CN1404620A - 蒸发物体涂层材料的装置 - Google Patents

Abstract

通过物理方法(PVD)使用低压电弧蒸发物体涂层的材料的装置，此装置配有一个磁场源(4a，4b，4)和电弧的一个阳极(3)和一个阴极(2a，2b，2)。至少一个阴极(2a，2b，2)和至少一个磁场源(4a，4b，4)可在涂层腔(1)中旋转。

Description

蒸发物体涂层材料的装置

技术领域

本发明涉及通过物理方法使用低压电弧蒸发物体涂层材料的装置，这样的装置配备有磁场源和电弧的阳极和阴极。

背景技术

使用物理方法用于硬涂层沉淀，即物理汽相淀积(PVD)的各种装置是公知的。

使用低压电弧用于粒子的蒸发的技术是公知的，这些粒子在气体环境下在待被涂覆的衬底/物体上建立涂层。产生的涂层可以是TiN型。在这样的情况下，大量涂层通过使用低压电弧蒸发从例如由钛制成的金属目标的表面去除。

在使用dc低压电弧作为材料蒸发的源的情况下，电弧的燃烧可能是无法控制的，或者它能够通过磁场被控制。在这两种情况下，材料的蒸发发生在阴极点的位置，该阴极点移动经过该低压电弧的阴极表面。在阴极点的区域中建立微型槽，达到1000℃的标准温度。在微型槽的区域中可以看见阴极材料的强烈蒸发和分离。蒸发的材料以原子或分子的形式沉积在待被涂覆的物体的表面，同时材料的分离部分以大粒子的形式沉积。大量的大粒子发生在应用未控制的低压电弧的情况下，这样的解决方法被描述在例如Otdelnyj ottisk，Kiev-1070的Tom24，No4，Ukrainskii fiziceskii zurnal的文章Pokrytiapolucennye kondenzaciei plazmennykh potokov v vakuume中。

此种解决方案的缺点尤其在于大粒子消弱了涂层的物理和化学特性。

参见例如WO 85/03954和US 4,637,477，在电弧由磁场控制的情况下，阴极点的运动能够被充分地加速。这造成阴极点的区域中微型槽的直径降低并使产生的大粒子的数量降低。电弧特别在高磁场强度的区域中移动，即在与磁场的磁力线垂直的方向上移动。由于这一原因，在电极表面上会产生具有更明显的腐蚀的区域。在其腐蚀区域中的电极，即阴极的厚度降低的过程中，电弧运动的区域达到磁场源，其导致在该给定区域中的磁场强度的增长。因此，阴极点的运动越来越多地聚集在一受限制的区域中，直到电弧将打断一个单个轨迹。这将相当大地降低阴极的寿命。

打断电弧的问题部分地可以通过使用多个磁场源来控制电弧运动的技术，比如电磁线圈来解决，参见公开的国际申请WO95/06954的例子。移动最高强度的磁场区域会造成阴极表面的更均匀的腐蚀。

该目的能够通过例如在不同位置的两个电磁线圈来满足。通过改变当前应用于单个线圈的强度，电极表面的最大磁场强度的位置能够被改变。该技术的一个缺点是磁场运动不能在整个阴极表面被足够均匀地控制，因此只会延迟电极不规则磨损的时刻。因此，只有电极材料的有限的部分能够被利用来沉淀涂层。

另一个已知技术在于一相当小的永久磁铁或在该电极，即低压电弧的阴极后面的电磁铁的机械运动，如在国际申请WO85/03954中公开的那样。该技术的缺点是只有小部分电极表面由磁场覆盖。在低压电弧中的电流较高的情况下，该电弧能够向下穿透到具有低磁场强度的区域，这再次提高了大粒子的数量。

发明内容

本发明的目的是创建一种允许更好地充分利用蒸发电极材料，同时保持衬底上的涂层质量的解决方案，尤其通过产生非常少量的大粒子来实现。

根据本发明的解决方案可除去现有解决方案的缺点，本解决方案的精髓在于至少一个阴极和至少一个磁场源在涂层腔中关于彼此在枢轴上旋转。

磁场源包括至少一个磁性线圈或至少一个永久磁铁也是本发明的基本。

在优选实施例中该阴极是圆柱形的。

对于阴极表面上的阴极点的有效和规则运动，有实际上另一个实施例，其中磁场源位于该旋转阴极内，磁场源被安排为是固定的。

考虑到设计的简化，最好使提供在阴极内部的磁场源绕轴旋转，使阴极固定。

在蒸发装置位于该腔的中心的情况下，将阳极放置为接近于阴极，大约与提供在阴极内部的磁场源相对很重要。

在蒸发装置位于该腔的中心的情况下，为了有可能蒸发多种材料，最好对称的排列两个阴极与阳极相对。

根据本发明，为了容易地处理待被涂覆的物体，最好将蒸发设备放在沉淀腔的壁上，即将阴极离心地提供在涂层腔的壁和将被涂覆的物体之间。

最好将磁场源直接指向涂层腔的中心。

如果蒸发装置已经被离心地排列在涂层腔的壁上，最好将阳极分为排列在阴极侧的至少两个部分。这允许至少两个阴极被提供在阳极的单个部分之间。

根据本发明的解决方案的优势在于磁场关于被蒸发的阴极表面的均匀机械运动会大大地延长阴极的寿命。

另一个优势在于圆柱形的中空阴极具有比占用涂层腔中同样空间的平面电极大得多的表面积。这在需要同时蒸发两种材料和需要生长层在被沉淀的层的各个位置具有非常规则的组成的情况下尤其有好处。这需要阴极的直径尽可能的小。

另一个优势在于磁场源的长度近似等于中空阴极的长度。磁场相当大的情况可防止电弧扩展到具有低磁场强度的位置，尽管能够获得高的低压电流值。即使在高速度生长涂层的条件下，这也能够产生可接受的少量的大粒子。

再一个优势在于由更强的源简单替换磁场源和由用于磁控管粉碎(magnetron pulverisation)的源替换低压电弧源使该装置也能够在磁控管粉末涂层的模式下操作。

附图说明

本发明的进一步的优势和特点将在通过随后的基于附图的说明中进行描述，其中

图1示出了本发明第一实施例的概略的正视图；

图2是第一实施例的局部的概略的设计图；

图3是第二实施例的概略的正视图；

图4第二实施例局部的示意性设计图；

图5是第三实施例的概略的正视图；

图6是第三实施例的局部的示意性设计图；

图7是第四实施例的概略的正视图；以及

图8是第四实施例的局部的示意性设计图。

具体实施方式

各实施例的描述对相同的部分，或有可能以相同的方式执行的部分提供有相同的附图标记。在一些情况下，重复使用的相同部分有带有不同的附加字母的相同的附图标记。

例1

涂层腔1(图1)的中心装有根据本发明的用于蒸发材料的装置，在进一步的描述中称为蒸发装置。涂层腔1提供有用于气体排出的出口1a。蒸发装置的基础部件是低压电弧的阴极2a和2b，低压电弧的阳极3和磁场源4a和4b(图1和图2)。阴极2a和2b是圆柱形的，即它们具有圆柱形或类似的形状，它们是中空的并且至少它们的外表面由适于通过对涂层施加低压电弧的方法蒸发的材料制成，涂层由物理蒸汽沉淀方法产生，比如钛或铝。阴极2a和2b在它们的轴承部件2c和2d上绕轴旋转，其中未示出轴承。阴极2a和2b的轴承部件2c和2d提供有皮带轮5a和5b，它们与一未示出的驱动装置连接。阴极2a和2b在它们的内部提供有磁场源4a和4b，它们由极靴6a和6b和一起组成一个电磁体的电磁线圈7a和7b产生。极靴6a和6b由软磁性材料制成，它们通过电磁线圈7a和7b连接并由载体8a和8b刚性固定在一未示出的框中，从而允许极靴6a和6b指向涂层腔1的中心。近似在涂层腔1的中心，在第一阴极2a和第二阴极2b之间，固定放置有低压电弧的阳极3。

未描述的电磁线圈7a和7b的电流连接穿过载体8a和8b。阴极2a和2b通过来自涂层腔1的绝缘体9被电分离。低压电弧源10a和10b被插入到阳极3和阴极2a、2b之间。电流通过未示出的电流总线带到阴极2a和2b。阴极2a和2b都通过未示出的公知的冷却系统被水冷却。

根据实施例，蒸发装置的部分的基础尺寸如下：阴极2a、2b的外径是80mm，阴极的内径是60mm，阴极2a和2b的高度是300mm，阴极2a、2b之间的距离是50mm，水冷的电磁线圈7a和7b的特征在于100个螺纹和最大电流20A，电磁线圈7a和7b的总高度是250mm，并且阴极2a和2b距离衬底的距离是150mm。

在电弧由未示出的点火器点火后，其中，点火器连接到例如涂层腔1的底部或壁上，电弧在垂直于磁场的磁力线的最强的磁场区域内沿着电磁体的磁极之间的延长的轨线11移动，轨线11指向涂层腔1的中心。这造成在阴极2a和2b的规则旋转期间，在材料正从其上被蒸发的阴极2a和2b上的区域的逐步的变化。由于阴极2a和2b的规则的机械运动，阴极点能够规则地行进并且材料从阴极2a和2b的除去几乎在它们的整个表面上都是均匀的。蒸发的粒子沿方向12(图2)移动到未示出的在位于区域13内的将被涂覆的衬底/物体。如图1所示，来自dc源14的负电压被施加至待被涂覆的物体，正电极与涂层腔1相连接。

例2

未示出的涂层腔提供有通过凸缘16连接到腔体的门15(图3和4)。门15位于未示出的涂层腔壁中，与后者导电的连接并与它建立封闭的空间。门15安装有蒸发装置。蒸发装置的基本部件是低压电弧的阴极2a和2b，低压电弧的阳极3和磁场源4a和4b。阴极2a和2b与例1同样地绕轴旋转，它们的旋转运动由皮带轮5a和5b驱动。阴极2a和2b在它们的内部提供磁场源4a和4b，磁场由极靴6a和6b和电磁线圈7a和7b建立。极靴6a和6b由软磁性材料制成，它们与例1中类似由电磁线圈7a和7b固定并由载体8a和8b刚性固定，从而可使极靴6a和6b被指向涂层腔1的中心。未示出的电磁线圈的电流连接穿过载体8a和8b。阴极2a和2b由涂层腔的绝缘体9电分离。低压电弧的源10a和10b插在与门15导电连接的阳极3和阴极2a、2b之间。在由三部分组成的本例中阳极3有多个。电流通过未示出的电流总线被带到阴极2a和2b。阴极2a和2b通过未示出的已知的冷却系统被水冷却。

根据实施例2，蒸发装置的各部分的基本尺寸如下：阴极2a、2b的外径是80mm，阴极的内径是60mm，阴极2a和2b的高度是300mm，阴极2a、2b之间的距离是50mm，水冷电磁线圈7a和7b的特征在于100个螺纹和最大电流20A，电磁线圈7a和7b的总高度是250mm，并且阴极2a和2b距离衬底的距离是150mm。因此，它们与例1相同。

在电弧由未示出的点火器点火后，其中，点火器连接到例如门15的底部，电弧在垂直于磁场的磁力线的最强的磁场区域内沿着轨线11移动。因此在阴极2a和2b的旋转期间，材料被从其上蒸发的阴极2a和2b上的区域逐步改变。由于阴极2a和2b的规则的机械运动，阴极点才能够规则地行进并且从阴极2a和2b的材料除去几乎在它们的整个表面上都是均匀的。蒸发的粒子沿方向12移动到未示出的衬底。

例3

门15(图5和6)，与例2中类似地放在一未示出的涂层腔的壁上，并与其导电连接，该门提供蒸发装置。蒸发装置的基本部件是低压电弧的阴极2，低压电弧的阳极3和磁场源4。阴极2是圆柱形和固定的，但是，它被可调整地或可移动地排列，从而可通过例如人工设定仅可被转动或被转动和调整。该排列允许由120°增量调整到三个位置。阳极3是固定的。

阴极2在其内部安装有磁场源4，其由软磁性材料制成的极靴6和固定地与之连接的电磁线圈7构成。该系统，即磁场的整个源4，在阴极2内部绕轴旋转或具有通过安装在载体8上的皮带轮5绕阴极2的轴旋转的可能性，其中载体8可旋转地支撑在一未示出的框中。旋转的角度必须允许在中心位置的两侧至少30°。通常磁场源4被指向涂层腔的中心。未示出的用于电磁线圈7的电源线通过载体8。阴极2由绝缘体9与涂层腔的门15电分离。低压源10被插入到与门15导电连接的阳极3和阴极2之间。阴极2与前面的例子相同地被水冷。阴极和阳极的相关排列使阳极3被分为两个部分，阴极2被提供在它们之间。可将多个阴极2排列在阳极3的这两部分之间，或更普通的是至少两个阴极2能够被彼此靠近排列。

蒸发装置的部件的基本尺寸与例1和例2中的相同。

在电弧由未示出的点火器点火后，点火器例如连接到门的底部，电弧在垂直于磁场的磁力线的最强的磁场区域内沿着轨线11移动。通过从中心位置旋转磁场源4到两侧30°，相应地，阴极2的表面上的区域逐渐地变化，阴极2的材料从其表面蒸发。阴极已经在给定位置磨损后，比如在30°处理后，阴极能够被重新调整或人工设置到下一个位置。最好以120°的步长将其逐渐地重置到三个位置。可以理解一个处理是在一批将被涂覆的物体上沉淀全部涂层的操作。显然，根据操作条件，阴极2能够只在处理之间被重新调整。

由于磁场的规则运动，阴极点才能够均匀地运行并且材料从阴极2的去在阴极的给定位置上除几乎都是均匀的，该磁场的规则运动是由磁场源4的规则的递增的转动产生的。蒸发的粒子沿方向12上移动到一未示出的衬底。

例4

涂层腔1的中心装有一蒸发部件，其具有很多部件，这些部件的排列与根据例1的实施例的类似。蒸发装置的基础部件是低压电弧的电极2a和2b和磁场源4a和4b。电极2a和2b是圆柱形的，即它们具有圆柱形或相似的形状，它们是中空的，并且至少它们的外表面由适于通过对涂层施加低压电弧的方法蒸发的材料制成，涂层由物理汽相沉淀法(PVD)产生，比如钛或铝。电极2a和2b在它们的轴承部件2c和2d上旋转，其使用未示出的轴承。电极2a和2b的轴承部件2c和2d具有皮带轮5a和5b，它们与一未示出的驱动装置连接。阴极2a和2b在它们的内部提供磁场源4a和4b，它们由极靴6a和6b和电磁线圈7a和7b产生。极靴6a和6b由软磁性材料制成，其与电磁线圈7a和7b稳固地连接并由载体8a和8b刚性固定在一未示出的框中，从而使极靴6a和6b能够被指向涂层腔1的中心。用于电磁线圈7a和7b的未示出的电源线穿过载体8a和8b。通过绝缘体9电极2a和2b与涂层腔1电分离。低压电弧的另外的电源10插入在电极2a和2b之间。

电极2a和2b从未示出的电流总线得到电源。电极2a和2b都通过未示出的已知的冷却系统被水冷。

根据实施例蒸发装置的各部分的基本尺寸如下：电极2a、2b的外径是80mm，电极的内径是60mm，电极2a和2b的高度是300mm，电极2a、2b之间的距离是50mm，水冷的电磁线圈7a和7b有100个螺纹且最大电流为20A，电磁线圈7a和7b的总高度是250mm，并且电极2a和2b距离衬底的距离是150mm。

低压电弧的源10是交流的，即电极2a和2b在交变电压下，例如具有2秒的脉冲周期。低压电弧的脉冲形状近似是矩形的。在每个脉冲周期的第一部分T1期间，第一电极2a作为低压电弧的阴极而第二电极2b作为它的阳极来操作。在脉冲周期的第二部分T2期间，第二电极2b是低压电弧的阴极而第一电极2a是阳极。T1/T2之比可被用于改变该层的化学计算。

实施例的描述帮助我们更好地理解以下事实：至少一个阴极2a、2b、2和至少一个磁场源4a、4b、4被安排在涂层腔1中，从而关于彼此旋转。具有相同排列，即能够彼此旋转的另外的阴极和磁场源也可提供在该涂层腔中。

蒸发材料的阴极2a、2b、2是近似圆柱形的中空电极。它通常被垂直放置并且它的长度大大地超过它的直径。该电极能够绕它的轴旋转，磁场源4a、4b、4是固定的或可能地，提供在阴极2a、2b、2中的磁场源4a、4b、4能够绕固定的中空阴极2a、2b、2转动或递增地转动。磁场源4a、4b、4的长度近似等于阴极2a、2b、2的长度。

包括阴极2a、2b、2，阳极3和磁场源4a、4b、4的蒸发装置可被提供在涂层腔1的中心或接近于涂层腔1的壁，即在涂层腔1的壁和待被涂覆的物体之间。

如果蒸发装置位于涂层腔1的中心，在最简单的情况下它可包括一个阴极，一个阳极和一个磁场源。阳极3被排列为近似地与磁场源4a、4b相对。阴极能够被旋转并且在根据本发明的装置操作期间它旋转；在这样的情况下磁场源是固定的并且永久地指向阳极。如果在处理期间阴极2是固定的，则具有一个可移动的磁场源4a、4b是必不可少的。一个优选的解决方案包括在从两侧到中心位置的30°的范围内绕轴来回旋转运动。在这样的情况下，磁场源的中心位置指向阳极。因为电弧只在电极的一部分上燃烧，在处理期间阴极2是固定的情况下，这样的阴极2能够在处理之间被转动。最好在阴极的某种磨损能够在给定位置产生的情况下使其旋转某一增量。最好排列蒸发装置从而允许阴极可至少在两个不同位置固定；最好确保在每个之间的步长为120°的三个位置可调整的可能性。排列在多个位置是可能的。如果蒸发装置位于涂层腔的中心，这样的源也可包括多个阴极。最适宜的是两个阴极2a，2b，在这种情况下，最好使它们关于阳极3对称。磁场源4a、4b的位置和电极或磁场源4a、4b的可能地旋转与在一个阴极的情况相同。将被涂覆的衬底/物体位于蒸发装置的周围。

在本发明的所有实施例中，电磁线圈能够由公知的具有与所述的电磁线圈的磁靴相同的磁场取向的永久磁铁代替。也有可能合并电磁线圈和永久磁铁。

如果蒸发装置位于涂层腔的壁附近，或者可能在涂层腔的门中，在最简单的情况下，它能够包括一个阳极3，一个阴极2和磁场源。在这样的情况下，阳极包括两部分，它们对称地连接到阴极2的两侧，从而在阴极2和将被涂覆的物体之间留出空间，该物体位于涂层腔的中心和阴极2的中间。磁场指向腔的中心。阴极2能够旋转，即在根据本发明的装置的操作期间，它执行旋转运动，在这种情况下，磁场源4是固定的。在操作期间阳极和阴极均为固定的情况下，磁场源44必须运动。最佳运动是绕轴的来回旋转的运动，比如在从中心位置到两侧的30°范围内。因为电弧只在电极的一部分燃烧，所以有可能在处理之间转动阴极2，它在处理期间是固定的。如果在一现存位置被磨损，则递增地转动阴极2是有利的。排列蒸发装置从而允许阴极2以120°的步长固定在三个位置是适当的。如果蒸发装置被提供在涂层腔的壁上，多个阴极可彼此相邻地放置。阳极可以被安装在这些阴极之间，但是这不是不可缺少的。低压电弧的阳极或阴极能够在原则上与涂层腔电连接，但这不是强制的。

在各个例子中描述的蒸发装置可表示一个蒸发装置单元，当然，也可将多个这样的装置排列在涂层腔中，或者有可能环绕着涂层腔的周围。

其他的解决方案有可能允许两个电极彼此相对放置，或者可能彼此相邻，在应用低压电弧交流电源的情况下，所述电极交替作为阴极和阳极。

工业应用性

根据本发明的装置旨在通过低压电弧从金属目标上的蒸发材料，并且是通过物理汽相蒸发方法PVD用于涂覆金属和非金属物体的单元的一部分。本发明尤其可用于提供具有硬的和非常硬的涂层的机械工具。

用更强的一个磁场源代替该磁场源和由用于磁电管粉碎的源代替低压电弧源使根据本发明的装置也能够操作在待被涂覆的物体的磁电管粉末涂层的模式下。

Claims (16)

1、通过物理方法使用低压电弧蒸发用于物体涂层的材料的装置，此种装置配有一个磁场源和电弧的一个阳极和一个阴极，其特征在于至少一个阴极(2a，2b，2)和至少一个磁场源(4a，4b，4)可在一涂层腔(1)中关于彼此绕枢轴旋转。

2、根据权利要求1的装置，其特征在于该磁场源(4a，4b，4)包括至少一个磁性线圈(7a，7b，7)。

3、根据权利要求1的装置，其特征在于该磁场源(4a，4b，4)包括至少一个永久磁铁。

4、根据权利要求1或2或3的装置，其特征在于阴极(2a，2b，2)是圆柱形的。

5、根据权利要求1或2或3的装置，其特征在于磁场源(4a，4b，4)安装在阴极(2a，2b，2)内。

6、根据权利要求1到5中任一个的装置，其特征在于阴极(2a，2b，2)被排列为能够绕轴旋转。

7、根据权利要求6的装置，其特征在于磁场源(4a，4b，4)被排列为固定的。

8、根据权利要求1到5中任一个的装置，其特征在于磁场源(4a，4b，4)被安排为能够绕轴旋转。

9、根据权利要求8的装置，其特征在于阴极(2a，2b，2)被排列为固定的。

10、根据权利要求1到9中任一个的装置，其特征在于阴极(2a，2b，2)被排列在涂层腔(1)的中心区域。

11、根据权利要求10的装置，其特征在于阳极(3)被连接到磁场源(4a，4b，4)。

12、根据权利要求11的装置，其特征在于至少两个阴极(2a，2b，2)被对称于阳极(3)排列。

13、根据权利要求1到9中任一个的装置，其特征在于阴极被提供在涂层腔(1)壁和待被涂覆的物体之间。

14、根据权利要求1或13的装置，其特征在于磁场源(4a，4b，4)指向涂层腔(1)的中心。

15、根据权利要求13的装置，其特征在于阳极(3)被分成至少两部分，这两部分位于阴极(2a，2b，2)的两侧。

16、根据权利要求15的装置，其特征在于阳极(3)的单个部分之间提供有至少两个阴极(2，2a，2b)。

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