DE29505888U1

DE29505888U1 - Device for igniting a vacuum arc

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Publication number: DE29505888U1
Application number: DE29505888U
Authority: DE
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
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Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1995-04-05
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2005-04-06

Description

VON ARDENNE ANLAGENTECHNIK GMBH 30.03.95BY ARDENNE SYSTEMS ENGINEERING GMBH 30.03.95

01324 Dresden Stf ha 81401324 Dresden Stf ha 814

Vorrichtung zum Zünden eines VakuumlichtbogensDevice for igniting a vacuum arc

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zünden eines Vakuumlichtbogens, vorzugsweise zum Verdampfen von elektrisch leitfähigem Material oder für lonenstromquellen. The invention relates to a device for igniting a vacuum arc, preferably for vaporizing electrically conductive material or for ion current sources.

Vakuumlichtbögen werden in Dampfquellen mit selbstverzehrender (kalter) Katode und inaktiver Anode (z.B. US 36 25 848, DE 41 09 213) oder einer selbstverzehrenden (heißen) Anode (z.B. DE 40 26 494) für das Beschichten von Gegenständen mit Metallen und (im reaktiven Betrieb) Isolatoren, für Getterpumpen zur Erniedrigung des Restgasdruckes in Vakuumkammern [z.B. D, Karpov, G. Saksagansky, Magnetically Stabilized Plasma Sources of Getter Films, Contrib. Plasma Phys. 30 (1990) 523-545] und in lonenquellen zur Erzeugung eines Plasmas [z.B. S. Anders, A. Anders, J. Brown, Vacuum Arc lon Sources: Some Vacuum Arc Basic and Recent Results, Rev. Sei. Instrum. 65 (1994) 1253-1257] eingesetzt.Vacuum arcs are used in vapor sources with a consumable (cold) cathode and inactive anode (e.g. US 36 25 848, DE 41 09 213) or a consumable (hot) anode (e.g. DE 40 26 494) for coating objects with metals and (in reactive operation) insulators, for getter pumps to reduce the residual gas pressure in vacuum chambers [e.g. D, Karpov, G. Saksagansky, Magnetically Stabilized Plasma Sources of Getter Films, Contrib. Plasma Phys. 30 (1990) 523-545] and in ion sources to generate a plasma [e.g. S. Anders, A. Anders, J. Brown, Vacuum Arc ion Sources: Some Vacuum Arc Basic and Recent Results, Rev. Sei. Instrum. 65 (1994) 1253-1257].

Bekanntermaßen muß ein im Vakuum brennender Lichtbogen initialisiert werden, das heißt eine Zündvorrichtung muß lokal einen ersten Bogendurchschlag zur Katode ermöglichen. Für die Zündung der Vakuumbogenentladung sind folgende Möglichkeiten und ihre Nachteile bekannt:As is well known, an arc burning in a vacuum must be initialized, that is, an ignition device must locally enable an initial arc breakdown to the cathode. The following options and their disadvantages are known for igniting the vacuum arc discharge:

- Kurzzeitiges Verbinden der Elektroden (Anode und Katode), wie es z.B. beim WIG-Schweißen üblich ist. Nachteilig hierbei ist, daß die Elektroden verschweißen können.- Short-term connection of the electrodes (anode and cathode), as is common in TIG welding, for example. The disadvantage here is that the electrodes can weld together.

- Kurzzeitiges Verbinden einer beweglichen Hilfselektrode mit der Katode (z.B. DE 40 22 308). Nachteilig sind die mechanisch und elektrisch aufwendige Drehoder Linearbewegung einer Hilfselektrode (Zündelektrode) auf Anoden- oder Hilfspotential zum Zwecke der kurzzeitigen Kontaktierung mit der Katode wobei zusätzlich die Gefahr des Haftens der Hilfselektrode besteht.- Short-term connection of a movable auxiliary electrode to the cathode (e.g. DE 40 22 308). The mechanically and electrically complex rotary or linear movement of an auxiliary electrode (ignition electrode) to anode or auxiliary potential for the purpose of short-term contact with the cathode is disadvantageous, with the additional risk of the auxiliary electrode sticking.

- Hochspannungsdurchbruch (Gleitfunken) entlang einer Isolatoroberfläche (DE 34 13 891). Nachteilig ist die gefährliche und zu unkontrollierten Überschlägen in der Elektronik führende Hochspannung im Bereich einiger 10 kV sowie die Verdampfung von Isoliermaterial.- High-voltage breakdown (sparking) along an insulator surface (DE 34 13 891). The disadvantage is the dangerous high voltage in the range of several 10 kV, which leads to uncontrolled arcing in the electronics, as well as the evaporation of insulating material.

- Flashverdampfung einer dünnen metallischen Schicht auf der Stirnfläche eines isolierenden, die Katode außen umgebenden keramischen Ringes (EP 0 211 413) oder Zylinders (DE 40 26 494) oder eines Keramikringes inmitten der Katode, der eine zentrale Hilfselektrode enthält [A. S. Gilmour, D.L Lockwood, Pulsed Metallic-Plasma Generators, Proc. IEEE 60 (1972) 977-991]. Die dünne elektrisch leitende Schicht ist etwa planparallel zur Katodenoberfläche eng neben der Katode angeordnet. Sie liegt in stand-by Schaltung an einer Hochstromquelle.- Flash evaporation of a thin metallic layer on the front surface of an insulating ceramic ring (EP 0 211 413) or cylinder (DE 40 26 494) surrounding the cathode on the outside or of a ceramic ring in the middle of the cathode which contains a central auxiliary electrode [AS Gilmour, DL Lockwood, Pulsed Metallic-Plasma Generators, Proc. IEEE 60 (1972) 977-991]. The thin electrically conductive layer is arranged approximately plane-parallel to the cathode surface close to the cathode. It is connected to a high-current source in standby mode.

Diese Art der Zündung ist vor allem wegen des Fehlens beweglicher mechanischer Teile, der einfachen elektrischen Steuerbarkeit und der Regenerierung durch Bedampfen beim Betreiben der Bogenentladung verbreitet. Im Gegensatz zu den beschriebenen Lösungen mit Hochspannungsdurchbruch entlang einer Isolatoroberfläche werden wesentlich geringere Spannungen eingesetzt, so daß keine unkontrollierten Überschläge auftreten können und auch kein Fremdmaterial verdampft wird. Nachteilig ist der Kostenaufwand. Zur Vermeidung der Erosion muß hochwertiges keramisches Material eingesetzt werden, z.B. Bornitrid. Außerdem sind die Ringe paßgenau zu fertigen, um einen geringen Abstand zwischen dem Katodenrand und der metallischen Schicht zu sichern. Das wiederum führt zu Problemen wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung.This type of ignition is widespread mainly because of the lack of moving mechanical parts, the simple electrical controllability and the regeneration by vapor deposition during operation of the arc discharge. In contrast to the described solutions with high-voltage breakdown along an insulator surface, much lower voltages are used so that no uncontrolled flashovers can occur and no foreign material is vaporized. The disadvantage is the cost. To avoid erosion, high-quality ceramic material must be used, e.g. boron nitride. In addition, the rings must be manufactured with a precise fit in order to ensure a small distance between the cathode edge and the metallic layer. This in turn leads to problems due to the different thermal expansion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Zündvorrichtung für Vakuumlichtbögen zu schaffen, die für den industriellen Einsatz vorzugsweise in Dampfquellen für Beschichtungszwecke und für Getterpumpen, aber auch für lonenquellen geeignet ist.The invention is based on the object of creating a cost-effective ignition device for vacuum arcs, which is suitable for industrial use, preferably in steam sources for coating purposes and for getter pumps, but also for ion sources.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine vorzugsweise stabförmige, mit einer dünnen elektrisch leitfähigen Schicht belegte Hilfselektrode aus Isoliermaterial mit einer Feder an die Katode gedrückt wird. Diese Feder dient gleichzeitig als elektrischer Stromleiter zur Hilfselektrode. Die Hilfselektrode wird mit einer Hochstromimpulsquelle verbunden, wodurch vorzugsweise an der Berührungsstelle auf dem Target ein elektrischer Durchschlag erfolgt, der den Vakuumlichtbogen auslöst.According to the invention, the object is achieved in that a preferably rod-shaped auxiliary electrode made of insulating material, covered with a thin electrically conductive layer, is pressed against the cathode with a spring. This spring also serves as an electrical current conductor to the auxiliary electrode. The auxiliary electrode is connected to a high-current pulse source, whereby an electrical breakdown occurs preferably at the point of contact on the target, which triggers the vacuum arc.

Es hat sich gezeigt, daß eine kalottenartig abgerundete Hilfselektrode und eine am katodenfernen Ende aufgepreßte, mit der elektrisch leitfähigen Schicht verbundene Metallkappe die Standzeit der Einrichtung wesentlich erhöhen.It has been shown that a dome-shaped, rounded auxiliary electrode and a metal cap pressed onto the end remote from the cathode and connected to the electrically conductive layer significantly increase the service life of the device.

Die Hilfselektrode kann, wie im Ausführungsbeispiel näher gezeigt wird, klein gehalten werden. Dadurch ist es möglich, die Elektrode auch durch kleinkalibrige Rohre in die Vakuumkammer zu bringen. Außerdem wird nur eine geringe Menge des Isoliermaterials benötigt. Der Fertigungsaufwand ist gering, da die Hilfselektrode direkt auf der Katode der elektrischen Stromquelle bzw. dem sich selbst verzehrenden Target einer Dampfquelle oder einem mit dem Target galvanisch verbundenen Ring mit federnder Vorspannung, vorzugsweise mit einer Blattfeder, aufgesetzt wird und die Feder gleichzeitig als Stromzuführung dient. Damit ist die Zündvorrichtung sehr kostengünstig herstellbar.The auxiliary electrode can be kept small, as shown in more detail in the example. This makes it possible to bring the electrode into the vacuum chamber through small-caliber pipes. In addition, only a small amount of insulating material is required. The manufacturing effort is low, since the auxiliary electrode is placed directly on the cathode of the electrical power source or the self-consuming target of a steam source or a ring galvanically connected to the target with spring preload, preferably with a leaf spring, and the spring simultaneously serves as a power supply. This means that the ignition device can be manufactured very inexpensively.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäß realisierte Zündeinrichtung schematisch dargestellt. Ein kurzer zylindrischer Körper 1 aus isolierendem Material ist mit einer dünnen elektrisch leitenden Schicht 2 belegt. Die Dicke der Schicht beträgt 2//m. Das katodenseitige Stirnende ist kalottenförmig ausgebildet. Das katodenferne Ende trägt eine aufgepreßte Metallkappe 5, die mit der Schicht 2 galvanisch verbunden ist. Die Kappe 5 ist an einer metallischen Blattfeder 4 befestigt, die mit der nicht dargestellten Hochstrom-Impulsquelle galvanisch verbunden ist. Mit der Blattfeder 4 wird die Hilfselektrode auf den Randbereich eines auf Katodenpotential liegenden metallischen Targets 3 oder eine andere, auf Katodenpotential liegende Elektrode in der Nähe des Targetrandes gedrückt. In Fig. 1 ist dies der metallischeIn Fig. 1, an ignition device implemented according to the invention is shown schematically. A short cylindrical body 1 made of insulating material is covered with a thin electrically conductive layer 2. The thickness of the layer is 2//m. The end face on the cathode side is dome-shaped. The end remote from the cathode has a pressed-on metal cap 5 which is galvanically connected to the layer 2. The cap 5 is attached to a metallic leaf spring 4 which is galvanically connected to the high-current pulse source (not shown). The leaf spring 4 is used to press the auxiliary electrode onto the edge area of a metallic target 3 which is at cathode potential or another electrode which is at cathode potential near the target edge. In Fig. 1, this is the metallic

Haltering 3a. Es entsteht eine durchgängige galvanische Verbindung von der nicht dargestellten Hochstromquelle zur Katode. Beim Zünden liefert die Hochstrom-Impulsquelle bei einer Spannung von 250 V einen Stromimpuls von 300 A während etwa 1 ji/s. Es entsteht ein elektrischer Durchschlag, der zum Verdampfen der elektrisch leitenden Schicht im Bereich der höchsten Stromdichte und zur Ionisierung des Dampfes führt. Die so gebildete Plasmafackel löst über eine nicht dargestellte Bogenstromquelle eine Bogenentladung zwischen der auf Anodenpotential liegenden Vakuumkammer (in Fig. 1 nicht dargestellt) und der Katode 3 aus. Dabei wird Targetmaterial in Form von Atomen, Clustern und Droplets abgetragen. Hierdurch kommt es zur Regenerierung der elektrisch leitenden Schicht 2 auf der Zündelektrode 1. Der Zündvorgang wird automatisch immer dann ausgelöst, wenn der Bogen verlischt und die Spannung zwischen Anode und Katode die Brennspannung deutlich übersteigt.Retaining ring 3a. A continuous galvanic connection is created from the high-current source (not shown) to the cathode. When ignited, the high-current pulse source delivers a current pulse of 300 A at a voltage of 250 V for about 1 ji/s. An electrical breakdown occurs, which leads to the evaporation of the electrically conductive layer in the area of the highest current density and to the ionization of the vapor. The plasma torch thus formed triggers an arc discharge between the vacuum chamber (not shown in Fig. 1) at anode potential and the cathode 3 via an arc current source (not shown). Target material is removed in the form of atoms, clusters and droplets. This leads to the regeneration of the electrically conductive layer 2 on the ignition electrode 1. The ignition process is automatically triggered whenever the arc goes out and the voltage between the anode and cathode significantly exceeds the burning voltage.

Claims

BY ARDENNE SYSTEMS ENGINEERING GMBH 30.03.95

01324 Dresden Stfha814

Protection claims

, Device for igniting a vacuum arc with an auxiliary electrode made of insulating material that is connected to a high-current pulse source and is covered with a thin electrically conductive layer, characterized in that the auxiliary electrode (1) is rod-shaped, is pressed resiliently onto the cathode (3) and the resilient element (4) serves as an electrical current conductor between a high-current pulse source and the auxiliary electrode.

2. Device according to claim 1, characterized in that the cathode-side end of the auxiliary electrode is rounded like a dome.

3. Device according to claim 1, characterized in that the coated body of the auxiliary electrode (1) is provided with a metal cap (5) which is galvanically connected to the electrically conductive layer (2).

For this 1 sheet drawing