DD201359A1 - DEVICE FOR VACUUM STEAMING - Google Patents
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- C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
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.The invention relates to a device for Vakuumevampfung, as used in particular in the plasma-activated coating technique. The hitherto known devices had in addition to a relatively low energy utilization and the disadvantage of a short life of the hollow cathode. The invention was based on the object, in addition to the substantial improvement of the two o. A. Parameter to reduce the electrical supply costs and to allow continuous control of the melt spot diameter to achieve clean layers. The task was solved by optimizing the cathode anode distance and by arranging a chamber with an opening facing the anode above the cathode. An isolated relative to the crucible anode longitudinal magnetic field coil allows by their special shape, the generation of a magnetic field of high concentration and the continuous control of the melt spot diameter.
Description
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Einrichtung zur VakuumbedampfungDevice for vacuum evaporation
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Vakuumbedämpfung-,, wie sie insbesondere in der plasmaaktivierten Be-Schichtungstechnik angewendet wird.The invention relates to a device for Vakuumbedämpfung- ,, as it is applied in particular in the plasma-activated loading stratification.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
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»In the plasma-activated coating hospital facilities are known which exploit the plasma of a hollow cathode arc discharge for the evaporation and ionization of materials. The cathode is located above the crucible connected as an anode or at a specific angle to the crucible normal »
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.In the latter case, the plasma jet emerging from the cathode is deflected by a magnetic field that is transverse to the beam. The power delivered to the anode (P ^ in the devices known from the literature amounts to a maximum of 50 % of the total power.
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 zündetThe basic idea of the known from the literature facilities is that flows through a suitably dimensionier TES, one-sided cooled tube of refractory material gas in an evacuated recipient. By applying a sufficiently high voltage between the cathode connected tube and the anode ignites
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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.between these two electrodes a glow discharge. When the current is sufficiently high, the non-cooled end of the cathode heats up so much that thermal electron emission occurs and the glow discharge passes into the so-called hollow cathode arc discharge. In the rlasma of the hollow cathode arc discharge, a part of the total energy P_ = Ug · L · to be formed from the discharge current (Ig) and the discharge voltage (U-) is delivered to the anode ; unc used for evaporation of Materia] located in the anode crucible.
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.Except the o. A. relatively low energy efficiency, the previously known devices have the disadvantage that, especially when arranged over the anode cathode, interference or contamination of the cathode can not be prevented by vaporized material from the crucible or by the action of reactive gases. Aucl so far no facilities have become known, which allowed eir continuous control of the melt spot diameter in the crucible.
Die Inbetriebnahme der bekannten Einrichtungen erfolgt nach der Evakuierung des Rezipienten im wesentlichen in vier Schritten:The commissioning of the known devices takes place after the evacuation of the recipient essentially in four steps:
1. Einstellung einer erhöhten Gasdurchsatzrate,1. setting an increased gas flow rate,
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,2. applying a high voltage (1 to 2 kV) between the cathode and the anode to ignite a high-current glow discharge (5 to 10 A) via an additional power supply that provides the required high ignition voltages,
3. Hinzuschalten des Bogenversorgungsgerätes (U = 70 V, I= 100 bis 200 A),3. Connecting the arc supply unit (U = 70 V, I = 100 to 200 A),
4. Reduzierung der Gasdurchsatzrate auf den Sollwert nacl· erfolgter Zündung des Hohlkatodenbogens.4. Reduction of the gas flow rate to the nominal value after successful ignition of the hollow cathode arc.
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 ersterThese prior art cladding parts and the fact that special shields and insulations are necessary to prevent passage of the glow discharge into the thermal arc are probably the first
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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.Line responsible for the fact that facilities that exploit the plasma jet of a hollow cathode arc discharge for evaporation of materials and for coating, have not yet established industrially.
.5 Ziel der Erfindung.5 Object of the invention
Die Erfindung hat das Ziel, eine Verdampferquelle zu entwickeln, die universell in der plasmaaktivierten Bedampfung eingesetzt werden kann und die die bekannten Nachteile vermeidet.The invention has the goal to develop an evaporator source that can be used universally in the plasma-activated evaporation and avoids the known disadvantages.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
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.The invention has for its object to provide an easy-to-use device that allows the continuous control of the melt spot diameter by optimizing the anode / cathode arrangement and the plasma jet guide, the energy efficiency is to be improved to at least 80 % . By preventing the vapor deposition of the cathode and the attack of the cathode by reactive gases whose life is increased by at least half. The cost of the electrical supply equipment is to be reduced.
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-According to the invention, the object is achieved in that a hollow cathode known per se is arranged at a lateral distance from a water-cooled evaporator crucible, that occurring during operation of the hollow cathode and to be directed by a transverse magnetic field on the crucible plasma jet a length between 7 and 20 cm having; the space above the hollow cathode is limited by a cover chamber which has an opening with a diameter of 8-20 cm for the passage of the plasma jet; the evaporator crucible connected as an anode with the interposition of an insulating block on the evaporator core;
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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.base plate and is enclosed by a, the form of an iron-encapsulated lens having coil which generates a longitudinal magnetic field for continuous control of the melt spot diameter.
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.The Longitudinalmagnetfeidspule, which is electrically insulated from the crucible, has at its inner diameter at the level of the melt level in the iron shell on a circumferential gap, whereby a magnetic field of high concentration is generated.
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.Out of the housing, the system completely surrounds the crucible coil except for the opening above the crucible and is secured to the base plate by easily releasable fasteners. Opposite the cathode, the transverse magnetic field coil is arranged, which is protected by a cover plate from the effects of the plasma. On both sides of the transverse magnetic field coil soft magnetic plates " are arranged on the housing for the deflection of the plasma jet.
Die Inbetriebnahme der Anordnung ist dabei durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:The commissioning of the arrangement is characterized by the following process steps:
1. Einstellung des Sollwertes der Gasdurchsatzrate,1. adjustment of the nominal value of the gas flow rate,
2. Aufheizung der Katode,2. heating the cathode,
3. Einschaltung der Bogenversorgungsspannung.3. Switching on the arc supply voltage.
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.After adjusting the gas pressure or gas flow rate, the hollow cathode is heated to the required Katodentemperatür. When the cathode reaches the temperature at which it emits electrons, the electrons can ionize the discharge gas by the applied voltage. The process of ionization can be observed on an ammeter, which is arranged in the circuit to the auxiliary anode. The auxiliary anode used here is the recipient, to which the anode voltage is applied via a resistor of 5 ohms.
Bei ca. 10 A Entladungsstrom brennt die Entladung stabil.At approximately 10 A discharge current, the discharge burns stable.
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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.Due to the voltage drop at the limit V / iderstand the potential conditions change at the evaporator, so that a part of the discharge current is taken over by the crucible anode. A decrease in the current is observed at the ammeter. This decrease indicates the stable operation of the evaporator. Thereafter, the auxiliary anode is separated from the crucible anode and the desired evaporator output is set.
Ausführungsbeispielembodiment
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.Reference to an embodiment, the invention will be explained in more detail. The accompanying drawing shows a longitudinal section through the device according to the invention. It consists essentially of four main groups: the cathode assembly 1, the crucible anode 2, the Transversalmagnetfeidspule 3 with the baffles 4 and the Lonjgitudinalmagnetfeidspule 5 »The lateral distance of the cathode assembly 1 of the crucible anode 2 is chosen so that the plasma jet has a length of · 10 cm.
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.The crucible anode 2 with the power terminal 6 is fixed by interposition of the insulating block 7 on the evaporator base plate 8, which is supported by the cathode assembly 1 on: 9 recipients. Above the cathode assembly 1 is the cover chamber 10 with the opening 11, which preferably has a diameter of 15 mm. The housing 12 terminates the device on all sides and, like the cover plate 13, protects the transverse magnetic field coil 3, the device from the action of the plasma. Preferably, the compounds of the main groups are mutually easily detachable designed as plug or · Schraubverbindüngen, so that a quick and easy assembly and disassembly is possible.
Der Spalt 14 im Innendurchmesser des Mantels der Longitudinalmagnetfeidspule 5 ist vorzugsweise so anzuordnen, daß sich das Absinken des Schmelzbadniveaus im Tiegel währendThe gap 14 in the inner diameter of the jacket of the longitudinal magnetic field coil 5 is preferably to be arranged so that the decrease in the molten bath level in the crucible during
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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.a batch does not affect the continuous control of the spot diameter. However, depending on the crucible diameter, the gap should not be wider than 4 to 10 mm. However, it is also possible to continuously refill the crucible by means of re-feeding or metering devices known per se.
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.The device according to the invention has some significant technical and economic advantages over the previously known state of the art, so that its application in particular in the plasma-activated coating is promising.
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.Due to the spatially close arrangement of cathode to anode and the limitation of the plasma jet length to preferably 10 cm, the energy utilization is increased to about 80 % . The arrangement of the cover over the cathode can be in this chamber an overpressure arise, which largely prevents the ingress of gases from the recipient in cooperation with the 15 mm opening. Thus, the cathode is not attacked in reactive process management, as an oxidation, carburization or nitriding corresponding to the embedded reactive gas avoided and their life is significantly increased.
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.Characterized in that the outlet opening of the plasma jet from the cathode is below the crucible level, contamination of the cathode is avoided, but at the same time also the contamination of the crucible material by evaporated Katodenteilchen.
Das Auftreten von Abschattungen auf den Substraten ist nicht möglich, da der Raum über dem Tiegel frei für das zu verdampfende Material ist.The occurrence of shadowing on the substrates is not possible because the space above the crucible is free for the material to be evaporated.
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.Not least, the special shape of the ion-encapsulated longitudinal magnetic field coil and the high-concentration magnetic field generated thereby and which can be regulated in its strength contribute to guiding and bundling the plasma jet and controlling the evaporation rate.
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