Filtred cathodic arc deposition – long standing problems, new solution
Authors: Zimmer O. , Siemroth P. , Berthold J. , Hilgers H. , Hentsch W. 
Published: August 2003

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.