DE3829260A1 - Plasmabeschichtungskammer mit entfernbarem schutzschirm - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtungskammer für ein PVD-Verfahren nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs.

Derartige Kammern sind bekannt und werden vorzugsweise dazu verwendet, Werkzeuge und andere verschleißbeanspruchte Gegenstände mit einer Hartstoffschicht, z. B. aus Titannitrid, zu versehen; eine solche Schicht bildet sich aus der Reaktion von durch den Lichtbogen verdampftem Titan mit Stickstoff, der dosiert in die zuvor evakuierte Beschichtungskammer eingelassen wird. Der Beschichtungsprozeß läuft zyklisch ab und schließt nach dem Evakuieren der Kammer eine Phase ein, in der die zu beschichtenden Gegenstände (üblicherweise "Substrate" genannt) auf die Verfahrenstemperatur von z. B. 300°C aufgeheizt werden. Dies geschieht zunächst dadurch, daß das Kathodenmaterial im Vakuum, d. h. ohne Anwesenheit eines Reaktionsgases verdampft wird und einen Teil der beim Verdampfen aufgenommenen Wärmeenergie an die Substrate abgibt. Um dabei eine Verunreinigung der Substrate mit (in der Anfangsphase des Prozesses gehäuft auftretendem) makroskopischen, d. h. nicht im Plasmazustand befindlichem, sondern etwa Tropfenform aufweisendem Kathodenmaterial zu verhindern, das die Qualität der späteren Beschichtung beeinträchtigt, wäre eine indirekte Beheizung der Substrate, etwa durch die Wärmestrahlung eines zuvor auf die genannte Weise aufgeheizten, die Substrate in dieser Anfangsphase jedoch gegen die Einwirkung des Kathodenmaterials abschirmenden Konstruktion wünschenswert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Ausgestaltung einer PVD-Beschichtungskammer der beschriebenen Art, die eine Aufheizung der Substrate bei gleichzeitiger Abschirmung derselben vor Kathodenmaterial erlaubt, das nicht in den Plasmazustand überführt durch die Einwirkung des Lichtbogens aus den Kathoden ausgeworfen wird, und das sich von diesen aus im wesentlichen geradlinig ausbreitet; dabei soll andererseits nach dem Einsetzen des eigentlichen Beschichtungsprozesses, d. h. der Phase, in der das Kathodenmaterial mit dem nunmehr eingeführten Gas zur Reaktion gebracht wird, und während derer das Auftreten solcher Auswürfe von Massivmaterial aus den Kathoden kaum noch vorkommt, keine Behinderung für den Materialfluß von der Kathode zu den (unter Umständen als Anode geschalteten) Substraten stattfinden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im kennzeichnenden Teil des 1. Anspruchs angegebene Merkmal. Dadurch wird es möglich, sich während der beschriebenen Aufheizphase der indirekten Beheizung der Substrate zu bedienen und diese gleichzeitig vor dem Niederschlag von Tröpfchen des Kathodenmaterials zu schützen, während der Reaktionsphase jedoch den direkten Weg von den Kathoden zu den Substraten freizugeben.

Eine bevorzugte Ausführung dieses Erfindungsgedankens ist der Gegenstand des Anspruches 2. Die einzelnen, den Schirm bildenden Lamellen können nach dem Abschluß der ersten Phase durch Drehung und/oder ein Zusammenschieben den Zugang zu den Substraten freigeben. Unter Umständen kann darauf verzichtet werden, einen vollständigen, die Substrate umschließenden Hohlzylinder aus den Lamellen zu bilden, wenn die Kathoden so in der Beschichtungskammer angeordnet sind, bzw. die Substrate eine solche Größe und Anordnung haben, daß ihre Abschirmung bewerkstelligt wird, ohne daß eine Lamelle an die andere anschließen muß.

Zumeist weisen die Beschichtungskammern einen eckigen Grundriß auf. Daher wird im 3. Anspruch vorgeschlagen, den in einer oder mehreren der Ecken zusätzlich zur Verfügung stehenden Platz dazu zu benutzen, um hier während der eigentlichen Beschichtungsphase die dann nicht zur Abschirmung benötigten Lamellen zu einem Paket oder ähnlichem zusammenzuschieben.

Die im 4. Anspruch geforderte Auswechselbarkeit der Lamellen erlaubt es, solche derselben zu ersetzen, die nach Verwendung in einer Vielzahl von Beschichtungszyklen infolge der unvermeidlicherweise auch auf sie selbst einwirkenden Beschichtung durch Formänderung oder Gewichtszunahme unbrauchbar geworden sind.

Die Ansprüche 5 bis 7 geben dem Fachmann Hinweise auf die bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung zur Aufnahme der Lamellen. Deren hängende Anbringung vereinfacht die Konstruktion der Aufnahmeeinrichtung für die Substrate, indem der Zugang zu denselben nicht durch starr an dieser angebrachte Lamellen behindert wird. Ferner genügt eine einfache Drehung der Aufnahmeeinrichtung um ihre Achse, um sämtliche Lamellen gegen einen Anschlag laufen zu lassen, wodurch sie zu einem den Strom des Beschichtungsmaterials zu den Substraten nicht behindernden Paket zusammengeschoben werden. Die weitere Drehung der Aufnahmeeinrichtung, um eine allseitig gleichmäßige Beschichtung der Substrate zu erzielen, wird durch die Überwindung der in den Kupplungen auftretenden Reibkräfte nicht wesentlich erschwert.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt die

Fig. 1 eine erste Beschichtungskammer im Längsaxialschnitt entsprechend der Linie I-I der Fig. 2, die

Fig. 2 einen Querschnitt entsprechend der Linie II-II der Fig. 1 und

Fig. 3 eine zweite Beschichtungskammer, ebenfalls im Längsaxialschnitt.

Eine Kammer 1 kann mit Hilfe einer Vakuumpumpe 2 evakuiert werden, nachdem beliebige Gegenstände 4 ("Substrate") auf einer um ihre senkrechte Achse drehbaren Aufnahmeeinrichtung 3 so angeordnet und befestigt worden sind, daß sie für einen auf sie gerichteten Materiestrom allseitig zugänglich sind. Nach der Evakuierung wird zwischen in der Wand 1 angebrachten Kathoden 5 und den als Anode geschalteten Substraten (oder einer getrennten Anode, etwa der Kammerwand 1 selbst) ein Lichtbogen gezündet, der das Kathodenmaterial, z. B. Titan, verzehrt und in den Plasmazustand überführt. Zu Beginn des Prozesses, solange dieser und auch die Substrate nicht die optimale Prozeßtemperatur erreicht haben, besteht eine erhöhte Gefahr, daß durch die Wirkung des Lichtbogens auch in kleinen Eruptionen Kathodenmaterial in makroskopischer Form, z. B. als Tröpfchen, ausgeworfen wird. Um eine Verunreinigung der Substrate 4 mit diesen Tröpfchen zu verhindern, sind letztere gegenüber den Kathoden 5 durch Lamellen 7 abgeschirmt, die, wie in Fig. 2 dargestellt und wenn es die Strahlungscharakteristik der Kathoden 5 zuläßt, im Abstand voneinander angeordnet sein können, aber auch einen geschlossenen, die gesamte Aufnahmeeinrichtung 3 umgebenden Hohlzylinder bilden können. Durch die in den Prozeß eingebrachte Energie (in der Größenordnung von z. B. 10 KW) werden die Lamellen 7 aufgeheizt und geben ihrerseits durch Strahlung Wärme an die Substrate 4 ab, die dadurch wenigstens annähernd auf die optimale Prozeßtemperatur gebracht werden. Ist diese Phase des Zyklus abgeschlossen, wird die Aufnahmeeinrichtung 3 in Drehung versetzt, wodurch die über Reibkupplungen 10 mit deren Achse verbundenen, die Lamellen 7 haltenden Tragarme 9 mitgenommen werden. Die Lamellen 7 werden aus ihrer Ruhestellung (teilweise gestrichelt gezeichnet) genommen und laufen schließlich gegen einen Anschlag 8, der ihre weitere Drehung verhindert. Durch die Reibkupplungen nur unwesentlich behindert, wird die Aufnahmeeinrichtung 3 weitergedreht, so daß die Substrate 4 (die ihrerseits durch hier nicht gezeigte Sekundärgetriebe um ihre eigene Längsachse gedreht werden) von allen Seiten in gleicher Weise dem von den Kathoden 5 ausgehenden Materiestrom ausgesetzt werden. Das Plasma wird nunmehr mit einem über einen Einlaß 6 eingebrachten Gas, z. B. Stickstoff, zur Reaktion gebracht, wobei sich das im genannten Beispiel bildende Titannitrid auf den Substraten 4 als dünne, jedoch außerordentlich harte und festhaftende Schicht niederschlägt. Bei der in der Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsform hat der Schirm die Gestalt einer Haube 11, die zu Beginn des Prozesses in eine die Substrate 4 abdeckende Lage gebracht wird (s. die rechte Hälfte der Figur) und nach erfolgter Aufheizung derselben mittels einer Hebeeinrichtung 13 (die über Rollen 12 umgelenkte Seilzüge aufweisen kann) in eine obere, den Materialfluß von den Kathoden 5 zu den Substraten 4 nicht behindernde Lage gebracht wird (s. die linke Hälfte der Figur). Diese Ausführungsform weist gegenüber der vorher beschriebenen den Vorteil eines einfacheren Aufbaus auf, unter Inkaufnahme eines größeren Raumbedarfs für die Unterbringung der Haube 11 während der eigentlichen Beschichtung.

Claims (9)

1. Beschichtungskammer (1) mit mindestens einer durch einen Lichtbogen verzehrbaren Kathode (5) und Einrichtungen (3) zur Aufnahme von Gegenständen (4), die durch Niederschlag des ggf. mit einer Gasatmosphäre in der Kammer reagierten, in den Plasmazustand überführten Kathodenmaterials beschichtet werden, mit einem im Zwischenraum zwischen der Kathode und den Gegenständen angeordneten Schirm (7), dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm aus dem Zwischenraum entfernbar ist.

2. Beschichtungskammer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm aus einzelnen um eine senkrechte Achse drehbaren, sich bei entsprechender Orientierung zu einem die Gegenstände (4) zumindest teilweise umfassenden Hohlzylinder zusammenschließenden Lamellen (7) besteht.

3. Beschichtungskammer (1) nach Anspruch 2 mit eckigem Grundriß, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (7) in eine oder mehrere der Ecken fahrbar sind.

4. Beschichtungskammer (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (7) auswechselbar sind.

5. Beschichtungskammer (1) nach Anspruch 2 mit um eine senkrechte Achse drehbarer Aufnahmeeinrichtung (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (7) an Tragarmen (9) aufgehängt sind, die mit der Aufnahmeeinrichtung (3) drehbar sind.

6. Beschichtungskammer (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragarme (9) über Reibkupplungen (10) mit der Aufnahmeeinrichtung (3) verbunden sind.

7. Beschichtungskammer (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegung der Lamellen (7) begrenzende Anschläge (8) vorhanden sind.

8. Beschichtungskammer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm die Gestalt eines die Gegenstände (4) umschließenden einstückigen Hohlzylinders (11) aufweist.

9. Beschichtungskammer (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (11) in einen Raum oberhalb der Gegenstände (4) anhebbar ist.