WO2011160766A1 - Arc-verdampfungsquelle mit definiertem elektrischem feld - Google Patents

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Siegfried Krassnitzer
Juerg Hagmann
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Oerlikon Trading Ag, Trübbach
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32055—Arc discharge

Definitions

  • the invention relates to an ARC evaporator source according to the preamble of claim 1.
  • ARC evaporation sources are known in the art.
  • Snaper US 3625848 discloses a "gun" having a cathode and an anode arranged to effect a spark discharge between them, the cathode being made of the material to be deposited
  • Anode has a tapered geometry and is disposed in close proximity to the cylindrical cathode
  • Magnetic means are not used in this arrangement, therefore the movement of the focal spot on the target is likely to be of today
  • a slow movement of the focal spot results, among other things, in increased roughness of the layers produced by the ARC vaporization source.
  • the object is achieved by the ARC evaporation source according to claim 1.
  • the ARC evaporation source according to claim 1.
  • the dependent claims are different and advantageous embodiments of the inventive ARC evaporation source.
  • the ARC evaporation source comprises a cathode (target), an anode and magnetic means which allow the magnetic field lines to be conducted on a short connection from the target surface to the anode.
  • the anode is disposed in the immediate vicinity of the cathode, so that the connection of the cathode to the anode via magnetic field lines from any point of the surface of the target to be evaporated, which is exposed to erosion, is ensured.
  • the magnetic means are designed so that the component parallel to the target surface is significantly larger than the component perpendicular to the target surface.
  • Magnetic field strengths of up to 500 Gauss can be used, i. significantly higher field strengths than the magnetic field strengths otherwise used in PVD technology.
  • the ARC source described in this way in comparison with the prior art, has higher coating rates with simultaneously very smooth layers.
  • the inventive ARC source is operable even in vacuum, achieving high spark velocity.
  • the ARC source is operated in metal mode.
  • the metal ions thus produced, e.g. Cr +, Ti + can pass undisturbed to the substrate and be used for the purpose of metal ion etching. Operation with low discharge current is possible.
  • prebiasing By means of so-called “prebiasing", the ion energy can be set reliably with the anode according to the invention.
  • FIG. 1 shows an ARC evaporation source according to the prior art
  • Figure 2 shows an ARC evaporation source according to the prior art
  • FIG. 3 shows a first embodiment of an ARC vaporization source according to the invention.
  • FIG. 4 shows a vacuum device with an ARC vaporization source according to the invention
  • FIG. 5 shows a vacuum device with an ARC evaporation source according to the prior art.
  • FIG. 6 shows the potential conditions in a device according to FIG. 5
  • FIG. 7 shows the potential conditions in a device according to the invention according to FIG. 4.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of a vacuum device according to the invention
  • FIG. 9 shows the potential conditions in a device according to the invention according to FIG. 4.
  • FIG. 10 shows a further embodiment of a vacuum device according to the invention
  • FIG. 11 shows the potential conditions in a device according to the invention according to FIG. 4
  • FIG. 2 shows an are evaporator arrangement 201 with an anode 203 at a distance from the source cathode 209 according to the prior art.
  • the source cathode is cooled by a cooling device 211 and connected to the negative pole 213 of a DC power supply.
  • magnetic means 215 are provided which provide for the construction of a magnetic field above the target surface.
  • a focal spot 205 releases a high current and thus a large number of electrons into the evaporator chamber.
  • the ARC plasma is available.
  • the working gas eg Ar, N 2
  • the working gas eg Ar, N 2
  • FIG. 3 shows an embodiment of the ARC evaporator source 301 according to the invention. This is only an exemplary variant and can be realized by a variety of designs.
  • the cathode 309 is made of the material to be evaporated and is connected via the power connector to the negative pole of a power source. Via the magnetic means 305, a magnetic field is generated at the cathode surface, which allows a quick spark movement.
  • the magnetic field lines emanating from the target surface are designed within a large surface area so that they have predominantly components parallel to the surface of the cathode 309 and allow a short connection to the anode 303, which extends annularly around the cathode edge.
  • the ARC evaporator source illustrated in FIG. 3 can be realized both as an axially symmetrical round cathode and as a rectangular cathode. Cathode areas in the center or along the center line always have field lines running perpendicular to the target surface and should therefore be excluded from the erosion. This can for example be done with a panel or by means of a filled recess (both not shown).
  • the magnetic field strength in the range 6 is 40 Gauss to 500 Gauss.
  • the inventive arrangement of the anode in combination with the magnetic field distribution allows operation at such high magnetic fields.
  • the target material of the cathode 309 the usual materials for the hard coating Ti, TiAl, Al, AlCr, TiSi, Cr, etc. can be used.
  • the anode 303 in combination with the magnetic field generated by the magnetic means 305 according to the invention is so arranged in the vicinity of the cathode 309 that the magnetic field lines the current path 307 directly from the focal spot 315 to the anode Allow 303.
  • the anode is designed such that this is fulfilled when the voltage and the magnetic field are applied and lead to the central magnetic field lines almost all or at least a large part of the magnetic field lines to the anode.
  • the orbit of the electrons is characterized by the Larmor radius and describes a gyration around the field line course.
  • the gyration radius for one electron is about 1 mm for 10 gauss, and about 0.1 mm for 100 gauss.
  • the trajectory is therefore well located along the field line at corresponding magnetic field strengths. The effect of such an arrangement is a reduction of the total discharge voltage and an increase in the coating rate.
  • the working gas in the vicinity of the target is only slightly ionized.
  • MIE metal ion etching
  • the special feature is the possibility of stable operation even without working gas in a vacuum with pressures less than 1 E-03Pa. It is possible by the good electrical connection of the Are -Spot 5 to the anode, that the electrical conductivity of the metal plasma 8 is sufficient to carry the current from the cathode to the anode 9.
  • the metal vapor from the Are source is to a high degree simple and multiple ionized and can be accelerated by the bias voltage 12 to the substrate 11.
  • metal ion etching MIE
  • a corresponding MIE device 401 is shown in FIG.
  • the substrate 4 it includes an ARC evaporation source 403 and a substrate holder 407, which are arranged in a vacuum chamber 405.
  • the substrate holder equipped with substrates to be etched (not shown), is set to negative potential by means of a voltage source 408, thereby accelerating the positive ions produced at the ARC evaporation source to the substrates.
  • metal ions can also etch with others Materials such as Cr, Nb, Ta and other metals with a high degree of ionization and a high proportion of Mehrfachionisation stably performed.
  • the inventive ARC evaporation source can be realized with different circuits, which in turn are themselves inventive.
  • FIG. 5 shows a circuit according to the prior art.
  • the chamber wall of the recipient 505 forms the anode.
  • the magnetic field lines emanating from the target have no direct connection to the anode.
  • Shown in FIG. 5 is a coating device 501 with an ARC evaporation source 503 which is arranged in a recipient 505, wherein a substrate holder 507 which can be set to negative voltage by means of a voltage source 508 is also arranged in the recipient 505.
  • strong ionization of the working gas for example N 2
  • the high electron temperature of the discharges (2eV-5eV) leads to a distortion of the potential in front of the substrate, as sketched in FIG.
  • the cathode material vaporized with a high degree of ionization is accelerated onto the substrate via a bias voltage 408.
  • the electrical system cathode 1 anode 4 is designed to float to the chamber mass 10.
  • the plasma potential U p i aS ma is bound to the chamber wall in this embodiment.
  • the discharge current of the Are source flows from the cathode to the anode.
  • the cathode voltage in this example of about -16 to -25V is built up against the anode 4.
  • the substrate bias from generator 408 accelerates ions from the plasma with plasma potential U p i asma against the substrate.
  • the potential profile in front of the substrate is no longer distorted, as shown in FIG. 7, since the electron temperature of such a plasma is only about 0.3 eV to 1 eV.
  • FIG. 8 A further embodiment is shown in FIG. 8, namely a coating device 801 with an ARC evaporation source 803 which is arranged in a recipient 805, wherein in the recipient 805 a substrate holder 807 is also arranged which can be set to negative voltage by means of a voltage source 808.
  • the cathode of the cathode-anode system floating in FIG. 4 is based on chamber mass (Ground) switched. The potentials are shifted, as shown in FIG. The cathode potential is shifted to the chamber mass.
  • the ARC discharge current runs from cathode to anode.
  • the voltage applied by the voltage source (Biasmakers) 808 (in this example, 40V generates an acceleration of the ions with an additional portion Ubias + Uplasma
  • the cathode is shorted to the chamber and thus is on chamber mass. But it is also possible to connect cathode and chamber via a voltage source and thereby achieve an additional potential shift. It can thus be achieved that the plasma potential, at least in front of the anode, becomes very positive. This is shown in FIGS. 10 and 11.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine ARC-Verdampfungsvorrichtung mit einer Kathode, einer Anode, sowie einer Spannungsquelle um die Anode gegenüber der Kathode auf positives Potential zulegen. Die Vorrichtung umfasst auch magnetische Mittel welche zu einer Magnetfeld über der Kathodenoberfläche führen, wobei die Anode in der Nähe der Kathode so angeordnet ist, dass die aus der Kathodenoberfläche austretenden Magnetfeldlinien auf die Anode treffen.

Description

ARC-Verdampfungsquelle mit definiertem elektrischem Feld
Die Erfindung betrifft eine ARC-Verdampferquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Als ARC- Verdampferquelle wird in der vorliegenden Beschreibung eine Vorrichtung bezeichnet, mit deren Hilfe ein Lichtbogen, welche ihren Brennfleck auf einer Kathode hat, im Vakuum gezündet werden kann, wobei durch die Kathode (=Target) das zu verdampfende Material bereitgestellt wird und der Brennfleck die Verdampfung des Targetmaterials zu Folge hat.
ARC-Verdampfungsquellen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart Snaper in US 3625848 eine„Strahlenkanone" (beam gun) mit einer Kathode und einer Anode die so angeordnet sind, dass eine Funkenentladung zwischen ihnen zustande kommt. Die Kathode wird dabei aus dem Material hergestellt, welches abgeschieden werden soll. Die dort beschriebene Anode hat eine konisch zulaufende Geometrie und ist in unmittelbarer Nachbarschaft zur zylindrischen Kathode angeordnet. Die Anordnung gemäss diesem Stand der Technik ist in Figur 1 gezeigt. Magnetische Mittel kommen in dieser Anordnung nicht zur Anwendung. Die Bewegung des Brennflecks auf dem Target dürfte daher für heutige Verhältnisse eine sehr langsame sein, obwohl diese damals als schnell beschrieben wurde. Eine langsame Bewegung des Brennfleckes führt u.a. zu einer erhöhten Rauhigkeit der mittels der ARC-Verdampfungsquelle hergestellten Schichten.
Demgegenüber wird inder Patentschrift US 4 620 913 von Clark Bergman ein Multi ARC Vacuum System offenbart bei dem magnetische Mittel zum Einsatz kommen Dabei handelt es sich um eine ARC Quelle mit Anodenbeschaltung, wobei die Kammer oder eine elektrisch isoliert eingeführte Anode verwendet wird. Dabei ergibt sich aber der Nachteil, dass k- lediglich ein Teil der Magnetfelder, welche vom Target ausgehen, in die Anode führt. Vorteil der dortigen Apparatur ist eine stabile Funkenführung speziell bei kleinen Entladeströmen. Eine Stromaufteilung zwischen Kammer und eingeführter Anode wird durch eine zusätzliche Beaufschlagung der eingeführten Anode mit einer positiven Spannung erreicht.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer ARC-Verdampferquelle welche es erlaubt, bei konstant hoher Verdampfungsrate Schichten mit geringer Oberflächenrauigkeit herzustellen. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine solche ARC-Verdampferquelle anzugeben.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch die ARC-Verdampferquelle gemäss Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind unterschiedliche und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemässen ARC-Verdampfungsquelle.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Die erfindungsgemässe ARC-Verdampfungsquelle umfasst eine Kathode (Target), eine Anode und magnetische Mittel, die es erlauben, die magnetischen Feldlinien auf kurzer Verbindung von der Targetoberfläche zur Anode zu führen.
Die Anode ist in der unmittelbaren Nachbarschaft der Kathode angeordnet, so dass die Verbindung der Kathode mit der Anode über Magnetfeldlinien von jedem Punkt der zu verdampfenden Oberfläche des Targets, welcher einer Erosion ausgesetzt ist, gewährleistet ist.
Dabei sind die magnetischen Mittel so ausgestaltet, dass die Komponente parallel zur Targetoberfläche deutlich grösser ist als die Komponente senkrecht zur Targetoberfläche. Es können magnetische Feldstärken von bis zu 500 Gauss in Verwendung kommen, d.h. deutlich höhere Feldstärken als die sonst in der PVD-Technologie zu Anwendung kommenden Magnetfeldstärken.
Die so beschriebene ARC-Quelle weißt im Vergleich mit dem Stand der Technik, höhere Beschichtungsraten bei gleichzeitig sehr glatten Schichten auf.
Die erfinderische ARC-Quelle ist selbst im Vakuum betriebsfähig, wobei eine hohe Funkengeschwindigkeit erreicht wird. Die ARC-Quelle wird dabei im Metallmode betrieben. Die so erzeugten Metalionen, wie z.B. Cr+, Ti+ können störungsfrei an das Substrat gelangen und zum Zweck des Metal Ionen Ätzens verwendet werden. Ein Betrieb bei geringem Entladestrom ist möglich.
Mittels sogenanntem„Prebiasing" lässt sich mit der erfindungsgemässen Anode die lonenenergie zuverlässig einstellen. Die Erfindung wird nun beispielhaft und mit Hilfe der Figuren im Detail dargestellt.
Figur 1 zeigt eine ARC-Verdampfungsquelle gemäss dem Stand der Technik
Figur 2 zeigt eine ARC-Verdampfungsquelle gemäss dem Stand der Technik
Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen ARC-Verdampfungsquelle Figur 4 zeigt eine Vakuumvorrichtung mit einer erfindungsgemässen ARC-Verdampfungsquelle
Figur 5 zeigt eine Vakuumvorrichtung mit einer ARC-Verdampfungsquelle gemäss Stand der Technik. Figur 6 zeigt die Potentialverhältnisse bei einer Vorrichtung gemäss Figur 5
Figur 7 zeigt die Potentialverhältnisse bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss Figur 4 Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vakuumvorrichtung
Figur 9 zeigt die Potentialverhältnisse bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss Figur 4 Figur 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vakuumvorrichtung
Figur 11 zeigt die Potentialverhältnisse bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss Figur 4 Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird im Folgenden zunächst grob auf die Verhältnisse bei ARC-Quellen gemäss dem Stand der Technik eingegangen. Figur 2 zeigt eine Are Verdampfer Anordnung 201 mit einer Anode 203 im Abstand von der Quellenkathode 209 gemäss dem Stand der Technik. Die Quellenkathode wird durch eine Kühlvorrichtung 211 gekühlt und ist mit dem negativen Pol 213 einer DC-Stromversorgung verbunden. Hinter der Quellenkathode sind magnetische Mittel 215 vorgesehen welche für den Aufbau eines Magnetfeldes oberhalb der Targetoberfläche sorgen. Ein Brennfleck 205 entlässt einen hohen Strom und damit eine Vielzahl von Elektronen in den Verdampferraum. Als leitfähiges Medium steht das ARC-Plasma zur Verfügung. Nachdem sich gemäss dem Stand der Technik die Anode 203 nicht in unmittelbarer Nähe des Brennflecks 205 befindet, müssen die geladenen Teilchen auf dem Weg zur weiter entfernten Anode das Magnetfeld kreuzen. Relevant ist die Bewegung eines geladenen Teilchens mit Ladung q, Masse m, Geschwindigkeit v am Ort r in einem elektrischen Feld E(r) und magnetischen Feld B(r). Dabei wirken verschiedene Kraftkomponenten: Für die Bewegung parallel zum B-Feld wirkt eine Kraft proportional zu q£. Für die Bewegung senkrecht zum Magnetfeld wirkt die Kraft proportional zu q(E±+v±xB), was zur Gyrationsbewegung führt, die aber durch eine Exß- Drift überlagert ist. Dies führt zu einem „virtuellen" Strompfad 207 wie er in Figur 2 angedeutet ist. Beim Durchlaufen dieser an eine Spirale erinnernde Bahn auf dem Weg zur entfernten Anode 203 wird das im Beschichtungsraum befindliche Arbeitsgas ( z.B. Ar, N2 ) stark ionisiert. Es kommt zur Bildung von Gas-Ionen, zu einer Spannungserhöhung der Entladung und einem Potentialsprung vor der Kathode. Ausserdem wird eine Reduktion der Beschichtungsrate beobachtet.
In Figur 3. ist eine Ausführung der erfindungsgemässen ARC-Verdampferquelle 301 gezeigt. Dies ist nur eine beispielhafte Variante und kann durch verschiedenste Ausführungen realisiert werden. Die Kathode 309 besteht aus dem zu verdampfenden Material und ist über den Stromanschluss an den negativen Pol einer Stromquelle angeschlossen. Über die magnetischen Mittel 305 wird ein Magnetfeld an der Kathodenoberfläche erzeugt, welches eine schnelle Funkenbewegung erlaubt.
Die Magnetfeldlinien welche von der Targetoberfläche ausgehen sind innerhalb eines grossen Flächenanteils so gestaltet, dass sie vorwiegend Komponenten parallel zur Oberfläche der Kathode 309 haben und eine kurze Verbindung zur Anode 303, die sich ringförmig um den Kathodenrand erstreckt, ermöglichen. Die in Fig. 3 dargestellte ARC-Verdampferquelle kann aber sowohl als axialsymmetrische Rundkathode als auch als Rechteckkathode realisiert sein. Kathodenbereiche im Zentrum bzw. entlang der Mittellinie weisen immer senkrecht zur Targetoberfläche verlaufende Feldlinien auf und sollten daher von der Erosion ausgenommen werden. Dies kann beispielsweise mit einer Blende oder mittels einer gefüllten Aussparung geschehen (beides nicht gezeigt). Die magnetische Feldstärke im Bereich 6 beträgt 40 Gauss bis 500 Gauss. Vorteilhaft sind 60 bis 100 Gauss und besonders vorteilhaft sind 200 bis 500 Gauss für besonders glatte Schichtergebnisse. Die erfindungsgemässe Anordnung der Anode in Kombination mit der magnetischen Feldverteilung erlaubt den Betrieb bei solch hohen Magnetfeldern. Als Targetmaterial der Kathode 309 können die für die Hartstoffbeschichtung üblichen Materialien wir Ti, TiAl, AI, AlCr, TiSi, Cr usw. verwendet werden. In ARC-Verdampferanordnung 301 gemäss Fig. 3 ist die Anode 303 in Kombination mit dem von den magnetischen Mitteln 305 erzeugten magnetischen Feld erfindungsgemäss so in der Nähe der Kathode 309 angeordnet, dass die magnetischen Feldlinien den Strompfad 307 auf direktem Weg vom Brennfleck 315 zur Anode 303 erlauben. Eine wie oben beschriebene Drift lässt sich im Wesentlichen vermeiden, wenn das elektrische Feld im Wesentlichen parallel zum magnetischen Feld verläuft. In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Anode so ausgestaltet, dass dies bei angelegter Spannung und angeschaltetem Magnetfeld erfüllt ist und bis auf die zentralen Magnetfeldlinien nahezu alle oder zumindest ein Grossteil der Magnetfeldlinien zur Anode führen. Die Bahn der Elektronen wird durch den Larmor Radius charakterisiert und beschreibt eine Gyration um den Feldlinienverlauf. Der Gyrations Radius für ein Elektron beträgt für 10 Gauss ca. 1 mm für 100 Gauss ca. 0.1mm. Die Bahn ist daher bei entsprechenden magnetischen Feldstärken gut entlang der Feldlinie lokalisiert. Die Wirkung einer solchen Anordnung ist eine Reduktion der Gesamt Entladungsspannung und eine Erhöhung der Beschichtungsrate. Das Arbeitsgas in der Nähe des Targets wird nur geringfügig ionisiert.
Eine mögliche vorteilhafte Anwendung der vorliegenden Erfindung ist das Metall Ionen Ätzen (MIE).
Dies wird durch eine weitere Besonderheit der erfinderischen Arc-Verdampfungsquelle möglich. Die Besonderheit besteht in der Möglichkeit eines stabilen Betriebs selbst ohne Arbeitsgas im Vakuum mit Drücken kleiner als 1 E-03Pa. Dabei wird es durch die gute elektrische Anbindung des Are -Spots 5 an die Anode möglich, dass die elektrische Leitfähigkeit des Metallplasmas 8 ausreicht um den Strom von der Kathode zur Anode zu tragen 9. Der Metalldampf aus der Are Quelle ist zu einem hohen Grad einfach und mehrfach ionisiert und kann durch die Biasspannung 12 auf das Substrat 11 beschleunigt werden. Damit kann ein Metall Ionen Ätzen (MIE) effektiv realisiert werden Eine entsprechende MIE- Vorrichtung 401 ist in Figur 4 gezeigt: Diese umfasst eine ARC-Verdampfungsquelle 403 und eine Substrathalterung 407, welche in einer Vakuumkammer 405 angeordnet sind. Die Substrathalterung, bestückt mit zu ätzenden Substraten (nicht gezeigt) wird mit Hilfe einer Spannungsquelle 408 auf negatives Potential gelegt, wodurch die an der ARC-Verdampfungsquelle entstehenden positiven Ionen zu den Substraten hin beschleunigt werden.
Bemerkenswert ist, dass der Betrieb im Vakuum bei sehr geringen Stromstärken aufrecht erhalten werden kann: Bei der Auswahl des Parameterraumes für den oben genannten MIE Prozess ergab sich erstaunlicherweise, dass selbst bei sehr geringem Entladestrom der ARC -Entladung ein stabiler Prozess möglich ist. Aufgrund der Magnetfeldlinien wird das Potential der Anode bis kurz vor die Targetoberfläche„verschleppt", wodurch der Strompfad aufrecht erhalten werden kann.
Für Aluminium konnte ein stabiler Prozess bei Stromstärken bis hinunter zu knapp oberhalb 10 A und für Titan bei Stromstärken bis hinunter zu knapp oberhalb 40 A festgestellt werden. Mit der erfindungsgemässen ARC-Verdampfungsquelle kann Metall Ionen Ätzen auch mit anderen Materialien, wie zum Beispiel Cr, Nb, Ta und andere Metalle mit hohem lonisierungsgrad und hohem Anteil an Mehrfachionisation stabil durchgeführt werden.
Die erfindungsgemässe ARC-Verdampfungsquelle lässt sich mit unterschiedlichen Beschaltungen realisieren, die ihrerseits wiederum selbst erfinderisch sind.
Zunächst wird wieder zum besseren Verständnis die Situation beim Verwenden einer ARC- Verdampfungsquelle gemäss dem Stand der Technik skizziert. Dementsprechend ist in Figur 5 eine nach dem Stand der Technik angegebene Beschaltung dargestellt.
Dabei bildet die Kammerwand des Rezipienten 505 die Anode. Die magnetischen Feldlinien, welche vom Target ausgehen, haben keine direkte Verbindung mit der Anode. In der Figur 5 gezeigt ist eine Beschichtungsvorrichtung 501 mit einer ARC-Verdampfungsquelle 503 die in einem Rezipienten 505 angeordnet ist, wobei in dem Rezipienten 505 ausserdem ein Substrathalter 507 angeordnet ist der mittels einer Spannungsquelle 508 auf negative Spannung gelegt werden kann. Speziell bei hohen magnetischen Feldstärken, welche sich auf die Schichtrauhigkeit positiv auswirken, kommt es zu starker Ionisation des Arbeitsgases (z.B. N2) und damit zu einer Erhöhung der Entladespannung bzw. einem Potentialfall vor dem Target. Ausserdem kommt es durch die hohe Elektronentemperatur der Entladungen (2eV-5eV) zu einer Verzerrung des Potentials vor dem Substrat, wie in Figur 6 skizziert.
In Figur 4 wurde demgegenüber eine erfindungsgemässe Ausführungsform skizziert und bereits weitgehend erläutert.
Das mit hohem lonisationsgrad verdampfte Kathodenmaterial wird über eine Biasspannung 408 auf das Substrat beschleunigt.. Das elektrische System Kathode 1 -Anode 4 ist floatend zur Kammermasse 10 ausgeführt.
Das Plasmapotential UpiaSma ist in dieser Ausführungsform an die Kammerwand gebunden. Der Entladungsstrom der Are- Quelle fliesst von der Kathode zur Anode. Die Kathodenspannung in diesem Beispiel von ca. -16 bis -25V wird gegen die Anode 4 aufgebaut. Der Substratbias aus Generator 408 beschleunigt Ionen aus dem Plasma mit Plasmapotential Upiasma gegen das Substrat. Der Potentialverlauf vor dem Substrat ist, wie in der Figur 7 dargestellt, nicht mehr verzerrt, da die Elektronentemperatur eines solchen Plasmas lediglich ca. 0.3eV bis 1eV beträgt.
Eine weitere Ausführungsform ist in Figur 8 gezeigt, nämlich eine Beschichtungsvorrichtung 801 mit einer ARC-Verdampfungsquelle 803 die in einem Rezipienten 805 angeordnet ist, wobei in dem Rezipienten 805 ausserdem ein Substrathalter 807 angeordnet ist der mittels einer Spannungsquelle 808 auf negative Spannung gelegt werden kann. Gemäss dieser Ausführungsform wird im Unterschied zur Figur 4 die Kathode des in Figur 4 floatenden Kathoden-Anoden Systems auf Kammermasse (Ground) geschalten. Dabei werden die Potentiale verschoben, wie in Figur 9 dargestellt. Das Kathodenpotential wird zur Kammermasse verschoben. Der ARC- Entladestrom verläuft von Kathode zu Anode. Die von der Spannungsquelle (Biasversorgung) 808 aufgebrachte Spannung (in diesem Beispiel 40V erzeugt eine Beschleunigung der Ionen mit einem zusätzlichen Anteil Ubias +Uplasma
In Figur 8 ist die Kathode mit der Kammer kurzgeschlossen und liegt somit auf Kammermasse. Es ist aber auch möglich Kathode und Kammer über eine Spannungsquelle zu verbinden und hierdurch eine zusätzliche Potentialverschiebung zu erreichen. Damit kann erreicht werden, dass das Plasmapotential, zumindest vor der Anode, stark positiv wird. Dies ist in den Figuren 10 und 11 gezeigt.

Claims

Ansprüche:
1. ARC-Verdampfungsvorrichtung umfassend
- eine Kathode die eine Oberfläche mit demjenigen Material enthält, welches verdampft werden soll
- magnetische Mittel welche zu einem Magnetfeld über der Oberfläche führen
- eine Anode zur Absorption der Elektronen, die während des Verdampfungsprozesses aus der Kathode herausgezogenen werden
- eine Spannungsquelle, die es erlaubt zumindest zeitweise die Anode gegenüber der Kathode auf positives Potential zu legen
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anode in der Nähe der Kathode angeordnet ist dergestalt, dass die aus der Oberfläche des
Kathode austretenden Magnetfeldlinien auf die Anode treffen falls sie nicht in einem zentralen Bereich der Kathode aus der Oberfläche treten.
2. ARC-Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Position und Geometrie der Anode im Verhältnis zur Kathode so gewählt ist, dass die Magnetfeldlinien unter einem
Winkel von über 45° und vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche der Anode treffen.
3. ARC-Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und Geometrie der Anode im Verhältnis zur Kathode so gewählt ist, dass die Magnetfeldlinien und die elektrischen Feldlinien welche auf die Anode treffen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
4. ARC-Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass im zentralen Bereich Vorkehrungen getroffen wurden, welche dessen Erosion während des Betriebes der Verdampfungsvorrichtung im Wesentlichen verhindern.
5. ARC-Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkehrungen eine Blende im zentralen Bereich der Kathodenoberfläche umfassen.
6. Vakumbehandlungsvorrichtung mit einem Rezipienten und einer Halterung für Substrate und mit einer ARC-Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.
7. Vakuumbehandlungskammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode der ARC-Verdampfungsvorrichtung gegenüber dem Rezipienten auf einem Potential gehalten wird welches floatend, gleich oder positiv ist.
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