陰極電弧源和石墨靶的制作方法

專利名稱：陰極電弧源和石墨靶的制作方法
技術領域：
本發明涉及陰極電弧源，特別涉及過濾式陰極電弧源。本發明還涉及石墨靶和制造石墨靶的方法，尤其是用在過濾式陰極電弧源的石墨靶。
本發明的源適用于有或沒有過濾裝置，特別是在本發明人的公布為WO-A-96/26531的國際專利申請PCT/GB96/00389中在先研制和介紹的雙彎過濾器管。
過濾式陰極電弧源用于在襯底上形成薄金剛石類膜，金剛石來源于石墨靶。
現有技術源中公認的問題是它們的強電弧斑點產生大量宏觀粒子，它們將污染從靶產生的等離子體，進而污染淀積的膜。減少膜中宏觀粒子的問題一般建議在裝置的靶和襯底之間采取措施用于過濾來自等離子體束的宏觀粒子。
公知商業上的裝置含有45度角的彎管以過濾來自等離子體束的宏觀粒子。由本發明人介紹的國際專利申請PCT/GB96/00389中的裝置表述了用于同樣目的的雙彎過濾器管。盡管此后者裝置是特別有效的，仍希望提供替換的裝置用于減少淀積膜中的宏觀粒子。
制備商業上的石墨靶的公知方法是，把石墨粉末與如瀝青等粘合材料粘接，然后在高溫和高壓下熱模壓以石墨化和硬化靶。公知石墨靶是來自PURE TECHINC.，其密度為約1.8g/cm3。使用這種公知石墨靶產生典型為斑點狀陰極電弧，并使用高電流密度。使用這種公知石墨靶，陰極電弧斑點通常直徑為約1-10μm。這種類型電弧斑點產生大量宏觀粒子，它們會污染使用公知過濾式陰極電弧源產生的四面體無定形碳(ta-C)膜。
另一石墨靶是由劍橋大學通過在約200-250MPa、在室溫使用粒子尺寸約為1微米(10-6m)的石墨制成的，密度約為1.6g/cm3。在使用中，這種靶產生非常少的等離子體，因而過濾部分之后的淀積率非常低或為零。
另外使用公知石墨靶還觀察到，隨著電弧斑點不穩定地在靶表面上移動，而使靶的表面以不均勻的方式被消耗。靶表面上這種電弧的移動是不可控制的，并且在斑點接近于靶邊緣時淀積率下降。
本發明力圖提供分開的或結合在一起的陰極和陽極的新設計和新陰極靶，消除或至少改善在現有技術中發現的一些問題。因此，本發明的目的是提供從陰極靶產生電弧的方法和裝置，與現有技術相比，其使用中發射了極少的宏觀粒子。
根據本發明的第一個方案，提供的陰極電弧源包括石墨陰極靶和用于產生基本垂直于靶、在靶表面上方具有零場強點的磁場的裝置。
在本發明的實施例中，用于從陰極靶產生正碳離子的陰極電弧源，所述離子是在基本上垂直于陰極靶的前表面的方向被發射的，該陰極電弧源包括真空室和用于在真空室中產生磁場的裝置，其中磁場具有基本上垂直于靶的前表面的方向和在靶上方和真空室內部的位置上具有零場強。該陰極電弧源最好包括用于產生接近于靶并具有第一場方向的第一磁場的裝置，和用于產生遠離靶并具有與第一磁場方向相反的場方向的第二磁場的裝置。所得到的真空室內部的磁場包括在基本垂直于陰極靶的前表面的方向中場強為零的點。
或者，第一和第二磁場相對于靶如此定位，即水平場在靶和襯底之間的區域增強；零點最好位于靶和襯底之間，但不是必需的。
使用中，本發明的陰極電弧源產生具有減少數量的宏觀粒子的一束正碳離子。因此本發明致力于怎樣除去來自正離子的等離子體的宏觀粒子的問題，其通過在源的真空室內部控制磁場，或從兩個或多個磁場得到的磁場，從而從一開始就有很少的宏觀粒子被產生。可以進一步減少宏觀粒子的等離子體的過濾是一種方案，并且是本發明最佳實施例的特點。
因此本發明致力于怎樣減少在宏觀粒子形成的點上的宏觀粒子數，而不是通過除去一旦形成的宏觀粒子。
在本發明的具體實施例中，用于從石墨陰極靶產生正離子的陰極電弧源包括用于產生磁場的裝置，其中(1)在靶的前表面，基本上垂直于該前表面的場方向指向前表面；(2)在基本上垂直于前表面的方向的磁場強度隨著從靶到零場強的點或區的距離的增加而減弱；和(3)從零垂直場強的點或區算起，隨著增加距離靶的距離，場方向遠離靶的前表面。
在這種設置中，從靶的前表面發射的正離子首先穿過其方向基本與正離子的方向相反的磁場，然后穿過在該方向磁場強度為零的點或區，然后再穿過其方向基本與正離子的方向相同的磁場。后者磁場通常通過例如過濾裝置可以用于控制正離子朝向襯底。
或者，在靶的前表面的磁場是遠離靶而指向襯底，然后具有零垂直場的點或區，遠離前表面后場方向反轉，即指向靶。
這里，在基本垂直于靶前表面的方向的零場強度的點或區也稱為零點。
在本發明的最佳實施例中，提供的陰極電弧源包括冷石墨陰極靶，冷陽極，電弧電源，襯底，用于在陰極和陽極之間的電弧中產生正離子的裝置，和用于在基本垂直于陰極靶的方向產生磁場的裝置，其中該磁場在接近于靶并位于陰極靶和襯底之間的位置上具有零場強。任意地，在零場強的位置和襯底之間，磁場方向指向襯底，在零場強的位置和靶之間，磁場方向指向靶。
所要求的磁場可以方便地從兩個單獨磁場得到，一個產生于靶或靶附近，另一個產生于靶和襯底之間的位置或其附近。兩個磁場的疊加產生零點，正離子在途中穿過該零點到達襯底。
在本發明的這個實施例的使用中，電弧在石墨靶起弧，同時第一和第二磁場產生裝置處于工作狀態。在得到的磁場中的電弧不與現有技術的源一樣強，但是是分散的，并且即使有也只是產生很少的是公知陰極電弧源的特性的所謂“紅色飛行物”。
在本發明的另一最佳具體實施例中，還提供用于改變各個磁場的一個或兩個的強度以便改變零垂直場強的位置的裝置。這種設置有利于調節靶前表面和零點之間的距離。
該最佳實施例的陰極電弧源包括兩個磁場產生線圈。第一線圈位于靶的上面，使用中在靶和襯底之間。這個磁場線圈常規地發現于過濾式陰極電弧源中，它提供磁場以控制從靶產生的等離子體穿過例如可包括單彎或雙彎管的過濾裝置，和如隔板等其它過濾結構并指向襯底。由線圈產生的磁場，基本垂直于陰極靶，其方向遠離靶而指向襯底。該陰極電弧源還包括位于靶下面，也就是說位于相對于襯底的靶另一側的第二磁場線圈。該第二線圈產生基本與第一線圈產生的磁場同軸但方向相反的磁場。效果是，由第二線圈產生的磁場部分與第一線圈產生的磁場平衡，以致于通過調節相對場強，在靶上方的點垂直磁場具有零點。
在各個線圈中的電流被改變以致于零點，也就是說在基本垂直于靶前表面的方向的零磁場的點，移動進一步遠離或進一步朝向靶的表面。
已經發現，在各個線圈電流改變以便移動陰極靶上方的垂直場中的零點時，靶表面上方水平磁場的強度，也就是說在基本橫向于或平行于靶前表面的方向中的磁場，停留在可接受的邊界內部。
典型地，第一線圈產生50mT左右的穩定強度的磁場。在第二線圈中的電流在5A和20A之間變化時，在橫向方向測量得到的磁場的強度，發現在約15mT和35mT之間。盡管有此特殊發現，本發明適于使用常規電弧電源，不限于特殊場強，而一般適用于具有交叉或反向場或提供具有在靶和襯底之間的零點的礠場的陰極電弧源。
還發現，由平衡場的強度的變化產生的最終磁場的強度影響電弧放電特性和淀積率。隨著零點接近于靶，電弧變得更強，并更接近于靶，可以觀察到強藍色等離子體，并且淀積率下降。在零點遠離靶移動時，靶表面的磁場的強度增加，維持電弧和起弧是有問題的。還可以看到淀積率下降，另外，觀察到ta-C膜淀積在靶上和真空室的壁上。一旦發生這種情況，事實上靶的再次起弧不太可能，因為其覆蓋有ta-C膜，使靶與電弧放電電流絕緣。
因此零點應選擇為位于中間位置，產生具有分散弧焰和減少的電弧斑點密度的電弧。對于不同電弧源設置，發現合適的工作參數可以進行試錯法或校準。使用60mm直徑的石墨靶和12cm(6英寸)直徑的環形管，在靶上的約50mT和在靶下面在反方向的約60mT的磁場，零點位于靶的前表面上約5cm的位置，并獲得給出可使用的淀積率的藍色等離子體。在該電弧中很少發現“紅色飛行物”，并且靶均勻地被腐蝕。
在電弧電流流動時，在靶表面上形成“凸起”，其是集中正離子的區域。大多數正離子被反向加速指向靶表面，其典型為約-30伏的負電壓，并以高能量撞擊在靶表面上并維持電弧。在靶表面上的原子分解成離子和電子時，電流流過流到接地并因此為零伏的陽極上。典型的電弧電流是約100A，在該電流時等離子體電流，即形成等離子體束的正離子可以具有約1A的電流。這樣，用于形成正離子的等離子體束的電流占總電弧電流的非常低的比例。
改變底部磁場的強度，在靶下面，零點的位置產生相應變化。如果零點太接近于靶表面，則在與零點齊平的位置上更多的電子直接從陰極流到陽極。因此具有更少的等離子體輸出。如果正確選擇零點，則產生柱狀等離子體，并給出事實上不存在宏觀粒子的涂層的好淀積率。
由該陰極電弧源產生的等離子體束隨后可以用常規單彎或雙彎管道過濾。實現了等離子體束的磁控制，因為等離子體束跟隨磁場的磁力線，這在現有技術中是公知的。
在零點，基本上垂直于靶的磁場強度為零，并具有強的水平磁場。在等離子體束中心測量垂直場強。沿著陽極的圓柱形壁測量水平場強。在使用中，其中設置陰極電弧源的真空室的壁一般用碳粉涂敷，其在涉及強水平磁場的點輝光放電，目測零垂直磁場的位置，即零點，通過觀察口可以容易地獲得。
在本發明的實施例中，電弧源包括基本上位于真空室中心的陰極。真空室的內表面接地，作為圍繞陰極并遠離陰極沿著真空室的內壁延伸的陽極。石墨靶與陰極電接觸，為防止陰極(不是靶)和陽極之間電弧放電，電絕緣護罩圍繞陰極。最好是，從靶的外緣到陽極的距離在靶周圍的所有路線都基本相同一例如，這可以通過提供基本圓形靶并中心地設置于圓柱形陽極內部來實現。另外，靶的一個或多個邊緣選擇地被屏蔽，從而電弧只形成在陽極和靶的前表面之間。
為防止任何過熱而損壞設備，典型地用陽極周圍的水冷套筒提供冷卻，其中冷卻水的入口靠近零點，以便在陽極最熱的位置提供最大冷卻。水流進大約與零點齊平的冷卻套筒并向上流入內螺旋管，然后向下流到套筒的外部，再向上流入內螺旋管，直到其經過出口管流出。用水冷卻陽極在本領域中是公知的，雖然這些陽極典型地具有與靶直徑相似的直徑。調節靶上面和下面的磁場線圈中的電流，從而零點和水入口在靶表面上大約是相同的距離。
現有過濾式陰極電弧源可以根據本發明修改，即在靶或在其下面增加第二磁場線圈，其具有與已經存在的控制磁場線圈的方向相反的方向。在現有源中，常發現為了實現電弧起弧和維持，靶必須位于距離控制磁場的線圈顯著距離的位置。本發明使用靶周圍的反向磁場從等離子體控制分離電弧產生。靶可以更接近于控制磁場線圈，并且可以使用強控制磁場而不影響電弧產生。
本發明的第一方案也提供在石墨陰極靶起弧的方法，包括(ⅰ)產生(a)具有第一場方向的第一磁場和(b)具有與第一場方向相反的第二場方向的第二磁場，以便產生從第一和第二磁場得到的磁場；和(ⅱ)在得到的磁場中起弧。
第一和第二磁場可從分別位于靶上面和下面的線圈產生，第一線圈任選地形成控制等離子體通過單彎或雙彎管用于過濾來自由電弧產生的等離子體的宏觀粒子的裝置的部分。如上所述，得到的磁場包括靶上面的零點，在該點垂直于靶的磁場強度為零，并且線圈電流的變化改變零點到靶的距離。
本發明的第二方案涉及石墨靶，適用于單獨的或與本發明第一方案的電弧源結合在一起使用。
因而，本發明的第二方案提供的靶包括平均尺寸大于2微米并在高溫和高壓下被模壓的石墨粉末。其典型密度在1.7-2.0g/cm3范圍內；該靶用于陰極電弧源中。
最好是，靶的密度在1.8-1.95g/cm3范圍內。本發明的石墨靶典型用平均粒子尺寸約為5-20微米的石墨通過在400-620MPa、在至少150℃，最好在230℃+/-30℃下模壓石墨粉末制成的。最好是，靶是在450-600MPa下被模壓，在500-600MPa下則更好。
石墨粉末是在基本上不存在粘合材料的情況下被模壓的，從而得到的靶具有多孔結構，其在它的孔或單元內部捕獲氣體。當用在常規陰極電弧源中或根據本發明的第一方案的電弧源中時，可以獲得具有減少的污染宏觀粒子的發射的正離子的等離子體束。確信這種特性是由于少量氣體從靶的孔釋放到電弧中，該氣體輔助電弧斑點中的電離。但是，本發明人不希望受該理論的限制。對于可以容許膜中的少量氣體的涂敷應用，靶因為減少膜中的宏觀粒子而是非常有利的。
在本發明的特殊實施例中，靶是在約550MPa下被模壓的，給出1.9g/cm3左右的靶密度。該靶在空氣中在約230℃下被模壓。在對比實驗中，使用相似尺寸石墨粒子和在相同的壓力下但在室溫下模壓的靶產生較軟的靶，在使用中其產生具有增加的宏觀粒子的等離子體束。因此本發明還涉及由本發明的方法形成的石墨靶。靶的尺寸和形狀根據適配于過濾式陰極電弧源而可以調節，典型尺寸的靶橫截面為直徑20mm-100mm的圓形，最好為40mm-80mm。
在下面將介紹的本發明特殊實施例中，陰極靶是由具有約10微米(325網格)的平均粒子尺寸的石墨粉末制備的，并且密度為1.8-1.9g/cm3。
在本發明的石墨靶的使用中，觀察到在靶表面上產生的陰極斑點比在使用現有技術靶時的更分散。還觀察到本發明的石墨靶上的陰極斑點具有比在使用現有技術靶時的大的尺寸，典型為1-5mm左右的直徑，更具體為3mm左右的直徑。本發明的優點是使用該石墨靶產生發射更少宏觀粒子的陰極斑點，其中宏觀粒子污染使用過濾陰極電弧源淀積的膜。使用該石墨靶結果得到更潔凈的膜。還觀察到，使用本發明的石墨靶，過濾式陰極電弧源可以使用較低電流密度工作，另外，來自石墨靶的金剛石類膜的淀積可以有效地在過濾式陰極電弧室中在高真空壓力下獲得。還發現本發明的陰極靶均勻損耗。
本發明還提供制備陰極電弧源中使用的石墨靶的方法，該方法包括在沒有粘合材料的情況下，在400-620MPa的壓力下和在130-330℃下模壓石墨粉末以形成固體靶。
石墨粉末最好是在450-620MPa的壓力下模壓的，在520-600MPa下則更好。另外模壓溫度最好是180-280℃,200-260℃則更好。
在本發明的實施例中，制備石墨靶的方法包括提供其中要形成靶的模具；將沒有粘合劑的石墨粉末放到模具中；在約550MPa的壓力下和約230℃的溫度下將粉末壓入成模具以形成靶；從模具中取出靶。
典型的模具是產生圓柱形靶的模具，一般直徑在40-100mm范圍內，當然根據使用情況也可以使用其它靶形狀，如正方形、三角形。
在本發明的另一實施例中，提供的制備石墨靶的方法還包括在爐子中在100-400℃的溫度下預熱石墨粉末。加熱的時間在1/2和10小時之間選擇，在下面將介紹的本發明的特殊實施例中，石墨粉末在爐子中在約300℃下預熱約6小時。
在現有技術軟靶的使用中，如由劍橋大學研制的，已經發現電弧斑點通過靶表面打出一個孔；該孔一般直徑為約1mm，在1或2次使用之后導致靶裂開。在現有技術PURE TECH INC靶的使用中，已經發現電弧在靶表面上形成極小的電弧斑點，其沿著表面快速移動并不均勻磨損表面。在本發明的靶使用中，觀察到電弧斑點圍繞靶的表面更緩慢移動，在靶表面中不產生孔，而且以更均勻的方式磨損靶的表面。
本發明的優點是陰極電弧源產生具有顯著減少宏觀粒子水平的等離子體束。本發明的另外優點是，在結合本發明的陰極電弧源使用時靶本身還減少在發射的等離子體中的宏觀粒子的數量。
下面參照具體例子介紹本發明，但這些例子不限制本發明的范圍，并且表示在附圖中，其中

圖1和2分別表示本發明的陰極電弧源的正視截面圖和側視截面圖；圖3表示作為淀積裝置的一部分并與淀積室連接的本發明的陰極電弧源的側視圖；圖4是在基本上垂直于圖1的陰極電弧源中的靶的方向的磁場強度的曲線，該磁場強度是在從靶發射的離子束的中心測量的；圖5是在基本上平行于圖1的陰極電弧源中的靶的方向的磁場強度的曲線，該磁場強度是在陽極的圓柱形壁測量的；圖6是表示ta-C膜的淀積率相對于將石墨粉末模壓成靶的壓力的曲線；圖7是表示靶密度相對于將石墨粉末模壓成靶的壓力的曲線；圖8是使用商業上通用的石墨靶產生的電弧的照片；圖9是使用根據本發明的石墨靶產生的電弧的照片；圖10是使用商業上通用的石墨靶淀積的ta-C膜的照片(放大倍數×500)；和圖11是使用本發明的石墨靶淀積的ta-C膜的照片(放大倍數×500)。
參照圖1、2和3，陰極電弧源(10)一般示于圖1和2中并與圖3中的淀積室(36)連接。
源(10)包括被非絕緣護罩(13)屏蔽的陰極(12)和由真空室(11)的內壁形成的陽極14。靶(16)與陰極(12)電接觸。絕緣護罩(17)包圍靶以防止靶(16)和陽極(14)的側壁之間產生電弧放電。陰極(12)和陽極(14)連接到電弧電源(未示出)。
陰極的冷卻是通過水入口(20)和水出口(22)供應冷卻水實現的。陽極的冷卻同樣是通過水入口(24)和水出口(26)供應冷卻水實現的。冷卻陽極的水在圖2中的箭頭指示的方向穿過具有冷卻水流動的3-層式冷卻套筒(27)。
可旋轉的撞針(28)安裝在真空室的壁上，并適于向著靶旋轉并接觸靶(16)以實現陰極電弧的點火。
包括適用于氣體輸入(31)的接套的觀察口(30)設置在源的一側上用于在工作過程中目測電弧。
在靶(16)下面具有第一磁場線圈(32，在圖1中示出，在圖2中沒有示出)，安裝于靶(16)上面和真空室的圓柱形壁周圍的是第二磁場線圈(34，在圖1中示出，在圖2中沒示出)。在陰極電弧源(10)的工作中，磁場由各個線圈(32,34)產生，并且得到的磁場產生于真空室(11)的內部，如在靶上約2-4cm，其中在基本上垂直于靶(16)的方向具有零場強的點。該零場強的點，或“零點”，是在真空室(11)的內部并在靶(16)上方的短距離內。各個線圈(32,34)中的電流的變化將改變靶(16)的表面和零點之間的距離。在圖3中，第二線圈(34)的繞組延伸到導向安裝在支撐結構(38)上的淀積室(36)的環形管(42)的壁(40)。如果需要增加控制場，則磁場線圈(34)可以由彎管(未示出)外側上的永久磁鐵補充。
在該陰極電弧源的使用中，各個第一和第二線圈(32,34)中的電流變化，以致于零點，即在基本垂直于靶的方向磁場強度為零的點，是在離靶(16)0.5cm和約6cm之間。
在陰極電弧源工作過程中，由位于靶上面的線圈(34)產生的磁場保持不變并提供強度為約50mT的磁場，位于靶下面的線圈(32)中的電流在5A和20A之間變化，測量在垂直方向和水平方向得到的磁場。結果示于圖4和5中。在圖4中看到，靶下面的線圈中的電流從5A以2.5A的增量增加到20A，從而垂直磁場具有零強度的位置從靶表面上的約0.5cm增加到靶表面上的約6cm。圖5表示在平行于靶的方向測量磁場強度的結果，并且是在源的陽極壁(14)測量的。圖5中的結果表示水平磁場的強度在靶下面的線圈中的電流為5A和零點是在靶表面上約0.5cm時的約15mT和靶下面的線圈中的電流為20A和零點是在靶表面上的約6cm時的25mT之間變化。參照圖4和5，這些圖表示使用為靶下面的線圈指定的線圈電流測量場強的結果，本領域技術人員應該理解，在使用陰極電弧源過程中可以采用在真空室內部和靶上面保持垂直場強中的零點的線圈電流的其它變化。
例1適于制備石墨靶的石墨粉末放置在爐子中并在250℃下加熱約5小時。粉末從爐子中取出，并在沒有如瀝青或柏油粘合劑的情況下在約230℃的溫度和約550MPa的壓力下被壓進模具中，該壓力被保持約30分鐘的時間。
得到的石墨靶的密度約為1.9g/cm3并且是圓柱形，直徑為60mm。
在過濾式陰極電弧源中使用該石墨靶，我們觀察到靶表面上的陰極斑點的直徑約為5mm。然而使用現有技術石墨靶，在陰極可以典型地看到很強的亮斑點和“紅色飛行物”。使用新靶卻看到非常少的“紅色飛行物”。而且斑點是淺藍色的，并且等離子體具有相似的藍色。
本發明人已經發現在本領域中不太極限的條件下模壓的多孔石墨靶產生分散到近以的、典型的10mm尺寸的電弧。這種分散電弧導致可以使用低得多的電流密度并在發射的等離子體束中產生明顯更少的宏觀粒子。
例2具有約為10微米直徑的粒子尺寸的石墨粉末還是在沒有粘合材料情況下在約230℃的溫度和約80、120、250、310、420和520MPa的壓力下被模壓成石墨靶。在具有雙彎過濾器管并基本上如在PCT/GB96/00389中介紹的過濾式陰極電弧源中測量淀積率。結果示于圖6中。
另外，通過在230℃的溫度和約80、180、250、310、420和520MPa的壓縮壓力下模壓尺寸約為10微米直徑的石墨粉末而制成靶。測量這些靶的密度，結果示于圖7中。
圖6表示使用約250MPa或250MPa以上的壓縮壓力產生最高淀積率得到的靶。在該壓力范圍產生的石墨靶的密度，如圖7所示，在1.7-1.9g/cm3左右。這樣，根據本發明制成的石墨靶在降低宏觀粒子數方面產生非常有利的效果，同時又沒有犧牲淀積率。
例3使用本發明的陰極電弧源，我們研究了使用商業上通用的靶和使用本發明的靶產生的電弧的特性。
產生的電弧經過視點被拍下照片，結果示于圖8和9中。圖8是從商業上的石墨靶產生的電弧。在照片上可以看到作為亮線的大量紅色飛行物。這些紅色飛行物指示形成在電弧中的宏觀粒子。
在圖9中的電弧中事實上沒有紅色飛行物，并且具有比商業上靶產生的電弧的更均勻的圖像。
ta-C膜是使用商業上通用的靶和例1的靶淀積的。圖10表示使用商業上通用的靶產生的放大500倍的膜照片，可以看到許多污點，表示膜中的宏觀粒子。看到的宏觀粒子的數量比使用商業上通用的靶并在商業上通用的陰極電弧源中產生的ta-C膜時的顯著減少。圖11表示在根據本發明的陰極電弧源中使用根據本發明的靶產生ta-C膜的放大500倍的照片。該膜沒有宏觀粒子。
本發明可以制造含有極少宏觀粒子的薄膜，如金剛石類膜，并具有廣泛的工業應用，例如硬盤驅動器和半導體制造，和用于涂敷光學元件。
權利要求
1.一種陰極電弧源包括石墨靶和用于在基本垂直于靶的方向產生具有零場強的磁場的裝置。
2.根據權利要求1的源，用于從石墨靶產生正離子，所述離子是在基本上垂直于靶的前表面的方向發射的，其包括真空室和用于在真空室中產生磁場的裝置，其特征在于磁場具有基本上垂直于靶的前表面的方向和在靶上面和真空室內部的位置上的零場強。
3.根據權利要求1或2的源，包括用于產生接近于靶并具有第一場方向的第一磁場的裝置和用于產生遠離靶并具有基本上與第一場方向相反的場方向的第二磁場的裝置。
4.用于從石墨靶產生正離子的陰極電弧源，包括用于產生磁場的裝置，其特征在于(1)在靶的前表面，基本上垂直于該前表面的場方向指向該前表面；(2)在所述方向的磁場強度隨著從靶到基本上垂直于所述前表面的零場強點的距離的增加而下降；和(3)從所述零場強的點，隨著到靶的距離的增加，場方向遠離靶的前表面。
5.用于從石墨靶產生正離子的陰極電弧源，包括用于產生磁場的裝置，其特征在于(1)在靶的前表面，基本上垂直于該前表面的場方向遠離該前表面并指向襯底；(2)在所述方向的磁場強度隨著從靶到基本上垂直于所述前表面的零場強點的距離的增加而下降；和(3)從所述零場強的點，隨著到靶的距離的增加，場方向指向靶的前表面。
6.根據前述任一權利要求的源，包括中心地位于真空室內部的陰極，其中真空室的內表面是陽極。
7.根據前述任一權利要求的源，其中在基本上垂直于靶的方向的零場強的點，在基本平行于靶的方向的場強至少為10mT。
8.根據權利要求7的源，其特征在于所述水平場的強度為15-35mT。
9.根據權利要求7或8的源，其特征在于零垂直磁場的點位于靶表面上方的2和6cm之間。
10.根據前述任一權利要求的源，還包括用于產生徑向電場以將從所述源產生的正離子聚焦成一束的裝置。
11.在石墨陰極靶上起弧的方法，包括(1)產生(a)具有第一場方向的第一磁場和(b)具有與第一場方向相反的第二場方向的第二磁場，以便產生從第一和第二磁場得到的磁場；和(2)在得到的磁場中起弧。
12.根據權利要求11的方法，包括改變用于產生第一或第二磁場的裝置中的線圈電流以便改變得到的磁場，從而最優化起弧。
13.根據權利要求11或12的方法，包括使用第一磁場以控制來自通過宏觀粒子過濾器的電弧的等離子體。
14.根據權利要求11-13的任一權利要求的方法，其特征在于第一和第二磁場基本上是同軸的。
15.根據權利要求15的方法，其特征在于第一和第二磁場基本上與從電弧發射的等離子體同軸。
16.用在陰極電弧源中的靶，包括在高溫和高壓力下模壓的平均尺寸大于2微米的石墨粉末。
17.根據權利要求16的靶，是在基本不含有如瀝青或柏油的粘合材料情況下被模壓的。
18.根據權利要求16-17任一權利要求的靶，密度為1.7-2.0g/cm3。
19.根據權利要求18的靶，密度為1.8-1.95g/cm3。
20.根據權利要求16-19任一權利要求的靶，是通過在至少150℃的溫度和至少400MPa的壓力下模壓粒子尺寸2-20微米的石墨粉末得到的。
21.制備用在陰極電弧源中的石墨靶的方法，包括在450-620MPa的壓力下和130-330℃的溫度下模壓不含有如瀝青或柏油的粘合材料的石墨粉末，以形成固體靶。
22.根據權利要求21的方法，包括在520-600MPa的壓力下模壓石墨粉末。
23.根據權利要求22的方法，包括在約550MPa的壓力下模壓石墨粉末。
24.根據權利要求21-23的任一權利要求的方法，包括在爐子中在100-400℃的溫度下預熱石墨粉末。
全文摘要
陰極電弧源具有用于產生彼此相反或反向的第一和第二磁場的裝置。所得到的磁場包括靶和襯底之間但接近于靶的零點。在零點垂直于靶的場強為零,而在零點平行于靶的場強很強。靶是通過沒有粘合材料而在高溫和高壓力下模壓石墨粉末制成的。源和靶都對減小淀積膜中的宏觀粒子起作用。
文檔編號C23C14/06GK1235695SQ97198178
公開日1999年11月17日 申請日期1997年7月24日 優先權日1996年7月24日
發明者X·史, B·K·塔伊, H·S·譚, D·I·弗萊恩 申請人:菲爾帕斯真空技術私人有限公司