzw. am Ort des Primär-Targets während eines Beschichtungsschrittes zu ändern. Zum Beispiel um eine Gradientenschicht herzustellen und / oder um die Magnetfeldstärke am Magnetron und / oder am Primär-Target jeweils für die Durchführung des HiPIMS-Sputterverfahrens und / oder des DCMS-Sputterverfahrens jeweils optimal einzustellen.
Und selbstverständlich ist es auch möglich, dass auch bei einem weiteren Magnetron der Beschichtungskammer, sofern vorhanden, ebenfalls die Stärke eines Magnetfeldes am weiteren Magnetron wie zuvor beschrieben eingestellt werden kann.
Wie ebenfalls bereits mehrfach erwähnt, kann in speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die HiPIMS-Schicht und / oder die DCMS-Schicht wie beschrieben als Gradientenschicht abgeschieden werden, was je nach Anwendung besonders vorteilhaft sein kann, wie der Fachmann an sich weiss.
Dabei kann die Gradientenschicht unter anderem durch Variation der chemischen Zusammensetzung des HP-Prozessgases und / oder durch Variation der chemischen Zusammensetzung des DC-Prozessgases oder mit weiteren an sich bekannten Massnahmen gebildet werden. Da neben den beschrieben Abfolgen von erfindungsgemäss direkt aufeinander abgeschiedenen HiPIMS- und DCMS-Schichten in bezüglich Schichtstruktur und Schichtaufbau komplexen erfindungsgemässen Schichtsystemen auch andere Typen von Teilschichten vorgesehen werden können, können in einer Prozesskammer zur Durchführung der Erfindung auch eine Mehrzahl von gleichen oder verschiedenen Magnetronen mit Primär-Target, insbesondere umfassend unterschiedliche Beschichtungsmaterialien bereitgestellt werden, und / oder in der Prozesskammer kann mindestens ein weiteres Magnetron mit einem Target mit einem weiteren Beschichtungsmaterial vorgesehen werden.
Eine Prozesszeit zur Erzeugung der HiPIMS-Schicht und / oder der in einem ungepulsten und / oder gepulsten DCMS-Sputterverfahren hergestellten DCMS- Schicht liegt zum Beispiel im Bereich von 0.5s bis 10000s, bevorzugt 1s bis 5000s, insbesondere von ca. 5s bis 2500s liegt, wobei ein Verhältnis der Anteile der Summe der Schichtdicken der HiPIMS-Schichten geteilt durch die Summe der Schichtdicken der in einem ungepulsten und / oder gepulsten DCMS- Sputterverfahren hergestellten DCMS-Schichten innerhalb der Gesamtschicht z. Beispiel in einem Bereich von 0.02 bis 50, bevorzugt in einem Bereich von 0.05 bis 25, insbesondere in einem Bereich von 0.1 bis 9 liegt.
Dabei kann eine Dicke der in einer Schichtdicke variierbaren Einzelschicht in einem Schichtsystem aus den HiPIMS-Schichten und den in einem ungepulsten und / oder gepulsten DCMS-Sputterverfahren hergestellten DCMS-Schichten in einem Bereich von 1 nm bis 5000nm, bevorzugt in einem Bereich von 2nm bis 500nm, insbesondere in einem Bereich von 5nm bis 250nm liegen.
Im folgenden sollen noch zwei spezielle Ausführungsbeispiele von Schichtsystemen beschrieben werden, wobei ein Schichtsystem mittels eines erfindungsgemässen nicht-reaktiven Sputterverfahrens und ein weiteres Schichtsystem mittels eines erfindungsgemässen reaktiven Sputterverfahrens abgeschieden wurde. Bei diesen beiden speziellen Ausführungsbeispielen wurden erfindungsgemässe Schichtsysteme aus TiB bzw. AITiN unter Verwendung eines rechteckförmigen Primär-Target mit einer Länge von ca.
70cm und einer Breite von ca. 7.5cm hergestellt.
Ausführungsbeispiel 1 (nichtreaktiver Prozess)
Ein nicht-reaktives erfindungsgemässes Beschichtungsverfahren wurde exemplarisch zur Abscheidung von TiB2-Hartstoffschichten verwendet, das im Folgenden stellvertretend für alle anderen nicht-reaktiven Beschichtungsverfahren unter anderem für Metalle und deren Legierungen, Silizium und andere beispielhaft erläutert wird.
Es wurde bei allen durchgeführten erfindungsgemässen Beschichtungsverfahren eine Targetleistung von ca. 4,5kWfür das auf dem Magnetron montierte gebondete TiB2-Target gewählt. Der Fluss des als Sputtergas eingesetzten Argons betrug 120sccm. Eine negative Vorspannung von 125V wurde an den Substrathalter angelegt. Die Beschichtungszeit betrug 2h. Im erfindungsgemäßen Verfahren wurde innerhalb der 2h eine modulierte Schicht bestehend aus einer HiPIMS-Einzellage der Abscheidezeit von 4 min plus einer gepulsten DCMS-Einzellage der Abscheidezeit von 2 min abgeschieden. Es ergab sich ein alternierender Schichtaufbau, wie er ganz allgemein und exemplarisch in Fig. 2c gezeigt ist, wobei je nach Proessführung natürlich entweder die HiPIMS-Schicht oder die DCMS-Schicht direkt auf das Substrat aufgetragen wurde. Die wichtigsten Abscheideparameter und die Resultate sind nachfolgend in Tabelle 1 zusammengefasst.
Der gepulste DCMS-Prozess, der nicht zu den HiPIMS-Entladungen gehört, ist durch typische Werte für diesen Prozess charakterisiert. Die maximale Stromdichte von 0,017 mA/cm2 am Target, die während des gesamten Pulses konstant ist, entspricht einer Leistung von 8,5 W/cm2 Der HiPIMS-Prozess ist durch typische Werte der Peakwerte charakterisiert. Die maximale Stromdichte von 0,48 A/cm2 ist 30 mal größer als im gepulsten DCMS-Prozess, die Peakleistungsdichte ist ca. 350W/cm2. Die absolute Peakleistung beträgt 189kW. Die sich aus der Schichtrate von 0,67 m/h ergebende Lagensequenz von gepulster DCMS und HiPIMS ergibt eine Dicke der Doppellage von ca. 66nm.
Die Aufteilung innerhalb der Doppellage ergibt sich aus den Beschichtungsraten im reinen HiPIMS-Prozess und im reinen gepulsten DCMS-Prozess. Eine HiPIMS-Einzellage hat ca. 36nm und eine gepulste DCMS-Einzellage ca. 30nm.
Tabelle 1 : Prozessparameter zur Abscheidung eines TiB2 Schichtsystems.
Die Beschichtungsraten wurden mit einer dem Fachmann wohl bekannten Methode mittels Kalottenschliff bestimmt. Die Härte wurde mit einer Last von 30mN mittels eines Berkovich-Diamanten gemessen und die Eigenspannungen mittels Biegemethode in an sich bekannter Weise ermittelt.
Das erfindungsgemässe Verfahren zeigt eine signifikante Erhöhung der Beschichtungsrate gegenüber dem reinen HiPIMS-Verfahren in Richtung der Rate des gepulsten DCMS-Verfahrens. Eine Erniedrigung des Eigenspannungszustandes gegenüber dem HiPIMS-Prozess konnte zusätzlich erzielt werden, ohne einen signifikanten Härteverlust.
Ausführungsbeispiel 2 (reaktiver Prozess)
Ein reaktiver Beschichtungsprozess zur Abscheidung von AITiN- Hartstoffschichten wurde realisiert, der stellvertretend für alle anderen möglichen reaktiven Prozesse mit unterschiedlichen Reaktivgasen steht. Es wurde bei allen Beschichtungen eine Targetleistung von 10kW für die Targets der Zusammensetzung 55 at%AI und 45at% gewählt. Der Fluss des als Sputtergas eingesetzten Argons betrug 120sccm. Eine gestufte Vorspannung von 40V, 80V, 120V wurde zu je einem Drittel der Gesamtbeschichtungszeit an den Substrathalter angelegt. Die Beschichtungszeit betrug für den HiPIMS-
Prozess und den DCMS-Prozess 2h. Im erfindungsgemäßen Verfahren wurde eine modulierte Schicht bestehend aus einer HiPIMS-Einzellage der
Abscheidezeit von 4 min plus einer gepulsten DCMS-Einzellage der
Abscheidezeit von 2 m in mit 13 Lagen abgeschieden. Die wichtigsten
Abscheideparameter und die Resultate sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2: Prozessparameter zur Abscheidung eines AITiN Schichtsystems.
Die Beschichtungsraten wurden wie beim Ausführungsbeispiel 1 mit einer dem Fachmann wohl bekannten Methode mittels Kalottenschliff bestimmt. Die Härte wurde mit einer Last von 30mN mittels eines Berkovich-Diamanten gemessen und die Eigenspannungen mittels Biegemethode in an sich bekannter Weise ermittelt.
Der gepulste DCMS-Prozess, der nicht zu den HiPIMS-Entladungen gehört, ist durch typische Werte für diesen Prozess charakterisiert. Die maximale Stromdichte von 0,034 mA/cm2, die während des gesamten Pulses konstant ist (Leistung 10kW), entspricht einer Leistungsdichte von 19W/cm2. Der HiPIMS- Prozess ist durch typische Peakwerte im Puls charakterisiert. Die maximale Stromdichte von 1 ,43A/cm2 ist 42 mal größer als im gepulsten DCMS-Prozess, die Peakleistungsdichte ist ca. 1180W/cm2. Die absolute Peakleistung beträgt 618kW. Die Einzelschichtdicken innerhalb einer Doppellage HiPIMS-DCMS betrugen 135nm für die HiPIMS-Einzellage und 145nm für die DCMS-Einzellage. Dadurch konnte gezeigt werden, dass durch den niedrigeren Stickstofffluss im erfindungsgemäßen Verfahren von 45sccm gegenüber der reinen HiPIMS- Schicht, die mit 60 sccm abgeschieden wird, eine dickere Schicht abgeschieden werden konnte. Rechnerisch ergeben sich 85nm für die reine HiPIMS-Schicht. In einem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen wurden 135nm erzielt. Dies ist durch den reduzierten Stickstofffluss bedingt. Das Sputtern erfolgt dann hier mehr im metallischen Mode. Es bilden sich unterstöchiometrische Schichten. Diese sind in einer helleren Farbe als Ringe gegenüber den stöchiometrischen DCMS-Einzellagen in den Aufnahmen von Schnitten der Probe erkennbar. Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt eine signifikante Erhöhung der Beschichtungsrate gegenüber dem reinen HiPIMS-Verfahren in Richtung der Rate des gepulsten DCMS-Verfahrens. Eine Erniedrigung des Eigenspannungszustandes gegenüber dem HiPIMS-Prozess konnte erzielt werden. Die höhere Rate ist im Wesentlichen durch die Modulierung von HiPIMS-Einzellagen mit DCMS-Einzellagen sowie den geänderten Reaktivgasfluss im HiPIMS-Prozess bedingt.
Die beiden gezeigten Ausführungsbeispiele nicht-reaktiver Prozess und reaktiver Prozess können natürlich auch kombinatorisch verbunden werden. Ein Beispiel wäre das System Cr/CrN. Die Cr Schichten könnten nicht reaktiv mit HiPIMS abgeschieden werden, um eine besonders hohe Dichte für eine Korrosionsschutzwirkung zu erlangen, wohingegen das harte CrN mittels des DCMS abgeschieden wird, um einen Verschleissschutz zu ermöglichen, oder auch umgekehrt, je nach gewünschtem Eigenschaftsprofil.
Vorteilhaft ist es bei verschiedenen Schichten zumindest zeitweise Reaktivgase während der Beschichtung zu variieren. Beispielsweise können so Schichtarchitekturen realisiert werden, die einen Gradienten mit mindestens einem Element des Reaktivgases oder Gemisches enthalten, so dass beispielsweise beginnend mirt CrN durch Zuführung von O2 zunächst CrNO und als Topschicht CrO entsteht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der schematischen Zeichnung und weiteren sehr speziellen Ausführungsbeispielen noch näher im Detail erläutert.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine an sich bekannte Beschichtungsvorrichtung mit Prozesskammer, DC-Stromversorgung und Gasversorgung;
Fig. 2a eine Sequenz von HiPIMS-Entladungspulsen zur Abscheidung der HiPIMS-Schicht gemäss Fig. 2c;
Fig. 2b eine Sequenz von DCMS-Entladungspulsen zur Abscheidung der DCMS-Schicht gemäss Fig. 2c;
Fig. 2c ein einfaches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Schichtsystems hergestellt mit den Pulssequenzen gemäss Fig. 2a und Fig. 2b;
Fig. 3a schematisch ein rechteckförmiger HiPIMS- oder DCMS- Entladungspuls;
Fig. 3b schematisch ein dreieckförmiger HiPIMS- oder DCMS-Entladungspuls;
Fig. 3c schematisch ein nadelförmiger HiPIMS- oder DCMS-Entladungspuls;
Fig. 3d schematisch ein rechteckförmiger HiPIMS- oder DCMS- Entladungspuls gemäss Fig. 3a mit Präparationspuls;
Fig. 3e schematisch ein dreieckförmiger HiPIMS- oder DCMS-Entladungspuls gemäss Fig. 3b mit positivem Rechteckpuls;
Fig. 3f schematisch eine bipolare Pulsfolge mit nadelförmigen Entladungspulsen; Fig. 4 Abscheiderate als Funktion der Magnetfeldstärke und der Pulsfrequenz.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im Folgenden anhand der Fig. 1 zunächst eine an sich bekannte Beschichtungsvorrichtung B mit einer Prozesskammer 3, einer ersten Stromversorgungseinheit 7 umfassend eine DC-Stromversorgung 71 und eine Pulseinheit 72, sowie einer zweiten Stromversorgungseinheit 8, im speziellen Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 umfassend eine DC-Stromversorgung 81 und eine Pulseinheit 82, schematisch beschrieben. Dabei muss zumindest die erste Stromversorgungseinheit 7 derart ausgestaltet und betreibbar sein, dass mittels des Magnetrons 4, wie weiter unten noch näher erläutert werden wird, das erfindungsgemässe Verfahren durchführbar ist. Die zweite Stromversorgungseinheit 8 kann dabei entweder identisch zur ersten Stromversorgungseinheit 7 ausgeführt sein, oder aber auch verschieden von der Stromversorgungseinheit 7 sein, je nach dem, welche konkreten Sputterverfahren mit dem Magnetron 400 durchgeführt werden sollen.
An dieser Stelle soll ausdrücklich erwähnt werden, dass zur Durchführung eines erfindungsgemässen Beschichtungsverfahrens gemäss Anspruch 1 , beispielweise zur Bildung eines erfindungsgemässen Schichtsystems S gemäss Fig. 2c mittels Pulssequenzen gemäss Fig. 2a und 2b, das zweite Magnetron 400 mit zweiter Stromversorgungseinheit nicht benötigt wird und daher auch fehlen kann, oder mit den gleichen Parametern wie das erste Magnetron betrieben wird.
Im vorliegenden speziellen Beispiel einer Beschichtungsvorrichtung B ist die erste Stromversorgungseinheit 7 mit dem Magnetron 4, umfassend eine Magnetfeldquelle 41 sowie ein Primär-Target 42 mit einem Beschichtungsmaterial 43, elektrisch verbunden.
Dabei ist im vorliegenden speziellen Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Magnetfeldquelle 41 derart ausgestaltet, dass eine Magnetfeldstärke MFS der Magnetfeldquelle 41 während des gepulsten und / oder ungepulsten DCMS- Sputterverfahrens verschieden von einer Magnetfeldstärke MFS der Magnetfeldquelle 41 während des HiPIMS-Sputterverfahrens gewählt werden kann.
Dies kann z.B. mittels einer mechanischen Verstellvorrichtung, die z.B. mittels eines Schrittmotors oder anderer mechanischen Verstelleinheiten, die dem Fachmann an sich bekannt sind, erfolgen, beispielweise indem eine Position und / oder Ausrichtung der Magnetfeldquelle 41 in Bezug auf das Magnetron 4 bzw. in Bezug auf das Primär-Target 42 verändert bzw. bzw. eingestellt werden kann, so dass so die Magnetfeldstärke MFS am Ort bzw. in der Umgebung des Magnetrons 4 bzw. des Primär-Targets 42 auf einen vorgegeben Wert variabel eingestellt werden kann. Typische Magnetfeldstärken MFS liegen z.B. im Bereich von ca. 50Gauss bis ca. WOOGaus. Dabei werden in der Praxis für den HiPIMS-Prozess vorteilhaft Magnetfeldstärken MFS im Bereich von ca. 50Gauss bis 600Gauss gewählt, während typische Magnetfeldstärken MFS beim DCMS-Prozess häufig im Bereich von ca. 300Gauss bis WOOGauss liegen.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass alternativ oder zusätzlich zur zuvor beschriebenen mechanischen Verstellvorrichtung, die Magnetfeldstärke MFS über eine elektromagnetische Spule, die in der Umgebung des Magnetrons 4 und / oder des Primär-Targets 42 vorgesehen werden kann, in an sich bekannter Weise durch Variation eines Stromes durch die elektromagnetische Spule verändert bzw. eingestellt werden kann, so dass so die Magnetfeldstärke MFS am Ort bzw. in der Umgebung des Magnetrons 4 bzw. des Primär-Targets 42 auf einen vorgegeben Wert variabel eingestellt werden kann.
Grundsätzlich können neben den zuvor erwähnten Möglichkeiten auch andere, dem Fachmann bekannte Massnahmen ergriffen werden, um die Magnetfeldstärke MFS am Ort des Magnetrons 4 bzw. am Ort des Primär- Targets 42 während eines Beschichtungsschrittes zu ändern. Zum Beispiel um eine Gradientenschicht herzustellen und / oder um die Magnetfeldstärke MFS am Magnetron 4 und / oder am Primär-Target 42 jeweils für die Durchführung des HiPIMS-Sputterverfahrens und / oder des DCMS-Sputterverfahrens jeweils optimal einzustellen.
Und selbstverständlich ist es auch möglich, dass auch bei einem weiteren Magnetron 400, sofern vorhanden, ebenfalls die Stärke eines Magnetfeldes am weiteren Magnetron 400 wie zuvor beschrieben eingestellt werden kann.
Zur Abscheidung einer HiPIMS-Schicht HS kann die erste Stromversorgungseinheit 7 im Betriebszustand am Magnetron 4 zur Durchführung eines HiPIMS-Sputter Verfahrens in einem HiPIMS-Mode eine Sequenz bestehend aus einer Mehrzahl von HiPIMS-Entladungspulsen 5 hoher Leistungsdichte mit Pulsdauer TI zur Verfügung stellen.
Zur Abscheidung einer DCMS-Schicht DS auf dem Substrat 1 kann die erste Stromversorgungseinheit 7 alternativ aber auch in einem anderen Betriebszustand zur Durchführung eines gepulsten und / oder ungepulsten DCMS-Sputterverfahrens in einem DCMS-Mode betrieben werden. Wobei dann die erste Stromversorgungseinheit 7 derart betrieben wird, dass das Magnetron 4 mit einem ein oder einer Mehrzahl von DCMS-Entladungspulsen 6 niedriger Leistungsdichte mit Pulsdauer T2 zur Bildung der DCMS-Schicht betrieben wird. Ebenfalls kann ein ungepulster DCMS gewählt werden.
Die zweite Stromversorgungseinheit 8 ist mit dem Magnetron 400 umfassend eine Magnetfeldquelle 401 , sowie ein Primär-Target 402 mit einem Beschichtungsmaterial 403, elektrisch verbunden. Die zweite Stromversorgungseinheit 8 kann im Betriebszustand das zweite Magnetron 400 zur Durchführung eines Sputterverfahrens in einer dem Fachmann wohl bekannten Weise entsprechend mit elektrischer Energie versorgen.
Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass das zweite Magnetron 400 mittels der zweiten Stromversorgungseinheit 8 wie oben beschrieben so, wie das erste Magnetron 4 betrieben wird. Es ist aber auch möglich, das Magnetron 400 gemäss einem beliebigen anderen, an sich bekannten Sputterverfahren, mit oder ohne Unterstützung einer Magnetfeldquelle 401 , zu betreiben.
Die Beschichtungsvorrichtung B ist in Fig. 1 in einem HiPIMS Mode dargestellt, da nur die erste Stromversorgungseinheit 7 in Betrieb ist und am Magnetron 4 bzw. am Primär-Target 42 ausschliesslich eine Sequenz von HiPIMS- Entladungspulsen 5 zur Verfügung stellt, während die Stromversorgungseinheit 8 nicht in Betrieb ist.
Die zu beschichtenden Substrate 1 sind hier vorteilhaft, aber in bestimmten speziellen Fällen nicht unbedingt notwendig, in einer dem Fachmann an sich bekannter Weise an einem rotierenden Substrathalter 9 vorgesehen, sodass eine gleichmässige Beschichtung der Substrate 1 gewährleistet werden kann.
Der rotierende Substrathalter 9 ist hier vorteilhaft, aber ebenfalls grundsätzlich nicht notwendig, mit einer elektrischen Bias-Spannungsversorgung 10 verbunden, so dass der rotierende Substrathalter 9 auf eine vorgebbare Bias- Spannung elektrisch vorgespannt werden kann.
Ausserdem können der Prozesskammer in bekannter Weise gleiche oder verschiedene Sputtergase 2, 21 , 22 bzw. vorgebbare Gemische davon zugeführt werden. Dabei wird das Sputtergas 21 im HiPIMS-Sputterverfahren verwendet, während das Sputtergas 22 zur Durchführung des DCMS- Sputterverfahrens verwendet wird.
Da die Beschichtungsvorrichtung B der Fig. 1 aktuell in einem HiPIMS-Mode betrieben wird, ist die Prozesskammer 3 mit dem Sputtergas 21 geflutet.
Beispiele für häufig verwendete Sputtergase sind unter anderem Edelgase wie Argon oder Krypton oder andere an sich bekannte Sputtergase.
Falls das Schichtsystem S mittels eines reaktiven Sputterverfahrens auf dem Substrat 1 abgeschieden werden soll, was im speziellen Beispiel der Fig. 1 der Fall ist, können der Prozesskammer optional in bekannter Weise zusätzlich gleiche oder verschiedene Prozessgase HPG, DCG bzw. vorgebbare Gemische davon zugeführt werden. Dabei wird das Prozessgas HPG im HiPIMS- Sputterverfahren verwendet, während das Prozessgas DCG zur Durchführung des DCMS-Sputterverfahrens verwendet wird.
Da die Beschichtungsvorrichtung B der Fig. 1 aktuell in einem HiPIMS-Mode betrieben wird, ist die Prozesskammer 3 mit dem Prozessgas HPG geflutet.
Beispiele für häufig verwendete Prozessgase sind unter anderem Reaktivgase wie C2H2, Ar, N2, O2 oder andere dem Fachmann an sich bekannte Reaktivgase.
Grundsätzlich können das Magnetron 4 und das zweite Magnetron 400 gleiche oder verschiedene Beschichtungsmaterialien 43, 403 umfassen. Ausserdem verfügt die Beschichtungsvorrichtung B gemäss Fig. 1 ein Hochvakuum- Pumpsystem, das aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt ist. Besonders vorteilhaft aber nicht notwendig können zusätzlich noch eine hier ebenfalls nicht dargestellte, an sich bekannte Strahlungsheizung zur Erwärmung der zu beschichtenden Substrate, sowie ein ebenfalls an sich bekanntes AEGD-Modul (Arc Enhanced Glow Discharge) zur lonenreinigung der Substrate vorgesehen sein.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2c eines sehr einfachen erfindungsgemässen Schichtsystems S wurde mittels einer Beschichtungsvorrichtung B gemäss Fig. 1 in einem ersten Verfahrensschritt in einem HiPIMS-Sputterverfahren mittels des Primär-Targets 42 durch Abscheidung der HiPIMS-Schicht HS aus Beschichtungsmaterial 43 direkt auf das Substrat 1 unter Verwendung einer Sequenz bestehend aus einer Mehrzahl von HiPIMS-Entladungspulsen 5 hoher Leistungsdichte mit Pulsdauer TI gemäss Fig. 2a abgeschieden. In einem zweiten Verfahrensschritt wurde dann mit ein und demselben Primär-Target 42 die DCMS-Schicht DS aus demselben Beschichtungsmaterial 43 in einem gepulsten DCMS S putterverfahrens in einem DCMS-Mode mittels einer Sequenz einer Mehrzahl von DCMS- Entladungspulsen 6 niedriger Leistungsdichte mit Pulsdauer T2 gemäss Fig. 2b auf der HiPIMS-Schicht abgeschieden.
Die HiPIMS-Entladungspulse 5 der Sequenz gemäss Fig. 2a sind rechteckförmige HiPIMS Entladungspulse 5 mit einer Pulsdauer TI von jeweils 5ms, also der DCMS-Duty-Cycle DUD der einzelnen DCMS-Entladungspulse 6 betrug 5ms, und die HiPIMS-Entladungspulse 5 wurden in einem Abstand von 150ms, also im Abstand einer HiPIMS-Todzeit Ti von 150ms am Primärtarget 42 angelegt. Somit beträgt der HiPIMS-Duty-Cycle DUH der Sequenz aus HiPIMS-Entladungspuls 5 und HiPIMS-Todzeit Ti ca. 3.2%. So wurde die HiPMS-Schicht HS der Fig. 2c mit einer Vielzahl von Atomlagen innerhalb von 60s abgeschieden, was natürlich der Gesamtdauer der Sequenz von HiPIMS- Entladungspulsen 5 hoher Leistungsdichte mit Pulsdauer TI gemäss Fig. 2a entspricht. Eine Teilsequenz bestehend aus einem HiPIMS-Duty-Cycle DUH eines einzelnen HiPIMS-Entladungspulses 5 und einer HiPIMS-Todzeit Ti betrug also insgesamt 155ms, so dass in der Gesamtbeschichtungszeit von 60s knapp 400 einzelne HiPIMS-Entladungspulse 5 verwendet wurden, was einer Pulsfrequenz von ca. 6Hz entspricht, so dass der gesamte Duty-Cycle der Gesamtbeschichtungsdauer von rund 60s ebenfalls ca. 3.2% ausmacht, da die Pulsdauer TI der HiPIMS-Entladungspulse 5 und auch die HiPIMS Todzeit Ti während des gesamten Beschichtungsvorgangs nicht geändert wurde, was natürlich prinzipiell möglich wäre und in speziellen erfindungsgemässen Verfahren auch praktiziert wird. Das heisst, zur Bildung der gesamten HiPIMS Schicht HS der Fig. 3c waren die HiPIMS-Entladungspulse 5 lediglich ca. 3.2% der Gesamtbeschichtungsdauer der HiPIMS-Schicht HS eingeschaltet.
Als Primär-Target 42 wurde ein kreisförmiges Primär-Target 42 mit einer eher kleinen Fläche von ca. 30cm2 Fläche verwendet. Die angelegte rechteckförmige Sputterspannung der HiPIMS-Entladungspulse 5 betrug ca. 600V und auch der Strom von ca. 30A der Einzelpulse war rechteckförmig, so dass eine Pulsleistung von 18KW bei jedem HiPIMS-Entladungspuls 5 erreicht wurde, was auf dem Primär-Target 42 einer Pulsleistung von 600W/cm2 entspricht, wie man leicht nachrechnen kann.
Auf die HiPIMS Schicht HS wurde dann, wie ebenfalls bereits erwähnt, die DCMS-Schicht DS in einem DCMS-Sputterverfahren in einem DCMS-Mode mittels einer Sequenz bestehend aus einer Mehrzahl von DCMS- Entladungspulsen 6 niedriger Leistungsdichte mit Pulsdauer T2 gemäss Fig. 2b aus dem Beschichtungsmaterial 43 direkt auf die HiPIMS-Schicht HS abgeschieden.
Die DCMS-Entladungspulse 6 niedriger Leistungsdichte der Sequenz von Entladungspulsen 6 gemäss Fig. 2b sind rechteckförmige DCMS- Entladungspulse 6 mit einer Pulsdauer T2 von jeweils 10Ops, also der DCMS- Duty-Cycle DUD der einzelnen DCMS-Entladungspulse 6 betrug 100ps und die DCMS-Entladungspulse 6 wurden in einem Abstand von 10ps, also im Abstand einer DCMS-Todzeit T2 von 10ps am Primärtarget 42 angelegt. Somit beträgt der DCMS-Duty-Cycle DUD der Sequenz aus DCMS-Entladungspuls 5 und DCMS-Todzeit Ti ca. 90%. So wurde die DCMS-Schicht DS der Fig. 2c ebenfalls innerhalb von 60s abgeschieden, wie der Fig. 2b zu entnehmen ist, was natürlich der Gesamtdauer der Sequenz von DCMS-Entladungspulsen 6 niedriger Leistungsdichte mit Pulsdauer T2 gemäss Fig. 2b entspricht. Eine Teilsequenz bestehend aus einem Duty-Cycle und einer DCMS-Todzeit T2 betrug also insgesamt 110ps, so dass in der Gesamtbeschichtungszeit von 60s rund 550.000 einzelne DCMS-Entladungspulse 6 verwendet wurden, was einer Pulsfrequenz von ca. 9kHz entspricht, so dass der gesamte Duty-Cycle der Gesamtbeschichtungsdauer von rund 60s ebenfalls ca. 90% ausmacht, da die Pulsdauer T2 der DCMS-Entladungspulse 6 und auch die DCMS-Todzeit T2 während des gesamten Beschichtungsvorgangs nicht geändert wurde, was natürlich prinzipiell möglich wäre und in speziellen erfindungsgemässen Verfahren auch praktiziert wird. Das heisst, zur Bildung der gesamten DCMS- Schicht DS der Fig. 2c waren die DCMS-Entladungspulse 6 ca. 90% der Gesamtbeschichtungsdauer der DCMS-Schicht DS eingeschaltet.
Als Primär-Target 42 wurde wie bereits erwähnt ein kreisförmiges Primär-Target 42 mit einer eher kleinen Fläche von ca. 30cm2 Fläche verwendet. Die angelegte rechteckförmige Sputterspannung der DCMS-Entladungspulse 6 betrug ca. 500V und auch der Strom von ca. 1.3A der Einzelpulse war ebenfalls rechteckförmig, so dass eine Pulsleistung von rund 600W bei jedem DCMS- Entladungspuls 6 erreicht wurde, was auf dem Primär-Target 42 einer Pulsleistung von 20W/cm2 entspricht, wie man leicht nachrechnen kann.
Zu bemerken ist, dass wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, gemäss der vorliegenden Erfindung bevorzugt, aber natürlich nicht unbedingt notwendig, beim Umschalten zwischen den HiPIMS-Entladungspulsen 5 und den DCMS- Entladungspulsen 6 jeweils ein und dieselbe Stromversorgungseinheit 7 verwendet werden kann, anders als das im Stand der Technik der Fall ist, wo jeweils für den HiPIMS-Prozess und den DCMS-Prozess verschiedene Stromversorgungseinheiten verwendet werden müssen, was z.B. bei V.O. Oskirko et al. In Vacuum 181 (2020) 109670 nachgelesen werden kann. Bei Durchführung eines erfindungsgemässen Verfahrens kann dies z.B. dadurch geschehen, dass die Stromversorgungseinheit 7 eine an sich bekannte Kondensatorbank zur Erzeugung der HiPIMS-Entladungspulse 5 hoher Leistungsdichte umfasst, die dann beim Umschalten in den DCMS-Mode einfach umgangen wird, indem durch Umschalten eine direkte Verbindung der DC-Stromversorgung mit dem Magnetron hergestellt wird. Dadurch können mit dem erfindungsgemässen Verfahren nicht nur Schichtsystem S mit besseren Eigenschaften als aus dem Stand der Technik bekannt hergestellt werden, sondern auch der apparative Aufbau zur Durchführung eines erfindungsgemässen Verfahrens kann deutlich vereinfacht werden.
Es versteht sich von selbst, dass das Primärtarget 42 nicht unbedingt kreisförmig sein muss, sondern grundsätzlich jede geeignete Geometrie haben kann. So wurden erfindungsgemässe Schichtsysteme S, unter anderem auch solche gemäss Fig. 2c, z.B. mit rechteckförmigen Primär-Targets 42 hergestellt.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Beschichtungsverfahrens waren die am rechteckigen Primär-Target 42 angelegten HiPIMS-Entladungspulse 5 und / oder die DCMS-Entladungspulse 6 dreieckförmige oder nadelförmige Entladungspulse 5, 6 mit Pulsdauern im Bereich von wenigen ps bis zu mehreren 100ms oder gar bis in den Sekundenbereich, beispielsweise wenn die DCMS-Schicht DS in einem ungepulsten DCMS-Mode abgeschieden werden soll. Die konkret zu wählende Pulsdauer ist, wie der Fachmann weiss, durch den Typ des Entladungspulses (HiPIMS- oder DCMS-Entladungspuls) bestimmt, und ist abhängig vom Beschichtungsmaterial 43, gewünschten Schichteigenschaften, wie Härte, E- Modul. Streckgrenze, Haftfestigkeit, thermische Stabilität der zu erzeugenden Schichten usw.. Typische Werte für HiPIMS Entladungspulse 5 sind: Pulsdauer des HiPIMS-Entladungspulses 5 z.B. 80ps, Todzeit Ti zwischen zwei HiPIMS- Entladungspulsen 5 z.B. 1500ps, Pulsfrequenz 63 Hz, Duty-Cycle ca. 5%. Typische Werte für DCMS Entladungspulse 6 sind: Pulsdauer des DCMS- Entladungspulses 6 z.B. 1500ps, Todzeit T2 zwischen zwei DCMS- Entladungspulsen 6 z.B. 80ps, Pulsfrequenz z.B. 630 Hz, Duty-Cycle ca. 95%.
Der Fachmann versteht ohne weiteres, dass die schematisch dargestellte Beschichtung gemäss Fig. 2c auch mit einer anderen Beschichtungsvorrichtung B, z.B. einer weniger aufwändig ausgestatteten Beschichtungsvorrichtung B ohne zweites Magnetron 400, im speziellen ohne zweite Stromversorgungseinheit 8 und eventuell sogar auch ohne Bias- Stromversorgung 10, und im Falle eines nicht-reaktiven Sputterverfahrens auch ohne Verwendung von Reaktivgasen RG, RG1 , RG2 hergestellt werden kann.
Weiter versteht sich von selbst, dass ein erfindungsgemässes Schichtsystem S in der Praxis oft eine Mehrzahl von Sequenzen gleicher oder verschiedener direkt aufeinander abgeschiedener HiPIMS-Schichten HS und DCMS-Schichten DS umfassen kann und auch zwischen, unter oder oberhalb einer Sequenz von direkt aufeinander abgeschiedenen HiPIMS- und DCMS-Schicht-Sequenzen weitere, andere Schichttypen, die nach einem anderen Sputterverfahren abgeschieden werden, vorgesehen werden können.
Und selbstverständlich kann die Reihenfolge der abgeschiedenen HiPIMS- Schichten HS und DCMS-Schichten DS je nach Anforderung oder Anwendung auch in umgekehrter Reihenfolge als in Fig. 2c schematisch dargestellt erfolgen. Es ist also durchaus möglich, dass einer Sequenz verschiedener Schichten zunächst die DCMS-Schicht abgeschieden wird und auf der DCMS- Schicht DS dann die HiPIMS-Schicht HS abgeschieden wird.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass wenn im Rahmen dieser Anmeldung von «Pulsformen», also z.B. von rechteckförmigen, nadelförmigen oder dreieckförmigen Pulsen die Rede ist, damit die Form des zeitlichen Verlaufs des Stroms der Entladungspulse gemeint ist. Die angelegte Spannung ist in aller Regel immer rechteckförmig, kann aber in speziellen Fällen selbstverständlich jede andere geeignet Form haben. Dieser Sachverhalt soll zur Verdeutlichung noch kurz anhand der Fig. 3a bis Fig. 3f erläutert werden.
In den Fig. 3a bis Fig. 3f sind einige ausgewählte mögliche Pulsformen von Strom und Spannung schematisch dargestellt, die in der Praxis eine besondere Bedeutung zur Bildung von HiPIMS-Entladungspulsen 5 haben, aber selbstverständlich auch zur Bildung von DCMS-Entladungspulsen 6 benutzt werden können und bei der Durchführung erfindungsgemässer Verfahren vorteilhaft zur Anwendung kommen können. In den Diagrammen der Fig. 3a bis 3f ist jeweils an der Ordinate nach oben die negative Targetspannung U und der Targetstrom I aufgetragen während an der Abszisse die Zeit aufgetragen ist. Die durchgezogene Linie Up repräsentiert jeweils schematisch den zeitlichen Verlauf der Spannung und die gestrichelte Linie lp schematisch den zeitlichen Verlauf des Stroms der HiPIMS-Entladungspulse 5 bzw. der DCMS- Entladungspulse 6. In Fig. 3a hat sowohl die Spannung Up als auch der Strom lp des Entladungspulses 5, 6 einen rechteckförmigen Verlauf, weshalb man derartige Pulse als rechteckförmige Entladungspulse bezeichnet. In Fig. 3b ist ein typischer dreieckförmiger Puls dargestellt. Der Strom lp des Entladungspulses 5, 6 steigt in Form einer Rampe linear mit der Zeit t an, während die Spannung Up einen rechteckförmigen Verlauf hat. Fig. 3c zeigt zwei aufeinanderfolgende nadelförmige Entladungspulse 5, 6. Der Strom lp steigt als Funktion der Zeit t rasch in Form einer spitzen Nadel auf einen Spitzenwert an und fällt dann mit Spannung schlagartig auf null zurück. Der zeitliche Verlauf der Spannung Up ist wiederum rechteckförmig. Anhand der Fig. 3d ist ein rechteckförmiger Entladungspuls gemäss Fig. 3a schematisch dargestellt, dem ein ebenfalls rechteckförmiger Präparationspuls bzw. Vorionisationspuls vorausgeht, mit welchem vor dem eigentlichen Sputter-Entladungspuls 5, 6 eine Vorionisation der beteiligten Neutralteilchen des Sputtergases 2, 21 , 22 und / oder der Reaktivgase RG, RG1 , RG2 erreicht werden kann. Die Fig. 3e zeigt eine weitere spezielle Pulsform, bei welcher auf einen ersten dreieckförmigen Entladungspuls 5, 6 gemäss Fig. 3b, ein entgegengesetzt gepolter Rechteckpuls mit positiver Spannung folgt. Fig. 3f zeigt schliesslich noch eine sogenannte bipolare Pulsfolge bei welcher zwischen zwei nadelförmigen Entladungspulsen 5, 6 gemäss Fig. 3c ein umgekehrt gepolter nadelförmiger Puls mit positiver Spannung folgt.
Alle diese Pulsformen und auch Kombinationen und Varianten davon können neben weiteren anderen an sich bekannten Pulsformen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht alle im Detail dargestellt werden können, im Rahmen eines erfindungsgemässen Beschichtungsverfahrens vorteilhaft eingesetzt werden und der Fachmann versteht, welche Pulsformen er auszuwählen hat, um ein erfindungsgemässes Schichtsystem S mit den gewünschten Eigenschaft herzustellen.
Der Fachmann versteht ohne weiteres, dass alle im Rahmen dieser Anmeldung diskutierten allgemeinen und auch speziellen Ausführungsbeispiele je nach Anwendung und Anforderung auch geeignet miteinander kombiniert werden können und ebenso auch weitere mögliche Ausführungsbeispiele, die im Rahmen dieser Anmeldung aus Platzgründen nicht alle dargestellt werden können, von der Erfindung erfasst sind.

Claims

1 . Beschichtungsverfahren zur Abscheidung eines Schichtsystems (S) auf einem Substrat (1 ), wobei mindestens eine HiPIMS-Schicht (HS) und eine DCMS-Schicht (DS) mittels Magnetronsputtern auf dem Substrat (1 ) abgeschieden wird, und eine ein Sputtergas (2, 21 , 22) enthaltende evakuierbare Prozesskammer (3) mit einer Anode und einem als Kathode ausgebildeten Magnetron (4) umfassend eine Magnetfeldquelle (41 ) sowie ein Primär-Target (42) mit einem Beschichtungsmaterial (43) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit ein und demselben Primär-Target
(42) in beliebiger Reihenfolge und nacheinander abwechselnd die HiPIMS- Schicht (HS) durch ein HiPIMS-Sputterverfahren in einem HiPIMS-Mode mittels einer Sequenz bestehend aus einer Mehrzahl von HiPIMS- Entladungspulsen (5) hoher Leistungsdichte mit Pulsdauer (TI) mit mindestens einer Atomlage aus dem Beschichtungsmaterial (43) abgeschieden wird, und die DCMS-Schicht (DS) durch ein gepulstes und / oder ungepulstes DCMS-Sputterverfahren in einem DCMS-Mode mittels eines DCMS-Entladungspulses (6) niedriger Leistungsdichte mit Pulsdauer (T2) zur Bildung der DCMS-Schicht (DS) aus dem Beschichtungsmaterial
(43) abgeschieden wird.
2. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1 , wobei im HiPIMS-Mode die Leistungsdichte des HiPIMS-Entladungspulses (5) auf dem Primär-Target (42) in einem Bereich von 0.05kW/cm2 und 10kW/cm2, bevorzugt von 0.1 kW/cm2 und 5kW/kW/cm2, im Speziellen von 0.2 kW/cm2 bis 3 kW/cm2, besonders bevorzugt bei ca. 0,4 kW/cm2 oder 2 kW/cm2 gewählt wird, und / oder wobei im HiPIMS-Mode in der Sequenz aus HiPIMS-Entladungspulsen (5) die Pulsdauer (TI) des HiPIMS-Entladungspulses (5) zwischen 5ps und 20ms, bevorzugt zwischen 20ps und 10ms, insbesondere bei ca. 50ps bis 5ms gewählt wird.
3. Beschichtungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im HiPIMS-Mode eine HiPIMS-Todzeit (Ti) in der Sequenz aus HiPIMS- Entladungspulsen (5) zwischen zwei aufeinander folgenden HiPIMS- Entladungspulsen (5) zwischen 100ps und 500ms, bevorzugt zwischen 250ps und 250ms, insbesondere zeischen ca. 500ps und 150ms gewählt wird, und / oder wobei ein HiPIMS-Duty-Cycle (DUH) einer Sequenz aus HiPIMS-Entladungspuls (5) und HiPIMS-Todzeit (T1 ) zwischen 0.5% und 20%, bevorzugt zwischen 1 % und 10%, besonders bevorzugt zwischen ca. 2% bis 6% der Dauer der Sequenz aus HiPIMS-Entladungspuls (5) und HiPIMS-Todzeit (T1 ) gewählt wird und / oder wobei in einer Sequenz aus HiPIMS Entladungspulsen (5) und HiPIMS-Todzeit (Ti) die Pulsdauer (TI) des HiPIMS-Entladungspulses (5) und / oder die Dauer der HiPIMS-Todzeit (Ti) und / oder der HiPIMS-Duty-Cycle (DUH) während der Abscheidung des Schichtsystems (S) nach einem vorgebbaren Schema verändert wird.
4. Beschichtungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im DCMS-Mode die Leistungsdichte des DCMS-Entladungspulses (6) auf dem Primär-Target (42) in einem Bereich von 1W/cm2 und 50W/cm2, bevorzugt zwischen 2W/cm2 und 30W/cm2, besonders bevorzugt von ca. 5W/cm2 bis 25W/cm2 gewählt wird, und / oder wobei im gepulsten und / oder ungepulsten DCMS-Mode die Pulsdauer (12) des DCMS- Entladungspulses (6) zwischen 1 ps und 10ms, bevorzugt zwischen 5ps und 500ps, insbesondere bei ca. 20ps oder 200ps gewählt wird.
5. Beschichtungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im gepulsten DCMS-Mode eine DCMS-Todzeit (T2) in einer Sequenz aus DCMS-Entladungspulsen (6) zwischen zwei aufeinander folgenden DCMS- Entladungspulsen (6) zwischen 0.5ps und 10ms, bevorzugt zwischen 2ps und 300ps, insbesondere bei ca. 5ps bis 100ps gewählt wird, und / oder wobei ein DCMS-Duty-Cycle (DUD) einer Sequenz aus DCMS- Entladungspuls (5) und DCMS-Todzeit (T2) zwischen 30% und 99%, bevorzugt zwischen 50% und 97%, besonders bevorzugt bei ca.75 % oder 95% der Dauer der Sequenz aus DCMS-Entladungspuls (5) und DCMS- Todzeit (T2) gewählt wird, und / oder wobei in einer Sequenz aus DCMS- Entladungspulsen (6) und DCMS-Todzeit (T2) die Pulsdauer (12) des DCMS-Entladungspulses (6) und / oder die Dauer der HiPIMS-Todzeit (T2) und / oder der HiPIMS-Duty-Cycle (DUH) während der Abscheidung des Schichtsystems (S) nach einem vorgebbaren Schema verändert wird. Beschichtungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der HiPIMS-Entladungspuls (5) hoher Leistungsdichte und / oder DCMS- Entladungspuls (6) niedriger Leistungsdichte ein rechteckförmiger und / oder ein dreieckförmiger und / oder ein nadelförmiger Entladungspuls (5, 6), im Speziellen ein bipolarer Entladungspuls (5, 6) bzw. eine bipolare Sequenz von Entladungspulsen (5, 6) ist. Beschichtungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die HiPIMS-Schicht (HS) im HiPIMS-Mode unter Verwendung eines HP- Prozessgases (HPG) und die DCMS-Schicht (DS) im DCMS-Mode unter Verwendung eines vom HP-Prozessgas (HPG) verschiedenen DC- Prozessgases (DCG) abgeschieden wird, wobei als HP-Prozessgas (HPG) und / oder als DC-Prozessgas (DCG) bevorzugt eine Mischung aus einer Mehrzahl verschiedener Reaktivgase (RG, RG1 , RG2) verwendet wird und / oder wobei während der Abscheidung der HiPIMS-Schicht (HS) im HiPIMS- Mode eine Zusammensetzung des HP-Prozessgases (HPG) und / oder während der Abscheidung der DCMS-Schicht (DS) im DCMS-Mode eine Zusammensetzung des DC-Prozessgases (DCG) variiert wird, und / oder wobei während der Abscheidung der HiPIMS-Schicht (HS) im HiPIMS-Mode ein Partialdruck des HP-Prozessgases (HPG) und / oder während der Abscheidung der DCMS-Schicht (DS) im DCMS-Mode ein Partialdruck des DC-Prozessgases (DCG) variiert wird.
8. Beschichtungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei während der Abscheidung der HiPIMS-Schicht (HS) im HiPIMS-Mode eine HP-Bias-Spannung (HPV) des Substrats (1 ) verschieden von einer DC- Bias-Spannung (DCV) während der Abscheidung der DCMS-Schicht (DS) im DCMS-Mode gewählt wird und / oder wobei während der Abscheidung der HiPIMS-Schicht (HS) im HiPIMS-Mode die HP-Bias-Spannung (HPV) variiert wird und / oder während der Abscheidung der DCMS-Schicht (DS) im DCMS-Mode die DC-Bias-Spannung (DCV) des Substrats (1 ) variiert wird.
9. Beschichtungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Magnetfeldstärke (MFS) der Magnetfeldquelle (41 ) während des gepulsten und / oder ungepulsten DCMS-Sputterverfahrens verschieden von einer Magnetfeldstärke (MFS) der Magnetfeldquelle (41 ) während des HiPIMS-Sputterverfahrens gewählt wird.
10. Beschichtungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Prozesszeit zur Erzeugung der HiPIMS-Schicht (HS) und / oder der in einem ungepulsten und / oder gepulsten DCMS-Sputterverfahren hergestellten DCMS-Schicht (DS) im Bereich von 0.5s bis 10000s, bevorzugt 1s bis 5000s, insbesondere von ca. 5s bis 2500s liegt und / oder wobei ein Verhältnis der Anteile der Summe der Schichtdicken der HiPIMS- Schichten (HS) geteilt durch die Summe der Schichtdicken der in einem ungepulsten und / oder gepulsten DCMS-Sputterverfahren hergestellten DCMS-Schichten (DS) innerhalb der Gesamtschicht in einem Bereich von 0.02 bis 50, bevorzugt in einem Bereich von 0.05 bis 25, insbesondere in einem Bereich von 0.1 bis 9 liegt und / oder wobei eine Dicke der in einer Schichtdicke variierbaren Einzelschichten in einem Schichtsystem (S) aus den HiPIMS-Schichten (HS) und den in einem ungepulsten und / oder gepulsten DCMS-Sputterverfahren hergestellten DCMS-Schichten (DS) in einem Bereich von 1 nm bis 5000nm, bevorzugt in einem Bereich von 2nm bis 500nm, insbesondere in einem Bereich von 5nm bis 250nm liegen.
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