DE10155120A1

DE10155120A1 - Coating substrate using pulsed cathodic arc erosion of sacrificial cathode comprises locally and/or temporarily controlling initiation of pulsed erosion

Info

Publication number: DE10155120A1
Application number: DE2001155120
Authority: DE
Inventors: Ernst Klinkenberg; Ulrich Lembke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2003-05-28

Abstract

Coating a substrate using a pulsed cathodic arc erosion of a sacrificial cathode comprises locally and/or temporarily controlling the initiation of the pulsed erosion; controlling the initiation of the pulsed erosion corresponding to the consumption of the sacrificial cathode; controlling the pulsed erosion corresponding to a prescribed deposition profile; and carrying out the initiations using differently arranged ignition elements. The pulsed ions, neutral particles and micro-particles pass through a particle filter before deposition. An Independent claim is also included for a device for carrying out the process comprising a segmented ignition arrangement having ignition segments consisting of two or more electrodes containing an insulator.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten durch eine verteilt initiierte gepulste kathodische Bogenentladung und der damit verbundenen Erosion einer Opferelektrode. Sie wird im Bereich der Dünnschicht- und Oberflächentechnologie angewendet. The invention relates to a method and an apparatus for Coating of substrates by a distributed initiated pulsed cathodic arc discharge and the associated Erosion of a sacrificial electrode. It is in the field of Thin film and surface technology applied.

Die Funktionalität und das Design moderner Produkte werden in vielen Fällen durch ihre Oberfläche bestimmt. Die Beschichtungstechniken nehmen deshalb einen wichtigen Platz im technologischen Prozess ein. In der Dünnschichttechnik, die sich mit Beschichtungen von wenigen Mikrometern Dicke beschäftigt, gelingt es, durch funktionelle Schichten die produktbestimmenden Eigenschaften günstig zu beeinflussen. Dazu wurden eine Reihe von Technologien entwickelt. Bei den PVD-Verfahren (engl.: physical vapour deposition) führen insbesondere die plasmagestützten Verfahren zu haftfesten, hochbelastbaren Schichten. Breite Anwendung finden z. B. Verschleißschutzschichten auf Werkzeugen. The functionality and design of modern products are in determined by their surface in many cases. The Coating techniques therefore take an important place in the technological process. In thin film technology, which deals with coatings a few micrometers thick busy, it succeeds through functional layers to influence product-determining properties favorably. A number of technologies have been developed for this. Both Perform PVD (physical vapor deposition) processes in particular the plasma-based procedures for adherent, heavy-duty layers. Find wide application z. B. Wear protection layers on tools.

Die Abscheidung derartiger Schichten erfolgt vorzugsweise im Vakuum durch die thermische Verdampfung des schichtbildenden Materials, die Ionisierung desselben und die Beschleunigung auf das zu beschichtenden Substrat. In reaktiver Atmosphäre werden entsprechende Verbindungen als Schicht abgeschieden. Bekannte Beispiele sind Hartstoffschichten wie TiN oder TiAlN. Such layers are preferably deposited in the Vacuum through the thermal evaporation of the layer-forming Material, its ionization and acceleration on the substrate to be coated. In a reactive atmosphere corresponding connections are deposited as a layer. Known examples are hard material layers such as TiN or TiAlN.

Einige plasmagestützte Methoden vereinigen in sich, ihrer physikalischen Natur entsprechend, mehrere der oben genannten Prozeßschritte und werden deshalb bevorzugt angewandt. So erfolgt z. B. bei der Beschichtung mit Hilfe einer Hohlkathodenbogenentladungsquelle die thermische Verdampfung des schichtbildenden Materials durch den Strahl der Plasmaelektronen und die Ionisierung des Verdampfungsgutes im Quellenplasma in einem Prozeß. Some plasma-based methods combine theirs corresponding to physical nature, several of the above Process steps and are therefore preferred. So z. B. in the coating with the help of a Hollow cathode arc discharge source thermal evaporation of the layer-forming material by the beam of Plasma electrons and the ionization of the evaporation material in the Source plasma in one process.

Weit verbreitet ist ebenfalls die Beschichtung durch die kathodische Bogenerosion. Dabei wird zwischen einer gekühlten Opferkathode und einer Anode eine Bogenentladung gezündet. Die Ladungsträger zur Aufrechterhaltung dieser Entladung werden durch lokale thermische Verdampfung (Kathodenflecken) bei gleichzeitiger Ionisierung des verdampften Materials gewonnen. The coating by the is also widespread cathodic arc erosion. It is between a chilled Victim cathode and an anode ignited an arc discharge. The charge carriers to maintain this discharge are caused by local thermal evaporation (cathode spots) with simultaneous ionization of the vaporized material won.

Diese Methode ist durch folgende vorteilhafte Eigenschaften gekennzeichnet:

a) Fast alle elektrisch leitenden festen Materialien lassen sich verdampfen.
b) Die Ionisierungsrate des verdampften Materials ist sehr hoch.
c) Die austretenden Ionen sind für viele Kathodenmaterialien mehr als einfach ionisiert.
d) Die individuellen Ionenenergien sind hoch und liegen im Bereich von 10-100 eV.
e) Die Entladung erfolgt im Vakuum und benötigt keinerlei zusätzliche Prozeßgase.
f) Durch die Verdampfung aus der festen Phase ist die räumliche Positionierung der Opferkathode nur wenig eingeschränkt.

This method is characterized by the following advantageous properties:

a) Almost all electrically conductive solid materials can be evaporated.
b) The rate of ionization of the vaporized material is very high.
c) The emerging ions are more than simply ionized for many cathode materials.
d) The individual ion energies are high and are in the range of 10-100 eV.
e) The discharge takes place in a vacuum and does not require any additional process gases.
f) The spatial positioning of the sacrificial cathode is only slightly restricted by the evaporation from the solid phase.

Nachteilig steht dem folgendes gegenüber:

a) Der Entladestrom beträgt mindestens 30A und bestimmt damit eine untere Grenze für einen mimalen Energieumsatz
b) Die Kathodenflecken bewegen sich über die ganze Kathode und erfassen ohne geeignete Maßnahmen auch Konstruktionselemente destruktiv
c) Während der Verdampfung in den Kathodenflecken werden neben Ionen und Neutralteilchen auch größere Partikel des Kathodenmaterials mit einem typischen Durchmesser im Mikrometerbereich aus der Kathodenoberfläche emittiert, die auf sich ebenfalls auf dem Substrat ablagern und die Schichtqualität in der Regel negativ beeinflussen.

The disadvantage is the following:

a) The discharge current is at least 30A and thus defines a lower limit for a minimum energy consumption
b) The cathode spots move over the entire cathode and, without suitable measures, also destructively capture construction elements
c) During the evaporation in the cathode spots, in addition to ions and neutral particles, larger particles of the cathode material with a typical diameter in the micrometer range are also emitted from the cathode surface, which are also deposited on the substrate and generally have a negative influence on the layer quality.

Die Bildung dieser Mikropartikel ist ein komplexes Phänomen und nur ansatzweise verstanden. Es ist eng mit der lokalen Energie- und Stoffbilanz in den Kathodenflecken verbunden. Die Emission von Mikropartikeln ist für eine Vielzahl von Beschichtungen tolerierbar, stellt aber für besonders hochwertige Beschichtungen ein ernstes Problem dar. In der Vergangenheit gab es zu dessen Überwindung eine Reihe von Ansätzen. Die erfolgreichsten dazu waren:

a) der Einsatz von Partikelfiltern und
b) die Benutzung gepulster Bogenentladungsbeschichtungsquellen bzw.
c) die Kombination aus beidem.

The formation of these microparticles is a complex phenomenon and is only partially understood. It is closely linked to the local energy and material balance in the cathode spots. The emission of microparticles is tolerable for a large number of coatings, but is a serious problem for particularly high-quality coatings. There have been a number of approaches in the past to overcome them. The most successful ones were:

a) the use of particle filters and
b) the use of pulsed arc discharge coating sources or
c) the combination of both.

Leider steht die Effizienz von Partikelfiltern in Konkurrenz zur Intensität der Beschichtungsquelle, so daß Pulsverfahren eine besondere Bedeutung gewinnen. Unfortunately, the efficiency of particle filters is in competition to the intensity of the coating source, so that pulse method gain special importance.

In Pulsverfahren gelingt die Reduzierung der Partikelemission durch die Begrenzung der Ladungsmenge, die der Bogenentladung zur Verfügung steht. The particle emission is reduced in a pulse process by limiting the amount of charge that the arc discharge is available.

Weitere Vorteile der Pulsverfahren bestehen in:

a) der Bestimmtheit der für die Entladung zur Verfügung stehenden Ladungsmenge,
b) der damit verbundenen definierten Beschichtungsrate und
c) dem frei wählbaren zeitlichen Beschichtungsregime und einer damit verbundenen einstellbaren thermischen Belastung der zu beschichtenden Substrate.

Other advantages of the pulse method are:

a) the certainty of the amount of charge available for the discharge,
b) the associated defined coating rate and
c) the freely selectable temporal coating regime and an associated adjustable thermal load on the substrates to be coated.

Der weiteren Verbreitung von Pulsverfahren standen bisher die technischen Schwierigkeiten der Initiierung des Bogenentladungspulses gegenüber, die auch bei der Zündung der kontinuierlichen Entladung bestehen. So far, the further spread of pulse procedures stood technical difficulties in initiating the Arc discharge pulse opposite, which is also the ignition of the continuous discharge exist.

Dabei fanden bisher folgende Methoden Anwendung:

a) Zündung durch einen Hochstromabrißfunken
b) Zündung durch eine Hochspannungsdurchschlag (eventuell mit Gasinjektion)
c) Initiierung durch Impulsverdampfung einer oberflächlich deponierten Opferschicht,
Abb. 1: Punkt-Funken-Zündung einer Pulsquelle

The following methods have so far been used:

a) Ignition by a high current stall spark
b) Ignition by a high voltage breakdown (possibly with gas injection)
c) initiation by pulse evaporation of a sacrificial layer deposited on the surface,
Fig. 1: Point spark ignition of a pulse source

Anhand von Abb. 1 soll die Beschichtung mit einer herkömmlichen Pulsentladungsbeschichtungsquelle erläutert werden. The coating with a conventional pulse discharge coating source is to be explained with reference to FIG. 1.

Der Pulsverdampfer selbst besteht aus einer Opferkathode (1) die gekühlt werden muß (11), einer Anode (2) und einer Zündelektrode (6), die in einem Verdampfergehäuse (17) angeordnet sind, das an eine Vakuumkammer (13) angeflanscht ist. Das Beschichtungsgut (Substrat, 12) befindet sich im Emissionraum des Pulsverdampfers und kann nötigenfalls mit einer Vorspannung (Bias, 14) versehen werden. In der Vakuumkammer wird durch eine Pumpe (16) ein Arbeitsdruck von typischerweise p = 10^-3 Pa aufrechterhalten. Die Energiemenge, die für die Entladung benötigt wird und die durch die Spannungsquelle (4) bereitgestellt wird, ist im Kondensator (3) gespeichert. Die Zündung des Pulses erfolgt durch einen Hochspannungsdurchschlag zwischen Zündelektrode und Kathode. Die dazu benötigte Energie wird von der Spannungsquelle (8) an den Zündkondensator (7) geliefert. Nachdem beide Kondensatoren aufgeladen sind und von den Ladespannungsquellen getrennt wurden, wird über Schalter (10) der Hochspannungsdurchschlag eingeleitet und mit dem entstehenden Zündplasma die Pulsentladung von Kondensator (3) ermöglicht. Das Entladeplasma breitet sich in Richtung des Substrats aus, und das enthaltene ionisierte und neutrale Material wird auf diesem abgeschieden. Die Entladungskontour auf der Kathode hat Ähnlichkeit mit einer Lichtenbergschen Entladungsfigur. The pulse evaporator itself consists of a sacrificial cathode ( 1 ) which has to be cooled ( 11 ), an anode ( 2 ) and an ignition electrode ( 6 ) which are arranged in an evaporator housing ( 17 ) which is flanged to a vacuum chamber ( 13 ). The coating material (substrate, 12 ) is located in the emission space of the pulse evaporator and can, if necessary, be provided with a bias (bias, 14 ). A pump ( 16 ) maintains a working pressure of typically p = 10 ^-3 Pa in the vacuum chamber. The amount of energy required for the discharge and which is provided by the voltage source ( 4 ) is stored in the capacitor ( 3 ). The pulse is ignited by a high voltage breakdown between the ignition electrode and the cathode. The energy required for this is supplied by the voltage source ( 8 ) to the ignition capacitor ( 7 ). After both capacitors have been charged and separated from the charging voltage sources, the high-voltage breakdown is initiated via switch ( 10 ) and the pulse discharge of capacitor ( 3 ) is made possible with the ignition plasma that is created. The discharge plasma spreads in the direction of the substrate, and the ionized and neutral material contained is deposited on it. The discharge contour on the cathode is similar to a Lichtenberg discharge figure.

Derartige Pulsquellen mit einer punktförmigen Zündelektrode werden in der Literatur beschrieben /Brown I. G., Galvin J. E., Gavin B. F., MacGill R. A.: Rev. Sci. Instrum. 57(6), 1069 (1986)1/. Das Hauptproblem dieser Quellen besteht im konstanten Ort der Zündelektrode, was zu ungleichmäßiger Erosion der Kathode führt. Bewegliche Zündelektroden sind zwar denkbar, aber mit großen praktischen Ausführungsschwierigkeiten verbunden, so daß sie nur im Labormaßstab realisiert wurden. Betrachtet man die bisherigen Entwicklungen, so stellt sich heraus, daß die zuverlässige Pulszündung das Hauptproblem der Pulsquellen darstellt. Such pulse sources with a punctiform ignition electrode are described in the literature / Brown I.G., Galvin J.E., Gavin B.F., MacGill R.A .: Rev. Sci. Instrum. 57 (6), 1069 (1986) 1 /. The main problem with these sources is constant location of the ignition electrode, resulting in more uneven Erosion of the cathode leads. Movable ignition electrodes are conceivable, but with great practicality Execution difficulties connected, so that they only in Laboratory scale have been realized. If you look at the previous ones Developments, it turns out that the reliable Pulse ignition is the main problem with pulse sources.

Eine wesentliche Weiterentwicklung der Pulserzeugung wurde durch eine ringförmige Zündeinrichtung erreicht, vgl. Abb. 2a und Abb. 2b/Maslov A. I., Dmitriev G. K., Shistyakov Yu.D.: Pribobory i Tekhnika Eksperimenta, No. 30, S 146 (1985)/. Diese Zündeinrichtung beruht auf der Impulsverdampfung einer oberflächlich abgeschiedene Schicht. In einer Stapel- Anordnung befindet sich ein Isolator (20) zwischen zwei Zündelektroden (6). Eine dünne sich während eines Pulses auf dem Isolator ablagernde Schicht wird durch einen Stoßstrom verdampft und zur Initiierung des folgenden Pulses benutzt. Das Zündplasma (18), das durch Stoßverdampfung entsteht, zündet den Hauptpuls (19), der wiederum eine Opferschicht für den nächsten Zündpuls auf dem Isolator abscheidet. An essential further development of the pulse generation was achieved by an annular ignition device, cf. Fig. 2a and Fig. 2b / Maslov AI, Dmitriev GK, Shistyakov Yu.D .: Pribobory i Tekhnika Eksperimenta, No. 30, p. 146 (1985) /. This ignition device is based on the pulse evaporation of a surface deposited layer. An insulator ( 20 ) is located in a stacked arrangement between two ignition electrodes ( 6 ). A thin layer deposited on the insulator during a pulse is vaporized by a surge current and used to initiate the following pulse. The ignition plasma ( 18 ), which is generated by shock evaporation, ignites the main pulse ( 19 ), which in turn deposits a sacrificial layer on the insulator for the next ignition pulse.

Diese Methode ist praktisch erprobt und die Zündung des Pulses erfolgt zuverlässig. Ein wesentlicher Nachteil dieser Zündungsart besteht darin, daß es nicht befriedigend gelingt, den Stoßverdampfungsort gleichmäßig über den Umfang der Zündeinrichtung zu verteilen. Dadurch erfolgt die Erosion der Kathode nicht gleichmäßig. Ein typisches Erosionsbild der Kathode bei Ringzündung ist in Abb. 2c dargestellt Diese Art der Zündung ist zwar für den praktischen Einsatz geeignet, erfordert aber einen hohen Wartungsaufwand, da die Oberfläche der Kathode regelmäßig geglättet werden muß. Um eine gleichmäßige Erosion zu erreichen, wurden verschiedene mechanische Anordnungen vorgeschlagen, die aber sehr aufwendig bzw. problembehaftet sind. So wurde z. B. eine drehbare Kathode über eine Kontaktverdampfungszündung gepulst erodiert und durch mechanischen Abtrag dabei gleichzeitig geplant/Antilla A., Koskinen J.. US-Patent 5 518 596 (1996)/. Die dabei auftretenden Kontaminationen durch abgetragenes Material müssen aber als kritisch angesehen werden. This method has been tried and tested and the pulse is ignited reliably. A major disadvantage of this type of ignition is that it is unsatisfactory to evenly distribute the shock evaporation location over the circumference of the ignition device. As a result, the cathode does not erode evenly. A typical erosion pattern of the cathode with ring ignition is shown in Fig. 2c. This type of ignition is suitable for practical use, but requires a lot of maintenance, since the surface of the cathode must be smoothed regularly. In order to achieve uniform erosion, various mechanical arrangements have been proposed, but they are very complex and problematic. So z. B. a rotatable cathode is pulsed via a contact evaporation ignition and simultaneously planned by mechanical removal / Antilla A., Koskinen J .. US Patent 5,518,596 (1996) /. The contamination that occurs as a result of removed material must be viewed as critical.

Zusammenfassend läßt sich feststellen:

1. Die gepulste kathodische Bogenerosionsverdampfung ist ein Beschichtungsverfahren mit vielen praktischen Vorzügen, jedoch mit hohen technischen Anforderungen
2. Die zuverlässige Initiierung der Pulsentladung stellt das Hauptproblem dieses Verfahrens dar.
3. Die Realisierung des Verfahrens gelingt bisher nur für zylinderförmige Kathoden mit einem Durchmesser von weniger als 50 mm.

To summarize:

1. The pulsed cathodic arc erosion evaporation is a coating process with many practical advantages, but with high technical requirements
2. The reliable initiation of pulse discharge is the main problem of this method.
3. The method has so far only been successful for cylindrical cathodes with a diameter of less than 50 mm.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen, die die bekannten, dargestellten Nachteile überwindet. The invention has for its object a method and a device for performing the method propose the known disadvantages presented overcomes.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein räumlich angepaßtes Zündelektrodensystem und ein räumlich und zeitlich verteiltes Zündregime gelöst. Dazu wird statt einer punktförmigen oder monolithisch ringförmigen Zündelektrode eine segmentierte Zündelektrodenanordnung verwandt, deren geometrische Ausführung in Abhängigkeit von der gewünschten Elektrodenform variieren kann. According to the invention, the task is carried out spatially adapted ignition electrode system and a spatially and temporally distributed ignition regime solved. Instead of one punctiform or monolithic ring-shaped ignition electrode used a segmented ignition electrode arrangement, the geometric design depending on the desired Electrode shape can vary.

Durch die in den Ansprüchen aufgeführten Merkmale wird die Erfindung weiter erläutert. Due to the features listed in the claims Invention explained further.

Anhand von mehreren Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: The invention is based on several exemplary embodiments explained in more detail. Show it:

Fig. 1 Ringförmige, segmentierte Zündplasmaerzeugung durch Stoßverdampfung einer Opferschicht Fig. 1 Annular, segmented ignition plasma generation by shock evaporation of a sacrificial layer

Fig. 2a Einfach linear segmentierte, doppelseitige Zündplasmaerzeugung Fig. 2a Simply linearly segmented, double-sided ignition plasma generation

Fig. 2b Doppelt linear segmentierte, einseitige Zündplasmaerzeugung Fig. 2b Double linearly segmented, one-sided ignition plasma generation

Fig. 3 Mehrfache linear segmentierte Zündplasmaerzeugung in Flächenanordnung Fig. 3 Multiple linearly segmented ignition plasma generation in a surface arrangement

Fig. 4 Pulsverdampferquelle mit ringförmig segmentierter Zündplasmaerzeugung Fig. 4 pulse evaporator source with ring-shaped segmented ignition plasma generation

Fig. 5 Pulsverdampferquelle mit doppelt linearer, segmentierter Zündplasmaerzeugung Fig. 5 pulse evaporator source with double linear, segmented ignition plasma generation

Fig. 6 Pulsverdampferquelle mit mehrfach linearer, segmentierter Zündplasmaerzeugung Fig. 6 pulse evaporator source with multiple linear, segmented pilot plasma generation

Fig. 7 Pulsverdampferquelle mit doppelt linearer, segmentierter Zündplasmaerzeugung und massendispersivem Filter Fig. 7 pulse evaporator source with double linear, segmented pilot plasma generation and mass-dispersive filter

Der einfache Fall einer ringförmig segmentierten Zündelektrodenanordnung ist in Fig. 1 dargestellt. The simple case of a ring-shaped segmented ignition electrode arrangement is shown in FIG. 1.

Die aus je zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Isolator bestehenden Zündsegmente (6) sind ringförmig um die Opferkathode (1) angeordnet. Zweckmäßigerweise verbindet man die Elektroden einer Seite der Zündsegmente und erzeugt das Zündplasma durch gesteuerte Zuschaltung (10) der jeweils anderen Elektrode und der dann erzwungenen Pulsverdampfung der Opferschicht des jeweiligen Segmentes durch Entladung des Zündkondensators (7). In der Wahl der zu schaltenden Zündsegmente sowie deren Zündreihenfolge ist man frei, in Fig. 1 wird eine sequentielle Zündung gezeigt. The ignition segments ( 6 ), each consisting of two electrodes and an insulator arranged between them, are arranged in a ring around the sacrificial cathode ( 1 ). The electrodes on one side of the ignition segments are expediently connected and the ignition plasma is generated by controlled connection ( 10 ) of the respective other electrode and the then forced pulse evaporation of the sacrificial layer of the respective segment by discharging the ignition capacitor ( 7 ). The choice of the ignition segments to be switched and the order in which they are fired is free; a sequential ignition is shown in FIG. 1.

Durch die erfindungsgemäße segmentierte Elektrodenanordnung können auch von der bisher üblichen Zylinderform der Opferkathode abweichende Geometrien gewählt werden. Vorteilhaft ist, daß dadurch die Quellfläche der Kathode vergrößert werden kann. In Fig. 2a ist eine einfach lineare, segmentierte, doppelseitige Anordnung zur Zündplasmaerzeugung dargestellt die mit einer geteilten Kathode arbeitet. Doppelseitig in dem Sinne, daß die Zündplasmaerzeugung durch die Zündsegmente auf beiden Seiten der linear angeordneten Zündsegmente erfolgt. With the segmented electrode arrangement according to the invention, geometries that deviate from the previously customary cylindrical shape of the sacrificial cathode can also be selected. It is advantageous that the swelling area of the cathode can thereby be enlarged. In Fig. 2a, a simple linear, segmented, double-sided arrangement for ignition plasma generation is shown, which works with a divided cathode. Double-sided in the sense that the ignition plasma is generated by the ignition segments on both sides of the linearly arranged ignition segments.

Eine homogenere Erosionscharakteristik der Kathode erlaubt die in Fig. 2b gezeigte Anordnung. Die Bogenerosion greift doppelseitig auf die Kathode zu. Durch die Wahl eines geeigneten Zündregimes kann man eine gesteuerte, vom lokalen Kathodenverbrauch abhängige Erosion der Kathode einstellen. Auch in diesem Fall wird wie bei der kreisförmigen Anordnung wieder eine Elektrode der Zündsegmente miteinander verbunden. The arrangement shown in FIG. 2b allows a more homogeneous erosion characteristic of the cathode. Arc erosion accesses the cathode on both sides. By choosing a suitable ignition regime, controlled erosion of the cathode, which is dependent on local cathode consumption, can be set. In this case too, as with the circular arrangement, an electrode of the ignition segments is connected to one another again.

Die Erweiterung dieser Zündanordnung zu einer flächenhaften Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Als Besonderheit dieser Ausführung wäre zu erwähnen, daß man bei der flächigen Anordnung mehrerer Kathoden nicht an ein- und dasselbe Kathodenmaterial gebunden ist, sondern beim Beschichtungsprozeß die Abscheidung verschiedener Materialien definiert kombinieren kann. The expansion of this ignition arrangement to a flat arrangement is shown in FIG. 3. As a special feature of this embodiment, it should be mentioned that, in the case of the planar arrangement of a plurality of cathodes, one is not bound to one and the same cathode material, but rather the deposition of different materials can be combined in a defined manner in the coating process.

Fig. 4 vermittelt, wie die segmentierte Zündplasmaerzeugung in einem Verdampfer mit zylindrischer Kathode realisiert wird. Die geometrische Anordnung entspricht genähert der praktischen Ausführung. Bei einem bestimmten Kathodenverbrauch muß die Stirnfläche der Kathode in die bevorzugte Arbeitsebene nachgeführt werden. Die Emission dieses Verdampfers ist ohne Zusatzmaßnahmen in einem Öffnungswinkel von ca. 20° nahezu homogen. Magnetische Führungsfelder erlauben sowohl eine Aufweitung als auch eine Fokussierung der Emissionscharakteristik. FIG. 4 shows how the segmented ignition plasma generation is implemented in an evaporator with a cylindrical cathode. The geometric arrangement approximates the practical execution. With a certain cathode consumption, the end face of the cathode must be adjusted to the preferred working level. The emission of this evaporator is almost homogeneous without additional measures at an opening angle of approx. 20 °. Magnetic guiding fields allow both an expansion and a focusing of the emission characteristics.

Die Ausführung eines Linearverdampfer ist beispielhaft in Fig. 5 dargestellt. Neben der im Vergleich zu Zylinderquellen größeren Depositionsrate, die dieser Verdampfer erzielen kann, ist besonders hervorzuheben, daß die thermische Stabilität, die bei Zylinderverdampfern einen begrenzenden Faktor darstellt, besser beherrschbar ist. Wegen der erzielbaren sehr homogenen Erosionscharakteristik in Richtung der Kathodenlängsachse stellt dieser Verdampfer eine vorteilhafte Alternative zu einer linienhaften Anordnung von Zylinderquellen dar. The design of a linear evaporator is shown by way of example in FIG. 5. In addition to the higher deposition rate that this evaporator can achieve compared to cylinder sources, it should be emphasized that the thermal stability, which is a limiting factor in cylinder evaporators, is easier to control. Because of the very homogeneous erosion characteristics that can be achieved in the direction of the longitudinal axis of the cathode, this evaporator represents an advantageous alternative to a linear arrangement of cylinder sources.

Der Flächenverdampfer (Fig. 6) nutzt mehrere Kathoden in einer parallelen Anordnung. Bestehen diese Kathoden aus verschiedenen Materialien, so hat man durch diesen Verdampfer die Möglichkeit neben homogenen auch heterogene, Gradienten- und Stapel-Schichten abzuscheiden. The surface evaporator ( Fig. 6) uses several cathodes in a parallel arrangement. If these cathodes are made of different materials, this evaporator offers the possibility of separating not only homogeneous but also heterogeneous, gradient and stacked layers.

Die günstigen Eigenschaften in Bezug auf die thermische Stabilität bestehen in Analogie zum Linienverdampfer. Dieser Verdampfertyp gewährleistet eine homogene Emissionscharaktristik über ausgedehnte Bereiche der Substratebene. Die gleichmäßige Erosion der Teilkathoden wird durch eine geeignete Zündsteuerung gewährleistet. The favorable properties in terms of thermal Stability exists in analogy to the line evaporator. This Evaporator type ensures a homogeneous Emission characteristics over extensive areas of the Substrate plane. The even erosion of the partial cathodes will guaranteed by a suitable ignition control.

Obwohl diese Pulsverdampfer viele Vorteile besitzen, beseitigen sie dennoch das Problem der Verunreinigung mit Mikropartikeln nicht zufriedenstellend. Die Konzentration der Mikropartikel wird zwar gegenüber Normalverdampfern reduziert, sie ist aber dennoch nicht zu vernachlässigen. Deshalb müssen zur Abscheidung von besonders hochwertigen Schichten Partikelfilter eingesetzt werden. In Fig. 9 ist ein Linienverdampfer in Verbindung mit einem einfachen magnetischen Filter dargestellt. Der Ionenstrom des Linienverdampfers wird im Magnetfeld abgelenkt, die Neutralteilchen und Mikropartikel nicht. Although these pulse vaporizers have many advantages, they do not satisfactorily eliminate the microparticle contamination problem. The concentration of the microparticles is reduced compared to normal evaporators, but it should not be neglected. Particle filters must therefore be used to separate particularly high-quality layers. In Fig. 9, a line evaporator in conjunction with a simple magnetic filter is shown. The ion current of the line evaporator is deflected in the magnetic field, but the neutral particles and microparticles are not.

Die Anordnung der Substratebene erfolgt nicht wie üblich senkrecht zur Kathodennormalen sondern unter einem von der magnetischen Feldstärke und der Ionenenergie abhängigem Winkel dazu. Auf diese Weise wird verhindert, daß ein großer Teil der Mikropartikel auf das Substrat auftreffen. Die Mikropartikelkontamination kann so um mehr als 50% verringert werden. Für eine weitere Reduzierung des Mikropartikelverunreinigungen müssen komplizierte Filter herangezogen werden /Aksenov I. I., Vakula S. I., Padalka V. G., Strelnitzkii V. E., Khoroshich V. M.: Zhurnal Technisheskoi Fisiki No, 9, 2000 (1980)/. Bezugszeichenliste 1 Kathode
2 Anode
3 Energiekondensator
4 Lader
5 Ladeschalter
6 Zündelektrode
7 HV-Kondensator
8 HV-Lader
9 HV-Ladeschalter
10 Zündschalter
11 Kathodenkühleinrichtung
12 Substrat
13 Prozeßkammer
14 Bias
15 Substrathalter
16 Pumpe
17 Verdampfergehäuse
18 Zündplasma
19 Pulsplasma
20 Isolator
21 Permanentmagnet oder Elektromagnet
The arrangement of the substrate plane is not, as usual, perpendicular to the cathode normal, but at an angle to it that is dependent on the magnetic field strength and the ion energy. This prevents a large part of the microparticles from hitting the substrate. The microparticle contamination can be reduced by more than 50%. Complicated filters must be used to further reduce microparticle contamination / Aksenov II, Vakula SI, Padalka VG, Strelnitzkii VE, Khoroshich VM: Zhurnal Technisheskoi Fisiki No, 9, 2000 (1980) /. LIST OF REFERENCE NUMERALS 1 Cathode
2 anode
3 energy capacitor
4 loaders
5 charging switches
6 ignition electrode
7 HV capacitor
8 HV loaders
9 HV charging switch
10 ignition switches
11 cathode cooling device
12 substrate
13 process chamber
14 bias
15 substrate holder
16 pump
17 evaporator housing
18 ignition plasma
19 pulse plasma
20 isolator
21 permanent magnet or electromagnet

Claims

1. A method for coating a substrate by a pulsed cathodic arc erosion of a sacrificial cathode, characterized in that

1. 1.1 the initiation of pulse erosion is controlled locally,

2. 1.2 the initiation of pulse erosion is timed,

3. 1.3 the initiation of pulse erosion is controlled locally and in time,

4. 1.4 the initiation of the pulse erosion is controlled according to the consumption of the sacrificial cathode,

5. 1.5 the initiation of pulse erosion is controlled according to a predetermined deposition profile (homogeneous coating or heterogeneous coating using cathodes of different materials or segmented cathodes),

6. 1.6 simultaneous initiations of locally arranged ignition elements take place;

7. 1.7 ignition pulse patterns determined for the initiation of the discharge pulse by simultaneous switching of locally differently arranged ignition elements are used and

8. 1.8 the pulsed ions, neutral particles and microparticles pass through a particle filter before deposition,

2. Device for performing the method for coating a substrate according to claim 1, characterized in that

1. 2.1 a segmented ignition arrangement with ignition segments, consisting of two or more electrodes with an insulator arranged between them, on the surface of which a sacrificial layer to be evaporated by a surge current is used,

2. 2.2 the ignition segments are arranged in a circle around a cylindrical sacrificial cathode,

3. 2.3 the ignition segments are linearly arranged on one side on a cuboid sacrificial cathode,

4. 2.4 the ignition elements are linearly arranged on two sides on two rectangular sacrificial cathodes,

5. 2.5 the ignition elements are arranged linearly on both sides of a cuboid sacrificial cathode

6. 2.6 the ignition elements are arranged linearly in multiple areas over several partial cathodes,

7. 2.7 the ignition elements are arranged several times linearly over several partial cathodes made of different cathode material and

8. 2.8 the ignition elements are arranged curvilinearly around a curvilinearly delimited sacrificial cathode.