DD279695B5

DD279695B5 - Laser Vacuum Arc Discharge Evaporator

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 ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

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.The invention relates to a laser-fired vacuum arc discharge evaporator with a high evaporation rate at long evaporation times. The evaporator can be used in particular for conductive materials, eg. B. be used for the purpose of reactive plasma-assisted hard coating. The installation position of the evaporator in relation to the substrate is arbitrary.

Characteristic of the known state of the art

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.For the evaporation of conductive materials, in particular for coating purposes, the vacuum arc discharge evaporators have been prevailing for some time because of their high evaporation rate in a wide degree. A disadvantage of this evaporator is the uncontrolled focal spot movement, which in extreme cases can also lead to the destruction of the cathode holder. To address this disadvantage, a number of solutions have already been proposed, for. For example DE 3 528 677 and 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.It has also been proposed (WP C 23 C / 213 264 8) to control the focal spot on the cathode defined by laser pulse ignition. For this purpose, the burning voltage of the arc is applied pulsating and the vacuum arc is ignited in each case with a locally defined laser pulse. Before the stochastically moving focal spot can reach the edge of the cathode, the arc discharge is extinguished by lowering the burning voltage. With a burning time of the vacuum arc of about 10 μβ and a pulse frequency of about 10 Hz high quasi-continuous evaporation rates are achieved without the operation of the vacuum arc discharge evaporator can cause damage to the device.

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.A disadvantage of this solution is that the incident laser pulse and the propagating plasma cloud overlap with vaporized material and vapor deposition of the laser entrance window is unavoidable. Furthermore, the utilization of the target material is not optimal for effective pulse trains of a few kHz.

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.From the laser evaporation technique is z. For example, JP 61-79765, in which the laser beam, which leads directly to the evaporation of the target material, is guided in an oscillating manner over the circumference of the rotating target. In this case, a good material utilization of the target is achieved, regardless of the fact that such a laser evaporator allows only low evaporation rates. The evaporation of the laser entrance window and the deflecting mirror is not excluded in the specified solution.

Object of the invention

Die Erfindung verfolgt das Ziel, auf beliebig lagerorientierten Substraten effektiv homogene und dicke Schichten mit hoher Rate plasmagestützt abzuscheiden.The invention pursues the goal of effectively depositing plasma-supported homogeneous and thick layers at high rates on substrates which are oriented as desired on storage.

Explanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to vaporize a target by means of laser-ignited vacuum arc discharge evaporation with high reliability, good target utilization and homogeneous film formation. According to the invention, the object is achieved in that the evaporation material is arranged in the form of a cylindrical rotating cathode, which is surrounded by an anode screen having a plasma exit opening with respect to the substrates to be coated and that in the direction of rotation of the cathode in front of the plasma exit opening for ignition of the vacuum arc discharge between the anode and cathode, an inlet opening for the laser ignition pulses is present. To realize an optimal coupling of the laser pulse to the cathode surface, the inlet opening for the laser pulses in the anode screen is set so that an angle of incidence of about 45 ° sets. The width of this inlet opening should be chosen so that the laser pulse can pass unhindered, but that the plasma exit through this opening is minimal.

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.The geometry of the plasma discharge opening with respect to the substrates to be coated is determined essentially by the plasma propagation angle, which can be between 30 ° and 90 ° in terms of performance, material and installation. The distance of the inlet opening for the laser ignition pulses in the anode screen of the plasma outlet opening is determined by the rotational speed of the rotating cathode and the selected current waveform of the arc discharge. The design of the anode screen can be further selected such that the coating chamber is separated from the remaining space of the vacuum chamber. This prevents unwanted coatings, especially at the laser exit window. Furthermore, the anode screen can also be used for heating or cooling purposes. The distance of the anode screen to the target of the cylindrical rotating cathode is to be selected according to the performance parameters and is usually between 3 and 10 mm. Advantageously, the inlet opening for the laser ignition pulses is slit-shaped, so that the laser pulse train can be oscillated axially over the target. This ensures good target utilization over a large axial length. The plasma outlet opening is then formed in the same slot-shaped.

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.The required carrier gas or reactive gas is introduced in a known manner between the anode and cathode. The basic mode of operation of the evaporator according to the invention will be described below. The coating chamber is evacuated in a known manner, an inert gas is introduced and a clarification of the substrates for cleaning is realized. Thereafter, if desired, a reactive gas is admitted and a gas pressure is set between the anode and the cathode, without a self-contained gas discharge between the anode and the cathode being possible. Thereafter, a pulse-like voltage is built up between the anode screen and the rotating cathode, which alone does not lead to the formation of a vacuum arc. In parallel, a laser pulse is fired at a defined point through the laser entrance aperture on the target. This laser pulse leads to the local formation of a small-scale plasma at the target surface, which in turn leads to the ignition of a vacuum arc discharge between the anode screen and this laser impingement on the cathode. Thereafter, the vacuum arc burns independently with uncontrolled focal spot movement until the burning voltage is switched off. In this case, material is vaporized by the rotating target material with a high ionization rate and deposited on the substrates due to the rotation of the target through the plasma exit opening. This process is impulsive or jerky. After each laser pulse with the following vacuum arc ignition and evaporation, another vacuum pulse is ignited with another laser pulse. The local position of the ignition of the vacuum arc can be easily varied by means of deflection of the laser beam and thus also the utilization of the target material over the entire axis length.

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.It can be seen from this illustration that high dynamics are contained throughout the process. This also shows that the rapid plasma vapor cloud with the vaporous and ionized coating material reaches the substrate at a different location than the inevitable arising, disturbing and slower heavy droplets. By this effect, it is easily possible to arrange the substrates shifted in the opposite direction of rotation of the target, so that the sluggish Droplets are deposited only behind the substrates, in a place where they do not interfere.

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.In a particular embodiment, the cathodic target can also be composed of different materials. If then the impact of the laser ignition pulse is selectively varied to the particular desired material, a multiple or mixed layer can be very easily digitally controlled.

embodiment

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment.

Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Beschichtungseinrichtung mit dem erfindungsgemäßen lasergezündeten Vakuum-Bogenentladungsverdampfer.The accompanying drawing shows a coating device with the laser-fired vacuum arc discharge evaporator according to the invention.

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.The drawing shows the vacuum coating chamber 1 with a bottom mounted rotatable substrate holder 2, which can also be optionally placed at a certain electrical potential. In the upper part of the vacuum coating chamber, the evaporator according to the invention is arranged. As material to be evaporated, carbon (graphite) in the form of a rotating roll was arranged as cathode 3 in a horizontal position. The cathode 3 is coaxially surrounded by a water-cooled anode screen 4. The radial distance is 5 mm in the example. Opposite the substrate holder 2, the anode screen 4 has a plasma outlet opening 5 at an angle α of 75 ° to the center of the cathode 3. In the direction of rotation of the cathode 3 in front of the plasma outlet opening 5, a laser inlet opening 6 is present. Through this opening, the laser beam 7 is fired in pulses to ignite the vacuum arc between the anode screen 4 and cathode 3. The place of impact is chosen in the example with 45 ° to the tangent at the place of impact. Via line 8, either inert gas or reactive gas can be introduced between the cathode 3 and the anode screen 4. Below the plasma outlet opening 5 is connected to the anode screen 4 is still a diaphragm 9 is arranged, which protects the entire upper space from coating. This is particularly important for the laser entrance window 10 and various power and voltage feedthroughs in this room. A droplet catching plate 11 is arranged in the direction of rotation of the cathode 3 at the edge of the plasma outlet opening 5. The plurality of required power supplies are all controlled from the central power supply 12. Below, the invention will be described in more detail in function. The cathode 3 is moved at a speed of 20 revolutions per second and is connected together with the anode screen 4 to a pulsed power supply, which provides a current of 500 A for a sheet burning time of about 1 ms. At the beginning of such a current pulse, the pulse of a laser beam 7 of an Nd-YAG laser is fired onto the cathode surface through the laser entrance window 10 and the laser entrance opening 6. The focusing optics of the laser beam is coupled to an oscillating mirror which distributes the sequence of laser beam pulses linearly over the entire axial length of the cathode surface. The laser beam 7 is focused on a focal spot of about 100 μηη diameter on the cathode surface.

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.With a pulse energy of 5 mJ and a pulse duration of 90 ns, power densities of 10 ° Wem ² in focus are achieved. Thus, when hitting the cathode 3, a sufficiently large laser plasma is emitted which leads to the ignition of a vacuum arc between the point of impact on the cathode 3 and the anode screen 4. The vacuum arc leads to intensive highly ionized material evaporation from the cathode 3. This plasma with carbon material or ions passes through the rotational movement of the cathode 3 in the region of the plasma outlet opening 5 in the space of the substrates and there deposits a carbon layer. After about 1 ms, the arc voltage is switched off and the arc goes out. According to the specified pulse sequence from the respective laser pulse Auftreffort from a quasi-continuous evaporation at high rate and over the entire surface of the cathode 3. On the Droplet-catch plate 11, the relatively sluggish large Droplets are collected by the rotational movement of the cathode 3 in this direction be hurled. The fast material ions and neutral particles, however, are largely thrown radially away from the cathode focal spot.

Claims

1. A laser-fired vacuum arc discharge evaporator, characterized in that a roller-shaped rotating cathode (3) of an anode screen (4) is surrounded, which has a plasma outlet opening (5) opposite the substrates with a width corresponding to the Abdampfwinkels of the cathode material, and that to the direction of rotation the cathode (3) in front of the plasma outlet opening (5) in the anode screen (4) an inlet opening (6) for laser beam pulses, for the ignition of vacuum arc discharges between the anode screen (4) and the cathode (3) is present.

2. Laser-ignited vacuum arc discharge evaporator according to claim 1, characterized in that the rotational speed of the cathode (3) depending on the material and the width of the steam outlet opening in the anode screen (4), is selected such that the evaporated material exits through this opening unhindered.

3. laser-ignited vacuum arc discharge evaporator according to claim 1, characterized in that the inlet opening (6) is formed for the laser beam pulses axially to the cathode slit-shaped.

4. Laser-ignited vacuum arc discharge evaporator according to claim 1, characterized in that the central substrate layer is displaced counter to the direction of rotation of the cathode (3).

5. Laser ignited vacuum arc discharge evaporator according to claim 1, characterized in that the anode screen (4) is cooled.

6. laser-ignited vacuum arc discharge evaporator according to claim 1, characterized in that at the level of the steam outlet opening over the entire cross section of the coating chamber, a diaphragm (9) is arranged.

7. Laser ignited vacuum arc discharge evaporator according to claim 1, characterized in that the substrates are moved.

8. laser-ignited vacuum arc discharge evaporator according to claim 1, characterized in that between the anode screen (4) and the cathode (3) has a gas inlet opening is present.

9. laser-ignited vacuum arc discharge evaporator according to claim 1, characterized in that the cathode (3) is axially composed of different materials disc-like.