DD277472B5 - Verfahren zum Betreiben eines Vakuum-Bogenentladungsverdampfers - Google Patents

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Vakuum-Bogenentladungsverdampfers mit gesteuerter, lasergezundeter Anodenverdampfung Derartige Verdampfer eignen sich insbesondere fur die Herstellung homogener und dropletfreier Schichten, ζ Β fur optische Zwecke

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Aufbau und Wirkungsweise von Verdampfern, die auf dem Prinzip der Vakuumbogenentladung beruhen, sind vielfach beschrieben und weitgehend bekannt (z B VDI-Zeitung 129,1987,1, 89)

Das Verfahren der Verdampfung von Material mit Hilfe einer Vakuumbogenentladung weist gegenüber anderen Verdampferprinzipien (thermische Verdampfung, Plasmasputtern u a ) einige wichtige Vorteile auf Diese bestehen vor allem im relativ einfachen technischen Aufbau, einem hohen energetischen Wirkungsgrad sowie darm, daß das abgetragene Material nahezu vollständig ionisiert ist Weiterhin zeichnet sich das Vakuumbogenverfahren dadurch aus, daß der Verdampfer in beliebiger Lage betrieben werden kann Dies hat dazu gefuhrt, daß dieses Verfahren bereits in erheblichem Umfang technisch genutzt wird Es hat sich insbesondere fur solche Beschichtungsaufgaben bewahrt, bei denen relativ große Matenaldurchsatze gefordert sind, wie ζ B Hartstoff- und andere Schutzschichten auf Werkstucken mit komplizierter Oberflachengeometrie Es weist jedoch noch eine Reihe von Nachteilen auf, die zur Folge haben, daß insbesondere Beschichtungsaufgaben, bei denen hohe Anforderungen an die Homogenitat und Reproduzierbarkeit der erzeugten Schichten gestellt werden, nicht mit Vakuumbogenverdampfern gelost werden können Hierzu zahlen ζ B Aufgaben aus der Mikroelektronik und die Herstellung spezieller optisch aktiver Schichten

Eines dieser Probleme besteht darm, daß bei der explosionsartigen Verdampfung neben dem ionisierten Dampf praktisch auch immer makroskopische Spritzer (Droplets) vom Brennfleck ausgeworfen werden In der DE-OS 3 413 891 wird eine Anordnung vorgeschlagen, bei der der unter bestimmten Bedingungen freigesetzte Anodendampf zur Beschichtung genutzt werden soll Dazu wird zwischen einer relativ großflächigen Katode und einer Anode ein Vakuumbogen gezündet, wobei der anodische Ansatz des Bogens als Anodenfleck auf der Anode bzw dem derart befestigten Verdampfungsmaterial erfolgt, so daß aufgrund der hohen Leistungsdichte eine intensive Verdampfung einsetzt Voraussetzung fur die Freisetzung von nutzbarem Anodendampf in den Anodenflecken ist das Auftreten eines Anodenfalls, der bei Vakuumbogenentladungen infolge eines lonendefizits an der Anode entsteht Im vorliegenden Falle (DE-OS 3 413 891) erzeugt man das notwendige lonendefizit an der Anode dadurch, daß diese möglichst klein gestaltet wird Vorteilhaft ist bei dieser Anordnung, daß keine makroskopische Partikelemission auftritt Die Verdampfungsrate wird mit etwa 0,5 g/min bei I = 40 A angegeben, d h sie betragt mit ca 200 μηη/min etwa das Doppelte der des Katodenflecks Neben diesen offensichtlichen Vorteilen haften diesem Verfahren aber noch eine Reihe prinzipieller Mangel an In erster Linie ist hier zu nennen, daß wegen der hohen Energiekonzentration die gesamte Anode geschmolzen wird Damit entsteht das zusätzliche Problem der Halterung des zu verdampfenden Materials

Ein anderer Nachteil der gewählten Anordnung besteht dann, daß sie nur fur relativ geringe Verdampferleistungen geeignet ist Eine Erhöhung des Stromes hatte zur Folge, daß auch der Halter zum Schmelzen gebracht wurde Dadurch ist die mit einer Verdampfereinheit zu erreichende Aufdampfleistung kaum hoher, als die von Kaltkatodenverdampfern Das Aufschmelzen größerer Anodenbereiche stellt ein prinzipielles Problem bei der Ausnutzung der Anodenflecke dar, denn im Gegensatz zu den Katodenflecken sind Anodenflecke von Natur aus stationär, d h sie bewegen sich nicht oder nur langsam über die Elektrodenoberflache Daher kommt es insbesondere bei hohen Strömen schnell zu makroskopischen Aufschmelzungen, die Abtropfen von Anodenmatenal bzw sogar die Zerstörung der Anode zur Folge haben können Zur Umgehung dieser Nachteile wurde bereits vorgeschlagen, zwischen einer Hohl- bzw Glühkatode und einer großflächigen zu verdampfenden Anode eine Entladung zu zünden, die nicht zum Aufschmelzen der Anode ausreicht und mittels Laserstrahlimpulse auf der Anode Brennflecke initiiert werden, aus denen das Material explosionsartig verdampft Jedoch hat man bei dieser Variante die Nachteile des Auftretens von heißen Elektroden, die infolge begrenzter Standzeit die Effektivität des Verfahrens beschranken sowie die Notwendigkeit Inertgase als Plasmatrager einsetzen zu müssen, wodurch sich die Schichtquahtat durch Gaseinbau verschlechtern kann Außerdem kommt es bei reaktiv geführten Beschichtungsprozessen zu schädlichen Reaktionen des Reaktivgases mit den heißen Katoden, wodurch deren Standzeit weiter gesenkt wird

Darüber hinaus sind bei diesem vorgeschlagenen Verfahren zusätzliche Mittel zur Steuerung der Impulsentladung zwischen der zu verdampfenden Anode und einer weiteren Katode synchron zum Laserstrahlimpuls notwendig

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur plasmagestutzten Abscheidung von Schichten im Vakuum mit hoher Abscheiderate und großer Schichtgleichmaßigkeit anzugeben

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Vakuumbogenentladungsverdampfers anzugeben, mit dem eine gesteuerte Verdampfung der Anode realisiert werden kann Erfindungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelost, daß die Vakuum-Bogenentladung an der Katode mit bekannten Mitteln gezündet wird, in geeigneter Weise die Ausbreitung des Katodenplasmas so gesteuert wird, daß sich ein Anodenfall ausbildet, daß ein gesteuert auf die Anode gerichteter Laserimpuls zur Ausbildung eines Anodenbrennfleckes an der Auftreffstelle des Laserstrahles fuhrt und daß zurVermeidung einer großflächigen Schmelze die Bogenspannung abgeschaltet wird Nach der Zündung der Vakuumbogenentladung an der Katode, die in üblicher Weise mittels Triggerelektrode, HF-Entladung oder auch durch einen Laserimpuls, der auf die Katode gerichtet ist, und eine Energiedichte von mindestens 10⁸ W/cm² besitzt, erfolgen kann, kommt es zur Emission eines intensiven Plasmas aus dem Katodenspot (Katodenbrennfleck) Man kann davon ausgehen, daß die von der Katode emittierten Ionen sich im wesentlichen geradlinig ausbreiten Die Dichteverteilung des lonenstromes kann dabei gut mit einer Kosmusverteilung beschrieben werden, d h die meisten Ionen werden senkrecht zur Katodenoberflache emittiert Durch diese Ionen wird die Raumladung des Elektronenstromes vollständig neutralisiert, so daß dieser wegen der hohen Leitfähigkeit kaum Begrenzungen unterworfen ist Dagegen bedarf der Eintritt des Stromes in die Anode einer bestimmten Mindestplasmadichte Die ohne zusätzliche Felder mögliche maximale Stromdichte an der Anode ergibt sich aus dem Produkt von Ladungstragerdichte, die durch die Ionen bestimmt wird, und der thermischen Geschwindigkeit der Elektronen

Wird nun durch geeignete Mittel verhindert, daß mehr als 30-50 % des Katodenplasmas die Anode erreichen, kommt es zur Herausbildung eines Anodenfalles Dies ist dadurch erreichbar, daß die geometrische Anordnung von Katode zur Anode ungunstig durchgeführt wird, oder daß Plasmablenden zwischen diese Elektroden eingeführt werden Im Anodenfall werden die Elektronen beschleunigt, und mit der erhöhten Geschwindigkeit der Elektronen steigt auch die Stromdichte an Im weiteren hat dieser Anodenfall aber andere Konsequenzen Zum einen fuhrt er dazu, daß zumindest ein Teil der Ionen abgestoßen werden, womit sich die lonendichte unmittelbar vor der Anode weiter verringert und der Anodenfall in der Folge ansteigt Zum anderen heizt der Beschüß der Anode mit beschleunigten Elektronen diese thermisch auf Es kommt zur Verdampfung von Anodenmatenal, welches schnell ionisiert wird, so daß sich die Plasmadichte wieder erhöht Die Aufheizung erfolgt dabei inhomogen Insbesondere Bereiche mit schlechter Wärmeableitung, wie ζ Β Spitzen, Schichten, Einschlüsse heizen sich schnell auf Da die lokal erhöhte Plasmadichte auch zu einer Erhöhung der Stromdichte und damit zu weiterer Aufheizung fuhrt, bilden sich schnell sogenannte Anodenflecken d h Gebiete mit sehr hoher Verdampfung und hoher Stromdichte heraus Dabei werden Leistungsdichten erreicht, die denen der Katodenflecke nahekommen Erfindungsgemaß erfolgt vor einer zufälligen und unkontrollierten Herausbildung von Anodenflecken die Einleitung eines Energieimpulses auf die Anode in Form eines stark fokussierten Laserstrahles mit einer Energiedichte von mindestens 10⁸ W/cm² Dadurch wird erreicht, daß sich der Anodenfleck genau an der Auftreffstelle des Laserstrahles herausbildet und Anodenmatenal verdampft wird Da auch der Anodendampf relativ hoch ionisiert ist, können mit diesem Verfahren Schichten ähnlicher Qualität erzeugt werden, wie mit den herkömmlichen Vakuumbogenverdampfern mit Verdampfung der Katode Hinzu kommt, daß aus dem Anodenfleck, infolge des fehlenden lonendruckes, keine Spritzer (Droplets) austreten, die die Schichtqualitat ungunstig beeinträchtigen Ebenfalls tritt die stochastische Bewegung des Brennfleckes, die vom Katodenfleck bekannt ist, beim Anodenfleck nicht auf Erfindungsgemaß wird deshalb die Brennzeit des Vakuumbogens zur Vermeidung einer großflächigen Aufschmelzung der Anode zeitlich begrenzt Die kontinuierliche Verdampfung wird durch eine Folge vieler solcher impulsartiger Verdampfungen erzielt Durch die gezielte Verschiebung des Laserauftreffortes, damit des Zundortes von Entladung zu Entladung, wird ein gleichmäßiger Abtrag der Anode erzielt Neben der beschriebenen und gewünschten Verdampfung der Anode bleibt auch die Verdampfung der Katode von sich stochastisch bewegenden Katodenfleck erhalten Deshalb sollte in der Regel die Katode aus dem gleichen Material wie die Anode bestehen Anderenfalls wird zwangsläufig eine Mischschicht erzeugt, wobei auch die Anode vom Katodenmatenal und umgekehrt beschichtet wird Dieser Effekt kann gezielt zur Abscheidung von Misch- und/oder Legierungsschichten ausgenutzt werden

Da mit der Katoden-Verdampfung auch die Droplet-Bildung verbunden ist, muß zwischen Katode und Substrat eine geeignete Blende zur Abschirmung der Droplets angeordnet werden

Wenn die Droplets nicht unbedingt störend sind, dann kann mit dem verfahrensgemaßen Betreiben des Verdampfers durch Anoden- und Katoden-Verdampfung eine Hochleistungsverdampfung realisiert werden

Austührungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausfuhrungsbeispiel naher erläutert werden Die zugehörige Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer geeigneten Beschickungseinrichtung

Unter Nutzung der erfindungsgemaßen Verfahrensfuhrung soll auf einem Kochsalz-Substrat eine infrarot transparente Kohlenstoffschicht von 1 μηη Dichte mit hoher Homogenitat hergestellt werden

Die Zeichnung zeigt eine Beschichtungskammer 1 mit der Substrataufnahme 2 fur die zu beschichtenden Substrate 3 Der Vakuum-Bogenentladungsverdampfer besteht aus den zwei Hauptkomponenten Katode 4 und Anode 5 Der Katode 4 ist eine Zündelektrode 6 zugeordnet Zur Realisierung des Verfahrens ist weiterhin eine in der Hohe verstellbare Zylmderblende 7 konzentrisch um diese Anode 5 und zwischen dieser und der Katode 4 angeordnet, eine Ringblende 8 zwischen Katode 4 und den Substraten 3 sowie eine nicht naher dargestellte Lasereinrichtung, die einen Laserstrahiimpuls 9, der variabel ausrichtbar ist, auf die Anode richtet Zur Stromversorgung der Anode 5 und Katode 4 sind die Stromquellen 10 und 11 vorgesehen Nachfolgend soll das erfindungsgemaße Verfahren zum Betreiben der Einrichtung erläutert werden In bekannter Weise wird zwischen Katode 4 und Anode 5 mittels der Stromquelle 10 eine Spannung von 500 V angelegt Der Vakuumbogen kann jedoch erst mittels eines Hochspannungsimpulses von der Zündelektrode 6 gezündet und zwischen Anode 5 und Katode 4 aufrechterhalten werden Die Stromquelle 11 liefert einem Entladungsstrom, der zwischen 500 und 1 000 A liegen kann Damit ware die bekannte Kaltkatoden-Verdampfung zu realisieren Erfindungsgemaß wird jedoch zwischen der Katode 4 und der Anode 5 die freie Ausbreitung des Katodenplasmas durch die Zylmderblende 7 behindert, was zum Aufbau eines Anodenfalls an der Anode fuhrt Ein ausreichender Anodenfall wird im Beispiel erreicht, wenn max 20 % des Katodenplasmas die Anodenoberflache erreicht Zur Einstellung dieses Wertes, die in der Regel experimentell erfolgt, ist die Zylmderblende 7 höhenverstellbar ausgebildet Die Zylmderblende 7 kann auch aus einem Lochblech bestehen und die Anode 5 von der Katode 4 fast völlig abschirmen Nach Aufbau des Anodenfalls wird ein Laserstrahiimpuls 9 mit einer Energiedichte großer als 10⁸ W/cm² auf einem variablen Punkt der Anode gerichtet Dadurch bildet sich an dieser Stelle ein Anodenbrennfleck heraus, der durch lokale Aufschmelzung und intensive Verdampfung gekennzeichnet ist Nach etwa 10 ms wird die Spannungsquelle 11 zugeschaltet, die einen kurzen Stromimpuls auslost, der dem Bogenstrom entgegengerichtet ist Dadurch wird fur einige 100 με die Stromrichtung des Vakuumbogens umgekehrt, wodurch der oder die Brennflecke auf der Katode 4 verloschen und diese zeitweilig zur Anode wird Nach Beendigung des Stromimpulses aus der Stromquelle 11 liegt wieder negative Polarität an der Katode 4 an, es können sich jedoch keine neuen Brennflecke ausbilden und die Entladung verlischt

Wahrend die Stromquellen 10 und 11 nachgeladen werden, kann der Laser auf ein neues noch kaltes Gebiet der Anode ausgerichtet werden und der beschriebene Ablauf wiederholt sich

Zwischen der Zündung der Bogenentladung mittels Zündelektrode 7 und Auftreffen des Laserstrahlimpulses 9 liegt etwa eine Zeit von 1 ms

Zur Realisierung des konkreten Beispieles der Herstellung einer infrarot transparenten C-Schicht besteht die Katode 4 aus einem Wolframdraht und die Anode 5 weist ein Kohlenstofftarget auf Zur weitgehenden Ausschaltung der Abscheidung von Katodenmaterial auf dem Substrat 3 ist die Ringblende 8 vorgesehen Die Wirksamkeit der Ausblendung des Katodenmaterials durch die Ringblende 8 wie auch der Zylmderblende 7 ist sehr hoch Die derartig hergestellten C-Schichten sind fast völlig dropletfrei, homogen und können mit hoher Abscheiderate hergestellt werden

Claims (2)

1. Verfahren zum Betreiben eines Vakuum-Bogenentladungsverdampfers mit gesteuerter, lasergezundeter Anodenverdampfung, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenentladung an der Katode gezündet wird, durch geeignete Mittel die Ausbreitung des Katodenplasmas so gesteuert wird, daß sich ein Anodenfall ausbildet, daß ein gesteuerter, auf die Anode gerichteter Laserimpuls zur Ausbildung eines Anodenbrennfleckes an der Auftreffstelle des Laserstrahles führt und daß vor Ausbildung einer großflächigen Schmelze die Bogenspannung abgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Steuerung der Ausbreitung des Katodenplasmas eine Blende in das Plasma eingeführt wird.