DD265507A1

DD265507A1 - Verfahren und vorrichtung zur vakuumbogengestuetzten verdampfung elektrisch leitender materialien

Info

Publication number: DD265507A1
Application number: DD30764587A
Authority: DD
Inventors: Bernd Rother; Juergen Fiedler; Jan Siegel; Wolfgang Pfau
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1987-10-05
Filing date: 1987-10-05
Publication date: 1989-03-01

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung zur vakuumbogengestuetzten Abscheidung elektrisch leitender Materialien finden insbesondere zur Abscheidung schuetzender und dekorativer Ueberzuege, z. B. von Hartstoffschichten auf Werkzeugen oder Schmuckgegenstaenden, Verwendung. Erfindungsgemaess werden zeitlich veraenderliche nichtaxialsymmetrische Magnetfelder parallel zur Stirnflaeche der Katode erzeugt, wozu die verlaengerten Polschuhe von drei in Abstaenden von 120 befindlichen Spulen in Hoehe der Stirnflaeche um die Katode angeordnet sind oder die drei Spulen sich auf einem ringfoermigen Kern befinden, welcher koaxial in der Hoehe der Stirnflaeche der Katode befestigt ist.

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 Katodenflocken einer unter Vakuumbedingungen brennenden Bogenentladung urweisen 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 (10⁶bis 10⁷)AcrrT^? auftreten, bewegen sich während der Entladung auf den meisten Katodenmaterialien mit Geschwindigkeiten von (10 bis 100) ms"', wobei die Richtung der Bewegung willkürlich ist. Auf bestimmten Materialien, wie beispielsweise Eisen oder Kohlenstoff, werden dagegen erheblich verminderte Fleckgeschwindigkeiten beobachtet.

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

Neben anderen Faktoren wirkt dio 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 Makroteilchenemission ausüben.

Dieser Zusammenhang führte zu einer Reihe von Entwicklungen, die eine Beschleunigung der Bewegung der Katoi Jenflecken bei gleichzeitigem möglichst gleichmäßigen 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. .

Bewegte Magnetfelder sind dazu wegen der guten Steuerbarkeit der Fleckbewegung geeignete Möglichkeiten.

Für die weitverbreitete Quellanordnung, die mit ⁷/linderförmiger Katode und Stirnfläche der Katode als Arbeitsfleche arbeitet, wird dazu vorgeschlagen:

1. Reduzierung der Dicke der Katode und Bewegung eines exzentrisch unterhalb der Katode angeordneten Dauermagneten (WO-PS 85/3954, SU-PS 363375).

2. Anordnung eines großflächigen Elektromagneten mit bis an die Unterseite der Katode herangeführten Polschuhen unterhalb einer ausgedehnten Katode. Die verschiedenen vorgeschlagenen Spulenkombinationen können mit Wechselstrom betrieben werden (DE-OS 3528677, US-PS 4312731).

Bei allen diesen Lösungen werden die Magnetfelder unterhalb der Katodenobsrfläche erzeugt.

Infolgedessen wird nicht die gesamte Magnetfeldstärke parallel zur Arbeitsoberfläche wirksam. Gleichzeitig kommt es zu einem örtlich inhomogenen Katodenabtrag, was sich negativ auf die Reproduzierbarkeit des Prozesses auswirkt.

Den in der WO 85/3954 und der SU-PS 363375 vorgeschlagenen mechanisch bewegten Teilchen unterhalb der Katodenoberfläche haftet neben den Nachteilen des Magnetfeldes die Kompliziertheit in der technischen Ausführung an.

Die in WO 85/3954, DE-OS 3528677 und US-PS 4312731 vorgeschlagenen Magnetfelderzeuger stellen insgesamt sehr komplizierte Ausführungsformen dar, die außerdem nicht für die Verdampfung magnetischen Materials geeignet sind. Da die Katoden direkt an der Unterseite gekühlt werden, diese wegen günstiger Magnetfeldformen möglichst flach sein müssen und gleichzeitig ein örtlich inhomogener Materialabtrag zu verzeichnen ist, kann das Katodenmaterial nur teilweise zur Verdampfung genutzt werden.

Einer der vorgeschlagenen Lösungen am nächsten kommen eine Anordnung zur Dampfstrornablenkung nach der US-PS 3556048 mittels eines permeablen Kreisringes, auf welchem 3 Spulen angeordnet sind, und eine von Finkeinburg

(W. Finkeinburg, Hochstromkohlebogen, Springer, Berlin 1948, S. 147-149) beschriebene Anordnung zur Steuerung von Lichtbogenbeleuchtunjisqueücin unter Verwendung mehrerer Katoden.

Die in der US-PS 3556048 beschriebene Anordnung zur Ablenkung von Ionen enthaltenden Dampfstrahlen sind oberhalb der Verdampferquelle angeordnet, wodurch keine Steuerung des Verdampfungsvorganged selbst möglich ist.

Die von Finkeinburg beschriebene Anordnung ist zur Steuerung des Lichtbogens mit einer Dreiphasenstromversorgung unter Verwendung von zwei nichtpermeablen Kreisringen, auf denen jeweils 3 Spulen angeordnet sind, vorgesehen. Die eigentliche Leuchtquelle besteht dabei aus 3 Brennstäben, die periodisch wechselnd als Anode oder Katode geschaltet werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die bei einer Vakuumbogenentladung auftretende Makroteilchenemission zu steuern und damit die Abscheidung hochwertiger Schutzschichten zu ermöglichen. Gleichzeitig soll ein gleichmäßiger Katodenab'.rag eine reproduzierbare Prozeßführung und hohe Ausnutzungsgrade des Katodenmaterials garantieren.

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 Katodenmaterials vor: Her Stirnseite einer zylinder- oder kegelstumpfartigen Katode bei gleichzeitiger Reduzierung oder Steuerung der Makroteilchenemission erfolgt.

erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem zeitlich veränderliche, nichtaxialsymmetrische Magnetfelder parallel zur Arbeitsfläche einer zu verdampfenden zylinder- oder kagelstumpfförmigon Katode erzeug» w irden.

Der im Katodenfleck senkrecht zum äußeren magnetischen Feld fließende Strom wird infoige der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld parallel zur Oberfläche verschoben. Dadurch wird der in den Katodenflecken ablaufende Mechanismus der punktförmigen Materialüberhitzung und Makroteilchenemission stark unterdrückt. Bei Katodenmaterialien mit geringer Fleckgeschwindigkeit wird durch derartige Magnetfeldanordnungen ein gleichmäßiger Abtrag überhaupt orst möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels zweier Anordnungen realisiert.

Zur Erzeugung nichtaxiaisymmetrischer Magnetfelder hoher Parallelität zur Stirnfläche einer zu verdampfenden Katode werden die verlängerten Polschuhe dreier mit phasenverschobenem Wechselstrom betriebenen Spulen parallel und in Höhe der Stirnfläche an die Katode herangeführt. Der Winkel zwischen den Polschuhen beträgt dabei 120°. Mit Hilfe der phasenverschobenen Wechselströme wird ein magnetisches Drehfeld erzeugt. Dieses zwingt die Katodenflecken auf Kreisbahnen, wodurch der Mechanismus der Makroteilchenemission stark unterdrückt wird.

Eine hohe Parallelität zur Stirnfläche einer zylinderfö migen Katode kann ebenfalls durch eine Spulenanordnung erreicht werden, din aus drei auf einem ringförmigen Kern angeordneten Spulen besteht. Dabei muß dieser Kern koaxial und in Höhe der Stirnfläche der Katode angeordnet sein. Durch Bewegung dor Spulen mit phasenverschobenon Wechselströmen wird ein magnetisches Drehfeld erzeugt, wodurch ähnliche Effekte wie die für die vorherige Anordnung beschriebenen auftreten.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiol näher erläutert

Es zeigen

Fig. 1: die Prinzipskizze der Anordnung und

Fig. 2: einen qualitativen Magnetfeldlinienverlauf in Höhe der Stirnfläche der Katode.

Die zu verdampfende Katode 1 hat einen Durchmesser von 50 mm. Parallel zur Katode 1 sind um jeweils 120° versetzt 3 Spulen 3 angeordnet. Die Kerne dieser Spulen 3 sind auf der der Stirnfläche 2 zugokehrten Seite in Form von Polschuhen 4 an die Stirnfläche 2 der Katode 1 herangeführt. Auf der der Stirnfläche 2 abgekehrten Seite sind die Spulenkerne mittels eines magnetischen Leiters 5 untereinander verbunden. Die Spulen 3 werden mit jeweils um 120° versetztem Strom gespeist. Das in Höhe der Arbeitsfläche 2 erzeugte Magnetfeld 6 ist infolgedessen ein Drehfeld, welches den Katodenfleck auf eine Kreisbahn zwingt. DiF i'jjulon 3, die Polschuhe 4, der magnetische Leiter 5 sowie die Erregerströme sind dabei so bemessen, daß maximale magnetische Induktionen von (1 bis 0,1) mT parallel zur Stirnfläche 2 der Katode 1 erzeugt werden. Mit diesen Parametern wird bei der Verdampfung von Aluminium mit einem Entladungsstrom von 8OA und unter einem Druck von 10 "³Pa ein gleichmäßiger und tröpfchenarmer Abtrag der Katode erzielt.

Claims

1. Verfahren zur vakuumbogengestützten Verdampfung elektrisch leitender Materialien unter Verwendung zy'inder- oder kegelstumpfartiger Katoden und zeitlich veränderlicher, nichtaxialsymmetrischer Magnetfelde', dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlich veränderlichen, nichtaxiaisymmetrischen MagnetfeldJr parallel zur Stirnfläche (2) der Katode (1) erzeugt wurden.

2. Vorrichtung zur vakuumbogengestützten Verdampfung elektrisch leitender Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß die verlängerten Polschuhe von drei in Abständen von 120° befindlichen Spulen (3) in Höhe der Stirnfläche (2) um die Katode (1) angeordnet sind oder die drei Spulen (3) sich auf einem ringförmigen Kern befinden, welcher koaxial in der Höhe der Stirnfläche (2) der Katode (1) befestigt ist.