DE102009015478A1

DE102009015478A1 - Verfahren zur Herstellung von Hartstoffschichten

Info

Publication number: DE102009015478A1
Application number: DE200910015478
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Prof. Dr. Münz; Dirk Dr.-Ing. Rost
Original assignee: Roth and Rau AG
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2010-09-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hartstoffschichten mittels Magnetron-Sputtern. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem die Haftfestigkeit der abgeschiedenen Hartstoffschichten auf einem Substrat verbessert werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Magnetron-Sputter-Verfahren gelöst, in welchem eine Substratvorbehandlung vorgenommen wird, bei welcher mit wenigstens einem Magnetron Beschichtungsmaterial in reiner Edelgasatmosphäre auf wenigstens ein Substrat abgeschieden wird, das auf einer negativen Vorspannung liegt, die so hoch ist, dass das Beschichtungsmaterial wenigstens teilweise in das Substrat implantiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hartstoffschichten mittels Magnetron-Sputtern.
Ein Verfahren dieser Gattung ist aus der Druckschrift DE 10 2006 020 004 A1 bekannt.
Bei der Abscheidung von Hartstoffschichten auf Substrate ergibt sich aufgrund hoher Schichtspannungen der abgeschiedenen harten Schichten häufig das Problem einer mangelnden Haftfestigkeit.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der genannten Gattung zur Verführung zu stellen, bei welchem Hartstoffschichten mit ausreichender Haftfestigkeit auf Substrate abgeschieden werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Hartstoffschichten mittels Magnetron-Sputtern gelöst, wobei in dem Verfahren eine Substratvorbehandlung vorgenommen wird, bei welcher mit wenigstens einem Magnetron Beschichtungsmaterial in reiner Edelgasatmosphäre auf wenigstens ein Substrat abgeschieden wird, das auf einer negativen Vorspannung liegt, die so hoch ist, dass das Beschichtungsmaterial wenigstens teilweise in das Substrat implantiert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren belegen zunächst Teilchen des Beschichtungsmaterials die Oberfläche des Substrates. Durch die erfindungsgemäß an den Substraten vorliegende sehr hohe negative Bias-Spannung treffen Edelgasionen mit hoher Energie auf der Substratoberfläche auf und wirken einerseits rücksputternd, sodass viele der bereits auf die Oberfläche abgeschiedenen Teilchen des Beschichtungsmaterials in die Atmosphäre der Abscheidekammer zurückgesputtert werden. Andererseits werden durch die hohe Energie der auftreffenden Edelgasionen auch einige der auf der Substratoberfläche aufliegenden Teilchen des Beschichtungsmaterials in die Oberfläche des Substrates hineingeschlagen, d. h. implantiert. Die durch die teilweise Implantation modifizierte Oberfläche bildet eine besonders gute Grundlage für ein nachfolgendes Aufwachsen einer Hartstoffschicht, sodass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Haftfestigkeit einer auf der durch die Implantation modifizierten Oberfläche abgeschiedenen Hartstoffschicht erhöht werden kann.
Vorzugsweise wird während dieser Substratvorbehandlung die negative Vorspannung des wenigstens einen Substrates so gesteuert, dass ein Gleichgewicht zwischen abgeschiedenem und rückgeätztem Material eingestellt wird. Auf diese Weise wird während der Substratvorbehandlung keine neue Schicht auf dem Substrat aufgebaut, sodass durch die Substratvorbehandlung eine reine modifizierte, implantierte Oberfläche des Substrates zur Verfügung gestellt werden kann.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die negative Vorspannung des wenigstens einen Substrates bei der Substratvorbehandlung zwischen etwa –800 V und etwa –1200 V eingestellt wird.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird vor der Substratvorbehandlung eine Substratreinigung vorgenommen, bei welcher mit dem wenigstens einen Magnetron Beschichtungsmaterial in reiner Edelgasatmosphäre auf das wenigstens eine Substrat gesputtert wird, das auf einer negativen Vorspannung liegt, die so hoch ist, dass sich trotz Beschichtung netto ein Abtrag des Substratmaterials einstellt. Durch den Abtrag des Substratmaterials kann eine saubere Oberfläche vor der eigentlichen Beschichtung, d. h. ein tatsächlicher Reinigungseffekt erzielt werden, sodass ein besserer Halt der nachfolgend abgeschiedenen Schicht ermöglicht werden kann.
Vorzugsweise wird die negative Vorspannung bei der Substratreinigung bis zu etwa –1500 V eingestellt.
Es ist besonders günstig, wenn die negative Vorspannung des wenigstens einen Substrates am Ende der Substratreinigung auf einen Betrag von weniger als 400 V verringert wird. Bei negativen Vorspannungen von einem Betrag weniger als 400 V führt die dem wenigstens einem Magnetron zugeführte Leistung dazu, dass kein Substratabtrag mehr stattfindet, sondern stattdessen ein Schichtaufbau auf dem Substrat erfolgt.
Beispielsweise kann die negative Vorspannung des wenigstens einen Substrates für einen Schichtaufbau auf dem wenigstens einen Substrat auf etwa –50 V bis etwa –200 V reduziert werden. Bei einer solchen negativen Vorspannung des Substrates geht der Substratabtrag und die Implantation von Beschichtungsmaterial in die Oberfläche des Substrates gegen Null und es findet ein effektiver Schichtaufbau auf dem Substrat statt.
Beispielsweise kann hierbei die Spannungsreduzierung kontinuierlich oder in Schritten von etwa 100 V bis etwa 200 V erfolgen.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Substratvorbehandlung mit Cr, Ti, TiAl, Zr, V, Nb, Ta, W oder WC erfolgt.
Ferner ist es günstig, wenn für den eigentlichen Schichtaufbau auf dem wenigstens einem Substrat reaktiv wenigstens eine Hartstoffschicht aus CrN, CrCN, TiN, TiCN, TiAlN, TiAlCN, TiAlON, ZrN, ZrCN, VN oder VCN, oder nicht reaktiv korrosionsbeständiges und biokompatibles Ti, Nb, Ta oder W abgeschieden wird.
Die mögliche Einsatzbreite von Anwendungen für das erfindungsgemäße Verfahren kann noch erhöht werden, wenn zur Substratbehandlung und für den eigentlichen Schichtaufbau eine Kombination der angeführten unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien verwendet wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird zur Substratvorbehandlung Cr, Ti, W oder WC verwendet und für den eigentlichen Schichtaufbau auf dem Substrat Kohlenstoff von wenigstens einem hochreinen Graphit-Target abgeschieden.
Bei dieser Verfahrensvariante ist es besonders von Vorteil, wenn der Kohlenstoff in einer schwach reaktiven Atmosphäre aus Ar + C₂H₂ oder Ar + N₂ abgeschieden wird und auf dem wenigstens einen Substrat eine superharte ta-C-, Ta-C:H- oder a-C:H-Schicht aufwächst.
Hierbei ist es besonders von Vorteil, wenn der Gasfluss des Reaktivgases in einem Bereich von etwa 1% bis etwa 20% des Ar-Flusses eingestellt wird.
Ferner ist es bei dieser Verfahrensvariante günstig, wenn für ein Schichtaufbau auf dem wenigstens einen Substrat die Abscheidung des Kohlenstoffs in einer Atmosphäre mit einem Gemisch aus Ar und Ne oder in reiner Ne-Atmosphäre erfolgt.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei
1 schematisch die an einer Substratoberfläche erfolgenden Vorgänge während einer erfindungsgemäß optional einsetzbaren Substratreinigung zeigt;
2 schematisch die an einer Substratoberfläche erfolgenden Vorgänge während der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Substratvorbehandlung zeigt; und
3 schematisch die an einer gereinigten und vorbehandelten Substratoberfläche erfolgenden Vorgänge während des eigentlichen Schichtaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
1 zeigt schematisch eine Anordnung in einer Vakuumkammer 10 einer PVD-Abscheidevorrichtung mit wenigstens einem Magnetron 1, welchem ein Target 11 mit einem Beschichtungsmaterial 2 zugeordnet ist. Ferner ist in der Vakuumkammer 10 wenigstens ein zu beschichtendes Substrat 3 mit einer Substratoberfläche 4 vorgesehen. Das Substrat 3 ist entweder direkt oder indirekt mit einer Spannungsversorgung 5 gekoppelt, durch welche das Substrat 3 auf eine sehr negative Vorspannung gelegt werden kann.
Ferner weist die Vakuumkammer 10 wenigstens eine Gaszuführung 6 für die Zuführung eines Edelgases oder Edelgasgemisches auf. In dem Beispiel von 1 wird als Edelgas Argon verwendet. Zudem ist an der Vakuumkammer 10 wenigstens ein Gasauslass 7 mit einer Vakuumpumpe und einem Drosselventil 9 vorgesehen.
In dem in 1 dargestellten Verfahrensschritt wird gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Substratreinigung der Oberfläche 4 des Substrates 3 durchgeführt. Hierbei wird vor der eigentlichen Beschichtung das Beschichtungsmaterial 2 in einer Edelgasatmosphäre auf das wenigstens eine Substrat 3 gesputtert, wobei das Substrat 3 an einer sehr hohen negativen Vorspannung liegt, die so hoch ist, dass sich trotz der Abscheidung des Beschichtungsmaterials 2 netto ein Abtrag des Substratmaterials des Substrates 3 an dessen Oberfläche 4 ergibt. Das heißt, durch die hohe negative Vorspannung treffen die Teilchen 21 des Beschichtungsmaterials 2 mit einer solch hohen Energie auf der Oberfläche 4 des Substrates 3 auf, dass Teilchen 31 des Substrates 3 aus dessen Oberfläche 4 herausgeschlagen werden. Hierdurch kann eine saubere Oberfläche 4 des Substrates 3, das heißt ein tatsächlicher Reinigungseffekt, eingestellt werden.
In dem Beispiel von 1 beträgt die negative Vorspannung des Substrates 3 bis zu –1500 V.
Am Ende der in 1 schematisch gezeigten Substratreinigung des Substrates 3 kann der Betrag der negativen Vorspannung auf weniger als 400 V reduziert werden, sodass das Substrat 3 beschichtet wird und netto kein Substratabtrag mehr stattfindet.
2 zeigt schematisch die bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Substratvorbehandlung ablaufenden Vorgänge anhand der in 1 bereits oben beschriebenen Anordnung.
In dem Verfahrensschritt von 2 wird an das wenigstens eine Substrat 3 eine solch hohe negative Vorspannung gelegt, dass das durch das Magnetron 1 auf das Substrat 3 abgeschiedene Beschichtungsmaterial 2 wenigstens teilweise in das Substrat 3 implantiert wird. Dies erfolgt folgendermaßen: Das Substrat 3 wird durch die Spannungsquelle 5 auf eine negative Vorspannung zwischen etwa –800 V und etwa –1200 V gelegt. Durch das Magnetron 1 wird das Beschichtungsmaterial 2 auf die Oberfläche 4 des Substrates 3 abgeschieden, sodass zunächst Teilchen 21 des Beschichtungsmaterials 2 die Oberfläche 4 des Substrates 3 belegen. Edelgasionen 61 treffen durch die hohe negative Vorspannung des Substrates 3 mit hoher Energie auf der Oberfläche 4 des Substrates 3 auf und wirken dadurch rücksputternd, sodass bereits abgeschiedene Teilchen 22 des Beschichtungsmaterials 2 wieder von der Oberfläche 4 in die Atmosphäre bzw. das Plasma zurückgeschleudert werden.
Andere, auf der Substratoberfläche 4 abgeschiedene Teilchen 23 des Beschichtungsmaterials 2 werden durch die mit sehr hoher Energie auf der Substratoberfläche 4 auftreffenden Edelgasionen 61 in die Oberfläche 4 regelrecht hineingeschlagen, das heißt in die Oberfläche 4 des Substrates 3 implantiert.
Bei dem in 2 dargestellten Verfahrensschritt wird die negative Vorspannung des Substrates 3 vorzugsweise so eingestellt, dass etwa genauso viel Beschichtungsmaterial 2 zurückgeätzt wie abgeschieden wird, sodass im Wesentlichen keine neue Schicht auf der Substratoberfläche 4 erzeugt wird, sondern die in 2 dargestellte Substratvorbehandlung dazu genutzt wird, um die Substratoberfläche 4 des Substrates 3 durch die Implantation des Beschichtungsmaterials 2 zu modifizieren.
Durch die mittels Implantation modifizierte Substratoberfläche 4 kann nachfolgend auf dieser Substratoberfläche beispielsweise eine Hartstoffschicht abgeschieden werden, die, bedingt durch die Oberflächenmodifikation des Substrates 3, eine besonders hohe Haftfestigkeit aufweist.
Beispielsweise können für die in 2 schematisch dargestellte Substratvorbehandlung Materialien wie Cr, Ti, TiAl, Zr, V, Nb, Ta, W oder WC verwendet werden.
3 zeigt schematisch einen eigentlichen Schichtaufbau auf dem Substrat 3 gemäß den in 1 und 2 dargestellten Anordnungen. Hier wird an das Substrat 3 eine negative Vorspannung gelegt, die zwischen etwa –50 V und etwa –200 V liegt. Hierfür wird die negative Vorspannung ausgehend von dem in 2 dargestellten Verfahrensschritt entweder kontinuierlich oder in Schritten von etwa 100 V bis etwa 200 V auf den genannten negativen Vorspannungswert reduziert.
Für den eigentlichen Schichtaufbau gemäß dem in 3 dargestellten Verfahrensschritt kann reaktiv wenigstens eine Hartstoffschicht aus Materialien wie CrN, CrCN, TiN, TiCN, TiAlN, TiAlCN, TiAlON, ZrN, ZrCN, VN oder VCN oder nicht reaktiv korrosionsbeständiges und biokompatibles Ti, Nb, Ta oder W abgeschieden werden.
Zur Substratvorbehandlung gemäß 2 und für den Schichtaufbau nach 3 kann auch eine Kombination der angeführten unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien verwendet werden.
Ebenfalls ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass für den Schichtaufbau auf dem Substrat 3 Kohlenstoff von wenigstens einem hochreinen Graphit-Target abgeschieden wird. Hierbei empfiehlt es sich, den Kohlenstoff in einer schwach reaktiven Atmosphäre aus Ar + C₂H₂ oder Ar + N₂ abzuscheiden und daraufhin auf dem wenigstens einen Substrat 3 eine superharte ta-C-, Ta-C:H- oder a-C:H-Schicht aufzuwachsen. Vorzugsweise kann hierbei der Gasfluss des Reaktivgases in einem Bereich von etwa 1% bis etwa 20% des Ar-Flusses eingestellt werden. Für den eigentlichen Schichtaufbau auf dem wenigstens einen Substrat 3 ist es besonders günstig, wenn die Abscheidung des Kohlenstoffes von dem wenigstens einem Graphit-Target in einer Atmosphäre mit einem Gemisch aus Ar und Ne oder in reiner Ne-Atmosphäre erfolgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006020004 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Hartstoffschichten mittels Magnetron-Sputtern, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahren eine Substratvorbehandlung vorgenommen wird, bei welcher mit wenigstens einem Magnetron (1) Beschichtungsmaterial (2) in reiner Edelgasatmosphäre auf wenigstens ein Substrat (3) abgeschieden wird, das auf einer negativen Vorspannung liegt, die so hoch ist, dass das Beschichtungsmaterial (2) wenigstens teilweise in das Substrat (3) implantiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die negative Vorspannung bei der Substratvorbehandlung so gesteuert wird, dass ein Gleichgewicht zwischen abgeschiedenem und rückgeätztem Material eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die negative Vorspannung des wenigstens einen Substrates (3) bei der Substratvorbehandlung zwischen etwa –800 V und etwa –1200 V eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Substratvorbehandlung eine Substratreinigung vorgenommen wird, bei welcher mit dem wenigstens einen Magnatron (1) Beschichtungsmaterial (2) in reiner Edelgasatmosphäre auf das wenigstens eine Substrat (3) gesputtert wird, das auf einer negativen Vorspannung liegt, die so hoch ist, dass sich trotz Beschichtung netto ein Abtrag des Substratmaterials einstellt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die negative Vorspannung bei der Substratreinigung bis zu etwa –1500 V eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die negative Vorspannung des wenigstens einen Substrates (3) am Ende der Substratreinigung auf einen Betrag von weniger als 400 V verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die negative Vorspannung des wenigstens einen Substrates (3) für ei nen Schichtaufbau auf dem wenigstens einen Substrat (3) auf etwa –50 V bis etwa –200 V reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsreduzierung kontinuierlich oder in Schritten von etwa 100 V bis etwa 200 V erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratvorbehandlung mit Cr, Ti, TiAl, Zr, V, Nb, Ta, W oder WC erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Schichtaufbau auf dem wenigstens einen Substrat (3) reaktiv wenigstens eine Hartstoffschicht aus CrN, CrCN, TiN, TiCN, TiAlN, TiAlCN, TiAlON, ZrN, ZrCN, VN oder VCN oder nicht reaktiv korrosionsbeständiges und biokompatibles Ti, Nb, Ta oder W abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Substratvorbehandlung und für den Schichtaufbau eine Kombination der angeführten unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Substratvorbehandlung Cr, Ti, W oder WC verwendet wird und dass für den Schichtaufbau auf dem Substrat (3) Kohlenstoff von wenigstens einem hochreinen Graphit-Target abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff in einer schwach reaktiven Atmosphäre aus Ar + C₂H₂ oder Ar + N₂ abgeschieden wird und auf dem wenigstens einen Substrat (3) eine superharte ta-C-, Ta-C:H- oder a-C:H-Schicht aufwächst.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasfluss des Reaktivgases in einem Bereich von etwa 1% bis etwa 20% des Ar-Flusses eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Schichtaufbau auf dem wenigstens einen Substrat (3) die Abscheidung des Kohlenstoffs in einer Atmosphäre mit einem Gemisch aus Ar und Ne oder in reiner Ne-Atmosphäre erfolgt.