DE4223592C2 - Arc vaporization device - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Lichtbogen-Verdampfungsvorrich tung zum Verdampfen eines an einer Kathode anliegenden Tar gets mittels zumindest eines durch einen von einem Lichtbo genstrom einer Stromquelle erzeugten Kathodenflecks, welche zum Richten und Bewegen des Kathodenflecks auf der Target oberfläche mittels eines äußeren Magnetfeldes eine Magnet spule hat und bei der das Target in eine an die Anode ange schlossene Vakuumkammer ragt.The invention relates to an arc evaporation device device for vaporizing a target lying on a cathode gets by means of at least one from one of a Lichtbo counter current generated by a current source, which to align and move the cathode spot on the target surface by means of an external magnetic field coil and in which the target is attached to the anode closed vacuum chamber protrudes.
Solche Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtungen sind beispiels weise in der US-A-4,512,867 oder der DE-C-35 28 677 beschrie ben. Diese bekannten Vorrichtungen haben jeweils einen Gene rator für die Erzeugung des Lichtbogenstromes und einen Gene rator für die Bestromung der Magnetspule. Durch eine große Magnetfeldstärke in der Größenordnung von 10-2 Tesla wird er reicht, dass sich der Kathodenfleck durch den Hall-Effekt statt auf einer sich zufällig ergebenden, völlig unregelmäßi gen Bahn wie beim "random arc"-Verfahren auf einer genau de finierten Bahn bewegt, welche normalerweise durch zwei je weils von einem Halbkreis miteinander verbundenen Geraden de finiert ist. Die bei den beiden genannten Vorrichtungen sich ergebende Verfahrensweise wird daher auch als "steered arc"- Verfahren bezeichnet.Such arc evaporation devices are described, for example, in US-A-4,512,867 or DE-C-35 28 677 ben. These known devices each have a generator for generating the arc current and a generator for energizing the solenoid. With a large magnetic field strength of the order of 10 -2 Tesla, it is sufficient that the cathode spot is located on a precisely defined path due to the Hall effect instead of on a randomly occurring, completely irregular path as in the "random arc" method moves, which is normally defined by two straight lines connected by a semicircle. The procedure resulting from the two devices mentioned is therefore also referred to as the "steered arc" procedure.
Der große Vorteil des "steered arc"-Verfahrens gegenüber dem "random arc"-Verfahren liegt darin, dass in erster Linie durch eine größere Geschwindigkeit des Kathodenflecks weniger Targetmaterial statt als Dampf unerwünschterweise in Form von Tropfen (Droplets) in die Vakuumkammer gelangt. Solche Droplets bilden auf dem zu beschichtenden Substrat eine uner wünschte, unregelmäßige und rauhe Oberfläche. Erkauft wird bei "steered arc" der Vorteil der geringen Dropletzahl aller dings durch eine wesentlich geringere Targetausbeute, was da durch bedingt ist, dass der Kathodenfleck sich nur auf einer genau definierten Bahn über die Targetoberfläche bewegt und dass infolge des hohen magnetischen Feldes der Kathodenfleck eine im Querschnitt sehr spitzwinklige, v-förmige Rille in der Targetoberfläche erzeugt.The great advantage of the "steered arc" process over that "random arc" procedure is that in the first place due to a higher speed of the cathode spot less Target material rather than steam undesirably in the form of Drops (droplets) get into the vacuum chamber. Such Droplets form an imperfect on the substrate to be coated wished irregular and rough surface. Is bought with "steered arc" the advantage of the low droplet number of all dings by a much lower target yield, what there is due to the fact that the cathode spot is only on one precisely defined path moves over the target surface and that due to the high magnetic field the cathode spot a very acute-angled, V-shaped groove in cross section of the target surface.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Lichtbogen- Verdampfungsvorrichtung der eingangs genannten Art so zu ge stalten, dass sich bei möglichst geringer Dropletzahl eine hohe Targetausbeute erzielen lässt.The invention is based on the problem of an arc Evaporation device of the type mentioned above design that with the lowest possible droplet number can achieve high target yield.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch Mittel zum Einstellen des äußeren Magnetfeldes (Bs) auf den jeweiligen Wert des Eigenmagnetfeldes des Lichtbogenstroms (Bi) und da durch, dass die Feldstärke des äußeren Magnetfeldes einen Wert von 10-3 T nicht übersteigt.This problem is solved according to the invention by means of adjusting the external magnetic field (B s ) to the respective value of the intrinsic magnetic field of the arc current (B i ) and by the fact that the field strength of the external magnetic field does not exceed a value of 10 -3 T.
Durch dieses im Vergleich zum "steered arc"-Verfahren we sentlich geringere Magnetfeld wird der Kathodenfleck weniger fest auf einer genau definierten Bahn geführt. Versuche haben gezeigt, dass er während seiner Umlaufbewegung eine ständige radiale Schwingbewegung ausführt. Er läuft somit auf einer Wobblekurve um. Dadurch wird eine wesentlich größere Ober fläche des Targets vom Kathodenfleck erreicht, so dass des halb die Targetausbeute höher wird als beim "steered arc"- Prozess. Da die Feldstärke des äußeren Feldes geringer als beim Stand der Technik ist, entsteht durch den Kathodenfleck in der Targetoberfläche statt eine v-förmige Rille eine im Querschnitt trogförmige Rille, was ebenfalls die Targetaus beute erhöht. Through this compared to the "steered arc" process we The cathode spot is considerably less magnetic field firmly guided on a precisely defined path. Have attempts shown that he was a constant during his orbital movement radial swinging movement. He runs on one Wobble curve around. This will make a much larger waiter area of the target reached by the cathode spot, so that the half the target yield becomes higher than with the "steered arc" - Process. Since the field strength of the outer field is less than is in the state of the art, arises from the cathode spot in the target surface instead of a v-shaped groove an im Cross-section trough-shaped groove, which is also the target booty increased.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sehr einfach zu regeln, da nur darauf geachtet werden muss, dass das Eigenmagnetfeld des Lichtbogens gleich dem des äußeren Magnetfeldes ist. Bei einer Erhöhung des Eigenmagnetfeldes durch Erhöhung des Stro mes muss lediglich durch einfache Mittel dafür gesorgt wer den, dass sich das äußere Magnetfeld entsprechend erhöht.The device according to the invention is very easy to regulate, since only care must be taken that the self-magnetic field of the arc is equal to that of the external magnetic field. At an increase in the intrinsic magnetic field by increasing the current mes only has to be taken care of by simple means that the external magnetic field increases accordingly.
Ganz besonders einfach ist die Lichtbogen-Verdampfungsvor richtung gestaltet, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfin dung die Kathode der Stromquelle über die Magnetspule mit dem Target verbunden ist. Bei einer solchen Vorrichtung kommt man ohne Stellelemente und Regeleinrichtungen für die Magnetspule aus, da ein sich verändernder Lichtbogenstrom zwangsläufig im gleichen Maße wie das Eigenmagnetfeld des Lichtbogens das äu ßere Magnetfeld verändert. Somit tritt ein Selbstregeleffekt auf. Eine solche Ausführungsform ist auch deshalb sehr kos tengünstig, weil kein zusätzlicher Generator mit Regelung für die Magnetspule erforderlich wird. Weiterhin wird die Leis tung des Verdampfers aufgrund der Induktivität der Magnet spule stabilisiert. Auch erhöht sich die Plasmabildung be trächtlich, wodurch sich die Prozessbedingungen für das Ätzen und anschließende Beschichten verbessern.The arc evaporation pre is particularly simple direction if, according to further training, the Erfin the cathode of the power source via the magnetic coil with the Target is connected. With such a device you come without control elements and control devices for the solenoid off, since a changing arc current inevitably in the same dimensions as the intrinsic magnetic field of the arc outer magnetic field changed. A self-regulating effect thus occurs on. Such an embodiment is therefore also very cheap inexpensive, because no additional generator with regulation for the solenoid becomes necessary. Furthermore, the Leis device of the evaporator due to the inductance of the magnet coil stabilized. Plasma formation also increases pregnant, which changes the process conditions for the etching and subsequent coating improve.
Eine noch größere Targetausbeute lässt sich dadurch erzielen, dass die Magnetspule quer zur Ebene des Targets motorisch verschiebbar ausgebildet ist.An even greater target yield can be achieved that the solenoid is motorized across the plane of the target is designed to be displaceable.
Eine Zerstörung von Isolatoren durch die die Targetstirnseite verlassenden Kathodenflecke kann auf einfache Weise verhindert werden, indem im Randbereich der Kathodenoberflä che eine umlaufende Nut vorgesehen ist, in welche eine Ab schirmung aus einem elektrisch leitenden Material ohne Berüh rung der Kathodenoberfläche greift und die über ein RC-Glied mit der Anode verbunden ist. Eine solche Abschirmung vermag die Ladung der sie erreichenden Lichtbögen rasch aufzunehmen und führt somit zu einem Löschen der Lichtbögen. Destruction of isolators by the target face Leaving cathode spots can be done easily can be prevented by in the edge area of the cathode surface che a circumferential groove is provided, in which an Ab shielding made of an electrically conductive material without contact tion of the cathode surface and that via an RC element is connected to the anode. Such a shield can quickly absorb the charge of the arcs reaching them and thus leads to an extinguishing of the arcs.
Das Zünden des Kathodenflecks kann mit einfachen Mitteln da durch erreicht werden, dass ein über einen ohmschen Wider stand mit der Anode verbundener Zündfinger vorgesehen ist. Durch den ohmschen Widerstand erreicht man, dass nicht der volle Lichtbogenstrom durch den Zündfinger fließt, wenn die ser das Target berührt, was zu einem Anbacken führen würde.The cathode spot can be ignited with simple means be achieved by having an ohmic counter stood with the anode connected ignition finger is provided. The ohmic resistance means that not the full arc current flows through the ignition finger when the it touches the target, which would lead to caking.
Wenn zur gleichzeitigen Beschichtung einer größeren Anzahl von Substraten hohe Verdampfungsleistungen erforderlich sind, dann kann man gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung das Target als einen Rohrkörper mit einer darin motorisch verdrehbaren Magnetspule ausbilden und die zu beschichtenden Substrate ringförmig um den Rohrkörper herum anordnen.If for the simultaneous coating of a larger number high evaporation rates are required from substrates, then you can according to another development of the invention the target as a tubular body with a motor in it Form rotatable magnetic coil and the ones to be coated Arrange substrates in a ring around the tube body.
Eine optimale Ausnutzung des Targetmaterials erreicht man, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung das Tar get ein motorisch verdrehbarer, eine ortsfeste Magnetspule umgebender Rohrkörper ist.Optimal use of the target material is achieved if according to another embodiment of the invention the tar get a motor-rotatable, a fixed magnetic coil surrounding tube body is.
Auch bei einem solchen rohrförmigen Target kann man eine wir kungsvolle und einfache Abschirmung dadurch vorsehen, dass in der äußeren Mantelfläche des das Target bildenden Rohrkörpers jeweils eine umlaufende Nut vorgesehen ist, in welche von den Stirnseiten des Rohrkörpers her die Abschirmung greift.Even with such a tubular target, we can provide for stylish and simple shielding in that the outer surface of the tubular body forming the target a circumferential groove is provided in each of which The shielding grips the ends of the tubular body.
Üblicherweise wird man als Stromquelle eine Gleichstromquelle vorsehen. Wenn die Temperatur der Substrate niedrig gehalten werden muss, dann ist eine andere Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft, gemäß der die Stromquelle eine unipolare, gepulste Stromquelle ist.Usually one becomes a direct current source as current source provide. When the temperature of the substrates is kept low must be another development of the invention advantageous, according to which the current source is a unipolar, pulsed power source is.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zu ihrer weiteren Verdeutlichung sind vier davon in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in The invention permits numerous embodiments. To their four of them are shown in the drawing are shown schematically and are described below. This shows in
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Lichtbogen- Verdampfungsvorrichtung nach der Erfindung, Fig. 1 shows a cross section through an arc evaporation apparatus according to the invention,
Fig. 2 einen gegenüber Fig. 1 geänderten Bereich der Vorrichtung, FIG. 2 shows an area of the device that has been changed compared to FIG. 1, FIG.
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Target gemäß den Fig. 1 und 2, Fig. 3 is a plan view of the target shown in FIGS. 1 and 2,
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine weitere Ausfüh rungsform einer Lichtbogen-Verdampfungsvor richtung nach der Erfindung, Fig. 4 shows a cross section through a further exporting approximate shape of an arc Verdampfungsvor device according to the invention,
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine vierte Ausfüh rungsform der Erfindung. Fig. 5 shows a cross section through a fourth embodiment of the invention.
Die Fig. 1 zeigt eine Vakuumkammer 1, deren Gehäuse 2 an der Anode einer als Gleichstromgenerator ausgebildeten Strom quelle 3 angeschlossen ist. Möglich ist es jedoch auch, einen unipolaren, gepulsten Strom zu benutzen. In das Gehäuse 2 hinein ragt von einer Seite ein Target 4, welches aus dem in der Vorrichtung zu verdampfenden Material, also beispiels weise Titan, besteht und auf einer wassergekühlten Platte 5 aufliegt. Fig. 1 shows a vacuum chamber 1 , the housing 2 is connected to the anode of a current source 3 formed as a DC generator. However, it is also possible to use a unipolar, pulsed current. In the housing 2 protrudes from one side a target 4 , which consists of the material to be evaporated in the device, for example titanium, and rests on a water-cooled plate 5 .
An der Außenseite der Platte 5 ist eine Magnetspule 6 ange ordnet, welche mit einem Ende an der Kathode der Stromquelle 3 angeschlossen ist und mit ihrem anderen Ende mit der Platte 5 und damit auch dem Target 4 Verbindung hat.On the outside of the plate 5 is a magnetic coil 6 is arranged, which is connected at one end to the cathode of the power source 3 and has at its other end with the plate 5 and thus the target 4 connection.
Schematisch dargestellt ist innerhalb der Vakuumkammer 1 ein Zündfinger 7, der über einen ohmschen Widerstand 8 mit der Anode der Stromquelle 3 verbunden ist. Weiterhin ist eine Ab schirmung 9 aus einem elektrisch leitenden Material darge stellt, die in eine nahe der Peripherie des Targets 4 umlau fende Nut 10 greift, ohne das Target 4 zu berühren, und über ein RC-Glied 11 mit dem Gehäuse 2 und damit dem Pluspol ver bunden ist.An ignition finger 7 , which is connected to the anode of the current source 3 via an ohmic resistor 8 , is shown schematically within the vacuum chamber 1 . Furthermore, from a shield 9 is made of an electrically conductive material, which engages in a near the periphery of the target 4 umlau fende groove 10 without touching the target 4 , and via an RC element 11 with the housing 2 and thus Positive pole is connected.
In der Vakuumkammer 1 zu beschichtende Substrate 12 sind auf einem in der Vakuumkammer 1 gegenüber dem Target 4 angeordne ten Drehteller 13 gehalten.In the vacuum chamber 1 to be coated substrates 12 are held on a in the vacuum chamber 1 opposite the target 4 th rotating plate 13 .
Während des Beschichtungsvorganges fließt der Lichtbogenstrom zunächst durch die Magnetspule 6 und erzeugt dadurch ein äußeres Magnetfeld. Dieses soll einen Wert von 10-3 T nicht übersteigen. Dadurch wird der Kathodenfleck nur relativ schwach geführt. Er bewegt sich auf einer in Fig. 3 ge zeigten, umlaufenden Bahn 14 über die Oberfläche des Targets 4. Während seiner Umlaufbewegung führt der Kathodenfleck zu gleich eine Schwing- oder Wobblebewegung in radialer Richtung aus, so dass er einen großen Bereich des Targets 4 erreicht.During the coating process, the arc current initially flows through the magnetic coil 6 and thereby generates an external magnetic field. This should not exceed a value of 10 -3 T. As a result, the cathode spot is guided only relatively weakly. It moves on a ge in Fig. 3, revolving path 14 over the surface of the target 4th During its orbital movement, the cathode spot simultaneously carries out an oscillating or wobble movement in the radial direction, so that it reaches a large area of the target 4 .
Wenn man die Targetausbeute noch steigern will, dann kann man, was in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, die Magnet spule 6 relativ zum Target 4 in Richtung eines Pfeiles 15 hin und her verschieben. Um das zu ermöglichen, muss die Magnet spule 6 über einen flexiblen Anschluss 16 mit der Platte 5 verbunden sein. Eine von der Stromquelle 3 zu ihr führende Leitung 17 hat meist ohnehin eine ausreichende Flexibilität, um diese Bewegung zu ermöglichen.If you want to increase the target yield, then you can, what is shown schematically in Fig. 2, the magnetic coil 6 relative to the target 4 in the direction of an arrow 15 to and fro. To make this possible, the magnetic coil 6 must be connected to the plate 5 via a flexible connection 16 . A line 17 leading from the current source 3 to it usually has sufficient flexibility to enable this movement anyway.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist das Target 4 als Rohrkörper 18 ausgebildet. Die Magnetspule 6 ist drehbar im Inneren dieses Rohrkörpers 18 angeordnet. Die Rückseite der Magnetspule 6 wird von einer Abschirmung 25 aus Weicheisen abgedeckt. Zur Stromzuführung ist wiederum die Kathode der Stromquelle 3 mit der Magnetspule 6 verbunden, wobei diese Verbindung über eine drehbare Welle 19 erfolgt, welche die Magnetspule 6 trägt. Von der Magnetspule 6 fließt der Strom über einen Schleifkontakt 20 zum das Target 4 bildenden Rohr körper 18. Zur Kühlung des Rohrkörpers 18 hat der Rohrkörper 18 eine Wasserzuführung 21 und eine Wasserabführung 22. Zum Zünden des Lichtbogens dient genau wie bei der zuvor be schriebenen Ausführungsform ein Zündfinger 7.In the embodiment according to FIG. 4, the target 4 is designed as a tubular body 18 . The magnet coil 6 is rotatably arranged in the interior of this tubular body 18 . The back of the magnetic coil 6 is covered by a shield 25 made of soft iron. For the supply of current, the cathode of the current source 3 is in turn connected to the magnet coil 6 , this connection taking place via a rotatable shaft 19 which carries the magnet coil 6 . By the magnetic coil 6, the current flows via a sliding contact 20 to the target 4-forming tube body 18th To cool the tubular body 18 , the tubular body 18 has a water supply 21 and a water drain 22 . An ignition finger 7 is used to ignite the arc, just as in the previously described embodiment.
Zur Begrenzung der Kathodenflecke auf die Mantelfläche des Rohrkörpers 18 ist nahe seiner beiden Stirnseiten in ihm je weils eine umlaufende Nut 10, 10a vorgesehen, in welche ver gleichbar mit der Ausführungsform nach Fig. 1 die Abschir mung 9, 9a greift, die wiederum aus elektrisch leitendem Ma terial besteht und über ein RC-Glied mit der Anode der Strom quelle 3 verbunden ist.To limit the cathode spots on the lateral surface of the tubular body 18 , a circumferential groove 10 , 10 a is provided in each case near its two end faces, in which the shielding 9 , 9 a engages, comparable to the embodiment according to FIG. 1, which in turn engages consists of electrically conductive Ma material and is connected via an RC element to the anode of the current source 3 .
Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist das Target 4 als Rohrkörper 18 ausgebildet. Dieser ist jedoch im Gegensatz zu Fig. 4 drehbar im Gehäuse 2 der Vakuumkammer 1 ange ordnet. Die Magnetspule 6 ist ortsfest innerhalb des Rohrkör pers 18 vorgesehen, so dass sich im Betrieb der Rohrkörper 18 um die Magnetspule 6 herum drehen kann. Schematisch angedeu tet ist in Fig. 5, wie die Stromzuführung von der Strom quelle 3 durch eine den Rohrkörper 18 tragende und ihn an treibende Welle 23 hindurch zur Magnetspule 6 und von dort über einen Schleifer 24 zum Rohrkörper 18 erfolgt. Die Anode ist wiederum am Gehäuse 2 angeschlossen. Die Substrate 12 sind bei dieser Ausführungsform natürlich nur an einer Seite der Magnetspule 6 angeordnet oder fahren an einer Seite vor bei. In the embodiment according to FIG. 5, the target 4 is designed as a tubular body 18 . However, in contrast to FIG. 4, this is rotatable in the housing 2 of the vacuum chamber 1 . The magnet coil 6 is provided in a stationary manner within the Rohrkör pers 18 so that the tubular body 18 can rotate around the magnet coil 6 during operation. Is schematically indicated in Fig. 5, how the power supply from the power source 3 through a supporting the tubular body 18 and driving it to the shaft 23 through to the solenoid 6 and from there via a grinder 24 to the tubular body 18 . The anode is in turn connected to the housing 2 . In this embodiment, the substrates 12 are of course only arranged on one side of the magnetic coil 6 or move forward on one side.
11
Vakuumkammer
Vacuum chamber
22nd
Gehäuse
casing
33rd
Stromquelle
Power source
44th
Target
Target
55
Platte
plate
66
Magnetspule
Solenoid
77
Zündfinger
Ignition finger
88th
Widerstand
resistance
99
Abschirmung
shielding
1010th
Nut
Groove
1111
RC-Glied
RC link
1212th
Substrat
Substrate
1313
Drehteller
Turntable
1414
Bahn
train
1515
Pfeil
arrow
1616
Anschluß
Connection
1717th
Leitung
management
1818th
Rohrkörper
Tubular body
1919th
Welle
wave
2020th
Schleifkontakt
Sliding contact
2121
Wasserzuführung
Water supply
2222
Wasserabführung
Water drainage
2323
Welle
wave
2424th
Schleifer
grinder
2525th
Abschirmung
shielding
Claims (9)
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