DE10084452B3

DE10084452B3 - Lichtbogenquelle mit rechteckiger Kathode und Verfahren zur Lenkung eines Lichtbogenflecks

Info

Publication number: DE10084452B3
Application number: DE10084452.9T
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-04-12
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2016-03-17
Anticipated expiration: 2020-04-08
Also published as: GB2368597A; WO2000062327A2; AU762277B2; JP4689843B2; CA2268659A1; AU3950900A; JP2002541335A; WO2000062327A3; GB2368597B; DE10084452T1; GB0125844D0; CA2268659C

Abstract

Vakuumlichtbogenbeschichtungsvorrichtung (10), bestehend aus einer eine Verdampfungsfläche (34) aufweisenden rechteckigen Kathodenplatte (32), die gegenüberliegende Längsseiten (32a, 32b) aufweist und die an den negativen Pol einer Bogenstromquelle (46) angeschlossen ist, einer Beschichtungskammer, die durch die Verdampfungsfläche (34) und ein Gehäuse (38) bestimmt ist, einem Substrathalter (6) innerhalb der Beschichtungskammer, wenigstens einer Anode (50) innerhalb der Beschichtungskammer, die einen Abstand zur Verdampfungsfläche (34) aufweist und die an den positiven Pol einer Stromquelle (46) angeschlossen ist, einem Lichtbogenzünder, um einen Lichtbogen zwischen der Kathodenplatte (32) und der Anode (50) zu zünden und einen Kathodenbrennfleck auf der Verdampfungsfläche (34) zu erzeugen, und einem magnetischen Lenksystem (60), das wenigstens aus einem ersten und einem zweiten Lenkleiter (62, 64, 66, 68), die an gegenüberliegenden Seiten (32a, 32b, 32c, 32d) der Kathodenplatte (32) angeordnet sind, wobei der erste Lenkleiter (62, 66) einen Strom (ILS, ISS) in der in Bezug auf eine Stromrichtung des zweiten Stromleiters (64, 68) Gegenrichtung führt, wobei jeder Lenkleiter in der Umgebung der Verdampfungsfläche (34) angeordnet ist, damit das von ihm erzeugte magnetische Feld (BLS, BSS) den Kathodenbrennfleck magnetisch beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lenkleiter (62, 66) vom zweiten Lenkleiter (64, 68) elektrisch unabhängig ist, und die Stromstärke (I1) im ersten Lenkleiter (62, 66) relativ zur Stromstärke (I2) im zweiten Lenkleiter (64, 68) während des Betriebs der Vorrichtung (10) veränderbar ist, um den Kathodenbrennfleck zu einer Längsseite (32a, 32b) der Kathodenplatte (32) zu verschieben.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Herstellung von Beschichtungen im Vakuum. Insbesonders betrifft diese Erfindung eine Vakummlichtbogenbeschichtungsvorrichtung mit einer rechteckigen Lichtbogenkathodenquelle, die ein verbessertes Lichtbogenfleckrastern und ein Plasmafokussiersystem aufweist.
Stand der Technik
Viele Arten von Vakuumlichtbogenbeschichtungsvorrichtungen benutzen eine Lichtbogenkathodenquelle, bei der in einer Vakuumkammer zwischen einer Anode und einer Kathodenplatte eine elektrische Bogenentladung erzeugt wird. Der Lichtbogen erzeugt einen Kathodenfleck auf einer Targetfläche, der den Kathodenwerkstoff in die Kammer verdampft. Der Kathodendampf verteilt sich in der Kammer als Plasma und beschichtet, wenn er mit einem oder mehreren Substraten in Berührung gerät, die Substrate mit Kathodenwerkstoff, der metallisch, keramisch, usw. sein kann. Ein Beispiel für eine derartige Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung wird im am 19. Februar 1974 an Sablev erteilten U.S. Patent No. 3,793,179 beschrieben, das hiermit durch Zitat aufgenommen wird.
Eine Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung dieser Art ist auf Grund der grossen Oberfläche der Kathode, die in eine Beschichtungskammer mit grossem Volumen verdampft werden kann, vorteilhaft für das Beschichten grosser Substrate und einer Vielzahl von Substraten. Aber in einer Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung dieser Art mit grosser Oberfläche bleibt auf Grund des Rastermusters der Lichtbogenflecken, die bestimmten physikalischen Gesetzen gehorchen, ein grosser Teil der Targetverdampfungsfläche der Kathodenplatte ungenützt:

1. Die Bogenverdampfung neigt dazu, sich in eine Richtung zu bewegen, die den Spannungsabfall im Lichtbogenkreis reduziert und der Lichtbogenfleck neigt daher dazu, sich in Bereiche der Targetoberfläche zu bewegen, die dem anodischen Stromleiter am Nächsten sind. Wenn mehrfache Stromleiter die Kathode durchsetzen, wird der Lichtbogenfleck zeitweise in die Bereiche zwischen den Stromleitern wandern, wo er dann für einen bedeutenden Zeitraum bleibt, da kein Lenkmechanismus vorhanden ist, um den Lichtbogenfleck in die gewünschte Verdampfungszone zurückzubewegen.
2. Im Falle von metallischen Kathoden führt der Lichtbogenfleck auf Grund des ”Anti-Ampere-Kraft”-Prinzips (anziehende Kräfte zwischen benachbarten, in entgegengesetzter Richtung stromdurchflossenen Leitern im Gegensatz zu abstoßenden ”Ampèrekräften” bei gleich gerichteten Strömen) eine Rückwärtsbewegung aus und wird so von den koaxialen magnetischen Kraftlinien, die vom anodischen Stromleiter erzeugt werden, angezogen.
3. Wenn die Kathode aus einem Werkstoff besteht, der keine flüssige Phase aufweist, zum Beispiel aus einem gesinterten Werkstoff oder Graphit bewegt sich der Lichtbogenfleck auf Grund des ”Ampèrekraft”-Prinzips und wird von den koaxialen magnetischen Kraftlinien, die vom anodischen Stromleiter erzeugt werden, abgewiesen.
4. Der Lichtbogenfleck wird in den Bereich angezogen, in dem die Tangentialkomponente eines transversalen Magnetfelds am Stärksten ist.
5. Der Lichtbogenfleck neigt dazu, sich vom Scheitel eines scharfen Winkels auf der Schnittlinie zwischen einer magnetischen Feldlinie und der Kathodentargetoberfläche wegzubewegen. (”scharfe Winkel”-Regel).

Diese Effekte bewirken einen bezüglich der zur Verfügung stehenden Targetoberfläche der Kathodenplatte beschränkten Erosionsbereich, der die Lebensdauer der Kathode reduziert und weiters, dass Kathodendampf in nichtgleichförmigen Konzentrationen in die Kammer gedampft wird.
In einer Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung mit grossflächiger Kathode, in der eine metallische Kathodenplatte verwendet wird, verbinden sich die ”Anti-Ampèrekraft”-Bewegung des Lichtbogenflecks und die Neigung des Lichtbogens, den niedrigsten Spannungsabfall zu suchen dazu, den Lichtbogenfleck grösstenteils auf die Umgebung des anodischen Stromleiters zu beschränken, wodurch die Erosionszone wesentlich auf den Bereich der Targetoberfläche beschränkt wird, der den anodischen Stromleiter umgibt. Dies bewirkt, dass in der Beschichtungskammer nur eine kleine Fläche besteht, in der der Kathodendampf konzentriert genug ist, um eine gleichförmige Beschichtung auf die Substrate aufzubringen. Es ist aber unmöglich eine Kathodenplatte so zu konstruieren, dass der gewünschte Beschichtungswerkstoff nur in der Erosionszone vorhanden ist, weil der Lichtbogenfleck zeitweise aus der Erosionszone herausstreunen wird und wenn dann die Targetoberfläche nicht vollständig aus dem gewählten Beschichtungswerkstoff besteht, wird der Kathodendampf von ausserhalb der Erosionszone die Beschichtung auf den Substraten verunreinigen.
Im Falle, dass die Kathodenplatte aus einem Werkstoff gebildet ist, der keine flüssige Phase aufweist, steht die Neigung des Lichtbogenflecks, sich in die Ampèrekraftrichtung weg vom Bereich des anodischen Stromleiters, zu bewegen der Neigung der Lichtbogenentladung den niedrigsten Spannungsabfall zu erzielen entgegen. In diesen Fällen neigt der Lichtbogenfleck dazu, sich chaotisch über die Targetoberfläche zu bewegen und der Kathodendampf verteilt sich entsprechend in zufälligen Bereichen und ungleichmässiger Konzentration in der Beschichtungskammer, was eine gleichförmige Beschichtung der Substrate unwahrscheinlich macht. Diese Zufallsbewegung bewirkt auch, dass der Lichtbogenfleck sich von der Targetoberfläche der Kathode wegbewegt und verursacht so unerwünschte Erosion von Nichttargetbereichen der Kathodenplatte, zum Beispiel der Seiteneinfassungen. U.S. Patent No. 4,448,659 , das am 15. Mai 1984 an Morrison erteilt wurde und das hiermit als Zitat aufgenommen wird, beschreibt eine Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung, die eine Kathode in Form einer Platte mit einer grossen Targetoberfläche zum Erzeugen von Kathodendampf aufweist. Ein Beschränkungsring aus einem weichen ferromagnetischem Werkstoff umgibt die Kathode um den Lichtbogenfleck auf die Targetoberfläche zu beschränken. Derartige Plasmaquellen können für die Beschichtung von grossen und langen Bauteilen verwendet werden, aber sie weisen folgende Nachteile auf.

1. Trotz der ursprünglich geringen Wahrscheinlichkeit einer Anwesenheit von Kathodenflecken auf dem Schutzring beschichtet im Verlaufe der Zeit Kathodendampf den Ring und auf dem Ring werden Kathodenflecken mit steigender Häufigkeit erzeugt. Dies bewirkt eine Verunreinigung der Beschichtung mit Ringwerkstoff und letztlich Ringversagen.
2. Bei selbstlenkenden kathodischen Lichtbogenquellen ist es nicht möglich, äussere magnetische Felder in der Nähe der Targetoberfläche zu verwenden. In einer derartigen Vorrichtung ist es deshalb nicht möglich, ein magnetisches Plasmafokussierfeld zu erzeugen, da der Einfluss des magnetischen Fokussierfeldes die Verteilung der Kathodenflecken auf der Arbeitsoberfläche der Kathode unregelmässig und ungleichförmig macht. Ein äusseres Magnetfeld, zum Beispiel für das Fokussieren und die Ablenkung des Plasmaflusses, stört das magnetische Eigenfeld, das durch die kathodischen und anodischen Stromleiter erzeugt wird und unterbricht den selbstlenkenden Charakter des Kathodenflecks. Aber die Abwesenheit einer magnetischen Fokussierung vermindert die Effizienz des Beschichtungsprozesses und vermindert die Qualität der Substratbeschichtung, weil der Anteil der neutralen Komponente (Makroteilchen, Agglomerate und neutrale Atome) im Bereich der Substrate und somit der Substratbeschichtung zunimmt.
3. In dieser Art von Plasmaquelle wird eine Kathode auf Grund des Dampfabtrags rasch konkav und ihre nützliche Lebensdauer ist relativ kurz. Weiters, da die Verdampfungsfläche der Kathode nach relativ kurzer Zeit konkav wird, ist es praktisch unmöglich, in einer derartigen Konstruktion einen Hochspannungsfunkenzünder zu verwenden, sodass ein mechanischer Zünder verwendet werden muss, der die Betriebssicherheit und Betriebsstabilität vermindert.
4. Obwohl der Beschränkungsring verhindert, dass der Lichtbogenfleck von der Targetoberfläche herunterstreunt, ist er jedoch ohne Einfluss auf die Neigung des Lichtbogenflecks, im Falle von metallischen Kathoden zum anodischen Stromleiter zu wandern oder im Falle von nichtmetallischen Kathoden sich chaotisch über die Targetoberfläche zu bewegen. Daher neigen selbstlenkende Bogenplasmaquellen dazu, die Targetoberfläche ineffizient zu verwenden. Und die Kathode hat daher nur eine relativ kurze nützliche Lebensdauer. Die Erosionseffizienz der Targetoberfläche kann durch Verwendung eines Lichtbogenflecklenksystems verbessert werden, das den Lichtbogenfleck entlang vorbestimmter Wege über die Kahodenoberfläche führt. Dies vergrössert den Bereich innerhalb der Beschichtungskammer, in der beschichtet werden kann.

So kann zum Beispiel das Rastermuster des Kathodenflecks durch Hinzufügen einer eine geschlossene Bahn erzeugenden Magnetfeldquelle, die unter der Targetoberfläche der Kathode ähnlich der im U.S. Patent No. 4,724,058 , das am 9. Februar an 1988 an Morrison erteilt wurde und das hiermit als Zitat eingefügt wird, beschriebenen angeordnet sind, kontrolliert werden. Die Magnetfeldquelle erzeugt über der Targetoberfläche ein magnetisches Feld in eine bestimmte Richtung, das die Kathodenflecken in eine im Wesentlichen normal zur Richtung des Magnetfeldes stehende Richtung lenkt und bewirkt so effizientere Verdampfung der Targetoberfläche. Dieses Vorgehen baut auf dem Prinzip der Lichtbogenfleckbewegung, nach dem ein Lichtbogenfleck von dem Bereich angezogen wird, in dem die tangentiale Komponente eines transversalen magnetischen Feldes am Stärksten ist, auf.
Dennoch beschränkt dies noch immer wesentlich die Targetoberfläche der Kathode, die für Erosion zur Verfügung steht, weil diese Art von Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung Stagnationszonen in dem Bereich, wo das tangentiale Magnetfeld am Stärksten ist, erzeugt. Der Lichtbogenfleck bleibt schliesslich in der Erosionszone hängen, zieht einen rückwärtsgerichteten Weg über die Erosionszone und erzeugt einen schmalen Graben auf der Targetoberfläche. Dies beschränkt die Gleichförmigkeit der Beschichtung und vermindert die Lebensdauer der Kathode.
U.S. das am 7. Dezember 1998 an Welty erteilt wurde, und das hiermit als Zitat eingebracht wird, lehrt eine rechteckige Kathodenplatte, bei der die Verdampfungsoberfläche auf dem umrandenden Rand der Kathodenfläche liegt, und bei der der Lichtbogenfleck durch kathodische Schirme, die an gegenüberliegenden Seitenflächen der Kathodenplatte angebracht sind, auf die Verdampfungsfläche beschränkt wird. Ablenkelektroden, die um die Kathodenplatte angeordnet sind, lenken den Plasmastrom in zwei zu den Seitenflächen der Kathodenplatte parallele Richtungen.
Bei dieser Vorrichtung müssen die Substrate die Kanten der Kathodenplatte umschliessen, und die Kathodenplatte besetzt den Grossteil des Platzes in der Vorrichtung. Daher muss die Kathodenplatte und somit die Vorrichtung selbst extrem gross sein, um eine bedeutende Zahl von Substraten beschichten zu können. Auch die Filterung in dieser Vorrichtung ist schlecht, da die Substrate direkt den Tröpfchen und Makroteilchen ausgesetzt sind, die vom Kathodendampf mitgeführt werden. Eine Umlenkelektrode wird im U.S. Patent No. 5,840,163 , das am 24. November 1998 an Welty erteilt wurde, und das hiermit als Zitat eingebracht wird, beschrieben. Dieses Patent lehrt eine rechteckige Vakuumlichtbogenplasmaquelle, bei der eine Ablenkelektrode, die entweder elektrisch schwebend oder positiv gegenüber der Anode vorgespannt ist, innerhalb der Plasmaleitung angebracht ist. Aber diese Vorrichtung benötigt einen Sensor, der das Magnetfeld umpolt, wenn der Lichtbogenfleck das Ende der Kathode erreicht hat, um den Lichtbogenfleck auf die andere Kathodenseite zu bewegen. Dies bewirkt einen unerwünschter Zeitraum, in dem das Magnetfeld Null ist. Der Lichtbogen ist daher nicht kontinuierlich und wird während dieses Zeitraums nicht kontrolliert. Folglich kann diese ”pseudozufällige” Lenkmethode nicht dauerhaft zuverlässige oder reproduzierbare Beschichtungen erzeugen.
U.S. an Ramalingam schlägt vor, dass die Magnetfeldquelle bewegt werden kann, um die magnetischen Feldlinien zu verschieben und so die Ausnützung der Targetoberfläche zu verbessern. Aber die für ein derartiges System benötigten mechanischen Anpassungen machen die Vorrichtung zu kompliziert und teuer um verwendbar zu sein. Wo eine externes Magnetfeld vorhanden ist, folgt der Lichtbogenfleck der ”spitzen Winkel” Regel, gemäss der der Lichtbogenfleck dazu neigt, vom Scheitel eines spitzen Winkels am Schnittpunkt zwischen einer magnetischen Feldlinie und der Kathodentargetoberfläche wegzuwandern. Das Grundprinzip ist, dass ein Lichtbogenfleck, der von einem Vakuumlichtbogen in einem ziemlich starken (Grössenordnung 100 Gauss) Magnetfeld, dessen Feldlinien die Oberfläche der Kathode in einem spitzen Winkel durchstossen, gebildet wird, sich in eine entgegengesetzte (umgekehrte) Richtung normal zur tangentialen Komponente des Feldes bewegen wird und sich folglich vom Scheitelpunkt des Winkels wegbewegen wird (siehe zum Beispiel Cathodic Processes of Electric Arc by Kesaev I. G., Nauka, 1968) Dies bewirkt, dass der Lichtbogenfleck unter dem Scheitel des bogenförmigen Magnetfelds, das sich über der Targetoberfläche ausdehnt, hängen bleiben wird.
U.S. das am 24. Dezember 1996 an Gorokhovsky erteilt wurde, und das hiermit als Zitat eingebracht wird, lehrt, dass die Kathodenfleckbeschränkung unter einer eine geschlossene Bahn bildenden linearen Anode durch einen Stromleiter, der die Anode umschliesst um eine geschlossene magnetische Spule mit Magnetfeldlinien wie sie in den und dort gezeigt werden zu bilden, verstärkt werden kann. Die gleichzeitige Verwendung einer geschlossenen magnetischen Lenkspule hinter der Kathode und einer geschlossenen linearen Anode vor der Targetverdampfungsfläche (mit oder ohne eingeschlossene magnetische Spule) bewirkt eine synergistische Verbesserung der Lichtbogenentladungsstabilität und somit der Kathodenfleckbewegung. Die Anode kann in jeder beliebigen Form konstruiert werden, ihre Auslegung wird nur durch den Rand der Targetoberfläche beschränkt. Der Lichtbogenfleck wird die Targetoberfläche unter dem Einfluss des transversalen Magnetfeldes (im Falle von Kohlenstoffkathoden oder ähnlichen Sinterwerkstoffkathoden in der Ampèrerichtung oder im Falle von Metallkathoden in der Anti-Ampèrerichtung) vom Stromfluss durch den anodischen Stromleiter praktisch unbeeinflusst abrastern. Ein Nachteil dieses Vorgehens ist, dass der Lichtbogenfleck gelegentlich aus der gewählten Erosionszone zu einem anderen Teil der Kathodentargetoberfläche, in dem die Intensität des transversalen Magnetfeldes klein ist, herauswandern wird und da keine Mittel vorhanden sind, um den Lichtbogenfleck in die gewünschte Erosionszone zurückzuführen, in der Zone mit schwachem Magnetfeld verbleiben wird. Im Falle einer Katodenplatte auf Kohlenstoffbasis, wo die Lichtbogenfleckbewegung langsam genug ist, kann der Lichtbogenfleck in jeder Stagnationszone, wo das transversale Magnetfeld beinahe Null ist, hängen bleiben und er wird nicht in die Erosionszone zurückkehren.
U.S. das am 25. Juli 1995 an Gorokhovsky erteilt wurde, und das hiermit als Zitat eingebracht wird, offenbart ein magnetisches Ablenksystem, das eine rechteckige Plasmaführungskammer umgibt, in dem die ablenkenden Stromleiter das Plasma zum Substrathalter zwingen. Aber dieses Patent löst nicht das Problem des magnetischen Lenkens eines Lichbogenflecks auf einer rechteckigen Kathodenplatte in Anwesenheit eines umlenkenden Magnetfelds.
U.S. das am 10. Januar 1995 an Gorokhovsky erteilt wurde, offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung von Beschichtungen in einem Vakuum und ist mit statischen und dynamischen magnetischen Stabilisierungs-Subsystemen ausgestattet. Dabei ist jedoch allenfalls ein schmaler Erosionskorridor entlang eines speziell definierten Weges realisierbar.
Das deutsche Patent DE 35 286 77 C2 , veröffentlicht am 17. Mai 1990, bezieht sich auf eine Lichtbogenverdampfungsvorrichtung mit einem Target, das eine Fläche aus zu verdampfenden Material aufweist, mit Mitteln zum Erzeugen eines Lichtbogens auf der Targetfläche zum Verdampfen des Targetmaterials, mit Mitteln zum Begrenzen des Lichtbogens auf die Targetfläche und mit einer Katodenfleck-Lenkeinrichtung. Das Patent sieht als seine Aufgabe an, auch bei großen Targetflächen eine gleichmäßige Erosion des Targetmaterials zu erreichen und das Problem des unbeherrschbar wandernden Katodenflecks auf der Targetfläche zu beseitigen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung löst diese Nachteile indem sie eine lenkende Magnetfeldquelle die eine Vielzahl von elektrisch unabhängigen geschlossenen lenkenden Stromleiterschleifen, die in der Nähe der Targetoberfläche angeordnet sind, umfasst, schafft. In der bevorzugten Ausführung kann jeder Lenkstromleiter von den anderen Lenkstromleitern unabhängig gesteuert werden.
Die Lenkstromleiter können vor oder hinter der Targetoberfläche der Kathodenplatte angeordnet werden. Wenn sie vor der Targetoberfläche angeordnet sind, durchstossen die Lenkmagnetfeldlinien die Targetoberfläche in einem stumpfen Winkel, der den bewegungsbehindernden Effekt des spitzen Winkel-Prinzips umgeht und es dem Lichtbogenfleck erlaubt, sich über grössere Bereiche der Targetoberfläche zu bewegen und so die Erosionszone weiter zu vergrössern.
Lenkstromleiter, die vor der Targetoberfläche angeordnet sind, können auch als Fokussierstromleiter verwendet werden, die das Plasma einschliessen und zu den Substraten lenken. In diesen Anordnungen erzeugen gegenüberliegende Steuer-/Fokussierstromleiter entlang den Längsseiten der Kathodenplatte magnetische Scheitelpunkte, die innerhalb des Plasmaflusses einen magnetischen Weg zu den Substraten bilden. Zusätzliche Fokussierstromleiter können entlang der Plasmaleitung stromabwärts, bevorzugt mit Magnetfeldern, die sich innerhalb der Plasmasleitung überlappen um eine durchgehende magnetische Wand entlang der Plasmaleitung zu bilden, angeordnet werden. Ein Erhöhen des Stroms durch einen Lenkleiter erhöht die Stärke des Magnetfelds dieses Lenkleiters in Bezug auf die Stärke des Magnetfelds des Lenkleiters entlang der gegenüberliegenden Seite der Kathodenplatte und querverschiebt das Magnetfeld auf der gegenüberliegenden Seite der Kathodenplatte. Selektives Verungleichgewichten der Lenkleiter kann so den magnetischen Einfluss der Fokussierleiter kompensieren und, wenn gewünscht, die effektive Breite der Erosionszone vergrössern um so gleichförmigeres Abtragen der Targetoberfläche und in der Beschichtungskammer eine grössere Fläche, über der der Kathodendampf in Konzentrationen, die für gleichmässige Beschichten der Substrate ausreichend sind, zu erzeugen.
In einer weiteren Ausführung sind Gruppen von Lenkleitern entlang gegenüberliegenden Seiten der Kathodenplatte angeordnet. Indem man selektiv einen Strom durch einen Stromleiter in jeder Gruppe schickt, verschiebt sich der Weg des Lichtbogenflecks zu dem Erosionsgraben, der dem aktiven Lenkleiter zugeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung schafft weiter Mittel um zu verhindern, dass der Kathodenfleck in bestimmte Bereiche der Targetverdampfungsfläche ausserhalb der gewünschten Erosionszone wandert. Die Erfindung erzielt dies, indem sie einen Schirm auf Schwebepotential über einen oder mehrere ausgewählte Bereiche der Targetverdampfungsoberfläche anbringt, der verhindert, dass der Lichtbogenfleck sich in den oder in die abgeschirmten Bereiche bewegt. In einer bevorzugten Ausführung ist der Schirm in einem Abstand von der Targetoberfläche unmittelbar über dem Bereich der Targetoberfläche in der Nähe der Anode angeordnet. Die Erosionszone wird so auf die Fläche der Targetoberfläche, die den Schirm umgibt, beschränkt, der so die Anode vor Beschichtung mit Kathodendampf schützt und eine bessere Verteilung von Kathodendampf über die zu beschichtenden Substrate bewirkt, was wiederum zu gleichmässigeren Schichten über eine grössere Beschichtungszone führt. Der Schirm kann dazu verwendet werden, Lichtbogenflecken von jedem Bereich fernzuhalten, wo der negative Stromanschluss die Kathode durchdringt, was dem Bereich entspricht, in dem der Spannungsabfall zur Anode am Niedrigsten ist. Wird eine grosse Anode oder werden Mehrfachanoden verwendet, verhindert der Schirm, dass die Lichtbogenflecken in den Bereich der Kathode, der unter einer Anode liegt, wandern, in dem das meiste verdampfte Material von der Anode aufgefangen werden würde, statt zu den Substraten zu fliessen.
Weiters erlaubt die Anwesenheit des Schirms, ein Herstellen der Targetverdampfungsoberfläche der Kathodenfläche aus einer Kombination von Beschichtungswerkstoff und einem anderen Werkstoff, zum Beispiel ein teurer Beschichtungswerkstoff wie Titan oder Platin in der gewünschten Erosionszone und ein billiger Werkstoff wie Stahl ausserhalb der Erosionszone. Der Stahlteil der Targetoberfläche kann durch einen erfindungsgemässen Schirm auf Schwebepotential abgeschirmt werden, um Kathodenfleckbildung und Kathodenfleckbewegung auf ihm und so Beschichtungsverunreinigung zu vermeiden und gleichzeitig die Verwendung von teurem Beschichtungswerkstoff zu optimieren.
In einer Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung, die ein magnetisches Lenksystem verwendet, können Bereiche, in denen das transversale Magnetfeld niedrig ist in der gleichen Art abgeschirmt werden, um eine Bewegung des Lichtbogenflecks in diese Bereiche unmöglich zu machen und die gewünschte Erosionsform zu erzeugen. In dieser Ausführung der Erfindung kann das Target auf die Pole eines magnetronartigen Magnetsystems, wie es in U.S. Patent No. 4,724,058 , das am 9. Februar 1988 an Morrison erteilt wurde, und das hiermit als Zitat eingebracht wird, gesetzt werden. Der Bereich der Verdampfungsoberfläche, der über dem zentralen Teil der Targetkathode liegt, wo die tangentiale Komponente des Magnetfelds zu schwach ist, um Lichtbogenflecken zu beschränken, kann durch einen Schirm auf Schwebepotential abgeschirmt werden, der verhindert, dass der Lichtbogenfleck in diesen Stagnationsbereich, der zwischen den Magnetfeldern des Magnetrons gebildet wird, wandert.
Die Erfindung schafft weiters ein magnetisches Fokussiersystem, das den Plasmafluss zwischen den Magnetfeldern die an gegenüberliegenden Seiten der Beschichtungskammer erzeugt werden, einschliesst. Dies verhindert, dass das Plasma die Wand berührt und somit eine vorzeitige Abscheidung und erhöht so die Konzentration von Plasma in der Umgebung des Substrathalters.
In einer weiteren Ausführung kann das Plasmafokussiersystems dazu verwendet werden, den Plasmafluss von der Arbeitsachse der Kathode abzulenken, um die neutrale Komponente des Plasmas auszublenden die sonst eine Verunreinigung darstellt. In dieser Ausführung sind die Plasmafokussierspulen in einer fortschreitend asymmetrischen Beziehung zur Arbeitsachse der Kathode angeordnet, um den Plasmafluss entlang eines gekrümmten Wegs zu einem Substrathalter zu führen.
Die vorliegende Erfindung schafft so eine Vakuumlichtbogenbeschichtungsvorrichtung, die eine rechteckige Kathodenplatte, mit gegenüberliegenden Längsseiten und gegenüberliegenden Querseiten, die an den negativen Pol einer Lichtbogenstromquelle angeschlossen ist, wobei die Kathodenplatte eine Verdampfungsoberfläche aufweist, eine Beschichtungskammer, die durch die Verdampfungsoberfläche und ein Gehäuse bestimmt ist, die einen Substrathalter, wenigstens eine Anode innerhalb der Beschichtungskammer, die einen Abstand zur Verdampfungsoberfläche aufweist und die an einen positiven Pol einer Stromversorgung angeschlossen ist, einen Lichtbogenzünder um einen Lichtbogen zwischen der Kathode und der Anode zu zünden und einen Lichtbogenfleck auf der Targetverdampfungsoberfläche zu erzeugen, ein magnetisches Lenksystem, das wenigstens einen ersten und einen zweiten Lenkleiter umfasst, die jeweils hinter der Verdampfungsoberfläche entlang den Querseiten der Kathodenplatte angeordnet sind, wobei der erste Lenkleiter einen Strom in einer Richtung führt, die der Richtung des Stroms im zweiten Lenkleiter entgegegengesetzt ist, wobei sowohl der erste wie der zweite Lenkleiter in der Nähe der Verdampfungsoberfläche angeordnet sind, sodass das das von ihnen erzeugte Magnetfeld einen magnetischen Einfluss auf den Lichtbogenfleck ausübt, und ein magnetisches Fokussiersystem, das wenigstens erste und zweite im Wesentlichen lineare Fokussierleiter, die vor der Verdampfungsoberfläche entlang der Längsseiten der Kathodenplatte angeordnet sind, wobei die Fokussierleiter einen Strom in jeweils entgegengesetzter Richtung führen und elektrisch unabhängig von den Lenkleitern sind, umfasst, und wobei die Magnetfelder, die von den Fokussierleitern erzeugt werden und die Magnetfelder, die von den Lenkleitern erzeugt werden, an der Stirnseite der Verdampfungsoberfläche in die gleiche Richtung weisen, um so das Plasma von der Verdampfungsfläche weg zu lenken und die Lichtbogenflecken in die gewünschte Richtung um die Verdampfungsoberfläche zu lenken, enthält, umfasst.
Die vorliegende Erfindung schafft des Weiteren ein Verfahren zur Lichtbogenflecksteuerung um eine rechteckige Kathodenplatte, die Längsseiten und Querseiten und eine Verdampfungsoberflächenstirnseite aufweist, das die Schritte a. Erzeugen eines Magnetfelds vor einer Verdampfungsoberfläche in eine erste Richtung entlang einer ersten Längsseite der Kathodenplatte und Erzeugen eines Magnetfelds vor der Verdampfungsoberfläche in einer zweiten der ersten entgegengesetzten Richtung entlang einer zweiten Längsseite der Kathodenplatte, und b. Erzeugen eines Magnetfelds hinter der Verdampfungsfläche in einer dritten Richtung entlang einer ersten Querseite der Kathodenplatte und Erzeugen eines Magnetfelds hinter der Verdampfungsoberfläche in eine vierte der dritten entgegengesetzte Richtung entlang einer zweiten Querseite der Kathodenplatte umfasst, wobei die Magnetfelder sich vor die Verdampfungsoberfläche erstrecken um den Lichtbogenfleck entlang einer Erosionszone um die Verdampfungsoberfläche zu führen.
Die vorliegende Erfindung schafft des Weiteren ein Verfahren zur Lichtbogenfleckführung um eine rechteckige Kathodenplatte, die Längsseiten und Querseiten und eine Verdampfungsoberflächenstirnseite aufweist, wobei die Kathodenplatte in einer Vorrichtung enthalten ist, die eine Vielzahl von elektrisch isolierten Anodenblöcken, die vor der Verdampfungsoberfläche und zu dieser einen Abstand aufweisend angeordnet sind, aufweist, das den Schritt des selektiven Einschaltens und Ausschaltens der Anodenblöcke umfasst, um den Lichtbogenfleck über die Verdampfungsoberfläche zu führen.
Weitere Aspekte und Ausführungen der Erfindung und der Vorrichtung zur Umsetzung der Verfahren der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung, die folgt, kund.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Unter den Zeichnungen, die als Beispiele nur bevorzugte Ausführungen der Erfindung zeigen, ist
Bild 1 ein schematischer Querschnitt einer grossflächigen Vakuumlichtbogenplasmaquelle gemäss dem Stand der Technik, die ein magnetisches Lenksystem, das hinter der Kathodenplatte angeordnet ist, aufweist;
Bild 2 ein perspektivischer Ausschnitt, der die Verteilung der Magnetfeldlinien, die durch ein magnetisches Lenksystem gemäss einer erfindungsgemässen Ausführung erzeugt wird, zeigt;
Bild 2a ein schematischer Aufriss, der gleichgewichtete Magnetfeldlinien, die durch das magnetische Lenksystem des Bildes 2 erzeugt werden, zeigt;
Bild 2b ein schematischer Aufriss, der einen Erosionsgraben zeigt, wie er durch das magnetische Lenksystem von Bild 2 erzeugt wird, das in einer ersten Richtung ungleichgewichtet ist;
Bild 2c ein schematischer Aufriss, der einen Erosionsgraben zeigt, wie er durch das magnetische Lenksystem von Bild 2 erzeugt wird, das in einer zweiten Richtung ungleichgewichtet ist;
Bild 3 ein schematischer Aufriss, der eine Variante der Ausführung von Bild 2 zeigt, bei der mehrfache Lenkleiter entlang den Längsseiten der Kathodenplatte angeordnet sind;
Bild 4 ein Grundriss einer weiteren bevorzugten Ausführung einer erfindungsgemässen Lichtbogenquelle mit grossflächiger Kathode;
Bild 5 ein Querschnitt entlang der Linie 5-5 der Vorrichtung von Bild 4;
Bild 6 ein Querschnitt entlang der Linie 6-6 der Vorrichtung von Bild 4;
Bild 7a ein Aufriss einer Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung, die ein erfindungsgemässes Plasmafokussiersystem verwendet;
Bild 7b ein Seitenaufriss der Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung von Bild 7a;
Bild 8 ein Grundriss einer Abwandlung der Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung von Bild 7a, die neutralisierende Stromleiter zur Modulation der lenkenden und fokussierenden Leiter aufweist;
Bild 9 ein Grundriss einer Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung, die ein erfindungsgemässes elektromagnetisches Ablenksystem zur Führung des Kathodendampfs zum Substrathalter, der von der Arbeitsachse der Kathodenplatte entfernt ist, beinhaltet;
Bild 10 ein Grundriss einer Doppellichtbogenbeschichtungsvorrichtung, die das magnetische Lenksystem, sowie Fokussier- und Ablenkungsaspekte der Erfindung aufweist;
Bild 11 ein querschnittartiger Seitenaufriss einer weiteren Ausführung der erfindungsgemässen Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung;
Bild 12 ein Frontaufschnitt der Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung von Bild 11; und
Bild 13 ein Rückenaufriss der Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung von Bild 11.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bild 1 zeigt eine Vakuumlichtbogenbeschichtungsquelle mit einer großflächigen rechteckigen Kathode der Art wie sie im an Morrison erteilten U.S. Patent No. 4,724,058 , beschrieben und gezeigt wird. Die Vorrichtung 10 beinhaltet eine Kathodenplatte 12, die eine Verdampfungsfläche 14 aufweist, die von einem Beschränkungsteil 16 umschlossen sein kann, der aus einem weichmagnetischen Werkstoff besteht und, wie im am 24. Dezember 1996 an Gorokhovsky erteilten U.S. Patent No. 5,587,207 , eine Anode 15 aufweist, die gegenüber der Targetoberfläche 14 angeordnet ist, und die aus einem metallischen oder einem nichtmetallischem Werkstoff bestehen kann.
Ein zwischen der Kathode 12 und der Anode 15 angewandter Strom erzeugt einen Lichtbogen, der einen Lichtbogenfleck auf der Targetoberfläche 14 erzeugt. In den gezeigten Vorrichtungen des Stands der Technik ist die Rasterbewegung des Kathodenflecks durch eine Magnetfeldquelle 18 mit geschlossener Schleife, die hinter der Kathode 12 angeordnet ist, kontrolliert. Die Magnetfeldquelle 18 erzeugt magnetische Felder 19a, 19b über der Targetoberfläche 14 in entgegengesetzten Richtungen, welche den Lichtbogenfleck in einer Rückwärtsbewegung gemäss der Formel V_cs = –c[I_as(B_t)] bei der Vcs die Geschwindigkeit des Lichtbogenflecks, Ias der Kathodenpunktstrom, Bt die Stärke des transversalen Magnetfelds und c ein Koeffizient, der vom Werkstoff des Targets 14 abhängt, ist, bewegen. Der Lichtbogenfleck beschreibt so einen rückläufigen Weg über die Kathodenplatte, dabei der Länge des Magnetfelds folgend.
Wenn er vom statischen Magnetfeld, das von der Magnetfeldquelle 18 erzeugt wird eingefangen wird, wird der Kathodenfleck zum Scheitel der Magnetfeldlinien 20 gelenkt, dem Bereich, wo die tangentiale Komponente des Magnetfelds am Stärksten ist, was die Targtoberfläche 14 entlang eines schmalen Verdampfungsgrabens 14a verdampfen lässt. Außerdem bilden die entgegengerichteten Magnetfeldlinien 19a, 19b eine Stagnationszone 22, in der der Kathodenfleck für einen längeren Zeitraum hängen bleiben kann und so die Targetoberfläche 14 in der Stagnationszone 22 übermäßig abträgt. Beide Effekte bewirken eine schlechte Ausbeute der Targetoberfläche 14. Dementsprechend wird in der im U.S. Patent No. 4,724,058 beschriebenen Vorrichtung das Magnetfeld während des Beschichtungsprozesses nur mit Unterbrechungen eingeschaltet, und der Lichtbogenfleck kann während der meisten Zeit zufallsrastern. Da der Kathodenfleck größtenteils selbstlenkend ist, können keine Magnetfelder für die Plasmafokussierung eingesetzt werden.
Bild 2 zeigt eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Kathodenflecklenksystems 60. In der im Bild 2 gezeigten Ausführung ist das Lenksystem 60 hinter der Kathodenplatte 32 (d. h. auf der der Targetverdampfungsoberfläche 34 abgewandten Seite), die Längsseiten 32a, 32b und Querseiten 32c, 32d aufweist, angeordnet. Das Lenksystem 60 umfasst lineare Leiter 62 und 64 die jeweils parallel zu den Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte 32, die einen Strom I_LS in der gezeigten Richtung führen, und lineare Leiter 66 und 68 jeweils parallel zu den Querseiten 32c, 32d der Kathodenplatte 32, die einen Strom ISS in der gezeigten Richtung führen. Die Leiter 62, 64 sind hinter der Kathodenplatte in der Nähe der Targetoberfläche 34 angeordnet, sodass die von ihnen erzeugten Magnetfelder die Targetoberfläche 34 durchdringen und so die Lichtbogenfleckbildung und -bewegung beeinflussen. Die Lenkleiter 62, 64, 66, 68 können alternativ vor der Kathodenplatte angeordnet werden, wie in den Bildern 4 bis 6, die unten beschrieben werden, gezeigt wird. In jedem Fall erzeugt die Lenkmagnetfeldquelle 60 ein Magnetfeld, das eine Erosionszone 70 entlang der Targetoberfläche 34 definiert.
Die Anordnungen und die Polaritäten der Magnetfelder, die von den Lenkleitern 62, 64, 66 und 68 erzeugt werden sind mit den Magnetfeldlinien in Bild 2 beschrieben. Die Magnetfeldlinien erstrecken sich über die Targetoberfläche 34 hinaus und sind bogenförmig und auf gegenüberliegenden Seiten der Kathode 32 einander entgegengerichtet. Lichtbogenflecken, die sich innerhalb der Erosionszone 70 bewegen, werden um Scheitel der bogenförmigen Magnetfeldlinien gezogen, wo die tangentiale Komponente des Magnetfelds, das sich aus der Targetoberfläche 34 hinausstreckt, am Stärksten ist. Wenn der Strom durch gegenüberliegende Leiter, zum Beispiel die Lenkleiter 62 und 64, gleich ist oder gleichgewichtig ist (i. e. I₁ = I₂), lauft der Lichtbogenfleck entlang eines engen Erosionsgrabens, somit die Erosionszone 70 größtenteils unter den Scheitel der Magnetfeldlinien beschränkend, symmetrisch um das longitudinale Zentrum der Kathodenplatte 32, wie im Bild 2a gezeigt.
Gemäss einem Aspekt der Erfindung, wird dadurch, dass man den Strom in einem Lenkleiter relativ zum Strom im Lenkleiter auf der gegenüberliegenden Seite der Kathodenplatte 32 erhöht, das Magnetfeld ungleichgewichtig und die Magnetfeldlinien auf der Seite der Kathodenplatte 32 mit dem schwächeren Magnetfeld verschieben sich zur Seite der Kathode 32 mit dem stärkeren Magnetfeld. In der bevorzugten Ausführung ist daher jeder lineare Leiter 62, 64, 66, 68 elektrisch unabhängig und kann unabhängig gesteuert werden.
So wurde zum Beispiel in Bild 2b der Strom im Lenkleiter 62 relativ zum Strom im Lenkleiter 64 erhöht, sodass I₁ < I₂ gilt. Das daraus resultierende Ungleichgewicht verformt das vom Leiter 64 erzeugte Magnetfeld und verschiebt seine Magnetfeldlinien zum Leiter 62. Der Punkt des Magnetfelds, das vom Leiter 64 erzeugt wird, wo die tangentiale Komponente des transversalen Magnetfelds am stärksten ist, hat sich also somit von der Seite 32a zum Zentrum der Kathode 32 hin verschoben und daher ziehen die Lichtbogenflecke einen Weg, der näher am Zentrum der Kathode 32 liegt. Durch Ungleichgewichten des Stroms in den Leitern 62, 64 sodass der Leiter 64 ein stärkeres Magnetfeld erzeugt und I₁ > I₂ ist, verschiebt sich der Weg des Lichtbogenflecks von der Seite 32b weg zum Zentrum der Kathode, wie dies im Bild 2c gezeigt ist.
Das Ausmaß der Ungleichgewichtung, d. h. der Stromunterschied zwischen den Leitern 62 und 64 bestimmt das Ausmaß der Magnetfeldverschiebung. Durch Ungleichgewichten der Leiter 62, 64 zu gewählten Stromstärken und in geeigneten Zeitintervallen, die mit der Bewegung des Lichtbogenflecks zusammenfallen, kann eine Vielzahl von Lichtbogenfleckwegen erzeugt werden. Dies erhöht die Ausnützung der Targetoberfläche wesentlich.
Ein ähnlicher Effekt wird an den Querseiten 32c, 32d der Kathode 32 durch Ungleichgewichten des Stroms durch die Leiter 66, 68 erreicht. Der Lichtbogenfleckweg wird sich entlang der Seite mit dem schwächeren Magnetfeld zum Zentrum der Kathode 32 verschieben. Aber man erkennt, dass wenn die Kathodenplatte 32 schmal genug ist, die Magnetfelder, die entlang der Längsseiten 32a, 32b von den Leitern 62, 64 erzeugt werden, relativ eng beieinander liegen, und dass dadurch die Leiter 66, 68 entlang der Querseiten 32c, 32d überflüssig werden können, da der Lichtbogenfleck natürlich zwischen den langen Magnetfeldern hin und herwandern wird, oder, sobald der Lichtbogenfleck das Ende seines Wegs entlang einer Längsseite 32a oder 32b erreicht hat, kann das Magnetfeld auf dieser Seite gezielt gesenkt oder vorübergehend ausgeschalten werden und der Lichtbogenfleck wird sich zur anderen Seite 32b oder 32a bewegen, wo das Magnetfeld stärker ist.
Die Abschlussleiter 62a, 64a, 66a, 68a, die zur Targetoberfläche 34 parallel sind und entsprechend den Kreis für jeden Lenkleiter 62, 64, 66, 68, schließen sind weit genug von der Kathodenplatte 32 und dem Gehäuse 38 entfernt. Dies sichert, dass die von den Abschlussleitern 62b, 64b, 66b, 68b oder 72a, 72b erzeugten Magnetfelder die Lichtbogenfleckbildung oder den Plasmafluss nicht beeinflussen.
Beim Betrieb, wenn ein Lichtbogen durch Anwenden eines Stroms zwischen der Anode und der Kathodenplatte erzeugt wird, lässt ein Lichtbogenfleck, der auf der Targetoberfläche 34 erzeugt wird sich in einem Erosionsgraben 70 nieder, der durch die von den Lenkleitern 62, 64, 66, 68 erzeugten Lenkmagnetfelder gebildet wird. Der Lichtbogenfleck folgt einer rückläufigen Bewegung entlang der Erosionszone 70. Das Magnetfeld wird periodisch durch ein (nicht gezeigtes) Steuerrelais ungleichgewichtet, das in Zeitabständen den Strom durch den Leiter 62 erhöht um die Stärke des von ihm erzeugten Magnetfelds zu erhöhen und den Lichtbogenfleck von der Seite 32a wegzubewegen und alternativ den Strom durch den Leiter 64 erhöht um die Stärke des von ihm erzeugten Magnetfelds zu erhöhen und den Lichtbogenfleck von der Seite 34a wegzubewegen. Dies erweitert effektiv die Erosionszone 70 um die Ausnützung der Targetoberfläche zu verbessern, die Qualität der Schicht und die Lebensdauer der Kathode 32 zu verbessern.
In einer Abwandlung dieser Ausführung, die in Bild 3 gezeigt ist, wird eine Vielzahl von Lenkleitern 62b, 62c, 62d und 64b, 64c, 64d entlang der Längsseiten der Kathodenplatte 32 angeordnet. In dieser Abwandlung werden die Lenkleiter 62b, 62c, 62d und 64b, 64c, 64d abwechselnd eingeschaltet oder moduliert, sodass der Erosionsgraben, der im Allgemeinen über dem gerade eingeschalteten Lenkleiter 62b, 62c oder 62d an einer Seite und 64b, 64c oder 64d an der anderen Seite liegt, in der Richtung der Breite über die Kathodenplatte 32 verschoben wird um die Breite der Erosionszone zu erhöhen.
In der Ausführung von Bild 3 werden so viele Lenkleiter vorgesehen, wie es die Größe der Kathodenplatte 32 praktisch erlaubt. Ein Lenkleiter 62b, 62c oder 62d und 64b, 64c oder 64d sollte auf jeder Seite der Kathodenplatte zu einem bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet sein, um die Bildung einer Stagnationszone zu vermeiden, in der der Kathodenfleck hängen bleiben kann. Aber, wenn die Leiter auf jeder Seite der Kathode 32 eng beieinander liegen, erlaubt das gleichzeitige Einschalten von mehr als einem Leiter auf jeder Seite ein feineres Erosionsmuster, das, wenn geeignet gesteuert, die Ausnutzung der Targetoberfläche 34 weiter verbessert.
Beim Betrieb, wenn ein Lichtbogen durch Anwenden eines Stroms zwischen der Anode und der Kathodenplatte erzeugt wird, lässt ein Lichtbogenfleck, der auf der Targetoberfläche 34 erzeugt wird, sich in einem Erosionsgraben 70 nieder, der durch die von eingeschalteten Lenkleitern erzeugten Magnetfelder gebildet wird, zum Beispiel 62b und 64b. Das Magnetfeld wird periodisch durch ein (nicht gezeigtes) Steuerrelais ungleichgewichtet, das in Zeitabständen den Strom zwischen den Leitern 62b, 62c und 62d an der Längsseite 32a und zwischen den Leitern 64b, 64c und 64d an der Längsseite 32b schaltet um so den Lichtbogenfleckweg in die Nachbarschaft des eingeschalteten Lenkleiters zu bewegen. Dies weitet den Erosionsgraben 70 auf, erhöht die Ausnützung der Targetoberfläche verbessert die Qualität der Schicht und die Lebensdauer der Kathode 32.
Man erkennt, dass in jeder dieser Ausführungsformen der eingeschaltete Lenkleiter nicht vollständig ausgeschaltet werden muss, oder voll aufgedreht werden muss, wenn er eingeschaltet ist um das gewünschte Erosionsmuster in der Erosionszone 70 zu erzielen. Der Strom kann stetig moduliert werden so wie zwischen den einzelnen Lenkleitern um das gleiche Resultat zu erzielen.
Bilder 4 bis 6 zeigen eine weitere Ausführung der Erfindung, die einen Lichtbogenfleckschirm vorsieht. Eine Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung 30 ist mit einer rechteckigen Kathodenplatte 32 versehen, die eine Targetverdampfungsoberfläche 34 und eine Stützplatte 36, die auf dem Kathodenhalter 42 montiert ist, in einer Beschichtungskammer, die durch die Targetoberfläche 34 und ein Gehäuse 38 gebildet wird, umfasst. In der bevorzugten Ausführung hat die Targetoberfläche 34, die aus irgendeinem geeigneten metallischem oder nichtmetallischem Beschichtungswerkstoff besteht, Längsseiten 32a, 32b und Querseiten 32c, 32d und ist elektrisch vom Gehäuse 38 durch dielektrische Abstandshalter 39 getrennt, die den Kathodenhalter 42 von der Stützplatte 36 isolieren und die vom Gehäuse 38 durch einen Spalt 40 getrennt sind. Die Targetoberfläche 34 kann aus verschiedenen Werkstoffen gebildet sein, zum Beispiel Titan und Aluminium oder Titan und Chrom, die mosaikartig entlang der Erosionszone 70 zusammengefügt sind um ein zusammengesetztes Metallplasma zur Anwendung von Schichten wie TiAlN, TiCrN und Ähnlichen zu erzeugen.
Die Kathodenplatte 32 weist zum Kathodenhalter 42 einen Abstand auf, um eine Kühlkammer 44 zur Zirkulation von Kühlmittel wie Wasser zu bilden, und ist mit dem negativen Pol einer (nicht gezeigten) Lichtbogenstromversorgung verbunden. Ein üblicher Hochspannungspulszünder ist über einem dielektrischen Flansch, der das Gehäuse 38 durchquert, montiert.
Am Gehäuse 38 ist mit einer Haltevorrichtung 51 eine lineare Anode 50 in einem Abstand von der Kathodenplatte 32 auf einem Anodenhalter 52 aufgebaut, der mit einem Kühlkanal 53 für die Zirkulation eines Kühlmittels wie Wasser versehen ist. Die Anode 50 ist an den positiven Pol einer Lichtbogenstromquelle 46 angeschlossen. In der bevorzugten Ausführung umfasst die Anode 50 eine Reihe von Rippen 50a, die im Allgemeinen orthogonal zu einem Anodenkörper 50b angeordnet sind, um die effektive Anodenoberfläche zu vergrößern. Die Rippen 50a und der Anodenkörper 50b sind beide bevorzugt in eine Richtung parallel zum Plasmafluss ausgerichtet, d. h. parallel zur Richtung jedweder fokussierender Magnetfelder, wie sie weiter unten beschrieben sind, in der Nähe der Anode, um die Möglichkeit von Beschichtung der Anodenoberflächen und so Diffusionsverluste zu reduzieren.
Lichtbogenfleckbildung ist durch lenkende Magnetfelder beschränkt, die durch eine Lenkmagnetfeldquelle 60, die aus linearen Leitern 62 und 64, die jeweils entlang den Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte 32 und den linearen Leitern 66 und 68, die jeweils entlang der Querseiten 32c, 32d der Kathodenplatte angebracht sind, besteht, erzeugt werden. In dieser Ausführung sind die Leiter 66, 68 wie in den vorhergehenden Ausführungen hinter der Kathodenplatte 32 angebracht, aber die Leiter 62, 64 sind vor der Kathodenplatte 32 angebracht. Die Leiter 62, 64 sind noch immer in der Nähe der Targetoberfläche 34 angebracht, sodass die von ihnen erzeugten Magnetfelder die Lichtbogenfleckbewegung beeinflussen, und der Betrieb des Lenksystems 60 in dieser Ausführung ist im Wesentlichen der in Zusammenhang mit der Ausführung von Bild 2 beschriebene.
Aber in der Ausführung der Bilder 4 bis 6 beschränken die Lenkmagnetfelder nicht die Lichtbogenflecken, wie in der Ausführung von Bild 2, weil die magnetischen Feldlinien nicht bogenförmig sind und die Targetoberfläche nur an einer Seite, wie man dies anhand der im Bild 5 gezeigten Magnetfeldlinien sehen kann, durchdringen. Daher werden auf Grund des ”spitzen-Winkel-Prinzips” die Lichtbogenflecken zum zentralen Bereich der Kathodenplatte 32, weg vom spitzen Winkel, der dort gebildet wird, wo die Magnetfeldlinien die Targetoberfläche 34 durchdringen, gelenkt. Den Lichtbogenflecken steht daher in dieser Ausführung ein breiterer Bereich von Bewegungen zur Verfügung. In den Ausführungen, bei denen die Lenkleiter hinter der Kathodenplatte 32 angebracht sind und bei denen ein Teil des aus der Targetoberfläche herausragenden Magnetfelds geschlossen ist (d. h. es durchdringt die Targetoberfläche 34 entlang beider Seiten) beschränken die Magnetfelder nicht nur die Lichtbogenflecken, sondern auch das Plasma, das bei der Verdampfung der Targetoberfläche 34 erzeugt wird. Wie in Bild 5 gezeigt, hat der Kathodendampf dadurch, dass man die Leiter 62, 64 vor der Targetoberfläche 34 anbringt einen offenen Weg zum Substrathalter 6.
Lichtbogenflecken werden so von beiden Längsseiten 32a, 32b zum zentralen Bereich der Kathodenplatte 32 geführt. Um die Bildung einer Stagnationszone im zentralen Bereich zu vermeiden, ist ein elektrisch leitfähiger Schirm auf Schwebepotential auf dem Anodenhalter 52, von diesem elektrisch isoliert und in einem Abstand von der Targetverdampfungsfläche 34, angebracht, der jede Kathodenflecktätigkeit im zentralen Bereich der Kathodenplatte 12 unterbindet. Der Schirm 54 weist zur Targetoberfläche 34 bevorzugt einen Abstand zwischen 2 mm und 6 mm auf, weniger als 2 mm machen es wahrscheinlich, dass der Lichtbogen sich über den Schirm 54 kurzschließt und mehr als 6 mm erlauben es dem Lichtbogen unter die Kanten des Schirms 54 zu kriechen. Der Schirm 54 verhindert so die Verdampfung der Kathode 32 im Schatten der Anode 50, und beschränkt so die Lichtbogenfleckbildung auf eine Erosionszone 70, die den Schatten der Anode 50 umgibt. Dies schützt die Anode 50 vor der Abscheidung von Kathodendampf und bewirkt eine bessere Verteilung von Beschichtungswerkstoff über die (nicht gezeigten) auf dem Substrathalter 6 befestigten Substrate.
Eine oder mehrere Schwebepotentialschirme 54 können über ausgewählten Bereichen der Targetverdampfungsoberfläche 34 angebacht werden, um die Bewegung von Lichtbogenflecken in den abgeschirmten Bereichen zu verhindern. In der gezeigten Ausführung ist der Schirm 54 unmittelbar über der Targetoberfläche 34 in der Nähe der Anode 50 angebracht, und verhindert so die Bildung von Lichtbogenflecken auf der Fläche oder die Bewegung von Lichtbogenflecken in die Fläche der Targetoberfläche 34, die den Schirm 54 umgibt. Dies ist in Ausführungen vorteilhaft, bei denen die Lenkleiter vor der Kathodenplatte 32 angebracht sind. Aber ein Schwebepotentialschirm kann auch dazu verwendet werden, Lichtbogenflecken von einem gewünschten Bereich der Kathodenplatte 32 fernzuhalten. So erlaubt zum Beispiel der Schwebepotentialschirm 54 eine Konstruktion der Targetverdampfungsfläche aus mehr als einem Werkstoff, in diesem Falle kann ein teurer Verdampfungswerkstoff wie Wolfram oder Platin aus dem Bereich unter dem Schirm 54 weggelassen werden, und da die Lichtbogenflecken in diesem Bereich sich weder bilden noch sich in ihn hineinbewegen besteht keine Möglichkeit, dass die Schicht verunreinigt wird.
Im Betrieb wird ein Strom zwischen der Anode 50 und der Kathodenplatte 32 angelegt und ein Hochspannungspuls auf den Zünder 48 startet einen Vakuumlichtbogen auf der Verdampferoberfläche 34 der Kathodenplatte 32. Der Lichtbogenfleck lässt sich in einem Erosionsgraben 70, der zwischen den von den Leitern 62, 64 erzeugten Lenkmagnetfeldern und dem hinter dem leitfähigen Schirm 54 abgeschirmten Bereich der Targetoberfläche 34 nieder. Der Lichtbogenfleck folgt einer rückläufigen Bewegung entlang der Längsseite 32a oder 32b der Targetoberfläche 34 und bewegt sich, immer unter dem Scheitel des Magnetfelds, das von den Lenkleitern 66 oder 68, die hinter der Kathodenplatte 32 angebracht sind, erzeugt wird, wandernd zu den Längsseiten 32b oder 32a. Während des Verdampfens der Targetoberfläche 34 wird das Plasma wie durch die Pfeile in Bild 5 angedeutet zwischen den von den Leitern 62, 64 erzeugten Magnetfeldern zum Substrathalter 6 geführt.
Weil die bevorzugten Ausführungen der Erfindung ein magnetisches Lenksystem verwenden, ist es möglich, ein Plasmafokussierungssystem zu verwenden, um den Kathodendampf zum Substrathalter 6 zu führen. Es bildet sich ein Magnetfeld, das für das Plasma im Wesentlichen undurchsichtig ist. So können fokussierende Magnetfelder um das Gehäuse 38 erzeugt werden, um das Plasma auf einen Plasmaflussbereich zwischen den Magnetfeldern zu beschränken und den Substrathalter 6 im Plasmaflussbereich anzubringen, um so die Plasmakonzentration um die Substrate zu erhöhen und die Qualität der Schicht zu verbessern.
In der in den Bildern 4 bis 6 gezeigten Ausführung können die vor der Targetoberfläche 32 angeordneten Leiter 62, 64 auch als Fokussierleiter in einem Plasmafokussiersystem 80 dienen. Ein Plasmaflussweg wird von den von den Leitern 62, 64 erzeugten magnetischen Feldern festgelegt, wie dies von den Magnetfeldlinien des Bildes 5 gezeigt wird, sodass das Plasma entlang eines zentralen Bereichs des Gehäuses zum Substrathalter 6 geführt wird. In dieser Ausführung ist es vorteilhaft, die Querseitenlenkleiter 66, 68 mit getrennten Leistungsversorgungen zu versehen, die es erlauben, die Stärke ihrer jeweiligen Magntfelder unabhängig zu verändern, um etwaige Verwerfungen in den Lenkmagnetfeldern, die von den Längsseitenlenkleitern 62, 64 verursacht werden, zu kompensieren und so den Lichtbogenfleck im Erosionsgraben sauber zu positionieren.
Um das Plasma zu fokussieren können zusätzliche Plasmafokussierleiter in Reihe angebracht werden, um den Plasmaflussweg zu verlängern. So zeigen zum Beispiel die Bilder 7a und 7b eine Ausführung der Erfindung, bei der Gruppen von Plasmafokussierleitern 82, 84 und 92, 94 an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 38 und innerhalb jeder Gruppe immer weiter von der Kathode entfernt angebracht werden. Dies erzeugt eine Plasmaeinschlusszone zwischen den an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses erzeugten Magnetfeldern und legt so einen Plasmaflussweg zwischen der Targetoberfläche 34 und dem Substrathalter 6 fest.
Die Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 sind bevorzugt zu weit von der Kathodenplatte 32 entfernt angebracht um die Lichtbogenfleckbildung und -bewegung zu beeinflussen. Die Fokussierleiter in jeder Gruppe 82, 84 oder 92, 94 sind weiter so eng zueinander angeordnet, dass ihre jeweiligen Magnetfelder sich überlappen um einen stetigen magnetischen Weg zu erzeugen, der den Plasmafluss einschließt und das Gehäuse 38 vom Plasmafluss magnetisch isoliert, da sonst Plasma an den Wänden des Gehäuses 38 eingefangen werden kann. Wie im Fall der Lenkleiter sind die Abschlussleiter 82a, 84a der Fokussierleiter 82, 84 und die Abschlussleiter 92a, 94a der Fokussierleiter 92, 94 genügend vom Gehäuse 38 und der Kathodenplatte 32 entfernt, um jedweden Interferenzeffekt der von ihnen erzeugten Magnetfelder im Bereich des Gehäuses (Plasmaleitung) auszuschalten. In dieser Ausführung kann es vorteilhaft sein, die Querseitenlenkleiter 66, 68 mit getrennten Leistungsversorgungen zu versehen, um jedwede Verwerfung der von den Fokussierleitern 92, 94 erzeugten Magnetfelder zu kompensieren.
Beim Betrieb dieser Ausführung wird das Plasma, sowie die Targetoberfläche 34 verdampft, zwischen den von den Fokussierleitern 82, 84, und 92, 94 erzeugten Fokussiermagnetfeldern konzentriert. Das Plasma fließt daher zum Substrathalter 6 ohne das Gehäuse 38 zu berühren.
Die Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 sind bevorzugt unabhängig leistungsversorgt, so dass die Stärke der von jedem Leiter 82, 84, 92, 94 erzeugten Magnetfelder unabhängig von den anderen verändert werden kann. Fokussierleiter mit geschlossener Schleife können um das Gehäuse 38 gelegt werden, aber in der in den Bildern 7a, 7b gezeigten bevorzugten Ausführung sind Paare von unabhängigen Fokussierleitern jeweils 82 und 92, und 84 und 94, auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 38 parallel zu den Längsseiten 32a, 32b der Kathode 32 angeordnet.
Die Abschlussleiter 82a, 84a, 92a und 94a sind vom Gehäuse 38 und von der Kathodenplatte 32 gut ferngehalten.
In einer weiteren im Bild 8 gezeigten Ausführung sind die gegenüberliegenden Fokussierleiter 82, 92 und 84, 94 aus einer gleichen geschlossenen Leiterschleife gebildet, wobei die Fokussierleiter 82, 92, 84 und 94 parallel zu den Längsseiten 32a, 32b der Kathode 32 und die Abschlussleiter 82a, 92a, 84a und 94a parallel zu den Querseiten 32c, 32d der Kathode 32 angeordnet sind.
Indem man die Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 an unabhängige Leistungsversorgungen anschließt ist es möglich, den Plasmafluss durch Verändern des Stroms durch gegenüberliegende Fokussierleiter 82, 92 und/oder 84, 94 zu rastern. Dies hilft, das Plasma gleichförmiger über die Plasmaleitung zu verteilen und eine homogenere Plasmamischung zu erzeugen. Innerhalb der Beschichtungskammer können die Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 unabhängig eingeschaltet werden, um Plasma zum Substatthalter 6 abzulenken.
Bild 8 zeigt ein Vorgehen um den magnetischen Einfluss der Abschlussleiter 82a, 92a zu vermindern, indem man neutralisierende Leiter 140 verwendet, die Spulen mit geschlossener Schleife entlang der Abschlussleiter 82a, 92a, aber mit entgegengesetzter Orientierung beinhaltet. Wenn eingeschaltet eliminieren die Neutralisierungsleiter 140 den Einfluss der Abschlussleiter 82a, 92a auf den Plasmafluss. Die Neutralisierungsleiter 140 können auch den Plasmafluss in der Umgebung der Wand des Gehäuses (38) leicht parallel zu den Querseiten 32c, 32d des Targets 32 rastern.
In allen Ausführungen sind die Abschlussleiter 82a, 84a, 92a und 94a weit genug vom Gehäuse 38 und der Kathodenplatte 32 entfernt, um jeden Aufhebungseffekt der im Bereich des Gehäuses (insbesondere im Plasmaleitungsbereich des Gehäuses 38) erzeugten magnetischen Felder zu vermeiden.
Das erfindungsgemäße Plasmafokussiersystem kann auch als Plasmaablenksystem 100 verwendet werden, das es erlaubt den Substrathalter 6 von der Arbeitsachse der Kathodenplatte 32, die in Bild 9 mit 33 bezeichnet ist, entfernt anzuorden, um aus dem Plasma die neutrale Komponente (Makroteilchen, Haufen und neutrale Atome), die von den fokussierenden Magnetfeldern nicht beeinflusst werden, zu entfernen und so die Qualität der Schicht zu verbessern. Wie in Bild 9 gezeigt, wird das Plasma, wenn man die Ablenkleiter 86, 87, 88 und 96, 97, 98 entlang eines gekrümmten Gehäuses 38 in einem fortschreitend asymmetrischen Muster in bezug auf die Arbeitsachse 33 der Kathodenplatte 32 anordnet zum Substrathalter 6 abgelenkt, während im Ablenkbereich ihre Trägheit die neutrale Komponente vom Plasma trennt.
Die Leiter 86, 87, 88 und 96, 97, 98 bilden so eine Kette von Ablenkleitern um ein elektromagnetisches Ablenksystem zu bilden. Wie in der vorhergehenden Ausführung sind Abschlussleiter 86a, 87a, 88a und 96a, 97a, 98a weit genug vom Gehäuse 38 (insbesondere vom Plasmaleitungsbereich) und der Kathodenplatte 32 entfernt. Die Abschlussleiter 86a, 87a, 88a und 96a, 97a, 98a können auf der gleichen Seite des Gehäuses 38 wie die Ablenkleiter 86, 87, 88 und 96, 97, 98 des Ablenksystems angeordnet sein, zum Beispiel indem man die Abschlussleiter 86a, 87a, 88a und 96a, 97a, 98a weit über oder unter dem Grund des Gehäuses 38 anbringt. Alternativ können die Abschlussleiter 86a, 87a, 88a und 96a, 97a, 98a auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 38 aber von ihm entfernt angebracht werden, wobei es dann wichtig ist, dass der Abstand S zwischen den Abschlussleitern und den Fokussierleitern, die auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses (zum Beispiel die Fokussierleiter 86, 87, 88 und die Abschlussleiter 96a, 97a, 98a) angebracht sind, im Bereich von 1.5 H bis 3 H liegt, wobei H die Quere des Gehäuses 38 ist.
Beim Betrieb dieser Ausführung wird das Plasma, sowie die Targetoberfläche 34 verdampft, zwischen den von den Leitern 62, 64 erzeugten Magnetfeldern konzentriert und fließt daher in den Ablenkbereich, der von den von den Leitern 86, 87, 88 und 96, 97, 98 erzeugten Magnetfeldern gebildet wird. Das Plasma wird so entlang eines Pfads, der mit dem asymmetrischen Muster der Ablenkleiter 86, 87, 88 und 96, 97, 98 zusammenfällt, geführt und fließt zum Substrathalter 6 ohne das Gehäuse 38 zu berühren. Das Plasma bleibt zwischen den Magnetfeldern eingeschlossen und wird so von der Arbeitsachse 33 der Kathodenplatte 32 weggelenkt. Die neutrale Komponente fliegt in einer im Allgemeinen geraden Richtung weiter und setzt sich auf den Innenwänden des Gehäuses 38 in der Nähe der Arbeitsachse 33 der Kathodenplatte 32 ab, während das Plasma sich entlang der Plasmaleitung in die Beschichtungskammer zum Substrathalter 6 fortbewegt.
Bild 10 zeigt eine bevorzugte Ausführung einer erfindungsgemäßen Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung, die ein Paar von Kathodenplatten 32, die in einer Kathodenkammer an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 38, das mit dem Substarthalter 6 durch eine rechteckige Plasmaleitung 31 verbunden ist, umfasst. Interne lineare wie oben beschrieben ausgeführte Anoden 50 sind über jeder Targetoberfläche durch einen Schirm 54 getrennt aufgehängt. Die Anoden 50 werden hier als ”intern” bezeichnet, weil sie innerhalb der Plasmaleitung, die durch die Kathodenplatte 32 und den Substrathalter 6 bestimmt ist, angeordnet sind.
Eine weitere interne Anode, eine Ablenkelektrode 120, die eine lineare Platte 122 mit Blenden 124 enthält, ist entlang der Plasmaleitung 31 im ungefähren Zentrum zwischen den zwei Kathodenplatten 32 angeordnet. Die Blenden erhöhen die Anodenoberfläche und wirken tatsächlich als eine Kette von internen Anoden, die eine verbesserte Stabilisierung und Lenkung der Lichtbogenflecken bewirkt. Sie dienen auch dazu Makroteilchen, die von der Verdampfungsoberfläche 34 ausgesandt werden, einzufangen. Wie in der vorhergehenden Ausführung sind die Blenden 124 so parallel wie möglich zur Richtung des Magnetfeldes ausgerichtet um Diffusionsverluste zu reduzieren. Diese ”Trennanode” 120 dient auch dazu Ionen abzuweisen und so den Plasmastrom zum Substrathalter 6 abzulenken.
In dieser Ausführung sind Fokussierleiter 82, 84, 92 und 94 parallel zu den Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte sowohl im Bereich vor den Kathodenplatten 32 und am Ausgang der Plasmaleitung 31 in die Beschichtungskammer angeordnet. Zwischen den Sätzen von Fokussierleitern 82, 92 und 84, 94, sind Ablenkleiter 86, 96 um den Teil des Gehäuses 38 angeordnet, wo die Plasmaleitung 31 sich zur Achse des Substrathalters 6, d. h. anschließend an den Teil des Gehäuses 38, das die Kathodenplatten 12 enthält, wendet und bildet so gegenüberliegende entgegengesetzte zur Beschichtungskammer rechtwinklig stehende magnetische Scheitelpunkte, um so das Plasma zum Substrathalter 6 abzulenken. In der gezeigten Ausführung müssen die Abschlussleiter 82a, 84a, 86a, 92a, 94a und 96a entfernt von der Plasmaleitung 31 angebracht werden, um zu sichern, dass die Kathodenplatten 32 nur innerhalb der von den fokussierenden und ablenkenden Leitern 82, 84, 92, 94 und 86, 96 erzeugten magnetischen Scheitelpunkte liegen, sodass der Kathodendampf in die Plasmaleitung 31 gezogen wird und nicht zur Rückseite des Gehäuses. Alternativ können wie in Bild 9 die Abschlussleiter 82a, 84a, 86a und 92a, 94a, 96a an gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 38, aber von ihm entfernt, liegen.
Die Ausführung von Bild 10 enthält ebenfalls eine oder mehrere Anoden 130, die den Substrathalter 6 umgeben. Die Anoden 130 werden hier als ”extern” definiert, weil sie außerhalb des Plasmaleiters 31 angeordnet sind. Die externen Anoden 130 lenken kein Plasma um, aber statt dessen weisen sie Ionen ab um Diffusionsverluste an den Wänden des Gehäuses 38 zu vermeiden und die Ionisierung des Beschichtungswerkstoffs zu verlängern, um die Beschichtungseffizienz zu erhöhen. Solche externen Anoden 130 können auch an jeder gewünschten Stelle des Gehäuses 38 angebracht werden.
Des weiteren, da das Gehäuse 38 von der Kathodenplatte 32 durch dielektrische Abstandshalter 39 isoliert ist, kann das Gehäuse auf Schwebepotential belassen werden, wie dies in den Bildern gezeigt ist. Alternativ verwandelt ein Schwebepotentialschirm oder -abschirmung (nicht gezeigt) zwischen der Kathode 32 und dem Gehäuse 38 angebracht, um den Lichtbogen davon abzuhalten, sich in den Spalt zwischen der Kathode 32 und dem Gehäuse zu bewegen, dieses Gehäuse effektiv in eine äußere oder umschließende Anode.
Die internen Anoden 32, 120 und die externe Anode 130 sind bevorzugt elektrisch isoliert und daher ist jeder mit einer unabhängigen Leistungsversorgung versehen, die eine bessere Kontrolle über die unabhängigen Funktionen erlaubt.
Es ist auch möglich die Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 teilweise einzuschalten um so die Metalldampfkomponente des Plasmas innerhalb der Plasmaleitung einzufangen, aber den Elektronenstrom frei durch die Beschichtungskammer zu den Hilfsanoden 130, die den Substrathalter 6 umgeben, fließen zu lassen. Diese Betriebsart ist ein ”Plasmabad” Betrieb, der einen hohen Ionisierungs- und Aktivierungsgrad der Gasphasenumgebung in der Beschichtungskammer erzeugt, ohne Abscheidung von metallischen Lichtbogenplasmaschichten. Der Plasmabadbetrieb erlaubt mehrere Arten von Plasmaprozessen wie Innenreinigung, Plasmanitieren, Ioneneinpflanzung und Lichtbogenplasma unterstützte CVD Beschichtungsprozesse. So rag der erste Schritt eines bestimmten Beschichtungsprozesses Innenreinigung erfordern. Die kathodischen Lichtbogenquellen 34 können als leistungsfähige Elektronenemitter verwendet werden, um Elektronenstrom von den Kathoden zu den externen Anoden 130, die den Substrathalter 6 umgeben, zu ziehen und eine Plasmabadumgebung für rasche Innenreinigung zur Verfügung zu stellen. Argon, Stickstoff, Methan usw. können in das Plasma eingelassen werden, in Verbindung mit einem RF-Generator, der, wie in den Beispielen gezeigt, eine Selbstvorspannung auf dem Substrathalter für einen effizienten Ionenbeschuss erzeugt.
Die Bilder 11 bis 13 zeigen eine weitere Ausführung der Erfindung, die lokale Korrekturmagnete 200 und 210 zur Führung des Lichtbogenflecks zwischen den Längsseiten 32a der Kathodenplatte 32 und der anderen Längsseite 32b, sowie eine andere Anodenanordnung enthält.
Querseitenkorrekturmagnete 200 umfassen bevorzugt jeweils wenigstens eine Magnetspule 202, die einen elektromagnetischen Kern 204 umschließen, und die jeweils entlang der Querseiten 32c, 32d der Kathodenplatte 32 angeordnet sind. Der Kern 202 konzentriert das von der Spule 202 erzeugte Magnetfeld, sodass, wenn die Spule 202 eingeschaltet ist, der Lichtbogenfleck eingeschränkt ist, sich entlang der bogenförmigen Magnetfeldlinien zu bewegen, die sich über die Längsseitenkorrekturmagneten 210, die entlang den beiden Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte 32, in der Nähe Querseiten 32c, 32d erstrecken, um ähnlich die Bewegung des Lichtbogenflecks in der Nähe der Querseiten 32c, 32d einzuschränken. Längsseitenkorrekturmagneten 210 enthalten in ähnlicher Weise bevorzugt wenigstens eine Magnetspule 212, die einen elektromagnetischen Kern 214 umgibt, der das von der Spule 212 erzeugte Magnetfeld konzentriert, sodass der Lichtbogenfleck, wenn die Spule 212 eingeschaltet ist, gezwungen ist, sich über die Magnetfeldlinien in eine Richtung, die transversal zu den bogenförmigen Magnetfeldlinien, welche sich über die Enden der Längsseiten 32a oder 32b erstrecken, ist, zu bewegen.
Die Richtungen der von den Korrekturmagneten 200, 210 erzeugten Magnetfeldlinien müssen der Bewegung des Lichtbogenflecks entlang der Längsseiten 32a, 32b, wie sie von den (in Bild 11 gezeigten) Lenkmagneten 66, 68 bestimmt ist, entsprechen. Die Korrekturmagneten 200, 210 wirken auf den Lichtbogenfleck, wenn er sich den Querseiten 32c, 32d der Kathodenplatte 32 nähert, um ein ununterbrochenes Lenkmuster über der Kathodenplatte 32 aufrechtzuerhalten. Die Stärke der von den Korrekturmagneten 200, 210 erzeugten Magnetfelder kann durch Ändern des Stroms durch die Spulen 202, 212 verändert werden, oder durch das Anbringen von (nicht gezeigten) zusätzlichen Spulen, die die Kerne 204, 214 umschließen und die selektiv eingeschaltet werden können, um ein zusätzliches Magnetfeld auf die Kerne 204 oder 214 aufzubringen.
In dieser Ausführung umfasst eine lineare interne Anode 220 eine Reihe von Anodenblöcken 222 und 230. Interne Anodenblöcke 222 umfassen eine Anodenplatte 224 und Blenden 226, die im Allgemeinen orthogonal auf einer Anodenplatte 224 stehen. Wie in den vorhergehenden Ausführungen sind die Anodenplatte 224 und die Blenden 226 jeweils parallel zur Richtung des Plasmaflusses ausgerichtet. Die Anode 220 enthält des Weiteren Endanodenblöcke 230, die bevorzugt aus massiven wassergekühlten Blöcken bestehen, die dazu dienen, die inneren Bereiche der Anode 220 vom Kathodendampf zu schützen, der von den Querseiten 32c, 32d der Kathodenplatte 32 abgetragen wird. Die Verwendung getrennter ”Blöcke” hilft, den Bogenstrom besser zu verteilen und die Abhängigkeit von einem einzelnen Anodenkörper zu reduzieren.
Die Anodenblöcke 222, 230 werden bevorzugt von unabhängig kontrollierten Leistungsversorgungen 227 kontrolliert und sind über wassergekühlte Anodenrohre 229, die mit dem Gehäuse mit isolierenden Abstandshaltern 228 verbunden sind, montiert. Die Stromstärke durch einen Anodenblock 222 oder 230 bestimmt die Ab- oder Anwesenheit eines Lichtbogenflecks, und somit kann eine geeignete Software dazu verwendet werden, um die Blöcke 222, 230 innerhalb der Anode 220 in Übereinstimmung mit der Bewegung des Lichtbogenflecks um die Erosionszone 70 abzutasten. Diese Anordnung hilft, die Zeitspanne, während der der Lichtbogenfleck von einer Längsseite der Kathode 32 zur anderen wechselt, zu reduzieren. Des weiteren, wenn der Lichtbogenfleck an einem Punkt entlang des Erosionsgrabens 70 hängen bleibt, können die Leistungsversorgungen zu einem angrenzenden Anodenblock 222 oder 230 ausgeschaltet oder reduziert werden. Und/oder die Leistungsversorgung zu einem entfernteren Anodenblock 222 oder 230 kann eingeschaltet oder erhöht werden, um den Lichtbogenfleck in Bewegung zu halten.
Die in Bild 12 gezeigten (teilweise vom Flansch 250 verdeckten) linearen Fokussierleiter 82 und 84 sind jeweils vor der Verdampfungsoberfläche entlang der Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte 32 angeordnet. Die Fokussierleiter 82, 84 erzeugen ein tangentiales Magnetfeld welches den Lichtbogenfleck entlang der Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte 32 lenkt (zieht). Weil sie vor der Verdampfungsoberfläche 34 angeordnet sind, erzeugen die Fokussierleiter 82, 84 einen zur Kammer 38 gerichteten (ähnlich zu dem durch Pfeile in Bild 5 gezeigtem) magnetischen Scheitelpunkt. Die Scheitelpunktanordnung neigt dazu, die Lichtbogenflecken zum Zentrum der Kathode 32 zu führen, was den Schirm 54 in dieser Ausführung besonders vorteilhaft macht, da er verhindert, dass der Lichtbogenfleck sich in den Schatten der Anode 220 bewegt, wo die magnetischen Feldlinien im Allgemeinen normal auf die Verdampfungsoberfläche 34 stehen und ohne den Schirm eine Stagnationszone im zentralen Bereich der Kathode 32 bilden würden.
In dieser Ausführung sind die Abschlussleiter 82a, 84a hinter der Verdampfungsoberfläche 34 entlang den Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte 32 angeordnet und erzeugen ein bogenförmiges Magnetfeld über der Verdampfungsoberfläche 34, das die von den Fokussierspulen 82, 84 erzeugten spitzen scheitelpunktförmigen Magnetfeldlinien ausgleicht und sie wirken zusammen mit den jeweils entlang den Querseiten 32d, 32c der Kathodenplatte 32 angeordneten Lenkleitern 66, 68, zusammen mit den Korrekturmagneten 200, 210, die ebenfalls die Lichtbogenflecke entlang den Querseiten 32d, 32c der Kathodenplatte 32 führen, dahingehend, die Lichtbogenflecke in die gleiche Richtung um die Erosionszone 70 zu führen.
So verhindert der elektrisch leitende Schirm 54 in einem Abstand von der Targetverdampfungsoberfläche 34, zusammen mit dem Randschirm 55, der um den Umfang der Kathodenplatte 32 angeordnet ist, jedwede Kahodenfleckaktivität außerhalb der gewünschten Erosionszone 70. In der gezeigten Ausführung ist ein innerer Schirm 57 unter dem Schirm 54 angebracht, der ebenfalls dazu dient, Kathodenfleckaktivität im Schatten der Anode 220 zu verhindern.
In der Ausführung der Bilder 11 bis 13 ist eine umschließende Anode 240 um die Verdampfungsoberfläche 34, im allgemeinen normal auf ihr, angebracht. Die umschließende Anode 240, die vor der Verdampfungsoberfläche 34 angebracht ist, wird eine Plasmabadanode, die die Stromführung des Plasmaflusses verbessert und einen stabileren Lichtbogenstrom um die Primäranode 220 erzeugt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird entweder mit der ”internen” Anode 220 oder der umschließenden Anode 240 betrieben; aber der Betrieb der Vorrichtung wird durch das gleichzeitige Verwenden beider Anoden 220, 240 verbessert.
Beispiel 1
Abscheidung von diamantartigen (DLC) Schichten auf Messern, wie Skalpellen, Rasierklingen, Papiermessern unter Verwendung zweier rechteckiger Lichtbogenquellen, die in einer rechteckigen Doppelplasmaführungskammer gemäss Bild 10 mit einer Beschichtungszone von 500 mm Höhe × 300 mm Weite beschichtet werden. Die Charge von Messern wurde auf einem Drehtisch für Substrate geladen, die der gefilterten Lichtbogenquelle über ihre ganze Fläche der Beschichtungszone gegenüberstand, und der eine gleichmäßige Drehbewegung mit zwischen 10 bis 20 Umdrehungen/Minute ausführte. Eine rechteckige Graphitplatte wurde auf der Kathodenvorrichtung angebracht. Der Strom in den vertikalen Lenkleitern wurde auf 2000 A gestellt und der Strom in den horizontalen Lenkleitern wurde auf 1300 A gestellt. Der Lichtbogenstrom zwischen der Kathode und der primären (internen) Anodenplatte wurde auf 300 Ampere gestellt. Nachdem der Lichtbogen mit einem Hochspannungszünder gezündet war, begann der Lichtbogenfleck sich entlang des Erosionsgrabens mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 20 bis 30 cm/sec zu bewegen. Drei bis fünf kathodische Lichtbogenflecken existierten gleichzeitig auf der Targetoberfläche. Der Strom in den Ablenkspulen wurde jeweils auf 1500 Ampere gestellt.
Der erste Prozessschrat bestand aus Ionenreinigung. In dieser Phase wurden die kathodische Lichtbogenquellen als leistungsfähiger Elektronenemitter verwendet. Die Ablenkleiter wurden abgeschaltet und Elektronenstrom wurde aus der Kathode zu den (externen) Hilfsanoden, die den Substrattisch umgeben, gezogen, und bildeten so eine Plasmabadumgebung für eine rasche Ionenreinigung. Argon wurde als Plasmaträgergas mit einem Druck von etwa 4 × 10^–2 Pa eingelassen und ein RF-Generator lieferte eine Selbstvorspannung von 400 Volt auf dem Substrattisch für effizienten Ionenbeschuss.
Während der Beschichtungsphase wurde der Druck in der Kammer auf 10^–3 Pa gestellt. Der RF Generator mit einer Frequenz von 13.56 MHz erzeugte während der Beschichtung eine Selbstvorspannung im Bereich von 40 V bis 60 V. Die Ablenkspulen wurden während der Beschichtung periodisch mit einem Tastverhältnis von 20 Sek an zu 5 Sekunden aus geschaltet, um ein Überhitzen der Schicht zu vermeiden. Die Beschichtungszeit war 20 Minuten. Die Schichtstärke wurde durch Mikroquerschliff bestimmt und lag im Bereich von 0.3 to 0.35 μm, was einer Gesamtbeschichtungsrate von etwa 1 μm/h mit einer Gleichförmigkeit von +/–10% entspricht.
Beispiel 2
Abscheidung einer Graphitschicht auf Molybdänglas zur Verwendung als Substrat für Flachanzeigeschirme; die rechteckigen Molybdänglasplatten mit Massen 400 mm Höhe × 200 mm Breite × 3 mm Dicke wurden vertikal auf den Substratdrehtisch montiert. Jede Glasplatte wurde an einen Metallglashalter angebracht und eine Selbstvorspannung von etwa 150 V wurde auf den Substrattisch mit einem RF Generator mit einer Frequenz von 13.56 MHz angelegt. Die doppelte gefilterte kathodische Lichtbogenquelle von Bild 10 wurde mit einer Aluminium-Targetoberfläche und einer Graphit-Targetoberfläche ausgerüstet. Der Druck während des Beschichtungsprozesses wurde auf etwa 10^–3 Pa eingestellt. Die Temperatur während der Graphitabscheidung war etwa 400°C und wurde durch eine Anordnung von Strahlungsheizern erzeugt.
In einer ersten Phase wurde der Lichtbogen auf dem Aluminiumtarget gezündet, was eine Unterschicht von etwa 50 nm erzeugte. In einer zweiten Phase wurde eine Graphitschicht mit einer Dicke von etwa 150 nm in einer Zeit von 30 Minuten über der Aluminiumunterschicht abgeschieden.
Beispiel 3
Abscheidung von TiAlN Schichten auf einer Ladung Wälzfräser und Schaftfräser. Die Ladung Wälz- und Schaftfräser wurde auf dem Substrattisch gegenüber dem Ausgang der gefilterten Lichtbogenquelle über die gesamte Höhe der Beschichtungszone montiert, der Substrattisch hatte eine Doppel (Satelliten-)bewegung mit einer Drehtischgeschwindigkeit von 12 Umdrehungen/Minute. Die doppelte gefilterte kathodische Lichtbogenquelle von Bild 10 wurde mit einer auf einer ersten Kathode montierten Aluminium-Targetoberfläche und einer auf der zweiten Kathode montierten Titan-Targetoberfläche zur Beschichtung mit TiAlN ausgerüstet. Der Strom für das Titantarget war etwa 150 Ampere während er für das Aluminiumtarget auf etwa 60 Ampere eingestellt wurde.
In einer ersten Phase wurde der Strom der (externen) Hilfsanode auf etwa 70 Ampere eingestellt, was ein Plasmabad mit hoher Gasplasmadichte sowohl während der Innenreinigung wie während der Schichtabscheidung erzeugte. Die Selbstvorspannung des Substrattischs wurde von einem RF 13.56 MHz Generator geliefert und wurde während der Innenreinigung in Argon auf etwa 400 Volt und während des Abscheidens der TiAlN Schicht in Stickstoff auf etwa 40 Volt gehalten. Die Zeit für die Innenreinigung war 5 Minuten, und für die Beschichtung etwa 2 Stunden. Der Argondruck während des Ionenreinigens wurde auf 6 × 10^–2 Pa und der Stickstoffdruck während des Beschichtens auf 2 × 10^–2 Pa eingestellt. Die Beschichtungsrate für die TiAlN-Schicht mit Doppeldrehung von Wälzfräsern und Schaftfräsern wurde als etwa 1–1.5 μm/Stunde gefunden.
Beispiel 4
Abscheiden von Mehrlagenschichten auf Formen und Matrizen. Eine Ladung von Schmiedematrizen und Extrusionsformen wurde auf einen Substrattisch mit einer gleichförmigen Drehgeschwindigkeit von 20 Umdrehungen/Minute gegenüber dem Ausgang der gefilterten Lichtbogenquelle von Bild 10 für die Beschichtung mit Ti/TiN-Mehrlagenschichten mit einem Schichtdickenverhältnis von 0.05 μm Ti zu 0.3 μm TiN geladen. Vor der Schichtabscheidung wurde eine Innenreinigung und ein Lichtbogenplasmaimmersionsnitrieren durchgeführt um eine stetige Härtezunahme der oberflächennahen Schicht in einer Übergangszone zwischen dem Grundwerkstoff der zu beschichtenden Teile und der Schicht zu erzeugen. Die Dicke der Nitrierschicht war etwa 40 μm und wurde durch eine Hilfsbogenentladung mit einem auf 90 Ampere eingestellten (externen) Hilfsanodenstrom und einem Druck von etwa 6 × 10^–2 Pa hergestellt. Die Zahl der Schichtlagen war 11 mit einer Gesamtschichtstärke von etwa 3.5 μm. Der Strom der Hilfsanode während des Beschichtens wurde auf 120 Ampere eingestellt, und auf den beiden Titantargets betrug der Gesamtstrom 500 Ampere. Die Gleichspannungsvorspannung während des Ionenreinigens/Ionennitrierens wurde auf 200 Volt eingestellt, und während des Beschichtens wurde die Spannung auf 40 Volt gesenkt. Die Temperatur der Substrate wurde während aller Phasen des Vakuumplasmabehandlungsprozesses auf etwa 400°C gehalten.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung wurden hiermit beispielhaft beschrieben, Änderungen und Anpassungen sind für den Fachmann offensichtlich. Die Erfindung umfasst alle derartige Änderungen und Anpassungen, soweit sie unter den Inhalt der angefügten Ansprüche fallen.

Claims

Vakuumlichtbogenbeschichtungsvorrichtung (10), bestehend aus einer eine Verdampfungsfläche (34) aufweisenden rechteckigen Kathodenplatte (32), die gegenüberliegende Längsseiten (32a, 32b) aufweist und die an den negativen Pol einer Bogenstromquelle (46) angeschlossen ist, einer Beschichtungskammer, die durch die Verdampfungsfläche (34) und ein Gehäuse (38) bestimmt ist, einem Substrathalter (6) innerhalb der Beschichtungskammer, wenigstens einer Anode (50) innerhalb der Beschichtungskammer, die einen Abstand zur Verdampfungsfläche (34) aufweist und die an den positiven Pol einer Stromquelle (46) angeschlossen ist, einem Lichtbogenzünder, um einen Lichtbogen zwischen der Kathodenplatte (32) und der Anode (50) zu zünden und einen Kathodenbrennfleck auf der Verdampfungsfläche (34) zu erzeugen, und einem magnetischen Lenksystem (60), das wenigstens aus einem ersten und einem zweiten Lenkleiter (62, 64, 66, 68), die an gegenüberliegenden Seiten (32a, 32b, 32c, 32d) der Kathodenplatte (32) angeordnet sind, wobei der erste Lenkleiter (62, 66) einen Strom (I_LS, I_SS) in der in Bezug auf eine Stromrichtung des zweiten Stromleiters (64, 68) Gegenrichtung führt, wobei jeder Lenkleiter in der Umgebung der Verdampfungsfläche (34) angeordnet ist, damit das von ihm erzeugte magnetische Feld (B_LS, B_SS) den Kathodenbrennfleck magnetisch beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lenkleiter (62, 66) vom zweiten Lenkleiter (64, 68) elektrisch unabhängig ist, und die Stromstärke (I₁) im ersten Lenkleiter (62, 66) relativ zur Stromstärke (I₂) im zweiten Lenkleiter (64, 68) während des Betriebs der Vorrichtung (10) veränderbar ist, um den Kathodenbrennfleck zu einer Längsseite (32a, 32b) der Kathodenplatte (32) zu verschieben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkleiter (62, 64, 66, 68) linear sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Lenkleiter (62, 64, 66, 68) parallel zu den Längsseiten (32a, 32b) der Kathodenplatte (32) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Lenkleiter (62, 64) nur entlang den Längsseiten (32a, 32b) der Kathodenplatte (32) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Lenkleiter (62, 64, 66, 68) hinter der Verdampfungsfläche (34) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verändern der Stromstärke (I₁) im ersten Lenkleiter (62, 66) relativ zur Stromstärke (I₂) im zweiten Lenkleiter (64, 68) das vom ersten Lenkleiter erzeugte Magnetfeld (B_LS, B_SS) zu einer Kathodenplattenlängsseite (32a, 32b) verschiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasmafluss von der Kathodenplatte (32) zum Substrathalter (6) durch ein durch einen ersten und einen zweiten Lenkleiter (62, 64, 66, 68) erzeugtes Magnetfeld (B_LS, B_SS) beschränkbar ist.
Vakuumlichtbogenbeschichtungsvorrichtung (10), bestehend aus einer eine Verdampfungsfläche (34) aufweisenden rechteckigen Kathodenplatte (32), die gegenüberliegende Längsseiten (32a, 32b) aufweist und die an den negativen Pol einer Bogenstromquelle (46) angeschlossen ist, einer Beschichtungskammer, die durch die Verdampfungsfläche (34) und ein Gehäuse (38) bestimmt ist, die einen Substrathalter (6) enthält, wenigstens einer Anode (50) innerhalb der Beschichtungskammer, die einen Abstand zur Verdampfungsfläche (34) aufweist und die an den positiven Pol einer Stromquelle (46) angeschlossen ist, einem Lichtbogenzünder, um einen Lichtbogen zwischen der Kathodenplatte (32) und der Anode (50) zu zünden und einen Kathodenbrennfleck auf der Verdampfungsfläche zu erzeugen, und einem magnetischen Lenksystem (60), das wenigstens aus einem ersten und einem zweiten Lenkleiter (62, 64, 66, 68), die an gegenüberliegenden Seiten (32a, 32b, 32c, 32d) der Kathodenplatte (32) angeordnet sind, wobei der erste Lenkleiter (62, 66) einen Strom (I_LS, I_SS) in der in Bezug auf eine Stromrichtung des zweiten Stromleiters (64, 68) Gegenrichtung führt, wobei jeder Lenkleiter in der Nachbarschaft der Verdampfungsfläche (34) angeordnet ist, damit das von ihm erzeugte magnetische Feld (B_LS, B_SS) den Kathodenbrennfleck magnetisch beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lenkleiter (62, 66) vom zweiten Lenkleiter (64, 68) elektrisch unabhängig ist, die von den Lenkleitern (62, 64, 66, 68) erzeugten magnetischen Felder (B_LS, B_SS) auf der Verdampfungsfläche (34) in dieselbe Richtung weisen, und die Stromstärken (I₁, I₂) durch den ersten und zweiten Lenkleiter (62, 64, 66, 68) während des Betriebs der Vorrichtung (10) unabhängig veränderbar sind, um so den Kathodenbrennfleck in einer gewünschten Richtung über die Verdampfungsfläche (34) zu führen.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkleiter (62, 64, 66, 68) linear sind.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein magnetisches Fokussiersystem (80), das wenigstens einen ersten und einen zweiten linearen Fokussierleiter (82, 84, 92, 94) aufweist, die vor der Verdampfungsfläche (34) entlang gegenüber liegenden Längsseiten (32a, 32b) der Kathodenplatte (32) angeordnet sind, wobei die Fokussierleiter (82, 84, 92, 94) Ströme in Gegenrichtung führen und von den Lenkleitern (62, 64, 66, 68) elektrisch unabhängig sind, wobei die von den Fokussierleitern (82, 84, 92, 94) erzeugten Magnetfelder das Plasma von der Verdampfungsfläche (34) weg lenken.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierleiter (82, 84, 92, 94) miteinander verbunden sind und einen einzigen Stromkreis bilden, dessen Verbindungsleiter parallel zu Querseiten (32c, 32d) der Kathodenplatte (32) angeordnet sind.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Lenkleiter (62, 64, 66, 68) Teil einer Spule ist, deren Anschlüsse von der Kathodenplatte (32) weg weisen.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierleiter (82, 84, 92, 94) elektrisch unabhängig sind, wobei durch ein Verändern der Stromstärke im ersten Fokussierleiter (82, 93) in Bezug auf die Stromstärke im zweiten Fokussierleiter (84, 94) ein Plasmafluss zu einer Längsseite (32a, 32b) der Kathodenplatte (32) verschiebbar ist.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Fokussierleiter (82, 84, 92, 94) Teil einer Spule ist, deren Anschlüsse von der Kathodenplatte (32) weg weisen.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Verbindungsleiter normal zur Kathodenplatte (32) angeordnet ist.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Lenkleiter (66, 68) nur entlang von Querseiten (32c, 32d) der Kathodenplatte (32) angeordnet sind.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Fokussierleiter (92, 94) nur entlang von Querseiten (32c, 32d) der Kathodenplatte (32) angeordnet sind.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierleiter (82, 84, 92, 94) derart ausgestaltet sind, dass die von ihnen erzeugten Magnetfelder den Plasmafluss von der Kathodenplatte (32) zum Substrathalter (6) lenken.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse der Lenkleiter (62, 64, 66, 68) von der Verdampfungsfläche (34) entfernt angeordnet sind, damit sie keinen magnetischen Einfluss auf sie ausüben.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse (82a, 84a, 92a, 94a) der Fokussierleiter (82, 84, 92, 94) von der Verdampfungsfläche (34) entfernt angeordnet sind, damit sie keinen magnetischen Einfluss auf sie ausüben, und dass die Verdampfungsfläche (34) zwischen von den Fokussierleitern erzeugten magnetischen Sattelflächen angeordnet ist.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil jedes Lenkleiters (62, 64, 66, 68) von einem magnetischen Kern (204, 214) umgeben ist, um das magnetische Lenkfeld auf der Verdampfungsfläche (34) in einer Umgebung des magnetischen Kerns zu verstärken.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kern (214) in der Nähe einer Querseite (32c, 32d) der Kathodenplatte (32) angeordnet ist.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kern (204, 214) wenigsten eine zusätzliche unabhängige Magnetspule (202, 212) aufweist, um das Lenkmagnetfeld auf der Verdampfungsfläche (34) in der Umgebung des magnetischen Kerns zu verstärken.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende des Magnetkerns (204, 214) vor der Verdampfungsfläche (34) angeordnet ist.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ende des Magnetkerns (204, 214) hinter der Verdampfungsfläche (34) angeordnet ist.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen elektrisch leitfähigen und auf Schwebepotential gehaltenen Schirm (54) enthält, in einem Abstand zu wenigstens einer abgeschirmten Zone der Verdampfungsfläche (34), um zu verhindern, dass der Kathodenbrennfleck sich auf die abgeschirmte Zone der Verdampfungsfläche bewegt.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (54) derart ausgestaltet ist, dass er eine Bewegung des Kathodenbrennflecks auf eine Zone der Verdampfungsfläche (34), in der das Magnetfeld normal zur Verdampfungsfläche steht, verhindert.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (50) eine interne Anode aufweist, die einen ebenen Anodenkörper (50b) besitzt, der eine Platte bildet, die im Wesentlichen tangential zur Richtung des magnetischen Feldes ist, das die Anode umgibt, und die Platte über der Verdampfungsfläche (34) in einer Zone, in der das Magnetfeld normal zur Verdampfungsfläche steht, angeordnet ist.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkörper (50b) parallel zu den Längsseiten (32a, 32b) der Kathodenplatte (32) und normal zur Verdampfungsfläche (34) angeordnet ist.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkörper (50b) mit einer Vielzahl von Rippen (50a) ausgestattet ist, um die effektive Anodenfläche zu vergrößern.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (50a) tangential zu einer Richtung des die Anode (50) umgebenden Magnetfeldes ausgerichtet sind.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (50a) orthogonal zum Anodenkörper (50b) ausgerichtet sind.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine umschließende Anode (130) die Kathodenplatte (32) umschließt.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 29 und 33, dadurch gekennzeichnet, dass die interne Anode (50) und die umschließende Anode (130) jeweils an den positiven Pol einer unabhängigen Stromquelle angeschlossen sind.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von internen Anoden (50) umfasst, deren jede eine Platte (50b), die parallel zu einer Längsseite der Kathodenplatte (32) angeordnet ist und die an den positiven Pol einer unabhängigen Stromquelle angeschlossen ist, enthält, wobei jede Anodenplatte (50b) über der Verdampfungsfläche (34) in einer zu einer Richtung eines die Anode umgebenden Magnetfelds tangentialen Richtung und in einer Zone, in der das Magnetfeld normal zur Verdampfungsfläche steht, angeordnet ist.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine interne Anode (50) mit einer Vielzahl von Rippen (50a) versehen ist, um eine effektive Anodenoberfläche zu vergrößern.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (50a) parallel zu einer Querseite der Kathodenplatte (32) angeordnet sind, um einen Weg für einen Plasmafluss zum Substrathalter (6) zu bilden.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 28 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Umgebung von Querseiten der Kathodenplatte (32) angeordneten internen Anoden (50) massive wassergekühlte Blöcke (52) enthalten.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Ansprüchen 26 und 28 oder 26 und 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (54) zwischen der Verdampfungsfläche (34) und einer internen Anode (50) angeordnet ist.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine in einem rechten Winkel zur Verdampfungsfläche (34) stehende umgebende Anode, die an eine unabhängige Leistungsversorgung angeschlossen ist, enthält.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Fokussierleitern (86–88, 96–98) enthält.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass die von benachbarten Fokussierungsleitern (86–88, 96–98) erzeugten Magnetfelder in die gleiche Richtung weisen und sich überlappen.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere Fokussierungsleiter (86–88, 96–98) in fortschreitend vermehrt asymmetrischer Beziehung zu einer Arbeitsachse der Kathodenplatte (32) angeordnet sind.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (82a, 84a, 92a, 94a) der Fokussierleiter (82, 84, 92, 94) hinter der Verdampfungsfläche (34) angeordnet sind.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Fokussierleiter (86–88, 96–98) einen Verbindungsleiter, der parallel zu einer Seite der Kathodenplatte (32) gegenüber dem entsprechenden Fokussierleiter angeordnet ist, umfasst.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass der Substrathalter (6) außerhalb einer optischen Achse (33) einer Kathodenkammer, die die Kathode (32) enthält, und mit ihr durch einen Plasmaleiter (31) kommunizierend angeordnet ist, wobei die Fokussierleiter (82–86, 92–96) an eine Schnittlinie der Kathodenkammer mit dem Plasmaleiter (31) anschließend angeordnet sind.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Paar von gegenüber liegenden mit einem gemeinsamen Plasmaleiter (31) kommunizierenden Kathodenkammern enthält, deren jede eine Kathodenplatte (32) enthält.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleiter asymmetrisch zu ihren entsprechenden Fokussierleitern (82–88, 92–98) angeordnet sind.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem (60) zusätzlich dritte und vierte jeweils hinter der Verdampfungsfläche (34) entlang der Längsseiten der Kathodenplatte (32) angeordnete Lenkleiter umfasst, wobei der dritte Lenkleiter einen Strom in einer dem Strom in dem vierten Lenkleiter entgegen gesetzten Richtung trägt, wobei der dritte und der vierte Lenkleiter in der Umgebung der Verdampfungsfläche so angeordnet sind, dass ein von ihnen erzeugtes Magnetfeld einen Einfluss auf den Kathodenbrennfleck ausübt.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte und der vierte Lenkleiter voneinander elektrisch unabhängig sind, wobei eine im Verhältnis zum vierten Lenkleiter veränderliche Stromstärke im dritten ein vom dritten Lenkleiter erzeugtes Magnetfeld zur Längsseite der Kathodenplatte (32) verschiebt.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Paar von gegenüber liegenden Kathodenplatten (32) an einem Ende des Plasmaleiters (31) sowie eine Anode in einem Abstand von den Verdampfungsflächen (34) jeder der beiden Kathodenplatten (32) enthält, wobei der Substrathalter (6) am anderen Ende des Plasmaleiters (31) nicht in Sichtlinie einer der beiden Kathodenplatten (32) angeordnet ist.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine entlang der Achse des Plasmaleiters (31) zwischen den beiden Kathodenplatten (32) angeordnete Plasmaumlenkanode (120) zum Umlenken der von den Verdampfungsflächen (34) der beiden Kathodenplatten (32) abgedampften Plasmaströme jeweils in Richtung zum Substrathalter (6) enthält.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, dass sie Fokussierleiter (82–86, 92–96) um einen Abschnitt des Plasmaleiters (31), der sich an den Abschnitt des Kathodenplattengehäuses anschließt, zur Umlenkung des Plasmas zum Substrathalter (6) enthält.
Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine oder mehrere externe Anoden (130), die den Substrathalter (6) umgeben, enthält.
Verfahren zur Lenkung eines Kathodenbrennflecks auf einer rechteckigen Kathodenplatte (32) mit Längsseiten (32a, 32b) und Querseiten (32c, 32d) und einer Verdampfungsfläche (34), das die Schritte aufweist: a) Erzeugen eines Magnetfeldes (B_LS) in einer ersten Richtung entlang einer ersten Längsseite (32a) der Kathodenplatte (32) vor der Verdampfungsfläche (34) und Erzeugen eines Magnetfeldes (B_LS) in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung, entlang einer zweiten Längsseite (32b) der Kathodenplatte (32) vor der Verdampfungsfläche (34), und b) Erzeugen eines Magnetfeldes (B_SS) in einer dritten Richtung entlang einer ersten Querseite (32c) der Kathodenplatte (32) hinter der Verdampfungsfläche (34) und Erzeugen eines Magnetfeldes (B_SS) in einer vierten der dritten entgegengesetzten Richtung entlang einer zweiten Querseite (32d) der Kathodenplatte (32) hinter der Verdampfungsfläche (34) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelder (B_LS) in der ersten und der zweiten Richtung und/oder die Magnetfelder (B_SS) in der dritten und der vierten Richtung während des Verfahrens unabhängig voneinander veränderbar sind, sodass das sich vor die Kathodenfläche (34) erstreckende Magnetfeld einen Kathodenbrennfleck entlang einer Erosionszone (70) auf der Verdampfungsfläche (34) führt.
Verfahren nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt des Modulierens eines oder mehrerer Magnetfelder beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt des Modulierens eines oder beider entlang der Längsseiten (32a, 32b) der Verdampfungsflächen (34) erzeugten Magnetfelder (B_LS) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt des Modulierens eines oder mehrerer von zu Lenkleitern (62, 64), die die Magnetfelder (B_LS) entlang der Längsseiten (32a, 32b) der Verdampfungsfläche erzeugen, gehörenden Verbindungsleitern erzeugten Magnetfelder umfasst.
Verfahren nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt des Erzeugens einer Kette von Fokussierungsfeldern vor der Verdampfungsfläche (34) umfasst, um einen Plasmafluss entlang eines von der Kette von Fokussierungsspulen erzeugten Pfades zu beschränken.
Verfahren nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt des Modulierens eines oder mehrerer magnetischer Fokussierfelder enthält.