DE4022308A1 - Vorrichtung zur lichtbogenverdampfung des materials einer wassergekuehlten katode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lichtbogenver­ dampfung des Materials einer wassergekühlten Katode.

Solche Vorrichtungen, die auch als Lichtbogenmagnetronver­ dampfer bezeichnet werden, dienen zum Auftragen von Über­ zügen aus reinen nicht magnetischen Metallen, Legierungen und Verbindungen, wie Nitriden, Karbiden und Karbonitriden auf Bauelemente und Instrummente.

Aus der US-A-45 59 125 ist bereits eine Vorrichtung zur Lichtbogenverdampfung mit einer rechteckigen verdampfbaren Katode bekannt, welche aue elektrisch leitenden Materialien besteht. Die Stirnfläche der Katode ist dabei von einem Schutzring umgeben, der aus einem Material mit hoher magne­ tischer Permeabilität besteht und durch einen zweiten Ring oder durch einen Überzug aus einer ein niedriges Emissions­ vermögen für sekundäre Elektronen aufweisenden Verbindung, wie Titannitrid und Bornitrid, geschützt ist.

Eine solche Vorrichtung ist sehr aufwendig, da spezielle Materialien, nämlich Titannitrid und Bornitrid erforderlich sind, die schwer zu bearbeiten sind. Ferner ist die Be­ triebssicherheit der Vorrichtung beeinträchtigt, da bei der Verdampfung des Katodenmaterials der schützende Ring von dem Material der Katode bedeckt wird und dadurch seinen Zweck nicht mehr erfüllen kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, die Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszu­ bilden daß ein sicherer Betrieb gewährleistet ist, ohne benutzt werden müssen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der Vorrichtung zur Licht­ bogenverdampfung des Materials einer wassergekühlten Katode durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Katode von einem Magnetleiter umschlossen. Der Magnetleiter hat einen ersten Abschnitt, an welchem den einen Pol des magnetischen Systems bildende Permanentmagnete angeordnet sind. An dem ersten Abschnitt des Magnetleiters ist ein zweiter Ab­ schnitt angebracht, der den anderen Pol des Magnetsystems bildet. Der zweite Abschnitt ragt mit einem bestimmten Abstand über die Stirnfläche der verdampfbaren Katode hinaus und ist um den seitlichen, nicht verdampfenden Rand der Katode herum in einem Abstand davon angeordnet. Dadurch wird die Stirnfläche der verdampfbaren Katode von magneti­ schen Kraftlinien unter einem Winkel durchsetzt, bei wel­ chem der Maximalwert der horizontalen Komponente der magne­ tischen Induktion äuf der Stirnfläche der verdampfbaren Katode 1,5 × 10^-2 T ist. Der zweite Abschnitt des Magnet­ leiters ist von seinem ersten Abschnitt durch einen Isola­ tor getrennt, der einen minimalen magnetischen Widerstand und eine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm aufweist.

Der zweite Abschnitt des Magnetleiters ist ferner von einer Vakuumkammer durch einen weiteren Isolator getrennt, jedoch mit der Vakuumkammer über eine RC-Gruppe verbunden, d. h. über eine aus einem Ohmschen Widerstand und einem kapaziti­ ven Glied bestehenden Kette. Der zweite Abschnitt des Magnetleiters bildet somit gleichzeitig einen magnetischen Pol und einen elektrostatischen Schirm.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, den Katodenfleck auf der verdampfenden Stirnfläche der ver­ dampfbaren Katode zu halten, und zwar aufgrund der Ein­ wirkung des vorhandenen magnetischen und elektrischen Feldes, wodurch eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet ist. Ferner können auch Katoden mit großer Länge eingesetzt werden.

Anhand einer Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Vorrichtung im Querschnitt und

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeils A von Fig. 1.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Vorrichtung, im folgenden als Lichtbogenmagnetronverdampfer bezeichnet, besteht aus einem ersten Abschnitt 1 eines Magnetleiters, der die Form eines quaderförmigen hohlen Behälters hat. Der erste Abschnitt 1 ist elektrisch mit dem negativen Pol einer Gleichstromquel­ le 2 verbunden. Am Boden des ersten Abschnitts 1 des Ma­ gnetleiters sind Permanentmagnete 3 angeordnet, welche den einen Pol, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel den Nord­ pol N des Magnetssystems des Lichtbogenmagnetronverdampfers bilden.

An dem ersten Abschnitt 1 ist ein zweiter Abschnitt 4 des Magnetleiters angebracht, der die nicht wirksamen Seiten­ flächen der verdampfbaren Katode 5 in einem Abstand c umgibt.

Der erste Abschnitt 1 und der zweite Abschnitt 4 des Ma­ gnetleiters bestehen aus einem Material mit hoher magneti­ scher Permeabilität, beispielsweise aus einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Sie sind voneinander elek­ trisch durch einen Isolator 6 mit einer Dicke von 0,2 bis 0,3 mm isoliert. Der Isolator 6 besteht aus einem bandför­ migen Isoliermaterial, das keinen wesentlichen magnetischen Widerstand auf die Abschnitte 1 und 4 des Magnetleiters ausübt.

Die verdampfbare Katode 5 ist elektrisch mit dem ersten Abschnitt 1 des Magnetleiters verbunden und durch einen Isolator 7 elektrisch von dem zweiten Abschnitt des Magnet­ leiters isoliert.

Die verdampfbare Katode 5 hat eine rechteckige Form mit einer Breite B und einer Länge L. Sie besteht aus einem Metall, das als Überzug auf ein Bauelement 13 aufgedampft werden soll.

Der zweite Abschnitt 4 des Magnetleiters bildet den ande­ ren Pol des Magnetsystems, im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel den Südpol S. Der zweite Abschnitt 4 erstreckt sich über einen Abstand h über die verdampfende Stirnfläche der Katode 5 hinaus in Richtung einer Vakuumkammer 9.

In Fig. 1 sind die Kraftlinien des Magnetfeldes, welche die verdampfende Stirnfläche der Katode 5 durchqueren, schema­ tisch dargestellt. Sie bilden mit der Stirnfläche einen bestimmten Neigungswinkel. Die Permanentmagnete 3 sind so gewählt, daß der Maximalwert der horizontalen Komponente der magnetischen Induktion B_max = 1,5 × 10^-2 T.

Der zweite Abschnitt 4 des Magnetleiters ist gegenüber einem Deckel 8 der Vakuumkammer 9 durch einen Isolator 10 isoliert, mit der Vakuumkammer 9 jedoch über eine R-C-Gruppe verbunden. Die Vakuumkammer 9 spielt dabei in der Vorrichtung die Rolle der Anode. Auf dem Deckel 8 befindet sich eine Zündeinrichtung 12 in elektromagneti­ scher Kontaktbauweise.

Das in der Vakuumkammer 9 angeordnete Bauelement 13 ist gegenüber der verdampfenden Stirnfläche der Katode 5 an­ geordnet. Über ein Dosierventil 14 kann die Vakuumkammer 9 mit verschiedenen Gasen, beispielsweise Inertgasen, wie Argon, oder reaktiven Gasen, wie N₂, C₂H₂, CH₄ gefüllt werden.

In Fig. 2 ist die Laufbahn 15 des Katodenflecks auf der verdampfenden Stirnfläche der Katode 5 veranschaulicht.

Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: In der Vakuumkammer 9 wird ein Vakuum in der Größenordnung von 2 × 10^-3 Pa erzeugt. Anschließend wird über das Dosier­ ventil 14 ein Inertgas, wie Argon, oder ein reaktives Gas, wie N₂ oder CH₄ eingelassen, bis sich ein Druck von 5 × 10^-2 bis 1 × 10^-2 Pa einstellt. Dann wird die Zündeinrichtung 12 über ein Signal aktiviert und tritt in einen kurzzeitigen Kontakt mit der Stirnfläche der verdampfbaren Katode 5. Bei Unterbrechung dieses Kontakts bilden sich auf der Stirn­ fläche der Katode 5 die für die Lichtbogenentladung im Vakuum charakteristischen Katodenflecke, welche Quellen für den Metalldampf aus dem Material der verdampfbaren Katode 5 sind. Charakteristisch für die Katodenflecke ist ihre ununterbrochene Bewegung und Verschiebung auf der Katode 5, wobei erfindungsgemäß die Katodenflecke auf der verdampfen­ den Stirnfläche der Katode gehalten werden. Der Katoden­ fleck bildet eine Zone, in der Metallplasma vorhanden ist, wodurch er ein eigenes magnetisches und elektrisches Feld hat. Auf dieses und seine Bewegung kann durch ein äußeres Magnetfeld eingewirkt werden, für das das Bewegungsprinzip für den Maximalwert der magnetischen Induktion bekannt ist. Dieses äußere Magnetfeld wird nun bei der Vorrichtung mit Hilfe der Permanentmagnete 3, dem ersten Abschnitt 1 und dem zweiten Abschnitt 4 des Magnetleiters erzeugt, wobei die Konfiguration des Magnetfeldes zu der von bekannten Magnetronsystemen analog ist. Da der zweite Abschnitt 4 des Magnetleiters um den Abstand h über die Stirnfläche der Katode 5 hinausragt, durchqueren die Magnetkraftlinien des Magnetfeldes die Stirnfläche unter einem bestimmten Winkel, bei welchem der Maximalwert der horizontalen Komponente des Vektors der magnetischen Induktion B_max = 1,5 × 10^-2 T ist. Da sich B_max auf der Stirnfläche der verdampfbaren Katode 5 einstellt, werden die Katodenflecke durch das äußere Ma­ gnetfeld fixiert und bewegen sich in Fig. 2 längs der Bahn 15.

Bei der Bewegung der Katodenflecke auf dieser Bahn, die sich über die ganze Länge der verdampfbaren Katode 5 er­ streckt, stellt sich eine intensive Verdampfung ein. Durch den gebildeten Metalldampf wird das Bauelement 13 mit einem Überzug aus diesem Metall versehen.

Eine Änderung der Länge der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dadurch erreicht, daß die Anzahl der Permanentmagnete 3 auf der Länge der verdampfbaren Katode 5 vergrößert wird.

Das beschriebene magnetische System kann auch für eine runde Katode verwendet werden, ist jedoch in Betrieb effek­ tiver, wenn die Katode eine rechteckige Form hat, wodurch auch Bauelemente mit größerer Länge mit einem Metallüberzug versehen werden können.

Bei den charakteristischen Betriebszuständen und Betriebs­ bedingungen der bekannten Lichtbogenmagnetronverdampfer, nämlich beim Zünden der Lichtbogenentladung, bei einer Ausbildung von oxidischen Verunreinigungen auf der Stirn­ fläche und den Seitenflächen der Katode und dergleichen, kommt es vor, daß auch auf den seitlichen, an sich nicht wirksamen Flächen der verdampfbaren Katode Katodenflecken gebildet werden, was eine Betriebsunterbrechung bedingt. Die Ausbildung einer solchen Bogenentladung auf der Seiten­ fläche der Katode 5 wird erfindungsgemäß dadurch unter­ bunden, daß der zweite Abschnitt 4 des Magnetleiters in einem Abstand C von den Seitenflächen der Katode angeord­ net ist, wobei dieser Abstand in der Praxis 1 mm oder weniger beträgt. Ferner erfüllt der zweite Abschnitt 4 des Magnetleiters aufgrund der Verbindung mit der Vakuumkammer 9 über das R-C-Glied die Rolle eines elektrostatischen Schirms. Wenn also sich auf der Seitenfläche der Katode 5 ein Katodenfleck bilden würde, nimmt der zweite Abschnitt 4 des Magnetleiters das Potential der Katode an, und zwar aufgrund der Aufladung des Kondensators C der R-C-Gruppe 11, wobei der Ohmsche Widerstand R den im Stromkreis flie­ ßenden Strom begrenzt und dadurch das Weiterexistieren des Katodenflecks unterbindet. Da der zweite Abschnitt 4 des Magnetleiters aus einem magnetischen Material besteht und den S-Pol des Magnetsystems bildet, wirkt er auch auf das Magnetfeld des Katodenflecks ein, wenn sich ein solcher auf der Seitenfläche der verdampfbaren Katode 5 bildet, wodurch dieser Katodenfleck auf die Stirnfläche der Katode 5 zu­ rückgeführt wird. Der zweite Abschnitt 4 des Magnetleiters erfüllt somit auf diese Weise gleichzeitig zwei Funktionen, nämlich die des magnetischen Südpols und die eines elektro­ statischen Schirms, wobei die Bewegung der Katodenflecke auf der verdampfenden Stirnfläche der Katode 5 aufgrund der magnetischen und elektrischen Wirkung stabilisiert wird.

Wenn über das Dosierventil 14 in die Vakuumkammer 9 ein Inertgas, wie Argon, einströmen gelassen wird, kondensiert der von der Katode 5 durch Verdampfung erzeugte Metalldampf auf dem Bauelement 13, wodurch dieses mit reinem Metall oder mit einem Legierungsmaterial überzogen wird. Wenn in die Vakuumkammern 9 ein reaktives Gas, wie N₂, CH₄ oder Gemische davon einströmen gelassen wird, können entspre­ chend Nitrid-, Karbid- oder Karbonitridüberzüge aufgrund der Wechselwirkung des reaktiven Gases mit dem durch Ver­ dampfung der Katode 5 erzeugten Metalldampf an den Bauele­ menten 13 erreicht werden.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Lichtbogenverdampfung des Metalls einer wassergekühlten, insbesondere rechteckförmigen Katode, gekennzeichnet durch einen die Katode (5) umfassenden Magnetleiter (1, 4) mit einem ersten Abschnitt (1), in welchem Permanentmagnete (3) angebracht sind, die den einen Pol (N) eines magnetischen Systems bilden, und mit einem zweiten Abschnitt (4), der unter Zwischenlage eines 1,1 bis 0,5 mm dicken Isolators (6) mit minimalem magnetischen Widerstand an dem ersten Abschnitt (1) ange­ bracht ist, den anderen Pol S des magnetischen Systems bildet, von einer Vakuumkammer (9) durch einen weiteren Isolator (10) getrennt ist, mit der Vakuumkammer (9) über eine aus einem Ohmschen Widerstandsglied (R) und einem kapazitiven Glied (C) bestehenden Kette (11) verbunden ist, so daß der zweite Abschnitt (4) neben dem anderen Pol (S) auch einen elektrostatischen Schirm bildet, sich um einen Abstand (h) über die verdampfende Stirnfläche der Katode (5) hinaus erstreckt und sich unter Belassung eines Ab­ standes (c) um die Seitenfläche der Katode (5) herum er­ streckt, so daß die magnetischen Kraftlinien zu der ver­ dampfenden Stirnfläche der Katode (5) unter einem bestimm­ ten Winkel geneigt sind, bei welchem der Maximalwert der horizontalen Komponente der magnetischen Induktion B_max auf der verdampfenden Stirnfläche der Katode (5) 1,5 × 10^-2 T ist.