-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche ein schnelles Detektieren und Löschen von Arcs in Elektronenstrahlerzeugern ermöglicht.
-
Elektronenstrahlerzeuger unterschiedlicher Bauart werden seit vielen Jahrzehnten zum Umsetzen industrieller Hochrate-PVD-Verfahren eingesetzt. Elektronenstrahl-Verdampfer liefern die höchsten großtechnisch etablierten Beschichtungsraten bei gleichzeitig exzellenter Gleichmäßigkeit und Reinheit der abgeschiedenen Schicht, und das sowohl für reaktive und ferromagnetische Schichtmaterialien als auch für Schichtmaterialien mit hoher Schmelztemperatur. Diese Charakteristika resultieren aus der hohen, durch magnetische Fokussierung und Strahlführung trägheitsfrei einstellbaren Leistungsflussdichte sowie der direkten Heizung einer dampfabgebenden Oberfläche, wodurch die zum Aufnehmen des Beschichtungsmaterials benötigten Tiegel gekühlt werden können und somit keine Kontaminationen der Beschichtung hervorrufen.
-
Als Elektronenquellen für industriell angewendete PVD-Prozesse sind gegenwärtig ausschließlich auf hohe Betriebstemperatur geheizte Kathoden etabliert, bei denen das Erzeugen freier Elektronen auf dem glühelektrischen Effekt beruht. Das Funktionsprinzip solcher „thermionischen Kathoden” bedingt, dass die traditionellen Elektronenstrahler konstruktiv kompliziert und ihre Stromversorgungen relativ aufwändig sind und dass bestimmte Ausführungsformen nur einen stark eingeschränkten Bereich technologischer Anwendungen abdecken können.
-
Eine weitverbreitete Dampfquelle für das Verdampfen mittels Elektronenstrahl sind transversale Elektronenstrahlerzeuger, bei denen die Strahlerzeugung, die magnetische 270° Strahlumlenkung und ein Tiegel mit Verdampfungsgut zumeist in einem kompakten Funktionsblock integriert sind. Diese Quellen sind relativ preiswert, jedoch hinsichtlich ihrer maximalen Strahlleistung (etwa 20 kW) sowie Beschleunigungsspannung (etwa 20 kV) und damit auch der erzeugbaren Verdampfungsrate limitiert. Zudem befindet sich die eigentliche Strahlquelle (Kathode und Heizung) auf dem Druckniveau einer jeweiligen Beschichtungskammer und ist den darin befindlichen Dämpfen und Gasen direkt ausgesetzt. Infolgedessen muss der Druck in der Beschichtungskammer durch entsprechend großzügige Dimensionierung der Vakuumpumpen auf niedrigen Werten gehalten werden, um Instabilitäten beim Betrieb der Elektronenquelle zu vermeiden. Bei der Hochrate-Abscheidung dielektrischer Verbindungen, die zum Sicherstellen einer anforderungsgerechten Stöchiometrie eine reaktive Prozessführung, d. h. die Einstellung eines relativ hohen Partialdrucks (0,1...1 Pa) von Reaktivgasen in der Vakuumkammer, bedingt, haben sich transversalte Elektronenstrahlerzeuger trotz zahlreicher konstruktiver oder schaltungsseitiger Verbesserungen nicht durchsetzen können, insbesondere wegen ihrer unter diesen Prozessbedingungen inakzeptabel hohen Neigung zu Hochspannungsüberschlägen.
-
Ein technologisch leistungsfähigeres Strahlwerkzeug für das Verdampfen mittels Elektronenstrahl sind so genannte axiale Elektronenstrahlquellen, die für Verdampfungsverfahren mit Strahlleistungen bis 300 kW und Beschleunigungsspannungen bis 60 kV ausgelegt werden. Die Kathodenkammer derartiger Strahlquellen wird durch Blenden mit kleiner, zumeist kreisförmiger Öffnung für den Durchtritt des Strahls, die vakuumtechnisch als Strömungswiderstände fungieren, von der Prozesskammer getrennt und separat mit zusätzlichen Hochvakuumpumpen, in zeitgemäßen Ausführungsformen mittels Turbomolekularpumpen, evakuiert. Damit kann der Verdampfungsprozess auch noch bei höheren Drücken und insbesondere auch mit einem hohen Anteil von Reaktivgasen in der Beschichtungskammer gefahren werden. Außerdem werden größere Beschichtungsraten ohne Stabilitätseinbußen erreicht. Allerdings sind derartige Systeme hinsichtlich der notwendigen Investitionskosten recht aufwändig und können daher aus ökonomischen Gründen ebenfalls nur in einem engen Anwendungsbereich vorteilhaft eingesetzt werden.
-
Um diese Limitierung zu überwinden, sind verschiedentlich Kaltkathoden-Strahlquellen mit Plasma-Anode, bei der die Elektronenfreisetzung nicht auf dem glühelektrischen Effekt beruht, sondern aus dem Ionenbeschuss einer großflächigen Metall-Elektrode resultiert, entwickelt worden. Eine in der Strahlquelle unterhaltene Hochspannungs-Glimmentladung produziert Ionen und beschleunigt sie zur Kathode. Die dort ballistisch aus dem Festkörper ins Vakuum überführten Elektronen werden im Kathodenfall des Plasmas beschleunigt und durch geeignete Elektrodenkonturen zu einem homozentrischen Strahl formiert, der mit herkömmlichen elektronenoptischen Baugruppen fokussiert und zum Verdampfer gelenkt werden kann.
-
Während glühelektrische Emitter ein Hochvakuum besser als 10–3 Pa in der Kathodenkammer erfordern, liegt der Betriebsdruck der Kaltkathode im Bereich von 2 bis 5 Pa. Auf eine differentielle Evakuierung der Strahlquelle kann daher bis zu einem Druck von etwa 1 Pa in der Beschichtungskammer verzichtet werden. Die Regelung der Strahlleistung erfolgt dabei durch Variation der Plasmadichte in der Kathodenkammer mittels einer schnellen Gasflussregelung. Anstelle der bisher üblichen mehradrigen Hochspannungszuführung genügt ein einpoliges Kabel, und die Hochspannungsversorgung benötigt kein zusätzliches, auf hohem elektrischen Potential floatendes Netzteil. Als wirtschaftlich bedeutsames Ergebnis ist hervorzuheben, dass sich auf der Basis von Kaltkathodenstrahlern realisierte Systeme – bestehend aus der Strahlquelle einschließlich ihrer Versorgungs- und Steuerungskomponenten – gegenüber herkömmlichen Axialstrahler-Systemen zu deutlich niedrigeren Kosten herstellen lassen.
-
Die beschriebenen Kaltkathoden-Axialstrahler besitzen daher gegenüber konventionellen Glühkathoden-Strahlern viele Vorzüge, weisen jedoch in bestimmten technischen Parametern oder für spezielle Anwendungen auch einige Unzulänglichkeiten auf. Die konkurrierenden Forderungen nach Feldstärke-Entlastung für die Kathode (erfordert möglichst große Elektroden-Abstände) und sicherer Dunkelfeld-Schirmung (erfordert möglichst kleine Elektroden-Abstände) machen es bei plasmabasierten Strahlquellen mit wachsendem Arbeitsdruck immer schwieriger, hohe Beschleunigungsspannungen langzeitstabil aufrecht zu erhalten. Bisher im Hochleistungsbereich mit Kaltkathodenstrahlern beherrschte Betriebsspannungen um 30 kV sind für Hochvakuum-Beschichtungsverfahren, wie zum Beispiel das Metallisieren (0,001 bis 0,01 Pa), ausreichend. Für reaktive Hochrate-Beschichtungsprozesse mit typischerweise deutlich höherem Druck in der Prozesskammer (0,1 bis 1 Pa) wären aber, wegen des damit besseren Energietransportvermögens des Strahls, Spannungen im Bereich von 40 bis 60 kV zweckmäßiger.
-
Ein erheblicher Nachteil plasmabasierter Elektronenstrahl-Erzeuger ist das häufige Umschlagen der Glimmentladung in eine Bogenentladung. Dieser Lichtbogen (engl. „Arc”) erlischt in den meisten Fällen nicht selbständig. Durch eine Vielzahl an quellenseitigen und handhabungstechnischen Verbesserungen konnte die Arc-Rate auf ein zumindest für ausgewählte Prozesse verträgliches Maß reduziert werden, wobei einige Verbesserungen einen erheblichen Mehraufwand hinsichtlich der Investitionen bzw. Prozesssteuerung erfordern. Die erreichten Arc-Raten sind aber dennoch für viele Prozesse zu hoch.
-
Um die ökonomischen Vorteile plasmabasierter Strahlerzeuger ohne unerwünschte Einschränkung der möglichen Einsatzbreite nutzen zu können, wird eine Stromversorgung mit schnellem Arc-Handling benötigt.
-
Stromversorgungen mit einem Arc-Handling sind aus verschiedenen technischen Anwendungsgebieten bekannt.
US 2003/0 146 083 A1 offenbart beispielsweise ein Arc-Controllsystem für das DC-Magnetronsputtern und
US 2006/0 087 244 A1 sowie
US 2008/0 067 433 A1 beschreiben Einrichtungen für das Unterdrücken von Arcs bei der Verwendung eines Ionenstrahls.
-
Der Ablauf des Arc-Handlings ist bei den meisten Versorgungen ähnlich und folgt größtenteils folgendem Schema: Ein Arc wird erkannt (Arc detection time) und gegebenenfalls eine kurze Zeit (feed time) absichtlich gespeist, um eventuelle Flitter auf der Kathode wegzubrennen. Danach wird die Energiezufuhr durch Abschalten der Versorgung für eine gewisse Erholzeit unterbrochen. In dieser Zeit erlischt der Arc und die Versorgungspannung kann wieder zugeschaltet werden. Nach dem Zuschalten benötigt die Versorgung ein wenig Zeit, um die Betriebsspannung wieder aufzubauen. Die Summe der einzelnen Zeiten ergibt die gesamte Totzeit für den Prozess, da in diesen Phasen die Strahlerzeugung unterbrochen ist. Manche Stromversorgungen begrenzen den Strom zusätzlich bis zur Abschaltung des Arcs. Strombegrenzung und schnelle Löschung des Arcs dienen dem Schutz der Strahlquelle und sichern deren Langzeitstabilität.
-
DE 692 18 166 T2 beschreibt eine Einrichtung zum Unterdrücken einer Bogenentladung zur Verwendung in einer Elektronenkanone. Hierbei werden die Hochspannungszuleitungen auf Induktionskörpern derart angeordnet, dass diese zum einen jeweils eine Induktivität und zum anderen wenigstens zwei magnetische Flusspfade bilden. Nachteilig wirkt sich bei dieser Lösung aus, dass diese nur für Elektronenkanonen mit mindestens zwei Hochspannungszuleitungen geeignet ist.
-
In
US 3 442 252 A wird vorgeschlagen, einen ersten Gleichrichter mit einem Hochspannungstransformator zur verbinden und einen zweiten Gleichrichter parallel zum ersten Gleichrichter zu schalten und den zweiten Gleichrichter mit einem großen Kondensator zu verbinden, so dass die Energie eines Arcs vom Kondensator aufgenommen und über einen Blindwiderstand entladen wird. Solch eine Einrichtung ist jedoch durch eine relativ große Totzeit charakterisiert.
-
Bei ausgewählten Prozessen – hier ist insbesondere das Gebiet der Hochgeschwindigkeits-Beschichtung, beispielsweise von Verpackungsfolie, anzuführen – ist eine Totzeit im Mikrosekundenbereich erforderlich, um Arc-bedingte Defizite des Produkts, wie zum Beispiel eine zu geringe Schichtdicke, sicher ausschließen zu können. Stromversorgungen mit schnellem Arc-Handling im Millisekundenbereich sind nur für einen begrenzten Leistungsbereich ökonomisch sinnvoll einsetzbar und basieren auf Mittelfrequenztechnik. Somit sind diese Versorgungen bei Leistungen größer als 60 kW zu teuer und werden in der Regel durch gesteuerte Thyristorsteller ersetzt. Diese arbeiten mit der vorhandenen Netzfrequenz von 50 Hz. Die Versorgungsenergie kann bei Thyristorstellern nur durch eine Zündsperre der Thyristoren abgeschaltet werden, da Thyristoren nur eingeschaltet werden aber nicht abgeschaltet werden können. Daher wird die Energiezufuhr erst nach dem natürlichen Nulldurchgang der primärseitigen Wechselspannung unterbrochen. Bei einem 6-Puls-Gleichrichter kann im schlimmsten Fall die Unterbrechung erst nach 3,33 ms erfolgen. Außerdem ist bei einem Thyristorsteller die Ausgangskapazität um ein vielfaches höher im Vergleich zur Mittefrequenztechnik, da die wellige Ausgangspannung stärker geglättet werden muss. Somit würde sich im Arc-Fall die gesamte Energie dieser Kapazität in den Arc entladen, was einen extremen Stromanstieg und eine Schädigung der Strahlquelle zur Folge haben kann.
-
Lösungen für das Betreiben zuvor genannter Elektronstrahlquellen mit Leistungen größer als 60 kW mit einer Totzeit bei der Arc-Unterdrückung im Bereich von etwa 100 μs sind nicht bekannt.
-
Aufgabenstellung
-
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels der die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können. Insbesondere soll es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich sein, die Stromversorgungszufuhr bei einem detektierten Arc auch bei einem Elektronenstrahlerzeuger mit einer Leistung größer 60 kW innerhalb einer Zeit von etwa 100 ns abzuschalten, wobei zur Arc-Unterdrückung eine Totzeit von lediglich 100 μs realisiert wird.
-
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
-
Ausführungsbeispiel
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung wesentliche Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, mittels welcher eine elektrische Spannung zum Speisen eines Elektronenstrahlerzeugers 2 zu- und abgeschaltet werden kann.
-
Die Vorrichtung 1 umfasst vier Baugruppen. Mittels einer ersten, als Netzteil ausgebildeten Baugruppe 3 wird eine DC-Hochspannung als Versorgungsspannung für den Elektronenstrahlerzeuger 2 bereitgestellt. Derartige Netzteile sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine zweite Baugruppe 4 umfasst eine für die Spannung von mindestens 10 kV geeignete elektrische Spule 5 sowie mindestens eine zur Spule 5 parallel geschaltete Freilaufdiode 6. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Spule 5 als Luftspule, also als Spule ohne Kern ausgebildet. Anstatt nur einer Freilaufdiode 6 kann alternativ auch ein Freilaufdiodenmodul parallel zur Spule 5 geschaltet sein.
-
Eine dritte Baugruppe 7 wird zur Arc-Erkennung verwendet. Diese umfasst einen ersten Schaltungsteil 8, mit welchem ein erster Istwert für die elektrische Spannung erfassbar und ein erstes Signal erzeugbar ist, wenn der erste Istwert einen ersten Sollwert unterschreitet. Die Baugruppe 7 umfasst ferner einen zweiten Schaltungsteil, mit welchem ein zweiter Istwert für den elektrischen Strom erfassbar und ein zweites Signal erzeugbar ist, wenn der zweite Istwert einen zweiten Sollwert überschreitet. Das erste und zweite Signal werden einer in 1 nicht dargestellten Steuerlogik zugeführt, mittels welcher das erste und zweite Signal wahlweise miteinander verknüpfbar sind und in Abhängigkeit davon ein Ausgangssignal erzeugbar ist. Das bedeutet, mittels der Steuerlogik wird wahlweise darüber entschieden, ob beim Vorliegen des ersten Signals und/oder beim Vorliegen des zweiten Signals ein Arc detektiert wird.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst die dritte Baugruppe 7 auch noch einen dritten Schaltungsteil 10, mit welchem ein dritter Istwert für die Stromanstiegsgeschwindigkeit erfassbar und ein drittes Signal erzeugbar ist, wenn der dritte Istwert einen dritten Sollwert überschreitet. Bei dieser Ausführungsform werden mittels der Steuerlogik das erste, zweite und dritte Signal wahlweise miteinander verknüpfbar und somit in Abhängigkeit vom ersten, zweiten und/oder dritten Signal ein Ausgangssignal erzeugt.
-
Die Vorrichtung 1 umfasst des Weiteren als vierte Baugruppe 11 einen auf Halbleiter basierenden und für die Hochspannung von mindestens 10 kV geeigneten Schalter 12, der dann geöffnet wird, wenn mittels der Baugruppe 7 ein Ausgangssignal erzeugt und somit ein Arc detektiert wurde. Mit dem Öffnen des Schalters 12 wird die Stromzufuhr zum Elektronenstrahlerzeuger 2 unterbrochen und somit der Arc gelöscht. Nach einer einstellbaren Zeit wird der Schalter 12 wieder geschlossen.
-
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist es möglich, die Totzeit für die Unterdrückung eines Arcs auf 100 μs herabzusetzen. Eine wesentliche Komponente hierfür ist der auf Halbleitern basierende Schalter 12. Auf Halbleitern basierende Schalter zeichnen sich durch eine sehr kurze Schaltzeit aus. Vorzugsweise wird als auf Halbleitern basierender Schalter 12 ein MOSFET-Hochspannungsschalter verwendet. MOSFET-Hochspannungsschalter sind für alle bei einem Elektronenstrahlerzeuger abzudeckenden Spannungen (10 kV bis 90 kV) und Ströme (2 A bis 15 A) kommerziell verfügbar. MOSFET-Schalter zeichnen sich durch eine extrem kurze Schaltzeit im Bereich von 100 ns aus.
-
Die Baugruppe 7 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ermöglicht es, einen Hochspannungsüberschlag innerhalb von 300 ns zu erkennen. Es sind verschiedene Verfahren und Komponenten zum Detektieren von Arcs in Abhängigkeit von der Spannung, vom Strom oder der Stromanstiegsgeschwindigkeit bekannt.
-
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Arc in Abhängigkeit von der elektrischen Spannung, also mittels Schaltungsteil 8, durch einen Spannungszusammenbruch im Hochspannungskreis detektiert. Der Spannungszusammenbruch wird dabei bevorzugt mit Hilfe eines kompensierten Spannungsteilers gemessen und über einen Komparator mit dem ersten Sollwert verglichen.
-
Eine Messung des Stromanstiegs mittels Schaltungsteil 10 kann beispielsweise mit Stromanstiegsmessspulen oder über Hall-Effekt-Sensoren erfolgen. Auch hierbei wird der gemessene Wert mit einem Sollwert, in diesem Fall mit dem dritten Sollwert, verglichen. Die Übertragung der Komparatorsignale kann beispielsweise galvanisch getrennt über Lichtwellenleiter zur Steuerlogik erfolgen.
-
Ein weiteres wichtiges Element der Vorrichtung 1 stellt die Spule 5 dar, welche direkt vor dem Schalter 12 seriell installiert wird. Diese sorgt im Arcfall für einen sanfteren Stromanstieg. Auf diese Weise wird der Arc-Erkennung mittels Baugruppe 7 und dem Schalter 12 mehr Zeit zur Verfügung gestellt, bis eine Abschaltung eines Arcs erfolgt. Bei bekannten Vorrichtungen zur Arc-Unterdrückung wird der Strom durch serielle Widerstände begrenzt. Diese Art der Strombegrenzung gelangt bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht zur Anwendung, da die Nennströme im Vergleich sehr hoch wären. Hierbei würde die Verlustleistung in den Begrenzungswiderständen mehrere Kilowatt betragen. Die Spule 5 hat den Vorteil, dass ihr ohmscher Widerstand sehr gering ist und damit nur geringe Verlustleistungen entstehen. Durch die Begrenzung des Stromanstiegs erreicht der Strom seinen zulässigen Maximalwert erst einige Mikrosekunden später. Durch die schnelle Arc-Erkennung mittels Baugruppe 7 und den schnellen Schalter 12 ist es jedoch möglich, spätestens nach 1 μs den Stromkreis zu unterbrechen. Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte, verlustarme Möglichkeit zur Strombegrenzung im Arcfall mit einer sehr schnell folgenden Trennung des als Last geschalteten Elektronenstrahlerzeugers 2 vom Hochspannungserzeuger 3. Durch den Lastabwurf wird die Energiezufuhr für den Arc schlagartig unterbrochen. Der Arc benötigt ein wenig Zeit, um zu verlöschen. Die vorhandenen freien Ladungsträger im Plasmakanal des Arcs rekombinieren und die Entladungsstrecke verfestigt sich. Nach einer einstellbaren Erholzeit kann die Versorgungsenergie wieder mittels Schalter 12 zugeschaltet werden, eine Glimmentladung zündet wieder und der mittels Elektronenstrahlerzeuger 2 generierte Elektronenstrahl baut sich neu auf.
-
Durch den plötzlichen Lastabwurf durch das Öffnen des Schalters 12 kommt es am Schalter 12 zu Spannungserhöhungen aus folgenden Gründen: Zum einem wird der Stromfluss durch die Spule 5 schlagartig unterbrochen. Diese versucht aber, den Strom weiter zu treiben. Durch Selbstinduktion entsteht eine extreme Überspannung an der Spule 5. Daraus ergibt sich die Forderung für ein weiteres Element der Baugruppe 4. Die Freilaufdiode 6 wird daher parallel zur Spule 5 installiert. Die Freilaufdiode 6 ermöglicht, dass der Strom durch die Spule 5 Weiterfließen kann, auch wenn der Schalter 12 geöffnet ist. Der zweite Grund für eine Spannungserhöhung am Schalter 12 ist die Energie, die weiterhin vom Hochspannungserzeuger 3 zum Schalter 12 transportiert wird. Der Hochspannungserzeuger 3 ist zu träge um den Lastabwurf zu erkennen. Daher fließt der normale Nennstrom weiterhin vom Hochspannungserzeuger 3 zum Schalter 12. Da dieser aber am Schalter 12 nicht weitfließen kann, steigt die Spannung am Schalter 12 an. Daher ist es notwendig, so schnell wie möglich den Schalter 12 wieder zu schließen. Um eine Überspannung am Schalter 12 unter allen Umständen zu vermeiden, können zusätzlich zwei Überspannungsschutzmodule installiert werden. Ein Überspannungsmodul leitet beispielsweise die Überspannung gegen Masse ab, das andere Überspannungsmodul kann parallel zum Schalter 12 geschaltet sein. Als weiterer Schutz des Schalters 12 gegen eine Überspannung kann auch eine Freilaufdiode parallel zum Schalter 12 geschaltet sein.
-
Die Spule 5 bewirkt in vorteilhafter Weise, dass die Baugruppe 4 wie eine Stromquelle funktioniert. Schaltet man nach Verlöschen eines Arc den Schalter 12 wieder ein, bevor die Spule 5 ihre Energie komplett in Wärme umgesetzt hat, kommutiert der Freilaufstrom wieder in den Lastkreis. Somit kann ein schnelles Wiederzünden der Glimmentladung erreicht werden.
