DE19860474A1 - Verfahren und Einrichtung zum Beschichten von Substraten mittels bipolarer Puls-Magnetron-Zerstäubung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Beschichten von Substraten mittels bipolarer Puls-Magnetron-Zerstäubung mit drei oder mehr Targets. Die Substrate werden gegenüber den Targets im wesentlichen im Bereich hoher Plasmadichte angeordnet, wobei jeweils mindestens zwei Targets mit einer potentialfreien bipolaren Stromversorgungseinrichtung verbunden und für eine vorgegebene Zeit bipolar zerstäubt werden und die Auswahl der jeweils mit der bipolaren Stromversorgungseinrichtung verbundenen Targets im Verlauf des Beschichtungsvorganges nach dem techologisch vorgebenen Programm geändert wird. DOLLAR A Die Einrichtung besteht aus mindestens drei Magnetronquellen (17, 17', 17''...) mit Targets (18, 18', 18''...), einer potentialfreien bipolaren Stromversorgungseinrichtung (21...) und einer Umschalteinrichtung (20...) zur Umschaltung der aktuellen elektrischen Verbindung ausgewählter Targets mit der bipolaren Stromversorgungseinrichtung (21...) nach einem technologisch vorgebenen Programm.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Beschichten von Substraten mittels bipolarer Puls- Magnetron-Zerstäubung im Frequenzbereich von 10 kHz bis 100 kHz. Insbesondere sollen mit der Erfindung elektrisch schlecht leitende oder isolierende Schichten auf Substra­ ten abgeschieden werden. Derartige Schichten finden vor­ zugsweise Anwendung als optische, elektrische oder mecha­ nische Funktionsschichten, wie sie für optische Bauelemen­ te, elektronische Bauelemente oder für reibungsmindernde und verschleißhemmende Schutzschichten benötigt werden.

Das Magnetron-Zerstäuben wird in breitem Umfang für die Abscheidung metallischer und elektrisch isolierender Schichten eingesetzt. Insbesondere für die wirtschaftliche Abscheidung elektrisch schlecht leitender oder isolieren­ der Schichten brachte in letzter Zeit die Einführung des reaktiven Puls-Magnetron-Sputterns einen entscheidenden Fortschritt (Schiller u. a., Society of Vacuum Coaters, 38th Ann. Techn. Conference Proceedings 1995 S. 293-297).

Dabei sind Verfahren zum unipolaren und bipolaren Puls- Magnetron-Zerstäuben bekannt. Beim unipolaren Puls-Magne­ tron-Zerstäuben wird die Energie in Form von Gleichspan­ nungs-Pulsen in das zerstäubende Target eingespeist. Eine spezielle Art der Einspeisung unipolar gepulster Energie bei Verwendung mehrerer unipolar zerstäubter Targets ist in der DE 197 02 187 beschrieben.

Besonders hohe Prozeßstabilität und die Möglichkeit zur großflächigen Beschichtung weitgehend ebener Substrate kann durch das reaktive Zerstäuben mit einer Doppelmagne­ tron-Anordnung unter Verwendung einer bipolaren Pulsstromversorgung mit einer Frequenz für die Polwechsel im Bereich von 10 kHz bis 100 kHz erreicht werden. Dabei ist es für den Prozeß von untergeordneter Bedeutung, ob als Art der Pulsstromquelle eine getaktete Gleichstrom­ quelle oder ein Mittelfrequenzgenerator gewählt wird.

Bei einer Doppelmagnetron-Anordnung, die auch als Dual- Magnetron-System oder TwinMag (Bräuer u. a., Proc. of the 3rd ISSP, Tokio 1995, S. 63-70) in die Beschichtungstech­ nik eingeführt worden ist, wirkt jedes Target der Doppel­ magnetron-Anordnung im Rhythmus der Polwechsel abwechselnd als Kathode bzw. Anode einer zwischen den Targets brennen­ den Gasentladung. Bekannte Anordnungen bestehen aus zwei parallel zueinander angeordneten Magnetronquellen mit rechteckigen Targets, die in einer Ebene liegen oder in einem bestimmten Winkel dachförmig zueinander geneigt sind. Die dabei auftretende Überlagerung der Magnetfelder der beiden Magnetronquellen erfordert spezielle Maßnahmen oder Einrichtungen zur Kompensation der ungleichen Ero­ sionsgeschwindigkeit verschiedener Bereiche der Targets. Im Bereich der eng benachbarten Erosionsgräben findet im allgemeinen jedoch trotz dieser Vorkehrungen die Target­ erosion mit höherer Geschwindigkeit statt als im Bereich der weit voneinander entfernten Erosionsgräben. Damit ist eine Verkürzung der Gebrauchsdauer der kostenintensiven Targets verbunden.

Entscheidend für die Qualität der beim Zerstäuben abge­ schiedenen Schichten ist die Plasmadichte, d. h. die Dichte geladener Teilchen im Bereich der Substrate. Sie beein­ flußt die mittlere Energie der kondensierenden Teilchen und damit die Struktur der Schichten und viele andere physikalische Schichteigenschaften. Im targetnahen Bereich ist die Plasmadichte beim Magnetron-Zerstäuben sehr hoch. Sie nimmt in Richtung zu den Substraten jedoch sehr schnell ab und ist im Bereich der Substrate größenord­ nungsmäßig geringer.

Aus der Beschichtungstechnik mit Einzel-Magnetronquellen sind verschiedene Verfahren und/oder Einrichtungen be­ kannt, die der Erhöhung der Plasmadichte im Bereich der Substrate dienen sollen. So wird durch unsymmetrische Gestaltung des Magnetfeldes der Magnetronquelle (Window und Savvides, Unbalanced dc magnetrons as sources . . ., J. Vac. Sci. Technol. A4 (3) 1986, S. 453-456) die räumliche Plasmadichteverteilung derart verändert, daß die Plasma­ dichte im Bereich der Substrate erhöht wird.

Ähnliche Wirkungen werden mit Magnetfeldern erreicht, die durch zusätzliche Spulen, sogenannten Plasma-Booster- Anordnungen, erzeugt werden (Hofmann, New Multilayer PVD-coating technique for cutting tools, Surf. Coat. Technol., Nr. 61 (1993), S. 326-330). Es sind auch Anordnungen mit vier Gleichstrom-Magnetronquellen bekannt, deren Magnet­ felder so gepolt sind, daß durch deren Überlagerung ein geschlossenes Magnetfeld mit erhöhter Plasmadichte in Substratnähe erreicht wird.

Beim Puls-Magnetron-Zerstäuben mit Doppel-Magnetron-Anord­ nungen befindet sich der Bereich hoher Plasmadichte nahe der Oberfläche der Targets, insbesondere auch in der Umgebung des Spaltes zwischen den Targets. Die auf den Substraten abgeschiedenen Schichten kondensieren unter der Wirkung einer vergleichsweise geringen Plasmadichte und weisen deshalb in vielen Fällen Qualitätsmängel auf. Eine Übertragung der Maßnahmen oder der Anordnungen zum Ver­ schieben des Bereiches hoher Plasmadichte in Substratrich­ tung auf Doppelmagnetron-Anordnungen ist nicht bekannt geworden. Dem Fachmann ist von diesen Mitteln lediglich die Einführung großräumiger Zusatzspulen vorstellbar. Davon wäre jedoch ein hoher apparativer Aufwand und nur begrenzte Wirksamkeit zu erwarten.

Besonders nachteilig wirkt sich die Konzentration des Plasmas in der unmittelbaren Umgebung der Doppel-Magnetron-Anordnung aus, wenn dreidimensional ausgedehnte Substrate oder solche, die zum Zweck der gleichmäßigen Bedeckung auf bewegten Halterungen wie Drehkörben oder rotierenden Substrataufnahmen mit mehreren parallelen Rotationsachsen angeordnet sind, beschichtet werden sollen. Auf solchen Substraten erfolgt nach dem Stand der Technik die Kondensation der Schichten beim Puls-Magnetron-Zerstäuben mit örtlich sehr unterschiedli­ cher Plasmadichte bzw. bei bewegten Substraten mit zeitlich stark schwankender Plasmadichte. Daraus ergeben sich gravierende Nachteile für die Struktur der Schichten bzw. für die örtliche Gleichmäßigkeit der Schichteigenschaften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Beschichten von Substraten mit­ tels bipolarer Puls-Magnetron-Zerstäubung zu schaffen, die die Abscheidung der Schichten mit hoher Qualität sichern. Insbesondere sollen auch Substrate mit hoher Qualität beschichtet werden, die in drei Dimensionen ausgedehnt sind und/oder Substrate sowie Gruppen von Substraten in Form von Substratanordnungen, die während der Beschichtung auf vorzugsweise bewegten Halterungen, wie Drehkörben oder rotierenden Substrataufnahmen mit mehreren parallelen Rotationsachsen, angeordnet sind. Des weiteren besteht die Aufgabe, Anwendungen für das Verfahren und die erfindungs­ gemäße Einrichtung anzugeben.

Die Aufgabe für das Verfahren wird durch die Merkmale nach Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe für die Einrichtung wird durch die Merkmale nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Einrichtung sind in den jeweils zugehörigen Unteransprüchen angegeben. Die Anwendungen des Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung werden in den Ansprüchen 14 und 15 angegeben.

Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie durch die erfindungsgemäße Einrichtung drei oder mehr Targets derart gegenüber den Substraten angeordnet werden, daß sich die Substrate im wesentlichen im Bereich hoher Plasmadichte befinden, wenn jeweils mindestens zwei der Targets für eine bestimmte Zeit mit den Target-Anschlußklemmen einer bipolaren Stromversorgungseinrichtung verbunden werden und im Verlauf des Beschichtungsvorganges die mit der Strom­ versorgungseinrichtung verbundenen Targets nach einem technologisch vorgegebenen Programm geändert werden.

Dabei hat sich gezeigt, daß das bipolare Puls-Magnetron- Zerstäuben im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 100 kHz in stabiler Weise auch mit Magnetronquellen betrieben werden kann, die in großem räumlichen Abstand zueinander angeordnet sind. In dieser Betriebsweise ist das Plasma auf einen großräumigen Bereich zwischen den Magnetronguel­ len ausgedehnt und weist auch im Bereich der dort angeord­ neten Substrate eine hohe Dichte auf. Wird der Zerstäu­ bungsprozeß mit mehr als zwei Magnetronquellen durchge­ führt und die Auswahl und Einschaltdauer der mit den Ausgangsklemmen der bipolaren Stromversorgungseinrichtung verbundenen Targets durch ein geeignetes Programm gesteu­ ert, so kann im zeitlichen Mittel eine geeignete, vorzugs­ weise gleichmäßige Verteilung der Plasmadichte im gesamten dreidimensionalen Raum, in dem sich die Substrate befin­ den, erreicht werden. Das Programm kann vorteilhafterweise so gestaltet sein, daß gleichzeitig mehrere Targets posi­ tiv und mehrere andere Targets negativ gepolt sind. Ver­ glichen mit dem bipolaren Puls-Magnetron-Zerstäuben unter Verwendung einer Doppel-Magnetron-Anordnung entsprechend dem Stand der Technik können auf diese Weise Schichten unter erhöhter Plasmaaktivierung auf den Substraten abge­ schieden werden. Sie weisen eine verbesserte Struktur, z. B. eine höhere Dichte, höhere Kristallinität und eine höhere Isotropie des Kristallwachstums auf. Daraus leiten sich vorteilhafte optische, elektrische und mechanische Eigenschaften der Schichten ab.

Je nach dem technologischen Erfordernis kann es auch zweckmäßig sein, daß das Programm zur Umschaltung der mit der Stromversorgungseinrichtung verbundenen Targets zeit­ lich aperiodisch eingestellt wird. Ein Beispiel dafür ist die Abscheidung von Schichtsystemen mittels bipolarer Puls-Magnetron-Zerstäubung, wenn diese aus mehreren Teil­ schichten bestehen, von denen mindestens zwei ein- und dieselbe metallische Komponente enthalten. Auf diese Weise läßt sich der apparative Aufwand durch Reduzierung der insgesamt erforderlichen Anzahl von Targets verringern. Noch entscheidender ist jedoch der Gewinn an Schichtquali­ tät, der sich durch die weitere Erhöhung der Plasmadichte infolge der räumlichen Konzentration ergibt.

Weiterhin kann es zweckmäßig sein, daß das Programm eine zeitlich periodische Umschaltung beinhaltet. Diese Ver­ fahrensweise ist besonders für die Abscheidung von Schich­ ten auf räumlich sehr weit ausgedehnten Substratanord­ nungen geeignet. Wird zum Beispiel die Verbindung von zwei gegebenen Targets mit der bipolaren Stromversorgungsein­ richtung jeweils nur für eine Zeitdauer aufrechterhalten, in der sich die Position der Substrate nur unwesentlich verändert, so resultiert daraus eine maximale Homogenisie­ rung der Plasmadichte.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die Brennspannung der erfindungsgemäßen bipolaren Magne­ tronentladung gegenüber der Brennspannung einer Doppelma­ gnetron-Anordnung entsprechend dem Stand der Technik unter vergleichbaren Bedingungen von Targetmaterial, Gaszusam­ mensetzung und Gasdruck bei gleicher Energieeinspeisung durch Erhöhung der Impendanz der Gasentladung wesentlich erhöht werden kann. Die Erhöhung kann zwischen 5 und 25% liegen. Damit wird eine höhere mittlere Energie der Teil­ chen und eine weitere Steigerung der Plasmaaktivierung bei der Schichtkondensation bewirkt.

Soll eine Schicht, vorzugsweise aus einer elektrisch schlecht leitenden oder isolierenden Metallverbindung, abgeschieden werden, dann wird das Verfahren mit minde­ stens drei Magnetronquellen mit Targete aus dem gleichen Metall durchgeführt.

Bei der Abscheidung eines Schichtsystems aus Teilschich­ ten, bei denen mindestens eine metallische Komponente gleich ist, werden Magnetronquellen mit Targets aus unter­ schiedlichen Materialien eingesetzt. Das Programm zur Umschaltung ist dabei so gestaltet, daß neben der Homoge­ nisierung der Plasmaverteilung die angestrebte Zusammen­ setzung und Dicke der Teilschichten gesichert wird.

Wenn die Ausdehnung der Substrate in einer Dimension deutlich geringer ist als in den anderen beiden Dimensio­ nen, ist es zweckmäßig, die Targets der Magnetronquelle in zwei Ebenen anzuordnen, wobei sich die Substrate zwischen den Targets befinden und jeweils mindestens zwei gegen­ überliegende Targets bipolar zerstäubt werden.

Für die Beschichtung anderer Substrate, insbesondere, wenn diese allseitig beschichtet werden sollen und zu diesem Zweck bewegt werden, ist eine Einrichtung zweckmäßig, bei der sich mindestens zwei der Magnetronquellen gegenüber­ stehen. Eine besonders zweckmäßige Einrichtung enthält mindestens drei Magnetronquellen, die im etwa gleichen Winkelabstand zueinander kreisförmig um die Substrate angeordnet sind. Der Winkel α zwischen den Targetnormalen beträgt dann 360°/k, wenn k die Anzahl der Magnetronquel­ len ist.

Zweckmäßigerweise umfaßt eine Einrichtung Magnetronquel­ len, deren Targets mit einem geerdeten oder potiental­ freien Schirm umgeben sind, welcher in den Freiraum zwi­ schen der Targetebene und den Substraten hineinragt. Mit Hilfe solcher Schirme wird die Impendanz der Gasentladung erhöht, eine Erhöhung der mittleren Energie der kondensie­ renden Teilchen bewirkt und die Plasmadichte im Bereich der Substrate vergrößert.

Die Einrichtung wird zweckmäßigerweise so gestaltet, daß sich ein so großer Abstand zwischen den einzelnen Magne­ tronguellen ergibt und sich deren Magnetfelder gegenseitig nicht wesentlich beeinflussen. Dieses Kennzeichen in Verbindung mit einem geeigneten Umschaltprogramm sichert eine weitgehend gleichförmige Zerstäubung des Targets auf allen Bereichen des Erosionsgrabens und damit eine lange Gebrauchsdauer der Targets.

Durch eine sinnvolle Ausgestaltung des Umschaltprogrammes kann erreicht werden, daß jedes Target im Mittel gleich lange mit anderen Targets zusammengeschaltet wird und somit alle Targets im wesentlichen gleichmäßig zerstäubt werden.

Eine andere zweckmäßige Einrichtung mit ringförmig an­ geordneten Substraten enthält Magnetronquellen, die kreis­ förmig um die Substrate angeordnet sind und deren Target­ normalen in Richtung der Substrate zeigen. Die Anordnung kann darüber hinaus eine oder mehrere im Zentrum der Substratanordnung positionierte Magnetronquellen aufwei­ sen, deren Targetnormalen ebenfalls in Richtung der Sub­ strate zeigen. Durch das Umschaltprogramm wird sicherge­ stellt, daß zumindest für Anteile der Beschichtungszeit eine oder mehrere äußere Magnetronquellen und eine oder mehrere innere Magnetronquellen gleichzeitig mit der Puls- Stromversorgungseinrichtung zusammenwirken.

Die genannte Einrichtung kann vorteilhafterweise auch derart modifiziert sein, daß im Zentrum der Substratanord­ nung eine Magnetronquelle mit rohrförmigem Target und einer um die Symmetrieachse des Targetrohres drehbaren Magnetanordnung positioniert ist. Die Magnetanordnung wird dann jeweils zu dem Target ausgerichtet, welches gleich­ zeitig an die Stromversorgungseinrichtung angeschlossen ist.

Sollen linear bewegte Substrate beschichtet werden, so kann es zweckmäßig sein, mehrere Magnetronquellen in zwei Reihen so anzuordnen, daß ihre Targetnormalen auf die Substrate gerichtet sind. Das Umschaltprogramm wird dazu so gestaltet, daß zumindest für Anteile der Beschichtungs­ zeit jeweils eine oder mehrere Magnetronquellen der einen Reihe mit einer oder mehreren Magnetronquellen der anderen Reihe zeitgleich zusammenwirken.

Als Substrat wird in dieser Beschreibung grundsätzlich das Einzel-Substrat wie auch die Anordnung von mehreren Sub­ straten in sogenannten Substratträgern verstanden.

Nachfolgend wird die Erfindung an vier Ausführungsbei­ spielen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der bipolaren Puls-Magnetron- Zerstäubung an einer Doppel-Magnetron-Anordnung nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung mit drei peripher zu den Substraten angeordneten Magnetronquellen.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung mit vier Magnetronquellen, die in zwei Ebenen beidseitig der Sub­ strate angeordnet sind.

Fig. 4 zeigt eine Einrichtung mit ringförmig angeordneten Substraten, einer zentralen Magnetronquelle und sechs peripheren Magnetronquellen.

Fig. 5 zeigt eine Einrichtung zur Herstellung eines Sy­ stems aus mehreren Schichten auf einem rohrförmigen Sub­ strat entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren.

In Fig. 1 wird zur Erläuterung der Erfindung das Prinzip der bipolaren Puls-Magnetron-Zerstäubung an einer Doppel-Magnetron-Anordnung nach dem Stand der Technik dargestellt. Beispielhaft wird zur Beschichtung des Sub­ strates 7 eine Doppel-Magnetron-Anordnung verwendet. Diese enthält zwei rechteckige Targets 8 und 8' mit den zugehö­ rigen Magnetanordnungen 9 und 9'. Die Targets 8 und 8' sind parallel zueinander angeordnet und durch einen engen Spalt 10 voneinander getrennt. Üblicherweise ist eine Doppel-Magnetron-Anordnung von einem gemeinsamen Gehäuse 11 umschlossen. Die Targets 8 und 8' liegen in einer Ebene.

Nach dem Stand der Technik sind auch Bauformen bekannt, bei denen die Targetnormalen einen Winkel α < 180° bilden. Die Targets 8 und 8' sind je mit einer der Ausgangsklem­ men 12 und 12' der potentialfreien bipolaren Puls-Strom­ versorgungseinrichtung 13 verbunden. Nach dem Zünden einer Glimmentladung bildet sich ein Plasma 14 aus, welches im wesentlichen im targetnahen Bereich und im Bereich des Spaltes 10 zwischen den Targets 8 und 8' konzentriert ist. Im Programmschema 1, zugehörig zur bipolaren Puls-Strom­ versorgungseinrichtung 13, ist der zeitliche Verlauf des bipolar gepulsten Stromes schematisch dargestellt. Wird während der Glimmentladung und damit während der Zerstäu­ bung die Frequenz für die Polwechsel im bevorzugten Be­ reich von 10 kHz bis 100 kHz gewählt, so wird eine hohe Prozeßstabilität für die Magnetronzerstäubung erreicht. Das gilt auch für die reaktive Abscheidung elektrisch isolierender Schichten. In anderen Frequenzbereichen gehen die spezifischen Vorteile der bipolaren Puls-Magnetron- Zerstäubung verloren.

Der Nachteil der Lösungen nach dem Stand der Technik besteht darin, daß sich der Kernbereich des Plasmas 14 auf kurzem Weg zwischen den Targets 8 und 8' ausbildet und es in der Praxis schwierig ist, die Substrate nahe an diesen Bereich heranzubringen, um eine effektive Abscheidung des von den Targets 8 und 8' zerstäubten Materials auf den Substraten unter Wirkung eines dichten Plasmas zu errei­ chen.

Die Fig. 2 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsbei­ spiele unter Nutzung der erfindungsgemäßen Einrichtungen.

Ausführungsbeispiel I

Fig. 2 zeigt eine Vakuumbeschichtungskammer 16, in der Substrate 15 zentrisch angeordnet sind. Drei Magnetron­ quellen 17, 17' und 17" mit Magnetanordnungen und metal­ lischen Targets 18, 18' und 18" sind peripher zu den Sub­ straten 15 angeordnet. Die Normalen der Targets 18, 18' und 18" sind zu den Substraten 15 und zueinander gleich­ mäßig in einen Winkel α von 120° ausgerichtet. Jede Magne­ tronquelle 17, 17' und 17" ist mit einem Gehäuse 19, 19' und 19" umgeben, welches die Dunkelfeldabschirmung be­ wirkt. Die Targets 18, 18' und 18" sind elektrisch mit einer Umschalteinrichtung 20 verbunden. Zur Energieein­ speisung dient eine potentialfreie bipolare Puls-Strom­ versorgungseinrichtung 21.

Nachfolgend soll eine Anwendung der beschriebenen Einrich­ tung zur Beschichtung der Substrate unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher beschrieben werden.

Die reaktive bipolare Puls-Magnetron-Zerstäubung erfolgt unter Verwendung der Umschalteinrichtung 20 derart, daß für bestimmte Zeitabschnitte des Beschichtungsprozesses jeweils zwei der drei Magnetronquellen 17, 17' und 17" mit den Anschlußquellen der Puls-Stromversorgungseinrich­ tung verbunden werden und daß die Auswahl der Magnetron­ quellen 17, 17' und 17" und die Zeitdauer ihres Zusammen­ wirkens nach einem vorgegebenen Programm gesteuert werden. Im Anwendungsfall werden jeweils zwei benachbarte Magne­ tronquellen 17, 17' und 17" für eine Zeitdauer von einer Sekunde mit der Stromversorgungseinrichtung 21 verbunden. Bei einer Frequenz der Polwechsel der bipolaren Puls- Magnetronentladung von 50 kHz entspricht das 50.000 Pol­ wechseln. Danach wird eine andere Kombination von zwei der drei Magnetronquellen 17, 17' und 17" für eine Zeitdauer von wiederum einer Sekunde mit der Stromversorgungsein­ richtung 21 verbunden, und so weiter. Das Programm si­ chert, daß im Zeitmittel jede Magnetronquelle 17, 17' und 17" gleich lange eingeschaltet ist. Anders als bei der Verwendung von Doppel-Magnetron-Anordnungen nach dem Stand der Technik ist im Ausführungsbeispiel der gesamte die Substrate 15 umschließende Raum von einem dichten Plasma erfüllt. Wird eine Vorspannung (Bias) an die Substrate gelegt, so läßt sich ein hoher Ionenstrom (z. B. 10 bis 100 mA/cm²) extrahieren. Im Programmschema 2, zugehörig zur Umschalteinrichtung 20, ist der zeitliche Verlauf des bipolar gepulsten Stromes schematisch dargestellt, der von der bipolaren Puls-Stromversorgungseinrichtung 21 für die einzelnen Magnetronquellen 17, 17 und 17" mit den Tar­ gets 18, 18' und 18" bereitgestellt wird.

Ausführungsbeispiel II

In Fig. 3 ist die Erfindung am Beispiel der bipolaren Puls-Magnetron-Zerstäubung zur Beschichtung eines flächen­ haft ausgedehnten Substrates erläutert. Das mit Durch­ brüchen versehene Substrat 22 wird zum Zwecke der Be­ schichtung in Richtung des Pfeiles durch den Beschich­ tungsraum zwischen vier Magnetronquellen 24, 24', 24" und 24''' bewegt.

Beispielhaft soll eine reaktive bipolare Puls-Magnetro­ nentladung betrieben werden. Dazu ist der Beschichtungs­ raum mit einem Argon-Stickstoff-Gemisch gefüllt. Das zu zerstäubende Material wird in Form von vier rechteckigen Platten zugeführt, welche als Targets 23, 23', 23" und 23''' an den vier Magnetronguellen 24, 24', 24" und 24''' vorgesehen sind.

Die Magnetronquellen 24, 24', 24" und 24''' sind von Gehäusen 25, 25', 25" und 25''' umgeben. Die Magnetron­ quellen 24 und 24' sind in einer unteren und die Magne­ tronquellen 24" und 24''' in einer oberen Reihe angeordnet. Alle Targetnormalen sind parallel bzw. anti­ parallel auf die Substrate 22 gerichtet. Die Targets 23, 23', 23" und 23''' sind somit beidseitig der Substrate 22 angeordnet. Eine Umschalteinrichtung 26 verbindet jeweils zwei der Magnetronquellen 24, 24', 24" und 24''' für eine gegebene Zeitdauer mit den Ausgangsklemmen einer bipolaren Puls-Stromversorgungseinrichtung 27.

Im Programmschema 3, zugehörig zur Umschalteinrichtung 20, ist der zeitliche Verlauf des bipolar gepulsten Stromes schematisch dargestellt, der von der bipolaren Puls-Strom­ versorgungseinrichtung 27 für die einzelnen Magnetron­ quellen 24, 24', 24" und 24''' mit den Targets 23, 23' 23" und 23''' bereitgestellt wird.

Das Programmschema 3 verdeutlicht das Programm für die Auswahl und die Einschaltdauer jeder Kombination der Magnetronquellen 24, 24', 24" und 24'''. Eine schematisch dargestellte Zeiteinheit entspricht 0,1 Sekunden, so daß das Programm mit einer Periodendauer 1P von 1,2 Sekunden arbeitet. Für den gesamten Beschichtungsvorgang wird diese Sequenz zum Beispiel 500 mal durchlaufen.

Ausführungsbeispiel III

Fig. 4 zeigt eine Einrichtung mit ringförmig angeordneten Substraten 28, einer zentralen Magnetronquelle mit einem rohrförmigen Target 29 und einer drehbaren Magnetanordnung 30 im Inneren des Targets 29. Koaxial und peripher zu den Substraten 28 sind sechs Magnetronquellen 31 mit Targets 32 angeordnet.

Die Substrate 28 befinden sich im Ausführungsbeispiel auf Halterungen, mittels derer sie während der Beschichtung planetenartig um die zentrale Achse der Gesamtanordnung und um ihre eigene Achse gedreht werden.

Die Magnetanordnung 30 rotiert gleichförmig mit einer Drehzahl von 20 min^-1 um die zentrale Achse der Einrich­ tung. Die Normalen der Targets 32 sind auf das Zentrum gerichtet. Alle äußeren Magnetronquellen 31 haben zuein­ ander einen Winkelabstand von 60°.

Die Stromversorgung der Targets 32 erfolgt von einer bipolaren Puls-Stromversorgungseinrichtung 34 über eine Umschalteinheit 33. Dabei arbeitet die Umschaltein­ heit 33 beispielhaft mit einem Programm, bei dem jeweils drei benachbarte Magnetronquellen 31 parallelgeschaltet und mit einer Ausgangsklemme der bipolaren Puls-Stromver­ sorgungseinrichtung 34 verbunden sind. Die zentrische Magnetronquelle mit dem rohrförmigen Target 29 ist ständig mit der anderen Ausgangsklemme der Stromversorgungsein­ richtung 34 verbunden.

Das Programmschema der Umschalteinheit 33 gibt dabei vor, daß jeweils die drei Targets 32 parallelgeschaltet und mit einer Ausgangsklemme der Stromversorgungseinrichtung 34 verbunden werden, die der momentanen Position der Magnet­ anordnung 30 der zentralen Magnetronquelle gegenüberste­ hen. Auf diese Weise entsteht eine Dampf- und Plasmawolke, deren höchste Konzentration mit der Umdrehungsgeschwindig­ keit der Magnetanordnung 30 der zentralen Magnetronquelle umläuft.

Ausführungsbeispiel IV

Fig. 5 illustriert eine Einrichtung zur Abscheidung eines Schichtsystems, beispielsweise bestehend aus drei Teil­ schichten, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und einer erfindungsgemäßen Einrichtung.

Ein Rohr 35 soll auf seiner Außenseite mit einem Schicht­ system versehen werden, das aus den Teilschichten Titanni­ trid (TiN), Titan-Aluminium-Nitrid (TiAlN) und Aluminium­ oxid (Al₂O₃) besteht. Das Rohr 35 rotiert während der Beschichtung um die Achse 36. Die Einrichtung besteht aus zwei Magnetronguellen 37 und 37' mit den Titan-Targets 38 und 38' und zwei Magnetronquellen 37" und 37''' mit den Aluminium-Targets 38" und 38'''.

Im einem ersten Prozeßabschnitt erfolgt die Zerstäubung der Titan-Targets 38 und 38' in einem Argon-Stickstoff-Ge­ misch. Mittels der Umschalteinrichtung 39 sind dabei die beiden Ausgangsklemmen der bipolaren Puls-Stromversor­ gungseinrichtung 40 mit den Titan-Targets 38 und 38' ver­ bunden. Nach Erreichung der erforderlichen Dicke der in diesem Prozeßschritt abgeschiedenen Titannitridschicht wird programmgemäß über die Umschalteinrichtung 39 das Titan-Target 38 und das Aluminium-Target 38" bzw. ent­ sprechend das Titan-Target 38' und das Aluminium-Target 38''' mit den Ausgangsklemmen der Stromversorgungsein­ richtung 40 verbunden. Beide Target-Paare werden im Sekun­ dentakt abwechselnd und im Zeitmittel gleich lange in den Zerstäubungsprozeß einbezogen. Nach Erreichen der vor­ gegebenen Schichtdicke der hierbei abgeschiedenen Titan- Aluminium-Nitrid-Schicht wird das Prozeßgas entfernt und durch ein Argon-Sauerstoff-Gemisch ersetzt. Die Umschalt­ einrichtung verbindet nun die beiden Aluminium-Targets 38" und 38''' mit den Ausgangsklemmen der Stromversor­ gungseinrichtung 40, und es wird Aluminiumoxid abgeschie­ den. Wenn die Aluminiumoxidschicht ihre vorgegebene Dicke erreicht hat, ist die Abscheidung des Schichtsystems abgeschlossen.

Die Beschichtungseinrichtung ist mit einem System von Schirmblechen 41 umgeben, welches potientalfrei ist. Teile 42 dieser Schirmbleche 41 ragen in den Raum zwischen den Targets 38, 38', 38" und 38''' und dem Rohr 35 als Sub­ strat. Aufgrund ihrer geometrischen Form und des resul­ tierenden elektrischen Feldes tragen sie zu einer weiteren Erhöhung der mittleren Plasmadichte im Substratbereich bei. Die beschriebene Einrichtung ist geeignet, um ein Schichtsystem mit höchster Qualität abzuscheiden, weil die Schichtbildung unter intensiver Plasmaaktivierung statt­ findet.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die be­ schriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es ohne weiteres möglich, die Anordnung der Substrate und der Targets zueinander in breitem Maße zu verändern. Insbeson­ dere kann die Anzahl der Targets und die jeweilige Zu­ sammenschaltung stark variiert werden. Letzteres ist ins­ besondere für die Herstellung spezifischer Schichtsysteme auf den Substraten vorteilhaft. Im gleichen Sinne können auch mehrere bipolare Stromversorgungseinrichtungen und Umschalteinrichtungen vorteilhaft sein, von denen jede jeweils mit einem Anteil der Targets zusammenwirkt.

Claims (15)

1. Verfahren zum Beschichten von Substraten mittels bipo­ larer Puls-Magnetron-Zerstäubung im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 100 kHz mit drei oder mehr Tar­ gets, die gegenüber den Substraten derart angeordnet werden, daß sich die Substrate während des Beschich­ tungsvorganges im wesentlichen im Bereich hoher Plas­ madichte befinden, wobei jeweils mindestens zwei Tar­ gets mit einer potentialfreien bipolaren Stromversor­ gungseinrichtung verbunden und für eine vorgegebene Zeit bipolar zerstäubt werden und die Auswahl der jeweils mit der bipolaren Stromversorgungseinrichtung verbundenen Targets im Verlauf des Beschichtungsvor­ ganges nach einem technologisch vorgebenen Programm geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl der mit der Stromversorgungseinrichtung verbundenen Targets nach dem technologischen Programm zeitlich periodisch oder aperiodisch erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß als vorgegebene Zeit für die bipolare Zer­ stäubung der jeweils ausgewählten Targets mindestens 10, vorzugsweise 1.000 bis 100.000, Polwechsel der bipolaren Puls-Magnetronentladung gewählt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien der Targets unter­ schiedliche Materialien ausgewählt werden und das technologisch vorgegebene Programm zur Änderung der Verbindung der Targets mit der bipolaren Stromversor­ gungseinrichtung derart eingestellt wird, daß die auf den Substraten abgeschiedene Schicht der technologisch vorgegebenen Beschichtungsaufgabe entspricht.

5. Einrichtung zum Beschichten von Substraten mittels bipolarer Puls-Magnetron-Zerstäubung im Frequenzbe­ reich zwischen 10 kHz und 100 kHz, bestehend aus drei oder mehr Magnetronquellen (17, 17', 17" . . .) mit Tar­ gets (18, 18', 18" . . .), die gegenüber den Substraten (15 . . .) derart angeordnet sind, daß sich die Substra­ te (15 . . .) während des Beschichtungsvorganges im we­ sentlichen im Bereich hoher Plasmadichte befinden, mit einer potentialfreien bipolaren Stromversorgungsein­ richtung (21 . . .) für die Targets (18, 18', 18" . . .) und einer Umschalteinrichtung (20 . . .) zur Umschaltung der aktuellen elektrischen Verbindung ausgewählter Targets mit der bipolaren Stromversorgungseinrichtung (21 . . .) auf andere ausgewählte Targets, wobei die Um­ schalteinrichtung (20 . . .) nach einem technologisch vorgebenen Programm veränderbar jeweils mindestens zwei der Targets für eine bestimmte Zeit mit den An­ schlußklemmen der bipolaren Stromversorgungseinrich­ tung (21 . . .) verbinden kann.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Targets (24, 24', 24", 24''') zu den Substra­ ten (22) einseitig oder beidseitig in parallelen Ebe­ nen angeordnet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Targets (29, 32 . . .) zu den Substraten (28 . . .) zentrisch und/oder peripher angeordnet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorhanden sind, mit denen die Targets (29, 32 . . .) und die Substrate (28. . .) relativ zueinander bewegt werden können.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung der Targets (23, 23', 23", 23''' . . .) beidseitig zu den Substraten (22 . . .) sich von den jeweils gleichzeitig mit den An­ schlußklemmen der bipolaren Stromversorgungseinrich­ tung (27. . .) verbindbaren Targets mindestens eines auf einer Seite und mindestens eines auf der anderen Seite der Substrate befindet.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (33) derart ausgebildet ist, daß ein Target (29) auf einer Seite der Substrate (28) ständig mit einer Anschlußklemme der bipolaren Stromversorgungseinrichtung (34) verbunden ist und die andere Anschlußklemme veränderbar jeweils mit einem der anderen Targets verbunden werden kann.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber den Substraten (28) ein zentrisches Target (29) und mindestens zwei periphere Targets (32) angeordnet sind, wobei das zentrische Target (29) rohrförmig ausgebildet und mit einer Anschlußklemme der bipolaren Stromversorgungseinrichtung (34) ver­ bunden ist und eine zentrische drehbare Magnetanord­ nung (30) aufweist, die jeweils derart drehbar ist, daß die effektiv wirkende Targetfläche des zentrischen Targets (29) auf das periphere Target gerichtet ist, welches jeweils mit der anderen Anschlußklemme der bipolaren Stromversorgungseinrichtung (34) verbunden ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den einzelnen Magnetronguellen (17, 17', 17" . . .) so groß ist, daß sich ihre Magnetfelder gegenseitig nicht wesentlich beeinflussen.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Target (37, 37', 37", 37''') einer Magnetronquelle (38, 38', 38", 38''') von einem geerdeten oder potentialfreien Schirm (41) umgeben ist, welcher in den Freiraum zwischen der Targetebene und den Substraten hineinragt.

14. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für die Herstellung dekorativer oder funktionel­ ler Schichten auf optischen, elektrischen oder mecha­ nischen Bauelementen oder Werkzeugen.

15. Anwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13 für die Herstellung dekorativer oder funktio­ neller Schichten auf optischen, elektrischen oder mechanischen Bauelementen oder Werkzeugen.