DE4016087A1 - Arc coating unit eliminating droplets or spray on substrate - by using centrifugal force of rotating cathode to divert them into wall encircling the cathode - Google Patents

Arc coating unit eliminating droplets or spray on substrate - by using centrifugal force of rotating cathode to divert them into wall encircling the cathode

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Abstract

Coating of substrates by arc evaporation in an evacuated chamber has the novelty of using the centrifugal force generated by a cathode (3) rotating at 10-1000rpm to eliminate droplets or spray that are unsuitable for depositing on the substrate. The substrate is mounted on a carrier (9) which itself rotates, but at a lower speed. The cathode (3), which is in the form of a plate, thick-walled pipe of pipe section, is mounted on a carrier with a drive shaft (5) and is encircled by a cup-shaped part (6) with a circular wall (11) extending over the circumference of the cathode. The undesired droplets are flung off and captured within this wall (11). ADVANTAGE - Higher quality coatings are obtained uncontaminated by droplets of spray from the cathode.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten mittels Bogenverdampfung in einem evakuierten Raum sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfah­ rens.The invention relates to a method for coating Substrates by means of arc evaporation in an evacuated Space and a device for performing this procedure rens.

Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung solcher Verfah­ ren mit Bogenentladungsverdampfung sind bekannt und werden in der Praxis allgemein verwendet. Nachteilig ist dabei, daß die Qualität der gebildeten Schichten häufig dadurch ver­ schlechtert wird, daß sich von der Kathode lösende Tröpfchen oder Spritzer in die jeweiligen Schichten eingebaut werden. Dies ist eine Folge davon, daß sich am kathodischen, im we­ sentlichen punktförmigen Fußpunkt eines Vakuumbogens stets eine kochende Schmelze ausbildet, aus der nicht nur Atome und Ionen, sondern insbesondere auch Tröpfchen und Spritzer austreten und auf das Substrat fliegen, wo sie die uner­ wünschte Qualitätsverschlechterung zur Folge haben.Methods and devices for carrying out such procedures ren with arc discharge evaporation are known and will be commonly used in practice. The disadvantage here is that this often ver the quality of the layers formed deteriorates that droplets detaching from the cathode or splashes can be built into the respective layers. This is a consequence of the fact that the cathodic, in the we significant point base of a vacuum arc always forms a boiling melt from which not only atoms and ions, but especially droplets and splashes emerge and fly to the substrate where they are the un result in the desired deterioration in quality.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und die Bildung von Schichten zu ermöglichen, die einwand­ freie Qualität besitzen und keine eingebauten Tröpfchen oder Spritzer enthalten.The object of the invention is to avoid these disadvantages and to allow the formation of layers that are flawless possess free quality and no built-in droplets or Splashes included.

Gelöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung im wesentlichen dadurch, daß im Bereich der Kathode auf die sich von der Kathode lösenden und nicht zum Einbau in die Schichten ge­ eigneten Teilchen, Tröpfchen und Spritzer solche Ablenkkräf­ te ausgeübt werden, daß diese Teilchen, Tröpfchen oder Sprit­ zer aus der zum Substrat gerichteten Bewegungsbahn abgelenkt und in einem vom Substrat beabstandeten Bereich aufgefangen werden, wo sie keinerlei störende Effekte bewirken können. This object is essentially achieved according to the invention characterized in that in the area of the cathode on the Solvent cathode and not for installation in the layers suitable particles, droplets and splashes such deflecting forces te that these particles, droplets or fuel distracted from the path of movement directed towards the substrate and collected in an area spaced from the substrate where they can have no disruptive effects.  

Bevorzugt werden als Ablenkkräfte im unmittelbaren Bereich der Kathode erzeugte Fliehkräfte genutzt, die auf die sich von der Kathode lösenden Tropfchen und Spritzer tangentiale Schleuderkräfte ausüben, die zur Kathodenoberfläche parallel und zum Radiusvektor senkrecht verlaufen. Erzeugt werden diese Fliehkrafte dadurch, daß die Kathode in eine Rotations­ bewegung mit entsprechend hoher Drehzahl versetzt wird, so daß die Spritzer und Tröpfchen beim Verlassen der Kathode geradlinig den tangentialen Schleuderkräften folgen.Preferred as distraction forces in the immediate area centrifugal forces generated on the cathode are used, which affect the droplets and splashes tangential from the cathode Exert centrifugal forces that are parallel to the cathode surface and run perpendicular to the radius vector. Be generated this centrifugal force by rotating the cathode movement is shifted at a correspondingly high speed, so that the splashes and droplets when leaving the cathode follow the tangential centrifugal forces in a straight line.

Aus der Kathode austretende Atome und Ionen haben eine sehr viel geringere Masse als die störenden Tröpfchen und Sprit­ zer, so daß auch die auf diese Atome und Ionen einwirkenden, von der Rotation der Kathode herrührenden Kräfte sehr viel kleiner sind als die auf die vergleichsweise großen Spritzer oder Tröpfchen wirkenden Kräfte.Atoms and ions emerging from the cathode have a very much less mass than the annoying droplets and fuel zer, so that also those acting on these atoms and ions, forces originating from the rotation of the cathode are smaller than those on the comparatively large splashes or droplet forces.

Dies wird beispielsweise deutlich, wenn man die Masse eines Titanions mit der Masse eines typischen Titantröpfchens mit einem Durchmesser von etwa 2 µm vergleicht.This becomes clear, for example, when you consider the mass of a Titanions with the mass of a typical titanium droplet a diameter of about 2 microns.

Dieses Verhältnis von Tröpfchenmasse zu lonenmasse beträgt 18,65×10-12 zu 8×10-23, d. h. es ergibt sich ein Verhält­ nis von 2,33×1011.This ratio of droplet mass to ion mass is 18.65 × 10 -12 to 8 × 10 -23 , ie there is a ratio of 2.33 × 10 11 .

Für die Flieh- oder Zentrifugalkraft ergibt sich das gleiche Verhältnis, und dies verdeutlicht die Wirksamkeit des erfin­ dungsgemäßen Prinzips der Aussonderung dieser störenden Tröpfchen oder Spritzer durch die Flieh- bzw. Zentralifugal­ krafte, resultierend aus dem Antrieb der Kathode.The same results for centrifugal or centrifugal force Ratio, and this illustrates the effectiveness of the inventions principle of separating these disruptive Droplets or splashes through the centrifugal or centrifugal forces resulting from the drive of the cathode.

Von Vorteil ist es, auf der Kathodenfläche die Bogenspur mit­ tels geeigneter Magnetfelder auf gewisse Bereiche einzustel­ len und so beispielsweise auf einer flächig oder ringschei­ benförmig ausgebildeten Kathode eine definierte Verdampfungs­ zone in einem Ringbereich von r ± Δr festzulegen, so daß auch bezüglich der durch Fliehkraftablenkung erfolgenden Aussonderung störender Tröpfchen und Spritzer definierte Verhältnisse geschaffen werden.It is advantageous to have the arc track on the cathode surface by means of suitable magnetic fields in certain areas len and so for example on a flat or ring disc ben-shaped cathode a defined evaporation  zone in a ring area of r ± Δr so that also with regard to those caused by centrifugal deflection Separation of disturbing droplets and splashes defined Relationships are created.

Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further particularly advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung wird anhand der Zeichnung erläutert; die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer Beschichtungsvorrichtung mit rotierendem Bogenverdamp­ fer.An embodiment of a trained according to the invention Device is explained with reference to the drawing; the only Figure of the drawing shows a schematic representation a coating device with rotating arc evaporator fer.

Dabei ist in einem Vakuumgefäß 1 mit einer Pumpöffnung 2 ein Bereich zur Aufnahme der zu beschichtenden, auf einem Sub­ strathalter 9 angeordneten Substrate sowie ein rohrförmiger Abschnitt 4 vorgesehen, in dem sich der rotierende Bogenver­ dampfer befindet.Here, in a vacuum vessel 1 with a pump opening 2, an area for receiving the substrates to be coated, arranged on a substrate holder 9 and a tubular section 4 is provided, in which the rotating Bogenver evaporator is located.

Der Substrathalter 9 ist ebenfalls rotierend ausgebildet und mit einer Biasstromversorgung 10 verbunden.The substrate holder 9 is also designed to be rotating and connected to a bias power supply 10 .

Der rotierende Bogenverdampfer besteht aus einer scheiben­ oder ringscheibenförmigen Kathode 3, die auf einem Träger an­ geordnet ist, der über eine Antriebswelle 5 in Drehung ver­ setzt werden kann. Zwischen dem Kathodenträger und dem Va­ kuumgefäß ist die Stromversorgung 7 für den Bogenverdampfer angeschlossen.The rotating arc evaporator consists of a disc or washer-shaped cathode 3 , which is arranged on a support which can be set in rotation via a drive shaft 5 . The power supply 7 for the arc evaporator is connected between the cathode support and the vacuum vessel.

Die Kathode 3 bzw. der ihr zugeordnete Trager ist in einem topfförmigen Teil 6 angeordnet, durch dessen Boden sich die Antriebswelle 5 erstreckt und das beschichtungsseitig mit einer Ringwand 11 versehen ist, die sich über den Randbe­ reich der Kathode erstreckt. The cathode 3 or the associated carrier is arranged in a cup-shaped part 6 , through the bottom of which the drive shaft 5 extends and which is provided on the coating side with an annular wall 11 which extends over the edge of the cathode.

Zwischen einer Abschlußwand des Vakuumgefäßes 1 und dem topf­ förmigen Teil 6 befindet sich eine verschiebbare Magnetanord­ nung 8, mittels der sichergestellt werden kann, daß die Bo­ genspur auf vorgebbare Kathodenbereiche beschränkt werden kann und somit eine gleichmäßige Bogenverdampfung erzielt wird.Between an end wall of the vacuum vessel 1 and the pot-shaped part 6 there is a displaceable Magnetanord voltage 8 , by means of which it can be ensured that the Bo gene trace can be limited to predeterminable cathode areas and thus uniform arc evaporation is achieved.

Durch die Rotation der Kathode 3, deren Drehzahl in Abhängig­ keit von den jeweiligen betrieblichen Gegebenheiten gewählt werden kann und insbesondere zwischen 10 und 1000 Umdrehun­ gen pro Sekunde liegt, wird erreicht, daß sich von der Katho­ denoberfläche lösende Tröpfchen oder Spritzer aufgrund der sich ergebenden Fliehkräfte radial nach außen geschleudert und vorzugsweise von dem topfförmigen Teil 6 aufgefangen werden und somit nicht in die auf den Substraten gebildeten Schichten eingebaut werden können.The rotation of the cathode 3 , the speed of which can be selected as a function of the respective operating conditions and in particular between 10 and 1000 revolutions per second, ensures that droplets or splashes detaching from the cathode due to the resulting centrifugal forces are thrown radially outwards and are preferably caught by the pot-shaped part 6 and thus cannot be built into the layers formed on the substrates.

Claims (10)

1. Verfahren zur Beschichtung von Substraten mittels Bogen­ verdampfung in einem evakuierten Raum, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Kathode auf sich von der Kathode lö­ sende, nicht zum Einbau in die Schichten geeignete Teil­ chen, Tröpfchen oder Spritzer derartige Ablenkkräfte aus­ geübt werden, daß diese Teilchen, Tröpfchen oder Sprit­ zer aus der zum Substrat gerichteten Bewegungsbahn ab­ gelenkt und in einem vom Substrat beabstandeten Bereich aufgefangen werden.1. A method for coating substrates by means of arc evaporation in an evacuated space, characterized in that in the region of the cathode which dissolves from the cathode and is not suitable for incorporation into the layers, droplets or splashes of such deflection forces are exerted, that these particles, droplets or fuel are deflected from the path of movement directed towards the substrate and are collected in a region spaced apart from the substrate. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkkräfte im unmittelbaren Bereich der Katho­ de wirksame Fliehkräfte ausgenutzt werden.2. The method according to claim 1, characterized, that as distraction forces in the immediate area of the Katho de effective centrifugal forces are used. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (3) als schnell rotierende Kathode ausge­ bildet ist.3. A device for performing the method according to claim 1 or 2, characterized in that the cathode ( 3 ) forms out as a rapidly rotating cathode. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Kathode (3) im Bereich von etwa 10 bis 1000 Umdrehungen pro Sekunde gelegen ist.4. The device according to claim 3, characterized in that the speed of the cathode ( 3 ) is in the range of about 10 to 1000 revolutions per second. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das der rotierenden Kathode (3) gegenüberliegende Substrat auf einem mit wesentlich geringerer Drehzahl rotierenden Träger (9) angeordnet ist.5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the substrate opposite the rotating cathode ( 3 ) is arranged on a carrier ( 9 ) rotating at a substantially lower speed. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Kathode (3) in einem rohrförmigen Ab­ schnitt (4) des Vakuumgefäßes (1) angeordnet ist.6. Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the rotating cathode ( 3 ) in a tubular section from ( 4 ) of the vacuum vessel ( 1 ) is arranged. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Kathode (3) in einem topfförmigen, sich ebenfalls im rohrförmigen Abschnitt (4) des Vakuum­ gefäßes (1) befindenden Teil (6) angeordnet ist, durch dessen Boden sich die Kathoden-Antriebswelle (5) er­ streckt und das anodenseitig eine Ringwand (11) auf­ weist, die den Randbereich der Kathode (3) vorzugsweise etwas übergreift.7. Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that the rotating cathode ( 3 ) in a pot-shaped, also in the tubular section ( 4 ) of the vacuum vessel ( 1 ) part ( 6 ) is arranged, through the bottom thereof the cathode drive shaft ( 5 ) stretches and the anode side has an annular wall ( 11 ), which preferably overlaps the edge area of the cathode ( 3 ) somewhat. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathode (3) zur gleichmäßigen Verteilung der Ver­ dampfungserosion verschiebbare Magnete (8) in Form von Permanent- und/oder Elektromagneten zugeordnet sind.8. Device according to one of claims 3 to 7, characterized in that the cathode ( 3 ) for the uniform distribution of the evaporation erosion movable magnets ( 8 ) are assigned in the form of permanent and / or electromagnets. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (3) die Form einer Platte, eines dickwan­ digen Rohres oder einer dickwandigen Rohrscheibe be­ sitzt.9. Device according to one of claims 3 to 8, characterized in that the cathode ( 3 ) is in the form of a plate, a thick-walled tube or a thick-walled tubular disk be. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachsen von Kathode (3) und Substratträ­ ger (9) senkrecht zueinander verlaufen.10. Device according to one of claims 3 to 9, characterized in that the axes of rotation of the cathode ( 3 ) and substrate carrier ( 9 ) are perpendicular to one another.
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