DE4008850A1 - Verfahren zur regelung der brennfleckposition bei einem vakuumbogenverdampfer - Google Patents

Description

Das Verfahren zur Regelung der Brennfleckposition bei einem Vakuumbogenverdampfer kann bei allen Verdampfern dieser Bauart eingesetzt werden, um eine gleichmäßige Verdampfung des Katodenmaterials zu sichern.

Aufbau und Wirkungsweise von Verdampfern, die das Prinzip der Vakuumbogenentladung nutzen, sind bereits beschrieben und weitgehend bekannt (z. Z. Neue Hütte 32 (1987) 4, 121). Der wesentliche Vorteil dieses Verdampferprinzips besteht darin, daß mit vergleichsweise einfachen Einrichtungen hohe Abscheideraten erreicht werden können. Darüber hinaus zeichnet sich der Vakuumbogen-Verdampfer dadurch aus, daß der vom Katodenbrennfleck freigesetzte Dampf hoch ionisiert ist und die Ionen beträchtliche kinetische Energien (10 . . . 100 eV) besitzen, wodurch Schichten hoher Dichte und guter Haftfestigkeit erzeugt werden können.

Der prinzipielle Nachteil besteht darin, daß der Brennfleck sich völlig stochastisch auf der Katodenfläche bewegt. Daraus ergibt sich eine ungleichmäßige Erosion der Katodenoberfläche, die die Einsatzdauer der Katode herabgesetzt und die Reproduzierbarkeit der Schichteigenschaften verringert. Insbesondere trifft diese Einschätzung bei solchen Katodenmaterialien zu, bei denen der Brennfleck eine niedrige Beweglichkeit besitzt (z. B. Cu, C). Hierbei kommt es zur Herausbildung tiefer Erosionskrater, wodurch mit wachsender Tiefe die Richtungsverteilung des ionisierten Dampfes geändert wird und letztlich zum Verlöschen der Entladung führt. Nach dem Stand der Technik gibt es bereits verschiedene Versuche mittels magnetischer Felder, die Brennfleckbewegung auf der Katode zu beeinflussen. So beansprucht die DD-WP 2 65 507 axialsymmetrische Magnetfelder mit einer zur Katodenoberfläche parallelen Feldkomponente. Die DD-WP 2 65 506 setzt magnetische Drehfelder zur Stimulierung der Brennfleckbewegung ein.

Mit diesen Methoden ist zwar eine Beeinflussung der Brennfleckbewegung erreichtbar, es ist aber weder möglich die jeweilige Fleckposition zu bestimmen noch sicher zu verhindern, daß der Brennfleck die Katodenoberfläche verläßt, bzw. bevorzugt am Rand der Katode brennt und dort Schäden an der Einrichtung hervorruft.

Zur Verhinderung des Ausbrechens des Brennflecks wurde auch vorgeschlagen (DE-PS 33 45 442), einen magnetisierbar permeablen Begrenzungsring um den gewünschten Erosionsbereich anzuordnen. Dieser bewirkt, daß der Brennfleck auf die Erosionszone der Katode zurückgetrieben wird.

Die EP 2 77 341 schlägt vor, den Begrenzungsring aus gut leitfähigem Material, z. B. Kupfer, herzustellen. Diese Lösung verhindert vor allem bei höheren Stromstärken mit mehreren Brennflecken das Ausbrechen des Vakuumbogens. Die Lösung weist überraschende Vorteile auf, löst das Problem aber nicht, daß die ungleichmäßige Erosion der Katode zu einer relativ geringen Ausnutzung des Katodenmaterials und somit zum instabilen Brennverhalten der Bogenentladung führt. Derartige Probleme treten insbesondere bei Katodenmaterialien auf, bei denen die Brennfleckbewegung gering ist, z. B. Cu, C. Hier kommt es zur bereits erwähnten Herausbildung tiefer Erosionskrater, die die Funktion der Einrichtung behindern können. Die stochastische Brennfleckbewegung auf der Katode innerhalb des Begrenzungsringes ruft durch die ungleichmäßige Katodenerosion weiterhin eine erhöhte Dropletemission und eine Verringerung der Schichtqualität bzw. der Reproduzierbarkeit der Schichtqualität hervor. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Katodenerosion wurde auch bereits vorgeschlagen, gepulste Bogenentladungen mit einer Brenndauer von einigen µs, die beispielsweise durch Laser-Plasmen gezündet werden, einzusetzen. Diese Lösungen sind jedoch technisch sehr aufwendig und führen zu relativ geringen Beschichtungsraten, da die Pausenzeit zwischen zwei Impulsen aus physikalischen Gründen im allgemeinen ein Vielfaches der Impulsdauer beträgt.

Die Erfindung verfolgt das Ziel, mittels leistungsfähiger Vakuumbogenverdampfer Schichten mit großer Homogenität bei hoher Wirtschaftlichkeit herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Brennfleckposition derart beeinflußt wird, daß das Katodenmaterial eines Vakuumbodenverdampfers weitgehend gleichmäßig über die gesamte Katodenoberfläche abgetragen wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe derart gelöst, daß in bekannter Weise im Bereich der Katodenoberfläche äußere, im wesentlichen parallel zur Erosionsfläche der Katode verlaufende Magnetfelder, die wenigstens zu einem Teil des Begrenzungsrandes der Erosionsfläche parallele Komponenten aufweisen; angewendet werden, daß mittels einer Sonde außerhalb und isoliert zur Katode das Floatingpotential des Plasmas erfaßt wird und daß bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes die Richtung des äußeren Magnetfeldes geändert wird. Der Sollwert ist dabei weitgehend experimentell für den einzelnen Verdampfer zu ermitteln und wird in der Regel so festgelegt, daß er gerade dann erreicht wird, wenn der Brennfleck den Rand der Erosionsfläche erreicht hat, da dann das Floatingpotential am höchsten ist.

Bis zu diesem Zeitpunkt hat die willkürliche Bewegung des Brennfleckes eine bestimmte Vorzugsrichtung, die dem Brennfleck durch die äußeren Magnetfelder aufgeprägt wird. Wenn beim Erreichen des Sollwertes an der Sonde die Richtung des äußeren Magnetfeldes geändert wird, dann ändert sich auch zwangsweise die Vorzugsrichtung der Brennfleckbewegung und der Brennfleck wird entsprechend dem Magnetfeld auf die inneren Bereiche der Katodenoberfläche zurückgedrängt.

Die Vorzugsrichtung des Brennfleckes (auch Katodenflecke oder Fußpunkt) verläuft dabei immer senkrecht zu der parallel zur Erosionsfläche verlaufenden Magnetfeldkomponente.

Infolge der Überlagerung des äußeren Magnetfeldes mit dem Eigenmagnetfeld des Katodenfleckstromes kommt es zu einer entgegengesetzten Verschiebung des Katodenfleckes und des vom Katodenfleck wegströmenden Plasmas.

Von einem stationären äußeren Magnetfeld mit Komponenten, die wenigstens zu einem Teil des Begrenzungsrandes der Erosionsfläche der Katode parallel verlaufen, wird der Aufenthaltsbereich des Katodenflecks stets in Richtung des Randes der Erosionsfläche verschoben.

Das Floatingpotential einer geeigneten Sondenanordnung, welche zweckmäßigerweise mit der elektrostatischen Abschirmung der Katode identisch ist und diese konzentrisch umschließt, stellt sich nun entsprechend der aktuellen Fleckposition und der Ausbreitungscharakteristik der Plasmaströmung im äußeren Magnetfeld auf einen bestimmten Wert ein. Es erweist sich, daß das Floatingpotential eine Funktion des Abstandes des Fleckes von der Sonde ist.

Durch die Festlegung von unteren und oberen Sollwerten des Floatingpotentials, bei deren Erreichen die Richtung des äußeren Magnetfeldes in der Ebene parallel zur Erosionsfläche der Katode geändert wird, kann der Katodenfleck durch Änderung des aktuellen Magnetfeldes von Bereichen mit ungünstigen Existenzbedingungen nach Bereichen mit besseren verschoben werden.

Die erfindungsgemäße Sonde zur Erfassung des Floatingpotentials des Plasmas wird zweckmäßig als Ringelektrode um die Katode angeordnet. Dabei ist es völlig gleichgültig, in welchen geometrischen Randbereich sich der Brennfleck bewegt. Immer wird das niedrigste Plasmapotential gemessen, wenn der Brennfleck sich dem Rand nähert. Danach wird das Magnetfeld geändert und der Brennfleck wird in die entsprechende neue Vorzugsrichtung getrieben bis er wieder im Randbereich an der Sonde den Sollwert für das Plasmapotential erzeugt und erneut in eine andere Richtung getrieben wird. Die einfachste Magnetfeldänderung ist die Umkehrung des Magnetfeldes. Es ist jedoch auch möglich, mittels einer Mehrzahl von Polschuhen ein Magnetsystem aufzubauen, bei dem die Umschaltung des Magnetfeldes drehfeldähnlich erfolgt.

Neben dem unteren Sollwert kann auch ein oberer Sollwert festgelegt werden. Damit kann z. B. das Einbrennen des Brennfleckes im Krater verändert werden, da sich dabei das gemessene Floatingpotential des Plasmas an der Sonde erhöht.

Die erfindungsgemäße Verfahrensführung gestattet gegenüber dem Stand der Technik eine weitgehende Regelung der Brennfleckposition mit dem Vorteil der gleichmäßigen Katodenabtragung, ohne daß der Bogen die Erosionsfläche der Katode verlassen kann. Günstigerweise wird das Potential der erfindungsgemäßen Sonde gegenüber dem der Anode der Entladungsstrecke gemessen.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Quellenanordnung zur Vakuumbogenverdampfung von Graphit mit der Möglichkeit der erfindungsgemäßen Regelung der Brennfleckbewegung und in

Fig. 2 die Draufsicht zu Fig. 1.

Eine zylinderförmige Katode 1 aus Graphit mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Höhe von Ebenfalls 50 mm ist koaxial in einer Anode 2 mit einem Innendurchmesser von 150 mm angeordnet. Zur Steuerung der Fleckbewegung auf der Erosionsfläche 3 der Katode 1 dient ein Magnetsystem, bestehend aus drei Magnetspulen 4, einem magnetischen Leiter 5 und verlängerten Polschuhen 6, die unmittelbar an die Erosionsfläche 3 der Katode 1 herangeführt sind. Koaxial um die Katode 1 befindet sich eine Sonde 7 zur Messung des Floatingpotentials des Plasmas und als elektrostatische Abschirmung zur Vermeidung von Entladungserscheinungen auf der Mantelfläche der Katode 1.

Während des Betriebes der Entladung stellt sich bei einem Bogenstrom von 100 A und einer Bogenspannung von 21 V an der elektrostatischen Abschirmung 7 entsprechend der Fleckposition ein Potential von -5 V bis -19 V gegenüber der Anode 2 ein. Dabei entsprechen die niedrigeren Absolutwerte randnahen Positionen, die höheren Absolutwerte Positionen in bereits tief erodierten Gebieten der Erosionsfläche 3.

Die Auswertung des Potentials erfolgt über einen Schwellwertschalter 8, welcher über eine Stelleinrichtung 9 ein Umschalten der Magnetfeldrichtung bewirkt.

Der Katodenfleck wird durch die Wechselwirkung mit der durch das Magnetsystem auf der Erosionsfläche 3 erzeugten magnetischen Feldstärke in Richtung des Randes der Erosionsfläche 3 getrieben. Bei Erreichen eines elektrischen Potentials der elektrostatischen Abschirmung 7 von -13 V oder -18 V gegenüber der Anode 2 wird das Magnetfeld des Magnetsystems weitergeschaltet, so daß der Katodenfleck von den kritischen Bereichen weg auf andere Positionen getrieben wird.

Es wird damit ein stabiles Brennverhalten und ein gleichmäßigerer Katodenabtrag gegenüber einer Entladung mit ungeregelter Fleckposition erzielt.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Katode
2 Anode
3 Erosionsfläche
4 Magnetspulen
5 magnetischer Leiter
6 verlängerte Polschuhe
7 Sonde
8 Schwellwertschalter
9 Stelleinrichtung

Claims (2)

1. Verfahren zur Regelung der Brennfleckposition bei einem Vakuumbogenverdampfer mittels äußerer, im wesentlichen parallel zur Erosionsfläche verlaufender Magnetfelder, die wenigstens zu einem Teil des Begrenzungsrandes der Erosionsfläche parallele Komponenten besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Sonde (7) außerhalb und isoliert zur Katode (1) das Floatingpotential des Plasmas erfaßt wird und daß bei Erreichen eines Sollwertes die Richtung des äußeren Magnetfeldes geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Sonde (7) das Floatingpotential des Plasmas bezogen auf das Potential der Anode erfaßt wird.