過濾陰極電弧沉積設備和方法

過濾陰極電弧沉積設備和方法
【專利摘要】一種真空沉積設備，包括用于在基板上施加涂層的陰極電弧源。陰極電弧源包括用于產生磁場的聚焦磁性源、包含膜形成材料的電弧陰極和陽極。聚焦磁性源安置在電弧陰極和基板之間。在陰極蒸發表面上產生的電弧斑被磁場線保持在磁場線垂直于陰極表面的地方。
【專利說明】過濾陰極電弧沉積設備和方法

【技術領域】
[0001] 一種過濾陰極電弧沉積方法和設備，其中有效的離子轉運和宏觀粒子過濾是期望 的。

【背景技術】
[0002] 本發明涉及陰極電弧沉積方法和設備。更特別地，陰極電弧沉積方法和設備，其通 過蒸發材料的凝結而產生用于施加涂層到基板表面的導電材料的等離子。該設備，其包括 用于從離子流分離源材料宏觀粒子的裝置，能夠用于在切削工具、成形工具和機械部件等 上形成高質量的耐磨層。
[0003] 陰極電弧沉積大體上包括通過在真空腔室中電弧放電而從蒸發源（陰極）產生膜 形成材料的蒸氣發射，和在施加負偏壓下在基板上沉積蒸氣。電弧放電集中在那里的一個 或多個電弧斑形成在蒸發源的表面上，所述蒸發源是電弧放電電路中的陰極。典型的電弧 電流是在50-500安培，電壓為15-50伏。電弧等離子放電通過由電弧引起靶材料的氣化和 離子化產生的等離子在陰極和陽極之間傳導電流。所述靶通過在真空腔室中的低壓電弧等 離子放電而蒸發，所述真空腔室已經被抽空到至少〇. 01帕斯卡的典型背景壓力。陰極（負 極）是電離源結構，其在工藝過程中至少部分地被消耗。陰極的可消耗的部分稱作"靶"，并 制造為可替換的元件，該可替換的元件夾持到稱作陰極主體的冷卻的不可消耗的元件。陽 極（正極）可以是在真空腔室中的電離結構，或者自身可以為真空腔室，并且在工藝過程中 不被消耗。
[0004] 從電弧斑，源材料的離子、中性原子、宏觀粒子，電子由于電弧斑的高溫而以束的 方式發出。這些電離粒子優選地垂直于陰極靶面發出，與發出的電子一起形成等離子的源 材料的離子是在膜沉積中主要的重要的物質。陰極電弧沉積的一個顯著特征是，入射蒸發 的離子的能量足夠高以產生具有良好的硬度和耐磨性的高密度膜。在碳蒸發的情形下，根 據Decker的US5, 799, 549,本發明具有特別的功效，用于在剃刀的非常薄的切削邊緣上形 成非常硬且剛性的高展弦比（high aspect ratio)的涂層。而且，快速的膜成形以及高生 產率的技術已經被工業應用。
[0005] 電弧斑處的靶材料的氣化的不期望的副作用是產生熔融的靶材料熔滴，所述熔滴 由于在電弧斑處的蒸氣的膨脹通過反作用力從靶彈出。這些熔滴，通常稱作宏觀粒子，典型 地直徑在亞微米到幾十微米的范圍。熔滴從陰極表面向外以這樣的速度運動以使得當它們 落在待涂布的基板上時它們通常變為嵌在涂層中。這樣，陰極電弧涂層通常被粘附到基板 表面的宏觀粒子污染，或者在它們曾經粘附但是之后被移除的地方留下孔洞。粘性的宏觀 粒子增大涂布的工件和接觸配合件之間的摩擦系數。結果，軟的宏觀粒子留下孔洞，并且這 代表著開始腐蝕或者裂縫蔓延的地方。
[0006] 因此，對能夠防止或者降低宏觀粒子的沉積同時在基板表面上形成均一的粘附碳 或者金屬化合物涂層的工業方法和設備，存在明顯的持續的需求。
[0007] 已經發展出各種策略來減少結合到涂層中的宏觀粒子的數量。通常有兩種不同的 策略：第一種是利用某種形式的電磁場來控制和加速電弧從而減少宏觀粒子生成的設備， 第二種是利用陰極源和基板之間的過濾設備以傳輸電離部分到基板，但是阻擋熔融的熔 滴。傳統地，過濾設備可以構造為使用電磁場，該電磁場導向或者偏轉等離子流。
[0008] 因為宏觀粒子是中性的，所以它們不會受到電磁場的影響。這是為什么過濾方法 能夠有效工作的原因，所述方法是通過將基板安置在陰極靶面的視線之外，以使得宏觀粒 子不會直接落在基板上，而電弧斑加速方法通常更為簡單，但是并不完全消除宏觀粒子的 存在。根據第二種的過濾設備可以在陰極腔室和涂布腔室之間提供等離子傾斜過濾管，其 中基板保持器安裝在等離子源的光軸之外。因此，圍繞設備聚焦和偏斜電磁場可以向著 基板導向等離子流，而不受電磁場影響的宏觀粒子繼續從陰極沿著直線行進。但是，宏觀 粒子跳離管中的擋板會導致它們的一部分傳輸通過過濾器而到達基板。腔室內的擋板， 也稱作宏觀粒子隔火墻，物理地阻擋源于電弧源和過濾區域的中性粒子，如在Anders的 US2009/0065350A1 中提及的。
[0009] 第一種的電弧斑加速方法通常比過濾方法更為簡單，但是并不完全消除宏觀粒子 的產生。而過濾方法通常可以更為有效，但它們給設備帶來額外的復雜性并大幅降低其產 量。下面示出通過利用在陰極源和基板之間的某種類型的過濾設備以發射發出的粒子的帶 電的電離部分并阻擋中性粒子來降低結合到基板上的涂層中的宏觀粒子的數量的努力的 例子。
[0010] 另一例子描述和不出在Gorokhovsky的名稱為"Filtered Cathodic Arc Deposition Method and Apparatus" 的 US5, 435, 900 和 US2004/103845A1 中。該機械過 濾機構通過改變等離子流向著基板離開等離子源的光軸的路徑，并且將宏觀粒子捕集在大 致沿著陰極的光軸安置的擋板中，而捕集宏觀粒子。但是，從靶材料到基板保持器沒有直接 的視線。由于該原因，該設備結合由偏斜磁性系統圍繞的等離子管、等離子源和離開等離子 源的光軸而安裝在涂布腔室中的基板保持器，其中等離子源和基板保持器由聚焦電磁體圍 繞。但是，靶材料和基板保持器之間的距離大得多以保證絕大部分的帶電粒子將抵達基板。 在我們的本設備中，該距離已經被最小化以克服該問題并提高系統產量。再者，我們的設備 引入使用旋轉電弧陰極，該旋轉電弧陰極能夠在其外部圓柱護套上消耗，與如在上面提及 的專利中提出的使用固定的平坦陰極相反。
[0011] 在W02010/134892A1中，公開了一種具有可旋轉的陰極的過濾陰極電弧沉積設 備，但是并不使用能夠在其外部圓柱護套上消耗的旋轉電弧陰極，而是使用在圓柱的基部 上消耗的電弧陰極。
[0012] 使用包含90度彎曲的圓柱的等離子管，使得電磁線圈產生通過該管的螺線管磁 場，以及使得圓形電弧蒸發陰極在管的一端上以及基板在另一端。之前的過濾陰極電弧設 備是基于圓形的和平的或者圓柱的陰極和過濾器幾何結構，因為它們的低的傳輸性而通常 限制了應用場合。長型的圓柱的陰極的例子被包括在Pinkhasov的美國專利US4, 609, 564 和 US4, 859, 489 ;Vergason 的 US5, 037, 522 ;以及 Welty 的 US5, 279, 898 中，這些專利全部 描述了使用圓柱或者桿形式的長型陰極，并利用電弧電流的自激磁場來使得其沿著陰極的 長度運動。Welty教導宏觀粒子的生成可以通過施加額外的軸向磁場分量來加速和控制電 弧運動而降低。這通過連接陰極的兩端到額外的電源而實現，所述電源遞送電流通過靶材 料，從而在靶周圍產生圓周磁場以控制電弧的縱向運動。我們的優點是，陰極僅通過電弧電 纜連接到它的頭部。除此之外，電弧斑傳感器有效地檢測電弧斑的位置并且陰極旋轉有助 于保持電弧斑在它的優化位置。
[0013] Tamagaki 的 US5, 127, 030 和 Treglio 的 US5, 317, 235 描述了沒有彎曲的直的圓柱 過濾管，圓形陰極位于管的一端，電磁線圈產生通過該管的螺線管磁場并部分地阻擋從陰 極到基板的直接的視線沉積。由陰極發出的等離子由電磁場聚焦在系統光軸上。用于穩定 電弧的電弧限制環（所謂的陽極）位于靶周圍。導致磁場的線圈在中心處垂直于靶面，并 壓縮磁力線以將帶電粒子帶向基板。電弧斑在圓形的平面靶上以高的速度燃燒（以過濾模 式主要到外部區域）。中性宏觀粒子并不被電磁場偏斜，而是被線圈管阻擋。當需要在大的 區域上涂布時，基板安置為明顯遠離線圈以利用沿著磁場傳播的等離子流。但是，這大幅降 低設備的生產速度并限制其使用。關鍵點是陽極位置，不同于以前的其中陽極圍繞靶材料 的兩個參考文獻，在我們的本案中，所述陽極位于磁場源和基板之間。
[0014] Sanders 的 US5, 292, 944 和 Sathrum 的 W003/087425A1 介紹圓柱的對稱電弧源，其 以弧形場幾何結構操作。發出的離子徑向離開表面并被電磁場反射。在第一參考文獻中，帶 電粒子必須偏斜它們的軌道90°，甚至180°。在第二個參考文獻中，對于過濾效率而言， 其并不如在此之后詳細介紹的直的管那么有利。
[0015] 現有技術的參考文獻都沒有公開這樣的旋轉電弧陰極：該旋轉電弧陰極具有圓柱 形狀的可蒸發表面并且除了內磁場之外主要利用外部磁場以控制陰極表面上的電弧的運 動，并且也都沒有公開這樣的過濾管：該過濾管具有到用作用于帶電粒子的抽出器的真空 腔室中的外部磁場源和用于宏觀粒子的擋板。陽極位置在該源的輸出中扮演著重要角色， 因為它位于磁場源和基板之間。
[0016] 過濾陰極電弧源具有以下優點：從源發出的陰極材料的蒸氣流完全電離，不同于 非基于電弧的沉積方法例如蒸發和濺射。從圓柱形陰極完全電離的蒸氣流將允許對靶利用 以及抵達基板以用于涂布或者離子轉移的粒子的能量更好的控制，并且將增大蒸氣在與系 統中的反應氣體或者與基板直接形成化合物中的反應性。
[0017] 本發明實現過濾陰極電弧的益處（完全電離的蒸氣流，消除了濺射的宏觀粒子） 以及具有高的產出的圓柱的旋轉電弧陰極的益處（均一的靶蒸發和利用線性運動和電弧 斑位置檢測在基板上均一的沉積）。而且，本發明是緊湊的系統，其可以升級規則的圓柱的 旋轉電弧陰極(LARC?)技術。容易的系統可及性和維護性使得本發明是用戶友好的，這 在現有技術中是沒有實現的。


【發明內容】

[0018] 本發明的目的是提供過濾陰極真空電弧沉積設備，從而至少部分地以宏觀粒子過 濾模式產生強電離的金屬蒸氣，用于致密的平穩的涂布工作。
[0019] 本發明的另一目的是最小化沿著等離子通道的電子擴散，以使得其中多數離子確 實抵達基板表面并保證高的沉積速率。
[0020] 本發明的另一目的是提供過濾陰極真空電弧沉積設備，其與非過濾陰極真空電弧 沉積設備相比具有盡可能少的結構變化量。
[0021] 本發明的另一目的是提供靈活裝置，其能夠在小的變化內用作過濾或者非過濾陰 極真空電弧沉積設備。
[0022] 本發明的另一目的是提供一種能夠氧化物和氮化物層PVD沉積的裝置，其在沉積 中引入高的粒子電離度并具有低粗糙度的沉積層。
[0023] 本發明的另一目的是提供一種能夠碳層PVD沉積的裝置，其在沉積中引入高的粒 子電離度并具有低粗糙度的沉積層。
[0024] 本發明包括用于薄膜沉積的過濾陰極真空電弧源，其利用包含薄膜形成材料的基 本上具有圓柱形狀的旋轉電弧陰極。所述旋轉電弧陰極是在其外圓柱護套上可消耗的。
[0025] 本發明的這些和其它的目的通過提供過濾陰極真空電弧源而解決，所述過濾陰極 真空電弧源包括聚焦磁場源、包含膜形成材料的大致具有圓柱形狀的可消耗的旋轉電弧陰 極、和陽極，其中聚焦磁場源安置在電弧陰極和基板保持器之間，其中產生在靶表面上的電 弧斑由磁場線保持在其中磁場線垂直于靶表面的地方，其中磁場線被限制在旋轉電弧陰極 和基板保持器之間的空間中，其中磁場線被限制的空間由擋板進行限制。
[0026] 當磁場線被盡可能多地限制在擋板中時是有利的。
[0027] 當磁場線隨著從聚焦磁場源的中心向著旋轉電弧陰極的距離增大而盡可能多地 分叉時是有利的。磁場線的分叉可以通過其它磁場源進行影響，所述其它磁場源安置在陰 極中并且抵靠著聚焦磁場源取向。
[0028] 當磁場在聚焦磁場源和靶表面之間并不改變方向時也是有利的，因此其它磁場源 應當僅在它使得磁場線分叉地地方被激勵，但是在聚焦磁場源和靶表面之間并不改變它們 的方向。
[0029] 當聚焦磁場源由長型電磁線圈組成并且它的最高磁場強度的中心區域位于大致 平行于旋轉電弧陰極軸的線上時同樣是有利的。
[0030] 電弧的等離子通道沿著磁場線傳播-開始于電弧斑燃燒的地方（磁場線垂直于靶 表面進入靶的地方），進一步通過擋板中心（所述擋板定位在聚焦磁場源的中心），進一步 通過基板，然后等離子通道終止在陽極表面。當陽極定位在與電弧斑相同的磁場線上時是 有利的。當我們進一步地從該最佳位置定位陽極時，電弧電壓迅速升高。
[0031] 具有上面描述的形狀的磁場連同如上面描述的陽極定位確保，在靶表面上燃燒的 電弧的穩定區域是磁場線垂直于所述表面進入靶的地方。穩定的電弧燃燒的該地方通常是 在靶表面上的線，因此非常有利的是，使用在它的外圓柱護套上為可消耗的大致具有圓柱 形狀的旋轉電弧陰極以在陰極周圍具有均一的靶侵蝕。根據上面描述的方法可以明白在鋁 陰極上的穩定的電弧燃燒的地方的例子。
[0032] 當通過磁場線利用上方描述的等離子通道的導引時，電弧在良好地限定的窄的空 間中燃燒，因此可以通過擋板的變窄而非常有效地保證宏觀粒子的過濾，其中所述擋板定 位在聚焦磁場源的中心。。
[0033] 通過使得高磁場強度不僅在聚焦磁場源的中心，而且是在旋轉電弧陰極和聚焦磁 場源之間的全部區域中，過濾效率明顯提高。
[0034] 當聚焦磁場源通過安置在由非磁性材料制成的水冷殼體中的長型的電磁線圈而 產生時是有利的（所述殼體可以直接安置在涂布腔室中并且它也可以起到擋板的作用）。
[0035] 如果長型電磁線圈定位得以使得它盡可能靠近殼體的中心以使得在殼體中心處 磁場線和磁場強度的變窄是最大的，這是有利的。當聚焦磁場源如果是這樣形成的時，可以 快速增大由長型電磁線圈產生的磁場強度并減小其尺寸。通過減小聚焦磁場源的大小，可 以安置長型電磁線圈在標準的涂布裝置中而無需明顯改變其尺寸。
[0036] 對于低電弧斑速度靶材料（例如石墨），可以由旋轉靶將電弧斑從磁場線垂直于 靶表面進入靶的地方偏移到與靶表面正切的更高磁場分量的地方。通過這種方法，可以在 堅直方向可限定地加速電弧斑，以使得通過旋轉速度的變化，可以有效地控制沿著整個靶 長度的蒸發的均一性。
[0037] 該系統可以以各種模式使用：
[0038] -電弧通過電弧生成器在靶的第一末端點燃，通過旋轉靶，電弧斑開始移動到靶的 第二末端。在當電弧斑抵達靶的第二末端的時刻，它的位置由電弧位置傳感器進行評估，電 弧被關掉。然后，電弧通過電弧生成器在靶的第一末端再次被點燃。
[0039] -電弧通過電弧生成器在靶的第一末端被點燃，通過靶的旋轉，電弧斑開始運動到 靶的第二末端。在當電弧斑抵達靶的第二末端的時刻，它的位置通過電弧位置傳感器進行 評估，靶的旋轉方向反向，以使得陰極斑開始在相反方向運動。通過重復該方法，可以提供 連續的電弧燃燒。當靶的轉速在開始時和在旋轉后稍微不同以使得可以提供均一的靶侵 蝕，同樣是有利的。
[0040] -電弧通過電弧生成器在靶的第一末端點燃，通過靶旋轉，電弧斑開始運動到靶的 第二末端。當電弧斑抵達靶的第二末端的時刻，它的位置由電弧位置傳感器評估，磁場方向 反向，以使得陰極斑開始在相反方向運動。聚焦磁場源和其它磁場源二者都必須同時反向。 通過重復該方法，可以提供連續的電弧燃燒。對于高電弧斑速度靶材料（例如Ti, A1)，不 可能通過如上面描述的靶旋轉而以標準靶旋轉速度來偏移電弧斑。有必要使用更高的靶旋 轉速度，這并不是總是技術上適當的。在此情形下，可以使用以下方法之一：
[0041] -當利用較高電弧電流（在1000A的數量級）時，電弧斑燃燒面積在靶長度上擴 展。在此情形下，以脈沖方式的電弧電流源工作是有利的。脈沖的參數可以為例如：脈沖持 續時間10ms，脈沖電流1000A (脈沖的有源部分），脈沖持續時間100ms，脈沖電流50A (脈沖 的無源部分）。
[0042]-當利用具有作為其它磁場源的鐵磁芯的長型電磁線圈時，其中所述鐵磁芯僅被 限制到靶的整個長度的一部分，我們可以通過在長型電磁線圈中堅直地移動鐵磁芯而控制 電弧斑的堅直位置，電弧斑在實際的鐵磁芯位置的地方燃燒。
[0043]-為了提供對電弧斑運動更多的控制，提供其它陽極。電流的一部分可以從主陽極 被轉移到其它陽極。由此，我們可以迫使電弧斑在閉合曲線上運動。我們同樣失去一些離 子，因為等離子通道不僅延伸通過樣品周圍的聚焦磁場源，而且一部分等離子通道還被轉 移到其它陽極。應當強調的是，轉移該電流需要的電壓明顯高于抵靠著標準陽極燃燒電弧 需要的電壓。
[0044] 因為蒸發僅從靶上的窄的地方在聚焦磁場源的前方發生，我們可以明顯減少靶和 聚焦磁場源之間的距離以幫助增大系統的產量。
[0045] 而且，如果借助于等離子通道彎曲需要100 %的過濾，可以通過該等離子通道的最 小彎曲來實現。
[0046] 另一個優點是磁場強度沿著整個等離子通道非常高，以使得沿著等離子通道沒有 低磁場強度的空間，在所述低磁場強度的空間會發生大量的電子以及由此的離子損失。
[0047] 另一個優點是，如果在良好設計的水冷殼體中的長型電磁線圈被用作聚焦磁場 源，則它的尺寸可以被最小化，因此該宏觀粒子添加裝置（add-on)可以通過少量的結構而 安裝在現有的非過濾陰極真空電弧沉積設備中。因此可以根據需要的涂布應用在過濾和非 過濾的方式下使用該這種設備。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0048] 圖1是本發明的過濾陰極真空電弧源的示意圖，該過濾陰極真空電弧源利用基本 具有圓柱形狀的一個可消耗的旋轉電弧陰極和由長型電磁線圈形成的聚焦磁場源，其中等 離子通道被彎曲到側面；
[0049] 圖2是示出在石墨上的電弧斑跡線方向以及電弧位置傳感器位置的示意圖；
[0050] 圖3是本發明的過濾陰極真空電弧源的示意圖，其利用大致具有圓柱形狀的一個 可消耗的旋轉電弧陰極和由長型電磁線圈形成的聚焦磁場源，其中直的等離子通道被設置 到基板保持器；
[0051] 圖4是本發明的雙過濾陰極真空電弧源的示意圖，其利用大致具有圓柱形狀的兩 個可消耗的旋轉電弧陰極和由長型電磁線圈形成的聚焦磁場源，其中一個聚焦磁場源用于 兩個陰極；
[0052] 圖5是本發明的過濾陰極真空電弧源的示意圖，其利用大致具有圓柱形狀的一個 可消耗的旋轉電弧陰極和由兩個長型電磁線圈形成的聚焦磁場源，其中等離子通道被彎曲 到側面；
[0053] 圖6a是示出磁場線以及當關掉其它的磁場源而沒有鐵磁芯時電弧斑燃燒的位置 的示意圖，電弧的電流基本上較強；
[0054] 圖6b是示出磁場線和當接通其它的磁場源并具有鐵磁芯時電弧斑燃燒的位置， 它示出如何借助于旋轉電弧陰極內部的鐵磁芯的垂直運動控制電弧斑燃燒的位置；
[0055] 圖6c是示出磁場線和當聚焦磁場源由更少長型電磁線圈形成時電弧斑燃燒的位 置的示意圖，它示出如何借助于聚焦磁場源的垂直運動控制電弧斑燃燒的位置；
[0056] 圖7是本發明的過濾陰極真空電弧源的示意圖，所述過濾陰極真空電弧源利用大 致具有圓柱形狀的一個可消耗的旋轉電弧陰極、由長型電磁線圈形成的聚焦磁場源，以及 其它陽極，該陽極通過消耗一部分電子電流而改變電弧斑燃燒的位置；
[0057] 圖8是示出圖6中電弧斑燃燒的位置的示意圖；
[0058] 圖9是示出用于低電弧斑速度靶材料的沉積方法的第一階段即通過電弧發生器 點燃電弧的示意圖；
[0059] 圖10是示出用于低電弧斑速度靶材料的沉積方法的第二階段即通過旋轉靶電弧 斑開始移動到靶的第二末端的示意圖；
[0060] 圖11是示出用于低電弧斑速度靶材料的沉積方法的第三階段的示意圖，該第三 階段涉及這樣的沉積模式，即其中電弧被關掉，然后通過電弧生成器在靶的第一末端重新 點燃電弧；
[0061] 圖12是用于低電弧斑速度靶材料的沉積方法的第三階段的示意圖，該第三階段 涉及這樣的沉積模式，即其中靶的旋轉被反向，以使得陰極斑開始在相反方向運動；
[0062] 圖13是示出用于低電弧斑速度靶材料的沉積方法的第三階段的示意圖，該第三 階段涉及這樣的沉積模式，即其中磁場方向被反向，以使得陰極斑開始在相反方向運動；
[0063] 圖14是示出在旋轉電弧陰極旋轉接通時在石墨靶的外圓柱護套上的電弧斑跡線 的圖形；
[0064] 圖15是示出在旋轉電弧陰極旋轉關掉時鋁靶的外圓柱護套上的電弧斑跡線的圖 形；
[0065] 圖16a是示出當利用具有平面的電弧陰極的過濾裝置時如何失去電子的示意圖， 其中沿著整個等離子通道并不具有高強度的磁場；
[0066] 圖16b是示出當利用具有旋轉電弧陰極的過濾裝置時如何失去電子的示意圖，其 中沿著整個等離子通道并不具有高強度的磁場；
[0067] 圖17是示出當利用具有旋轉電弧陰極的過濾裝置時如何失去電子的示意圖，其 中沿著整個等離子通道具有高強度的磁場。

【具體實施方式】
[0068] 在圖1和圖2中，提供了示出主要適于石墨靶的本發明的基本構型的示意圖。具 有待涂布的工件的基板保持器1安置在涂布腔室2中，該腔室通過連接到泵送系統3而被 抽空。安置在門4內的過濾陰極真空電弧源包括大致具有圓柱形狀的可消耗的旋轉電弧陰 極（由靶5形成，其它的磁場源由長型電磁線圈6和鐵磁芯7形成）、聚焦磁場源（由安置 在水冷擋板9內的長型電磁線圈8形成）、水冷陽極10、電弧生成器11、電流源12和電阻器 14。
[0069] 靶材料在定位在等離子通道14內部的靶5表面上的電弧斑處蒸發。等離子通道 14內部的電子流導引帶正電的蒸發材料通過擋板9。擋板由電阻器13充電到正電位，其有 助于保持帶電材料在等離子通道內部。隨著等離子通道14穿過或通過基板，帶正電的蒸發 材料被由基板偏壓源15形成的負電位拉動，并在基板上形成涂層。
[0070] 所述旋轉電弧陰極旋轉16移動在等離子通道14內的靶5表面上燃燒的電弧斑到 其中磁場線17并不垂直于靶5表面的側面。磁場移動電弧斑回到其中磁場線17垂直于靶 5表面并沿著電弧斑跡線18上的靶長度到靶5的底部的位置。
[0071] 電弧斑通過在靶5的上部的電弧生成器11點燃。當電弧斑抵達底部時，電壓在電 弧位置傳感器19上增大并且電弧被關掉。然后，電弧在上部再次被點燃，該過程被連續地 重復。
[0072] 用于石墨祀的最適條件：
[0073] -擋板21內部的磁場強度為IOOmT ;
[0074] -電弧斑位置22中的磁場強度為15mT ;
[0075] -擋板間隙寬度為10毫米；
[0076] -旋轉電弧陰極轉速為1，5RPM ;
[0077] -電弧電流為80A。
[0078] 在圖3中，示出替代方案的示意圖。如果電弧斑速度太快（例如對于Ti, Al靶材 料），則不可能借助于旋轉適當地偏移電弧斑到側面。然后，電弧斑總是保持在其中磁場線 17垂直于陰極表面的位置。等離子通道內部的磁場線17是直的，并且如果擋板和旋轉電弧 陰極偏移到側面，如圖3所示，則是有利的。
[0079] 在圖4中，示出替代方案的示意圖。過濾陰極真空電弧源包括兩個陰極（由7a， 6a，5a ;7b，6b，5b組成）和較大的聚焦磁場源（由安置在水冷擋板9內的長型電磁線圈8形 成）、兩個陽極l〇a，IOb以及其它擋板23以提供更好的過濾。磁場強度與之前的方案相比 大致高兩倍。系統適于低電弧斑速度靶材料（例如石墨），也適于高電弧斑速度靶材料（例 如 Ti, Al)。
[0080] 在圖5中，示出替代方案的示意圖。聚焦磁場源包含兩個長型電磁線圈，并且擋板 形成彎曲的等離子通道。系統適于低電弧斑速度靶材料（例如石墨），也適于高電弧斑速度 靶材料（例如Ti，Al)。
[0081] 在圖6b中，示出替代方案的示意圖。為了提供對電弧斑的堅直位置的控制，鐵磁 芯7并不安置在其它磁場源的整個長度上，而是它限于靶5的全長的一部分。對于40厘米 長的靶，7厘米長的鐵磁芯6是適當的，如圖8所示。通過芯部的機械堅直運動，可以控制電 弧斑運動。電弧斑跟隨鐵磁芯的位置。
[0082] 在圖6c中，示出替代方案的示意圖。為了提供對電弧斑的堅直位置的控制，使用 由更不長型的電磁線圈形成的聚焦磁場源。通過聚焦磁場源的機械堅直運動，可以控制電 弧斑運動。電弧斑跟隨聚焦磁場源的堅直位置。
[0083] 當利用那些其它的方式以控制電弧斑運動時，可以使用上電壓傳感器20和底部 電壓傳感器19二者來控制電弧斑是否已經抵達它的邊界位置。該系統主要針對高電弧斑 速度靶材料（例如Ti, Al)而研發，但是它也適于低電弧斑速度靶材料（例如石墨）。
[0084] 在圖7和圖8中，示出替代方案的示意圖。為了提供對電弧斑運動更多的控制，提 供其它陽極24。一部分電流可以從主陽極10被轉移到其它陽極24。由此，可以迫使電弧斑 在如圖8示意性地所示的閉合曲線18上運動。該系統主要針對高電弧斑速度靶材料（例 如Ti, Al)研發，但是它也適于低電弧斑速度靶材料（例如石墨）。
[0085] 在圖9、10、11、12和13中，用于低電弧斑速度靶材料（例如石墨）的沉積方法的 示意圖被示出。對于低電弧斑速度靶材料（例如石墨），可以借助于靶旋轉偏移電弧斑到其 中電弧斑在堅直方向上加速的地方。該系統可以以在上述附圖中提及的各種模式工作。它 們的描述如下：
[0086] -電弧在革巴5的第一末端由電弧生成器11點燃（見圖9)，通過革巴5的旋轉，電弧 斑開始移動到靶5的第二末端（見圖10)。在當電弧斑抵達靶（5)的第二末端的時刻，它的 位置由電弧位置傳感器19進行評估，電弧關閉。然后，電弧通過電弧生成器11在靶的第一 末端再次點燃（見圖Ila)。然后平行于圖10中的之前的跡線的新的跡線得以產生（見圖 lib)。
[0087] 示出電弧斑在石墨靶上的電弧斑的照片在圖14中示出。
[0088] -電弧通過電弧發生器11在靶5的第一末端點燃（見9)，通過靶5的旋轉，電弧 斑開始移動到靶5的第二末端（見圖10)。在當電弧斑抵達靶5的第二末端的時刻，它的 位置由電弧位置傳感器19評估，靶5的旋轉方向反向，以使得陰極斑開始在相反方向運動。 通過重復該方法，可以提供連續的電弧燃燒。當靶5的旋轉速度在反向旋轉開始和之后之 間稍微不同以使得可以提供均一的靶侵蝕時同樣是有利的（見圖12)。
[0089] -電弧通過電弧生成器11在5的第一末端點燃（見圖9)，通過靶5的旋轉，電弧 斑開始移動到靶5的第二末端（見圖10)。在當電弧斑抵達靶5的第二末端的時刻，它的位 置由電弧位置傳感器19評估，磁場方向通過將產生磁場的電磁線圈中的線圈電流方向26 反向而反向，以使得陰極斑開始在相反方向移動。聚焦磁場源8和其它磁場源6二者必須 同時反向。通過重復該方法，可以提供連續的電弧燃燒（見圖13)。
[0090] 替代通過傳感器19,20評估電弧斑抵達末端，我們還可以根據已知的陰極斑速度 計算電弧斑從靶5的一端運動到靶的另一端所需的時間。在該時間過去后，我們可以假定 陰極斑已經抵達靶的期望末端，并進行上述動作之一。
[0091] 本發明的優點示出在圖16a、圖16b和圖17中。
[0092] 在圖16a中，由于具有極低磁場29的空間，電弧斑跡線由磁場閉合地18限定，關 于平面的電弧陰極的宏觀粒子過濾的初始路徑不僅存在主等離子通道27,由此離子被導引 到樣品，而且還存在關于電子的逃脫路徑28,其大幅降低系統的產量。在圖16b中，詳細描 述了關于旋轉電弧陰極的相似的路徑。在圖17中，本發明禁止電子找到逃脫路線，因此系 統的產量明顯更高。
[0093] 附圖標記列表
[0094] 1基板保持器
[0095] 2涂布腔室
[0096] 3到泵送系統的連接
[0097] 4 門
[0098] 5 靶
[0099] 6電磁線圈
[0100] 7鐵磁芯
[0101] 8電磁線圈
[0102] 9水冷擋板
[0103] 10水冷陽極
[0104] 11電弧生成器
[0105] 12電流源
[0106] 13電阻器
[0107] 14等離子通道
[0108] 15基板偏置源
[0109] 16陰極旋轉
[0110] 17磁場線
[0111] 18陰極斑跡線
[0112] 19底部電壓傳感器
[0113] 20上電壓傳感器
[0114] 21擋板內部的磁場
[0115] 22電弧斑位置的磁場
[0116] 23其它擋板
[0117] 24其它陽極
[0118] 25電弧斑燃燒的位置
[0119] 26電磁線圈電流方向
[0120] 27電子主通道
[0121] 28逃脫通道
[0122] 29零磁場位置
【權利要求】
1. 一種用于在真空中在基板上施加涂層的過濾陰極真空電弧沉積設備，包括： -真空涂布腔室（2)，基板保持器（1)安置在所述真空涂布腔室（2)中； _連接到電流源（12)的負極的大致具有圓柱形狀的至少一個可消耗的旋轉電弧陰極； -連接到所述電流源（12)的正極的與所述旋轉電弧陰極相關聯的至少一個陽極 (10); -其中所述旋轉電弧陰極在它的外圓柱護套上是可消耗的； -安置在所述旋轉電弧陰極和所述基板保持器（1)之間的用于產生磁場的至少一個水 冷電磁線圈（8); -其中所述水冷電磁線圈（8)是長型的并且所述水冷電磁線圈（8)的所述磁場的最高 強度的中心區域安置在大致平行于旋轉電弧陰極軸的線上； -其中由所述水冷電磁線圈（8)產生的磁場線（17)被大致限制在所述旋轉電弧陰極和 所述基板保持器（1)之間的空間中； _其中所述陽極（10)被定位為以使得電弧放電燃燒從所述旋轉電弧陰極，通過所述水 冷電磁線圈（8)，到所述陽極（10)。
2. 如權利要求1所述的過濾陰極真空電弧沉積設備，其中，所述水冷電磁線圈（8)的內 側設置有反射宏觀粒子的擋板（9)。
3. 如權利要求1和2所述的過濾陰極真空電弧沉積設備，其中，所述水冷電磁線圈（8) 能夠沿著所述旋轉電弧陰極的所述旋轉軸移動。
4. 如權利要求1和2所述的過濾陰極真空電弧沉積設備，其中，與所述磁場相反地取向 的其它磁場源（6)被安置在所述旋轉電弧陰極中。
5. 如權利要求4所述的過濾陰極真空電弧沉積設備，其中，所述其它磁場源（6)的至少 一部分是能夠沿著所述旋轉電弧陰極的所述旋轉軸運動的鐵磁芯（7)。
6. 如權利要求1-5所述的過濾陰極真空電弧沉積設備，其中，其它陽極（24)被安置在 所述旋轉電弧陰極和所述水冷電磁線圈（8)之間，其中由所述電流源（12)產生的電弧電流 被分為所述其它陽極（24)和所述陽極（10)，其中，抵靠著所述其它陽極（24)燃燒的電弧電 流與抵靠著所述陽極（10)燃燒的電弧電流的所述電弧電流比率是在〇. 1-10的范圍內。
7. -種用于在涂布設備中在基板上施加涂層的方法，所述涂布設備包括： -真空涂布腔室（2)，基板保持器（1)被安置在所述真空涂布腔室（2)中； _連接到電流源（12)的負極的大致具有圓柱形狀的至少一個可消耗的旋轉電弧陰極； -連接到所述電流源（12)的正極的與所述旋轉電弧陰極相關聯的至少一個陽極 (10); -其中所述旋轉電弧陰極在它的外圓柱護套上是可消耗的； -安置在所述旋轉電弧陰極和所述基板保持器（1)之間的用于產生磁場的至少一個水 冷電磁線圈（8); -其中所述水冷電磁線圈（8)是長型的并且所述水冷電磁線圈（8)的所述磁場的最高 強度的中心區域被安置在大致平行于旋轉電弧陰極軸的線上； -其中由所述水冷電磁線圈（8)產生的磁場線（17)被大致限制在所述旋轉電弧陰極和 所述基板保持器（1)之間的空間中； _其中所述陽極（10)被定位為以使得電弧放電燃燒從所述旋轉電弧陰極，通過所述水 冷電磁線圈（8)，到所述陽極（10); -電弧生成器（11)， 所述方法包括以下步驟： -在旋轉電弧陰極和相關陽極（10)之間產生電弧以在其中所述磁場線（17)大致垂直 于（22)所述旋轉電弧陰極表面即所述外圓柱護套的位置附近產生等離子，其中電弧斑在 所述位置運動； -陰極旋轉（16)將所述電弧斑從其中所述磁場線（17)進入所述旋轉電弧陰極而垂直 于所述旋轉電弧陰極外圓柱護套的位置通過旋轉靶而偏移到其中與所述旋轉電弧陰極外 圓柱護套相切的更高磁場分量的位置，從而使得所述電弧斑在所述旋轉電弧陰極外圓柱護 套上在所述旋轉電弧陰極的所述旋轉軸的方向的運動加速； -當所述電弧斑抵達所述可消耗的旋轉電弧陰極的末端位置之一時，執行以下動作之 _或者關掉電弧并重新點燃； _或者所述電弧斑運動方向被反向。
8. 如權利要求7所述的方法，其中，借助于從電弧生成過去的時間基于所述電弧斑的 已知速度，指示當所述電弧斑抵達所述末端位置之一時的這種狀態。
9. 如權利要求7所述的方法，其中，通過當所述電弧斑抵達所述末端位置之一時由等 離子通道（14)所占據的位置附近的傳感器（19,20)，指示當所述電弧斑抵達所述末端位置 之一時的這種狀態。
10. 如權利要求7-9所述的方法，其中，所述電弧斑運動方向通過改變所述旋轉電弧陰 極（16)的旋轉方向而反向。
11. 如權利要求7-9所述的方法，其中，所述電弧斑運動方向通過改變所述水冷電磁線 圈電流（26)的取向而被反向。
【文檔編號】C23C14/32GK104364416SQ201280059992
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2012年11月30日 優先權日:2011年12月5日
【發明者】M.吉雷克森, M.吉雷克瓊, O.柯德特 申請人:帕拉迪特公司