DD263423A3

DD263423A3 - Verfahren zur plasmagestuetzten abscheidung von misch- oder mehrfachschichten

Info

Publication number: DD263423A3
Application number: DD30206687A
Authority: DD
Inventors: Dietmar Schulze; Ruediger Wilberg
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1987-04-23
Filing date: 1987-04-23
Publication date: 1989-01-04

Abstract

Das Verfahren betrifft die Schichtherstellung mittels nur eines Bogenentladungsverdampfers, der gleichzeitig der Plasmaerzeugung dient. Die kombinierten Schichten dienen sowohl dekorativen wie funktionellen Zwecken. Erfindungsgemaess wird innerhalb des aeusseren Plasmas, welches vom Elektronenstrom des Bogenentladungsverdampfers erzeugt wird, ein zusaetzlicher anodischer Tiegel angeordnet, dessen Potential einstellbar ist. Durch Anlegen eines positiven Potentials an diesen als Plasmasonde wirkenden zusaetzlichen Tiegel werden aus dem Plasma Elektronen extrahiert, die bei entsprechender Intensitaet zur Verdampfung des Verdampfungsmaterials fuehren.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur plasmagestützten Abscheidung von Misch- oder Mehrfachschichten mittels Bogenentladungsverdampfrn. Dabei bestehen die Misch- oder Mehrfachschichten aus einer Mischung bzw. der Aufeinanderfolge von Metall- und Metalloidverbindungskomponenten auf elektrisch leitfähigen Substraten. Derartige Schichten finden Anwendung bei verschiedenartigen dekorativen und funktionellen Beschichtungen.

Charakteristik tier bekannten technischen Lösungen

Verfahrer, zur Herstellung von Misch- oder Mehrfaoh-chichten mittels plasmagestützter Abscheidung sind in verschiedener A.t bekamt. Für den sehr vorteilhaften Einsatz von Bogeni ntladungsverdampfern zur Schichtabscheidung sind die meisten Verfahrensvarianten jedoch nicht einsetzbar. Der aufwendige Einsatz mehrerer separater Bogenentladungsverdampfer wird in der Regel nicht akzeptie-·

Zur Nutzung nur eines Bogenentladungsverdampfers füi die Abscheidung von Misch- oder Mehrfachschichten wurde in der DD-WP 246571 vorgeschlagen, daß innerhalb des homogenen (äußeren) Plasmas ein Sputter-Target angeordnet ist und zum Zwecke der Zerstäubung auf ein Potential gelegt wird, welches variabel und regelmäßig höher negativ als das der Substrate ist. Diesr- Lösung hat den Vorteil der einfachen technischen Realisierbarkeit. Andererseits ist die Sputterrate bei dieser Variante sehr gering. Dadurch wird die Variationsbreite im Mischungsverhältnis der Schichtkomponenten stark eingeschränkt. Weiterhin muß die Targetform der Form der Substrate angepaßt werden. Diese Forderung ist insbesondere bei rotierenden Substraten schwer zu realisieren, da auch der Taroet-Substrat-Abstand gering und möglichst konstant sein sollte, um günstige Beschichtungsergebnisse zu erzielen.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, die Abscheidung von Misch- oder Mohrfachschichten auf elektrisch leitfähige Substrate mit geringem Aufwand zu erreicht n.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgnbe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das mit geringem technischen Aufwand die Herstellung von Misch- oder Mehrfochschichten mittels einen Bogenentladungsverdamp: 3r ermöglicht. Erf idcngsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß aus dem äußeren Plasma, welches durch einen Bogenentladungsverdampfer erzeugt wird, Elektronen auf ein zusätzliches Verdampfungsgut in einem Sondenverdampfer mit einer solchen Energie und Stromdichte extrahiert werden, daß es zur Verdampfung dieses zusätzlichen Verdampfungsgutes kommt. Der Bogenentladungsverdampfer wirkt dabei sowohl als Verdampfer, des im Anodentiegel enthaltenen Materials, als auch als zentrale lonisierungseinrichtung. Die positive Säule dar Bogenentladung, die sich zwischen Katode und Anodentiegel ausbildet, ist umgeben von einem weiteren Plasma, welches eine geringere Ladungsträgerkonzentration als die positive Säule besitzt und durch die Bogenentladung hervorgei ufen wird. Diesos Plasma geringerer Dichte wird als äußeres Plasma bezeichnet. Ein in das äußeren Plasma eingebrachter und mit einer gesonderten Spannungsquelle verbundener elektrisch leitender Körper, wirkt als Sonde im Plasma. Speziell ist es möglich, mi' einem gegenüber dem Plasmapotential positiven Potential an dieser Sonde, einen Elektronenstrom aus dem äußeren Pias na zu extrahieren. Ist diese Sonde hinreichend positiv gegenüber dem Plasma, dann handelt es sich um einen Elek'ronensättigungsstrom, dessen Dichte ausschließlich von der Ladungsträgerdichte des äußeren Plasmas abhängig ist. Durch weitere Erhöhung des positiven Sondenpotentials wird somit lediglich die Energie der extrahierton Elektronen und nicht mehr deren Dichte erhöht. Die Sonde wird als Tiegel aus einem schwerschmelzbaren Material, z. B. W, Mo, Ta, hergestellt und mit dem als zweite Metallkomponente zur Schichtbildung dienendem Mate rial gefüllt. Bei einer Ladv'ngsträgerdichtevonn* > 10¹⁷cm"³und einem Sondenpotential gegenüber dem Plasmapotential ven . _So 2 30V,reichtdie am ί ondentiegel durch Elektroneneinstrom umgesetzte Energie von P > 30WcrrT² aus, um Metalle₍wie Aq, Cu, Au zu verdampfen. Entsprechend der Sondenwirkung dieses Verdampfers ist die erreichbare Temperatur und dan.!· die erreichbare

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Verdampfungsrate durch Veränderung des positiven Potentials der Sonde und/oder durch Veränderung der Ladunpsträgerkonzentration in dem äußeren Plasma variierbar. Diese Ladungsträgerdichte-Änderung ist durch Variation des Entladungsstromes des Bogenentladungsverdampfers oder durch Veränderung des räumlichen Verlaufes des Gasentladutigsbogens, i. B. durch magnetische Ablenkung, möglich.

Wesentlich für die Abscheidung qualitativ hochwertiger Schichtnn ist es, daß die Kondensation des Schichtmaterials unter einem ständigen lonenbeschuli erfolgt. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das durch Elektronenstoß verdampfende Material durch diesen Elektronenstoß stark ionisiert wird u nd somit die Schichtbildung mit hoher kinetischer Energie der Metallpr rtikel erfolgen kann, die durch die Differenz zwischen Plasma- und Substratpotential bestimmt wird. Hervorgerufen wird dies .< Ionisierung dadurch, daß die Energie der aus dem Plasma extrahierten Elektronen mit 3OeV < Us ^ 10OeV im Maximum der lonisierungswahrscheinlichkeit für die meisten Metalle liegt.

Bei der Anwendung dieses Verfahrens können zahlreiche Varianten realisiert werden. In bekannter Weise werden die Substrate vor der Beschichtung einer .onenreinigung unterzogen. Dazu wird der Bogenentladungsverdampfer gezündet und bei geringer Leistung eine Bogenentladung zwischen Katode und Verdampfertiegel aufrechterholten, ohne daß eine Verdampfung erfolgt, aber ein Plasma ausgebildet wird. Durch entsprechend negatives Potential on den Substraten werden die Ionen auf diese in dem Maße extrahiert, daß es zu Zerstäubungseffekten kommt. Danach kann unmittelbar die erfindungsgemäße Verfahrensführung anschließen. Wahlweise kann das schichtbildende Verdampfungsmaterial im anodisnhen Verdampfertiegel dos Bogenontladungsverdampfers und im Sondenverdampfer einzeln oder parallel in reaktiver oder nichtreaktiver Atmosphäre verdampft werden.

Wenn aus dem Sondenverdampfer kein Material verdampfen soll, wird der Sondentiegel während dieser Proseßschritte auf Floatingpotent>al gelegt, bei welchem Elektronen- und loneneinstrom gleich sind und keine Materialverdampfung erfolgt.

Wenn das Material aus dem Sondenverdampfer verdampft werden soll, wird die Leistung das Bogenentladungsverdampfers auf geringe Halteleistung eingestellt und evtl. abgeblendet, so daß keine Verdampfung erfolgt, aber das Plasma erhalten bleibt.

Durch Erhöhung des positiven Potentials des Sondentiegels ei*olgt die Extraktion auf die Tiegeloberfläche in der beschriebenen Weise, das Verdampfungsmaterial wird erwärmt, verdampft und in äquivalenter Weise, wie aus dem Bogenentladungsverdampfer auf dem Substrat abgeschieden.

Bei der Herstellung von Mischschichten werden beide Verdampfer gleichzeitig betrieben, bei Mehrfachschichten im erforderlichen Wechsel.

Als Regelungsmittel bei Mischschichten erforderMuhor Stöchiometrie dient in erster Linie die Variierung der verschiedenen Verdampfungsraten.

Bei Anordnung mehrerer Sondenverdampfer im Plasmaraum können auch Schichtsysteme aus mehr als zwei Verdampfungsmaterial'on hergestellt werden. Durch Variation der positiven Potent'sie der einzelnen Sondentiegol ist sehr einfach die Verdampfungsrate einstellbar, so daß in p.nfacher Waise die Mögiicnkeit besteht, mittels komplizierter Schichtsysteme ganz gezielte Schichteigenschaften zu erzeugen.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß unter Nutzung nur eines bekannten Bogenentladungsverdampfers mit relativ geringem Aufwand mehrere Materialien verdampft werden können.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

In einem Vakuumbehälter ist ein aus Hohlkatodensystem, Magnetsystem und Anodentiegel bestehender Hohlkatodenbogen-Entladungsverdampfer angeordnet. Außerhalb der positiven Säule der Bogenentladung befindet sich wie der Bogenentladungsverdampfer unter den Substraten eine als Verdampfertiegel ausgebildete Sonde, die isoliert aufgebaut ist und mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden werden kann.

Im Prozeßschritt 1 wird die Bogenentladung zwischen Hohlkatode und Anodentiegel in bekannter Weise unter Ar-Atmosphäre gezündet und über die S jbstraie die positiven Ionen aus dem äußeren Plasma extrahiert. Nach Ablauf dieses lonenbeschußreinigungsprozesses wird im Prozeüschritt 2 die Leistung des Bogenverdampfers gesteigert und Titan aus dem Anodentiegel verdampft. Unter Anwesenheit von reaktivem Stickstoffgas erfolgt die Abscheidung einer Titannitrid-(TiN) Schicht auf die Substrate. Nach Erreichen einer TiN-Schichtdicke von 1 SiO nm wird im Prozeßschritt 3 die Leistung des Bogenverdamptero auf eine Halteleistung von etwa 3kW reduziert und der Bogen durch das Magnetsystem ausgelenkt. Infolge der dadurch verlängerten Entladungsstrecke steigt die Ladungsträgerkonzentration im äußeren Plasma auf 5 · 10'⁷Cm"' an. An den Sondentiegel w'rd über einen Begrenzungswiderstand eine positiva Spannung von 90V gegenüber Massepotential'gelegt. Es fließt ein Elektronenstrom mit einar Stromdichte von 1 AcrrT² zur Sunde und das als Vordampfungsmaterial eingesetzte Gold verdampft unter starker Lichtemission des sich bildende,ι Metalldampfplasmas.

Das verdampfte Gold scheidet sich auf dem Substrat mit der zuerst aufgebrachten TiN-Schicht unter Plasmabedingungen ab. Eine Reaktion der reaktiven Stickstoffanteile in der Atmosphäre mit dem Edelmetall Gold tritt nicht ein. Beginn und Ende des Verdampfungsprozesses ist an der durch die Ionisierung des Au-Dampfes hervorgerufene Änderung des Entladungsstromes des Bogenentlpdungsverdampfers erkennbar. Eine derart hergestellte Schicht kann sehr gut für dekorativ goldene Beschichtungen mit höherer Abriebfestigkeit eingesetzt werden. Bereits dünne Au-Deckschichien, die auf harte TiN-Schicht mit nadeiförmiger Struktur aufgebracht werden, sichern auch nach erheblicher abrasiver Belastung noch einen guten optischen goldenen farbendruck, obwohl das etwas grünliche, goldfarbene TiN durch die Au-Deckschicht hindurchtritt.

Claims

1. Verfahren zur plasmayestützten Abscheidung von Misch- oder Mehrfachschichten mittels eines Bogenentladungsverdampfers, der gleichzeitig als Plasmaerzeugungsquelle dient, dadurch gekennzeichnet, daß Elektronen aus dem äußeren Plasma mit einer solchen Energie und Stromdichte auf das Verdampfungsmaterial in mindestens einem zusätzlichen anodischen Tiegel extrahiert werden, daß dieses verdampft.

2. Verfahren naeh Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche anodische Tiegel auf ein höheres positives Potential gegenüber Masse gelegt wird als der anodische Tiegel des BogenenJadungsverdampfcrs.

3. Verfahren nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential des zusätzlichen äußeren Tiegels variiert wird.

4. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstromdichte zum zusätzlichen äußeren Tiegel durch Veränderung des Bogenweges mittels magnetischer Felder variiert wird.