DD286375A5 - ARC DISCHARGE EVAPORATOR WITH SEVERAL EVAPORATOR TILES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Bogenentladungsverdampfer mit mehreren Verdampfertiegeln, insbesondere zur Herstellung plasmagestuetzt abgeschiedener Misch- oder Mehrfachschichten. Der Verdampfer kann ueberall dort vorteilhaft eingesetzt werden, wo zwei oder mehr verdampfbare Stoffe parallel oder nacheinander verdampft werden sollen. Die Abscheidung auf dem Substrat kann fuer ein oder alle Verdampfungsmaterialien reaktiv erfolgen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bogenentladungsverdampfer mit mehreren Verdampfertiegeln anzugeben, mit dem die eingesetzten Verdampfungsmaterialien einzeln oder gemeinsam und mit variablem Mischungsverhaeltnis verdampft werden koennen. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz der Bogenentladungsverdampfer eine Katode und mehrere anodische Verdampfungstiegel aufweist, wobei die Verdampfertiegel gegeneinander isoliert sind, jeweils eine separate Stromzufuehrung haben, und gemeinsam innerhalb des Wirkbereiches eines gemeinsamen Magnetsystems zur Bogenlenkung angeordnet sind. Die Stromzufuehrungen sind jeweils mit regelbaren Stromquellen verbunden. Fig. 1{Bogenentladungsverdampfer; eine Katode; mehrere anodische Verdampfertiegel; separate regelbare Stromzufuehrungen; gemeinsames Magnetsystem; Misch- und Mehrfachschichten, reaktiv}The invention relates to an arc discharge evaporator with a plurality of evaporator crucibles, in particular for the production of plasma-deposited mixed or multilayers. The evaporator can be advantageously used wherever two or more vaporizable substances are to be evaporated in parallel or in succession. Deposition on the substrate may be reactive for any or all of the evaporation materials. The invention has for its object to provide an arc discharge evaporator with several evaporator crucibles, with which the evaporation materials used can be evaporated individually or together and with variable Mischungsverhaeltnis. According to the invention, the object is achieved by the arc discharge evaporator having one cathode and a plurality of anodic evaporation crucibles, wherein the evaporator crucibles are insulated from each other, each having a separate current supply, and are arranged together within the effective range of a common magnet system for arc steering. The power supplies are each connected to controllable power sources. Fig. 1 {arc discharge evaporator; a cathode; several anodic vaporizer crucibles; separate controllable power supplies; common magnet system; Mixed and multilayers, reactive}
Description
Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings
Die Erfindung betrifft einen Bogenentladungsverdampfer mit mehreren Verdampfertiegeln, insbesondere zur Herstellung plasmagestützt abgeschiedener Misch- oder Mehrfachschichten. Der Verdampfer kann überall dort vorteilhaft eingesetzt werden, wo zwei oder mehr verdampfbare Stoffe parallel oder nacheinander verdampft werden sollen. Die Abscheidung auf dem Substrat kann für ein oder alle Verdampfungsmaterialie.i reaktiv erfolgen.The invention relates to an arc discharge evaporator with a plurality of evaporator crucibles, in particular for producing plasma-assisted mixed or multilayers. The evaporator can be used advantageously wherever two or more vaporizable substances are to be evaporated in parallel or successively. The deposition on the substrate can be reactive for one or all of the evaporation materials.
unwesentlich, ob eine Glühkatode oder Hohlkatode eingesetzt wird. Mit Jen Bogenentladungsverdampfer wird in sehrvorteilhafterweise die effektive Verdampfung des Verdampfungsmaterials mit der gleichzeitigen Plasmaerzeugung verbunden.irrelevant, whether a thermionic or Hohlkatode is used. With Jen arc discharge evaporator, the effective evaporation of the evaporation material is combined in a very advantageous manner with the simultaneous plasma generation.
beschichtenden Substrate uuf negativem Potential gegenüber dem anodischen Verdampfertiegel und das im Plasma teilweiseionisierte Verdampfungsmaterial und/oder Reaktiv- und Trägergas wird mit hoher Energie auf ci:e Substratoberfläche extrahiert.substrates coated UUF negative potential relative to the anode and the evaporator crucible teilweiseionisierte in plasma evaporating material and / or reactive and carrier gas with high energy on ci: extracted e substrate surface.
zu intensiven Reaktionen der beteiligten Materialien. In großor Breite wurde mittels dieser Technologie dieto intense reactions of the materials involved. In grossor width was using this technology the
eingesetzt. Speziell das goldfarbene Titannitrid hat dabei breite Anwendung bei der Beschichtung von Armbanduhrengehäuson,used. Specifically, the gold-colored titanium nitride has wide application in the coating of wrist watch case,
zugeführt wird.is supplied.
die TiN-Schicht wegen des .echten" Goldtones noch eine dünne Goldschicht aufgedampft werden soll oder echtebecause of the "true" gold tone, the TiN layer should still be vapor-deposited on a thin layer of gold or real
jeweils ein zweiter Verdampfer eingesetzt. Die US-PS 4,415,421 gibt eine Einrichtung zur Herstellung einer TiN-Au-Schicht an,bei der das Ti mittels Bogenentladung verdampft wird. Diese Einrichtung er.- äugt auch das erforderliche Plasma. Das Gold wirdmittels Sputterquelle zerstäubt. Wenn erforderlich werden weitere Sputterquellen für weitere Materialien, wie Cu oder Pdeingesetzt. Diese Lösung ist durch Jie einfache Addition von Dampfquellen sehr aufwendig und benötigt einen hohen Anteil aneach used a second evaporator. US Pat. No. 4,415,421 discloses a device for producing a TiN-Au layer in which the Ti is vaporized by means of arc discharge. This device also generates the required plasma. The gold is sputtered by sputter source. If necessary, additional sputter sources are used for other materials such as Cu or Pde. This solution is very complicated by Jie simple addition of steam sources and requires a high proportion of
unterschiedlichen Richtungen auf das Substrat gelangen.get different directions on the substrate.
zwischen einer Katode und einem anodischen Tiegel die weitere Entladung zwischen zwei Verdampfertiegeln brennt, die alsbetween a cathode and an anodic crucible the further discharge burns between two vaporizer crucibles, which as
variierbaren Tastverhältnisses und/oder der Energiemengen aus den beiden Tiegeln unterschiedliche Mengenunterschiedlichen Materials zu verdampfen. Nachteilig bei dieser Einrichtung ist die relativ komplizierte Steuerung. Des weiterendampft immer auch von dem augenblicklich c-!s Katode arbeitenden Tiegelmaterial ab bzw. wird abgesputtert, was dazu führt,daß keine reinen Schichten des auf anodischen Potential liegenden Materials herstellbar sind. Da immer nur einer der beidenvariable duty cycle and / or the amounts of energy from the two crucibles to vaporize different amounts of different material. The disadvantage of this device is the relatively complicated control. The further evaporates always from the instant c-! S cathode working pot material or is sputtered off, which leads to the fact that no pure layers of lying at anodic potential material can be produced. As always only one of the two
beider Materialien herstellbar.Both materials can be produced.
anodischen Tiegel anzuordnen und auf diesem Elektronen aus dem Plasma mit solcher Energie und Stromdichte zu extrahieren,daß dort befindliches Verdampfungsmatsrial verdampft. Diese Lösung hat sich als relativ gut fü r die flashartige Verdampfungvon geringen Mengen Gold zur Abscheidung auf eine TiN-Schicht bewährt.To arrange anodic crucible and to extract on this electron from the plasma with such energy and current density that evaporates there evaporating matsrial. This solution has proven to be relatively good for the flash-like evaporation of small amounts of gold for deposition on a TiN layer.
eingeschränkt. Damit ist sie für viele Aufgaben zur Herstellung von Misch- und Mehrfachschichten nicht einsetzbar.limited. Thus, it can not be used for many tasks for the production of mixed and multilayers.
und mit Springstrahl bekannt. Die Übertragung dieser Lösungen auf die Technik der Bogenentladung ist jedoch nicht möglich,da die Hochstrom-Bogenentladung nicht ausreichend gebündelt und gelenkt werden kann.and known by jumping jets. However, the transfer of these solutions to the technique of arc discharge is not possible because the high current arc discharge can not be sufficiently bundled and steered.
Die Erfindung verfolgt das Ziel, hochwertige Misch- und Mehrfachschichten plasmagestützt und mit minimalem technischökonomischen Aufwand herzustellen.The invention pursues the goal of producing high-quality mixed and multiple layers plasma-assisted and with minimal technical and economic effort.
Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, einen Bogenentladungsverdampfer mit mehreren Verdampfertiegeln anzugeben, mit dem die eingesetzten Verdampfungsmaterialien einzeln oder gemeinsam und mit variablem Mischungsverhältnis verdampft werden können.The invention has the object to provide an arc discharge evaporator with several evaporator crucibles, with which the evaporation materials used can be vaporized individually or together and with a variable mixing ratio.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Bogenentladungsverdampfer eine Katode und mehrere anodische Verdampferlieget aufweist, wobei die Verdampfertiegel gegeneinander isoliert sind, jeweils eine separate Stromzuführung haben, und gemeinsam innerhalb des Wirkbereiches eines gemeinsamen Magnetsystems zur Bogenlenkung angeordnet sind. Die Stromzuführungen sind jeweils mit regelbaren Stromquellen verbunden. Die verschiedenen Verdampfertiegel sind vorteilhafterweise mit geringem Abstand zueinander um das Zentrum des Elektronenstromes der Rogenentladung herum angeordnet.According to the invention the object is achieved in that the arc discharge evaporator comprises a cathode and a plurality of anodic evaporator, wherein the evaporator crucible are insulated from each other, each having a separate power supply, and are arranged together within the effective range of a common magnet system for arc steering. The power supply lines are each connected to controllable current sources. The various vaporizer crucibles are advantageously arranged at a small distance from each other around the center of the electron flow of the Rogenentladung around.
Wen.i beim Betrieb des Verdampfers alle Verdampfertiegel auf gleichem Anodenpotential liegen, dann verteilt sich der Bogenstrom auch relativ gleichmäßig auf alle Tiegel und die Verdampfungsmaterialien werden entsprechend ihrer Verdampfungscharakteristik verdampft. Wenn nur ein Tiegel auf Anodenpotential liegt und die anderen Tiegel auf floatendem Potential, dann brennt die Bogenentladung nur gegen den einen Tiegel mit Anodenpotential und es wird nur dieses Verdampfunpsmaterial verdampft. Bei unterschiedlichen Potentialen an den einzelnen Verdampfertiegeln spaltet sich der Elektronenstrom entsprechend auf. Wichtig ist lediglich, daß die einzelnen Verdampfertiegel noch im Wirkbereich des gemeinsamen Magnetsystems zur Bogenlenkung liegen. Unmittelbar übar den Tiegeln wird der Bogenstrom dann von den Potentialen beeinflußt. Damit ermöglicht der kompakte Mehrtiegelverdampfer in beliebiger Weise die Verdampfung eines Materials, mehrere Materialien nacheinander und mehrerer Materialien in beliebigen Mischungsverhältnissen gleichzeitig. Die Art der Katode, die für den Verdampfer eingesetzt wird, ist dabei ohne besondere Bedeutung. Glühkatode und Hohlkatode sind beide gut einsetzbar.When all vaporizer crucibles are at the same anode potential during operation of the vaporizer, the arc current is also relatively evenly distributed to all crucibles and the vaporizing materials are vaporized according to their vaporization characteristics. If only one crucible is at anode potential and the other crucibles are at floating potential, then the arc discharge only burns against the one crucible with anode potential and only this evaporation material is vaporized. At different potentials at the individual vaporizer crucibles, the electron current splits accordingly. It is only important that the individual evaporator crucibles are still in the effective range of the common magnet system for sheet steering. Immediately übar the crucibles of the arc current is then influenced by the potentials. This allows the compact multi-pot evaporator in any way the evaporation of a material, several materials in succession and several materials in any mixing ratios simultaneously. The type of cathode used for the evaporator is of no particular importance. Glow cathode and hollow cathode are both well used.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, zwischen den einzelnen Verdampfertiegeln einfache Dampfblenden anzubringen, damit sich die einzelnen Verdampfungsmaterialien nicht bereits im Tiegel beeinflussen und damit die Einzelmaterialien verunreinigt werden. Derartige Dampfblenden dürfen aber nicht den Elektronenstrom von der Katode zu den anodischen Tiegeln behindern. Je nach Einsatzgebiet des Verdampfers können die Verdan ,pfungstiegel gleichartig oder für die Materialien spezialisiert sein. Zum Beispiel kann ein Verdampfertiegel regulär als Tiegel ausgebildet sein und andere schiffchenartig, auch mit . Nachfütterungseinrichtung. Die Nachfütterungshinrichtung muß dabei voll isoliert sein, damit der Bogen nicht gegen diese brennt.It has proven to be advantageous to install simple vapor barriers between the individual evaporator crucibles so that the individual evaporation materials do not already influence the crucible and thus the individual materials are contaminated. However, such vapor barriers must not hinder the flow of electrons from the cathode to the anodic crucibles. Depending on the field of use of the evaporator, the digestion crucibles may be the same or specialized for the materials. For example, an evaporator crucible can be regularly formed as a crucible and other ship-like, even with. Nachfütterungseinrichtung. The Nachfütterungshinrichtung must be fully isolated so that the sheet does not burn against them.
Die Einordnung des Verdampfers in die Verfahrensführung erfolgt in bekannter Weise. So kann die Verdampfung über Mengenoder Zeitsteuerung erfolgen. Erforderlichenfalls können aber auch in situ-Steuerungen mit Meßmitteln für jede einzelne Dampfkomponente eingesetzt werden. Erforderlichenfalls können auch reaktive Atmosphären, insbesondere η it N2, Cx oder O; eingesetzt werden.The classification of the evaporator in the process is carried out in a known manner. So the evaporation can be done by quantity or time control. If necessary, however, it is also possible to use in situ controllers with measuring means for each individual vapor component. If necessary, reactive atmospheres, in particular η it N 2 , C x or O; be used.
Ausführungsbeispielembodiment
Nachfolgend soll die Erfindung an zwei Beispielen näher erläutert werdenThe invention will be explained in more detail below with reference to two examples
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in The accompanying drawings show in
Fig. 1: einen Zweitiegelverdampfer gemäß Beispiel I und1: a two-crucible evaporator according to Example I and
Fig. 2: einen Verdampfer mit Nachfütterungseinrichtung für ein Material gemäß Beispiel II.2 shows an evaporator with Nachfütterungseinrichtung for a material according to Example II.
In Beispiel I wird ein Zweitiegelverdampfer beschrieben. Die zugehörige Zeichnung zeigt in Fig. 1 die Kompt ktanordnung von einem Verdampfertiegel 1 ohne Auskleidung des Tiegels und einen Verdampfertiegel 2 mit einem Tiegeleinsatz 3 am Graphit. Beide Verdampfertiegel 1 und 2 sind mittels Keramikisolator 4 gegeneinander isoliert, aber insgesamt als Block montiert. Unmittelbar zugehörig zu dieser Anoden-Baueinheit ist ein gemeinsames Magnetsystem, bestehend aus einer Magnetspule 5 und zwei seitlichen Magnetblechen 6, die über den beiden Verdampfertiegeln 1 und 2 ein longistudinales Magnetfeld erzeugen. Seitlich und baulich getrennt von der Anoden-Baueinheit ist eine Hohlkatode 7 angeordnet. Wenn in bekannter Weise die Bogenentladung gezündet wird, gelangt der Elektronenstrom in de'n Einflußbereich des Magnetfeldes und wird von diesem auf die Anodentiegel 1 und/oder 2 gelenkt. Als weiteres Mittel zur Führung und Lenkung des Elektronenstromes ist eine gemeinsame Blende 8 isoliert, oberhalb der Verdampfertiegel 1 und 2 angeordnet. Durch ihr floatendes Potential fokussiert die Blende 8 den Elektronenstrom durch die Öffnungen unmittelbar auf das im Verdampfertiegel 1 bzw. 2 liegende Verdampfungsgut. Damit wird insbesondere gesichert, daß der Elektronenstrahl nicht gegen andere Anodenteile als die Tiegel brennt. Unmittelbar zugehörig zu der Blende 8 ist eine verdikale Dampfblende 9 vorgesehen, damit die einzelnen Dampfströme nicht auf den jeweils anderen Tiegel gelangen können und dort zu unerwünschten Ablagerungen führen.Example I describes a two-pot evaporator. The accompanying drawing shows in Fig. 1, the Kompt ktanordnung of an evaporator crucible 1 without lining of the crucible and an evaporator crucible 2 with a crucible insert 3 on graphite. Both evaporator crucibles 1 and 2 are isolated by means of ceramic insulator 4 against each other, but mounted as a whole block. Immediately associated with this anode assembly is a common magnetic system consisting of a magnetic coil 5 and two lateral magnetic plates 6, which generate a longistudinales magnetic field over the two evaporator crucibles 1 and 2. Laterally and structurally separate from the anode assembly a hollow cathode 7 is arranged. When the arc discharge is ignited in a known manner, the electron current enters the region of influence of the magnetic field and is directed by it onto the anode crucibles 1 and / or 2. As a further means for guiding and steering the electron flow, a common aperture 8 is isolated above the evaporator crucibles 1 and 2. Due to its floating potential, the diaphragm 8 focuses the electron flow through the openings directly onto the evaporation material lying in the evaporator crucible 1 or 2. This ensures in particular that the electron beam does not burn against other parts of the anode than the crucible. Immediately associated with the aperture 8, a vapor barrier 9 is provided so that the individual vapor streams can not reach the other crucible and lead there to undesirable deposits.
Die Potentialzuführung zu den anodischen Verdampfertiegeln 1 und 2 erfolgt getrennt über die Zuführungsn 11 und 12. Auf die Darstellung der Kühlwasserzuführung wurde wegen der Übersichtlichkeit verzichtet. Nachfolgend wird der Einsatz dieses Verdampfers zur Herstellung einer Ti-Cu-Mischschicht im Verhältnis von 5:1 beschrieben, wie sie für abriebfeste elektrische Kontaktflächen eingesetzt v.erden kann.The potential supply to the anodic evaporator crucibles 1 and 2 is carried out separately via the Zuführungsn 11 and 12. The representation of the cooling water supply was omitted for clarity. The following describes the use of this evaporator for the preparation of a Ti-Cu mixed layer in the ratio of 5: 1, as it can be used for abrasion-resistant electrical contact surfaces v.erden.
In bekannter Weise wird im Rezipierten ein Argondruck von < 1 χ 10"3 Pa eingeregelt. Danach wird die Bogenentladung in der Hohlkatode 8 gezündet, wobei der Verdampfertiegel 1 mit dem Verdampfungsmaterial Titan als Anode dient. Nach einer kurzzeitigen Stabilisierung der Entladung wird der Anodenstrom am Verdampfertiegel 2 auf 50 A eingeregelt. Damit werden als Verdampfungsraten für Ti von 0,5 g/min und für Cu von 0,1 g/min erzielt. Dioe abgeschiedene Ti-Cu-Schicht ist entsprechend der plasmagestützten Abscheidung haftfest, dicht, weist eine gute Leitfähigkeit auf und ist in sich sehr homogen. Die Herstellung mit dem erfindungsgemäßen Mehrtiegelverdampfer ist sehr kostengünstig und gut regelbar.In a known manner, an argon pressure of <1 × 10 -3 Pa is controlled in the receiver, after which the arc discharge in the hollow cathode 8 is ignited, the evaporator crucible 1 serving as an anode with the evaporation material titanium Evaporator crucible 2 is adjusted to 50 A. This results in evaporation rates of 0.5 g / min for Ti and 0.1 g / min for Cu. Dioe-deposited Ti-Cu layer is adhesive, dense, dense according to the plasma-assisted deposition Good conductivity and is very homogeneous in itself .. The production with the multi-pot evaporator according to the invention is very inexpensive and easy to control.
Durch Änderung der Anodenströme an den Verdampfertiegeln kann das Mischungsverhältnis der Schicht praktisch von 100:0 bis 0:100 variiert werden. Unter Beteiligung von Reaktivgasen insgesamt oder zeitweise kann die Variabilität der herstellbaren Schichttypen noch wesentlich erhöht werden.By changing the anode currents on the evaporator crucibles, the mixing ratio of the layer can be varied practically from 100: 0 to 0: 100. With the participation of reactive gases in whole or in part, the variability of the producible layer types can be significantly increased.
wird. Dieser Verdampfer ist besondere für Aluminium-Mischschichten geeignet, da Al mittels der bekannten Bogenentladungrelativ schwer verdampft werden kann.becomes. This evaporator is particularly suitable for mixed aluminum layers, since Al can be relatively difficult to evaporate by means of the known arc discharge.
werden. Das Verfahren wird wie im Beispiel I gestartet. Danach wird am Verdampfertiegel 1 ein Anodenstrom von 350Aeingeregelt und am Verdampferschiffchen 16 ein Anodenstrom von 4OA. Die Verdampfungsraten liegon dabei für Ti bei0,5g/min und für Al bei 0,2g/min. Das Verhältnis der beiden Verdampfungsraten zueinander kann in diesem Fall über diejeweiligen Anodenströme geregelt werden, aber auch in bestimmten Grenzen über die Drahtvorschubgeschwindigkeit desbecome. The process is started as in Example I. Thereafter, an anode current of 350A is controlled at the evaporator crucible 1 and at the evaporator boat 16 an anode current of 4OA. The evaporation rates are for Ti at 0.5 g / min and for Al at 0.2 g / min. The ratio of the two evaporation rates to each other can be controlled in this case via the respective anode currents, but also within certain limits via the wire feed rate of the
erst eine reine Ti-Schicht abgeschieden wird, danach mit einem Gradienten eine TiN-Schicht und erst darauf wieder mitfirst a pure Ti layer is deposited, then with a gradient a TiN layer and only then again with
daß nur ein relativ geringer technisch-ökonomisch und räumlicher Aufwand erforderlich ist.that only a relatively small technical-economical and spatial effort is required.
drei oder vier Tiegel möglich sind, jedoch steht hierbei die Frage, ob der praktische Bedarf vorhanden ist, daß in einemthree or four crucibles are possible, but here is the question of whether the practical need exists that in one
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
NPI | Change in the person, name or address of the patentee (addendum to changes before extension act) | ||
RPV | Change in the person, the name or the address of the representative (searches according to art. 11 and 12 extension act) | ||
ENJ | Ceased due to non-payment of renewal fee |