DE102006021565A1

DE102006021565A1 - Magnetic field system for a cathode unit, is produced using one or more cluster magnetron cathodes

Info

Publication number: DE102006021565A1
Application number: DE102006021565A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Prof.Dr. Münz; Horst Dr. Rettenmeier
Original assignee: ITG INDUKTIONSANLAGEN GmbH
Current assignee: ITG INDUKTIONSANLAGEN GmbH
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2007-06-28
Also published as: WO2007076793A1; EP1964151A1

Abstract

A process for producing a magnetic field system for a cathode unit, which has one or more cluster magnetron cathodes with a number of segments, comprises using a number of permanent magnets and electromagnets. The latter are switched in step and/or the strength and/or direction of the electromagnet generated field is altered.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldsystems für eine Kathodenanordnung, wobei die Kathodenanordnung eine oder mehrere Cluster-Magnetron-Kathoden mit jeweils mehreren Teilsegmenten und/oder mehrere galvanisch gekoppelte Einzelkathoden umfasst.The The invention relates to a method and an apparatus for generating a magnetic field system for a cathode assembly, wherein the cathode assembly has one or more Cluster magnetron cathodes each having a plurality of sub-segments and / or more includes galvanically coupled single cathodes.

Magnetronsputtern stellt eine besonders effektive Art des Sputterns dar, bei dem in einer Glimmentladung einzelne Atome oder Atomcluster aus einem Zielmaterial (Target) abgetragen werden. Die Ionen der Glimmentladung entstehen durch Stöße zwischen Elektronen und einem Sputtergas (Trägergas), das im Allgemeinen durch ein Edelgas, meist Argon, gebildet wird. Beim Magnetronsputtern werden in der Nähe des Targets ein zu diesem parallel gerichtetes Magnetfeld und ein zu diesem senkrecht stehendes elektrisches Feld erzeugt. In dem elektrischen Feld beschleunigte Elektronen werden dadurch in einem räumlich begrenzten Bereich vor dem Targets auf spiralförmige Bahnen gelenkt, wodurch dort auch bei niedrigen Drücken des Sputtergases besonders effektiv Ionen erzeugt werden.magnetron represents a particularly effective type of sputtering, in which in a glow discharge single atoms or atomic clusters of a target material (Target) are removed. The ions of the glow discharge arise through bumps between Electrons and a sputtering gas (carrier gas), in general by a noble gas, usually argon, is formed. Magnetron sputtering will be near of the target one to this parallel magnetic field and a generated to this vertical electric field. By doing electric field accelerated electrons are thereby in a spatially limited Area in front of the targets steered on spiral tracks, causing There, even at low pressures the sputtering gas can be generated particularly effective ions.

Die abgesputterten Atome und Ionen des Targets können auf Substraten kondensieren, die in die Nähe des Targets gebracht werden. Auf diese Weise entstehen sehr dünne Filme des Targetmaterials auf den Substraten. Häufig findet der Sputterprozess in einer reaktiven Atmosphäre, beispielsweise in Argon mit Stickstoff, statt, wodurch beispielsweise bei Verwendung von Ti, TiAl, Cr oder Zr besonders harte und verschleißfeste Schichten auf den Substraten aufwachsen.The sputtered atoms and ions of the target can condense on substrates, the near ones of the target. This results in very thin films of the target material on the substrates. Often the sputtering process takes place in a reactive atmosphere, for example, in argon with nitrogen, instead of, for example, at Use of Ti, TiAl, Cr or Zr particularly hard and wear-resistant layers grow up on the substrates.

High Power Impuls Magnetron Sputtering (HIPIMS) stellt eine besondere Art des Magnetronsputtern dar und gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung. Das HIPIMS-Verfahren zeichnet sich durch eine impulsförmige Zufuhr der elektrischen Leistung auf das als Kathode wirkende Target aus. Aufgrund der der Kathode zugeführten hohen Leistungsdichten von typischerweise 1000 bis 3000 W/cm² während einer Impulsdauer von 50 bis 200 μs stellt sich eine Plasmakonfiguration ein, die im Gegensatz zu der im Falle des Magnetronsputterns zu erwartenden anomalen Glimmentladung das Charakteristikum einer Bogenentladung aufweist. Während bei dem konventionellen Magnetronsputtern dem Trägergas der überwiegende Anteil an Ionisation zufällt, beträgt die Ionisation der abgesputterten Targetatome dort typischerweise nur 10 %. Demgegenüber beobachtet man im Falle des HIPIMS-Verfahrens Targetionen-Konzentrationen von über 50 %. Zudem tritt ähnlich wie bei der Bogenentladung Mehrfachionisation der Targetatome auf. Aufgrund dieses Tatbestandes ergeben sich für die Schichtbildung sehr günstige Bedingungen, die sich unter anderem in einer sehr hohen Dichte der abgeschiedenen Materie und in einer exzellenten Haftfestigkeit äußert. Bezüglich weiterer Details zum HIPIMS-Verfahren sei auf die Veröffentlichungen „A Novel Pulsed Magnetron Sputter Technique Utilizing Very High Target Power Densities" der Herren V. Kouznetsov, K. Macák, J. M. Schneider, U. Helmersson und I. Petrov in Surface and Coatings Technology, 122 (2-2), 290–293 (1999) und „CrN Deposition by Reactive High-Power Density Pulsed Magnetron Sputtering" der Herren A. P. Ehiasarian, W.-D. Münz, L. Hultman und U. Helmersson in 45^th Technical Conference Proceedings, 328–334 (2002) verwiesen.High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS) is a special type of magnetron sputtering and is gaining in industrial importance. The HIPIMS method is characterized by a pulse-shaped supply of electrical power to the target acting as a cathode. Due to the high power densities of typically 1000 to 3000 W / cm ² applied to the cathode during a pulse duration of 50 to 200 μs, a plasma configuration is established which exhibits the characteristic of an arc discharge in contrast to the expected abnormal glow discharge in the case of magnetron sputtering. While in conventional magnetron sputtering the carrier gas accounts for the predominant proportion of ionization, the ionization of the sputtered target atoms there is typically only 10%. In contrast, in the case of the HIPIMS method, target ion concentrations of more than 50% are observed. In addition, similar to the arc discharge occurs multiple ionization of the target atoms. Due to this fact, very favorable conditions result for the layer formation, which manifests itself inter alia in a very high density of the deposited matter and in an excellent adhesive strength. For further details on the HIPIMS process, see the publications "A Novel Pulsed Magnetron Sputtering Technique Utilizing Very High Target Power Densities" by Messrs V. Kouznetsov, K. Macak, JM Schneider, U. Helmersson and I. Petrov in Surface and Coatings Technology , 122 (2-2), 290-293 (1999) and "CrN Deposition by Reactive High-Power Density Pulsed Magnetron Sputtering" by Messrs. AP Ehiasarian, W.-D. Münz, L. Hultman and U. Helmersson in 45 ^th Technical Conference Proceedings, 328-334 (2002).

Im praktischen Umgang mit der HIPIMS-Technologie liegt eine der Hauptschwierigkeiten in dem Problem der Kühlung des Targets. Beim Sputtern wird mehr als 95 % der am Target umgesetzten Leistung durch Kühlwasser abgeführt. Geht man von einer Leistungsdichte von 3000 W/cm² aus, so ergibt sich bei einem Target von 100 × 20 cm² eine Leistungszufuhr von 6 MW pro Impuls. Aufgrund dieser sehr starken Targettemperaturbelastung kann die beschriebene Impulstechnik lediglich bis zu Taktfrequenzen von etwa 100 Hz (10 ms Pulsabstand) eingesetzt werden. Daraus ergibt sich, dass bei einer Pulsdauer von typischerweise 200 μs weniger als 1 % des Pulsabstandes genutzt werden kann, um den HIPIMS-Prozess auszulösen.In practical use of the HIPIMS technology, one of the major difficulties in the problem of cooling the target. During sputtering, more than 95% of the power converted to the target is dissipated by cooling water. Assuming a power density of 3000 W / cm ² , resulting in a target of 100 × 20 cm ^2, a power input of 6 MW per pulse. Because of this very strong Targettemperaturbelastung the impulse technique described can only be used up to clock frequencies of about 100 Hz (10 ms pulse spacing). As a result, with a pulse duration of typically 200 μs, less than 1% of the pulse gap can be used to trigger the HIPIMS process.

Zur Reduzierung der Belastung des Targets kann deshalb eine Mehrfachkathodenanordnung verwendet werden, bei der einzelne Teile des Targets sequentiell für das Sputtern verwendet werden. Sinnvollerweise wird dazu eine Kathode in mindestens 2 bis 10 oder je nach Kathodenlänge auch mehr, häufig gleich große Teilsegmente aufgeteilt. Alternativ zu einer derartigen Cluster-Magnetron-Kathode können mehrere Einzelkathoden zum Einsatz kommen. Cluster-Magnetron-Kathoden und Einzelkathoden können zudem in beliebigen Kombinationen eingesetzt werden. Jedes Segment der Kathodenanordnung – also jedes Teilsegment einer Cluster-Magnetron-Kathode oder jede Einzelkathode – wird dann sequentiell mit hochenergetischen elektrischen Impulsen beaufschlagt. Dazu müsste jeder Kathode eine eigene HIPIMS-Energieversorgung zur Verfügung gestellt werden. Dadurch würden die Kosten einer derartigen Anlage astronomisch steigen. Um die Kosten in wirtschaftlich vernünftigen Grenzen zu halten, kommt deshalb lediglich eine einzige HIPIMS-Energieversorgung zur Versorgung der einzelnen Segmente zum Einsatz. Mittels geeigneter Schalter wird die HIPIMS-Energieversorgung sequentiell auf die einzelnen Segmente der Kathodenanordnung geschaltet. Allerdings sind auch die hierfür notwendigen Schalter wiederum teuer, so dass die Kosten der Gesamtanlage nur begrenzt reduziert werden können.to Reducing the load on the target can therefore be a multiple cathode arrangement used in the single parts of the target sequentially for the Sputtering can be used. It makes sense to a cathode in at least 2 to 10 or more, often the same, depending on the cathode length size Split sub-segments. Alternatively to such a cluster magnetron cathode can several Single cathodes are used. Cluster magnetron cathodes and Single cathodes can also be used in any combination. Every segment the cathode arrangement - ie each sub-segment of a cluster magnetron cathode or any single cathode - will then applied sequentially with high energy electrical pulses. This would have to Each cathode is provided with its own HIPIMS power supply. This would the cost of such a system will rise astronomically. To the Cost in economically reasonable Therefore, only one single HIPIMS energy supply comes up against limits to supply the individual segments for use. By means of suitable Switches the HIPIMS power supply sequentially to the individual Segments of the cathode arrangement connected. However, too the one for this necessary switch, in turn, expensive, so the cost of the entire system can only be reduced to a limited extent.

Eine Lösung für dieses Problem könnte darin bestehen, alle Kathoden der Kathodenanordnung galvanisch zu koppeln und mit einer gemeinsamen HIPIMSEnergieversorgung anzusteuern. Allerdings müsste dann eine extrem leistungsfähige Energieversorgung eingesetzt werden, um die zum Auslösen eines HIPIMSProzesses benötigte Stromdichte zu liefern.A solution for this Problem could be consist in all the cathodes of the cathode assembly to galvanic couple and to control with a common HIPIM energy supply. However, would have then an extremely powerful Energy supply can be used to trigger a HIPIM process needed To provide current density.

Eine Möglichkeit, mit der diesem Problem begegnet werden könnte, liegt in einer Steuerung des Magnetfelds. Üblicherweise wird bei Magnetronkathoden das Magnetfeld jedoch durch Permanentmagnete erzeugt. Dies ist im Zusammenhang mit der zuvor beschriebenen Kathodenanordnung mit galvanisch gekoppelten Segmenten sehr hinderlich und äußert unpraktisch.A Possibility, with which this problem could be met lies in a controller of the magnetic field. Usually In the case of magnetron cathodes, however, the magnetic field is caused by permanent magnets generated. This is in connection with the previously described cathode arrangement with galvanically coupled segments very hindering and expresses impractical.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass bei Kathodenanordnungen mit galvanisch gekoppelten Segmenten ein hinreichend geeignetes, steuerbares Magnetfeldsystem erzeugbar ist.Of the The present invention is therefore based on the object, a method and to design a device of the type mentioned in such a way and further that in cathode arrangements with galvanic coupled segments generated a sufficiently suitable, controllable magnetic field system is.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das in Rede stehende Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldsystem durch mehrere Permanentmagnete und mehrere Elektromagnete erzeugt wird und dass die Elektromagnete getaktet geschaltet werden und/oder die Stärke und/oder die Richtung des durch die Elektromagneten erzeugten Magnetfelds verändert wird.According to the invention above object solved by the features of claim 1. After that the method in question is characterized in that the magnetic field system by several permanent magnets and several electromagnets is generated and that the electromagnets are switched clocked and / or the strength and / or the direction of the magnetic field generated by the electromagnets changed becomes.

In vorrichtungsmäßiger Hinsicht ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Vorrichtung derart ausgestaltet, dass das Magnetfeldsystem durch mehrere Permanentmagneten und mehrere Elektromagneten erzeugbar ist und dass die Elektromagnete getaktet schaltbar sind und/oder die Stärke und/oder die Richtung des durch die Elektromagneten erzeugten Magnetfelds veränderbar sind.In device-wise is the above object by the features of the claim 8 solved. Thereafter, the device in question is designed in such a way that the magnetic field system by several permanent magnets and several Electromagnet is generated and that the electromagnets clocked switchable are and / or the strength and / or the direction of the magnetic field generated by the electromagnets variable are.

In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass die Forderungen nach einer möglichst kleinen HIPIMS-Energieversorgung und die Behebung thermischer Probleme bei gleichzeitig relativ geringen Kosten der gesamten Anlage realisiert werden können. Dazu sind die Segmente der Kathodenanordnung galvanisch miteinander verkoppelt. Zum Auslösen eines HIPIMS-Prozess in einem bestimmten Segment der Kathodenanordnung wird erfindungsgemäß das Magnetfeld entsprechend beeinflusst und ein geeignetes Magnetfeld in dem bestimmten Segment eingestellt. Durch den alleinigen Einsatz von Permanentmagneten ist jedoch ohne mechanische Bewegung der Magnete kein steuerbares Magnetfeld erzeugbar. Auch das Ersetzen der Permanentmagnete durch Elektromagnete liefert insbesondere wegen der sich sehr stark gegenseitig beeinflussenden Magnetfelder für die einzelnen Segmente der Kathodenanordnung keine Anordnung, mit der ein hinreichend befriedigendes Ergebnis erreicht wird. Erfindungsgemäß ist deshalb erkannt worden, dass durch geschickte Kombination und geschickte Anordnung von mehreren Permanentmagneten und mehreren Elektromagneten sehr flexibel und verblüffend einfach ein geeignetes und ausreichend steuerbares Magnetfeldsystem erzeugbar ist. Dazu müssen lediglich die Elektromagnete getaktet schaltbar sein und/oder die Stärke und/oder die Richtung des durch die Elektromagneten erzeugten Magnetfelds veränderbar sein. Einzige Voraussetzung dabei ist, dass die Veränderung des durch die Elektromagnete erzeugten Magnetfelds schneller erfolgt als die Pulse auf die einzelnen Segmente gegeben werden. Da die Kosten einer Energieversorgung für die Elektromagnete – im Allgemeinen eine Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle – um ein Vielfaches geringer sind als die für eine HIPIMS-Energieversorgung, können selbst bei einer größeren Anzahl von zu steuernden Elektromagneten die Kosten vergleichsweise niedrig gehalten werden.In according to the invention is first It has been recognized that the demands for a possible small HIPIMS power supply and fixing thermal issues realized at the same time relatively low cost of the entire system can be. For this purpose, the segments of the cathode arrangement are galvanic with each other coupled. To trigger a HIPIMS process in a particular segment of the cathode assembly According to the invention, the magnetic field influenced accordingly and a suitable magnetic field in the particular Segment set. By the sole use of permanent magnets However, is not controllable without mechanical movement of the magnets Magnetic field generated. Also, the replacement of the permanent magnets by Electromagnets, in particular, because of each other very strong influencing magnetic fields for the individual segments of the cathode arrangement no arrangement, with the a sufficiently satisfactory result is achieved. Therefore, according to the invention been recognized by skillful combination and skillful arrangement of several permanent magnets and multiple electromagnets very much flexible and amazing simply a suitable and sufficiently controllable magnetic field system can be generated. To do this only the electromagnets can be switched clocked and / or the Strength and / or the direction of the magnetic field generated by the electromagnets changeable be. The only condition is that the change the magnetic field generated by the electromagnets is faster as the pulses are given to the individual segments. Because the cost a power supply for the electromagnets - in Generally a DC or DC power source - around Many times lower than those for a HIPIMS power supply, can yourself in a larger number of electromagnets to be controlled kept the costs comparatively low become.

Vorzugsweise ist jedem einzelnen Segment der Kathodenanordnung ein eigenes magnetfelderzeugendes Teilsystem zugeordnet, das jeweils aus mindestens einem Permanentmagneten und mindestens einem Elektromagneten gebildet ist. Die einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsysteme befinden sich dabei vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zueinander. Dadurch kann in besonders einfacher Art und Weise für jede Teilkathode ein optimales oder zumindest hinreichend gutes Magnet feldsystem erzeugt werden. Die einzelnen Teilkathoden bzw. magnetfelderzeugenden Teilsysteme könnten dabei linear angeordnet sein. Allerdings wären auch weitere Anordnungen möglich. So könnten die Segmente der Kathodenanordnung beispielsweise in einem Ring oder einem Vieleck angeordnet sein.Preferably each individual segment of the cathode arrangement is a separate magnetic field generating Subsystem assigned, each consisting of at least one permanent magnet and at least one electromagnet is formed. The single ones Magnetic field generating subsystems are preferably located close to each other. This can be in a particularly simple manner for each sub-cathode an optimal or at least sufficiently good magnetic field system be generated. The individual partial cathodes or magnetic field generating Subsystems could be arranged linearly. However, there would be further orders possible. So could the segments of the cathode assembly, for example in a ring or be arranged in a polygon.

Zum Erzielen einer möglichst umfassenden Flexibilität und Steuerbarkeit sind die Elektromagnete vorzugsweise getrennt voneinander beeinflussbar. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die einzelnen Elektromagneten unabhängig voneinander oder zumindest in Gruppen von Elektromagneten mit Energie versorgt werden können. Dabei ist es denkbar, dass einzelne Elektromagnete durch unabhängige Schalter zu- oder abgeschaltet werden können. Zum anderen könnte aber auch die Stärke des durch die Wicklungen des Elektromagneten fließenden Stroms verändert werden. Dazu könnten beispielsweise verschiedene diskrete Spannungsniveaus zur Verfügung gestellt sein, die wahlweise an einen Elektromagneten angelegt werden. Alternativ könnte den Elektromagneten Treiberstufen vorgeschaltet sein, die das entsprechende Eingangsspannungsniveau auf eine gewünschte Spannung bringt bzw. einen gewünschten Strom in den Leitern eines Elektromagneten einprägt.To achieve the greatest possible flexibility and controllability, the electromagnets are preferably influenced separately from each other. This can be achieved in particular by the fact that the individual electromagnets can be supplied with energy independently of one another or at least in groups of electromagnets. It is conceivable that individual electromagnets can be switched on or off by independent switches. On the other hand, however, the strength of the current flowing through the windings of the electromagnet could also be changed. For this purpose, for example, various discrete voltage levels could be provided, which are optionally applied to an electromagnet. Alternatively, the electromagnet could be driver stages be upstream, which brings the corresponding input voltage level to a desired voltage or impresses a desired current in the conductors of an electromagnet.

Zusätzlich oder alternativ kann einem festen oder einstellbaren Gleichstrom ein Wechselstrom überlagert werden. Dieser Wechselstrom kann in Abhängigkeit des jeweils gewünschten Effekts mit unterschiedlichen Frequenzen, Signalverläufen, Maximalwerten oder anderen Parametern gewählt werden. Dabei wäre es denkbar, dass der Wechselstrom einen sinusförmigen Verlauf aufweist oder als Rechteck-, Sägezahn-, Dreiecksstrom oder dergleichen ausgebildet ist.Additionally or alternatively, a fixed or adjustable DC can Alternating current superimposed become. This alternating current can be dependent on the respectively desired Effects with different frequencies, signal curves, maximum values or other parameters become. It would be It is conceivable that the alternating current has a sinusoidal course or as a rectangle, sawtooth, Triangular current or the like is formed.

Vorzugsweise wird in einem aktiven Bereich der Kathodenanordnung das Magnetfeld derart beeinflusst, dass sich in diesem Bereich im Wesentlichen eine gewünschte Richtung und Amplitude des Magnetfelds einstellt. Dazu müssen die Energieversorgungen der Elektromagnete geeignet gewählt werden. Die Parameter könnten durch feste Spannungen und/oder Ströme vorgegeben oder individuell für jeden Elektromagneten, für Gruppen von Elektromagneten oder für alle Elektromagnete gemeinsam anpassbar sein. Dazu kann eine oder mehrere der zuvor genannten Möglichkeiten genutzt werden.Preferably becomes the magnetic field in an active region of the cathode assembly influenced in such a way that in this area essentially a desired one Sets the direction and amplitude of the magnetic field. To do this, the Power supplies of the electromagnets are suitably selected. The parameters could be given by fixed voltages and / or currents or individually for each Electromagnet, for Groups of electromagnets or commonly adaptable to all electromagnets be. This can be one or more of the aforementioned options be used.

Zur Vermeidung ungewünschter Beeinflussungen wird in einem nicht aktiven Bereich der Kathodenanordnung das Magnetfeld derart beeinflusst, dass sich in dem nicht aktiven Bereich eine im Wesentlichen vernachlässigbare Magnetfeldkomponente parallel zur Kathode ergibt. Dazu können zum einen die Elektromagnete von der Versorgung getrennt werden. Zum anderen kann eine geeignete, gegebenenfalls gegensinnige Energieversorgung vorgesehen sein, um gezielt die zur Kathode parallelen Komponenten des Magnets zu unterdrücken oder zu minimieren.to Avoiding unwanted Influencing is in a non-active region of the cathode assembly the magnetic field is influenced so that in the non-active Area a substantially negligible magnetic field component parallel to the cathode. For this purpose, on the one hand, the electromagnets be disconnected from the supply. On the other hand, a suitable, optionally opposing power supply may be provided to specifically to suppress the parallel to the cathode components of the magnet or to minimize.

Dabei werden die Elektromagnete der einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsysteme vorzugsweise derart geschaltet oder versorgt, dass lediglich in der Nähe eines einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsystems sich das Magnetfeld eines aktiven Bereiches ausbildet. Die übrigen magnetfelderzeugenden Teilsysteme werden hingegen derart geschaltet, dass die Amplitude der Magnetfeldkomponente parallel zur Kathode in der Nähe der Kathode im Wesentlichen gleich Null ist. Die einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsystems können dann derart geschaltet werden, dass sich der aktive Bereich über die Kathodenanordnung bewegt. Dadurch kann beispielsweise bei dem Einsatz im Zusammenhang mit einem HIPIMS-Verfahren ein relativ gleichmäßiger Materialabtrag der Kathode erreicht werden. Je nach verwendeter Kathodenanordnung und gewünschtem Einsatz könnten jedoch auch mehrere aktive Bereiche ausgebildet werden, deren Anzahl jedoch deutlich unter der Zahl der Segmente der Kathodenanordnung liegen sollte.there become the electromagnets of the individual magnetic field generating subsystems preferably switched or supplied so that only in nearby of a single magnetic field generating subsystem, the magnetic field an active area. The remaining magnetic field generating Subsystems, however, are switched such that the amplitude the magnetic field component parallel to the cathode near the cathode in Essentially equal to zero. The individual magnetic field generating Subsystem can then be switched so that the active area on the Moved cathode arrangement. As a result, for example, in use relatively uniform material removal in the context of a HIPIMS process the cathode can be reached. Depending on the cathode arrangement used and desired use could However, several active areas are formed, the number however, significantly below the number of segments of the cathode assembly should lie.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist ein magnetfelderzeugendes Teilsystem mindestens einen Permanentmagneten auf, um den herum mehrere, vorzugsweise getrennt voneinander aufgebaute Elektromagnete angeordnet sind. Dieser Effekt könnte allerdings auch durch einen einzelnen, kompliziert aufgebauten Elektromagneten erreicht werden, der den/die Permanentmagneten umschließt.In a particularly preferred embodiment a magnetic field generating subsystem has at least one permanent magnet on, around which several, preferably separately constructed Electromagnets are arranged. This effect could, however, also by achieved a single, complicated design electromagnet be that surrounds the / the permanent magnet (s).

Vorzugsweise sind die einzelnen Elektromagnete eines magnetfelderzeugenden Teilsystems derart ausgerichtet, dass die Spulenachsen der Elektromagnete parallel zueinander verlaufen und/oder die einzelnen Elektromagnete im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind, wobei die Spulenachsen vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu dieser Ebene verlaufen. Dabei können die einzelnen Elektromagnete jeweils gleich ausgestaltet sein. Allerdings könnten sich auch einzelne Elektromagnete oder Gruppen von Elektromagneten in der Formgebung des Spulenkerns, der Windungszahl oder in anderen Parametern unterscheiden.Preferably are the individual electromagnets of a magnetic field generating subsystem such aligned so that the coil axes of the electromagnets are parallel to each other and / or the individual electromagnets substantially are arranged in a plane, wherein the coil axes are preferably run substantially perpendicular to this plane. The can each electromagnet be configured the same. Indeed could also individual electromagnets or groups of electromagnets in the shape of the coil core, the number of turns or in others Differentiate parameters.

Hinsichtlich einer möglichst optimalen Ausnutzung der eingesetzten Elektromagnete könnten benachbarte magnetfelderzeugende Teilsysteme mindestens einen Elektromagneten gemeinsam nutzen. Dadurch kann die Anzahl der verwendeten Elektromagnete reduziert werden und somit Herstellungs-, Betriebs- und Wartungskosten gesenkt werden. Gleichzeitig bleibt jedoch ein hohes Maß an Flexibilität bei der Beeinflussung und Einstellung des Magnetfeldsystems erhalten.Regarding one possible optimal utilization of the electromagnets used could be adjacent Magnetic field generating subsystems at least one electromagnet share. This allows the number of electromagnets used be reduced and thus manufacturing, operating and maintenance costs be lowered. At the same time, however, a high degree of flexibility remains Influence and adjustment of the magnetic field system obtained.

Vorzugsweise weisen die Permanentmagnete und die Elektromagnete ein gemeinsames magnetisches Joch auf. Dabei können sämtliche Permanent- und Elektromagnete der gesamten Anordnung magnetisch zusammengefasst sein. Alternativ könnten lediglich einzelne magnetfelderzeugende Teilsysteme ein gemeinsames magnetisches Joch besitzen.Preferably The permanent magnets and the electromagnets have a common magnetic yoke on. It can all Permanent and electromagnets of the entire arrangement magnetic be summarized. Alternatively, only individual magnetic field generating Subsystems own a common magnetic yoke.

In vorteilhafter Weise lässt sich durch diese Ausgestaltungen der Erfindung ein HIPIMS-Prozess auslösen, wobei lediglich an einer oder wenigen Teilsegmenten der Kathodenanordnung Bedingungen für das Auslösen eingestellt werden können. Dadurch kann die HIPIMS-Energieversorgung optimal genutzt und die mittlere Temperaturbelastung der Kathodenanordnung minimiert werden. Dabei können verschiedenste Ausgestaltungen von Kathodenanordnungen zum Einsatz kommen. So könnte zum einen eine größere Kathode in Teilsegmente unterteilt werden. Allerdings ließen sich auch mehrere körperlich getrennte einzelne Kathoden galvanisch koppeln. Andererseits könnten auch segmentierte Kathoden mit nicht-segmentierten Kathoden galvanisch gekoppelt werden. Gleichzeitig lässt sich die Kathodenanordnung mit Kathoden gleichen Materials aufbauen, aber auch der Einsatz von unterschiedlichen Materialien wäre in Abhängigkeit der jeweiligen Anwendung möglich. Trotz der nahezu beliebigen Vielfalt an Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Kathoden oder Kathodensegmente kann der HIPIMS-Prozess gezielt an einem bestimmten Segment der Kathodenanordnung ausgelöst werden. Hierzu muss sich lediglich der aktive Bereich in der Nähe des Segments befinden, bei dem der HIPIMS-Prozess ausgelöst werden soll. Alle weiteren Segmente könnten als nicht aktive Bereiche beschaltet sein, wodurch hier kein HIPIMS-Prozess stattfindet.Advantageously, these embodiments of the invention trigger a HIPIMS process, wherein conditions for triggering can be set only on one or a few sub-segments of the cathode arrangement. As a result, the HIPIMS power supply can be optimally utilized and the average temperature load of the cathode arrangement can be minimized. Various designs of cathode arrangements can be used. For example, a larger cathode could be subdivided into subsegments. However, several physically separate individual cathodes could be galvanic kop PelN. On the other hand, segmented cathodes could also be galvanically coupled with non-segmented cathodes. At the same time, the cathode arrangement can be constructed with cathodes of the same material, but also the use of different materials would be possible depending on the particular application. Despite the almost arbitrary variety of possible combinations of the individual cathodes or cathode segments, the HIPIMS process can be triggered specifically on a specific segment of the cathode arrangement. All you need to do is to have the active area near the segment where the HIPIMS process is to be triggered. All further segments could be connected as non-active areas, whereby no HIPIMS process takes place here.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 8 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigenIt are now different ways to design the teaching of the present invention in an advantageous manner and further education. On the one hand to the claims 1 and 8 subordinate claims and on the other hand to the following explanation of a preferred embodiment of the invention with reference to the drawing. Combined with the explanation of the preferred embodiment The invention with reference to the drawings are also generally preferred Embodiments and developments of the teaching explained. In show the drawing

1 in einer schematischen Darstellung einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei magnetfelderzeugenden Teilsystemen und 1 in a schematic representation of a structure of a device according to the invention with three magnetic field generating subsystems and

2 in einer schematischen Darstellung einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß 1 entlang der Linie A-A. 2 in a schematic representation of a section through the device according to 1 along the line AA.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldsystems. Zur übersichtlicheren Darstellung ist in 1 lediglich eine Vorrichtung 1 mit drei magnetfelderzeugenden Teilsystemen 2 dargestellt, die eine lineare Vorrichtung mit rechteckiger Grundfläche bilden. Jedes magnetfelderzeugende Teilsystem 2 besteht aus einem Permanentmagneten 3 und vier Elektromagneten 4, 5, wobei die Elektromagnete 4, 5 in einem Rechteck angeordnet sind, in dessen Zentrum sich der Permanentmagnet 3 befindet. Benachbarte magnetfelderzeugende Teilsysteme 2 nutzen dabei jeweils einen Elektromagneten 4 gemeinsam. Die Permanentmagnete 3 benachbarter magnetfelderzeugender Teilsysteme 2 sind derart angeordnet, dass jeweils eine unterschiedliche Polarität nach oben zeigt. So ist in der dargestellten Ausführung bei den magnetfelderzeugenden Teilsystemen 2.1 und 2.3 der Nordpol N nach oben orientiert, während im magnetfelderzeugenden Teilsystem 2.2 der Südpol S nach oben zeigt. Der jeweils gegensinnige Pol ist in Richtung einer Jochplatte 6 orientiert, die die einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsysteme 2 magnetisch miteinander verbindet. Zwischen den einzelnen Permanentmagneten 3 und der Jochplatte 6 sind jeweils Polschuhe 7 angeordnet, um die im Vergleich zu den Elektromagneten relativ flachen Permanentmagnete in ihrer Höhe anzupassen. 1 shows a schematic representation of a structure of a device according to the invention for generating a magnetic field system. For a clearer overview, see 1 only a device 1 with three magnetic field generating subsystems 2 represented, which form a linear device with a rectangular base. Each magnetic field generating subsystem 2 consists of a permanent magnet 3 and four electromagnets 4 . 5 , where the electromagnets 4 . 5 are arranged in a rectangle, in the center of which the permanent magnet 3 located. Neighboring magnetic field generating subsystems 2 each use an electromagnet 4 together. The permanent magnets 3 neighboring magnetic field generating subsystems 2 are arranged so that each shows a different polarity upwards. Thus, in the illustrated embodiment in the magnetic field generating subsystems 2.1 and 2.3 the north pole N oriented upward, while in the magnetic field generating subsystem 2.2 the south pole S points upwards. The respective opposing pole is in the direction of a yoke plate 6 oriented to the individual magnetic field generating subsystems 2 magnetically interconnected. Between the individual permanent magnets 3 and the yoke plate 6 are each pole shoes 7 arranged to adjust the relative to the electromagnets relatively flat permanent magnets in height.

Die Permanentmagnete 3 bestehen aus SmCo oder FeNdB, die Spulenkerne 8, die Jochplatte 6 bzw. die Polschuhe 7 sind aus Weicheisen, Ferrit oder geschichtetem Trafoblech gebildet.The permanent magnets 3 consist of SmCo or FeNdB, the coil cores 8th , the yoke plate 6 or the pole shoes 7 are made of soft iron, ferrite or layered transformer plate.

Zum Abführen der Verlustwärme in der Vorrichtung ist die Jochplatte 6 mit einer hier nicht eingezeichneten Wasserkühlung ausgestattet oder verbunden. Der Übersichtlichkeit wegen ebenfalls nicht eingezeichnet sind die einzelnen Anschlussleitungen bzw. Stromversorgungen der einzelnen Elektromagnete 4, 5.To dissipate the heat loss in the device is the yoke plate 6 equipped with a not shown here water cooling or connected. For clarity also not shown are the individual leads or power supplies of each electromagnet 4 . 5 ,

2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß 1 entlang der Linie A-A. Die Jochplatte 6 ist mit den beiden dargestellten Spulenkernen 8 der Elektromagnete 5 magnetisch verbunden. In der Mitte zwischen den Elektromagneten 5 ist der Permanentmagnet 3 angeordnet, der über den Polschuh 7 magnetisch mit der Jochplatte 6 verbunden ist. Der Nordpol N des Permanentmagneten 3 zeigt dabei nach oben in Richtung einer über der Vorrichtung angeordneten Kathode 9, die als Target für das HIPIMS-Verfahren dient. Die Kathode erstreckt sich dabei über die gesamte Vorrichtung gemäß 1 und ist ebenfalls rechteckig ausgestaltet. Die Seitenverhältnisse in den 1 und 2 sind dabei geringfügig unterschiedlich gewählt, um die Übersichtlichkeit der Darstellung zu erhöhen. 2 shows a schematic representation of a section through the device according to 1 along the line AA. The yoke plate 6 is with the two coil cores shown 8th the electromagnets 5 magnetically connected. In the middle between the electromagnets 5 is the permanent magnet 3 arranged over the pole piece 7 magnetic with the yoke plate 6 connected is. The north pole N of the permanent magnet 3 it points upwards in the direction of a cathode arranged above the device 9 which serves as the target for the HIPIMS method. The cathode extends over the entire device according to 1 and is also rectangular in shape. The aspect ratios in the 1 and 2 are chosen slightly different in order to increase the clarity of the presentation.

Die Leiter 10 der Elektromagnete 5 können unterschiedlich mit Strom beaufschlagt werden, so dass sich im oberen Bereich eines oder beider Elektromagnete ein Nord- oder Südpol ausbildet. Alternativ könnte einer oder beide der Elektromagnete nicht mit Strom beaufschlagt werden, so dass sich kein Magnetfeld ausgehend von dem betreffenden Elektromagneten 5 ausbildet.The ladder 10 the electromagnets 5 can be acted upon differently with electricity, so that forms a north or south pole in the upper region of one or both electromagnets. Alternatively, one or both of the electromagnets could not be energized, so that no magnetic field originating from the respective electromagnet 5 formed.

Unter der Annahme, dass der in 2 dargestellte Ausschnitt eines magnetfelderzeugenden Teilsystems einen aktiven Bereich bilden soll, müssen die Elektromagnete 5 derart geschaltet werden, dass sich ein resultierendes Magnetfeld B ergibt, das eine Komponente parallel zur Kathode 9 aufweist. Die Magnetfeldstärke parallel zur Kathode und in dessen Nähe wird dabei zwischen 80 und 1500 Gauss liegen. Dazu müssen die Wicklungen 10 der Elektromagnete 5 derart bestromt werden, dass sich im oberen Bereich der Elektromagnete 5 ein Südpol ausbildet. Gleichzeitig wird zwischen der Kathode 9 und einer nicht eingezeichneten Anode ein elektrisches Feld E aufgebaut. Gemäß dem HIPIMS-Verfahren steigt das elektrische Feld E impulsförmig an und sorgt in Verbindung mit dem Trägergas für das Herauslösen von Atomen oder Atomclustern aus der Kathode 9. Die Leistungsdichte der Impulse liegt im Allgemeinen in einem Bereich zwischen 1000 und 3000 W/cm², die Impulsdauer beträgt zwischen 50 und 200 μs. Dabei sind die einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsysteme derart bemessen, dass sich eine Impulsstromdichte zwischen 0,5 und 2,0 kA/cm² einstellt. Im Kathodenfall der darauf ausbildenden Impulsentladung sollte ein Spannungsabfall zwischen 0,4 und 2,5 kV vorherrschen. Aus kühltechnischen Gründen sollte die der Kathodenanordnung zugeführte Gesamtleistung 15W/cm² nicht übersteigen.Assuming that the in 2 shown section of a magnetic field generating subsystem to form an active area, the electromagnets must 5 be switched so that a resulting magnetic field B results, which is a component parallel to the cathode 9 having. The magnetic field strength parallel to the cathode and in its vicinity will be between 80 and 1500 Gauss. This requires the windings 10 the electromagnets 5 be energized so that in the upper part of the electromagnets 5 forming a south pole. At the same time, between the cathode 9 and an unmarked anode built an electric field E. According to the HIPIMS method, the electric field E increases in a pulse shape and, in conjunction with the carrier gas, causes the dissolution of atoms or atomic clusters from the cathode 9 , The power density of the pulses is generally in a range between 1000 and 3000 W / cm ² , the pulse duration is between 50 and 200 microseconds. The individual magnetic field generating subsystems are dimensioned such that a pulse current density between 0.5 and 2.0 kA / cm ² sets. In the cathode case of the impulse discharge forming thereon, a voltage drop between 0.4 and 2.5 kV should prevail. For cooling reasons, the total power supplied to the cathode assembly should not exceed 15W / cm ² .

Nach dem Beaufschlagen der Kathode mit einem Impuls wird der aktive Bereich auf ein anderes magnetfelderzeugendes Teilsystem bzw. ein anderes Segment der Kathodenanordnung verschoben und das aktuelle magnetfelderzeugende Teilsystem bzw. das aktuelle Segment inaktiv geschaltet. In diesem Fall werden die Wicklungen 10 der Elektromagneten 5 entweder in umgekehrter Richtung bestromt oder durch keinen Strom durchflossen. Dadurch bildet sich im oberen Bereich der Elektromagneten 5 ein Nordpol aus oder die Elektromagneten 5 erzeugen keinen Betrag zum resultierenden Magnetfeld. Als Folge reduziert sich die parallel zu der Kathode 9 orientierte Komponente des Magnetfelds B auf ein Minimum oder verschwindet vollständig. Dadurch kann in diesem Bereich kein HIPIMS-Prozess mehr ausgelöst werden, die Kathode wird nicht mehr belastet.After applying a pulse to the cathode, the active region is shifted to another magnetic field generating subsystem or another segment of the cathode configuration and the current magnetic field generating subsystem or the current segment is switched inactive. In this case, the windings 10 the electromagnet 5 either energized in the opposite direction or flowed through by no current. This forms in the upper area of the electromagnet 5 a north pole or the electromagnets 5 do not generate any amount to the resulting magnetic field. As a result, it reduces parallel to the cathode 9 oriented component of the magnetic field B to a minimum or disappears completely. As a result, no more HIPIMS process can be triggered in this area, the cathode is no longer loaded.

Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung können die Ströme durch die die Längsseite der Kathode flankierenden Elektromagnete mit einem sinusförmigen Strom überlagert werden. Dadurch wird die Entladung aufgeschaukelt und damit die Targetausnutzung erhöht.to Improvement of efficiency the device can the streams through the long side the cathode flanking electromagnets superimposed with a sinusoidal current become. As a result, the discharge is rocked and thus the Target utilization increased.

Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass das zuvor rein willkürlich gewählte Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.In conclusion, be particularly emphasized that the previously purely arbitrarily chosen embodiment for discussion only the teaching of the invention serves, but does not restrict to the embodiment.

Claims

A method for generating a magnetic field system for a cathode arrangement, wherein the cathode arrangement comprises one or more cluster magnetron cathodes each having a plurality of sub-segments and / or a plurality of galvanically coupled single cathodes, characterized in that the magnetic field system is generated by a plurality of permanent magnets and a plurality of electromagnets and that Switched electromagnets are clocked and / or the strength and / or the direction of the magnetic field generated by the electromagnet is changed.

Method according to claim 1, characterized in that that the magnetic fields for the individual segments of the cathode arrangement influenced separately be a segment of the cathode assembly is a sub-segment a cluster magnetron cathode or one of the single cathodes.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the individual electromagnets independently or in groups be powered by electromagnets.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in an active region of the cathode arrangement, the magnetic field by suitable choice of the supplies of electromagnets such is influenced that in the active area substantially a desired one Sets the direction and amplitude of the magnetic field.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized that in a non-active region of the cathode arrangement, the magnetic field suitable choice of the supplies of electromagnets so influenced will be that in the non-active area in directions parallel to the corresponding segment of the cathode assembly and in the Close in Essentially sets an amplitude equal to zero.

Process according to at least claims 4 and 5, characterized in that the electromagnets connected in such a way Be that just near a single segment the cathode assembly forms an active region and / or in the Area of the rest Segments of the cathode assembly form non-active areas.

Method according to Claim 6, characterized that the electromagnets are controlled such that the active area over moves the cathode assembly.

Apparatus for generating a magnetic field system for a cathode arrangement, in particular using a method according to one of claims 1 to 7, wherein the cathode arrangement comprises one or more cluster magnetron cathodes each having a plurality of sub-segments and / or a plurality of galvanically coupled single cathodes, characterized in that the magnetic field system can be generated by a plurality of permanent magnets and a plurality of electromagnets and that the electric Switched clocked and / or the strength and / or the direction of the magnetic field generated by the electromagnet are changeable.

Device according to claim 8, characterized in that that each segment of the cathode assembly is a magnetic field generating Subsystem is assigned, wherein a segment of the cathode assembly a sub-segment of a cluster magnetron cathode or one of the single cathodes.

Apparatus according to claim 8 or 9, characterized that the individual magnetic field generating subsystems in the immediate Close to each other are arranged.

Device according to one of claims 8 to 10, characterized that a magnetic field generating subsystem at least one permanent magnet having.

Device according to claim 11, characterized in that that arranged around a permanent magnet a plurality of electromagnets are, wherein the electromagnets are substantially parallel coil axes and / or arranged substantially in one plane.

Device according to one of claims 8 to 12, characterized that neighboring magnetic field generating subsystems at least one electromagnet share.

Device according to one of claims 8 to 13, characterized that the permanent magnets and the electromagnets of the device or several magnetic field generating subsystems a common magnetic Yoke.

Device according to one of claims 8 to 14, characterized that the electromagnets are separated and / or substantially independent of each other and / or be supplied with energy in groups of electromagnets.

Device according to one of claims 8 to 15, characterized that electromagnets over A DC power can be supplied with energy.

Device according to claim 16, characterized in that that the direct current can be influenced in its strength and / or is modulated.

Device according to claim 16 or 17, characterized that the direct current an alternating current is superimposed.