EP0497126A1 - Schaltungsanordnung zum Zünden und Betreiben einer Hohlkatodenbogenentladung - Google Patents

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EP0497126A1
EP0497126A1 EP92100408A EP92100408A EP0497126A1 EP 0497126 A1 EP0497126 A1 EP 0497126A1 EP 92100408 A EP92100408 A EP 92100408A EP 92100408 A EP92100408 A EP 92100408A EP 0497126 A1 EP0497126 A1 EP 0497126A1
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cathode tube
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Wilfried Naumann
Rüdiger Wilberg
Horst Hermann
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Hochvakuum Dresden VEB
VTD Vakuumtechnik Dresden GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/48—Generating plasma using an arc
    • H05H1/481—Hollow cathodes

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for igniting and operating a hollow cathode arc discharge, in particular for industrial use with a relatively high output.
  • a particular area of application has developed in vacuum coating technology.
  • the hollow cathode arc is particularly suitable for the evaporation of the coating material with simultaneous intensive plasma formation with the resultant ionization of the various gases and vapors in the coating chamber.
  • a first current source for resistance heating ie the heating of the hollow cathode
  • a second current source for operating the hollow cathode itself.
  • Both current sources are power current sources which are switched alternately according to the technological requirement.
  • the realization of two power sources is technically very complex. Since the two current sources are regulated independently of one another, only as a function of secondary parameters, ignition problems of the hollow cathode discharge also sometimes arise.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a circuit for igniting and operating a hollow cathode, which considerably reduces the technical outlay for the provision of energy and ensures reliable ignition and operation of the hollow cathode arc discharge.
  • the invention solves the problem in such a way that only one power current source is used, connected to a special circuit arrangement.
  • One end of the cathode tube is connected to the negative pole of the power source.
  • the other end of the cathode tube is connected to an anode within the vacuum chamber via a power switching element.
  • the anode is in contact with the positive pole of the current source.
  • an ammeter is arranged, the outputs of which are connected to the inputs of a differential element.
  • the output of the differential element controls a switching unit to open the circuit breaker.
  • a special evaporator crucible with the evaporation material is additionally arranged as an anode within the vacuum chamber.
  • a power switching element is arranged between the chamber wall and the evaporator crucible and is actuated in the same way by the same switching unit as the power switching element between the cathode tube and the anode for opening.
  • the circuit arrangement works in the following way.
  • the power switching elements are closed at the beginning of the ignition phase of the hollow cathode arc discharge, since no signals come to the switching unit for opening the power switch via the differential element. If the current flow is initiated from the current source, then flow at 30 to 50 V to 200 A short-circuited over the hollow cathode. This is designed accordingly so that the hollow cathode tube, itself and advantageously another external heating coil connected in series, is heated by resistance heating becomes.
  • the hollow cathode is usually made of tungsten. Thermal electron emission begins at a temperature of approx. 2500 0C.
  • the arc discharge ignites in the hot zone of the hollow cathode and burns from there in the carrier gas which flows through the hollow cathode.
  • the energy flow is dissipated into the vacuum chamber via the anode.
  • no significant difference values reach the differential element and the circuit breakers are closed, this changes when the arc discharge is ignited.
  • a significant current flow is conducted to the anode via the arc discharge, the plasma stream.
  • the ammeter in the anode - positive pole of the current source measures a higher current.
  • the differential element shows a difference between the two ammeters and controls the switching unit to open the circuit breaker.
  • the circuit breaker When the circuit breaker is open, the direct current flow through the hollow cathode and the heating coil, if present, is interrupted, and thus the resistance heating of the same.
  • the current flows exclusively from the cathode via the arc discharge to the anode.
  • the hollow cathode is constantly kept at the required temperature by the arc discharge.
  • the arc is usually placed on a special anode within the vacuum chamber and the vacuum chamber is separated from the special anode and connected to ground via a second power switching element.
  • the second power switching element is driven in parallel to the first between the cathode and the anode.
  • the special anode is the evaporator crucible, but it can also be a non-evaporating anode if it is only important to maintain the arc discharge and thus the plasma formation. If the arc discharge burns against an evaporator crucible, this leads to a strong concentration of the charge carriers in a small area and to the melting or evaporation of the evaporation material, with simultaneous partial ionization of the evaporated particles.
  • the drawing shows a vacuum chamber with a hollow cathode arc evaporator device with a circuit arrangement according to the invention.
  • a hollow cathode 2 and an evaporator crucible 3 are arranged within a vacuum chamber 1.
  • a substrate carrier 4 with the substrates to be coated is installed above the evaporator crucible 3.
  • the hollow cathode 2 consists of a cathode tube 6 and a heating coil 5.
  • the cathode tube 6 is mounted insulated in the vacuum chamber 1 and is flowed through by argon, as the carrier gas for the arc discharge.
  • the outer end of the cathode tube 6 is connected to the negative pole of the power source 7, and the tip of the cathode tube is contacted with the heating coil 5.
  • the heating coil can be connected to the positive pole of the current source 7 via two power switching elements 8 and 9 connected in series.
  • the cathode tube 6 and the heating coil 5 are heated by resistance heating during the passage of current.
  • heating coil 5 it is advantageous to dimension the heating coil 5 such that a voltage drop of about 20 V across the heating coil 5 occurs when the end temperature is reached.
  • the metallic wall of the vacuum chamber 1 is electrically connected to the connecting line of the two power switching elements 8 and 9 lying in series.
  • the anodic evaporation crucible 3 is connected to the positive pole of the current source 7 and the power switching element 9.
  • an ammeter 11 and 12 is integrated, the ammeter 12 recording the entire current fed in by the current source 7 and only using the ammeter 11 the current flowing through the heating coil 5.
  • the measured value outputs of the two ammeters 11 and 12 are connected to the inputs of a differential element 13.
  • the output is connected to a trigger input of a switching unit 14, which in turn controls the power switching elements 8 and 9.
  • the two power switching elements 8 and 9 are closed.
  • the current from the current source 7 is regulated at 24 V to approximately 240 A.
  • the current flows directly through the hollow cathode tube 6, the heating coil 5 and the power switching elements 8 and 9 back to the current source 7.
  • the hollow cathode tube 6 is designed in the area of the hot zone and in coordination with the heating coil 5 so that a voltage drop of about 20 V occurs . This area is quickly and intensively heated to a temperature of approx. 2500 0C by resistance heating. Thereby the thermal electron emission occurs.
  • An arc discharge ignites, which burns via the carrier gas argon, which is passed through the hollow cathode 2, to the large-area anodic chamber wall 1 and the anodic crucible 3.
  • the current of 240 A emitted by the current source 7 is split up because part of it is discharged via the arc discharge. This divided current is measured on ammeters 11 and 12.
  • the total current is measured on the ammeter 12, i. H. the current that already flows through the ammeter 11 and additionally the current that flows through the arc discharge through the vacuum chamber 1 and the evaporator crucible 3.
  • the difference between the measured current values is evaluated in the differential element 13. If in the example the difference value, that is to say the plasma current is 60 A, then the power switching elements 8 and 9 are controlled and opened via the switching unit 14. At this moment the current flow through the heating coil 5 and also from the vacuum chamber 1 is interrupted. The entire current flows essentially exclusively via the arc discharge to the evaporator 3.
  • the material to be evaporated melts and evaporates.
  • the hollow cathode 2 is constantly kept at the required temperature by the arc discharge. Should the arc discharge go out, the differential element 13 no longer measures a sufficient difference in the current values at the ammeters 11 and 12 and the power switching elements 8 and 9 are closed again. If in the meantime the current at the current source 7 has not been switched off, the ignition process is repeated. This circuit arrangement works very stably and the technical effort is relatively low.

Abstract

Schaltungsanordnung, bei der das Katodenrohr mit einem Ende an den Minuspol der Stromquelle angeschlossen ist und das andere Ende des Katodenrohrs über ein Leistungsschaltelement mit einer Anode innerhalb der Vakuumkammer verbunden ist. 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 Leistungsschalters an. <IMAGE>

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 Vakuumbeschichtungstechnik 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 2949844) 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 Leistungsschalters 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 Leistungschaltelement 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 geschaltenes äußeres Heizwendel, durch Widerstandserwärmung aufgeheizt wird. Die Hohlkatode besteht in der Regel aus Wolfram. Bei einer Temperatur von ca. 2500 ⁰C beginnt die thermische Elektronenemission. Wenn diese ausreichend stark ist, zündet die Bogenentladung in der heißen 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 Stommessern zwischen der Katode und dem Leistungsschalter und zwischen Anode und Pluspol der Stomquelle, 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 in 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 ⁰C 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 abgeleitet 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 der jetzt einregulierter Leistung kommt es zum Schmelzen und Verdampfen des Verdampfungsgutes. Die Hohlkatode 2 wird in dieser Phase ständig durch die Bogenentladung auf der erforderlichen 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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