DD246571A1 - Einrichtung zur plasmagestuetzten abscheidung von mischschichten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur plasmagestuetzten Beschichtung leitfaehiger Substrate mit Mischschichten, die sowohl Metalle als auch Metall-/Metalloidkomponenten in Form von Stickstoff-, Kohlenstoff-, Bor- und/oder Siliziumverbindungen aufweisen koennen und die spezielle dekorative oder funktionelle Zwecke erfuellen sollen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Einrichtung anzugeben, bei der mittels nur eines Plasmaerzeugungssystems die Herstellung variabler Schichtsysteme technisch reiner Mischschichten moeglich ist. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass in einer, mit einenm Bogenentladungsverdampfer ausgeruesteten Beschichtungseinrichtung eine oder mehrere Sputtereinrichtungen angeordnet sind, die lediglich aus einem potential-variablen Target und einer Targetabschirmung bestehen. Die Targets befinden sich dabei innerhalb einer weitgehend homogenen Plasmazone aber ausserhalb des Hauptdampfstromes. Der Bogenentladungsverdampfer wirkt als einziges und zentrales Plasmaerzeugungssystem. Die Sputterquellen werden mit einem variablen, regelmaessig hoeher negativem Potential als die Substrate verbunden.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur plasmagestützteri Beschichtung leitfähiger Substrate mit Mischschichten, die sowohl Metalle als auch Metall-/Metalloidkomponenten in Form von Stickstoff-, Kohlenstoff^ Bor-, und/oder Siliziumverbindungen aufweisen können und die spezielle dekorative oder funktionell Zwecke erfüllen sollen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Abscheidung von Mischschichten werden im allgemeinen mehrere Verdampfer oder Sputtereinrichtungen im Vakuum raum parallel betrieben. Diese übliche Variante besitzt den Vorteil, daß die Anteile der einzelnen Komponenten in der Mischschicht unabhängig voneinander geregelt werden können. Andererseits erfordert diese.Lösung einen erheblichen Aufwand an technischen Mitteln und sie bedarf eines relativ großen Raumes in der Vakuumkammer, wen es sich, wie allgemein üblich, um-Elektronenstrahl· oder Bogenentladungsverdampfer bzw. Magnetrons handelt. Gleichfalls ist es bekannt, derartige Mischschichten durch das Sputtern von entsprechend der erforderlichen Schicht zusammengesetzten Verbindungstargets zu erzeugen. Die Probleme bestehen dabei darin, Verbindungstargets für spezielle Materialkombinationen in der erforderlichen Qualität und mechanischen Stabilität bereitzustellen und die Zusammensetzung der Schicht gegebenenfalls zu variieren, um äradienten in einer Komponente zu realisieren.

Speziell für das Problem der Abscheidung vonTiN/Au-Mischschichten wurde in der JP 58-217674 eine Variante angegeben, in der mittels ElektronenstrahlverdampferTitan in einer durch Glühkatodenentladung angeregten N₂-Atmosphäre und Au in einem widerstandsbeheizten Verdampfer verdampft wird. Diese Variante ist auf Grund der speziellen'Ausführung und Anordnung des widerstandsbeheizten Verdampfers auf die genannte Materialkomposition im wesentlichen beschränkt. Sie erfordert im weiteren einen erheblichen Aufwand zur Unabhängigen Steuerung der beiden Metalldampfkomponenten. Eine andere Lösung wurde in der US 4,415,421 angegeben. Hier arbeiten ein Verdampfer und eine bzw. mehrere Sputtereinrichtungen parall. Ziel ist die Abscheidung einer dekorativen Goidschicht auf einer TiN-Unterlage unter Realisierung einer aus beiden Komponenten gemischten Zwischenschicht. Zur Aktivierung derTitan-Stickstoffreaktion wird eine Glimmentladung zwischen den Substraten als Katode und dem Rezipienten erzeugt. Die Titanverdampfung erfolgt mit Elektronenstrahlen aus einer Elektronenstrahlquelle und die Au-Zerstäubung durch eine oder mehrere Sputterquellen, die nach dem Magnettronprinzip mittels magnetfeldverstärkter Gasentladung arbeiten und die gegen Ende derTitannitridbeschichtung durch Spannungszuschaltung in Betrieb gesetzt werden.

Auch hier erfordert der unabhängige Betrieb mehrerer Metalldampferzeuger einen erheblichen technischen Aufwand, insbesondere durch den Einsatz von Magnetron-Sputtereinrichtungen mit speziellen Magnetsystemen. Dieser Aufwand ist im wesentlichen auch dadurch begründet, daß die Glimmentladung, die zur Plasmaerzeugung eingesetzt wird, hohe Substratspannungen erfordert und keine unabhängig voneinander wählbare Plasmaparameter realisierbar sind. Insgesamt benötigt jede der eingesetzten Verdampfungs- oder Sputtereinrichtungen ihr verfahrensbedingtes Plasma, dabei sind negative Beeinflussungen unabhängig von hohem apparativen und energetischem Aufwand der Quellen untereinander nie ohne erheblichen Regelungsaufwand vollständig aufzuschließen.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel der Herstellung von elektrisch leitfähigen Schichten, die aus einem Gemisch mehrerer Metallbzw. Metall-/Metalloidkomponenten bestehen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Einrichtung anzugeben, bei der mittels nur eines Plasmaerzeugungssystems die Herstellung variabler Schichtsysteme technisch reiner Metall- bzw. Metall-ZMetalloid-Mischschichten möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer, mit einem Bogenentladungsverdampfer ausgerüsteten Beschichtungsein richtung zur plasmagestützten Schichtabscheidu ng eine oder mehrere Sputtereinrichtungen angeordnet sind, die lediglich aus einem potentialvariablen Target und einer Targetabschirmung bestehen. Die Targets befinden sich dabei innerhalb einer weitgehend homogenen Plasmazone, aber außerhalb des Hauptdampfstromes. Der Bogenentladungsverdampfer wirkt als einziges und zentrales Plasmaerzeugungssystem. Die Sputterquellen werden mit einem variablen, regelmäßig höher negativem Potential als die Substrate verbunden und möglichst nahe der Katode des Bogenentladüngsverdampfers sowie der Substrate angeordnet. In Abhängigkeit von der Betriebsweise des Bogenentladungsverdampfers wird eine veränderlich ausgedehnte Plasmazone mit einer weitgehend homogenen Plasmadichte erzeugt. Insbesondere ist es möglich zu erreichen, daß der weitgehend homogene Bereich des Plasmas eine größere Ausdehnung besitzt als der beim Betrieb des Verdampfers entstehende Hauptdampfstrom. Während die Dampfdichte von der Dampfqueile zu den Substraten in einem großen Winkel zwischen Tiegelnormalen und Dampfrichtung im allgemeinen sehr schnell abnimmt, ist in diesem Bereich die Plasmadichte sowie die Ladungsträgergeschwindigkeit nahezu konstant. Das Plasma eines Bogenentladungsverdampfers zeichnet sich durch einen relativ hohen lonisierungsgrad aus, der Elektronenströme von mehreren hundert Ampere ermöglicht und wesentlich über dem von Glimm- und Glühkatodenentladungen liegt. Die Quasineutralitätseigenschaft des Plasmas führt dazu, daß gleichfalls hohe lo.nendichten im Plasma vorliegen. Beim Betrieb der Einrichtung wird mit Zündung des Bogenentladungsverdampfers innerhalb der Beschichtungskammer ein Plasma erzeugt. Je nach technologischem Erfordernis wird im Verfahrensablauf zuerst meist eine lonenreinigung der Substrate durchgeführt. Die Leistung des-Verdampfers wird dabei so gesteuert, daß es zu keiner wesentlichen Verdampfung des Verdampfungsmaterials kommt. Durch entsprechende Poientialführung des Substrates, höher negativ zum Plasma, kommt es zu einem ausgeprägten lonenbeschuß und damit zur Abstäubung der Oberfläche.'

Nach dieser Verfahrensstufe beginnt der eigentliche Beschichtungsprozeß mit der erfindungsgemäßen Einrichtung. Die Verfahrensführung kann außerordentlich stark variiert werden. In der Regel wird es aber so sein, daß das Hauptmaterial in der Bogenentladung verdampft wird und nur das Legierungs- bzw. Dotierungsmaterial gesputtert wird. Zur Verdampfung des Materials im Tiegel des Bogenentladungsverdampfers wird lediglich die Leistung erhöht und das Substrat auf ein Potential geregelt, welches eine gute plasmagestützte Beschichtung bei vernachlässigbarem Sputtereffekt durch den lonenbeschuß gestattet. In der Regel liegt das Substratpotential etwa bei minus 10V bis -30 V gegenüber demPlasma. Die Funktion und Wirkung des erfindungsgemäß angeordneten Sputtertargets ist ausschließlich von der verfahrensgemäßen Potentialregelung abhängig. Die Targets besitzen keinerlei gesonderte MagnetsystemeOder Plasmaerzeuger. Wenn dieTargets auf Floatingpotential liegen, dann sind sie weitgehend neutral. Bei dieser Potentialführung kommt es demnach nur zu einer Abscheidung des Verdampfungsmaterials und/oder entsprechender Metalloide, z. B. Nitride bei N₂-Atmosphäre oder Karbide bei C-haltiger Atmosphäre. Erst wenn das Potential des Targets gegenüber dem Substratpotential negativer ist, kommt es zu einer Extraktionder Ionen aus dem Plasma mit entsprechender Energie und zu rlonenzerstäubung des Targets. Damit vermischt" sich der Dampf aus dem Bogenentladungsverdampfer mit dem zerstäubten Material des Targets, so daß sich eine Mischschicht auf dem Substrat ausbildet. Die Verfahrensführung kann außerordentlich stark variiert werden. Die Zahl der Targets kann dabei auch erhöht werden, wobei die Materialien gleich oder verschieden sein können. Ein Sonderfall der Anwendung der Erfindung liegt vor, wenn die Targets aus dem gleichen Material bestehen, wie das Verdampfungsmaterial im Bogenentladungsverdampfer. In diesem Fall würden keine Mischschichten hergestellt, sondern es wird die Beschichtungsrate erhöht.

Insbesondere bei der Verdampfung von leicht ionisierbaren Metallen, z.B. von Titan, ist zu beachten, daß der Hauptanteil der Ionen in Tiegelnähe Metallionen sind. Zur Sputterung der Targets sollten aber mehr Inertgasionen verwendet werden. Demzufolge sind dieTargets möglichst in der Nähe der Katode bzw. der positiven Säule der Bogenentladung anzuordnen, damit von den Targets im wesentlichen Inertgasionen extrahiert werden. Neben der Potentialführung der Targets ist es vorteilhaft an den Targets zum Verdampfer hin Blenden anzuordnen, damit sich möglichst keine Abscheidungen des Verdampfungsmaterials ausbilden. Zusätzlich kann zur Reinigung der Targets ein Vorsputterprozeß zwischen Blende und Target erfolgen. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es bei geringem technischen Aufwand und nur einer Plasmaquelle möglich, nacheinander oder parallel eine Verdampfung und lonenzerstäubung durchzuführen. Daraus ergibt sich eine außerordentliche Vielfalt der möglichen Verfahrensführungen bei geringem technischem Aufwand.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung in Prinzipdarstellung.

In einem Vakuumbehälter 1 ist eine aus Anode 2 und Hohlkatode 3 bestehender Hohlkatodenbogenverdampfer angeordnet. Die Substrataufnahmevorrichtung 4 besteht aus einem isoliert angeordnetem Drehkorb, an dessen einzelnen Stäben 5 sich die zu beschichtenden Substrate 6, im Beispiel Armband-Uhrgehäuse aus vernickeltem Messing, befinden. Parallel zu den Stäben 5 und in einem Abstand von 2cm zu den Substraten 6 ist eine aus Target 7 und Targetabschirmung 8 bestehende Sputtereinrichtung angeordnet. Über dem Gaseinlaß 9 in Verbindung mit dem Inertgaseinlaß, im Beispiel Argon über die Hohlkatode 3, ist ein definierter Inertgas-/Reaktivgasdurchsatz realisierbar.

Die Bogenentladung zwischen Hohlkatode 3 und Anode 2 wird über die Stromversorgungseinrichtung 10 geregelt und brennt mit einer Spannung von 40-80 V und einem Strom von einigen hundert A. Gleichzeitig erhält die Substrataufnahmevorrichtung 4 ein negatives Potential von 10-20 V. Im Betrieb fließt somit über die Substrate ein lonenstrom von 5-20A.

Die Stromversorgungseinrichtung 11 liefert das Substratpotential. Dieses ist einstellbar zwischen -500 und -1 000V. Die Targetfläche beträgt im Beispiel ca. 1 000cm² und es ist eine Targetstromdichte von 5mA/cm² aus dem Plasma extrahierbar.

Die Anordnung des Targets 7 erfolgt in der Nähe der Hohlkatode 3 und außerhalb der Substrataufnahme 4, die etwa den

Im Beispiel wird die erfindungsgemäße Einrichtung zur Herstell u ng heller goldener Hartstoff beschichtungen auf den als Substrat 6 eingesetzten Armband-Uhrengehäusen verwendet. Dazu erfolgt in bekannter Weise eine reaktive plasmagestützte Abscheidung von Titannitrid mittels Hohlkatodenbogen-Verdampfer ohne wirkungsvollen Einsatz des Targets 7. Die Titannitridschicht ist dabei in der Regel relativ dunkelgolden, hart und abriebbeständig. Bei einerSchichtdicke von ca. 1^m wird das Target 7, welches ausSilber besteht, auf ein gegenüber den Substraten negatives Potential von —800 V gelegt, ohne daß die Verdampfungsrate des Hohlkatodenbogen'-Verdampfers verändert wird. Dadurch kommt es zu einer intensiven lonenextraktion aus dem Plasma auf das Target 7 und dieses wird durch den lonenbeschuß zerstäubt. Die Silberionen und Neutralteilchen vermischen steh mit den entsprechenden des Titans und es wird auf den Substraten 6 eine Mischschicht aus Titannitrid und Silber abgeschieden. Diese etwa 0,5μιη dicke Deckschicht hat einen variierbaren hellgoldenen Farbton und bildet mit der darunterliegenden TiN-Schicht eine haftfeste und widerstandsfähige, dekorative Beschichtung. Die Intensität der Silberzerstäubung und damit das Mischungsverhältnis TiN-Ag läßt sich beliebig variieren.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   T. Einrichtung zur plasmagestützten Abscheidung von Metall- bzw. Metall-ZMetalloid-Mischschichten mittels Verdampfungsquelle und Sputterquelle, gekennzeichnet dadurch, daß als zentrale Plasmaquelle ein Bogenentladungsverdampfer und als Sputterquelle ein Target (7) eingesetzt wird, wobei das Target (7) außerhalb des .Hauptdampfstromes vom Bogenentladungsverdampfer und innerhalb des homogenen Plasmas angeordnet ist und daß das Target (7) auf einem Potential liegt, welches variabel und regelmäßig höher negativ als das der Substrate (6) ist.
2. 2. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Target (7) nahe der Katode des Bogenentladungsverdampfers angeordnet ist.
3. 3. Einrichtung nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere gleiche oder verschiedene Targets (7) vorhanden sind. ·
4. 4. Einrichtung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die verschiedenen Targets (7) auf gleichem oder unterschiedlichem Potential liegen.
5. 5. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Target (7) aus dem gleichen Material besteht wie das Verdampfungsmaterial.