DE112004001728T5

DE112004001728T5 - Rechteckige gefilterte Dampfplasmaquelle und Verfahren zur Steuerung eines Dampfplasmaflusses

Info

Publication number: DE112004001728T5
Application number: DE112004001728T
Authority: DE
Inventors: Vladimir I Gorokhovsky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2007-12-27
Also published as: US6929727B2; US20110100800A1; GB2419897A; US20070029188A1; US20040055538A1; WO2005040451A1; GB0605067D0; GB2419897B; US9257263B2; JP2007505997A

Abstract

Vakuumlichtbogenbeschichtungsvorrichtung, umfassend
wenigstens eine rechteckige Kathodenplatte mit gegenüberliegenden Längsseiten, die an den negativen Pol einer Stromquelle angeschlossen sind, wobei die wenigstens eine Kathodenplatte eine Targetoberfläche mit einer Verdampfungsoberfläche oder einer Sputteroberfläche oder beiden aufweist,
eine Beschichtungskammer, die mit der Targetoberfläche in Verbindung steht,
einen Substrathalter innerhalb der Beschichtungskammer,
wenigstens eine Anode, die von der Targetoberfläche beabstandet und an einen positiven Pol einer Stromversorgung angeschlossen ist, und
eine magnetische Ablenkungseinrichtung, das wenigstens erste und zweite Leiter umfasst, welche an gegenüber liegenden Längsseiten der wenigstens einen Kathodenplatte angeordnet sind, wobei der erste Leiter einen Strom in einer Richtung führt, die der Richtung des Stroms im zweiten Leiter entgegengesetzt ist, wobei sowohl der erste als auch der zweite Leiter jeweils vor und nahe der Targetoberfläche angeordnet sind, so dass ein dadurch erzeugtes Magnetfeld einen Dampfplasmafluss von der Targetoberfläche in Richtung zum Substrathalter fokussiert, wobei der erste Leiter elektrisch...

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Herstellung von Beschichtungen im Vakuum. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Vakuumlichtbogenbeschichtungsvorrichtung mit einer rechteckigen gefilterten Lichtbogenkathoden oder -Magnetronquelle, die ein verbessertes Lichtbogenfleckrastern und ein Plasmafokussier- und Filtersystem aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Viele Arten von Vakuumlichtbogenbeschichtungsvorrichtungen benutzen eine Lichtbogenkathodenquelle, bei der in einer Vakuumkammer zwischen einer Anode und einer Kathodenplatte eine elektrische Bogenentladung erzeugt wird. Der Lichtbogen erzeugt einen Kathodenfleck auf einer Targetfläche, der den Kathodenwerkstoff in die Kammer verdampft. Der Kathodendampf verteilt sich in der Kammer als Plasma und beschichtet, wenn er mit einem oder mehreren Substraten in Berührung gerät, die Substrate mit Kathodenwerkstoff, der metallisch, keramisch, usw. sein kann. Ein Beispiel für eine derartige Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung wird im am 19. Februar 1974 an Sablev erteilten U.S. Patent Nr. 3,793,179 beschrieben, das hiermit durch Zitat aufgenommen wird.
Eine Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung dieser Art ist auf Grund der großen Oberfläche der Kathode, die in eine Beschichtungskammer mit großem Volumen verdampft werden kann, vorteilhaft für das Beschichten großer Substrate und einer Vielzahl von Substraten. Aber in einer Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung dieser Art mit großer Oberfläche bleibt auf Grund des Rastermusters der Lichtbogenflecken, die bestimmten physikalischen Gesetzen gehorchen, ein großer Teil der Targetverdampfungsfläche der Kathodenplatte ungenützt:

1. Die Bogenverdampfung neigt dazu, sich in eine Richtung zu bewegen, die den Spannungsabfall im Lichtbogenkreis reduziert und der Lichtbogenfleck neigt daher dazu, sich in Bereiche der Targetoberfläche zu bewegen, die dem anodischen Stromleiter am Nächsten sind. Wenn mehrfache Stromleiter die Kathode durchsetzen, wird der Lichtbogenfleck zeitweise in die Bereiche zwischen den Stromleitern wandern, wo er dann für einen bedeutenden Zeitraum bleibt, da kein Lenkmechanismus vorhanden ist, um den Lichtbogenfleck in die gewünschte Verdampfungszone zurückzubewegen.
2. Im Falle von metallischen Kathoden führt der Lichtbogenfleck auf Grund des "Anti-Ampère-Kraft"-Prinzips eine Rückwärtsbewegung aus und wird so von den koaxialen magnetischen Kraftlinien, die vom anodischen Stromleiter erzeugt werden, angezogen.
3. Wenn die Kathode aus einem Werkstoff besteht, der keine flüssige Phase aufweist, zum Beispiel aus einem gesinterten Werkstoff oder Graphit bewegt sich der Lichtbogenfleck auf Grund des "Ampèrekraft"-Prinzips und wird von den koaxialen magnetischen Kraftlinien, die vom anodischen Stromleiter erzeugt erden, abgewiesen.
4. Der Lichtbogenfleck wird in den Bereich angezogen, in dem die Tangentialkomponente eines transversalen Magnetfelds am Stärksten ist.
5. Der Lichtbogenfleck neigt dazu, sich vom Scheitel eines scharfen Winkels auf der Schnittlinie zwischen einer magnetischen Feldlinie und der Kathodentargetoberfläche wegzubewegen (die "scharfe Winkel" Regel).

Diese Effekte bewirken einen bezüglich der zur Verfügung stehenden Targetoberfläche der Kathodenplatte beschränkten Erosionsbereich, der die Lebensdauer der Kathode reduziert und weiters, dass Kathodendampf in nichtgleichförmigen Konzentrationen in die Kammer gedampft wird.
In einer Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung mit großflächiger Kathode, in der eine metallische Kathodenplatte verwendet wird, verbinden sich die Anti-Ampère Bewegung des Lichtbogenflecks und die Neigung des Lichtbogens, den niedrigsten Spannungsabfall zu suchen dazu, den Lichtbogenfleck größtenteils auf die Umgebung des anodischen Stromleiters zu beschränken, wodurch die Erosionszone wesentlich auf den Bereich der Targetoberfläche beschränkt wird, die den anodischen Stromleiter umgibt. Dies bewirkt, dass in der Beschichtungskammer nur eine kleine Fläche besteht, in der der Kathodendampf konzentriert genug ist, um eine gleichförmige Beschichtung auf die Substrate aufzubringen. Es ist aber unmöglich eine Kathodenplatte so zu konstruieren, dass der gewünschte Beschichtungswerkstoff nur in der Erosionszone vorhanden ist, weil der Lichtbogenfleck zeitweise aus der Erosionszone herausstreunen wird und wenn dann die Targetoberfläche nicht vollständig aus dem gewählten Beschichtungswerkstoff besteht, wird der Kathodendampf von außerhalb der Erosionszone die Beschichtung auf den Substraten verunreinigen.
Im Falle die Kathodenplatte aus einem Werkstoff gebildet ist, der keine flüssige Phase aufweist, steht die Neigung des Lichtbogenflecks, sich in die Ampèrerichtung, weg vom Bereich des anodischen Stromleiters, zu bewegen der Neigung der Lichtbogenentladung den niedrigsten Spannungsabfall zu erzielen entgegen. In diesen Fällen neigt der Lichtbogenfleck dazu, sich chaotisch über die Targetoberfläche zu bewegen und der Kathodendampf verteilt sich entsprechend in zufälligen Bereichen und ungleichmäßiger Konzentration in der Beschichtungskammer, was eine gleichförmige Beschichtung der Substrate unwahrscheinlich macht. Diese Zufallsbewegung bewirkt auch, dass der Lichtbogenfleck sich von der Targetoberfläche der Kathode wegbewegt und verursacht so unerwünschte Erosion von Nichttargetbereichen der Kathodenplatte, zum Beispiel der Seiteneinfassungen.
U.S. Patent Nr. 4,448,659, das am 15. Mai 1984 an Morrison erteilt wurde und das hiermit als Zitat aufgenommen wird, beschreibt eine Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung, die eine Kathode in Form einer Platte mit einer großen Targetoberfläche zum Erzeugen von Kathodendampf aufweist. Ein Beschränkungsring aus einem weichen ferromagnetischen Werkstoff umgibt die Kathode um den Lichtbogenfleck auf die Targetoberfläche zu beschränken. Derartige Plasmaquellen können für die Beschichtung von großen und langen Bauteilen verwendet werden, aber sie weisen folgende Nachteile auf.

1. Trotz der ursprünglich geringen Wahrscheinlichkeit einer Anwesenheit von Kathodenflecken auf dem Schutzring beschichtet im Verlaufe der Zeit Kathodendampf den Ring und auf dem Ring werden Kathodenflecken mit steigender Häufigkeit erzeugt. Dies bewirkt eine Verunreinigung der Beschichtung mit Ringwerkstoff und letztlich Ringversagen.
2. Bei selbstlenkenden kathodischen Lichtbogenquellen ist es nicht möglich, äußere magnetische Felder in der Nähe der Targetoberfläche zu verwenden. In einer derartigen Vorrichtung ist es deshalb nicht möglich, ein magnetisches Plasmafokussierfeld zu erzeugen, da der Einfluss des magnetischen Fokussierfeldes die Verteilung der Kathodenflecken auf der Arbeitsoberfläche der Kathode unregelmäßig und ungleichförmig macht. Ein äußeres Magnetfeld, zum Beispiel für das Fokussieren und die Ablenkung des Plasmaflusses, stört das magnetische Eigenfeld, das durch die kathodischen und anodischen Stromleiter erzeugt wird und unterbricht den selbstlenkenden Charakter des Kathodenflecks. Aber die Abwesenheit einer magnetischen Fokussierung vermindert die Effizienz des Beschichtungsprozesses und vermindert die Qualität der Substratbeschichtung, weil der Anteil der neutralen Komponente (Makroteilchen, Agglomerate und neutrale Atome) im Bereich der Substrate und somit der Substratbeschichtung zunimmt.
3. In dieser Art von Plasmaquelle wird eine Kathode auf Grund des Dampfabtrags rasch konkav und ihre nützliche Lebensdauer ist relativ kurz. Weiters, da die Verdampfungsfläche der Kathode nach relativ kurzer Zeit konkav wird, ist es praktisch unmöglich, in einer derartigen Konstruktion einen Hochspannungsfunkenzünder zu verwenden, sodass ein mechanischer Zünder verwendet werden muss, der die Betriebssicherheit und Betriebsstabilität vermindert.
4. Obwohl der Beschränkungsring verhindert, dass der Lichtbogenfleck von der Targetoberfläche herunterstreunt, ist er jedoch ohne Einfluss auf die die Neigung des Lichtbogenflecks im Falle von metallischen Kathoden zum anodischen Stromleiter zu wandern oder im Falle von nichtmetallischen Kathoden sich chaotisch über die Targetoberfläche zu bewegen.

Daher neigen selbstlenkende Bogenplasmaquellen dazu, die Targetoberfläche ineffizient zu verwenden. Und die Kathode hat daher nur eine relativ kurze nützliche Lebensdauer.
Die Erosionseffizienz der Targetoberfläche kann durch Verwendung eines Lichtbogenflecklenksystems verbessert werden, das den Lichtbogenfleck entlang vorbestimmter Wege über die Kathodenoberfläche führt. Dies vergrößert den Bereich innerhalb der Beschichtungskammer, in der beschichtet werden kann.
So kann zum Beispiel das Rastermuster des Kathodenflecks durch Hinzufügen einer eine geschlossene Bahn erzeugende Magnetfeldquelle, die unter der Targetoberfläche der Kathode ähnlich der im U.S. Patent Nr. 4,724,058, das am 9. Februar an 1988 an Morrison erteilt wurde und das hiermit als Zitat eingefügt wird, beschriebenen angeordnet sind, kontrolliert werden. Die Magnetfeldquelle erzeugt über der Targetoberfläche ein magnetisches Feld in eine bestimmte Richtung, das die Kathodenflecken in eine im Wesentlichen normal zur Richtung des Magnetfeldes stehende Richtung lenkt und bewirkt so effizientere Verdampfung der Targetoberfläche. Dieses Vorgehen baut auf dem Prinzip der Lichtbogenfleckbewegung, nach dem ein Lichtbogenfleck von dem Bereich angezogen wird, in dem die tangentiale Komponente eines transversalen magnetischen Feldes am Stärksten ist, auf.
Dennoch beschränkt dies noch immer wesentlich die Targetoberfläche der Kathode, die für Erosion zur Verfügung steht, weil diese Art von Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung Stagnationszonen in dem Bereich, wo das tangentiale Magnetfeld am Stärksten ist, erzeugt. Der Lichtbogenfleck bleibt schließlich in der Erosionszone hängen, zieht einen rückwärtsgerichteten Weg über die Erosionszone und erzeugt einen schmalen Graben auf der Targetoberfläche. Dies beschränkt die Gleichförmigkeit der Beschichtung und vermindert die Lebensdauer der Kathode.
U.S. Patent Nr. 5,997,705, das am 7. Dezember 1998 an Welty erteilt wurde, und das hiermit als Zitat eingebracht wird, lehrt eine rechteckige Kathodenplatte, bei der die Verdampfungsoberfläche auf dem umrandenden Rand der Kathodenfläche liegt, und bei der der Lichtbogenfleck durch kathodische Schirme, die an gegenüberliegenden Seitenflächen der Kathodenplatte angebracht sind, auf die Verdampfungsfläche beschränkt wird. Ablenkelektroden, die um die Kathodenplatte angeordnet sind, lenken den Plasmastrom in zwei zu den Seitenflächen der Kathodenplatte parallele Richtungen.
Bei dieser Vorrichtung müssen die Substrate die Kanten der Kathodenplatte umschließen, und die Kathodenplatte besetzt den Grossteil des Platzes in der Vorrichtung. Daher muss die Kathodenplatte und somit die Vorrichtung selbst extrem groß sein, um eine bedeutende Zahl von Substraten beschichten zu können. Auch die Filterung in dieser Vorrichtung ist schlecht, da die Substrate direkt den Tröpfchen und Makroteilchen ausgesetzt sind, die vom Kathodendampf mitgeführt werden.
Eine Umlenkelektrode wird im U.S. Patent Nr. 5,840,163, das am 24. November 1998 an Welty erteilt wurde, und das hiermit als Zitat eingebracht wird, beschrieben. Dieses Patent lehrt eine rechteckige Vakuumlichtbogenplasmaquelle, bei der eine Ablenkelektrode, die entweder elektrisch schwebend oder positiv gegenüber der Anode vorgespannt ist, innerhalb der Plasmaleitung angebracht ist. Aber diese Vorrichtung benötigt einen Sensor, der das Magnetfeld umpolt, wenn der Lichtbogenfleck das Ende der Kathode erreicht hat, um den Lichtbogenfleck auf die andere Kathodenseite zu bewegen. Dies bewirkt einen unerwünschter Zeitraum, in dem das Magnetfeld Null ist. Der Lichtbogen ist daher nicht kontinuierlich und wird während dieses Zeitraums nicht kontrolliert. Folglich kann diese "pseudozufällige" Lenkmethode nicht dauerhaft zuverlässige oder reproduzierbare Beschichtungen erzeugen.
U.S. Patent Nr. 4,673,477 an Ramalingam schlägt vor, dass die Magnetfeldquelle bewegt werden kann, um die magnetischen Feldlinien zu verschieben und so die Ausnützung der Targetoberfläche zu verbessern. Aber die für ein derartiges System benötigten mechanischen Anpassungen machen die Vorrichtung zu kompliziert und teuer um verwendbar zu sein.
Wo eine externes Magnetfeld vorhanden ist, folgt der Lichtbogenfleck der "spitzen Winkel" Regel, gemäss der der Lichtbogenfleck dazu neigt, vom Scheitel eines spitzen Winkels am Schnittpunkt zwischen einer magnetischen Feldlinie und der Kathodentargetoberfläche wegzuwandern. Das Grundprinzip ist, dass ein Lichtbogenfleck, der von einem Vakuumlichtbogen in einem ziemlich starken (Größenordnung 100 Gauß) Magnetfeld, dessen Feldlinien die Oberfläche der Kathode in einem spitzen Winkel durchstoßen, gebildet wird, sich in eine entgegengesetzte (umgekehrte) Richtung normal zur tangentialen Komponente des Feldes bewegen wird und sich folglich vom Scheitelpunkt des Winkels wegbewegen wird (siehe zum Beispiel Cathodic Processes of Electric Arc by Kesaev LG., Nauka, 1968). Dies bewirkt, dass der Lichtbogenfleck unter dem Scheitel des bogenförmigen Magnetfelds, das sich über der Targetoberfläche ausdehnt, hängen bleiben wird.
U.S. Patent Nr. 5,587,207, das am 24. Dezember 1996 an Gorokhovsky erteilt wurde, und das hiermit als Zitat eingebracht wird, lehrt, dass die Kathodenfleckbeschränkung unter einer eine geschlossene Bahn bildenden linearen Anode durch einen Stromleiter, der die Anode umschließt um eine geschlossene magnetische Spule mit Magnetfeldlinien wie sie in den 29 und 30 dort gezeigt werden zu bilden, verstärkt werden kann. Die gleichzeitige Verwendung einer geschlossenen magnetischen Lenkspule hinter der Kathode und einer geschlossenen linearen Anode vor der Targetverdampfungsfläche (mit oder ohne eingeschlossene magnetische Spule) bewirkt eine synergistische Verbesserung der Lichtbogenentladungsstabilität und somit der Kathodenfleckbewegung. Die Anode kann in jeder beliebigen Form konstruiert werden, ihre Auslegung wird nur durch den Rand der Targetoberfläche beschränkt. Der Lichtbogenfleck wird die Targetoberfläche unter dem Einfluss des transversalen Magnetfeldes (im Falle von Kohlenstoffkathoden oder ähnlichen Sinterwerkstoffkathoden in der Ampèrerichtung oder im Falle von Metallkathoden in der Anti-Ampèrerichtung) vom Stromfluss durch den anodischen Stromleiter praktisch unbeeinflusst abrastern.
Ein Nachteil dieses Vorgehens ist, dass der Lichtbogenfleck gelegentlich aus der gewählten Erosionszone zu einem anderen Teil der Kathodentargetoberfläche, in dem die Intensität des transversalen Magnetfeldes klein ist, herauswandern wird und da keine Mittel vorhanden sind, um den Lichtbogenfleck in die gewünschte Erosionszone zurückzuführen, in der Zone mit schwachem Magnetfeld verbleiben wird. Im Falle einer Kathodenplatte auf Kohlenstoffbasis, wo die Lichtbogenfleckbewegung langsam genug ist, kann der Lichtbogenfleck in jeder Stagnationszone, wo das transversale Magnetfeld beinahe Null ist, hängen bleiben und er wird nicht in die Erosionszone zurückkehren.
U.S. Patent Nr. 5,435,900, das am 25. Juli 1995 an Gorokhovsky erteilt wurde, und das hiermit als Zitat eingebracht wird, offenbart ein magnetisches Ablenksystem, das eine rechteckige Plasmaführungskammer umgibt, in dem die ablenkenden Stromleiter das Plasma zum Substrathalter zwingen. Aber dieses Patent löst nicht das Problem des magnetischen Lenkens eines Lichtbogenflecks auf einer rechteckigen Kathodenplatte in Anwesenheit eines umlenkenden Magnetfelds.
Bei herkömmlichen rechteckigen Magnetronsputterquellen wird die Magnetronplasmaentladung mittels eines Magnetronartigen geschlossenen Magnetfeldes auf die Nähe der Targetoberfläche begrenzt. Dies erzeugt eine Entladung in geschlossener Form entlang des Magnetpfades, welcher zwischen dem äußeren und dem mittleren Magnetpol definiert ist, wo das Magnetfeld am stärksten ist. Bei dieser herkömmlichen Gestaltung ist das Magnetfeld zwischen dem äußeren und dem mittleren Magnetpol im Gleichgewicht. Diese Gestaltung hat den Nachteil einer geringen Verwertung des Targets und eines unnötigen Energieverbrauchs (P. Robinson and A. Matthews, Characteristics of a Dual Purpose Cathodic Arc /Magnetron Sputtering System, Surface and Coating Technology, 43/44 (1990) 288-298, dies wird hiermit in den Inhalt der vorliegenden Beschreibung aufgenommen). Es kann auch für eine zweifache Lichtbogen-/Magnetron Dampfplasma-Abscheidungsquelle verwendet werden. Wenn das Kathodentarget mit einer Magnetron-Stromquelle mit hoher Spannung und kleinem Strom und einer separaten Lichtbogen-Stromquelle mit kleiner Spannung und hohem Strom sowie einem Lichtbogenzünder ausgestattet ist, kann das Target wahlweise im Magnetron-Sputtermodus und im Lichtbogenverdampfungsmodus verwendet werden. Dies wurde erfolgreich demonstriert, indem große rechteckige Lichtbogen-/Magnetron-Kathodentargets verwendet wurden (P. Robinson and A. Matthews, Characteristics of a Dual Purpose Cathodic Arc/Magnetron Sputtering System, Surface and Coating Technology, 43/44 (1990) 288-298). Der Nachteil dieser Vorgehensweise ist ein extrem niedriger Verwertungsgrad des Targets bei Verwendung im Lichtbogenmodus, da kathodische Lichtbogenflecke meist zu einer Stelle gehen bzw. dort bleiben, wo die tangentiale Komponente des bogenförmigen, ebenen Magnetron-artigen Magnetfeldes am stärksten ist.
Diese Gestaltungen haben auch den Nachteil einer niedrigen Ionisierungsgeschwindigkeit des Plasmadampf-Flusses aufgrund des hohen Eingrenzungsgrades, der durch das ausgleichende Magnetron-Magnetfeld geschaffen wird. Bei einer unsymmetrischen Gestaltung der Magnetron-Magneteinrichtung kann der Mittelpol abgeschwächt oder entfernt werden, wodurch dann aus dem Bereich nahe der Magnetron-Entladungszone des Targets ein wesentlich höherer Ionenfluss extrahiert werden kann (B. Window and N. Savvides, Journal Vacuum Science and Technology A, 4 (1986) S. 196, dies wird hiermit in den Inhalt der vorliegenden Beschreibung aufgenommen). U.S. Patent Nr. 5,160,595 von Hauzer, erteilt am 3. November 1992, welches hiermit in den Inhalt der vorliegenden Beschreibung aufgenommen wird, beschreibt eine Lichtbogen-/Magnetron-Vorrichtung, bei welcher eine Randmagnetanordnung bezüglich eines vorzugsweise fest montierten Permanentmagneten mit Mittelpol in axialer Richtung verschieblich ist, so dass, abhängig von der relativen Position der Randmagnetanordnung und dem Mittelpolmagneten, ein Kathodensputtern und/oder eine Lichtbogenentladung durchgeführt werden kann. Wenn die Randmagneten entfernt werden, kann der Mittelpolmagnet ein Magnetlenkfeld zum Lenken der Lichtbogenflecke im Lichtbogenverdampfungsmodus erzeugen. Diese Gestaltung ermöglicht eine bessere Verwertung des Kathodentarget-Werkstoffs, hat aber immer noch den Nachteil einer relativ kleinen Lichtbogenlenkfläche. Es begrenzt auch den Großteil des ionisierten Plasmaflusses auf die oder nahe der Targetfläche, wodurch die Ionisierungsgeschwindigkeit des Dampfplasmaflusses erheblich herabgesetzt wird und zu vermindertem Haftvermögen der Beschichtung führt.
Das US-Patent Nr. 6,730,196 von Wang, erteilt am 4. Mai 2004, welches hiermit in den Inhalt der vorliegenden Beschreibung aufgenommen wird, lehrt, dass eine magnetische Fokussierspule, welche in einem Verfahrensbereich zwischen dem Magnetrontarget und zu beschichtenden Substraten angeordnet ist, einen zusätzlichen Plasmafluss aus der Nähe des Targetbereichs extrahieren kann, wodurch sich eine stärkere Ionisierung des Plasmaflusses beim Magnetronsputtern ergibt. Das Magnetfeld diese Fokussierspule überlappt mit dem Magnetron-Magnetfeld, z. B. ist die Richtung der Magnetfeldlinien des Magnetfeldes, welches durch die Fokussierspule erzeugt wird, an der Richtung der Magnetfeldlinien ausgerichtet, welche zwischen Randpolen und Mittelpolen der Magnetronmagnete erzeugt werden. Ein Nachteil dieser Gestaltung ist, dass die Fokussierspule nicht an die Form des Magnetrontargets angepasst ist. Dies führt zu einer hohen Inhomogenität des Magnetronplasmaflusses bei Anwendung auf rechteckige Magnetrontargets.
Keine der oben erwähnten Gestaltungen von Magnetron- und Lichtbogen-/Magnetron-Sputterquellen ermöglicht die Beseitigung von Makropartikeln aus dem Magnetronplasmafluss. Solche Makropartikel werden als Ergebnis eines Mikro-Lichtbogenverfahrens auf der Vorderfläche des Magnetrontargets erzeugt. Dies führt zu einer Zunahme von Beschichtungsmängeln, was besonders ungünstig für Präzisionsanwendungen wie beispielsweise Metall-Kupfer-Verbindungen und die Beschichtung magnetischer Medien sowie anderer Halbleiter und optische Beschichtungen ist. Es beeinträchtigt auch die Gebrauchseigenschaften harter, verschleißfester Beschichtungen für Schneidwerkzeuge, erhöht den Reibungskoeffizienten bei Beschichtungen für reibungsarme Anwendungen und senkt die Korrosionsbeständigkeit von Effektlacken sowie Schutzbeschichtungen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung löst dies Nachteile indem sie eine lenkende Magnetfeldquelle die eine Vielzahl von elektrisch unabhängigen geschlossenen lenkenden Stromleiterschleifen, die in der Nähe der Targetoberfläche angeordnet sind, umfasst, schafft. In der bevorzugten Ausführung kann jeder Lenkstromleiter von den anderen Lenkstromleitern unabhängig gesteuert werden.
Die Lenkstromleiter können vor oder hinter der Targetoberfläche der Kathodenplatte angeordnet werden. Wenn sie vor der Targetoberfläche angeordnet sind, durchstoßen die Lenkmagnetfeldlinien die Targetoberfläche in einem stumpfen Winkel, der den bewegungsbehindernden Effekt des spitzen Winkel-Prinzips umgeht und es dem Lichtbogenfleck erlaubt, sich über größere Bereiche der Targetoberfläche zu bewegen und so die Erosionszone weiter zu vergrößern.
Lenkstromleiter, die vor der Targetoberfläche angeordnet sind, können auch als Fokussierstromleiter verwendet werden, die das Plasma einschließen und zu den Substraten lenken. In diesen Anordnungen erzeugen gegenüberliegende Steuer-/Fokussierstromleiter entlang den Längsseiten der Kathodenplatte magnetische Scheitelpunkte, die innerhalb des Plasmaflusses einen magnetischen Weg zu den Substraten bilden. Zusätzliche Fokussierstromleiter können entlang der Plasmaleitung stromabwärts, bevorzugt mit Magnetfeldern, die sich innerhalb der Plasmaleitung überlappen um eine durchgehende magnetische Wand entlang der Plasmaleitung zu bilden, angeordnet werden.
Ein Erhöhen des Stroms durch einen Lenkleiter erhöht die Stärke des Magnetfelds dieses Lenkleiters in Bezug auf die Stärke des Magnetfelds des Lenkleiters entlang der gegenüberliegenden Seite der Kathodenplatte und querverschiebt das Magnetfeld auf der gegenüberliegenden Seite der Kathodenplatte. Selektives Verungleichgewichten der Lenkleiter kann so den magnetischen Einfluss der Fokussierleiter kompensieren und, wenn gewünscht, die effektive Breite der Erosionszone vergrößern um so gleichförmigeres Abtragen der Targetoberfläche und in der Beschichtungskammer eine größere Fläche, über der der Kathodendampf in Konzentrationen, die für gleichmäßige Beschichten der Substrate ausreichend sind, zu erzeugen.
In einer weiteren Ausführung sind Gruppen von Lenkleitern entlang gegenüberliegenden Seiten der Kathodenplatte angeordnet. Indem man selektiv einen Strom durch einen Stromleiter in jeder Gruppe schickt, verschiebt sich der Weg des Lichtbogenflecks zu dem Erosionsgraben, der dem aktiven Lenkleiter zugeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung schafft weiter Mittel um zu verhindern, dass der Kathodenfleck in bestimmte Bereiche der Targetverdampfungsfläche außerhalb der gewünschten Erosionszone wandert. Die Erfindung erzielt dies, indem sie einen Schirm auf Schwebepotential über einen oder mehrere ausgewählte Bereiche der Targetverdampfungsoberfläche anbringt, der verhindert, dass der Lichtbogenfleck sich in den oder in die abgeschirmten Bereiche bewegt. In einer bevorzugten Ausführung ist der Schirm in einem Abstand von der Targetoberfläche unmittelbar über dem Bereich der Targetoberfläche in der Nähe der Anode angeordnet. Die Erosionszone wird so auf die Fläche der Targetoberfläche, die den Schirm umgibt, beschränkt, der so die Anode vor Beschichtung mit Kathodendampf schützt und eine bessere Verteilung von Kathodendampf über die zu beschichtenden Substrate bewirkt, was wiederum zu gleichmäßigeren Schichten über eine größere Beschichtungszone führt.
Der Schirm kann dazu verwendet werden, Lichtbogenflecken von jedem Bereich fernzuhalten, wo der negative Stromanschluss die Kathode durchdringt, was dem Bereich entspricht, in dem der Spannungsabfall zur Anode am Niedrigsten ist. Wird eine große Anode oder werden Mehrfachanoden verwendet, verhindert der Schirm, dass die Lichtbogenflecken in den Bereich der Kathode, der unter einer Anode liegt, wandern, in dem das meiste verdampfte Material von der Anode aufgefangen werden würde, statt zu den Substraten zu fließen.
Weiters erlaubt die Anwesenheit des Schirms, ein Herstellen der Targetverdampfungsoberfläche der Kathodenfläche aus einer Kombination von Beschichtungswerkstoff und einem anderen Werkstoff, zum Beispiel ein teurer Beschichtungswerkstoff wie Titan oder Platin in der gewünschten Erosionszone und ein billiger Werkstoff wie Stahl außerhalb der Erosionszone. Der Stahlteil der Targetoberfläche kann durch einen erfindungsgemäßen Schirm auf Schwebepotential abgeschirmt werden, um Kathodenfleckbildung und Kathodenfleckbewegung auf ihm und so Beschichtungsverunreinigung zu vermeiden und gleichzeitig die Verwendung von teurem Beschichtungswerkstoff zu optimieren.
In einer Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung, die ein magnetisches Lenksystem verwendet, können Bereiche, in denen das transversale Magnetfeld niedrig ist in der gleichen Art abgeschirmt werden, um eine Bewegung des Lichtbogenflecks in diese Bereiche zu verunmöglichen und die gewünschte Erosionsform zu erzeugen. In dieser Ausführung der Erfindung kann das Target auf die Pole eines magnetronartigen Magnetsystems, wie es in U.S. Patent Nr. 4,724,058, das am 9. Februar 1988 an Morrison erteilt wurde, und das hiermit als Zitat eingebracht wird, gesetzt werden. Der Bereich der Verdampfungsoberfläche, der über dem zentralen Teil der Targetkathode liegt, wo die tangentiale Komponente des Magnetfelds zu schwach ist, um Lichtbogenflecken zu beschränken, kann durch einen Schirm auf Schwebepotential abgeschirmt werden, der verhindert, dass der Lichtbogenfleck in diesen Stagnationsbereich, der zwischen den Magnetfeldern des Magnetrons gebildet wird, wandert.
Die Erfindung schafft weiters ein magnetisches Fokussiersystem, das den Plasmafluss zwischen den Magnetfeldern die an gegenüberliegenden Seiten der Beschichtungskammer erzeugt werden, einschließt. Dies verhindert, dass das Plasma die Wand berührt und somit eine vorzeitige Abscheidung und erhöht so die Konzentration von Plasma in der Umgebung des Substrathalters.
In einer weiteren Ausführung kann das Plasmafokussiersystems dazu verwendet werden, den Plasmafluss von der Arbeitsachse der Kathode abzulenken, um die neutrale Komponente des Plasmas auszublenden die sonst eine Verunreinigung darstellt. In dieser Ausführung sind die Plasmafokussierspulen in einer fortschreitend asymmetrischen Beziehung zur Arbeitsachse der Kathode angeordnet, um den Plasmafluss entlang eines gekrümmten Wegs zu einem Substrathalter zu führen.
Die vorliegende Erfindung schafft so eine Vakuumlichtbogenbeschichtungsvorrichtung, umfassend wenigstens eine rechteckige Kathodenplatte mit gegenüberliegenden Längsseiten, die an den negativen Pol einer Stromquelle angeschlossen sind, wobei die wenigstens eine Kathodenplatte eine Targetoberfläche mit einer Verdampfungsoberfläche oder einer Sputteroberfläche oder beides aufweist, eine Beschichtungskammer, die mit der Targetoberfläche in Verbindung steht, einen Substrathalter innerhalb der Beschichtungskammer, wenigstens eine Anode innerhalb der Beschichtungskammer, die zur Targetoberfläche beabstandet und an einen positiven Pol einer Stromversorgung angeschlossen ist, und ein magnetisches Ablenksystem, das wenigstens erste und zweite Leiter umfasst, welche an gegenüber liegenden Längsseiten der wenigstens einen Kathodenplatte angeordnet sind, wobei der erste Leiter einen Strom in einer Richtung führt, die der Richtung des Stroms im zweiten Leiter entgegengesetzt ist, wobei sowohl der erste als auch der zweite Leiter jeweils vor und nahe der Targetoberfläche angeordnet sind, so dass ein dadurch erzeugtes Magnetfeld einen Dampfplasmafluss von der Targetoberfläche in Richtung zum Substrathalter fokussiert, wobei der erste Leiter elektrisch unabhängig von dem zweiten Lenkleiter ist, wobei durch Variation des Pegels des durch den ersten Leiter angelegten Stroms bezüglich des zweiten Leiters, der Fluss von Dampfplasma in Richtung zur Beschichtungskammer verlagert wird.
Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin eine Vorrichtung zum Beschichten im Vakuum vor, umfassend wenigstens eine Magnetron-Lichtbogenquelle, umfassend wenigstens eine rechteckige Kathodenplatte mit gegenüber liegenden Längsseiten, welche mit dem negativen Pol einer Stromquelle verbunden sind, sowie Magnetgruppen, welche hinter der wenigstens einen Kathodenplatte angeordnet sind, wobei die wenigstens eine Kathodenplatte eine Targetoberfläche mit einer Verdampfungsoberfläche oder einer Sputteroberfläche oder beides aufweist, eine Anode, eine Beschichtungskammer, die mit der Targetoberfläche in Verbindung steht sowie ein Gehäuse, einen Substrathalter innerhalb der Beschichtungskammer, eine Plasmaführung, welche zwischen der wenigstens einen Kathodenplatte und der Beschichtungskammer angeordnet ist, wobei die Kathodenplatte und der Substrathalter optisch nicht fluchtend ausgerichtet sind, sowie eine Gruppe erster Fokussierleiter, welche an der Frontseite und allgemein parallel zu den Längsseiten der wenigstens einen Kathodenplatte angeordnet sind, zur Erzeugung von Fokussier-Magnetfeldlinien bis zum halben Scheitelpunkt, welche an der Frontseite der Targetoberfläche entlang der Längsseiten zusammenlaufen, um von den bogenförmigen Magnetron-Magnetfeldern Plasma zu extrahieren und das Plasma in Richtung zur Beschichtungskammer zu lenken.
Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin eine Vorrichtung zum Beschichten im Vakuum vor, umfassend wenigstens eine Magnetron-Lichtbogenquelle, umfassend wenigstens eine rechteckige Kathodenplatte mit gegenüber liegenden Längsseiten, welche mit dem negativen Pol einer Stromquelle verbunden sind, sowie Magnetgruppen, welche hinter der wenigstens einen Kathodenplatte angeordnet sind, wobei die wenigstens eine Kathodenplatte eine Targetoberfläche mit einer Verdampfungsoberfläche oder Sputteroberfläche oder beidem aufweist, eine Anode, eine Beschichtungskammer, die mit der Targetoberfläche in Verbindung steht, einen Substrathalter innerhalb der Beschichtungskammer, eine Plasmaführung, welche zwischen der wenigstens einen Kathodenplatte und der Beschichtungskammer angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Kathodenplatte in der Plasmaführung angeordnet ist, wobei ein Nordpol des Magnetron-Magnetfeldes am Ausgang der gefilterten Lichtbogenquelle positioniert ist, und ein Südpol des Magnetron-Magnetfeldes bezüglich des Magnetrons generell mittig positioniert ist, oder wobei ein Südpol des Magnetron-Magnetfeldes am Ausgang der gefilterten Lichtbogenquelle positioniert ist und ein Nordpol des Magnetron-Magnetfeldes bezüglich des Magnetrons generell mittig positioniert ist, wobei Magnetfeldlinien, welche von der gefilterten Lichtbogenquelle austreten, auf der Verdampfungsfläche auftreffen, wobei wenigstens eine gefilterte kathodische Lichtbogenquelle und der Substrathalter optisch nicht fluchtend und benachbart zu der wenigstens einen Magnetron-Lichtbogenquelle ausgerichtet sind, sowie eine Gruppe von Leitern, welche an der Frontseite und allgemein parallel zu den Längsseiten der Targetoberfläche angeordnet sind, zur Erzeugung von Fokussier-Magnetfeldlinien, um die Magnetron-Lichtbogenquelle magnetisch mit der gefilterten Lichtbogenquelle zu verbinden und dadurch von der Magnetronquelle und der gefilterten kathodischen Lichtbogenquelle Plasma zu extrahieren und das Plasma in Richtung zur Beschichtungskammer zu lenken.
Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin ein Verfahren zum Steuern eines Plasmaflusses in einer Vorrichtung zum Beschichten im Vakuum vor, umfassend wenigstens eine Magnetron-Lichtbogenquelle, umfassend wenigstens eine rechteckige Kathodenplatte, welche gegenüber liegende Längsseiten aufweist und mit einem negativen Pol einer Stromquelle verbunden ist und mit einer Targetoberfläche umfassend eine Verdampfungsfläche oder eine Sputterfläche oder beides, eine Anode, sowie eine Beschichtungskammer, die mit der Targetoberfläche in Verbindung steht und welche einen Substrathalter enthält und folgende Schritte umfasst: a. Erzeugen wenigstens eines Kathodenflecks auf der Targetoberfläche, um ein Plasma zu erzeugen, und b. Erzeugen eines ablenkenden Magnetfeldes mit ablenkenden Magnetfeldlinien, welche mit Magnetron-Magnetfeldlinien überlappen, welche durch das Magnetron erzeugt werden, wobei die ablenkenden Magnetfeldlinien und die Magnetron-Magnetfeldlinien dieselbe Querrichtung aufweisen, wodurch das ablenkende Magnetfeld von dem Magnetron-Magnetfeld Plasma extrahiert und das Plasma in Richtung zur Beschichtungskammer ablenkt.
Gemäß einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Strom durch die Ablenkleiter auf gegenüber liegenden Seiten der Targetoberfläche separat steuerbar.
Weitere Aspekte und Ausführungen der Erfindung und der Vorrichtung zur Umsetzung der Verfahren der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung, die folgt, kund.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Unter den Zeichnungen, die als Beispiele nur bevorzugte Ausführungen der Erfindung zeigen, ist
Bild 1 ein schematischer Querschnitt einer großflächigen Vakuumlichtbogenplasmaquelle gemäss dem Stand der Technik, die ein magnetisches Lenksystem, das hinter der Kathodenplatte angeordnet ist, aufweist;
Bild 2 ein perspektivischer Ausschnitt, der die Verteilung der Magnetfeldlinien, die durch ein magnetisches Lenksystem gemäss einer erfindungsgemäßen Ausführung erzeugt wird, zeigt;
Bild 2a ein schematischer Aufriss, der gleichgewichtete Magnetfeldlinien, die durch das magnetische Lenksystem des Bildes 2 erzeugt werden, zeigt;
Bild 2b ein schematischer Aufriss, der einen Erosionsgraben zeigt, wie er durch das magnetische Lenksystem von Bild 2 erzeugt wird, das in einer ersten Richtung ungleichgewichtet ist;
Bild 2c ein schematischer Aufriss, der einen Erosionsgraben zeigt, wie er durch das magnetische Lenksystem von Bild 2 erzeugt wird, das in einer zweiten Richtung ungleichgewichtet ist;
Bild 3 ein schematischer Aufriss, der eine Variante der Ausführung von Bild 2 zeigt, bei der mehrfache Lenkleiter entlang den Längsseiten der Kathodenplatte angeordnet sind;
Bild 4 ein Grundriss einer weiteren bevorzugten Ausführung einer erfindungsgemäßen Lichtbogenquelle mit großflächiger Kathode;
Bild 5 ein Querschnitt entlang der Linie 5-5 der Vorrichtung von Bild 4;
Bild 6a ein Querschnitt entlang der Linie 6-6 der Vorrichtung von Bild 4;
6b ein Aufriss im Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 4 mit einer Vielzahl von Lenkleiterpaaren;
7a ein Aufriss einer Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung, die eine erfindungsgemäße Plasmafokussiereinrichtung mit einer Vielzahl linearer Anoden und einem einzigen Kathodentarget verwendet;
Bild 7b ein Seitenaufriss der Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung von Bild 7a;
7c ein Seitenaufriss der Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung gemäß 7a mit einer Vielzahl von Kathodentargets, welche in demselben Gehäuse montiert sind;
7d eine Draufsicht auf die Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung gemäß 7c;
Bild 8 ein Grundriss einer Abwandlung der Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung von Bild 7a, die neutralisierende Stromleiter zur Modulation der lenkenden und fokussierenden Leiter aufweist;
Bild 9 ein Grundriss einer Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung, die ein erfindungsgemäßes elektromagnetisches Ablenksystem zur Führung des Kathodendampfs zum Substrathalter, der von der Arbeitsachse der Kathodenplatte entfernt ist, beinhaltet;
Bild 10a ein Grundriss einer Doppellichtbogenbeschichtungsvorrichtung, die das magnetische Lenksystem, sowie Fokussier und Ablenkungsaspekte der Erfindung aufweist;
10b eine Draufsicht auf eine zweifache Vorrichtung zur Lichtbogen-/Magnetronbeschichtung mit der magnetischen Lenkeinrichtung sowie den Fokussier- und Ablenkungsaspekten der Erfindung;
10c eine Draufsicht auf eine zweifache Vorrichtung zur Magnetronbeschichtung mit der magnetischen Lenkeinrichtung und den Fokussier- und Ablenkungsaspekten sowie den zusätzlichen Lichtbogen-Ionisierungsaspekten der Erfindung;
Bild 11 ein querschnittartiger Seitenaufriss einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung;
Bild 12 ein Frontaufschnitt der Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung von Bild 11; und
Bild 13 ein Rückenaufriss der Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung von Bild 11;
14a eine perspektivische Teilansicht einer Lichtbogen-/Magnetronbeschichtungsvorrichtung mit den erfindungsgemäßen Aspekten der magnetischen Lenkung sowie Fokussierung und Ablenkung;
14b eine weggebrochene Frontansicht der Lichtbogen-Magnetron-Beschichtungsvorrichtung von 14a;
14c eine Seitenansicht im Querschnitt der Lichtbogen-Magnetron-Beschichtungsvorrichtung von 14a entlang der Längsmittellinie des Magnetrontargets;
14d eine Seitenansicht im Querschnitt der Lichtbogen-Magnetron-Beschichtungsvorrichtung von 14a entlang der Quermittellinie des Magnetrontargets;
15 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung mit vier Magnetronen, die in einer doppelten Anordnung von gefilterten Lichtbogenquellen verbunden sind;
16 ist eine schematische Draufsicht im Querschnitt einer Aufbereitungskammer mit einer Vielzahl von gegenüberliegenden Paaren rechteckiger gefilterter Lichtbogen-Magnetron-Beschichtungsstationen, wobei die große Lagerfläche in vertikal rotierender Ausrichtung belastet wird; und
17a bis 17c sind schematische Draufsichten auf ein Magnetron und zeigt den Einfluss magnetischer Feldlinien, welche durch das Magnetron und Ablenkleiter erzeugt werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bild 1 zeigt eine Vakuumlichtbogenbeschichtungsquelle mit einer großflächigen rechteckigen Kathode der Art wie sie im an Morrison erteilten U.S. Patent Nr. 4,724,058, das hiermit durch Zitat eingebracht wird, beschrieben und gezeigt wird. Die Vorrichtung 10 beinhaltet eine Kathodenplatte 12, die eine Targetfläche mit der Verdampfungsfläche 14 aufweist, die von einem Begrenzungsteil 16 umschlossen sein kann, der aus einem weichmagnetischen Werkstoff besteht und eine, wie im am 24. Dezember 1996 an Gorokhovsky erteilten U.S. Patent Nr. 5,587,207, das hiermit durch Zitat eingebracht wird, Anode 15 aufweist, die gegenüber der Targetoberfläche 14 angeordnet ist, und die aus einem metallischen oder einem nichtmetallischem Werkstoff bestehen kann.
Ein zwischen der Kathode 12 und der Anode 15 angewandter Strom erzeugt einen Lichtbogen, der einen Lichtbogenfleck auf der Targetoberfläche 14 erzeugt. In den gezeigten Vorrichtungen des Stands der Technik ist die Rasterbewegung des Kathodenflecks durch eine Magnetfeldquelle 18 mit geschlossener Schleife, die hinter der Kathode 12 angeordnet ist, kontrolliert. Die Magnetfeldquelle 18 erzeugt magnetische Felder 19a, 19b über der Targetoberfläche 14 in entgegengesetzten Richtungen, welche den Lichtbogenfleck in einer Rückwärtsbewegung gemäss der Formel Vcs = –c(Ias(Bt)] bei der V_cs die Geschwindigkeit des Lichtbogenflecks, I_as der Kathodenpunktstrom, Bt die Stärke des transversalen Magnetfelds und c ein Koeffizient, der vom Werkstoff des Targets 14 abhängt, ist, bewegen. Der Lichtbogenfleck beschreibt so einen rückläufigen Weg über die Kathodenplatte, dabei der Länge des Magnetfelds folgend.
Wenn er vom statischen Magnetfeld, das von der Magnetfeldquelle 18 erzeugt wird eingefangen wird, wird der Kathodenfleck zum Scheitel der Magnetfeldlinien 20 gelenkt, den Bereich, wo die tangentiale Komponente des Magnetfelds am Stärksten ist, was die Targetoberfläche 14 entlang eines schmalen Verdampfungsgrabens 14a verdampfen lässt. Außerdem bilden die entgegengerichteten Magnetfeldlinien 19a, 19b eine Stagnationszone 22, in die der Kathodenfleck für einen längeren Zeitraum hängen bleiben kann und so die Targetoberfläche 14 in der Stagnationszone 22 übermäßig abträgt. Beide Effekte bewirken eine schlechte Ausbeute der Targetoberfläche 14. Dementsprechend wird in der im U.S. Patent Nr. 4,724,058 beschriebenen Vorrichtung das Magnetfeld während des Beschichtungsprozesses nur mit Unterbrechungen eingeschaltet, und der Lichtbogenfleck kann während der meisten Zeit zufallsrastern. Da der Kathodenfleck größtenteils selbstlenkend ist, können keine Magnetfelder für die Plasmafokussierung eingesetzt werden.
Bild 2 zeigt eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Kathodenflecklenksystems 60. In der im Bild 2 gezeigten Ausführung ist das Lenksystem 60 hinter der Kathodenplatte 32 (d.h. auf die der Targetverdampfungsoberfläche 34 abgewandten Seite), die Längsseiten 32a, 32b und Querseiten 32c, 32d aufweist, angeordnet. Das Lenksystem 60 umfasst lineare Leiter 62 und 64 die jeweils parallel zu den Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte 32, die einen Strom I_LS in der gezeigten Richtung führen, und lineare Leiter 66 und 68 jeweils parallel zu den Querseiten 32c, 32d der Kathodenplatte 32, die einen Strom I_SS in der gezeigten Richtung führen. Die Leiter 62, 64 sind hinter der Kathodenplatte in der Nähe der Targetoberfläche 34 angeordnet sind, sodass die von ihnen erzeugten Magnetfelder die Targetoberfläche 34 durchdringen und so die Lichtbogenfleckbildung und -bewegung beeinflussen. Die Lenkleiter 62, 64, 66, 68 können alternativ vor der Kathodenplatte angeordnet werden, wie in den Bildern 4 bis 6, die unten beschrieben werden, gezeigt wird. In jedem Fall erzeugt die Lenkmagnetfeldquelle 60 ein Magnetfeld, das eine Erosionszone 70 entlang der Targetoberfläche 34 definiert.
Die Anordnungen und die Polaritäten der Magnetfelder, die von den Lenkleitern 62, 64, 66 und 68 erzeugt werden sind mit den Magnetfeldlinien in Bild 2 beschrieben. Die Magnetfeldlinien erstrecken sich über die Targetoberfläche 34 hinaus und sind bogenförmig und auf gegenüberliegenden Seiten der Kathode 32 einander entgegengerichtet. Lichtbogenflecken, die sich innerhalb der Erosionszone 70 bewegen, werden um Scheitel der bogenförmigen Magnetfeldlinien gezogen, wo die tangentiale Komponente des Magnetfelds, das sich aus der Targetoberfläche 34 hinausstreckt, am Stärksten ist. Wenn der Strom durch gegenüberliegende Leiter, zum Beispiel die Lenkleiter 62 und 64, gleich ist oder gleichgewichtig ist (i.e. I₁ = I₂), läuft der Lichtbogenfleck entlang eines engen Erosionsgrabens, somit die Erosionszone 70 größtenteils unter den Scheitel der Magnetfeldlinien beschränkend, symmetrisch um das longitudinale Zentrum der Kathodenplatte 32, wie im Bild 2a gezeigt.
Gemäss einem Aspekt der Erfindung, wird dadurch, dass man den Strom in einem Lenkleiter relativ zum Strom im Lenkleiter auf der gegenüberliegenden Seite der Kathodenplatte 32 erhöht, das Magnetfeld ungleichgewichtig und die Magnetfeldlinien auf der Seite der Kathodenplatte 32 mit dem schwächeren Magnetfeld verschieben sich zur Seite der Kathode 32 mit den dem stärkeren Magnetfeld. In der bevorzugten Ausführung ist daher jeder lineare Leiter 62, 64, 66, 68 elektrisch unabhängig und kann unabhängig gesteuert werden.
So wurde zum Beispiel in Bild 2b der Strom im Lenkleiter 62 relativ zum Strom im Lenkleiter 64 erhöht, sodass I₁ < I₂. Das daraus resultierende Ungleichgewicht verformt das vom Leiter 64 erzeugte Magnetfeld und verschiebt seine Magnetfeldlinien zum Leiter 62. Der Punkt des Magnetfelds, das vom Leiter 64 erzeugt wird, wo die tangentiale Komponente des transversalen Magnetfelds am stärksten ist, hat sich also somit von der Seite 32a zum Zentrum der Kathode 32 hin verschoben und daher ziehen die Lichtbogenflecke einen Weg, der näher am Zentrum der Kathode 32 liegt. Durch Ungleichgewichten des Stroms in den Leitern 62, 64 sodass der Leiter 64 ein stärkeres Magnetfeld erzeugt und I₁ > I₂ ist, verschiebt sich der Weg des Lichtbogenflecks von der Seite 32b weg zum Zentrum der Kathode, wie dies im Bild 2c gezeigt ist.
Das Ausmaß der Ungleichgewichtung, d. h. der Stromunterschied zwischen den Leitern 62 und 64 bestimmt das Ausmaß der Magnetfeldverschiebung. Durch Ungleichgewichten der Leiter 62, 64 zu gewählten Stromstärken und in geeigneten Zeitintervallen, die mit der Bewegung des Lichtbogenflecks zusammenfallen, kann eine Vielzahl von Lichtbogenfleckwegen erzeugt werden. Dies erhöht die Ausnützung der Targetoberfläche wesentlich.
Ein ähnlicher Effekt wird an den Querseiten 32c, 32d der Kathode 32 durch Ungleichgewichten des Stroms durch die Leiter 66, 68 erreicht. Der Lichtbogenfleckweg wird sich entlang der Seite mit dem schwächeren Magnetfeld zum Zentrum der Kathode 32 verschieben. Aber man erkennt, dass wenn die Kathodenplatte 32 schmal genug ist, die Magnetfelder, die entlang der Längsseiten 32a, 32b von den Leitern 62, 64 erzeugt werden, relativ eng beieinander liegen, und dass dadurch die Leiter 66, 68 entlang der Querseiten 32c, 32d überflüssig werden können, da der Lichtbogenfleck natürlich zwischen den langen Magnetfeldern hin und herwandern wird, oder, sobald der Lichtbogenfleck das Ende seines Wegs entlang einer Längsseite 32a oder 32b erreicht hat, kann das Magnetfeld auf dieser Seite gezielt gesenkt oder vorübergehend ausgeschalten werden und der Lichtbogenfleck wird sich zur anderen Seite 32b oder 32a bewegen, wo das Magnetfeld stärker ist.
Die Abschlussleiter 62a, 64a, 66a, 68a, die zur Targetoberfläche 34 parallel sind und entsprechend den Kreis für jeden Lenkleiter 62, 64, 66, 68, schließen sind weit genug von der Kathodenplatte 32 und dem Gehäuse 38 entfernt. Dies sichert, dass die von den Abschlussleitern 62b, 64b, 66b, 68b oder 72a, 72b erzeugten Magnetfelder die Lichtbogenfleckbildung oder die Plasmafluss nicht beeinflussen.
Beim Betrieb, wenn ein Lichtbogen durch Anwenden eines Stroms zwischen der Anode und der Kathodenplatte erzeugt wird, lässt ein Lichtbogenfleck, der auf der Targetoberfläche 34 erzeugt wird sich in einem Erosionsgraben 70 nieder, der durch die von den Lenkleitern 62, 64, 66, 68 erzeugten Lenkmagnetfelder gebildet wird. Der Lichtbogenfleck folgt einer rückläufigen Bewegung entlang der Erosionszone 70. Das Magnetfeld wird periodisch durch ein (nicht gezeigtes) Steuerrelais ungleichgewichtet, das in Zeitabständen den Strom durch den Leiter 62 erhöht um die Stärke des von ihm erzeugten Magnetfelds zu erhöhen und den Lichtbogenfleck von der Seite 32a wegzubewegen und alternativ den Strom durch den Leiter 64 erhöht um die Stärke des von ihm erzeugten Magnetfelds zu erhöhen und den Lichtbogenfleck von der Seite 34a wegzubewegen. Dies erweitert effektiv die Erosionszone 70 um die Ausnützung der Targetoberfläche zu verbessern, die Qualität der Schicht und die Lebensdauer der Kathode 32 zu verbessern.
In einer Abwandlung dieser Ausführung, die in Bild 3 gezeigt ist, wird eine Vielzahl von Lenkleitern 62b, 62c, 62d und 64b, 64c, 64d entlang der Längsseiten der Kathodenplatte 32 angeordnet. In dieser Abwandlung werden die Lenkleiter 62b, 62c, 62d und 64b, 64c, 64d abwechselnd eingeschaltet oder moduliert, sodass der Erosionsgraben, der im Allgemeinen über dem gerade eingeschalteten Lenkleiter 62b, 62c oder 62d an einer Seite und 64b, 64c oder 64d an der anderen Seite liegt, in der Richtung der Breite über die Kathodenplatte 32 verschoben wird um die Breite der Erosionszone zu erhöhen.
In der Ausführung von Bild 3 werden so viele Lenkleiter vorgesehen, wie es die Größe der Kathodenplatte 32 praktisch erlaubt. Ein Lenkleiter 62b, 62c oder 62d und 64b, 64c oder 64d sollte auf jeder Seite der Kathodenplatte zu einem bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet sein, um die Bildung einer Stagnationszone zu vermeiden, in die der Kathodenfleck hängen bleiben kann. Aber, wenn die Leiter auf jeder Seite der Kathode 32 eng beieinander liegen, erlaubt das gleichzeitige Einschalten von mehr als einem Leiter auf jeder Seite ein feineres Erosionsmuster, das, wenn geeignet gesteuert, die Ausnutzung der Targetoberfläche 34 weiter verbessert.
Beim Betrieb, wenn ein Lichtbogen durch Anwenden eines Stroms zwischen der Anode und der Kathodenplatte erzeugt wird, lässt ein Lichtbogenfleck, der auf der Targetoberfläche 34 erzeugt wird, sich in einem Erosionsgraben 70 nieder, der durch die von eingeschalteten Lenkleitern erzeugten Magnetfelder gebildet wird, zum Beispiel 62b und 64b. Das Magnetfeld wird periodisch durch ein (nicht gezeigtes) Steuerrelais ungleichgewichtet, das in Zeitabständen den Strom zwischen den Leitern 62b, 62c und 62d an der Längsseite 32a und zwischen den Leitern 64b, 64c und 64d an der Längsseite 32b schaltet um so den Lichtbogenfleckweg in die Nachbarschaft des eingeschalteten Lenkleiters zu bewegen. Dies weitet den Erosionsgraben 70 auf, erhöht die Ausnützung der Targetoberfläche verbessert die Qualität der Schicht und die Lebensdauer der Kathode 32.
Man erkennt, dass in jeder dieser Ausführungsformen der eingeschaltete Lenkleiter nicht vollständig ausgeschaltet werden muss, oder voll aufgedreht werden muss, wenn er eingeschaltet ist um das gewünschte Erosionsmuster in der Erosionszone 70 zu erzielen. Der Strom kann stetig moduliert werden so wie zwischen den einzelnen Lenkleitern um das gleiche Resultat zu erzielen.
Bilder 4 bis 6 zeigen eine weitere Ausführung der Erfindung, die einen Lichtbogenfleckschirm vorsieht. Eine Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung 30 ist mit einer rechteckigen Kathodenplatte 32 versehen, die eine Targetverdampfungsoberfläche 34 und eine Stützplatte 36, die auf dem Kathodenhalter 42 montiert ist, in einer Beschichtungskammer, die durch die Targetoberfläche 34 und ein Gehäuse 38 gebildet wird, umfasst. In der bevorzugten Ausführung hat die Targetoberfläche 34, die aus irgendeinem geeigneten metallischem oder nichtmetallischem Beschichtungswerkstoff besteht, Längsseiten 32a, 32b und Querseiten 32c, 32d und ist elektrisch vom Gehäuse 38 durch dielektrische Abstandshalter 39 getrennt, die den Kathodenhalter 42 von der Stützplatte 36 isolieren und die vom Gehäuse 38 durch einen Spalt 40 getrennt sind. Die Targetoberfläche 34 kann aus verschiedenen Werkstoffen gebildet sein, zum Beispiel Titan und Aluminium oder Titan und Chrom, die mosaikartig entlang der Erosionszone 70 zusammengefügt sind um ein zusammengesetztes Metallplasma zur Anwendung von Schichten wie TiAlN, TiCrN und Ähnlichen zu erzeugen.
Die Kathodenplatte 32 weist zum Kathodenhalter 42 einen Abstand auf, um eine Kühlkammer 44 zur Zirkulation von Kühlmittel wie Wasser zu bilden, und ist mit dem negativen Pol einer (nicht gezeigten) Lichtbogenstromversorgung verbunden. Ein üblicher Hochspannungspulszünder ist über einem dialektischen Flansch, der das Gehäuse 38 durchquert, montiert.
Am Gehäuse 38 ist mit einer Haltevorrichtung 51 eine Vielzahl linearer Anoden 50 in einem Abstand von der Kathodenplatte 32 auf entsprechenden Anodenhaltern 52 aufgebaut, der mit einem Kühlkanal 53 für die Zirkulation eines Kühlmittels wie Wasser versehen ist. Die Anoden 50 sind an den positiven Pol der Lichtbogenstromquellen 46 angeschlossen. Bei der bevorzugten Ausführung umfassen die Anoden 50 jeweils eine Reihe von Rippen 50a, die im Allgemeinen orthogonal zu einem Anodenkörper 50b angeordnet sind, um die effektive Anodenoberfläche zu vergrößern. Die Rippen 50a und der Anodenkörper 50b sind beide bevorzugt in eine Richtung parallel zum Plasmafluss ausgerichtet, d. h. parallel zur Richtung jedweder fokussierender Magnetfelder, wie sie weiter unten beschrieben sind, in der Nähe der Anode, um die Möglichkeit von Beschichtung der Anodenoberflächen und so Diffusionsverluste zu reduzieren.
Lichtbogenfleckbildung ist durch lenkende Magnetfelder beschränkt, die durch eine Lenkmagnetfeldquelle 60, die aus linearen Leitern 62 und 64, die jeweils entlang den Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte 32 und den linearen Leitern 66 und 68, die jeweils entlang der Querseiten 32c, 32d der Kathodenplatte angebracht sind, besteht, erzeugt werden. In dieser Ausführung sind die Leiter 66, 68 wie in den vorhergehenden Ausführungen hinter der Kathodenplatte 32 angebracht, aber die Leiter 62, 64 sind vor der Kathodenplatte 32 angebracht. Die Leiter 62, 64 sind noch immer in der Nähe der Targetoberfläche 34 angebracht, sodass die von ihnen erzeugten Magnetfelder die Lichtbogenfleckbewegung beeinflussen, und der Betrieb des Lenksystems 60 in dieser Ausführung ist im wesentlichen der in Zusammenhang mit der Ausführung von Bild 2 beschriebene.
Aber in der Ausführung der Bilder 4 bis 6 beschränken die Lenkmagnetfelder nicht die Lichtbogenflecken, wie in der Ausführung von Bild 2, weil die magnetischen Feldlinien nicht bogenförmig sind und die Targetoberfläche nur an einer Seite, wie man dies anhand der im Bild 5 gezeigten Magnetfeldlinien sehen kann, durchdringen. Daher werden auf Grund des spitzen Winkel Prinzips die Lichtbogenflecken zum zentralen Bereich der Kathodenplatte 32, weg vom spitzen Winkel, der dort gebildet wird, wo die Magnetfeldlinien die Targetoberfläche 34 durchdringen, gelenkt. Den Lichtbogenflecken steht daher in dieser Ausführung ein breiterer Bereich von Bewegungen zur Verfügung. In den Ausführungen, bei denen die Lenkleiter hinter der Kathodenplatte 32 angebracht sind und bei denen ein Teil des aus der Targetoberfläche herausragenden Magnetfelds geschlossen ist (d. h. es durchdringt die Targetoberfläche 34 entlang beider Seiten) beschränken die Magnetfelder nicht nur die Lichtbogenflecken, sondern auch das Plasma, das bei der Verdampfung der Targetoberfläche 34 erzeugt wird. Wie in Bild 5 gezeigt, hat der Kathodendampf dadurch, dass man die Leiter 62, 64 vor der Targetoberfläche 34 anbringt einen offenen Weg zum Substrathalter 6.
Lichtbogenflecken werden so von beiden Längsseiten 32a, 32b zum zentralen Bereich der Kathodenplatte 32 geführt. Um die Bildung einer Stagnationszone im zentralen Bereich zu vermeiden, ist ein elektrisch leitfähiger Schirm auf Schwebepotential auf jedem Anodenhalter 52, von diesem elektrisch isoliert und in einem Abstand von der Targetverdampfungsfläche 34, angebracht, der jede Kathodenflecktätigkeit im zentralen Bereich der Kathodenplatte 12 unterbindet. Der Schirm 54 weist zur Targetoberfläche 34 bevorzugt einen Abstand zwischen 2 mm und 6 mm auf, weniger als 2 mm machen es wahrscheinlich, dass der Lichtbogen sich über den Schirm 54 kurzschließt und mehr als 6 mm erlauben es dem Lichtbogen unter die Kanten des Schirms 54 zu kriechen. Der Schirm 54 verhindert so die Verdampfung der Kathode 32 im Schatten der Anode 50, und beschränkt so die Lichtbogenfleckbildung auf eine Erosionszone 70, die den Schatten der Anode 50 umgibt. Dies schützt die Anode 50 vor der Abscheidung von Kathodendampf und bewirkt eine bessere Verteilung von Beschichtungswerkstoff über die (nicht gezeigten) auf dem Substrathalter 6 befestigten Substrate.
Eine oder mehrere Schwebepotentialschirme 54 können über ausgewählte Bereiche der Targetverdampfungsoberfläche 34 Angebacht werden, um die Bewegung von Lichtbogenflecken in den abgeschirmten Bereichen zu verhindern. In der gezeigten Ausführung ist der Schirm 54 unmittelbar über der Targetoberfläche 34 in der Nähe der Anode 50 angebracht, und verhindert so die Bildung von Lichtbogenflecken auf der Fläche oder die Bewegung von Lichtbogenflecken in die Fläche der Targetoberfläche 34, die den Schirm 54 umgibt. Dies ist in Ausführungen vorteilhaft, bei denen die Lenkleiter vor der Kathodenplatte 32 angebracht sind. Aber ein Schwebepotentialschirm kann auch dazu verwendet werden, Lichtbogenflecken von einem gewünschten Bereich der Kathodenplatte 32 fernzuhalten. So erlaubt zum Beispiel der Schwebepotentialschirm 54 eine Konstruktion der Targetverdampfungsfläche aus mehr als einem Werkstoff, in diesem Falle kann ein teurer Verdampfungswerkstoff wie Wolfram oder Platin aus dem Bereich unter dem Schirm 54 weggelassen werden, und da die Lichtbogenflecken in diesem Bereich sich weder bilden noch sich in ihn hineinbewegen besteht keine Möglichkeit, dass die Schicht verunreinigt wird.
Im Betrieb wird ein Strom zwischen der Anode 50 und der Kathodenplatte 32 angelegt und ein Hochspannungspuls auf den Zünder 48 startet einen Vakuumlichtbogen auf der Verdampferoberfläche 34 der Kathodenplatte 32. Der Lichtbogenfleck lässt sich in einem Erosionsgraben 70, der zwischen den von den Leitern 62, 64 erzeugten Lenkmagnetfeldern und dem hinter den leitfähigen Schirmen 54 abgeschirmten Bereich der Targetoberfläche 34 nieder. Der Lichtbogenfleck folgt einer rückläufigen Bewegung entlang der Längsseite 32a oder 32b der Targetoberfläche 34 und bewegt sich, immer unter dem Scheitel des Magnetfelds, das von den Lenkleitern 66 oder 68, die hinter der Kathodenplatte 32 angebracht sind, erzeugt wird, wandernd zu den Längsseiten 32b oder 32a. Während des Verdampfens der Targetoberfläche 34 wird das Plasma wie durch die Pfeile in Bild 5 angedeutet zwischen den von den Leitern 62, 64 erzeugten Magnetfeldern zum Substrathalter 6 geführt.
Weil die bevorzugten Ausführungen der Erfindung ein magnetisches Lenksystem verwenden, ist es möglich, ein Plasmafokussierungssystem zu verwenden, um den Kathodendampf zum Substarthalter 6 zu führen. Es bildet sich ein Magnetfeld, das für das Plasma im wesentlichen undurchsichtig ist. So können fokussierende Magnetfelder um das Gehäuse 38 erzeugt werden, um das Plasma auf einen Plasmaflussbereich zwischen den Magnetfeldern zu beschränken und den Substrathalter 6 im Plasmaflussbereich anzubringen, um so die Plasmakonzentration um die Substrate zu erhöhen und die Qualität der Schicht zu verbessern.
In der in den Bildern 4 bis 6 gezeigten Ausführung können die vor der Targetoberfläche 32 angeordneten Leiter 62, 64 auch als Fokussierleiter in einem Plasmafokussiersystem 80 dienen. Ein Plasmaflussweg wird von den von den Leitern 62, 64 erzeugten magnetischen Feldern festgelegt, wie dies von den Magnetfeldlinien des Bildes 5 gezeigt wird, sodass das Plasma entlang eines zentralen Bereichs des Gehäuses zum Substrathalter 6 geführt wird. In dieser Ausführung ist es vorteilhaft, die Querseitenlenkleiter 66, 68 mit getrennten Leistungsversorgungen zu versehen, die es erlauben, die Stärke ihrer jeweiligen Magnetfelder unabhängig zu verändern, um etwaige Verwerfungen in den Lenkmagnetfeldern, die von den Längsseitenlenkleitern 62, 64 verursacht werden, zu kompensieren und so den Lichtbogenfleck im Erosionsgraben sauber zu positionieren.
Bei der in 6b dargestellten Ausführungsform ist eine Vielzahl von Lenkleiterpaaren 66, 68 hinter einer einzelnen Kathodenplatte 32 vorgesehen, welche der Vielzahl von Anoden 50 entsprechen. Bei dieser Ausführungsform kann für jede Anode 50 ein separater Erosionsgraben vorgesehen bzw. mit jedem Lenkleiterpaar 66, 68 parallel zu den Querseiten der Kathodenplatte 32 verbunden sein, weil die beiden Zwischen-Lenkleiter 66, 68 verhindern, dass Lichtbogenflecke über die Mitte der Kathodenplatte 32 hinaus weiter wandern.
Um den Plasmafluss zu fokussieren, können zusätzliche Plasmafokussierleiter in Reihe angebracht werden, um den Plasmaflussweg zu verlängern. So zeigen zum Beispiel die 7a bis 7d Ausführungsformen der Erfindung mit einer Vielzahl linearer Anoden 50, wobei Gruppen von Plasmafokussierleitern 82, 84 und 92, 94 an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 38 und innerhalb jeder Gruppe immer weiter von der Kathode 32 entfernt angeordnet sind. Dies erzeugt eine Plasmaeinschlusszone zwischen den an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses erzeugten Magnetfeldern und legt so einen Plasmaflussweg zwischen der Targetoberfläche 34 und dem Substrathalter 6 fest.
Die Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 sind bevorzugt zu weit von der Kathodenplatte 32 entfernt angebracht um die Lichtbogenfleckbildung und -bewegung zu beeinflussen. Die Fokussierleiter in jeder Gruppe 82, 84 oder 92, 94 sind weiter so eng zueinander angeordnet, dass ihre jeweiligen Magnetfelder sich überlappen um einen stetigen magnetischen Weg zu erzeugen, der den Plasmafluss einschließt und das Gehäuse 38 vom Plasmafluss magnetisch isoliert, da sonst Plasma an den Wänden des Gehäuses 38 eingefangen werden kann. Wie im Fall der Lenkleiter sind die Abschlussleiter 82a, 84a der Fokussierleiter 82, 84 und die Abschlussleiter 92a, 94a der Fokussierleiter 92, 94 genügend vom Gehäuse 38 und der Kathodenplatte 32 entfernt, um jedweden Interferenzeffekt der von ihnen erzeugten Magnetfelder im Bereich des Gehäuses (Plasmaleitung) auszuschalten. In dieser Ausführung kann es vorteilhaft sein, die Querseitenlenkleiter 66, 68 mit getrennten Leistungsversorgungen zu versehen, um jedwede Verwerfung der von den Fokussierleitern 92, 94 erzeugten Magnetfelder zu kompensieren.
Beim Betrieb dieser Ausführung wird das Plasma, sowie die Targetoberfläche 34 verdampft, zwischen den von den Fokussierleitern 82, 84, und 92, 94 erzeugten Fokussiermagnetfeldern konzentriert. Das Plasma fließt daher zum Substrathalter 6, ohne das Gehäuse 38 zu berühren.
Die Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 sind bevorzugt unabhängig leistungsversorgt, so dass die Stärke der von jedem Leiter 82, 84, 92, 94 erzeugten Magnetfelder unabhängig von den anderen verändert werden kann. Fokussierleiter mit geschlossener Schleife können um das Gehäuse 38 gelegt werden, aber in den in den 7a, 7b gezeigten bevorzugten Ausführungsformen sind Paare von unabhängigen Fokussierleitern 82 und 92 bzw. 84 und 94, auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 38 parallel zu den Längsseiten 32a, 32b der Kathode 32 angeordnet. Die Abschlussleiter 82a, 84a, 92a und 94a sind vom Gehäuse 38 und von der Kathodenplatte 32 gut ferngehalten.
In einer weiteren im Bild 8 gezeigten Ausführung sind die gegenüberliegenden Fokussierleiter 82, 92 und 84, 94 aus einer gleichen geschlossenen Leiterschleife gebildet, wobei die Fokussierleiter 82, 92, 84 und 94 parallel zu den Längsseiten 32a, 32b der Kathode 32 und die Abschlussleiter 82a, 92a, 84a und 94a parallel zu den Querseiten 32c, 32d der Kathode 32 angeordnet sind.
Indem man die Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 unabhängig an die Stromversorgung anschließt ist es möglich, den Plasmafluss durch Verändern des Stroms durch gegenüberliegende Fokussierleiter 82, 92 und/oder 84, 94 zu rastern. Dies hilft, das Plasma gleichförmiger über die Plasmaleitung zu verteilen und eine homogenere Plasmamischung zu erzeugen. Innerhalb der Beschichtungskammer können die Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 unabhängig eingeschaltet werden, um Plasma zum Substatthalter 6 abzulenken.
Bild 8 zeigt ein Vorgehen um den magnetischen Einfluss der Abschlussleiter 82a, 92a zu vermindern, indem man neutralisierende Leiter 140 verwendet, die Spulen mit geschlossener Schleife entlang der Abschlussleiter 82a, 92a, aber mit entgegengesetzter Orientierung beinhaltet. Wenn eingeschaltet eliminieren die Neutralisierungsleiter 140 den Einfluss der Abschlussleiter 82a, 92a auf den Plasmafluss. Die Neutralisierungsleiter 140 können auch den Plasmafluss in der Umgebung der Gehäuse (38) wand leicht parallel zu den Querseiten 32c, 32d des Targets 32 rastern.
In allen Ausführungen sind die Abschlussleiter 82a, 84a, 92a und 94a weit genug vom Gehäuse 38 und der Kathodenplatte 32 entfernt, um jeden Aufhebungseffekt der im Bereich des Gehäuses (insbesondere im Plasmaleitungsbereich des Gehäuses 38) erzeugten magnetischen Felder zu vermeiden.
Die erfindungsgemäße Plasmafokussiereinrichtung kann auch zur Steuerung eines Dampfplasmaflusses verwendet werden, welcher mittels der rechteckigen Magnetronsputterquelle erzeugt wird, wie in 14a bis 14d gezeigt, wobei die Targetoberfläche eine Sputterfläche 34 ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Fokussierleiter 62, 64, welche parallel zu den Längsseiten der Targetplatte 32 sind, vor der Targetplatte 32 angeordnet, während die Abschlussleiter 62a, 64a neben der Targetplatte 32 angeordnet sind, wie in 14a gezeigt. Damit werden bis zum halben Scheitelpunkt die Fokussier-Magnetfeldlinien erzeugt, welche an der Frontseite der Targetplatte 32 zusammenlaufen. Die geschlossene Magnetronentladung wird benachbart zur Arbeitsoberfläche der Targetplatte 32 erzeugt, wenn die Stromversorgung 430 mittels des Schalters 440 angeschaltet wird. Der Entladungsstrom wird zwischen der Targetplatte 32, welche als Kathode dient, und der umgebenden Anode 150 geleitet, wie schematisch in den 14c und 14d gezeigt. Die Vakuumkammer selbst kann wahlweise als Anode dienen. Das Magnetron-Magnetfeld wird benachbart zur Targetoberfläche 34 der Targetplatte 32 durch Gruppen von Randmagneten 403, Mittelmagneten 402 und Endmagneten 407 erzeugt. Alle Magnete sind vorzugsweise auf einer beweglichen Magnethalteplatte 401 montiert.
Beim Betrieb der Ausführungsform gemäß 14a bis 14d wird Argon als Sputtergas durch die Gaszuleitungen (nicht gezeigt) in die Vakuumkammer eingepresst, vorzugsweise benachbart zum Magnetrontarget 32. Die Stromversorgung 430 bei hoher Spannung und kleinem Strom wird aktiviert, um eine hohe Negativspannung an das Magnetrontarget 32 zu liefern. Die Magnetronplasmaentladung wird bei einem Druck im Bereich von 0.5 mTorr bis 0.5 Torr gezündet. Die Magnetronplasmaentladung wird größtenteils durch das zur Magnetrontarget-Kathodenplatte 32 benachbarte bogenförmige Magnetron- Magnetfeld begrenzt, welches einen nahezu rechteckigen Plasmaring ausbildet, und zwar entlang des Zwischenraums, welcher zwischen der Randmagnetgruppe 403, der Mittelmagnetgruppe 402 und den Endmagneten 407 gebildet wird, wie in 14b gut zu erkennen ist. Die Erosionszone wird durch Plasmasputtern auf die Oberfläche des Magnetrontargets 32 auf dem Pfad der geschlossenen Magnetronentladung gebildet, wo die Plasmadichte am höchsten ist. Das Fokussiermagnetfeld, welches mittels der Fokussierleiter 62 und 64 erzeugt wird, erzeugt vor dem Magnetrontarget 32 zusammenlaufende Magnetfeldlinien zum halben Scheitelpunkt, welche aus der Magnetronentladung Dampfplasma extrahieren und es in Richtung auf die zu beschichtenden Substrate auf dem Substrathalter 6 fokussieren.
Die Magnetronsputterquelle kann wahlweise mit einer Lichtbogen-Stromversorgung 435 mit großem Strom und kleiner Spannung sowie einem Lichtbogenzünder 48 versehen werden, welche die Verwendung der Quelle in kathodischem Lichtbogen-Verdampfungsmodus ermöglichen. Um den Targetverwertungsgrad zu erhöhen, kann die Magnetronmagnetplatte 401 an einer beweglichen Welle 410 befestigt werden, wodurch die Magnete von dem Kathodentarget 32 weg verschoben werden können. In diesem Fall werden die entlang der Längsseiten des Targets 32 angeordneten Stromleiter 64, 62 und unabhängig davon die entlang der Querseiten des Targets 32 angeordneten Stromleiter 66, 68 zum Lenken der Lichtbogenflecke entlang eines Erosionsgrabens auf der Verdampfungsfläche des Kathodentargets 32 verwendet.
Das erfindungsgemäße Plasmafokussiersystem kann auch als Plasmaablenksystem 100 verwendet werden, das es erlaubt den Substrathalter 6 von der Arbeitsachse der Kathodenplatte 32, die in Bild 9 mit 33 bezeichnet ist, entfernt anzuordnen, um aus dem Plasma die neutrale Komponente (Makroteilchen, Haufen und neutrale Atome), die von den fokussierenden Magnetfeldern nicht beeinflusst werden, zu entfernen und so die Qualität der Schicht zu verbessern. Wie in Bild 9 gezeigt, wird das Plasma, wenn man die Ablenkleiter 86, 87, 88 und 96, 97, 98 entlang eines gekrümmten Gehäuses 38 in einem fortschreitend asymmetrischen Muster in bezug auf die Arbeitsachse 33 der Kathodenplatte 32 anordnet zum Substrathalter 6 abgelenkt, während im Ablenkbereich ihre Trägheit die neutrale Komponente vom Plasma trennt.
In 9 kann die primäre Dampfplasmaquelle eine kathodische Lichtbogenquelle (wie in 9 gezeigt) oder eine Magnetronquelle sein. Somit ist in 9 gezeigt, wie die Ablenkleiter 86, 96, 87, 97, und 88, 98 den Dampfplasmafluss ablenken können.
Die Leiter 86, 87, 88 und 96, 97, 98 bilden so eine Kette von Ablenkleitern, um ein elektromagnetisches Ablenksystem zu bilden. Wie in der vorhergehenden Ausführung sind Abschlussleiter 86a, 87a, 88a und 96a, 97a, 98a weit genug vom Gehäuse 38 (insbesondere vom Plasmaleitungsbereich) und der Kathodenplatte 32 entfernt. Die Abschlussleiter 86a, 87a, 88a und 96a, 97a, 98a können auf der gleichen Seite des Gehäuses 38 wie die Ablenkleiter 86, 87, 88 und 96, 97, 98 des Ablenksystems angeordnet sein, zum Beispiel indem man die Abschlussleiter 86a, 87a, 88a und 96a, 97a, 98a weit über oder unter dem Grund des Gehäuses 38 anbringt. Alternativ können die Abschlussleiter 86a, 87a, 88a und 96a, 97a, 98a auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 38 aber von ihm entfernt angebracht werden, wobei es dann wichtig ist, dass der Abstand S zwischen den Abschlussleitern und den Fokussierleitern, die auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses (zum Beispiel die Fokussierleiter 86, 87, 88 und die Abschlussleiter 96a, 97a, 98a) angebracht sind, im Bereich von 1.5H bis 3H liegt, wobei H die (Quere) des Gehäuses 38 ist.
Beim Betrieb dieser Ausführung wird das Plasma, sowie die Targetoberfläche 34 verdampft, zwischen den von den Leitern 62, 64 erzeugten Magnetfeldern konzentriert und fließt daher in den Ablenkbereich, der von den von den Leitern 86, 87,88 und 96, 97, 98 erzeugten Magnetfeldern gebildet wird. Das Plasma wird so entlang eines Pfads, der mit dem asymmetrischen Muster der Ablenkleiter 86, 87, 88 und 96, 97, 98 zusammenfällt, geführt und fließt zum Substrathalter 6 ohne das Gehäuse 38 zu berühren. Das Plasma bleibt zwischen den Magnetfeldern eingeschlossen und wird so von der Arbeitsachse 33 der Kathodenplatte 32 weggelenkt. Die neutrale Komponente fliegt in einer im Allgemeinen geraden Richtung weiter und setzt sich auf den Innenwänden des Gehäuses 38 in der Nähe der Arbeitsachse 33 der Kathodenplatte 32 ab, während das Plasma sich entlang der Plasmaleitung in die Beschichtungskammer zum Substrathalter 6 fortbewegt.
Bild 10a zeigt eine bevorzugte Ausführung einer erfindungsgemäßen Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung, die ein Paar von Kathodenplatten 32, die in einer Kathodenkammer an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 38, das mit dem Substarthalter 6 durch eine rechteckige Plasmaleitung 31 verbunden ist, umfasst. Interne lineare wie oben beschrieben ausgeführte Anoden 50 sind über jeder Targetoberfläche durch einen Schirm 54 getrennt aufgehängt. Die Anoden 50 werden hier als "intern" bezeichnet, weil sie innerhalb der Plasmaleitung, die durch die Kathodenplatte 32 und den Substrathalter 6 bestimmt ist, angeordnet sind.
Eine weitere interne Anode, eine Ablenkelektrode 120, die eine lineare Platte 122 mit Blenden 124 enthält, ist entlang der Plasmaleitung 31 im ungefähren Zentrum zwischen den zwei Kathodenplatten 32 angeordnet. Die Blenden erhöhen die Anodenoberfläche und wirken tatsächlich als eine Kette von internen Anoden, die eine verbesserte Stabilisierung und Lenkung der Lichtbogenflecken bewirkt. Sie dienen auch dazu Makroteilchen, die von der Verdampfungsoberfläche 34 ausgesandt werden, einzufangen. Wie in der vorhergehenden Ausführung sind die Blenden 124 so parallel wie möglich zur Richtung des Magnetfeldes ausgerichtet um Diffusionsverluste zu reduzieren. Diese "Trennanode" 120 dient auch dazu Ionen abzuweisen und so den Plasmastrom zum Substrathalter 6 abzulenken.
In dieser Ausführung sind Fokussierleiter 82, 84, 92 und 94 parallel zu den Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte sowohl im Bereich vor den Kathodenplatten 32 und am Ausgang der Plasmaleitung 31 in die Beschichtungskammer angeordnet. Zwischen den Sätzen von Fokussierleitern 82, 92 und 84, 94, sind Ablenkleiter 86, 96 um den Teil des Gehäuses 38 angeordnet, wo die Plasmaleitung 31 sich zur Achse des Substrathalters 6, d. h. anschließend an den Teil des Gehäuses 38, das die Kathodenplatten 12 enthält, wendet und bildet so gegenüberliegende entgegengesetzte zur Beschichtungskammer rechtwinklig stehende magnetische Scheitelpunkte, um so das Plasma zum Substrathalter 6 abzulenken. In der gezeigten Ausführung müssen die Abschlussleiter 82a, 84a, 86a, 92a, 94a und 96a entfernt von der Plasmaleitung 31 angebracht werden, um zu sichern, dass die Kathodenplatten 32 nur innerhalb der von den fokussierenden und ablenkenden Leitern 82, 84, 92, 94 und 86, 96 erzeugten magnetischen Scheitelpunkte liegen, sodass der Kathodendampf in die Plasmaleitung 31 gezogen wird und nicht zur Rückseite des Gehäuses. Alternativ können wie in Bild 9 die Abschlussleiter 82a, 84a, 86a und 92a, 94a, 96a an gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 38, aber von ihm entfernt, liegen.
Die Ausführung von Bild 10a enthält ebenfalls eine oder mehrere Anoden 130, die den Substrathalter 6 umgeben. Die Anoden 130 werden hier als "extern" definiert, weil sie außerhalb des Plasmaleiters 31 angeordnet sind. Die externen Anoden 130 lenken kein Plasma um, aber statt dessen weisen sie Ionen ab um Diffusionsverluste an den Wänden des Gehäuses 38 zu vermeiden und die Ionisierung des Beschichtungswerkstoffs zu verlängern, um die Beschichtungseffizienz zu erhöhen. Solche externen Anoden 130 können auch an jeder gewünschten Stelle des Gehäuses 38 angebracht werden; zusätzlich kann die Beschichtungskammer selbst bzw. ein Bereich darin geerdet sein und somit als Anode dienen.
Des weiteren, da das Gehäuse 38 von der Kathodenplatte 32 durch dielektrische Abstandshalter 39 isoliert ist, kann das Gehäuse auf Schwebepotential belassen werden, wie dies in den Bildern gezeigt ist. Alternativ verwandelt ein Schwebepotentialschirm oder -abschirmung (nicht gezeigt) zwischen der Kathode 32 und dem Gehäuse 38 angebracht, um den Lichtbogen davon abzuhalten, sich in den Spalt zwischen der Kathode 32 und dem Gehäuse zu bewegen, dieses Gehäuse effektiv in eine äußere oder umschließende Anode.
Die internen Anoden 32, 120 und die externe Anode 130 sind bevorzugt elektrisch isoliert und daher ist jeder mit einer unabhängigen Leistungsversorgung versehen, die eine bessere Kontrolle über die unabhängigen Funktionen erlaubt.
Es ist auch möglich die Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 teilweise einzuschalten um so die Metalldampfkomponente des Plasmas innerhalb der Plasmaleitung einzufangen, aber den Elektronenstrom frei durch die Beschichtungskammer zu den Hilfsanoden 130, die den Substrathalter 6 umgeben, fließen zu lassen. Diese Betriebsart ist ein "Plasmabad" Betrieb, der einen hohen Ionisierungs- und Aktivierungsgrad der Gasphasenumgebung in der Beschichtungskammer erzeugt, ohne Abscheidung von metallischen Lichtbogenplasmaschichten. Der Plasmabadbetrieb erlaubt mehrere Arten von Plasmaprozessen wie Ionenreinigung, Plasmanitrieren, Ioneneinpflanzung und Lichtbogenplasma unterstützte CVD Beschichtungsprozesse. So mag der erste Schritt eines bestimmten Beschichtungsprozesses Ionenreinigung erfordern. Die kathodischen Lichtbogenquellen 34 können als leistungsfähige Elektronenemitter verwendet werden, um Elektronenstrom von den Kathoden zu den externen Anoden 130, die den Substrathalter 6 umgeben, zu ziehen und eine Plasmabadumgebung für rasche Ionenreinigung zur Verfügung zu stellen. Argon, Stickstoff, Methan usw. können in das Plasma eingelassen werden, in Verbindung mit einem RF-Generator, der, wie in den Beispielen gezeigt, eine Selbstvorspannung auf dem Substrathalter für einen effizienten Ionenbeschuss erzeugt.
Die Magnetronsputter-Plasmaquellen 400 können bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer großflächigen gefilterten Plasmaquelle auch als primäre Dampfplasmaquellen verwendet werden, wie in 10b dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Magnetron-Magnetfeld mittels einer Gruppe von Magnetronmagneten 402, 403 erzeugt, welche auf einer Magnethalteplatte 401 befestigt sind, welche hinter der Kathodentargetplatte 32 angeordnet ist. Das Magnetron-Magnetfeld muss mit dem Fokussier-Magnetfeld überlappen, welches mittels der Magnetleiter 82, 84, und 92, 94 erzeugt wird, und in die gleiche Richtung gelenkt werden. Dies ermöglicht das Extrahieren einer erhöhten Menge von metallischem Magnetron-Sputterplasma aus dem Magnetronentladungsbereich in Richtung zum Plasmaführungsbereich der elektromagnetischen Dampfplasma-Filterkammer 500. Der gemischte Dampf-Gas-Plasmafluss wird auf ein gekrümmtes Magnetfeld begrenzt, welches mittels der Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 und der Ablenkleiter 86, 96 erzeugt wird. Bei dieser Ausführungsform sind die Magnetrontargets 32 in einem magnetischen Bereich bis zum halben Scheitelpunkt auf einer Seite der Plasmaleitkammer 500 angeordnet, wo die Magnetfeldlinien in Richtung zur Teilungsanode 120 zusammenlaufen. Damit wird sichergestellt, dass das gesamte aus der Magnetronentladung extrahierte Dampf-Gasplasma fokussiert wird und in Richtung zu den zu beschichtenden Substraten auf dem Substrathalter 6 gelenkt wird, während neutrale Tröpfchen und Makropartikel aus dem Plasmafluss entfernt und durch die Leitbleche 124 eingefangen werden.
Zusätzliche Lichtbogenkathoden (nicht gezeigt) können an anderer Stelle in der Beschichtungsvorrichtung montiert werden, und zwar optisch nicht fluchtend mit den Magnetrontargets 32. Beispielsweise zeigt 10c eine in der Beschichtungskammer montierte thermoionische Hohlkathode 510, welche eine zusätzliche Lichtbogenentladung zwischen der zusätzlichen Kathode 510 und den Magnetronanoden 150 herstellt. Dies führt sowohl zu einem Anstieg der Ionisierungsgeschwindigkeit des Magnetronentladungsplasmas als auch zu einem Anstieg der Ionisierungsgeschwindigkeit der Gaskomponente der Plasmaumgebung in der Beschichtungskammer. Dadurch wird Magnetronsputtern bei geringeren Arbeitsdrücken ermöglicht und auch die Beschichtungsqualität verbessert, indem Ionisierung und Aktivierung der Dampfgas-Plasmaumgebung gesteigert wird, während gleichzeitig Tröpfchen, Makropartikel und neutrale Cluster aus dem Plasmafluss des Metall-Gas-Dampfes beseitigt werden.
Die Ausführungsform bezüglich gefiltertem Dampfplasma kann wahlweise sowohl Magnetronquellen 400 und kathodische Lichtbogenquellen 34 als primäre Dampfplasmaquellen aufweisen, wie in 10b dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Targets 32 zusätzlich mit Stromversorgungen 46 mit hohem Strom und geringer Spannung versehen, welche über Schalter 445 und einen Lichtbogenzünder 48 an die Kathodentargetplatte 32 angeschlossen werden. Die Magnetron-Stromversorgung 430 mit hoher Spannung und kleinem Strom ist mittels des Schalters 440 auf jeder Seite an die Targetplatte 32 angeschlossen. Die Magnetronmagnetgruppe kann vorzugsweise mittels der Welle 410, welche an der Magnethalteplatte 401 befestigt ist, von dem Target 32 weg geschoben werden.
Beim Betrieb dieser Ausführungsform im Modus gefiltertes Magnetronsputtern wird Argon als Sputtergas durch Argonzuleitungen (nicht gezeigt) in der Nähe beider Magnetrontargetplatten 32 eingepresst, welche auf gegenüberliegenden Seiten der gefilterten Plasma-Lichtbogenquellen-Vorrichtung montiert sind. Ein reaktives Gas (Nitrogen, Acetylen) kann wahlweise in die Beschichtungskammer eingeleitet werden zur Abscheidung von Kerametallbeschichtungen (TiN, TiC, TiCN etc.). Der Schalter 445 wird ausgeschaltet und die Lichtbogenstromversorgung 46 abgestellt. Der Schalter 440 wird aktiviert, um den negativen Pol der Magnetronstromversorgung 430 an die Targetplatte 32 anzuschließen. Die Magnetronplasmaentladung wird größtenteils durch das zur Magnetrontarget-Kathodenplatte 32 benachbarte bogenförmige Magnetron-Magnetfeld begrenzt, welches einen generell rechteckigen Plasmaring ausbildet, und zwar entlang des Zwischenraums, welcher zwischen der Randmagnetgruppe 403, der Mittelmagnetgruppe 402 und den Endmagneten 407 gebildet wird (in 10c oder 10c nicht gezeigt). Eine Erosionszone wird durch Plasmasputtern auf die Verdampfungsoberfläche des Magnetrontargets 32 auf dem Pfad der geschlossenen Magnetronentladung gebildet, wo die Plasmadichte am höchsten ist. Das Fokussiermagnetfeld, welches mittels der Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94. erzeugt wird, erzeugt vor den Magnetrontargets 32 zusammenlaufende Magnetfeldlinien, d.h. über der Targetoberfläche, welche aus der Magnetronentladung den Dampfplasmafluss extrahieren und in Richtung auf den Plasmalenkbereich der elektromagnetischen Dampfplasma-Filterkammer 500 fokussieren. Dieser Dampfplasmafluss wird außerdem auf das zusammenlaufende Magnetfeld zum halben Scheitelpunkt begrenzt, wodurch es in Richtung zur Beschichtungskammer abgelenkt wird, wo zu beschichtende Substrate auf dem Substrathalter 6 montiert sind. Die am Ausgang der Plasmalenkung montierten Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 fokussieren das Dampfplasma in Richtung der zu beschichtenden Substrate. Die Teilungsanode 122 stößt Metallionen ab und lenkt die Ionenbahnen wirksam auf die Beschichtungskammer zu. Makropartikel und neutrale Dampfatome werden durch die Leitbleche 124 aufgefangen, welche an der Teilungsanodenplatte 120 montiert sind. Wenn die zusätzliche Lichtbogenentladung zwischen der thermionischen Kathode 510 und den Magnetronanoden 150 aktiviert wird, erhöht sich die Ionisierungsgeschwindigkeit in der Nähe der Magnetrontargets 32. Dies bewirkt sowohl eine Steigerung der Produktivität des Magnetronsputterns als auch eine Verringerung des Arbeitsdrucks der Magnetronentladung. Der elektromagnetische Filter der vorliegenden Erfindung hat eine höhere Leitfähigkeit bei niedrigeren Drücken aufgrund verringerter Kollisionen zwischen Ionen und anderen atomaren Teilchen. Dies führt beim Filterausgang zu höherem Ionenfluss und damit zu höherer Leistung des gefilterten Magnetron-Sputterverfahrens.
Im gefilterten Kathoden-Lichtbogen Verdampfungsmodus wird der Schalter 440 geöffnet, um die Magnetron-Stromversorgung 430 zu unterbrechen, und stattdessen wird der Schalter 445 geschlossen, welcher die Lichtbogen-Stromversorgung 46 mit der Kathodenplatte 32 verbindet. Wenn die Lichtbogen-Stromversorgung 46 eingeschaltet wird, zündet der Lichtbogenzünder 48 die Kathoden-Lichtbogenentladung auf der Verdampfungsoberfläche der Kathoden-Targetplatte 32. Wahlweise kann ein reaktives Gas für Kerametall-Abscheidungsbeschichtung in die Beschichtungskammer eingeleitet werden. Die Magnetronmagnete 402, 403 werden mittels der Welle 410, welche die Magnethalteplatte 401 trägt, von dem Bereich des Targets 32 weg geschoben. Kathoden-Lichtbogenflecke werden mittels der Magnetleiter 82, 84 und 92, 94 parallel zu der Längsseite der Targets 32 und unabhängig davon mittels der Spulen 66, 68 parallel zu der Querseite der Targets 32 gelenkt. Dies führt zu dem maximal möglichen Verwertungsgrad der Targets und Begrenzung der Lichtbogenflecke auf den Bereich des breiten Erosionsgrabens auf der Verdampfungsfläche der Targetplatte 32. Gleichzeitig fokussieren die Lenk-/Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 das Lichtbogendampfplasma in Richtung zum magnetischen Bereich bis zum halben Scheitelpunkt, welcher durch die Ablenkleiter 86, 96 erzeugt wird. Der abgelenkte Plasmafluss wird ferner durch die Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 fokussiert, welche am Ausgang der Plasmaleitkammer montiert sind, in Richtung zu den zu beschichtenden Substraten, welche auf dem Substrathalter 6 montiert sind. Eine zusätzliche Anode 130 kann verwendet werden, um die Ionisierungs- und Aktivierungsgeschwindigkeit der Gaskomponente des Dampf-Gasflusses zu erhöhen.
Die 7c und 7d stellen eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar, ähnlich der Ausführungsform gemäß 7a und 7b, jedoch mit einer Vielzahl rechteckiger Kathodentargets, welche in eine einzige rechteckige Kathodenlichtbogenquelle integriert sind. Das Gehäuse 38 weist zwei rechteckige Kathodenbaugruppen auf, bestehend aus Targetplatten 34, welche an einem wassergekühlten Targethalter und an Vakuum-Lichtbogenzündern 170 befestigt sind. Jede Kathodentarget-Baugruppe ist von einem Isolierschirm 140 umgeben, welcher verhindert, dass kathodische Lichtbogenflecke zur Seitenfläche der Kathodenbaugruppe wandern. Die Mittelanode 50 kann wahlweise vor der Kathodentargetplatte 32 montiert werden. Der Isolierschirm 54 kann in einem Mittelbereich der Targetplatte 32 montiert werden, um zu verhindern, dass kathodische Lichtbogenflecke zum Mittelbereich des Targets wandern, wo die Magnetfeld-Steuerkomponente, welche zu der Plattenfläche 34 tangential ist, nicht ausreicht, um Lichtbogenflecke auf den Erosionsgraben 200 zu begrenzen. Zwei Fokussiermagnet-Spulenpaare 84 und 62 werden verwendet, um kathodische Lichtbogenflecke entlang der Längsseiten der Targets 32 zu lenken, während gleichzeitig der Plasmafluss in die Richtung zum Substrathalter 6 fokussiert wird, welcher in der Hauptvakuumkammer montiert ist. Ein weiteres Magnetspulenpaar 66, 68 ist jeweils auf der Rückseite der Kathodenbaugruppen angeordnet. Die linearen Leiter 66, 68 sind parallel zu den Querseiten 32c, 32d der Kathodentargets 32 und sorgen somit für eine Lenkung der kathodischen Lichtbogenflecke entlang der Querseiten der Targetfläche 34. Die Leiter 66, 68 müssen mit entgegengesetztem Pol montiert werden, wodurch sie eine Lenkung der kathodischen Lichtbogenflecke in derselben Richtung wie die benachbarten Fokussierleiter 62, 84 vorsehen, welche kathodische Lichtbogenflecke entlang des Erosionsgrabens 200 leiten. Umgebende Anoden 150 können wahlweise unterteilt oder untergliedert sein, wodurch sie unabhängige Anodenstromkreisläufe für Kathoden-Lichtbogenflecke liefern, wovon beide nahe der Querseiten 32c oder 32d der Targetplatte 32 (Anodenpaar 151-151a bei der in 7d gezeigten Ausführungsform) und nahe der Längsseiten 32a oder 32b des Kathodentargets 32 (Anodenpaar 152-152a bei der in 7d gezeigten Ausführungsform) angeordnet sind. Damit wird auch eine Detektion von Kathoden-Lichtbogenflecken ermöglicht, welche nahe den Querseiten oder Längsseiten der Targetfläche 34 stagnieren. Sobald sich die Kathoden-Lichtbogenflecke entweder nahe der Längs- oder Querseite der Targetfläche 34 länger als t_s ~ l_s/v_s befinden, (wobei l_s die Länge einer Quer- oder Längsseite der Kathodentargetplatte 34 ist, v_s die Geschwindigkeit der Bewegung der Kathoden-Lichtbogenflecke unter dem Einfluss des magnetischen Steuerfeldes ist), kann der Lichtbogenstrom abgeschaltet werden, um die Lichtbogenflecke zu beseitigen, worauf ein erneutes Zünden des Lichtbogens durch die Zünder 170 folgt. Eine Unterteilung bzw. Untergliederung der Anoden einschließlich beider umgebenden 151, 152 und der mittleren 50, ermöglicht eine optimale Verteilung des Anoden-Lichtbogenstroms, um maximale Zuverlässigkeit beim Lenken der Lichtbogenflecke innerhalb des Erosionsgrabens 200 zu erreichen.
Alternativ kann anstelle eines Schirms (entweder Schirm 140 um die Kathodenplatte 32 oder Schirm 54 zur Abdeckung der Stagnationszone vor der Verdampfungsfläche 34) die Kathodenplatte 32 von einem Werkstoff umgeben sein, welcher den Kathoden-Lichtbogenfleck nur sehr schwach aufrecht hält, oder dieser Werkstoff kann in den Bereich der Kathodenplatte 32 eingeführt werden, wo Lichtbogenflecke stagnieren. Beispielsweise können Wolfram, Molybdän, Keramik auf Bornitrid-Basis etc., verwendet werden, um zu verhindern, dass Lichtbogenflecke in unerwünschte Bereiche der Verdampfungsfläche 34 wandern.
Die Bilder 11 bis 13 zeigen eine weitere Ausführung der Erfindung, die lokale Korrekturmagnete 200 und 210 zur Führung des Lichtbogenflecks zwischen den Längsseiten 32a der Kathodenplatte 32 und der anderen Längsseite 32b, sowie eine andere Anodenanordnung enthält.
Querseitenkorrekturmagnete 200 umfassen bevorzugt jeweils wenigstens eine Magnetspule 202, die einen elektromagnetischen Kern 204 umschließen, und die jeweils entlang der Querseiten 32c, 32d der Kathodenplatte 32 angeordnet sind. Der Kern 202 konzentriert das von der Spule 202 erzeugte Magnetfeld, sodass, wenn die Spule 202 eingeschaltet ist, der Lichtbogenfleck eingeschränkt ist, sich entlang der bogenförmigen Magnetfeldlinien zu bewegen, die sich über die Querseite 32c oder 32d der Kathodenplatte 32 erstrecken.
In dieser Ausführungsform sind auch Längsseitenkorrekturmagneten 210 vorgesehen entlang den beiden Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte 32, in der Nähe der Querseiten 32c, 32d, um in ähnlicher Weise die Bewegung des Lichtbogenflecks einzuschränken, wenn er sich den Querseiten 32c, 32d nähert. Längsseitenkorrekturmagneten 210 enthalten in ähnlicher Weise bevorzugt wenigstens eine Magnetspule 212, die einen elektromagnetischen Kern 214 umgibt, der das von der Spule 212 erzeugte Magnetfeld konzentriert, sodass der Lichtbogenfleck, wenn die Spule 212 eingeschaltet ist, gezwungen ist, sich über die Magnetfeldlinien in eine Richtung, die transversal zu den bogenförmigen Magnetfeldlinien, welche sich über die Enden der Längsseiten 32a oder 32b erstrecken, ist, zu bewegen.
Die Richtungen der von den Korrekturmagneten 200, 210 erzeugten Magnetfeldlinien müssen der Bewegung des Lichtbogenflecks entlang der Längsseiten 32a, 32b, wie sie von den (in Bild 11 gezeigten) Lenkmagneten 66, 68 bestimmt ist, entsprechen. Die Korrekturmagneten 200, 210 wirken auf den Lichtbogenfleck, wenn er sich den Querseiten 32c, 32d der Kathodenplatte 32 nähert, um ein ununterbrochene Lenkmuster über der Kathodenplatte 32 aufrechtzuerhalten. Die Stärke der von den Korrekturmagneten 200, 210 erzeugten Magnetfelder kann durch Ändern des Stroms durch die Spulen 202, 212 verändert werden, oder durch das Anbringen von (nicht gezeigten) zusätzlichen Spulen, die die Kerne 204, 214 umschließen und die selektiv eingeschaltet werden können, um ein zusätzliches Magnetfeld auf die Kerne 204 oder 214 aufzubringen.
In dieser Ausführung umfasst eine lineare interne Anode 220 eine Reihe von Anodenblöcken 222 und 230. Interne Anodenblöcke 222 umfassen eine Anodenplatte 224 und Blenden 226, die im Allgemeinen orthogonal auf eine Anodenplatte 224 stehen. Wie in den vorhergehenden Ausführungen sind die Anodenplatte 224 und die Blenden 226 jeweils parallel zur Richtung des Plasmaflusses ausgerichtet. Die Anode 220 enthält des Weiteren Endanodenblöcke 230, die bevorzugt aus massiven wassergekühlten Blöcken bestehen, die dazu dienen, die inneren Bereiche der Anode 220 vom Kathodendampf zu schützen, der von den Querseiten 32c, 32d der Kathodenplatte 32 abgetragen wird. Die Verwendung getrennter "Blöcke" hilft, den Bogenstrom besser zu verteilen und die Abhängigkeit von einem einzelnen Anodenkörper zu reduzieren.
Die Anodenblöcke 222, 230 werden bevorzugt von unabhängig kontrollierten Leistungsversorgungen 227 kontrolliert und sind über wassergekühlte Anodenrohre 229, die mit dem Gehäuse mit isolierenden Abstandshaltern 228 verbunden sind, montiert. Die Stromstärke durch einen Anodenblock 222 oder 230 bestimmt die Ab- oder Anwesenheit eines Lichtbogenflecks, und somit kann eine geeignete Software dazu verwendet werden, um die Blöcke 222, 230 innerhalb der Anode 220 in Übereinstimmung mit der Bewegung des Lichtbogenflecks um die Erosionszone 70 abzutasten. Diese Anordnung hilft, die Zeitspanne, während der Lichtbogenfleck von einer Längsseite der Kathode 32 zur anderen wechselt, zu reduzieren. Des weiteren, wenn der Lichtbogenfleck an einem Punkt entlang des Erosionsgrabens 70 hängen bleibt, können die Leistungsversorgungen zu einem angrenzenden Anodenblock 222 oder 230 ausgeschaltet oder reduziert werden, und/oder die Leistungsversorgung zu einem entfernteren Anodenblock 222 oder 230 kann eingeschaltet oder erhöht werden, um den Lichtbogenfleck in Bewegung zu halten.
Die in Bild 12 gezeigten (teilweise vom Flansch 250 verdeckten) linearen Fokussierleiter 82 und 84 sind jeweils vor der Verdampfungsoberfläche entlang der Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte 32 angeordnet. Die Fokussierleiter 82, 84 erzeugen ein tangentiales Magnetfeld welches den Lichtbogenfleck entlang der Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte 32 lenkt (zieht). Weil sie vor der Verdampfungsoberfläche 34 angeordnet sind, erzeugen die Fokussierleiter 82, 84 einen zur Kammer 38 gerichteten (ähnlich zu dem durch Pfeile in Bild 5 gezeigtem) magnetischen Scheitelpunkt. Die Scheitelpunktanordnung neigt dazu, die Lichtbogenflecken zum Zentrum der Kathode 32 zu führen, was den Schirm 54 in dieser Ausführung besonders vorteilhaft macht, da er verhindert, dass der Lichtbogenfleck sich in den Schatten der Anode 220 bewegt, wo die magnetischen Feldlinien im Allgemeinen normal auf die Verdampfungsoberfläche 34 stehen und ohne den Schirm eine Stagnationszone im zentralen Bereich der Kathode 32 bilden würden.
In dieser Ausführung sind die Abschlussleiter 82a, 84a hinter der Verdampfungsoberfläche 34 entlang den Längsseiten 32a, 32b der Kathodenplatte 32 angeordnet und erzeugen ein bogenförmiges Magnetfeld über der Verdampfungsoberfläche 34, das die von den Fokussierspulen 82, 84 erzeugten spitzen scheitelpunktförmigen Magnetfeldlinien ausgleicht und sie wirken zusammen mit den jeweils entlang den Querseiten 32d, 32c der Kathodenplatte 32 angeordneten Lenkleitern 66, 68, zusammen mit den Korrekturmagneten 200, 210, die ebenfalls die Lichtbogenflecke entlang den Querseiten 32d, 32c der Kathodenplatte 32 führen, dahingehend, die Lichtbogenflecke in die gleiche Richtung um die Erosionszone 70 zu führen.
So verhindert der elektrisch leitende Schirm 54 in einem Abstand von der Targetverdampfungsoberfläche 34, zusammen mit dem Randschirm 55, der um den Umfang der Kathodenplatte 32 angeordnet ist, jedwede Kathodenfleckaktivität außerhalb der gewünschten Erosionszone 70. In der gezeigten Ausführung ist ein innerer Schirm 57 unter dem Schirm 54 angebracht, der ebenfalls dazu dient, Kathodenfleckaktivität im Schatten der Anode 220 zu verhindern.
In der Ausführung der Bilder 11 bis 13 ist eine umschließende Anode 240 um die Verdampfungsoberfläche 34, im allgemeinen normal auf sie, angebracht. Die umschließende Anode 240, die vor der Verdampfungsoberfläche 34 angebracht ist, wird eine Plasmabadanode, die die Stromführung des Plasmaflusses verbessert und einen stabileren Lichtbogenstrom um die Primäranode 220 erzeugt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird entweder mit der "internen" Anode 220 oder der umschließenden Anode 240 betrieben; aber der Betrieb der Vorrichtung wird durch das gleichzeitige Verwenden beider Anoden 220, 240 verbessert.
Die 14a bis 14d zeigen eine Ausführungsform der Lichtbogen-/Magnetronbeschichtungsvorrichtung mit den erfindungsgemäßen Aspekten der magnetischen Lenkung sowie Fokussierung und Ablenkung.
15 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit vier Magnetronen 400, die jeweils mit einer doppelten rechteckigen gefilterten Lichtbogenquelle 34 magnetisch gekoppelt sind. Bei der dargestellten Ausführungsform sind vier doppelte rechteckige gefilterte Lichtbogenquellen 34 jeweils magnetisch mit vier unsymmetrischen rechteckigen Magnetronen 400 gekoppelt. Bei dieser Ausführungsform sind die Magnetronquellen 400 optisch mit den Substraten auf dem Substrathalter 6 ausgerichtet wie bei herkömmlichen Beschichtungsverfahren. Jede zweifache gefilterte Lichtbogenquelle weist wenigstens zwei rechteckige Primärlichtbogenquellen 34 auf, welche an gegenüber liegenden Flanschen der gefilterten Lichtbogen-Plasmaleitkammer montiert sind. Der Anodenabscheider 122 unterteilt die Plasmaleitkammer und stellt eine Gruppe von Leitblechen 124 zum Einfangen von Makropartikeln, Tröpfchen und neutralen Atomen und Clustern bereit, welche durch die Primärkathoden-Lichtbogenquellen erzeugt werden. Auf jeder rechteckigen Kathoden-Lichtbogenquelle sind Fokussier-/Lenkspulen montiert, und zwar parallel zu der Längsseite des Kathodentargets, sowie verstürzte Spulen, welche parallel zu der Querseite der Targets 32 nahe den Enden der Targets 32 montiert sind. Bei dieser Ausführungsform fokussieren die Fokussierleiter 82, 84 und 92, 94 den Plasmafluss von den gefilterten Lichtbogenquellen 34, wie oben beschrieben, während die Leiter 86 nahe dem Ausgang der Plasmalenkung 31 sowohl zu den gefilterten Lichtbogenquellen 34 als auch zu der Magnetronquelle 400 benachbart sind und daher die Magnetronquelle 400 mit der benachbarten gefilterten Lichtbogenquelle 34 magnetisch koppeln, um den Plasmafluss gleichzeitig von der Magnetron-Lichtbogenquelle 400 und der gefilterten Lichtbogenquelle 34 in Richtung zur Beschichtungskammer abzulenken. Wie durch die Magnetfeldlinien in 15 gezeigt, sind die Magnetron-Lichtbogenquellen mittels der benachbarten Fokussierleiter 86 magnetisch mit den gefilterten Lichtbogenquellen gekoppelt, wodurch das Plasma fokussiert und in Richtung zum Substrathalter 6 abgelenkt wird. Der Substrathalter 6 umfasst eine mittlere Substratplattform mit einer Vielzahl doppelter Rotierstationen und bietet nahezu gleichen Zutritt für ankommende Dampfplasmaflüsse sowohl von den gefilterten Lichtbogenquellen 34 als auch den Magnetronquellen 400, was die Steuerung der Zusammensetzung sowie des Aufbaus der Beschichtung vereinfacht.
Die Fähigkeit, den durch die Fokussierleiter 84, 94 fließenden Strom auf jeder Seite der Kathode 34 separat zu variieren, ermöglicht die Verwendung einer rechteckigen Kathodenplatte 32 in einer gefilterten Lichtbogenanordnung, d.h. optisch nicht an dem Substrathalter 6 ausgerichtet. Durch Erhöhen des Stroms durch die Leiter 84, 94 auf der Seite der Kathode 34, welche zum Plasmakanal 31 benachbart ist, bezüglich der Leiter 84, 94 auf der Seite der Kathode 34 gegenüber dem Plasmakanal 31, wird das Plasma in Richtung zum Plasmakanal 31 und somit in Richtung zum Substrathalter 6 abgelenkt. Neutrale Partikel werden nicht abgelenkt und werden somit in den Leitblechen 124 der Anodenteilung 122 aufgefangen.
Beispielsweise zeigt 17a, auf welche Weise das Plasma unter den geschlossenen Magnetfeldlinien 600, welche durch das Magnetron 400 erzeugt werden, eingefangen wird. Plasma hat ein sehr geringes Diffusionsvermögen über die Magnetfeldlinien der geschlossenen Magnetschleifen 600 des Magnetrons, jedoch ein sehr hohes Diffusionsvermögen entlang der Magnetfeldlinien 600. Die Magnetfeldlinien 600 werden tatsächlich zu einer "Spur", welche den Plasmafluss begrenzt (anders als neutrale Partikel, als gestrichelte Pfeile dargestellt, welche durch die Magnetfeldlinien 600 nicht beeinflusst werden). Die Magnetfeldlinien 602, welche mittels der ablenkenden Leiter 84 erzeugt werden, welche dieselbe Querrichtung wie die Magnetfeldlinien 600 haben, welche durch das Magnetron 400 erzeugt werden, ziehen daher den Dampfplasmafluss von der Targetfläche weg und lenken sie in Richtung zum Substrathalter 6 ab.
Wenn die Ablenkleiter 84 unmittelbar vor der Kathodenplatte 32 angeordnet sind, wie in 17b gezeigt, überlappen die Magnetfeldlinien 602 vor den Leitern 84 mit den Magnetron-Magnetfeldlinien 600 und ziehen Plasma weg von der Mitte des Magnetrons 400 und lenken es fein verteilt in Richtung zum Substrathalter 6. Diese Anordnung ist am geeignetsten zum Koppeln des Magnetrons 400 mit einer gefilterten Lichtbogenquelle 34, weil die ablenkenden Magnetfeldlinien 602 gleichzeitig von beiden Quellen Plasma abziehen und es in Richtung zur Beschichtungskammer ablenken.
Wenn die Ablenkleiter 84 vor der Kathodenplatte 32 angeordnet sind, aber von der Targetfläche beabstandet, wie in 17c gezeigt, überlappen die Magnetfeldlinien 604 hinter den Leitern 84 mit den Magnetron-Magnetfeldlinien und ziehen Plasma auf die Mitte des Magnetrons 400 zu und lenken es in Richtung zum Substrathalter 6, jedoch als viel stärker begrenzter geradliniger Strom. Mit dieser Anordnung ist die Ablenkung zum Substrathalter 6 gemäß einer gefilterten Ausführungsform stärker fokussiert, jedoch entspricht die gerade Plasmaströmung nicht ohne weiteres der Gestalt des Substrats (beispielsweise werden mit dieser Ausführungsform Innenflächen des Substrats eventuell nicht beschichtet, während das stärker gestreute, magnetisch abgelenkte Plasma in 17b einen größeren Bereich gleichmäßiger beschichtet).
Die Fähigkeit, den Strom durch die Ablenkleiter 84 separat zu steuern, ist bei diesen Ausführungsformen sehr vorteilhaft. Dies ermöglicht eine viel bessere Steuerung des Flusses von Plasma, und durch alternative Veränderung des Strompegels durch die gegenüber liegenden Ablenkleiter 34 kann das Plasma über den Substrathalter 6 hin und her gerastert werden, um eine gleichmäßige Beschichtung über die Substrate zu gewährleisten. Hierdurch kann auch Plasma verschiedener Metalldampfzusammensetzungen vermischt werden, beispielsweise ein Typ Metalldampf aus der gefilterten Kathodenlichtbogenquelle 34 und ein anderer Typ Metalldampf aus der benachbarten Magnetronquelle 400, was gut steuerbar ist. Dies ist bei der Abscheidung von Verbundwerkstoffen erforderlich.
Bei der in 16 gezeigten Ausführungsform sind die zu beschichtenden Substrate Lagerlaufflächen mit großem Durchmesser. Zur Beschichtung der inneren Lauffläche wird die Lauffläche durch den hinteren Flansch der zweifachen gefilterten Lichtbogenquelle eingeführt und mittels eines Satzes von Laufflächenantreibern und Führungslaufrollen (nicht gezeigt), welche in dem Anhang des Laufflächenantriebstanks montiert sind, um seine Achse rotieren gelassen. Diese Ausführungsform funktioniert auf die gleiche Weise wie die Ausführungsform gemäß 15. Die gefilterte Lichtbogenquelle 34 ist optisch nicht mit dem Substrathalter 6 ausgerichtet, um somit Tröpfchen zu beseitigen (welche neutral sind und daher durch die Fokussier- und Ablenk-Magnetspule 84, 94 nicht abgelenkt werden) und durch die Leitbleche (nicht gezeigt) aufgefangen werden, welche in der Plasmaleitkammer und am Anodenabscheider montiert sind. Die gefilterte Lichtbogenquelle 34 ist mit dem Magnetron 400 magnetisch gekoppelt; wenn daher der Nordpol des Magnetfeldes am Ausgang der gefilterten Lichtbogenquelle angeordnet ist, dann muss der Mittelpol des Magnetron-Magnetsystems der Süden sein (an der oberen Stirnfläche). In diesem Fall enden Magnetfeldlinien, welche aus der gefilterten Lichtbogenquelle 34 austreten, an der Fläche des Magnetrontargets 32. Aus dem gleichen Grund muss die Richtung des Stroms in dem Fokussier-(Ausgangs-)Stromleiter der gefilterten Lichtbogenquelle die gleiche sein wie die Richtung des Stroms in dem benachbarten Fokussierleiter des benachbarten Magnetrons.
Bei dieser Ausführungsform ist das zu beschichtende Substrat ebenfalls ein großer Ring und sowohl die Innen-(ID-Fläche) als auch die Außendurchmesserfläche (OD-Fläche) sind zu beschichten. Dementsprechend werden die Substrate, anstatt sie in die Beschichtungskammer einzuführen und die Substratplattform koaxial zu der Beschichtungskammer zu montieren, durch einen hinteren Flansch der Plasmaleitkammer der gefilterten Lichtbogenquelle in vertikaler Ausrichtung eingeführt. Damit wird nur der Bereich des Rings, der vor der Öffnung der gefilterten Lichtbogenquelle positioniert ist, einer Beschichtungsablagerung unterzogen, und zwar von den primären Kathodenlichtbogenquellen 34 auf beiden Seiten und von den Magnetronquellen 400 auf beiden Seiten. Der Rest des Rings, welcher ist innerhalb der Plasmaleitkammer angeordnet ist, ist somit abgeschirmt und nicht dem Beschichtungsvorgang ausgesetzt. Die Substratlagerfläche wird um ihre Achse rotiert und somit wird eine gleichförmige gefilterte Lichtbogen-Magnetron-Beschichtung der Innendurchmesserfläche (ID Fläche) erreicht. Zur Beschichtung der Außendurchmesserfläche (OD-Fläche) wird der Ring in Richtung zur gegenüber liegenden gefilterten Lichtbogen-Magnetron-Station vorgeschoben, und die Beschichtung erfolgt in dieser Position auf die gleiche Weise, jedoch durch die gegenüber liegende gefilterte Lichtbogen-Magnetron-Quelle.
Beispiel 1
Abscheidung von diamantartigen (DLC) Schichten auf Messern, wie Skalpellen, Rasierklingen, Papiermessern unter Verwendung zweier rechteckiger Lichtbogenquellen, die in einer rechteckigen Doppelplasmaführungskammer gemäss Bild 10 mit einer Beschichtungszone von 500 mm Höhe × 300 mm Weite beschichtet werden. Die Charge von Messern wurde auf einem Drehtisch für Substrate geladen, die der gefilterten Lichtbogenquelle über ihre ganze Fläche der Beschichtungszone gegenüberstand, und der eine gleichmäßige Drehbewegung mit zwischen 10 bis 20 Umdrehungen/Minute ausführte. Eine rechteckige Graphitplatte wurde auf die Kathodenvorrichtung angebracht. Der Strom in den vertikalen Lenkleitern wurde auf 2000 A gestellt und der Strom in den horizontalen Lenkleitern wurde auf 1300 A gestellt. Der Lichtbogenstrom zwischen der Kathode und der primären (internen) Anodenplatte wider auf 300 Ampère gestellt. Nachdem der Lichtbogen mit einem Hochspannungszünder gezündet war, begann der Lichtbogenfleck sich entlang des Erosionsgrabens mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 20 bis 30 cm/sec zu bewegen. Drei bis fünf kathodische Lichtbogenflecken existierten gleichzeitig auf der Targetoberfläche. Der Strom in den Ablenkspulen wurde jeweils als 1500 Ampere gestellt.
Der erste Prozessschritt bestand aus Ionenreinigung. In dieser Phase wurden die kathodische Lichtbogenquellen als leistungsfähiger Elektronenemitter verwendet. Die Ablenkleiter wurden abgeschaltet und Elektronenstrom wurde aus der Kathode zu den (externen) Hilfsanoden, die den Substrattisch umgeben, gezogen, und bildeten so eine Plasmabadumgebung für ein rasches Ionenreinigung. Argon wurde als Plasmaträgergas mit einem Druck von etwa 4 × 10^–2 Pa eingelassen und ein RF-Generator lieferte eine Selbstvorspannung von 400 Volt auf dem Substrattisch für effizienten Ionenbeschuss. Während der Beschichtungsphase wurde der Druck in der Kammer auf 10^–3 Pa gestellt. Der RF Generator mit einer Frequenz von 13.56 MHz erzeugte während der Beschichtung eine Selbstvorspannung im Bereich von 40 V bis 60 V. Die Ablenkspulen wurden während der Beschichtung periodisch mit einem Tastverhältnis von 20 Sek an zu 5 Sekunden ab abgeschalten um ein Überhitzen der Schicht zu vermeiden. Die Beschichtungszeit war 20 Minuten. Die Schichtstärke wurde durch Mikroquerschliff bestimmt und lag im Bereich von 0.3 to 0.35 μm, was einer Gesamtbeschichtungsrate von etwa 1 μm/h mit einer Gleichförmigkeit von +/–10% entspricht.
Beispiel 2
Abscheidung einer Graphitschicht auf Molybdänglas zur Verwendung als Substrat für Flachanzeigeschirme; die rechteckigen Molybdänglasplatten mit Massen 400 mm Höhe × 200 mm Breite × 3 mm Dicke wurden vertikal auf den Substratdrehtisch montiert. Jede Glasplatte wurde an einen Metallglashalter angebracht und eine Selbstvorspannung von etwa 150 V wurde auf den Substrattisch mit einem RF Generator mit einer Frequenz von 13.56 MHz angelegt. Die Doppel-gefilterte-kathodische Lichtbogenquelle von Bild 10 wurde mit einer Aluminium Targetoberfläche und einer Graphit Targetoberfläche ausgerüstet. Der Druck während des Beschichtungsprozesses wurde auf etwa 10^–3 Pa eingestellt. Die Temperatur während der Graphitabscheidung war etwa 400°C und wurde durch eine Anordnung von Strahlungsheizern erzeugt.
In einer ersten Phase wurde der Lichtbogen auf dem Aluminiumtarget gezündet, was eine Unterschicht von etwa 50 nm erzeugte. In einer zweiten Phase wurde eine Graphitschicht mit einer Dicke von etwa 150 nm in einer Zeit von 30 Minuten über der Aluminiumunterschicht abgeschieden.
Beispiel 3
Abscheidung von TiAlN Schichten auf ihr Ladung Wälzfräser und Schaftfräser. Die Ladung Wälz- und Schaftfräser wurde auf dem Substrattisch gegenüber dem Ausgang der gefilterten Lichtbogenquelle über die gesamte Höhe der Beschichtungszone montiert, der Substrattisch hatte eine Doppel (Satelliten-)bewegung mit einer Drehtischgeschwindigkeit von 12 Umdrehungen/Minute. Die Doppel-gefilterte-kathodische Lichtbogenquelle von Bild 10 wurde mit einer auf einer ersten Kathode montierten Aluminium Targetoberfläche und einer auf der zweiten Kathode montierten Titan Targetoberfläche zur Beschichtung mit TiAlN ausgerüstet. Der Strom für das Titantarget war etwa 150 Ampere während er für das Aluminiumtarget auf etwa 60 Ampere eingestellt wurde.
In einer ersten Phase wurde der Strom der (externen) Hilfsanode auf etwa 70 Ampere eingestellt, was ein Plasmabad mit hoher Gasplasmadichte sowohl während der Ionenreinigung wie während der Schichtabscheidung erzeugte. Die Selbstvorspannung des Substrattischs wurde von einem RF 13.56 MHz Generator geliefert und wurde während der Ionenreinigung in Argon auf etwa 400 Volt und während des Abscheidens der TiAlN Schicht in Stickstoff auf etwa 40 Volt gehalten. Die Zeit für die Ionenreinigung war 5 Minuten, und für die Beschichtung etwa 2 Stunden. Der Argondruck während des Ionenreinigens wurde auf 6 × 10^–2 Pa und der Stickstoffdruck während des Beschichtens auf 2 × 10^–2 Pa eingestellt. Die Beschichtungsrate für die TiAlN Schicht mit Doppeldrehung von Wälzfräsern und Schaftfräsern wurde als etwa 1-1.5 μm/Stunde gefunden.
Beispiel 4
Abscheiden von Mehrlagenschichten auf Formen und Matrizen. Eine Ladung von Schmiedematrizen und Extrusionsformen wurde auf einen Substrattisch mit einer gleichförmigen Drehgeschwindigkeit von 20 Umdrehungen/Minute gegenüber dem Ausgang der gefilterten Lichtbogenquelle von Bild 10 für die Beschichtung mit Ti/TiN Mehrlagenschichten mit einem Schichtdickenverhältnis von 0.05 μm Ti zu 0.3 um TiN geladen. Vor der Schichtabscheidung wurde eine Ionenreinigung und ein Lichtbogenplasma-Immersionsnitrieren durchgeführt um eine stetige Härtezunahme der oberflächennahen Schicht in einer Übergangszone zwischen dem Grundwerkstoff der zu beschichtenden Teile und der Schicht zu erzeugen. Die Dicke der Nitrierschicht war etwa 40 μm und wurde durch eine Hilfsbogenentladung mit einem auf 90 Ampere eingestellten (externen) Hilfsanodenstrom und einem Druck von etwa 6 × 10^–2 Pa hergestellt. Die Zahl der Schichtlagen war 11 mit einer Gesamtschichtstärke von etwa 3.5 μm. Der Strom der Hilfsanode während des Beschichtens wurde auf 120 Ampere eingestellt, und auf den beiden Titantargets betrug der Gesamtstrom 500 Ampere. Die Gleichspannungsvorspannung während des Ionenreinigens/Ionennitrierens wurde auf etwa 200 Volt eingestellt, und während des Beschichtens wurde die Spannung auf 40 Volt gesenkt. Die Temperatur der Substrate wurde während aller Phasen des Vakuumplasmabehandlungsprozesses auf etwa 400°C gehalten.
Beispiel 5
Gefilterte Magnetronabscheidung kubischer Boronnitrid-Beschichtungen (cBN). Die in 10c gezeigte Beschichtungseinrichtung wurde für die Abscheidung überwiegend kubischer Boronnitridbeschichtungen verwendet. Magnetrontargets aus B₄C wurden für eine cBN Abscheidungsbeschichtung verwendet. Der rechteckige Magnetron-Erosionsbereich war 320 × 80 mm². Die Karbid-Einsätze wurden auf dem Substrathalter 6 montiert. Der thermionische Kathoden-Ionisierer 510 wurde aktiviert, um die Plasmaumgebung während der Ionenreinigungsstufe zu ionisieren und zu aktivieren. Die zusätzliche thermionische Lichtbogen-Stromversorgung 46 mit großem Strom und niedriger Spannung wurde zwischen der thermionischen Hohlkathode 510, welche in der Beschichtungskammer montiert war, und den Magnetronanoden 150 angeschlossen. Dadurch konnte auch die Ionisierungsgeschwindigkeit der Magnetronplasmaentladung gesteigert sowie der Arbeitsdruck des Magnetrons reduziert werden. Der thermionische Lichtbogenstrom wurde auf 80 Ampere je Magnetronanode 150 eingestellt. Der Argondruck in einer Beschichtungskammer wurde auf 1 mTorr während der Ionenreinigungsstufe eingestellt. Die Vorspannung wurde auf 250 Volt während der Ionenreinigungsstufe eingestellt. Die Ionenreinigungsstufe dauerte 30 Minuten, währenddessen war die Substrattemperatur auf 200°C eingestellt. Während der Ionenreinigungsstufe waren die Ablenkungs- und Fokussier-Magnetfelder der gefilterten Plasmaquelle nicht aktiviert. Die Magnetronentladung wurde aktiviert, indem die Magnetronschalter 440 geschlossen wurden und somit die Magnetron-Stromversorgung 430 angeschaltet wurde. Der Magnetronstrom lag im Bereich zwischen 2 und 4 Ampere. Der Gesamtgasdruck wurde für eine Gaszusammensetzung aus 20% Nitrogen in Argon auf 2 mTorr Druck angehoben. Die Magnetronentladungsspannung betrug in diesem Druckbereich 600 V. Nach der Ionenreinigungsstufe wurden die Ablenkungs- und Fokussierspulen der gefilterten Plasmaquelle aktiviert, die Vorspannung wurde auf 80 Volt reduziert und der Ablagerungsvorgang wurde 10 Stunden lang weiterlaufen gelassen. Die Dicke der cBN-Beschichtung wurde mittels CALO-Test gemessen. Die Härte der cBN-Beschichtung wurde mittels einer Vorrichtung zur Knoop Mikrohärteprüfung bei 1 g Last gemessen. Die Dicke der cBN-Beschichtung wurde mit 2 +/–0.3 μm ermittelt. Die Knoop Mikrohärte der Beschichtung wurde mit 55 +/–5 μm ermittelt.
Beispiel 6
Zweiteilige TiN/TiBC Mehrfach-Verbundbeschichtung. Die in 15 dargestellte Beschichtungseinrichtung wurde für die Abscheidung einer zweiteiligen TiN/TiBC Mehrfach-Verbundbeschichtung auf der ID- bzw. Innendurchmesser- sowie OD- bzw. Außendurchmesserfläche eines Stahlringsubstrats verwendet. Der erste Teil der Beschichtung direkt auf dem Substrat besteht aus einer TiN/Ti Mehrfach-Beschichtung, welche von einer rechteckigen gefilterten Lichtbogenquelle abgeschieden wird, bei welcher beide rechteckigen Primär-Kathodenlichtbogenquellen mit Titan-Targets ausgestattet sind. Der obere Teil, bestehend aus einer TiBC-Kerametall Zusammensetzung, wurde hergestellt, indem Titan aus der gefilterten Lichtbogenquelle und Borcarbid aus beiden Magnetronquellen mit B₄C-Targets gemeinsam abgeschieden wurden. Zum Beschichten der ID-Fläche des Rings wurde das Stahlringsubstrat durch den hinteren Flansch der rechteckigen gefilterten Lichtbogenquelle derart eingeführt, dass nur ein Bereich des Rings vor dem Ausgang der gefilterten Lichtbogenquelle dem Plasmafluss ausgesetzt war. Der Rest des Rings war abgeschirmt und nicht dem Beschichtungs-Ablagerungsvorgang ausgesetzt. Der Ring wurde um seine Achse rotieren gelassen und somit wurde die gesamte ID-Fläche gleichförmig beschichtet. Zum Abscheiden des Mehrfach-TiN/Ti Teils wurde, nach Vorheizen auf 350°C und Argon-Ionenreinigung bei 250 V Vorspannung und einem Druck von 0,1 Pa, die Vorspannung des Substrats auf 1000 V erhöht und das Substrat wurde 5 Minuten lang mit Titanionen beschossen, um hohes Haftvermögen zu gewährleisten. Nach diesem Schritt wurde der Argondruck auf 3 × 10^–2 Pa reduziert, die Vorspannung wurde auf 40 Volt reduziert, und die Ti Haftbrücke wurde 5 Minuten lang abgeschieden. Nach diesem Schritt wurde das Argon durch Nitrogen ersetzt und die TiN-Schicht wurde 25 Minuten lang abgeschieden. Die 10 TiN/Ti- Doppelschichten wurden auf ähnliche Weise 5 Stunden lang abgeschieden. Im nächsten Schritt wurde Methan als zweites reaktives Gas dem Gasgemisch nach und nach bis zu einer Konzentration von 40% zugesetzt. Das Abscheiden der Zwischenschicht aus Titan-Carbonitrid dauerte eine (1) weitere Stunde. Im nächsten Schritt wurde nahe den Magnetronquellen Argon als Sputtergas zugeführt. Die Magnetronquellen wurden eingeschaltet und der Argondruck auf 2 × 10^–1 Pa eingestellt, wodurch eine Magnetronspannung im Bereich zwischen 550 und 600 Volt geliefert wurde. Der Magnetronstrom wurde auf jeweils 3 Ampere eingestellt, was in einer Energiedichte von ~5,4 W/cm² resultierte. Die Substrattemperatur, welche durch die Heizungsanordnung geliefert wurde, wurde auf 200°C reduziert und 5% Acetylen als reaktives Gas wurden dem Argon zugesetzt. Die rechteckige gefilterte Lichtbogenquelle wurde zusammen mit den Magnetronen zur Abscheidung des oberen Teils der TiBC Verbundschicht weitere 5 Stunden lang in Betrieb gelassen. Die resultierende zweiteilige TiN/TiBC-Beschichtung erwies sich als hoch haftfest (obere Grenzlast > 80N) mit einem Reibungskoeffizienten von weniger als 0,3 gegenüber Hochgeschwindigkeitsstahl. Variationen dieses Beschichtungstyps mit hoher Korrosionsbeständigkeit wurden erhalten durch Verwendung von TiCr- oder TiZr-Legierungen als Targets für die primären Kathoden-Lichtbogenquellen der rechteckigen gefilterten Lichtbogenquelle. Zum Beschichten der OD-Fläche des Rings wurde der Substratring zu der gegenüber liegenden gefilterte Lichtbogen-Magnetron-Beschichtungsstation nach vorne verschoben und die Abscheidung der Beschichtung auf die OD-Fläche des Rings wurde unter Verwendung desselben Beschichtungsprozesses durchgeführt, wie oben für die ID-Fläche beschrieben.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung wurden hiermit beispielhaft beschrieben, Änderungen und Anpassungen sind für den Fachmann offensichtlich. Die Erfindung umfasst alle derartige Änderungen und Anpassungen, soweit sie unter den Inhalt der angefügten Ansprüche fallen.
Zusammenfassung:
Die Erfindung betrifft eine Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung mit einer Lenkmagnetfeldquelle, welche Lenkleiter (62, 64, 66, 68) aufweist, welche entlang den Querseiten (32c, 32d) eines rechteckigen Targets (32) hinter dem Target angeordnet sind, und eine magnetische Fokussiereinrichtung, welches an den Längsseiten (32a, 32b) des Targets (32) vor dem Target angeordnet ist, wodurch ein Plasmafluss zwischen Magnetfeldern, welche auf gegenüber liegenden Längsseiten (32a, 32b) des Targets (32) erzeugt werden, begrenzt wird. Die Plasmafokussiereinrichtung kann eingesetzt werden, um den Plasmafluss von der Arbeitsachse der Kathode abzulenken. Jeder Lenkleiter (62, 64, 66, 68) ist separat steuerbar. Bei einer weiteren Ausführungsform sind elektrisch unabhängige Lenkleiter (62, 64, 66, 68) auf gegenüber liegenden Längsseiten (32a, 32b) der Kathodenplatte (32) angeordnet, und durch wahlweise Veränderung des Stroms durch einen Leiter verschiebt sich der Pfad des Lichtbogenflecks und verbreitert somit den Erosionskorridor. Die Erfindung stellt ferner eine Vielzahl integrierter Anoden bereit und wahlweise eine umgebende Anode zur Ablenkung des Plasmaflusses.

Claims

Vakuumlichtbogenbeschichtungsvorrichtung, umfassend wenigstens eine rechteckige Kathodenplatte mit gegenüberliegenden Längsseiten, die an den negativen Pol einer Stromquelle angeschlossen sind, wobei die wenigstens eine Kathodenplatte eine Targetoberfläche mit einer Verdampfungsoberfläche oder einer Sputteroberfläche oder beiden aufweist, eine Beschichtungskammer, die mit der Targetoberfläche in Verbindung steht, einen Substrathalter innerhalb der Beschichtungskammer, wenigstens eine Anode, die von der Targetoberfläche beabstandet und an einen positiven Pol einer Stromversorgung angeschlossen ist, und eine magnetische Ablenkungseinrichtung, das wenigstens erste und zweite Leiter umfasst, welche an gegenüber liegenden Längsseiten der wenigstens einen Kathodenplatte angeordnet sind, wobei der erste Leiter einen Strom in einer Richtung führt, die der Richtung des Stroms im zweiten Leiter entgegengesetzt ist, wobei sowohl der erste als auch der zweite Leiter jeweils vor und nahe der Targetoberfläche angeordnet sind, so dass ein dadurch erzeugtes Magnetfeld einen Dampfplasmafluss von der Targetoberfläche in Richtung zum Substrathalter fokussiert, wobei der erste Leiter elektrisch unabhängig von dem zweiten Lenkleiter ist, wobei durch Variation des Pegels des durch den ersten Leiter angelegten Stroms bezüglich des zweiten Leiters der Dampfplasmafluss in Richtung zur Beschichtungskammer verlagert wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend einen Lichtbogenzünder, um einen Lichtbogen zwischen der wenigstens einen Kathode und der Anode zu zünden und wenigstens einen Lichtbogenfleck auf der Targetoberfläche zu erzeugen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Leiter im wesentlichen parallel zu den Längsseiten der Kathodenplatte ausgerichtet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei Lenkleiter entlang den Querseiten der Kathodenplatte vorgesehen sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Kathodenplatte Teil einer Lichtbogenquelle ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Kathodenplatte Teil einer Magnetronquelle ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Kathodenplatte mit dem Substrathalter optisch nicht fluchtend angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, weiterhin umfassend einen Ionisierer zum Ionisieren des Plasmaflusses.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei entlang der Längsseite der Kathodenplatte Fokussierleiter vorgesehen sind, um einen Plasmafluss von der Kathodenplatte zum Substrathalter abzulenken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei benachbart zu einer Kathodenplatte eine Vielzahl von Lenkleiterpaaren vorgesehen sind, welche zu den Querseiten der einen Kathodenplatte parallel und entgegengesetzt polarisiert sind, um Lichtbogenflecke in Richtung auf eine Längsseite der einen Kathodenplatte an beiden Enden der einen Kathodenplatte zu verlagern.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei jede der Vielzahl von Anoden einen zugeordneten Schirm aufweist, welcher einen Bereich der wenigstens einen Kathode abdeckt, wo Lichtbogenflecke wahrscheinlich stagnieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend wenigstens eine Anode, die den Substrathalter umgibt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Beschichtungskammer oder ein Bereich darin geerdet ist und somit eine Anode bildet.
Vakuumlichtbogenbeschichtungsvorrichtung, umfassend wenigstens eine Magnetronlichtbogenquelle, umfassend wenigstens eine rechteckige Kathodenplatte mit gegenüberliegenden Längsseiten, die an den negativen Pol einer Stromquelle angeschlossen ist, sowie Magnetsätze, welche hinter der wenigstens einen Kathodenplatte angeordnet sind, wobei die wenigstens eine Kathodenplatte eine Targetoberfläche mit einer Verdampfungsoberfläche oder einer Sputteroberfläche oder beides aufweist, eine Anode, eine Beschichtungskammer, die mit der Targetoberfläche in Verbindung steht, und ein Gehäuse, einen Substrathalter innerhalb der Beschichtungskammer, eine Plasmaführung, welche zwischen der wenigstens einen Kathodenplatte und der Beschichtungskammer angeordnet ist, wobei die Kathodenplatte und der Substrathalter optisch nicht fluchtend ausgerichtet sind, und eine Gruppe erster Fokussierleiter, welche an der Frontseite und allgemein parallel zu den Längsseiten der wenigstens einen Kathodenplatte angeordnet sind zur Erzeugung von Fokussier-Magnetfeldlinien bis zum halben Scheitelpunkt, welche an der Frontseite der Targetoberfläche entlang der Längsseiten zusammenlaufen, um von den bogenförmigen Magnetron- Magnetfeldern Plasma zu extrahieren und das Plasma in Richtung zur Beschichtungskammer zu lenken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, weiterhin aufweisend Lenkleiter, welche hinter und generell parallel zu Querseiten der wenigstens einen Kathodenplatte angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei die Magnete von der wenigstens einen Kathodenplatte weg verschiebbar sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei die Magnete auf einer Magnetplatte montiert sind, welche auf einer beweglichen Welle montiert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, weiter aufweisend eine Lichtbogen-Stromversorgung mit großem Strom und kleiner Spannung, um eine negative Spannung an die wenigstens eine Kathodenplatte zu liefern, sowie einen Lichtbogenzünder, zur Verwendung mit der Vorrichtung im Kathodenlichtbogenverdampfungsmodus.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, weiter aufweisend einen Kathodenionisierer, welcher mit der Anode optisch nicht fluchtend ausgerichtet ist, zum Ionisieren des Plasmas.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei der Kathodenionisierer innerhalb einer Kathodenkammer enthalten ist, welche eine Lichtbogenquelle enthält, und eine Magnetronquelle in der Beschichtungskammer angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei der Kathodenionisierer innerhalb der Kathodenkammer enthalten ist und eine Magnetronquelle in einer Kathodenkammer angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, aufweisend eine Vielzahl von Kathodenplatten, wobei eine Magnetron-Lichtbogenquelle mit je einer Kathodenplatte verbunden ist.
Vakuumlichtbogenbeschichtungsvorrichtung, umfassend wenigstens eine Magnetronlichtbogenquelle, umfassend wenigstens eine rechteckige Kathodenplatte mit gegenüberliegenden Längsseiten, die an den negativen Pol einer Stromquelle angeschlossen sind, sowie Magnetsätze, welche hinter der wenigstens einen Kathodenplatte angeordnet sind, wobei die wenigstens eine Kathodenplatte eine Targetoberfläche mit einer Verdampfungsoberfläche oder einer Sputteroberfläche oder beides aufweist, eine Anode, eine Beschichtungskammer, die mit der Targetoberfläche in Verbindung steht, einen Substrathalter innerhalb der Beschichtungskammer, eine Plasmaführung, welche zwischen der wenigstens einen Kathodenplatte und der Beschichtungskammer angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Kathodenplatte in der Plasmaführung angeordnet ist, wobei ein Nordpol des Magnetron-Magnetfeldes am Ausgang der gefilterten Lichtbogenquelle positioniert ist, und ein Südpol des Magnetron-Magnetfeldes bezüglich des Magnetrons generell mittig positioniert ist, oder wobei ein Südpol des Magnetron-Magnetfeldes am Ausgang der gefilterten Lichtbogenquelle positioniert ist und ein Nordpol des Magnetron-Magnetfeldes bezüglich des Magnetrons generell mittig positioniert ist, wodurch Magnetfeldlinien, welche von der gefilterten Lichtbogenquelle austreten, auf der Verdampfungsfläche auftreffen, wobei wenigstens eine gefilterte kathodische Lichtbogenquelle und der Substrathalter optisch nicht fluchtend ausgerichtet und zu der wenigstens einen Magnetron-Lichtbogenquelle benachbart sind, und eine Gruppe von Leitern, welche an der Frontseite und allgemein parallel zu den Längsseiten der Targetoberfläche angeordnet sind, zur Erzeugung von Fokussier-Magnetfeldlinien, um die Magnetron-Lichtbogenquelle magnetisch mit der gefilterten Lichtbogenquelle zu verbinden und dadurch von der Magnetron- und der gefilterten kathodischen Lichtbogenquelle Plasma zu extrahieren und das Plasma in Richtung zur Beschichtungskammer zu lenken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, welche eine gefilterte Lichtbogenquelle auf beiden Seiten der Magnetronlichtbogenquelle aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, weiterhin aufweisend Lenkleiter, welche hinter und generell parallel zu Querseiten der Kathodenplatte angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, wobei die wenigstens eine Magnetron-Lichtbogenquelle folgendes aufweist: wenigstens Endmagnete, welche benachbart zu den Enden der wenigstens einen Kathodenplatte angeordnet sind, Seitenmagnete, welche benachbart zu den Seiten der wenigstens einen Kathodenplatte angeordnet sind, und einen Mittelmagnet, welcher benachbart zu der Mitte der wenigstens einen Kathodenplatte angeordnet ist, welche einen generell rechteckigen Plasmaring zwischen den Randmagneten, dem Mittelmagneten und den Endmagneten bilden, wobei eine Magnetronplasmaentladung im wesentlichen durch bogenförmige Magnetron-Magnetfelder nahe der wenigstens einen Kathodenplatte begrenzt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, weiterhin aufweisend einen Lichtbogenzünder, um einen Lichtbogen zwischen der wenigstens einen Kathodenplatte und der wenigstens einen Anode zu zünden, um Lichtbogenflecke auf der Verdampfungsfläche zu erzeugen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, weiter aufweisend einen Kathodenionisierer, welcher mit der Anode optisch nicht fluchtend ausgerichtet ist, zum Ionisieren des Plasmas.
Vorrichtung gemäß Anspruch 28, wobei der Kathodenionisierer innerhalb einer Kathodenkammer enthalten ist, welche eine Lichtbogenquelle enthält, und eine Magnetronquelle in der Beschichtungskammer angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 28, wobei der Kathodenionisierer innerhalb der Kathodenkammer enthalten ist und eine Magnetronquelle in einer Kathodenkammer angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 28, wobei der Kathodenionisierer eine thermionische Kathode aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 28, wobei der Kathodenionisierer eine Hohlkathode aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 28, wobei der Kathodenionisierer eine Kaltvakuum-Lichtbogenkathode aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, wobei die Beschichtungskammer oder ein Bereich darin geerdet ist und somit eine Anode bildet.
Verfahren zum Steuern eines Plasmaflusses in einer Vakuumlichtbogenbeschichtungsvorrichtung, umfassend wenigstens eine Magnetron-Lichtbogenquelle, umfassend wenigstens eine rechteckige Kathodenplatte, welche gegenüber liegende Längsseiten aufweist und mit einem negativen Pol einer Stromquelle verbunden ist und mit einer Targetfläche, welche eine Verdampfungsfläche oder eine Sputterfläche oder beides aufweist, eine Anode, sowie eine Beschichtungskammer, die mit der Targetoberfläche in Verbindung steht und welche einen Substrathalter enthält und folgende Schritte umfasst: a. Erzeugen wenigstens eines Kathodenflecks auf der Targetoberfläche, um ein Plasma zu erzeugen, und b. Erzeugen eines magnetischen Ablenkfeldes mit ablenkenden magnetischen Kraftlinien, welche mit Magnetron-Magnetfeldlinien überlappen, welche durch das Magnetron erzeugt werden, wobei die ablenkenden magnetischen Kraftlinien und die Magnetron-Magnetfeldlinien dieselbe Querrichtung aufweisen, wodurch das ablenkende Magnetfeld von dem Magnetron-Magnetfeld Plasma extrahiert und das Plasma in Richtung zur Beschichtungskammer ablenkt.
Verfahren gemäß Anspruch 35, wobei das ablenkende Magnetfeld durch ablenkende Leiter generiert wird, welche an der Frontseite und allgemein parallel zu den Längsseiten der Targetoberfläche angeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 36, wobei ein Strom durch die Ablenkungsleiter auf gegenüber liegenden Seiten der Targetoberfläche separat steuerbar sind.
Verfahren gemäß Anspruch 37, umfassend den Schritt c., wobei ein Strompegel alternativ durch die Ablenkungsleiter auf gegenüber liegenden Seiten der Targetoberfläche variiert wird, um den Plasmafluss zu rastern.
Verfahren gemäß Anspruch 36, wobei die Ablenkungsleiter unmittelbar vor der Targetoberfläche angeordnet sind, so dass die Magnetfeldlinien vor den Leitern mit den Magnetron-Magnetfeldlinien überlappen, um so Plasma von der Mitte der Lichtbogenquelle abzuziehen.
Verfahren gemäß Anspruch 39, wobei die Ablenkungsleiter auch benachbart zu einer gefilterten Lichtbogenquelle angeordnet sind, um die Lichtbogenquelle und die gefilterte Lichtbogenquelle magnetisch zu koppeln und gleichzeitig einen Plasmafluss sowohl von der Magnetronlichtbogenquelle als auch der gefilterten Lichtbogenquelle in Richtung zur Beschichtungskammer abzulenken.
Verfahren gemäß Anspruch 36, wobei die Ablenkungsleiter vor der Targetfläche und zur Targetfläche beabstandet angeordnet sind, so dass die Magnetfeldlinien hinter den Leitern mit den Magnetron-Magnetfeldlinien überlappen, um so Plasma in Richtung zur Mitte der Lichtbogenquelle zu ziehen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 41, wobei die Lichtbogenquelle mit dem Substrathalter optisch nicht fluchtend angeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 36, wobei die Beschichtungskammer oder ein Bereich darin geerdet ist und somit eine Anode bildet.
Verfahren gemäß Anspruch 36, umfassend vor dem Schritt a., den Schritt der Einführung von Substraten in vertikaler Anordnung in die Plasmaführung, und während der Schritte a. und b., Rotieren der Substrate.