DD272666B5

DD272666B5 - Verfahren zur Herstellung von Mehrfachschichten mittels Vakuum-Lichtbogenverdampfer

Info

Publication number: DD272666B5
Application number: DD31623488A
Authority: DD
Inventors: Dietmar Dipl-Phys Dr Rer Schulze; Eberhard Steigmann; Hans-Joachim Dr Rer Nat Scheibe; Peter Dr Rer Nat Siemroth
Original assignee: Fraunhofer Ges Forschung
Priority date: 1988-05-31
Filing date: 1988-05-31
Publication date: 1995-09-21
Also published as: DD272666A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mehrfachsc ,lichten m¹"· .als eines Vakuum-Lichtbogenvardampfers. Mit der Erfindung können reine Schichten von zwei oder mehr verschick "пр" : ',(fähigen Materialien bei beliebiger Schichtzahl hergestellt werden. Derartige Schichten konnon verschiedenen Z recken dienen, z. B. in der Optik oder bei Verfahrensfuhrung in reaktiver Atmosphäre als Hartstoffschicht.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Anwendung der Vakuum-LichtbogenverJampfung zur Herstellung von Schichten hat eine Reihe von Vorteilen. Einmal ist es die „kalte Katode", mit der insbesondere unerwünschte Aufhetzungen der Substrate vermieden werden können und zum anderon die hohe Verdampfungsrate.

Die Herstellung von Mehrfachschienten mittels Vakuum-Lichtbogenverdampfung ist jedoch relativ schwer moglich, wenn die verschiedenen Materialien von einem Verdampfer aus verdampft werden sollen.

In der DE-PS 3 152 736 wird eine Katode für einen Lichtbogen-Metallverdampfer beschrieben, die aus mehreren Schichten von Metallen mit unterschiedlich großem Katodenfall besteht, die derart angeordnet sind, daß Q. r Katodenfall von der geometrischen Achse der Katode zu deren Randpartien hin geringer wird. Durch die Wechselwirkung magnetischer Felder mit Eigenbewegung des Katodenbrennflerkes durch den unterschiedlichen Katodenfall kann eine Zweifachschicht hergestellt werden. Eine reproduzierbrre definierte Abscheidung der einzelnen Schichtkomponenten ist jedoch nicht möglich.

Die US-PS 4.596.719 beschreibt eine Einrichtung zur Vakuum-Lichtbogenverdampfung, bei der zwei Elektroden aus den zu verdampfenden Materialien wahl- und wechselweise als Katode oder Anode geschaltet werden können. Eit.e derartige Anordnung gestattet jedoch keine Abscheidung reiner Einzelschichten, da physikalisch bedingt, nicht vermeidbare Materialtransporte von Katode zur Anode nach erfolgter Umschaltung auftreten, die spater wieder mit verdampft werden. Vor allem bei der Herstellung sehr dünner optischer Schichten können diese Verunreinigungen stören.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, reine Mehrfachschichten aus leitfähigem Material reproduzierbar abzuscheiden.

Darlegung des Wesens de«· Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Mehrfachschichten mittels eines Vakuum-Lichtbogenvefdampfers anzugeben, dessen Katode die verschiedenen Verdampfungsmaterialien aufweist und deren Verdampfung in beliebiger Folge erfolgen kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die Bogenentladung wahlweise gegenüber dem Zentrum еіпьз von mehreren Targets gezündet wird und die Impulslänge, d. h. die Brenndauer einer Bogenentladung, derart gewählt wird, daß die maximal zu erwartende Verschiel ung des Katodenbrennfleckes während des Impulses kleiner ist als der geringste Abstand zum Targetrand und, daß die Schichtdicken der herzustellenden Einzelschicht mittels der Zahl der Bogenentladungen gegen ein Target, bzw. auf das entsprechende Material, bestimmt wird.

Die Bestimmung des Zündortes im Zentrum eines Targets kann sowohl mittels örtlich definierter Elektroden als auch mittels Laserimpulsen erfolgen. Unter Zentrum wird hier, auch bei größeren Targets, die gesamte Targetfläche verstanden, die innerhalb des angeführten Abstandes zum Targetrand liegt.

Die Variierung der einzelnen Materialien ist leicht über die Veränderung des Zündortes möglich. Die Zahl der verschiedenen Verdampfungsmaterialien ist grundsätzlich beliebig. Sie werden vorteilhaft auf einen gemeinsamen katodischen Targettragur angeordnet. Als Anode kann eine gesonderte Elektrode oder die Vakuumkammer gewählt werden. Zwischen Anode und dem katodbchen Targetträger liegt im Betriebszustand eine Spannung, die geringer als eine Spannung zur Zündung einer Selbstentladung ist. Nach erfolgter Zündung beginnt der Katodenbrennfleck des Lichtbogens unter unmittelbarer Targetverdampfung seinen physikalisch bedingten unkontrollierten Weg, auch Verschiebung genannt, über die Targetoberfläche. In Abhängigkeit von der materialspezifischen Geschwindigkeit der Brennfleckvorschtebung und des radialen Randabstandes auf dem Target, wird die Impuls- bzw, Brenndauer des Lichtbogens durch Absenkung dor Bogenspannung so

bestimmt, daß die Verschiebung des Lichtbogenbrennfleckes kleiner ist als der kleinste Randabstand auf dem Target. Damit wird sichergestellt, daß innerhalb eines derartigen Bogenentladungs-Impulses nur Material dieses einen Targets verdampft wird, auch wenn in unmittelbarer Nähe auf dom katodischen Targetträger andere Targetmaterialien vorhanden sind.

Die Verdampfungsmenge innerhalb eines Impulses i.t in der Regel für den technologischen Beschichtungsprozeß zu gering, Deshalb liegt es an den technologischen Erfordernissen, wie oft nacheinander ein BogenenlladungHmpuls gegen das gleiche Target gezündet wird und wann mittels Veränderung des Zündortes die Bogenentladung gegen ein anderes Target gezündet wird.

Die Impulszeiten für einen Bogenentladungs-Impuls sind sehr unterschiedlich und richten sich nach dem Material und den daraus folgenden Geschwindigkeiten der Brennfleckverschiebung und der Targetgroße. Bei üblichen Dimensionierungen liegen die Impulszeiten bei einige *. Millisekunden.

Zur Vermeidung makroskopischer Kraterbildung ist es vorteilhaft, den Zündort auf einem Target von Entladung zu Entladung, in einem Bereich, der geringer ist als die mittlere Verschiebung, während eines Entladungsimpulses, zu verandei η MiPoIs dieser Verfahrensführung ist es sehr gut möq'Ich, Mehrfachschichten aus verschiedenen leitfähigen Mexctidiien mit var.-'Ыв' Dicke und hoher Reinheit herzustellen.

Auife und der relativ geringen Verdampfungsmenge bei einem Bogenentladungsimpuls ist es beim ständigen Wechsel der Targets, gegen die die Bogenentladung brennt, praktisch auch möglich Mischschichten herzustellen, obwohl es eigentlich auch nur Mehrfachschichten sind.

Unabhängig von der erfindungsgemäßen Verfahrensführung kann die Arbeitsatmosphare inert oder reaktiv sein, in entsprechender Weise ändert sich die abgeschiedene Schicht auf dem Substrat.

Ausfiihrungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden.

Es besteht das Ziel, auf einem Substrat bei hoher Reinheit der Einzelschichton eine Wolfram-Kohlenstoff-Mehrfachschicht herzustellen. Eine derartige Beschichtung ist z. B. für Rontgenspiegel erforderlich.

In einer Hochvakuum-Beschichtungsanlage der bekannten Ausführung mit oinem Vakuum-Lichtbogenverdampfer und Substratanordnungen wird die erfindungsgemäße Vorfahrensführung realisiert. Als erforderliche Zündeinrichtung ist eine Laserstrahleinrichtung vorhanden, die ein integriertes Spiegelsystem aufweist, welches den Laserstrahl wahlweise auf das Zentrum der zwei verschiedenen katodischen Targets (W und C) ausrichtet.

Die katodischen Targets sind auf einer gemeinsamen Katodenhalterung angeordnet, die von einem Anodenring umgeben ist, Das Wolfram-Target hat einen Durchmesser von 150 mm und das Kohlenstoff-Target einen Durchmesser von 40 mm. Diese Massen sind mit den materialspezifischen Brennfleckgeschwindigkeiten und den möglichen Schaltgeschwindigkeiten für die Bogenspannung abgestimmt.

Unabhängig anderer technologisch erforderlicher Vorbt reitungsprozesse erfolgt die erfindungsgemäße Verfahrersführung in nachfolgender Weise.

Als erste Schicht soll auf dem Substrat eine W-Schicht abgeschieden werden. Dazu wird zwischen Anode und Katode eine Spannung von 100 V angelegt und die Stromversorgung so ausgelegt, daß der Bogenstrom nach der Zündung 80 A beträgt.

Eine selbständige Zündung tritt bei der angegebenen Spannung noch nicht ein. Erst wenn ein Lasei impuls auf das Zentrum der Wclfram-Targetplatte gerichtet wird und dieses zu einer örtlichen Plasmabildung fuhrt, kommt es zur Zündung der Bogenentladung. Der Brennfleck beginnt seine unkontrollierte Bewegung auf dem Tarnet und verdampft dabei das Material.

Bevor es dem Brennfleck möglich ist, den Randbereich des Targets zu erreichen, wird ν "fahrensgemäß die Bogenspannung unter 50 V abgesenkt, wodurch die Bogenentladung verlischt. Die Brenndauer des Bogens wurde auf 10 ms eingestellt. Damit beträgt die Schichtdicke etwa 0,1 nm. Die technologisch bedingte Schichtdicke der Wolfram-Schicht verlangt eine Wiederholung eines derartigen Impulses. Im Anschluß daran wird in äquivalenter Weise der Bogenentladungs-Laserzündimpuls auf das Zentrum des Kohlenstofftargets gerichtet und dort die Bogenentladung gezündet. Zur Vereinfachung des elektronischen Aufwandes wurde die Brenndauer auch in diesem Fall auf 10 ms eingestellt. Die abgeschiedene C-Schicht beträgt etwa 0,1 nm, und es ist ein Bogenentladungsimpuls ausreichend. Zum Aufbau der Gesamtschicht werden insgesamt eo-W-C-Folgeschichten nacheinander abgeschieden. Zwischen den Einzelschichten werden keine Übergangszonen abgeschieden.

Claims

1. Ve- nren zur Herstellung von Mehrfachschichten mittels Vakuum-Lichtbogenentladung und ть iren katodischen Targets verschiedener leitfähiger Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenentladung wahlweise gegenüber dem Zentrum eines der Targets gezündet wird und die Impulslänge der Bogenentladung derart eingestellt wird, daß die maximal zu erwartende Verschiebung des Katodenbrennfleckes während des Impulses kleiner ist als der geringste Abstand zum Targetrand und daß in der Folge weitere Bogenentladungen in gleicher Weise gegen das gleiche oder andere Targets gezündet werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der abzuscheidenden Schichten über .'ie Zahl der Bogenentladungs-Impulse eingestellt wird.