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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen
eines Magnetfeldsystems für
eine Kathodenanordnung, wobei die Kathodenanordnung eine oder mehrere
Cluster-Magnetron-Kathoden mit jeweils mehreren Teilsegmenten und/oder mehrere
galvanisch gekoppelte Einzelkathoden umfasst.
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Magnetronsputtern
stellt eine besonders effektive Art des Sputterns dar, bei dem in
einer Glimmentladung einzelne Atome oder Atomcluster aus einem Zielmaterial
(Target) abgetragen werden. Die Ionen der Glimmentladung entstehen
durch Stöße zwischen
Elektronen und einem Sputtergas (Trägergas), das im Allgemeinen
durch ein Edelgas, meist Argon, gebildet wird. Beim Magnetronsputtern
werden in der Nähe
des Targets ein zu diesem parallel gerichtetes Magnetfeld und ein
zu diesem senkrecht stehendes elektrisches Feld erzeugt. In dem
elektrischen Feld beschleunigte Elektronen werden dadurch in einem räumlich begrenzten
Bereich vor dem Targets auf spiralförmige Bahnen gelenkt, wodurch
dort auch bei niedrigen Drücken
des Sputtergases besonders effektiv Ionen erzeugt werden.
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Die
abgesputterten Atome und Ionen des Targets können auf Substraten kondensieren,
die in die Nähe
des Targets gebracht werden. Auf diese Weise entstehen sehr dünne Filme
des Targetmaterials auf den Substraten. Häufig findet der Sputterprozess
in einer reaktiven Atmosphäre,
beispielsweise in Argon mit Stickstoff, statt, wodurch beispielsweise bei
Verwendung von Ti, TiAl, Cr oder Zr besonders harte und verschleißfeste Schichten
auf den Substraten aufwachsen.
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High
Power Impuls Magnetron Sputtering (HIPIMS) stellt eine besondere
Art des Magnetronsputtern dar und gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung.
Das HIPIMS-Verfahren zeichnet sich durch eine impulsförmige Zufuhr
der elektrischen Leistung auf das als Kathode wirkende Target aus. Aufgrund
der der Kathode zugeführten
hohen Leistungsdichten von typischerweise 1000 bis 3000 W/cm2 während
einer Impulsdauer von 50 bis 200 μs stellt
sich eine Plasmakonfiguration ein, die im Gegensatz zu der im Falle
des Magnetronsputterns zu erwartenden anomalen Glimmentladung das
Charakteristikum einer Bogenentladung aufweist. Während bei
dem konventionellen Magnetronsputtern dem Trägergas der überwiegende Anteil an Ionisation
zufällt,
beträgt
die Ionisation der abgesputterten Targetatome dort typischerweise
nur 10 %. Demgegenüber beobachtet
man im Falle des HIPIMS-Verfahrens Targetionen-Konzentrationen von über 50 %.
Zudem tritt ähnlich
wie bei der Bogenentladung Mehrfachionisation der Targetatome auf.
Aufgrund dieses Tatbestandes ergeben sich für die Schichtbildung sehr günstige Bedingungen,
die sich unter anderem in einer sehr hohen Dichte der abgeschiedenen
Materie und in einer exzellenten Haftfestigkeit äußert. Bezüglich weiterer Details zum
HIPIMS-Verfahren sei auf die Veröffentlichungen „A Novel
Pulsed Magnetron Sputter Technique Utilizing Very High Target Power Densities" der Herren V. Kouznetsov,
K. Macák,
J. M. Schneider, U. Helmersson und I. Petrov in Surface and Coatings
Technology, 122 (2-2), 290–293
(1999) und „CrN
Deposition by Reactive High-Power Density Pulsed Magnetron Sputtering" der Herren A. P.
Ehiasarian, W.-D. Münz,
L. Hultman und U. Helmersson in 45th Technical
Conference Proceedings, 328–334 (2002)
verwiesen.
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Im
praktischen Umgang mit der HIPIMS-Technologie liegt eine der Hauptschwierigkeiten
in dem Problem der Kühlung
des Targets. Beim Sputtern wird mehr als 95 % der am Target umgesetzten
Leistung durch Kühlwasser
abgeführt.
Geht man von einer Leistungsdichte von 3000 W/cm2 aus, so
ergibt sich bei einem Target von 100 × 20 cm2 eine Leistungszufuhr
von 6 MW pro Impuls. Aufgrund dieser sehr starken Targettemperaturbelastung
kann die beschriebene Impulstechnik lediglich bis zu Taktfrequenzen
von etwa 100 Hz (10 ms Pulsabstand) eingesetzt werden. Daraus ergibt
sich, dass bei einer Pulsdauer von typischerweise 200 μs weniger
als 1 % des Pulsabstandes genutzt werden kann, um den HIPIMS-Prozess
auszulösen.
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Zur
Reduzierung der Belastung des Targets kann deshalb eine Mehrfachkathodenanordnung
verwendet werden, bei der einzelne Teile des Targets sequentiell
für das
Sputtern verwendet werden. Sinnvollerweise wird dazu eine Kathode
in mindestens 2 bis 10 oder je nach Kathodenlänge auch mehr, häufig gleich
große
Teilsegmente aufgeteilt. Alternativ zu einer derartigen Cluster-Magnetron-Kathode
können mehrere
Einzelkathoden zum Einsatz kommen. Cluster-Magnetron-Kathoden und
Einzelkathoden können
zudem in beliebigen Kombinationen eingesetzt werden. Jedes Segment
der Kathodenanordnung – also
jedes Teilsegment einer Cluster-Magnetron-Kathode
oder jede Einzelkathode – wird
dann sequentiell mit hochenergetischen elektrischen Impulsen beaufschlagt.
Dazu müsste
jeder Kathode eine eigene HIPIMS-Energieversorgung zur Verfügung gestellt werden.
Dadurch würden
die Kosten einer derartigen Anlage astronomisch steigen. Um die
Kosten in wirtschaftlich vernünftigen
Grenzen zu halten, kommt deshalb lediglich eine einzige HIPIMS-Energieversorgung
zur Versorgung der einzelnen Segmente zum Einsatz. Mittels geeigneter
Schalter wird die HIPIMS-Energieversorgung sequentiell auf die einzelnen
Segmente der Kathodenanordnung geschaltet. Allerdings sind auch
die hierfür
notwendigen Schalter wiederum teuer, so dass die Kosten der Gesamtanlage
nur begrenzt reduziert werden können.
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Eine
Lösung
für dieses
Problem könnte
darin bestehen, alle Kathoden der Kathodenanordnung galvanisch zu
koppeln und mit einer gemeinsamen HIPIMSEnergieversorgung anzusteuern.
Allerdings müsste
dann eine extrem leistungsfähige
Energieversorgung eingesetzt werden, um die zum Auslösen eines
HIPIMSProzesses benötigte
Stromdichte zu liefern.
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Eine
Möglichkeit,
mit der diesem Problem begegnet werden könnte, liegt in einer Steuerung
des Magnetfelds. Üblicherweise
wird bei Magnetronkathoden das Magnetfeld jedoch durch Permanentmagnete
erzeugt. Dies ist im Zusammenhang mit der zuvor beschriebenen Kathodenanordnung
mit galvanisch gekoppelten Segmenten sehr hinderlich und äußert unpraktisch.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten
und weiterzubilden, dass bei Kathodenanordnungen mit galvanisch
gekoppelten Segmenten ein hinreichend geeignetes, steuerbares Magnetfeldsystem erzeugbar
ist.
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Erfindungsgemäß wird die
voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach
ist das in Rede stehende Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass
das Magnetfeldsystem durch mehrere Permanentmagnete und mehrere Elektromagnete
erzeugt wird und dass die Elektromagnete getaktet geschaltet werden
und/oder die Stärke
und/oder die Richtung des durch die Elektromagneten erzeugten Magnetfelds
verändert
wird.
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In
vorrichtungsmäßiger Hinsicht
ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs
8 gelöst.
Danach ist die in Rede stehende Vorrichtung derart ausgestaltet,
dass das Magnetfeldsystem durch mehrere Permanentmagneten und mehrere
Elektromagneten erzeugbar ist und dass die Elektromagnete getaktet schaltbar
sind und/oder die Stärke
und/oder die Richtung des durch die Elektromagneten erzeugten Magnetfelds
veränderbar
sind.
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In
erfindungsgemäßer Weise
ist zunächst
erkannt worden, dass die Forderungen nach einer möglichst
kleinen HIPIMS-Energieversorgung und die Behebung thermischer Probleme
bei gleichzeitig relativ geringen Kosten der gesamten Anlage realisiert
werden können.
Dazu sind die Segmente der Kathodenanordnung galvanisch miteinander
verkoppelt. Zum Auslösen
eines HIPIMS-Prozess in einem bestimmten Segment der Kathodenanordnung
wird erfindungsgemäß das Magnetfeld
entsprechend beeinflusst und ein geeignetes Magnetfeld in dem bestimmten
Segment eingestellt. Durch den alleinigen Einsatz von Permanentmagneten
ist jedoch ohne mechanische Bewegung der Magnete kein steuerbares
Magnetfeld erzeugbar. Auch das Ersetzen der Permanentmagnete durch
Elektromagnete liefert insbesondere wegen der sich sehr stark gegenseitig
beeinflussenden Magnetfelder für
die einzelnen Segmente der Kathodenanordnung keine Anordnung, mit der
ein hinreichend befriedigendes Ergebnis erreicht wird. Erfindungsgemäß ist deshalb
erkannt worden, dass durch geschickte Kombination und geschickte Anordnung
von mehreren Permanentmagneten und mehreren Elektromagneten sehr
flexibel und verblüffend
einfach ein geeignetes und ausreichend steuerbares Magnetfeldsystem
erzeugbar ist. Dazu müssen
lediglich die Elektromagnete getaktet schaltbar sein und/oder die
Stärke
und/oder die Richtung des durch die Elektromagneten erzeugten Magnetfelds veränderbar
sein. Einzige Voraussetzung dabei ist, dass die Veränderung
des durch die Elektromagnete erzeugten Magnetfelds schneller erfolgt
als die Pulse auf die einzelnen Segmente gegeben werden. Da die Kosten
einer Energieversorgung für
die Elektromagnete – im
Allgemeinen eine Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle – um ein
Vielfaches geringer sind als die für eine HIPIMS-Energieversorgung,
können selbst
bei einer größeren Anzahl
von zu steuernden Elektromagneten die Kosten vergleichsweise niedrig gehalten
werden.
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Vorzugsweise
ist jedem einzelnen Segment der Kathodenanordnung ein eigenes magnetfelderzeugendes
Teilsystem zugeordnet, das jeweils aus mindestens einem Permanentmagneten
und mindestens einem Elektromagneten gebildet ist. Die einzelnen
magnetfelderzeugenden Teilsysteme befinden sich dabei vorzugsweise
in unmittelbarer Nähe
zueinander. Dadurch kann in besonders einfacher Art und Weise für jede Teilkathode
ein optimales oder zumindest hinreichend gutes Magnet feldsystem
erzeugt werden. Die einzelnen Teilkathoden bzw. magnetfelderzeugenden
Teilsysteme könnten
dabei linear angeordnet sein. Allerdings wären auch weitere Anordnungen
möglich.
So könnten
die Segmente der Kathodenanordnung beispielsweise in einem Ring oder
einem Vieleck angeordnet sein.
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Zum
Erzielen einer möglichst
umfassenden Flexibilität
und Steuerbarkeit sind die Elektromagnete vorzugsweise getrennt
voneinander beeinflussbar. Dies kann insbesondere dadurch erreicht
werden, dass die einzelnen Elektromagneten unabhängig voneinander oder zumindest
in Gruppen von Elektromagneten mit Energie versorgt werden können. Dabei
ist es denkbar, dass einzelne Elektromagnete durch unabhängige Schalter
zu- oder abgeschaltet werden können.
Zum anderen könnte
aber auch die Stärke
des durch die Wicklungen des Elektromagneten fließenden Stroms
verändert
werden. Dazu könnten
beispielsweise verschiedene diskrete Spannungsniveaus zur Verfügung gestellt
sein, die wahlweise an einen Elektromagneten angelegt werden. Alternativ
könnte
den Elektromagneten Treiberstufen vorgeschaltet sein, die das entsprechende
Eingangsspannungsniveau auf eine gewünschte Spannung bringt bzw.
einen gewünschten
Strom in den Leitern eines Elektromagneten einprägt.
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Zusätzlich oder
alternativ kann einem festen oder einstellbaren Gleichstrom ein
Wechselstrom überlagert
werden. Dieser Wechselstrom kann in Abhängigkeit des jeweils gewünschten
Effekts mit unterschiedlichen Frequenzen, Signalverläufen, Maximalwerten
oder anderen Parametern gewählt
werden. Dabei wäre
es denkbar, dass der Wechselstrom einen sinusförmigen Verlauf aufweist oder
als Rechteck-, Sägezahn-,
Dreiecksstrom oder dergleichen ausgebildet ist.
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Vorzugsweise
wird in einem aktiven Bereich der Kathodenanordnung das Magnetfeld
derart beeinflusst, dass sich in diesem Bereich im Wesentlichen
eine gewünschte
Richtung und Amplitude des Magnetfelds einstellt. Dazu müssen die
Energieversorgungen der Elektromagnete geeignet gewählt werden.
Die Parameter könnten
durch feste Spannungen und/oder Ströme vorgegeben oder individuell für jeden
Elektromagneten, für
Gruppen von Elektromagneten oder für alle Elektromagnete gemeinsam anpassbar
sein. Dazu kann eine oder mehrere der zuvor genannten Möglichkeiten
genutzt werden.
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Zur
Vermeidung ungewünschter
Beeinflussungen wird in einem nicht aktiven Bereich der Kathodenanordnung
das Magnetfeld derart beeinflusst, dass sich in dem nicht aktiven
Bereich eine im Wesentlichen vernachlässigbare Magnetfeldkomponente
parallel zur Kathode ergibt. Dazu können zum einen die Elektromagnete
von der Versorgung getrennt werden. Zum anderen kann eine geeignete,
gegebenenfalls gegensinnige Energieversorgung vorgesehen sein, um
gezielt die zur Kathode parallelen Komponenten des Magnets zu unterdrücken oder
zu minimieren.
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Dabei
werden die Elektromagnete der einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsysteme
vorzugsweise derart geschaltet oder versorgt, dass lediglich in
der Nähe
eines einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsystems sich das Magnetfeld
eines aktiven Bereiches ausbildet. Die übrigen magnetfelderzeugenden
Teilsysteme werden hingegen derart geschaltet, dass die Amplitude
der Magnetfeldkomponente parallel zur Kathode in der Nähe der Kathode im
Wesentlichen gleich Null ist. Die einzelnen magnetfelderzeugenden
Teilsystems können
dann derart geschaltet werden, dass sich der aktive Bereich über die
Kathodenanordnung bewegt. Dadurch kann beispielsweise bei dem Einsatz
im Zusammenhang mit einem HIPIMS-Verfahren ein relativ gleichmäßiger Materialabtrag
der Kathode erreicht werden. Je nach verwendeter Kathodenanordnung
und gewünschtem Einsatz
könnten
jedoch auch mehrere aktive Bereiche ausgebildet werden, deren Anzahl
jedoch deutlich unter der Zahl der Segmente der Kathodenanordnung
liegen sollte.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist ein magnetfelderzeugendes Teilsystem mindestens einen Permanentmagneten
auf, um den herum mehrere, vorzugsweise getrennt voneinander aufgebaute
Elektromagnete angeordnet sind. Dieser Effekt könnte allerdings auch durch
einen einzelnen, kompliziert aufgebauten Elektromagneten erreicht
werden, der den/die Permanentmagneten umschließt.
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Vorzugsweise
sind die einzelnen Elektromagnete eines magnetfelderzeugenden Teilsystems derart
ausgerichtet, dass die Spulenachsen der Elektromagnete parallel
zueinander verlaufen und/oder die einzelnen Elektromagnete im Wesentlichen
in einer Ebene angeordnet sind, wobei die Spulenachsen vorzugsweise
im Wesentlichen senkrecht zu dieser Ebene verlaufen. Dabei können die
einzelnen Elektromagnete jeweils gleich ausgestaltet sein. Allerdings
könnten
sich auch einzelne Elektromagnete oder Gruppen von Elektromagneten
in der Formgebung des Spulenkerns, der Windungszahl oder in anderen
Parametern unterscheiden.
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Hinsichtlich
einer möglichst
optimalen Ausnutzung der eingesetzten Elektromagnete könnten benachbarte
magnetfelderzeugende Teilsysteme mindestens einen Elektromagneten
gemeinsam nutzen. Dadurch kann die Anzahl der verwendeten Elektromagnete
reduziert werden und somit Herstellungs-, Betriebs- und Wartungskosten
gesenkt werden. Gleichzeitig bleibt jedoch ein hohes Maß an Flexibilität bei der
Beeinflussung und Einstellung des Magnetfeldsystems erhalten.
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Vorzugsweise
weisen die Permanentmagnete und die Elektromagnete ein gemeinsames
magnetisches Joch auf. Dabei können
sämtliche
Permanent- und Elektromagnete der gesamten Anordnung magnetisch
zusammengefasst sein. Alternativ könnten lediglich einzelne magnetfelderzeugende
Teilsysteme ein gemeinsames magnetisches Joch besitzen.
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In
vorteilhafter Weise lässt
sich durch diese Ausgestaltungen der Erfindung ein HIPIMS-Prozess auslösen, wobei
lediglich an einer oder wenigen Teilsegmenten der Kathodenanordnung
Bedingungen für
das Auslösen
eingestellt werden können.
Dadurch kann die HIPIMS-Energieversorgung optimal genutzt und die
mittlere Temperaturbelastung der Kathodenanordnung minimiert werden.
Dabei können verschiedenste
Ausgestaltungen von Kathodenanordnungen zum Einsatz kommen. So könnte zum
einen eine größere Kathode
in Teilsegmente unterteilt werden. Allerdings ließen sich
auch mehrere körperlich
getrennte einzelne Kathoden galvanisch koppeln. Andererseits könnten auch
segmentierte Kathoden mit nicht-segmentierten Kathoden galvanisch gekoppelt
werden. Gleichzeitig lässt
sich die Kathodenanordnung mit Kathoden gleichen Materials aufbauen,
aber auch der Einsatz von unterschiedlichen Materialien wäre in Abhängigkeit
der jeweiligen Anwendung möglich.
Trotz der nahezu beliebigen Vielfalt an Kombinationsmöglichkeiten
der einzelnen Kathoden oder Kathodensegmente kann der HIPIMS-Prozess
gezielt an einem bestimmten Segment der Kathodenanordnung ausgelöst werden. Hierzu
muss sich lediglich der aktive Bereich in der Nähe des Segments befinden, bei
dem der HIPIMS-Prozess ausgelöst
werden soll. Alle weiteren Segmente könnten als nicht aktive Bereiche
beschaltet sein, wodurch hier kein HIPIMS-Prozess stattfindet.
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Es
gibt nun verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und
8 nachgeordneten Patentansprüche
und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit
der Erläuterung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In
der Zeichnung zeigen
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1 in
einer schematischen Darstellung einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit
drei magnetfelderzeugenden Teilsystemen und
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2 in
einer schematischen Darstellung einen Schnitt durch die Vorrichtung
gemäß 1 entlang
der Linie A-A.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Erzeugen eines Magnetfeldsystems. Zur übersichtlicheren Darstellung
ist in 1 lediglich eine Vorrichtung 1 mit drei
magnetfelderzeugenden Teilsystemen 2 dargestellt, die eine
lineare Vorrichtung mit rechteckiger Grundfläche bilden. Jedes magnetfelderzeugende
Teilsystem 2 besteht aus einem Permanentmagneten 3 und
vier Elektromagneten 4, 5, wobei die Elektromagnete 4, 5 in
einem Rechteck angeordnet sind, in dessen Zentrum sich der Permanentmagnet 3 befindet.
Benachbarte magnetfelderzeugende Teilsysteme 2 nutzen dabei
jeweils einen Elektromagneten 4 gemeinsam. Die Permanentmagnete 3 benachbarter
magnetfelderzeugender Teilsysteme 2 sind derart angeordnet,
dass jeweils eine unterschiedliche Polarität nach oben zeigt. So ist in
der dargestellten Ausführung
bei den magnetfelderzeugenden Teilsystemen 2.1 und 2.3 der
Nordpol N nach oben orientiert, während im magnetfelderzeugenden Teilsystem 2.2 der
Südpol
S nach oben zeigt. Der jeweils gegensinnige Pol ist in Richtung
einer Jochplatte 6 orientiert, die die einzelnen magnetfelderzeugenden
Teilsysteme 2 magnetisch miteinander verbindet. Zwischen
den einzelnen Permanentmagneten 3 und der Jochplatte 6 sind
jeweils Polschuhe 7 angeordnet, um die im Vergleich zu
den Elektromagneten relativ flachen Permanentmagnete in ihrer Höhe anzupassen.
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Die
Permanentmagnete 3 bestehen aus SmCo oder FeNdB, die Spulenkerne 8,
die Jochplatte 6 bzw. die Polschuhe 7 sind aus
Weicheisen, Ferrit oder geschichtetem Trafoblech gebildet.
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Zum
Abführen
der Verlustwärme
in der Vorrichtung ist die Jochplatte 6 mit einer hier
nicht eingezeichneten Wasserkühlung
ausgestattet oder verbunden. Der Übersichtlichkeit wegen ebenfalls
nicht eingezeichnet sind die einzelnen Anschlussleitungen bzw. Stromversorgungen
der einzelnen Elektromagnete 4, 5.
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2 zeigt
in einer schematischen Darstellung einen Schnitt durch die Vorrichtung
gemäß 1 entlang
der Linie A-A. Die Jochplatte 6 ist mit den beiden dargestellten
Spulenkernen 8 der Elektromagnete 5 magnetisch
verbunden. In der Mitte zwischen den Elektromagneten 5 ist
der Permanentmagnet 3 angeordnet, der über den Polschuh 7 magnetisch
mit der Jochplatte 6 verbunden ist. Der Nordpol N des Permanentmagneten 3 zeigt
dabei nach oben in Richtung einer über der Vorrichtung angeordneten Kathode 9,
die als Target für
das HIPIMS-Verfahren dient. Die Kathode erstreckt sich dabei über die
gesamte Vorrichtung gemäß 1 und
ist ebenfalls rechteckig ausgestaltet. Die Seitenverhältnisse
in den 1 und 2 sind dabei geringfügig unterschiedlich
gewählt,
um die Übersichtlichkeit
der Darstellung zu erhöhen.
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Die
Leiter 10 der Elektromagnete 5 können unterschiedlich
mit Strom beaufschlagt werden, so dass sich im oberen Bereich eines
oder beider Elektromagnete ein Nord- oder Südpol ausbildet. Alternativ
könnte
einer oder beide der Elektromagnete nicht mit Strom beaufschlagt
werden, so dass sich kein Magnetfeld ausgehend von dem betreffenden
Elektromagneten 5 ausbildet.
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Unter
der Annahme, dass der in 2 dargestellte Ausschnitt eines
magnetfelderzeugenden Teilsystems einen aktiven Bereich bilden soll,
müssen
die Elektromagnete 5 derart geschaltet werden, dass sich
ein resultierendes Magnetfeld B ergibt, das eine Komponente parallel
zur Kathode 9 aufweist. Die Magnetfeldstärke parallel
zur Kathode und in dessen Nähe
wird dabei zwischen 80 und 1500 Gauss liegen. Dazu müssen die
Wicklungen 10 der Elektromagnete 5 derart bestromt
werden, dass sich im oberen Bereich der Elektromagnete 5 ein
Südpol ausbildet.
Gleichzeitig wird zwischen der Kathode 9 und einer nicht
eingezeichneten Anode ein elektrisches Feld E aufgebaut. Gemäß dem HIPIMS-Verfahren
steigt das elektrische Feld E impulsförmig an und sorgt in Verbindung
mit dem Trägergas
für das Herauslösen von
Atomen oder Atomclustern aus der Kathode 9. Die Leistungsdichte
der Impulse liegt im Allgemeinen in einem Bereich zwischen 1000
und 3000 W/cm2, die Impulsdauer beträgt zwischen
50 und 200 μs.
Dabei sind die einzelnen magnetfelderzeugenden Teilsysteme derart
bemessen, dass sich eine Impulsstromdichte zwischen 0,5 und 2,0
kA/cm2 einstellt. Im Kathodenfall der darauf
ausbildenden Impulsentladung sollte ein Spannungsabfall zwischen
0,4 und 2,5 kV vorherrschen. Aus kühltechnischen Gründen sollte
die der Kathodenanordnung zugeführte
Gesamtleistung 15W/cm2 nicht übersteigen.
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Nach
dem Beaufschlagen der Kathode mit einem Impuls wird der aktive Bereich
auf ein anderes magnetfelderzeugendes Teilsystem bzw. ein anderes Segment
der Kathodenanordnung verschoben und das aktuelle magnetfelderzeugende
Teilsystem bzw. das aktuelle Segment inaktiv geschaltet. In diesem Fall
werden die Wicklungen 10 der Elektromagneten 5 entweder
in umgekehrter Richtung bestromt oder durch keinen Strom durchflossen.
Dadurch bildet sich im oberen Bereich der Elektromagneten 5 ein Nordpol
aus oder die Elektromagneten 5 erzeugen keinen Betrag zum
resultierenden Magnetfeld. Als Folge reduziert sich die parallel
zu der Kathode 9 orientierte Komponente des Magnetfelds
B auf ein Minimum oder verschwindet vollständig. Dadurch kann in diesem
Bereich kein HIPIMS-Prozess mehr ausgelöst werden, die Kathode wird
nicht mehr belastet.
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Zur
Verbesserung der Leistungsfähigkeit
der Vorrichtung können
die Ströme
durch die die Längsseite
der Kathode flankierenden Elektromagnete mit einem sinusförmigen Strom überlagert
werden. Dadurch wird die Entladung aufgeschaukelt und damit die
Targetausnutzung erhöht.
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Abschließend sei
ganz besonders hervorgehoben, dass das zuvor rein willkürlich gewählte Ausführungsbeispiel
lediglich zur Erörterung
der erfindungsgemäßen Lehre
dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.