DE10039478A1

DE10039478A1 - Zerstäubungs-Bauteil

Info

Publication number: DE10039478A1
Application number: DE10039478A
Authority: DE
Inventors: Bernd Hermeler; Alexander Wuropulos
Original assignee: Cemecon Ceramic Metal Coatings Dr Ing Antonius Leyendecker GmbH
Current assignee: Cemecon AG
Priority date: 2000-08-08
Filing date: 2000-08-08
Publication date: 2002-02-28
Also published as: EP1325167A2; EP1325167B1; AU2001291747A1; EP1325167B8; WO2002012584A3; US6852201B2; DE60104709T2; DE60104709D1; US20030173216A1; WO2002012584A2; ATE272726T1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zerstäubungs-Bauteil zur Durchführung eines PVD-Beschichtungsverfahrens, bei dem eine Zerstäubung des Zerstäubungs-Bauteils durch Beschuß mit Gasatomen stattfindet und auf ein Substrat eine Schicht mit mehreren metallischen Elementen aufgebracht wird, wobei das Zerstäubungs-Bauteil eine Platte (2) aus einem der Metalle zum Aufbau der Schicht aufweist und die übrigen Metalle zum Aufbau der Schicht wenigstens teilweise in Form von Stopfen (1) vorliegen, die in Bohrungen in der Platte (2) angeordnet sind, wobei die Form der freiliegenden Oberfläche der Stopfen (1) so gewählt ist, daß sich bei einer Zerstäubung des Zerstäubungs-Bauteils für jedes Metall Zerstäubungsraten einstellen, die für die gewünschte Schichtzusammensetzung erforderlich sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zerstäubungs-Bauteil zur Durchführung eines PVD-Beschichtungsverfahrens, bei dem eine Zerstäubung des Zerstäubungs-Bauteils durch Beschuß mit Gasatomen stattfindet und auf ein Substrat eine Schicht mit mehreren metallischen Elementen aufgebracht wird, wobei das Zerstäubungs-Bauteil eine Platte aus einem der Metalle zum Aufbau der 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 Zerstäubungs-Bauteil wird allgemein als "mechanisches Sputtertarget" bezeichnet. Das Zerstäubungs- Bauteil oder "Sputtertarget" wird vor Durchführung eines PVD-Beschichtungsverfahrens auf eine Kathode der zur Durch führung des Verfahrens eingesetzten Vorrichtung montiert und ist mit der Kathode elektrisch leitend verbunden. Aufgrund dessen besitzt das Zerstäubungs-Bauteil dasselbe elektrische Potential wie die Kathode der Vorrichtung.

Durch den Beschuß mit Gasatomen werden Atome aus der Platte und aus den Stopfen von der Oberfläche des Zerstäubungs- Bauteils abgestäubt und gelangen in die Gasphase. Aus der Gasphase werden die abgestäubten Metallatome auf einem Sub strat, 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 Stöchometrie der be absichtigten Schicht auf dem Substrat gewahrt bleibt.

Wird beispielsweise ein Ti/Al-Zerstäubungs-Bauteil einge setzt 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 Gesamt schicht aus 25 at% Ti, 25 at% Al und 50 at% N zusammensetzt.

Bei einem solchen Zerstäubungs-Bauteil besteht die Platte aus Titan, während die Stopfen aus Aluminium sind. Bei be kannten mechanischen Sputtertargets ist die für die Zer stäubung vorgesehene Oberfläche eben, d. h. die freiliegenden Stopfenoberflächen liegen in derselben Ebene wie die Ober fläche der Platte.

Ein solches bekanntes Zerstäubungs-Bauteil hat den Nachteil, daß zu Beginn der Kathodenzerstäubung nicht das für den gewünschten Schichtaufbau erforderliche Verhältnis zwischen beispielsweise abgestäubten Titan- und abgestäubten Alumi niumatomen vorliegt. Erst nach einer häufig mehrstündigen Einlaufzeit des Zerstäubungs-Bauteils stehen die Abstäub raten im zutreffenden Verhältnis. Dies bedeutet, daß, da während der Einlaufphase bereits Material von der Platte und den Stopfen abgestäubt wird, dieses Material für den eigent lichen Beschichtungsvorgang verloren ist.

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 ver brauchen sich die Stopfen wesentlich schneller als die Plat te. Dies führt dazu, daß ein erheblicher Teil Plattenmateri al übrig bleibt, wenn die Stopfen bereits verbraucht sind.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Zerstäubungs-Bauteil zu schaffen, das bei Durchführung eines PVD-Beschichtungsverfahrens mit Kathodenzerstäubung wirtschaftlicher nutzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Zerstäubungs- Bauteil dadurch gelöst, daß die Form der freiliegenden Ober fläche der Stopfen so gewählt ist, daß sich bei einer Zer stäubung des Zerstäubungs-Bauteils für jedes Metall Zer stäubungsraten einstellen, die für die gewünschte Schicht zusammensetzung erforderlich sind.

Die erfinderische Lehre besteht folglich darin, durch die Formgebung für die freiliegenden Oberflächen der Stopfen den unterschiedlichen Zerstäubungsraten der Metalle, der Platte und der Stopfen Rechnung zu tragen. Sofern die Zerstäubungs rate für das Stopfenmaterial größer ist als die Zerstäu bungsrate für das Plattenmaterial ergibt sich, daß die frei liegende Oberfläche der Stopfen einwärts der Plattenober fläche verläuft. Auf diese Weise wirken die Bohrungsöff nungen der Platte als Blende für Gasatome, die auf das Zer stäubungs-Bauteil auftreffen oder dieses verlassen. Aufgrund dessen wird die tatsächliche Zerstäubungsrate für das Stop fenmetall herabgesetzt, und zwar so weit, daß sich die für die gewünschte Schichtzusammensetzung auf einem Substrat erforderlichen Abstäubungsraten sowohl für das Platten- als auch das Stopfenmetall ergeben.

Im Vergleich zu den Zerstäubungs-Bauteilen des Standes der Technik benötigt das erfindungsgemäße Zerstäubungs-Bauteil keine Einlaufzeit, so daß eine ökonomische Ausnutzung des Materials des Zerstäubungs-Bauteils erfolgt.

Die Platte kann von einem einzigen Metall gebildet werden. Es ist jedoch auch möglich, daß eine Legierung das Platten material bildet. Das Material für die Stopfen kann von Stop fen zu Stopfen variieren. Die Wahl der Materialien richtet sich ausschließlich nach der für das Substrat beabsichtigten Schichtzusammensetzung.

Typische Kombinationen von Plattenmaterialien und Stopfenma terialien sind Titan/Aluminium, Titan/Zirkonium und Ti tan/Kohlenstoff, wobei das jeweils letztgenannte Material das Stopfenmaterial ist. Im Falle des Kohlenstoffs als Stop fenmaterial liegt der Fall vor, daß das Stopfenmaterial eine geringere Abstäubrate aufweist als das Grundplattenmaterial Titan. In diesem Fall würde der Stopfen aus der Oberfläche der Platte in geeignetem Maße hervorstehen.

Allgemein ist es bevorzugt, daß die Zerstäubungsrate für das Stopfenmaterial durch den Grad des Versenkens bzw. Hervor stehens 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 Ober flächen der Stopfen und die Oberfläche der Platte eine durchgehende Fläche bilden, wobei die freiliegenden Ober flächen der Stopfen in Bezug auf die Platte einwärts oder auswärts gekrümmt sind. Anders ausgedrückt, schließen die freiliegenden Oberflächen der Stopfen stetig an die Ober fläche der Platte an. Die jeweilige Krümmung der freiliegen den Oberflächen der Stopfen richtet sich, wie oben bereits erwähnt, nach dem Verhältnis aus der Zerstäubungsrate des Plattenmaterials und des Stopfenmaterials.

Die Bohrungen haben vorteilhafterweise einen kreisförmigen Querschnitt und der Krümmungsradius der freiliegenden Ober flächen der Stopfen steht zu dem Bohrungsdurchmesser in einem Verhältnis von 1,5 : 1 bis 2,5 : 1.

Bei einem Stopfendurchmesser von 15 mm für einen Alumini umstopfen in einer Titan-Platte sind günstige Beschichtungsbedingungen bei einem Krümmungsradius der freiliegenden Oberfläche der Aluminiumstopfen in dem Bereich von 25 bis 35 mm festgestellt worden.

Wenn eine Verformung des Stopfens im Hinblick auf die Aus bildung 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, Hafni um, Tantal, Kohlenstoff bestehen kann, ist, wie im Stand der Technik bekannt, an einer Kühlplatte, die üblicherweise aus Kupfer besteht, befestigt.

Die wirtschaftliche Nutzung des Zerstäubungs-Bauteils wird auch dadurch erhöht, daß die Stopfen von der Platte aus in Bohrungen in der Kühlplatte hineinragen, und zwar in dem Fall, wenn das Stopfenmaterial sich schneller verbraucht als das Plattenmaterial. Bei einer Titanplatte und Aluminium stopfen kann die Platte 5 mm dick sein, während die Stopfen eine Höhe von 7 mm haben, so daß 2 mm des Aluminiumstopfens in die Kühlplatte hineinragen.

Nach Benutzung eines solchen Zerstäubungs-Bauteil zum Auf bringen von Schichten auf Substrate wird trotz der höheren Zerstäubungsrate für Aluminium ein optimales Maß an Titan der Platte verbraucht, wobei in der Kühlplatte noch ein Rest von beispielsweise 1 mm Höhe des Aluminiumstopfens zurück bleibt. Es ist nicht möglich, sämtliches Titan der Platte zu verbrauchen, da sich bei der Durchführung eines Beschich tungsverfahrens aufgrund des Zerstäubungsprozesses in dem Zerstäubungs-Bauteil ein umlaufender Graben ergibt, der zwischen dem mittleren Bereich des Zerstäubungs-Bauteils und dessen Rand angeordnet ist. Sobald die Tiefe des Grabens die Dicke der Grundplatte erreicht hat, ist das Zerstäubungs- Bauteil nicht mehr verwendbar.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Maßnahme, die Stopfen in die Kühlplatte hineinragen zu lassen, un abhängig von anderen oben beschriebenen Merkmalen der Erfin dung, bereits für sich allein Vorteile aufweist. Daher wird die Ausbildung eines Zerstäubungs-Bauteils der eingangs genannten Art mit in die Kühlplatte hineinragenden Stopfen als gesonderte Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe angesehen.

Das Hineinragen der Stopfen in die Kühlplatte hat außerdem den Vorteil, daß eine effektivere Kühlung des Stopfenmateri als 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 sie beispielsweise bei Titan vorliegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht eines Zerstäubungs-Bauteils;

Fig. 2 einen Abschnitt des Zerstäubungs-Bauteils im Schnitt mit in eine Kühlplatte hineinragenden Stopfen, die eine gekrümmte, freiliegende Oberfläche aufweisen.

Ein typisches Zerstäubungs-Bauteil besteht aus einer Titan- Grundplatte, die Bohrungen aufweist, in die Aluminiumstopfen eingepresst sind. Das Zerstäubungs-Bauteil 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 vorgesehene chemische Zusammensetzung. Der Anteil an Alumi nium an dem Zerstäubungs-Bauteil 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.

Fig. 1 zeigt ein Ti/Al-Zerstäubungs-Bauteil mit Titan als . Grundplattenmaterial und Aluminium als Stopfenmaterial. Die Aluminiumstopfen 1 sind regelmäßig über die Grundplatte 2 aus Titan verteilt.

Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 mit "X" gekennzeichneten Ab schnitt des Zerstäubungs-Bauteils. Wie die Schnittdarstel lung veranschaulicht, weisen die Aluminiumstopfen 1 in Bezug auf die Grundplatte 2 eine konkave Krümmung der freiliegen den Oberfläche auf. Die freiliegende Oberfläche der Stopfen 1 schließt sich unmittelbar an die Oberfläche der Grund platte 2 an. Die Stopfen 1 ragen in Bohrungen in einer Kühl platte 3 hinein. Dies in einem solchen Maße, daß ein mög lichst vollständiger Verbrauch des Zerstäubungs-Bauteils bei einer Kathodenzerstäubung trotz verschiedener Zerstäubungs raten für Titan und Aluminium gewährleistet wird. Die Kühl platte 3 besteht aus Kupfer und dient zur Ableitung der durch die Zerstäubung des Zerstäubungs-Bauteils auftretenden Wärme, die an der dem Zerstäubungsprozeß ausgesetzten Seite des Zerstäubungs-Bauteils erzeugt wird.

Bei dem Beispiel eines Ti/Al-Zerstäubungs-Bauteils ragen die Aluminiumstopfen mindestens 1,5 mm in die Kühlplatte 3 hinein, die eine Dicke im Bereich von 3 bis 6 mm hat.

Claims

1. Zerstäubungs-Bauteil zur Durchführung eines PVD-Be schichtungsverfahrens, bei dem eine Zerstäubung des Zerstäubungs-Bauteils durch Beschuß mit Gasatomen stattfindet und auf ein Substrat eine Schicht mit meh reren metallischen Elementen aufgebracht wird, wobei das Zerstäubungs-Bauteil eine Platte aus einem der Metalle zum Aufbau der 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der freiliegenden Oberfläche der Stopfen (1) so gewählt ist, daß sich bei einer Zerstäubung des Zerstäubungs-Bauteils für jedes Metall Zerstäubungs raten einstellen, die für die gewünschte Schichtzusam mensetzung erforderlich sind.

2. Zerstäubungs-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zerstäubungsrate für das Stopfenmate rial durch den Grad des Versenkens bzw. Hervorstehens der Stopfen (1) in bzw. aus den Bohrungen in der Platte (2) eingestellt wird.

3. Zerstäubungs-Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegenden Ober flächen der Stopfen (1) und die Oberfläche der Platte (2) eine durchgehende Fläche bilden, wobei die freilie genden Oberflächen der Stopfen (1) in Bezug auf die Platte (2) einwärts oder auswärts gekrümmt sind.

4. Zerstäubungs-Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen einen kreis förmigen Querschnitt aufweisen und der Krümmungsradius der freiliegenden Oberflächen der Stopfen (1) zu dem Bohrungsdurchmesser in einem Verhältnis von 1,5 : 1 bis 2,5 : 1 steht.

5. Zerstäubungs-Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Platte (2) aus Titan und die Stopfen (1) aus Aluminium bestehen.

6. Zerstäubungs-Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Bohrungsdurchmesser 15 mm und der Krümmungsradius der freiliegenden Oberflächen der Alu miniumstopfen (1) im Bereich von 25 bis 35 mm liegt, wobei die freiliegenden Oberflächen der Stopfen (1) in Bezug auf die Platte nach innen gekrümmt sind.

7. Zerstäubungs-Bauteil zur Durchführung eines PVD-Be schichtungsverfahrens, bei dem eine Zerstäubung des Zerstäubungs-Bauteils durch Beschuß mit Gasatomen stattfindet und auf ein Substrat eine Schicht mit meh reren metallischen Elementen aufgebracht wird, wobei das Zerstäubungs-Bauteil eine Platte aus einem der Metalle zum Aufbau der 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, wobei die Platte mit den Stop fen an einer Kühlplatte befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopfen (1) von der Platte (2) aus in Bohrungen in der Kühlplatte (3) hineinragen.

8. Zerstäubungs-Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stopfen von der Platte aus mindestens 1,5 mm in Bohrungen in der Kühlplatte (3) hineinragen.