| Investigations on ion current adapted processing and process modifications in a pulsed vacuum arc deposition process |
Schlüsselwörter:
Vakuumlichtbogen, Beschichtung, Ionenstrom, Plasmaeigenschaften, Leistungselektronik, Biasspannung
vacuum arc, deposition, ion current, plasma properties, power electronics, bias voltage
Sachgruppe der DNBAbstract
In this work the influence of parameters of the arc current power supply on the plasma properties is shown. Furthermore variations of the modified pulsed arc process are presented. The ion saturation current (time behaviour, spatial distribution) was the main target of the investigations.
The analysis of the modified pulsed arc process indicated the maximum arc impulse current as the most important parameter. The time behaviour can be influenced in order to improve the ion current ratio, ion charge and ion velocity. The spatial distribution and the connected deposition rate and deposition uniformity are controllable via the maximum arc impulse current as well. Furthermore, it is possible to reduce the substrate temperature using the modified pulsed arc process.
For all the effects a minimum rise of the arc current is necessary. One can estimate 500 A/ms as the limit.
Based on these results three process modifications are presented.
Combining the modified pulsed arc and the steered arc process the movement of the cathode spots is controllable very well. Caused be the flexibility of the arc current parameters a good adaptation on different cathodes and magnetic field arrangements is possible. Disadvantages of the d.c. steered arc (e.g. reduced ion current and deposition rate) could have been reduced by the new process.
Very different results have been obtained using a process with pulsed arc current and pulsed bias voltage. The importance of the asynchronous mode for the deposition of complex substrates is supposed to be small. The ion current measurements in the synchronous mode were very promising. The maximum ion current is clearly increased if the bias impulse is a little delayed to the arc impulse. If both impulses are in time the average ion currents is increased.
Finally the adaptation of the shape of the arc current impulses on the ion current behaviour is discussed. One can expect advantages for the thin film especially caused by the usage of double impulses.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Beeinflussung des modifizierten Puls-Arc-Verfahrens durch Parameter der elektrischen Lichtbogenstromversorgung sowie neuen Varianten dieses PVD-Prozesses. Als hauptsächliche Zielgröße der Untersuchungen wird die Veränderung des Ionensättigungsstromes, insbesondere seines zeitlichen Verhaltens und seiner räumlichen Ausdehnung, betrachtet.
Ausgangspunkt der Untersuchungen war eine Analyse des modifizierten Puls-Arc-Prozesses hinsichtlich des Einflusses der Parameter der Bogenstromquelle. Hierbei wird der maximale Impulsstrom als entscheidende Impulskenngröße herausgearbeitet. Das zeitliche Verhalten des Ionensättigungsstromes wird derart beeinflusst, dass es zu einer deutlichen Erhöhung des Gesamtionenstromes mit steigendem Impulsstrom kommt. Ebenso sind die Prozesskenngrößen Ionenladung und Ionengeschwindigkeit annähernd linear von Ip abhängig.
Die räumliche Plasmaausdehnung und damit auch die damit zusammenhängende Beschichtungsrate und Schichtdickengleichmäßigkeit sind ebenso stark durch eine Impulsstromvariation steuerbar.
Durch die Anwendung des modifizierten Puls-Arc-Verfahrens wird eine Reduzierung der Substrattemperatur bei gleicher Beschichtungsrate realisiert.
Zur Erreichung der hier beschriebenen positiven Effekte ist eine hohe Stromdynamik erforderlich. Als untere Grenze wurden 500 A/ms ermittelt.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden drei Verfahrensvarianten bzw. –modifikationen betrachtet.
Bei der Kombination von Steered-Arc- und modifiziertem Puls-Arc-Verfahren ist die Beeinflussung der Lichtbogenfußpunktbewegung sehr gut steuerbar und erlaubt durch die hohe Flexibilität der Impulsparameterwahl die Anpassung an verschiedenste Verdampfer- bzw. Magnetfeldanordnungen. Es konnte nachgewiesen werden, dass Nachteile des DC-Steered-Arc-Prozesses (verringerter Ionenstrom und damit reduzierte Schichtbildungsrate) verringert bzw. ausgeschlossen werden können.
Die Untersuchungen zur Verfahrenskombination von modifiziertem Puls-Arc-Prozeß und gepulster Biasspannung ergaben sehr unterschiedliche Ergebnisse. Relativ geringe Bedeutung für die Beschichtung komplexer Geometrien dürfte dem asynchronen Modus zwischen gepulstem Lichtbogenstrom und gepulster Biasspannung zukommen.
Die Ionenstrommessungen für den synchronen Modus sind sehr viel versprechend. Bei einem späteren Zuschalten der Biasspannung ergibt sich ein deutlich erhöhter maximaler Ionenstrom, während eine Impuls-Synchronität den mittleren Ionenstrom erhöht.
Abschließend wird die ionenstromadaptierte Bogenstromführung, d.h. die Anpassung des Lichtbogenstromes an einen gewünschten Ionensättigungsstromverlauf betrachtet. Die erzielbaren Werte des Ionensättigungsstromes lassen Vorteile bei der Schichtabscheidung erwarten. Als besonders viel versprechend wird die Verfahrensvariante mit Doppelimpulsen angesehen.
| Betreuer | Prof. Dr.-Ing. habil. Hubert Mecke |
| Gutachter | Prof. Dr.-Ing. habil. Hubert Mecke |
| Gutachter | Prof. Dr. rer. nat. habil. Achim Lunk |
| Upload: | 2004-12-08 |
| URL of Theses: | http://diglib.uni-magdeburg.de/Dissertationen/2004/henfuchs.pdf |