Fraunhofer-Gesellschaft

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Gefilterte Bogenbeschichtung - alte Probleme und neue Lösungen

Filtred cathodic arc deposition - long standing problems, new solution
 
: Zimmer, O.; Siemroth, P.; Berthold, J.; Hilgers, H.; Hentsch, W.

:

Vakuum in Forschung und Praxis 15 (2003), Nr.4, S.202-208
ISSN: 0947-076X
ISSN: 1522-2454
Deutsch
Zeitschriftenaufsatz
Fraunhofer IWS ()

Abstract
Der Vakuumbogen stellt eine einfache und effektive Plasmaquelle dar. Beschichtungen mit ihr haben sich weitgehend als Standard-Verfahren für die Herstellung von Hartstoff- und Verschleißschutzschichten auf Werkzeugen etabliert. Nachteilig ist dabei die Emission von schmelzflüssigen Tröpfchen des Kathodenmaterials, den sog. Droplets, die unvermeidlich mit der Erzeugung des hochangeregten Plasmas verbunden ist. Deshalb wurden verschiedenste Techniken entwickelt, diesen Nachteil der Bogentechnologie zu beheben oder zumindest zu lindern. Der einzige Weg, dropletfreie Schichten abzuscheiden, besteht bis jetzt darin, diese Tröpfchen auf dem Weg des Plasmas zum Substrat herauszufiltern. Die meisten der bislang realisierten Filtertypen beruhen auf der magnetischen Ablenkung des Plasmas. Dabei wird das Plasma mittels magnetischer Felder durch Öffnungen des Filters hindurchgeleitet, während die elektrisch ungeladenen Tröpfchen von den Magnetfeldern nicht beeinflusst werden und im Filter hängen bleiben. Während in Laboranlagen gegenüber der herkömmlichen Bogenbeschichtung ausgezeichnete Schichtqualitäten demonstriert werden konnte, scheiterte bisher eine industrielle Anwendung an den relativ hohen Plasmaverlusten im Filter. Aktuelle Anforderungen haben dazu geführt, dass in den letzten Jahren im Fraunhofer IWS Dresden zwei neue Wege beschritten wurden, um industrietaugliche Quellen zu entwickeln. Zum einen wurde ein Filter herkömmlicher Bauform (axial gekrümmtes Magnetfeld) mit einer neuartigen Hochratequelle, dem Hochstrombogen, kombiniert. Die gepulste Arbeitsweise dieser Quelle gestattet Bogenströme von einigen kA und überschreitet damit die Stromstärken konventioneller Gleichstrombogenquellen um ein Vielfaches. Somit können am Filterausgang relevante Raten bei bester Schichtqualität angeboten werden. Eine wichtige Anwendung dieser gefilterten Quelle besteht in der Erzeugung von Leiterbahnen in der Mikroelektronik. Nachdem die Leistungsfähigkeit der im IWS entwickelten gefilterten Pulsbogenquellen für Anwendungen in der Mikroelektronik demonstriert wurde, laufen jetzt Entwicklungsarbeiten zur Technologieentwicklung und insbesondere zur strukturkonformen Abscheidung superdünner Barriereschichten und anschließender Abscheidung der Leiterbahnen. Eine weitere Anwendung besteht in der Abscheidung von Schutzschichten auf Festplatten. Es konnte gezeigt werden, dass schon Kohlenstoffschichten von nur 1,3 nm Dicke ausreichend dicht sind, um die empfindlichen Magnetschichten einer Festplatte gegen Korrosion und mechanische Beschädigung zu schützen. Mit herkömmlicher Sputtertechnik benötigt man für die gleiche Schutzwirkung eine Mindestdicke von ca. 4 nm. Die weitere Steigerung der Speicherdichte erfordert aber unbedingt dünnere Schutzschichten, wie sie bisher nur mit der Technologie der gefilterten Hochstrombogenquelle erzeugt werden können. Während für Mikroelektronik und Festplattenbeschichtung absolute Dropletfreiheit gefordert ist, gibt es viele Anwendungen, bei denen es ausreichen würde, die Dropletzahl deutlich zu reduzieren. Hier wäre es wünschenswert, über eine Filterbogenquelle zu verfügen, die mit geringem Aufwand an existierende Beschichtungsanlagen nachgerüstet werden kann. Dazu wurde im IWS das Filterkonzept des Lamellenfilters weiterentwickelt. Dabei wird das Magnetfeld nicht von platzaufwendigen Spulen sondern von kompakten Lamellen erzeugt. Die Anzahl der Droplets wird drastisch reduziert und es kann eine Plasmatransmission von ca. 20 % erreicht werden. Dieser Filter kann ohne weitere Umbauten oder sonstige Anlagenmodifikation vor einem oder mehreren herkömmlichen Verdampfern eingebaut werden. Das nutzbare Beschichtungsvolumen bleibt dabei vollständig erhalten. Ein entsprechendes Filtermodul wurde am IWS aufgebaut und befindet sich im Beschichtungseinsatz.

 

Currently, the vacuum arc deposition (VAD) technique is well established in industry, primarily to deposit wear protective hard coatings such as metal nitrides and carbides onto tools and components.
From the beginning of the industrial development of the vacuum arc deposition, it was obvious that the emission of macroparticles or droplets is a fundamental drawback of this coating technology. The emission is caused by the highly dynamic process of plasma generation and limits the fields of application significantly. Different methods have been proposed to minimize the macroparticle flux to the substrate surface. But the only way to hinder droplets from reaching the substrate reliable is to separate the plasma from particles by using curved magnetic fields. This filtered arc technique has proven its superiority of depositing high quality films compared to conventional arc applications in numerous laboratory tests. Current demands have stimulated new developments at the Fraunhofer IWS of more compact and higher productive filtered arc sources.
One important application of ultra thin protective films is the topcoat on hard disks. In order to increase the storage density, the head-to-media spacing as well as the thickness of the overcoat has been reduced continuously. Until now, the thickness of the sputtered films was reduced to about 4 nm. The limit for this technology seems to be achieved. Filtered arc deposition is one of the most promising candidates for the deposition of thinner films - down to 1.3 nm with an even improved mechanical and chemical resistance.
Another application area is the manufacturing of metallic lines and interconnections with high aspect ratios in the deep sub-micron region in microelectronics. The excellent properties of this new filtered source for the deposition of conducting lines in microelectronics were been demonstrated. Actually, the technology for the subsequent deposition of barrier films and conducting wires is under development.
Besides the micro technologies, there are a lot of applications requiring higher quality but not (yet) such a perfect film surface. Therefore, using a quite simple filter design - the so-called Venetian blind filter - a filter unit was developed which can be used at the common industrial vacuum arc deposition machines. The filter does not reduce the deposition area, so the standard deposition processes can be used furthermore. With this filter, the number of droplets can reduced dramatically. A plasma transmission through the filter of approximately 20 % could be measured. Such filter module was realized and is in use now.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-18213.html