CN103748655A - 碳火花蒸发 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行脉冲断续火花放电的方法。火花通过电容器来馈电。在脉冲之间有断开的时间间隔，在断开的时间间隔期间没有火花电流流动。在脉冲之内，即在接通的时间间隔期间在达到电流阈值时电荷输送被停止并且重新开动，使得在脉冲之内出现子脉冲。按照本发明，时间间隔和子脉冲被选择，使得在重新接通电容器时火花放电没有困难地重新点燃。

Description

碳火花蒸发

本发明涉及一种用于阴极火花蒸发碳靶或含碳多的靶以便制造碳层或包含大量碳的层的方法。

本发明尤其涉及制造没有氢含量或仅具有小的氢含量并且其硬度可以在宽范围内变化的硬碳层。

按照本发明，对一种装置进行说明，所述装置允许在低压时通过电气途径、即无需机械的点火接触并且以相应高的重复频率的可能性点燃火花。

此外，所述装置允许，在面积也较小并且具有小的磁场支持或没有磁场支持的碳靶上安全地对火花进行引导，以便保证在真空中可再生的涂层。

按照本发明，在另一部分中对一种装置和一种方法进行描述，所述装置和方法允许在涂覆时对多次充电的碳离子的含量进行控制并改变涂覆速率。

方法和装置之间的有利的组合被用于大大地降低或避免在火花蒸发时产生的飞溅物(Spritzer)嵌入沉积的层之中。

最后，本发明还涉及一种利用该方法在使用所公开的装置的情况下制造的不含氢的碳层，所述碳层的硬度和表面粗糙度可以在宽范围上变化并且利用所述碳层可以有目的地优化由涂覆体和对应的相接件形成的摩擦系统。

所述层的一个重要的实施在于，掺杂有其它元素，尤其是金属和气体，但是没有较大量的氢被嵌入。

碳的阴极火花蒸发是多年以来已知的用于涂敷工具和元件的方法。在该方法中靶由待蒸发的碳组成并且在火花放电中作为阴极运行。

现有技术是利用脉冲火花电流执行碳的阴极火花蒸发。直流运行导致火花“咬住”在靶的一个位置上。这可能在于，与通常的用于较高温度的金属导体不同，石墨具有较小的比电阻并且因而在较小的电压时在靶的已经热的位置上促进火花运行。火花电流的脉冲使火花转向，并且阻止火花停留在斑点上并且因此燃烧到靶中。

原则上有两种生成脉冲火花电流的方式。第一种方式(以下称为方法A)在于，使额外的电流脉冲IKP与持续的火花电流IKD叠加。这在图1中被示意性地示出。另一种方式(以下称为方法B，图2)在于，只是使火花电流的电流脉冲IKP接连排列，其中在电流脉冲之间总是再次切断电流并且因此也必须为每一个脉冲再次重新点燃火花，也就是说，以断续的火花电流工作。

两种方法具有优点和缺点。在Grimm发表的文章EP_00666335_Al中描述的方法A具有优点，即只需要一个点火过程来触发持续的火花电流IKD。电流脉冲IKP与所述持续的火花电流叠加并且因此不需要自己的点火，如果电流脉冲具有高的频率，这是特别有利的。因为由此只是在涂敷过程开始的时候必须触发持续的火花电流，因此可以以稳健的和在生产时通常的点火通过阴极与阳极之间的短时间的低欧姆的机械接触工作。可以通过并联的电容器放电装置或通过并联的单极电压电源使由直流电源馈电的持续电流IKD与脉冲电流IKP叠加。但是，也可以使用商业上可获得的脉冲电流电源(例如那些为脉冲焊接开发的电源)，所述脉冲电流电源允许在某一范围内调节脉冲参数(频率、脉冲高度、脉冲宽度、脉冲陡度)。

相应地，在Ramm等人发表的文章WO2009／059807中对尤其用于制造ta-C层的脉冲方法进行了描述。在此，导致基本电流的直流电压与电压脉冲叠加，所述电压脉冲影响电子发射特性，使得阻止火花底点的“咬住”，也就是说，阻止火花底点较长时间地停留在靶表面的非常小的区域上。在此，直流电流电源利用基本电流实现，使得等离子放电被保持不中断。

但是，如果方法A被用于制造硬的碳层，在这种方法中持续的通过电流的必要性具有两个缺点。第一个缺点在于以过高的速率、即通过持续的火花电流经由蒸发施加层的危险。已知的是，过高的涂覆速率减少碳的类金刚石的sp3键，这在由Yin等人在Thin Solid Films(1996)95-100中发表的著作“A theory for theformation of tetrahedral amorphous carbon including deposition rate effects”中被描述。

于是这导致，沉积的层变得更软，如果这些层应被用作防磨损层，则这是不值得期望的。一种可行的解决办法在于，以或多或少大的时间间隔中断涂覆。但是这于是意味着，每次必须再次重新点燃并且由此部分地失去在脉冲电流与持续的火花电流的组合时仅一次性点燃的优点。该方法的另一个缺点在于，较高地被加载的碳离子的含量在持续的火花情况下较低。

另一种方法、即方法B利用电流脉冲工作，在所述电流脉冲之间火花电流分别再次退回到零。为此必要的是，每个电流脉冲也必须再次重新被触发。存在多种实现这种点火过程的方法。这些方法例如在由Anders等人在J.Phys D：Appl.Phys，31，(1998)，584-587发表的“′Triggerless′triggering ofvacuum arcs”中被描述。所有这些方法都具有共性，即它们在开始时在阴极或阳极上生成等离子体，然后所述等离子体使这两个电极之间的路段对于火花放电来说足够导电，该火花放电于是在静态下在小的放电电压的情况下进行。点火机构的可靠性是不同的。这也适用于在特定点火装置必须再次被检修之前利用该特定点火装置可实现的最大脉冲数。这意味着，每次都必须执行大规模的维护工作。在最好的情况下没有这样的修正而实现大约100000个脉冲。这将意味着，在30小时的运行时间之后(在1Hz的脉冲频率情况下)这样的修正将等待处理。但是，如果利用更高的频率、例如1kHz的脉冲频率工作，则该过程将必须在将近2分钟之后被中断。于是利用现有的点火机构还要更少地可实现较高的频率。但是，目前几乎没有使用超过10Hz的频率，至少没有在生产中用于涂覆过程。其原因在于，脉冲的重复率受电容器的充电时间的限制。也就是说，在方法B中的脉冲的持续时间(长度)通常通过电容器放电的特性参数或通过在火花电流电源中的脉冲持续时间断开被调节。

总的来讲可以说，方法A和B相互比较具有优点和缺点。在方法A中只需要初始点火并且然后持续的火花电流与频率也很高的电流叠加。但是，可能不利的是，直流电流部分确定对层特性起过大影响的最小蒸发速率。以下事实也是不利的，即脉冲内的火花电压只是短时间地导致可困难地控制的、通过直流火花放电的低阻抗确定的电压升高。这也许限制多次充电的碳离子的生成。

方法B的优点是在点燃火花时相对高的电压(对多次充电的碳离子的生成的积极影响)和以下可能性，即调节火花持续时间，使得在火花到达靶边缘并跳跃到其它材料上之前使火花(例如在靶中心中点燃时)中断。脉冲的频率首先受点火机构的速度的限制。但是，如上面已经论述的，大多数的点火方法在高频率时并且在长的过程持续时间上是不可靠的和／或造成太高的费用。

根据到目前为止所述的内容，因此如下方法是值得期望的，所述方法有小的直流电流部分就够了或没有直流电流部分也行，但是在此情况下在脉冲内具有高的工作电压，此外在该高的工作电压情况下能够以高的频率工作并且可靠地并以少量的花费进行脉冲点火。

在用于在碳靶上点燃并且运行阴极火花的方法情况下的缺点因此可以概括如下：至今的在火花蒸发情况下的方法或是以与脉冲叠加的直流火花电流为基础或是以通过额外的点火装置运行的断续的火花为基础。方法A的脉冲叠加只导致在脉冲上升时火花放电的小的电压升高和多次充电的离子的随之出现的相对较少的生成。此外，电容器的必要的充电时间限制脉冲部分的“占空比”。在方法B的纯脉冲运行的情况下频繁的点燃降低涂敷过程的可靠性和／或只能通过很昂贵的解决方案实现。

本发明的目的是，对一种用于碳的阴极火花蒸发的方法进行说明，利用所述方法能够以很高的频率和短的脉冲持续时间实现点火序列，而方法A(不断地置于下面的直流电流)和方法B(在每个脉冲时点燃)的限制不是必要的。

优选地，所述点火方法不仅可以与如可以在方法A中应用的“缓慢的”初始点燃组合，但是也可以与如在Anders等人中所述的断续脉冲运行的“快速的”、不是以机械接触为基础的点火方法组合。

本发明应能够实现断续的脉冲运行，而在初始点燃之后不需要额外的、外源的点火机构。

本发明的一个重要方面是以下可能性，即针对脉冲调节放电电压的大小，以便由此有目的地影响碳蒸汽的离子化程度。

本发明的另一个目的在于，对用于制造碳层的涂敷方法进行说明，所述方法在火花涂敷时允许可变的脉冲-间歇比，以便因此在衬底上实现最佳的涂覆速率调节。

此外，按照本发明的方法应是对方法A的改进，其方式是，按照本发明的方法与由短脉冲时间的单个脉冲的快速序列形成的多脉冲组合提供以下可能性，即，使火花放电的放电电压相对于在传统的直流电压火花放电的情况下的放电电压显著提高。

该任务通过如下方式来解决，即在阴极火花蒸发时火花放电借助至少一个电容器的放电来实现并且相应的放电电流以通常的方式通过周期性地接通和断开电容器被控制，其中按照本发明，在接通的时间间隔之内放电电流在达到事先确定的大小时短时间地被中断。这在脉冲之内导致另外的脉冲，这些脉冲在下文中被称作子脉冲。

令人惊讶的是，不需要直流电压部分用于初始化子脉冲。也就是说，在脉冲之内，火花放电可以在断开电压之后没有困难地再次被启动。不需要从外部触发的点燃。同样不太必要的是通过直流电压部分来保持火花。

但是，还要更令人惊讶的是，由于在真正的脉冲到期之后、在断开电容器之后和在静止间隔到期之后的子脉冲，接通电容器导致重新启动火花放电，更确切地说没有困难地，即，不需要从外部触发的点燃。因此在脉冲之间也不需要基本电流。与在现有技术中不同，按照本发明，火花运行以显著的中断进行。

这一方面具有优点，即通过在接通的时间间隔之内的子脉冲，蒸发的粒子的电离明显增加。另一方面，在静止间隔之后只通过接通放电电压来再次点燃火花的可能性具有优点，即可以没有问题地限制涂覆速率并且因此此外存在实现sp3含量大的硬碳层的可能性。

为什么可以没有困难地在子脉冲时重新点燃以及在静止间隔之后重新点燃还没有完全搞清楚。但是，发明人猜测，通过提高蒸发的粒子的电离度，点火阈值大大被降低，使得低的电压已经足以重新点燃火花。猜测，这可能还由于离子化的粒子的惰性、尤其是也在静止间隔到期之后适用。

必须指出，根据子脉冲的脉冲持续时间和数量可以将脉冲之间的静止间隔选择为多长的问题与所使用的火花蒸发设备的当前情况直接相关。但是专业人士根据实验可以容易地确定，在哪一个静止间隔持续时间的情况下不再点燃火花。

下面根据实例并借助于附图对本发明进行详细描述，而这并不对一般的发明构思进行限制。

附图示出：

图1：方法A(现有技术)的示意图，

图2：方法B(现有技术)的示意图，

图3：真空涂覆设备和具有电源的布线，

图4：在根据按照现有技术的方法A以500Hz的脉冲频率运行火花放电时UKA和IKP的时间变化曲线。作为脉冲长度，预先给定了100μs的时间，

图5：在根据按照现有技术的方法A以500Hz的脉冲频率运行火花放电时更好地被分辨的单个脉冲的UKA和IKP的时间变化曲线。该脉冲的触发信号为100μs。在预先给定的脉冲时间期间实现电流上升，其中电流已经在100μs之前达到可自由选择的、大约720A的电流限制，这导致在大约40μs之后的电压断开。

图6：在脉冲火花放电(改进的方法A)情况下的运行的图解说明。直流电流电源(5)提供30A的IKD(未显示)。脉冲利用脉冲电流电源(6)与该直流放电叠加。在图中示出了脉冲电流IKP。在该情况下脉冲长度被确定为800μs(触发信号被说明)。在脉冲之间设定了1200μs的脉冲间歇。分别在大约700A时进行电流断开。在这些条件下观察在预先给定的脉冲的长度上脉冲束的形成，所述脉冲束分别由6个子脉冲组成。

图7：图6的曲线的更好的时间分辨率。在大约700A时在电流限制的情况下预先给定的脉冲长度为800μs。在该脉冲长度内通过电流限制生成6个子脉冲，其中在每个子脉冲内电压经过大约40μs被稳定在较高的水平上。

图8：脉冲火花放电的按照本发明的运行。该图显示对于切断的(对应于只利用断续的脉冲的运行)直流电流电源(5)的情况UKA和IKP的时间变化曲线。预先给定1000μs的脉冲长度和同样1000μs的脉冲间歇。

图9：图8的更好的时间分辨率。显示了具有7个子脉冲的单个脉冲。从曲线可以看出，60V左右的点火电压足以在单个脉冲之内再次触发子脉冲，而不需要额外的点火装置。令人惊讶地，这些电压也足以在1000μs之后再次触发单个脉冲。

图10：该图显示对于900μs的预先给定的脉冲持续时间UKA和IKP的时间变化曲线(按照本发明没有直流电流置于下面)，在该变化曲线中生成6个子脉冲。作为脉冲间歇，选择了1100μs的时间。对于这种情况，点火运行利用纯断续的脉冲正好还能实现。对于该根据实验的配置中的较短的脉冲长度和较长的脉冲长度，不再能够可靠地保证点火。

在图4～6中分别示出了3个曲线。最上面的曲线对应于电流变化曲线。右侧的轴相应地是相关的。中间的曲线对应于电压变化曲线。左侧的轴相应地是相关的。最下面的曲线应只显示脉冲持续时间。其幅度是按随机单位选择的。

在OC Oerlikon Balzers股份公司的Innova型号的真空涂覆设备上进行了试验。对于专业人士通过说明书该方法到另外的真空涂覆设备的可转用性。

真空涂覆设备示意图性地在图3中被示出并且包括可抽成真空的容器1，可旋转的衬底支架4位于所述容器内，用于接纳待涂覆的衬底。在全部的试验中，氩气以200sccm的流量被准许进入抽成真空的容器内，其中在容器内出现0.6Pa的总压力。氩气的压力范围可以在宽范围内变化并且也可以使用其它气体，例如氮气。

此外，火花蒸发源位于该可抽成真空的容器内，所述火花蒸发源包含待蒸发的由碳构成的靶2。靶2相应地以被机械支承并且与接地的容器1绝缘的方式被安装。该靶作为火花放电的阴极被连接。附加地，阳极3位于容器内，所述阳极优选地被安装在阴极运行的靶2的附近。阳极3在空间上接近靶2使火花运行、首先在断续的脉冲序列的情况下利用“自点燃”或没有额外的外源点燃的点火过程变得容易。阳极3的中心布置也有助于火花的稳定，因为阳极促进首先在靶中心的点火过程并阻止火花向靶边缘移动。火花电流的脉冲也有助于稳定火花放电。过去，因为火花电流的脉冲阻止火花保持在靶的斑点上，但是也因为，并且特别是在断续的火花运行的情况下阻止该保持，因为优选地通过阳极3相对于靶2中心的安置，火花电流的脉冲促进靶中心的火花点燃并且在火花可以到达靶边缘之前，火花电流可以(通过调节脉冲长度)被中断。使用两个电源用于靶2的阴极火花蒸发，所述电源的功能自然也可以在一个电源内被构成。直流电流电源5是空载电压典型地为100V的馈电。在火花运行时，由于火花放电的小的阻抗(小于1欧姆)，该电压适应于低于50V的电压，典型地在碳靶中适应于20V左右的电压。在这样的馈电情况下，典型的电流可以被调节到大约1000A。但是，在这里所描述的实验中优选地只使用100A左右和之下的电流范围，因为，如上面已经说明的，过高的涂覆速率降低碳层的硬度。基本上通断电容器放电的脉冲电源6设计有其电子组件，使得其能够通断高的放电电流。因此可能有意义的是，确定电子组件(例如，IGBT)的尺寸，使得力求所要求的放电电流和开关频率之间的最佳状态。电容器的大小被选择，使得在电容器的给定的充电电压的情况下能够充足地存储能量(Q=CU)，以便因此向阴极火花馈电或，换句话说，使相应的阴极材料(在这里是碳)蒸发。脉冲电源的设计因此是脉冲电流、脉冲频率、充电电压和所提供的电容器电容之间的折衷。用于运行火花放电的电源可以利用开关7和8连接到靶上。

也可能，而且这是新的并且是本发明的一部分，火花放电在初始点火之后仅仅通过脉冲电源馈电来运行，即，只利用脉冲电流IKP。总火花电流IKA于是与IKP一致。在阴极(靶2)与阳极3之间测量火花放电UKA的放电电压，如图3中所示。如果仅仅利用脉冲电源来运行火花放电，在至今的现有技术中必须在每一个脉冲时总是再次重新点燃。通过按照本发明的方法，这种总是再次重新的点燃变得不必要。

电源分别利用二极管10来保护，所述二极管阻止，由一个电源提供的电流被馈入另一个电源并由此而产生损害。通常，电源的正输出端被置于地、即如下电位上，容器也位于所述电位上。但是，也可以有利的是，火花放电浮动地(无电位地)运行。为此打开开关9。因此，根据开关位置，阳极无电位地或在地电位(与容器相等的电位)上运行。在实验中将机械点火触点11用于火花放电的初始点火，所述机械点火触点通过低欧姆的电阻短时间地与阳极建立接触并因此导致靶材料的初始蒸发，该靶材料于是使路段阴极-阳极导电，因此电源5和／或6承担用于使靶材料蒸发的火花馈电，就是说，这些电源在较小的电压下运行。在初始点火之后，按照本发明，直流电压电源5例如通过开关7被断开。现在只通过没有直流电流部分的脉冲电源6向火花馈电。

在文献中针对断续的脉冲运行(方法B)显示了，在脉冲开始时电流的升高有助于提高蒸发的靶材料的多次离子化的离子的含量(Papemy等人，“Ionacceleration at different stages of a pulsed vacuum arc“，J.Phys.D：Appl.Phys.42(2009)155201)。遗憾的是没有对在这些实验中的电压变化曲线进行研究。也许在脉冲开始时电流升高的原因可归因于短时间地施加较高的电压，也就是说，电压升高可能可看作提高的离子化的真正原因并且电流增大只是次级效应。

在方法B中，提高的火花电压可以通过下述方式实现：火花在以下前提下被点燃，即在阴极与阳极之间施加高的空载电压。例如，这可通过下述方式实现，即把被用于在脉冲内放电的电容器充电到高的电压并且以所述电容器上的该高的空载电压为出发点，通过材料的另外的短时间的蒸发来点燃火花。在点燃之后，只要电容器的电荷足以维持火花，电容器于是就放电。然后，直接在点燃之后(典型地在前50μs之内)在提高的电压下进行火花放电并且随后又下降至较低的电压值，所述电压值典型地通过相应的直流火花放电的阻抗来给定。

在目前的知识水平(Papemy等人)下较高电荷状态的离子的生成在电流脉冲开始时进行并且然后在该电流脉冲之后丢失，使得在200μs的脉冲长度情况下在前50μs之后只还生成如对于直流火花放电来说典型的电荷状态。为了因此生成更高的电荷状态，重要的是，生成数量级低于100μs、优选地低于50μs的短的电流脉冲。在典型的1kHz的脉冲频率的情况下，这将意味着“占空比”的显著下降并导致非常小的涂覆速率。通过材料蒸发的较快速的外源点燃与要使用的电容器的电荷特性(电容器的电容必须足够大，以便生成用于点燃的材料等离子体)相耦合并且在好的情况下同样处于1ms的充电时间(参见Anders等人)，即，大约处于1kHz的频率。为了获得较高频率的脉冲序列，可设想在时间上使多个点火电容器相互耦合的花费也高的可能性。但是，这是麻烦的并且昂贵的，根据发明人的了解，至今也还没有被遵循。首先对于短脉冲和在断续运行时，脉冲频率的提高是通过本发明解决的另一方面。

对于方法B在脉冲开始时电流提高能够相对简单地实现并且仅仅由于点火机构上的高电压而可能是复杂的，而在方法A中可以较困难地实现高的火花电压。为专业人士所知的是，在直流火花放电中逐渐的电压提高导致“无限制“的电流提高，而不出现显著的电压升高。在方法A中只通过非常陡的脉冲叠加直流电流提高火花放电的电压。由于电流快速升高并且随着在电容器本身上的电压的与此相关的衰减而发生电容器的快速放电，因此在较长的时间上使这种电压提高稳定是困难的。这特别适合于置于下面的直流电流的情况，因为直流火花放电具有小的只有大约0.1欧姆的范围内的阻抗。

按照本发明的方法也还涉及碳的阴极火花蒸发的另一个方面。由Horikoshi等人的研究“Vacuum Arc Deposition of Homogeneous Amorphous Carbon Films atHigh Growth Rates”，New Diamond and Frontier CarbonTechnology,Vol.16，No.5(2006)，267-277可以推断出，在电容器放电时电容器上的放电电压和电荷的大小影响在阴极火花蒸发时飞溅物频率，更确切地说在放电时放电电压越高并且电荷量越大，飞溅物数量越小。这按照方法B借助单个电流脉冲被证明。在此所画出的脉冲形状(Horikoshi等人中的图4)表示电容器放电的典型的电流-时间-变化曲线：在陡峭的电流上升开始直到最大值，典型地在前100μs之内达到该最大值，和然后较缓慢的电流下降。脉冲长度与放电的电容和阻抗相关。放电电压和电荷也影响脉冲形状。

这里所述的实验利用脉冲电源6来执行，所述脉冲电源以受控的电容器放电为基础并且在这种特殊的情况下在1000A的最大放电电流时允许直至2kHz的脉冲频率。电容器具有8mF的电容并且可以使用直至1000V的电压用于给电容器充电。电容器的放大也可以容易地允许2000A或更大的电流和也可以使用例如直至2000V的充电电压。电容器的充电时间与R和C的乘积成比例，其中R是充电电路内的欧姆电阻和C是电容器的电容。因此如果想要对具有大电容C的电容器充电，则必须强制性地容忍长的充电时间或使用大的充电电压，以便在较短的充电时间情况下在电容器上达到相同的电荷量。较高的充电电压遭受到电子组件的兼容性限制并且较长的充电时间限制脉冲频率(Anders等人)。此外，较高的充电电压的使用还受到被用于给电容器充电的直流电压电源的电流限制的限制(所述直流电压电源或者集成在电源6内或作为外部电源连接到6上并且在图中没有分开实施)。至今为止，所有这些事实已阻止，在提高的火花电压的情况下在较长的脉冲时间上并且在频率较高时阴极火花放电能够为了材料蒸发的目的、特别是为了蒸发碳的目的而被执行。

首先应对一种方法进行描述，所述方法导致方法A的改善。在已经在Grimm发表的文献EP_00666335_Al中描述的方法中直流火花放电通过机械点火极(阳极)与靶的短时间的接触来点火，该直流火花放电然后通过电源5继续被保持。附加地，然后来自电容器放电(电源6)的电流脉冲还与所述直流放电叠加。所述脉冲的时间上的电流变化曲线与也在Horikoshi等人中所说明的那些电流变化曲线没有本质的区别：在开始时电流脉冲的上升和然后由电容器的放电决定的以及根据相应的阻抗的下降。

在直流电流置于下面的情况下，该阻抗的大小为0.1欧姆，即，电容器快速地被放电(时间常数RxC)。

在图4中示出了这样的运行的电压UKA和电流IKP的时间变化曲线。电流IKD(未示出)利用电源5被预先给定为30A。通常，在来自电源6的脉冲期间，电流下降，这是因为二极管然后封锁电流IKD。生成具有500Hz的频率的脉冲并且预先给定100μs的脉冲长度和1900μs的脉冲之间的间歇。在脉冲变化曲线中，不仅发生电压升高而且发生电流升高，该电流升高在图5中以改善的时间分辨率更清楚地针对以100μs预先给定的脉冲之一被示出。由此得知，在脉冲开始时电压从-20V、即在利用电源(5)的直流情况下出现的电压变化为大约-50V并且随后稳定在大约-40V处。这种绝对值上的电压提高的结果是大的电流上升。如果现在在方法A中按照至今的运行方式采取行动(Grimm的文献EP_00666335_Al)并且电容器放电允许空转，则电流还要继续上升，电容器将快速放电并且电压随着电流上升而下降(电荷从电容器流出)。因此，电压将在时间上大大地变化。

为了使较高的放电电压稳定，因此还要在电容器上的电压过大地降低之前对火花电流的大小进行限制。这借助图5进行解释。在电源6处可以预先给定脉冲长度，所述脉冲长度限制放电时间并且在这种情况下为该脉冲长度选择了100μs。为了更好地理解，同样在图5中画出了脉冲的触发信号(最下面的曲线)。为脉冲电流预先给定的上限为720A(在图中对应于1.4V，大约1000A)。对电流进行限制，使得火花放电的电压在时间上能够被稳定地保持在确定的极限内或换句话说：在一个电流值进行电流断开，在所述电流值时电压基本上还没有下降。这与相应的实验条件(即，例如还有电缆电感)和所使用的电源6的技术数据以及直流火花放电的特性有关。但是，根据实验，借助示波器可以容易地确定这种电流限制，所述示波器显示时间上的电流和电压变化曲线。

图5尤其显示出，电流(图5中最上面的曲线)在100μs的脉冲持续时间之前就已经达到该极限值并且通过这种在电压衰减之前较早地断开电流的方法可以使较高的电压UKA在大约40μs上、即在生成阴极材料的较高的电荷状态的范围中稳定。

已经显示出，电压升高与电容器的充电电压(在这里使用300V)有关，但是也与必须被充电的电容器的大小(在这里8mF)有关。通过在该实验中使用直流电压电源来给电容器充电，在该直流电压电源的情况下最大电流被限制在30A并且以500Hz的脉冲频率工作，电容在脉冲之间不能重新完全被充电。这仅仅因此被提及，因为应表明，该方法即使在这样的限制下也起作用。

图6现在图解说明在脉冲火花放电时的运行。在这种情况下再次利用提供30A的IKD的直流电流电源5工作。现在利用脉冲电流电源6使脉冲与直流放电叠加。脉冲电流IKP在图6中被示出。在该情况下，脉冲长度被确定为800μs(触发信号被说明)。在脉冲之间设定了1200μs的脉冲间歇。为了断开电流，最大电流再次被限制在大约700A。现在，在这些条件下观察在预先给定的脉冲的长度上分别由6个子脉冲组成的脉冲束的形成。为了加以说明，在图7中选择了更好的时间分辨率。从中可以看出，如果再次利用电流限制工作，子脉冲的生成可以与针对图5中的条件类似地再次在大约40μs上、即在子脉冲的持续时间内把放电电压确定为大约-40V的值。子脉冲的重新接通的时间常数为大约100μs。该时间常数通过保护二极管的换向特性造成并且可以通过更快的二极管来缩短。在图7中也可以看出，在预先给定的800μs的脉冲内和当将电流限制在700A时可以以子脉冲的序列生成6个子脉冲，所述子脉冲的序列大于由原始电源可能形成的序列(在这里是大约7.5倍)。同时，在800μs长的脉冲内通过生成6个子脉冲可以在6x40μs的时间上、即总计在240μs上使电压稳定。

对于方法A，因此利用所述方法不仅可以放大脉冲频率而且还可以在较高的电压上使火花放电稳定。但是，首先重要的是以下可能性，即利用所述方法能够在宽的范围上为了脉冲电流部分而调节直流电流部分与脉冲电流部分之比。在图4中利用30A的IKD并且利用12A的IKP的时间平均工作。而在图6中在相同的直流电流部分的情况下利用70A的时间平均的IKP工作。

在方法B中子脉冲束的生成现在是值得期望的。因此可以完全避免直流电流部分。在这种以断续的脉冲为基础的方法中，面对在每个脉冲时点燃的问题，但是更多地面对各个子脉冲的要以高得多的序列实现的点燃的问题。利用目前的技术水平的点火机构不能解决所述问题。

因此尝试，火花电流限制、提高的放电电压和较高的序列的组合是否能够在这样生成的子脉冲的情况下生成足够地并且足够长时间地导电的等离子体，以便放弃外源点燃，只有通过5结合机械点火极11的一次性的初始点火除外。

为了这个目的，如下采取行动。在第一步骤中，通过点火极11与靶2之间的短时间的接触利用40A的电流IK对直流火花放电进行点火。然后，与方法A类似，接通脉冲电源并且使脉冲电流IKP与直流电流IKD叠加。作为下一个步骤，切断直流电流电源5。在图8中现在针对这种切断的(对应于只利用断续的脉冲的运行)直流电流电源5的情况示出了IKP和UKA的时间变化曲线。预先给定1000μs的脉冲长度和同样1000μs的脉冲间歇。令人惊讶的是，利用这样的运行方式可以保证，在脉冲束之内的子脉冲之间不需要重新的点火，但是，还要令人惊讶的是，在单个脉冲之间也不需要重新的点火。图9以更好的时间分辨率显示包括7个子脉冲的单个脉冲，由图9得知，具有60V左右的绝对值的点火电压就足以重新对单个脉冲之内的子脉冲进行点火，而不需要额外的点火装置。令人惊讶的是，这些电压也足以在1000μs之后重新对单个脉冲进行点火。因此，该方法提供一种在不需要额外的点火装置的情况下可以实现断续的脉冲运行的方法。除此之外，单个脉冲之内的子脉冲的序列也可以被提高，在本情况中被提高到大约7kHz。

这种既快速又简单的火花点燃方法起作用的原因没有完全被搞清楚。假设，由氩气与蒸发的碳形成的混合物结合通过脉冲运行的密集的离子化(高的电子流)足以足够长时间地形成良好导电的等离子体，在所述等离子体内在小的电压时火花放电可以再次被点燃。为了针对在这些实验中所使用的装置和特殊的过程参数估计正好还能实现的点燃的极限，单个脉冲被设置得较短和脉冲间歇被设置得较长。在图10中示出了持续时间为900μs的脉冲，在所述脉冲的变化过程中生成6个子脉冲。作为脉冲间歇，选择1100μs的时间。对于这种情况，利用纯断续的脉冲正好还能实现点火运行。对于较短的脉冲长度和较长的脉冲间歇，不再能够可靠地保证点燃。但是，对于专业人士来说清楚的是，改变的电容、其它的电流断开水平、不同的(或没有)气流、电容器上的其它电压等等影响独立的点燃的这些极限并且能够容易地针对相应的实验布置进行调节。

按照本发明的方法针对碳的阴极火花蒸发被描述，因为在这种材料的情况下特别困难的是，运行阴极火花，也就是说阻止“咬住“在靶位置上。但是，该方法同样可以有利地被用于其它的材料。这可能是基本金属靶或也可以是由多种材料形成的靶，诸如以粉末冶金方式制造的靶。对于熔点低的材料，该方法提供特殊的优点，因为在这里脉冲运行也减少飞溅物形成。对于包含氧、氮或碳的气体的反应过程，也可以应用具有优点的该方法来提高离子化和降低飞溅物形成。

通过相对于靶中心地布置的阳极和首先在断续的运行中火花电流的脉冲，可以保证稳定的火花放电。

断续的脉冲运行同样允许金属含量最多达50at.％的碳靶的阴极蒸发。

把单个脉冲分为较高序列的和在较长的时间上的子脉冲的束的方法允许断续的脉冲运行，而无仅在紧密相邻的子脉冲之间而且在单个脉冲之间无需额外的外源点燃。

电容器上的电压(电源6)可以在宽的极限内被改变，以便生成在阴极火花放电中蒸发的材料的较高地加载的离子。

较高的放电电压结合快速的但是电流受限制的放电降低在合成的碳层或含碳的层内的飞溅物频率。

该方法是火花放电的断续的脉冲运行，而不必重新点燃。

基于该方法，不需要用于火花放电的直流保持电流。

在本说明书的范围内，公开了一种用于运行脉冲断续火花放电的方法，所述火花放电借助至少一个电容器的放电来实现并且相应的放电电流通过周期性地接通和断开电容器进行控制，其中在断开电容器的情况下在断开的时间间隔期间不从电源提供电流并且在接通的时间间隔期间放电电流在达到事先确定的大小时短时间地被中断并且这在脉冲之内导致子脉冲。

优选地，第一多个断开的时间间隔被选择为短的，使得在其相应地到期之后电容器的接通没有困难地造成重新点燃火花放电。

优选地，第一次点燃火花放电借助点火装置、特别优选地借助直流电压源来实现并且在点燃火花之后电容器被首次接通。优选地，电容器在首次接通的时间点借助用于充电的装置具有第一充电状态并且随后在直流电压源断开的情况下火花放电继续运行。

可以根据至少一个电容器的用于充电的装置存在第二多个断开的时间间隔，所述时间间隔被选择为长的，使得电容器在第二多个断开的时间间隔到期之后基本上已达到第一充电状态。

上述的火花放电可以被用于运行阴极火花蒸发。

描述用于涂覆衬底的方法，所述方法包括下述步骤：

-提供衬底，

-将衬底引入真空室中，

-泵抽真空室，

-执行上述方式的阴极火花蒸发。

借助所述涂覆方法可以制造没有氢和／或含氢和／或没有金属和／或含金属的碳层。

附图标记列表

1   容器

2   靶(阴极)

3   阳极(优选地，但是不必相对于靶在中心)

4   衬底支架(旋转地)

5   直流电流(火花)电源

6   脉冲电流(火花)电源

7   用于通断IKD的开关

8   用于通断IKP的开关

9   用于将阳极连接到地或浮动电位上的开关

10  保护二极管

11  机械点火极

12  用于点火极与阳极之间的电流限制的电阻

Claims (7)

1.用于运行脉冲断续火花放电的方法，所述火花放电借助至少一个电容器的放电来实现并且相应的放电电流通过周期性地接通和断开电容器进行控制，其中在被断开的电容器的情况下在断开的时间间隔期间不从电源提供电流，其特征在于，在接通的时间间隔之内所述放电电流在达到事先确定的大小时短时间地被中断并且这在脉冲之内导致子脉冲。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少第一多个断开的时间间隔被选择为短的，使得在所述时间间隔相应到期之后电容器的接通没有困难地造成火花放电的重新点燃。

3.根据权利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，火花放电的第一次点燃借助点火装置、优选地借助直流电压源来实现，在点燃火花之后电容器首次被接通并且该电容器在首次接通的时间点借助用于充电的装置具有第一充电状态并且随后在直流电压源被断开的情况下继续运行火花放电。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第二多个断开的时间间隔根据用于至少一个电容器的充电的装置被选择为长的，使得电容器在第二多个断开的时间间隔到期之后基本上已达到第一充电状态。

5.用于运行阴极火花蒸发的方法，其特征在于，火花蒸发借助按照前述权利要求之一所述的火花放电来运行。

6.用于涂覆衬底的方法，所述方法包括下述步骤：

-提供衬底，

-把衬底引入到真空室中，

-泵抽真空室，

-执行根据权利要求5所述的阴极火花蒸发。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，制造没有氢和／或含氢和／或没有金属和／或含金属的碳层。

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