CN104364416A - 过滤阴极电弧沉积设备和方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

过滤阴极电弧沉积设备和方法
技术领域
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。
背景技术
本发明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0.01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，本发明具有特别的功效，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US2009/0065350Al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。
另一例子描述和示出在Gorokhovsky的名称为“Filtered Cathodic ArcDeposition Method and Apparatus”的US5,435,900和US2004/103845Al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WO2010/134892Al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基板。电弧斑在圆形的平面靶上以高的速度燃烧(以过滤模式主要到外部区域)。中性宏观粒子并不被电磁场偏斜，而是被线圈管阻挡。当需要在大的区域上涂布时，基板安置为明显远离线圈以利用沿着磁场传播的等离子流。但是，这大幅降低设备的生产速度并限制其使用。关键点是阳极位置，不同于以前的其中阳极围绕靶材料的两个参考文献，在我们的本案中，所述阳极位于磁场源和基板之间。
Sanders的US5,292,944和Sathrum的WO03/087425Al介绍圆柱的对称电弧源，其以弧形场几何结构操作。发出的离子径向离开表面并被电磁场反射。在第一参考文献中，带电粒子必须偏斜它们的轨道90°，甚至180°。在第二个参考文献中，对于过滤效率而言，其并不如在此之后详细介绍的直的管那么有利。
现有技术的参考文献都没有公开这样的旋转电弧阴极：该旋转电弧阴极具有圆柱形状的可蒸发表面并且除了内磁场之外主要利用外部磁场以控制阴极表面上的电弧的运动，并且也都没有公开这样的过滤管：该过滤管具有到用作用于带电粒子的抽出器的真空腔室中的外部磁场源和用于宏观粒子的挡板。阳极位置在该源的输出中扮演着重要角色，因为它位于磁场源和基板之间。
过滤阴极电弧源具有以下优点：从源发出的阴极材料的蒸气流完全电离，不同于非基于电弧的沉积方法例如蒸发和溅射。从圆柱形阴极完全电离的蒸气流将允许对靶利用以及抵达基板以用于涂布或者离子转移的粒子的能量更好的控制，并且将增大蒸气在与系统中的反应气体或者与基板直接形成化合物中的反应性。
本发明实现过滤阴极电弧的益处(完全电离的蒸气流，消除了溅射的宏观粒子)以及具有高的产出的圆柱的旋转电弧阴极的益处(均一的靶蒸发和利用线性运动和电弧斑位置检测在基板上均一的沉积)。而且，本发明是紧凑的系统，其可以升级规则的圆柱的旋转电弧阴极技术。容易的系统可及性和维护性使得本发明是用户友好的，这在现有技术中是没有实现的。
发明内容
本发明的目的是提供过滤阴极真空电弧沉积设备，从而至少部分地以宏观粒子过滤模式产生强电离的金属蒸气，用于致密的平稳的涂布工作。
本发明的另一目的是最小化沿着等离子通道的电子扩散，以使得其中多数离子确实抵达基板表面并保证高的沉积速率。
本发明的另一目的是提供过滤阴极真空电弧沉积设备，其与非过滤阴极真空电弧沉积设备相比具有尽可能少的结构变化量。
本发明的另一目的是提供灵活装置，其能够在小的变化内用作过滤或者非过滤阴极真空电弧沉积设备。
本发明的另一目的是提供一种能够氧化物和氮化物层PVD沉积的装置，其在沉积中引入高的粒子电离度并具有低粗糙度的沉积层。
本发明的另一目的是提供一种能够碳层PVD沉积的装置，其在沉积中引入高的粒子电离度并具有低粗糙度的沉积层。
本发明包括用于薄膜沉积的过滤阴极真空电弧源，其利用包含薄膜形成材料的基本上具有圆柱形状的旋转电弧阴极。所述旋转电弧阴极是在其外圆柱护套上可消耗的。
本发明的这些和其它的目的通过提供过滤阴极真空电弧源而解决，所述过滤阴极真空电弧源包括聚焦磁场源、包含膜形成材料的大致具有圆柱形状的可消耗的旋转电弧阴极、和阳极，其中聚焦磁场源安置在电弧阴极和基板保持器之间，其中产生在靶表面上的电弧斑由磁场线保持在其中磁场线垂直于靶表面的地方，其中磁场线被限制在旋转电弧阴极和基板保持器之间的空间中，其中磁场线被限制的空间由挡板进行限制。
当磁场线被尽可能多地限制在挡板中时是有利的。
当磁场线随着从聚焦磁场源的中心向着旋转电弧阴极的距离增大而尽可能多地分叉时是有利的。磁场线的分叉可以通过其它磁场源进行影响，所述其它磁场源安置在阴极中并且抵靠着聚焦磁场源取向。
当磁场在聚焦磁场源和靶表面之间并不改变方向时也是有利的，因此其它磁场源应当仅在它使得磁场线分叉地地方被激励，但是在聚焦磁场源和靶表面之间并不改变它们的方向。
当聚焦磁场源由长型电磁线圈组成并且它的最高磁场强度的中心区域位于大致平行于旋转电弧阴极轴的线上时同样是有利的。
电弧的等离子通道沿着磁场线传播-开始于电弧斑燃烧的地方(磁场线垂直于靶表面进入靶的地方)，进一步通过挡板中心(所述挡板定位在聚焦磁场源的中心)，进一步通过基板，然后等离子通道终止在阳极表面。当阳极定位在与电弧斑相同的磁场线上时是有利的。当我们进一步地从该最佳位置定位阳极时，电弧电压迅速升高。
具有上面描述的形状的磁场连同如上面描述的阳极定位确保，在靶表面上燃烧的电弧的稳定区域是磁场线垂直于所述表面进入靶的地方。稳定的电弧燃烧的该地方通常是在靶表面上的线，因此非常有利的是，使用在它的外圆柱护套上为可消耗的大致具有圆柱形状的旋转电弧阴极以在阴极周围具有均一的靶侵蚀。根据上面描述的方法可以明白在铝阴极上的稳定的电弧燃烧的地方的例子。
当通过磁场线利用上方描述的等离子通道的导引时，电弧在良好地限定的窄的空间中燃烧，因此可以通过挡板的变窄而非常有效地保证宏观粒子的过滤，其中所述挡板定位在聚焦磁场源的中心。。
通过使得高磁场强度不仅在聚焦磁场源的中心，而且是在旋转电弧阴极和聚焦磁场源之间的全部区域中，过滤效率明显提高。
当聚焦磁场源通过安置在由非磁性材料制成的水冷壳体中的长型的电磁线圈而产生时是有利的(所述壳体可以直接安置在涂布腔室中并且它也可以起到挡板的作用)。
如果长型电磁线圈定位得以使得它尽可能靠近壳体的中心以使得在壳体中心处磁场线和磁场强度的变窄是最大的，这是有利的。当聚焦磁场源如果是这样形成的时，可以快速增大由长型电磁线圈产生的磁场强度并减小其尺寸。通过减小聚焦磁场源的大小，可以安置长型电磁线圈在标准的涂布装置中而无需明显改变其尺寸。
对于低电弧斑速度靶材料(例如石墨)，可以由旋转靶将电弧斑从磁场线垂直于靶表面进入靶的地方偏移到与靶表面正切的更高磁场分量的地方。通过这种方法，可以在竖直方向可限定地加速电弧斑，以使得通过旋转速度的变化，可以有效地控制沿着整个靶长度的蒸发的均一性。
该系统可以以各种模式使用：
-电弧通过电弧生成器在靶的第一末端点燃，通过旋转靶，电弧斑开始移动到靶的第二末端。在当电弧斑抵达靶的第二末端的时刻，它的位置由电弧位置传感器进行评估，电弧被关掉。然后，电弧通过电弧生成器在靶的第一末端再次被点燃。
-电弧通过电弧生成器在靶的第一末端被点燃，通过靶的旋转，电弧斑开始运动到靶的第二末端。在当电弧斑抵达靶的第二末端的时刻，它的位置通过电弧位置传感器进行评估，靶的旋转方向反向，以使得阴极斑开始在相反方向运动。通过重复该方法，可以提供连续的电弧燃烧。当靶的转速在开始时和在旋转后稍微不同以使得可以提供均一的靶侵蚀，同样是有利的。
-电弧通过电弧生成器在靶的第一末端点燃，通过靶旋转，电弧斑开始运动到靶的第二末端。当电弧斑抵达靶的第二末端的时刻，它的位置由电弧位置传感器评估，磁场方向反向，以使得阴极斑开始在相反方向运动。聚焦磁场源和其它磁场源二者都必须同时反向。通过重复该方法，可以提供连续的电弧燃烧。对于高电弧斑速度靶材料(例如Ti，Al)，不可能通过如上面描述的靶旋转而以标准靶旋转速度来偏移电弧斑。有必要使用更高的靶旋转速度，这并不是总是技术上适当的。在此情形下，可以使用以下方法之一：
-当利用较高电弧电流(在1000A的数量级)时，电弧斑燃烧面积在靶长度上扩展。在此情形下，以脉冲方式的电弧电流源工作是有利的。脉冲的参数可以为例如：脉冲持续时间10ms，脉冲电流1000A(脉冲的有源部分)，脉冲持续时间100ms，脉冲电流50A(脉冲的无源部分)。
-当利用具有作为其它磁场源的铁磁芯的长型电磁线圈时，其中所述铁磁芯仅被限制到靶的整个长度的一部分，我们可以通过在长型电磁线圈中竖直地移动铁磁芯而控制电弧斑的竖直位置，电弧斑在实际的铁磁芯位置的地方燃烧。
-为了提供对电弧斑运动更多的控制，提供其它阳极。电流的一部分可以从主阳极被转移到其它阳极。由此，我们可以迫使电弧斑在闭合曲线上运动。我们同样失去一些离子，因为等离子通道不仅延伸通过样品周围的聚焦磁场源，而且一部分等离子通道还被转移到其它阳极。应当强调的是，转移该电流需要的电压明显高于抵靠着标准阳极燃烧电弧需要的电压。
因为蒸发仅从靶上的窄的地方在聚焦磁场源的前方发生，我们可以明显减少靶和聚焦磁场源之间的距离以帮助增大系统的产量。
而且，如果借助于等离子通道弯曲需要100％的过滤，可以通过该等离子通道的最小弯曲来实现。
另一个优点是磁场强度沿着整个等离子通道非常高，以使得沿着等离子通道没有低磁场强度的空间，在所述低磁场强度的空间会发生大量的电子以及由此的离子损失。
另一个优点是，如果在良好设计的水冷壳体中的长型电磁线圈被用作聚焦磁场源，则它的尺寸可以被最小化，因此该宏观粒子添加装置(add-on)可以通过少量的结构而安装在现有的非过滤阴极真空电弧沉积设备中。因此可以根据需要的涂布应用在过滤和非过滤的方式下使用该这种设备。
附图说明
图1是本发明的过滤阴极真空电弧源的示意图，该过滤阴极真空电弧源利用基本具有圆柱形状的一个可消耗的旋转电弧阴极和由长型电磁线圈形成的聚焦磁场源，其中等离子通道被弯曲到侧面；
图2是示出在石墨上的电弧斑迹线方向以及电弧位置传感器位置的示意图；
图3是本发明的过滤阴极真空电弧源的示意图，其利用大致具有圆柱形状的一个可消耗的旋转电弧阴极和由长型电磁线圈形成的聚焦磁场源，其中直的等离子通道被设置到基板保持器；
图4是本发明的双过滤阴极真空电弧源的示意图，其利用大致具有圆柱形状的两个可消耗的旋转电弧阴极和由长型电磁线圈形成的聚焦磁场源，其中一个聚焦磁场源用于两个阴极；
图5是本发明的过滤阴极真空电弧源的示意图，其利用大致具有圆柱形状的一个可消耗的旋转电弧阴极和由两个长型电磁线圈形成的聚焦磁场源，其中等离子通道被弯曲到侧面；
图6a是示出磁场线以及当关掉其它的磁场源而没有铁磁芯时电弧斑燃烧的位置的示意图，电弧的电流基本上较强；
图6b是示出磁场线和当接通其它的磁场源并具有铁磁芯时电弧斑燃烧的位置，它示出如何借助于旋转电弧阴极内部的铁磁芯的垂直运动控制电弧斑燃烧的位置；
图6c是示出磁场线和当聚焦磁场源由更少长型电磁线圈形成时电弧斑燃烧的位置的示意图，它示出如何借助于聚焦磁场源的垂直运动控制电弧斑燃烧的位置；
图7是本发明的过滤阴极真空电弧源的示意图，所述过滤阴极真空电弧源利用大致具有圆柱形状的一个可消耗的旋转电弧阴极、由长型电磁线圈形成的聚焦磁场源，以及其它阳极，该阳极通过消耗一部分电子电流而改变电弧斑燃烧的位置；
图8是示出图6中电弧斑燃烧的位置的示意图；
图9是示出用于低电弧斑速度靶材料的沉积方法的第一阶段即通过电弧发生器点燃电弧的示意图；
图10是示出用于低电弧斑速度靶材料的沉积方法的第二阶段即通过旋转靶电弧斑开始移动到靶的第二末端的示意图；
图11是示出用于低电弧斑速度靶材料的沉积方法的第三阶段的示意图，该第三阶段涉及这样的沉积模式，即其中电弧被关掉，然后通过电弧生成器在靶的第一末端重新点燃电弧；
图12是用于低电弧斑速度靶材料的沉积方法的第三阶段的示意图，该第三阶段涉及这样的沉积模式，即其中靶的旋转被反向，以使得阴极斑开始在相反方向运动；
图13是示出用于低电弧斑速度靶材料的沉积方法的第三阶段的示意图，该第三阶段涉及这样的沉积模式，即其中磁场方向被反向，以使得阴极斑开始在相反方向运动；
图14是示出在旋转电弧阴极旋转接通时在石墨靶的外圆柱护套上的电弧斑迹线的图形；
图15是示出在旋转电弧阴极旋转关掉时铝靶的外圆柱护套上的电弧斑迹线的图形；
图16a是示出当利用具有平面的电弧阴极的过滤装置时如何失去电子的示意图，其中沿着整个等离子通道并不具有高强度的磁场；
图16b是示出当利用具有旋转电弧阴极的过滤装置时如何失去电子的示意图，其中沿着整个等离子通道并不具有高强度的磁场；
图17是示出当利用具有旋转电弧阴极的过滤装置时如何失去电子的示意图，其中沿着整个等离子通道具有高强度的磁场。
具体实施方式
在图1和图2中，提供了示出主要适于石墨靶的本发明的基本构型的示意图。具有待涂布的工件的基板保持器1安置在涂布腔室2中，该腔室通过连接到泵送系统3而被抽空。安置在门4内的过滤阴极真空电弧源包括大致具有圆柱形状的可消耗的旋转电弧阴极(由靶5形成，其它的磁场源由长型电磁线圈6和铁磁芯7形成)、聚焦磁场源(由安置在水冷挡板9内的长型电磁线圈8形成)、水冷阳极10、电弧生成器11、电流源12和电阻器14。
靶材料在定位在等离子通道14内部的靶5表面上的电弧斑处蒸发。等离子通道14内部的电子流导引带正电的蒸发材料通过挡板9。挡板由电阻器13充电到正电位，其有助于保持带电材料在等离子通道内部。随着等离子通道14穿过或通过基板，带正电的蒸发材料被由基板偏压源15形成的负电位拉动，并在基板上形成涂层。
所述旋转电弧阴极旋转16移动在等离子通道14内的靶5表面上燃烧的电弧斑到其中磁场线17并不垂直于靶5表面的侧面。磁场移动电弧斑回到其中磁场线17垂直于靶5表面并沿着电弧斑迹线18上的靶长度到靶5的底部的位置。
电弧斑通过在靶5的上部的电弧生成器11点燃。当电弧斑抵达底部时，电压在电弧位置传感器19上增大并且电弧被关掉。然后，电弧在上部再次被点燃，该过程被连续地重复。
用于石墨靶的最适条件：
-挡板21内部的磁场强度为100mT；
-电弧斑位置22中的磁场强度为15mT；
-挡板间隙宽度为10毫米；
-旋转电弧阴极转速为1,5RPM；
-电弧电流为80A。
在图3中，示出替代方案的示意图。如果电弧斑速度太快(例如对于Ti,Al靶材料)，则不可能借助于旋转适当地偏移电弧斑到侧面。然后，电弧斑总是保持在其中磁场线17垂直于阴极表面的位置。等离子通道内部的磁场线17是直的，并且如果挡板和旋转电弧阴极偏移到侧面，如图3所示，则是有利的。
在图4中，示出替代方案的示意图。过滤阴极真空电弧源包括两个阴极(由7a，6a，5a；7b，6b，5b组成)和较大的聚焦磁场源(由安置在水冷挡板9内的长型电磁线圈8形成)、两个阳极10a,10b以及其它挡板23以提供更好的过滤。磁场强度与之前的方案相比大致高两倍。系统适于低电弧斑速度靶材料(例如石墨)，也适于高电弧斑速度靶材料(例如Ti，Al)。
在图5中，示出替代方案的示意图。聚焦磁场源包含两个长型电磁线圈，并且挡板形成弯曲的等离子通道。系统适于低电弧斑速度靶材料(例如石墨)，也适于高电弧斑速度靶材料(例如Ti，Al)。
在图6b中，示出替代方案的示意图。为了提供对电弧斑的竖直位置的控制，铁磁芯7并不安置在其它磁场源的整个长度上，而是它限于靶5的全长的一部分。对于40厘米长的靶，7厘米长的铁磁芯6是适当的，如图8所示。通过芯部的机械竖直运动，可以控制电弧斑运动。电弧斑跟随铁磁芯的位置。
在图6c中，示出替代方案的示意图。为了提供对电弧斑的竖直位置的控制，使用由更不长型的电磁线圈形成的聚焦磁场源。通过聚焦磁场源的机械竖直运动，可以控制电弧斑运动。电弧斑跟随聚焦磁场源的竖直位置。
当利用那些其它的方式以控制电弧斑运动时，可以使用上电压传感器20和底部电压传感器19二者来控制电弧斑是否已经抵达它的边界位置。该系统主要针对高电弧斑速度靶材料(例如Ti，Al)而研发，但是它也适于低电弧斑速度靶材料(例如石墨)。
在图7和图8中，示出替代方案的示意图。为了提供对电弧斑运动更多的控制，提供其它阳极24。一部分电流可以从主阳极10被转移到其它阳极24。由此，可以迫使电弧斑在如图8示意性地所示的闭合曲线18上运动。该系统主要针对高电弧斑速度靶材料(例如Ti，Al)研发，但是它也适于低电弧斑速度靶材料(例如石墨)。
在图9、10、11、12和13中，用于低电弧斑速度靶材料(例如石墨)的沉积方法的示意图被示出。对于低电弧斑速度靶材料(例如石墨)，可以借助于靶旋转偏移电弧斑到其中电弧斑在竖直方向上加速的地方。该系统可以以在上述附图中提及的各种模式工作。它们的描述如下：
-电弧在靶5的第一末端由电弧生成器11点燃(见图9)，通过靶5的旋转，电弧斑开始移动到靶5的第二末端(见图10)。在当电弧斑抵达靶(5)的第二末端的时刻，它的位置由电弧位置传感器19进行评估，电弧关闭。然后，电弧通过电弧生成器11在靶的第一末端再次点燃(见图11a)。然后平行于图10中的之前的迹线的新的迹线得以产生(见图11b)。
示出电弧斑在石墨靶上的电弧斑的照片在图14中示出。
-电弧通过电弧发生器11在靶5的第一末端点燃(见9)，通过靶5的旋转，电弧斑开始移动到靶5的第二末端(见图10)。在当电弧斑抵达靶5的第二末端的时刻，它的位置由电弧位置传感器19评估，靶5的旋转方向反向，以使得阴极斑开始在相反方向运动。通过重复该方法，可以提供连续的电弧燃烧。当靶5的旋转速度在反向旋转开始和之后之间稍微不同以使得可以提供均一的靶侵蚀时同样是有利的(见图12)。
-电弧通过电弧生成器11在5的第一末端点燃(见图9)，通过靶5的旋转，电弧斑开始移动到靶5的第二末端(见图10)。在当电弧斑抵达靶5的第二末端的时刻，它的位置由电弧位置传感器19评估，磁场方向通过将产生磁场的电磁线圈中的线圈电流方向26反向而反向，以使得阴极斑开始在相反方向移动。聚焦磁场源8和其它磁场源6二者必须同时反向。通过重复该方法，可以提供连续的电弧燃烧(见图13)。
替代通过传感器19，20评估电弧斑抵达末端，我们还可以根据已知的阴极斑速度计算电弧斑从靶5的一端运动到靶的另一端所需的时间。在该时间过去后，我们可以假定阴极斑已经抵达靶的期望末端，并进行上述动作之一。
本发明的优点示出在图16a、图16b和图17中。
在图16a中，由于具有极低磁场29的空间，电弧斑迹线由磁场闭合地18限定，关于平面的电弧阴极的宏观粒子过滤的初始路径不仅存在主等离子通道27，由此离子被导引到样品，而且还存在关于电子的逃脱路径28，其大幅降低系统的产量。在图16b中，详细描述了关于旋转电弧阴极的相似的路径。在图17中，本发明禁止电子找到逃脱路线，因此系统的产量明显更高。
附图标记列表
1 基板保持器
2 涂布腔室
3 到泵送系统的连接
4 门
5 靶
6 电磁线圈
7 铁磁芯
8 电磁线圈
9 水冷挡板
10 水冷阳极
11 电弧生成器
12 电流源
13 电阻器
14 等离子通道
15 基板偏置源
16 阴极旋转
17 磁场线
18 阴极斑迹线
19 底部电压传感器
20 上电压传感器
21 挡板内部的磁场
22 电弧斑位置的磁场
23 其它挡板
24 其它阳极
25 电弧斑燃烧的位置
26 电磁线圈电流方向
27 电子主通道
28 逃脱通道
29 零磁场位置

Claims (11)

1.一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0.1-10的范围内。
7.一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被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)；
-电弧生成器(11)，
所述方法包括以下步骤：
-在旋转电弧阴极和相关阳极(10)之间产生电弧以在其中所述磁场线(17)大致垂直于(22)所述旋转电弧阴极表面即所述外圆柱护套的位置附近产生等离子，其中电弧斑在所述位置运动；
-阴极旋转(16)将所述电弧斑从其中所述磁场线(17)进入所述旋转电弧阴极而垂直于所述旋转电弧阴极外圆柱护套的位置通过旋转靶而偏移到其中与所述旋转电弧阴极外圆柱护套相切的更高磁场分量的位置，从而使得所述电弧斑在所述旋转电弧阴极外圆柱护套上在所述旋转电弧阴极的所述旋转轴的方向的运动加速；
-当所述电弧斑抵达所述可消耗的旋转电弧阴极的末端位置之一时，执行以下动作之一：
-或者关掉电弧并重新点燃；
-或者所述电弧斑运动方向被反向。
8.如权利要求7所述的方法，其中，借助于从电弧生成过去的时间基于所述电弧斑的已知速度，指示当所述电弧斑抵达所述末端位置之一时的这种状态。
9.如权利要求7所述的方法，其中，通过当所述电弧斑抵达所述末端位置之一时由等离子通道(14)所占据的位置附近的传感器(19，20)，指示当所述电弧斑抵达所述末端位置之一时的这种状态。
10.如权利要求7-9所述的方法，其中，所述电弧斑运动方向通过改变所述旋转电弧阴极(16)的旋转方向而反向。
11.如权利要求7-9所述的方法，其中，所述电弧斑运动方向通过改变所述水冷电磁线圈电流(26)的取向而被反向。
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