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Diese
Erfindung betrifft eine Dampfabscheidungsvorrichtung im Allgemeinen
und eine Kathodenbogen-Dampfabscheidungsvorrichtung im Besonderen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
schematische Ansicht der Kathodenbogen-Dampfabscheidungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung ist.
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2 ist
eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Ausführungsform
des Kontaktierelements.
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3 ist
eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht des in 2 gezeigten
Kontaktierelements, die Magnetfeldlinien aufweist, die von dem Magnetfeldgenerator
ausgehen.
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4 ist
eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer anderen
Ausführungsform des
Kontaktierelements.
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5 ist
eine schematische Draufsicht eines Magnetfeldgenerators.
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1. Vorrichtung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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II. Arbeitsweise der Vorrichtung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Sie
stellt ferner eine Vorrichtung für
Kathodenbogendampfabscheidung von Material an einem Substrat bereit,
die durchweg eine Beschichtung hoher Qualität an einem Substrat erzeugt.
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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.