DD201359A1

DD201359A1 - Einrichtung zur vakuumbedampfung

Info

Publication number: DD201359A1
Application number: DD23135881A
Authority: DD
Inventors: Eckhard Goernitz; Achim Lunk; Frank Schrade; Ruediger Wilberg
Original assignee: Eckhard Goernitz; Achim Lunk; Frank Schrade; Ruediger Wilberg
Priority date: 1981-07-01
Filing date: 1981-07-01
Publication date: 1983-07-13
Also published as: DE3222327A1; JPS589981A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Vakuumbedampfung, wie sie insbesondere in der plasmaaktivierten Beschichtungstechnik angewendet wird. Die bisher bekannt gewordenen Einrichtungen wiesen neben einer relativ geringen Energieausnutzung auch den Nachteil einer geringen Lebensdauer der Hohlkatode auf. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, neben der wesentlichen Verbesserung der beiden o. a. Parameter den elektrischen Versorgungsaufwand zu senken sowie eine kontinuierliche Regelung des Schmelzfleckdurchmessers bei Erzielung sauberer Schichten zu ermoeglichen. Geloest wurde die Aufgabe, indem der Abstand Katode-Anode optimiert und ueber der Katode eine Kammer mit einer zur Anode weisenden Oeffnung angeordnet wurde. Eine gegenueber der Tiegelanode isoliert angeordnete Longitudinalmagnetfeldspule ermoeglicht durch ihre besondere Form die Erzeugung eines Magnetfeldes hoher Konzentration sowie die kontinuierliche Regelung des Schmelzfleckdurchmessers.

Description

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Einrichtung zur Vakuumbedampfung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Vakuumbedämpfung-,, wie sie insbesondere in der plasmaaktivierten Be-Schichtungstechnik angewendet wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der plasmaaktivierten Beschichtungsteclinik sind Einrichtungen bekannt, die das Plasma einer Hohlkatodenbogenentladung zur Verdampfung und zur Ionisierung von LIaterialien ausnutzen«. Dabei befindet sich die Katode über dem als Anode geschalteten Tiegel oder in einem bestimmten Winkel zur Tiegelnormalen»

Im letzteren Fall wird der aus der Katode austretende Plasmastrahl durch ein zum Strahl transversales Magnet-IS feld umgelenkt. Die auf die Anode abgegebene Leistung (P^ beträgt bei den aus der Literatur bekannten Einrichtungen max. 50 % der Gesamtleistung.

Der Grundgedanke der aus der Literatur bekannten Einrichtungen besteht darin, daß durch ein geeignet dimensionier tes, einseitig gekühltes Röhrchen aus hochschmelzendem Material Gas in einen evakuierten Rezipienten strömt. Durch Anlegen einer ausreichend hohen Spannung zwischen dem als Katode geschalteten Röhrchen und der Anode zündet

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zwischen diesen beiden Elektroden eine Glimmentladung. Wird der Strom genügend hoch'gewählt, heizt sich das nichtgekühlte Ende der Katode soweit auf, daß thermische Elektronenemission auftritt und die Glimmentladung in die sogenannte Hohlkatodenbogenentladung übergeht. Im rlasma der Hohlkatodenbogenentladung wird ein Teil der aus Entladungsstrom (Ig) und Entladungsspannung (U-^) zu bildenden Gesamtenergie P_ = Ug · L· an die Anode abgegeben ^;unc zur Verdampfung des im Anodentiegel befindlichen Materia] ausgenutzt.

Außer der o. a. relativ geringen Energieausnutzung besitzen die bisher bekannt gewordenen Einrichtungen den Nachteil, daß, besonders bei über der Anode angeordneter Katode, eine Beeinflussung bzw. Verunreinigung der Katode durch aus dem Tiegel verdampftes Material bzw. durch Einwirkung reaktiver Gase nicht verhindert werden kann. Aucl sind bisher keine Einrichtungen bekannt geworden, die eir kontinuierliche Regelung des Schmelzfleckdurchmessers im Tiegel ermöglichten.

Die Inbetriebnahme der bekannten Einrichtungen erfolgt nach der Evakuierung des Rezipienten im wesentlichen in vier Schritten:

1. Einstellung einer erhöhten Gasdurchsatzrate,

2. Anlegen einer Hochspannung (1 bis 2 kV) zwischen Katode und Anode zur Zündung einer stromstarken Glimmentladung (5 bis 10 A) über ein zusätzliches Netzgerät, das die benötigten hohen Zündspannungen liefert,

3. Hinzuschalten des Bogenversorgungsgerätes (U = 70 V, I= 100 bis 200 A),

4. Reduzierung der Gasdurchsatzrate auf den Sollwert nacl· erfolgter Zündung des Hohlkatodenbogens.

Diese dem Stand der Technik anhaftenden Hachteile und dei Umstand, daß spezielle Abschirmungen und Isolationen notwendig sind, um einen Übergang der Glimmentladung in den thermischen Bogen zu verhindern, zeichnen wohl in erster

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Linie dafür verantwortlich, daß sich Einrichtungen, die den Plasmastrahl einer Hohlkatodenbogenentladung zur Verdampfung von Materialien und zur Beschichtung ausnutzen, industriell noch nicht durchgesetzt haben.

.5 Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, eine Verdampferquelle zu entwickeln, die universell in der plasmaaktivierten Bedampfung eingesetzt werden kann und die die bekannten Nachteile vermeidet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach zu bedienende Einrichtung zu schaffen, die durch eine Optimierung der Anordnung Anode/Katode und der Plasmastrahlführung die kontinuierliche Regelung des Schmelzfleckdurchmessers ermöglicht, wobei die Energieausnutzung auf mindestens 80 % zu verbessern ist. Durch Verhinderung der Bedampfung der Katode und des Angriffs der Katode durch reaktive Gase ist deren Standzeit um mindestens die Hälfte zu erhöhen. Der apparative Aufwand der elektrischen Versorgungseinrichtungen ist zu senken.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine an sich bekannte Hohlkatode derart in einem seitlichen Abstand von einem wassergekühlten Verdampfertiegel angeordnet ist, daß der beim Betrieb der Hohlkatode auftretende und durch ein transversales Magnetfeld auf den Tiegel zu lenkende Plasmastrahl eine Länge zwischen 7 und 20 cm aufweist; der Raum über der Hohlkatode durch eine Abdeckkammer, die für den Durchtritt des Plasmastrahls eine Öffnung mit einem Durchmesser von 8 - 20 cm besitzt, begrenzt wird;, der als Anode geschaltete Verdampfertiegel unter Zwischenschaltung eines Isolierblockes auf der Verdampfer-

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grundplatte befestigt ist und von einer, die Form einer eisengekapselten Linse aufweisenden Spule umschlossen wird, die ein longitudinales Magnetfeld zur kontinuierlichen Regelung des Schmelzfleckdurchmessers erzeugt.

Die Longitudinalmagnetfeidspule, die gegenüber dem Tiegel elektrisch isoliert ist, weist an ihrem Innendurchmesser in Höhe des Schmelzbadniveaus im Eisenmantel einen umlaufenden Spalt auf, wodurch ein Magnetfeld hoher Konzentration erzeugt wird.

Hin Gehäuse-umgibt das System Tiegel-Spule bis auf die Öffnung über dem Tiegel vollständig und ist durch leicht lösbare Verbindungselemente an der Grundplatte befestigt. Gegenüber der Katode ist die Transversalmagnetfeldspule angeordnet, die durch eine Abdeckplatte vor den Einwirkungen des Plasmas geschützt wird. Beiderseits der Transversalmagnetfeldspule sind am Gehäuse weichmagnetische Platten „ zur Ablenkung des Plasmastrahles angeordnet.

Die Inbetriebnahme der Anordnung ist dabei durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

1. Einstellung des Sollwertes der Gasdurchsatzrate,

2. Aufheizung der Katode,

3. Einschaltung der Bogenversorgungsspannung.

Nach dem Einstellen von Gasdruck bzw. Gasdurchsatzrate wird die Hohlkatode auf die erforderliche Katodentemperatür aufgeheizt. Hat die Katode die Temperatur erreicht, bei der sie Elektronen emittiert, so können die Elektronen durch die angelegte Spannung das Entladungsgas ionisieren. Der Vorgang der Ionisierung kann an einem Amperemeter, welches im Stromkreis zur Hilfsanode angeordnet ist, beobachtet werden. Als Hilfsanode dient hierbei der Rezipient, an den die Anodenspannung über einen Widerstand von 5 Ohm gelegt wird.

Bei ca. 10 A Entladungsstrom brennt die Entladung stabil.

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Durch den Spannungsabfall am Begren'zungsv/iderstand ändern sich die Potentialverhältnisse am Verdampfer, so daß ein Teil des Entladungsstromes von der Tiegelanode übernommen wird. Dabei ist am Amperemeter ein Rückgang des Stromes zu beobachten· Dieser Rückgang zeigt den stabilen Betrieb des Verdampfers an· Danach wird die Hilfsanode von der Tiegelanode getrennt und die gewünschte Verdampferleistung eingestellt.

Ausführungsbeispiel

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Einrichtung. Sie besteht dabei im wesentlichen aus vier Hauptgruppen: der Katodenanordnung 1, der Tiegelanode 2, der Transversalmagnetfeidspule 3 mit den Ablenkplatten 4 und der Lonjgitudinalmagnetfeidspule 5» Der seitliche Abstand der Katodenanordnung 1 von der Tiegelanode 2 ist dabei so gewählt, daß der Plasmastrahl eine Länge von· 10 cm aufweist.

Die Tiegelanode 2 mit dem Stromanschluß 6 ist durch Zwischenschaltung des Isolierblocks 7 auf der Verdampfergrundplatte 8 befestigt, die durch die Katodenanordnung 1 am : Rezipienten 9 gehaltert wird. Über der Katodenanordnung 1. befindet sich die Abdeckkammer 10 mit der Öffnung 11, die vorzugsweise einen Durchmesser von 15 mm besitzt. Das Gehäuse 12 schließt die Einrichtung allseitig ab und schützt, wie die Abdeckplatte 13 die Transversalmagnetfeldspule 3,.die Einrichtung vor der Einwirkung des Plasmas. Vorzugsweise sind die Verbindungen der Hauptgruppen zueinander leicht lösbar als Steck- bzw· Schraubverbindüngen ausgeführt, so daß eine schnelle und einfache Mon- und Demontage möglich ist.

Der Spalt 14 im Innendurchmesser des Mantels der Longitudinalmagnetfeidspule 5 ist vorzugsweise so anzuordnen, daß sich das Absinken des Schmelzbadniveaus im Tiegel während

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einer Charge nicht auf die kontinuierliche Regelung des Schmelzfleckdurchmessers auswirkt. Jedoch sollte der Spalt in Abhängigkeit vom Tiegeldurchmesser nicht breiter sein als 4 bis 10 mm· Aber auch eine kontinuierliche Tiegelnachfütterung über an sich bekannte Nachfütterungsbzw· Dosiereinrichtungen ist möglich.

Die erfindungsgemäße Einrichtung weist gegenüber dem bisher bekannten Stand der Technik einige wesentliche technische und ökonomische Vorteile auf, so daß ihre Anwendung insbesondere in der plasmaaktivierten Beschichtung erfolgversprechend ist.

Durch die räumlich enge Anordnung von Katode zu Anode und der Begrenzung der Plasmastrahllänge auf vorzugsweise 10 cm wird die Energieausnutzung auf ca. 80 % erhöht. Die Anordnung der Abdeckkammer über der Katode läßt in dieser Kammer einen Überdruck entstehen, der in Zusammenwirkung mit der 15 mm großen Öffnung das Eindringen von Gasen aus dem Rezipienten weitgehend verhindert. Damit wird die Katode bei reaktiver Verfahrensführung nicht angegriffen, da eine Oxydation, Karburierung oder Nitrierung entsprechend dem eingelassenen reaktiven Gas vermieden und ihre Standzeit wesentlich erhöht wird.

Dadurch, daß die Austrittsöffnung des Plasmastrahls aus der Katode unter dem Tiegelniveau liegt, wird eine Verunreinigung der Katode vermieden, gleichzeitig aber auch die Verunreinigung des Tiegelmaterials durch abgedampfte Katodenteilchen.

Das Auftreten von Abschattungen auf den Substraten ist nicht möglich, da der Raum über dem Tiegel frei für das zu verdampfende Material ist.

Nicht zuletzt trägt die besondere Form der eisengekapselten Longitudinalmagnetfeldspule und das dadurch erzeugte und in seiner Stärke regulierbare Magnetfeld hoher Konzentration dazu bei, den Plasmastrahl zu führen und zu bündeln und die Verdampfungsrate zu steuern.

Claims

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Erfindungsanspruch

1. Einrichtung zur Vakuumbedampfung unter Verwendung einer Hohlkatode, einem wassergekühlten Kupfertiegel und einem senkrecht zum Plasmastrahl gerichteten Magnet- ^ feld, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkatode so in einem seitlichen Abstand vom Kupfertiegel angeordnet ist, daß der beim Betrieb der Hohlkatode auftretende und auf den Tiegel gelenkte Plasmastrahl eine länge zwischen 7 und 20 cm aufweist; der Raum über der Hohlkatode durch eine Abdeckkammer (10) begrenzt wird, die für den Durchtritt des Plasmastrahls eine öffnung (11) mit einem Durchmesser von 8 - 20 mm besitzt und der '' Kupfertiegel (2) von einer, die Form einer eisendekapsel ten Linse aufweisenden Longitudinalmagnetfeldspule (5) umschlossen ist.
2. Einrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Longitudinalmagnetfeldspule (5) am Innendurchmesser des Mantels einen Spalt (14) zur Strahlfokussieruiiß besitzt, der mindestens 1 mm und maximal 10 mm breit ist.
3. Einrichtung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Inbetriebnahme der Rezipient (9) über einen, Widerstand von 5 0hm mit der Anodenspannung verbunden ist und sich in diesem abschaltbaren Stromkreis ein Anzeigegerät zur KenntIichmachung der erfolgten Zündung befindet.

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