CN104046943B - 低压电弧等离子体浸没涂层气相沉积和离子处理 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种涂覆系统及在涂覆系统中涂覆衬底的方法，该涂覆系统包括真空腔室和涂覆组件。所述涂覆组件包括蒸汽源、衬底固持器、以电力方式耦合到阴极靶上的远程阳极，以及阴极腔室组件。所述阴极腔室组件包括阴极靶、可选的主要阳极以及将所述阴极靶从所述真空腔室隔离的护罩。所述护罩界定了用于将远程电弧放电的电子发射电流从所述阴极靶传输到所述远程阳极的开口，所述电子发射电流沿着靶面长度尺寸流动。一次电源连接在所述阴极靶与所述主要阳极之间，而二次电源连接在所述阴极靶与所述远程阳极之间。典型地，线性远程阳极尺寸和蒸汽源短尺寸与一个尺寸平行，在所述尺寸中，电弧斑点被引导沿着所述阴极靶。

Description

低压电弧等离子体浸没涂层气相沉积和离子处理
技术领域
本发明涉及等离子体辅助沉积系统以及相关方法，具体地，是涉及一种涂覆系统及在涂覆系统中涂覆衬底的方法。
背景技术
物理气相沉积（PVD）和低压化学气相沉积（CVD）源被用于涂层的沉积和表面处理。电子束物理气相沉积（EBPVD）和磁控溅射（MS）金属蒸汽源等常规的金属蒸汽源可以提供较高的沉积速率。然而，金属蒸汽原子的低能量以及这些工艺的低电离速率导致具有低密度、不良的粘附力、不良的结构和形态。众所周知，利用高能粒子的轰击对涂层沉积方法的辅助通过使沉积材料增加密度、减少芯片大小并且改进涂层粘附力，大大改进了涂层。在这些过程中，表面层受到高能离子的高速率轰击的影响，所述高速率轰击更改了沉积金属蒸汽原子的移动性并且在许多情况下产生具有独特功能特性的亚稳态结构。此外，涂层表面的离子轰击影响了气体吸附特性，方法为增加氮气等气体的粘着系数并且将吸附位置的性质从较低能量物理吸附位置改变为较高能量化学吸附位置。此方法在具有超细或玻璃状非晶形结构的纳米结构复合涂层的沉积中尤其有效益。
存在两种不同的方法以在PVD或CVD过程期间提供离子轰击辅助。离子束辅助沉积（IBAD）为对于在聚合物和其他温度灵敏材料上形成致密陶瓷涂层具有广阔的前景的方法。IBAD方法通常在真空下执行（～1×10-5Torr），其中陶瓷被热蒸发到衬底上并且同时被高能离子轰击。离子束使沉积原子与衬底混合，从而产生递变层，所述递变层可以改进涂层粘附力并且减少薄膜应力。冲击离子还产生“喷丸硬化效应”，所述喷丸硬化效应压紧层并使层增加密度，由此减少或消除柱状生长。
例如，在类金刚石碳（DLC）薄膜的IBAD加工期间，碳被电子束源蒸发或被磁控管源溅射。离子轰击由氩离子束等独立的宽孔离子束源提供。此类氩离子束不改变生长薄膜的化学性质并且仅通过晶格网络修改影响其结构、形态、键能以及原子间键合。将适当的气态前驱物添加到离子束中导致生长DLC薄膜的掺杂，由此提供了在IBAD过程期间的化学蒸汽辅助。此DLC薄膜的硅掺杂的实例从Ar+SiH4离子束中沉积下来。氟可以通过Ar和氟代烃离子束添加到薄膜上，氮可以通过使用Ar和N2离子束被添加，并且硼可以通过使用Ar+BH4离子束被添加。IBAD为柔性工艺过程，其通过工艺参数的变化实现在加宽区域中对涂层特性的控制，所述参数为：离子束成分、离子能量、离子电流以及离子到原子到达率。
尽管IBAD方法起到相当不错的作用，但由于其视线性质它具有局限性，当涂层沉积方法的一致性很重要时，所述性质不利于在复杂形状的组件上实现均匀涂层分布。此外，IBAD方法具有有限的按比例增加能力。等离子体浸没离子沉积（PIID）方法通过提供低压等离子体环境克服了这些局限性中的一些，所述环境有效地将待涂覆衬底包围在均匀等离子体云内。这导致在3-D复杂形状衬底和较大负载上的高度均匀速率的离子轰击。PVD或CVD方法用于产生蒸汽物质以用于衬底表面的处理。与IBAD相反，PIID为能够在无需操控的情况下处理复杂表面的非视线方法。PIID利用了从填满整个加工腔室的气体放电产生的等离子体，由此使复杂成分和架构被涂覆。等离子体浸没离子处理的实例包括离子渗氮、碳氮共渗、离子植入，以及其他气态离子处理方法，所述方法可以通过将待涂覆衬底浸没在包括在负偏置下的等离子体的氮气中来执行。此外，当衬底被正向偏置时，从等离子体中获取的电子电流可以用于预加热和热处理过程。明显地，非视线加工特征呈现出超过视线加工的许多优点，尤其是对于大量3-D物体的有效加工。在PIID过程期间使用的电离气态环境可以通过应用不同类型的等离子体放电来产生，诸如辉光放电、RF放电、微波（MW）放电以及低压电弧放电。低压电弧放电是特别有利的，在于它以低成本提供了在较大加工体积上的致密、均匀高度电离等离子体。在电弧放电等离子体辅助涂层沉积或离子处理方法中，衬底在电弧放电等离子体区域内定位在电弧阴极与远程电弧阳极之间。热离子灯丝阴极、中空阴极、真空电弧蒸发冷阴极，及其组合可以用作用于产生气态低压电弧等离子体放电环境的电子发射器。可替代地，导电蒸发材料本身可以用作电离电弧放电的阴极或阳极。此后一特征提供在真空阴极电弧沉积方法中或在各种电弧等离子体增强电子束和热蒸发方法中。
类似于CrN的反应涂层的沉积可以通过各种物理气相沉积技术来实现，诸如阴极电弧沉积、过滤电弧沉积、电子束蒸发和溅射沉积技术。常规的和电离的电子束物理气相沉积（EBPVD）技术都已经用于许多应用中，但因为批量加工问题、按比例增加以遍及较大衬底实现均匀涂层分布的困难并且因为由于利用不同蒸汽压力对元件的热力学驱动蒸馏而导致的多元素涂层成分控制的困难，在许多领域中通常不将其考虑为可行的制造技术。相比之下，由于在可接受沉积速率处磁控管涂层的高均匀性、多元素涂层成分的精确控制以及容易融入全自动工业批量涂覆系统的MS方法的能力，基于磁控溅射（MS）的PVD被用于多种多样的应用中。被称为热蒸发阴极（HEC）和热蒸发阳极（HEA）的阴极和阳极电弧增强电子束物理气相沉积（EBPVD）方法分别展示出增加的电离速率，但遭受电弧斑点不稳定性和遍及EBPVD金属蒸汽流的电离速率的非均匀分布的影响。在这些方法中，电弧放电与蒸发方法耦合，从而使它难以提供对在HEA和HEC方法中的电离和蒸发速率的独立控制。因此，将PA-EBPVD方法融入到全自动工业批量涂覆系统中是极其困难的。
溅射技术在所属领域中熟知为尽管由于结晶超过约一微米的薄膜倾向于发展浑浊性，也能够成本有效地沉积厚反应涂层。结晶现象或柱状薄膜生长与在溅射沉积技术中沉积原子的固有低能量相关联，由此产生能量上有利的晶体结构的机会。这些晶体结构可能具有特别对于耐磨和外观应用不希望的各向异性特性。过去十年，已经研发了多种方法以增强磁控溅射方法中的电离速率。这些方法的主要目标为沿着磁控溅射原子流的经过增加电子密度，由此通过增加电子-原子碰撞的频率来增加金属原子的电离。高功率脉冲磁控溅射（HIPIMS）方法同时使用施加在磁控管靶上的高功率脉冲与直流电源以增加电子发射并且因此增加金属溅射流的电离速率。此方法展示了在用于切削工具的氮化耐磨涂层的沉积中的改进的涂层特性。在HIPIMS方法中，改进的电离仅在较短的脉冲时间期间获得，而在暂停期间，电离速率如在常规的DC-MS方法中一样低。因为在HIPIMS方法中，脉冲参数与磁控溅射工艺参数耦合，所以溅射速率会不利地受到影响，所述溅射速率被发现几乎低于常规DC-MS方法的溅射速率的三分之一。此外，HIPIMS方法中的高压脉冲可能导致在磁控管靶上形成电弧，从而导致生长薄膜的污染。
为了在磁控管靶的附近产生高度电离放电，电感耦合等离子体（ICP）源可以添加在阴极与衬底之间的区域中。非谐振感应线圈随后平行于阴极放置在基本上常规的DC-MS装置中，所述感应线圈被浸没或与等离子体相邻。Ω感应线圈通常通过电容匹配网络使用50Ω的射频电源以13.56MHz驱动。射频电源常常跨越介电窗或壁耦合到等离子体上。电感耦合放电通常在1-50mTorr的压力范围以及施加功率200-1000W中操作，从而产生在1016-1018m-3范围内的电子密度，所述电子密度通常被发现随着增加的施加功率而线性增加。在磁控溅射放电中，使用直流或射频电源使金属原子从阴极靶中溅射出。金属原子通过由射频线圈产生的致密等离子体，在所述等离子体中它们被电离。放置在磁控管靶与待涂覆衬底之间的水冷感应线圈不利地影响金属溅射流。因此，MS设置复杂得多、昂贵得多，并且更加难以融入到现有的批量涂覆和直列式涂覆系统中。这些缺点对于微波辅助磁控溅射（MW-MS）方法也是真实存在的。在MW-MS方法中，真空加工腔室布局必须被重新设计以使金属溅射流穿过电离区域。然而，用于电离PVD过程的RF、MW和ICP方法经历了在较大加工区域的等离子体分布均匀性的困难，所述困难为融入到大区域涂层沉积系统中的障碍。
用于产生高能离子的另一现有技术为等离子体增强磁控溅射（PEMS），所述等离子体增强磁控溅射将热离子热灯丝阴极（HF-MS）或中空阴极（HC-MS）作为电离电子的源以增加在DC-MS方法中的电离速率。在HF-MS方法中，远处的热离子灯丝阴极被用作电离电子的源，从而使此方法类似于HC-MS方法。然而，此方法通常显现处等离子体非均匀性并且难以融合到工业大区域涂覆系统中。此外，热灯丝和中空电弧阴极都是灵敏的并且在反应等离子体氛围中快速退化。通过将冷蒸发真空电弧阴极用作电子的源以用于气相沉积加工环境的电离和激活，可以克服这些等离子体产生方法的缺点。
常规阴极电弧沉积薄膜的外观包括被称为宏观粒子的未反应靶材料微粒，所述微粒使得沉积薄膜具有在需要特定的耐磨、腐蚀和外观特性的应用中所不希望的的缺陷。然而，电弧沉积薄膜不具有与溅射薄膜不同的结晶特征，因为电弧蒸发方法产生具有高能量沉积原子的高度电离等离子体，所述沉积原子被认为有效地使发展中薄膜的晶体结构随机化。
因此，需要在涂覆方法中产生高能粒子的另外的技术以产生改进的薄膜特性。
发明内容
本发明通过在至少一个实施例中提供用于涂覆衬底的系统解决了现有技术的一个或多个问题。涂覆系统包括真空腔室和定位在真空腔室内的涂覆组件。涂覆组件包括提供待涂覆到衬底上的材料的蒸汽源、用于固持待涂覆衬底从而将衬底定位在蒸汽源前方的衬底固持器、阴极腔室组件，以及远程阳极。阴极腔室组件包括阴极靶、可选的的主要阳极以及将阴极从真空腔室隔离的护罩。护罩界定了用于将电子发射电流从阴极传输到真空腔室中的开口。蒸汽源定位在阴极腔室组件与远程阳极之间，而远程阳极电耦合到阴极上。涂覆系统还包括连接在阴极靶与主要阳极之间的一次电源以及连接在阴极靶与远程阳极之间的二次电源。典型地，远程阳极具有线性远程阳极尺寸、蒸汽源具有线性蒸汽源尺寸、阴极靶具有线性阴极靶尺寸，并且衬底固持器具有线性固持器尺寸，从而线性远程阳极尺寸、线性蒸汽源尺寸、线性阴极靶尺寸，以及线性固持器尺寸彼此平行，其中线性远程阳极尺寸等于或超出线性阴极靶尺寸和线性蒸汽源尺寸，从而约束等离子体从阴极靶流动到远程阳极。
在另一实施例中，提供了在上文说明的涂覆系统中涂覆衬底的方法。所述方法包括在阴极靶与主要阳极之间的电子发射阴极源中产生主要电弧的步骤。涂覆区域中的约束远程电弧在阴极腔室组件与远程阳极之间产生，从而来自蒸汽源的金属蒸汽流朝向至少一个待涂覆衬底而产生。在再一实施例中，提供了具有引导电弧斑点的涂覆系统。涂覆系统包括真空腔室和定位在真空腔室内的涂覆组件。涂覆组件包括至少一个溅射源、用于固持待涂覆衬底从而使衬底定位在溅射源的前方的衬底固持器，以及界定第一出口开口和第二出口开口的等离子体管道。涂覆组件包括用于产生定位在等离子体管道中的金属等离子体的阴极靶、电耦合到阴极靶上的远程阳极、用于给阴极供电的一次电源，以及连接在阴极靶与远程阳极之间的二次电源。溅射源定位在阴极靶与远程阳极之间。管圈围绕着等离子体管道，从而管圈的激活在等离子体管道内产生运输磁场，所述磁场大体上平行于阴极靶的蒸发表面以在薄膜沉积期间引导等离子体远离延伸到溅射源和/或衬底固持器上的衬底的等离子体管道。当第一剪线电磁铁和第二剪线电磁铁与阴极靶的相对非蒸发相对面相邻而定位时，管圈电源激活管圈，其中第一剪线电磁铁和第二剪线电磁铁在阴极靶的表面上产生磁场。
在再一实施例中，提供了具有远程阳极的涂覆系统。涂覆系统包括真空腔室和涂覆组件。涂覆组件包括具有靶面的蒸汽源和用于固持待涂覆衬底从而使衬底定位在蒸汽源的前方的衬底固持器，所述蒸汽源具有蒸汽源长尺寸和蒸汽面短尺寸。衬底固持器具有线性固持器尺寸。涂覆组件进一步包括电耦合到阴极靶上的远程阳极。远程阳极具有线性远程阳极尺寸。涂覆组件进一步包括具有阴极靶的阴极腔室组件、任选的主要阳极，以及将阴极靶从真空腔室隔离的护罩。阴极靶具有线性阴极靶长尺寸和线性阴极靶短尺寸。护罩界定了用于将远程电弧放电的电子发射电流从阴极靶传输到远程阳极的至少一个开口，所述电子发射电流沿着靶面长度尺寸流动。一次电源连接在阴极靶与主要阳极之间，而二次电源连接在阴极靶与远程阳极之间。典型地，线性远程阳极尺寸和蒸汽源较短尺寸与一个尺寸平行，在所述尺寸中，电弧斑点被引导沿着阴极靶。
在再一实施例中，提供了在本文中的涂覆系统中涂覆衬底的方法。所述方法包括以下步骤：在阴极靶与主要阳极之间的电子发射阴极源中产生主要电弧；在阴极腔室组件与远程阳极之间的涂覆区域中产生约束远程电弧；以及朝向至少一个待涂覆衬底从蒸汽源中产生金属蒸汽流。
附图说明
根据详细说明和附图，本发明的示例性实施例将得到更加完整的理解，其中：
图1A为使用远程电弧放电等离子体的涂覆系统的理想化侧视图；
图1B为垂直于图1A的视图的涂覆系统的正视图；
图1C为图1A的涂覆系统的示意图；
图1D为示出了阴极与远程阳极之间的等离子体射流的约束的示意性图示；
图1E为用于光栅化等离子体射流的多元素阴极的示意图；
图2提供了通过有限元建模获得的在纱网与远程阳极之间的等离子体电位的典型分布；
图3提供了由来自远程电弧放电等离子体的经激发氩原子（光谱线Arl739.79nm）发射的辐射强度与放电电流；
图4A提供了具有另外的远程阳极的涂覆系统的示意图，所述远程阳极定位在磁控溅射源与另外的屏蔽的阴极腔室组件之间，所述阴极腔室组件被添加以确保气态等离子体环境的均匀性和高电离。
图4B提供了涂覆系统的示意性图示，所述涂覆系统包括安装在主要阳极与多个从属阳极中的每一者之间的可变电阻；
图4C提供了改进，其中与电容器并联的电阻被用于设置中间阳极的电压电位；
图5提供了RAAMS系统的直列式模块化配置的示意性图示；
图6提供了RAD等离子体加工中的电位分布的图式；
图7A和图7B提供了具有在中心定位的屏蔽的阴极腔室的批量涂覆系统的示意性图示；
图8A为图7A和图7B的系统的变体的示意性图示；
图8B为图7A和图7B的系统的变体的示意性图示；
图8C为图7A和图7B的系统的变体的示意性图示；
图8D为图7A和图7B的系统的变体的示意性图示；
图8E为图7A和图7B的系统的变体的示意性图示；
图8F为图7A和图7B的系统的变体的示意性图示；
图8G为提供图8A到图8C的系统的磁力线的示意性图示；
图8H为提供图8A到图8C的系统的磁力线的示意性图示；
图9A为具有另外的磁控管的涂覆系统的示意性图示；
图9B为具有另外的磁控管的涂覆系统的示意性图示；
图9C为具有另外的磁控管的涂覆系统的示意性图示；
图9D为具有另外的磁控管的涂覆系统的示意性图示；
图9E为具有另外的磁控管的涂覆系统的示意性图示；
图10提供了涉及双向远程电弧放电的物理过程的示意性描述；
图11提供了具有在外围定位的屏蔽阴极腔室组件的批量涂覆系统的示意图；
图12为具有位于涂覆腔室的中心的屏蔽阴极电弧电子发射源的另一变体的示意性图示；
图13提供了并入有电子发射真空电弧冷阴极源的系统的示意性图示；
图14A提供了并入有宏观粒子过滤器的涂覆系统的变体的示意性图示；
图14B提供了并入有宏观粒子过滤器的涂覆系统的变体的示意性图示；
图14C提供了并入有宏观粒子过滤器的涂覆系统的变体的示意性图示；
图15A为RAAMS系统的侧视示意图；
图15B为垂直于图15A的视图的侧视示意图；
图16为具有在阴极腔室的隔室中的一者中的阴极并且具有两个阴极电弧斑点的图15A和图15B的变体的示意性图示；
图17为利用具有平面磁控管源的同轴批量涂覆腔室布局的远程等离子体系统的替代配置的示意性图示；
图18A提供了具有用于每一个磁控溅射源的单独主要阴极腔室的改进的示意性图示；
图18B提供了具有用于每一个磁控溅射源的单独主要阴极腔室的改进的示意性图示；
图19A提供了图14到图18的系统的高级变体的示意性图示；
图19B提供了图19A的系统的变体的示意性图示；
图19C提供了图19A的系统的变体的示意性图示；
图19D提供了具有电极栅的RAAMS模块的透视图；
图19E提供了另一远程阳极涂覆系统的系统的示意图；
图19F为图19E中示出的系统的横截面；
图20提供了一个变体的示意性图示，其中电子发射阴极电弧源具有非消耗阴极；
图21A提供了示意图，其中衬底固持器定位在阳极与磁控溅射源之间；
图21B提供了示意图，其中导线阳极定位在衬底固持器与磁控溅射源之间；
图22A为具有通过远程电弧放电等离子体辅助方法进行的涂覆的衬底的示意图；以及
图22B为具有通过远程电弧放电等离子体辅助方法进行的多层涂覆的衬底的示意图。
具体实施方式
现将详细参考本发明目前优选的组成、实施例和方法，所述组成、实施例和方法构成了实践目前发明者已知的发明的最佳模式。图式未必按比例绘制。然而，应理解，所揭示的实施例仅为本发明的示例性实施例，本发明可以用不同的和替代的形式实施。因此，本文所揭示的具体细节并不被解释为限制性的，而是仅作为本发明的任何方面的代表性依据和/或作为用于教示所述领域的技术人员不同地使用本发明的代表性依据。
除了在实例中，或明确指出的其他方面，在描述本发明的最宽范围时，在此说明书中表示反应和/或使用的材料或条件的量的所有数值量将被理解为用单词“约”来修饰。数值界限内所述的实践通常是优选的。此外，除非明确地作出相反规定：否则百分比、“部分”，以及比值都是按重量计；将一组或一类材料描述为对于与本发明相关的给定目标是合适的或优选的意味着所述组或类的成员中的任何两者或两者以上的混合物同样是合适的或优选的；用化学术语对成分的描述是指在添加到说明书中所指定的任何组合中时的成分，并且不必排除一旦混合则在混合物的成分中发生的化学作用；缩略语或其他缩写的第一次定义应用到同一缩写在本文中所有随后的使用中并且对起初定义的缩写的正常语法变体加以必要的修正；以及除非明确地作出相反规定，否则特性的测量通过与先前相同的技术来确定或稍后参考用于相同的特性。
还应理解，本发明并不限于下文描述的具体实施例和方法，因为特定的组件和/或条件当然可以发生变化。此外，本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的而使用，且并不希望以任何方式限制本发明。
还必须指出，除非上下文另外清楚指出，否则如本说明书及所附权利要求书中所使用，单数形式“一”以及“所述”包括多个指示物。例如，采用单数形式的组件的指示意图包括多个组件。
在整个参考公开案的本申请案中，这些公开案的揭示内容特此以全文引用的方式并入本申请案中以更加完整地描述本发明所涉及的目前最先进的水平。
参考图1A、图1B、图1C和图1D，提供了使用远程电弧放电等离子体的涂覆系统。图1A为涂覆系统的理想化侧视图。图1B为垂直于图1A的视图的正视图。图1C为包括电气布线的涂覆系统的示意图。此实施例的系统尤其可用于大区域磁控溅射涂层沉积方法的电弧等离子体增强。涂覆系统10包括具有定位在其中的涂覆组件的真空腔室12。涂覆组件包括蒸汽源16、定位在真空腔室12中的阴极腔室组件18，以及用于固持待涂覆衬底22的衬底固持器20。图1A和图1B描绘了一个变体，其中蒸汽源16为磁控溅射源，因此系统10的涂覆方法为远程电弧辅助磁控溅射（RAAMS）方法。此类磁控溅射源包括靶Ts、电源Ps，以及阳极As。应了解，其他类型的蒸汽源可以用于蒸汽源16。此类蒸汽源的实例包括但不限于，热蒸发器、电子束蒸发器、阴极的电弧蒸发器，及其类似物。衬底22在涂覆期间定位在蒸汽源16的前方并且在涂层的沉积期间沿着方向d1移动。在一个改进中，衬底可以从在真空腔室12右边的加载互锁腔室中连续引入并且由在图1A中的真空腔室12左边的输出腔室接收。阴极腔室组件18包括具有界定在其中的开口26的阴极外壳24、电子发射阴极28、可选的单独主要阳极34以及护罩36。护罩36将电子发射阴极28从真空腔室12隔离。在一个改进中，可选的单独阳极34、阴极外壳24、护罩36，或接地线作为主要阴极耦合的阳极而工作。
阴极腔室组件18在本实施例的背景下作为电子发射阴极源而工作。在一个改进中，在阴极28与主要阳极之间的电子发射阴极源中产生主要电弧。阴极外壳24可以充当连接到主要电弧电源48的正极上的独立主要阳极并且当它连接到地34上时充当接地阳极。护罩36界定了用于将电子发射电流40从阴极28传输到真空腔室12中的开口38。护罩可以是浮动的或它可以连接到主要电弧电源48或另外的电源（未图示）的正极上。在另一改进中，阴极28为阴极电弧阴极并且接地主要阳极34为阴极电弧阳极。任何数目的不同阴极可以用于电子发射阴极28。此类阴极的实例包括但不限于，冷真空电弧阴极、中空阴极、热离子灯丝阴极、及其类似物，及其组合。通常，阴极靶由具有吸气能力的金属制成，所述金属包括钛和锆合金。在一个改进中，阴极腔室的护罩为水冷式的并且相对于阴极靶被负向偏置，其中护罩的偏置电位在-50伏到-1000伏的范围内。在再一改进中，阴极腔室组件18包括具有安装在其中的多个阴极靶的阴极阵列，其中阴极靶阵列的高度大体上为远程阳极的相同高度以及沉积区域的高度。从阴极腔室组件或蒸汽源16的顶部到衬底22（也即，衬底的顶部）的间隔是这样的，其使得从阴极28流动到远程阳极44的等离子体被约束。通常，从阴极腔室组件的护罩36或从蒸汽源16的蒸发表面或从远程阳极44到衬底22的分隔距离为从约2英寸到约20英寸，这导致用于阴极腔室18中的阴极28与远程阳极44之间的远程电弧等离子体的约束的较窄通道的形成。当此通道的宽度少于2英寸时，它在等离子体中产生高阻抗，从而导致等离子体不稳定性以及远程电弧放电的最终熄弧。当此通道的宽度超过20英寸时，远程电弧放电中的等离子体密度未增加到足够以电离金属溅射流。在一个特别有用的改进中，具有板或棒的形状的大区域阴极靶安装在阴极腔室组件18中。通常，此类大区域阴极靶具有大体上等于阳极高度和沉积区域高度的高度。在一个改进中，阴极靶可以由具有吸气能力的金属制成，所述金属诸如钛合金或锆合金等。在此情况下，屏蔽阴极电子发射源还可以充当真空吸气泵，所述真空吸气泵可以改进涂覆系统的泵送效率。为了进一步改进吸气泵送效率，面向阴极腔室18中阴极靶28的蒸发表面的护罩36可以为水冷式的并且任选地连接到高压偏置电源上。当水冷式护罩36相对于阴极靶28偏置到范围从-50V到-1000V的较高负电位时，它将经受通过阴极电弧蒸发方法产生的金属离子的强烈离子轰击。在强烈离子轰击条件下的金属蒸汽的冷凝有利于泵送惰性气体，诸如氦气（He）、氩气（Ar）、氖气（Ne）、氙气（Xe）、氪气（Kr）以及氢气。
系统10还包括电耦合到阴极28上的远程阳极44、连接在阴极28与主要阴极耦合阳极之间的一次电源48。远程阳极44定位在真空腔室12中，从而蒸汽源16定位在阴极腔室组件18与远程阳极之间。在一个改进中，多个蒸汽源定位在阴极腔室组件18与远程阳极44之间，如下文更加详细说明。系统10还包括将阴极28电耦合到远程阳极44上的二次电源52。包括电阻R和电容器C的低通滤波器54也在图1A中描绘。通常，蒸汽源16定位在阴极腔室组件18与远程阳极44之间。系统10进一步包括用于维持减压的泵送系统56以及用于将一种或多种气体（例如，氩气、氮气、氦气等）引入到沉积腔室12中的气体系统58。在一个改进中，给涂覆腔室12中的远处电弧放电供电的二次电源52安装在阴极腔室组件18与远程阳极44之间，并且提供至少比一次电源48高20%的开路电压。
仍参考图1A、图1B、图1C，以及图1D，主要电弧在阴极腔室24中通过电弧点火器60启动，所述阴极腔室通过具有用于电子电流40的传输的开口38的护罩36从放电腔室隔离。通常，靠近纱网的等离子体电位较低，接近于在阴极腔室组件18中的等离子体电位，而在远程电弧放电等离子体中，电位较高，接近于远程阳极44的电位。图2提供了通过有限元建模获得的在纱网与远程阳极之间的等离子体电位的典型分布。出人意料地，本涂覆系统被发现产生了从阴极腔室组件18流动到远程阳极44的约束等离子体电弧。图1D提供了示出远程阳极44与阴极28之间的等离子体密度的移动的示意性图示。约束等离子体在远程阳极与阴极之间流动（也即，等离子体射流）通过涂覆区域。约束等离子体的末端沿着如图1D中说明的方向d4移动。电弧斑点66在阴极28连同侵蚀区域68上形成。在远程阳极44处的等离子体场62以及在阴极28处的等离子体场64以沿着方向d4从约1到5英寸的间隔在尺寸上被约束。在一个改进中，磁场用于实现沿着d4的光栅化移动。在其他改进中，此光栅化移动通过沿着方向d4以机械方式移动阴极28来实现。在再一改进中，具有电子的发射灯丝轰击阴极沿着d4移动。在再一改进中，如图1E中所示，阴极包括多个阴极元件281-6，所述阴极元件依次激活以形成沿着d4移动的等离子体射流。等离子体电弧的约束导致高密度和热等离子体射流，所述等离子体射流将在主要阴极处的阴极电弧斑点与在远程阳极处的相关联区域相连，流动通过在腔室壁（具有附接的主要阴极、阳极以及磁控管）与衬底固持器之间产生的相对较窄通道。这导致在连接阴极和远程阳极的移动等离子体射流中的较高电流密度。在一个改进中，在此较窄通道内RAAMS等离子体中的电流密度为从0.1mA/cm2多至100A/cm2。通常，在背景远程电弧等离子体中的电子密度ne在约ne～108cm-3到约ne～1010cm-3范围内，而在约束电弧等离子体射流区域内的电子密度在约ne～1010cm-3到约ne～1013cm-3范围内。产生等离子体射流的约束为如下文所说明的组件之间的物理尺寸关系以及磁场的施加的结果。确切地说，放电在对应于离子轰击的高能量（也即，离子轰击能量为等离子体电位（对地）与衬底偏置电位（对地）之间的差值）的非常高的等离子体电位处进行操作。即使在浮动和接地衬底中，也能获得具有50到70eV的离子，因为等离子体电位在50V之上。在一个改进中，等离子体电位为从5V到500V。
参考图1A和图1B，提供了涂覆系统10的不同组件的相对大小确定的方面。远程阳极44具有线性远程阳极尺寸Da。蒸汽源16具有线性蒸汽源尺寸Dv。阴极靶Ts具有线性阴极靶尺寸Dc。衬底固持器20具有线性固持器尺寸Dh。在一个改进中，线性远程阳极尺寸Da、线性蒸汽源尺寸Dv、线性阴极靶尺寸Dc、以及线性固持器尺寸Dh彼此平行。在另一改进中，线性远程阳极尺寸Da大于或等于线性蒸汽源尺寸Dv，所述线性蒸汽源尺寸大于或等于线性阴极靶尺寸Dc，所述线性阴极靶尺寸大于或等于线性固持器尺寸Dh。
在本实施例的一个变体中，若干远程阳极与（也即，电耦合到）定位在屏蔽阴极腔室组件18中的至少一个电弧阴极相关联。远程阳极定位在涂覆腔室内的战略位置处。
在另一变体中，每一个蒸汽源（例如，蒸汽源16）与待涂覆衬底22之间的垂直距离大体上相同。此外，在另一改进中，阴极28与远程阳极44之间的距离少于当二次电源52的施加电压超过一次电源48的施加电压的1.2到30倍时发生故障所在的距离。
在本实施例的再一改进中，等离子体探测器安装在阴极28与远程阳极44之间以测量等离子体密度。此类测量提供了反馈，因此第二电源52经调节以将调节远程阳极电流提供给远程阳极44以获得阴极腔室组件18与远程阳极44之间的等离子体密度的均匀分布。
本实施例的远程电弧等离子体建模的特征为在阴极腔室组件18与远程阳极44之间的电位分布并且为远程电弧放电等离子体中的等离子体密度。远程电弧放电等离子体中的等离子体电位和阳极电位对着远程放电电流增加而增加。远程电弧放电等离子体中的等离子体密度几乎与放电电流成比例而增加。此结果通过远程电弧放电等离子体的光发射谱来验证。图3示出了由来自远程电弧放电等离子体的经激发氩原子（光谱线Arl739.79nm）发射的辐射强度与放电电流。可见，来自通过直接的电子碰撞而激发的氩原子的光发射强度近似与放电电流成比例。此现象通过远程电弧等离子体中的电子浓度与远程电弧放电电流之间的直接成比例关系来说明。远程电弧放电中的离子浓度近似等于电子浓度，从而维持等离子体准电中性。
参考图4A、图4B和图4C，提供了具有一系列磁控溅射源的本实施例的变体，所述磁控溅射源直列式安装在一侧上的屏蔽阴极腔室组件与另一侧上的远处电弧阳极之间。在此背景下，术语“直列式”意指组件被线性布置，从而衬底在沿线性方向移动时可以经过组件。图4A提供了具有另外的远程阳极的涂覆系统的示意图，所述远程阳极定位在磁控溅射源与另外的屏蔽的阴极腔室组件之间，所述阴极腔室组件被添加以确保气态等离子体环境的均匀性和高电离。沉积系统70包括具有如上文所说明的相关联的真空和气体供应系统的真空腔室72。沉积系统70还包括蒸汽源76和78、阴极腔室组件80和82，以及用于固持待涂覆衬底22的衬底固持器84。图4A描绘了一个变体，其中蒸汽源76、78是磁控溅射源。在涂覆期间衬底定位在蒸汽源的前方。通常，在涂层的沉积期间，衬底22沿着方向d1移动。阴极腔室组件80和82分别包括具有界定在其中的开口94和96的阴极外壳90和92、阴极98和100、可选的主要阳极102和104，以及护罩106、108。护罩106、108分别将阴极98、100从真空腔室72隔离。护罩106、108分别界定了用于将电子发射电流传输到真空腔室72中的开口。在一个改进中，阴极98、100是阴极电弧阴极并且主要阳极102、104是阴极电弧阳极。系统70还包括分别电耦合到阴极98、100上的远程阳极110、112。在如图4A中描绘的一个改进中，屏蔽阴极腔室组件、蒸汽源（例如，磁控管靶）以及远程阳极沿着直线对准，所述直线适合于直列式涂覆系统。
图4B提供了涂覆系统的示意性图示，所述涂覆系统包括安装在主要阳极与多个从属阳极中的每一者之间的可变电阻。在此改进中，涂覆系统120包括真空腔室122和具有上文所说明的一般设计的阴极腔室组件124。阴极腔室组件124包括阴极腔室126、阴极128、电弧点火器130、界定了其中多个开口的护罩132，以及可选的主要阳极134。系统120还包括连接阴极128与主要阳极134的一次电源136以及磁控溅射源136、138、140。每一个磁控溅射源具有靶Ts、电源Ps以及相关联的对电极系统120，所述对电极系统还包括远程阳极142，其中二次电源144提供阴极128与远程阳极142之间的电压电位。系统120还包括从属阳极146、148、150、152，所述从属阳极在通过可变电阻R1、R2、R3，以及R4建立的中间电压电位处。在此改进中，等离子体分布的密度可以通过使用可变电阻R1、R2、R3，以及R4改变通过每一个从属阳极的电流进行控制。各从属阳极之间的距离以及最接近主要阳极的从属阳极与主要阳极之间的距离不能超过在加工气体成分和压力下的等离子体放电中断的最小距离。
图4C提供了一个改进，其中与电容器并联的电阻被用于设置中间阳极的电压电位。在此改进中，与C5并联的电阻R5设置阳极146的电压电位、与C6并联的电阻R6设置阳极148的电压电位、与C7并联的电阻R7设置阳极150的电压电位，以及与C8并联的电阻R8设置阳极152的电压电位。在此改进中，电容器用于通过远程电弧放电的脉冲点火沿着较大距离扩展RAAMS方法，所述远程电弧放电在阴极腔室中的阴极与定位在阴极腔室中的阴极与主要阳极之间的从属阳极中的每一者之间。应了解，从属阳极还可以配备有另外的独立电源；从属阳极电源中的每一者可以安装在阴极128与对应的从属阳极之间。连接到主要阳极或连接到从属阳极的每一个二次电源的开路电压超过主要电弧电源136的开路电压的至少1.2倍。
在本发明的再一变体中，RAAMS设置的直列式模块化配置提供在图5中。此类直列式系统可以包括任何数目的沉积站和/或表面处理站（例如，等离子体清洗、离子植入渗碳、渗氮等）。在图5中描绘的变体中，涂覆系统154包括模块156到164，所述模块为直列式对准的。模块156到164通过加载互锁门阀门166到176与相邻模块隔开。模块化RAAMS表面改造系统154包括模块156，所述模块为具有如上文所说明的屏蔽阴极电弧腔室178和沿着腔室的一个壁定位的远程阳极180的腔室模块。此图中还示出了可选的一组磁性线圈182、184，所述线圈沿着涂覆腔室建立了范围为1到100Gs的纵向磁场。此模块156执行以下操作：衬底加载；通过利用具有远程阳极电弧放电（RAAD）等离子体的氩进行的高能量（通常E>200eV）离子轰击对衬底的离子蚀刻或离子清洗，其中等离子体在屏蔽阴极腔室中的阴极与远程阳极之间产生；以及通过利用在屏蔽阴极腔室中的阴极与远程阳极之间产生的氩RAAD等离子体进行的软离子轰击（通常E<200eV）对待涂覆衬底的调节。第二模块158用氮或氩氮混合RAAD等离子体对待涂覆衬底表面进行离子渗氮，所述等离子体在屏蔽阴极腔室中的阴极与远程阳极之间产生。在RAAD等离子体浸没离子渗氮方法中，在从0.1mtorr到200mtorr的压力以及范围为10到300安培的远程阳极电流下，HSS、M2以及440C钢的等离子体浸没离子渗氮的速率达到0.5到1μm/min，但通常在压力范围0.2到100mtorr以及远程阳极范围10到200安培内。RAAD等离子体浸没离子渗氮为低温处理，其中衬底温度通常并不超过350℃。在此方法中，衬底可以是浮动的、接地的或在非常低的负偏置电压（例如，在-100V之下）下偏置。在此类低偏置电压下的离子渗氮由于较高的正RAAD等离子体电位而导致等离子体离子从较高等离子体电位中接收过多的能量，所述电位超过接地衬底电位。可替代地，来自气态RAAD等离子体的氮、磷、硅、碳等元素的低能量离子植入还可以在相对较低的衬底偏置电压下进行，所述电压通常范围为-200到-1500伏。图6中图示了RAAD等离子体加工中的电位分布的图式。在典型的RAAD等离子体方法中，主要阴极具有相对于地面主要阳极范围为-20到-50伏的电位。在一个改进中，浮动衬底电位相对于主要阴极在-10到-50伏的范围内。在离子渗氮、渗碳以及其他离子扩散饱和方法中的偏置衬底电位通常相对于主要阴极从-10到-200V，而在RAAD等离子体浸没低能量离子植入方法中，衬底偏压通常从-200到-1500伏。
应了解，图5的模块化腔室布局还可以用于在气态RAAD等离子体腔室（举例来说，图5中的模块156、158和164）中执行远程阳极电弧等离子体辅助CVD（RAACVD）方法。例如，此低压等离子体浸没CVD方法设置可以用于在等离子体产生的气体氛围中的多晶金刚石涂层的沉积，所述气体氛围由0.1-1%的甲烷和平衡氢气或氢氩混合组成。RAAD等离子体充当具有高密度氢原子和HC基团的反应氛围的强大的活化剂，所述HC基团有助于多晶金刚石涂层的形成。在此方法中，待涂覆衬底可以接地、浮动或偏置到相较于主要阴极不低于-100伏的负电位。独立辐射加热器阵列可以用于根据在等离子体增强低压CVD方法中多晶金刚石涂层的沉积的需要，将衬底温度维持在200℃到1000℃的范围内。
在另一实施例中，提供了具有沿着弧形壁对准的等离子体源的涂覆系统。图7A提供了具有在中心定位的屏蔽阴极腔室的批量涂覆系统的示意性俯视图。图7B提供了图7A的批量涂覆系统的示意性透视图。涂覆系统190包括真空腔室192、包括阴极196的阴极腔室194，以及护罩198。真空腔室192具有大体上圆形的横截面。系统190还包括一次电源170，所述一次电源设置阴极196与主要阳极202之间的电压电位。系统190还包括磁控溅射源204到210，所述磁控溅射源中的每一者包括靶Ts、电源Ps，以及阳极As。在一个改进中，磁控溅射源204到210沿着作为真空腔室192的横截面的具有相同中心的圆而布置。系统190还包括远程阳极212和214，所述远程阳极通过电源216和218设置在相对于阴极194的电压电位处。在此实施例中，衬底22在被涂覆时沿着圆形方向d2轴向移动。在图7A和图7B的变体的每一者中，等离子体在阴极196与远程阳极之间流动。此流动通过远程阳极（或溅射源）与衬底（也即，衬底的顶部）之间的间隔约束，所述间隔通常为2到20英寸。约束在整个涂覆区域中持续。此外等离子体在垂直于衬底的移动的方向上沿着阴极被光栅化，如上文关于图1D所说明。
如上文所说明，远程阳极212和214具有线性远程阳极尺寸Da。磁控溅射源204到210具有线性源尺寸Ds。阴极靶196具有线性阴极靶尺寸Dc。衬底固持器20具有线性固持器尺寸Dh。在一个改进中，线性远程阳极尺寸Da、线性阴极靶尺寸Dc，以及线性固持器尺寸Dh彼此平行。在另一改进中，线性远程阳极尺寸Da大于或等于线性阴极靶尺寸Dc，所述线性阴极靶尺寸大于或等于线性固持器尺寸Dh。
应了解，在电弧等离子体增强磁控溅射涂层沉积过程期间，外部磁场可以施加在上文所说明的实施例的涂覆腔室中以进一步增强等离子体密度。优选磁场将具有大体上平行于阴极电弧腔室和/或远程阳极而对准的磁场线。这将有助于电弧放电电压的增加，并且因此有助于电子能量和沿着涂覆腔室的电弧等离子体传播长度的增加。例如，外部磁场可以沿着图5中示出的直列式涂覆系统中的涂覆腔室而施加。
在上文所说明的涂覆腔室中的均匀等离子体密度分布可以通过恰当地分布远程阳极和屏蔽真空电弧阴极靶的电子发射表面以均匀覆盖涂层沉积区域来实现。例如，如果涂层沉积区域为1m高，那么屏蔽阴极靶的电子发射表面和电子电流收集远程阳极表面必须经分布以均匀覆盖此1m高涂层沉积区域。为了实现这些要求，若干小阴极靶可以安装在屏蔽阴极腔室中，所述阴极靶中的每一者连接到独立电源的负极上。阴极靶大体上均匀分布，因此由阴极靶中的每一者发射的电子流在屏蔽阴极腔室的外侧重叠，从而提供在涂层沉积区域上电子密度的大体上均匀的分布。远程电弧电源的正极可以连接到一个较大阳极板上，所述阳极板具有大体上与涂层沉积区域的高度相同的高度并且面向具有待涂覆衬底的衬底固持器，如图1和图4到图6中所示。分别连接到远程电弧电源的正极上的一组阳极板可以用于提供在涂层沉积区域上的电子密度的均匀分布。类似地，除了使用在屏蔽阴极腔室中的一组小阴极靶，具有类似于涂层沉积区域的线性尺寸的线性尺寸的单个大阴极靶也可以用作远程电弧放电的阴极。在此情况下，电子发射斑点（也即，阴极电弧斑点）在阴极靶上被光栅化以提供在涂层沉积区域上的电子发射电流的大体均匀分布。（例如）通过在阴极靶的电弧蒸发区域上对阴极电弧斑点的磁性引导或通过机械移动，可以实现在大阴极靶区域上的阴极电弧斑点的光栅化。
参考图8A到图8H，提供了描绘图7A和图7B的涂覆系统的改进的示意性图示，所述涂覆系统使用磁性引导的阴极电弧斑点。本变体并入有来自美国专利案号6,350,356的特征，所述专利案的整个揭示通过引用并入本文中。参考图8A，系统190'包括围绕等离子体管272的管状磁性线圈270，所述等离子体管在壳体274的两个相对侧面之间的阴极腔室194内形成。线圈270包括面向阴极靶196的侧面196a的绕组270a以及面向阴极靶196的侧面196b的相反绕组270b。阴极靶196通常为具有较长尺寸dA的棒状。管圈270产生沿着管272的磁场，所述磁场具有大体上平行于阴极靶196的侧面196a和196b的磁力线。当阴极电弧斑点278在蒸发表面196a或196b上被点燃时，电弧斑点278沿着棒阴极196的较长侧面移动。在棒的末端，电弧斑点278转换侧面并且在棒的相对侧面处的相反方向上继续其移动。附接到垂直于磁力线的阴极棒的侧面上的隔离陶瓷板（未图示）防止电弧斑点从阴极196的蒸发表面逃出。护罩198可选地安装在面向涂覆腔室192中的涂覆区域的等离子体管272的末端处。在一个改进中，护罩198是可移动的以允许根据涂覆过程的阶段打开和关闭等离子体管272。当护罩198被关闭时，RAAMS方法可以通过RAAD等离子体利用磁控溅射环境的增强电离来实施。当管272的末端被打开时，阴极电弧等离子体沿着由管圈270产生的磁力线朝向待涂覆衬底22流动，这导致来自阴极电弧金属蒸汽等离子体的阴极电弧涂层的沉积，所述等离子体从不希望的中性金属原子和宏观粒子中磁性过滤出。经过滤阴极电弧涂层沉积可以实施为单个处理阶段或结合由磁控溅射源204到210进行的磁控溅射。通过在阴极腔室194中的阴极196与远程阳极210、214之间建立的远程电弧放电而进行的等离子体环境的电离和激活改进了涂层的密度、平滑度以及其他物理-化学和功能特性。
参考图8B和图8C，提供了描绘围绕细长矩形棒阴极的阴极电弧斑点的磁导向的机构。矩形棒状阴极196定位在管圈绕组270的两个部分之间。左绕组270a和右绕组270b面向阴极196的蒸发侧面。阴极侧面196a面向管圈绕组侧面270a，而阴极侧面196b面向管圈绕组侧面270b。由管圈绕组270产生的磁场B平行于面向管圈绕组的阴极196的侧面并且同时垂直于细长阴极196（也即，阴极靶196的较长侧面）的轴线dA。当阴极电弧斑点278在面向管圈绕组电弧的阴极196的侧面上被点燃时，电流Iarc垂直于阴极靶196的表面并且因此垂直于由管圈270产生的磁力线B而产生。在此情况下，阴极电弧斑点以平均速度Varc沿着阴极的较长侧面移动，所述速度与由电弧电流Iarc与磁场B的乘积界定的安培力成比例，遵循众所周知的安培定律：
Varc.=(-/+)c*Iarc *B， （1）
其中c为由阴极材料界定的系数。电弧斑点移动的方向（上式中的圆括号中的符号）还由阴极靶材料确定，因为由管圈270产生的磁场平行于阴极靶的四个侧面（也即，在围绕阴极靶196的蒸发侧面的相同方向上较长）。例如，当阴极电弧斑点278a在面向管圈绕组270a的阴极侧面196a上产生时，电弧斑点沿着较长侧面196a移动到阴极靶196以下。在阴极棒的末端，电弧斑点转向较短侧面196d，随后转向较长侧面196b并且随后沿着较长侧面196b继续向上，等等。
图8C描绘了沿着阴极靶196的蒸发侧面196a、196b、196c和196d移动的电弧斑点，所述侧面平行于由管圈270产生的磁力线280。管圈由管圈电源282进行激励，而电弧电源284连接到阴极靶196上。管圈包括通过包括电流导体286、288、290和292的电路连接的线圈270a和270b。垂直于磁力线的阴极靶196的侧面由隔离板294覆盖，所述隔离板防止电弧斑点逃出阴极靶196的蒸发表面。阴极电弧等离子体通过由管圈270a和270b产生的磁力280截留，这防止了横跨磁力线280的等离子体扩散，然而等离子体可以沿着磁力线280自由移动。
图8D提供了关于通过管圈对阴极斑点进行的引导的额外细节。由管圈270产生的磁场沿着平行于磁场力线的阴极靶棒196的侧面引导阴极电弧斑点，如上文所说明。阴极电弧斑点的移动方向通过箭头AD示出。等离子体管272的末端被打开，这使得阴极金属蒸汽等离子体沿着磁力线朝向安装在涂覆腔室中的衬底固持器20上的衬底22流动。中性粒子和宏观粒子被截留在管272的内壁上的阴极腔室内，从而产生几乎100%电离的金属蒸汽等离子体以进入等离子体管272外侧的涂覆区域。阴极腔室的此设计基本上为过滤阴极电弧金属蒸汽等离子体源，所述等离子体源能够除去在产生的金属蒸汽等离子体中的宏观粒子和中性粒子并且产生用于高级涂层的沉积的近似100%的原子级清洁电离金属蒸汽。在阴极196与远程阳极212、214之间建立的RAAD等离子体增强了在RAAMS涂层沉积方法中的等离子体环境的电离和激活，从而产生了改进的涂层特性。在此设计中，杂化涂层沉积方法可以实施为单个阴极电弧或磁控管涂层沉积，或者实施为将阴极电弧金属蒸汽等离子体与浸没在高度电离远程电弧等离子体环境中的磁控管金属溅射流合并的杂化方法。
仍参考图8D，大区域磁控溅射涂层沉积工艺和杂化方法的电弧等离子体增强问题通过将至少一个远程电弧阳极在视线上远离阴极靶棒196而定位来处理。在此变体中，由衬底固持器20'固持的至少一个衬底22和磁控溅射源204到210定位在等离子体管272外侧的涂覆腔室区域中。本RAAMS方法有效地将由常规磁控管源产生的金属溅射流浸没在致密并且高度电离的远程阳极电弧放电（RAAD）气态等离子体中。给RAAD等离子体供电的远程电弧电源（未图示）安装在电弧阴极靶196与至少一个远程阳极212之间。远程阳极212、214提供了比给阴极腔室中的主要电弧放电供电的电源至少高20%的开路电压，所述主要电弧放电在电弧阴极196与最邻近阳极之间被点燃。最邻近阳极可以为等离子体管外壳296a、296b的内壁，或任选地为等离子体管272内的独立阳极。在另一改进中，可以利用若干另外的远程阳极，所述远程阳极中的每一者与定位在等离子体管272内的至少一个电弧阴极相关联。远程阳极定位在视线上远离阴极196的在等离子体管272的末端开口之间的涂覆腔室内的战略位置处。等离子体管272的末端开口与远程阳极212、214之间的最小距离必须少于等离子体放电故障距离，所述故障距离为当在阴极与远程阳极之间施加的电压超过阴极与主要（最邻近）阳极之间的电压降的1.2到10倍时的距离，所述主要阳极可以是电接地的或绝缘的。
图8E描绘了利用宏观粒子过滤器的图8A到图8D的涂覆系统的变体。此变体的设计并入有美国专利案号7,498,587和欧洲专利申请案号EP1852891A2的高级宏观粒子过滤器，所述专利案和申请案的整个揭示内容通过引用并入本文中。系统190'包括与阴极靶196的相对侧面相邻并且面向等离子体管272的相对侧面而定位的修整线圈300a和300b。相对管296a和296b的内壁配备有凹槽或任选地配备有用于截留宏观粒子的档板。管圈270围绕管272，其中绕组部分270a平行于阴极靶196a的较长侧面而面向管侧面296a。类似地，绕组部分270b平行于阴极靶196b的较长侧面并且面向管侧面296b。修整线圈300a、300b包括由电磁线圈304围绕的磁芯302。根据上文所说明的表达式（1），阴极电弧斑点在安培力的影响下沿着阴极靶196的蒸发侧面196a和196b移动。垂直于管272的对称平面的阴极靶196的侧面被陶瓷隔离板294a和294b覆盖以防止电弧斑点逃出阴极靶196的蒸发表面。由修整线圈300a、b产生的磁场方向与由管圈270产生的磁场方向一致。然而，在阴极靶的蒸发表面196a或196b附近，由修整线圈300a、b产生的磁力线是拱形的，由此使得对阴极靶的蒸发区域内的阴极电弧斑点进行约束，如众所周知的锐角规则所要求（例如，见R.L.博客斯曼（R.L.Boxman）、D.M.桑德斯（D.M.Sanders），以及P.J.马丁（P.J.Martin）的“真空电弧科学和技术手册”，新泽西州帕克里奇：诺伊斯（Noyes）1995年出版，423到444页）。
图8F、图8G和图8H提供了由修整线圈300a、300b产生的磁场进行的电弧约束的机构的示意性图示。如电弧斑点约束的锐角规则所要求，阴极电弧斑点278定位在拱形磁力线的顶点下方。在阴极靶196的蒸发表面具有拱形配置的磁场在面向管272的阴极靶196的两个侧面上在修整线圈300a的南极与修整线圈300b的北极之间产生。等离子体管272内的磁场配置使用数值计算来评估。当管圈270和修整线圈300都接通时，具有等离子体管272的磁场产生与图8G中示出的方向相同方向的磁场。此图表明磁力线指向相同的方向，然而在阴极靶196的蒸发表面附近仍具有拱形配置。在此模式中，从中性金属原子和宏观粒子中磁性过滤出的阴极电弧等离子体沿着磁力线远离等离子体管272朝向等离子体管272外侧的涂覆腔室的涂覆区域中的待涂覆衬底（未图示）流动。在此过滤阴极电弧沉积模式中，具有极少（若有的话）中性金属原子或宏观粒子的近似100%电离的金属蒸汽等离子体被沉积到衬底上，由此产生具有优良特性的无缺陷涂层。在此操作模式期间，磁控溅射涂层还可以通过定位在等离子体管272的外壁上的磁控管被沉积。在此操作模式期间，涂层沉积等离子体环境的另外的电离和激活通过在阴极196与远程阳极212、214之间建立的远程电弧放电来提供，所述远程阳极靠近在等离子体管272的外壁上，或可替代地，在与磁控管源（未图示）相对的涂覆腔室的内壁上的的磁控管而定位。参考图8H，当管圈270“断开”时，磁场力线被示出在等离子体管内转换方向。然而，当修整线圈300a、300b都被“接通”时，拱形磁场在阴极靶196的蒸发表面上产生。根据操作模式，由偏转管圈270产生的偏转磁场可以“接通”或“断开”。当偏转管圈270的磁场“接通”时，由阴极靶196产生的金属蒸汽等离子体在整个等离子体管272中朝向衬底20双向传输。当偏转管圈270“断开”时，由阴极靶196产生的金属蒸汽等离子体不朝向衬底20传输，但阴极电弧斑点继续其围绕靶棒196的移动，所述靶棒通过由修整线圈300a、300b产生的引导磁场驱动。在此变体中，管圈用作磁遮板，从而消除了对如图7A中所示的机械遮板或护罩的需要。当磁遮板“打开”时，金属蒸汽通过等离子体管朝向加工腔室中的衬底20传输。当磁遮板“关闭”时，磁遮板被关闭并且金属蒸汽不达到衬底20。图8H示出了当管圈的电流设置为零并且修整线圈电流设置为0.1安培并且管圈电流为零时，等离子体管272中的磁场分布为零。可见，当管圈270的磁场为零时，不存在将金属蒸汽等离子体传输远离等离子体管272的磁场，尽管修整线圈300a、300b仍产生具有拱形几何形状的磁场，所述磁场对于靶196的蒸发区域内的电弧斑点278的约束是足够的（在蒸发靶表面处的磁拱形配置）并且对于引导围绕阴极棒196的电弧斑点移动是足够的。在此后一操作模式中，当阴极电弧金属蒸汽等离子体被截留在等离子体管内时，电子仍远离等离子体管朝向定位在涂覆腔室中的等离子体管272外侧的远程阳极流动。产生的远程电弧放电建立在等离子体管272中的阴极196与远程阳极（未图示）之间，所述远程阳极可以定位在等离子体管272的外壁中或在与磁控管源（未图示）相对的位置中的涂覆腔室的壁中。RAAD等离子体增强了涂覆腔室中的涂层沉积工艺环境的电离和激活，从而导致了具有优良特性的高级涂层的沉积。
当磁遮板被关闭时，阴极靶196仍产生较大电子电流，所述电子电流可以朝向远程阳极而获取以在加工腔室中建立远程电弧辅助放电等离子体。RAAD等离子体的特征为范围为1010到1013cm-3的高密度、范围为3到20eV的高电子温度，以及高等离子体电位，所述电位大体与远程阳极的电位相似。实验研究证实，磁遮板可以密封等离子体管272，由此当磁遮板关闭时防止金属蒸汽等离子体到达衬底20。用于这些实验的阴极靶棒196由不锈钢制成。用作衬底20的硅晶片安装在圆台衬底固持器的衬底固持轴上，所述衬底固持轴在涂层沉积方法的2小时期间以5RPM旋转。修整线圈300的电流设置为0.2A，而管圈270电流设置为零。氩气压为1.5mtorr，而主要电弧的电流为140安培。在两个小时的暴露之后，衬底被卸载并且借助于使用Veeco NT3300光学轮廓仪的光学干涉量度法测量涂层厚度。结果呈现在下面的表1中。
表1
从表1中呈现的结果可以看出，当磁遮板关闭时，旋转衬底固持器上的沉积速率不超过6nm/小时。通过过滤阴极电弧沉积或磁控溅射源在涂层沉积方法中产生的平均涂层厚度通常超过1μm/小时。在此情况下，金属蒸汽的泄漏并不将涂层中的掺杂元素增加到在用于工业涂层沉积方法的阴极靶的常见的杂质水平之上。
以下方法可以在远程电弧辅助表面改造（RAASE）腔室中实施：
1.在致密RAAD等离子体中的离子清洗/蚀刻（磁遮板被关闭）；
2.低温离子渗氮或氧化渗氮、等离子体渗碳。在此过程期间的衬底温度可以低到150℃。在RAAD氮等离子体中，M2钢的离子渗氮速率通常范围为0.1到0.5μm/min。（磁遮板被关闭）；
2.低能量离子植入（衬底偏压在2kV以下）（磁遮板被关闭）；
3.过滤电弧涂层的沉积（磁遮板被打开）；
4.通过远程电弧辅助磁控溅射（RAAMS）方法进行的磁控溅射涂层的沉积（磁遮板被关闭）；以及
5.通过过滤电弧涂层调制的磁控溅射涂层的沉积（磁遮板根据工作循环断开/接通以实现所需的涂层调制阶段）。
参考图9A到图9E，提供了具有另外的磁控管源的过滤电弧辅助磁控溅射（“FAAMS”）杂化过滤电弧磁控管双向系统的示意图。在此变体中，另外的磁控溅射源310到316与电弧阴极腔室194相邻并且具有形成在10度到80度范围内的开启角度的磁控管靶而定位，所述阴极腔室与过滤电弧源196磁性耦合。此开启角度Ao有助于使磁控溅射流朝向衬底聚焦。在此过滤电弧辅助磁控溅射杂化涂层沉积方法中，过滤电弧金属等离子体沿着由管圈270产生的传输磁场的磁场线流动。此外，磁场线在等离子体管272的出口发散。这导致金属离子从过滤电弧阴极出发经过靠近靶表面的磁控溅射靶区域并且穿过具有较大闭环磁场拓扑的磁控管放电区域。这些金属离子的相当大的部分被截留在磁控管磁场中并且有助于磁控管靶的溅射，所述溅射甚至可以在没有溅射气体（氩气或其他惰性气体）的情况下并且在没有从10-6到10-2torr的加宽压力范围的情况下发生。由过滤电弧阴极产生的金属离子的另一部分继续朝向衬底22，其中它们与聚焦的磁控溅射流混合，从而提供磁控溅射涂层沉积方法的电离金属部分。众所周知，增加金属蒸汽的电离速率改进涂层粘附力、密度、以及其他机械特性，以及平滑度。
图9B提供了FAAMS杂化过滤电弧磁控管双向源的另外特征。可选的另外的聚焦磁性线圈320与等离子体管的出口开口相对而定位，这提供了等离子体密度的另外改进并且控制磁控溅射流与朝向涂覆腔室（未图示）中的待涂覆衬底聚焦的过滤电弧金属等离子体流的混合。此外，可选的聚焦磁性线圈324在等离子体管272的出口部分处的磁控管靶310到316的周围定位。聚焦线圈324改进了磁控管靶附近的等离子体密度的浓度。由在与管圈相邻的侧面处的这些线圈产生的磁力线的方向具有与由管圈产生的传输磁场相同的方向。图9C提供了图9B的系统的改进的示意性图示。在此改进中，若干对磁性聚焦线圈328定位在等离子体管的出口部分处，在磁控管源的两侧围绕等离子体管。图9D提供了图9A到图9C的涂覆系统的顶部横截面，其中描绘了远程电弧等离子体（Fl）、磁控溅射流（F2），以及过滤电弧等离子体流（F3）。由这些聚焦线圈产生的磁场方向与由管圈产生的传输磁场的方向一致。图9E提供了涂覆系统的另一变体。图9E描绘了具有固持具有待涂覆衬底20的转盘22的旋转衬底的部分涂覆腔室192轮廓。阴极腔室194与涂覆腔室192中的待涂覆衬底20相对而定位。阴极腔室194中的主要电弧放电通过封闭在壳体274内的阴极靶196上的敲击物440点燃。壳体274具有护罩198，所述护罩具有开口，所述开口对于从阴极靶196的表面发射的离子、原子以及宏观粒子等较重粒子是不可穿透的，但允许电子朝向涂覆腔室192中的远程阳极自由流动。磁控管靶310、312与阴极腔室护罩198相邻而定位，因此从磁控管靶中发射的溅射流与护罩198前方的高度电离并且朝向涂覆腔室192中的衬底20聚焦的等离子体耦合。在此布置中，在阴极护罩198的前方产生的远程电弧等离子体的阴极部分与磁控溅射流耦合，从而导致对由磁控管靶310、312产生的金属气态等离子体的电离和激活的相当大的增加，这有助于涂层粘附力、密度、平滑度，缺陷减少的进一步改进以及其用于不同应用的功能特性的改进。
FAAMS表面改造系统可以在以下模式中操作：
1.RAAD等离子体浸没离子清洗、离子渗氮、低能量离子植入。在此模式中，阴极电弧源在修整线圈接通而等离子体传输管圈断开时操作。断开管圈有效地防止由定位在等离子体管中心的阴极产生的金属等离子体朝向涂覆腔室中的待涂覆衬底流出等离子体管，但气态致密和高度电离的RAAD等离子体填满整个加工腔室，包括等离子体管的内部和腔室中的区域，在所述区域中待涂覆衬底定位在衬底固持器上。此致密气态等离子体为等离子体浸没离子清洗、离子渗氮（以及离子渗碳、氧化渗碳、渗硼以及其他离子饱和方法）以及低能量离子植入提供了高度电离的环境。它还可以用于远程电弧辅助CVD（RAACVD）方法，包括当在涂覆腔室中产生含碳氢化合物的气态氛围时，类金刚石碳（DLC）涂层的沉积。在此模式中，可以实施远程电弧等离子体辅助CVD方法。此外，当衬底被加热到范围为500到1000℃（取决于衬底的类型）的沉积温度时，有可能沉积多晶金刚石涂层。在此方法中，气压通常范围为1到200mTorr，气体氛围通常包括0.1%到2%的在氢气中的甲烷，其中根据泵送系统能力氢气流速范围为50到200sccm，其余部分为氩。管圈用作磁遮板，有效地关闭了由等离子体管中的阴极产生的金属等离子体的出路，而打开RAAD产生的气态等离子体的道路。
2.当管圈断开（磁性遮板关闭）并且RAAD等离子体在等离子体管中的阴极与等离子体管外侧的涂层沉积区域中的远程阳极之间的涂覆腔室内产生时，高度电离的等离子体环境可以用于等离子体辅助磁控溅射（RAAMS）方法。在此情况下，定位在涂覆区域中的等离子体管外侧的磁控管源被接通并且磁控溅射方法在高度电离RAAD等离子体环境中实施。在此方法中，磁控溅射的生产力增加超过30%并且涂层通过由气态等离子体生成离子对衬底表面进行的离子轰击而增加密度。
3.当等离子体管圈接通时，磁遮板被打开并且由等离子体管中的阴极产生的金属等离子体沿着由管圈产生的传输磁场的磁力线流动到涂层沉积区域中。过滤电弧金属等离子体可以用于各种涂层的沉积，包括当石墨棒被用作等离子体管中的阴极靶时的无超硬氢四面体非晶形碳（ta-C）涂层。当定位在等离子体管的出口部分中并且具有其面向衬底的靶的磁控管源接通时，杂化过滤电弧辅助磁控溅射（FAAMS）过程开始。在此情况下，100%电离的过滤电弧金属等离子体经过磁控管源，从而与磁控溅射原子金属流混合，所述磁控溅射原子金属流通常具有<5%的低电离速率。混合的过滤电弧金属等离子体和磁控溅射原子金属流被引导朝向等离子体管的出口的前方的涂覆区域中的衬底，这提供了具有沉积金属原子流的较高以及可控浓度的杂化过滤电弧辅助磁控溅射涂层沉积。
图10提供了涉及本发明的双向远程电弧放电的物理过程的示意性描述；主要电弧通过阴极靶196的表面上的电弧点火器启动，所述阴极靶通过一对修整线圈300从放电腔室中隔离。此源可以在两种模式中工作：首先，在涂层沉积模式中，当电弧蒸汽等离子体沿着由管圈270力产生的纵向磁场的磁力线传输时；以及其次，在电子发射模式中，当管圈断开并且电弧等离子体通过由一对修整线圈300产生的磁场而被约束并且从加工腔室磁性隔离时。等离子体管272内的等离子体电位较低，接近于在在大多数情况下接地的最邻近阳极的电位，而在远程电弧放电等离子体中，电位较高，接近于远程阳极214的电位。通过有限元建模获得的等离子体管272与远程阳极214之间的等离子体电位的典型分布显示在图2中。
参考图11，提供了具有外围定位的屏蔽阴极腔室组件的批量涂覆系统的示意图。涂覆系统330包括真空腔室332、阴极腔室组件334，所述阴极腔室组件包括阴极腔室336、阴极338和护罩340。涂覆系统330还包括设置阴极338与主要阳极344之间的电压电位的一次电源342。涂覆系统330还包括磁控溅射源356到366，所述磁控溅射源中的每一者包括靶Ts、电源Ps，以及阳极As。涂覆系统330还包括通过电源362设置在相对于阴极338的电压电位处的远程阳极360。在此实施例中，当它们被涂覆时，衬底22沿着方向d3轴向移动。
图12图示了提供位于涂覆腔室的中心的屏蔽阴极电弧电子发射源的另一变体。确切地说，本变体提供了具有位于其中心区域中的阴极腔室组件382的圆形批量涂覆系统380。阴极384通常沿着涂覆系统380的轴线定位在阴极腔室组件382内。阴极腔室组件382分别包括具有界定在其中的开口390和392的阴极外壳388、阴极384、可选的主要阳极（未图示），以及护罩396、398。外壳388和护罩396、398分别将阴极384从真空腔室400中隔离并且还可以充当用于阴极腔室382中的经点燃电弧放电的主要阳极。主要电弧电源也提供在阴极384与阳极外壳388（未图示）之间。外壳388和护罩396、398分别界定了用于将电子发射电流传输到真空腔室400中的开口，同时充当阻止从阴极384发射的金属蒸汽原子、离子以及宏观粒子等较重粒子到达涂覆腔室400中的待涂覆衬底20的阻挡层。磁控溅射源402、404以及406附接到腔室400的壁408上。远程阳极410、412以及414在对应磁控管源的附近定位，优选地围绕这些溅射源。衬底20定位在转盘平台420上，其中阴极腔室与磁控溅射靶之间的距离为d1。从磁控靶表面到衬底20的距离通常范围为4到10英寸。远程电弧电源424、426，以及428安装在远程阳极410、412以及414与阴极腔室382中的中心阴极384之间。阴极384可以为热离子灯丝阴极，但优选地可以使用冷蒸发真空电弧阴极，所述冷蒸发真空电弧阴极对反应等离子体加工环境不敏感，所述环境可以包括用于碳化物、氧化物和氮化物的涂层沉积的甲烷、氧气和氮气等化学腐蚀性气体。阴极384为细长热离子灯丝或采用细长金属棒或杆的形式的冷阴极。此外，阴极384沿着涂覆腔室400的轴线定位在阴极腔室382内，其中其电子发射区域长度平行于并且通常在尺寸上等于衬底20加载区域的高度。此外，阴极384具有小于或等于远程阳极310、312和314的高度的较长尺寸。磁控管靶的高度也小于或等于远程阳极的高度。
在一个改进中，图12中示出的磁控管402、404、406可以用平面加热器来替换。待涂覆衬底可以放置在加热器表面处，面向腔室的中心，其中屏蔽阴极腔室382与阴极384一起定位。在此情况下，衬底可以加热到900℃，而同时高度电离远程阳极电弧等离子体可以通过阴极腔室382中的阴极384与定位在腔室380的壁处的远程阳极536、538、540之间的远程阳极电弧放电而在腔室380中建立。在此方法中，当腔室380中的气体氛围由在从1mTorr到200mTorr的压力范围下的甲烷、氢气和氩气的混合物组成并且氢气中的甲烷浓度范围为按重量计0.1%到2%时，多晶金刚石涂层可以沉积在定位在加热器的加热表面处的衬底上，加热到范围为700到1000℃否认沉积温度。
参考图13，提供了并入有电子发射真空电弧冷阴极源的系统的示意性图示；确切地说，本变体采用美国专利案号5,269,898的系统的电子发射真空电弧冷阴极源的设计，所述专利案的整个揭示通过引用并入本文中。杆状阴极430安装在阴极腔室432内，所述阴极充当由主要电弧电源434供电的真空阴极电弧放电的主要阳极。阴极430连接到电弧电源434的负输出上，并且阴极腔室432的外壳436连接到电弧电源434的正输出上。主要电弧的正输出可以任选地接地，如图7D中通过虚线所示。电弧被敲击物440重复敲击，所述敲击物定位在与到电弧电源434的连接相对的阴极430的末端。螺旋电磁铁线圈442与阴极430同轴安装并且用以产生具有大体上平行于阴极430轴线的通量线的螺线管磁场，并且具有与由线圈电源446提供的电流成比例的量值。涂层将沉积到的一个或多个衬底20围绕阴极腔室432而设置并且可选地安装在衬底固持转盘平台（未图示）上以实现其上的均匀涂层厚度分布，必要时，所述平台将在沉积期间提供衬底的旋转。还描绘了电弧斑点450和其由施加磁场的影响产生的典型轨迹452。在重新敲击之前，电弧斑点朝向与电弧电源434的连接经过阴极430的所有或部分长度。绝缘体454防止电弧斑点450移动离开所希望的阴极430的蒸发表面。电磁铁线圈442可以从电弧电路中电隔离，或它可以通过到其上的连接包括部分阳极，如点虚线458所指示。电磁线圈442可以替代地充当用于阴极腔室432中的主要电弧放电的唯一主要阳极，在所述情况下，电磁线圈442从腔室430中电隔离并且连接到主要电弧电源434的正输出上，所述正输出从阴极腔室432断开。一个或多个磁控溅射源460沿着腔室466的壁462被远程阳极470围绕而安装。远程阳极连接到远程电弧电源472的正输出上，而其负输出连接到阴极腔室432中的阴极430上。阴极腔室430的外壳436具有由护罩478覆盖的开口476以防止由阴极430发射的较重粒子（离子、中性原子和宏观粒子）到达阴极腔室432外侧的沉积区域，但在外壳436与护罩478之间的整个开口476中电子能够自由穿透涂覆区域。远程电弧电流在阴极腔室432内的阴极430与围绕在涂覆腔室466的壁处的磁控溅射源460的远程阳极470之间传导。远程阳极连接到远程电弧电源472的正输出上，而远程电弧电源472的负输出连接到阴极腔室432中的阴极430上。在磁控溅射涂层沉积过程期间，远程电弧电离并且激活等离子体环境，而且还可以在涂覆过程开始之前在衬底的预先离子清洗期间充当涂覆区域中的等离子体环境的电离和产生的源，以及用于等离子体浸没离子植入、离子渗氮以及等离子体辅助低压CVD涂层沉积方法。
参考图14A到图14C，提供了并入有宏观粒子过滤器的涂覆系统的变体的示意性图示。在此变体中，美国专利申请案号2012/0199070的阴极腔室的设计被采用，此专利申请案的整个揭示通过引用并入本文中。系统480包括被配置为宏观粒子过滤器的阴极腔室484。阴极腔室484包括围绕细长阴极486对称定位的偶数数目的管组件。图14A和图14B中说明的变体包括四个管组件，也即，管组件488、490、492、494，所述管组件有效地形成围绕阴极486的外壳496。管组件488、490、492、494界定了管500、502、504、506，通过所述管，带正电的离子被从阴极靶486引导到衬底20。管组件488、490、492、494界定了用于引导等离子体的磁场。管组件分别包括支撑组件510和用于阻断宏观粒子的挡扳组件512。在一个改进中，挡扳组件512包括用于增强滤出宏观粒子的能力的突起514。电子柱516、518用于连接到过滤器电源上，因此管组件被电偏置以排斥带正电离子。当管组件488、490、492、494相对于阴极486正偏置时，它还充当阴极腔室484内建立的主要电弧放电的主要阳极。管组件488、490、492、494还可以被隔离并且具有浮动电位。在此情况下，电弧引导电磁线圈（未图示）可以充当用于点燃阴极腔室484中的主要电弧放电的阴极486的主要阳极，如上文关于图14B中示出的本发明的实施例所说明。参考图14C，提供了阴极腔室外壳-过滤器组件496的示意性透视图。过滤器组件-阴极腔室外壳496由一组管组件488、490、492、494制成，所述管组件平行于阴极486，优选地具有杆的形状，但所述管组件还可以制成具有任意多边形横截面的棒。在过滤阴极电弧涂层沉积过程期间，过滤器通过沿着管组件488、490、492、494传送电流以建立磁场而被电激活。
仍参考图14A到图14C，磁场可选地通过将电流传送通过管组件以便建立磁场而建立。确切地说，相邻的管组件产生具有相反磁极性的磁场。箭头520、522、524、526指示电流可以流动以建立此类磁场的方向的实例。箭头显示，相邻管组件中的电流方向彼此相反。以此方式产生的磁场具有到细长阴极表面的正常定向以及通过将电流传送通过管组件而产生的用于离子体引导的导电强度。在此过滤电弧沉积模式中，从阴极486发射的金属蒸汽等离子体穿过管组件之间的管，由此使不希望的宏观粒子和中性金属蒸汽选区被消除并且将100%电离的金属蒸汽等离子体递送到衬底上。
在远程阳极电弧等离子体放电（RAAD）模式中，电流并不传导通过管组件488、490、492、494并且获取磁场的金属蒸汽等离子体并未产生。在此管被动模式中，从阴极486的表面发射的电子可以自由经过管500、502、504、506，所述管传导在阴极腔室484中的阴极486与远程阳极530、532和534之间的RAAD电流，所述远程阳极围绕着磁控管源536、538和540，所述磁控管源沿着涂覆系统380的腔室壁506而定位。同时，管组件488、490、492、494充当阻止从阴极486发射的金属蒸汽原子、离子和宏观粒子等较重粒子到达衬底的阻挡层。RAAD等离子体在系统380的加工区域中电离并且激活等离子体加工环境，其中衬底被定位。这导致能够实施离子等离子体清洗、离子植入离子渗氮以及远程电弧辅助磁控溅射（RAAMS），从而产生等离子体加工产品的的高级特性。
参考图15A和图15B，提供了RAAMS系统的变体的示意性图示。图15A为RAAMS系统的侧视示意图，而图15B为垂直于图15A的视图的侧视示意图。系统530包括腔室532、具有待涂覆衬底536的衬底固持器534、主要阴极538a、538b，磁控管540a、540b以及远程阳极542a、542b。阴极538a、538b定位在阴极部分548中的腔室532的侧面544（也即，底部）处，所述阴极部分通过V形护罩552与腔室532的涂覆部分550隔开，所述护罩对于较重粒子不可渗透，但允许电子通过并朝向涂覆部分550中的远程阳极542a、542b。护罩552可以是电浮动的或它可以连接到主要电弧电源554或另外的电源（未图示）的正极端子上。主要电弧阳极556定位在两个电弧阴极之间的阴极腔室548的中间，所述阴极为：在阴极腔室548的左隔室中的阴极538a以及在阴极腔室548的右隔室中的阴极538b。具有待涂覆衬底536的衬底固持器534定位在磁控管540a、540b之间。衬底面向左侧的磁控管540a以及右侧的磁控管540b。远程阳极542a、542b定位在磁控管540a、540b之上并且通过可选的分隔挡扳560彼此隔开。分隔阳极556、具有待涂覆衬底536的衬底固持器534以及可选的分隔挡扳560有效地将腔室532分成两侧（也即，左侧和右侧），由此与防止热射流562a相关联的定位在腔室532的左侧上的阴极538a朝向远程阳极542b流动通过腔室532的右侧以及朝向远程阳极542a流动到腔室532的左侧中。远程阳极542a与衬底固持器534的左侧的电弧阴极538a耦合并且远程阳极542b与衬底固持器534的右侧的阴极538b耦合。阳极556、衬底固持器534以及可选的分隔挡扳560有效地将涂覆腔室550分成两个部分：容纳左阴极538a、左磁控管540a以及左远程阳极542a的左部分以及容纳右阴极538b、右磁控管540b以及右远程阳极542b的右部分。此划分形成了两个窄放电间隙或放电通道：在涂覆部分550的左侧上分隔左磁控管540a和衬底固持器534的左间隙以及在涂覆部分550的右侧上分隔右磁控管540b和衬底固持器534的右间隙。分隔放电间隙的宽度在2到20英寸的范围内。
在一个改进中，阴极靶可以由具有吸气能力的金属制成，所述金属诸如钛合金或锆合金。在此情况下，屏蔽阴极电子发射源还充当改进了涂覆系统530的效率的真空吸气泵。为了进一步改进吸气泵送效率，面向阴极腔室550中的阴极靶538a的蒸发表面的护罩552可以为水冷式的并且可选地连接到高压偏置电源上。当水冷式护罩552相对于阴极靶538a和538b偏置到范围从-50V到-1000V的较高负电位时，护罩552将经受通过阴极电弧蒸发方法产生的金属离子的强烈离子轰击。在强烈离子轰击条件下的金属蒸汽的冷凝有利于泵送惰性气体，诸如氦气（He）、氩气（Ar）、氖气（Ne）、氙气（Xe）、氪气（Kr）以及氢气。此外，面向阴极靶538a、b的水冷式主要阳极556还通过增加金属蒸汽冷凝/吸气区域有助于泵送容量。
仍参考图15A和图15B，可见，若干磁控管源540定位在涂覆部分550中的阴极腔室548之上。具有衬底536的衬底固持器534沿着腔室532移动通过磁控管562。阴极电弧斑点564沿着电弧阴极538的阴极靶566移动，同时通过磁性引导线圈570或其他引导构件进行引导。此系统的实验研究揭示，较窄等离子体射流562具有范围为1011到1013cm-3的较高等离子体密度以及超过2eV（通常范围为3到20eV）的电子温度。大部分远程阳极电弧放电电流沿着较窄热等离子体射流562流动并且具有范围为0.l mA/cm2到100A/cm2的电弧电流密度。涂覆部分的其余部分通过冷且稀少的等离子体填满，所述等离子体具有通常在3eV以下的电子温度以及范围为108到1011cm-3的等离子体密度。当以与阴极电弧斑点564相同的速度移动时，热等离子体射流562的宽度通常为从1到5cm，所述移动跟随阴极靶566上的阴极电弧斑点564的引导移动。人们相信，在整个热等离子体射流562中，大部分远程电弧电流在阴极腔室548中的阴极538与远程阳极542之间传导。还可以从图15A中看到，两个热等离子体射流562a和562b在较窄放电间隙内形成，所述间隙在涂覆部分550的左侧的左磁控管540a与衬底固持器534之间并且在涂覆部分550的右侧的右磁控管540b与衬底固持器534之间。左射流562a桥接在阴极腔室548的左隔室中的左阴极538a与在涂覆部分550的左侧的左远程阳极542a。右射流562b桥接在阴极腔室548的右隔室中的右阴极538b与涂覆部分550的右侧的右远程阳极542b。
参考图16，提供了具有在阴极腔室的隔室中的一者中的阴极并且具有两个阴极电弧斑点的图15A和图15B的变体的示意性图示。在此变体中，在阴极电弧斑点576a和576b中的每一者之上在V形挡扳552与远程阳极542之间形成的两个等离子体射流562a和562b与在阴极538与远程阳极542之间的电流连接桥接。沿着与阴极电弧斑点576a和576b相关联的射流562a和562b的远程电弧电流的方向通过在这些射流上的垂直箭头示出。等离子体分布具有靠近阴极电弧斑点576a和576b中的每一者的最大578a和578b，所述阴极电弧斑点通过由定位在靶582（未图示）较远的一边的引导线圈产生的引导磁场或通过如下文所描述的其他构件沿着阴极靶566上的侵蚀通道580移动。在此变体中，高电离面积的尺寸为Ai～L(磁控管)×W(射流)。在上文所说明的水平对准的系统中，电离面积为仅Ai～W(磁控管)×W(射流)。相较于电弧射流562的水平对准（平行于磁控管540的较短侧面），通过电弧射流562的垂直对准（如在父代情况中平行于磁控管540的较长侧面）而导致的磁控溅射流电离面积的增加近似为L（磁控管）/W（磁控管）。
仍参考图16，桥接远程阳极542与阴极靶566之间的放电间隙的约束等离子体流（也即，等离子体射流）通过涂覆区域550，沿着方向d4移动，同时保持与磁控管540的较长侧面平行。约束等离子体射流562的末端沿着图16中所说明的方向d4移动。电弧斑点576沿着侵蚀区域578在阴极580上形成。在远程阳极542处的等离子体场584以及在阴极靶580处的等离子体场578以沿着方向d4从约1到5英寸的间隔在尺寸上进行约束。在一个改进中，磁性引导场用于实现沿着d4的光栅化移动。在其他改进中，此光栅化移动通过沿着方向d4以机械方式移动阴极580来实现。在其他改进中，具有二次发射电子的热离子灯丝阴极沿着d4移动。
参考图15A、图15B，以及图16，提供了涂覆系统530的不同组件的相对大小确定的方面。远程阳极542具有平行于阴极靶538的线性远程阳极尺寸Da。蒸汽源538（也即，图15B中示出的四个磁控管）的位置的水平区域也是相关的。沿着平行于磁控管538的较短侧面的方向的区域具有线性蒸汽源尺寸Dv。阴极靶566具有平行于远程阳极542并且还平行于磁控管538的较短侧面的线性阴极靶尺寸Dc。在一个改进中，线性远程阳极尺寸Da、线性蒸汽源尺寸Dv，以及线性阴极靶尺寸Dc彼此平行。在另一改进中，线性远程阳极尺寸Da大于或等于线性阴极靶尺寸Dc，所述线性阴极靶尺寸大于或等于线性蒸汽源尺寸Dv。
图17提供了远程等离子体系统的替代配置，所述配置利用了具有定位在腔室壁处的平面磁控管源540a、540b以及附接到旋转传送带衬底固持器592上的待涂覆衬底536的同轴批量涂覆腔室布局。涂覆腔室590包括具有待涂覆衬底536的传送带衬底固持器592以及面向待涂覆衬底的附接到涂覆腔室590的壁上的一组平面磁控溅射源540a、540b。涂覆腔室590还包括具有主要阴极538和定位在腔室590的底部处的同轴主要阳极556的阴极腔室600以及定位在腔室590的顶部处的远程阳极环596。
阴极腔室600包括具有面朝磁控管540与衬底固持器592之间的间隙的开口598a、598b的护罩壳体598。采用圆柱形式的可选的分隔挡扳560也安装在旋转衬底固持器592中。阳极556、衬底固持器592，以及可选的分隔挡扳560产生了在磁控管540与衬底固持器592之间的腔室590内的较窄同轴间隙以约束热射流562并且确保其位置平行于腔室590的轴线。开口598可以与衬底固持器592同轴定位。阴极540具有与涂覆腔室590并且与主要圆柱形阳极556同轴的环的形状。可替代地，若干主要阴极540与主要阳极556同轴地安装在阴极腔室548中。主要阳极还可以充当冷凝表面以改进泵送速度，方法为通过对由阴极538产生的蒸汽等离子体的冷凝产生的吸气效应有效地吸收在阳极556的表面上形成的薄膜内的残余气体。此配置增加了远程电弧等离子体密度，由此在磁控溅射期间提供更加强烈的离子轰击辅助速率。在此配置中，远程电弧放电等离子体的更致密的区域在磁控管靶与待涂覆衬底之间的间隙中产生。
参考图18A和图18B，提供了具有用于每一个磁控溅射源540的单独主要阴极腔室548的改进。在图18A中，阴极腔室548定位在涂覆腔室550下方。磁控管540定位在紧邻护罩552之上的涂覆腔室550中，所述护罩552将阴极腔室548从涂覆腔室550中分隔出来。作为大功率电子发射器的阴极电弧源538定位在磁控管540之下。界定了电弧斑点引导区域的尺寸的阴极靶的大小范围为磁控管靶的宽度的1/4到2倍，但优选地在从磁控管靶的宽度的0.5到1.5倍的范围内。主要阳极556定位在阴极靶566之上并且具有通常小于或等于阴极电弧靶566的尺寸。磁性引导线圈570可选地定位在阴极538下方以引导阴极电弧靶566的表面处的电弧斑点。远程阳极542在磁控管540上方定位在涂覆腔室550中，其条件是阴极538、磁控管540以及阳极542大体沿着相同线对准。高密度等离子体射流562在护罩552与阳极542之间的涂覆腔室550内沿着磁控管540的表面在阴极电弧斑点602之上形成，所述电弧斑点通过由引导线圈570的引导磁场提供的磁性引导作用在阴极靶566的表面上移动。阴极电弧斑点602和等离子体射流562沿着平行于桥接朝向远程阳极542的放电间隙的磁控管540的较长侧面的单个垂直线对准。在此布置中，在阴极靶566的表面处的阴极电弧斑点602的引导提供了高密度等离子体射流562的对应引导，其中远程阳极电弧电流被引导沿着平行于磁控管540的较长侧面的方向，而射流562的轴线平行于磁控管540的较长侧面。等离子体射流562穿过与在护罩与远程阳极542之间的距离桥接的磁控管靶的前方的磁控管放电，并且在一定区域内在磁控溅射源540的前方电离溅射金属原子流和气态环境，在所述区域中等离子体射流562穿过磁控管放电。磁控管540的前方的金属溅射原子和气态物质的电离和激活的增加沿着平行于磁控管540的较长侧面的方向并且沿着平行于磁控管540的较短侧面的方向均匀分布。沿着平行于磁控管540的较长侧面的方向的等离子体射流562的电离能力的均匀性通过沿着等离子体射流562的等离子体密度和电子温度的均匀分布来实现。沿着平行于磁控管540的较短侧面的方向的等离子体射流562的电离能力的均匀性通过在阴极电弧靶566上阴极电弧斑点602的磁性引导移位而导致的从磁控管540的一个末端到另一个末端横跨磁控管放电来回重复移动射流562来实现。
在典型的实例中，阴极腔室548中的阴极538与主要阳极556之间的主要电弧放电通过电源554a供电。阴极538与远程阳极542之间的远程阳极电弧放电通过电源608供电。镇流电阻610安装在远程阳极542与接地涂覆腔室550之间，这允许对远程阳极542与接地腔室550之间的电压降的控制。当微弧放电出现在涂覆腔室550壁处时，电子开关612将被关闭，由此使远程阳极542对地短路并且有效地消除电弧放电，随后当电子开关612的位置为打开时，对远程电弧进行重新点火。在RAAD等离子体的点火期间，开关612也可能是打开的。RAAD的点火可以通过将高压负电位施加到磁控管540上从而开始磁控管放电，或可替代地通过将高负电压施加到衬底固持器534上从而建立横跨阴极腔室548与远程阳极542之间的放电间隙的辉光放电来提供。作为RAAD的一种点火方法，高压放电可以用于直流或脉冲放电模式。磁控管540的磁控溅射靶的尺寸通常为10cm宽×100cm高。阴极电弧靶566的尺寸通常约为10m，近似等于磁控管540靶的宽度。等离子体射流562的宽度为约3cm。电弧斑点602在阴极靶566的表面之上的磁性引导移动速度近似为1000cm/s。在此情况下，引导横跨磁控管放电区域的等离子体射流的重复频率将近似为50Hz。假设由等离子体射流56a穿过的磁控管放电区域内的改进的电离速率为～30%，那么等离子体射流562导致的磁控管放电等离子体的平均电离速率将达到～10%，所述电离速率比常规磁控溅射流的电离速率至少高一个数量级。磁控溅射流的改进电离速率导致在磁控溅射涂层沉积过程期间增加的离子轰击辅助的强度，这产生具有近似理论的高密度、低缺陷、高平滑度，以及优良功能特性的涂层。图18B中示出了利用多个磁控管源的直列式真空涂覆系统，所述磁控管源分别配备有单独的阴极腔室。
参考图19A，提供了图14A到图18B的系统的另一高级变体。中间电极栅622安装在磁控管40的前方，这有效地限制了在磁控溅射靶540的前方的高密度等离子体射流562的约束的区域。在此布置中，阴极腔室548封闭在外壳628内。尽管外壳628可以电接地，但优选的是，在主要与远程电弧放电之间不存在直接电子耦合的条件下，它与接地腔室绝缘。外壳628具有面向磁控管靶634与电极栅622之间的放电间隙或等离子体通道632的开口630。开口630的长度通常等于磁控管靶634的宽度的长度，而开口630的宽度小于放电间隙632的宽度d。电极栅622可以由由难熔金属制成的细导线638组成，所述难熔金属从以下组中选出：钨（W）、钽（Ta）、铌（Nb）、铪（Hf）、钛（Ti）、钼（Mo），以及不锈钢。导线的直径通常为从0.01mm到2mm。小于0.01mm的直径在与RAAD等离子体的接触中可能导致导线的熔化。比2mm粗的直径将从溅射流中吸收过大量的涂覆材料。导线638可以布置在不同图案的纱网中或布置为彼此平行的单一导线阵列。栅电极622对于溅射金属流必须是可穿透的，其中透明度超过50%。在纱网或栅电极622中的相邻导线638之间的距离通常为从0.5mm到10mm。在栅电极622中少于0.5mm的相邻导线之间的距离是不实用的并且会影响栅电极622的透明度。栅电极622中大于10mm的相邻导线638之间的距离可能不具有足够的等离子体约束特性以约束放电间隙或等离子体通道632内的等离子体射流562。磁控管靶634与栅电极622之间的距离d通常为从10mm到100mm。少于10mm的距离太小以至于不能约束电弧射流562a，而大于10cm的距离太大以至于不能提供可以挤压等离子体射流的较窄通道，从而不能有效地增加其电子密度、电子温度，以及金属溅射流电离速率。
栅电极622通常充当中间阳极。然而，它还可充当远程放电等离子体点火电极。在此后一情况中，开关642将高压直流或脉冲电源644的负极连接到栅电极622上。当将负高压直流或脉冲偏置电压施加到栅电极622上时，它点燃辉光放电，从而提供在远程阳极电弧等离子体放电间隙632内的初始电离，由此启动RAAD等离子体。在RAAD等离子体被点燃之后，开关642可以将中间阳极电源646的正极连接到电极栅622上，从而将电极栅622转移到中间阳极模式中，所述中间阳极模式为当时电极栅622变成远程阳极电弧放电的中间阳极时的模式。在此情况下，栅电极622连接到电源646的正极上，而负极连接到阴极538上。在一个改进中，在RAAD等离子体的操作中，电极栅可以连接到电源644的负极上，而正极连接到阴极538上。在此情况下，电极栅622的电位将相对于阴极538为负，但电极栅622的电位不能比阴极538低超过阴极538与主要阳极556之间的电压降的两倍。电极栅622还可以从涂覆腔室设置的其他组件隔离。在这些情况下，电极栅622的电位将被设置在由RAAD等离子体中的等离子体密度和电子温度确定的浮动电位值处。放电间隙632内的等离子体密度可以通过减少放电间隙的宽度并且增加远程阳极电弧电流而增加到极高的水平。这允许在没有如磁控溅射方法中所要求的磁性增强的情况下，在二极管溅射过程中使用溅射靶540a。
在界定在阳极栅622与磁控管540之间的远程电弧放电间隙中的射流562中的远程电弧电流密度在0.1到500A/cm2范围内。小于0.1A/cm2的远程电流密度不足以提供磁控溅射流的电离的所需水平。超过500A/cm2的远程电弧电流密度需要太大的远程电弧放电电源功率，这对于应用是不实际的。在阳极栅622与磁控管540之间界定的放电间隙内的远程电弧放电（也即，射流（562））的高电流密度可以通过使用直流电源646和/或608来实现，所述直流电源可以将范围为10到2000A的直流电流提供给远程阳极542和/或栅阳极622；或可替代地，通过使用脉冲电源来实现，所述脉冲电源可以将正电压脉冲施加到远程阳极542和/或栅阳极622上。正电压脉冲可以在500到10,000V范围内变化并且相关联的电流脉冲可以在1000到50,000A范围内变化。
参考图19B，提供了图19A的系统的一个变体。栅电极阵列622的导线638平行于彼此并且平行于磁控管540的较短侧面而定位。每一个导线638通过电容器640以及分流电阻642连接到远程阳极542上，同时二极管确保电流的方向朝向导线元件638。在操作过程中，在远程放电被点燃之前，电容器640被充电至远程阳极电弧电源608的最大开路电压。此布置通过点燃远程电弧触发远程电弧放电的级联点火，首先在阴极538与最靠近阴极538而定位的单个导线638之间，接着是依次通过朝向远程阳极542的电极栅阵列622的所有中间单个导线电极638的远程电弧放电的传播。在点火阶段之后，电容器640将放电并且每一个导线638的以及整个电极栅阵列622的电位将通过分流电阻642确定。如果远程阳极电弧放电熄弧，那么电容器640将再次充电至电源608的最大开路电压，且自动重复级联点火。可替代地，点火由控制系统启动。此方法还可以应用于类似于图16和18B中示出的系统的多磁控管系统。在此情况下，级联点火布置的中间点火电极可以定位在对应的磁控溅射源之间的间隙内的中间。
参考图19C，提供了图19A的涂覆系统的另一高级变体。电容耦合的RF电极648、650定位在远程电弧放电柱562的阴极末端652和远程阳极末端654处。RF发生器和匹配网络与RF电极648串联安装以通过叠加沿着等离子体射流562的RF振荡来激活等离子体射流562。振荡的频率可以在10kHz到500MHz范围内变化。在一个改进中，发生器的频率在500kHz到100MHz之间变化。通常使用的13.56MHz RF发生器适合于此目标。当在等离子体射流562内产生强烈的RF振荡时，等离子体密度、电子温度，以及随后磁控溅射的电离速率和气态等离子体增加，由此导致远程阳极电弧放电电离效率和激活能力的增加。这进一步通过RAAMS放电等离子体改进了涂层和等离子体经处理表面的特性和性能。在如图19C中所图示的另一变体中，脉冲高压发生器或脉冲RF发生器656被用于替代连续波RF发生器，由此在涂层沉积过程期间，提供用于RAAMS放电的点火的高压单极或RF脉冲以及经叠加高压高电流脉冲。高压高电流或RF脉冲的重复频率从1Hz到100kHz变化。
图19D提供了具有电极栅的RAAMS模块的透视图。具有主要阴极（未图示）和主要阳极（未图示）的阴极腔室548定位在磁控溅射磁控管540下方。电极栅622定位在磁控管540的前方。远程电弧放电，也即，射流562，在阴极腔室548中的主要阴极（未图示）与远程阳极542之间被点燃。远程电弧射流562从阴极腔室548中的开口进入在栅电极622与磁控管540的溅射表面之间产生的远程电弧放电间隙中。
参考图19E，提供了另一远程阳极涂覆系统的系统的示意图。远程阳极电弧等离子体笼622可以在磁控管蒸汽源540的磁控管靶634的前方产生，如图19E中图示性示出。远程电弧放电可以在阴极腔室548中的主要电弧阴极（未图示）与阳极笼（也即，栅622）和/或顶部远程阳极542之间建立。在本发明的此实施例中，远程阳极电弧等离子体从阴极腔室548中的开口630沿着磁控管靶634的较长侧面朝向栅阳极622和/或顶部远程阳极542流动。尽管笼-栅远程阳极622可以由在许多不同图案中对准的导线制成，但图19E中所示出的本发明的实施例利用了由平行于磁控管靶634的较长侧面的笔直导线的阵列组成的远程阳极笼622。
参考图19F，提供了使用导线阵列的系统的示意图，该图为图19E中示出的系统的横截面。此平行导线阵列由外部导线622a阵列构成，从而形成远程阳极网笼622的外部边界。远程阳极电弧等离子体射流约束在由此外部阳极笼导线622a阵列形成的阳极笼内。它还可以任选地由内部导线622b的阵列组成，所述内部导线定位在阳极网笼622内。当参考阴极腔室548中的阴极，正直流或脉冲电位被施加到阳极网笼上时，阳极等离子体鞘层围绕外部导线622a和内部导线622b的阵列的每一个导线而形成。阳极等离子体鞘层内的电离效率超过背景等离子体的电离效率，这导致了磁控溅射流的电离速率的改进，因此导致了涂层特性的进一步改进。内部导线622b的作用还为转移电子和正离子等带电粒子，从而使其轨迹卷曲，从而产生钟摆效应、增加带电粒子的轨迹的长度，并且有效地将带电粒子截留在阳极网笼622内，因此增加了磁控溅射流的电离概率。此用于等离子体约束的方法还可以在不需要磁性约束的情况下使用。这允许在没有磁体的情况下在二极管溅射模式中使用溅射靶，同时高密度远程阳极电弧等离子体静电约束在阳极网笼622内。图19E所示出的阳极网笼622之间的相邻导线的特征距离在0.5mm到30mm范围内。每一个导线的厚度通常在50微米到3000微米范围内。沿着靶634平行于其较长侧面从阴极腔室开口634中流动的远程阳极电弧电流密度在0.1到500A/cm2范围内。远程阳极电弧电流可以通过直流电源或脉冲电源提供。图19F中图示性地示出了被阳极网笼622围绕的磁控溅射源540的横截面。磁控管放电647建立在磁控管靶7a之上，从而造成磁控溅射金属原子流649。阳极笼由外部阵列622a和内部阳极导线阵列622b构成。当导线通过施加相较于阴极腔室（未图示）中的阴极的正电位而被激励时，在阳极网笼622的每一个导线周围建立具有增强的电离速率的阳极等离子体鞘层。当粒子接近围绕导线622a、622b的阵列的阳极等离子体鞘层时，带电粒子（电子和正离子）的轨迹651被转移。在一个改进中，阳极网笼622的导线由钨（W）或钽（Ta）等难熔金属制成并且其温度维持在500到2500℃范围内，这使得有效地再蒸发磁控溅射流的金属原子，所述原子可以粘在导线的表面。人们相信，阳极网笼内的高电离速率将使得有可能在0.5mtorr以下的压力范围内并且甚至在没有氩或氪等惰性气体的情况下操作溅射蒸汽源，这由此消除了涂层晶格中的惰性气体原子的不利的夹杂。
参考图20，提供了一个变体，其中电子发射阴极电弧源具有非消耗阴极。阴极组件660包括具有圆柱形形状或矩形空腔的水冷式阴极。矩形空腔662包括内部蒸发和电子发射表面664以及通常由附接到阳极板670上的圆柱形或矩形插入物668组成的主要阳极666。阳极插入物668在阴极空腔662内延伸。阳极666由难熔金属制成，所述难熔金属从以下组中选出：钨（W）、钽（Ta）、铌（Nb）、铪（Hf）、钛（Ti）、铬（Cr）、钼（Mo），以及不锈钢。阳极板670通过陶瓷间隔物672从阴极隔离。主要阳极666通过间隔物678附接到水冷式等离子体转移容器676上，所述间隔物具有提供等离子体容器676与主要阳极666之间的高热阻的小横截面。等离子体容器676包括面向阴极538贯穿在阴极538的侧面上的管状阳极插入物668的开口680以及面向电极栅622与涂覆腔室550的侧面上的磁控管源540之间的放电间隙的开口682。开口682的长度大体上等于磁控管靶634的宽度的长度，而开口682的宽度小于放电间隙632的宽度d。间隔物678可以由难熔金属制成。在此情况下，等离子体容器676电连接到主要阳极666上。可替代地，间隔物678可以由非导电陶瓷制成，从而使等离子体容器676从主要阳极666电隔离。在任何情况下，间隔物678必须具有提供在水冷式等离子体容器662与主要阳极668之间的高热阻的小截面。在操作中，主要阳极通过电弧电流加热达到一定的温度，所述温度为当从阴极传递的金属的再蒸发发生时的温度，从而有效地使从阴极电弧放电中的内部阴极表面669的阴极金属蒸发再循环。
阴极容器662通常由具有相对较低熔化温度和高饱和蒸气压的金属形成。此类金属的实例包括但不限于，铜（Cu）、铝（Al）、青铜以及其他低温合金。可替代地，阴极容器662可以由铜制成，但其内部蒸发和电子发射表面669应被具有低沸腾温度的金属（例如，锌（Zn）、镉（Cd）、铋（Bi）、钠（Na）、镁（Mg），铷（Rb））薄层覆盖。当热主要阳极温度为从600到1100℃时，低温蒸发金属容易通过热主要阳极再蒸发。等离子体容器676的水冷式内部表面还可充当冷凝表面，从而有效地防止阴极原子的通量流动到涂覆腔室部分550中。应了解，图18到图20的变体还可以在没有电极栅622的情况下使用。在此情况下，面向涂覆腔室550的在阴极腔室548中的开口应该靠近磁控管靶634的表面而定位，面向磁控管放电的区域，在所述区域中溅射原子的密度较高。
图21A和21B提供了远程等离子体系统的替代配置。参考图21A，涂覆系统670包括定位在磁控溅射源674与阳极676之间的衬底固持器672。涂覆系统670还包括具有上文所述的设计的阴极腔室678。此配置增加了远程电弧等离子体密度，由此在磁控溅射期间提供了较高的离子轰击辅助速率。参考图21B，涂覆系统680包括由细导线组成的阳极682。阳极682安装在磁控管靶684与衬底固持器686之间。涂覆系统680还包括如上文所说明的阴极腔室688。在此后一配置中，远程电弧放电等离子体的更致密的区域在磁控管靶与待涂覆衬底之间的间隙中产生。
在另一实施例中，提供了由上文所说明的方法和系统形成的经涂覆物品。参考图22A，经涂覆物品726包括具有表面730和设置在表面730上的涂层732的衬底728。在一个改进中，涂层为保护涂层。通常，涂层具有致密微结构和特征颜色。在一个改进中，涂层包括与氮气、氧气和/或碳反应以形成难熔金属氮化物、氧化物、或碳化物的难熔金属。合适的难熔金属的实例包括但不限于，铬、铪、钽、锆、钛以及锆钛合金。铬氮化物为通过上文所说明的方法制得的特别地有用的涂层的实例。在一个改进中，涂层具有从约1到约6微米的厚度。参考图22B，提供了铬氮化物涂层的变体，所述变体为通过上文所说明的方法形成的多层结构。经涂覆物品834包括设置在衬底728上的未反应铬层的薄层836以及设置在未反应铬层736上的厚化学计量铬氮化物层838。在另一改进中，多层结构进一步包括设置在化学计量铬氮化物层738上的中间化学计量铬氮化物层的层740。中间化学计量铬氮化物240具有给定为CrN（1-x）的化学计量，其中x为0.3与1.0之间的数字。在一个改进中，未反应铬层736的厚度在0.05与0.5微米之间，较厚铬氮化物层738的厚度为从1到3微米，并且中间化学计量铬氮化物740为从0.5到1微米。
尽管本发明的实施例已经进行图示并且描述，但并不意欲这些实施例图示并描述本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词是描述性而非限制性的词，并且应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以作出不同的改变。

Claims (20)

1.一种涂层系统，其特征在于，所述涂层系统包括：
真空腔室；以及
涂覆组件，其包括：
具有靶面和线性蒸汽源尺寸的蒸汽源，所述蒸汽源具有蒸汽源长尺寸和蒸汽面短尺寸；
用于固持待涂覆衬底从而使所述待涂覆衬底定位在所述蒸汽源的前方的衬底固持器，所述衬底固持器具有线性固持器尺寸；
具有线性远程阳极尺寸的远程阳极；
阴极腔室组件，所述阴极腔室组件包括阴极靶、主要阳极以及护罩，所述阴极靶具有线性阴极靶长尺寸和线性阴极靶短尺寸，所述护罩界定了用于将远程电弧放电的电子发射电流从所述阴极靶传输到所述远程阳极的至少一个开口，所述电流沿着所述线性蒸汽源尺寸流动，所述远程阳极电耦合到所述阴极靶，所述蒸汽源位于所述阴极腔室组件和所述远程阳极之间；
连接在所述阴极靶与所述主要阳极之间的一次电源；以及
连接在所述阴极靶与所述远程阳极之间的二次电源，其中电弧斑点被引导沿着所述阴极靶，以使得在涂覆期间，当约束等离子体从所述阴极靶经过涂覆区域流动到所述远程阳极的同时，衬底位于所述蒸汽源的前方，所述约束等离子体包括热等离子体射流，其用于将在阴极靶的护罩处的阴极电弧斑点与在所述远程阳极处的相关联区域相连，而同时流动通过在腔室壁与所述衬底固持器之间以及所述蒸汽源与所述衬底之间产生的通道。
2.根据权利要求1所述的涂层系统，其特征在于，所述护罩界定单个开口。
3.根据权利要求1所述的涂层系统，其特征在于，所述护罩界定多个开口。
4.根据权利要求1所述的涂层系统，其特征在于，所述涂层系统进一步包括定位在所述阴极腔室组件与所述远程阳极之间的另外蒸汽源，其中所述线性远程阳极尺寸以及电弧斑点被引导沿着所述阴极靶所在的尺寸都平行于所述另外蒸汽源的蒸汽源短尺寸。
5.根据权利要求1所述的涂层系统，其特征在于，所述涂层系统进一步包括第二阴极腔室组件，其包括具有第二线性阴极靶尺寸的第二阴极靶、第二主要阳极以及第二护罩，所述第二护罩界定了用于将第二电子发射电流从所述第二阴极靶中传输到所述远程阳极的至少一个开口，所述电流沿着所述第二线性阴极靶尺寸流动。
6.根据权利要求1所述的涂层系统，其特征在于，远程阳极电弧等离子体约束在蒸汽源靶与衬底固持器之间。
7.根据权利要求1所述的涂层系统，其特征在于，所述蒸汽源包括磁控管靶。
8.根据权利要求7所述的涂层系统，其特征在于，所述涂层系统进一步包括安装在所述磁控管靶与衬底固持器之间的网笼阳极，所述阴极腔室组件定位在所述网笼阳极的第一末端处，所述阴极腔室组件具有用于释放在所述网笼阳极内的电子发射电流的阴极腔室开口。
9.根据权利要求8所述的涂层系统，其特征在于，所述远程阳极安装在所述网笼阳极的第二末端处。
10.根据权利要求8所述的涂层系统，其特征在于，所述远程阳极连接到第一远程电弧电源的正极上并且所述网笼阳极连接到第二远程电弧电源的正极上。
11.根据权利要求8所述的涂层系统，其特征在于，所述网笼阳极为电浮动或者其中所述远程阳极电弧被约束在笼内。
12.根据权利要求8所述的涂层系统，其特征在于，所述网笼阳极的外部边界距所述磁控管靶的距离为从10mm到100mm，在所述网笼阳极内的远程电弧电流的密度为从0.1到500A/cm2。
13.根据权利要求8所述的涂层系统，其特征在于，网笼阳极包括具有从0.05到3mm厚度的导线并且相邻导线之间的距离从0.5到30mm。
14.根据权利要求8所述的涂层系统，其特征在于，所述涂层系统进一步包括分布在阳极笼内的内部阳极导线，所述导线使带电粒子转移以将其截留在阳极阳极内。
15.根据权利要求8所述的涂层系统，其特征在于，所述涂层系统进一步包括定位在阳极阳极的两个末端处的RF天线，所述RF天线支撑导致RF放电，所述RF放电将所述阴极靶发射的电子加热。
16.根据权利要求1所述的涂层系统，其特征在于，所述阴极腔室组件的阴极靶包括由具有饱和蒸气压的金属覆盖的阴极空腔，阴极空腔通过分隔物与远程电弧放电区域隔开。
17.根据权利要求1所述的涂层系统，其特征在于，所述一次电源为直流电源或脉冲直流电源，所述一次电源的负极连接到所述阴极靶上并且所述一次电源的正极连接到至少一个远程阳极上。
18.根据权利要求1所述的涂层系统，其特征在于，所述一次电源为直流电源或脉冲直流电源，所述一次电源的负极连接到所述阴极靶上并且所述一次电源的正极连接到网笼阳极上。
19.一种在涂覆系统中涂覆衬底的方法，其特征在于，所述涂覆系统包括：
真空腔室；以及
涂覆组件，其包括：
具有靶面的蒸汽源，所述靶面具有靶面长尺寸和靶面短尺寸；
用于固持待涂覆衬底从而使所述待涂覆衬底定位在所述蒸汽源的前方的衬底固持器，所述衬底固持器具有线性固持器尺寸；
具有线性远程阳极尺寸的远程阳极；
阴极腔室组件，其包括阴极靶、主要阳极以及护罩，所述阴极靶具有线性阴极靶尺寸，所述护罩界定了用于将远程电弧放电的电子发射电流从所述阴极靶传输到所述远程阳极的至少一个开口，所述电流沿着所述线性蒸汽源尺寸流动，所述远程阳极电耦合到所述阴极靶，所述蒸汽源位于所述阴极腔室组件和所述远程阳极之间；
连接在所述阴极靶与所述主要阳极之间的一次电源；以及
连接在所述阴极靶与所述远程阳极之间的二次电源，其中电弧斑点被引导沿着所述阴极靶，以使得在涂覆期间，当约束等离子体从所述阴极靶经过涂覆区域流动到所述远程阳极的同时，衬底位于所述蒸汽源的前方，所述约束等离子体包括热等离子体射流，其用于将在阴极靶的护罩处的阴极电弧斑点与在所述远程阳极处的相关联区域相连，而同时流动通过在腔室壁与所述衬底固持器之间以及所述蒸汽源与所述衬底之间产生的通道，所述方法包括：
在所述阴极靶与所述主要阳极之间的所述电子发射阴极源中产生主要电弧；
在所述阴极腔室组件与所述远程阳极之间的涂覆区域中产生约束远程电弧；以及
从所述蒸汽源中产生朝向至少一个待涂覆衬底的金属蒸汽流。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述涂覆系统进一步包括安装在磁控管靶与线性固持器之间的网笼阳极，所述阴极腔室组件定位在所述网笼阳极的第一末端处，所述阴极腔室组件具有用于释放在所述网笼阳极内的电子发射电流的阴极腔室开口。
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