DD279695B5

DD279695B5 - Lasergezuendeter Vakuum-Bogenentladungs-verdampfer

Info

Publication number: DD279695B5
Application number: DD32534989A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Prof Dipl-Phys Pompe; Ruediger Dipl-Ing Wilberg; Hans-Joachim Dr Rer Na Scheibe; Peter Dr Rer Nat Siemroth; Dietmar Dipl-Phys Dr R Schulze
Original assignee: Fraunhofer Ges Forschung
Priority date: 1989-01-31
Filing date: 1989-01-31
Publication date: 1995-08-10

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen lasergezündeten Vakuum-Bogenentladungsverdampfer mit hoher Verdampfungsrate bei langen Verdampfungszeiten. Der Verdampfer kann insbesondere für leitfähige Materialien, z. B. für die Zwecke der reaktiven plasmagestützten Hartstoffbeschichtung eingesetzt werden. Die Einbaulage des Verdampfers im Verhältnis zum Substrat ist beliebig.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Für die Verdampfung von leitfähigen Materialien, insbesondere für Beschichtungszwecke, haben sich seit einiger Zeit die Vakuum-Bogenentladungsverdampfer wegen ihrer hohen Verdampfungsrate in breitem Maße durchgesetzt. Ein Nachteil dieser Verdampfer ist die unkontrollierte Brennfleckbewegung, die im Extremfall auch zur Zerstörung der Katodenhalterung führen kann. Um diesem Nachteil zu begegnen, wurden bereits eine Reihe von Lösungen vorgeschlagen, z. B. DE 3 528 677 und DE 3 345 493.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen (WP C 23 C / 213 264 8), den Brennfleck auf der Katode mittels Laserimpulszündung definiert zu steuern. Dazu wird die Brennspannung des Bogens pulsierend angelegt und der Vakuumbogen wird jeweils mit einem örtlich definierten Laserimpuls gezündet. Bevor der sich stochastisch bewegende Brennfleck auf den Rand der Katode gelangen kann, wird die Bogenentladung durch das Absenken der Brennspannung gelöscht. Bei einer Brenndauer des Vakuumlichtbogens von ca. 10 μβ und einer Impulsfrequenz von etwa 10 Hz werden hohe quasikontinuierliche Verdampfungsraten erzielt, ohne daß die Betriebsführung des Vakuum-Bogenentladungsverdampfers zu Schäden an der Einrichtung führen kann.

Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß sich der einfallende Laserimpuls und die sich ausbreitende Plasmawolke mit verdampftem Material überschneiden und auch eine Bedampfung des Lasereintrittsfensters nicht vermeidbar ist. Desweiteren ist die Ausnutzung des Targetmaterials bei effektiven Impulsfolgen von einigen kHz nicht optimal.

Aus der Laser-Verdampfungstechnik ist z. B. die JP 61-79765 bekannt, bei der der Laserstrahl, der direkt zur Verdampfung des Targetmaterials führt, oszillierend über den Umfang des rotierenden Targets geführt wird. Dabei wird eine gute Materialausnutzung des Targets erzielt, unabhängig davon, daß ein derartiger Laser-Verdampfer nur geringe Verdampfungsraten zuläßt. Die Bedampfung des Lasereintrittsfensters und des Umlenkspiegels ist bei der angegebenen Lösung nicht ausgeschlossen.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, auf beliebig lagerorientierten Substraten effektiv homogene und dicke Schichten mit hoher Rate plasmagestützt abzuscheiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Target mittels lasergezündeter Vakuum-Bogenentladungsverdampfung bei hoher Betriebssicherheit, guter Targetausnutzung und homogener Schichtausbildung zu verdampfen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verdampfungsmaterial in Form einer walzenförmigen rotierenden Katode angeordnet ist, die von einem Anodenschirm umgeben wird, der eine Plasmaaustrittsöffnung gegenüber den zu beschichtenden Substraten aufweist und daß in Drehrichtung der Katode vor der Plasmaaustrittsöffnung zur Zündung der Vakuum-Bogenentladung zwischen Anode und Katode eine Eintrittsöffnung für die Laser-Zündimpulse vorhanden ist. Zur Realisierung einer optimalen Ankopplung des Laserimpulses an die Katodenoberfläche wird die Eintrittsöffnung für die Laserimpulse in den Anodenschirm so festgelegt, daß sich ein Auftreffwinkel von ca. 45° einstellt. Die Breite dieser Eintrittsöffnung ist so zu wählen, daß der Laserimpuls ungehindert hindurchtreten kann, daß aber der Plasmaaustritt durch diese Öffnung minimal wird.

Die Geometrie der Plasmaaustrittsöffnung gegenüber den zu beschichtenden Substraten wird im wesentlichen vom Plasmaausbreitungswinkel bestimmt, der leistungs-, material- und anlagenspezifisch zwischen 30° und 90° betragen kann. Der Abstand der Eintrittsöffnung für die Laser-Zündimpulse im Anodenschirm von der Plasmaaustrittsöffnung wird bestimmt durch die Drehzahl der rotierenden Katode und den gewählten Stromverlauf der Bogenentladung. Die Gestaltung des Anodenschirmes kann weitergehend derart gewählt werden, daß der Beschichtungsraum vom übrigen Raum der Vakuumkammer abgetrennt wird. Damit verhindert man unerwünschte Beschichtungen, insbesondere auch am Laseraustrittsfenster. Desweiteren kann der Anodenschirm auch für Heiz- oder Kühlzwecke ausgenutzt werden. Der Abstand des Anodenschirmes zum Target der walzenförmigen rotierenden Katode, ist maßgeblich entsprechend den Leistungsparametern zu wählen und liegt in der Regel zwischen 3 und 10 mm. Vorteilhafterweise ist die Eintrittsöffnung für die Laser-Zündimpulse schlitzförmig gestaltet, damit die Laser-Impulsfolge axial über dem Target oszilliert werden kann. Dadurch ist eine gute Targetausnutzung über eine große axiale Länge gewährleistet. Die Plasmaaustrittsöffnung ist dann in gleicherweise schlitzförmig auszubilden.

Das erforderliche Trägergas oder auch Reaktivgas wird in bekannter Weise zwischen Anode und Katode eingeleitet. Nachfolgend soll die grundsätzliche Betriebsweise des erfindungsgemäßen Verdampfers beschrieben werden. Die Beschichtungskammer wird in bekannter Weise evakuiert, ein Inertgas eingelassen und eine Beglimmung der Substrate zur Reinigung realisiert. Danach wird, wenn dies gewünscht ist, ein Reaktivgas eingelassen und zwischen Anode und Katode ein Gasdruck eingestellt, ohne daß eine selbständige Gasentladung zwischen Anode und Katode möglich ist. Danach wird zwischen Anodenschirm und rotierender Katode eine impulsartige Spannung aufgebaut, die allein nicht zur Ausbildung eines Vakuumbogens führt. Parallel dazu wird ein Laserimpuls auf einen definierten Punkt durch die Laser-Eintrittsöffnung auf das Target geschossen. Dieser Laserimpuls führt zur örtlichen Ausbildung eines kleinräumigen Plasmas an der Targetoberfläche, was seinerseits zur Zündung einer Vakuum-Bogenentladung zwischen Anodenschirm und diesem Laser-Auftreffort auf der Katode führt. Danach brennt der Vakuumbogen selbständig mit unkontrollierter Brennfleckbewegung weiter bis die Brennspannung abgeschaltet wird. Dabei wird von dem rotierenden Targetmaterial mit hoher lonisierungsrate Material verdampft und wegen der Drehung des Targets, durch die Plasmaaustrittsöffnung hindurch auf den Substraten abgeschieden. Dieser Vorgang verläuft impuls- bzw. stoßartig. Nach jedem Laserimpuls mit folgender Vakuumbogen-Zündung und Verdampfung wird mit einem weiteren Laserimpuls ein weiterer Vakuumbogen gezündet. Die örtliche Lage der Zündung des Vakuumbogens kann mittels Auslenkung des Laserstrahls leicht variiert werden und damit auch die Ausnutzung des Targetmaterials über die gesamte Achslänge.

Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daß in dem gesamten Prozeß eine hohe Dynamik enthalten ist. Dadurch ergibt sich auch, daß die schnelle Plasma-Dampfwolke mit dem dampfförmigen und ionisierten Beschichtungsmaterial das Substrat an einer anderen Stelle erreicht als die zwangsläufig entstehenden, störenden und trägeren schweren Droplets. Durch diesen Effekt wird es leicht möglich, die Substrate entgegen der Drehrichtung des Targets verschoben anzuordnen, damit die trägen Droplets erst hinter den Substraten, an einer Stelle wo sie nicht stören, abgeschieden werden.

In einer besonderen Ausführungsform kann das katodische Target auch aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt sein. Wenn dann der Auftreffort des Laser-Zündimpulses gezielt auf das jeweils gewünschte Material variiert wird, kann sehr einfach digital gesteuert eine Mehrfach- oder auch Mischschicht aufgebaut werden.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Beschichtungseinrichtung mit dem erfindungsgemäßen lasergezündeten Vakuum-Bogenentladungsverdampfer.

Die Zeichnung zeigt die Vakuum-Beschichtungskammer 1 mit einem unten angebrachten drehbaren Substrathalter 2, der auch wahlweise an ein bestimmtes elektrisches Potential gelegt werden kann. Im oberen Teil der Vakuum-Beschichtungskammer ist der erfindungsgemäße Verdampfer angeordnet. Als zu verdampfendes Material wurde Kohlenstoff (Graphit) in Form einer rotierenden Walze als Katode 3 in horizontaler Lage angeordnet. Die Katode 3 wird koaxial von einem wassergekühlten Anodenschirm 4 umgeben. Der radiale Abstand beträgt im Beispiel 5 mm. Gegenüber dem Substrathalter 2 weist der Anodenschirm 4 eine Plasmaaustrittsöffnung 5 mit einem Winkel α von 75° zum Zentrum der Katode 3 auf. In Drehrichtung der Katode 3 vor der Plasmaaustrittsöffnung 5 ist eine Lasereintrittsöffnung 6 vorhanden. Durch diese Öffnung wird impulsartig der Laserstrahl 7 zur Zündung des Vakuumbogens zwischen Anodenschirm 4 und Katode 3 geschossen. Der Auftreffort ist im Beispiel mit 45° zur Tangente am Auftreffort gewählt. Über die Leitung 8 kann wahlweise inertgas oder auch Reaktivgas zwischen die Katode 3 und dem Anodenschirm 4 eingeleitet werden. Unterhalb der Plasmaaustrittsöffnung 5 ist mit dem Anodenschirm 4 verbunden noch eine Blende 9 angeordnet, die den gesamten oberen Raum vor Beschichtung schützt. Das ist besonders bedeutsam für das Lasereintrittsfenster 10 und diverse Strom- und Spannungsdurchführungen in diesem Raum. Ein Droplet-Fangblech 11 ist in Drehrichtung der Katode 3 am Rand der Plasmaaustrittsöffnung 5 angeordnet. Die Vielzahl der erforderlichen Stromversorgungen werden alle von der zentralen Stromversorgung 12 aus gesteuert. Nachfolgend soll die Erfindung in Funktion näher beschrieben werden. Die Katode 3 wird mit einer Drehzahl von 20 Umdrehungen pro Sekunde bewegt und ist gemeinsam mit dem Anodenschirm 4 an eine gepulste Stromversorgung, die einen Strom von 500 A für eine Bogenbrenndauer von ca. 1 ms zur Verfügung stellt, angeschlossen. Jeweils zu Beginn eines derartigen Stromimpulses wird durch das Lasereintrittsfenster 10 und die Lasereintrittsöffnung 6 der Impuls eines Laserstrahles 7 eines Nd-YAG-Lasers auf die Katodenoberfläche geschossen. Dabei ist die Fokussierungsoptik des Laserstrahles mit einem oszillierenden Spiegel gekoppelt, der die Folge von Laserstrahlimpulsen linear über die gesamte axiale Länge der Katodenoberfläche verteilt. Der Laserstrahl 7 ist auf einen Brennfleck von ca. 100 μηη Durchmesser auf der Katodenoberfläche fokussiert.

Bei einer Impulsenergie von 5 mJ und einer Impulsdauer von 90 ns werden Leistungsdichten von 10° Wem² im Fokus erreicht. Damit wird beim Auftreffen auf die Katode 3 ein ausreichend großes Laserplasma emittiert, das zur Zündung eines Vakuumbogens zwischen dem Auftreffort auf der Katode 3 und dem Anodenschirm 4 führt. Der Vakuumbogen führt zur intensiven hochionisierten Materialverdampfung von der Katode 3. Dieses Plasma mit Kohlenstoffmaterial bzw. -ionen gelangt durch die Drehbewegung der Katode 3 im Bereich der Plasmaaustrittsöffnung 5 in den Raum der Substrate und scheidet dort eine Kohlenstoffschicht ab. Nach ca. 1 ms wird die Bogenspannung abgeschaltet und der Bogen erlischt. Entsprechend der angegebenen Impulsfolge erfolgt vom jeweiligen Laserimpuls-Auftreffort aus eine quasikontinuierliche Verdampfung mit hoher Rate und über die gesamte Mantelfläche der Katode 3. Auf dem Droplet-Fangblech 11 werden die relativ trägen großen Droplets aufgefangen, die von der Drehbewegung der Katode 3 in diese Richtung geschleudert werden. Die schnellen Materialionen und Neutralteilchen werden dagegen weitgehend radial vom Katodenbrennfleck weggeschleudert.

Claims

1. Lasergezündeter Vakuum-Bogenentladungsverdampfer, dadurch gekennzeichnet, daß eine walzenförmige rotierende Katode (3) von einem Anodenschirm (4) umgeben ist, der eine Plasmaaustrittsöffnung (5) gegenüber den Substraten mit einer Weite entsprechend des Abdampfwinkels des Katodenmaterials aufweist, und daß zur Drehrichtung der Katode (3) vor der Plasmaaustrittsöffnung (5) im Anodenschirm (4) eine Eintrittsöffnung (6) für Laserstrahlimpulse, zur Zündung von Vakuum-Bogenentladungen zwischen dem Anodenschirm (4) und der Katode (3) vorhanden ist.

2. Lasergezündeter Vakuum-Bogenentladungsverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Katode (3) in Abhängigkeit vom Material und der Weite der Dampfaustrittsöffnung im Anodenschirm (4), derart gewählt wird, daß das verdampfte Material ungehindert durch diese Öffnung austritt.

3. Lasergezündeter Vakuum-Bogenentladungsverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (6) für die Laserstrahlimpulse axial zur Katode schlitzförmig ausgebildet ist.

4. Lasergezündeter Vakuum-Bogenentladungsverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Substratlage entgegen der Drehrichtung der Katode (3) verschoben ist.

5. Lasergezündeter Vakuum-Bogenentladungsverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenschirm (4) gekühlt wird.

6. Lasergezündeter Vakuum-Bogenentladungsverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Höhe der Dampfaustrittsöffnung über den gesamten Querschnitt der Beschichtungskammer eine Blende (9) angeordnet ist.

7. Lasergezündeter Vakuum-Bogenentladungsverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate bewegt werden.

8. Lasergezündeter Vakuum-Bogenentladungsverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anodenschirm (4) und der Katode (3) eine Gaseintrittsöffnung vorhanden ist.

9. Lasergezündeter Vakuum-Bogenentladungsverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katode (3) axial aus verschiedenen Materialien scheibenartig zusammengesetzt ist.