DE4228499C1 - Verfahren und Einrichtung zur plasmagestützten Beschichtung von Substraten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur plasmagestützten Beschichtung von Substraten mittels eines Vakuumbogenverdampfers.

Unter den Beschichtungsverfahren zur plasmagestützten Be­ schichtung von Substraten zeichnet sich der Vakuumbogenver­ dampfer insbesondere durch seine hohe Erosionsrate aus. Des weiteren können mit dem Vakuumbogenverdampfer nahezu alle leitfähigen Materialien verdampft werden. Die Lage des Tar­ gets innerhalb der Beschichtungskammer kann beliebig sein, da kein Schmelzbad des Verdampfungsmaterials im eigentlichen Sinne vorhanden ist. Wegen des fehlenden Schmelzbades wird der Vakuumbogenverdampfer auch als Kaltkatodenverdampfer bezeichnet.

Weniger günstig ist beim Vakuumbogenverdampfer in der Regel die für viele Prozesse nicht ausreichende Dichte des Plasmas. Der Ionenbeschuß der Substrate aus dem Plasma einer Vakuum­ bogenentladung zum Zwecke einer Ionenbeschußreinigung ist nur begrenzt mit Metallionen möglich. In gleicher Weise ist auch die Heizung der Substrate aus dem Plasma nur bedingt möglich. Die geringe Plasmadichte begrenzt die Aktivierung des Träger­ gases bzw. des Reaktivgases. Zum Heizen der Substrate müssen in der Regel zusätzliche Einrichtungen vorhanden sein.

In der DE 41 25 365 C1 wird eine Lichtbogen-Beschichtungsanlage beschrieben, die eine zusätzliche Anode aufweist, die durch eine gesonderte Stromquelle auf einer Spannung gehalten wird, die höher ist als diejenige, mit der die Verdampfer betrieben werden. Die Reinigung und Erwärmung der Substrate erfolgt durch Beschuß mit Ionen, die mittels der zusätzlichen Anode durch Absaugen von Elektronen aus dem Plasma der Lichtboge­ nentladung generiert werden. Die zusätzliche Anode muß mög­ lichst gleichmäßig gegenüber dem Verdampfer und den Substra­ ten ausgerichtet sein. Zur Vermeidung von unerwünschten Beschichtungen der Substrate während der Ionenbeschußreini­ gung werden die Verdampfer zusätzlich abgeschirmt.

Nach dem Stand der Technik sind neben der plasmagestützten Beschichtung mit einem Vakuumbogen-Verdampfer weitere ver­ schiedene Beschichtungsverfahren mit unterschiedlicher Ver­ fahrensführung zur Ionenreinigung, zum Aufheizen der Sub­ strate und zum Beschichten bekannt. So gibt die DD 1 35 216 ein Verfahren an, bei dem in der Vakuumkammer während des gesam­ ten Prozesses eine plasmaerzeugende Hilfseinrichtung, z. B. eine Niedervoltbogenentladung oder Hohlkatodenbogenentladung, in Betrieb ist. Die Substrate werden an unterschiedliche Potentiale gelegt und der Substratstrom ist entsprechend der erforderlichen Verfahrensparameter einstellbar. Damit kann der Ionenbeschuß auf die Substrate zur Reinigung erhöht und während der Beschichtung aus einem e-Strahl-Verdampfer auf die erforderlichen Werte reduziert werden.

Die DD 2 33 278 gibt eine Schaltungsanordnung zur Regelung des Substratpotentials bei einem plasmagestützten Vakuumbeschich­ tungsverfahren mit Bogenentladung an. Die Substrate können wahlweise oder im Wechsel zum Zwecke der Aufheizung mit der Anode und zum Zwecke der Beschichtung mit der Katode der Bogenentladungseinrichtung verbunden werden. Zum Zwecke der Ionenbeschußreinigung können die Substrate an eine gesonderte Gleichspannungsquelle geschaltet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur plasmagestützten Beschichtung von Substraten mittels eines Vakuumbogenverdampfers zu schaffen, bei dem die Plasmadichte in der Beschichtungskammer für den Prozeß der Beschichtung mit einem Vakuumbogenverdampfer wesentlich erhöht wird. Des weiteren hat die Erfindung die Aufgabe eine Einrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.

Die Erfindung löst die Aufgabe mit den Merkmalen der Patent­ ansprüche 1 und 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 bzw. im Anspruch 10 angegeben.

Die erfindungsgemäße zusätzliche Erzeugung einer Niedervolt­ bogenentladung in der Beschichtungskammer zur Beschichtung der Substrate mittels eines Vakuumbogenverdampfers schafft für den Gesamtprozeß der Beschichtung mit dem Material des Targets eines Vakuumbogenverdampfer, bzw. eines Reaktions­ produktes aus diesem Material und einem Reaktivgas, we­ sentlich bessere Bedingungen. Während die Vakuumbogenentla­ dung zwischen dem Target des Vakuumbogenverdampfers und der anodischen Elektrode im wesentlichen im Metalldampf brennt, brennt die Bogenentladung einer Niedervoltbogenentladung in einem Trägergas. Dabei ist das Plasma einer Niedervoltbo­ genentladung für die Vorbehandlungsprozesse einer Beschich­ tung günstiger. Die Substrate können sehr vorteilhaft durch Beschuß mit Argonionen, dem am häufigsten eingesetzten Trä­ gergas für die Niedervoltbogenentladung, einer Ionenreini­ gung unterzogen werden. Die Leistung eines derartigen Bogens und damit die Plasmadichte kann vorteilhaft geregelt werden. Ein wesentlicher Vorteil besteht auch darin, daß aufgrund der hohen Plasmadichte die Substrate durch Elektronenbeschuß direkt aus dem Plasma aufgeheizt werden können. Während der Vorbehandlungsprozesse kann zwar auch bereits der Vakuumbo­ genverdampfer gezündet werden, jedoch ist das überflüssig. Erst, wenn die Substratreinigung abgeschlossen ist, wird ohne Unterbrechung der Niedervoltbogenentladung, die Vakuum­ bogenentladung zwischen dem Target des Vakuumbogenverdamp­ fers und der anodischen Elektrode gezündet. Während die Vor­ behandlungsprozesse in der Regel ausschließlich in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt werden, kann während der Beschichtung im Bedarfsfall auch ein Reaktivgas in das Ar­ beitsgas eingemischt werden. Ohne daß die einzelnen kompli­ zierten Verhältnisse einer derartigen erfindungsgemäßen plasmagestützten Beschichtung detailliert beschrieben werden können, wurden wesentliche Verbesserungen der abgeschiedenen Schichten festgestellt. Ein Grund der Verbesserung der Schichteigenschaften besteht darin, daß der Metalldampf durch das Niedervoltplasma nachionisiert wird und ein we­ sentlich höherer Anteil des Trägergases, insbesondere das Reaktivgas, ionisiert wird.

Als vorteilhaft hat sich eine Niedervoltbogenentladung mit einer Bogenspannung zwischen 25 und 40 V, vorzugsweise bei 30 V, erwiesen. Die Bogenspannung kann neben der elektri­ schen Regelung auch über den Arbeitsdruck in der Beschich­ tungskammer eingestellt werden. Die Bogenspannung einer Va­ kuumbogenentladung liegt regelmäßig unbeeinflußbar zwischen 20 und 22 V.

Das Niedervoltplasma kann sowohl durch eine Glühkatodenent­ ladung wie durch eine Hohlkatodenbogenentladung erzeugt wer­ den. Beim Einsatz einer Hohlkatodenbogenentladung kann zu­ sätzlich über den Gasfluß durch die Hohlkatode auf den Ge­ samtprozeß eingewirkt werden.

Im Bedarfsfall kann das Verfahren auch zum Abscheiden von zwei oder mehreren Materialien von verschiedenen Vakuumbo­ genverdampfern gleichzeitig, nacheinander oder periodisch eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Realisierung des Ver­ fahrens wird beispielhaft im Ausführungsbeispiel erläutert.

Die erfindungsgemäß abgeschiedenen Schichten haben eine hö­ here Haftfestigkeit und eine höhere Dichte. Die höhere Dich­ te führt zu einer höheren Härte, besseren Homogenität und besserer Verschleißfestigkeit. Des weiteren konnte eine bes­ sere Reproduzierbarkeit der Abscheidungsprozesse festge­ stellt werden. Nachfolgend soll die Erfindung an einem Aus­ führungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Beschichtungskammer mit einem Vakuumbo­ genverdampfer und einer zusätzlichen Hohlkatode.

Innerhalb einer Beschichtungskammer 1 mit einem Evakuie­ rungsanschluß 2 befindet sich am Kammerboden ein Substrat­ träger 3 mit Planetenbewegung, auf dem die Substrate 4 ge­ haltert sind. Ein Vakuumbogenverdampfer 5 befindet sich den Substraten 4 unmittelbar gegenüber an der Oberseite der Be­ schichtungskammer 1. Als Anode der Vakuumbogenentladung ist an der Seite eine anodische Elektrode 6 angeordnet. Auf der anderen Seite befindet sich eine Hohlkatode 7. Die Pluspole der Stromquelle 8 des Vakuumbogenverdampfers 5 und der Stromquelle 9 der Hohlkatode 7 sind miteinander verbunden und an die anodische Elektrode 2 angeschlossen. Die Substra­ te 4 werden für einzelnen Prozeßschritte über einen Schalter 10 jeweils an andere Potentiale angeschlossen. Im Beispiel wird der Schalter 10 zum Zwecke der Ionenreinigung in die Position 11 gebracht und ist dadurch mit einer gesonderten Bias-Spannungsquelle 12 verbunden, die die Substrate auf eine negative Spannung von etwa -200 V legt. Zum Aufheizen der Substrate 4 wird der Schalter 10 in die Stellung 13 ge­ bracht. Damit sind die Substrate 4 direkt an die Pluspole der beiden Stromquellen 8 und 9 angeschlossen. Dabei kann der Schalter 14 geöffnet werden, damit die Bogenentladung der Niedervoltbogenentladung direkt gegen die Substrate 4 bzw. den Substratträger 3 brennt. Während der Beschichtung wird der Schalter 10 in die Position 15 geschaltet und die Substrate 4 liegen am negativen Potential der Hohlkatode 7.

Der Einlaß des Trägergases für die Niedervoltbogenentladung erfolgt über das Ventil 16 direkt durch die Hohlkatode 7. Der Einlaß für ein Reaktivgas erfolgt über das Ventil 17.

Nachfolgend wird die Abscheidung einer Titannitrid-Schicht in der erfindungsgemäßen Einrichtung erläutert.

Innerhalb der Beschichtungskammer 1 wird nach dem Evakuieren im ersten Verfahrensschritt eine Hohlkatodenbogenentladung zwischen der Hohlkatode 7 und der anodischen Elektrode 6 gezündet. Dazu wird über das Ventil 16 Argon durch die Hohl­ katode 7 in die Beschichtungskammer 1 eingelassen.

Der Argonzufluß ist so eingestellt, daß in der Beschich­ tungskammer 1 bei ständigem Evakuieren ein Druck von 0,8 Pa aufrechterhalten wird. Die elektrische Leistung für die Hohlkatodenbogenentladung wird über die Stromquelle 9 be­ reitgestellt. Der Strom der Hohlkatodenbogenentladung wird auf 60 A konstant gehalten. Bei den beschriebenen Druckver­ hältnissen stellt sich eine Bogenspannung von 35 V zwischen der anodischen Elektrode 6 und der Spitze der Hohlkatode 7 ein. Bei Abweichungen wird über die Veränderung des Arbeits­ druckes durch die Regelung des Argonzuflusses über das Ven­ til 16 die Spannung auf den Sollwert eingestellt. Unter die­ sen Bedingungen stellt sich in der Beschichtungskammer 1 ein gleichmäßig verteiltes Plasma ein. Die Substrate 4 sind über die Stellung 11 des Schalters 10 mit einer Spannungsquelle 12 verbunden. Das Potential beträgt etwa -200 V und es er­ folgt ein intensiver Ionenbeschuß auf die Substrate 4 wie auf den Substrathalter 3. In Abhängigkeit deren Oberflächen­ größe stellt sich ein Strom von 1 bis 5 A ein. Der Ionenbe­ schuß, auch Ionenätzen genannt, wird über 10 bis 20 Minuten aufrechterhalten. Dabei werden die Substrate 4 gereinigt und allmählich aufgeheizt. Zusätzliche Heizelemente sind zur Erreichung der optimalen Beschichtungstemperatur nicht er­ forderlich. Übliche Substrate, z. B. Schneidwerkzeuge durch­ schnittlicher Größe, können durch das Plasma der Hohlkato­ tenbogenentladung leicht auf 300 bis 400°C aufgeheizt werden. Bei Substraten mit größerer Masse wird zusätzlich durch Elektronenstoß geheizt. Dazu werden die Substrate über den Schalter 10, der in die Stellung 13 gebracht wird, unmittel­ bar mit dem positivem Pol der Stromquelle 9 der Hohlkatode 7 verbunden. Der Schalter 14 wird während dieser Zeit geöff­ net. Nach Erreichen der Beschichtungstemperatur der Substra­ te 4 sind die Vorbereitungsprozesse abgeschlossen und es folgt der eigentliche Beschichtungsprozeß. Dazu wird in die Beschichtungskammer 1 über das Regelventil 17 Stickstoff als Reaktivgas zur Bildung des Titannitrid eingelassen. Für die Abscheidung von TiN-Schichten auf Schneidwerkzeugen, wie Spialbohrer, sind etwa 0,2 l/min N₂-Einlaß erforderlich.

Unter Beibehaltung der Hohlkatodenbogenentladung wird der Vakuumbogenverdampfer 5 gezündet. Die elektrische Lei­ stung wird von der Stromquelle 8 bereitgestellt, deren Plus­ pol mit der anodischen Elektrode 6 und deren Minuspol direkt mit dem Target 18 des Vakuumbogenverdampfers 5 verbunden ist. Die Vakuumbogenentladung brennt mit typisch 20 bis 22 V bei 80 A im Metallplasma des erodierenden Targetmaterials, im Beispiel Titan. Mit der Zündung des Vakuumbogenverdampfers 5 wird der Schalter 10 in die Position 15 gelegt. Die Substrate liegen zur Beschichtung am kathodischen Potential der Hohlka­ tode 7. Die Erosionsraten der Vakuumbogenverdampfung betragen bei 60 A etwa 0,1 g/min. Der weitere Prozeß verläuft in be­ kannter Weise.

Im Unterschied zu den bekannten Beschichtungsverfahren mit einem Vakuumbogenverdampfer brennt der Vakuumbogen gegen die spezielle anodischen Elektrode 6, die auch die Gegenelektrode für die gleichzeitig brennende Hohlkatodenbogenentladung ist. Die Substrate sind während der Beschichtung zugleich dem Plasma der Hohlkatodenbogenentladung, das im Träger- bzw. Reaktivgas brennt, und dem Metallplasma der Vakuumbogenentla­ dung ausgesetzt. Die Ionisierung in unmittelbarer Nähe der Substrate 4 ist durch die komplexe Ionisierung des Metall­ dampfes und des Rest- bzw. Reaktivgases um ein Mehrfaches höher als bei bekannten Lösungen.

Die im Beispiel abgeschiedenen TiN-Schicht zeichnet sich durch eine hohe Härte und bessere Haftfestigkeit aus. Bemer­ kenswert ist eine hohe Reproduzierbarkeit der Schichtab­ scheidung.

Claims (10)

1. Verfahren zur plasmagestützten Beschichtung von Sub­ straten (4) mittels eines Vakuumbogenverdampfers, da­ durch gekennzeichnet, daß in einer evakuierten Be­ schichtungskammer (1) zwischen einer Katode und einer anodischen Elektrode (6) eine Niedervoltbogenentladung gezündet wird, daß die Substrate (4) an ein negatives Potential gelegt werden, so daß das Plasma der Nieder­ voltbogenentladung zum Zwecke des Ionen- und Elektro­ nenbeschusses auf die Substrate (4) einwirkt, daß ein Target (18) aus einem Beschichtungsmaterial gegenüber der anodischen Elektrode (6) auf negatives Potential gelegt und eine Vakuumbogenentladung zwischen dem Tar­ get (18) und der anodischen Elektrode (6) gezündet wird und daß die Niedervoltbogenentladung wie die Vakuumbo­ genentladung für die Dauer der plasmagestützten Be­ schichtung aufrechterhalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anodische Elektrode (6) sowohl mit dem positiven Pol der Stromquelle für die Niedervoltbogenentladung wie auch mit dem positivem Pol der Stromquelle für die Vakuumbogenentladung verbunden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedervoltbogenentladung zwischen einer Hohlkatode (7) und der anodischen Elektrode (6) aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenspannung der Niedervoltbogenentladung in der Beschichtungskammer (1) auf einem Wert zwischen 25 und 40 V, vorzugsweise 30 V, eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenspannung der Niedervoltbogenentladung durch Verändern des Arbeitsdruckes eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate (4) nach dem Zünden der Vakuumbogenentla­ dung mit der Katode der Niedervoltbogenentladung elek­ trisch verbunden werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Targets (18) aus gleichem oder ver­ schiedenem Beschichtungsmaterial gleichzeitig, nachein­ ander oder periodisch gegenüber der anodischen Elek­ trode (6) auf kathodisches Potential gelegt werden und jeweils Vakuumbogenentladungen zwischen den jeweiligen Targets (18) und der anodischen Elektrode (6) gezündet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Zünden der Vakuumbogenentladung ein oder meh­ rere Reaktivgase in die Beschichtungskammer (1) einge­ lassen werden.

9. Einrichtung zur plasmagestützten Beschichtung von Sub­ straten (3) mittels Vakuumbogenverdampfer, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Beschichtungskammer (1) eine separate Elektrode (6) angeordnet ist, die sowohl für den Vakuumbogenverdampfer (5) wie gegenüber einer Kato­ de einer Niedervoltplasmaquelle als Anode geschaltet ist, derart daß die anodische Elektrode (6) jeweils mit den Pluspolen der Stromquellen (8 und 9) für die Nie­ dervoltplasmaquelle und den Vakuumbogenverdampfer (5) verbunden ist und daß die Substrate (4) mit einer Schalteinrichtung (10) zur Umschaltung des Substratpo­ tentials verbunden sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (10) zur Veränderung des Potentials der Substrate (4) Schaltstufen (11, 13, 15) aufweist, die wahlweise die Substrate (4) mit der Kato­ de der Niedervoltplasmaquelle, mit einer Spannungsquel­ le (12) mit kathodischem Potential oder mit dem positi­ ven Potential der Stromquelle (9) der Niedervoltplasma­ quelle verbindet.