过滤阴极电弧沉积设备和方法技术

一种真空沉积设备，包括用于在基板上施加涂层的阴极电弧源。阴极电弧源包括用于产生磁场的聚焦磁性源、包含膜形成材料的电弧阴极和阳极。聚焦磁性源安置在电弧阴极和基板之间。在阴极蒸发表面上产生的电弧斑被磁场线保持在磁场线垂直于阴极表面的地方。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
一种过滤阴极电弧沉积方法和设备，其中有效的离子转运和宏观粒子过滤是期望 的。
技术介绍
本专利技术涉及阴极电弧沉积方法和设备。更特别地，阴极电弧沉积方法和设备，其通 过蒸发材料的凝结而产生用于施加涂层到基板表面的导电材料的等离子。该设备，其包括 用于从离子流分离源材料宏观粒子的装置，能够用于在切削工具、成形工具和机械部件等 上形成高质量的耐磨层。 阴极电弧沉积大体上包括通过在真空腔室中电弧放电而从蒸发源（阴极）产生膜 形成材料的蒸气发射，和在施加负偏压下在基板上沉积蒸气。电弧放电集中在那里的一个 或多个电弧斑形成在蒸发源的表面上，所述蒸发源是电弧放电电路中的阴极。典型的电弧 电流是在50-500安培，电压为15-50伏。电弧等离子放电通过由电弧引起靶材料的气化和 离子化产生的等离子在阴极和阳极之间传导电流。所述靶通过在真空腔室中的低压电弧等 离子放电而蒸发，所述真空腔室已经被抽空到至少〇. 01帕斯卡的典型背景压力。阴极（负 极）是电离源结构，其在工艺过程中至少部分地被消耗。阴极的可消耗的部分称作靶，并 制造为可替换的元件，该可替换的元件夹持到称作阴极主体的冷却的不可消耗的元件。阳 极（正极）可以是在真空腔室中的电离结构，或者自身可以为真空腔室，并且在工艺过程中 不被消耗。 从电弧斑，源材料的离子、中性原子、宏观粒子，电子由于电弧斑的高温而以束的 方式发出。这些电离粒子优选地垂直于阴极靶面发出，与发出的电子一起形成等离子的源 材料的离子是在膜沉积中主要的重要的物质。阴极电弧沉积的一个显著特征是，入射蒸发 的离子的能量足够高以产生具有良好的硬度和耐磨性的高密度膜。在碳蒸发的情形下，根 据Decker的US5, 799, 549,本专利技术具有特别的功效，用于在剃刀的非常薄的切削边缘上形 成非常硬且刚性的高展弦比（high aspect ratio)的涂层。而且，快速的膜成形以及高生 产率的技术已经被工业应用。 电弧斑处的靶材料的气化的不期望的副作用是产生熔融的靶材料熔滴，所述熔滴 由于在电弧斑处的蒸气的膨胀通过反作用力从靶弹出。这些熔滴，通常称作宏观粒子，典型 地直径在亚微米到几十微米的范围。熔滴从阴极表面向外以这样的速度运动以使得当它们 落在待涂布的基板上时它们通常变为嵌在涂层中。这样，阴极电弧涂层通常被粘附到基板 表面的宏观粒子污染，或者在它们曾经粘附但是之后被移除的地方留下孔洞。粘性的宏观 粒子增大涂布的工件和接触配合件之间的摩擦系数。结果，软的宏观粒子留下孔洞，并且这 代表着开始腐蚀或者裂缝蔓延的地方。 因此，对能够防止或者降低宏观粒子的沉积同时在基板表面上形成均一的粘附碳 或者金属化合物涂层的工业方法和设备，存在明显的持续的需求。 已经发展出各种策略来减少结合到涂层中的宏观粒子的数量。通常有两种不同的 策略：第一种是利用某种形式的电磁场来控制和加速电弧从而减少宏观粒子生成的设备， 第二种是利用阴极源和基板之间的过滤设备以传输电离部分到基板，但是阻挡熔融的熔 滴。传统地，过滤设备可以构造为使用电磁场，该电磁场导向或者偏转等离子流。 因为宏观粒子是中性的，所以它们不会受到电磁场的影响。这是为什么过滤方法 能够有效工作的原因，所述方法是通过将基板安置在阴极靶面的视线之外，以使得宏观粒 子不会直接落在基板上，而电弧斑加速方法通常更为简单，但是并不完全消除宏观粒子的 存在。根据第二种的过滤设备可以在阴极腔室和涂布腔室之间提供等离子倾斜过滤管，其 中基板保持器安装在等离子源的光轴之外。因此，围绕设备聚焦和偏斜电磁场可以向着 基板导向等离子流，而不受电磁场影响的宏观粒子继续从阴极沿着直线行进。但是，宏观 粒子跳离管中的挡板会导致它们的一部分传输通过过滤器而到达基板。腔室内的挡板， 也称作宏观粒子隔火墙，物理地阻挡源于电弧源和过滤区域的中性粒子，如在Anders的 US2009/0065350A1 中提及的。 第一种的电弧斑加速方法通常比过滤方法更为简单，但是并不完全消除宏观粒子 的产生。而过滤方法通常可以更为有效，但它们给设备带来额外的复杂性并大幅降低其产 量。下面示出通过利用在阴极源和基板之间的某种类型的过滤设备以发射发出的粒子的带 电的电离部分并阻挡中性粒子来降低结合到基板上的涂层中的宏观粒子的数量的努力的 例子。 另一例子描述和不出在Gorokhovsky的名称为Filtered Cathodic Arc Deposition Method and Apparatus 的 US5, 435, 900 和 US2004/103845A1 中。该机械过 滤机构通过改变等离子流向着基板离开等离子源的光轴的路径，并且将宏观粒子捕集在大 致沿着阴极的光轴安置的挡板中，而捕集宏观粒子。但是，从靶材料到基板保持器没有直接 的视线。由于该原因，该设备结合由偏斜磁性系统围绕的等离子管、等离子源和离开等离子 源的光轴而安装在涂布腔室中的基板保持器，其中等离子源和基板保持器由聚焦电磁体围 绕。但是，靶材料和基板保持器之间的距离大得多以保证绝大部分的带电粒子将抵达基板。 在我们的本设备中，该距离已经被最小化以克服该问题并提高系统产量。再者，我们的设备 引入使用旋转电弧阴极，该旋转电弧阴极能够在其外部圆柱护套上消耗，与如在上面提及 的专利中提出的使用固定的平坦阴极相反。 在W02010/134892A1中，公开了一种具有可旋转的阴极的过滤阴极电弧沉积设 备，但是并不使用能够在其外部圆柱护套上消耗的旋转电弧阴极，而是使用在圆柱的基部 上消耗的电弧阴极。 使用包含90度弯曲的圆柱的等离子管，使得电磁线圈产生通过该管的螺线管磁 场，以及使得圆形电弧蒸发阴极在管的一端上以及基板在另一端。之前的过滤阴极电弧设 备是基于圆形的和平的或者圆柱的阴极和过滤器几何结构，因为它们的低的传输性而通常 限制了应用场合。长型的圆柱的阴极的例子被包括在Pinkhasov的美国专利US4, 609, 564 和 US4, 859, 489 ;Vergason 的 US5, 037, 522 ;以及 Welty 的 US5, 279, 898 中，这些专利全部 描述了使用圆柱或者杆形式的长型阴极，并利用电弧电流的自激磁场来使得其沿着阴极的 长度运动。Welty教导宏观粒子的生成可以通过施加额外的轴向磁场分量来加速和控制电 弧运动而降低。这通过连接阴极的两端到额外的电源而实现，所述电源递送电流通过靶材 料，从而在靶周围产生圆周磁场以控制电弧的纵向运动。我们的优点是，阴极仅通过电弧电 缆连接到它的头部。除此之外，电弧斑传感器有效地检测电弧斑的位置并且阴极旋转有助 于保持电弧斑在它的优化位置。 Tamagaki 的 US5, 127, 030 和 Treglio 的 US5, 317, 235 描述了没有弯曲的直的圆柱 过滤管，圆形阴极位于管的一端，电磁线圈产生通过该管的螺线管磁场并部分地阻挡从阴 极到基板的直接的视线沉积。由阴极发出的等离子由电磁场聚焦在系统光轴上。用于稳定 电弧的电弧限制环（所谓的阳极）位于靶周围。导致磁场的线圈在中心处垂直于靶面，并 压缩磁力线以将带电粒子带向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在真空中在基板上施加涂层的过滤阴极真空电弧沉积设备，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；‑连接到电流源(12)的负极的大致具有圆柱形状的至少一个可消耗的旋转电弧阴极；‑连接到所述电流源(12)的正极的与所述旋转电弧阴极相关联的至少一个阳极(10)；‑其中所述旋转电弧阴极在它的外圆柱护套上是可消耗的；‑安置在所述旋转电弧阴极和所述基板保持器(1)之间的用于产生磁场的至少一个水冷电磁线圈(8)；‑其中所述水冷电磁线圈(8)是长型的并且所述水冷电磁线圈(8)的所述磁场的最高强度的中心区域安置在大致平行于旋转电弧阴极轴的线上；‑其中由所述水冷电磁线圈(8)产生的磁场线(17)被大致限制在所述旋转电弧阴极和所述基板保持器(1)之间的空间中；‑其中所述阳极(10)被定位为以使得电弧放电燃烧从所述旋转电弧阴极，通过所述水冷电磁线圈(8)，到所述阳极(10)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.05 EP 11191978.31. 一种用于在真空中在基板上施加涂层的过滤阴极真空电弧沉积设备，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； _连接到电流源（12)的负极的大致具有圆柱形状的至少一个可消耗的旋转电弧阴极； -连接到所述电流源（12)的正极的与所述旋转电弧阴极相关联的至少一个阳极 (10); -其中所述旋转电弧阴极在它的外圆柱护套上是可消耗的； -安置在所述旋转电弧阴极和所述基板保持器（1)之间的用于产生磁场的至少一个水 冷电磁线圈（8); -其中所述水冷电磁线圈（8)是长型的并且所述水冷电磁线圈（8)的所述磁场的最高 强度的中心区域安置在大致平行于旋转电弧阴极轴的线上； -其中由所述水冷电磁线圈（8)产生的磁场线（17)被大致限制在所述旋转电弧阴极和 所述基板保持器（1)之间的空间中； _其中所述阳极（10)被定位为以使得电弧放电燃烧从所述旋转电弧阴极，通过所述水 冷电磁线圈（8)，到所述阳极（10)。2. 如权利要求1所述的过滤阴极真空电弧沉积设备，其中，所述水冷电磁线圈（8)的内 侧设置有反射宏观粒子的挡板（9)。3. 如权利要求1和2所述的过滤阴极真空电弧沉积设备，其中，所述水冷电磁线圈（8) 能够沿着所述旋转电弧阴极的所述旋转轴移动。4. 如权利要求1和2所述的过滤阴极真空电弧沉积设备，其中，与所述磁场相反地取向 的其它磁场源（6)被安置在所述旋转电弧阴极中。5. 如权利要求4所述的过滤阴极真空电弧沉积设备，其中，所述其它磁场源（6)的至少 一部分是能够沿着所述旋转电弧阴极的所述旋转轴运动的铁磁芯（7)。6. 如权利要求1-5所述的过滤阴极真空电弧沉积设备，其中，其它阳极（24)被安置在 所述旋转电弧阴极和所述水冷电磁线圈（8)之间，其中由所述电流源（12)产生的电弧电流 被分为所述其它阳极（24)和所述阳极（10)，其中，抵靠着所述其它阳极（24)燃烧的电弧电 流与抵靠着所述阳极（10)燃烧的电弧电流的所述电弧电流比率是在〇. 1-10的范围内。7. -种用于在涂布设备中在基板上施加涂层的方法，所述涂布设备包括： -真空涂布腔室（2)，基板保持器（1)被安置在所述真空涂布腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：M吉雷克森，M吉雷克琼，O柯德特，
申请(专利权)人：帕拉迪特公司，
类型：发明
国别省市：捷克;CZ