DD265506A1 - Verfahren und vorrichtung zur vakuumbogengestuetzten verdampfung elektrisch leitender materialien - Google Patents

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung zur vakuumbogengestuetzten Verdampfung elektrisch leitender Materialien finden insbesondere zur Abscheidung schuetzender und dekorativer Ueberzuege, z. B. von Hartstoffschichten auf Werkzeugen oder Schmuckgegenstaenden Verwendung. Die erfindungsgemaesse Loesung besteht darin, dass zeitlich konstante, axialsymmetrische Magnetfelder parallel zur Stirnflaeche der Katode erzeugt werden, wozu oberhalb und unterhalb der Stirnflaeche der Katode und koaxial zur Katode zwei entgegengesetzt gepolte Helmholtzspulen oder koaxial zur Katode und in Hoehe der Stirnflaeche eine Toroidspule angeordnet sind.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Verfahren und die Anordnung zur Verdampfung elektrisch leitender Materialien finden insbesondere zur Abscheidung schützender und dekorativer Überzüge, z. B. von Hartstoffschichten auf Werkzeugen odor Schmuckgegenständen, Anwendung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Katodenflecken einer unter Vakuumbedingungen brennenden Bogenentladung erweisen sich als effektive Quellen eines intensiven und hochgradig ionisierten Plasmastrahls, welcher unter anderem erfolgreich für Beschichtungszwecke eingesetzt wird. Die Katodenflecken, in denen Stromdichten im Bereich von (10° bis 10⁷) A cm² auftreten, bewegen sich während der Entladung auf den meisten Katodenmaterialien mit mittleren Geschwindigkeiten von (10 bis 100) ms ' wobei die Richtung der Bewegung willkürlich ist. Auf bestimmten Materialien, wie beispielsweise Eisen oder Graphit, werden dagegen erheblich verminderte Fleckgeschwindigkeiten beobachtet.

Der eigenständige Bewegungsmechanismus der Flecken ist mit einer Makroteilchenemission (Tröpfchen oo'er Splitter) verbunden, was in vielen Fällen eine Qualitätsminderung der erzeugten Schichten bewirkt.

Neben anderen Faktoren wirkt die mittlere Geschwindigkeit der Katodenflecken auf den Anteil der Makroteilchen im Plasmastrahl. Sie kann infolge einer Verringerung einen stimulierenden, infolge einer Erhöhung einen hemmenden Einfluß auf die Makroteilchenemi yäion ausüben.

Dieser Zusammenhang führte zu einer Reihe von Entwicklungen, die eine Beschleunigung der Bewegung der Katodenflecken bei gleichzeitigem möglichst gleichmäßigem Katodenabtrag beinhalten. Allen dazu bekannten Lösungen ist gemeinsam, daß sie für diesen Zweck äußere Magnetfelder mit einer starken Komponente parallel zur Oberfläche der Katode nutzen. Statische Magnetfelder hoher Axialsymmetrie sind dazu wegen dos geringen Aufwandos ihrer Steuerung bisher bevorzugt eingesetzt worden.

Für dio weitverbreitete Quellenanordnung, die mit ivlinderförmigor Katode und deren Stirnfläche air Arbeitsüache arbeitet, worden dazu verschiedene Varianten vorgeschlagen.

1. Die Anordnung einer Spule geringen Durchmessers koaxial hinter der Katode (US-PS 4512867) mit eventueller Nutzung des Katodenhalters ols Kern, der bis in unmittelbare Nähe der Katodenoberfläche verlängert werden kann (DE-OS 2902142).

2. Reduzierung der Arbeitsfläche der Kate Jj auf einen Kreisring, an dessen inneren und äußeren Umfang jeweils ein verlängerter Polschuh eines Elektromagneten herangeführt wird (SU-PS 426540).

3. Anordnung eines großflächigen Elektromagneten, mit bis an die Unterseite der Katode herangeführten Polschuhen, unterhalb einer ausgedehnten Katode (DE-OS 3528677, US-PS 4312 731).

Bei allen diesen ü'Vungen werden die Magnetfelder unterhalb der Katodenoborfläche erzeugt. Infolgedessen wird nicht die gesamte Magnf.tel· Jstärke parallel zur Arbeitsoberfläche wirksam. Gleichzeitig kommt es zu einom örtlich inhomogenen Katodenbetrag, was sich negativ auf die Reproduzierbarkeit des Prozesses auswirkt. Die in diesem Zusammenhang beste Losung stellt die in der SU-PS 426540 beschriebene Anordnung dar. Allerdings bewirkt diese Anordnung eine Reduzierung der Arbeitsfläche und bonotigt eine kompliziert herstellbare Katodenforrr Die in der DE-OS 3528677 und der US-PS 4312731 vorgeschlagenen Magnetfelderzeuger stellen insgesamt sehr komplizierte A'isführungsformen dar, die außerdem nicht für die Verdampfung magnetischen Materials geeignet sind. Da die Katoden in beiden Vorschlägen direkt an der Unterseite gekühlt werden, wegen günstiger M.jgnetfeldformen möglichst flach sein müssen ur J gleichzeitig ein örtlich inhomogener Materialabtrag zu verzeichnen ist, kann das Katodenmatorial nur in geringem Umfang zur Verdampfung genutzt werden.

2lel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung Gesteht darin, hochwertige Schutzschichten mitteis Vakuumbogenentladung reproduzierbar herzustellen und einen hohen Ausnutzungsgiad des Katodenmaterials zu erreichen.

-2- 265 Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei der Vakuumbogenentladung auftretende Katodenfleckbewegung derart zu beeinflussen, daß ein gleichmäßiger Abtrag des Katodenmateriais von der Stirnseite einer zylinder- oder kegelstumpfartigen Katode bei gleichzeitiger Steuerung der Makroteilchenemission erfolgt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem zeitlich konstante, axialsyinmetrische Magnetfelder parallel zur Stirnfläche einer zylinder- oder kegelstumpf^)' migen Katode erzeugt werden.

Der im Katodenfleck senkrecht zir.n äußeren Magnetfeld fließende Strom wird infolge der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld parallel zur Oberfläche verschollen. Dadurch wird der in den Katodenflocken ablaufende Mechanismus der punktförmlgen MaterialüberhiUung und Makroteilchenemission stark unterdrückt. BoI Katodenmateri&lien mit geringer Fleckgeschwindigkeit wird dadurch ein gleichmäßiger Abtrag überhaupt erst möglich.

Zur Erzeugung eines statischen, axialsymmetrischen Magnetfeldes mit hoher Parallelität zur Stirnfläche der Katode und mit ausschließlich radial verlaufenden Feldstärkevektoren werden unterhalb und oberhalb der Stirnfläche der Katode und axialsymmetrisch zu dieser iwei entgegengesetzt gepclte Helmholtzspulen angeordnet. Dabei werden die einzelnen Magnotfelder so bemessen, daß das Abknicken der Feldlinien von der gemeinsamen Achse der Spulen in Höhe der Stirnfläche der Katoden erfolgt.

Ein ebenfalls dem Zwecke der Katodonfleckbeschleunigung dienendes statisches axialsymmetrisches Magnetfeld mit honer Parallelität zur Stirnfläche der Katode und mit ausschließlich tangential verlaufenden Feldstärkevektoren wird im inneren Streufeldbereich einer in Höhn der Stirnfläche der Katode und koaxial zu dieser angeordneten Toroidspule erzeugt. Zur Verstärkung dieses Streufeldes wird Innerhalb der Spule ein Kern aus permeablem Material, welches entgegengesetzt des Magnr tfeldes der Spule aufmagnetisiert wurde, angeordnet. Unter Berücksichtigung der Richtung der Kraftwirkung auf den im Katodenfleck fließenden Strom wird die Stromrichtung in der Spule so festgelegt, daß der Katodenfl jck immer zum Zentrum der Katodo hin beschleunigt wird. Diese Bewegung ist der stochastischen Fleckbewegung überlagert.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert

Es zeigen

Fig. 1: die Anordnung der Helrnholtzspulen koaxial zur Katode und

Fig. 2: den qualitativen Feldlinlenverlaut des Magnetfeldes in der Anordnung.

Die zu verdampfende Katode 1 hat einen Durchmesser von 60mm. Auf der Stirnfläche 2 der Katode 1 wird ein axialsymmetrisches M&gnefold 3 hoher Oberflächenparallelität mit Hilfe zweier, entgegengesetzt gepolter Helmholtzspulen 4 erze¹¹^t. Die Helmholtzspulen 4 mit einem Innendurchmesser von 200mm werden dabei unterhalb und oberhalb der Stirnfläche 2 derartig positioniert, daß das Abknicken der Feldlinier 3 genau in Höhe der Stirnfläche 2 erfolg ι und magnetische Induktionen im Bereich zwischen (1 und 0.1) mT parallel zur Stirnfläche 2 erzeugt werden.

Mit diesen Parametern wird bei dei Verdampfung von Aluminium mit einem Entladungsstrom von 8OA und unter einem Druck von 10³Pa ein gleichmäßiger und t> opfchcnarmer Abtrag der Katodo erzielt.

Claims (2)

1. Verfahren zur vakuumbogengestützten Verdampfung elektrisch leitender Materialien unter Verwendung zylinder- oder kegelstumpfartiger Katoden und zeitlich konstanter, axialsymmetrischer Magnetfelder, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlich konstanten, axialsymmetrischen Magnetfelder (3) parallel zur Stirnfläche (2) der Katode (1) erzeugt werden.

2. Vorrichtung zur vakuumgestützten Verdampfung elektrisch leitender Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb und unterhalb der Stirnfläche (2) der Katode (1) und koaxial zur Katode 1 zwei entgegengesetzt gepolter Helmholtzspulen (4) oder koaxial zur Katode (1) und in Höhe der Stirnfläche (2) der Katode (1) eine Toroidspule angeordnet sind.

2.1. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Toroidspule einen Kern aus dauormagnetischem Material aufweist.