EP2140475A2 - Anode für die bildung eines plasmas durch ausbildung elektrischer bogenentladungen - Google Patents

Anode für die bildung eines plasmas durch ausbildung elektrischer bogenentladungen

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EP2140475A2
EP2140475A2 EP08757989A EP08757989A EP2140475A2 EP 2140475 A2 EP2140475 A2 EP 2140475A2 EP 08757989 A EP08757989 A EP 08757989A EP 08757989 A EP08757989 A EP 08757989A EP 2140475 A2 EP2140475 A2 EP 2140475A2
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EP
European Patent Office
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anode
strip
shaped elements
target
plasma
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08757989A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Carl-Friedrich Meyer
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP2140475A2 publication Critical patent/EP2140475A2/de
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/0605—Carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • H01J37/32339—Discharge generated by other radiation using electromagnetic radiation
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3411—Constructional aspects of the reactor
    • H01J37/3438—Electrodes other than cathode

Definitions

  • the invention relates to an anode for the formation of a plasma by forming electrical arc discharges, starting from a target connected as a cathode, for the coating of substrates with target material in a vacuum.
  • the anodes according to the invention can be used for the coating of surfaces of substrates with a wide variety of coating materials.
  • the formation of layer systems is possible in which at least two such layers can be formed one above the other, which are formed of different materials or materials. So is the particular
  • laser light sources were used.
  • a locally targeted ignition of electrical arc discharges can be achieved by laser pulses emitted by a laser light source by the laser beam is deflected specifically over the surface of such a target.
  • a more uniform material removal on the target surface can be achieved.
  • targets are connected as a cathode.
  • an anode is arranged, wherein the distance between the target surface and anode is only a few millimeters.
  • the anode is connected to a corresponding electrical voltage potential.
  • anode bars should be dimensioned to be slightly longer than one target or multiple targets placed side by side.
  • a further problem with coating processes in vacuum with plasmas generated as a result of electrical arc discharges is that even larger particles (droplets) can be incorporated into the forming layer, so that the surface quality of a layer formed in this way is impaired.
  • the anode according to the invention for the formation of a plasma by forming electrical arc discharges, starting from a target connected as a cathode, is arranged in a known manner at a distance from the target. Initially, parallel anode ribs aligned parallel to the surface of the target are present at the anode. In addition, strip-shaped elements are formed on the anode, which are separated by gaps. The strip-shaped elements start from the anode rails and point in the direction of a substrate to be coated on the surface. The plasma formed is enclosed by two opposite sides with the strip-shaped elements of the anode. Between the anode rails there is a gap through which formed plasma can pass in the direction of a substrate to be coated.
  • the anode bars should be electrically connected to each other.
  • the anode according to the invention can also be used in the "laser arc process", in which case the ignition of electrical arc discharges is locally different. can be initiated on the surface of targets with a pulsed laser beam on the surface of the target.
  • shielding elements may for example be plate-shaped elements, which are arranged in the region of the upper end faces of strip-shaped elements laterally next to these. The shielding elements actually form diaphragms, with which it can be avoided that these particles or plasma constituents separated from the plasma reach the surface of the substrate to be coated and, in particular, cause disadvantageous effects during layer formation.
  • strip-shaped elements on an anode according to the invention, which are arranged in the region of the front ends of the anode rails.
  • the plasma formed is bordered not only by two opposite sides with strip-shaped elements, but this also applies to the end-side end regions.
  • strip-shaped elements an open "cage" in the direction of the surface of a substrate to be coated can be formed.
  • at least strip-shaped elements which are arranged on opposite sides of the anode in such a way that they are concave or convex curved along its longitudinal axis. By such a curvature of strip-shaped elements, a plasma formation region can be formed with a corresponding geometric design.
  • the plasma formation area widens correspondingly in the direction of the substrate, which is the opposite case in the case of a concave curvature of strip-shaped elements, ie in the region of the strip-shaped elements facing the substrate a turn reduced gap width between strip-shaped oppositely arranged Elements is achievable.
  • Opposing arranged strip-shaped elements may be arranged symmetrically with respect to each other with respect to the longitudinal axis of the anode rails, so that in each case two strip-shaped elements are opposite. However, it is also possible to arrange such strip-shaped elements offset relative to one another so that a strip-shaped element on one side of the anode faces a gap which is arranged on the other side of the anode.
  • the anode should preferably be connected to an electrical voltage source in the region of the anode rail, wherein it is particularly preferred to provide this connection at a front end of the anode.
  • Gaps between adjacent strip-shaped elements should be at least as wide as the respective strip-shaped elements.
  • strip-shaped elements can also be formed conically tapering starting from the anode rails, so that their respective width gradually decreases and, accordingly, the gaps between the strip-shaped elements arranged side by side starting from the anode rail in the direction of the front ends of strip-shaped elements facing towards the substrate , are widened.
  • Such a widened gap allows larger particles or other unwanted constituents to be better separated from the plasma and a corresponding undesirable influence on the formation of the layer on the substrate surface to be avoided.
  • the particle density in the coating formed on substrate surfaces can be reduced by approximately 40% and thus the layer quality and in particular the surface quality of the layer can be markedly improved.
  • the coating rate can be increased by at least 50%.
  • a modulus of elasticity increased by 50% over a conventionally formed diamond-like carbon coating could be achieved at a layer thickness of approximately one micrometer.
  • the current peaks are up to about 3000 A and a pulse length between 2 microseconds and 200 microseconds.
  • a circuit in which an electrical current source charges an electrical capacitor and an inductive element is connected between this capacitor and a terminal of the anode or a target connected as a cathode.
  • a diode is connected in the circuit parallel to the anode-cathode path.
  • the known per se conditions of parallel resonant circuits occur.
  • the voltage and current waveforms cause that after a double burning time of an electrical arc discharge see, the capacitor can be recharged after conversion with the help of the diode in practice back to 40 to 60% of its electrical output voltage.
  • An electric arc discharge only consumes up to 40% of the electrical energy stored in the electric capacitor.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an anode, according to the prior art
  • Figure 2 shows a schematic representation of an example of an anode according to the invention
  • FIG. 3 shows another example of an anode according to the invention with additional shielding elements.
  • FIG. 1 shows an arrangement with an anode 1 according to the prior art.
  • the anode 1 consists of two elements, in the form of anode rails
  • a connection contact 3 is present here at a front end of the anode 1, with which the anode 1 can be connected to an electrical voltage source, also not shown here.
  • FIG. 2 is intended to illustrate an example according to the invention in more detail.
  • an anode 1 according to the invention is designed so that, starting from anode bars 1 ', the anode 1 is extended with strip-shaped elements 6 and 6 1 in the direction of a substrate, also not shown here. Between the strip-shaped elements 6 and 6 'column 5 are formed.
  • the electrons discharged with the anode 1 from the formed plasma 8 can flow off only perpendicular to the longitudinal axis by means of the strip-shaped elements 6 and 6 'as well as the gaps 5 formed between them and thus generate the magnetic field H 1 is formed substantially parallel to the longitudinal axis of the anode rails 1 'and the target.
  • the path of the positive ions present in excess in the formed plasma 8 can be diffracted by the Lorentz force toward the center of the plasma 8.
  • Perform plasma 8 also forms around the accelerated toward the substrate plasma 8 a concentric magnetic field for 1 hour.
  • the magnetic field H 1 leads to a further focusing of the plasma 8.
  • an anode 1 according to the invention has been produced by a laser cutting process of stainless steel.
  • the strip-shaped elements 6 and 6 1 have, starting from the pointing in the direction of the target 4 end face, ie the end face of the anode bars I 1 a length of 200 millimeters. They also have a thickness of 4 millimeters.
  • the gap between the individual strip-shaped elements 6 and 6 ' was 26 millimeters.
  • a gap is formed between the anode rails 1 ', through which formed plasma 8, starting from the target 4, can pass in the direction of a substrate likewise not shown here and can be used for its surface coating.
  • the two rows of strip-shaped elements 6 and 6 1 can be aligned at an obliquely inclined angle to each other.
  • the angle at this anode 1 was 15 ° with respect to the vertical plane between the two rows. fenförmiger elements 6 and 6 '.
  • the anode 1 is connected to an electrical voltage source. From there, an electrical voltage of 140 V is applied.
  • the anode has been operated with a maximum current of 2000A.
  • a target 4 made of pure carbon was used, with which a substrate can be coated on a surface with diamond-like carbon.
  • a plurality of such cylindrical targets 4 can also be arranged along the longitudinal axis about which they then rotate and be formed from different materials, so that multi-layer systems can also be formed on surfaces of substrates as mentioned in the introductory part of the description , without additional plant engineering effort for the replacement of individual elements or a transport of each substrate to be coated is required.
  • an anode 1 according to the invention should correspond at least approximately to the length of a target 4 or the total length of a series arrangement of a plurality of targets 4, but preferably be somewhat longer.
  • FIG. 3 of an anode 1 according to the invention differs from the example according to FIG. 2 in two points.
  • the gaps 5 between strip-shaped elements 6 and ⁇ 1 have been increased, so that the distance between side by side ordered stripe-shaped elements 6 or 6 ? is also enlarged, as in the example of an anode 1 shown in FIG.
  • plate-shaped shielding elements 7 and 7 ' have been arranged laterally next to the anode in the region of the upper front ends of strip-shaped elements 6 and 6'.
  • the surface of the shielding elements 7 and 7 'pointing in the direction of the target 4 can be used to intercept particles or other unwanted constituents from the formed plasma 8 that have passed through the gaps 5 and thus to scrape the surface of a substrate to be coated the shielding elements 7 and 7 'to protect against these particles or plasma constituents.
  • shielding elements 7 and 7 ' can also be aligned at a slightly inclined angle, but the surface should be oriented in such a way that particles or unwanted components can be safely trapped from the plasma 8.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anode (1) für die Bildung eines Plasmas durch Ausbildung elektrischer Bogenentladungen, ausgehend von einem als Kathode geschalteten Target (4), für die Beschichtung von Substraten mit Targetwerkstoff im Vakuum. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit der zumindest die Beschichtungsrate erhöht werden kann, ohne dass der hierfür erforderliche anlagentechniεche Aufwand erheblich vergrößert ist. Die erfindungsgemäße Anode (1) für die Bildung eines Plasmas durch Ausbildung elektrischer Bogenentladungen, ausgehend von einem als Kathode geschalteten Target (4), ist dabei in bekannter Art und Weise in einem Abstand zum Target (4) angeordnet. Dabei sind zunächst parallel zur Oberfläche des Targets (4) ausgerichtete Anodenschienen (1) an der Anode vorhanden. Außerdem sind streifenförmige Elemente (6, 6-1), an der Anode ausgebildet, die durch Spalte voneinander getrennt sind. Die streifenförmigen Elemente (6, 6-1), gehen dabei von den Anodenschienen (1) aus und weisen in Richtung eines an der Oberfläche zu beschichtenden Substrats. Das gebildete Plasma (8) ist dabei von zwei gegenüber liegenden Seiten mit den streifenförmigen Elementen (6, 6-1) der Anode (1) eingefasst.

Description

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 088PCT 0543
Anode für die Bildung eines Plasmas durch Ausbildung elektrischer Bogenentladungen
Die Erfindung betrifft eine Anode für die Bildung eines Plasmas durch Ausbildung elektrischer Bogenentladungen, ausgehend von einem als Kathode geschalteten Target, für die Beschichtung von Substraten mit Targetwerkstoff im Vakuum. Die erfindungsgemäßen Anoden können für die Beschichtung von Oberflächen von Substraten mit unterschiedlichsten Beschichtungswerk- stoffen eingesetzt werden. Dabei ist auch die Ausbildung von Schichtsystemen möglich, bei denen mindestens zwei solcher Schichten übereinander ausgebildet werden können, die aus unterschiedlichen Werkstoffen oder Stoffen gebildet sind. So ist insbesondere die
Ausbildung von Schichten aus diamantähnlichem Kohlenstoff auf Substratoberflächen mit der erfindungsgemäßen Lösung möglich. Üblicherweise kann dabei so vorgegangen werden, dass zwischen einem als Kathode geschalteten Target und einer Anode elektrische Bogenentladungen gezündet werden und mit deren Energie der Targetwerkstoff in ein Plasma überführt wird. Das gebildete Plasma kann dann auf die Oberfläche eines Substrates gelangen und dort eine Schicht ausbilden.
Zur Vermeidung einer unkontrollierten Bewegung von Fußpunkten gezündeter Bogenentladungen entlang der
Oberfläche eines solchen Targets, die wiederum zu einem unkontrollierten Werkstoffabtrag der Targetoberfläche führt, wurden Laserlichtquellen eingesetzt. Dabei kann mit von einer Laserlichtquelle emittierten Lasersimpulsen eine lokal gezielte Zündung elektrischer Bogenentladungen erreicht werden, indem der Laserstrahl gezielt über die Oberfläche eines solchen Targets ausgelenkt wird. Dadurch kann ein gleichmäßigerer Werkstoffabtrag auf der Targeto- berfläche erreicht werden.
Eine solche technische Lösung ist u.a. in DE 198 50 217 Cl beschrieben. Das entsprechende Verfahren wird auf diesem Gebiet der Technik auch als „Laser-Arc- Verfahren" bezeichnet.
Für die Zündung und Ausbildung elektrischer Bogenentladungen sind ein oder auch mehrere, dann bevorzugt in Reihe angeordnete Targets, als Kathode geschaltet. Oberhalb der Oberfläche solcher Targets ist dann eine Anode angeordnet, wobei der Abstand zwischen Targetoberfläche und Anode nur einige wenige Millimeter beträgt. Die Anode ist an ein entsprechendes elektrisches Spannungspotential geschaltet.
Bisher ist es üblich, einfache Anoden, die aus etwa 10 mm dicken und ca. 30 bis 50 mm tiefen Edelstahlschienen gebildet sind, einzusetzen. Eine solche Anode ist in Figur 1 schematisch dargestellt.
Aus verständlichen Gründen sollten die Anodenschienen so dimensioniert sein, dass sie etwas länger, als ein Target bzw. mehrere nebeneinander angeordnete Targets sind.
Es ist aber auch bekannt, rotierende, wassergekühlte Rundanoden mit einem Durchmesser im Bereich von 20 mm bis 30 mm für die Ausbildung elektrischer Bogenentla- dungen zur Plasmabildung, ausgehend von einem als Kathode geschalteten Target, einzusetzen.
Insbesondere beim „Laser-Arc-Verfahren" wird im Vergleich zu anderen Vorgehensweisen, bei denen Plasma durch elektrische Bogenentladungen generiert wird, eine geringere Beschichtungsrate erzielt.
Um diesem Nachteil begegnen zu können, besteht die Möglichkeit der Erhöhung der elektrischen Leistung. Dies erhöht aber durch die hierfür erforderlichen elektronischen Anlagen die Kosten erheblich, so dass eine beliebige Erhöhung der elektrischen Leistung nicht ohne weiteres möglich ist.
Ein weiteres Problem bei Beschichtungsverfahren im Vakuum mit infolge elektrischer Bogenentladungen ge- nerierten Plasmen besteht darin, dass auch größere Teilchen (Droplets) in die sich ausbildende Schicht eingelagert werden können, so dass die Oberflächengüte einer so ausgebildeten Schicht verschlechtert ist.
Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit der zumindest die Beschichtungsrate erhöht werden kann, ohne dass der hierfür erforderliche anlagentechnische Aufwand erheblich vergrößert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anode, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten technischen Merkmalen erreicht wer- den.
Die erfindungsgemäße Anode für die Bildung eines Plasmas durch Ausbildung elektrischer Bogenentladun- gen, ausgehend von einem als Kathode geschalteten Target, ist dabei in bekannter Art und Weise in einem Abstand zum Target angeordnet. Dabei sind zunächst parallel zur Oberfläche des Targets ausgerichtete A- nodenschienen an der Anode vorhanden. Außerdem sind streifenförmige Elemente an der Anode ausgebildet, die durch Spalte voneinander getrennt sind. Die streifenförmigen Elemente gehen dabei von den Anodenschienen aus und weisen in Richtung eines an der O- berflache zu beschichtenden Substrats. Das gebildete Plasma ist dabei von zwei gegenüber liegenden Seiten mit den streifenförmigen Elementen der Anode einge- fasst. Zwischen den Anodenschienen ist ein Spalt vorhanden, durch den gebildetes Plasma in Richtung auf ein zu beschichtendes Substrat hindurch treten kann.
Die Anodenschienen sollten miteinander elektrisch leitend verbunden sein.
Wie bereits im einleitenden Teil der Beschreibung angesprochen, kann die erfindungsgemäße Anode auch beim „Laser-Arc-Verfahren" eingesetzt werden, wobei dann die Zündung elektrischer Bogenentladungen lokal dif- ferenziert auf der Oberfläche von Targets mit einem gepulst betriebenen Laserstrahl auf der Oberfläche des Targets initiiert werden kann.
Vorteilhaft ist es, die streifenförmigen Elemente in einem schräg geneigten Winkel auszurichten, so dass sich der Abstand gegenüber liegend angeordneter streifenförmiger Elemente ausgehend von der Anodenschiene vergrößert. Dadurch kann ein sich in Richtung des Substrats konisch erweiternder Plasmaformungsbereich ausgebildet werden.
Von der Anode aus dem gebildeten Plasma abgeführte Elektronen können sich infolge der Spalte zwischen streifenförmigen Elementen der Anode nur senkrecht zur Längsachse der Anode bewegen und bilden dabei ein magnetisches Feld H aus, das im Wesentlichen parallel zur Längsachse des/der Target (s) bzw. parallel zu den Anodenschienen ausgebildet ist. Dadurch kann erreicht werden, dass im Plasma im Überschuss enthaltene positive Ionen durch die Lorenzkraft des ausgebildeten magnetischen Feldes in Richtung der Mitte zwischen streifenförmigen Elementen gebeugt werden.
Da die so beschleunigten Elektronen im Plasma selbst zu einem starken elektrischen Strom entgegen der Plasma-Ausbreitungsrichtung führen, bildet sich um das in Richtung auf das Substrat beschleunigte Plasma ebenfalls ein konzentrisches magnetisches Feld H' aus, das wiederum zu einer Fokussierung des gebildeten Plasmas zwischen den streifenförmigen Elementen einer erfindungsgemäßen Anode führt.
Massereichere Partikel oder auch Elektronen können so durch die zwischen streifenförmigen Elementen ausgebildete Spalte hindurch treten. Solche Partikel oder andere unerwünschte Plasmabestandteile können auch mittels Abschirmelementen abgefangen werden. Solche Abschirmelemente können beispielsweise plattenförmige Elemente sein, die im Bereich der oberen Stirnseiten von streifenförmigen Elementen seitlich neben diesen angeordnet sind. Die Abschirmelemente bilden eigentlich Blenden, mit denen vermieden werden kann, dass diese aus dem Plasma separierten Partikel oder Plasmabestandteile auf die zu beschichtende Oberfläche des Substrats gelangen und insbesondere nachteilige Wirkungen bei der Schichtausbildung hervorrufen.
Es besteht die Möglichkeit die streifenförmigen Elemente ausgehend von den Anodenschienen in einer pa- rallelen Ausrichtung an einer erfindungsgemäßen Anode einzusetzen. Dadurch kann quasi ein paralleler Spalt, der dann einen Plasmaformungsbereich bilden kann, ausgebildet werden.
Günstiger ist es jedoch, die streifenförmigen Elemente in einem schräg geneigten Winkel auszurichten, wie dies bereits angesprochen worden ist. Hierbei sollte ein Mindestwinkel von mindestens 10° in Bezug zur Targetoberfläche senkrecht ausgerichteten Ebene ein- gehalten werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit zusätzliche streifenförmige Elemente an einer erfindungsgemäßen Anode auszubilden, die im Bereich der Stirnenden der Anodenschienen angeordnet sind. Dadurch ist das gebildete Plasma nicht nur von zwei gegenüberliegenden Seiten mit streifenförmigen Elementen eingefasst, sondern dies trifft auch auf die stirnseitigen Endbereiche zu. So kann mit streifenförmigen Elementen ein in Richtung auf die zu beschichtende Oberfläche eines Substrates offener "Käfig" gebildet werden. Außerdem besteht die Möglichkeit zumindest streifenförmige Elemente, die an gegenüberliegenden Seiten der Anode angeordnet sind so auszubilden, dass sie entlang ihrer Längsachse konkav oder konvex gekrümmt ausgebildet sind. Durch eine solche Krümmung von streifenförmigen Elementen kann ein Plasmaformungsbereich mit entsprechender geometrischer Gestaltung ausgebildet werden. Bei einer konvexen Krümmung streifenförmiger Elemente weitet sich der Plasmaformungsbereich in Richtung auf das Substrat entsprechend auf, was im Fall einer konkaven Krümmung streifenförmiger Elemente entgegengesetzt der Fall ist, also im Bereich der in Richtung Substrat weisenden Stirnenden streifenförmiger Elemente ein wiederum reduzierte Spaltbreite zwischen gegenüberliegend angeordneten streifenförmigen Elementen erreichbar ist.
Gegenüberliegend angeordnete streifenförmige Elemente können in Bezug zur Längsachse der Anodenschienen symmetrisch zueinander angeordnet sein, so dass sich jeweils zwei streifenförmige Elemente gegenüberliegen. Es besteht aber auch die Möglichkeit solche streifenförmigen Elemente versetzt zueinander anzu- ordnen, so dass ein streifenförmiges Element an einer Seite der Anode einem Spalt, der an der anderen Seite der Anode angeordnet ist, gegenüberliegt.
Die Anode sollte bevorzugt im Bereich der Anoden- schiene an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen sein, wobei es besonders bevorzugt ist, diesen Anschluss an einem stirnseitigen Ende der Anode vorzusehen.
Insbesondere bei in Richtung einer Längsachse sehr langen Targets oder einer entsprechenden Anordnung mehrerer solcher Targets, besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit mehrere erfindungsgemäße Anoden, dann bevorzugt ebenfalls in einer Reihenanordnung vorzusehen.
Spalte zwischen benachbart zueinander angeordneten streifenförmigen Elementen sollten mindestens so breit wie die jeweiligen streifenförmigen Elemente sein.
Streifenförmige Elemente können aber auch ausgehend von den Anodenschienen sich konisch verjüngend ausgebildet werden, so dass sich ihre jeweilige Breite sukzessive verkleinert und dementsprechend die Spalte zwischen den nebeneinander angeordneten streifenförmigen Elementen ausgehend von der Anodenschiene in Richtung der Stirnenden von streifenförmigen Elementen, die in Richtung Substrat weisen, verbreitert sind. Durch so verbreiterte Spalte können größere Partikel oder andere unerwünschte Bestandteile aus dem Plasma besser separiert und eine dementsprechende unerwünschte Beeinflussung bei der Schichtausbildung auf der Substratoberfläche vermieden werden.
Mit der erfindungsgemäßen Anode kann die Partikeldichte in der auf Substratoberflächen ausgebildeten Beschichtung um zirka 40% reduziert und so die Schichtqualität und insbesondere deren Oberflächen Schichtgüte deutlich verbessert werden. Außerdem kann die Beschichtungsrate um mindestens 50% erhöht werden. Bei der Ausbildung von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten konnte bei einer Schichtdicke von zirka einem Mikrometer ein gegenüber herkömmlich ausgebildeten Beschichtungen aus diamantähnlichem Kohlen- stoff ein um 50% erhöhter Elastizitätsmodul erreicht werden. Bei der Ansteuerung von Anoden für die Zündung elektrischer Bogenentladungen in gepulster Form werden bisher Hochstrom-Impulsquellen eingesetzt, deren Stromspitzen bei bis zu zirka 3000 A und einer Impulslänge zwischen 2 Mikrosekunden und 200 Mikrose- kunden liegen. Dabei wird eine Schaltung verwendet, bei der eine elektrische Stromquelle einen elektrischen Kondensator auflädt und zwischen diesem Konden- sator und einem Anschluss der Anode oder einem als Kathode geschalteten Target ein induktives Element geschaltet ist. Zusätzlich ist in dem Stromkreis parallel zur Anoden-Kathodenstrecke eine Diode geschaltet. In Folge der hohen elektrischen Ströme sollten und sind auch die entsprechenden elektrischen Bauelemente wasser- oder intensiv luftgekühlt, was sehr nachteilig ist. Mit einer solchen bekannten Lösung ist ein schneller Wechsel von Bauelementen oder ein einfaches Umschalten zwischen verschieden großen Bau- elementen und demzufolge eine schnelle Änderung von nicht ohne Weiteres möglich. Dies bedeutet, die Impulslänge und die elektrische Stromstärke können nicht auf einfach Weise den jeweiligen momentanen Verfahrensbedingungen angepasst werden.
Bei einer solchen bekannten Schaltung treten die an sich bekannten Bedingungen von Parallelschwingkreisen auf. Die Spannungs- und Stromverläufe führen dazu, dass nach einer doppelten Brennzeit einer elektri- sehen Bogenentladung, der Kondensator nach erfolgtem Umschwingen mit Hilfe der Diode in Praxis wieder auf 40 bis 60% seiner elektrischen Ausgangsspannung nachgeladen werden kann. Eine elektrische Bogenentladung verbraucht lediglich bis zu 40% der im elektrischen Kondensator gespeicherten elektrischen Energie. Dadurch besteht die Gefahr, dass durch noch vorhandene Ionen und Elektronen eine unerwünschte Zündung einer elektrischen Bogenentladung, beispielsweise zwischen einer Kammerwand oder dem Substrat, das an eine negative elektrische Spannung angeschlossen ist und der Anode gezündet wird. Da aber kurz nach einer elektrischen Bogenentladung eine Nachladung des elektrischen Kondensators auf die erforderliche elektrische Sollspannung erfolgen muss, kommt es gelegentlich zu einem Kurzschluss zwischen elektrischer Stromquelle und den unerwünscht gezündeten elektrischen Bogenentla- dungen, was zu erheblichen Störungen der elektrischen Stromquelle führt. Elektrische Stromquellen müssen dann zumindest kurzzeitig abgeschaltet werden.
Diese Nachteile treten auch bei Schaltungen auf, bei denen mehrere solcher Parallelschwingkreise an eine elektrische Stromquelle angeschlossen sind.
Die vorab erwähnten Nachteile können aber dadurch be- seitigt werden, dass ein zusätzlicher Schalter, bevorzugt Halbleiterschalter, in Reihe mit dem induktiven Element zwischem elektrischem Kondensator und einem Anschluss an eine Anode oder einem als Kathode geschalteten Target geschaltet wird.
Mit solchen Schaltern kann eine gezielte Trennung der Entladungsstrecke von Kondensatoren erreicht werden. Nach einer Abschaltung mit einem solchen Schalter kurz im Anschluss an eine Bogenentladung kann eine problemlose und vollständige Nachladung eines Kondensators erfolgen, ohne dass eine Störung auftreten kann. Innerhalb einer Vakuumkammer noch vorhandene Ionen oder auch Elektronen einer vorhergehenden Bogenentladung können keine unerwünschten Nachzündungen von elektrischen Bogenentladungen hervorrufen. Als Schalter können beispielsweise schnelle IGBT oder andere Leistungstransistoren eingesetzt werden. Die Szeuerung solcher Schalter kann mit Hilfe einer Zeitsteuerung erfolgen, wobei die Impulslänge durch ein verzögertes Zuschalten von Entladungsstrecken in mehreren Schritten verändert werden kann.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Darstellung eine Anode, nach dem Stand der Technik;
Figur 2 in schematischer Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anode und
Figur 3 ein weiteres Bespiel einer erfindungsgemä- ßen Anode mit zusätzlichen Abschirmelementen.
In Figur 1 ist eine Anordnung mit einer Anode 1 nach dem Stand der Technik dargestellt. Dabei ist die Ano- de 1 aus zwei Elementen, in Form von Anodenschienen
1' mit einer Dicke von zirka 10 Millimetern und einer Breite von 30 bis 50 Millimetern aus Edelstahl bestehend, oberhalb eines walzenförmigen Targets 4, das als Kathode geschaltet ist in einem Abstand von weni- gen Millimetern angeordnet. Zwischen den beiden Anodenschienen 1' der Anode 1, die hier in einem schräg geneigten Winkel zueinander ausgerichtet sind, ist ein Spalt ausgebildet, durch den ein vom Target 4 gebildetes Plasma 8 in Richtung auf ein hier nicht dar- gestelltes Substrat hindurch treten und zu dessen O- berflächenbeschichtung genutzt werden kann. Aus Figur 1 ist ebenfalls ersichtlich, dass ein von einer Laserlichtquelle emittierter Laserstrahl 2 auf die Oberfläche des Targets 4 gerichtet werden kann. Durch einen gepulsten Betrieb des Laserstrahls 2 und dabei gleichzeitiger Auslenkung, können elektrische Bogenentladungen zwischen Target 4 und den Anodenschienen 1' lokal definiert gezündet und dann zur Plasmabildung genutzt werden. Der Fußpunkt der gezün- deten elektrischen Bogenentladungen kann so gezielt verändert und ein gleichmäßiger Werkstoffabtrag über die gesamte Oberfläche des Targets 4 erreicht werden. Ein Anschlusskontakt 3 ist hier an einem stirnseitigen Ende der Anode 1 vorhanden, mit dem die Anode 1 mit einer hier ebenfalls nicht dargestellten elektrischen Spannungsquelle verbunden werden kann.
Mit Figur 2 soll ein erfindungsgemäßes Beispiel näher verdeutlicht werden.
Dabei ist eine erfindungsgemäße Anode 1 so ausgebildet, dass ausgehend von Anodenschienen 1' die Anode 1 mit streifenförmigen Elementen 6 und 61 in Richtung auf ein hier ebenfalls nicht dargestelltes Substrat verlängert ist. Zwischen dem streifenförmigen Elementen 6 und 6' sind Spalte 5 ausgebildet.
Die übrigen Elemente entsprechen denen, wie sie im Beispiel nach dem Stand der Technik gemäß Figur 1 be- reits dargestellt und erläutert worden sind.
Die mit der Anode 1 aus dem gebildeten Plasma 8 abgeführten Elektronen können mittels der streifenförmigen Elemente 6 und 6' sowie den zwischen diesen aus- gebildeten Spalten 5 nur senkrecht zur Längsachse abfließen und erzeugen so das magnetische Feld H, das weitgehend parallel zur Längsachse der Anodenschienen 1' und des Targets ausgebildet ist. Dadurch kann die Bahn der im gebildeten Plasma 8 im Überschuss vorhandenen positiven Ionen durch die Lorenzkraft zur Mitte des Plasmas 8 gebeugt werden.
Da die beschleunigten Elektronen in Plasma 8, stärker als die überschüssigen, aber massereicheren Ionen, im sich ausbreitenden Plasma selbst zu einem starken elektrischen Strom in Richtung der Ausbreitung des
Plasmas 8 führen, bildet sich um das in Richtung auf das Substrat beschleunigte Plasma 8 ebenfalls ein konzentrisches magnetisches Feld H1. Das magnetische Feld H1 führt zu einer weiteren Fokussierung des Plasmas 8.
Bei diesem Beispiel ist eine erfindungsgemäße Anode 1 durch ein Laserschneidverfahren aus Edelstahl hergestellt worden. Die streifenförmigen Elemente 6 und 61 haben dabei, ausgehend von der in Richtung Target 4 weisenden Stirnseite, also der Stirnseite der Anodenschienen I1 eine Länge von 200 Millimetern. Sie weisen außerdem eine Dicke von 4 Millimetern auf. Das Spaltmaß zwischen den einzelnen streifenförmigen EIe- menten 6 und 6' betrug 26 Millimeter. Zwischen den Anodenschienen 1' ist ein Spalt ausgebildet, durch den gebildetes Plasma 8 ausgehend vom Target 4 in Richtung auf ein hier ebenfalls nicht dargestelltes Substrat hindurch treten und zu dessen Oberflächenbe- Schichtung genutzt werden kann.
Wie aus Figur 2 ersichtlich, können die zwei Reihen streifenförmiger Elemente 6 und 61 in einem schräg geneigten Winkel zueinander ausgerichtet sein. Der Winkel bei dieser Anode 1 betrug 15° in Bezug zur senkrechten Ebene zwischen den beiden Reihen strei- fenförmiger Elemente 6 und 6'.
Über den Anschluss 3 ist die Anode 1 an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen. Von dort wird ei- ne elektrische Spannung in Höhe von 140 V angelegt. Die Anode ist mit einer maximalen Stromstärke von 2000 A betrieben worden.
Bei dem in Figur 2 und auch in Figur 3 gezeigten Bei- spielen wurde ein Target 4 aus reinem Kohlenstoff eingesetzt, mit dem ein Substrat an einer Oberfläche mit diamantähnlichem Kohlenstoff beschichtet werden kann.
In nicht dargestellter Form können aber auch mehrere solcher walzenförmigen Targets 4 entlang der Längsachse, um die diese dann rotieren, angeordnet und aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sein, so dass wie im einleitenden Teil der Beschreibung angespro- chen auch Mehrschichtsysteme an Oberflächen von Substraten ausgebildet werden können, ohne dass zusätzlicher anlagentechnischer Aufwand für den Austausch einzelner Elemente oder ein Transport eines jeweils zu beschichtenden Substrates erforderlich ist.
Entgegen der Darstellung in den Figuren 2 und 3 sollte eine erfindungsgemäße Anode 1 zumindest in etwa der Länge eines Targets 4 oder der Gesamtlänge einer Reihenanordnung mehrerer Targets 4 entsprechen, be- vorzugt jedoch etwas länger sein.
Das in Figur 3 gezeigte Beispiel einer erfindungsgemäßen Anode 1 unterscheidet sich in zwei Punkten vom Beispiel gemäß Figur 2. Dabei wurden die Spalte 5 zwischen streifenförmigen Elementen 6 und β1 vergrößert, so dass der Abstand zwischen nebeneinander an- geordneten streifenförmigen Elementen 6 oder 6? ebenfalls vergrößert ist, als bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel einer Anode 1.
Außerdem sind seitlich neben der Anode im Bereich der oberen Stirnenden von streifenförmigen Elementen 6 und 6' hier plattenförmige Abschirmelemente 7 und 7' angeordnet worden. So kann die hier in Richtung Target 4 weisende Fläche der Abschirmelemente 7 und 7 ' genutzt werden, um Partikel oder andere unerwünschte Bestandteile aus dem gebildeten Plasma 8, die durch die Spalten 5 hindurch getreten sind, abzufangen und so die Oberfläche eines zu beschichtenden Substrates mittels der Abschirmelemente 7 und 7 ' vor diesen Par- tikeln oder Plasmabestandteilen zu schützen.
Es liegt auf der Hand, dass Abschirmelemente 7 und 7 ' auch in einem leicht schräg geneigten Winkel ausgerichtet werden können, wobei jedoch die Oberfläche so ausgerichtet sein sollte, dass Partikel oder unerwünschte Bestandteile aus dem Plasma 8 sicher abgefangen werden können.
Die Abs'chirmelemente 7 und 7 ' können zur Verbesserung ihrer Schutzwirkung ebenfalls auf ein elektrisch positives Spannungspotential gelegt werden.

Claims

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 088PCT 0543Patentansprüche
1. Anode für die Bildung eines Plasmas durch Ausbildung elektrischer Bogenentladungen, ausgehend von einem als Kathode geschalteten Target, für die Beschichtung von Substraten mit Target- werkstoff im Vakuum, wobei die Anode in einem
Abstand zum Target angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (1) ausgehend von parallel zur Oberfläche des Targets (4) ausgerichteten Anodenschienen (1') mit streifenför- migen Elementen (6, 6' ) , die durch Spalte (5) voneinander getrennt sind ausgebildet ist und vom Target (6) gebildetes Plasma (8) zumindest von zwei gegenüberliegenden Seiten mit streifenförmigen Elementen (6, 6') eingefasst ist und zwischen den Anodenschienen (I' ) einen Spalt vorhanden ist, durch den gebildetes Plasma (8) in Richtung auf ein zu beschichtendes Substrat hindurch tritt.
2. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zündung von elektrischen Bogenentladungen ein gepulst betriebener Laserstrahl (2) auf die Oberfläche des Targets (4) gerichtet ist.
3. Anode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmigen Elemente (6, 6' ) in einem Winkel ausgerichtet sind, so dass sich der Abstand gegenüberliegend angeordneter streifenförmiger Elemente ausgehend von den Anodenschienen (1') vergrößert.
4. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass streifenförmige Elemente (6, 6') im Bereich der Stirnenden der Anodenschienen (1') einen stirnseitigen Ab- Schluss bilden.
5. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass streifenförmige Elemente (6, 6') ausgehend von den Anodenschienen (I' ) entlang ihrer Längsachse konkav oder konvex gekrümmt ausgebildet sind.
6. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass streifenförmige Elemente (6, 6') in Bezug zur Längsachse der Anode (1) symmetrisch zueinander angeordnet sind.
7. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass streifenförmige Elemente (6, 6') in Bezug zur Längsachse der Anode (1) nicht symmetrisch zueinander angeord- net sind.
8. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug zu den Anodenschienen (I' ) gegenüberliegend angeordnete streifenförmige Elemente (6, 6') versetzt zuein- ander angeordnet sind.
9. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (1) im Bereich der Anodenschienen (I' ) an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist.
10. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich neben und im Bereich der oberen Stirnseiten von streifen- förmigen Elementen (6, 6') Abschirmelemente (7, 7' ) angeordnet sind.
11. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass streifenförmige Elemente (6, 6') an der den Anodenschienen (I' ) gegenüberliegenden Stirnseite miteinander verbunden sind.
12. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass streifenförmige Elemente (6, 6') ausgehend von den Anodenschienen (I' ) sich konisch verjüngend ausgebildet sind und sich die Spalte (5) zwischen nebeneinander angeordneten streifenförmigen Elementen (6, 6') ausgehend von den Anodenschienen (I' ) verbreitern.
13. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüberliegend angeordnete streifenförmige Elemente (6, 6') in einem Winkel ausgerichtet sind, so dass zwischen ihnen ein sich in Richtung des Substrats konisch erweiternder Plasmaformungsbereich ausgebildet ist .
14. Anode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwi- sehen den streifenförmigen Elementen (6, 6') ausgehend von den Anodenschienen (1') sich in Richtung zum Substrat verringert.
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