DD250851A3

DD250851A3 - Verfahren zur regelung der dampfdichte bei plasmagestuetzten beschichtungsverfahren mit bogenentladungsverdampfern

Info

Publication number: DD250851A3
Application number: DD27945585A
Authority: DD
Inventors: Helmar Scheibner; Frank Schrade; Dietmar Schulze; Ruediger Wilberg
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1985-08-07
Filing date: 1985-08-07
Publication date: 1987-10-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Dampfdichte bei plasmagestuetzten Beschichtungsverfahren mit Bogenentladungsverdampfern, wie sie zur Aufbringung von Hartstoffschichten auf Substrate Anwendung finden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren fuer plasmagestuetzte Beschichtungsprozesse mit Bogenentladungsverdampfern anzugeben, welches die Dampfteilchenstromdichte auf das Substrat und die Ionisierungsbedingungen in Substratnaehe konstant haelt. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe derart geloest, dass die Lichtemission mehrerer benachbarter Resonanzlinien, des im Plasmaraum verdampften Metalldampfes, mittels eines fotoelektrischen Elementes in ein elektrisches Signal umgewandelt wird und, dass dieses Signal den Entladungsstrom des Bogenentladungsverdampfers beeinflusst, derart, dass die vorgegebene Dampfteilchenstromdichte auf das Substrat konstant gehalten wird.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Dampfdichte bei plasmagestützten Beschichtungsverfahren mit Bogenentladungsverdampfern, wie sie zur Aufbringung von Hartstoffschichten auf Substrate Anwendung finden. Besonders bekanntgeworden sind in letzter Zeit TiN-Hartstoffschichten, die sowohl funktionelle Aufgaben lösen, wie Erhöhung von Standzeiten bei Schneidwerkzeugen, als auch dekorative Aufgaben, wie die Erzeugung von „goldfarbenen" Oberflächen. Bei der Kompliziertheit der plasmagestützten Beschichtungsverfahren insgesamt hat es sich zur reproduzierbaren Schichtherstellung als wesentlich erwiesen, u.a. auch die Dampfdichte entsprechend derstöchiometrischen Bedingungen zu kontrollieren und zu regeln.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur reproduzierbaren Herstellung von funktioneilen und dekorativen Hartstoffschichten im industriellen Maßstab und damit bei automatisch und kontinuierlich arbeitenden Anlagen, sind eine Reihe Verfahrensschritte bekanntgeworden, die die reaktiven Bedingungen des plasmagestützten Beschichtungsprozesses regeln sollen. Zahlreich sind dabei die Vorschläge zur Prozeßbeeinflussung über das Reaktionsgas, Reaktionsgasmischungen, Druckregelungen und zu den Plasmabedingungen, einschließlich der Potentialvariierung. Bei all diesen Regelungen und Verfahrensführungen wird dabei davon ausgegangen, daß der Metalldampfstrom als Konstante gegeben ist. Es hat sich aber gezeigt, daß die erforderlichen konstanten Kondensationsbedingungen, insbesondere die Konstanthaltung der Stöchiometrie von Metalldampf zu Reaktionsgas nicht allein über die Gasregelung realisiert werden kann.

Die Qualität der erzeugten Hartstoffschichten (Härte, Farbe, spezifischer Widerstand) hängt entscheidend auch vom Verhältnis der auf das Substrat auftreffenden Teilchenstromdichten des Metalldampfes und des Reaktionsgases, also der Stöchiometrie der sich abscheidenden Schicht ab. Die Regelung der inerten und reaktiven Gase ist in der Praxis vielfältig gelöst. Problematischer ist es, die Teilchenstromdichte der Metallatome in Substratnähe meßtechnisch zu erfassen und diese ebenfalls auf einen geeigneten, konstanten Wert einzuregeln, um das günstigste Stoßzahlenverhältnis an der Substratoberfläche zu gewährleisten.

Verfahren zur Messung und Regelung der Teilchenstromdichte (j) sind nach dem Stand der Technik nicht bekannt. In der Praxis sind aber Methoden zur Teilchenzahldichte- oder Dampfdichte (n)-Messung bekannt, die vermittels der gerichteten Geschwindigkeit (v) der Dampfpartikel in Richtung Substrat miteinander verknüpft sind zu j = η · ν. Neben den bekannten Verfahren zur Messung der Abscheiderate mit Schwingquarzen, sind spektroskopische Methoden zur Messung der Dampfdichte bekannt. Die in die Dampfphase überführten Metallatome befinden sich zum überwiegenden Teil im energetischen Grundzustand und können spektroskopisch nur mit Absorptionsmethoden erfaßt werden.

Die Benutzung eines solchen Verfahrens setzt eine spezielle Lichtquelle, am günstigsten eine solche voraus, die genau das Licht emittiert, welches die nachzuweisenden Metallatome absorbieren können, z..B. eine Hohlkatodenlampe mit entsprechender Metallkatode. Geeignet positionierte Lichteintritts- und -austrittsfenster müssen die Strahlführung durch den interessierenden Volumenbereich gestatten.

Das WP 213242 gibt dazu z.B. eine Methode der Atomabsorption an, wobei die Absorption des Lichtes spezieller Wellenlänge durch den Metalldampf eine Funktion der Dampfdichte ist. Diese Einrichtungen besitzen den Nachteil, daß Mittel zur Führung der einzuspeisenden elektromagnetischen Strahlung vorhanden sein müssen, die in der Dampfwolke angeordnet und damit für den Beschichtungsprozeß störend sind. Insbesondere die auftretenden Abschattungen sind nachteilig.

Eine andere Methode zur Dampfdichtemessung wird insbesondere in der Plasmaätztechnik angewendet. Durch die Anwesenheit des Plasmas wird ein Teil der abgeätzten Elementen-Atome angeregt bzw. ionisiert und es ist ihr Nachweis mittels emissionsspektroskopischer Methoden möglich. Die dazu bekanntgewordenen Verfahren (DD-WP 147556; DD-WP 216737; DE-OS 2736262; D. Field, A. J.Hydes, D. F.Klemperer, Vacuum 34 [1984] 347; J.E.Griffiths, E.O.Degenkolb, Appl. Spectrosc. 31 [1977] 40,134) nutzen diese Methode insbesondere zur Endpunktkontrolle der Ätzprozesse.

Während des Ätzprozesses werden die typischen Spektrallinien des abzuätzenden Elementes überwacht und kontrolliert, wenn diese Spektrallinien in der Intensität abfallen. Das ist das Zeichen, daß der Ätzprozeß die Unterlagsschicht erreicht hat und damit beendet werden kann. Der Intensitätsunterschied ist sehr prägnant und über eine Regelung gut nutzbar. In der praktischen Realisierung werden als Einrichtung regelmäßig Lichtleitersysteme eingesetzt, die jedoch den Nachteil haben, daß ihre Lichteintrittsflächen beschichtet werden und das Meßergebnis verfälscht wird. Die Anwendung derartiger emissionsspektroskopischer Methoden für die Messung und Regelung der Dampfdichte ist nach dem vorliegenden Stand der Technik nicht möglich, da die starke Signaländerung beim Endpunkt von Ätzprozessen, bei kontinuierlichen Beschichtungen nicht vorhanden ist bzw. so gering ist, daß er meßtechnisch nicht erfaßt werden kann.

In der DE-OS 3212 037 wird für das reaktive Katodenzerstäuben ein Verfahren beschrieben, bei dem die Intensität einer gegebenen Wellenlänge einer oder mehrerer Spektralkomponenten mit einer Standardintensität der gleichen Wellenlänge verglichen wird und bei Abweichungen ein Regelungsmechanismus zum Ändern der Menge des Zerstäubungsgases oder des elektrischen Stromes einer Zerstäubungsstromquelle ausgelöst wird. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die gemessenen Intensitäten relativ gering sind und bei Störstrahlungen hoher elektronischer Aufwand zur Signalverstärkung erforderlich ist. Für die Anwendung der Erfindung bei plasmagestützten Beschichtungsverfahren mit Bogenentladungsverdampfern ist diese Lösung grundsätzlich nicht einsetzbar, da die heiße Katode, das anodische Schmelzbad und diverse reflektierende Flächen ein derart ungünstiges Signal-Rausch-Verhältnis verursachen, daß eine gegebene Wellenlänge geringer Intensität nicht gemessen werden kann.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel mittels plasmagestützten Beschichtungsverfahren (lonplating) Hartstoffschichten auf Titanbasis, z.B. Titannitrid oder Titankarbid, mit reproduzierbaren Eigenschaften (Härte, Farbe, spezifischer Widerstand) herzustellen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Dampfdichte von Titandampf bei plasmagestützten Beschichtungsverfahren mit Bogenentladungsverdampfern mittels Messung der Lichtemission anzugeben. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe derart gelöst, daß die drei benachbarten Resonanzlinien des Titandampfes 399,9 nm, 399,0 nm und 398,2 nm summarisch über einen Interferenzfilter einem fotoelektrischen Element zugeleitet werden und das elektrische Signal des fotoelektrischen Elementes in bekannter Weise zur Regelung des Entladungsstromes des Bogenentladungsverdampfers genutzt wird.

Die im Plasmavolumen auftretende Lichtemission ist charakteristisch für die Art der strahlenden Spezies. Die Intensität der Spektrallinien ist neben atomaren und apparativen Konstanten durch die Anregungsbedingungen im Plasma (Elektronenkonzentration n_e, EletronentemperaturT_e, Elektronengeschwindigkeitsverteilungsfunktion F[c]) und die Teilchenzahldichte η-, der emissionsfähigen angeregten Atome bestimmt, d. h. Ι_λ ~ Aj₀ Π] h^mit der Übergangswahrscheinlichkeit Ai₀ und der Quantenenergie hv, wobei das Produkt Ai₀ n, = Ic₀, n_en₀ durch den Ratenkoeffizienten k_oi = Ja(c)cF(c) de, die Elektronenkonzentration n_e und die Teilchenzahldichte n_o der Metallatome im Grundzustand gegeben ist, die bei geringen Anregungs- und lonisierungsgraden praktisch mit der Dampfdichte η übereinstimmt. o(c) kennzeichnet den Anregungsquerschnitt der Metallatome. Die Linienintensität Ι_λ ist demzufolge der Dampfdichte η und damit auch der zum Substrat gelangenden Teilchenstromdichte j = η ν oder der Schichtaufwachsrate R proportional,

Ιλ ~ koi n_e η ~ koi n_e R,

weil gilt: R = Vp m_o η ν (ρ Dichte des massiven Metalls,

ν gerichtete Geschwindigkeit der Metallatome zum Substrat, m₀ Masse eines Atoms).

Die Linearität der Veränderung der Elektronenkonzentration n_e bei Veränderung des Entladungsstromes I_B wurde untersucht und in Fig. 1 nachgewiesen. Die Messungen wurden in einer vertikalen Beschichtungsanlage mit einem Kammerdurchmesser und einer Kammerhöhe von je 900 mm durchgeführt. Mit steigender Entladungsstromstärke Ib steigt auch die Elektronenkonzentration n_e an.

Weiter wurde untersucht und in Fig. 2 dargestellt, daß sich die Geschwindigkeitsverteilungsfunktion der Elektronen in der Bogenentladung nur wenig ändert, wie dies aus der geringfügigen Abnahme der Elektronentemperatur Te bis Zunahme des Bogenstromes ersichtlich ist. Daraus ergibt sich ein monoton ansteigender Verlauf der Linienintensität Ι_λ in Abhängigkeit vom Bogenstrom I_B, von der Bogenleistung P und auch von der Schichtaufwachsrate R.

Fig. 3 widerspiegelt den Verlauf des summarischen Intensitätssignals Ιχ in Relation zur Aufdampf rate R für verschiedene Bedingungen im Rezipienten: Kurve 1 —Titanverdampfung in reinem Argon, p_Ar ~ 0.27Pa; Kurve 2—Titanverdampfung in reaktiver Atmosphäre, p_Ar ~ 0,20Pa, Pc₂H₂ ~ 0.004Pa. Für alle drei experimentellen Situationen ordnen sich die Meßpunkte zu linearen Zusammenhängen, so daß eine Verfolgung der Aufdampfrate über Intensitätsmessungen zum Zwecke der Prozeßregelung experimentell abgesichert ist.

Aus umfangreichen Untersuchungen an verschiedenen Ausführungsformen von Hohlkatodenbogenverdampfern ist bekannt, daß die Verdampfungsrate von der elektrischen Leistung, vom Gasdurchsatz durch die Katode und von der Stärke des transversalen Magnetfeldes abhängt. Da während der Beschichtung der Gasdurchsatz des Argons verfahrensbedingt durch Gasregeleinrichtungen konstant gehalten wird, wurde die Abhängigkeit der Rate vom Gasdurchsatz nicht berücksichtigt. Einen wesentlichen Einfluß auf die Verdampfungsrate hat die in den Bogen eingespeiste Leistung. Die Leistungsabhängigkeit der Aufdampfrate, die direkt proportional der Metalldampfdichte ist, zeigt die Fig.4. Im untersuchten Leistungsbereich besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Rate und Leistung P, wobei die Verdampfung bei einer Schwelleistung Ps = 4kW einsetzt und dann mit steigender Leistung linear ansteigt. Korrelationsrechnungen liefern einen Korrelationskoeffizienten von 0,9805, d. h. die statistische Analyse der Meßwerte belegt sehr gut den linearen Verlauf.

Für die technische Realisierung der elektronischen Schaltung vereinfacht sich die erfinderische Aufgabe, indem statt der Leistung P als Stellgröße für die Aufdampf rate der Entladungsstrom I_B verwendet wird. Aus vorherigen Untersuchungen ist ' bekannt, daß der Bogen im interessierenden Strombereich eine annähernd horizontale Charakteristik besitzt. Wie Fig. 5 zeigt, verschiebt sich die Kurve Rate über Bogenstrom gegenüber der Fig.4 um einen konstanten Faktor. Die Meßwerte zeigen einen sehr guten linearen Zusammenhang zwischen Aufdampf rate und Entladungsstrom, was auch der Korrelationskoeffizient von 0,9805 belegt. Die Verdampfung beginnt bei einem Schwellstrom Is = 130A, und die Rate steigt dann linear an.

Da der Strom zur Erregung des transversalen Magnetfeldes ebenfalls einen Einfluß auf die Aufdampfrate hat, wurde dieser Einfluß gesondert untersucht. Um alle Meßwerte in einer Kurve darzustellen, wurde die reduzierte Aufdampfrate R/(I_B—Is) über dem Magnetfeldstrom Im aufgetragen, wobei man die reduzierte Rate erhält, indem man die Rate R durch die Differenz Entladungsstrom minus Schwellstrom dividiert. Das Verfahren bietet sich durch den sehr guten linearen Zusammenhang zwischen Aufdampfrate und Entladungsstrom an.

Wie aus Rg. 6 ersichtlich, gibt es für die maximale Aufdampf rate einen optimalen Magnetfeldstrom, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Plasma optimal auf die Tiegeloberfläche gebracht wird.

Für eine Steuerung der Verdampfungsrate ist der Magnetfeldstrom ungeeignet, da im Strombereich I_M = 0,3 A...0,8 A ein sehr geringer Einfluß auf die Rate gefunden wurde und zum anderen die Kurve nahe I_M = 0,1 A einen Umkehrpunkt besitzt. Eine Regelung der Rate bei dem gemessenen Kurvenverlauf würde einen hohen elektronischen Aufwand erfordern.

Aus den angeführten Messungen folgt, daß der Entladungsstrom der Bogenentladung die geeignete Stellgröße für die Regelung der Metalldampfdichte ist.

Wie aus diesen Darlegungen zusammenfassend ersichtlich ist, ermöglicht es die erfinderische Lösung sehr gut, die Dampfstromdichte auf das Substrat, als auch die lonisierungsbedingungen am Substrat, konstant zu halten.

Verfahrenswesentlich ist dabei aber die summarische Auswertung mehrerer benachbarter Resonanzlinien, da das Verfahren unter Ausnutzung nur einer Resonanzlinie praktisch kaum zu realisieren ist, da das Signal zu schwach ist. Der Einsatz aufwendiger Verstärkereinrichtungen kommt aus ökonomischer Sicht kaum in Betracht.

Die erfindungsgemäße Messung der summarischen Intensität der Lichtemission der drei Resonanzlinien für Titan bei 400 nm hat den wesentlichen Vorteil, daß die Kontinuumsstrahlung der heißen Katode und des Schmelzbades gegenüber dem Meßsignal weitgehend unterdrückt wird und damit ein starkes Meßsignal zur Regelung zur Verfügung steht. Die Unterdrückung der Kontinuumsstrahlung wird dadurch erzielt, daß die Resonanzlinien fürTitan bei 400nm im blauen Bereich liegen, während die wesentlichen thermischen Strahlungen der heißen Katode und des Schmelzbades im roten Bereich liegen, daß zwischen den genannten Resonanzlinien keine anderen störenden Resonanzlinien auftreten und daß die summarische Erfassung der drei Resonanzlinien über ein relativ breitbandiges Filter zu einem starken Meßsignal führt, während die noch vorhandene störende Untergrundstrahlung nicht summarisch erfaßt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei den genannten Resonanzlinien noch keine Quarzfenster erforderlich sind.

Auf die zur Verfahrensrealisierung erforderlichen Elemente Lichtmeßeinrichtung und Ansteuerung des Entladungsstromes wird nicht näher eingegangen, da diese nicht verfahrenswesentlich sind und durch den Stand der Technik realisiert werden.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, neben den bekannten Erfordernissen für plasmagestützte Vakuumbeschichtung, wie Gasregelung und Potentialverteilung, sichert in wirtschaftlicher Weise eine hohe Reproduzierbarkeit der Eigenschaften der Hartstoffschichten. Sehr wesentlich sind diese Vorteile, z.B. bei der Herstellung dekorativer „goldfarbener" TiN-Schichten. Bereits geringe Verschiebungen der Parameter können zu erkennbaren Farbschwankungen führen, die vor allem bei zusammengesetzten Gebrauchsartikeln, z.B. bei Brillen die Linsenfassung einerseits und die Ohrbügel andererseits, nicht akzeptiert werden.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden.

In einer Chargenanlage zur plasmagestützten Schichtabscheidung sollen Gehäuse und Metallarmbänder für Armbanduhren „goldfarben" beschichtet werden. Die Potentialverteilung und die Gasregelung, im Beispiel Argon als Trägergas und Stickstoff als Reaktivgas, sind in bekannter Weise vorhanden. Erfindungsgemäß wird dazu ein Hohlkatoden-Bogenentladungsverdampfer eingesetzt, dessen Bogenstrom über ein Regelsystem geregelt wird.

An einer geeigneten Stelle wird durch ein Fenster in der Rezipientenwand das Licht des konventionell gezündeten Plasmas erfaßt und durch Lochblenden über ein Interferenzfilter einem Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) als Lichtmesser zugeleitet. Dabei wird ein Interferenzfilter gewählt, der die drei Resonanzlinien mit den Wellenlängen 399,9nm, 399,0 nm und 398,2 nm herausfiltert. Die summarische Menge dieses Emissionslichtes des Plasmas wird im SEV in ein elektrisches Signal umgewandelt und nachfolgend elektronisch verstärkt. Das so gewonnene elektrische Signal, das proportional der Dampfdichte des Titans ist, wird zu einem Regelverstärker gegeben, an dessen Eingang ein Vergleich mit dem verfahrensbedingt geforderten Sollwert für die Dampfdichte vorgenommen wird. Bei einer Differenz zwischen Soll- und Istwert liefert der Regelverstärkar an den Stromgenerator für den Hohlkatoden-Bogenentladungsverdampfer im Stellsignal zur Veränderung des Bogenstroms derart, daß die Dampfdichte des Titans am Meßort konstant gehalten wird. Versuche mit dieser Verfahrensführung haben gezeigt, daß vielfältige, oft spontane Schwankungen der Verdampfungsrate, die auf der Basis verschiedener Ursachen stets auftreten, weitgehend ausgeglichen werden konnten, was zu einer wesentlichen Qualitätsverbesserung der beschichteten Substrate führte.

Claims

Verfahren zur Regelung der Dampfdichte von Titandampf bei plasmagestützten Beschichtungsverfahren mit Bogenentladungsverdampfern mittels Messung der Lichtemission des Plasmas, gekennzeichnet dadurch, daß die drei benachbarten Resonanzlinien des Titandampfes 399,9 nm, 399,0 nm und 398,2 nm summarisch über ein Interferenzfilter einem fotoelektrischen Element zugeleitet werden und das elektrische Signal des fotoelektrischen Elementes in bekannter Weise zur Regelung des Entladungsstromes des Bogenentladungsverdampfers genutzt wird.

Hierzu 6 Seiten Zeichnungen