DD272666A1

DD272666A1 - Verfahren zur herstellung von mehrfachschichten mittels vakuum'lichtbogenverdampfer

Info

Publication number: DD272666A1
Application number: DD31623488A
Authority: DD
Inventors: Dietmar Schulze; Eberhard Steigmann; Hans-Joachim Scheibe; Peter Siemroth
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1988-05-31
Filing date: 1988-05-31
Publication date: 1989-10-18
Also published as: DD272666B5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mehrfachschichten mittels eines Vakuum-Lichtbogenverdampfers. Mit der Erfindung koennen reine Schichten von zwei oder mehr verschiedenen leitfaehigen Materialien bei beliebiger Schichtzahl hergestellt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, dessen Katode die verschiedenen Verdampfungsmaterialien aufweist und deren Verdampfung in beliebiger Folge erfolgen kann. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem die Bogenentladung wahlweise gegenueber dem Zentrum eines von mehreren Targets gezuendet wird und die Impulslaenge, d. h. die Brenndauer einer Bogenentladung, derart gewaehlt wird, dass die maximal zu erwartende Verschiebung des Katodenbrennfleckes waehrend des Impulses kleiner ist als der geringste Abstand zum Targetrand und, dass die Schichtdicken der herzustellenden Einzelschicht mittels der Zahl der Bogenentladung gegen ein Target, bzw. auf das entsprechende Material, bestimmt wird.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mehrfachschichten mittels eines Vakuums-Lichtbogenverdampfers. Mit der Erfindung können reine Schichten von zwei oder mehr verschiedenen leitfähigen Materialien bei beliebiger Schichtzahl hergestellt werden. Derartige Schichten können verschiedenen Zwecken dienen, z. B. in der Optik oder bei Verfahrensführung in reaktiver Atmosphäre als Hartstoffschicht.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Anwendung der Vakuum-Lichtbogenverdampfung zur Herstellung von Schichten hat eino Reihe von Vorteilen. Einmal ist es die „kalte Katode", mit der insbesondere unerwünschte Aufheizungen der Substrate vermieden werden können und zum anderen die hohe Verdampfungsrate.

Die Herstellung von Mehrfachschichten mittels Vakuum-Lichtbogenverdampfung ist jedoch relativ schwer möglich, wenn die verschiedenen Materialien von einem Verdampfer aus verdampft werden sollen.

In der DE-PS 3152736 wird eine Katode für einen Lichtbogen-Metailverdampfer beschrieben, die aus mer -eren Schichten von Metallen mit unterschiedlich großem Katodenfall besteht, die derart angeordnet sind, daß der Katodenfall von der geometrischen Achse der Katode zu deren Randpartien hin geringer wird. Durch die Wechselwirkung magnetischer Felder mit Eigenbewegung des Katodenbrennfleckes durch den unterschiedlichen Katodenfall kann eine Zweifachschicht hergestellt werden. Eine reproduzierbare definierte Abscheidung der einzelnen ScMchtkomponenien ist jedoch nicht möglich.

Die US-PS 4.596.716 beschreibt eine Einrichtung zur Vakuum-Lichtbogenverdampfung, boi der zwei Elektroden aus den zu verdampfenden Materialien wahl- und wechselweise als Katode oder Anode gesahaltet werden können. Eine derartige Anordnung gestattet jedoch keine Abscheidung reiner Einzelschichten, da physikalisch bedingt, nicht vermeidbare Materialtransporte von Katode zur Anode nach erfolgter Umschaltung auftreten, die später wieder mit verdampft werden.

Vorallem bei dar Herstellung sehr dünner optischer Schichten können diese Verunreinigungen stören.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, leine Mehrfachschichten aus leitfähigem Material reproduzierbar abzuscheiden.

Darlegung des Wasens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Mehrfachschichten mittels eines Vakuum-Lichtbogenverdampfers anzugeben, dessen Katode die verschiedenen Verdampfungsmaterialien aufweist und deren Verdampfung in beliebiger Folge erfolgen kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die Bogenentladung wahlweise gegenüber dem Zentrum einos von mehreren Targets gezündet wird und die Impulslänge, d. h. die Brenndauer einer Bogenentladung, derart gewählt wird, daß die maximal zu erwartende Verschiebung des Katodenbrennfleckes während des Impulses kleiner ist als der geringste Abstand zum Targetrand und, daß die Schichtdicken der herzustellenden Einzelschicht mittels der Zahl der Bogenentladungen gegen ein Target, bzw. auf das entsprechende Material, bestimmt wird.

Die Bestimmung des Zündortes im Zentrum eines Targets kann sowohl mittels örtlich definierten Elektroden als auch mittels Laserimpulsen erfr'gen. Unter Zentrum wird hier, auch bei größeren Targets, die gesamte Targetfläche verstanden, die innerhalb des angeführten Abstandes zum Targetrand liegt.

Die Variierung der einzelnen Materialien ist leicht über die Veränderung des Zündortes möglich. Die Zahl der verschiedenen Verdampfungsmaterialien ist grundsätzlich beliebig. Sie werden vorteilhart auf einen gemeinsamen katodischen Targetträger angeordnet. Als Anode kann eine gesonderte Elektrode oder die Vakuumkammer gewählt werden. Zwischen Anode und dem katodischen Targetträger liegt im Betriebszustand eine Spannung, die geringer als eine Spannung zur Zündung eine' Selbstentladung ist. Nach erfolgter Zündung beginnt der Katodenbrennfleck des Lichtbogens unter unmittelbarer Targetverdampfung seinen physikalisch bedingten unkontrollierten Weg, auch Verschiebung genannt, über die f argetoberfläche. In Abhängigkeit von der materialspezifischen Geschwindigkeit der Brennfleckverschiebung und des radialen Randabstandes auf dem Target, wird die Impuls- bzw. Brenndauer des Lichtbogens durch Absenkung der Bogenspannung so

bestimmt, daß die Verschiebung des Lichtbogenbrennfleckes kleiner ist als der kleinste Randabstand auf dem Target. Damit wird sichergestellt, daß innerhalb eines derartigen Boganentladungsimpulses nur Material dieses einen Targets verdampft wird, auch wenn in unmittelbarer Nähe auf dem katodisehan TargettrSger andere Targetmaterialien vorhanden sind.

Die Verdampfungsmenge innerhalb eines Impulses ist in der Regel für den technologischen Beschichtungsprozeß zu gering.

Deshalb liegt es an den technologischen Erfordernissen, wie oft nacheinander ein Bogenentladungsimpuls gegen das gleiche Target gezündet wird und wann mittels Veränderung des Zündortes die Bogenentladung gegen ein anderes Target gezündet

Die Impulszeiten für einen Bogenentladungsir.ipuls sind sehr unterschiedlich und richten sich nach dem Materia! und den daraus folgenden Geschwindigkeiten der Brennfleckverschiebung und der Targetgröße. Bei üblichen Dimen&ionierungen liegen die impulszeiten bei einigen Millisekunden.

Zui Vermeidung makroskopischer Kraterbildung ist es vorteilhaft, den Zündort auf einem Target von Entladung zu Entladung, in einem Bereich der geringer ist als die mittlere Verschiebung während eines Entladungsimpulses, zu verändern.

Mittels dieser Verfahrensführung ist es sehr gut möglich Mehrfachschichten aus verschiedenen leitfähigen Materialien mit variabler Dicke und hoher Reinheit herzustellen.

Aufgrund der relativ geringen Verdampfungsmenge bei einem Bogenentladungsimpuls ist es beim ständigen Wechsel der Targets, gegen die die Bogenentladung brennt, praktisch auch möglich Mischschichten herzustellen, obwohl es eigentlich auch nur Mehrfachschichten sind.

Unabhängig von der erfindungsgemäßen Verfahrensführung kann die Arbeitsatmosphare inert oder reaktiv sein, in entsprechender Weise ändert sich die abgeschiedene Schicht auf dem Substrat.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden.

Es besteht das Ziel, auf einem Substrat bei hoher Reinheit der Einzelschichten eine Wolfram-Kohlenstoff-Mehrfachschicht herzustellen. Eine derartige Beschichtung ist z. B. für Röntgenspiegel erforderlich.

In einer Hochvakuum-Beschichtungsanlage der bekannten Ausführung mit einem Vakuum-Lichtbogenverdampfer und Substratanordnungen wird die erfindungsgemüße Verfahrensführung realisiert. Als erforderliche Zündeinrichtung ist eine Laserstrahleinrichtung vorhanden, die ein integriertes Spiegelsystem aufweist, weiches den Laserstrahl wahlweise auf das Zentrum der zwei verschiedenen katodischen Targets (W und C) ausrichtet.

Die katodischen Targets sind auf einer gemeinsamen Katodenhalterung angeordnet, die von einem Anodenring umgeben ist.

Das Wolfram-Target hat einen Durchmesser von 150 mm und das Kohlenstoff-Target einen Durchmesserven 40 mm. Diese Masse sind mit den materiaispezifischen Brennfleckgeschwindigkeiten und den möglichen Schaltgeschwindigkeiten für die Bogenspannung abgestimmt.

Unabhängig andsror technologisch erforderlicher Vorbereitungsprozesse erfolgt die erfindungsgemäße Verfahrensführung in nachfolgender Weise.

Als erste Schicht soll auf dem Substrat eine W-Schicht abgeschieden werden. Dazu wird zwischen Anode und Katode eine Spannung von 100 V angelegt und die Stromversorgung so ausgelegt, daß der Bogenstrom nach der Zündung 80 A beträgt. Eine selbständige Zündung tritt bei der angegebenen Spannung noch nicht ein. Erst wenn ein Laserimpuls auf das Zentrum der Wolfram-Targetplatte gerichtet wird und dieses zu einer örtlichen Plasmabildung führt, kommt es zur Zündung der Bogenentladung. Der Brennfleck beginnt seine unkontrollierte Fewegung auf dem Target und verdampft dabei das Material.

Bevor es dem Brennfleck möglich ist, den Randbereich dss Targets'zu erreichen, wird verfahrensgemäß die Bogenspannung unter 50V abgesenkt, wodurch die Bogenentladung verlischt. Die Brenndauer des Boyens wurde auf 10ms eingestellt. Damit beträgt die Schichtdicke etwa 0,1 nm. Die technologisch bedingte Schichtdicke der Wolfram-Schicht verlangt eine Wiederholung eines derartigen Impulses. Im Anschluß daran wird in äquivalenter Weise der Bogenentladungs-Lasen-.ündimpuls auf das Zentrum des Kohlenstofftargets gerichtet und doit die Bogenentladung gezündet. Zur Vereinfachung des elektronischen Aufwandes wurde die Brenndauer auch in diesem Fall auf 10ms eingestellt. Die abgeschiedene C-Schicht beträgt etwa 0,1 nm und es ist ein BogenentladungsimpuSs ausreichend. Zum Aufbau der Gesamtschicht werden insgesamt ßOW-C-Folgeschichten nacheinander abgeschieden. Zwischen den Einzelschichten werden keine Übergangszonen abgeschieden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Mehrfachschichten mittels Vakuum-Lichtbogenentladung und mehreren katodischen Targets verschiedener leitfähiger Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenentladung wahlweise gegenüber dem Zentrum eines der Targets gezündet wird und die Impulslänge der Bogenentladung derart eingestellt wird, daß die maximal zu erwartende Verschiebung des Katodenbrennf leckes während des Impulses kleiner ist als der geringste Abstand zum Targetrand und daß in der Folge weitere Bogenentladungen in gleicherweise gegen das gleiche oder andere Targets gezündet werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der abzuscheidenden Schichten über die Zahl der Bogenentiadungsimpulse eingestellt wird.