專利名稱：對用于pvd方法的襯底進(jìn)行預(yù)處理的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對襯底進(jìn)行預(yù)處理的方法，如該預(yù)處理通?？梢栽诮柚鶳VD 對襯底進(jìn)行涂層之前執(zhí)行的一樣。
背景技術(shù)：
陰極火花蒸鍍(Funkenverdampfung)是近年來建立起來的方法，該方法用于對工具和部件涂層并且利用該方法既離析出廣泛多種的金屬層又離析出金屬氮化物、金屬碳化物以及金屬碳氮化物。在該方法中，靶是火花放電的陰極，該火花放電在低電壓和高電流時(shí)運(yùn)行并且利用該火花放電對靶(陰極)材料蒸鍍。作為用于運(yùn)行火花放電的最簡單和最便宜的電源，大多使用直流電壓電源。公知通過陰極火花放電蒸鍍的材料包含大量的離子。為此Johnson的“P. C. in Physics of Thin Films”，vol. 14 Academic Press, 1989，129-199 頁公開了根據(jù)陰極材料和火花電流(Funkenstrom)的大小而介于30%和100%之間的值。該高含量的離子化蒸汽在層合成中是值得期望的。如果高的離子化程度在層合成中與襯底上的負(fù)偏壓結(jié)合并且由此可以提高和改變離子去往襯底的加速度和能量，則該高的離子化程度會(huì)特別有利地發(fā)揮作用。通過這種方式合成的層具有更高的密度并且可以通過改變偏置電壓而影響若干層特性，例如層的張力和層形態(tài)。但是，火花蒸鍍也在以下方面公知即所蒸鍍的材料依據(jù)其熔點(diǎn)而或多或少具有很多濺射物，這些濺射物原則上是不期望的。濺射物含量在說明所蒸鍍材料的離子化程度的情況下大多是不被一起考慮的，但是會(huì)顯著影響層質(zhì)量。因此人們力求通過專用的源磁場或附加的過濾器(機(jī)械和電磁的，如在Aksenov，I. I.等人的Sov. J. Plasma Phys. 4(4) (1978)425中所解釋的)或者通過諸如增大的反應(yīng)氣體壓力的其它過程參數(shù)來減小所蒸鍍材料中的濺射物含量。還建議使用較高熔點(diǎn)的材料來減小濺射物數(shù)量和濺射物大小。在火花蒸鍍時(shí)觀察到的所蒸鍍的材料的離子化含量也可以被用于對襯底進(jìn)行預(yù)處理。利用襯底偏置電壓的連續(xù)提高，可以通過所蒸鍍的材料和工作氣體的蒸汽離子如此程度地來驅(qū)動(dòng)襯底偏置電壓的轟擊，使得襯底可以被濺射或/和被加熱到高溫。通常該方法步驟被稱為金屬離子蝕刻(metal ion etching)，這是一種不太精確的稱呼，因?yàn)樗诟拍钌蠜]有包括通過工作氣體或反應(yīng)氣體的常見或必要使用而出現(xiàn)的離子。但是一般來說，人們力求減少工作氣體離子(通常使用諸如氬的惰性氣體)的含量或者完全避免該工作氣體。其原因在于，惰性氣體不能穩(wěn)定地合成到層中，因?yàn)槎栊詺怏w沒有進(jìn)入化合，而且附加地會(huì)導(dǎo)致過張力。但是一般來說無法輕易地在沒有氣體添加(工作氣體或反應(yīng)氣體)的情況下連續(xù)運(yùn)行火花源。如果必須在沒有工作氣體的情況下運(yùn)行火花源 (Fimkenquelle)，例如用于離子植入的離子源，則脈沖式地運(yùn)行火花源，也就是必須總是又重新點(diǎn)燃源，因?yàn)槿绻麤]有附加給予氣體的話火花只能短暫“生存”。這樣的運(yùn)行的示例描述在 JP 01042574 中。
借助離子轟擊而對襯底的預(yù)處理和與此關(guān)聯(lián)的借助離子對襯底的蝕刻以及對襯底的加熱都已經(jīng)描述在US 4734178中。在此重要地要補(bǔ)充一點(diǎn)，借助金屬離子的蝕刻可能導(dǎo)致對襯底表面的、不同于在簡單加熱該襯底情況下的或者也在借助如例如在Sablev的US 05503725中所描述的電子轟擊來加熱該襯底情況下的處理結(jié)果。僅僅是使用金屬離子與惰性氣體離子相比就產(chǎn)生新的反應(yīng)可能性，例如在形成碳化物或混合晶體的情況下。在文獻(xiàn)中描述了植入過程和擴(kuò)散過程的組合，所述組合導(dǎo)致金屬離子被合成到襯底表面中并由此導(dǎo)致稍后所蒸鍍的層的良好耦合(Muenz，W.-D.等人，Surf. Coat. Technol. 49(1991) 161, Sch5njahn, C.等人，J. Vac. Sci. Technol. A19(4) (2001) 1415)。但是在該過程步驟中的問題首先是金屬濺射物的存在，該金屬濺射物的質(zhì)量是原子質(zhì)量的多倍并且通常不能通過蝕刻步驟又被除去，如果金屬濺射物出現(xiàn)在襯底表面上并在該襯底表面上凝結(jié)的話。這種狀況的出路在于為火花源配備將濺射物與離子分開的過濾器。一種公知的過濾器設(shè)計(jì)要追溯到Aksenov，I. I.等人在Sov. J. Plasma Phys. 4(4) (1978)425的論文，其中火花源通過包圍磁場并且具有90°角的管子而在涂層室上形成凸緣。磁場將電子引導(dǎo)到彎曲的軌道上，而該彎曲的軌道又通過電力迫使離子到類似的彎曲軌道上。但是未充電的濺射物撞擊到管子內(nèi)壁上并因此被阻止到達(dá)襯底。對于金屬離子蝕刻的目的，在此出現(xiàn)的速率損失起著次要的作用。但是大的缺點(diǎn)是，從管子進(jìn)入到涂層室中的離子束的可用直徑僅僅具有幾個(gè)厘米到大約IOcm的直徑。對于很多應(yīng)用來說，這是導(dǎo)致襯底在源前移動(dòng)的原因，由此可以保證蝕刻過程的足夠的均勻度。這排除了將該方法用于如其對于生產(chǎn)所常見的正常成批涂層系統(tǒng)。一種明顯更為簡單的方案是利用火花源前的擋板以及在位置上錯(cuò)開的陽極來工作，該陽極例如設(shè)置在襯底的后面(例如在所述室的相對側(cè)上使用不同于陽極的其它源)， 正如在Sablev US 05503725中已經(jīng)原則性刻畫的，但是不是專門針對MIE過程(MIE=Metal Ion Etching，金屬離子蝕刻)描述的。然后電子的路徑穿過所述室并且被迫經(jīng)過襯底。通過電場，離子也被迫使到接近電子的路徑上并且因此在襯底附近提供給蝕刻過程所用。濺射物主要在擋板上被截獲。該過程引導(dǎo)對于涂層來說是效率非常低的，因?yàn)殡x子化的材料也會(huì)在擋板上以及在邊緣區(qū)域中丟失。但是由于在現(xiàn)有技術(shù)中針對金屬離子蝕刻的典型過程僅僅需要幾個(gè)安培的小電流并且僅僅被蝕刻幾分鐘，因此這樣的運(yùn)行對于生產(chǎn)過程來說是完全合理的。但是，對于這樣的通過襯底固定裝置迫使離子到電子軌道上的運(yùn)行的條件是與室電位分離的陽極。該陽極需要室中的附加位置，這又降低了設(shè)備的生產(chǎn)率。上面引用的不同于陽極的其它火花源的間或使用具有以下缺點(diǎn)，即該源被占用并且要在通過不期望的“自由火花”清除該源時(shí)才重新可用。簡而言之，值得期望的是在MIE中既可以棄用擋板又無需通過分離的陽極來運(yùn)行火花源，而是可以在陽極(地)上運(yùn)行具有襯底室的火花源，而不會(huì)在此產(chǎn)生太多的濺射物， 尤其是大直徑的濺射物。此外值得期望的是，在中等(小于1500V，優(yōu)選小于800V)的襯底偏置時(shí)就已經(jīng)在襯底上實(shí)現(xiàn)零層生長，并且具有通過改變襯底偏置從涂層階段進(jìn)入蝕刻階段或反之的可能性。
由于火花方法中的濺射物形成，存在如在EP 01260603中描述的那樣不是由火花源而是通過濺射源來產(chǎn)生離子的追求。公知在濺射過程中產(chǎn)生少得多的濺射物。但是也公知常用的濺射源產(chǎn)生少得多的離子。但是可以表明，借助脈沖式電源來運(yùn)行濺射源明顯提高了在脈沖期間的離子密度?！癏igh Power Pulsed Magnetron Sputterverfahren，，(HIPIMS) Ehiasarian, Α. P.等人,45th Annual technical Conference Proceedings, Society of Vacuum Coaters (2002) 328 顯得很好地適于產(chǎn)生比在正常的濺射方法情況下明顯更多的離子，而且尤其也是金屬離子。但是該方法中的缺點(diǎn)是，在靶上需要明顯更大的磁場，由此可以點(diǎn)燃磁控管放電。 但是更強(qiáng)的磁場又不利地導(dǎo)致在高能脈沖中產(chǎn)生的離子被俘獲并且只有其中小部分離子到達(dá)襯底。但是，該方法的顯著更大的缺點(diǎn)是HIPIMS-MIE方法與PVD涂層在以下含義中的不兼容性，即這些源大多不能用于實(shí)際的涂層。在HIPIMS方法中的涂層速率小到在大多數(shù)情況下必須采用附加的源來用于涂層，而且不能將HIPIMS源用于涂層。這與在生產(chǎn)系統(tǒng)中提高生產(chǎn)率相悖。而且最后該濺射方法同樣需要諸如氬的惰性氣體來作為工作氣體。目前所使用的金屬離子蝕刻方法的缺點(diǎn)基于陰極火花蒸鍍而總結(jié)如下
1.未經(jīng)過濾的火花源依據(jù)靶材料產(chǎn)生大量濺射物，部分具有大的直徑。這些濺射物不具有足夠的能量來與襯底表面的成份進(jìn)行完全的化學(xué)反應(yīng)或者不具有足夠的能量來合成到襯底表面中。2.通過高熔點(diǎn)靶材料的使用來減少濺射物提高了材料成本，并且在運(yùn)行火花時(shí)需要更高的花費(fèi)?；鸹ㄔ吹慕Y(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，以實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)材料所需要的高的源電流和放電電壓，并且電源同樣是昂貴的。3.由于高熔點(diǎn)材料的一般更大的化學(xué)惰性(inertness)，這些高熔點(diǎn)材料與襯底表面的成份的值得期望的化學(xué)反應(yīng)大多僅在較高溫度時(shí)才進(jìn)行(例如碳化物形成)。4.火花源與用于減少濺射物的電磁過濾器和/或機(jī)械過濾器的組合導(dǎo)致襯底上離子電流的損失。更為重要的是，這樣的處理的均勻性不能在大的襯底區(qū)域上——如在生產(chǎn)系統(tǒng)中常見的那樣——得到保證。5.過濾器的采用除了襯底上離子電流的損失之外還導(dǎo)致多次充電的離子含量的減少。多次充電的離子提高了化學(xué)(熱受激的)反應(yīng)的概率，因?yàn)樗鼈円韵鄳?yīng)的多倍能量出現(xiàn)在襯底上并且因此主要參與高溫穩(wěn)定的化合物的形成。雖然可以考慮通過提高襯底偏置來補(bǔ)償多次充電的離子的損失，但是人們一般試圖避免超過1000V的電壓以減少火花形成，但是也是出于安全原因。6.更高的過程氣體壓力導(dǎo)致濺射物的減少，但是也劇烈減小了襯底電流并且尤其又減少了多次充電的金屬離子的含量。但是出于過程兼容性的原因，值得期望的是也為在反應(yīng)氣體中運(yùn)行的火花實(shí)現(xiàn)足夠高的襯底電流。基于借助HIPIMS的濺射方法的MIE的缺點(diǎn)可以總結(jié)如下
1.與火花涂層源沒有兼容性，因?yàn)橥繉铀俾侍?，也就是說需要專門的源以及電源來用于運(yùn)行濺射源。2.襯底電流僅以脈沖產(chǎn)生。大部分離子通過磁控管磁場俘獲，不能到達(dá)襯底， Muenz, W. -D. ^A, Vakuum in Forschung und Praxis, 19(2007) 12。
3.濺射源的運(yùn)行總是以工作氣體為前提，該工作氣體合成到襯底表面中并且在襯底表面中導(dǎo)致大多不期望的張力以及不穩(wěn)定性。4.在濺射運(yùn)行中利用反應(yīng)氣體的工作是很難控制的。出于上述觀點(diǎn)，就MIE的應(yīng)用而言可以得出以下結(jié)論
基本上在火花源中大的濺射物會(huì)引發(fā)問題，因?yàn)榇蟮臑R射物不具用足夠的能量來在出現(xiàn)在襯底表面上之后還擴(kuò)散到襯底中或者與襯底表面的成份發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。否則，火花蒸鍍以其產(chǎn)生多次充電的離子的可能性而最適于借助金屬離子蝕刻來執(zhí)行襯底預(yù)處理。此外，BUschel.M.等人的 Surf. Coat. Technol. 142-144(2001)665 公開了火花蒸鍍源也可以脈沖式地運(yùn)行，以離析出層。在該方法中在連續(xù)的保持電流上疊加脈沖電流。在該上下文中也提到源的脈沖會(huì)導(dǎo)致在層離析時(shí)尤其是大的濺射物的減少。此外，從文獻(xiàn)中公知陰極火花源的脈沖在沒有連續(xù)運(yùn)行所述陰極火花源的情況下，也就是在每次脈沖時(shí)總是又點(diǎn)燃該陰極火花源的情況下，導(dǎo)致更高的離子電流，該離子電流尤其要?dú)w因于多次充電的離子含量的提高，Oks，E.M.等人的Rev. Sci. Instrum. 77(2006) 03B504。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是盡管有運(yùn)行的火花涂層源也實(shí)現(xiàn)零涂層速率，也就是在表面上/ 旁實(shí)現(xiàn)在材料合成(Materialaufbau)和材料去除之間的平衡狀態(tài)，并且實(shí)現(xiàn)通過襯底偏置控制該平衡狀態(tài)的可能性。此外本發(fā)明的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)一種襯底預(yù)處理，該襯底預(yù)處理基于用離子對襯底表面的轟擊，其中這些離子的主要部分由金屬離子和反應(yīng)氣體離子組成，并且在極端情況下可以完全棄用工作氣體。本發(fā)明的另一目的是這些離子擴(kuò)散到襯底表面中并且這些離子與襯底表面的成份進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。本發(fā)明的另一目的是對通過上述步驟弓I起的襯底改變的修復(fù)(Aushei 1 en)，這些襯底改變例如是通過濕化學(xué)襯底清洗導(dǎo)致的襯底表面的鈷貧化。該任務(wù)是利用權(quán)利要求1的特征解決的。優(yōu)選擴(kuò)展表征在從屬權(quán)利要求中。根據(jù)本發(fā)明，基于一種用于在真空處理設(shè)備中對工件進(jìn)行表面處理的方法，該真空處理設(shè)備具有構(gòu)成為靶的第一電極，該第一電極是電弧蒸鍍源的部件，其中在該第一電極上用火花電流運(yùn)行火花，通過該火花電流從所述靶蒸鍍材料，該材料至少部分及暫時(shí)地沉積在工件上，并且該真空處理設(shè)備具有構(gòu)成為工件固定裝置并且與工件一起形成偏置電極的第二電極，其中借助電壓源來施加偏置電壓到偏置電極上，使得偏置電壓與火花電流相協(xié)調(diào)，使得在表面上基本上純粹(netto )不發(fā)生材料合成。那么本發(fā)明的方法的特征在于，用脈沖式電流運(yùn)行第一電極，其中該脈沖導(dǎo)致與非脈沖式運(yùn)行相比提高的襯底電流經(jīng)過工件表面，并且由此在相對于第一電極的非脈沖式運(yùn)行來說更低的偏置電壓的情況下就已經(jīng)純粹不在表面上發(fā)生材料合成。利用脈沖式電流來運(yùn)行具有火花源的真空涂層設(shè)備是公知的。例如W02006099760 和TO2007131944描述了利用脈沖式電流對火花源的運(yùn)行，該脈沖式電流作為保持陰極平面擺脫不可穿透的氧化層以及保證穩(wěn)定的火花放電的主要因素。通過火花電流的脈沖—— 對于其需要使用專門的電源，火花始終被偏轉(zhuǎn)到經(jīng)由靶的新的軌道上，并且防止像在受引導(dǎo)的火花(“steered arc”，受控電弧)情況下那樣該火花僅移動(dòng)到優(yōu)選的區(qū)域中而其余的靶區(qū)域被厚的氧化物占據(jù)。這樣，火花源電流的脈沖部分地導(dǎo)致與利用磁場來運(yùn)行火花源時(shí)所引起的類似的結(jié)果，也就是導(dǎo)致火花的偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)防止火花太長地停留于某個(gè)地點(diǎn)并導(dǎo)致目標(biāo)的更大的融化以及由此導(dǎo)致更多的濺射物形成。但是在脈沖的情況下相對于利用磁場的運(yùn)行有利的是，火花并非總是被引導(dǎo)至通過該磁場預(yù)定的軌道上，這尤其在利用反應(yīng)氣體工作的情況下可能導(dǎo)致穩(wěn)定性問題。火花源的脈沖式運(yùn)行既可以作為單個(gè)火花源的電流脈沖進(jìn)行，又可以作為兩個(gè)火花源之間的“雙脈沖”進(jìn)行。第一種運(yùn)行類型僅僅(如果就是的話)以相對于正常的直流電源稍微修改的電源為前提并因此是成本低廉的，而“雙脈沖”一般需要連接在兩個(gè)源之間的附加的電源，如由W02007131944提出的。但是，為此該運(yùn)行允許明顯較高的在脈沖運(yùn)行時(shí)的頻率，利用該頻率可以實(shí)現(xiàn)更劇烈的電流上升。借助本發(fā)明尤其可以修復(fù)通過襯底的濕清洗(異地)而引起的襯底上的損傷。這尤其涉及襯底表面上的鈷的貧化(Verarmung )。此外，本發(fā)明涉及通過將來自蒸汽相的原子與最外面的襯底表面中的原子/成份合成或進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來改變襯底表面，其目的是制造穩(wěn)定的化合物，該化合物保證好得多的化學(xué)的、熱的和機(jī)械的穩(wěn)定性。本發(fā)明還涉及在襯底表面中形成薄的中間層，該中間層在襯底和待施加的層之間制造密切的連接，并且承擔(dān)作為擴(kuò)散阻擋層或化學(xué)阻擋層的附加功能。本發(fā)明還可以在具有不同的特性的層之間來使用，這些層不能通過梯度過渡或者只能不足地通過梯度過渡來制造并且對于這些層期望有具有極好附著性的盡可能薄的界面，例如在諸如氧化物、碳化物、氮化物和金屬層的不同材料之間。該新的方法在氧化層應(yīng)當(dāng)與金屬層、金屬碳化物、金屬氮化物或金屬碳氮化物連接的情況下是特別有利的。也就是說，該方法尤其應(yīng)用于具有非常不同的特性的層應(yīng)當(dāng)被密切連接的情況，也就是例如在氧化物層直接離析到硬金屬上的情況下，或者在多層系統(tǒng)情況下在從氧化物到氮化物的過渡中。該新的方法有利地還應(yīng)用于不同結(jié)晶相的層應(yīng)當(dāng)良好附著地相互連接的情況。尤其，本發(fā)明的目的是，在最外面的襯底表面中制造在所出現(xiàn)的離子與襯底表面的成份之間的穩(wěn)定化合，尤其針對襯底表面的、自身機(jī)械或化學(xué)不穩(wěn)定并且導(dǎo)致與稍后要施加的層的附著問題的那些成份。也就是說，本發(fā)明不描述常見的蝕刻也不描述涂層，而是描述這些過程之間的平衡，并且具有以下意圖地執(zhí)行該處理，即僅僅在襯底表面上和/或在襯底表面直接附近觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，并且該預(yù)處理近似以零生長或者僅以非常小的層生長來結(jié)束。與電子相比，離子的大得多的質(zhì)量以及關(guān)聯(lián)的可通過襯底偏置調(diào)節(jié)的離子能量允許在所出現(xiàn)的離子與襯底成份之間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這可以在高得多的襯底溫度時(shí)才在平衡狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)。這適合于具有還更高質(zhì)量的多次充電的離子。根據(jù)本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)一種經(jīng)濟(jì)的解決方案，該解決方案可以在基于火花蒸鍍源的生產(chǎn)系統(tǒng)中采用。利用本發(fā)明尤其可以減少在運(yùn)行火花源時(shí)肉眼可見的濺射物。在此，本發(fā)明的方法具有寬的以及可容易控制的過程窗口。


借助附圖示例性解釋本發(fā)明。在此
圖1示出分別具有自身的脈沖式火花源的PVD涂層設(shè)備；
圖2a示出直流火花電流；
圖2b示出脈沖式火花電流；
圖3a示出用于直流火花電流情況的襯底電流；
圖3b示出用于脈沖式火花電流情況的襯底電流；
圖4示出用于雙脈沖方法的PVD涂層設(shè)備；
圖5a示出在直流運(yùn)行中流過火花源的火花電流；
圖5b示出在用雙極脈沖疊加火花源情況下的火花電流；
圖6a示出直流火花運(yùn)行中的襯底離子電流(Substrationenstrom)；
圖6b示出在雙極運(yùn)行中的襯底離子電流；
圖7示意性示出依據(jù)火花電流和襯底偏置的材料合成和材料分解的關(guān)系； 圖8示出用于脈沖式火花電流的測量值表； 圖9示出用于脈沖式火花電流的測量值表； 圖10示出表明平均離子電流和蒸鍍速率的表。
具體實(shí)施例方式為了能清楚示出本發(fā)明，有利的是首先考察每個(gè)火花源本身被脈沖化并且在圖1 中示意性示出的運(yùn)行方式。圖1示出如在使用火花源的情況下用于涂層的PVD涂層設(shè)備(1， 批處理系統(tǒng))。涂層設(shè)備1與泵站4 (未示出)連接，該泵站在該設(shè)備中產(chǎn)生由過程引起的真空。襯底固定裝置2和3用于容納襯底(工具或組件或其它部件)并且在預(yù)處理和涂層過程中固定襯底。襯底固定裝置以及由此襯底本身可以在預(yù)處理和涂層過程中借助襯底偏置電源5而被施加電壓，由此它們被置于離子轟擊(負(fù)電壓)下或電子轟擊(正電壓)下。襯底偏置電源可以是直流的、交流的或雙極或單極的襯底電壓源。所述涂層是借助火花源來進(jìn)行的。這些火花源包括靶6，該靶6的材料通過火花來蒸鍍。通過磁鐵7引起的源磁場確定 是否在確定軌道上引導(dǎo)火花(所謂的“受控電弧”)以例如減少濺射物，或者火花是否可以或多或少地自由地在靶表面上移動(dòng)(所謂的“隨機(jī)電弧”)，這大多會(huì)導(dǎo)致更好的靶利用以及更高的蒸鍍速率。火花的運(yùn)行可以在通常為惰性氣體的工作氣體中進(jìn)行。為此大多數(shù)情況下使用氬。但是該運(yùn)行可以由工作氣體和反應(yīng)氣體組成的混合物或者單獨(dú)地在反應(yīng)氣體中進(jìn)行。反應(yīng)氣體與由火花蒸鍍的靶材料反應(yīng)，并由此形成相應(yīng)的氮化物、氧化物、碳化物和它們的混合物。這些氣體可以通過共同的氣體入口 8進(jìn)入或者通過不同的氣體入口經(jīng)過該設(shè)備分配地進(jìn)入，并且處理室中的過程壓力和氣體組成可以通過氣體流量計(jì)來控制。為了在靶上點(diǎn)燃火花，可以使用點(diǎn)火極9或者使用其它電點(diǎn)火裝置。利用擋板10可以隔離靶，使得盡管火花蒸鍍但是沒有蒸鍍的靶材料到達(dá)襯底。用于火花蒸鍍的火花電流通過電源11 提供。通常該電源是常用的直流電源。對于在此的實(shí)驗(yàn)，使用也在脈沖焊接中常見的脈沖式電源。由此可以向恒定的直流電流疊加寬的脈沖電流。在此重要的是，在間歇之間電流不完全為零，而是保持在不讓火花熄滅的大小(間歇電流)。為了能更清楚地檢查火花電流脈沖對襯底離子電流的影響，在這些嘗試中僅利用一個(gè)源工作。不限于以下材料地，首先選擇Cr靶用于火花蒸鍍。Cr靶在工作氣體氬中用 300sccm的氬氣流以及用140A的直流源電流運(yùn)行。通過在該電源上選擇lOOOA/ms的設(shè)置， 電流上升時(shí)間保持恒定。在所有以下實(shí)驗(yàn)中針對典型的和未經(jīng)改變的襯底固定裝置來測量襯底離子電流，也就是作為總數(shù)來測量。在此必須補(bǔ)充一點(diǎn)，在測量總電流(積分電流)時(shí)可能導(dǎo)致小的誤差，該誤差是因?yàn)椴⒎撬须x子都被俘獲到襯底固定裝置上并且例如還出現(xiàn)在室壁上而形成的。但是對于比較性測量以及密閉的襯底封裝來說可以接受該誤差，因?yàn)榧俣ㄔ撜`差不會(huì)弄錯(cuò)在此應(yīng)當(dāng)僅理解為相對結(jié)論的測量的一般性趨勢。由此在使用直流源電流的情況下，測得在襯底上4. 5A的平均離子電流(參見表1)。與此相反，對于在脈沖長度為0. 5ms的脈沖中為600A以及在間歇長度為3. 4ms的脈沖間歇中為50A的脈沖式源電流的情況，測得7. 8A的平均襯底離子電流。而且這樣，雖然時(shí)間上平均的火花電流同樣為 140A。在襯底上的離子電流峰值在這種情況下甚至為57. 8A。從表1 (圖8)中可以讀出以下趨勢 火花電流的脈沖導(dǎo)致襯底電流的增加；
脈沖電流與間歇電流之間的差異越大，襯底電流就越高，不管是在時(shí)間平均值中還是在脈沖中。也針對火花源在純反應(yīng)氣體一在該情況下是氧氣一的運(yùn)行來檢查火花電流的脈沖對襯底電流的影響。作為比較，又采用火花源的直流運(yùn)行，并且利用Cr靶和250sCCm的氧氣流工作。為此產(chǎn)生1.7A的平均襯底離子電流(同樣參見表1)。與此相反，對于在脈沖長度為0. 5ms的脈沖中為600A以及在間歇長度為3. 4ms的脈沖間歇中為50A的脈沖式源電流的情況，測得3. 5A的平均襯底離子電流。針對直流和脈沖的平均火花電流又相同，即 140A。在這種情況下，襯底上的離子電流峰值是58A。對于在反應(yīng)氣體中的運(yùn)行，又可以讀出與在針對氬中的運(yùn)行所出現(xiàn)的相同的趨勢。此外看出，在純氧氣中運(yùn)行時(shí)與在氬中運(yùn)行相比襯底電流更小?；鸹ㄔ吹拿}沖可以至少部分補(bǔ)償這一點(diǎn)，并且由此允許高的襯底電流， 即使在純反應(yīng)氣體中工作時(shí)也是如此，也就是在棄用工作(惰性)氣體的情況下，這對于在此討論的預(yù)處理是有利的。為了表明該特性不僅適用于基本靶而且還適用于合金靶，利用Al-Cr靶進(jìn)行其它嘗試，在此作為由組成為70at% (原子百分比)/30at%mAl/Cr組成的靶的示例。又將直流火花運(yùn)行與脈沖式火花運(yùn)行進(jìn)行比較。在氧氣流被設(shè)置為400sCCm的情況下，利用200A的平均火花電流在純氧氣環(huán)境中工作。作為比較，接著火花電流在間歇中50A與在脈沖中大約470A之間被脈沖化。該脈沖電流又提供了 200A的時(shí)間平均值，因此與直流火花電流類似。在圖2a和2b中示出這兩個(gè)電流的時(shí)間變化過程，其中在此火花電流被隨意地繪制為負(fù)的。圖2a示出直流火花電流，而圖2b示出脈沖式火花電流。針對該運(yùn)行測得的總襯底離子電流在圖3a和3b中示出，其中在此襯底電流的離子電流分量被繪制為負(fù)的，而電子電流被繪制為正的。圖3a示出針對直流火花電流情況的襯底電流，而圖3b示出針對交流火花電流情況的襯底電流。由于Al/Cr靶在氧氣環(huán)境中的運(yùn)行導(dǎo)致氧化物層的形成，因此在襯底上利用雙極襯底偏置工作(大約25kHz )。在直流運(yùn)行期間，可以清楚地將離子電流(示出為負(fù)的)與電子電流(正軸)區(qū)分開來。如果對襯底離子電流(也就是對示出為負(fù)的電流)積分，則獲得2. 8A 的時(shí)間平均值。對于利用脈沖式火花電流的運(yùn)行，火花電流頻率(大約700Hz)與襯底偏置的脈沖頻率的疊加反映在襯底電流的電流變化過程中。如果在此同樣對襯底離子電流(負(fù)的值域)求平均值，則產(chǎn)生4. 9A的平均離子電流，也就是說，可以通過火花源的脈沖實(shí)現(xiàn)襯底離子電流的幾乎翻倍。在所說明的示例中，描述了源電源和襯底偏置電源的運(yùn)行，其中這兩種電源不是同步的。襯底偏置電源的頻率大約是25kHz，明顯高于源電源的頻率(大約700Hz)。源電源的合理的脈沖頻率位于IHz與5kHz之間。優(yōu)選的，應(yīng)用介于500Hz和2kHz之間的脈沖頻率。人們也會(huì)在源電流的脈沖期間在襯底電流中看見該疊加。雙極脈沖式的偏置減小了相對于整個(gè)襯底電流很小的直流偏置。如果將兩個(gè)電源同步，則獲得襯底電流在脈沖峰值上(但不是時(shí)間平均值)的劇烈增加。也就是說，對于偏置電壓的頻率，選擇與源電流相應(yīng)的頻率或該頻率的整數(shù)倍。但是偏置電壓在負(fù)峰值上應(yīng)當(dāng)相對于源電流的峰值在時(shí)間上移位，使得離子從靶到襯底的飛行時(shí)間得到考慮。該運(yùn)行對于MIE來說是有利的，因?yàn)樵贛IE中要利用非常大的能量實(shí)現(xiàn)短暫的離子轟擊。但是這意味著例如針對電源同步、尤其針對在具有不同負(fù)荷的批處理系統(tǒng)中的運(yùn)行的更多花費(fèi)。因此一般棄用同步，如果這種棄用不會(huì)在過程中導(dǎo)致顯著缺點(diǎn)的話?？傊摻Y(jié)果表明，明顯更為簡單的是，在火花源的脈沖式運(yùn)行中，在通過平均電流定義的蒸鍍功率例如相同的情況下劇烈提高去除速率并由此進(jìn)入零層生長區(qū)域。此外由上述觀點(diǎn)還可以表明，在零層厚度生長的區(qū)域中通過設(shè)置雙極襯底偏置電源的占空比還提供了附加參數(shù)來用于從蝕刻區(qū)域進(jìn)入涂層區(qū)域，而且是在保持襯底電壓相同的情況下。在本發(fā)明的方法中，襯底偏置可以作為直流電壓運(yùn)行。雖然交流運(yùn)行一般微不足道地減小了襯底電流，但是由此可以有效地防止從襯底引出不期望的火花。尤其是小的占空比有助于防止這種不期望的火花形成。到目前為止已經(jīng)表明，對于基本靶以及合金靶來說，火花源在惰性氣體中的脈沖運(yùn)行與在氧氣中一樣會(huì)導(dǎo)致襯底離子電流升高。下面還應(yīng)當(dāng)在其它實(shí)驗(yàn)中檢查火花源在純氮反應(yīng)氣體中的運(yùn)行。屬于該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)總結(jié)在表3中。首先對于200A的火花電流來說將直流運(yùn)行與脈沖式運(yùn)行進(jìn)行比較。在該示例中使用的Ti/Al靶(不限制靶材料及其組成) 具有50at%/50at%的Ti/Al組成。氮流在火花蒸鍍中被調(diào)節(jié)為，使得在涂層室中出現(xiàn)3. 5Pa 的過程壓力。在此，對于DC運(yùn)行來說產(chǎn)生6. 5A的襯底電流。在脈沖運(yùn)行的情況下，對于 200A的相同平均火花電流來說可以達(dá)到17A的襯底電流。該嘗試是利用靶磁場(MAG Α)執(zhí)行的，該靶磁場強(qiáng)到足以將火花引導(dǎo)至預(yù)定的軌道上，以迫使產(chǎn)生所謂的“受控電弧”。專業(yè)人員公知的是這樣的運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致濺射物的劇烈減少，因?yàn)榛鸹ㄔ谀硞€(gè)地點(diǎn)頂留的時(shí)間較短，由此火花區(qū)域中的熔體可以保持得很少。從該示例中又表明，通過脈沖運(yùn)行可以提高襯底離子電流并且將該襯底離子電流用于在中等襯底偏置電壓時(shí)就已經(jīng)達(dá)到零層厚度生長。利用相同的靶，在火花電流更高時(shí)啟動(dòng)過程以檢查反應(yīng)氣體壓力對襯底離子電流的影響。為此使用弱的靶磁場(MAG B)，該弱的靶磁場不會(huì)將火花迫使到確定的靶軌道上 (隨機(jī)電弧)。對于在9Pa的氮壓力下的運(yùn)行來說，可以將襯底離子電流從8. 7A提高到12A。 在3. 5Pa的壓力下，將襯底電流從19A提高到25A。脈沖式火花電流對提高襯底離子電流的正面影響又是很明顯的。
如果現(xiàn)在再次借助表3 (圖10)中的結(jié)果來討論本方法的目的，則可以總結(jié)如下 即使在反應(yīng)氣體一氮中，火花源的脈沖運(yùn)行也會(huì)導(dǎo)致襯底離子電流的提高。襯底電流的提高對于受控火花(受控電弧)的情況來說表現(xiàn)得比隨機(jī)電弧的情況
要強(qiáng)得多。對于受控火花來說，通過脈沖既提高了蒸鍍速率又提高了襯底離子電流，但是襯底離子電流的提高相對更大。對于非受控火花(隨機(jī)電弧)來說，蒸鍍速率僅不明顯地改變，但是襯底離子電流明顯增長?？傊诖艘部梢哉f脈沖運(yùn)行有益于在襯底偏置較小時(shí)就已經(jīng)達(dá)到零層生長，因?yàn)橐r底離子電流可以被提高。參照表1中的結(jié)果，可以猜測電流上升的斜度在脈沖的情況下可能影響襯底電流。因此檢查該斜度并且這些檢查的結(jié)果在表2中再現(xiàn)出來?？偸腔谠陂g歇期間具有相同的火花電流(70A)，然后躍變至脈沖電流。為了該躍變，在電源上調(diào)節(jié)出不同的斜度。測得與不同的脈沖斜度相關(guān)的以及與脈沖電流相關(guān)的襯底峰值離子電流。如果將該表中的第一行和第二行進(jìn)行比較，看見在脈沖情況下更大的斜度導(dǎo)致襯底峰值離子電流從35A上升到40A。此外，從表2中可以讀出，電流上升的斜度從大約lOOOA/ms開始才會(huì)導(dǎo)致襯底離子電流的明顯提高。介于250A/ms與750A/ms之間的較小的上升時(shí)間幾乎還沒有影響?；谠摻Y(jié)果可以理解，電流上升時(shí)間的提高可能對襯底電流的提高有明顯的影響。但是這在工藝上是很難的，如果這應(yīng)當(dāng)利用如在圖1中所示出的那樣用作脈沖式電源的電源來實(shí)現(xiàn)的話。對于目前可從市場上獲得的電源，將電流上升時(shí)間提高到大約50000A/ ms——也就是在表2 (圖9)中說明的最大值的50倍——就已經(jīng)需要巨大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)花費(fèi)或根本就難以實(shí)現(xiàn)。此外，還有在這些電流上升時(shí)間的情況下電流引線的電纜阻抗起著重要的作用并且影響脈沖形狀，也就是會(huì)減小斜度。在圖4中現(xiàn)在說明一種過程方案(雙脈沖方法)，該過程方案適于對大電流也能實(shí)現(xiàn)非常大的脈沖頻率。在該方案中，在兩個(gè)火花源之間運(yùn)行雙極電壓源或電流源(13，不要與雙極襯底偏置電源混淆！)，這兩個(gè)火花源附加地分別通過常用的直流電源(12)饋電。這樣的布置的優(yōu)點(diǎn)在于，在兩個(gè)火花蒸鍍源的預(yù)先離子化的等離子體中運(yùn)行雙極電源。這能夠?qū)崿F(xiàn)該等離子體的具有在幾百千赫區(qū)域內(nèi)的頻率的非?？斓拿}沖，并且允許其大小基本上與源電源電流相應(yīng)的電流。電源13的雙極電流的大小只需要被調(diào)整為，使得通過火花源所產(chǎn)生的總電流不低于保持電流，也就是火花不熄滅，而是可以連續(xù)運(yùn)行。在圖5a的示例中又示出在DC運(yùn)行中流過火花源的火花電流。利用200A并且還是在純氧反應(yīng)氣體中以及還是利用由組成為70at%/30at%的Al/Cr制成的靶來工作。在圖 5b中示出在火花源與雙極脈沖疊加情況下的火花電流，并且識(shí)別出介于50A與350A之間的火花電流的具有25kHz的頻率的脈沖。這與200A的時(shí)間電流平均值相應(yīng)。還是將在直流火花運(yùn)行(圖6a)中的相應(yīng)襯底離子電流與雙極運(yùn)行(圖6b)的襯底離子電流進(jìn)行比較。在此電流上升速度是由頻率引起的，并且在該頻率的情況下位于106A/s的大小。但是通過將該頻率提高到IOOkHz或500kHz，還可以毫無問題地進(jìn)一步提高該電流上升速度。源的“雙脈沖”同樣導(dǎo)致襯底電流的明顯上升，如從圖6a和6b的比較中得出的。 平均襯底離子電流從火花源的直流運(yùn)行情況下的3. 8A提高到脈沖情況下的6A，也就是提高大約50%。從目前的描述中可以得知襯底離子電流提高可以單獨(dú)通過改變脈沖參數(shù)來進(jìn)行，也就是可以電氣地簡單調(diào)節(jié)出，并且不以例如偏置電壓或源電流或氣體壓力的改變?yōu)榍疤岵⒁虼丝勺杂蛇x擇的參數(shù)也是如此。這些過程方案可以利用相應(yīng)的電源簡單實(shí)現(xiàn)，并且在系統(tǒng)中不需要附加的源，而是可以使用常見的火花源。可以棄用工作氣體而僅在反應(yīng)氣體中工作。火花源的脈沖的兩種運(yùn)行類型現(xiàn)在都被用于襯底預(yù)處理。由于陰極材料的蒸鍍速率對于兩種運(yùn)行方式來說與直流蒸鍍速率并沒有顯著差異(至少在隨機(jī)電弧運(yùn)行中)，因此猜測尤其是多次充電的金屬離子，這些金屬離子利用火花電源的脈沖產(chǎn)生，并且由此提高襯底電流。該猜測還通過公開文獻(xiàn)Oks. E.M.等人，Rev. Sci. Instrum. 77 (2006) 03B504 加強(qiáng)。但是在火花電源脈沖式運(yùn)行的情況下還導(dǎo)致附加的簡單離子化，尤其是反應(yīng)氣體的罔子化ο在不導(dǎo)致蒸鍍速率顯著提高的情況下襯底離子電流的提高實(shí)現(xiàn)了更好的蝕刻效率。這意味著利用相同的偏置可以在襯底上更快速地蝕刻或者利用較小的偏置實(shí)現(xiàn)相同的蝕刻速率。在火花電源以120A的電流進(jìn)行直流運(yùn)行的情況下，如果利用800V的襯底偏置工作，則例如在具有2倍旋轉(zhuǎn)的襯底上實(shí)現(xiàn)14nm/min的蝕刻速率。在偏置為300V的情況下，在這些條件下大致處于涂層和蝕刻之間的平衡區(qū)域中。如果通過脈沖參數(shù)在相同的平均火花電流的情況下設(shè)置襯底離子電流50%的提高，則在襯底偏置為800V時(shí)蝕刻速率提高到23nm/min或者可以利用大約200V的襯底偏置工作，以便工作在涂層和蝕刻之間的平衡中。此外，可以改變襯底偏置電源上的占空比，使得例如工作在800V附近，但是僅具有50%的占空比，并且通過這種方式在較高的電壓附近、也就是在高的離子能量時(shí)也實(shí)現(xiàn)蝕刻和涂層之間的平衡，并且從而控制襯底表面上的取決于粒子能量的過程。由于對蝕刻速率的計(jì)算估計(jì)對于生產(chǎn)批處理來說是困難的，因此建議對于預(yù)定的蒸鍍功率來說確定涂層和蝕刻之間的平衡。PVD層附著的顯著改善針對3分鐘的襯底預(yù)處理就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。在此利用專業(yè)人員公知的Scracht測試來測量該附著(參見ISO 1071， ASTM G171)。但是，源的脈沖不僅提高了襯底電流，而且還作用于陰極斑點(diǎn)的移動(dòng)，并且利用該脈沖導(dǎo)致陰極斑點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)。在該脈沖期間的強(qiáng)的電流改變引起了大到足以影響火花行程 (Funkelauf)的電磁場。其積極的是，尤其減少了尤其是大的金屬濺射物的數(shù)量，這是因?yàn)榛鸹ㄔ谀硞€(gè)地點(diǎn)的停留時(shí)間更短而導(dǎo)致的。襯底離子電流的提高還在以下角度下是有利的，即可以利用更小的平均源電流工作。專業(yè)人員公知的是，源電流的減小也隨著濺射物的減少而出現(xiàn)。在W02006099760中描述了源電流的脈沖，以使得所引導(dǎo)的火花可用于氧化物涂層。為了防止火花僅在引導(dǎo)的軌道上運(yùn)動(dòng)以及該軌道之外的靶平面被完全氧化并由此導(dǎo)致火花運(yùn)行中的不穩(wěn)定性，火花被脈沖化。其結(jié)果是，避免靶在針對所引導(dǎo)的火花的平面外的完全氧化。如果現(xiàn)在通過同樣方式將引導(dǎo)的火花與脈沖組合，則可以通過實(shí)驗(yàn)觀察到以下結(jié)果
所引導(dǎo)的火花具有較小的靶材料蒸鍍速率，但是具有劇烈減小的濺射物頻度； 所引導(dǎo)的火花的脈沖雖然導(dǎo)致靶材料蒸鍍速率的提高，但是導(dǎo)致襯底離子電流的相對大得多的提高。通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)一些條件，它們用于對襯底進(jìn)行預(yù)處理是理想的，并且其中濺射物頻度被劇烈減小。如更上面已經(jīng)表明的，陰極火花蒸鍍突出地適用于反應(yīng)過程。與濺射方法不同，反應(yīng)氣體的調(diào)節(jié)非常簡單，并且可以在過多反應(yīng)氣體中工作，而不會(huì)導(dǎo)致靶中毒。此外，在反應(yīng)氣體過程中可以棄用諸如氬的工作氣體，并且在諸如氮或氧的純反應(yīng)氣體中工作。由此不會(huì)出現(xiàn)惰性氣體合成到襯底表面中的危險(xiǎn)。由此既避免了通過張力對襯底表面的減弱， 又預(yù)防了由于惰性氣體擴(kuò)散或合成到層中而導(dǎo)致的不穩(wěn)定性。通過反應(yīng)氣體中源的脈沖，除了金屬之外還對反應(yīng)氣體離子化，并且它們同樣可以用于“處理”襯底表面。在此應(yīng)當(dāng)意識(shí)到不是談?wù)撐g刻步驟，因?yàn)椤玳_頭已經(jīng)提到的——預(yù)處理的目標(biāo)既不是顯著的材料去除也不是顯著的層生長。該過程恰好被設(shè)置為， 使得保證蝕刻和涂層之間的類型平衡，并且導(dǎo)致將盡可能多的能量帶入襯底表面中的離子轟擊，以便讓金屬離子擴(kuò)散、植入或與表面上的“不穩(wěn)定”襯底成份反應(yīng)。對該過程的控制不是毫無問題的，尤其不在批處理系統(tǒng)中并且在生產(chǎn)條件下。負(fù)載的改變原則上導(dǎo)致新的涂層-蝕刻關(guān)系。此外，還要考慮襯底在尖銳邊緣上具有更大的電場，該電場導(dǎo)致蝕刻變強(qiáng)。也是由于該原因，有利的是由源產(chǎn)生的蒸汽包含盡可能多的離子含量，尤其是更高充電的離子含量，由此這些源可以在相對較小的襯底偏置對此就已足夠的邊界條件下容易地在零涂層的區(qū)域中運(yùn)行。在理論上，至少針對在火花源的脈沖式運(yùn)行中出現(xiàn)的多次充電的離子并未將金屬離子蝕刻檢查到足以能將濺射效果與擴(kuò)散過程、到最外面的襯底表面中的植入以及尤其是多次充電的離子在襯底表面上的反應(yīng)精確地相互權(quán)衡。但是純實(shí)驗(yàn)地，可以在該過程的結(jié)果中觀察到PVD層在金屬襯底上顯著改善的附著性。這尤其涉及HSS并尤其涉及硬金屬襯底。因此，在適配用于襯底預(yù)處理的過程參數(shù)時(shí)，總是在第一步驟中按照以下方式來進(jìn)行校準(zhǔn)即對于確定的靶材料，源電流、源電流的脈沖形狀、源磁場、襯底偏置、工作氣體壓力和/或反應(yīng)氣體壓力確定了過程窗口，使得在介于30s和IOmin (分鐘)之間的時(shí)間上根據(jù)設(shè)備的負(fù)載不會(huì)在襯底上測量到層生長或只能測量到小于20nm的層生長。為此不僅處理金屬的襯底，而且為了分析目的還在設(shè)備中處理硅晶片小片段。在硅晶片上，借助專業(yè)人員公知的RBS分析還可以特別簡單地測量出小的層厚度。在此，大多規(guī)定運(yùn)行具有盡可能陡峭的脈沖的盡可能小的源電流，以獲得高產(chǎn)出量的多次充電的離子。由此測量出在這樣的源運(yùn)行情況下以及針對不同的、典型地在40V 和1200V之間的偏置電壓被測量的層。根據(jù)這樣獲得的相關(guān)性選擇過程參數(shù)，使得大致調(diào)節(jié)出在襯底上的零生長(士 5nm)。在該類型的襯底預(yù)處理中，通過被引入襯底表面中的高能量來實(shí)現(xiàn)尤其是多次充電的離子與襯底成份的化學(xué)反應(yīng)或者觸發(fā)在襯底表面附近的擴(kuò)散過程的可能性看起來是重要的。更特別重要但非限制的，在此應(yīng)當(dāng)涉及利用由鉻制成的靶源的離子來形成碳化物。在利用氬氣的常規(guī)蝕刻過程中，目的是將材料從襯底表面去除，由此在實(shí)際的涂層開始之前除去襯底表面的松散的成份，例如拋光方法的殘留物。在開始實(shí)際的以及剛剛在此描述的襯底預(yù)處理之前，該常規(guī)方法在大多數(shù)情況下保留，因?yàn)楹芮宄氖?，這僅在襯底表面上最粗糙的殘留物由其它材料的剩余物清除的情況下才有意義。在這里感興趣的襯底預(yù)處理的步驟中，如果多次充電的鉻離子撞擊在襯底表面上，則當(dāng)然還導(dǎo)致濺射過程。但是通過多次充電的離子的能量的多次進(jìn)入，同時(shí)還導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)。但是如上面已經(jīng)提到的，在本發(fā)明中材料去除不是襯底預(yù)處理的目標(biāo)，而促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)才是目標(biāo)。如果現(xiàn)在鉻離子具有足夠高的能量，則例如可以在硬金屬襯底(轉(zhuǎn)位式刀片)中導(dǎo)致鉻碳化物的形成和/或?qū)е掠?Cr, Co和W形成的混合晶體，該硬金屬襯底主要由鎢碳化物和少量的基本鎢和碳組成，并且典型地還包含鈷作為粘合劑。鉻離子的含量越大，就越可能形成碳化物。多次充電的離子含量提供大的貢獻(xiàn)，因?yàn)檫@些離子恰恰引入多倍的能量并因此可以進(jìn)入到襯底中，并且還可以與位于稍微更深處的成份起反應(yīng)。借助X-TEM的相分析表明具有鉻的碳化物相的存在。該鉻碳化物相在襯底電流提高很小的情況下就已經(jīng)表現(xiàn)出來，而在鈦的情況下必須利用更高的襯底離子電流或利用更高的襯底偏置工作以檢測碳化物的形成。還要提到另一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該結(jié)果涉及通過離子將能量引入到襯底表面中而激勵(lì)的擴(kuò)散過程。借助RBS和SIMS確定，在襯底預(yù)處理之后發(fā)生鈷(粘合劑)向襯底表面的明顯擴(kuò)散。因此，層附著的改善和工具的更好性能的原因也在于，通過濕清洗步驟而被鈷貧化的硬金屬表面又“修復(fù)”，并且通過鈷向表面的擴(kuò)散又獲得足夠的強(qiáng)度。上面還已經(jīng)提到，火花源的運(yùn)行甚至可以單獨(dú)在反應(yīng)氣體中進(jìn)行。但是在反應(yīng)氣體中的運(yùn)行，尤其在較高壓力下，可能導(dǎo)致襯底電流降低。這歸因于多次充電的金屬(源)離子和反應(yīng)氣體原子之間的電荷交換反應(yīng)。在此，火花源的脈沖式運(yùn)行在兩重觀點(diǎn)中是有益的。一方面該脈沖式運(yùn)行提高了襯底電流，因?yàn)樵撁}沖式運(yùn)行產(chǎn)生了多次充電的金屬離子， 另一方面該脈沖式運(yùn)行還通過反應(yīng)氣體的更高的離子化提高了反應(yīng)氣體的化學(xué)反應(yīng)傾向。 由此不僅會(huì)導(dǎo)致與金屬氣體離子和襯底表面成份的化學(xué)反應(yīng)，還會(huì)導(dǎo)致例如氮與襯底表面成份的反應(yīng)以形成氮化物。利用氧作為反應(yīng)氣體的襯底預(yù)處理也表明此外在諸如氧化物陶瓷的非金屬襯底中層附著的顯著改善，尤其是在施加氧化物層時(shí)。該過程還可以通過施加RF襯底偏置來得到支持。最后還應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充一點(diǎn)，更高的反應(yīng)氣體壓力進(jìn)一步減少了濺射物，但是源的脈沖使得可以補(bǔ)償襯底電流損失。常見的濕化學(xué)預(yù)處理尤其是在諸如轉(zhuǎn)位式刀片的硬金屬襯底中或也在確定類型的HSS中可導(dǎo)致襯底表面在確定材料成份方面的貧化(例如導(dǎo)致在硬金屬中粘合劑的貧化，對于該粘合劑通常使用鈷)。這對于其中通常甚至提高至襯底表面中的鈷的濃度的轉(zhuǎn)位式刀片特別重要，以便給予該刀刃更高的強(qiáng)度來更好地承載稍后施加的硬材料層(TiC， TiCN，A1203)(參見US_04497874)。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，所描述的本發(fā)明的方法有益于可發(fā)起鈷向襯底表面的擴(kuò)散，并由此能夠很大程度上補(bǔ)償濕化學(xué)預(yù)處理的損害。目前被損傷的層必須通過在涂層室中更長的蝕刻步驟來除去，因此可保證層的附著性。正如本發(fā)明人還已經(jīng)確定的，修復(fù)過程尤其是在刀刃的情況下以及尤其是在轉(zhuǎn)位式刀片的情況下由于提高襯底的刀刃上的離子轟擊而非常高效。一種可能的解釋是，離子轟擊的提高通過在向具有小邊緣半徑的幾何結(jié)構(gòu)上施加偏置時(shí)的場過高而引起。在此以鈷擴(kuò)散為例來解釋，但是基本上也適于在襯底表面上的其它類型的熱受控的“修復(fù)過程”。其它有利的應(yīng)用涉及鎢的碳化物相。對此從CVD工藝公知，這樣的鎢的碳化物相 (所謂的eta相，參見US_04830886)是易碎的，并且是隨后施加的硬材料層具有差的附著性的原因。本發(fā)明人已經(jīng)確定，借助本發(fā)明的方法，通過在該方法中使用的高能量的金屬離子將不穩(wěn)定的碳化合物以及游離的碳轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的碳化物或混合晶體。通過尤其還是多次充電的離子的離子轟擊，引起在襯底表面上的高溫，但尤其是又在工具的刀刃上除了上述化學(xué)反應(yīng)之外還促進(jìn)所使用的靶材料以及襯底材料的擴(kuò)散過程。本發(fā)明人已經(jīng)確定，例如Ti擴(kuò)散到襯底表面的最外面的層中對于同樣包含Ti的硬材料層的附著是有利的，該硬材料層例如是TiN，TiCN或TiAIN。如果應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)到具有非常不同的物理和機(jī)械特性的硬材料層的良好附著的過渡，例如在硬金屬上直接離析鋁氧化物或鋁鉻氧化物或氮化硼或氮化硅的情況下，靶原子向襯底中的擴(kuò)散就特別有利。由此提供了一種用于向硬金屬涂覆這些層的非常好的和創(chuàng)造性的方法。此外，本發(fā)明人已經(jīng)確定，該擴(kuò)散方法也可以用在多層系統(tǒng)的過渡中。在此，非常有利的是，入射的離子的能量尤其是可以受限制地被保持在襯底表面的區(qū)域上，并且常見的預(yù)處理步驟通常只持續(xù)若干分鐘，這雖然在襯底表面上而且必要時(shí)又特別是在刀刃上、 但不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)襯底的過度的熱負(fù)荷。由于上面所述的擴(kuò)散過程通過在離子轟擊期間的局部溫度過高而引起，因此在該處理之后，即使在稍后的切割應(yīng)用中以及與此關(guān)聯(lián)的襯底溫度提高的情況下襯底_層過渡的區(qū)域也是熱穩(wěn)定的，并且相應(yīng)地減少了在工具使用期間不期望的擴(kuò)散過程?；谏厦嫠龅氖聦?shí)，本方法的其它優(yōu)點(diǎn)在于，可以使用以下材料的靶，這些材料然后也會(huì)被用于合成硬材料層，也就是說擴(kuò)散過程和化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)用稍后在層中會(huì)再現(xiàn)的材料進(jìn)行了。因此在該方法中還可以采用合金靶和不同的反應(yīng)氣體，以便有針對性地發(fā)起化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散過程。預(yù)處理步驟還可以用于在使用反應(yīng)氣體的情況下例如將襯底表面中的金屬成份轉(zhuǎn)化為化合物，這些化合物是高溫穩(wěn)定的并且有針對性地影響稍后要離析的層的成核特性。在此作為示例應(yīng)當(dāng)是對鋁或鉻形成剛玉相。
權(quán)利要求
1.一種用于在真空處理設(shè)備中對工件進(jìn)行表面處理的方法，該真空處理設(shè)備具有構(gòu)成為靶的第一電極，該第一電極是電弧蒸鍍源的部件，其中在該第一電極上用火花電流運(yùn)行火花，通過該火花電流從所述靶蒸鍍材料，該材料至少部分及暫時(shí)地沉積在所述工件上， 并且該真空處理設(shè)備具有構(gòu)成為工件固定裝置并且與工件一起形成偏置電極的第二電極， 其中借助電壓源將偏置電壓施加到該偏置電極上，其中該偏置電壓與火花電流相協(xié)調(diào)地被施加，使得在該表面上基本上純粹不發(fā)生材料合成，其特征在于，用脈沖式電流運(yùn)行該第一電極，其中通過該脈沖產(chǎn)生與非脈沖式運(yùn)行相比提高的經(jīng)過工件表面的襯底電流，并且由此在相對于第一電極的非脈沖式運(yùn)行來說更低的偏置電壓的情況下在該表面上純粹不發(fā)生材料合成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，無工作氣體地和/或無反應(yīng)氣體地執(zhí)行該方法。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述襯底偏置電壓脈沖式地運(yùn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述襯底偏置電壓的當(dāng)前脈沖頻率是所述火花電流的脈沖頻率的整數(shù)倍，也包含一倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，該偏置電壓的脈沖相對于所述火花電流的脈沖在相位上移位了一個(gè)時(shí)間間隔，該時(shí)間間隔基本上與離子從靶到襯底的平均飛行持續(xù)時(shí)間相應(yīng)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，作為襯底使用硬金屬，其中所述襯底表面是刀刃、如轉(zhuǎn)位式刀片，其中該方法被實(shí)施為對表面上的鈷貧化進(jìn)行修復(fù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述靶材料和/或必要時(shí)所述反應(yīng)氣體與所述襯底的材料成份發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并優(yōu)選由此形成穩(wěn)定的成份。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，作為靶使用金屬靶，所述襯底包含碳，并且所述化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致碳化物的形成。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述火花電流的脈沖被選擇為使得出現(xiàn)至少為lOOOA/ms的電流上升值，優(yōu)選出現(xiàn)至少為lOOOOA/ms的電流上升值。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，對于在時(shí)間平均值方面相同的火花電流(DC和脈沖式)來說，涉及在靶上被蒸鍍的材料(每單位時(shí)間每單位火花電流的質(zhì)量)的平均襯底離子電流提高超過10%，優(yōu)選超過30%。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在該襯底上實(shí)現(xiàn)零生長或小于 5nm/s的速率。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，既能夠在火花靶前面具有擋板情況下執(zhí)行所述表面處理，也能夠在火花靶前面沒有擋板情況下執(zhí)行所述表面處理。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，使用優(yōu)選大于500A/ms的脈沖斜度，該脈沖斜度優(yōu)選為lOOOA/ms。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，使用大于100Hz，優(yōu)選大于 IOOOHz的脈沖頻率。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在靶材料一方面與反應(yīng)氣體以及另一方面與襯底材料之間在所述襯底表面中形成化學(xué)化合物的結(jié)果能夠得 到檢測。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，該方法在反應(yīng)氣體中執(zhí)行，而不導(dǎo)致層合成。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法用于至少部分地修復(fù)與襯底內(nèi)部相比在表面上被貧化的材料濃度的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在真空處理設(shè)備中對工件進(jìn)行表面處理的方法，該真空處理設(shè)備具有構(gòu)成為靶的第一電極，該第一電極是電弧蒸鍍源的部件，其中在該第一電極上用火花電流運(yùn)行火花，通過該火花電流從所述靶蒸鍍材料，該材料至少部分及暫時(shí)地沉積在工件上，并且該真空處理設(shè)備具有構(gòu)成為工件固定裝置并且與工件一起形成偏置電極的第二電極，其中借助電壓源來施加偏置電壓到偏置電極上，其中使得偏置電壓與火花電流相協(xié)調(diào)地被施加，使得在表面上基本上純粹不發(fā)生材料合成。
文檔編號(hào)C23C14/32GK102216486SQ200980145840
公開日2011年10月12日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者維德里希 B., 魯?shù)霞獱?H., 拉姆 J., 馮布勞克 T. 申請人:歐瑞康貿(mào)易股份公司(特呂巴赫)