專利名稱:電弧離子鍍設備的制作方法
技術領域:
本發明涉及一種金屬離子轟擊的穩定性得到改進的電弧離子鍍設備。
背景技術:
近年來,為了改進切削工具的耐磨性或提高機械部件的滑動表面的摩擦特性,已經采用物理氣相沉積法(PVD)對基質(薄膜沉積對象)進行了硬質薄膜沉積(TiN、TiAlN、CrN等)。經常用于進行這種硬質薄膜沉積的工業技術是通過真空電弧放電使薄膜沉積材料蒸發從而在基質表面上形成薄膜的電弧離子鍍工藝(在下文中被稱作“AIP”),并且用于執行這種薄膜沉積的設備被叫作電弧離子鍍設備(在下文中被稱作“AIP設備”)。
如圖10所示,電弧離子鍍設備包括真空室1、和布置在所述真空室1的底部上從而使得所述旋轉臺的上表面是水平的旋轉臺2。旋轉臺2在旋轉軸3的作用下進行旋轉,并且從旋轉臺2的上表面伸出的多個行星式軸4在設置在旋轉臺2內的行星齒輪機構的作用下也圍繞它們自己的軸線進行旋轉。用于保持基質的基質保持器5被可拆卸地裝配到每個行星式軸4上。因此,每個基質保持器5在通過旋轉臺2的轉動進行水平移動的同時圍繞它自己的軸線進行旋轉,且被基質保持器5保持住的基質例如工具、電路小片或機械零件在通過旋轉臺2的轉動而進行旋轉時通過基質保持器5的旋轉而圍繞它自己的軸線進行旋轉。通過偏壓電源(未示出),負電壓被施加到旋轉臺2上,然后該負電壓通過基質保持器5被施加到在其上裝載的基質上。
用于沉積組7的電弧蒸發源包括以在真空室1的高度方向上大體上固定的間距被布置成一列的三個蒸發源7A,所述電弧蒸發源被設置在真空室1的側壁內表面上,并且蒸發源7A與電弧電源8的負電極相連,相應地其正電極與真空室1相連。在圖10B中,附圖標記21表示用于排空真空室的泵送端口,附圖標記22表示用于供給工藝氣體例如氮氣或氧氣的氣體供給管道(在圖10A中被略去),且附圖標記23表示真空室的打開關閉門。
下面將對使用電弧離子鍍設備在基質表面上形成功能性薄膜的工序進行簡要描述。基質被裝在到基質保持器5上并且被定位在旋轉臺2上,將真空室1排空,基質受到設置在真空室1內的加熱器(未示出)的加熱,然后執行金屬離子轟擊(在下文中被簡稱為“轟擊”)從而提高要形成的薄膜的粘著力。所述轟擊是一種用于對施加有不小于數百伏特(通常為600-1000V)的負電壓的基質進行輻照的工藝,利用從蒸發源7A中蒸發出的金屬離子通過高能離子輻照對基質的表面層進行蝕刻或者形成輻照離子與基質的混合層。
在轟擊結束之后,金屬離子的蒸氣由蒸發源7A產生并且被輻照到基質上,并且要被施加到基質上的電壓被設定為0--300V,由此開始進行薄膜沉積。由于要由電弧離子鍍設備生成的薄膜通常包括金屬的化合物,例如TiN、TiCN、CrN、TiAlN、TiC、或者具有氮、碳、氧等的CrON,因此在薄膜沉積過程中,工藝氣體例如氮氣、氧氣和烴被單獨地或者以組合方式引入到真空室1中。例如,氮氣的引入以及Ti的蒸發導致TiN(氮化鈦)薄膜的沉積。
由于被裝載在基質保持器5上的基質在轟擊過程和薄膜沉積過程中通過旋轉臺2的轉動而進行轉動和旋轉,因此能夠對整個基質進行均勻的離子輻照。
在薄膜沉積之后,進行冷卻,將真空室1打開,且其上形成有薄膜的基質連帶基質保持器5被取出,從而在薄膜沉積之后回收形成有薄膜的基質。
雖然上述電弧離子鍍設備使用用于沉積組7的電弧蒸發源進行轟擊和功能性薄膜沉積,但是日本專利No.Hei 4-276062披露了一種電弧離子鍍設備,其包括與被設置在真空室內的該電弧離子鍍設備具有相同形狀的用于進行沉積的電弧蒸發源和用于進行轟擊的電弧蒸發源。根據該設備,由于即便是在使用低熔點金屬(例如TiAl合金)作為用于進行沉積的電弧蒸發源的蒸發材料時高熔點金屬或大質量金屬可被用作用于進行轟擊的電弧蒸發源的蒸發材料,因此可以解決低熔點金屬由于其電離比率降低而不能進行有效的轟擊處理這一問題和基質表面的微滴沉積這一問題。
已公知存在最小的電弧電流,以便使用于進行沉積的電弧蒸發源和用于進行轟擊的電弧蒸發源穩定地工作,而與蒸發表面的尺寸無關。該最小電流根據蒸發材料和氣氛而變化。當一種材料如Ti或TiAl合金被用作用于進行硬質薄膜沉積的蒸發材料時,通常,在氣體難以被引入的環境中或在用于進行轟擊的環境中需要大小至少為80A的電流,且電流值小于該值會使得電弧放電不穩定。在轟擊過程中,金屬離子在不小于數百伏特(通常為約-600--1000V)的負電壓被施加到基質上的狀態下由蒸發源產生。然而,由于蒸發源電弧電流的下限被定義用于進行如上所述的穩定工作,因此金屬離子的輻照量也不可避免地達到一定量。
因此,在轟擊中存在以下問題。即便是使用最小電流值,穩定的電弧放電需要對基質的增大的能量輸入量,且特別是,在具有較小熱容量的基質如具有較小直徑的鉆頭中,基質溫度快速升高。為了防止溫度過度升高,必須控制較短時間單元中的工藝條件,從而使得將轟擊時間設定為較短時間,從而重復進行具有冷卻間隔的轟擊處理。因此,可控性較差且因此產率降低。
另外,對電弧蒸發源而言,常常使用具有相對較小直徑的兩個或更多的蒸發源,所述直徑大小為約50-180毫米,典型地為約100-150毫米。然而,由于多個蒸發源同時進行工作需要大容量的偏壓電源,并且導致大量的金屬離子產生輻照偏離,因此除了基質溫度過度升高以外,還會常常在基質上發生異常放電等問題。由于偏壓電源在發生異常放電的情況下臨時中止了輸出,因此如果在短時轟擊過程中常常會發生異常放電,那么就不能進行準確的轟擊過程。
發明內容
從解決上述問題的觀點出發,本發明的目的在于提供一種在進行轟擊時幾乎不會在基質上產生溫度過度升高或發生異常放電且因此具有令人滿意的工藝可控性的電弧離子鍍設備。
根據本發明的電弧離子鍍設備包括真空室;被設置在真空室內且在垂直于真空室高度方向的方向上移動所述基質的用于使裝載在真空室內的基質進行移動的活動構件;被設置在真空室內用于輻照通過與基質表面進行電弧放電而蒸發出的金屬離子從而清潔所述表面的用于進行轟擊的電弧蒸發源;和被設置在真空室內用于在基質表面上沉積通過電弧放電而蒸發出的金屬離子的用于進行沉積的電弧蒸發源,其中所述用于進行沉積的電弧蒸發源構成了沉積組電弧蒸發源,所述沉積組電弧蒸發源包括在真空室的高度方向上沒有相互重疊的相對于被安裝在活動構件中的基質進行布置的多個用于進行沉積的電弧蒸發源;所述用于進行轟擊的電弧蒸發源構成了轟擊組電弧蒸發源,所述轟擊組電弧蒸發源包括在真空室的高度方向上沒有相互重疊的相對于基質進行布置的至少一個電弧蒸發源;并且在垂直于所述用于進行轟擊的電弧蒸發源的高度方向的方向上的長度長于所述用于進行沉積的電弧蒸發源的該長度。
根據本發明的該電弧離子鍍設備,由于所述真空室在垂直方向上的長度長于所述用于進行沉積的電弧蒸發源的長度,因此,與所述用于進行沉積的電弧蒸發源的同一離子輻照量相比,相對于進行穩定電弧放電所需的最小電流值的在所述用于進行轟擊的電弧蒸發源的垂直方向上的單位長度的金屬離子的輻照量可被減少。根據這一點,在進行轟擊時基質的熱輸入量、和由此的溫度過度升高或在基質上發生異常放電可受到抑制,由此導致工藝可控性得到改進。
所述用于進行轟擊的電弧蒸發源在真空室的高度方向上的長度優選比所述用于進行沉積的電弧蒸發源在同一方向上的長度長三倍,或者所述長度優選為0.5-2.0米。
對于所述用于進行沉積的電弧蒸發源而言,常常使用典型地具有圓形蒸發表面的蒸發源,所述直徑大小為約50-180毫米,典型地為約100-150毫米。因此,通過使用長度比所述用于進行沉積的電弧蒸發源的長度長三倍或者長度不小于0.5米的蒸發源進行轟擊,與使用所述用于進行沉積的電弧蒸發源進行轟擊的情況相比較,在真空室的高度方向上單位輻照區域寬度下,在用于進行穩定工作的最小電弧電流下的金屬離子輻照量可降至約1/3,且熱輸入量也可降至同一水平。如果所述蒸發源的長度超過2米,那么所述蒸發材料(靶)難于進行制造。因此,優選控制所述長度不超過2米。
所述用于進行轟擊的電弧蒸發源優選包括由蒸發材料形成的靶,且電磁線圈沿真空室的高度方向形成且被附接到所述靶的背面上。這種電磁線圈能夠沿著蒸發表面的長度方向掃描出呈跑道形狀的電弧斑點,從而導致在進行轟擊時能夠向基質均勻地供應金屬離子。另外,從經濟性的角度考慮,這樣能夠均勻地損耗所述靶的蒸發表面。
對于上述基質而言,具有較小直徑的鉆頭是合適的。根據本發明所述的電弧離子鍍設備,可以防止由于刃口發生軟化而導致產生切削失效,并且能夠確保獲得令人滿意的切削性能。
根據本發明所述的電弧離子鍍設備,與所述用于進行沉積的電弧蒸發源的同一離子輻照量相比,相對于進行穩定電弧放電所需的最小電流值的在所述用于進行轟擊的電弧蒸發源的垂直方向上的單位長度的金屬離子的輻照量可被減少。因此,在進行轟擊時基質的熱輸入量、和由此的溫度過度升高或在基質上發生異常放電可受到抑制,由此導致工藝可控性得到改進。
另外,從更本質的角度考慮,用于解決根據本發明所述的問題的裝置是要將一個用于進行轟擊的電弧蒸發源的蒸發源面積設定成大于一個用于進行沉積的電弧蒸發源的蒸發源面積。與用于進行沉積的電弧蒸發源的情況相比,該結構能夠降低用于進行轟擊的電弧蒸發源的單位基質面積的金屬離子輻照量。因此,在進行轟擊時基質的熱輸入量、和由此的溫度過度升高或在基質上發生異常放電可受到抑制,在所述轟擊時,穩定電弧放電所需的最小電流值相對較大。
圖1A和1B示意性地示出了根據本發明的第一實施例的電弧離子鍍設備,其中圖1A是真空室的垂直側剖視圖,而圖1B是沿圖1A中的箭頭方向A截取的真空室的平面圖;圖2A和2B示意性地示出了根據本發明的第二實施例的電弧離子鍍設備,其中圖2A是真空室的垂直側剖視圖,而圖2B是沿圖2A中的箭頭方向A截取的真空室的平面圖;圖3A和3B示意性地示出了根據本發明的第三實施例的電弧離子鍍設備,其中圖3A是真空室的垂直側剖視圖,而圖3B是沿圖3A中的箭頭方向A截取的真空室的平面圖;圖4A和4B示意性地示出了根據本發明的第四實施例的電孤離子鍍設備,其中圖4A是真空室的垂直側剖視圖,而圖4B是沿圖4A中的箭頭方向A截取的真空室的平面圖;
圖5示意性地示出了根據本發明的第五實施例的電弧離子鍍設備,且圖5是真空室的垂直側剖視圖;圖6是在平面圖中呈矩形的用于進行轟擊的電弧蒸發源的透視圖;圖7是在平面圖中呈跑道形狀的用于進行轟擊的電弧蒸發源的透視圖;圖8A和8B示出了設有電磁線圈的用于進行轟擊的電弧蒸發源,其中圖8A是用于進行轟擊的電弧蒸發源的正視圖,而圖8B是沿圖8A中的線A-A截取的電孤蒸發源的剖視圖;圖9A和9B示出了設有電磁線圈和圓柱形靶的用于進行轟擊的電弧蒸發源,其中圖9A是用于進行轟擊的電弧蒸發源的正視圖,而圖9B是沿圖9A中的線A-A截取的電弧蒸發源的剖視圖;和圖10A和10B示意性地示出了一種常規的電弧離子鍍設備,其中圖10A是真空室的垂直側剖視圖,而圖10B是沿圖10A中的箭頭方向A截取的真空室的平面圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對根據本發明的電弧離子鍍設備的實施例進行描述。
圖1A和1B示出了根據第一實施例的電弧離子鍍設備,且如圖10A和10B中所示的常規的電弧離子鍍設備,在圖1A和1B中使用相同的附圖標記表示相同的構件。
該電弧離子鍍設備包括真空室1,且旋轉臺2(對應于本發明中的“活動構件”)被設置在真空室1的底部上,從而使得所述旋轉臺的上表面是水平的。旋轉臺2適于在旋轉軸3的作用下進行旋轉,旋轉軸3的中心軸線沿真空室1的高度方向(也可被叫作“縱向方向”)進行布置,并且從旋轉臺2的上表面伸出的多個行星式軸4在設置在旋轉臺2內的行星齒輪機構的作用下也圍繞它們自己的軸線進行旋轉。用于保持基質的基質保持器5被可拆卸地裝配到每個行星式軸4上。因此,每個基質保持器5通過旋轉臺2的轉動在相對于所述縱向方向的垂直方向(也可被叫作“橫向方向”)上進行水平移動并且同時圍繞它自己的軸線進行旋轉,且基質在通過旋轉臺2的轉動而進行旋轉時被基質保持器5住。通過偏壓電源(未示出),負電壓被施加到旋轉臺2上,然后該負電壓通過基質保持器5被施加到在其上裝載的基質上。旋轉臺2中可不設有行星齒輪機構,從而不使基質保持器進行旋轉,或者可適于不使用基質保持器而將基質直接設定在旋轉臺上。
多個(圖中示出了3個)蒸發源7A作為沉積組7的電弧蒸發源以在真空室1的高度方向上大體上固定的間距被布置在真空室1的側壁內表面上。另一方面,一個在平面圖中具有矩形形狀的蒸發源9A作為轟擊組9的電弧蒸發源被布置在與沉積組7的電孤蒸發源相對的側壁內表面上。蒸發源7A和9A分別與電弧電壓的負電極8和10相連,電弧電壓的正電極與真空室1相連。另外,陽極構件可被設置在蒸發源7A和9A附近從而連接該處的電弧電源的正電極。
通常使用那些典型地具有圓形蒸發表面的蒸發源作為沉積組7的電弧蒸發源的蒸發源7A,所述圓形蒸發表面的直徑在50-180毫米的范圍內,典型地在100-150毫米的范圍內。考慮到由蒸發源蒸發出的金屬離子蒸氣可產生輕微地散播,將蒸發源7A以大小為蒸發表面區直徑的大約1.5-2.5倍的間隔進行布置。在蒸發源7A處產生真空電弧放電,電弧電流通常為50-300A,更優選為大約80-150A且電弧電壓為大約15-40V從而使被附接到蒸發源7A上的靶(蒸發材料)蒸發,從而使得金屬離子被輻照擴散且被沉積在基質上。
另一方面,被用作轟擊組9的電弧蒸發源的蒸發源9A在平面圖中具有矩形形狀,其長邊沿縱向進行布置且短邊沿橫向進行布置,如圖6所示。作為蒸發材料的靶T的蒸發表面在平面圖中也呈矩形形狀。蒸發源9A適于使得轟擊金屬離子被一個蒸發源9A供應到可受到沉積組7的電弧蒸發源的多個蒸發源7A處理的縱向金屬離子輻照區中。蒸發源9A被布置成與真空室1內的基質相對,并且其長邊的上端和下端分別位于與沉積組7的電弧蒸發源的頂部蒸發源7A的上端和底部蒸發源7A的下端相對應的位置處。蒸發源9A的橫向(短邊)長度與蒸發源7A的直徑大致相同。使用于進行轟擊的電弧蒸發源9A進行工作的電弧電流區被設置成與用作沉積組7的電弧蒸發源的每一個蒸發源7A的電弧電流區相同。由此,每單位面積的要被輻照到基質上的金屬離子的量可減小為約1/3,且在轟擊過程中單位時間和單位面積的向基質表面的熱輸入量可由此被降低為約1/3。
優選設定轟擊過程中的電弧放電電流,從而使得為了確保轟擊的均勻性,在靶表面上主要產生一個電弧斑點,且該電弧斑點大體上優選保持為不超過150A,更優選不超過120A。另一方面,由于在進行轟擊的過程中未能起弧優選不源自穩定進行電弧放電的點處,因此電弧電流優選被設定為不小于使電弧放電達到穩定的80A。
除了借助用作轟擊組9的電弧蒸發源執行轟擊以外,同過去一樣,以相同的方式使用該實施例中的電弧離子鍍設備。換句話說,裝載有基質的基質保持器5被設定在旋轉臺2上,真空室1被抽空,基質受到設置在真空室1內的加熱器的加熱,借助用作轟擊組9的電弧蒸發源執行轟擊,并且借助用作沉積組7的電弧蒸發源將功能性薄膜形成在基質表面上。
由于用于進行轟擊的電弧蒸發源9A被成形使得其縱向長度大于在該實施例中的電弧離子鍍設備中使用的用于進行沉積的電弧蒸發源的縱向長度,因此,在進行轟擊時基質溫度的突然升高可受到抑制且能夠解決特別是對于具有較小熱容量的基質而言過去曾經是問題的過熱等問題。由于可借助一個蒸發源9A執行轟擊處理,因此可使偏壓電源的容量最小化。另外,通過降低基質附近的離子密度從而減少了異常放電的頻率。并且由于為獲得相同的轟擊效果所需的轟擊時間延長了數倍,因此可延長條件設定時間以改進可控制性,且可相對減弱在異常放電時偏壓中斷周期的影響作用。
如在上述實施例中,將要被一個用于進行轟擊的電弧蒸發源進行處理的縱向金屬離子輻照區的寬度設定為不小于400毫米,且更優選設定為不小于500毫米,這對于防止基質在轟擊過程中產生過熱而言是有效的。該觀點是基于本發明的發明人的實驗經驗,并且還與以下討論相配。即用于將薄膜沉積偏壓設定為高達-300V的數值的一個原因在于防止基質產生過熱。直徑為100毫米的蒸發源中的用于進行薄膜沉積的電弧電流值為100-200A,典型為150A。也就是說,三個蒸發源以300V的偏壓和150A的電弧電流進行工作,從而輻照在500毫米的縱向輻照區域寬度內的金屬離子。在轟擊過程中,考慮到電弧電流的下限,蒸發源以80-120A,典型為100A的電弧電流進行工作,從而向基質施加大小為-600--1000V的偏壓。當假定與薄膜沉積相同的方式采取最大電壓時,金屬轟擊的典型條件為100A的電弧電流和1000V的偏壓。
通過把(電孤電流)×(蒸發源的個數)×(偏壓電壓)÷(縱向輻照區域寬度)作為熱輸入的瞬時量值,用于進行轟擊的縱向輻照區域寬度可通過計算得到大小為370毫米,其中在轟擊過程中該值等于薄膜沉積過程中的最大值(150A×3×300V/500毫米)。也就是說,在轟擊過程中處理區域寬度相對于該輻照區域寬度等的延伸導致產生過熱的風險降低,且盡管基于較粗的檢驗,但是這與上述實驗知識相匹配。
由于具有縱向較長的輻照區域寬度的蒸發源9A需要比縱向輻照區域寬度還長約100毫米的蒸發表面,因此,用于進行轟擊的電弧蒸發源9A的縱向長度(長邊)被適當地設定為不小于500毫米,更優選不小于600毫米。另一方面,由于蒸發源的長度必須在靶的可制造范圍內,因此適當地將蒸發源的最大長度設定為約2米或更短。由于過度增大的輻照區域寬度導致轟擊處理時間延長,因此,用作轟擊組的電弧蒸發源的輻照區域寬度優選被設定為約1.2米或更短。如果需要比該寬度更大的輻照區域寬度,那么多個用于進行轟擊的電弧蒸發源可沿縱向方向并置排列并且被用作轟擊組的電弧蒸發源。
下面將結合圖2對根據本發明的第二實施例的電弧離子鍍設備進行簡單描述。在下面將要描述的其它實施例以及第二實施例中,使用相同的附圖標記表示與第一實施例中的電弧離子鍍設備相同的構件。
與第一實施例中的電弧離子鍍設備相比,在該電弧離子鍍設備中,兩排分別包括三個垂直并置的蒸發源7A的蒸發源組被設置在真空室周向上間隔90°的位置處。在該實施例中,由于借助兩排蒸發源組進行薄膜沉積,因此與第一實施例中的設備相比,可實現兩倍的薄膜沉積速度。由于借助一個與第一實施例相似的矩形蒸發源9A進行轟擊,因此在轟擊過程中不會導致產生過熱等問題。由不同材料制成的靶被附接到用作沉積組7的每排電弧蒸發源的蒸發源7A上,由此能夠進行包括兩種類型的薄膜的多層薄膜的沉積。
下面將結合圖3對根據本發明的第三實施例的電弧離子鍍設備進行簡單描述。盡管在根據第一實施例和第二實施例的電孤離子鍍設備中,用作沉積組7的電弧蒸發源的蒸發源7A縱向進行排列,但是蒸發源7A不一定如此進行排列,蒸發源7A可沿真空室1的周向進行布置同時逐步改變縱向位置,如在該電弧離子鍍設備中的一樣。即便是采用這樣一種用作沉積組7的電弧蒸發源的布置,同樣可通過在真空室1內轉動旋轉臺2和基質保持器5而在基質表面上獲得均勻的涂層。
下面將結合圖4對根據本發明的第四實施例的電弧離子鍍設備進行簡單描述。該電弧離子鍍設備具有兩排分別包括三個縱向級的蒸發源7A的蒸發源組,其作為用于進行沉積的電弧蒸發源被設置在真空室的周向上,與第三實施例的電弧離子鍍設備相類似,但是每排蒸發源7A被布置同時改變縱向位置達蒸發源7A的裝配空間的1/2。根據這一點,可得到具有更高均勻性的涂層。
下面將結合圖5對根據本發明的第五實施例的電弧離子鍍設備進行簡單描述。該電弧離子鍍設備在用作沉積組7的電弧蒸發源和用作轟擊組9的電弧蒸發源的周向布置方面與第一實施例中的電弧離子鍍設備相同。然而,用作沉積組7的電弧蒸發源包括六個蒸發源7A,而用作轟擊組9的電弧蒸發源包括兩個蒸發源9A。根據該結構,可執行大容積處理,且在轟擊過程中基質上的熱載荷可被減小為常規實例的1/3。
作為用于進行轟擊的電弧蒸發源中的靶材料,在第一至第五實施例中可以使用包括多種合金的金屬,例如Ti或Cr可被適當地用作所述材料。
在每一個實施例中,如圖6中所示的矩形蒸發源(蒸發源的第一實施例)被用作轟擊組9的電弧蒸發源的蒸發源9A。然而,在本發明中用于進行轟擊的電弧蒸發源并不限于此,并且例如可以使用如圖7所示在平面圖中具有類似于跑道的外形且包括在平面圖中具有類似于跑道形狀的蒸發表面的靶T的蒸發源9B。還布置蒸發源9B,從而使得其長度(較長軸線)沿縱向方向進行設置。另外,如圖8A和8B所示,可使用用于進行轟擊的電弧蒸發源9C,其中具有跑道形狀的電磁線圈被布置在靶T的背面上。通過由該線圈C產生磁場,在蒸發表面上產生的電弧斑點可被引導在所述靶的蒸發表面上形成跑道形狀。根據這一點,將要由用于進行轟擊的電弧蒸發源輻照到基質上的蒸氣可得到進一步地均勻化。
另外,如圖9A和9B所示的另一個實施例,可構造出用于進行轟擊的電弧蒸發源9D,其包括成形為圓柱形的靶T和如圖9B所示布置在圓柱形靶T內部上的具有跑道形狀的電磁線圈C,所述靶T的兩端被電弧封閉構件12所封閉。在該蒸發源9D中,電磁線圈C產生具有跑道形狀的磁場,由此電弧斑點可被掃描成跑道形狀,從而均勻地將蒸氣輻照到基質上。另外,優選使得所述圓柱形靶可進行轉動,以形成對應于布置成跑道形狀的線圈C的電弧斑點掃描軌跡被保持相對與基質處于適當的位置的狀態。根據這一點,所述靶可均勻地產生損耗。
在使用電磁線圈的蒸發源(如蒸發源9C和9D)中,形成對應形狀磁場的永久磁體可被布置在靶表面上,而不是電磁線圈上。
另外,作為用于進行轟擊的電弧蒸發源,可沿縱向方向布置并且使用一個實心類似圓桿狀的靶。在該實例中,優選將不同的電弧電源的負電極與其上端和下端相連,從而交替地供給將要從兩端供應至蒸發源的電弧電流。由于用于在靶上產生蒸氣的電弧斑點趨向于朝向電弧電流供給側的端部進行掃描,因此所述電弧斑點能夠通過交替地從所述兩端向蒸發源供給電弧電流而進一步在圓柱形靶的蒸發表面的整個表面上進行大面積地掃描,并且金屬離子蒸氣可被均勻地供應到基質上。
在每一個上述實施例中,用于進行轟擊的電弧蒸發源具有縱向長度(沿真空室的高度方向)大于橫向長度的形狀。該理由在于從耐壓結構的角度考慮,由于真空室在頂視圖中具有圓形形狀,因此如果蒸發源橫向延長,那么蒸發表面必須是彎曲的,但這不是現實。鑒于這一點,沿縱向延長的形狀對于增大用于進行轟擊的電弧蒸發源的蒸發表面積而言是實用的。
本發明不限于如在上述每一個實施例中所描述的用于進行轟擊的電弧蒸發源或用于進行沉積的電弧蒸發源。在本發明的范圍內還包括一種電弧離子鍍設備,所述電弧離子鍍設備包括如此進行布置的活動構件、用于進行轟擊的電弧蒸發源和用于進行沉積的電弧蒸發源,從而使得能夠有效地執行對基質的金屬離子的輻照,其中形成用于進行轟擊的電弧蒸發源,從而使得蒸發表面積大于用于進行沉積的電弧蒸發源的蒸發表面積,其具有用于進行沉積的多個電弧蒸發源的最大蒸發表面積。在這種設備中,用于進行沉積的電弧蒸發源的個數必定大于用于進行轟擊的電孤蒸發源的個數。由于在進行轟擊和在進行薄膜沉積過程中的金屬離子輻照的目標為同一基質,因此在可被一個蒸發源分享的輻照面積較小時的薄膜沉積過程中必須增加蒸發源的個數。
也就是說,本發明主要針對提供一種與通過用于進行沉積的電弧蒸發源單位面積的金屬離子輻照量相比,能夠通過設定使得一個用于進行轟擊的電弧蒸發源的蒸發源面積大于一個用于進行沉積的電弧蒸發源的蒸發源面積,相對于穩定電弧放電所需的最小電流值減小用于進行轟擊的電弧蒸發源的單位面積的金屬離子輻照量的結構。
下面將對使用根據第一實施例的電弧離子鍍設備對基質進行薄膜沉積的實例進行具體描述。本發明不應通過這些薄膜沉積實例進行確定的解釋。
實例具有直徑為100毫米的蒸發表面的三個蒸發源7A被縱向成排布置成用作沉積組7的電弧蒸發源。一個蒸發源9A被用作轟擊組9的電弧蒸發源。該用于進行轟擊的電弧蒸發源9A具有矩形形狀,其長邊為600毫米,短邊為100毫米,所述電弧蒸發源被布置在真空室1的側壁內表面上,從而使得其長邊沿縱向方向進行設置,由此與基質保持器5相對的縱向金屬離子輻照區域寬度成形為500毫米。對于基質而言,由高速鋼制成的試驗片(尺寸大小為12毫米×12毫米×5毫米)和由高速鋼制成的直徑為3毫米的鉆頭(drill)被裝載到裝配在旋轉臺2的每個行星式軸4上的保持器上。Ti靶被附接到每一個蒸發源7A,9A上。在轟擊和薄膜沉積過程中的旋轉臺2的轉數被設定為2rpm(每分鐘轉數)。
對于采用常規方法進行的薄膜沉積實例(常規實例)而言,僅使用用作沉積組的電弧蒸發源,而不使用用于進行轟擊的電弧蒸發源,按照下文中所描述的相同的方式進行轟擊處理和TiN薄膜沉積。
(1)真空室被抽空,并且通過裝備在真空室中的輻射加熱器將基質加熱至400℃的基質溫度。
(2)用作沉積組的電弧蒸發源的每一個蒸發源在電弧電流為100A的條件下進行工作,并且在-1000V的偏壓下進行5分鐘的金屬轟擊處理。
(3)在進行完轟擊處理之后,用作沉積組的電弧蒸發源的每一個蒸發源在電弧電流為150A的條件下進行工作,在-50V的偏壓下形成約3微米厚的TiN薄膜,同時在3.9Pa的壓力下引入氮氣,隨后冷卻30分鐘,并將已經過處理的基質取出。
在上述常規實例中,用于沉積3微米厚的TiN薄膜所需的時間為90分鐘,并且從開始抽真空到取出基質的總循環時間為3小時15分鐘。
對于采用比照方法進行的薄膜沉積實例(比較實例)而言,僅使用用于進行轟擊的電弧蒸發源,按照下文中所述的方式進行轟擊處理和薄膜沉積處理。
(1)與比較實例中的步驟(1)相同。
(2)用于進行轟擊的電弧蒸發源在電弧電流為100A的條件下進行工作,并且在-1000V的偏壓下進行15分鐘的金屬轟擊處理。
(3)在進行完轟擊處理之后,用于進行轟擊的電弧蒸發源在電弧電流為150A的條件下進行工作,在-50V的偏壓下形成約3微米厚的TiN薄膜,同時在3.9Pa的壓力下引入氮氣,隨后冷卻30分鐘,并將最后所得到的基質取出。
在上述比較實例中,用于沉積3微米厚的TiN薄膜所需的時間為約5小時,并且從開始抽真空到取出基質的總循環時間為7小時。
然后,對于初始使用根據實施例的電弧離子鍍設備進行的薄膜沉積實例(發明實例)而言,按照下文中所述的方式執行使用用于進行轟擊的電弧蒸發源進行的轟擊處理和使用用作沉積組的電弧蒸發源進行的薄膜沉積處理。
(1)與常規實例中的步驟(1)相同。
(2)用于進行轟擊的電弧蒸發源在電弧電流為100A的條件下進行工作,并且在-1000V的偏壓下進行15分鐘的金屬轟擊處理。
(3)在進行完轟擊處理之后,用作沉積組的電弧蒸發源的每一個蒸發源在電弧電流為150A的條件下進行工作,在-50V的偏壓下形成約3微米厚的TiN薄膜,同時在3.9Pa的壓力下引入氮氣,隨后冷卻30分鐘,并將最后所得到的基質取出。
在上述發明實例中,用于沉積3微米厚的TiN薄膜所需的時間為90分鐘,并且從開始抽真空到取出基質的總循環時間為3小時25分鐘。
除產率明顯出于劣勢的比較實例以外,結合表1中列出的每一個項目對在常規實例和發明實例中進行的薄膜沉積進行評估。結果匯總如表1所示。
表1
由表1可明顯看到觀察到在試驗片上的兩種薄膜沉積物之間沒有明顯的特征差別。然而,在常規實例中部分地觀察到了可能由于刃口發生軟化而導致產生的切削失效,而在發明實例中沒有出現這種情況。
在發明實例中偏壓電流明顯減小,并且因此可使用容量進一步減小的偏壓電源進行轟擊處理。值得注意的一點是被偏壓電源感測到的異常放電。在常規實例中,異常放電發生在轟擊處理的較早階段的3分鐘內,僅最后兩分鐘可用于在不進行異常放電的情況下執行電壓的施加。由于在檢測到異常放電后偏壓電源中斷了輸出并且在停止之后重新啟動電壓的施加應用,因此,在產生異常放電的過程中形成未施加正常偏壓的狀態。另一方面,在發明實例中,由于除了減小異常放電的頻率的趨向之外進行轟擊的持續時間約為三倍長,因此施加正常電壓的時間相對延長,且薄膜沉積工藝的重現性得到進一步地增強。
另外,對試驗片上的薄膜進行顯微觀察的結果是,在發明實例中,混在薄膜中的大顆粒減少。這是由于通過用于進行轟擊的電弧蒸發源的面積的延伸減少了單位面積上的熱負載,因此在轟擊過程中產生的大顆粒的量減少了。
權利要求
1.一種電弧離子鍍設備,包括真空室;用于使裝載在所述真空室內的基質進行移動的活動構件,所述活動構件被設置在所述真空室內且在垂直于所述真空室高度方向的方向上移動所述基質;用于輻照通過與所述基質表面進行電弧放電而蒸發出的金屬離子從而清潔所述表面的用于進行轟擊的電弧蒸發源,所述用于進行轟擊的電弧蒸發源被設置在所述真空室內;和用于在所述基質表面上沉積通過電弧放電而蒸發出的金屬離子的用于進行沉積的電弧蒸發源,所述用于進行沉積的電弧蒸發源被設置在所述真空室內,其中所述用于進行沉積的電弧蒸發源構成了沉積組電弧蒸發源,所述沉積組電弧蒸發源包括在所述真空室的高度方向上沒有相互重疊的相對于被安裝在所述活動構件中的所述基質進行布置的多個所述用于進行沉積的電弧蒸發源;所述用于進行轟擊的電弧蒸發源構成了轟擊組電弧蒸發源,所述轟擊組電弧蒸發源包括在所述真空室的高度方向上沒有相互重疊的相對于所述基質進行布置的至少一個電弧蒸發源;并且在垂直于所述用于進行轟擊的電弧蒸發源的高度方向的方向上的長度長于所述用于所述進行沉積的電弧蒸發源的該長度。
2.根據權利要求1所述的電弧離子鍍設備,其中所述用于進行轟擊的電弧蒸發源在所述真空室的高度方向上的長度比所述用于進行沉積的電弧蒸發源的該長度長三倍。
3.根據權利要求2所述的電弧離子鍍設備,其中所述用于進行轟擊的電弧蒸發源在所述真空室的高度方向上的長度為0.5-2.0米。
4.根據權利要求1所述的電弧離子鍍設備,其中所述用于進行轟擊的電弧蒸發源包括由蒸發材料形成的靶,且沿所述真空室的高度方向形成的電磁線圈被附接到所述靶的背面上。
5.一種電弧離子鍍設備,包括真空室;用于使裝載在所述真空室內的基質進行移動的活動構件,所述活動構件被設置在所述真空室內;用于輻照通過與所述基質表面進行電弧放電而蒸發出的金屬離子從而清潔所述表面的用于進行轟擊的電弧蒸發源,所述用于進行轟擊的電弧蒸發源被設置在所述真空室內;和多個用于在所述基質表面上沉積通過電弧放電而蒸發出的金屬離子的用于進行沉積的電弧蒸發源,所述用于進行沉積的電弧蒸發源被設置在所述真空室內,其中形成所述用于進行轟擊的電弧蒸發源,從而使得其蒸發表面積大于在多個所述用于進行沉積的電弧蒸發源中具有最大蒸發表面積的用于進行沉積的電弧蒸發源的蒸發表面積。
6.根據權利要求5所述的電弧離子鍍設備,其中所述用于進行轟擊的電弧蒸發源的蒸發表面積比在多個所述用于進行沉積的電弧蒸發源中具有最大蒸發表面積的所述用于進行沉積的電弧蒸發源的蒸發表面積大三倍。
7.根據權利要求5所述的電弧離子鍍設備,其中所述活動構件使裝載好的基質進行移動,從而使得其長度方向垂直于所述真空室的高度方向地對應于所述真空室的高度方向;所述用于進行轟擊的電弧蒸發源構成了轟擊組電弧蒸發源,所述轟擊組電弧蒸發源包括在所述真空室的高度方向上沒有相互重疊的相對于所述基質進行布置的所述用于進行轟擊的電弧蒸發源;且所述用于進行沉積的電弧蒸發源構成了沉積組電弧蒸發源,所述沉積組電弧蒸發源包括在所述真空室的高度方向上沒有相互重疊的相對于所述基質進行布置的多個所述用于進行沉積的電弧蒸發源。
8.根據權利要求7所述的電弧離子鍍設備,其中構成所述轟擊組電弧蒸發源的所述用于進行轟擊的電弧蒸發源具有大體上相同的尺寸,且構成所述沉積組電弧蒸發源的所述用于進行沉積的電弧蒸發源具有大體上相同的尺寸。
9.根據權利要求5所述的電弧離子鍍設備,其中所述用于進行轟擊的電弧蒸發源包括由蒸發材料形成的靶,且沿所述真空室的高度方向形成的電磁線圈被附接到所述靶的背面上。
10.根據權利要求5所述的電弧離子鍍設備,其中所述轟擊組電弧蒸發源包括在所述室的高度方向上沒有相互重疊的相對于所述基質進行布置的多個用于進行轟擊的電弧蒸發源。
11.根據權利要求5所述的電弧離子鍍設備,其中所述轟擊組電弧蒸發源包括一個與所述基質相對的蒸發源。
全文摘要
一種電弧離子鍍設備包括真空室、用于使基質在真空室內垂直于其高度方向進行移動的旋轉臺、用于通過金屬離子清潔基質表面的用于進行轟擊的電弧蒸發源和用于在所述基質表面上沉積金屬離子的沉積組電弧蒸發源。所述沉積組電弧蒸發源包括相對于被設定在所述旋轉臺上的所述基質進行布置的多個蒸發源,且所述用于進行轟擊的電弧蒸發源相對于所述基質進行布置,并且成形以使得其在真空室高度方向上的長度等于沉積組電弧蒸發源的上端和下端之間的長度。根據這種結構,在進行轟擊時幾乎不能在基質中產生溫度過度升高或在基質上發生異常放電,由此導致工藝可控性得到改進。
文檔編號C23C14/54GK1952205SQ20061013189
公開日2007年4月25日 申請日期2006年10月17日 優先權日2005年10月17日
發明者玉垣浩, 藤井博文, 沖本忠雄, 宮本僚次 申請人:株式會社神戶制鋼所