DD218818A3

DD218818A3 - Katode fuer hohlkatodenbogenverdampfer

Info

Publication number: DD218818A3
Application number: DD24082882A
Authority: DD
Inventors: Ruediger Wilberg
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1982-06-17
Filing date: 1982-06-17
Publication date: 1985-02-13

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EINE KATODE FUER EINEN HOHLKATODENBOGENVERDAMPFER, INSBESONDERE ZUR IONENGESTUETZTEN VAKUUMBESCHICHTUNG. DER ERFINDUNG LIEGT DIE AUFGABE ZUGRUNDE, DIE KATODE DES HOHLKATODENBOGENVERDAMPFERS SO ZU VERBESSERN, DASS BEI RELATIV GERINGEM ENERGIEAUFWAND EINE HOHE ELEKTRONENEMISSION DER KATODE ERZIELT WIRD UND DADURCH EIN SICHERES ZUENDEN DER HOHKATODENBOGENENTLADUNG BIS ZU NIEDRIGEN DRUECKEN GEWAEHRLEISTET IST. ERFINDUNGSGEMAESS WIRD DIE AUFGABE DADURCH GELOEST, DASS DIE KATODE AUS EINEM ROHRFORMIGEN, IM WESENTLICHEN GASDICHTEN DRAHTWICKEL AUS HOCHSCHMELZENDEM MATERIAL, Z. B. WOLFRAM, BESTEHT. DIESE IST WIDERSTANDSGEHEITZ UND DAZU JEWEILS AN DEN ENDEN KONTAKTIERT.

Description

Katode für Hohlkatodenbogenverdanipf er

Anwendungsgebiet der Erfindung ^!

Die Erfindung betrifft eine Katode für einen Hohlkatoden· bogenverdampferi insbesondere zur ionengestützten Vakuumbeschichtung· . ' . "

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Der Hohlkatodenbogenverdampfer hat sich, innerhalb der Vakuumbeschichtungstechnologien, insbesondere bei der ionen-.' gestützten Vakuumbeschichtung bewährt· Der Hauptgrund liegt darin, daß mit relativ geringem Aufwand gleichzeitig eine Verdampfung realisiert und im Plasma aufgebaut wird·

Eines der wesentlichsten Teile eines Hohlkatodenbogenverdampfers und auch bisher am- anfälligsten ist die Katode' . des Verdampfers.

Das DD-WP 142 48? schlägt ein Hohlkatodenrohr aus Tantal vor, welches von einem konischen "/olframwendel zum Aufheizen umgeben ist. Beide sind dazu elektrisch in Reihe geschaltet und werden so durch Widerstandsheizung aufgeheizt· Dabei bleibt wegen des größeren Querschnittes das Hohlkatodenrohr durch den eigentlichen Stromdurchgang relativ kalt und muß zusätzlich durch das Wolframwendel über Strahlungsheizung aufgeheizt werden. Das ist sehr energie-

: .·.- ' ' . . . ' - 2 - .· . .. aufwendig., da im Vakuum die Wärmeleitung durch das Gas zu ' : vernachlässigen ist. Kritisch ist auch die Kontaktierung zwischen Tantal-Hohlkatodenrohr und Wolfram-Heizwendel. · Ss kann zu schädlichen Überhitzungen an der Kontaktstelle kommen· Die Zündung der Hohlkatodenbogenentladung erfolgt . . aber erst bei genügend gleichmäßig erwärmten Hohlkatoden- .· : . rohr, durch welches das zur .Entladung benötigte Gas, meist Argon,. geleitet wird· ...; . . .. Nachteilig.ist bei dieser Lösung auch die erforderliche Verwendung von Tantal als Werkstoff der Hohlkatode. Dieses Material ist zwar gut bearbeitbar, kann aber thermisch nicht so hoch belastet werden, wie es für eine hohe Leistung des. Hohlkätodenbogenverdampfers erforderlich wäre. Zur; sicheren Zündung ist auch ein relativ hoher Druck von — 10" Pa erforderlich. Vielfach muß deshalb das Verfahrensregime, so aufgebaut werden, daß. unbedingt erst der \Zünddruck aufgebaut wird bevor das Arbeitsvakuum eingere-. ._:.:gelt wird· .; " ._.... ... . , ^; ' , .. Von besoderem liachteil ist jedoch der hohe Energieeinsatz ·, zur Zündung und Stabilisierung der Bogenentladung» Das Heizwendel zur Aufheizung des Katodenrohres kann nur schwer abgeschirmt werden, und es kommt zur starken Erhitzung des gesamten Hohlkatodenbogenverdampfers, z· B· der Magnete zur Lenkung des Plasmastrahles, was zum Ausfall des Verdampfers führen kann.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, die einfache und sichere Zündung und hohe Verdampfungsleistung des Hohlkatodenbogenverdampfers zu gewährleisten.

Darlegung'des.Wesens-der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Katode des .Hohlkatodenbogenverdampfers so zu verbessern, daß bei re-

lativ geringem .Energieaufwand eine hohe Elektronenemission der Katode erzielt wird und dadurch ein sicheres Zündender Hohlkatodenbogenentladung bis zu niedrigen Drücken gewährleistet ist· . . . ·

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Katode aus einem rohrförmigen, im'.wesentlichen gasdichten Drahtwickel aus hochschmelz end em Material, ζ.. Β, Wolfram, besteht. Diese ist widerstandsgeheizt und dazu .jeweils an den Enden kontaktiert· Im wesentlichen gasdicht heißt dabei,, daß die einzelnen Windungen dicht an dicht gewickelt· sind»

Die Befestigung der Katode im Hohlkatodenbogenverdampfer erfolgt vorteilhaft erweise durch Aufstecken der draiitv/endelförmigen Katode auf einen Bolzen unter Ausnutzung der eigenen Federspannung des Drahtwickels. Damit wird eine sichere elektrische Kontaktierung gewährleistet· Durch eine zentrische Bohrung.in· dem Bolzen kann die Gaszuführung erfolgen. , ......

. Der andere elektrische Kontakt der Katode wird vorteilhafterweise über einen kurzen Kontaktwickel realisiert, der' mit der drahtwickelförmigen Katode maßlich derart abgestimmt ist, daß beide unter einer gewissen Federwirkung miteinander verschraubt werden können. Beim Betrieb der Katode wird diese durch die angelegte Spannung und den durch die Drahtwindungen fließenden Strom elektrisch aufgeheizt bis die SlektronenemisSion im Inne-.ren der Katode zur Zündung der Bogenentladung ausreicht· Dabei hat sich gezeigt, daß der.Strom im wesentlichen nur in der Drahtachse fließt· Ein Stromübergang zwischen den einzelnen Windungen ist vernachlässigbar. Dadurch wird eine gute Energieauslastung erzielt. Verbunden mit einem geeigneten Material, z. B. Wolfram,.kann die Katode sehr hoch \\' geheizt werden. Es erfolgt eine hohe Elektronenemission,¹ die durch die große Oberfläche des Drahtwendelrohres besonders intensiv ist. Vorteilhaft ist es noch, daß' die Katode so'gestaltet ist, daß an einer Stelle der Rohrdurch-,

me'sser geringer ist, dadurch eine besondere'Slektronen- konzentrat!on bei hohem Gasdurchsatz auftritt und somit die für Hohlkatodenentladungen typische aktive Zone ge-' schaffen wird· Als .vorteilhafte Ausgestaltung hat sich be-. währt, · die aktive Zone an.den Gasaustritt der Katode zu. legen unddurch besondere Gestaltung des Kontaktwickels .als Energiezuführung in Form eines Heizwendeis bis über :die aktive Zone zu ziehen. .Dabei muß die Aufheizung -des·. :. Heizwehdels nur -so hoch sein, daß die'Ab strahlung des widerstandsgeheizten Katodenrohres im Bereich der aktiven Zone gering gehalten wird,

Mit der erfindungsgeinäßen Lösung werden gegenüber den bekannten technischen Lösungen 'eine Reihe von bedeutenden Vorteilen erzielt. Der Energieaufwand zur Zündung ist wesentlich geringer· Unmittelbar damit verbunden ist -eine .- -geringere Wärme belastung des gesamten Verdampfers, was zu einer hohen Betriebssicherheit führt. Die Katode hat eine bessere. Haltbarkeit, d. h· höhere Standzeit· Ss gibt keine Probleme mit der Kontaktierung. Die Fertigung ist außer-. ordentlich einfach und der Materialeinsätζ ist geringer· Die erfindungsgemäße Katode mit der großen inneren .Oberfläche durch das Drahtwendel kann leicht bis zu hoher * ' ; Elektronenemission aufgeheizt werden und bewirkt eine sichere Zündung auch bei niedrigeren Drücken zwischen '...

5*10 und 5 · 10 Pa· Dadurch ist auch eine Vereinfachung des Verfahrensregimes verbunden· Die Einstellung eines gesonderten Zünddruckes ist :'nicht erförderlich·· .

Ausfüiirungsbeispiel .,

Die Erfindung, soll nachfolgend an einem Ausfuhrungsbeispiel, näher erläutert werden.

Die zugehörige Zeichnung'zeigt eine erfindungsgemäße Katode mit.den beiden erforderlichen Kontaktierungen. Das Zusammenwirken mit den übrigen Teilen des Hohlkatodenbo-

genv-erdampfers ist nicht, näher dargestellt, da dies nicht unmittelbar zur Erfindung gehört.

Im dargestellten Beispiel besteht die Katode des Hohlkatodenbogenverdainpfers aus einem rohrförmig gewickelten Wolframdraht 1 von 1 mm Durchmesser. Dabei ist die Katode im unteren Bereich 2 im Durchmesser größer als im Be-, reich 3* Die Katode sitzt mit seinem unteren Teil (Bereich 3) ,straff- auf einem temperaturbeständigen Haltebol-₍ zen 4. Dieser Haltebolzen 4 übernimmt einmal die mechanisehe Halterung der Katode im Hohlkatodenbogenverdampfer*, zum anderen wird durch die zentrische Bohrung 5, das Inertgas zugeführt, welches als Träger der Entladung dient. An der ebenfalls im wesentlichen gasdicht, also dicht an dicht, gewickelten Übergangsstelle 6 wird·-der innere Durchmesser der Katode ,verringert, so daß hier eine erhöhte Aufheizung mit maximaler Elektronenemission auftritt.,Diese' Stelle wird zur aktiven Zone 7, innerhalb der die Hohlkatodenbogenentladung brennt. Im Beispiel die obere Kontaktierung erfolgt über ,einen Kontakt-Drahtwickel 8. Dieser ist ebenfalls aus Wolframdraht gefertigt und hat 2 mm Durchmesser. Im Bereich 3, konkret an der aktiven Zone 7, ist der Kontakt-Drahtwickel' 8 als Heizwickel 9 ausgebildet. Der Zuführungsdraht 10 wird in bekannter Weise zur Stromversorgung geführt. , ,

Im-Betrieb wird die Katode unter Spannung gesetzt und es kommt zu einem Stromfluß zwischen den Hal'tebolzen 4 über '' die visLen Kontaktstellen der Berührung mit. dem Wolframdraht 1 im Bereich 2 innerhalb des Wolframdrahtes T zum Kontakt-Drahtwickel 8 zum Zuführungsdraht 10. Dabei heizt sich der Wolframdraht 1 und auch der Heizwickel'9 allgemein auf. Durch die besondere konstruktive Gestaltung, d.. h. der Einengung im Bereich 3 mit überlagerung durch den Heizwendel 9 kommt es im Bereich der aktiven Zone 7 jedoch zu einer besonders enxtremen Erwärmung des Wolframdrahtes und dadurch zu einer starken Elektronenemission, was zu einer Hohlkatodenbogenentladung führt. Dabei ist das Zünd'-verhalten auch bei niedrigen Drücken gewährleistet.

Claims

Erfindungsanspruch. ·

1. Katode für Hohlkatodenbogenverdampfer mit Widerstandsheizung und innerer Trägergaszuführung, dadurch gekennzeichnet , daß die. Katode aus einem rohrförmigen, im wesentlichen gasdichten'Drahtwickel aus hochschmelzendem Material, z.B. Wolfram, besteht, der an seinen Enden jeweils elektrische Kontaktierungen aufweist,

2. Katöde nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katode im Bereich der aktiven Zone (7) einen geringeren Durchmesser aufweist.

3. Katode nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägergaszuführung über einen Stutzen erfolgt*.auf dem die Katode unter Federwirkung aufgesteckt ist und der gleichzeitig die elektrische Kontaktierung realisiert.

4. Katode¹ nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kontaktierung der Katode an der Seite, der ^ Bogenentladung über einen zur Katode maßlich abgestimmten Kontakt-Drahtwickel (8) erfolgt, der über Federspannung auf die Katode geschraubt ist.

5, Katode nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt-Drahtwickel (8) in trichterförmiger Erweiterung als Heizwickel (9) bis über die^aktive Zone (7) der Katode geführt ist. .

6. Katode nach Punkt 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwickel (9) so dimensioniert ist, daß an der aktiven Zone (7) der Katode ein Wärmestau auftritt.

Hierzu 1 Saite Zeichnungen