WO2006099760A2 - Verfahren zum betrieb einer gepulsten arcverdampferquelle sowie eine vakuumprozessanlage mit gepulster arcverdampfungsquelle - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer gepulsten arcverdampferquelle sowie eine vakuumprozessanlage mit gepulster arcverdampfungsquelle Download PDF

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    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31—Layer deposition
    • F05D2230/313—Layer deposition by physical vapour deposition

Definitions

  • the invention relates to a vacuum processing system for the surface treatment of workpieces with an arc vapor source according to the preamble of claim 1 and to a method for operating an arc vapor source according to the preamble of claim 14.
  • Arcverdampfer provoken also known as spark cathodes
  • spark cathodes The operation of Arcverdampfer provoken, also known as spark cathodes, by food with electrical pulses has been known from the prior art for some time.
  • Arcverdampfer provoken economically high evaporation rates and thus high deposition rates can be achieved in the coating.
  • the structure of such a source is technically relatively easy to implement, as long as no higher demands are placed on the pulse mode and the pulse is limited more or less only to the ignition of a DC discharge.
  • These sources typically operate at currents in the range of about 100A and more, and at voltages of a few volts to several tens of volts, which can be realized with relatively inexpensive DC power supplies.
  • a major disadvantage of these sources is that in the area of the cathode spot very rapid melting takes place at the target surface, whereby droplets are formed, so-called droplets, which are thrown as splashes and then condense on the workpiece and thus undesirably affect the layer properties , For example, this makes the layer structure inhomogeneous and the surface roughness poor.
  • droplets which are thrown as splashes and then condense on the workpiece and thus undesirably affect the layer properties , For example, this makes the layer structure inhomogeneous and the surface roughness poor.
  • layers produced in this way can often not be used commercially. Therefore, it has already been attempted to reduce these problems by operating the arc evaporator source in pure pulsed operation of the power supply. Although the ionization could already be partially increased with pulsed operation, spatter formation was even negatively influenced depending on the setting of the operating parameters.
  • the cathodic sputter coating is essentially an evaporation process. It is believed that in the transition between the hot cathode spot and its edge, parts that are not of atomic size are carried along. As such, these conglomerates strike the substrate and result in rough layers that can not be fully reacted in the spatters. The avoidance or fragmentation of these splashes has not been successful, certainly not for reactive coating processes. In this forms on the spark cathode, in, for example, oxygen atmosphere, additionally a thin oxide layer, which tends to increased spattering.
  • the object of the present invention is to eliminate the aforementioned disadvantages of the prior art.
  • the object is to deposit layers economically with at least one Arcverdampfer- source, such that the reactivity in the process by better ionization of the vaporized material and the participating in the process, reactive gas is increased.
  • the size and frequency of the spatters should be substantially reduced, especially in reactive processes for producing insulating layers.
  • a better process control is to be made possible, such as the control of the evaporation rates, increase of the layer quality, adjustability of the layer properties, improvement of the homogeneity of the reaction, as well as the reduction of the surface roughness of the deposited layer.
  • the process stability in reactive processes for the production of insulating layers should generally be increased.
  • a low-temperature process should also be possible, even if the process is highly economical.
  • the cost of the device and in particular for the power supply for the pulsed operation should be kept low.
  • the aforementioned tasks can occur individually as well as in their combination depending on the respective, required field of application.
  • a vacuum process system for the surface treatment of workpieces with at least one arc evaporator source which is connected to a DC power supply and constitutes a first electrode, wherein additionally a second electrode arranged separately from the arc evaporator source is provided and the two electrodes are connected to a pulse power supply.
  • the second electrode may in this case be a further arc vapor source, a sputter source, such as preferably a magnetron source, a workpiece holder or the workpiece itself, whereby the second electrode is operated in this case as a bias electrode or the second electrode may also be formed as a vaporization crucible, which forms the anode of a low-voltage arc evaporator.
  • a particularly preferred embodiment consists in that both electrodes are the cathodes of each arc vapor source and that these Arcverdampfer provoken are both connected directly to each DC power supply for maintaining the spark current such that the ares or the arc discharges of the two sources in bipolar mode with the pulse power supply can not be deleted. In this configuration, therefore, only one pulse power supply is needed because it is connected directly between the two cathodes of the arc evaporator. In addition to the high degree of ionization and the good controllability of the process is also a high efficiency of the arrangement.
  • the process is very stable and surprisingly even the formation of spatter is drastically reduced or almost completely avoided.
  • sources other than the second electrode such as a sputtering electrode, a bias electrode, an auxiliary electrode, or a low-voltage arc crucible, although the mentioned beneficial effects are not achieved to the same extent as in the design of the device two arc evaporators.
  • Fig. 1 shows schematically a representation of an arc evaporator coating plant, as in the prior art corresponds
  • FIG. 4 shows an arrangement with DC-fed arc vapor source and a second electrode as substrate holder with high-current pulse supply connected therebetween;
  • FIG. 5 shows an arrangement with a DC-operated arc evaporator source and the second electrode as a DC-operated magnetron sputtering source with a high-frequency power supply connected in between;
  • FIG. 7 shows the voltage pulse shape of the high-current pulse supply.
  • a vacuum processing system is shown, which shows a known from the prior art arrangement for operating a Arcverdampfer provoke (5) with a DC power supply (13).
  • the system (1) is equipped with a pumping system (2) for creating the necessary vacuum in the chamber of the vacuum processing system (1).
  • the pumping system (2) allows the operation of the coating system at pressures ⁇ 10 "1 mbar and also ensures operation with the typical reactive gases, such as O 2 , N 2 , SiH 4 , hydrocarbons, etc.
  • the reactive gases are a It is additionally possible to introduce additional reactive gases through further gas inlets, or also noble gases, such as argon, if necessary to use the gases individually and / or in mixtures
  • the workpiece holder (3) arranged in the installation serves for receiving and electrically contacting the workpieces, which are no longer shown here, which are usually made of metallic or ceramic materials and which are coated with hard or wear protection layers in such processes (4) is electrically connected to the workpiece holder (3) for applying a substrate voltage or a bias voltage to the workpieces.
  • the bias power supply (4) may be a DC, an AC or a bipolar or a unipolar pulse - substrate power supply.
  • a noble gas or a reactive gas can be introduced via a process gas inlet (11) in order to predetermine and control process pressure and gas composition in the treatment chamber.
  • Component of the Arcverdampfer provoke (5) are a target 5 ⁇ with underlying cooling plate and preferably with Ma
  • An ignition finger (7) which is arranged in the peripheral region of the target surface and a target enclosing anode (6).
  • a switch (14) it is possible to choose between a floating operation of the anode (6) of the positive pole of the power supply (13) and an operation with a defined zero or ground potential.
  • the ignition finger (7) for example, when igniting the arc of the Arcverdampferario (5) made a short-term contact with the cathode and then pulled away, whereby a spark is ignited.
  • the ignition finger (7) is connected to anode potential via a current limiting resistor, for example.
  • the vacuum process installation (1) can optionally be equipped with an additional plasma source (9).
  • the plasma source (9) is designed as a source for generating a low-voltage arc with a hot cathode.
  • the hot cathode is designed, for example, as a filament, which is arranged in a small ionization chamber into which a gas inlet (8) is admitted, such as argon, for example, to generate a low-voltage arc discharge, which enters the main chamber of the vacuum process plant
  • An auxiliary anode (15) for the formation of the low-voltage arc discharge is arranged in the chamber of the vacuum process system (1) positioned accordingly and is operated in a known manner with a DC power supply between the cathode and the plasma source (9) and the anode (15).
  • additional coils (10, 10 ⁇ ) can be provided, such as helm-wood-like arrangements placed around the vacuum processing unit (1) for the magnetic bundling or guiding of the low-voltage arc plasma.
  • the two electrodes (5 ⁇ , 20 ⁇ ), which form the cathodes of the two Arcverdampfer provoken (5, 20) are connected according to the present invention with a single pulse power supply (16) which is able to the two electrodes (5 ⁇ , 20 ⁇ ) deliver high pulse currents with a defined shape and edge steepness of the pulses.
  • the anodes (6) of the two arc evaporator sources (5, 20) are based on the electrical potential of the mass of the process plant (1).
  • the first DC power supply (13) is connected with its minus pole to the cathode (5 ⁇ ) of the first arc evaporator source (5) and its positive pole connected to the opposite anode of the second arc evaporator source (20).
  • the second arc evaporator source (20) is operated analogously and the second power supply (13 ⁇ ) is connected to the positive pole of the anode of the first arc evaporator source (5).
  • the mass-free operation, or the floating or floating operation of the Arcverdampfer provoke (5, 20) can also be done without using the opposite anode feed.
  • the two electrodes (5 ⁇ , 20 ⁇ ) forming the cathodes of the two arc evaporator sources (5, 20) are connected to a single pulse power supply (16) according to the present invention
  • the first and preferred field of application of this invention is that of cathodic sputtering with two pulsed arc evaporation sources (5, 20) as shown in FIG.
  • the impedances range from about 0.01 ⁇ to 1 ⁇ .
  • the impedances of the sources between which "dual pulsed" is different This may be because they are made of different materials or alloys, that the magnetic field of the sources is different, or that the material deposition is different. the sources are at a different stage.
  • the "Dual Pulsed Mode" now allows adjustment by adjusting the pulse width so that both sources draw the same current. As a result, this leads to different voltages at the sources.
  • the supply can also be asymmetrically loaded with respect to the current if it appears desirable for the process control, which is the case, for example, for graded layers of different materials.
  • the voltage stability of a supply can be more and more difficult to realize the smaller the impedance of the respective plasma. Therefore, short pulse lengths are often beneficial.
  • the switchability or the controlled traceability of a supply to different output impedances is therefore of particular advantage if one wishes to exploit the full range of their power, that is, for example, from the range of 500 V / 100 A to 50 V / 1000 A or as described in US Pat parallel application no.
  • the increased electron density also contributes to a faster discharge of the substrate surface, ie in the production of insulating layers, ie relatively short transfer times on the substrate (or else only pulse pauses of the bias voltage) are sufficient to discharge the forming insulating layers; 3.
  • the bipolar operation between the two cathodic Arcverdampfer provoken allows a quasi 100% duty cycle, while the pulsing of a source alone necessarily always requires a break and therefore the efficiency is not so high;
  • a further preferred variant of the present invention consists in that the workpiece holder (3) with the workpieces located thereon is used as the second electrode, in addition to the first electrode of the arc evaporator source (5), as shown in FIG.
  • the single pulse power supply (16) between the first electrode (5 ⁇ ) of the arc evaporator source (5) and the second electrode is formed as a workpiece holder (3) connected.
  • the DC power supply (13) of the arc evaporator source (5) can additionally be connected to the second electrode, the workpiece holder, at the same time. With this bias operation, the ionization conditions, in particular in the area of the workpiece surface, can likewise be influenced in a targeted manner.
  • the im- Substances essentially different from each other. Again, a current balance over the voltage pulse width can be done. Since the electron emission from the substrate holder and substrates differs greatly from the electron emission of the cathodic arc evaporator, the resulting pulsed voltage has no zero crossing (substrate is always anodic). Important in this variant is again the application in the production of insulating layers and, in addition, the possibility of applying high electron currents to the substrate. This operation is especially interesting when it comes to dissociate reactive gases near the substrate surface and at the same time to realize high substrate temperatures.
  • FIG. 5 A further variant of the invention is shown in FIG. 5, in which case the second electrode is designed as a sputtering target (sputtering target) on a sputtering source (18).
  • this sputtering source (18) is formed as a magnetron sputtering source and is usually powered by a DC power supply (17).
  • the advantage of the sputtering technique can be combined with the advantages of the Arcverdampfertechnik and this also in reactive processes, in particular in the deposition of dielectric layers or gradient and alloy layers.
  • the impedances are very different. They are located between the already mentioned above Arcverdampfer permiten and those of sputtering with a magnetron source (10 ⁇ - 100 ⁇ ).
  • the pulse lengths must be adjusted accordingly again.
  • a filter that includes, for example, diodes. It has been shown that this mode is advantageous, above all, for reactive processes for depositing insulating layers, since very wide process windows can be realized not only for the arc evaporation source, but also, above all, for the sputter source. For example, it is possible to work with a constant reactive gas flow and the difficulties of the control are avoided. With the two sources facing each other, the process plasma passes through the substrates to the other source and prevents poisoning of the sputtering target over wide areas.
  • Additional benefits include:
  • the second electrode is formed as evaporation crucible (22), which is part of a low-voltage evaporation device, as shown in Fig. 6.
  • the low-voltage arc discharge is operated with a DC power supply (21), which is connected to the positive pole at the evaporator.
  • Fung crucible (22) is connected, which serves as an anode and with the negative pole to the filament of an opposite plasma source (9), which serves here as a cathode.
  • the low-voltage arc discharge can be concentrated in a known manner with the coils (10, 10 ⁇ ) on the crucible (22), where there evaporates a vaporization and evaporates.
  • the Pulsstromversogung (16) is in turn between the electrode (5 ⁇ ) of the Arcverdampfer provoke (5) and the second electrode, the Verdampfungstrainels (22), switched to achieve the desired high degree of ionization. This procedure helps to reduce spatter even in difficult-to-evaporate materials.
  • the crucible of a normal electron beam evaporator can be used as a second electrode for the pulse power supply.
  • the Pulsstromversor- supply (16) must meet various conditions.
  • the process should be able to be operated at a frequency which is in the range of 10 Hz to 50 kHz lies.
  • the maintainable edge steepness of the pulses is important because of the ionization conditions.
  • Both the amounts of the rising edges U2 / (t2-t1), Ul / (t ⁇ -t5), and the descending edges U2 / (t4-t3) and Ul / (t8-t7) should have at least slopes greater than 2.0Vns measured over the major part of the flank extent.
  • the pulse widths in bipolar representation are advantageously> l ⁇ s for t4 to t1 and t8 to t5, wherein the pauses t5 to t4 and t9 to t8 can advantageously be essentially 0, but under certain conditions also> O ⁇ s can be. If the pauses in the pulse are> 0, this operation is referred to as gaping and it can be adjusted by, for example. Variable time shift of the pulse gap widths of the targeted entry of energy into a plasma and its stabilization. When operating the pulse power supply between two electrodes of different impedance as described above, it may be advantageous if the pulse durations are kept small in order to limit the current increase and the pulse power supply is operated in the latching mode.
  • the pulse power supply is designed in such a way that pulsed operation up to 500 A at 1000 V voltage is possible, in which case the pulse pause ratio (duty cicle) is taken into account accordingly must, or must be adapted for the designed possible achievement of the supply.
  • the pulse pause ratio (duty cicle) is taken into account accordingly must, or must be adapted for the designed possible achievement of the supply.
  • care must be taken to ensure that the pulse power supply (16) is able to cope with a current increase to 500 A in at least 1 ⁇ s.
  • Sparks evaporation sources (5, 20) operated. In this mode of operation, both process stability for insulating layers, spatter reduction and higher reactivity of the plasma are achieved.
  • the following describes a typical process of a substrate treatment in a reactive spark plating process, using the present invention.
  • it also addresses the other process steps which relate to the pre- and post-treatment of the substrates. All of these steps allow for wide variations, and some may be omitted, shortened or lengthened, or otherwise combined under certain conditions.
  • the substrates are usually subjected to a wet-chemical cleaning, which is carried out differently depending on the material and the history.
  • Argon flow 50 sccm hydrogen flow rate 300 sccm substrate temperature 500 0 C (part by plasma heating and partly by radiation heating) process time 45 min
  • the etching is started.
  • the low-voltage arc is operated between the filament and the auxiliary anode.
  • a DC, pulsed DC, MF or RF supply is connected between substrates and ground and the substrates are preferably applied with negative voltage.
  • the pulsed and MF, RF supplies also apply positive voltage to the substrates.
  • the supplies can be operated unipolar or bipolar.
  • Substrate temperature 500 ° C (partly by plasma heating, partly by radiant heating) Process time 30 min
  • the coating can be done with and without low voltage arc.
  • transition to functional layer (about 5 min)
  • the nitrogen is ramped down from 1200 sccm to about 400 sccm and then an oxygen flow of 300 sccm is switched on.
  • the DC supply current for the Cr spark cathode is increased to 200A.
  • the Al spark cathode is turned on and also operated with a current of 200 A.
  • the nitrogen flow is now switched off and then the oxygen flow is increased to 400 sccm.
  • a temporal positive or negative average value of the current of about 50 A was used.
  • the pulse durations are each 20 ⁇ s for the positive and negative voltage range.
  • the peak value of the current through the bipolar pulsed power supply depends on the respective pulse shape.
  • the difference between the DC current through the respective spark cathode and the peak value of the bipolar pulsed current must not fall below the so-called holding current of the spark cathode, since otherwise the spark goes out.
  • the bia is rattled from -180 V to -60 V.
  • the typical coating rates for double-rotating substrates are between 3 ⁇ m / h and 6 ⁇ m / h.
  • the bipolar pulsed DC current between the two cathodes has a frequency of 25 kHz.
  • Process pressure approx. 3xlO ⁇ 3 mbar
  • the coating can also be carried out simultaneously with the operation of the low-voltage arc. In this case, a further increase in reactivity especially in
  • the coating process is stable over several hours.
  • the radio target covers itself with a thin, smooth oxide layer. This is desirable and also a prerequisite for a largely spatter-free and stable process.
  • the coverage manifests itself in an increase in the voltage at the radio target, as already described in the previous patent application CH00518 / 05.
  • Example 2 While in the above example the preparation of an Al-Cr-O layer was described in which only two radio targets were used, the process will now be described below for a pure alumina layer using 4 radio targets are described:
  • Carbide indexable inserts (tungsten carbide) have been used as substrates for the coatings, which have already been used in a previous process with a 1.5 ⁇ m TiN coating.
  • Bipolar current pulses corresponding to FIG. 2, of in each case 2 AI targets with an output voltage of 100 V at the power supply and positive and negative pulse widths of 20 ⁇ s each
  • XRD spectra of the layer were carried out both for the angular range 2 ⁇ / ⁇ as for grazing incidence (3 °).
  • the alumina can be clearly identified as ⁇ -Al 2 ⁇ 3 ⁇ phase.
  • the next example relates to the production of a
  • the substrates were coated with an intermediate layer of ZrN before the actual coating with the functional layer.
  • four targets were used, which were operated at an interfacial partial pressure of 2 Pa with 170 A each.
  • the substrate temperature was 500 ° C. and a substrate bias of -150 V was used.
  • the coating time for this intermediate layer was 6 min.
  • bipolar current pulses of 2 Zr targets each with an output voltage of 100 V at the power supply and positive and negative pulse widths of 20 ⁇ s each
  • the last example deals with the production and analysis of a SiAlN layer.
  • the substrates were coated with an intermediate layer of TiN before the actual coating with the functional layer.
  • two targets were used, corresponding to FIG. 2, which were operated at a nitrogen partial pressure of 0.8 Pa with 180 A each.
  • the substrate temperature was 500 ° C. and a substrate bias of -150 V was used.
  • the coating time for this intermediate layer was 5 min. • 2 SiAl targets with a Si-Al ratio of 70/30 operated with 170 A DC each
  • bipolar current pulses of the 2 SiAl targets with an output voltage of 100 V at the power supply and positive and negative pulse widths of 20 ⁇ s each
  • Substrate bias DC bipolar pulsed, +/- 40 V, 38 ⁇ s negative, 4 ⁇ s positive •

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumprozessanlage zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken (3) mit einer Arcverdampferquelle (5) enthaltend eine erste Elektrode (5′) die mit einer DC-Stromversorgung (13) verbunden ist und mit einer von der Arcverdampferquelle (5) getrennt angeordneten zweiten Elektrode (3, 18, 20). Die beiden Elektroden (5′, 3, 18, 20) werden mit einer einzelnen Pulsstromversorgung (16) verbunden, betrieben.

Description

Verfahren zum Betrieb einer gepulsten Arσverdampferquelle sowie eine Vakuumprozessanlage mit gepulster Arcverdamp- fungsquelle
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumprozessanlage zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mit einer Arcver- dampferquelle gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie auf ein Verfahren zum Betrieb einer Arcverdampferquelle gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 14.
Der Betrieb von Arcverdampferquellen, auch als Funkenkathoden bekannt, durch Speisen mit elektrischen Pulsen ist aus dem Stand der Technik schon seit längerer Zeit bekannt. Mit Arcverdampferquellen können wirtschaftlich hohe Verdamp- fungsraten und somit hohe Abscheideraten bei der Beschich- tung erzielt werden. Ausserdem ist der Aufbau einer derartigen Quelle technisch relativ einfach zu realisieren, solange keine höheren Anforderungen an den Pulsbetrieb gestellt werden und sich das pulsen mehr oder weniger nur auf das Zünden einer DC-Entladung beschränkt. Diese Quellen arbeiten bei Strömen typischerweise im Bereich von etwa 100A und mehr und bei Spannungen von einigen Volt bis einigen 10 Volt, welche mit relativ kostengünstigen Gleichstromversor- gungen realisiert werden können. Ein wesentlicher Nachteil bei diesen Quellen besteht darin, dass es im Bereich des Kathodenfleckes zu sehr rasch verlaufenden Aufschmelzungen an der Targetoberfläche kommt, wodurch Tropfen gebildet werden, so genannte Droplets, welche als Spritzer weggeschleudert werden und dann am Werkstück kondensieren und die Schichteigenschaften somit unerwünscht beeinflussen. Beispielsweise wird dadurch die Schichtstruktur inhomogen und die Oberflächenrauhigkeit schlecht. Bei hohen Anforde- rungen an die Schichtqualität können derartig erzeugte Schichten oft kommerziell nicht eingesetzt werden. Es wurde deshalb bereits versucht diese Probleme zu reduzieren indem die Arcverdampferquelle im reinen Pulsbetrieb der Stromver- sorgung betrieben wird. Mit dem Pulsbetrieb konnte zwar teilweise die Ionisierung bereits erhöht werden, aber die Spritzerbildung wurde je nach Einstellung der Betriebsparameter sogar zusätzlich negativ beeinflusst.
Die Verwendung von reaktiven Gasen zur Abscheidung von Verbindungen ab einem metallischen Target in einem reaktiven Plasma war bis anhin nur sehr eingeschränkt möglich, da sich das Problem der Spritzerbildung bei derartigen Prozessen zusätzlich verstärkt, insbesondere dann, wenn nicht- leitende, also dielektrische Schichten erzeugt werden sollen, wie bspw. Oxyde unter Verwendung von Sauerstoff als Reaktivgas. Die dem Prozess in diesem Fall inhärente Wiederbelegung der Target Oberflächen des Arcverdampfers und der Gegenelektroden, wie den Anoden und auch anderen Teilen der Vakuumprozessanlage mit einer nicht-leitenden Schicht führt zu völlig instabilen Verhältnissen und gar zum Auslöschen des Lichtbogens. In diesem Fall müsste dieser dann immer wieder neu gezündet werden oder die Prozessführung wird dadurch gänzlich verunmöglicht .
In der EP 0 βββ 335 Bl wird für die Abscheidung von rein metallischen Materialien mit einem Arcverdampfer vorgeschlagen, dem Gleichstrom einen pulsierenden Strom zu überlagern, um hierdurch den DC - Grundstrom erniedrigen zu können zur Reduzieren der Spritzerbildung. Hierbei sind Pulsströme bis zu 5000A notwendig, welche mit Kondensatorentladungen erzeugt werden sollen bei relativ tiefen Puls- frequenzen im Bereich von 100Hz bis 5OkHz. Dieses Vorgehen wird vorgeschlagen zur Verhinderung der Dropletbildung beim nicht-reaktiven Verdampfen von rein metallischen Targets mit einer Arcverdampferquelle. Eine Lösung zur Abscheidung von nicht-leitenden, dielektrischen Schichten wird in dieser Schrift nicht angegeben.
Bei der reaktiven Beschichtung mittels Arcverdampferquellen besteht eine mangelnde Reaktivität und Prozesstabilität, besonders bei der Herstellung isolierender Schichten. Im Gegensatz zu anderen PVD Prozessen (z.B. Sputtern) , lassen sich isolierende Schichten mittels Arcverdampfung nur mit elektrisch leitenden Targets herstellen. Ein Arbeiten mit Hochfrequenz, wie es beim Sputtern der Fall ist, scheitert bisher an der fehlenden Technik, Hochstromversorgungen mit hohen Frequenzen betreiben zu können. Das Arbeiten mit gepulsten Stromversorgungen scheint eine Option zu sein. Allerdings muss dann der Funken, wie erwähnt, immer wieder gezündet werden oder die Pulsfrequenz muss so gross gewählt werden, dass der Funke nicht verlischt. Das scheint bei Anwendungen für spezielle Materialien, wie Graphit einigerma- ssen zu funktionieren.
Bei oxidierten Targetoberflächen ist ein neuerliches Zünden über mechanischen Kontakt und mittels DC - Versorgungen nicht möglich. Andere Arten von schnellen Zündvorgängen sind technisch aufwendig und in ihrer Zündfrequenz begrenzt. Das eigentliche Problem bei der reaktiven Arcverdampfung sind die Belegungen mit isolierenden Schichten auf Target und auf der Anode bzw. der Beschichtungskammer . Diese Belegungen erhöhen die Brennspannung der Funkenentladung, führen zu vermehrten Spritzern und Überschlägen, ei- nem instabilen Prozess, der in einem Unterbruch der Funkenentladung endet. Einher geht eine Belegung des Targets mit Inselwachstum, das die leitende Oberfläche verringert. Ein stark verdünntes Reaktivgas (z.B. Argon/Sauerstoff-Gemisch) kann das Zuwachsen am Target verzögern, aber das grundsätzliche Problem der Prozessinstabilität nicht lösen. Der Vorschlag gemäss der US 5,103,766, die Kathode und die Anode wechselweise zu betreiben mit jeweilig neuerlichem Zünden, trägt wohl zur Prozessstabilität bei, führt aber zu vermehrten Spritzern.
Der Ausweg über eine gepulste Stromversorgung wie es etwa beim reaktiven Sputtern möglich ist, kann bei einer klassischen Funkenverdampfung nicht gegangen werden. Das liegt daran, dass eine Glimmentladung "länger lebt" als ein Funke, wenn man die Stromzufuhr unterbricht.
Um dem Problem der Belegung des Targets mit einer isolierenden Schicht aus dem Weg zu gehen, wird bei reaktiven Prozessen zur Herstellung isolierender Schichten entweder der Reaktivgaseinlass vom Target örtlich getrennt (dann ist die Reaktivität des Prozesses nur gewährleistet, falls auch die Temperatur am Substrat eine Oxidation/Reaktion ermöglicht) oder es wird eine Trennung zwischen Spritzern und ionisiertem Anteil vorgenommen (sog. filtered arc) und das Reaktivgas nach der Filterung dem ionisiertem Dampf beigegeben. Die vorherigen Patentanmeldung mit Anmeldenummer CH 00518/05 zeigt im wesentlichen für dieses Problem einen Lö- sungsansat'Z auf und die in der vorliegenden Patentanmeldung vorgestellte Erfindung stellt eine Weiterentwicklung dar, welche Priorität auf diese Anmeldung nimmt und diese somit integrierender Bestandteil dieser Anmeldung ist. Im Gegensatz zum Sputtern ist die Beschichtung mittels kathodischem Funken im Wesentlichen ein Verdampfungsprozess . Man vermutet, dass im Übergang zwischen heissen Kathodenfleck und dessen Rand Teile mitgerissen werden, die nicht von atomarer Grösse sind. Diese Konglomerate treffen als solche auf dem Substrat auf und resultieren in rauen Schichten, die in den Spritzern nicht voll durchreagiert werden können. Die Vermeidung bzw. Zerteilung dieser Spritzer ist bisher nicht gelungen, schon gar nicht für reaktive Beschichtungsprozesse. Bei diesem bildet sich auf der Funkenkathode, in beispielsweise Sauerstoffatmosphäre, zusätzlich noch eine dünne Oxidschicht, die zu vermehrter Spritzerbildung neigt. In der vorerwähnten Patentanmeldung CH00518/05 wurde eine erste Lösung angegeben, die besonders gut für vollständig reagierte Targetoberflächen geeignet ist und eine deutlich verminderte Spritzerbildung aufweist. Trotzdem ist eine weitere Reduktion der Spritzer und ihrer Grosse wünschenswert.
Weiter besteht der Wunsch der zusätzlichen Reduktions- bzw. Skalierbarkeitsmöglichkeit der thermischen Belastung der Substrate und die Möglichkeit Niedertemperaturprozesse bei der kathodischen Funkenbeschichtung zu führen. In der WO-03018862 wird der Pulsbetrieb von Plasmaquellen als ein möglicher Weg beschrieben, die thermische Belastung am Substrat zu reduzieren. Allerdings gelten dort die Begründungen wohl für den Bereich der Sputterprozesse. Es wird kein Bezug zur Funkenverdampfung hergestellt.
In Bezug zum Stand der Technik werden zusammenfassend folgende Nachteile aufgeführt: 1. Die Reaktivität bei Beschichtungen mittels kathodischem Arcverdampfen ist unzureichend.
2. Es besteht keine grundsätzliche Lösung der Spritzerproblematik: Konglomerate (Spritzer) werden nicht voll durchreagiert -> Rauhigkeit der Schichtoberfläche, Gleichförmigkeit der Schichtstruktur und Stöchiometrie.
3. Keine stabilen Prozesse möglich zur Abscheidung isolierender Schichten.
4. Die Nachionisierungsmöglichkeit von Spritzern ist unge- nügend.
5. Unzureichende Möglichkeiten Niedertemperaturprozesse zu realisieren.
6. Eine weitere Reduktion der thermischen Belastung der Substrate ist ungenügend.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin die vorerwähnten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, Schichten wirtschaftlich abzuscheiden mit mindestens einer Arcverdampfer- quelle, derart, dass die Reaktivität beim Prozess durch bessere Ionisierung des verdampften Materials und des, beim Prozess beteiligten, Reaktivgases erhöht wird. Bei diesem reaktiven Prozess soll die Grosse und Häufiqkeit der Spritzer wesentlich reduziert werden, insbesondere bei reaktiven Prozessen zur Herstellung isolierender Schichten. Weiter soll eine bessere Prozesskontrolle ermöglicht werden, wie die Kontrolle der Verdampfungsraten, Erhöhung der Schichtqualität, Einstellbarkeit der Schichteigenschaften, Verbesserung der Homogenität der Reaktion, sowie die Verminderung der Oberflächenrauhigkeit der abgeschiedenen Schicht. Diese Verbesserungen sind insbesondere auch von Bedeutung bei der Herstellung von gradierten Schichten und/ oder Legierungen. Die Prozessstabilität bei reaktiven Prozessen zur Herstellung isolierender Schichten soll generell erhöht werden. Ausserdem soll ein Niedertemperaturprozess realisiert werden können auch bei hoher Wirtschaftlichkeit des Verfah- rens. Im Weiteren soll der Aufwand für die Vorrichtung und insbesondere für die Leistungsversorgung für den gepulsten Betrieb gering gehalten werden können. Die vorerwähnten Aufgaben können sowohl einzeln wie auch in ihrer Kombination abhängig vom jeweiligen, geforderten Einsatzbereich auf- treten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Vakuumprozessanlage nach Anspruch 1 gelöst und durch Vorgehen nach einem Verfahren nach Anspruch 13. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine Vakuumprozessanlage zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mit mindestens einer Arcverdampferquelle vorgesehen ist, welche mit einer DC Stromversorgung verbunden ist und eine erste Elektrode darstellt, wobei zusätzlich eine, von der Arcverdampferquelle getrennt angeordnete, zweite Elektrode vorgesehen ist und dass die beiden Elektroden mit einer Pulsstromversorgung verbunden sind. Zwischen den beiden Elektroden wird somit eine zusätzliche Entladungsstrecke betrieben mit nur einer einzelnen Pulsstromversorgung, welche eine besonders hohe Ionisation der beteiligten Materialien ermöglicht bei sehr guter Kontrollierbarkeit des Prozesses . Die zweite Elektrode kann hierbei eine weitere Arcverdamp- ferquelle sein, eine Sputterquelle, wie vorzugsweise eine Magnetronquelle, eine Werkstückhalterung bzw. das Werkstück selbst, wodurch die zweite Elektrode in diesem Fall als Bias Elektrode betrieben wird oder die zweite Elektrode kann auch als Verdampfungstiegel ausgebildet sein, welcher die Anode eines Niedervoltbogen Verdampfers bildet.
Eine besonders bevorzugte Ausbildung besteht darin, dass beide Elektroden die Kathoden je einer Arcverdampferquelle sind und dass diese Arcverdampferquellen beide direkt mit je einer DC-Stromversorgung verbunden sind zur Aufrechter- haltung des Funkenstroms derart, dass die Ares bzw. die Bo- genentladungen der beiden Quellen im bipolaren Betrieb mit der Pulsstromversorgung nicht gelöscht werden. In dieser Konfiguration wird somit nur eine Pulsstromversorgung benötigt, da diese unmittelbar zwischen die beiden Kathoden der Arcverdampfer geschaltet ist. Neben dem hohen Ionisierungsgrad und der guten Kontrollierbarkeit des Prozesses stellt sich auch ein hoher Wirkungsgrad der Anordnung ein. Zwischen diesen beiden Elektroden und der dadurch zusätzlich erzeugten Puls Entladungsstrecke bildet sich gegenüber die- ser Entladungsstrecke elektrisch ein bipolarer Puls aus mit negativen und positiven Anteilen wodurch die ganze Periodendauer dieser eingespeisten Wechselspannung für den Pro- zess genutzt werden kann. Tatsächlich entstehen keine unge- nutzten Pulspausen und sowohl der negative wie auch der po- sitive Puls leisten ohne Unterbruch insgesamt den Beitrag an den Prozess. Das trägt zur Spritzerreduktion bei, stabilisiert reaktive Beschichtungsprozesse, erhöht die Reaktivität und die Abscheiderate ohne zusätzliche teure Pulsstromversorgungen einsetzten zu müssen. Diese Anordnung, mit zwei Arcverdampferquellen, ist besonders geeignet zur Abscheidung von Schichten ab einem metallischen Target unter Verwendung von reaktivem Gas. Plasmaprozesse betrieben mit Edelgasen, wie mit Argon, sind bekanntlich recht stabil. Sobald Reaktivgase dazu kommen, um verschiedene metallische und halb-metallische Verbindungen abscheiden zu können, wird die Prozessführung schwierig, da die Prozesspara- meter sich dann verschieben und folglich Instabilitäten auftreten, die, die Prozessführung gar verunmöglichen können. Diese Problematik tritt besonders in Erscheinung, wenn nicht-leitende Schichten erzeugt werden sollen, wie insbesondere oxydische Schichten unter Verwendung von Sauerstoff als Reaktivgas. Die vorerwähnte Anordnung mit zwei Arcver- dampferquellen löst dieses Problem auf einfach Art und Weise. Mit dieser Anordnung wird es sogar möglich gänzlich auf stützende Edelgase, wie Argon zu verzichten und es kann mit reinem Reaktivgas gearbeitet werden, sogar überraschender- weise mit reinem Sauerstoff. Durch den damit hohen erreichbaren Ionisierungsgrad, sowohl des abgedampften Materials wie auch des Reaktivgases, wie mit Sauerstoff, werden nicht-leitende Schichten erzeugt mit hoher Qualität, die nahe an die Qualität des BuIk Materials hinreichen. Der Prozess läuft hierbei sehr stabil und überraschenderweise wird hierbei auch noch die Spritzerbildung drastisch reduziert oder beinahe gänzlich vermieden. Die vorerwähnten Vorteile könne aber auch erzielt werden durch Verwendung von anderen Quellen als zweite Elektrode, wie für eine Sputterelektode, eine Biaselektrode, einer Hilfselektrode oder einen Niedervoltbogenverdampfertiegel, obwohl die erwähnten vorteilhaften Auswirkungen nicht in dem selben Mass erreicht werden wie bei der Ausbildung der Anordnung mit zwei Arcverdampfern.
Die Erfindung wird im Nachfolgenden beispielsweise und schematisch mit Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch eine Darstellung einer Arcverdampfer Beschichtungsanlage, wie sie dem Stand der Technik entspricht;
Fig. 2 eine erfindungsgemässe Anordnung mit zwei DC gespeisten Arcverdampferquellen bei Betrieb mit überlagertem Hochstrompuls;
Fig. 3 Anordnung mit zwei DC gespeisten Arcverdampferquellen und dazwischen geschalteter Hochstrompulsversorgung gemäss Erfindung mit massefreiem Betrieb;
Fig. 4 eine Anordnung mit DC gespeister Arcverdampferquel- Ie und einer zweiten Elektrode als Substrathalter mit dazwischen geschalteter Hochstrompulsversorgung;
Fig. 5 Anordnung mit einer DC betriebenen Arcverdampfer- quelle und der zweiten Elektrode als DC betriebene Magnetronsputterquelle mit dazwischen geschalteten HöchstrompulsVersorgung;
Fig. 6 Anordnung mit einer DC gespeisten Arcverdampfer- quelle und mit einer zweiten Elektrode als Verdampfungstiegel einer Niedervoltbogenverdampfungsanord- nung und dazwischen geschalteter Hochstrompulsversorgung;
Fig. 7 die Spannungspulsform der Hochstrompulsversorgung. In Fig. 1 ist eine Vakuumprozessanlage dargestellt, welche eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung zeigt zum Betreiben einer Arcverdampferquelle (5) mit einer DC- Stromversorgung (13) . Die Anlage (1) ist mit einem Pumpsy- stem (2) ausgerüstet zur Erstellung des notwendigen Vakuums in der Kammer der Vakuumprozessanlage (1). Das Pumpsystem (2) ermöglicht den Betrieb der Beschichtungsanlage bei Drucken < 10"1 mbar und stellt auch den Betrieb sicher mit den typischen Reaktivgasen, wie O2, N2, SiH4, Kohlenwasser- Stoffe, etc.. Die Reaktivgase werden über einen Gaseinlass (11) in die Kammer (1) eingelassen und dort entsprechend verteilt. Es ist zusätzlich möglich durch weitere Gaseinlasse zusätzliche Reaktivgase einzulassen oder aber auch Edelgase, wie Argon, wenn dies notwendig erscheint, um die Gase einzeln und/oder in Mischungen zu benutzen. Die in der Anlage angeordnete Werkstückhalterung (3) dient der Aufnahme und der elektrischen Kontaktierung der hier nicht mehr dargestellten Werkstücke, welche üblicherweise aus metallischen oder keramischen Materialien gefertigt sind und die mit Hartstoff- oder Verschleissschutzschichten in derartigen Prozessen beschichtet werden. Eine Bias - Stromversorgung (4) ist elektrisch mit der Werkstückhalterung (3) verbunden zur Anlegung einer Substratspannung bzw. einer Bias- spannung an die Werkstücke. Die Bias - Stromversorgung (4) kann eine DC, eine AC oder eine bi- bzw. eine unipolare Puls - Substratstromversorgung sein. Über einen Prozessga- seinlass (11) kann ein Edel- bzw. ein Reaktivgas eingelassen werden, um Prozessdruck und Gaszusammensetzung in der Behandlungskammer vorzugeben und zu steuern.
Bestandteil der Arcverdampferquelle (5) sind ein Target 5 λ mit dahinter liegender Kühlplatte und vorzugsweise mit Ma- gnetsystem, ein Zündfinger (7), der im Peripheriebereich der Targetoberfläche angeordnet ist sowie eine das Target umschliessende Anode (6). Mit einem Schalter (14) ist es möglich zwischen einem floatenden Betrieb der Anode (6) des positiven Pols der Stromversorgung (13) und einem Betrieb mit definiertem Null- bzw. Massepotenzial zu wählen. Mit dem Zündfinger (7) wird bspw. beim Zünden des Lichtbogens der Arcverdampferquelle (5) ein kurzzeitiger Kontakt mit der Kathode hergestellt und dieser dann weggezogen, wodurch ein Funken gezündet wird. Der Zündfinger (7) ist hierzu bspw. über einen Strombegrenzungswiderstand mit Anodenpotenzial verbunden.
Die Vakuumprozessanlage (1) kann zusätzlich fakultativ, wenn die Prozessführung es notwendig macht mit einer zusätzlichen Plasmaquelle (9) ausgerüstet werden. In diesem Fall ist die Plasmaquelle (9) als Quelle zur Erzeugung eines Niedervoltbogens mit Heisskathode ausgebildet. Die Heisskathode ist bspw. als Filament ausgebildet, welches in einer kleinen Ionisationskammer angeordnet ist, in welches mit einem Gaseinlass (8) ein Arbeitsgas, wie bspw. Argon eingelassen wird, zur Erzeugung einer Niedervoltbogenentla- dunq, die sich in die Hauptkammer der Vakuumprozessanlage
(1) erstreckt. Eine Hilfsanode (15) für die Ausbildung der Niedervoltbogenentladung ist in der Kammer der Vakuumprozessanlage (1) entsprechend positioniert angeordnet und wird auf bekannte Art und Weise mit einer DC- Stromversorgung zwischen Kathode und der Plasmaquelle (9) und der Anode (15) betrieben. Bei Bedarf können zusätzliche Spulen (10, 10 λ) vorgesehen werden, wie bspw. helmholzartige Anordnungen, die um die Vakuumprozessanlage (1) gelegt werden, zur magnetischen Bündelung bzw. Führung des Nieder- voltbogenplasmas .
Erfindungsgemäss wird nun neben einer ersten Arcverdampfer- quelle (5) mit der Targetelektrode (5Λ) eine zweite Arcver- dampferquelle (20) mit der zweiten Targetelektrode (20 x) vorgesehen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Beide Arcverdampferquellen (5, 20), werden mit je einer DC- Stromversorgung (13) und (13*) betrieben, derart, dass die DC-Stromversorgungen mit einem Grundstrom die Aufrechterhaltung der Bogenentladung gewährleisten. Die DC- Stromversorgungen (13, 13 Λ) entsprechen dem heutigen Stand der Technik und können kostengünstig realisiert werden. Die beiden Elektroden (5λ, 20 λ), welche die Kathoden der beiden Arcverdampferquellen (5, 20) bilden sind entsprechend der vorliegenden Erfindung mit einer einzelnen Pulsstromversorgung (16) verbunden, welche in der Lage ist, an die beiden Elektroden (5Λ,20Λ) hohe Pulsströme mit definierter Form und Flankensteilheit der Pulse abzugeben. In der darge- stellten Anordnung nach Fig. 2 sind die Anoden (6) der beiden Arcverdampferquellen (5, 20) auf das elektrische Potenzial der Masse der Prozessanlage (1) bezogen.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist es aber auch möglich die Funkenentladungen massefrei zu betreiben. In diesem Fall wird die erste DC-Stromversorgung (13) mit deren minus Pol mit der Kathode (5Λ) der ersten Arcverdampferquelle (5) verbunden und deren positiver Pol mit der gegenüberliegenden Anode der zweiten Arcverdampferquelle (20) verbunden. Die zweite Arcverdampferquelle (20) wird analog betrieben und die zweite Stromversorgung (13 λ) ist mit dem positiven Pol der Anode der ersten Arcverdampferquelle (5) verbunden. Dieser gegenüberliegende Betrieb der Anoden der Arcverdamp- ferquellen führt zu einer besseren Ionisierung der Materialien im Prozess. Der massefreie Betrieb, bzw. der floatende oder schwebende Betrieb der Arcverdampferquelle (5, 20) kann aber auch ohne Verwendung der gegenüberliegenden Anodeneinspeisung erfolgen. Ausserdem ist es möglich, einen Schalter (14) vorzusehen, um wahlweise zwischen massefreien und massegebundenen Betrieb umschalten zu können. Wie vorher sind die beiden Elektroden (5Λ, 20 Λ), welche die Katho- den der beiden Arcverdampferquellen (5, 20) bilden, entsprechend der vorliegenden Erfindung mit einer einzelnen Pulsstromversorgung (16) verbunden
Die Versorgung für diesen "Dual Pulsed Mode" muss verschie- dene Impedanzbereiche überstreichen können und trotz allem noch "hart" in der Spannung sein. Das bedeutet, dass die Versorgung hohe Ströme liefern muss, aber dabei trotzdem weitgehend spannungsstabil betrieben werden kann. Ein Beispiel einer solchen Versorgung wird parallel mit gleichem Datum zu dieser Patentanmeldung mit der Nr angemeldet.
Der erste und bevorzugte Anwendungsbereich dieser Erfindung ist derjenige der kathodischen Funkenverdampfung mit zwei gepulsten Arcverdampferquellen (5, 20) wie er in Figur 2 dargestellt ist. Für diese Anwendungen liegen die Impedanzen im Intervall von etwa 0.01 Ω bis 1 Ω. Es muss hier noch angemerkt werden, dass gewöhnlich die Impedanzen der Quellen, zwischen denen "dual gepulst" wird, unterschiedlich sind. Das kann daran liegen, dass diese aus verschiedenen Materialien bzw. Legierungen bestehen, dass das Magnetfeld der Quellen unterschiedlich ist oder dass der Materialab- trag der Quellen in einem unterschiedlichen Stadium ist. Der "Dual Pulsed Mode" erlaubt nun einen Abgleich über das Einstellen der Pulsbreite derart, dass beide Quellen den gleichen Strom ziehen. Als Folge führt das zu unterschied- liehen Spannungen an den Quellen. Natürlich kann die Versorgung auch asymmetrisch bezüglich des Stromes belastet werden, wenn es für die Prozessführung wünschenswert erscheint, was beispielsweise der Fall ist für gradierte Schichten unterschiedlicher Materialien. Die Spannungssta- bilität einer Versorgung lässt sich immer schwieriger realisieren, je kleiner die Impedanz des jeweiligen Plasmas ist. Deshalb sind kurze Pulslängen oft von Vorteil. Die Um- schaltbarkeit bzw. die gesteuerte Nachführbarkeit einer Versorgung auf verschiedene Ausgangsimpedanzen ist deshalb von besonderem Vorteil, falls man den vollen Bereich ihrer Leistung ausnutzen möchte, also beispielsweise vom Bereich 500 V/100 A auf 50 V/1000 A oder wie es in der parallelen Anmeldung Nr realisiert wird.
Die Vorteile einer solchen dual gepulsten Kathodenanordnung und insbesondere bestehend aus zwei Arcverdampferquellen sind zusammengefasst folgende:
1. Erhöhte Elektronenemission bei steilen Pulsen resultiert in höherem Strom (auch Substratstrom) und erhöhten Ionisie- rung des verdampften Materials und des Reaktivgases;
2. Die erhöhte Elektronendichte trägt auch zu einer schnelleren Entladung der Substratoberfläche bei, bei der Herstellung isolierender Schichten d.h. relativ kleine Umladezeiten am Substrat (oder auch nur Pulspausen der Biasspan- nung) sind ausreichend, um die sich bildenden isolierende Schichten zu entladen; 3. Der bipolare Betrieb zwischen den beiden kathodischen Arcverdampferquellen erlaubt einen quasi 100%iges Puls- Pausenverhältnis (duty cycle) , während das Pulsen einer Quelle allein notwendigerweise immer eine Pause benötigt und deshalb die Effizienz nicht so hoch ist;
4. Der dual gepulste Betrieb zweier kathodischen Funkenquellen, die einander gegenüberliegen, taucht den Substratbereich in dichtes Plasma ein und erhöht die Reaktivität in diesem Bereich, auch vom Reaktivgas. Das zeigt sich auch an der Erhöhung des SubstratStromes;
5. Bei reaktiven Prozessen in Sauerstoffatmosphäre können im gepulsten Betrieb noch höhere Elektronenemissionswerte erreicht werden und es scheint, dass sich ein Aufschmelzen des Funkenbereiches wie es bei der klassischen Verdampfung von metallischen Targets der Fall ist, weitgehend vermeiden lässt.
Eine weitere bevorzugte Variante der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass als zweite Elektrode, neben der ersten Elektrode der Arcverdampferquelle (5), die Werkstückhalte- rung (3) mit den darauf befindlichen Werkstücken benutzt wird, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. In diesem Fall wird die einzelne Pulsstromversorgung (16) zwischen die erste Elektrode (5λ) der Arcverdampferquelle (5) und die zweite Elektrode ausgebildet als Werkstückhalterung (3) angeschlossen. Um stabilere Entladebedingungen erzielen zu können, kann zusätzlich die DC-Stromversorgung (13) der Arcverdampferquelle (5) gleichzeitig auch mit der zweiten Elektrode, der Werkstückhalterung, verbunden werden. Mit diesem Biasbetrieb können ebenfalls die Ionisierungsverhältnisse, insbesondere im Bereich der Werkstückoberfläche gezielt beeinflusst werden. In dieser Variante sind die Im- pedanzen wesentlich voneinander verschieden. Auch hier kann ein Stromabgleich über die Spannungspulsbreite erfolgen. Da die Elektronenemission von Substrathalterung und Substraten sich stark von der Elektronenemission des kathodischen Arcverdampfers unterscheidet, weist die resultierende gepulste Spannung keinen Nulldurchgang auf (Substrat ist immer anodisch) . Wichtig bei dieser Variante ist wieder die Anwendung bei der Herstellung isolierender Schichten und zusätzlich die Möglichkeit, das Substrat mit hohen Elektro- nenströmen zu beaufschlagen. Dieser Betrieb ist vor allem dann interessant, wenn es darum geht Reaktivgase in der Nähe der Substratoberfläche zu dissoziieren und gleichzeitig hohe Substrattemperaturen zu realisieren.
Die Vorteile sind zusammengefasst :
1. Hohe Reaktivität in Substratnähe;
2. Effiziente Zerlegung des Reaktivgases;
3. Entladung der Substrate bei der Abscheidung von isolierenden Schichten; 4. Realisierung hoher Substrattemperaturen möglich.
Eine weitere Variante der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt, wobei hier die zweite Elektrode als Zerstäubungstarget (Sputtertarget ) an einer Zerstäubungsquelle (18) ausgebildet ist. Bevorzugterweise ist diese Zerstäubungsquelle (18) als Magnetron Zerstäubungsquelle ausgebildet und wird in üblicherweise mit einer DC-Stromversorgung (17) gespiesen. Mit dieser Anordnung können die Vorteil der Zerstäubungstechnik kombiniert werden mit den Vorteilen der Arcverdampfertechnik und dies auch bei reaktiven Prozessen, insbesondere bei der Abscheidung von dielektrischen Schichten oder Gradienten- und Legierungsschichten. Auch in diesem Fall sind die Impedanzen sehr unterschiedlich. Sie liegen zwischen den bereits oben erwähnten Arcverdampferquellen und denen des Sputterns mit einer Magnetronquelle (10 Ω - 100 Ω) . Falls der Abgleich für glei- che Ströme erfolgen soll, müssen dementsprechend wieder die Pulslängen angepasst werden. Vor allem bei dieser Betriebsweise ist es wichtig, dass die DC - Versorgungen von der gepulsten Versorgung durch ein Filter, das beispielsweise Dioden enthält, entkoppelt werden. Es hat sich gezeigt, dass dieser Mode vor allem für reaktive Prozesse zur Abscheidung von isolierenden Schichten von Vorteil ist, da nicht nur für die Arcverdampferquelle, sondern vor allem auch für die Sputterquelle sehr breite Prozessfenster verwirklicht werden können. Es kann, beispielsweise, mit kon- stantem Reaktivgasfluss gearbeitet werden und die Schwierigkeiten der Regelung werden vermieden. Sind die beiden Quellen einander gegenüber angeordnet, reicht das Prozessplasma durch die Substrate hindurch zu der anderen Quelle und verhindert das Vergiften des Sputtertargets über weite Bereiche.
Zusätzliche Vorteile sind:
1. Stark vergrössertes Prozessfenster für den Sputterbe- trieb ohne Targetvergiftung;
2. Höhere Reaktivität, vor allem des Sputterprozesses durch höhere Elektronendichten.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die zweite Elektrode als Verdampfungstiegel (22) ausgebildet, welcher Teil einer Niedervoltverdampfungseinrichtung ist, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Wie bereits erläutert, wird die Niedervoltbogenentladung mit einer DC-Stromversorgung (21) betrieben, welche mit dem positiven Pol an den Verdamp- fungstiegel (22) angeschlossen ist, welcher hier als Anode dient und mit dem negativen Pol an das Filament einer gegenüberliegenden Plasmaquelle (9), welche hier als Kathode dient. Die Niedervoltbogenentladung kann in bekannter Weise mit den Spulen (10, 10 Λ) auf den Tiegel (22) konzentriert werden, wobei dort ein Verdampfungsgut aufschmilzt und verdampft. Die Pulsstromversogung (16) ist wiederum zwischen die Elektrode (5Λ) der Arcverdampferquelle (5) und der zweiten Elektrode, des Verdampfungstiegels (22), geschal- tet, zur Erzielung des gewünschten hohen Ionisierungsgrades. Dieses Vorgehen hilft auch bei schwierig zu verdampfenden Materialien, Spritzer zu reduzieren.
Selbstverständlich kann auch der Tiegel eines normalen Elektronenstrahlverdampfers als zweite Elektrode für die Pulsstromversorgung benutzt werden. Die Vorteile sind:
1. Dualer Betrieb erhöht die Ionisierung bei thermischen Verdampfern.
2. Einfache Kombination von thermischer Verdampfung und ka- thodischer Funkenverdampfung.
3. Effektivere Zerlegung und Anregung des Reaktivgases in der Niedervoltbogenentladung.
4. Nutzung der hohen Elektronenströme der Funkenverdampfung für eine andere thermische Verdampfung. 5. Sehr hohe Flexibilität in der Prozessführung.
Um die erwähnten vorteilhaften Prozesseigenschaften erzielen zu können bei den vorerwähnten verschiedenen möglichen Ausbildungsformen der Erfindung, muss die Pulsstromversor- gung (16) verschiedene Bedingungen erfüllen. Bei bipolarer Pulsdarstellung soll der Prozess bei einer Frequenz betrieben werden können, die im Bereich von 10Hz bis 50OkHz liegt. Hierbei wichtig ist, wegen der Ioniserungsverhält- nisse, die einhaltbare Flankensteilheit der Pulse. Sowohl die Beträge der ansteigenden Flanken U2/(t2-tl), Ul/(tβ-t5), wie auch der absteigenden Flanken U2/(t4-t3) und Ul/(t8-t7) sollten mindestens Steilheiten aufweisen grösser 2,0Vns über den wesentlichen Teil der Flankenausdehnung gemessen. Sie sollten aber mindestens im Bereich von 0,02V/ns bis 2,0V/ns liegen, vorzugsweise mindestens im Bereich von 0,lV/ns bis l,0V/ns und dies zumindest im Leer- laufbetrieb also ohne Belastung, vorzugsweise aber auch bei Belastung. Selbstverständlich wirkt sich die Flankensteilheit beim Betrieb aus, je nach entsprechender Höhe der Belastung bzw. der anliegenden Impedanz oder der entsprechend Einstellungen und wie dies im Diagramm nach Fig. 7 darge- stellt ist. Die Pulsbreiten bei bipolarer Darstellung sind wie in Fig. 7 gezeigt, für t4 bis tl und t8 bis t5 mit Vorteil > lμs, wobei die Pausen t5 bis t4 und t9 bis t8 mit Vorteil im Wesentlichen 0 sein können, aber unter gewissen Voraussetzungen auch > Oμs sein können. Wenn die Pulspausen > 0 sind, wird dieser Betrieb als lückend bezeichnet und es kann durch bspw. variable Zeitverschiebung der Pulslückenbreiten der gezielte Eintrag von Energie in ein Plasma und dessen Stabilisierung eingestellt werden. Beim Betrieb der Pulsstromversorgung zwischen zwei Elektroden unterschiedli- eher Impedanz wie oben geschildert, kann es unter Umständen von Vorteil, wenn die Pulsdauern klein gehalten werden, um den Stromanstieg zu begrenzen und die Pulsstromversorgung im lückenden Mode betrieben wird. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Pulsstromversorgung derart ausgelegt wird, dass ein Pulsbetrieb bis 500A bei 1000V Spannung möglich ist, wobei hierbei das Pulspausenverhältnis (duty cicle) entsprechend berücksichtigt werden muss, bzw. angepasst werden muss für die ausgelegte möglich Leistung der Versorgung. Neben der Flankensteilheit der Pulsspannung ist bevorzugt darauf zu achten, dass die Pulsstromversorgung (16) in der Lage ist einen Stromanstieg auf 500A in mind. lμs zu bewältigen.
In den folgenden Beispielen wird nun die erste bevorzugte Anwendung der Erfindung beschrieben wie sie in Abbildung 2 schematisch dargestellt ist. In diesem Fall wird die gepul- ste Hochstromversorgung (16) zwischen zwei kathodischen
Funkenverdampfungsquellen (5, 20) betrieben. In dieser Betriebsweise werden sowohl Prozessstabilität für isolierende Schichten, Spritzerreduktion und höhere Reaktivität des Plasmas erreicht.
Beispiel 1:
Beschreibung eines typischen Prozessablaufes zur Herstellung einer Al-Cr-O-Schicht .
Im folgendem wird ein typischer Ablauf einer Substratbehandlung in einem reaktiven Funkenbeschichtungsprozess geschildert, unter Verwendung der vorliegenden Erfindung. Es wird neben dem eigentlichen Beschichtungsprozess, in dem die Erfindung realisiert wird, auch auf die anderen Pro- zessschritte eingegangen, die die Vor- und Nachbehandlung der Substrate betreffen. Alle diese Schritte lassen breite Variationen zu, einige können unter bestimmten Bedingungen auch weggelassen, verkürzt oder verlängert oder anders kombiniert werden. In einem ersten Schritt werden die Substrate gewöhnlich einer nasschemischen Reinigung unterzogen, die je nach Material und Vorgeschichte verschieden durchgeführt wird. 1. Vorbehandlung (Reinigung etc.) der Substrate (Verfahren dem Fachmann bekannt)
2. Einlegen der Substrate in die dafür vorgesehenen Halterungen und Einbringen in das Beschichtungssystem
3. Abpumpen der Beschichtungskammer auf einem Druck von ca. 10-4 mbar mittels eines Pumpsystems wie es dem Fachmann be- kannt ist (Vorpumpen/Diffusionspumpe, Vorpumpen/Turbomolekularpumpe, Enddruck ca. 10-7 mbar erreichbar)
4. Starten der Substratvorbehandlung im Vakuum mit einem Heizschritt in einem Argon-Wasserstoffplasma oder einer an- deren bekannten Plasmabehandlung. Ohne Einschränkung kann diese Vorbehandlung mit folgenden Parametern durchgeführt werden:
Plasma einer Niedervoltbogenentladung mit ca. 100 A Entladestrom, bis 200 A, bis 400 A, bevorzugt werden die Sub- strate als Anode für diese Niedervoltbogenentladung geschaltet .
Argonfluss 50 sccm Wasserstofffluss 300 sccm Substrattemperatur 5000C (teils durch Plasmaheizung, teils durch Strahlungsheizung) Prozesszeit 45 min
Bevorzugt wird während dieses Schrittes eine Versorgung zwischen Substrate und Masse oder einem anderen Bezugspotential gelegt, mit der die Substrate sowohl mit DC (be- vorzugt positiv) oder DC gepulst (unipolar, bipolar) oder als MF oder RF beaufschlagt werden können. 5. Als nächster Prozessschritt wird das Aetzen gestartet. Dafür wird der Niedervoltbogen zwischen dem Filament und der Hilfsanode betrieben. Eine DC, gepulste DC, MF oder RF Versorgung wird zwischen Substraten und Masse geschaltet und die Substrate bevorzugt mit negativer Spannung beaufschlagt. Bei den gepulsten und MF, RF Versorgungen wird auch positive Spannung an die Substrate gelegt. Die Versorgungen können unipolar oder bipolar betrieben werden. Die typischen, aber nicht ausschliesslichen Prozessparameter während dieses Schrittes sind: Argonfluss 60 sccm
Entladestrom Niedervoltbogen 150 A
Substrattemperatur 5000C (teils durch Plasmaheizung, teils durch Strahlungsheizung) Prozesszeit 30 min
Um die Stabilität der Niedervoltbogenentladung bei der Herstellung isolierender Schichten zu gewährleisten, wird entweder mit heisser, leitfähiger Hilfsanode gearbeitet oder eine gepulste Hochstromversorgung zwischen Hilfsanode und Masse geschaltet.
6. Beginn der Beschichtung mit der Zwischenschicht (ca. 15 min)
CrN Zwischenschicht 300 nm mittels Funkenverdampfung (Quel- lenstrom 140 A, N2 1200 sccm, mit bipolar Bias von -180V (36 μs negativ, 4 μs positiv) .
Die Beschichtung kann mit und ohne Niedervoltbogen erfolgen.
Bis zu diesem Punkt folgt das Verfahren dem Stand der Tech- nik wie er beispielhaft in Figur 1 wiedergegeben ist.
7. Uebergang zur Funktionsschicht (ca. 5 min) Im Uebergang zur eigentlichen Funktionsschicht wird der Stickstoff von 1200 sccm auf ca. 400 sccm heruntergerampt und anschliessend ein Sauerstofffluss von 300 sccm eingeschaltet. Gleichzeitig wird der DC Versorgungsstrom für das das Cr-Funkenkathode auf 200 A erhöht. Danach wird die Al- Funkenkathode eingeschaltet und ebenfalls mit einem Strom von 200 A betrieben. Der Stickstofffluss wird nun ausgeschaltet und anschliessend der Sauerstoffluss auf 400 sccm hochgefahren.
8. Beschichten mit der Funktionsschicht
Nun wird die bipolar gepulste Hochstromversorgung (16), wie in Figur 2 dargestellt, zwischen beiden Funkenkathoden in Betrieb genommen. Im beschriebenen Prozess wurde mit einem zeitlichen positiven bzw. negativen Mittelwert des Stromes von ca. 50 A gearbeitet. Die Pulsdauern betragen jeweils 20 μs für den positiven wie negativen Spannungsbereich. Der Spitzenwert des Stroms durch die bipolar gepulste Stromversorgung hängt von der jeweiligen Pulsform ab. Die Differenz aus DC Strom durch die jeweilige Funkenkathode und Spitzenwert des bipolar gepulsten Stromes darf den sog. Haltestrom der Funkenkathode nicht unterschreiten, da sonst der Funken verlöscht. Während der ersten 10 Minuten der Beschichtung wird der Bi- as von -180 V auf -60 V gerampt. Die typischen Beschich- tungsraten für doppelt rotierende Substrate liegen zwischen 3 μm/h und 6 μm/h.
Die Beschichtung der Substrate mit der eigentlichen Funktionsschicht erfolgt also in reinem Reaktivgas (in diesem Beispiel Fall Sauerstoff) . Die wichtigsten Prozessparameter sind noch einmal zusammengefasst : Sauerstofffluss 300 sccm Substrattemperatur 5000C
DC Quellenstrom 200 A, sowohl für die Al- wie auch für die Cr-Quelle.
Der bipolar gepulste DC Strom zwischen den beiden Kathoden hat eine Frequenz von 25 kHz. Prozessdruck: ca. 3xlO~3 mbar
Wie schon erwähnt, kann die Beschichtung auch simultan mit dem Betrieb des Niedervoltbogen erfolgen. In diesem Falle wird eine weitere Erhöhung der Reaktivität vor allem in
Substratnähe erzielt. Ausserdem hat die simultane Benutzung des Niedervoltbogens während der Beschichtung auch noch den Vorteil, dass der DC Anteil bei den Quellen reduziert werden kann. Mit höherem Bogenstrom, kann dieser weiter redu- ziert werden.
Der so geführte Beschichtungsprozess ist stabil über mehrere Stunden. Das Funkentarget bedeckt sich mit einer dünnen, glatten Oxidschicht. Dies ist erwünscht und auch Voraussetzung für einen weitgehend spritzerfreien und stabilen Pro- zess. Die Bedeckung manifestiert sich in einer Erhöhung der Spannung am Funkentarget wie es auch bereits in der vorhergehenden Patentanmeldung CH00518/05 beschrieben wurde.
Im Folgenden werden drei weitere Anwendungsbeispiele angeführt, bei denen aber lediglich auf die Abscheidung des Interfaces und der Funktionsschicht eingegangen wird.
Beispiel 2: Während im obigen Beispiel die Herstellung einer Al-Cr-O Schicht beschrieben wurde, bei der lediglich zwei Funkentargets benutzt wurden, soll nun im Folgenden der Prozess für eine reine Aluminiumoxidschicht unter Benutzung von 4 Funkentargets beschrieben werden:
Für die Beschichtungen wurden Hartmetallwendeschneidplatten (Wolframcarbid) als Substrate benutzt, die bereits in einem vorhergehenden Verfahren mit einer 1.5 μm dicken TiN-
Schicht beschichtet wurden. Die Substrate wurden einer Vorbehandlung unterzogen, die im wesentlichen mit den oben genannte Schritten 1 bis 5 identisch war. Vor der Beschich- tung mit der Funktionsschicht wurde aber keine spezielle Zwischenschicht abgeschieden, d.h. es wurde sofort mit der Funktionsschicht auf der TiN-Unterlage begonnen und die Schritte 6 und 7 weggelassen. Zur Abscheidung der Funktionsschicht (8) wurde mit vier Funkentargets gearbeitet und folgende Prozessparameter benutzt:
• 4 AI-Targets betrieben mit je 170 A DC
• bipolares Strompulsen, entsprechend Figur 2, von jeweils 2 AI-Targets mit einer Ausgangsspannung von 100 V an der Stromversorgung und positiven und negativen Pulsbreiten von je 20 μs
• Argonfluss: 50 sccm
• Sauerstofffluss : 700 sccm
•—Subs-t-r-a-t-b-i-a-s-:—DG—bά-po-1-a-r—gepu-is-t-,—+-/-=—1-0-0—V-,—3-8—μ-s—negativ, 4 μs positive • Substrattemperatur: 6950C
Die auf diese Weise erhaltene Schicht wurde durch folgende Messungen charakterisiert:
• Schichtdicke bei Doppelrotation der Subtrate: 4 μm • Die Schichthaftung wurde mit Rockwell-Eindrucks-Tests zu HFl bis HF2 bestimmt. • Die Mikrohärte wurde mit dem Fischerscope (Microindenta- tion bei F = 50 mN / 20s) ermittelt und betrug HV = 1965 (+/- 200), Y = 319 GPa (+/- 12 GPa).
Es wurden XRD-Spektren der Schicht durchgeführt sowohl für den Winkelbereich 2Θ/Θ wie für streifenden Einfall (3°).
Diese Röntgenmessungen zeigen eine kristalline Schicht mit möglicherweise kleinen Beiträgen an amorphem Aluminiumoxid.
Das Aluminiumoxid kann klar als γ-Al2θ3~Phase identifiziert werden.
Beispiel 3:
Das nächste Beispiel bezieht sich auf die Herstellung einer
Zirkonoxidschicht . Die Substrate wurden vor der eigentli- chen Beschichtung mit der Funktionsschicht mit einer Zwischenschicht aus ZrN beschichtet. Für diese Beschichtung wurde mit 4 Targets gearbeitet, die bei einem Sticktoffpar- tialdruck von 2 Pa mit je 170 A betrieben wurden. Die Substrattemperatur betrug 5000C und es wurde ein Substratbias von - 150 V verwendet. Die Beschichtungszeit für diese Zwischenschicht betrug 6 min. Zur Abscheidung der Funktionsschicht (8) wurde ebenfalls
JΓULJ- vier Funkentaxgajbs., en_t_ap.r_e-Chend_Figur 2, gearbeitet und folgende Prozessparameter benutzt: • 4 Zr-Targets betrieben mit je 170 A DC
• bipolares Strompulsen von jeweils 2 Zr-Targets mit einer Ausgangsspannung von 100 V an der Stromversorgung und positiven und negativen Pulsbreiten von je 20 μs
• Argonfluss: 50 sccm • Sauerstofffluss: 700 sccm • Substratbias : DC bipolar gepulst, +/- 40 V, 38 μs negativ, 4 μs positive
• Substrattemperatur: 5000C
Die auf diese Weise erhaltene Schicht wurde durch folgende Messungen charakterisiert:
• Schichtdicke bei Doppelrotation der Subtrate: 6.5 μm
• Die Schichthaftung wurde mit Rockwell-Eindrucks-Tests zu HFl bestimmt. • Die Mikrohärte wurde mit dem Fischerscope (Microindenta- tion bei F = 50 mN / 20s) ermittelt und betrug HV = 2450.
• Die Schichtwerte für die Rauhigkeit betragen Ra = 0.41 μm, R2 = 3.22 μm, Rmaχ = 4.11 μm • Der Reibungskoeffizient wurde zu 0.58 ermittelt.
• Durch die Messung der XRD-Spektren der Schicht kann eindeutig Baddeleyite Struktur festgestellt werden.
Beispiel 4:
Im letzten Beispiel wird auf die Herstellung und Analyse einer SiAlN-Schicht eingegangen.
Die Substrate wurden vor der eigentlichen Beschichtung mit der Funktionsschicht mit einer Zwischenschicht aus TiN be- schichtet. Für diese Beschichtung wurde mit 2 Targets gearbeitet, entsprechend Figur 2, die bei einem Sticktoffpar- tialdruck von 0.8 Pa mit je 180 A betrieben wurden. Die Substrattemperatur betrug 5000C und es wurde ein Substratbias von - 150 V verwendet. Die Beschichtungszeit für diese Zwischenschicht betrug 5 min. • 2 SiAl-Targets mit einem Si-Al-Verhältnis von 70/30 betrieben mit je 170 A DC
• bipolares Strompulsen der2 SiAl-Targets mit einer Ausgangsspannung von 100 V an der Stromversorgung und posi- tiven und negativen Pulsbreiten von je 20 μs
• Argonfluss: 50 sccm
• Sauerstofffluss: 800 sccm
• Substratbias: DC bipolar gepulst, +/- 40 V, 38 μs negativ, 4 μs positive • Substrattemperatur: 4100C
Die auf diese Weise erhaltene Schicht wurde durch folgende Messungen charakterisiert:
• Schichtdicke bei Doppelrotation der Subtrate: 6.5 μm • Die Schichthaftung wurde mit Rockwell-Eindrucks-Tests zu HF2 bestimmt.
• Die Mikrohärte wurde mit dem Fischerscope (Microindenta- tion bei F = 50 itiN / 20s) ermittelt und betrug HV = 1700. • Die Schichtwerte für die Rauhigkeit betragen Ra = 0.48 μm, Rz = 4.08 μm, Rmax = 5.21 μm
• Der Reibungskoeffizient wurde zu 0.82 ermittelt.

Claims

Patentansprüche
1. Vakuumprozessanlage zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken (3) mit einer Arcverdampferquelle (5) ent- haltend eine erste Elektrode (5Λ) die mit einer DC- Stromversorgung (13) verbunden ist und mit einer von der Arcverdampferquelle (5) getrennt angeordneten zweiten Elektrode (3, 18, 20), dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden (5λ, 3, 18, 20) mit einer PuIs- Stromversorgung (16) verbunden sind.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (20 λ) die Kathode einer weiteren Arcverdampferquelle (20) ist und diese ebenfalls mit einer DC-Stromversorgung (13Λ) verbunden ist.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (18) die Kathode einer Sputter- quelle (18) ist, insbesondere einer Magnetronquelle (18), und diese ebenfalls mit einer Stromversorgung (17) verbunden ist, insbesondere mit einer DC- Stromversorgung.
4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (3) als Werkstückhalterung (3) ausgebildet ist und zusammen mit den Werkstücken (3) eine Bias-Elektrode bildet.
5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode ein Verdampfungstiegel (22) ist welcher die Anode eines Niedervoltbogenverdampfers (9, 22) bildet.
6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode eine Hilfselektrode (22) ist, vorzugsweise die Hilfsanode (15) für die Ausbildung einer Niedervoltbogenentladung.
7. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der DC- Stromversorgung (13) und der Pulsstromversorgung (16) ein elektrisches Entkopplungsfilter angeordnet ist, wobei dieses vorzugsweise mindestens einer Sperrdiode enthält.
8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass die DC-Stromversorgung (13) einen
Grundstrom abgibt zur im wesentlichen unterbrechungsfreien Erhaltung einer Plasmaentladung an den Quellen (5, 18, 20), insbesondere an den Arcverdampferquellen (5, 20) .
9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen Reaktivgaseinlass aufweist.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Pulsstromversorgung (16) im Bereich von IkHz bis 20OkHz liegt.
11. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Pulsbreitenverhältnis der Pulsstromversorgung (16) unterschiedlich eingestellt ist.
12. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulse der Pulsstromversorgung (16) lückend eingestellt ist.
13. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsflanken der Pulsstromversorgung (16) Steilheiten aufweisen grösser 2,0Vns, dass sie mindestens im Bereich von 0,02V/ns bis 2,0V/ns liegen, vorzugsweise mindestens im Bereich von 0,lV/ns bis l,0V/ns liegen.
14. Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken
(3) in einer Vakuumprozessanlage (1) indem mit einer ersten Elektrode (5λ) einer Arcverdampferquelle (5) und mit einer von der Arcverdampferquelle (5) getrennt angeordneten zweiten Elektrode (3, 18, 20) eine Schicht auf das Werkstück (3) abgeschieden wird, wobei die Arcverdampferquelle (5) mit einem DC - Strom gespiesen wird, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (5\ 3, 18, 20) mit einer einzelnen Pulsstromversorgung (16) verbunden, betrieben werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (20 λ) als Kathode einer wei- teren Arcverdampferquelle (20) betrieben wird und diese ebenfalls mit einer DC-Stromversorgung (13 Λ) verbunden, betrieben wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (18) als Kathode einer Sput- terquelle (18) betrieben wird, insbesondere einer Magnetronquelle (18), und diese ebenfalls mit einer Stromversorgung (17) verbunden, betrieben wird, insbesondere mit einer DC-Stromversorgung.
17. Verfahrten nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (3) als Werkstückhalterung (3) ausgebildet wird und zusammen mit den Werkstücken (3) eine Bias-Elektrode bildet.
18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode als Verdampfungstiegel (22) ausgebildet ist und als die Anode eines Niedervoltbo- genverdampfers (9, 22) betrieben wird.
19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode als Hilfselektrode (22) betrieben wird, vorzugsweise als Hilfsanode (15) für die Ausbildung einer Niedervoltbogenentladung.
20. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-Stromversorgung
(13) und die Pulsstromversorgung (16) mit einem elektrischen Entkopplungsfilter entkoppelt wird, wobei die- ses vorzugsweise mindestens einer Sperrdiode enthält.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-Stromversorgung (13) mit einem Grundstrom betrieben wird, derart dass die Plasmaentladung an den Quellen (5, 18, 20) im wesentlichen unterbrechungsfrei aufrecht erhalten wird, insbesondere an den Arcverdampferquellen (5, 20) .
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellen (5, 18, 20) mit einem Prozessgas betrieben werden welches ein Reaktivgas enthält.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellen (5, 18, 20) mit einem Prozessgas betrieben werden welches ausschliesslich ein Reaktivgas ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellen (5, 18, 20) mit einem Prozessgas betrieben werden bei welchem das Reaktivgas Sauerstoff enthält und vorzugsweise im wesentlichen Sauerstoff ist.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsstromversorgung (16) mit einer Frequenz im Bereich von IkHz bis 20OkHz betrieben wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 25, dadurch .gekennzeichnet, dass die Pulsstromversorgung (16) mit einem unterschiedlichen Pulsbreitenverhältnis einge- stellt, betrieben wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die PulsStromversorgung (16) mit lückenden Pulsen betrieben wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsstromversorgung (16) mit Pulsflanken die betrieben wird, die Steilheiten aufweisen grösser 2,0Vns, dass sie vorzugsweise mindestens im Bereich von 0,02V/ns bis 2,0V/ns liegen, vorzugsweise mindestens im Bereich von 0,lV/ns bis l,0V/ns liegen.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 28, dadurch gekennzeichnet:, dass mehr als zwei Elektroden (5, 5', 3, 18, 20) in der Vakuumprozessanlage (19) enthaltend Reaktivgas, vorzugsweise ausschliesslich Reaktivgas enthaltend, betrieben werden, wobei nur zwei Elektroden mit einer einzelnen Pulsstromversorgung (16) betrieben werden und die eine der beiden Elektroden als erste Elektrode (5') einer Arcverdampferquelle (5) betrieben wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei gepulsten Elektroden (5,5') als Arcver- dampferquellen (5,20) betrieben werden und mindestens eine weitere Elektrode als Sputterquelle (18) betrie- ben wird.
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