CH657381A5 - Verfahren und vorrichtung zum beschichten von formteilen durch katodenzerstaeubung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Formteilen mit dreidimensionaler Beschichtungsfläche durch Katodenzerstäubung von Targetmaterial einer ersten Katodenanordnung mit Konzentration eines ersten Entladungsraums (Plasmawolke) im Bereich der Targetoberfläche durch ein gegenüber dem Target räumlich geschlossenes erstes Magnetfeld (Plasmafalle).

Ein analoges Beschichtungsverfahren für Substrate mit zweidimensionaler Beschichtungsfläche ist beispielsweise durch die DE-OS 2 243 708 bekannt. Wegen der bevorzugten Wanderungsrichtung der abgestäubten Ionen ist mit dem bekannten Verfahren bzw. mit der bekannten Vorrichtung eine Beschichtung von Formteilen nicht oder mit Einschränkungen nur dann möglich, wenn die Formteile eine kontinuierliche Drehbewegung gegenüber der Katodenanordnung ausführen. Mit einer solchen überlagerten Drehbewegung können aber auch im wesentlichen nur die äusseren Umfangsflächen der sich drehenden Körper beschichtet werden, während die Stirnflächen keinen ausreichenden Niederschlag des Schichtmaterials erhalten. Will man dies zusätzlich erreichen, so müssen Substrathalter verwendet werden, die komplizierte zusammengesetzte Bewegungen um drei verschiedene Achsen ermöglichen. Die Antriebsvorrichtungen für derartige Substrathalter sind aufwendig und erlauben nur eine sehr geringe Kapazität der Vorrichtung. Der Gund hierfür ist darin zu sehen, dass die Substrate im wesentlichen nur aus einer Richtung beschichtet werden, so dass sich der Beschichtungsvorgang zeitlich in die Länge zieht. Ausserdem ist die Beschickung derartiger Substrathalter wegen der notwendigen Befestigung der Substrate umständlich. Für kontinuierliche Durchlaufanlagen scheiden solche Substrathalter in der Regel aus.

Im Vergleich zum sogenannten Vakuum-Aufdampfverfahren, bei dem sich die verdampften Partikel geradlinig von der Dampfquelle zum Substrat bewegen, was beim Formteilen zu extrem ungleichförmigen Schichtdickenverteilungen und -Zusammensetzungen führt, hat das Katodenzerstäubungsverfahren ähnlich wie das Ionenplattieren einen gewissen Vorteil, der darauf beruht, dass die genannten Verfahren gegenüber dem Aufdampfverfahren in einem Druckbereich von 5 x 10-3 bis 5 x 10~3 bis 5 x 10-2 mbar durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass die mittlere freie Weglänge

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der am Prozess beteiligten Ionen und Atome im Bereich von Zerstäubungsverfahren auf bis zu 25 Watt/cm2 gesteigert

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von der Quelle zum Substrat mehrfach untereinander kolli- raten sind der dem Target zugeführten Leistung propor-

dieren. Als Folge davon stellt sich ein ungeordneter Material- tional. Die aus diesem Prozess resultierenden hohen transport ein, was in gewissen Grenzen ein Beschichten «um s Ladungsträgerdichten führen zu einer Reduzierung der Ent-

die Ecke» ermöglicht. ladungsspannung auf 200 bis 600 Volt, was insgesamt

Im Hinblick auf die allseitige Beschichtung von Form- gesehen zu einer höheren Targetbelastbarkeit führt.

teilen wäre zwar das sogenannte CVD-Verfahren günstig, Aufgrund der Wirkung des Magnetfeldes und der Konzenweiches für zahlreiche Anwendungsfälle eine weite Verbrei- tration des Plasmas vor dem Target verliert der Substrat-tung gefunden hat, jedoch scheidet dieses Verfahren für tem- l» träger die sonst übliche Anodenfunktion. Bei der Hochlei-peraturempfindliche Teile aus, da die verschiedenen CVD- stungszerstäubung fliessen die Elektronen zum Rezipienten Verfahren Substrattemperaturen von 900 bis 1100°C oder zu Innenaufbauten der Zerstäubungsanlage, während bedingen. Diese Temperaturen scheiden für Schnellarbeits- die Substrate mehr oder weniger kalt bleiben. Je nach dem stähle aus, deren maximale Temperaturbelastung bei etwa Volumen und der Wärmeleitfähigkeit der Substrate stellen 600°C liegt. Der genannte Temperaturbereich scheidet erst is sich bei der Hochleistungszerstäubung Substrattemperaturen recht für Beschichtungsverfahren beispielsweise von Uhren- zwischen 50 und 300°C ein.

gehäusen oder Uhrenarmbändern aus, bei denen es beispiels- Die Hochleistungszerstäubung ist auch für das reaktive weise um die reproduzierbare Erzielung einer goldähnlichen Zerstäuben von metallischen Targets anwendbar. Einzel-Oberfläche geht. Bei Uhrenarmbändern kommt erschwerend heiten dieses Verfahrens sind jedoch gleichfalls seit langem hinzu, dass diese häufig in fertigem Zustand Federelemente 20 Stand der Technik, so dass auf eine Beschreibung der verenthalten, die keine höhere Temperaturbelastung vertragen. schiedenen möglichen Reaktionsabläufe mit den verschie-Im Gegensatz dazu liegt die Substrattemperatur bei der densten Reaktionsgasen verzichtet werden kann. Auch für Vakuumbeschichtung vorteilhaft in einem Bereich zwischen eine Steuerung bzw. Regelung der reaktiven Zerstäubungs-200 und 500°C und kann auf den besonderen Anwendungs- verfahren sind in der Vergangenheit mehrere brauchbare fall spezifisch eingestellt werden. Im Hinblick auf das Ionen- 25 Vorschläge gemacht worden, so dass Schichten mit reprodu-plattieren und das Katodenzerstäuben bringt das zuerst zierbaren Eigenschaften erzielt werden können, wie beigenannte Verfahren zunächst die günstigeren Vorausset- spielsweise Oxide, Nitride oder Karbide.

zungen mit sich. Aufgrund der hohen Beschleunigungsspan- Das Verfahren der Hochleistungszerstäubung wurde nung von 3000 bis 5000 Volt am Substrat und wegen des bisher vor allem zur Beschichtung von ebenen Substraten damit verbundenen Ionenbeschusses liegen bei diesem Pro- 30 angewandt, wobei der Anwendungsbereich von der Beschich-zess die Substrattemperaturen zwischen 250 und 500°C, tung von Silizium-Wafern und Keramik-Substraten in der wodurch das Wachstum kristalliner Hartschichten wie bei- Mikroelektronik, Glassubstraten für LCD-Displays bis hin spielsweise Titannitridschichten begünstigt wird. Bei der zu Glasscheiben von Abmessungen bis zu mehreren Qua-Katodenzerstäubung erfolgt die Erwärmung im wesentlichen dratmetern reicht. Dabei sinkt die Aufstäubrate mit zuneh-durch Sekundärelektronenbeschuss. Die sich dabei einstel- 35 menden Abstand vom Target. Dies bedeutet, dass die Schichtlenden Temperaturen liegen im Bereich zwischen 50 und dicke des Niederschlags nicht an allen Stellen eines Formteils 300°C und sind sogar vielfach zu niedrig, um die gewünsch- gleich sein kann. Zudem wird dieser Effekt von zumindest ten Schichthärten zu erzielen. teilweise auftretenden Abschattungen überlagert, die durch

Das Katodenzerstäubungsverfahren der eingangs beschrie- die Geometrie des Formteils bedingt sind. Handelt es sich bei benen Art, das auch häufig als Hochleistungs-Katodenzer- 40 dem Zerstäubungsprozess um einen reaktiven Prozess, so stäubungsverfahren oder «Magnetron Sputtering» resultieren aus den unterschiedlichen Aufstäubraten auch bezeichnet wird, bietet aufgrund der Entladungsgeometrie unterschiedliche Zusammensetzungen des Niederschlags je ideale Voraussetzungen für die Beschichtung im Durchlauf- nach der Entfernung relativ zum Target. Dies liegt darin betrieb. Damit sind Beschickungsanlagen mit hoher Pro- begründet, dass der Partialdruck des Reaktivgases über den duktivität möglich. Die Besonderheit bei der Hochleistungs- 45 gesamten Entladungsraum weitgehend konstant ist, die stö-zerstäubung ist die durch die Magnetfeldlinien gebildete chiometrischen Verhältnisse des Niederschlags aber vom Plasmafalle, die die Entladung im wesentlichen auf den Verhältnis der Auftreffwahrscheinlickeit der Metallpartikel Bereich an der Targetoberfläche beschränkt, so dass dort eine und der reaktiven Gaspartikel abhängt. Dies hat zur Folge, besonders starke Abtragung des Targetmaterials erfolgt. Dies dass sich die Härte der Schicht auf der dem Target zugeführt zu einer wesentlich grösseren Zerstäubungs- und so wandten Seite von derjenigen auf der Rückseite unter-Niederschlagsrate. Einzelheiten dieses Vorgangs sind jedoch scheidet, oder dass bei dekorativen Schichten beispielsweise in der Literatur sehr umfassend beschrieben worden, so dass der Goldton eines Uhrengehäuses auf der Vorder- und Rück-sich ein weiteres Eingehen hierauf erübrigt. Seite nicht identisch ist. Darüber hinaus ist der Einfluss des Für das Katodenzerstäubungsverfahren spricht weiterhin, Ionenbeschusses als Folge einer Substratvorspannung Usub dass der Bau von Katoden bis zu mehreren Metern Länge ss ebenfalls abstandsabhängig, was zu unterschiedlichen Tem-möglich ist, und dass heute ein besonders hoch entwickeltes peraturen und verschiedener Wirkung des sogenannten System der Prozesssteuerung bzw. -regelung zur Verfügung Selbstreinigungseffekts führt.

steht. Die Möglichkeit von Substrattemperaturen unter Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver-

250°C erweitert den Anwendungsbereich z.B. in die Rieh- fahren der eingangs beschriebenen Gattung so zu verbessern,

tung auf Kunststoffe, montierte Armbänder mit temperatur- co dass damit auch bei Formteilen komplizierter Geometrie empfindlichen Federelementen, temperaturempfindliche eine möglichst gleichförmige Beschichtung über die gesamte

Gussmaterialien, etc. Weiterhin gestattet die Katodenzer- Oberfläche hinsichtlich der wesentlichsten Eigenschaften stäubung das problemlose Beschichten mit Metallegierungen erzielt wird, zu der die chemische und mechanische Bestän-

und Metallverbindungen, beispielsweise des Titans und Zir- digkeit einschliesslich der Härte, das Aussehen, die Schicht-

koniums. 65 dicke und die chemische Zusammensetzung der Schicht

Während bei der klassischen Katodenzerstäubung ohne gehören.

Magnetfeldunterstützung die Targetbelastung bei maximal Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem ein-

ca. 5 Watt/cm2 liegt, kann sie beim eingangs beschriebenen gangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäss dadurch,

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dass man das Formteil bzw. die Formteile auf der der ersten Katodenanordnung gegenüberliegenden Seite gleichzeitig dem Zerstäubungsvorgang einer zweiten Katodenanordnung mit dem gleichen Targetmaterial und mit Konzentration eines zweiten Entladungsraums im Bereich der Targetoberfläche durch ein gegenüber dem Target räumlich geschlossenes zweites Magnetfeld aussetzt, und dass man an das Formteil eine gegenüber Masse negative Spannung Usub von solcher Höhe anlegt, dass die Entladungsräume beider Katodenanordnungen bis an das Formteil, dieses berührend, heranreichen.

Die Erfindung besteht nicht etwa nur in einer symmetrischen Anordnung zweier Entladungsvorgänge auf beiden Seiten des Formteils bzw. der Formteile, vielmehr spielt hier zusätzlich das Anlegen einer negativen Spannung Usub an die Formteile eine wesentliche Rolle. Man kann das Eintreten des erfindungsgemässen Zustandes auch sehr gut durch ein Fenster der Vorrichtung beobachten : Zwischen zwei jeweils für sich herkömmlichen Katodenanordnungen mit Magnetfelderzeugern (Hochleistungskatoden, Magnetrons) brennen zunächst zwei Entladungen die voneinander durch einen Dunkelraum getrennt und auf den Bereich unmittelbar vor den beiden Targetflächen beschränkt sind. Ein Substrat bzw. Formteil ist zunächst nicht vorhanden. Wird alsdann ein an eine entsprechend vorgewählte negative Spannung (gegenüber Masse) gelegtes Substrat in den Zwischenraum zwischen die Targets bewegt, so vergrössern sich sprunghaft die Entladungsräume bzw. Plasmawolken, bis sie das Formteil allseitig umschliessen. Bei kleineren Formteilen gehen die Plasmawolken ineinander über bzw. durchdringen sich gegenseitig, so dass der Raum zwischen den Targets durch eine Glimmentladung ausgefüllt ist. Bei diesem Vorgang wird auch die Helligkeit der Entladung sprunghaft gesteigert.

Man kann auch umgekehrt verfahren, dass man das Formteil zunächst ohne elektrischen Anschluss oder auf Massepotential gelegt in den Raum zwischen den Targets einbringt. Hierbei verändern sich die Glimmentladungen zunächst nicht merklich. Wird alsdann eine Spannung an das Formteil gelegt und kontinuierlich gesteigert, so vergrössern sich allmählich die Plasmawolken in Richtung auf das Formteil, bis sie dieses erreichen und umspülen. Es ist auf diese Weise leicht möglich, diejenige negative Spannung Usub zu bestimmen, bei der die Entladungsräume beider Katodenanordnungen bis an das Formteil, dieses berührend, heranreichen. Als Tendenz ist aufzuzeigen, dass diese Spannung um so höher sein muss, je grösser der Abstand der beiden Entladungsräume (ohen Formteil) ist und je «dünner» das Formteil ist.

Auf diese Weise entsteht, bedingt durch die negative Vorspannung des Formteils, eine wechselseitige Förderung und Druchdringung der beiden Plasmaentladungen mit allseitiger Kondensation des Beschichtungsmaterials. Da bei reaktiven Aufstäubprozessen die Stöchiometrie des Kondensats auch an der Substratoberfläche allseitig weitgehend gewährleistet ist, ergibt sich eine äusserst homogene Schichtzusammensetzung. Eine sehr grosse Gleichförmigkeit ergibt sich auch hinsichtlich der Schichtdickenverteilung, d.h. nennenswerte Abschattungseffekte konnten nicht beobachtet werden. Auch die Härteverteilung, bzw. bei dekorativen Schichten, das Aussehen der Oberfläche war auf dem Gesamtumfang des Formteils ausgesprochen gleichförmig. Die Formteile Hessen sich trotz grosser Schichthärte auf einem niedrigen Temperaturniveau halten, so dass beispielsweise Uhrengehäuse und Uhrenarmbänder mit eingebauten Federelementen einwandfrei beschichtet werden konnten. Dabei ergab sich ausserdem eine ausgezeichnete Haftfestigkeit der aufgestäubten Schichten.

Die Erfindung lässt sich dadurch vorteilhaft weiter ausgestalten, dass die Verfahrensparameter wie Zerstäubungsleistung pro Flächeneinheit des Targets, Tragetabstand untereinander, Magnetfeldstärke, so gewählt werden, dass sich die Entladungsräume beider Targetoberflächen auch bei Abwesenheit des Formteils bzw. der Formteile mindestens teilweise überschneiden und dass die an das Formteil angelegte Spannung Usub mindestens 10 Volt (negativ) gegenüber Masse beträgt. Die Tendenz bzw. Einflussgrössen der einzelnen Verfahrensparameter werden weiter unten in der Detailbeschreibung noch näher erläutert. Es sei hier nur so viel angegeben, dass die Magnetfeldstärke gegenüber der üblichen Magnetfeldstärke beim Hochleistungszerstäuben vermindert ist, wodurch die übliche starke Einschnürung der Entladung teilweise aufgehoben wird. Infolgedessen ist bereits eine verhältnismässig geringe Spannung Usub ausreichend, um die Einwirkung der Entladung auf das Formteil zu verstärken bzw. zu vergleichmässigen.

Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere zum Herstellen von Schichten aus Titannitrid (TiN). Dabei wird dafür gesorgt, dass die Zerstäubungsatmosphäre ausser einem Edelgas (Argon) Stickstoff mit einem Partial-druck zwischen 4 x 10-4 und S x IO4 mbar bei einem Gesamtdruck von 5 x IO3 bis 2 x 10~; mbar enthält.

Die Beschichtung von Formteilen verschiedener Anwendungszwecke mit Titannitrid ist seit mehreren Jahren Gegenstand von Untersuchungen. Insbesondere die Möglichkeiten auf dem Gebiet der Werkzeugveredelung wie die Beschichtung von Bohrern, Fräsern oder Wendeschneidplatten haben die Entwicklung vorangetrieben. In letzter Zeit hat sich ein neues Anwendungsgebiet eröffnet, nämlich die Verwendung von Titannitrid als Goldersatz, z.B. zur Beschichtung von Uhrengehäusen, Armbändern und anderen Gebrauchsgegenständen. Hier spielt vor allem die Materialkosteneinsparung und die Eliminierung von Abwasserproblemen eine Rolle, wie sie für die herkömmlichen Galvanikprozesse typisch sind. Die gegenüber Gold wesentlich grössere Schichthärte ergibt sich dabei als zusätzlicher Vorteil. Die Prozesskontrolle des erfindungsgemässen Verfahrens ist gegenüber dem klassischen Verfahren wesentlich weiter entwickelt. Dies ist insbesondere wichtig im Hinblick auf die reproduzierbare Erzeugung der bereits beschriebenen Goldton-Schichten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens sowie eine erfindungsgemässe Vorrichtung werden in den abhängigen Ansprüchen sowie in der nachfolgenden Detailbeschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine grafische Darstellung des über das Formteil fliessenden Substratstromes Isub in Abhängigkeit von der Substratspannung Usub bei verschiedenen Abständen «d» zwischen Target und Formteil,

Figur 2 eine grafische Darstellung des über das Formteil fliessenden Substratstromes Isub in Abhängigkeit von der Substratspannung Usub bei verschiedenen Leistungen, bezogen auf das Target,

Figur 3 eine grafische Darstellung der Substrattemperaturen im Beharrungszustand (Selbsterwärmung) in Abhängigkeit von der Substratspannung bei verschiedenen Abständen «d» und Magnetfeldstärken H,

Figur 4 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit verschiedener Parameter des Zerstäubungsvorgangs in Abhängigkeit vom Abstand Target/Substrat bei nur einseitiger Anordnung einer Katode,

Figur 5 eine Darstellung analog Figur 4, jedoch bei beidseitiger Anordnung je einer Katode,

Figur 6 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des über das Formteil fliessenden Substratstroms Isub bei einer

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Anordnung gemäss Figur 5,

Figur 7 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Härte einer TiN-Schicht vom Stickstoff-Partialdruck beim Aufstäuben,

Figur 8 ein sogenanntes Auger-Diagramm des Schichtaufbaus,

Figur 9 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Härte einer TiN-Schicht von der Substrattemperatur,

Figur 10 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung für chargenweisen Betrieb,

Figur 11 einen Querschnitt durch die Katodenanordnung gemäss Figur 10 in vergrössertem Massstab und in eingebautem Zustand der inneren Katodenanordnung und

Figur 12 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Grossanlage für kontinuierlichen Betrieb.

Figur 1 erläutert folgenden Zusammenhang: Gemäss den obigen Ausführungen ist bei der Hochleistungszerstäubung durch die Wirkung des Magnetfeldes das Plasma dicht vor dem Target konzentriert. Das Substrat ist im Prinzip vom Entladungsraum elektrisch isoliert; es wird von der Plasmawolke nicht umhüllt. Legt man ein Substrat, beispielsweise ein aus Kupfer bestehendes Formteil mit einem Gewicht von 200 g an eine negative Vorspannung Usub zwischen -100 und -2500 V, so fliesst zwischen der auf Massepotential liegenden Vakuumkammer und dem Substrat ein Strom Isub der kleiner ist als 50 mA, solange der Abstand zwischen Substrat und Target grösser ist als 40 mm. Das Substrat ist elektrisch entkoppelt. Dies ist um so bemerkenswerter, als die Entladungsspannung vor dem Substrat selbst nur ca. Usub = 350 V beträgt. Die Horizontalkomponente des Magnetfeldes HP beträgt hierbei 56 000 A- irr1. Der Entladungsdruck liegt bei 5 x 10"3 mbar. Wie das Diagramm zeigt, kann man die Spannung Usub sehr stark steigern, ohne auch nur eine nennenswerte Zunahme des Stroms Isub zu erreichen. Unterschreitet man jedoch einen bestimmten Grenzabstand, der im vorliegenden Falle bei 25 mm liegt, so ist die elektrische Verbindung zwischen der Plasmawolke und dem Substrat hergestellt, und der Substratstrom Isub steigt bereits bei einer Spannung Usub = -300 Volt sprunghaft an. Unter diesen Bedingungen werden dem Plasma positive Ionen entzogen und in Richtung auf das Substrat beschleunigt. Es liegen infolgedessen ähnliche Bedingungen vor wie beim lonenplattieren. Das Substrat beginnt je nach der Intensität des Ionenbeschusses, die durch die angelegte Substratspannung geregelt werden kann, selbst zu zerstäuben, d.h. der bekannte Selbstreinigungseffekt und die verstärkte Möglichkeit der Beschichtung von abgeschatteten Substratteilen (rauhe oder strukturierte Oberfläche) ist gegeben.

Figur 2 erläutert folgenden Zusammenhang: Der anhand von Figur 1 beschriebene Effekt hängt nicht allein vom Abstand Substrat-Target ab, sondern die räumliche Begrenzung der Plasmawolke wird ebenso von der dem Target zugeführten Leistung beeinflusst. Das Plasma dehnt sich hierbei um so weiter aus, je grösser die Targetbelastung ist. Aus Figur 2 geht deutlich hervor, dass der Substratstrom mit zunehmender Leistung steigt, auch wenn der Abstand Target-Substrat mit 20 mm konstant bleibt. Der Entladungsdruck lag bei 5 x IO-3 mbar; die Horizontalkomponente des Magnetfeldes betrug 20 000 A- m~', die Fläche des Substrats ca. 44 cm2.

Figur 3 erläutert folgenden Zusammenhang: Als dritte Komponente spielt die Stärke des Magnetfeldes eine wichtige Rolle. In Figur 3 ist die durch Ionenbeschuss erzielbare Selbsterwärmung der Substrate in Abhängigkeit von der Substratspannung Usub bei zwei verschiedenen Magnetfeldstärken von 16 000 A • m-1 und 56 000 A-nr1 sowie bei zwei verschiedenen Abständen Substrat-Target von 28 und 50 mm dargestellt. Je nach den Parametern wurde ein 200 g schweres

Formteil aus Kupfer unterschiedlich erwärmt. Dabei betrug die Beschichtungszeit 2 Minuten, die Zerstäubungsleistung 800 Watt und der Entladunsdruck 5 x 10-3 mbar. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Magnetfeldstärke eine ähn-s liehe Wirkung ausübt wie die Zerstäubungsleistung. Durch eine hohe Magnetfeldstärke von 56 000 A • m-1 wird die Plasmawolke praktisch eingeschnürt, und selbst bei dem geringen Target-Substrat-Abstand von d = 28 mm übersteigt die Substrattemperatur den Wert von 100°C nur unwe-10 sentlich. Reduziert man jedoch die Magnetfeldstärke HP auf 16 000 A« nr1 so sind unter diesen Entladunsbedingungen durch Ionenbeschuss Substrattemperaturen bis über 300°C möglich. Damit sind die Tendenzen der einzelnen Parameter auf das erfindungsgemässe Verfahren aufgezeigt.

ls In Figur 4 ist zusätzlich die räumliche Anordnung eines zylindrischen Formteils zur Targetoberfläche dargestellt, die man sich am Abszissenwert 0 zu denken hat. Die Längsachse des Formteils befindet sich somit in etwa 60 mm Abstand von der Targetoberfläche. Das Formteil soll während des Trans-20 ports, den man sich parallel zur Targetoberfläche denken kann, nicht gedreht werden. Auf der Ordinate sind die Aufstäubrate, die Ladungsträgerdichte und der Partialdruck des Reaktivgases (Stickstoff) in willkürlichen Einheiten (wE) aufgetragen. Wie aus der Figur zu erkennen ist, sinkt die Auf-25 stäubrate gemäss der Kurve A mit zunehmenden Abstand vom Target. Dies hat die bereits weiter oben beschriebenen Nachteile zur Folge.

Figur 5 erläutert die Verhältnisse bei einer paarweisen Anordnung von zwei Katodensystemen auf beiden Seiten des 30 Formteils F, und zwar in spiegelsymmetrischer Anordnung. Die linke Targetoberfläche befindet sich am Abszissen wert 0, die rechte Targetoberfläche ist am Abszissenwert 120 mm zu denken. Für jede der einzelnen Katodenanordnung gelten zwar die anhand von Figur 4 erläuterten Zusammenhänge, 35 d.h. für die beiden Targets gelten die strichpunktiert dargestellten Aufstäubraten, wobei die nach links oben weisende Kurve Ai für das linke Target und die nach rechts oben weisende Kurve Ai für das rechte Target gilt. Durch die Überlagerung der Vorgänge entsteht jedoch ein Beschichtungsbe-40 reich, in dem weitgehend gleichmässige Kondensationsbedingungen vorliegen. Die Breite der Zone konstanter Kon-densations- und Entladungsparameter hängt von den einzelnen Prozessparametern ab und ist Gegenstand einer Optimierung des Verfahrens und der Vorrichtung, wobei die 45 Dimensionierung des Magnetfeldes der Hochleistungskatoden, der Targetabstand, das Druck Verhältnis von Reak-tivgas und Inertgas (Trägergas) sowie die elektrischen Daten eine entscheidende Rolle spielen. Tendenzen für die Vornahme der Optimierungsvorgänge wurden bereits weiter so oben aufgezeigt.

Anhand von Figur 6 wird folgender Einfluss erläutert: Bei der paarweisen Katodenanordnung wird der Ionenbeschuss des Substrats und damit die erzielbare Temperaturerhöhung bzw. der Selbstreinigungseffekt wesentlich gesteigert. Bei 55 einem Verhältnis von Targetfläche/Substratfläche von 3 :1 können bei Verwendung einer Katode mit einer Targetfläche von 430 cm2 bei einer Substratvorspannung von 250 Volt etwa 2 Ampere, d.h. 500 Watt Substratbelastung aus dem Plasma «gezogen» werden, wenn die Belastung der Katode 60 bei 4,6 kW liegt. Damit liegen die erzielbaren Substratflächenbelastungen mit etwa 3,6 W/cm2 vergleichbar hoch wie beim lonenplattieren.

Beispiel

65 In einer Vorrichtung, wie sie nachfolgend anhand der Figuren 10 und 11 noch näher beschrieben wird, wurden folgende Versuche durchgeführt: die paarweise angeordneten Targets bestanden aus Titan zum Zwecke der Herstellung

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von Titannitrid-Schichten. Der Abstand der Targetoberflächen betrug 120 mm; der Zerstäubungsdruck lag in einem Druckbereich von 5 bis 10 x 10-3 mbar. Bei einer Targetbelastung von ca. 11 W/cm2 betrug die Aufstäubrate des gebildeten Titannitrids etwa 2.7 nm/s (27 A/s). Als wichtigste Ein-flussgrösse erwies sich der Partialdruck des Stickstoffs, der im Bereich der in Figur 7 angegebenen Abszissenwerte variiert wurde. Figur 7 zeigt die Schichthärte als Funktion des Stickstoffpartialdrucks. Zu erkennen ist, dass in einem sehr schmalen Partialdruckbereich, der unter den gegebenen Bedingungen, zwischen 6 bis 7 x 10-4 mbar lag, die Kondensation von sehr harten Titannitrid-Schichten stattfand. Als maximale Härte von 5 Jim dicken TiN-Schichten auf V2A-Substraten wurde etwa Hvio = 30000 N/mm2 ermittelt. Unter den genannten Bedingungen bestand das Kondensat im Bereich grosser Härte aus im wesentlichen stöchiometri-schem TiN.

Figur 8 zeigt eine Auger-Profilaufnahme der Verteilung von Titan, Stickstoff, Sauerstoff und Eisen als Funktion der Schichtdicke. Als Ordinate ist die Konzentration der genannten Elemente in Atomprozent aufgetragen; die Abszisse stellt die Schichtdicke in pjm dar. Im Bereich von 0,2 bis 5 !J.m besteht die Schicht im wesentlichen aus 43% Ti und 50% N. Ausserdem ist ein Sauerstoffanteil von ca. 5% über die gesamte Tiefe festzustellen. An der Schichtoberfläche beobachtet man in einer Tiefe von 0,2 p.m eine Sauerstoffanreicherung, die auf eine dünne Oxidhaut schliessen lässt. Ebenso tritt an der Schichtbasis ein Anstieg des Sauerstoffanteils auf. Hier wurde offenbar der Oxidüberzug des V2A-Sub-strats reduziert, wobei der atomare Sauerstoff unter dem Temperatureinfluss gegen die Schichtoberfläche hin diffundiert. Der scharfe Anstieg des Fe-Signals lässt die V2A-Ober-fläche erkennen (die entsprechenden Signale für Cr und Ni sind in der Darstellung nicht berücksichtigt). Schliesslich weist der relativ langsame Abfall des Ti-Signals im Bereich von 5 [im bis 6 p.m auf eine Diffusion von Ti in die V2A-Oberfläche hin. Dies ist offenbar die Ursache für die hervorragende Haftfestigkeit der so aufgestäubten TiN-Schichten.

Aus Figur 9 geht der Einfluss der Substrattemperatur auf die Härte der Schicht hervor. Durch unterschiedliche Substratvorrichtung, aber auch durch eine entsprechende Sub-stratvorwärmung wurden die Formteile auf Temperaturen zwischen 50 und 600°C aufgeheizt. In diesem Temperaturbereich stieg die Härte von etwa Hvio = 10 000 auf 37 500 N/mim an.

Die Katodenzerstäubungsvorrichtung gemäss Figur 10 dient zur Beschichtung von Formteilen kleinerer Abmessungen wie Uhrengehäuse, Armbänder, kleine Bohrer etc. Es handelt sich um eine chargenweise betriebene Anlage mit einer Vakuumkammer 1 mit einem Durchmesser von 700 mm. Die Vakuumkammer besitzt eine nach vorn zu öffnende Tür 2 und einen trommeiförmigen, um eine senkrechte Achse drehbaren Substrathalter 3, dessen Mantelfläche aus einzelnen Mantelteilen 4 zusammengesetzt ist. Die Mantelteile enthalten Stäbe 5, an denen die Formteile bzw. Substrate befestigt werden. Eines der Mantelteile ist entlang der gestrichelten Linien nach vorn herausgezogen, um den Einblick in die Vorrichtung zu erleichtern.

Auf dem Umfang des Substrathalters 3 ist eine erste Katodenanordnung 6 angeordnet. Im Betriebszustand befindet sich dieser gegenüber im Innern des Substrathalters 3 eine zweite Katodenanordnung 7, die in Figur 10 nach vorn herausgezogen dargestellt ist. Das Herausnehmen der zweiten Katodenanordnung 7 nach vorn geschieht mittels einer Führungseinrichtung 8 am Boden der Vakuumkammer 1. Sobald die zweite Katodenanordnung wieder in eine Position gebracht worden ist, in der sie der ersten Katodenanordnung gegenüberliegt, wobei die Symmetrieebenen beider Katodenanordnungen in einer radialen Ebene des Substrathalters liegen, kann auch das Mantelteil 4 wieder in den Substrathalter eingesetzt werden. Nach dem Herstellen der bereits beschriebenen Betriebsbedingungen ist die Vorrichtung alsdann betriebsbereit. Für die Stromversorgung dient ein Schaltschrank 9 in Verbindung mit einer Hochfrequenzanpassung 10, von der jedoch nur das Gehäuse dargestellt ist. Die erste Katodenanordnung 6 kann gleichfalls, beispielsweise zum Targetwechsel, ausgebaut werden, jedoch geschieht dies nach aussen durch eine Seitenwand der Vakuumkammer. Der Abstand der beiden Katoden beträgt 120 mm.

In Figur 11 sind die erste Katodenanordnung 6 und die zweite Katodenanordnung 7 gemäss Figur 10 im Schnitt bzw. in der Draufsicht gezeigt. Zwischen den Katodenanordnungen liegt der strichpunktiert angedeutete Transportweg

11 des Substrathalters 3 bzw. der Formteile. Der Transportweg 11 ist geradlinig gezeichnet, verläuft jedoch im Wirklichkeit schwach gekrümmt, je nach dem Radius des Substrathalters 3 in Fig. 10. Bei der Vorrichtung nach Fig. 12 verläuft der Transportweg tatsächlich geradlinig. Die erste Katodenanordnung 6 besitzt ein erstes Target 12, während die zweite Katodenanordnung 7 ein zweites Target 13 besitzt. Die in den einzelnen Katodenanordnungen untergebrachten Magnetfelderzeuger sowie die von diesen durch die Targets

12 und 13 hindurchgesandten Magnetfeldlinien sind nicht im einzelnen dargestellt, da dies - für sich genommen - zum Stande der Technik gehört. Die einzelnen Targetoberflächen sind mit 12a bzw. 13a bezeichnet. Die Targetoberflächen 12a und 13a schliessen einen Zwischenraum 14 ein, in dem die den Zerstäubungsvorgang bewirkende Glimmentladung brennt. Festzuhalten ist noch, dass der Substrathalter 3 durch isolierte Aufhängung gegenüber Masse bzw. gegenüber der Vakuumkammer 1 isoliert und mit einer Spannungsquelle zur Erzeugung einer negativen Potentialdifferenz gegenüber Masse verbunden ist.

In einer Vorrichtung gemäss den Figuren 10 und 11 können etwa 350 bis 500 Herrenuhrengehäuse in einem Zyklus mit goldfarbenem Titannitrid mit einer Schichtdicke von 0,25 p,m beschichtet werden, wobei die Zykluszeit etwa 45 Minuten beträgt. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei dem Gegenstand von Figur 12 um eine Durchlaufanlage. Diese wird über eine Schleusenkammer 15 beschickt, die gleichzeitig auch Heizeinrichtungen 16 zur thermischen Vorbehandlung besitzt. Diese Anlage ist für die Beschichtung von Formteilen bis zu 200 mm Durchmesser geeignet. Die betreffenden Formteile werden in der Schleusenkammer 15 zunächst auf Temperaturen bis zu 500°C aufgeheizt und entgast. An die Schleusenkammer 15 schliesst sich die eigentliche Zerstäubungskammer 17 an. An die Zerstäubungskammer schliesst sich wiederum eine Schleusenkammer 18 für die Ausschleusung der fertig beschichteten Produkte an. Um einen taktweisen Betrieb der Vorrichtung zu ermöglichen, sind die Schleusenkammern 15 und 18 ebenso wie die Zerstäubungskammer 17 mit getrennten Vakuumpumpen verbunden. Die Verlegung der Saugleitungen geschieht auf die dargestellte Weise. Als Vakuumpumpen werden Wälzkolbenpumpen 19, Drehschieberpumpen 20 und Turbomolekularpumpen 21 verwendet.

Die Ausrüstung der Vorrichtung gemäss Figur 12 mit getrennten Pumpen ermöglicht einen Taktbetrieb. Während in der Schleusenkammer 15 eine Charge der zu beschichtenden Formteile vorgeheizt wird, läuft parallel dazu in der Zerstäubungskammer 17 ein Beschichtungsprozess ab, während in der Schleusenkammer 18 eine bereits beschichtete Charge abkühlt. Die Zerstäubungskammer 17 ist mit zwei Ventilen von den Schleusenkammern getrennt.

In der Zerstäubungskammer 17 sind zwei erste Katodenan-

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Ordnungen 6 und zwei zweite Katodenanordnungen 7 untergebracht. Die Katodenpaare 6/7 sind im Abstand zueinander verstellbar, um auf diese Weise optimale Kondensationsbedingungen für die verschiedensten Formteile zu erzielen. Die Formteile werden im Durchlauf beschichtet. Je nach Grösse dieser Teile ist eine Eigendrehbewegung der Formteile möglich und gegebenenfalls auch zusätzlich erforderlich. Weiterhin ist es möglich, Formteile auch in einer Pendelbe-

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wegung im Beschichtungsraum zu bewegen, um auf diese Weise die Gleichmässigkeit der Beschichtung noch zusätzlich zu verbessern. Die Kapazität der Vorrichtung gemäss Figur 12 hängt von den Dimensionen der Formteile, s deren Packungsdichte in der Vakuumkammer und den anwendbaren Beschichtungsparametern ab, wobei eine Optimierung der Verhältnisse aufgrund der weiter oben gemachten Angaben ohne weiteres möglich ist.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

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1. Verfahren zum Beschichten von Formteilen mit dreidimensionaler Beschichtungsfläche durch Katodenzerstäubung von Targetmaterial einer ersten Katodenanordnung mit Konzentration eines ersten Entladungsraums im Bereich der Targetoberfläche durch ein gegenüber dem Target räumlich geschlossenes erstes Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, dass man die Formteile auf der der ersten Katodenanordnung gegenüberliegenden Seite gleichzeitig dem Zerstäubungsvorgang einer zweiten Katodenanordnung mit dem gleichen Targetmaterial und mit Konzentration eines zweiten Entladungsraums im Bereich der Targetoberfläche durch ein gegenüber dem Target räumlich geschlossenes zweites Magnetfeld aussetzt, und dass man an die Formteile eine gegenüber Masse negative Spannung Usub von solcher Höhe anlegt, dass die Entladungsräume beider Katodenanordnungen bis an das Formteil, dieses berührend, heranreichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensparameter, Zerstäubungsleistung pro Flächeneinheit des Targets, Targetabstand untereinander, Magnetfeldstärke so gewählt werden, dass sich die Entladungsräume beider Targetoberflächen auch bei Abwesenheit der Formteile mindestens teilweise überschneiden und dass die an die Formteile angelegte Spannung Usub mindestens 10 Volt negativ gegenüber Masse beträgt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 zum Herstellen von Hartschichten, vorzugsweise aus Nitriden, dadurch gekennzeichnet, dass in bezug auf die beiden Katodenanordnungen folgende Zerstäubungsparameter eingestellt werden:

Entladungsspannung: Ue = 200 bis 1000 V,

Substratspannung: Usub = -50 bis -500 Volt,

Zerstäubungsleistung N = 5 bis 30 Watt/cm2, vorzugsweise 10 bis 15 Watt/cm2, bezogen auf die Targetfläche,

Magnetfeld = 12 000-28 000 A • m-1, vorzugsweise 16 000-20 000 A-m-1

Targetabstand = 80 bis 200 mm, vorzugsweise 100 bis 150 mm, zuzüglich Formteildicke «D»

Zerstäubungsdruck = 1 x 10-3 bis 5 x 10~2 mbar, vorzugsweise 5 x 10_3bis2 x 10_2mbar

Formteiltemperaturen =150 bis 500°C, vorzugsweise 250 bis 300°C.

4. Verfahren nach Anspruch 3 zum Herstellen von Schichten aus Titannitrid, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsatmosphäre ausser einem Edelgas Stickstoff mit einem Partialdruck zwischen 4 x lO^und 8 x 10"4 mbar bei einem Gesamtdruck von 5 x 10-3 bis 2 x 10~2 enthält.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer ersten Katodenanordnung mit einem ersten Target und einem Magnetfelderzeuger zur Konzentration einer ersten Entladung im Bereich der ersten Targetoberfläche durch ein gegenüber dem ersten Target räumlich geschlossenes erstes Magnetfeld und mit einem Substrathalter zur Halterung der Formteile im Beschichtungsbereich bzw. zum Transport der Formteile durch den Beschichtungsbereich der ersten Katodenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Katodenanordnung (6) gegenüber eine zweite Katodenanordnung (7) mit einem zweiten Target (13) aus dem gleichen Material und einem Magnetfelderzeuger zur Konzentration einer zweiten Entladung im Bereich der zweiten Targetoberfläche (13a) durch ein gegenüber dem zweiten Target (13) räumlich geschlossenes zweites Magnetfeld angeordnet ist, dass die Targetoberflächen (12a, 13a) beider Katodenanordnungen (6,7) aufeinander zu gerichtet sind, dass der Substrathalter (3) etwa in der Mitte zwischen den Targetoberflächen angeordnet oder durch den Zwischenraum (14) hindurch bewegbar ist und dass der Substrathalter gegenüber Masse isoliert und mit einer Spannungsquelle zur Erzeugung einer negativen Potentialdifferenz gegenüber Masse verbindbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegenden Targetoberflächen (12a, 13a) in der Weise gekrümmt ausgebildet sind, das s sie einen hohlen Zylindersektor zwischen sich ein-schliessen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 mit einem trommeiförmigen, um seine Achse drehbaren Substrathalter (3), dessen einzelne Mantelteile (4) zum Chargenwechsel herausnehmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Katodenanordnung (7) innerhalb des Substrathalters (3) und die andere Katodenanordnung (6) ausserhalb des Substrathalters angeordnet sind, und dass die innere Katodenanordnung nach Herausnahme mindestens eines Mantelteils (4) aus dem Raum innerhalb des Substrathalters herausnehmbar ist.

8. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Herstellung von mit Hartschichten belegten Werkzeugen wie Bohrern, Fräsern, Wendeschneidplatten.

9. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Herstellung goldähnlicher Schichten auf Gebrauchsgegenständen.