DE60104709T2

DE60104709T2 - Zerstäubungstarget

Info

Publication number: DE60104709T2
Application number: DE60104709T
Authority: DE
Inventors: Bernd Hermeler; Alexander Wuropulos
Original assignee: Cemecon AG
Current assignee: Cemecon AG
Priority date: 2000-08-08
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2021-08-08
Also published as: US6852201B2; WO2002012584A2; DE10039478A1; WO2002012584A3; EP1325167A2; US20030173216A1; AU2001291747A1; EP1325167B1; EP1325167B8; ATE272726T1; DE60104709D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sputtertarget zur Durchführung eines PVD-Beschichtungsverfahrens und ein PVD-Beschichtungsverfahren, bei dem eine Zerstäubung des Sputtertargets durch Beschuß mit Gasatomen und/oder -ionen stattfindet und auf das Substrat eine Schicht mit mehreren metallischen Elementen aufgebracht wird, wobei das Sputtertarget eine Platte aus einem der Metalle zum Aufbau der besagten Schicht aufweist und die übrigen Metalle zum Aufbau der Schicht wenigstens teilweise in Form von Stopfen vorliegen, die in Bohrungen in der Platte angeordnet sind.
Ein so aufgebautes Sputtertarget wird allgemein als "mechanisches Sputtertarget" bezeichnet. Das Sputtertarget wird vor Durchführung eines PVD-Beschichtungsverfahrens auf eine Kathode der zur Durchführung des Verfahrens eingesetzten Vorrichtung montiert und ist mit der Kathode elektrisch leitend verbunden. Aufgrund dessen besitzt das Sputtertarget dasselbe elektrische Potential wie die Kathode, die an der Vorrichtung angebracht ist.
Durch den Beschuß mit Gasionen werden Atome aus der Platte selbst und aus den Stopfen in der Platte von der Oberfläche des Sputtertargets abgestäubt, um in die Gasphase überzugehen. Die abgestäubten Metallatome werden von der Gasphase getrennt und auf der Oberfläche des Substrats, beispielsweise einer Wendeschneidplatte oder einem Spiralbohrer, abgeschieden. Dabei werden die verschiedenen Arten von Metallatomen in einem bestimmten Verhältnis auf das Substrat aufgebracht, so daß die Stöchiometrie der angewandten Schicht auf dem Substrat gewahrt bleibt.
Wird beispielsweise ein Ti/Al-Sputtertarget eingesetzt und ist als übliche Beschichtung eine TiAlN-Schicht auf dem Substrat vorgesehen, können die beiden Metalle in einem Verhältnis 1 : 1 vorliegen, wobei sich die Gesamtschicht aus 25 at% Ti, 25 at% Al und 50 at% N zusammensetzt.
Bei einem solchen Sputtertarget besteht die Platte aus Titan, während die Stopfen aus Aluminium sind. Bei bekannten mechanischen Sputtertargets ist die für die Zerstäubung vorgesehene Oberfläche eben, d. h. die freiliegenden Stopfenoberflächen liegen in dersel ben Ebene wie die Oberfläche der Platte selbst.
Ein solches bekanntes Sputtertarget hat den Nachteil, daß zu Beginn der Kathodenzerstäubung nicht das für den gewünschten Schichtaufbau erforderliche Verhältnis (beispielsweise zwischen abgestäubten Titan- und abgestäubten Aluminiumatomen) vorliegt. Erst nach einer langen (häufig mehrstündigen Einlaufzeit) des Sputtertargets stehen die Abstäubraten im zutreffenden Verhältnis. Dies bedeutet, daß das Material, welches während der Einlaufphase von der Platte und den Stopfen abgestäubt wird, verschwendet ist, da es für den eigentlichen Beschichtungsvorgang nicht benutzt werden kann.
Bei dem Beispiel eines mechanischen Sputtertargets mit einer Titanplatte und Aluminium-Stopfen ist bei dem Beschuß des Targets zu beobachten, daß die Abstäubrate für Aluminium wesentlich größer ist als für Titan. Aus diesem Grunde verbrauchen sich die Stopfen wesentlich schneller als die Platte selbst. Dies führt dazu, daß ein erheblicher Teil Plattenmaterial übrig bleibt, wenn die Stopfen bereits verbraucht sind.
In der DE-A-2914618 ist ein Verfahren zum Aufbringen einer Gleit- oder Reibschicht auf ein Substrat mittels Kathodenzerstäubung (Sputtering) beschrieben. Die hierbei eingesetzten Targets sind Körper mit runder Querschnittsform, in denen die die Gleitschicht bildenden Werkstoffe vereinigt sind, wobei in einem Körper aus einem Matrix-Werkstoff Bohrungen vorgesehen sind, in denen sich Pfropfen aus weiteren Materialien befinden.
Im Artikel "Oxidation behaviour of nanocrystalline Fe-Ni-Cr-Al alloy coatings" von Z. Liu, W. Gao und Y. He, veröffentlicht in "Materials Science and Technology", Dezember 1999, Vol. 15, Seite 1447 ft wird ein Beschichtungsverfahren mit Fe-Ni-Cr-Al- Legierungen beschrieben, das die Technik des Magnetron- Sputterns verwendet. Der Artikel zitiert die Verwendung eines Targets mit einem Durchmesser von 150 mm und einer Dicke von 6 mm aufweist, wobei 8 Stopfen aus reinem Aluminium mit 8 mm Durchmesser in das Target eingebracht worden sind, um Fe-Ni-Cr-Al-Legierungsbeschichtungen zu erzeugen.
In der DE-A-465699 ist ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrates mittels Kathodenzerstäubung und eine hierbei verwendete Kathode (Target) beschrieben. Um auf dem Substrat eine gleichmäßige Legierung aus zwei oder mehr Materialien zu erzeugen, wird ein Target verwendet, das aus einer Metallplatte aus einem Metall besteht, in die Stifte eines zweiten Metalls in Bohrungen eingesetzt sind. Diese Stifte können zur Fixierung von Platten des zweiten Materials auf der Oberfläche dienen. Es ist angegeben, daß durch geeignete Abstimmung des Verhältnisses der freien Oberflächen die gewünschte Beschichtung erzeugt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sputtertarget zu schaffen, das bei Durchführung eines PVD-Beschichtungsverfahrens mit Kathodenzerstäubung praktikabler und wirtschaftlicher nutzbar ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs als Sputtertarget bezeichneten Gegenstand dadurch gelöst, daß die Form der freiliegenden Oberfläche der Stopfen so gewählt ist, daß sich bei einer Zerstäubung (Sputtering) des Targets für jedes Metall Sputterraten einstellen, die für die gewünschte Schichtzusammensetzung erforderlich sind.
Die erfinderische Lehre besteht folglich darin, durch die Formgebung für die freiliegenden Oberflächen der Stopfen den unterschiedlichen Sputterraten der Metalle der Platte und der Stopfen Rechnung zu tragen. Sofern die Sputterrate für das Stopfenmaterial größer ist als die Sputterrate für das Plattenmaterial ergibt sich folglich, daß die freiliegende Oberfläche der Stopfen einwärts relativ zur Plattenoberfläche verläuft. Auf diese Weise wirken die Bohrungsöffnungen der Platte als Blende für Gasatome/-Ionen, die auf das Sputtertarget auftreffen oder dieses verlassen. Aufgrund dessen wird die tatsächliche Sputterrate für das Stopfenmetall herabgesetzt, und zwar so weit, daß sich die für die gewünschte Schichtzusammensetzung auf einem Substrat erforderlichen Sputterraten sowohl für das Platten- als auch das Stopfenmetall ergeben.
Wenn jedoch die Sputterrate des Stopfenmaterials geringer ist als die Sputterrate des Plattenmaterials, verläuft die freie Oberfläche der Stopfen vorzugsweise auswärts relativ zur Oberfläche der Platte.
Im Vergleich zu den Sputtertargets des Standes der Technik benötigt das erfindungsgemäße Sputtertarget keine Einlaufzeit, so daß eine ökonomischere Ausnutzung des Materials des Sputtertargets erfolgt.
Die Platte kann von einem einzigen Metall gebildet werden. Es ist jedoch auch möglich, daß eine Legierung das Plattenmaterial bildet. Das Material für die Stopfen kann von Stopfen zu Stopfen variieren. Die Wahl der Materialien richtet sich ausschließlich nach der für das Substrat beabsichtigten Schichtzusammensetzung.
Typische Kombinationen von Plattenmaterialien und Stopfenmaterialien sind Titan/Aluminium, Titan/Zirkonium und Titan/Kohlenstoff, wobei das jeweils letztgenannte Material das Stopfenmaterial ist. Wenn Kohlenstoff als Stopfenmaterial verwendet wird, hat der Stopfen eine geringere Sputterrate als das für die Herstellung der Grundplatte verwendete Titan. In diesem Fall würde der Stopfen aus der Oberfläche der Platte in geeignetem Maße hervorstehen.
Allgemein ist es bevorzugt, daß die tatsächlich gewünschte Sputterrate für das Stopfenmaterial durch den Grad des Versenkens bzw. Hervorstehens der Stopfen in bzw. aus den Bohrungen in der Platte eingestellt wird.
Es ist nicht zwingend erforderlich, daß die freiliegenden Oberflächen der Stopfen unmittelbar an die Oberfläche der Platte anschließen. Versuche haben jedoch gezeigt, daß es als bevorzugt anzusehen ist, daß die freiliegenden Oberflächen der Stopfen und die Oberfläche der Platte eine durchgehende Fläche bilden, wobei die freiliegenden Oberflächen der Stopfen in Bezug auf die Platte einwärts oder auswärts gekrümmt sind. Anders ausgedrückt, schließen die freiliegenden Oberflächen der Stopfen stetig an die Oberfläche der Platte an. Die jeweilige Krümmung der freiliegenden Oberflächen der Stopfen richtet sich, wie oben bereits erwähnt, nach dem Verhältnis aus der Sputterrate des Plattenmaterials und des Stopfenmaterials.
Die Bohrungen haben vorteilhafterweise einen kreisförmigen Querschnitt, während der Krümmungsradius der Oberflächen der Stopfen zu dem Bohrungsdurchmesser in einem Verhältnis von 1,5 : 1 bis 2,5 : 1 steht.
Bei einem Stopfendurchmesser von 15 mm für einen Aluminiumstopfen in einer Titan-Platte sind die besten Beschichtungsbedingungen bei einem Krümmungsradius der freiliegenden Oberfläche der Aluminiumstopfen in dem Bereich von 25 bis 35 mm erzielt worden.
Wenn eine Verformung des Stopfens im Hinblick auf die Ausbildung der gewünschten Oberflächenkrümmung vorgesehen ist, sollte das Stopfenmaterial weicher als das Material der Grundplatte sein.
Die Grundplatte (,die beispielsweise aus den Materialien Titan, Chrom, Edelstahl, Vanadium, Nickel, Zirkonium, Hafnium, Tantal oder Kohlenstoff bestehen kann,) ist, wie im Stand der Technik bekannt, an einer Kühlplatte, die üblicherweise aus Kupfer besteht, befestigt.
Die wirtschaftliche Nutzung des Sputtertargets wird auch dadurch erhöht, daß die Stopfen von der Hauptplatte aus in Bohrungen in der Kühlplatte hineinragen (in den Fällen, wo das Stopfenmaterial sich schneller verbraucht als das Plattenmaterial). Bei einer Titanplatte mit Aluminiumstopfen kann die Platte 5 mm dick sein, während die Stopfen eine Höhe von 7 mm haben, so daß 2 mm des Aluminiumstopfens frei bleiben, um in die Kühlplatte hineinzuragen.
Nach Benutzung eines solchen Sputtertargets zum Aufbringen von Schichten auf Substrate wird trotz der höheren Sputterrate für Aluminium ein optimales Maß an Titan der Platte verbraucht, wobei in der Kühlplatte noch ein Rest von (beispielsweise) 1 mm Höhe des Aluminiumstopfens zurückbleibt. Es ist nicht möglich, sämtliches Titan der Platte zu verbrauchen, da sich bei der Durchführung eines Beschichtungsverfahrens aufgrund des Zerstäubungsprozesses in dem Sputtertarget ein umlaufender Graben ergibt, der zwischen dem mittleren Bereich des Sputtertargets und dessen Rand (Magnetron-Target) angeordnet ist. Sobald die Tiefe des Grabens die Dicke der Grundplatte erreicht hat, ist das Sputtertarget nicht mehr verwendbar.
Das Hineinragen der Stopfen in die Kühlplatte hat außerdem den Vorteil, daß eine effektivere Kühlung des Stopfenmaterials ermöglicht wird. Insbesondere wird auch vermieden, daß während eines Kathodenzerstäubungsprozesses Plattenmaterial zwischen Kühlplatte und Stopfen gelangen kann. Dies ist insbesondere günstig, wenn das Plattenmaterial eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat (wie beispielsweise bei Titan).
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht eines Sputtertargets;
2 einen Abschnitt des Sputtertargets im Schnitt mit in eine Kühlplatte hineinragenden Stopfen (, die eine gekrümmte, freiliegende Oberfläche aufweisen).
Ein typisches Sputtertarget besteht aus einer Titan-Grundplatte, die Bohrungen aufweist, in die die Aluminiumstopfen eingepresst sind. Das Sputtertarget hat eine Breite von ca. 90 mm und kann eine Länge im Bereich von 100 bis 800 mm aufweisen. Andere Abmessungen sind im Bedarfsfall möglich.
Die Zahl der Aluminiumstopfen richtet sich nach dem Anteil von Aluminium in der für die Beschichtung eines Substrats vorgesehenen chemischen Zusammensetzung. Der Anteil an Aluminium an dem Sputtertarget kann zwischen 1 und 50 at% liegen.
Die Stopfen haben typischerweise einen Durchmesser von 15 mm, während die Grundplatte eine Dicke von 5 bis 8 mm haben kann.
1 zeigt ein Ti/Al-Sputtertarget mit Titan als Grundplattenmaterial und Aluminium als Stopfenmaterial. Die Aluminiumstopfen i sind regelmäßig über die Oberfläche der Grundplatte 2 aus Titan verteilt.
2 zeigt den in 1 mit "X" gekennzeichneten Abschnitt des Sputtertargets. Wie die Schnittdarstellung veranschaulicht, weisen die Aluminiumstopfen 1 in Bezug auf die Grundplatte 2 eine konkave Krümmung der freiliegenden Oberfläche auf. Die freiliegende Oberfläche der Stopfen 1 schließt sich unmittelbar an die Oberfläche der Grundplatte 2 an. Die Stopfen 1 ragen in Bohrungen in der Kühlplatte 3 hinein. Dies in einem solchen Maße, daß ein möglichst vollständiger Verbrauch des Sputtertargets bei einer Kathodenzerstäubung – trotz verschiedener Sputterraten für Titan und Aluminium – gewähr leistet wird. Die Kühlplatte 3 besteht aus Kupfer und dient zur Ableitung der – durch die Zerstäubung des Sputtertargets – auftretenden Wärme, die an der dem Zerstäubungsprozeß ausgesetzten Seite des Targets erzeugt wird.
Für jede Kombination von Materialien für Grundplatte ₂ und Stopfen 1 wählt der Fachmann eine konkave oder konvexe Krümmung der Oberfläche der Stopfen, daß sich die gewünschte Zerstäubungsrate einstellt.
Bei dem Beispiel eines Ti/Al-Sputtertargets ragen die Aluminiumstopfen mindestens 1,5 mm in die Kühlplatte 3 hinein, die eine Dicke im Bereich von 3 bis 6 mm hat. Diese Form der eingesenkten Stopfen wird deshalb gewählt, weil – bei einem gleichmäßigen Beschuß mit Gasatomen und/oder -ionen – das Stopfenmaterial (hier: Aluminium) eine höhere Sputterrate als das Plattenmaterial (hier: Titan) aufweist. Durch die eingesenkte Form der Oberfläche treffen tatsächlich weniger Gasatome und/oder -ionen auf das Stopfenmaterial auf, denn der ringförmige Abschnitt des umgebenden Plattenmaterials wirkt wie eine Blende.
Die Sputterraten für die verschiedenen benutzten Materialien sind dem Fachmann bekannt. Ausgehend von diesen bekannten Werten kann die notwendige Form der Oberfläche für jede Kombination von Platten- und Stopfenmaterialien bestimmt werden.

Claims

Sputtertarget zum Durchführen eines PVD-Beschichtungsvorgangs, bei dem das Sputtertarget durch eine Bombardierung mit Gasatomen und/oder -ionen gesputtert wird und eine aus mehreren metallischen Elementen bestehende Schicht auf dem Substrat abgeschieden wird, wobei das Sputtertarget eine Platte (2) ist, die aus einem der zum Aufbauen der Schicht verwendeten Metalle ist, wobei die restlichen zum Aufbauen der Schicht verwendeten Metalle mindestens teilweise in der Form von Zapfen (1) vorhanden sind, die in Löcher in der Platte eingesteckt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Oberfläche der Zapfen (1) im Verhältnis zur Oberfläche der Platte (2) nach innen gekrümmt ist, wenn die Sputterrate des Zapfenmaterials höher als die Sputterrate des Plattenmaterials ist, die freie Oberfläche der Zapfen (1) im Verhältnis zur Oberfläche der Platte (2) nach außen gekrümmt ist, wenn die Sputterrate des Zapfenmaterials niedriger als die Sputterrate des Plattenmaterials ist, und die freie Oberfläche der Zapfen (1) und die der Platte (2) eine einzige Oberfläche bilden.
Sputtertarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher einen kreisförmigen Querschnitt haben und der Krümmungsradius der freien Oberflächen der Zapfen (i) im Verhältnis zum Lochdurchmesser in einem Verhältnis von 1,5 : 1 bis 2,5 : 1 liegt.
Sputtertarget nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (2) aus Titan und die Zapfen (1) aus Aluminium bestehen.
Sputtertarget nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochdurchmesser 15 mm ist und der Krümmungsradius der freien Oberflächen der Aluminiumszapfen (1) in einem Bereich von 25 mm bis 35 mm liegt, wobei die freien Oberflächen der Zapfen (1) im Verhältnis zur Platte nach innen gekrümmt sind.
Sputtertarget nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Platte (2) mittels der Zapfen (1) auf einer Kühlplatte (3) befestigt ist und die Zapfen (1) in der Platte (2) aus den Löchern heraus und in die Kühlplatte (3) hinein reichen.
Sputtertarget nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfen (1) in der Hauptplatte (2) um mindestens 1,5 mm in die Löcher der Kühlplatte (3) hinein reichen.
PVD-Beschichtungsverfahren, während dessen – ein Sputtertarget durch Bombardierung mit Gasatomen und/oder -ionen gesputtert wird, – und eine aus mehreren metallischen Elementen bestehende Schicht auf einem Substrat abgeschieden wird, – das Sputtertarget eine Platte (2) ist, die aus einem Metall ist, das für das Aufbauen der Schicht geeignet ist, wobei die anderen Metalle mindestens teilweise in der Form von Zapfen (1) vorhanden sind, die in Löcher in der Platte (2) eingesteckt sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Form der freien Oberfläche der Zapfen (1) nach den Sputterraten des Zapfen- und des Plattenmaterials ausgewählt ist, – so dass die freie Oberfläche der Zapfen (1) im Verhältnis zur Oberfläche der Platte (2) nach innen gekrümmt ist, wenn die Sputterrate des Zapfenmaterials höher als die Sputterrate des Plattenmaterials ist, – und dass die freie Oberfläche der Zapfen (1) im Verhältnis zur Oberfläche der Platte (2) nach außen gekrümmt ist, wenn die Sputterrate des Zapfenmaterials niedriger als die Sputterrate des Plattenmaterials ist, – und dass die freie Oberfläche der Zapfen (1) und die der Platte ( ) eine einzige Oberfläche bilden.