WO2007076793A1 - Method and apparatus for producing a magnetic-field system - Google Patents

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WO2007076793A1
WO2007076793A1 PCT/DE2006/002224 DE2006002224W WO2007076793A1 WO 2007076793 A1 WO2007076793 A1 WO 2007076793A1 DE 2006002224 W DE2006002224 W DE 2006002224W WO 2007076793 A1 WO2007076793 A1 WO 2007076793A1
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cathode
segment
cathodes
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PCT/DE2006/002224
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Wolf-Dieter Münz
Horst Rettenmeier
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Itg Induktionsanlagen Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for generating a magnetic field system for a cathode arrangement, wherein the cathode arrangement comprises one or more cluster magnetron cathodes each having a plurality of subsegments and / or a plurality of galvanically coupled single cathodes.
  • Magnetron sputtering is a particularly effective way of sputtering, where single atoms or atomic clusters are removed from a target material in a glow discharge.
  • the ions of the glow discharge are formed by collisions between electrons and a sputtering gas (carrier gas), which is generally formed by a noble gas, usually argon.
  • carrier gas which is generally formed by a noble gas, usually argon.
  • magnetron sputtering a magnetic field directed parallel to the target and an electric field perpendicular thereto are generated in the vicinity of the target. In the electric field accelerated electrons are thereby guided in a spatially limited area in front of the target on spiral paths, whereby there particularly effective ions are generated even at low pressures of the sputtering gas.
  • the sputtered atoms and ions of the target can condense on substrates that are brought close to the target. In this way, very thin films of the target material are formed on the substrates.
  • the sputtering process takes place in a reactive atmosphere, for example in argon with nitrogen, whereby, for example when using Ti, TiAl, Cr or Zr, particularly hard and wear-resistant layers are grown on the substrates.
  • High Power Impulse Magnetron Sputtering is a special type of magnetron sputtering and is gaining in industrial importance.
  • the HIPIMS method is characterized by a pulse-shaped supply of electrical power to the target acting as a cathode. Due to the high power densities of typically 1000 to 3000 W / cm 2 applied to the cathode during a pulse duration of 50 to 200 ⁇ s, a plasma configuration is established which exhibits the characteristic of an arc discharge in contrast to the expected abnormal glow discharge in the case of magnetron sputtering. While at the conventional magnetron sputtering the majority of the ionization of the carrier gas, the ionization of the chipped target atoms there is typically only 10%.
  • a multiple cathode arrangement can be used in which individual parts of the target are used sequentially for sputtering. It makes sense to a cathode in at least 2 to 10 or depending on the cathode length and more, often equally large sub-segments divided.
  • a cluster magnetron cathode a plurality of single cathodes can be used.
  • Cluster magnetron cathodes and single cathodes can also be used in any combination.
  • Each segment of the cathode arrangement - ie each sub-segment of a cluster magnetron Cathode or each single cathode - is then applied sequentially with high-energy electrical pulses.
  • Each cathode would have to be provided with its own HIPIMS power supply. As a result, the cost of such a system would rise astronomically. In order to keep costs within economically reasonable limits, only one HIPIMS energy supply is used to supply the individual segments. By means of suitable switches, the HIPIMS power supply is switched sequentially to the individual segments of the cathode arrangement. However, the necessary switches are again expensive, so that the cost of the entire system can be reduced only limited.
  • the magnetic field is generated by permanent magnets in magnetron cathodes. This is in the context of the previously described cathode arrangement with galvanically coupled segments very hindering and expresses impractical.
  • the present invention is therefore based on the object, a method and an apparatus of the type mentioned in such a way and further, that in cathode arrangements with galvanically coupled segments, a sufficiently suitable, controllable magnetic field system can be generated.
  • the above object is solved by the features of claim 1.
  • the method in question is characterized in that the magnetic field system is generated by a plurality of permanent magnets and a plurality of electromagnets and that the electromagnets are switched clocked and / or the strength and / or the direction of the magnetic field generated by the electromagnet is changed.
  • the above object is solved by the features of claim 8.
  • the device in question is configured such that the magnetic field system can be generated by a plurality of permanent magnets and a plurality of electromagnets and that the electromagnets are clocked switchable and / or the strength and / or direction of the magnetic field generated by the electromagnet are variable.
  • the segments of the cathode arrangement are galvanically coupled to one another.
  • the magnetic field is correspondingly influenced according to the invention and a suitable magnetic field is set in the specific segment. Due to the sole use of permanent magnets, however, no controllable magnetic field can be generated without mechanical movement of the magnets.
  • each individual segment of the cathode arrangement is assigned its own magnetic field generating subsystem, which is formed in each case from at least one permanent magnet and at least one electromagnet.
  • the individual magnetic field generating subsystems are preferably located in the immediate vicinity of each other.
  • an optimal or at least sufficiently good magnetic field system can be generated in a particularly simple manner for each partial cathode.
  • the individual sub-cathodes or magnetic-field-generating subsystems could be arranged linearly. However, further arrangements would be possible.
  • the segments of the cathode arrangement could be arranged in a ring or a polygon.
  • the electromagnets are preferably influenced separately from each other. This can be achieved in particular by the fact that the individual electromagnets can be supplied with energy independently of one another or at least in groups of electromagnets. It is conceivable that individual electromagnets can be switched on or off by independent switches. On the other hand, however, the strength of the current flowing through the windings of the electromagnet could also be changed. For this purpose, for example, various discrete voltage levels could be provided, which are optionally applied to an electromagnet. Alternatively, the electromagnet could be preceded by driver stages which bring the corresponding input voltage level to a desired voltage or impress a desired current in the conductors of an electromagnet.
  • an alternating current can be superimposed on a fixed or adjustable direct current.
  • This alternating current can be selected as a function of the respective desired effect with different frequencies, signal curves, maximum values or other parameters. It would be conceivable that the alternating current has a sinusoidal course or is formed as a rectangular, shege leopard-, triangular current or the like.
  • the magnetic field is preferably influenced in an active region of the cathode arrangement in such a way that essentially a desired direction and amplitude of the magnetic field are set in this region.
  • the energy supply conditions of the electromagnets are suitably selected.
  • the parameters could be dictated by, fixed voltages and / or currents, or individually adaptable for each solenoid, for groups of solenoids, or for all solenoids. For this purpose, one or more of the aforementioned possibilities can be used.
  • the magnetic field is influenced in a non-active region of the cathode arrangement such that a substantially negligible magnetic field component results parallel to the cathode in the non-active region.
  • the electromagnets are disconnected from the supply.
  • a suitable, possibly opposing energy supply can be provided to selectively suppress or minimize the components of the magnet parallel to the cathode.
  • the electromagnets of the individual magnetic field generating subsystems are preferably switched or supplied in such a way that the magnetic field of an active region is formed only in the vicinity of a single magnetic field generating subsystem.
  • the remaining magnetic field generating subsystems are switched such that the amplitude of the magnetic field component parallel to the cathode in the vicinity of the cathode is substantially equal to zero.
  • the individual magnetic field generating subsystem can then be switched such that the active region moves over the cathode assembly.
  • a relatively uniform material removal of the cathode can be achieved.
  • a magnetic field-generating subsystem has at least one permanent magnet, around which a plurality of electromagnets, preferably constructed separately from one another, are arranged.
  • this effect could also be achieved by a single, complicated constructed electromagnet, which encloses the / the permanent magnet (s).
  • the individual electromagnets of a magnetic field generating subsystem are aligned such that the coil axes of the electromagnets are parallel to each other and / or the individual electromagnets are arranged substantially in one plane, wherein the coil axes are preferably substantially perpendicular to this plane.
  • the individual electromagnets can each be designed the same.
  • individual electromagnets or groups of electromagnets could differ in the shape of the coil core, the number of turns or in other parameters.
  • adjacent magnetic field generating subsystems could share at least one electromagnet in common.
  • the number of electromagnets used can be reduced and thus manufacturing, operating and maintenance costs can be reduced.
  • a high degree of flexibility is maintained in influencing and adjusting the magnetic field system.
  • the permanent magnets and the electromagnets have a common magnetic yoke.
  • all the permanent magnets and electromagnets of the entire arrangement can be magnetically combined.
  • only individual magnetic field generating subsystems could have a common magnetic yoke.
  • these embodiments of the invention trigger a HIPIMS process, wherein conditions for triggering can be set only on one or a few sub-segments of the cathode arrangement.
  • the HIPIMS power supply can be optimally utilized and the average temperature load of the cathode arrangement can be minimized.
  • Various designs of cathode arrangements can be used. For example, a larger cathode could be subdivided into subsegments. However, several physically separate individual cathodes could be galvanically coupled. On the other hand, segmented cathodes could also be galvanically coupled with non-segmented cathodes.
  • the cathode arrangement can be constructed with cathodes of the same material, but also the use of different materials would be possible depending on the particular application.
  • the HIPIMS process can be triggered specifically on a specific segment of the cathode arrangement. All you need to do is to have the active area near the segment where the HIPIMS process is to be triggered. All further segments could be connected as non-active areas, whereby no HIPIMS process takes place here.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a structure of a device according to the invention with three magnetic field generating subsystems and
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a section through the device according to FIG. 1 along the line A - A.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a structure of a device according to the invention for generating a magnetic field system.
  • Each magnetic field generating subsystem 2 consists of a permanent magnet 3 and four electromagnets 4, 5, wherein the electromagnets 4, 5 are arranged in a rectangle, in the center of which the permanent magnet 3 is located.
  • Adjacent magnetic field generating subsystems 2 each use an electromagnet 4 together.
  • the permanent magnets 3 of adjacent magnetic field generating subsystems 2 are arranged such that in each case a different polarity points upwards.
  • the respectively opposite pole is oriented in the direction of a yoke plate 6, which magnetically connects the individual magnetic field generating subsystems 2 with each other.
  • Pole shoes 7 are respectively arranged between the individual permanent magnets 3 and the yoke plate 6 in order to adjust the height of the permanent magnets which are relatively flat compared to the electromagnets.
  • the permanent magnets 3 are made of SmCo or FeNdB, the coil cores 8, the yoke plate 6 and the pole pieces 7 are formed of soft iron, ferrite or layered transformer sheet.
  • the yoke plate 6 is equipped with a not shown here water cooling or connected.
  • the individual connection lines or power supplies of the individual electromagnets 4, 5 are also not shown.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a section through the device according to FIG. 1 along the line A - A.
  • the yoke plate 6 is magnetically connected to the two coil cores 8 of the electromagnets 5 shown.
  • the permanent magnet 3 is arranged, which is magnetically connected to the yoke plate 6 via the pole piece 7.
  • the north pole N of the permanent magnet 3 points upwards in the direction of a cathode 9 arranged above the device, which serves as a target for the HIPIMS method.
  • the cathode extends over the entire device according to FIG. 1 and is also configured rectangular.
  • the aspect ratios in FIGS. 1 and 2 are selected slightly differently in order to increase the clarity of the presentation.
  • the conductors 10 of the electromagnets 5 can be supplied with current differently, so that a north or south pole is formed in the upper region of one or both electromagnets. Alternatively, one or both of the electromagnets could not be supplied with current, so that no magnetic field is formed starting from the relevant electromagnet 5. Assuming that the section of a magnetic field generating subsystem shown in FIG. 2 should form an active region, the electromagnets 5 must be switched such that a resulting magnetic field B results, which has a component parallel to the cathode 9. The magnetic field strength parallel to the cathode and in its vicinity will be between 80 and 1500 Gauss.
  • the windings 10 of the electromagnets 5 must be energized in such a way that a south pole is formed in the upper region of the electromagnets 5.
  • an electric field E is established between the cathode 9 and an anode not shown.
  • the electric field E increases in a pulse shape and, in conjunction with the carrier gas, causes the dissolution of atoms or atomic clusters from the cathode 9.
  • the power density of the pulses is generally in a range between 1000 and 3000 W / cm 2 , the pulse duration is between 50 and 200 ⁇ s.
  • the individual magnetic field generating subsystems are dimensioned such that a pulse current density between 0.5 and 2.0 kA / cm2 sets. In the cathode case of the impulse discharge forming thereon, a voltage drop between 0.4 and 2.5 kV should prevail. For cooling reasons, the total power supplied to the cathode assembly should not exceed 15W / cm 2.
  • the active region is shifted to another magnetic field generating subsystem or another segment of the cathode configuration and the current magnetic field generating subsystem or the current segment is switched inactive.
  • the windings 10 of the electromagnets 5 are either energized in the reverse direction or flowed through by no current.
  • a north pole is formed in the upper region of the electromagnet 5, or the electromagnets 5 do not generate any amount for the resulting magnetic field.
  • the component of the magnetic field B oriented parallel to the cathode 9 is reduced to a minimum or disappears completely. As a result, no more HIPIMS process can be triggered in this area, the cathode is no longer loaded.
  • the currents through the electromagnets flanking the longitudinal side of the cathode can be provided with a sinusoidal current are superimposed. As a result, the discharge is rocked and thus increases the target utilization.

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Abstract

A method for producing a magnetic-field system for a cathode arrangement, wherein the cathode arrangement comprises one or more cluster magnetron cathodes, each having a plurality of part-segments and/or a plurality of DC-coupled individual cathodes, is designed with regard to the formation of a magnetic-field system which is as suitable as possible for magnetron sputtering, in particular HIPIMS (high-power impulse magnetron sputtering) such that the magnetic-field system is produced by a plurality of permanent magnets (3) and a plurality of electromagnets (4, 5) and such that the electromagnets (4, 5) are switched in clocked fashion and/or the strength and/or the direction of the magnetic field produced by the electromagnets is changed. A corresponding apparatus (1) is specified.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM ERZEUGEN EINES MAGNETFELDSYSTEMS METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING A MAGNETIC FIELD SYSTEM
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldsystems für eine Kathodenanordnung, wobei die Kathodenanordnung eine oder mehrere Cluster-Magnetron-Kathoden mit jeweils mehreren Teilsegmenten und/oder mehrere galvanisch gekoppelte Einzelkathoden umfasst.The invention relates to a method and a device for generating a magnetic field system for a cathode arrangement, wherein the cathode arrangement comprises one or more cluster magnetron cathodes each having a plurality of subsegments and / or a plurality of galvanically coupled single cathodes.
Magnetronsputtern stellt eine besonders effektive Art des Sputterns dar, bei dem in einer Glimmentladung einzelne Atome oder Atomcluster aus einem Zielmaterial (Target) abgetragen werden. Die Ionen der Glimmentladung entstehen durch Stöße zwischen Elektronen und einem Sputtergas (Trägergas), das im Allgemeinen durch ein Edelgas, meist Argon, gebildet wird. Beim Magnetronsputtern werden in der Nähe des Targets ein zu diesem parallel gerichtetes Magnetfeld und ein zu diesem senkrecht stehendes elektrisches Feld erzeugt. In dem elektrischen Feld beschleunigte Elektronen werden dadurch in einem räumlich begrenzten Bereich vor dem Targets auf spiralförmige Bahnen gelenkt, wodurch dort auch bei niedrigen Drücken des Sputtergases besonders effektiv Ionen erzeugt werden.Magnetron sputtering is a particularly effective way of sputtering, where single atoms or atomic clusters are removed from a target material in a glow discharge. The ions of the glow discharge are formed by collisions between electrons and a sputtering gas (carrier gas), which is generally formed by a noble gas, usually argon. In magnetron sputtering, a magnetic field directed parallel to the target and an electric field perpendicular thereto are generated in the vicinity of the target. In the electric field accelerated electrons are thereby guided in a spatially limited area in front of the target on spiral paths, whereby there particularly effective ions are generated even at low pressures of the sputtering gas.
Die abgesputterten Atome und Ionen des Targets können auf Substraten kondensieren, die in die Nähe des Targets gebracht werden. Auf diese Weise entstehen sehr dünne Filme des Targetmaterials auf den Substraten. Häufig findet der Sputter- prozess in einer reaktiven Atmosphäre, beispielsweise in Argon mit Stickstoff, statt, wodurch beispielsweise bei Verwendung von Ti, TiAI, Cr oder Zr besonders harte und verschleißfeste Schichten auf den Substraten aufwachsen.The sputtered atoms and ions of the target can condense on substrates that are brought close to the target. In this way, very thin films of the target material are formed on the substrates. Frequently, the sputtering process takes place in a reactive atmosphere, for example in argon with nitrogen, whereby, for example when using Ti, TiAl, Cr or Zr, particularly hard and wear-resistant layers are grown on the substrates.
High Power Impuls Magnetron Sputtering (HIPIMS) stellt eine besondere Art des Magnetronsputtern dar und gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung. Das HIPIMS-Verfahren zeichnet sich durch eine impulsförmige Zufuhr der elektrischen Leistung auf das als Kathode wirkende Target aus. Aufgrund der der Kathode zugeführten hohen Leistungsdichten von typischerweise 1000 bis 3000 W/cm2 während einer Impulsdauer von 50 bis 200 μs stellt sich eine Plasmakonfiguration ein, die im Gegensatz zu der im Falle des Magnetronsputterns zu erwartenden anomalen Glimmentladung das Charakteristikum einer Bogenentladung aufweist. Während bei dem konventionellen Magnetronsputtem dem Trägergas der überwiegende Anteil an Ionisation zufällt, beträgt die Ionisation der abgesplitterten Targetatome dort typischerweise nur 10 %. Demgegenüber beobachtet man im Falle des HIPIMS-Verfah- rens Targetionen-Konzentrationen von über 50 %. Zudem tritt ähnlich wie bei der Bo- genentladung Mehrfachionisation der Targetatome auf. Aufgrund dieses Tatbestandes ergeben sich für die Schichtbildung sehr günstige Bedingungen, die sich unter anderem in einer sehr hohen Dichte der abgeschiedenen Materie und in einer exzellenten Haftfestigkeit äußert. Bezüglich weiterer Details zum HIPIMS-Verfahren sei auf die Veröffentlichungen „A Novel Pulsed Magnetron Sputter Technique Utilizing Very High Target Power Densities" der Herren V. Kouznetsov, K. Macäk, J. M. Schneider, U. Helmersson und I. Petrov in Surface and Coatings Technology, 122 (2-2), 290-293 (1999) und „CrN Deposition by Reactive High-Power Density Pulsed Magnetron Sputtering" der Herren A. P. Ehiasarian, W.-D. Münz, L. Hultman und U. Helmersson in 45th Technical Conference Proceedings, 328-334 (2002) verwiesen.High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS) is a special type of magnetron sputtering and is gaining in industrial importance. The HIPIMS method is characterized by a pulse-shaped supply of electrical power to the target acting as a cathode. Due to the high power densities of typically 1000 to 3000 W / cm 2 applied to the cathode during a pulse duration of 50 to 200 μs, a plasma configuration is established which exhibits the characteristic of an arc discharge in contrast to the expected abnormal glow discharge in the case of magnetron sputtering. While at the conventional magnetron sputtering the majority of the ionization of the carrier gas, the ionization of the chipped target atoms there is typically only 10%. In contrast, in the case of the HIPIMS process, target ion concentrations of more than 50% are observed. In addition, similar to the arc discharge, multiple ionization of the target atoms occurs. Due to this fact, very favorable conditions result for the layer formation, which manifests itself inter alia in a very high density of the deposited matter and in an excellent adhesive strength. For further details on the HIPIMS process, see the publications "A Novel Pulsed Magnetron Sputtering Technique Utilizing Very High Target Power Densities" by V. Kouznetsov, K. Macak, JM Schneider, U. Helmersson and I. Petrov in Surface and Coatings Technology , 122 (2-2), 290-293 (1999) and "CrN Deposition by Reactive High-Power Density Pulsed Magnetron Sputtering" of Mr. AP Ehiasarian, W.-D. Münz, L. Hultman and U. Helmersson in 45 th Technical Conference Proceedings, 328-334 (2002).
Im praktischen Umgang mit der HIPIMS-Technologie liegt eine der Hauptschwierigkeiten in dem Problem der Kühlung des Targets. Beim Sputtem wird mehr als 95 % der am Target umgesetzten Leistung durch Kühlwasser abgeführt. Geht man von einer Leistungsdichte von 3000 W/cm2 aus, so ergibt sich bei einem Target von 100 x 20 cm2 eine Leistungszufuhr von 6 MW pro Impuls. Aufgrund dieser sehr starken Targettemperaturbelastung kann die beschriebene Impulstechnik lediglich bis zu Taktfrequenzen von etwa 100 Hz (10 ms Pulsabstand) eingesetzt werden. Daraus ergibt sich, dass bei einer Pulsdauer von typischerweise 200 μs weniger als 1 % des Pulsabstandes genutzt werden kann, um den HIPIMS-Prozess auszulösen.In practical use of the HIPIMS technology, one of the major difficulties in the problem of cooling the target. When sputtering more than 95% of the power converted to the target is dissipated by cooling water. Assuming a power density of 3000 W / cm 2 , resulting in a target of 100 x 20 cm 2, a power input of 6 MW per pulse. Because of this very strong Targettemperaturbelastung the impulse technique described can only be used up to clock frequencies of about 100 Hz (10 ms pulse spacing). As a result, with a pulse duration of typically 200 μs, less than 1% of the pulse gap can be used to trigger the HIPIMS process.
Zur Reduzierung der Belastung des Targets kann deshalb eine Mehrfachkathoden- anordnung verwendet werden, bei der einzelne Teile des Targets sequentiell für das Sputtem verwendet werden. Sinnvollerweise wird dazu eine Kathode in mindestens 2 bis 10 oder je nach Kathodenlänge auch mehr, häufig gleich große Teilsegmente aufgeteilt. Alternativ zu einer derartigen Cluster-Magnetron-Kathode können mehrere Einzelkathoden zum Einsatz kommen. Cluster-Magnetron-Kathoden und Einzelkathoden können zudem in beliebigen Kombinationen eingesetzt werden. Jedes Segment der Kathodenanordnung - also jedes Teilsegment einer Cluster-Magnetron- Kathode oder jede Einzelkathode - wird dann sequentiell mit hochenergetischen elektrischen Impulsen beaufschlagt. Dazu müsste jeder Kathode eine eigene HIPIMS-Energieversorgung zur Verfügung gestellt werden. Dadurch würden die Kosten einer derartigen Anlage astronomisch steigen. Um die Kosten in wirtschaftlich vernünftigen Grenzen zu halten, kommt deshalb lediglich eine einzige HIPIMS-Energieversorgung zur Versorgung der einzelnen Segmente zum Einsatz. Mittels geeigneter Schalter wird die HIPIMS-Energieversorgung sequentiell auf die einzelnen Segmente der Kathodenanordnung geschaltet. Allerdings sind auch die hierfür notwendigen Schalter wiederum teuer, so dass die Kosten der Gesamtanlage nur begrenzt reduziert werden können.For reducing the load of the target, therefore, a multiple cathode arrangement can be used in which individual parts of the target are used sequentially for sputtering. It makes sense to a cathode in at least 2 to 10 or depending on the cathode length and more, often equally large sub-segments divided. As an alternative to such a cluster magnetron cathode, a plurality of single cathodes can be used. Cluster magnetron cathodes and single cathodes can also be used in any combination. Each segment of the cathode arrangement - ie each sub-segment of a cluster magnetron Cathode or each single cathode - is then applied sequentially with high-energy electrical pulses. Each cathode would have to be provided with its own HIPIMS power supply. As a result, the cost of such a system would rise astronomically. In order to keep costs within economically reasonable limits, only one HIPIMS energy supply is used to supply the individual segments. By means of suitable switches, the HIPIMS power supply is switched sequentially to the individual segments of the cathode arrangement. However, the necessary switches are again expensive, so that the cost of the entire system can be reduced only limited.
Eine Lösung für dieses Problem könnte darin bestehen, alle Kathoden der Kathodenanordnung galvanisch zu koppeln und mit einer gemeinsamen HIPIMSEnergie- versorgung anzusteuern. Allerdings müsste dann eine extrem leistungsfähige Energieversorgung eingesetzt werden, um die zum Auslösen eines HIPIMSProzesses benötigte Stromdichte zu liefern.One solution to this problem could be to galvanically couple all the cathodes of the cathode assembly and drive them with a common HIPIM energy supply. However, an extremely powerful power supply would then have to be used to deliver the current density needed to trigger a HIPIM process.
Eine Möglichkeit, mit der diesem Problem begegnet werden könnte, liegt in einer Steuerung des Magnetfelds. Üblicherweise wird bei Magnetronkathoden das Magnetfeld jedoch durch Permanentmagnete erzeugt. Dies ist im Zusammenhang mit der zuvor beschriebenen Kathodenanordnung mit galvanisch gekoppelten Segmenten sehr hinderlich und äußert unpraktisch.One way in which this problem could be addressed is to control the magnetic field. Usually, however, the magnetic field is generated by permanent magnets in magnetron cathodes. This is in the context of the previously described cathode arrangement with galvanically coupled segments very hindering and expresses impractical.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass bei Kathodenanordnungen mit galvanisch gekoppelten Segmenten ein hinreichend geeignetes, steuerbares Magnetfeldsystem erzeugbar ist.The present invention is therefore based on the object, a method and an apparatus of the type mentioned in such a way and further, that in cathode arrangements with galvanically coupled segments, a sufficiently suitable, controllable magnetic field system can be generated.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das in Rede stehende Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldsystem durch mehrere Permanentmagnete und mehrere Elektromagnete erzeugt wird und dass die Elektromagnete getaktet geschaltet werden und/oder die Stärke und/oder die Richtung des durch die Elektromagneten erzeugten Magnetfelds verändert wird. In vorrichtungsmäßiger Hinsicht ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Vorrichtung derart ausgestaltet, dass das Magnetfeldsystem durch mehrere Permanentmagneten und mehrere Elektromagneten erzeugbar ist und dass die Elektromagnete getaktet schaltbar sind und/oder die Stärke und/oder die Richtung des durch die Elektromagneten erzeugten Magnetfelds veränderbar sind.According to the invention the above object is solved by the features of claim 1. Thereafter, the method in question is characterized in that the magnetic field system is generated by a plurality of permanent magnets and a plurality of electromagnets and that the electromagnets are switched clocked and / or the strength and / or the direction of the magnetic field generated by the electromagnet is changed. In terms of the device, the above object is solved by the features of claim 8. Thereafter, the device in question is configured such that the magnetic field system can be generated by a plurality of permanent magnets and a plurality of electromagnets and that the electromagnets are clocked switchable and / or the strength and / or direction of the magnetic field generated by the electromagnet are variable.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass die Forderungen nach einer möglichst kleinen HIPIMS-Energieversorgung und die Behebung thermischer Probleme bei gleichzeitig relativ geringen Kosten der gesamten Anlage realisiert werden können. Dazu sind die Segmente der Kathodenanordnung galvanisch miteinander verkoppelt. Zum Auslösen eines HIPIMS-Prozess in einem bestimmten Segment der Kathodenanordnung wird erfindungsgemäß das Magnetfeld entsprechend beeinflusst und ein geeignetes Magnetfeld in dem bestimmten Segment eingestellt. Durch den alleinigen Einsatz von Permanentmagneten ist jedoch ohne mechanische Bewegung der Magnete kein steuerbares Magnetfeld erzeugbar. Auch das Ersetzen der Permanentmagnete durch Elektromagnete liefert insbesondere wegen der sich sehr stark gegenseitig beeinflussenden Magnetfelder für die einzelnen Segmente der Kathodenanordnung keine Anordnung, mit der ein hinreichend befriedigendes Ergebnis erreicht wird. Erfindungsgemäß ist deshalb erkannt worden, dass durch geschickte Kombination und geschickte Anordnung von mehreren Permanentmagneten und mehreren Elektromagneten sehr flexibel und verblüffend einfach ein geeignetes und ausreichend steuerbares Magnetfeldsystem erzeugbar ist. Dazu müssen lediglich die Elektromagnete getaktet schaltbar sein und/oder die Stärke und/oder die Richtung des durch die Elektromagneten erzeugten Magnetfelds veränderbar sein. Einzige Voraussetzung dabei ist, dass die Veränderung des durch die Elektromagnete erzeugten Magnetfelds schneller erfolgt als die Pulse auf die einzelnen Segmente gegeben werden. Da die Kosten einer Energieversorgung für die Elektromagnete - im Allgemeinen eine Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle - um ein Vielfaches geringer sind als die für eine HIPIMS-Energieversorgung, können selbst bei einer größeren Anzahl von zu steuernden Elektromagneten die Kosten vergleichsweise niedrig gehalten werden. Vorzugsweise ist jedem einzelnen Segment der Kathodenanordnung ein eigenes magnetfelderzeugendes Teilsystem zugeordnet, das jeweils aus mindestens einem Permanentmagneten und mindestens einem Elektromagneten gebildet ist. Die einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsysteme befinden sich dabei vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zueinander. Dadurch kann in besonders einfacher Art und Weise für jede Teilkathode ein optimales oder zumindest hinreichend gutes Magnetfeldsystem erzeugt werden. Die einzelnen Teilkathoden bzw. magnetfelderzeugenden Teilsysteme könnten dabei linear angeordnet sein. Allerdings wären auch weitere Anordnungen möglich. So könnten die Segmente der Kathodenanordnung beispielsweise in einem Ring oder einem Vieleck angeordnet sein.In accordance with the invention, it has first been recognized that the demands for the smallest possible HIPIMS energy supply and for the remedy of thermal problems can be realized with at the same time a relatively low cost of the entire system. For this purpose, the segments of the cathode arrangement are galvanically coupled to one another. In order to trigger a HIPIMS process in a specific segment of the cathode arrangement, the magnetic field is correspondingly influenced according to the invention and a suitable magnetic field is set in the specific segment. Due to the sole use of permanent magnets, however, no controllable magnetic field can be generated without mechanical movement of the magnets. The replacement of the permanent magnets by electromagnets provides, in particular because of the very strongly interacting magnetic fields for the individual segments of the cathode arrangement no arrangement with which a sufficiently satisfactory result is achieved. According to the invention, it has therefore been recognized that a suitable and sufficiently controllable magnetic field system can be generated in a very flexible and astonishingly simple manner by skillful combination and clever arrangement of a plurality of permanent magnets and a plurality of electromagnets. For this purpose, only the electromagnets must be clocked switchable and / or the strength and / or the direction of the magnetic field generated by the electromagnets to be changeable. The only prerequisite is that the change in the magnetic field generated by the electromagnets is faster than the pulses are given to the individual segments. Since the cost of a power supply to the electromagnets - generally a DC or DC voltage source - are many times lower than that for a HIPIMS power supply, the costs can be kept relatively low even with a larger number of electromagnets to be controlled. Preferably, each individual segment of the cathode arrangement is assigned its own magnetic field generating subsystem, which is formed in each case from at least one permanent magnet and at least one electromagnet. The individual magnetic field generating subsystems are preferably located in the immediate vicinity of each other. As a result, an optimal or at least sufficiently good magnetic field system can be generated in a particularly simple manner for each partial cathode. The individual sub-cathodes or magnetic-field-generating subsystems could be arranged linearly. However, further arrangements would be possible. For example, the segments of the cathode arrangement could be arranged in a ring or a polygon.
Zum Erzielen einer möglichst umfassenden Flexibilität und Steuerbarkeit sind die Elektromagnete vorzugsweise getrennt voneinander beeinflussbar. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die einzelnen Elektromagneten unabhängig voneinander oder zumindest in Gruppen von Elektromagneten mit Energie versorgt werden können. Dabei ist es denkbar, dass einzelne Elektromagnete durch unabhängige Schalter zu- oder abgeschaltet werden können. Zum anderen könnte aber auch die Stärke des durch die Wicklungen des Elektromagneten fließenden Stroms verändert werden. Dazu könnten beispielsweise verschiedene diskrete Spannungsniveaus zur Verfügung gestellt sein, die wahlweise an einen Elektromagneten angelegt werden. Alternativ könnte den Elektromagneten Treiberstufen vorgeschaltet sein, die das entsprechende Eingangsspannungsniveau auf eine gewünschte Spannung bringt bzw. einen gewünschten Strom in den Leitern eines Elektromagneten einprägt.To achieve the greatest possible flexibility and controllability, the electromagnets are preferably influenced separately from each other. This can be achieved in particular by the fact that the individual electromagnets can be supplied with energy independently of one another or at least in groups of electromagnets. It is conceivable that individual electromagnets can be switched on or off by independent switches. On the other hand, however, the strength of the current flowing through the windings of the electromagnet could also be changed. For this purpose, for example, various discrete voltage levels could be provided, which are optionally applied to an electromagnet. Alternatively, the electromagnet could be preceded by driver stages which bring the corresponding input voltage level to a desired voltage or impress a desired current in the conductors of an electromagnet.
Zusätzlich oder alternativ kann einem festen oder einstellbaren Gleichstrom ein Wechselstrom überlagert werden. Dieser Wechselstrom kann in Abhängigkeit des jeweils gewünschten Effekts mit unterschiedlichen Frequenzen, Signalverläufen, Maximalwerten oder anderen Parametern gewählt werden. Dabei wäre es denkbar, dass der Wechselstrom einen sinusförmigen Verlauf aufweist oder als Rechteck-, Sägezahn-, Dreiecksstrom oder dergleichen ausgebildet ist.Additionally or alternatively, an alternating current can be superimposed on a fixed or adjustable direct current. This alternating current can be selected as a function of the respective desired effect with different frequencies, signal curves, maximum values or other parameters. It would be conceivable that the alternating current has a sinusoidal course or is formed as a rectangular, Sägezahn-, triangular current or the like.
Vorzugsweise wird in einem aktiven Bereich der Kathodenanordnung das Magnetfeld derart beeinflusst, dass sich in diesem Bereich im Wesentlichen eine gewünschte Richtung und Amplitude des Magnetfelds einstellt. Dazu müssen die Energieversor- gungen der Elektromagnete geeignet gewählt werden. Die Parameter könnten durch, feste Spannungen und/oder Ströme vorgegeben oder individuell für jeden Elektromagneten, für Gruppen von Elektromagneten oder für alle Elektromagnete gemeinsam anpassbar sein. Dazu kann eine oder mehrere der zuvor genannten Möglichkeiten genutzt werden.The magnetic field is preferably influenced in an active region of the cathode arrangement in such a way that essentially a desired direction and amplitude of the magnetic field are set in this region. For this purpose, the energy supply conditions of the electromagnets are suitably selected. The parameters could be dictated by, fixed voltages and / or currents, or individually adaptable for each solenoid, for groups of solenoids, or for all solenoids. For this purpose, one or more of the aforementioned possibilities can be used.
Zur Vermeidung ungewünschter Beeinflussungen wird in einem nicht aktiven Bereich der Kathodenanordnung das Magnetfeld derart beeinflusst, dass sich in dem nicht aktiven Bereich eine im Wesentlichen vernachlässigbare Magnetfeldkomponente parallel zur Kathode ergibt. Dazu können zum einen die Elektromagnete von der Versorgung getrennt werden. Zum anderen kann eine geeignete, gegebenenfalls gegensinnige Energieversorgung vorgesehen sein, um gezielt die zur Kathode parallelen Komponenten des Magnets zu unterdrücken oder zu minimieren.In order to avoid undesired influences, the magnetic field is influenced in a non-active region of the cathode arrangement such that a substantially negligible magnetic field component results parallel to the cathode in the non-active region. For this purpose, on the one hand, the electromagnets are disconnected from the supply. On the other hand, a suitable, possibly opposing energy supply can be provided to selectively suppress or minimize the components of the magnet parallel to the cathode.
Dabei werden die Elektromagnete der einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsysteme vorzugsweise derart geschaltet oder versorgt, dass lediglich in der Nähe eines einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsystems sich das Magnetfeld eines aktiven Bereiches ausbildet. Die übrigen magnetfelderzeugenden Teilsysteme werden hingegen derart geschaltet, dass die Amplitude der Magnetfeldkomponente parallel zur Kathode in der Nähe der Kathode im Wesentlichen gleich Null ist. Die einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsystems können dann derart geschaltet werden, dass sich der aktive Bereich über die Kathodenanordnung bewegt. Dadurch kann beispielsweise bei dem Einsatz im Zusammenhang mit einem HIPIMS-Verfahren ein relativ gleichmäßiger Materialabtrag der Kathode erreicht werden. Je nach verwendeter Kathodenanordnung und gewünschtem Einsatz könnten jedoch auch mehrere aktive Bereiche ausgebildet werden, deren Anzahl jedoch deutlich unter der Zahl der Segmente der Kathodenanordnung liegen sollte.In this case, the electromagnets of the individual magnetic field generating subsystems are preferably switched or supplied in such a way that the magnetic field of an active region is formed only in the vicinity of a single magnetic field generating subsystem. The remaining magnetic field generating subsystems, however, are switched such that the amplitude of the magnetic field component parallel to the cathode in the vicinity of the cathode is substantially equal to zero. The individual magnetic field generating subsystem can then be switched such that the active region moves over the cathode assembly. As a result, for example, when used in conjunction with a HIPIMS method, a relatively uniform material removal of the cathode can be achieved. However, depending on the cathode arrangement used and the desired use, it would also be possible to form a plurality of active regions, the number of which, however, should be significantly less than the number of segments of the cathode arrangement.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist ein magnetfelderzeugendes Teilsystem mindestens einen Permanentmagneten auf, um den herum mehrere, vorzugsweise getrennt voneinander aufgebaute Elektromagnete angeordnet sind. Dieser Effekt könnte allerdings auch durch einen einzelnen, kompliziert aufgebauten Elektromagneten erreicht werden, der den/die Permanentmagneten umschließt. Vorzugsweise sind die einzelnen Elektromagnete eines magnetfelderzeugenden Teilsystems derart ausgerichtet, dass die Spulenachsen der Elektromagnete parallel zueinander verlaufen und/oder die einzelnen Elektromagnete im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind, wobei die Spulenachsen vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu dieser Ebene verlaufen. Dabei können die einzelnen Elektromagnete jeweils gleich ausgestaltet sein. Allerdings könnten sich auch einzelne Elektromagnete oder Gruppen von Elektromagneten in der Formgebung des Spulenkerns, der Windungszahl oder in anderen Parametern unterscheiden.In a particularly preferred embodiment, a magnetic field-generating subsystem has at least one permanent magnet, around which a plurality of electromagnets, preferably constructed separately from one another, are arranged. However, this effect could also be achieved by a single, complicated constructed electromagnet, which encloses the / the permanent magnet (s). Preferably, the individual electromagnets of a magnetic field generating subsystem are aligned such that the coil axes of the electromagnets are parallel to each other and / or the individual electromagnets are arranged substantially in one plane, wherein the coil axes are preferably substantially perpendicular to this plane. In this case, the individual electromagnets can each be designed the same. However, individual electromagnets or groups of electromagnets could differ in the shape of the coil core, the number of turns or in other parameters.
Hinsichtlich einer möglichst optimalen Ausnutzung der eingesetzten Elektromagnete könnten benachbarte magnetfelderzeugende Teilsysteme mindestens einen Elektromagneten gemeinsam nutzen. Dadurch kann die Anzahl der verwendeten Elektromagnete reduziert werden und somit Herstellungs-, Betriebs- und Wartungskosten gesenkt werden. Gleichzeitig bleibt jedoch ein hohes Maß an Flexibilität bei der Beeinflussung und Einstellung des Magnetfeldsystems erhalten.With regard to optimum utilization of the electromagnets used, adjacent magnetic field generating subsystems could share at least one electromagnet in common. As a result, the number of electromagnets used can be reduced and thus manufacturing, operating and maintenance costs can be reduced. At the same time, however, a high degree of flexibility is maintained in influencing and adjusting the magnetic field system.
Vorzugsweise weisen die Permanentmagnete und die Elektromagnete ein gemeinsames magnetisches Joch auf. Dabei können sämtliche Permanent- und Elektromagnete der gesamten Anordnung magnetisch zusammengefasst sein. Alternativ könnten lediglich einzelne magnetfelderzeugende Teilsysteme ein gemeinsames magnetisches Joch besitzen.Preferably, the permanent magnets and the electromagnets have a common magnetic yoke. In this case, all the permanent magnets and electromagnets of the entire arrangement can be magnetically combined. Alternatively, only individual magnetic field generating subsystems could have a common magnetic yoke.
In vorteilhafter Weise lässt sich durch diese Ausgestaltungen der Erfindung ein HIPIMS-Prozess auslösen, wobei lediglich an einer oder wenigen Teilsegmenten der Kathodenanordnung Bedingungen für das Auslösen eingestellt werden können. Dadurch kann die HIPIMS-Energieversorgung optimal genutzt und die mittlere Temperaturbelastung der Kathodenanordnung minimiert werden. Dabei können verschiedenste Ausgestaltungen von Kathodenanordnungen zum Einsatz kommen. So könnte zum einen eine größere Kathode in Teilsegmente unterteilt werden. Allerdings ließen sich auch mehrere körperlich getrennte einzelne Kathoden galvanisch koppeln. Andererseits könnten auch segmentierte Kathoden mit nicht-segmentierten Kathoden galvanisch gekoppelt werden. Gleichzeitig lässt sich die Kathodenanordnung mit Kathoden gleichen Materials aufbauen, aber auch der Einsatz von unterschiedlichen Materialien wäre in Abhängigkeit der jeweiligen Anwendung möglich. Trotz der nahezu beliebigen Vielfalt an Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Kathoden oder Kathodensegmente kann der HIPIMS-Prozess gezielt an einem bestimmten Segment der Kathodenanordnung ausgelöst werden. Hierzu muss sich lediglich der aktive Bereich in der Nähe des Segments befinden, bei dem der HIPIMS- Prozess ausgelöst werden soll. Alle weiteren Segmente könnten als nicht aktive Bereiche beschaltet sein, wodurch hier kein HIPIMS-Prozess stattfindet.Advantageously, these embodiments of the invention trigger a HIPIMS process, wherein conditions for triggering can be set only on one or a few sub-segments of the cathode arrangement. As a result, the HIPIMS power supply can be optimally utilized and the average temperature load of the cathode arrangement can be minimized. Various designs of cathode arrangements can be used. For example, a larger cathode could be subdivided into subsegments. However, several physically separate individual cathodes could be galvanically coupled. On the other hand, segmented cathodes could also be galvanically coupled with non-segmented cathodes. At the same time, the cathode arrangement can be constructed with cathodes of the same material, but also the use of different materials would be possible depending on the particular application. Despite the almost arbitrary variety of possible combinations of the individual cathodes or cathode segments, the HIPIMS process can be triggered specifically on a specific segment of the cathode arrangement. All you need to do is to have the active area near the segment where the HIPIMS process is to be triggered. All further segments could be connected as non-active areas, whereby no HIPIMS process takes place here.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 8 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigenThere are now various possibilities for designing and developing the teaching of the present invention in an advantageous manner. For this purpose, on the one hand to the claims subordinate to claims 1 and 8 and on the other hand to refer to the following explanation of a preferred embodiment of the invention with reference to the drawings. In conjunction with the explanation of the preferred embodiment of the invention with reference to the drawing, generally preferred embodiments and developments of the teaching are explained. In the drawing show
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei magnetfelderzeugenden Teilsystemen undFig. 1 is a schematic representation of a structure of a device according to the invention with three magnetic field generating subsystems and
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Linie A — A.2 shows a schematic representation of a section through the device according to FIG. 1 along the line A - A. FIG.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldsystems. Zur übersichtlicheren Darstellung ist in Fig. 1 lediglich eine Vorrichtung 1 mit drei magnetfelderzeugenden Teilsystemen 2 dargestellt, die eine lineare Vorrichtung mit rechteckiger Grundfläche bilden. Jedes magnetfelderzeugende Teilsystem 2 besteht aus einem Permanentmagneten 3 und vier Elektromagneten 4, 5, wobei die Elektromagnete 4, 5 in einem Rechteck angeordnet sind, in dessen Zentrum sich der Permanentmagnet 3 befindet. Benachbarte magnetfelderzeugende Teilsysteme 2 nutzen dabei jeweils einen Elektromagneten 4 gemeinsam. Die Permanentmagnete 3 benachbarter magnetfelderzeugender Teilsysteme 2 sind derart angeordnet, dass jeweils eine unterschiedliche Polarität nach oben zeigt. So ist in der dargestellten Ausführung bei den magnetfei- derzeugenden Teilsystemen 2.1 und 2.3 der Nordpol N nach oben orientiert, während im magnetfelderzeugenden Teilsystem 2.2 der Südpol S nach oben zeigt. Der jeweils gegensinnige Pol ist in Richtung einer Jochplatte 6 orientiert, die die einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsysteme 2 magnetisch miteinander verbindet. Zwischen den einzelnen Permanentmagneten 3 und der Jochplatte 6 sind jeweils Polschuhe 7 angeordnet, um die im Vergleich zu den Elektromagneten relativ flachen Permanentmagnete in ihrer Höhe anzupassen.Fig. 1 shows a schematic representation of a structure of a device according to the invention for generating a magnetic field system. For a clearer illustration, only one device 1 with three magnetic field-generating subsystems 2, which form a linear device with a rectangular base area, is shown in FIG. Each magnetic field generating subsystem 2 consists of a permanent magnet 3 and four electromagnets 4, 5, wherein the electromagnets 4, 5 are arranged in a rectangle, in the center of which the permanent magnet 3 is located. Adjacent magnetic field generating subsystems 2 each use an electromagnet 4 together. The permanent magnets 3 of adjacent magnetic field generating subsystems 2 are arranged such that in each case a different polarity points upwards. Thus, in the illustrated embodiment, in the magnetic field dersprenden subsystems 2.1 and 2.3 of the north pole N oriented upward, while in the magnetic field generating subsystem 2.2 of the south pole S points upward. The respectively opposite pole is oriented in the direction of a yoke plate 6, which magnetically connects the individual magnetic field generating subsystems 2 with each other. Pole shoes 7 are respectively arranged between the individual permanent magnets 3 and the yoke plate 6 in order to adjust the height of the permanent magnets which are relatively flat compared to the electromagnets.
Die Permanentmagnete 3 bestehen aus SmCo oder FeNdB, die Spulenkerne 8, die Jochplatte 6 bzw. die Polschuhe 7 sind aus Weicheisen, Ferrit oder geschichtetem Trafoblech gebildet.The permanent magnets 3 are made of SmCo or FeNdB, the coil cores 8, the yoke plate 6 and the pole pieces 7 are formed of soft iron, ferrite or layered transformer sheet.
Zum Abführen der Verlustwärme in der Vorrichtung ist die Jochplatte 6 mit einer hier nicht eingezeichneten Wasserkühlung ausgestattet oder verbunden. Der Übersichtlichkeit wegen ebenfalls nicht eingezeichnet sind die einzelnen Anschlussleitungen bzw. Stromversorgungen der einzelnen Elektromagnete 4, 5.To dissipate the heat loss in the device, the yoke plate 6 is equipped with a not shown here water cooling or connected. For the sake of clarity, the individual connection lines or power supplies of the individual electromagnets 4, 5 are also not shown.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Linie A — A. Die Jochplatte 6 ist mit den beiden dargestellten Spulenkernen 8 der Elektromagnete 5 magnetisch verbunden. In der Mitte zwischen den Elektromagneten 5 ist der Permanentmagnet 3 angeordnet, der über den Polschuh 7 magnetisch mit der Jochplatte 6 verbunden ist. Der Nordpol N des Permanentmagneten 3 zeigt dabei nach oben in Richtung einer über der Vorrichtung angeordneten Kathode 9, die als Target für das HIPIMS-Verfahren dient. Die Kathode erstreckt sich dabei über die gesamte Vorrichtung gemäß Fig. 1 und ist ebenfalls rechteckig ausgestaltet. Die Seitenverhältnisse in den Fig. 1 und 2 sind dabei geringfügig unterschiedlich gewählt, um die Übersichtlichkeit der Darstellung zu erhöhen.2 shows a schematic representation of a section through the device according to FIG. 1 along the line A - A. The yoke plate 6 is magnetically connected to the two coil cores 8 of the electromagnets 5 shown. In the middle between the electromagnets 5, the permanent magnet 3 is arranged, which is magnetically connected to the yoke plate 6 via the pole piece 7. The north pole N of the permanent magnet 3 points upwards in the direction of a cathode 9 arranged above the device, which serves as a target for the HIPIMS method. The cathode extends over the entire device according to FIG. 1 and is also configured rectangular. The aspect ratios in FIGS. 1 and 2 are selected slightly differently in order to increase the clarity of the presentation.
Die Leiter 10 der Elektromagnete 5 können unterschiedlich mit Strom beaufschlagt werden, so dass sich im oberen Bereich eines oder beider Elektromagnete ein Nordoder Südpol ausbildet. Alternativ könnte einer oder beide der Elektromagnete nicht mit Strom beaufschlagt werden, so dass sich kein Magnetfeld ausgehend von dem betreffenden Elektromagneten 5 ausbildet. Unter der Annahme, dass der in Fig. 2 dargestellte Ausschnitt eines magnetfelderzeugenden Teilsystems einen aktiven Bereich bilden soll, müssen die Elektromag- nete 5 derart geschaltet werden, dass sich ein resultierendes Magnetfeld B ergibt, das eine Komponente parallel zur Kathode 9 aufweist. Die Magnetfeldstärke parallel zur Kathode und in dessen Nähe wird dabei zwischen 80 und 1500 Gauss liegen. Dazu müssen die Wicklungen 10 der Elektromagnete 5 derart bestromt werden, dass sich im oberen Bereich der Elektromagnete 5 ein Südpol ausbildet. Gleichzeitig wird zwischen der Kathode 9 und einer nicht eingezeichneten Anode ein elektrisches Feld E aufgebaut. Gemäß dem HIPIMS-Verfahren steigt das elektrische Feld E impuls- förmig an und sorgt in Verbindung mit dem Trägergas für das Herauslösen von Atomen oder Atomclustern aus der Kathode 9. Die Leistungsdichte der Impulse liegt im Allgemeinen in einem Bereich zwischen 1000 und 3000 W/cm2, die Impulsdauer beträgt zwischen 50 und 200 μs. Dabei sind die einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsysteme derart bemessen, dass sich eine Impulsstromdichte zwischen 0,5 und 2,0 kA/cm2 einstellt. Im Kathodenfall der darauf ausbildenden Impulsentladung sollte ein Spannungsabfall zwischen 0,4 und 2,5 kV vorherrschen. Aus kühltechnischen Gründen sollte die der Kathodenanordnung zugeführte Gesamtleistung 15W/cm2 nicht übersteigen.The conductors 10 of the electromagnets 5 can be supplied with current differently, so that a north or south pole is formed in the upper region of one or both electromagnets. Alternatively, one or both of the electromagnets could not be supplied with current, so that no magnetic field is formed starting from the relevant electromagnet 5. Assuming that the section of a magnetic field generating subsystem shown in FIG. 2 should form an active region, the electromagnets 5 must be switched such that a resulting magnetic field B results, which has a component parallel to the cathode 9. The magnetic field strength parallel to the cathode and in its vicinity will be between 80 and 1500 Gauss. For this purpose, the windings 10 of the electromagnets 5 must be energized in such a way that a south pole is formed in the upper region of the electromagnets 5. At the same time, an electric field E is established between the cathode 9 and an anode not shown. According to the HIPIMS method, the electric field E increases in a pulse shape and, in conjunction with the carrier gas, causes the dissolution of atoms or atomic clusters from the cathode 9. The power density of the pulses is generally in a range between 1000 and 3000 W / cm 2 , the pulse duration is between 50 and 200 μs. The individual magnetic field generating subsystems are dimensioned such that a pulse current density between 0.5 and 2.0 kA / cm2 sets. In the cathode case of the impulse discharge forming thereon, a voltage drop between 0.4 and 2.5 kV should prevail. For cooling reasons, the total power supplied to the cathode assembly should not exceed 15W / cm 2.
Nach dem Beaufschlagen der Kathode mit einem Impuls wird der aktive Bereich auf ein anderes magnetfelderzeugendes Teilsystem bzw. ein anderes Segment der Kathodenanordnung verschoben und das aktuelle magnetfelderzeugende Teilsystem bzw. das aktuelle Segment inaktiv geschaltet. In diesem Fall werden die Wicklungen 10 der Elektromagneten 5 entweder in umgekehrter Richtung bestromt oder durch keinen Strom durchflössen. Dadurch bildet sich im oberen Bereich der Elektromagneten 5 ein Nordpol aus oder die Elektromagneten 5 erzeugen keinen Betrag zum resultierenden Magnetfeld. Als Folge reduziert sich die parallel zu der Kathode 9 orientierte Komponente des Magnetfelds B auf ein Minimum oder verschwindet vollständig. Dadurch kann in diesem Bereich kein HIPIMS-Prozess mehr ausgelöst werden, die Kathode wird nicht mehr belastet.After applying a pulse to the cathode, the active region is shifted to another magnetic field generating subsystem or another segment of the cathode configuration and the current magnetic field generating subsystem or the current segment is switched inactive. In this case, the windings 10 of the electromagnets 5 are either energized in the reverse direction or flowed through by no current. As a result, a north pole is formed in the upper region of the electromagnet 5, or the electromagnets 5 do not generate any amount for the resulting magnetic field. As a result, the component of the magnetic field B oriented parallel to the cathode 9 is reduced to a minimum or disappears completely. As a result, no more HIPIMS process can be triggered in this area, the cathode is no longer loaded.
Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung können die Ströme durch die die Längsseite der Kathode flankierenden Elektromagnete mit einem sinusförmi- gen Strom überlagert werden. Dadurch wird die Entladung aufgeschaukelt und damit die Targetausnutzung erhöht.In order to improve the performance of the device, the currents through the electromagnets flanking the longitudinal side of the cathode can be provided with a sinusoidal current are superimposed. As a result, the discharge is rocked and thus increases the target utilization.
Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass das zuvor rein willkürlich gewählte Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt. Finally, it should be particularly emphasized that the previously purely arbitrarily chosen embodiment is only for the purpose of discussing the teaching of the invention, but this does not limit the embodiment.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zum Erzeugen eines Magnetfeldsystems für eine Kathodenanordnung, wobei die Kathodenanordnung eine oder mehrere Cluster-Magnetron-Katho- den mit jeweils mehreren Teilsegmenten und/oder mehrere galvanisch gekoppelte Einzelkathoden umfasst, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Magnetfeldsystem durch mehrere Permanentmagnete und mehrere Elektromagnete erzeugt wird und dass die Elekt- romagnete getaktet geschaltet werden und/oder die Stärke und/oder die Richtung des durch die Elektromagneten erzeugten Magnetfelds verändert wird.A method for generating a magnetic field system for a cathode arrangement, wherein the cathode arrangement comprises one or more cluster magnetron cathodes each having a plurality of sub-segments and / or a plurality of galvanically coupled single cathodes, characterized in that the magnetic field system is generated by a plurality of permanent magnets and a plurality of electromagnets and that the electromagnets are switched clocked and / or the strength and / or the direction of the magnetic field generated by the electromagnets is changed.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelder für die einzelnen Segmente der Kathodenanordnung getrennt beeinflusst werden, wobei ein Segment der Kathodenanordnung ein Teilsegment einer Cluster- Magnetron-Kathode oder eine der Einzelkathoden umfassen kann.2. The method according to claim 1, characterized in that the magnetic fields for the individual segments of the cathode assembly are influenced separately, wherein a segment of the cathode assembly may comprise a sub-segment of a cluster magnetron cathode or one of the individual cathodes.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elektromagnete unabhängig voneinander oder in Gruppen von Elektromagneten mit Energie versorgt werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the individual electromagnets are powered independently or in groups of electromagnets with energy.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem aktiven Bereich der Kathodenanordnung das Magnetfeld durch geeignete Wahl der Versorgungen der Elektromagnete derart beeinflusst wird, dass sich in dem aktiven Bereich im Wesentlichen eine gewünschte Richtung und Amplitude des Magnetfelds einstellt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in an active region of the cathode arrangement, the magnetic field is influenced by a suitable choice of the supplies of electromagnets that sets in the active region substantially a desired direction and amplitude of the magnetic field ,
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nicht aktiven Bereich der Kathodenanordnung das Magnetfeld durch geeignete Wahl der Versorgungen der Elektromagnete derart beeinflusst wird, dass sich in dem nicht aktiven Bereich in Richtungen parallel zu dem entsprechenden Segment der Kathodenanordnung und in dessen Nähe im Wesentlichen eine Amplitude gleich Null einstellt. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that in a non-active region of the cathode assembly, the magnetic field is influenced by suitable choice of the supplies of electromagnets such that in the non-active region in directions parallel to the corresponding segment of the Cathode arrangement and in the vicinity thereof sets an amplitude substantially equal to zero.
6. Verfahren nach mindestens den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnete derart geschaltet werden, dass sich lediglich in der Nähe eines einzelnen Segments der Kathodenanordnung ein aktiver Bereich ausbildet und/oder sich im Bereich der übrigen Segmente der Kathodenanordnung nicht aktiven Bereiche ausbilden.6. The method according to at least claims 4 and 5, characterized in that the electromagnets are switched such that forms an active region only in the vicinity of a single segment of the cathode assembly and / or in the region of the remaining segments of the cathode assembly not active areas form.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnete derart angesteuert werden, dass sich der aktive Bereich über die Kathodenanordnung bewegt.7. The method according to claim 6, characterized in that the electromagnets are controlled such that the active area moves over the cathode assembly.
8. Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldsystems für eine Kathodenanordnung, insbesondere unter Anwendung eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kathodenanordnung eine oder mehrere Cluster-Magnetron-Katho- den mit jeweils mehreren Teilsegmenten und/oder mehrere galvanisch gekoppelte Einzelkathoden umfasst, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Magnetfeldsystem durch mehrere Permanentmagneten und mehrere Elektromagneten erzeugbar ist und dass die Elektromagnete getaktet schaltbar und/oder die Stärke und/oder die Richtung des durch die Elektromagneten erzeugten Magnetfelds veränderbar sind.8. An apparatus for generating a magnetic field system for a cathode arrangement, in particular using a method according to one of claims 1 to 7, wherein the cathode arrangement comprises one or more cluster magnetron cathodes each having a plurality of sub-segments and / or a plurality of galvanically coupled single cathodes, characterized in that the magnetic field system can be generated by a plurality of permanent magnets and a plurality of electromagnets, and that the electromagnets can be switched in a timed manner and / or the strength and / or direction of the magnetic field generated by the electromagnets can be changed.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Segment der Kathodenanordnung ein magnetfelderzeugendes Teilsystem zugeordnet ist, wobei ein Segment der Kathodenanordnung ein Teilsegment einer Cluster-Magnetron- Kathode oder eine der Einzelkathoden umfassen kann.9. Apparatus according to claim 8, characterized in that each segment of the cathode assembly is associated with a magnetic field generating subsystem, wherein a segment of the cathode assembly may comprise a sub-segment of a cluster magnetron cathode or one of the single cathodes.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsysteme in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind.10. Apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that the individual magnetic field generating subsystems are arranged in close proximity to each other.
11. Vorrichtung nach eine der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetfelderzeugendes Teilsystem mindestens einen Permanentmagneten aufweist. 11. Device according to one of claims 8 to 10, characterized in that a magnetic field generating subsystem has at least one permanent magnet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass um einen Permanentmagnet mehrere Elektromagneten angeordnet sind, wobei die Elektromag- nete im Wesentlichen parallele Spulenachsen aufweisen und/oder im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind.12. The device according to claim 11, characterized in that a plurality of electromagnets are arranged around a permanent magnet, wherein the electromagnets have substantially parallel coil axes and / or are arranged substantially in one plane.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte magnetfelderzeugende Teilsysteme mindestens einen Elektromagneten gemeinsam nutzen.13. Device according to one of claims 8 to 12, characterized in that adjacent magnetic field generating subsystems use at least one electromagnet together.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete und die Elektromagnete der Vorrichtung oder mehrerer magnetfelderzeugender Teilsysteme ein gemeinsames magnetisches Joch aufweisen.14. Device according to one of claims 8 to 13, characterized in that the permanent magnets and the electromagnets of the device or a plurality of magnetic field generating subsystems have a common magnetic yoke.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnete getrennt und/oder im Wesentlichen unabhängig voneinander und/oder in Gruppen von Elektromagneten mit Energie versorgbar sind.15. Device according to one of claims 8 to 14, characterized in that the electromagnets are separated and / or substantially independent of each other and / or supplied in groups of electromagnets with energy.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Elektromagnete über einem Gleichstrom mit Energie versorgbar sind.16. Device according to one of claims 8 to 15, characterized in that electromagnets are supplied via a direct current with energy.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom in seiner Stärke beeinflussbar und/oder modulierbar ist.17. The apparatus according to claim 16, characterized in that the direct current can be influenced in its strength and / or modulated.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gleichstrom ein Wechselstrom überlagerbar ist. 18. The apparatus of claim 16 or 17, characterized in that the direct current an alternating current is superimposed.
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