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DD285463A5 - METHOD FOR REGULATING THE BURNING FLASH POSITION ON A VACUUM BOW EVAPORATOR - Google Patents

METHOD FOR REGULATING THE BURNING FLASH POSITION ON A VACUUM BOW EVAPORATOR Download PDF

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DD285463A5
DD285463A5 DD32985689A DD32985689A DD285463A5 DD 285463 A5 DD285463 A5 DD 285463A5 DD 32985689 A DD32985689 A DD 32985689A DD 32985689 A DD32985689 A DD 32985689A DD 285463 A5 DD285463 A5 DD 285463A5
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DD
German Democratic Republic
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cathode
focal spot
erosion
probe
plasma
Prior art date
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DD32985689A
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German (de)
Inventor
Bernd Rother
Joerg Vetter
Jan Siegel
Dietmar Schulze
Ruediger Wilberg
Original Assignee
Veb Hochvakuum Dresden,Dd
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Publication date
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Abstract

Das Verfahren zur Regelung der Brennfleckposition bei einem Vakuumbogenverdampfer kann bei allen Verdampfern dieser Bauart eingesetzt werden, um eine gleichmaeszige Verdampfung des Katodenmaterials zu sichern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Brennfleckposition derart beeinfluszt wird, dasz das Katodenmaterial eines Vakuumbogenverdampfers weitgehend gleichmaeszig ueber die gesamte Katodenoberflaeche abgetragen wird. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe derart geloest, dasz in bekannter Weise im Bereich der Katodenoberflaeche aeuszere, im wesentlichen parallel zur Erosionsflaeche der Katode verlaufende Magnetfelder, die wenigstens zu einem Teil des Begrenzungsrandes der Erosionsflaeche parallele Komponenten aufweisen, angewendet werden, dasz mittels einer Sonde auszerhalb und isoliert zur Katode das Floatingpotential des Plasmas erfaszt wird und dasz bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes die Richtung des aeuszeren Magnetfeldes geaendert wird. Fig. 1{Vakuumbogenverdampfung; Brennfleckposition, regelbar; Magnetfelder; Plasmasonde}The method of controlling the focal spot position in a vacuum arc evaporator can be used on all evaporators of this type to ensure uniform evaporation of the cathode material. The object of the invention is to specify a method in which the focal spot position is influenced in such a way that the cathode material of a vacuum arc evaporator is removed substantially uniformly over the entire cathode surface. According to the invention, the object is achieved by applying, in a known manner in the area of the cathode surface, additional magnetic fields substantially parallel to the erosion surface of the cathode, which have components parallel to at least part of the boundary edge of the erosion surface, which are separated and isolated by means of a probe to the cathode, the floating potential of the plasma is detected and that upon reaching a predetermined setpoint, the direction of the external magnetic field is changed. Fig. 1 {Vacuum arc evaporation; Focal spot position, adjustable; magnetic fields; Plasma probe}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Das Verfahren zur Regelung der Brennfleckposition bei einem Vakuumbogenverdampfer kann bei allen Verdampfern dieser Bauart eingesetzt werden, um eine gleichmäßige Verdampfung des Katodenmaterials zu sichern.The method of controlling the focal spot position in a vacuum arc evaporator may be used on all evaporators of this type to ensure uniform vaporization of the cathode material.

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

Aufbau und Wirkungsweise von Verdampfern, diedasPrinzipderVakuumbogenentladung nutzen, sind bereits beschrieben und weitgehend bekannt (z. B. Neue Hütte 32 [1987) 4,121). Der wesentliche Vorteil dieses Verdampferprinzips besteht darin, daß mit vergleichsweise einfachen Einrichtungen hohe Abscheideraten erreicht werden können. Darüber hinaus zeichnet sich der Vakuumbogen-Verdampfer dadurch aus, daß der vom Katodenbrennfleck freigesetzte Dampf hoch ionisiert ist und die Ionen beträchtliche kinetische Energien (100...10OeV) besitzen, wodurch Schichten hoher Dichte und guter Haftfestigkeit erzeugt werden können.Construction and operation of evaporators that use the principle of vacuum arc discharge have already been described and are widely known (eg Neue Hütte 32 [1987] 4,121). The main advantage of this evaporator principle is that with relatively simple means high deposition rates can be achieved. In addition, the vacuum-arc evaporator is characterized in that the vapor released from the cathode spot is highly ionized and the ions have significant kinetic energies (100... 10 OeV), whereby layers of high density and good adhesion can be produced.

Der prinzipielle Nachteil besteht darin, daß der Brennfleck sich völlig stochastisch auf der Katodenfläche bewegt. Daraus ergibt sich eine ungleichmäßige Erosion der Katodenoberfläche, die die Einsatzdauer der Katode herabsetzt und die Reproduzierbarkeit der Schichteige;!schäften verringert. Insbesondere trifft diese Einschätzung bei solchen Katodonmaterialien zu, bei denen der Brennfleck eine niedrige Beweglichkeit besitzt (z. B. Cu, C). Hierbei kommt es zur Herausbildung tiefer Erosionskrater, wodurch mit wachsender Tiefe die Richtungsverteilung des ionisierten Dampfes geändert wird und letztlich zum Verlöschen der Entladung führt. Nach dem Stand der Technik gibt es bereits verschiedene Versuche mittels magnetischer Felder, die Brennfleckbewegung auf der Katode zu beeinflussen. So beansprucht die DD-WP 265 507 axialsymmetrische Magnetfelder mit einer zur Katodenoberfläche parallelen Feldkomponente. D;,e DD-WP 265506 setzt magnetische Drehfelder zur Stimulierung der Brennfleckbewegung ein.The principal disadvantage is that the focal spot moves completely stochastically on the cathode surface. This results in uneven erosion of the cathode surface, which reduces the service life of the cathode and reduces the reproducibility of the layers! In particular, this assessment applies to such Katodonmaterialien where the focal spot has a low mobility (eg, Cu, C). This results in the formation of deep erosion craters, which changes the directional distribution of the ionized vapor with increasing depth and ultimately leads to extinction of the discharge. According to the prior art, there are already various attempts by magnetic fields to influence the focal spot movement on the cathode. For example, DD-WP 265 507 claims axially symmetric magnetic fields with a field component parallel to the cathode surface. D ; , e DD-WP 265506 uses rotating magnetic fields to stimulate the focal spot movement.

Mit diesen Methoden ist zwar eine Beeinflussung der Brennfleckbewegung erreichbar, es ist aber weder möglich die jeweilige Fleckposition zu bestimmen noch sicher zu verhindern, daß der Brennfleck die Katodenoberfläche verläßt, bzw. bevorzugt am Rand der Katode brennt und dort Schäden an der Einrichtung hervorruft.Although it is possible to influence the focal spot movement with these methods, it is neither possible to determine the respective spot position nor to reliably prevent the focal spot from leaving the cathode surface, or preferably burning at the edge of the cathode and causing damage to the device there.

Zur Verhinderung des Ausbrechens des Brennflecks wurde auch vorgeschlagen (DE-PS 3345442), einen magnetisierbar permeablen Begrenzungsring um den gewünschten Erosionsbereich anzuordnen. Dieser bewirkt, daß der Brennfleck auf die Erosionszone der Katode zurückgetrieben wird.To prevent the breaking out of the focal spot has also been proposed (DE-PS 3345442) to arrange a magnetizable permeable boundary ring around the desired erosion area. This causes the focal spot to be driven back to the erosion zone of the cathode.

Die EP 277341 schlägt vor, den Begrenzungsring aus gut leitfähigem Material, z. B. Kupfer, herzustellen. Diese Lösung verhindert vor allem bei höheren Stromstärken mit mehreren Brennflecken das Ausbrechen des Vakuumbogens. Die Lösung weist überraschende Vorteile auf, löst das Problem aber nicht, das die ungleichmäßige Erosion der Katode zu einer relativ geringen Ausnutzung des Katodenmaterials und somit zum instabilen Brennverhalten der Bogenentladung führt. Derartige Probleme treten insbesondere bei Katodenmaterialien auf, bei deren die Orennfleckbewegung gering ist, z. B. Cu, C. Hier kommt es zur bereits erwähnten Herausbildung tiefer Erosionskrater, die die Funktion der Einrichtung behindern können. Die stochastische Brennfleckbewegung auf der Katode innorhalb des Begrenzungsringes ruft durch die ungleichmäßige Katodenerosion weiterhin eine e. höhte Dropletemission und oine Verringerung der Schichtqualität bzw. der Reproduzierbarkeit der Schichtqualität hervor. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Katodenerosion wurde auch bereits vorgeschlagen, gepulste Bogenentladungen mit einer Brenndauer von einigen μβ, die beispielsweise durch Laser-Plasmen gezündet werden, einzusetzen. Dinse Lösungen sind jedoch technisch sehr aufwendig und führen zu relativ geringen Beschichtungsraten, da die Pausenzeit zwirnen zwei Impulsen aus physikalischen Gründen im allgemeinen ein Vielfaches der Impulsdauer beträgt.EP 277341 proposes that the limiting ring of good conductive material, eg. As copper, manufacture. This solution prevents especially at higher currents with multiple focal spots the breaking out of the vacuum arc. The solution has surprising advantages, but does not solve the problem that the uneven erosion of the cathode leads to a relatively low utilization of the cathode material and thus to the unstable burning behavior of the arc discharge. Such problems occur in particular in cathode materials, in which the Orennfleckbewegung is low, z. B. Cu, C. Here it comes to the already mentioned formation of deep erosion craters, which can hinder the function of the device. The stochastic focal spot movement on the cathode within the boundary ring continues to cause an e due to the uneven cathode erosion. increased droplet emission and oine reduction of layer quality or reproducibility of layer quality. To achieve uniform cathode erosion, it has also been proposed to use pulsed arc discharges with a burning time of a few μβ, which are ignited, for example, by laser plasmas. However, Dinse solutions are technically very complex and lead to relatively low coating rates, since the pause time between two pulses for physical reasons is generally a multiple of the pulse duration.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung verfolgt das Ziel, mittels leistungsfähiger Vakuumbogenverdampfer Schichten mit großer Homogenität bei hoher Wirtschaftlichkeit herzustellen.The invention pursues the goal of producing layers with high homogeneity and high economic efficiency by means of efficient vacuum arc evaporators.

-2- 285 463 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 285 463 Explanation of the nature of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe 2ugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Brennfleckposition derart beeinflußt wird, daßThe object of the invention is to provide a method in which the focal spot position is influenced in such a way that

das Katodenmaterial eines Vakuumbogenverdampfers weltgehend gleichmäßig über die gesamte Katodenoberfläche abgetragen wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe derart gelöst, daß in bekannter Weise im Bereich der Katodenoberfläche äußere, im wesentlichen parallel zur Erosionsfläche der Katode verlaufende Magnetfelder, die wenigstens zu einem Teil desthe cathode material of a vacuum arc evaporator is removed world-wide evenly over the entire cathode surface. According to the invention the object is achieved such that in a known manner in the region of the cathode surface outer, substantially parallel to the erosion surface of the cathode extending magnetic fields, at least part of the

Begrenzungsrandes der Erosionsfläche parallele Komponenten aufweisen, angewendet werden, daß mittels einer SondeHaving boundary edge of the erosion surface parallel components, be applied that by means of a probe

außerhalb und isoliert zur Katode das Floatingpotential des Plasmas erfaßt wird und daß bei Erreichen eines vorgegebenenoutside and isolated to the cathode, the floating potential of the plasma is detected and that upon reaching a predetermined

Sollwertes die Richtung des äußeren Magnetfeldes geändert wird. Der Sollwert ist dabei weitgehend experimentell für denSetpoint, the direction of the external magnetic field is changed. The setpoint is largely experimental for the

einzelnen Verdampfer zu ermitteln und wird in der Regel so festgelegt, daß er gerade dann erreicht wird, wenn der Brennfleck den Rand der Erosionsfläche erreicht hat, da dann das Floatingpotential am höchsten ist.determine individual evaporator and is usually determined so that it is just reached when the focal spot has reached the edge of the erosion surface, since then the floating potential is highest.

Bis zu diesem Zeitpunkt hat die willkürliche Bewegung des Brennfleckes eine bestimmte Vorzugsrichtung, die dem BrennfleckUntil this time, the arbitrary movement of the focal spot has a certain preferential direction, the focal spot

durch die äußeren Magnetfelder aufgeprägt wird. Wenn beim Erreichen des Sollwertes an der Sonde die Richtung des äußerenis impressed by the external magnetic fields. If the direction of the outer

Magnetfeldes geändert wird, dann ändert sich auch zwangsweise die Vorzugsrichtung der Brennfleckbewegung unH derMagnetic field is changed, then forcibly changes the preferred direction of the focal spot movement and the Brennfleck wird entsprechend dem Magnetfeld auf die inneren Bereiche der Katodenoberfläche zurückgedrängt.The focal spot is forced back onto the inner regions of the cathode surface in accordance with the magnetic field. Die Vorzugsrichtung des Brennfleckes (auch Katodenflecke oder Fußpunkt) verläuft dabei immer senkrecht zu der parallel zurThe preferred direction of the focal spot (also cathode spots or base) always runs perpendicular to the parallel to Erosionsfläche verlaufenden Magnetfeldkomponente.Erosion surface extending magnetic field component. Infolge der Überlagerung des äußeren Magnetfeldes mit dem Eigenmagnetfeld des Katodenfleckstromes kommt es zu einerDue to the superimposition of the external magnetic field with the intrinsic magnetic field of the cathode spatter current, there is a

entgegengesetzten Verschiebung des Katodenfleckes und des vom Katodenfleck wegströmenden Plasmas.opposite displacement of the cathode spot and the plasma flowing away from the cathode spot.

Von einem stationären äußeren Magnetfeld mit Komponenten, die wenigstens zu einem Teil des Begrenzungsrandes derFrom a stationary external magnetic field with components which at least to a part of the boundary edge of the

btosionsfläche der Katode parallel verlaufen, wird der Aufenthaltsbereich des Katodenflecks stets in Richtung des Randes derWhen the cathode surface is parallel to the surface of the cathode, the location area of the cathode spot is always in the direction of the edge of the cathode spot

Erosionsfläche verschoben.Erosion surface shifted. Das Floatingpotential einer geeigneten Sondenanordnung, welche zweckmäßigerweise mit der elektrostatischen AbschirmungThe floating potential of a suitable probe arrangement, which expediently with the electrostatic shield

der Katode identisch ist und diese konzentrisch umschließt, stellt sich nun entsprechend der aktuellen Fleckposition und derThe cathode is identical and surrounds concentrically, now turns according to the current spot position and the

Ausbreitungscharakteristik der Plasmaströmung im äußeren Magnetfeld auf einen bestimmten Wert ein. Es erweist sich, daßPropagation characteristic of the plasma flow in the external magnetic field to a certain value. It turns out that

das Floatingpotential eine Funktion des Abstandes des Fleckes von der Sonde ist.the floating potential is a function of the distance of the spot from the probe.

Durch die Festlegung von unteren und oberen Sollwerten des Floatingpotentials, bei deren Erreichen die Richtung des äußerenBy setting lower and upper setpoints of the floating potential, reaching the direction of the outer Magnetfeldes in der Ebene parallel zur Erosionsfläche der Katode geändert wird, kann der Katodenfleck durch Änderung desMagnetic field is changed in the plane parallel to the erosion surface of the cathode, the cathode spot by changing the

aktuellen Magnetfeldes von Bereichen mit ungünstigen Existenzbedingungen nach Bereichen mit besseren verschoben werden.Current magnetic field of areas with unfavorable conditions for areas to be shifted with better.

Die erfindungsgemäße Sonde zur Erfassung des Floatingpotentials des Plasmas wird zweckmäßig als Ringelektrode um dieThe inventive probe for detecting the floating potential of the plasma is useful as a ring electrode around the Katode angeordnet. Dabei ist es völlig g'eichgültig in welchen geometrischen Randbereich sich der Brennfleck bewegt. ImmerKatode arranged. It is completely unimportant in which geometric border area the focal spot moves. always

wird das niedrigste Plasmapotential gemessen, wenn der Brennfleck sich dem Rand nähert. Danach wird das Magnetfeld geändert und der Brennfleck wird in die entsprechende neue Vorzugsrichtung getrieben bis er wieder im Randbereich an derThe lowest plasma potential is measured as the focal spot approaches the edge. Thereafter, the magnetic field is changed and the focal spot is driven in the appropriate new preferred direction until it again in the edge region at the

Sonde den Sollwert für das Plasmapotontial erzeugt und erneut in eine andere Richtung getrieben wird. Die einfachsteProbe generates the set point for the plasma potential and is again driven in a different direction. The easiest Magnetfeldänderung ist die Umkehrur g des Magnetfeldes. Es ist jedoch auch möglich, mittels einer Mehrzahl von PolschuhenMagnetic field change is the reverse of the magnetic field. However, it is also possible by means of a plurality of pole shoes

ein Magnetsystem aufzubauen, bei dei η die Umschaltung des Magnetfeldes drehfeldähnlich erfolgt.To build a magnetic system, in which η the switching of the magnetic field is similar to a rotating field.

Neben dem unteren Sollwert kann auch ?in oberer Sollwert festgelegt werden. Damit kann z. B. das Einbrennen des BrennfleckesIn addition to the lower setpoint, it is also possible to specify? In upper setpoint. This can z. B. the burning of the focal spot

im Krater verhindert werden, da sich dabei das gemessene Floatingpotential des Plasmas an der Sonde erhöht.be prevented in the crater, as this increases the measured floating potential of the plasma at the probe.

Die erfindungsgemäße Verfahrensführung gestattet gegenüber dem Stand der Technik eine weitgehende Regelung derThe process of the invention allows over the prior art, an extensive regulation of Brennfleckposition mit dem Vorteil der gleichmäßigen Katodenabtragung, ohne daß der Bogen die Erosionsfläche der KatodeFocal spot position with the advantage of uniform cathode erosion without the arc erosion surface of the cathode

verlassen kann. Günstigerweise wird das Potential der erfindungsgemäßen Sonde gegenüber dem der Anode dercan leave. Conveniently, the potential of the probe according to the invention over that of the anode of the

Entladungsstrecke gemessen.Discharge distance measured. Ausf0hrungsbelspl'3lAusf0hrungsbelspl'3l Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt inThe invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. The accompanying drawing shows in Fig. 1: einen Schnitt durch eine Quellenanordnung zur Vakuumbogenverdampfung von Graphit mit der Möglichkeit der1 shows a section through a source arrangement for vacuum arc evaporation of graphite with the possibility of

erfindungsgemäßen Regelung der Brennfleckbewegung und in Fig. 2: die Draufsicht zu Fig. 1.according to the invention control of the focal spot movement and in Fig. 2: the plan view of Fig. 1st

Eine zylinderförmige Katode 1 aus Graphit mit einem Durchmesser von 50mm und einer Höhe von ebenfalls 50mm ist koaxial inA cylindrical cathode 1 of graphite with a diameter of 50mm and a height of 50mm is coaxial in

einer Anode 2 mit einem Innendurchmesser von 150 mm angeordnet. Zur Steuerung der Fleckbewegung auf deran anode 2 with an inner diameter of 150 mm. To control the stain movement on the

Erosionsfläche 3 der Katode 1 dient ein Magnetsystem, bestehend aus drei Magnetspulen 4, einem magnetischen Leiter 5 undErosion surface 3 of the cathode 1 is a magnet system consisting of three magnetic coils 4, a magnetic conductor 5 and

verlängerten Polschuhen 6, die unmittelbar an die Erosionsfläche 3 der Katode 1 herangeführt sind. Koaxial um die Katode 1 befindet sich eine Sonde 7 zur Messung des Floatingpotentiais des Plasmas und als elektrostatische Abschirmung zurextended pole pieces 6, which are brought directly to the erosion surface 3 of the cathode 1. Coaxially around the cathode 1 is a probe 7 for measuring the floating potential of the plasma and as an electrostatic shield for

Vermeidung von Entladungserscheinungen auf der Mantelfläche der Katode 1.Avoidance of discharge phenomena on the lateral surface of the cathode 1. Während des Betriebes der Entladung stellt sich bei einem Bogenstrom von 100A und einer Bogenspannung von 21V an derDuring operation of the discharge arises at a arc current of 100A and an arc voltage of 21V at the

elektrostatischen Abschirmung 7 entsprechend der Fleckposition ein Potential von -5 V bis -19Vgegenüber der Anode 2ein.Electrostatic shield 7 according to the spot position has a potential of -5 V to -19V compared to the anode 2ein.

Dabei entsprechen die niedrigeren Absolutwerte randnahen Positionen, die höheren Absolutwerte Positionen in bereits tiefThe lower absolute values correspond to near-edge positions, the higher absolute values correspond to positions already deep

erodierten Gebieten der Erosionsfläche 3.eroded areas of the erosion area 3.

Die Auswertung des Potentials erfolgt über einen Schwellwertschalter 8, welcher über eine Stelleinrichtung 9 ein UmschaltenThe evaluation of the potential takes place via a threshold value switch 8, which switches over an adjusting device 9

der Magnetfeldrichtung bewirkt.the magnetic field direction causes.

Der Katodenfleck wird durch die Wechselwirkung mit der durch das Magnetsystem auf der Erosionsfläche 3 erzeugtenThe cathode spot is generated by the interaction with that produced by the magnet system on the erosion surface 3

magnetischen Feldstärke in Richtung des Randes der Erosionsfläche 3 getrieben. Bei Erreichen eines elektrischen Potentials der elektrostatischen Abschirmung 7 von -13V oder -18V gegenüber der Anode 2 wird das Magnetfeld des Magnetsystems weitergeschaltet, so daß der Katodenfleck von den kritischen Bereichen weg auf andere Positionen getrieben wird.magnetic field strength in the direction of the edge of the erosion surface 3 driven. Upon reaching an electric potential of the electrostatic shield 7 of -13V or -18V with respect to the anode 2, the magnetic field of the magnet system is indexed, so that the cathode spot is driven away from the critical areas to other positions.

Es wird damit ein stabiles Brennverhalten und ein gleichmäßigerer Katodenabtrag gegenüber einer Entladung mit ungeregelterIt is thus a stable burning behavior and a more uniform Katodenabtrag compared to a discharge with unregulated Fleckposition erzielt.Stain position achieved.

Claims (2)

1. Verfahren zur Regelung der Brennfleckposition bei einem Vakuumbogenverdampfer mittels äußerer, im wesentlichen parallel zur Erosionsfläche verlaufender Magnetfelder, die wenigstens zu einem Teil des Begrenzungsrandes der Erosionsfläche parallele Komponenten besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Sonde (7) außerhalb und isoliert zur Katode (1) das Floatingpotential des Plasmas erfaßt wird und daß bei Erreichen eines Sollwertes die Richtung des äußeren Magnetfeldes geändert wird.A method for controlling the focal spot position in a vacuum arc evaporator by means of external magnetic fields substantially parallel to the erosion surface having at least part of the boundary edge of the erosion surface parallel components, characterized in that by means of a probe (7) outside and isolated from the cathode ( 1) the floating potential of the plasma is detected and that upon reaching a desired value, the direction of the external magnetic field is changed. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Sonde (7) das Floatingpotential des Plasmas bezogen auf das Potential der Anode erfaßt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that from the probe (7), the floating potential of the plasma is detected based on the potential of the anode.
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