DD274451A1 - PROCESS FOR REFLECTION OR BZW. REMOVAL OF DROPLETS FROM THE PLASMA SCREEN OF A LASER-DRAWED VACUUM ARC DISCHARGE - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufloesung bzw. Entfernung von Droplets aus dem nutzbaren Plasmastrom einer gepulsten Vakuum-Bogenentladung mit Laserzuendung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Beseitigung der Droplets aus dem Plasmastrom unter weitgehender Vermeidung von Materialverlusten zu realisieren. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe derart geloest, dass zur Vakuum-Bogenentladung eine gepulste lasergezuendete Vakuum-Bogenentladung eingesetzt wird und unmittelbar vor dem jeweiligen Zuendort eine zusaetzliche Laserstrahlung eingeleitet wird, die so fokussiert ist, dass mindestens der gesamte genutzte Plasmastrahl den fokussierten Bereich des zusaetzlichen Laserstrahl durchdringt. Der zusaetzliche fokussierte Laserstrahl hat dabei derartige Abmessungen, dass moegliche Plasmastrahl-Verschiebungen infolge der Brennfleck-Bewegungen innerhalb eines Bogenentladungs-Impulses im Fokusbereich des zusaetzlichen Laserstrahles bleiben.The invention relates to a method for the dissolution or removal of droplets from the usable plasma stream of a pulsed vacuum arc discharge with laser ignition. The invention has for its object to realize the elimination of Droplets from the plasma stream while largely avoiding material losses. According to the invention, the object is achieved in such a way that a pulsed laser-generated vacuum arc discharge is used for the vacuum arc discharge and an additional laser radiation is introduced immediately before the respective source, which is focused in such a way that at least the entire utilized plasma jet penetrates the focused region of the additional laser beam , The additional focused laser beam has such dimensions that possible plasma jet shifts remain as a result of the focal spot movements within an arc discharge pulse in the focus area of the additional laser beam.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auflösung bzw. Entfernung von Droplets aus dem nutzbaren Masmastrom einer gepulsten Vnkuum-Bogenentladung mit Laserzuendung. Derartige Vakuum-Bogenentladungen werden bevorzugt für die Verdampfung von leitfähigen Stoffen und plasmagestützten Abscheidung dieser Stoffe auf entsprechenden Substraten eingesetzt.The invention relates to a method for the dissolution or removal of droplets from the usable Masmastrom a pulsed Vnkuum-arc discharge with laser glare. Such vacuum arc discharges are preferably used for the evaporation of conductive substances and plasma-assisted deposition of these substances on corresponding substrates.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

P^;e Nutzung der Vakuum-Bogenentladung für die plasmagestützte Schichtabscüeidung hat den wesentlichen Vorteil, daß hohe ADScheideraten erzielbar sind. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch, daß, bedingt durch das explosionsartige Verdampfungsprinzip im genutzten Dampfstrom, auch zahlreiche Makroteilchen in Tröpfchenform enthalten sind. Diese Makroteilchen werden auch Droplets genannt. Diese Droplets wirken in der Schicht oft störend und sind unerwünscht. Nach dem Stand der Technik wurden bereits eine Reihe Versuche unternommen, die Droplets zu entfernen.P ^; The use of the vacuum arc discharge for the plasma-enhanced Schichtabscüeidung has the significant advantage that high ADSiereideraten can be achieved. A major disadvantage, however, is that, due to the explosive evaporation principle in the used vapor stream, numerous macroparticles are contained in droplet form. These macroparticles are also called droplets. These droplets often interfere with the coating and are undesirable. The prior art has already made a number of attempts to remove the droplets.

So werden in den Patenten SU 563826 und DE-OS 3234100 die von der Targetoberfläche (Verdampfer) ausgehenden Ionen mit magnetischen Mitteln, um 180° abgelenkt, bevor sie auf die Substratoberfläche gelangen können. Die vom Brennfleck emittierten Droplets bewegen sich jedoch unbeeinflußt, im wesentlichen geradlinig gegen die Kammerwand oder andere Begrenzungswände.Thus, in patents SU 563826 and DE-OS 3234100, the ions emanating from the target surface (evaporator) are deflected by magnetic means by 180 ° before they can reach the substrate surface. However, the droplets emitted by the focal spot move unaffected, substantially rectilinearly against the chamber wall or other boundary walls.

Bei der DE-PS 3211264 befindet sich zwischen der Targetoberfläche und dem Substrat ein Elektromagnet, der einerseits wie eine optische Blende wirkt und auftreffende geladene Makrc'iilchen wie auch neutrale Metalldampfpartikf! zurückhält und andererseits in Verbindung mit einer Fokussier-Spulenanoi dnung ein solches Magnetfeld erzeugt, daß geladene Dampfteilchen auf gekrümmten Bahnen zum Substrat gelangen können (Plasmaoptik).In DE-PS 3211264 is located between the target surface and the substrate, an electromagnet which acts on the one hand as an optical aperture and incident charged Makrc'iilchen as well as neutral Metalldampfpartikf! holds back and on the other hand in connection with a Fokussier Spulenanoi tion generates such a magnetic field that charged vapor particles can pass on curved paths to the substrate (plasma optics).

Die Nachteile dieser Methoden sind offensichtlich. Erstens ist ein hoher Aufwand an magnetfelderzeugenden Einrichtungen notwendig und zweitens kann nicht verhindert werden, daß geladene und damit für den Schichtbildungsprozeß wichtige Teilchen aufgrund unterschiedlicher Anfangsgeschwindigkeiten (Energien) und unterschiedlicher Masse (bei Legierungstargets) für den Beschichtungsprozeß verlorengehen, da ihre Bahnen nicht auf der Substratoberfläche enden. Die neutralen Dampfteilchen, die ebenso wie die störenden Droplets unbeeinflußt von magnetischen Feldern die Substrate nicht erreichen, gehen für den Schichtbildungsprozeß verloren. Dabei wird die Beschichtungsrate vermindert und einer der Hauptvorteile des Vakuum-Bogenentladungsverfahrens verschenkt.The disadvantages of these methods are obvious. Firstly, a high outlay on magnetic field generating devices is necessary and secondly, it is impossible to prevent charged particles which are important for the film formation process from being lost due to different initial speeds (energies) and different masses (in the case of alloy targets) for the coating process, since their tracks do not touch the substrate surface end up. The neutral vapor particles, which as well as the interfering droplets unaffected by magnetic fields do not reach the substrates, are lost to the film formation process. The coating rate is reduced and one of the main advantages of the vacuum arc discharge process is given away.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung verfolgt das Ziel der plasmagestützten Abscheidung von Schichten im Vakuum mit hoher Abschoiderate und Schichtgleichmäßigkeit.The invention pursues the goal of plasma-assisted deposition of layers in a vacuum with high Abschoiderate and layer uniformity.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Nutzung des Verfahrens der Vakuum-Bogenentladung unter weitgehender Vermeidung von Materialverlusten, die im Plasmastrom enthaltenen Droplets aufzulösen oder zu entfernen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß i Jr Vakuum-Bogenentladung eine gepulste lasergezündete Vakuum-Bogenentladung eingesetzt wird und unmittelbar vor den- jeweiligen Zündort eine zusätzliche Laserstrahlung eingeleitet wird, die so fokussiert ist, daß mindestens der gesamte genutzte Plasmastrahl den fokussierter« Bereich des zusätzlichen Laserstrahles durchdringt. Der zusätzliche fokussierte Laserstrahl hat dabei derartige Abmessungen, daß mögliche Plasmastrahl-The invention is based on the object, when using the method of vacuum arc discharge while largely avoiding material losses to dissolve or remove the droplets contained in the plasma stream. According to the invention, the object is achieved in that a pulsed laser-fired vacuum arc discharge is used for the vacuum arc discharge and an additional laser radiation is introduced immediately before the respective ignition location, which is focused such that at least the entire plasma jet used is the focused region of the laser beam penetrates additional laser beam. The additional focused laser beam has such dimensions that possible plasma jet

Verschiebungen infolge der Brer.nfleck-Bewegungen innerhalb eines Bogenentladungs-Impulses im Fokusber6ich des zusätzlichen Laserstrahles bleiben. Die Leistungsdichte des zusätzlichen Laserstrahles ist so gewählt, daß im genutzten Dampfstrahl vorhandene Droplets verdampft oder durch Rückstoßeffekte bei der teilweisen Verdampfung aus dem Dampfstrahl hinaus bewegt werden.Shifts due to the Brer.nfleck movements within an arc discharge pulse in Fokusber6ich the additional laser beam remain. The power density of the additional laser beam is selected so that any droplets present in the steam jet used are vaporized or moved out of the steam jet by recoil effects upon partial evaporation.

Zur Senkung des Energieaufwandes ist es vorteilhaft, den zusätzlichen Laserstrahl synchron mit der Vakuum-Bogenentladung zu pulsen, wobei die Impulsdauer so gewählt wird, daß das Ende der Bogenentladung derart überschritten wild, daß alle Droplets mit Sicherheit in den Fokusbereich des zusätzlichen Laserstrahles gelangen und dort verdampfen bzw. aus dem nutzbaren Plasmastrahl bewegt werden. Wenn im Laufe der Verfahrensführung der Zündort verändert wird, dann muß auch der zusätzliche Laserstrahl diesen Veränderungen nachgefühlt werden. Ebenso müssen die konkrete Impulsdauer und die Leistung jeweils auf die Targetmaterialien und die Energie der Vakuuin-Bogenentladung abgestimmt werden.To reduce the energy consumption, it is advantageous to pulse the additional laser beam synchronously with the vacuum arc discharge, wherein the pulse duration is chosen so that the end of the arc discharge exceeded wild, that all droplets reach with certainty in the focus area of the additional laser beam and there evaporate or be moved out of the usable plasma jet. If the ignition location is changed in the course of the process, then the additional laser beam must be tracked these changes. Likewise, the specific pulse duration and power must be matched to the target materials and the energy of the vacuum arc discharge.

Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung werden mit hoher Sicherheit die Droplets aus dem genutzten Plasmastrahl entfernt. Es können gleichmäßige Schichten ohno störende Einschlüsse von Makroteilchen (Spritzern) hergestellt werden. Die Beschichtungsrate bleibt gegenüber der freien Beschichtung, ohne Dronlat-Beseitigung, weitgehend unverändert, da der wesentliche Teil der Droplets mit der erfindungsgomäßen Verfahrensführung auf dem Wege zum Substrat noch verdampft wird und damit für den Schichtbildungsprozeß erhalten bleibt.With the process control according to the invention, the droplets are removed from the plasma jet used with high reliability. Uniform layers without disturbing inclusions of macroparticles (splashes) can be produced. The coating rate remains largely unchanged with respect to the free coating, without removal of dronlate, because the essential part of the droplets is still vaporized with the process procedure according to the invention on the way to the substrate and thus remains intact for the layer formation process.

Ausführungsbeispielembodiment

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment.

An einem bekannten lasergezündeten und pulsierend arbeitenden Vakuum-Bogenentladungsverdampfer, der gegenüber dem Substrat angeordnet ist, wird ohne erfindungsgemäße Verfahrensführung in bekannter Weise örtlich definiert das Target, im Beispiel Titan, verdampft. Dieser Vorgang verläuft explosionsartig und eine erhebliche Zahl von Makroteilchen wird vom Brennfleck emittiert. Der größere Teil davon wird flach vom Target weggeschleudert und ist unschädlich. Für eine gute homogene Schichtabscheidung störend weden aber auch Droplets gegen das Substrat geschleudert. Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung soll das verhindert werden.In a known laser-fired and pulsating vacuum arc-discharge evaporator, which is arranged opposite to the substrate, the target, in the example titanium, is vaporized locally without any inventive process control in a known manner. This process is explosive and a significant number of macroparticles are emitted from the focal spot. The greater part of it is flung flat from the target and is harmless. For a good homogeneous layer deposition disturbing but also Droplets are thrown against the substrate. With the process control according to the invention that should be prevented.

Dazu wird synchron zum Laserzünd-Impuls ein gesonderter zusätzlicher Laserstrahl-Impuls unmittelbar vor den Brennfleck eingeleitet. Diesor weitere Laser-Impuls weist eine Impulsleistung von 1OkW bei einer Impulsdauer von 1 ms auf. Diese Impulsdauer ist erheblich länger gewählt als die Bogenent'adungs-Impulsdauer von 100ps bei einer Laserzündungsimpulsdauer von 100 ns.For this purpose, a separate additional laser beam pulse is introduced immediately before the focal spot in synchronism with the laser ignition pulse. Diesor further laser pulse has a pulse power of 1OkW at a pulse duration of 1 ms. This pulse duration is chosen to be considerably longer than the arc charge pulse duration of 100 ps at a laser ignition pulse duration of 100 ns.

Der Zündbeginn und der Beginn der Einleitung des zusätzlichen Laser-Impulses sind zeitgleich gewählt. Der zusätzliche Laserstrahl ist im Bereich vor bzw. über dem Brennfleck auf etwa 1 mm Durchmesser fokussiert. Der Abstand zur Targetoberfläche wird so gering wie möglich, im Beispiel etwa 0,5mm gewählt.The start of ignition and the beginning of the initiation of the additional laser pulse are selected at the same time. The additional laser beam is focused in the area in front of or above the focal spot to about 1 mm in diameter. The distance to the target surface is chosen as small as possible, in the example about 0.5 mm.

Mit dieser Verfahrensführung wird gesichert, daß alle, auch relativ träge Droplets den zusätzlichen Laserstrahl während dessen Impulsdauer durchdringen, von diesem Energie aufnehmen und entweder verdampfen oder durch seitlichen Verdampfungs-Rückstoß aus dem nutzbaren Plasmastrahl hinaus bewegt werden.With this procedure, it is ensured that all, even relatively slow Droplets penetrate the additional laser beam during its pulse duration, record of this energy and either evaporate or be moved by lateral evaporation recoil from the usable plasma jet addition.

Mit den üblichen elektronischen Mitteln und Impulsfrequenzen von 1 Hz läßt sich eine derartige Verfahrensführung gut realisieren. Im Ergebnis wird auf dem im Abstand von 10cm vom Taget entfernt angeordneten Substrat innerhalb von 1min eine Ti-Schicht mit einer Dicke von 0,2 μηι abgeschieden. Diese Schicht ist homogen und weist keinerlei störende Makroteilchen (Spritzer) auf.With the usual electronic means and pulse frequencies of 1 Hz, such a procedure can be implemented well. As a result, a Ti layer having a thickness of 0.2 μm is deposited on the substrate arranged at a distance of 10 cm from the taget within 1 minute. This layer is homogeneous and has no disturbing macroparticles (splashes).

Eine derartige Schicht kann in bekannter Weise auch unter reaktiver Atmosphäre abgeschieden werden. Die Schichtqualität ist gut für optische oder mikroelektronische Zwecke geeignet. Der Verlust von verdampftem Material ist auf ein Minimum beschränkt.Such a layer can also be deposited in a known manner under a reactive atmosphere. The layer quality is well suited for optical or microelectronic purposes. The loss of vaporized material is kept to a minimum.

Claims (2)

1. Verfahren zur Auflösung bzw. Entfernung von Droplets aus dem Piasinastrom einer lasergezuendeten Vakuum-Dogenentladung, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuum-Bogenentladung gepulst wird und eine zusätzliche Laserstrahlung fokussiert unmittelbar vor den Zuendort der Bogenentladung eingeleitet wird, derart, daß mindestens der gesamte genutzte Plasmastrahl den fokussieren Bereich des zusätzlichen Laserstrahls durchdringt, wobei die Zeitdauer des Vakuum-Bogenentladungs-Impulses so gewählt wird, daß die mögliche Plasmastrahl-Verschiebung infolge der Brennfleckbewegung innerhalb des Fokusbereiches des zusätzlichen Lasarstrahles verbleibt und daß der weitere Laserstrahl im Bereich des genutzten Plasmastrahls eine derartige Leistungsdichte aufweist, daß vorhandene Droplets verdampft oder durch Verdampfungs-Rückstoß aus dem nutzbaren Plasmastrahl hinaus bewegt werden.1. A method for dissolution or removal of droplets from the Piasinastrom a lasergezuendeten vacuum Dogenentladung, characterized in that the vacuum arc discharge is pulsed and an additional laser radiation focused immediately before the Zuendort the arc discharge is initiated, such that at least the entire used Plasma jet penetrates the focused area of the additional laser beam, wherein the time duration of the vacuum arc discharge pulse is selected so that the possible plasma jet shift due to the focal movement within the focus range of the additional lasar beam remains and that the further laser beam in the range of the plasma jet used such Power density has shown that existing droplets are evaporated or moved out of the usable plasma jet by evaporation recoil. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Laserstrahlung impulsartig und synchron mit derVakuum-Bogenentladung eingeleitet wird und eine Impulsdauer aufweist, die das Ende der Bogenentladung derart überschreitet, daß alle Droplets mit Sicherheit in den Fokusbereich der zusätzlichen Laserstrahlung gelangen und dort verdampft bzw. aus dem nutzbaren Plasmastrahl herausbewegt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the additional laser radiation is pulsed and synchronously with the vacuum arc discharge is initiated and has a pulse duration that exceeds the end of the arc discharge such that all Droplets get safely into the focus area of the additional laser radiation and there evaporated or moved out of the usable plasma jet.