DE19739527A1 - Magnetically filtered vacuum arc plasma source - Google Patents

Magnetically filtered vacuum arc plasma source

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Abstract

A vacuum arc plasma source, with a magnetic particle filter, has an anode compensation coil which is oppositely connected with respect to the magnetic particle filter coil so that the magnetic fields of the coils have opposite directions. In a magnetically filtered vacuum arc plasma source, the greatest axial distance between the filter-facing anode surface and the cathode front face is smaller than the opening diameter of the annular anode (2) and a compensation coil (11) is provided within the anode (2) in the axial direction between the cathode (1) front face and the filter coil (7), the compensation coil (11) and the filter coil (7) being oppositely connected so that their magnetic fields have opposite directions.

Description

Kathodische Vakuumbogenentladungen haben bereits ein breites Anwendungsgebiet gefunden, u. a. zur Erzeugung von Metall-Plasmen und als Metall-Ionenquelle z. B. in der Schichtabschei­ dung und für die Ionenimplantation.Cathodic vacuum arc discharges have already found a wide range of applications u. a. for generating metal plasmas and as a metal ion source z. B. in the layer separation and for ion implantation.

Entstehungsort des Plasmas sind die Kathodenbrennflecken, welche sich auf der Kathodenober­ fläche ausbilden und den Abtrag des Kathodenmaterials bewirken. Außer Plasma emittieren die Kathodenbrennflecken noch Partikel, deren Größe von einigen 10 nm bis zu einigen µm reicht. Bei verschiedenen Anwendungen in der Beschichtungstechnologie beeinträchtigen diese Partikel die Qualität der abgeschiedenen Schichten, weshalb sie mit Filteranordnungen aus dem Plasma entfernt werden müssen.The place of origin of the plasma is the cathode focal spots, which are located on the top of the cathode Form the surface and remove the cathode material. In addition to plasma, they emit Cathode focal spots still have particles whose size ranges from a few 10 nm to a few µm. These particles affect various applications in coating technology the quality of the deposited layers, which is why they use filter assemblies from the plasma must be removed.

Vakuumbogen-Plasmaquellen mit Magnet-Partikelfiltern wurden bereits an verschiedenen Stellen beschrieben. Die einzelnen Lösungen unterscheiden sich sowohl hinsichtlich der Entladungsanordnung als auch des Filter-Prinzips.Vacuum arc plasma sources with magnetic particle filters have already been used on various Places described. The individual solutions differ both in terms of Discharge arrangement and the filter principle.

Ein häufig eingesetzter Partikelfilter besteht aus einem gebogenen Rohr (USP 5433836). Eine andere Ausführung besteht aus mehreren geraden Rohrstücken, die unter entsprechenden Winkeln zusammengesetzt sind (USP 5279723).A frequently used particle filter consists of a bent tube (USP 5433836). A other version consists of several straight pipe sections, which under appropriate Angles are composed (USP 5279723).

Je nach Anforderung an Transmission des Filters und Partikelfreiheit liegt der Ablenkwinkel eines solchen gekrümmten Partikel-Filters zwischen 30 und 180°. In dem Rohr wird ein axial gerichtetes Magnetfeld erzeugt und das Plasma entlang der Feldlinien geführt. Durch Anlegen einer positiven Biasspannung an die Filterwand kann die Transmission zusätzlich erhöht werden. Die durch die Felder nicht beeinflußten Partikel scheiden sich an der Filterwand ab, wobei diese zur Verhinderung von Reflexionen der Partikel lamellenförmig ausgeführt wird.The deflection angle is dependent on the filter transmission and particle-free requirements of such a curved particle filter between 30 and 180 °. An axial becomes in the tube directional magnetic field generated and the plasma guided along the field lines. By applying A positive bias voltage on the filter wall can additionally increase the transmission. The particles not affected by the fields separate on the filter wall, whereby this to prevent reflections of the particles is designed lamellar.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines geraden Filterrohrs in Verbindung mit einer zentral angeordneten Blende, welche die Partikel abfängt (USP 4452686).Another option is to use a straight filter tube in conjunction with a centrally arranged screen that intercepts the particles (USP 4452686).

Die Entladungsanordnung ist bei den oben beschriebenen Filtermöglichkeiten in der Regel von axialsymmetrischer Geometrie mit scheiben-, stab-, oder kegelstumpfförmigen Kathoden, deren Stirnfläche durch die Bogenentladung abgetragen wird.With the filter options described above, the discharge arrangement is generally of  axially symmetrical geometry with disc, rod or truncated cone-shaped cathodes, the End face is removed by the arc discharge.

Eine kuppelförmige Anordnung, bei der der Bogen auf der Außenfläche einer zylindrischen Kathode brennt, ist in USP 5282944 beschrieben.A dome-shaped arrangement in which the arch is on the outer surface of a cylindrical Cathode burns is described in USP 5282944.

USP 5480527 enthält eine Vakuumbogen-Plasmaquelle, die eine ausgedehnte rechteckige Kathode in Verbindung mit einem auf diese Kathodengeometrie speziell zugeschnittenen Filter verwendet.USP 5480527 contains a vacuum arc plasma source that is an extended rectangular Cathode in connection with a filter specially tailored to this cathode geometry used.

Allen oben beschriebenen Vakuumbogen-Plasmaquellen ist gemeinsam, daß sie zur Führung des Plasmas Magnetfelder verwenden. Eine Folge davon ist das Ansteigen der Bogenbrennspan­ nung, was insbesondere bei den für eine maximale Filtertransmission erforderlichen Magnet­ feldern zu Instabilitäten der Bogenentladung führt.All vacuum arc plasma sources described above have in common that they are used to guide the Use plasma magnetic fields. One consequence of this is the increase in the sheet fuel voltage, especially with the magnet required for maximum filter transmission fields leads to instabilities in the arc discharge.

Dem wird durch Verwendung eines Arbeitsgases (USP 5279723, USP 5282944) und bzw. oder zusätzliche Anoden am Filterausgang (USP 5279723) oder großflächige Anoden (USP 5433836) entgegengewirkt, wobei die Bogenbrennspannung jedoch nach wie vor wesentlich erhöht ist.This is achieved by using a working gas (USP 5279723, USP 5282944) and or or Additional anodes at the filter output (USP 5279723) or large-area anodes (USP 5433836) counteracted, but the arc voltage is still significantly increased.

Bei der Verwendung einer Vakuumbogen-Plasmaquelle als Ionenquelle für die Ionenim­ plantation ist die Verwendung eines Arbeitsgases unerwünscht. Die Verwendung großflächiger Anoden bedeutet abgesehen vom hohen mechanischen Aufwand eine Einschränkung der Flexibilität beim Einsatz solcher Quellen sowie u. U. eine erhöhten Platzbedarf in den ent­ sprechenden Vakuumkammern.When using a vacuum arc plasma source as the ion source for the ions im plantation, the use of a working gas is undesirable. The use of large areas Apart from the high mechanical complexity, anodes means a limitation of Flexibility when using such sources and u. U. an increased space requirement in the ent speaking vacuum chambers.

Aufgabe der Erfindung ist eine Vakuumbogen-Plasmaquelle mit Magnet-Partikelfilter, bei der die Bogenentladung ohne Arbeitsgas stabil brennt und die eine kompakte Bauform aufweist.The object of the invention is a vacuum arc plasma source with magnetic particle filter in which the arc discharge burns stably without working gas and has a compact design.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine spezielle Anordnung von Magnetfeldern gelöst. Dabei baut die Erfindung im wesentlichen auf einer axialsymmetrischen Vakuumbogen- Entladungsanordnung aus einer wassergekühlten Kathode, einer ringförmigen wassergekühlten Anode und einem die Kathode umgebenden elektrostatischen Schirm auf, wobei diese Teile auf einem Vakuumflansch montiert sind. Außerdem wird ein an sich bekannter Magnet-Partikelfilter eingesetzt.According to the invention, the object is achieved by a special arrangement of magnetic fields. The invention is essentially based on an axially symmetrical vacuum arc Discharge arrangement from a water-cooled cathode, an annular water-cooled Anode and an electrostatic screen surrounding the cathode, these parts on  are mounted on a vacuum flange. In addition, a magnetic particle filter known per se used.

Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet, daß der größte axiale Abstand der dem Filter zu­ gewandten Begrenzungsfläche der Anode von der Kathodenstirnfläche kleiner ist als der Durchmesser der Anodenöffnung, daß sich innerhalb des Körpers der Anode eine Kompensa­ tionsspule befindet, daß die Kompensationsspule in axialer Richtung zwischen der Stirnfläche der Kathode und der Filterspule angeordnet ist und daß die Kompensationsspule und die Filterspule entgegengesetzt geschaltet sind, so daß deren Magnetfelder entgegengesetzt gerichtet sind.The solution according to the invention includes that the greatest axial distance to the filter facing boundary surface of the anode from the cathode face is smaller than that Diameter of the anode opening that there is a compensator within the body of the anode tion coil is located that the compensation coil in the axial direction between the end face the cathode and the filter coil is arranged and that the compensation coil and the Filter coil are switched in opposite directions so that their magnetic fields are directed in opposite directions are.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Fokusspule vorgesehen, welche die Kathode derart umgibt, daß der Abstand der Kathodenstirnfläche vom Mittelpunkt der Fokus­ spule kleiner als die halbe Summe von Länge und Innenradius der Fokusspule ist. Die Fokus­ spule erzeugt ein bezüglich des Filter-Magnetfeldes gleichgerichtetes Magnetfeld.In an advantageous embodiment of the invention, a focus coil is provided which Surrounds cathode such that the distance of the cathode face from the center of focus coil is less than half the length and inner radius of the focus coil. The focus coil generates a magnetic field which is rectified with respect to the filter magnetic field.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet eine oder mehrere konzentrisch angeordnete Steuerspulen, die sich zwischen der Kathode und dem Vakuumflansch befinden und die zur Steuerung der Brennpunktbewegung dienen.The further embodiment of the invention includes one or more concentrically arranged Control coils, which are located between the cathode and the vacuum flange and which for Control the focus movement.

Die Kathode kann jeweils kegelstumpf- oder scheibenförmig ausgebildet sein.The cathode can be frustoconical or disc-shaped.

Die Dimensionierung der einzelnen Spulen bezüglich Abmessungen, Lage, Windungszahl und Stromstärke gestaltet der Fachmann innerhalb der genannten Einschränkungen in Abhängigkeit von der Geometrie der Plasmaquelle. Ziel ist dabei eine durch Überlagerung der von den einzelnen Spulen erzeugten Magnetfelder erzeugte Magnetfeldstruktur, die sich durch ein Gebiet verschwindender Feldstärke in Anodennähe auszeichnet. Dadurch wird unter gleichen Magnetfeld-Bedingungen ein maximaler Ionenstrom am Filterausgang und eine minimale Bogenbrennspannung erreicht. Letztere ist dabei auch bei Verwendung einer ringförmigen und damit kleinen Anode gegenüber der Bogenbrennspannung ohne Magnetfelder nur in einem Maße erhöht, das keine Verwendung eines Arbeitsgases zur Stabilisierung der Entladung erfordert.The dimensions of the individual coils with regard to dimensions, position, number of turns and The person skilled in the art designs the current strength as a function of the restrictions mentioned on the geometry of the plasma source. The goal is one by overlaying the individual coils generated magnetic fields generated magnetic field structure that extends through an area vanishing field strength near the anode. This will make the same Magnetic field conditions a maximum ion current at the filter output and a minimum Arc voltage reached. The latter is also when using an annular and small anode compared to the arc voltage without magnetic fields in only one  Dimensions increased that no use of a working gas to stabilize the discharge required.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zu­ gehörigen Zeichnung zeigenThe invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the too show proper drawing

Abb. 1 die Prinzipdarstellung der Erfindung im Teilschnitt,1 shows the basic illustration of the invention in partial section,

Abb. 2 den typischen Feldlinienverlauf des Magnetfeldes im Bereich von Entladungs­ anordnung und Filtereingang. Fig. 2 shows the typical field line course of the magnetic field in the area of the discharge arrangement and filter input.

Im wesentlichen besteht die rotationssymmetrische Vakuumbogen-Entladungsanordnung aus einer wassergekühlten, scheibenförmigen Kathode 1, die von einer kreisringförmigen, ebenfalls wassergekühlten Anode 2 axial versetzt umgeben ist und einem die Kathode konzentrisch umgebenden elektrostatischen Schirm 3. Diese Teile sind auf einem Vakuumflansch 4 montiert, der über einen Zwischenflansch 5 an dem Magnet-Partikelfilter befestigt wird. Dieser besteht aus einem äußeren Rohr 6, welches an der Vakuumkammer befestigt ist und welches die Filterspule 7 trägt, sowie einem inneren Rohr 8, das zum Vermeiden von Partikel-Reflexionen aus zahlreichen Lamellen aufgebaut ist und das von der restlichen Anordnung elektrisch isoliert ist. Die Kathode 1 ist von der Fokusspule 9 konzentrisch umgeben. Hinter der Kathode 1 sind konzentrisch zwei Steuerspulen 10 angeordnet. Die Kompensationsspule 11 befindet sich im Kanal der Wasserkühlung der Anode 2.Essentially, the rotationally symmetrical vacuum arc discharge arrangement consists of a water-cooled, disk-shaped cathode 1 , which is surrounded axially offset by an annular, likewise water-cooled anode 2 and an electrostatic screen 3 concentrically surrounding the cathode. These parts are mounted on a vacuum flange 4 , which is attached to the magnetic particle filter via an intermediate flange 5 . This consists of an outer tube 6 , which is attached to the vacuum chamber and which carries the filter coil 7 , and an inner tube 8 , which is constructed from numerous lamellae to avoid particle reflections and which is electrically insulated from the rest of the arrangement. The cathode 1 is concentrically surrounded by the focus coil 9 . Two control coils 10 are arranged concentrically behind the cathode 1 . The compensation coil 11 is located in the channel of the water cooling of the anode 2 .

Die Filterspule 7 erzeugt im inneren Rohr 8 ein axial gerichtetes Filter-Magnetfeld. Bei fest gewähltem Filter-Magnetfeld wird das Fokussierungsmagnetfeld im Bereich vor der Kathoden­ stirnfläche im wesentlichen durch die Spulen 7 und 11 beeinflußt.The filter coil 7 generates an axially directed filter magnetic field in the inner tube 8 . With a fixed filter magnetic field, the focusing magnetic field in the area in front of the cathode face is essentially influenced by the coils 7 and 11 .

Die Variation des Fokussierungsmagnetfelds erfolgt durch Variation der Stromstärken der Spulen 7 und 11, wobei der zulässige Bereich der Stromstärken relativ breit ist. Die Stromstärke von Spule 11 darf nur nicht zu klein sein, weil sich sonst das Gebiet verschwindender Feldstärke innerhalb des Anodenquerschnitts befinden kann. Zu bevorzugen ist eine Variante, bei der die Windungszahlen der Spulen 7 und 11 so aufeinander abgestimmt werden, daß bei Reihen­ schaltung dieser Spulen (d. h. gleiche Stromstärke) und stromloser Fokusspule 9 das Magnetfeld im Bereich der Kathodenstirnfläche gerade kompensiert wird. Mit der Fokusspule 9 kann dann das Fokussierungsmagnetfeld zwischen Kathodenstirnfläche und Filtereingang unabhängig vom Filter-Magnetfeld eingestellt werden. Dem für einen maximalen Ionenstrom am Filterausgang und gleichzeitig minimaler Bogenbrennspannung erforderlichen optimalen Fokussierungs­ magnetfeld entspricht dabei eine optimale Lage des kreisringförmigen Gebiets verschwindender Feldstärke 12 in Anodennähe. Auf die Verwendung der Fokusspule 9 kann aber auch ganz verzichtet werden, in diesem Fall wird die Stromstärke der Kompensationsspule 11 so gewählt, daß das Filter-Magnetfeld im Bereich der Kathodenoberfläche nur teilweise kompensiert wird.The focusing magnetic field is varied by varying the currents of the coils 7 and 11 , the permissible range of the currents being relatively wide. The current strength of coil 11 may not be too small, because otherwise the area of vanishing field strength may be within the anode cross section. A variant is preferred in which the number of turns of the coils 7 and 11 are coordinated with one another in such a way that when these coils are connected in series (ie the same current strength) and the currentless focus coil 9, the magnetic field in the region of the end face of the cathode is just being compensated. With the focus coil 9 , the focusing magnetic field between the cathode face and the filter input can then be set independently of the filter magnetic field. The optimal focusing magnetic field required for a maximum ion current at the filter output and at the same time a minimal arc voltage corresponds to an optimal position of the circular area of vanishing field strength 12 in the vicinity of the anode. However, the use of the focus coil 9 can also be dispensed with entirely, in this case the current intensity of the compensation coil 11 is selected such that the filter magnetic field in the region of the cathode surface is only partially compensated for.

Als Kathodenmaterialien wurden Chrom und Aluminium verwendet. Jeweils eine der Steuer­ spulen 10 ist in bezug auf die Filterspule 7 in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung geschaltet.Chromium and aluminum were used as cathode materials. Each one of the control coils 10 is connected in the same or opposite direction with respect to the filter coil 7 .

Im ersten Fall erfolgt der Kathodenabtrag im äußeren Randbereich. Bei einem Bogenstrom von 100 A, einem Filter-Magnetfeld von etwa 18 mT auf der Filterachse, einer Biasspannung von +20 V am inneren Filterrohr 8 und einem Ablenkwinkel von 90 Grad wird ein maximaler Ionenstrom am Filterausgang von 1,1 A bei Chrom und 1,85 A bei Aluminium erreicht, wobei der Ionenstrom am Filtereingang 6 A bzw. 10 A beträgt. Die Filtertransmission beträgt demnach jeweils 18,5%. Die minimale Bogenbrennspannung für Chrom beträgt etwa 24 V.In the first case, the cathode is removed in the outer edge area. With an arc current of 100 A, a filter magnetic field of approximately 18 mT on the filter axis, a bias voltage of +20 V on the inner filter tube 8 and a deflection angle of 90 degrees, a maximum ion current at the filter output of 1.1 A for chrome and 1 , 85 A for aluminum, the ion current at the filter input being 6 A or 10 A. The filter transmission is therefore 18.5% each. The minimum arc voltage for chrome is around 24 V.

Im zweiten Fall erfolgt der Kathodenabtrag weiter innen, der Ionenstrom am Filterausgang ist 10 bis 20% geringer, die Stromdichte im Bereich der Filterachse jedoch höher als im ersten Fall. Die minimale Bogenbrennspannung für Chrom beträgt hier 25-26 V.In the second case, the cathode is removed further inside, the ion current is at the filter outlet 10 to 20% lower, but the current density in the area of the filter axis is higher than in the first case. The minimum arc voltage for chrome is 25-26 V.

Um auch den zentralen Bereich der Kathode abzutragen, wird die äußere Steuerspule in bezug auf das Filter-Magnetfeld in die gleiche Richtung und die innere Steuerspule in die entgegenge­ setzte Richtung geschaltet. Mit Hilfe der zwei Steuerspulen 10 kann so der Brennpunkt gezielt über die gesamte Oberfläche der Kathode geführt werden.In order to also remove the central area of the cathode, the outer control coil is switched in the same direction with respect to the filter magnetic field and the inner control coil is switched in the opposite direction. With the help of the two control coils 10 , the focal point can be guided specifically over the entire surface of the cathode.

Claims (5)

1. Vakuumbogen-Plasmaquelle mit Magnet-Partikelfilter, im wesentlichen bestehend aus einer wassergekühlten Kathode (1), einer wassergekühlten, ringförmigen Anode (2), einem die Kathode umgebenden elektrostatischen Schirm (3), einem Vakuumflansch (4), einem äußeren Filterrohr (6), einer Filterspule (7), sowie einem inneren Filterrohr (8), welches aus zahlreichen Lamellen aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß der größte axiale Abstand der dem Filter (6-8) zugewandten Begrenzungsfläche der Anode (2) von der Kathodenstirnfläche kleiner ist als der Durchmesser der Anodenöffnung, daß sich innerhalb des Körpers der Anode (2) eine Kompensationsspule (11) befindet, daß die Kompensationsspule (11) in axialer Richtung zwischen der Stirnfläche der Kathode (1) und der Filterspule (7) angeordnet ist und daß die Kompensationsspule (11) und die Filterspule (7) entgegengesetzt geschaltet sind, so daß deren Magnetfelder entgegenge­ setzt gerichtet sind.1. Vacuum arc plasma source with magnetic particle filter, consisting essentially of a water-cooled cathode ( 1 ), a water-cooled, ring-shaped anode ( 2 ), an electrostatic screen ( 3 ) surrounding the cathode, a vacuum flange ( 4 ), an outer filter tube ( 6 ), a filter coil ( 7 ), and an inner filter tube ( 8 ), which is constructed from numerous lamellae, characterized in that the greatest axial distance of the boundary surface of the anode ( 2 ) facing the filter ( 6-8 ) from the cathode end face is smaller than the diameter of the anode opening, that there is a compensation coil ( 11 ) within the body of the anode ( 2 ), that the compensation coil ( 11 ) is arranged in the axial direction between the end face of the cathode ( 1 ) and the filter coil ( 7 ) and that the compensation coil ( 11 ) and the filter coil ( 7 ) are connected in opposite directions, so that their magnetic fields are set in the opposite direction nd. 2. Vakuumbogen-Plasmaquelle mit Magnet-Partikelfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fokusspule (9) eingesetzt ist, die die Kathode (1) derart umschließt, daß der Abstand der Kathodenstirnfläche vom Mittelpunkt der Fokusspule (9) kleiner als die halbe Summe von Länge und Innenradius der Fokusspule (9) ist.2. Vacuum arc plasma source with magnetic particle filter according to claim 1, characterized in that a focus coil ( 9 ) is used which surrounds the cathode ( 1 ) such that the distance of the cathode face from the center of the focus coil ( 9 ) is less than half Sum of length and inner radius of the focus coil ( 9 ). 3. Vakuumbogen-Plasmaquelle mit Magnet-Partikelfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Kathode (1) und dem Vakuumflansch (4) eine oder mehrere bezüglich der Kathode (1) konzentrisch angeordnete Steuerspulen (10) befinden. 3. vacuum arc plasma source with magnetic particle filter according to claim 1 or 2, characterized in that between the cathode ( 1 ) and the vacuum flange ( 4 ) one or more with respect to the cathode ( 1 ) concentrically arranged control coils ( 10 ). 4. Vakuumbogen-Plasmaquelle mit Magnet-Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Materialabtrag verwendete Teil der Kathode (1) kegelstumpfförmig ist.4. Vacuum arc plasma source with magnetic particle filter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the part of the cathode ( 1 ) used for material removal is frustoconical. 5. Vakuumbogen-Plasmaquelle mit Magnet-Partikelfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) scheibenförmig ist.5. vacuum arc plasma source with magnetic particle filter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cathode ( 1 ) is disc-shaped.
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