DE3345442A1

DE3345442A1 - Vorrichtung und verfahren zum stabilisieren eines verdampfungslichtbogens

Info

Publication number: DE3345442A1
Application number: DE19833345442
Authority: DE
Inventors: Anthony R. T. St. Paul Minn. Lefkow
Original assignee: Vac Tec Systems Inc
Current assignee: Vac Tec Systems Inc
Priority date: 1983-12-07
Filing date: 1983-12-15
Publication date: 1985-07-04
Also published as: FR2556373B1; FR2556373A1; DE3345442C2; GB2150947A; GB8332649D0

Description

PRINZ, LEISER BUNKE & PARINbH

F'alenlanwaltci t uroper-n ^a lon'. Attorneys

München „ Stuttgart 3345442

14. Dezember 19 83

Vac-Tec Systems, Inc.
2590 Central Avenue

Boulder, Colorado 80301 /V.St.A.

Unser Zeichen: V 780

Vorrichtung und Verfahren zum Stabilisieren eines

Verdarapfungslichtbogens

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Lichtbogenstabilisierungsprozesse und auf Vorrichtungen, die beispielsweise in Lichtbogenbeschichtungssystemen angewendet werden können. Solche Beschichtungssysteme sind in den
US-PS 3 625 848, 3 836 451, 3 783 231 und 3 793 179 beschrieben. Diese Systeme zeichnen sich durch hohe Beschichtungsraten und weitere vorteilhafte Merkmale aus. Diese Vorteile können jedoch wegen einer Instabilität
des Lichtbogens nicht voll zur Geltung kommen. In einem Lichtbogen fließen Ströme von etwa 60 A oder mehr, die

in einem Kathodenfleck konzentriert sind, der so klein

2 5 2

ist, daß sich Stromdichten von 1,5-10 bis 1,5-10 A/cm

ergeben. Die Spannungen liegen zwischen 15 und 45 V.
Die Leistungsdichten an dem winzigen Kathodenfleck liegen in der Größenordnung von Megawatt pro Quadratzentimeter. Hier nur von heftigen Erscheinungen zu sprechen,

Schw/bl

* ·5< 3345ΑΛ2

wäre eine Untertreibung. Die Targetoberfläche unter dem Kathodenfleck verdampft aufgrund der intensiven Hitze blitzartig. Das verdampfte Targetinaterial schlägt sich als Beschichtung auf einem Substrat nieder. Der Kathodenfleck wandert auf der Target! liiche in einer zufälligen, ruckartigen Bewegung umher, wobei von Geschwindigkeiten von mehreren Metern pro Sekunde berichtet worden ist. Wegen dieser zufälligen Bewegung kann es zu einer Beschädigung der Vorrichtung und zu einer Verunreinigung der Beschichtung kommen, wenn der Kathodenfleck von der Targetoberfläche wegwandert.

Für dieses Instabilitätsproblem des Lichtbogens sind verschiedene Lösungen angegeben worden. In der US-PS

jg 3 793 179 wird nahe der Kante des Targets eine Abschirmung angeordnet. Insbesondere wird diese Abschirmung in einem Abstand von dem Target angebracht, der kleiner als die mittlere freie Weglänge des vorhandenen Gases ist. Bei einer Lichtbogenentladung werden am Kathoden-

„Q fleck Gas und Plasma mit ausreichender Heftigkeit erzeugt, so daß die örtlichen mittleren freien Weglängen gelegentlich auf einige Tausendstel Zentimeter reduziert werden können. Wenn ein solcher Verdampfungsstoß mit hohem örtlichem Druck unter die Abschirmung geblasen wird, die sich in einen Abstand von mehreren Millimetern (ungefähr 80 Tausendstel inch) befindet, besteht die Möglichkeit, daß der Lichtbogen unter der Abschirmung hindurchwandert. Wenn dies geschieht, ergibt sich eine Lichtbogenzerstörung der Kathode, das verdampfte Material wird verun-

reinigt oder der Lichtbogen erlischt. 30

In der US-PS 3 783 231 wird das oben geschilderte Problem dadurch berücksichtigt, daß ein komplizierter Rückkopplungsmechanismus vorgesehen wird. Dieser Rückkopplungsmechanismus umfaßt die Anwendung eines Magnetfeldes zum Zurückhalten des Kathodenflecks auf der Targetoberfläche. Auch in der US-PS 2 972 685 wird die¹ Verwendung eines Magnetfeldes zum Zurückhalten des Kathodenflecks ange-

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geben.

Mit Hilfe der Erfindung soll in einem Lichtbogenverdampfungsprozeß eine Stabilisierung des Lichtbogens bei nicht permeablen Targets in einer Weise erzielt werden, daß die Unzulänglichkeiten und die Kompliziertheit bisher angewendeter Lösungen vermieden werden. Ferner soll ein Lichtbogenbegrenzungsring für nicht permeable Targets geschaffen werden, der robust und trotzdem kostengünstig ist. Die zu schaffende Lichtbogenstabilisierung soll auch für die Verwendung bei Lichtbogenbeschichtungsprozessen geeignet sein.

Diese Ziele werden dadurch erreicht, daß ein vorbestimmter Bereich der Verdampfungsfläche eines nicht permeablen Targets von einem Begrenzungsring umgeben wird, der aus permeablem Material hergestellt ist, das den Lichtbogen immer wieder auf die Verdampfungsfläche zurücklenkt, wenn er sich dem Begrenzungsring annähert. 2Q Anschließend wird ein solcher Ring als "P-Ring" bezeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Lichtbogenstabilisierung nach der Erfindung, in der ein nicht permeables Target von einem permeablen Ring begrenzt wird,

Fig. 2a einen Schnitt zur Veranschaulichung des Erosionsmusters, das sich ergibt, wenn ein permeables Target durch einen N-Ring begrenzt ist,

Fig. 2b einen schematischen Schnitt, der das gleichmäßige Erosionsmuster veranschaulicht, das sich ergibt, wenn ein nicht permeables Target durch

einen N-Ring gemäß der USA-Patentanmeldung 492

831 vom 9. Mai 1983 begrenzt wird,

Fig. 3a, 3b, 4a und 4b unter Verwendung von Eisenfeilspänen aufgenommene Diagramme im Schnitt, die

verschiedene Bedingungen bei permeablen und nicht permeablen Targets erkennen lassen.

Es wird nun auf die Zeichnung Bezug genommen, in der gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet sind.

In Fig. 1 ist ein nicht permeables Target 10 dargestellt,das mittels eines Lichtbogenbegrenzungsrings 14 an einem wassergekühlten Kathodenkörper 12 festgehalten

-,ρ- ist. Der Ring besteht aus magnetisch permeablem Material wie Weicheisen oder Permalloy. Tatsächlich kann jedes als permeabel betrachtete Material verwendet werden, also beispielsweise Eisen, Nickel, Kobalt oder Legierungen dieser Materialien mit kleinen Anteilen wahl-

_on weise hinzugefügter Zusätze, Ferrite, Stahl u.dgl. Wie unten noch genau erläutert wird, hält der Ring aufgrund seiner permeablen Eigenschaft den Lichtbogen auf dem nicht permeablen Target fest, so daß die gewünschte Lichtbogenstabilisierung in einer robusten und trotzdem kostengünstigen Weise erreicht wird. Außerdem kann

der Ring das Target bezüglich des Kathodenkröpers gemäß der Darstellung mit Hilfe von Bolzen 16 festhalten. Wie oben erwähnt wurde, wird ein zur Erzielung der Lichtbogenstabilisierung verwendeter permeabler Ring anschließend als "P-Ring" bezeichnet. ^

Die in Fig. 1 ebenfalls schematisch dargestellten Bauteile, die bei der Lichtbogenbedampfung angewendet werden, enthalten eine Anode 22, eine Energiequelle 24 und ein Substrat 26. Es werden typischerweise (nicht

dargestellte) Mittel benutzt, um einen Lichtbogen zwischen der Anode und dem Target zu erzeugen, das typischerweise auf dem Kathodenpotential liegt. Der

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Lichtbogen ist durch Anwesenheit geladener Teilchen und durch einen Kathodenfleck gekennzeichnet, der in zufälliger Weise über die Targetoberfläche wandert. Sobald der Lichtbogen erzeugt ist, wird das Targetmaterial wegen der hohen Energie des Lichtbogens verdampft, wobei die mittleren Energiewerte geladener Teilchen des Lichtbogens von 20 bis 100 eV und typischerweise von 40 bis 60 eV reichen. Das verdampfte Material wird auf dem Substrat abgeschieden, das in gewissen Fällen auch als Anode wirken kann. Das nicht permeable Target kann aus einem elektrisch leitenden Material wie Metall oder einem elektrisch isolierenden Material bestehen. Die Energiequelle 26 ist typischerweise für elektrisch leitende Targets eine Gleichstromquelle und

,μ· für elektrisch isolierende Targets eine Hochfrequenzquelle. Das Target und die Kathode können in einigen Fällen das gleiche Teil sein.

Die Lichtbogenstabilisierung wird in der oben erwähnten _9Γ1 USA-Patentanmeldung 492 831 dadurch erzielt, daß das Target von einem Begrenzungsring aus einem Material wie Bornitrid oder Titannitrid umgeben wird. Diese Art des Rings wird anschließend als "N-Ring" bezeichnet.

Obwohl eine Einschränkung auf eine bestimmte Theorie der Wirkungsweise nicht beabsichtigt ist, sind die folgenden Überlegungen offensichtlich auf die erfindungsgemäßen P-Ringe anwendbar. Es ist beobachtet worden,

daß ein im Vakuum erzeugter Lichtbogen, der auf ein 30

nicht permeables Target trifft, in zufälliger Weise herumwandert und in etwa einer Sekunde das Target oft verläßt und auf andere Bereiche der Kathode .wandert. Bei einem permeablen Target springt der Lichtbogen innerhalb von Millisekunden auf andere Kathodenbereiche

über. Zur Erzielung nicht verunreinigter Beschichtungen muß der Lichtbogen jedoch auf dem Target bleiben.

Wegen der schnellen Abwanderung des Lichtbogens von ungeschützten permeablen Targets hat die Anmelderin den Versuch gemacht, ein kreisförmiges Target aus Permalloy, das mit einem N-Ring verbunden ist, mittels eines Lichtbogens zu verdampfen. Dies ergab eine Erosion nur nahe beim N-Ring, wie aus Fig. 2a zu erkennen ist, in der das Target 10, der N-Ring 18, der Kathodenkörper 12 und das Erosionsmuster 20 erkennbar sind. Fig. 2b zeigt das normale Erosionsmuster 20 für nicht permeable Targets, die mit einem N-Ring gemäß der erwähnten USA-Patentanmeldung 492 831 erhalten wird. Eine Untersuchung des Targets von Fig. 2a ergibt, daß der Lichtbogen zur Bewegung gegen den Rand des permeablen Targets beeinflußt wird, da kein anderer Grund für die Annahme vorhanden ist, daß er sich ausgerechnet gegen den N-Ring bewegt. Die frühe Literatur über Magnetfelder, die auf einen im Vakuum gezündeten Lichtbogen angewendet werden, gibt an, daß sich der Lichtbogen sehr schnell in Richtung der größten Magnetfelddichte bewegt. Unter der Annahme, daß dies auch der Mechanismus ist, der den Lichtbogen zum Rand des Targets in Fig. 2a drängt, scheint es, daß sich der Lichtbogen von dem permeablen Material wegbewegt, das die Felddichte herabsetzt.

Ein weiterer Einblick mit Bezugnahme auf den Eingrenzungsmechanismus ergibt sich aus dem Aufsatz von Naoe und Yamanaka "Vacuum-Arc Evaporations of Ferrits and Compositions of their Deposits", Japanese Journal of

Applied Physics, Band 10, Nr. 6, Juni 1971, wo die 30

Lichtbogenverdampfung von Ferritzusammensetzungen aus

einem schalenförmigen Ferrittarget beschrieben ist. Dabei wurde ein geschmolzener Anteil des Targets erhalten, und die Oxidmaterialien verhielten sich sehr unterschiedlich zu den Metallen. Es wird von einem sehr 35

stabilen Lichtbogen berichtet, der sich in einer sehr langsamen Kreisbewegung etwa in der Mitte der Schale bewegte. Es erfolgte keine Bezugnahme darauf als uncjc-

wohnliches Verhalten, jedoch wurden eingehende Einzelheiten der visuell beobachteten Lichtbogenbewegung angegeben. Schlußfolgerungen in bezug auf das allgemeine Einschränken des Lichtbogens fehlten.

Zum besseren Verständnis dieser Erscheinung wurde von der Anmelderin ein Gleichstrom durch einen Draht geschickt, damit ein zylindrisches Magnetfeld des Typs erzeugt wurde, das auch der Lichtbogen nahe beim Target

IQ zu erzeugen scheint. Dieser Draht wurde in der Nähe verschiedener geometrischer Formen permeabler Targets gebracht, und es wurden Diagramme unter Verwendung von Eisenfeilspänen erzeugt, damit ein Einblick in den magnetischen Einfluß dieser permeablen Materialien

-,C auf das Magnetfeld erhalten wurde.

Es sei bemerkt, daß sich diese Anordnung geringfügig von der Anwendung eines mit dem Lichtbogenfeld gemäß den oben erwähnten US-PS 2 972 695 und 3 783 231 in _9n Wechselwirkung tretenden Magnetfeld unterscheidet, da kein externes Feld angelegt wird. Wenn Strom durch den Draht geleitet wird, wird der Magnetfluß symmetrisch um den Draht erzeugt. Wenn zwei parallel zueinander an-, geordnete Drähte in der gleichen Richtung von Strom

durchflossen werden, ziehen sich die Drähte gegenseitig 25

an. Das zwischen den Drähten erzeugte Feld wird aufgehoben, da die Flußrichtung auf der rechten Seite des Drahtes von der Flußrichtung auf der linken Seite des Drahtes verschieden ist.

Tatsächlich ist jedoch ein Lichtbogen etwas ganz Besonderes, und die modellhafte Darstellung als stromdurchflossener Draht ist kein wahrer Anzeiger dafür, was ein Lichtbogen tun wird. Wenn im Lichtbogen ein ausreichend großer Strom fließen kann, teilt er sich in zwei simultane Lichtbogenflecke auf, die sich unabhängig voneinander auf der Kathodenoberfläche herumbewegen. Dies ist geradezu das Gegenteil von Drähten, die sich

beim Schließen des Stroms zueinander bewegen. Eine einfache Erklärung dieses Unterschiedes zwischen dem Lichtbogen und dem Draht wird manchmal unter Bezugnahme darauf gegeben, daß sich Elektronen in dem Lichtbogen auch in seitlicher Richtung frei im Raum bewegen können, während sie im Draht eingeschlossen sind. Sie versuchen zwar, sich im Draht seitlich zu bewegen und erzeugen dabei gleiche und entgegengesetzte, auf die Drähte einwirkende Kräfte. Dadurch bewegt sich der Draht entge-

IQ gengesetzt zur Bewegungsrichtung des Lichtbogen-, wo die Größe der einen Lichtbogen gegen den Rand eines permeablen Targets bewegenden Kraft beträchtlich gegenüber den zufälligen Bewegungskräften ist, die dön Lichtbogen typischerweise über ein nicht permeables Target bewegen.

In den Figuren 3a, 3b, 4a und 4b sind unter Verwendung von Eisenfeilspänen aufgenommene Diagramme dargestellt, die sich bei verschiedenen Bedingungen mit permeablen

„_n und nicht permeablen Targets ergeben. In Fig. 3a ist eine abnehmende Flußdichte 23 bei Annäherung an die Eisenplatte 32 erkennbar, da die Flußlinien (von denen nur der Querschnitt zu erkennen ist) in das Eisen gezogen werden, da sie in diesem bevorzugt verlaufen. Bei

_oc- Verwendung des Aluminiumtargets 34 bleibt der Fluß bei Annäherung an die Platte sehr konstant, wie aus Fig. 3b zu erkennen ist. Bei einer Bewegung gegen den Rand des Targets nach Fig. 4b ergibt sich für den Fall des Aluminiumtargets keine Änderung. Die Bewegung zum Rand des Eisentargets erzeugt jedoch nach Fig. 4a einen relativ starken Fluß außerhalb des Targets, während im Innenbereich praktisch kein Fluß vorhanden ist. Mit der auf den Lichtbogen ausgeübten, nach auswärts gerichteten Kraft läßt sich ohne weiteres verstehen, daß der

Lichtbogen zum Außenrand wandert. Wenn sich der Licht-35

bogen exakt in der Targetmitte befindet, treten keine Kräfte auf, jedoch führt die normale Zufallsbewegung des Lichtbogens schnell dazu, daß er aus der Mitte ge-

stoßen wird. Wenn er sich einem Rand nähert, wird die auf den Rand gerichtete Kraft immer größer. Es ist daher gut verständlich, daß die Erosion in der in Fig.2a dargestellten Weise erfolgt, da der Lichtbogen zwischen der induzierten, nach außen gerichteten elektromagnetischen Kraft und dem N-Ring eingefangen wird, der ihn daran hindert, sich weiter nach außen zu bewegen. Lediglich in die Ebene von Fig. 2a besteht eine relative Bewegungsfreiheit. Der Lichtbogen bewegt sich daher ^O senkrecht zu der gebildeten Falle um das Target. Die Lichtbogenbewegung soll hier nicht vollständig definiert werden, es soll lediglich gezeigt werden, daß gewisse Aspekte zum Zwecke der Kontrolle merklich beeinflußt werden können.

Bei der Ausführung von Fig. 1 liegt somit eine geringere

Flußdichte vor, wenn sich der Lichtbogen an den permeablen Ring annähert, weil die Kraftlinien leichter durch den Ring verlaufen. Das von dem Strom des Lichtbogens „_n im Vakuum erzeugte Magnetfeld tritt mit dem permeablen Begrenzungsring in Wechselwirkung, so daß sich ein vollständiges Einschließen des Lichtbogens aus dem Target ergibt. Die auf den Lichtbogen einwirkende Kraft ist daher stets vom Ring gegen die Fläche der größeren

Flußdichte des Targets gerichtet.
25

Es sei bemerkt, daß das permeable Material des Begrenzungsrings eine höhere Lichtbogenspannung als das Targetmaterial hat. In der Literatur wird berichtet, daß

ein Lichtbogen, der von einem Material mit höherer 30

Lichtbogenspannung zu einem Material mit niedrigerer Lichtbogenspannung gewandert ist, nicht mehr zurückkehrt. Dies ist nur in einem beiläufigen Kommentar angegeben, jedoch ist es ein zusätzlicher möglicher

Weg zur Erzielung der Lichtbogeneingrenzung. Außerdem 35

stellt sich die Frage, was geschieht, wenn eine ausreichende Schicht eines Targetmaterials mit niederigerer Spannung das andere Material überzieht. Eisen ist als

das Metall mit der höchsten Lichtbogenspannung angegeben, so daß das erfindungsgemäße Lichtbogenbegrenzungsmaterial in zwei Hinsichten vorteilhaft ist, d.h. hinsichtlich der hohen Lichtbogenspannung und hinsichtlich der Permeabilität. Die Permeabilität wird jedoch als der Hauptfaktor angesehen, da der Lichtbogen geneigt ist, stets von dem Begrenzungsring unter Modifizierung des Erosionsmusters entfernt zu bleiben. Dies ist völlig verschieden von einem Target, das von einem N-Ring festgehalten wird und das nahe bei dem Ring sehr gleichmäßig erodiert wird.

Der P-Ring gemäß der Erfindung kann eine sehr gleichmäßige Erosion ergeben, und er ist wegen seiner robusten 2g und doch kostengünstigen Konstruktion sehr vorteilhaft.

Es ist zu erkennen, daß die obige Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung nur beispielshalber erfolgte. Die verschiedenen Einzelheiten „₀ können im Rahmen der Erfindung ohne weiteres modifiziert werden.

Claims

PRINZ, LEISER, BLINKE & PARTNER F'atcMtnnw.ilU I uroi-c <.ii P.itriit Attui tn-y;; München Stuttgart 3 3 4 5 A- A 14. Dezember 19 83 Vac-Tec Systems, Inc. 2590 Central Avenue Boulder, Colorado 80301 /V.St.A. Unser Zeichen: V 780 Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Stabilisieren eines Verdampfungslichtbogens, gekennzeichnet durch ein Target mit einer Oberfläche aus einem nicht permeablen zu verdampfenden Material, Mittel zum Erzeugen eines Lichtbogens auf der Targetoberfläche zum Verdampfen des Targetmaterials, wobei der Lichtbogen geladene Teilchen enthält und einen Kathodenfleck bildet, der in zufälliger Weise über die Targetoberfläche wandert, und einen Begrenzungsring, der die Targetoberfläche umgibt, wobei dieser Ring aus einem magnetisch permeablen Material besteht, damit der Kathodenfleck auf die Targetoberfläche begrenzt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Energie der geladenen Teilchen des Lichtbogens etwa 20 bis 100 eV beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Energie der geladenen Teilchen des Lichtbogens 40 bis 60 eV beträgt.

Schw/bl

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das permeable Material Weicheisen oder Permalloy ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Substrat, auf dem das verdampfte Targetmaterial als Überzug abgeschieden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode und das Substrat das gleiche Teil sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target aus einem elektrisch leitenden Material besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Target aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht.

on

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des Lichtbogens auf der Targetoberfläche eine Kathode und eine Anode enthalten.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Target auf der Kathode befestigt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Target und die Kathode das gleiche Teil sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 30

daß der Begrenzungsring mit dem Target in Kontakt steht.

13. Verfahren zum Stabilisieren eines Verdampfungslichtbogens, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer

Oberfläche eines Targets aus nicht permeablem Material 35

zum Verdampfen des Targets ein Lichtbogen erzeugt wird, ' der geladene Teilchen enthält und einen Kathodenfleck bildet, der in zufälliger Weise über die Targetober-

fläche wandert, und daß der Lichtbogen auf der Targetoberfläche mittels eines Begrenzungsrings festgehalten wird, der die Targetoberfläche umgibt, wobei der Ring aus magnetisch permeablem Material besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Energie der geladenen Teilchen des Lichtbogens etwa 20 bis 100 eV beträgt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Energie der geladenen Teilchen des Lichtbogens 40 bis 60 eV beträgt.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das permeable Material Weicheisen oder Permalloy

ist.

17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Target aus einem elektrisch leitenden Material besteht.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material ein metallisches Material ist.

19. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

daß das Target aus elektrisch isolierendem Material besteht.

20. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, 30

daß das verdampfte Targetmaterial als Überzug auf ein Substrat aufgebracht wird.

21. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsring mit dem Target in Kontakt steht.