DE3901401A1 - Verfahren zur steuerung einer vakuum-lichtbogenentladung - Google Patents
Verfahren zur steuerung einer vakuum-lichtbogenentladungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Vakuum-Lichtbogens,
wie er in der Form sogenannter Kaltkatoden-Bogenverdampfer
zum Verdampfen leitfähiger Materialien,
insbesondere von Metallen vielfältigen Einsatz, z. B. für die
Zwecke der reaktiven plasmagestützten Hartstoffbeschichtung,
Anwendung gefunden hat. Derartige Verdampfungssysteme zeichnen sich
dadurch aus, daß ein Verdampfung von oben nach unten möglich ist
und hohe Verdampfungsraten realisierbar sind.
Aufbau und Wirkungsweise von Verdampfern, die auf dem Prinzip der
Vakuum-Lichtbogenentladung beruhen, sind vielfach beschrieben und
weitgehend bekannt (z. B. VDI-Zeitschrift 129, 1987, 1, 84).
Ihre Funktion beruht darauf, daß innerhalb eines Vakuumbehälters
zwischen einer relativ großflächigen Katode, die aus dem zu
verdampfenden leitfähigen Material besteht und einer isoliert dazu
angeordneten Anode durch bekannten Methoden ein Lichtbogen gezündet
wird. Üblicherweise wird dazu eine anodische Zündelektrode
kurzzeitig auf die Katode getippt. Es wurde auch vorgeschlagen, zur
Zündung spezielle HF-Plasmen oder fokussierte Laserstrahlung
einzusetzen (EP 2 11 413).
Der Lichtbogen kann Stromstärken zwischen einigen 10 A und 100 A
bei Spannungen zwischen 20 V und 50 V leiten, tritt mit der Katode
im sogenannten Brennfleck in Kontakt und führt dort zu einem
erosiven Materialabtrag. Durch die sehr hohe Energiedichte im
Brennfleck, der einen Durchmesser von nur einigen µm hat, kommt es
zur extrem schnellen Aufheizung, die zu einer explosionsartigen
Verdampfung sowie Ionisierung des Katodenmaterials führt. Die
geladenen Teilchen im Plasma besitzen dabei eine hohe Energie und
Dichte.
Eines der Probleme bei diesem Vakuum-Bogenentladungsprinzip wird
dadurch hervorgerufen, daß der Brennfleck sich völlig stochastisch
und unkontrollierbar auf der Katodenoberfläche bewegt. Diese sehr
schnell verlaufende Bewegung führt zu einer Instabilität des
Bogens und auch dazu, daß der Bogen ausbricht und Isolatoren,
Abschirmungen, u. ä. Einbauten in der Nähe der Katode beschädigt.
Zur Beseitigung dieses Mangels sind bereits Vorschläge unterbreitet
worden, die eine Begrenzung des Lichtbogens auf der Katodenfläche
zum Inhalt haben. In der DE-OS 35 28 677 werden z. B. Magnetfelder
zur Bogenführung vorgeschlagen und in der DE-OS 33 45 493
Begrenzungseinrichtungen aus speziellen Materialien mit niedrigen
Elektronenemissionskoeffizienten eingesetzt.
Gemeinsam ist diesen Vorschlägen, daß es zwar gelingt die
Brennfleckbewegung zu beeinflussen, jedoch nicht diese Bewegung des
Bogens, bzw. des Brennfleckes auf der Katode definiert zu steuern.
Somit ist keine Sicherheit vorhanden, daß das Ausbrechen des Bogens
verhindert wird. Die Größe des Magnetfeldes, z. B. reicht nicht
immer aus, um den Erosionsbereich sicher zu begrenzen. Elektrisch
aktive Begrenzungen können durch Bedampfen während des Betriebes
der Entladung unwirksam werden. Im allgeinen ist durch derartige
Varianten aber der Katodenbereich, in dem die Erosion eintritt,
eingeschränkt. Dadurch sinkt die Materialausnutzung an der Katode
und die Effektivität des Verfahrens. Ein weiterer Nachteil des
Vakuum-Bogenentladungsverdampfers besteht in dem bisher noch
ungelösten Problem der Verminderung der Tröpfchenbildung, der
sogenannten Droplets.
Droplets sind relativ große Materialteilchen, die durch den
Katodenmechanismus, insbesondere durch die unterschiedlich große
und nicht steuerbare Geschwindigkeit des Brennfleckes auf der Katode
hervorgerufen werden, und wenn sie auf die Substrate auftreffen, die
Schichtbildung und die Schichtqaulität vermindern. Teilweise wird
dadurch Substrat und Schicht unbrauchbar.
Die Herstellung von Mehrfachschichten mittels Vakuum-Lichtbogenverdampfung
ist jedoch relativ schwer möglich, wenn die verschiedenen
Materialien von einem Verdampfer aus verdampft werden sollen.
In der DE-PS 31 52 736 wird eine Katode für einen Lichtbogen-Metallverdampfer
beschrieben, die aus mehreren Schichten von
Metallen mit unterschiedlich großem Katodenfall besteht, die
derart angeordnet sind, daß der Katodenfall von der geometrischen
Achse der Katode zu deren Randpartien hin geringer wird. Durch die
Wechselwirkung magnetischer Felder mit Eigenbewegung des
Katodenbrennfleckes durch den unterschiedlichen Katodenfall kann
eine Zweifachschicht hergestellt werden. Eine reproduzierbare
definierte Abscheidung der einzelnen Schichtkomponenten ist jedoch
nicht möglich.
Die US-PS 45 96 716 beschreibt eine Einrichtung zur Vakuum-Lichtbogenverdampfung,
bei der zwei Elektroden aus den zu
verdampfenden Materialien wahl- und wechselweise als Katode oder
Anode geschaltet werden können. Eine derartige Anordnung gestattet
jedoch keine Abscheidung reiner Einzelschichten, da physikalisch
bedingt, nicht vermeidbare Materialtransporte von Katode zur Anode
nach erfolgter Umschaltung auftreten, die später wieder mit
verdampft werden. Vor allem bei der Herstellung sehr dünner
optischer Schichten können diese Verunreinigungen stören.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden,
welches durch sichere Steuerung der Brennfleckbewegung auf der
Katode die Dropletbildung minimiert und die
Katodenmaterialausnutzung erhöht sowie die Herstellung von
Mehrfachschichten gestattet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die
Spannung zwischen Anode und Katode pulsierend angelegt und jeweils
bei maximaler Spannung ein Laserimpuls örtlich definiert auf die
Katodenoberfläche gerichtet wird. Die Spannung zwischen Anode und
Katode liegt dabei in der Regel unterhalb der Spannung, die für
eine selbständige Zündung der Bogenentladung erforderlich ist. Das
Spannungsminimum hat dabei einen Wert, der mit Sicherheit zum
Verlöschen der Entladung führt. Bei den üblichen
Bogenentladungsverdampfern liegt das Spannungsmaximum bei 100 V und
das Minimum bei 10 V. Die Brennzeit der Bogenentladung wird in
Abhängigkeit vom Katodenmaterial und dem Oberflächenzustand der
Katode im Bereich von einigen µs eingestellt. Die Festlegung der
pro Brennintervall (Impuls) umgesetzten Leistung ist über eine
entsprechende Dimensionierung im Stromversorgungskreis der Vakuum-Lichtbogenentladung
möglich.
Durch die Einleitung des erfindungsgemäßen stark fokussierten
Laserimpulses zum Zeitpunkt des Erreichens des Spannungsmaximums auf
die elektrisch leitfähige Oberfläche, wird an dieser Stelle ein
Plasma erzeugt. Die Plasmafront erreicht die Anode des
Bogenentladungsverdampfers und führt zur Zündung eines
Vakuumlichtbogens zwischen Anode und der Auftreffstelle des
Laserstrahles auf der Katode. Die Impulsdauer des Lasers ist dabei
kurz gegenüber der Brenndauer des Vakuumbogens, der erst durch
Absenken der Spannung zwischen Anode und Katode zum Verlöschen
gebracht wird. Die Impulsfolgefrequenz ist in weiten Grenzen
wählbar und lediglich durch die Leistungsfähigkeit des Lasers
sowie die Zeit bestimmt, die benötigt wird, um die Energie für den
Bogenverdampfer-Impuls bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird der Auftreffort des Laserimpulses auf der
Katode zwischen zwei Zündimpulsen durch geeignete Mittel (z. B.
Dreh- oder Schwingspiegel) verändert und die Katodenoberfläche
gleichmäßig oder nach einem festgelegten Muster abgerastert.
Dadurch wird erreicht, daß die Katode maximal als Materialquelle
ausgenutzt sowie das Erosionsprofil bestimmten Erfordernissen
gemäß gestaltet werden kann. Beispielsweise ist es möglich,
dieses Erosionsprofil der Katode so zu gestalten, daß die
Verdampfungscharakteristik über den gesamten, zum Abtrag der Katode
benötigten, Zeitraum konstant bleibt oder sich gezielt verändert.
Durch die Steuerung der Brennfleckbewegung kann weiterhin gesichert
werden, daß ein Ausbrechen des Bogens aus dem Katodenbereich
unmöglich wird.
Die erfindungsgemäße Lösung gestattet erstmalig eine sichere
Steuerung der Brennfleckbewegung auf der Katode, wobei sich die
Droplet-Bildung deutlich reduziert. Das Katodenmaterial wird gezielt
über die gesamte Fläche ausgenutzt. Durch die Steuerbarkeit wird
weiterhin eine weitgehende Regelbarkeit der Verdampfungsrate und
Verdampfungscharakteristik erreicht.
Zur Herstellung von Mehrfachschichten an verschiedenen
Verdampfungsmaterialien wird die Bogenentladung wahlweise gegenüber
dem Zentrum eines von mehreren Targets gezündet und die
Impulslänge, d. h. die Brenndauer einer Bogenentladung, derart
gewählt wird, daß die maximal zu erwartende Verschiebung des
Katodenbrennfleckes während des Impulses kleiner ist als der
geringste Abstand zum Targetrand und, daß die Schichtdicken der
herzustellenden Einzelschicht mittels der Zahl der Bogenentladungen
gegen ein Target, bzw. auf das entsprechende Material, bestimmt
wird.
Die Variierung der einzelnen Materialien ist leicht über die
Veränderung des Zündortes möglich. Die Zahl der verschiedenen
Verdampfungsmaterialien ist grundsätzlich beliebig. Sie werden
vorteilhaft auf einen gemeinsamen katodischen Targetträger
angeordnet. Nach erfolgter Zündung beginnt der Katodenbrennfleck
des Lichtbogens unter unmittelbarer Targetverdampfung seinen
physikalisch bedingten unkontrollierten Weg, auch Verschiebung
genannt, über die Targetoberfläche. In Abhängigkeit von der
materialspezifischen Geschwindigkeit der Brennfleckverschiebung und
des radialen Randabstandes auf dem Target, wird die Impuls- bzw.
Brenndauer des Lichtbogens durch Absenkung der Bogenspannung so
bestimmt, daß die Verschiebung des Lichtbogenbrennfleckes kleiner
ist als der kleinste Randabstand auf dem Target. Damit wird
sichergestellt, daß innerhalb eines derartigen Bogenentladungs-Impulses
nur Material dieses einen Targets verdampft wird, auch wenn
in unmittelbarer Nähe auf dem katodischen Targetträger andere
Targetmaterialien vorhanden sind.
Die Verdampfungsmenge innerhalb eines Impulses ist in der Regel
für den technologischen Beschichtungsprozeß zu gering. Deshalb
liegt es an den technologischen Erfordernissen, wie oft
nacheinander ein Bogenentladungs-Impuls gegen das gleiche Target
gezündet wird und wann mittels Veränderung des Zündortes die
Bogenentladung gegen ein anderes Target gezündet wird.
Die Impulszeiten für einen Bogenentladungs-Impuls sind sehr
unterschiedlich und richten sich nach dem Material und den daraus
folgenden Geschwindigkeiten der Brennfleckverschiebung und der
Targetgröße. Bei üblichen Dimensionierungen liegen die
Impulszeiten bei einigen Millisekunden.
Zur Vermeidung makroskopischer Kraterbildung ist es vorteilhaft den
Zündort auf einem Target von Entladung zu Entladung, in einem
Bereich der geringer ist als die mittlere Verschiebung während
eines Entladungsimpulses, zu verändern.
Mittels dieser Verfahrensführung ist es sehr gut möglich
Mehrfachschichten aus verschiedenen leitfähigen Materialien mit
variabler Dicke und hoher Reinheit herzustellen.
Aufgrund der relativ geringen Verdampfungsmenge bei einem
Bogenentladungsimpuls ist es beim ständigen Wechsel der Targets,
gegen die die Bogenentladung brennt, praktisch auch möglich
Mischschichten herzustellen, obwohl es eigentlich auch nur
Mehrfachschichten sind.
Unabhängig von der erfindungsgemäßen Verfahrensführung kann die
Arbeitsatmosphäre inert oder reaktiv sein, in entsprechender
Weise ändert sich die abgeschiedene Schicht auf dem Substrat.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert
werden.
In einer Hochvakuum-Bedampfungsanlage ist ein Kaltkatodenverdampfer,
bestehend aus wassergekühlter Targetkatode und ringförmiger Anode,
installiert. Die Stromversorgung für diesen Verdampfer ist so
ausgelegt, daß die Zündspannung von 100 V bei einer maxiamlen
Strombelastung von 100 A impulsförmig mit Impulslängen von einigen
µs zugeführt wird.
Synchron, mit Erreichen des oberen Spannungswertes, wird ein Nd-YAG-Laserimpuls
der Leistungsdichte von 10⁷ Wom-2 auf die
Katodenoberfläche gerichtet. Dadurch wird erfindungsgemäß der
Vakuumlichtbogen gezündet und brennt bis zum Erreichen der unteren
Schwellspannung. Die Laserimpulsdauer beträgt 500 ns und die
Brenndauer des Vakuumlichtbogens ca. 10 µs. Die Impulsfrequenz
liegt im Beispiel bei 10 Hz.
Die Einleitung des Laserstrahls auf die Katodenoberfläche erfolgt
mittels Fokussiersystem und eines um zwei Achsen programmierbaren
auslenkbaren Schwingspiegels sowie ein Lasereintrittsfenster. Damit
kann die Katodenoberfläche programmiert punktförmig abgerastert
werden. Mit diesem Verfahren, bei dem die Katode aus einem
graphitischen Kohlenstoff besteht, wird eine Verdampfungsrate von
05 g/min erreicht. Auf dem Substrat, welches in 10 cm Abstand von
der Katode angeordnet ist, wird eine Kohlenstoffschicht
abgeschieden, die einen erhöhten Anteil an sp³-Bindungen aufweist
und somit durch diamantartige Eigenschaften gekennzeichnet ist.
Es besteht das Ziel, auf einem Substrat bei hoher Reinheit der
Einzelschichten eine Wolfram-Kohlenstoff-Mehrfachschicht
herzustellen. Eine derartige Beschichtung ist z. B. für
Röntgenspiegel erforderlich.
In einer Hochvakuum-Beschichtungsanlage der bekannten Ausführung
mit einem Vakuum-Lichtbogenverdampfer und Substratanordnungen wird
die erfindungsgemäße Verfahrensführung realisiert. Als
erforderliche Zündeinrichtung ist eine Laserstrahleinrichtung
vorhanden, die ein integriertes Spiegelsystem aufweist, welches den
Laserstrahl wahlweise auf das Zentrum der zwei verschiedenen
katodischen Targets (W und C) ausrichtet.
Die katodischen Targets sind auf einer gemeinsamen Katodenhalterung
angeordnet, die von einem Anodenring umgeben ist. Das Wolfram-Target
hat einen Durchmesser von 150 mm und das Kohlenstoff-Target
einen Durchmesser von 40 mm. Diese Massen sind mit den
materialspezifischen Brennfleckgeschwindigkeiten und den möglichen
Schaltgeschwindigkeiten für die Bogenspannung abgestimmt.
Unabhängig anderer technologisch erforderlicher
Vorbereitungsprozesse erfolgt die erfindungsgemäße
Verfahrensführung in nachfolgender Weise.
Als erste Schicht soll auf dem Substrat eine W-Schicht abgeschieden
werden. Dazu wird zwischen Anode und Katode eine Spannung von 100 V
angelegt und die Stromversorgung so ausgelegt, daß der Bogenstrom
nach der Zündung 80 A beträgt. Eine selbständige Zündung tritt
bei der angegebenen Spannung noch nicht ein. Erst wenn ein
Laserimpuls auf das Zentrum der Wolfram-Targetplatte gerichtet wird
und dieses zu einer örtlichen Plasmabildung führt, kommt es zur
Zündung der Bogenentladung. Der Brennfleck beginnt seine
unkontrollierte Bewegung auf dem Target und verdampft dabei das
Material. Bevor es dem Brennfleck möglich ist den Randbereich des
Targets zu erreichen, wird verfahrensgemäß die Bogenspannung
unter 50 V abgesenkt, wodurch die Bogenentladung verlischt. Die
Brenndauer des Bogens wurde auf 10 ms eingestellt. Damit beträgt
die Schichtdicke etwa 0,1 nm. Die technologisch bedingte
Schichtdicke der Wolfram-Schicht verlangt eine Wiederholung eines
derartigen Impulses. Im Anschluß daran wird in äquivalenter Weise
der Bogenentladungs-Laserzündimpuls auf das Zentrum des
Kohlenstofftargets gerichtet und dort die Bogenentladung gezündet.
Zur Vereinfachung des elektronischen Aufwandes wurde die Brenndauer
auch in diesem Fall auf 10 ms eingestellt. Die abgeschiedene C-Schicht
beträgt etwa 0,1 nm und es ist ein Bogenentladungsimpuls
ausreichend. Zum Aufbau der Gesamtschicht werden insgesamt 60 W-C-Folgeschichten
nacheinander abgeschieden. Zwischen den
Einzelschichten werden keine Übergangszonen abgeschieden.
Claims (6)
1. Verfahren zur Steuerung einer Vakuum-Lichtbogenentladung mittels
Beeinflussung der Lage des Brennfleckes auf der
Katodenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung
zwischen Anode und Katode pulsierend angelegt und jeweils bei
maximaler Spannung ein Laserimpuls örtlich definiert auf der
Katodenoberfläche gerichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
maximale Spannung zwischen Anode und Katode unterhalb der
Spannung einer selbständigen Zündung einer Bogenentladung
liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
minimale Spannung zwischen Anode und Katode unterhalb der
minimalen Brennspannung der Bogenentladung liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Folge der Auftrefforte des Laserimpulses gleichmäßig oder nach
einem festgelegtem Muster über die Katodenoberfläche geführt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Herstellung von Mehrfachschichten die Bogenentladung wahlweise
gegenüber dem Zentrum eines von mehreren Targets gezündet wird
und die Impulslänge der Bogenentladung derart eingestellt wird,
daß die maximal zu erwartende Verschiebung des
Katodenbrennfleckes während des Impulses kleiner ist als der
geringste Abstand zum Targetrand und daß in der Folge weitere
Bogenentladungen in gleicher Weise gegen das gleiche oder andere
Targets gezündet werden.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schichtdicke der abzuscheidenden Schichten über die Zahl der
Bogenentladungs-Impulse eingestellt wird.
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