DE19600993A1

DE19600993A1 - Appts. for high rate anodic evapn. for substrate coating

Info

Publication number: DE19600993A1
Application number: DE19600993A
Authority: DE
Inventors: Radim Badalec
Original assignee: Technics Plasma GmbH
Current assignee: Technics Plasma GmbH
Priority date: 1995-01-13
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 1996-08-08

Abstract

An appts. for anodic evapn. of material by vacuum arc discharge has: (a) an anodic crucible (5) positioned vertically above and on the axis (7) of a cathode (2); (b) an ignition electrode (8) which surrounds the cathode (2) in a sheath-like manner; and (c) a perforated screen (10) which is biased at the ignition electrode potential and which is provided between the ignition electrode (8) and the cathode (2) on the one hand and the crucible (5) on the other hand. Also claimed is a process for anodic evapn. in which anodic vacuum arc discharge is maintained by constantly biasing an ignition electrode (8) at a positive potential which is lower than the potential of an anodic crucible (5) and higher than the extinguishing potential of the discharge.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur anodischen Materialverdampfung mit einer Vakuumlichtbogenentladung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Anwendung dieser Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.The invention relates to an anodic device Material evaporation with a vacuum arc discharge according to the preamble of claim 1, and a method to use this device according to the preamble of Claim 6.

Für die Beschichtung von Substraten mit der physikalischen Schichtabscheidung im Vakuum (PVD - Physical Vapor Deposi tion) sind vielfältige Verfahren bekannt. Bei den älteren Verfahren wird das Beschichtungsmaterial durch verschiede ne Arten der Energiezuführung im Vakuum verdampft. Die entsprechenden Verdampfer erzeugen einen elektrisch neu tralen Teilchenstrahl. Beim Elektronenstrahlverdampfer wird zwar oberhalb des geschmolzenen Aufdampfmaterials eine Wolke aus ionisierten Materialteilchen gebildet, jedoch ist die Ionisationsrate des Plasmas auf Grund der hohen Beschleunigungsspannung nicht verfahrenswesentlich. Das in den gasförmigen Zustand gebrachte Aufdampfmaterial kann nur das äquivalente Energieniveau aufnehmen, welches der Oberflächentemperatur der Schmelze entspricht. Weil in diesem Aggregatzustand eine weitere Energieaufnahme nicht möglich ist, bewegen sich die Materialteilchen im evaku ierten Raum nur mit der thermischen Geschwindigkeit, die von der Teilchenmasse und der Teilchentemperatur abhängig ist, von der Quelle weg. Beim Aufprall auf eine Unterlage werden die kinetische und die Kondensationsenergien frei gegeben. Diese Bedingungen der Schichtabscheidung erbrin gen für viele technische Anforderungen nur eine unzurei chende Haftfestigkeit und Dichte der abgeschiedenen Schichten.For coating substrates with the physical Layer deposition in vacuum (PVD - Physical Vapor Deposi tion), various processes are known. The older ones The coating material is processed by various methods ne types of energy supply evaporated in a vacuum. The corresponding evaporators generate an electrical new central particle beam. With the electron beam evaporator is above the molten vapor deposition material a cloud of ionized material particles formed, however, the rate of ionization of the plasma is due to the high acceleration voltage is not essential to the process. The vaporization material brought into the gaseous state can only absorb the equivalent energy level which corresponds to the surface temperature of the melt. Because in this state of aggregation does not require further energy consumption is possible, the material particles move in the evacu ized space only at the thermal speed that dependent on the particle mass and the particle temperature is away from the source. In the event of an impact on a surface the kinetic and condensation energies are released given. These conditions of layer deposition result only insufficient for many technical requirements appropriate adhesive strength and density of the deposited Layers.

Bei den jüngeren Verfahren der plasmagestützten physikali schen Schichtabscheidung im Vakuum werden wesentlich bessere Bedingungen für eine haftfeste Schichtabscheidung erreicht. Dabei haben sich als besonders wirkungsvoll die Verdampfer durchgesetzt, die das Beschichtungsmaterial mit einem Vakuumlichtbogen, auch Lichtbogen oder nur Vakuumbo gen genannt, verdampfen. Die Vakuumlichtbogenentladung ist die stromstärkste Form aller Entladungen im Vakuum. Die Vakuumlichtbogenentladung bildet sich, abhängig von den Materialeingenschaften des Kathodenmaterials, bei ca. 20 Volt Klemmenspannung aus und erlischt unterhalb von 20 Ampere. Das obere Stromlimit ist hauptsächlich durch die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung begrenzt.In the more recent plasma-assisted physi layer deposition in vacuum become essential better conditions for an adherent layer deposition reached. The have been particularly effective Evaporator enforced using the coating material a vacuum arc, also an electric arc or just vacuum vacuum called vaporizing. The vacuum arc discharge is the most powerful form of all discharges in a vacuum. The Vacuum arc discharge is formed depending on the Material properties of the cathode material, at approx. 20 volt terminal voltage off and goes out below 20 amps. The upper current limit is mainly through the performance of the power supply is limited.

Der übliche Vakuumlichtbogenverdampfer verdampft dabei das Beschichtungsmaterial von der Kathode aus, d. h. das Beschichtungsmaterial ist als kathodisches Target auf einer geeigneten Kathodenhalterung angeordnet. Dabei wird das physikalische Prinzip der Vakuumlichtbogenentladung ausgenutzt. Der Vakuumlichtbogen brennt immer von einem Kathoden-Brennfleck, auch Fußpunkt der Vakuumlichtboge nentladung genannt, ausgehend zur Anode hin. Dabei ist der Kathoden-Brennfleck immer ein sehr kleiner Punkt, in dem die Energie des Vakuumlichtbogens außerordentlich stark gebündelt in die Kathode einmündet und dort eine Thermoem mission einleitet, während der andere Pol der Vakuumlicht bogenentladung keinen derartigen Punkt aufweist, sondern sich über die gesamte Fläche der jeweiligen Anode er streckt. Die Anode kann eine gesonderte in der Vakuum kammer angeordnete Elektrode sein, es kann aber auch die gesamte, an Masse liegende, Vakuumkammer als Anode genutzt werden. Diese Bedingungen führen dazu, daß es praktisch nur zur Verdampfung des Kathodenmaterials im Kathoden-Brenn fleck kommt, wobei sich ein dichtes Plasma ausbildet und das verdampfte Material gleichzeitig hochgradig ioni siert wird. An der großflächigen Anode kommt es meist weder zu nennenswerten Erwärmungen noch gar zu Verdampfun gen oder Material-Abstäubungen.The usual vacuum arc evaporator evaporates this Coating material from the cathode, i.e. H. the Coating material is on as a cathodic target a suitable cathode holder. Doing so the physical principle of vacuum arc discharge exploited. The vacuum arc always burns from one Cathode focal spot, also the base of the vacuum arc called discharge, starting towards the anode. Here is the Cathode focal point is always a very small point where the energy of the vacuum arc is extraordinarily strong bundles into the cathode and there a thermoem initiates mission while the other pole of vacuum light arc discharge has no such point, but over the entire area of the respective anode stretches. The anode can be a separate one in the vacuum chamber arranged electrode, but it can also Entire, grounded, vacuum chamber used as an anode will. These conditions make it practical only for evaporation of the cathode material in the cathode burner spot comes, forming a dense plasma and the vaporized material is highly ionic at the same time is settled. It mostly occurs on the large-area anode neither significant heating nor evaporation conditions or material dusting.

Die wesentlichsten Nachteile von kathodisch verdampfenden Vakuumlichtbogenverdampfern bestehen darin, daß die Ver dampfung des kathodischen Targets wegen der hohen Ener giekonzentration explosionsartig und an ständig weitgehend unkontrolliertem Ort auf dem Target erfolgt. Es bildet sich kein Schmelzbad im eigentlichen Sinn aus, sondern das mikro-örtlich entstehende Schmelzbad wird durch die Ener giekonzentration explosionsartig weggeschleudert. Die Folge sind kleine Materialtröpfchen, auch Droplets ge nannt, die sich meist in nachteiliger Weise auf dem Sub strat abscheiden. Besonders bei sehr dünnen Schichten sind diese Droplets sehr störend und oft sind die entsprechen den Schichten für den vorgesehenen technologischen Zweck unbrauchbar. Technische Maßnahmen zur Verminderung der Dropletbildung sind meist sehr aufwendig und wenig wirk sam.The main disadvantages of cathodically evaporating Vacuum arc evaporators are that the Ver damping of the cathodic target due to the high energy gie concentration explosive and constantly largely uncontrolled location on the target. It forms no melt pool in the real sense, but that Micro-localized melt pool is created by the Ener casting concentration explosively flung away. The The result is small droplets of material, including droplets called, which is mostly disadvantageous on the sub deposit strat. Especially with very thin layers these droplets are very bothersome and often they match the layers for the intended technological purpose unusable. Technical measures to reduce the Droplet formation is usually very complex and not very effective sam.

Ein weiterer Nachteil besteht in der schlechten Targetaus nutzung. In typischer Weise wandert der Kathoden-Brenn fleck mit hoher Geschwindigkeit unkontrolliert über die Targetoberfläche. Dabei müssen Vorkehrungen getroffen werden, daß der Kathoden-Brennfleck nicht zu Zerstörungen an der Targethalterung bzw. der Kathodenbasis führt. Alle bekannten Maßnahmen zur Verhinderung von Zerstörungen dieser Art führen dazu, daß der Kathoden-Brennfleck den mittleren Bereich des Targets mehr erodiert als den äuße ren Bereich. Das Ergebnis ist ein Target, welches in der Mitte schnell seinen Erosions-Grenzwert erreicht, während der Randbereich nur unwesentlich verdampft ist. Teuere Targets werden dadurch oft nur zu 30 bis 40% ausgenutzt.Another disadvantage is the poor target use. Typically, the cathode torch migrates stain at high speed uncontrolled over the Target surface. Precautions must be taken be that the cathode focal point does not cause destruction leads to the target holder or the cathode base. All known measures to prevent destruction this type lead to the cathode focal spot middle area of the target more eroded than the outer area. The result is a target, which in the Middle quickly reached its erosion limit while the marginal area has evaporated only slightly. Expensive As a result, targets are often only used to 30 to 40%.

Um diesen Problemen zu begegnen, wurde auch bereits ver sucht Wege zu finden, mit denen statt der Verdampfung des kathodischen Materials im wesentlichen das anodisch an geordnete Material mittels einer Vakuumlichtbogenentladung verdampft werden kann. Wie bereits beschrieben, muß dazu die Fläche der Anode derart verändert werden, daß diese durch den Elektronenbeschuß ausreichend erwärmt wird. Dazu ist vom Grundsatz her die Anodenfläche derart zu verklei nern, daß die Energiekonzentration zum Verdampfen aus reichend ist.In order to counter these problems, ver is looking for ways to use instead of evaporation of the essentially the anodic cathodic material ordered material by means of a vacuum arc discharge can be evaporated. As already described, this must be done the area of the anode can be changed so that this is sufficiently heated by the electron bombardment. To the anode surface must be covered in this way nern that the energy concentration to evaporate is sufficient.

Die DE 34 13 891 C2 beschreibt z. B. ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei dem bzw. mit der das Beschichtungs material mittels einer Vakuumlichtbogenentladung anodisch verdampft wird. Dabei wird zwischen einer Kathode und einer Anode ein Lichtbogen gezündet und die Lichtbogen entladung derart gesteuert, daß die Elektronen, die im Brennfleck entstehen, unmittelbar auf die Anode gelangen und das Anodenmaterial bzw. das spezielle Beschichtungs material, welches auf der Anode angeordnet ist, verdamp fen. Das anodische Plasma führt gleichzeitig zu einer intensiven Ionisierung des verdampften Materials. Zur Schaffung einer ausreichenden Energiekonzentration ist das als Anode geschaltete Beschichtungsmaterial drahtförmig ausgebildet, wobei jeweils nur die Spitze des Drahtes als Anode wirkt.DE 34 13 891 C2 describes e.g. B. a method and a device in which the coating material anodically by means of a vacuum arc discharge is evaporated. It is between a cathode and an arc ignited and the arc Discharge controlled so that the electrons in the Focal spots arise, get directly to the anode and the anode material or the special coating material which is arranged on the anode evaporates fen. The anodic plasma leads to one at the same time intensive ionization of the vaporized material. For It is creating sufficient energy concentration as an anode coating material wired formed, with only the tip of the wire as Anode works.

Im wesentlichen wird damit gleichzeitig das Kathodenmate rial und das Anodenmaterial verdampft. Diese Lösung kann sehr schnell auch zur Bildung von Schmelztropfen führen, die in unerwünschter Weise abtropfen können.This essentially becomes the cathode mat rial and the anode material evaporates. This solution can very quickly lead to the formation of melting drops, that can drain in an undesirable manner.

Die DE 40 42 337 C1 gibt eine Lösung an, bei der das zu verdampfende Beschichtungsmaterial in einem auf anodischem Potential liegenden Tiegel gehaltert ist. Die Lösung sieht dabei eine getrennte Anordnung der Kathode und der Anode vor. Der Vakuumlichtbogen weist eine bogenförmige Bahn auf und die Elektronen strömen im wesentlichen entgegen der Abdampfrichtung des verdampften Materials auf dieses ein. Das wirkt sich nachteilig auf das Energiepotential und damit die Geschwindigkeit der verdampften und ionisierten Partikel aus. Die konstruktive Lösung erfordert einen relativ großen Raumbedarf innerhalb der Vakuumkammer.DE 40 42 337 C1 specifies a solution in which that too evaporating coating material in one on anodic Potential crucible is held. The solution looks a separate arrangement of the cathode and the anode in front. The vacuum arc has an arcuate path and the electrons flow essentially counter to that Direction of evaporation of the evaporated material on this. This has an adverse effect on the energy potential and thus the speed of the vaporized and ionized Particles. The constructive solution requires one relatively large space requirement within the vacuum chamber.

Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur anodischen Materialverdampfung der eingangs genannten Art anzugeben, die bei geringem techni schen und energetischen Aufwand eine hohe Verdampfungs rate, einen hohen Ionisierungsgrad und eine hohe Betriebs sicherheit gewährleistet.The invention has for its object a device and a method for anodic material evaporation of the Specify the type mentioned above, which with low techni high evaporation rate, a high degree of ionization and high operation security guaranteed.

Die Erfindung löst die Aufgabe für die Vorrichtung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen 2 bis 5 gekennzeichnet. Die Aufgabe für das Verfahren wird durch die im kennzeichnenden Teil des An spruchs 6 genannten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Verfahrenserfindung sind in den Unteransprüchen 7 bis 9 gekennzeichnet.The invention solves the problem for the device those mentioned in the characterizing part of claim 1 Features. Developments of the invention are in the sub claims 2 to 5 marked. The task for that The procedure is described in the defining part of the An mentioned 6 solved features. Further training of the Process inventions are in subclaims 7 to 9 featured.

Erfindungswesentlich ist insbesondere, daß mit der Vor richtung eine Trennung der Vakuumbogenentladung in zwei separate Entladungszweige mit spezifischen Aufgaben und Eigenschaften erzielt wird.Essential to the invention is in particular that with the front direction a separation of the vacuum arc discharge in two separate discharge branches with specific tasks and Properties is achieved.

Der erste Entladungszweig, die primäre Basisentladung, liegt zwischen der Zündelektrode und der Kathode. Diese Vakuumlichtbogenentladung im ersten Entladungszweig wird zuerst gezündet, ist bedingt durch eine spezielle elektri sche Schaltung selbsterhaltend und ist durch die Merkmale eines kathodischen Vakuumlichtbogens gekennzeichnet.The first branch of discharge, the primary base discharge, lies between the ignition electrode and the cathode. These Vacuum arc discharge in the first discharge branch fired first, is due to a special electri The circuit is self-sustaining and is characterized by the features a cathodic vacuum arc.

Der zweite Entladungszweig liegt zwischen der Kathode und dem anodischen Tiegel und ist durch die Merkmale eines anodischen Vakuumlichtbogen gekennzeichnet. Die Entladung in diesem zweiten Entladungszweig kann wegen des Abstandes der Kathode und der Anode zueinander nur zünden, wenn die primäre Basisentladung im erste Entladungszweig brennt. Allein kann der anodische Vakuumlichtbogen nicht zünden und brennen. Er benötigt zu seiner Ausbildung und Aufrech terhaltung immer die Ladungsträger des kathodischen Vaku umlichtbogens im ersten Entladungszweig.The second discharge branch lies between the cathode and the anodic crucible and is characterized by the features of a anodic vacuum arc. The discharge in this second discharge branch can because of the distance ignite the cathode and the anode to each other only if the primary base discharge burns in the first discharge branch. The anodic vacuum arc cannot ignite alone and burn. He needs for his training and offsetting always maintain the charge carriers of the cathodic vacuum arc in the first discharge branch.

Die Steuerung des anodischen Vakuumlichtbogens erfolgt in einem separaten Stromkreis mit einer Steuerlogik und einem Leistungsschalter in der Art einer IGBT-Leistungsstufe (Insulated Gate Bipolar Transistor). Damit ist die vor teilhafte Leistungsregelung des anodischen Bogens im Pulsbetrieb entsprechend Anspruch 7 möglich. Die primäre Basisentladung bleibt auch in den Pulspausen erhalten und sichert das problemlose Wiederzünden des anodischen Vaku umlichtbogens nach einem Erlöschen. The anodic vacuum arc is controlled in a separate circuit with control logic and one Circuit breakers in the manner of an IGBT power level (Insulated Gate Bipolar Transistor). So that's the front partial power regulation of the anodic arc in the Pulse operation possible according to claim 7. The primary Basic discharge is also maintained during the pulse breaks and ensures trouble-free reignition of the anodic vacuum arc after an extinction.

Erfindungswesentlich ist auch die kompakte und axiale Anordnung der Kathode und der Anode innerhalb eines elektrisch und räumlich abgegrenzten Raumes in der Vakuum kammer, wobei Mittel vorgesehen sind, die den Vakuum lichtbogen derart lenken, daß ein hoher Anteil der Elek tronen auf den Boden des anodischen Verdampfertiegels ein wirken.Essential to the invention is also the compact and axial Arrangement of the cathode and the anode within one electrically and spatially delimited space in the vacuum chamber, whereby means are provided that the vacuum Steer the arc in such a way that a high proportion of the elec tron to the bottom of the anodic crucible Act.

Durch die räumliche Einhausung der Kathode, der Zündelek trode und der Anode in einem Faradaykäfig wird die Zündfä higkeit der Vorrichtung wesentlich verbessert. Bereits Entladungen mit relativ geringer Dichte zwischen der Zündelektrode und der Kathode sind ausreichend für die Ausbildung einer selbständigen Entladung zwischen der Kathode und der Anode.Due to the spatial housing of the cathode, the igniter trode and the anode in a Faraday cage becomes the igniter ability of the device significantly improved. Already Relatively low density discharges between the Ignition electrode and the cathode are sufficient for that Formation of an independent discharge between the Cathode and the anode.

Im Falle der Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 7 wird die Zündfähigkeit der Vorrichtung wesentlich stabilisiert. Für eine Vakuumlichtbogenentladung ist es verfahrensty pisch, daß die Entladung ständig erlischt und immer wieder neu gezündet werden muß. Das hängt damit zusammen, daß der Kathoden-Brennfleck nur einen relativ begrenzten Entla dungsstrom übertragen kann. Wird der Entladungsstrom höher, dann teilt sich der Kathoden-Brennfleck in zwei oder mehr gleichzeitig brennende einzelne Kathoden-Brenn flecke auf. Das führt wiederum zum Abfallen des Entla dungsstromes unter den Minimalwert und damit zum Erlöschen der Entladung. Die erfindungsgemäße Verfahrensführung sichert, daß zwischen der Zündelektrode und der Kathode bzw. dem Target ständig ein ausreichendes Zündpotential zur Verfügung steht, wobei die pulsierende Spannung die Zündfähigkeit in besonderem Maße verbessert.In the case of application of the method according to claim 7 the ignitability of the device is substantially stabilized. It is procedural for vacuum arc discharge pisch that the discharge goes out constantly and again and again must be reignited. This is due to the fact that the Cathode focal spot only a relatively limited discharge can transmit current. Will the discharge current higher, then the cathode focal spot divides into two or more single cathode burners burning simultaneously spot on. This in turn leads to the discharge falling off current below the minimum value and thus to extinguish the discharge. The procedure according to the invention ensures that between the ignition electrode and the cathode or the target always has a sufficient ignition potential is available, the pulsating voltage being the Ignitability improved to a special degree.

Die kompakte Anordnung führt zu einer wesentlichen Er höhung des anodisch verdampften Materialanteils gegenüber dem kathodisch verdampften Material. Das ist besonders wichtig, wenn das anodisch verdampfte Material mit mög lichst hoher Reinheit abgeschieden werden soll. The compact arrangement leads to an essential Er increase of the anodically evaporated material proportion the cathodically evaporated material. It is special important if the anodically evaporated material is possible should be deposited with the highest purity.

In der Regel wird das Material des Targets an der Kathode und das anodisch zu verdampfende Material gleichartig sein, damit keine unerwünschten Mischschichten abge schieden werden. Bei manchen Anwendungen können das anodi sche Aufdampfmaterial und das kathodische Targetmaterial auch unterschiedlich sein. Die Eigenschaften des Targetma terials lassen sich oft durch Legierungszusätze, z. B. Zink, Kadmium, Mangan, Silber oder andere Metalle mit höherem Dampfdruck verbessern. Auch Zusätze, welche die Ionisationsrate steigern, z. B. Cer, können verwendet werden.Usually the material of the target is on the cathode and the material to be anodically evaporated in the same way be so that no undesired mixed layers are removed be divorced. In some applications, the anodi vapor deposition material and the cathodic target material also be different. The properties of the Targetma terials can often be added with alloys, e.g. B. Zinc, cadmium, manganese, silver or other metals Improve higher vapor pressure. Also additives that the Increase ionization rate, e.g. B. Cer can be used will.

Mit Hilfe von unterhalb des Targets angebrachter Perma nentmagnete kann die Ionisierungsrate des kathodischen Bogens eingestellt und die Gleichmäßigkeit der Targetero sion verbessert werden. Dieser Magnetfeldeffekt ist von den Hochleistungs-Kathodenzerstäubungseinrichtungen (Mag netron-Kathodenzerstäuber) her bekannt. An dem Target des kathodischen Vakuumlichtbogens wird damit ein anderer Effekt ausgenutzt. Die räumliche Verteilung der Kathoden-Brenn flecke kann in eine definierte Zone des Targets gelenkt werden, die keine optische Verbindung zur Dampf austrittsöffnung aufweist. Die praktisch immer am Katho den-Brennfleck entstehenden Droplets werden bereits in nerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgefangen und zurückgehalten. Zur Schichtabscheidung gelangen im wesent lichen nur neutrale und ionisierte Dampfpartikel aus dem anodischen Tiegel.With the help of a perma attached below the target Magnets can change the ionization rate of the cathodic Bow set and the uniformity of the target hetero sion can be improved. This magnetic field effect is from the high-performance sputtering devices (Mag netron cathode atomizer) known. On the target of the cathodic vacuum arc becomes another Exploited effect. The spatial distribution of the cathode-firing spots can be in a defined zone of the target be directed that have no optical connection to the steam has outlet opening. The practically always on the Katho The droplets that arise are already in intercepted within the device according to the invention and held back. Essentially, layer deposition occurs only neutral and ionized vapor particles from the anodic crucible.

Von besonderer Bedeutung ist auch der vorteilhafte ener getische Effekt der Erfindung. Die mit dem zentrischen Plasmastrom auf den Boden des Tiegels einströmenden Elek tronen führen zu einer intensiven Erwärmung und Verdamp fung des im Tiegel befindlichen Verdampfungsmaterials, ohne die Energie der bereits verdampften Partikel zu beeinflussen. Der konzentrische Plasmastrom wirkt dagegen im wesentlichen ausschließlich auf den Dampf des bereits verdampften Materials oberhalb des Tiegels ein und führt zu dessen intensiven Ionisierung. Die Anteile des zentrischen und des konzentrischen Plasmastromes werden durch die Anordnung, Größe und Aufteilung der Öffnungen in der Blende zwischen der Kathode und der Anode bestimmt.The advantageous ener is also of particular importance effect of the invention. The one with the central one Plasma stream flowing to the bottom of the crucible Trons lead to intense heating and evaporation the evaporation material in the crucible, without the energy of the already vaporized particles influence. The concentric plasma flow works against this essentially solely on the steam of the already evaporated material above the crucible and leads for its intensive ionization. The shares of centric and concentric plasma flow by the arrangement, size and division of the openings in the aperture between the cathode and the anode.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in dem folgenden Ausführungsbeispiel näher beschrieben.Further details of the invention are set out in the following Embodiment described in more detail.

Die zugehörige Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung innerhalb einer nicht näher dargestellten Vakuumkammer 1. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus der Kathode 2 mit dem darauf als Verschleißteil aus gebildetem Target 3 und der Anodenhalterung 4 mit dem daran elektrisch leitend und wärmeisolierend gehalterten Tiegel 5. Im Tiegel 5 befindet sich das zu verdampfenden Material 6. Erfindungswesentlich ist die Anordnung des Tiegels 5 und des Targets 3 auf der gleichen vertikalen Achse 7. Die Kathode 2 und die Anodenhalterung 4 sind in bekannter Weise wassergekühlt. Die Anodenhalterung 4 ist mit einer isoliert dazu angeordneten Abschirmung 27 umman telt.The accompanying drawing shows a device according to the invention within a vacuum chamber 1, not shown in detail. The device consists essentially of the cathode 2 with the target 3 formed thereon as a wearing part and the anode holder 4 with the crucible 5 held thereon in an electrically conductive and heat-insulating manner. The material 6 to be evaporated is located in the crucible 5 . The arrangement of the crucible 5 and the target 3 on the same vertical axis 7 is essential to the invention. The cathode 2 and the anode holder 4 are water-cooled in a known manner. The anode holder 4 is umman with a shield 27 arranged insulated.

Zur Zündung der Vakuumlichtbogenentladung zwischen dem Target 3 und dem Tiegel 5 ist eine Zündelektrode 8 vor gesehen. Diese ist mantelförmig mit geringen Abstand, der über den Isolierring 9 realisiert wird, um das Target 3 angeordnet. Zusammen mit der Blende 10 bilden sie eine genau definierte Fläche der positiven Gegenelektrode des kathodischen Vakuumlichtbogens. Funktionell könnte die Zündelektrode 8 auch niedriger ausgeführt werden. Im Beispiel dient die Zündelektrode 8 zusätzlich auch als Träger der Blende 10. Die Blende 10 hat die Aufgabe den ursprünglichen Plasmastrom in einen zentrischen Plasma strom 21 und einen konzentrischen Plasmastrom 22 aufzutei len. Dazu weist die Blende 10 eine zentrische Öffnung 11 auf, durch den der zentrische Plasmastrom 21 ausgebildet wird, und mehrere ringförmig angeordnete Öffnungen 12, durch die der konzentrische Plasmastrom 22 ausgebildet wird. To ignite the vacuum arc discharge between the target 3 and the crucible 5 , an ignition electrode 8 is seen before. This is jacket-shaped with a small distance, which is realized via the insulating ring 9 , around the target 3 . Together with the aperture 10 , they form a precisely defined area of the positive counterelectrode of the cathodic vacuum arc. Functionally, the ignition electrode 8 could also be made lower. In the example, the ignition electrode 8 also serves as a carrier for the diaphragm 10 . The aperture 10 has the task of splitting the original plasma stream into a central plasma stream 21 and a concentric plasma stream 22 . For this purpose, the screen 10 has a central opening 11 through which the central plasma stream 21 is formed, and a plurality of annularly arranged openings 12 through which the concentric plasma stream 22 is formed.

Die Bündelung und Ausrichtung des zentrischen Plasmastro mes 21 auf den Tiegel 5, unterstützt vorteilhaft eine selb ständige Vakuumlichtbogenentladung zwischen dem Target 3 und dem anodischen Tiegel 5.The bundling and alignment of the central Plasmastro mes 21 on the crucible 5 , advantageously supports a self-constant vacuum arc discharge between the target 3 and the anodic crucible 5th

Die beschriebenen Einzelteile der Vorrichtung sind im Beispiel von einer Abschirmung 13 umgeben, die axial unten geschlossen ist und oben eine Abdeckung 14 aufweist. In der Abdeckung 14 ist oberhalb des Tiegels 5 zum Austritt des verdampften und teilweise ionisierten Materials eine Öffnung 15 angeordnet. Abgesehen von der Öffnung 15 ist die Abschirmung 13 im wesentlichen gasdicht ausgebildet. Das bewirkt mit der beginnenden Zerstäubung und Verdamp fung des Targets 3 die Ausbildung einer Druckstufe mit einem wesentlich höheren Innendruck als allgemein inner halb der Vakuumkammer 1. Das Brennverhalten der Vakuum lichtbogenentladung wird dadurch wesentlich begünstigt. Gegenüber den anderen Einzelteilen der Vorrichtung ist die Abschirmung 13 isoliert gehaltert. Über einen Stroman schluß an der Bodenplatte ist die Abschirmung 13 mit einem Schaltelement 25 verbunden und damit wahlweise am Pluspol der regelbaren Stromquelle 18 angeschlossen. Zur Beschich tung isolierender Substrate, wie weiter unten noch näher beschrieben wird, ist im Beispiel noch eine Stromquelle 17 vorhanden. Das Plasma innerhalb der Abschirmung 13 nimmt das Potential der angelegten Spannung an.The individual parts of the device described are surrounded in the example by a shield 13 which is axially closed at the bottom and has a cover 14 at the top. An opening 15 is arranged in the cover 14 above the crucible 5 for the exit of the evaporated and partially ionized material. Apart from the opening 15 , the shield 13 is essentially gas-tight. With the beginning of atomization and evaporation of the target 3, this causes the formation of a pressure stage with a substantially higher internal pressure than generally within the vacuum chamber 1 . This significantly improves the burning behavior of the vacuum arc discharge. The shield 13 is held insulated from the other individual parts of the device. Via a current circuit on the base plate, the shield 13 is connected to a switching element 25 and thus optionally connected to the positive pole of the controllable current source 18 . To coat insulating substrates, as will be described in more detail below, a current source 17 is also present in the example. The plasma within the shield 13 assumes the potential of the applied voltage.

Der Minuspol der Stromquelle 18 ist mit dem Massepotential der Vakuumkammer 1 verbunden. Auf dem Massepotential liegen auch die Substrathalterungen 23 mit den Substraten sowie ein Beschleunigungsgitter 16. Das Beschleunigungs gitter 16 ist ein Teil eines geschlossenen metallischen Faradaykäfigs, der die erfindungsgemäße Vorrichtung als Ganzes kreisförmig umschließt und zur Abdeckung 14 einen Abstand von einigen Zentimetern aufweist. Innerhalb des Faradaykäfigs mit dem Beschleunigungsgitter 16 befindet sich noch eine Dampfblende 26. The negative pole of the current source 18 is connected to the ground potential of the vacuum chamber 1 . The substrate holders 23 with the substrates and an acceleration grid 16 are also located at the ground potential. The acceleration grid 16 is part of a closed metallic Faraday cage, which surrounds the device according to the invention as a whole in a circle and has a distance of a few centimeters from the cover 14 . Within the Faraday cage with the accelerator grid 16 is still a steam orifice 26th

Die Stromversorgung für die Kathode 2 mit dem Target 3 und den anodischen Tiegel 5 erfolgt über die Stromquelle 19. Die Zündelektrode 8 ist über einen niederohmigen Lastwi derstand 20 in diesen Stromkreis eingebunden. Die Abschir mung 27 der Anodenhalterung 4 liegt auf dem Potential der Zündelektrode 8.The power supply for the cathode 2 with the target 3 and the anodic crucible 5 takes place via the current source 19 . The ignition electrode 8 is integrated into this circuit via a low-resistance Lastwi resistor 20 . The shielding 27 of the anode holder 4 is at the potential of the ignition electrode 8 .

Die vorbeschriebene Vorrichtung wird nachfolgend mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in Funktion beschrieben.The device described above is subsequently with the Method according to the invention described in function.

Bei der erstmaligen Inbetriebnahme ist es erforderlich, daß zwischen dem Target 3 und der Zündelektrode 8 eine leitfähige Verbindung geschaffen wird. Dies kann z. B. mittels eines dünnen Drahtes oder eine Leitschicht auf dem Isolierring 9 erfolgen. Wenn zwischen der Kathode 2 mit dem Target 3 und der Anodenhalterung 4 mit dem Tiegel 5 eine entsprechende Spannung angelegt wird, liegt die Zün delektrode 8 über den vorgeschalteten Lastwiderstand 20 am Pluspol der Stromquelle 19. Der niederohmige Lastwider stand 20 bewirkt an der Zündelektrode 8 einen Spannungsab fall gegenüber dem Anodenpotential um etwa 10 Volt und begrenzt den Gleichstrom auf ca. 25 A. Unter Anwendung des Anspruchs 7 wird der Basisstrom von der Stromquelle 19 über das Schaltelement 24 mit steilen, hochfrequenten positiven Pulsen kurzer Dauer überlagert, welche beim Entladen einer Speicherinduktivität mit einem schnell schaltenden MOSFET-Leistungtransistor und einer IGBT-Leistungsstufe entstehen. Die hohe Spitzenspannung der "nadelförmigen" Pulse begünstigt das Überspringen einer Initialentladung über den Abstand zwischen der Kathode 2 bzw. des Kathodenpotentials des Targets 3 und einer nahe liegenden Kante der Zündelektrode 8. Die leitfähige Ver bindung bei der ersten Zündung über den nur einige Zehntel mm breiten Isolierring 9 wird durch die Initialentladung explosionsartig verdampft und ionisiert. Die emittierten Teilchen hinterlassen eine ionisierte Spur, an welcher sich auch unter Hochvakuumbedingungen eine stromstarke Vakuumlichtbogenentladung ausbreitet. Dieser Vorgang wiederholt sich auch bei allen späteren Zündungen, da der Isolierring 9 an seiner Stirnseite bei jeder folgenden Inbetriebnahme stets mit einer dünnen elektrisch leitenden Schicht aus dem vom Target 3 beim letzten Betrieb der Vorrichtung abgedampften Material beschichtet wird. Auch im Falle eines Kurzschlusses wird die Ablagerung zwischen der Zündelektrode 8 und der Kathode 2 bzw. dem Target 3 durch den Kurzschlußstrom in gleicher Weise explosions artig verdampft.When starting up for the first time, it is necessary to create a conductive connection between the target 3 and the ignition electrode 8 . This can e.g. B. by means of a thin wire or a conductive layer on the insulating ring 9 . If a corresponding voltage is applied between the cathode 2 with the target 3 and the anode holder 4 with the crucible 5 , the ignition electrode 8 is connected via the upstream load resistor 20 to the positive pole of the current source 19 . The low-resistance load resistor stood 20 causes a voltage drop in the ignition electrode 8 compared to the anode potential by about 10 volts and limits the direct current to about 25 A. Using claim 7, the base current from the current source 19 via the switching element 24 with steep, high-frequency positive pulses of short duration are superimposed, which arise when a memory inductance is discharged with a fast-switching MOSFET power transistor and an IGBT power stage. The high peak voltage of the “needle-shaped” pulses favors the skipping of an initial discharge over the distance between the cathode 2 or the cathode potential of the target 3 and a nearby edge of the ignition electrode 8 . The conductive connection at the first ignition via the insulating ring 9 , which is only a few tenths of a mm wide, is explosively vaporized and ionized by the initial discharge. The emitted particles leave an ionized trace, on which a powerful vacuum arc discharge spreads even under high vacuum conditions. This process is repeated for all subsequent ignitions, since the insulating ring 9 is always coated on its end face with each subsequent start-up with a thin electrically conductive layer made of the material evaporated from the target 3 when the device was last operated. Even in the event of a short circuit, the deposit between the ignition electrode 8 and the cathode 2 or the target 3 is vaporized in the same way by the short-circuit current.

Mit der Zündung wird im Bereich zwischen der Zündelektrode 8 und dem Target 3 eine primäre Basisentladung in der Form eines kathodischen Vakuumlichtbogens ausgebildet. Diese konzentrierte primäre Basisentladung ist ausreichend für eine sichere Zündung eines selbständigen anodischen Vaku umlichtbogens zwischen dem anodischen Tiegel 5 und dem Target 3. Die geometrische Ausbildung der Vorrichtung führt dazu, daß die freien Elektronen und die ionisierten Teilchen, welche ausschließlich aus dem vom Target 3 ver dampften und abgesputterten Material stammen, als zen trischer Plasmastrom 21 durch die Öffnung 11 und als kon zentrischer Plasmastrom 22 durch die Öffnungen 12 in der Blende 10 in Richtung des anodischen Tiegels 5 austreten. Insbesondere der gebündelte Plasmastrom 21 fließt gegen die Außenwandung des anodischen Tiegels 5, der durch den Elektronenstrahlbeschuß aufgeheizt wird und damit auch das im Tiegel 5 vorhandene Material 6, welches das Beschich tungsmaterial ist, zum Schmelzen und Verdampfen bringt.With the ignition, a primary base discharge in the form of a cathodic vacuum arc is formed in the area between the ignition electrode 8 and the target 3 . This concentrated primary base discharge is sufficient for reliable ignition of an independent anodic vacuum arc between the anodic crucible 5 and the target 3 . The geometric design of the device leads to the fact that the free electrons and the ionized particles, which originate exclusively from the material vaporized and sputtered by the target 3 , as a cen tric plasma stream 21 through the opening 11 and as a con centric plasma stream 22 through the openings 12 emerge in the aperture 10 in the direction of the anodic crucible 5 . In particular, the bundled plasma stream 21 flows against the outer wall of the anodic crucible 5 , which is heated by the electron beam bombardment and thus also the material 6 present in the crucible 5 , which is the coating material, melts and evaporates.

Die Abschirmung 27, die im Beispiel auf dem Potential der Zündelektrode 8 liegt, verhindert, daß der anodische Vakuumlichtbogen direkt gegen die Anodenhalterung 4 brennt.The shield 27 , which in the example is at the potential of the ignition electrode 8 , prevents the anodic vacuum arc from burning directly against the anode holder 4 .

Die Dampfwolke oberhalb des Tiegels 5 wird unter der Ein wirkung des Plasmas, insbesondere des konzentrischen Plasmastromes 22, hochgradig ionisiert. Der Ionisations grad jedes Materials ist von seinen spezifischen Eigen schaften und den äußeren Einwirkungen, wie Spannung, Frequenz, Teilchendichte (Dampfdruck) abhängig. The vapor cloud above the crucible 5 is highly ionized under the action of the plasma, in particular the concentric plasma stream 22 . The degree of ionization of each material depends on its specific properties and external influences such as voltage, frequency, particle density (vapor pressure).

Die positiv geladenen Ionen des Materials 6 fließen ent gegen dem Elektronenstrom zur Kathode 2 zurück und beim Aufprall auf die Oberfläche des Targets 3 lösen sie eine Lawine aus Elektronen und sekundären Ionen aus. Im Strom zweig zwischen der Kathode 2 und der Zündelektrode 8 reduziert sich der Entladungsstrom um etwa eine Drittel, weil sich an der Vakuumlichtbogenentladung auch Ladungs träger aus dem Material 6 beteiligen. Für die Regelung der bis zu 200 A hohen Ströme der Vakuumlichtbogenentladung wird eine verlustarme Pulsbreiteregelung gewählt. Eine typisch bei 10 kHz arbeitende IGBT-Leistungsstufe erzeugt Strompulse, welche in einer Luftspaltdrossel gespeichert werden. Durch die Entladecharakteristik der Drossel ent steht eine sägezahnförmige Modulation des Anodenstromes. Die Vergleiche verschiedener Pulsfrequenzen zeigten eine Steigerung des Ionisationsgrades mit der Pulsfrequenz. Eine synchrone aber zeitversetzte Pulsansteuerung über die IGBT-Leistungsstufe ist vorteilhaft bei einem Parallelbe trieb von mehreren Verdampfern in einer Beschichtungs kammer.The positively charged ions of the material 6 flow back against the electron current to the cathode 2 and upon impact on the surface of the target 3 they trigger an avalanche of electrons and secondary ions. In the current branch between the cathode 2 and the ignition electrode 8 , the discharge current is reduced by about a third, because charge carriers made of the material 6 also participate in the vacuum arc discharge. A low-loss pulse width control is selected to control the up to 200 A high vacuum arc discharge currents. A typical IGBT power stage operating at 10 kHz generates current pulses which are stored in an air gap choke. Due to the discharge characteristic of the choke, a sawtooth-shaped modulation of the anode current arises. The comparisons of different pulse frequencies showed an increase in the degree of ionization with the pulse frequency. A synchronous but time-shifted pulse control via the IGBT power level is advantageous for a parallel operation of several evaporators in one coating chamber.

Je nach der aktuellen Beschichtungsaufgabe, wird über das Schaltelement 25 an die Abschirmung 13 eine positive Beschleunigungsspannung von der Stromquelle 18 angelegt. Dieses Potential überträgt sich auf das Plasma innerhalb der Abschirmung 13. Der Raum zwischen der Abdeckung 14 und dem Beschleunigungsgitter 16 ist mit einem dünnen Plasma ausgefüllt. Die positiven Metallionen werden durch das auf Massepotential liegende Beschleunigungsgitter 16 aus der gitternahen Grenzschicht des Plasmas extrahiert und beim Durchfliegen des Beschleunigungsgitters 16 beschleunigt. Die hohe Geschwindigkeit bleibt im Vakuum bis zum Abschei den auf dem Substrat erhalten und wirkt sich vorteilhaft bei der Schichtbildung aus.Depending on the current coating task, a positive acceleration voltage from the current source 18 is applied to the shield 13 via the switching element 25 . This potential is transferred to the plasma within the shield 13 . The space between the cover 14 and the acceleration grid 16 is filled with a thin plasma. The positive metal ions are extracted by the at ground potential accelerator grid 16 from the grid boundary layer of the plasma and accelerated when flying through the accelerator grid 16th The high speed remains in a vacuum until it is deposited on the substrate and has an advantageous effect on the layer formation.

Bei nichtleitenden Substraten, z. B. aus Kunststoffen, kann der positive Emissionsstrom (Ionenstrom) eines erfin dungsgemäßen Verdampfers, der Stromstärken von 1000 mA erreichen kann, eine gleichgepolte Oberflächenaufladung aufbauen. Dadurch werden die weiterhin ankommenden positiv geladenen Dampfteilchen elektrostatisch abgestoßen. Die Substrataufladung baut sich erst dann ab, wenn die abge schiedene Schicht zusammenhängend leitfähig ist und eine Verbindung zum Massepotential der Substrathalterung 23 aufgebaut wurde.In the case of non-conductive substrates, e.g. B. made of plastics, the positive emission current (ion current) of an evaporator according to the invention, which can reach currents of 1000 mA, build up a polarized surface charge. As a result, the incoming positively charged vapor particles are repelled electrostatically. The substrate charge does not degrade until the separated layer is continuously conductive and a connection to the ground potential of the substrate holder 23 has been established.

Diese hierbei für die Schichtausbildung nachteilige Ober flächenaufladung kann mit einem Angebot an freien Elek tronen aus dem plasmaausgefüllten Innenraum (Faradaykäfig) zwischen der Abschirmung 13 mit der Abdeckung 14 und dem Beschleunigungsgitter 16 kompensiert werden.This disadvantageous for the layer formation upper surface charge can be compensated for with an offer of free electrons from the plasma-filled interior (Faraday cage) between the shield 13 with the cover 14 and the acceleration grid 16 .

Eine derartige Raumladungsneutralisation kann mit zwei im Gegentakt schaltenden Gleichspannungsquellen durch Umpo lung der Plasmavorspannung erzielt werden. Die Ausgangs spannungen der entgegengesetzt gepolten Stromquellen 17 und 18 können beispielsweise durch ein schnelles Schalt element 25 (MOSFET oder IGBT) zu einem Potental mit recht eckförmigen Negativ-Positiv-Pulsen einstellbarer Dauer zusammengesetzt und an die Abschirmung 13 und die Abdeckung 14 gelegt werden.Such space charge neutralization can be achieved with two push-pull DC voltage sources by reversing the plasma bias. The output voltages of the oppositely polarized current sources 17 and 18 can be assembled, for example, by a fast switching element 25 (MOSFET or IGBT) to a potential with rectangular, negative-positive pulses of adjustable duration and placed on the shield 13 and the cover 14 .

Der wechselseitige Spannungsabfall führt in der Nähe eines Null-Potentials zum jeweiligen Umschalten des Schaltele mentes 25 auf das andere Potentialniveau. Das Potential der Abschirmung 13 und der Abdeckung 14 ändert sich in entsprechender Weise und damit auch das Potential des Plasmas. Damit werden ausreichend Elektronen mit negativem Potential erzeugt, welche aus dem Plasmaraum unterhalb des Gitters auf die Substrate extrahiert werden und die posi tive Aufladung auf dem nicht leitenden Substrat kompensie ren. Die Dauer der negativen rechteckförmigen Pulse kann variabel eingestellt werden.The mutual voltage drop leads in the vicinity of a zero potential for the respective switching of the switching element 25 to the other potential level. The potential of the shield 13 and the cover 14 changes in a corresponding manner and thus also the potential of the plasma. This generates sufficient electrons with negative potential, which are extracted from the plasma space below the grid onto the substrates and compensate for the positive charging on the non-conductive substrate. The duration of the negative rectangular pulses can be set variably.

Versuche haben gezeigt, daß die Raumladungskonzentration schon bei einer Pulsfrequenz im Bereich von 20 bis 80 kHz (bei praktischer Realisierbarkeit auch höher bis ca. 120 kHz) und einem Pulsdauerverhältnis von 3 zu 1 (+ zu -) wirksam abgebaut werden kann. Die negative Ausgangsspan nung der Stromquelle 17 ist im Bereich 50 bis 200 Volt einstellbar.Experiments have shown that the space charge concentration can be effectively reduced even at a pulse frequency in the range from 20 to 80 kHz (with practical feasibility also higher up to approx. 120 kHz) and a pulse duration ratio of 3 to 1 (+ zu -). The negative output voltage of the current source 17 is adjustable in the range 50 to 200 volts.

In der Phase der Zündung der Vorrichtung kommt es allein zum Austritt von Dampfteilchen aus dem Material des Tar gets 3 aus der Vorrichtung. Dieses Material kann entweder durch eine Blende vom Substrat ferngehalten werden oder das Material wird ganz gezielt als dünne Haftschicht auf dem Substrat abgeschieden. Die mögliche Variante wird aus der Variantenvielfalt allein von den Anforderungen an die auf dem Substrat abzuscheidenden Schicht bestimmt.In the phase of the ignition of the device, only steam particles escape from the material of the target 3 from the device. This material can either be kept away from the substrate by means of a screen or the material can be deposited on the substrate as a thin adhesive layer. The possible variant is determined from the variety of variants solely by the requirements for the layer to be deposited on the substrate.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wurden z. B. rota tionssymmetrische Teile aus einem mit Kohlenstoffasern verstärkten Kunststoff mit einer Schicht bedampft, die im Aufbau die Schichtkombination Substrat - 0,2 µm Cr - 0,3 µm CrCu - 0,5 µm Cu - aufweist. Diese Schicht erfüllt alle Anforderungen an eine haftfeste, dichte, und elek trisch leitende Grundschicht, die vorteilhaft nachfolgend galvanisch mit einer duktilen bis mehr als 20 µm dicken Cu-Schicht und einige µm dicken Ni-Schicht verstärkt werden kann. Diese Teile konnten herkömmliche Stahlteile ersetzen und können auch problemlos galvanisch mit einer Hartchrom auflage erforderlicher Dicke beschichtet und mittels Hoch glanzschleifen endbearbeitet werden. Dabei ist zu bemer ken, daß die Abscheidung von Hartchromschichten wegen der hohen Eigenspannung regelmäßig sehr problematisch ist.With the device according to the invention z. B. rota symmetrical parts from one with carbon fibers Reinforced plastic with a layer that evaporates in the Structure of the layer combination of substrate - 0.2 µm Cr - 0.3 µm CrCu - 0.5 µm Cu. This layer fulfills all requirements for a strong, tight, and electrical tric conductive base layer, which is advantageous below galvanically with a ductile thickness of more than 20 µm Cu layer and a few µm thick Ni layer can be reinforced can. These parts could replace conventional steel parts and can also be easily galvanized with a hard chrome Required thickness coated and by means of high finish grinding can be finished. It should be criticized ken that the deposition of hard chrome layers because of high residual stress is regularly very problematic.

Die Abscheidung der beschriebenen Grundschicht erfolgte durch Verdampfung der Einzelmaterialien Chrom und Kupfer aus zwei bzw. mehreren erfindungsgemäßen Einzelverdampfern innerhalb einer herkömmlichen Hochvakuum-Beschichtungs anlage.The base layer described was deposited by evaporation of the individual materials chrome and copper from two or more individual evaporators according to the invention within a conventional high vacuum coating investment.

Zu Beginn der Beschichtung ist die Blende 26 im Faradaykä fig mit dem Beschleunigungsgitter 16 derart geschwenkt, daß die Öffnung 15 gegenüber der Substrathalterung 23 mit den Substraten abgedeckt ist. Zuerst wird die Vakuumlicht bogenentladung in den Vorrichtungen zur Verdampfung von Chrom gezündet. Wenn die Verdampfung beginnt, wird die Blende 26 aus dem Dampfstrom weggeschwenkt. Die Entla dungsspannung wird auf +1000 V erhöht und die 0,2 µm Cr-Haftschicht bei einem niedrigen Entladungsstrom von weniger als 100 A/Verdampfer aufgedampft. Dieser Vor gang dauert ca. 2 Min. Danach werden die Kupfer-Verdampfer gezündet und die Beschleunigungsspannung abgeschaltet. Bei einem Plasmapotential des Vakuumlichtbogens von ca. 25 V erreichen die positiven Ionen immer noch eine Energie von ca. 10 eV. Mit dem auf ca. 160 A/Verdampfer erhöhtem Entladungsstrom (Leistung ca. 4 kW) wird simultan aus den Cr-Verdampfern und aus den Cu-Verdampfern verdampft und die 0,3 µm CrCu-Legierungsschicht abgeschieden. Abschlie ßend wird die Cr-Verdampfung langsam beendet und die 0,5 µm dicke Schicht aus reinem Cu abgeschieden.At the beginning of the coating, the aperture 26 is pivoted in the Faradaykä fig with the accelerating grid 16 such that the opening 15 is covered with the substrates relative to the substrate holder 23 . First, the vacuum arc discharge is ignited in the chromium vaporization devices. When evaporation begins, the orifice 26 is pivoted away from the steam flow. The discharge voltage is increased to +1000 V and the 0.2 μm Cr adhesive layer is evaporated at a low discharge current of less than 100 A / evaporator. This process takes approx. 2 minutes. The copper evaporators are then ignited and the acceleration voltage is switched off. With a plasma potential of the vacuum arc of approx. 25 V, the positive ions still reach an energy of approx. 10 eV. With the discharge current increased to approx. 160 A / evaporator (output approx. 4 kW), the Cr evaporators and the Cu evaporators are evaporated simultaneously and the 0.3 μm CrCu alloy layer is deposited. Finally, the Cr evaporation is slowly ended and the 0.5 µm thick layer of pure Cu is deposited.

BezugszeichenlisteReference list

1 Vakuumkammer
2 Kathode
3 Target
4 Anodenhalterung
5 Tiegel (anodisch)
6 zu verdampfendes Material
7 Achse
8 Zündelektrode
9 Isolierring
10 Blende
11 Öffnung (zentrisch)
12 Öffnungen (mehrere ringförmig angeordnet)
13 Abschirmung
14 Abdeckung
15 Öffnung
16 Beschleunigungsgitter
17 Stromquelle (negative Beschleunigungsspannung)
18 Stromquelle (positive Beschleunigungsspannung)
19 Stromquelle (Vakuumlichtbogen)
20 Lastwiderstand
21 Plasmastrom (zentrisch)
22 Plasmastrom (konzentrisch)
23 Substrathalterung
24 Schaltelement
25 Schaltelement
26 Dampfblende
27 Abschirmung 1 vacuum chamber
2 cathode
3 target
4 anode holder
5 crucibles (anodic)
6 material to be evaporated
7 axis
8 ignition electrode
9 insulating ring
10 aperture
11 opening (centric)
12 openings (several arranged in a ring)
13 shielding
14 cover
15 opening
16 acceleration grille
17 current source (negative acceleration voltage)
18 current source (positive acceleration voltage)
19 power source (vacuum arc)
20 load resistance
21 plasma flow (centric)
22 plasma flow (concentric)
23 substrate holder
24 switching element
25 switching element
26 steam shield
27 shielding

Claims

1. Device for anodic evaporation of a material from an anodic crucible by means of a vacuum arc discharge, consisting of an anode holder, on which the crucible is held in an electrically conductive and heat-insulating manner, a cathode and an ignition electrode for ignition and maintenance of the vacuum electric arc discharge, the Plasma flow from the cathode focal spots acts both on the outer wall of the anodic crucible and on the vapor of the material evaporated therefrom, characterized in that the crucible ( 5 ) is essentially vertical and the axis ( 7 ) of the cathode ( 2 ) is arranged such that the ignition electrode ( 8 ) surrounds the cathode ( 2 ) in the form of a jacket and that between the ignition electrode ( 8 ) and the cathode ( 2 ) on the one hand and the anodic crucible ( 5 ) on the other hand one at the potential of the ignition electrode ( 8 ) lying diaphragm ( 10 ) with openings ( 11 , 12 ) is present.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the diaphragm ( 10 ) has openings ( 11 , 12 ), which are preferably arranged centrically and / or concentrically, such that the plasma stream emanating from the cathode ( 2 ) into a central one Plasma stream ( 21 ) and a substantially concentric plasma stream ( 22 ) is divided, the central plasma stream ( 21 ) on the bottom of the anodic crucible ( 5 ) and the concentric plasma stream ( 22 ) concentrically flows around the anodic crucible ( 5 ) .

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that at least the space in the area between the Katho de ( 2 ) and the anodic crucible ( 5 ) is enclosed by an electrically insulated shield ( 13 ) which acts as a Faraday cage.

4. The device according to claim 3, characterized in that the entire space around the cathode ( 2 ), the Zündelek electrode ( 8 ) with the diaphragm ( 10 ) and the anodic tie gel ( 5 ) from a substantially gas-tight shield ( 13th ) is enclosed, above the anodic crucible ( 5 ) has a cover ( 14 ) which has an opening ( 15 ) for the exit of the vaporized and at least partially ionized material ( 6 ).

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that between the steam outlet from the opening ( 15 ) and the substrate holder ( 23 ) there is a vapor-permeable acceleration grid ( 16 ) which is at ground potential.

6. Method for anodic evaporation of a material from a crucible lying at anodic potential by means of a vacuum arc discharge between a cathode and the anodic crucible, a cathodic vacuum arc only being ignited to ignite the vacuum arc discharge between an ignition electrode and the cathode, on the basis of this between the cathode and the anodic crucible forms an anodic vacuum arc, characterized in that, in order to maintain the anodic vacuum arc discharge, the ignition electrode ( 8 ) is constantly subjected to a positive potential which is lower than the potential of the anodic crucible ( 5 ) and higher than the quenching voltage of the vacuum arc discharge.

7. The method according to claim 6, characterized in that the anode potential from a DC voltage potential and a superimposed, high-frequency pulsating chip voltage is formed, the pulsating voltage has a pulse frequency between 20 kHz and 80 kHz.

8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that for the extraction and acceleration of the ions to an acceleration grid ( 16 ) between the anodic crucible ( 5 ) and the substrates to be coated, an acceleration voltage between 200 to 2000 V is applied.

9. The method according to claim 6 or 7, characterized in that in order to influence the space charge, in particular re to avoid undesirable surface charges on the substrates to be coated, to an acceleration grid ( 16 ) around the cathode ( 2 ), the Zündelek electrode ( 8th ) and the anodic crucible ( 5 ) a static positive or negative potential or an alternating positive and negative potential is applied.

10. The method according to claim 7, characterized in that with parallel operation of several anodic The pulsie evaporates in a coating chamber voltage controlled synchronously but with a time delay becomes.