DE3503397C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sputteranlage zum reaktiven Beschichten eines Sub­ strates mit Hartstoffen, insbesondere Ti-Nitrid oder Ti-Karbid, die ein eva­ kuierbares, auf Erdpotential liegendes Gehäuse mit einer Zuleitung für ein Reaktionsgas und ein Edelgas aufweist, und in dem die Sputter-Oberfläche einer als Sputter-Einheit dienenden Zerstäubungsquelle sowie eine Halterung für das Substrat angeordnet sind, wobei das Substrat mittels der Halterung vor der Sputter-Oberfläche positioniert ist und zwischen der Zerstäubungsquelle und der Substrathalterung ein Bauteil angeordnet ist, das mit einer Spannungs­ quelle verbunden ist, derart, daß zwischen diesem Bauteil und den Halterungen mit den Substraten eine Potentialdifferenz erzielt wird.

Eine derartige Sputteranlage, mit der Hochleistungskathodenzerstäubung durch­ geführt wird, ist aus der DD-PS 1 42 568 bekannt. Eine ähnliche Anlage ist in dem Sonderdruck 11-SO1 "Herstellung von harten Titannitrid-Schichten mittels Kathodenzerstäubung" (ebenfalls veröffentlicht in "Werkstoffe und ihre Vered­ lung", Heft 3, 1981, von W. D. Münz und G. Hessberger) der Leybold-Heraeus GmbH beschrieben.

Mit solchen Sputteranlagen werden insbesondere Werkzeuge für die Zerspan­ technik, beispielsweise Bohrer und Fräser, sowie Werkzeugformteile mit ver­ schleißhemmenden Hartstoffschichten überzogen, um somit die Standzeit der Werk­ zeuge gegenüber einem unbeschichteten Werkzeug zu erhöhen. Die Hochleistungs­ zerstäubung zeichnet sich dadurch aus, daß große Flächen gleichmäßig be­ schichtet werden können und darüber hinaus die Prozeßparameter genau und re­ produzierbar einhaltbar sind. Die Qualität der beschichteten Substrate ist von Parametern wie Substratvorspannung, Substratstrom, Arbeitsdruck und Arbeits­ temperatur, von den magnetischen Verhältnissen sowie von der Feldstärke des Magnetfeldes und seiner Ausbildung abhängig.

Bei der in der DD-PS 1 42 568 beschriebenen Einrichtung ist zwischen einer Plas­ matron-Zerstäubungsquelle und einer Halterung mit den darauf angeordneten Sub­ straten eine Wand mit einer Öffnung angeordnet, wobei die Wand an negativer Spannung liegt. Zwischen den Substraten und der Wand besteht eine Potential­ differenz mit positiver Polung der Substrathalterung bzw. Substrate gegenüber der Wand. Über die Substrate fließt ein Strom negativer Ladungsträger. Mit dieser Anordnung werden die im Plasma enthaltenen Elektronen bevorzugt und auf die Substrate hin beschleunigt; es entsteht somit ein Elektronenstrom in Richtung der Substrate. Der zur Verfügung stehende Beschichtungsbereich ist bei dieser Anlage auf die Öffnung der Wand begrenzt. Die ausgesandten Elektronen werden auf das bezüglich der Wand positiv vorgespannte Substrat hin beschleunigt und geben dort ihre Energie ab. Durch den Elektronenbeschuß erfolgt eine Erwärmung des Substrates.

Die bekannten Anordnungen bedürfen einer sorgfältigen Einstellung aller Ein­ flußgrößen und machen aufwendige Umstellungsarbeiten erforderlich, falls nach­ einander Substrate unterschiedlicher Abmessungen beschichtet werden sollen. So ist es beispielsweise nicht ohne weiteres möglich, schlanke Bohrer und aus­ ladende Messerköpfe in ein und derselben Charge zu beschichten, da der Bereich eines gleichmäßigen Ladungsstromes sehr gering ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sputteranlage der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sie bei erhöhtem Substratstrom auch für Substrate unterschiedlicher Größe geeig­ net ist und darüber hinaus eine unkontrollierbare Erwärmung der Substrate vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Zerstäubungsquelle ein Magnetron eingesetzt ist mit einer Anode aus magnetisierbarem Werkstoff, daß das Bauteil eine zwischen dem Substrat (Substrathalterung) und dem Mag­ netron mindestens eine an positiver Spannung liegende Elektrode ist und das Substrat an negativer Spannung liegt, und daß sie vom Magnetron in Richtung des Substrates gesehen eine in den Raum hinter dem Substrat einen Elek­ tronen-Strahl einleitende Elektronenkanone aufweist.

Dadurch wird vorteilhafterweise die Plasmadichte wesentlich erhöht. Es sind Substratströme erreichbar, die bei über 5 mA/cm ² liegen. Mit solchen Bias-Strömen werden nahezu strukturlose Schichten und bessere Haft­ festigkeiten erreicht. Die Sputterrate verringert sich hierbei nicht. Mit der beschriebenen Sputteranlage wird ein hoher Ionenstrom erreicht, der keine unkontrollierbare Erwärmung des Substrates zur Folge hat.

Eine zusätzliche Erhöhung des Bias-Stromes um etwa 30% kann durch einen in dem Gehäuse angeordneten Magnet erreicht werden, der die Bahn der vom Emitter ausgehenden Elektronen verlängert. Dabei sollte zweckmäßigerweise der Magnet in einem Bereich gegenüber der Sput­ ter-Oberfläche des Magnetrons und das Substrat zwischen der Sputter-Oberfläche und dem Magnet angeordnet sein.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die im Schnitt schematisch dargestellte Sputteranlage weist ein geerdetes Gehäuse 1 auf, das über einen Anschlußstutzen 2 evakuierbar ist. Über Zuleitungen 3 und 4 kann dem Gehäuse 1 wahlweise ein Inertgas, beispiels­ weise Argon, und/oder ein Reaktionsgas zugeleitet werden. In die Gehäusewandung ist eine Hochleistungszerstäubungs­ kathode (Magnetron) 5 eingesetzt, auf die beispielsweise polykristallines Ti-Metall als Target aufgebondet ist. Das Magnetron 5 weist eine nicht näher dargestellte Anode aus magnetisierbarem Werkstoff auf. In unmittelbarer Nachbarschaft des Magnetrons 5, und zwar zwischen dem Magnetron 5 und einer Substrathalterung 6 sind zwei Elektroden 7 angeordnet, beispiels­ weise Wolfram-Stäbe, die an positiver Spannung liegen. Die Substrathalterung 6 mit den darauf angeordneten, nicht näher dargestellten Substraten, liegt hingegen an negativer Spannung. Um eine gleichmäßige Beschichtung der auf der Substrathalterung aufgesetzten Substrate von allen Seiten zu gewährleisten, ist die Substrathalterung um eine Achse 8 drehbar angeordnet. Weiterhin ist in dem Gehäuse 1 seitlich zum Magnetron 5 versetzt eine Elektronenkanone 9, bevorzugt eine sogenannte Breitband- Elektronenkanone, angeordnet , und zwar so, daß sie einen Elektronenstrahl 10 in den Raum hinter das Substrat - bei vom Magnetron 6 aus zur Subtrathalterung 9 hin gerichteter Blickrichtung - einleitet. Der Elektronenstrahl 10 bewirkt eine Erhöhung der Ionisation und damit eine Erhöhung des Bias-Stromes. Schließlich ist in dem Gehäuse ein Permanentmagnet 11 angeordnet, und zwar mit Abstand zur Substrathalterung 6 vom Magnetron 5 aus gesehen. Mit diesem Magneten 11 wird infolge der Ablenkung des Elektronen-Strahles eine weitere Ionisationserhöhung um bis zu 30% erreicht.

Die mit einer solchen Anordnung beschichteten Werkzeuge weisen gegenüber mit einer herkömmlichen Sputteranlage beschichteten Werkzeugen eine Standzeiterhöhung von bis zu 1000% auf.

Claims (2)

1. Sputteranlage zum reaktiven Beschichten eines Substrates mit Hartstoffen, insbesondere Ti-Nitrid oder Ti-Karbid, die ein evakuierbares, auf Erd­ potential liegendes Gehäuse mit einer Zuleitung für ein Reaktionsgas und ein Edelgas aufweist, und in dem die Sputter-Oberfläche einer als Sput­ ter-Einheit dienenden Zerstäubungsquelle sowie eine Halterung für das Substrat angeordnet sind, wobei das Substrat mittels der Halterung vor der Sputter-Oberfläche positioniert ist und zwischen der Zerstäubungsquelle und der Substrathalterung ein Bauteil angeordnet ist, das mit einer Span­ nungsquelle verbunden ist, derart, daß zwischen diesem Bauteil und den Halterungen mit den Substraten eine Potentialdifferenz erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Zerstäubungsquelle ein Magnetron (5) ein­ gesetzt ist mit einer Anode aus magnetisierbarem Werkstoff, daß das Bau­ teil eine zwischen dem Substrat (Substrathalterung 6) und dem Magne­ tron (5) mindestens eine an positiver Spannung liegende Elektrode (7) ist und das Substrat (6) an negativer Spannung liegt, und daß sie vom Magne­ tron (5) in Richtung des Substrates (6) gesehen eine in den Raum hinter dem Substrat einen Elektronen-Strahl einleitende Elektronenkanone (9) aufweist.

2. Sputteranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ge­ häuse (1) mindestens ein die Bahn des Elektronen-Strahles verlängernder Magnet (11) angeordnet ist.