CN111690899B - 改进的阴极弧源设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阴极弧源，包括：阴极靶材；位于靶面上方的第一磁场源；位于靶面下方的第二个磁场源；以及第三磁场源，位于第一磁场源和第二磁场源之间，并且与第一磁场源具有相反的极性；其中，来自第一、第二和第三磁场源所产生的垂直零磁场在靶面上方。本发明还提供了一种敲击阴极靶材的方法和一种使用本文所述的阴极弧源进行的沉积涂层的方法。

Description

改进的阴极弧源设备

技术领域

本发明涉及一种改进的阴极电弧源，特别是改进的真空阴极过滤弧(FCVA)源。改进的阴极电弧源与传统阴极弧源相比，靶材使用的材料范围更广，从而使得阴极电弧源沉积或涂层工艺中，将更广泛的材料用作涂层。

背景技术

阴极电弧源用于在低温下，在基材上产生坚硬、致密的薄膜涂层，并且涂层具有良好的膜基附着力。涂层可以是碳基材料(例如四面体非晶碳涂层)，也可以是特定的金属涂层。当涂层为碳基涂层时，以石墨当作靶材。当涂层为金属涂层时，块状金属或块状合金材料可以用作靶材。

对于阴极电弧源，现有技术的一个问题是，在靶材表面因电弧放电而产生等离子体时，其强烈的电弧点会产生大量大颗粒子，从而污染等离子体，进而污染沉积的涂层。通常采用过滤大颗粒的方法，来减少靶材与基材之间的等离子束中的大颗粒子，从而解决涂层中存在大颗粒子的问题。

已知的商用设备采用的是45°弯管来过滤离子束中的大颗粒子。此外，WO 96/026531描述的具有双弯管过滤管道的装置，也可用于同一用途。虽然后一种装置更为高效，但我们希望可以提供另一种有效可行的方法，以减少沉积涂料中的大颗粒子。

WO 98/03988描述了一个阴极电弧源，该源内部的磁场，由石墨靶材和垂直靶材且磁场强度为零的合成磁场组成。合成磁场通常由两个相反方向的磁场源产生，一个位于靶材上方，另一个位于靶材下方。在WO 98/03988中的装置可以稳定电弧，并且可以减少大颗粒子在镀膜基材上的沉积。

然而，对于形成碳涂层WO98/03988中描述的装置，其在石墨靶材上使用效果良好，但该装置并不太适用于金属靶材。

一个相关的问题是，在理论上，可以通过使用较低的电弧电流，来减少阴极弧产生的大颗粒子生成。但实际上，当电流降至最小稳定电流(或截止电流)以下时，电弧会熄灭。这个问题在使用金属靶材时一定存在，因为阴极电弧源不是特别稳定，一旦点燃，不会长时间保持起弧状态。所以，为了提高电弧点的稳定性，需要更高的电弧电流。石墨靶材可用低至20A至30A的电弧电流，但金属靶材通常需要大于100A的电流。这些较高的电弧电流，不能应用在所有金属靶材(如铜和镍靶材)。因此，迄今为止，在沉积金属涂层时，使用阴极电弧源一般仅限于沉积铬、铝和钛涂层，甚至此类靶材也只能在有限范围内，或在对弧源设备进行持续监督下，才能使用。这样使得长期使用金属靶材标变得不太可能，所以，使用金属靶的弧源，只能局限在实验室小规模使用，无法在更广泛的范围内发展起来。

虽然其他物理气相沉积涂层方法(如溅射)是众所周知的，但并不是所有这些方法都适用于所有类型的金属。例如，使用溅射技术就不能令人生产满意地沉积镍镀薄膜。

EP 0495447 A1(株式会社神戸製鋼所)描述了一种在真空电弧气相沉积中控制电弧点和蒸发源的方法。US 7,381,311 B2(Aksenov等人)描述了一种进一步的阴极电弧等离子体源。在这两种源中，都使用磁场将从靶标喷射的离子引导到基板。US 2004/0137725描述了使用FCVA设备形成的金属涂层，而CN108456844描述了使用FCVA方法形成镍铬合金涂层。

因此，有必要对阴极电弧源设备进行改进，才能够利用金属靶材在基底上制备金属涂层，尤其是制备那些之前还无法制备的金属涂层。

发明内容

通过修改WO96/026531中的装置，发现使用较低的电弧电流可以产生稳定的弧点，因此修改后的装置适用于范围更广的靶材，包括特定的金属和合金靶材。这意味着，可以首次在工业规模上，对于金属靶材，如镍、钨、铜等金属，实现FCVA方法的沉积。

因此，本发明提供了一种阴极电弧源，包括：

阴极靶材的装置；

位于靶材装置上方的第一个磁场源；

位于靶材装置下方的第二个磁场源；以及

位于第一和第二磁场源之间的第三个磁场源，其具有与第一磁场源相反的极性；

其中，第一、第二和第三磁场源产生的磁场，在靶材上方位置并在与靶材垂直的方向上，具有零磁场强度。

在使用设备时，靶材固定在靶材装置上。该装置在(电弧室内)靶材上方位置，能够提供零磁场。添加本发明的第三个磁场源，与已知的装置相比，本发明的第三个磁场源降低了来自所有三个磁场源的合成磁场的径向强度，同时保持了在靶材上方，垂直于靶材方向磁场强度为零的区域。

此外，令人惊讶地发现，第三个磁场源的加入，增加了靶材上方磁场区域的大小，在该区域，磁场强度在垂直于靶材的方向上，得以显著地变小(参见图4A至5B和本文所述的示例)。

此处使用的术语″垂直″是指与靶材表面正交的方向。此处使用的术语″径向″是指靶材表面平面上的方向。

参照阴极靶材，发现更强的横向磁场可以促进弧点运动。随着貌似弧点的运动产生更多的新发射中心，阴极处会产生更多的等离子体。等离子体提高了靶材的电导率，从而减少了维持电弧所需的电流。相反，更强的垂直磁场会促进等离子体传输，进而破坏电弧的稳定，因为需要更多的能量去补偿降低的等离子体密度。

第三个磁场源的加入，增加了控制合成磁场的自由度。由于靶材表面位于第二磁场源和第三磁场源之间，因此第三个磁场源会产生于第二个磁场源相反的径向磁场。因此，改变第三磁场源产生的磁场强度，可以得到从纯正磁场到纯横向磁场的一个区域范围，并有效地改变靶材表面或略高于靶材表面的垂直磁场和横向场的比例。

因此，第三磁场源可用于在垂直于穿过靶材表面较大部分的方向上生成零磁场强度的区域。如文所述，这样可以稳定电弧，从而允许使用较低的电弧电流。

阴极弧源从阴极靶材产生正离子(如正碳或金属离子)，所述离子以基本垂直于阴极靶前表面的方向发射。阴极弧源还包括真空室，由此产生的合成磁场(来自第一、第二和第三磁场源)的方向基本上垂直于靶材的上表面，在真空室内部与靶材上表面上方的位置场强度为零。真空室内的合成磁场在基本上垂直于阴极靶前表面的方向上产生一个场强为零的点。

靶材可以用任何阴极电弧源能用的材料。尤其是可以包含任何金属或者合金。适用于靶材的金属和合金包括铝、铜、镍、钨、铬、锌、钛和银，以及前面金属组成的两种或两种以上的合金。适用于靶材的金属和合金的金属包括铝、铜、镍、钨、铬、锌、钛和银，以及两种或两种以上或三种以上的合金。本发明也可用于碳靶，但一般说来，碳靶的FCVA沉积比较稳定，可以不需要第三磁场源。

在使用中，本发明的阴极弧源产生的正离子束，与没有本文所述的第一、第二和第三磁场源的阴极弧源相比，大粒子数目得以极大减少。因此，本发明的特点在于不必要进一步过滤等离子束，当然进一步的过滤还是可取的。本发明源适用于使用或不带过滤装置。结合本发明的装置示例特别包括单弯或双弯过滤管(如WO 96/126531中所述的管道)。在使用电弧源时，电弧点可以在较低的电弧电流下，保持稳定性，从而使得之前不适合阴极电弧源的靶材(尤其是各种金属和合金的靶材)，适合采用电弧沉积。

阴极电弧源可包括第一、第二和第三磁场源，其中：

(1)在靶材表面的合成磁场，垂直于靶面方向，并且磁场方向向下；

(2)在垂直靶面方向，离靶材越远，合成磁场的强度越小，最后达到零磁场区域或者零磁场点。

(3)到达零磁场区域点后，继续向上(离靶材越远)，磁场方向向上。

在这种排列中，从靶材上表面发射的正离子首先穿过磁场(磁场方向与正离子的运动方向相反)，其次通过磁场强度为零的点或区域，之后，正离子通过磁场(磁场方向和正离子的运动方向相同)。巧合的是，后一种磁场可以用来引导正离子通过过滤装置(特别是双弯曲过滤管)，并引导正离子到达需要镀膜的基板。

在此，在垂直于靶材上表面的方向上的零场强的点或区域，也被称为零点或零磁场区域。

除了第一、第二和第三磁场源外，阴极电弧源可包括以下一个或多个配件：阴极靶材(如石墨、金属或合金靶材)、阳极、电弧电源、基板和使阴极发射电弧中产生正离子的装置。

在使用阴极电弧源时，必须在第一、第二和第三磁场源运行时，在靶材上起弧。

所需的磁场由三个独立的磁场源组合产生。在本发明的首选装置中，可以选择或调整一个或多个磁场源的强度，使三个磁场的重叠产生一个零点，正离子在通往基板的途中通过该点。如别处描述所述，零点可以用比以前更低的径向场强来产生，也能产生比以前更大的零点。

因此，阴极电弧源可以采用改变一个或多个磁场源(例如两个或多个或甚至全部三个)的强弱的方法，从而改变零磁场强度的位置。这样的布置便于调整靶面与零点之间的距离。特别方便的是，尤其是对于工业用的仪器，第一个和第二磁场源是固定的，可以仅仅通过改变第三磁场源来调整零点参数。

此外，一个或多个磁场源可以移动地安装在阴极弧源上，以便磁场源和靶材之间的距离可以沿着靶材表面的垂直方向而变化。磁场源的移动也可用于改变零点或区域的位置。

通常，选择磁场强度是为了在靶材表面上方小于10厘米的空间(以与靶材表面垂直的方向为准)生成零磁场区域。优选的零磁场区域延伸到靶材上方距离靶材表面小于8厘米，通常小于6厘米，例如小于5厘米，最好小于4厘米。

磁场源通常是能产生磁场的线圈或永磁体。当磁场源是永磁体时，该磁体可以选用铁氧体磁体，铝镍钴磁体，钕磁体，钴磁体及其混合物。

第一个磁场源(例如线圈/永磁体)位于靶材上方，使用时位于靶材和基板之间。这种磁场线圈通常存在于过滤阴极弧源中，因为有了助于从靶产生的离子通过过滤装置并朝向基板的磁场。过滤装置例如可包括单弯管或双弯管和其他过滤结构，如挡板。线圈产生的磁场基本上垂直于阴极靶，通常其方向远离靶并朝向基材。

第二个磁场源(例如线圈/永磁体)位于靶材下方，即靶材向着基板的另一侧。第二个源通常产生一个磁场，其与第一个源产生的磁场方向相反。其效果是，第一个源产生的磁场部分抵消了第一个源产生的磁场，从而通过调整相对场强度(在与第三个磁场源的组合)，会在靶材的上方产生一个零垂直磁场点。

第三个磁场源(例如线圈/永磁)位于第一和第二磁场源之间。第三个磁场源通常位于靶材上但低于第一个磁场源。第三个磁场源通常产生一个磁场，基本上与第一和第二源产生的磁场同轴。第三个磁场源产生的磁场的极性与第一个磁场源的极性相反，但通常与第二个磁场源的极性相同。其效果是，第三个源产生的场有助于第二个源抵消第一个源(例如线圈)产生的磁场，通过调整所有相对场强度，在靶材上方垂直靶面方向的磁场具有零磁场点。此外，在零点周围，第三个源会降低径向磁场强度(即，在基本横向或平行于靶材表面的方向上)。这一发现能产生更稳定的电弧并扩展潜在的靶材料。

通过改变第一和第三磁场源的强度可以实现对合成磁场的充分控制。因此，第一和第三磁场源可以是(可变)磁场产生线圈，而第二磁场源可以是永磁体。与线圈比较，使用永磁体作为第二磁场源减少了设备的电消耗。

在第二磁场源作为永磁体的情况下，如上所述，可以通过将磁体构造成可在垂直于目标的方向上移动来改变合成磁场。

靶材的直径通常为5cm到15cm，优选为7cm到12cm，例如大约9cm。其他尺寸可以根据设备设计和内部尺寸使用。

当磁场源为线圈时，线圈可以缠绕在阴极电弧源真空室的外部，以便在真空室内提供磁场.

当各线圈里的电流变化影响零区时，也就是说，在基本上垂直于靶面的方向上的零场点，进一步远离或朝向靶面移动。尽管有这种特殊的观察，本发明是用于传统的电弧电源，不限于特定的场强，但通常适用于具有交叉或反向磁场的阴极电弧源，或以其他方式在靶材和基底之间提供一个零点。

进一步观察到，由抗衡磁场强度变化产生的合成磁场强度会影响电弧形态和沉积速率。当零点接近靶材时，电弧会变得更加强烈，并且更靠近靶材中心，可以看到强烈的蓝色等离子体，沉积速率有所下降。当零点远离靶材时，靶材表面的磁场强度会增加，维持弧的稳定性和起弧会变得更困难。这也会使沉积速率有所下降。

因此，零点可以方便地选择之间位置，从而产生具有漫射电弧和较低电弧光斑强度的电弧。对于不同的电弧源设置，寻找合适的工作参数可能需要一些试验和误差校准。

当电弧电流流动时，一个″驼峰″，作为一个集中于正离子的区域，形成在靶材表面之上。大多数正离子被加速回靶材表面，其负电位，通常为负30V左右，以高能量撞击靶材表面并保持电弧。电流使靶材表面的原子于离子和电子分离，这些离子和电子流向接地而电压为零的阳极。为约100A电流的电弧，等离子电流，即形成等离子束的正离子可能约为1A。因此，形成正离子等离子束的电流占总电弧电流的比例非常低。在本发明中第三个磁场源下操作，较低的电弧电流是可行的。

合成磁场强度的变化使零点位置产生相应的变化。如果零点离靶材表面太近，则更多的电子会从阴极直接流向在零点处的阳极位置。因此，等离子体输出要少得多。如果零点选择正确，则产生的等离子体束将提供良好的沉积速率和几乎没有大颗粒子涂层。

如前所述，阴极电弧源通常包括一个真空室，其中阴极、阳极和撞针位于其中。阳极通常由内壁形成。还有提供环绕靶材的电绝缘罩，以防止靶材侧面和阳极之间的电弧短路。阳极和阴极连接到电源。撞针通常可旋转地安装在真空室的墙壁上，并且能旋转接触阴极靶材，以在阴极上起弧。

在本发明的一个实施例中，电弧源组成基本上位于真空室中心的阴极。腔室的内表面作为阳极接地，从而包围阴极并沿着腔室的内壁从阴极向外延伸。靶材与阴极电接触，为了防止阴极(而不是靶材)和阳极之间的电弧，最好在阴极周围有一个电绝缘罩。从靶材的外边缘到阳极的距离最好保持基本相同一一例如，这是通过提供基本上是圆形的靶材来实现的，该靶材位于圆柱形阳极的中心位置。此外，靶材的边缘或阳极的边缘可选地被覆盖，以便仅在阳极和靶材的上表面之间形成电弧。

为防止过热损坏设备，冷却通常由阳极周围的水冷夹套提供，其中冷水入口靠近零点，以便在阳极最热的地方提供最大冷却。水流入冷却套，与零点大致保持水平，然后向上流过内螺旋，随后向下流过冷却套的外部部分，再向上流过内螺旋，直到水通过出口管流出。水冷阳极在本领域中是公知的，尽管这些阳极的直径通常与靶材直径相似。

可以通过调整靶材上方和/或下方的磁场线圈电流，以便零点和进水口与靶材表面方的距离大致相同。

本发明的阴极电弧源产生的等离子体束随后可以使用传统的单弯或双弯管道进行过滤。由于等离子体束跟着磁场线，所以实现了等离子体束的磁导向也是本领域中公知的知识(例如，参见WO96/026531)。

本发明还提供了一种在阴极靶材上敲击，以产生电弧的方法，通常用于本发明的装置中，包括：

(i)(a)具有产生第一个磁场方向的第一磁场装置；

(b)具有产生第二个磁场的第二个磁场装置；

(c)具有与第二个场方向平行的第三个磁场装置；

由此，产生由第一、第二和第三磁场产生的合成磁场；

(ii)在产生的组合磁场中，敲击产生电弧。

第二个磁场可能和第一磁场的方向相反。

第一磁场和第二磁场可以从分别位于靶材上方和下方的磁场源(即线圈)产生，而第三个磁场可以由第一和第二磁场源(即线圈)产生。此处所述的第二个磁场源。.所述第一线圈可选地构成用于过滤由电弧产生的等离子体中的大颗粒子的装置的一部分，过滤电弧产生的等离子体中的大颗粒子。如上所述，合成场包括靶材上方的零点，在该零点，垂直于靶材的场强为零，线圈电流的变化改变了零点与靶材之间的距离。

本发明的阴极电弧源产生的等离子体束，可用于在基材上沉积涂层或薄膜。因此，本发明还提供一种在基材上沉积涂层的方法，该方法包括：

(a)根据本文所述方法，在阴极靶材撞击起弧，对阴极材料进行电离；

(b)将电离的阴极材料，定向沉积到基材上，在基材上形成涂层。

如上所述，使用第三个磁场源，可降低产生稳定电弧所需要的弧电流，从而使FCVA沉积材料的范围扩大。

本发明的电弧源，能够使用CVA技术，在基材上沉积金属薄膜。因此，本发明还提供了一种在基底上沉积薄膜的方法，该方法包括：从真空阴极电弧源中的金属靶电离为正离子，并将离子沉积到基底上。

通过使用本发明的装置和镀膜方法，可以在工业规模上，使用金属和/或合金制成的金属靶，进行CVA沉积镀膜，特别是FCVA沉积镀膜，即本发明能够产生长期稳定和持续的正离子，而无需不断反复敲击靶材来重燃电弧。

本发明提供的这些方法，靶材一般不是铝、铬或钛。本发明装置能够长期稳定地工作，以保持电弧不熄灭至少5分钟，一般至少10分钟电弧不熄灭，甚至至少20分钟电弧不熄灭。靶材一般可以是金属的。为避免疑问，对于本发明的这些实施例，靶材也不是碳。在下面的特定示例中，铜由FCVA沉积在聚合物基材上，并发现具有导电性。在另外一个具体的示例中，镍由FCVA沉积并且具有磁性。

本发明最佳使用CVA镀膜方法尤其是FCVA镀膜方法。这些示例，优选采用本发明的阴极弧源。可选用金属和/或合金靶，例如铝、铜、镍、钨、铬、锌、钛和/或银，以及两种，或两种或三种以上的合金。特别适用于金属、可蚀刻涂层的金属，例如铜和/或镍。本发明还包括通过化学气相沉积法(特别是化学气相沉积法)使用第一种金属靶，沉积至少一种打底层，以及通过化学气相沉积法(特别是化学气相沉积法)使用另一种金属靶，沉积至少一种不同于第一种金属靶的打底层。在下面描述的特定示例中，镍打底层沉积在聚合物基底上，铜层沉积在带有镍打底聚合物基底上。

现在从金属靶材获得的稳定弧可进一步获得有利的用途以及本发明的应用和扩展。现在也可以沉积基于FVCA金属的化合反应涂层。

相应地，本发明还提供了一种将涂层沉积在基材上的方法，包括从阴极真空弧靶材表面产生正离子，并将离子沉积到基材上，其中靶材为金属，该方法进一步还包括将气体引入真空沉积室，从而产生一种包括金属化合物的化合反应涂层。

因此，本发明提供了制造CVA的镀膜方法，特别是在腔室中使用气体和金属或合金靶FCVA反应镀膜。适当地，所述方法包括在基材处或其附近引入气体。CVA沉积，特别是FCVA沉积，可在氮气、氧气、甲烷或乙炔环境中发生，(即N2、C2H2、CH4、O2等存在)，因此膜层还能包含气态元素，例如氮、氧、碳或氢。因此产生的涂层可能是或包括金属氧化物，金属氮化物和金属碳化物，而这些现在可以使用CVA，特别是FCVA工艺获得。

在本发明的源有着可选和首选特性以及其他方法，适用于此类涂层和化合反应涂层的生产。

因此，本发明还提供了从此方法获得的产品。本发明提供了一种沉积有金属涂层的基材，其中涂层由CVA沉积，尤其是FCVA工艺。受限于FCVA的靶材选择，首选金属除了是铝、铬或钛以外，也可以是包含铜、镍、钨、锌和/或银，以及两种或两种以上的合金以及两种或两种以上，或三种或三种以上的合金(铝、铜、镍、钨、铬、锌、钛和/或银)。在首选的材料中，金属或合金是可蚀刻的，更进一步首选的金属是铜或含有铜。下面描述的一个实例包括由FCVA沉积在聚合物上的铜层，由于铜是可蚀刻的，所以这在电子产品中很有用。更加优选的金属是镍或含有镍。由于镍铜是可蚀刻的，这在电子产品中也有应用。

本发明还提供了根据基材由CVA沉积第一层金属或合金的的薄膜方法，特别是FCVA工艺，以及沉积第二层金属，合金或其他材料的膜层的方法。在第一个膜层，通过CVA沉积，特别是通过FCVA工艺。下面描述的一个实例包括镍层和铜层，两者都由FCVA方法沉积到聚合物上。这在电子产品中是有用的，因为两者都是可蚀刻的。在这里，打底层促进铜层与聚合物基底的粘附。本发明的进一步具体实施例提供了电子元件，其包括沉积有一个或多个金属层的基材，这里的金属层由CVA沉积，尤其是如本文所述的FCVA。

本发明还提供了使用CVA，特别是本发明的FCVA沉积有反应性涂层的基材。本发明的上述方法和产品的其他可选项目和优选特征适用于这种反应性涂层涂层基材。

因此，本发明十分适用于沉积包含一种或多种聚合物的基材。本发明中特定的实施例是由涂有金属涂层的聚合物或通过FCVA沉积的合金涂层制成的基材构成。

附图说明

本发明现在在以下具体示例中进行了描述，其中提及的用来解释的附图不在限制本发明的范围中。包括：

图1显示了传统阴极弧源的左视图和俯视图

图2显示了根据本发明的第一实施例对阴极电弧源的类似视图；

图3A和3B是示意图，显示传统阴极弧源(图3A)和本发明的阴极弧源中产生的磁场线(图3B)；

图4A示出了在仅包括过滤管和阳极线圈(即不包括本发明的第三个辅助线圈)的设备中作为目标上方距离和模拟磁场强度的函数；

图4B显示作为本发明装置(即由过滤管、阳极和辅助线圈组成的装置)中靶材以上距离和模拟磁场强度函数；

图5A示出在仅包含过滤管和阳极线圈(即不包括本发明的第三辅助线圈)的装置中，从目标中心的径向距离的函数的模拟磁场强度。

图5B示出了本发明装置中的从目标中心的径向距离(即包括过滤管、阳极和辅助线圈的装置)的模拟磁场强度。

图6显示了使用本发明的设备和方法去沉积铜的聚合物样品条.

图7A至7E显示出了使用本发明的设备和方法，在铝合金硬盘驱动器盘的表面，沉积铬薄膜。其中电弧电流设置在85A，没有施加偏压。

图8A至8E示出了使用本发明的设备和方法，在铝合金硬盘驱动器盘的表面，沉积铬薄膜。其中电弧电流设置在160A，没有施加偏压。

具体实施方式

图1显示了在WO 98/03988中详细介绍的传统的阴极电弧源(10)。源(10)包括阴极(12)和阳极(14)，阴极(12)由非绝缘外壳(13)覆盖，阳极(14)由真空室(11)的内壁形成。靶(16)与阴极(12)电接触。绝缘罩(17)包围靶材，以防止靶材(16)和阳极(14)之间的电弧。阴极(12)和阳极(14)连接到电弧电源。

阴极的冷却是通过进水口(20)和出水口(22)提供冷却水来实现的。阳极的冷却同样是通过阳极冷却套(27)的进水口和出水口(未显示)来实现水冷却。

可旋转打火头(28)安装在真空室的壁上，其旋转后接触靶材(16)，以实现阴极弧的点火。

在电源侧安装有一个观察孔(30)，以便在操作期间对电弧进行可见检查。气体输入口为源侧面上的世伟洛克配件(31)。

在靶材(16)上方有一个过滤线圈(32)，它作为第一磁场源，安装在靶材(16)上方，在源室的圆柱形壁周围是一个阳极线圈(34)，作为第二磁场源。

图2显示了根据本发明的一个实施例的阴极电弧源。阴极电弧源包括阴极(12)、非绝缘护罩(13)、阳极(14)、真空室(11)、靶材(16)、绝缘护罩(17)、进水口(20)、出水口(22)，阳极冷却护套(27)，撞针(28)，视图端口(30)，气体输入(31)和第一和第二磁性线圈(32，34)分别称为过滤线圈和阳极线圈，如上所述的图1所示的传统阴极电弧源。

此外，图2所示的阴极电弧源包括辅助线圈(36)，该线圈作为第三个磁场源，并环绕真空室处于(11)过滤线圈(32)和阳极线圈(34)之间的位置。由于撞针(28)的位置，辅助线圈(36)只能在图2所示的阴极弧源左侧看到。

或者，阳极线圈(34)可以用圆柱形永磁体(34B)代替。应当理解，在下面的设备操作的描述中，阳极线圈(34)可以用该永磁体(34B)代替，而基本上不影响本发明的工作。

磁铁(34B)的强度为500mT。

磁体(34B)附接到杆40，杆可用于沿垂直于靶(16)的方向在靶表面下方4cm至9cm的距离上下移动磁体。磁体还可被壁(42)围绕，以将磁体(34B)与水冷却室(由入口(20)提供)隔离开，以确保磁体保持干燥。

在阴极电弧源(10)的运行中，磁场由相应的线圈(32、34、36)产生并在真空室(11)内形成合成磁场。因此，在靶材(16)上方的区域，在与靶材(16)基本垂直的方向上磁场强度为零(或最小)。零磁场强度的区域，或″零区″，位于真空室(11)内，距离靶材(16)之上的一小段距离。各线圈(32、34)中的电流变化将改变靶材(16)和零点之间的距离。

在使用此阴极电弧源时，各第一、第二和第三线圈(32、34、36)中的电流变化，使零域，即磁场在基本与目标垂直的方向上的区域强度为零，介于0.5厘米之间距离目标约5厘米(16)。

过滤(32)和阳极(34)线圈具有相反的极性，因此以与目标(16)垂直的方向相互抵消，从而在目标上方有一个区域，其产生的磁场方向与目标垂直为零。然而来自过滤(32)和阳极(34)线圈的磁场在径向到目标(16)的位置相互加强，因此(使用辅助线圈(36)磁场

向靶材(16)的径向强度较大。辅助线圈(36)(位于第一和第二线圈之间)与过滤管线圈(32)具有相反的极性。辅助线圈(36)产生的磁场降低了径向磁场强度。这显示在原理图3A和3B中，它们显示了在本发明的常规阴极电弧源(图3A)和阴极弧源中产生的磁场(图3B)。在本发明中阴极弧源中减小的径向场强度可以参照图3B。

此外，在靶材上面的辅助线圈(36)增加了低磁场区域的大小强度(参见图4A、4B、5A和5B)。图4A、4B、5A和5B是模拟磁场强度图。图4A和图5A代表传统的阴极电弧源(即仅包含两个独立磁场源的弧源)，而图4B和5B代表本发明的阴极弧源。

对于每一对图，可以看出，对于本发明的阴极弧源，靶材上方的低场强区域的尺寸更大，并且在与靶材径向的位置(即在第一(32)和第三(36)线圈之间的区域)的场强减小。

示例1——具有不同阳极/辅助线圈电流的截止电流和等离子输出

为了确定在较低电流下的电弧稳定性，使用图2所示的装置，并且使通过阳极线圈(34)和辅助线圈(36)的电流，随着施加的电弧电流而变化。过滤线圈(32)电流保持在12A，靶材是直径为9cm的99.95％纯铜。

测量并记录了阳极和辅助不同线圈电流的截止电流(即观察到电弧截止的最高电弧电流)，如下表1A和1B所示。此外，当电弧电流为85A时，测量并记录辅助线圈和阳极线圈电流的每种组合的等离子体输出，如表2A和2B所示。

表1A

表1B

表2A

表2B

发明人因此发现，使用具有三个独立磁场源的阴极电弧源，在磁场强度较低的靶材上方提供了一个增大的区域，并且还降低了对靶材的径向磁场强度。这意味着可以使用较低的电流产生稳定的电弧，从而允许阴极电弧源应用于在基底上沉积更广泛的金属涂层。

示例2——计算机仿真模拟磁场强度的研究

此外，计算机仿真模拟在辅助线圈的加入下对靶面磁场强度的影响。

图4A显示计算机仿真模拟从靶面下方0.05米到靶面上方0.4米高度，在没加入辅助线圈时的垂直磁场的强度(T)(比较示例)。图4b显示计算机仿真模拟，从靶面下方0.05米到靶面上方0.4米高度，在本发明中由过滤线圈、阳极线圈和辅助线圈三个线圈组成的装置的垂直磁场强度度(T)。

辅助线圈的加入会把垂直零磁场的范围变的更广(从图4B中靶面下方约0.05米到靶面上方0.05米，而图4A中约0.03米)。

此外，计算机仿真模拟了：在距离靶面中心0.15米的径向距离处的径向磁场强度。图5A显示计算机仿真模拟在没加入辅助线圈时的径向磁场强度(T)(比较示例)。图5B显示计算机仿真模拟在本发明中由过滤线圈、阳极线圈和辅助线圈三个线圈的径向磁场强度(T)。

与图5A相比，在图5B中径向磁场的强度，在距离靶面中心0.05到0.15米的区域中，有明显的减少。这归于添加了第三个辅助线圈，如本文所述，其减少了径向磁场的强度。

示例3——涂层示例

利用本发明的FCVA源和铜靶，在各种聚合物基材上沉积了约200纳米的铜薄膜，如图6所示。对铜薄膜的导电性进行了测试；发现在所有情况下的导电性，都接近或与块状铜的导电性相当。铜薄膜表面的不同形貌，反映了在FCVA镀铜前各种基材的表面形貌。

示例4——涂层质量

使用本发明的三线圈装置，在两套各五块铝合金硬盘上镀铬，并使用正常的参数(阳极线圈电流1.2A，辅助线圈电流4A，过滤线圈电流12A)，靶材和基材，只改变1组和2组之间的弧电流。检查镀铬的铝合金基材上的表面颗粒含量。

结果如图7和8所示。图7A至7E显示了在x3000倍光学显微镜的分析使用85A弧电流(第1组)沉积的五个圆盘，图8A至8E显示了x3000倍光学显微镜的分析使用160A电弧电流(第2组)沉积的五个圆盘。

结果表明，用160A弧电流的涂层中可见颗粒较多，明显较大。

分别在两个位置分析第1组和第2组样品的粗糙度(Ra和Rz值)、分别是总粗糙度(中和边缘点)和基于涂层上的最高峰值到最低谷值的粗糙度。结果如下表所示：

每个样品的涂层厚度都基本相似。在85A弧电流下制备的涂层，与在160A弧电流下制备的涂层具有相似的Ra，但Rz较低。

示例5——镍涂层

使用本发明的FCVA源和镍靶(由在腔体中的磁环包围镍靶)的镍薄膜(约200nm)沉积在聚合物基材上。发现这些涂层具有磁性，显示出块状镍的特性。

示例6——可蚀刻的镍和铜涂层

使用本发明的FCVA源和镍靶(由在腔体中的磁环包围镍靶)在聚合物基材上，沉积镍薄膜(约30nm)作为连接层，然后在最上层用铜靶沉积铜薄膜(约200nm)。这些涂层可以蚀刻成电子元件，例如作为电路板的一部分。

因此，本发明提供了一种改进的阴极弧源，尤其是用于金属和合金靶材。

Claims (18)

1.阴极电弧源，包括：

阴极靶装置；

第一磁场源位于靶面的上方；

第二磁场源位于靶面的下方；

以及第三磁场源，位于第一磁场源和第二磁场源之间，并且与第一磁场源具有相反的极性；特点在于第一、第二和第三磁场源在靶面上产生了小于10cm的垂直零磁场；

其中第三磁场源与第二磁场源具有相同的极性，且

所产生的磁场使得：

(1)在靶材表面的合成磁场，垂直于靶面方向，并且磁场方向向下；

(2)在垂直靶面方向，离靶材越远，合成磁场的强度越小，最后达到零磁场区域或者零磁场点；

(3)到达零磁场区域点后，继续向上离靶材越远，磁场方向向上。

2. 根据权利要求 1 所述的阴极电弧源，其特征在于，来自第一，第二和第三磁场源的合成磁场在基本上垂直于靶材的方向上在靶面上方小于8cm 的位置处具有零场强。

3. 根据权利要求 1所述的阴极电弧源，其中所述靶面的直径为5cm到15cm。

4. 根据权利要求 1所述的阴极电弧源，其中第一、第二和/或第三磁场源是线圈产生的磁场。

5. 根据权利要求 1所述的阴极电弧源，第一、第二和第三磁场源的强度都是可调的。

6. 根据权利要求 5 所述的阴极电弧源，其中，所述第一，第二和第三磁场源中的至少两个的强度是可调节的。

7. 根据权利要求 1所述的阴极电弧源，其中，所述第一和第三磁场源是磁场产生线圈，并且所述第二磁场源是永磁体。

8.根据权利要求1所述的阴极电弧源，其中，靶材上方或下方的第一、第二和第三磁场源中的至少一个的距离可调。

9. 根据权利要求 8 所述的阴极电弧源，其中，靶材上方或下方的第一、第二和第三磁场源中的至少两个的距离可调。

10.根据权利要求1所述的阴极电弧源，其中所述靶面上方或下方的第一、第二和第三磁场源距离均可调节。

11. 根据权利要求 1所述的阴极电弧源，包括碳靶。

12. 根据权利要求 1所述的阴极电弧源，包括金属靶或合金靶。

13. 一种在基材上沉积涂层的方法，包括从根据权利要求 1 至 12 中任一项所述的阴极真空电弧源中的靶材产生的正离子，并将离子沉积到基材上，其中靶材可以是除铝、铬或钛以外的金属。

14. 根据权利要求 13 所述的方法，其中所述靶材包括铜或镍。

15. 根据权利要求 13所述的方法，其中沉积涂层所使用阴极弧源，来自权利要求 1至 12 中的任一项。

16.一种镀有金属涂层的基材，所述涂层由根据权利要求 1 至 12 中任一项所述的阴极电弧源通过FCVA所沉积。

17. 根据权利要求 16 所述的镀有金属涂层的基材，包括由铜构成的 FCVA 沉积涂层。

18. 根据权利要求 16 所述的镀有金属涂层的基材，包括由镍构成的 FCVA 沉积涂层。