DD280338A1

DD280338A1 - Method for operating a vacuum arc discharge evaporator

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.The invention relates to a method of operating a pulsed arc vacuum arc discharge vaporizer for vaporizing conductive materials at a high rate. The invention has for its object to exploit the well-known occurrence of multiple focal spots in übergestehten Bogenstroemen for targeted increase in evaporation performance. According to the invention, the object is achieved in that the vacuum arc discharge is centered on the target with such a current intensity that at least two focal spots are formed and immediately after the end the current intensity of the vacuum arc is steadily increased further, such that the individual vacuum arcs further divide that the arc current before the focal spots reach the edge of the target, is turned off or lowered so that the vacuum arc discharges extinguished and this process is repeated cyclically.

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Vakuum-Bogenentladungs-Verdampfers mit gepulster Bogenentladung zur Verdampfung von leitfähigen Materialien mit hoher Rate.The invention relates to a method of operating a pulsed arc vacuum arc discharge evaporator for the high rate vaporization of conductive materials.

Characteristic of the known state of the art

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).Construction and mode of action of evaporators, which use the principle of Vakuumbogenentladur.g, are widely described and widely known (eg., VDI-Zeitung 129, 1987, 1984, 1984).

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.The main advantage of this evaporator principle is that with relatively simple means high deposition rates can be achieved. In addition, arc evaporators are characterized by the fact that the vapor released from the cathode spot is highly ionized and the ions have considerable kinetic energy (50... 10 OeV), which can produce layers of high density and good adhesion.

Ein wesentlicher Nachteil dieses Prinzips besteht darin, daß der Brennfleck sich völlig stochastisch und unkontrollierbar auf der Katodenoberfläche bewegt.A major disadvantage of this principle is that the focal spot moves completely stochastically and uncontrollably on the cathode surface.

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).To limit the erosion area are in DE-OS 3328677 z. B. magnetic fields have been proposed for bowing and in DE-OS 3345493 Begrenziingseinrichtungen of special materials with low electron emission coefficient. Common to these proposals, although it is possible to influence the focal spot movement, but not to control the movement of the arc or the focal spot defined on the cathode. Thus, there is no assurance that the breaking of the sheet is prevented. The magnetic field alone is sufficient z. B. is usually not sufficient to safely limit the erosion area, and electrically active limitations can be ineffective by steaming during discharge. In general, such measures restrict the useful cathode area. This reduces the material utilization of the cathode and thus the effectiveness of the process. It has also been proposed to ignite discharges of short duration in rapid succession by means of laser pulses locally defined on the cathode surface. During the short burning time, the focal spot only erodes the immediate vicinity of the ignition point. By systematic displacement of the ignition point a uniform removal of the cathode is achieved. Furthermore, this method makes use of the fact that the proportion of spatters in the total erosion can be substantially reduced by a short pulse duration (see, for example, BJE 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.Another principal disadvantage of all known vacuum arc evaporators is that the performance of a cathode is limited. The arc discharge can be kept stable only in the current range between 50 and 100A, while the burning voltage is in turn determined by the material typical Katodenfallspannung. In a pulsed operation, the performance of an evaporator drops even further.

Object of the invention

Die Erfindung verfolgt das Ziel, plasmagestützt Schichten mit hoher Haftfestigkeit, Homogenität und hoher Abscheiderate herzustellen.The invention aims to produce plasma-enhanced layers with high adhesion, homogeneity and high deposition rate.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Auftreten von mehreren Brennflecken bei überhöhten Bogenstromen zur gezielten Erhöhung der Verdampfungsleistung auszunutzen.The invention has for its object to exploit the known occurrence of multiple focal spots with excessive arc flow for targeted increase in evaporation performance.

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.According to the invention the object is achieved in that the vacuum arc discharge is ignited centrally on the target with such a current that form at least two focal spots and that immediately after ignition, the current strength of the vacuum arcs is steadily increased, such that the individual vacuum arcs divide further that the arc current before the focal spots reach the edge of the target is turned off or lowered so that the vacuum arc discharges go out and that this process is repeated cyclically.

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"In this procedure, it was found that the individual focal spots, by the resulting magnetic fields, abut each other, with the result that they are always the same distance voneinandr.r. This also makes the "stochastic"

-2- 280 333-2- 280 333

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.Movement of the cathode spot of a vacuum arc discharge suppressed, and the focal spots move largely radially away from the ignition. This also avoids local overheating at the repeatedly traversed target site and suppresses the Dropletemission in this regard.

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.Switching off the arc discharge before reaching the Tartrandes is required so that the individual vacuum arcs does not burn uncontrollably against the target holder or other parts and damage them.

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.The advantage of this method in any case, the use of ring anodes coaxial with the target. The ignition mechanism can be done in a known manner by means of a trigger electrode, but also by means of the known Laserimpu ¹ 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.The switching off of the arc discharge can be effected such that, shortly before the focal spots reach the edge of the target, a short high-current pulse is applied in the opposite direction to the discharge current.

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.After the Stromversorgungsnetzvverk was reloaded, the next discharge can be ignited in the same way. The maximum discharge current (just before current quenching) can be between 1 and 2OkA, possibly not more than that, so even with a 1:10 duty cycle, the averaged evaporation efficiency is more than 10 times the usual vacuum arc evaporator in DC operation.

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.The process combines the benefit of significantly higher performance with a simple mechanical design of the evaporator system with the advantages of the pulsed arc evaporator, low droplet emission, precise controllability, and uniform removal of the target electrode.

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.The requirement that the ignition of the arc discharge should be made centrally on the target results from the fact that the target is generally eroded only on one side. On the other hand, however, it is also possible, on an elongate target of the same or different material, to ignite the arc discharge periodically varying at different points on the longitudinal axis of the target.

embodiment

Nachfolgend soll die Erfindung an zwei Beispielen näher erläutert werdenThe invention will be explained in more detail below with reference to two examples

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in The accompanying drawings show in

Fig. 1: schematisch einen Vakuum-Bogenentladungs-Verdampfsr mit zentrischemn Zuendstift und Fig. 2: einen Vakuum-Bogenentladungs-Verdampfer mit Laser-Impulszündung.1 shows schematically a vacuum arc discharge evaporator with centric ignition pin and FIG. 2 a vacuum arc discharge evaporator with laser pulse ignition.

Example 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.The per se known vacuum arc-discharge evaporator has a massive cathode 1 as a target of 5 cm in diameter and a coaxial thereto arranged anode 2. In the middle of the cathode 1, a firing pin 3 is arranged in a bore. At a distance of 10 cm, the cathode faces the substrate 4, on which the deposition is to take place. The main element of the power supply, which provides the necessary for the discharge current is the capacitor bank 5, which is charged from a charger 6 to a voltage of 500 V.

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.To initiate a discharge, first the switch 7, which is realized in the example by a thyristor, closed. Thus, the current begins to flow through the inductors 8 and 9 and through the resistor 10, whereby the capacitor 11 is charged. After the breakdown voltage of the spark gap 12 set to approximately 400 V is reached, it ignites and the capacitor discharges via the primary winding of the pulse transformer 13. This causes a positive high-voltage pulse of approximately 50 kV and a pulse duration of more than 100 ns to be applied to the firing pin 3. After an arc discharge between Katods 1 and anode 2 has been ignited in this way, current flows from the capacitor bank 5 via the inductance 8 and through the arc discharge. At the beginning of the arc discharge, the discharge current is equal to the current which has flowed through the inductor 9 and the resistor 10 onto the customer sensor 11 before ignition. The power supply according to the invention is designed so that immediately after the ignition of the discharge gap such a current flows that the Katodensnsatz is divided into several focal spots. The initial flow required for this is material-dependent (see, for example, B. E. Dakov, R. Holmes, J. Phys. D, Appl. Phys., 4, [1971] 504-509). For copper, this current must be above 10OA. Upon ignition of the arc discharge, the discharge current saturates with the slew rate determined by the inductor 8. As a result, the fuel feluses formed with the ignition diverge radially and continue to divide, so that the mean distance between them remains approximately constant. Once the focal spots have reached the edge of the cathode, the signal from the annular probe 14 located at the cathode edge becomes so strong that it exceeds a threshold and the discriminator 15 gives a pulse to the thyristor 16. Thus, the capacitor bank 17 whose polarity of the arc discharge is opposite, switched to the discharge path. This leads to the deletion of the discharge. After the Kondonsatorbattterien 5 and 17 are recharged by the power supplies 6 and 18, a re-ignition can be done by closing switch 7, until on the substrate 4 a sufficient layer thickness is reached.

Example 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.Similar to Example I, a compact cathode 1 and a coaxial anode 2 are arranged opposite to the substrate 4 in FIG. 2. However, in this example, a pulsed laser 20 is used to ignite the vacuum arc discharge. This is permanently installed. Thus, the ignition on the cathode 1 yet, z. B. for large and non-circular targets, can be varied, the cathode 1 was mounted on a horizontally movable on all sides Katodenhalterung. The annular anode 2 is fixedly installed independently thereof. In a known manner, the pulse-shaped laser beam 21 is spot-focused on the cathode surface. The pulse energy is about 5mJ, the pulse duration 100ns and the maximum power density 5 χ 1O ^l2 W / m ² . This laser pulse generates a small plasma cloud over the Katodonobe.'f laugh, which in turn is sufficient to ignite an arc discharge between the cathode 1 and the anode 2. At the moment of ignition, the arc current through resistor 22 (R = 2 ohms) is limited to about 250 amperes. But at least two cathode focal spots are formed. Thereafter, directly o'er discharge current is increased linearly, the current slew rate is determined by the inductance 23. With increasing arc current, more quark focal spots are formed which expand radially from the termination point.

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.By the discharge current 24 sin voltage signal is induced in the Ragowski coil, which is given to a delay element 25. This is after an adjustable arc burning einan pulse to the thyristor 26. Thus, the capacitor bank 30 whose polarity of the arc discharge is opposite, connected to the discharge path and deleted the arc. The arc burn time is such that the radius of the erosion area (corresponding to the running distance of the radially expanding cathode focal spots) is a few mm. After the capacitor banks 29 and 30 are recharged by the power supplies 27 and 28 and the cathode has been moved, a re-ignition can take place. By uniform displacement of the ignition location, it is possible. Targets of any shape (eg rectangular slices) to evaporate evenly and with high efficiency.

Claims

1. A method of operating a vacuum arc-discharge evaporator with pulsed arc discharge, characterized in that the vacuum arc discharge is ignited centrally on the target with such a current that form at least two cathode focal spots, that immediately after ignition, the current the vacuum arc discharge is steadily increased, such that the individual cathode focal spots are further split and that before the individual cathode focal points reach the edge of the target, the arc current is switched off or lowered so that the vacuum arc discharge extinguishes.

2. The method according to claim 1, characterized in that is varied at an elongated target of the ignition of the vacuum arc discharge along the longitudinal axis of the target.