WO2002099837A1 - Lichtbogen-verdampfungsvorrichtung - Google Patents

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WO2002099837A1
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Hermann Curtins
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Swiss-Plas.Com Ag
Gabriel, Herbert, M.
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    • H01J37/32055—Arc discharge
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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
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    • H01J37/3266—Magnetic control means

Definitions

  • the invention relates to an arc evaporation device comprising an anode, a target acting as or acting as a cathode, a voltage source connected to the anode and the cathode for generating an arc or arc spot on the target or its free area and below the Targets present at least one permanent magnet and at least one toroidal magnet arrangement for generating a magnetic field influencing an arc movement on the target surface.
  • Arc vaporization devices are e.g. B. used for hard coating of substrates.
  • target material is vaporized in a vacuum chamber by an arc occurring on a target consisting of metal.
  • the target z. B. made of titanium and nitrogen is supplied to the vacuum chamber, so can deposit on the substrate to be coated TiN.
  • pressure values of e.g. B. 0.000 ibis 0.1 mbar (10 ⁇ 2 Pa to 10 Pa) prevail.
  • the current supply to the cathode can take place directly to this or via a magnetic coil in order, for. B. according to DE 42 43 592 AI to move the arc spot forming on the target along a random path.
  • EP 0 306 491 B1 describes an arc evaporation device in which a target is used to apply an alloy layer to a substrate which has at least two different metals in different active surface sections of the target.
  • a magnetic field with at least one closed loop is generated intermittently according to DE 35 28 677 C2 over the target area.
  • a device of the type mentioned can be found in DE 43 29 105 A1.
  • two ring coils are assigned to the target, the ring coil on the inside enclosing a permanent magnet arranged in the target center.
  • the toroidal coils extend essentially over the entire target length, but can be adjusted relative to one another.
  • the permanent magnet is arranged in a recess on the underside of the target.
  • the present invention is based on the problem of developing a device of the type mentioned at the outset in such a way that the arc can be moved along definable paths along the target surface in such a way that the target material can be removed evenly.
  • the problem is essentially solved in that the magnet arrangement comprising the at least one permanent magnet and the at least one ring coil is arranged to be adjustable as a unit with respect to the target.
  • the unit can be adjustable in the X and / or Y direction running parallel to the target surface. Adjustment perpendicular to the target surface is also possible in order to adjust the magnetic field acting on the target surface to be removed to the arc in such a way that it is moved along a desired path without moving along branching main and secondary branches, as shown in the state of the art is desired.
  • the teaching according to the invention Due to the combination of permanent magnet and electromagnet, the teaching according to the invention generates a magnetic field which quasi forms a deep but narrow trench for the arc to be moved on the target surface, with the result that a lateral, ie zigzag movement is not possible.
  • the magnet arrangement is in both X and Can be moved translationally in the Y direction. If necessary, a change in the distance to the target surface can also be carried out in order to exclude magnetic field changes as a function of the removal of the target surface or to make a specific change.
  • the permanent magnet is preferably arranged with respect to the toroid on its central axis or on a straight line which extends perpendicularly from the plane spanned by the toroid and passes through the center or center axis of the toroid.
  • a further advantage of the invention is that no droplets (target droplets) are knocked out of the target surface, which can lead to an undesired surface roughness of a target to be coated.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a magnet arrangement assigned to a target
  • Fig. 2 shows a schematic diagram of an arc movement on a target.
  • FIG. 1 shows, in principle, an arc evaporation device with a vacuum chamber 12 surrounded by a housing 10, in which substrates 14 are to be treated and how to be coated.
  • the substrates 14 can be on a not shown Turntable be arranged.
  • target material is evaporated from a target 16 present in the vacuum chamber 12 or its free surface 18, which deposits as a compound on the substrate to the desired extent.
  • titanium as the target material and nitrogen present in the vacuum chamber 12, titanium nitride can be deposited on the substrate 14, that is to say a hard material coating.
  • a voltage is applied across the voltage source 20 between the target 16 and the housing 10, the housing 10 being an anode and the target 16 being a cathode or being connected to a cathode.
  • the applied voltage of approximately e.g. of the order of 10 V to 50 V and a current of the order of more than 60 A.
  • the pressure in the vacuum chamber 12 can be in the range of z. B. 0.0001 to 0.1 bar depending on the application, to name just examples.
  • the target 16 is based on a carrier 22, which in turn is connected via an insulator 24 to a flange plate 26, for. B. is electrically insulated from aluminum, which in turn is sealed connected to the housing 10.
  • Carrier 22 and target 16 run at a distance from one another to form an intermediate space 28 in order to apply a cooling fluid such as liquid to the latter.
  • the target 16 has a circumferential bottom-side flange 30, via which the target 16 is fixed between the carrier 22 and a fastening plate 32 running above the target.
  • the mounting plate 32 itself is isolated from an insulator 34 e.g. BN covered and connected to the base plate 26 via insulators 36, 38.
  • the target 16 with the carrier 20 is connected via bolts, screws or equivalent elements 40, 42 to an electrical connection 44, in particular in the form of a ring conductor, which leads to the voltage source 20.
  • a magnet arrangement 46 is provided below the target 16 and outside the chamber 12, which has a holder 48, from which a ring coil 50 and a permanent magnet 52 originate.
  • the permanent magnet 52 is arranged in the interior of the toroidal coil 50, in particular in the center or on the central axis of the toroidal coil 50.
  • B. made of plastic or aluminum.
  • the magnetic arrangement 46 can be adjusted as a unit to the target 16, both in the X and in the Y direction in a plane running parallel to the target surface 18. Furthermore, the unit can optionally be spaced apart from the target 16 to the desired extent, that is, subjected to a movement in the Z direction.
  • the magnet arrangement 46 has a surface extension. which is less than that of the target surface 16, so that the arc spot moving on the target surface 18 moves the entire surface 18 on predetermined paths without changing to branching main and secondary branches, by moving the magnetic field arrangement 46 accordingly .
  • the movement of the arc spot is to be symbolized by the continuous or interrupted elliptical or oval tracks 56, 58, 60 shown in principle in FIG. 2.
  • the change in the respective path in the X direction is indicated by arrows 62, 64 and in the Y direction by arrows 66, 68.
  • the magnetic field generated by the magnet arrangement 46 that is to say the toroidal coil 50 and the permanent magnet 52, is formed on the target surface 18, that is to say in the arc spot, in such a way that, as a result, a deep, but narrow, trench is created for the arc shows that a lateral, that is to say zigzag movement is fundamentally not possible, so that the movement follows the straight-line path that can be seen in principle in FIG. 2.
  • the overlapping of the magnetic fields of the permanent magnet and the electromagnet results in a dynamic in the impedance, with the result that the arc can be reproducibly generated in the desired voltage range, in particular in the range between 17 V and 30 V.
  • the arc is also adjustable so that droplets are not knocked out of target 16.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung umfassend eine Anode, ein als Kathode wirkendes oder mit dieser verbundenes Target (16), eine an die Anode und die Kathode angeschlossene Spannungsquelle (20) zur Erzeugung eines Lichtbogens bzw. Lichtbogenspots auf dem Target bzw. dessen freier Fläche (18) sowie unterhalb des Targets vorhandene zumindest einen Permanentmagneten (52) und zumindest eine Ringspule (50) umfassende Magnetanordnung (46) zur Erzeugung eines Lichtbogenbewegung auf der Targetfläche beeinflussenden Magnetfeldes. Um den Lichtbogen auf definierten Bahnen auf der Targetoberfläche zu bewegen, wird vorgeschlagen, dass die den zumindest einen Permanentmagneten (52) und die zumindest eine Ringspule (50) umfassende Magnetanordnung (46) als Einheit zu dem Target (16) verstellbar angeordnet ist.

Description

Lichtbogen-Verdampfυngsvorrichtung
Beschreibung
Die Eriindung bezieht sich auf eine Lichtbogen-Vcrdampfungsvorrichtung umfassend eine Anode, eine als Kathode wirkendes oder mit dieser verbundenes Target, eine an die Anode und die Kathode angeschlossene Spannungsquelle zur Erzeugung eines Lichtbogens bzw. Lichtbogenspots auf dem Target bzw. dessen freier Fläche sowie unterhalb des Targets vorhandene zumindest einen Permanentmagneten und zumindest eine Ringspule umfassende Magnetanordnung zur Erzeugung eines eine Lichtbogenbewegung auf der Targetfläche beeinflussendes Magnetfelds.
Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtungen werden z. B. zur Hartstoffbeschichtυng von Substraten benutzt. Hierzu wird in einer Vakuumkammer durch einen auf ein aus Metall bestehendes Target auftretenden Lichtbogen Targetmaterial verdampft. Besteht das Target z. B. aus Titan und wird der Vakuumkammer Stickstoff zugeführt, so kann sich auf zu beschichtendem Substrat TiN niederschlagen. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Verfahren verwiesen, genauso wie in Bezug auf anzulegende Spannung bzw. fließenden Strom, die im Bereich 10 bis 50 V bzw. bei Werten von mehr als 60 A liegen. In der Va- kυumkammer selbst können Druckwerte von z. B. 0,000 Ibis 0,1 mbar (10~2 Pa bis 10 Pa) herrschen.
Die Stromführung zu der Kathode kann dabei unmittelbar zu dieser oder über eine Magnetspule erfolgen, um z. B. nach der DE 42 43 592 AI den sich auf dem Target ausbildenden Lichtbogenspot entlang einer Random-Bahn zu bewegen.
In der EP 0 306 491 Bl wird eine Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung beschrieben, bei der ein Target zum Aufbringen einer Legierungsschicht auf ein Substrat benutzt wird, das zumindest zwei verschiedene Metalle in verschieden aktiven Flächenabschnitten des Targets aufweist. Um auch bei großen Targetflächen eine gleichmäßige Erosion des Targetmaterials zu erreichen, wird nach der DE 35 28 677 C2 intermittierend über der Targetfläche ein Magnetfeld mit wenigstens einer geschlossenen Schleife erzeugt.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist der DE 43 29 105 A 1 zu entnehmen. Um den Lichtbogen ständig zwischen sich verzweigenden Haupt- und Nebenästen auf einer Targetoberfläche zu bewegen, sind dem Target zwei Ringspulen zugeordnet, wobei die innen liegende Ringspule einen im Targetzentrum angeordneten Permanentmagneten umschließt. Die Ringspulen erstrecken sich dabei im Wesentlichen über die gesamte Targetlänge, können jedoch relativ zueinander verstellt werden. In diesem Fall wird der Permanentmagnet an der Unterseite des Targets in einer Ausnehmυng angeordnet.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass der Lichtbogen auf fest definierbaren Bahnen entlang der Targetoberfläche derart bewegbar ist, dass ein gleichmäßiger Abtrag des Targetmaterials möglich ist.
Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die den zumindest einen Permanentmagneten und die zumindest eine Ringspule umfassende Magnetanordnung als Einheit zu dem Target verstellbar angeordnet ist. Dabei kann die Einheit in parallel zu der Targetfläche verlaufender X- und/oder Y-Richtung verstellbar sein. Auch ein Verstellen senkrecht zur Targetfläche ist möglich, um das auf der abzutragenden Tar- getfläche wirksame Magnetfeld derart auf den Lichtbogen einzustellen, dass dieser entlang einer gewünschten Bahn bewegt wird, ohne dass ein Bewegen entlang sich verzweigender Haupt- und Nebenästen erfolgt, wie dies nach dem Stand der Technik gewünscht wird.
Durch die erfindungsgemäße Lehre wird aufgrund der Kombination von Permanentmagnet und Elektromagnet ein Magnetfeld erzeugt, das quasi einen tiefen, jedoch schmalen Graben für den auf der Targetfläche zu bewegenden Lichtbogen mit der Folge bildet, dass eine Seiten-, also Zickzack-Bewegung nicht möglich ist. Um ungeachtet dessen eine Targetfläche vollständig überstreichen zu können, ist die Magnetanordnung sowohl in X- als auch in Y-Richtung translatorisch verschiebbar. Gegebenenfalls kann auch eine Abstandsveränderung zu der Targetfläche erfolgen, um Magnetfeldänderungen in Abhängigkeit von dem Abtrag der Targetfläche auszuschließen bzw. eine gezielte Änderung vorzunehmen.
Durch die Überlappung des Permanentmagneten und des Elektromagneten bzw. deren Magnetfelder ergibt sich eine Dynamik in der Impedanz mit der Folge, dass Lichtbogen im gewünschten Spannungsbereich reproduzierbar erzeugbar sind, insbesondere im Bereich zwischen 17 V und 30 V.
Der Permanentmagnet ist vorzugsweise in Bezug auf die Ringspule auf dessen Mittelachse bzw. auf einer Geraden angeordnet, die senkrecht von von der Ringspule aufgespannter Ebene ausgeht und den Mittelpunkt bzw. Mittelachse der Ringspule durchsetzt.
Als weiterer Vorteil der Erfindung ist zu nennen, dass aus der Targetoberfläche keine Droplets (Targettröpfchen) herausgeschlagen werden, die zu einer unerwünschten Ober- flächenraυigkeit eines zu beschichtenden Targets führen können.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer einem Target zugeordneten Magnetanordnung und
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Lichtbogenbewegung auf einem Target.
In Fig. 1 ist rein prinzipiell eine Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung mit einer von einem Gehäuse 10 umgebenden Vakuumkammer 12 dargestellt, in der Substrate 14 zu behandeln wie zu beschichten sind. Die Substrate 14 können auf einem nicht dargestellten Drehteller angeordnet sein. Um die Substrate 14 zu behandeln bzw. zu beschichten, wird aus einem in der Vakuumkammer 12 vorhandenen Target 16 bzw. dessen freier Oberfläche 18 Targetmaterial verdampft, welches sich als Verbindung auf dem Substrat im gewünschten Umfang ablagert. So kann bei Titan als Targetmaterial und in der Vakuumkammer 12 vorhandenem Stickstoff auf dem Substrat 14 Titannitrid abgeschieden werden, also eine Hartstoffbeschichtung erfolgen.
Zum Verdampfen von Targetmaterial wird zwischen dem Target 16 und dem Gehäuse 10 eine Spannung über eine Spannungsquelle 20 angelegt, wobei das Gehäuse 10 Anode und das Target 16 Kathode ist bzw. mit einer Kathode verbunden ist. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Techniken verwiesen, genauso wie in Bezug auf die angelegte Spannung von in etwa z.B. der Größenordnung 10 V bis 50 V und einem Strom in einer Größenordnung von mehr als 60 A. Der Druck in der Vakuumkammer 12 kann im Bereich von z. B. 0,0001 bis 0,1 bar je nach Anwendungsfall liegen, um nur beispielhaft Werte zu nennen.
Im Aυsführungsbeispiel geht das Target 16 von einem Träger 22 aus, der seinerseits über einen Isolator 24 gegenüber einer Flanschplatte 26 z. B. aus Aluminium elektrisch isoliert ist, die ihrerseits mit dem Gehäuse 10 abgedichtet verbunden ist. Träger 22 und Target 16 verlaufen zur Ausbildung eines Zwischenraums 28 beabstandet zueinander, um diesen mit einem Kühlfluid wie Flüssigkeit zu beaufschlagen. Ferner weist das Target 16 einen umlaufenden bodenseitigen Flansch 30 auf, über den das Target 16 zwischen dem Träger 22 und einer oberhalb des Targets verlaufenden Befestigungsplatte 32 fixiert wird. Die Befestigungsplatte 32 selbst ist von einem Isolator 34 aus z.B. BN abgedeckt und über Isolatoren 36, 38 mit der Grundplatte 26 verbunden.
Das Target 16 mit dem Träger 20 ist über Bolzen, Schrauben oder gleichwirkende Elemente 40, 42 mit einem elektrischen Anschluss 44, insbesondere in Form eines Ringleiters verbunden, der zu der Spannungsquelle 20 führt.
Damit ein bei zwischen der Anode und Kathode angelegter Spannung sich ausbildender Lichtbogen bzw. -spot auf der Oberfläche 18 des Targets 16 zum Materialabtrag dieses vorgegebene Bahnen beschreibt, ist unterhalb des Targets 16 und außerhalb der Kammer 12 eine Magnetanordnung 46 vorgesehen, die eine Halterung 48 aufweist, von der eine Ringspule 50 sowie ein Permanentmagnet 52 ausgehen. Dabei ist der Permanentmagnet 52 im Innenraum der Ringspule 50 angeordnet, und zwar insbesondere im Mittelpunkt bzw. auf der Mittelachse der Ringspule 50. Die Flalterung 48 kann z. B. aus Kunststoff oder Aluminium bestehen.
Um mittels der Magnetfeldanordnung 46, d. h. der von der Ringspule 50 und dem Permanentmagnet 52 erzeugten Magnetfeldern im Bereich des Lichtbogenspots ein wirksames Magnetfeld auf der Oberfläche des Targets 16 so einzustellen, dass der Lichtbogen bzw. - spot in definierten Bahnen die gesamte Oberfläche 18 überstreichen kann mit der Folge, dass ein gleichmäßiger Abtrag von Targetmaterial erfolgt, ist die Magnetfcldanordnυng 46 als Einheit zu dem Target 16 verstellbar, und zwar sowohl in X- als auch in Y-Richtung in einer parallel zur Targetfläche 18 verlaufenden Ebene. Des Weiteren kann die Einheit gegebenenfalls zum Target 16 im gewünschten Umfang beabstandet werden, also einer Bewegung in Z-Richtung unterworfen werden.
Die Magnetanordnung 46 weist eine Flächenerstreckung auf. die geringer als die der Tar- getoberfläche 16 ist, so dass der auf der Targetoberfläche 18 sich bewegende Lichtbogenspot die gesamte Oberfläche 18 auf vorgegebenen Bahnen, ohne auf sich verzweigenden Haupt- und Nebenästen zu wechseln, bewegt wird und zwar durch entsprechendes Verschieben der Magnetfeldanordnung 46. '
Die Bewegung des Lichtbogenspots soll durch die in Fig. 2 rein prinzipiell dargestellten durchgezogenen bzw. unterbrochenen ellipsenfonnigen bzw. ovalen Bahnen 56, 58, 60 symbolisiert werden. Dabei wird die Veränderung der jeweiligen Bahn in X-Richtung durch Pfeile 62, 64 und in Y-Richtung durch Pfeile 66, 68 angedeutet.
Dass von der Magnetanordnung 46, also der Ringspule 50 und dem Permanentmagnet 52 erzeugte Magnetfeld ist auf der Target Oberfläche 18, also im Lichtbogenspot derart ausgebildet, dass sich quasi ein tiefer, jedoch schmaler Graben für den Lichtbogen mit der Folge ergibt, dass eine Seiten-, also Zickzack-Bewegung dem Grunde nach nicht möglich ist, so dass die Bewegung der der Fig. 2 prinzipiell zu entnehmenden gradlinigen Bahn folgt.
Durch die Überlappung der Magnetfelder des Permanentmagneten und des Elektromagneten ergibt sich eine Dynamik in der Impedanz mit der Folge, dass der Lichtbogen im gewünschten Spannungsbereich reproduzierbar erzeυgbar ist, insbesondere im Bereich zwischen 17 V und 30 V.
Auch ist der Lichtbogen so einstellbar, dass das Herausschlagen von Droplcts aus dem Target 16 vermieden wird.

Claims

PatentansprücheLichtbogen-Verdampfungsvorrichtung
1. Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung umfassend eine Anode, ein als Kathode wirkendes oder mit dieser verbundenes Target (16), eine an die Anode und die Kathode angeschlossene Spannungsquelle (20) zur Erzeugung eines Lichtbogens bzw. Lichtbogenspots auf dem Target bzw. dessen freier Fläche (18) sowie unterhalb des Targets vorhandene zumindest einen Pemianentmagneten (52) und zumindest eine Ringspule (50) umfassende Magnetanordnung (46) zur Erzeugung eines Lichtbogenbewegung auf der Targetfläche beeinflussenden Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass die den zumindest einen Permanentmagneten (52) und die zumindest eine Ringspule (50) umfassende Magnetanordnung (46) als Einheit zu dem Target (16) verstellbar angeordnet ist.
2. Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (52) und die Ringspule (50) von einer Flalterung (48) ausgeht, die vorzugsweise aus Kunststoff oder Aluminium besteht, wobei die Einheit in parallel zu der Targetfläche (18) verlaufender X- und Y-Richtung verstellbar ist.
3. Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit senkrecht zur Targetfläche (18) verstellbar ist.
4. Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (52) in Bezug auf die Ringspule (50) auf deren Mittelachse bzw. in deren Mittelpunkt bzw. auf einer Geraden angeordnet ist, die senkrecht zur von der Ringspule (50) aufgespannten Ebene verläuft und die Mittelachse bzw. den Mittelpunkt durchsetzt.
5. Lichtbogen-Verdampfυngsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, dass durch das von der Magnetanordnung (46) erzeugte Magnetfeld der Lichtbogen im Wesentlichen entlang vorgegebener Bahnen (56, 58, 60) unter Vermeidung sich verzweigender Haupt- und Nebenäste auf der Targetfläche (18) bewegbar ist.
6. Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der den Permanentmagnet (52) und die Ringspule (50) umfassenden Einheit ein Magnetfeld im Bereich der Targetfläche (18) derart erzeugbar ist, dass der Lichtbogen bei einer angelegten Spannung U mit 17 V < U < 30 V stabil ist.
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