DE3901401A1 - Verfahren zur steuerung einer vakuum-lichtbogenentladung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Vakuum-Lichtbogens, wie er in der Form sogenannter Kaltkatoden-Bogenverdampfer zum Verdampfen leitfähiger Materialien, insbesondere von Metallen vielfältigen Einsatz, z. B. für die Zwecke der reaktiven plasmagestützten Hartstoffbeschichtung, Anwendung gefunden hat. Derartige Verdampfungssysteme zeichnen sich dadurch aus, daß ein Verdampfung von oben nach unten möglich ist und hohe Verdampfungsraten realisierbar sind.

Aufbau und Wirkungsweise von Verdampfern, die auf dem Prinzip der Vakuum-Lichtbogenentladung beruhen, sind vielfach beschrieben und weitgehend bekannt (z. B. VDI-Zeitschrift 129, 1987, 1, 84).

Ihre Funktion beruht darauf, daß innerhalb eines Vakuumbehälters zwischen einer relativ großflächigen Katode, die aus dem zu verdampfenden leitfähigen Material besteht und einer isoliert dazu angeordneten Anode durch bekannten Methoden ein Lichtbogen gezündet wird. Üblicherweise wird dazu eine anodische Zündelektrode kurzzeitig auf die Katode getippt. Es wurde auch vorgeschlagen, zur Zündung spezielle HF-Plasmen oder fokussierte Laserstrahlung einzusetzen (EP 2 11 413).

Der Lichtbogen kann Stromstärken zwischen einigen 10 A und 100 A bei Spannungen zwischen 20 V und 50 V leiten, tritt mit der Katode im sogenannten Brennfleck in Kontakt und führt dort zu einem erosiven Materialabtrag. Durch die sehr hohe Energiedichte im Brennfleck, der einen Durchmesser von nur einigen µm hat, kommt es zur extrem schnellen Aufheizung, die zu einer explosionsartigen Verdampfung sowie Ionisierung des Katodenmaterials führt. Die geladenen Teilchen im Plasma besitzen dabei eine hohe Energie und Dichte.

Eines der Probleme bei diesem Vakuum-Bogenentladungsprinzip wird dadurch hervorgerufen, daß der Brennfleck sich völlig stochastisch und unkontrollierbar auf der Katodenoberfläche bewegt. Diese sehr schnell verlaufende Bewegung führt zu einer Instabilität des Bogens und auch dazu, daß der Bogen ausbricht und Isolatoren, Abschirmungen, u. ä. Einbauten in der Nähe der Katode beschädigt. Zur Beseitigung dieses Mangels sind bereits Vorschläge unterbreitet worden, die eine Begrenzung des Lichtbogens auf der Katodenfläche zum Inhalt haben. In der DE-OS 35 28 677 werden z. B. Magnetfelder zur Bogenführung vorgeschlagen und in der DE-OS 33 45 493 Begrenzungseinrichtungen aus speziellen Materialien mit niedrigen Elektronenemissionskoeffizienten eingesetzt.

Gemeinsam ist diesen Vorschlägen, daß es zwar gelingt die Brennfleckbewegung zu beeinflussen, jedoch nicht diese Bewegung des Bogens, bzw. des Brennfleckes auf der Katode definiert zu steuern. Somit ist keine Sicherheit vorhanden, daß das Ausbrechen des Bogens verhindert wird. Die Größe des Magnetfeldes, z. B. reicht nicht immer aus, um den Erosionsbereich sicher zu begrenzen. Elektrisch aktive Begrenzungen können durch Bedampfen während des Betriebes der Entladung unwirksam werden. Im allgeinen ist durch derartige Varianten aber der Katodenbereich, in dem die Erosion eintritt, eingeschränkt. Dadurch sinkt die Materialausnutzung an der Katode und die Effektivität des Verfahrens. Ein weiterer Nachteil des Vakuum-Bogenentladungsverdampfers besteht in dem bisher noch ungelösten Problem der Verminderung der Tröpfchenbildung, der sogenannten Droplets.

Droplets sind relativ große Materialteilchen, die durch den Katodenmechanismus, insbesondere durch die unterschiedlich große und nicht steuerbare Geschwindigkeit des Brennfleckes auf der Katode hervorgerufen werden, und wenn sie auf die Substrate auftreffen, die Schichtbildung und die Schichtqaulität vermindern. Teilweise wird dadurch Substrat und Schicht unbrauchbar.

Die Herstellung von Mehrfachschichten mittels Vakuum-Lichtbogenverdampfung ist jedoch relativ schwer möglich, wenn die verschiedenen Materialien von einem Verdampfer aus verdampft werden sollen.

In der DE-PS 31 52 736 wird eine Katode für einen Lichtbogen-Metallverdampfer beschrieben, die aus mehreren Schichten von Metallen mit unterschiedlich großem Katodenfall besteht, die derart angeordnet sind, daß der Katodenfall von der geometrischen Achse der Katode zu deren Randpartien hin geringer wird. Durch die Wechselwirkung magnetischer Felder mit Eigenbewegung des Katodenbrennfleckes durch den unterschiedlichen Katodenfall kann eine Zweifachschicht hergestellt werden. Eine reproduzierbare definierte Abscheidung der einzelnen Schichtkomponenten ist jedoch nicht möglich.

Die US-PS 45 96 716 beschreibt eine Einrichtung zur Vakuum-Lichtbogenverdampfung, bei der zwei Elektroden aus den zu verdampfenden Materialien wahl- und wechselweise als Katode oder Anode geschaltet werden können. Eine derartige Anordnung gestattet jedoch keine Abscheidung reiner Einzelschichten, da physikalisch bedingt, nicht vermeidbare Materialtransporte von Katode zur Anode nach erfolgter Umschaltung auftreten, die später wieder mit­ verdampft werden. Vor allem bei der Herstellung sehr dünner optischer Schichten können diese Verunreinigungen stören.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, welches durch sichere Steuerung der Brennfleckbewegung auf der Katode die Dropletbildung minimiert und die Katodenmaterialausnutzung erhöht sowie die Herstellung von Mehrfachschichten gestattet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Spannung zwischen Anode und Katode pulsierend angelegt und jeweils bei maximaler Spannung ein Laserimpuls örtlich definiert auf die Katodenoberfläche gerichtet wird. Die Spannung zwischen Anode und Katode liegt dabei in der Regel unterhalb der Spannung, die für eine selbständige Zündung der Bogenentladung erforderlich ist. Das Spannungsminimum hat dabei einen Wert, der mit Sicherheit zum Verlöschen der Entladung führt. Bei den üblichen Bogenentladungsverdampfern liegt das Spannungsmaximum bei 100 V und das Minimum bei 10 V. Die Brennzeit der Bogenentladung wird in Abhängigkeit vom Katodenmaterial und dem Oberflächenzustand der Katode im Bereich von einigen µs eingestellt. Die Festlegung der pro Brennintervall (Impuls) umgesetzten Leistung ist über eine entsprechende Dimensionierung im Stromversorgungskreis der Vakuum-Lichtbogenentladung möglich.

Durch die Einleitung des erfindungsgemäßen stark fokussierten Laserimpulses zum Zeitpunkt des Erreichens des Spannungsmaximums auf die elektrisch leitfähige Oberfläche, wird an dieser Stelle ein Plasma erzeugt. Die Plasmafront erreicht die Anode des Bogenentladungsverdampfers und führt zur Zündung eines Vakuumlichtbogens zwischen Anode und der Auftreffstelle des Laserstrahles auf der Katode. Die Impulsdauer des Lasers ist dabei kurz gegenüber der Brenndauer des Vakuumbogens, der erst durch Absenken der Spannung zwischen Anode und Katode zum Verlöschen gebracht wird. Die Impulsfolgefrequenz ist in weiten Grenzen wählbar und lediglich durch die Leistungsfähigkeit des Lasers sowie die Zeit bestimmt, die benötigt wird, um die Energie für den Bogenverdampfer-Impuls bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird der Auftreffort des Laserimpulses auf der Katode zwischen zwei Zündimpulsen durch geeignete Mittel (z. B. Dreh- oder Schwingspiegel) verändert und die Katodenoberfläche gleichmäßig oder nach einem festgelegten Muster abgerastert. Dadurch wird erreicht, daß die Katode maximal als Materialquelle ausgenutzt sowie das Erosionsprofil bestimmten Erfordernissen gemäß gestaltet werden kann. Beispielsweise ist es möglich, dieses Erosionsprofil der Katode so zu gestalten, daß die Verdampfungscharakteristik über den gesamten, zum Abtrag der Katode benötigten, Zeitraum konstant bleibt oder sich gezielt verändert. Durch die Steuerung der Brennfleckbewegung kann weiterhin gesichert werden, daß ein Ausbrechen des Bogens aus dem Katodenbereich unmöglich wird.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet erstmalig eine sichere Steuerung der Brennfleckbewegung auf der Katode, wobei sich die Droplet-Bildung deutlich reduziert. Das Katodenmaterial wird gezielt über die gesamte Fläche ausgenutzt. Durch die Steuerbarkeit wird weiterhin eine weitgehende Regelbarkeit der Verdampfungsrate und Verdampfungscharakteristik erreicht.

Zur Herstellung von Mehrfachschichten an verschiedenen Verdampfungsmaterialien wird die Bogenentladung wahlweise gegenüber dem Zentrum eines von mehreren Targets gezündet und die Impulslänge, d. h. die Brenndauer einer Bogenentladung, derart gewählt wird, daß die maximal zu erwartende Verschiebung des Katodenbrennfleckes während des Impulses kleiner ist als der geringste Abstand zum Targetrand und, daß die Schichtdicken der herzustellenden Einzelschicht mittels der Zahl der Bogenentladungen gegen ein Target, bzw. auf das entsprechende Material, bestimmt wird.

Die Variierung der einzelnen Materialien ist leicht über die Veränderung des Zündortes möglich. Die Zahl der verschiedenen Verdampfungsmaterialien ist grundsätzlich beliebig. Sie werden vorteilhaft auf einen gemeinsamen katodischen Targetträger angeordnet. Nach erfolgter Zündung beginnt der Katodenbrennfleck des Lichtbogens unter unmittelbarer Targetverdampfung seinen physikalisch bedingten unkontrollierten Weg, auch Verschiebung genannt, über die Targetoberfläche. In Abhängigkeit von der materialspezifischen Geschwindigkeit der Brennfleckverschiebung und des radialen Randabstandes auf dem Target, wird die Impuls- bzw. Brenndauer des Lichtbogens durch Absenkung der Bogenspannung so bestimmt, daß die Verschiebung des Lichtbogenbrennfleckes kleiner ist als der kleinste Randabstand auf dem Target. Damit wird sichergestellt, daß innerhalb eines derartigen Bogenentladungs-Impulses nur Material dieses einen Targets verdampft wird, auch wenn in unmittelbarer Nähe auf dem katodischen Targetträger andere Targetmaterialien vorhanden sind.

Die Verdampfungsmenge innerhalb eines Impulses ist in der Regel für den technologischen Beschichtungsprozeß zu gering. Deshalb liegt es an den technologischen Erfordernissen, wie oft nacheinander ein Bogenentladungs-Impuls gegen das gleiche Target gezündet wird und wann mittels Veränderung des Zündortes die Bogenentladung gegen ein anderes Target gezündet wird.

Die Impulszeiten für einen Bogenentladungs-Impuls sind sehr unterschiedlich und richten sich nach dem Material und den daraus folgenden Geschwindigkeiten der Brennfleckverschiebung und der Targetgröße. Bei üblichen Dimensionierungen liegen die Impulszeiten bei einigen Millisekunden.

Zur Vermeidung makroskopischer Kraterbildung ist es vorteilhaft den Zündort auf einem Target von Entladung zu Entladung, in einem Bereich der geringer ist als die mittlere Verschiebung während eines Entladungsimpulses, zu verändern.

Mittels dieser Verfahrensführung ist es sehr gut möglich Mehrfachschichten aus verschiedenen leitfähigen Materialien mit variabler Dicke und hoher Reinheit herzustellen.

Aufgrund der relativ geringen Verdampfungsmenge bei einem Bogenentladungsimpuls ist es beim ständigen Wechsel der Targets, gegen die die Bogenentladung brennt, praktisch auch möglich Mischschichten herzustellen, obwohl es eigentlich auch nur Mehrfachschichten sind.

Unabhängig von der erfindungsgemäßen Verfahrensführung kann die Arbeitsatmosphäre inert oder reaktiv sein, in entsprechender Weise ändert sich die abgeschiedene Schicht auf dem Substrat.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden.

Beispiel I

In einer Hochvakuum-Bedampfungsanlage ist ein Kaltkatodenverdampfer, bestehend aus wassergekühlter Targetkatode und ringförmiger Anode, installiert. Die Stromversorgung für diesen Verdampfer ist so ausgelegt, daß die Zündspannung von 100 V bei einer maxiamlen Strombelastung von 100 A impulsförmig mit Impulslängen von einigen µs zugeführt wird.

Synchron, mit Erreichen des oberen Spannungswertes, wird ein Nd-YAG-Laserimpuls der Leistungsdichte von 10⁷ Wom^-2 auf die Katodenoberfläche gerichtet. Dadurch wird erfindungsgemäß der Vakuumlichtbogen gezündet und brennt bis zum Erreichen der unteren Schwellspannung. Die Laserimpulsdauer beträgt 500 ns und die Brenndauer des Vakuumlichtbogens ca. 10 µs. Die Impulsfrequenz liegt im Beispiel bei 10 Hz.

Die Einleitung des Laserstrahls auf die Katodenoberfläche erfolgt mittels Fokussiersystem und eines um zwei Achsen programmierbaren auslenkbaren Schwingspiegels sowie ein Lasereintrittsfenster. Damit kann die Katodenoberfläche programmiert punktförmig abgerastert werden. Mit diesem Verfahren, bei dem die Katode aus einem graphitischen Kohlenstoff besteht, wird eine Verdampfungsrate von 05 g/min erreicht. Auf dem Substrat, welches in 10 cm Abstand von der Katode angeordnet ist, wird eine Kohlenstoffschicht abgeschieden, die einen erhöhten Anteil an sp³-Bindungen aufweist und somit durch diamantartige Eigenschaften gekennzeichnet ist.

Beispiel II

Es besteht das Ziel, auf einem Substrat bei hoher Reinheit der Einzelschichten eine Wolfram-Kohlenstoff-Mehrfachschicht herzustellen. Eine derartige Beschichtung ist z. B. für Röntgenspiegel erforderlich.

In einer Hochvakuum-Beschichtungsanlage der bekannten Ausführung mit einem Vakuum-Lichtbogenverdampfer und Substratanordnungen wird die erfindungsgemäße Verfahrensführung realisiert. Als erforderliche Zündeinrichtung ist eine Laserstrahleinrichtung vorhanden, die ein integriertes Spiegelsystem aufweist, welches den Laserstrahl wahlweise auf das Zentrum der zwei verschiedenen katodischen Targets (W und C) ausrichtet.

Die katodischen Targets sind auf einer gemeinsamen Katodenhalterung angeordnet, die von einem Anodenring umgeben ist. Das Wolfram-Target hat einen Durchmesser von 150 mm und das Kohlenstoff-Target einen Durchmesser von 40 mm. Diese Massen sind mit den materialspezifischen Brennfleckgeschwindigkeiten und den möglichen Schaltgeschwindigkeiten für die Bogenspannung abgestimmt.

Unabhängig anderer technologisch erforderlicher Vorbereitungsprozesse erfolgt die erfindungsgemäße Verfahrensführung in nachfolgender Weise.

Als erste Schicht soll auf dem Substrat eine W-Schicht abgeschieden werden. Dazu wird zwischen Anode und Katode eine Spannung von 100 V angelegt und die Stromversorgung so ausgelegt, daß der Bogenstrom nach der Zündung 80 A beträgt. Eine selbständige Zündung tritt bei der angegebenen Spannung noch nicht ein. Erst wenn ein Laserimpuls auf das Zentrum der Wolfram-Targetplatte gerichtet wird und dieses zu einer örtlichen Plasmabildung führt, kommt es zur Zündung der Bogenentladung. Der Brennfleck beginnt seine unkontrollierte Bewegung auf dem Target und verdampft dabei das Material. Bevor es dem Brennfleck möglich ist den Randbereich des Targets zu erreichen, wird verfahrensgemäß die Bogenspannung unter 50 V abgesenkt, wodurch die Bogenentladung verlischt. Die Brenndauer des Bogens wurde auf 10 ms eingestellt. Damit beträgt die Schichtdicke etwa 0,1 nm. Die technologisch bedingte Schichtdicke der Wolfram-Schicht verlangt eine Wiederholung eines derartigen Impulses. Im Anschluß daran wird in äquivalenter Weise der Bogenentladungs-Laserzündimpuls auf das Zentrum des Kohlenstofftargets gerichtet und dort die Bogenentladung gezündet. Zur Vereinfachung des elektronischen Aufwandes wurde die Brenndauer auch in diesem Fall auf 10 ms eingestellt. Die abgeschiedene C-Schicht beträgt etwa 0,1 nm und es ist ein Bogenentladungsimpuls ausreichend. Zum Aufbau der Gesamtschicht werden insgesamt 60 W-C-Folgeschichten nacheinander abgeschieden. Zwischen den Einzelschichten werden keine Übergangszonen abgeschieden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung einer Vakuum-Lichtbogenentladung mittels Beeinflussung der Lage des Brennfleckes auf der Katodenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung zwischen Anode und Katode pulsierend angelegt und jeweils bei maximaler Spannung ein Laserimpuls örtlich definiert auf der Katodenoberfläche gerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Spannung zwischen Anode und Katode unterhalb der Spannung einer selbständigen Zündung einer Bogenentladung liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Spannung zwischen Anode und Katode unterhalb der minimalen Brennspannung der Bogenentladung liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge der Auftrefforte des Laserimpulses gleichmäßig oder nach einem festgelegtem Muster über die Katodenoberfläche geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Mehrfachschichten die Bogenentladung wahlweise gegenüber dem Zentrum eines von mehreren Targets gezündet wird und die Impulslänge der Bogenentladung derart eingestellt wird, daß die maximal zu erwartende Verschiebung des Katodenbrennfleckes während des Impulses kleiner ist als der geringste Abstand zum Targetrand und daß in der Folge weitere Bogenentladungen in gleicher Weise gegen das gleiche oder andere Targets gezündet werden.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der abzuscheidenden Schichten über die Zahl der Bogenentladungs-Impulse eingestellt wird.