beschichten nach den pvd-verfahren

Z. Werkstofftech. 9, 289-297 (1978) Overlag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim, 1978

Beschichten nach den PVD-Verfahren Coating with PVD-Techniques

Beschichten nach den PVD-Verfahren

E. Broszeit und H . M. Gabriel

Anhand der Literatur wird aufgezeigt, wie die verschiedenen PVD- Verfahren (Aufdampfen, Sputtern, Ionenplattieren) ablaufen, welche Schichten erzeugt werden konnen, wodurch die Schichteigenschaf- ten beeinfluRt werden konnen und wie hoch die Beschichtungsraten sind.

Einleitung

Die Werkstofftechnik hat durch die Anwendung der Va- kuumtechnik in vielen Bereichen wie z. B. den Schmelzpro- zessen, dem SchweiRen und Schneiden mit Elektronenstrahl und nicht zuletzt dem Beschichten eine groQe Erweiterung erfahren.

Physikalische Beschichtungsverfahren, die im Vakuum ablaufen, sind zu unterteilen in Vakuumaufdampfen, Va- kuumzerstauben oder Sputtern und Ionenplattieren. Diese 3 Verfahren unterscheiden sich in vielfaltiger Weise, so z. B. im Druckbereich, in der Atmosphare, in der Substrattempe - ratur usw.. Durch Variation dieser Parameter lassen sich Schichten zu verschiedenen Zwecken, je nach Anwendung, o b funktional oder dekorativ, herstellen. Im Folgenden wird anhand des Schrifttums aufgezeigt, wie die verschiedenen Pro- zesse ablaufen, welche Beschichtungsmaterialien eingesetzt werden konnen, wodurch die Eigenschaften der Schichten beeinfluRt werden und wie schnell die Prozesse ablaufen.

Die wesentlichen Anwendungsbereiche der drei Beschich- tungsverfahren umfassen seit jeher die Optik und Elektronik, aber auch die Metallurgie und in zunehmendem MaRe die Tribologie (134) .

I. Vakuumaufdampfen

1 . 1 . Prozejs'ablauf

Hochvakuumbedingungen bei Driicken von mindestens lo-' mbar sind erforderlich, um den ProzeQ des Vakuumauf- dampfens oder kurz des Aufdampfens ablaufen zu lassen (Abb. 1 (1-6)). Dabei wird der Beschichtungswerkstoff durch Erhitzen in den dampfformigen Zustand iibergefiihrt. Dies erfolgt entweder durch Widerstandsbeheizung des Verdamp- fers, durch Induktionsbeheizung oder mittels Elektronen- strahl (Abb. 2). Der Dampf kondensiert an dem in einem be- stimmten Abstand vom Verdampfer angebrachten und meist wassergekiihlten Substrat, wobei die Substrattemperatur kontrollierbar ist. Verdampfer konnen Gluhdrahte, Tiegel oder Schiffchen sein, die rnit hohen Stromen niedriger Span- nung beheizt werden. J e nach Schichtwerkstoff sind Ver-

*) Mitteilung aus dem DFG-Sonderforschungsbereich 152 ,,Ober- flachentechnik" der Techn. Hochschule Darmstadt

This paper deals with the physical vapor deposition processes review- ed by the literature: the coatings, the influence of different parameters on the properties of these coatings, the deposition rates.

dampfer unterschiedlichen Materials einzusetzen (4), wobei die maximale Verdampfungstemperatur des Schichtmaterials von 1500 O C eine Begrenzung fur die Widerstandsbeheizung darstellt, d . h. Refraktarmetalle (hitzebestandige Metalle mit hoherem Schmelzpunkt) sind nicht verdampfbar. Statt- dessen kommt die Induktionsbeheizung oder der Elektronen- strahl zur Anwendung, rnit dem durch einen stark gebiindel- ten, energiereichen Strahl direkt in die Oberflache des Be- schichtungsmaterials eine solch hohe Energie eingebracht wird, daQ alle Materialien bis hin zum Wolfram ohne Schwie- rigkeiten verdampft werden konnen.

Liegt das Beschichtungsmaterial in der Dampfphase vor, so bewegen sich die Atome aufgrund ihrer thermischen Ener- gie nahezu geradlinig auf das Substrat zu und kondensieren an diesem. Die geradlinige Bewegung wird durch die bei den herrschenden Driicken groRe mittlere freie Weglange ( 3 ) der verdampften Atome ermoglicht. Diese kollidieren eher rnit den Rezipientenwanden, den Abschirmblenden und den Sub- straten als untereinander, wenn sich die Abmessungen zwischen Substrat und Verdampfer und die des Rezipienten in der GroRenordnung einiger hundert Millimeter befinden.

Vokuym P c l O mbar

Domptatome

BeschichtungsmalerloI

Verdompfer (fur breitere Anwendung Einsatz einer Elektronen - st rahlkonone)

-?I 1 el+ n Energieversorgung fur Verdampfer

Vokuumpumpe '-u 5-20V.100A

Abb. 1. Aufdarnpfen. Fig. 1. Vacuum evaporation.

290 E. Broszeit und H. M. Gabriel 2. Werkstofftech. 9, 289-297 (1978)

Verdompfen d u r c h ~ _ _ ~ Widers t ondsbeheizung E l e k t r o n e n s t r a h l IES)

Selbslver- ev d0mpfePd Oraht

H e i z d r o h t

Verdorn ,ungsguP-

Heizdroht Verdamp- fungsgut

Band

Schiffchen e 8 c h ; ; : h e n

W , Mo ,To

nus Bornitrid Titonbor i d

B l o c k @ # B l o c k

e t c

Strohlumlenkuna 18d-77d Transverse - T y p

Arbei tsberei i h d e s E 8

Tiegel

1 StrohlumlPnkung 40'

I V e r d o m v l u n a UUI t i l l ur id

I Pierce-Typ

~ M e h r n o p l l i e g e l r ~ i w u r ~ r i qPk i i h I l l Le i s tun der V e r d n m p l r r 3 k W - 3 8 k W I 2 ' 1 0 kW1

Floshverdampfunq

Leg ie rungsmo le r io l l i e g t vor 01s

0 ) D r o h t

Behalter f u r Drphtrolle

b l k o r n i g e s Gut

Verdornpf e r b l o c k l t e r f u r iges Gut I

Mischung in der Oomp lphase

Bereich in welchem der Dompl in gewunsrh te r Stochiomelr ie vo r l i eg f o-..

Abb. 3. Verfahren zur stochiometrischen Verdampfung von Le gierungen. Fig. 3. Evaporation of alloys.

Abb. 2. Verdampfereinrichtungen. Fig. 2 . Evaporation sources. 1.3. Einflup der Substratternperatur

1.2. Schichtmaterialien

Grundsatzlich sind alle Elemente und Metalle verdampfbar. Um aber genugend hohe Aufdampfraten zu erhalten, ist es notwendig, daf3 die Verdampfung aus schmelzflussigem Zu- stand erfolgt, d. h. daf3 die Verdampferleistung ausreichend bemessen ist.

Legierungen sind ebenfalls verdampfbar (7-9), es ist jedoch zu beachten, daR bei unterschiedlichem Dampfdruck der einzelnen Legierungskomponenten die Schichtzusammen- setzung nicht dem Ausgangsmaterial entspricht. Durch geeignete MaRnahmen (2 , 3, 10) kann dies jedoch vermieden werden, so z. B. durch Mischung in der Dampfphase, durch ge- trennte Verdampfung der Legierungselemente oder durch Flashverdampfung, bei der feinkorniges oder drahtformiges Beschichtungsgut einem Verdampfer zugefuhrt wird und so- fort in die Dampfphase ubergeht. Es wird jedoch immer nur so vie1 Beschichtungsmaterial zugefuhrt, da& sich kein Schmelz- sumpf ausbildet (Abb. 3).

Auger Elementen, Metallen und Legierungen sind auch Verbindungen als Schichtwerkstoffe aufdampfbar. Solche Verbindungen sind z. B. TIC, TIN, TaC u. v. a. und werden durch reaktive ProzeRfuhrung erzielt (1 1-16). Bei Schicht- analysen wurde der Einbau von unerwunschten Restgasteil- chen festgestellt ( 3 , 17), und diesen Umstand macht man sich bei der reaktiven ProzeRfuhrung zunutze, indem man in einen evakuierten Rezipienten rnit augerst geringem Restgasanteil (UHV) ein erwiinschtes Reaktionsgas, z. B. C2H2 fur Karbid-, O2 fur Oxid- und NH, oder N2 fur Nitridschichten, mit be- stimmtem Partialdruck einfiihrt. Der Einbau der Rest- aber auch der Reaktionsgase in der Schicht ist umso geringer, je geringer der Druck (groRe freie Weglange) und je groRer die Aufdampfgeschwindigkeit (kurze Reaktionszeit) ist.

tegterungs- Legierungs- bestandtei l l beslandtei l 2

Eine Kondensation verdampfter Teilchen am Substrat ist nur moglich, wenn dessen Temperatur tief genug ist, d . h. rnit zunehmender Substrattemperatur wird die Beschich- tungsrate geringer. Ursache hierfur ist die stattfindende Kon- densation mit gleichzeitig stattfindender Ruckverdampfung (18). J e groger die Bindungskrafte zwischen Atom und Sub- strat sind und je geringer die Substrattemperatur ist, um so eher kondensiert ein Atom und haftet an der Oberflache, andererseits begunstigt eine erhohte Temperatur auch wieder Ober- flachendiffusionsvorgange und damit eine bessere Haftung. Uber die Substrattemperatur werden aber auch die Schicht- eigenschaften erheblich beeinflugt, sind damit jedoch auch kontrollierbar, d . h. die Substrattemperatur wird zu einem der wichtigsten Parameter des Aufdampfprozesses (15, 17 ,

Die im Substrat herrschenden Temperaturen konnen in 19-27).

3 Bereiche unterteilt werden:

Metalle Oxide

Bereich 1 T < 0.3 T, 1 < 0 , 2 6 T m

Bereich 3 T > 0.45 Tm T > 0.45 T, Bereich 2 T = 0,3-0,45 Tm T = 0,26-0,45 T,

T, = Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials

Bei Substrattemperaturen bis 0,26 bzw. 0,3 . T, bildet sich eine gewolbte, zwischen 0,26 bzw. 0,3-0,45 . T, eine dentritische und uber 0,45 . T, eine vielflachige Gefiigestruk- tur aus. Mit zunehmender Temperatur wird eine dichtere Schicht und eine verbesserte Kornausbildung erzielt (Abb. 4 ) .

Die Giiltigkeit dieses sogenannten ,,3-Zonen-Modells" ist fur viele Materialien erwiesen, so z. B. fur Ti, Ni, W, A12 0 3 ,

Zr03 (19) und Titan-Oxid-Verbindungen (14), desweiteren

Z. Werkstofftech. 9, 289-297 (1978) Beschichten nach den PVD-Verfahren 291

fur Ni - 2 0 Cr und TIC und ebenfalls fur Ti und Ni ( 2 0 , 2 1 ) . Fur Mo, Nb und V konnte die Gultigkeit jedoch nicht nach- gewiesen werden (17). Schicht

Substrat

Z o n e 1 Zone 2 Z o n e 3

1 d ; H e : o l l P

1<0.3 1, 1-0.3-0.15 1" I >G.kS 1~

' u . ' " I d i

1 < 0 2 6 T . 1-0 26-0.45 1. 1>0.15 I.

I S.rbslral lernperolur In1 1,; S c h m e l z p u n k t t e m p e r o t u r IKI

Abb. 4. Struktur aufgedampfter Schichten (nach Mowchan und Demcbishin). Fig. 4. Structure of vacuum deposited coatings (by Movchan and Demchishzn). Pb aut Stahl lautgedarnpft bei rnbar I

1.4. Beurteilung der Schichtqualitat

Die Gute einer Schicht wird im wesentlichen nach ihrer Gefugestruktur, Haftfestigkeit und GleichmaRigkeit beur- teilt. Die Struktur wird wie schon in Kap. 1. 3 . erwahnt, von der Substrattemperatur beeinflufit.

Die Haftfestigkeit, ein wichtiges Kriterium fur die Funk- tionsfahigkeit einer Schicht, steht in direktem Zusammen hang rnit der Reinheit des Substrats und der Energie der am Substrat kondensierenden Atome.

Eine Reinigung des Substrats mit herkommlichen Metho- den, wie z. B. dem Ultraschallbad, genugt nicht den Anforde- rungen, die bei diesem Verfahren an die Reinheit der Ober- flache zu stellen sind. Man bedient sich daher der Methode des ,,Sputtercleanings", wobei das Substrat einer Glimment- ladung ausgesetzt wird und Kontaminationen vom Substrat abgestaubt werden konnen (vergl. hierzu Kap. 2 . 3. 1.).

Dieser ProzeR lauft allerdings bei einem relativ hohen Druck von etwa im Druckbereich besser

Pb auf Stahl lionen p la t t ier t 10-2rnbar,3KVI

Abb. 5 . Aufgedampfte und ionenplattierte Schichten nach einer Beanspruchung mit Ritzharte-Diamant. Fig. 5. Vacuum deposited and ionplated coatings after rubbing with a modified microhardness tester.

1.5. Beschichtungsrate mbar ab, der des Aufdampfens jedoch

mbar, d . h. urn diesen Druck Wie schnell eine Schicht durch Aufdampfen erzeugt wer- wieder zu erreichen, wird einige Zeit benotigt und eine Re- kontamination des Substrats erscheint moglich.

sich in der GroRenordnung von 0,l bis 1 eV und beruht auf rein thermischer Energie. Damit ist sie jedoch zu gering, um eine gute Adhasion zu erzielen, es sei denn, die Substrattem- peratur ist so hoch, daR Diffusionsvorgange stattfinden und sich eine Zwischenschicht bildet (28). Beim Vergleich des Aufdampfens rnit dem in Kap. 3 beschriebenen Verfahren, dem Ionenplattieren, wird die schlechtere Haftung deutlich (Abb. 5). Eine verbesserte Haftung ist durch eine aktivierte ProzeRfuhrung zu erzielen, bei der durch eine uber dem Ver- dampfer angebrachte Elektrode mit bestimmter Spannung eine Ionisierung und Aktivierung der Schichtatome und bei reaktivem Aufdampfen auch der Gasatome erfolgt (1 1, 1 2 , 1 4 , 2 7 , 2 9 ) .

stromdichte und der Substrat- Verdampferanordnung bestimmt. Die zum Rand des Substrats hin nach dem Kosinus- gesetz abfallende Schichtdicke kann uber diese 2 Parameter

Die Energie der am Substrat kondensierenden Atome bewegt

Die GleichmaRigkeit der Schichtdicke wird von der Dampf-

den kann, hangt von der Verdampfungs- und Kondensations- rate ab. Die Art der Verdampfung - Widerstands-, Induktions- beheizung oder durch Elektronenstrahl - und das zu ver- dampfende Material haben EinfluR auf die Verdampfungsrate, die Substrattemperatur bestimmt die Kondensationsgeschwin- digkeit ( 2 ) . Das Aufdampfen wird innerhalb der PVD - Ver- fahren als schnellstes Verfahren bezeichnet, wobei Aufdampf- raten von bis zu 4500 pm/h erwahnt werden (20, 30).

2. Vakuumzerstauben (Sputtern)

2.1. Prozepablauf

Das Beschichten durch Sputtern erfolgt in einer Vakuum- kammer (4, 6 , 31-36), die auf mindestens lo-' mbar eva- kuiert und anschlieRend rnit einem Inertgas, z. B. Argon, je nach Verfahren auf lo-' - l o 4 mbar geflutet wird (Abb. 6). In diesem Druckbereich stellt sich zwischen dem als Kathode geschalteten Target (Beschichtungsmaterial) und dem geer-

beeinfluRt werden ( 3 , 4). deten Substrat eine anormale Glimmentladung ein. Die in

292 E. Broszeit und H . M. Gabriel 2. Werkstofftech. 9, 289-297 (1978)

dieser Glimmentladung gebildeten, positiv geladenen Ionen werden rnit groRer Energie auf das negativ geladene Target geschleudert und losen durch Impuls- und StoBaustausch aus diesem Atome heraus (31 , 32). Der groRte Teil der Energie, ungefahr 95%, geht hierbei an der Targetoberflache in Warme uber (3 1). Der Rest wird den herausgelosten Teilchen - Se- kundarelektronen, neutrale Targetteilchen, Sekundarionen - durch Energieaustausch ubertragen. Das Beschichtungsma- terial geht also nicht durch Temperaturzufuhr sondern durch ein ,,Herausschlagen" der einzelnen Partikel in die Dampf- phase uber. Im Gegensatz zum Aufdampfen wird beim Sput- tern das Beschichtungsmaterial sogar gekuhlt. Die herausgelosten, rnit erhohter Energie versehenen Beschichtungsatome passieren die Glimmentladung und lagern sich am geerde- ten oder mit negativer Vorspannung versehenen Substrat an. Im Falle der negativ vorgespannten Substrate ist deren Span- nung jedoch geringer als die am Target anliegende Spannung.

Subs trotvorsponnung

7 InertgoseinlaO

ITG95.61 Vokuumpumpe

Abb. 6. Sputtern.

L E n e r g i e v e r s o r g u n g Uzz 1 k V

T Fig. 6. Sputtering.


Innerhalb der PVD-Verfahren gilt das Sputtern als viel- seitigstes Verfahren, da Schichten beliebiger Werkstoffe auf- gebracht werden konnen. So lassen sich z. B. metallische Schichten anhand des einfachen Gleichstromdiodenverfah- rens aufbringen (dc-Sputtern) (37-40) . Legierungsschichten lassen sich rnit demselben Verfahren herstellen, wobei her- vorzuheben ist, daR bei geeigneter Wahl der Parameter die erzeugten Schichten stochiometrisch exakt dem Targetma- terial entsprechen (41-43). Dies beruht darauf, daR der Uber- gang des Beschichtungsmaterials in die Dampfphase nicht durch Zufuhr von Warme erfolgt, und somit der Dampfdruck der einzelnen Legierungskomponenten keinen EinfluR hat.

Verbindungsschichten, halbleitende und nichtleitende Schichten lassen sich rnit Hilfe des rf-Verfahrens erzeugen (44-49), bei dem das Target durch das Anlegen von hoch- frequenten Wechselfeldern und dem damit verbundenen ab- wechselnden Elektronen- und Ionenbombardement zerstaubt wird. Wie bei den Legierungsschichten muR die gute Uber- einstimmung in der chemischen Zusammensetzung von Schicht- und Targenverkstoff hervorgehoben werden (45 ) .

aber auch durch reaktive ProzeRfuhrung mit dem dc- oder rf-Verfahren herstellen (50-5 5 ) . Allerdings wird die Beschich- tungsrate, die beim Sputtern ohnehin schon sehr gering ist,

Oxid-, Nitrid- und Karbidverbindungsschichten lassen sich

durch den beim reaktiven Sputtern erhohten Druck weiter verringert ( 5 1). Durch Trioden-(56-62) und Hohlkathoden- zerstauben (63) sind grogere Beschichtungsraten jedoch wieder erreichbar.

2.3. Beurteilung gesputterter Schichten

Die Qualitat einer gesputterten Schicht wird von vielen Faktoren bestimmt, so z. B. von der Energie der auftreffenden Teilchen, der Oberflachenreinheit und Temperatur des Substrats, der Reinheit des Targets, sowie dessen Tempera- tur, den angelegten Spannungen, dem Gasdruck, dem Elek- trodenabstand, der Targetanordnung u. a. m.

Beurteilungskriterien fur eine Schicht sind die Haftfestig- keit , die Struktur, die Dichte und die GleichmaRigkeit. Uber die obigen Parameter kann jedes Kriterium stark beeinfluRt werden.

2.3 . l . Haftfestigkeit

Die Haftfestigkeit einer Schicht wird entscheidend von der Energie der auftreffenden Atome, von der Oberflachen- reinheit und Temperatur des Substrats sowie der Reinheit des Beschichtungsmaterials bestimmt.

pro Atom bzw. Teilchen und ist damit ein Vielfaches der thermisch emittierten Atome beim Aufdampfen (30 , 37, 64). AuRerdem ist bei niederem Druck ( l 0 - j mbar) die mittlere freie Weglange so grog, daR der Energieverlust, der bei hoherem Druck ( l o - ' mbar) durch Kollisionen auftritt, wesentlich verringert wird (65). Wahrend sich beim Aufdampfen nur durch eine nachfolgende Gluhbehandlung ein Diffusions- vorgang zwischen Schicht- und Grundwerkstoff einstellt und die Haftfestigkeit damit erhoht wird, bewirkt das Auftreffen der gesputterten, hochenergetischen Teilchen ein Eindringen in die Oberflache, rnit anderen Worten ein mechanisches Ver- binden erhoht die Haftfestigkeit. Die Eindringtiefe wurde zwar noch nicht naher untersucht, durfte aber in der Grogen- ordnung einiger Atomdurchmesser liegen (37) . Durch die erhohte Energie werden auch Diffusionsvorgange an der Ober- flache begunstigt.

Wie in Kap. 2.1. beschrieben, wird das Target durch aus der Gasentladung auftreffende Ionen zerstaubt. Um nun eine reine Substratoberflache zu erzielen, laRt sich derselbe ProzeR, als ,.Sputtercleaning" bekannt, auf das Substrat anwenden. Man legt an dieses eine Spannung von mehreren Kilovolt, und die in einer Inertgasglimmentladung entstehenden Ionen reinigen das Substrat von jeglichen Kontaminationen (66-70). Durch Umpolung der Spannung auf das Target la& sich dann der Beschichtungsvorgang einleiten. Um eine Rekontamina- tion des Substrats zu vermeiden, wird zu Anfang des Target- zerstaubens eine Blende zwischen Substrat und Target gedreht und sobald das Target gereinigt ist, wird die Blende wegge- dreht und der BeschichtungsprozeR lauft an.

Was die Energie betrifft, so betragt diese 1 0 eV und mehr

2.3.2. Struktur und Dichte

Struktur und Dichte gesputterter Schichten werden von den angelegten Spannungen, dem Druck im Rezipienten, der Substrattemperatur und der Beschichtungsrate beeinfluRt.

2. Werkstofftech. 9, 289-297 ( 1 9 7 8 ) Beschichten nach den PVD-Verfahren 293

Beim normalen Gleichstromdiodenverfahren wird an das Target eine negative Spannung in der GroBenordnung von 1-2 kV gelegt. Das Substrat ist hierbei entweder geerdet, d. h. spannungslos, oder aber isoliert. In diesem Fall erhalt es mit zunehmender Beschichtungszeit ein negatives Potential von einigen Volt. Bei dieser Spannung, auch Eigenbias oder floating potential" genannt, kommt es zu einem erhohten Einbau von Verunreinigungen in die Schicht (34).

Andererseits kann aber beim reaktiven ProzeR die chemische Zusammensetzung der Schicht beeinfluBt werden (50). Ebenso kann das Eigenpotential als Leistungsmesser eingesetzt werden (71).

Erhoht man das Potential des Substrats durch AnschluB an eine Spannungsquelle, so lauft der als Biassputtern bekann- te ProzeB ab ( 3 3 , 34, 38, 48 , 66 , 72). Bei diesem Verfahren liegt am Substrat eine um eine GroBenordnung geringere negative Spannung als am Target. Die Substratvorspannung bewirkt zum Einen, daR Ionen mit jetzt hoherer Energie auf das Substrat beschleunigt werden (Ionenbombardment) und damit eine Reinigung des Substrats bzw. der aufwachsenden Schicht ( 3 3 , 34, 67) , eine Erhohung der Haftfestigkeit (36, 37 ,66 , 73, 74) sowie ein gezielter Einbau von Gasen und eine gezielte Veranderung der chemischen Zusammensetzung (33, 34, 38, 66, 75-79) erfolgt, zum anderen jedoch die Schichtstrukturen verbessert werden konnen, indem durch das Ionenbombardment die Keimbildungsbedingungen so ver- andert werden, daB dichte rekristallisierte Strukturen entstehen ( 3 0 , 7 4 , 7 5 , 8 0 , 8 1 ) . Ferner bewirkt das Ionenbom- bardment eine Erhohung der Oberflachenenergie und damit eine erhohte Teilchenmobilitat, soda& dichtere Schichtstruk- turen entstehen ( 4 2 , 4 4 , 7 4 , 7 5 , 80).

Durch Veranderung der Substrattemperatur konnen Schichten erzielt werden, die bereits in Kapitel 1.3. durch das 3 -Zonen-Model1 nach Movchan und Dernchishin (MD) beschrieben sind (30, 42 , 74, 82, 83). Hierbei ist jedoch zu beachten, da13 eine Veranderung der Struktur auch iiber den Druck moglich ist (44, 82, 83) (Abb. 7). Als weiteren Para- meter zur Strukturveranderung dient die Beschichtungsrate, wobei mit geringen Raten ,,MD-Strukturen" zu erhalten sind, bei hohen Raten jedoch kein Bezug zu diesen mehr festgestellt werden kann (42). UnregelmaBigkeiten in der Schicht- struktur konnen durch fehlerhafte Substratoberflachen her- vorgerufen werden (84) .

2.3.3. GleichmaBigkeit der Schicht (31, 66, 81, 85)

Die gleichmagige Zerstaubung des Targets sowie die Tar- get-Substratanordnung sind die beiden Hauptparameter, um

Sau len io rm ipes Geiuge

R e k r t ~ t a I I ~ ~ ~ e r l e s Ge lupe

Porose S t r u k t u r nus n o d e l f o r m i g e n I r i s t o l l

1.0

lemperoturverholtnis TIT,

I =Subs t ra t tempero tu r lKl L=Schmelzpunkttemperat"r IKI

Argondruck lubor l

Abb. 7. Struktur gesputterter Schichten in Abhangigkeit von Argondruck und Substrattemperatur (nach J . A. Thornton). Fig. 7. Structure of sputter deposited coatings (by J. A . Thornton).

eine iiber das Substrat gleichmaBige Schicht zu erhalten. Die Beschichtung des Substrats folgt wie schon beim Aufdampfen dem Kosinusgesetz d. h. , es besteht ein Zusammenhang zwischen Abstand und Durchmesser der Elektroden und der Schichtdicke. Diese fallt zum Rand hin ab, wobei die Zer- staubungsrate am Rand des Targets durch den hohen Feld- gradienten sehr stark ansteigt und der Verminderung der Schichtdicke entgegenwirkt.

Um ein riickwartiges Zerstauben des Targethalters zu vermeiden, mug dieser in einem sehr engen Abstand von einem Dunkelraumschild umgeben sein. Zieht man dieses Schiltl seitlich iiber das Target hoch, so kann die Abtragrate uber die ganze Flache des Targets so vergleichmagigt werden, daB die Dickenabweichung innerhalb der erzeugten Schicht bis auf etwa 10% reduziert werden kann.

2.4. BeschichtungsraEe

Die Beschichtungsrate ist je nach Verfahren (ob rf - oder dc -) von der angelegten Spannung und somit vom Ionen- bombardment (44, 72, 79-81, 86, 87), von der eingebrach- ten Leistung und dem Substrat-Target abhangig ( 3 1 , 88). Ein angelegtes Magnetfeld kann die Rate ebenfalls beeinflussen (89). Allgemein ist die Beschichtungsrate gering, da die Ener- gie der Ionen nicht ausreicht, geniigend Atome aus dem Tar- getverband herauszulosen. Durch Anwendung eines hoch- ionisierten Plasmastrahls, des Magnetronsputterns (3 5 ) oder des Plasmatrons (90) lassen sich die Beschichtungsraten erheblich steigern, sind mit 250 pmlh (30) jedoch um mehr als eine GroRenordnung geringer als beim Aufdampfen.

3. Ionenplattieren

3.1. ProzeJablauf

Das von D. M. Mattox in den 60er Jahren entwickelte Ionenplattieren (Abb. 8) ist eine Kombination der beiden bereits erlauterten Verfahren (30, 91 -101). Der Verfahrens- ablauf kann in mehrere Schritte unterteilt werden (102): a) Rezipient auf lo-' b) Inertgas iiber Nadelventil bis auf Arbeitsdruck von

c) Substrat an negatives Potential legen, d) Reinigen des Substrats durch Glimmentladung, e) Verdampfen des Beschichtungsmaterials, f ) Beschichten des Substrats durch Dampfatome und teil-

weise ionisierte Partikel. Auf dem Wege von der Verdampfungsquelle durch die

Glimmentladung zum Substrat konnen die in der Dampf- phase befindlichen Atome verschiedenen Prozessen unter- liegen (92, 100, 103-105): - Riickstreuung zur Quelle oder anderen Rezipiententeilen - Kollisionen zwischen Schicht-, Inertgasatomen und Ionen - Ionisierung eines geringen Anteils (etwa 1%) beim Zusam-

menstoR von Elektronen und Atomen - Hochenergetische, positiv geladene Metallionen werden

vom negativ geladenen Substrat angezogen und auf die Oberflache beschleunigt

mbar evakuieren,

-loW3 mbar einlassen,

- Eindringen der Metallionen in die Oberflache - ZusammenstoRe der Metallatome und aufgrund negativer

Ladung keine Anlagerung am Substrat

294 E. Broszeit und H . M . Gabriel 2. Werkstofftech. 9, 289-297 (1978)

Hochspannung 0+10 kV

Goseinlon

S u b s t r a t

Gasent ladung (Atome.lonen.etc1

,, Vakuumrezipient

2 , Vakuum P-10mbar

\ O . I \ O I / Blende lweggedreht l

Verdampfer m i l Beschichtungsmateriol (fur breitere Anwendung Einsatz einer Elektranen - strahlkanone I

\ \ "

'19 * nerg ieversorgung Vakuumpumpe ' - = 5 - 2 0 V I 100 A

Abb. 8. Ionenplattieren. Fig. 8. Ion Plating.

- Zerstaubung der bereits aufgebrachten Schicht, Vermi- schung mit neuen Schichtatomen rnit nachfolgender An- lagerung am Substrat

Welcher Vorgang rnit welchem Anteil stattfindet ist unge- wig, der Ionisierungsanteil ist jedoch minimal.


Beim Ionenplattieren rnit Widerstandsbeheizung konnen Elemente und Metalle bis ungefahr 1500 "C Schmelztempera- tur eingesetzt werden. Durch die Elektronenstrahltechnolo- gie ist eine Beschichtung rnit Refraktarmetallen moglich ge- worden ( 1 0 6 - l l l ) , und durch den Einsatz eines springen- den Elektronenstrahls konnen auch Legierungen aus Bestand- teilen unterschiedlichen Dampfdrucks gleichmagig aufge- bracht werden. Legierungen lassen sich aber auch durch Flashverdampfung stochiometrisch auftragen (101) .

Nichtleitende Substrate konnen rnit Hilfe eines sie umge- benden an Hochspannung angeschlossenen Faradayschen Kafigs oder durch Anlegen hochfrequenter elektrischer Fel- der beschichtet werden (102 , 112-114). Wie bei der reaktiven ProzeQfiihrung beim Sputtern und Aufdampfen lassen sich durch EinlaQ eines Reaktionsgases in den Rezipienten auch beim Ionenplattieren Schichten beliebiger Verbindun- gen herstellen (111 , 115 , 116) .

3.3. Beurteilung ionenplattierter Schichten

Ausgezeichnete Haftfestigkeit, hohe Dichte und sehr gute GleichmaQigkeit sind die Vorziige ionenplattierter Schichten (30, 37 ,91 -103 , 117-132).

3.3.1. Haftfestigkeit

Die Haftfestigkeit ionenplattierter Schichten wird im wesentlichen zuriickgefiihrt auf: - die absolute Reinheit der Substratoberflache

Durch das Sputtercleaning, das dem Beschichten vorge- schaltet wird, ist zum Zeitpunkt der Schichtbildung die Oberflache von jeglichen Verschmutzungen befreit, d . h. Oxidschichten werden ebenso abgestaubt wie z. B. Fett- reste. Andererseits werden aber auch Fremd- und Inert- gasatome, die wahrend der Beschichtung auf die Substra- oberflache gelangen, abgestaubt, da sie wesentlich geringere Bindungskrafte zum Substrat- und Schichtwerkstoff haben als diese zu sich selbst und die Glimmentladung auch wahrend der Beschichtung eine reinigende Wirkung hat.

Die auf die Substratoberflache treffenden Ionen haben in Abhangigkeit von der am Substrat liegenden Hoch- spannung (bis - 5 kV) Energien bis zu 5 keV, rnit einer durchschnittlichen Energie von 500 eV. Die neutralen Atome konnen ebenfalls mit Energien von mehreren keV versehen sein, wobei jedoch deren durchschnittliche Ener- gie etwa 200 eV betragt. J e energiereicher die Teilchen sind, u m so tiefer dringen sie in den Grundwerkstoff ein, wobei von Eindringtiefen von 50-150 &keV bis zu mehreren Mikrometern berichtet wird. Eine mechanische Ver- bindung zwischen Schicht- und Grundwerkstoff scheint daher moglich. Durch das Ionenbombardement kommt es zu einer ober- flachenspezifischen Temperaturerhohung und zu einer hohen Fehlstellenkonzentration und diese beiden Erschei- nungen begiinstigen eventuell ablaufende chemische Re- aktionsvorgange und Diffusionsvorgange.

- die Bildung einer abgestuften Zwischensthicht Durch das Abstauben von Grundwerkstoff und bereits aufgetragenen Schichtwerkstoffs, das Verbinden des Ab- gestaubten rnit neuem Schichtwerkstoff und letztlich durch das Aufbringen dieser Verbindungen kommt es zur Bildung einer abgestuften Zwischenschicht, die die Haft- festigkeit in entscheidendem Mage z. B. gegeniiber dem Aufdampfen erhoht. Die Haftfestigkeit kann aber augerdem durch das Auf- bringen einer Verbindungsschicht aus Material, welches sowohl zum Grund- wie zum spater aufgebrachten Schicht- material gute Bindungsfahigkeit hat, betrachtlich erhoht werden. Diese Moglichkeit beschrankt sich jedoch nicht nur auf das Ionenplattieren, sondern kann auch beim Aufdampfen und Sputtern angewandt werden.

- die Energie der auftreffenden Teilchen

3.3.2. Dichte, Gefugeausbildung und GleichmaQigkeit

Die Dichte ionenplattierter Schichten ist zum einen abhangig von der Energie der Teilchen und zum anderen von der Struktur der Schichten. Durch die hohe Energie der auftreffenden Schichtteilchen 1aKt sich sowohl ein Verdichten der bereits aufgetragenen Schichten, als auch ein Abstau- ben schwacher gebundener Atome bewerkstelligen. Durch Letzteres werden Fehlstellen in den Schichten weitgehend vermieden.

mehrere Parameter variiert und auch kontrolliert werden: Eine Schicht bestimmter Struktur herzustellen kann iiber

Z. Werkstofftech. 9, 289-297 ( 1 9 7 8 )

Glimmentladungsdruck - Substrattemperatur - verdampfte Materialmenge - Substratspannung und -strom - Substrat - Verdampfer Abstand - Substratgeometrie

Uber die Variation des Druckes und der Substrattempera- tur ergeben sich Schichten, die dem 3-Zonen-Modell in Abb. 4 und 7 ahnlich sind (Kap. 1.3. und 2.3.2).

Ein wesentlicher Vorteil des Ionenplattierens gegeniiber den herkommlichen PVD-Verfahren ist die erzielbare Gleich- magigkeit, die iiber die oben genannten Parameter sehr stark beeinflugt wird. Beim Aufdampfen und Sputtern lassen sich die Substrate nur an den dem Verdampfer gegenubar- liegenden Stellen beschichten, wobei die Schichtdicken nach dem Kosinusgesetz zum Rand hin abfallen. Durch geeignete MaBnahmen laBt sich dies zwar weitgehend vermeiden, aber um eine totale Bedeckung mit Schichtmaterial zu erhalten, miissen die Substrate drehbar angeordnet sein. Beim Ionen- plattieren wird jedoch das ganze Substrat beschichtet, also auch die Riickseite, Absatze, Bohrungen und Hinterschnitte. Dies ist darauf zuriickzufiihren, daf3 auf Grund des relativ hohen Druckes (lo-* - mbar) die mittlere freie Weg- lange der Dampfatome so gering ist, daB es zu Kollisionen und somit zu einem Streuen der Atome kommt und dabei auch schwerzugangliche Substratflachen beschichtet werden.

Beschichten nach den PVD-Verfahren 295

Literatur:

3.4. Besc hichtungsrate

Die Beschichtungsrate steht in direktem Zusammenhang mit der Leistung des Verdampfers bzw. der Elektronenstrahl- kanone und der am Substrat angelegten Spannung. Mit hoherer Leistung wird die zur Beschichtung verfiigbare Dampf- menge vergcogert, und mit der Substratspannung wird die Abstaubrate groBer. Die Schichtbildung erfolgt also erst dann, wenn die Abstaubrate geringer als die Beschichtungs- rate ist. Beschichtungsraten von 1500 Pmlh siedeln das Io- nenplattieren zwischen dem Aufdampfen und dem Sputtern an (30). Durch kombiniertes Aufdampfen und Ionenplat- tieren lassen sich allerdings wesentlich hohere Beschichtungs- raten erzielen (1 3 3).

4. Zusammenfassung

Anhand einer Literaturauswertung wurde versucht, einen iiberblick iiber die drei PVD - Verfahren - Aufdampfen, Sputtern, Ionenplattieren - zu geben. Neben der Beschrei- bung der unterschiedlichen ProzeBverlaufe, wurde auf das breite Spektrum der zu erzeugenden Schichten, so z. B. rein metallische Schichten, Legierungsschichten, aber auch ke- ramische Schichten, die eine immer breitere Anwendung finden, eingegangen. Parameter, welche die Eigenschaften der Schichten - Haftfestigkeit, Struktur u. Dichte sowie Gleichmagigkeit - stark beeinfluBen, wurden erlautert. Ferner wurde auf die Beschichtungsrate der einzelnen Ver- fahren eingegangen. Die Verfasser danken Herrn Dr. Teer, Universitat Salford, England, fur die kritische Durchsicht des Manuskripts. Der Deufschen Forschungsgemeinschaff wird fur die finanzielle Unter- stiitzung gedankt.

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Anschrift: Dr.-Ing. fi. Rroszeit und Dipl. Ing. H. M. Gabriel, tnstitut fur Werkstoffkunde der T. H. Darmstadt, GrafenstraRe 2, 6100 Darmstadt.

beschichten nach den pvd-verfahren

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