DD277178A3

DD277178A3 - Verfahren zur steuerung einer vakuumlichtbogenentladung

Info

Publication number: DD277178A3
Application number: DD31326488A
Authority: DD
Inventors: Dietmar Schulze; Ruediger Wildberg; Werner Fleischer; Hans-Joachim Scheibe; Wolfgang Pompe; Peter Siemroth
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1988-03-01
Filing date: 1988-03-01
Publication date: 1990-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Vakuum-Lichtbogens, wie er in der Form sogenannter Kaltkatoden-Bogenverdampfer zum Verdampfen leitfaehiger Materialien, insbesondere von Metallen vielfaeltigen Einsatz, z. B. fuer die Zwecke der reaktiven plasmagestuetzten Hartstoffbeschichtung, Anwendung gefunden hat. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, welches durch sichere Steuerung der Brennfleckbewegung auf der Katode die Dropletbildung minimiert und die Katodenmaterialausnutzung erhoeht. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die Spannung zwischen Anode und Katode pulsierend angelegt und jeweils bei maximaler Spannung ein Laserimpuls oertlich definiert auf die Katodenoberflaeche gerichtet wird.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Vakuum-Lichtbogens, wie er in der Form sogenannter Kaltkatoden-Bogenverdampfer zum Verdampfen leitfähiger Materialien, insbesondere von Metallen, vielfältigen Einsatz, z. B. für die Zwecke der reaktiven plasmagestützten Hartstoffbeschichtung, Anwendung gefunden hat. Derartige Verdampfungssysteme zeichnen sich dadurch aus, daß eine Verdampfung von oben nach unten möglich ist und hohe Verdampfungsraten realisierbar sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Aufbau und Wirkungsweise von Verdampfern, die auf dem Prinzip der Vakuum-Lichtbogenentladung beruhen, sind vielfach beschrieben und weitgehend bekannt (z. B. VDI-Zeitung 129,1987,1,84).

Ihre Funktion beruht darauf, daß innerhalb eines Vakuumbehälters zwischen einer relativ großflächigen Katode, die aus dem zu verdampfenden leitfähigen Material besteht, und einer isoliert dazu angeordneten Anode durch bekannte Methoden ein Lichtbogen gezündet wird. Üblicherweise wird dazu eine anodische Zündelektrode kurzzeitig auf die Katode getippt. Es wurde auch vorgeschlagen, zur Zündung spezielle HF-Plasmen oder fokussierte Laserstrahlung einzusetzen (EP 211413).

Der Lichtbogen kann Stromstärken zwischen einigen 1OA und 100A bei Spannungen zwischen 20V und 50V leiten, tritt mit der Katode im sogenannten Brennfleck in Kontakt und führt dort zu einem erosiven Materialabtrag.

Durch die sehr hohe Energiedichte im Brennfleck, der einen Durchmesser von nur einigen pm hat, kommt es zur extrem schnellen Aufheizung, die zu einer explosionsartigen Verdampfung sowie Ionisierung des Katodenmaterials führt.

Die geladenen Teilchen im Plasma besitzen dabei eine hohe Energie und Dichte.

Eines der Probleme bei diesem Vakuum-Bogenentladungsprinzip wird dadurch hervorgerufen, daß der Brennfleck sich völlig stochastisch und unkontrollierbar auf der Katodenoberfläche bewegt. Diese sehr schnell verlaufende Bewegung führt zu einer Instabilität des Bogens und auch dazu, daß der Bogen ausbricht und Isolatoren, Abschirmungen u. ä. Einbauten in der Nähe der Katode beschädigt. Zur Beseitigung dieses Mangels sind bereits Vorschläge unterbreitet worden, die eine Begrenzung des Lichtbogens auf der Katodenfläche zum Inhalt haben. In der DE 3528677 werden z. B. Magnetfelder zur Bogenführung vorgeschlagen und in der DE 3345493 Begrenzungseinrichtungen aus speziellen Materialien mit niedrigen Elektronenemissionskoeffizienten eingesetzt. Gemeinsam ist diesen Vorschlägen, daß es zwar gelingt, die Brennfleckbewegung zu beeinflussen, jedoch nicht diese Bewegung des Bogens bzw. des Brennfleckes auf der Katode definiert zu steuern. So nit ist keine Sicherheit vorhanden, daß das AusDrechen des Bogens verhindert wird. Die Größe des Magnetfeldes z. B. reicht nicht immer aus, um den Erosionsbereich sicher zu begrenzen. Elektrisch aktive Begrenzungen können durch Bedampfen während des Betriebes der Entladung unwirksam werden. Im allgemeinen ist durch derartige Varianten aber der Katod'inbereich, in dem die Erosion eintritt, eingeschränkt. Dadurch sinken die Materialausnutzung an der Katode und die Effektivität des Verfahrens. Ein weiterer Nachteil des Vakuum-Bogenentladungsverdampfers besteht in dem bisher noch ungelösten Problem der Verminderung der Tröpfchenbildung, der sogenannten Droplets.

Droplets sind relativ große Materialteilchen, die durch den Katodenmechanismus, insbesondere durch die unterschiedlich große und nicht steuerbare Geschwindigkeit des Brennfleckes auf der Katode hervorgerufen werden und, wenn sie auf die Substrate auftreffen, die Schichtbildung stören und die Schichtqualität vermindern. Teilweise werden dadurch Substrat und Schicht unbrauchbar.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, auf beliebig lageorientierte Substrate Schichten homogener Dicke und hoher Rate plasmogestützt abzuscheiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, welches durch sichere Steuerung der Brennfleckbewegung auf der Katode die Dropletbildung minimiert und die Katodenmaterialausnutzung erhöht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Spannung zwischen Anode und Katode pulsierend angelegt und

jeweils bei maximaler Spannung ein Laserimpuls örtlich definiert auf die Katodenoberfläche gerichtet wird. Die Spannung zwischen Anode und Katode liegt dabei in der Regel unterhalb der Spannung, die für eine selbständige Zündung der Bogenentladung erforderlich ist. Das Spannungsminimum hat dabei einen Wert, der mii Sicherheit zum Verlöschen der Entladung führt. Bei den üblichen Bogenentladungsverdampfern liegen das Spannungsmaximum bei 100V und das Minimum bei 10 V. Die Brennzeit der Bogenentladung wird in Abhängigkeit vom Katodenmaterial und dem Oberflächenzustand der Katode im Bereich von einigen με eingestellt. Die Festlegung der pro Brennintervall (Impuls) umgesetzten Leistung ist über eine entsprechende Dimensionierung im Stromversorgungskreis der Vakuum-Lichtbogenentladung möglich. Durch die Einleitung des erfindungsgemäßen stark fokussierten Laserimpulses zum Zeitpunkt des Erreichens des Spannungsmaximums auf die elektrisch leitfähige Oberfläche, wird an dieser Stelle ein Plasma erzeugt. Die Plasmin", ent erreicht die Anode dos Bogenentladungsverdampfers und führt zur Zündung eines Vakuumlichtbogens zwischen Anode und der Auftreffstelle des Laserstrahles auf der Katode. Die Impulsdauer des Lasers ist dabei kurz gegenüber der Brenndauer des Vakuumbogens, der erst durch Absenken der Spannung zwischen Anode und Katode zum Verlöschen gebracht wird. Die Impulsfolgefrequenz ist in weiten Grenzen wählbar und lediglich durch die Leistungsfähigkeit des Lasers sowie die Zeit bestimmt, die benötigt wird, um die Energie für den Bogenverdampfer-Impuls bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird der Auftreffort des Laserimpulses auf der Katode zwischen zwei Zündimpulsen durch geeignete Mittel (z. B. Dreh- oder Schwingspiegel) verändert und die Katodenoberfläche gleichmäßig oder nach einem festgelegten Muster abgerastert. Dadurch wird erreicht, daß die Katode maximal als Materialquelle ausgenutzt sowie das Erosionsprofil bestimmten Erfordernissen gemäß gestaltet werden kann. Beispielsweise ist es möglich, αϊβββε Erosionsprofil der Katode so zu gestalten, daß die Verdampfungscharakteristik über den gesamten, zum Abtrag der Katode benötigten, Zeitraum konstant bleibt oder sich gezielt verändert. Durch die Steuerung der Brennfleckbewegung kann weiterhin gesichert werden, daß ein Ausbrechen des Bogens aus dem Katodenbereich unmöglich wird.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet erstmalig eine sichere Steuerung der Brennfleckbewegung auf der Katode, wobei sich die Droplet-Bildung deutlich reduziert. Das Katodenmaterial wird gezielt über die gesamte Fläche ausgenutzt. Durch die Steuerbarkait wird weiterhin eine weitgehende Regelbarkeit der Verdampfungsrate und Verdampfungscharakteristik erreicht.

Ausführungsbeispiel

In einer Hochvakuum-Bedampfungsanlage ist ein Kaltkatodenverdampfer, bestehend aus wassergekühlter Targetkatode und ringförmiger Anode, installiert. Die Stromversorgung für diesen Verdampfer ist so ausgelegt, daß die Zündspannung von 100V bei einer maximalen Strombelastung von lOOAimpulsförmig mit Impulslängen von einigen μβ zugeführt wird. Synchron, mit Erreichen des oberen Spannungsweries, wird ein Nd-YAG-Laserimpuls der Leistungsdichte von 10⁷Wcm~² auf die Katodenoberfläche gerichtet. Dadurch wird erfindungsgemeß der Vakuumlichtbogen gezündet und brennt bis zum Erreichen der unteren Schwellspannung. Die Laserimpulsdauer beträgt 500 ns und die Brenndauer des Vakuumlichtbogens etwa 10ps. Die Impulsfrequenz liegt im Beispiel bei 10Hz.

Die Einleitung des Laserstrahles auf die Katudenoberfläche erfolgt mittels Fokussiersystem und eines um zwei Achsen programmierbaren auslenkbaren Schwingspiegels sowie ein Lasereintrittsfenster. Damit kann die Katodenoberfläche programmiert punktförmig abgerastert werden. Mit diesem Verfahren, bei dem die Katode aus einem graphitischen Kohlenstoff besteht, wird eine Verdampfungsrate von 0,5g/min erreicht. Auf dem Substrat, welches in 10cm Abstand von der Katode angeordnet ist, wird eine Kohlenstoffschicht abgeschieden, die einen erhöhten Anteil an sp³-Bindungen aufweist und somit durch diamantartige Eigenschaften gekennzeichnet ist.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer Vakuum-Lichtbogenentladung mittels Beeinflussung der Lage des Brennfleckes auf der Katodenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung zwischen Anode und Katode pulsierend angelegt und jeweils bei maximaler Spannung ein Laserimpuls örtlich definiert auf die Katodenoberfläche gerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Spannung zwischen Anode und Katode unterhalb der Spannung einer selbständigen Zündung einer Bogenentladung liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Spannung zwischen Anode und Katode unterhalb der minimalen Brennspannung der Bogenentladung liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge der Auftrefforte des Laserimpulses gleichmäßig oder nach einem festgelegten Muster über die Katodenoberfläche geführt wird.