DE102004054092B4

DE102004054092B4 - Zündvorrichtung

Info

Publication number: DE102004054092B4
Application number: DE102004054092A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schütze
Original assignee: Oerlikon Trading AG Truebbach
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2024-11-10
Also published as: CH696828A5; US20050121321A1; JP2005150118A; JP4723848B2; DE102004054092A1

Abstract

Zündvorrichtung für einen elektrischen Lichtbogenverdampfer mit einem Target (9) mit Targetoberfläche (20), einer Gegenelektrode (6) sowie einer Bogenversorgung (4) zur Aufrechterhaltung einer Bogenentladung zwischen Target (9) und Gegenelektrode (6), wobei die Zündvorrichtung (1) einen gegenüber dem Target (6) auf unterschiedliches Zündpotential schaltbaren Zündfinger (1') mit einem Schalter (2) umfasst, wobei der Zündfinger (1') so eingebaut ist, dass sein freies Ende die Targetoberfläche (20) dauerhaft berührt, dadurch gekennzeichnet, das das Target (6) berührende Ende des Zündfingers (1') als eine Spitze (10) ausgebildet ist und aus einem Material mit einem deutlich höheren Schmelzpunkt als dem des Targetmaterials besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung zum Zünden einer Hochstromentladung eines elektrischen Lichtbogenverdampfers in einer Vakuumbeschichtungsanlage gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein wie oben erwähnter Lichtbogenverdampfer, auch Arc- oder Funkenquelle genannt, wird zur Behandlung von Werkstücken im Hochvakuum, insbesondere zum Plasmaätzen und/oder zum Beschichten verwendet.
Aus US 3,783,231 A , US 4,448,799 A , US 4,622,452 A , sind verschiedene mechanische Zündfinger bekannt, bei welchen die Zündung der Arcentladung durch ein kurzfristiges Aufsetzen des Zündfingers auf die Oberfläche des Targets erfolgt, wobei beim Wegziehen der Zündspitze ein Abrissfunken entsteht, der eine ausreichende Anzahl elektrischer Ladungsträgern erzeugt. Nachteil einer solchen, heute in vielen Vakuumbeschichtungsanlagen eingesetzten Vorrichtung ist, dass an jeder Arcquelle mechanisch bewegte Teile angebracht sind, die einen nicht unerheblichen Ein- bzw. Nachstellaufwand sowie üblicherweise dynamisch belastete Vakuumdurchführungen erfordern, die häufig störanfällig sind. Weiters können starke Magnetfelder, wie sie bei Vakuumbeschichtungsprozessen häufig eingesetzt werden, das Bewegen des Zündfingers behindern. Auf Grund der notwendigen Robustheit der Mechanik werden solche Vorrichtungen auch üblicherweise in einer grösseren Bauform ausgeführt, was eine zusätzlichen Platzbedarf in der Vakuumkammer erfordert.
Aus EP 0 211 413 A2 ist ein anderer Zündmechanismus bekannt. Dabei wird zwischen der Targetoberfläche (Kathode) und der Anode ein mit einer dünnen Schicht aus elektrisch leitfähigem Material überzogener Keramikisolator angeordnet. Nach Anlegen einer Zündspannung zwischen der Kathode und der Anode fließt der gesamte Strom über die dünne leitende Schicht wodurch diese schlagartig verdampft und Ladungsträger freigesetzt werden die ein Zünden des Lichtbogens ermöglichen. Nach Abschalten des Beschichtungsprozesses verbleibt eine dünne Schicht auf dem Isolator, die ein erneutes Zünden des Lichtbogens ermöglicht. Nachteil einer solchen Zündvorrichtung ist, dass sie nur bei der Herstellung ausreichend leitfähiger Schichten eingesetzt werden kann.
Gleiches gilt für die aus der Druckschrift 1 ( DE 295 05 888 U1 ) bekannte Zündvorrichtung, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht. Diese verwendet einen an seinem Ende kalottenartig abgerundeten Zündfinger aus isolierendem Material, der mit einer dünnen elektrisch leitenden Schicht 2 belegt ist, die beim Anlegen der Zündspannung durch elektrischen Durchschlag verdampft und während des Betriebes des Vakuumlichtbogens wieder regeneriert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Zündvorrichtung für einen elektrischen Lichtbogenverdampfer zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile des Standes der Technik vemeidet.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemässen Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei wird der Zündfinger so eingebaut, dass die Spitze die Targetoberfläche dauerhaft berührt, womit die Zündvorrichtung sehr einfach und ohne aufwändige bewegliche Teile ausgeführt werden kann. Überraschenderweise gelingt trotz der mechanisch einfachen Lösung, bei der ein periodisches Nachjustieren mechanischer Komponenten nicht mehr erforderlich ist, ein verlässliches Zünden der Funkenquelle auch wenn beispielsweise hochohmige Schichten abgeschieden werden.
Weiters konnte bei einer derartigen Zündvorrichtung auch bei starken Magnetfeldern keine Störanfälligkeit festgestellt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, welche verschiedene Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen
1 Den Schnitt durch eine Vakuumkammer mit Arcquelle und Zündvorrichtung,
2 eine Zündvorrichtung.
1 zeigt schematisch das Funktionsprinzip einer in einer Vakuumkammer 7 eingebauten Arcquelle mit einer erfindungsgemässen Zündvorrichtung 1. Im Gegensatz zu oben beschriebenem Stand der Technik bleibt dabei der Zündfinger ständig, also auch während des Betriebes der Funkenquelle, in elektrisch leitendem Kontakt auf der Targetoberfläche. Um die ständige elektrische Kontaktierung trotz der während des Betriebs auftretenden temperaturbedingten hohen mechanischen Spannungen und damit einen sicheren Zündvorgang zu gewährleisten, muss die Spitze, bspw. über einen Federmechanismus, gegen die Targetoberfläche gedrückt werden.
Zum Anlegen des Zündpotentials wird der Schalter 2 geschlossen, und es fließt ein in diesem Fall von einem Zündgenerator 3 gespeister elektrischer Strom über den Stromkreis 12. Wird eine ausreichend hohe Spannung angelegt, so kommt es am Zündpunkt 5 durch den verhältnismässig hohen Übergangswiderstand zwischen der Zündspitze 10 und dem Target 9 zu einem lokalen Aufschmelzen und Verdampfen der Targetoberfläche 20. Zusätzlich erfolgt beim Zünden der Arcquelle vermutlich durch den bei hoher Energiedichte auftretenden Spitzeneffekt und/oder durch auftretende Mikrofunken eine Ionisierung des Metalldampfs, wodurch der vom Generator der Bogenversorgung 4 gespeiste Quellenstromkreis 11 zwischen dem hier kathodisch geschalteten Target 9 und der Anode 6 durch das Entladungsplasma der Arcquelle geschlossen wird.
Der Schalter 2 sollte dabei so gewählt werden, dass Einschaltzeiten von einer Sekunde oder weniger möglich sind um eine thermische Überlastung der Zündvorrichtung 1 zu vermeiden. Während der Versuche konnte bei einer Zünddauer t_zünd zwischen 0,05 bis 1 s die Arcquelle verlässlich gezündet werden.
Grundsätzlich kann das Anlegen des Zündpotentials auch auf einfachere Weise als durch einen zusätzlichen Zündgenerator 3, der allerdings den Vorteil einer variablen einstellbaren Spannung bietet, erfolgen. Beispielsweise kann im Stromkreis I2 statt auf den Zündgenerator 3 auf Nullpotential bzw. auf das positive Ausgangssignal der Bogenversorgung 4, das wie in 1 dargestellt auch an der Anode 6 anliegen kann, geschaltet werden. Die Einstellung der gewünschten Zündspannung kann dann über entsprechende Widerstände R erfolgen.
Bei Vorversuchen konnte bei einem Zündpotential zwischen +20 und +250 V gegenüber der Kathode ein Zünden des Lichtbogens erfolgen. Für Dauerversuche wurde das Zündpotential zwischen +100 und +180 V eingestellt.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Auswahl eines geeigneten Werkstoffs für den Zündfinger 1'. Da die Geometrie der Zündspitze annähernd erhalten bleiben sollte, um den Übergangswiderstand zur Targetoberfläche konstant hoch zu halten, ist es wichtig die Targetoberfläche und nicht die Spitze des Zündfingers zu verdampfen. Der Werkstoffs aus dem zumindest die Spitze des Zündfingers besteht muss daher einen Schmelzpunkt aufweisen der deutlich, bevorzugt um einige 100°C, höher liegt als der des Targetmaterials und darf auch bei Zündtemperatur nicht zur Legierungsbildung mit dem Targetmaterial neigen. Um eine universelle Anwendbarkeit zu ermöglichen sollte der Werkstoff zumindest bei Temperaturen über 1000°C bevorzugt aber auch noch bei Temperaturen von 2000° bis 3000°C thermisch und mechanisch stabil, also hochschmelzend, sein. In Frage kommen hier insbesondere refraktäre Metalle wie beispielsweise Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt oder Legierungen dieser Metalle bzw. leitfähige Verbindungen mit Nichtmetallen wie zum Beispiel Tantal- oder Wolframcarbid. Als besonders gut geeignet haben sich auch mechanisch stabilisierte hochkohlenstoffhaltige Materialien, wie beispielsweise Kohlenstofflaminate erwiesen.
In 2 wird ein Beispiel einer praktischen Ausführung einer erfindungsgemässen Zündvorrichtung 1 schematisch dargestellt. Diese besteht hier aus einen mehrteiligen Zündfinger 1' der an einem Steckarm 15 befestigt ist sowie einer den Steckarm 15 aufnehmenden isoliert an der Anode befestigten Steckverbindung 16, die mit der Zuleitung 17 verbunden ist. Damit kann beispielsweise für einen Targetwechsel der Zündfinger 1 einfach mit einem Handgriff von der Arcquelle gelöst werden.
In der vorliegenden Ausführung wurde eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte industrielle Arcquelle mit einem Targetdurchmesser von ca. 160 mm, wie sie in Balzers Beschichtungsanlagen des Typs RCS bzw. BAI 1200 verwendet wird, modifiziert. Um den Platzbedarf der Zündvorrichtung 1 möglichst gering zu halten, wurde eine Bohrung in der umlaufenden Anode 6 und dem Begrenzungs- bzw. Confinementring 18 angebracht. In der Bohrung der Anode 6 wurde die an der Zuleitung 17 angeschlossene Steckverbindung 16 zur Aufnahme des Steckarms 15 montiert. Alle in den Anodenring geführten Teile 15, 16, 17 wurden durch eine Isolierung 19 elektrisch von der Anode 6 getrennt.
Der Durchmesser der Bohrung des elektrisch gegenüber der Kathode isolierten Begrenzungsrings 18 ist so auszulegen, dass der Spalt zwischen dem Aussendurchmesser des Steckarm 15 und dem Innendurchmesser der Bohrung des Begrenzungsring 18 etwas kleiner als der Dunkelraumabstand bei üblichen Prozessbedingung, d. h. ca. zwischen 0.3 bis 2 Millimeter ist. Als Alternative kann auch hier eine Isolierung vorgesehen werden, die jedoch den hier auftretenden hohen Temperaturen und daraus resultierenden thermomechanischen Spannungen standhalten muss.
Der Zündfinger 1' selbst ist mehrteilig aufgebaut. Das Gehäuse 13 enthält eine Zustellvorrichtung, die eine Feder 12 und einer Führungsscheibe 11 umfasst, wodurch die Spitze 10 mit einer im wesentlichen konstanten Kraft auf die Targetoberfläche 20 drückt. Die Feder 12 kann zusätzlich noch durch eine Anstellschraube 14 vorgespannt werden.
Bei der hier realisierten Bauform wurde das Gehäuse 13 zylindrisch mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Höhe von 25 mm ausgeführt.
Die Zündspitze 10 mit einem Durchmesser von ca. 3 mm wurde aus einem leicht bearbeitbaren laminierten Kohlenstoffcompositmaterial der Fa. SGL-Carbon gefertigt und an dem auf dem Target 9 aufliegenden Ende zugespitzt. Anschliessend wurde sie in die Führungsscheibe gesteckt. Der spezifische elektrische Widerstand des Materials lag bei Raumtemperatur je nach Fabrikat zwischen 20 und 30 Ohm × Mikrometer. Prinzipiell ist dabei auch der Einsatz von Materialien mit kleinerem bzw. grösseren spezifischen Widerstand möglich, da der letzendlich ausschlaggebende Übergangswiderstand, wie für den Fachmann leicht nachvollziehbar, sich aus der spezifischen Leitfähigkeit und Geometrie der Spitze ergibt. Für hochkohlenstoffhaltige Spitzen 10 kann dabei ein spezifischer Widerstandsbereich zwischen 10 bis 40 Ohm × Mikrometer abgedeckt werden.
Einen kleineren spezifischen Widerstand zeigen die refraktären Metalle mit 0.04 bis 0.12 Ohm × Mikrometer, weshalb für solche Versuche auch eine schlankere, teils nadelförmige Geometrie der Spitze 10 gewählt wurde.
Auch für die Feder 12, die sich während des Betriebes des Targets in der Nähe des Plasmas befindet, ist die Wahl des richtigen temperaturbeständigen Wekstoffs wesentlich. Als besonders geeignet zeigten sich Federn 12 aus Chrom-Nickel-Federstahllegierungen, wie beispielsweise DIN X12CrNi177, 1.4310, mit einer Federrate zwischen 0,2 bis 3,0 N/mm insbesondere zwischen 0,5 bis 1,0 N/mm.
Die Funktionstests wurden mit Ti, Cr bzw. TiAlN-Targets durchgeführt. Der elektrische Widerstand R wurde im Bereich um 2 Ohm gewählt, dabei wurde bei einer Zündspannung um etwa 140 V kurzzeitig ein Strom von ca. 70 Ampere gemessen. Der Schaltmechanismus wurde über ein Schütz realisiert, wobei die Schließ- und Öffnungszeiten im Bereich einiger 100 Millisekunden lagen.
Unter diesen Bedingungen konnte eine Arcquelle mit einer Zündvorrichtung 1 wie unter 2 im Detail beschrieben, unter einer Ar- bzw. N2-Atmosphäre bei Drücken um 5 × 10^–2 mbar vielfach problemlos gezündet werden.
Eine weitere Bauform der Zündvorrichtung kann erreicht werden, wenn der Zündmechanismus seitlich, also am Randbereich 8 des Targets 9, angebracht wird. Allerdings ist hier zusätzlich beispielsweise durch eine magnetische Führung sicherzustellen, dass der Funke rasch aus dem Randbereich 8 auf die Oberfläche 20 des Targets geführt wird um Beschädigungen von beispielsweise zwischen Begrenzungs- bzw. Anodenring und Target befindlichen isolierenden Teilen zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

1: Zündvorrichtung
1': Zündfinger
2: Schalter
3: Zündgenerator
4: Bogenversorgung
5: Zündpunkt
6: Gegenelektrode/Anode
7: Vakuumkammer
8: Äusserer Targetbereich/Randbereich
9: Target
10: Spitze
11: Führungsscheibe
12: Feder
13: Gehäuse
14: Anstellschraube
15: Steckarm
16: Steckverbindung
17: Zuführung/Zuleitung
18: Begrenzungsring/Confinementring
19: Isolierung
20: Targetoberfläche

Claims

Zündvorrichtung für einen elektrischen Lichtbogenverdampfer mit einem Target (9) mit Targetoberfläche (20), einer Gegenelektrode (6) sowie einer Bogenversorgung (4) zur Aufrechterhaltung einer Bogenentladung zwischen Target (9) und Gegenelektrode (6), wobei die Zündvorrichtung (1) einen gegenüber dem Target (6) auf unterschiedliches Zündpotential schaltbaren Zündfinger (1') mit einem Schalter (2) umfasst, wobei der Zündfinger (1') so eingebaut ist, dass sein freies Ende die Targetoberfläche (20) dauerhaft berührt, dadurch gekennzeichnet, das das Target (6) berührende Ende des Zündfingers (1') als eine Spitze (10) ausgebildet ist und aus einem Material mit einem deutlich höheren Schmelzpunkt als dem des Targetmaterials besteht.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (10) des Zündfingers aus einem refraktären Metall besteht.
Zündvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das refraktäre Metall zumindest eines der Elemente Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt oder eine Legierung bzw. Verbindung dieser Elemente umfasst.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Spitze (10) des Zündfingers (1') aus einem hochkohlenstoffhaltigen Material besteht.
Zündvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das hochkohlenstoffhaltige Material ein Kohlenstofflaminat ist.
Zündvorrichtung nach Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das hochkohlenstoffhaltige Material einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen 10 und 40 Ohm × μm, insbesondere bevorzugt zwischen 20 bis 30 Ohm × μm aufweist,
Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (10) durch den Schalter (2) jeweils für eine Zünddauer t_zünd mit einem Zündpotential verbindbar ist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (2) für eine Zünddauer t_zünd Von 0,05 bis 1 s schaltbar ist.
Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündpotential das Nullpotential, das positive Ausgangssignal der Bogenversorgung (4) oder ein durch einen Zündgenerator (3) erzeugtes Signal ist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündpotential zwischen +20 und +250 V, insbesondere zwischen +100 und +180 V gegenüber der Kathode einstellbar ist.
Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Zündfinger (1') eine Zustellvorrichtung angebracht ist, um die Spitze (10) zumindest während des Zündvorgangs mit einer im Wesentlichen konstanten Kraft auf die Targetoberfläche (20) zu drücken.
Zündvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustellvorrichtung eine Feder (12) ist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (12) aus einer CrNi-Federstahllegierung besteht.
Zündvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (12) eine Federkonstante von 0,2 bis 3 N/mm, bevorzugt zwischen 0,5 bis 1 N/mm aufweist.
Elektrischer Lichtbogenverdampfer mit einer Zündvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Behandlung, insbesondere zum Plasmaätzen oder Beschichten, eines Werkstücks mit einem Lichtbogenverdampfer nach Anspruch 15.