DD280338A1

DD280338A1 - Verfahren zum Betreiben eines Vakuum-Bogenentladungsverdampfers

Info

Publication number: DD280338A1
Application number: DD32607089A
Authority: DD
Inventors: Bernd Bücken; Hans-Joachim Scheibe; Dietmar Schulze; Peter Dr Rer Nat Siemroth; Ruediger Wilberg
Original assignee: Hochvakuum Dresden Veb
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1989-02-28
Publication date: 1990-07-04
Also published as: DD280338B5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Vakuum-Bogenentladungsverdampfers mit gepulster Bogenentladung zur Verdampfung von leitfaehigen Materialien mit hoher Rate. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Auftreten von mehreren Brennflecken bei ueberhoehten Bogenstroemen zur gezielten Erhoehung der Verdampfungsleistung auszunutzen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die Vakuum-Bogenentladung mittig auf dem Target mit einer solchen Stromstaerke gezuendet wird, dass sich mindestens zwei Brennflecke ausbilden und dass unmittelbar nach dem Zuenden die Stromstaerke der Vakuumboegen stetig weitergesteigert wird, derart, dass sich die einzelnen Vakuumboegen weiter aufteilen, dass der Bogenstrom, bevor die Brennflecke den Rand des Targets erreichen, abgeschaltet oder so abgesenkt wird, dass die Vakuum-Bogenentladungen erloeschen und dass dieser Vorgang zyklisch wiederholt wird.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Vakuum-Bogenentladungs-Verdampfers mit gepulster Bogenentladung zur Verdampfung von leitfähigen Materialien mit hoher Rate.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Aufbau und Wirkungsweise von Verdampfern, die das Prinzip der Vakuumbogenentladur.g nutzen, sind vielfach beschrieben und weitgehend bekannt (z. B. VDI-Zeitung 129,1987,1,84).

Der wesentliche Vorteil dieses Verdampferprinzips besteht darin, daß mit vergleichsweise einfachen Einrichtungen hohe Abscheideraten erreicht werden können. Darüber hinaus zeichnen sich Bogenverdampfer dadurch aus, daß der vom Katodenbrennfleck freigesetzte Dampf hoch ionisiert ist und die Ionen beträchtliche kinetische Energie (50... 10OeV) besitzen, wodurch Schichten hoher Dichte und guter Haftfestigkeit erzeugt werden können.

Ein wesentlicher Nachteil dieses Prinzips besteht darin, daß der Brennfleck sich völlig stochastisch und unkontrollierbar auf der Katodenoberfläche bewegt.

Zur Eingrenzung des Erosionsgebietes sind in der DE-OS 3328677 z. B. Magnetfelder zur Bogenführung vorgeschlagen worden und in der DE-OS 3345493 Begrenziingseinrichtungen aus speziellen Materialien mit niedrigen Elektronenemissionskoeffizienten. Gemeinsam ist diesen Vorschlägen, daß es zwar gelingt, die Brennfleckbewegung zu beeinflussen, jedoch nicht die Bewegung des Bogens bzw. des Brennflecks auf der Katode definiert zu steuern. Somit ist keine Sicherheit gegeben, daß das Ausbrechen des Bogens verhindert wird. Das Magnetfeld allein reicht z. B. meist nicht aus, um den Erosionsbereich sicher zu begrenzen, und elektrisch aktive Begrenzungen können durch Bedampfen während der Entladung unwirksam werden. Im allgemeinen wird durch derartige Maßnahmen der nutzbare Katodenbereich eingeschränkt. Dadurch sinkt die Materiaiausnutzung der Katode und damit die Effektivität des Verfahrens. Es wurde auch schon vorgeschlagen, in schneller Folge Entladungen kurzer Dauer durch Laserimpulse örtlich definiert auf der Katodenoberfläche zu zünden. Während der kurzen Brenndauer erodiert der Brennfleck nur die unmittelbare Umgebung des Zündpunktes. Durch systematische Verschiebung des Zündpunktes wird eine gleichmäßige Abtragung der Katode erreicht. Weiterhin wird bei diesem Verfahren ausgenutzt, daß der Anteil der Spritzer an der Gesamterosion durch eine kurze Impulsdauer wesentlich vermindert werden kann (siehe dazu z. B. J. E. Daalder, J. Phys. D; Appl. Phys., 9 (1976) 2379-2395).

Ein weiterer prinzipieller Nachteil aller bekannten Vakuumbogenverdampfer besteht darin, daß die Leistungsfähigkeit einer Katode begrenzt ist. Die Bogenentladung kann nur im Strombereich zwischen 50 und 100A stabil gehalten werden, während die Brennspannung ihrerseits durch die materialtypische Katodenfallspannung festgelegt ist. Bei einem gepulsten Betrieb sinkt die Leistungsfähigkeit eines Verdampfers noch weiter ab.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, plasmagestützt Schichten mit hoher Haftfestigkeit, Homogenität und hoher Abscheiderate herzustellen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Auftreten von mehreren Brennflecken bei überhöhten Bogenstromen zur gezielten Erhöhung der Verdampfungsleistung auszunutzen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Vakuum-Bogenentladung mittig auf dem Target mit einer solchen Stromstärke gezündet wird, daß sich mindestens zwei Brennflecke ausbilden und daß unmittelbar nach dem Zünden die Stromstärke der Vakuumbögen stetig weitergesteigert wird, derart, daß sich die einzelnen Vakuumbögen weiter aufteilen, daß der Bogenstrom, bevor die Brennflecke den Rand des Targets erreichen, abgeschaltet oder so abgesenkt wird, daß die Vakuum-Bogenentladungen erlöschen und daß dieser Vorgang zyklisch wiederholt wird.

Bei dieser Verfahrensführung wurde gefunden, daß die einzelnen Brennflecken, durch die entstehenden Magnetfelder, sich gegenseitig nbstoßen, mit der Folge, daß sie voneinandr.r stets gleichweit entfernt sind. Dadurch wird auch die „stochastische"

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Bewegung des Katodenbrennfleckes einer Vakuumbogenentladung unterdrückt, und die Brennflecken bewegen sich weitgehend radial vom Zündort weg. Dadurch werden auch örtliche Überhitzung am wiederholt durchlaufenen Targetort vermieden und die Dropletemission diesbezüglich unterdrückt.

Das Abschalten der Bogenentladung vor Erreichen des Targetrandes ist erforderlich, damit die einzelnen Vakuumbögen nicht unkontrolliert gegen die Targethalterung oder andere Teile brennt und diese beschädigen.

Vorteilhaft ist bei diesem Verfahren in jedem Fall der Einsatz von Ringanoden koaxial zum Target. Der Zündmechanismus kann in bekannter Weise mittels einer Triggerelektrode erfolgen, aber auch mittels der bekannten Laserimpu¹ ^ndung.

Das Abschalten der Bogenentladung kann derart erfolgen, daß, kurz bevor die Brennflecke den Rand des Targets erreichen, ein kurzer Hochstromimpuls dem Entladungstrom entgegengesetzt gerichtet angelegt wird.

Nachdem das Stromversorgungsnetzvverk wieder nachgeladen wurde, kann die nächste Entladung auf gleiche Weise gezündet werden. Der maximale Entladungsstrom (direkt vor der Stromlöschung) kann zwischen 1 und 2OkA, möglicherweise nocli darüber liegen, damit beträgt die gemittelte verdampfungswirksame Leistung selbst bei einem Tastverhältnis von nur 1:10 mehr als das lOfache üblicher Vakuumbogenverdampfer im Gleichstrombetrieb.

Das Verfahren vereinigt den Vorzug wesentlich höherer Leistung bei einfachem mechanischen Aufbau des Verdampfersystems mit den Vorteilen des gepulsten Bogenverdampfers, geringer Dropletemission, präziser Steuerbarkeit und gleichmäßiger Abtragung der Targetelektrode.

Die Forderung, daß die Zündung der Bogenentladung mittig auf dem Target erfolgen soll, ergibt sich daraus, daß das Target sonst generell nur einseitig erodiert wird. Andererseits ist es aber auch möglich, auf einem langgestrecken Target aus gleichem oder unterschiedlichem Material, die· Bogenentladung periodisch variierend an verschiedenen Punkten der Längsachse des Targets zu zünden.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an zwei Beispielen näher erläutert werden

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1: schematisch einen Vakuum-Bogenentladungs-Verdampfsr mit zentrischemn Zuendstift und Fig. 2: einen Vakuum-Bogenentladungs-Verdampfer mit Laser-Impulszündung.

Beispiel I

Der an sich bekannte Vakuum-Bogenentladungs-Verdampfer hat eine massive Katode 1 als Target von 5cm Durchmesser und eine koaxial dazu angeordnete Anode 2. In der Mitte der Katode 1 ist in einer Bohrung ein Zündstift 3 angeordnet. In einer Entfernung von 10cm steht der Katode das Substrat 4, auf dem die Abscheidung erfolgen soll, gegenüber. Hauptelement der Stromversorgung, die den für die Entladung notwendigen Strom liefert, ist die Kondensatorbatterie 5, die aus einem Ladegerät 6 auf eine Spannung von 500 V aufgeladen wird.

Zur Einleitung einer Entladung wird zuerst der Schalter 7, der im Beispiel durch einen Thyristor realisiert wird, geschlossen. Damit beginnt der Strom über die Induktivitäten 8 und 9 sowie durch den Widerstand 10 zu fließen, wodurch der Kondensator 11 aufgeladen wird. Nachdem die auf etwa 400 V eingestellte Durchschlagsspannung der Funkenstrecke 12 erreicht ist, zündet diese und der Kondensator entlädt sich über die Primärwicklung des Impulstransformators 13. Dadurch wird ein positiver Hochspannuiigsimpuls von etwa 5OkV und einer Impulsdauer von mehr als 100ns auf den Zündstift 3 geleitet. Nachdem auf diese Weise eine Bogenentladung zwischen Katods 1 und Anode 2 gezündet wurde, fließt Strom aus der Kondensatorbatterie 5 über die Induktivität 8 und durch die Bogenentladung. Zu Beginn der Bogenentladung ist der Entladungsstrom gleich dem Strom, der vor der Zündung durch die Induktivität 9 und den Widerstand 10 auf den Kundensator 11 geflossen ist. Die Stromversorgung ist erfindungsgemäß so ausgelegt, daß sofort nach dem Durchzünden der Entladungsstrecke ein solcher Strom fließt, daß der Katodensnsatz sich in mehrere Brennflecke aufteilt. Der dazu notwendige Anfangsstrom ist materialabhängig (siehe z.B. B.E.Djakov, R.Holmes; J. Phys. D; Appl.Phys.4 [1971] 504-509). Bei Kupfer müß:e dieser Strom über 10OA betragen. Nach Zündung der Bogenentladung sieigt der Entladungsstrom mit der durch die Induktivität 8 festgelegten Anstiegsgeschwindigkeit. Dies führt dazu, daß die Brennfiecke, die sich mit der Zuendung gebildet haben, radial auseinanderlaufen und sich dabei ständig weiter teilen, so daß der mittlere Abstand zwischen ihnen in etwa konstant bleibt. Sobald die Brennflecke den Rand der Katode erreicht haben, wird das Signal der ringförmigen am Katodenrand angeordneten Sonde 14 so stark, daß es einen Schwellwert überschreitet und der Diskriminator 15 einen Impuls auf den Thyristor 16 gibt. Damit wird die Kondensatorbatterie 17, deren Polarität der Bogenentladung entgegengesetzt ist, auf die Entladungsstrecke geschaltet. Dies führt zur Löschung der Entladung. Nachdem durch die Spannungsversorgungen 6 bzw. 18 die Kondonsatorbattterien 5 bzw. 17 nachgeladen sind, kann eine erneute Zündung durch Schließen von Schalter 7 erfolgen, bis auf dem Substrat 4 eine ausreichende Schichtdicke erreicht ist.

Beispiel Il

Ähnlich wie im Beispiel I ist in Fig. 2 eine kompakte Katode 1 und eine koaxiale Anode 2 gegenüber dem Substrat 4 angeordnet. Zur Zündung der Vakuum-Bogenentladung wird in diesem Beispiel jedoch ein Impulslaser 20 eingesetzt. Dieser ist fest installiert. Damit der Zündort auf der Katode 1 dennoch, z. B. bei großen und nicht kreisförmigen Targets, variiert werden kann, wurde die Katode 1 auf einer horizontal allseitig verschiebbaren Katodenhalterung montiert. Die ringförmige Anode 2 ist davon unabhängig fest installiert. In bekannter Woise ist der irnpulsförmige Laserstrahl 21 punktförmig auf die Katodenoberfläche fokussiert. Die Impulsenergie beträgt etwa 5mJ, die Impulsdauer 100ns und die maximale Leistungsdichte 5 χ 1O^l2W/m². Dieser Laserimpuls erzeugt über der Katodonobe.'f lache eine kleine Plasmawolke, die ihrerseits ausreicht, zwischen der Katode 1 und der Anode 2 eine Bogenentladung zu zünden. Im Moment der Zündung ist der Bogenstrom durch den Widerstand 22 (R = 2 Ohm) auf etwa 250 A begrenzt. Damit bilden sich aber mindestens zwei Katoden-Brennflecke aus. Danach wird unmittelbar o'er Entladungsstrom linear erhöht, wobei die Stromanstiegsgeschwindigkeit von der Induktivität 23 bestimmt wird. Mit steigendem Bogenstrom bilden sich weitere Kaioden-Brennflecke aus, die vom Zuendpunkt ausgehend radial expandieren.

Durch den Entladungsstrom wird in der Ragowski-Spule 24 sin Spannungssignal induziert, welches auf ein Verzögerungsglied 25 gegeben wird. Dieses gibt nach einer einstellbaren Bogenbrenndauer einan Impuls auf den Thyristor 26. Damit wird die Kondensatorbatterie 30, deren Polarität der Bogenentladung entgegengesetzt ist, auf die Entladungsstrecke geschaltet und der Bogen gelöscht. Die Bogenbrenndauer ist so bemessen, daß der Radius des Erosionsgebietes (entsprechend der Laufstrecke der radial expandierenden Katoden-Brennflecke) einige mm beträgt. Nachdem durch die Spannungsversorgungen 27 bzw. 28 die Kondensatorbatterien 29 bzw. 30 nachgeladen sind und die Katode verschoben wurde, kann eine erneute Zündung erfolgen. Durch gleichmäßiges Verschieben des Zündortes ist es möglich. Targets beliebiger Form (z. B. auch rechteckige Scheiben) gleichmäßig und mit hoher Effektivität zu verdampfen.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Vakuum-Bogenentladungs-Verdampfers mit gepulster Bogenentladung, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuum-Bogenentladung mittig auf dem Target mit einer solchen Stromstärke gezündet wird, daß sich mindestens zwei Katoden-Brennflecke ausbilden, daß unmittelbar nach dem Zünden die Stromstärke der Vakuum-Bogenentladung stetig weitergesteigert wird, derart, daß sich die einzelnen Katoden-Brennflecke weiter aufteilen und daß, bevor die einzelnen Katoden-Brennflecke den Rand des Targets erreichen, der Bogenstrom abgeschaltet oder so abgesenkt wird, daß die Vakuum-Bogenentladung erlöscht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem langgestreckten Target der Zündort der Vakuum-Bogenentladung entlang der Längsachse des Targets variiert wird.