DE4444763A1 - Elektrode zur Materialverdampfung für die Beschichtung von Substraten - Google Patents
Elektrode zur Materialverdampfung für die Beschichtung von SubstratenInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrode zur Materialver
dampfung für die Beschichtung von Substraten in einer Vakuum
kammer sowie ein Verfahren zum Beschichten von Substraten im
Vakuum mittels des anodischen Lichtbogen-Verfahrens.
Zur Herstellung von Beschichtungen auf Oberflächen mit Hilfe
der physikalischen Dampfabscheidung im Vakuum, allgemein be
kannt unter der Bezeichnung PVD-Verfahren, sind verschiedene
Methoden bekannt. Es hat sich gezeigt, daß mit plasma- und
ionengestützten PVD-Verfahren gegenüber den klassischen Auf
dampfverfahren insbesondere Vorteile hinsichtlich der Quali
tät der erzeugten Schichten, deren Haftfestigkeit auf den
Substratoberflächen und einer insgesamt besseren Kompaktheit
des Schichtaufbaus erzielt werden. Weiterhin ist es bei plas
magestützten Verfahren ebenfalls möglich, aufgrund der hohen
chemischen Reaktionsbereitschaft der erzeugten Plasmen und
Ionen, reaktive Beschichtungsprozesse durchzuführen. Bekannt
ist beispielsweise der Einsatz plasmagestützter Verfahren zur
Oberflächenvergütung von Werkstücken mit verschleißfesten
Hartstoffschichten. Dazu werden dünne Schichten von Titanni
trit auf das Werkzeug aufgebracht, in dem ein Titanplasma in
einer Stickstoffatmosphäre erzeugt wird.
Eines dieser plasma- und ionengestützten PVD-Verfahren ist
das sogenannte anodische Lichtbogen-Verfahren, das mit einem
anodisch bestimmten Vakuumbogen arbeitet. Das Verfahren wird
ausführlich in der DE-A 34 13 891 beschrieben. Beim anodi
schen Vakuumbogen wird eine kalte Kathode, die entsprechend
gekühlt wird, und eine heiße verdampfende Anode verwendet.
Beim anodischen Vakuumbogen wird das von der Kathode erodier
te Material nicht für Beschichtungszwecke genutzt, so daß das
sonst auftretende Problem von Metalltröpfchen vermieden wird.
Vielmehr werden die in den Kathodenflecken und der Lichtbo
genentladung gebildeten Elektronen und Ionen dazu verwendet,
eine strukturierte Anode aufzuheizen und dann das mit der
Anode verbundene Verdampfungsgut zu verdampfen. Elektronen
aus den Kathodenflecken verdampfen dabei nicht nur das Ano
denmaterial sondern überführen durch nicht-elastische Stöße
das abdampfende Anodenmaterial gleichzeitig auch in den für
eine Beschichtung erwünschten Plasmazustand. Das anodische
Plasma dient auch als Brenngas für die Lichtbogen-Entladung.
Der von der selbstverzehrenden Anode in die Unterdruckkammer
expandierende ionisierte Metalldampf enthält keine geschmol
zenen Tröpfen und wird zur Beschichtung von Oberflächen ver
wendet. Dieser anodische Vakuumbogen ist daher den ansonsten
bekannten Verfahren, bei denen das von der Kathode stammende
Material zur Beschichtung verwendet wird, überlegen.
Der anodische bestimmte Vakuumbogen ist mittlerweile in vie
len Bereichen der Beschichtungsindustrie bekannt geworden.
Einen entscheidenden industriellen Durchbruch hat dieses Ver
fahren bisher jedoch nicht erreicht. Der Grund hierfür liegt
unter anderem auch darin, daß bisher keine geeignete Elek
trodenkonfiguration und Elektrodenkonstruktion für den ano
disch bestimmten Vakuumbogen geschaffen wurde, bei denen man
die Beschichtungsquelle universell und bei langen Standzeiten
betreiben kann, wie dies bei bereits bekannten Sputterquellen
möglich ist. Durch diese Probleme ist die Durchführung einer
Beschichtung mit einem anodisch bestimmten Vakuumbogen bisher
im industriellen Maßstab unwirtschaftlich.
Aus der DE-C 40 26 494.7 ist ein Verfahren zur Zündung einer
Vakuumlichtbogenentladung bekannt, wobei in Fig. 6 eine Ano
denkonstruktion zur tiegellosen Verdampfung von Materialien
beschrieben wird. Dabei wird auf der gekühlten Anoden-Basis
platte das Verdampfungsgut in stabförmiger Geometrie ange
bracht. Eine Abschirmung verhindert die Beaufschlagung der
Anodenbasisplatte und der Überwurfmutter mit verdampftem Ma
terial. Die Verdampfung erfolgt in Folge des Anodenansatzes
an der Spitze des Stabes, der demzufolge aus elektrisch
leitfähigem Material bestehen muß. Diese Anodenkonstruktion
ist vorzugsweise geeignet, für die Verdampfung von Materia
lien, deren zur Verdampfung notwendige Temperatur knapp un
terhalb oder oberhalb des jeweiligen Schmelzpunktes liegt.
Der Nachteil dieser Vorrichtung liegt jedoch darin, daß nur
eine begrenzte Menge des leitfähigen Materials vorhanden ist,
und daß das Verdampfungsmaterial nicht nachgeführt werden
kann. Weiterhin kann mit dieser Anodenkonstruktion vorzugs
weise nur solches Material verdampft werden, dessen Schmelz-
und Verdampfungstemperatur nahe beieinanderliegen. Somit kön
nen mit dieser Vorrichtung Metalle, bei denen Schmelz- und
Siedetemperatur weit auseinander liegen, wie z. B. Eisen,
nicht verdampft werden. Weiterhin ist es nicht möglich, mit
der Vorrichtung schlecht leitende Materialien zu verdampfen,
da die stromleitende Fläche der Anode sehr klein ist und da
her die notwendige Verdampfungstemperatur nicht oder nur nach
langer Zeit erreicht werden kann.
Aus der EP-A O 612 859 ist ein Niedervoltbogenverdampfer mit
Nachfütterungseinrichtung und ein Verfahren zu dessen Verwen
dung bekannt. In der Druckschrift wird ein Niedervolt-Bogen
verdampfer als Anode für einen anodisch bestimmten Vakuumbo
gen beschrieben. Die Vorrichtung besitzt eine Nachfütterungs
einrichtung, mit der das Verdampfungsmaterial von unten in
die Verdampfungszone nachgeführt werden kann. Die Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Führung 5 des
Niedervolt-Bogenverdampfers eine vertikale Bohrung 12 auf
weist, in der stabförmiges Verdampfungsmaterial 11 geführt
und gehaltert wird, so daß die Führung 5 zur Vakuumkammer 1
elektrisch isoliert angeordnet und wassergekühlt ist. Die
Nachfütterungseinrichtung ist außerhalb der Vakuumkammer 1
angeordnet und in der Achse der Bohrung 12 ist eine gekühlte
Aufnahme 21 für das stabförmige Verdampfungsmaterial 11 vor
handen, die über einen Metallfaltenbalken 20 elektrisch iso
liert mit der Vakuumkammer 1 mechanisch verbunden ist. Das
stabförmige Verdampfungsmaterial 11 ist über die Aufnahmen 21
an das anodische Potential der Niedervolt-Bogenentladung an
geschlossen.
Mit dieser Vorrichtung kann zwar durch eine Materialzufuhr in
Stabform tiegellos verdampft werden, jedoch ist die Vorrich
tung gegenüber einer sehr genau abgestimmten Materialzufuhr
regelung für Störungen sehr anfällig. Die Vorrichtung hat
nämlich den Nachteil, daß sich nur eine begrenzte Menge des
Verdampfungsmaterials nachschieben läßt und für das Einbrin
gen neuen Verdampfungsmaterials die gesamte Apparatur wieder
belüftet und evakuiert werden muß.
Ein weiterer großer Nachteil der Elektrode ist, daß durch den
Plasmadruck "des kathodischen Plasmas" die Schmelze zum Teil
auf der Stirnfläche der Anode nach hinten gedrückt wird und
das Abtropfen der Schmelze entlang der Stabfläche begünstigt.
Ein solches Abtropfen von der Stabstirnfläche führt jedoch zu
starken Ratenschwankungen, Kurzschlußbildung und weiteren
Schwierigkeiten beim Beschichten und damit zu geringeren
Standzeiten und erhöhten Kosten.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin keine industriell
nutzbare Anodenkonstruktion für die Aktivierung von Gasen im
anodischen bestimmten Gasbogen bekannt.
Die technische Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine
Elektrode zur Materialverdampfung für die Beschichtung von
Substraten zur Verfügung zu stellen, mit der auch schwer ver
dampfbare Materialien über lange Beschichtungsdauern bei lan
gen Standzeiten und hohen Bogenleistungen verdampft werden
können, und das Problem der Tiegelzerstörung z. B. durch Le
gierungsbildung zwischen Tiegelmaterial und Verdampfungsmate
rial, wie dies beim Eisen häufig auftritt, vermieden wird.
Weiterhin sollen mit der Elektrodenkonstruktion gemäß der
Erfindung auch sublimierende Metalle wie Chrom und Verbindun
gen wie Kohlenstoff als auch Metalle, bei denen Schmelz- und
Siedetemperatur weit auseinander liegen, wie z. B. Eisen,
verdampft werden können und das Verdampfungsmaterial soll
unbegrenzt nachführbar sein.
Die technische Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine
Elektrode zur Materialverdampfung für die Beschichtung von
Substraten in einer Vakuumkammer, bestehend aus einem durch
bohrten Elektrodenkopf 1, wassergekühltem Rohrsystem 2 und
einer gegen Atmosphärendruck abschirmenden Dichtungseinheit
3, wobei das zu verdampfende Material durch die Dichtungsein
heit, das wassergekühlte Rohrsystem und den durchbohrten
Elektrodenkopf in die Vakuumkammer einführbar ist und während
des Betriebes der Elektrode unbegrenzt nachführbar ist. In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Rohrsystem über
ein, es umgebendes, geschlossenes, umlaufendes Wasserkühl
system 4 kühlbar. Der Elektrodenkopf 1 besteht in bevorzugter
Weise aus aus Kupfer. Im unteren Teil des Elektrodenkopfes kann
ein Permanentmagnet 5 oder ein Elektromagnet 5 angeordnet
sein. Das zu verdampfende Material 6, das durch die Dich
tungseinheit, das wassergekühlte Rohrsystem und den durch
bohrten Elektrodenkopf geführt wird, kann ein massiver Stab
oder Draht sein. Es ist jedoch auch möglich, dieses verdampf
te Material in Form eines hohlen Stabes einzuführen. Dann
kann zusätzlich von außen durch diesen hohlen Stab ein Gas in
die Vakuumkammer geführt werden.
Die erfindungsgemäße Elektrode kann weiterhin auch für ge
wöhnliche bisher bekannte Anwendungen verwendet werden. Dann
ist der Elektrodenkopf nicht durchbohrt und das zu verdamp
fende Material wird beispielsweise seitlich in die Vakuumkam
mer eingeführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungs
gemäßen Elektrode ist der Elektrodenkopf auf der oberen Seite
eingekerbt. Diese Maßnahme gewährleistet eine bessere Abdamp
fung des Materials von der Elektrode und eine günstigere Tem
peraturverteilung. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, daß der seitliche Teil des Elektrodenkopfes von
einem Abschirmrohr 7 umgeben ist, um störende die Standzeit
der Elektrode verkürzende Ablagerungen des Verdampfungsmate
rials an den Seiten des Elektrodenkopfes zu verhindern.
Die erfindungsgemäße Elektrode wird in bevorzugter Weise ver
wendet als Anode in einem anodisch bestimmten Vakuumbogen.
Mit diesem Elektrodenaufbau kann universell Material in die
Vakuumkammer geführt, verdampft und ionisiert werden. Mit der
erfindungsgemäßen Elektrodenkonstruktion ist es möglich, mit
einer Elektrode metallische, halbleitende, isolierende
Schichten und Legierungsschichten und sonstige reaktiv her
stellbare Schichtsysteme zu erzeugen, wobei die gleiche Elek
trodenkonstruktion für alle Beschichtungssysteme verwendet
werden kann.
Diese Eigenschaft der Anodenkonstruktion wird durch die Merk
male eines geschlossenen Wasserkreislaufs, der einen gut ge
kühlten Anodenkopf gewährleistet, und der Tatsache, daß der
Elektrodenkopf auf Anodenpotential liegt, gewährleistet. Der
Elektrodenkopf ist für die Verdampfung von schwer verdampf
baren Materialien, wie Metallen, Halbleitern, Legierungen und
Isolatoren, geeignet. Weiterhin ist er auch für Plasma-Akti
vierung von Gasen und Flüssigkeiten sowohl als Plasma-Vor
behandlung von Substraten wie auch zur Herstellung reaktiver
Schichtsysteme auf Substraten geeignet.
Die Materialzufuhr dieser Substanzen erfolgt über ein wasser
gekühltes Rohrsystem 2, das für eine Drahtzufuhr oder Stab
zufuhr und/oder eine Gaszufuhr genutzt werden kann. Im Fall
der kontinuierlichen Draht- oder Stabzufuhr wird der Draht
oder Stab über eine vakuumtechnisch geeignete Abdichtung in
nerhalb des Rohrsystems geführt. In einer besonderen Ausfüh
rungsform kann die Materialzufuhr in Drahtform oder Granulat-
oder Pulverform auch seitlich erfolgen. Über die Drahtzufuhr
von Drähten können reine Metallschichten, wie Legierungs
schichten, hergestellt werden.
Durch die bevorzugte Ausgestaltung, das die Elektrode in
Rohrform ausgebildet ist, und durch dieses Rohr auch eine
Gaszufuhr in die Vakuumkammer möglich ist, kann ein Reaktiv
gas oder ein Reaktivgasgemisch in die Ionisationszone in der
Vakuumkammer eingegeben werden. Dadurch besteht die Möglich
keit zur reaktiver Abscheidung. Durch definierte Öffnungen
entlang des Rohres kann das Reaktivgas direkt in die Entla
dung des Lichtbogens geführt werden, wo es gezielt aktiviert
werden kann. Wird bspw. im Dampferzeuger Aluminium verdampft
und über das Anodenrohr Sauerstoff zugeführt, so können Alu
miniumoxidschichten bei hohen Abscheideraten erzeugt werden.
Im Unterschied zu bereits realisierten Tiegelformen für ano
dische Lichtbögen, bspw. gemäß DE 40 26 494, lassen sich mit der
erfindungsgemäßen Elektrodenkonstruktion sowohl sublimierende
Metalle wie Chrom, als auch Kohlenstoff und Verbindungen, bei
denen Schmelz- und Siedetemperaturen weit auseinander liegen,
wie z. B. beim Eisen, verdampfen. Der Grund hierfür liegt
darin, daß durch die Elektrodenkonstruktion ein großflächiges
Aufschmelzen ermöglicht wird, und dies durch die Tatsache
erfolgt, daß die Schmelzfläche am Elektrodenkopf viel größer
ist als der Stab- oder Drahtdurchmesser des Verdampfungsmate
rials. Durch diese Konstruktion ist man somit nicht mehr auf
einen sehr engen Parameterbereich des stabförmigen Verdamp
fens eingeengt, bei dem man auf ein bestimmtes Temperatur
profil festgelegt ist, wenn nicht die Tropfen des Verdamp
fungsmaterials am Stab entlanglaufen sollen.
Weiterhin können im Unterschied zu den bereits realisierten
Elektroden aus dem Stand der Technik, nicht oder schlecht
leitende Materialien verdampft werden, da die stromleitende
Fläche nicht nur das stabförmige Verdampfungsmaterial umfaßt,
sondern so groß gewählt ist, daß die gesamte obere Fläche des
Elektrodenkopfes stromleitend ist. Weiterhin muß auch keine
Abdeckung für die obere Anodenstirnfläche verwendet werden.
Mit dem Gasfluß und der Bogenleistung lassen sich die für den
reaktiven Prozeß notwendigen Teilchenflüsse und damit auch
der Flußionisationsgrad zum Substrat kontrolliert einstellen.
Durch den Aufsatz eines Arrays mit einem Viellochsystem, kann
das Gas auch großflächig, z. B. bei hohem Flußionisationsgrad
aktiviert werden und als erste Stufe einer Plasma-Vorbehand
lungsquelle genutzt werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Elektrode ist es,
daß sie auch für sämtliche Materialien eingesetzt werden
kann, für die bisher Tiegelmaterialien schon existieren. In
diesem Fall werden die Wärmeleitungsverluste für eine optima
le Ratenregelung durch einen Tiegelauf- oder Tiegeleinsatz
aus gängigen Tiegelmaterialien (bspw. Wolfram, Molybdän,
Mischkeramik) und Grenzflächenbearbeitung (Aufrauhung, Ra
dientenübergänge, Stufenübergänge, "Schwammeinsätze definier
ter Porösität") zum gut gekühlten Kupferkopf reduziert. Der
Wärmeübergang zwischen dem gekühlten Elektrodenkopf und dem
Tiegelmaterial muß so gewählt werden, daß die Temperaturgra
dienten nicht zu einer extremen thermischen Belastung und
damit einhergehend zu geringen Standzeiten der Tiegel führen.
Der Nachteil der bisherigen Konstruktionsvorschläge für der
artige Elektroden enthält meist zu hohe Temperaturgradienten
mit der Folge des Tiegelbruchs.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
es, die Materialausbeute der Plasmaquelle zu erhöhen. Ins
besondere bei der Aluminiumverdampfung erzielt man mittels
dieses Aufbaus eine bessere Raumwinkelausnutzung des ver
dampften Aluminiummaterials im Vergleich zu alten Anordnungen
für den Betrieb des anodischen Vakuumbogens.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht zudem die geziel
te Ausnutzung eines Magnetfeldes, das für eine Ratensteige
rung ausgenutzt werden kann. Der Magnet kann in den Anoden
kopf integriert werden oder außen den Anodenkopf umgeben und
damit die Ladungsträger auf die Anode führen.
Mit dieser Anordnung aus Abschirmrohr und zusätzlichem Ma
gnetfeld, wird die Möglichkeit für "parasitäre Plasma-Ansät
ze" minimiert.
Mit der erfindungsgemäßen Elektrode kann weiterhin eine hoch
ionisierte Plasmaquelle hoher Teilchendichte in Kombination
mit einer Biasspannung (DC) oder gepulst (als Einheit zur
Substratvorbehandlung) bis zu sehr hohen Leistungsdichten
genutzt werden. Durch Einsatz zweier Materialzuführungen so
wohl für Gase wie für Draht, können Legierungsschichten oder
reaktive Schichtsysteme, wie Hartstoffschichten oder trans
parente Schichten oder Polymere hergestellt werden. Dabei
können die Legierungsschichten auch mit nur einer Drahtzufuhr
hergestellt werden, solange diese Legierungsdrähte verfügbar
sind.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum
Beschichten von Substraten im Vakuum, mittels des anodischen
Lichtbogenverfahrens, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das
zu verdampfende Material von außen über die erfindungsgemäße
Elektrode, die als Anode geschaltet ist, in die Vakuumkammer
eingeführt wird und während des Betriebes der Elektrode unbe
grenzt nachgeführt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zu ver
dampfende Material oder ein nicht verdampfbares Material in
der Elektrode als hohler Stab ausgebildet, durch den, während
des Betriebs der Elektrode, zusätzlich ein Gas von außen in
die Vakuumkammer geführt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung der
erfindungsgemäßen Elektrode ist es möglich, reaktive Schicht
systeme wie Hartstoffschichten und oxidische Schichtsysteme
durch die gleichzeitige Verdampfung von festen Materialien
und Plasma-Aktivierung von Gasen mit derselben Anode, z. B.
Titannitrit oder Titanoxid zu erzeugen. Das Titan wird dabei
von der Stirnfläche der anodisch geschalteten Elektrode ver
dampft. Die Materialzufuhr kann dabei von einer durch den
Elektrodenkopf führenden Materialzufuhr oder von außen akti
vierte Drahtzufuhr erfolgen. Die Gaszufuhr erfolgt gleich
zeitig durch denselben Elektrodenkopf, wobei das Verdamp
fungsmaterial als stabförmiges Rohr ausgebildet ist.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung wird das zu ver
dampfende Material, z. B. Eisen, über eine floatende Draht
zufuhr von Atmosphärendruck über ein Dichtungssystem, in dem
differentiell gepumpt wird, über ein wassergekühltes Rohr
system zur Durchführung des wassergekühlten Elektrodenkopfes
geführt. Das Material wird erst im Bereich des Elektroden
kopfes durch elektrisch leitende und wärmeleitfähige Führung
und Dichtung aus Graphit oder leitfähigen Kunststoffdichtun
gen, definiert auf Anodenpotential, gelegt. Das Material des
eingebauten Dichtungssystems wird hauptsächlich durch den
Durchmesser des Verdampfungsgutes bestimmt. Typische Draht
bzw. Stabdurchmesser liegen zwischen 1,5 und 10 mm.
Nach Durchfädelung des Drahtes durch die Öffnung des Elek
trodenkopfes wird der Draht bei der erstmaligen Aktivierung
der Anordnung aus dem Kupferkopf 0,5 bis 1 cm aus der Öffnung
herausgeführt. In der Zündphase der Bogenentladung wird das
Drahtstück aufgeschmolzen. Nach Übergang in die stabile Boge
nentladung wird das zugeführte Material verdampft und ioni
siert. Die für eine vorgebene Aufdampfrate erforderliche
Drahtzufuhrgeschwindigkeit wird als Funktion des Drahtmateri
als und der Bogenleistung geregelt. Im allgemeinen ist eine
Drahtzufuhrgeschwindigkeit eingestellt, die die Ausbildung
einer Schmelzkugel ermöglicht. Wird die Bogenentladung ge
stoppt, erstarrt diese Kugel. Bei erneutem Zündprozeß wird
die Kugel zunächst aufgeschmolzen bevor die Drahtzufuhr akti
viert wird.
Die gesamte Einheit ist an gängige Rezipientenflansche mon
tierbar. Der Elektrodenkopf, der als Anode geschaltet wird,
ist durch den Einbau eine Isolators floatend an den normaler
weise geerdeten Rezipienten anflanschbar. Das Abschirmrohr
dient dazu, den gekühlten Anodenkopf vor Verschmutzung zu
schützen und damit lange Standzeiten zu garantieren.
Die nachfolgenden Fig. 1 bis 4 sollen die Erfindung näher
erläutern.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Elek
trode. Fig. 2a bis 2c zeigen bevorzugte Ausführungsformen
des Elektrodenkopfes. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform,
wobei das Verdampfungsgut über eine Drahtrolle der Elektrode
zugeführt wird, Fig. 4 zeigt die Anordnung der erfindungs
gemäßen Elektrode zur Kathode in der Vakuumkammer.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt der erfindungsgemäßen Elektrode.
Die Elektrode besteht im wesentlichen aus drei Teilen: dem
Elektrodenkopf 1, dem wassergekühlten Rohrsystem 2 und der
sich daran anschließenden Dichtungseinheit 3. Der Elektroden
kopf ist durchbohrt, besitzt eine Führung 12, eine Dichtung
11 sowie in bevorzugter Ausführungsform einen Magnet 5. Der
Elektrodenkopf ist in bevorzugter Ausführungsform durchbohrt,
wobei durch die Bohrung das Verdampfungsmaterial 6 in Draht-,
Stab- oder Rohrform geführt wird. Weiterhin enthält der Elek
trodenkopf eine Dichtung 11. Der Elektrodenkopf wird in die
Vakuumkammer geführt und ist an der Zuführungsstelle von der
Kammerwand über Isolatoren 9 isoliert und über die Dichtungen
10 gegen Atmosphärendruck abgedichtet.
Das wassergekühlte Rohrsystem 2 ist von einem Wasserkühlsy
stem 4 mit einem geschlossenen, umlaufenden Wasserkreislauf
umgeben. Das Wasserkühlsystem 4 besitzt eine Wasserabfuhr 13
und eine Wasserzufuhr 14 sowie Dichtungen 15 zur Abdichtung
des Wasserdrucks vom Atmosphärendruck, bzw. Dichtungen 16 zur
Abgrenzung Vakuum-/Atmosphärendruck. Die Dichtungseinheit 3
besteht aus einem Dichtungssystem 16 sowie zwei Pumpstutzen
17 und 18, über die ein Vakuum in der Elektrode erzeugt wird.
Durch das wassergekühlte Rohrsystem 2, das entlang seiner
Längsachse eine durchlaufende Öffnung aufweist und die Dich
tungseinheit, die ebenfalls entlang ihrer Längsachse durch
laufend geöffnet ist, wird von außen das Verdampfungsmaterial
in die Elektrode eingeführt und ist während der Durchführung
der Verdampfung beliebig nachführbar.
Fig. 2 zeigt verschiedene Ausführungsformen des Elektroden
kopfes.
Fig. 2a beschreibt einen durchbohrten Elektrodenkopf, wobei
die Oberfläche gekerbt ist. Die Ziffern 2, 4 und 6 haben die
selbe Bedeutung wie in Fig. 1. Die Ziffer 19 ist die obere
Anodenbasisfläche, die gekerbt ist. Mit der Ziffer 22 wird
eine flüssige Schmelzkugel beschrieben, deren Ausbildung
durch eine entsprechende Zufuhr des Verdampfungsmaterials
ermöglicht wird. Wird die Bogenentladung gestoppt, erstarrt
diese Kugel. Bei erneutem Zündprozeß wird diese zunächst auf
geschmolzen, bevor die Drahtzufuhr aktiviert wird.
Fig. 2b zeigt einen Elektrodenkopf, der im Vergleich zu Ab
bildung Fig. 2a nicht durchbohrt ist. Mit dieser Aus
führungsform können auch herkömmliche Legierungsmaterialien
verdampft werden. Die Ziffern 4, 6 und 19 haben dieselbe Be
deutung wie in Fig. 2a.
Fig. 2c beschreibt schließlich die Ausführungsform mit einem
durchbohrten Elektrodenkopf mit Gaseinlaß. Die Ziffer 4, 11
und 19 haben dieselbe Bedeutung wie in der Fig. 2b bzw. 2a,
Ziffer 20 bezeichnet ein Rohr aus verdampfbarem oder nicht
verdampfbarem Material, durch das ein Gas in die Vakuumkammer
geführt werden kann. Dabei besteht das Rohr in einer besonde
ren Ausführungsform auch aus einem nicht-verdampfbaren Mate
rial, so daß ausschließlich ein Gas in die Vakuumkammer ge
führt wird, jedoch nicht die Verdampfung des Rohmaterials
erfolgt.
Fig. 3 beschreibt eine weitere Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Elektrode, bei der das Verdampfungsmaterial über
eine Drahtrolle der Anode zugeführt wird. Die Ziffern 4, 7,
19 und 22 haben dieselbe Bedeutung wie in Fig. 2a bis 2c.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung der erfindungsgemäßen Elektrode,
in einer entsprechenden Beschichtungsvorrichtung. Mit der
Ziffer 7 ist ein Abschirmrohr bezeichnet, das die Seitenwände
der Elektrode vor Unerwünschten Ablagerungen schützt. Die
Ziffer 23 bezeichnet die Kathode. Die weiteren Ziffern haben
dieselbe Bedeutung wie in der Fig. 2. Mit den in der Figur
eingezeichneten Linien wird der Einfallswinkel des Plasma-
Strahls 24 sowie der Abdampfwinkel des verdampfenden Materi
als 25 angedeutet.
Bezugszeichenliste
1 Elektrodenkopf
2 Wassergekühltes Rohrsystem
3 Dichtungseinheit
4 Wasserkühlsystem
5 Magnet
6 Verdampfungsmaterial
7 Abschirmrohr
8 Vakuumkammerwand
9 Isolatoren Vakuumkammer/Elektrode
10 Dichtung Vakuumkammer/Elektrode
11 Dichtung Elektrodenkopf/Rohrsystem
12 Führung
13 Wasserabführung
14 Wasserzufuhr
15 Dichtungen Wasserkühlsystem/Atmosphärendruck
16 Dichtung Vakuum/Atmosphärendruck
17 Pumpstutzen 2
18 Pumpstutzen 1
19 Elektrodenkopf mit gekerbter Oberfläche
20 Rohr für Gaszufluß
21 Kerben
22 Geschmolzene Kugel
23 Kathode
24 Einfallswinkel Plasmastrahl
25 Abdampfwinkel Verdampfungsmaterial
2 Wassergekühltes Rohrsystem
3 Dichtungseinheit
4 Wasserkühlsystem
5 Magnet
6 Verdampfungsmaterial
7 Abschirmrohr
8 Vakuumkammerwand
9 Isolatoren Vakuumkammer/Elektrode
10 Dichtung Vakuumkammer/Elektrode
11 Dichtung Elektrodenkopf/Rohrsystem
12 Führung
13 Wasserabführung
14 Wasserzufuhr
15 Dichtungen Wasserkühlsystem/Atmosphärendruck
16 Dichtung Vakuum/Atmosphärendruck
17 Pumpstutzen 2
18 Pumpstutzen 1
19 Elektrodenkopf mit gekerbter Oberfläche
20 Rohr für Gaszufluß
21 Kerben
22 Geschmolzene Kugel
23 Kathode
24 Einfallswinkel Plasmastrahl
25 Abdampfwinkel Verdampfungsmaterial
Claims (11)
1. Elektrode zur Materialverdampfung für die Beschich
tung von Substraten in einer Vakuumkammer bestehend
aus einem durchbohrten Elektrodenkopf (1), einem
wassergekühlten Rohrsystem (2) und einer gegen At
mosphärendruck abschirmenden Dichtungseinheit (3),
wobei das zu verdampfende Material (6) durch die
Dichtungseinheit (3), das wassergekühlte Rohrsystem
(2) und den durchbohrten Elektrodenkopf (1) in die
Vakuumkammer einführbar und während des Betriebes
der Elektrode unbegrenzt nachführbar ist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rohrsystem über ein es umgebendes geschlos
senes Wasserkühlsystem (4) kühlbar ist.
3. Elektrode nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Elektrodenkopf (1) aus Kupfer
besteht.
4. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß im unteren Teil des Elektroden
kopfes ein permanenter Magnet oder Elektromagnet (5)
angeordnet ist.
5. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß das zu verdampfende Material (6)
ein massiver Stab oder Draht ist.
6. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß das zu verdampfende Material ein
Rohr (20) ist, durch das von außen ein Gas in die
Vakuumkammer geführt werden kann.
7. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Elektrodenkopf (1) nicht
durchbohrt ist und das zu verdampfende Material (6)
seitlich in die Vakuumkammer zugeführt wird.
8. Elektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektrodenkopf (1) auf der oberen Seite ein
gekerbt ist.
9. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch ge
kennzeichnet, daß der seitliche Teil des Elektroden
kopfes von einem Abschirmrohr (7) umgeben ist.
10. Verfahren zum Beschichten von Substraten im Vakuum
mittels des anodischen Lichtbogenverfahrens, dadurch
gekennzeichnet, daß das zu verdampfende Material von
außen über die Elektrode, die als Anode geschaltet
ist, nach den Ansprüchen 1 bis 8 in die Vakuumkammer
eingeführt wird und während des Betriebes der Elek
trode unbegrenzt nachgeführt werden kann.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das zu verdampfende Material als hohler Stab
ausgebildet ist, durch den während des Betriebs der
Elektrode zusätzlich ein Gas von außen in die Vaku
umkammer geführt wird.
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