DE3345493A1

DE3345493A1 - Vorrichtung zum stabilisieren eines verdampfungslichtbogens

Info

Publication number: DE3345493A1
Application number: DE19833345493
Authority: DE
Inventors: William M. Stillwater Minn. Mularie
Original assignee: Vac Tec Systems Inc
Current assignee: Vac Tec Systems Inc
Priority date: 1983-05-09
Filing date: 1983-12-15
Publication date: 1984-11-15
Also published as: NL181880B; FR2545840A1; GB2140040B; NL8400053A; GB2140040A; DE3345493C2; NL181880C; GB8332650D0; FR2545840B1; CA1210824A

Description

PRINZ, LEIS;ER_r: BUNKE-;& PARTNER

PatentaaWMtß." -lEui ocean. .Patent Attorneys

München Stuttgart

14. Dezember 1983

Vac-Tec Systems, Inc.
2590 Central Avenue

Boulder, Colorado 80301 /V.St.A.

Unser Zeichen: V 781

Vorrichtung zum Stabilisieren eines Verdampfungslichtbogens

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Lichtbogenstabilisierungsprozesse und auf Vorrichtungen, die beispielsweise in Lichtbogenbeschichtungssystemen angewendet werden können. Solche Beschxchtungssysteme 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 dein winzigen Kathodenfleck liegen in der Größenordnung von Megawatt pro Quadratzentimeter. Hier nur von heftigen Erscheinungen zu sprechen,

wäre eine Untertreibung. Die Targetoberfläche unter dem Kathodenfleck verdampft aufgrund der intensiven Hitze blitzartig. Das verdampfte Targetmaterial schlägt sich als Beschichtung auf einem Substrat nieder. Der Kathodenfleck wandert auf der Targetfläche 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 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-

2Q 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

„r- 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 die Verwendung eines Magnetfeldes zum Zurückhalten des Kathodenflecks ange-

geben.

Mit Hilfe der Erfindung soll in einer Lichtbogenbeschichtungsvorrichtung die Lichtbogenstabilisierung so vorgenommen werden, daß die Unzulänglichkeiten und die Kompliziertheit der bisherigen Lösungsvorschläge vermieden werden.

Dies wird dadurch erreicht, daß ein vorbestimmter Bereich der Verdampfungsoberfläche des Targets von einem Begrenzungsring umgeben wird, der das Target berührt und den Lichtbogen immer dann auf die Verdampfungsoberfläche zurücklenkt, wenn er auf die Oberfläche des Begrenzungsrings wandert, auch wenn dieser Ring mit einem vom Target 5 bedampften leitenden Material überzogen ist. Wie unten noch genauer beschrieben wird, kann das Material, aus dem der Begrenzungsring hergestellt ist, so ausgewählt sein, daß sich der Ring (a) durch einen niedrigen absoluten Wert des Sekundärelektronenemissionsverhältnisses, 2Q wobei das Verhältnis des Targets vorzugsweise größer als des des Rings ist, und (b) durch eine niedrige Oberflächenenergie in bezug auf das zu verdampfende Material auszeichnet.

Die Funktionstheorie ist zwar nicht vollständig bekannt, doch wird angenommen, daß die oben genannten Kenngrößen zur Erzielung des vorteilhaften Ergebnisses der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der folgenden Weise wirken: Wegen des niedrigen Sekundärelektronenemissionsverhältnisses des Begrenzungsrings kehrt der Lichtbogen immer wieder auf das Target zurück, wenn er auf die Ringoberfläche gewandert ist. Während das Beschichtungsprozesses kann sich ein Teil des Targetmaterials auf dem Ring abscheiden. Dies könnte trotz des niedrigen Sekundärelektronenemis-

sionsverhältnisses eine Brücke für den Lichtboqen über 35

den Ring bilden. Wegen der niedrigen Oberflächenenergie in bezug auf die des verdampften Materials tritt jedoch keine Benetzung des Rings durch das verdampfte Material

ein. Daher wird die Ablagerung sofort vom Lichtbogen verdampft, so daß er wieder die Oberfläche des Begrenzungsrings berührt, von wo aus er zum Target zurückgeführt wird.

Ein Material, das die oben angegebenen Kenngrößen besitzt, ist Bornitrid (BN). Dieses Material ist als Schleifarm und Isolator in Hochstromscheitern benutzt worden. Ferner ist es für eine Düse an Lichtbogensprühgeräten verwendet worden. Bei diesen Geräten ist die Eigenschaft von Bornitrid ein überspringen des Lichtbogens auf seine Oberfläche zu verhindern, beteiligt. In keinem Fall wird das Bornitrid jedoch im Betrieb stark durch das Targetmaterial beschichtet, wie oben erläutert wurde. Andere Fälle, in denen Bornitrid für andere Zwecke benutzt worden ist, sind in den US-PS 3 202 862, 3 555 338 und 3 945 240 angegeben.

Mit Hilfe der Erfindung sollen somit eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Lichtbogenstabilisierung geschaffen 2Q werden, wobei eine Langzeitstabilität sowohl für permeable als auch nichtpermeable Targets erzielt wird, wobei eine Anwendung beim Lichtbogenbeschichten möglich ist und wobei eine Anwendung beim anfänglichen Reinigen des Targets möglich ist.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1A und 1B schematische Darstellungen von zwei Ausführungsformen, in denen Begrenzungsringe nach der Erfindung zusammen mit festgeklemmten Targets benutzt werden,

Fig. 2A und 2B schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen, in denen das Target mit der Kathode verbunden ist,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt zur Veranschaulichung der gleichmäßigen Erosion, die sich ergibt, wenn ein nicht permeables Target durch einen N-Ring begrenzt wird,

Fig. 4 einen schematischen Schnitt zur Veranschaulichung der Erosion, die sich ergibt, wenn ein permeables Target durch einen N-Ring begrenzt ist,

Fig. 5 einen schematischen Schnitt eines Ausführungsbeispiels einer Lichtbogenstabilisierungsvorrichtung für ein permeables Target nach der Erfindung,

Fig. 6a, 6b, 7a und 7b schematische, unter Verwendung von Eisenfeilspänen aufgenommenen Diagramme im Schnitt, die verschiedene Zustände bei permeablen und nicht permeablen Targets erkennen lassen, und

2Q Fig. 8 einen schematischen Schnitt eines Ausführungsbeispiels einer Lichtbogenstabilisierungsvorrichtung zur Verwendung während der anfänglichen Reinigung eines Targets.

nc Es wird nun auf die Zeichnung Bezug genommen, in der gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet sind. Außerdem zeigen einige Figuren der Zeichnung nur eine Hälfte einer rotationssymmetrischen Darstellung, wobei die Symmetrieachse bei 10 angegeben ist. In bezug auf die Figuren 1A und 1B ist beispielsweise die linke Hälfte der vollständigen Vorrichtung in Fig. 1A dargestellt, während die rechte Hälfte einer vollständigen Vorrichtung in Fig. 1B dargestellt ist.

Das in Fig. 1A dargestellte Lichtbogenbeschichtungssystem für ein Substrat 12 enthält eine Anode 14, die, falls dies erwünscht ist, mit dem Substrat ein Teil bilden kann, ein Target 16 aus leitendem oder isolierendem

Material, eine Kathode 18, die, falls dies erwünscht ist, mit dem Target zusammen ein Teil sein kann, einen Klemmring 20, einen Bolzen 22, einen Begrenzungsring 24 und eine Energiequelle 26, die eine Gleichstromquelle ist, wenn das Target leitend ist, und eine Hochfrequenzquelle ist, wenn das Target isolierend ist. Nach der Erfindung besteht der Begrenzungsring aus Bornitrid oder einem ähnlichen Material, wie anschließend noch genauer erläutert wird.

. ■ Im Betrieb wird die Energiequelle 26 an der Anode und der Kathode in Betrieb gesetzt, damit in bekannter Weise ein Lichtbogen zwischen der Anode und dem Target erzeugt wird. Zur Auslösung des Lichtbogens können (nicht darge-,g stellte) Auslösemittel angewendet werden. Targetmaterial wird dann blitzartig von dem am Fußpunkt des Lichtbogens auf der Targetoberfläche gebildeten Kathodenfleck verdampft und auf dem Substrat als Beschichtung niedergeschlagen. Der Begrenzungsring 24 steht mit dem Target 16 in Kontakt, und er umgibt eine freiliegende Zone, die eine Verdampfungsfläche des Targets bildet, so daß auf diese Weise der Kathodenfleck auf die Verdampfungsflache so begrenzt wird, daß ein kontinuierlich, stabiler Betrieb für die gesamte Lebensdauer des Targets erzielt

wird, auch wenn der Begrenzungsring mit verdampftem 25

Targetmaterial in einer Dicke von vielen um überzogen wird.

Der Begrenzungsring besteht aus einem solchen Material,

daß er durch (a) einen niedrigen absoluten Wert des Se-30

kundärelektronenemissionsVerhältnisses, wobei das Verhältnis des Targets vorzugsweise größer als das des Rings ist, und (b) durch eine niedrige Oberflächenenergie des Rings in bezug auf das des verdampften Materials gekennzeichnet ist.

Das Sekundärelektronenemissionsverhältnis δ ist als die Anzahl von Sekundärelektronen definiert, die von einem

Primärelektron oder einem anderen auf ein Target auftreffenden Teilchen erzeugt wird. Es gilt somit:

_ Anzahl der vom Material abgegebenen- Elektronen

geladenes Primärteilchen 5

Die Anzahl der vom Target abgegebenen Elektronen hängt nicht nur von dem speziellen Targetmaterial, sondern auch von der Energie der geladenen Primärteilchen ab. Gemäß einem Aspekt der Erfindung soll das Verhältnis δ (Begrenzungsring) bei den mittleren Energiewerten geladener Primärteilchen, wie sie typischerweise bei Lichtbogenbeschichtungsprozessen vorgefunden werden, die in den eingangs erwähnten USA-Patentschriften beschrieben sind, kleiner als eins sein; diese mittleren Energiewerte betragen etwa 40 bis 60 eV. überdies ist das Sekundärelektronenemissionsverhältnis des Targets δ (Target) vorzugsweise größer als das Sekundärelektronenemissionsverhältnis des Begrenzungsrings δ (Begrenzungsring).

Eine Klasse von Materialien, bei denen allgemein die Bedingung δ < 1 gilt, sind die Nitride insbesondere Bornitrid. Die Nitride unterscheiden sich von Oxidkeramikmaterialien dadurch, daß die Oxide die Sekundärelektronenemission verstärken, während die Nitride sie in bezug auf Metalle herabsetzen, wobei die Elektronenemissionsverhältnisse für unterschiedliche Metalle nahezu gleich sind. Dies ist in Übereinstimmung mit dem δ für Aluminiumoxid (Al₂O ), das etwa 15 bis 20 beträgt. Dies ist offensichtlich die Ursache für die instabile Lichtbogenentladung, die gegenüber Abschirmungen aus Aluminiumoxid beobachtet wird.

Bornitrid hat sich zusammen mit Targets aus Metall als wirksam erwiesen. Dieses Material kann auch zusammen mit 3g isolierenden Targets benutzt werden, von denen viele wegen eines beträchtlichen Oxidgehalts ein hohes Sekundärelektronenemissionsverhältnis haben. Titannitrid ergibt auch eine Einschränkung der Lichtbogenwege, obwohl es

ziemlich gut elektrisch leitet.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen den Oxidkeramikmaterialien und Bornitrid sowie ähnlichen Materialien besteht darin, daß letztere von metallischen Überzügen nicht benetzt werden. Jedoch scheint es, daß eine Verdampfung eines leitenden Überzugs an der Kante eines aus Bornitrid bestehenden Begrenzungsrings ohne weiteres eintritt, wenn sich ein Lichtbogen dagegen bewegt. Der Lichtbogen bewirkt eine sofortige Verdampfung der losen Beschichtung, da die Beschichtung nicht durch Bindekräfte thermisch vom Bornitrid festgehalten ist. Auf diese Weise wird eine frisch gereinigte isolierende Oberfläche für wenigstens eine kleine Strecke am Rand des Begrenzungsrings freigelegt, was eine Bewegung des Lichtbogens in eine andere Richtung, weg vom Ring, am wahrscheinlichsten macht. Wenn die schlecht haftende Beschichtung am Rand des Rings einmal weggedampft ist, liegt zwischen der auf dem Ring und dem Target verblei-

2Q benden leitenden Beschichtung ein sehr schlechter elektrischer Kontakt zurück. Dies setzt die Wahrscheinlichkeit weiter herab, daß der Lichtbogen auf der Beschichtung weiterwandert, da ein Strom von 60 A oder mehr eine ziemlich gute Leitungsverbindung benötigt. Niederstrom-Wider-

₂c Standsmessungen zeigen, daß oft kein elektrischer Kontakt zwischen dem Target und den Beschichtungen auf dem Ring vorhanden ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung zur Erzielung einer

Eingrenzung des Lichtbogens ist die niedrige Oberflächen-ου

engergie (γ) des Begrenzungsrings relativ zum verdampften Material, d.h. γ (Ring) < γ (verdampftes Material).

Im Hinblick darauf wird Bornitrid (mit einer Oberflächen-

energie von 600 bis 700 erg /cm ) von den meisten Metallen bei den in Lichtbogenbeschichtungsprozessen gemäß

den eingangs erwähnten USA-Patentschriften auftretenden Temperaturen nicht benetzt. Nur Oxide von Blei, Wismut, Kupfer und Antimon ergeben eine Benetzung von Bornitrid

und greifen dieses an, wobei die Oberflächenenergie dieser

Oxide im Bereich von 100 bis 300 erg /cm liegen. Bornitrid und ähnliche Materialien sind für die praktischen Anwendungsfälle in Lichtbogenbeschichtungsprozessen geeignet.

Der Begrenzungsring 24 sollte aus Materialien mit den oben genannten Eigenschaften hergestellt oder mit solchen Materialien beschichtet sein. Die Nitridverbindungen sind dafür besonders geeignet, insbesondere Bor- und Titannitride. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß dann, wenn die Nitridverbindung weniger als 100% der Zusammensetzung des Begrenzungsrings beträgt, der Ring immer noch in der gewünschten Weise funktioniert, solange die gesamte Zusammensetzung die oben erwähnten Eigenschaften hat. Im Anschluß wird ein Ring des oben geschilderten Typs als "N-Ring" bezeichnet.

Weitere Ausgestaltungen des Begrenzungsrings 24 sind in den Figuren 1B, 2A und 2B dargestellt, wobei Fig. 1B

eine weitere Ausführungsform darstellt, bei der das Target mittels eines Rings 20 und mittels (in Fig. 1B nicht dargestellten) Bolzen 22 am Kathodenring festgeklemmt ist, während in den Ausführungsformen der Figuren 2A und 2B 2g das Target 16 mittels geeigneter Mittel an der Zwischenfläche 28 mit der Kathode 18 verbunden ist.

Es besteht eine relativ geringe Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Begrenzungsrings, und die in den Figuren _n 1A, 1B, 2A und 2B dargestellten Ausgestaltungen sind in gleicher Weise zur Erzielung der Eingrenzung des Lichtbogens (des Kathodenflecks) geeignet. Wie in Fig. 2A dargestellt ist, kann der Begrenzungsring 24 aus einem überzug auf einem Trägerteil 30 bestehen, wobei der überzug zur Verdeutlichung der Darstellung absichtlich mit 35

vergrößerter Dicke gezeichnet ist. Wenn der Begrenzungsring nicht durch Beschichten gebildet ist, kann er mit Hilfe von Bolzen oder anderen bekannten Mitteln befestigt

werden. Bei Verwendung von Bolzen können die Bolzenköpfe mit dem Ringmaterial bedeckt sein.

Die nach der Erfindung erzielte Lichtbogenstabilisierung gestattet auch eine nicht zylindrische Symmetrie, beispielsweise lineare, rechtwinklige Kathoden und zylindrische Lichtbogenquellen, wo die magnetischen Eingrenzungsverfahren, wie sie in den oben erwähnten US-PS 3 783 231 und 2 972 695 beschrieben sind, die zur Eingrenzung erforderlichen gleichmäßigen Felder nicht erzeugen können. Außerdem arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung in allen Druckbereichen (insbesondere bei hohen Drücken), während das in der US-PS 3 793 179 beschriebene Verfahren in dieser Hinsicht beschränkt ist.

Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zwar im Zusammenhang mit einem Lichtbogenbeschichtungssystem beschrieben worden, doch ist zu erkennen, daß die Erfindung auch bei anderen Systemen angewendet werden kann, bei denen Materialien blitzartig von einem Target durch einen Lichtbogen verdampft werden, der auf eine vorbestimmte Zone der Targetoberfläche begrenzt werden muß.

Nach Fig. 3 ist das Erosionsmuster 17, das mit dem Begrenzungsring der Figuren 1A, 1B, 2A und 2B erhalten wird, ziemlich gleichmäßig, solange das Target 16 nicht permeabel ist. Wenn jedoch ein permeables Target 16 verwendet wird, ist das Erosionsmuster 17 nicht gleichmäßig, wie aus

__n Fig. 4 hervorgeht. Eine Untersuchung des Targets von Fig. 2 führt zu dem Schluß, daß der Lichtbogen so beeinflußt wird, daß er sich gegen den Rand des permeablen Targets bewegt, da sonst kein anderer Grund für die Annahme besteht, daß er sich besonders gegen den N-Ring bewegt.

Es wurden Versuche durchgeführt, wobei bei einem Versuch ein N-Ring auf eine große Platte aus permeablem Material

so gelegt wurde, daß die Ebene des Rings parallel zur Plattenebene verlief; der Ring befand sich dabei etwa in der Mitte der Platte. Innerhalb des Rings wurde ein Lichtbogen erzeugt, und das resultierende Erosionsmuster war normal, d.h. es entsprach dem von Fig. 3.

Die beschriebenen Prinzipien sind in der Ausführungsform von Fig. 5 verwirklicht, in der ein permeables Target 16 von einem flachen Ring 19 aus permeablem Material wie Weicheisen oder Permalloy oder dem Targetmaterial selbst umgeben ist. Jedes als permeabel anzusehendes Material kann dazu benutzt werden, wobei solche Materialien ohne Einschränkung Eisen, Nickel, Kobalt und Legierungen davon mit kleinen Anteilen wahlweise verwendbarer Zusätze, Ferrite, Stahl usw. enthalten. Außerdem kann der Ring 19 aus einer einstückig angeformten Erweiterung des Targets selbst bestehen. Der Ring 19 wird als "P-Ring" bezeichnet, ob er nun ein getrenntes Teil wie in Fig. 5 oder eine einstückig angeformte Erweiterung des Targets darstellt.

Der N-Ring 24 ist um den Umfang des Targets 16 herum angeordnet, und er trägt zur Eingrenzung des Lichtbogens auf der Targetoberfläche bei. Der N-Ring hält auch den Ring 19 und das Target 16 mittels eines in den Kathodenkörper 18 geschraubten Bolzens 21 an Ort und Stelle,

Obgleich keine Absicht auf die Einschränkung auf eine bestimmte Funktionstheorie besteht, sind folgende Uber-

legungen auf P-Ringe gemäß der Erfindung anwendbar. Es 30

wurde beobachtet, daß ein im Vakuum auf ein nicht permeables Target aufschlagender Lichtbogen in zufälligen Bewegungsbahnen herumwandert und etwa innerhalb einer Sekunde das Target in Richtung zu anderen Zonen der Kathode

hin verläßt. Bei einem permeablen Target wandert der 35

Lichtbogen in Millisekunden zu anderen Kathodenzonen hin.

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

In der frühen Literatur über Magnetfelder in der Anwendung auf Lichtbogen im Vakuum ist angegeben, daß sich der Lichtbogen am ehesten in Richtung der größten Dichte des Magnetfeldes bewegt. Unter der Annahme, daß dies der Mechanismus ist, der den Lichtbogen zum Rand des Targets von Fig. 4 bewegt, erscheint es so, als bewege sich der Lichtbogen vom permeablen Material weg, das die Felddichte herabsetzt.

IG Ein weiterer Einblick mit Bezugnahme auf den Eingrenzungsmechanismus ergibt sich aus dem Aufsatz von Naoe und Yamanaka "Vacuum-Arc Evaporations of Ferrites and Compositions of their Deposits", Japanese Journal of Applied Physics, Band 10, Nr. 6, Juni 1971, wo die Lichtbogenverdampfung von Ferritzusammensetzungen aus einem schalenförmigen Ferrittarget beschrieben ist. Dabei wurde ein geschmolzener Anteil des Target erhalten, und die Oxidmaterialien verhielten sich sehr unterschiedlich zu den Metallen. Es wird von einem sehr stabilen Lichtbogen berichtet, der sich in einer sehr langsamen Kreisbewegung etwa in der Mitte der Schale bewegte. Es erfolgte keine Bezugnahme darauf als ungewöhnliches 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, _or. das auch der Lichtbogen nahe beim Target 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 auf das Magnetfeld erhal-35

ten 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 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 angeordnete Drähte in der gleichen Richtung von Strom durchflossen werden, ziehen sich die Drähte gegenseitig an. Das zwischen den Drähten erzeugte Feld wird aufgehoben, da die Flußrichtung auf der rechten Seite des Drahts von der Flußrichtung auf der linken Seite des Drahts 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 vonein-2Q ander 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 entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Lichtbogens, wo die Größe der einen Lichtbogen gegen den Rand eines permeablen Targets bewegenden Kraft beträchtlich gegenüber den zufälligen Bewegungskräften ist, die den Lichtbogen typischerweise über ein nicht permeables Target bewegen.

In den Figuren 6a, 6b, 7a und 7b sind unter Verwendung von Eisenfeilspänen aufgenommene Diagramme dargestellt,

die sich bei verschiedenen Bedingungen mit permeablen und nicht permeablen Targets ergeben. In Fig. 6a 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 Verwendung des Aluminiumtargets 34 bleibt der Fluß bei Annäherung an die Platte sehr konstant, wie aus Fig. 6b zu erkennen ist. Bei einer Bewegung gegen den Rand des Targets nach Fig.

IQ 7b ergibt sich für den Fall des Aluminiumtargets keine Änderung. Die Bewegung zum.Rand des Eisentargets erzeugt jedoch nach Fig. 7a einen relativ starken Fluß außerhalb des Targets, während im Innenbereich praktisch kein Fluß vorhanden ist. Mit der auf den Lichtbogen ausgeübten,

!5 nach auswärts gerichteten Kraft läßt sich ohne weiteres verstehen, daß der Lichtbogen zum Außenrand wandert. Wenn sich der Lichtbogen exakt in der Targetmitte befindet, treten keine Kräfte auf, jedoch führt die normale Zufallsbewegung des Lichtbogens schnell dazu, daß er aus der Mitte gestoßen 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. 4 dargestellten Weise erfolgt, da der Lichtbogen zwischen der induzierten, nach außen gerichteten elektromagnetischen

Kraft und dem N-Ring eingefangen wird, der ihn daran hin-Zo

dert, sich weiter nach außen zu bewegen. Lediglich in die Ebene von Fig. 4 besteht eine relative Bewegungsfreiheit. Der Lichtbogen bewegt sich daher 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.

Es ergibt sich, daß bei Anwesenheit des P-Rings 19 von

Fig. 5 die Kraftlinien ebenso leicht durch den Ring 19 35

wie durch das innerhalb des Innenumfangs des Rings angeordnete Target 16 wandern. Die Flußdichte innerhalb des Rings ist daher im wesentlichen gleich der Flußdichte

außerhalb des Innenumfangs des Rings. Auf den Lichtbogen wirkt daher keine nach außen gerichtete Kraft wie im Fall von Fig. 4 ein. Der Lichtbogen wandert daher in zufälliger Weise über die gesamte permeable Targetoberfläche wie er auch über das nicht permeable Target von Fig. 3 wandert, so daß eine gleichmäßige Erosion des permeablen Targets bewirkt wird.

Es wird nun auf Fig. 8 Bezug genommen, in der eine weitere Anwendung der Erfindung dargestellt ist. Es hat sich gezeigt, daß ein ein nicht permeables Target umgebender P-Ring sehr wirksam ist, einen Lichtbogen auf einem solchen Target zu halten, wenn das Target sehr rein ist. Wie anschließend beschrieben wird, ermöglicht die Anordnung von Fig. 8 die Ultrareinigung des Targets durch den Lichtbogen, so daß der P-Ring dann zur Erzielung der Festhaltefunktion angewendet werden kann, wobei nach Fig. 8 der N-Ring 24 (a) ein getrennter überzug oder (b) ein aufgestrichener, aufgestäubter, aufgedampfter öder auf andere Weise auf den P-Ring 19 aufgebrachter überzug sein kann.

In der Literatur ist wiederholt auf die Notwendigkeit ultrareiner Bedingungen für die Targetanordnung eingegangen worden, doch ist das Verhalten eines nicht reinen Targets, das mit Oxid o.dgl. verschmutzt ist, nur sehr wenig beschrieben worden. Es wird angegeben, daß Oxide infolge eines Lichtbogens an der Oberfläche verdampfen (oder explodieren) bevor eine bedeutsame Metallver-

₃Q dampfung beginnen kann. Der größte Teil des Entfernens der Verunreinigungen geschieht während der anfänglichen Reinigungsphase des Targets, bei der das Substrat in manchen Fällen aus dem System entfernt ist. Während dieser Zeit werden Kathodenflecke des sogenannten Typs 1

_ erzeugt, die das Target nicht wirksam verdampfen. Erst nach der wirksamen Entfernung der Verunreinigungen werden die Kathodenflecke durch den sogenannten Typ 2 ersetzt, der die Verdampfung des Targets bewirkt. Das

Substrat kann dann an diesem Zeitpunkt als Vorbereitung zur Beschichtung in das System eingefügt werden, wenn es sich nicht bereits darin befindet.

Der N-Ring scheint den Lichtbogen während der anfänglichen Neigungsphase auf dem Target festzuhalten, auch wenn das Target in verschmutztem Zustand zusammengebaut wird. Der P-Ring wirkt nicht vollständig abstoßend, so daß sich der Lichtbogen während der ersten wenigen Anfänge im Verlauf der einleitenden Reinigungsphase über das Target und den P-Ring bewegen kann. Wenn das Target genügend rein ist, so daß Targetmaterial verdampft wird, wird der unmittelbar an das Target angrenzende Bereich des Rings beschichtet, und die Kontrolle über den Lichtbogen wird

^c vollkommen. Während der anfänglichen Reinigungsphase kann sich der Lichtbogen jedoch auf die Rückseite und die Seiten des Kathodenkörpers 18 bewegen, wo er den Aufbau beschädigen kann oder Verunreinigungsmetalle in der Kammer verdampfen kann.

In gewissen Anwendungsfällen ist der N-Ring (a) ein wenig zerbrechlich (b), ziemlich kurzlebig, (c) teuer und (d) wegen seiner geringen Benetzbarkeit anfällig dafür, in ihm abgelagertes Targetmaterial zu verlieren. Es ist jedoch

erwünscht, die Lichtbogen-Rückhaltefähigkeit des N-Rings 25

während der anfänglichen Reinigungsphase vorteilhaft auszunutzen und dann einen P-Ring zu benutzen, nachdem das Target unter Anwendung des Lichtbogens gereihigt worden ist (wobei der N-Ring Lichtbogen des Typs 1 bei vielen

Target-Materialien festzuhalten scheint, möglicherweise 30

sogar bei allen Materialien, zumindest bei all denen, die von der Anmelderin bis jetzt geprüft worden sind).

Zwei Punkte sind von besonderer Bedeutung. Erstens ist es notwendig, nicht das Target bildende Bereiche der Kathode,

insbesondere in der Nähe der Isolatoren, gegen Erosion zu schützen. Die Reinigungswirkung des Lichtbogens muß daher auf das Target und die Klemmanordnung beschränkt

werden. Zweitens muß die Lichtbogenlöschfrequenz herabgesetzt werden, so daß wenige Überschläge zu einer reinen Oberfläche führen. Mit derzeit verwendeten Verfahren können einige hundert Überschläge auf einer großen Aluminiumkathode mit einer leichten P-Ring-Begrenzungsvorrichtung erforderlich sein.

Wie schwerwiegend das Lichtbogenreinigungsproblem ist, hängt vom Targetmaterial ab. Aluminium hat beispielsweise in dieser Hinsicht sehr schlechte Eigenschaften, während Zirkonium sehr gute hat. Wie die Anmelderin beobachtet hat, weisen Lichtbögen des Typs 1 in ihren Funktionen eine gewisse Hierarchie auf. Zuerst suchen sie Oxidbereiche und greifen diese an. Dies ist verständlich, da solche Verbindungen wie Metalloxide die Eigenschaft haben, als Elektronenemitter zu wirken. Es scheint, daß nur bei diesem Suchvorgang ein leichtes Aufspringen auf den P-Ring erfolgen kann. Wenn die heftigen Blitze von den offensichtlichen Oxidbereichen erloschen sind, erfolgen wesentlich mehr Lichtbogenüberschläge gewöhnlich mit immer längeren Betriebsperioden vor dem Erlöschen. Während des größten Teils dieser Periode tritt nahezu kein verdampftes Metall aus der Entladung auf, auch wenn diese viele Sekunden dauert. Es scheint immer noch ein Betrieb mit einem Lichtbogen des Typs 1 zu sein, bei dem um eine sehr geringe Verdampfung stattfindet. Dies ist wahrscheinlich die Explosion scharfer Spitzen und Stege, die eine große Anzahl von Elektronen bei ziemlich niedrigen Lichtbogenspannungen ergeben können.

'

In der Oxidphase der Reinigung übergreift der Lichtbogen ohne weiteres den P-Ring bis auf die nicht dem Target angehörigen Teile der Kathode. In der Spitzen- und Stegphase hält der P-Ring die Entladung aufrecht, doch erlischt sie „,. relativ häufig. Erst dann, wenn der Lichtbogen des Typs alle ohne weiteres verfügbaren Elektronenquellen beseitigt hat, erfolgt ein Übergang auf einen Lichtbogen des Typs 2, der eine Blitzverdampfung der Targetoberfläche

ergibt.

Da der N-Ring die Entladung der Oxidphase aufrechterhält, kann die Ausführungsform von Fig. 8 2ur Optimierung der jeweiligen Vorteile des N-Rings 24 und des P-Rings 19 angewendet werden. Wenn der N-Ring als' getrennte Abdeckung verwendet wird, bleibt er während der anfänglichen Lichtbogenreinigungsphase an Ort und Stelle, bis der Lichtbogen des Typs 2 auf dem Target gebildet ist. Die Abdeckung

^q würde dann vom Target entfernt, so daß dieses freigelegt wird. Im Anschluß daran würde eine zweite Lichtbogenreinigungsphase ausgeführt, in der die Oxidbereiche usw. beseitigt werden, die während der ersten Reinigungsphase durch den N-Ring 24 zugedeckt waren. Es sind jedoch weni-

,p- ger solche Bereiche als zuvor vorhanden, und die gesamte Reinigungszeit ist geringer als die, die ohne die N-Ring-Abdeckung aufgewendet werden müßte. Da diese Abdeckung nach dem Reinigen entfernt wird (damit dann der P-Ring gemäß der obigen Erläuterung die Lichtbogenhaltefunktion

ausüben kann) ist überdies die Lebensdauer der Abdeckung AU

beträchtlich verlängert. Außerdem ist der Verlust von Targetmaterial, das sich darauf abscheidet, kein Problem.

Wenn die N-Ring-Abdeckung 24 als Dünnschichtüberzug aufgebracht wird, dann sollte dieser Überzug für jedes neue Target aufgebracht werden. Dies kann zwar in gewissen Situationen unbequem sein, doch ergeben sich gewisse Vorteile insbesondere dann, wenn der Überzug aus TiN oder einem ähnlichen Material hergestellt wird. Die BN-Anstriche haften nicht sehr gut. Eine Hochfrequenzzerstäubung von BN auf dem Ring 19 ist besser. Die günstigste Lösung ist die Verwendung von Titannitrid, also des Materials, für dessen Erzeugung die meisten Lichtbogensysteme ausgelegt sind." Ein eigener Eisenring 19 kann beispielsweise mit einer Werkzeugladung beschichtet wer-

den. Dieser Ring kann dann zusammen mit dem nächsten Target, das aus Titan bestehen kann, zum Einsatz kommen. Das TiN haftet sehr fest an dem Eisenring. Auch wenn

dieser Überzug elektrisch leitend ist, stößt er den Lichtbogen aus den oben erwähnten Gruden ab. Dieser Nitridüberzug muß nun während der Oxidphase der Targetreinigung freigelegt werden, so daß dieses Verfahren sehr gut durchgeführt werden kann. Außerdem neigt der TiN-Uberzug nicht dazu, abzublättern.

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

Claims

PRINZ, LEISER,-33UNKf-Bc PARTNER

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München Stuttgart

14. Dezember 1983

Vac-Tec Systems, Inc.
2590 Central Avenue

Boulder, Colorade 80301 /V.St.A.

Unser Zeichen: V 781

Patentansprüche

1 . Vorrichtung zum Stabilisieren eines Verdampfungslichtbogens, gekennzeichnet durch ein Target mit einer Oberfläche aus einem 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 ersten Begrenzungsring, der mit dem Target in Kontakt steht und die Targetoberfläche umgibt, wobei dieser Ring aus einem Material besteht, das (a) bei den mittleren Energien der geladenen Teilchen des Lichtbogens ein Sekundärelektronenemissionsverhältnis hat, das kleiner als eins ist, und (b) eine Oberflächenenergie hat, die kleiner als die des verdampften Targetmaterials ist, damit auf diese Weise der Kathodenfleck auf die Targetoberfläche begrenzt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target eine Oberfläche aus permeablem Material

Schw/bl

aufweist und daß ein permeabler Ring vorgesehen ist, der das Target umgibt, damit ein im wesentlichen gleichmäßiges Verdampfen des Targetmaterials von der Targetoberfläche erreicht wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target zum Halten des Kathodenflecks auf der Targetoberfläche von einem permeablen Ring umgeben ist, und daß der Begrenzungsring den permeablen Ring wenigstens während einer anfänglichen Reinigung von Verunreinigungen des Targets so bedeckt, daß sich der Kathodenfleck nicht auf dem permeablen Ring bewegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, !j- daß der Begrenzungsring von dem permeablen Ring trennbar ist, so daß er nach dem anfänglichen Reinigungsschritt abgenommen werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, _9n daß der Begrenzungsring als Schicht auf dem permeablen Ring gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsring Titannitrid enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der permeable Ring und das Target getrennte Teile bilden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 30

daß der permeable Ring und das Target einstückig miteinander verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn-

zeichnet, daß der permeable Ring aus dem gleichen Material

wie das Target besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn-

zeichnet, daß der permeable Ring aus Eisen oder aus Permalloy besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge-

kennzeichnet, daß das Sekundärelektronenemissionsverhältnis des Begrenzungsrings kleiner als das des Targets ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Energie der geladenen Teilchen des Lichtbogens etwa 20 bis 100 eV beträgt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Energie der geladenen Teilchen des Lichtbogens 40 bis 60 eV beträgt.

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14. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsring eine Nitridverbindung enthält.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitridverbindung Bornitrid oder Titannitrid ist.

16» Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitridverbindung Bornitrid ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein Substrat, auf dem das verdampfte Targetmaterial als Überzug abgeschieden ist.

__A 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

daß die Anode und das Substrat das gleiche Teil sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des Lichtbogens auf der Targetoberfläche eine Kathode und eine Anode enthalten.

20„ Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

1 daß das Target auf der Kathode befestigt ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Target und die Kathode das gleiche Teil sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Target aus nicht permeablem Material besteht.