DD278221B5

DD278221B5 - METHOD FOR UTILIZING AN AXIAL HOLLOW-CATHODIC BODY DISCHARGE EVAPORIZER ASSEMBLY

Info

Publication number: DD278221B5
Application number: DD32342088A
Authority: DD
Inventors: Peter Paetzelt; Horst Hermann; Dietmar Dipl-Phys Schulze; Ruediger Dipl-Ing Wilberg
Original assignee: Dresden Vakuumtech Gmbh
Priority date: 1988-12-19
Filing date: 1988-12-19
Publication date: 1993-11-11
Also published as: DD278221A1

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 werden 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 vertically above the anodic evaporator crucible to be arranged 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 unmittelbar neben der Anode anzuordnen, so daß der Bogen mit einer magnetfeldgesteuerten 180°-Umlenkung brennt. Problematisch ist 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 located immediately adjacent to the anode, so that the arc burns with a magnetic field controlled 180 ° deflection. The problem is, 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 Elektronenstromes aufweist. Zum Zwecke der Zündung der Bogenentladung wird die Glühkatode 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 wird 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 the cathode and anode crucible a separate Glühkatoden chamber is formed, which has an opening to the passage of the electron flow to the anode. For the purpose of ignition of the arc discharge, the glow cathode 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 is 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.

Object 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 bei relativ geringem technischen Aufwand eine sichere Zuendung einer Hohlkatoden-Bogenentladung zwischen Anode und Katode mit größerem axialen Abstand gestattet.The invention has for its object to provide a method that allows for relatively little technical effort safe Zuzusung a hollow cathode arc discharge between the anode and cathode with a larger axial distance.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß beim Erreichen der erforderlichen Temperatur der aktiven Zone der Hohlkatode zwischen Katode und Anode kurzzeitig ein odor mehrere koaxiale Magnetfelder aufgebaut werden, und daß unmittelbar nach dem Zünden der Bogenentladung die Kathodenheizung 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-Glimmentladung, 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 die 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 eines starken Magnetfeldes gestattet. Im Dauerbetrieb wäre für ein gleichpo Feld, z. B. eine Verstärkung der Wicklung oder Kühlung der Spule notwendig. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bei geringem technischen Aufwand gut 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 odor several coaxial magnetic fields are constructed, and that immediately after the ignition of the arc discharge, the cathode 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 are only due to the hollow cathode glow 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 briefly allows the production of a strong magnetic field. In continuous operation would be for a gleichpo field, z. B. a reinforcement of the winding or cooling of the coil necessary. With the method according to the invention it is easily possible with little technical effort to ignite an arc discharge between 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 Beschichtungsanlage 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 St^romversorgungseinheit 5 beinhaltet alle erforderlichen Stromquellen. Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind zwei Magnetspulen 6 koaxial zur Bogenentladungsstrecke zwischen Verdampfertiegel 3 und Hohlkatode 2 derart angeordnet, daß sich ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld koaxial zur axialen 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 St ^r omversorgungseinheit 5 includes all the necessary power sources. To implement the method according to the invention, two magnet coils 6 are arranged coaxially to the arc discharge path between evaporator crucible 3 and hollow cathode 2 such that a substantially homogeneous magnetic field is formed coaxially with the axial connecting line 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 der Hohlkatode 2 in etwa 30 s 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 10³A/m beträgt. Die vom Heizdraht 7 und auch bereits von der Hohlkatode 2 selbst emittierten Elektronen werden 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 und 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, which heats the active region of the hollow cathode 2 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 is about 10 ³ a / m. the light emitted from the heating wire 7 and already from the hollow cathode 2 itself electrons are 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. The evaporation proceeds evenly and controllably without spattering.

Claims

1. A method for igniting an axial Hohlkatodan-Bogenentladungs- evaporator 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 the ignition of the arc discharge, 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.