DE19739527C2 - Vacuum arc plasma source with magnetic particle filter - Google Patents
Vacuum arc plasma source with magnetic particle filterInfo
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Description
Kathodische Vakuumbogenentladungen haben bereits ein breites Anwendungsgebiet gefunden, u. a. zur Erzeugung von Metall-Plasmen und als Metall-Ionenquelle z. B. in der Schichtabschei dung und für die Ionenimplantation.Cathodic vacuum arc discharges have already found a wide range of applications u. a. for generating metal plasmas and as a metal ion source z. B. in the layer separation and for ion implantation.
Entstehungsort des Plasmas sind die Kathodenbrennflecken, welche sich auf der Kathodenober fläche ausbilden und den Abtrag des Kathodenmaterials bewirken. Außer Plasma emittieren die Kathodenbrennflecken noch Partikel, deren Größe von einigen 10 nm bis zu einigen µm reicht. Bei verschiedenen Anwendungen in der Beschichtungstechnologie beeinträchtigen diese Partikel die Qualität der abgeschiedenen Schichten, weshalb sie mit Filteranordnungen aus dem Plasma entfernt werden müssen.The place of origin of the plasma is the cathode focal spots, which are located on the top of the cathode Form the surface and remove the cathode material. In addition to plasma, they emit Cathode focal spots still have particles the size of which ranges from a few 10 nm to a few µm. These affect various applications in coating technology Particles the quality of the deposited layers, which is why they are used with filter arrangements from the Plasma must be removed.
Vakuumbogen-Plasmaquellen mit Magnet-Partikelfiltern wurden bereits an verschiedenen Stellen beschrieben. Die einzelnen Lösungen unterscheiden sich sowohl hinsichtlich der Entladungsanordnung als auch des Filter-Prinzips.Vacuum arc plasma sources with magnetic particle filters have already been used on various Places described. The individual solutions differ both in terms of Discharge arrangement and the filter principle.
Ein häufig eingesetzter Partikelfilter besteht aus einem gebogenen Rohr (USP 5433836). Eine andere Ausführung besteht aus mehreren geraden Rohrstücken, die unter entsprechenden Winkeln zusammengesetzt sind (USP 5279723).A frequently used particle filter consists of a bent tube (USP 5433836). A other version consists of several straight pipe sections, which under appropriate Angles are composed (USP 5279723).
Je nach Anforderung an Transmission des Filters und Partikelfreiheit liegt der Ablenkwinkel eines solchen gekrümmten Partikel-Filters zwischen 30 und 180°. In dem Rohr wird ein axial gerichtetes Magnetfeld erzeugt und das Plasma entlang der Feldlinien geführt. Durch Anlegen einer positiven Biasspannung an die Filterwand kann die Transmission zusätzlich erhöht werden.The deflection angle lies depending on the requirements for filter transmission and particle freedom of such a curved particle filter between 30 and 180 °. An axial becomes in the tube directional magnetic field generated and the plasma guided along the field lines. By applying A positive bias voltage on the filter wall can additionally increase the transmission become.
Die durch die Felder nicht beeinflußten Partikel scheiden sich an der Filterwand ab, wobei diese zur Verhinderung von Reflexionen der Partikel lamellenförmig ausgeführt wird.The particles not affected by the fields separate on the filter wall, whereby this to prevent reflections of the particles is designed lamellar.
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines geraden Filterrohrs in Verbindung mit einer zentral angeordneten Blende, welche die Partikel abfängt (USP 4452686).Another option is to use a straight filter tube in conjunction with a centrally arranged screen that intercepts the particles (USP 4452686).
Die Entladungsanordnung ist bei den oben beschriebenen Filtermöglichkeiten in der Regel von axialsymmetrischer Geometrie mit scheiben-, stab-, oder kegelstumpfförmigen Kathoden, deren Stirnfläche durch die Bogenentladung abgetragen wird.With the filter options described above, the discharge arrangement is generally of axially symmetrical geometry with disc, rod or truncated cone shaped cathodes, their End face is removed by the arc discharge.
Eine kuppelförmige Anordnung, bei der der Bogen auf der Außenfläche einer zylindrischen Kathode brennt, ist in USP 5282944 beschrieben. A dome-shaped arrangement in which the arch is on the outer surface of a cylindrical Cathode burns is described in USP 5282944.
Zhitomirky et al. ("Unstable arc operation and cathode spot motion in a magnetically filtered vacuum-arc deposition system", J. Vac, Sci. Technol. A 13 (1995) 2233) nutzen ein Magnetfeld mit radialer Komponente (die Spulen sind in der Kathode angeordnet) an der Kathode, um den Kathodenspot zu steuern uns zu stabilisieren sowie einer axialen Komponente, um den Ionen- und Plasmastrom kollimiert in den Filter zu führen.Zhitomirky et al. ("Unstable arc operation and cathode spot motion in a magnetically filtered vacuum-arc deposition system", J. Vac, Sci. Technol. A 13 ( 1995 ) 2233) use a magnetic field with a radial component (the coils are arranged in the cathode) on the cathode to control and stabilize the cathode spot and an axial component to lead the ion and plasma stream collimated into the filter.
USP 5480527 enthält eine Vakuumbogen-Plasmaquelle, die eine ausgedehnte rechteckige Kathode in Verbindung mit einem auf diese Kathodengeometrie speziell zugeschnittenen Filter verwendet.USP 5480527 contains a vacuum arc plasma source that is an extended rectangular Cathode in connection with a filter specially tailored to this cathode geometry used.
Allen oben beschriebenen Vakuumbogen-Plasmaquellen ist gemeinsam, daß sie zur Führung des Plasmas Magnetfelder verwenden. Eine Folge davon ist das Ansteigen der Bogenbrenn spannung, was insbesondere bei den für eine maximale Filtertransmission erforderlichen Magnetfeldern zu Instabilitäten der Bogenentladung führt.All vacuum arc plasma sources described above have in common that they are for guidance of the plasma use magnetic fields. One consequence of this is the increase in arc burning voltage, which is particularly necessary for maximum filter transmission Magnetic fields lead to instabilities in the arc discharge.
Dem wird durch Verwendung eines Arbeitsgases (USP 5279723, USP 5282944, Wang, Z. H. et al. "Spectroscopic studies of a solenoid filtered cacuum arc", J. Vac. Sci. Technol. A13 (1995) 2261) und bzw. oder zusätzliche Anoden am Filterausgang (USP 5279723) oder großflächige Anoden (USP 5433836) entgegengewirkt, wobei die Bogenbrennspannung jedoch nach wie vor wesentlich erhöht ist.This is achieved by using a working gas (USP 5279723, USP 5282944, Wang, ZH et al. "Spectroscopic studies of a solenoid filtered cacuum arc", J. Vac. Sci. Technol. A13 ( 1995 ) 2261) and / or additional anodes counteracted at the filter output (USP 5279723) or large-area anodes (USP 5433836), but the arc voltage is still significantly increased.
Bei der Verwendung einer Vakuumbogen-Plasmaquelle als Ionenquelle für die Ionenimplantati on ist die Verwendung eines Arbeitsgases unerwünscht. Die Verwendung großflächiger Anoden bedeutet abgesehen vom hohen mechanischen Aufwand eine Einschränkung der Flexibilität beim Einsatz solcher Quellen sowie u. U. eine erhöhten Platzbedarf in den entsprechenden Vakuumkammern.When using a vacuum arc plasma source as the ion source for the ion implantation on the use of a working gas is undesirable. The use of large anodes apart from the high mechanical effort means a restriction of flexibility when using such sources and u. U. an increased space requirement in the corresponding Vacuum chambers.
Aufgabe der Erfindung ist eine Vakuumbogen-Plasmaquelle mit Magnet-Partikelfilter, bei der die Bogenentladung ohne Arbeitsgas stabil brennt und die eine kompakte Bauform aufweist.The object of the invention is a vacuum arc plasma source with magnetic particle filter, in which the arc discharge burns stably without working gas and has a compact design.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine spezielle Anordnung von Magnetfeldern gelöst. Dabei baut die Erfindung im wesentlichen auf einer axialsymmetrischen Vakuumbogen-Entla dungsanordnung aus einer wassergekühlten Kathode, einer ringförmigen wassergekühlten Anode und einem die Kathode umgebenden elektrostatischen Schirm auf, wobei diese Teile auf einem Vakuumflansch montiert sind. Außerdem wird ein an sich bekannter Magnet-Partikelfil ter eingesetzt.According to the invention, the object is achieved by a special arrangement of magnetic fields. The invention is essentially based on an axially symmetrical vacuum arc discharge arrangement of a water-cooled cathode, an annular water-cooled Anode and an electrostatic screen surrounding the cathode, these parts on are mounted on a vacuum flange. In addition, a known magnetic particle film ter used.
Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet, daß der größte axiale Abstand der dem Filter zu gewandten Begrenzungsfläche der Anode von der Kathodenstirnfläche kleiner ist als der Durchmesser der Anodenöffnung, daß sich innerhalb des Körpers der Anode eine Kompensa tionsspule befindet, daß die Kompensationsspule in axialer Richtung zwischen der Stirnfläche der Kathode und der Filterspule angeordnet ist und daß die Kompensationsspule und die Filterspule entgegengesetzt geschaltet sind, so daß deren Magnetfelder entgegengesetzt gerichtet sind.The solution according to the invention includes that the greatest axial distance to the filter facing boundary surface of the anode from the cathode face is smaller than that Diameter of the anode opening so that there is a compensator within the body of the anode tion coil is located that the compensation coil in the axial direction between the end face the cathode and the filter coil is arranged and that the compensation coil and the Filter coils are connected in opposite directions so that their magnetic fields are directed in opposite directions are.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Fokusspule vorgesehen, welche die Kathode derart umgibt, daß der Abstand der Kathodenstirnfläche vom Mittelpunkt der Fokus spule kleiner als die halbe Summe von Länge und Innenradius der Fokusspule ist. Die Fokus spule erzeugt ein bezüglich des Filter-Magnetfeldes gleichgerichtetes Magnetfeld.In an advantageous embodiment of the invention, a focus coil is provided, which the Surrounds cathode such that the distance of the cathode face from the center of focus coil is less than half the length and inner radius of the focus coil. The focus coil generates a magnetic field which is rectified with respect to the filter magnetic field.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet eine oder mehrere konzentrisch angeordnete Steuerspulen, die sich zwischen der Kathode und dem Vakuumflansch befinden und die zur Steuerung der Brennpunktbewegung dienen.The further embodiment of the invention includes one or more concentrically arranged Control coils, which are located between the cathode and the vacuum flange and which for Control the focus movement.
Die Kathode kann jeweils kegelstumpf- oder scheibenförmig ausgebildet sein.The cathode can be frustoconical or disc-shaped.
Die Dimensionierung der einzelnen Spulen bezüglich Abmessungen, Lage, Windungszahl und Stromstärke gestaltet der Fachmann innerhalb der genannten Einschränkungen in Abhängigkeit von der Geometrie der Plasmaquelle. Ziel ist dabei eine durch Überlagerung der von den einzelnen Spulen erzeugten Magnetfelder erzeugte Magnetfeldstruktur, die sich durch ein Gebiet verschwindender Feldstärke in Anodennähe auszeichnet. Dadurch wird unter gleichen Magnetfeld-Bedingungen ein maximaler Ionenstrom am Filterausgang und eine minimale Bogenbrennspannung erreicht. Letztere ist dabei auch bei Verwendung einer ringförmigen und damit kleinen Anode gegenüber der Bogenbrennspannung ohne Magnetfelder nur in einem Maße erhöht, das keine Verwendung eines Arbeitsgases zur Stabilisierung der Entladung erfordert.The dimensioning of the individual coils with regard to dimensions, position, number of turns and The person skilled in the art designs the current strength within the restrictions mentioned on the geometry of the plasma source. The goal is one by superimposing the Magnetic fields generated by individual coils generated magnetic field structure, which is characterized by a Area of vanishing field strength near the anode. This will make the same Magnetic field conditions a maximum ion current at the filter output and a minimum Arc voltage reached. The latter is also when using an annular and small anode compared to the arc voltage without magnetic fields in only one Dimensions increased that no use of a working gas to stabilize the discharge requires.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zu gehörigen Zeichnung zeigen The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the too show proper drawing
Abb. 1 die Prinzipdarstellung der Erfindung im Teilschnitt,1 shows the basic illustration of the invention in partial section,
Abb. 2 den typischen Feldlinienverlauf des Magnetfeldes im Bereich von Entladungs anordnung und Filtereingang. Fig. 2 shows the typical field line course of the magnetic field in the area of the discharge arrangement and filter input.
Im wesentlichen besteht die rotationssymmetrische Vakuumbogen-Entladungsanordnung aus einer wassergekühlten, scheibenförmigen Kathode 1, die von einer kreisringförmigen, ebenfalls wassergekühlten Anode 2 axial versetzt umgeben ist und einem die Kathode konzentrisch umgebenden elektrostatischen Schirm 3. Diese Teile sind auf einem Vakuumflansch 4 montiert, der über einen Zwischenflansch 5 an dem Magnet-Partikelfilter befestigt wird. Dieser besteht aus einem äußeren Rohr 6, welches an der Vakuumkammer befestigt ist und welches die Filterspule 7 trägt, sowie einem inneren Rohr 8, das zum Vermeiden von Partikel-Reflexionen aus zahlreichen Lamellen aufgebaut ist und das von der restlichen Anordnung elektrisch isoliert ist. Die Kathode 1 ist von der Fokusspule 9 konzentrisch umgeben. Hinter der Kathode 1 sind konzentrisch zwei Steuerspulen 10 angeordnet. Die Kompensationsspule 11 befindet sich im Kanal der Wasserkühlung der Anode 2.Essentially, the rotationally symmetrical vacuum arc discharge arrangement consists of a water-cooled, disk-shaped cathode 1 , which is surrounded axially offset by an annular, likewise water-cooled anode 2 and an electrostatic screen 3 surrounding the cathode concentrically. These parts are mounted on a vacuum flange 4 , which is attached to the magnetic particle filter via an intermediate flange 5 . This consists of an outer tube 6 , which is attached to the vacuum chamber and which carries the filter coil 7 , and an inner tube 8 , which is constructed from numerous lamellae to avoid particle reflections and which is electrically insulated from the rest of the arrangement. The cathode 1 is concentrically surrounded by the focus coil 9 . Two control coils 10 are arranged concentrically behind the cathode 1 . The compensation coil 11 is located in the channel for water cooling of the anode 2 .
Die Filterspule 7 erzeugt im inneren Rohr 8 ein axial gerichtetes Filter-Magnetfeld. Bei fest gewähltem Filter-Magnetfeld wird das Fokussierungsmagnetfeld im Bereich vor der Kathodens tirnfläche im wesentlichen durch die Spulen 7 und 11 beeinflußt.The filter coil 7 generates an axially directed filter magnetic field in the inner tube 8 . With a fixed filter magnetic field, the focusing magnetic field in the area in front of the cathode face is essentially influenced by the coils 7 and 11 .
Die Variation des Fokussierungsmagnetfelds erfolgt durch Variation der Stromstärken der Spulen 7 und 11, wobei der zulässige Bereich der Stromstärken relativ breit ist. Die Stromstärke von Spule 11 darf nur nicht zu klein sein, weil sich sonst das Gebiet verschwindender Feldstärke innerhalb des Anodenquerschnitts befinden kann. Zu bevorzugen ist eine Variante, bei der die Windungzahlen der Spulen 7 und 11 so aufeinander abgestimmt werden, daß bei Reihen schaltung dieser Spulen (d. h. gleiche Stromstärke) und stromloser Fokusspule 9 das Magnetfeld im Bereich der Kathodenstirnfläche gerade kompensiert wird. Mit der Fokusspule 9 kann dann das Fokussierungsmagnetfeld zwischen Kathodenstirnfläche und Filtereingang unabhängig vom Filter-Magnetfeld eingestellt werden. Dem für einen maximalen Ionenstrom am Filterausgang und gleichzeitig minimaler Bogenbrennspannung erforderlichen optimalen Fokussierungs magnetfeld entspricht dabei eine optimale Lage des kreisringförmigen Gebiets verschwindender Feldstärke 12 in Anodennähe. Auf die Verwendung der Fokusspule 9 kann aber auch ganz verzichtet werden, in diesem Fall wird die Stromstärke der Kompensationsspule 11 so gewählt, daß das Filter-Magnetfeld im Bereich der Kathodenoberfläche nur teilweise kompensiert wird. The focusing magnetic field is varied by varying the current intensities of the coils 7 and 11 , the permissible range of the current intensities being relatively wide. The current strength of coil 11 may not be too small, because otherwise the area of vanishing field strength may be within the anode cross section. A variant is preferred in which the number of turns of the coils 7 and 11 are coordinated with one another in such a way that when these coils are connected in series (ie the same current strength) and the currentless focus coil 9, the magnetic field in the region of the cathode end face is just compensated. With the focus coil 9 , the focusing magnetic field between the cathode face and the filter input can then be set independently of the filter magnetic field. The optimal focusing magnetic field required for a maximum ion current at the filter output and at the same time a minimal arc voltage corresponds to an optimal position of the circular area of vanishing field strength 12 in the vicinity of the anode. However, the use of the focus coil 9 can also be dispensed with entirely, in this case the current strength of the compensation coil 11 is selected such that the filter magnetic field in the region of the cathode surface is only partially compensated for.
Als Kathodenmaterialien wurden Chrom und Aluminium verwendet. Jeweils eine der Steuer spulen 10 ist in bezug auf die Filterspule 7 in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung geschaltet.Chromium and aluminum were used as cathode materials. Each one of the control coils 10 is connected in the same or opposite direction with respect to the filter coil 7 .
Im ersten Fall erfolgt der Kathodenabtrag im äußeren Randbereich. Bei einem Bogenstrom von 100 A, einem Filter-Magnetfeld von etwa 18 mT auf der Filterachse, einer Biasspannung von +20 V am inneren Filterrohr 8 und einem Ablenkwinkel von 90 Grad wird ein maximaler Ionenstrom am Filterausgang von 1,1 A bei Chrom und 1,85 A bei Aluminium erreicht, wobei der Ionenstrom am Filtereingang 6 A bzw. 10 A beträgt. Die Filtertransmission beträgt demnach jeweils 18,5%. Die minimale Bogenbrennspannung für Chrom beträgt etwa 24 V.In the first case, the cathode is removed in the outer edge area. With an arc current of 100 A, a filter magnetic field of approximately 18 mT on the filter axis, a bias voltage of +20 V on the inner filter tube 8 and a deflection angle of 90 degrees, a maximum ion current of 1.1 A for chrome and 1 , 85 A for aluminum, the ion current at the filter input being 6 A or 10 A. The filter transmission is therefore 18.5% each. The minimum arc voltage for chrome is around 24 V.
Im zweiten Fall erfolgt der Kathodenabtrag weiter innen, der Ionenstrom am Filterausgang ist 10 bis 20% geringer, die Stromdichte im Bereich der Filterachse jedoch höher als im ersten Fall. Die minimale Bogenbrennspannung für Chrom beträgt hier 25-26 V.In the second case, the cathode is removed further inside, the ion current is at the filter outlet 10 to 20% lower, but the current density in the area of the filter axis is higher than in the first Case. The minimum arc voltage for chrome here is 25-26 V.
Um auch den zentralen Bereich der Kathode abzutragen, wird die äußere Steuerspule in bezug auf das Filter-Magnetfeld in die gleiche Richtung und die innere Steuerspule in die entgegenge setzte Richtung geschaltet. Mit Hilfe der zwei Steuerspulen 10 kann so der Brennpunkt gezielt über die gesamte Oberfläche der Kathode geführt werden.In order to also remove the central area of the cathode, the outer control coil is switched in the same direction with respect to the filter magnetic field and the inner control coil is switched in the opposite direction. With the help of the two control coils 10 , the focal point can be guided specifically over the entire surface of the cathode.
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Legal Events
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