DE4223592A1 - Arc vaporising apparatus - with movable magnetic coil below target to adjust magnetic field and ensure uniform target vaporisation - Google Patents
Arc vaporising apparatus - with movable magnetic coil below target to adjust magnetic field and ensure uniform target vaporisationInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Lichtbogen-Verdampfungsvor richtung zum Verdampfen eines an einer Kathode anliegen den Targets mittels zumindest eines durch einen von einem Lichtbogenstrom einer Stromquelle erzeugten Lichtbogen spots, welche zum Richten und Bewegen des Lichtbogenspots auf der Targetoberfläche mittels eines äußeren Magnet feldes eine Magnetspule hat und bei der das Target in eine an die Anode angeschlossene Vakuumkammer ragt.The invention relates to an arc evaporation device direction to vaporize a cathode the targets by means of at least one by one of one Arc current from a power source generated arc spots, which are used to straighten and move the arc spot on the target surface using an external magnet field has a magnetic coil and the target in a vacuum chamber connected to the anode protrudes.
Solche Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtungen sind bei spielsweise in der US-A-4,512,867 oder der DE-C-35 28 677 beschrieben. Diese bekannten Vorrichtungen haben jeweils einen Generator für die Erzeugung des Lichtbogenstromes und einen Generator für die Bestromung der Magnetspule. Durch eine große Magnetfeldstärke in der Größenordnung von 10-2 Tesla wird erreicht, daß sich der Lichtbogenspot durch den Hall-Effekt statt auf einer sich zufällig erge benden, völlig unregelmäßigen Bahn, wie beim "random arc"-Verfahren auf einer genau definierten Bahn bewegt, welche normalerweise durch zwei jeweils von einem Halb kreis miteinander verbundenen Geraden definiert ist. Die bei den beiden genannten Vorrichtungen sich ergebende Verfahrensweise wird daher auch als "steered arc"-Verfah ren bezeichnet.Such arc evaporation devices are described in example in US-A-4,512,867 or DE-C-35 28 677. These known devices each have a generator for generating the arc current and a generator for energizing the solenoid. A large magnetic field strength in the order of 10 -2 Tesla ensures that the arc spot moves through the Hall effect instead of on a randomly resulting, completely irregular path, as in the "random arc" method, on a precisely defined path , which is normally defined by two straight lines connected by a semicircle. The procedure resulting in the two devices mentioned is therefore also referred to as a "steered arc" method.
Der große Vorteil des "steered arc" -Verfahrens gegenüber dem "random arc"-Verfahren liegt darin, daß in erster Li nie durch eine größere Geschwindigkeit des Lichtbogen spots weniger Targetmaterial statt als Dampf unerwünsch terweise in Form von Tropfen (Droplets) in die Vakuumkam mer gelangt. Solche Droplets bilden auf dem zu be schichtenden Substrat eine unerwünschte, unregelmäßige und rauhe Oberfläche. Erkauft wird bei "steered arc" der Vorteil der geringen Dropletzahl allerdings durch eine wesentlich geringere Targetausbeute, was dadurch bedingt ist, daß der Lichtbogenspot sich nur auf einer genau de finierten Bahn über die Targetoberfläche bewegt und daß infolge des hohen magnetischen Feldes der Lichtbogenspot eine im Querschnitt sehr spitzwinklige, v-förmige Rille in der Targetoberfläche erzeugt.The great advantage of the "steered arc" process over the "random arc" process is that in the first Li never by a higher speed of the arc spots less target material than undesirable as steam in the form of drops (droplets) mer came. Such droplets form on the be layering substrate an undesirable, irregular and rough surface. The "steered arc" is used to buy the The advantage of the low droplet number, however, is that much lower target yield, which is due to this is that the arc spot is only on one exact de Finished path moved over the target surface and that due to the high magnetic field, the arc spot a very acute-angled, V-shaped groove in cross section generated in the target surface.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Lichtbo gen-Verdampfungsvorrichtung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß sich bei möglichst geringer Dropletzahl eine hohe Targetausbeute erzielen läßt.The invention is based on the problem, a Lichtbo gene evaporation device of the type mentioned above to design that with the lowest possible droplet number can achieve a high target yield.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch Mittel zum Einstellen des äußeren Magnetfeldes (Bs) auf den je weiligen Wert des Eigenmagnetfeldes des Lichtbogenstroms (Bi) und dadurch, daß die Feldstärke des äußeren Magnet feldes einen Wert von 10-3 T nicht übersteigt.This problem is solved according to the invention by means of adjusting the external magnetic field (B s ) to the respective value of the intrinsic magnetic field of the arc current (B i ) and in that the field strength of the external magnetic field does not exceed a value of 10 -3 T.
Durch dieses im Vergleich zum "steered arc"-Verfahren we sentlich geringere Magnetfeld wird der Lichtbogenspot we niger fest auf einer genau definierten Bahn geführt. Ver suche haben gezeigt, daß er während seiner Umlaufbewegung eine ständige, radiale Schwingbewegung ausführt. Er läuft somit auf einer Wobblekurve um. Dadurch wird eine wesent lich größere Oberfläche des Targets vom Lichtbogenspot erreicht, so daß deshalb die Targetausbeute höher wird als bei "steered arc"-Prozeß. Da die Feldstärke des äu ßeren Feldes geringer als beim Stand der Technik ist, entsteht durch den Lichtbogenspot in der Targetoberfläche statt eine v-förmige Rille eine im Querschnitt trogför mige Rille, was ebenfalls die Targetausbeute erhöht.Through this compared to the "steered arc" process we The arc spot will be considerably less magnetic niger firmly guided on a precisely defined path. Ver searches have shown that during its orbital movement executes a constant, radial oscillating movement. He runs thus on a wobble curve. This will be an essential Lich larger surface of the target from the arc spot reached, so that the target yield is therefore higher than with the "steered arc" process. Since the field strength of the external field is smaller than in the prior art, arises from the arc spot in the target surface instead of a v-shaped groove, a trough-shaped cross section groove, which also increases the target yield.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sehr einfach zu re geln, da nur darauf geachtet werden muß, daß das Eigenma gnetfeld des Lichtbogens gleich dem des äußeren Magnet feldes ist. Bei einer Erhöhung des Eigenmagnetfeldes durch Erhöhung des Stromes muß lediglich durch einfache Mittel dafür gesorgt werden, daß sich das äußere Magnet feld entsprechend erhöht.The device according to the invention is very simple to re apply, since only care must be taken that the Eigenma arnetic field equal to that of the outer magnet field is. When the intrinsic magnetic field increases by increasing the current only by simple Means are taken to ensure that the outer magnet field increased accordingly.
Ganz besonders einfach ist die Lichtbogen-Verdampfungs vorrichtung gestaltet, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Kathode der Stromquelle über die Magnet spule mit dem Target verbunden ist. Bei einer solchen Vorrichtung kommt man ohne Stellelemente und Regelein richtungen für die Magnetspule aus, da ein sich verän dernder Lichtbogenstrom zwangsläufig im gleichen Maße wie das Eigenmagnetfeld des Lichtbogens das äußere Magnetfeld verändert. Somit tritt ein Selbstregeleffekt auf. Eine solche Ausführungsform ist auch deshalb sehr kostengün stig, weil kein zusätzlicher Generator mit Regelung für die Magnetspule erforderlich wird. Weiterhin wird die Leistung des Verdampfers aufgrund der Induktivität der Magnetspule stabilisiert. Auch erhöht sich die Plasmabil dung beträchtlich, wodurch sich die Prozeßbedingungen für das Ätzen und anschließende Beschichten verbessern.Arc evaporation is particularly simple device designed if according to a training of Invention the cathode of the power source through the magnet coil is connected to the target. With one Device comes without controls and rules directions for the solenoid coil, as one changes arc current inevitably to the same extent as the intrinsic magnetic field of the arc the external magnetic field changed. A self-regulating effect thus occurs. A such an embodiment is therefore also very inexpensive stig, because no additional generator with regulation for the solenoid becomes necessary. Furthermore, the Performance of the evaporator due to the inductance of the Magnetic coil stabilized. The plasmable also increases dation considerably, which changes the process conditions improve for etching and subsequent coating.
Eine noch größere Targetausbeute läßt sich dadurch erzie len, daß die Magnetspule quer zur Ebene des Targets moto risch verschiebbar ausgebildet ist.An even greater target yield can be achieved in this way len that the solenoid moto across the plane of the target is risch displaceable.
Eine Zerstörung von Isolatoren durch die die Targetstirn seite verlassende Lichtbogenspots kann auf einfache Weise verhindert werden, indem im Randbereich der Kathodenober fläche eine umlaufende Nut vorgesehen ist, in welche eine Abschirmung aus einem elektrisch leitenden Material ohne Berührung der Kathodenoberfläche greift und die über ein RC-Glied mit der Anode verbunden ist. Eine solche Ab schirmung vermag die Ladung der sie erreichenden Lichtbö gen rasch aufzunehmen und führt somit zu einem Löschen der Lichtbögen.Destruction of isolators by the target forehead Side-leaving arc spots can be done easily can be prevented by in the edge area of the upper cathode surface a circumferential groove is provided, in which a Shielding made of an electrically conductive material without Touching the cathode surface engages and that over RC element is connected to the anode. Such an ab shielding can charge the light gusts that reach them record quickly and thus leads to deletion of the arcs.
Das Zünden des Lichtbogenspots kann mit einfachen Mitteln dadurch erreicht werden, daß ein über einen ohmschen Wi derstand mit der Anode verbundener Zündfinger vorgesehen ist. Durch den ohmschen Widerstand erreicht man, daß nicht der volle Lichtbogenstrom durch den Zündfinger fließt, wenn dieser das Target berührt, was zu einem An backen führen würde.The arc spot can be ignited with simple means can be achieved in that a via an ohmic Wi the ignition finger connected to the anode is provided is. The ohmic resistance means that not the full arc current through the ignition finger flows when it touches the target, causing an on bake would result.
Wenn zur gleichzeitigen Beschichtung einer größeren An zahl von Substraten hohe Verdampfungsleistungen erforder lich sind, dann kann man gemäß einer anderen Weiterbil dung der Erfindung das Target als einen Rohrkörper mit einer darin motorisch verdrehbaren Magnetspule ausbilden und die zu beschichtenden Substrate ringförmig um den Rohrkörper herum anordnen.If for the simultaneous coating of a larger An number of substrates requires high evaporation capacities are then you can according to another development extension of the invention using the target as a tubular body a magnet coil rotatable therein and the substrates to be coated in a ring around the Arrange the tube body around.
Eine optimale Ausnutzung des Targetmaterials erreicht man, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung das Target ein motorisch verdrehbarer, eine ortsfeste Ma gnetspule umgebender Rohrkörper ist.Optimal use of the target material is achieved one if according to another embodiment of the invention the target is a motor-rotatable, a fixed Ma is surrounding tubular body.
Auch bei einem solchen rohrförmigen Target kann man eine wirkungsvolle und einfache Abschirmung dadurch vorsehen, daß in der äußeren Mantelfläche des das Target bildenden Rohrkörpers jeweils eine umlaufende Nut vorgesehen ist, in welche von den Stirnseiten des Rohrkörpers her die Ab schirmung greift. Even with such a tubular target, one can provide effective and simple shielding by that in the outer surface of the target forming Tubular body is provided a circumferential groove, in which from the end faces of the tubular body shielding takes effect.
Üblicherweise wird man als Stromquelle eine Gleichstrom quelle vorsehen. Wenn die Temperatur der Substrate nied rig gehalten werden muß, dann ist eine andere Weiterbil dung der Erfindung vorteilhaft, gemäß der die Stromquelle eine unipolare, gepulste Stromquelle ist.Usually a direct current is used as the current source provide source. When the temperature of the substrates is low rig must be kept, then there is another development tion of the invention advantageous, according to the power source is a unipolar, pulsed power source.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zu ihrer weiteren Verdeutlichung sind vier davon in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt inThe invention permits numerous embodiments. To four of them are shown in the Drawing shown schematically and are below described. This shows in
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Lichtbogen- Verdampfungsvorrichtung nach der Erfindung, Fig. 1 shows a cross section through an arc evaporation apparatus according to the invention,
Fig. 2 einen gegenüber Fig. 1 geänderten Bereich der Vorrichtung, FIG. 2 shows an area of the device that has been changed compared to FIG. 1, FIG.
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Target gemäß den Fig. 1 und 2, Fig. 3 is a plan view of the target shown in FIGS. 1 and 2,
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine weitere Ausfüh rungsform einer Lichtbogen-Verdampfungsvor richtung nach der Erfindung, Fig. 4 shows a cross section through a further exporting approximate shape of an arc Verdampfungsvor device according to the invention,
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine vierte Ausfüh rungsform der Erfindung. Fig. 5 shows a cross section through a fourth embodiment of the invention.
Die Fig. 1 zeigt eine Vakuumkammer 1, deren Gehäuse 2 an der Anode einer als Gleichstromgenerator ausgebildeten Stromquelle 3 angeschlossen ist. Möglich ist es jedoch auch, einen unipolaren, gepulsten Strom zu benutzen. In das Gehäuse 2 hinein ragt von einer Seite ein Target 4, welches aus dem in der Vorrichtung zu verdampfenden Mate rial, also beispielsweise Titan, besteht und auf einer wassergekühlten Platte 5 aufliegt. Fig. 1 shows a vacuum chamber 1, the housing 2 is connected to the anode of a current source 3 formed as a direct current generator. However, it is also possible to use a unipolar, pulsed current. In the housing 2 protrudes from one side a target 4 , which consists of the material to be evaporated in the device Mate, for example titanium, and rests on a water-cooled plate 5 .
An der Außenseite der Platte 5 ist eine Magnetspule 6 an geordnet, welche mit einem Ende an der Kathode des Strom quelle 3 angeschlossen ist und mit ihrem anderen Ende mit der Platte 5 und damit auch dem Target 4 Verbindung hat.On the outside of the plate 5 , a magnetic coil 6 is arranged, which is connected at one end to the cathode of the current source 3 and with its other end with the plate 5 and thus also the target 4 connection.
Schematisch dargestellt ist innerhalb der Vakuumkammer 1 ein Zündfinger 7, der über einen ohmschen Widerstand 8 mit der Anode der Stromquelle 3 verbunden ist. Weiterhin ist eine Abschirmung 9 aus einem elektrisch leitenden Ma terial dargestellt, die in eine nahe der Peripherie des Targets 4 umlaufende Nut 10 greift, ohne das Target 4 zu berühren, und über ein RC-Glied 11 mit dem Gehäuse 2 und damit dem Pluspol verbunden ist.An ignition finger 7 , which is connected to the anode of the current source 3 via an ohmic resistor 8 , is shown schematically within the vacuum chamber 1 . Furthermore, a shield 9 is shown from an electrically conductive Ma material, which engages in a circumferential groove 10 near the periphery of the target 4 without touching the target 4 , and connected via an RC element 11 to the housing 2 and thus the positive pole is.
In der Vakuumkammer 1 zu beschichtende Substrate 12 sind auf einem in der Vakuumkammer 1 gegenüber dem Target 4 angeordneten Drehteller 13 gehalten.In the vacuum chamber 1 to be coated substrates 12 are held at a disposed in the vacuum chamber 1 with respect to the target 4 turntable. 13
Während des Beschichtungsvorganges fließt der Lichtbogen strom zunächst durch die Magnetspule 6 und erzeugt da durch ein äußeres Magnetfeld. Dieses soll einen Wert von 10-3 T nicht übersteigen. Dadurch wird der Lichtbogenspot nur relativ schwach geführt. Er bewegt sich auf einer in Fig. 3 gezeigten, umlaufenden Bahn 14 über die Oberflä che des Targets 4. Während seiner Umlaufbewegung führt der Lichtbogenspot zugleich eine Schwing- oder Wobble bewegung in radialer Richtung aus, so daß er einen großen Bereich des Targets 4 erreicht.During the coating process, the arc current initially flows through the magnetic coil 6 and generates it there by an external magnetic field. This should not exceed a value of 10 -3 T. As a result, the arc spot is only guided relatively weakly. It moves on a revolving path 14 shown in FIG. 3 over the surface of the target 4 . During its orbital movement, the arc spot also performs a swinging or wobble movement in the radial direction, so that it reaches a large area of the target 4 .
Wenn man die Targetausbeute noch steigern will, dann kann man, was in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, die Ma gnetspule 6 relativ zum Target 4 in Richtung eines Pfei les 15 hin und her verschieben. Um das zu ermöglichen, muß die Magnetspule 6 über einen flexiblen Anschluß 16 mit der Platte 5 verbunden sein. Eine von der Stromquelle 3 zu ihr führende Leitung 17 hat meist ohnehin eine aus reichende Flexibilität, um diese Bewegung zu ermöglichen.If you want to increase the target yield, then you can, what is shown schematically in Fig. 2, the Ma gnetspule 6 relative to the target 4 in the direction of a Pfei les 15 back and forth. To make this possible, the magnetic coil 6 must be connected to the plate 5 via a flexible connection 16 . A line 17 leading from the current source 3 to it usually has sufficient flexibility to enable this movement anyway.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist das Target 4 als Rohrkörper 18 ausgebildet. Die Magnetspule 6 ist drehbar im Inneren dieses Rohrkörpers 18 angeordnet. Die Rück seite der Magnetspule 6 wird von einer Abschirmung 25 aus Weicheisen abgedeckt. Zur Stromzuführung ist wiederum die Kathode der Stromquelle 3 mit der Magnetspule 6 verbun den, wobei diese Verbindung über eine drehbare Welle 19 erfolgt, welche die Magnetspule 6 trägt. Von der Magnet spule 6 fließt der Strom über einen Schleifkontakt 20 zum das Target 4 bildenden Rohrkörper 18. Zur Kühlung des Rohrkörpers 18 hat der Rohrkörper 18 eine Wasserzuführung 21 und eine Wasserabführung 22. Zum Zünden des Lichtbo gens dient genau wie bei der zuvor beschriebenen Ausfüh rungsform ein Zündfinger 7.In the embodiment according to FIG. 4, the target 4 is designed as a tubular body 18 . The magnet coil 6 is rotatably arranged in the interior of this tubular body 18 . The back of the solenoid 6 is covered by a shield 25 made of soft iron. For the current supply, the cathode of the current source 3 is in turn connected to the magnet coil 6 , this connection being made via a rotatable shaft 19 which carries the magnet coil 6 . From the magnetic coil 6 , the current flows via a sliding contact 20 to the tubular body 18 forming the target 4th To cool the tubular body 18 , the tubular body 18 has a water supply 21 and a water drain 22 . An ignition finger 7 is used to ignite the arc just as in the embodiment described above.
Zur Begrenzung der Lichtbogenspots auf die Mantelfläche des Rohrkörpers 18 ist nahe seiner beiden Stirnseiten in ihm jeweils eine umlaufende Nut 10, 10a vorgesehen, in welche vergleichbar mit der Ausführungsform nach Fig. 1 die Abschirmung 9, 9a greift, die wiederum aus elektrisch leitendem Material besteht und über ein RC-Glied mit der Anode der Stromquelle 3 verbunden ist.To limit the arc spots to the outer surface of the tubular body 18 , a circumferential groove 10 , 10 a is provided near its two end faces, in which, comparable to the embodiment according to FIG. 1, the shield 9 , 9 a engages, which in turn is made of electrically conductive Material exists and is connected to the anode of the current source 3 via an RC element.
Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist das Target 4 als Rohrkörper 18 ausgebildet. Dieser ist jedoch im Ge gensatz zu Fig. 4 drehbar im Gehäuse 2 der Vakuumkammer 1 angeordnet. Die Magnetspule 6 ist ortsfest innerhalb des Rohrkörpers 18 vorgesehen, so daß sich im Betrieb der Rohrkörper 18 um die Magnetspule 6 herum drehen kann. Schematisch angedeutet ist in Fig. 5, wie die Stromzu führung von der Stromquelle 3 durch eine den Rohrkörper 18 tragende und ihn antreibende Welle 23 hindurch zur Ma gnetspule 6 und von dort über einen Schleifer 24 zum Rohrkörper 18 erfolgt. Die Anode ist wiederum am Gehäuse 2 angeschlossen. Die Substrate 12 sind bei dieser Ausfüh rungsform natürlich nur an einer Seite der Magnetspule 6 angeordnet oder fahren an einer Seite vorbei. In the embodiment according to FIG. 5, the target 4 is designed as a tubular body 18 . However, in contrast to FIG. 4, this is rotatably arranged in the housing 2 of the vacuum chamber 1 . The magnetic coil 6 is provided in a stationary manner within the tubular body 18 , so that the tubular body 18 can rotate around the magnetic coil 6 during operation. Is schematically indicated in Fig. 5, as the current-to guidance from the current source 3 by the tubular body 18 supporting and driving it through shaft 23 to Ma solenoid coil 6 and carried from there through a grinder 24 to the tubular body 18. The anode is in turn connected to the housing 2 . In this embodiment, the substrates 12 are of course only arranged on one side of the magnet coil 6 or pass one side.
BezugszeichenlisteReference list
1 Vakuumkammer
2 Gehäuse
3 Stromquelle
4 Target
5 Platte
6 Magnetspule
7 Zündfinger
8 Widerstand
9 Abschirmung
10 Nut
11 RC-Glied
12 Substrat
13 Drehteller
14 Bahn
15 Pfeil
16 Anschluß
17 Leitung
18 Rohrkörper
19 Welle
20 Schleifkontakt
21 Wasserzuführung
22 Wasserabführung
23 Welle
24 Schleifer
25 Abschirmung 1 vacuum chamber
2 housings
3 power source
4 target
5 plate
6 solenoid
7 ignition fingers
8 resistance
9 shielding
10 groove
11 RC link
12 substrate
13 turntables
14 lane
15 arrow
16 connection
17 line
18 tubular body
19 wave
20 sliding contact
21 water supply
22 Drainage
23 wave
24 grinders
25 shielding
Claims (9)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE4223592A DE4223592C2 (en) | 1992-06-24 | 1992-07-17 | Arc vaporization device |
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| DE4223592A DE4223592C2 (en) | 1992-06-24 | 1992-07-17 | Arc vaporization device |
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