DE4444763C2 - Elektrode zur Materialverdampfung für die Beschichtung von Substraten - Google Patents

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 Titan­ nitrid 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 in der US 49 17 786 beschrieben. Beim anodischen 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 anodisch 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.

So wird zwar in der oben genannten Druckschrift ein Verfahren zum Verdampfen von Materialien in einer Vakuumkammer beschrieben, bei dem u. a. eine Drahtanode aus Verdampfungsmaterial durch eine Hülse in Richtung der Vakuumkammer geführt wird. Diese Anordnung ist aber deshalb nicht funk­ tionsfähig, weil die Hülse, durch die die Elektrode geführt wird, nicht gekühlt ist und sich daher bei Betrieb der Vakuumkammer so stark aufheizen wird, daß das Verdampfungsmaterial in der Hülse bereits schmilzt bzw. die Hülse selber aufschmilzt und zerstört wird. Weiterhin weist die Elektrode nach der genannten US 49 17 786 keine Dichtungseinheit zur Abdichtung von Vakuum gegen Atmosphärendruck auf.

Durch diese Probleme ist die Durchführung einer Beschichtung mit einem anodisch bestimmten Vakuumbogen bisher im industriellen Maßstab unwirtschaftlich.

Aus der DE 40 26 494 C2 ist ein Verfahren zur Zündung einer Vakuumlichtbogenentladung bekannt, wobei in Fig. 6 eine An­ odenkonstruktion 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 0 612 859 A1 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 mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. 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 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 verdampfte 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 anodische Lichtbögen, beispielsweise gemäß DE 40 26 494 C2, 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-Ansätze" 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 entlang der Elektrodenführung gekühlt wird und der aus der Dichtungseinheit (3) herausragende Teil des Verdampfungsmaterials (6) während des Betriebes der Elektrode nachgeführt wird, wobei die Elektrode als hohler Stab ausgebildet ist, 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. Titannitrid 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 Bogen­ entladung 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

Claims (10)

1. Elektrode zur Materialverdampfung in einer Vakuumkammer (8) für die Beschichtung von Substraten, bestehend aus einem durchbohrten Elek­ trodenkopf (1), einem wassergekühlten Rohrsystem (2) und einer Dichtungseinheit (3), dadurch gekennzeichnet, daß

• - das wassergekühlte Rohrsystem (2) entlang der Führung für ein Verdampfungsmaterial (6) angeordnet ist;
• - die Dichtungseinheit (3) am wassergekühlten Rohrsystem (2) befestigt ist und Dichtungen (16) enthält zur Abdichtung vom Vakuum gegen Atmosphärendruck;
• - das Verdampfungsmaterial (6) von außen durch die Dichtungseinheit (3), das wassergekühlte Rohrsystem (2) und den durchbohhrten Elektrodenkopf (1) in die Vakuumkammer geführt wird;
• - der aus der Dichtungseinheit (3) herausragende Teil des Verdampfungsmaterials (6) während des Betriebs der Elektrode in die Vakuumkammer kontinuierlich nachführbar ist.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrsystem (2) über ein es umgebendes geschlossenes Wasserkühlsystem (4) kühlbar ist.

3. Elektrode nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Elektrodenkopf (1) aus Kupfer besteht.

4. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im unteren Teil des Elektrodenkopfes (1) ein permanenter Magnet oder Elektromagnet (5) angeordnet ist.

5. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zu verdampfende Material (6) ein massiver Stab oder Draht ist.

6. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, 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 gekenn­ zeichnet, 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 eingekerbt ist.

9. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der seitliche Teil des Elektrodenkopfes 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 entlang der Elektrodenführung gekühlt wird und der aus der Dichtungseinheit (3) herausragende Teil des Verdampfungs­ materials (6) während des Betriebes der Elektrode in die Vakuumkammer nachgeführt wird, wobei die Elektrode als hohler Stab ausgebildet ist, durch den während des Betriebs der Elektrode zusätzlich ein Gas von außen in die Vakuumkammer geführt wird.