DE69206028T2

DE69206028T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Beschichtung eines Substrates unter Verwendung der Vakuum-Bogen-Verdampfung.

Info

Publication number: DE69206028T2
Application number: DE69206028T
Authority: DE
Inventors: Richard P Welty
Original assignee: Vapor Technologies Inc
Current assignee: Vapor Technologies Inc
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1992-03-13
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2012-03-14
Also published as: ATE130378T1; EP0508612B1; CA2061809A1; US5269898A; JPH05106025A; EP0508612A3; DE69206028D1; CA2061809C; EP0508612A2; JP3421811B2

Description

Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein die Beschichtung von Substraten unter Verwendung von Vakuumlichtbogen-Verdampfung und insbesondere ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung, die eine metallische Hohlkathode und ein Magnetfeld verwenden, um die Bewegung eines Lichtbogens in eine offene spiralförmige Flugbahn auf der Oberfläche der Hohlkathode zu zwingen und die Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtbogens zu steuern. Vakuumlichtbogen- Verdampfung hat im Laufe des letzten Jahrzehnts breite kommerzielle Verwendung zur Ablagerung von Metall-, Legierungs- und Metallverbindungs-Schichten gefunden. Eine aus dem abzulagernden Material bestehende Kathode wird durch eine Lichtbogen-Plasmaentladung mit hohem Strom und niedriger Spannung in einer Vakuumkammer verdampft, die auf einen Druck von typischerweise 133 x 10&supmin;&sup4; Pa (10&supmin;&sup4; Torr) oder weniger evakuiert wurde. Die zu beschichtenden Substrate werden gegenüber der verdampfbaren Oberfläche der Kathode in die Vakuumkammer gesetzt, in einem Abstand von typischerweise 10-50 cm. Typische Lichtbogenströme liegen zwischen 25 und 500 Ampere, bei Spannungen zwischen 15 und 50 Volt.
Die Lichtbogen-Plasmaentladung leitet elektrischen Strom zwischen zwei Elektroden in der Vakuumkammer durch das Metalldampfplasma hindurch, das durch Verdampfung und Ionisierung des Kathodenmatenals durch den Lichtbogen erzeugt wird. Die Kathode oder negative Elektrode ist ein elektrisch isolierter Aufbau, der wenigstens teilweise während des Prozesses verbraucht wird. Die Anode oder positive Elektrode kann ein elektrisch getrennter Aufbau innerhalb der Vakuumkammer oder die metallische Vakuumkammer selbst sein und wird in dem Prozeß nicht verbraucht. Ein Lichtbogen ist ein Schlag auf die verdampfbare Oberfläche der Kathode durch mechanischen kontakt, Hochspannungsfunken oder Laserstrahlung. Die sich ergebende Lichtbogen-Plasmaentladung ist stark in einem oder mehreren beweglichen Ansatzpunkten auf der Kathodenoberfläche lokalisiert, aber über ein großes Gebiet der Anode verteilt. Die extrem hohe Stromdichte im Ansatzpunkt, die auf 10&sup6;-10&sup8; Ampere/cm² geschätzt wird, führt zu einer lokalen Erhitzung, Verdampfung und Ionisierung des Kathodenmaterials. Jeder Ansatzpunkt emittiert einen Strahl Metalldampfplasma in einer Richtung ungefähr lotrecht zu der Kathodenoberfäche und bildet eine helle Fahne, die sich in den Bereich zwischen der Kathode und der Anode hinein erstreckt, in dem die zu beschichtenden Substrate angeordnet sind. Der Metalldampf kondensiert an der Substratoberfläche und bildet einen dichte Schicht. Während des Verdampfungsprozesses können reaktive Gase in die Vakuumkammer eingeleitet werden, was zur Bildung von Metallverbindungs-Schichten auf der Substratoberfläche führt.
Unterhalb von 70-100 Ampere Lichtbogenstrom, je nach dem Material, existiert nur ein einziger Ansatzpunkt. Bei höheren Lichtbogenströmen existieren mehrere Ansatzpunkte gleichzeitig, die jeder einen gleichen Anteil des Gesamt-Lichtbogenstroms führen. In Abwesenheit von angelegten Magnetfeldern tendiert ein Ansatzpunkt dazu, sich schnell und teils zufällig um die Targetoberfläche herum zu bewegen, wobei er eine Spur von mikroskopischen kraterähnlichen Merkmalen auf der Targetoberfläche zurückläßt. Obwohl die kleinräumige Bewegung des Lichtbogens ein teils zufälliges Springen von Kraterort zu Kraterort ist, hat die elektromagnetische Kraft auf Grund der Wechselwirkung zwischen dem Strom im Lichtbogenstrahl und irgendeinem an der Kathodenoberfläche vorhandenen Magnetfeld einen maßgeblichen Einfluß auf die großräumige mittlere Bewegung des Ansatzpunktes. Ein von außen angelegtes Magnetfeld verursacht eine Kraft auf den Lichtbogenstrahl in einer Richtung, die sowohl zu den Feldlinien als auch zu dem Strahl lotrecht ist. In Abwesenheit eines angelegten Magnetfeldes kann die Wechselwirkung des Stroms im Lichtbogenstrahl mit dem Eigenmagnetfeld auf Grund des Lichtbogenstroms, der durch die Kathode fließt, dazu tendieren, den Ansatzpunkt in Richtung auf den Stromeingang zu ziehen, falls der Stromfluß durch die Kathode asymmetrisch ist. Es ist interessant festzustellen, daß die Richtung der Bewegung des Lichtbogens in einem Magnetfeld entgegengesetzt oder rückläufig zur Richtung des Vektors JxB ist, der auf der Grundlage des Ampere'schen Gesetzes erwartet wird, wenn man annimmt, daß der Strom in der gleichen Richtung wie im äußeren Schaltkreis fließt. Über dieses Phänomen wurde weithin berichtet und diskutiert, und man glaubt, daß es durch komplexe dynamische Effekte innerhalb des Lichtbogenstrahls verursacht wird.
Ein unerwünschter Nebeneffekt der Verdampfung von Targetmaterial am Ansatzpunkt ist die Erzeugung von Tröpfchen aus geschmolzenem Targetmaterial, die durch die Reaktionskräfte auf Grund einer Expansion des Dampfstrahls vom Target ausgestoßen werden. Diese Tröpfchen werden Makropartikel genannt und reichen im Durchmesser vom Submikronbereich bis zu einigen zehn Mikron (Mikron Mikrometer). Die Makropartikel werden in die Beschichtung eingebettet, wenn sie auf dem Substrat landen, und bilden unangenehme Unregelmäßigkeiten. Man hat verschiedene Strategien entwickelt, um die Erzeugung von Makropartikeln zu reduzieren oder ihre Ankunft am Substrat zu verhindern.
Im Stand der Technik zur Ablagerung einer Schicht auf einem Substrat sind verschiedene Techniken bekannt. Die US-PS 2 972 695 beschreibt eine Verdampfungsvorrichtung mit einem magnetisch stabilisierten Vakuumlichtbogen. Die US- PSen 3 625 848 und 3 836 451 beschreiben eine Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung mit bestimmten Elektrodengestaltungen und lehren außerdem die Verwendung eines Magnetfeldes, um die Verdampfungsgeschwindigkeit zu erhöhen und Ionen auf das Substrat zu lenken. Die US-PSen 3 793 179 und 3 783 231 beschreiben bestimmte Gestaltungen von Elektroden und Abschirmungen und außerdem die Verwendung eines Magnetfeldes, das jedesmal aktiviert wird, wenn sich der Ansatzpunkt von der gewünschten Verdampfungsoberfläche der Kathode wegbewegt.
Die US-PSen 4 724 058, 4 673 477 und 4 849 088 beschreiben eine Lichtbogen- Verdampfungsvorrichtung, die ein Magnetfeld in Form eines geschlossenen Tunnels verwendet, der den Ansatzpunkt auf eine geschlossene "Rennbahn"-Flugbahn an einem festen Ort auf der Kathodenoberfläche begrenzt. Die zur Erzeugung so eines Magnetfeldes erforderliche Vorrichtung ist in der Technik des planaren Magnetronsputterns weithin bekannt. Um die gesamte Targetoberfläche gleichmäßig abzutragen, ist es notwendig, die das Magnetfeld erzeugende Vorrichtung zu bewegen, um die Lichtbogen-Flugbahn auf der Targetoberfläche zu bewegen, entweder durch mechanische Bewegung der Magnetvorrichtung, wie in den US- PSen 4 673 477 und 4 849 088 beschrieben, oder durch Verwendung mehrerer Elektromagneten, wie in der US-PS 4 724 058 beschrieben.
Die US-PSen 4 609 564, 4 859 489 und 5 037 522 beschreiben die Verwendung einer Kathode in Form eines langen Zylinders oder Stabes, die das Eigenmagnetfeld des Lichtbogenstroms ausnutzt, um eine Bewegung des Lichtbogens entlang der Länge der Kathode zu erzwingen. Weder zeigen diese Drucksohriften des Standes der Technik oder legen es nahe, daß eine Magnetfeldvorrichtung eine axiale Magnetfeldkomponente auf der Kathodenoberfläche erzeugt, um den Lichtbogen zu zwingen, sich um die Kathode herum zu drehen, wenn er sich die Länge hinab bewegt, noch lehren diese Druckschriften irgendeine Vorrichtung zur Vergrößerung oder Steuerung der Geschwindigkeit des Lichtbogens. In der US-PS 5 037 522 ist offenbart, daß die Bewegungsrichtung des Lichtbogens auf der Kathode umgekehrt werden kann, indem der Stromversorgungsanschluß von einem Ende der Kathode zum anderen umgeschaltet wird.
Die US-PS 4 492 845 beschreibt eine Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung, die eine ringförmige Kathode verwendet, in der die verdampfbare Oberfläche die Außenwand ist und einer zylindrischen Anode mit größerem Durchmesser und größerer Länge als die Kathode gegenüberliegt. Die zu beschichtenden Substrate werden innerhalb der ringförmigen Anode angeordnet, der verdampfbaren Oberfläche nicht gegenüber. Es wird ein koaxiales Magnetfeld beschrieben, zur Ablenkung geladener Partikel verdampften Materials weg von der Anode und zurück in Richtung auf das zu beschichtende Substrat.
Die vorliegende Erfindung liefert eine Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung zur Verdampfung eines Materials und zur Ablagerung einer Schicht dieses Materials auf einem Substrat mit
einer Vakuumkammer;
einer mit der Vakuumkammer gekoppelten Vakuumpumpvorrichtung, um in der Vakuumkammer eine gewünschte Atmosphäre einzustellen;
einer in der Vakuumkammer angeordneten Hohlkathode mit einer aus dem genannten Material bestehenden verdampfbaren Oberfläche, die einem Bereich gegenüberliegt, in dem sich das zu beschichtende Substrat befindet;
einem ersten Magnetfeld zur Erzeugung einer axialen Magnetfeldkomponente auf der verdampfbaren Oberfläche der Hohlkathode, wobei die axiale Magnetfeldkomponente Flußlinien aufweist, die im wesentlichen parallel zur Längsachse der Hohlkathode verlaufen;
einem zweiten Magnetfeld zur Erzeugung einer Umfangs-Magnetfeldkomponente auf mindestens einem Teil der verdampfbaren Oberfläche der Hohlkathode, wobei die Umfangs-Magnetfeldkomponente Flußlinien aufweist, die im wesentlichen parallel zur verdampfbaren Oberfläche und an einem gegebenen Ort der verdampfbaren Oberfläche lotrecht zur Längsachse der Hohlkathode verlaufen;
einer Anode;
einer Lichtbogen-Stromversorgung zu Lieferung eines Lichtbogenstroms; und einer Zündvorrichtung zum Zünden eines zwischen der Hohlkathode und der Anode beweglichen Lichtbogens, wobei der bewegliche Lichtbogen auf der verdampfbaren Oberfläche eine offene spiralförmige Bahn beschreibt und wobei Richtung und Geschwindigkeit des beweglichen Lichtbogens durch eine Vektorkombination aus axialer und Umfangs-Magnetfeldkomponente bestimmt werden.
Die Erfindung liefert ferner eine Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Magnetfeld eine spiralförmige Elektromagnetspule enthält, die koaxial mit der Hohlkathode fluchtet und außerhalb der Hohlkathode angeordnet ist.
Gemäß den dargestellten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, um die Geschwindigkeit und die Bahn der Bewegung einer Lichtbogenentladung auf einer Kathode mit im wesentlichen Zylinderform zu steuern, insbesondere eines langen Stabes oder einer langen Röhre, indem im Bereich der Kathode ein Magnetfeld angelegt wird. Durch Steuerung der Bewegung des Lichtbogens ist es möglich, eine gleichmäßigere Abtragung der Kathode und damit eine gleichmäßigere Ablagerung auf den Substraten zu erreichen, als es mit der zufälligen Lichtbogenbewegung möglich ist, die der Stand der Technik lehrt. Durch Steuerung der Geschwindigkeit des Lichtbogens ist es möglich, die Erzeugung von Makropartikeln zu minimieren, welche die Beschichtung uneben machen.
Die Bewegung eines Lichtbogens auf einer zylindrischen Oberfläche kann als die Vektorsumme einer Umfangskomponente der Bewegung um den Umfang des Zylinders herum und einer Längskomponentenbewegung entlang seiner Länge (parallel zur Zylinderachse) beschrieben werden. Ähnlich kann das Magnetfeld der vorliegenden Erfindung als die Vektorsumme von Umfangs- und Axial(Longitudinal)- Magnetfeldkomponenten beschrieben werden. Da die Kraft auf den Lichtbogenstrahl sowohl zum Strom des Lichtbogenstrahls als auch zum Magnetfeld lotrecht ist (der Strom im Lichtbogenstrahl ist primär lotrecht zur Kathodenoberfläche), wird die Umfangskomponente der Lichtbogenbewegung durch die Längskomponente des Magnetfeldes verursacht und umgekehrt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der mittleren Lichtbogenbewegung eine Komponente um den Umfang der Hohlkathode herum überlagert, indem eine axiale Magnetfeldkomponente parallel zur Zylinderachse der Kathode angelegt wird. Unter dem Einfluß dieser axialen Feldkomponente dreht sich der Lichtbogen um die Kathode herum, wenn er sich die Länge hinab bewegt, wobei die Netto-Flugbahn eine offene Spirale bildet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Umfangsgeschwindigkeit des Lichtbogens, d.h. die Drehzahl, durch Variieren der Stärke der angelegten axialen Magnetfeldkomponente gesteuert werden. Das Magnetfeld vergrößert die Geschwindigkeit der Lichtbogenbewegung und reduziert dadurch die Erzeugung von Makropartikeln, indem die Zeitdauer reduziert wird, die der Lichtbogen in jedem Krater entlang seiner Spur verbringt. Experimente habe gezeigt, daß bei Verwendung von mäßigen Magnetfeldern (1-50 Gauß) die Anzahl und die Größe der Makropartikel zumindest für einige Kathodenmaterialien um mindestens 50% reduziert werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Geschwindigkeit und die Richtung der Längskomponente der Lichtbogenbewegung gesteuert werden, indem die Umfangskomponente des Magnetfeldes gesteuert wird, das am Ort des Ansatzpunktes auf der Kathodenoberfläche herrscht. Das Umfangs-Magnetfeld bei der vorliegenden Erfindung besteht aus der Summe des Eigenmagnetfeldes auf Grund des Lichtbogenstroms, der durch die Kathode zum Ansatzpunkt fließt, und einer wahlweise angelegten Umfangs-Feldkomponente auf Grund eines variablen Steuerstroms durch die Kathode, der unabhängig vom Lichtbogenstrom geliefert wird.
Falls eine Lichtbogen-Stromversorgung in Abwesenheit des angelegten axialen Magnetfeldes und Umfangs-Magnetfeldes der vorliegenden Erfindung mit einem Ende einer stabförmigen Kathode verbunden wird, wie in der US-PS 4 859 489 beschrieben, und ein Ansatzpunkt am Ende der Kathode gegenüber dem Stromversorgungsanschluß gestartet wird, bewegt sich der Ansatzpunkt unter dem Einfluß des Eigenmagneffeldes des Lichtbogenstroms die Länge der Kathode hinab, auf einer etwas zufälligen aber prinzipiell geradlinigen Bahn in Richtung auf das Ende der Kathode, mit der die Stromversorgung verbunden ist. Im Stand der Technik ist es bekannt, die Bewegungsrichtung des Lichtbogens entlang der Kathode umzukehren, indem der Stromversorgungsanschluß von einem Ende der Kathode zum anderen umgeschaltet wird. Dieses Verfahren ermöglicht jedoch keine Steuerung der Längsgeschwindigkeit der Lichtbogenbewegung, da die Umfangs- Magnetfeldkomponente, welche die Längsbewegung verursacht, auf den Lichtbogenstrom zurückgeht und nicht unabhängig vom Lichtbogenstrom variiert werden kann.
Die Steuerung der Stärke der Umfangs-Magnetfeldkomponente und somit die Steuerung der Längsgeschwindigkeit des Ansatzpunktes kann gemäß der vorliegende Erfindung mittels einem von zwei Verfahren durchgeführt werden. Bei dem ersten Verfahren wird eine Lichtbogen-Stromversorgung gleichzeitig mit beiden Enden der Kathode verbunden und wird eine Vorrichtung vorgesehen, um den Anteil des Lichtbogenstroms zu steuern, der jedem Ende der Kathode zugeführt wird, während der Gesamt-Lichtbogenstrom zwischen der Kathode und der Anode konstant gehalten wird. Die Netto-Umfangs-Magnetfeldkomponente am Ort des Ansatzpunktes entlang der Kathodenlänge wird dann eine Funktion der Aufteilung des Lichtbogenstroms zwischen den zwei Enden der Kathode. Falls die Stromaufteilung ausgeglichen ist, d.h. jedem Ende der Kathode der halbe Lichtbogenstrom zugeführt wird, gibt es keine Tendenz, daß sich der Lichtbogen entlang der Länge der Kathode bewegt; auf Grund der axialen Magnetfeldkomponente der vorliegenden Erfindung dreht er sich aber dennoch mit einer unabhängig steuerbaren Geschwindigkeit um den Umfang herum. Falls die den Enden der Kathode zugeführten Ströme unausgeglichen sind, bewegt sich der Lichtbogen entlang der Länge der Kathode in Richtung auf dasjenige Ende, das mehr Strom empfängt, mit einer Geschwindigkeit, die dem Grad der Unausgeglichenheit der Stromzufuhr proportional ist. Der Lichtbogen kann somit gezwungen werden, sich mit einer vordefinierten Geschwindigkeit um die Kathode zu drehen, und langsam von einem Ende der Kathode zum anderen gescannt werden, mit einer Geschwindigkeit unabhängig vom Gesamt-Lichtbogenstrom, der auf einem konstanten Wert gehalten werden kann.
Beim zweiten Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Steuerung der Stärke der Umfangs-Magnetfeldkomponente wird der negative Ausgang einer Lichtbogen- Stromversorgung gleichzeitig mit beiden Enden der Kathode verbunden, so daß zu jedem Ende im wesentlichen der gleiche Lichtbogenstrom fließt, und auf der Kathodenoberfläche wird eine Umfangs-Magnetfeldkomponente erzeugt, die unabhängig von dem Lichtbogenstrom ist, der zwischen der Kathode und der Anode fließt. Dieses unabhängige Umfangsfeld kann erzeugt werden, indem eine zusätzliche Stromversorgung mit den zwei Enden der Kathode verbunden wird, um einen Steuerstrom von einem Ende zum anderen durch die Kathode zu leiten, mit einer Vorrichtung, die vorgesehen ist, um die Größe und die Polarität des Steuerstroms einzustellen. Wenn dieser Steuerstrom durch die Kathode Null ist, weist der Lichtbogen keine Tendenz auf, sich entlang der Länge der Kathode zu bewegen, da das Netto-Umfangsfeld Null ist, und zwar auf Grund der ausgeglichenen Art und Weise, in der der Lichtbogenstrom beiden Enden der Kathode zugeführt wird. Um den Lichtbogen zu zwingen, sich in der einen oder der anderen Richtung entlang der Kathode zu bewegen, wird ein Umfangsfeld an die Kathodenoberfläche angelegt, indem in der passenden Richtung ein Steuerstrom durch die Kathode geleitet wird. Da die Stromversorgung für den Steuerstrom nicht Teil des Kathoden-Anoden- Schaltkreises ist, haben Änderungen der Größe oder der Polarität des Steuerstroms keinen Einfluß auf den Lichtbogenstrom, welcher konstant bleibt. Dieses Verfahren zur Steuerung der Lichtbogenbewegung in Längsrichtung hat den Vorteil, daß die Stärke der Umfangs-Magnetfeldkomponente größer als das Feld gemacht werden kann, das vom Lichtbogenstrom allein herrühren würde. Dies erlaubt es, die Lichtbogengeschwindigkeit entlang der Kathodenoberfläche zu vergrößern, wobei die Erzeugung von Makropartikeln reduziert wird, und gewährleistet, daß der Lichtbogen selbst bei niedrigen Lichtbogenströmen und in Gegenwart einer starken axialen Magnetfeldkomponente veranlaßt werden kann, sich entlang der Kathodenlänge zu bewegen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein Bilddiagramm einer Vakuumlichtbogen-Verdampfungsvorrichtung nach dem Stand der Technik, das die Art und Weise darstellt, in der der Lichtbogen auf einer zufällig mäandernden Bahn entlang der Kathode fortschreitet.
Figur 2A ist ein Bilddiagramm einer Vakuumlichtbogen-Verdampfungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Stabkathode verwendet und bei der eine axiale Magnetfeldkomponente angelegt wird, um zu bewirken, daß der Ansatzpunkt einer spiralförmigen Flugbahn entlang der Kathode folgt.
Figur 2B ist ein Bilddiagramm der Vakuumlichtbogen-Verdampfungsvorrichtung von Figur 2A, bei der die Elektromagnetspule mit der Lichtbogen-Stromversorgung in Reihe geschaltet ist, wodurch die Notwendigkeit einer separaten Stromversorgung zum Speisen der Elektromagnetspule entfällt.
Figur 3 ist ein Bilddiagramm einer Vakuumlichtbogen-Verdampfungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der der Strom von einer Lichtbogen- Stromversorgung beiden Enden einer Stabkathode zugeführt wird und bei der eine Vorrichtung vorgesehen ist, um den Stromfluß variabel auf die zwei Enden der Stabkathode aufzuteilen und dadurch die Steuerung der Geschwindigkeit und Richtung des Ansatzpunktes zu erleichtern, wenn er entlang einer spiralförmigen Flugbahn fortschreitet, um ein hin- und hergehendes Scannen des Ansatzpunktes entlang der Kathode zu ermöglichen.
Figur 4 ist ein Bilddiagramm einer Vakuumlichtbogen-Verdampfungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der eine Elektromagnetspule mit großem Durchmesser verwendet wird, um zu ermöglichen, zu beschichtende Substrate in den Raum zwischen der Stabkathode und der Elektromagnetspule zu setzen.
Figur 5 ist ein Bilddiagramm einer Vakuumlichtbogen-Verdampfungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der eine Hohlzylinderkathode innerhalb eines Elektromagnetkerns angeordnet ist und bei der sich zu beschichtende Substrate innerhalb der Hohlzylinderkathode befinden.
Figur 6 ist ein Bilddiagramm einer Vakuumlichtbogen-Verdampfungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der der Lichtbogenstrom beiden Enden der Kathode gleich zugeführt wird und bei der eine unabhängige Stromversorgung zur Versorgung der Kathode mit einem Steuerstrom vorgesehen ist, um dadurch eine Umfangs-Magnetfeldkomponente zu erzeugen, die unabhängig vom Lichtbogenstrom einstellbar ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Es wird nun auf Figur 2a Bezug genommen, in der eine stabförmige Kathode 1 gezeigt ist, die in einer Vakuumkammer 2 angebracht ist, die als Anode dient. Die Kathode 1 ist mit dem negativen Ausgang einer Lichtbogen-Stromversorgung 3 verbunden, und die Vakuumkammer 2 ist mit dem positiven Ausgang der Lichtbogen-Stromversorgung 3 verbunden. Mittels eines Zünders 11, der sich an dem Ende der Kathode 1 gegenüber der Verbindung mit der Lichtbogen-Stromversorgung 3 befindet, wird wiederholt ein Lichtbogen geschlagen. Koaxial mit der Kathode 1 ist eine spiralförmige Elektromagnetspule 4 angebracht, die dazu dient, ein quellenfreies Magnetfeld zu erzeugen, mit Flußlinien im wesentlichen parallel zur Kathodenachse und mit einer Stärke, die dem Strom proportional ist, der von einer Spulenstromversorgung 6 geliefert wird. Ein oder mehrere Substrate 15, auf denen eine Beschichtung abzulagern ist, sind die Kathode 1 umgebend in dem Bereich angeordnet, der die spiralförmige Elektromagnetspule 4 umgibt, und liegen der verdampfbaren Oberfläche der Kathode gegenüber. Die Substrate 15 können konventionell gedreht und/oder während der Ablagerung verschoben werden, falls notwendig, um eine gleichmäßige Beschichtung darauf zu erzielen. Ein Ansatzpunkt 7 und eine typische Flugbahn 8 desselben, die aus dem Einfluß des angelegten Magnetfeldes resultiert, sind ebenfalls gezeigt. Der Ansatzpunkt 7 bewegt sich über die gesamte oder einen Teil der Länge der Kathode 1 in Richtung auf die Verbindung mit der Lichtbogen-Stromversorgung 3, bevor er neu geschlagen wird.
Ein Isolator 12 verhindert eine Bewegung des Ansatzpunktes 7 von der gewünschten verdampfbaren Oberfläche der Kathode 1 weg.
Die Elektromagnetspule 4 kann elektrisch von dem Lichtbogen-Schaltkreis getrennt sein, oder sie kann durch Verbindung damit einen Teil der Anode bilden, wie durch die gestrichelte Linie 9 angezeigt. Die Elektromagnetspule 4 kann alternativ als alleinige Anode für die Lichtbogenentladung dienen, wobei in diesem Fall die Elektromagnetspule 4 elektrisch von der Kammer 2 getrennt und mit dem positiven Ausgang der Lichtbogen-Stromversorgung 3 verbunden ist, die elektrisch von der Kammer 2 getrennt ist. Die Steigung der Elektromagnetspule 4 und der Durchmesser des Leiters, aus dem sie hergestellt wird, werden so gewählt, daß die Blockierung des von der Kathode 1 verdampften Materials minimiert wird. Beispielsweise wird mit einer Spule, die aus einem Leiter mit einem Durchmesser von 0,006 m (1/4") mit einer Steigung (Windungsabstand) von ungefähr 0,05 m (2") aufgebaut ist, bei einem Spulenstrom im Bereich von 50-500 Ampere ein brauchbarer Magnetfeldstärkebereich erhalten. Die Elektromagnetspule 4 kann vorteilhaft aus einer Rohrleitung mit geringem Durchmesser aufgebaut werden, um ihre Wasserkühlung zu erleichtern. Der Zünder 11 kann alternativ die Kathode an ihrer Seite und nicht am Ende berühren, um ein Einfangen des Lichtbogens am Ende der Kathode bei hohen Magnetfeldstärken zu verhindern.
In Figur 2b, auf die nun Bezug genommen wird, ist die Elektromagnetspule 4 mit der Lichtbogen-Stromversorgung 3 in Reihe geschaltet, so daß der Lichtbogenstrom durch die Elektromagnetspule 4 fließt, um das axiale Magnetfeld zu erzeugen. Bei dieser Anordnung entfällt die Notwendigkeit einer separaten Stromversorgung zum Speisen der Elektromagnetspule 4, dies geht aber auf Kosten einer unabhängigen Einstellbarkeit der Stärke des angelegten Magnetfeldes ausgenommen durch Auswahl der Steigung der Elektromagnetspule 4.
In Figur 3, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der der Lichtbogenstrom beiden Enden der stabförmigen Kathode 1 zugeführt wird. Die spiralförmige Elektromagnetspule 4 ist koaxial mit der Kathode 1 angebracht und wird durch eine separate Spulenstromversorgung 6 gespeist. Die Elektromagnetspule 4 kann elektrisch von der Vakuumkammer 2 getrennt sein, oder sie kann damit verbunden sein, wie durch die gestrichelte Linie 9 angezeigt. Die Elektromagnetspule 4 kann alternativ als die alleinige Anode angeschlossen sein. Es ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, um den Eingangsstrom in jedes Ende der Kathode 1 zu variieren, während der Gesamt-Lichtbogenstrom im wesentlichen konstant gehalten wird, so daß der Strom zu jedem Ende der Kathode 1 zwischen 0 und 100 Prozent des zugeführten Gesamt-Lichtbogenstroms variiert werden kann. Dies kann dadurch zustande gebracht werden, daß separate Lichtbogen-Stromversorgungen 3 verwendet werden, die an jedem Ende der Kathode 1 mit einer Steuerschaltung 14 verbunden ist, um komplementäre Sollpunktsignale für die separaten Lichtbogen- Stromversorgungen 3 zu erzeugen. Alternativ kann eine einzige Lichtbogen- Stromversorgung 3 mit zwei komplementären Stromausgängen verwendet werden.
Bei der Anordnung von Figur 3 tendiert der Lichtbogen auf Grund des Eigenmagnetfeldes des Lichtbogenstroms in der Kathode 1 dazu, in Richtung auf dasjenige Ende der Kathode 1 gezogen zu werden, das den größeren Anteil des Gesamt-Eingangsstroms empfängt. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Lichtbogen in einer Richtung entlang der Kathode 1 bewegt, wird durch den Grad der Unausgeglichenheit zwischen den Strömen bestimmt, die in jedes Ende der Kathode 1 fließen. Der Ansatzpunkt kann daher durch Variieren der Stromaufteilung zwischen den zwei Enden der Kathode 1 auf eine oszillierende Weise entlang der Kathode 1 vor und zurück gescannt werden. Die Kathode 1 kann daher gleichmäßig abgetragen werden, und der Lichtbogen kann kontinuierlich auf der Kathodenoberfläche gehalten werden und wird nicht wiederholt neu geschlagen, wie im Stand der Technik gelehrt. An jedem der Enden der verdampfbaren Oberfläche der Kathode 1 kann sich vorteilhaft ein Fühler 10 befinden, um ein Signal zu erzeugen, wenn der Ansatzpunkt ein Ende der verdampfbaren Oberfläche der Kathode 1 erreicht, und in diesem Zeitpunkt kann die Stromaufteilung umgekehrt werden, was ein automatisches Scannen des Ansatzpunktes entlang der gesamten Oberfläche der Kathode 1 ermöglicht.
Die Elektromagnetspule 4 kann mit der Lichtbogen-Stromversorgung 3 in Reihe geschaltet sein, so daß der Lichtbogenstrom durch die Elektromagnetspule 4 fließt, um ein axiales Magnetfeld zu erzeugen. Da die Spule zwischen dem positiven Ausgang der Lichtbogen-Stromversorgung 3 und der Anode angeschlossen ist und da der Gesamt-Lichtbogenstrom konstant ist, wird der Eingangsstrom in die Elektromagnetspule 4 durch das Variieren des Stroms zu den zwei Enden der Kathode 1 nicht beeinflußt. Bei dieser Anordnung entfällt die Notwendigkeit einer separaten Stromversorgung zum Speisen der Elektromagnetspule 4, dies geht aber auf Kosten einer unabhängigen Einstelarkeit der Stärke des angelegten Magnetfeldes ausgenommen durch Auswahl der Steigung der Elektromagnetspule 4.
In Figur 4, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der die spiralförmige Elektromagnetspule 4 einen ausreichend großen Durchmesser aufweist, daß die zu beschichtenden Substrate 15 in dem Bereich innerhalb der Elektromagnetspule 4 angeordnet werden können. Die Anordnung vermeidet irgendeine Blockierung des verdampften Materials von der Kathode 1 durch die Elektromagnetspule 4. Die Elektromagnetspule 4 kann sich aus dem gleichen Grunde außerhalb der Vakuumkammer 2 befinden. Die elektrischen Verbindungen zwischen der Elektromagnetspule 4, der Lichtbogen-Stromversorgung 3 und der Anode können in Übereinstimmung mit irgendeiner der Gestaltungen der Figuren 2A, 2B und 3 hergestellt sein. In diesem Falle muß die Vakuumkammer 2 natürlich aus einem nichtmagnetischen Material aufgebaut sein.
In Figur 5, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der die Kathode 1 die Form eines Hohlzylinders hat. Eine spiralförmige Elektromagnetspule 4 ist koaxial außerhalb der Kathode 1 angebracht, so daß ein Strom durch die Elektromagnetspule 4 ein axiales Magnetfeld innerhalb der Hohlkathode 1 und parallel zu ihren Wänden erzeugt. Der Lichtbogen wird auf die Innenseite 16 der Hohlkathode 1 geschlagen. Der Lichtbogen folgt einer spiralförmigen Flugbahn um die Innenseite der Hohlkathode 1 herum. Ein Isolator 12 verhindert eine Bewegung des Ansatzpunktes weg von der gewünschten verdampfbaren Oberfläche der Kathode. Der Ansatzpunkt emittiert das Metalldampfplasma in einer Richtung ungefähr zum Zentrum der Hohlkathode 1 hin. Innerhalb der Hohlkathode 1 sind ein oder mehrere Substrate 15 angeordnet, deren zu beschichtende Oberfläche der verdampfbaren Oberfläche (Innenwand) der Hohlkathode 1 gegenüberliegt. Die Substrate 15 können während des Ablagerungsprozesses entlang der Längsachse der Hohlkathode 1 verschoben und/oder gedreht werden, falls gewünscht, um Gleichmäßigkeit der Beschichtung zu erzielen. Die Verbindungen zwischen der Elektromagnetspule 4, der Lichtbogen- Stromversorgung 3 und der Anode 13 können in Übereinstimmung mit irgendeiner der in den Figuren 2a, 2b und 3 dargestellten Gestaltungen hergestellt sein. Im Falle einer Hohlkathode 1 von beträchtlicher Länge ist es wünschenswert, einen Anodenaufbau 13 auf der Längsachse der Hohlkathode 1 vorzusehen. Der Lichtbogenstrom kann auch beiden Enden der Kathode 1 zugeführt werden, auf die gleiche Weise wie in Figur 3 und der entsprechenden Beschreibung offenbart und aus den gleichen Gründen.
In Figur 6, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der der negative Ausgang der Lichtbogen- Stromversorgung 3 parallel mit beiden Enden der Kathode 1 verbunden ist, so daß der Strom, der jedem Ende der Kathode zugeführt wird, im wesentlichen der gleiche ist. Die Ausgänge der Steuerstromversorgung 16 sind mit einander entgegengesetzten Enden der Kathode verbunden, so daß der Steuerstrom von einem Ende zum anderen durch die Kathode fließt und daher auf der gesamten Kathodenoberfläche eine Umfangs-Magnetfeldkomponente erzeugt. Die elektrischen Verbindungen zwischen der Elektromagnetspule 4, der Lichtbogen-Stromversorgung 3 und der Anode können in Übereinstimmung mit irgendeiner der in den Figuren 2a, 2b und 3 dargestellten Gestaltungen hergestellt sein. Da die Steuerstromversorgung nicht Teil des Kathoden-Anoden-Schaltkreises ist, beeinflussen Veränderungen der Größe und Richtung des Steuerstroms den Lichtbogenstrom nicht.
Wird nun auf die Figuren 2a, 2b, 3 und 4 und deren obige detaillierte Beschreibung Bezug genommen, so erkennt man, daß die Vakuumkammer 2 selbst das zu beschichtende Substrat sein kann. Die vorliegende Erfindung kann daher beispielsweise zum Beschichten der Innenseite eines Druck- oder Vakuumgefäßes oder der Innenseite einer evakuierten Leitung oder Röhre verwendet werden
Wird nun allgemein auf alle Figuren der Zeichnung und deren obige detaillierte Beschreibung Bezug genommen, so erkennt man ferner, daß es anstelle oder zusätzlich zu der Bewegung der Substrate während der Ablagerung, um Gleichförmigkeit der Beschichtung zu erreichen, wünschenswert sein kann, die Kathode in einer Richtung parallel oder lotrecht zu ihrer Längsachse zu bewegen.
Dies ermöglicht beispielsweise die Beschichtung von großen Substraten. Die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes der vorliegenden Erfindung kann zusammen mit der Kathode bewegt werden, braucht es aber nicht.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im Detail beschrieben worden sind, sind nur zu Darstellungszwecken offenbart, und nicht zur Einschränkung. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf ihre Anwendung in Verbindung mit den Details der bestimmten gezeigten Anordnungen beschränkt. Beispielsweise kann die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes der vorliegenden Erfindung eine andere Vorrichtung als eine spiralförmige Elektromagnetspule enthalten. Ähnlich dient die hierin verwendete Terminologie der Beschreibung und nicht der Einschränkung.

Claims

1. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung zur Verdampfung eines Materials und zur Ablagerung einer Schicht dieses Materials auf einem Substrat mit

einer Vakuumkammer;

einer mit der Vakuumkammer gekoppelten Vakuumpumpvorrichtung, um in der Vakuumkammer eine gewünschte Atmosphäre einzustellen;

einer in der Vakuumkammer angeordneten Hohlkathode mit einer aus dem genannten Material bestehenden verdampfbaren Oberfläche, die einem Bereich gegenüberliegt, in dem sich das zu beschichtende Substrat befindet;

einem ersten Magnetfeld zur Erreugung einer axialen Magnetfeldkomponente auf der verdampfbaren Oberfläche der Hohlkathode, wobei die axiale Magnetfeldkomponente Flußlinien aufweist, die im wesentlichen parallel zur längsachse der Hohlkathode verlaufen;

einem zweiten Magnetfeld zur Erzeugung einer Umfangs-Magnetfeldkomponente auf mindestens einem Teil der verdampfbaren Oberfläche der Hohlkathode, wobei die Umfangs-Magnetfeldkomponente Flußlinien aufweist, die im wesentlichen parallel zur verdarnpfbaren Oberfläche und an einem gegebenen Ort der verdampfbaren Oberfläche lotrecht zur Längsachse der Hohlkathode verlaufen;

einer Anode;

einer Lichtbogen-Stromversorgung zur Lieferung eines Lichtbogenstroms; und

einer Zündvorrichtung zum Zünden eines zwischen der Hohlkathode und der Anode beweglichen Lichtbogens, wobei der bewegliche aktive Lichtbogen auf der verdampfbaren Oberfläche eine offene spiralförmige Bahn beschreibt und wobei Richtung und Geschwindigkeit des beweglichen Lichtbogens durch eine Vektorkombination aus axialer und Umfangs-Magnetfeldkomponente besümmt werden.

2. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das erste Magnetfeld eine spiralförmige Elektromagnetspule enthält, die koaxial mit der Hohlkathode fluchtet und außerhalb der Hohlkathode angeordnet ist.

3. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Hohlkathode an einen negativen Ausgang der Lichtbogen-Stromversorgung und die spiralförmige Elektromagnetspule mit einem Ende an einen positiven Ausgang der Lichtbogen-Versorgung und mit dem anderen Ende an die Anode angeschlossen ist.

4. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 2 weiterhin mit einer Spulen-Stromversorgung, die mit der spiralförmigen Elektromagnetspule elektrisch verbunden ist.

5. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Elektromagnetspule von der Anode elektrisch isoliert ist.

6. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Elektromagnetspule mit der Anode elektrisch verbunden ist.

7. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Elektromagnetspule die Anode einschließt.

8. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das zweite Magnetfeld eine vordefinierte elektrische Verbindung zwischen der Lichtbogen-Stromversorgung und der Hohlkathode enthält, derart, daß der Lichtbogenstrom die Umfangs-Magnetfeldkomponente auf mindestens einem Längsabschnitt der Hohlkathode erzeugt.

9. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das zweite Magnetfeld eine Steuerstromversorgung enthält, die an beide Enden der Hohlkathode angeschlossen ist und einen Steuerstrom erzeugt, der unabhängig vom Lichtbogenstrom durch die Hohlkathode von einem zum anderen Ende fließt, wobei der Steuerstrom die Umfangs-Magnetfeldkomponente auf der verdampfbaren Oberfläche der Hohlkathode erzeugt.

10. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die Lichtbogen-Stromversorgung elektrisch mit beiden Enden der Hohlkathode verbunden ist und die Entladungsvorrichtung ferner eine Stromsteuervorrichtung enthält, die den Anteil des Lichtbogenstroms der Lichtbogen-Stromversorgung, der zu jedem Ende der Hohlkathode fließt, variiert.

11. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 10 weiterhin mit einem Stromfühler, der an den Endgrenzen der verdampfbaren Oberfläche der Hohlkathode angeordnet ist, um die Anwesenheit von Ansatzpunkten nachzuweisen, - wobei die Stromsteuervorrichtung auf Signale des Stromfühlers, die die Anwesenheit von Ansatzpunkten anzeigen, anspricht - und der die Stromsteuervorrichtung so steuert, daß sie den Anteil des zu jedem Ende der Hohlkathode fließenden Lichtbogenstroms variiert und dadurch die oszillierende Bewegung der Ansatzpunkte von einem Ende der Hohlkathode zum anderen verursacht.

12. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die Lichtbogen-Stromversorgung aus einem Paar separater Lichtbogen-Stromversorgungen besteht und wobei die Stromsteuervorrichtung für den Empfang der Stromfühlersignale gekoppelt ist und auf der Grundlage dieser Signale komplementäre Sollpunktsignale an jede der separaten Lichtstromversorgungen liefert.

13. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die verdampfbare Oberfläche der Hohlkathode aus einer äußeren Oberfläche derselben besteht und wobei das Substrat außerhalb der Hohlkathode und außerhalb des ersten Magnetfeldes angeordnet ist.

14. Vakuumlichtbogen-Endadungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die verdampfbare Oberfläche der Hohlkathode aus einer äußeren Oberfläche derselben besteht und wobei das Substrat außerhalb der Hohlkathode aber innerhalb des ersten Magnetfeldes angeordnet ist.

15. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die Hohlkathode aus einem Hohlzylinder und die verdampfbare Oberfläche der Hohlkathode aus einer Innenfläche derselben besteht;

das erste Magnetfeld außerhalb der Hohlkathode angeordnet ist und

das Substrat innerhalb der Hohlkathode gegenüber der verdampfbaren Oberfläche angeordnet ist.

16. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Hohlkathode einen kreisförmigen Querschnitt hat.

17. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Hohlkathode einen vieleckigen Querschnitt hat.

18. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die verdampfbare Oberfläche aus einem oder mehreren auswechselbaren, das Material enthaltenden Elementen besteht.

19. Vakuumlichtbogen-Entladungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil der Vakuumkammer aus dem zu beschichtenden Substrat besteht.

20. Verfahren zur Verdampfung eines Materials und Ablagerung einer Schicht derselben auf einer Oberfläche eines Substrats, bestehend aus folgenden Schritten:

Einstellung einer gewünschten Atmosphäre in einer Vakuumkammer, die die Oberfläche und eine Hohlkathode mit einer das Material enthaltenden verdampfbaren Oberfläche enthält, welche einem Bereich gegenüberliegt, in dem sich die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats befindet;

Erzeugung einer axialen Magnetfeldkomponente auf der verdampfbaren Oberfläche der Hohlkathode, wobei die axiale Magnetfeldkomponente Flußlinien aufweist, die im wesentlichen parallel zur Längsachse der Hohlkathode verlaufen;

Erzeugung einer Umfangs-Magnetfeldkomponente auf mindestens einem Teil der verdampfbaren Oberfläche der Hohlkathode, wobei die Umfangs-Magnetfeldkomponente Flußlinien aufweist, die im wesentlichen parallel zur verdampfbaren Oberfläche und lotrecht zur Längsachse der Hohlkathode an einem gegebenen Ort der verdampfbaren Oberfläche verlaufen;

Lieferung eines Lichtbogenstroms an die Kathode und Zündung eines beweglichen Lichtbogens zwischen Hohlkathode und einer Anode, wobei sich der bewegliche Lichtbogen in einer spiralförmigen Bahn auf der verdampfbaren Oberfläche der Hohlkathode bewegt und zwar mit einer Richtung und Geschwindigkeit, die durch eine Vektorkombination aus axialer und Umfangs-Magnetfeldkomponente bestimmt werden.