DE102024107070A1 - ARC source with confinement ring system with variable height - Google Patents
ARC source with confinement ring system with variable heightInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine ARC Quelle für eine Beschichtungsanlage mit Beschichtungskammer zum Durchführen eine Abscheidung aus der Gasphase (PVD-Abscheidung) mittels Funkenverdampfen wobei die ARC Quelle ein Target umfasst, welches mit einer ersten Oberflächen als Materialquelle dient und ein Confinementringsystem umfasst, das dazu dient, den Funken auf der als Materialquelle dienenden Oberfläche im Sinne des Beschichtungsprozesses zu beeinflussen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus dass das Confinementringsystem erste Mittel umfasst die so ausgestaltet sind, dass mit deren Hilfe die Höhe des Confinementringes relativ zur Lage der ersten Oberfläche des Targets geändert werden kann.The invention relates to an ARC source for a coating system with a coating chamber for performing vapor deposition (PVD deposition) by spark evaporation, wherein the ARC source comprises a target having a first surface serving as a material source and a confinement ring system serving to influence the spark on the surface serving as the material source for the purposes of the coating process. The invention is characterized in that the confinement ring system comprises first means designed to change the height of the confinement ring relative to the position of the first surface of the target.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Funkenverdampfungsquelle (ARC-Quellen), welche zur Beschichtung von Werkstücken unter Vakuum eingesetzt werden kann. ARC-Quellen benötigen einen elektrisch isoliert aufgehängten Confinementring, der dafür sorgt, dass der Funken im Betrieb auf der Targetoberfläche verbleibt. Im Betrieb wird dieser Ring beschichtet und bis zu 700°C heiss. Beispielsweise kann der Ring aus rostfreiem Stahl hergestellt werden. In der
Als Pinmaterial muss ein Material gewählt werden, welche sowohl mechanische Stabilität als auch die erforderliche Temperaturstabilität aufweisst und elektrisch isolierend ist. Hierfür kommt eine Keramik, wie zum Beispiel ZO2, SiN oder Al2O3 in betracht, wobei Al2O3 am das kostengünstigste aber auch das brüchigste Material ist und SiN zwar am wenigsten brüchig, jedoch das teuerste Material ist. ZO2 handelt es sich um einen guten Kompromiss aus Kosten und Stabilität.The pin material must be selected that offers both mechanical stability and the required temperature stability, as well as being electrically insulating. A ceramic such as ZO2, SiN, or Al2O3 can be considered for this purpose. Al2O3 is the most cost-effective but also the most brittle material, while SiN is the least brittle but the most expensive. ZO2 represents a good compromise between cost and stability.
Die Brüchigkeit spielt insofern eine Rolle, als durch die periodische Entnahme und den Einbau des Confinementringes regelmässig starke mechanische Beanspruchungen auf den Stiften lasten. Es kommt hinzu, dass durch das Sandstrahlen die Oberfläche des Confinementringes und insbesondere die Oberfläche der seitlichen Bajonettschlitze stark aufgeraut ist. Beim Aufdrehen oder Zudrehen des Bajonettverschlusses treten somit erhebliche Reibungskräfte auf, die leicht zu einem Abrechen der Pins führen können, wenn kein Schmiermittel vorhanden ist. In der
Eine solche Confinementring-Anordnung funktioniert gut bei der Verwendung von Targets mit einer Dicke von bis zu 15mm. Typischerweise kann die Beschichtung bis zu einer Targetdicke von 5mm herunter problemlos durchgeführt werden. Von einem 15mm dicken Target können daher lediglich bis zu 2/3 vom Material verwendet werden. Bei geringerer Dicke (kleiner 5mm) droht das Material zu brechen und die Beschichtung muss unterbrochen werden.Such a confinement ring arrangement works well when using targets up to 15 mm thick. Typically, coating can be carried out without problems down to a target thickness of 5 mm. Therefore, only up to two-thirds of the material from a 15 mm thick target can be used. At lower thicknesses (less than 5 mm), the material is at risk of cracking, and the coating process must be interrupted.
Die Erfinder hatten daher die Idee, dickere Targets zu verwenden. Anstatt lediglich 15mm kommen nun Targetdicken von 20mm, 50mm und mehr zum Einsatz. Bei ursprünglich 50mm Targetdicke können nun bis zu 9/10 vom Material für die Beschichtung zum Einsatz kommen.The inventors therefore came up with the idea of using thicker targets. Instead of just 15 mm, target thicknesses of 20 mm, 50 mm, and more are now used. With the original 50 mm target thickness, up to 9/10 of the material can now be used for the coating.
Ein Problem stellt dabei allerdings die Höhe des Confinementringes dar. Vorzugsweise sollte dieser in etwa in der Targetoberfläche enden, jedenfalls die Targetebene in Richtung zu beschichtenden Substraten nicht mehr als 20mm überragen. Auch darf der Confinementring nicht zu weit unterhalb der aktuellen Targetoberfläche enden, da es sonst nicht gelingt, den Funken auf dem Target zu halten. Vorzugweise überragt die Targetobefläche den Confinementring nicht mehr als 10mm.One problem, however, is the height of the confinement ring. It should ideally end approximately at the target surface, and in any case, should not protrude more than 20 mm above the target plane in the direction of the substrate to be coated. The confinement ring must also not end too far below the current target surface, as otherwise it will not be possible to keep the spark on the target. The target surface should ideally not protrude more than 10 mm above the confinement ring.
Somit ist gemäss Stand der Technik die Abnahme der Targetdicke im Laufe der Beschichtung auf 30mm begrenzt und sinnvolle Targetdicken sind nach oben auf 35mm beschränkt.Thus, according to the state of the art, the reduction in target thickness during the coating process is limited to 30mm and reasonable target thicknesses are limited to an upper limit of 35mm.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine ARC Quelle mit einem Confinementringsystem anzugeben die es gestattet, dass deutlich mehr als 30mm Targetdickenabnahme vollzogen werden kann.The present invention is based on the object of providing an ARC source with a confinement ring system which allows a target thickness reduction of significantly more than 30 mm to be achieved.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch eine ARC Quelle mit Confinementringsystem gelöst, wobei die Höhe des Confinementringsystemes um zumindest 10mm geändert werden kann. Durch diese erfindungsgemässe ARC Quelle mit dem höhenverstellbaren Confinementringsystem wird erreicht, dass die Höhe des Confinementringsystemes zumindest stufenweise an die aktuelle Ebene der Targetoberfläche angepasst werden kann.
- Die Erfindung wird nun mit Hilfe der
1 im Detail beispielhaft beschrieben.
- The invention is now being developed with the help of
1 described in detail as examples.
In die Basis 107 ist ein erster Erweiterungsring 111 eingesteckt. Über den ersten Einsteckring ist ein zweiter Erweiterungsring 113 gestülpt. Über den zweiten Erweiterungsring 113 ist ein dritter Erweiterungsring 115 gestülpt. Auf diese Weise lassen sich durch Entnahme einer oder mehrerer Erweiterungsringe vier unterschiedliche Höhen des Confinementringsystemes realisieren. Sind alle Erweiterungsringe eingesteckt, so ist dies der ursprünglichen Lage 121 der Targetoberfläche angepasst. Ist das Target bis auf die Lage 117 (lang gestrichelte Linie) abgetragen, so macht es Sinn, lediglich den ersten Erweiterungsring 111 zu belassen. Bei noch weiterem Abtrag bis zur Lage 119 genügt die Basis 107 als Confinementringsystem.A first extension ring 111 is inserted into the base 107. A second extension ring 113 is placed over the first extension ring. A third extension ring 115 is placed over the second extension ring 113. In this way, four different heights of the confinement ring system can be realized by removing one or more extension rings. Once all extension rings are inserted, this is adapted to the original position 121 of the target surface. If the target is removed down to layer 117 (long dashed line), it makes sense to leave only the first extension ring 111. If further removal down to layer 119 is required, the base 107 is sufficient as a confinement ring system.
Es ist ausserdem möglich eine oder mehrere Feststellschrauben vorzusehen um den oder die Erweiterungsringe zu fixieren.It is also possible to provide one or more locking screws to fix the extension ring(s).
Es wurde ARC Quelle für eine Beschichtungsanlage mit Beschichtungskammer zum Durchführen eine Abscheidung aus der Gasphase (PVD-Abscheidung) mittels Funkenverdampfen offenbart. Die ARC Quelle umfasst ein Traget, welches mit einer ersten Oberflächen als Materialquelle dient und ein Confinementringsystem umfasst, das dazu dient, den Funken auf der als Materialquelle dienenden Oberfläche im Sinne des Beschichtungsprozesses zu beeinflussen. Die ARC Quelle ist dadurch gekennzeichnet, dass das Confinementringsystem erste Mittel umfasst die so ausgestaltet sind dass mit deren Hilfe die Höhe des Confinementringsystemes relativ zur Lage der ersten Oberfläche des Targets geändert werden kann.An ARC source for a coating system with a coating chamber for performing vapor deposition (PVD deposition) by spark evaporation has been disclosed. The ARC source comprises a target, which, with a first surface, serves as a material source and comprises a confinement ring system that serves to influence the spark on the surface serving as the material source for the purposes of the coating process. The ARC source is characterized in that the confinement ring system comprises first means designed to change the height of the confinement ring system relative to the position of the first surface of the target.
Die vom Confinementringsystem umfassten ersten Mittel können zumindest einen, vorzugsweise mehrere ineinander steckbare und/oder verschiebbare Ringe umfassen.The first means comprised by the confinement ring system can comprise at least one, preferably several, rings that can be plugged into one another and/or displaced.
Dabei kann zumindest einer der steckbaren und/oder verschiebbaren Ringe in Höhenrichtung geschlitzt sein dergestalt, dass sich bei Einführen des Ringes die Schlitzbreite verändert.At least one of the pluggable and/or movable rings can be slotted in the vertical direction such that the slot width changes when the ring is inserted.
Und/oder es kann zumindest einer der steckbaren und/oder verschiebbaren Ringe in Höhenrichtung eine Durchtrennung mit Überlappung umfassen dergestalt, dass sich bei Einführen des oder der Ringe(s) die Überlappung verändert.And/or at least one of the pluggable and/or displaceable rings can comprise a cut with an overlap in the vertical direction such that the overlap changes upon insertion of the ring(s).
Zumindest Teile der Oberfläche des Confinementringsystemes können mit einer als Schmiermittel dienenden hBN Schicht versehen sein.At least parts of the surface of the confinement ring system can be provided with an hBN layer serving as a lubricant.
Das Confinementringsystem kann mechanische Mittel umfassen die es ermöglichen, die Höhe des Confinementringsystemes zu variieren, ohne dass der Beschichtungsprozess unterbrochen wird.The confinement ring system may include mechanical means that allow the height of the confinement ring system to be varied without interrupting the coating process.
Der Confinmentring und/oder der zumindest eine steckbare und/oder verschiebbare Ring und/oder die mehreren steckbaren und/oder verschiebbaren Ringe können ein und/oder mehrere Gewinde umfassen die zusammenwirken mit einer Spannungsvorrichtung dergestalt, das Zeit und/oder Ereignisabhängig durch Rotation entlang des oder der Gewinde die Höhe des Confinementringsystemes geändert wird. Dies kann beispielsweise nach dem Prinzip einer aufgezogenen Eieruhr mechanisch realisiert werden.The confinement ring and/or the at least one pluggable and/or movable ring and/or the plurality of pluggable and/or movable rings can comprise one and/or more threads that interact with a tensioning device such that the height of the confinement ring system is changed in a time- and/or event-dependent manner by rotation along the thread(s). This can be implemented mechanically, for example, according to the principle of a wound-up egg timer.
Dabei kann das Ereignis ein von ausserhalb der Beschichtungskammer steuerbares Ereignis sein, welches den Start oder das Anhalten der Rotation bewirkt.The event can be an event that can be controlled from outside the coating chamber and causes the rotation to start or stop.
Eine weitere Möglichkeit ist es auf der Basis eines Spannungs-Gegenspannungsprinzips die automatische Höhenreduktion des Confinementringsystems sicherzustellen. Dies ist in
Wird nun im Laufe der Beschichtung die Targetoberfläche immer weiter abgetragen, so kommt es, wenn die Oberfläche aufgrund der Targetreduktion zumindest eine der Klemmen 211 erreicht, zu einem hineinrutschen in Richtung Zentrum der Targetoberfläche und damit zum Entspannen der entsprechenden Klemme 211. Dadurch nimmt die Haftreibung des Bogenbereichs 217 der Klemme 211 (und auch der anderen Klemmen 211', 211") am Innenmantel des Erweiterungsringes ab und die Federkräfte führen zur Bewegung des Erweiterungsringes in Richtung ARC-Quellen Rückseite R. Somit wird ab einer vorbestimmten Abtragungsmenge der Targetoberfläche die Höhe des Confinementringsystems 201 automatisch mechanisch reduziert.If the target surface is continuously removed during the coating process, when the surface reaches at least one of the clamps 211 due to the target reduction, it slides towards the center of the target surface and thus relaxes the corresponding clamp 211. As a result, the static friction of the arc region 217 of the clamp 211 (and also of the other clamps 211', 211") on the inner surface of the extension ring decreases, and the spring forces lead to the movement of the extension ring towards the rear side R of the ARC source. Thus, once a predetermined amount of removal of the target surface has been reached, the height of the confinement ring system 201 is automatically mechanically reduced.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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