DE3700633C1 - Verfahren und Vorrichtung zum schonenden Beschichten elektrisch leitender Gegenstaends mittels Plasma - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum schonenden Beschichten elektrisch leitender Gegenstaends mittels PlasmaInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schonenden Beschichten mittels
Plasma und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Beschichtung von Gegenständen sind Verfahren bekannt, bei denen das
Material zum Beschichten aus der Dampfphase auf dem Werkstück abgeschieden
wird. Zur Verminderung der Temperaturbelastung durch die auf der Ober
fläche des Werkstückes kondensierenden Dämpfe, bei denen die Konden
sationswärme frei wird, verdampft man das Schichtmaterial im Vakuum. Die
unter der Abkürzung PVD (Physical Vapor Deposition) zusammengefaßten
Verfahren zur Beschichtung von Werkstücken unterscheiden sich u.a. durch
die unterschiedliche Erzeugung des Dampfes. Die Eigenschaften der Be
schichtung lassen sich wesentlich verbessern, wenn die Beschichtung aus
einem Plasmazustand erfolgt. Der ionisierte Dampf kann dann durch äußere
magnetische oder elektrische Felder auf das zu beschichtende Werkstück
beschleunigt werden. Dadurch kann die Aufdampfrate vorteilhaft erhöht
werden.
Die aus einem Plasma abscheidenden Anlagen verursachen unerwünschte hohe
Temperaturbelastungen von Werkstück und Schicht durch die hohe kinetische
Energie der einfallenden Teilchen. Diese hohe Energie führt auch dazu, daß
die Teilchen aus der gerade abgeschiedenen Schicht wieder abgetragen
werden. Diesen Nachteil nutzt ein in DE-PS 22 03 80 beschriebenes Ver
fahren soweit, daß es die Schicht so lange wachsen läßt, bis die Abtrag
rate gleich der Aufwachsgeschwindigkeit ist und damit Schichten gleicher
Dicke unabhängig von der Prozeßdauer herstellbar sind.
In der Mehrzahl der Anwendungsfälle möchte man jedoch ein möglichst hohes
Schichtwachstum erzielen, so daß für diese Anwendungsfälle der Abtrag
durch auftreffende Teilchen und eine ungleichmäßige thermische Belastung
nachteilig wirken. Die nachteiligen Veränderungen der Werkstückoberfläche
durch die einfallenden Ionen bestehen z. B. aus einer Aufrauhung der Ober
fläche oder im Eindringen und der Erzeugung von Fehlstellen sowie im Auf
treten von vorübergehenden elektrischen Ladungen auf der Werkstückober
fläche. Die hohe Stoßzahl von größenordnungsmäßig 1017 Teilchen pro cm2
und Sekunde führt zu einer hohen Bereitschaft für chemische Reaktionen.
In manchen Fällen muß daher mit einem starken Fremdstoffeinbau, d.h. von
anderen Stoffen in den erzeugten Schichten, gerechnet werden. Außerdem
können starke Temperaturänderungen des Werkstückes und der Schicht durch
die hohe kinetische Energie der einfallenden Teilchen bewirkt werden.
Die in den bekannten Anlagen genutzten Plasmen werden überwiegend durch
elektrische Entladungen erzeugt. Diese Entladungen bestehen aus zwei
stromführenden Elektroden, zwischen denen beim Zünden der Entladung das
verdampfte, gasförmige Material zwischen den Elektroden in den Plasma
zustand überführt wird. Zwar gewährleistet der Stromfluß durch das Plasma
dann die Aufrechterhaltung des Plasmazustandes, andererseits führt die zur
Aufrechterhaltung des Plasmazustandes eingespeiste elektrische Energie zu
einer hohen Temperaturbelastung des Ofens und der Werkstücke. Die Ofenwan
dung sowie die zu beschichtenden Werkstücke müssen im allgemeinen gekühlt
werden. Bei Beschichtung unterschiedlicher Gegenstände können diejenigen
Gegenstände mit einer größeren Oberfläche zu Volumen Verhältnis leicht
überhitzt werden. Die Folge ist eine nachteilig hohe Ausschußquote oder
aber höhere Betriebskosten, da nur gleichartige Werkstücke in einer Charge
behandelt werden können. Das Temperaturgefälle zwischen hoher innerer
Ofentemperatur und gekühlter Wandung, die zur Abführung der überschüssigen
Leistung notwendig ist, führt zu unterschiedlichen lokalen Abscheide
bedingungen im Ofen. Die Folge sind qualitativ unterschiedliche Schichten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das die Nachteile
bekannter Verfahren vermeidet und sich stattdessen durch geringere
Betriebskosten, geringere Ausschußquoten, höhere Qualität und verbesserte
Prozeßführungsbedingungen beim Beschichten mittels ionisierter Dämpfe aus
zeichnet.
Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß eine Zufuhr von elektrischer Energie
ins Plasma durch periodisch wiederholte Impulse erfolgt. Diese Verfahrens
weise erlaubt eine vorteilhaft schonende Beschichtung von Gegenständen, da
sie erfindungsgemäß nur noch überraschend geringen Temperaturen ausgesetzt
werden. Gleichzeitig verringern sich die Betriebskosten und Ausschußquoten
vorteilhaft.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Impulse eine
Spannung von mehr als 100 V, insbesondere zwischen 200 und 800 V
aufweisen. Die Impulse vermögen innerhalb der Vakuumkammer ein Plasma
aufrecht zu erhalten, das einerseits die Gefahren zur Bildung von Licht
bögen weitgehend ausschließt und andererseits aber auch ein wirksames
Beschichten von Gegenständen erlaubt. Mit Hilfe derartiger Impulse können
sogar Oberflächenstrukturen von Gegenständen beschichtet werden, die sogar
in Längen zu Durchmesserverhältnis von größer als eins z.B. bei Bohrungen
aufweisen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Impulse
einen Strom aufweisen, der einer Stromdichte im Werkstück zwischen 0.1
mA/cm2 Werkstückoberfläche bis 1 A/cm2, insbesondere 0.5 mA/cm2 aufweisen.
Stromdichten dieser Größenordnungen führen zu hervorragend hohen Wachs
tumsgeschwindigkeiten der Schichten bei wesentlich geringerem Aufwand an
elektrischer Energie.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Impulse
eine Energie aufweisen, deren Dichte während der Dauer eines Impulses
zwischen 1 W und 900 W/cm2, insbesondere 30 W/cm2 entspricht. Durch
die hervorragend weite Spanne, in der die Energiedichte einstellbar ist,
können Gegenstände auch mit sehr unterschiedlichen Geometrien beschichtet
werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß Impulse
jeweils eine Dauer zwischen 10 bis 1000 µs, bevorzugt zwischen 30 und 200
µs keine Energiezufuhr erfolgt. Als praktisch interessante Bereiche haben
sich diese Spannen herausgestellt, wobei die engeren Bereiche eine
besonders sichere und wirtschaftlich vorteilhafte Betriebsweise erlauben.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine mittlere
Energiedichte des Plasmas zwischen 50 mW/cm2 bis 5 W/cm2 frei wählbar ist.
Das Verfahren läßt sich damit an sehr unterschiedlich ausgebildete Gegen
stände anpassen, wobei eine nachteilige Überhitzung der Gegenstände oder
einzelner Teile davon weitgehend vermieden werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Beschich
tung bei einem Druck von weniger als 100 Pa zwischen 0.1 bis 1 Pa erfolgt.
Das Verfahren läßt sich bei ungewöhnlich hohem Druck durchführen, so daß
an die Vakuumkammer keine besonders hohen Anforderungen zu stellen sind.
Besonders günstige Wachstumsverhältnisse für Beschichtungen lassen sich
jedoch im angegebenen niedrigeren Druckbereich erzielen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß dem Plasma ein
äußeres Magnetfeld überlagert wird, insbesondere impulsweise aufgebautes
Magnetfeld. Hierdurch wird eine weitere Erhöhung der Wachstumsgeschwindig
keit der Schicht erreicht. Das Pulsen des Magnetfeldes führt zu einer
vorteilhaften Verringerung des Energiebedarfs.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Syn
chronisierung der Stromimpulse des Plasmas und der Stromimpulse zum Aufbau
des Magnetfeldes erfolgt, insbesondere daß das Magnetfeld in seiner Rich
tung synchron umkehrbar ist. Diese Ausgestaltung dispergiert vorteilhaft
die Dampfatome, wodurch auch besonders schwierig zu beschichtende Gegen
standsformen behandelt werden können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Wärmeein
strahlung ins Plasma von außen erfolgt. Zur Unterstützung von chemischen
Reaktionen im Ofen oder zur Unterstützung von Diffusionsvorgängen kann die
Temperatur durch diese Ausgestaltung besonders genau auf die gewünschte
Temperatur eingestellt und eingehalten werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Impuls ein
Gleichstromimpuls ist. Dadurch läßt sich das Plasma besonders kontrolliert
einstellen und der Materialtransport in weiten Bereichen beeinflussen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine auto
matische Steuerung des Verfahrens mittels eines Prozeßrechners erfolgt.
Die zur Prozeßführung einer bestimmten Charge als optimal ermittelten
Parameter lassen sich vorteilhaft reproduzierbar mit Hilfe des Prozeß
rechners abspeichern und wiederholt bei gleichartigen Chargen zur auto
matisierten Prozeßführung nutzen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Verfahren
bei PVD-Verfahren, insbesondere beim Ionenbeschichten, beim Lichtbogenver
dampfen oder bei Zerstäubungsanlagen angewendet wird. Bei derartigen Ver
fahren, die bisher eine hohe thermische Belastung der zu beschichtenden
Gegenstände zur Folge hatten, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren
besonders vorteilhaft anwenden, da es die Gegenstände schonender
beschichtet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine auto
matische Erkennung einer Lichtbogenentladung im Plasma erfolgt, wobei eine
selbsttätige Abschaltung des Impulses in einer Zeit von weniger als 10 µs
stattfindet. Sogar das ungewollte Auftreten einer Lichtbogenentladung
führt erfindungsgemäß nicht mehr zur nachteiligen Schädigung einer zuvor
aufgebrachten Schicht. Bevor sich die Wirkung eines Lichtbogens ausbilden
kann, wird die Energiezufuhr vorteilhaft abgeschaltet.
Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung vorgesehen, bestehend
aus einer Vakuumkammer, in der ein zu beschichtendes Werkstück und eine
Verdampferquelle sowie eine Anode und eine Kathode zur Erzeugung einer
Glimmentladung mit Verbindungen zu einer elektrischen Energiequelle ange
ordnet sind, z.B. in Form einer Ionenbeschichtungs- oder Sputteranlage,
wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß die Energiequelle als Impuls
stromquelle ausgebildet ist. Dadurch läßt sich der Energieverbrauch der
Gesamtanlage wesentlich verringern und die sonst erforderlichen Kühlein
richtungen kleiner auslegen bzw. ganz ersparen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Impuls
stromquelle einen Leistungsausgang aufweist, der insbesondere aus
Transistoren aufgebaut ist, mit einer Ausgangsspannung von mehr als 100 V,
insbesondere 200 bis 800 V ausgebildet ist und eine Schaltzeit von weniger
als 5 µs aufweist. Die Transistoren bieten besonders günstige Schaltzeiten
bei hohen Spannungen, so daß vorteilhaft günstige Impulsformen erreichbar
sind, die einer Rechteckform weitgehend angenähert sind und eine präzise
Prozeßführung erlauben.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Strom
quelle eine Steuerung mit einer Lichtbogensensorschaltung aufweist und daß
die Lichtbogensensorschaltung eine Wirkverbindung zur Stromquelle auf
weist, um diese beim Auftreten von Lichtbögen abzuschalten. Dadurch wird
der Betrieb der Anlage sicherer und die Ausschußquote weiter günstig
beeinflußt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Anlage ein
Magnetron, insbesondere ein planares Magnetron, aufweist, das mit einer
Impulsstromversorgung ausgerüstet ist. So kann bei relativ geringem
Leistungsbedarf ein hohes Schichtwachstum erreicht werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Wand der
Vakuumkammer beheizbar ausgebildet ist. Dadurch lassen sich die Wachstums
bedingungen besonders genau und gleichmäßig einstellen. Auch Gegenstände
mit unterschiedlich ausgebildetem Oberflächen/Volumen-Verhältnis lassen
sich in gleicher Charge beschichten.
Die Erfindung wird in Zeichnungen beschrieben, woraus weitere vorteilhafte
Einzelheiten zu entnehmen sind.
Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:
Fig. 1 bis 3 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei ver
schiedenen Beschichtungsprozessen, insbesondere
Fig. 1 bei der Zerstäubung (sputtering),
Fig. 2 bei der Ionenbeschichtung (ion plating),
Fig. 3 bei der Lichtbogenverdampfung,
Fig. 4 die Spannungs-Stromdichte-Kennlinie einer Glimmentladung
Fig. 5 die Leistungscharakteristik eines Plasmas
Fig. 6 eine Gegenüberstellung von Werkstückchargen bei bekanntem und
erfindungsgemäßem Verfahren.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Beschichtungsanlage, die nach dem Prinzip
der Zerstäubung arbeitet, ein auch unter dem Begriff "Sputtern" bekanntes
Verfahren. Der Beschichtungsvorgang findet in einer mit 1 bezeichneten
Vakuumkammer statt, die über einen Rohrleitungsanschluß 2 mit einer
Vakuumpumpe verbunden ist. Beim Zerstäuben wird die Oberfläche eines als
Kathode geschalteten Ziels, das aus dem Beschichtungsmaterial besteht, mit
energiereichen Ionen beschossen. Die Energiedichte beträgt dabei etwa 3
W/cm2 und der Gasdruck einige Pa. Das plasmabildende Gas wird über den
Rohranschluß 6 in die Kammer 1 gelassen. Mit 4 ist eine Abschirmung hinter
dem Ziel 3 bezeichnet. Zur Beschleunigung der Ionen auf das Ziel, wo durch
den Ionenstoß das Beschichtungsmaterial aus dem Ziel herausgelöst wird,
dient die zwischen den Anschlüssen 7 und 8 angelegte Spannung, die von der
erfindungsgemäßen Impulsspannungsquelle 9 erzeugt wird.
Fig. 2 zeigt den Einsatz der erfindungsgemäßen Impulsspannungsquelle 9
bei der Ionenbeschichtung (Ion Plating). Funktional vergleichbare Anlagen
teile sind wie in Fig. 1 bezeichnet. Bei der Ionenbeschichtung ist das
Werkstück 5 als Kathode geschaltet. Hinter ihm befindet sich die Abschir
mung 4. Die über Rohranschluß 2 evakuierbare Vakuumkammer 1 kann über den
Füllrohranschluß 6 mit Gas befüllt werden. Des weiteren befindet sich eine
mit der Anode 10 verbundene Verdampferquelle 11. Zwischen der Anode 10 und
dem Werkstück 5 wird ein Glimmentladungsplasma 12 erzeugt, das von der
erfindungsgemäßen Impulsspannungsquelle 9 aufrechterhalten wird. Die
Dampferzeugung erfolgt mit Hilfe der Verdampferquelle 11 in Anwesenheit
des Glimmentladungsplasmas 12, wobei von dem als Kathode geschalteten
Werkstück beim Beschichten durch die energiereichen Ionen die aufge
wachsene Schicht teilweise mit geringerer Rate wieder abgestäubt wird. Das
Werkstück befindet sich im Abstand ca. 20-50 cm von der Verdampfer
quelle. Am Werkstückträger liegt eine negative Hochspannung von 100 bis
1000 V. Die Stromdichte beträgt ca. 0.5 mA/cm2. Der Gasdruck von einigen
Pa bewirkt Streuungen von Dampfatomen, so daß beliebige Formen beschichtet
werden können.
Eine Variante des Ionenbeschichtens zeigt Fig. 3, bei dem die Verdampfung
mittels Lichtbogen erfolgt. Dazu sind in Fig. 3 innerhalb der Vakuum
kammer 1 Verdampferquellen 13 angeordnet, die üblicherweise als Kathode
geschaltet sind. Die über die Oberfläche der Verdampfungsquelle 13 laufen
den elektrischen Lichtbögen haben eine Stromstärke von ca. 60-400 A bei
etwa 20 V. An den Fußpunkten der Bögen kommt es zur lokalen Überhitzung
und damit einer Verdampfung des Beschichtungsmaterials.
Ein großer Teil des Dampfes, etwa 90%, ist ionisiert und hat eine hohe
Anfangsenergie von ca. einigen 10 eV. Der Ionenanteil wird durch die mit
negativer Vorspannung beaufschlagten Werkstücke 5, die also als Kathode
geschaltet sind, noch zusätzlich auf diese zubeschleunigt. Die Beschich
tung wird gewöhnlich bei einem Druck von einigen Pa durchgeführt. Auch
hier kann mit der Impulsspannungsquelle 9 die Beschleunigung der Ionen in
großem Umfang beeinflußt werden.
Vorteilhaft beim Sputtern ist die Erhöhung der Plasmadichte über der
Quelle mit Hilfe eines magnetischen Feldes. Dieses wird erzeugt durch das
sog. Magnetron, z.B. ein Planar-Magnetron. Erreicht wird diese hohe
Plasmadichte durch eine spezielle Anordnung eines elektrischen und eines
magnetischen Feldes über dem Werkstückträger hoher Leistung. Das Magnet
feld bildet dabei einen geschlossenen halbtorusförmigen Schlauch und, da
die Feldlinien an der Targetoberfläche aus- und eintreten, eine Elek
tronenquelle. Außerhalb dieses Schlauches werden Elektronen auf zykloiden
Bahnen beschleunigt, wodurch ihr wirksamer Ionisierungsweg wesentlich
verlängert wird. Der Raum, in dem die Ionisation stattfindet, ist direkt
bei dem Target und bewirkt so die hohe Plasmadichte. Infolge der negativen
Vorspannung des Targets werden aus dem Plasma Ionen gegen das Teil
beschleunigt, welche dieses zerstäuben. Auch hier erleichtert die gepulste
Zufuhr von Energie in das elektrische und in das magnetische Feld die
Steuerung des Beschichtungsprozesses und erhöht die Aufdampfraten.
Allen in Fig. 1-3 beschriebenen Verfahren ist gemeinsam, daß in ihnen
eine Glimmentladung stattfindet. Die Kennlinie einer solchen Glimmentla
dung ist in Fig. 4 dargestellt. Die Abszisse 14 kennzeichnet dabei die
Stromdichte und die Ordinate 15 die Spannung. Der Graph 16 gliedert sich
in 7 deutlich unterscheidbare Bereiche, die fortlaufend mit den Ziffern 17-23
gekennzeichnet sind. Das Verfahren nutzt dabei den mit 21 gekenn
zeichneten Bereich der anomalen Glimmentladung, der sich durch höhere
Stromdichte und höhere Spannung von dem mit 20 bezeichneten Bereich der
normalen Glimmentladung unterscheidet. Die übliche Lichtbogenentladung
findet im Bereich 23 statt. Durch die im Bereich 21 vorhandenen hohen
Spannungen wie auch hohen Stromdichten ist der Energiefluß des Plasmas be
sonders intensiv.
Durch den, den Plasmazustand erhaltenen Stromfluß, wandern die positiven
Ionen zur negativen Kathode und die Elektronen in umgekehrter Richtung.
Der Stromfluß durch das Plasma belastet aber auch stark die zu be
schichtenden Werkstücke. Da zur Aufrechterhaltung des Plasmas eine
Mindestspannung erforderlich ist, erfahren die Ionen auch eine Beschleuni
gung, die bei bekannten Verfahren zu einem teilweisen Zerstäuben der auf
gebrachten Schichten führt.
Fig. 5 zeigt dagegen die Leistungscharakteristik eines Plasmas nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren, die eine wesentlich schonendere Beschichtung
von Werkstücken ermöglicht. Überraschenderweise erhält die erfindungs
gemäße Leistungscharakteristik die physikalischen Bedingungen für die
anomale Glimmentladung in der Ofenatmosphäre aufrecht. Die Temperaturbe
lastung des Substrats beim Beschichten wird erstaunlich gering gehalten
bzw. innerhalb genau kontrollierbarer Grenzen gehalten.
Es bildet sich eine vorteilhaft gleichmäßige Temperaturverteilung im
Reaktionsraum aus. Die Entstehung von Lichtbögen wird darüberhinaus durch
das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich vermindert.
Da nur eine sehr geringe Bandbreite innerhalb des Bereichs der anomalen
Glimmentladung genutzt werden kann, welche sich noch weiter bei höheren
Verfahrensdrücken innerhalb der Vakuumkammer verkleinert, bereitet das
Beschichten unterschiedlicher Werkstücke in einem Arbeitsgang besondere
Schwierigkeiten. Es besteht insbesondere die Gefahr, daß kleine Teile mit
einem großen Oberflächen/Volumen-Verhältnis leicht überhitzt werden.
Andererseits kann auch der Energiefluß durch das Plasma nicht beliebig
niedrig eingestellt werden, da sonst das Plasma zusammenbricht.
Erfindungsgemäß wird die Leistung pulsweise von einer Pulsspannungsquelle
in das Plasma eingebracht. In Fig. 5 besitzen die einzelnen Spannungs
pulse 24 eine Spitzenspannung 25, die den Bedingungen für die anomale
Glimmentladung im Bereich 21 der Fig. 4 gerecht werden. Üblicherweise ist
die Dauer 26 des Spannungsimpulses 24 ca. 10 µs. In Fig. 5 bezeichnet die
Abszisse 27 die Zeitachse, während die Ordinate 28 die Leistung darstellt.
Die Leistung der einzelnen Impulse 24 kann zwischen einer minimalen
Leistung p min und einer maximalen Leistung p max variiert werden. Diese
Leistungswerte entsprechend den beiden Endpunkten des Bereiches 21 der
anomalen Glimmentladung aus Fig. 4. Die Höhe des Leistungsimpulses 25
entspricht der erforderlichen Leistung des Plasmas p pla . Die Höhe p temp
entspricht der erforderlichen Leistung zur Aufrechterhaltung der Tempe
ratur im Reaktionsraum. Dieser Energieeintrag, repräsentiert durch die
Fläche 29, entspricht der Gesamtfläche der einzelnen Impulse 24. Gegenüber
einer Gleichspannungsversorgung repräsentiert die Fläche 29 eine wesent
lich geringere Energie. Durch Variation der Pausen zwischen den Impulsen
kann
der Energieeintrag in überraschend weiten Bereichen geändert werden. Der
minimale Energieeintrag dient nicht zur Aufrechterhaltung des Plasmas
sondern zur Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Temperatur. Um eine
gleichmäßige Temperatur innerhalb der Anlage zu erreichen, muß der
Energieeintrag p temp mindestens so hoch sein, wie der Betrag der Wärme
verluste der Anlage.
Fig. 5 zeigt als ideale Pulsform den Rechteckimpuls, wobei die Versor
gungsleistung möglichst kurzfristig von Null auf den erforderlichen Wert
ansteigt und genauso abrupt abfällt. Die Pulsdauer ist kleiner als 100 µs
gewählt. Überraschenderweise bilden sich innerhalb dieser Zeitdauer auch
wesentlich seltener Lichtbögen. Die Dauer der Pause zwischen zwei Impulsen
ist so kurz gewählt, daß sie typischerweise kleiner als einige 100 µs ist.
Trotzdem zündet die Glimmentladung leicht beim nächsten Impuls.
Das Verhältnis zwischen Pulsdauer zu Pausendauer kann in der Anlage in
weiten Bereichen verändert werden, so daß man teilweise vollständig auf
eine Kühlung der Kammerwandung verzichten kann und sogar zu einer Fremdbe
heizung der Kammerwandung übergehen kann. Dies macht sich dann in einer
besseren Temperaturverteilung innerhalb der Charge bemerkbar.
Fig. 6 zeigt in der oberen Hälfte links der strichpunktierten Linie
schematisch einen Ofen mit kalter Wandung 30 und rechts davon einen iso
lierten Ofen, also mit heißer Wandung 31. Auf dem Werkstückträger 5 sind
vertikal verschiedene zu beschichtende Werkstücke 32 angeordnet. Den Ofen
wandungen entsprechend bilden sich auch unterschiedliche Temperaturprofile
aus. Der Graph des Temperaturprofils bei heißer Wandung ist mit 33 und der
bei kalter Wandung mit 34 bezeichnet. Die Ordinate dabei ist mit temp.
bezeichnet. Fig. 6 zeigt damit die Temperaturverteilung innerhalb des
Ofens über dem als Abszisse dargestellten Ort. Deutlich ist das wesentlich
gleichmäßigere Temperaturprofil 33 erkennbar, bei dem die Temperatur erst
innerhalb der Isolation von der Ofentemperatur nach außen zur Umgebungs
temperatur abfällt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich deshalb durch einen wesent
lich verringerten Ausschuß aus. Es läßt sich darüberhinaus auch in weiten
Grenzen steuern, so daß es sich zur Automatisierung anbietet. Außerdem
weist es auch geringere Betriebskosten auf. Trotzdem werden höhere
Beschichtungsleistungen ermöglicht, da die Belastung des Substrates durch
den Ionenbeschuß geringer ist und deshalb weniger Teilchen aus dem
Substrat bzw. aus der Beschichtung wieder herausgeschlagen werden.
Claims (21)
1. Verfahren zum schonenden Beschichten elektrisch leitender Gegenstände
nach PVD-Verfahren mittels ionisierter Dämpfe aus dem Gleichspan
nungsplasma einer Glimmentladung, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zufuhr elektrischer Energie mit periodisch wiederholten Gleichstrom
impulsen durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Impulse mit
einer Spannung von mehr als 100 V, insbesondere zwischen 200 und 800
V, verwendet werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Impulsstrom mit einer Stromdichte von 0.1 mA/cm2 bis 1 A/cm2, ins
besondere 0.5 mA/cm2 am Werkstück eingesetzt wird.
4. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß Impulse mit einer Energiedichte von 1 bis 900 W/cm2, insbesondere
30 W/cm2, eingesetzt werden.
5. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß Impulsdauern zwischen 10 und 1000 µs, insbesondere 30 bis 200 µs,
eingesetzt werden.
6. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß für die energiefreie Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden
Impulsen zwischen 10 und 1000 µs, insbesondere 30 bis 200 µs, benutzt
werden.
7. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß für die mittlere Plasmaenergiedichte Werte zwischen 50 mW/cm2 und
5 W/cm2 benutzt werden.
8. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Drücken von weniger als 100 Pa, insbesondere bei 0.1 bis 1 Pa
beschichtet wird.
9. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Plasma ein äußeres Magnetfeld überlagert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impuls
magnetfeld benutzt wird.
11. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromimpulse zum Aufbau von Plasma und Magnetfeld synchroni
siert werden.
12. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetfeldrichtung synchron umgekehrt wird.
13. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß in das Plasma von außen Wärme eingestrahlt wird.
14. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß das Beschichtungsverfahren mittels Prozeßrechner gesteuert wird.
15. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Lichtbogenentladung im Plasma automatisch erkannt und inner
halb von weniger als 10 µs die Impulse selbsttätig abgeschaltet
werden.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 15 mit einer Vakuumkammer, in der das zu be
schichtende Werkstück, eine Verdampferquelle sowie Anode und Kathode
zur Glimmentladungserzeugung mit Verbindungen zu einer elektrischen
Energiequelle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die
Energiequelle eine Impulsstromquelle ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Impuls
stromquelle einen Leistungsausgang, insbesondere aus Transistoren, mit
einer Ausgangsspannung von mehr als 100 V, insbesondere 200 bis 800 V,
und einer Schaltzeit von weniger als 5 µs aufweist.
18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stromquelle eine Steuerung mit einer Lichtbogensensorschaltung
aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht
bogensensorschaltung eine Wirkverbindung zur Stromquelle aufweist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein
Magnetron, insbesondere ein planares Magnetron mit Impulsstromversor
gung, aufweist.
21. Vorrichtung nach den Ansprüchen 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wandung der Vakuumkammer beheizbar ausgebildet ist.
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