DD278221A1

DD278221A1 - METHOD FOR UTILIZING AN AXIAL HOLLOW-CATHODIC BODY DISCHARGE EVAPORIZER ASSEMBLY

Info

Publication number: DD278221A1
Application number: DD32342088A
Authority: DD
Inventors: Peter Paetzelt; Horst Hermann; Dietmar Schulze; Ruediger Wilberg
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1988-12-19
Filing date: 1988-12-19
Publication date: 1990-04-25
Also published as: DD278221B5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuendung einer axialen Hohlkatoden-Bogenentladungsverdampferanordnung, insbesondere fuer groessere Abstaende zwischen der Anode und Katode. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, dass bei relativ geringem technischem Aufwand eine sichere Zuendung einer Hohlkatoden-Bogenentladung zwischen Anode und Katode mit groesserem axialem Abstand gestattet. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass beim Erreichen der erforderlichen Temperatur der aktiven Zone der Hohlkatode zwischen Katode und Anode kurzzeitig ein oder mehrere koaxiale Magnetfelder aufgebaut werden, und dass unmittelbar nach dem Zuenden der Bogenentladung die Katodenheizung und die magnetfelderregenden Stroeme abgeschaltet werden. FigurThe invention relates to a method for stopping an axial hollow cathode arc discharge evaporator arrangement, in particular for larger distances between the anode and cathode. The invention has for its object to provide a method that allows for relatively small technical effort secure Zuzusung a hollow cathode arc discharge between the anode and cathode with larger axial distance. According to the invention, the object is achieved in that one or more coaxial magnetic fields are briefly established upon reaching the required temperature of the active zone of the hollow cathode between the cathode and anode, and that immediately after the end of the arc discharge, the cathode heating and the magnetic field exciting currents are switched off. figure

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zündung einer axialen Hohlkatoden-Bogenentladungs-Verdampferanordnung, insbesondere für größere Abstände zwischen der Anode und Katode. Die Erfindung ist überall dort anwendbar, wo aufgrund der Anlagengeometrie die Hohlkatode vorteilhafterweise axial zur Anode, d. h. in der Regel vertikal über dem anodischen Verdampfertiegel angeordnet weroen soll und deren Abstände zueinander so groß sind, daß eine normale Hohlkatoden-Bogenentladung nicht mehr gezündet werden kann.The invention relates to a method for igniting an axial hollow cathode arc discharge evaporator arrangement, in particular for larger distances between the anode and cathode. The invention is applicable everywhere where due to the geometry of the system, the hollow cathode advantageously axially to the anode, d. H. usually placed vertically above the anodic vaporizer crucible should be and their distances from each other are so large that a normal hollow cathode arc discharge can not be ignited.

Characteristic of the known state of the art

Die Anwendung des Hohlkatoden-Bogenentladungs-Verdampfers hat innerhalb der PVD-Verfahren industrielle Bedeutung erlangt. Ihr Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Hohlkatoden-Bogenentladungs-Verdampfer neben der Verdampfung des Anodenmaterials eine intensive Plasmaerzeugung gewährleisten und damit das Verdampfungsmaterial zu einem hohen Anteil ionisieren. Der Grad der Ionisation der verdampften Materialmenge und die Aktivierung der Reaktionsparameter ist dabei so optimal eingestellt, daß eine hohe Haftfestigkeit und zweckmäßige Orientierung der Gitterstruktur der Schicht erreicht werden. Das ist die Grundlage dafür, daß die Schichtabscheidung auf negativ vorgespannten Substraten mit hoher Haftfestigkeit erfolgt und im Falle der reaktiven Schichtabscheidung eine gute Reaktion der beteiligten Elemente erzielt wird. Ein weiterer Vorteil ist die relativ kompakte Bauart, die es auch gestattet, die Katode unmi\*elbar neben der Anode anzuordnen, so daß der Bogen mit einer magnetfeldgesteuerten 180°-Umlenkung brennt. Problematisch im jedoch die Zündung der Hohlkatoden-Bogenentladung, wenn die Abstände zwischen Anode und Katode zu groß werden. Das ist immer dann der Fall, wenn aus anlagenspezifischen Bedingungen heraus die Hohlkatode, z. B. im oberen Teil einer technischen Beschichtungsanlage angeordnet werden soll, während die Anode am Kammerboden angeordnet ist.The use of the hollow cathode arc discharge evaporator has gained industrial importance within the PVD process. Their advantage consists, in particular, in that the hollow cathode arc discharge evaporators, in addition to the evaporation of the anode material, ensure intensive plasma generation and thus ionize the evaporation material to a large extent. The degree of ionization of the evaporated amount of material and the activation of the reaction parameters is optimally adjusted so that a high adhesive strength and appropriate orientation of the lattice structure of the layer can be achieved. This is the basis for the fact that the layer deposition on negatively biased substrates with high adhesive strength and in the case of reactive layer deposition, a good response of the elements involved is achieved. Another advantage is the relatively compact design, which also allows the cathode to be positioned next to the anode so that the arc burns with a 180 ° magnetic field controlled deflection. The problem, however, the ignition of the hollow cathode arc discharge when the distances between the anode and cathode are too large. This is always the case when out of plant-specific conditions out the hollow cathode, z. B. is to be placed in the upper part of a technical coating system, while the anode is arranged on the chamber floor.

Aus der DE-PS 2823876 ist bekannt, daß bei einer Niedervolt-Glühkatoden-Bogenentladungs-Verdampfung mit axialer Anordnung von Glühkatode und Anodentiegel eine gesonderte Glühkatodenkammer ausgebildet wird, die zur Anode hin eine Öffnung zum Durchtritt des Elertronenstromes aufweist. Zum Zwecke der Zündung der Bogenentladung wird die Glühkotode aufgeheizt und nach Erreichen der erforderlichen Emissionstemperatur wird kurzzeitig an den Teil der Glühkatodenkammer, der die Öffnung zur Anode aufweist, die Anodenspannung angelegt. Damit zündet die Bogenentladung und ein Plasma vird ausgebildet. Dieses wiederum ermöglicht nach Umschalten der Anodenspannung von der Glühkatodenkammer auf den Tiegel, daß die Bogenentladung zwischen der Glühkatode und dem Anodentiegel weiterbrennt.From DE-PS 2823876 it is known that in a low-voltage Glühkatoden arc discharge evaporation with an axial arrangement of Glühkatode and anode crucible a separate Glühkatoden chamber is formed, which has an opening to the passage of the Elertronenstromes to the anode. For the purpose of ignition of the arc discharge, the Glühkotode is heated and after reaching the required emission temperature is briefly applied to the part of the Glühkatodenkammer having the opening to the anode, the anode voltage. This ignites the arc discharge and a plasma vird formed. This in turn allows after switching the anode voltage from the Glühkatodenkammer on the crucible, that the arc discharge between the Glühkatode and the anode crucible continues to burn.

Nachteilig ist hierbei, daß die Glühkatodenkammer konstruktiv die Beschichtungskammer verändert. Ein einfaches Nachrüsten in vorhandene Anlagen ist nicht möglich. Des weiteren ist die zusätzliche Stromversorgung der Glühkatodenkammer mit Anodenpotential mit erheblichen Aufwand verbunden.The disadvantage here is that the Glühkatodenkammer constructively changes the coating chamber. Simple retrofitting into existing systems is not possible. Furthermore, the additional power supply of the Glühkatodenkammer with anode potential associated with considerable effort.

Die DE-PS 2823876 weist weiterhin konzentrisch außerhalb der Beschichtungskammer Magnete auf, die eine unkontrollierte Ablenkung des Elektronenstromes von der Katode zur Anode verhindern sollen. Auf den Zündmechanismus haben diese Magnete keinen Einfluß.The DE-PS 2823876 also has concentrically outside the coating chamber magnets which are intended to prevent an uncontrolled deflection of the electron current from the cathode to the anode. On the ignition mechanism, these magnets have no influence.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung verfolgt das Ziel, die bekannten Hohlkatoden-Bogenentladungs-Verdampfer auch in Anlagen zu nutzen, die einen größeren axialen Abstand von Anode zu Katode erfordern.The invention aims to use the known hollow cathode arc discharge evaporators also in systems that require a greater axial distance from anode to cathode.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, daß bpi relativ geringem technischen Aufwand eine sicheie Zuendung einer Hohlkatoden-Bogenentladung zwischen Anode und Katode mit größerem axialen Abstand gestattet.The invention has for its object to provide a method that bpi relatively small technical effort a seiee Zuendung a hollow cathode arc discharge between the anode and cathode with a larger axial distance allowed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß beim Erreichen der erforderlichen Temperatur der aktiven Zone der Hohlkatode zwischen Katode und Anode kurzzeitig ein oder mehrere koaxiale Magnetfelder aufgebaut werden, und daß unmittelbar nach dem Züenden der Bogenentladung dio Katodenheizung und die magnetfelderregenden Ströme abgeschaltet werden. Durch den Aufbau von koaxialen Magnetfeldern zwischen Katode und Anode während der thermischen Emission von Elektroden aus der Katode und der Erzeugung eines Hohlkatoden-Glimmentladungs-Plasmas wird eine Einschnürung dieses Plasmas erzwungen. Diese führt zu einer Erhöhung der axialen Ladungsträgerkonzentration und ermöglicht den Umschlag in den Bogenentladungstyp. Ohne die kurzzeitige Plasmaeinschnürung kommt es bei den für die Bogenentladungsdampfer üblichen Werten der Zündspannung von <80V lediglich zu der Hohlkatoden-ülimmentladung, die keine nennenswerte Verdampfung von Anodenmaterial hervorruft. Nach der Zündung der Bogenentladung muß das Magnetfeld wieder abgeschaltet werden, damit das Plasma nicht weiter so gebündelt auf die Anode auftritt, denn das führt zu einer unerwünscht heftigen örtlichen Verdampfung mit starker Spritzerbildung. Es ist vorteilhaft, das Magnetfeld nicht erst bei Erreichen der Emissionstemperatur zuzuschalten, sondern ab einer Temperatur, die um etwa 25% niedriger liegt, damit dio Zündung zum frühest möglichen Zeitpunkt erfolgt. Da nur kurzzeitig ein Magnetfeld erforderlich ist, kann das Magnetfeld mittels einer relativ kleinen Magnetspule aufgebaut werden, die dann kurzzeitig die Herstellung ainas starken Magnetfeldes gestattet. Im Dauerbetrieb wäre für ein gleiches Feld, z. B. eine Verstärkung der Wicklung oder Kuh .ung dor Spule notwendig. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bei geringem technischen Aufwand r,ut möglich auch zwischen relativ weit auseinanderliegender Anode und Katode eine Bogenentladung zu zünden.According to the invention, the object is achieved in that when reaching the required temperature of the active zone of the hollow cathode between the cathode and anode briefly one or more coaxial magnetic fields are constructed, and that immediately after the delivery of the arc discharge diode heater and the magnetic field exciting currents are turned off. By establishing coaxial magnetic fields between the cathode and anode during the thermal emission of electrodes from the cathode and the generation of a hollow cathode glow discharge plasma, a constriction of this plasma is enforced. This leads to an increase in the axial carrier concentration and allows the envelope in the arc discharge type. Without the short-term plasma constriction, the values of the ignition voltage of <80V which are customary for the arc discharge steam generators only come to the hollow cathode discharge, which does not cause appreciable evaporation of anode material. After the ignition of the arc discharge, the magnetic field must be turned off again, so that the plasma does not continue to focus on the anode, because that leads to an undesirably violent local evaporation with strong spattering. It is advantageous not to switch on the magnetic field only when the emission temperature is reached, but from a temperature which is about 25% lower so that the ignition takes place at the earliest possible time. Since only a short time, a magnetic field is required, the magnetic field can be constructed by means of a relatively small magnetic coil, which then allows the production of aa strong magnetic field for a short time. In continuous operation would be for a same field, z. B. reinforcement of the winding or cow .ung dor coil necessary. With the method according to the invention, it is possible, with little technical outlay, to ignite an arc discharge even between the relatively far apart anode and cathode.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisch eine Üeschichtungsanlage mit vertikaler Anoden-Katoden-Anordnung. In einer Beschichtungskammer 1 ist oben die Hohlkatode 2 und axial darunter am Kammerboden der anodische Verdampfertiegel 3 angeordnet. Mit 4 sind Substrate bzw. Substrathalterungen angedeutet. Eine zentrale Stromversorgungseinheit 5 beinhaltet alle erforderlichen Stromquellen. Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind zwei Magnetspulen 6 koaxial zur Bogenentladungsstrecke zwischen Verdampfertiegel 3 und Hohikatode 2 derart angeordnet, daß sich ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld koaxial zur axialün Verbindungslinie Katode-Anode ausgbildet.The accompanying drawing shows schematically a coating system with a vertical anode-cathode arrangement. In a coating chamber 1 above the hollow cathode 2 and axially below the chamber bottom of the anodic evaporator crucible 3 is arranged. With 4 substrates or substrate holders are indicated. A central power supply unit 5 contains all the required power sources. To implement the method according to the invention, two magnet coils 6 are arranged coaxially with the arc discharge path between evaporator crucible 3 and high-mode anode 2 in such a way that a substantially homogenous magnetic field is formed coaxially with the axial line of cathode anode.

Zur erfindungsgemäßen Verfahrensführung der Zündung der Hohlkatoden-Bogenentladung wird erst die Beschichtungskammer 1 evakuiert und danach über die Hohlkatode 2 Argon als Trägergas der Entladung eingelassen. Der Druck in der Beschichtungskammer 1 wird auf 10"' Pa eingeregelt. Danach wird durch den Heizdraht 7 der Hohlkatode 2 ein Heizstrom von 180A geleitet, der die aktive Zone (Jer Hohlkatode 2 in etwa 30s auf die Zündtemperatur von 2400⁰C aufheizt. Kurz vor Erreichen dieser Temperatur wird 25s nach Zuschalten des Heizstromes ein Strom durch die beiden in Reihe geschalteten Magnetspulen 6 geschickt. Dieser Strom liegt etwa bei 250% des Dauerstromes der Magnetspulen 6. Damit wird ein starkes gebündeltes Magnetfeld erzeugt, welches in der Achse der Spule bis zu 10³ A/m beträgt. Die vom Heizdraht 7 und auch bereits von der Hohlkatode 2 selbst emittierten Elektronen worden damit unmittelbar nach der Hohlkatode 2 bis vor den Verdampfertiegel 3 stark gebündelt und gelangen so mit hoher Dichte auf einen Punkt der Oberfläche des zu verdampfenden Materials, und es bildet sich unmittelbar eine Bogenentladung aus. Sobald der Bogenstrom fließt, wird sowohl der Heizstrom des Heizdrahtes 7, wie auch der Stromfluß in den Magnespulen 6 abgeschaltet. Wenn die Bogenentladung einmal gezündet ist, sind ausreichend Ladungsträger vorhanden, die den Bogen selbständig weiterbrennen lassen und da keine Einschnürung durch Magnetfelder mehr erfolgt, verteilt sich der Bogen auch über die gesamte Anoden-Verdampfertiegelfläche. Die Verdampfung verläuft gleichmäßig i.nd regelbar ohne Spritzerbildung.For carrying out the method according to the invention for igniting the hollow-cathode arc discharge, the coating chamber 1 is first evacuated and then argon is introduced via the hollow cathode 2 as the carrier gas for the discharge. The pressure in the coating chamber 1 is controlled to 10 "'Pa. Thereafter, it is passed through the heating wire 7 of the hollow cathode 2, a heating current of 180A, the hollow cathode 2 heats the active region (Jer in about 30 seconds to the ignition temperature of 2400 ⁰ C. Shortly before reaching this temperature, a current is passed through the two series-connected magnet coils 6 for 25 seconds after the heating current has been switched in. This current is approximately 250% of the continuous current of the magnet coils 6. Thus, a strong concentrated magnetic field is generated which is in the axis of the coil the light emitted from the heating wire 7 and already from the hollow cathode 2 itself electrons is about 10 ³ a / m. been so strongly focused immediately after the hollow cathode 2 to before the evaporator crucible 3 and thus reach a high density to a point to be vaporized of the surface Material, and it forms immediately an arc discharge. As soon as the arc current flows, both the heating current of the heating wire 7, wi e, the current flow in the Magnespulen 6 switched off. Once the arc discharge has been ignited, sufficient charge carriers are present which allow the arc to continue to burn on its own, and since magnetic field constriction no longer occurs, the arc also spreads over the entire anode vaporizer crucible surface. Evaporation is uniform and controllable without spattering.

Claims

1. A method for igniting an axial hollow cathode arc discharge evaporation arrangement, in particular for larger distances between anode and cathode, characterized in that one or more coaxial magnetic fields are built up when the required temperature of the active zone of the hollow cathode [2] between anode and cathode and that immediately after ignition of the Bogener.:stung the cathode heater is turned off and the magnetic field is reduced.

2. The method according to claim 1, characterized in that the strong magnetic field is built up from reaching a temperature which is 75% of the normal ignition temperature of the hollow cathode (2).

3. The method according to claim 1, characterized in that the strong magnetic field is built up by short-term overloading of the magnetic coil.