Schaltungsanordnung zum Zünden und Betreiben einer Hohlkatodenbogenentladung

Abstract

 Schaltungsanordnung, bei der das Katodenrohr mit einem Ende an den Minuspol der Stromquelle angeschlossen ist und das andere Ende des Katodenrohrs über ein Leistungsschaltelement mit einer Anode innerhalb der Vakuumkammer verbunden ist. Die Anode ist mit dem Pluspol der Stromquelle kontaktiert. Zwischen Katodenrohr und Leistungsschaltelement, sowie zwischen Anode und Pluspol der Stromquelle, ist je ein Strommesser angeordnet, deren Ausgänge mit den Eingängen eines Differenzgliedes verbunden sind. Der Ausgang des Differenzgliedes steuert eine Schalteinheit zur Öffnung des Leistungsschalters an.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Zünden und Betreiben einer Hohlkatodenbogenentladung, insbesondere für den industriellen Einsatz mit relativ großer Leistung. Ein besonderes Einsatzgebiet hat sich bei der Vakuumbeschichtungstechnik entwickelt. In diesem Fall eignet sich der Hohlkatodenbogen in besonderer Weise zur Verdampfung des Beschichtungsmaterials bei gleichzeitiger intensiver Plasmaausbildung mit daraus resultierender Ionisierung der verschiedenen Gase und Dämpfe in der Beschichtungskammer.

[0002] Zum Betreiben einer Hohlkatode ist es erforderlich, diese derart aufzuheizen, daß es zur thermischen Elektronenemission in der aktiven Zone der Hohlkatode kommt. Erst wenn diese Elektronenemission ausreichend groß ist, brennt die Hohlkatodenbogenentladung selbständig in einem Gas, welches durch die Hohlkatode geleitet wird, weiter. Die Hohlkatode wird dabei durch die Entladung auf einer entsprechend ausreichenden Temperatur gehalten. Nach dem Erlöschen der Bogenentladung, z. B. bei entsprechenden Verfahrenszyklen in Chargenanlagen, ist immer wieder erst eine unselbständige Aufheizung der Hohlkatode erforderlich.
Nach dem Stand der Technik (DE-OS 2949844) werden dafür regelmäßig zwei verschiedene Stromquellen eingesetzt. Eine erste Stromquelle zur Widerstandserwärmung, d. h. der Aufheizung der Hohlkatode, und eine zweite Stromquelle zum Betreiben der Hohlkatode selbst. Beide Stromquellen sind Leistungsstromquellen, die entsprechend dem technologischen Erfordernis wechselseitig geschaltet werden. Die Realisierung von zwei Stromquellen ist technisch sehr aufwendig. Da die beiden Stromquellen unabhängig voneinander, nur in Abhängigkeit sekundärer Parameter, geregelt werden, kommt es teilweise auch zu Zündschwierigkeiten der Hohlkatodenentladung.

[0003] Der Erfindung liegt damit als Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zum Zünden und Betreiben einer Hohlkatode anzugeben, die den technischen Aufwand für die Energiebereitstellung wesentlich verringert und ein sicheres Zünden und Betreiben der Hohlkatodenbogenentladung gewährleistet.

[0004] Die Erfindung löst die Aufgabe derart, daß nur eine Leistungsstromquelle eingesetzt wird, verbunden mit einer speziellen Schaltungsanordnung. Dabei wird das Katodenrohr mit einem Ende an den Minuspol der Stromquelle angeschlossen. Das andere Ende des Katodenrohrs wird über ein Leistungsschaltelement mit einer Anode innerhalb der Vakuumkammer verbunden. Die Anode ist mit dem Pluspol der Stromquelle kontaktiert. Zwischen Katodenrohr und Leistungsschaltelement, sowie zwischen Anode und Pluspol der Stromquelle, ist je ein Strommesser angeordnet, deren Ausgänge mit den Eingängen eines Differenzgliedes verbunden sind. Der Ausgang des Differenzgliedes steuert eine Schalteinheit zur Öffnung des Leistungsschalters an.

[0005] Als Anode innerhalb der Vakuumkammer wirkt z. B. die Kammerwand, wenn diese entsprechend geschaltet ist. In diesem Falle würde in erster Linie nur ein Plasma erzeugt, ohne daß dieses grundsätzlich für weitere Zwecke bestimmt sein muß.

[0006] Im Falle der Vakuumverdampfung wird als Anode zusätzlich ein spezieller Verdampfertiegel mit dem Verdampfungsmaterial innerhalb der Vakuumkammer angeordnet. Zwischen Kammerwand und Verdampfertiegel ist dabei ein Leistungschaltelement angeordnet, das in gleicher Weise von der gleichen Schalteinheit wie das Leistungsschaltelement zwischen Katodenrohr und Anode zur Öffnung angesteuert wird.

[0007] Verfahrenstechnisch arbeitet die Schaltungsanordnung in folgender Weise. Die Leistungsschaltelemente sind zu Beginn der Zündphase der Hohlkatodenbogenentladung geschlossen, da über das Differenzglied keine Signale zur Schalteinheit für die Öffnung des Leistungsschalters kommen. Wenn der Stromfluß von der Stromquelle eingeleitet wird, dann fließen bei 30 bis 50 V bis 200 A kurzgeschlossen über die Hohlkatode. Diese ist entsprechend ausgebildet, so daß das Hohlkatodenrohr, selbst und vorteilhafterweise ein weiteres in Reihe geschaltenes äußeres Heizwendel, durch Widerstandserwärmung aufgeheizt wird. Die Hohlkatode besteht in der Regel aus Wolfram. Bei einer Temperatur von ca. 2500 ⁰C beginnt die thermische Elektronenemission. Wenn diese ausreichend stark ist, zündet die Bogenentladung in der heißen Zone der Hohlkatode und brennt von dort aus in dem Trägergas, welches durch die Hohlkatode strömt. Der Energiestrom wird über die Anode in die Vakuumkammer abgeleitet. Während anfänglich, ohne Bogenentladung, von den zwei Stommessern zwischen der Katode und dem Leistungsschalter und zwischen Anode und Pluspol der Stomquelle, keine wesentlichen Differenzwerte an das Differenzglied gelangen und somit die Leistungsschalter geschlossen sind, ändert sich das im Moment der Zündung der Bogenentladung. In diesem Moment wird ein erheblicher Stromfluß über die Bogenentladung, dem Plasmastrom, zur Anode geleitet. Der Strommesser im Zweig Anode - Pluspol der Stromquelle mißt einen höheren Strom. Das Differenzglied weist eine Differenz der beiden Strommesser aus und steuert die Schalteinheit zur Öffnung des Leistungsschalters an. Bei geöffnetem Leistungsschalter wird der direkte Stromfluß durch die Hohlkatode und das eventuell vorhandene Heizwendel unterbrochen, damit auch die Widerstandserwärmung derselben. Der Stromfluß erfolgt ausschließlich von der Katode über die Bogenentladung zur Anode. Die Hohlkatode wird ständig durch die Bogenentladung auf der erforderlichen Temperatur gehalten.

[0008] Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, zum Zünden der Bogenentladung die gesamte Vakuumkammer als Anode zu schalten. Das Zünden wird durch diese großflächige Anode wesentlich erleichtert. Nach dem Zünden wird in der Regel der Bogen auf eine spezielle Anode innerhalb der Vakuumkammer gelegt und die Vakuumkammer über ein zweites Leistungsschaltelement von der speziellen Anode getrennt und an Masse gelegt. Das zweite Leistungsschaltelement wird parallel zum ersten zwischen Katode und Anode angesteuert. Die spezielle Anode ist in der Praxis der Verdampfertiegel, er kann aber auch eine nichtverdampfende Anode sein, wenn es nur auf die Aufrechterhaltung der Bogenentladung und damit der Plasmaausbildung ankommt. Wenn die Bogenentladung gegen einen Verdampfertiegel brennt, dann führt das zu einer starken Konzentration der Ladungsträger auf einer kleinen Fläche und zum Schmelzen bzw. Verdampfen des Verdampfungsmaterials, bei gleichzeitiger teilweiser Ionisierung der verdampften Teilchen.

[0009] Diese vorgeschlagene Lösung verringert den technischen Aufwand durch Wegfall einer Stromquelle für das Heizen der Katode sehr wesentlich und ermöglicht gleichzeitig eine sinnvolle Einbeziehung der Vakuumkammer als Anode in den Zündprozeß und vorteilhafte Abschaltung in die Arbeitsphase. Nach dem Stand der Technik ist die Vakuumkammer immer über einen niederohmigen Widerstand hoher Verlustleistung in den Stromkreis eingebunden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist dieser Widerstand nicht erforderlich.

[0010] Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt eine Vakuumkammer mit Hohlkatodenbogen-Verdampfereinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

[0011] Innerhalb einer Vakuumkammer 1 sind eine Hohlkatode 2 und ein Verdampfertiegel 3 angeordnet. Über dem Verdampfertiegel 3 ist ein Substratträger 4 mit den zu beschichtenden Substraten installiert. Die Hohlkatode 2 besteht aus einem Katodenrohr 6 und einer Heizwendel 5. Das Katodenrohr 6 ist isoliert in der Vakuumkammer 1 montiert und wird von Argon, als Trägergas der Bogenentladung, durchströmt.

[0012] Das äußere Ende des Katodenrohres 6 ist mit dem Minuspol der Stromquelle 7 verbunden, und die Spitze des Katodenrohres ist mit dem Heizwendel 5 kontaktiert. Über zwei in Reihe geschaltete Leistungsschaltelemente 8 und 9 kann die Heizwendel mit dem Pluspol der Stromquelle 7 verbunden werden. Durch Widerstandserwärmung beim Stromdurchgang wird das Katodenrohr 6 und die Heizwendel 5 geheizt.

[0013] Es ist vorteilhaft die Heizwendel 5 so zu bemessen, daß sich bei Erreichen der Endtemperatur ein Spannungsabfall über die Heizwendel 5 von etwa 20 V einstellt.

[0014] Die metallische Wand der Vakuumkammer 1 ist mit der Verbindungsleitung der beiden in Reihe liegenden Leistungsschaltelemente 8 und 9 elektrisch verbunden. Der anodische Verdampfungstiegel 3 ist mit dem Pluspol der Stromquelle 7 und dem Leistungsschaltelement 9 verbunden. Zwischen der Hohlkatode 2 und dem Leistungsschaltelement 8 sowie zwischen dem Pluspol der Stromquelle 7 und dem Leistungsschaltelement 9 ist je ein Strommesser 11 und 12 eingebunden, wobei mit dem Strommesser 12 der gesamte, von der Stromquelle 7 eingespeiste Strom erfaßt wird und mit dem Strommesser 11 nur der über das Heizwendel 5 fließende Strom. Die Messwertausgänge der beiden Strommesser 11 und 12 sind mit den Eingängen eines Differenzgliedes 13 verbunden. Der Ausgang ist mit einem Triggereingang einer Schalteinheit 14 verbunden, die wiederum die Leistungsschaltelemente 8 und 9 ansteuert. Im ruhenden Zustand sind die beiden Leistungsschaltelemente 8 und 9 geschlossen. In der Phase des Zündens der Hohlkatodenbogenentladung wird der Strom von der Stromquelle 7 bei 24 V auf etwa 240 A eingeregelt. Der Strom fließt direkt über das Hohlkatodenrohr 6, die Heizwendel 5 und die Leistungsschaltelemente 8 und 9 zurück zur Stromquelle 7. Das Hohlkatodenrohr 6 ist im Bereich der heißen Zone und in Abstimmung mit der Heizwendel 5 so ausgebildet, daß ein Spannungsabfall von etwa 20 V eintritt. Damit wird dieser Bereich durch Widerstandserwärmung schnell und intensiv auf eine Temperatur von ca. 2500 ⁰C aufgeheizt. Dabei tritt die thermische Elektronenemission ein. Es zündet eine Bogenentladung, die über das Trägergas Argon, welches durch die Hohlkatode 2 geleitet wird, zur großflächigen anodischen Kammerwand 1 sowie den anodischen Verdampfertiegel 3 brennt. Der von der Stromquelle 7 abgegebene Strom von 240 A wird dabei aufgespalten, da ein Teil über die Bogenentladung abgeleitet wird. Dieser aufgeteilte Strom wird an den Strommessern 11 und 12 gemessen.

[0015] Während am Strommesser 11 nur der Strom gemessen wird, der über das Heizwendel 5 fließt, wird am Strommesser 12 der gesamte Strom gemessen, d. h. der Strom, der bereits über den Strommesser 11 fließt und zusätzlich der Strom, der über die Bogenentladung durch die Vakuumkammer 1 und den Verdampfertiegel 3 fließt. Die Differenz der gemessenen Stromwerte wird im Differenzglied 13 ausgewertet. Wenn im Beispiel der Differenzwert, also der Plasmastrom 60 A beträgt, dann werden über die Schalteinheit 14 die Leistungsschaltelemente 8 und 9 angesteuert und geöffnet. In diesem Moment wird der Stromfluß über das Heizwendel 5 und auch von der Vakuumkammer 1 unterbrochen. Der gesamte Strom fließt im wesentlichen ausschließlich über die Bogenentladung zum Verdampfer 3.

[0016] Je nach der jetzt einregulierter Leistung kommt es zum Schmelzen und Verdampfen des Verdampfungsgutes. Die Hohlkatode 2 wird in dieser Phase ständig durch die Bogenentladung auf der erforderlichen Temperatur gehalten. Sollte die Bogenentladung erlöschen, dann wird vom Differenzglied 13 keine ausreichende Differenz der Stromwerte an den Strommessern 11 und 12 mehr gemessen und die Leistungsschaltelemente 8 und 9 werden wieder geschlossen. Wenn inzwischen nicht der Strom an der Stromquelle 7 abgeschaltet wurde, wiederholt sich der Zündvorgang. Diese Schaltungsanordnung arbeitet sehr stabil und der technische Aufwand ist relativ gering.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zum Zünden und Betreiben einer Hohlkatodenbogenentladung, bei der das Hohlkatodenrohr mindestens zum Zünden widerstandsbeheizt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende des Katodenrohres (6) mit dem Minuspol einer Stromquelle (7) und das andere Ende des Katodenrohres (6) über ein Leistungsschaltelement (8) mit einer Anode innerhalb der Vakuumkammer (1) verbunden ist, daß die Anode mit dem Pluspol der Stromquelle (7) kontaktiert ist, und daß zwischen Katodenrohr (6) und Leistungsschaltelement (8) sowie Anode und Pluspol der Stromquelle (7) je ein Strommesser (11, 12) angeordnet ist, deren Ausgänge mit den Eingängen eines Differenzgliedes (13) verbunden sind, und daß dessen Ausgang eine Schalteinheit (14) zur Öffnung des Leistungsschaltelementes (8) ansteuert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anode innerhalb der Vakuumkammer (1) die Kammerwand und ein Verdampfertiegel (3) isoliert zueinander parallel geschaltet sind, wobei zwischen beiden ein Leistungsschaltelement (9) angeordnet ist, das in der gleichen Weise von der gleichen Schalteinheit (14) wie das Leistungsschaltelement (8) zwischen dem Katodenrohr (6) und der Anode zur Öffnung angesteuert wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Katodenrohr (6) und dem Leistungsschaltelement (8) im Bereich außerhalb der heißen Zone der Hohlkatode (2) ein Heizwendel (5) in den Stromkreis eingeschaltet ist.

Zeichnung