DE4006456C1 - Appts. for vaporising material in vacuum - has electron beam gun or laser guided by electromagnet to form cloud or pre-melted spot on the target surface - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung zum Verdampfen von Material im Vakuum mittels eines Lichtbogens mit einem Target, das mindestens an einem Teil seiner Oberfläche ein zu verdampfendes Material aufweist, wobei die Bogenentladung in einem Bereich betrieben wird, wo ein wesentlicher Teil des Bogenstroms meistens durch kleine Flecken auf der Targetoberfläche fließt, mit einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 6, mit einer Plasmalichtbogenanordnung zum Auftragen von Überzügen auf ein Substrat mit einer Vorrichtung sowie mit einer Anwendung des Verfahrens für das Bedampfen von Substraten mittels eines Plasmalichtbogens.

Verfahren und Anlagen zum Auftragen von Überzügen aus relativ hochschmelzenden Materialien durch Niederschlagen des mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens im Vakuum verdampften Materials sind bekannt und in mannigfaltiger Weise vorbeschrieben.

Aus der DE-OS 21 36 532 ist eine Anlage bekannt, bei welcher ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer hüllenförmigen Anode und einer, auf einem Kühlbett montierten Kathode erzeugt wird, wobei die Kathode an ihrer Oberfläche ein zu verdampfendes Metall enthält. Durch Anbringen eines Schirmes an der Kathode soll verhindert werden, daß der auf der Kathode erzeugte Kathodenfleck von der Verdampfungsfläche seitlich überspringt. Die Problematik dieser Anlage liegt darin, daß infolge des zufälligen ungeführten Wanderns des Kathodenfleckens die Kathodenoberflächen ungleichmäßig abgetragen wird und zudem infolge lokaler Überhitzung ständig Spritzer entstehen, die zu Störungen auf der zu erzeugenden Beschichtung resp. im Überzug führen. Auch die US-PS 36 25 848 beschreibt eine analoge Anlage, wobei hier die Kathode aus dem Beschichtungsmaterial, das zu verdampfen ist, hergestellt ist. Die Anlage weist grundsätzlich dieselben Nachteile auf wie die Anlage gemäß DE-OS 21 36 532.

In der Anlage gemäß US-PS 45 56 471 wird mittels eines Magnetfeldes oder durch Anbringen eines Permanentmagneten versucht, den Lichtbogen so weit in seiner "Wanderung" zu beeinflussen, daß die Kathodenoberfläche oder das sogenannte Target weitgehendst gleichförmig abgetragen wird. Dabei ist die Kathode zusätzlich gegenüber der Vakuumkammer isoliert angeordnet. Grundsätzlich aber wandert der Lichtbogenfleck auf der Kathode weiterhin ungeführt und zufällig, wodurch die beschriebenen Nachteile nur teilweise behoben sind und nach wie vor die Gefahr von Spritzern bestehen bleibt. In der US-PS 46 20 913 wird eine Anlage beschrieben, wo mittels einer speziellen Anodenanordnung das Wegwandern oder das Überspringen des Fleckens von der Kathode verhindert werden soll. Auch die DE-OS 35 28 677 bezweckt durch das Anbringen von Lichtbogenbegrenzungsmitteln das Wegspringen des Lichtbogenfleckens, wobei hier zusätzlich durch Anbringen einer Magnetfeldquelle der Fleck eine gelenkte Bewegung auf der Kathode aufweisen soll. Durch gepulste Magnetfelderzeugung wird der Fleck je nach Polarisation veranlaßt, sich in Richtung oder gegen das Magnetfeld zu bewegen. Es handelt sich dabei nur um ein "richtungsmäßiges", aber nicht um ein eigentliches Führen des Fleckens, so daß - wohl etwas reduziert - immer noch die Gefahr von örtlicher Überhitzung und damit von Spritzern nicht vollständig behoben ist. Auch ist es nicht gelungen, Systeme dieser Art zufriedenstellend zu realisieren.

In der DE-OS 33 45 493 wird wiederum das Wegwandern des Fleckens mittels Anordnung eines Begrenzungsringes an der Kathode verhindert, jedoch ohne Beeinflussung der zufälligen Bewegung des Lichtbogenfleckens. Auch in der DE-PS 33 45 442 wird das Anbringen eines Begrenzungsringes aus einem magnetisch permeablen Material beansprucht.

In der DE-PS 31 52 131 wird in der Vakuumkammer ein Magnetfeld durch ein sogenanntes Solenoid erzeugt. Durch dieses Magnetfeld wird der Kathodenstrahlfleck zum Wandern veranlaßt. Weiter ist ein Zündimpulsgenerator vorgesehen zum kontinuierlichen Zünden von Kathodenstrahlflecken, die dann infolge des Magnetfeldes zu einer Stirnfläche hinwandern. Der Fleck wird aber nicht eigentlich gesteuert, sondern nur sein Wandern vom Zufallsgenerator entlang der Kathodenoberfläche zur Stirnseite hin veranlaßt.

In der CH-PS 6 57 242 wird beschrieben, wie die entstehenden Spritzer oder Makroteilchen im Plasma ausgeschieden werden. Angeordnet wird ein sogenannter Plasmaleiter und ein koaxial angeordneter Elektromagnet, der zu einem Fokussiersolenoid gegengeschaltet ist. Dadurch wird ein spezielles Magnetfeld erzeugt, das den Plasmastrahl derart umlenkt, daß darin enthaltene Spritzer oder Makroteilchen aus dem Plasmaleiter ausgetrieben werden. Diese Umlenkung ist aber mit großen Materialverlusten verbunden. Außerdem muß der Umlenkmechanismus, der sehr viel stärker beschichtet wird als die Substrate, ständig gereinigt werden, was mit großem Aufwand und erheblichen Umtrieben verbunden ist. Entsprechendes wird in der FR-A 25 24 254 beansprucht. Die DE-PS 32 34 100 schließt sich im Prinzip an den Gehalt der beiden vorgenannten Dokumente an, wobei zusätzlich apparative Modifikationen vorgeschlagen werden, um eine gleichmäßigere Beschichtung eines Werkstückes zu gewährleisten. Diese beziehen sich aber in keiner Weise auf das Führen des Fleckens auf der Kathodenoberfläche.

In der DE-OS 37 31 127 wird ein Lichtbogen gepulst betrieben, d. h. die Substanztemperatur wird mit einer Temperaturobergrenze verglichen, und bei Überschreiten dieser Obergrenze wird der Lichtbogen unterbrochen. Damit soll ein örtliches Überhitzen an der Kathodenoberfläche verhindert werden. Trotzdem entstehende Spritzer sollen mittels Anbringen von Magnetfeld/Abschirmblech abgelenkt werden, d. h., daß das Pulsen nur eine sehr ungenügende Lösung darstellt. Abschirmungen mit Magnetfeld und Blenden sind aber unwirtschaftlich, da sie einen sehr hohen Wartungsaufwand erfordern und die Beschichtungsgeschwindigkeit stark beeinträchtigen. Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere für dekorative Beschichtungen und weniger für Beschichtungen im technischen Bereich.

In der US-PS 46 73 477 wird mittels eines Permanentmagneten der Kathodenfleck geführt. Die Anode ist ringförmig ausgebildet und die Kathode verschoben parallel zur Ringfläche als Scheibe ausgebildet. Hinter der Kathode ist ein Magnet angeordnet, mittels welchem der Kathodenfleck auf der Kathodenoberfläche bewegt wird. Obwohl eine Reduktion der Spritzer die Folge dieser Anordnung ist, muß die Konstruktion erneut als kompliziert bezeichnet werden.

Auch in der EP-A 02 84 145 ist die Anode ringförmig und die Kathode parallel versetzt zur Ringebene als Zylinder angeordnet, wobei letzterer um seine Achse rotierbar ist. Um ein wahlloses Wandern des Kathodenfleckes zu verhindern, ist eine Magnetanordnung vorgesehen, die innerhalb des Kathodenzylinders verschiebbar angeordnet ist. Durch Rotation des Zylinders und Längsverschiebung des Magneten wird der Kathodenfleck auf der Oberfläche geführt, um Spritzerbildung zu verhindern. Die vorgeschlagene Anordnung umfaßt eine sehr komplizierte Konstruktion, die nicht als sehr praxisgerecht zu bezeichnen ist.

In den beiden vorab beschriebenen Fällen hat es sich zudem gezeigt, daß die Spritzerreduktion sehr stark vom Kathodenwerkstoff abhängt, wobei sie für die in der Praxis interessanten Werkstoffe, wie beispielsweise Titan, nicht ausreicht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher nach wie vor in der Forderung nach einem Verfahren resp. einer Anordnung, mittels welcher ein Funken resp. ein Lichtbogenfleck stabilisiert und gesteuert für das Verdampfen eines Beschichtungsmaterials eingesetzt wird, um die Nachteile eines ungesteuerten nichtgeführten Funkens oder Fleckens, wie oben umfangreich dargestellt, zu überwinden. Die Konstruktion und das Verfahren sollen zudem möglichst einfach sein und gegebenenfalls sogar in bestehende Anlagen zugerüstet werden können.

Erfindungsgemäß wird dies mittels einer Vorrichtung, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie insbesondere nach Anspruch 1, sowie mittels eines Verfahrens, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie insbesondere nach Anspruch 5 gelöst.

Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zum Verdampfen von Material mittels eines Lichtbogens im Vakuum mit einem Target, das mindestens an einem Teil seiner Oberfläche ein zu verdampfendes Material aufweist, das als Teil einer Bogenentladung geschaltet ist, wobei der Lichtbogen in einem Bereich betrieben wird, wo ein wesentlicher Teil des Bogenstroms meistens durch kleine Flecken auf der Targetoberfläche fließt, wobei die Vorrichtung zusätzlich eine Elektronenstrahlkanone oder einen Laser beinhaltet, für das Erzeugen einer lokalen Dampfwolke auf der Targetoberfläche, um damit den Fußpunkt des Lichtbogens zu stabilisieren und zu führen.

Beim Target handelt es sich vorzugsweise um die Kathode des Funkens oder Lichtbogens.

Der Laser oder der Elektronenstrahl ist bevorzugt derart aufgebaut, daß der Elektronenstrahl oder Laserstrahl auf der Targetoberfläche führbar ist. Dabei ist es beispielsweise möglich, die Objektlinse des Lasers beweglich anzuordnen oder weiter einen Spiegel vorzusehen, der für das Wandern des Brennfleckens bewegbar angeordnet ist. Gleichzeitig mit dem Führen von Elektronenstrahl oder Laserstrahl wird damit auch der Lichtbogenfleck auf der Kathodenoberfläche geführt, indem er der durch den Elektronenstrahl oder Laserstrahl erzeugten lokalen Dampfwolke auf der Targetoberfläche nachfolgt. Es ist auch möglich, das Target beweglich anzuordnen.

Analog dazu wird ein Verfahren zum Verdampfen eines Materials mittels eines Lichtbogens an einem Target im Vakuum vorgeschlagen, wobei das Target mindestens an seiner Oberfläche ein zu verdampfendes Material aufweist, das als Teil einer Bogenentladung geschaltet ist und wobei die Bogenentladung in einem Bereich betrieben wird, wo ein wesentlicher Teil des Bogenstroms mindestens durch kleine Flecken auf der Targetoberfläche fließt, indem mittels eines Elektronenstrahls oder eines Lasers auf der Targetoberfläche eine lokale Dampfwolke erzeugt wird, und zwar derart, daß der Fußpunkt des Lichtbogens oder Funkens in dieser Dampfwolke stabilisiert und mit dieser geführt wird. Dabei ist es zusätzlich möglich, unter der Dampfwolke auf der Targetoberfläche eine Pfütze zu erzeugen.

Der Elektronenstrahl oder der Laserstrahl sind bevorzugt auf der Targetoberfläche führbar, um so den Lichtbogen oder Funkenfußpunkt auf der Targetoberfläche zu führen. Die Führung des Elektronenstrahles oder Laserstrahles kann selbstverständlich nach einem vorgegebenen Muster erfolgen, gemäß welchem ein gleichmäßiges Abtragen der Targetoberfläche durch den geführten Lichtbogen resp. Funkenfleck gewährleistet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt derart betrieben, daß im zeitlichen Mittel die Betriebsleistung der Bogenentladung die Betriebsleistung des Elektronenstrahls oder des Lasers übersteigt, wodurch die Verdampfung des Materials an der Targetoberfläche mehrheitlich mittels der Bogenentladung erfolgt.

Die Energiedichte des Elektronenstrahles oder Laserstrahles ist insbesondere derart geregelt, daß ein Entladungsstrom von mehr als 30 Ampre bei einer Entladungsspannung von lediglich 10 bis 15 Volt ermöglicht wird.

Weiter wird vorgeschlagen, daß der über dem Target liegende Verdampfungsraum eine verdünnte Atmosphäre aus Edelgas, Sauerstoff, Stickstoff, einer gasförmigen Kohlenstoffverbindung, einer metallorganischen gasförmigen oder borhaltigen gasförmigen Verbindung aufrechterhalten wird.

Falls die Targetoberfläche ein leicht schmelzendes Material umfaßt, so wird vorzugsweise der Elektronenstrahl oder Laserstrahl so stark defokussiert, daß die Pfütze um den Lichtbogenfußpunkt der Bogenentladung ständig einen Trichter bildet, in dessen Grund immer flüssiges Targetmaterial nachrinnt, wodurch der Lichtbogen ohne Führung stabilisiert wird.

Weiter wird vorgeschlagen, daß die Bewegung des Elektronenstrahls bzw. Laserbrennpunktes so rasch erfolgt, daß damit die Eigenbewegung des Bogenentladungsfußpunktes, wobei es sich vorzugsweise um den Kathodenfußpunkt handelt, unterdrückt wird.

Die oben erwähnten erfindungsgemäßen Vorrichtungen eignen sich insbesondere für die Verwendung in einer Plasmalichtbogenanordnung zum Auftragen von Überzügen auf ein Substrat.

Ebenso eignen sich die beschriebenen Verfahren zum Bedampfen von Substraten mittels eines Plasmalichtbogens im Hochvakuum.

Die erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich insbesondere zu Herstellung von Überzügen, bestehend aus Oxiden, Nitriden, Oxinitriden, Boriden, Carbiden und Fluoriden für optische Anwendungen durch Verdampfen eines Elementes oder einer Verbindung des entsprechenden Elementes der Gruppen 2a, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a in einer entsprechenden Reaktivgasatmosphäre.

Die Erfindung wird nun anschließend beispielsweise anhand der beigefügten Figuren und anhand von spezifischen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt dabei eine Hochvakuumanlage mit einer Funkenentladungsanordnung sowie eine Elektronenkanone. Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Anlage, geeignet für die Durchführung der Beispiele 4 und 5.

In einer Hochvakuumanlage 9 mit der entsprechenden Pumpöffnung 10 für das Evakuieren der Vakuumanlage 9 ist eine konventionelle Elektronenkanone 6 montiert, welche mittels einer Wasserkühlung 7, 8 gekühlt wird. Die Elektronenkanone 6 ist derart angeordnet, daß ein von der Elektronenkanone emittierter Elektronenstrahl, geführt durch die Polschuhe eines Elektromagneten 5, auf das rotierende, durch einen Isolator 4 vom Anlagenboden isoliert montierte Target 1 trifft, das ebenfalls mittels Wasserkühlung 2, 3 gekühlt wird.

Das Target 1 dient gleichzeitig als Kathode der Funkenentladung. Diese Funkenentladung umfaßt eine wassergekühlte Anode 12 mit einer Wasserkühlung 14, die über einen Isolator 13 von der Anlage isoliert ist. In einer beispielsweise ausgeführten erfindungsgemäßen Anordnung umfaßt die Anode 12 die Ausmaße 30×10 cm und ist in einer Entfernung von ca. 10 cm vom Target 1 montiert.

Ein Zwischenboden 11 dient als Druckstufe für den Fall, daß über einen Gaseinlaß 16 Reaktiv- oder Edelgase eingelassen werden, so daß der Druck in der Beschickungskammer 21 über den für die Elektronenkanone maximal zulässigen Druck steigt.

Die Schaltung 15 symbolisiert die Stromversorgung des Funkens, wobei es sich beispielsweise um einen Hochstromgenerator handeln kann. Die zu beschichtenden Gegenstände, wie beispielsweise optischen Substrate, werden auf dem rotierenden Substrathalter 17 befestigt, der über Isolierungen 18 gegenüber der Anlage isoliert ist. Die Drehdurchführung 19 ist wassergekühlt. Der Substrathalter kann mittels einer Spannungsquelle 20 auf ein gegenüber der Kathode negatives Potential gelegt werden.

Die Funktionsweise der in der Figur dargestellten Hochvakuumanlage ist derart, daß nach Zünden des Funkens zwischen der Anode 12 und der Kathode 1, was nach bekannter konventioneller Art und Weise geschehen kann, mittels der Elektronenkanone 6, geführt durch den Elektromagneten 5, auf dem Target ein Fleck vorgeschmolzen wird. Der gezündete Funken springt darauf unverzüglich auf diesen vorgeschmolzenen Fleck und kann mittels dieses vorgeschmolzenen Fleckes auf der Oberfläche des Target 1 geführt werden. Auf diese Weise wird einerseits sichergestellt, daß das zu verdampfende Material an der Targetoberfläche 1 oder an der Kathode gleichmäßig verdampft wird und daß andererseits durch Vermeiden einer örtlichen Überhitzung weitgehendst die Bildung von Spritzern verhindert werden kann.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Eine kubische Bedampfungsanlage wurde wie folgt ausgerüstet: In ihrem Boden, dezentriert, war ein wassergekühlter Tiegel eingebaut. Neben dem Tiegel im Boden war eine Elektronenstrahlkanone mit axialem Magnetfeld angebracht, deren Kathodenraum differentiell abgepumpt wurde. Der Abstand vom Austritt des Elektronenstrahls zum Kathodenmittelpunkt betrug 100 mm. Die Elektronenstrahlkanone hatte eine maximale Leistung von 8 kW. Der Tiegel war aus Kupfer gefertigt, wassergekühlt und hatte einen Durchmesser von 80 mm. Es war elektrisch sowohl vom Kammerboden als auch von der Masse der Kanone isoliert. Mit einem Elektromotor konnte er in Rotation versetzt werden. Der Tiegel wurde mit einem Kabel, das isoliert in die Anlage eingeführt worden war, an den negativen Pol eines Gleichspannungsspeisegerätes von der Art eines Schweißtransformators (max. 250 A) mit Kupferkabeln von 10 mm angeschlossen. Der positive Pol des Speisegerätes wurde mit einer getrennten, elektrisch isolierten und wassergekühlten Durchführung an eine wassergekühlte Hilfsanode angeschlossen. Diese war rechteckig, 250× 100 mm, und stand wimpelartig in einem Abstand von 60 mm vom Tiegel. Gegenüber dem Boden befand sich ein Drehteller, dessen Achse durch das Anlagenzentrum führte, auf dem Prüfkörper angebracht waren. Der Tiegel wurde mit 350 g Titan chargiert und die Anlage geschlossen und abgepumpt. Die Prüfkörper wurden mit einer für die Werkzeugbeschichtung üblichen Methode geheizt und ihre Oberfläche in einem Argonplasma gereinigt. Danach wurde die Elektronenstrahlkanone eingeschaltet und ihre Leistung auf 700 Watt hochgefahren. Die Spannung zwischen Draht und Tiegel betrug 10,6 kV. Der Tiegel wurde mit einer Frequenz von 2 Umdrehungen/Minute in Rotation versetzt. Der Brennfleck mit einem Durchmesser von etwa 1 mm wurde auf den der Austrittsöffnung des Elektronenstrahls näher liegenden Sektor des Tiegels fokussiert. Der Druck in der Kammer war kleiner als 0,002 Pa. Danach wurde der Schweißtransformator eingeschaltet. Seine Leerlaufspannung von 130 V reichte, um eine Entladung zu beenden. Der Strom wurde auf 200 A geregelt. Die Betriebsspannung betrug 41 V. In der Schmelze bildete sich ein kreisförmiger Graben, dessen Grund dem Fußpunkt des Elektronenstrahls entsprach. Über dieser Schmelze bildete sich ein lichtstarkes Plasma aus. Die Substrate wurden durch ein zusätzliches Speisegerät auf eine Spannung von -80 V gegenüber dem Tiegelpotential gelegt. Der Ionenstrom auf dem Substratträger betrug 8 A. Ohne Schweißtransformator war der Substratstrom zu gering, um gemessen werden zu können. Nach 15 Minuten wurden die Stromversorgungen abgeschaltet und die Anlage geflutet. Auf den Substraten befand sich eine feinkristalline Schicht von 4 µm Titan. Die Oberflächenrauhigkeit der Prüfkörper blieb unverändert und entsprach einer mittleren Rauhtiefe von Ra 0,04 µm.

Beispiel 2

Es wurde der gleiche Aufbau wie im Beispiel 1 benutzt. Der Tiegel wurde mit 330 g Titan chargiert. Danach wurde vorerst wie in Beispiel 1 vorgegangen. Die Leistung der Elektronenstrahlkanone wurde auf 7,4 kW geregelt. Die Tiegelrotation wurde nicht eingeschaltet. Der Elektronenstrahl wurde auf die Tiegelmitte fokussiert. Der Durchmesser seines Brennflecks betrug etwa 7 mm. Der Elektronenstrahl wurde mit einer Automatik mit einer Frequenz von 30 Hz gewobbelt. Danach wurde Argon, und zwar 40 Standard-cm³/min, eingelassen. Danach wurde der Schweißtransformator zugeschaltet und sein Strom auf 110 A hochgeregelt. Die Betriebsspannung betrug 10 V. Über der Schmelze bildete sich wieder ein lichtstarkes Plasma, das der Wobbelbewegung folgte. Es wurde Stickstoff zugelassen, und zwar 420 Standard-cm³/min. Die Substrate wurden auf eine Gleichspannung von -20 V gelegt. Nach einer Stunde wurden die Strom- und Gasversorgungen abgeschaltet und die Anlage geöffnet. Auf den Probescheiben waren 8 µm stöchiometrisches goldfarbenes Titannitrid abgeschieden. Die Härte der Schicht betrug 2300 HV. Sie wies einen ausgezeichneten Widerstand gegenüber Erosion auf. Die Prozeßtemperatur hatte 220°C nicht überschritten.

Beispiel 3

Eine kubische Bedampfungsanlage wurde wie folgt ausgerüstet: In ihrem Boden, dezentriert, war ein wassergekühlter Tiegel eingebaut. Neben dem Tiegel im Boden war eine Elektronenstrahlkanone mit axialem Magnetfeld angebracht, deren Kathodenraum differentiell abgepumpt wurde. Der Abstand vom Austritt des Elektronenstrahls zum Kathodenmittelpunkt betrug 160 mm. Die Elektronenstrahlkanone hatte eine maximale Leistung von 8 kW. Der Tiegel war aus Kupfer gefertigt, wassergekühlt und hatte einen Durchmesser von 80 mm. Er war elektrisch sowohl vom Kammerboden als auch von der Masse der Kanone isoliert. Mit einem Elektromotor konnte er in Rotation versetzt werden. Der Tiegel wurde mit einem Kabel, das isoliert in die Anlage eingeführt worden war, an den negativen Pol eines Gleichspannungsspeisegerätes von der Art eines Schweißtransformators (max. 250 A) mit Kupferkabeln von 10 mm angeschlossen. Der positive Pol des Speisegerätes wurde mit einer getrennten, elektrisch isolierten und wassergekühlten Durchführung an eine wassergekühlte Hilfsanode angeschlossen. Diese war rechteckig, 250× 100 mm, und stand wimpelartig in einem Abstand von 60 mm vom Tiegel. Gegenüber vom Boden befand sich eine Kalotte mit Glasscheiben. Der Tiegel wurde mit 60 g Silicium chargiert und die Anlage geschlossen und abgepumpt. Danach wurde in die Kammer Sauerstoff eingelassen, dessen Fluß so geregelt war, daß der Druck in der Anlage 0,09 Pa nicht überstieg. Danach wurde die Elektronenstrahlkanone eingeschaltet und ihre Leistung auf 600 W hochgefahren. Etwa gleichzeitig wurde der Tiegel in Rotation versetzt und der Schweißtransformator zugeschaltet. Dessen Strom wurde auf 140 A hochgeregelt. Nach 30 Minuten wurde die Stromversorgung abgeschaltet. Beim Öffnen der Anlage hat sich auf den Glasscheiben eine transparente Siliciumoxidschicht niedergeschlagen.

Beispiel 4

Wie in Fig. 2 als Prinzipskizze dargestellt, wurde in einer kubischen Anlage, 200 mm vom Anlagenzentrum entfernt, ein wassergekühlter, kreisförmiger Kathodenhalter 101 so montiert (Durchmesser 120 mm, Dicke 10 mm), daß der Winkel zwischen der Oberflächennormalen und der Anlagenachse 70°C betrug. Auf diesen Kathodenhalter wurde ein 3 mm dickes, rundes Titantarget 102 (Durchmesser 48 mm), das auf einen runden (60 mm Durchmesser), 12 mm dicken Kupferblock aufgelötet war, derart aufgeschraubt, daß zwischen Titantarget und Kathodenhalter ein guter elektrischer Kontakt hergestellt werden konnte. Im Abstand von 35 mm von der Kathode wurde eine isoliert durch den Anlagenboden 106 durchgeführte, wassergekühlte 108 ringförmige (Innendurchmesser 70 mm) Anode 103 mit kreisförmigem Querschnitt (Durchmesser 12 mm) parallel zur Kathode montiert. Die Kathode war geerdet und mit dem negativen Pol 110 eines Schweißtransformators (max. 250 A) verbunden, die Anode 103 wurde mit dem positiven Pol 111 dieser Stromquelle verbunden. Der Laserstrahl 113 eines gepulsten Nd : YAG Lasers (500 W) wurde durch ein Fenster 114 (Durchmesser 40 mm), das beidseitig mit einer Antireflexschicht beschichtet war, in die Anlage geführt und durch die Anode hindurch auf die Kathodenoberfläche fokussiert. Der Abstand zwischen dem Fenster und der Kathode betrug 280 mm. Der Laserstrahl wurde außerhalb der Anlage mittels eines rotierenden dielektrischen Spiegels, dessen Oberfläche einen Winkel von 0,5° mit der Rotationsachse bildete, um 90° umgelenkt. Durch diese Rotation konnte der Brennfleck (Durchmesser 0,7 mm) des Laserstrahls auf dem Titantarget rotiert werden. Die Rotationsgeschwindigkeit war einstellbar zwischen 0 und 6000 U/min. Die Fokussierung wurde mittels einer bikonvexen, beidseitig antireflexbeschichteten Linse mit einer Brennweite von 500 mm vor dem rotierenden Spiegel bewerkstelligt.

Nach Erreichen von 2×10^-3 Pa wurde durch Einschalten des Speisegerätes eine Spannung von 100 V zwischen Kathode und Anode gelegt. Der Funke wurde darauf mittels eines Laserpulses von 6 Millisekunden Dauer und einer Energie von 30,5 Joule gezündet. Danach lief der ungeführte Funke bei ca. 20 V und 90 A. Es wurde festgestellt, daß die Zündbedingung (Schwellenergie des Laserpulses) stark von der Oberflächenbeschaffenheit des Targets (Reflexionsvermögen) und von der Rotationsgeschwindigkeit des Laserstrahls abhängt.

Das Zeitintervall zwischen Pulsen kann so gewählt werden, daß die Bodenentladung kontinuierlich brennt. Dies erlaubt ein Führen des Funkens auf der Kathodenfläche. Anstelle des Spiegels können auch andere optische Elemente, wie Hohlspiegel oder Gitter, verwendet werden. Anstelle des Nd : YAG Lasers können auch Gas oder Halbleiterlaser verwendet werden.

Beispiel 5

In einer kubischen Anlage wurde, 200 mm vom Anlagenzentrum entfernt, ein wassergekühlter, kreisförmiger Kathodenhalter so montiert (Durchmesser 120 mm, Dicke 10 mm), daß der Winkel zwischen der Oberflächennormalen und der Anlagenachse 70° betrug. Auf diesen Kathodenhalter wurde ein 5 mm dickes, rechteckiges Zinntarget, das auf eine Kupferplatte der Dicke 5 mm aufgelötet war, derart aufgeschraubt, daß zwischen Zinntarget und Kathodenhalter ein guter elektrischer Kontakt hergestellt werden konnte. Im Abstand von 35 mm von der Kathode wurde eine isoliert durch den Anlagenboden durchgeführte wassergekühlte, ringförmige (Innendurchmesser 70 mm) Anode mit kreisförmigem Querschnitt (Durchmesser 12 mm) parallel zur Kathode montiert.

Die Kathode (und somit das Zinntarget) war geerdet und mit dem negativen Pol eines Schweißtransformators (max. 250 A) verbunden. Die Anode wurde mit dem positiven Pol dieser Stromquelle verbunden. Der Laserstrahl eines gepulsten Nd : YAG Lasers (500 W) wurde durch ein Fenster (Durchmesser 40 mm), das beidseitig mit einer Antireflexschicht beschichtet war, in die Anlage geführt und durch die Anode hindurch auf die Kathodenoberfläche fokussiert. Der Abstand zwischen dem Fenster und der Kathode betrug 280 mm. Die Fokussierung des Laserstrahls erfolgte mittels einer beidseitig mit einer Antireflexschicht versehenen Linse (Brennweite 500 mm), die starr mit dem Laser verbunden war. Die Bewegung des fokussierten Laserstrahls innerhalb einer Fläche von 50 mm Durchmesser auf dem Target wurde bewerkstelligt, indem der Laser außerhalb der Anlage auf einem massiven Tisch, der in zwei voneinander unabhängigen Richtungen bewegt werden konnte, montiert wurde.

Nach Erreichen von 2×10^-3 Pa wurde Argon in die Vakuumkammer eingelassen, bis ein Druck von 2×10^-1 Pa erreicht wurde. Durch Einschalten des Speisegerätes wurde eine Spannung von 100 V zwischen Kathode und Anode gelegt. Der Funke konnte mittels eines Laserpulses von 6 Millisekunden Dauer und einer Energie von 2 J gezündet werden und lief auf dem Zinntarget.

Danach lief der Funke bei ca. 20 V und 90 A. Es wurde festgestellt, daß die Zündbedingung (Schwellenergie des Laserpulses) stark von der Oberflächenbeschaffenheit des Targets (Reflexionsvermögen) und von der Rotationsgeschwindigkeit des Laserstrahls abhängt.

Beispiel 6

In einer kubischen Anlage wurde, 200 mm vom Anlagenzentrum entfernt, ein wassergekühlter, kreisförmiger Kathodenhalter so montiert (Durchmesser 120 mm, Dicke 10 mm), daß der Winkel zwischen der Oberflächennormalen und der Anlagenachse 70° betrug. Auf diesen Kathodenhalter wurde ein 5 mm dickes, rundes Wolframtarget (Durchmesser 30 mm) aufgeklemmt, so daß zwischen Wolframtarget und Kathodenhalter ein guter elektrischer Kontakt hergestellt werden konnte. Im Abstand von 35 mm von der Kathode wurde eine isoliert durch den Anlagenboden durchgeführte, wassergekühlte, ringförmige (Innendurchmesser 70 mm) Anode mit kreisförmigem Querschnitt (Durchmesser 12 mm) parallel zur Kathode montiert.

Die Kathode war geerdet und mit dem negativen Pol eines Schweißtransformators (max. 250 A) verbunden. Die Anode wurde mit dem positiven Pol dieser Stromquelle verbunden. Der Laserstrahl eines gepulsten Nd : YAG Lasers (500 W) wurde durch ein Fenster (Durchmesser 40 mm), das beidseitig mit einer Antireflexschicht beschichtet war, in die Anlage geführt und durch die Anode hindurch auf die Kathodenoberfläche fokussiert. Der Abstand zwischen dem Fenster und der Kathode betrug 280 mm. Die Fokussierung des Laserstrahls (Durchmesser des Laserstrahles auf dem Target: 0,65 mm) erfolgte durch eine außerhalb der Anlage montierte, beidseitig antireflexbeschichtete Bikonvexlinse (Brennweite 500 mm), die so bewegt werden konnte, daß der Brennpunkt des Laserstrahles beliebig auf dem W-Target bewegt werden konnte. Die Steuerung der Bewegung erfolgte computergesteuert. Nach Erreichen von 2×10^-3 Pa wurde durch Einschalten des Speisegerätes eine Spannung von 100 V zwischen Kathode und Anode gelegt. Der Funke wurde darauf mittels eines treppenförmigen Laserpulses (siehe Skizze) von 3 Millisekunden totaler Dauer und einer Energie von 7,5 J gezündet. Der Funke wurde mittels eines Speicherkathodenstrahloszilloskopes aufgezeichnet.

Durch ein ähnliches Vorgehen wie im Beispiel 4 oder 5 konnte der Funke kontinuierlich geführt werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Verdampfen von Material in Vakuum mittels eines Lichtbogens mit einem Target, das mindestens an einem Teil seiner Oberfläche ein zu verdampfendes Material aufweist, wobei die Bogenentladung in einem Bereich betrieben wird, wo ein wesentlicher Teil des Bogenstroms meistens durch kleine Flecken auf der Targetoberfläche fließt und das Target als Kathode des Funkens oder Lichtbogens geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätzlich eine Elektronenstrahlkanone (5) oder einen Laser für das Erzeugen einer lokalen Dampfwolke auf der Targetoberfläche und Mittel zum Führen des Elektronenstrahls oder des Laserstrahls über die Targetoberfläche aufweist, um damit den Lichtbogenfußpunkt zu stabilisieren und zu führen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektlinse des Lasers beweglich angeordnet ist, derart, daß der Laserstrahl auf der Targetoberfläche führbar ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein bewegbarer Spiegel angeordnet ist, um zu ermöglichen, daß der Brennfleck des Lasers wandert, derart, daß der Laserstrahl auf der Targetoberfläche führbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Target bewegbar angeordnet ist.

5. Verfahren zum Verdampfen von Material in Vakuum mittels eines Lichtbogens an einem als Kathode geschalteten Target, das mindestens an einem Teil seiner Oberfläche ein zu verdampfendes Material aufweist, wobei die Bogenentladung in einem Bereich betrieben wird, wo ein wesentlicher Teil des Bogenstroms meistens durch kleine Flecken auf der Targetoberfläche fließt, dadurch gekennzeichnet, daß man mittels eines Elektronenstrahls oder eines Lasers auf der Targetoberfläche eine lokale Dampfwolke erzeugt, derart, daß man den Fußpunkt des Lichtbogens oder des Funkens in dieser Dampfwolke stabilisiert und mit dieser führt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man unterhalb der Dampfwolke auf der Targetoberfläche eine Pfütze erzeugt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Elektronenstrahl oder den Laserstrahl auf der Targetoberfläche führt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im zeitlichen Mittel die Betriebsleistung der Bogenentladung die Betriebsleistung der Elektronenstrahlkanone oder des Lasers übersteigt bzw. daß das Verdampfen des Materials mehrheitlich mittels des Lichtbogens der Bogenentladung erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Energiedichte des Elektronenstrahls oder des Laserstrahls derart regelt, daß ein Entladungsstrom von mehr als 30 Ampere bei einer Entladungsspannung von lediglich 10 bis 15 Volt ermöglicht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man im über dem Target liegenden Verdampfungsraum eine verdünnte Atmosphäre aus Edelgas, Sauerstoff, Stickstoff, einer gasförmigen Kohlenstoffverbindung, einer metallorganischen gasförmigen oder einer borhaltigen gasförmigen Verbindung aufrechterhält.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Targetoberfläche aus einem leichtschmelzenden Material besteht und man den Elektronenstrahl oder den Laserstrahl so stark defokussiert, daß die Pfütze um den Lichtbogenfußpunkt der Bogenentladung ständig einen Trichter bildet, in dessen Grund immer flüssiges Targetmaterial nachrinnt, wodurch der Lichtbogen ohne Führung stabilisiert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Elektronenstrahls bzw. Laserbrennpunktes so rasch erfolgt, daß man damit die Eigenbewegung des Bogenentladungsfußpunktes unterdrückt.