DE19708676C2 - Process for applying a cubic boron nitride layer by vacuum coating - Google Patents
Process for applying a cubic boron nitride layer by vacuum coatingInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen einer kubischen Bornitrid-Schicht auf ein Substrat durch Va kuumbeschichten, bei dem ein borhaltiges Targetmaterial in die Dampfphase überführt wird und als Prozeßgas ein Xenon und Stickstoff enthaltendes Gas verwendet wird.The invention relates to a method for application a cubic boron nitride layer on a substrate by Va vacuum coating, in which a boron-containing target material in the vapor phase is transferred and a xenon as process gas and Gas containing nitrogen is used.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (Abstract zur japa nischen Patentanmeldung JP 03-162562 A) können kubische Bor nitrid-Schichten (C-BN) mittels Vakuumbeschichten auf ein Substrat aufgebracht werden, indem ein borhaltiges Targetma terial in einer Verdampfungsquelle in die Dampfphase über führt wird, wobei als Prozeßgas ein Xenon und stickstoffent haltendes Gas verwendet wird.In a known method of this type (abstract on japa African patent application JP 03-162562 A) can cubic boron nitride layers (C-BN) by means of vacuum coating on one Substrate can be applied by a boron containing Targetma material in an evaporation source into the vapor phase leads, whereby as process gas a xenon and nitrogenent holding gas is used.
Bei einem anderen bekannten Verfahren (US-Patentschrift
5,372,686) wird eine borhaltige Schicht in einer Gleichstrom-
Sputteranlage abgeschieden, wobei als Prozeßgas Helium oder
Argon verwendet wird. Bei dem bekannten Verfahren wird ein
Bortarget mittels einer Heizung in der Gleichstrom-
Sputteranlage erwärmt. Bor hat nämlich die Eigenschaft, daß
sich sein bei Raumtemperatur hoher spezifischer Widerstand
von ca. 106 Ωcm bei Temperaturerhöhung drastisch reduziert:
Bei beispielsweise 400°C beträgt der spezifische Widerstand
nur noch ca. 10 Ωcm. Bei dem bekannten Verfahren wird das
Bortarget in der Gleichstrom-Sputteranlage also durch Erwär
men leitfähig gemacht und so das Zünden der zum Sputtern nö
tigen Gasentladung ermöglicht.In another known method (US Pat. No. 5,372,686), a boron-containing layer is deposited in a DC sputtering system, using helium or argon as the process gas. In the known method, a boron target is heated by means of a heater in the DC sputtering system. Boron has the property that its high specific resistance of approx. 10 6 Ωcm at room temperature is drastically reduced when the temperature rises:
At 400 ° C, for example, the specific resistance is only approx. 10 Ωcm. In the known method, the boron target is made conductive in the direct current sputtering system by heating and thus enables the ignition of the gas discharge required for sputtering.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren (US-Patentschrift 4,629,547) wird ein borhaltiges Target verwendet, welches neben der Borkomponente noch ein organisches Polymer enthält. Dieses Target kann mittels Sputtern in einer Vakuumkammer in die Gasphase überführt werden, wodurch eine borhaltige Schicht auf einem ebenfalls in der Vakuumkammer angeordneten Substrat erzeugt werden kann. Als Prozeßgas für den Sput terprozeß kann Stickstoff enthaltendes Xenon verwendet wer den.In another known method (U.S. Patent 4,629,547) a boron-containing target is used, which besides the boron component still contains an organic polymer. This target can be sputtered in a vacuum chamber the gas phase are transferred, creating a boron-containing Layer on a also arranged in the vacuum chamber Substrate can be generated. As process gas for the sput The process can use nitrogen-containing xenon the.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren an zugeben, mit dem kubische Bornitrid-Schichten durch Vakuumbe schichten mit vergleichsweise guter Qualität aufgebracht wer den können.The invention has for its object a method admit with the cubic boron nitride layers by vacuum layers of comparatively good quality that can.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebe nen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Vakuumbe schichten mit einer Lichtbogenbeschichtungsanlage durchge führt wird.This task is specified in a method of the beginning NEN type according to the invention solved in that the vacuum layers with an arc coating system leads.
Das Targetmaterial muß eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Dies läßt sich besonders einfach und somit vor teilhaft erreichen, wenn als das Targetmaterial ein inhomoge nes Materialgemisch verwendet wird, dessen Boranteil mindes tens 99% beträgt und dessen spezifischer elektrischer Wider stand durch einen maximal 1%igen Anteil eines Metalles oder Metallgemisches lokal auf einen Wert unter zehn Qcm redu ziert ist. Unter einem inhomogenen Materialgemisch wird dabei ein Werkstoff verstanden, in dem das Metall oder Metallge misch nicht gleichmäßig verteilt ist. Der angegebene Boran teil bzw. Metallanteil stellt demzufolge einen Mittelwert dar. Der Vorteil dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß auf eine relativ aufwendige Heizung wie beim eingangs beschriebenen Verfahren in der Va kuumbeschichtungsanlage verzichtet werden kann, da das Tar getmaterial bereits bei Raumtemperatur lokal elektrisch leit fähig ist. The target material must have a certain electrical conductivity exhibit. This can be done particularly easily and thus partially reach if as the target material an inhomogeneous nes material mixture is used, the boron content at least is at least 99% and its specific electrical resistance stood by a maximum 1% share of a metal or Metal mixtures locally reduced to a value below ten Qcm is adorned. Under an inhomogeneous mixture of materials understood a material in which the metal or Metallge mixing is not evenly distributed. The specified borane Part or metal part therefore represents an average The advantage of this development of the invention The method is that on a relatively complex Heating as in the process described in Va vacuum coating system can be dispensed with, since the tar Get material locally electrically conductive even at room temperature is capable.
Es sind zwar aus den US-Patentschriften 4,415,420 und 4,412,899 metallhaltige Bortargets bekannt, jedoch handelt es sich hinsichtlich des Targetmaterials dort um Bor-Metall- Legierungen, d. h. um homogene Materialgemische mit einem gleichmäßig im Targetmaterial verteilten Metallanteil, der zwischen 0,1% und 36% beträgt. Der Metallanteil im Target material führt beim Verdampfen des Targetmaterials zu einem Metallanteil im Plasma, der gewünscht ist; der Metallanteil im Plasma wirkt nämlich als Katalysator und begünstigt das Abscheiden von kubischen Bornitridschichten. Im Unterschied hierzu ist beim erfindungsgemäßen Verfahren der Metallanteil im Plasma unerwünscht, da nämlich möglichst reine Borschich ten ohne Metallverunreinigungen abgeschieden werden sollen; es wird beim erfindungsgemäßen Verfahren nur deshalb ein Tar getmaterial mit Metallanteil verwendet, um eine ausreichende Leitfähigkeit des Targets zu erreichen und das Zünden des Plasmas auch in mit Gleichstrom betriebenen Vakuumbeschich tungsanlagen zu ermöglichen. Im Hinblick auf diese Anforde rungen werden beim erfindungsgemäßen Verfahren inhomogene Bor-Metallgemische verwendet. Diese weisen bei gleichem mitt lerem Metallanteil wie homogene Gemische lokal eine deutlich höhere Leitfähigkeit auf, so daß es lokal - d. h. nur an den Stellen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit - zu einem Zün den der Gasentladung kommt; durch den dadurch fließenden Strom wird das Target erwärmt und damit die Leitfähigkeit des Targets erhöht, was zu einem vollständigen Zünden der Gasent ladung führt. Bei einer inhomogenen Verteilung der Metallato me im Target ist also ein wesentlich geringerer Metallanteil zum Zünden des Plasmas erforderlich als bei einer homogenen Verteilung der Metallatome, wodurch Metallverunreinigungen in der abzuscheidenden borhaltigen Schicht weitgehend vermieden werden.It is from U.S. Patents 4,415,420 and 4,412,899 metal-containing boron targets are known, but it does the target material there is boron-metal Alloys, d. H. to homogeneous material mixtures with a Metal part evenly distributed in the target material is between 0.1% and 36%. The metal part in the target material leads to evaporation of the target material Proportion of metal in the plasma which is desired; the metal content in plasma acts as a catalyst and favors this Deposition of cubic boron nitride layers. The difference this is the metal content in the method according to the invention undesirable in plasma, because borsch is as pure as possible should be deposited without metal contamination; only in the method according to the invention is it a tar get material with metal content used to provide adequate To achieve conductivity of the target and the ignition of the Plasmas also in vacuum coating operated with direct current to enable systems. With regard to this requirement stungen are inhomogeneous in the inventive method Boron-metal mixtures used. These have the same mean metal component such as homogeneous mixtures locally higher conductivity so that it is local - d. H. only to the Places with high electrical conductivity - to a fuse that comes from gas discharge; through the flowing through it Current is heated to the target and thus the conductivity of the Targets increased, causing the gas to fully ignite charge leads. With an inhomogeneous distribution of metallato me in the target is therefore a much lower proportion of metal required to ignite the plasma than with a homogeneous one Distribution of metal atoms, causing metal contamination in the boron-containing layer to be deposited is largely avoided become.
Um trotz eines geringen Metallanteils dennoch eine ausrei chende Leitfähigkeit des Targetmaterials zu erzielen, muß das Metall oder Metallgemisch besonders leitfähig sein; es wird daher im Rahmen einer anderen Weiterbildung des erfindungsge mäßen Verfahrens als vorteilhaft angesehen, wenn als das Tar getmaterial ein Materialgemisch verwendet wird, dessen maxi mal 1%iger Metallanteil durch Silber gebildet wird.In spite of a low metal content, this is still sufficient To achieve the required conductivity of the target material, the Metal or metal mixture to be particularly conductive; it will therefore in the context of another development of the fiction According to the method considered advantageous if as the Tar getmaterial a material mixture is used, the maxi times 1% metal content is formed by silver.
Kostengünstig herzustellende Bor-Metall-Targets mit inhomoge ner Materialzusammensetzung sind beispielsweise gesinterte Borscheiben mit eindiffundierten Silberatomen, so daß es als vorteilhaft angesehen wird, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als das borhaltige Targetmaterial eine gesinterte Borscheibe mit eindiffundierten Silberatomen verwendet wird.Boron-metal targets with inhomoge can be manufactured cost-effectively ner material composition are, for example, sintered Boron disks with diffused silver atoms, so that it as is considered advantageous if the inventive Process as the boron-containing target material is a sintered one Boron disk with diffused silver atoms is used.
Zum Abscheiden von kristallinen borhaltigen Schichten sind beispielsweise Lichtbogenbeschichtungsanlagen geeignet, so daß es als vorteilhaft angesehen wird, wenn zum Vakuumbe schichten eine Lichtbogenbeschichtungsanlage verwendet wird.For the deposition of crystalline layers containing boron for example, arc coating systems suitable, so that it is considered advantageous if to the vacuum layers an arc coating system is used.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 1 in den Darstel lungen A bis D ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines borhaltigen Targets mit inhomogener Materi alverteilung für Vakuumbeschichtungsanlagen anhand verschie dener dargestellter Stadien des Targets dargestellt.To explain the invention is shown in Fig. 1 in the representations A to D an embodiment of a method for producing a boron-containing target with inhomogeneous material distribution for vacuum coating systems based on various stages of the target shown.
Die Darstellung A der Fig. 1 zeigt eine hochreine Borscheibe 1, die beispielsweise als poröser Sinterkörper ausgeführt sein kann.The illustration A in FIG. 1 shows a high-purity boron disk 1 , which can be designed as a porous sintered body, for example.
Die hochreine Borscheibe 1 wird mit einem hochleitenden Mate rial 2, beispielsweise Silber, beschichtet (vgl. Darstellung B der Fig. 1). Dieses Beschichten kann einseitig oder auch beidseitig beispielsweise in einer Aufdampfanlage erfolgen. Es entsteht eine Borplatte 3 mit der hochreinen Borscheibe 1. The high-purity boron disk 1 is coated with a highly conductive material 2 , for example silver (cf. illustration B of FIG. 1). This coating can be carried out on one side or on both sides, for example in a vapor deposition system. A boron plate 3 with the high-purity boron disk 1 is formed .
In einem nachfolgenden Temperschritt wird die Borplatte 3 er wärmt. Die Atome des hochleitenden Materials 2 diffundieren in die hochreine Borscheibe 1 ein. Dies ist in der Darstel lung C der Fig. 1 gezeigt.In a subsequent annealing step, the boron plate 3 is heated. The atoms of the highly conductive material 2 diffuse into the highly pure boron disk 1 . This is shown in the presen- tation C of FIG. 1.
Nach dem Temperschritt werden die Atome der auf der Borplatte 3 verbliebenen Restschicht hochleitenden Materials 2 durch einen Reinigungsschritt unter Bildung eines borhaltigen Tar gets 5 entfernt. Der Reinigungsschritt ist beispielsweise mittels eines mechanischen Materialabtrages durch Sputterät zen oder durch Polieren möglich. Die Darstellung D der Fig. 1 zeigt das borhaltige Target 5.After the tempering step, the atoms of the remaining layer of highly conductive material 2 remaining on the boron plate 3 are removed by a cleaning step to form a boron-containing target 5 . The cleaning step is possible, for example, by means of mechanical material removal by sputtering or by polishing. The representation D in FIG. 1 shows the boron-containing target 5 .
Wird die Schichtdicke des hochleitenden Materials 2 sehr dünn gewählt, so können bei entsprechend langer Diffusionszeit und entsprechend hoher Diffusionstemperatur des Temperschrittes alle Atome des hochleitenden Materials 2 in die hochreine Borscheibe 1 eindiffundieren. In diesem Fall ist die Herstel lung des borhaltigen Targets 5 bereits nach dem Temperschritt abgeschlossen, so daß auf den Reinigungsschritt verzichtet werden kann.If the layer thickness of the highly conductive material 2 is chosen to be very thin, all atoms of the highly conductive material 2 can diffuse into the high-purity boron disk 1 with a correspondingly long diffusion time and a correspondingly high diffusion temperature of the tempering step. In this case, the manufacture of the boron-containing target 5 is already completed after the tempering step, so that the cleaning step can be dispensed with.
Da die hochreine Borscheibe 1 in diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ein poröser Sinterkörper ist, kommt es bei der Diffusion der Atome des hochleitenden Materials 2 in die hochreine Borscheibe 1 zu einer inhomoge nen Verteilung dieser Atome in der Borscheibe. Der im Mittel maximal 1%ige Anteil der Atome des hochleitenden Materials 2 ist also im borhaltigen Target 5 nicht gleichmäßig verteilt, so daß sich Bereiche im borhaltigen Target 5 bilden, in denen der Anteil dieser Atome deutlich größer als 1% ist. In diesen Bereichen, d. h. nur lokal im borhaltigen Target 5, wird der spezifische Widerstand des borhaltigen Targets 5 auf einen Wert unter 10 Ωcm gesenkt. Since the high-purity boron disk 1 is a porous sintered body in this exemplary embodiment of the method according to the invention, when the atoms of the highly conductive material 2 are diffused into the high-purity boron disk 1, there is an inhomogeneous distribution of these atoms in the boron disk. The average of a maximum of 1% proportion of the atoms of the highly conductive material 2 is therefore not evenly distributed in the boron-containing target 5 , so that regions are formed in the boron-containing target 5 in which the proportion of these atoms is significantly greater than 1%. In these areas, ie only locally in the boron-containing target 5 , the specific resistance of the boron-containing target 5 is reduced to a value below 10 Ωcm.
Derartige borhaltige Targets können beispielsweise in Arc- Verdampfern (US-Patent 3,625,848 oder Erasmus Bode, "Funktio nelle Schichten", Technik Tabellen Verlag, Darmstadt, 1989, Seite 227) eingesetzt werden.Such boron-containing targets can be used, for example, in arc Evaporators (U.S. Patent 3,625,848 or Erasmus Bode, "Funktio nelle strata ", technique table publishing house, Darmstadt, 1989, Page 227) can be used.
Claims (4)
ein borhaltiges Targetmaterial in die Dampfphase überführt wird und
als Prozeßgas ein Xenon und Stickstoff enthaltendes Gas (15) verwendet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Vakuumbeschichten mit einer Lichtbogenbeschichtungsan lage durchgeführt wird.1. A method of applying a cubic boron nitride layer to a substrate by vacuum coating, in which
a boron-containing target material is converted into the vapor phase and
a gas ( 15 ) containing xenon and nitrogen is used as the process gas,
characterized in that
the vacuum coating is carried out with an arc coating system.
Priority Applications (1)
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DE1997108676 DE19708676C2 (en) | 1997-02-21 | 1997-02-21 | Process for applying a cubic boron nitride layer by vacuum coating |
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DE19708676A1 DE19708676A1 (en) | 1998-08-27 |
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