WO2019223959A1 - Magnetronsputtervorrichtung - Google Patents

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WO2019223959A1
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Bastian GAEDIKE
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Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn Gmbh
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    • H01J2237/20214—Rotation

Definitions

  • the present invention relates to a magnetron sputtering apparatus and a method for magnetron sputtering.
  • Exemplary magnetron sputtering devices are already known from DE 10 2014 105 947
  • the term “sputtering”, which results from the English verb "to sputter” "atomize”, a physical process understood in which atoms from a solid, a so-called target, by a bombardment with high-energy ions be released and thereby go into a gas phase.
  • the leached atoms coat a body and settle on its surface as a thin layer.
  • the body to be coated is generally referred to as a "substrate”.
  • the technical application of the physical process for example, in the Coating used by cutting tools, tool holders and forming tools.
  • This type of coating process is also referred to as “sputter deposition” and belongs to the group of vacuum-based PVD processes.
  • the abbreviation PVD here refers to physical vapor deposition (English: “physical vapor deposition”).
  • the coating is usually used to increase the resistance, wear protection and mechanical hardness.
  • the atoms released from the target are accelerated by an energy input to the substrate to be coated and are deposited on the surface of the substrate as a boundary layer.
  • the material to be deposited i.
  • the target material is usually present as a solid in a PVD process and is usually located in an evacuated coating chamber, which is also referred to as a reaction chamber. In this reaction chamber, the substrate to be coated is arranged spatially separated from the target.
  • the reaction chamber is filled with an inert process gas which is brought into the ionized state by the energy supply of the DC electric field (plasma formation).
  • the positively charged process gas ions are accelerated by the DC electric field in the direction of the positively charged target and strike by this "bombardment", ie by physical shock pulse transmission, atoms of the target material out of the surface, which subsequently move in the direction of the substrate and its Coat the surface.
  • a permanent current of positively charged ions hits the target, which is why the process is also referred to as DC or DC sputtering.
  • a magnetic field is generated in addition to the DC electric field between the cathode and anode behind the target by one or more electric or permanent magnets, which is why this process is also referred to as "magnetron sputtering".
  • the ions of the process gas do not move parallel to the electric field, but are deflected by the Lorentz force on their spiral path to the target surface, causing the individual ions to travel a longer distance to their impact on the target surface ,
  • This extended path increases the likelihood of further shocks between ionized process gas ions and non-ionized process gas ions.
  • the magnetic field increases the impact ionization and with it the total number of ionized process gas atoms. This results in particular in an increase in the sputtering rate, where the sputtering rate is understood to be the number of atoms of the target material dissolved out.
  • higher coating rates can be realized without increasing the process pressure.
  • An increase in the process pressure also leads to an increase in the ionization rate, since the pulse of the individual process gas ions can be increased by higher pressure conditions inside the reaction chamber.
  • Magnetron sputtering can thus improve the layer growth, the homogeneity and / or the layer properties on the substrate surface in comparison to the simple cathodic sputtering. Increasing the sputtering rate results in less scattering of the material on the way to the substrate and a denser (less porous) surface layer on the substrate surface.
  • the disadvantage of this method is that due to the functional principle, ie the DC field between the target and the anode, only electrically conductive materials can be used as target or coating material. If an electrically insulating material is used as the target material, the formation of an electrically insulating boundary layer on the anode surface occurs when the atoms of this insulating material are deposited.
  • This anode surface may be, for example, the surface of the substrate or the surface of a sacrificial sheet connected as an anode. Through this boundary layer, the otherwise electrically conductive anode loses its electrical conductive property and thus their anode function in the DC field.
  • this phenomenon is also referred to as the "disappearing anode effect", ie, the “disappearance of the anode” and prevents the deposition of many technically interesting materials (eg ceramics such as aluminum oxide).
  • This effect can also destroy a plant or at least lead to a termination of the coating process.
  • a reactive gas is present in the reaction chamber, this phenomenon can occur. If, for example, metals (eg aluminum or zirconium) are processed reactively by oxygen addition in such a reactive PVD process, electrically non-conductive layers are formed, through which the anode can "disappear".
  • electrically nonconductive solids e.g. technical ceramics
  • coating material since these materials have a high hardness, high thermal resistance, good thermal conductivity, high chemical resistance and corrosion resistance.
  • technical ceramics as used herein means an inorganic nonconductive solid.
  • alternating current dual magnetron sputtering A technical possibility of coating substrates with an electrically nonconductive material is provided by so-called alternating current dual magnetron sputtering. Between the two electrodes, for example, between the target and the substrate, an alternating current is switched back and forth, through which the substrate surface is cleaned at each reversal of the current direction, whereby the "disappearing anode effect" can be prevented [Source: http: // /www.semicore.com/news/97-what-is-mf-ac- sputtering; called on 26.04.2018].
  • DE 10 2014 105 947 A1 mentioned at the beginning shows an exemplary DC magnetron sputtering device or a method for depositing a thin piezoelectric film on an acoustic resonator.
  • the target consists of electrically conductive aluminum, which is doped with a likewise electrically conductive rare earth element.
  • This document essentially deals with the object of designing a magnetic field in favor of the piezoelectric properties of the resonator coating. In the document, however, not the above-described technical problem is solved, but it is explicitly mentioned that the target consists of an electrically conductive material.
  • a magnetron sputtering apparatus which is used for the coating of liquid crystal display substrates or semiconductor substrates, this document dealing with the positioning of the magnets within the apparatus and thus illuminating a different technical area.
  • a gas inlet for a vacuum chamber of a magnetron sputtering device is provided, by means of which the distribution of a mixed gas (process gas + reactive gas) after entering the vacuum chamber is to be standardized.
  • the magnetron sputtering apparatus comprises: a substrate; a target which forms a cathode in a DC electric field and has an electrically conductive substance mixture for coating the substrate; an anode in the DC electric field; a reaction chamber in which the target and the substrate are arranged, the target being arranged spatially separated from the substrate; and a voltage source configured to generate the DC electric field between the cathode and the anode; wherein the composition comprises a first material and a second material, and wherein the substrate comprises a third material, wherein the first material is an electrically non-conductive solid, the second material is an electrically conductive solid, and the third material is an electrically conductive solid.
  • the object of the invention is further achieved by a method, the following
  • the substrate can be coated, for example, with a technical ceramic which gives rise to numerous advantageous layer properties.
  • the layer quality and layer properties of the substrate coating are decisively determined according to the invention by the mechanical and thermal properties of the electrically nonconductive material (first material).
  • the second material is only mixed in to produce the electrical conductivity.
  • the mixture of substances provided on the target therefore preferably consists of relatively large proportions of the first material.
  • the proportion of the second material is preferably chosen as small as possible, namely only as large as is necessary for producing the desired electrical conductivity of the target substance mixture. In such a case, the properties of the second material lead only to small, technically tolerable changes in the coating on the substrate.
  • E in a further advantage of the invention is that already in use, conventional Magnetronsputtervoruttervorplatzen - can be used - without the need for an expensive and expensive retrofitting or conversion - because only replaced the target for the device or the method according to the invention must become.
  • the object to be coated is referred to in the most general form.
  • a substrate preferably all types of tools, tool parts, cutting tools, forming tools, tool holders and sections of tool holders are referred to as a substrate.
  • the substrate can be arranged in the reaction chamber, for example, on a substrate holder, or can be fastened in a reversibly detachable manner with it.
  • a target is understood in the present context, a solid, which may in principle have any kind of geometric shape.
  • targets have established themselves in the form of a rectangle or a circle, whereby the target can advantageously be arranged on a target holder within the reaction chamber.
  • a target holder can be used for example as a mounting platform during the coating process, on which the target can be reversibly releasably secured.
  • reaction chamber here the housing or the working space or the working volume of the magnetron sputtering apparatus is referred to, in which the target is arranged spatially separated from the substrate.
  • the reaction chamber for example, a vacuum pump for generating a vacuum in its interior.
  • the reaction chamber additionally has a gas inlet opening, through which after the generation of the vacuum, i. removing the air from the interior of the reaction chamber, a process gas can be introduced.
  • the process gas is a noble gas, i. a gas that behaves chemically inert and thus does not react with one or more reactants.
  • the voltage source provides between its connection points, e.g. Realized by
  • Terminals or electrical outputs an electrical voltage or a potential difference.
  • the voltage depends only slightly on the electric current, which is taken from the voltage source.
  • the delivered electrical voltage is thus ideally independent of the respective connected consumer.
  • the voltage source is a DC electrical source. That is, the electrical output of the DC voltage source, which provides a negative voltage, is connected to the target via a cable connection.
  • the electrical output which provides a positive voltage or zero potential (ground), is connected to the anode via a cable connection. It should be mentioned that, for safety reasons, a grounding of the system is advantageously arranged on the reaction chamber.
  • the target according to the invention comprises a first material and a second material, which means in other words that the target at least from a first and a second material.
  • the target thus has a substance mixture or a material composition consisting of at least the first material and the second material, but may also have further materials, for example carrier materials.
  • a target according to the invention is advantageously sintered or hot-pressed, but can also be produced by other production methods by which it is possible to have two different raw materials or raw materials, preferably in powder form or as granules, ie as solid, prior to preparation. to unite with each other in a solid state.
  • the third material or the substrate material is different from the second material. This means that the chemical composition of the third material differs from that of the second material. Only an altered morphology or crystal lattice structure (e.g., cubic body centered, cubic face centered, or hexagonal packed tight) is not enough to account for the difference between the second material and the third material.
  • the electrical conductivity which is also referred to as conductivity, the physical quantity that indicates the ability of a substance to conduct the electric current.
  • electrical conductivity is often reported as the reciprocal of the resistivity of a substance. This resistance is usually indicated by the SI unit Ohmmeter (Qm).
  • Qm The SI unit of electrical conductivity is given as Siemens per meter (S / m).
  • Conductivity can be divided into four groups. A distinction is made between superconductors, conductors, semiconductors and non-conductors.
  • Superconductors here denote materials in which below a material-dependent transition temperature, the electrical resistance drops to almost 0 and the electrical conductivity is thus almost infinitely large.
  • Conductor or conductive materials have, at an ambient temperature of 25 ° C via an electrical conductivity of> 10 6 S / m. In the group of semiconductors, the electrical conductivity depends on the purity of the material. In the group of non-conductors or insulators, the electrical conductivity is usually given as ⁇ 10 8 S / m. Physically speaking, the electrical conductivity can also be based on the so-called.
  • a solid in the present case, it seems useful to define a solid as electrically conductive, if it has an electrical conductivity speed of> 10 3 S / m at an ambient temperature of 25 ° C. In the present case, however, a solid should be considered to be electrically nonconductive if it has an electrical conductivity of ⁇ 10 3 S / m at an ambient temperature of 25 ° C.
  • the first material comprises a first volumetric fraction AV-i and the second material has a second volumetric fraction AV 2 , where AV-i> AV 2 , preferably AV-i> 1.5 AV 2 .
  • the admixture of the second material takes place only to ensure the electrical conductivity of the coating.
  • the advantageous mechanical and thermal properties of the coating are preferably determined by the material properties of the first material. For this reason, there is the advantage of mixing the second material in a volumetric proportion that is less than the volumetric proportion of the first material.
  • AV-i> 1, 5 AV 2 .
  • a preferred substance mixture is at least at least 60 percent by volume of the first material and at most 40 percent by volume of the second material.
  • the first material is a first inorganic solid.
  • an inorganic solid is understood to mean a substance from the periodic table which is in a solid state up to a temperature of at least 150 ° C.
  • an inorganic material is understood to mean a material that does not have an animated nature.
  • the first inorganic solid is a
  • Carbide, a nitride and / or an oxide Carbide, a nitride and / or an oxide.
  • the high binding energy is represented on the atomic level by a high proportion of covalent and a small proportion of ionic bonds.
  • oxides For oxides, however, dominate the ionic bonds. However, oxides are also distinguished by high hardness, high wear resistance and good heat resistance, but they are more brittle than most conventional hard metals and are therefore preferably used in coatings for coatings. In addition, oxides have a high corrosion resistance up to temperatures of> 1000 ° C.
  • the first inorganic solid is a
  • Metal oxides refer to compounds between a metal and oxygen and are known for their advantageous properties as a coating material. Metal oxides are also dominated by the ionic bonds. In addition, they are characterized (like oxides) high hardness, high wear resistance and good heat resistance.
  • the metal oxide is a zirconia (ZrO 2 )
  • Alumina Al 2 0 3
  • Ti0 2 titanium oxide
  • metal oxides as a coating in the cutting technology are their high hardness and heat resistance and high chemical and thermal resistance. They are also highly resistant to corrosion and can still be used at high temperatures in the operating range up to 1000 ° C.
  • the metal oxide aluminum titanate (Al 2 Ti0 5 ) can also be used as a coating element in the machining industry.
  • the second material is a second inorganic solid.
  • the second inorganic solid is different from the first inorganic solid.
  • the difference is in particular, but preferably not exclusively in the electrical conductivity properties.
  • the second inorganic solid is an elemental metal, a boride, a carbide and / or a nitride.
  • the electrical conductivity of the second material is particularly important, whereby only electrically conductive borides, carbides and / or nitrides can be used as a second material. Elemental metals always have this required electrical conductivity.
  • the second inorganic solid is a
  • carbides denote a substance group whose chemical compound consists of a
  • Element (E) and carbon (C) is given by the general structural formula E x C y .
  • the group includes both salt-like and metallic compounds.
  • the metallic compounds of advantageous importance are characterized by a high mechanical and thermal stability and a high melting point (3000 ° C to 4000 ° C).
  • the carbide is tungsten carbide (WC), niobium carbide (NbC), hafnium carbide (HfC), tantalum carbide (TaC), titanium carbide (TiC), molybdenum carbide (MoC) and / or chromium carbide (Cr 3 C 2 ).
  • Tungsten carbide has a high hardness value and a melting point of 2785 ° C.
  • tungsten carbide is the main constituent of many carbide grades and is mainly used for cutting tools and as a material for heavy-duty components or forming tools.
  • Titanium carbide (TiC) is an inorganic chemical compound consisting of titanium and carbon.
  • the substance has a very good electrical conductivity and is stable in the air up to a temperature of 800 ° C. It is also characterized by a particularly high hardness value of up to 4000 HV (hardness according to Vickers).
  • the material is particularly known as a coating material for indexable inserts, milling tools, broaches, molds, saw blades and the like.
  • Molybdenum carbide like chromium carbide, is an intermetallic compound. Both materials can be used as a basis for corrosion-resistant hardmetal alloys. Niobium carbide (NbC) is of particular advantage as a material for the coating since this carbide has a much lower purchase price compared to tungsten carbide. In addition, it has very similar mechanical properties to WC, but has a lower density. Further advantageous metallic carbides are tantalum carbide (TaC) and hafnium carbide (HfC).
  • the third material is cemented carbide, cermet, cubic
  • Boron nitride or steel These materials find particular use in the manufacture of tool holders and cutting tools for machining e.g. for indexable inserts, turning, milling, drilling, reaming and finishing tools.
  • the voltage source is adapted to generate the electric DC field by energy pulses.
  • Energy pulses are also known under the name "high-energy impulse magnetron sputtering devices" (HiPIMS)
  • HiPIMS high-energy impulse magnetron sputtering devices
  • This embodiment has the advantageous effect that higher power can be applied to the cathode, through which the ionization of the process gas (ie the plasma formation) can be improved.
  • the target material material mixture of first and second material
  • the energy pulses typically have a pulse length between 1 ps and 150 ps and have particularly advantageous powers> 1 MW. Due to these very high powers at the cathode, significantly higher ionization degrees of the target material can be achieved. This high degree of ionization can significantly alter the properties of the growing layer on the substrate via the changed growth mechanisms and can, for example, contribute to an increased adhesive strength of the coating atoms on the substrate surface.
  • the voltage source is adapted to
  • the voltage source is adapted to apply to the substrate with a negative bias voltage.
  • the substrate When biasing the substrate with the bias voltage, the substrate is electrically isolated from the reaction chamber disposed therein.
  • the reaction chamber or a part of the reaction chamber serves as an anode and / or zero potential or ground for the magnetron sputtering device.
  • a negative voltage or a negative potential of -50 to -200 V is applied to the substrate, wherein the bias voltage may in principle also be below or above the aforementioned interval. Due to this substrate bias, the ion energy of the partially ionized plasma, which is generated by the energy input of the DC electric field between the cathode and the anode increases. The bias voltage leads to an ion bombardment of the substrate.
  • the substrate forms the anode.
  • the substrate is connected to the voltage source or is arranged on a substrate holder, which is connected to the voltage source.
  • the reaction chamber has a
  • the term "enclosure” is understood here, for example, a cathode plate that surrounds the cathode at least partially, but is arranged spatially separated from the latter within the reaction chamber.
  • a cathode sheet may, for example, be arranged at a defined distance from the cathode, so that there is a gap between the cathode sheet and the cathode.
  • the process gas plasma necessary for the sputtering process arises in the space between the enclosure and the cathode. In this case, the enclosure is co-coated during the coating process.
  • the advantage is that the geometry of the housing can be freely selected device-specific. For example, a very large surface can be provided which is used as an anode as a whole. HiPIMS in particular requires a large anode surface for a smooth process flow.
  • the term "material” is understood to mean the homogenization or the distribution of the atoms over the substrate surface.
  • An advantageous arrangement of the atoms of the first material relative to the atoms of the second material is, for example, when the respective boundary surfaces between the atoms of the first material and the atoms of the second material ensure an overall electrical conductivity of the substrate surface.
  • the inventive method comprises the following additional step: introducing a reactive gas into the interior of the reaction chamber, wherein the reactive gas methane, acetylene, nitrogen or oxygen, and wherein reactive gas ions of the reactive gas are adapted to, with Atoms of the first material and / or atoms of the second material to react.
  • the inert process gas preferably
  • An advantage of this method is that the layer properties during reactive sputtering can be influenced inter alia via the reactive gas inflow or the reactive gas volume flow.
  • reactive gases such as e.g. Hydrogen, water vapor, ammonia, hydrogen sulfide, methane or Tetraflu- ormethan be used.
  • Fig. 1 is a schematic view of an embodiment of a
  • Fig. 2 is a scanning electron micrograph of an exemplary
  • FIG. 3 is a photomicrograph of the exemplary composition Zr0 2 -WC
  • Fig. 4 is a scanning electron micrograph of an exemplary
  • Fig. 5 is a schematic process flow.
  • Fig. 1 shows a magnetron sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention, wherein the magentron sputtering apparatus is generally designated by the reference numeral 100.
  • the magnetron sputtering apparatus 100 has a reaction chamber 10 in which
  • the substrate table 14 is rotatable and can be set in rotation by means of a drive motor not shown here, wherein the rotational speed (in rpm) can be controlled.
  • the substrate table 14 may be, for example, a rotatably mounted circular metal plate.
  • a substrate carrier 18 is arranged, which in the here shown
  • the substrate carrier 18 may be embodied, for example, as a basket-like device and be made of an electrically conductive or electrically non-conductive material, depending on the application.
  • the substrate carrier 18 serves to receive or reversibly fix the substrate 20 during a coating process.
  • four substrates are on the substrate support 18
  • the substrates 20 may be, for example, milling heads to be coated in the magnetron sputtering apparatus 100. According to the invention, however, only one substrate 20 has to be present.
  • Target (s) 16 and substrate (s) 20 are arranged in the interior 12 of the reaction chamber 10 spatially separated from each other.
  • the reaction chamber 10 is connected to a vacuum pump 22, which is set up to generate a vacuum or at least a negative pressure in the interior space 12 of the reaction chamber 10 before the start of the coating process.
  • the vacuum pump 22 may be configured, for example, as a turbo pump. It is used to remove 10 reactive gas molecules, such as nitrogen and / or oxygen or air from the interior 12 of the reaction chamber before the start of the coating process, whereby in the interior 12, a negative pressure.
  • an inert process gas e.g. Argon or another noble gas
  • the gas inlet 24 may be designed, for example, as a gas clutch, in each case ensuring a hermetic sealing of the gas inlet 24.
  • the magnetron sputtering apparatus 100 also has a voltage source 26 which is adapted to generate a DC electric field.
  • the voltage source 26 from FIG. 1 has two electrical outputs 28, 30, wherein in the representation shown here the negative voltage output 28 is connected in each case to the six targets 16 shown, whereby the targets 16 in the example shown in FIG electric DC field form the cathode 30.
  • the target 16 does not necessarily serve as the cathode 30. It is also possible the
  • Substrate table 14 by a corresponding interconnection with the negative voltage output 28 and by the applied voltage as (additional) cathode 30 to use.
  • a target carrier (not shown here) may be used as the cathode 30.
  • the positive voltage output 32 of the voltage source 26 is connected to the reaction chamber 10 by way of example, whereby the reaction chamber 10 forms the anode 34 in the DC electric field.
  • the substrate carrier 18 or a device can be used as the anode 34. tion, such as one or more enclosure (s) for the target (s) 16.
  • a plurality of anodes 34 may be used.
  • at least one anode 34 serves as a ground.
  • the commercially available DC magnetron sputter CemeCon system can be switched, for example, against a "special" anode pair 34, which is referred to as a so-called "booster". These "boosters" have a copper surface.
  • the voltage source (s) 26 may be configured to supply a pulsed electrical power to the cathode 30, these energy pulses (ie, providing the electrical power for a certain pulsed period of time) advantageously having a power> 0.1 MW, preferably > 0.5 MW, more preferably> 1 MW have.
  • the voltage source 26 may have, for example, a pulse generator and / or a pulse width modulator and is advantageously configured to generate a multiplicity of pulse shapes, pulse lengths and / or pulse amplitudes.
  • the substrate 20 to be coated is provided and arranged in the substrate carrier 18 (step S100). This arrangement can be done for example by inserting, threading, skewering, clamping or screwing the substrate 20 into or on the substrate carrier 18.
  • the target 16 (six targets 16 in FIG. 1) is to be provided and arranged in the interior space 12 of the reaction chamber 10 (step S101), which can be arranged, for example, by attaching the target to a target carrier.
  • the substrate carrier 18 is connected to the positive voltage output 32 of the voltage source 26, whereby the target 16 forms the cathode 30 together with the target carrier not shown here.
  • the six targets 16 have an electrically conductive substance mixture 36 for coating the substrate 20, wherein the substance mixture 36 comprises a first material 38 and a second material 40.
  • the first material 38 is an electrically non-conductive solid.
  • the second material 40 is an electrically conductive solid.
  • Step S102 wherein this provision can be made, for example (as in FIG. 1), by connecting the positive voltage output 32 of the voltage source 26 to the reaction chamber 10.
  • the substrate 20 comprises a third material 42, wherein the third material 42 is an electrically conductive solid.
  • the reaction chamber 10 can for example be closed by a hermetically sealable door.
  • a vacuum / vacuum is generated in the interior 12 of the reaction chamber 10 via the vacuum pump 22.
  • an additional heating by a heater take place, through which the interior 12 of the reaction chamber 10 is heated to a process temperature.
  • the process gas is introduced into the interior space 12 of the reaction chamber 10 via the gas inlet 24 (step S103) and a DC electric field is generated by the voltage source 26 between the cathode 30 and the anode 34 (step S104).
  • the DC electric field generated by the power source 26 calls a
  • FIG. 2 shows a scanning electron micrograph of the surface of an exemplary target 16.
  • the target 16 has the electrically conductive substance mixture 36, which in the case shown here is Zr0 2 -WC.
  • FIG. 3 shows a corresponding light microscope image of the substance mixture 36.
  • Substance mixture 36 consists of the first electrically nonconductive material 38 (here zirconium oxide (Zr0 2 )) and the second electrically conductive material 40 (here tungsten carbide (WC)).
  • the first material 38 has a first volumetric proportion AV-i and the second material 40 a second volumetric proportion AV 2, where advantageously applies: AV i> AV 2, preferably AV i> 1, 5 AV. 2
  • the target 16 can be produced for example by hot pressing or a sintering process. Depending on the manufacturing process and manufacturing process, smaller or larger amounts of microstructure in the substance mixture 36 result.
  • the first material 38 may in the most general case be an electrically non-conductive solid. It is advantageous if the first material 38 is a first inorganic solid. It is equally advantageous if the first inorganic solid is a carbide, an oxide and / or a nitride, more preferably a metal oxide. It is particularly advantageous if the metal oxide Zr0 2 , Al 2 0 3 or Ti0 2 .
  • the second material 40 may in the most general case be an electrically conductive solid. It is advantageous if the second material 40 is a second inorganic solid. It is likewise advantageous if the second inorganic solid is an elementary metal, a boride, a carbide, and / or a nitride. ter is a carbide. It is particularly advantageous if the carbide is WC, NbC, HfC, TaC, TiC, MoC and / or Cr 3 C 2 .
  • Fig. 4 shows a scanning electron micrograph after the coating of the
  • Substrate 20 with Zr0 2 -WC was deposited on the surface of the substrate 20, the substrate 20 having the third material 42.
  • the third material 42 is cemented carbide, cermet, cubic boron nitride or steel.
  • Heating phase 1 Start pressure at start of heating 3 mPa
  • Heating phase 2 Heating power Heating 1 9 kW
  • HiPIMS table pulse offset 20 ps
  • Table 2 Variation of the frequency and pulse length of high energy pulses in an exemplary high energy impulse magnetron sputtering process and their influence on the substrate coating.
  • a first heating phase (heating phase 1) was carried out in which the vacuum pump 22 or turbopump was operated at full power to generate the vacuum.
  • This full utilization of the turbopump is necessary because during the heating process, i.
  • the turbopump must remove a larger amount of free molecules from the reaction chamber.
  • the second heating phase (heating phase 2) followed, during which the turbopump was operated at 66% of its capacity. This second heating phase is advantageous in order to ensure a complete heating of the targets 16 and the substrate 20, or to ensure a stabilization of the process temperature.
  • Term “Medium Frequency Etching” is known.
  • the substrate 20 is subjected to a high bias voltage in comparison to the cathode voltage. Due to this high negative bias, more process gas ions impact on the substrate surface than on the target surface. As a result, the surface of the substrate 20 is freed from impurities and additionally roughened for the subsequent coating process, whereby the layer adhesion can be improved.
  • the first etching phase lasted 1200 seconds. Following the first etching phase, the second etching phase followed for a duration of 3600 seconds.
  • argon and krypton were introduced into the reaction chamber 10 and brought into an ionized state (in the form of an ion beam) by an additional plasma booster current.
  • This second etching phase is particularly advantageous for substrates 20 with a large number of edges, since the edges are only slightly cleaned or roughened in the first etching phase.
  • the "argon ion etching" leads to a better adhesion of the layer on the substrate surface, wherein the plurality of edges of the substrate can be cleaned or roughened by the ion beam.
  • the "coating" process step relevant to the invention was carried out, with both the frequency and the pulse length of the high-energy pulses being varied.
  • the layer thickness can be influenced by setting deposition parameters such as HiPIMS frequency, HiPIMS pulse width, temperatures, bias voltage, flow quantities of the gases introduced, and the quantity of the operated targets 16, the respective influence of these process parameters being known from the prior art Technique is known.
  • Cathodes of 40 ps and a coating time of 18000 s produced a substrate coating with a layer thickness of 2.4 pm, a hardness of 22.8 GPa and an E modulus of 380 GPa.
  • a HiPIMS frequency of 2500 Hz a pulse length at the cathodes of 60 ps and a coating time of 10,800 s
  • a substrate coating with a layer thickness of 1.8 ⁇ m a hardness of 21.5 GPa and an E was used Module of 440 GPa generated (see Table 1).
  • the hardness and elastic modulus were determined by nanoindentation in the
  • Unit GPa measured.
  • a diamond specimen having a three-sided pyramidal shape is pressed into the layer and a force-displacement curve is recorded. From this curve, the mechanical characteristics of the layer can be determined according to the Oliver-Pharr method.
  • a NHT1 from CSM, Switzerland was used.
  • a cooling step was performed, wherein the reaction chamber 10 was cooled by aeration.
  • Heating phase 1, heating phase 2, etching phase 1, etching phase 2 and cows are only advantageous, but not necessarily with the Magnetronsputtervor- device 100 according to the invention or in the inventive method must be performed.

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Abstract

Magnetronsputtervorrichtung (100), die aufweist: ein Substrat (20); ein Target (16), das in einem elektrischen Gleichspannungsfeld eine Kathode (30) bildet und ein elektrisch leitfähiges Stoffgemisch (36) zum Beschichten des Substrates (20) aufweist; eine Anode (34) in dem elektrischen Gleichspannungsfeld; eine Reaktionskammer (10), in der das Target (16) und das Substrat (20) angeordnet sind, wobei das Target (16) räumlich getrennt von dem Substrat (20) angeordnet ist; und eine Spannungsquelle (26), die dazu eingerichtet ist, das elektrische Gleichspannungsfeld zwischen der Kathode (30) und der Anode (34) zu erzeugen; wobei das Stoffgemisch (36) ein erstes Material (38) sowie ein zweites Material (40) aufweist, und wobei das Substrat (20) ein drittes Material (42) aufweist, wobei das erste Material (38) ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff, das zweite Material (40) ein elektrisch leitfähiger Feststoff, und das dritte Material (42) ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist.

Description

Maqnetronsputtervorrichtunq
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetronsputtervorrichtung sowie ein Verfahren zum Magnetronsputtern.
[0002] Beispielhafte Magnetronsputtervorrichtungen sind bereits aus der DE 10 2014 105 947
A1 , der DE 11 2008 000 702 T5 sowie der EP 3 041 026 B1 bekannt.
[0003] Allgemein wird unter dem Begriff „Sputtern“, welcher sich aus dem englischen Verb„to sputter“ =„zerstäuben“ ergibt, ein physikalischer Vorgang verstanden, bei dem Atome aus einem Festkörper, einem sogenannten Target, durch einen Beschuss mit energiereichen Ionen herausgelöst werden und dabei in eine Gasphase übergehen. Die herausgelösten Atome beschichten einen Körper und setzen sich auf dessen Oberfläche als eine dünne Schicht ab. Der zu beschichtende Körper wird im Allgemeinen als„Substrat“ bezeichnet. In der technischen Anwendung wird der physikalische Vorgang beispielsweise bei der Beschichtung von Zerspanungswerkzeugen, Werkzeughaltern und Umformwerkzeugen genutzt.
[0004] Diese Art des Beschichtungsverfahrens wird auch als„Sputterdeposition“ bezeichnet und gehört zur Gruppe der vakuumbasierten PVD-Verfahren. Die Abkürzung PVD bezeichnet hierbei die physikalische Gasphasenabscheidung (engl.:„physical vapour deposition“). Die Beschichtung dient meist zur Erhöhung der Beständigkeit, des Verschleißschutzes sowie der mechanischen Härte.
[0005] Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung wird das Ausgangsmaterial in die
Gasphase überführt. Die aus dem Target herausgelösten Atome werden durch einen Energieeintrag zu dem zu beschichtenden Substrat beschleunigt und schlagen sich auf der Oberfläche des Substrates als Grenzschicht nieder. Das abzuscheidende Material, d.h. das Targetmaterial, liegt bei einem PVD-Verfahren in der Regel als Feststoff vor und befindet sich zumeist in einer evakuierten Beschichtungskammer, die auch als Reaktions- kammer bezeichnet wird. In dieser Reaktionskammer ist das zu beschichtende Substrat räumlich getrennt von dem Target angeordnet.
[0006] Beispielsweise erfolgt der Energieeintrag durch ein Anlegen eines elektrischen
Gleichspannungsfeldes zwischen dem Target und einer Anode, wobei das Target im dem elektrischen Gleichspannungsfeld die negativ geladene Kathode bildet. Die Reaktions- kammer ist in diesem Fall mit einem inerten Prozessgas gefüllt, das durch die Energiezu- fuhr des elektrischen Gleichspannungsfeldes in den ionisierten Zustand gebracht wird (Plasmabildung). Die positiv geladenen Prozessgasionen werden durch das elektrische Gleichspannungsfeld in Richtung des positiv geladenen Targets beschleunigt und schla- gen durch diesen„Beschuss“ ,d.h. durch physikalische Stoßimpulsübertragung, Atome des Targetmaterials aus dessen Oberfläche heraus, die sich nachfolgend in die Richtung des Substrates bewegen und dessen Oberfläche beschichten. Es trifft also ein dauerhaf- ter Strom aus positiv geladenen Ionen auf das Target, weshalb der Prozess auch als Gleichstrom- bzw. DC-Sputtern bezeichnet wird. [0007] In einem Spezialfall des DC-Sputterns wird zusätzlich zu dem elektrischen Gleichspannungsfeld zwischen Kathode und Anode hinter dem Target durch einen oder mehrere Elektro- oder Permanentmagnete ein Magnetfeld erzeugt, weshalb dieser Prozess auch als„Magnetronsputtern“ bezeichnet wird.
[0008] Durch die Überlagerung des elektrischen Gleichspannungsfeldes mit dem magnetischen
Feld bewegen sich die Ionen des Prozessgases nicht parallel zu den elektrischen Feldli nien, sondern werden auf ihrem Weg zur Targetoberfläche durch die Lorentz-Kraft auf eine Spiralbahn bzw. Schraubenbahn abgelenkt, wodurch die einzelnen Ionen einen längeren Weg bis zu ihrem Aufprall auf die Targetoberfläche zurücklegen. Durch diesen verlängerten Weg erhöht sich die Wahrscheinlichkeit weiterer Stöße zwischen ionisierten Prozessgasionen und nicht-ionisierten Prozessgasionen. Mit anderen Worten, durch das magnetische Feld wird die Stoßionisierung und mit dieser die Gesamtzahl der ionisierten Prozessgasatome erhöht. Dies hat insbesondere eine Erhöhung der Sputterrate zur Folge, wobei man unter der Sputterrate die Anzahl der herausgelösten Atome des Tar- getmaterials versteht. Somit können höhere Beschichtungsraten ohne eine Erhöhung des Prozessdrucks realisiert werden. Eine Erhöhung des Prozessdrucks führt ebenfalls zu einer Erhöhung der lonisierungsrate, da durch höhere Druckbedingungen im Inneren der Reaktionskammer der Impuls der einzelnen Prozessgasionen erhöht werden kann. Durch das Magnetronsputtern kann somit das Schichtwachstum, die Homogenität und/oder die Schichteigenschaften auf der Substratoberfläche im Vergleich zu der einfachen Katho- denzerstäubung verbessert werden. Die Erhöhung der Sputterrate führt zu einer geringe- ren Streuung des Materials auf dem Weg zum Substrat und zu einer dichteren (weniger porösen) Oberflächenschicht auf der Substratoberfläche.
[0009] Der Nachteil an diesem Verfahren ist allerdings, dass bedingt durch das Funktionsprinzip, d.h. das Gleichspannungsfeld zwischen Target und Anode, lediglich elektrisch leitfähige Materialien als Target- bzw. Beschichtungsmaterial verwendet werden können. Wird ein elektrisch isolierendes Material als Targetmaterial verwendet, kommt es beim Abscheiden der Atome dieses isolierenden Materials zur Bildung einer elektrisch isolierenden Grenz- schicht auf der Anodenoberfläche. Diese Anodenoberfläche kann bspw. die Oberfläche des Substrates oder die Oberfläche eines Opfer-Blechs sein, das als Anode geschaltet ist. Durch diese Grenzschicht verliert die ansonsten elektrisch leitfähige Anode ihre elektrisch leitende Eigenschaft und somit ihre Anodenfunktion im Gleichspannungsfeld. Dieses Phänomen wird wissenschaftlich auch als „disappearing anode effect“, d.h. als „Ver- schwinden der Anode“, bezeichnet und verhindert die Abscheidung von vielen technisch interessanten Materialien (z.B. Keramiken wie Aluminiumoxid). Dieser Effekt kann darüber hinaus eine Anlage zerstören oder zumindest zu einem Abbruch des Beschichtungsvor- gangs führen. Auch bei reaktiven PVD-Beschichtungsprozessen, bei welchen zusätzlich zu dem Prozessgas ein Reaktivgas in der Reaktionskammer vorhanden ist, kann es zum Auftreten dieses Phänomens kommen. Werden z.B. Metalle (z.B. Aluminium oder Zirkon) durch Sauerstoffzugabe reaktiv in einem solchen reaktiven PVD-Prozess verarbeitet, entstehen elektrisch nicht-leitfähige Schichten, durch die die Anode„verschwinden“ kann.
[0010] Gerade bei der Beschichtung von Werkzeugen, Werkzeughaltern oder Ähnlichem ist es jedoch oftmals von Vorteil, elektrisch nicht-leitfähige Feststoffe, wie z.B. technische Keramiken, als Beschichtungsmaterial zu verwenden, da diese Werkstoffe eine hohe Härte, eine hohe thermische Beständigkeit, eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine hohe chemische Beständigkeit sowie Korrosionsfestigkeit aufweisen. Unter dem Begriff„techni- sche Keramik“ wird hier vorliegend ein anorganischer nicht-leitfähiger Feststoff verstan- den.
[0011] Somit besteht grundsätzlich das technische Problem, dass bei den bekannten
Gleichstrom-Magnetronsputtervorrichtung keine elektrisch nicht-leitfähigen Materialen zur Beschichtung eines Substrates verwendet werden können, ohne dass das Risiko eines „disappearing anode effects“ bestehen bleibt.
[0012] Eine technische Möglichkeit Substrate mit einem elektrisch nicht-leitfähigen Stoff zu beschichten, wird durch das sogenannte Wechselstrom-Dual-Magnetronsputtern bereit- gestellt. Zwischen den zwei Elektroden, bspw. zwischen dem Target und dem Substrat, wird ein Wechselstrom hin und her geschaltet, durch den die Substratoberfläche bei jeder Umkehrung des Stromrichtung gereinigt wird, wodurch der„disappearing anode effect“ verhindert werden kann [Quelle: http://www.semicore.com/news/97-what-is-mf-ac- sputtering; aufgerufen am 26.04.2018]. Als wesentlicher Unterschied zu dem Gleichstrom- Magnetronsputtern, wird bei diesem Beschichtungsverfahren ein Wechselspannungs- bzw. Wechselstromfeld benötigt, wodurch der Gesamtaufbau der Vorrichtung technisch wesentlich komplexer und voluminöser ausfällt und somit deutlich kostenintensiver ist und dadurch keine optimale Lösung für das technische Problem darstellt.
[0013] Die eingangs erwähnte DE 10 2014 105 947 A1 zeigt eine beispielhafte Gleichstrom- Magnetronsputtervorrichtung bzw. ein Verfahren zum Abscheiden eines dünnen piezoe- lektrischen Films auf einem akustischen Resonator. Das Target besteht aus elektrisch leitfähigem Aluminium, das mit einem ebenfalls elektrisch leitfähigen Seltenerdelement dotiert ist. Diese Druckschrift befasst sich im Wesentlichen mit der Aufgabe der Ausge- staltung eines magnetischen Feldes zugunsten der piezoelektrischen Eigenschaften der Resonatorbeschichtung. In der Druckschrift wird jedoch nicht das vorab geschilderte technische Problem gelöst, vielmehr ist explizit erwähnt, dass das Target aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.
[0014] Auch in der zuvor genannten DE 1 1 2008 000 702 T5 wird das zuvor genannte technische
Problem des disappearing anode effects nicht gelöst. Es wird eine Magnetronsputtervor- richtung beschrieben, die für die Beschichtung von Flüssigkeitskristalldisplaysubstraten oder Halbleitersubstraten verwendet wird, wobei sich diese Druckschrift mit der Positionie- rung der Magnete innerhalb der Vorrichtung befasst und somit einen anderen technischen Bereich beleuchtet.
[0015] In der eingangs erwähnten EP 3 041 026 B1 wird ein Gaseinlass für eine Vakuumkammer einer Magnetronsputtervorrichtung bereitgestellt, durch den die Verteilung eines Mischga- ses (Prozessgas + Reaktivgas) nach Eintritt in die Vakuumkammer vereinheitlicht werden soll.
[0016] Aus dem zuvor beschrieben technischen Problem ergibt sich nun die technische Aufgabe eine Magnetronsputtervorrichtung bzw. ein Verfahren zum Magnetronsputtern bereitzu- stellen, bei welcher bzw. welchem das Substrat mit einem elektrisch nicht-leitfähigen Material beschichtet werden kann, ohne dass es zum Auftreten des„disappearing anode effects“ kommt. [0017] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe ausgehend von der eingangs genannten Magnetronsputtervorrichtung dadurch gelöst, dass die Magnetronsputtervorrichtung aufweist: ein Substrat; ein Target, das in einem elektrischen Gleichspannungsfeld eine Kathode bildet und ein elektrisch leitfähiges Stoffgemisch zum Beschichten des Substra- tes aufweist; eine Anode in dem elektrischen Gleichspannungsfeld; eine Reaktionskam- mer, in der das Target und das Substrat angeordnet sind, wobei das Target räumlich getrennt von dem Substrat angeordnet ist; und eine Spannungsquelle, die dazu eingerich- tet ist, das elektrische Gleichspannungsfeld zwischen der Kathode und der Anode zu erzeugen; wobei das Stoffgemisch ein erstes Material sowie ein zweites Material aufweist, und wobei das Substrat ein drittes Material aufweist, wobei das erste Material ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff, das zweite Material ein elektrisch leitfähiger Feststoff, und das dritte Material ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist.
[0018] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren gelöst, das folgende
Schritte aufweist: Bereitstellen eines Substrates; Bereitstellen eines Targets, das in einem elektrischen Gleichspannungsfeld eine Kathode bildet und ein elektrisch leitfähiges Stoffgemisch zum Beschichten des Substrates aufweist, wobei das Stoffgemisch ein erstes Material sowie ein zweites Material aufweist, wobei das erste Material ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff und das zweite Material ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist; Bereitstellen einer Anode in dem elektrischen Gleichspannungsfeld; Anordnen des Targets und des Substrates in einer Reaktionskammer, wobei das Target räumlich getrennt von dem Substrat angeordnet ist, wobei das Substrat ein drittes Material auf- weist, wobei das dritte Material ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist; Einleiten eines Prozessgases in den Innenraum der Reaktionskammer; und Erzeugen des elektrischen Gleichspannungsfeldes zwischen der Kathode und der Anode.
[0019] Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelingt es, trotz Gleichspannungs- Magnetronsputtern (DC- Magnetronsputtern) ein Substrat mit einem elektrisch nicht- leitfähigen Feststoff zu beschichten, ohne dass es zum Auftreten des disappearing anode effects kommt. Dies war bisher nur durch das wesentlich aufwendigere und teurere Wechselstrom-Magnetronsputtern (AC-Magnetronsputtern) möglich. Dieses Wechsel- strom Magnetronsputtern wird häufig auch als MF- Magnetronsputtern bezeichnet. Durch die vorliegende Erfindung gelingt es nun jedoch, das Targets durch das Beifügen eines elektrisch leitfähigen Materials (zweites Material) elektrisch leitfähig zu machen und diese elektrische Leitfähigkeit auch nach dem Abscheiden der Atome des Targets auf der Substratoberfläche weiterhin zu gewährleisten. Somit kann auf einfache und kostengüns- tige Weise das Substrat beispielsweise mit einer technischen Keramik beschichtet wer- den, durch die zahlreiche vorteilhafte Schichteigenschaften entstehen. Die Schichtgüte und Schichteigenschaften der Substratbeschichtung werden erfindungsgemäß maßgeb- lich durch die mechanischen und thermischen Eigenschaften des elektrisch nicht- leitfähigen Materials (erstes Material) bestimmt. Das zweite Material wird nur zur Herstel- lung der elektrischen Leitfähigkeit hinzugemischt. Das am Target vorgesehene Stoffge- misch besteht daher vorzugsweise zu größeren Anteilen aus dem ersten Material. Der Anteil des zweiten Materials wird dagegen vorzugsweise möglichst gering gewählt, nämlich nur so groß wie es zur Herstellung der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit des Target-Stoffgemischs notwendig ist. In einem solchen Fall führen die Eigenschaften des zweiten Materials lediglich zu geringen, technisch tolerierbaren Veränderungen der Beschichtung am Substrat.
[0020] E in weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sich bereits im Einsatz befindliche, herkömmliche Magnetronsputtervorrichtungen - ohne die Notwendigkeit eines teuren und aufwändigen Retrofits bzw. Umbaus - verwenden lassen, da für die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren lediglich das Target ausgetauscht werden muss.
[0021] Ferner ergibt sich ein weiterer Vorteil aus dem Vergleich mit der vorstehend genannten
AC-Magnetronsputtervorrichtung, da die erfindungsgemäße Vorrichtung zeitlich invariant ist und somit einfacher gehandhabt werden kann.
[0022] Als Substrat wird in allgemeinster Form das zu beschichtende Objekt bezeichnet. Im hier vorliegenden Anwendungsfall werden vorzugsweise jegliche Arten von Werkzeugen, Werkzeugteilen, Zerspanungswerkzeugen, Umformwerkzeugen, Werkzeughalter sowie Abschnitte von Werkzeughaltern als Substrat bezeichnet. Vorteilhaft jedoch nicht zwin- gend kann das Substrat in der Reaktionskammer beispielsweise auf einem Substrathalter angeordnet bzw. reversibel lösbar mit diesem befestigt sein. [0023] Unter einem Target wird im vorliegenden Kontext ein Festkörper verstanden, der grundsätzlich jede Art von geometrischer Form aufweisen kann. In der Praxis haben sich jedoch Targets in Form eines Rechtecks oder Kreises etabliert, wobei das Target vorteil- hafterweise auf einem Targethalter innerhalb der Reaktionskammer angeordnet sein kann. Ein solcher Targethalter kann beispielsweise als Befestigungsplattform während des Beschichtungsprozesses genutzt werden, auf der das Target reversibel lösbar befestigt werden kann.
[0024] Unter dem Begriff „Reaktionskammer“ wird hierbei das Gehäuse bzw. der Arbeitsraum bzw. das Arbeitsvolumen der Magnetronsputtervorrichtung bezeichnet, in dem das Target räumlich getrennt von dem Substrat angeordnet ist. Vorteilhafterweise weist die Reakti- onskammer beispielsweise eine Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Vakuums in ihrem Innenraum auf. Vorteilhafterweise weist die Reaktionskammer zusätzlich eine Gas- Einlassöffnung auf, durch die nach dem Erzeugen des Vakuums, d.h. dem Entfernen der Luft aus dem Innenraum der Reaktionskammer, ein Prozessgas eingeleitet werden kann. Vorzugsweise ist das Prozessgas ein Edelgas, d.h. ein Gas, das sich chemisch inert verhält und somit keine Reaktion mit einem oder mehreren Reaktionspartnern eingeht.
[0025] Die Spannungsquelle liefert zwischen ihren Anschlusspunkten, z.B. realisiert durch
Anschlussklemmen bzw. elektrischen Ausgänge, eine elektrische Spannung bzw. eine Potenzialdifferenz. Im Wesentlichen hängt die Spannung nur gering von der elektrischen Stromstärke ab, welche der Spannungsquelle entnommen wird. Die gelieferte elektrische Spannung ist im Idealfall somit unabhängig vom jeweilig angeschlossenen Verbraucher. Im hier vorliegenden Fall ist die Spannungsquelle eine elektrische Gleichspannungsquel- le. D.h., der elektrische Ausgang der Gleichspannungsquelle, der eine negative Spannung liefert, wird mit dem Target über eine Kabelverbindung verbunden. Der elektrische Aus- gang, der eine positive Spannung oder ein Nullpotenzial (Erdung) liefert, wird mit der Anode über eine Kabelverbindung verbunden. Hierbei sei erwähnt, dass aus sicherheits- technischen Gründen eine Erdung der Anlage vorteilhaft an der Reaktionskammer angeordnet ist.
[0026] Das erfindungsgemäße Target weist ein erstes Material sowie ein zweites Material auf, was mit anderen Worten bedeutet, dass das Target zumindest aus einem ersten sowie einem zweiten Material besteht. Das Target weist also eine Stoffgemisch bzw. eine Materialkomposition bestehend aus zumindest dem ersten Material und dem zweiten Material auf, kann jedoch darüber hinaus noch weitere Materialien z.B. Trägermaterialien aufweisen. Ein erfindungsgemäßes Target wird vorteilhafterweise gesintert oder heißge- presst, kann aber auch durch andere Herstellungsverfahren hergestellt werden, durch die es möglich ist, zwei verschiedene Rohmaterialien bzw. Rohstoffe, die vorzugsweise vor der Herstellung in Pulverform oder als Granulat, d.h. als Feststoff, vorliegen, miteinander in einem Festkörper zu vereinen.
[0027] Es sei zudem darauf hingewiesen, dass sich das dritte Material bzw. das Substratmaterial von dem zweiten Material unterscheidet. Das heißt, dass sich die chemische Zusammen- setzung des dritten Materials von der des zweiten Materials unterscheidet. Lediglich eine veränderte Morphologie bzw. Kristall-Gitterstruktur (z.B. kubisch raumzentriert, kubisch flächenzentriert oder hexagonal-dichtest-gepackt) reicht noch nicht für den Unterschied zwischen dem zweiten Material und dem dritten Material aus.
[0028] Im hier vorliegenden Fall ist die elektrische Leitfähigkeit, welche auch als Konduktivität bezeichnet wird, die physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Stoffes angibt, den elektrischen Strom zu leiten. In der Elektrotechnik wird die elektrische Leitfähigkeit oft als der Kehrwert des spezifischen Widerstandes eines Stoffes angegeben. Dieser Widerstand wird üblicherweise mit der SI-Einheit Ohmmeter (Qm) angegeben. Die SI-Einheit der elektrischen Leitfähigkeit ist mit Siemens pro Meter angegeben (S/m).
[0029] Grundlegend können die Stoffe des Periodensystems hinsichtlich der elektrischen
Leitfähigkeit in vier Gruppen unterteilt werden. Hierbei unterscheidet man zwischen Supraleitern, Leitern, Halbleitern und Nichtleitern. Supraleiter bezeichnen hierbei Materia- lien bei denen unterhalb einer materialabhängigen Sprungtemperatur der elektrische Widerstand auf nahezu 0 herabsinkt und die elektrische Leitfähigkeit somit nahezu unendlich groß wird. Leiter bzw. leitende Stoffe verfügen bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C über eine elektrische Leitfähigkeit von > 106 S/m. Bei der Gruppe der Halbleiter hängt die elektrische Leitfähigkeit von der Reinheit des Materials ab. Bei der Gruppe der Nichtleiter bzw. Isolatoren wird die elektrische Leitfähigkeit meist mit < 10 8 S/m angege- ben. [0030] Physikalisch gesprochen kann die elektrische Leitfähigkeit auch anhand des sog.
Bändermodels erklärt werden. Bei diesem Modell werden die Energieeigenschaften der Elektronen verschiedener Stoffe grundlegend in eine Lage innerhalb eines sog. Valenz- bandes sowie eine Lage innerhalb eines sog. Leitungsbandes eingeteilt. Zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband besteht eine sog. Bandlücke, mit welcher sich im Wesentlichen die elektrischen Leiteigenschaften eines Materials erklären lassen. Weist ein Material bspw. eine große Bandlücke auf, gilt dieses Material als elektrisch nicht- leitfähig bzw. als Isolator. Weist ein Material hingegen eine sehr kleine bzw. keine Band- lücke auf, d.h., dass das Leitungsband mit dem Valenzband überlappt oder direkt an diesem anschließt, gilt der Stoff als elektrisch leitfähig. Diese Eigenschaft gilt insbesonde- re für Metalle. Bei Isolatoren befinden sich alle Elektronen innerhalb des Valenzbandes und können nur durch einen sehr hohen Energieeintrag in das Leitungsband gehoben werden. Bei elektrisch leitfähigen Materialien befinden sich entweder alle oder zumindest eine Vielzahl der Elektronen innerhalb des Leitungsbandes, wodurch diese Materialien ohne einen zusätzlichen Energieeintrag elektrisch leitfähig sind.
[0031] Im hier vorliegenden Fall erscheint es sinnvoll, einen Feststoff als elektrisch leitfähig zu definieren, wenn er bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C eine elektrische Leitfähig keit von > 10 3 S/m aufweist. Ein Feststoff soll vorliegend hingegen als elektrisch nicht- leitfähig gelten, wenn er bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C eine elektrische Leitfähigkeit von < 10 3 S/m aufweist.
[0032] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das erste Material einen ersten volumetrischen Anteil AV-i und das zweite Material einen zweiten volumetrischen Anteil AV2 auf, wobei gilt AV-i > AV2, vorzugsweise AV-i > 1 ,5 AV2.
[0033] Es sei an dieser Stelle nochmals erwähnt, dass die Beimischung des zweiten Materials lediglich zur Gewährleistung der elektrischen Leitfähigkeit der Beschichtung erfolgt. Die vorteilhaften mechanischen und thermischen Eigenschaften der Beschichtung werden vorzugsweise über die Materialeigenschaften des ersten Materials bestimmt. Aus diesem Grund ergibt sich der Vorteil, das zweite Material in einem volumetrischen Anteil beizumi- schen, der kleiner ist als der volumetrische Anteil des ersten Materials. Zur Klarstellung der Formulierung AV-i > 1 ,5 AV2. sei erwähnt, dass ein bevorzugtes Stoffgemisch mindes- tens 60 Volumenprozent des ersten Materials und höchstens 40 Volumenprozent des zweiten Materials aufweist.
[0034] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das erste Material ein erster anorganischer Feststoff.
[0035] Hierbei wird unter einem anorganischen Feststoff ein Stoff aus dem Periodensystem verstanden, welcher bis zu einer Temperatur von zumindest 150 °C in einem festen Zustand vorliegt. Zudem wird unter einem anorganischen Material ein Material verstan- den, das keine belebte Natur aufweist.
[0036] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der erste anorganische Feststoff ein
Carbid, ein Nitrid und/oder ein Oxid.
[0037] Carbide und Nitride zeichnen sich durch sehr starke Bindungsenergien zwischen den
Atomen aus, die zu einer hohen chemischen und thermischen Stabilität, Härte und Festigkeit, jedoch gleichzeitig auch zu einer geringeren Duktilität und zu einer recht hohen Sprödigkeit führen. Die hohe Bindungsenergie wird auf atomarer Ebene durch einen hohen Anteil kovalenter und einen geringen Anteil ionischer Bindungen repräsentiert.
[0038] Bei Oxiden dominieren hingegen die lonenbindungen. Oxide zeichnen sich allerdings ebenfalls durch eine hohe Härte, eine hohe Verschleißfestigkeit sowie durch eine gute Wärmebeständigkeit aus, sind jedoch spröder als die meisten gängigen Hartmetalle und daher in der Zerspanungstechnik vorzugsweise für Beschichtungen vorgesehen. Zudem weisen Oxide eine hohe Korrosionsbeständigkeit bis zu Temperaturen von >1000 °C auf.
[0039] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der erste anorganische Feststoff ein
Metalloxid.
[0040] Metalloxide bezeichnen Verbindungen zwischen einem Metall und Sauerstoff und sind für ihre vorteilhaften Eigenschaften als Beschichtungsmaterial bekannt. Bei Metalloxiden dominieren ebenfalls die lonenbindungen. Zudem zeichnen sie sich (wie Oxide) durch eine hohe Härte, eine hohe Verschleißfestigkeit sowie durch eine gute Wärmebeständig- keit aus.
[0041] Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Metalloxid ein Zirkoniumoxid (Zr02), ein
Aluminiumoxid (Al203) oder ein Titaniumoxid (Ti02).
[0042] E in Vorteil dieser Metalloxide als Beschichtung in der Zerspanungstechnik liegt in ihrer hohen Härte und der Wärmefestigkeit sowie der hohen chemischen und thermischen Beständigkeit. Sie sind zudem hoch korrosionsbeständig und bei hohen Temperaturen im Einsatzbereich bis 1000°C weiterhin einsetzbar. Auch das Metalloxid Aluminiumtitanat (AI2Ti05) kann als Beschichtungselement in der Zerspanungstechnik benutzt werden.
[0043] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das zweite Material ein zweiter anorganischer Feststoff. Der zweite anorganische Feststoff unterscheidet sich von dem ersten anorganischen Feststoff. Der Unterschied liegt insbesondere, aber vorzugsweise nicht ausschließlich in den elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften.
[0044] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der zweite anorganische Feststoff ein elementares Metall, ein Borid, ein Carbid und/oder ein Nitrid. Bei dieser Einschränkung ist besonders die elektrische Leitfähigkeit des zweiten Materials zu beachten, wodurch nur elektrisch leitfähige Boride, Carbide und/oder Nitride als zweites Material genutzt werden können. Elementare Metalle verfügen stets über diese geforderte elektrische Leitfähigkeit.
[0045] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der zweite anorganische Feststoff ein
Carbid.
[0046] Carbide bezeichnen hierbei eine Stoffgruppe deren chemische Verbindung aus einem
Element (E) und Kohlenstoff (C) mit der allgemeinen Strukturformel ExCy angegeben wird. Zu der Gruppe zählen sowohl salzartige als auch metallische Verbindungen. Im hier vorliegenden Fall sind insbesondere die metallischen Verbindungen von vorteilhafter Bedeutung und zeichnen sich durch eine hohe mechanische und thermische Stabilität sowie einen hohen Schmelzpunkt (3000°C bis 4000°C) aus. [0047] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Carbid Wolframcarbid (WC), Niobcarbid (NbC), Hafniumcarbid (HfC), Tantalcarbid (TaC), Titaniumcarbid (TiC), Molyb- däncarbid (MoC) und/oder Chromcarbid (Cr3C2).
[0048] Wolframcarbid (WC) weist einen hohen Härtewert sowie einen Schmelzpunkt von 2785 °C auf. Allgemein ist Wolframcarbid Hauptbestandteil vieler Hartmetallsorten und wird vor allem für Zerspanungswerkzeuge und als Werkstoff für hochbelastbare Bauteile oder Umformwerkzeuge benutzt. Titaniumcarbid (TiC) ist eine anorganische chemische Verbindung aus den Elementen Titan und Kohlenstoff. Zudem weist der Stoff eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit auf und ist an der Luft bis zu einer Temperatur von 800 °C stabil. Es zeichnet sich zudem durch einen besonders hohen Härtewert von bis zu 4000 HV (Härte nach Vickers) aus. Der Stoff ist besonders als Beschichtungsmaterial für Wendeschneidplatten, Fräswerkzeuge, Räumnadeln, Formwerkzeuge, Sägeblätter und Ähnliches bekannt. Molybdäncarbid ist genauso wie Chromcarbid eine intermetallische Verbindung. Beide Stoffe sind als Basis für korrosionsfeste Hartmetallegierungen an- wendbar. Niobcarbid (NbC) ist als Werkstoff für die Beschichtung von besonderem Vorteil, da dieses Carbid im Verglich zu Wolframcarbid einen wesentlich günstigeren Einkaufs- preis hat. Zudem weißt es im Vergleich zu WC sehr ähnliche mechanische Eigenschaften auf, verfügt jedoch über eine geringere Dichte. Weitere vorteilhafte metallische Carbide sind Tantalcarbid (TaC) und Hafniumcarbid (HfC).
[0049] Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das dritte Material Hartmetall, Cermet, kubisches
Bornitrid oder Stahl. Diese Materialien finden besonders bei der Herstellung von Werk- zeughaltern und Schneidwerkzeugen zur spanenden Bearbeitung z.B. für Wendeschneid- platten, Dreh-, Fräs-, Bohr-, Reib-, und Schlichtwerkzeuge Verwendung.
[0050] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Spannungsquelle dazu eingerichtet, das elektrische Gleichspannungsfeld durch Energieimpulse zu erzeugen.
[0051] Magnetronsputtervorrichtungen, bei welchen das elektrische Gleichspannungsfeld durch
Energieimpulse bereitgestellt wird, sind auch unter dem Namen "Hochenergieimpuls Magnetronsputtervorrichtungen“ (HiPIMS) bekannt. Diese Ausgestaltungsform hat die vorteilhafte Wirkung, dass höhere Leistungen an die Kathode angelegt werden können, durch die die Ionisierung des Prozessgases (d.h. die Plasmabildung) verbessert werden kann. Das Targetmaterial (Materialgemisch aus erstem und zweitem Material) wird durch die Hochenergiepulse stärker ionisiert, wodurch bei der Schichtbildung auf dem Substrat deutlich dichtere und homogenere Schichten entstehen, d.h. die Beschichtung der Sub- stratoberfläche optimiert wird. Die Energieimpulse haben typischerweise eine Pulslänge zwischen 1 ps und 150 ps und weisen besonders vorteilhaft Leistungen > 1 MW auf. Durch diese sehr hohen Leistungen an der Kathode können deutlich höhere lonisierungs- grade des Targetmaterials erreicht werden. Dieser hohe Grad der Ionisierung kann über die geänderten Wachstumsmechanismen die Eigenschaften der aufwachsenden Schicht auf dem Substrat erheblich verändern und kann bspw. zu einer erhöhten Haftfestigkeit der Beschichtungsatome auf der Substratoberfläche beitragen.
[0052] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Spannungsquelle dazu eingerichtet,
Energieimpulse mit einer Leistung > 0,1 MW, vorzugsweise > 0,5 MW, besonders bevor- zugt > 1 MW zu erzeugen.
[0053] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Spannungsquelle dazu eingerichtet, das Substrat mit einer negativen Bias-Spannung zu beaufschlagen.
[0054] Beim Beaufschlagen des Substrates mit der Bias-Spannung ist das Substrat elektrisch von der Reaktionskammer isoliert in dieser angeordnet. Vorteilhafterweise dient in diesem Fall die Reaktionskammer bzw. ein Teil der Reaktionskammer als Anode und/oder Nullpotenzial bzw. Erdung für die Magnetronsputtervorrichtung. An dem Substrat wird vorzugsweise eine negative Spannung bzw. ein negatives Potential von -50 bis -200V angelegt, wobei die Bias-Spannung grundsätzlich auch unterhalb oder oberhalb des vorab genannten Intervalls liegen kann. Aufgrund dieser Substrat-Vorspannung erhöht sich die lonenenergie des teilionisierten Plasmas, das durch den Energieeintrag des elektrischen Gleichspannungsfeldes zwischen der Kathode und der Anode erzeugt wird. Durch die Bias-Spannung kommt es zu einem lonenbombardement des Substrats. Bei einem sehr hohen lonenbombardement werden lose gebundene Oberflächenverunreinigungen auf der Substratoberfläche entfernt und zudem die Substratoberfläche aufgeraut. Dieser Effekt wird beispielsweise auch bei einem vorteilhaften Ätzvorgang vor dem Beschichten des Substrates genutzt, um die Schichthaftung zu verbessern. Bei einem moderaten lonenbombardement (zwischen 50 und 150 V Bias-Spannung) während des Sputterpro- zesses wird die Bewegungsgeschwindigkeit der sich in der Gasphase befindlichen Atome des Targetmaterials erhöht. Dies hat in vorteilhaften Anwendungsfällen positive Auswir- kungen auf die Schichtstruktur. Vorteile, die sich durch das Anlegen einer Bias-Spannung ergeben, können beispielsweise eine Erhöhung der Teilchenenergie (z.B. der Atome des Stoffgemischs), eine Erhöhung der Schichtverdichtung, eine Erhöhung der Druckspan- nung und/oder eine Erhöhung der Härte der Substratbeschichtung sein.
[0055] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bildet das Substrat die Anode. Das bedeutet, dass das Substrat mit der Spannungsquelle verbunden ist oder auf einem Substrathalter angeordnet ist, der mit der Spannungsquelle verbunden ist.
[0056] Dies hat den Vorteil, dass der Aufbau bzw. die elektrische Verschaltung der Vorrichtung sehr einfach gestaltet werden kann, da die Spannungsquelle lediglich mit dem positiven Ausgang an das Substrat und mit dem negativen Ausgang an das Target angeschlossen werden muss.
[0057] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Reaktionskammer eine
Umhausung auf, die das Target zumindest teilweise und kontaktfrei umgibt, wobei das Substrat, die Reaktionskammer und/oder die Umhausung die Anode bildet.
[0058] Unter dem Begriff „Umhausung“ wird hier beispielsweise ein Kathodenblech verstanden, dass die Kathode zumindest teilweise umgibt, jedoch von dieser räumlich getrennt innerhalb der Reaktionskammer angeordnet ist. Ein solches Kathodenblech kann bei- spielsweise in einem definierten Abstand zu der Kathode angeordnet sein, sodass zwi- schen dem Kathodenblech und der Kathode ein Spalt besteht. In einem Fall, wo die Umhausung die Anode bildet, entsteht in dem Raum zwischen der Umhausung und der Kathode das für den Sputtervorgang notwendige Prozessgasplasma. In diesem Fall wird die Umhausung während des Beschichtungsvorgangs mitbeschichtet. Der Vorteil besteht darin, dass die Geometrie der Umhausung frei wählbar vorrichtungsspezifisch angepasst werden kann. Es kann beispielsweise eine sehr große Oberfläche bereitgestellt werden, die gesamthaft als Anode genutzt wird. Insbesondere beim HiPIMS ist eine große Ano- denoberfläche für einen reibungslosen Prozessablauf nötig.
[0059] Die zuvor genannten Ausgestaltungsmöglichkeiten bzw. Aspekte der Magnetronsputter- vorrichtung und die sich jeweils daraus ergebenden Vorteile gelten in äquivalenter Form für das erfindungsgemäße Verfahren zum Magnetronsputtern.
[0060] Gemäß einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die
Beschichtung der Oberfläche des Substrates Atome des ersten Materials sowie Atome des zweiten Materials auf, wobei die Atome des ersten Materials zu den Atomen des zweiten Materials derart angeordnet sind, dass die beschichtete Oberfläche des Substra- tes elektrisch leitfähig ist.
[0061] Unter der„Anordnung der Atome des ersten Materials zu den Atomen des zweiten
Materials“ wird hier vorliegend die Homogenisierung bzw. die Verteilung der Atome über die Substratoberfläche verstanden. Vorteilhafterweise existiert kein Oberflächenabschnitt auf der Substratoberfläche auf dem Atome des ersten Materials oder Atome des zweiten Materials agglomeriert sind. Eine vorteilhafte Anordnung der Atome des ersten Materials zu den Atomen des zweiten Materials liegt bspw. dann vor, wenn die jeweiligen Grenzflä- chen zwischen den Atomen des ersten Materials zu den Atomen des zweiten Materials eine gesamthafte elektrische Leitfähigkeit der Substratoberfläche gewährleisten.
[0062] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das erfindungsgemäße Verfahren den folgenden zusätzlichen Schritt auf: Einleiten eines Reaktivgases in den Innenraum der Reaktionskammer, wobei das Reaktivgas Methan, Acetylen, Stickstoff oder Sauerstoff aufweist, und wobei Reaktivgasionen des Reaktivgases dazu eingerichtet sind, mit Atomen des ersten Materials und/oder Atomen des zweiten Materials zu reagieren.
[0063] Bei diesem sog. „reaktiven Sputtern“ werden dem inerten Prozessgas, vorzugsweise
Argon, ein oder mehrere reaktive Reaktivgase beigemischt. Diese Reaktivgase reagieren am Target, in der Vakuumkammer oder am Substrat mit den zerstäubten Atomen des Stoffgemischs und bilden mit diesen weitere chemische Verbindungen. Die entstandenen Reaktionsprodukte scheiden sich anschließend auf der Substratoberfläche ab.
[0064] E in Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Schichteigenschaften beim reaktiven Sputtern unter anderem über den Reaktivgaszufluss bzw. den Reaktivgasvolumenstrom beeinflusst werden können. Neben Sauerstoff und Stickstoff können auch andere Reaktivgase wie z.B. Wasserstoff, Wasserdampf, Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Methan oder Tetraflu- ormethan eingesetzt werden.
[0065] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0066] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
[0067] Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer
Magnetronsputtervorrichtung;
Fig. 2 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines beispielhaften
Stoffgemischs Zr02-WC;
Fig. 3 eine Lichtmikroskop-Aufnahme des beispielhaften Stoffgemischs Zr02-WC;
und
Fig. 4 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer beispielhaften
Substratbeschichtung mit einem Stoffgemisch Zr02-WC; und
Fig. 5 ein schematischer Verfahrensablauf. [0068] Fig. 1 zeigt eine Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Magentronsputtervorrichtung gesamthaft mit der Bezugsziffer 100 gekennzeichnet ist.
[0069] Die Magnetronsputtervorrichtung 100 weist eine Reaktionskammer 10 auf, in deren
Innenraum 12 ein Substrattisch 14 angeordnet ist. Im hier vorliegenden Fall ist der Substrattisch 14 drehbar und kann über einen hier nicht dargestellten Antriebsmotor in einen Drehbewegung versetzt werden, wobei die Umdrehungsgeschwindigkeit (in U/min) steuerbar ist. Der Substrattisch 14 kann beispielsweise eine drehbar gelagerte kreisrunde Metallplatte sein.
[0070] Im dem Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 sind im hier dargestellten
Anwendungsfall sechs Targets 16 in einer achteckförmigen Anordnung um den Substrat- tisch 14 angeordnet, wobei erfindungsgemäß lediglich ein Target 16 notwendig wäre.
[0071] Auf dem Substrattisch 14 ist ein Substratträger 18 angeordnet, der im hier dargestellten
Fall drehbar gelagert auf dem Substrattisch 14 ist, wobei der Substratträger 18 lediglich vorteilhaft ist, jedoch nicht notwendigerweise vorhanden sein muss. Der Substratträger 18 kann beispielsweise als korbartige Vorrichtung ausgeführt sein und je nach Anwendungs- fall aus einem elektrisch leitfähigen oder elektrisch nicht-leitfähigen Material hergestellt sein. Der Substratträger 18 dient zur Aufnahme bzw. reversiblen Fixierung des Substrates 20 während eines Beschichtungsvorgangs.
[0072] In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind auf dem Substratträger 18 vier Substrate
20 angeordnet, wobei die Substrate 20 beispielsweise Fräsköpfe sein können, die in der Magnetronsputtervorrichtung 100 beschichtet werden sollen. Erfindungsgemäß muss jedoch lediglich ein Substrat 20 vorhanden sein.
[0073] Target(s) 16 und Substrat(e) 20 sind im Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 räumlich getrennt voneinander angeordnet. [0074] Die Reaktionskammer 10 ist im vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Vakuumpumpe 22 verbunden, die dazu eingerichtet ist, vor Beginn des Beschichtungs- vorgangs im Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 ein Vakuum oder zumindest einen Unterdrück zu erzeugen. Die Vakuumpumpe 22 kann beispielsweise als Turbopumpe ausgestaltet sein. Sie wird dazu eingesetzt, aus dem Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 reaktive Gasmoleküle, wie z.B. Stickstoff und/oder Sauerstoff bzw. Luft vor Beginn des Beschichtungsvorgangs zu entfernen, wodurch im Innenraum 12 ein Unterdrück entsteht.
[0075] Vorteilhafterweise wird ein inertes Prozessgas, wie z.B. Argon oder ein anders Edelgas, über einen an der Reaktionskammer 10 angeordneten Gaseinlass 24 in den Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 eingeleitet, um in diesem einen inerte Arbeitsatmosphäre zu erzeugen. Der Gaseinlass 24 kann beispielsweise als Gaskupplung ausgeführt sein, wobei in jedem Fall ein hermetisches Verschließen des Gaseinlasses 24 sicherzustellen ist.
[0076] Die Magnetronsputtervorrichtung 100 weist zudem einen Spannungsquelle 26 auf, die dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Gleichspannungsfeld zu erzeugen. Die Spannungs- quelle 26 aus Fig. 1 weist zwei elektrische Ausgänge 28, 30 auf, wobei in der hier gezeig- ten Darstellung der negative Spannungsausgang 28 jeweils mit den sechs dargestellten Targets 16 verschaltet ist, wodurch die Targets 16 im hier dargestellten Beispiel in dem elektrischen Gleichspannungsfeld die Kathoden 30 bilden.
[0077] Das Target 16 muss nicht zwingend als Kathode 30 dienen. Es ist ebenfalls möglich den
Substrattisch 14 durch ein entsprechendes Verschalten mit dem negativen Spannungs- ausgang 28 bzw. durch die angelegte Spannung als (zusätzliche) Kathode 30 zu verwen- den. Auch kann beispielsweise ein Targetträger (hier nicht dargestellt) als Kathode 30 verwendet werden.
[0078] Der positive Spannungsausgang 32 der Spannungsquelle 26 ist in Fig. 1 beispielhaft mit der Reaktionskammer 10 verbunden, wodurch die Reaktionskammer 10 in dem elektri- schen Gleichspannungsfeld die Anode 34 bildet. In anderen, hier nicht gezeigten Ausfüh- rungsbeispielen der Erfindung kann als Anode 34 der Substratträger 18 oder eine Vorrich- tung, wie z.B. eine oder mehrere Umhausung(en) für das bzw. die Target(s) 16, dienen. In weiteren, hier nicht gezeigten Anwendungsfällen können beispielsweise auch mehrere Anoden 34 verwendet werden. Darüber hinaus dient vorteilhafterweise zumindest eine Anode 34 als Erdung.
[0079] Die kommerziell verfügbare DC-Magnetronsputter-CemeCon-Anlage ist beispielsweise gegen ein„spezielles“ Anodenpaar 34 schaltbar, die als sogenannter„Booster“ bezeich- net wird. Diese„Booster“ verfügen über eine Kupferoberfläche.
[0080] Es sei erwähnt, dass in anderen Anwendungsfällen auch mehrere Spannungsquellen 26 und/oder eine Spannungsquelle 26 mit einer Vielzahl von elektrischen Ausgängen und/oder Eingängen (nicht gezeigt) verwendet werden können. Die Spannungsquelle(n) 26 kann/können dazu eingerichtet sein, der Kathode 30 eine gepulste elektrische Leistung zuzuführen, wobei diese Energieimpulse (d.h. das Bereitstellen der elektrischen Leistung für eine gewisse gepulste Zeitdauer) vorteilhafterweise eine Leistung > 0,1 MW, vorzugs- weise > 0,5 MW, besonders bevorzugt > 1 MW haben. Dabei kann die Spannungsquelle 26 beispielsweise einen Pulsgeber und/oder einen Pulsweitenmodulator aufweisen und ist vorteilhafterweise dazu eingerichtet, eine Vielzahl an Pulsformen, Pulslängen und/oder Pulsamplituden zu erzeugen.
[0081] Wird die in Fig. 1 beispielhaft dargestellte Magnetronsputtervorrichtung 100 für einen
Beschichtungsvorgang bzw. bei einem Verfahren zum Magnetronsputtern (siehe schema- tische Darstellung in Fig. 5) verwendet, wird das zu beschichtende Substrat 20 bereitge- stellt und in dem Substratträger 18 angeordnet (Schritt S100). Dieses Anordnen kann beispielsweise durch ein Einlegen, Einfädeln, Aufspießen, Einspannen oder Anschrauben des Substrates 20 in den bzw. an dem Substratträger 18 erfolgen. Zudem ist das Target 16 (in Fig. 1 sechs Targets 16) bereitzustellen und in dem Innenraum 12 der Reaktions- kammer 10 anzuordnen (Schritt S101 ), wobei dieses Anordnen beispielsweise durch ein Befestigen des Targets an einem Targetträger erfolgen kann. Im hier vorliegenden Fall ist der Substratträger 18 mit dem positiven Spannungsausgang 32 der Spannungsquelle 26 verbunden, wodurch das Target 16 gemeinsam mit dem hier nicht gezeigten Targetträger, die Kathode 30 bildet. [0082] Die sechs Targets 16 weisen ein elektrisch leitfähiges Stoffgemisch 36 zum Beschichten des Substrates 20 auf, wobei das Stoffgemisch 36 ein erstes Material 38 sowie ein zweites Material 40 aufweist. Das erste Material 38 ist ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff. Das zweite Material 40 ist ein elektrisch leitfähiger Feststoff.
[0083] Ebenfalls ist im Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 die Anode 34 bereitzustellen
(Schritt S102), wobei dieses Bereitstellen beispielsweise (wie in Fig. 1 ) durch das An- schließen des positiven Spannungsausgangs 32 der Spannungsquelle 26 an der Reakti- onskammer 10 erfolgen kann.
[0084] Das Substrat 20 weist ein drittes Material 42 auf, wobei das dritte Material 42 ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist.
[0085] Ist das Bereitstellen und Anordnen des Substrates 20 und des Targets 16 im Innenraum
12 der Reaktionskammer 10 abgeschlossen, kann die Reaktionskammer 10 beispielswei- se über eine hermetisch verschließbare Tür verschlossen werden. Sobald die Reaktions- kammer 10 verschlossen ist, wird über die Vakuumpumpe 22 im Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 ein Unterdruck/Vakuum erzeugt. Hierbei kann beispielsweise auch ein zusätzliches Beheizen durch eine Heizeinrichtung (hier nicht gezeigt) erfolgen, durch die der Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 auf eine Prozesstemperatur aufgeheizt wird. Ist das Vakuum erzeugt, wird über den Gaseinlass 24 das Prozessgas in den Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 eingeleitet (Schritt S103) und durch die Span- nungsquelle 26 ein elektrisches Gleichspannungsfeld zwischen der Kathode 30 und der Anode 34 erzeugt (Schritt S104).
[0086] Das durch die Spannungsquelle 26 erzeugte elektrische Gleichspannungsfeld ruft eine
Stoßionisierung von Atomen des Prozessgases hervor, bei der sich die Atome des Prozessgases in negativ geladene Elektronen und positiv geladene Prozessgasionen aufteilen, wobei die positiv geladenen Prozessgasionen durch das anliegende Gleich- spannungsfeld in Richtung des Targets 16 beschleunigt werden. Bei einem Aufprall der Prozessgasionen auf der Oberfläche des Targets 16 werden durch eine Impulsübertra- gung Atome des Stoffgemischs 36 herausgeschlagen, die sich von dem Target 16 in Richtung des Substrates 20 bewegen und eine Oberfläche des Substrates 20 beschichten (Schritt S105). Während dieses Beschichtungsvorgangs kann das Substrat 20 beispiels- weise durch eine Drehbewegung des Substrattischs 14 und einer zusätzlichen dazu relativen Drehbewegung des Substratträgers 18 im Innenraum 12 der Reaktionskammer 10 bewegt werden.
[0087] Fig. 2 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Oberfläche eines beispielhaften Targets 16. Das Target 16 weist das elektrisch leitfähige Stoffgemisch 36 auf, welches im hier gezeigten Fall Zr02-WC ist.
[0088] Fig. 3 zeigt eine entsprechende Lichtmikroskop-Aufnahme des Stoffgemischs 36. Das
Stoffgemisch 36 besteht aus dem ersten elektrisch nicht-leitfähigen Material 38 (hier Zirkoniumoxid (Zr02)) und dem zweiten elektrisch leitfähigen Material 40 (hier Wolf- ramcarbid (WC)). Vorteilhafterweise weist das erste Material 38 einen ersten volumetri- schen Anteil AV-i und das zweite Material 40 einen zweiten volumetrischen Anteil AV2 auf, wobei vorteilhaft gilt: AV-i > AV2, vorzugsweise AV-i > 1 ,5 AV2.
[0089] In den Fig. 2 und 3 ist erkennbar, dass das zweite Material 40 bzw. Wolframcarbid dunkle und das erste Material 38 (hier Zirkoniumoxid (Zr02)) helle Gefügeanteile abbildet. Das Target 16 kann beispielsweise über Heißpressen oder einen Sintervorgang hergestellt werden. Je nach Herstellungsverfahren und Herstellablauf ergeben sich kleinere oder auch größere Gefügeanteile im Stoffgemisch 36.
[0090] Das erste Material 38 kann im allgemeinsten Fall ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff sein. Es ist vorteilhaft wenn das erste Material 38 ein erster anorganischer Feststoff ist. Ebenso vorteilhaft ist es, wenn der erste anorganische Feststoff ein Carbid, ein Oxid und/oder ein Nitrid, vorteilhafter ein Metalloxid ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Metalloxid Zr02, Al203 oder Ti02 ist. Das zweite Material 40 kann im allgemeinsten Fall ein elektrisch leitfähiger Feststoff sein. Es ist vorteilhaft wenn das zweite Material 40 ein zweiter anorganischer Feststoff ist. Ebenso vorteilhaft ist es, wenn der zweite anorgani- sche Feststoff ein elementares Metall, ein Borid, ein Carbid, und/oder ein Nitrid, vorteilhaf- ter ein Carbid ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Carbid WC, NbC, HfC, TaC, TiC, MoC und/oder Cr3C2 ist.
[0091] Fig. 4 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme nach der Beschichtung des
Substrates 20 mit Zr02-WC. Hierbei wurde die Zr02-WC Schicht auf der Oberfläche des Substrates 20 abgeschieden, wobei das Substrat 20 das dritte Material 42 aufweist. Vorteilhafterweise ist das dritte Material 42 Hartmetall, Cermet, kubisches Bornitrid oder Stahl.
[0092] Von der Anmelderin wurden acht beispielhafte Beschichtungsprozesse durchgeführt, deren Prozessschritte nachfolgend mit den jeweiligen prozessspezifischen Parametern in Tabelle 1 dargestellt sind. Für die Abscheidung des erfindungsgemäßen Stoffgemischs 36 auf dem Substrat 20 wurde eine Beschichtungsanlage vom Typ CC800/HiPIMS der Firma CemeCon AG mit rotierendem Substratträger 18 verwendet (siehe vereinfacht in Fig. 1 ). Der Prozessschritt„Beschichten“ (siehe Tabelle 1 ) wurde bei unterschiedlichen Hoch- energieimpulsfrequenzen und Pulslängen durchgeführt, wobei die daraus resultierenden Beschichtungseigenschaften in Tabelle 2 dargestellt sind.
[0093] Tabelle 1 : Prozessablauf eines Durchführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Beschichtungsprozess
Prozessphase Prozesschritt Maß/Einheit Zeit
Heizphase 1 Startdruck zum Heizbeginn 3 mPa
Heizleistung Heizung 1 9 kW
Heizleistung Heizung 2 14 kW 3.000 s
Turbopumpenleistung 100 %
Tischdrehung 0,33 U/min
Heizphase 2 Heizleistung Heizung 1 9 kW
Heizleistung Heizung 2 14 kW
Turbopumpenleistung 66 % 1.200 s
Tischdrehung 0,33 U/min
Drucktestlimit 4 mPa
Ätzphase 1 Heizleistung Heizung 1 9 kW
Heizleistung Heizung 2 14 kW 1.200 s
Turbopumpenleistung 66 % Tischdrehung 1,00 U/min
MF-Biasspannung -650 V
Frequenz 240 kHz
Argondruck 350 mPa
Ätzphase 2 Heizleistung Heizung 1 9 kW
Heizleistung Heizung 2 14 kW
Turbopumpenleistung 66 %
DC-Biasspannung -200 V
3.600 s
Plasma-Boosterstrom 20 A
Argonfluss 250 min
Kryptonfluss 190 min
Tischdrehung 1,00 U/min
Beschichten Heizleistung Heizung 1 9 kW
Heizleistung Heizung 2 14 kW
Turbopumpenleistung 66 %
Tischdrehung 1,00 U/min
Argonfluss 650 min
HiPIMS-Frequenz Siehe Tabelle 2 siehe Tabelle 2
HiPIMS-Pulslänge Siehe Tabelle 2
HiPIMS-Tisch Biasspannung -70 V
HiPIMS-Tisch Pulslänge 40 ps
HiPIMS-Tisch Pulsoffset 20 ps
Kathodenleistung 4.5 kW
Kühlen Belüftungstemperatur 180 °C
Turbopumpenleistung 66 % 1.800 s
Tischdrehung 1,00 U/min
[0094] Tabelle 2: Variation der Frequenz und Pulslänge von Hochenergieimpulsen in einem beispielhaften Hochenergieimpuls-Magnetronsputter-Verfahren und deren Einfluss auf die Substratbeschichtung.
Frequenz [Hz] Pulslänge [ps] Zeit [s] Härte (GPa] E-Modul [Gpa] Schichtdicke [pm]
400 40 18000 21,8 410 1,5
500 40 18000 22.7 400 1,7
800 40 18000 22,0 380 1,9
1000 40 18000 22,5 420 2,0
2000 40 18000 22.8 380 2,4 2000 70 10800 22.5 420 1.5
2500 60 10800 21.5 440 1,8
4000 40 18000 21,7 350 2.5
[0095] Bei den zu beschreibenden Prozessen wurden als Targets 16 Kupferplatten verwendet, die mit aufgelöteten Keramikplatten (bestehend aus dem Stoffgemisch 36, mit dem erstem Material 38 und zweitem Material 40) bestückt waren. Die Keramikplatten wurden durch Heißpressen von Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxidpulver (erstes Material 38) und Wolframcarbidpulver (zweites Material 40) hergestellt.
[0096] Zu Beginn des jeweiligen Prozesses wurde eine erste Heizphase (Heizphase 1 ) durchgeführt, in der die Vakuumpumpe 22 bzw. Turbopumpe zur Erzeugung des Vaku- ums auf voller Leistung betrieben wurde. Diese volle Auslastung der Turbopumpe ist notwendig, da es während des Aufheizvorgangs, d.h. beim Erwärmen der Materialien von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur, innerhalb der Reaktionskammer 10 zum Ausga- sen von materialgebundenen Gasatomen kommt (z.B. im Stoffgemisch o.Ä.), weshalb die Turbopumpe eine größere Menge an freien Molekülen aus der Reaktionskammer entfer- nen muss. Nach Ablauf von 3000 Sekunden folgte die zweite Heizphase (Heizphase 2), bei der die Turbopumpe auf 66 % ihrer Leistung betrieben wurde. Diese zweite Heizphase ist vorteilhaft, um eine komplettes Durchheizen der Targets 16 und des Substrates 20 zu gewährleisten, bzw. ein Stabilisieren der Prozesstemperatur zu gewährleisten.
[0097] Nach 1200 Sekunden folgte eine erste Ätzphase, die dem Fachmann auch unter dem
Begriff „Mittelfrequenzätzen“ bekannt ist. Hierbei wird das Substrat 20 mit einer im Ver- gleich zur Kathodenspannung hohen Bias-Spannung beaufschlagt. Durch diese hohe negative Vorspannung schlagen mehr Prozessgasionen auf der Substratoberfläche ein als auf der Targetoberfläche. Dadurch wird die Oberfläche des Substrates 20 von Verun- reinigungen befreit und zusätzlich dazu für den späteren Beschichtungsvorgang angeraut, wodurch die Schichthaftung verbessert werden kann. Die erste Ätzphase dauerte 1200 Sekunden. [0098] Im Anschluss an die erste Ätzphase folgte die zweite Ätzphase für eine Dauer von 3600 Sekunden. Hierbei wurde Argon und Krypton in die Reaktionskammer 10 eingeleitet und durch einen zusätzlichen Plasma-Boosterstrom in einen ionisierten Zustand (in Form eines lonenstrahls) gebracht. Diese zweite Ätzphase ist besonders bei Substraten 20 mit einer Vielzahl von Kanten vorteilhaft, da die Kanten bei der ersten Ätzphase nur geringfü- gig gereinigt bzw. angeraut werden. Das „Argonionen-Ätzen“ führt zu einer besseren Haftung der Schicht auf der Substratoberfläche, wobei durch den lonenstrahl die Vielzahl der Kanten des Substrates gereinigt bzw. aufgeraut werden kann.
[0099] Nach der Ätzphase wurde der für die Erfindung relevante Prozessschritt„Beschichten“ durchgeführt, wobei sowohl die Frequenz als auch die Pulslänge der Hochenergieimpulse variiert wurde. Hierbei lässt sich die Schichtdicke durch das Einstellen von Abscheidungs- parametern wie HiPIMS-Frequenz, HiPIMS-Pulsweite, Temperaturen, Bias-Spannung, Flussmengen der eingeleiteten Gase sowie die Menge der betriebenen Targets 16 beeinflussen, wobei der jeweilige Einfluss dieser Prozessparameter aus dem Stand der Technik bekannt ist.
[00100] Beispielsweise wurde mit einer HiPIMS-Frequenz von 2000 Hz, einer Pulslänge an den
Kathoden von 40 ps und einer Beschichtungszeit von 18000 s eine Substratbeschichtung mit einer Schichtdicke von 2,4 pm, einer Härte von 22,8 GPa sowie einem E-Modul von 380 GPa erzeugt. In einem weiteren beispielhaften Beschichtungsvorgang wurde mit einer HiPIMS-Frequenz von 2500 Hz, einer Pulslänge an den Kathoden von 60 ps und einer Beschichtungszeit von 10800 s eine Substratbeschichtung mit einer Schichtdicke von 1 ,8 pm, einer Härte von 21 ,5 GPa sowie einem E-Modul von 440 GPa erzeugt (siehe Tabelle 1 ).
[00101] Die Härte und der Elastizitätsmodul (E-Modul) wurden mittels Nanoindentierung in der
Einheit GPa gemessen. Bei diesem Messverfahren wird ein Diamant-Prüfkörper, der eine dreiseitige Pyramidenform besitzt, in die Schicht gedrückt und eine Kraft-Weg-Kurve aufgezeichnet. Aus dieser Kurve können nach der Oliver-Pharr-Methode die mechani- schen Kennwerte der Schicht bestimmt werden. Für die Nanoindentierung wurde ein NHT1 der Firma CSM, Schweiz, verwendet. [00102] Als abschließender Prozessschritt wurde ein Kühlschritt durchgeführt, wobei die Reaktionskammer 10 durch Belüftung gekühlt wurde.
[00103] Es sei an dieser Stelle explizit erwähnt, dass die vorab erläuterten Prozessphasen
(Heizphase 1 , Heizphase 2, Ätzphase 1 , Ätzphase 2 sowie Kühen) lediglich vorteilhaft sind, jedoch nicht notwendigerweise mit der erfindungsgemäßen Magnetronsputtervor- richtung 100 bzw. bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden müssen.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetronsputtervorrichtung, die aufweist:
ein Substrat (20);
ein Target (16), das in einem elektrischen Gleichspannungsfeld eine Kathode (30) bildet und ein elektrisch leitfähiges Stoffgemisch (36) zum Beschichten des Substrates (20) aufweist;
eine Anode (34) in dem elektrischen Gleichspannungsfeld;
eine Reaktionskammer (10), in der das Target (16) und das Substrat (20) ange- ordnet sind, wobei das Target (16) räumlich getrennt von dem Substrat (20) angeordnet ist; und
eine Spannungsquelle (26), die dazu eingerichtet ist, das elektrische Gleichspan- nungsfeld zwischen der Kathode (30) und der Anode (34) zu erzeugen;
wobei das Stoffgemisch (36) ein erstes Material (38) sowie ein zweites Material (40) aufweist, und wobei das Substrat (20) ein drittes Material (42) aufweist, wobei das erste Material (38) ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff, das zweite Material (40) ein elektrisch leitfähiger Feststoff, und das dritte Material (42) ein elektrisch leitfähiger Fest- stoff ist.
2. Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 1 , wobei das erste Material (38) einen ersten volumetrischen Anteil AV-i und das zweite Material (40) einen zweiten volumetrischen Anteil AV2 aufweist, wobei gilt AV-i > AV2, vorzugsweise AV-i > 1 ,5 AV2.
3. Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Material (38) ein erster anorganischer Feststoff ist.
4. Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der erste anorganische Feststoff ein Carbid, ein Oxid und/oder ein Nitrid ist.
5. Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei der erste anorganische Feststoff ein Metalloxid ist.
6. Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei das Metalloxid Zr02, Al203 oder Ti02 ist.
7. Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-6, wobei das zweite Material (40) ein zweiter anorganischer Feststoff ist.
8. Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei der zweite anorganische Feststoff ein elementares Metall, ein Borid, ein Carbid und/oder ein Nitrid ist.
9. Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei der zweite anorganische Feststoff ein Carbid ist.
10. Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei das Carbid WC, NbC,
HfC, TaC, TiC, MoC und/oder Cr3C2 ist.
1 1. Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 -10, wobei das dritte Material (42) Hartmetall, Cermet, kubisches Bornitrid oder Stahl ist.
12. Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-1 1 , wobei der Kathode (30) durch die Spannungsquelle (26) eine gepulste elektrische Leistung zuge- führt wird.
13. Magnetronsputtervorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Spannungsquelle (26) dazu eingerichtet ist, Energieimpulse mit einer Leistung größer 0,1 MW, vorzugswei- se größer 0,5 MW, besonders bevorzugt größer 1 MW zu erzeugen.
14. Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-13, wobei die Span- nungsquelle (26) dazu eingerichtet ist, das Substrat (20) mit einer negativen Bias- Spannung zu beaufschlagen.
15. Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-14, wobei das Substrat (20) die Anode (34) bildet.
16. Magnetronsputtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-15, wobei die Reakti- onskammer (10) eine Umhausung aufweist, die das Target (16) zumindest teilweise und kontaktfrei umgibt, wobei das Substrat (20), die Reaktionskammer (10) und/oder die Umhausung die Anode (34) bildet.
17. Verfahren zum Magnetronsputtern, das folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen (S100) eines Substrates (20);
Bereitstellen (S101 ) eines Targets (16), das in einem elektrischen Gleichspan- nungsfeld eine Kathode (30) bildet und ein elektrisch leitfähiges Stoffgemisch (36) zum Beschichten des Substrates (20) aufweist, wobei das Stoffgemisch (36) ein erstes Materi- al (38) sowie ein zweites Material (40) aufweist, wobei das erste Material (38) ein elektrisch nicht-leitfähiger Feststoff und das zweite Material (40) ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist;
Bereitstellen (S102) einer Anode (34) in dem elektrischen Gleichspannungsfeld;
Anordnen des Targets (16) und des Substrates (20) in einer Reaktionskammer (10), wobei das Target (16) räumlich getrennt von dem Substrat (20) angeordnet ist, wobei das Substrat (20) ein drittes Material (42) aufweist, wobei das dritte Material (42) ein elektrisch leitfähiger Feststoff ist;
Einleiten (S103) eines Prozessgases in den Innenraum (12) der Reaktionskammer (10); und
Erzeugen (S104) des elektrischen Gleichspannungsfeldes zwischen der Kathode (30) und der Anode (34).
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei das erste Material (38) einen ersten volu- metrischen Anteil AV-i und das zweite Material (40) einen zweiten volumetrischen Anteil AV2 aufweist, wobei gilt AV-i > AV2, vorzugsweise AV-i > 1 ,5 AV2.
19. Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei durch das von der Spannungsquel- le (26) erzeugte elektrische Gleichspannungsfeld eine Stoßionisierung von Atomen des Prozessgases hervorgerufen wird, bei der sich die Atome des Prozessgases in negativ geladene Elektronen und positiv geladene Prozessgasionen aufteilen, wobei die positiv geladenen Prozessgasionen durch das anliegende Gleichspannungsfeld in Richtung des Targets (16) beschleunigt werden, wobei bei einem Aufprall der Prozessgasionen auf dem Traget (16) durch eine Impulsübertragung Atome des Stoffgemischs (36) herausgeschla- gen werden, die sich von dem Target (16) in Richtung des Substrates (20) bewegen und eine Oberfläche des Substrates (20) beschichten (S105).
20. Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei die Beschichtung der Oberfläche des Substrates (20) Atome des ersten Materials (38) sowie Atome des zweiten Materials (40) aufweist, wobei die Atome des ersten Materials (38) zu den Atomen des zweiten Materials (40) derart angeordnet sind, dass die beschichtete Oberfläche des Substrates (20) elektrisch leitfähig ist.
21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-20, mit dem zusätzlichen Schritt:
Einleiten eines Reaktivgases in den Innenraum (12) der Reaktionskammer (10), wobei das Reaktivgas Methan, Acetylen, Stickstoff oder Sauerstoff aufweist und wobei Reaktivgasionen des Reaktivgases dazu eingerichtet sind, mit Atomen des ersten Materi- als (38) und/oder Atomen des zweiten Materials (40) zu reagieren.
22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-20, wobei in den Innenraum (12) der Reaktionskammer (10) lediglich ein Prozessgas, jedoch kein Reaktivgas eingeleitet wird.
23. Verfahren gemäß Anspruch 17-22, wobei das erste Material (38) ein erster anor- ganischer Feststoff ist.
24. Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei der erste anorganische Feststoff ein Carbid, ein Oxid und/oder ein Nitrid ist.
25. Verfahren gemäß Anspruch 24, wobei der erste anorganische Feststoff ein Me- talloxid ist.
26. Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei das Metalloxid Zr02, Al203 oder Ti02 ist.
27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-26, wobei das zweite Material (40) ein zweiter anorganischer Feststoff ist.
28. Verfahren gemäß Anspruch 27, wobei der zweite anorganische Feststoff ein elementares Metall, ein Borid, ein Carbid und/oder ein Nitrid ist.
29. Verfahren gemäß Anspruch 28, wobei der zweite anorganische Feststoff ein Carbid ist.
30. Verfahren gemäß Anspruch 29, wobei das Carbid WC, NbC, HfC, TaC, TiC, MoC und/oder Cr3C2 ist.
31. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-30, wobei das dritte Material (42) Hartmetall, Cermet, kubisches Bornitrid oder Stahl ist.
32. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-31 , wobei die Spannungsquelle (26) dazu eingerichtet ist, das Substrat (20) mit einer negativen Bias-Spannung zu beauf- schlagen.
33. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-31 , wobei das Substrat (20) die Anode (34) bildet.
34. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17-33, wobei die Reaktionskammer (10) eine Umhausung aufweist, die das Target (16) zumindest teilweise und kontaktfrei umgibt, wobei das Substrat (20), die Reaktionskammer (10) und/oder die Umhausung die Anode (34) bildet.
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