DD277178A3

DD277178A3 - METHOD FOR CONTROLLING VACUUM ARC FLASH

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.The invention relates to a method for controlling a vacuum arc, as in the form of so-called cold cathode arc evaporator for evaporating Leitfaehiger materials, in particular of metals vielfaeltigen use, for. B. for the purposes of reactive plasma-assisted hard coating, application has found. It is an object of the present invention to provide a method which minimizes droplet formation by safely controlling the focal spot motion on the cathode and increases cathode utilization. According to the invention, the object is achieved in that the voltage between the anode and the cathode is applied in a pulsating manner and, at maximum voltage, a laser pulse is defined locally on the cathode surface.

Description

Field of application of the invention

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.The invention relates to a method for controlling a vacuum arc, as in the form of so-called cold cathode arc evaporator for evaporating conductive materials, especially metals, diverse use, eg. B. for the purposes of reactive plasma-assisted hard coating, application has found. Such evaporation systems are characterized in that an evaporation from top to bottom is possible and high evaporation rates can be realized.

Characteristic of the known technical solutions

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).Construction and mode of action of evaporators, which are based on the principle of vacuum arc discharge, are widely described and widely known (eg., VDI-newspaper 129, 198, 84, 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).Their function is based on the fact that an arc is ignited within a vacuum vessel between a relatively large-area cathode, which consists of the conductive material to be evaporated, and an anode arranged in isolation by known methods. Usually, an anodic ignition electrode is briefly tapped on the cathode for this purpose. It has also been proposed to use special HF plasmas or focused laser radiation for ignition (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.The arc can conduct currents between a few 10A and 100A at voltages between 20V and 50V, contacts the cathode in the so-called focal spot and leads to erosive material removal there.

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.Due to the very high energy density in the focal spot, which has a diameter of only a few pm, it comes to extremely rapid heating, which leads to an explosive evaporation and ionization of the cathode material.

Die geladenen Teilchen im Plasma besitzen dabei eine hohe Energie und Dichte.The charged particles in the plasma have a high energy and density.

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.One of the problems with this vacuum arc discharge principle is that the focal spot moves completely stochastically and uncontrollably on the cathode surface. This very fast movement leads to instability of the bow and also to the fact that the arc breaks out and insulators, shields u. Ä. Installations near the cathode damaged. To overcome this deficiency proposals have already been made, which have a limitation of the arc on the cathode surface to the content. In DE 3528677 z. B. magnetic fields for bowing proposed and used in DE 3345493 limiting devices made of special materials with low electron emission coefficient. Common to these proposals, although it is possible to influence the focal spot movement, but not to control this movement of the arc or the focal spot defined on the cathode. So nit no security exists that the AusDrechen of the bow is prevented. The size of the magnetic field z. B. is not always enough to safely limit erosion. Electrically active limitations may be rendered ineffective by vapor deposition during operation of the discharge. In general, however, such variants limit the range of catodine in which erosion occurs. This reduces the material utilization at the cathode and the effectiveness of the process. Another disadvantage of the vacuum arc discharge evaporator is the hitherto unresolved problem of reducing droplet formation, the so-called 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.Droplets are relatively large particles of material which are caused by the cathode mechanism, in particular by the different sized and uncontrollable speed of the focal spot on the cathode and, when impacting the substrates, interfere with the film formation and reduce the film quality. In some cases, the substrate and the layer become unusable.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, auf beliebig lageorientierte Substrate Schichten homogener Dicke und hoher Rate plasmogestützt abzuscheiden.The object of the invention is to deposit layers of homogeneous thickness and high rate plasma-supported on arbitrarily position-oriented substrates.

Explanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to find a method which minimizes Droplet formation by securely controlling the focal spot movement on the cathode and increases the Katodenmaterialausnutzung.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Spannung zwischen Anode und Katode pulsierend angelegt undAccording to the invention the object is achieved in that the voltage between the anode and the cathode applied pulsating and

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.each at maximum voltage, a laser pulse is locally defined directed to the cathode surface. The voltage between the anode and cathode is usually below the voltage required for a self-ignition of the arc discharge. The voltage minimum has a value which leads to the extinguishing of the discharge with certainty. In the conventional arc discharge evaporators, the maximum voltage at 100V and the minimum at 10 V. The burning time of the arc discharge is set in the range of a few microseconds depending on the cathode material and the surface state of the cathode. The determination of the per combustion interval (pulse) converted power is possible via a corresponding dimensioning in the power supply circuit of the vacuum arc discharge. By introducing the highly focused laser pulse according to the invention at the time of reaching the voltage maximum on the electrically conductive surface, a plasma is generated at this point. The plasmin "reaches the anode of the arc discharge evaporator and causes the ignition of a vacuum arc between the anode and the point of impact of the laser beam on the cathode, whereby the pulse duration of the laser is short compared to the burning time of the vacuum arc, which is reduced by lowering the voltage between anode and cathode The pulse repetition frequency is widely selectable and determined solely by the performance of the laser and the time it takes to provide the energy for the arc evaporator pulse.

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.According to the invention, the location of impact of the laser pulse on the cathode between two firing pulses is changed by suitable means (eg rotary or oscillating mirrors) and the cathode surface is scanned uniformly or according to a defined pattern. It is thereby achieved that the cathode maximally exploited as a source of material and the erosion profile can be designed according to certain requirements. For example, it is possible to design α Eβββε erosion profile of the cathode so that the evaporation characteristic over the entire, required for the removal of the cathode, period remains constant or changes purposefully. By controlling the focal spot movement can be further ensured that a breaking of the arc from the cathode area is impossible.

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.The solution according to the invention allows for the first time a secure control of the focal spot movement on the cathode, wherein the droplet formation is significantly reduced. The cathode material is specifically exploited over the entire surface. By Steuerbarkait far a broad controllability of the evaporation rate and evaporation characteristics is achieved.

Ausführungsbeispielembodiment

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.In a high-vacuum evaporation plant, a cold cathode evaporator consisting of water-cooled target cathode and annular anode is installed. The power supply for this evaporator is designed so that the ignition voltage of 100V at a maximum current load of lOOAimpulsförmig with pulse lengths of some μβ is supplied. Synchronously upon reaching the upper Spannungsweries is directed a Nd-YAG laser pulse, the power density of 10 Wcm ~ ⁷ ² on the cathode surface. As a result, according to the invention, the vacuum arc is ignited and burns until the lower threshold voltage is reached. The laser pulse duration is 500 ns and the burning time of the vacuum arc is about 10 ps. The pulse frequency is in the example at 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.The laser beam is introduced onto the surface of the cathode by means of a focusing system and a two-axis programmable deflectable oscillating mirror as well as a laser entrance window. Thus, the cathode surface programmed can be scanned punctiform. With this method, in which the cathode is made of graphitic carbon, an evaporation rate of 0.5 g / min is achieved. On the substrate, which is arranged at a distance of 10 cm from the cathode, a carbon layer is deposited, which has an increased proportion of sp ³ bonds and is therefore characterized by diamond-like properties.

Claims

1. A method for controlling a vacuum arc discharge by influencing the position of the focal spot on the cathode surface, characterized in that the voltage between the anode and cathode applied pulsating and each at maximum voltage, a laser pulse is locally defined directed to the cathode surface.

2. The method according to claim 1, characterized in that the maximum voltage between the anode and cathode is below the voltage of a self-ignition of an arc discharge.

3. The method according to claim 1, characterized in that the minimum voltage between the anode and cathode is below the minimum burning voltage of the arc discharge.

4. The method according to claim 1, characterized in that the sequence of incidence of the laser pulse is performed uniformly or according to a predetermined pattern on the cathode surface.