DE19618073C1 - Zündeinrichtung für einen Vakuumbogenverdampfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für einen Vakuumbogenverdampfer mittels der eine Kurzschluß-Bogenentladung ausgelost wird, die ein begrenztes Metalldampfplasma erzeugt, wel­ ches ausreicht, daß eine selbständige Vakuumbogenentladung zwischen dem kathodischen Target und einer Anode gezündet wird.

Nach dem Stand der Technik sind neben Zündeinrichtungen, bei denen ein erstes örtlich begrenztes Metalldampfplasma durch elektrische Stromimpulse oder Laserstrahlen erzeugt wird, z. B. DE 29505888 U1 und DE 39 01 401 A1, insbesondere mechanisch betätigte Zündeinrichtungen sehr verbreitet.

Bei den mechanisch betätigten Zündeinrichtungen wird ein auf positivem Potential liegender hammerartiger Zündfin­ ger, z. B. elektromagnetisch, auf die Verdampfungsober­ fläche des kathodischen Targets des Vakuumbogenverdampfers geschlagen. An der Kontaktstelle kommt es zu einem Kurz­ schluß mit der Ausbildung eines begrenzten Metalldampf­ plasmas. Dieses Plasma reicht aus, um die eigentlich gewünschte Vakuumbogenentladung zwischen dem Target und einer Anode innerhalb der Vakuumkammer zu zünden, die zur Verdampfung des Targetmaterials führt.

Die DE 92 07 046 U1 beschreibt z. B. eine Zündeinrichtung für einen Vakuumbogenentladungsverdampfer, bei der ein Elektromagnet zur Betätigung eines Zündfingers genutzt wird. Der Elektromagnet weist dabei einen als Vakuum-Trennwand ausgebildeten Magnet-Kern auf, wobei sich eine Magnetspule auf der atmosphärischen Seite und ein Zuganker auf der Vakuumseite befinden. Der Zündfinger ist mittels einer Feder vorgespannt, die den Zündfinger grundsätzlich in einer vom Target entfernten Stellung hält. Zum Zwecke des Zündens wird durch Anlegen von Strom an die Spule des Elektromagneten der Zuganker impulsartig in die Spule gezogen, wodurch der Zündfinger gegen die Wirkung der Feder auf das Target des Vakuumbogenentladungsverdampfers gedrückt und eine örtliche Kurzschluß-Bogenentladung ausgelöst wird. Sobald die Zugkraft des Elektromagneten wegfällt, wird der Zündfinger unter Wirkung der verstärkt gespannten Feder wieder vom Target weggezogen. Ausgehend von der Wirkung der Kurzschluß-Bogenentladung kann sich eine selbständige Vakuumbogenentladung ausbilden.

Problematisch ist dabei, daß es bei der Kurzschlußbildung sehr schnell zum Anschweißen des Zündfingers an dem Target kommen kann, wodurch der Zündfinger oder auch andere Teile der Einrichtung zerstört werden können. Um dem Problem abzuhelfen, müssen die gesamte Betätigungseinrichtung und der Zündfinger sehr stabil und technisch aufwendig ausge­ führt werden. Z.B. sind Ausführungen bekannt, bei denen der Zündfinger pneumatisch betätigt wird, damit er sicher mit den erforderlichen hohen Kräften vom Target abgezogen werden kann.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß ein derartiger Zündfinger sich fast stets im Bereich der zur Beschichtung ausgenutzten Dampfstrahlen befindet und so Abschattungen hervorruft und selbst beschichtet wird.

Es ist typisch für Vakuumbogenentladungen, daß die Entla­ dung während längerer Beschichtungsphasen verschiedentlich unvermittelt erlischt und neu gezündet werden muß. Die bekannten mechanischen Zündeinrichtungen reagieren in diesem Fall meist sehr langsam.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mechanische Zündeinrichtung für einen Vakuumbogenverdampfer anzugeben, die bei relativ geringem technischen Aufwand eine sichere und schnelle Zündung gewährleistet. Die Erfindung löst die Aufgabe durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung erfolgt die Zündung nicht wie beim Stand der Technik auf der Verdampfungsoberfläche des Targets, sondern an der Mantel­ fläche des Targets, im Grenzbereich zwischen dem durch die Abschirmung plasmaphysikalisch von der Vakuumkammer abge­ trennten Raum und der Targetoberfläche. Das örtlich be­ grenzte Metalldampfplasma, zwischen der Abschirmung und dem Targetrand, ist ausreichend zur Ausbildung einer selb­ ständigen Vakuumbogenentladung zwischen dem kathodischen Target und einer Anode innerhalb der Vakuumkammer oder der als Anode geschalteten metallischen Kammerwand. Dabei wurde gefunden, daß die Gefahr von Verschweißungen der Zündelektrode, hier des entsprechenden elastischen Teiles der Abschirmung bzw. der Kontaktzunge, mit dem Target nicht besteht.

Die konkrete Ausbildung der Zündeinrichtung, insbesondere des elastischen Teiles der Abschirmung und der Betäti­ gungseinrichtung mit dem Klöppel, kann in breitem Rahmen variieren. Erfindungswesentlich ist dabei, daß als Zünd­ elektrode ein Teil der metallischen Abschirmung an die Mantelfläche des Targets gedrückt wird.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbei­ spiel näher erläutert werden.

Die zugehörige Zeichnung zeigt in Fig. 1 eine Prinzip­ skizze eines Vakuumbogenverdampfers innerhalb einer Vaku­ umkammer mit einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung einschließlich der Stromversorgung.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Vakuumbogenverdamp­ fer nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Vakuumbogenverdampfer 1, der sich innerhalb einer Vakuumkammer 2 befindet. Die sonstigen, z. B. für eine Beschichtung, erforderlichen Teile sind hier weggelassen worden, da sie für die Darstellung der Erfin­ dung nicht von Bedeutung sind.

Der Vakuumbogenverdampfer 1 besteht in bekannter Weise aus einem Grundkörper 3, über den auch die Stromversorgung und die Kühlung des stirnseitig gehalterten Targets 4 erfol­ gen, sowie aus einer Abschirmung 5.

Die Abschirmung 5 weist dabei erfindungsgemäß einen in Fig. 2 näher dargestellten elastisch ausgebildeten Ab­ schnitt auf, im Beispiel handelt es sich um ein zungen­ artig ausgefrästes Teil innerhalb der Abschirmung 5, hier mit Kontaktzunge 8 bezeichnet. Neben dem eigentlichen Vakuumbogenverdampfer 1 befindet sich ein Bewegungsmecha­ nismus 7 mit einem hammerartigen Teil, einem Klöppel 10, wobei der Klöppel 10 derart ausgerichtet ist, daß er bei Betätigung durch den Bewegungsmechanismus 7 gegen die Kontaktzunge 8 schlägt.

Als Stromversorgungseinrichtung des Vakuumbogenverdampfers 1 dient im Beispiel eine Stromquelle 6, wobei die Vaku­ umkammer 2 als Anode gegenüber dem kathodischen Target 4 geschaltet ist.

Der Bewegungsmechanismus 7 besteht im Beispiel im wesent­ lichen aus einem Elektro-Drehmagnet 9, mit dem der Klöppel 10 zum Zwecke der Zündung des Vakuumbogenverdampfers 1 derart geschwenkt wird, daß er an die Kontaktzunge 8 anschlägt und diese kurzzeitig gegen die Mantelfläche des Targets 4 drückt.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Zündeinrichtung in einer Draufsicht auf den Vakuumbogenverdampfer 1 nach Fig. 1 ausschnittweise näher dargestellt. Das Target 4 ist mantelförmig von der Abschirmung 5 umgeben. Die Ab­ schirmung 5 ist an der Stelle, an der der Klöppel 10 bei Betätigung unter der Wirkung des Elektro-Drehmagnet 9 des Bewegungsmechanismus 7 anschlägt, derart geschlitzt, daß ein elastisch ausgebildeter Abschnitt in Form der bereits beschriebenen Kontaktzunge 8 entsteht.

Die elektrische Schaltung der Stromversorgung der Zünd­ einrichtung erfolgt im Beispiel mittels der Schalter S1 und S2.

Beim Betrieb des Vakuumbogenverdampfers 1 brennt die Bogenentladung zwischen der Stirnfläche des Targets 4 als Kathode und der auf anodischem Potential (an Masse) lie­ genden Wand der Vakuumkammer 2. Die elektrischen Parameter werden dabei entsprechend den technologischen Erfordernis­ sen und den physikalischen Gegebenheiten festgelegt. Der Entladungsstrom liegt zwischen 80 und 200 A bei einer vom Kathodenmaterial abhängigen Brennspannung zwischen 18 und 22 V. Die Stromquelle 6 ist als Konstantstromquelle ausge­ legt. Der Schalter S1 sowie auch der Schalter S2 sind geöffnet und die Abschirmung 5 nimmt demzufolge ein floa­ tendes negatives Potential an.

Wenn die Bogenentladung noch nicht gezündet ist oder nach ungewolltem Erlöschen der Bogenentladung wird von der Stromquelle 6 eine höhere Ausgangsspannung (Leerlaufspan­ nung) bereitgestellt. Im Beispiel beträgt die Leerlauf­ spannung ca. 75 V.

Ein Trigger 12 ist mit zwei Eingängen mit den Ausgängen der Stromquelle 6 verbunden. Wenn die Bogenentladung nicht brennt, oder unmittelbar nach Erlöschen der Bogenentla­ dung, erkennt der Trigger 12, daß die Stromquelle 6 eine Spannung liefert, die über der Brennspannung liegt. Im Ausführungsbeispiel schaltet der Trigger 12 den Ausgang 11 sofort, wenn die Spannung < 30 V wird. Infolgedessen werden die Schalter S1 und S2 geschlossen. Dadurch wird über den Schalter S1 die Abschirmung 5 mit der Kontaktzunge 8 an das positive Potential der Stromquelle 6 gelegt und der Elektro-Drehmagnet 9 mit Strom versorgt.

Durch den Elektro-Drehmagnet 9 wird in der Folge der Klöppel 10 gegen die Kontaktzunge 8 in der Abschirmung 5 geschlagen und diese wird kurzzeitig gegen die Mantel­ fläche des Targets 4 gedrückt. Dabei kommt es zu einem Kurzschluß zwischen der auf positivem Potential liegenden Kontaktzunge 8 und dem an negativem Potential liegenden Target 4. Infolgedessen wird am Berührungspunkt ein be­ grenztes Metalldampfplasma erzeugt. Dieses örtlich be­ grenzte Metalldampfplasma ist ausreichend, um eine selb­ ständige Vakuumbogenentladung zwischen dem kathodischen Target 4 und der anodischen Vakuumkammer 2 zu zünden.

Mit der Zündeinrichtung nach dem Ausführungsbeispiel können Reaktionszeiten (Zeitdauer zwischen dem Erlöschen der Bogenentladung und erneuter Zündung) von lediglich ca. 45 ms erzielt werden. Die Kontaktzunge 8 berührt die Mantelfläche des Targets 4 nicht länger als 5 ms.

Entgegen den Lösungen nach dem Stand der Technik kommt es bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht zum Anschweißen der Kontaktzunge 8 an das Target 4. Durch die erfindungsgemäße Lage der Kontaktzunge 8 seitlich an der Mantelfläche des Targets 4 wird diese während der Bogenentladung auch nicht mit Targetmaterial beschichtet.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbeson­ dere darin, daß die Vakuumbogenentladung bei relativ geringem technischen Aufwand mit großer Sicherheit gezün­ det wird und unerwünschte Nebeneffekte, wie das Anschwei­ ßen der Zündfinger, was bei Lösungen nach dem Stand der Technik vielfach auftritt, vermieden werden.

Bezugszeichenliste

1 Vakuumbogenverdampfer
2 Vakuumkammer
3 Grundkörper
4 Target
5 Abschirmung
6 Stromquelle
7 Bewegungsmechanismus
8 Kontaktzunge
9 Elektro-Drehmagnet
10 Klöppel
11 Ausgang am Trigger 12
12 Trigger

Claims (4)

1. Zündeinrichtung für einen Vakuumbogenverdampfer, der im wesentlichen aus einem Grundkörper (3), einem stirnseitig darauf gehalterten Target (4), einer den Grundkörper (3) mantelförmig umgebenden elektrischen Abschirmung (5) sowie einer Stromversorgungseinrich­ tung besteht, mit folgenden weiteren Merkmaien, daß zum erzeugen eines Zündplasmas eine auf anodischem Po­ tential liegende und mechanisch bewegbare Zündelek­ trode mittels eines Bewegungsmechanismus (7) kurzzei­ tig mit dem Target (4) in Kurzschlußkontakt gebracht wird, daß die elektrische Abschirmung (5) einen ela­ stisch ausgebildeten Abschnitt aufweist und daß an dem Bewegungsmechanismus (7) ein Klöppel (10) vorhanden ist, wobei der elastisch ausgebildete Abschnitt und der Klöppel (10) derart zueinander angeordnet sind, daß der Klöppel (10) bei der Betätigung durch den Bewegungsmechanismus (7) gegen den elastisch ausge­ bildeten Abschnitt schlägt und infolgedessen dieser gegen die Mantelfläche des Targets (4) gedrückt wird, wobei der elastisch ausgebildete Abschnitt kurzzeitig mit dem anodischen Potential verbunden ist und als Zündelektrode wirkt.

2. Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß Schalter (S1 und S2) vorhanden sind, die die Abschirmung (5) elektrisch mit dem Pluspol der Strom­ versorgungseinrichtung des Vakuumbogenverdampfers (1) und den Bewegungsmechanismus (7) mit einer Stromquelle zum Antrieb desselben verbinden, wenn die Ausgangs­ spannung der Stromversorgungseinrichtung die Brenn­ spannung überschreitet.

3. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der elastisch ausgebildete Abschnitt der Abschirmung (5) als Kontaktzunge (8) ausgebildet ist.

4. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsmechanismus (7) zum Antrieb einen Elektro-Drehmagneten (9) auf­ weist.