DD267262A1

DD267262A1 - Hohlkatodenbogenverdampfer und verfahren zum betreiben desselben

Info

Publication number: DD267262A1
Application number: DD31130687A
Authority: DD
Inventors: Dietmar Schulze; Ruediger Wilberg; Helmar Scheibner; Frank Schrade; Juergen Behnke; Henning Kagel; Wolfgang Becker
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1987-12-24
Filing date: 1987-12-24
Publication date: 1989-04-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hohlkatodenbogenverdampfer und ein Verfahren zum Betreiben desselben. Das Anwendungsgebiet ist aequivalent dem von bekannten Hohlkatodenbogenverdampfern fuer die dekorative und funktionelle Hartstoffbeschichtung. Die Erfindung erweitert dieses Einsatzgebiet insbesondere fuer Langzeit-Beschichtungen mit hohen Beschichtungsraten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohlkatodenbogenverdampfer und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, bei dem die Standzeit der Katode bei gleichbleibender Verdampfungsleistung wesentlich erhoeht wird. Erfindungsgemaess werden zugehoerig zu einem Anodentiegel mindestens zwei Hohlkatoden angeordnet, wobei diese eine gemeinsame stromgeregelte Spannungsquelle, regelbare Inertgaszufuehrungen und getrennte selbstaendig wirkende Umlenkmagnetfeld-Einrichtungen aufweisen. Die Heizstromversorgungen der Katoden sind getrennt einstellbar. Die verfahrensgemaesse Regelung der Stromverteilung auf die Katode erfolgt ueber die Variierung der Gaszufuhr zu den Katoden. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einon Hohlkatodenbogonverdampfer und ein Verfahren zum Betreiben desselben. Das Anwendungsgebiet ist äquivalent dem von bekannten Hohlkatodenbogenverdampfcrn für die dokorative'und funktionell Hartstoffbeschichtung. Die Erfindung erweitert dieses Einsatzgebiet insbesondere für Langzeit-Beschichtungen mit hohen Beschichtungsraten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Der Einsatz von Hohlkatodenbogenverdampfern für die Zwecke der plasmagestützten reaktiven Beschichtung, insbesondere mit Hartstüffschichten, ist seit langem bekannt und produktionswirksam geworden. Derartige Einrichtungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie dem bei dieser Beschichtungstechnik erforderlichen Gasdruck von einigen 10"' Pa optimal angepaßt sind und die technologisch erforderliche Plasmaerzeugung untrennbar mit der Metaüdampforzeugung verbunden ist. Dadurch ist eine hohe Plasmadichte sowie hohe lonensiromdichten zum Substrat realisierbar, die die Schichteigenschafton günstig beeinflussen. Die Verdampfungrate eines Hohlkatodenbogenverdampfers, wie auch bei einem Niedervoltbogenverdampfer, kann jedoch nicht willkürlich gesteigert werden. Die Grenzen sind aus der Bogenkennlinie (Kurve a und b in der Fig. 2) gut zu erkennen. Mit zunehmender Bogenstromstärke (über ~ 20ÜA/l_B) steigt die Bogenspannung U_B stark an, wodurch infolge von Abstäubeffekten die Standzeit der Katoden abnimmt. Die Kurven a und b in der Figur 2 zeigen prinzipielle Kennlinien der Hohlkatodenbogenentladung mit einer Katode. Die Hihlkatode wird von Inertgas durchströmt und die Zündspannung zwischen Katode und Anode angelegt. Durch direkten Stromdurchgang an der Katodenmündung erfolgt eine Aufheizunii, die zur Emission thermischer Elektronen führt. Dieso Elektronen erzeugen durch einen bekannten Lawinenmechanismus eine Gas ntladung innerhalb der sogenannten aktiven Zone der Hohlkatode und somit einen Stromfluß zur Anode. Im Verlaufe dieses Zündvorganges sinkt die Bogenspannung Ub mit zunehmendem Bogenstrom Ib entsprechend der jeweiligen Bogenkennlinie bis zum Erreichen einer minimalen Bogenspannung Ue_1nI_n bei einem Bogenstrom I3V Die Läge dieses Minimums und seine Höhe ist vom Gasdurchsatz durch die Katode sowie von deren Geometrie abhär.gig. Wird zur Erreichung einer bestimmten technologisch bedingten Verdampfungsrate ein höherer Bogenstrom I₈ benötigt (I_B > Ib*)· dann steigt die Bogenspannung U_B ansprechend Bogenkennlinie an. Das hat einen höherer. Katodenfall zur Folge und bedingt die zunehmende Belastung der Katode durch Zerstäubung infolge lonenbeschuß sowie durch Erhöhung der Katodentemp^ratur bis nahe an den Schmelzpunkt des Katodenmaterials. Disse Prozesse führen zu einem starken Ansteigen des Katodenvorschleißes und orhöhon die Ausfallhäufigkeit der Katode.

Es liegt der Gedanke nahe, zwei getrennte Katoden einzusetzen, die auch von zwei separaten stromgeregelten Spannungsversorgungen betrieben werden, um die Belastung der einzelnen Katode zu reduzieren. Zwei prinzipielle Schwierigkeiten haben aber den erfolgreichen Einsatz einer derartigen Variante verhindert. Erstens ist damit eine Verdoppelung des technischen Aufwandes verbunden und zum anderen müssen zusätzliche Regelungsmechanismen eingesetzt werden, die verhindern, daß die Katoden im Niecerstrombercich (I₈ < I₈*) arbeiten, du hier starke Plasmaschwingungen auftreten, die die Spannungsversorgungen zerstören können und daß bei Bedarf der Gesamtstrom variiert und auf beide Katoden paritätisch verteilt werden kann.

Die Möglichkeit der Steigerung der Eloktronenstromdichte durch Fokussierung des Elektronenstrcmes von Niedervoltbogenentladungen ist ebenfalls nicht möglich. Niederenergetische Elektronen bei hohen Bogenströmen Können nur geringfügig fokussiert werden. In der DE-PS 3206882 wird dazu vorgeschlagen, zusätzlich zur Niedervoltbogenentladung eine Elektronenstrahlkanone mit Elektronenenergien größer als 1 koV zur Verdampfung des Materials anzuordnen. Eine derartige Variante verlangt jedoch einen relativ hohen apparativen und steuerungstechnischer» Aufwand. Nach dem Stand der Technik ist die Beherrschung hoher Bogenströme auch durch geeignetes Katodenmaterial möglich. Anstelle der für dio Katorie üblicherweise eingesetzten metallischen Materialien, wie Wolfram oder Tantal, können keramische Werkstoffe, z. B. LaB₈ verwendet werden. Derartige Katoden sind mit hohen Stromstärken bis zu 1 kA belastbar ohne ihre

Standzeit von einigen 100h einzubüßen. Generell nachteilig aber ist, daß diese Werkstoffe nur in geringem Umfang verfügbar sind, ihre Bearbeitung äußerst kompliziert ist und infolge ihres materialbedington geringen Katodenfalls die Energie der zum Tiegel extrahierten Elektronen niedrig ist, wodurch die bereit« angesprochene Fokussierbarkeit des Elektronenbündels sich weiter verringert.

Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Verdampfungsrate wäre die Anordnung mehrerer Hohlkatodenbogenverdampfer im Parallelbetrieb. Aber auch hierbei ist ein unvertretbar hoher geräte- und steuerungstechnischer Aufwand erforderlich. Aus dom gesamten Stand der Technik ergibt sich, daß Langzeitbeschichtungen, z. B. für Durchlaufanlagen oder hohe ScMwhtdicken, immer mit der Gefahr verbunden sind, daß Katodenausfälle auftreten. Damit werden die Beschichtungsprozesse unterbrochen, was oft zu unheilbaren Beschichtungsfehlern führt.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, Vakuumbeschichtungen mit Hohlkatodenbogenverdarr ofern mit hoher Beschichtungsrate und hoher Verfahrenssicherheit zu realisieren.

Darlegung dos Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohlkatodenbogenverdampfer und oin Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, bei dem die S.andzeit der Katode bei gleichbleibender Vardampfungslaistung wesentlich erhöht wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zugehörig zu einem Anodentiegel mindestens zwei Hohlkatoden angeordnet werden, wobei diese eine gemeinsame stromgeregelte Spannungsquelle, eine regelbare Inertgaszuführung und getrennte selbständig wirkende Umlenkmagnetfeld-Einrichtur.Qen aufweisen. Die Heizstromversorgungen de;· Katoden sind getrennt einstellbar. Die Anordnung der Katoden zum Anodentiegel erfolgt vorteilhafterweise symmetrisch. In der praktischen Realisierung werden die Katoden an den Minuspol der stromgeregelten Spannungsversorgung und der Anodentiegol an den Pluspol gelegt.

Mit dieser erfindungsgemäßen Einrichtung wurde überraschenderweise die Standzeit der Katoden nicht entsprechend der Katodenzahl bei gleicher Verdampferleistung multipliziert, sondern wesentlich darüber hinaus erhöht. In der Figur 2 ist im Diagramm mit der Kurve c die gemeinsame Bogenkennlinie beim erfindungsgemäßen Hohlkatodenbogenverdampfer mit zwei Katoden angegeben. Die Kurven a und b stellen dabei die Einzelkurven dar, wenn die Katoden jeweils separat und einzeln betrieben werden. Während bei Kurve c die minimal Sogenspannung U_Bmiii = 22 V einen Bogenstrom von I_B* = 265 A bewirkt, ist ein derartig ir Bogenstrom beim Einzelbetrieb der Katoden (Kurven a und b) gar nicht realisierbar. Aber auch einen denkbaren Parallelbetr eb der zwei Katode", al? selbständige Elemente mit jeweils dem halben Bogenstrom von l_e/2 = 265/2 = 132.5A je Katode, liegt die minimale Bogenspannung U_Omin bei je 30V gegenüber 22 V bei der erfindungsgemäßen Lösung. Das wiederum führt zu einer entsprechend höheren Belastung der Katoden, die nicht linear, sondern exponentiell veiläuft.

Wird beim Betrieb des erfindiingsgemäßen Hohlkatodenbogenverdampfen technologisch bedingt eine geringere Bogenstromstärke als I_B* erforderlich, dann wird in der erfindungsgemäßen Verfahrensführung über die Drosselung der Gaszufuhr an einer Katode, diese zum Erlöschen gebracht. Damit übernimmt die zweite oder die weiteren Katoden den gesamten Bogenstrom I_B und der Bereich der starken Plasma?rhv:ingungen wird vermieden. Durch Heizen dar verlöschten Katode ist bei wiederum erhöhtem Strombedarf eine Zündung dieser Katode einfach erreichbar.

Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit zur Regelung des Hohlkatodunbogenverdampfers besteht darin, daß die Strombelastung jeder einzelnen Katode durch Variation des Gasdurchsatzes durch dieselbe vei ändert oder variiert wird. Andererseits können bei Bedarf auch die durch geometrische Unterschiede hervorgerufenen Ungleichmäßigkeiten in der Stromverteilung auf die einzelnen Katoden über einen geregelten Gasdurchsatz ausgeglichen werden, so daß eine Nutzung der Katoden bis zum totalen Verschleiß möglich wird. Fällt eine Katode während des Prozesses aus, so übernehmen die verbliebenen, entsprechend dem Dargelegten, den Gesamtstrom, so daß keine Störung des Beschichtungsprozesses auftritt. Zu jeder Katode gehört eine Einrichtung, die oin transversales Magnetfeld erzeugt, welches der Bogenführung und somit der Optimierung dos Vordampfungsprozesses dient. Üblicherweise wird durch diesos Magnetfeld ein möglichst kurzer Bogenweg zwischen Katodenmündung und Anodentiegel realisiert. Oftmals ist es aber auch erforderlich, die lonisieryngsrate des Plasmas dadurch zu erhöhen, daß der Weg des Bogens und dadurch die effektive ionisierungslänge der Elektronen vergrößert wird. Dies wird gleichfalls durch Verändern des transversalen Magnetfeldes erreicht. In der erfindungsgemäßen Einrichtung ist eine Aufgabenteilung der einzelner; Bögen dadurch möglich, daß ein Bogen mittels seinem transversalen Magnetfeld aus dem Tiegel ausgelenkt und zur zusätzlichen Ionisierung des Metalldampfec genutzt wird, während die weiteren Bögen die Verdampfung des Metalls aufrechterhalten.

Dient die erfindungsgemäße Einrichtung ausschließlich dem Zweck, die Standzeit der Einzelkatoden zu erhöhen und die Verfahrenssicherheit zu vergrößern, dann ist eine symmetrische Anordnung der einzelnen Katoden sowie ihrer magnetfelderzeugendon Einrichtungen zum Anodentiegel die konstruktiv optimale Lösung, obwohl von der Symmetrie abweichende Anordnungen funktionell möglich sind.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll in einem Ausfuhrungsbeispiel näher orläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in

Fig. 1: einen Hohlkatodenbogenverdampfer mit zwei Katoden, Fig. 2: die zugehörigen Bogenkennlinien.

In Fig. 1 ist ein Hohlkatodenboganverdampfer mit zwoi Katoden in erfindungsgemäßer Betriebsschaltung dargestellt, in der Vakuum-Beschichtungskarnmer 1 mit den negativ vorgespannten Substraten 2 und einem Reaktivgaseinlaß 3 ist der erfindungsgemäße Hohlkatodenbogenverdampfer mit dem Anodentiegel 4 und dazu symmetrisch die Katoden 5 und 6 angeordnet. Beide Katoden 5 und 6 liegen gemeinsam am Minuspol der stromgere^elten Spannungsqueile 7. Des weiteren besitzen beide Katodan 5 und 6 eine Inertgaszuführung 8. Die Heizstromzuführungen 9 und 10 zu den Katoden sind von der Heizstromquelle 11 aus getrennt steuerbar. Ebenso werden die Umlenk-Magnetfeldeinrichtungen 12 und 13 getrennt und selbständig angesteuert, was in der Fig. 1 jedoch nicht näher dargestellt ist.

Nachfolgend wild der Hohlkatodenbogenverdampfer im Betrieb vorgestallt. In Fig. 2 sind dazu die Bogenkennlinien der einzolnen Katoden, in Kurve a für die Katode 5 und in Kurve b für die Katode 6. In Kurve c ist die Bogenkennlinie für die e.'findungsgemäße Zusammenschaltung dargestellt.

Der Gasdurchsatz durch jede der beiden Katoden 5 und 6 wurde mit 80 Puls"¹ festgelegt. Jede oinzelne Kotode besitzt ein Minimurr· der Bogenspannung, entsprechend Fig.2 (Kurve a und b) bei U* - 130A. Beide Katoden gemeinsam, betrieben an einer gemeinsamen, stromgeregelten Spannungsquelle, weisen ein Minimum bei Ie* = 260 A auf. Jede der Katoden ist separat heiz-und zündbar.

Der Prozeß der plasmagestützten reaktiven Beschichtung mit dem Hoh'.katodenbogenverdampfer läuft gererell in zwei Teilschritten ab. Erstens — der lonenbeschußreinigung der Substratoberflächen durch Inertgasionen hoher Energie und zweitens — der eigentlichen Beschichtung mit Unterstützung von Mete llionen geringer Energie. Es wird demzufolge eine Katode, Katode 5 oder Katode 6, durch Heizen und Anlegen der Zündspannung gezündet, mit der zugehörigen magnetfelderzeugenden Einrichtung {12 oder 13) wird der Weg der Bogenentladung 14 festgelegt. Bei U₈ = 30V und I₈ - 100A arfolgt keine Verdampfung des Metalles sondern lediglich eine intensive Ionisierung des Inertgases. Die so erzeugten Ionen werden durch die negativ votgespannten Substrate 2 extrahiert und beschleunigt. Nach Abschluß des lonenbeschuß-Rcinigungsprozesses wird die zweite Katode (5 bzw. 6), die bereits an die Stromversorgung mit der Bogenspannung Ug = 30V angeschlossen ist, durch öffnen des Gasdurchlasses gezündet. Gleichzeitig wird ein Strom I₈ von 300 A mit der Spanriungsquelle 7 angesteuert. Beide Bogenentladungen realisieren diesen Strom bei einer Bogenspannung von U₈ = 33 V. Die Magnetfelder werden mittels Magneifeldeinrichtungen 12 un 113 symmetrisch betrieben und der Gasdurchsatz durch jede K^tcdo so geregelt, daß sich die Bogenstromstärken auf beide Kai öden paritätisch verteilen. Dazu werden erforderlichenfalls in die Inertgaszu'gitungen zu den Katoden 5 und 6 Drosselventile eingebaut.

Mit den ang ebenen Verfahrensparametem ist es mit der Einrichtung möglich, eine mittlere Verdampfungsrate für Titan von 0,8g/min, bei einer mittleren Standzeit der Katoden von 25 Stunden, zu erreichen. Diese Werte liegen wesentlich über den bisher bekannten Parametern und führen insbesondere zu einer wesentlichen Erhöhung der Verfahrenssicherheit.

Claims

1. Hohikatodenbogenverdampfer, dadurch gekennzeichnet, daß zugehörig zu einem Anodentiegel (4) minr'ostens zwei Hohlkatoden (5,6) zugeordnet werden, die eine gemeinsame stromgeregelte Spannungsquelle (7), regelbare Inertgaszuführungen (8) besitzen und getrennte selbständig wirkende Umierik-Magnetfeldeinrichtungen (12,13) aufweisen.

2. Hohikatodenbogenverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstromversorgungen der Katoden (5,6) getrennt einstellbar sind.

3. Hohikatodenbogenverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katoden (5,6) zum Anodentiegel (4) symmetrisch angeordnet sind.

4. Verfahren zum Betreiben eines Hohikatodenbogenverdampfors nach Anspruch 1, dadurch gekonnzeichnet, daß der wahlweise oder parallele Betrieb der Katoden (5,6) durch Anlagen der Heizspannung bestimmt wird.

5. Verfahren zum Betreiben eines Hohlkatodenverdampfers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die paritätische Stromverteilung auf die einzelnen Katoden (5,6) über den Gasdurchsalz jeder einzelnen Katode (5,6) geregelt wird.