DE4102554A1 - Schaltungsanordnung zum zuenden und betreiben einer hohlkatodenbogenentladung - Google Patents
Schaltungsanordnung zum zuenden und betreiben einer hohlkatodenbogenentladungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Zünden
und Betreiben einer Hohlkatodenbogenentladung, insbesondere
für den industriellen Einsatz mit relativ großer Leistung.
Ein besonderes Einsatzgebiet hat sich bei der
Vakummbeschichtungstechnik entwickelt. In diesem Fall eignet
sich der Hohlkatodenbogen in besonderer Weise zur Verdampfung
des Beschichtungsmaterials bei gleichzeitiger intensiver
Plasmaausbildung mit daraus resultierender Ionisierung der
verschiedenen Gase und Dämpfe in der Beschichtungskammer.
Zum Betreiben einer Hohlkatode ist es erforderlich, diese
derart aufzuheizen, daß es zur thermischen
Elektronenemission in der aktiven Zone der Hohlkatode kommt.
Erst wenn diese Elektronenemission ausreichend groß ist,
brennt die Hohlkatodenbogenentladung selbständig in einem
Gas, welches durch die Hohlkatode geleitet wird, weiter. Die
Hohlkatode wird dabei durch die Entladung auf einer
entsprechend ausreichenden Temperatur gehalten. Nach dem
Erlöschen der Bogenentladung, z. B. bei entsprechenden
Verfahrenszyklen in Chargenanlagen, ist immer wieder erst
eine unselbständige Aufheizung der Hohlkatode erforderlich.
Nach dem Stand der Technik (DE-OS 29 49 844) werden dafür
regelmäßig zwei verschiedene Stromquellen eingesetzt. Eine
erste Stromquelle zur Widerstandserwärmung, d. h. der
Aufheizung der Hohlkatode, und eine zweite Stromquelle zum
Betreiben der Hohlkatode selbst. Beide Stromquellen sind
Leistungsstromquellen, die entsprechend dem technologischen
Erfordernis wechselseitig geschaltet werden. Die Realisierung
von zwei Stromquellen ist technisch sehr aufwendig. Da die
beiden Stromquellen unabhängig voneinander, nur in
Abhängigkeit sekundärer Parameter, geregelt werden, kommt es
teilweise auch zu Zündschwierigkeiten der
Hohlkatodenentladung.
Der Erfindung liegt damit als Aufgabe zugrunde, eine
Schaltung zum Zünden und Betreiben einer Hohlkatode
anzugeben, die den technischen Aufwand für die
Energiebereitstellung wesentlich verringert und ein sicheres
Zünden und Betreiben der Hohlkatodenbogenentladung
gewährleistet.
Die Erfindung löst die Aufgabe derart, daß nur eine
Leistungsstromquelle eingesetzt wird, verbunden mit einer
speziellen Schaltungsanordnung. Dabei wird das Katodenrohr mit
einem Ende an den Minuspol der Stromquelle angeschlossen. Das
andere Ende des Katodenrohrs wird über ein
Leistungsschaltelement mit einer Anode innerhalb der
Vakuumkammer verbunden. Die Anode ist mit dem Pluspol der
Stromquelle kontaktiert. Zwischen Katodenrohr und
Leistungsschaltelement, sowie zwischen Anode und Pluspol der
Stromquelle, ist je ein Strommesser angeordnet, deren
Ausgänge mit den Eingängen eines Differenzgliedes verbunden
sind. Der Ausgang des Differenzgliedes steuert eine
Schalteinheit zur Öffnung des Leitungsschalter an.
Als Anode innerhalb der Vakuumkammer wirkt z. B. die
Kammerwand, wenn diese entsprechend geschaltet ist. In diesem
Falle würde in erster Linie nur ein Plasma erzeugt, ohne daß
dieses grundsätzlich für weitere Zwecke bestimmt sein muß.
Im Falle der Vakuumverdampfung wird als Anode zusätzlich ein
spezieller Verdampfertiegel mit dem Verdampfungsmaterial
innerhalb der Vakuumkammer angeordnet. Zwischen Kammerwand
und Verdampfertiegel ist dabei ein Leistungsschaltelement
angeordnet, das in gleicher Weise von der gleichen
Schalteinheit wie das Leistungsschaltelement zwischen
Katodenrohr und Anode zur Öffnung angesteuert wird.
Verfahrenstechnisch arbeitet die Schaltungsanordnung in
folgender Weise. Die Leistungsschaltelemente sind zu Beginn
der Zündphase der Hohlkatodenbogenentladung geschlossen, da
über das Differenzglied keine Signale zur Schalteinheit für
die Öffnung des Leistungsschalters kommen. Wenn der Stromfluß
von der Stromquelle eingeleitet wird, dann fließen bei 30 bis
50 V bis 200 A kurzgeschlossen über die Hohlkatode. Diese ist
entsprechend ausgebildet, so daß das Hohlkatodenrohr, selbst
und vorteilhafterweise ein weiteres in Reihe geschaltetes
äußeres Heizwendel, durch Widerstandserwärmung aufgeheizt
wird. Die Hohlkatode besteht in der Regel aus Wolfram. Bei
einer Temperatur von ca. 2500°C beginnt die thermische
Elektronenemission. Wenn diese ausreichend stark ist, zündet
die Bogenentladung in der hießen Zone der Hohlkatode und
brennt von dort aus in dem Trägergas, welches durch die
Hohlkatode strömt. Der Energiestrom wird über die Anode in
die Vakuumkammer abgeleitet. Während anfänglich, ohne
Bogenentladung, von den zwei Strommessern zwischen der Katode
und dem Leistungschalter und zwischen Anode und Pluspol der
Stromquelle, keine wesentlichen Differenzwerte an das
Differenzglied gelangen und somit die Leistungsschalter
geschlossen sind, ändert sich das im Moment der Zündung der
Bogenentladung.
In diesem Moment wird ein erheblicher Stromfluß über die
Bogenentladung, dem Plasmastrom, zur Anode geleitet. Der
Strommesser im Zweig Anode-Pluspol der Stromquelle mißt
einen höheren Strom. Das Differenzglied weist eine Differenz
der beiden Strommesser aus und steuert die Schalteinheit zur
Öffnung des Leistungsschalters an. Bei geöffnetem
Leistungsschalter wird der direkte Stromfluß durch die
Hohlkatode und das eventuell vorhandene Heizwendel
unterbrochen, damit auch die Widerstandserwärmung derselben.
Der Stromfluß erfolgt ausschließlich von der Katode über die
Bogenentladung zur Anode. Die Hohlkatode wird ständig durch
die Bogenentladung auf der erforderlichen Temperatur
gehalten.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, zum Zünden der
Bogenentladung die gesamte Vakuumkammer als Anode zu
schalten. Das Zünden wird durch diese großflächige Anode
wesentlich erleichtert. Nach dem Zünden wird in der Regel der
Bogen auf eine spezielle Anode innerhalb der Vakuumkammer
gelegt und die Vakuumkammer über ein zweites
Leistungsschaltelement von der speziellen Anode getrennt und
an Masse gelegt. Das zweite Leistungsschaltelement wird
parallel zum ersten zwischen Katode und Anode angesteuert.
Die spezielle Anode ist in der Praxis der Verdampfertiegel,
er kann aber auch eine nichtverdampfende Anode sein, wenn es
nur auf die Aufrechterhaltung der Bogenentladung und damit
der Plasmaausbildung ankommt. Wenn die Bogenentladung gegen
einen Verdampfertiegel brennt, dann führt das zu einer
starken Konzentration der Ladungsträger auf einer kleinen
Fläche und zum Schmelzen bzw. Verdampfen des
Verdampfungsmaterials, bei gleichzeitiger teilweiser
Ionisierung der verdampften Teilchen.
Diese vorgeschlagene Lösung verringert den technischen
Aufwand durch Wegfall einer Stromquelle für das Heizen der
Katode sehr wesentlich und ermöglicht gleichzeitig eine
sinnvolle Einbeziehung der Vakuumkammer als Anode in den
Zündprozeß und vorteilhafte Abschaltung in die Arbeitsphase.
Nach dem Stand der Technik ist die Vakuumkammer immer über
einen niederohmigen Widerstand hoher Verlustleistung in den
Stromkreis eingebunden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist
dieser Widerstand nicht erforderlich.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt eine Vakuumkammer mit Hohlkatodenbogen-
Verdampfereinrichtung mit einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung.
Innerhalb einer Vakuumkammer 1 sind eine Hohlkatode 2 und ein
Verdampfertiegel 3 angeordnet. Über dem Verdampfertiegel 3
ist ein Substratträger 4 mit den zu beschichtenden
Substraten installiert. Die Hohlkatode 2 besteht aus einem
Katodenrohr 6 und einer Heizwendel 5. Das Katodenrohr 6 ist
isoliert in der Vakuumkammer 1 montiert und wird von Argon,
als Trägergas der Bogenentladung, durchströmt.
Das äußere Ende des Katodenrohres 6 ist mit dem Minuspol der
Stromquelle 7 verbunden, und die Spitze des Katodenrohres ist
mit dem Heizwendel 5 kontaktiert. Über zwei in Reihe
geschaltete Leistungsschaltelemente 8 und 9 kann die
Heizwendel mit dem Pluspol der Stromquelle 7 verbunden
werden. Durch Widerstandserwärmung beim Stromdurchgang wird
das Katodenrohr 6 und die Heizwendel 5 geheizt. Es ist
vorteilhaft die Heizwendel 5 so zu bemessen, daß sich bei
Erreichen der Endtemperatur ein Spannungsabfall über die
Heizwendel 5 von etwa 20 V einstellt.
Die metallische Wand der Vakuumkammer 1 ist mit der
Verbindungsleitung der beiden in Reihe liegenden
Leistungsschaltelemente 8 und 9 elektrisch verbunden. Der
anodische Verdampfungstiegel 3 ist mit dem Pluspol der
Stromquelle 7 und dem Leistungsschaltelement 9 verbunden.
Zwischen der Hohlkatode 2 und dem Leistungsschaltelement 8
sowie zwischen dem Pluspol der Stromquelle 7 und dem
Leistungsschaltelement 9 ist je ein Strommesser 11 und 12
eingebunden, wobei mit dem Strommesser 12 der gesamte, von
der Stromquelle 7 eingespeiste Strom erfaßt wird und mit dem
Strommesser 11 nur der über das Heizwendel 5 fließende Strom.
Die Meßwertausgänge der beiden Strommesser 11 und 12 sind
mit den Eingängen eines Differenzgliedes 13 verbunden. Der
Ausgang ist mit einem Triggereingang einer Schalteinheit 14
verbunden, die wiederum die Leistungsschaltelemente 8 und 9
ansteuert. Im ruhenden Zustand sind die beiden
Leistungsschaltelemente 8 und 9 geschlossen. In der Phase des
Zündens der Hohlkatodenbogenentladung wird der Strom von der
Stromquelle 7 bei 24 V auf etwa 240 A eingeregelt. Der Strom
fließt direkt über das Hohlkatodenrohr 6, die Heizwendel 5
und die Leistungsschaltelemente 8 und 9 zurück zur
Stromquelle 7. Das Hohlkatodenrohr 6 ist im Bereich der
heißen Zone und die Abstimmung mit der Heizwendel 5 so
ausgebildet, daß ein Spannungsabfall von etwa 20 V eintritt.
Damit wird dieser Bereich durch Widerstandserwärmung schnell
und intensiv auf eine Temperatur von ca. 2500°C aufgeheizt.
Dabei tritt die thermische Elektronenemission ein. Es zündet
eine Bogenentladung, die über das Trägergas Argon, welches
durch die Hohlkatode 2 geleitet wird, zur großflächigen
anodischen Kammerwand 1 sowie den anodischen
Verdampfertiegel 3 brennt. Der von der Stromquelle 7
abgegebene Strom von 240 A wird dabei aufgespalten, da ein
Teil über die Bogenentladung abgleitet wird. Dieser
aufgeteilte Strom wird an den Strommessern 11 und 12
gemessen. Während am Strommesser 11 nur der Strom gemessen
wird, der über das Heizwendel 5 fließt, wird am Strommesser
12 der gesamte Strom gemessen, d. h. der Strom, der bereits
über den Strommesser 11 fließt und zusätzlich der Strom, der
über die Bogenentladung durch die Vakuumkammer 1 und den
Verdampfertiegel 3 fließt. Die Differenz der gemessenen
Stromwerte wird im Differenzglied 13 ausgewertet. Wenn im
Beispiel der Differenzwert, also der Plasmastrom 60 A
beträgt, dann werden über die Schalteinheit 14 die
Leistungsschaltelemente 8 und 9 angesteuert und geöffnet. In
diesem Moment wird der Stromfluß über das Heizwendel 5 und
auch von der Vakuumkammer 1 unterbrochen. Der gesamte Strom
fließt im wesentlichen ausschließlich über die Bogenentladung
zum Verdampfer 3.
Je nach jetzt einregulierter Leistung kommt es zum Schmelzen
und Verdampfen des Verdampfungsgutes. Die Hohlkatode 2 wird
in dieser Phase ständig durch die Bogenentladung auf die
erforderliche Temperatur gehalten. Sollte die Bogenentladung
erlöschen, dann wird vom Differenzglied 13 keine ausreichende
Differenz der Stromwerte an den Strommessern 11 und 12 mehr
gemessen und die Leistungsschaltelemente 8 und 9 werden
wieder geschlossen. Wenn inzwischen nicht der Strom an der
Stromquelle 7 abgeschaltet wurde, wiederholt sich der
Zündvorgang. Diese Schaltungsanordnung arbeitet sehr stabil
und der technische Aufwand ist relativ gering.
Claims (3)
1. Schaltungsanordnung zum Zünden und Betreiben einer
Hohlkatodenbogenentladung, bei der das Hohlkatodenrohr
mindestens zum Zünden widerstandsbeheizt ist, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Ende des Katodenrohres (6) mit dem
Minuspol einer Stromquelle (7) und das andere Ende des
Katodenrohres (6) über ein Leistungsschaltelement (8)
mit einer Anode innerhalb der Vakuumkammer (1) verbunden
ist, daß die Anode mit dem Pluspol der Stromquelle (7)
kontaktiert ist, und daß zwischen Katodenrohr (6) und
Leistungsschaltelement (8) sowie Anode und Pluspol der
Stromquelle (7) je ein Strommesser (11, 12) angeordnet
ist, deren Ausgänge mit den Eingängen eines
Differenzgliedes (13) verbunden sind, und daß dessen
Ausgang eine Schalteinheit (14) zur Öffnung des
Leistungsschaltelementes (8) ansteuert.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß als Anode innerhalb der Vakuumkammer
(1) die Kammerwand und ein Verdampfertiegel (3) isoliert
zueinander parallel geschaltet sind, wobei zwischen beiden
ein Leistungsschaltelement (9) angeordnet ist, das in der
gleichen Weise von der gleichen Schalteinheit (14) wie
das Leistungsschaltelement (8) zwischen dem Katodenrohr
(6) und der Anode zur Öffnung angesteuert wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Katodenrohr (6) und dem
Leistungsschaltelement (8) im Bereich außerhalb der heißen
Zone der Hohlkatode (2) ein Heizwendel (5) in den
Stromkreis eingeschaltet ist.
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