WO2010088947A1 - Modifizierbare magnetkonfiguration für arc-verdampungsquellen - Google Patents

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Oliver Gstoehl
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    • H01J2237/3387—Nitriding

Definitions

  • the present invention relates to a magnet system for an arc evaporator source for use in coating processes with highly reactive gases, weakly reactive gases and without reactive gases.
  • the present invention also relates to a magnet system for an arc evaporator source which keeps the rate of evaporation constant over the entire target lifetime and also allows for optimal rate and droplet emission adjustment.
  • a typical PVD coating system operated by spark evaporation involves a vacuum chamber connected to a pumping station that generates the process-related vacuum in the system.
  • Substrate holders in the vacuum chamber serve to hold the substrates (tools or components or other components) and hold them during the pretreatment and coating.
  • the substrate supports, and thus the substrates themselves, may be placed on a voltage during treatment, and in particular during coating, by means of a substrate bias supply to expose them to either ion bombardment (negative voltage) or electron bombardment (positive voltage).
  • the substrate bias supply may be a DC, an AC or a bipolar or unipolar substrate voltage supply.
  • spark sources include a target whose material is vaporized by the spark.
  • a source caused by the magnetic means may determine whether a spark is guided on a given path (so-called “steered arc”) in order to reduce spatter, for example, or whether the spark can move more or less freely on the target surface ( so-called “random arc”), which usually results in a better target utilization and a higher evaporation rate.
  • That Magnetic systems are used to move the spark on the target.
  • ARC steering by means of specially directed magnetic fields makes it possible to influence the speed of the spark as well as to define the spark gap on the target surface in order to achieve the best possible volume utilization of the target.
  • Nitrogen reacts at the target surface and forms a nitride layer of several atomic layers. There is an increase in the spark rate.
  • a further increase in the spark velocity can be achieved by stronger magnetic fields running parallel to the target surface.
  • the emitted droplets are advantageously smaller. It is generally possible to have homogeneous ratios of surface reactivity, i. to establish stable settings of the rate of evaporation and the rate of reaction of the nitrogen on the target surface.
  • FIG. 2 shows a corresponding course.
  • different layers can therefore be produced with one and the same metallic target, for example by coating with inert gases, weakly reactive gases or strongly reactive gases.
  • the inert gases do not bond with the target material while the reactive gases lead to conductive or insulating layers on the target surface.
  • Magnetic field arrangement comprising a holder, of which a toroidal coil and a
  • Permanent magnet go out. To use the magnetic field arrangement, i. the magnetic fields generated by the toroidal coil and the permanent magnet in the region of
  • Arc spots to set an effective magnetic field on the surface of the target so the arc or spot can cover the entire surface of the target in defined paths, with the result that a uniform removal of target material takes place, the magnetic field arrangement being adjustable as a unit to the target, specifically in a plane parallel to the target surface. Furthermore, the unit can optionally be spaced apart from the target to the desired extent, that is to say be subjected to a displacement in the Z direction.
  • EP 00459137 B1 discloses a magnetic field device having a center pole permanent magnet and edge permanent magnet, both of which together are axially, i. are displaceable perpendicular to the target surface.
  • an electromagnetic ring coil is provided in the region of the target, which may be so controlled in the arc discharge, that it affects the forming sheet trace and thus contributes to an increase in the service life of the target.
  • target is in the interior of the toroidal coil. According to FIG. 2 of EP 00459137 B1, the target surface and the coil end lie substantially in one plane (see FIG. 16 of this application).
  • the coil comprises the target and also parts of the wall of the vacuum chamber referred to as vessel. This ensures that the magnetic fields generated by the coil have substantially no radial components on the surface of the target. Such a vertical coil field thus has no influence on the speed with which the spot of the arc travels over the target surface.
  • the object is achieved by a magnetic field arrangement which comprises edge permanent magnets and at least one ring coil, wherein the edge permanent magnets are displaceable away from the target substantially perpendicular to the surface of the target and the projection of the edge permanent magnets onto the target surface in comparison to the projection the toroid is farther on the target surface from the center of the target surface.
  • the toroidal coil is behind the target arranged and has a defined by the windings inner diameter which is not substantially larger and preferably smaller than or equal to the diameter of the target.
  • EP 00459137 B1 This may be related to the fact that is achieved with such an arrangement that the field lines of excited by the current-carrying coil
  • Magnetic field in the central region of the target surface substantially no radial component, while in the edge region of the target surface radial
  • FIG. 17 the magnetic field generated by a coil (more precisely the course of the magnetic field lines) is shown schematically and in FIG. 18 the axial component and the radial component are represented as a function of the distance from the coil axis just above the coil end
  • the magnetic field arrangement additionally comprises a central permanent magnet wherein the projection of the interior of the toroidal coil on the target surface is further away from the center of the target surface than the projection of the central permanent magnet on the target surface and the central permanent magnet is substantially perpendicular to the target Surface of the target is displaced away from the target.
  • FIG. 4 shows a target with magnet system according to a first embodiment.
  • the magnetic field is generated by a fixedly arranged coil (4) and by a permanent magnet arrangement (5, 5a).
  • the magnet arrangement with a magnetic receptacle 6 is displaceable in the axial direction, away from the target. This displaceability is shown in FIG.
  • the permanent magnet assumes the position where its poles are closest to the coating material ("forward" position).
  • one coil end and poles are substantially in one plane at this setting, the coil current is on
  • This setting produces a strong magnetic field of about 60-100 Gauss, which makes this setting suitable, for example, for the evaporation of nitride layers due to the high magnetic field strength and its radial component
  • the coil current is modulated in time and thus a broadening reached the erosion pit.
  • the permanent magnet (5,5a, 6) is "retracted” by 5 - 50mm, i.e. more distant from the target surface than in setting 1.
  • the coil current is in turn on and may be positive or negative and also modulated.
  • this setting will gradually produce a magnetic field of 10 - 40 gauss including a superimposed coil field.
  • the evaporation rate can be increased, in which case rougher layers with larger droplets must be expected.
  • gases such as oxygen and / or acetylene by the displacement of the magnet arrangement (5, 5a, 6), a balance between target poisoning and erosion rate can be established at many points of the target surface. As a result, the coating process can be significantly stabilized.
  • This setting is suitable for the production of nitride layers at high deposition rates such as TiN, TiAIN, AITiN, TiSiN as well as for the production of carbonitrides or carbides using gases such as acetylene or methane. Above all, it is also suitable for the production of various oxide layers such as Al2O3, ZrO, TiO2 or their mixtures according to the starting material of the target.
  • the permanent magnet is retracted more than 50 mm, i. completely separated from the coil.
  • the coil field is in turn switched on, positive or negative and / or modified if necessary.
  • the magnetic field component of the permanent magnet arrangement becomes negligibly small.
  • the coil field is approx. 5-15 Gauss.
  • This setting is suitable for the deposition of metallic layers and / or nitride, carbonitride, carbide and / or oxide layers.
  • the magnetic field of the coil should not be too high (maximum "lOGauss"), so that operation of the ARC evaporator without poisoning of target areas is possible
  • all source position can be realized in a vacuum chamber with the same target. That In the same coating process, by changing the magnet position according to FIGS. 6 to 9, it is possible to optimally adapt the magnetic field to the requirements for the production of metallic, nitrite, carbonitrides, carbides or oxides. No source positions need to be reserved exclusively for the respective shift types. As a result, coating processes can be realized with high productivity.
  • a Ti target was used. Again, a metallic adhesive layer of setting 1 was applied first. In addition, the wobble of the coil optimizes the erosion of the target. Next, a TiCN layer of 2 was applied followed by a TiN layer of 3.
  • a magnet system for an are-evaporator source is disclosed, with which the evaporation rate keeps constant over the entire target lifetime. Furthermore, this allows for the optimal setting of rate and droplet emission.
  • the evaporation rate of an ARC source is determined very strongly by the magnetic field parallel to the target surface.
  • a stronger magnetic field increases the speed of the spark and thus lowers the rate of evaporation with simultaneous deposition of smoother layers.
  • the target surface With increasing target erosion, the target surface more and more approaches the underlying magnet system, which manifests itself in a strong increase in the magnetic field strength and a drop in the coating rate.
  • the present inventive magnet system can compensate for the change in the distance of the target surface to the magnet system by shifting the permanent magnet arrangement and thus ensure a constant evaporation rate over the entire useful life of the target.
  • the distance of the target surface to the magnet system essentially determines the manget field strength and thus the rate of evaporation. With a new, unused target, the maximum distance and thus the lowest magnetic field strength is present. Erosion during the coating process leads to a successive decrease in the distance of the target surface to the magnet system, and thus an increase in the magnetic field strength and decrease in the rate.
  • FIG. 10 data series with circular area symbols
  • the magnet system is withdrawn from the target in accordance with the erosion depth in order to essentially produce the initial state with a new target. This achieves a substantially constant rate over the entire useful life of the target (target life). This is shown in FIG. 10, data series with diamond symbols.
  • Figure 12 shows in comparison with Figure 11 nor to illustrate the situation, the erosion of the target by the thickness D and the corresponding downwardly shifted permanent magnets.
  • the emission of droplets (macroparticles) or the size of the droplets emitted depends inter alia on the speed of the spark moved by the magnetic field (arc steering).
  • the source can be set between high rate and rough layer or lower rate and smooth layer. This becomes clear from FIG. 13, which shows the dependence of the layer roughness (Rz, Ra) on the coating rate set via the magnet system.
  • FIG. 14 shows how the coating rate changes as a function of the magnet position and thus the rate can be set.
  • the tracking of the permanent magnet thus on the one hand leads to a stabilization of the coating process by constant Aufdampfrate and constant discharge voltage.
  • the duration of the coating process is nearly the same due to the constant rate for similar coatings, regardless of the target age.
  • the layer thickness distribution over the surface of the workpiece to be coated can be set homogeneously. This is achieved by means of the magnetic system according to the invention in an embodiment such that the inner permanent magnet can be retracted relative to the target by approximately 50 mm independently of the outer permanent magnet. Also, the outer permanent magnet can be moved vertically to the target, preferably by a few millimeters. This is shown in FIG.
  • the coil current can be applied as positive or negative, and depending on the sign of the coil current, the vapor deposition characteristic of the ARC source can be changed. This means that the distribution characteristic can be set.

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Abstract

ARC-Verdampfer Quelle zur Erzeugung von Hartstoff schichten auf Werkzeugen. Die Erfindung beinhaltet eine ARC - Verdampfer - Quelle bestehend aus zumindest einer elektrischen Magnetspule und einem bezüglich der Targetoberfläche beweglichem Permanetmagnet - Arrangement. Die Verdampferquelle kann an die unterschiedlichen Anforderungen von Oxid -, Nitrid -, oder Metallschichten angepasst werden. Der Ratenabfall während der Lebensdauer eines zu verdampfenden Targets kann durch einen angepassten Abstand des Permanent - Magneten zur Targetvorderseite konstant gehalten, oder eingestellt werden. Es kann ein Kompromiss zwischen Schichtrauhigkeit und Rate eingestellt werden.

Description

Modifizierbare Magnetkonfiguration für Arc-Verdampfungsquellen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Magnetsystem für eine Arc- Verdampferquelle zur Verwendung in Beschichtungsprozessen mit stark reaktiven Gasen, schwach reaktiven Gasen und ohne reaktive Gase.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ausserdem auf ein Magnetsystem für eine Arc- Verdampferquelle welches die Verdampfungsrate über die gesamte Target-Lebenszeit konstant hält und auch die optimale Einstellung von Rate und Droplet Emission zulässt.
Eine typische PVD Beschichtungsanlage die mit Funkenverdampfung betrieben wird umfasst eine Vakuumkammer die mit einem Pumpstand verbunden ist, der in der Anlage das prozessbedingte Vakuum erzeugt. Substrathalterungen in der Vakuumkammer dienen dazu, die Substrate (Werkzeuge oder Bauteile oder andere Komponenten) aufzunehmen und diese während der Vorbehandlung und der Beschichtung zu haltern. Die Substrathalterungen und damit die Substrate selbst, können während der Behandlung und insbesondere während der Beschichtung mittels einer Substratbiasversorgung auf eine Spannung gelegt werden, damit diese entweder lonenbeschuss (negative Spannung) oder Elektronenbeschuss (positive Spannung) ausgesetzt werden. Die Substratbiasversorgung kann eine DC-, eine AC- oder eine bi- bzw. unipolare Substratspannungsversorgung sein.
Die Beschichtung erfolgt mittels Funkenquellen. Diese Funkenquellen umfassen ein Target, dessen Material durch den Funken verdampft wird. Ein durch die magnetische Mittel hervorgerufene Quellen mag netfeld bestimmt, ob ein Funken auf einer bestimmten Bahn geführt wird (sog. „steered arc"), um beispielsweise Spritzer zu reduzieren, oder ob der Funken sich mehr oder weniger frei auf der Targetoberfläche bewegen kann (sog. „random arc"), was meist eine besserer Targetausnutzung und eine höherer Verdampfungsrate zur Folge hat.
D.h. es werden Magnetsysteme zur Bewegung des Funkens auf dem Target eingesetzt.
Das sogenannte ARC -Steering mittels speziell gerichteter Magnetfelder erlaubt es, sowohl die Geschwindigkeit des Funkens zu beeinflussen als auch die Funkenbahn auf der Targetoberfläche zu definieren um eine möglichst gute Volumenausnutzung des Targets zu erreichen.
Wie im „Handbook of vacuum ARC science and technology, Boxman et.al. Chapter 3 Cathode Spots" angegeben werden verschiedene Typen von ARC - spots und deren Bewegungen unterschieden. Prinzipiell kann je nach Reaktivität des Gases folgende Beobachtung gemacht werden.
a) Are -Verdampfung im Vakuum oder mit innert Gas wie z.B. Argon Der Funke läuft relativ langsam auf den durch das Magnetfeld vorgegebenen Bahnen welche bei runden Targets vorwiegend kreisförmig sind. Der Anteil an Random -Bewegung ist eher gering. Die Verdampfungsraten sind in diesem Falle relativ hoch. Die Verdampfung findet unter Emission von relativ grossen Droplets statt. Die Geschwindigkeit des Funkens und sein „Bahndurchmesser" auf dem Target sind über das Magnetfeld einstellbar. Bei einem solchen Verfahren spricht man von einem metallischen Funken. Die Figur 1 zeigt beispielhaft eine entsprechende Bahn.
b) Are -Verdampfung in schwach reaktiven Gasen wie z.B. Stickstoff.
Stickstoff reagiert an der Targetoberfläche und bildet eine Nitridschicht von einigen Atomlagen. Es ist dabei eine Erhöhung der Funkengeschwindigkeit festzustellen.
Eine weitere Erhöhung der Funkengeschwindigkeit ist durch stärkere parallel zur Targetoberfläche verlaufende Magnetfelder zu erreichen. Die emittierten Droplets werden dabei vorteilhafterweise kleiner. Es ist im Allgemeinen möglich, homogene Verhältnisse bezüglich der Oberflächenreaktivität d.h. stabile Einstellungen der Verdampfungsrate und der Reaktionsrate des Stickstoffs auf der Targetoberfläche herzustellen.
Aufgrund der relativ hohen Leitfähigkeit der Nitride kann die Funkenerrosion auch auf einer nitrierten Oberfläche stattfinden. Daher kommt es auch dort zu einem Netto-Abtrag des Materials, d.h. es bilden sich auf der Targetoberfläche keine dauerhaften Beschichteten zu einer Targetvergiftung führenden Bereiche. Figur 2 zeigt einen dementsprechenden Verlauf.
c.) Are -Verdampfung in stark reaktiven Gasen wie z.B. Sauerstoff oder Azetylen, Methan Dabei komm es zu einer starken Reaktion des Reaktivgases mit der Targetoberfläche. Im Normalfall führt dies bei z.B. Verwendung von Sauerstoff zu elektrisch isolierenden Schichten. Um stabile Verhältnisse zu erhalten ist es wichtig, dass auf der gesamten Targetoberfläche eine Netto- Verdampfung aufrecht erhalten werden kann. Gebiete mit geringer lokaler Verdampfungsrate werden isolierend und damit noch weiter von der Verdampfung ausgeschlossen. Die Targetoberfläche wird dabei „vergiftet", wobei dieser Vorgang generell progressiv ist und am Ende nur noch ein kleiner Flächenanteil auf dem Target die Funkenentladung trägt. Speziell bei Verwendung von hohen magnetischen Feldstärken mit grosser radialer Komponente zur Erhöhung der Funkengeschwindigkeit und damit der Verringerung der Dropletgrösse kommt es zu einer starken Inhomogenität der lokalen Verdampfungsrate und damit zu einer schnelleren Vergiftung weiterer Bereiche des Targets.
Wie in US2008020138A1 (J. Ramm et.al.) erwähnt, ist zum Beispiel eine stabile Verdampfung von AICr -Oxid nur möglich wenn das Magnetfeld kleiner als eine maximale Feldstärke ist oder überhaupt kein Magnetfeld verwendet wird. Bei Verwendung von starken Magnetfeldern ist naturgemäss die Magnetfeldverteilung parallel zur Targetoberfläche sehr inhomogen und es entstehen daher rasch Bereiche an der Targetoberfläche welche eine isolierende Schicht haben. Der entsprechende Funkenverlauf ist in Figur 3 schematisch dargestellt.
Wie oben diskutiert lassen sich also mit ein und demselben metallischen Target unterschiedliche Schichten erzeugen, indem beispielsweise mit inerten Gasen, schwach reaktiven Gasen oder stark reaktiven Gasen beschichtet wird. Die inerten Gase gehen mit dem Targetmaterial keine Verbindung ein während die reaktiven Gase zu leitenden oder isolierenden Schichten auf der Targetoberfläche führen. Um eine stabilen Beschichtungsprozess zu erhalten ist es vorteilhaft eine auf jeden dieser Fälle angepasste Magnetfeldlinienverteilung auf und oberhalb der Targetoberfläche zu realisieren, die jeweils die Funkenbahn in Verlauf und Geschwindigkeit beeinflusst.
Es gibt unterschiedliche dem Stand der Technik bekannte Möglichkeiten, eine Magnetfeldlinienverteilung auf und oberhalb der Targetoberfläche zu realisieren. Dies ist beispielsweise mit Permanentmagneten und/oder mit Elektromagneten und/oder deren Kombination möglich.
Ausserdem ist dem Stand der Technik bekannt Magnetfeldanordnungen gegenüber der Targetoberfläche beweglich anzuordnen so dass aufgrund der damit erzielbaren
Bewegbarkeit der Lichtbogenbahnen ein gleichmässiger Abtrag von Targetmaterial erreicht werden kann. In DE10127012A1 offenbart Curtins dementsprechend eine
Magnetfeldanordnung die eine Halterung aufweist, von der eine Ringspule sowie ein
Permanentmagnet ausgehen. Um mittels der Magnetfeldanordnung, d.h. der von der Ringspule und dem Permanentmagnet erzeugten Magnetfeldern im Bereich des
Lichtbogenspots ein wirksames Magnetfeld auf der Oberfläche des Targets so einzustellen, dass der Lichtbogen bzw - spot in definierten Bahnen die gesamte Oberfläche des Targets überstreichen kann mit der Folge dass ein gleichmässiger Abtrag von Targetmaterial erfolgt, ist die Magnetfeldanordnung als Einheit zu dem Target verstellbar und zwar in einer parallel zur Targetfläche verlaufenden Ebene. Des Weiteren kann die Einheit gegebenenfalls zum Target im gewünschten Umfang beabstandet werden, also einer Verschiebung in Z- Richtung unterworfen werden.
EP 00459137 B1 offenbart eine Magnetfeldanordnung mit einem Mittelpol- Permanentmagnet und Rand-Permanentmagnet, die beide gemeinsam axial, d.h. senkrecht zur Targetoberfläche verschiebbar sind. Ausserdem ist im Bereich des Targets eine elektromagnetische Ringspule vorgesehen, die bei der Bogenentladung so angesteuert sein kann, dass sie die sich ausbildende Bogenspur beeinflusst und damit zu einer Erhöhung der Standzeit des Targets beiträgt. In EP 00459137 B1 liegt dass Target im Innenraum der Ringspule. Die Targetoberfläche und das Spulenende liegen gemäss der Figur 2 von EP 00459137 B1 im Wesentlichen in einer Ebene (siehe Figur 16 dieser Anmeldung).
Dementsprechend umfasst die Spule das Target und auch Teile der Wand der als Gefäss bezeichneten Vakuumkammer. Hierdurch wird erreicht dass die durch die Spule erzeugten Magnetfelder im Wesentlichen keine radialen Komponenten auf der Oberfläche des Targets haben. Ein solches vertikales Spulenfeld hat somit keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit mit der der Spot des Lichtbogens über die Targetoberfläche wandert.
Demgegenüber wäre es vorteilhaft eine Magnetfeldanordnung zu haben, die aufgrund des Feldlinienverlaufs am Rand des Targets zu einer höheren Geschwindigkeit und damit zu einer geringeren Verweildauer führt. Dies würde zu einem Target mit integrierten Mitteln zum erzeugen von Magnetfeldern führen, mit welchem eine Funkenverdampfung sowohl mit stark reaktiven als auch mit schwach reaktiven und auch inerten Gasen effizent möglich ist.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch eine Magnetfeldanordnung gelöst, welche Rand- Permanentmagneten und mindestens eine Ringspule umfasst, wobei die Rand- Permantmagneten im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Targets vom Target weg verschiebbar sind und die Projektion der Rand-Permanentmagneten auf die Targetoberfläche im Vergleich zur Projektion der Ringspule auf die Targetoberfläche von der Mitte der Targetoberfläche weiter entfernt ist. Dabei ist die Ringspule hinter dem Target angeordnet und hat einen durch die Wicklungen definierten Innendurchmesser der nicht wesentlich grösser und vorzugsweise kleiner oder gleich dem Durchmesser des Targets ist.
Die Erfinder haben festgestellt, dass bei vom Target weggeschobenen Rand- Permanentmagneten und eingeschaltetem Spulenstrom der Beschichtungsprozess wesentlich stabiler läuft als mit einer Spulenanordnung gemäss der Figur 2 der
EP 00459137 B1. Dies mag damit zusammenhängen, dass mit einer solchen Anordnung erreicht wird, dass die Feldlinien des durch die stromdurchflossene Spule angeregten
Magnetfeldes im zentralen Bereich der Targetoberfläche im Wesentlichen keine radiale Komponente enthalten, während sie im Randbereich der Targetoberfläche radiale
Komponenten enthalten.
Zur Verdeutlichung wird in Figur 17 das eine Spule erzeugten Magnetfeld (genauer der Verlauf der Magnetfeldlinienθ schematisch dargestellt und in Figur 18 die axiale Komponente und die Radiale Komponente als Funktion des Abstandes von der Spulenachse knapp oberhalb des Spulenendes dargestellt
Gemäss einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Magnetfeldanordnung zusätzlich einen zentralen Permanentmagneten wobei die Projektion des Inneren der Ringspule auf die Targetoberfläche im Vergleich zur Projektion des zentralen Permanentmagneten auf die Targetoberfläche von der Mitte der Targetoberfläche weiter entfernt ist und der zentrale Permanentmagnet im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Targets vom Target weg verschiebbar ist.
Im Anschluss wird die Erfindung mit Beispielen und anhand der Figuren näher erläutert.
Dabei zeigt Figur 4 ein Target mit Magnetsystem gemäss einer ersten Ausführungsform.
Das Magnetfeld wird, wie in Figur 4 gezeigt, durch eine fix angeordnete Spule (4) und durch ein permanentes Magnetarrangement (5, 5a) erzeugt. Das Magnetarrangement mit einer Magnetaufnahme 6 ist in axialer Richtung, weg vom Target verschiebbar. Diese Verschiebbarkeit ist Figur 5 gezeigt.
Für das oben beschriebene Magnetsystem ergeben sich folgende grundsätzliche Einstellungen.
Einstellung 1 , wie schematisch in Figur 6 gezeigt: Der permanent Magnet nimmt die Position ein, bei der seine Pole dem Beschichtungsmaterial am nächsten sind (Position „vorne"). Vorzugsweise sind ein Spulenende und Pole bei dieser Einstellung im Wesentlichen in einer Ebene. Der Spulen- Strom ist eingeschaltet. Er kann sowohi Positiv als auch Negativ geschaltet sein (8)und er kann auch moduliert werden. Diese Einstellung erzeugt ein starkes Magnetfeld von ca. 60- 100 Gauss. Damit ist diese Einstellung beispielsweise für die Verdampfung von Nitridschichten geeignet. Durch die hohe magnetische Feldstärke und deren radialen Anteil wird der Funken schnell bewegt. Dadurch ergeben sich glatte Schichten. Mit dem Magnetfeld der Spule, welches dem Feld der permanenten Magnete überlagert ist, wird der Verlauf der Feldlinien und damit die Bahn des Funkens beeinflusst. Vorzugsweise wird der Spulenstrom zeitlich moduliert und damit eine Verbreiterung des Errosionsgrabens erreicht.
Mit einer solchen Einstellung gelingt die Erzeugung von Hartstoffschichten wie zum Beispiel TiN , TiAIN , AITiN, AICRN , TiSiN.
Einstellung 2, wie in Figur 7 gezeigt:
Der permanent Magnet (5,5a, 6) ist um 5 - 50mm „zurückgezogen", d.h. weiter beabstandet von der Targetoberfläche als in Einstellung 1. Der Spulenstrom ist wiederum eingeschaltet und kann positiv oder negativ sein und auch moduliert werden.
Diese Einstellung erzeugt graduell, je nach Verschiebung, ein Magnetfeld von 10 - 40 Gauss inklusive einem überlagerten Spulenfeld. Es kann einerseits mit zunehmender Verschiebung die Verdampfungsrate erhöht werden, wobei dann mit raueren Schichten mit grosseren Droplets gerechnet werden muss. Andererseits kann bei Verwendung von Gasen wie zum Beispiel Sauerstoff und/oder Azetylen durch die Verschiebung des Magnetarrangements (5, 5a, 6) ein Gleichgewicht zwischen Targetvergiftung und Erosionsrate an vielen Punkten der Targetoberfläche hergestellt werden. Hierdurch kann der Beschichtungsprozess erheblich stabilisiert werden.
Diese Einstellung ist sowohl geeignet für die Erzeugung von Nitridschichten bei hoher Beschichtungsrate wie TiN, TiAIN, AITiN, TiSiN als auch zur Herstellung von Carbonitriden oder Carbiden unter Verwendung von Gasen wie Azetylen oder Methan. Vor allem ist sie aber auch geeignet zur Herstellung von verschiedensten Oxidschichten wie zum Beispiel AI2O3, ZrO, TiO2 oder deren Mischungen entsprechend dem ausgangsmaterial des Targets. Einstellung 3, wie in Figur 8 gezeigt:
Bei dieser Einstellung ist der permanent Magnet um mehr als 50 mm zurückgezogen, d.h. ganz von der Spule separiert. Das Spulenfeld ist wiederum eingeschaltet, positiv oder negativ und/oder wird gegebenenfalls moduiiert. Der Magnetfeldanteil des permanenten Magnetarrangements wird aber vernachlässigbar klein. Je nach Stromstärke ist das Spulendfeld ca. 5- 15 Gauss.
Diese Einstellung ist geeignet für die Abscheidung von metallischen Schichten und/oder von Nitrid-, Carbonitrid-, Carbid- und/oder Oxyd-Schichten. Wie bereits weiter oben diskutiert gilt für hochreaktive Gase, dass das magnetische Feld der Spule nicht zu hoch sein soll ( maximal ca. "lOGauss ). Damit ein Betrieb des ARC-Verdampfers ohne Vergiftung von Targetbereichen möglich
Einstellung 4, wie in Figur 9 gezeigt: Der permanent Magnet ist um mehr als 50mm zurückgezogen, der Spulenstrom ausgeschaltet. In dieser Einstellung sind auf der Targetoberfläche keine nennenswerten Magnetfelder vorhanden. Die ARC -Quelle wird im sogenannten Random -Modus betrieben. Dies ist besonders vorteilhaft bei hochreaktiven Gasen wie Sauerstoff. Der Funke der ARC-Entladung läuft dabei mit sehr vielen ARC-Spots in zufälliger Weise über das Target. Die Entladung läuft sehr stabil und es können keine Bereiche mit Targetvergiftung entstehen.
Wird diese Magneteinstellung allerdings metallisch (ohne Reaktiv Gas oder im Hochvakuum) oder nitridisch betrieben, ist eine hohe Verdampfungsrate unter sehr hohem Dropletanteil zu beobachten.
Wie aus den Figuren hervorgeht können alle Quellenposition in einer Vakuumkammer mit demselben Target realisiert werden. D.h. man kann in demselben Beschichtungsprozess durch Veränderung der Magnetposition nach Fig.6-9 wahlweise zur Erzeugung von metallischen , nitritischen , Carbonitriden , Carbiden oder Oxiden das Magnetfeld an die erfordernisse optimal anpassen . Es müssen keine Quellenpositionen exklusiv für die jeweiligen Schichttypen reserviert werden. Dadurch können Beschichtungsprozesse mit hoher Produktivität realisiert werden.
Auf diese Art und Weise wurde mit ein und demselben AICr Target (70%:30%) folgendes Schichtsystem mit drei Schritten beschichtet: 1) eine metallische Haftschicht mit der Einstellung 1. Beachtlich ist hierbei dass die Erosion des Targets durch Wobbein der Spule optimiert wurde.
2) eine AICrN als erste Hartschicht mit der Einstellung 2 3) eine AlCryOx als zweite Hartschicht mit der Einstellung 3
In einem zweiten Beispiel wurde ein Ti-Target verwendet. Wiederum wurde als erstes eine metallische Haftschicht mit der Einstellung 1 aufgebracht. Zusätzlich wurde durch Wobbein der Spule die Erosion des Targets optimiert. Als nächstes wurde eine TiCN Schicht mit der Einstellung 2 aufgebracht und anschliessend eine TiN Schicht mit der Einstellung 3.
Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird Magnetsystem für eine Are- Verdampferquelle offenbart, mit welchem die Verdampfungsrate über die gesamte Target Lebenszeit konstant hält. Ausserdem lässt dieses die optimale Einstellung von Rate und Droplet Emission zu.
Die Verdampfungsrate einer ARC-Quelle wird unter anderem sehr stark durch das Magnetfeld parallel zur Targetoberfläche bestimmt. Ein stärkeres Magnetfeld erhöht die Geschwindigkeit des Funkens und erniedrig damit die Verdampfungsrate bei gleichzeitiger Abscheidung von glätteren Schichten. Mit zunehmender Targeterosion nähert sich die Targetoberfläche immer mehr dem dahinter liegenden Magnetsystem, dies äussert sich in einer starken Zunahme der magnetischen Feldstärke und einem Abfall der Beschichtungsrate. Das vorliegende erfinderische Magnetsystem kann die Abstandsänderung der Targetoberfläche zum Magnetsystem durch Verschieben des Permanent Magnetarrangements ausgleichen und damit eine konstante Verdampfungsrate über die gesamten Nutzungsdauer des Targets gewährleisten.
Der Abstand der Targetoberfläche zum Magnetsystem bestimmt im Wesentlichen die Mangetfeldstärke und damit die Rate der Verdampfung. Bei einem neuen, unverbrauchtem Target liegt der maximale Abstand und damit die geringste Magnetfeldstärke vor. Eine Erosion während dem Beschichtungsprozess führt zu einer sukzessiven Abnahme des Abstandes der Targetoberfläche zum Magnetsystem, und damit eine Erhöhung der Magnetfeldstärke und Abnahme der Rate. Dies wird anhand von Figur 10, Datenreihe mit Kreisflächensymbolen deutlich Um den Vorgang wie oben beschrieben zu kompensieren, wird erfindungsgemäss das Magnetsystem entsprechend der Erosionstiefe vom Target zurückgezogen um im Wesentlichen den Ausgangszustand bei neuem Target herzustellen. Damit wird eine im Wesentlichen konstante Rate über den gesamten Nutzungszeitraum des Targets (Targetlife) erreicht. Dies ist in Figur 10, Datenreihe mit Rautensymbolen gezeigt. Figur 12 zeigt im Vergleich mit Figur 11 noch zur Verdeutlichung der Situation die Errosion des Targets um die Dicke D und die dementsprechend nach unten verschobenen permanenten Magnete.
Wie oben bereits erwähnt ist die Emission von Droplets (Macroparticles) bzw. die Grosse der emittierten Droplets unter anderem abhängig von der Geschwindigkeit des durch das Magnetfeld bewegten Funkens (Arc-steering). Durch die geeignete Einstellung der permanent- Magnetposition ist die Quelle zwischen hoher Rate und rauer Schicht bzw. tiefere Rate und glatter Schicht einstellbar. Dies wird durch Figur 13 deutlich, die die Abhängigkeit der Schichtrauhigkeit (Rz, Ra) von der über das Magnetsystem eingestellten Beschichtungsrate aufzeigt.
In Figur 14 ist zusätzlich noch dargestellt, wie sich die Beschichtungsrate in Abhängigkeit der Magnetposition verändert und sich damit die Rate einstellen lässt.
Das Nachführen des permanent Magneten führt also einerseits zu einer Stabilisierung des Beschichtungsprozesses durch konstante Aufdampfrate und konstante Entladungsspannung. Ausserdem ist die Dauer der Beschichtungsprozesse durch die konstante Rate für gleichartige BeSchichtungen nahezu gleich, unabhängig vom Targetalter. Mittels des erfindungsgemässen Magnetsystems können aber auch gezielt verschiedene Raten für verschiedene Anforderungen eingestellt werden und es lassen sich Schichteigenschaften, wie z.B. Rauhigkeit und Mikrostruktur gezielt beeinflussen.
Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Schichtdickenverteilung über die Fläche des zu beschichtenden Werkstücks homogen eingestellt werden. Dies wird erzielt mittels des erfindungsgemässen Magnetsystems in einer Ausführungsform derart, dass der innere Permanent Magnet gegenüber dem Target um ca. 50mm unabhängig vom äusseren Permanentmagneten zurückgezogen werden kann. Auch der äussere Permanent Magnet kann vertikal zum Target verschoben werden, bevorzugt um einige Millimeter. Dies ist in Figur 15 gezeigt. Der Spulenstrom kann positive als auch negativ angelegt werden, wobei je nach Vorzeichen des Spulenstromes die Aufdampfcharakteristik der ARC -Quelle verändert werden kann. Das heisst es kann die Verteilungscharakteristik eingestellt werden.

Claims

Ansprüche
1. Arc-Verdampungsquelle mit einer an einem Target vorgesehenen Magnetfeldanordnung zur Erzeugung von Magnetfeldern an und oberhalb der Targetoberfläche, wobei die Magnetfeldanordnung, wobei die Magnetfeldanordnung Rand-Permanentmagneten und mindestens eine hinter dem Target angeordneten Ringspule umfasst deren durch die Wicklungen begrenzter Innendurchmesser vorzugsweise kleiner oder gleich, jedenfalls nicht wesentlich grösser als Durchmesser des Targets ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rand-Permantentmagneten im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Targets vom Target weg verschiebbar sind und die Projektion der Rand-Permanentmagneten auf die Targetoberfläche im Vergleich zur Projektion der Ringspule auf die Targetoberfläche von der Mitte der Targetoberfläche weiter entfernt ist.
2. Arc-Verdampfungsquelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei die Verschiebbarkeit der Rand-Permanentmagneten unabhängig von der Ringspule verwirklicht ist.
3. Arc-Verdampungsquelle nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polung der Rand-Permanentmagnete überwiegend und vorzugsweise für alle dieselbe ist.
4. Arc-Verdampfungsquelle nach einem der Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Ringspule ein Zentralpermanentmagnet vorgesehen ist mit einer zu der überwiegenden Polung der Rand-Permanentmagnete entgegen gesetzten Polung.
5. Arc-Verdampfungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralpermanentmagnet im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Targets vom Target weg verschiebbar ist.
6. Arc-Verdampfungsquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralpermanentmagnet mit den Rand-Permanentmagneten über eine den magnetischen Fluss führende Verbindung fix verbunden ist
7. Arc-Verdampfungsquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralpermanentmagnet unabhängig von den Randpermanentmagneten im
Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Targets verschiebbar sind.
8. Arc-Verdampfungsanlage mit einer Arc-Verdampfungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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