CN104201082A - 运行脉冲式电弧源的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及运行脉冲式电弧源的方法。公开了一种用于沉积绝缘层的电弧方法以及用于低温涂层的电弧方法，其中引起或运行在电弧源的靶表面上的电火花放电，其中该火花放电同时用直流电以及脉冲或交流电来馈电。此外本发明还涉及一种电弧源，其中靶与供电单元连接，该供电单元或者是至少一个第一脉冲式高电流电源18，18’以及另一个电源13’，18”，或者是用开关网络分配技术实施的电源21，21’，22。

Description

运行脉冲式电弧源的方法
本申请是申请日为2006年3月1日、申请号为200680009506.2、国际申请号为PCT/CH2006/000123、发明名称为“运行脉冲式电弧源的方法”的专利申请的分案申请。 
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1、8、9的前序部分的运行电弧源的方法，以及一种按照权利要求34、43、45的前序部分的电弧源。 
背景技术
电弧源的脉冲长久以来已由现有技术公知，例如WO02/070776非常一般地描述了用于沉积不同的超硬层如TiSiN等的火花源的脉冲。 
在WO03/057939中描述了一种火花源，其中通过脉冲式的高压电源引起火花，即火花的馈入通过脉冲式高压电源进行。火花的运行在此是非连续进行的。输出物质是金属导电的阴极、可导电的合金和另外还有碳，或可蒸发的半导体。但是在此示出的电弧源由于靶体非常复杂的几何形状而尤其是对于难以加工的阴极材料来说制造起来非常费事，而且工作起来很昂贵。 
在US6361663中描述了一种具有由可导电材料制成的阴极的电弧源，其用直到5kA的峰值电流和例如100A的基电流脉冲式地或者脉冲式调制地运行。这种电弧源也因为其具有磁通道和被阴极完全包围的阳极的构造而制造起来非常费事，而且工作起来很昂贵。 
借助阴极火花蒸发来沉积电绝缘层也已经公知，US5518597描述了在反应过程中制造这样的层。在此要涂敷的表面设置在与活性靶表面的光连接之外，该活性靶表面在此用作阴极的蒸发表面的同义词。在抽吸之后用惰气调节过程压力。在涂层期间，氧气进入待涂层表面的附近，而且是以在运行期间被消耗并且能够保持稳定压力的速率进入。这与由现有技术的其它文献公开的方面一致，即反应气体进入基底附近对于降低靶的氧化和稳定火花放电来说是很重要的。作为额外 的用于避免通过绝缘层在阳极上的不期望结构而导致的过程中断的措施，在US5518597中优选阳极保持在大约1200℃的温度下，而且必须、也就是成本高地由高熔点贵金属制成。 
所有这些方法的共同点是，如果使用在形成绝缘层的条件下与蒸发材料快速反应的反应气体就应当采取特殊的措施，以避免靶或阳极的活性表面中毒，同时避免形成不期望的微滴。这些措施除了所提到的加热阳极和将反应气体引入待涂层表面附近并确定精确剂量之外，还包括用高成分的惰气使反应气体变得稀薄。 
尤其是要注意，靶的表面金属光洁或者保留至少对应于半导体的传导性。通过半导体的正温度梯度，在电弧点的范围内虽然存在好到足以引起火花的传导性，但是通过由此带来的更多地趋向于火花的烧结通常会导致形成比金属导电靶表面情况下更多的飞溅物。为此还由现有技术公知一系列手段。例如源可以如上所述设置在到靶表面的光连接线之外，但是这大大限制了靶材料的产量或涂层速度。可以附加或单独地施加磁场，该磁场只将离子化的蒸汽部分导向待涂层的表面，而电中性的微滴被捕获到反弹面。其例子是弯曲的磁过滤器、磁透镜等。 
另一种减少飞溅物的方法在于短时中断电流输入，其中例如通过激光射线控制的火花分别在活性靶表面的其它地点被再次引起。该方法尤其是用于碳的阴极火花蒸发，但也用于金属合金的阴极火花蒸发。 
所有这些措施或这些措施的公知组合的共同点在于另外有很高的技术代价和/或显著降低涂层速率。但是如果要在靶表面上形成绝缘层，则到目前为止用上述措施还不能进行稳定地处理。 
发明内容
因此本发明要解决的技术问题是提供一种方法，通过该方法可以用常用的电弧源在稳定的过程条件下产生绝缘层而不必采用费事的额外措施。 
该技术问题通过按照权利要求1、8、9的方法以及按照权利要求34、43、45的电弧源解决。本发明的其它扩展在从属权利要求中描述，这些扩展可以单独存在，或者只要在技术上有意义就可以组合在 一起。 
令人震惊的是，在同时施加与脉冲电流或交流电叠加的直流电时，即使靶表面至少部分被绝缘层覆盖也能运行稳定的电弧过程。 
例如，可以不采取其它附加措施地在纯氧气环境中运行铝靶长达几个小时。其中会在靶上观察到电压的上升，但该上升会在几分钟内稳定下来而不会导致电弧过程的中断或不稳定。在此期间沉积在直接定位于靶之前的基底上的铝氧化物层与在相同条件下沉积的金属铝层相比展示出完全没有料到的、由于附着微滴而导致的表面故障的明显下降。运行铬或钛靶或这些材料的具有甚至超过50％的高硅含量的金属靶在纯氧气环境或纯氮气环境中也会导致类似的结果。在任何情况下靶在表面完全敷设绝缘层之后，即使在过程中断之后也能毫无问题地在反应气体环境中再次被点燃并在微滴形成减少了的同时运行。在纯反应气体环境中运行或者通过反应气体或其与靶表面的反应对靶表面涂层的运行，在这种脉冲模式中导致更高的层质量，同时减少微滴的形成。 
与运行没有绝缘涂层的靶相比，可以确定反应气体的数量至少应选择为高到使源电压与没有绝缘涂层的运行相比增加至少10％，优选增加至少20％。源电压的增加原则上取决于所采用的反应气体和靶材料。由靶材料和反应气体在靶表面上产生的化合物的绝缘特性越高，通常源电压的差异就越大，即使在此由于很多特定于表面和材料的反应模式或反应抑制而无法容易地产生直接的数学关系。 
作为反应气体在此例如采用以下气体：氧气、氮气、乙酰(Acethylen)、甲醛、硅烷如四甲基硅烷、三甲铝、乙硼烷或原则上所有的含有氧、氮、硅、硼或碳的气体。尤其合适的是该方法用于有高反应气体流的过程，其中反应气体的含量选择为比惰气高，例如超过70％，尤其是超过90％。但是也可以象上面提到的过程那样优选在纯的、即含有100％反应气体的环境中进行。 
作为靶材料在此原则上可以采用与上述气体在上述靶的表面上形成例如由氧化物、氮化物、硼化物、硅化物、碳化物或所述化合物的混合组成的相应绝缘层的所有材料。但是为了产生硬层、阻挡层或装饰层，尤其适合采用以下材料：IV、V、VI副族的过渡金属或着说铝、硼、碳或硅，或上述材料的合金或化合物，如TiAl、CrAl、TiAlCr、 TiSi、TaSi、NbSi、CrSi、WC。但是具有高熔点的纯物质如W、Ta、Nb和Mo也可以根据该方法简单蒸发。 
为了尤其是在含氧环境中运行靶时进一步减少飞溅物，如US6602390公开的，优选靶材料由唯一的一个结晶相组成。 
用直流电以及脉冲电流或交流电同时运行电弧源的另一个优点在对温度灵敏的工件如硬化的钢、在青铜和黄铜基上的沉积合金、铝－镁合金、塑料等涂层时给出。在保持电流附近直流运行一个或多个电弧源时，该保持电流是在用简单的直流电供应还能稳定地运行导电的电弧源时的最小电流，待涂层的工件的温度负荷虽然很低，但是同时对于工业应用来说涂层速率不太令人满意。保持电流或保持功率的值在此取决于靶材料、电弧源的构成方式，或取决于例如放电在真空中是否在输入惰气或反应气体的条件下运行。例如金属光洁表面以及诸如WC、TiN或CrN的化合物都具有足以保证在电流很小时也能稳定运行的传导性。石墨或硅靶在此形成一种极限情况，因为一方面其传导性虽然还足以借助DC电弧被蒸发，但是另一方面存在局部引起火花的强烈趋势，由此会导致等离子波动和强烈地形成微滴，因此例如目前优选脉冲式地运行石墨靶。 
相反如果源在DC保持电流附近运行，同时叠加脉冲电流，则令人吃惊的是不仅可以显著提高速率，而且与DC涂层相比在速率差不多的同时还能将温度负荷保持得很低。优选的，DC分量设置为保持电流或保持功率的100至300％，优选为100至200％。 
保持电流的这种百分比组成对于如下详细描述的源来说相当于电流的DC分量在30到90A范围内，优选在30到60A之间。在此，原则上没有过程气体地运行电弧源，但优选采用只包含反应气体、只包含惰气或包含由反应气体和惰气组成的混合物的过程气体来运行电弧源。 
作为靶材料在此原则上可以使用所有导电材料或半导体材料，优选如上所述的材料。 
施加或产生不同的电流分量在此可以按照公知方式进行。例如可以通过直流发电机产生直流电分量，通过脉冲或交流发电机产生脉冲或交流电分量，其中两种发电机并联或串连在电弧源和至少一个阳极或地之间。 
另一个可能性在于，通过两个同样连接的、叠加并且同步运行的脉冲或交流电发电机来产生直流电分量和脉冲电流分量。此外最后还可以通过一个在次级或初级由脉冲控制的电流发电机来产生直流电分量和脉冲电流分量。 
对于工业应用来说尤其感兴趣的是，对例如被提出涉及耐磨性的要求的工件或者表面应当具有绝缘或装饰特性的工件进行涂层。尤其适用于这种方法的层例如是铝氧化物、铝氮化物、铝氮氧化物、铬氧化物、铬氮化物、铬氮氧化物、铝铬氧化物、铝铬氮化物、铝铬氮氧化物、铝铬氧碳氮化物、硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、硅铝氧化物、硅铝氮化物、硅铝氮氧化物、钛硅氮化物、钛硅氮氧化物、钽硅氮化物、钽氧化物、钽氮氧化物、钨硅氮化物、铌硅氮化物、钛碳化物、钨碳化物、钨硅碳化物或上述材料的合金或化合物。 
所述材料可以作为单层或在元素组成、化学计量或结晶方向方面变化的两个或多个层的序列沉积，其中各个层的层厚可以根据需要设置在几纳米到几微米之间。另外，如专业人员公知的，还可以在敷设上述层之前沉积例如金属或氮化物粘附层或者由不同的化合物组成的匹配层，这些化合物例如实现工件的基底材料到层材料的梯度式过渡。公知的粘附层例如是Cr、Ti、CrN或TiN。匹配层在示例1中施加。 
另外在这些方法中优选施加DC偏压、脉冲偏压或交流电偏压，该偏压在需要时与源的脉冲或交流电发电机同步。 
在此可以按照公知方式通过垂直于工件表面地交替引入至少一种惰气和至少一种反应气体或者通过垂直于工件表面地交替引入至少两种反应气体，来改变层组成，并由此沉积具有按照需要梯度或阶梯形状的层组成分布的两层或多层系统。为此，用相同或不同的靶材料运行多个源。 
按照类似的优选方式可以在使用源来蚀刻工件表面时，采用如上所述的方法来运行电弧源，因为在此该表面在比金属靶表面情况下明显更小的范围内被微滴占据。在此也在工件上施加DC偏压、脉冲偏压或交流电偏压，但是该偏压明显高于在涂层时施加的偏压。例如，在此基底电压设置在-50到-2000V之间，优选在-200到-1500V之间。为了放大蚀刻加工余量，另外还可以采用蚀刻气体，该蚀刻气体例如 包含以下成分：He、Ar、Kr、氧气、氮气、氢气、卤素(例如氯、氟、溴、碘)或者含有卤素的化合物。 
在所有上述实施的方法中，涂层速度或进入工件中的能量通过设置脉冲宽度、电流脉冲、电流脉冲的大小或通过时钟比例或通过这些参数的组合来匹配或调节。另一种手段是提高DC源电流，但是这对低温过程不太适用。 
作为适用于这种涂层方法或蚀刻方法的工件，尤其适用由钢和结构金属如铜和铅青铜、黄铜和特种合金如AlMg合金、硬金属组成的工件和组件，由陶瓷材料如硼氮化物、尤其是CBN、金属陶瓷化合物组成的工件和组件，或至少部分具有钻石或陶瓷表面的相应工件。 
这些方法的另一个应用领域是对由硅或其它半导体材料制成的工件进行涂层。 
已经表明，在所述脉冲模式中的涂层也适用于绝缘基底，其中施加DC基底偏压没有意义，或施加具有更小或中等频率的DC脉冲式基底偏压有意义。 
利用上述方法可以总结出以下其它优点： 
1.一种借助火花蒸发制造绝缘层的稳定过程，不会产生妨碍层的氧化透或氧化反应的飞溅物。 
2.可以用完全中毒的火花靶一次性处理完毕。反应性，即反应成分的提供如在沉积铝氧化物时的氧气提供可以通过在完全中毒的模式或在纯反应气体环境中工作而得到改善，并由此带来更大的层生长。 
3.既不需要靶和反应空间的位置分离或压力级的分离，也不需要费事地分离开飞溅物和离子化的蒸汽。 
4.火花的引导可以在没有附加磁场支持的条件下进行。 
5.即使在靶中毒时也能降低飞溅物的数量和大小。 
6.通过经过调制的脉冲运行可以用更大的电流工作，这在保持靶热负担不变或甚至降低热负担的同时引起更大的离子化。 
7.无需重新点燃和费事的火花引导就能将碳和半导体材料几乎无飞溅物地蒸发。 
8.导电、半导电和不导电的靶表面相同地除去。 
9.火花更为精细的分布，即很小的和快速地分布在表面上的电 弧点。 
10.通过采用高电流脉冲达到更高的离子化，并由此带来基底电流的提高。 
11.在反应的火花蒸发过程中的过程引导与是通过绝缘层还是半导体层来涂敷靶无关。这允许反应气体混合，而且允许在反应过程中有斜坡经过，这在中间层以及功能层中都是有利的。 
12.过程稳定性提高，而且过程窗更宽。 
13.采用公知的电源，其允许电流和电压规格的很宽的范围(实现多方面的经济的组合，如用便宜的DC电源来用于基本负载)。 
14.本发明保证等离子不会中断，由此不再需要用费事的技术进行重复和周期性的重新点燃。 
15.本方法与其它等离子源的组合也是可行的；在此尤其是要提到通过同时运行的低压电弧的附加激励，由此进一步提高了在基底上涂层时的反应性。 
实施本发明的途径 
下面利用一个反应的火花涂层过程描述本发明涂层方法的典型流程。通过这种方式在Balzers公司的RCS类型的工业涂层设备中，如EP1186681的图3至图6，第7栏第18行至第9栏第25行的描述，相应于下面详细描述的例子将铝氧化物沉积在不同的工件上。 
除了实际的涂层过程之外，如果需要还要讨论其它涉及基底的预处理和后处理的处理步骤。很多这样的步骤，如根据不同的材料和预处理而不同地执行的基底的清洁，如专业人员公知的那样允许很多变形，有几种还可以在特定的条件下删除、缩短、延长或组合。 
示例1 
在将工件放置在为其设置的可旋转两次或三次的固定装置中并且将该固定装置放置到真空处理设备中之后，将该处理腔抽吸到大约10-4毫巴的压力。 
为了设置过程温度，在氩气－氢气环境中在通过光阑分开的具有热阴极的阴极腔和与阳极连接的工件之间引起由射线加热支持的低压电弧(NVB)等离子。 
在此设置以下加热参数： 
放电电流NVB   150A 
氩气流     50sccm 
氢气流     300sccm 
过程压力   1.4×10-2毫巴 
基底温度   大约500℃ 
处理时间   45分钟 
其替换方式是专业人员公知的。基底在此优选作为用于低压电弧的阳极接入，并且优选另外单极或双极地脉动。 
下个处理步骤是开始蚀刻。为此在金属丝和辅助阳极之间运行低压电弧。在此也可以在工件和地之间接入DC、脉冲式DC或用交流电运行的MF或RF电源。优选对工件施加负的偏压。 
在此设置以下蚀刻参数： 
氩气流        60sccm 
过程压力      2.4×10-3毫巴 
放电电流NVB   150A 
基底温度      大约500℃ 
处理时间      30分钟 
为了保证在制造绝缘层期间的低压电弧放电的稳定性，在所有由NVB支持的过程步骤中用热的、能导电的辅助阳极工作，或者在辅助阳极和地之间接入脉冲式高电流电源。 
为了提高附着强度借助火花蒸发敷设大约300nm厚的CrN层，该火花蒸发在需要附加的离子化时还可以通过低压电弧的等离子来支持。 
在此设置以下中间层参数： 
氩气流     80sccm 
氮气流     200sccm 
过程压力   8×10-3毫巴 
直流源电流Cr  140A 
基底偏压    从-100V到-40V，双极36μs负偏压和4μs正偏压 
基底温度   大约500℃ 
处理时间   10分钟 
在到实际功能层的大约5分钟长的过渡期间，铝电弧源与60A的 DC源电流连接，其中该DC源的正极与阳极环和地连接。另外还将单极DC脉冲与以50kHz运行的第二并联电源叠加。在所示例子中用10μs脉冲/10μs间歇的对称的时钟/间歇比例来工作，并且在该脉冲中产生直到150A的电流。然后引入具有300sccm或按照表中列出的参数的氧气。 
在开动A1靶并且设置了氧气流之后，将Cr靶上的源电流在一个大约10分钟的斜坡上复原为0，同时减少N2流。然后将Ar流降至0。 
用实际功能层对基底的涂层是在纯反应气体(在这种情况下是氧气)中进行的。由于铝氧化物是绝缘层，因此采用脉冲式或AC偏置电源。 
重要的功能层参数如下所示： 
氧气流     300sccm 
过程压力   9×10-3毫巴 
DC源电流Al  60A 
脉冲源电流AL  150A，50kHz，10μs脉冲/10μs间歇 
基底偏压   保持为-40VDC脉冲式或AC(分别是50－350kHz) 
基底温度   大约500℃ 
处理时间   60至120分钟，360分钟的单次尝试 
涂层还可以与所引起的低压电弧一起进行。在这种情况下可以实现更高的反应性。此外，在涂层期间同时使用低压电弧还具有以下优点：源的DC分量根据NVB电流的大小可以进一步降低。 
这样进行的涂层过程在数小时内都是稳定的。靶被覆盖上薄的、光滑的氧化层。火花比在没有附加脉冲信号的运行中更安静地运行，而且分为多个更小的火花。飞溅物数量明显降低。 
作为电弧源，对于粘附层就像对功能层那样采用Balzers公司的具有160mm靶直径和6mm厚度、具有标准Mag6磁系统的电弧源。原则上任何公知的源都可以经历这样的过程，只要连接了相应的供电单元。 
所述过程是优选的版本，因为该过程对脉冲式电源的要求很少。DC电源为火花提供最低电流或保持电流，脉冲式高电流电源用于减少飞溅物。 
功能层的沉积参数的其它例子在表1中详细描述。首先基本上采 用相同的清洁、加热和蚀刻步骤，以及相应于示例1沉积由CrN或TiN组成的中间层。接着根据表中的说明用铝氧化物、铝氮化物、铬氧化物、铬氮化物、钛氧化物以及钛氮化物来制造功能层。 
与通过覆盖绝缘层而引入源电压相比，在示例2和示例8中沉积纯金属层。其中示出，尤其是在沉积高度绝缘的氧化层时会导致源电压的DC分量显著增加。在此，电压的相对增加在含氧反应气体的输入量比较低时就已经等于在纯惰气下运行的金属光洁源的值的大约20到50％。在用氮气运行时也导致源电压的升高，但是该电压升高具有较小的值，大约是10％到最大30％。在任何情况下虽然通过同时施加脉冲电压导致DC源电压相对于纯DC驱动来说只有较小的下降，但是在任何情况下都不会再次达到金属光洁源的最初较低的电压状态。 
运行电弧源的优选频率范围位于5到50kHz之间。在需要时还可以在直到0.5kHz的低频率或者直到1MHz的高频率下运行电弧源。在更低的频率下，该运行在沉积绝缘层时是不稳定的，在更高的频率时发电机成本急剧增加。 
如果期望或需要额外的匹配层，则该匹配层可以取代CrN或其他粘附层，或沉积在粘附层和功能层之间。除了已经提到的之外还在沉积氧化覆盖层时是优选的例子是钛和硼的碳氧化物，以及铝、铬、钛、钽、铌或锌的氮氧化物、硅氧化物、硅氧氮化物、或硅氮化物。 
虽然借助阴极火花蒸发产生的粘附层或匹配层具有突出的粘附性，该粘附层或匹配层如专业人员公知的还可以借助其它涂层技术如CVD、PECVD、溅射或借助低压电弧的蒸镀从阳极连接的坩锅中进行。在此原则上不同技术的任意组合都可行，其中保证高度离子化的等离子支持的过程由于可达到更好的粘附性而成为优选。 
附图说明
下面参照只示出不同实施例的附图详细解释本发明。 
图1示出具有电弧源的真空处理设备， 
图2示出并联连接的DC和脉冲电源， 
图3示出靶表面， 
图4示出两个并联的脉冲电源， 
图5示出多阳极排列， 
图6示出串联电路中的电源， 
图7示出具有短路电路的电源， 
图8是在次级由脉冲控制的电源， 
图9是在初级由脉冲控制的电源。 
具体实施方式
图1所示的真空处理设备1对比地示出现有技术公知的用DC电源13运行电弧源的配置。设备1具有用于产生真空的抽气系统2，用于容纳并电接触在此未详细示出的工件的基底固定装置3，以及用于向工件施加所谓的基底电压的偏置电源4。偏置电源4可以是DC、AC或双极或单极基底电源。通过过程气体入口11可以引入惰气或反应气体，以控制处理腔中的过程压力和气体组成。 
电弧源本身的组成是靶5以及位于靶下面的冷却板12、火花塞7以及包括靶的阳极6。利用开关14可以在阳极以及电源13正极的浮动运行和用定义的零电位或地电位的运行之间加以选择。 
真空处理设备1的其它装备特征是额外的等离子源9，在这种情况下是用加热阴极产生NVB的源，和惰气入口8、辅助阳极10以及在此未详细示出的用于运行等离子源9和辅助阳极10之间的低压电弧的其它电源，以及在需要时还有用于磁聚焦低压电弧等离子的线圈17。 
图2示出一个电弧源，其用两个并联的电源即一个DC电源13’和一个脉冲式高电流电源18来运行，从而将直流电与单极或双极的脉冲信号叠加。这种连接使得对于绝缘层来说也能达到反应火花蒸发的稳定运行，其中在时间变化过程中设备1的内部、辅助阳极10和带有基底的基底固定装置3都被绝缘层覆盖。 
如果比较而言由纯铝制成的靶5在含有氩气和氧气的环境中只用按照图1的DC电源13来运行，则在几分钟之后就已经形成会在高氧气流下导致过程中断的过程不稳定。在此，在靶5上形成图3a所示的由绝缘材料制成的、具有几毫米大的孤岛的层。沉积在工件表面上的层很不平坦而且不是完全绝缘，因为很明显不会引起很多金属飞溅物的完全反应。相反，如果在其它相同条件下在含氧环境中用如图 2所示的本发明方法来运行靶5，则形成如图3b所示的绝缘但是完全均匀的铝氧化物表面。该过程可以实施几个小时，中断，并且用这种中毒的靶再次进行。同时显著减少在工件表面上的飞溅物。 
下面描述脉冲调制地运行电弧源的其它可能性和配置。图4示出两个优选同步的脉冲式DC电源18’和18”的并联电路。该配置例如在单极运行时具有很多优点。在用相同的脉冲宽度运行时可以将两个脉冲之间的时间选择得很短，由此也可以设置相应较大的时钟比例或非常短的周期持续时间。通过由此带来的、例如也与特定的靶材料相匹配地限制每个脉冲的引入能量的可能性，非常有效地避免火花的烧结，也进一步减少飞溅物的形成。即使在用不同的脉冲宽度和不同或相同的频率进行单极运行时，这样的运行也能很好地设置各个周期阶段，并由此非常好地控制涂层速度。原则上，脉冲式DC电源还可以由更有利的交流电源来代替。但是这样就例如难以达到具有特定形状和升降沿陡度的信号。 
同时如图5所示的两个电源19、19”的概念特别有利地实现了多个阳极20、20’的定位，从而实现等离子在涂层腔中的更好的分布。由此可以更好地引导电子，并由此提高等离子密度和过程的反应性。 
在图6中示出通过两个串联的电源19’、19”供电的电弧源，在这两个电源中至少一个是脉冲或交流电源。利用该配置可以特别轻松地实现与电弧源的速度调节的匹配。 
其它实施例涉及借助开关网络分配技术产生脉冲电流或直流分量的电源。在这种电源中，所产生的DC信号的本来是不期望的脉动性被放大，使得在该电源的输出端输出相应于上述要求的信号。例如如图7示意性所示，在次级用时钟控制的电源用作上行转换器21，或者如图8所示的同样在次级用时钟控制的电源用作下行转换器21’。图9则示出在初级由时钟控制的电源22，用于产生期望的信号。 
在具有开关网络分配技术的所有电源中，图8所示的电源可以用最低的技术代价实现，也就是优选采用该电源。 
附图标记列表 
1  真空处理设备 
2  抽气系统 
3  基底固定装置 
4  偏置电源 
5  靶 
6  阳极 
7  火花塞 
8  惰气入口 
9  等离子源 
10 辅助阳极 
11 过程气体入口 
12 冷却板 
13，13’ DC电源 
14 开关 
17 磁线圈 
18，18’，18” 脉冲电源 
19，19’，19” 电源 
20，20’ 阳极 
21 上行转换器 
21’ 下行转换器 
22   在初级由时钟控制的电源 

Claims (43)

1.一种用于运行电弧源的方法，其中引起或运行在靶表面上的电火花放电，其中该火花放电同时用直流电以及脉冲或交流电来馈电，其特征在于，所述靶的表面至少部分被绝缘涂层覆盖，所述绝缘涂层通过在含有反应气体的环境中运行所述电弧源来产生，其中与用没有绝缘涂层的表面来运行相比，所述绝缘涂层导致源电压的直流分量提高至少10％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝缘涂层导致源电压的直流分量提高至少20％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，含有反应气体的环境包括至少一种以下成分：含有氧、氮、硅、硼或碳的气体，尤其是氧气、氮气、乙酰、甲醛、硅烷、四甲基硅烷、三甲铝、乙硼烷。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应气体的含量比惰气高，优选地反应气体的含量超过70％，更为优选的是超过90％，或大约为100％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述靶材料包括至少一种以下材料：IV、V、VI副族的过渡金属或铝、硼、碳或硅，或所述材料的合金或化合物，如TiAl、CrAl、TiAlCr、TiSi、TaSi、CrSi、WC。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述绝缘涂层由靶材料的氧化物、氮化物、硼化物、硅化物、碳化物制成，或由该靶材料的这些化合物的混合物组成。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流的直流分量设置在保持电流的100％至300％的范围内，优选地在保持电流的100％至200％的范围内。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电流的直流分量设置在30到90A的范围内，优选地在30到60A之间。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，加入反应气体、惰气或反应气体和惰气。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述靶材料包括至少一种以下材料：IV、V、VI副族的过渡金属或铝、硼、碳或硅，或所述材料的合金或化合物，如TiAl、CrAl、TiAlCr、TiSi、TaSi、CrSi、WC。
11.根据权利要求1、7或8所述的方法，其特征在于，所述靶材料只由唯一的一个结晶相组成。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流电分量通过直流发电机产生，所述脉冲或交流电分量通过脉冲或交流发电机产生，其中两个发电机并联或串联在电弧阴极和至少一个阳极或地之间。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流电分量和脉冲电流分量通过两个叠加并且同步运行的脉冲和交流发电机来产生，其中两个发电机并联或串联在电弧阴极和至少一个阳极或地之间。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流电分量和脉冲电流分量通过一个在次级由时钟控制的电流发电机来产生，其中该发电机并联或串联在电弧阴极和至少一个阳极或地之间。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流电分量和脉冲电流分量通过一个在初级由时钟控制的电流发电机来产生，其中该发电机并联或串联在电弧阴极和至少一个阳极或地之间。
16.一种涂层方法，其特征在于，运行根据上述权利要求之一所述的电弧源，以用于在工件上沉积一个或多个层。
17.根据权利要求16所述的涂层方法，其特征在于，所述层包括至少一种以下材料：IV、V、VI副族的过渡金属，以及铝和它们与氧、氮、碳、硼或硅的化合物。
18.根据权利要求16所述的涂层方法，其特征在于，所述层包括至少一种以下材料：铝氧化物、铝氮化物、铝氮氧化物、铬氧化物、铬氮化物、铬氮氧化物、铝铬氧化物、铝铬氮化物、铝铬氮氧化物、铝铬氧碳氮化物、硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、硅铝氧化物、硅铝氮化物、硅铝氮氧化物、钛硅氮化物、钛硅氮氧化物、钽硅氮化物、钽氧化物、钽氮氧化物、钨硅氮化物、钨硅碳化物、铌硅氮化物、钛碳化物、钨碳化物或这些材料的合金或化合物。
19.根据权利要求16所述的涂层方法，其特征在于，在所述工件上施加直流电偏压、脉冲偏压或交流电偏压。
20.根据权利要求19所述的涂层方法，其特征在于，施加与源的脉冲或交流电同步的脉冲或交流电偏压。
21.根据权利要求16所述的涂层方法，其特征在于，用第一流速率加入至少一次至少一种惰气或反应气体，然后用第二流速率加入至少一种其它反应气体，或反过来，以引起层组成的变化。
22.根据权利要求21所述的涂层方法，其特征在于，所述第一流速率在设置第二流速率之前、期间或之后被减小，以及第二流速率从一个低的值设置到一个较高的值，或反过来。
23.根据权利要求21所述的涂层方法，其特征在于，所述加入或设置是斜坡或阶梯形状地进行，以产生层组成的基本上恒定或阶梯状的变化。
24.根据权利要求21所述的涂层方法，其特征在于，通过交替地升高和降低第一和第二流速率来沉积一个有两个或更多分层的层。
25.根据权利要求16所述的涂层方法，其特征在于，同时用相同或不同的靶材料来运行多个电弧源。
26.一种用金属离子进行蚀刻的蚀刻方法，其特征在于，运行根据权利要求1所述的方法运行电弧源，以用于在施加直流电偏压、脉冲偏压或交流电偏压的条件下蚀刻至少一个工件。
27.根据权利要求26所述的蚀刻方法，其特征在于，在工件上设置在-50到-2000V之间，优选地在-200到-1500V之间的直流偏压。
28.根据权利要求26或27中任一项所述的蚀刻方法，其特征在于，加入另外的蚀刻气体。
29.根据权利要求28所述的蚀刻方法，其特征在于，所述蚀刻气体包含至少一种以下成分：He、Ar、Kr、氧气、氮气、氢气、卤素(例如氯、氟、溴、碘)或者含有卤素的化合物。
30.根据权利要求16所述的涂层方法或蚀刻方法，其特征在于，涂层速度或进入工件中的能量通过设置至少一个以下参数来设置：电流脉冲的脉冲宽度，电流脉冲的大小，占空比。
31.根据权利要求16所述的涂层方法或蚀刻方法，其特征在于，所述工件是工具或零件。
32.根据权利要求16所述的涂层方法或蚀刻方法，其特征在于，所述工件主要由硅或另一种半导体材料组成。
33.一种电弧源，具有靶(5)和至少一个反电极(6，20，20’)以及与靶(5)连接的供电单元，其中所述供电单元包括至少一个第一脉冲式高电流电源(18，18’)以及另一个电源(13’，18”)，所述靶的表面至少部分被绝缘涂层覆盖，所述绝缘涂层通过在含有反应气体的环境中运行所述电弧源来产生，其中与用没有绝缘涂层的表面来运行相比，所述绝缘涂层导致源电压的直流分量提高至少10％。
34.根据权利要求33所述的电弧源，其特征在于，所述供电单元另外还包括一个直流电源(13’)，该直流电源设计为至少用于维持保持电流。
35.根据权利要求33所述的电弧源，其特征在于，所述供电单元另外还包括第二脉冲式高电流电源(18”)，该第二脉冲式高电流电源与第一脉冲式电弧源同步，使得可以设置具有叠加的脉冲信号的保持电流。
36.根据权利要求35所述的电弧源，其特征在于，所述脉冲式电弧源(18’，18”)可以被同步，使得保持电流在单个或所有脉冲间歇期间具有一个或多个保持电流间歇，在该保持电流间歇期间没有电压施加在靶或电极上，其中该保持电流间歇可以设置为短的，使得在所述间歇期间不消除电弧等离子。
37.根据权利要求35所述的电弧源，其特征在于，所述保持电流间歇可以设置在1ns到1μs之间，优选地在1到100ns之间。
38.根据权利要求33所述的电弧源，其特征在于，所述第一脉冲式高电流电源(18，18’)和另一个电源(13’，18”)并联或串联连接。
39.根据权利要求33所述的电弧源，其特征在于，所述第一脉冲式高电流电源(18，18’)和另一个电源(13’，18”)并联或串联连接。
40.根据权利要求33所述的电弧源，其特征在于，至少所述第一脉冲式高电流电源(18，18’)或至少所述另一个电源(13’，18”)连接在靶(5)和一个包括该靶的电极(6)或其它电极(20，20’)之间。
41.根据权利要求33所述的电弧源，具有靶(5)和至少一个反电极(6，20，20’)以及与靶(5)连接的供电单元，其特征在于，所述供电单元是在次级由时钟控制的电源(21，21’)，由此调制所述在次级由时钟控制的电源(21，21’)的信号，使得给出与脉冲信号或交流信号叠加的直流保持电流。
42.根据权利要求41所述的电弧源，其特征在于，所述在次级由时钟控制的电源实施为下行转换器(21’)或上行转换器(21)。
43.根据权利要求33所述的电弧源，具有靶(5)和至少一个反电极(6，20，20’)以及与靶(5)连接的供电单元，其特征在于，所述供电单元是在初级由时钟控制的电源(22)，由此调制所述在初级由时钟控制的电源(22)的信号，使得给出与脉冲信号或交流信号叠加的直流保持电流。
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