Arcquellen wie sie in einer Vakuumkammer zum Verdampfen un- terschiedlicher Materialien und/oder als Ionenquelle be- kannt sind, werden zur Beschichtung und Vorbehandlung un- terschiedlicher Werkstücke verwendet. Aufgrund der hohen punktförmig eingebrachten Energie des auf der Targeto- berfläche der Arcquelle laufenden, im folgenden Funken ge- nannten, Lichtbogens, kommt es neben der Emission von gas- förmigen, grossteils ionisierten Teilchen, insbesondere bei einem"Festbrennen"des Funkens mit der Folge einer explo- sionsartigen Verdampfung, auch zur Emission von Makroparti- kel, deren Durchmesser bis zu einigen Mikrometern und mehr erreichen kann. Nach der Beschichtung wird somit die Ober- flächenrauhigkeit vorher beispielsweise polierter Werkstü- cke im wesentlichen durch die Anzahl und Größe der auf der Schichtoberfläche haftenden bzw. in die Schicht eingewach- senen Makropartikel bestimmt. Daher sind die so abgeschie- denen Schichten relativ rauh, was sich nachteilig bei der Anwendung eines beschichteten Werkzeugs oder Bauteils aus- wirkt. Weiters verlässt ein Grossteil der Makropartikel in einem relativ flachen Winkel die Oberfläche des Targets, wodurch bei Beschichtungsprozessen wertvolles Material ver- loren geht, das sich auf den Innenflächen der Vakuumkammer abscheidet.

Um glattere Schichten abzuscheiden wurden unterschiedliche Lösungen vorgeschlagen. So wurden beispielsweise Arcquellen ausserhalb der optischen Sichtlinie der Werkstücke ange- bracht und die ionisierten Teilchen mittels Magnetfeldern in Richtung der Werkstücke gelenkt, wodurch bei einem hohen technischen Aufwand zwar glattere Schichten erzielt, gleichzeitig aber die Beschichtungsrate wesentlich herabge- setzt wurde.

Weiters wurden unterschiedliche Arcquellen entwickelt, um den Funken möglichst rasch auf einer definierten Bahn über die Targetoberfläche zu bewegen und so einen zu hohen Ener- gieeintrag auf eine kleine Fläche oder gar ein"Festbren- nen"zu vermeiden. Dabei wurde der Funken beispielsweise durch einen oder mehrere hinter dem Target bewegte Magnete auf eine geschlossene Kreisbahn gezwungen.

Eine andere Möglichkeit den Funken zu steuern wird in US 5, 298, 136 beschrieben. Dieses Dokument wird als nächster Stand der Technik angesehen. Eine dort offenbarte Arcquelle zeigt ein kreisförmiges Target, das von einem becherförmi- gen Polschuh mit einem zentralen, bis an die Targetrücksei- te geführten Polstück und einer dazwischen angeordneten Spule, seitlich von hinten umfasst wird. Dadurch wird über dem Target ein Magnetfeld erzeugt, dessen senkrechte Kompo- nente in Targetmitte ein positives Maximum aufweist, sym- metrisch zu kleineren Werten bis zu einem negativen Minimum im Randbereich abfällt um anschliessend wieder asymptotisch in Richtung der Abszisse anzusteigen. Ähnliche Magnetfelder können auch in bekannter Weise durch Anordnung von Perma- nentmagneten an der Rückseite des Targets erzeugt werden.

Dabei definiert der Durchgang der Feldlinien durch die Abs-

zisse (d. h. Nulldurchgang der einem Wechsel der Feldrich- tung entspricht) auf der Targetoberfläche eine in sich ge- schlossene (kreisförmige) Linie, auf der die senkrechte Komponente des Magnetfelds Null ist. Auf dieser Nullinie erfährt der, bei einem beispielsweise kathodisch geschalte- tem Target, entsprechend der technischen Stromrichtung aus dem Plasma ins Target eintretende Funken keine radiale, wohl aber eine hohe tangentiale Beschleunigung, da auf der- selben Linie die parallele Komponente des Magnetfelds ein Maximum aufweist. Die solcherart erzielte hohe Umlaufge- schwindigkeit des Funkens verhindert ein"Festfressen"wir- kungsvoll, bewirkt aber gleichzeitig eine schlechte Target- ausnutzung, da im wesentlichen nur ein schmaler Kreisring des Targets abgetragen wird.

Um dies zu verbessern wurde zusätzlich eine, das Target und den Polschuh im oberen Bereich umfassende Solenoidspule vorgesehen, mit der der Radius der durch Polschuh und darin angeordneter Spule erzeugten Nullinie radial verschoben werden kann.

Der dazu erforderliche technische Aufwand ist jedoch ver- hältnismässig gross, da für beide Spulen jeweils eine unab- hängige Strom/Spannungs-Kontrolleinheit vorzusehen ist, wo- bei zumindest eine davon zur Abgabe zeitlich veränderbarer Strom/Spannungssignale geeignet sein muss, um eine periodi- sche Expansion/Kontraktion der Nullinie auf dem Target zu ermöglichen. Allerdings wird trotz des hohen Aufwands auch bei einer solcherart ausgeführten Arcquelle ein relativ grosser Bereich in der Targetmitte nur wenig oder gar nicht abgetragen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin die er- wähnten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.

Insbesondere besteht die Aufgabe darin, eine Vakuumarcquel- le und ein Verfahren zum Betreiben einer Lichtbogenentla- dung zu realisieren, die, bzw. das im Vergleich zu herkömm- lich verwendeten Quellen, bzw. im Vergleich zu herkömmli- chen Verfahren, insgesamt verbesserte, wirtschaftlichere Behandlungsprozesse mit hoher Schichtqualität erlaubt. Im einzelnen betrifft dies besonders folgende Punkte : - Verbesserung der Targetausnutzung, - Verlängerung der Targetstandzeit, - Erhöhung der pro Target erzielbaren Beschichtungsprozes- se, - Reduzierung der Prozesszeiten, - Reduzierung der Oberflächenrauhigkeit der abgeschiedenen Schichten.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäss eine Vakuu- marcquelle gemäss Anspruch 1, eine Vakuumanlage gemäss An- spruch 17, sowie ein Vorgehen nach dem Verfahren in An- spruch 21 vorgeschlagen.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bei Einstellung eines Magnetfelds an der Oberfläche eines Targets, dessen senkrechte Komponente Bl über einen Grossteil der Oberflä- che im wesentlichen konstant nahe oder bei Null verläuft, ein Funkenverlauf ermöglicht wird, bei der der Funken schnell und gleichmässig über die gesamte oder zumindest einen grossen Teil der Targetoberfläche läuft. Dadurch bleibt einerseits der vom einzelnen Funken pro Zeiteinheit an der Targetoberfläche aufgeschmolzen Bereich klein und die Grösse und Anzahl der aus dem Schmelzbad emittierten Makroteilchen veringert sich. Andererseits kann damit eine

bessere Ausbeute erzielt werden, als mit einem über einen verhältnismässig kleinen Bereich des Targets zwangsgeführ- ten Funken.

Vorteilhafterweise wird dabei die Magnetfeldkomponente B-L kleiner 30, bevorzugt kleiner 20, insbesondere bevorzugt kleiner 10 Gauss gewählt. Im Randbereich der Targetoberflä- che können die Werte Bm der senkrechte Magnetfeldkomponen- te gegenüber den Werten BI im Mittenbereich der Targetober- fläche ansteigend, fallend und/oder das Vorzeichen wech- selnd eingestellt werden.

Der Grossteil der Oberfläche, d. h. der Bereich in dem die senkrechte Komponente BI im wesentlichen konstant nahe oder bei Null verläuft, erstreckt sich dabei vorteilhafter- weise von einem Mittenbereich der Targetoberfläche bis zu einem Randbereich und umfasst zumindest 50%, bevorzugt aber zumindest 60% des oder der geometrisch bestimmenden Maße.

Im Falle eines beispielsweise rechteckigen Targets also zu- mindest 50 bzw. 60% der Seiten a, b, im Falle eines kreis- förmigen Targets also zumindest 50 bzw. 60% des Radius.

Im Randbereich der Targetoberfläche können die Werte Bm der senkrechte Magnetfeldkomponente gegenüber den Werten BI im Mittenbereich der Targetoberfläche ansteigend, fallend und/oder das Vorzeichen wechselnd eingestellt werden.

Der Wert der parallelen Magnetfelkomponente B kann dabei in der Mitte im wesentlichen ebenfalls auf Null, in Rich- tung des Randes der Targetoberfläche aber ansteigend, be- vorzugt symmetrisch gegenüber der Targetmitte ansteigend, eingestellt werden. Wird beispielsweise bei kreisförmigen Targets vom Rand bis in die Nähe des Mittenbereichs ein Ma- gnetfeld mit einer annähernd linear steigend Komponente B

angelegt, so steigt die auf den Funken tangential im oder gegen den Uhrzeigersinn wirkende Kraft gegen den Rand des Targets an, wodurch der Funken über den Radius mit annä- hernd konstanter Winkelgeschwindigkeit laufen kann.

Ein solches Magnetfeld kann mit einer Vakuumarcquelle mit einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung hergestellt werden, die zumindest zwei entgegengesetzt gepolte Magnetsysteme umfasst.

Die folgenden Ausführungen beschreiben beispielhaft ver- schiedene Vakuumarcquellen mit denen ein solches Magnetfeld über der Targetoberfläche hergestellt werden kann.

Als Erstes der zumindest zwei entgegengesetzt gepolten Ma- gnetsysteme kann beispielsweise eine hinter dem Target an- gebrachte erste elektromagnetische Spule vorgesehen werden, die in sich wiederum aus mehreren Spulen aufgebaut sein kann. Vorteilhafterweise decken sich dabei die Innenabmes- sungen der ersten Spule im wesentlichen mit einer Abwei- chung von höchstens plus/minus 30%, bevorzugt plus/minus 20% mit der Projektion der Aussenabmessungen der Oberfläche des Targets. Dadurch wird bei Anlegen einer Spannung von der dann stromdurchflossenen Spule ein homogenes, im we- sentlichen senkrecht zur Oberfläche des Targets verlaufen- des Magnetfeld erzeugt. Die auf dem Grossteil der Oberflä- che im Verhältnis zur senkrechten Komponente kleine paral- lele Komponente des Magnetfeld ist im Mittenbereich der Oberfläche Null und steigt gegen den Rand hin an. Die Ver- wendung einer noch grösseren ersten Spule ist zwar möglich aber wenig praktisch, bei Verwendung kleinerer Durchmesser

wird der parallele Anteil zu gross, oder es kommt sogar zu einem hier unerwünschten Wechsel der Feldrichtung.

Solche Felder können mit Solenoid-also quellenfreien Spu- len, ohne zusätzlichen Polschuh bzw. magnetischem Kern er- zeugt werden. Je nach Abstand zur Targetoberfläche, bzw.

Durchmesser der Spule, vergrössert oder verkleinert sich dabei der Anteil der parallelen Komponente des Magnetfelds.

Eine andere Möglichkeit zur Ausführung des ersten Magnetsy- stems kann aus einem oder mehreren hinter dem Target, bzw. hinter einer an der Rückseite des Targets befestigten Kühl- platte, angebrachten Permanentmagneten bestehen. Die damit an der Targetoberfläche erzeugten magnetischen Felder soll- ten in etwa einem Feld einer wie oben ausgeführte Solenoid- spule entsprechen, also relativ klein sein. Daher sollten die Permanentmagnete entweder selbst eine geringe Feldstär- ke aufweisen oder entsprechend vom Target beabstandet an- geordnet werden. Weiters ist zu beachten, dass hier ebenso wie bei Verwendung einer wie oben beschriebenen Spule, nicht bereits durch das erste Magnetsystem eine Umkehr der Feldrichtung an der Targetoberfläche bewirkt wird. Eine wie aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung mit beispiels- weise alternierenden Polungen zwischen Mitten-und Randbe- reich ist also zu vermeiden. Eine einfache Möglichkeit bie- tet hier beispielsweise die Verwendung von dünnen sogenann- ten Plastoferrit-Magneten, die je nach einzustellender Feldstärke in Form ein-oder mehrlagiger Scheiben oder Meh- recke, möglichst gleichförmig auf der Rückseite des Tar- gets, analog zu oben bis in einem Bereich von plus/minus 30%, bevorzugt plus/minus 20% der Aussenabmessungen der Oberfläche des Targets angebracht werden können.

Als Zweites Magnetsystem wird vorteilhafterweise zumindest eine das erste Magnetsystem umfassende bzw. dazu koaxial angeordnete Spule vorgesehen. Diese kann beispielsweise das erste Magnetsystem bzw. Target seitlich umfassend oder be- vorzugt hinter dem ersten Magnetsystem bzw. Target angeord- net sein.

Auch für eine hinter dem ersten Magnetsystem angeordnete zweite Spule ist es vorteilhaft einen grösseren Durchmesser als den des ersten Magnetsystems bzw. der ersten Spule vor- zusehen. Ebenso hat sich eine grössere Windungszahl als günstig erwiesen, da es damit leichter ist, das senkrechte Magnetfeld in Verbindung mit der Wirkung des ersten Ma- gnetsystems an der Oberfläche im wesentlichen auf Null ein- zustellen. Bei gleicher Windungszahl müsste diese Wirkung durch einen wesentlich höheren Stromfluss eingestellt wer- den, wodurch es zu einer thermischen Überbelastung der zweiten Spule kommen kann. Zusätzlich kann mit einer sol- chen zweiten in diesesm Fall stärkeren Spule auch ein ent- gegen der Wirkung des ersten Magnetsystems gerichtetes zweites Magnetsystem ein in die Vakuumkammer hineinwirken- des Magnetfeld erzeugen, das ein Bündeln des sonst diffusen Arcplasmas zu einem auch Plasmajet genannten Plasmastrahl erlaubt. Dabei heben sich die entgegengesetzten parallelen Komponenten der zwei Magnetsystem je nach Abstand vom Tar- get teilweise oder vollständig auf, was die Bündelung be- wirkt, während das stärkere senkrechte Feld des zweiten Ma- gnetsystems nur im unmittelbaren Oberflächenbereich des Targets vom schwächeren ersten Magnetsystem aufgehoben wird. Dies ist vorteilhaft, da damit ein auf die zu behan- delnden Werkstücke gerichteter Teilchenstrom erzeugt werden kann, was beispielsweise höhere Ätzraten oder ein rascheres Schichtwachstum und durch die damit erzielbaren Verkürzun-

gen der Prozesszeiten eine insgesamt längere Standzeit der Targets ermöglicht.

Die Anordnung des ersten als auch des zweiten Magnetsystems hinter dem Target bietet weiters den Vorteil, dass beide Magnetsysteme von aussen zugänglich montiert werden können und nicht den hohen Temperaturen und einer eventuellen Be- schichtung in der Behandlungskammer ausgesetzt sind.

Ein vergleichbarer Effekt kann auch mit einer in einem Ab- stand vor dem Target angeordneten Spule erreicht werden.

Wird als erstes Magnetsystem ebenfalls eine Spule verwen- det, kann die zweite Spule nun ähnlich oder sogar gleich aufgebaut sein. Bei einer solchen mehr oder weniger gegen- über der Targetebene symmetrischen Anordnung der Spulen muss auch zur Erzeugung eines Plasmajets das Magnetfeld der zweiten nicht zwingend grösser als das der ersten Spule sein, womit beide Spulen bei ähnlicher Geometrie auch mit einer gemeinsamen Strom/Spannungsquelle betrieben werden können. Die Feineinstellung des Magnetfelds kann dabei in einfacher Weise durch regelbare Widerstände oder verstell- barer Beabstandung zumindest einer Spule erfolgen. Da in diesem Fall das zweite Magnetsystem dem Teilchenstrom der Arcquelle ausgesetzt ist, sind jedoch zusätzliche Schutz- vorkehrungen wie eine Kühlung bzw. abnehmbare Schutzver- kleidung oder andere bekannte Massnahmen vorzusehen um ei- nen dauerhaften Betrieb zu gewährleisten.

Wird sowohl für das erste, als auch für das zweite Magnet- system jeweils zumindest eine Spule verwendet, so ist, wie aus oben dargelegten Ausführungen leicht zu folgern, die jeweils angelegte Spannungsquelle bzw. Spannungsquellen so anzulegen, dass die Spulenströme jeweils in entgegengesetz-

te Richtungen, d. h. im wesentlichen im bzw. gegen den Uhr- zeigersinn, fliessen.

Wie oben beschriebenen Magnetfelderzeugungsvorrichtungen eignen sich sowohl zum Einsatz mit kathodisch als auch mit anodisch betriebenen, insbesondere ebenen Arcquellen und können bei Verwendung zumindest einer Spule einfach, bei- spielsweise durch Änderung des Spulenstroms, aber auch durch Änderung des Abstands zumindest eines Magnetsystems von der Targetoberfläche, auf unterschiedliche Targetmate- rialen und/oder Targetdicken eingestellt werden. Die Tar- getgeometrie kann dem jeweiligen Bedarf angpasst und ent- sprechende Magnetfelderzeugungsvorrichtungen beispielsweise sowohl für runde als auch vier-oder mehreckige Quellen er- findungsgemäss ausgeführt werden.

Ein Ändern des oder der Spulenströme während eines Ätz- bzw. Beschichtungsprozesses ist somit nicht notwendig, wenn auch prinzipiell möglich. Der, bzw. die Funken laufen wei- terhin in einem, ähnlich wie von sogenannten random Arc"- Quellen bekannten, Zufallsmustern über die Targetoberflä- che, werden aber durch die Magnetfelder der erfindungs- gemäss ausgeführten Arcquelle so geführt bzw. beschleunigt, dass die Funken feiner verteilt und die Spritzerhäufigkeit wesentlich reduziert werden. Erstaunlicherweise konnte da- bei auch im Mittenbereich des Targets, wo sowohl senkrechte als auch parallele Magnetfeldkomponente sehr klein bzw.

Null sind, kein Festfressen des Funken festgestellt werden.

Durch die mit einer erfindungsgemässen Arcquelle erzielbare Richtwirkung kann der erzeugte Plasmastrahl durch ein in der Kammer der Vakuumbehandlungsanlage zusätzlich erzeugtes Magnetfeld vorteilhaft gesteuert werden. Werden beispiels-

weise eine oder mehrere Arcquellen in Richtung der Achse einer Vakuumbehandlungsanlage angeordnet und gleichzeitig zumindest eine weitere konzentrisch zur Anlagenachse ange- ordnete elektromagnetische Spule vorgesehen, so kann damit der von der Arcquelle erzeugte Plasmastrahl abgelenkt wer- den. Wird die zumindest eine weitere Spule an einer zeit- lich veränderlichen Stromquelle mit Steuereinheit ange- schlossen, kann der Plasmastrahl variabel auf unterschied- liche Bereiche in der Kammer gerichtet werden. Beispiels- weise kann der Plasmastrahl für Ätzprozesse an den Werk- stücken vorbei oder für Beschichtungsprozesse bevorzugt pe- riodisch über die Werkstücke geführt werden.

Dabei hat es sich zumindest bei symmetrischer Anordnung mehrere Quellen um eine Anlagenachse als vorteilhaft erwie- sen, eine solche Spulenanordnung zu wählen, mit der ein möglichst gleichmässiges achsenparalleles Feld in der Kam- mer erzeugt werden kann. Dies wird beispielsweise duch eine Anlage mit zumindest zwei weiteren elektromagnetischen Spu- len erreicht, bei der die weiteren Spulen bevorzugt im obe- ren sowie unteren bzw. den entsprechenden seitlich begren- zenden Bereichen der Anlage konzentrisch zur Anlagenachse angeordnet sind. Die Spulen können dabei einen unterschied- lichen oder einen im wesentlichen einer Helmholtz- spulenanordnung entsprechend gleichen Durchmesser aufwei- sen.

Die Erfindung wird nun anhand schematischer Figuren bei- spielhaft beschrieben.

FIG. 1 Arcquelle mit zwei Magnetsystemen.

FIG. 2 Funkenverlauf auf Targetoberfläche.

FIG. 3 Verlauf der Magnetfeldkomponenten nach dem Stand der Technik.

FIG. 4 Magnetische Feldvektoren zu Fig. 3.

FIG. 5 Verlauf der Magnetfeldkomponenten einer erfindungs- gemässen Arcquelle.

FIG. 6 Magnetische Feldvektoren zu Fig. 5.

FIG. 7 Arcquelle mit einer umfassenden Spule.

FIG. 8 Arcquelle mit Spule vor Target.

FIG. 9 Schnitt durch eine Beschichtungsanlage.

FIG. 10 Querschnitt einer Beschichtungsanlage mit 6 Quel- len.

FIG. 11 Bu-Verlauf für optimalen Betrieb FIG. 12 Verlauf für optimalen Betrieb FIG. 13 Bu-Verlauf bei Funken in der Mitte FIG. 14 B-Verlauf bei Funken in der Mitte FIG. 15 Bu-Verlauf bei Funken am Rand FIG. 16 Verlauf bei Funken am Rand FIG. 1 zeigt eine in die Kammer einer mit Gasversorgung 4 und diversen hier nicht näher gezeigten Stromversorgungs- und Pumpeinheiten versehenen Vakuumbehandlungsanlage 1 ein- gebaute erfindungsgemässe Arcquelle 2, die auf ein Werk- stück 3 wirkt. Bei der dargestellten Ausführung sind beide Magnetsysteme 9,10 in Form elektromagnetischer Spulen aus- geführt und hinter dem Target 6, in bzw. an einem in Ver- bindung mit der Targetrückplatte 8 die Anlage gegen Atmo- sphäre abschliessenden Quelleneinschub 7 angeordnet. Die dem ersten Magnetsystem 9 zugeordnete erste Spule befindet sich direkt hinter dem Target 6, bzw. hinter einer in be- kannter Weise wassergekühlten Targetrückplatte 8. Die dem zweiten Magnetsystem 10 zugeordnete zweite Spule ist eben-

falls hinter dem Target 6 angebracht, hat jedoch einen grö- ßeren Innen-sowie Aussendurchmesser als die erste Spule 9.

Der Abstand zwischen erster Spule 9 und zweiter Spule 10 wurde dabei zwischen 0 und 200 mm, in einigen Ausführungs- beispielen auf 67 mm eingestellt. Beide Spulen befinden sich außerhalb der Kammer, sind damit leicht zugänglich und können, falls notwendig, auf einfache Weise gekühlt werden.

Zur Versorgung der Spulen sind in diesem Fall zwei unabhän- gige Gleichspannungsversorgungen 11,12 vorgesehen die den für den jeweiligen Prozess bzw. für das jeweilige Target geforderten Gleichstrom liefern.

Als Targets können beispielsweise Ronden mit einem Durch- messer von 160 mm und einer Dicke von 6 mm aus unterschied- lichen Werkstoffen wie z. B. Ti bzw. TiAl gefertigt werden.

Grössere sowie kleinere Targetdicken sowie andere Formen sind wie dem Fachmann bekannt möglich. Die Spulengeometrie sowie eine beispielhafte Einstellung der Spulenströme sind aus Tabelle 1 ersichtlich. Um den gewünschten Effekt zu er- reichen sind die beiden Spulen dabei so mit den Netzgeräten verschaltet, dass die durch die beiden Spulen fließenden Ströme elektrisch gegensinnig sind.

Tabelle 1 Spule Win-0 1 R* 0 0 Höhe dungen Leiter [A] [g] Innen Aussen [mm] [mm] [mm] [mm] (1) 1000 1 1, 5 12, 5 150 190 (2) 1500 1, 5 5, 0 14 260 320 130 *Widerstand im kalten Zustand.

Bevorzugte Betriebsparameter und Grenzwerte für den Betrieb einer entsprechenden Arcquelle sind in Tabelle 2 zusammen- gestellt (Targetdurchmesser ca. 160mm, d = 6-12mm, Target- werkstoff : Ti bzw. TiAl).

Tabelle 2 Parameter Einheit Bevorzugter untere, obe- Bereich re Grenze Druck mbar 10-4 -4x10-1 10-4 -10-1 Bogenstrom A 150-210 40-250 Bogenspannung 20-35 10-100 Verdampfungsrate g/min ca. 0.3 bis ca. 0.4 Substratabstand mm 200-300 100-550 Beschichtungsdurchm. * mm 200 220

In Tabelle 3 sind zusätzlich zwei beispielhafte Betriebsar- ten zum Abscheiden von TiN bzw. TiAlN angeführt, wobei an die Substrate eine sogenannte Biasspannung angelegt wurde.

Tabelle 3 Bias [V] Ar [sccm] N2 [sccm] p [mbar] TiN 100 400 800 3, 810-2 TiAIN 40-150 400 800 3, 810-2 Die Versuche wurden auf einer RCS-Beschichtungsanlage der Firma Balzers mit oktogonalem Querschnitt und ca. 1000 1 Beschichtungsvolumen durchgeführt. Der Durchmesser Be- schichtungskammer betrug 1070 mm, die Höhe 830 mm.

FIG. 2 zeigt schematisch am Beispiel eines kreisförmigen Targets 6 die auf einen Funken wirkenden Kräfte eines an der Targetoberfläche erzeugten radialsymmetrischen Magnet- felds. Der Funken wird dabei als bewegte Punktladung Qarc betrachtet.

Generell wird ein im Magnetfeld bewegtes, geladenes Teil- chen durch die Kraft F = Q (v x B) abgelenkt. Dabei ist F die auf eine im Magnetfeld bewegte Ladung Q wirkende Kraft,

v die Geschwindigkeit der rechtwinklig zu den Feldlinien bewegten Ladung Q und B die magnetische Induktion des Fel- des. Betrachtet man den im wesentlichen senkrecht auf die Targetoberfläche gerichteten Stromfluss Iarc eines Funkens unter Vernachlässigung des, gegenüber dem angelegten Mag- netfeld, geringen Einflusses durch das elektromagnetische Feld der Targetkathode, so erfährt das geladene Teilchen durch eine zur Oberfläche parallele, und damit senkrecht zum Stromfluss Iarc gerichtete Kraft F eines radialsymmet- rischen Magnetfeldes B eine Beschleunigung des Funkenver- laufs im rechten Winkel zur Feldlinie, d. h. je nach Feld- richtung im oder gegen den Uhrzeigersinn. Hingegen bewirkt eine senkrecht zur Targetoberfläche gerichtete Mag- netfeldkomponente B1_ bzw. B1+ des äusseren Magnetfeldes zu- nächst keine Ablenkung der senkrecht eintretenden Ladungs- träger des Stormflusses Iarc, da das Kreuzprodukt der Vekto- ren v x B hier Null ist. Erst nachdem der Funken durch die Ablenkung beim Eintreffen auf der Targetoberflächen eine wie beispielsweise in der Draufsicht gezeigte Ablenkung entgegen den Uhrzeigersinn erfährt und damit auch eine Ge- schwindigkeitskomponente parallel zur Targetoberfläche auf- weist, wirken nun auch die beiden durch die senkrechten Magnetfeldkomponenten B1_ und B1+ erzeugten Kräfte FL-und Fl+. Durch B1_ wird der Funken wie dargestellt zur Target- mitte hin abgelenkt, B_L-, hingegen gibt dem Funken eine Ge- schwindigkeitskomponente die ihn zum Targetrand hin bewegt.

Dieser Effekt kann, wie bei der Würdigung des Standes der Technik erwähnt, durch eine Zweispulenanordnung mit einer zeitlich veränderlichen Stromzufuhr benutzt werden um den Funken entlang einer radial verschiebbaren Nulllinie der

senkrechten Magnetfeldkomponente Bi über die Targetoberflä- che zu führen.

Als Beispiel für ein bekanntes durch Permanentmagnete auf- gebautes Magnetfeld zeigt FIG. 3 dessen parallele sowie senkrechte Komponenten auf der Targetoberfläche. Bei dieser Magnetronanordnung sind auf der Rückseite des Targets im Randbereich umlaufend Magnete mit identischer Ausrichtung der Pole angebracht, denen ein oder mehrere entgegengesetzt gepolte Magnete im Zentrum des Targets gegenüberstehen. Im Vergleich zu Magnetronanordnungen für Sputtermagnetrons weisen die hier ähnlich angeordneten Magnete eine wesent- lich geringere Feldstärke auf um den gewünschten Führungs- effekt zu erreichen.

FIG. 4 zeigt die sich aus FIG. 3 ergebende vektorielle Dar- stellung der auf einen, senkrecht aus dem Plasma auf die O- berfläche brennenden, bzw. durch das parallele Magnetfeld kreisförmig abgelenkten Funken Iarc an den Positionen 1-7 der Targetoberfläche wirkenden Kraft. Dabei bewirkt B"die tangential wirkende Kraft F, BI eine dazu normal, also ra- dial wirkende wirkende Kraft FI in der Targetebene. In der praktischen Anwendung zeigt sich, dass der Funkenverlauf im wesentlichen auf einem Kreissring in einem radialen Abstand von 4-6 cm von der Targetmitte verläuft und von dort peri- odisch in die Targetmitte kontrahiert. Dieser Verlauf des Funkens ergibt sich, da in einem radialen Abstand von 5 cm das senkrechte magnetische Feld Null ist, und das parallele Feld maximal. Durch das parallele Feld erfährt der Funken eine Bewegung in tangentialer Richtung wie in FIG. 2 ge- zeigt. Da das senkrechte Feld in einem radialen Abstand zwischen 4-6 cm unwesentlich von Null verschieden ist wird

der Funken weder zur Tagetmitte noch zum Targetrand bewegt und läuft im wesentlichen im Bereich des erwähnten Kreis- rings.

In der Targetmitte schneidet, wie in FIG. 3 dargestellt, die parallele Komponente des Magnetfelds jedoch die Nullli- nie während die senkrechte Komponente ein Maximum durch- läuft. Ein einmal aus der Führung des starken kreisringför- mingen parallellen Magnetfelds in Richtung der Targetmitte entkommener Funke erfährt dort keine oder zumindest nur noch eine geringe Ablenkung, da der senkrecht einfallende Funken durch die schwache Kraft F kaum beschleunigt wird, weshalb sich die grosse Kraft FI kaum auswirkt. Daher ver- langsamt der Funke im zentralen Bereich seine Bewegung über die Targetoberfläche und erhitzt diese lokal so stark, dass Targetmaterial explosionsartig verdampft, worauf der Funken erlischt. Dies führt auch zu einer erhöhten Emission neut- raler Teilchen (Spritzer) und erhöhtem Targetabtrag im Mit- telbereich des Targets. Dieser Verlauf des Funkens erweist sich in der Praxis auch deshalb als ungünstig, da nur ein verhältnismässig kleiner Teil der Targetoberfläche abgetra- gen wird, was zur Ausbildung von Erosionsprofilen und d. h. häufigem Targetwechsel führt um die mechanische Stabilität des Targets zu erhalten. Somit kann nur ein Bruchteil des häufig kostspieligen Targetmaterials vor Ende der Targetle- bensdauer verdampft werden.

In FIG. 5 wird der Verlauf der senkrechten BI und paralle- len B Komponenten eines erfindungsgemässen Magnetfeldes dagestellt, wie es beispielsweise durch eine in FIG. 1 be- schriebene Arcquelle an der Targeoberfläche, bzw. unmittel- bar davor durch Superposition der zwei Spulenfelder erzeugt wird. Dabei wurden die Spulenströme entsprechend Tabelle 1 konstant zu 1,5 A für die erste Spule 9 bzw. 5 A für die

zweite Spule 10 statt (1) und (2) besser die Bezeichner aus Figur 1 nehmen ! eingestellt.

Das dadurch erzeugte Magnetfeld zeichnet sich durch einen Verlauf der senkrechte Komponente aus, der anders als in FIG. 3, über einen weiten Bereich konstant ist und deutlich kleinere Werte aufweist. So verläuft die senkrechte Kompo- nente Bl hier zwischen +5 und-5 Gauss, wohingegen die senkrechte Komponente in FIG. 3 zwischen +80 und-120 Gauss, mit einem ausgeprägtem Minimum im zentralen Bereich verläuft. Auch die in FIG. 5 dargestellt parallele Kompo- nente B"ist insgesamt schwächer als die in FIG. 3. Von ei- nem Wert von ca. 20 Gauss am Targetrand beginnend verläuft B mit einem Gradienten von etwa 4 Gauss/cm, quasi linear bis in die Nähe des Wendepunkts (entspricht einem Minimum in Polarkoordinatendarstellung). Erst in dessen unmittelba- rer Umgebung flacht die Kurve deutlich ab. Die Ausbildung einer oder mehrerer Bl-Nulllinien in Verbindung mit maxima- len B"-Werten wird dabei durch eine erste Spule, deren In- nendurchmesser in etwa der Targetprojektion entspricht, be- wusst vermieden, womit der Funken nicht auf eine bevorzugte Bahn gezwungen und die Ausbildung von ausgeprägten Abtra- gungsprofilen, wie beispielsweise umlaufende Racetracks, vermieden wird. Ähnliche Magnetfelder können auch in be- kannter Weise durch Permanentmagnete erzeugt werden.

FIG. 6 zeigt analog zu FIG. 4 eine vektorielle Darstellung der durch eine erfindungsgemässe Arcquelle, wie unter FIG.

1 beschrieben, an den Positionen 1-7 der Targetoberfläche auf einen Funken wirkenden Kraft. Dies könnte auch erklä- ren, wieso ein erfindungsgemäss ausgeführtes bzw. betriebe- nes Magnetsystem wirksam verhindert, dass sich der Funken in schädlicher Weise zur Targetmitte hin kontrahiert. Durch

die nach Aussen im wesentlichen kontinuierlich ansteigende paralelle Kraftkomponente F"bekommt der Funken eine rela- tive konstante Winkelgeschwindigkeit über den gesamten ra- dialen Bereich des Targets, der Funken läuft also umso schneller, je weiter er von der Targetmitte entfernt ist.

Gleichzeitig ist die im mittleren Bereich wirkende zentri- petale Kraftkomponente FI geringer als die in FIG. 4.

Beim Betrieb einer solchen Arcquelle lässt sich beobachten, dass es zu einer feinen Verästelung des Arcstroms in viele kleine Funken kommt, die den gesamten Bereich des Targets ablaufen. Weiters bildet das durch Überlagerung der beiden Spulenfelder entstandene Magnetfeld ein Fernfeld, das eine Bündelung des Plasmas zu einem Plasma-Jet bewirkt, der sei- nerseits durch zusätzliche Spulen abgelenkt werden kann. Da bei gleicher Targetleistung der Abtrag zumindest ebenso gross ist wie bei herkömmlichen Arcquellen, kommt es bei Ausrichtung des Ionenstroms in Richtung der Werkstücke 3 zu einer höheren Beschichtungsrate. Diese Bündelung kann ent- sprechend den Anforderungen in weitem Umfang, beispielswei- se durch Einstellen der Spulenströme auf die jeweiligen insbesondere geometrischen Verhältnisse wie beispielsweise gewünschte Beschichtungshöhe, Substrattargetabstand etc. eingstellt werden.

FIG. 7 und FIG. 8 zeigen zwei weitere Ausführungen einer erfindungsgemässen Arcquelle, wobei in FIG. 7 das zweite Magnetsystem 10 das erste Magnetsystem 9 umfasst, während in FIG. 8 das zweite Magnetsystem 10 vor dem Target 6 ange- ordnet ist. Bei einer, wie in FIG. 8 gezeigten Arcquelle kann das zweite Magnetsystem auch ähnliche Abmessungen wie das erste System aufweisen, insbesondere wenn erstes und zweites System wirkungssymmetrisch gegenüber dem Target an-

geordnet sind, und die Inndurchmesser zumindest gleich oder grösser den Ausenabmessungen des Targtes gewählt werden.

FIG. 9 zeigt eine Vakuumbehandlungsanlage 1 mit Arcquellen 2, die seitlich auf ein oder mehrere um die Anlagenachse 13 bewegte Werkstücke 3 wirken. Zur vertikalen Ablenkung des Plasmastrahls sind weitere Spulen 14 in Helmholtzanordnung vorgesehen.

FIG. 10 zeigt eine Beschichtungsanlage l. mit 6 Arcuellen 2 im Querschnitt, bei der alle Quellen 2 im wesentlichen rechtwinklig in Richtung der Anlagenachse 13 ausgerichtet sind.

FIG. 11 bis FIG. 16 zeigen die bei verschiedener Einstel- lung der Spulenströme erzeugten Verläufe der Bl-bzw. B"- Komponente des Magnetfelds an der Targetoberfläche. Die Arcquellen wurden dabei entsprechend der bei FIG. 1 be- schriebenen Betriebsparametern betrieben um optimale Ein- stellungsbereiche und Grenzen zu ermitteln.

So zeigen FIG. 11 und 12 verschiedene mit entsprechenden Spuleneinstellungen korrespondierende Bl-bzw. B"-Kurven des Magnetfelds bei denen ein erwünschter feinverteilter Funkenverlauf erzielt werden konnte. Zu beachten ist hier- bei, dass B_L-bzw. B-Werte bei gegebener geometrischer Konfiguration nicht unabhängig voneinander eingestellt wer- den können, weshalb einer Bj-Verteilung in FIG. 11 jeweils nur eine gleich bezeichnete B"-Verteilung in FIG. 12 ent- spricht.

FIG. 13 und 14 zeigen einen Grenzfall, in dem der Bogen zwar noch feinverteilt läuft, aber bereits mit freiem Auge erste Anzeichen einer periodischen Kontraktion in die Mitte zu erkennen sind. Wird die Bj-Verteilung noch deutlich wei- ter zu negativen Werten verschoben, kommt es zu einem grö- beren Funkenverlauf und einer zu starken Kontraktion in den Mittenbereich.

FIG. 15 und 16 zeigen einen weiteren Grenzfall. Auch hier ist das Funkenmuster noch ausreichend feinverteilt, jedoch sind durch das hierbei angelegt Magnetfeld erste Anzeichen eines periodischen Abdrängens des Funkens in den Randbe- reich des Targets zu erkennen. Wird die Bj-Verteilung noch deutlich weiter zu positiven Werten verschoben, kommt es zu einem gröberen Funkenverlauf am Rand des Targets.

Weiters wurde festgestellt, dass Bl-Verteilung die auf bei- den Seiten der Nullinie liegen höhere Differenzen der Mag- netfeldstärke, d. h. eine ungleichmässigere sl-verteilung an der Targetoberfläche, bei annähernd gleichbleibend fein- und gleichmässig verteilten Funkenverlauf erlauben, als BL- Verteilung die vollständig über bzw. unter der Nullinie liegen.