DE3345493C2

DE3345493C2 - Vorrichtung zum Stabilisieren eines Verdampfungslichtbogens

Info

Publication number: DE3345493C2
Application number: DE19833345493
Authority: DE
Inventors: William M. Stillwater Minn. Mularie
Original assignee: VAC-TEC SYSTEMS Inc BOULDER COL US; Vac Tec Systems Inc
Current assignee: VAC-TEC SYSTEMS Inc BOULDER COL US; Vac Tec Systems Inc
Priority date: 1983-05-09
Filing date: 1983-12-15
Publication date: 1986-01-16
Also published as: DE3345493A1; NL181880C; FR2545840A1; GB2140040A; GB2140040B; CA1210824A; GB8332650D0; NL181880B; NL8400053A; FR2545840B1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Verdampfungslichtbogens enthält ein Target mit einer Oberfläche aus zu verdampfendem Material. Es ist eine Schaltung zur Erzeugung eines Lichtbogens auf der Targetoberfläche zum Verdampfen des Targetmaterials vorgesehen. Der Lichtbogen enthält geladene Teilchen, und er bildet einen Kathodenfleck, der in zufälliger Weise über die Targetoberfläche wandert. Ein Begrenzungsring steht mit der Targetoberfläche in Kontakt, und er umgibt diese Targetoberfläche. Der Ring besteht aus einem Material wie Bornitrid, das (a) bei mittleren Energiewerten der geladenen Teilchen des Lichtbogens ein Sekundärelektronenemissionsverhältnis hat, das kleiner als eins ist, und (b) das eine Oberflächenenergie hat, die kleiner als die des verdampften Targetmaterials ist, so daß der Kathodenfleck auf die Targetoberfläche begrenzt wird. Außerdem ist das Sekundärelektronenemissionsverhältnis des Begrenzungsrings vorzugsweise kleiner als das des Targets. Wenn das Target permeabel ist, kann auch ein permeabler Ring das Target umgeben, damit eine im wesentlichen gleichmäßige Verdampfung des Targets erzielt wird. Der Begrenzungsring kann auch als Abdeckung eines permeablen Rings verwendet werden, damit verhindert wird, daß der Kathodenfleck während einer anfänglichen Reinigungsphase des Targets auf den permeablen Ring wandert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Verdampfungslichtbogens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 38 3( 151 ist eine Vorrichtung bekannt, mit deren Hilfe Gegenstände mit einem Material beschichtet werden können, das unter Anwendung eines Lichtbogens auf einer Targetoberfläche zur Verdampfung gebracht worden ist. Diese Beschichtungsvorrichtung zeichnet sich zwar durch hohe Beschichtungsgeschwindigkeiten aus, doch zeigt der erzeugte Lichtbogen eine große Instabilität, so daß nicht alle Vorteile der bekannten Vorrichtung zur Geltung kommen können. In dem zum Verdampfen des Targetmaterials verwendeten Lichtbogen fließen Ströme von etwa 60 A oder mehr, die in einem Kathodenfieck konzentriert sind, der so klein ist, daß sich Stromdichten von 1,5 ■ 10² bis 1,5 · 10⁵ A/cm² ergeben. Die Spannungen liegen dabei zwischen und 45 V. Die Leistungsdichten an dem 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 eu 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 37 93 179 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 Kathodenfleck 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 befindet besteht die Möglichkeit daß der Lichtbogen unter der Abschirmung hindurchwandert Wenn dies geschieht, ergibt sich eine Lichtbogenzerstörung der Kathode, das verdampfte Material wird verunreinigt oder der Lichtbogen erlischt

In der US-PS 37 83 231 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 29 72 695 wird die Verwendung eines Magnetfeldes zum Zurückhalten des Kathodenflecks angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Verdampfungslichtbogens zu schaffen, mit deren Hilfe mit einfachen Mitteln und mit großer Zuverlässigkeit erreicht wird, daß sich der Lichtbogen nicht von der Verdampfungsoberfläche des Targets entfernt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 anf ^,ebenen Merkmalen ge!ö5t Worauf das erzielte Stabiiisierungsverhalien der erfindungsgemäßen Vorrichtung zurückzuführen ist ist zwar nicht vollständig erklärbar, docl·. ist folgende Erklärung denkbar: Wegen des niedrigen Sekundärelektronenemissionsverhältnisses des Begren-zungsrings kehrt der Lichtbogen immer wieder auf das Target zurück, wenn er auf die Ringoberfläche gewandert ist Während des Beschichtungsprozesses kann sich ein Teil des Targetmaterials auf dem Ring abscheiden. Dies könnte trotz des niedrigen Sekundärelektronenemissionsverhältnisses eine Brücke für den Lichtbogen über 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 rum Target zurückgeführt wird.

Vorteilhafterweise wird als Material, das die oben angegebene Kenngröße besitzt, eine Nitridverbindung, insbesondere Bornitrid oder Titannitrid verwendet

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert Es zeigen

Fig. IA und IB 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,

F i g. 3 einen schematischen Schnitt zur Veranschaulichung der gleichmäßigen Erosion, die sich ergibt, wenn ein unmagnetisches Target von einem Begrenzungsring umgeben ist,

F i g. 4 einen schematischen Schnitt zur Veranschaulichung der Erosion, die sich ergibt, wenn ein magnetisch perme^bles Target von einem Begrenzungsring umgeben ist,

F i g. 5 einen schematischen Schnitt eines Ausführungsoeispiels einer Lichtbogenstabilisierungsvorrichtung nach der Erfindung für ein magnetisch permeables Target,

F i g. 6a, 6b, 7a und 7b schematische, unter Verwendung von Eisenfeilspänen aufgenommenen Diagramme im Schnitt, die verschiedene Zustände bei magnetisch permeablen und unmagnetischen Targets erkennen lassen, und

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

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 Fig. IA und IB ist beispielsweise die linke Hälfte der vollständigen Vorrichtung in Fig. IA dargestellt, während die rechte Hälfte einer vollständigen Vorrichtung in F i g. IB dargestellt ist.

Das in Fig. IA dargestellte Lichtbogenbeschichtungssyst^/p 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, ein3n 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. Der Begrenzungsring 24 besteht 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 bo können (nicht dargestellte) 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 Verdampfungsfläche so begrenzt wild, daß ein kontinuierlich, stabiler Betrieb für die gesamte Lebensdauer des Targets erzielt wird, auch wenn der Begrenzungsring mit verdampftem Targetmaterial in einer Dicke von vielen μιπ überzogen wird.

Der Begrenzungsring besteht aus einem solchen Material, daß er durch (feinen niedrigen absoluten Wert des

Sekundärelektronenemissionsve'i'hältnisses, 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 Sekundärclektronen definiert, die von einem Primärelektron oder einem anderen auf ein Target auftreffenden Teilchen erzeugt wird. Es gilt somit:

j _ Anzahl der vom Material abgegebenen Elektronen
™ geladenes Primärteilchen

Die Anzahl der vom Target abgegebenen Elektronen hängt nicht nur von dem speziellen Targetmaterial, sondern auch von der Energie der geladenen Primärteilchen ab. Das Verhältnis <J(Begrenzungsring) soll bei den mittleren Energiewerten geladener Priniärteilchen, 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 J (Target) vorzugsweise größer als das Sekundärelektronenemissionsverhältnis des Begrenzungsrings δ(Begrenzungsring).

Eine Klasse von Materialien, bei denen allgemein die Bedingung ό< 1 gilt, sind die Nitride insbesondere Bornitrid. Dip NlitriHp i.iniprsrhpiH^n sich von Oxidkiramikmatcriaücn dadurch, dsß die Oxide die Sekundär^lcktronenemission verstärken, während die Nitride sie in bezug auf Metalle herabsetzen, wobei die Elektronen-

emissicmsverhältnisse für unterschiedliche Metalle nahezu gleich sind. Dies ist in Übereinstimmung mit dem δ für Aluminiumoxid (AI2O3), das etwa 15 bis 20 beträgt. Dies ist offensichtlich die Ursache für die instabile Lichtbogenentladung, die gegenüber Abschirmung aus Aluminiumoxid beobachtet wird.

Bornitrid hat sich zusammen mit Targets aus Metall als wirksam erwiesen. Dieses Material kann auch zusammen mit 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 Oxidke ."-amikmaterialien 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 verbleibenden leitenden Beschichtung ein sehr schlechter elektrischer Kentakt 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-Widerstandsmessungen zeigen, daß oft kein elektrischer Kontakt zwischen dem Target und den Beschichtungen auf dem Ring vorhanden ist.

Außerdem kommt es bei der Erzielung einer Eingrenzung des Lichtbogens auf eine niedrige Oberflächenenergie (γ) des Begrenzungsrings relativ zum verdampften Material, d. h.y (Ring)<y (verdampftes Material) an. Im Hinblick darauf wird Bornitrid (mit einer Oberflächenenergie von 6 bis 7 ■ 10~⁵ J/cm²) von den meisten Metallen bei den in Lichtbogenbeschichtungsprozessen 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 1 bis 3 · IO-⁵ J/cm² 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 beschichtei. 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.

Weitere Ausgestaltungen des Begrenzungsrings 24 sind in den F i g. 1B, 2A und 2B dargestellt, wobei F i g. 1B eine weitere Ausführungsform darstellt, bei der das Target mitteis eines Rings 20 und mittels (in F i g. 1B nicht dargestellten) Bolzen 22 am Kathodenring festgeklemmt ist, während in den Ausführungsformen der F i g. 2A und 2B 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 F i g. 1A, 1B, 2A und 2B dargestellten Ausgestaltungen sind in gleicher Weise zur Erzielung der Eingrenzung des Lichtbogens (des Kathodenflecks) geeignet Wie in F i g. 2A dargestellt ist, kann der Begrenzungsring 24 aus einem Überzug auf einem Trägerteil 30 bestehen, wobei der Überzug zur Verdeutlichung der Darstellung absichtlich mit vergrößerter Dicke gezeichnet ist Wenn der Begrenzungsring nicht durch Beschichten gebildet ist kann er mit Hilfe von Bolzen oder anderen bekannten Mittein befestigt werden. Bei Verwendung von Bolzen können die Bolzenköpfe mit dem Ringmaterial bedeckt sein.

Die bei der beschriebenen Vor. Ichm.ng erzielte Lichtbogenstabilisierung gestattet auch eine nicht zylindrische Symmetrie, beispielsweise lineare, rechtwinklige Kathoden und zylindrische Lichtbogenquellen. Außerdem

es arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung in allen Druckbereichen (insbesondere bei hohen Drücken).

Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Stabilisierungsvorrichtung sind zwar im Zusammenhang mit einem Lichtbogenbeschichtungssystem beschrieben worden, doch ist zu erkennen, daß eine Anwendung auch bei anderen Systemen möglich ist, bei denen Materialien blitzartig von einem Target durch einen Lichtbogen

verdampft werden, der auf eine vorbestimmte Zone der Targetoberfläche begrenzt werden muß.

Nach F i g. 3 ist das Erosionsmuster 17, das mit dem Begrenzungsring 24 der F i g. 1A, 1B, 2A und 2B erhalten wird, ziemlich gleichmäßig, solange das Target 16 unmagnetisch ist. Wenn jedoch ein magnetisch permeables Target 16 verwendet wird, ist das Erosionsmuster 17 nicht gleichmäßig, wie aus F i g. 4 hervorgeht. Eine Untersuchung des Targets von Fi g. 2 führt zu dem Schluß, daß der Lichtbogen so beeinflußt wird, daß er sich gegen den Rand des magnetisch permeablen Targets bewegt, da sonst kein anderer Grund für die Annahme besteht, daß er sich besonders gegen den N-Ring 24 bewegt.

F.s wurden Versuche durchgeführt, wobei bei einem Versuch ein Begrenzungsring auf eine große Platte aus magnetisch 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 F i g. 3.

Die beschriebenen Frinzipien sind in der Ausführungsform von Fig.5 verwirklicht, in der ein magnetisch permeables Target 16 von einem flachen Ring 19 aus magnetisch permeablem Material wie Weicheisen oder Permalloy oder dem Targetmaterial selbst umgeben ist. Jedes als magnetisch permeabel anzusehendes Material kann dazu benutzt werden, wobei solche Materialien ohne Einschränkung Eisen, Nickel, Kobalt und Legierungen davon mit kleinen Anteilen wahlweise verwendbare Zusätze, Ferrite, Stahl usw. enthalten. Außerdem kann der Ring 19 aus einer einstückig angeformten Erweiterung des Targets selbst bestehen.

Der Begrenzungsring 24 ist um den Umfang des Targets 16 herum angeordnet, und er trägt zur Eingrenzung des Lichtbogens auf der Targetoberfläche bei. Der Begrenzungsring 24 hält auch den magnetisch permeablen 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 Überlegungen auf magnetisch permeable Ringe anwendbar. Es wurde beobachtet, daß ein im Vakuum auf ein unmagnetisches Target aufgeschlagener Lichtbogen in zufälligen Bewegungsbahnen herumwandert und etwa innerhalb einer Sekunde das Target in Richtung zu anderen Zonen der Kathode hin verläßt. Bei einem magnetisch permeablen Target wandert der 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 F i g. 4 bewegt, erscheint es so, als bewege sich der Lichtbogen vom magnetisch permeablen Material weg, 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 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 ais ungewöhnliches Verhallen, jeduch wurden eingehende Einzelheiten der visuell beobachteten Lichtbogenbewegung angegeben. Schlußfolgerungen in bezug auf das allgemeine Einschränken des Lichtbogens fehlten.

Zum besseren Verständnis dieser Erscheinung wurde in einem Experiment ein Gleichstrom durch einen Draht geschickt, damit ein zylindrisches Magnetfeld des Typs erzeugt wurde, das auch der Lichtbogen nahe beim Target zu erzeugen scheint. Dieser Draht wurde in der Nähe verschiedener geometrischer Formen magnetisch permeabler Targets gebracht, und es wurden Diagramme unter Verwendung von Eisenfeilspänen erzeugt, damit ein Einblick in den magnetischen Einfluß dieser magnetisch permeablen Materialien auf das Magnetfeld erhalten wurde.

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, wa; 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 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 unmagnetisches Target bewegen.

In den Fig.6a, 6b, 7a und 7b sind unter Verwendung von Eisenfeilspänen aufgenommene Diagramme dargestellt, die sich bei verschiedenen Bedingungen rnit magnetisch permeablen und unmagnetischen Targets ergeben. In F i g. 6a ist eine abnehmende Flußdichte 23 bei Annäherung an die Eisenplatte 32 erkennbar, da die Fiußiinien (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 F i g. 6b zu erkennen ist Bei einer Bewegung gegen den Rand des Targets nach F i g. 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 Hes Targets, während im Innenbereich praktisch kein Fluß vorhanden ist. Mit der auf den Lichtbogen ausgeübten, nach auswärts gerichteten Kraft IaDt

''■' 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

ri 5 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 F i g. 4 dargestellten Weise

j erfolgt, da der Lichtbogen zwischen der induzierten, nach außen gerichteten elektromagnetischen Kraft und

;' dem Begi enzungsring eingefangen wird, der ihn daran hindert, sich weiter nach außen zu bewegen. Lediglich in

;·' die Ebene von F i g. 4 besteht eine relative Bewegungsfreiheit. Der Lichtbogen bewegt sich daher senkrecht zu

;■' ίο 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 magnetisch permeablen Rings 19 von Fig.5 die Kraftlinien ebenso leicht durch der, Ring 19 wie durch das innerhalb des Innenumfangs des Rings'angeordnete Target 16 wandern. Die FluDdichte innerhalb des Rings 19 ist daher im wesentlichen gleich der Flußdichte außerhalb des Innenum-15 fangs des Rings 19. Auf den Lichtbogen wirkt daher keine nach außen gerichtete Kraft wie im Fall von F i g. 4 ein. Der Lichtbogen wandert daher in zufälliger Weise über die gesamte magnetisch permeable Targetoberfläci:;: wie er auch über das unmagnetische Target von F i g. 3 wandert, so daß eine gleichmäßige Erosion des magnetisch permeablen Targets bewirkt wird.

;;■ Es wird nun auf F i g. 8 Bezug genommen, in der eine "weitere Anwendung der beschriebenen Siabüisierungs-

20 vorrichtung dargestellt ist. Es hat sich gezeigt, daß ein ein unmagnetisches Target umgebender magnetisch permeabler 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 magnetisch permeable Ring dann zur Erzielung der Festhaltefunktion angewendet werden kann, wobei nach F i g. 8 der Begrenzungsring 24 (a) ein getrennter Überzug oder (b) ein

25 aufgestrichener, aufgestäubter, aufgedampfter oder auf andere Weise auf den Ring 19 aufgebrachten 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

*, 30 explosionsartig verdampfen, bevor eine bedeutsame Metallverdampfung beginnen kann. Der größte Teil des

Y) Entfernens der Verunreinigungen geschieht während der anfänglichen Reinigungsphase des Targets, bei der das

.j] Substrat in manchen Fällen aus dem System entfernt ist. Während dieser Zeit werden Kathodenflecke des

i:i sogenannten Typs 1 erzeugt, die das Target nicht wirksam verdampfen. Erst nach der wirksamen Entfernung der

ι] Verunreinigungen werden die Kathodenflecke durch den sogenannten Typ 2 ersetzt, der die Verdampfung des

fi 35 Targets bewirkt Das Substrat kann dann an diesem Zeitpunkt als Vorbereitung zur Beschichtung in das System

S eingefügt werden, wenn es sich nicht bereits darin befindet.

I Der Begrenzungsring scheint den Lichtbogen während der anfänglichen Reinigungsphase auf dein Targei

I festzuhalten, auch wenn das Target in verschmutztem Zustand zusammengebaut wird. Der magnetisch perme-

ci able Ring wirkt nicht vollständig abstoßend, so daß sich der Lichtbogen während der ersten wenigen Anfänge im

I 40 Verlauf der einleitenden Reinigungsphase über das Target und den magnetisch permeablen Ring bewegen kann.

f- Wenn das Target genügend rein ist, so daß Targetmaterial verdampft wird, wird der unmittelbar an das Targel

• angrenzende Bereich des Rings beschichtet, und die Kontrolle über den Lichtbogen wird vollkommen. Während

i; 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 Kam-

•'f 45 mer verdampfen kann.

';; In gewissen Anwendungsfällen ist der Begrenzungsring (a) ein wenig zerbrechlich (b), ziemlich kurzlebig, (c)

H teuer und (d) wegen seiner geringen Benetzbarkeit anfällig dafür, in ihm abgelagertes Targetmaterial zu

·' verlieren. Es ist jedoch erwünscht, die Lichtbogen-Rückhaltefähigkeit des Begrenzungsringes während der

anfänglichen Reinigungsphase vorteilhaft auszunutzen und dann einen magnetisch permeablen Ring zu benut-

50 zen, nachdem das Target unter Anwendung des Lichtbogens gereinigt worden ist (wobei der Begrenzungsring

Lichtbogen es Typs 1 bei vielen Target-Materialien festzuhalten scheint, möglicherweise sogar bei allen Materi-

'; alien).

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

β Kathode, insbesondere in der Nähe der Isolatoren, gegen Erosion zu schützen. Die Reinigungswirkung des

M 55 Lichtbogens muß daher auf das Target und die Klemmanordnung beschränkt werden. Zweitens muß die

H Lichtbogenlöschfrequenz herabgesetzt werden, so daß wenige Überschläge zu einer reinen Oberfläche führen.

■| Mit derzeit verwendeten Verfahren können einige hundert Überschläge auf einer großen Aluminiumkathode

|j mit einer Begrenzungsvorrichtung mit einem magnetisch permeablen Ring erforderlich sein.

If Wie schwerwiegend das Lichtbogenreinigungsproblem ist, hängt vom Targetmaterial ab. Aluminium hat

I 60 beispielsweise in dieser Hinsicht sehr schechte Eigenschaften, während Zirkonium sehr gute hat. Es wurde

I beobachtet, daß Lichtbögen des Typs 1 in ihren Funktionen eine gewisse Hierarchie aufweisen. Zuerst suchen sie

fj Oxidbereiche und greifen diese an. Dies ist verständlich, da solche Verbindungen wie Metalloxide die Eigen-

|| schaft haben, als Elektronenemitter zu wirken. Es scheint, daß nur bei diesem Suchvorgang ein leichtes Aufsprin-

|; gen auf den magnetisch permeablen Ring erfolgen kann. Wenn die heftigen Blitze von den offensichiüchen

, 1 65 Oxidbereichen erloschen sind, erfolgen wesentlich meh r f jchtbogenüberschläge gewöhnlich mit immer längeren

I Betriebsperioden vor dem Erlöschen. Während des größten Teils dieser Periode tritt nahezu kein verdampftes

gj Metall aus der Entladung auf, auch wenn diese viele Sekunden dauert Es scheint immer noch ein Betrieb mit

tjs einem Lichtbogen des Typs 1 zu sein, bei dem um eine sehr geringe Verdampfung stattfindet Dies ist wahr-

scheinlich die explosionsartige Verdampfung 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 magnetisch permeablen Ring bis auf die nicht dem Target angehörten Teile der Kathode. In der Spitzen- und Stegphase hält der magnetisch permeable Ring die Entladung aufrecht, doch erlischt sie relativ häufig. Erst dann, wenn der Lichtbogen des Typs 1 alle ohne weiteres verfügbaren Elektronenquellen beseitigt hat, erfolgt ein Übergang auf einen LichtDogen des Typs 2, der eine Blitzverdampfung der Targetoberfläche ergibt.

Da der Begrenzungsring 24 die Entladung der Oxidphase aufrechterhält, kann die Ausführungsform von F i g. 8 zur Optimierung der jeweiligen Vorteile des Begrenzungsrings 24 und des magnetisch permeablen Ring.; 19 angewendet werden. Wenn der Begrenzungsring 24 als getrennte Abdeckung verwendet wird, bleibt er während der anfänglichen Lichtbogenreinigunsphase an Ort und Stelle, bis der Lichtbogen des Typs 2 auf dem Target gebildet ist. Die Abdeckung 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 Begrenzungsring 24 zugedeckt waren. Es sind jedoch weniger solche Bereiche als zuvor vorhanden, und die gesamte Reinigungszeit ist geringer als die, die ohne die Begrenzungsring-Abdeckung aufgewendet werden müßte. Da diese Abdeckung nach dem Reinigen entfernt wird (damit dann der magnetische permeable Ring gemäß der obigen Erläuterung die Lichtbogenschaltefunktion ausüben kann) ist überdies die Lebensdauer der Abdeckung beträchtlich verlängert. Außerdem ist der Verlust von T^r^ctmetc*·?¹.', d?>s sich d^ro.uf abscheidet, kein Problem.

Wenr. die Begrenzungsring-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 Hochrrequenzzerstäubung 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 Ring 19 aus Eisen kann zusammen mit 2:; 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 Gründen 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-Überzug nicht dazu, abzublättern.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Stabilisieren eines Verdampfungslichtbogens mit einem Target, das eine Oberfläche aus zu verdampfendem Material aufweist und Mitteln zum Erzeugen eines Verdampfungslichtbogens auf der

Targetoberfläche zum Verdampfen des Targetmaterials, wobei der Verdampfungslichtbogen geladene Teilchen enthält und einen Kathodenfleck bildet, der in zufälliger Weise Ober die Targetoberfläche wandert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Begrenzungsring(24) mit dem Target (16) in Kontakt steht und die Targetoberfläche umgibt, wobei dieser Begrenzungsring (24) aus einem Material besteht, das (&? bei den mittleren Energien der geladenen Teilchen des Lichtbogens ein Sekundärelekironenemissionsverhältnis hat, ίο das kleiner als 1 ist, und (b) zur Begrenzung des Kathodenflecks auf die Targetoberfläche eine Oberflächenenergie hat, die kleiner als die des verdampften Targetmaterials ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Energie der geladenen Teilchen des Lichtbogens 40 bis 60 eV beträgt

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsring (24) eine Nitridverbindung enthält

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitridverbindung Bornitrid oder Titannitrid ist

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Substrat (12) und eine Anode (14) das gleiche Teil sind.

6. Verrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Target (16) auf einer Kathode (18) befestigt ist

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (16) und die Kathode (18) das gleiche Teil sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (16) eine Oberfläche aus magnetisch permeablem Material aufweist und daß zum im wesentlichen gleichmäßigen Verdampfen des Targetmaterials von der Targetoberfläche ein magnetisch permeabler Ring (19) vorgesehen ist, der das Target umgibt

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisch permeable Ring (19) und das Target (16) getrennte Teile bilden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisch permeable Ring (19) und das Target (16) einstückig miteinander verbunden sind.

11. Vorrichtung nach A.ispruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisch permeable Ring (19) aus dem gieichen Material wie das Target (16) besteht

12. Vorrichtung nach Ar pruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisch permeable Ring (19) aus Eisen oder aus Permalloy besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Target (16) zum Halten des Kathodenflecks auf der Targetoberfläche von einem magnetisch permeablen Ring (19) umgeben ist, und daß der Begrenzungsring (24) den magnetisch permeablen Ring (19) wenigstens während einer anfänglichen Reinigung von Verunreinigungen des Targets (16) so bedeckt, daß sich der Kathodenfleck nicht auf dem magnetisch permeablen Ring (19) bewegt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsring (24) von dem magnetisch permeablen Ring (19) trennbar ist, so daß er nach dem anfänglichen Reinigungsschritt abgenommen werden kann.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsring (24) als Schicht auf dem magnetisch permeablen Ring (19) gebildet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungsring (24) Titannitrid enthält.

17. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (16) aus unmagnetischem Material besteht.