CN102308359B - 用于电弧蒸镀源的可修改的磁铁配置 - Google Patents

Abstract

一种用于在工件上产生硬材料层的电弧蒸镀源。本发明包含电弧蒸镀源，其由至少一个电磁线圈以及可相对于靶表面移动的永久磁铁装置组成。该蒸镀源可以与氧化物层、氮化物层或金属层的不同要求匹配。在待蒸镀的靶的寿命期间的速率下降可以通过永久磁铁与靶正面之间匹配的距离来保持恒定或调节。可以在层粗糙度和速率之间调节出一种折衷。

Description

用于电弧蒸镀源的可修改的磁铁配置

本发明涉及一种用于在采用强反应气体、采用弱反应气体以及不采用反应气体的涂层过程中使用的电弧蒸镀源的磁铁系统。

此外，本发明涉及一种用于电弧蒸镀源的磁铁系统，该磁铁系统将蒸镀速率在整个靶寿命期间保持恒定并且还允许最佳地调节速率和液滴发射。

典型的、利用火花蒸镀运行的PVD涂层设备包括与真空泵组连接的真空室，该真空泵组在该设备中产生与过程相关的真空。所述真空室中的衬底固着装置用于容纳衬底（工具或元件或其它部件）并且在预处理和涂层期间固定该衬底。该衬底固着装置以及由此该衬底本身可以在处理期间以及尤其是在涂层期间借助于衬底偏压电源施加电压，由此该衬底固着装置以及该衬底被离子轰击（负电压）或者被电子轰击（正电压）。所述衬底偏压电源可以是直流的、交流的或者双极或单极的衬底电压源。

涂层借助火花源来进行。这些火花源包括靶，靶的材料通过火花来蒸镀。通过磁器件引起的源磁场确定火花是否在特定的轨道上被引导（所谓的“操纵的电弧（steeredarc）”）以例如减少飞溅物，或者确定火花是否能够或多或少地在靶表面上自由移动（所谓的“随机电弧”），这大多导致更好的靶利用以及更高的蒸镀速率。

也就是说，磁铁系统被用于将火花在靶上移动。所谓的电弧操纵（ARC-Steering）借助特殊定向的磁场允许影响火花的速度以及在靶表面上限定火化轨道，以实现靶的尽可能好的体积利用。

如在“HandbookofvacuumARCscienceandtechnology,Boxman等人，第3章CathodeSpots”中所说明的，不同类型的电弧斑点及其移动是不同的。原则上根据气体的反应性观察到以下事实。

a)在真空中或者采用诸如氩的惰性气体的电弧蒸镀

火花相对缓慢地在通过所述磁场预定的轨道上行进，这些轨道在圆形靶的情况下主要是圆形的。随机移动所占的份额很小。蒸镀速率在这种情况下相对高。蒸镀在发射相对大的液滴的情况下进行。火花的速度以及火花在靶上的“轨道直径”可以通过磁场来调节。在这样的方法中称为金属火花。图1示例性示出相应的轨道。

b)在诸如氮的弱反应气体中的电弧蒸镀

氮在靶表面上反应并且形成若干原子位置的氮化物层。在此可以确定火花速度的提高。

火花速度的进一步提高通过更强的、与靶表面平行分布的磁场来实现。所发射的液滴在此有利地为更小的。一般来说，可以建立涉及表面反应性的均匀关系，也就是在靶表面上建立起蒸镀速率和氮反应速率的稳定设置。

由于氮化物相对高的导电性，火花腐蚀也可以在氮化物表面上进行。因此在氮化物表面上还产生材料的净损耗，也就是说，在靶表面上非持续进行的涂层会形成导致靶中毒的区域。图2示出了相应的变化过程。

c)在诸如氧或乙炔、甲烷的强反应气体中的电弧蒸镀

在此产生该反应气体与靶表面的强烈反应。在正常情况下，这在例如使用氧的情况下会产生电绝缘层。为了获得稳定的关系，重要的是能够在整个靶表面上保持净蒸镀。具有小的局部蒸镀速率的区域是绝缘的，因此还继续被排除在蒸镀之外。靶表面在此“中毒”了，其中该过程一般是进行中的并且在结束时还只有在靶上的一小块面积部分承载火花放电。特别是将具有大的径向分量的高的磁性场强用于提高火花速度并由此减小液滴大小的情况下，产生局部蒸镀速率的强烈非均匀性并由此导致靶的其它区域更快中毒。

如在US2008020138A1（J.Ramm等人）中提到的，例如仅在磁场小于最大场强或者根本就不使用磁场的时候才可能进行AlCr氧化物的稳定蒸镀。在使用强磁场的情况下，当然与靶表面平行的磁场分布是非常不均匀的，因此在靶表面上很快形成具有绝缘层的区域。相应的火花变化过程在图3中示意性示出。

因此如上面讨论的，利用同样的金属靶可以产生不同的层，其方式是例如利用惰性气体、弱反应气体或强反应气体来涂层。惰性气体与靶材料不形成化合物，而反应气体会在靶表面上产生导电或绝缘的层。为了获得稳定的涂层过程，有利的是在靶表面上以及在靶表面上方实现与任何这些情况都匹配的磁力线分布，该磁力线分布分别影响在行进中的火花轨道以及速度。

给出了不同的、由现有技术公知的在靶表面上以及在靶表面上方实现磁力线分布的可能性。这例如可以用永久磁铁和/或利用电磁铁和/或它们的组合来实现。

此外，设置可相对于靶表面移动的、由现有技术公知的磁铁装置，从而由于由此可实现的电弧轨道的可移动性而能够实现靶材料的均匀消耗。相应地在DE10127012A1中，Curtins公开了一种具有固着装置的磁铁装置，从该固着装置出发是环状线圈以及永久磁铁。为了借助该磁铁装置，也就是由该环状线圈和永久磁铁产生的磁场在电弧斑点的区域内建立可作用于靶的表面的磁场，使得电弧或电弧斑点可以在限定的轨道中覆盖靶的整个表面，并且结果是进行靶材料的均匀消耗，可以将磁铁装置作为单元朝着靶移动，而且是在与靶平面平行分布的平面中。此外，该单元必要时还可以与靶之间间隔期望的幅度（Umfang），也就是在Z方向上进行移动。

EP00459137B1公开了一种具有中极永久磁铁和边缘永久磁铁的磁场装置，该中极永久磁铁和边缘永久磁铁都可以共轴地、也就是垂直于靶表面地移动。此外，在靶的区域内设置电磁环状线圈，该环状线圈在电弧放电时可以被控制为，使得该环状线圈影响所形成的电弧轨迹并由此有助于靶的耐用度的提高。在EP00459137B1中，靶位于环状线圈的内部空间中。靶表面和线圈末端根据EP00459137B1的图2基本上位于一个平面内（参见本申请的图16）。

相应地，所述线圈包括靶并且还包括作为容器表示的真空室的室壁的一部分。由此实现了，通过该线圈产生的磁场在靶表面上基本上不具有径向分量。因此，这样的垂直线圈场对电弧的斑点在靶表面上方移动的速度没有影响。

相反，有利的是具有一种磁场装置，该磁场装置由于靶边缘上的力线分布而导致更高的速度并因此导致更少的停留持续时间。这将导致靶具有集成的用于产生磁场的器件，利用该靶可以有效地既利用强反应气体又利用弱反应气体以及惰性气体进行火花蒸镀。

根据本发明，该任务通过一种磁场装置解决，该磁场装置包括边缘永久磁铁和至少一个环状线圈，其中所述边缘永久磁铁能基本上垂直于靶表面地远离靶移动，并且该边缘永久磁铁在靶表面上的投影与环状线圈在靶表面上的投影相比离靶表面的中心更远。在此，环状线圈设置在靶后面，并且具有通过绕组限定的内直径，该内直径不显著大于靶的直径并且优选小于或等于靶的直径。

发明人已经确定，在边缘永久磁铁远离靶以及接通线圈电流的情况下，涂层过程明显比利用根据EP00459137B1的图2的线圈装置的涂层过程更稳定。因此这使得利用这样的装置实现了，通过流通电流的线圈所激励的磁场的力线在靶表面的中心区域中基本上不包含径向分量，而该力线在靶表面的边缘区域中包含径向分量。

为了加以说明，在图17中示意性示出由线圈产生的磁场（确切的说是磁力线的分布），并且在图18中示出与紧接在线圈末端上方的线圈轴之间的距离相关的轴向分量和径向分量。

根据本发明的另一方面，所述磁场装置附加地包括中心永久磁铁，其中环状线圈的内部在靶表面上的投影与该中心永久磁铁在靶表面上的投影相比离靶表面的中心更远，并且该中心永久磁铁可以基本上垂直于靶表面地远离靶移动。

然后，利用示例并借助附图详细解释本发明。在此图4示出具有根据第一实施方式的磁铁系统的靶。

所述磁场如图4中所示通过固定设置的线圈（4）以及通过永久的磁铁装置（5,5a）产生。具有磁铁容器6的该磁铁装置可在轴向方向上远离靶地移动。这种可移动性由图5示出。

对于上面描述的磁铁系统，给出如下基本设置。

设置1，如图6中示意性示出的：

永久磁铁采取这样的位置，在该位置时该永久磁铁的极离涂层材料最近（位置“前面”）。优选的，线圈末端和极在这种设置的情况下基本上位于一个平面内。线圈电流被接通。该线圈电流可以被接通为正的也可以被接通为负的（8），并且还可以被调制。该设置产生大约60-100高斯的强磁场。由此该设置例如适用于蒸镀氮化物层。通过该高的磁场强度及其径向分量，火花迅速移动。由此产生平滑的层。利用线圈的叠加在永久磁铁的场上的磁场，影响力线的分布并由此影响火花的轨道。优选的，线圈电流间或被调制并由此实现腐蚀槽的加宽。

利用这样的设置，完成了诸如TiN、TiAlN、AlTiN、AlCRN、TiSiN的硬材料层的产生。

设置2，如图7中所示：

永久磁铁（5，5a，6）被“拉回”5-50mm，也就是与靶表面的距离比设置1中的远5-50mm。线圈电流又被接通并且可以是正的或负的以及还可以被调制。

该设置根据位移逐步产生10-40高斯的磁场，包括叠加的线圈场。一方面随着位移的增加可以提高蒸镀速率，其中由此预计必定得到具有更大液滴的更粗糙的层。另一方面，在使用诸如氧和/或乙炔的气体情况下通过移动磁铁装置（5，5a，6）可以在靶表面的多个点上建立靶中毒与腐蚀速率之间的平衡。由此可以使涂层过程显著稳定。

该设置既适用于在高涂层速率的情况下产生诸如TiN、TiAlN、AlTiN、TiSiN的氮化物层，又适用于在使用诸如乙炔或甲烷的气体情况下产生碳氮化物或碳化物。但是，首先该设置还适用于相应于靶的原材料而产生诸如Al₂O₃、ZrO、TiO₂的极为不同的氧化物层或者它们的混合物。

设置3，如图8中所示：

在该设置中永久磁铁被拉回多于50mm，也就是完全与线圈分离。线圈场又被接通，正的或负的和/或必要时被调制。但是，永久磁铁装置的磁场分量可被忽略地小。根据电流强度所述线圈场大约是5-15高斯。

该设置适用于除去金属层和/或氮化物层、碳氮化物层、碳化物层和/或氧化物层。如上面已经进一步讨论的，对于强反应气体来说，线圈的磁场不应当太高（最大大约是10高斯）。由此才可以进行电弧蒸镀器的运行而不会使靶区域中毒。

设置4，如图9中所示：

永久磁铁被拉回多于50mm，线圈电流断开。在该设置中，在靶表面上不存在值得一提的磁场。电弧源在所谓的随机模式下运行。这尤其是在诸如氧的强反应气体的情况下是有利的。在此，电弧放电的火花随着非常多的电弧斑点而以随机的方式在靶上行进。该放电非常稳定地进行并且不可能形成具有靶中毒的区域。

但是，如果该磁铁设置是金属地（没有反应气体或在强真空中）或者氮化物地运行，则在非常高的液滴含量的情况下会观察到高的蒸镀速率。

如从附图中得知的，在真空室中的所有源位置都可以用同一个靶实现。也就是说，在同一个涂层过程中可以通过根据图6-9改变磁铁位置而可选择地为了产生金属、氮化物、碳氮化物、碳化物或氧化物而将磁场与要求最佳匹配。不需要排他地为各层类型保留源位置。由此可以实现具有高生产率的涂层过程。

通过这种方式和方法，利用同一个AlCr靶（70%:30%）对具有3层的以下层系统进行涂层：

1）具有设置1的金属附着层。在此可以观察到靶的腐蚀通过线圈的摆动来优化

2）AlCrN作为具有设置2的第一硬层

3）AlCr_yO_x作为具有设置3的第二硬层。

在第二示例中使用Ti靶。首先又施加具有设置1的金属附着层。此外，通过线圈的摆动优化靶的腐蚀。接着施加具有设置2的TiCN层，然后施加具有设置3的TiN层。

根据本发明的另一方面，公开了用于电弧蒸镀源的磁铁系统，利用该磁铁系统在整个靶寿命期间保持蒸镀速率恒定。此外，该磁铁系统允许最佳地设置速率和液滴发射。

此外，电弧源的蒸镀速率非常强烈地通过与靶表面平行的磁场来确定。更强的磁场提高了火花的速度并因此降低了蒸镀速率并同时除去了平滑的层。随着靶腐蚀的增加，靶表面越来越靠近位于靶表面后方的磁铁系统，这通过磁场强度的剧烈增加以及涂层速率的下降来表示。本发明的磁铁系统可以通过永久磁铁装置的移动来补偿靶表面与磁铁系统之间的距离变化，并因此保证在靶的整个使用持续时间内具有恒定的蒸镀速率。

靶表面与磁铁系统之间的距离基本上确定了磁场强度并因此确定了蒸镀的速率。在新的未被消耗的靶的情况下，存在最大距离并因此存在最小磁场强度。在该涂层过程期间的腐蚀导致靶表面与磁铁系统之间的距离连续减小，并因此导致磁场强度的提高和速率的降低。这将借助图10的具有圆形符号的数据序列表示。

为了补偿如上所述的过程，根据本发明相应于腐蚀深度从靶拉回磁铁系统，以便在新靶的情况下基本上产生原始状态。由此在靶的整个使用时间段期间（靶寿命）实现基本上恒定的速率。这在图10中由具有菱形符号的数据序列示出。图12与图11相比还为了说明状况而示出大约厚度D的靶的腐蚀以及相应的向下移动的永久磁铁。

如上已经提到的，液滴的发射（大微粒）或所发射的液滴的大小尤其是取决于通过磁场移动的火花的速度（电弧操纵）。通过永久磁铁位置的合适设置，可以调节高速率与粗糙层之间或低速率与平滑层之间的源。这通过图13表示，图13示出层粗糙度（Rz,Ra）与通过磁铁系统调节的涂层速率的相关关系。

在图14中附加地还示出涂层速率如何依据磁铁位置变化以及因此可以如何调节速率。

因此，永久磁铁的跟踪一方面通过恒定的蒸镀速率和恒定的放电电压导致涂层过程的稳定。此外该涂层过程的持续时间通过所述恒定的速率而对同类型的涂层来说几乎相同，而与靶老化无关。但是借助本发明的磁铁系统，还可以实现，针对不同的要求调节不同的速率并且可以有针对性地影响诸如粗糙度和微型结构的层特性。

根据本发明的另一方面，可以将在待涂层的工件的平面上的层厚度分布调节为均匀的。这是借助本发明的磁铁系统在一种实施方式中这样来实现的，即内部的永久磁铁相对于靶来说与外部的永久磁铁无关地被拉回大约50mm。外部的永久磁铁还可以与靶垂直地移动，优选移动几毫米。这在图15中示出。

线圈电流可以施加为正的也可以施加为负的，其中可以根据线圈电流的符号改变电弧源的蒸镀特性。也就是说，可以调节分布特性。

Claims (8)

1.一种电弧蒸镀源，具有设置在靶上的磁场装置以用于在靶表面以及靶表面上方产生磁场，其中该磁场装置包括边缘永久磁铁和至少一个设置在所述靶后方的环状线圈，该环状线圈的通过绕组限定的内直径小于或等于靶的直径，在任何情况下都不显著大于靶的直径，其特征在于，所述边缘永久磁铁能基本上垂直于靶的表面远离靶移动，并且所述边缘永久磁铁在靶表面上的投影与环状线圈在靶表面上的投影相比离靶表面的中心更远，其中能够通过永久磁铁装置的移动来补偿靶表面与磁铁系统之间的距离变化，以及

其中能够相对于所述靶根据气体的反应性设置所述边缘永久磁铁的至少三个位置，使得在第一位置中所述边缘永久磁铁与所述靶的距离是小的，使得借助所述永久磁铁装置的磁场分量产生60-100高斯的强磁场，在第二位置中与在第一位置中相比所述边缘永久磁铁与所述靶的距离更远，使得借助所述永久磁铁装置的磁场分量产生10-40高斯的较弱磁场，并且在第三位置中所述边缘永久磁铁远离所述靶到如下程度，即所述永久磁铁装置的磁场分量可被忽略地小。

2.根据权利要求1所述的电弧蒸镀源，其特征在于，所述边缘永久磁铁的可移动性与环状线圈无关地实现。

3.根据权利要求1和2之一所述的电弧蒸镀源，其特征在于，所述边缘永久磁铁的极性主要地对所有来说都相同。

4.根据权利要求3所述的电弧蒸镀源，其特征在于，在所述环状线圈的内部设置中心永久磁铁，该中心永久磁铁具有与边缘永久磁铁的主要极性相反设置的极性。

5.根据权利要求4所述的电弧蒸镀源，其特征在于，所述中心永久磁铁能基本上垂直于靶的表面远离靶移动。

6.根据权利要求5所述的电弧蒸镀源，其特征在于，所述中心永久磁铁通过引导磁通量的连接而与所述边缘永久磁铁固定连接。

7.根据权利要求5所述的电弧蒸镀源，其特征在于，所述中心永久磁铁能与边缘永久磁铁无关地基本上垂直于靶的表面移动。

8.一种具有根据权利要求1至7之一所述的电弧蒸镀源的电弧蒸镀设备。