DD219354A1 - METHOD FOR REGULATING THE PLASMAPARAMETERS IN VACUUM COATING DEVICES WITH ARC DISCHARGES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Plasmaparameter in Vakuumbeschichtungseinrichtungen mit Bogenentladungen, wie sie zur Erzeugung plasmagestuetzt abgeschiedener Schichten (ion plating) eingesetzt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine Regelung der Homogenitaet der Plasmaparameter realisiert werden kann. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe derart geloest, dass innerhalb der Beschichtungskammer, in der das Plasma fuer die plasmagestuetzte Beschichtung aufrechterhalten wird, an zwei verschiedenen Stellen mittels je einer Langmuir-Sonde die Plasmaparameter gemessen werden, dass die sich einstellenden Sondenstroeme miteinander verglichen werden und das Plasma ueber eine Veraenderung der Bogenbahn so beeinflusst wird, dass die Differenz der Sondenstroeme der beiden Langmuir-Sonden (bei einem vorgegebenen Sondenpotential) ein Minimum einnimmt. Fig. 1The invention relates to a method for controlling the plasma parameters in vacuum coating devices with arc discharges, as they are used for generating plasma-assisted deposited layers (ion plating). The invention has for its object to provide a method by which a regulation of the homogeneity of the plasma parameters can be realized. According to the invention, the object is achieved such that within the coating chamber in which the plasma for the plasma-assisted coating is maintained, the plasma parameters are measured at two different locations by means of a Langmuir probe, the resulting probe currents are compared with each other and the plasma is transferred a change in the arc is influenced so that the difference of the probe current of the two Langmuir probes (at a given probe potential) takes a minimum. Fig. 1
Description
Verfahren zur Regelung der Plasmaparameter in Valcuumbeschichtungseinrichtungen mit BogenentiadungenMethod for controlling the plasma parameters in valcue coating devices with arc discharges
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Einrichtung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Piasmaparameter in Vaküumbeschichtungseinrichtungen mit Bogenentiadungen, wie sie zur Erzeugung plasmagestützt abgeschiedener Schichten (ion plating) eingesetzt werden. Insbesondere liegt dabei das Einsatzgebiet bei plasmagestützten Beschichtungsprosessen, bei denen die Bogenentladung mit Kohlkatodenbogenverdampfern realisiert wird.The device relates to a method for controlling the piasm parameters in vacuum coating devices with Bogenentiadungen, as they are used for generating plasma-enhanced deposited layers (ion plating). In particular, the field of application is plasma-assisted coating processes, in which the arc discharge is realized with Kohlkatodenbogenverdampfern.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
In der letzten Zeit hat sich die plasmagestützte Abscheidung von Schichten, insbesondere von Hartstoffschichten, sehr schnell entwickelt. Sine Vielzahl von Verbesserungsvorschlagen-zum Verfahren, wie es i.Iatto:: (US? 3s3295601) . beschrieben hat, betrifft auch die Regelung der einseinen Prozeßparameter, wie Drücke, Casparameter oder .Potentiale. Die Bedeutung der Plasmahomogenität wurde offensichtlich bi'sher als unerheblich erachtet. Wesentliche Veröffent-Recently, the plasma-assisted deposition of layers, in particular of hard material layers, has developed very rapidly. Sine variety of suggestion-to-process, such as i.Iatto :: (US? 3 s 329 5 601). also relates to the control of one's process parameters, such as pressures, Casparameter or .Potentiale. The importance of plasma homogeneity has apparently been considered negligible. Essential publication
20. lichungen, z. B. Schiller/Heisig "Bedampfungstechnik" V23 Verlag Technik 1975, sehen darauf nicht .ein. Die zunehmende großtechnische .-Uiv/endung des Verfahrens verlangt vom Verfahrensregeln eine außerordentlich, hohe20. lichungen, z. B. Schiller / Heisig "evaporation technology" V23 Verlag Technik 1975, do not look at it. A. The increasing large-scale application of the method requires extraordinarily high standards of procedure
.. Reproduzierbarkeit und Gleichmäßigkeit der Schichten, Uh- "': :.t ersuchungen dazu haben ergeben, daß die. Homogenität des.. reproducibility and uniformity of the layers, watches "':: .t ersuchungen to have shown that the homogeneity of the.
Plasmas in der Beschichtungskammer für die Gleichmäßig--.. , ' _. Ice it der Schichten nicht unwesentlich ist. Einrichtungen : 5 des. Standes der' Technik zur Ermittlung und Kennzeichnung des Plasmas in der Beschichtungskammer sind lediglich für Laboreinrichtungen bekannt, ,ohne daß das Plasma selbst be- ' '. "' ' einflußt wird.. Die eingesetzten Diagnoseverfahren sind alle sehr aufwendig und störanfällig, so daß sie für indtistriel-10 Ie Anlagen .kaum Anwendung finden können.Plasmas in the coating chamber for the uniform - .., '_. Ice of the layers is not insignificant. Equipment : 5 of the prior art technique for detection and characterization of the plasma in the coating chamber are known only for laboratory equipment, without the plasma itself . The diagnostic methods used are all very complex and susceptible to interference, so that they can hardly be used for industrial purposes.
In der DE-OS 2947 4-82 wird z. B. eine Einrichtung zur Überwachung und Steuerung von Plasmaprozessen beschrieben, die {-: . ' eine quantitative und qualitative Steuerung der Plasmaprozesse mittels eines Massenspektrometer ermöglicht. Die Einrichtung gestattet den nachweis aller im Plasma befind- * liehen ionisierten Teilchen. /In DE-OS 2947 4-82 z. B. means for monitoring and controlling of plasma processes described above, the {-:. ' allows a quantitative and qualitative control of the plasma processes by means of a mass spectrometer. The device allows the detection of all ionized particles in the plasma. /
nachteilig ist aber, daß der nachweis nur an -einem spezifischen Ort erfolgt. Die gleichzeitige Ermittlung der. Pias-. masustände an einem anderen Ort in der Beschichtungskammer ist nicht möglich. Damit ist die Einrichtung auch nicht geeignet, eine Aussage zur Homogenität, des Plasmas in der gesamten Kammer zu machen bzw. diese zu regeln.However, it is disadvantageous that the detection only takes place at a specific location. The simultaneous determination of the. Pias-. It is not possible to paint in a different location in the coating chamber. Thus, the device is also not suitable to make a statement on the homogeneity of the plasma in the entire chamber or to regulate.
Ziel der Erfindung . ' . ,Object of the invention. '. .
Die Erfindung hat das Ziel, bei plasmagestützten Beschichtungsproze^sseri eine hohe reproduzierbare Gleichmäßigkeit, der Schichteigenschaften über ausgedehnte, komplizierte Substratoberflächen mit geringem technischen Aufwand, zu gewährleisten. ·The aim of the invention is to ensure a highly reproducible uniformity of the coating properties over extended, complicated substrate surfaces with little technical effort in plasma-assisted coating processes. ·
Darlegung des Vfesens der ErfindungPresentation of the invention of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgab« zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,, mit dem eine Regelung der Horno'genitat der Plasmaparameter realisiert werden .kann.The object of the invention is to provide a method with which a regulation of the horniness of the plasma parameters can be realized.
halb der Beschiclitungsicammer, in der das ru.asma für axe plaumagestützte Beschichtung aufrechterhalten wird, an ' 3v;ai verschiedenen Stellen mittels je einer Langmuir-Son-half of the compartment chamber in which the plasma for ax-plague-assisted coating is maintained, at three different locations by means of a Langmuir probe.
stellenden Sondenströme miteinander verglichen werden und das Plasma über eine Veränderung der Bogenbahn so beein- . flu;it wird, dai; die Ji fferens der Sendenströme der beiden Langmuir-Sönden (bei einem vorgegebenen Sondsnpotential}are compared with each other and the plasma so influence on a change in the arc path. it becomes, dai; the ji fferens of the transmission currents of the two Langmuir-Sönden (with a given Sondsnpotential}
ein LIinimum einnimmt'. ' 'a minimum takes'. ''
Bei einen theoretisch völlig homogenen Plasma wäre der Diiferenswert gleich hull. In der Praxis hat sich aber geneigt, daß in einer größeren Proauktionsanlage mit nur einer Plasmaentladung keine absolute Homogenität, eraielcarFor a theoretically completely homogeneous plasma, the value of the diiferative would be hull. In practice, however, has been inclined that in a larger Proauktionsanlage with only a plasma discharge no absolute homogeneity, eraielcar
ist. ' . .. .'is. '. ... '
Für die praktischen Beschichtungsprosesse. ist es aber ' schon sehr .vorteilhaft die minimal mögliche Differenz der Sendenströme verfahrenstechnisch ^u gewährleisten. Die günstigsten Positionen der Langmuir-Sonden in der Be-Schichtungskammer sind die beiden e::tremen Orte der Substrate sin Ort der Bogenentladung. Im allgemeinen handelt es sich um Planetenbewegungen der Substrate. Die Sonaenpositionen sollen also so-gewählt werden, daß sie gewisse unterschiedliche Plasmabereiche erfassen· So sollte beiFor the practical coating process. However, it is very advantageous to ensure the minimal possible difference of the transmission currents in terms of process technology. The most favorable positions of the Langmuir probes in the bedding layer are the two e :: th locations of the substrates in the place of the arc discharge. In general, these are planetary motions of the substrates. The Sonaenpositionen should therefore be chosen so that they cover certain different plasma areas
1 '' 7 V] h'\) 1 '' 7 V ] h '\)
Der entscheidende Einfluß auf die Schichtausbildung bei plasmagestützten Beschichtungsprozessen wird durch die im. Plasma befindlichen Ionen, speziell deren Konaentra- ·.. tion und Temperatur, ausgeübt. The decisive influence on the film formation in plasma assisted coating processes is determined by the. Plasma located ions, especially their Konaentra- tion and temperature exerted.
Diese beiden Kenngrößen werden durch den Teil A der Spndenkennlinie in Pig. 3 charakterisiert. Srfindungsgemäß wird deshalb dieser Bereich bzw. ein Punkt dieses Berei-, , . ches bei beiden Sonden miteinander verglichen. Dies wird dann erreicht, wenn die Sonden ein, gegenüber dem Floatingpotential, d.h. demjenigen Potential, bei dem der Sondenstrom Hüll wird, negatives Potential erhalten. Diese Beeinflussung der Bogenentladung zur Erreichung einer maximalen Homogenität der Plasmaparameter erfolgt erfindungsgemäß : durch die Beeinflussung des bei Bogenentla-These two parameters are represented by the part A of the power curve in Pig. 3 characterized. According to the invention, therefore, this region or a point of this region,. Ches in both probes compared. This is achieved when the probes receive a negative potential relative to the floating potential, ie the potential at which the probe current becomes envelope. This influence of the arc discharge to achieve a maximum homogeneity of the plasma parameters takes place according to the invention : by influencing the arc discharge at
T5 dungseinrichtungen immer erforderlichen Magnetfeldes zur Lenkung des Bogens. Ss wird somit die Funktion 3Icon(q /U^ _T5 training facilities always required magnetic field to guide the bow. Ss will thus have the function 3Ic on ( q / U ^ _
&er beiden Sonden durch einen Differenz-& he two probes through a differential
de-co ο-*- = fde-co ο - * - = f
' verstärker verglichen und über 'entsprechende Stellorgane die Differenz Δ Ig ·, minimiert. Durch eine günstige 7JaJaI der Orte, an denen- die Sonden in das Plasma eintauchen bzw. , eine Anpassung der Sondengeometrie,, muß gesichert werden, daß äie Punktion ISonde/USonde=cons1.#=f (H) für die beiden'Amplifier compared and via' corresponding actuators, the difference Δ Ig · minimized. By a favorable year of the places in which the probes dip into the plasma, or an adaptation of the probe geometry, it must be ensured that the puncture I probe / U probe = cons1 . # = f (H) for the two
. Sonden.keine gemeinsamen Schnittpunkte besitzt und die Funktion. AIo j= f (H) hur ein Minimum aufweist. Das Auftreten, Probes. Has no common intersections and the function. AIo j = f (H) hur has a minimum. Appearance
nur eines Minimums ist Voraussetzung für das Funktionieren der Regelung. Bei. mehreren Minima e.x. entstehen mehrere gleichwertige Zielfunktionen,.die die Regelung nicht unterscheiden kann. ' Durch die tAnwendung des .erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglieh, auch bei Substraten, die nicht in einer horizontalen Ebene über der Verdampfungseinrichtung angebracht sind, sondern sich räumlich in verschiedenen Abstanden vom Verdampfer befinden, eine gleichmäßige Beschichtung-durchzuführen. "Bei ausgedehnten Plasmaräumen, ist ohne das erf'in-only a minimum is a prerequisite for the functioning of the control. In. several minima ex create several equivalent objective functions, .the the control can not distinguish. 'Due to the use of the t .erfindungsgemäßen method, it is möglieh, even with substrates that are not mounted in a horizontal plane above the evaporation device, but are located in different spatial distances from the evaporator, a uniform coating-perform. "In the case of extensive plasma spaces, without the
'35 dungsgemäße Verfahren eine gleichmäßige Beschichtung nicht su erreichen, ohne da/9.festgelegte technologische Parameter,In accordance with the method according to the invention, a uniform coating can not be achieved without technological parameters being fixed.
wie Verdampfungsrate, Gasdruck u. ä., geändert werden. Da die Sonden in ihrer Ausdehnung sehr klein gehalten werden können, ist ihre Rückwirkung auf da's Plasma, gering und für den Beschichtungsprozeß ohne Bedeutung.such as evaporation rate, gas pressure u. Ä., To be changed. Since the probes can be kept very small in size, their retroactive effect on plasma is low and irrelevant to the coating process.
Durch die Nutzung von im allgemeinen bei Bogenentladungseinrichtuhgen vorhandenen Mitteln zur Ablenkung des Bogens bzw. zu dessen Po.kussierung, wie z. B. magnetfelderzeugende Einrichtungen, ist der technische Aufwand sehr gering. Die Güte der Regelung ist natürlich abhängig von der Wirkung der die Bogenbahn beeinflussenden Mittel auf ., die Plasmakonfiguration im gesamten Vakuumraum. Im allgemeinen führen jedoch bereits geringe Änderungen der Bogenbahn zu relativ großen Verschiebungen der Plasmakonfiguration·By the use of generally available in Bogenentladungseinrichtuhgen means for deflecting the sheet or to its Po.kussierung such. B. magnetic field generating devices, the technical complexity is very low. The quality of the scheme is of course dependent on the effect of the bow path affecting means on, the plasma configuration in the entire vacuum space. In general, however, even slight changes in the arc path lead to relatively large shifts in the plasma configuration.
Ausführungsbeispiel . 'Embodiment. '
Nachfolgend soll die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to two exemplary embodiments.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen . , Pig. 1: eine Einrichtung mit Hohlkatodenbogenverdampfer' Pig. 2: eine Einrichtung mit Elektronenstrahlverdampfer Pig. 3: die Kennlinie der Langmuir-Sonden Pig.· 4: die Al-Kurve von zwei Langmuir-Sonden · Pig. 1: zeigt in einer Vakuumkammer 1 einen Hohlkatodenbogenverdampfer 2 sowie eine Substrathalterungsvorrichtung mit,Substraten. 4· Weiterhin befinden sich in der Kammer 1, außer den,notwendigen Sensoren für Gasdruck, Temperatur, "Beschichtungsrate u. ä., zwei erfindungsgemäße Langmuir-Sonden 5 und 6. Die Sonde 5 ist in unmittelbarer ITähe des Verdampfers etwa 50 mm oberhalb der Tiegelebenen angjsord-.net. Die Sonde 6 liegt senkrecht über der Sonde 5 in einem Abstand von 500 mm oberhalb des Hohlkatodenbogenverdampf ers 2. Durch diese unterschiedlichen Abstände der Sonden 5 und 6 von der plasmaerzeugenden Einrichtung, dem Kohlkatodenbogenverdampfer 2, werden die tatsächlich am Ort der oberen, an der Substrathalterungsvorrichtung 3 an-The accompanying drawings show. , Pig. 1: a device with hollow cathode arc evaporator 'Pig. 2: a device with electron beam evaporator Pig. 3: the characteristic of the Langmuir probes Pig. · 4: the Al curve of two Langmuir probes · Pig. 1 shows in a vacuum chamber 1 a hollow cathode arc evaporator 2 and a substrate holder device with substrates. 4 · In addition to the, necessary sensors for gas pressure, temperature, "coating rate and the like, two Langmuir probes according to the invention 5 and 6 are in the chamber 1, the probe 5 is in the immediate vicinity of the IT evaporator about 50 mm above the The probe 6 is located vertically above the probe 5 at a distance of 500 mm above the Hohlkatodenbogenverdampf ers 2. These differences in the distances of the probes 5 and 6 of the plasma generating device, the Kohlkatodenbogenverdampfer 2, the actually in place the upper, on the substrate holder device 3
geordneten Substrate 4 als auch'die am Ort der unteren, am Substrathalter angeordneten Substrate 4 existierenden Plasmabedingungen : ermittelt. Die Sonden 5 und 6 sind mitteis der Spannungsquelle 7 mit einem definierten Potential beaufschlagt worden· Die sich an den Sonden 5 und 6 einstellenden Ströme Ig werden im Differensverstärker S verglichen und das Differenzsignal über die Stelleinrichtung 9ordered substrates 4 and also the plasma conditions existing at the location of the lower substrates 4 arranged on the substrate holder. The probes 5 and 6 have been subjected to a defined potential by means of the voltage source 7. The currents I.sub.G established at the probes 5 and 6 are compared in the differential amplifier S and the difference signal via the adjusting device 9
; der',magnet f.eider zeugenden Einrichtung 10, welche den vfeg des Hohlkatodenbogens 11 beeinflußt, zugeführt. Diese magnetf eiderzeugende. Hinrichtung 10 besteht aus einer stromdurchflossenen Spule, die unterhalb der Tiegelebenen angeordnet ist und ,aus einem der Siegelform angepaßten Weicheisenkern. Die Einstellung des transversalen Magnetfeldes erfolgt über eine Einstellung des Spulenstromes. Beide Son-; the ', magnet feiider generating device 10, which affects the vfeg of the hollow cathode sheet 11, fed. This magnetoid-generating. Execution 10 consists of a current-carrying coil, which is arranged below the crucible planes and, adapted from a seal shape soft iron core. The adjustment of the transverse magnetic field takes place via an adjustment of the coil current. Both
15--den 5 und 6 sind als Zylindersonde.n ausgebildet, die einen Durchmesser von 0,5 mm und eine effektive Länge von 5 mm besitzen. Sie sind durch entsprechende Abschirmungen .von der direkten Beaufschlagung mit Metalldampf geschützt und elektrisch, mit den äußeren Regeleinrichtungen verbunden.Figs. 15-5 and 6 are formed as cylinder probes which have a diameter of 0.5 mm and an effective length of 5 mm. They are shielded by appropriate shields from direct exposure to metal vapor and electrically connected to the external control devices.
Die Zuleitungen' sind elektrisch isoliert angebracht. Um die thermische Stabilität der Sonden 5 und 6 zu gewährleisten, wird ein hochschmelzendes Material wie Wolfram oder Molybdän eingesetzt. . .' Da das ÜFloatingpotential der Sonden 5 und 6 stark von der Verdampferleistung abhängig ist, werden diese mit einem konstanten Potential von -10 V gegenüber Hasse beaufschlagt und damit garantiert, daß der Arbeitspunkt immer im Bereich 1A der Kennlinie nach IPigur 3 liegt.The leads' are electrically isolated. In order to ensure the thermal stability of the probes 5 and 6, a refractory material such as tungsten or molybdenum is used. , . ' Since the ÜFloatingpotential of probes 5 and 6 is highly dependent on the evaporator performance, they are subjected to a constant potential of -10 V to Hasse and thus guarantees that the operating point is always in the range 1 A of the characteristic according to IPigur 3.
Figur 4 zeigt die Punktion I^ = f(I-:. _). Ss zeigt sich, daßFigure 4 shows the puncture I ^ = f (I- :. _). Ss shows that
im Variationsbereich von I,T ein Differenzminimum auftritt.in the range of variation of I, T a difference minimum occurs.
i^ag.i ^ ag.
Ziel der elektronischen Regelung ist es, den Strom IT.Tor, soThe aim of the electronic control is to control the current I T. Goal , like that
einzustellen,1- daß die Sondenstromdiiferenz dieses Minimum annimmt. Damit ist der Unterschied der Ionenkonzentration- und temperatur am Ort der Sonde 5 und der Sonde 6 minimal .und die größtmögliche Plasmahomogenität unabhängig von^.den 1 - that the probe current diiference assumes this minimum. Thus, the difference in ion concentration and temperature at the location of the probe 5 and the probe 6 is minimal and the greatest possible plasma homogeneity independent of the ion
Verdampfungsparametern und-dem Gasdruck gewährleistet·Evaporation parameters and the gas pressure ensured ·
Figur 2 zeigt die Anordnung einer Vakuumkammer 1 mit ei-· nein Slektronenstrahlverdampfer 12 zur Metalldampf erseugung und eine Jonisierungseinrichtung zur Plasmaerzeugung,'bestehend aus einer Hohlkatode 13, einer Ablenkspule 14 sowie einer Anode 15· Weiterhin "befinden sich in der Kammer 1 Substrathalterungen 3 und Substrate 4· Der Gaseinlaß für zusätzliche Arbeitsgase bei reaktiven Beschichtungsprozessen erfolgt über das Ventil 16;FIG. 2 shows the arrangement of a vacuum chamber 1 with an electron beam evaporator 12 for metal vapor evacuation and an ionizing device for generating plasma, comprising a hollow cathode 13, a deflection coil 14 and an anode 15. Further, substrate holders 3 and are located in the chamber 1 Substrates 4 The gas inlet for additional working gases in reactive coating processes takes place via the valve 16;
Die Sonden 17 und 18 sind an zwei voneinander weit entfernten Orten angebracht. Diese Sonden 17 und 18 sind als Zylindersonden ausgebildet. Das durch das Stromversorgungsgerät 19 bereitgestellte Sondenpotential beträgt -1 V gegen-., über Masse. Die sich einstellenden Sondenströme wirken über einen Differenzverstärker 20, eine Stelleinrichtung 21 auf die magnetische Ablenkspule 14, die in der Nähe der Anode 15 ein magnetisches Streufeld erzeugt, das in der Lage ist, die Bahn, des Bogens ZYri.sch.en der Hohlkatode 13 und.der Anode 15 zu verändern.The probes 17 and 18 are attached to two distant locations. These probes 17 and 18 are designed as cylinder probes. The probe potential provided by the power supply unit 19 is -1 V, versus ground. The self-adjusting probe currents act via a differential amplifier 20, an adjusting device 21 on the magnetic deflection coil 14, which generates a stray magnetic field in the vicinity of the anode 15, which is capable of the path of the arc Zryri.schen the hollow cathode thirteenth and.the anode 15 to change.
' Da sich bei den gegebenen geometrischen und plasmaphysikalischen Bedingungen die Möglichkeit ergibt, daß sich die Punktionsverläufe Ic = f (H) der Sonden 17 und 18- im Va-Since, given the geometric and plasma physical conditions, the possibility arises that the punctuation curves I c = f (H) of the probes 17 and 18 in
riationsgebiet von H schneiden und kein eindeutiges Minimum auftritt, wurden die Sondenoberflächen unterschiedlich groß gewählt. Dadurch vergrößert sich die Differenz AIg im gesamten Bereich von H und die Regelung arbeitet stabil und erreicht die Homogenität der Plasmaparameter im gesamten BeSchichtungsraum unabhängig von dem Elektronenstrahlverdampfer 12. >When the region of H intersected H and no clear minimum occurs, the probe surfaces were chosen to be different in size. This increases the difference AIg in the entire range of H and the control operates stably and reaches the homogeneity of the plasma parameters in the entire coating space independently of the electron beam evaporator 12.>
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| UW | Conversion of economic patent into exclusive patent | ||
| ENJ | Ceased due to non-payment of renewal fee |