CN1952205B - 电弧离子镀设备 - Google Patents

Abstract

一种电弧离子镀设备包括：真空室、用于使基质在真空室内垂直于其高度方向进行移动的旋转台、用于通过金属离子清洁基质表面的用于进行轰击的电弧蒸发源和用于在所述基质表面上沉积金属离子的沉积组电弧蒸发源。所述沉积组电弧蒸发源包括相对于被设定在所述旋转台上的所述基质进行布置的多个蒸发源，且所述用于进行轰击的电弧蒸发源相对于所述基质进行布置，并且成形以使得其在真空室高度方向上的长度等于沉积组电弧蒸发源的上端和下端之间的长度。根据这种结构，在进行轰击时几乎不能在基质中产生温度过度升高或在基质上发生异常放电，由此导致工艺可控性得到改进。

Description

电弧离子镀设备

技术领域

本发明涉及一种金属离子轰击的稳定性得到改进的电弧离子镀设备。

背景技术

近年来，为了改进切削工具的耐磨性或提高机械部件的滑动表面的摩擦特性，已经采用物理气相沉积法(PVD)对基质(薄膜沉积对象)进行了硬质薄膜沉积(TiN、TiAlN、CrN等)。经常用于进行这种硬质薄膜沉积的工业技术是通过真空电弧放电使薄膜沉积材料蒸发从而在基质表面上形成薄膜的电弧离子镀工艺(在下文中被称作“AIP”)，并且用于执行这种薄膜沉积的设备被叫作电弧离子镀设备(在下文中被称作“AIP设备”)。

如图10所示，电弧离子镀设备包括真空室1、和布置在所述真空室1的底部上从而使得所述旋转台的上表面是水平的旋转台2。旋转台2在旋转轴3的作用下进行旋转，并且从旋转台2的上表面伸出的多个行星式轴4在设置在旋转台2内的行星齿轮机构的作用下也围绕它们自己的轴线进行旋转。用于保持基质的基质保持器5被可拆卸地装配到每个行星式轴4上。因此，每个基质保持器5在通过旋转台2的转动进行水平移动的同时围绕它自己的轴线进行旋转，且被基质保持器5保持住的基质例如工具、电路小片或机械零件在通过旋转台2的转动而进行旋转时通过基质保持器5的旋转而围绕它自己的轴线进行旋转。通过偏压电源(未示出)，负电压被施加到旋转台2上，然后该负电压通过基质保持器5被施加到在其上装载的基质上。

用于沉积组7的电弧蒸发源包括以在真空室1的高度方向上大体上固定的间距被布置成一列的三个蒸发源7A，所述电弧蒸发源被设置在真空室1的侧壁内表面上，并且蒸发源7A与电弧电源8的负电极相连，相应地其正电极与真空室1相连。在图10B中，附图标记21表示用于排空真空室的泵送端口，附图标记22表示用于供给工艺气体例如氮气或氧气的气体供给管道(在图10A中被略去)，且附图标记23表示真空室的打开关闭门。

下面将对使用电弧离子镀设备在基质表面上形成功能性薄膜的工序进行简要描述。基质被装在到基质保持器5上并且被定位在旋转台2上，将真空室1排空，基质受到设置在真空室1内的加热器(未示出)的加热，然后执行金属离子轰击(在下文中被简称为“轰击”)从而提高要形成的薄膜的粘着力。所述轰击是一种用于对施加有不小于数百伏特(通常为600-1000V)的负电压的基质进行辐照的工艺，利用从蒸发源7A中蒸发出的金属离子通过高能离子辐照对基质的表面层进行蚀刻或者形成辐照离子与基质的混合层。

在轰击结束之后，金属离子的蒸气由蒸发源7A产生并且被辐照到基质上，并且要被施加到基质上的电压被设定为0--300V，由此开始进行薄膜沉积。由于要由电弧离子镀设备生成的薄膜通常包括金属的化合物，例如TiN、TiCN、CrN、TiAlN、TiC、或者具有氮、碳、氧等的CrON，因此在薄膜沉积过程中，工艺气体例如氮气、氧气和烃被单独地或者以组合方式引入到真空室1中。例如，氮气的引入以及Ti的蒸发导致TiN(氮化钛)薄膜的沉积。

由于被装载在基质保持器5上的基质在轰击过程和薄膜沉积过程中通过旋转台2的转动而进行转动和旋转，因此能够对整个基质进行均匀的离子辐照。

在薄膜沉积之后，进行冷却，将真空室1打开，且其上形成有薄膜的基质连带基质保持器5被取出，从而在薄膜沉积之后回收形成有薄膜的基质。

虽然上述电弧离子镀设备使用用于沉积组7的电弧蒸发源进行轰击和功能性薄膜沉积，但是日本专利No.Hei 4-276062披露了一种电弧离子镀设备，其包括与被设置在真空室内的该电弧离子镀设备具有相同形状的用于进行沉积的电弧蒸发源和用于进行轰击的电弧蒸发源。根据该设备，由于即便是在使用低熔点金属(例如TiAl合金)作为用于进行沉积的电弧蒸发源的蒸发材料时高熔点金属或大质量金属可被用作用于进行轰击的电弧蒸发源的蒸发材料，因此可以解决低熔点金属由于其电离比率降低而不能进行有效的轰击处理这一问题和基质表面的微滴沉积这一问题。

已公知存在最小的电弧电流，以便使用于进行沉积的电弧蒸发源和用于进行轰击的电弧蒸发源稳定地工作，而与蒸发表面的尺寸无关。该最小电流根据蒸发材料和气氛而变化。当一种材料如Ti或TiAl合金被用作用于进行硬质薄膜沉积的蒸发材料时，通常，在气体难以被引入的环境中或在用于进行轰击的环境中需要大小至少为80A的电流，且电流值小于该值会使得电弧放电不稳定。在轰击过程中，金属离子在不小于数百伏特(通常为约-600--1000V)的负电压被施加到基质上的状态下由蒸发源产生。然而，由于蒸发源电弧电流的下限被定义用于进行如上所述的稳定工作，因此金属离子的辐照量也不可避免地达到一定量。

因此，在轰击中存在以下问题。即便是使用最小电流值，稳定的电弧放电需要对基质的增大的能量输入量，且特别是，在具有较小热容量的基质如具有较小直径的钻头中，基质温度快速升高。为了防止温度过度升高，必须控制较短时间单元中的工艺条件，从而使得将轰击时间设定为较短时间，从而重复进行具有冷却间隔的轰击处理。因此，可控性较差且因此产率降低。

另外，对电弧蒸发源而言，常常使用具有相对较小直径的两个或更多的蒸发源，所述直径大小为约50-180毫米，典型地为约100-150毫米。然而，由于多个蒸发源同时进行工作需要大容量的偏压电源，并且导致大量的金属离子产生辐照偏离，因此除了基质温度过度升高以外，还会常常在基质上发生异常放电等问题。由于偏压电源在发生异常放电的情况下临时中止了输出，因此如果在短时轰击过程中常常会发生异常放电，那么就不能进行准确的轰击过程。

发明内容

从解决上述问题的观点出发，本发明的目的在于提供一种在进行轰击时几乎不会在基质上产生温度过度升高或发生异常放电且因此具有令人满意的工艺可控性的电弧离子镀设备。

根据本发明的电弧离子镀设备包括：真空室；被设置在真空室内且在垂直于真空室高度方向的方向上移动所述基质的用于使装载在真空室内的基质进行移动的活动构件；被设置在真空室内用于辐照通过与基质表面进行电弧放电而蒸发出的金属离子从而清洁所述表面的用于进行轰击的电弧蒸发源；和被设置在真空室内用于在基质表面上沉积通过电弧放电而蒸发出的金属离子的用于进行沉积的电弧蒸发源，其中所述用于进行沉积的电弧蒸发源构成了沉积组电弧蒸发源，所述沉积组电弧蒸发源包括在真空室的高度方向上没有相互重叠的相对于被安装在活动构件中的基质进行布置的多个用于进行沉积的电弧蒸发源；所述用于进行轰击的电弧蒸发源构成了轰击组电弧蒸发源，所述轰击组电弧蒸发源包括在真空室的高度方向上没有相互重叠的相对于基质进行布置的至少一个电弧蒸发源；并且在所述用于进行轰击的电弧蒸发源在所述真空室的高度方向上的长度长于所述用于进行沉积的电弧蒸发源在所述真空室的高度方向上的长度。

根据本发明的该电弧离子镀设备，由于所述真空室在垂直方向上的长度长于所述用于进行沉积的电弧蒸发源的长度，因此，与所述用于进行沉积的电弧蒸发源的同一离子辐照量相比，相对于进行稳定电弧放电所需的最小电流值的在所述用于进行轰击的电弧蒸发源的垂直方向上的单位长度的金属离子的辐照量可被减少。根据这一点，在进行轰击时基质的热输入量、和由此的温度过度升高或在基质上发生异常放电可受到抑制，由此导致工艺可控性得到改进。

所述用于进行轰击的电弧蒸发源在真空室的高度方向上的长度优选比所述用于进行沉积的电弧蒸发源在同一方向上的长度长三倍，或者所述长度优选为0.5-2.0米。

对于所述用于进行沉积的电弧蒸发源而言，常常使用典型地具有圆形蒸发表面的蒸发源，所述直径大小为约50-180毫米，典型地为约100-150毫米。因此，通过使用长度比所述用于进行沉积的电弧蒸发源的长度长三倍或者长度不小于0.5米的蒸发源进行轰击，与使用所述用于进行沉积的电弧蒸发源进行轰击的情况相比较，在真空室的高度方向上单位辐照区域宽度下，在用于进行稳定工作的最小电弧电流下的金属离子辐照量可降至约1/3，且热输入量也可降至同一水平。如果所述蒸发源的长度超过2米，那么所述蒸发材料(靶)难于进行制造。因此，优选控制所述长度不超过2米。

所述用于进行轰击的电弧蒸发源优选包括由蒸发材料形成的靶，且电磁线圈沿真空室的高度方向形成且被附接到所述靶的背面上。这种电磁线圈能够沿着蒸发表面的长度方向扫描出呈跑道形状的电弧斑点，从而导致在进行轰击时能够向基质均匀地供应金属离子。另外，从经济性的角度考虑，这样能够均匀地损耗所述靶的蒸发表面。

对于上述基质而言，具有较小直径的钻头是合适的。根据本发明所述的电弧离子镀设备，可以防止由于刃口发生软化而导致产生切削失效，并且能够确保获得令人满意的切削性能。

根据本发明所述的电弧离子镀设备，与所述用于进行沉积的电弧蒸发源的同一离子辐照量相比，相对于进行稳定电弧放电所需的最小电流值的在所述用于进行轰击的电弧蒸发源的垂直方向上的单位长度的金属离子的辐照量可被减少。因此，在进行轰击时基质的热输入量、和由此的温度过度升高或在基质上发生异常放电可受到抑制，由此导致工艺可控性得到改进。

另外，从更本质的角度考虑，用于解决根据本发明所述的问题的装置是要将一个用于进行轰击的电弧蒸发源的蒸发源面积设定成大于一个用于进行沉积的电弧蒸发源的蒸发源面积。与用于进行沉积的电弧蒸发源的情况相比，该结构能够降低用于进行轰击的电弧蒸发源的单位基质面积的金属离子辐照量。因此，在稳定电弧放电所需的最小电流值相对较大的轰击时，基质的热输入量、和由此的温度过度升高或在基质上发生异常放电可受到抑制。

附图说明

图1A和1B示意性地示出了根据本发明的第一实施例的电弧离子镀设备，其中图1A是真空室的垂直侧剖视图，而图1B是沿图1A中的箭头方向A截取的真空室的平面图；

图2A和2B示意性地示出了根据本发明的第二实施例的电弧离子镀设备，其中图2A是真空室的垂直侧剖视图，而图2B是沿图2A中的箭头方向A截取的真空室的平面图；

图3A和3B示意性地示出了根据本发明的第三实施例的电弧离子镀设备，其中图3A是真空室的垂直侧剖视图，而图3B是沿图3A中的箭头方向A截取的真空室的平面图；

图4A和4B示意性地示出了根据本发明的第四实施例的电弧离子镀设备，其中图4A是真空室的垂直侧剖视图，而图4B是沿图4A中的箭头方向A截取的真空室的平面图；

图5示意性地示出了根据本发明的第五实施例的电弧离子镀设备，且图5是真空室的垂直侧剖视图；

图6是在平面图中呈矩形的用于进行轰击的电弧蒸发源的透视图；

图7是在平面图中呈跑道形状的用于进行轰击的电弧蒸发源的透视图；

图8A和8B示出了设有电磁线圈的用于进行轰击的电弧蒸发源，其中图8A是用于进行轰击的电弧蒸发源的正视图，而图8B是沿图8A中的线A-A截取的电弧蒸发源的剖视图；

图9A和9B示出了设有电磁线圈和圆柱形靶的用于进行轰击的电弧蒸发源，其中图9A是用于进行轰击的电弧蒸发源的正视图，而图9B是沿图9A中的线A-A截取的电弧蒸发源的剖视图；和

图10A和10B示意性地示出了一种常规的电弧离子镀设备，其中图10A是真空室的垂直侧剖视图，而图10B是沿图10A中的箭头方向A截取的真空室的平面图。

具体实施方式

下面将结合附图对根据本发明的电弧离子镀设备的实施例进行描述。

图1A和1B示出了根据第一实施例的电弧离子镀设备，且如图10A和10B中所示的常规的电弧离子镀设备，在图1A和1B中使用相同的附图标记表示相同的构件。

该电弧离子镀设备包括真空室1，且旋转台2(对应于本发明中的“活动构件”)被设置在真空室1的底部上，从而使得所述旋转台的上表面是水平的。旋转台2适于在旋转轴3的作用下进行旋转，旋转轴3的中心轴线沿真空室1的高度方向(也可被叫作“纵向方向”)进行布置，并且从旋转台2的上表面伸出的多个行星式轴4在设置在旋转台2内的行星齿轮机构的作用下也围绕它们自己的轴线进行旋转。用于保持基质的基质保持器5被可拆卸地装配到每个行星式轴4上。因此，每个基质保持器5通过旋转台2的转动在相对于所述纵向方向的垂直方向(也可被叫作“横向方向”)上进行水平移动并且同时围绕它自己的轴线进行旋转，且基质在通过旋转台2的转动而进行旋转时被基质保持器5住。通过偏压电源(未示出)，负电压被施加到旋转台2上，然后该负电压通过基质保持器5被施加到在其上装载的基质上。旋转台2中可不设有行星齿轮机构，从而不使基质保持器进行旋转，或者可适于不使用基质保持器而将基质直接设定在旋转台上。

多个(图中示出了3个)蒸发源7A作为沉积组7的电弧蒸发源以在真空室1的高度方向上大体上固定的间距被布置在真空室1的侧壁内表面上。另一方面，一个在平面图中具有矩形形状的蒸发源9A作为轰击组9的电弧蒸发源被布置在与沉积组7的电弧蒸发源相对的侧壁内表面上。蒸发源7A和9A分别与电弧电压的负电极8和10相连，电弧电压的正电极与真空室1相连。另外，阳极构件可被设置在蒸发源7A和9A附近从而连接该处的电弧电源的正电极。

通常使用那些典型地具有圆形蒸发表面的蒸发源作为沉积组7的电弧蒸发源的蒸发源7A，所述圆形蒸发表面的直径在50-180毫米的范围内，典型地在100-150毫米的范围内。考虑到由蒸发源蒸发出的金属离子蒸气可产生轻微地散播，将蒸发源7A以大小为蒸发表面区直径的大约1.5-2.5倍的间隔进行布置。在蒸发源7A处产生真空电弧放电，电弧电流通常为50-300A，更优选为大约80-150A  电弧电压为大约15-40V从而使被附接到蒸发源7A上的靶(蒸发材料)蒸发，从而使得金属离子被辐照扩散且被沉积在基质上。

另一方面，被用作轰击组9的电弧蒸发源的蒸发源9A在平面图中具有矩形形状，其长边沿纵向进行布置且短边沿横向进行布置，如图6所示。作为蒸发材料的靶T的蒸发表面在平面图中也呈矩形形状。蒸发源9A适于使得轰击金属离子被一个蒸发源9A供应到可受到沉积组7的电弧蒸发源的多个蒸发源7A处理的纵向金属离子辐照区中。蒸发源9A被布置成与真空室1内的基质相对，并且其长边的上端和下端分别位于与沉积组7的电弧蒸发源的顶部蒸发源7A的上端和底部蒸发源7A的下端相对应的位置处。蒸发源9A的横向(短边)长度与蒸发源7A的直径大致相同。使用于进行轰击的电弧蒸发源9A进行工作的电弧电流区被设置成与用作沉积组7的电弧蒸发源的每一个蒸发源7A的电弧电流区相同。由此，每单位面积的要被辐照到基质上的金属离子的量可减小为约1/3，且在轰击过程中单位时间和单位面积的向基质表面的热输入量可由此被降低为约1/3。

优选设定轰击过程中的电弧放电电流，从而使得为了确保轰击的均匀性，在靶表面上主要产生一个电弧斑点，且该电弧斑点大体上优选保持为不超过150A，更优选不超过120A。另一方面，由于在进行轰击的过程中未能起弧优选不源自稳定进行电弧放电的点处，因此电弧电流优选被设定为不小于使电弧放电达到稳定的80A。

除了借助用作轰击组9的电弧蒸发源执行轰击以外，同过去一样，以相同的方式使用该实施例中的电弧离子镀设备。换句话说，装载有基质的基质保持器5被设定在旋转台2上，真空室1被抽空，基质受到设置在真空室1内的加热器的加热，借助用作轰击组9的电弧蒸发源执行轰击，并且借助用作沉积组7的电弧蒸发源将功能性薄膜形成在基质表面上。

由于用于进行轰击的电弧蒸发源9A被成形使得其纵向长度大于在该实施例中的电弧离子镀设备中使用的用于进行沉积的电弧蒸发源的纵向长度，因此，在进行轰击时基质温度的突然升高可受到抑制且能够解决特别是对于具有较小热容量的基质而言过去曾经是问题的过热等问题。由于可借助一个蒸发源9A执行轰击处理，因此可使偏压电源的容量最小化。另外，通过降低基质附近的离子密度从而减少了异常放电的频率。并且由于为获得相同的轰击效果所需的轰击时间延长了数倍，因此可延长条件设定时间以改进可控制性，且可相对减弱在异常放电时偏压中断周期的影响作用。

如在上述实施例中，将要被一个用于进行轰击的电弧蒸发源进行处理的纵向金属离子辐照区的宽度设定为不小于400毫米，且更优选设定为不小于500毫米，这对于防止基质在轰击过程中产生过热而言是有效的。该观点是基于本发明的发明人的实验经验，并且还与以下讨论相配。即用于将薄膜沉积偏压设定为高达-300V的数值的一个原因在于防止基质产生过热。直径为100毫米的蒸发源中的用于进行薄膜沉积的电弧电流值为100-200A，典型为150A。也就是说，三个蒸发源以300V的偏压和150A的电弧电流进行工作，从而辐照在500毫米的纵向辐照区域宽度内的金属离子。在轰击过程中，考虑到电弧电流的下限，蒸发源以80-120A，典型为100A的电弧电流进行工作，从而向基质施加大小为-600--1000V的偏压。当假定与薄膜沉积相同的方式采取最大电压时，金属轰击的典型条件为100A的电弧电流和1000V的偏压。

通过把(电弧电流)×(蒸发源的个数)×(偏压电压)÷(纵向辐照区域宽度)作为热输入的瞬时量值，用于进行轰击的纵向辐照区域宽度可通过计算得到大小为370毫米，其中在轰击过程中该值等于薄膜沉积过程中的最大值(150A×3×300V/500毫米)。也就是说，在轰击过程中处理区域宽度相对于该辐照区域宽度等的延伸导致产生过热的风险降低，且尽管基于较粗的检验，但是这与上述实验知识相匹配。

由于具有纵向较长的辐照区域宽度的蒸发源9A需要比纵向辐照区域宽度还长约100毫米的蒸发表面，因此，用于进行轰击的电弧蒸发源9A的纵向长度(长边)被适当地设定为不小于500毫米，更优选不小于600毫米。另一方面，由于蒸发源的长度必须在靶的可制造范围内，因此适当地将蒸发源的最大长度设定为约2米或更短。由于过度增大的辐照区域宽度导致轰击处理时间延长，因此，用作轰击组的电弧蒸发源的辐照区域宽度优选被设定为约1.2米或更短。如果需要比该宽度更大的辐照区域宽度，那么多个用于进行轰击的电弧蒸发源可沿纵向方向并置排列并且被用作轰击组的电弧蒸发源。

下面将结合图2对根据本发明的第二实施例的电弧离子镀设备进行简单描述。在下面将要描述的其它实施例以及第二实施例中，使用相同的附图标记表示与第一实施例中的电弧离子镀设备相同的构件。

与第一实施例中的电弧离子镀设备相比，在该电弧离子镀设备中，两排分别包括三个垂直并置的蒸发源7A的蒸发源组被设置在真空室周向上间隔90°的位置处。在该实施例中，由于借助两排蒸发源组进行薄膜沉积，因此与第一实施例中的设备相比，可实现两倍的薄膜沉积速度。由于借助一个与第一实施例相似的矩形蒸发源9A进行轰击，因此在轰击过程中不会导致产生过热等问题。由不同材料制成的靶被附接到用作沉积组7的每排电弧蒸发源的蒸发源7A上，由此能够进行包括两种类型的薄膜的多层薄膜的沉积。

下面将结合图3对根据本发明的第三实施例的电弧离子镀设备进行简单描述。尽管在根据第一实施例和第二实施例的电弧离子镀设备中，用作沉积组7的电弧蒸发源的蒸发源7A纵向进行排列，但是蒸发源7A不一定如此进行排列，蒸发源7A可沿真空室1的周向进行布置同时逐步改变纵向位置，如在该电弧离子镀设备中的一样。即便是采用这样一种用作沉积组7的电弧蒸发源的布置，同样可通过在真空室1内转动旋转台2和基质保持器5而在基质表面上获得均匀的涂层。

下面将结合图4对根据本发明的第四实施例的电弧离子镀设备进行简单描述。该电弧离子镀设备具有两排分别包括三个纵向级的蒸发源7A的蒸发源组，其作为用于进行沉积的电弧蒸发源被设置在真空室的周向上，与第三实施例的电弧离子镀设备相类似，但是每排蒸发源7A被布置同时改变纵向位置达蒸发源7A的装配空间的1/2。根据这一点，可得到具有更高均匀性的涂层。

下面将结合图5对根据本发明的第五实施例的电弧离子镀设备进行简单描述。该电弧离子镀设备在用作沉积组7的电弧蒸发源和用作轰击组9的电弧蒸发源的周向布置方面与第一实施例中的电弧离子镀设备相同。然而，用作沉积组7的电弧蒸发源包括六个蒸发源7A，而用作轰击组9的电弧蒸发源包括两个蒸发源9A。根据该结构，可执行大容积处理，且在轰击过程中基质上的热载荷可被减小为常规实例的1/3。

作为用于进行轰击的电弧蒸发源中的靶材料，在第一至第五实施例中可以使用包括多种合金的金属，例如Ti或Cr可被适当地用作所述材料。

在每一个实施例中，如图6中所示的矩形蒸发源(蒸发源的第一实施例)被用作轰击组9的电弧蒸发源的蒸发源9A。然而，在本发明中用于进行轰击的电弧蒸发源并不限于此，并且例如可以使用如图7所示在平面图中具有类似于跑道的外形且包括在平面图中具有类似于跑道形状的蒸发表面的靶T的蒸发源9B。还布置蒸发源9B，从而使得其长度(较长轴线)沿纵向方向进行设置。另外，如图8A和8B所示，可使用用于进行轰击的电弧蒸发源9C，其中具有跑道形状的电磁线圈被布置在靶T的背面上。通过由该线圈C产生磁场，在蒸发表面上产生的电弧斑点可被引导在所述靶的蒸发表面上形成跑道形状。根据这一点，将要由用于进行轰击的电弧蒸发源辐照到基质上的蒸气可得到进一步地均匀化。

另外，如图9A和9B所示的另一个实施例，可构造出用于进行轰击的电弧蒸发源9D，其包括成形为圆柱形的靶T和如图9B所示布置在圆柱形靶T内部上的具有跑道形状的电磁线圈C，所述靶T的两端被电弧封闭构件12所封闭。在该蒸发源9D中，电磁线圈C产生具有跑道形状的磁场，由此电弧斑点可被扫描成跑道形状，从而均匀地将蒸气辐照到基质上。另外，优选使得所述圆柱形靶可进行转动，以形成对应于布置成跑道形状的线圈C的电弧斑点扫描轨迹被保持相对与基质处于适当的位置的状态。根据这一点，所述靶可均匀地产生损耗。

在使用电磁线圈的蒸发源(如蒸发源9C和9D)中，形成对应形状磁场的永久磁体可被布置在靶表面上，而不是电磁线圈上。

另外，作为用于进行轰击的电弧蒸发源，可沿纵向方向布置并且使用一个实心类似圆杆状的靶。在该实例中，优选将不同的电弧电源的负电极与其上端和下端相连，从而交替地供给将要从两端供应至蒸发源的电弧电流。由于用于在靶上产生蒸气的电弧斑点趋向于朝向电弧电流供给侧的端部进行扫描，因此所述电弧斑点能够通过交替地从所述两端向蒸发源供给电弧电流而进一步在圆柱形靶的蒸发表面的整个表面上进行大面积地扫描，并且金属离子蒸气可被均匀地供应到基质上。

在每一个上述实施例中，用于进行轰击的电弧蒸发源具有纵向长度(沿真空室的高度方向)大于横向长度的形状。该理由在于：从耐压结构的角度考虑，由于真空室在顶视图中具有圆形形状，因此如果蒸发源横向延长，那么蒸发表面必须是弯曲的，但这不是现实。鉴于这一点，沿纵向延长的形状对于增大用于进行轰击的电弧蒸发源的蒸发表面积而言是实用的。

本发明不限于如在上述每一个实施例中所描述的用于进行轰击的电弧蒸发源或用于进行沉积的电弧蒸发源。在本发明的范围内还包括一种电弧离子镀设备，所述电弧离子镀设备包括如此进行布置的活动构件、用于进行轰击的电弧蒸发源和用于进行沉积的电弧蒸发源，从而使得能够有效地执行对基质的金属离子的辐照，其中形成用于进行轰击的电弧蒸发源，从而使得蒸发表面积大于用于进行沉积的电弧蒸发源的蒸发表面积，其具有用于进行沉积的多个电弧蒸发源的最大蒸发表面积。在这种设备中，用于进行沉积的电弧蒸发源的个数必定大于用于进行轰击的电弧蒸发源的个数。由于在进行轰击和在进行薄膜沉积过程中的金属离子辐照的目标为同一基质，因此在可被一个蒸发源分享的辐照面积较小时的薄膜沉积过程中必须增加蒸发源的个数。

也就是说，本发明主要针对提供一种与通过用于进行沉积的电弧蒸发源单位面积的金属离子辐照量相比，能够通过设定使得一个用于进行轰击的电弧蒸发源的蒸发源面积大于一个用于进行沉积的电弧蒸发源的蒸发源面积，相对于稳定电弧放电所需的最小电流值减小用于进行轰击的电弧蒸发源的单位面积的金属离子辐照量的结构。

下面将对使用根据第一实施例的电弧离子镀设备对基质进行薄膜沉积的实例进行具体描述。本发明不应通过这些薄膜沉积实例进行确定的解释。

【实例】

具有直径为100毫米的蒸发表面的三个蒸发源7A被纵向成排布置成用作沉积组7的电弧蒸发源。一个蒸发源9A被用作轰击组9的电弧蒸发源。该用于进行轰击的电弧蒸发源9A具有矩形形状，其长边为600毫米，短边为100毫米，所述电弧蒸发源被布置在真空室1的侧壁内表面上，从而使得其长边沿纵向方向进行设置，由此与基质保持器5相对的纵向金属离子辐照区域宽度成形为500毫米。对于基质而言，由高速钢制成的试验片(尺寸大小为：12毫米×12毫米×5毫米)和由高速钢制成的直径为3毫米的钻头(drill)被装载到装配在旋转台2的每个行星式轴4上的保持器上。Ti靶被附接到每一个蒸发源7A，9A上。在轰击和薄膜沉积过程中的旋转台2的转数被设定为2rpm(每分钟转数)。

对于采用常规方法进行的薄膜沉积实例(常规实例)而言，仅使用用作沉积组的电弧蒸发源，而不使用用于进行轰击的电弧蒸发源，按照下文中所描述的相同的方式进行轰击处理和TiN薄膜沉积。

(1)真空室被抽空，并且通过装备在真空室中的辐射加热器将基质加热至400℃的基质温度。

(2)用作沉积组的电弧蒸发源的每一个蒸发源在电弧电流为100A的条件下进行工作，并且在-1000V的偏压下进行5分钟的金属轰击处理。

(3)在进行完轰击处理之后，用作沉积组的电弧蒸发源的每一个蒸发源在电弧电流为150A的条件下进行工作，在-50V的偏压下形成约3微米厚的TiN薄膜，同时在3.9Pa的压力下引入氮气，随后冷却30分钟，并将已经过处理的基质取出。

在上述常规实例中，用于沉积3微米厚的TiN薄膜所需的时间为90分钟，并且从开始抽真空到取出基质的总循环时间为3小时15分钟。

对于采用比照方法进行的薄膜沉积实例(比较实例)而言，仅使用用于进行轰击的电弧蒸发源，按照下文中所述的方式进行轰击处理和薄膜沉积处理。

(1)与比较实例中的步骤(1)相同。

(2)用于进行轰击的电弧蒸发源在电弧电流为100A的条件下进行工作，并且在-1000V的偏压下进行15分钟的金属轰击处理。

(3)在进行完轰击处理之后，用于进行轰击的电弧蒸发源在电弧电流为150A的条件下进行工作，在-50V的偏压下形成约3微米厚的TiN薄膜，同时在3.9Pa的压力下引入氮气，随后冷却30分钟，并将最后所得到的基质取出。

在上述比较实例中，用于沉积3微米厚的TiN薄膜所需的时间为约5小时，并且从开始抽真空到取出基质的总循环时间为7小时。

然后，对于初始使用根据实施例的电弧离子镀设备进行的薄膜沉积实例(发明实例)而言，按照下文中所述的方式执行使用用于进行轰击的电弧蒸发源进行的轰击处理和使用用作沉积组的电弧蒸发源进行的薄膜沉积处理。

(1)与常规实例中的步骤(1)相同。

(2)用于进行轰击的电弧蒸发源在电弧电流为100A的条件下进行工作，并且在-1000V的偏压下进行15分钟的金属轰击处理。

(3)在进行完轰击处理之后，用作沉积组的电弧蒸发源的每一个蒸发源在电弧电流为150A的条件下进行工作，在-50V的偏压下形成约3微米厚的TiN薄膜，同时在3.9Pa的压力下引入氮气，随后冷却30分钟，并将最后所得到的基质取出。

在上述发明实例中，用于沉积3微米厚的TiN薄膜所需的时间为90分钟，并且从开始抽真空到取出基质的总循环时间为3小时25分钟。

除产率明显出于劣势的比较实例以外，结合表1中列出的每一个项目对在常规实例和发明实例中进行的薄膜沉积进行评估。结果汇总如表1所示。

表1

评估项目	常规实例	发明实例
			试验片上的TiN薄膜的外观	令人满意	令人满意
粘着度(Rockwell压痕法)	令人满意	令人满意
			对在使用直径为3毫米的钻头进行切削的试验中的刃口的软化的评估	在约30％的钻头下观察到软化现象	没有观察到软化现象
轰击过程中的偏压电流	13-18A	5-6A
			异常放电	在开始进行轰击之后在3分钟内发生约120次	在开始进行轰击之后在4分钟内发生约54次
其它		与常规薄膜相比，微滴减少

由表1可明显看到：观察到在试验片上的两种薄膜沉积物之间没有明显的特征差别。然而，在常规实例中部分地观察到了可能由于刃口发生软化而导致产生的切削失效，而在发明实例中没有出现这种情况。

在发明实例中偏压电流明显减小，并且因此可使用容量进一步减小的偏压电源进行轰击处理。值得注意的一点是被偏压电源感测到的异常放电。在常规实例中，异常放电发生在轰击处理的较早阶段的3分钟内，仅最后两分钟可用于在不进行异常放电的情况下执行电压的施加。由于在检测到异常放电后偏压电源中断了输出并且在停止之后重新启动电压的施加应用，因此，在产生异常放电的过程中形成未施加正常偏压的状态。另一方面，在发明实例中，由于除了减小异常放电的频率的趋向之外进行轰击的持续时间约为三倍长，因此施加正常电压的时间相对延长，且薄膜沉积工艺的重现性得到进一步地增强。

另外，对试验片上的薄膜进行显微观察的结果是，在发明实例中，混在薄膜中的大颗粒减少。这是由于通过用于进行轰击的电弧蒸发源的面积的延伸减少了单位面积上的热负载，因此在轰击过程中产生的大颗粒的量减少了。

Claims (11)

1.一种电弧离子镀设备，包括：

真空室；

用于使装载在所述真空室内的基质进行移动的活动构件，所述活动构件被设置在所述真空室内且在垂直于所述真空室高度方向的方向上移动所述基质；

用于辐照通过与所述基质表面进行电弧放电而蒸发出的金属离子从而清洁所述表面的用于进行轰击的电弧蒸发源，所述用于进行轰击的电弧蒸发源被设置在所述真空室内；和

用于在所述基质表面上沉积通过电弧放电而蒸发出的金属离子的用于进行沉积的电弧蒸发源，所述用于进行沉积的电弧蒸发源被设置在所述真空室内，

其中所述用于进行沉积的电弧蒸发源构成了沉积组电弧蒸发源，所述沉积组电弧蒸发源包括在所述真空室的高度方向上没有相互重叠的相对于被安装在所述活动构件中的所述基质进行布置的多个所述用于进行沉积的电弧蒸发源；所述用于进行轰击的电弧蒸发源构成了轰击组电弧蒸发源，所述轰击组电弧蒸发源包括在所述真空室的高度方向上没有相互重叠的相对于所述基质进行布置的至少一个电弧蒸发源；并且所述用于进行轰击的电弧蒸发源在所述真空室的高度方向上的长度长于所述用于进行沉积的电弧蒸发源在所述真空室的高度方向上的长度。

2.根据权利要求1所述的电弧离子镀设备，其中所述用于进行轰击的电弧蒸发源在所述真空室的高度方向上的长度比所述用于进行沉积的电弧蒸发源的该长度长三倍。

3.根据权利要求2所述的电弧离子镀设备，其中所述用于进行轰击的电弧蒸发源在所述真空室的高度方向上的长度为0.5-2.0米。

4.根据权利要求1所述的电弧离子镀设备，其中所述用于进行轰击的电弧蒸发源包括由蒸发材料形成的靶，且沿所述真空室的高度方向形成的电磁线圈被附接到所述靶的背面上。

5.一种电弧离子镀设备，包括：

真空室；

用于使装载在所述真空室内的基质进行移动的活动构件，所述活动构件被设置在所述真空室内；

用于辐照通过与所述基质表面进行电弧放电而蒸发出的金属离子从而清洁所述表面的用于进行轰击的电弧蒸发源，所述用于进行轰击的电弧蒸发源被设置在所述真空室内；和

多个用于在所述基质表面上沉积通过电弧放电而蒸发出的金属离子的用于进行沉积的电弧蒸发源，所述用于进行沉积的电弧蒸发源被设置在所述真空室内，

其中形成所述用于进行轰击的电弧蒸发源，从而使得其蒸发表面积大于在多个所述用于进行沉积的电弧蒸发源中具有最大蒸发表面积的用于进行沉积的电弧蒸发源的蒸发表面积。

6.根据权利要求5所述的电弧离子镀设备，其中所述用于进行轰击的电弧蒸发源的蒸发表面积比在多个所述用于进行沉积的电弧蒸发源中具有最大蒸发表面积的所述用于进行沉积的电弧蒸发源的蒸发表面积大三倍。

7.根据权利要求5所述的电弧离子镀设备，其中所述活动构件使装载好的基质进行移动，从而使得所述基质的长度方向垂直于所述真空室的高度方向地对应于所述真空室的高度方向；

所述用于进行轰击的电弧蒸发源构成了轰击组电弧蒸发源，所述轰击组电弧蒸发源包括在所述真空室的高度方向上没有相互重叠的相对于所述基质进行布置的所述用于进行轰击的电弧蒸发源；且

所述用于进行沉积的电弧蒸发源构成了沉积组电弧蒸发源，所述沉积组电弧蒸发源包括在所述真空室的高度方向上没有相互重叠的相对于所述基质进行布置的多个所述用于进行沉积的电弧蒸发源。

8.根据权利要求7所述的电弧离子镀设备，其中构成所述轰击组电弧蒸发源的所述用于进行轰击的电弧蒸发源具有相同的尺寸，且构成所述沉积组电弧蒸发源的所述用于进行沉积的电弧蒸发源具有相同的尺寸。

9.根据权利要求5所述的电弧离子镀设备，其中所述用于进行轰击的电弧蒸发源包括由蒸发材料形成的靶，且沿所述真空室的高度方向形成的电磁线圈被附接到所述靶的背面上。

10.根据权利要求7所述的电弧离子镀设备，其中所述轰击组电弧蒸发源包括在所述真空室的高度方向上没有相互重叠的相对于所述基质进行布置的多个用于进行轰击的电弧蒸发源。

11.根据权利要求7所述的电弧离子镀设备，其中所述轰击组电弧蒸发源包括一个与所述基质相对的蒸发源。

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