DE69835324T2 - Dampfphasenabscheidungsgerät mit kathodischem Lichtbogen (Ringförmige Kathode) - Google Patents

Dampfphasenabscheidungsgerät mit kathodischem Lichtbogen (Ringförmige Kathode) Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft eine Dampfabscheidungsvorrichtung im Allgemeinen und eine Kathodenbogen-Dampfabscheidungsvorrichtung im Besonderen.
  • Dampfabscheidung als ein Mittel zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat ist eine bekannte Technik, die Verfahren beinhaltet wie z.B. chemische Dampfabscheidung, physikalische Dampfabscheidung und Kathodenbogen-Dampfabscheidung. Chemische Dampfabscheidung umfasst ein Einbringen reaktiver gasförmiger Elemente in eine Abscheidungskammer, die ein oder mehrere zu beschichtende Substrate enthält. Physikalische Dampfabscheidung umfasst ein Bereitstellen eines Quellenmaterials und eines zu beschichtenden Substrats in einer evakuierten Abscheidungskammer. Das Quellenmaterial wird durch einen Energieeintrag wie z.B. Erhitzen durch Widerstands-Induktions- oder Elektronenstrahleinrichtungen in Dampf umgewandelt.
  • Kathodenbogendampfabscheidung schließt ein Quellenmaterial und ein zu beschichtendes Substrat, das in einer evakuierten Abscheidungskammer angeordnet ist, ein. Die Kammer enthält nur eine relativ geringe Menge an Gas. Der negative Anschluss einer Gleichstromleistungsversorgung (DC) ist an dem Quellenmaterial (hierin im Anschluss als die "Kathode" bezeichnet) angebracht, und der positive Anschluss ist an einem Anodenelement angebracht. In vielen Fällen ist der positive Anschluss an der Abscheidungskammer angebracht und macht so die Kammer zu der Anode. Ein Bogen-auslösender Trigger, bei oder nahe demselben Potenzial wie die Anode, kontaktiert die Kathode und bewegt sich anschließend von der Kathode weg. Wenn der Trigger noch in enger Nähe zu der Kathode ist, bewirkt die Differenz im Potenzial zwischen dem Trigger und der Kathode, dass sich ein Elektrizitätsbogen zwischen ihnen erstreckt. Wenn sich der Trigger weiter wegbewegt, springt der Bogen zwischen der Kathode und der anodischen Kammer über. Der exakte Punkt oder die exakten Punkte, an denen der Bogen die Oberfläche der Kathode berührt, wird als ein Kathodenspot bezeichnet. Ohne einen Steuerungsmechanismus bewegt sich ein Kathodenspot zufällig über die Oberfläche der Kathode.
  • Die durch den Bogen an einem Kathodenspot aufgebrachte Energie ist intensiv; in der Größenordnung von 105 bis 107 A/cm2 mit einer Dauer von wenigen bis zu einigen Mikrosekunden. Die Intensität der Energie steigert die lokale Temperatur des Kathodenspots auf etwa diejenige des Siedepunkts des Kathodenmaterials (bei dem Druck der evakuierten Kammer). Als Ergebnis verdampft Kathodenmaterial an dem Kathodenspot in ein Plasma, das Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen und Partikel enthält. Aus der Kathode freigesetzte positiv geladene Ionen werden hin zu jedem Objekt innerhalb der Abscheidungskammer gezogen, das relativ zu dem positiv geladenen Ion ein negatives elektrisches Potenzial hat. Einige Abscheidungsverfahren halten das zu beschichtende Substrat bei demselben elektrischen Potenzial wie die Anode. Andere Verfahren verwenden eine Vorspannungsquelle, um das Potenzial des Substrats zu senken und so das Substrat relativ stärker anziehend für die positiv geladenen Ionen zu machen. In beiden Fällen wird das Substrat mit dem von der Kathode freigesetzten, verdampften Material beschichtet. Die Abscheidungsrate, die Beschichtungsdichte und die Dicke kann angepasst werden, um den Bedürfnissen der Anwendung zu genügen.
  • Die zufällige Bewegung des Bogens kann manchmal zu einer ungleichmäßigen Erosion der Kathode führen, was wiederum die nutzbare Lebensdauer der Kathode begrenzen kann. Um ungleichmäßige Erosion zu vermeiden, ist es bekannt, den Bogen relativ zu der Kathode zu lenken. US-Patente Nr. 4 673 477, 4 849 088 und 5 037 522 sind Beispiele von Patenten, die Vorrichtungen zum Lenken eines Bogens relativ zu einer Kathode offenbaren. Einige herkömmliche Techniken lenken den Bogen durch mechanisches Manipulieren einer Magnetfeldquelle relativ zu der Kathode. Andere herkömmliche Techniken lenken den Bogen durch elektrisches Manipulieren der Magnetfeldquelle relativ zu der Kathode. Bei diesen beiden Ansätzen ist die Geschwindigkeit des Bogens relativ zu der Kathode durch die Geschwindigkeit der Vorrichtung begrenzt, die die Magnetfeldquelle mechanisch oder elektrisch manipuliert. Eine andere Beschränkung dieser Ansätze ist die Komplexität der Hardware oder Schaltmechanismen, die nötig sind, um die Magnetfeldquelle relativ zu der Kathode zu manipulieren. Ein Fachmann erkennt, dass eine Produktionsbeschichtungsumgebung rau ist und dass Einfachheit im Allgemeinen mit Zuverlässigkeit gleichzusetzen ist.
  • Viele herkömmliche Kathodenbogenbeschichter sind nicht für effizienten, kosteneffizienten Einsatz bei hohem Volumen ausgelegt. Bei dem obigen Beispiel, bei dem komplexe Schaltmechanismen und Hardware verwendet werden, um Magnetfeldquellen zu manipulieren, kann ein Ersetzen der Kathode mühsam und zeitaufwändig und dementsprechend kostenintensiv sein. Dasselbe Kostenproblem existiert bei den meisten Kathodenbogenbeschichtern, die die Kathode direkt kühlen. Direkte Kühlung wird im Allgemeinen erreicht, indem Kühlmittel zwischen der Kathode und einem an der Kathode angebrachten Anschluss durchgeleitet wird oder durch rohrartiges Durchleiten eines Kühlmittels direkt durch die Kathode. Bei beiden Arten muss die Kathode bearbeitet werden, um den Anschluss oder die Verrohrung aufzunehmen, und die Kosten der verbrauchbaren Kathode sind dementsprechend gesteigert (oft dramatisch). Außerdem sind einige erwünschte Kathodenmaterialien nicht einfach bearbeitbar. Ein weiteres Problem bei dem Direktkühlen der Kathode ist der Arbeitsaufwand, der erforderlich ist, um die Kathode zu ersetzen, wenn ihre nutzbare Lebensdauer abgelaufen ist. Bei dem vorangehenden Beispiel, bei dem ein Anschluss (oder eine Verrohrung) mechanisch an der Kathode angebracht ist, muss die Hardware (oder die Verrohrung) von der alten Kathode entfernt werden und an eine neue angebracht werden, und die Abscheidungskammer muss anschließend von Kühlmittel gereinigt werden. Für diejenigen Anwendungen, die ein Ersetzen der Kathode nach jedem Beschichtungslauf erfordern, können die Kosten der Kathode und der Arbeitsaufwand, um sie zu ersetzen, erheblich sein.
  • Kurz ausgedrückt, was benötigt wird, ist eine Vorrichtung für Kathodenbogendampfabscheidung von Material an einem Substrat, die effizient arbeitet, die in der Lage ist, durchweg Beschichtungen hoher Qualität an einem Substrat zu liefern, und die kosteneffizient arbeitet.
  • US 4 492 845 offenbart eine Vorrichtung zum Aufbringen von Material durch Kathodenbogendampfabscheidung auf ein Substrat, die einen Behälter, eine Einrichtung zum Erhalten eines Vakuums in dem Behälter, eine ringförmige Kathode mit einer Bohrung und einer Verdampfungsoberfläche, die sich zwischen einer ersten und einer zweiten Endoberfläche erstrecken, eine Einrichtung zum selektiven Erhalten eines Bogens aus elektrischer Energie zwischen der Kathode und einer Anode und eine Einrichtung zum Treiben des Bogens um die Verdampfungsoberfläche aufweist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Aufbringen von Material durch Kathodenbogendampfabscheidung an einem Substrat bereitgestellt, welche aufweist: einen Behälter; eine Einrichtung zum Erhalten eines Vakuums in dem Behälter; eine ringförmige Kathode mit einer ersten Endoberfläche, einer zweiten Endoberfläche, einer Verdampfungsoberfläche und einer Bohrung, wobei die Bohrung und die Verdampfungsoberfläche sich zwischen der ersten und der zweiten Endoberfläche erstrecken; wobei der Behälter dazu ausgelegt ist, die ringförmige Kathode aufzunehmen, die innerhalb des Behälters radial innerhalb der Substrate und mit diesen ausgerichtet angeordnet werden soll; eine Einrichtung zum selektiven Halten eines Bogens elektrischer Energie zwischen der Kathode und, einer Anode; ein Kontaktierelement, das elektrisch mit einer oder der Leistungsversorgung verbunden ist, wobei das Kontaktierelement einen Kopf, der innerhalb des Behälters positioniert ist, und einen hohlen Schaft, der andem Kopf angebracht ist und sich von dem Kopf zur Außenseite des Behälters erstreckt, aufweist; einen Aktuator, wobei der Aktuator das Kontaktierelement selektiv in elektrischen Kontakt mit der Kathode treibt und so die Kathode mit der Leistungsversorgung elektrisch verbindet; und eine Einrichtung zum Treiben des Bogens um die Verdampfungsoberfläche, die im Einsatz innerhalb der Kathodenbohrung positioniert ist und ein Magnetfeld erzeugt, das im Wesentlichen parallel zu der Verdampfungsoberfläche verläuft; wobei der sich zwischen der Kathode und der Anode erstreckende Bogen elektrischer Energie einen Teil der Kathode freisetzt, der anschließend an dem Substrat abgeschieden wird, das radial außer- halb der Kathode positioniert ist.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen ist, dass die Vorrichtung zur Kathodenbogendampfabscheidung von Material an einem Substrat dazu ausgelegt ist, in einer kosteneffizienten Weise zu arbeiten. Eine kosteneffiziente Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist die Kathode. Die Kathode der vorliegenden Erfindung ist ringförmig und kann z.B. aus einem zylindrischen Gussteil geschnitten und gebohrt werden. Die einfach geformte Kathode erfordert minimal teures Bearbeiten und reduziert so die Kosten der Kathode und des gesamten Beschichtungsvorgangs. Eine weitere kosteneffiziente Eigenschaft ist, dass die Kathode einfach in den Behälter einzuführen ist. Einige herkömmliche Kathodenbogenbeschichter haben Kathoden, die in Position mit der Abscheidungskammer befestigt werden müssen und/oder angebrachte Kühlvorrichtungen haben. In beiden Fällen steigert die Arbeit zum Instal lieren und Entfernen der Kathode die Kosten des Beschichtungsprozesses unerwünscht. Eine weitere kosteneffiziente bevorzugte Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist, dass die Form der verwendeten Kathode ein Recycling vereinfacht. Die benutzte Kathode besteht aus Hoch-Qualitäts-Material, das wenigen oder keinen Verunreinigungen ausgesetzt war. Dementsprechend haben die Kathoden einen erheblichen Restwert, der die Kosten des Beschichtungsprozesses reduziert.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen ist, dass die Magnetfeldquelle, und das Positionieren der Magnetfeldquelle innerhalb der Kathode, helfen, die Effizienz des Beschichtungsprozesses durch Maximieren der Materialmenge, die von einer speziellen Kathode erodiert werden kann, zu steigern.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Einfachheit und Zuverlässigkeit der Einrichtung zum Lenken des Bogens um die Kathode. Die Einrichtung zum Lenken des Bogens weist vorzugsweise einen Magnetfeldgenerator auf, der keinen Schaltmechanismus benötigt. Das Fehlen eines Schaltmechanismus steigert die Zuverlässigkeit der Lenkeinrichtung.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
  • 1 eine schematische Ansicht der Kathodenbogen-Dampfabscheidungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist.
  • 2 ist eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Ausführungsform des Kontaktierelements.
  • 3 ist eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht des in 2 gezeigten Kontaktierelements, die Magnetfeldlinien aufweist, die von dem Magnetfeldgenerator ausgehen.
  • 4 ist eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer anderen Ausführungsform des Kontaktierelements.
  • 5 ist eine schematische Draufsicht eines Magnetfeldgenerators.
  • 1. Vorrichtung
  • Bezugnehmend auf 1 ist eine Vorrichtung 10 für Kathodenbogendampfabscheidung an einem Substrat 12, hierin als ein "Kathodenbogenabscheider" bezeichnet, vorgesehen mit einem Behälter 14, einer Einrichtung 16 zum Erhalten eines Vakuums in dem Behälter 14, einer Kathode 18, einem Kontaktierelement 20, einem Aktuator 22, um das Kontaktierelement 20 selektiv in. elektrischen Kontakt mit der Kathode 18 zu treiben, und einer Einrichtung 24 zum Halten eines Bogens elektrischer Energie zwischen der Kathode 18 und einer Anode 26. Eine Kühlmittelzuführung 28 hält die Vorrichtung 10 innerhalb akzeptabler Temperaturen, indem Kühlmittel durch Kühldurchgänge 30, 32 innerhalb des Behälters 14 und des Kontaktierelements 20 geleitet wird. Die Einrichtung 16 zum Erhalten eines Vakuums in dem Behälter 14 weist vorzugsweise eine mechanische Vorvakuumpumpe 34 und eine Hoch-Volumen-Vakuumpumpe 36 vom Diffusionstyp auf, die in das Innere des Behälters 14 verrohrt sind. Andere Vakuumeinrichtungen können jedoch alternativ verwendet werden. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Kathode 18 an einer Platte 38 positioniert, die einfach in den Behälter 14 eingesetzt werden kann und von diesem entfernt werden kann. Die Kathode 18 wird in dem Zentrum der Platte 38 montiert und ist von der Platte 38 elektrisch isoliert. Eine Mehrzahl von schwenkbar angebrachten Substratfüßen 39, die an der Platte 38 angebracht sind, umgibt die Kathode 18.
  • Bezugnehmend auf die 2 und 4 ist die Kathode 18 im Wesentlichen ringförmig mit einer ersten Endoberfläche 40, einer zweiten Endoberfläche 42 und einer Verdampfungsoberfläche 44 und einer Bohrung 46, die sich zwischen der ersten Endoberfläche 40 und der zweiten Endoberfläche 42 erstrecken. Die Endoberflächen 40, 42 sind im Wesentlichen parallel zueinander. Eine Linie 41, die sich radial auswärts von der Mittellinie 43 der Kathode 18 erstreckt, die an oder im Wesentlichen nahe dem axialen Mittelpunkt der Kathode 18 positioniert ist, gibt den axialen Mittelpunkt der Kathode 18 wieder. Die Materialzusammensetzung der Kathode 18 hängt von dem abzuscheidenden Material ab. Die axiale Länge 48 der Kathode 18 ist vorzugsweise länger als die vorhergesehene endgültige axiale Länge 50 des Erosionsmusters 52 entlang der Verdampfungsober fläche 44 der Kathode 18. Wenn man das Erosionsmuster 52 zwischen den Endoberflächen 40, 42 hält, wird die Möglichkeit minimiert, dass der Bogen die Verdampfungsoberfläche 44 der Kathode 18 verlässt.
  • Bezugnehmend auf die 1, 2 und 4 weist das Kontaktierelement 20 einen Kopf 54 auf, der an einem hohlen Schaft 56 angebracht ist. Der Kopf ist innerhalb des Behälters 14 positioniert, und der Schaft 56 erstreckt sich von dem Kopf 54 zum Äußeren des Behälters 14. Eine Isolierscheibe 58 isoliert das Kontaktierelement 20 von dem Behälter 14 elektrisch. Das Kontaktierelement 20 weist vorzugsweise ein Kühlrohr 60 auf, das koaxial innerhalb des Schafts 56 positioniert ist, einen Kühlmitteleinlassanschluss 62, der mit dem Kühlrohr 60 verbunden ist, und einen Kühlmittelauslassanschluss 64, der mit dem Durchgang 32 verbunden ist, der zwischen dem koaxialen Kühlmittelrohr 60 und dem Schaft 56 ausgebildet ist. Die koaxiale Anordnung zwischen dem Kühlrohr 60 und dem Schaft 56 ermöglicht Kühlmittel, in das Kühlrohr 60 zu strömen und über den Durchgang 32 zwischen dem Schaft und dem Kühlrohr 60 auszutreten oder umgekehrt. Der Aktuator 22 zum selektiven Treiben des Kontaktierelements 20 in elektrischen Kontakt mit der Kathode 18 weist ein Paar von Zwei-Weg-Betätigungszylindern 66 (hydraulisch oder pneumatisch) auf, die zwischen dem Behälter und einem an dem Kontaktierelementschaft angebrachten Schaftflansch wirken. Eine mechanische Vorrichtung (nicht gezeigt) kann anstelle der Betätigungszylinder 66 verwendet werden. Eine kommerziell erhältliche Steuerung (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um die Position und die Kraft der Zylinder 66 (oder der mechanischen Vorrichtung) zu steuern.
  • Bezugnehmend auf 2 weist der Kontaktierelementkopf 54 in einer ersten Ausführungsform ein sich verjüngendes Ende 70 auf. Das sich verjüngende Ende 70 ist selektiv durch einen Halteblock 72 aufgenommen, der sowohl einen Magnetfeldgenerator 74 als auch die Kathode 18 hält. Der Aktuator 22 treibt den Kontaktierelementkopf 54 selektiv in Kontakt und aus dem Kontakt mit dem Halteblock 72. Der Magnetfeldgenerator 74 ist innerhalb der Bohrung 46 der Kathode 18 positioniert, im Wesentlichen ausgerichtet mit dem axialen Mittelpunkt 41 der Kathode 18. Der Halteblock 72 verbindet das Kontaktierelement 20 mit der Kathode 18 elektrisch. Ein elektrisches Isolierelement 76 und eine Ablenkabschirmung 78, die an der Seite der Kathode 18 entgegengesetzt dem Halteblock 72 positio niert sind, helfen, Verunreinigungen und Ablagerungen von der Kathodenendoberfläche 40 fern zu halten.
  • Bezugnehmend auf 4 weist der Kontaktierelementkopf 54 in einer zweiten Ausführungsform einen Becher 80 und einen Deckel 82 auf, die den Magnetfeldgenerator 74 aufnehmen. Der Becher 80 ist innerhalb der Bohrung 46 der Kathode 18 aufgenommen, so dass der Magnetfeldgenerator 74 im Wesentlichen mit dem axialen Mittelpunkt 41 der Kathode 18 ausgerichtet ist. Der Becher 80 macht mit der Kathode 18 elektrischen Kontakt und verbindet so die Kathode 18 mit dem Kontaktierelement 20. Der Aktuator 22 treibt den Kontaktierelementkopf 54 selektiv in Kontakt und aus dem Kontakt heraus mit der Kathode 18. 4 zeigt eine passende männliche Oberfläche 84 und eine weibliche Oberfläche 86 jeweils an dem Becher 80 und in der Kathodenbohrung 46. Die passende männliche 84 und weibliche 86 Verbindung vereinfacht den Kontakt, der für einen adäquaten elektrischen Kontakt nötig ist. Andere Kontaktgeometrien können alternativ verwendet werden. In beiden Ausführungsformen sind der Kontaktierelementschaft 56 und -kopf 54 aus einem elektrisch leitfähigen Material wie z.B. einer Kupferlegierung hergestellt.
  • Der Magnetfeldgenerator 74 weist einen ringförmigen Magneten 88 auf, vorzugsweise in Segmente unterteilt, der eine erste 90 und eine zweite 92 Endoberfläche hat. Die polaren Enden des ringförmigen Magneten 88 sind mit den Endoberflächen 90, 92 ausgerichtet; das heißt, eine Endoberfläche hat eine "N"-Polarität, und die andere hat eine "S"-Polarität. In einer alternativen Ausführungsform weist der Magnetfeldgenerator 74 eine Mehrzahl von Magneten 94 und einen Halter 96 auf. Die Magneten 94 sind durch den Halter 96 gehalten und sind gleichmäßig um den Umfang der Kathodenbohrung 46 beabstandet. Einfach erhältlich kommerzielle zylindrische Magneten können verwendet werden. 5 zeigt eine Ausführungsform mit vier (4) Magneten 94, die in dem Halter 96 gehalten sind, obwohl die Anzahl von Magneten 94 variiert werden kann, um dem vorliegenden Prozess gerecht zu werden.
  • Bezugnehmend auf 1 weist die bevorzugte Ausführungsform ferner eine Vorrichtung 98 zum Drehen des Magnetfeldgenerators 74 auf. Die Drehvorrichtung 98 weist einen Stab 100 auf, der sich durch das Kühlmittelrohr 60 und in den Kopf 54 erstreckt, wo er mit dem Magnethalter 96 verbunden ist. Das entgegen gesetzte Ende des Stabs 100 ist mit einem Antriebsmotor 102 variabler Drehzahl über einen Antriebsriemen 104 verbunden.
  • Der Kathodenbogenbeschichter 10 weist vorzugsweise eine Vorspannungsquelle 106 zum elektrischen Vorspannen der Substrate 12 auf. Ein Kontakt 108 verbindet die Vorspannungsquelle 106 und die Platte 38. Die Substrate 12, die mechanisch und elektrisch an der Platte 38 angebracht sind, sind dementsprechend elektrisch mit der Vorspannungsquelle 106 verbunden. Eine andere Einrichtung zum elektrischen Verbinden der Substrate 12 mit der Vorspannungsquelle 106 kann alternativ verwendet werden.
  • Ablenkabschirmungen 110 werden überall im Kathodenbogenbeschichter 10 verwendet, um das verdampfte Kathodenmaterial in den Bereich der Substrate 12 einzuengen. Die Ablenkabschirmungen 110, die an dem Behälter 14, der Platte 38 und dem Kontaktierelement 20 angebracht sind, minimieren auch unerwünschte Materialablagerung an diesen Oberflächen. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Ablenkabschirmungen 110, die an dem Behälter 14 angebracht sind, elektrisch mit dem Behälter 14 verbunden und aus einem elektrisch leitfähigen Material gemacht, das gegen Korrosion widerstandsfähig ist, wie z.B. rostfreier Stahl.
  • Die Einrichtung 24 zum Halten eines Bogens elektrischer Energie zwischen der Kathode 18 und einer Anode 26 weist eine Gleichstromleistungsquelle 112 (DC) auf. In der bevorzugten Ausführungsform ist der positive Anschluss 114 der Leistungsversorgung 112 mit dem Behälter 14 verbunden und lässt den Behälter 14 somit als eine Anode wirken. Der negative Anschluss 116 der Leistungsversorgung 112 ist mit dem Kontaktierelementschaft 56 elektrisch verbunden. Alternative Ausführungsformen können eine Anode (nicht gezeigt) verwenden, die innerhalb des Behälters 14 angeordnet ist. Ein innerhalb des Behälters 14 angeordneter Bogenzünder 118 wird bei oder nahe dem elektrischen Potenzials des Behälters 14 gehalten. Der Bogenzünder 118 kann in Kontakt oder aus dem Kontakt mit der Kathode 18 bewegt werden.
  • II. Arbeitsweise der Vorrichtung
  • Bezugnehmend auf 1 wird bei Betrieb des Kathodenbogenbeschichters 10 der vorliegenden Erfindung eine Kathode 18 am Zentrum der Platte 38 angebracht, und ein Substrat 12 wird an jedem drehbaren Fuß 39, der die Kathode 18 umgibt, angebracht. Die Platte 38 wird anschließend in den Behälter 14 geladen. Die Substrate 12 wurden vorangehend entfettet und im Wesentlichen gereinigt, obwohl jedes wahrscheinlich einige molekulare Verunreinigungen und Oxidationen an seiner äußeren Oberfläche verbleibend hat. Die Betätigungszylinder 66 treiben anschließend das Kontaktierelement 20 in elektrischen Kontakt mit der Kathode 18, und der Behälter 14 wird geschlossen. Die mechanische Vorvakuumpumpe 34 wir betrieben, um den Behälter 14 auf einen vorbestimmten Druck zu evakuieren. Sobald dieser Druck erreicht ist, evakuiert die Hoch-Volumen-Diffusionsvakuumpumpe 36 den Behälter 14 weiter zu nahezu Vakuumbedingungen. Die Substrate 12 werden dann von verbleibenden Verunreinigungen und/oder Oxidationen durch ein Verfahren wie z.B. "Sputter-Reinigung" gereinigt. Sputter-Reinigung ist ein Verfahren, das in der Technik bekannt ist und hierin nicht im Detail beschrieben wird. Andere Reinigungsverfahren können alternativ verwendet werden. Nachdem die Substrate 12 gereinigt sind, werden die Verunreinigungen typischerweise mittels Inertgas heraus gespült.
  • Vor dem Zünden eines Bogens werden einige Schritte abgeschlossen, einschließlich: (1) Die Substrate 12 werden über eine Vorspannungsquelle 106 auf eine spezielle Vorspannung gesetzt, was sie elektrisch anziehend für positive Ionen, die von der Kathode 18 emittiert werden, macht; (2) die Substrate 12 werden bei einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit in Bewegung gesetzt; (3) die Leistungsversorgung 112 wird eingestellt, um einen Bogen mit einer bestimmten Strom- und Spannungsgröße einzurichten, aber es wird kein Bogen gezündet; (4) die Vakuumpumpen 34, 36 erzeugen und halten einen bestimmten Vakuumgasdruck innerhalb des Behälters 14; und (5) Kühlmittel wird durch die Kühlmitteldurchgänge 30, 32 innerhalb des Behälters 14 und des Kontaktierelements 20 geleitet. Spezifische Prozessparameter hängen von Faktoren ab wie z.B. dem Substratmaterial, dem zu beschichtenden Material und den gewünschten Eigenschaften der Beschichtung, etc.
  • Sobald die zuvor genannten Schritte abgeschlossen wurden, wird der Bogenzünder 118 in Kontakt und aus dem Kontakt heraus mit der Verdampfungsoberfläche 44 der Kathode 18 gebracht, was einen Bogen zwischen dem Bogenzünder 118 und der Verdampfungsoberfläche 44 überspringen lässt. Der Bogenzünder 118 wird anschließend eine Distanz weg von der Kathode 18 bewegt, vorzugsweise radial außerhalb der Substrate 12. Sobald der Bogenzünder 118 der Kathode 18 nicht länger nahe ist, springt der Bogen zwischen der Kathode 18 und den Ablenkabschirmungen 110, die elektrisch mit dem anodischen Behälter 14 verbunden sind (oder direkt zu dem anodischen Behälter 14) über.
  • Bezugnehmend auf die 2 bis 4 treibt der in dem Kontaktierelement 20 positionierte Magnetfeldgenerator 74 den Bogen entlang der Verdampfungsoberfläche 44 der Kathode 18. Der ringförmige Magnet 88 (oder die Magneten 94) erzeugen ein Magnetfeld, von dem ein Teil im Wesentlichen parallel zu der Kathodenverdampfungsoberfläche 44 verläuft. 3 zeigt eine Annäherung davon, wo angenommen wird, dass die Magnetfeldlinien verlaufen. Ein Vektor 124, der das Magnetfeld wiedergibt, erstreckt sich zwischen den Kathodenendflächen 40, 42. Die Richtung des Magnetfeldvektors hängt von der Orientierung der Magnetpole ab. Im Fall von mehreren Magneten 94 sind alle Magnetpole in der gleichen Weise orientiert. Ein Vektor 126, der den elektrischen Bogen wiedergibt, erstreckt sich im Gegensatz dazu weg von der Verdampfungsoberfläche 44 in einer im Wesentlichen rechtwinkligen Richtung. Zusammen bilden das Magnetfeld und der elektrische Strom des Bogens eine Kraft (der Hall-Effekt) auf den Bogen, der den Bogen eine Distanz um den Umfang der Kathode 18 treibt. Die Verweilzeit des Bogens an irgendeinem speziellen Kathodenspot steht in inverser Beziehung zu der Hall-Effekt-Kraft; das heißt, eine Steigerung bei der Hall-Effekt-Kraft bewirkt eine Abnahme der Verweilzeit. In der Ausführungsform, die einen ringfrömigen Magneten 88 verwendet, treiben das kontinuierliche ringförmige Magnetfeld und der Strom den Bogen entlang einem Bogenpfad 128, der die Verdampfungsoberfläche 44 der Kathode 18 umkreist. Bei der Ausführungsform mit mehreren Magneten 94, bei der die Magneten 94 in enger umfangsmäßiger Nähe zueinander sind, treiben die individuellen Magnetfelder den Bogen entlang dem Bogenpfad 128. Die Anzahl von Magneten 94, die relative Beabstandung der Magnetfelder, die aus den Magneten 94 austreten, und die Intensität dieser Magnetfelder kann angepasst werden, um der vorliegenden Anwendung Genüge zu tun.
  • Die Symmetrie des Magnetfeldgenerators 74 relativ zu der Kathode hilft, die Effizienz des Beschichtungsprozesses durch Maximieren der Menge an Material, das von einer speziellen Kathode erodiert werden kann, zu steigern. Speziell hilft ein substanzielles Ausrichten des Magnetfeldgenerators 74 an dem axialen Mittelpunkt 41 der Kathode, einen Bogenpfad 128 nahe dem axialen Mittelpunkt 41 der Kathode 18 zu unterstützen. Außerdem scheint die Symmetrie des Magnetfeldgenerators 74 relativ zu der Kathode 18 auch die parallele Ausrichtung der Magnetfeldlinien relativ zu der Kathodenverdampfungsoberfläche 44 zu steigern. Magnetfeldlinien, die sich im Wesentlichen eine Distanz entlang der Verdampfungsoberfläche 44 erstrecken, parallel zu der Verdampfungsoberfläche 44, scheinen es dem Bogen zu ermöglichen, symmetrisch an beiden Seiten der Position des "Durchschnitts"-Bogenpfads 128 zu verlaufen. Als ein Ergebnis wächst das Erosionsmuster 52 axial während des Erosionsprozesses und maximiert so die Menge an Kathodenmaterial, das von einer speziellen ringförmigen Kathode 18 erodiert werden kann und steigert dementsprechend die Effizienz des Beschichtungsprozesses.
  • 2 und 4 zeigen eine erodierte Kathode als Phantomzeichnung im Wesentlichen symmetrisch um einen Bogenpfad 128. Bei der Ausführungsform, die die Vorrichtung 98 zum Drehen des Magnetfeldgenerators 74 aufweist (siehe 1 bis 4), hilft ein Drehen des Magnetfeldgenerators 74 innerhalb des Kontaktierelements 20, gleichmäßige axiale und umfangsmäßige Erosion der Kathode 18 zu unterstützen. Das Drehen verteilt den magnetischen Beitrag jedes Magneten 94 um den Umfang der Kathode 18 als eine Funktion der Zeit. Es muss jedoch betont werden, dass ein Drehen des Magnetfeldgenerators 74 nicht nötig ist, um einen kreisenden Bogen zu erzeugen. Wie oben ausgeführt, zwingt das Magnetfeld des ringförmigen Magneten 88 (oder individuelle Magnetfelder der Magneten 94 zusammen) den Bogen, die Kathodenverdampfungsoberfläche 44 zu umkreisen.
  • Bezugnehmend auf 1 lässt die von dem Bogen zugeführte Energie das Material an dem Kathodenspot verdampfen und setzt so Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen und Partikel von der Kathode 18 frei. Die vorgespannten Substrate 12 ziehen die Ionen an und lassen sie hin zu den Substraten 12 beschleunigen. Die Ionen treffen auf die äußere Oberfläche des Substrats 12, haften an und bilden gemeinsam eine Beschichtung aus dem Kathodenmaterial. Wenn eine Beschichtung ausreichender Dicke an den Substraten 12 abgelagert wurde, wird die Leistungsversorgung 112 ausgeschaltet, und der Bogen erlischt. Der Behälter 14 wird mit Inertgas gespült, bis er auf Umgebungsdruck gebracht ist. Das Kontaktierele ment 20 wird aus dem Kontakt mit der Kathode 18 heraus getrieben, und die Platte 38 wird aus dem Behälter 14 entfernt. Die Substrate 12 werden anschließend von der Platte 38 entfernt, und neue Substrate 12 werden angebracht. Die beladene Platte 38 wird dann zurück in den Behälter 14 in der zuvor beschriebenen Weise eingeführt, und das Verfahren wird wiederholt.
  • Daher stellt die vorliegende Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen, wie aus dem Obigen zu ersehen, eine Vorrichtung für Kathodenbogendampfabscheidung von Material an einem Substrat bereit, die in einer kosteneffizienten Weise arbeitet.
  • Sie stellt ferner eine Vorrichtung für Kathodenbogendampfabscheidung von Material an einem Substrat bereit, die durchweg eine Beschichtung hoher Qualität an einem Substrat erzeugt.
  • Obwohl diese Erfindung mit Bezug auf deren detaillierte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, wird von den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten verstanden, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann eine Leistungsversorgung 112, die einen Gleichstrom simuliert, wie z.B. eine, die eine LCR-Schaltung oder eine andere gleichrichtende Einrichtung hat, anstelle einer DC-Leistungsversorgung verwendet werden. In einem weiteren Beispiel zeigt 4 einen Magnetfeldgenerator 74 mit einer Mehrzahl von Magneten 94 und einem Halter 96. Der in 2 gezeigte ringförmige Magnet 88 kann anstelle der Mehrzahl von Magneten 94 und dem Halter 96 verwendet werden. Ferner kann eine Schutzbeschichtung vorgesehen sein, die die Magneten 94 umgibt, um Korrosion des ferromagnetischen Zentralstücks und der Magneten zu hemmen.

Claims (16)

  1. Vorrichtung (10) zum Aufbringen von Material durch Kathodenbogendampfabscheidung an Substraten (12), aufweisend: einen Behälter (14); eine Einrichtung (16) zum Erhalten eines Vakuums in dem Behälter; eine ringförmige Kathode (18) mit einer ersten Endoberfläche (40), einer zweiten Endoberfläche (42), einer Verdampfungsoberfläche (44) und einer Bohrung (46), wobei sich die Bohrung und die Verdampfungsoberfläche zwischen der ersten und der zweiten Endoberfläche erstrecken; wobei der Behälter dazu ausgelegt ist, die ringförmige Kathode aufzunehmen, die innerhalb des Behälters radial innerhalb der Substrate und mit diesen ausgerichtet anzuordnen ist; eine Einrichtung (24) zum selektiven Halten eines Bogens elektrischer Energie zwischen der Kathode und einer Anode (26); ein Kontaktierelement (20), das elektrisch mit einer oder der Leistungsversorgung (112) verbunden ist, wobei das Kontaktierelement aufweist einen Kopf (54), der innerhalb des Behälters (14) positioniert ist, und einen hohlen Schaft (56), der an dem Kopf angebracht ist und sich von dem Kopf zum Äußeren des Behälters erstreckt; einen Aktuator (22), wobei der Aktuator das Kontaktierelement selektiv in elektrischen Kontakt mit der Kathode (18) treibt und so die Kathode mit der Leistungsversorgung elektrisch verbindet; und eine Einrichtung zum Treiben des Bogens um die Verdampfungsoberfläche, welche im Einsatz innerhalb der Kathodenbohrung positioniert ist und ein Magnetfeld erzeugt, das im Wesentlichen parallel zu der Verdampfungsoberfläche verläuft; wobei der Bogen elektrischer Energie, der sich zwischen der Kathode und der Anode erstreckt, einen Teil der Kathode freisetzt, welcher anschließend an dem radial außerhalb der Kathode angeordneten Substrat abgeschieden wird.
  2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (24) zum Halten eines Bogens elektrischer Energie zwischen der Kathode (18) und der Anode (26) aufweist: eine Leistungsversorgung (112) mit einem positiven Anschluss (114) und einem negativen Anschluss (116); wobei der negative Anschluss der Leistungsversorgung elektrisch mit der Kathode verbunden ist und der positive Anschluss elektrisch mit dem Behälter (14) verbunden ist und so den Behälter als die Anode wirken lässt; und wobei die Kathode elektrisch von dem Behälter isoliert ist.
  3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einrichtung zum Treiben des Bogens einen Magnetfeldgenerator (74) aufweist, der eine Mehrzahl von Magneten (94) und einen Halter (96) hat, und wobei der Magnetfeldgenerator innerhalb der Kathodenbohrung (46) positioniert ist und im Wesentlichen mit einem axialen Mittelpunkt der ringförmigen Kathode (18) ausgerichtet ist.
  4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei der Halter (96) die Magneten (94) in einer gleichmäßig beabstandeten Anordnung um einen Umfang der Bohrung (46) hält.
  5. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einrichtung zum Treiben des Bogens einen Magnetfeldgenerator (74) mit einem ringförmigen Magneten (88) aufweist, und wobei der Magnetfeldgenerator innerhalb der Kathodenbohrung (46) positioniert ist und im Wesentlichen mit einem axialen Mittelpunkt der ringförmigen Kathode (18) ausgerichtet ist.
  6. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei der ringförmige Magnet (88) eine Mehrzahl von Segmenten hat.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, ferner aufweisend: eine Schutzbeschichtung (110), wobei die Beschichtung den Magnet (die Magneten) (88; 94) umgibt, um Korrosion des ferromagnetischen Zentralstücks und der Magneten zu hemmen.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kontaktierelement (20) ferner eine Einrichtung zum Kühlen des Schafts und des Kopfs aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Kühleinrichtung aufweist: ein Kühlrohr (60), das innerhalb des Schafts (56) positioniert ist, wobei ein Durchgang (32) zwischen dem Kühlrohr und dem Schaft ausgebildet ist; eine Kühlmittelquelle, die mit dem Kühlrohr und dem Durchgang verbunden ist, um ein Kühlmittel in das Kontaktierelement (20) zu liefern.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, ferner aufweisend: eine Platte (48); wobei ein oder mehrere der Substrate (12) mit der Platte verbunden sind; und wobei die Kathode (18) an der Platte angebracht ist und elektrisch von der Platte isoliert ist; wobei die Platte vor der Abscheidung in den Behälter (14) geladen wird und anschließend entfernt wird.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Platte (38) ferner aufweist: eine Mehrzahl von Füßen (39), die schwenkbar an der Platte angebracht sind, und wobei ein oder mehrere der Substrate (12) an einem der Füße angebracht ist; wobei die Füße und die angebrachten Substrate gedreht werden können, um die Orientierung relativ zu der Kathode (18) zu ändern.
  12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zum Treiben des Bogens um die Verdampfungsoberfläche (44) aufweist: einen Magnetfeldgenerator (74) mit einer Mehrzahl von Magneten (94) und einem Halter (96), der in dem Kopf (54) angeordnet ist; wobei der Kopf selektiv in die Kathodenbohrung (46) getrieben wird, zu einer Position, in der der Magnetfeldgenerator im Wesentlichen mit einem axialen Mittelpunkt der ringförmigen Kathode (18) ausgerichtet ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Halter (96) die Magneten (94) in einer gleichmäßig beabstandeten Anordnung um den Umfang der Bohrung (46) hält.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, ferner aufweisend: eine Einrichtung (98) zum Drehen des Magnetfeldgenerators (74) innerhalb des Kopfs (54).
  15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zum Treiben des Bogens um die Verdampfungsoberfläche (44) aufweist: einen Magnetfeldgenerator (74) mit einem ringförmigen Magnet (88), der innerhalb des Kopfs (54) angeordnet ist; wobei der Kopf selektiv in die Kathodenbohrung (46) getrieben wird, zu einer Position, in der der Magnetfeldgenerator im Wesentlichen mit einem axialen Mittelpunkt der ringförmigen Kathode (18) ausgerichtet ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der ringförmige Magnet (88) eine Mehrzahl von Segmenten hat.
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