EP2529386A1 - Beschichtungsvorrichtung mit einer hipims-leistungsquelle - Google Patents

Beschichtungsvorrichtung mit einer hipims-leistungsquelle

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EP2529386A1
EP2529386A1 EP11701627A EP11701627A EP2529386A1 EP 2529386 A1 EP2529386 A1 EP 2529386A1 EP 11701627 A EP11701627 A EP 11701627A EP 11701627 A EP11701627 A EP 11701627A EP 2529386 A1 EP2529386 A1 EP 2529386A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathodes
etching
power source
coating
pulses
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11701627A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Papa
Roel Tietema
Anthonie KALAND
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHI Hauzer Techno Coating BV
Original Assignee
Hauzer Techno Coating BV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hauzer Techno Coating BV filed Critical Hauzer Techno Coating BV
Publication of EP2529386A1 publication Critical patent/EP2529386A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0227—Pretreatment of the material to be coated by cleaning or etching
    • C23C16/0245—Pretreatment of the material to be coated by cleaning or etching by etching with a plasma
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • 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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
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    • C23C14/022—Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C23C14/352—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using more than one target
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
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    • H01J37/3405—Magnetron sputtering
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J2237/334—Etching

Definitions

  • the present invention relates to a coating apparatus having a vacuum chamber, a plurality of cathodes disposed therein, and a HIPIMS power source.
  • a device of this type is disclosed in International Patent Application Publication No. WO
  • WO 2007/1 15819 is primarily concerned with the design of the voltage source for the substrate bias
  • the present application is concerned with the design of the HIPIMS power source, which is used to introduce the electrical power to the coating cathode or to the coating cathodes becomes.
  • HIPIMS means high power impulse magnetron sputtering
  • Etching is understood as meaning the cleaning of the surface of the substrates or of the workpieces by means of high-energy ions which impinge on the surface in the plasma of a vacuum chamber in order to remove impurities or surface material, but partly to partially dissolve the etching-processing ions in the surface treatment. surface of the substrates or workpieces.
  • a transition layer from the substrate to the coating is provided, for example with an increasing concentration of the elements used for the coating or for the adhesion of the coating Elements, and this leads to an improved adhesion of the actual coating on the substrates or on the workpieces.
  • cathodes are used from the coating material, which have a relatively large surface area, at least in large plants.
  • the coating is made with a current density or power density determined by the size or capability of the HIPIMS power source and the area of the cathode.
  • the corresponding current density or power density is not optimal for the etching process.
  • the object of the present invention is to design a coating device of the type mentioned above so that it is better designed for the etching process and works more effectively.
  • a coating device of the type mentioned in the introduction in addition to at least one coating cathode which is operable with the HIPIMS power source, a plurality of etching cathodes smaller in area than the coating cathode are provided, which in a predetermined or specified sequence can be connected to the HIPIMS power source.
  • the arrangement according to the invention makes it possible to use the same HIPIMS power source for the etching cathodes, which is also used for the coating cathode, without making the HIPIMS power source larger, which can save considerable costs and expense.
  • the individual substrates or workpieces are arranged on a rotatable table, wherein the individual workpieces are often themselves rotated about their own axis during the coating. Due to the fact that the workpiece table or the holder for the workpieces rotates about the longitudinal axis of the vacuum treatment chamber and the individual workpieces are possibly rotated about their own axes parallel to the longitudinal axis of the vacuum chamber, any irregularities in the coating flow from the coating cathodes or in the flow the ⁇ t condominiumn compensated in the etching process, so that the substrates are uniformly treated or coated on its surface.
  • the etching cathodes can also be used as coating cathodes. For this purpose they can be combined and fed together with the power pulses of the HIPIMS power source. However, they could still be fed sequentially from the HIPIMS power source, usually with reduced power matched to the coating process. As a result, the etching cathodes need not be used exclusively for the etching treatment, but they can also be used for coating, and again has the advantage that the spatially separated arrangement of the etching cathodes due to the movement of the substrates or workpieces in the treatment chamber not to a leads to uneven coating.
  • the coating device is characterized in that the HIPIMS power source consists of a DC part and a switching part, which generates power pulses of a predetermined frequency for the coating cathode, and that in operating the coating device in the etching mode, the power pulses with the given frequency to the individual etching cathodes are applied in a predetermined or predeterminable order, whereby the etching cathodes are successively fed with the individual power pulses of the HIPIMS power source.
  • This embodiment is particularly easy to implement, since no technical changes to the HIPIMS power source are necessary, but it must only be provided an additional switching device to the individual power pulses of the HIPIMS power source to the etching cathodes in the predetermined manner or in the predetermined Create order.
  • This switching device can be implemented separately from the HIPIMS power source or as part of the HIPIMS power source.
  • An alternative coating device is characterized in that the HIPIMS power source consists of a DC part and a switching part which generates power pulses of a predetermined frequency for the coating cathode, and that in the etching mode, the HIPIMS power source is operable to be between the Power pulses with the predetermined frequency provides at least further pulses and that the pulses delivered in total can be applied one after the other to the etching cathodes, whereby the etching cathodes can be successively fed with the individual pulses of the HIPIMS power source.
  • the switching part of the HIPIMS power source must be slightly modified in order to generate the further power pulses. Depending on the specific design of the HIPIMS power source, this can lead to additional complication in the switching part, and it may also be necessary to slightly increase the performance of the DC part of the HIPIMS power source (the DC part). Overall, however, a much more effective and faster-running etching process is possible with little effort. It should also be said that the DC part of the HIPIMS power source is the part that costs most.
  • the switching part is relatively inexpensive and can oh- ne further be designed so that it also works with a higher predetermined frequency or can be operated so that the other pulses are available, without resulting in significant costs.
  • a further coating device is characterized in that the HIPIMS power source consists of a DC part and a switching part which generates power pulses of a predetermined frequency for the coating cathode, and in the etching mode the HIPIMS power source is operable to interpose At least one further pulse provides the power pulses with the predetermined frequency, and that the pulses delivered in total can be applied in groups to the etching cathodes in sequence, whereby the etching cathodes can be successively fed with the individual groups of pulses.
  • This embodiment provides that instead of feeding the etching cathode with a power pulse and then switching directly to the next etching cathode, several pulses can be applied to a first etching cathode, ie groups of pulses, and only then switched to the next etching, the corresponding can be fed with groups of pulses.
  • FIG. 1 of WO 2007/1 15819 showing the basic embodiment of a magnetron sputtering system with HIPIMS power source, a representation of the power pulse train of a HIPIMS power source as it can be used in the device according to FIG. 1 and in the present invention
  • FIG. a representation similar to that of FIG. 1 but of a coating device according to the invention
  • FIG. a representation similar to FIG.
  • FIG. 5 shows a further illustration similar to that of FIG. 5 in order to show how the individual pulses of the HIPIMS power source in groups of individual etching cathodes can be applied.
  • a vacuum coating apparatus 10 for treating and coating a plurality of substrates 12.
  • the apparatus consists of a metal vacuum chamber 14, which in this example has two oppositely disposed cathodes 16, each equipped with its own HIPIMS power source 18 (only one of which is shown here) for the purpose of generating ions from a material that is in the gas phase in the
  • Chamber is present and / or ions of a material of which the respective cathode or cathodes is or are formed.
  • (Workpieces) 12 are mounted on a substrate support 20 in the form of a table which can be rotated in the direction of arrow 22 by an electric motor 24 which drives a shaft 26 which is connected to the substrate support.
  • the shaft 26 passes through a passage 28 at the bottom of the chamber 14 in a sealed and isolated manner, which is well known in the art.
  • This substrate bias supply 32 is here identified by the letters BPS, which is an abbreviation for Bias Power Supply.
  • the substrates 12 mounted on the vertical columns 29 are thereby held at the voltage applied to the terminal 30 of the bias power supply 32 when the switch 34 is closed.
  • the metallic housing 14 of the device 10 is connected to ground 36, and this is also the positive terminal of the device.
  • the positive terminal of the HIPIMS power source 18 is also If connected to the housing 14 and therefore to ground 36, as well as the positive terminal 38 of the substrate bias supply 32nd
  • a spigot 40 which is connected via a valve 42 and another line 44 to a vacuum system for evacuation of the treatment chamber 14.
  • the vacuum system is not shown but is in this field well known.
  • Another line 50 which allows the supply of one or more suitable gases in the vacuum chamber 14, is also connected to the upper part of the vacuum chamber via a valve 48 and a connecting piece 46.
  • an inert gas such as argon may be introduced into the vacuum chamber or a gas such as nitrogen or acetylene for the deposition of nitrides or carbon coatings or carbenitrite coatings by reactive sputtering.
  • Vacuum coating devices of the type generally described are known in the art and often equipped with more than two cathodes 16.
  • Hauzer Techno Coating BV has available a vacuum coating apparatus in which the chamber 10 is generally octagonal in cross-section, with four doors opening outwardly, each carrying a magneton cathode 16.
  • These cathodes can be made of the same material, but often are made of different materials so that coatings of the different materials can be built up in layers on the substrates or articles such as 12.
  • a typical vacuum deposition apparatus also includes a variety of other features not shown in the schematic drawing of Figure 1, such as dark field shields, heaters for preheating the substrates 12, and sometimes electron beam sources or plasma sources of various shapes.
  • the initial air in the vacuum chamber 14 is evacuated by the vacuum pumping system via line 44, valve 42, and line 40, and an inert gas, such as argon and / or active gases, flow into the chamber via line 50, Valve 48 and the connecting piece 46. Therefore, the air that is initially present in the chamber, taken from this and the vacuum chamber 14 is purged with inert gas or with reactive gases. Simultaneously or subsequently, the heaters (not shown) may be operated to preheat the substrates and expel any volatile gases or compounds present on the articles 12.
  • an inert gas such as argon and / or active gases
  • the inert gas introduced into the chamber is inevitably ionized to some degree, for example due to cosmic radiation, and is divided into electrons and inert gas ions, for example argon ions.
  • the argon ions are attracted to the cathodes and collide there with the material of the target, ie the cathodes, whereby ions of the cathode material are knocked out and secondary electrons are generated.
  • Each of the cathodes is associated with a magnet system (not shown but well known in itself) which typically generates a closed loop magnetic tunnel extending over the surface of the cathode. This closed-loop magnetic tunnel forces the electrons to travel in orbits around the closed loop to move and to generate further ionizations by collisions.
  • the coating mode which, with a suitable power supply for the cathodes, causes a flow of atoms and ions of the cathode material to move into the space occupied by the workpieces 12, which rotate on the substrate carrier.
  • the substrates are then coated with the material of the cathode.
  • a reactive gas such as acetylene is in the vacuum chamber, a corresponding coating forms on the substrates.
  • the cathode consists of Ti
  • the acetylene (C2H2) is split into C and H atoms and a coating of TiC is formed on the workpieces, the hydrogen is partially deposited in the coating and partially by the vacuum system from the vacuum chamber away.
  • the movement of the ions towards the substrates 12 on the substrate carrier 20 is effected by the negative bias applied to the substrate holder (s).
  • Other non-ionized material atoms of the cathodes 16 receive sufficient kinetic energy, so that they also push into the space in front of the cathodes 16 and form a coating on the objects 12 there.
  • the inert gas ions are also attracted to the substrates, ie the workpieces, and serve to to increase the density of the coating. It is understood that the bias applied to the substrates acts to attract the ions of the cathode material that are knocked out of the surface of the cathode and that form in the plasma in front of the cathode 16.
  • Sputtering processes are known in various designs. There are those that are performed with a constant negative voltage on the cathodes 16 and a constant negative bias on the substrate holder. This is described as DC magnetron sputtering. Pulsed DC sputtering is also known in which at least one of the cathode supplies is operated in a pulsed mode. In addition, the bias supply for the substrate carrier may also be operated in pulsed mode. This may be particularly advantageous with cathodes made of a semi-insulating material.
  • the power consumed by each cathode 16 may be between 16 and 20 kW.
  • the cathodes are no longer supplied with a constant direct current, but a much higher power is used, which is attached only in relatively short pulses.
  • the power pulses may be generated by the HIPIMS power source 18 having a duration of 10 and a pulse repetition time of 200 ⁇ corresponding to a pulse repetition frequency of 5000 Hz, ie, a spacing between successive pulses of 190 ⁇ .
  • the specified values are to be understood as purely exemplary and can be varied within wide limits. For example, can readily with a pulse duration in the range between 10 and 30 ms and with a pulse repetition time between 200 ⁇ and 100 ms are worked.
  • the average power can be maintained at a moderate level corresponding to the power level during normal magnetron sputtering in the DC mode.
  • high power pulses to the cathode or cathodes, they operate in a different mode of operation in which a very high degree of ionization of the metal vapor emanating from the cathode or cathodes occurs
  • the ionization can easily be in the range between 40% and even up to 100%. Due to this high degree of ionization, many more ions are attracted to the substrates and arrive there at higher speeds, resulting in denser coatings and a faster coating process.
  • an additional voltage source 60 is provided.
  • This voltage source 60 is most easily realized by a capacitor which is charged by a common bias supply, to a voltage which corresponds to the desired output voltage. If a power pulse from the HIPIMS power source 18 is applied to the cathode 16, then, as mentioned above, this results in a material Alpound, which consists essentially of ions from the cathode 16 and is executed to the substrates 12.
  • This increase in the ion flux means an increase in the current at the substrate holder 20 and through the line 27 of, for example, about 40 amperes.
  • a normal bias supply 32 could not provide such a high peak current if it were designed for DC operation rather than a HIPIMS operation.
  • the capacitor 62 which is charged by the bias supply during the pauses between each of the high power pulses of the cathode supply 18, is able to maintain the desired bias on the substrate holder 20 within narrow limits and provide the required current, which requires only a slight discharge of the capacitor caused.
  • the substrate bias remains at least substantially constant.
  • the discharge can proceed in such a way that an intended bias of, for example, -50 V drops to, for example, -40 V during the coating process.
  • the bias power supply 32 in the form shown in Fig. 1 is therefore basically capable of enabling a HIPIMS magnetron sputtering process.
  • the bias voltage supply 32 can also be equipped with an arc protection function.
  • detectors such as 64 can be seen, which determine the current flowing in the line 32 current and can be used to actuate a semiconductor switch 34 to open in the event of an arc, the switch 34 and therefore to interrupt the bias on the substrate holder 20 and -environ and thereby the Extinguish the arc.
  • the dashed line in the detector 66 ' shows an alternative position for the detector 66, which is realized here as a voltage detector. Further modifications and embodiments are described in the aforementioned WO 2007/1 15819.
  • the object of the present invention is to improve the etching process.
  • FIG. 3 shows a modification of the embodiment according to FIG. 1 modified according to the invention.
  • the same reference numerals are used in FIG. 3 as in FIG. 1 and these reference symbols indicate the same components of the device or the system.
  • the description of Fig. 1 with respect to these reference numerals applies equally to Fig. 3, unless otherwise stated herein. For the sake of simplicity, only the differing interpretations will now be discussed in more detail.
  • the cathode has been used for example 16 on the right side of the divided device for the etching process and is operated with the same pulse sequence as shown in Fig. 2, but with a bias voltage (bias voltage)
  • bias voltage bias voltage
  • four single cathodes 16A, 16B, 16C, 16D may be used instead of the cathode 16 in the embodiment of Fig. 3, for example, of circular shape and which respectively have a significantly smaller area than the cathode 16, which replace them.
  • cathode or cathodes 16 have a rectangular shape in a top view (which does not necessarily have to be the case), a circular shape is selected for the etching cathodes 16A, 16B, 16C, 16D for the sake of simplicity, although this is not mandatory is required, but the etching cathodes 16A, 16B, 16C, 16D could also have a square or rectangular or other shape.
  • Circular magnetron cathodes are known per se, as are the magnetic systems to be used for this, which lead to the desired magnetic tunnel in front of the respective cathode, which again has the shape of a closed loop.
  • the Be laminating device 10 is provided with a vacuum chamber 14, a plurality of etching cathodes 16 or 16A, 16B, 16C, 16D and a HIPIMS power source 18 arranged therein, wherein the HIPIMS power source 18 can be configured as in the prior art Technique known. Therefore, in addition to at least one coating cathode 16 (shown here on the left side of the device) operable with the HIPIMS power source, the Be laminating apparatus of FIG. 3 has the area of smaller etching cathodes 16A, 16B compared to the coating cathode 16 16C, 16D, which are connectable to the HIPIMS power source 18 in a predetermined or predetermined order by means of the electronic switch 80.
  • the reference numeral 82 indicates a further switch which, like the switch 80, may be designed as an electronic switch, but may also have another design, such as a mechanical one or electromagnetically actuated switch. This also applies in principle to the switch 80.
  • the switch 80 in this embodiment consists of four individual switches 80A, 80B, 80C, 80D, which are opened and closed synchronized in the clock frequency of the pulse train of the HIPIMS power source 18 of FIG. 2, so that, as shown in For example, FIG. 4 shows the first pulse of the order to the cathode 16A, the second pulse of the order to the cathode 16B, the third pulse of the order to the etching cathode 16C, the fourth pulse of the pulse order to the etching cathode 16C and the fifth pulse of FIG Pulse sequence be applied to the etching cathode 16A, etc. again.
  • the individual etching cathodes 16A to 16D each have a substantially smaller area than the coating cathode 16, a substantially higher peak current density can be achieved in the etching cathodes 16A to 16D.
  • the cathodes are preferably switched on one after the other via the electronic switch 80 or 80A to 80D, so that only one cathode is in operation at a certain time. Even if the individual etching cathodes 16A to 16D are clocked at the frequency of the pulse sequence of the HIPIMS power source 18, they can each remain switched on for a much longer switching period so that the power pulses can build up and dissipate.
  • a coating cathode 16 provided, as shown on the left side of FIG. 3, but further coating cathodes 16 may also be provided in the vacuum chamber, successively or simultaneously or in any desired combinations via switches like 82 to the
  • HIPIMS power source 18 can be connected. It can Further HIPIMS power sources for the individual coating methods or groups thereof may be provided.
  • a plurality of etching cathodes smaller in area compared to the coating cathode 16 are provided, this means that the etching cathodes are smaller in area than the individual coating cathodes and at least smaller than the largest of the individual coating cathodes, if for some reason a smaller coating cathode should also be provided, for example because only a smaller percentage of a particular element is to be incorporated into the coating.
  • Coating cathodes are often always provided in the same size, even if only a small percentage of an element is to be delivered from the one coating cathode, as this cathode will then last longer than the other coating cathodes, i. it does not have to be changed so often. In the case of a smaller coating cathode, it is then also frequently operated at reduced power so that the maximum current density in the coating process is at an optimum value for the coating process.
  • the coating cathodes and the etching cathodes can be made of any materials.
  • the coating cathodes could be titanium, zirconium, aluminum, tungsten, chromium, tantalum, or their supports, optionally with minor additions of other elements such as niobium or boron, as well as small additions of rare earths such as Sc, Y, La, or Ce.
  • carbon cathodes for example of graphite.
  • gases such as, inter alia, nitrogen or acetylene can be used here as reactive gases.
  • etching cathodes 16A to 16D may consist of these elements (ie, Cr, V, Ti, Zr, Mo, W, Nb, Ta) or other elements or alloys, if desired.
  • the etching process is usually carried out with an argon pressure ranging from 10 "5 to ICH mbar, preferably at lO 2 mbar.
  • the etching cathodes 16A to 16D can also be used as coating cathodes.
  • all the switches 80A to 80D are simultaneously closed, whereby the etching cathodes 16A to 16D are connected in parallel to the HIPIMS power source 18.
  • the switch 82 may be closed or opened.
  • the HIPIMS power source usually consists of a DC part 84 and a switching part 86, which for the coating cathode from the output power of the DC part 84 cupboardimpul- . as shown in Fig. 2 at the desired or predetermined frequency.
  • the power pulses of the predetermined frequency are applied to the individual etching cathodes 16A, 16B, 16C, 16D in a predetermined order, here the order 16A, 16B, 16C, 16D, whereby the etching cathodes are successively fed with the individual power pulses of the HIPIMS power source.
  • the present teaching is set forth numerically here on the basis of an embodiment with four etching cathodes of the same size and a coating cathode.
  • the coating cathode 16 may be rectangular with a length and width of 100 cm x 17 cm, ie an area of 1700 cm 2 .
  • Such a coating cathode is usually operated in HIPIMS mode with 360 kW and a peak current of 600 A. This results in a power density of about 212 watts per cm 2 and a current density of about 0.35 A / cm 2 at a surface area of about 1700 cm 2.
  • the result for each etching cathode is an area of about 345 cm 2 and this means at the same power supply a surface power or power density of about five times, ie 1, 04 kW / cm 2 and a current density of 1.7 A / cm 2 .
  • the coating device or the HIPIMS power source can also be designed differently.
  • the switching portion 84 may be designed such that the HIPIMS power source 18 is operable in the etching mode to provide at least further pulses in addition to the power pulses having the predetermined frequency, ie, higher frequency power pulses.
  • These power pulses are then supplied to the etching cathodes in sequence, for example, as shown in FIG. FIG. 6 shows this only for the first five pulses which are applied here in the order 16A, 16B, 16C, 16D, 16A to the etching cathodes 10A, 16B, 16C, 16D. Otherwise, for the sake of illustration, the pulse train of FIG.
  • FIG. 3 is shown, but in reality between the two consecutive power pulses of the greater distance three additional power pulses are supplied by the switching part 86 as actually shown in Fig. 7. Also in the example of Fig. 6, therefore, the etching cathodes 16A, 16B, 16C and 16D are successively fed with the individual pulses of the HIPIMS power source. However, this is not mandatory.
  • FIG. 6 is shown, but in reality between the two consecutive power pulses of the greater distance three additional power pulses are supplied by the switching part 86 as actually shown in Fig. 7. Also in the example of Fig. 6, therefore, the etching cathodes 16A, 16B, 16C and 16D are successively fed with the individual pulses of the HIPIMS power source. However, this is not mandatory. FIG.
  • FIG. 7 shows, in another example, how the allocation of the power pulses to the etching cathodes can be made such that here the first four pulses to the etching cathode 16A, the next four power pulses to the etching cathode 16B, the next four power pulses to the etch cathode 16C, the next four power pulses to the etch cathode 16D, etc.
  • the HIPIMS power source is operable to provide at least further pulses between the power pulses having the predetermined frequency, and that the total delivered pulses can be applied in groups to the etching cathodes in turn, whereby the etching cathodes with successively the single
  • Groups of pulses are fed.
  • the number of power pulses in the individual groups is not limited to four, and arbitrary groups and orders of the applied etching cathodes can be selected.
  • Operating the switching part at a higher frequency can increase the power of the DC part 84, but this is limited. It is advantageous that the etching process is shortened due to the higher pulse frequency.

Abstract

Eine Beschichtungsvorrichtung mit einer Vakuumkammer, mehreren darin angeordneten Kathoden sowie eine HIPIMS-Leistungsquelle, zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzlich zu mindestens einer Beschichtungskathode, die mit der HIPIMS-Leistungsquelle betreibbar ist, mehrere flächenmäßig im Vergleich zu der Beschichtungskathode kleinere Ätzkathoden vorgesehen sind, die in einer vorgegebenen oder vorgebbaren Reihenfolge an der HIPIMS-Leistungsquelle anschließbar sind.

Description

Beschichtungsvorrichtung mit einer HIPIMS-Leistungsquelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtungsvorrichtung mit einer Vakuumkammer, mehreren darin angeordneten Kathoden sowie einer HIPIMS-Leistungsquelle. Eine Vorrichtung dieser Art ist in der internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO
2007/ 1 15819 beschrieben und im Übrigen auch aus der europäischen Patentschrift 1 260 603 bekannt.
Während die WO 2007/ 1 15819 sich vorwiegend mit der Auslegung der Spannungsquelle für die Substratvorspannung befasst, geht es in der vor- liegenden Anmeldung um die Auslegung der HIPIMS-Leistungsquelle, die zur Einbringung der elektrischen Leistung an die Beschichtungskathode bzw. an die Beschichtungskathoden verwendet wird.
Ursprünglich hat man sich mit dem so genannten HIPIMS-Sputterver- fahren (HIPIMS bedeutet High Power Impulse Magnetron Sputtering) für die Beschichtung von Werkstücken befasst, in der genannten EP- Patentschrift 1 260 603 wird jedoch die Anwendung von HIPIMS im Rahmen einer Vorbehandlung der Substrate bzw. der Werkstücke in Form einer Ätzbehandlung beschrieben.
Unter Ätzen versteht man die Reinigung der Oberfläche der Substrate bzw. der Werkstücke mittels hochenergetischer Ionen, die im Plasma einer Vakuumkammer auf die Oberfläche auftreffen, um einerseits Verunreinigungen oder Oberflächenmaterial zu entfernen, andererseits aber dazu, die die Ätzbehandlung durchführenden Ionen teilweise in Oberfiächenberei- che der Substrate bzw. der Werkstücke zu implantieren. Wenn das Ätzverfahren mit den gleichen Ionen durchgeführt wird, die für die Beschichtung des Werkstücks gedacht sind oder mit anderen kompatiblen Elementen, entsteht eine Übergangsschicht vom Substrat zu der Beschichtung mit beispielsweise einer zunehmenden Konzentration der für die Beschichtung verwendeten Elemente oder für die Haftung der Beschichtung vorgesehenen Elemente, und dies führt zu einer verbesserten Haftung der eigentlichen Beschichtung an den Substraten bzw. an den Werkstücken. Im Beschichtungsmodus werden wenigstens in großen Anlagen Kathoden aus dem Beschichtungsmaterial verwendet, die eine verhältnismäßig große Oberfläche aufweisen.
Für eine vorgegebene HIPIMS-Leistungsquelle erfolgt die Beschichtung mit einer Stromdichte bzw. Leistungsdichte, die durch die Größe bzw. Leistungsfähigkeit der HIPIMS-Leistungsquelle und die Fläche der Kathode bestimmt ist. Die entsprechende Stromdichte bzw. Leistungsdichte ist aber für das Ätzverfahren nicht optimal. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beschichtungsvorrichtung der eingangs genannten Art so auszulegen, dass sie für das Ätzverfahren besser ausgelegt ist und wirksamer arbeitet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Beschich- tungsvorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, dass zusätzlich zu mindestens einer Beschichtungskathode, die mit der HIPIMS-Leistungsquelle betreibbar ist, mehrere flächenmäßig im Vergleich zu der Beschichtungskathode kleinere Ätzkathoden vorgesehen sind, die in einer vorgegebenen oder vorgebbaren Reihenfolge an der HIPIMS-Leistungs- quelle anschließbar sind. Hierdurch gelingt es erfindungsgemäß an den einzelnen flächenmäßig kleineren Ätzkathoden eine wesentlich höhere Spitzenstromdichte bzw. Leistungsdichte zu erreichen, wodurch das Ätzverfahren besser und wirk- samer abläuft. Um dies zu erreichen, ist es lediglich notwendig, eine Schalteinrichtung vorzusehen, die die Impulse der HIPIMS- Leistungsquelle einen nach dem anderen an die jeweiligen Ätzkathoden anlegt, so dass vorzugsweise maximal eine Ätzkathode zu einem bestimmten Zeitpunkt mit Leistung gespeist wird. Dabei kann beispielsweise eine elektronische Schalteinrichtung für die Zuteilung der einzelnen HIPIMS- Impulse an die einzelnen Kathoden sorgen.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann die gleiche HIPIMS-Leis- tungsquelle für die Ätzkathoden verwendet werden, die auch für die Be- schichtungskathode verwendet wird, ohne die HIPIMS-Leistungsquelle größer auszulegen, wodurch erhebliche Kosten und Aufwand gespart werden kann.
Im Regelfall werden bei PVD-Anlagen im Allgemeinen und insbesondere bei Sputteranlagen oder Lichtbogenbeschichtungsanlagen die einzelnen Substrate bzw. Werkstücke an einem drehbaren Tisch angeordnet, wobei die einzelnen Werkstücke häufig auch selbst um eine eigene Achse während der Beschichtung gedreht werden. Dadurch, dass der Werkstücktisch oder die Halterung für die Werkstücke sich um die Längsachse der Vakuumbehandlungskammer dreht und die einzelnen Werkstücke auch eventuell um eigene Achsen parallel zu der Längsachse der Vakuumkammer gedreht werden, werden etwaige Ungleichmäßigkeiten im Beschich- tungsfluss von den Beschichtungskathoden bzw. im Fluss der Ätzionen im Ätzvorgang ausgeglichen, so dass die Substrate auf ihrer Oberfläche gleichmäßig behandelt bzw. beschichtet werden. Folglich ist es nicht stö- rend, wenn die einzelnen Ätzkathoden, die zwangsweise räumlich etwas voneinander getrennt angeordnet werden müssen, jeweils nur einige der Werkstücke, nicht jedoch alle behandeln, da man durch den sequentiellen Anschluss der HIPIMS-Leistungsquelle an die einzelnen Ätzkathoden ins- gesamt, d.h. im zeitlichen Mittel gesehen, eine gleichmäßige Ätzbehandlung der Substrate bzw. Werkstücke erreichen kann.
Die Ätzkathoden können auch als Beschichtungskathoden angewendet werden. Zu diesem Zweck können sie zusammengeschlossen werden und gemeinsam mit den Leistungsimpulsen der HIPIMS-Leistungsquelle gespeist werden. Sie könnten allerdings auch nach wie vor sequentiell von der HIPIMS-Leistungsquelle gespeist werden, dann üblicherweise mit reduzierter an den Beschichtungsvorgang angepasster Leistung. Infolgedessen müssen die Ätzkathoden nicht ausschließlich für die Ätzbehandlung verwendet werden, sondern sie können auch zur Beschichtung verwendet werden, und auch hier trifft der Vorteil zu, dass die räumlich getrennte Anordnung der Ätzkathoden aufgrund der Bewegung der Substrate bzw. Werkstücke in der Behandlungskammer nicht zu einer ungleichmäßigen Beschichtung führt.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Beschichtungsvorrichtung sich dadurch auszeichnet, dass die HIPIMS-Leistungsquelle aus einem DC-Teil und einem Schaltteil besteht, das für die Beschichtungskathode Leistungsimpulse mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, und dass beim Betreiben der Beschichtungsvorrichtung im Ätzmodus die Leistungsimpulse mit der vorgegebenen Frequenz an die einzelnen Ätzkathoden in einer vorgegebenen bzw. vorgebbaren Reihenfolge angelegt werden, wodurch die Ätzkathoden sukzessiv mit den einzelnen Leistungsimpulsen der HIPIMS-Leistungsquelle speisbar sind. Diese Ausführung ist besonders einfach zu realisieren, da keinerlei technische Änderungen an der HIPIMS-Leistungsquelle notwendig sind, sondern es muss nur eine zusätzliche Schalteinrichtung vorgesehen werden, um die einzelnen Leistungsimpulse der HIPIMS-Leistungsquelle an die Ätzkathoden in der vorgegebenen Weise bzw. in der vorgebbaren Reihenfolge anzulegen. Diese Schalteinrichtung kann getrennt von der HIPIMS- Leistungsquelle oder als Bestandteil der HIPIMS-Leistungsquelle realisiert werden. Eine alternative Beschichtungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die HIPIMS-Leistungsquelle aus einem DC-Teil und einem Schaltteil besteht, das für die Beschichtungskathode Leistungsimpulse mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, und dass im Ätzmodus die HIPIMS- Leistungsquelle so betreibbar ist, dass sie zwischen den Leistungsimpul- sen mit der vorgegebenen Frequenz mindestens weitere Impulse liefert und dass die insgesamt gelieferten Impulse der Reihe nach an die Ätzkathoden einer nach dem anderen anlegbar sind, wodurch die Ätzkathoden sukzessiv mit den einzelnen Impulsen der HIPIMS-Leistungsquelle speisbar sind.
Hier muss zwar das Schaltteil der HIPIMS-Leistungsquelle leicht abgeändert werden, um die weiteren Leistungsimpulse zu erzeugen. Je nach konkreter Auslegung der HIPIMS-Leistungsquelle kann dies zu einer zusätzlichen Komplikation bei dem Schaltteil führen, und es kann eventuell notwendig sein, die Leistungsfähigkeit des Gleichstromteils der HIPIMS- Leistungsquelle (des DC-Teils) auch etwas anzuheben. Insgesamt wird aber mit wenig Aufwand ein wesentlich wirksameres und schneller ablaufendes Ätzverfahren ermöglicht. Es soll auch gesagt werden, dass das DC- Teil der HIPIMS-Leistungsquelle das Teil ist, bei dem die meisten Kosten entstehen. Das Schaltteil ist verhältnismäßig kostengünstig und kann oh- ne weiteres so ausgelegt werden, dass es auch mit einer höheren vorgegebenen Frequenz arbeitet bzw. betrieben werden kann, damit die weiteren Impulse verfügbar sind, ohne dass dies zu erheblichen Kosten führt. Eine weitere erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die HIPIMS-Leistungsquelle aus einem DC-Teil und einem Schaltteil besteht, das für die Beschichtungskathode Leistungsimpulse mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, und dass im Ätzmodus die HIPIMS-Leistungsquelle so betreibbar ist, dass sie zwischen den Leis- tungsimpulsen mit der vorgegebenen Frequenz mindestens weitere Impulse liefert, und dass die insgesamt gelieferten Impulse in Gruppen an die Ätzkathoden der Reihe nach anlegbar sind, wodurch die Ätzkathoden sukzessiv mit den einzelnen Gruppen von Impulsen speisbar sind. Diese Ausführungsvariante sieht vor, dass anstatt die Ätzkathode mit einem Leistungsimpuls zu speisen und dann gleich auf die nächste Ätzkathode zu schalten, mehrere Impulse an einer ersten Ätzkathode anlegbar sind, d.h. Gruppen von Impulsen, und erst dann zu der nächsten Ätzkathode geschaltet wird, die entsprechend mit Gruppen von Impulsen speis- bar ist.
Wenn diese Vorgehensweise zusammen mit der Drehung der Substrate auf dem Werkstücktisch bzw. auf der Werkstückhalterung und der Bewegung des Werkstücktischs bzw. der Werkstückhalterung um die Längs- achse der Kammer angewendet wird, so kann eine gleichmäßige Ätzbehandlung auch mit dieser Variante erreicht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen: die Fig. 1 aus der WO 2007/ 1 15819, die die grundlegende Ausführung einer Magnetronsputteranlage mit HIPIMS-Leistungsquelle zeigt, eine Darstellung der Leistungsimpulsfolge einer HIPIMS-Leistungsquelle so wie sie in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und in der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist, eine Darstellung ähnlich der der Fig. 1 jedoch von einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung, eine Darstellung ähnlich der Fig. 2, jedoch hier um zu zeigen, wie die Impulsfolge der HIPIMS-Leistungsim- pulse an die einzelnen Ätzkathoden anlegbar ist, ein Blockschaltbild zur Darlegung der Ausbildung der HIPIMS-Leistungsquelle, die bei der erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung eingesetzt werden kann und eine Darstellung ähnlich der Fig. 4, jedoch um zu zeigen, wie zusätzliche Impulse durch die HIPIMS-Leistungsquelle erzeugt werden können und um zu zeigen, wie solche weitere Impulse an die einzelnen Ätzkathoden angelegt werden können,
Fig. eine weitere Darstellung ähnlich der Fig. 5, um zu zeigen, wie die einzelnen Impulse der HIPIMS-Leistungs- quelle gruppenweise an einzelne Ätzkathoden anlegbar sind.
Bezug nehmend auf die Fig. 1 ist dort eine Vakuumbeschichtungsvorrich- tung 10 für die Behandlung und Beschichtung einer Vielzahl von Substraten 12 gezeigt. Die Vorrichtung besteht aus einer Vakuumkammer 14 aus Metall, welche in diesem Beispiel zwei entgegengesetzt angeordnete Kathoden 16 aufweist, die jeweils mit einer eigenen HIPIMS-Leistungsquelle 18 (von denen nur eine hier gezeigt ist) ausgestattet sind zum Zwecke der Erzeugung von Ionen aus einem Material, das in der Gasphase in der
Kammer vorhanden ist und/ oder Ionen eines Materials, aus denen die jeweilige Kathode oder Kathoden gebildet ist bzw. sind. Die Substrate
(Werkstücke) 12 sind auf einem Substratträger 20 in Form eines Tisches montiert, welcher in Richtung des Pfeils 22 durch einen Elektromotor 24 gedreht werden kann, der eine Welle 26 antreibt, die mit dem Substratträger verbunden ist. Die Welle 26 geht durch eine Durchführung 28 am Boden der Kammer 14 hindurch in einer abgedichteten und isolierten Art und Weise, die für sich bestens bekannt ist. Dies gestattet, eine Klemme 30 der Substratvorspannungsversorgung 32 über eine Leitung 27 an dem Substratträger 20 einzuschließen. Diese Substratvorspannungsversorgung 32 ist hier mit den Buchstaben BPS gekennzeichnet, die eine Abkürzung für Bias Power Supply darstellen. Die Substrate 12, die auf die vertikalen Säulen 29 montiert sind, werden hierdurch an der Spannung gehalten, die an der Klemme 30 der Vorspannungsversorgung 32 anliegt, wenn der Schalter 34 geschlossen ist.
In diesem Beispiel ist das metallische Gehäuse 14 der Vorrichtung 10 an Masse 36 angeschlossen, und dies ist zugleich die positive Klemme der Vorrichtung. Die positive Klemme der HIPIMS-Leistungsquelle 18 ist eben- falls an das Gehäuse 14 und daher an Masse 36 angeschlossen, wie auch die positive Klemme 38 der Substratvorspannungsversorgung 32.
Am Oberteil der Vakuumkammer (obwohl diese Position nicht kritisch ist) befindet sich ein Anschlussstutzen 40, der über ein Ventil 42 und eine weitere Leitung 44 an einem Vakuumsystem angeschlossen ist zwecks Evakuierung der Behandlungskammer 14. Das Vakuumsystem ist nicht gezeigt, ist jedoch auf diesem Gebiet bestens bekannt. Eine weitere Leitung 50, welche die Zufuhr von einer oder mehreren geeigneten Gasen in die Vakuumkammer 14 ermöglicht, ist ebenfalls an das Oberteil der Vakuumkammer über ein Ventil 48 und einen Anschlussstutzen 46 angeschlossen. Zum Beispiel kann ein Inertgas, wie Argon, in die Vakuumkammer eingeführt werden oder ein Gas, wie Stickstoff oder Acethylen für die Ablagerung von Nitriden oder Kohlenstoffbeschichtungen oder Car- bonnitridbeschichtungen durch reaktives Sputtern. Getrennte Verbindungen ähnlich den Anschlüssen 46, 48, 50 können für verschiedene Gase vorgesehen sein, falls erforderlich.
Vakuumbeschichtungsvorrichtungen der allgemein beschriebenen Art sind im Stand der Technik bekannt und häufig mit mehr als zwei Kathoden 16 ausgestattet. Beispielsweise ist von der Firma Hauzer Techno Coating BV eine Vakuumbeschichtungsvorrichtung verfügbar, in welcher die Kammer 10 eine im Allgemeinen achteckige Gestalt im Querschnitt aufweist, mit vier Türen, die nach außen öffnen, von denen jede eine Mag- netronkathode 16 trägt. Diese Kathoden können aus dem gleichen Material bestehen, bestehen aber häufig aus unterschiedlichen Materialien, damit Beschichtungen aus den unterschiedlichen Materialien in Schichten auf die Substrate oder Gegenstände wie 12 aufgebaut werden können. Eine typische Vakuumbeschichtungsvorrichtung umfasst auch eine Vielzahl von weiteren Einrichtungen, die in der schematischen Zeichnung der Fig. 1 nicht gezeigt sind, wie Dunkelfeldabschirmungen, Heizeinrichtungen für die Vorheizung der Substrate 12 und manchmal Elektronenstrahl- quellen oder Plasmaquellen in verschiedenen Formen. Zusätzlich ist es möglich, Lichtbogenkathoden zusätzlich zu Magnetronsputterkathoden in der Vakuumbeschichtungsvorrichtung vorzusehen. Bei Verwendung der Vorrichtung wird die zunächst vorhandene Luft in der Vakuumkammer 14 durch das Vakuumpumpsystem über die Leitung 44, das Ventil 42 und die Leitung 40 evakuiert und ein Inertgas, wie Argon und/oder aktive Gase strömen in die Kammer über die Leitung 50, das Ventil 48 und den Anschlussstutzen 46. Daher wird die Luft, die zunächst in der Kammer vorhanden ist, aus dieser entnommen und die Vakuumkammer 14 mit Inertgas bzw. mit reaktiven Gasen gespült. Gleichzeitig oder im Anschluss hie- ran können die Heizeinrichtungen (nicht gezeigt) betrieben werden, um die Substrate vorzuheizen und etwaige flüchtige Gase oder Verbindungen, die an den Gegenständen 12 vorhanden sind, auszutreiben.
Das Inertgas, das in die Kammer eingeführt wird, wird zwangsläufig zu einem gewissen Grad ionisiert, beispielsweise aufgrund von kosmischen Strahlungen, und teilt sich in Elektronen und Inertgasionen, beispielsweise Argonionen auf. Die Argonionen werden an die Kathoden angezogen und kollidieren dort mit dem Material des Targets, d.h. der Kathoden, wodurch Ionen des Kathodenmaterials herausgeschlagen werden und se- kundäre Elektronen erzeugt werden. Jeder der Kathoden ist einem Magnetsystem (nicht gezeigt, jedoch für sich bestens bekannt) zugeordnet, welches üblicherweise einen magnetischen Tunnel in Form einer geschlossenen Schleife erzeugt, die sich über die Oberfläche der Kathode erstreckt. Dieser als geschlossene Schleife vorliegende magnetische Tunnel zwingt die Elektronen, sich in Bahnen um die geschlossene Schleife herum zu bewegen und weitere Ionisationen durch Zusammenstöße zu erzeugen. Diese Sekundärelektronen führen daher zu einer weiteren Ionisation der Gasatmosphäre der Kammer, welche wiederum zu der Erzeugung von weiteren Inertgasionen und Ionen aus dem Material der Kathode 16 führt. Diese Ionen können an die Gegenstände 12 durch eine Substratvorspannung in geeigneter Höhe, beispielsweise in Höhe von -700 bis -1200 V angezogen werden und veranlasst werden, auf die Gegenstände mit einer ausreichenden Energie aufzutreffen und die Oberfläche der Gegenstände zu ätzen.
Sobald die Ätzbehandlung durchgeführt worden ist, kann auf den Be- schichtungsmodus geschaltet werden, der bei einer geeigneten Leistungsversorgung für die Kathoden dazu führt, dass ein Fluss aus Atomen und Ionen des Kathodenmaterials sich in den Raum hineinbewegt, der durch die Werkstücke 12 besetzt wird, die sich auf dem Substratträger drehen. Die Substrate werden dann mit dem Material der Kathode beschichtet. Befindet sich ein reaktives Gas wie Azetylen in der Vakuumkammer, so bildet sich eine entsprechende Beschichtung auf den Substraten. Wenn beispielsweise die Kathode aus Ti besteht, so wird das Azetylen (C2H2) in C- und H-Atome aufgesplittet und es entsteht auf den Werkstücken eine Beschichtung aus TiC, der Wasserstoff wird teilweise in der Beschichtung abgelagert und teilweise durch das Vakuumsystem aus der Vakuumkammer entfernt. Die Bewegung der Ionen in Richtung der Substrate 12 auf dem Substratträger 20 wird durch die negative Vorspannung bewirkt, die an den Substrathalter bzw. an die Substrate angelegt wird. Andere nicht ionisierte Materialatome der Kathoden 16 erhalten ausreichende kinetische Energie, so dass sie auch in den Raum vor den Kathoden 16 hineindrängen und dort eine Beschichtung auf den Gegenständen 12 bilden. Aufgrund der Substratvorspannung werden die Inertgasionen ebenfalls von den Substraten, d.h. den Werkstücken, angezogen und dienen dazu, die Dichte der Beschichtung zu erhöhen. Es versteht sich, dass die Vorspannung, die an die Substrate angebracht wird, derart wirkt, dass sie die Ionen des Kathodenmaterials, welche aus der Oberfläche der Kathode herausgeschlagen werden und die sich im Plasma vor der Kathode 16 ausbilden, anzieht.
Sputterverfahren sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Es gibt solche, die mit einer konstanten negativen Spannung an den Kathoden 16 und einer konstanten negativen Vorspannung an dem Substrathalter durchgeführt werden. Dies wird als DC-Magnetronsputtern beschrieben. Gepulstes DC-Sputtern ist ebenfalls bekannt, in dem mindestens eine der Kathodenversorgungen in einem gepulsten Modus betrieben wird. Zusätzlich kann die Vorspannungsversorgung für den Substratträger ebenfalls im gepulsten Modus betrieben werden. Dies kann insbesondere mit Ka- thoden aus einem halbisolierenden Material von Vorteil sein.
In einem solchen DC-Magnetronsputterverfahren kann die Leistung, die von jeder Kathode 16 gebraucht wird, beispielsweise zwischen 16 und 20 kW liegen.
In jüngster Zeit werden die Kathoden aber nicht mehr mit einer konstanten Gleichstrom versorgt, sondern es wird eine weit höhere Leistung verwendet, die aber nur in verhältnismäßig kurzen Impulsen angebracht wird. Zum Beispiel können die Leistungsimpulse wie in Fig. 2 gezeigt von der HIPIMS-Leistungsquelle 18 mit einer Zeitdauer von 10 und einer Impulswiederholungszeit von 200 με erzeugt werden entsprechend einer Impulswiederholungsfrequenz von 5000 Hz, d.h. ein Abstand zwischen aufeinander folgenden Impulsen von 190 μβ. Die angegebenen Werte sind rein beispielhaft zu verstehen und können in weiten Grenzen variiert wer- den. Beispielsweise kann ohne weiteres mit einer Impulsdauer im Bereich zwischen 10 und 30 ms und mit einer Impulswiederholungszeit zwischen 200 με und 100 ms gearbeitet werden. Da die Zeit, in der eine sehr hohe Leistung an die Kathoden angebracht wird, beschränkt ist, kann die mittlere Leistung auf einem moderaten Niveau entsprechend dem Leis- tungsniveau während des normalen Magnetronsputtern im DC-Modus gehalten werden. Es ist aber festgestellt worden, dass durch die Anbringung von hohen Leistungsimpulsen an die Kathode oder die Kathoden diese in einem anderen Betriebsmodus operieren, in welchem ein sehr hoher Grad der Ionisation des Metalldampfs entsteht, der von der Kathode oder den Kathoden ausgeht, wobei dieser Grad der Ionisation ohne weiteres im Bereich zwischen 40 % und sogar bis zu 100 % liegen kann. Aufgrund dieses hohen Grades der Ionisation werden viel mehr Ionen von den Substraten angezogen und kommen dort auch mit höherer Geschwindigkeit an, was zu dichteren Beschichtungen und einem schnelleren Beschichtungsver- fahren führt.
Die Tatsache, dass die Leistung in Leistungsspitzen konzentriert ist, führt allerdings auch dazu, dass relativ hohe Ströme in der Vorspannungsversorgung für die Substrate während dieser Leistungsspitzen strömen und die Stromaufnahme nicht ohne weiteres von einer normalen Vorspannungsversorgung geliefert werden kann.
Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wird gemäß der in der WO
2007/ 1 15819 gezeigten Lösung, die hier in Fig. 1 geschildert ist, eine zu- sätzliche Spannungsquelle 60 vorgesehen. Diese Spannungsquelle 60 wird am einfachsten durch einen Kondensator realisiert, welcher durch eine gewöhnliche Vorspannungsversorgung aufgeladen wird, und zwar auf eine Spannung, welche der erwünschten Ausgangsspannung entspricht. Wenn ein Leistungsimpuls von der HIPIMS-Leistungsquelle 18 an die Kathode 16 angebracht wird, dann führt dies, wie oben erwähnt, zu einem Materi- alfluss, der im Wesentlichen aus Ionen von der Kathode 16 besteht und zu den Substraten 12 hingerichtet ist. Diese Erhöhung des Ionenflusses bedeutet eine Erhöhung des Stroms am Substrathalter 20 und durch die Leitung 27 von beispielsweise etwa 40 Ampere. Eine normale Vorspan- nungsversorgung 32 könnte keinen solchen hohen Spitzenstrom liefern, wenn sie für die DC-Operation anstelle einer HIPIMS-Operation ausgelegt wäre. Jedoch ist der Kondensator 62, welcher durch die Vorspannungsversorgung in den Pausen zwischen den einzelnen Hochleistungsimpulsen der Kathodenversorgung 18 aufgeladen wird, imstande, die erwünschte Vorspannung am Substrathalter 20 innerhalb von engen Grenzen zu halten und den erforderlichen Strom liefern, welcher nur eine geringfügige Entladung des Kondensators verursacht. Hierdurch bleibt die Substratvorspannung zumindest im Wesentlichen konstant. Beispielsweise kann die Entladung so ablaufen, dass eine vorgesehene Vorspannung von beispielsweise -50 V während des Beschichtungsvor- gangs auf beispielsweise -40 V absinkt.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass weitere an sich unerwünschte Spannungsabfälle auch während des Ätzverfahrens auftreten, bei dem die Vorspannung des Substratträgers und der Substrate bei wesentlich höheren Werten liegt, beispielsweise von etwas unter -700 V bis - 1200 V.
Die Vorspannungsversorgung 32 in der in Fig. 1 dargestellten Form ist daher grundsätzlich im Stande, ein HIPIMS-Magnetronsputterverfahren zu ermöglichen.
Der Vollständigkeit halber soll darauf hingewiesen werden, dass auch die Vorspannungsversorgung 32 auch mit einer Lichtbogenschutzfunktion ausgestattet werden kann. Beispielsweise können Detektoren wie 64 vor- gesehen werden, welche den in der Leitung 32 fließenden Strom ermitteln und zur Betätigung eines Halbleiterschalters 34 herangezogen werden können, um im Falle des Entstehens eines Lichtbogens den Schalter 34 zu öffnen und daher die Vorspannung am Substrathalter 20 bzw. -träger zu unterbrechen und hierdurch das Löschen des Lichtbogens herbeizuführen. Die gestrichelte Linie bei dem Detektor 66' zeigt eine alternative Stellung für den Detektor 66, der hier als Spannungsdetektor realisiert ist. Weitere Modifikationen und Ausführungen sind in der genannten WO 2007/ 1 15819 beschrieben.
Bei der vorliegenden Erfindung geht es darum, das Ätzverfahren zu verbessern.
Die Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäß modifizierte Version der Ausführung gemäß Fig. 1. Dabei werden in Fig. 3 die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in der Fig. 1 und diese Bezugszeichen deuten auf die gleichen Bestandteile der Vorrichtung bzw. der Anlage hin. Ferner gilt die Beschreibung der Fig. 1 unter Bezugnahme auf diese Bezugszeichen genauso für die Fig. 3, es sei denn, dass hier etwas anderes zum Ausdruck gebracht wird. Der Einfachheit halber wird jetzt lediglich auf die abweichenden Auslegungen näher eingegangen.
Während in der Ausführung gemäß Fig. 1 die Kathode beispielsweise 16 auf der rechten Seite der geteilten Vorrichtung für das Ätzverfahren ver- wendet wurde und mit der gleichen Impulsfolge betrieben wird wie in Fig. 2 gezeigt, jedoch mit einer Vorspannung (Biasspannung), die für das Ätzverfahren bei höheren Werten gewählt wird, wie beispielsweise bei -700 bis -1200 V, werden in der Ausführungsform gemäß Fig. 3 anstelle der Kathode 16 vier einzelne Kathoden 16A, 16B, 16C, 16D verwendet, die beispielsweise von kreisförmiger Gestalt sein können und welche jeweils eine deutlich kleinere Fläche aufweisen als die Kathode 16, die sie ersetzen.
Während die Kathode bzw. Kathoden 16 eine rechteckige Gestalt in Drauf- sieht aufweisen (was aber nicht zwangsläufig der Fall sein muss), wird für die Ätzkathoden 16A, 16B, 16C, 16D der Einfachheit halber eine kreisrunde Gestalt gewählt, wobei auch dies nicht zwingend erforderlich ist, sondern die Ätzkathoden 16A, 16B, 16C, 16D könnten auch eine quadratische oder rechteckige oder andersartige Gestalt aufweisen. Kreisrunde Magnetronkathoden sind an sich bekannt, wie auch die dafür zu verwendenden Magnetsysteme, die zu dem erwünschten magnetischen Tunnel vor der jeweiligen Kathode führen, der auch hier die Form einer geschlossenen Schleife aufweist. Entsprechend der vorliegenden Lehre ist die Be Schichtungsvorrichtung 10 mit einer Vakuumkammer 14, mehreren darin angeordneten Ätzkathoden 16 bzw. 16A, 16B, 16C, 16D sowie einer HIPIMS-Leistungsquelle 18 vorgesehen, wobei die HIPIMS-Leistungsquelle 18 genauso ausgebildet sein kann wie im Stand der Technik bekannt. Die Be Schichtungsvorrichtung gemäß Fig. 3 weist daher zusätzlich zu mindestens einer Beschichtungs- kathode 16 (hier auf der linken Seite der Vorrichtung gezeigt), die mit der HIPIMS-Leistungsquelle betreibbar ist, die flächenmäßig im Vergleich zu der Beschichtungskathode 16 kleineren Ätzkathoden 16A, 16B, 16C, 16D auf, die mittels des elektronischen Schalters 80 in einer vorgegebenen o- der vorgebbaren Reihenfolge an der HIPIMS-Leistungsquelle 18 anschließbar sind.
Das Bezugszeichen 82 deutet auf einen weiteren Schalter hin, der wie der Schalter 80 als elektronischer Schalter ausgebildet sein kann, aber auch eine andere Ausbildung haben kann, wie beispielsweise ein mechanisch oder elektromagnetisch betätigter Schalter. Dies gilt im Prinzip auch für den Schalter 80.
Der Schalter 80 besteht in dieser Ausführung aus vier einzelnen Schaltern 80A, 80B, 80C, 80D, die in Taktfrequenz der Impulsfolge der HIPIMS-Leis- tungsquelle 18 gemäß Fig. 2 und mit dieser synchronisiert geöffnet und geschlossen werden, so dass, wie aus der Fig. 4 ersichtlich, beispielsweise der erste Impuls der Reihenfolge an die Kathode 16A, der zweite Impuls der Reihenfolge an die Kathode 16B, der dritte Impuls der Reihenfolge an die Ätzkathode 16C, der vierte Impuls der Impulsreihenfolge an die Ätzkathode 16C und der fünfte Impuls der Impulsreihenfolge wieder an die Ätzkathode 16A usw. angelegt werden.
Da die einzelnen Ätzkathoden 16A bis 16D jeweils eine wesentlich kleinere Fläche haben als die Beschichtungskathode 16, kann bei den Ätzkathoden 16A bis 16D eine wesentlich höhere Spitzenstromdichte erreicht werden. Die Kathoden sind vorzugsweise über den elektronischen Schalter 80 bzw. 80A bis 80D eine nach der anderen eingeschaltet, so dass zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eine Kathode im Betrieb ist. Auch wenn die ein- zelnen Ätzkathoden 16A bis 16D mit der Frequenz der Impulsfolge der HIPIMS-Leistungsquelle 18 getaktet werden, können sie jeweils für eine wesentlich längere Schaltdauer eingeschaltet bleiben, damit die Leistungsimpulse sich aufbauen und abbauen können. Wie oben zum Ausdruck gebracht, ist nicht zwangsläufig nur eine Beschichtungskathode 16 vorgesehen, wie er auf der linken Seite der Fig. 3 gezeigt, sondern es können auch in der Vakuumkammer weitere Be- schichtungskathoden 16 vorgesehen sein, die nacheinander oder gleichzeitig oder in beliebigen Kombinationen über Schalter wie 82 an die
HIPIMS-Leistungsquelle 18 angeschlossen werden können. Es können auch weitere HIPIMS-Leistungsquellen für die einzelnen Beschichtungska- thoden oder Gruppen davon vorgesehen werden.
Wenn hier gesagt wird, dass zusätzlich zu mindestens einer Beschich- tungskathode 16 mehrere flächenmäßig im Vergleich zu der Beschich- tungskathode 16 kleinere Ätzkathoden vorgesehen sind, so bedeutet dies, dass die Ätzkathoden flächenmäßig kleiner sind als die einzelnen Be- schichtungskathoden und wenigstens kleiner sind als die größte der einzelnen Beschichtungskathoden, wenn aus irgendwelchem Grund eine kleinere Beschichtungskathode auch vorgesehen sein sollte, beispielsweise deshalb, weil nur ein kleinerer Prozentsatz eines bestimmten Elements in die Beschichtung eingebaut werden soll. Beschichtungskathoden werden häufig stets in der gleichen Größe vorgesehen, selbst wenn nur ein kleiner Prozentsatz eines Elements von der einen Beschichtungskathode geliefert werden soll, da diese Kathode dann auch länger hält als die weiteren Beschichtungskathoden, d.h. sie muss nicht so häufig ausgewechselt werden. Bei einer kleineren Beschichtungskathode wird diese dann auch häufig mit reduzierter Leistung betrieben, damit die maximale Stromdichte im Beschichtungsvorgang auf einem optimalen Wert für den Beschichtungsvorgang liegt.
Die Beschichtungskathoden und die Ätzkathoden können aus beliebigen Materialien bestehen. Rein beispielhaft könnten die Beschichtungskathoden aus Titan, Zirkonium, Aluminium, Wolfram, Chrom, Tantal oder de- ren Liegerungen bestehen, gegebenenfalls mit kleineren Zusätzen aus anderen Elementen wie Niob oder Bor, wie auch kleine Zusätze von Seltenerden, wie Sc, Y, La oder Ce. Auch kommen Kohlenstoffkathoden infrage, beispielsweise aus Graphit. Als reaktive Gase können hier gegebenenfalls Gase wie unter anderem Stickstoff oder Azetylen zur Anwendung kom- men. Besonders günstig ist es, wenn für das Ätzverfahren ein Inertgas, wie Neon, Argon, Krypton oder Zenon verwendet wird und für das Ätzverfahren Kathoden aus Chrom, Vanadium, Titan, Zirkon, Molybdän, Wolfram, Niob oder Tantal vorgesehen sind, d.h. die Ätzkathoden 16A bis 16D können aus diesen Elementen (d.h. Cr, V, Ti, Zr, Mo, W, Nb, Ta) bestehen oder auch aus anderen Elementen oder Legierungen sofern dies erwünscht ist.
Das Ätzverfahren wird üblicherweise mit einem Argondruck im Bereich von 10"5 bis ICH mbar, vorzugsweise bei lO2 mbar durchgeführt.
Die Ätzkathoden 16A bis 16D können allerdings auch als Beschichtungs- kathoden verwendet werden. Zu diesem Zweck werden alle Schalter 80A bis 80D gleichzeitig geschlossen, wodurch die Ätzkathoden 16A bis 16D parallel an die HIPIMS-Leistungsquelle 18 angeschlossen sind. Dabei kann der Schalter 82 geschlossen oder geöffnet sein.
Wie aus der Fig. 5 ersichtlich besteht die HIPIMS-Leistungsquelle gewöhnlich aus einem DC-Teil 84 und einem Schaltteil 86, das für die Beschich- tungskathode aus der Ausgangsleistung des DC-Teils 84 Leistungsimpul- . se wie in der Fig. 2 gezeigt mit der erwünschten oder vorgegebenen Frequenz erzeugt. Wie oben zum Ausdruck gebracht werden beim Betreiben der Beschichtungsvorrichtung im Ätzmodus, wie in Fig. 3 gezeigt, die Leistungsimpulse mit der vorgegebenen Frequenz an die einzelnen Ätzkatho- den 16A, 16B, 16C, 16D in einer vorgegebenen bzw. vorgebbaren Reihenfolge angelegt, hier in der Reihenfolge 16A, 16B, 16C, 16D, wodurch die Ätzkathoden sukzessiv mit den einzelnen Leistungsimpulsen der HIPIMS- Leistungsquelle speisbar sind. Auch andere Reihenfolgen sind denkbar wie beispielsweise 16A, 16C, 16B, 16D, wobei es überhaupt nicht zwangs- läufig der Fall ist, dass nur vier Ätzkathoden zum Einsatz gelangen. Es kann im Prinzip eine beliebige Zahl von Ätzkathoden verwendet werden, die auch nicht alle die gleiche Größe aufweisen müssen.
Es wird hier anhand eines Ausführungsbeispiels mit vier gleich großen Ätzkathoden und einer Beschichtungskathode die vorliegende Lehre numerisch dargelegt. Gemäß einem Beispiel der Erfindung kann die Beschichtungskathode 16 rechteckig sein mit einer Länge und Breite von 100 cm x 17 cm, d.h. eine Fläche von 1700 cm2. Eine solche Beschichtungskathode wird üblicherweise im HIPIMS-Modus mit 360 kW und ei- nem Spitzenstrom von 600 A betrieben. Dies ergibt bei einer Fläche von etwa 1700 cm2 eine Leistungsdichte von etwa 212 W pro cm2 und eine Stromdichte von etwa 0,35 A/cm2. Wenn man Ätzkathoden mit einem Durchmesser von 17 cm in Erwägung zieht, so ergibt sich für jede Ätzkathode eine Fläche von etwa 345 cm2 und dies bedeutet bei der gleichen Leistungszufuhr eine Flächenleistung bzw. Leistungsdichte von etwa dem Fünffachen, d.h. 1 ,04 kW/cm2 und eine Stromdichte von 1,7 A/cm2.
Die Beschichtungsvorrichtung bzw. die HIPIMS-Leistungsquelle kann auch anders ausgelegt werden. Beispielsweise kann das Schaltteil 84 so ausgelegt bzw. angesteuert werden, dass die HIPIMS-Leistungsquelle 18 im Ätzmodus so betreibbar ist, dass sie zusätzlich zu den Leistungsimpulsen mit der vorgegebenen Frequenz mindestens weitere Impulse liefert, d.h. Leistungsimpulse mit einer höheren Frequenz. Diese Leistungsimpulse werden dann beispielsweise entsprechend der Fig. 6 der Reihe nach an die Ätzkathoden geliefert. Die Fig. 6 zeigt dies nur für die ersten fünf Impulse, die hier in der Reihenfolge 16A, 16B, 16C, 16D, 16A an die Ätzka- thodenlöA, 16B, 16C, 16D angelegt werden. Ansonsten wird der Darstellung halber die Impulsfolge der Fig. 3 gezeigt, wobei aber in der Realität zwischen je zwei der einander folgenden Leistungsimpulse mit dem größe- ren Abstand drei zusätzliche Leistungsimpulse vom Schaltteil 86 geliefert werden, wie eigentlich in der Fig. 7 gezeigt. Auch in dem Beispiel der Fig. 6 werden daher die Ätzkathoden 16A, 16B, 16C und 16D sukzessiv mit den einzelnen Impulsen der HIPIMS-Leistungsquelle gespeist. Dies ist allerdings nicht zwingend erforderlich. Die Fig. 7 zeigt in einem anderen Beispiel, wie die Zuordnung der Leistungsimpulsen zu den Ätzkathoden vorgenommen werden kann, und zwar so, dass hier die ersten vier Impulse an die Ätzkathode 16A, die nächsten vier Leistungsimpulse an die Ätzkathode 16B, die nächsten vier Leistungsimpulse an die Ätzkathode 16C , die nächsten vier Leistungsimpulse an die Ätzkathode 16D usw.
D.h. mit anderen Worten ist im Ätzmodus ist die HIPIMS-Leistungsquelle so betreibbar, dass sie zwischen den Leistungsimpulsen mit der vorgegebenen Frequenz mindestens weitere Impulse liefert, und dass die insgesamt gelieferten Impulse in Gruppen an die Ätzkathoden der Reihe nach anlegbar sind, wodurch die Ätzkathoden sukzessiv mit den einzelnen
Gruppen von Impulsen speisbar sind. Die Anzahl der Leistungsimpulse in den einzelnen Gruppen ist nicht auf vier beschränkt und es können beliebige Gruppen und Reihenfolgen der beaufschlagten Ätzkathoden gewählt werden. Das Betreiben des Schaltteils bei einer höheren Frequenz kann zu einer Erhöhung der Leistung des DC-Teils 84 führen, dies hält sich aber in Grenzen. Vorteilhaft ist, dass das Ätzverfahren aufgrund der höheren Impulsfrequenz verkürzt wird.

Claims

Patentansprüche
Be Schichtungsvorrichtung (10) mit einer Vakuumkammer (14), mehreren darin angeordneten Kathoden (16, 16A, 16B, 16C, 16D) sowie eine HIPIMS-Leistungsquelle (18),
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich zu mindestens einer Beschichtungskathode (16), die mit der HIPIMS Leistungsquelle betreibbar ist, mehrere flächenmäßig im Vergleich zu der Beschichtungskathode kleinere Ätzkathoden (16A, 16B, 16C, 16D) vorgesehen sind, die in einer vorgegebenen oder vorgebbaren Reihenfolge an der HIPIMS-Leistungsquelle (18) anschließbar sind.
Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ätzkathoden (16A, 16B, 16C, 16D) im Ätzmodus über eine Schalteinrichtung (80, 80A, 80B, 80C, 80D) jeweils einzeln an die HIPIMS-Leistungsquelle (18) anschließbar sind.
Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ätzkathoden (16A, 16B, 16C, 16D) auch als Beschich- tungskathoden anwendbar sind.
Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ätzkathoden (16A, 16B, 16C, 16D) im Beschichtungsvor- gang gemeinsam bzw. parallel an die HIPIMS-Leistungsquelle (18) anschließbar sind.
5. Beschichtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die HIPIMS-Leistungsquelle (18) aus einem DC-Teil (84) und einem Schaltteil (86) besteht, das für die Beschichtungskathode (16) Leistungsimpulse mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, und dass beim Betreiben der Beschichtungsvorrichtung im Ätzmodus die Leistungsimpulse mit der vorgegebenen Frequenz an die einzelnen Ätzkathoden (16A, 16B, 16C, 16D) in einer vorgegebenen bzw. vorgebbaren Reihenfolge angelegt werden, wodurch die Ätzkathoden sukzessiv mit den einzelnen Leistungsimpulsen der HIPIMS- Leistungsquelle (18) speisbar sind.
6. Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die HIPIMS-Leistungsquelle (18) aus einem DC-Teil (84) und einem Schaltteil (86) besteht, das für die Beschichtungskathode Leistungsimpulse mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, und dass im Ätzmodus die HIPIMS-Leistungsquelle (18) so betreibbar ist, dass sie zwischen den Leistungsimpulsen mit der vorgegebenen Frequenz mindestens weitere Impulse liefert und dass die insgesamt gelieferten Impulse der Reihe nach an die Ätzkathoden (16A, 16B, 16C, 16D) einer nach dem anderen anlegbar sind, wodurch die Ätzkathoden (16A, 16B, 16C, 16D) sukzessiv mit den einzelnen Impulsen der HIPIMS-Leistungsquelle (18) speisbar sind.
7. Beschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die HIPIMS-Leistungsquelle (18) aus einem DC-Teil (84) und einem Schaltteil (86) besteht, das für die Beschichtungskathode (16) Leistungsimpulse mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt, und dass im Ätzmodus die HIPIMS-Leistungsquelle (18) so betreibbar ist, dass sie zwischen den Leistungsimpulsen mit der vorgegebenen Frequenz mindestens weitere Impulse liefert, und dass die insgesamt gelieferten Impulse in Gruppen an die Ätzkathoden (16A, 16B, 16C,
16D) der Reihe nach anlegbar sind, wodurch die Ätzkathoden sukzessiv mit den einzelnen Gruppen von Impulsen speisbar sind.
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