DE10127012A1 - Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung, umfassend eine Anode, ein als Kathode wirkendes oder mit dieser verbundenes Target (16), eine an die Anode und die Kathode angeschlossene Spannungsquelle (20) zur Erzeugung eines Lichtbogens bzw. Lichtbogenspots auf dem Target bzw. dessen freier Fläche (18) sowie unterhalb des Targets vorhandene zumindest einen Permanentmagneten (52) und zumindest eine Ringspule (50) umfassende Magnetanordnung (46) zur Erzeugung einer Lichtbogenbewegung auf der Targetfläche beeinflussenden Magnetfeldes. Um den Lichtbogen auf definierten Bahnen auf der Targetoberfläche zu bewegen, wird vorgeschlagen, dass die den zumindest einen Permanentmagneten (52) und die zumindest eine Ringspule (50) umfassende Magnetanordnung (46) als Einheit zu dem Target (16) verstellbar angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung umfassend eine Anode, eine als Kathode wirkendes oder mit dieser verbundenes Target, eine an die Anode und die Kathode angeschlossene Spannungsquelle zur Erzeugung eines Lichtbogens bzw. Lichtbogenspots auf dem Target bzw. dessen freier Fläche sowie unterhalb des Targets vorhandene zumindest einen Permanentmagneten und zumindest eine Ringspule umfassende Magnetanordnung zur Erzeugung eines eine Lichtbogenbewegung auf der Targetfläche beein­ flussendes Magnetfelds.

Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtungen werden z. B. zur Hartstoffbeschichtung von Sub­ straten benützt. Hierzu wird in einer Vakuumkammer durch einen auf ein aus Metall beste­ hendes Target auftretenden Lichtbogen Targetmaterial verdampft. Besteht das Target z. B. aus Titan und wird der Vakuumkammer Stickstoff zugeführt, so kann sich auf zu beschich­ tendem Substrat TiN niederschlagen. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Verfahren verwiesen, genauso wie in Bezug auf anzulegende Spannung bzw. fließenden Strom, die im Bereich 10 bis 50 V bzw. bei Werten von mehr als 60 A liegen. In der Vakuumkammer selbst können Druckwerte von z. B. 0,0001 bis 0,1 mbar (10^-2 Pa bis 10 Pa) herrschen.

Die Stromführung zu der Kathode kann dabei unmittelbar zu dieser oder über eine Magnet­ spule erfolgen, um z. B. nach der DE 42 43 592 A1 den sich auf dem Target ausbildenden Lichtbogenspot entlang einer Random-Bahn zu bewegen.

In der EP 0 306 491 B1 wird eine Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung beschrieben, bei der ein Target zum Aufbringen einer Legierungsschicht auf ein Substrat benutzt wird, das zumindest zwei verschiedene Metalle in verschieden aktiven Flächenabschnitten des Targets aufweist.

Um auch bei großen Targetflächen eine gleichmäßige Erosion des Targetmaterials zu erreichen, wird nach der DE 35 28 677 C2 intermittierend über der Targetfläche ein Magnet­ feld mit wenigstens einer geschlossenen Schleife erzeugt.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist der DE 43 29 105 A1 zu entnehmen. Um den Lichtbogen ständig zwischen sich verzweigenden Haupt- und Nebenästen auf einer Targetoberfläche zu bewegen, sind dem Target zwei Ringspulen zugeordnet, wobei die innen­ liegende Ringspule einen im Targetzentrum angeordneten Permanentmagneten umschließt. Die Ringspulen erstrecken sich dabei im Wesentlichen über die gesamte Targetlänge, können jedoch relativ zueinander verstellt werden. In diesem Fall wird der Permanentmagnet an der Unterseite des Targets in einer Ausnehmung angeordnet.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass der Lichtbogen auf fest definierbaren Bahnen entlang der Targetoberfläche derart bewegbar ist, dass ein gleichmäßiger Abtrag des Targetmaterials möglich ist.

Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die den zumindest einen Permanentmagneten und die zumindest eine Ringspule umfassende Magnetanordnung als Einheit zu dem Target verstellbar angeordnet ist. Dabei kann die Einheit in parallel zu der Targetfläche verlaufender X und/oder Y-Richtung verstellbar sein. Auch ein Verstellen senkrecht zur Targetfläche ist möglich, um das auf der abzutragenden Targetfläche wirksame Magnetfeld derart auf den Lichtbogen einzustellen, dass dieser entlang einer gewünschten Bahn bewegt wird, ohne dass ein Bewegen entlang sich verzweigender Haupt- und Neben­ ästen erfolgt, wie dies nach dem Stand der Technik gewünscht wird.

Durch die erfindungsgemäße Lehre wird aufgrund der Kombination von Permanentmagnet und Elektromagnet ein Magnetfeld erzeugt, das quasi einen tiefen, jedoch schmalen Graben für den auf der Targetfläche zu bewegenden Lichtbogen mit der Folge bildet, dass eine Seiten-, also Zickzack-Bewegung nicht möglich ist. Um ungeachtet dessen eine Targetfläche vollständig überstreichen zu können, ist die Magnetanordnung sowohl in X- als auch in Y- Richtung translatorisch verschiebbar. Gegebenenfalls kann auch eine Abstandsveränderung zu der Targetfläche erfolgen, um Magnetfeldänderungen in Abhängigkeit von dem Abtrag der Targetfläche auszuschließen bzw. eine gezielte Änderung vorzunehmen.

Durch die Überlappung des Permanentmagneten und des Elektromagneten bzw. deren Magnetfelder ergibt sich eine Dynamik in der Impedanz mit der Folge, dass Lichtbogen im gewünschten Spannungsbereich reproduzierbar erzeugbar sind, insbesondere im Bereich zwischen 17 V und 30 V.

Der Permanentmagnet ist vorzugsweise in Bezug auf die Ringspule auf dessen Mittelachse bzw. auf einer Geraden angeordnet, die senkrecht von von der Ringspule aufgespannten Ebene ausgeht und den Mittelpunkt bzw. Mittelachse der Ringspule durchsetzt.

Als weiterer Vorteil der Erfindung ist zu nennen, dass aus der Targetoberfläche keine Droplets (Targettröpfchen) herausgeschlagen werden, die zu einer unerwünschten Ober­ flächenrauigkeit eines zu beschichtenden Target fuhren können.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer einem Target zugeordneten Magnetanordnung und

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Lichtbogenbewegung auf einem Target.

In Fig. 1 ist rein prinzipiell eine Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung mit einer von einem Gehäuse 10 umgebenden Vakuumkammer 12 dargestellt, in der Substrate 14 zu behandeln wie zu beschichten sind. Die Substrate 14 können auf einem nicht dargestellten Drehteller angeordnet sein. Um die Substrate 14 zu behandeln bzw. zu beschichten, wird aus einem in der Vakuumkammer 12 vorhandenen Target 16 bzw. dessen freier Oberfläche 18 Target­ material verdampft, welches sich als Verbindung auf dem Substrat im gewünschten Umfang ablagert. So kann bei Titan als Targetmaterial und in der Vakuumkammer 12 vorhandenem Stickstoff auf dem Substrat 14 Titannitrid abgeschieden werden, also eine Hartstoffbeschich­ tung erfolgen.

Zum Verdampfen von Targetmaterial wird zwischen dem Target 16 und dem Gehäuse 10 eine Spannung über eine Spannungsquelle 20 angelegt, wobei das Gehäuse 10 Anode und das Target 16 Kathode ist bzw. mit einer Kathode verbunden ist. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Techniken verwiesen, genauso wie in Bezug auf die angelegte Spannung von in etwa z. B. der Größenordnung 10 V bis 50 V und einem Strom in einer Größenordnung von mehr als 60 A. Der Druck in der Vakuumkammer 12 kann im Bereich von z. B. 0,0001 bis 0,1 bar je nach Anwendungsfall liegen, um nur beispielhaft Werte zu nennen.

Im Ausführungsbeispiel geht das Target 16 von einem Träger 22 aus, der seinerseits über einen Isolator 24 gegenüber einer Flanschplatte 26 z. B. aus Aluminium elektrisch isoliert ist, die ihrerseits mit dem Gehäuse 10 abgedichtet verbunden ist. Träger 22 und Target 16 verlaufen zur Ausbildung eines Zwischenraums 28 beabstandet zueinander, um diesen mit einem Kühlfluid wie Flüssigkeit zu beaufschlagen. Ferner weist das Target 16 einen um­ laufenden bodenseitigen Flansch 30 auf, über den das Target 16 zwischen dem Träger 22 und einer oberhalb des Targets verlaufenden Befestigungsplatte 32 fixiert wird. Die Befesti­ gungsplatte 32 selbst ist von einem Isolator 34 aus z. B. BN abgedeckt und über Isolatoren 36, 38 mit der Grundplatte 26 verbunden.

Das Target 16 mit dem Träger 20 ist über Bolzen, Schrauben oder gleichwirkende Elemente 40, 42 mit einem elektrischen Anschluss 44, insbesondere in Form eines Ringleiters ver­ bunden, der zu der Spannungsquelle 20 führt.

Damit ein bei zwischen der Anode und Kathode angelegter Spannung sich ausbildender Lichtbogen bzw. -spot auf der Oberfläche 18 des Targets 16 zum Materialabtrag dieses vor­ gegebene Bahnen beschreibt, ist unterhalb des Targets 16 und außerhalb der Kammer 12 eine Magnetanordnung 46 vorgesehen, die eine Halterung 48 aufweist, von der eine Ringspule 50 sowie ein Permanentmagnet 52 ausgehen. Dabei ist der Permanentmagnet 52 im Innenraum der Ringspule 50 angeordnet, und zwar insbesondere im Mittelpunkt bzw. auf der Mittelachse der Ringspule 50. Die Halterung 48 kann z. B. aus Kunststoff oder Aluminium bestehen.

Um mittels der Magnetfeldanordnung 46, d. h. der von der Ringspule 50 und dem Perma­ nentmagnet 52 erzeugten Magnetfeldern im Bereich des Lichtbogenspots ein wirksames Magnetfeld auf der Oberfläche des Targets 16 so einzustellen, dass der Lichtbogen bzw. -spot in definierten Bahnen die gesamte Oberfläche 18 überstreichen kann mit der Folge, dass ein gleichmäßiger Abtrag von Targetmaterial erfolgt, ist die Magnetfeldanordnung 46 als Einheit zu dem Target 16 verstellbar, und zwar sowohl in X- als auch in Y-Richtung in einer parallel zur Targetfläche 18 verlaufenden Ebene. Des Weiteren kann die Einheit gegebenenfalls zum Target 16 im gewünschten Umfang beabstandet werden, also einer Bewegung in Z-Richtung unterworfen werden.

Die Magnetanordnung 46 weist eine Flächenerstreckung auf, die geringer als die der Target­ oberfläche 16 ist, so dass der auf der Targetoberfläche 18 sich bewegende Lichtbogenspot die gesamte Oberfläche 18 auf vorgegebenen Bahnen, ohne auf sich verzweigenden Haupt- und Nebenästen zu wechseln, bewegt wird und zwar durch entsprechendes Verschieben der Magnetfeldanordnung 46.

Die Bewegung des Lichtbogenspots soll durch die in Fig. 2 rein prinzipiell dargestellten durchgezogenen bzw. unterbrochenen ellipsenförmigen bzw. ovalen Bahnen 56, 58, 60 sym­ bolisiert werden. Dabei wird die Veränderung der jeweiligen Bahn in X-Richtung durch Pfeile 62, 64 und in Y-Richtung durch Pfeile 66, 68 angedeutet.

Dass von der Magnetanordnung 46, also der Ringspule 50 und dem Permanentmagnet 52 erzeugte Magnetfeld ist auf der Targetoberfläche 18, also im Lichtbogenspot derart ausgebil­ det, dass sich quasi ein tiefer, jedoch schmaler Graben für den Lichtbogen mit der Folge ergibt, dass eine Seiten-, also Zickzack-Bewegung dem Grunde nach nicht möglich ist, so dass die Bewegung der der Fig. 2 prinzipiell zu entnehmenden gradlinigen Bahn folgt.

Durch die Überlappung der Magnetfelder des Permanentmagneten und des Elektromagneten ergibt sich eine Dynamik in der Impedanz mit der Folge, dass der Lichtbogen im gewünsch­ ten Spannungsbereich reproduzierbar erzeugbar ist, insbesondere im Bereich zwischen 17 V und 30 V.

Auch ist der Lichtbogen so einstellbar, dass das Herausschlagen von Droplets aus dem Target 16 vermieden wird.

Claims (6)

1. Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung umfassend eine Anode, ein als Kathode wirken­ des oder mit dieser verbundenes Target, eine an die Anode und die Kathode ange­ schlossene Spannungsquelle zur Erzeugung eines Lichtbogens bzw. Lichtbogenspots auf dem Target bzw. dessen freier Fläche sowie unterhalb des Targets vorhandene zumindest einen Permanentmagneten und zumindest eine Ringspule umfassende Magnetanordnung zur Erzeugung eines Lichtbogenbewegung auf der Targetfläche beeinflussenden Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass die den zumindest einen Permanentmagneten (52) und die zumindest eine Ringspule (50) umfassende Magnetanordnung (46) als Einheit zu dem Target (16) verstellbar angeordnet ist.

2. Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (52) und die Ringspule (50) von einer Halterung (48) ausgeht, die vorzugsweise aus Kunststoff oder Aluminium besteht, wobei die Einheit in parallel zu der Targetfläche (18) verlaufender X- und Y-Richtung verstellbar ist.

3. Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit senkrecht zur Targetfläche (18) verstellbar ist.

4. Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (52) in Bezug auf die Ringspule (50) auf deren Mittelachse bzw. in deren Mittelpunkt bzw. auf der Geraden angeordnet ist, die senkrecht zur von der Ringspule (50) aufgespannten Ebene verläuft und die Mittelachse bzw. den Mittelpunkt durchsetzt.

5. Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das von der Magnetanordnung (46) erzeugte Magnetfeld der Lichtbogen im Wesentlichen entlang vorgegebener Bahnen (56, 58, 60) unter Vermeidung sich verzweigender Haupt- und Nebenäste auf der Targetfläche (18) bewegbar ist.

6. Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der den Permanentmagnet (52) und die Ringspule (50) umfassenden Einheit ein Magnetfeld im Bereich der Targetfläche (18) derart erzeugbar ist, dass der Licht­ bogen bei einer angelegten Spannung U mit 17 V ≦ U ≦ 30 V stabil ist.