DD285463A5

DD285463A5 - Verfahren zur regelung der brennfleckpostion bei einem vakuumbogenverdampfer

Info

Publication number: DD285463A5
Application number: DD32985689A
Authority: DD
Inventors: Bernd Rother; Joerg Vetter; Jan Siegel; Dietmar Schulze; Ruediger Wilberg
Original assignee: Veb Hochvakuum Dresden,Dd
Priority date: 1989-06-22
Filing date: 1989-06-22
Publication date: 1990-12-12
Also published as: FR2648955A1; DE4008850A1

Abstract

Das Verfahren zur Regelung der Brennfleckposition bei einem Vakuumbogenverdampfer kann bei allen Verdampfern dieser Bauart eingesetzt werden, um eine gleichmaeszige Verdampfung des Katodenmaterials zu sichern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Brennfleckposition derart beeinfluszt wird, dasz das Katodenmaterial eines Vakuumbogenverdampfers weitgehend gleichmaeszig ueber die gesamte Katodenoberflaeche abgetragen wird. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe derart geloest, dasz in bekannter Weise im Bereich der Katodenoberflaeche aeuszere, im wesentlichen parallel zur Erosionsflaeche der Katode verlaufende Magnetfelder, die wenigstens zu einem Teil des Begrenzungsrandes der Erosionsflaeche parallele Komponenten aufweisen, angewendet werden, dasz mittels einer Sonde auszerhalb und isoliert zur Katode das Floatingpotential des Plasmas erfaszt wird und dasz bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes die Richtung des aeuszeren Magnetfeldes geaendert wird. Fig. 1{Vakuumbogenverdampfung; Brennfleckposition, regelbar; Magnetfelder; Plasmasonde}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Verfahren zur Regelung der Brennfleckposition bei einem Vakuumbogenverdampfer kann bei allen Verdampfern dieser Bauart eingesetzt werden, um eine gleichmäßige Verdampfung des Katodenmaterials zu sichern.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Aufbau und Wirkungsweise von Verdampfern, diedasPrinzipderVakuumbogenentladung nutzen, sind bereits beschrieben und weitgehend bekannt (z. B. Neue Hütte 32 [1987) 4,121). Der wesentliche Vorteil dieses Verdampferprinzips besteht darin, daß mit vergleichsweise einfachen Einrichtungen hohe Abscheideraten erreicht werden können. Darüber hinaus zeichnet sich der Vakuumbogen-Verdampfer dadurch aus, daß der vom Katodenbrennfleck freigesetzte Dampf hoch ionisiert ist und die Ionen beträchtliche kinetische Energien (100...10OeV) besitzen, wodurch Schichten hoher Dichte und guter Haftfestigkeit erzeugt werden können.

Der prinzipielle Nachteil besteht darin, daß der Brennfleck sich völlig stochastisch auf der Katodenfläche bewegt. Daraus ergibt sich eine ungleichmäßige Erosion der Katodenoberfläche, die die Einsatzdauer der Katode herabsetzt und die Reproduzierbarkeit der Schichteige;!schäften verringert. Insbesondere trifft diese Einschätzung bei solchen Katodonmaterialien zu, bei denen der Brennfleck eine niedrige Beweglichkeit besitzt (z. B. Cu, C). Hierbei kommt es zur Herausbildung tiefer Erosionskrater, wodurch mit wachsender Tiefe die Richtungsverteilung des ionisierten Dampfes geändert wird und letztlich zum Verlöschen der Entladung führt. Nach dem Stand der Technik gibt es bereits verschiedene Versuche mittels magnetischer Felder, die Brennfleckbewegung auf der Katode zu beeinflussen. So beansprucht die DD-WP 265 507 axialsymmetrische Magnetfelder mit einer zur Katodenoberfläche parallelen Feldkomponente. D^;,e DD-WP 265506 setzt magnetische Drehfelder zur Stimulierung der Brennfleckbewegung ein.

Mit diesen Methoden ist zwar eine Beeinflussung der Brennfleckbewegung erreichbar, es ist aber weder möglich die jeweilige Fleckposition zu bestimmen noch sicher zu verhindern, daß der Brennfleck die Katodenoberfläche verläßt, bzw. bevorzugt am Rand der Katode brennt und dort Schäden an der Einrichtung hervorruft.

Zur Verhinderung des Ausbrechens des Brennflecks wurde auch vorgeschlagen (DE-PS 3345442), einen magnetisierbar permeablen Begrenzungsring um den gewünschten Erosionsbereich anzuordnen. Dieser bewirkt, daß der Brennfleck auf die Erosionszone der Katode zurückgetrieben wird.

Die EP 277341 schlägt vor, den Begrenzungsring aus gut leitfähigem Material, z. B. Kupfer, herzustellen. Diese Lösung verhindert vor allem bei höheren Stromstärken mit mehreren Brennflecken das Ausbrechen des Vakuumbogens. Die Lösung weist überraschende Vorteile auf, löst das Problem aber nicht, das die ungleichmäßige Erosion der Katode zu einer relativ geringen Ausnutzung des Katodenmaterials und somit zum instabilen Brennverhalten der Bogenentladung führt. Derartige Probleme treten insbesondere bei Katodenmaterialien auf, bei deren die Orennfleckbewegung gering ist, z. B. Cu, C. Hier kommt es zur bereits erwähnten Herausbildung tiefer Erosionskrater, die die Funktion der Einrichtung behindern können. Die stochastische Brennfleckbewegung auf der Katode innorhalb des Begrenzungsringes ruft durch die ungleichmäßige Katodenerosion weiterhin eine e. höhte Dropletemission und oine Verringerung der Schichtqualität bzw. der Reproduzierbarkeit der Schichtqualität hervor. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Katodenerosion wurde auch bereits vorgeschlagen, gepulste Bogenentladungen mit einer Brenndauer von einigen μβ, die beispielsweise durch Laser-Plasmen gezündet werden, einzusetzen. Dinse Lösungen sind jedoch technisch sehr aufwendig und führen zu relativ geringen Beschichtungsraten, da die Pausenzeit zwirnen zwei Impulsen aus physikalischen Gründen im allgemeinen ein Vielfaches der Impulsdauer beträgt.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, mittels leistungsfähiger Vakuumbogenverdampfer Schichten mit großer Homogenität bei hoher Wirtschaftlichkeit herzustellen.

-2- 285 463 Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe 2ugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Brennfleckposition derart beeinflußt wird, daß

das Katodenmaterial eines Vakuumbogenverdampfers weltgehend gleichmäßig über die gesamte Katodenoberfläche abgetragen wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe derart gelöst, daß in bekannter Weise im Bereich der Katodenoberfläche äußere, im wesentlichen parallel zur Erosionsfläche der Katode verlaufende Magnetfelder, die wenigstens zu einem Teil des

Begrenzungsrandes der Erosionsfläche parallele Komponenten aufweisen, angewendet werden, daß mittels einer Sonde

außerhalb und isoliert zur Katode das Floatingpotential des Plasmas erfaßt wird und daß bei Erreichen eines vorgegebenen

Sollwertes die Richtung des äußeren Magnetfeldes geändert wird. Der Sollwert ist dabei weitgehend experimentell für den

einzelnen Verdampfer zu ermitteln und wird in der Regel so festgelegt, daß er gerade dann erreicht wird, wenn der Brennfleck den Rand der Erosionsfläche erreicht hat, da dann das Floatingpotential am höchsten ist.

Bis zu diesem Zeitpunkt hat die willkürliche Bewegung des Brennfleckes eine bestimmte Vorzugsrichtung, die dem Brennfleck

durch die äußeren Magnetfelder aufgeprägt wird. Wenn beim Erreichen des Sollwertes an der Sonde die Richtung des äußeren

Magnetfeldes geändert wird, dann ändert sich auch zwangsweise die Vorzugsrichtung der Brennfleckbewegung unH der Brennfleck wird entsprechend dem Magnetfeld auf die inneren Bereiche der Katodenoberfläche zurückgedrängt. Die Vorzugsrichtung des Brennfleckes (auch Katodenflecke oder Fußpunkt) verläuft dabei immer senkrecht zu der parallel zur Erosionsfläche verlaufenden Magnetfeldkomponente. Infolge der Überlagerung des äußeren Magnetfeldes mit dem Eigenmagnetfeld des Katodenfleckstromes kommt es zu einer

entgegengesetzten Verschiebung des Katodenfleckes und des vom Katodenfleck wegströmenden Plasmas.

Von einem stationären äußeren Magnetfeld mit Komponenten, die wenigstens zu einem Teil des Begrenzungsrandes der

btosionsfläche der Katode parallel verlaufen, wird der Aufenthaltsbereich des Katodenflecks stets in Richtung des Randes der

Erosionsfläche verschoben. Das Floatingpotential einer geeigneten Sondenanordnung, welche zweckmäßigerweise mit der elektrostatischen Abschirmung

der Katode identisch ist und diese konzentrisch umschließt, stellt sich nun entsprechend der aktuellen Fleckposition und der

Ausbreitungscharakteristik der Plasmaströmung im äußeren Magnetfeld auf einen bestimmten Wert ein. Es erweist sich, daß

das Floatingpotential eine Funktion des Abstandes des Fleckes von der Sonde ist.

Durch die Festlegung von unteren und oberen Sollwerten des Floatingpotentials, bei deren Erreichen die Richtung des äußeren Magnetfeldes in der Ebene parallel zur Erosionsfläche der Katode geändert wird, kann der Katodenfleck durch Änderung des

aktuellen Magnetfeldes von Bereichen mit ungünstigen Existenzbedingungen nach Bereichen mit besseren verschoben werden.

Die erfindungsgemäße Sonde zur Erfassung des Floatingpotentials des Plasmas wird zweckmäßig als Ringelektrode um die Katode angeordnet. Dabei ist es völlig g'eichgültig in welchen geometrischen Randbereich sich der Brennfleck bewegt. Immer

wird das niedrigste Plasmapotential gemessen, wenn der Brennfleck sich dem Rand nähert. Danach wird das Magnetfeld geändert und der Brennfleck wird in die entsprechende neue Vorzugsrichtung getrieben bis er wieder im Randbereich an der

Sonde den Sollwert für das Plasmapotontial erzeugt und erneut in eine andere Richtung getrieben wird. Die einfachste Magnetfeldänderung ist die Umkehrur g des Magnetfeldes. Es ist jedoch auch möglich, mittels einer Mehrzahl von Polschuhen

ein Magnetsystem aufzubauen, bei dei η die Umschaltung des Magnetfeldes drehfeldähnlich erfolgt.

Neben dem unteren Sollwert kann auch ?in oberer Sollwert festgelegt werden. Damit kann z. B. das Einbrennen des Brennfleckes

im Krater verhindert werden, da sich dabei das gemessene Floatingpotential des Plasmas an der Sonde erhöht.

Die erfindungsgemäße Verfahrensführung gestattet gegenüber dem Stand der Technik eine weitgehende Regelung der Brennfleckposition mit dem Vorteil der gleichmäßigen Katodenabtragung, ohne daß der Bogen die Erosionsfläche der Katode

verlassen kann. Günstigerweise wird das Potential der erfindungsgemäßen Sonde gegenüber dem der Anode der

Entladungsstrecke gemessen. Ausf0hrungsbelspl'3l Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt in Fig. 1: einen Schnitt durch eine Quellenanordnung zur Vakuumbogenverdampfung von Graphit mit der Möglichkeit der

erfindungsgemäßen Regelung der Brennfleckbewegung und in Fig. 2: die Draufsicht zu Fig. 1.

Eine zylinderförmige Katode 1 aus Graphit mit einem Durchmesser von 50mm und einer Höhe von ebenfalls 50mm ist koaxial in

einer Anode 2 mit einem Innendurchmesser von 150 mm angeordnet. Zur Steuerung der Fleckbewegung auf der

Erosionsfläche 3 der Katode 1 dient ein Magnetsystem, bestehend aus drei Magnetspulen 4, einem magnetischen Leiter 5 und

verlängerten Polschuhen 6, die unmittelbar an die Erosionsfläche 3 der Katode 1 herangeführt sind. Koaxial um die Katode 1 befindet sich eine Sonde 7 zur Messung des Floatingpotentiais des Plasmas und als elektrostatische Abschirmung zur

Vermeidung von Entladungserscheinungen auf der Mantelfläche der Katode 1. Während des Betriebes der Entladung stellt sich bei einem Bogenstrom von 100A und einer Bogenspannung von 21V an der

elektrostatischen Abschirmung 7 entsprechend der Fleckposition ein Potential von -5 V bis -19Vgegenüber der Anode 2ein.

Dabei entsprechen die niedrigeren Absolutwerte randnahen Positionen, die höheren Absolutwerte Positionen in bereits tief

erodierten Gebieten der Erosionsfläche 3.

Die Auswertung des Potentials erfolgt über einen Schwellwertschalter 8, welcher über eine Stelleinrichtung 9 ein Umschalten

der Magnetfeldrichtung bewirkt.

Der Katodenfleck wird durch die Wechselwirkung mit der durch das Magnetsystem auf der Erosionsfläche 3 erzeugten

magnetischen Feldstärke in Richtung des Randes der Erosionsfläche 3 getrieben. Bei Erreichen eines elektrischen Potentials der elektrostatischen Abschirmung 7 von -13V oder -18V gegenüber der Anode 2 wird das Magnetfeld des Magnetsystems weitergeschaltet, so daß der Katodenfleck von den kritischen Bereichen weg auf andere Positionen getrieben wird.

Es wird damit ein stabiles Brennverhalten und ein gleichmäßigerer Katodenabtrag gegenüber einer Entladung mit ungeregelter Fleckposition erzielt.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Brennfleckposition bei einem Vakuumbogenverdampfer mittels äußerer, im wesentlichen parallel zur Erosionsfläche verlaufender Magnetfelder, die wenigstens zu einem Teil des Begrenzungsrandes der Erosionsfläche parallele Komponenten besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Sonde (7) außerhalb und isoliert zur Katode (1) das Floatingpotential des Plasmas erfaßt wird und daß bei Erreichen eines Sollwertes die Richtung des äußeren Magnetfeldes geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Sonde (7) das Floatingpotential des Plasmas bezogen auf das Potential der Anode erfaßt wird.