NL8200838A - Werkwijze voor het opbrengen van een laag door kathodeverstuiving en inrichting voor het uitvoeren van deze werkwijze. - Google Patents

Description

» Λ V.0.3109

Werkwijze voor het opbrengen van een laag door kathodeverstuiving en inrichting voor het uitvoeren van deze werkwijze.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het aanbrengen van een laag op gevormde onderdelen met een driedimensionaal laag-oppervlak door kathodeverstuiving van elektrodemateriaal uit een eerste kathodestelsel met een concentratie van een eerste ontladingsruimte 5 (plasmawolk) in het gebied van het elektrodeoppervlak door een ten opzichte vein de elektrode ruimtelijk gesloten eerste magnetisch veld (plasmaval).

Een analoge werkwijze voor het aanbrengen van een laag bij een substraat met twee dimensionaal laagoppervlak is bijvoorbeeld bekend uit 10 het Duitse Offenlegungsschrift 2243708. In verband met de voorkeursbewegingsrichting van de verstoven ionen is bij de bekende methode respectievelijk met de bekende inrichting het aanbrengen van een laag op een gevormd onderdeel niet of slechts beperkt mogelijk wanneer het gevormde onderdeel een continue rotatiebeweging ten opzichte van het 15 kathodestelsel uitvoert. Bij een dergelijke gesuperponeerde rotatie kunnen echter ook in wezen slechts de buitenste omtreksvlakken van de roterende lichamen van een laag worden voorzien, terwijl de kopvlakken geen voldoende neerslag van het laagmateriaal verkrijgen. Wanneer men dit bovendien wil verkrijgen dan moet gebruik worden gemaakt van sub-20 straathouders, die gecompliceerde samengestelde bewegingen om drie verschillende assen mogelijk maken. De aandrijfinrichtingen voor dergelijke substraathouders zijn duur en maken slechts een zeer geringe capaciteit van de inrichting mogelijk. De reden hiervoor ligt daarin, dat de substraten in wezen slechts uit één richting van een laag worden voorzien, 25 zodat het aanbrengen van een laag een grote tijd vergt. Bovendien is het vullen van dergelijke substraathouders in verband met de vereiste bevestiging van de substraten tijdrovend. Voor een installatie met continu transport komen dergelijke substraathouders in de regel niet in aanmerking.

30 Vergeleken met de zogenaamde vacuumopdampmethoden, waarbij de verdampte deeltjes zich langs rechte lijnen vanuit de dampbron naar de substraat bewegen, hetgeen bij gevormde onderdelen tot bijzonder ongelijkvormige laagdikteverdelingen en-samenstellingen leidt, heeft de 82 0 0 8 3 8 .....................................

I i -2- kathodeverstuivingsmethode evenals de ionenplateermethode een bepaald voordeel, dat berust op het feit, dat de genoemde methoden ten opzichte -3 *2 van de opdampmethode in een drukgebied van 5 x 10 tot 5 x 10 mbar worden uitgevoerd. Dit betekent, dat de gemiddelde vrije weglengte van 5 de aan het proces deelnemende ionen en atomen in het gebied van 5 tot 50 mm ligt, zodat de afzonderlijke deeltjes op weg van de bron naar de substraat een aantal malen tegen elkaar botsen. Dientengevolge verkrijgt men een ongeordend materiaaltransport, hetgeen binnen bepaalde grenzen het aanbrengen van lagen "om de hoek" mogelijk maakt.

10 Met het oog op het alzijdig van een laag voorzien van gevormde onderdelen zou weliswaar de zogenaamde CVD-methode gunstig kunnen zijn, welke methode voor talrijke toepassingsgevallen op grote schaal wordt gebruikt, doch deze methode leent zich niet voor temperatuurgevoelige onderdelen aangezien de verschillende CVD-methoden substraattemperatu-15 ren van 900-1100eC vereisen. Deze temperaturen voldoen niet voor snel te bewerken staalsoorten waarvan de maximale temperatuurbelasting bij ongeveer 600°C ligt. Het genoemde temperatuurgebied is bijzonder ongeschikt voor het aanbrengen van lagen op bijvoorbeeld uurwerkhuizen of uurwerkarmbanden, waarbij het bijvoorbeeld gaat om het reproduceerbaar 20 verkrijgen van een op goud gelijkend oppervlak. Bij uurwerkarmbanden komt daarbij nog als bezwaar, dat deze dikwijls in de gereed zijnde toestand veerelementen omvatten, die geen hogere temperatuurbelasting verdragen.

In tegenstelling daarmede ligt de substraattemperatuur bij een 25 aanbrengen van lagen in vacuo gunstigerwijze in een gebied tussen 200 en 500°C en kan de temperatuur specifiek op het speciale toepassings-geval worden ingesteld. Ten aanzien van de ionenplateermethode en de ka-thodeverstuivingsmethode brengt de eerstgenoemde methode eerst de meest gunstige voorwaarde met zich mede. Op grond van de grote versnellings-30 spanning van 3000 tot 5000 Vaan de substraat en in verband-met de daarmede gegaard gaande iönenbeschietingliggen hg dit proces de substraattemperaturen tussen 250 en 500°C, waardoor de groei van kristallijne harde lagen zoals bijvoorbeeld titaannitridelagen wordt begunstigd. Bij de kathode-verstuiving geschiedt de verwarming in wezen door een beschieting met 35 secundaire elektronen. De daarbij optredende temperaturen liggen in het 8200838 ......

» .* -3- gebied van 50 en 300°C en zijn derhalve veel te laag om de gewenste laaghardheden te verkrijgen.

De kathodeverstuivingsmethode van het bovenbeschreven type, welke dikwijls ook wordt aangeduid als kathodeverstuivingsmethode met groot 5 vermogen of "magnetronspetteren", biedt tengevolge van de ontladings-geometrie ideale voorwaarden voor het continu aanbrengen van lagen. Daardoor zijn inrichtingen voor het aanbrengen van lagen met grote pro-duktiviteit mogelijk. Het bijzondere bij de verstuiving met groot vermogen is. de door de magneetveldlijnen gevormde plasmaval, die de ontlading 10 in wezen tot het gebied aan het elektrodenoppervlak beperkt, zodat daar een bijzonder sterke verwijdering van elektrodenmateriaal plaatsvindt.

Dit leidt tot een aanmerkelijk grotere verstuivings- en neerslagssnel-heid. Details van dit proces zijn echter in de literatuur uitvoerig beschreven, zodat hierop niet nader zal worden ingegaan.

15 Voor de kathodeverstuivingsmethode pleit verder, dat de bouw van kathoden tot een lengte van enige meters mogelijk is en dat op dit moment een bijzonder ver ontwikkeld stelsel voor de procesbesturing respectievelijk -regeling ter beschikking staat. De mogelijkheid van substraattemperaturen onder 250°C vergroot het toepassingsgebied bij-20 voorbeeld naar kunststoffen, gemonteerde armbanden met temperatuurge-voelige veerelementen, temperatuurgevoelige gietmaterialen enz. Verder maakt de kathodeverstuiving het aanbrengen van lagen van metaallegerin-gen'en metaalverbindingen, bijvoorbeeld titaan en zirkoon zonder problemen mogelijk.

25 Terwijl bij de klassieke kathodeverstuiving zonder ondersteunend 2 magneetveld de elektrodebelasting bij maximaal ongeveer 5 w/cm ligpvkan deze bij de bovenbeschreven verstuivingsmethode worden, verhoogd tot 2 25 W/cm . De te verkrijgen verstuivings- respectievelijk neerslagssnel-heden zijn evenredig met de aan de elektroden toegevoerde energie. De 30 bij dit proces optredende grote ladingsdragerdichtheden leiden tot een reductie van de ontladingsspanning tot 200 tot 600 V, hetgeen in zijn totaal beschouwd tot een grotere belastbaarheid van de elektroden leidt.

Op grond van de invloed van het magnetische veld en de concentra-35 tie van het plasma voor de elektrode verliest de substraatdrager de anders gebruikelijke anodefunctie. Bij de verstuiving met groot vermo- 8200838 ~- 4- ψ * gen bewegen de elektronen zich naar de opvangorganen of de inwendige onderdelen van de verstuivingsinstallatie, terwijl de substraten meer of minder koud blijven. Afhankelijk van het volume en de warmtegeleiding van de substraten stellen zich bij de verstuiving met groot vermogen substraattemperaturen tussen 50 en 300°C in.

5 De verstuiving met groot vermogen kan ook worden toegepast voor het reactief verstuiven van een metallische elektrode. Details van deze methode behoren echter eveneens reeds lang tot de stand der techniek, zodat kan worden afgezien van een beschrijving van de verschillende mogelijke reactieverlopen met de meest uiteenlopende reactiegassen. Ook voor 10 een besturing respectievelijk regeling van de reactieve verstuivingsmetho-den zijn reeds vele bruikbare voorstellen gedaan, zodat lagen met reproduceerbare eigenschappen kunnen worden verkregen, zoals bijvoorbeeld oxyden, nitriden of carbiden.

De verstuivingsmethode met groot vermogen is tot nu toe in de 15 eerste plaats toegepast voor het aanbrengen van lagen op vlakke substraten, waarbij het toepassingsgebied zich uitstrekt van het aanbrengen van lagen op siliciumplaatjes en keramische substraten in de microelectronica, glazen substraten voor LCD-weergeefinrichtingen tot glazen platen met afmetingen van enige vierkanten meters. Daarbij neemt de opstuifsnelheid 20 met toenemende afstand tot de elektrode af. Dit betekent, dat de laagdikte van de neerslag niet in alle punten van een gevormd onderdeel dezelfde kan zijn. Bovendien treden bij dit effect ten minste gedeeltelijk optredende afschermingen op, die een gevolg zijn van de geometrie van het gevormde onderdeel. Wanneer het bij het verstuivingsproces gaat om een reac-25 tiefproces, dan verkrijgt men tengevolge van de verschillende opstuifsnelheden ook verschillende samenstellingen van de neerslag afhankelijk van de afstand ten opzichte van de elektrode. Dit vindt zijn grond daarin., dat de partiële druk van het reactiegas over de totale ontladingsruimte in sterke mate constant is doch de stoechiometrische verhoudingen van de 30 neerslag afhankelijk zijn van de verhouding tussen de invalwaarschijnlijk-heid van de metalen deeltjes en de reactieve gasdeeltjes. Dit heeft tot gevolg, dat de hardheid van de laag op de naar de elektrode gekeerde zijde verschilt van die aan de achterzijde, of dat bij decoratieve lagen bijvoorbeeld de goudtint van een uurwerkhuis aan de voor- en achterzijde 35 niet dezelfde is. Bovendien is de invloed van de ionenbeschieting tenge- 82 0 0 8 3 8 ............ ' ....................~ « · -5- volge van een substraatvoorspanning Ug^ eveneens afhankelijk van de afstand, hetgeen leidt tot verschillende temperaturen en een verschillende invloed van het zogenaamde zelfreinigingseffeet.

De uitvinding stelt zich derhalve ten doel een werkwijze van het 5 bovenbeschreven type zodanig te verbeteren, dat daarmede ook bij gevormde onderdelen met een gecompliceerde geometrie een zo gelijkvormig mogelijke lagenvorming over het totale oppervlak ten aanzien van de meest belangrijke eigenschappen wordt verkregen, waartoe de chemische en mechanische bestendigheid inclusief de hardheid, het voorkomen, de laag-10 dikte en de chemische samenstelling van de laag behoren.

Daartoe voorziet de uitvinding in een werkwijze van het bovenbeschreven type, waarbij men het gevormde onderdeel respectievelijk de gevormde onderdelen aan de tegenover het eerste kathodestelsel gelegen zijde gelijktijdig blootstelt aan het verstuivingsproces met een tweede 15 kathodestelsel met hetzelfde elektrodemateriaal en met een concentratie van een tweede ontladingsruimte in het gebied van het elektrodenoppervlak door een ten opzichte van de elektroden ruimtelijk gesloten tweede magnetisch veld, waarbij aan het gevormde onderdeel een ten opzichte van massa negatieve spanning Ug^ met een zodanige waarde wordt gelegd, dat 20 de ontladingsruimten van de beide kathodestelsels zich tot het gevormde onderdeel, dit rakend, uitstrekken.

De uitvinding bestaat niet slechts in een symmetrisch gebruik van twee ontladingsprocessen aan beide zijden van het gevormde onderdeel respectievelijk de gevormde onderdelen doch veeleer speelt hierbij het 25 aanleggen van een negatieve spanning aan de gevormde onderdelen een principiële rol. Men kan het intreden van de toestand volgens de uitvinding ook zeer goed waarnemen via een venster in de inrichting? tussen twee steeds op zichzelf gebruikelijke kathodestelsels met inrichtingen voor het opwekken van het magnetisch veld (kathoden met groot vermogen, 30 magnetrons) zijn eerst twee ontladingen aanwezig, die van elkaar door een donkere ruimte zijn gescheiden en tot het gebied direkt vóór de beide elektrodevlakken zijn.beperkt- Een substraat -respectievelijk gevormd onderdeel, is eerst niet aanwezig. Wordt daarna een zich op een juiste voorafgekozen negatieve spanning (ten opzichte van massa) bevindende sub-35 straat in de ruimte tussen de elektroden gebracht, dan vergroten de ontladingsruimten respectievelijk plasmawolken zich 'sprongsgewijs totdat —82 0 083 8 -6- .

deze het gevormde onderdeel alzijdig omsluiten. Bij kleinere gevormde onderdelen gaan de plasmawolken in elkaar over respectievelijk doordringen deze elkaar, zodat de ruimte tussen de elektroden is opgevuld met een glimontlading. Bij dit proces neemt ook de helderheid van de 5 ontlading sprongsgewijs toe.

Men kan ook omgekeerd tewerk gaan doordat men het gevormde onderdeel eerst zonder elektrische aansluiting of zich op massapotentiaal bevindend in de ruimte tussen de elektroden brengt. Hierbij veranderen de glimontladingen eerst niet wezenlijk. Wanneer daarna een spanning 10 aan het gevormde onderdeel wordt gelegd en deze spanning continu wordt vergroot, dan vergroten de plasmawolken zich steeds verder naar het gevormde onderdeel toe, totdat zij dit onderdeel bereiken en omgeven.

Het is op deze wijze gemakkelijk mogelijk die negatieve spanning te bepalen, waarbij de ontladingsruimten van de beide kathodestelsels 15 zich tot het gevormde onderdeel, dit aanrakend, uitstrekken. Opgemerkt wordt, dat deze spanning des te hoger moet liggen naarmate de afstand tussen de beide ontladingsruimten (zonder gevormd onderdeel) groter is en naarmate het gevormde onderdeel "dunner" is.

Op deze wijze ontstaat afhankelijk van de negatieve voorspanning 20 van let gevormde onderdeel een wederzijdse beweging en doordringing van de beide plasmaóntladingen met een alzijdige condensatie van het laagmateriaal. Aangezien bij reactieve opstuifprocessen de stoechiome-trie van het condensaat ook aan het substraatoppervlak alzijdig in sterke mate is gewaarborgd, verkrijgt men een uitsterst homogene laagsamen-25 stelling. Men verkrijgt voorts een zeer grote gelijkvormigheid ten aanzien van de laagdikteverdeling dat wil-zeggen, dat geen noemenswaardige afschuimeffecten worden waargenomen. Ook de hardheidsverdeling respectievelijk bij decoratieve lagen het voorkomen van het oppervlak is over de gehele omtrek van het gevormde onderdeel bijzonder gelijkvormig. 30 Gevormde onderdelen kunnen ondanks de grote laaghardheid op een laag temperatuumiveau worden gehouden, zodat bijvoorbeeld uurwerkhuizen en uurwerkarmbanden met ingebouwde veerelementen zonder moeilijkheden van een laag kunnen worden voorzien. Bovendien verkrijgt men daarbij een bijzonder goede hechting van dé opgestoven lagen.

35 Bij een verdere ontwikkeling van de uitvinding kunnen de werk- 8 2 0 0 8 3 .............................

* fc -7- wijzeparameters zoals het verstuivingsvermogen per oppervlakteëenheid van de elektrode, de onderlinge elektrodeaf stand, de intensiteit van het magnetische veld zodanig worden gekozen, dat de ontladingsruimten van de beide elektrodeoppervlakken elkaar ook bij afwezigheid vein het 5 gevormde onderdeel respectievelijk de gevormde onderdelen ten minste gedeeltelijk oversnijden en de aan het gevormde onderdeel· aangelegde spanning ten minste 10 V, (negatief) ten opzichte van massa is. De beïnvloedingsgrootheden van de afzonderlijke werkwijzeparameters zullen hierna bij de detailbeschrijving nader worden toegelicht. Op dit moment 10 wordt opgemerkt, dat de magnetische veldsterkte ten opzichte van de gebruikelijke magnetische veldsterkte bij verstuiving met groot vermogen kleiner is, waardoor de gebruikelijke sterke insnoering van de ontlading gedeeltelijk wordt geëlimineerd. Dientengevolge is reeds een relatief geringe spanning voldoende om de invloed van de ontlading op 15 het gevormde onderdeel te versterken respectievelijk gelijkmatiger te maken.

De werkwijze volgens de uitvinding is bijzonder geschikt voor het aanbrengen van lagen uit titaannitriden (TiN). Daarbij wordt er volgens de uitvinding voor gezorgd, dat de verstuivingsatmosfeer naast een -4 20 edelgas (argon) stikstof met een partiële druk tussen 4 x 10 en 4 -3 -2 8 x 10 mbar bij een totale druk van 5 x 10 tot 2 x 10 mbar bevat.

Het aanbrengen van lagen op gevormde onderdelen voor de meest uiteenlopende toepassingsgebieden, waarbij de lagen uit titaannitriden bestaan, is reeds vele jaren het onderwerp van onderzoekingen. Meer 25 in het bijzonder hebben de mogelijkheden op het gebied van de w'efk-tuigveredeling evenals het aanbrengen van lagen op boren, f razen of snijplaten de ontwikkeling bespoedigd. .:ln de laatste tijd is een nieuw toepassingsgebied gevonden namelijk het gebruik van titaannitride als vervangingsmiddel voor goud bijvoorbeeld voor het aanbrengen van 30 lagen op uurwerkhuizen, armbanden en andere gebruiksvoorwerpen. Hier speelt in de eerste plaats de besparing aan materiaalkosten en de eliminatie van afwateringsproblemen een rol, welke factoren typerend zijn voor de gebruikelijke galvanische processen. De ten opzichte van goud aanmerkelijk grotere laaghardheid treedt daarbij als extra voordeel op.

35 De procesregeling van de werkwijze volgens de uitvinding is ten opzichte 8 2 0 0 8 3 8 ~ -8- van de klassieke methode aanmerkelijk verder ontwikkeld. Dit is van bijzonder belang ten aanzien van het reproduceerbaar verschaffen van de reeds beschreven goudtintlagen.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder ver-5 wijzing naar de tekening. Daarbij toont: fig. 1 een grafische voorstelling van de over het gevormde onderdeel vloeiende substraatstroom I in afhankelijkheid van de substraat-spanning bij verschillende afstanden "d" tussen de elektroden en het gevormde onderdeel; 10 fig. 2 een grafische voorstelling van de over het gevormde onderdeel vloeiende substraatstroom in afhankelijkheid van de substraat- spanning bij verschillende vermogens, betrokken op de elektroden; fig. 3 een grafische voorstelling van de substraattemperaturen in constante toestand (zelfverwarming) in afhankelijkheid van de sub-15 straatspanning bij verschillende afstanden "d" en magnetische veldsterkten H; fig. 4 een grafische voorstelling van de afhankelijkheid van verschillende parameters van het verstuivingsproces in afhankelijkheid' van de afstand tussen de elektrode en de substraat bij een slechts 20 eenzijdige opstelling van een kathode; fig. 5 een afbeelding overeenkomend met die volgens fig. 4 doch bij een tweezijdige opstelling van steeds een kathode; fig. 6 een grafische voorstelling van de afhankelijkheid van de x· over het gevormde onderdeel, vloeiende substraatstroom I .bij een in-25 richting volgens fig. 5; fig. 7 een grafische voorstelling van de afhankelijkheid van de hardheid van een TiN-laag van de partiële stikstofdruk bij opstuiving; fig. 8 een zogenaamd Auger-diagram van de laagopbouw; fig. 9 een grafische voorstelling van de afhankelijkheid van de 30 hardheid van een Till··laag van de substraattemperatuur; fig. 10 een perspectivische voorstelling van een inrichting volgens de uitvinding voor chargebedrijf; fig. 11 een dwarsdoorsnede van het kathodestelsel volgens fig. 10 op vergrote schaal en in gemonteerde toestand van het binnenste kathode-35 stelsel; en fig. 12 een schematische voorstelling van een grote installatie 32 0 0 8 3 8 -9- volgens de uitvinding voor continu bedrijf.

Pig. 1 geeft een toelichting op de volgende samenhang: overeenkomstig de bovengegeven informatie is bij de verstuiving met groot vermogen door de invloed van het magnetische veld het plasma dicht 5 voor de elektrode geconcentreerd. De substraat is in wezen elektrisch van de ontladingsruimte geïsoleerd; de substraat wordt niet omgeven door de plasmawolk. Wanneer men een substraat, bijvoorbeeld een uit koper bestaand gevormd onderdeel met een gewicht van 200g opeen negatieve voor-spanning tussen -100 en -2500 V brengt, dan vloeit tussen de zich 10 op massapotentiaal bevindende vacuümkamer en de substraat een stroom I , , die kleiner is dan 50 mA zolang als de afstand tussen de substraat en de elektrode groter is dan 40 mm. De substraat is elektrisch ontkoppeld. Dit is des te opvallender omdat de ontladingsspanning voor de substraat zelf slechts ongeveer ϋ^^=350ν bedraagt. De horizontale . 15 component van het magnetische veld bedraagt hierbij 700 Oe. De ont-ladingsdruk ligt bij 5 x 10 ^ mbar. Zoals uit het diagram blijkt, kan men de spanning zeer sterk vergroten zonder dat een noemenswaardige toename van de stroom optreedt. Onderschrgdt men echter een bepaalde grensafstand., die in het hier beschouwde geval bij 25 mm ligt, dan 20 wordt de elektrische verbinding tussen de plasmawolk en de substraat tot stand gebracht en neemt de substraatstroom reeds bij een spanning ” “300V sprongsgewijs toe. Onder deze omstandigheden worden aan het plasma positieve ionen onttrokken en deze worden naar de substraat versnelt. Dientengevolge treden soortgelijke omstandigheden 25 op als bij een ionenplatteermethode. De substraat begint afhankelijk van de intensiteit van de ionenbeschieting, welke kan worden geregeld door de aangelegde substraatspanning zelf te verstuiven, dat wil zeggen, dat het bekende zelfreinigingseffect en de versterkte mogelijkheid van het aanbrengen van lagen op afgeschermde substraatdelen (ruwe of gestructu-30 reerde oppervlakken ) optreedt.

Fig. 2 geeft een toelichting op de volgende samenhang:· het onder verwijzing naar fig. 1 beschreven effect is niet alleen afhankelijk van de afstand tussen de substraat en de elektrode doch de ruimtelijke begrenzing van de plasmawolk wordt ook beïnvloed door de 35 aan de elektrode toegevoerde energie. Het plasma dijt hierbij des te 82ÖT8 3 8'............

I.

-10- verder uit naarmate de elektrodebelasting groter is. Dit fig. 2 blijkt duidelijk dat de substraatstroom bij toenemende energie toeneemt ook wanneer de afstand tussen de elektrode en de substraat op 20 mm constant -3 blijft. De ontladingsdruk ligt hierbij bij 5 x 10 mbar, de horizon- 5 tale component van het magnetische veld bedraagt 250 Oe en het opper- 2 vlak van de substraat is ongeveer 44 cm .

Fig. 3 verduidelijkt de volgende samenhang: als derde component speelt de intensiteit van het magnetische veld een belangrijke rol.

In fig. 3 is de door ionenbeschieting te bereiken zelfverwarming van de 10 substraat in afhankelijkheid van de substraatspanning bij twee verschillende magnetische veldsterkten van 200 en 700 Oe en bij twee verschillende afstanden tussen de substraat en de elektrode van 28 en 50 mm aangegeven.. Afhankelijk van de parameters werd een gevormd onderdeel met een gewicht van 200 g bestaande uit koper op verschillende 15 wijzen verwarmd. Daarbij bedroeg de tijd voor het aanbrengen van de laag 2 minuten, het verstuivingsvermogen 800 W en de ontladingsdruk 5 x 10 ^ mbar. Uit de figuur blijkt duidelijk, dat de magnetische veldsterkte een soortgelijke werking heeft als. de versterkingsenergie. Door een grote magnetische veldsterkte van 700 Oe wordt de plasmawolk praktisch inge-20 snoerd en zelfs bij de geringe afstand tussen de trefelektrode en de substraat van d = 28 mm stijgt de substraattemperatuur slechts iets boven

de waarde van 100°C. Wanneer men echter de magnetische veldsterkte H

I? reduceert tot 200 Oe, dan zijn onder deze ontladingsomstandigheden door ionenbeschieting, substraattemperaturen mogelijk, welke hoger liggen dan 25 300eC.

Hiermede zijn de invloeden van de afzonderlijke parameters op de werkwijze volgens de uitvinding omschreven.

In fig. 4 is verder de ruimtelijke opstelling van een cilindrisch gevormd onderdeel ten opzichte van het elektrode-oppervlak aangegeven, 30 waarbij wordt aangenomen dat.hiervoor de abciswaarde 0 geldt. De lengteas van het gevormde onderdeel bevindt zich derhalve op een afstand van ongeveer 60 mm van het elektrodeoppervlak. Het gevormde onderdeel dient tijdens het transport, dat men zich evenwijdig aan het elektrode-oppervlak kan denken, niet te worden geroteerd. Langs de ordinaat zijn de 35 opstuifsnelheid, de ladingsdragerdichtheid en de partiële druk van het 82 0 0 8 38...........

-11- reactieve gas (stikstof) in willekeurige eenheden (wE) uitgezet.

Zoals uit de fig. blijkt, neemt de opstuifsnelheid overeenkomstig de kromme A bij toenemende afstand tot de elektrode af. Dit heeft de reeds verder bovenbeschreven bezwaren tot gevolg.

5 Fig. 5 geeft een beeld van de omstandigheden bij een paarsgewij ze opstelling van twee kathodestelsels ter weerszijden van het gevormde onderdeel F en wel voor een spiegelbeeld symmetrische configuratie. Het linker elektrode-oppervlak bevindt zich bij de abciswaarde 0, het rechter elektrode-oppervlak wordt beschouwd zich te bevinden bij de 10 abciswaarde 120 mm. Voor elk van de afzonderlijke kathodestelsels gelden de onder verwijzing naar fig. 4 toegelichte relaties dat wil zeggen, dat voor de beide elektroden de met een streep-stippellijn weergegeven opstuifsnelheden gelden, waarbij de naar links boven gerichte kromme A^ voor de linker elektrode en de naar rechtsboven 15 gerichte kromme A2 voor de rechter elektrode geldt. Door de superpositie van de processen ontstaat echter een laagaanbrengsgebied waarin in sterke mate gelijkmatige condensatieömstandigheden gelden. De breedte van het gebied met constante condensatie- en ontladingsparameters is afhankelijk van de afzonderlijke procesparameters en vormt het onderwerp van een 20 optimalisering van de werkwijze en de inrichting, waarbij de dimensione— ring van het magnetische veld van de kathoden met groot vermogen, de elektrodenafstand, de drukverhouding tussen het reactieve gas en het inerte gas (dragergas) en de elektrische waarden een belangrijke rol spelen. De invloeden voor het verschaffen van de optimaliseringspro-25 cessen zijn boven reeds besproken.

Onder verwijzing naar fig. 6 wordt de volgende invloed toegelicht: bij de paarsgewijze kathodeopstelling wordt de ionenbeschieting van de substraat en daardoor de verkrijgbare temperatuurverhoging respectievelijk het zelfreinigingseffect aanmerkelijk vergroot. Bij een 30 verhouding tussen elektrode-oppervlak en substraatoppervlak van 3:1 kunnen bij het gebruik van de kathode met een elektrode-oppervlak van 2 430 cm en een ... .. substraatvoorspanning van 250 V ongeveer 2 ampere dat wil zeggen een substraatbelasting van 500 W uit het plasma worden "getrokken" wanneer de belasting van de kathode bij 4,6 kW ligt.

35' Daardoor liggen de te verkrijgen substraatoppervlaktebelastingen met 82 0 0 8 38 “ -...... ........

2 -12- ongeveer 3,6 W/cm op een vergelijkbare wijze even hoog als bij ionen-platteermethoden.

Voorbeeld;

In een inrichting, zoals deze later onder verwijzing naar fig. 10 5 en 11 nog zal worden toegelicht, zijn de volgende proeven uitgevoerd: de paarsgewijs opgestelde elektroden bestonden uit titaan voor het aanbrengen van titaannitride-lagen. De afstand tussen de elektrode-oppervlakken bedroeg 120 mm; de verstuivingsdruk lag in een drukgebied -3 van 5 tot 10 x 10 mbar. Bij een elektrodebelasting van ongeveer 2 10 11 W/cm bedroeg de opstuifsnelheid van het gevormde titaannitride ongeveer 27 8/s. De belangrijkste bexnvloedingsgrootheid bleek de partiële druk van de stikstof te zijn, welke in het gebied van de in fig. 7 aangegeven abciswaarden werd gevarieerd. Fig. 7 toont de laaghardheid als functie van de partiële stikstofdruk. Het blijkt, dat in 15 een zeer smal partiëel-drukgebied dat onder de gegeven omstandigheden -4 tussen 6 tot 7 x 10 mbar lag, de condensatie van zeer harde titaan-nitridelagen plaatsvond. Als maximale hardheid van Tin-lagen met een dikte van 5 jm op V2A-sbustraten werd een hardheid van H^^ van ongeveer 3000 kp/mm^ verkregen. Onder de genoemde omstandigheden bestond 20 het condensaat in het gebied met grote hardheid uit in wezen stoechio-metrische TiN.

Fig. 8 toont een Auger-profielopname van de verdeling van titaan, stikstof, zuurstof en ijzer als functie van de laagdikte. Langs de ordinaat is de concentratie van de genoemde elementen in atoomprocent 25 uitgezet? langs de abcis^S is de laagdikte in jm aangegeven. In het gebied van 0,2-5 jm bestaat de laag.in wezen uit 43% Ti en 50% N. Bovendien . . kan een zuurstofaandeel, van ongeveer 5% over de totale diepte worden vastgesteld. Aan het lagenoppervlak neemt men op een diepte van 0,2 ^un zuurstofverrijking waar, hetgeen wijst op een dunne oxydehuid. Verder 30 treedt aan de laagbasis eenitoenama van het zuurstof aandeel op. Hier is blijkbaar de oxydedeklaag van de V2A-substraat gereduceerd, waarbij de atomaire zuurstof onder de temperatuurinvloed naar het laagoppervlak diffundeert. De steile toename van het Fe-signaal doet het v2A-opper-vlak herkennen (met de overeenkomstige signalen voor Cr en Ni is in 35 de figuur geen rekening gehouden). Tenslotte wijst de relatieve langzame daling van het Ti-signaal in het gebied van 5 ^un tot 6 jm op een T2T0T3fr....... .................

-13- diffusie van Ti in het V2A-oppervlak. Dit is blijkbaar de oorzaak voor de uitstekende hechting van de op deze.wijze opgestoven TiN-lagen.

Uit fig. 9 blijkt de invloed van de substraattemperatuur op de hardheid van de laag. Door verschillende substraatvoorspanningen doch 5 ook door een geschikte substraatvoorverwarming werden de gevormde onderdelen op temperaturen tussen 50.en 600°C verhit. In dit temperatuur- 2 gebied neemt de hardheid van ongeveer hvjq= 1000 toe tot 3750 kp/mm .

De kathodeverstuivingsinrichting volgens fig. 10 dient voor het aanbrengen van een lagen op gevormde onderdelen met kleine afmetingen, 10 zoals uurwerkhuizen, armbanden, kleine boren enz. Het betreft een chargegewijze bedreven installatie met een vacuümkamer 1, die een diameter van 700 mm heeft. De vacuümkamer is voorzien van een naar voren openende deur 2 en een trommelvormige, om een verticale as roteerbare subatraathouder 3 waarvan het manteloppervlak uit afzonder-15 lijke manteldelen 4 bestaat. De manteldelen bevatten staven 5 waaraan de gevormde onderdelen respectievelijk substraten worden bevestigd. Een van de manteldelen is langs de stippellijnen naar voren getrokken om een blik in de inrichting te vergemakkelijken.

Aan de omtrek van de substraathouder 3 bevindt zich een eerste 20 kathodestelsel 6. In de bedrijfstoestand bevindt zich hiertegenover in het inwendige van de substraathouder 3 een tweede kathodestelsel 7, dat in fig. 10 naar voren uitgetrokken is weergegeven. Het naar voren uittrekken van het tweede kathodestelsel 7 geschiedt door middel van een . leid inrichting 8 op.de bodem van de vacuümkamer 1. Zodra het 25 tweede kathodestelsel weer in een positie is gebracht waarin dit stelsel zich tegenover het eerste kathodestelsel bevindt, waarbij de symmetrie-vlakken van de beide kathodestelsels in een radiaal vlak van de substraathouder zijn gelegen, kan het manteldeel 4 weer 'in de substraathouder worden gebracht. Na het tot stand brengen van de reeds beschre-30 ven bedrijfsomstandigheden is de inrichting dan bedrijfsgereed. Voor het voeden dient een schakelpaneel 9 in combinatie met een hoog-fre-quent-aanpassingsinrichting .10, waarvan echter slechts het huis is weergegeven. Het eerste kathodestelsel 6 kan op een soortgelijke wijze, bijvoorbeeld voor elektrodeverwisseling, uitneembaar zijn uitgevoerd 35 doch dit uitnemen geschiedt naar buiten toe via een zijwand van de _ vacuümkamer. De afstand tussen beide kathoden bedraagt 120 mm.

8200838 -14-

In fig. 11 zijn het eerste kathodestelsel 6 en het tweede ka-thodestelsel 7 volgens fig. 10 in doorsnede respectievelijk in bovenaanzicht afgeheeld. Tussen de kathodestelsels bevindt zich de met een streep-stippellijn aangegeven transportweg 11 van de substraat-5 houder 3 respectievelijk gevormde onderdelen. De transportweg 11 is aangegeven als een rechte lijn doch verloopt in werkelijkheid iets gebogen afhankelijk van de straal van de substraathouder 3 .in fig. 10. Bij de inrichting volgens fig. 12 verloopt de transportweg in wezen volgens een rechte lijn. Het eerste kathodestelsel 6 bezit een eerste elektrode 12, 10 terwijl het tweede kathodestelsel 7 een tweede elektrode 13 bezit. De in de afzonderlijke kathodestelsels ondergebrachte inrichtingen voor het opwekken van een magnetisch veld en de door deze inrichtingen opgewekte zich door de elektroden. 12 en 13 uitstekkende magnetische veld-lijnen zijn niet gedetailleerd weergegeven aangezien dit op zichzelf 15 beschouwd tot de stand der techniek behoort. De afzonderlijke elektrode-oppervlakken zijn aangeduid met 12a respectievelijk 13a. De elektrode-oppervlakken 12a en 13a sluiten een ruimte 14 in. in welke ruimte de, het verstuivingsproces veroorzakende glimontlading aanwezig is. Er dient nogmaals op gewezen te worden, dat de substraathouder 3 door een 20 geïsoleerde ophanging ten opzichte van massa respectievelijk ten opzichte van de vacuümkamer 1 is geïsoleerd en met een spanningsbron voor het opwekken van een negatief potentiaalverschil ten opzichte van massa is verbonden.

Bij een inrichting volgens fig. 10 en 11 kunnen ongeveer 350 tot 25 500 herenuurwerkhuizen in één cyclus worden voorzien van een laag van . goudkleurig titaannitride met een dikte van 0,25 jm, waarbij de cyclustijd ongeveer 45 minuten bedraagt. In tegenstelling daarmede betreft het een bij de inrichting volgens fig. 12 een continu-installatie. Deze wordt gevuld via een sluiskamer 15, welke'tegelijkertijd ook verwarmingsin-30 richtingen 16 voor een thermische voorbehandeling omvat. Deze installatie is geschikt voor het aanbrengen van lagenop gevormde onderdelen met een diameter tot 200 mm. De betreffende, gevormde onderdelen worden in de kamer 15 eerst op een temperatuur tot 500°C verhit en ontgast. Op de kamer 15 sluit de eigenlijke verstuivingskamer 17 aan. Op de verstuivings-35 kamer sluit zich weer een sluiskamer 18 voor het afvoeren van de gereed zijnde van een laag voorziene produkten aan. Om een pulsgewijs bedrijf -------g- 2 o 0 8 3 8 .........................

-15- van de inrichting mogelijk te maken, zijn de kamers 15 en 18 evenals de kamer 17 verbonden met gescheiden vacuumpompen. Het aanbrengen van de zuigleidingen geschiedt op de aangegeven wijze. Als vacuumpompen wordt gebruikt gemaakt van rondgaande zuigerpompen 19, roteerbare schuif pompen 5 20 en turbo-moleculairpompen 21.

De uitrusting van de inrichting volgens fig. 12 met gescheiden pompen maakt een pulsbedrijf mogelijk. Terwijl in dekamer 15 een charge van de van een laag te voorziene gevormde onderdelen vooraf wordt verhit, verloopt parallel daaraan in de verstuivingskamer 17 een proces 10 waarbij een laag wordt aangebracht, terwijl in de kamer 18 een reeds van een laag voorziene charge afkoelt. De kamer 17 is door twee ventielen van de sluiskamers gescheiden.

In de verstuivingskamer 17 zijn twee eerste kathodestelsels 6 en twee tweede kathodestelsels 7 ondergebracht. De kathodeparen 6/7 zijn wat 15 afstand betreft ten opzichte van elkaar instelbaar om op deze wijze optimale condensatieomstandigheden voor de meest uiteenlopende gevormde onderdelen te verkrijgen. De gevormde onderdelen worden continu van een laag voorzien. Afhankelijk van de grootte van deze onderdelen is een eigen rotatiebeweging van de gevormde onderdelen mogelijk en eventueel 20 ook bovendien vereist. Verder is het mogelijk gevormde onderdelen ook in de ruimte waarin de lagen worden aangebracht te laten schommelen om op deze wijze de gelijkmatigheid.van de aan te brengen lagen nog extra te verbeteren. De capaciteit van de inrichting volgens fig. 12 is afhankelijk van de afmetingen van de gevormde onderdelen, de pakkings-25 dichtheid daarvan in de vacuümkamer en de te gebruiken laagaanbrengings-parameters, waarbij een optimalisering van de omstandigheden op grond van de boven reeds verstrekte informatie zonder meer mogelijk is.

8200838

Claims (9)

1. Werkwijze voor het aanbrengen van lagen op gevormde onderdelen met driedimensionale laagaanbrengingsoppervlakken door kathodeverstuiving van elektrodemateriaal van een eerste kathodestelsel met een concentratie van een eerste ontladingsruimte (plasmawolk) in het gebied van 5 het elektrode-oppervlak door een ten opzichte van de elektrode ruimtelijk gesloten eerste magnetisch veld (plasmaval) met het kenmerk/ dat het gevormde onderdeel respectievelijk de gevormde onderdelen aan de tegenover het eerste kathodestelsel gelegen zijde gelijktijdig worden onderworpen asm het verstuivingsproces van een tweede kathodestelsel met 10 hetzelfde elektrodemateriaal en met een concentratie van een tweede ontladingsruimte in het gebied van het elektrode-oppervlak door een ten opzichte van de elektrode ruimtelijk gesloten tweede magnetisch veld, waarbij aan het gevormde onderdeel een ten opzichte van massa negatieve spanning U met een zodanige waarde wordt aangelegd, dat de sud 15 ontladingsruimten van de beide kathodestelsels zich tot het gevormde onderdeel, dit aanrakend, uitstrekken.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de werkwijze parameters (verstuivingsenergie per oppervlakte-eenheid van de elektrode, elektrode-afstand onderling, magnetische veldsterkte) zodanig 20 worden gekozen, dat de ontladingsruimten van de beide elektrode-opper-vlakken elkaar ook bij afwezigheid van het gevormde onderdeel respectievelijk de gevormde onderdelen ten minste gedeeltelijk oversnijden en de aan het gevormde onderdeel aangelegde spsmning ten minste 10 V (negatief) ten opzichte van massa is.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 voor het vervaardigen van harde lagen, bij voorkeur bestaande uit nitriden, met het kenmerk, dat ten aanzien van de beide kathodestelsels de volgende verstuivingsparameters worden ingesteld: ontladingsspanning: U = 200 tot 1000 V E 30 substraatspanning: = “50 tot - 500 V verstuivingsenergie N =5 tot 30 W/cm^ bij voorkeur 10 tot 15 W/cm^, betrokken op het elektrode-oppervlak, magnetisch veld = 150 tot300Oe, .bijvoorkeur 200 tot 250 Oe '8'20'0δ38 -17- elektrode-afstand = 80 tot 200 mm, bij voorkeur 100 tot 150 mm, inclusief de dikte "d" van het gevormde onderdeel, -3 -2 verstuivingsdruk = 1 x 10 tot 5 x 10 mbar, bij voorkeur -3 -2 5. x 10 tot 2 x 10 mbar gevormde onderdeel- temperaturen = 150 tot 500°C bij voorkeur 250 tot 300°C.

4. Werkwijze volgens conclusie 3 voor het vervaardigen van lagen uit titaannitriden (TiN) met het kenmerk, dat de verstuivingsatmosfeer 10 naast een edelgas (Argon) stikstof met een partiele druk tussen -4 -4 -3 4 x 10 en 8 x 10 mbar bij een totale druk van 5 x 10 tot -2 2 x 10 bevat.

5. Inrichting voor het toepassen van de werkwijze volgens conclusie 1, voorzien van een eerste kathodestelsel met een eerste elektrode en een 15 inrichting voor het opwekken van een magnetisch veld voor het concentreren van een eerste ontlading in het gebied van het eerste elektrode-oppervlak door een ten opzichte van die eerste elektrode ruimtelijk gesloten eerste magnetisch veld en een substraathouder voor het ondersteunen van de gevormde onderdelen in het laagaanbrengingsgebied res-20 pectievelijk het transporteren van de gevormde onderdelen door het laagaanbrengingsgebied van het eerste kathodestelsel met het kenmerk, dat het eerste kathodestelsel (6) tegenover een tweede kathodestelsel (7) met een tweede elektrode (13) uit hetzelfde materiaal en een inrichting voor het opwekken van een magnetisch veld voor het concentreren van 25 een tweede ontlading in het gebied van het tweede elektrode-oppervlak (13a) door een ten opzichte van de tweede elektrode (13) ruimtelijk gesloten tweede magnetisch veld is opgesteld, en de elektrode-oppervlak-. ken (12a, 13a) van de beide kathodestelsels (6, 7) zodanig ten opzichte van elkaar zijn georiënteerd,, dat de substraathouder 3 ongeveer in het 30 midden tussen de elektrode-oppervlakken is-gelegen en door de tussenruimten (14)-kan worden bewogen, en de substraathouder ten opzichte van massa is geïsoleerd en meteen spanningsbron voor het. opwekken van een negatief potentiaalverschil ten opzichte van massa kan worden verbonden.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de tegenover-35 elkaar gelegen elektrode-oppervlakken (12a, 13a) zodanig gebogen zijn -----8 2 0 0 8 3 8 -18- uitgevoerd, dat zij daartussen een holle cilindersector insluiten.

7. Inrichting volgens conclusie 5 en 6 voorzien van een trommelvormige, om de as daarvan roteerbare substraathouder waarvan afzonderlijke manteldelen voor chargeverwisseling uitneembaar zijn met het 5 kenmerk, dat het ene kathodestelsel (7) binnen de substraathouder (3) en het andere kathodestelsel (6) buiten de substraathouder is opgesteld, en het binnenste kathodestelsel na het uitnemen van ten minste één manteldeel (4) uit de ruimte binnen de substraathouder kan worden verwijderd. ICT.

8. Van een harde laag voorzien werktuig, zoals een boor, een frees of een snijplaat, vervaardigd overeenkomstig de werkwijze volgens een der conclusies 1 t/m 4.

9. Van een op goud gelijkende laag voorzien uurwerkhuis, armband of ander gebruiksvoorwerp vervaardigd overeenkomstig de werkwijze volts' gens conclusie 1 en/of 2. 12 0 08 38...........