• Christos Pernagidis

Optimierung von AlTiN und AlCrN Beschichtungen mittels Multikathodenkonfiguration

Multikathodenkonfigurationen werden immer beliebter und finden bei Forschern und Prozeßingenieuren, die im Bereich der Hochleistungsimpuls-Magnetronzerstäubung (HiPIMS) in der PVD-Beschichtungsindustrie tätig sind, zunehmend Beachtung.

Multicathode PVD

in courtesy of Gencoa Ltd.



Der sequentielle Betrieb von vier oder sechs Kathoden (zwei sind mindestens notwendig) führt zu einer deutlichen Verbesserung der Qualität der abgeschiedenen Verbundschichten, insbesondere von AlTiN oder AlCrN.

Multicathode improving AlTiN AlCrN

in courtesy of Gencoa Ltd.



In diesem Artikel bezieht sich der Begriff "Mehrfachkathoden" auf die Übertragung der Leistung, um die Entladung nacheinander an den Kathoden der gleichen Materialzusammensetzung zu pulsieren, wobei zwischen den einzelnen Entladungspulsen ein kleiner Zeitabstand von 20-50µs liegt.


Natürlich erhöht das Co-Sputtern die Abscheiderate, da die Schichtdicke mit der Anzahl der am Abscheideprozess beteiligten Kathoden steigt. Doch nicht nur die Schichtdicken, sondern auch die Qualität des Materials, die Verschleißfestigkeit, die Vermeidung von Argoneinschlüssen und die Aufrechterhaltung der metastabilen kubischen Phase hängen davon ab, wie der Übergang von argonreichem Plasma zu metallreichem Plasma gesteuert wird.

Beim Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Sputtern werden wiederholte Spannungs- und Stromimpulse mit langer oder kurzer Dauer zwischen den Impulsen angelegt.

Der Stromimpuls verzögert die an die Kathode angelegte Spannung in der Regel um eine beträchtliche Zeit, die von 20 µs bis zu mehreren Mikrosekunden reicht und von vielen Parametern abhängt, vor allem aber von der Stromversorgung und dem Kathodenmaterial (Target). Bei einer zuverlässigen Stromversorgung in Industriequalität ist die Stromverzögerung nahezu konstant und schwankt um weniger als 0,5 % der Verzögerungszeit.

magnetron sputtering repetitive pulses

👉🏼 Warum tritt diese Verzögerung ein?


Die Verzögerung hängt von der minimalen Durchbruchspannung zum Produkt aus Gasdruck und Elektrodenabstand ab. Auf der Grundlage dieses Grundkonzepts hängt die Verzögerung bei der Entstehung des Stroms in Bezug auf die Spannung von zwei wichtigen Faktoren ab.


  1. Erzeugung von "Keimelektronen", die in dem elektrischen Feld zwischen den Elektroden erscheinen und

  2. die Zeit, die erforderlich ist, um aus diesen "Start-Elektronen" eine vollständige stabile Entladung zu entwickeln



Die Verwendung von Mehrkathoden-HiPIMS mit einem kürzeren Zeitabstand zwischen den Impulsen, die die benachbarten Kathoden nacheinander auslösen, ermöglicht es, die übrig gebliebenen Elektronen der vorherigen Entladung als Keimelektronen zu verwenden, um die Entladung für den nachfolgenden Impuls zu entwickeln. In diesem Fall wird die Entladung an der Kathode zu schnell entwickelt und der Übergang von argonreich zu metallreich erfolgt innerhalb von 20 µs.


Die verkürzte argonreiche Phase trägt dazu bei, den Argongehalt in den mit HiPIMS abgeschiedenen Beschichtungen zu minimieren, während das Verfahren bei wesentlich höherem Druck (4-5 µbar) betrieben wird. Aufgrund des verringerten Argon-Ionen-Hämmerns (engl. Peening) verengt sich das Energiefenster der auftreffenden Ionen, und die elastischen Eigenschaften der Beschichtungen nehmen zu (sie werden weniger spröde).



Noch wichtiger ist, dass sich der Erfolg der HiPIMS-Mehrkathodentechnologie bei der Beschichtung von AlTiN und AlCrN deutlich gezeigt hat. Eine höhere Anzahl von Kathoden führt zu einer höheren Verschleißfestigkeit (H/E).



Die HiPIMS-Gemeinschaft weiß, wie sehr die Beschichtungen von Verbundwerkstoffen wie AlTiN oder AlCrN verbessert werden, wenn die Vorspannungspulse mit den Kathodenpulsen synchronisiert werden, um die energetischen Auswirkungen der Argon-Ionen auf das Substratmaterial zu minimieren.

AlCr 80:20 at% Target
AlTi 70:30 at% Target















Aluminum Chromium AlCr 80:20 at%




Aluminum Titanium AlTi 70:30 at%



Der rasche Übergang von argonreichem Plasma zu metallreichem Plasma ist auch eine der besten Möglichkeiten, die energetische Wirkung von Argon-Ionen auf das Substrat zu verringern.
FAZIT:
Die Verwendung einer Mehrfachkathode ist der beste Weg, um qualitativ hochwertige Nitride aus AlTi und AlCr zu erhalten und gleichzeitig die Verwendung einer Vorspannung mit synchronisierter Verzögerung zu umgehen.
argon-rich plasma

courtesy of Gencoa Ltd.