ES2563862T3 - Depósito en fase de vapor de recubrimiento por inmersión en un plasma de arco a baja presión y tratamiento iónico - Google Patents
Depósito en fase de vapor de recubrimiento por inmersión en un plasma de arco a baja presión y tratamiento iónico Download PDFInfo
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Abstract
Un sistema de recubrimiento que comprende: una cámara (12) de vacío; y un montaje de recubrimiento que incluye: una fuente (16) de vapor que tiene una cara de objetivo con una dimensión larga de fuente de vapor y una dimensión corta de fuente de vapor; un soporte (20) de sustrato para sostener sustratos (22) que van a revestirse de modo que los sustratos (22) estén posicionados en frente de la fuente (16) de vapor, y el soporte (20) de sustrato tiene una dimensión de soporte lineal; un ánodo (44) remoto eléctricamente acoplado al objetivo (28) catódico, y el ánodo (44) remoto tiene una dimensión de ánodo remoto lineal, y la fuente (16) de vapor tiene una dimensión de fuente de vapor lineal; un montaje (18) de cámara catódica que incluye un objetivo (28) catódico, un ánodo (34) primario y un escudo (36) que aísla el objetivo (28) catódico de la cámara (12) de vacío, y el objetivo (28) catódico tiene una dimensión larga de objetivo catódico lineal y una dimensión corta de objetivo catódico lineal, y el escudo (36) define al menos una abertura (38) para transmitir una corriente (40) de emisión de electrones de una descarga de arco remoto desde el objetivo (28) catódico al ánodo (44) remoto que fluye a raudales a lo largo de la dimensión larga de cara objetivo; un suministro (48) de energía primario conectado entre el objetivo (28) catódico y el ánodo (34) primario; y un suministro (52) de energía secundario conectado entre el objetivo (28) catódico y el ánodo (44) remoto , en cuyo caso la dimensión de ánodo remoto lineal y la dimensión corta de fuente de vapor son paralelas a una dimensión en la cual se direcciona un punto de arco a lo largo del objetivo (28) catódico.
Description
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DESCRIPCION
Deposito en fase de vapor de recubrimiento por inmersion en un plasma de arco a baja presion y tratamiento ionico Campo tecnico de la invencion
La presente invencion se refiere a sistemas de deposicion asistidos por plasma y metodos relacionados.
Antecedentes de la invencion
La deposicion flsica de vapor (PVD) y las fuentes de deposicion qulmica de vapor de baja presion (CVD) se utilizan para la deposicion de recubrimientos y tratamiento de superficies. Las fuentes de vapor de metal convencionales, tales como la deposicion flsica de vapor por haz de electrones (EBPVD) y las fuentes de vapor de metal por pulverizacion catodica con magnetron (MS) pueden proporcionar altas tasas de deposicion. Sin embargo, la baja energla de los atomos de vapor de metal y la baja tasa de ionizacion de estos procesos dan como resultado recubrimientos con baja densidad, pobre adhesion, pobre estructura y morfologla. Esta bien establecido que la ayuda del proceso de deposicion de recubrimiento con bombardeo de partlculas energeticas mejora dramaticamente los recubrimientos por aumento de la densidad de los materiales que se depositan, lo que reduce el tamano de grano y mejora de la adherencia del recubrimiento. En estos procesos, la capa superficial se ve afectada por una alta tasa de bombardeo por iones energeticos que modifica la movilidad de los atomos de vapor de metal que se depositan y, en muchos casos, crea estructuras metaestables con propiedades funcionales unicas. Por otra parte, el bombardeo de iones de la superficie de recubrimiento influye en el comportamiento de adsorcion de gas al aumentar el coeficiente de adherencia de los gases tales como el nitrogeno y el cambio de la naturaleza de los sitios de adsorcion de los sitios de sorcion flsica de menor energla a los sitios de sorcion qulmica de mayor energla. Este enfoque es especialmente productivo en la deposicion de recubrimientos compuestos nanoestructurados con estructuras amorfas ultrafinas o similares al vidrio.
Hay dos enfoques diferentes para proporcionar asistencia con bombardeo de iones durante los procesos de PVD o CVD. La deposicion asistida por un haz de iones (IBAD) es un metodo que representa una gran promesa para la formacion de recubrimientos ceramicos densos sobre pollmeros y otros materiales sensibles a la temperatura. El proceso IBAD se lleva a cabo tlpicamente al vaclo (~1x10-5 Torr) en el que se evapora termicamente una ceramica sobre un sustrato y al mismo tiempo se lo bombardea con iones energeticos. El haz de iones hace que los atomos depositados se mezclen con el sustrato, creando una capa graduada, que puede mejorar la adhesion del recubrimiento y reducir la tension de la pellcula. Los iones que inciden tambien producen un "efecto de granallado" que compacta y densifica la capa reduciendo o eliminando con ello el crecimiento de la columna.
Por ejemplo, durante el procesamiento de IBAD de las pellculas de carbono tipo diamante (DLC), se evapora el carbono mediante una fuente de haz de electrones o pulverizacion catodica por una fuente de magnetron. El bombardeo de iones es proporcionado por una fuente de haz de iones independiente, de amplia abertura, tal como un haz de iones de argon. Tales haces de iones de argon no cambian la qulmica de las pellculas en crecimiento y solo influyen en su estructura, morfologla, energla de enlazamiento y union de atomo con atomo mediante la modification de la red reticulada. La adicion de un precursor gaseoso apropiado a los resultados de haces de iones en el dopaje de las pellculas de DLC en crecimiento, proporciona por lo tanto una asistencia de vapor qulmico durante el proceso de IBAD. Un ejemplo de tal dopaje de silicio de pellculas DLC se depositan a partir de un haz de iones de Ar + SiH4. Se puede anadir fluor a las pellculas a traves de un haz de Ar e hidrocarburo fluorado, el nitrogeno puede ser anadido mediante el uso de un haz de iones de Ar y N2, y el boro puede ser anadido mediante el uso de un haz de iones de Ar + BH4. IBAD es un proceso tecnologico flexible que permite el control de las propiedades de recubrimiento en una zona ensanchada por la variation de los parametros de procesamiento: la composition de haz de iones, la energla de iones, la corriente de iones y la relation de llegada del al atomo.
Aunque el proceso de IBAD funciona razonablemente bien, tiene limitaciones debido a la naturaleza de la llnea de visibilidad directa que es perjudicial para lograr una distribucion uniforme de recubrimiento sobre los componentes de forma compleja cuando la conformidad del proceso de deposicion de recubrimiento es importante. Ademas, el proceso de IBAD tiene una capacidad de escalamiento limitada. El proceso de deposicion ionica de inmersion en plasma (PIID) supera algunas de estas limitaciones proporcionando un entorno de plasma de baja presion que envuelve de manera efectiva los sustratos a recubrir dentro de la nube de plasma uniforme. Esto se traduce en una tasa muy uniforme de bombardeo de iones tanto sobre los sustratos de forma compleja tridimensionales como de las cargas grandes. El proceso de PVD o CVD se utiliza para generar especies de vapor para el tratamiento de la superficie del sustrato. En contraste con IBAD, el PIID es un proceso sin llnea de visibilidad capaz de tratar superficies complejas sin manipulation. PIID utiliza plasma generado a partir de una descarga de gas que llena toda la camara de procesamiento permitiendo de este modo composiciones y arquitecturas complejas a recubrir. Ejemplos de tratamiento de iones por inmersion en plasma incluyen nitruracion ionica, carbonitruracion, implantation de iones y otros procesos de tratamiento de iones gaseosos que se pueden realizar mediante la inmersion de un sustrato a recubrir en un plasma que contiene nitrogeno bajo polarization negativa. Ademas, la corriente de electrones extralda del plasma cuando los sustratos estan polarizados positivamente puede ser usada para los procesos de precalentamiento y tratamiento termico. Claramente, la caracterlstica de procesamiento sin llnea de vision directa presenta numerosas ventajas sobre el procesamiento con
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ilnea de vision directa, en particular para el procesamiento eficiente de una gran cantidad de objetos tridimensionales. El ambiente gaseoso ionizado utilizado durante los procesos PIID puede ser generado por la aplicacion de diferentes tipos de descargas de plasma, tales como descarga luminiscente, descarga de RF, descarga de microondas (MW) y descarga de arco de baja presion. La descarga de arco de baja presion es particularmente ventajosa ya que proporciona un plasma denso, uniforme, altamente ionizado sobre grandes volumenes de procesamiento a bajo costo. En la deposition del recubrimiento asistido por plasma de descarga de arco o procesos de tratamiento de iones, los sustratos estan colocados entre el catodo del arco y el anodo del arco remoto dentro de la zona del plasma de descarga del arco. Los catodos de filamento termionico, los catodos huecos, el arco al vaclo que evapora los catodos frlos, y combinaciones de los mismos, pueden ser utilizados como emisores de electrones para la generation de un entorno de gaseoso de descarga de plasma de arco a baja presion. Alternativamente, el material conductor de evaporation en si mismo puede ser utilizado como un catodo o un anodo de una descarga de arco ionizante. Esta ultima caracterlstica es proporcionada en el procesos de deposicion de arco catodico al vaclo o en diferentes procesos mejorados de evaporacion termica y de haz de electrones.
La deposicion de una capa de reaction tal como CrN puede llevarse a cabo mediante diferentes tecnicas de deposicion flsica de vapor tales como tecnicas de deposicion por arco catodico, deposicion por arco filtrado, evaporacion por haz de electrones y deposicion por pulverization catodica. La tecnologla de deposicion flsica de vapor por haz de electrones (EBPVD), tanto convencional como ionizada, ha sido utilizada en muchas aplicaciones, pero no se la considera generalmente como una tecnologla viable de fabrication en muchos campos debido a problemas de procesamiento por lotes, dificultades de escalado para lograr la distribution de recubrimiento uniforme a traves de grandes sustratos y debido a la dificultad de controlar la composition de recubrimiento de multiples elementos debido a la destilacion de los elementos termodinamicamente provocada con diferentes presiones de vapor. Por el contrario, la PVD basada en pulverizacion catodica por magnetron (MS) se utiliza para una gran variedad de aplicaciones debido a la alta uniformidad de los recubrimientos por magnetron a velocidades de deposicion aceptables, control preciso de la composicion del recubrimiento de multiples elementos y la capacidad del proceso MS para ser facilmente integrado en sistemas industriales totalmente automatizados de recubrimiento por lotes. Los procesos de deposicion flsica de vapor por haz de electrones (EBPVD) mejorados por arco catodico y anodico denominados catodo evaporado en caliente (HEC) y anodo evaporado en caliente (HEA), respectivamente, han demostrado una mayor velocidad de ionization, pero sufren de inestabilidades de puntos del arco y de distribucion no uniforme de la velocidad de ionizacion a traves del flujo de vapor de metal por EBPVD. En estos procesos, la descarga de arco se acopla con el proceso de evaporacion haciendo diflcil proporcionar un control independiente de las velocidades de ionizacion y de evaporacion en los procesos HEA y HEC. Por lo tanto, es extremadamente diflcil integrar procesos PA-EBPVD en sistemas industriales totalmente automatizados de recubrimiento por lotes.
Las tecnicas de pulverizacion catodica son bien conocidos en la tecnica por ser capaces de depositar en forma rentable recubrimientos de reaccion gruesos aunque las pellculas aproximadamente mayores a una micra tienden a desarrollar turbidez debido a la cristalizacion. El fenomeno de cristalizacion o crecimiento de pellcula en columna se asocia con la baja energla inherente de los atomos que se depositan en tecnicas de deposicion por pulverizacion catodica creando de ese modo una oportunidad para favorecer energeticamente las estructuras de cristalinas. Estas estructuras cristalinas pueden tener propiedades anisotropicas no deseadas especlficas para aplicaciones cosmeticas y desgaste. Diversos enfoques se han desarrollado en la ultima decada para mejorar la velocidad de ionizacion en un proceso de pulverizacion catodica por magnetron. El objetivo principal de estos enfoques es aumentar la densidad de electrones a lo largo del paso del flujo de atomos de pulverizacion catodica por magnetron aumentando de ese modo la ionizacion de atomos de metal mediante el aumento de la frecuencia de las colisiones entre los atomos y los electrones. El proceso de pulverizacion catodica por magnetron por impulsos de alta potencia (HIPIMS) utiliza pulsos de alta potencia aplicados al objetivo del magnetron simultaneamente con alimentation DC para aumentar la emision de electrones y, en consecuencia aumentar la velocidad de ionizacion del flujo de pulverizacion catodica de metal. Este proceso de muestra mejores propiedades de recubrimiento en la deposicion de recubrimientos de nitruro resistentes al desgaste para herramientas de corte. En el proceso HIPIMS, se logra una mejor ionizacion durante cortos tiempos de pulso, mientras que durante las pausas, la velocidad de ionizacion es baja como en los procesos convencionales DC-MS. Puesto que los parametros del pulso se acoplan con los parametros del proceso de pulverizacion catodica por magnetron en el proceso HIPIMS, la velocidad de pulverizacion catodica, que se encuentra que es casi tres veces menor que la del proceso convencional DC-MS, puede verse afectado negativamente. Por otra parte, los pulsos de alta tension en el proceso HIPIMS pueden inducir la formation de arcos en los objetivos del magnetron dando como resultado la contamination de las pellculas en crecimiento.
Con el fin de generar una descarga altamente ionizada en las cercanlas de los objetivos del magnetron, se puede anadir una fuente de plasma inductivamente acoplado (ICP) en la region entre el catodo y el sustrato. Una bobina de induction no resonante se coloca entonces en paralelo al catodo esencialmente en un aparato DC-MS convencional, sumergido o adyacente al plasma. La bobina de induccion es generalmente accionada a 13,56 MHz utilizando una fuente de alimentacion de RF de 50 Q a traves de una red de adaptation capacitiva. La potencia de RF se acopla a menudo al plasma a traves de una ventana o pared dielectrica. Las descargas inductivamente acopladas se operan habitualmente en un intervalo de presion de 1 a 50 mTorr y una potencia aplicada de 200 - 1.000 W dando como resultado o una densidad de electrones en el intervalo de 1016 - 1018 m-3 que se encuentra que aumenta generalmente linealmente con el aumento de la potencia aplicada. En una descarga de pulverizacion catodica por magnetron, los atomos metalicos se
pulverizaron desde el objetivo catodico mediante corriente continua o potencia de RF. Los atomos metalicos transitan el plasma denso, creado por la bobina de RF, en la que se ionizan. Una bobina de induccion enfriada por agua colocada entre el magnetron objetivo y los sustratos a recubrir afecta adversamente el flujo de pulverizacion catodica del metal.
El montaje de MS es por lo tanto mucho mas complicado, costoso y diflcil de integrar en el sistema existente de 5 recubrimiento en llnea y de recubrimiento por lotes. Estas desventajas tambien son ciertas para los procesos de pulverizacion catodica por magnetron asistida por microondas (MW-MS). En el proceso MW-MS, el diseno de la camara de procesamiento al vaclo debe ser redisenado para permitir que la pulverizacion catodica del metal fluya a traves de una zona de ionizacion. Sin embargo, los enfoques de RF, MW y ICP para ionizar el proceso de PVD experimentan dificultades con la distribucion uniforme del plasma sobre una gran area de procesamiento, que es un obstaculo para la 10 integracion en sistemas de deposicion de recubrimiento en un area grande.
Otra tecnica del estado del arte para la produccion de iones energeticos es la pulverizacion catodica por magnetron mejorada con plasma (PEMS) que tiene un catodo termoionico de filamento caliente (HF-MS) o un catodo hueco (HC- MS) como fuente de electrones ionizados para aumentar la velocidad de ionizacion en el proceso DC-MS. En el proceso HF-MS, se usa un catodo de filamento termoionico distante como una fuente de electrones ionizantes haciendo que este 15 proceso sea similar al proceso HC-MS. Sin embargo, este proceso tlpicamente exhibe falta de uniformidad del plasma y es diflcil de integrar en sistemas industriales de recubrimiento de areas grandes. Ademas, tanto los filamentos calientes como los catodos de arco huecos son sensibles y se degradan rapidamente en la atmosfera de plasma reactivo. Las desventajas de estos procesos de generacion de plasma se superan mediante la utilizacion de un catodo de arco al vaclo que se evapora en frlo como fuente de electrones para ionizacion y activacion de un entorno de procesamiento de 20 deposicion de vapor.
El documento DE 2 321 665 da a conocer un sistema de recubrimiento y un metodo para recubrimiento que comprende un sistema de pulverizacion catodica de 3 electrodos.
La apariencia estetica de las pellculas depositadas por arco catodico convencional incluye partlculas de un material objetivo sin reaccionar llamadas macros que vuelven a la pellcula depositada con defectos indeseable en aplicaciones 25 que requieren propiedades especlficas de desgaste, corrosion y cosmeticas. Sin embargo, las pellculas depositadas por arco no tienen un caracter cristalino a diferencia de las pellculas de pulverizacion catodica ya que el proceso de evaporation por arco produce un plasma altamente ionizado con alta energla de deposicion de atomos que se cree que efectivamente vuelve aleatorias las estructuras cristalinas en la pellcula en desarrollo.
Por consiguiente, existe la necesidad de tecnicas adicionales para la produccion de partlculas energeticas en procesos 30 de recubrimiento para producir propiedades de pellcula mejoradas.
Resumen de la invencion
La presente invention resuelve uno o mas problemas de la tecnica anterior al proporcionar en al menos una realization, una sistema de recubrimiento segun la reivindicacion 1.
En otra realizacion, un metodo de recubrimiento de un sustrato segun la reivindicacion 12. El sistema de recubrimiento 35 puede tener un punto de arco dirigido. El montaje de recubrimiento puede estar colocado dentro de la camara de vaclo. El montaje de recubrimiento puede incluir al menos una fuente de pulverizacion catodica, un soporte de sustrato para mantener los sustratos a recubrir de tal manera que los sustratos se posicionan en frente de una fuente de pulverizacion catodica, y un conducto de plasma que define una primera abertura de salida y una segunda abertura de salida. El montaje de recubrimiento puede incluir un objetivo catodico para la generacion de un plasma de metal colocado en el 40 conducto del plasma, una anodo remoto acoplado electricamente al objetivo catodico, una fuente de alimentation primaria para alimentar el catodo, y una fuente de alimentacion secundaria conectada entre el objetivo catodico y el anodo remoto . La fuente de pulverizacion catodica puede colocarse entre el objetivo catodico y el anodo remoto . Una bobina de conducto puede rodear el conducto del plasma de tal manera que la activacion de la bobina de conducto crea un campo magnetico de transporte dentro del conducto de plasma que es sustancialmente paralela a una superficie de 45 evaporacion del objetivo catodico para dirigir el plasma fuera del conducto de plasma que se extiende a la fuente de pulverizacion catodica y/o sustratos sobre el soporte del sustrato durante la deposicion de la pellcula. Una fuente de alimentacion de la bobina de conducto puede activar la bobina de conducto, mientras que un primer electroiman de compensation y un segundo electroiman de compensation pueden ser ubicados en forma adyacente en lados opuestos no evaporadores del objetivo catodico donde generan un campo magnetico por encima de una superficie de la superficie 50 del objetivo catodico.
El montaje de recubrimiento puede incluir una fuente de vapor que tiene una cara objetivo con una fuente de vapor de gran dimension y una cara de vapor de corta dimension y un soporte de sustrato para mantener al sustrato a ser recubierto de tal manera que los sustratos se posicionen en frente de la fuente de vapor. El soporte de sustrato puede tener una dimension lineal del soporte. El montaje de recubrimiento puede incluir ademas un anodo remoto acoplado 55 electricamente al objetivo catodico. El anodo remoto puede tener una dimension lineal del anodo remoto . El montaje de
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recubrimiento puede incluir ademas un montaje de camara del catodo que tiene un objetivo catodico, un anodo primario opcional y un escudo que aisla el objetivo catodico de la camara de vacio. El objetivo catodico puede tener una dimension lineal larga del objetivo catodico y una dimension lineal corta del objetivo catodico.
La dimension lineal del anodo remoto y la dimension corta de la fuente de vapor pueden ser paralelas a la dimension en la cual un punto de arco esta dirigido a lo largo del objetivo catodico.
Breve descripcion de los dibujos
Los ejemplos de realizaciones de la presente invencion se entenderan mejor a partir de la descripcion detallada y los dibujos adjuntos, en donde:
La Figura 1A es una vista lateral idealizada de un sistema de recubrimiento usando un plasma de descarga de arco remoto ;
La Figura 1B es una vista frontal del sistema de recubrimiento perpendicular a la vista de la Figura 1A;
La Figura 1C es un esquema del sistema de recubrimiento de la Figura 1A;
La Figura 1D es una ilustracion esquematica que muestra el confinamiento del chorro de plasma que fluye entre el catodo y el anodo remoto ;
La Figura 1E es un esquema de un catodo de multiples elementos utilizado para barrer un chorro de plasma;
La Figura 2 proporciona una distribucion tipica del potencial del plasma entre la rejilla filtradora y el anodo remoto obtenida por modelacion del elemento finito;
La Figura 3 proporciona la intensidad de la radiacion emitida por los atomos de argon excitado (linea espectral Arl 739,79 nm) a partir del plasma de descarga de arco remoto frente a la corriente de descarga;
La Figura 4A proporciona una representacion esquematica de un sistema de recubrimiento que tiene anodos remoto s adicionales posicionados entre la fuente de pulverization catodica con magnetron con montajes de camara del catodo blindadas adicionales anadidos para asegurar la uniformidad y alta ionization de un entorno de plasma gaseoso;
Figura 4B proporciona una ilustracion esquematica de un sistema de recubrimiento que incluye resistencias variables instaladas entre un anodo maestro y cada uno de una pluralidad de anodos dependientes;
Figura 4C proporciona un refinamiento en el que se utiliza una resistencia en paralelo con un condensador para ajustar los potenciales de voltaje del anodo intermedio;
La Figura 5 proporciona una ilustracion esquematica de una configuration modular en linea de un sistema RAAMS;
La Figura 6 proporciona un diagrama de la distribucion de potencial en el procesamiento de plasma RAD;
Las Figuras 7A y 7B proporcionan una ilustracion esquematica de un sistema de recubrimiento por lotes con una camara del catodo blindada situado en el centro;
La Figura 8A es una ilustracion esquematica de una variation del sistema de las Figuras 7A y 7B;
La Figura 8B es una ilustracion esquematica de una variacion del sistema de las Figuras 7A y 7B;
La figura 8C es una ilustracion esquematica de una variacion del sistema de las Figuras 7A y 7B;
La Figura 8D es una ilustracion esquematica de una variacion del sistema de las Figuras 7A y 7B;
La Figura 8E es una ilustracion esquematica de una variacion del sistema de las Figuras 7A y 7B;
La Figura 8F es una ilustracion esquematica de una variacion del sistema de las Figuras 7A y 7B;
La Figura 8G es una ilustracion esquematica que proporciona contornos magneticos para los sistemas de las Figuras 8A-8C;
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La Figura 8H es una ilustracion esquematica que proporciona contornos magneticos para los sistemas de las Figuras 8A-8C;
La Figura 9A es una ilustracion esquematica de un sistema de recubrimiento que tiene magnetrones adicionales;
La Figura 9B es una ilustracion esquematica de un sistema de recubrimiento que tiene magnetrones adicionales;
La figura 9C es una ilustracion esquematica de un sistema de recubrimiento que tiene magnetrones adicionales;
La Figura 9D es una ilustracion esquematica de un sistema de recubrimiento que tiene magnetrones adicionales;
La Figura 9E es una ilustracion esquematica de un sistema de recubrimiento que tiene magnetrones adicionales;
La Figura 10 proporciona una descripcion esquematica de los procesos flsicos que estan implicados en la descarga de arco remoto bidireccional;
La Figura 11 proporciona un esquema de un sistema de recubrimiento por lotes con un montaje de camara del catodo blindada situado en la periferia;
La Figura 12 es una ilustracion esquematica de una variacion adicional que tiene una fuente de emision de electrones por arco catodico blindado situado en el centro de la camara de recubrimiento;
Figura 13 proporciona ilustraciones esquematicas de un sistema que incorpora una fuente de emision de electrones de catodo frlo de arco en vaclo;
La Figura 14A proporciona una ilustracion esquematica de una variacion de un sistema de recubrimiento que incorpora un filtro de macropartlculas;
La Figura 14B proporciona una ilustracion esquematica de una variacion de un sistema de recubrimiento que incorpora un filtro de macropartlculas;
La Figura 14C proporciona una ilustracion esquematica de una variacion de un sistema de recubrimiento que incorpora un filtro de macropartlculas;
La Figura 15A es una vista lateral esquematica del sistema RAAMS;
La Figura 15B es una vista lateral esquematica perpendicular a la vista de la Figura 15A;
La Figura 16 es una ilustracion esquematica de una variacion de las Figuras 15A y 15B con un catodo en uno de los compartimentos de la camara catodica y con dos puntos de arco catodico;
La Figura 17 es una ilustracion esquematica de una configuracion alternativa del sistema de plasma remoto que utiliza un diseno de camara de recubrimiento por lotes coaxial con fuentes de magnetron planas;
La Figura 18A proporciona una ilustracion esquematica de un refinamiento con camaras catodicas primarias separadas para cada fuente de pulverizacion catodica por magnetron;
La Figura 18B proporciona una ilustracion esquematica de un refinamiento con camaras catodicas primarias separadas para cada fuente de pulverizacion catodica por magnetron;
La Figura 19A proporciona una ilustracion esquematica de una variante avanzada de los sistemas de las Figura 14-18; La Figura 19B proporciona una ilustracion esquematica de una variacion del sistema de la Figura 19A;
La Figura 19C proporciona una ilustracion esquematica de una variacion del sistema de la Figura 19A;
La Figura 19D proporciona una vista en perspectiva del modulo RAAMS con una rejilla de electrodo;
La Figura 19E proporciona un esquema de un sistema de otro sistema de recubrimiento de anodo remoto ;
La Figura 19F es una seccion transversal del sistema mostrado en la Figura 19E;
La Figura 20 proporciona una ilustracion esquematica de una variacion de la fuente de arco catodico de emision de
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electrones con un catodo no consumible.
La Figura 21A proporciona un esquema en el que se coloca un soporte de sustrato entre un anodo y una fuente de pulverizacion catodica por magnetron;
La Figura 21B proporciona un esquema en el que se coloca un anodo de alambre entre un soporte de sustrato y una fuente de pulverizacion catodica por magnetron;
La Figura 22A es un esquema de un sustrato con un recubrimiento fabricado por un proceso asistido por plasma de descarga de arco remoto ; y
La Figura 22B es un esquema de un sustrato con un recubrimiento multicapa fabricado mediante un proceso asistido por plasma de descarga de arco remoto .
Descripcion de la invencion
Ahora se hara referencia en forma detallada a las composiciones, realizaciones y metodos actualmente preferidos de la presente invencion, que constituyen los mejores modos de poner en practica la invencion actualmente conocida por los inventores. Las figuras no estan necesariamente a escala. Sin embargo, se entiende que las realizaciones descritas son meramente ejemplos de la invencion que se pueden realizar en formas diferentes y alternativas. Por lo tanto, los detalles especlficos descritos en este documento no se deben interpretar como limitantes, sino meramente como una base representativa para cualquier aspecto de la invencion y/o como una base representativa para ensenarle a una persona ordinariamente capacitada en la tecnica a emplear de diversas maneras la presente invencion.
Excepto en los ejemplos, o cuando se indique expresamente, todas las cantidades numericas en esta descripcion que indican cantidades de material o condiciones de reaccion y/o de uso deben entenderse como modificadas por la palabra "aproximadamente" al describir el alcance mas amplio de la invencion. En general se prefiere la practica dentro de los llmites numericos establecidos. Tambien, a menos que se indique expresamente lo contrario: por ciento, "partes de", y valores de relacion son en peso; la descripcion de un grupo o clase de materiales como adecuados o preferidos para un proposito dado en conexion con la invencion implica que mezclas de dos o mas de los miembros del grupo o clase son igualmente adecuadas o preferidas; la descripcion de los constituyentes en terminos qulmicos se refiere a los constituyentes en el momento de la adicion a cualquier combinacion especificada en la descripcion, y no necesariamente excluye las interacciones qulmicas entre los constituyentes de una mezcla una vez mezclados; la primera definicion de un acronimo u otra abreviatura es aplicable a todos los usos subsiguientes en este documento de la misma abreviatura y aplica haciendo los cambios necesarios a variaciones gramaticales normales de la abreviatura definida inicialmente; y, a menos que se indique expresamente lo contrario, la medicion de una propiedad se determina por la misma tecnica a que se hace referencia mas adelante o con anterioridad para la misma propiedad.
Tambien se debe entender que esta invencion no esta limitada a las realizaciones y metodos especlficos descritos a continuacion, ya que los componentes y/o condiciones especlficas, por supuesto, pueden variar. Ademas, la terminologla usada en este documento se usa solo para el proposito de describir realizaciones particulares de la presente invencion y no se pretende que se constituya en limitante de ninguna manera.
Tambien hay que senalar que, tal como se utiliza en la memoria descriptiva y las reivindicaciones adjuntas, la forma singular "un", "uno, una" y "el, la" comprenden los referentes plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Por ejemplo, la referencia a un componente en singular pretende comprender una pluralidad de componentes.
A lo largo de esta solicitud, donde se hace referencia a publicaciones, las descripciones de estas publicaciones en su totalidad se incorporan por referencia en esta solicitud para describir mas completamente el estado de la tecnica a la que pertenece esta invencion.
Con referencia a las figuras 1A, 1B, 1C y 1D, se proporciona un sistema de recubrimiento que utiliza un plasma de descarga de arco remoto . La Figura 1A es una vista lateral idealizada del sistema de recubrimiento. La Figura 1B es una vista frontal perpendicular a la vista de la Figura 1A. La Figura 1C es un esquema del sistema de recubrimiento que incluye el cableado electrico. El sistema de esta realizacion es particularmente util para la mejora del plasma de arco de los procesos de deposicion de recubrimiento de pulverizacion catodica por magnetron de un area grande. El sistema 10 de recubrimiento incluye una camara 12 de vaclo con un montaje de recubrimiento situado en su interior. El montaje de recubrimiento incluye una fuente 16 de vapor, el montaje de la camara 18 de catodo posicionado en la camara 12 de vaclo, y el soporte 20 del sustrato para contener sustratos 22 a recubrir. Las Figuras 1A y 1B ilustran una variacion en la que la fuente 16 de vapor es una fuente de pulverizacion catodica por magnetron de modo que el proceso de recubrimiento del sistema 10 es un proceso de pulverizacion catodica por magnetron asistido por arco remoto (RAAMS). Tales fuentes de pulverizacion catodica por magnetron incluyen un Ts objetivo, una fuente de alimentacion Ps, y un anodo de As. Se debe apreciar que se pueden utilizar otros tipos de fuentes de vapor para la fuente 16 de vapor. Ejemplos de tales fuentes de vapor incluyen, pero no se limitan a, evaporadores termicos, evaporadores de haz
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electronico, evaporadores de arco catodico, y similares. Los sustratos 22 se colocan en frente de la fuente 16 de vapor durante el recubrimiento y se mueven a lo largo de la direction d1 durante la deposition del recubrimiento. En un refinamiento, se pueden introducir los sustratos de forma continua desde una camara de bloqueo de carga a la derecha de la camara 12 de vaclo y recibidos por una camara de salida a la izquierda de la camara l2 de vaclo en la Figura 1A. El montaje de la camara 18 de catodo incluye un recinto 24 de catodo con aberturas 26 definidas en el mismo, un catodo 28 de emision de electrones, un anodo 34 primario separado opcional y el blindaje 36. El blindaje 36 alsla el catodo 28 de emision de electrones de la camara 12 de vaclo. En un refinamiento, un anodo 34 separado opcional, un recinto 24 de catodo, un blindaje 36, o una conexion a tierra actuan como el anodo primario acoplado al catodo.
El montaje 18 de la camara del catodo funciona como una fuente del catodo de emision de electrones en el contexto de la presente realization. En un refinamiento, se genera un arco primario en la fuente del catodo de emision de electrones entre el catodo 28 y el anodo primario. El recinto 24 del catodo puede servir tanto como un anodo primario independiente conectado al polo positivo de la fuente 48 de alimentation del arco primario y como un anodo conectado a tierra, cuando esta conectado a tierra 34. El blindaje 36 define aberturas 38 para transmitir la corriente 40 de emision de electrones del catodo 28 en la camara 12 de vaclo. El blindaje puede ser flotante o puede estar conectado al polo positivo ya sea de la fuente 48 de alimentacion del arco primario o una fuente de alimentacion adicional (no mostrada). En otro refinamiento, el catodo 28 es un catodo de arco catodico y el anodo 34 primario conectado a tierra es un anodo de arco catodico. Se puede utilizar cualquier cantidad de catodos diferentes para el catodo 28 de emision de electrones. Los ejemplos de tales catodos incluyen, pero no se limitan a, los catodos frlos de arco de vaclo, catodos huecos, catodos de filamento termoionico, y similares, y combinaciones de los mismos. Tlpicamente, el objetivo catodico esta hecho de metal que tiene una capacidad de adsorcion que incluye aleaciones de titanio y circonio. En un refinamiento, el blindaje de la camara del catodo es agua enfriada y polarizada negativamente en relation con el objetivo catodico en el que el potencial de polarization de los intervalos blindados de -50 voltios a -1000 voltios. En aun otro refinamiento, el montaje 18 de la camara del catodo incluye un arreglo de catodo que tiene una pluralidad de objetivos catodicos instalados all! con la altura del arreglo del objetivo catodico estando sustancialmente a la misma altura del anodo remoto y la altura de un area de deposicion. La separation desde la parte superior del montaje de la camara del catodo o la fuente 16 de vapor hasta los sustratos 22 (es decir, la parte superior de los sustratos) es tal que el flujo de plasma desde el catodo 28 hasta anodo 44 remoto esta confinado. Tlpicamente, la distancia de separacion desde el blindaje 36 del montaje de la camara del catodo o desde la superficie de evaporation de la fuente 16 de vapor o desde el anodo 44 remoto hasta los sustratos 22 es de aproximadamente 2 pulgadas hasta aproximadamente 20 pulgadas, dando como resultado la formation de un corredor estrecho para el confinamiento del plasma del arco remoto entre el catodo 28 en la camara 18 del catodo y el anodo 44 remoto . Cuando el ancho de este corredor es menor a 2 pulgadas crea una alta impedancia en el plasma que conduce a inestabilidades del plasma y, eventualmente, a la extincion de la descarga del arco remoto . Cuando el ancho de este corredor es mayor a 20 pulgadas, la densidad del plasma en la descarga del arco remoto no crece lo suficiente para ionizar el flujo de pulverization catodica del metal. En un refinamiento particularmente util, se instala un objetivo catodico de gran area que tiene la forma de placa o de barra en el montaje 18 de la camara del catodo. Tlpicamente, dicho objetivo catodico de gran area tiene una altura que es sustancialmente igual a la altura del anodo y a la altura del area de deposicion. En un refinamiento, el objetivo catodico puede estar hecho de metal que tiene una capacidad de adsorcion tal como por ejemplo una aleacion de titanio o una aleacion de circonio. En este caso la fuente de emision de electrones del catodo blindado tambien puede servir como una bomba de adsorcion de vaclo que puede mejorar la eficiencia de bombeo del sistema de recubrimiento. Para mejorar aun mas la eficiencia del bombeo de adsorcion, el blindaje 36 que da frente a la superficie de evaporacion del objetivo catodico 28 en la camara 18 del catodo puede ser enfriado con agua y, opcionalmente, conectado a una fuente de alimentacion polarizada de alto voltaje. Cuando se polariza el blindaje 36 enfriado con agua hasta un alto potencial negativo que va desde -50V hasta -1000V en relacion con el objetivo catodico 28, sera sometido a intenso bombardeo de iones por iones metalicos generados por el proceso de evaporacion de arco catodico. La condensacion del vapor de metal en condiciones de bombardeo intenso de iones es favorable para el bombeo de gases nobles como He, Ar, Ne, Xe, Kr, as! como hidrogeno.
El sistema 10 tambien incluye un anodo 44 remoto acoplado electricamente al catodo 28, una fuente 48 de alimentacion primaria conectada entre el catodo 28 y el anodo acoplado al catodo primario. El anodo 44 remoto esta posicionado en la camara 12 de vaclo de tal manera que la fuente 16 de vapor esta posicionada entre el montaje 18 de la camara del catodo y el anodo remoto . En un refinamiento, se posiciona una pluralidad de fuentes de vapor entre el montaje 18 de la camara del catodo y el anodo 44 remoto como se expone a continuation en forma mas detallada. El sistema 10 tambien incluye una fuente 52 de alimentacion secundaria que acopla electricamente al catodo 28 al anodo 44 remoto . Tambien se ilustra un filtro 54 de paso bajo tambien en la figura 1a que incluye la resistencia R y el condensador C. Tlpicamente, la fuente 16 de vapor esta posicionado entre el montaje 18 de la camara del catodo y el anodo 44 remoto . El sistema 10 incluye ademas un sistema 56 de bombeo para mantener un sistema de presion reducida y un sistema 58 de gas para introducir uno o mas gases (por ejemplo, argon, nitrogeno, helio, etc.) en la camara 12 de deposicion. En un refinamiento, la fuente 52 de alimentacion secundaria, que alimenta la descarga de arco distante en la camara 12 de recubrimiento se instala entre montaje 18 de la camara del catodo y el anodo 44 remoto y proporciona al menos un voltaje de circuito abierto 20% mas alto que la fuente 48 de alimentacion primaria.
Aun con referencia a las figuras 1A, 1B, 1C y 1D, se inicia un arco primario por un encendedor 60 de arco en la camara 24 del catodo aislada de la camara de descarga mediante el blindaje 36 con aberturas 38 para transmision de la
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corriente 4 de electrones. Tlpicamente, el potencial del plasma cerca de la rejilla filtradora es bajo, cercano al potencial del plasma en el montaje 18 de la camara del catodo, mientras que en el plasma de descarga de arco remoto , el potencial electrico es alto, cercano del potencial electrico del anodo 44 remoto . La Figura 2 proporciona una distribucion tlpica del potencial del plasma entre la rejilla filtradora y el anodo remoto obtenida mediante modelado de elementos finitos. Sorprendentemente, se encuentra que el presente sistema de recubrimiento produce un arco de plasma confinado que fluye del montaje 18 de la camara del catodo al anodo 44 remoto . La Figura 1D proporciona una ilustracion esquematica que muestra el movimiento de la densidad del plasma entre el anodo 44 remoto y el catodo 28. Un plasma confinado fluye (es decir, un chorro de plasma) entre el anodo remoto y el catodo a traves de la region de recubrimiento. Los extremos del plasma confinado se mueven a lo largo de la direccion d4 como se expone en la Figura 1D. Un punto 66 de arco forma un catodo 28, junto con la zona 68 de erosion. El campo 62 de plasma en anodo 44 remoto y el campo 64 de plasma en el catodo 28 estan confinados dimensionalmente en un espacio de aproximadamente 1 a 5 pulgadas a lo largo de la direccion d4. En un refinamiento, se usan campos magneticos para lograr el movimiento de barrido a lo largo de d4. En otro refinamiento, este movimiento de barrido se logra mediante el movimiento mecanico del catodo 28 a lo largo de la direccion d4. En incluso otros refinamientos, un catodo que bombardea al filamento de emision con electrones se mueve a lo largo de d4. En aun otros refinamientos, como se muestra en la Figura 1E, el catodo incluye una pluralidad de elementos 281-6 del catodo que se activan secuencialmente con el fin de formar un chorro de plasma que se mueve a lo largo de d4. El confinamiento del arco de plasma da como resultado una alta densidad y un chorro de plasma caliente que conecta los puntos del arco catodico en el catodo primario con un area asociada en el anodo remoto que corre a traves de un corredor relativamente estrecho creado entre las paredes de la camara (con catodos primarios, anodos y magnetrones unidos) y el soporte del sustrato. Esto da como resultado una alta densidad de corriente en el chorro de plasma en movimiento que conecta al catodo y al anodo
remoto . En un refinamiento, la densidad de corriente en el plasma RAAMS dentro de este corredor estrecho es de 0,1
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mA/cm hasta 100 A/cm . Tlpicamente, la densidad electronica ne en el fondo del plasma de arco remoto esta en el intervalo de aproximadamente ne~108 cm-3 hasta aproximadamente ne~1010 cm-3 mientras que dentro del area confinada del chorro de plasma de arco, la densidad electronica esta en el intervalo de aproximadamente ne~1010 cm-3 hasta aproximadamente ne~1013 cm-3. El confinamiento que crea el chorro de plasma es el resultado de las relaciones dimensionales flsicas entre los componentes que se exponen a continuacion, as! como la aplicacion de campos magneticos. En particular, la descarga opera a un potencial muy alto de plasma que corresponde a una alta energla de bombardeo de iones (es decir, la energla de bombardeo de iones es la diferencia entre el potencial del plasma (frente a tierra) y el potencial polarizado del sustrato (frente a tierra)). Incluso con sustratos flotantes y conectados a tierra, se obtienen iones con 50-70 eV debido a que el potencial del plasma esta por encima de 50 V. En un refinamiento, el potencial del plasma es de 5V a 500V.
Con referencia a las Figuras 1A y 1B, se proporciona un aspecto del tamano relativo de diferentes componentes del sistema 10 de recubrimiento. El anodo 44 remoto tiene una dimension Da lineal de anodo remoto . La fuente 16 de vapor tiene una dimension Dv lineal de la fuente de vapor. El objetivo catodico Ts tiene una dimension de Dc lineal del objetivo catodico. Un soporte 20 de sustrato tiene una dimension Dh lineal del soporte. En un refinamiento, la dimension Da lineal del anodo remoto , la dimension Dv lineal de la fuente de vapor, la dimension Dc lineal del objetivo catodico y la dimension Dh lineal del soporte son paralelas entre si. En otro refinamiento, la dimension Da lineal del anodo remoto es mayor que o igual a la dimension Dv lineal de la fuente de vapor que es mayor que o igual a la dimension Dc lineal del objetivo catodico que es mayor que o igual a la dimension Dh lineal del soporte.
En una variacion de la presente realizacion, varios anodos remoto s estan asociados con (es decir, acoplados electricamente a) al menos un catodo de arco posicionado en el montaje 18 de la camara catodica blindada. Los anodos remoto s estan ubicados en posiciones estrategicas dentro de la camara de recubrimiento.
En otra variacion, las distancias perpendiculares entre cada una de las fuentes de vapor (por ejemplo, fuente 16 de vapor) y los sustratos 22 que van a ser recubiertos son sustancialmente iguales. Ademas, en un refinamiento adicional, la distancia entre el catodo 28 y el anodo 44 remoto es menor que la distancia a la cual se produce una averla cuando un voltaje aplicado de la fuente 52 de alimentacion secundaria excede 1,2 a 30 veces el voltaje aplicado de la fuente 48 de alimentacion primaria.
En aun otro refinamiento de la presente realizacion, se instalan sondas de plasma entre el catodo 28 y el anodo 44 remoto para medir la densidad del plasma. Tales mediciones proporcionan una retroalimentacion para ajustar la segunda fuente 52 de alimentacion para proporcionar el ajuste de una corriente de anodo remoto al anodo 44 remoto para obtener una distribucion uniforme de la densidad del plasma entre el montaje 18 de la camara del catodo y el anodo 44 remoto .
El modelado de plasma de arco remoto de la presente realizacion se caracteriza por la distribucion del potencial electrico entre el montaje 18 de la camara del catodo y el anodo 44 remoto y por la densidad de plasma en el plasma de descarga del arco remoto . El potencial del plasma en el plasma de descarga del arco remoto y el potencial del anodo se incrementan a medida que se incrementa la corriente de descarga remota. La densidad del plasma en el plasma de descarga del arco remoto aumenta en forma casi proporcional a la corriente de descarga. Este resultado se verifica mediante espectroscopia de emision optica del plasma de descarga del arco remoto . La Figura 3 muestra la intensidad de la radiacion emitida por los atomos de argon excitados (llnea espectral Arl 739,79 nm) del plasma de
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descarga del arco remoto frente a la corriente de descarga. Se puede observar que la intensidad de emision de luz de los atomos de argon excitados por impacto electronico directo es casi proporcional a la corriente de descarga. Este fenomeno se explica por la relacion proporcional directa entre la concentracion de electrones en el plasma de arco remoto y la corriente de descarga del arco remoto . La concentracion de iones en la descarga del arco remoto es casi igual a la concentracion de electrones de tal manera que se mantiene casi neutro el plasma.
Con referencia a las figuras 4A, 4B y 4C, se proporcionan variaciones de la presente realizacion con una cadena de fuentes de pulverizacion catodica por magnetron instaladas en llnea entre un montaje de camara del catodo blindada por un lado y un anodo de arco distante por otro lado. En este contexto, el termino "en llnea" significa que los componentes estan dispuestos linealmente de tal manera que los sustratos pueden pasar por encima de los componentes mientras se mueven en una direction lineal. La figura 4A proporciona un esquema de un sistema de recubrimiento que tiene anodos remoto s adicionales posicionados entre la fuente de pulverizacion catodica con magnetron con montajes adicionales blindados de la camara del catodo anadidos para garantizar la uniformidad y alta ionization del ambiente de plasma gaseoso. El sistema 70 de deposition incluye una camara 72 de vaclo con sistemas asociados de suministro de gas y de vaclo como se expuso anteriormente. El sistema 70 de deposicion tambien incluye fuentes 76 y 78 de vapor, montajes 80 y 82 de camara del catodo, y un soporte 84 de sustrato para sostener a los sustratos 22 que van a ser recubiertos. La Figura 4A ilustra una variation en la cual las fuentes 76, 78 de vapor son fuentes de pulverizacion catodica por magnetron. Los sustratos se posicionan delante de las fuentes de vapor durante el recubrimiento. Tlpicamente, los sustratos 22 se mueven a lo largo de la direccion d1 durante la deposicion del recubrimiento. Los montajes 80 y 82 de la camara del catodo, respectivamente, incluyen recintos 90 y 92 del catodo 92 aberturas 94 y 96 definidas all!, catodos 98 y 100, anodos 102 y 104 primarios opcionales, y blindajes 106, 108. Los blindajes 106, 108, alslan respectivamente los catodos 98, 100 de la camara 72 de vaclo. Los blindajes 106, 108 definen cada uno aberturas para transmitir corriente de emision de electrones en la camara 72 de vaclo. En un refinamiento, los catodos 98, 100 son catodos de arco catodico y los anodos 102, 104 primarios son anodos de arco catodico. El sistema 70 tambien incluye anodos 110, 112, remoto s, respectivamente, electricamente acoplados a los catodos 98, 100. En un refinamiento como se ilustra en la figura 4A, los montajes de camara del catodo blindada, las fuentes de vapor (por ejemplo, los objetivos del magnetron) y los anodos remoto s estan alineados a lo largo de la llnea recta que es adecuada para los sistemas de recubrimiento en llnea.
La Figura 4B proporciona una ilustracion esquematica de un sistema de recubrimiento que incluye resistencias variables instaladas entre un anodo maestro y cada uno de una pluralidad de anodos dependientes. En este refinamiento, el sistema 120 de recubrimiento incluye una camara 122 de vaclo y un montaje 124 de la camara del catodo que es del diseno general expuesto anteriormente. El montaje 124 de la camara del catodo incluye una camara 126 del catodo, un catodo 128, un encendedor 130 del arco, un blindaje 132 que define una pluralidad de aberturas all!, y un anodo 134 primario opcional. El sistema 120 tambien incluye una fuente 136 de alimentation primaria que conecta al catodo 128 y al anodo 134 primario y las fuentes 136, 138, 140 de pulverizacion catodica por magnetron. Cada fuente de pulverizacion catodica por magnetron tiene un Ts objetivo, una fuente de alimentacion PS y un sistema 120 asociado contra electrodos que tambien incluye un anodo 142 remoto con una fuente 144 de alimentacion secundaria que proporciona un potencial de voltaje entre el catodo 128 y el anodo 142 remoto . El sistema 120 tambien incluye anodos 146, 148, 150, 152 dependientes que estan a potenciales de voltaje intermedios establecidos por las resistencias variables R1, R2, R3, y R4. En este refinamiento, la densidad de la distribution de plasma se puede controlar cambiando la corriente a traves de cada uno de los anodos dependientes usando resistencias variables R1, R2, R3, y R4. Las distancias entre los anodos dependientes y la distancia entre el anodo dependiente mas cercano al anodo maestro y el anodo maestro no pueden ser mayores que la distancia minima de la interruption de descarga del plasma en una composition y presion de gas de procesamiento.
La Figura 4C proporciona un refinamiento en el cual se utiliza una resistencia en paralelo con un condensador para ajustar los potenciales de voltaje del anodo intermedio. En este refinamiento, la resistencia R5 en paralelo con C5 ajusta el potencial de voltaje para el anodo 146, la resistencia R6 en paralelo con C6 ajusta el potencial de voltaje para el anodo 148, la resistencia R7 en paralelo con C7 ajusta el potencial de voltaje para el anodo 150 y la resistencia R8 8 en paralelo con C8 ajusta el potencial de voltaje para el anodo 152. En este refinamiento, los condensadores se utilizan para ampliar el proceso RAAMS a lo largo de una gran distancia mediante la ignition del pulso de las descargas de arco remotas entre el catodo en una camara del catodo y cada uno de los anodos dependientes posicionados entre el catodo en una camara del catodo y el anodo maestro. Se aprecia que los anodos dependientes tambien pueden contar con fuentes de alimentacion independientes adicionales; cada una de las fuentes de alimentacion del anodo dependiente puede ser instalada entre el catodo 128 y el anodo dependiente correspondiente. El voltaje de circuito abierto de cada fuente de alimentacion secundaria conectada ya sea al anodo maestro o al anodo dependiente excede al menos 1,2 veces el voltaje de circuito abierto de la fuente 136 de alimentacion de arco primario.
En aun otra variacion de la invention, se proporciona una configuration modular en linea de la configuration RAAMS en la Figura 5. Tal sistema en linea puede incluir cualquier cantidad de estaciones de deposicion y/o de estaciones de tratamiento de superficie (por ejemplo, limpieza de plasma, carburacion de implantation de iones, nitruracion, etc.). En la variacion ilustrada en la figura 5, el sistema 154 de recubrimiento incluye los modulos 156-164 que estan alineados en linea. Los modulos 156-164 estan separados del modulo vecino mediante una valvula 166-176 de compuerta de bloqueo de la valvula. El sistema 154 de ingenieria de superficie modular RAAMS incluye el modulo 156 que es un
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modulo de camara que tiene una camara 178 de arco catodico blindado y un anodo 180 remoto posicionado a lo largo de una pared de la camara como se expuso anteriormente. Un conjunto opcional de bobinas 182, 184 magneticas que crean un campo magnetico longitudinal en el intervalo de 1 a 100 Gs a lo largo de la camara de recubrimiento tambien se muestra en esta figura. Este modulo 156 realiza las siguientes operaciones: carga del sustrato; grabado ionico o limpieza ionica de los sustratos mediante bombardeo ionico de alta energla (tlpicamente E > 200 eV) en una atmosfera de argon con un plasma de descarga de arco de anodo remoto (RAAD) generado entre el catodo en una camara de catodo blindado y un anodo remoto ; y el acondicionamiento de los sustratos que van a ser recubiertos mediante un bombardeo ionico suave (tlpicamente E < 200 eV) en un plasma RAAD de argon generado entre el catodo en una camara de catodo blindado y un anodo remoto . El segundo modulo 158 de nitrura con iones las superficies del sustrato que van a ser recubiertas en plasma RAAD de nitrogeno o mezcla de argon-nitrogeno generado entre el catodo en una camara del catodo blindada y el anodo remoto . La velocidad de inmersion del plasma de nitruracion con iones de acero HSS, M2 y 440C en el proceso de nitruracion con iones de inmersion en plasma RAAD alcanza 0,5 a 1 pm / min a presiones de 0,1 mTorr hasta 200 mTorr y una corriente de anodo remoto en el intervalo de 10 a 300 amperios, pero tlpicamente dentro del intervalo de presion de 0,2 hasta 100 mTorr y un anodo remoto en el intervalo de 10 a 200 amperios. La nitruracion con iones por inmersion en plasma RAAD es un tratamiento a baja temperatura, donde la temperatura del sustrato no excede tlpicamente los 350°C. En este proceso, los sustratos pueden ser flotantes, conectados a tierra o polarizados a con voltajes de polarizacion negativa muy bajos (por ejemplo, por debajo de -100 V). La nitruracion con iones a tales voltajes de baja polarizacion es debida al alto potencial de plasma RAAD positivo provocando que los iones de plasma reciban energla excesiva del alto potencial de plasma que excede al potencial sustrato conectado a tierra. Alternativamente, tambien se puede llevar a cabo una implantacion de iones de baja energla de elementos tales como nitrogeno, fosforo, silicio, carbono del plasma RAAD gaseoso a voltajes de polarizacion del sustrato relativamente bajos tlpicamente en el intervalo de -200 a -1500 voltios. El diagrama de distribucion de potencial en el procesamiento del plasma RAAD se ilustra en la Figura 6. En un proceso tlpico de plasma RAAD, el catodo primario tiene un potencial en el intervalo de -20 a -50 voltios con relacion al anodo primario conectado a tierra. En potencial del sustrato polarizado en los procesos de nitruracion con iones, carburacion y otros procesos de saturacion por difusion de iones es tlpicamente de -10 a -200 V con relacion al catodo primario, mientras que en el proceso de implantacion de iones de baja energla por inmersion en plasma RAAD, la polarizacion del sustrato es tlpicamente de - 200 a -1500 voltios.
Se aprecia que el diseno de la camara modular de la Figura 5 tambien se puede utilizar para realizar el proceso CVD asistido por plasma de arco de anodo remoto (RAACVD) en camaras de plasma RAAD gaseoso (por ejemplo, modulos 156, 158 y 164 en la Figura 5). Por ejemplo, esta configuracion del proceso CVD de inmersion en plasma a baja presion puede ser utilizado para la deposicion de recubrimientos de diamante policristalinos en la atmosfera de gas que crea el plasma que consiste de 0,1-1% de metano y e hidrogeno en equilibrio o mezcla de hidrogeno-argon. El plasma RAAD actua como un poderoso activador de la atmosfera reactiva con alta densidad de hidrogeno atomico y radicales HC que contribuyen a la formacion del recubrimiento del diamante policristalino. En este proceso, el sustrato que va a ser recubierto puede estar o bien conectado a tierra, flotando o polarizado a un potencial negativo no inferior a -100 voltios frente al catodo primario. El arreglo del calentador de radiacion independientes puede ser usado para mantener la temperatura del sustrato en el intervalo de 200°C a 1000°C segun sea necesario para la deposicion del recubrimiento de diamante policristalino en los proceso CVD a baja presion mejorados por plasma.
En otra realizacion, se proporciona un sistema de recubrimiento que tiene fuentes de plasma alineadas a lo largo de paredes curvillneas. La Figura 7A proporciona una vista superior esquematica de un sistema de recubrimiento por lotes con una camara de catodo blindado localizado en el centro. La Figura 7B proporciona una vista en perspectiva esquematica del sistema de recubrimiento por lotes de la Figura 7A. El sistema 190 de recubrimiento incluye una camara 192 de vaclo, una camara 194 del catodo que incluye el catodo 196 y el blindaje 198. La camara 192 de vaclo tiene una seccion transversal sustancialmente circular. El sistema 190 tambien incluye una fuente 170 de alimentacion primaria, que fija el potencial de voltaje entre el catodo 196 y el anodo 202 primario. El sistema 190 tambien incluye fuentes 204-210 de pulverizacion catodica por magnetron cada una de los cuales incluye Ts objetivo, fuente de alimentacion Ps, y el anodo As. En un refinamiento, las fuentes de 2014-210 de pulverizacion catodica por magnetron estan dispuestas a lo largo de un clrculo que tiene el mismo centro que la seccion transversal de camara 192 de vaclo. El sistema 190 tambien incluye anodos 212 y 214 remoto s que estan fijados a un potencial de voltaje con respecto al catodo 194 por medio de las fuentes 216 y 218 de alimentacion. En esta realizacion, los sustratos 22 se mueven axialmente a lo largo de una direccion circular d2 a medida que son recubiertos. En cada una de las variaciones de las Figuras 7A y 7B, el plasma fluye entre el catodo 196 y los anodos remoto s. Esta corriente esta confinada por la separacion entre el anodo remoto (o fuentes de pulverizacion catodica) y los sustratos (es decir, la parte superior de los sustratos), que es tlpicamente de 2 a 20 pulgadas. El confinamiento persiste a traves de la zona de recubrimiento. Ademas, el plasma es barrido a lo largo del catodo en una direccion perpendicular al movimiento de los sustratos como se expuso anteriormente con respecto a la Figura 1D.
Como se expuso anteriormente, los anodos 212 y 214 remoto s tienen una dimension Da lineal de anodo remoto . Las fuentes 2014-210 de pulverizacion catodica por magnetron tienen dimensiones Ds lineales de fuente. El objetivo catodico 196 tiene una dimension Dc lineal del objetivo catodico. El soporte 20 del sustrato tiene una dimension Dh lineal del soporte. En un refinamiento, la dimension Da lineal del anodo remoto , la dimension Dc lineal del objetivo catodico, y la dimension Dh lineal del soporte son paralelas entre si. En otro refinamiento, la dimension Da lineal del anodo remoto
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Se aprecia que se puede aplicar un campo magnetico externo en una camara de recubrimiento para las realizaciones expuestas anteriormente para mejorar aun mas la densidad del plasma durante los procesos de deposicion de recubrimiento de pulverizacion catodica por magnetron mejorados por plasma de arco. El campo magnetico preferido tendra llneas de campo magnetico alineadas generalmente en forma paralela con la camara de arco catodico y/o el anodo remoto . Esto contribuira al aumento del voltaje de descarga de arco y, en consecuencia, a la energla de los electrones y a la longitud de propagacion del plasma de arco a lo largo de la camara de recubrimiento. Por ejemplo, el campo magnetico externo puede ser aplicado a lo largo de las camaras de recubrimiento en el sistema de recubrimiento en llnea mostrado en la Figura 5.
Una distribucion uniforme de la densidad de plasma en las camaras de recubrimiento expuesta anteriormente puede ser lograda mediante una distribucion apropiada tanto de los anodos remoto s como de la fuente de emision de electrones de los objetivos catodicos de arco de vaclo blindados para cubrir uniformemente el area de deposicion de recubrimiento. Por ejemplo, si el area de deposito del recubrimiento es de 1 m de altura entonces tanto las superficies de emision de electrones del objetivo catodico blindado como las superficies anodicas remotas que recogen la corriente de electrones tienen que ser distribuidas para cubrir uniforme esta area de deposicion de recubrimiento de 1 m de altura. Para lograr estos requerimientos, se pueden instalar varios objetivos catodicos pequenos en una camara de catodo blindado, cada uno de los objetivos catodicos esta conectado al polo negativo de la fuente de alimentacion independiente. Los objetivos catodicos estan distribuidos generalmente de manera uniforme para que los flujos de electrones emitidos por cada uno de los objetivos catodico se superpongan fuera de la camara del catodo blindada proporcionando una distribucion generalmente uniforme de densidad de electrones sobre el area de deposicion de recubrimiento. Los polos positivos de las fuentes de alimentacion de arco remoto pueden estar conectados a una placa anodica grande que tiene generalmente la misma altura que la altura del area de deposicion de recubrimiento y enfrenta al soporte del sustrato con los sustratos que van a ser recubiertos como se muestra en las Figuras 1 y 4-6. El conjunto de placas anodicas, cada una conectado al polo positivo de las fuentes de alimentacion de arco remoto , pueden ser usadas para proporcionar una distribucion uniforme de la densidad de electrones sobre el area de deposicion de recubrimiento. En forma similar, en vez de utilizar un conjunto de objetivos catodicos pequenos en una camara del catodo blindada, se puede utilizar un objetivo catodico grande unico que tiene una dimension lineal similar a la dimension lineal del area de deposicion de recubrimiento como catodo de descarga del arco remoto . En este caso, se barren los puntos de emision de electrones (es decir, los puntos de arco catodico) sobre el objetivo catodico para proporcionar una distribucion generalmente uniforme de una corriente de emision de electrones sobre el area de deposicion de recubrimiento. El barrido de los puntos de arco catodico sobre un area objetivo catodica grande puede ser logrado, por ejemplo, por direccionamiento magnetico de los puntos del arco catodico sobre el area de evaporation por arco del objetivo catodico o por movimiento mecanico.
Con referencia a las Figuras 8A-8H, se proporcionan ilustraciones esquematicas que ilustran un refinamiento de los sistemas de recubrimiento de las Figuras 7A y 7B que utiliza un punto de arco catodico por direccionamiento magnetico. La presente variation incorpora caracterlsticas de la patente de los Estados Unidos No. 6,350,356, cuya description completa se incorpora aqul por referencia. Con referencia a la Figura 8A, el sistema 190' incluye una bobina 270 magnetica de conducto que rodea al conducto 272 de plasma que se forma dentro de la camara 194 del catodo entre los lados opuestos de la carcasa 274. La bobina 270 incluye un devanado 270a que da frente al lado 196a del objetivo catodico 196 y un devanado 270b opuesto que da frente al lado 196b del objetivo catodico 196. El objetivo catodico 196 tiene generalmente forma de barra con una dimension larga dA larga. La bobina 270 de conducto genera un campo magnetico a lo largo del conducto 272 con llneas de fuerza magnetica generalmente paralelas a los lados 196a y 196b del objetivo catodico 196. Cuando los punto 278 del arco catodico se encienden sobre las superficies 196a y 196b de evaporacion, el punto 278 del arco se mueve a lo largo de un costado largo del catodo 196 de barra. En el extremo de la barra, el punto 278 de arco cambia de lado y continua su movimiento en direction opuesta al lado opuesto de la barra. Las placas ceramicas de aislamiento (no mostradas) unidas a los lados de la barra del catodo perpendicular a las llneas de fuerza magnetica evitan que los punto del arco de escapen de la superficie de evaporacion del catodo 196. Se instalan opcionalmente blindajes 198 en los extremos del conducto 272 del plasma que da frente al area de recubrimiento en la camara 192 de recubrimiento. En un refinamiento, pueden moverse los blindajes 198 para permitir la apertura y cierre del conducto 272 de plasma dependiendo de la etapa del proceso de recubrimiento. Cuando se cierran los blindajes 198 se puede realizar el proceso RAAMS con una mejor ionization del ambiente de pulverizacion catodica por magnetron por el plasma RAAD. Cuando se abren los extremos del conducto 272, el plasma de arco catodico fluye a lo largo de las llneas de fuerza magneticas generadas por la bobina 270 del conducto hacia los sustratos 22 que van a ser recubiertos lo que resulta en la deposicion de recubrimientos de arco catodico del plasma de vapor metalico del arco catodico que es magneticamente filtrado de los atomos metalicos y macropartlculas indeseables. La deposicion del recubrimiento por arco catodico filtrado puede llevarse ser realizada como una sola fase de proceso o junto con pulverizacion catodica por magnetron mediante las fuentes 204-210 de pulverizacion catodica por magnetron. La ionizacion y activation del ambiente del plasma por la descarga de arco remota establecidos entre el catodo 196 en la camara 194 del catodo y los anodos 210, 214 remoto s mejora la densidad, fluidez y otras propiedades flsico-qulmica y funcionales de los recubrimientos.
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Con referenda a las Figuras 8B y 8C, se proporcionan ilustraciones esquematicas que ilustran el mecanismo de direccionamiento magnetico de los puntos de arco catodico alrededor de un catodo alargado con forma de barra rectangular. El catodo 196 con forma de barra rectangular se ubica entre dos porciones de devanados 270 de la bobina del conducto. El devanado 270a izquierdo y el devanado 270b derecho da un frente a los lados de evaporacion del catodo 196. El lado 196a lado del catodo enfrenta al lado 270a del devanado de la bobina conducto mientras que el lado 196b del catodo enfrenta al lado 270b del devanado la bobina conducto. El campo magnetico B generado por los devanados 270 de la bobina del conducto es paralelo a los lados del catodo 196 que enfrenta al devanado de la bobina del conducto y al mismo tiempo es perpendicular al eje dA del catodo 196 alargado (es decir, los lados largos del objetivo catodico 196 ). Cuando el punto 278 de arco catodico se enciende en un lado del catodo 196 que da frente al arco del devanado de la bobina del conducto, se genera una corriente larco perpendicular a la superficie del objetivo catodico 196 y, por lo tanto, perpendicular a las llneas de fuerza magnetica B generado por la bobina 270 del conducto. En este caso, el punto del arco del catodo se mueve a lo largo del lado largo del catodo con una velocidad promedio Varco, que es proporcional a la fuerza de Ampere definida por un producto de la corriente de arco larco y el campo magnetico B, de acuerdo con la ley de Ampere bien conocida:
Varco = (-/+)c*Iarco*B, (1)
En donde c es un coeficiente que esta definido por el material del catodo. La direccion de movimiento del punto del arco (el signo en el parentesis en las formulas anteriores) esta tambien determina por el material de objetivo catodico ya que el campo magnetico generado por la bobina 270 del conducto es paralelo a los cuatro lados del objetivo del catodico (es decir, a lo largo en la misma direccion alrededor de los lados de evaporacion del objetivo catodico 196). Por ejemplo, cuando se crea el punto 278a del arco del catodo sobre el lado 196a del catodo que da frente al devanado 270a de la bobina del conducto, el punto del arco se mueve hacia abajo del objetivo catodico 196 a lo largo del lado 196a largo. En el extremo de la barra del catodo, los puntos del arco giran hacia el lado 196d corto seguido girando por el giro hacia el lado 196b largo y luego continuando a lo largo del lado 196b largo, etc.
La Figura 8C ilustra los puntos del arco que se mueven a lo largo de los lados 196a, 196b, 196C y 196D de evaporacion del objetivo catodico 196, que son paralelos a las llneas 280 de fuerza magnetica generadas por la bobina 270 del conducto. La bobina del conducto se energiza por la fuente 282 de alimentacion de la bobina del conducto mientras que la fuente 284 de alimentacion del arco se conectada al objetivo catodico 196. La bobina del conducto incluye las bobinas 270a y 270b conectadas por un circuito electrico que incluye los conductores de corriente 286, 288, 290 y 290. Los lados del objetivo catodico 196 perpendiculares a las llneas de fuerza magnetica estan cubiertos por las placas 294 de aislamiento que evitan que los puntos del arco se escapen de la superficie de evaporacion del objetivo catodico 196. El plasma de arco catodico, esta atrapado por la fuerza 280 magnetica generada por las bobinas 270a y 270b del conducto que evitan la difusion del plasma a traves de llneas 280 de fuerza magnetica, mientras que el plasma puede moverse libremente a lo largo de las llneas 280 de fuerza magnetica.
La Figura 8D proporciona detalles adicionales relacionados con el direccionamiento de los puntos catodicos por la bobina del conducto. El campo magnetico generado por la bobina 270 del conducto dirige los puntos del arco catodico a lo largo de los lados de la barra 196 del objetivo catodico paralela a las llneas de fuerza del campo magnetico como se expuso anteriormente. La direccion del movimiento de los puntos del arco catodico se muestra mediante las flechas Ad. Los extremos del conducto 272 de plasma estan abiertos lo que permite que el plasma de vapor de metal catodico fluya a lo largo de las llneas de fuerza magnetica hacia los sustratos 22 instalados sobre el soporte 20 del sustrato en la camara de recubrimiento. Las partlculas neutras y las macropartlculas estan atrapadas dentro de la camara del catodo sobre las paredes interiores del conducto 272 haciendo que cerca del 100% del plasma de vapor de metal ionizado entre en el area de recubrimiento fuera del conducto 272 del plasma. Este diseno de la camara del catodo es esencialmente aquel de una fuente de plasma de vapor de metal de arco catodico filtrado capaz de deshacerse de las macropartlculas y partlculas neutras en el plasma de vapor de metal saliente y hace que cerca del 100% limpie automaticamente el vapor del metal ionizado para deposicion de los recubrimientos avanzados. El plasma RAAd establecido entre el catodo 196 y los anodos 212, 214 remoto s mejora la ionizacion y activacion del entorno del plasma en los procesos de deposicion de recubrimiento RAAMS, lo que resulta en mejores propiedades de recubrimiento. En este diseno, los procesos de deposicion de recubrimiento hlbridos pueden ser realizados como una deposicion unica de recubrimiento por magnetron o arco catodico o como un proceso hlbrido que combina plasma de vapor de metal por arco catodico con flujo de pulverizacion catodica de metal por magnetron inmerso en un ambiente de plasma de arco remoto altamente ionizado.
Aun con referencia a la Figura 8D, el problema del mejoramiento del plasma de arco del proceso de deposicion del recubrimiento de pulverizacion catodica por magnetron de un area grande y el proceso hlbrido es manejado mediante el posicionamiento de al menos un anodo de arco remoto fuera de las llneas de vision con la barra 196 del objetivo catodico. En esta variacion, al menos un sustrato 22 sostenido por el soporte 20' del sustrato y las fuentes 204-210 de pulverizacion catodica por magnetron estan posicionados en una region de la camara de recubrimiento fuera del conducto 272 del plasma. El presente proceso RAAMS efectivamente sumerge el flujo de pulverizacion catodica de metal generado por las fuentes convencionales del magnetron en el plasma gaseoso de descarda de arco de anodo remoto (RAAD) denso y altamente ionizado. La fuente de alimentacion del arco remoto (no mostrada) que energiza al plasma RAAD esta instalada entre el objetivo 196 catodico del arco y al menos un anodo 212 remoto . Los anodos 212,
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214 remoto s proporcionan al menos un voltaje de circuito abierto 20% superior que la fuente de alimentacion que energiza la descarga de arco primario en una camara del catodo que se enciende entre el catodo 196 del arco y el anodo proximo. El anodo proximo puede estar en las pared interiores de los recintos 296a, 296b del conducto del plasma u, opcionalmente, un electrodo independiente del anodo dentro del conducto 272 del plasma. En otro refinamiento, se pueden utilizar varios anodos remoto s adicionales, cada uno de los cuales esta asociados con al menos un catodo de arco posicionado dentro del conducto 272 del plasma. Los anodos remoto s se posicionan en sitios estrategicos dentro de la camara de recubrimiento entre las abertura terminales del conducto 272 del plasma fuera de la llnea de vision del catodo 196. La distancia minima entre las aberturas terminales del conducto 272 del plasma y los anodos 212, 214 remoto s debe ser menor que la distancia de ruptura de la descarga del plasma cuando el voltaje aplicado entre el catodo y el anodo remoto excede 1,2 a 10 veces la calda de voltaje entre el catodo y el anodo primario (proximo), que puede estar o bien electricamente conectado a tierra o aislado.
Se proporciona una Figura 8E que ilustra una variacion del sistema de recubrimiento de la Figura 8A-8D que utiliza un filtro de macropartlculas. El diseno de esta variacion incorpora el filtro avanzado de macropartlculas de la Patente de los Estados Unidos No. 7,498,587 y la solicitud de patente de la Union Europea No. EP 1 852 891 A2, cuyas divulgaciones completas se incorporan aqul por referencia. El sistema 190' incluye bobinas 300a y 300b de compensation posicionadas de forma adyacente a los lados opuestos del objetivo 196 catodico y dando frente a los lados opuestos del conducto 272 del plasma cuentan con surcos u, opcionalmente con deflectores para atrapar macropartlculas. La bobina 272 del conducto que rodea al conducto 272 con la portion 270a del bobinado que es paralela al lado largo del objetivo 196a catodico mientras da frente al lado 296a del conducto. En forma similar, la porcion 270b del devanado es paralela al lado largo del objetivo 196b catodico y enfrenta al lado 296b del conducto. Las bobinas 300a, 300b de compensacion incluyen los nucleos 302 magneticos, que estan rodeados por las bobinas 304 electromagneticas. Los puntos de arco catodico se mueven a lo largo de los lados 196a y 196b de evaporation del objetivo 196 catodico bajo la influencia de la fuerza de Ampere de acuerdo con la expresion (1) expuesta anteriormente. Los lados del objetivo 196 catodico perpendiculares al plano de simetrla del conducto 272 estan cubiertos por placas 294a y 294b de aislamiento ceramico para evitar que los puntos del arco se escape de la superficie de evaporacion del objetivo 196 catodico. La direction del campo magnetico generado por las bobinas 300a, 300b de compensacion coincide con la direccion del campo magnetico generado por la bobina 270 del conducto. Sin embargo, en la vecindad de las superficies de evaporacion del objetivo 196a o 196b catodico, las llneas de fuerza magnetica generadas por las bobinas 300a, 300b compensacion tienen forma de arco permitiendo as! el confinamiento de los puntos del arco catodico dentro del area de evaporacion del objetivo catodico segun se requiere por la regla bien conocida del angulo agudo (vease, por ejemplo, RL Boxman, DM Sanders, y PJ Martin, Handbook of Vacuum Arch Science and Technology. Park Ridge, N.J.: Noyes Publications, 1995 paginas 423-444).
Las Figuras 8F, 8G y 8H proporcionan esquemas que ilustran el mecanismo de confinamiento del arco por el campo magnetico generado por las bobinas 300a, 300b de compensacion. Los puntos 278 del arco catodico estan localizados bajo un punto superior de las llneas de fuerza magnetica con forma de arco segun se requiere por la regla del angulo agudo del confinamiento del punto del arco. El campo magnetico con la configuration en forma de arco encima de la superficie de evaporacion del objetivo 196 catodico se genera entre el Polo Sur de la bobina 300a de compensacion y el Polo Norte de la bobina 300b de compensacion a ambos lados del objetivo 196 catodico que enfrenta al conducto 272. La configuracion del campo magnetico dentro del conducto 272 del plasma se evalua usando calculo numerico. El campo magnetico con el conducto 272 del plasma, cuando tanto la bobina 270 del conducto como las bobinas 300 de compensacion estan encendidas, genera un campo magnetico en la misma direccion que se muestra en la Figura 8G. Esta figura demuestra que las llneas de campo magnetico estan dirigidas en la misma direccion mientras que aun tengan una configuracion en forma de arco en las vecindad de la superficie de evaporacion del objetivo 196 catodico. De este modo, el plasma de arco catodico filtrado magneticamente a partir de los atomos metalicos neutros y macropartlculas fluye a lo largo de las llneas de fuerza magnetica fuera del conducto 272 del plasma hacia los sustratos que van a ser recubiertos (no mostrados) en el area de recubrimiento de la camara de recubrimiento fuera del conducto 272 del plasma. En este modo de deposition de arco catodico filtrado, se deposita cerca del 100% del plasma de vapor de metal ionizado con pocos, si a caso, atomos metalicos neutros o macropartlculas sobre los sustratos creando as! recubrimientos libres de defectos con propiedades superiores. Los recubrimientos de pulverization catodica por magnetron tambien pueden ser depositados durante este modo de operation por los magnetrones posicionados en las paredes exteriores del conducto 272 del plasma. La ionization adicional y la activation del ambiente del plasma de la deposicion del recubrimiento durante este modo de operacion es proporcionada por la descarga de arco remoto establecida entre el catodo 196 y los anodos 212, 214 remoto s posicionados cerca de los magnetrones sobre la pared exterior del conducto 272 del plasma o, alternativamente, sobre la pared interior de la camara de recubrimiento opuesta a las fuentes del magnetron (no mostradas). Con referencia a la Figura 8H, se muestran las llneas de fuerza del campo magnetico que cambian las direcciones dentro del conducto del plasma cuando la bobina 270 del conducto se apaga. Sin embargo, cuando se prenden ambas bobinas 300a, 300b de compensacion, se genera un campo magnetico en forma de arco por encima de la superficie de evaporacion del objetivo 196 catodico. Dependiendo del modo de operacion, el campo magnetico deflectante generado por la bobina 270 de deflexion puede ser prendido o apagado. Cuando el campo magnetico de la bobina 270 del conducto de deflexion se prende, el plasma de vapor metalico generado por el objetivo 196 catodico es transportado bidireccionalmente a traves del conducto 272 del plasma hacia los sustratos 20. Cuando la bobina 270 del conducto del deflexion es apagada, el plasma de vapor metalico generado por el objetivo 196 catodico no se transporta hacia los sustratos 20, aunque los puntos del arco del catodo continuan su
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movimiento alrededor de la barra 196 objetivo mediante el direccionamiento del campo magnetico generado por las bobinas 300a, 300b de compensacion. En esta variacion, la bobina del conducto funciona como un disparador magnetico que elimina la necesidad de un disparador mecanico o blindaje como se muestra en la Figura 7A. Cuando el disparador magnetico esta prendido, se transporta el vapor metalico a traves del conducto del plasma hacia los sustratos 20 en la camara de procesamiento. Cuando el disparador magnetico esta apagado, se cierra el disparador magnetico y el vapor metalico no alcanza los sustratos 20. La Figura 7H muestra que la distribucion del campo magnetico en el conducto 272 del plasma es cero cuando la corriente de la bobina del conducto se fija en cero y la corriente de las bobinas e compensacion se fija en 0,1 amperios y la corriente de la bobina del conducto es cero. Se puede observar que cuando el campo magnetico de la bobina 270 del conducto es cero, no existe campo magnetico para transportar el plasma del vapor metalico fuera del conducto 272 del plasma, aunque las bobinas 300a, 300b de compensacion de compensacion aun generan un campo magnetico con una geometrla en forma de arco que es suficiente tanto para el confinamiento de los puntos 278 del arco entro del area de evaporation del objetivo 196 (configuration del arco magnetico en la superficie objetivo de evaporacion) como para el direccionamiento del movimiento del punto del arco alrededor de la barra 196 del catodo. En este ultimo modo de operation, cuando el plasma de vapor metalico de arco catodico esta atrapado dentro del conducto del plasma, los electrones aun fluyen fuera del conducto del plasma hacia los anodos remoto s posicionados fuera del conducto 272 del plasma en la camara de recubrimiento. La descarga del arco remoto resultante se establece entre el catodo 196 en el conducto 272 del plasma y los anodos remoto s (no mostrados) que pueden ser posicionados en la pared exterior del conducto 272 del plasma o en la pared de la camara de recubrimiento en una position opuesta a las fuentes del magnetron (no mostradas). El plasma RAAD mejora la ionization y activation del ambiente de procesamiento de la deposito de recubrimiento en la camara de recubrimiento, ando como resultado la deposicion de recubrimientos avanzados con propiedades superiores.
Cuando el disparador magnetico se cierra, el objetivo 196 catodico aun genera una corriente grande de electrones que puede ser extralda hacia los anodos remoto s para establecer un plasma de descarga asistido por un arco remoto en la camara de procesamiento. El plasma RAAD se caracteriza por alta densidad, en el intervalo de 1010-1013 cm-3, una temperatura alta de electrones en el intervalo de 3 a 20 eV, y un potencial de plasma alto que generalmente se parece al potencial del anodo remoto . Un estudio experimental confirma que el disparador magnetico puede sellar el conducto 272 del plasma impidiendo as! que el plasma de vapor metalico alcance los sustratos 20 cuando se cierra el disparador magnetico. La barra 196 del objetivo catodico usada en estos experimentos era de acero inoxidable. Las obleas de silicio que se utilizan como sustratos 20 estan instaladas sobre los ejes de soporte del sustrato de la tabla redonda que gira a 5 RPM durante 2 horas del proceso de deposition de recubrimiento. La corriente de las bobinas 300 de compensacion se fija en 0,2 A, mientras que la corriente de la bobina 270 del conducto se fija en cero. La presion de argon es de 1,5 mTorr mientras que la corriente del arco primario es de 140 amperios. Despues de una exposition durante dos horas, se descargan los sustratos y se mide el espesor del recubrimiento por medio de interferometrla optica utilizando un perfilador optico Veeco NT3300. Los resultados se presentan en la Tabla 1 a continuation.
Tabla 1.
- Medicion
- Espesor del chip de Si (nm) Espeso de la oblea de Si (nm)
- 1
- 11 15
- 2
- 12 8.5
- Promedio
- 11.5 11.75
- Promedio combinado
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De los resultados presentados en la Tabla 1, se deduce que la velocidad de deposicion sobre un soporte de sustrato de rotation no sea superior a 6 nm/h cuando el disparador magnetico esta cerrado. El espesor promedio del recubrimiento producido en un proceso de deposicion de recubrimiento, ya sea por fuentes de deposicion de arco catodico filtrado o de pulverization catodica por magnetron, por lo general es superior a 1 pm/h. En este caso, la fuga del vapor de metal no aumenta los elementos dopantes en un recubrimiento sobre el nivel habitual de impureza de los objetivos catodicos utilizados en procesos industriales de deposicion de recubrimiento.
Los siguientes procesos pueden llevarse a cabo en una camara mecanica de superficie asistida por arco remoto (RAASE):
1. limpieza / grabado con iones en plasma RAAD denso (el disparador magnetico se cierra);
2. nitruracion ionica a baja temperatura u oxi-nitruracion, carburacion de plasma. La temperatura de los sustratos durante este proceso puede ser tan baja como 150 °C. La velocidad de nitruracion ionica de acero M2 en plasma de nitrogeno RAAd esta tlpicamente en el intervalo de 0,1 a 0,5 pm/min (el disparador magnetico se cierra);
2. implantation ionica de baja energla (el sustrato se polariza por debajo de 2 kV) (el disparador magnetico se cierra);
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3. deposicion de recubrimientos de arco filtrado (disparador magnetico se abre);
4. deposicion del recubrimiento de pulverizacion catodica por magnetron mediante el proceso de pulverizacion catodica por magnetron asistida por arco remoto (RAAMS) (el disparador magnetico se cierra); y
5. deposicion de los recubrimientos de pulverizacion catodica por magnetron modulada por los recubrimientos de arco filtrado (el disparador magnetico se apaga/se enciende para el ciclo de trabajo para lograr el perlodo de modulacion requerido de recubrimiento).
Con referencia a la figura 9A-E, se proporcionan esquemas de un sistema bidireccional por magnetron de arco filtrado hlbrido de pulverizacion catodica por magnetron asistida por arco filtrado ("FAAMS") que tiene fuentes de magnetron adicionales. En esta variacion, se posicionan fuentes 310 - 316 adicionales de pulverizacion catodica por magnetron adyacentes a la camara 194 del catodo de arco acoplada magneticamente con la fuente 196 de arco filtrado y que tiene los objetivos de magnetron que forman un angulo abierto en el intervalo de 10 grados a 80 grados. Este angulo de apertura Ao ayuda a enfocar el flujo de pulverizacion catodica por magnetron hacia los sustratos. En este proceso de deposicion del recubrimiento hlbrido de pulverizacion catodica por magnetron asistido por arco filtrado, el plasma de metal de arco filtrado fluye a lo largo de las llneas de campo magnetico del campo magnetico de transporte creadas por la bobina 270 del conducto. Por otra parte, las llneas de campo magnetico divergen a la salida del conducto 272 del plasma. Esto da lugar a iones metalicos del catodo de arco filtrado que pasan por el area objetivo de pulverizacion catodica por magnetron cerca a la superficie objetivo y cruzan un area de descarga por magnetron con una topologla de campo magnetico de bucle de cierre grande. Una parte sustancial de estos iones metalicos son atrapados en el campo magnetico del magnetron y contribuyen a la pulverizacion catodica del objetivo del magnetron, que puede ocurrir incluso sin gas de pulverizacion catodica (argon u otro gas noble) y dentro de un rango de presion ampliado de 10-6 a 10-2 torr. Otra porcion de los iones metalicos generados por los catodos de arco filtrado continuan hacia los sustratos 22 donde se mezclan con el flujo de pulverizacion catodica por magnetron de enfoque, proporcionando una fraccion de metal ionizado del proceso de deposicion del recubrimiento de pulverizacion catodica por magnetron. Es bien sabido que el incremento de la velocidad de ionizacion del vapor metalico mejora la adherencia del recubrimiento, la densidad y otras propiedades mecanicas, y la fluidez.
La Figura 9B proporciona caracterlsticas adicionales de la fuente bidireccional del magnetron de arco filtrado hlbrido FAAMS. Bobinas 320 magneticas de enfoque adicional opcionales se posicionan en forma opuesta a la abertura de salida del conducto del plasma que proporciona una mejora adicional de la densidad del plasma y controla la mezcla del flujo de pulverizacion catodica por magnetron con el enfoque del flujo de plasma de metal de arco filtrado hacia los sustratos que van a ser recubiertos en una camara de recubrimiento (no mostrada). Ademas, las bobinas 324 opcionales de enfoque se posicionan alrededor de los objetivos 310 - 316 magnetron en la porcion de salida del conducto 272 del plasma. Las bobinas 324 de enfoque mejoran la concentracion de la densidad del plasma cerca de los objetivos del magnetron. La direccion de las llneas de fuerza magnetica generadas por estas bobinas en los lados adyacentes a la bobina del conducto tienen la misma direccion que el campo magnetico de transporte generado por la bobina del conducto. La Figura 9C proporciona una ilustracion esquematica de un refinamiento del sistema de la Figura 9B. En este refinamiento, se posicionan pares de bobinas 328 de enfoque magnetico en la porcion de salida del conducto del plasma que rodea al conducto de plasma a ambos lados de las fuentes del magnetron. La Figura 9D proporciona una seccion transversal superior de los sistemas de recubrimiento de las Figuras 9A-C, en los cuales se describen el plasma de arco remoto (F1), los flujos de pulverizacion por magnetron (F2), y la corriente de plasma de arco filtrado (F3). La direccion del campo magnetico generado por esta bobina de enfoque coincide con la direccion del campo magnetico de transporte generado por la bobina del conducto. La figura 9E proporciona aun otra variacion de un sistema de recubrimiento. La Figura 9E ilustra una seccion de la camara 192 de recubrimiento esquematizada con la placa 22 giratoria que soporta al sustrato en rotacion con los sustratos 20 que van a ser recubiertos. La camara 194 del catodo esta posicionada en forma opuesta a los sustratos 20 que van a ser recubiertos en la camara 192 de recubrimiento. La descarga primaria de arco en una camara 194 del catodo es encendida por el percutor 440 en el objetivo 196 del catodico, que se encuentra dentro de la carcasa 274. La carcasa 274 tiene un blindaje 198 con aberturas que no son transparentes para las partlculas pesadas tales como iones, atomos y macropartlculas emitidas desde la superficie del objetivo 196 catodico, pero permite que los electrones fluyan libremente hacia los anodos remoto s en la camara 192 de recubrimiento. Los objetivos 310, 312 del magnetron estan posicionados en forma estan adyacente al blindaje 198 de la camara del catodo de modo que el flujo de pulverizacion catodica emitido desde los objetivos del magnetron se acople con el plasma altamente ionizado en frente del blindaje 198 y se enfoca hacia los sustratos 20 en la camara 192 de recubrimiento. En esta disposicion, la porcion catodica del plasma de arco remoto que se genera en frente del blindaje 198 del catodo se acopla con el flujo de pulverizacion catodica por magnetron que resulta en un incremento sustancial de la ionizacion y activacion del plasma gaseoso del metal generado por los objetivos 310, 312 del magnetron que contribuye a mejorar adicionalmente la adherencia, la densidad, la fluidez, la reduccion de los defectos y la mejora de sus propiedades funcionales para diferentes aplicaciones.
El sistema de ingenierla de superficie de FAAMS puede operar de los siguientes modos:
1. Limpieza ionica mediante inmersion en plasma de RAAD, nitruracion ionica, implantacion ionica a baja energla. En este modo que esta operando la fuente de arco catodico ambas bobinas de compensacion estan encendidas pero la
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bobina de conducto de transporte de plasma esta apagada. Apagando la bobina de conducto se previene efectivamente que el plasma de metal generado por el catodo se posicione en un centro del conducto de plasma para salir del conducto de plasma hacia sustratos que van a revestirse en una camara de recubrimiento, pero el plasma de RADD denso gaseoso y altamente ionizado llena toda la camara de procesamiento que incluye el interior del conducto de plasma y el area en una camara donde los sustratos que van a revestirse se posicionan sobre el soporte del sustrato. Este plasma gaseoso denso proporciona un ambiente altamente ionizado para limpieza ionica por inmersion en plasma, nitruracion ionica (as! como carburacion ionica, oxi-carburacion, boronizacion y otros procesos de saturacion ionica) e implantacion ionica de baja energla. Tambien puede usarse para procesos de CVD asistidos por arco remoto (RAACVD), incluyendo el recubrimiento por deposicion de un carbono similar a diamante (DLC por diamond-like carbon) cuando en una camara de recubrimiento se crea la atmosfera gaseosa que contenla hidrocarburo. De este modo puede llevarse a cabo el proceso de CVD asistido por plasma de arco remoto . Ademas, es posible depositar recubrimientos de diamante policristalino cuando los sustratos se calientan a una temperatura de deposicion desde 500 hasta 1000 °C (dependiendo del tipo de sustrato). En un proceso asl, la presion de gas normalmente esta en un intervalo desde 1 a 200 mTorr, la atmosfera gaseosa incluye normalmente 0.1-2% de metano en hidrogeno a un caudal que esta en un rango desde 50 hasta 200 sccm dependiendo de la capacidad del sistema de bombeo donde el balance es argon. La bobina del conducto opera como un obturador magnetico que cierra efectivamente el camino hacia fuera del plasma metalico generado por el catodo en un conducto de plasma mientras que abre el camino para el plasma gaseoso generado por RAAD.
2. Cuando la bobina del conducto esta apagada (el obturador magnetico esta cerrado) y el plasma de RAAD se crea dentro de la camara de recubrimiento entre el catodo en el conducto de plasma y el o los nodos remoto s en un area de deposicion de recubrimiento por fuera del conducto de plasma, el ambiente de plasma altamente ionizado puede usarse para procesos de pulverizacion catodica por magnetron asistente de plasma (RAAMS). En este caso, las fuentes de magnetron posicionadas por fuera del conducto de plasma en un area de recubrimiento estan encendidas y el proceso de pulverizacion catodica se lleva a cabo en un ambiente de plasma RAAD altamente ionizado. En este proceso la productividad de pulverizacion catodica por magnetron se incrementa en mas de 30% y el recubrimiento se densifica mediante bombardeo de iones de la superficie del sustrato mediante iones portados en el plasma gaseoso.
3. Cuando la bobina del conducto de plasma esta encendida, el obturador magnetico se abre y el plasma de metal generado por parte del catodo en un conducto de plasma esta fluyendo al area de deposicion de recubrimiento a lo largo de llneas de fuerza magnetica del campo magnetico de transporte generado por la bobina de conducto. El plasma de metal de arco filtrado puede usarse para deposicion de la variedad de recubrimientos incluyendo recubrimiento de carbono amorfo tetraedrico (ta-C) libre de hidrogeno, superduro, cuando se usa una barra de grafito como un objetivo catodico en un conducto de plasma. Cuando se encienden las fuentes de magnetron posicionadas en la porcion de salida del conducto de plasma y que tienen sus objetivos enfrentados a los sustratos, inicia el proceso de pulverizacion catodica mediante magnetron asistido con arco filtrado hlbrido (FAAMS). En este caso, el plasma de metal de arco filtrado que esta 100% ionizado esta pasando las fuentes de magnetron mezclandose con el flujo metalico atomico de pulverizacion catodica por magnetron que en terminos generales tiene una tasa de ionizacion baja de <5%. El plasma metalico de arco filtrado y el flujo metalico atomico de pulverizacion catodica por magnetron se dirigen hacia sustratos en un area de recubrimiento enfrente de la salida del conducto de plasma lo que proporciona deposicion de recubrimiento por pulverizacion catodica de magnetron asistida con arco filtrado hlbrido, con altas concentraciones controlables del flujo de atomos de metal que se depositan.
La figura 10 proporciona una descripcion esquematica de los procesos flsicos que estan involucrados en la descarga de arco remoto bi-direccional de la presente invencion. El arco primario se inicia por un detonador sobre la superficie del objetivo catodico 196 aislado de la camara de descarga por el par de bobinas 300 de compensacion. Esta fuente puede funcionar de dos modos: primero en un modo de deposicion de recubrimiento cuando el plasma de vapor de arco se transporta a lo largo de las llneas de fuerza magnetica del campo magnetico longitudinal creado por la fuerza de bobina de conducto 270; y segundo, en modo de emision de electrones cuando la bobina de conducto se apaga y el plasma de arco se confina y se alsla magneticamente de la camara de procesamiento por el campo magnetico creado por un par de bobinas 300 de compensacion. El potencial de plasma dentro del conducto 272 de plasma es bajo, cercano al potencial del anodo proximo el cual esta aterrizado en la mayorla de casos mientras que en el plasma de descarga de arco remoto el potencial electrico es alto cercano al potencial del anodo 214 remoto . La distribucion tlpica del potencial de plasma entre el conducto 272 de plasma y el anodo 214 remoto , obtenida mediante modelacion elemental finita, se muestra en la figura 2.
Con referencia a la figura 11, se proporciona un esquema de un sistema de recubrimiento por lotes con una camara catodica protegida, localizada perifericamente. El sistema de recubrimiento 330 incluye una camara de vaclo 332, un montaje de camara catodica 334, que incluye camara catodica 336, catodo 338 y escudo 340. El sistema 330 tambien incluye suministro de energla primario 342 el cual establece el potencial de voltaje entre el catodo 338 y el anodo primario 344. El sistema 330 tambien incluye fuentes de pulverizacion catodica por magnetron 356-366, cada uno de los cuales incluye un objetivo Ts, suministro de energla Ps y anodo As. El sistema 330 tambien incluye un anodo remoto 360 el cual se ajusta a un potencial de voltaje relativo al catodo 338 mediante suministro de energla 362. En esta modalidad los sustratos 22 se mueven axialmente a lo largo de la direccion d3 a medida que se revisten.
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La figura 12 ilustra otra variacion que proporciona una fuente de emision de electrones de arco catodico protegido, localizada en el centro de la camara de recubrimiento. En particular la presente variacion proporciona un sistema de recubrimiento circular por lotes 380 con un montaje de camara catodica 382 localizado en su area central. El catodo 384 se posiciona dentro del montaje de camara catodica 382 generalmente a lo largo de los ejes del sistema de recubrimiento 380. El montaje de camara catodica 382 incluye respectivamente recintos catodicos 388 con aberturas 390 y 392 definidas en los mismos, catodo 384, anodos primarios opcionales (no mostrados) y escudos 396, 398. El recinto 388 y los escudos 396, 398 alslan respectivamente el catodo 384 de la camara al vaclo 400 y tambien pueden servir como un anodo primario para la descarga de arco detonada en una camara catodica 382. El suministro de energla de arco primario tambien se suministra entre el catodo 384 y el recinto de anodo 388 (no mostrado). El recinto 388 y los escudos 396, 398 definen cada uno aberturas para transmitir corrientes de emision de electrones a la camara de vaclo 400, mientras que al mismo tiempo sirven como una barrera que detiene las partlculas pesadas tales como atomos, iones y macropartlculas de vapor de metal emitidas desde el catodo 384 para lograr que los sustratos 20 se revistan en la camara de recubrimiento 400. Las fuentes de pulverizacion catodica por magnetron 402, 404 y 406 estan adheridas a la pared 408 de la camara 400. Los anodos remoto s 410, 412 y 414 estan posicionados junto a las fuentes de magnetron correspondientes que circundan preferiblemente estas fuentes de pulverizacion catodica. Los sustratos 20 estan posicionados sobre una plataforma de mesa giratoria 420 a la distancia d1 entre la camara catodica y los objetivos de pulverizacion catodica por magnetron. La distancia desde la superficie objetivo de magnetron a los sustratos 20 se encuentra tlpicamente en un intervalo de 4 a 10 pulgadas. Los suministros de energla de arco remoto 424, 426 y 428 estan instalados entre los anodos remoto s 410, 412 y 414 y el catodo central 384 en la camara catodica 382. El catodo 384 puede ser un catodo de filamento termoionico, pero preferiblemente puede utilizarse el catodo de arco al vaclo por evaporation en frlo, el cual no es sensible al ambiente de procesamiento de plasma reactivo que puede contener gases qulmicamente agresivos tales como metano, oxlgeno y nitrogeno para deposition de recubrimiento de carburos, oxidos y nitruros. El catodo 384 es un filamento termoionico alargado o un catodo frlo en forma de una barra o varilla metalica alargada. Ademas, el catodo 384 se posiciona dentro de la camara catodica 382 a lo largo de los ejes de la camara de recubrimiento 400 con su longitud de zona de emision de electrones paralela y generalmente igual en dimensiones a la altura de la zona de carga de sustrato 20. Ademas, el catodo 384 tiene una dimension larga que es menor que o igual a la altura de los anodos remoto s 310, 312 y 314. Las alturas de los objetivos de magnetron tambien son menores que o iguales a la altura de los anodos remoto s.
En un perfeccionamiento, los magnetrones 402, 404, 406 mostrados en la Fig. 12, pueden reemplazarse con calefactores planos. Los sustratos que van a revestirse pueden colocarse en la superficie del calefactor enfrentandose al centro de la camara donde la camara catodica protegida 382 se posiciona con el catodo 384. En este caso los sustratos pueden calentarse a 900 °C mientras que al mismo tiempo en la camara 380 puede establecerse un plasma de arco de anodo remoto altamente ionizado mediante descarga de arco de anodo remoto entre el catodo 384 en una camara catodica 382 y los anodos remoto s 536, 538, 540 posicionados en la pared de la camara 380. En este proceso, cuando la atmosfera gaseosa en una camara 380 esta compuesta de una mezcla de metano, hidrogeno y argon en el intervalo de presion desde 1 mTorr a 200 mTorr y la concentration de metano en hidrogeno en el intervalo de 0.1 a 2 % en peso atomico pueden depositarse los recubrimientos de diamante policristalino sobre sustratos posicionados en la superficie calentada de los calefactores, calentados a la temperatura de deposicion en el intervalo desde 700 a 1000 °C.
Con referencia a la figura 13, se suministran ilustraciones esquematicas de un sistema que incorpora una fuente de catodo frlo de arco al vaclo que emite electrones. En particular, la presente variacion adopta el diseno de la fuente catodica frla de arco al vaclo que emite electrones del sistema de la patente estadounidense no. 5,269,898, cuya divulgation completa se incorpora la presente por referencia. El catodo con forma de varilla 430 se monta dentro de la camara catodica 432 que sirve como anodo primario para la descarga de arco catodico al vaclo que recibe energla del suministro de energla de arco primario 434. El catodo 430 se conecta a la salida negativa de un suministro de energla de arco 434 y el recinto 436 de la camara catodica 432 se conecta a la salida positiva del suministro de energla de arco 434. La salida positiva del arco primario puede aterrizarse opcionalmente tal como se muestra por la llnea discontinua en la figura 7D. Un arco es golpeado repetidamente por un percutor 440 localizado en el extremo del catodo 430 que esta opuesto a la conexion con el suministro de energla de arco 434. Una bobina electromagnetica helicoidal 442 se monta coaxialmente con el catodo 430 y sirve para generar un campo magnetico de solenoide con llneas de flujo sustancialmente paralelas al eje del catodo 430, que tiene una magnitud proporcional a la corriente suministrada por el suministro de energla de bobina 446. Uno o mas sustratos 20, sobre los cuales se va a depositar un recubrimiento, se encuentran dispuestos circundando la camara catodica 432 y montados opcionalmente sobre una plataforma giratoria (no mostrada) que sostiene un sustrato, la cual proporciona rotation de los sustratos durante la deposicion, si es necesaria, para lograr una distribution de espesor de recubrimiento uniforme sobre los mismos. Tambien estan representados un punto del arco 450 y una trayectoria tlpica del mismo que resulta de la influencia del campo magnetico aplicado. El punto de arco recorre toda o parte de la longitud del catodo 430 hacia la conexion con el suministro de energla de arco 434 antes de volver a golpearse. El aislante 454 impide el movimiento del punto del arco 450 de la superficie evaporable deseada del catodo 430. La bobina electromagnetica 442 puede estar electricamente aislada del circuito de arco o puede comprender una parte del anodo mediante conexion al mismo tal como se indica con la llnea punteada 458. La bobina electromagnetica 442 puede servir alternativamente como el anodo primario unico para la descarga de arco primario en la camara catodica 432 en cuyo caso la bobina electromagnetica 442 se alsla electricamente de la camara 430 y se conecta a la salida positiva del suministro de energla de arco primario 434, el cual se desconecta de la camara catodica 432. Una o mas fuentes 460 de pulverizacion catodica por magnetron se montan a
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lo largo de las paredes 462 de la camara 466 circundada por los anodos remoto s 470. Los anodos remoto s se conectan a la salida positiva del suministro de energia de arco remoto 472 mientras que su salida negativa se conecta al catodo 430 en la camara catodica 432. El recinto 436 de la camara catodica 430 tiene aberturas 476 cubiertas por escudos 478 para impedir que las particulas pesadas (iones, atomos neutros y microparticulas) emitidas por el catodo 430 alcancen el area de deposicion fuera de la camara catodica 432, pero los electrones son capaces de penetrar libremente en el area de recubrimiento a traves de las aberturas 476 entre el recinto 436 y los escudos 478. La corriente de arco remoto se conduce entre el catodo 430 dentro de la camara catodica 432 y los anodos remoto s 470 que circundan las fuentes 460 de pulverizacion catodica por magnetron en la pared de la camara de recubrimiento 466. El anodo remoto se conecta con la salida positiva del suministro de energia de arco remoto 472, mientras que la salida negativa del suministro de energia de arco remoto 472 se conecta al catodo 430 en la camara catodica 432. El arco remoto se ioniza y activa el ambiente de plasma durante el proceso de deposicion de recubrimiento por pulverizacion catodica de magnetron pero tambien puede servir como una fuente de ionizacion y creacion de ambiente de plasma en un area de recubrimiento durante la limpieza ionica preliminar de los sustratos antes que inicie el proceso de recubrimiento, asi como tambien para la implantacion de iones de inmersion en plasma, nitruracion ionica y procesos de deposicion de recubrimiento CVD a baja presion asistidos con plasma.
Con referencia a las figuras 14A-14C, se proporcionan ilustraciones esquematicas de una variacion de un sistema de recubrimiento que incorpora un filtro de macroparticulas. En esta variacion se adopta el diseno de la camara catodica de la solicitud de patente estadounidense No. 2012/0199070, de esta manera toda la divulgacion de esta solicitud de patente se incorpora mediante referencia. El sistema 480 incluye una camara catodica 484 que se configura como un filtro de macroparticulas. La camara catodica 484 incluye un numero impar de montajes de conducto posicionados simetricamente alrededor del catodo alargado 486. La variacion descrita en las figuras 14A y 14B incluye cuatro montajes de conducto, es decir los montajes de conducto 488, 490, 492, 494, que forman efectivamente un recinto 496 alrededor del catodo 486. Los montajes de conducto 488, 490, 492, 494 definen conductos 500, 502, 504, 506 a traves de los cuales los iones cargados positivamente son guiados desde el objetivo catodico 486 a los sustratos 20. Los montajes de conducto 488, 490, 492, 494 definen un campo magnetico para guiar un plasma. Los montajes de conducto incluyen cada uno un componente de soporte 510 y un componente deflector 512 para bloquear macroparticulas. En un perfeccionamiento, el componente deflector 512 incluye protuberancias 514 para aumentar la capacidad de filtro de las macroparticulas. Se usan postes electricos 516, 518 para conectar con el suministro de energia de filtro para que los montajes de conducto se polaricen electricamente para repeler iones cargados positivamente. Cuando los montajes de conducto 488, 490, 492, 494 estan polarizados positivamente en relacion con el catodo 486, esto tambien sirve como un anodo primario para la descarga de arco primaria establecida dentro de la camara catodica 484. Los montajes de conducto 488, 490, 492, 494 tambien pueden aislarse y tener un potencial flotante. En este caso la bobina electromagnetica (no mostrada) que direcciona el arco puede servir como un anodo primario al catodo 486 para detonar la descarga de arco primario en la camara catodica 484 como ya se explico antes en relacion con la modalidad de la invention mostrada en la figura 14B. Con referencia a la figura 14C se suministra una vista esquematica en perspectiva de un montaje de filtro de recinto 496 de la camara catodica. El recinto de camara catodica de montaje de filtro 496 esta hecho de un conjunto de montajes de conducto 488, 490, 492, 494, que son paralelos al catodo 486, que tienen preferiblemente una forma de varilla pero que tambien pueden estar hechos como una barra con una section transversal poligonal. Durante los procesos de deposicion de recubrimiento mediante arco catodico filtrado el filtro se activa electivamente pasando una corriente a lo largo de los montajes de conducto 488, 490, 492, 494 para establecer un campo magnetico.
Todavia en referencia a las figuras 14A-14C opcionalmente se crea un campo magnetico haciendo pasar una corriente a traves de los montajes de conducto para crear un campo magnetico. En particular, los montajes de conducto adyacentes generan campos magneticos con polaridades magneticas opuestas. Las flechas 520, 522, 524, 526 indican un ejemplo de las direcciones en que la corriente puede fluir para crear tales campos magneticos. Las flechas muestran que las direcciones de las corrientes en los montajes de conducto adyacentes son opuestas unas a otras. El campo magnetico generado de esta manera tiene una orientation que es normal a una superficie de catodo alargado y fuerza conductiva a la guia de plasma producida haciendo pasar corriente a traves de los montajes de conducto. En este modo de deposicion de arco filtrado, el plasma de vapor de metal emitido desde el catodo 486 pasa a traves de los conductos entre los montajes de conducto permitiendo de esta manera que se eliminen macroparticulas y componentes neutros de vapor de metal para entregar plasma de vapor de metal ionizado en 100% a los sustratos.
En el modo de descarga de plasma de arco de anodo remoto (RAAD) la corriente no se conduce a traves de los montajes de conducto 488, 490, 492, 494 y no se genera el campo magnetico que extrae plasma de vapor metalico. En este modo pasivo de conducto los electrones emitidos desde la superficie del catodo 486 pueden pasar libremente a traves de los conductos 500, 502, 504, 506 que conducen la corriente de RAAD entre el catodo 486 en la camara catodica 484 y los anodos remoto s 530, 532 y 534 que circundan las fuentes de magnetron 536, 538 y 540 las cuales estan posicionadas a lo largo de la pared de la camara 506 del sistema de recubrimiento 380. Al mismo tiempo, los montajes de conducto 488, 490, 492, 494 sirven como una barrera que detiene las particulas pesadas tales como atomos, iones y macroparticulas de vapor metalico que se emiten del catodo 486 para alcanzar sustratos. El plasma de RAAD ioniza y activa el ambiente de procesamiento de plasma en un area de procesamiento del sistema 380 donde se posicionan los sustratos. Esto da lugar a la capacidad para llevar a cabo limpieza de plasma ionico, implantacion ionica,
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nitruracion ionica y pulverizacion catodica de magnetron asistida con arco remoto (RAAMS) produciendo propiedades avanzadas de productos de procesamiento de plasma.
Con referencia a las figuras 15A y 15B, se suministra una ilustracion esquematica de una variacion del sistema RAAMS. La figura 15A es una vista lateral esquematica del sistema RAAMS mientras que la figura 15B es una vista lateral esquematica perpendicular a la vista de la figura 15A. El sistema 530 incluye la camara 532, el soporte de sustrato 534 con los sustratos 536 que van a revestirse, catodos primarios 538a, b, magnetrones 540a, b y anodos remoto s 542a, b. Los catodos 538a, b estan localizados a un lado 544 (es decir, el fondo) de la camara 532 en una seccion catodica 548 separada de la seccion 550 de recubrimiento de la camara dos 32 mediante escudo 552 cabrlo, el cual es impermeable para partlculas pesadas pero permite que los electrones atraviesen hacia los anodos remoto s 542a, b en seccion 550 de recubrimiento. El escudo 552 puede estar flotando electricamente o puede conectarse al terminal positivo del suministro de energla de arco primario 554 o a un suministro de energla adicional (no mostrado). El anodo de arco primario 556 se localiza en el centro de la camara catodica 548 entre dos catodos de arco: el catodo 538a en un compartimiento izquierdo de la camara catodica 548 y el catodo 538b en un compartimiento derecho de la camara catodica 548. El soporte de sustrato 534 con sustratos 536 que van a revestirse se localiza entre magnetrones 540a, b. Los sustratos se enfrentan al magnetron 540a en el lado izquierdo y el magnetron 540b en el lado derecho. Los anodos remoto s 542a, b se localizan por encima de los magnetrones 540a, b y estan separados uno de otro por un deflector de separacion opcional 560. El anodo de separation 556, el soporte de sustrato 534 con los sustratos 536 que van a revestirse y el deflector de separacion opcional 560 dividen efectivamente la camara 532 en dos lados (es decir, un lado izquierdo y un lado derecho) impidiendo de esta manera que un chorro caliente 562a asociado con el catodo 538a localizado en el lado izquierdo de la camara 532 fluya a traves del lado derecho de la camara 532 hacia el anodo remoto 542b y fluya al lado izquierdo de la camara 532 hacia el anodo remoto 542a. El anodo remoto 542a esta acoplado con el catodo de arco 538a en el lado izquierdo del soporte de sustrato 534 y el anodo remoto 542b se acopla con el catodo 538b en el lado derecho del soporte de sustrato 534. El anodo 556, el soporte de sustrato 534 y el deflector de separacion opcional 560 dividen efectivamente la camara de recubrimiento 550 en dos secciones: una seccion izquierda que aloja el catodo izquierdo 538a, un magnetron izquierdo 540a y un anodo remoto izquierdo 542a y una seccion derecha que aloja el catodo derecho 538b, un magnetron derecho 540b y un anodo remoto derecho 542b. Esta division forma dos espacios de descarga estrechos o corredores de descarga: un espacio izquierdo que separa el magnetron izquierdo 540a y un soporte de sustrato 534 en el lado izquierdo de la seccion 550 de recubrimiento y un espacio derecho que separa el magnetron derecho 540b y un soporte de sustrato 534 en el lado derecho de la seccion 550 de recubrimiento. La anchura de los espacios de descarga de separacion estan en un rango de 2 a 20 pulgadas.
En un perfeccionamiento, el objetivo catodico puede estar hecho de un metal que tiene una capacidad de absorcion de impurezas, como aleacion de titanio o aleacion de zirconio. En este caso, la fuente de emision de electrones del catodo protegido tambien sirve como una bomba de adsorcion de impurezas al vaclo que mejora la eficiencia de bombeo del sistema de recubrimiento 530. Para seguir mejorando la eficiencia de bombeo de adsorcion de impurezas, el escudo 552 que se enfrenta a la superficie de evaporation del objetivo catodico 538a en la camara catodica 550 puede ser enfriado con agua opcionalmente conectado con un suministro de energla de polarization de alto voltaje. Cuando el escudo 552 enfriado con agua se polariza a un potencial altamente negativo en el intervalo de -50V a -1000V relativo a los objetivos de catodo 538a y 538b, el escudo 552 se somete a un intenso bombardeo ionico por parte de iones metalicos que se generan por el proceso de evaporacion de arco catodico. La condensation de vapor metalico en condiciones de bombardeo ionico intenso es favorable para bombear gases nobles tales como He, Ar, Ne, Xe, Kr as! como hidrogeno. Ademas, el anodo primario enfriado con agua 556 que enfrenta los objetivos de catodo 538 a, b tambien contribuye a la capacidad de bombeo incrementando el area de condensacion/adsorcion de impurezas del vapor metalico.
Todavla en referencia a las figuras 15A y 15B, puede verse que varias fuentes de magnetron 540 estan localizadas por encima de la camara catodica 548 en una seccion 550 de recubrimiento. El soporte de sustrato 534 con sustratos 536 se mueve a lo largo de la camara 532 que pasan por los magnetrones 562. El punto de arco catodico 564 se mueve a lo largo del objetivo catodico 566 del catodo de arco 538 mientras que se direcciona por una bobina de direccionamiento magnetico 570 u otros medios de direccionamiento. La investigation experimental de este sistema revelo que el chorro de plasma estrecho 562 tiene una densidad de plasma alta en el rango desde 1011 hasta 1013 cm-3 y una temperatura de electron que excede 2 eV (tlpicamente en el rango desde 3 a 20 eV). La mayor parte de la corriente de descarga de arco de anodo remoto fluye a lo largo del chorro de plasma caliente estrecho 562 y tiene una densidad de corriente de arco en el intervalo de 0.1mA/cm2 a 100A/cm2. El resto de la seccion de recubrimiento se llena con el plasma frlo y raro con temperaturas de electrones tlpicamente por debajo de 3eV y densidad de plasma en el intervalo desde 108 a 1011 cm-3. La anchura del chorro de plasma caliente 562 es tlpicamente de 1 a 5 cm mientras se mueve con la misma velocidad que el punto de arco catodico 564 que sigue el movimiento de direccionamiento del punto de arco catodico 564 sobre el objetivo catodico 566. Se cree que la mayor parte de la corriente de arco remoto se conduce entre el catodo 538 en la camara catodica 548 y el anodo 542 remoto por todo el chorro de plasma caliente 562. De la figura 15A tambien puede verse que dos chorros de plasma caliente 562a y 562b forman dentro de los espacios de descarga estrechos entre el magnetron izquierdo 540a y y el soporte de sustrato 534 en el lado izquierdo de la seccion 550 de recubrimiento y entre el magnetron derecho 540b y el soporte de sustrato 534 en el lado derecho de la seccion 550 de recubrimiento. El chorro izquierdo 562a hace un puente entre el catodo izquierdo 538a en un compartimiento izquierdo de la camara catodica 548 y el anodo remoto izquierdo 542a en el lado izquierdo de la seccion 550 de recubrimiento. El
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chorro derecho 562b hace un puente entre el catodo derecho 538b en un compartimiento derecho de la camara catodica 548 con el anodo remoto derecho 542b en el lado derecho de la seccion 550 de recubrimiento.
Con referencia a la figura 16, se proporciona una ilustracion esquematica de una variacion de las figuras 15A y 15B con un catodo en uno de los compartimientos de la camara catodica y con dos puntos de arco catodico. En esta variacion, dos chorros de plasma 562a y 562b formados entre el deflector 552 cabrlo y el anodo 542 remoto encima de cada uno de los puntos 576a y 576b de arco catodico hacen un puente de las conexiones de la corriente entre el catodo 538 y el anodo remoto 542. La direction de la corriente de arco remoto a lo largo de los chorros 562a y 562b asociados con puntos 576a y 576b de arco catodico se muestran con las flechas verticales sobre estos chorros. La distribution de plasma tiene maximos 578a y 578b cerca de cada uno de los puntos 576a y 576b de arco catodico moviendose a lo largo del corredor de erosion 580 sobre el objetivo catodico 566 direccion ando un campo magnetico creado por una bobina de direccionamiento localizada mas alla del objetivo 582 (no mostrado) o mediante otros medios como los descritos mas adelante. En esta variacion las dimensiones del area de ionization alta es Ai ~ L(magnetron)x W(chorro). En sistemas alineados horizontalmente descritos previamente, el area de ionizacion es solamente Ai ~ W(magnetron)x W(chorro). El incremento del area de ionizacion de flujo de pulverization catodica por magnetron por alineamiento vertical del chorro de arco 562 (paralelo al lado largo del magnetron 540) versus alineamiento horizontal del chorro de arco 562 (paralelo al lado corto del magnetron 540 como en el caso parental) es aproximadamente L(magnetron)/W(magnetron).
Todavla en referencia a la figura 16, un plasma confinado que sale a raudales (es decir un chorro de plasma) haciendo puente en el espacio de descarga entre el anodo 542 remoto y el objetivo catodico 566 a traves de la region de recubrimiento 550 se mueve a lo largo de la direccion d4 mientras que permanece paralelo al lado largo de los magnetrones 540. Los extremos de chorro de plasma confinados 562 se mueven a lo largo de la direccion d4 tal como se describe en la figura 16. El punto de arco 576 se forma sobre el catodo 580 a lo largo de la zona de erosion 578. El campo de plasma 584 en el anodo 542 remoto y el campo de plasma 578 en el objetivo catodico 580 estan confinados dimensional mente en un espacio desde aproximadamente 1 a 5 pulgadas a lo largo de la direccion d4. En un perfeccionamiento se utilizan campos de direccionamiento magnetico para realizar el movimiento de barrido a lo largo de d4. En otros perfeccionamientos, Este movimiento de barrido se realiza moviendo mecanicamente el catodo 580 a lo largo de la direccion d4. En otros perfeccionamientos mas, un catodo de filamento termoionico con electrones de emision secundaria se mueve a lo largo de d4.
Con referencia a las figuras 15A, 15B, y 16, se proporciona un aspecto del ordenamiento dimensional de diversos componentes del sistema de recubrimiento 530. El anodo 542 remoto tiene una dimension del anodo remoto lineal Da paralela al objetivo catodico 538. El area horizontal de localization de las fuentes de vapor 538 (es decir, los cuatro magnetrones mostrados en la figura 15B) tambien es relevante. El area a lo largo de la direccion paralela al lado corto de los magnetrones 538 tiene una dimension de fuente de vapor lineal Dv. El objetivo del catodo 566 tiene una dimension de objetivo catodico lineal Dc paralela al anodo 542 remoto y tambien paralela al lado corto de los magnetrones 538. En un perfeccionamiento, la dimension de anodo remoto lineal Da, la dimension de fuente de vapor lineal Dv y la dimension de objetivo catodico lineal Dc son paralelas entre si. En otro perfeccionamiento, la dimension de anodo remoto lineal Da es mayor que o igual a la dimension de objetivo catodico lineal Dc que es mayor que o igual a la dimension de fuente de vapor lineal Dv.
La figura 17 proporciona una configuration alternativa del sistema de plasma remoto utilizando una disposition de camara de recubrimiento de lote coaxial con fuentes de magnetron plano 540 a, b localizadas en las paredes de la camara y los sustratos que van a revestirse 536 adheridos al soporte de sustrato de carrusel giratorio 592. La camara de recubrimiento 590 incluye un soporte de sustrato de carrusel 592 con sustratos 536 que van a revestirse y un conjunto de fuentes de pulverizacion catodica por magnetron plano 540 a, b adheridas a las paredes de la camara de recubrimiento 590 que se enfrenta a los sustratos que van a revestirse. La camara de recubrimiento 590 tambien incluye una camara catodica 600 con catodo primario 538 y anodo primario coaxial 556 localizados en el fondo de la camara 590 y un anillo anodico remoto 596 localizado en la cima de la camara 590.
La camara catodica 600 incluye alojamiento de escudo 598 con aberturas 598a, 598b que se enfrentan hacia el espacio entre los magnetrones 540 y el soporte de sustrato 592. El deflector de separation opcional 560 en la forma de un cilindro tambien se instala en el soporte de sustrato giratorio 592. El anodo 556, el soporte de sustrato 592 y el deflector de separacion opcional 560 crean un espacio coaxial estrecho dentro de la camara 590 entre los magnetrones 540 y el soporte de sustrato 592 para confinar chorros calientes 562 y asegurar su position paralela a los ejes de la camara 590. Las aberturas 598 pueden localizarse coaxiales al soporte de sustrato 592. El catodo 540 tiene la forma de un anillo coaxial con la camara de recubrimiento 590 y con el anodo cillndrico primario 556. De manera alternativa, se instalan varios catodos primarios 540 coaxialmente al anodo primario 556 en una camara catodica 548. El anodo primario tambien puede servir como una superficie de condensation para mejorar la velocidad de bombeo mediante el efecto de adsorcion de impurezas, absorbiendo efectivamente los gases residuales dentro de una pellcula que se forma sobre la superficie del anodo 556 por condensacion del plasma de vapor generado por el catodo 538. Esta configuracion incrementa la densidad de plasma de arco remoto suministrando de esta manera una tasa de asistencia de bombardeo ionico mas intensa durante la pulverizacion catodica de magnetron. En esta configuracion se crea una zona mas densa
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del plasma de descarga de arco remoto en el espacio entre el objetivo de magnetron y los sustratos que van a revestirse.
Con referencia a las figuras 18A y 18B, se proporciona un perfeccionamiento con camaras catodicas primarias separadas 548 para cada fuente de pulverizacion catodica por magnetron 540. En la figura 18A, la camara catodica 548 se posiciona debajo de la camara de recubrimiento 550. El magnetron 540 se posiciona en la camara de recubrimiento 550 inmediatamente encima del escudo 552 que separa la camara catodica 548 de la camara de recubrimiento 550. La fuente de arco catodico 538 como un emisor de electrones poderoso se posiciona debajo del magnetron 540. El tamano del objetivo catodico que define la dimension de la zona de direccionamiento de punto de arco esta en el intervalo de % a 2 veces la anchura del objetivo de magnetron, pero preferiblemente dentro del rango de 0.5 a 1.5 veces la anchura del objetivo de magnetron. El anodo primario 556 se posiciona encima del objetivo catodico 566 y tiene una dimension generalmente menor o igual al objetivo de arco catodico 566. La bobina de direccionamiento magnetico 570 se posiciona opcionalmente debajo del catodo 538 para direccional puntos de arco en la superficie del objetivo de arco catodico 566. El anodo 542 remoto se posiciona en una camara de recubrimiento 550 encima del magnetron 540 proporcionando que el catodo 538, el magnetron 540 y el anodo 542 se alineen generalmente a lo largo de la misma llnea. El chorro de plasma de alta densidad 562 se forma dentro de la camara de recubrimiento 550 entre el escudo 552 y el anodo 542 a lo largo de la superficie del magnetron 540 encima del punto de arco catodico 602 que se mueve sobre la superficie del objetivo catodico 566 por el efecto de direccionamiento magnetico suministrado por el campo magnetico de direccionamiento de la bobina de direccionamiento 570. Los puntos de arco catodico 602 y el chorro de plasma 562 estan alineados a lo largo de una llnea vertical y ya paralela al lado largo del magnetron 540 que hace puente desde el espacio de descarga hacia el anodo remoto 542. En esta disposicion, el direccionamiento de los puntos de arco catodico 602 en la superficie del objetivo catodico 566 proporciona un direccionamiento correspondiente del chorro de plasma de alta densidad 562 con corriente de arco de anodo remoto dirigida a lo largo de la direccion paralela al lado largo del magnetron 540, mientras que el eje del chorro 562 es paralelo al lado largo del magnetron 540. El chorro de plasma 562 cruza la descarga de magnetron enfrente del objetivo de magnetron que hace un puente de distancia entre el escudo y el anodo 542 remoto e ioniza la pulverizacion catodica del flujo de atomos metalicos y el ambiente gaseoso enfrente de la fuente de pulverizacion catodica por magnetron 540 dentro del area donde el chorro de plasma 562 cruza la descarga de magnetron. El incremento de ionizacion y activacion de los atomos y especies gaseosas de la pulverizacion catodica de metal enfrente del magnetron 540 se distribuye uniformemente a lo largo de la direccion paralela al lado largo del magnetron 540 y a lo largo de la direccion paralela al lado corto del magnetron 540. La uniformidad de la capacidad de ionizacion del chorro de plasma 562 a lo largo de la direccion paralela al lado largo del magnetron 540 se logra mediante la distribucion uniforme de la densidad de plasma y la temperatura de los electrones a lo largo del chorro de plasma 562. La uniformidad de la capacidad de ionizacion del chorro de plasma 562 a lo largo de la direccion paralela al lado corto del magnetron 540 se logra moviendo repetidamente el chorro 562 adelante y atras a lo largo de la descarga del magnetron desde un extremo del magnetron 540 hasta otro mediante desplazamiento de direccionamiento magnetico del punto de arco catodico 602 en el objetivo de arco catodico 566.
En un ejemplo tlpico, la descarga de arco primario entre el catodo 538 en la camara catodica 548 y el anodo primario 556 es alimentada por el suministro de energla 554a. La descarga de arco de anodo remoto entre el catodo 538 y el anodo 542 remoto es alimentada por el suministro de energla 608. Una resistencia de balasto 610 se instala entre el anodo 542 remoto y la camara de recubrimiento aterrizada 550, lo cual permite el control de la calda de voltaje entre el anodo 542 remoto y la camara aterrizada 550. Cuando ocurre el micro-arco en las paredes de la camara de recubrimiento 550, el interruptor electronico 612 se cerrara haciendo cortocircuito de esta manera entre el anodo 542 remoto y la tierra y eliminando efectivamente el arco, seguido por la re-detonacion del arco remoto cuando la posicion del interruptor electronico 612 esta abierta. El interruptor 612 tambien puede estar abierto durante el tiempo de detonacion del plasma de RAAD. La detonacion del RADD puede suministrarse aplicando potencial negativo de alto voltaje ya sea al magnetron 540 que inicia la descarga de magnetron o, de manera alternativa, aplicando alto voltaje negativo al soporte de sustrato 534 estableciendo la descarga de resplandor a traves del espacio de descarga entre la camara catodica 548 y el anodo remoto 542. La descarga de alto voltaje como medio para detonar RAAD puede usarse en DC o en modo descarga de pulsos. Las dimensiones del objetivo de pulverizacion catodica por magnetron del magnetron 540 son normalmente 10 cm de ancho x 10 cm de alto. La dimension del objetivo de arco catodico 566 es tlpicamente de alrededor de 10 cm, casi igual a la anchura del objetivo de magnetron 540. La anchura del chorro de plasma 562 es aproximadamente 3 cm. La velocidad de movimiento direccion ada magneticamente del punto de arco 602 sobre la superficie del objetivo catodico 566 es aproximadamente 1000 cm/s. En este caso, la frecuencia de repeticion del direccionamiento de chorro de plasma a traves de la zona de descarga del magnetron sera aproximadamente de 50 herzios. Suponiendo que la tasa de ionizacion mejorada dentro del area de la descarga de magnetron atravesada por el chorro de plasma 56a sea de ~30%, la tasa de ionizacion promedio del plasma de descarga de magnetron por el chorro de plasma 562 alcanzara ~10%, el cual es al menos un orden de magnitud superior que el del flujo de pulverizacion catodica por magnetron convencional. La tasa de ionizacion mejorada del flujo de pulverizacion catodica por magnetron da lugar a una intensidad incrementada de asistencia de bombardeo ionico durante el proceso de deposicion de recubrimiento por pulverizacion catodica de magnetron el cual produce recubrimientos que tienen una densidad alta cercana a la teorica, pocos defectos, alta tersura y propiedades funcionales superiores. El sistema de recubrimiento al vaclo en la llnea que utilice una pluralidad de fuentes de magnetron, cada una provista con una camara catodica separada, se muestra en la figura 18B.
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Con referenda a la figura 19A, se suministra otra variacion avanzada de los sistemas de las figuras 14-18. Una rejilla electrodo intermedia 622 se instala en frente del magnetron 540, lo cual limita efectivamente el area del confinamiento del chorro de plasma de alta densidad 562 enfrente del objetivo de pulverizacion catodica por magnetron 540. En esta disposicion la camara catodica 548 esta encerrada dentro del recinto 628. Aunque el recinto 628 puede estar electricamente aterrizado, es preferible que se aisle de la camara aterrizada siempre que no haya acoplamiento electrico directo entre las descargas de arco primario y remoto . El recinto 628 tiene una abertura 630 que se enfrenta al espacio de descarga o al corredor de plasma 632 entre el objetivo del magnetron 634 y la rejilla electrodo 622. La longitud de abertura 630 es generalmente igual a la de la anchura del objetivo de magnetron 634 mientras que la anchura de abertura 630 es menos que la anchura del espacio de descarga 632. La rejilla electrodo 622 puede estar compuesta de cables delgados 638 hechos de metales refractarios elegidos del grupo de W, Ta, Nb, Hf, Ti, Mo, y acero inoxidable. Los diametros de los cables son tlpicamente de 0.01 mm a 2 mm. Un diametro menor que 0.01 mm puede dar lugar a una fundicion del cable en contacto con plasma RAAD. Un diametro mayor de 2 mm absorbera demasiado material de recubrimiento del flujo de pulverizacion catodica. Los alambres 638 pueden estar dispuestos en una pantalla de diferentes patrones o como un arreglo de alambres individuales paralelos entre si. La rejilla electrodo 622 tiene que ser transparente a la pulverizacion catodica del flujo de metal con una transparencia mejor que 50%. La distancia entre los cables adyacentes 638 en una pantalla o una rejilla electrodo 622 es normalmente de 0.5 mm a 10 mm. Las distancias entre los cables adyacentes en la rejilla electrodo 622 menores que 0.5 mm no son practicas y pueden afectar la transparencia de la rejilla electrodo 622. Las distancias entre los cables adyacentes 638 en la rejilla electrodo 622 mayores que 10 mm pueden no tener siguientes propiedades de confinamiento de plasma para confinar el chorro de plasma 562 dentro del espacio de descarga o el corredor de plasma 632. La distancia d entre el objetivo de magnetron 634 y la rejilla electrodo 622 es normalmente de 10 mm a 100 mm. Las distancias menores que 10 mm son demasiado pequenas para confinar el chorro de arco 562 a, mientras que las distancias mayores que 10 cm son demasiado grandes para proporcionar un corredor estrecho que pueda apretar el chorro de plasma incrementando efectivamente su densidad de electrones, la temperatura de electrones y la tasa de ionizacion de flujo de pulverizacion catodica del metal.
La rejilla electrodo 622 generalmente funciona como un anodo intermedio. Sin embargo, tambien puede servir como un electrodo detonante de plasma de descarga remota. En este caso ultimo el interruptor 642 conecta el polo negativo de DC de alto voltaje o el suministro de energla de pulsos 644 a la rejilla electrodo 622. Cuando se aplica una DC de alto voltaje negativo o un potencial polarizado de pulsos a la rejilla electrodo 622, esta tetona la descarga del esplendor suministrando la ionizacion inicial dentro del espacio de descarga 632 de plasma de arco de anodo remoto , iniciando de esta manera el plasma RAAD. Despues que se detona el plasma RAAD, el interruptor 642 puede conectar el polo positivo del suministro de energla de anodo intermedio 646 con la rejilla electrodo 622 transfiriendo la rejilla electrodo 622 al modo de anodo intermedio cuando la rejilla electrodo 622 se vuelve un anodo intermedio de la descarga de arco de anodo remoto . En este caso, la rejilla electrodo 622 se conecta con el polo positivo del suministro de energla 646, mientras que el polo negativo se conecta con el catodo 538. En un perfeccionamiento la rejilla electrodo puede conectarse con el polo negativo del suministro de energia 644 durante la operacion del plasma RAAD, mientras que el polo positivo se conecta al catodo 538. En este caso, el potencial de la rejilla electrodo 622 sera negativo en relacion con el catodo 538, pero el potencial de la rejilla electrodo 622 no puede ser inferior al del catodo 538 en mas de dos veces de la caida de voltaje entre el catodo 538 y el anodo primario 556. La rejilla electrodo 622 tambien puede aislarse de los otros componentes de la configuration de la camara de recubrimiento. En tales casos, el potencial de la rejilla electrodo 622 se ajustara a un valor de potencial flotante determinado por la densidad de plasma y la temperatura electrones en el plasma RAAD. La densidad de plasma dentro del espacio descarga 632 puede incrementarse a un nivel extremadamente alto reduciendo la anchura del espacio descarga e incrementando la corriente de arco de anodo remoto . Esto permite usar el objetivo de pulverizacion catodica 540a en el proceso de pulverizacion catodica del diodo sin aumento magnetico como se requiere en el proceso de pulverizacion catodica por magnetron.
La densidad de corriente del arco remoto en el chorro 562, el espacio de descarga de arco remoto definido entre la rejilla anodo 622 y el magnetron 540 esta en el intervalo de 0.1 a 500 A/cm2. Una densidad de corriente remota menor que 0.1A/cm2 no es suficiente para proporcionar un nivel deseable de ionizacion del flujo de pulverizacion catodica del magnetron. Las densidades de corriente de arco remoto mayores que 500A/cm2 requieren demasiada energia del suministro de energia de descarga de arco remoto , lo cual no es practico para las aplicaciones. La alta densidad de corriente de la descarga de arco remoto (es decir, chorro (562) dentro del espacio descarga definido entre la rejilla anodo 622 y el magnetron 540, puede lograrse usando suministro de energla de DC 646 y/o 608 que pueden suministrar corrientes de DC en el rango desde 10 hasta 2000 A al anodo 542 remoto y/o la rejilla anodo 622 o, de manera alternativa, usando suministro de energla de pulso que puede aplicar pulsos de voltaje positivo al anodo 542 remoto y/o rejilla anodo 622. Los pulsos de voltaje positivo pueden estar en el rango de 500 a 10,000 V y los pulsos de corriente asociados pueden estar en el intervalo de 1000 a 50,000 A.
Con referencia a la figura 19B, para una variacion del sistema de la figura 19A. Los alambres 638 en el arreglo de rejilla electrodo 622 estan posicionados de manera paralela entre si y al lado corto del magnetron 540. Cada alambre 638 esta conectado con el anodo 542 remoto a traves del condensador 640 y de la resistencia en derivation 642 mientras que los diodos aseguran la direction de la corriente hacia el elemento de alambre 638. Durante la operacion, antes de detonar la descarga remota, los condensadores 640 se cargan al voltaje de circuito abierto maximo del suministro de energia de arco del anodo remoto 608. Esta disposicion acciona la detonation en cascada de la descarga de arco remoto detonando el arco remoto , primero entre el catodo 538 y el primer alambre individual 638 posicionado mas
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cercanamente al catodo 538, seguido por la propagacion de la descarga de arco remoto secuencialmente a traves de todas la rejilla se electrodo 638 individuales intermedias del arreglo de rejilla electrodo 622 hacia el anodo remoto 542. Despues de la fase de detonacion, los condensadores 640 se descargaran y el potencial de cada cable 638 y de todo el arreglo de rejilla electrodo 622 se determinaran mediante resistencias en derivacion 642. Si se extingue la descarga de arco de anodo remoto , los condensadores 640 se cargaran nuevamente al voltaje de circuito abierto maximo del suministro de energla 608 con la detonacion en cascada repetida automaticamente. De modo alternativo se inicia la detonacion por el sistema de control. Esta estrategia tambien puede aplicarse al sistema multi-magnetron similar a aquel mostrado en las figuras 16:18 B en este caso, los electrodos de detonacion intermedio de la disposicion de detonacion en cascada pueden posicionarse entre los espacios entre las respectivas fuentes de pulverizacion catodica por magnetron.
Con referencia a la figura 19C, se suministra una ilustracion avanzada adicional del sistema de recubrimiento de la figura 19 A. Los electrodos RF 648, 650 acoplados a modo de condensador se posicionan tanto en el extremo del catodo 652 como en el extremo del anodo remoto 654 de la columna de descarga del arco remoto 562. El generador de RF y la red de adaptacion se instalan en serie con los electrodos RF 648 para activar el chorro de plasma 562 superponiendo las oscilaciones de RF a lo largo del chorro de plasma 562. La frecuencia de las oscilaciones puede estar en en el intervalo desde 10 kHz hasta 500 MHz. En un perfeccionamiento, la frecuencia del generador esta en el intervalo entre 500 kHz y 100 MHz. El generador de RF de 13.56 MHz comunmente usado es adecuado para este proposito. Cuando se crean oscilaciones intensas de RF dentro del chorro de plasma 562, la densidad de plasma, la temperatura de electrones y por consiguiente la tasa de ionizacion de la pulverizacion catodica de magnetron y el plasma gaseoso se incrementan de esta manera dando lugar a un aumento en la eficiencia de ionizacion de la descarga de arco de anodo remoto y las capacidades de activacion. Esto mejora ademas las propiedades y el desempeno de los recubrimientos y de las superficies tratadas con plasma mediante el plasma descarga RAAMS. En otra variacion, tal como se ilustra en la figura 19 C, se usa un generador de alto voltaje en pulsos o un generador de RF en pulsos 656 en lugar de un generador de RF de onda continua suministrando de esta manera alto voltaje unipolar o pulsos de RF para detonar la descarga de RAMS as! como tambien pulsos de alta corriente de alto voltaje es superpuesto durante el proceso de deposicion de recubrimiento. La frecuencia de repeticion de la corriente alta de alto voltaje o los pulsos de RF estan en el intervalo de 1 Hz hasta 100 kHz.
La figura 19D proporciona una vista en perspectiva del modulo de RAAMS con una rejilla electrodo. La camara catodica 548 con el catodo primario (no mostrado) y el anodo primario (no mostrado) se posiciona debajo de los magnetrones 540 de pulverizacion catodica por magnetron. La rejilla electrodo 622 se posiciona en frente del magnetron 540. La descarga de arco remoto , es decir el chorro 562, es detonada entre el catodo primario (no mostrado) en una camara catodica 548 y el anodo remoto 542. El chorro de arco remoto 562 entra desde una abertura en la camara catodica 548 al espacio de descarga de arco remoto creado entre la rejilla electrodo 622 y la superficie de pulverizacion catodica por magnetron 540.
Con referencia a la figura 19E, se suministra un esquema de un sistema de otro sistema de recubrimiento de anodo remoto . La jaula de plasma 622 de arco de anodo remoto puede crearse enfrente del objetivo de magnetron 634 de la fuente de vapor del magnetron 540, tal como se muestra de modo ilustrativo en la figura 19 E. La descarga de arco remoto puede establecerse entre el catodo de arco primario (no mostrado) en una camara catodica 548 y la jaula del anodo (es decir la rejilla 622) y/o el anodo remoto superior 542. En esta modalidad de la invencion el plasma de arco de anodo remoto fluye a raudales desde la abertura 630 en la camara catodica 548 a lo largo del lado largo del objetivo de magnetron 634 hacia la rejilla anodo 622 y/o el anodo remoto superior 542. Aunque la el anodo remoto de rejilla jaula 622 puede estar hecho de alambres alineados en muchos patrones diferentes, la modalidad de la invencion mostrada en la obra 19E utiliza la jaula de anodo remoto 622 compuesta por un arreglo de alambres rectos paralelos al lado largo del objetivo de magnetron 634.
Con referencia a la figura 19F, la cual es una seccion de corte transversal del sistema mostrado en la figura Fig. 19E, se suministra un esquema de un sistema que uso un arreglo de alambres. Este arreglo de los alambres paralelos consiste en el arreglo externo de alambres 622a que forma una frontera externa del anodo remoto de jaula rejilla 622. El chorro de plasma de arco del anodo remoto esta confinado dentro de la jaula del anodo formado por este arreglo externo de anodo de alambres de jaula 622a. Tambien puede consistir opcionalmente en el arreglo de los alambres internos 622b que estan posicionados dentro del anodo de jaula rejilla 622. Cuando se aplica DC positiva o potencial de pulsos al anodo de jaula-rejilla en referencia el catodo en la camara catodica 548, alrededor de cada uno de los alambres del arreglo de alambres externos 622a y los alambres internos 622b se forma la funda de plasma anodico. La eficiencia de ionizacion dentro de la funda de plasma anodico es mayor que la del plasma de fondo lo cual da lugar al mejoramiento de la tasa de ionizacion del flujo de pulverizacion catodica por magnetron, contribuyendo por lo tanto a un mejoramiento aun mas grande de las propiedades de recubrimiento. El papel de los alambres internos 622b tambien es desviar las partlculas cargadas tales como electrones e iones positivos enrollando sus trayectorias, creando un efecto de pendulo, incrementando la longitud de las trayectorias de las partlculas cargadas y atrapando efectivamente las partlculas cargadas dentro del anodo de jaula rejilla 622, lo cual incrementa por lo tanto las probabilidades de ionizacion del flujo de pulverizacion catodica por magnetron. Esta estrategia para el confinamiento del plasma tambien puede usarse sin necesidad de confinamiento magnetico. Esto permite usar el objetivo de pulverizacion catodica de un modo de pulverizacion de diodos sin imanes mientras que el plasma de arco de anodo remoto de alta densidad se confina de
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modo electrostatico dentro del anodo de jaula-rejilla de 622. La distancia caracterlstica entre los cables adyacentes en el anodo de jaula-rejilla 622, mostrado en la figura 19E, esta en el intervalo desde 0.5 mm hasta 30 mm. El espesor de cada alambre se encuentra tlpicamente en el intervalo desde 50 pm hasta 3000 pm. La densidad de corriente de arco de anodo remoto que fluye a raudales a lo largo del objetivo 634 en paralelo azulado largo desde la abertura de camara catodica 634 esta en el intervalo de 0.1 a 500 A/cm2. La corriente de arco de anodo remoto puede suministrarse mediante el suministro de energla de DC o suministro de energla en pulsos. La seccion de corte transversal de la fuente pulverizacion catodica de magnetron 540 que esta circundada por el anodo de jaula rejilla 622 se muestra a manera de ilustracion en la figura 19F. La descarga de magnetron 647 se establece por encima del objetivo de magnetron 7a causando un flujo atomico de metal 649 de pulverizacion catodica por magnetron. La jaula de anodo consiste en un arreglo externo 622 a y el arreglo de alambres anodico internos 622b. Cuando se energiza alambre aplicando el potencial positivo versus el catodo en una camara catodica (no mostrado), la funda de plasma anodica con tasa de ionizacion incrementada se establece alrededor de cada uno de los alambres del anodo de la jaula-rejilla 622. Las trayectorias de las partlculas cargadas (electrones e iones positivos) 651 se desvlan cuando la partlcula se aproxima a la funda de plasma anodico que circundan el arreglo de los alambres 622a,b. En un perfeccionamiento los alambres del anodo de la jaula-rejilla 622 estan hechos de metales refractarios tales como W o Ta y su temperatura se mantiene en un intervalo de 500-2500 °C, lo cual permite re-evaporar efectivamente los atomos de metal del flujo de pulverizacion catodica por magnetron que pueden pegarse a la superficie del alambre se cree que la alta tasa de ionizacion dentro del anodo de jaula-rejilla hara posible operar la fuente de vapor de pulverizacion catodica en un intervalo de presion por debajo de 0.5 mtorr e incluso sin un gas noble como argon o cripton, lo cual elimina de esa manera las inclusiones perjudiciales de los atomos de gas noble en una red de recubrimiento.
Con referencia a la figura 20, se suministra una variacion de la fuente de arco catodico de emision de electrones con un catodo no consumible. El montaje de catodo 660 incluye un catodo enfriado con agua que tiene una forma cillndrica o una cavidad rectangular. La cavidad rectangular 662 incluye una superficie de evaporacion interna y de emision de electrones 664 y el anodo primario 666 que consiste generalmente en un inserto cillndrico o rectangular 668 adherido a la placa de anodo 670. El inserto de anodo 668 se extiende dentro de la cavidad catodica 662. El anodo 666 esta hecho de metales refractarios seleccionados del grupo de W, Ta, Nb, Hf, Ti, Cr, Mo y acero inoxidable. La placa del anodo 670 se alsla del catodo mediante espaciadores ceramicos 672. El anodo primario 666 se adhiere al recipiente de transferencia de plasma enfriado con agua 676 mediante los espaciadores 678 que tienen una pequena seccion de corte transversal que proporciona alta resistencia termica entre el recipiente de plasma 676 y el anodo primario 666. El recipiente de plasma 676 incluye una abertura 680 que se enfrenta al catodo 538 por todo el inserto de anodo tubular 668 en el lado del catodo 538 y la abertura 682 que enfrenta el espacio de descarga entre la rejilla electrodo 622 y la fuente de magnetron 540 en el lado de la camara de recubrimiento 550. La longitud de la abertura 682 es en terminos generales igual a aquella de la anchura del objetivo de magnetron 634 mientras que la anchura de la abertura 682 es menor que la anchura d del espacio de descarga 632. Los espaciadores 678 pueden estar hechos de metal refractario. En este caso el recipiente de plasma 676 esta conectado electricamente con el anodo primario 666. De manera alternativa, los espaciadores 678 pueden estar hechos de ceramica no conductora, haciendo el recipiente de plasma 676 electricamente aislado del anodo primario 666. En cualquier caso los espaciadores 678 tienen que tener una pequena seccion de corte transversal que proporciona una alta resistencia termica entre el recipiente de plasma enfriado con agua 662 y el anodo primario 668. Durante la operacion del anodo primario se calienta por la corriente de arco alcanzando la temperatura donde ocurre la re-evaporacion del metal transferido desde el catodo, reciclando efectivamente el metal del catodo que se evapora de la superficie interna de catodo 669 en la descarga de arco catodico.
El recipiente de catodo 662 normalmente se forma partir de un metal con una temperatura de fusion relativamente baja y una alta presion de vapor de saturacion. Los ejemplos de tales metales incluyen, pero no se limitan a Cu, Al, bronce y otras aleaciones de baja temperatura. A manera de alternativa, el recipiente de catodo 662 puede estar hecho de cobre pero su superficie de evaporacion interna y de emision de electrones 669 deberla estar cubierto por una capa delgada de un metal con baja temperatura de ebullicion (por ejemplo, Zn, Cd, Bi, Na, Mg, Rb). Los metales que se evaporan a baja temperatura se re-evaporan facilmente por parte del anodo primario caliente cuando su temperatura es de 600 a 1100 °C. La superficie interna enfriada con agua del recipiente de plasma 676 tambien puede funcionar como una superficie de condensacion que impide efectivamente que el flujo de atomos de catodo fluya hacia la seccion de camara de recubrimiento 550. Debe apreciarse que las variaciones de las duras 18-20 tambien pueden usarse rejilla electrodo 622. En este caso la abertura en la camara catodica 548 que se enfrenta a la camara de recubrimiento 550 debe posicionarse cerca de la superficie del objetivo de magnetron cuatro, que se enfrenta al area de descarga del magnetron donde la densidad de los atomos de pulverizacion catodica es mas alta.
Las figuras 21A y 21B proporcionan configuraciones alternativas de sistemas de plasma remoto s. Con referencia a la figura 21A, el sistema de recubrimiento 670 incluye un soporte de sustrato 672 posicionado entre la fuente 674 de pulverizacion catodica por magnetron 674 y el anodo 676. El sistema de recubrimiento 670 tambien incluye una camara catodica 678 que tiene el diseno descrito antes. Esta configuracion incrementa la densidad de plasma de arco remoto suministrando de esta manera una tasa de asistencia de bombardeo ionico mas alta durante la pulverizacion catodica de magnetron. Con referencia a la figura 21B, el sistema de recubrimiento 680 incluye el anodo 682 que esta compuesto de alambres delgados. El anodo 682 esta instalado entre el objetivo de magnetron 684 y el soporte de sustrato 686. El sistema de recubrimiento 680 tambien incluye la camara catodica 688 tal como se describio antes. En esta ultima
configuracion se crea una zona mas densa del plasma de descarga de arco remoto en el espacio entre el objetivo de magnetron y los sustratos que van a revestirse.
En otra modalidad, se proporciona un artlculo revestido formado por los metodos y sistemas descritos antes. Con referencia a la figura 22A, el artlculo revestido 726 comprende un sustrato 728 que tiene superficie 730 y un 5 recubrimiento 732 dispuestos sobre la superficie 730. En un perfeccionamiento, el recubrimiento es un recubrimiento protector. De manera tlpica, el recubrimiento tiene una microestructura densa y un color caracterlstico. En un perfeccionamiento, el recubrimiento incluye un metal refractario que ha reaccionado con nitrogeno, oxlgeno y/o carbono para formar un nitruro, oxido o carburo de metal refractario. Ejemplos de metales refractarios adecuados incluyen, pero no se limitan a, cromo, hafnio, tantalio, zirconio, titanio y aleacion de circonio-titanio. El nitruro de cromo es un ejemplo 10 de recubrimiento particularmente util hecho mediante los metodos descritos antes. En un perfeccionamiento, el recubrimiento tiene un espesor de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 6 pm. Con referencia a la figura 22B, se proporciona una variacion de un recubrimiento de nitruro de cromo, el cual es una estructura de multiples capas, formada por los metodos descritos antes. El artlculo revestido 834 incluye una capa delgada 836 de una capa de cromo no reaccionada dispuesta sobre el sustrato 728 y una capa gruesa de nitruro de cromo estequiometrico 838 dispuesta 15 sobre capa de cromo no reaccionado 736. En otro perfeccionamiento la estructura de capas multiples incluye ademas una capa 740 de la capa intermedia de nitruro de cromo estequiometrico, dispuesta sobre la capa de nitruro de cromo estequiometrico 738. El nitruro de cromo estequiometrico intermedio 240 tiene una estequiometrla dada por CrN(1-x) donde x es un numero entre 0.3 y 1.0. En un perfeccionamiento, el espesor de la capa de cromo no reaccionado 736 es de 0.05 pm y 0.5 pm, el espesor de la capa gruesa de nitruro de cromo 738 es de 1 pm a 3 pm y el nitruro de cromo 20 estequiometrico intermedio 740 es de 0.5 pm a 1 pm.
Mientras que se han ilustrado y escrito modalidades de la invencion, no se pretende que estas modalidades ilustren y describan todas las formas posibles de la invencion. Mas bien, las palabras usadas en la especificacion son palabras de descripcion antes que de limitacion y se entiende que pueden hacerse diversos cambios sin apartarse del espiritu y el alcance de la invencion.
25 La invencion tambien comprende:
1. Un sistema de recubrimiento que comprende: una camara de vacio; y
un montaje de recubrimiento que incluye:
una fuente de vapor que tiene una cara de objetivo con una dimension larga de fuente de vapor y una dimension corta 30 de cara de vapor;
un soporte de sustrato para sostener sustratos que van a revestirse de modo que los sustratos esten posicionados en frente de la fuente de vapor, y el soporte de sustrato tiene una dimension de soporte lineal;
un anodo remoto electricamente acoplado al objetivo catodico, y el anodo remoto tiene una dimension de anodo remoto lineal, y la fuente de vapor tiene una dimension de fuente de vapor lineal;
35 un montaje de camara catodica que incluye un objetivo catodico, un anodo primario opcional y un escudo que aisla el objetivo catodico de la camara de vacio, y el objetivo catodico tiene una dimension larga de objetivo catodico lineal y una dimension corta de objetivo catodico lineal, y el escudo define al menos una abertura para transmitir una corriente de emision de electrones de una descarga de arco remoto desde el objetivo catodico al anodo remoto que fluye a raudales a lo largo de la cara de la dimension larga de cara de objetivo;
40 un suministro de energia primario conectado entre el objetivo catodico y el anodo primario; y
un suministro de energia secundario conectado entre el objetivo catodico y el anodo remoto , en cuyo caso la dimension de anodo remoto lineal y la dimension corta de fuente de vapor son paralelas a una dimension en la cual se direcciona un punto de arco a lo largo del objetivo catodico.
2. El sistema de 1 donde el escudo define una abertura individual.
45 3. El sistema de 1 donde el escudo define una pluralidad de aberturas.
4. El sistema de 1 en cuyo caso comprende ademas una fuente de vapor adicional posicionada entre el montaje de camara catodica, donde la dimension de anodo remoto lineal y la dimension en la cual se direcciona un punto de arco a
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lo largo del objetivo catodico son ambas paralelas a las dimensiones cortas de la fuente de vapor de cada fuente de vapor adicional.
5. El sistema de 1 en cuyo caso comprende ademas un segundo montaje de camara catodica que incluye un segundo objetivo catodico, un segundo anodo primario opcional y un segundo escudo que alsla el segundo objetivo catodico de la camara de vaclo, y el segundo objetivo catodico tiene una segunda dimension de objetivo catodico lineal y el segundo escudo define al menos una abertura para transmitir una segunda corriente de emision de electrones desde el segundo objetivo catodico al anodo remoto que fluye a raudales a lo largo de la segunda dimension larga de cara de objetivo.
6. El sistema de 1 donde un plasma de arco de anodo remoto esta confinado entre el objetivo de fuente de vapor y el soporte lineal.
7. El sistema de 1 donde la fuente de vapor incluye un objetivo de magnetron.
8. El sistema de 7 que comprende ademas un anodo de rejilla-jaula instalado entre el objetivo de magnetron y el soporte lineal, y el montaje de camara catodica se posiciona en un primer extremo del anodo de rejilla-jaula, y el montaje de camara catodica tiene una abertura de camara catodica para corriente de liberacion y emision de electrones dentro del anodo de rejilla-jaula.
9. El sistema de 8 donde el anodo remoto se instala en un segundo extremo del anodo de rejilla-jaula.
10. El sistema de 8 donde el anodo remoto se conecta con un polo positivo de un primer suministro de energla de arco remoto y el anodo de rejilla-jaula se conecta a un polo positivo de un segundo suministro de energla de arco remoto .
11. El sistema de 8 donde el anodo de rejilla-jaula es electricamente flotante o aterrizado o donde el arco de anodo remoto esta confinado generalmente dentro de la jaula.
12. El sistema de 8 donde una distancia entre la frontera externa de la jaula de anodo es de 10 mm a 100 mm del objetivo de magnetron, una densidad de una corriente de arco remoto dentro del anodo rejilla-jaula es de 0.1 a 500 A/cm2.
13. El sistema de 8 donde el anodo de rejilla-jaula incluye alambres que tienen un espesor de 0.05 a 3 mm y una distancia entre alambres adyacentes de 0.5 a 30 mm.
14. El sistema de 8 que comprende ademas alambres de anodo internos distribuidos dentro de la jaula de anodo que desvlan las partlculas cargadas para ser atrapadas dentro de la jaula anodo.
15. El sistema de 7 que comprende ademas antenas RF posicionadas en ambos extremos de la jaula anodo y el soporte de las antenas RF inducen una descarga de RF que calienta electrones emitidos por el objetivo catodico.
16. El sistema de 1 donde el objetivo catodico del montaje de camara catodica incluye una cavidad cubierta por metal con una alta presion de vapor de saturacion, y la cavidad del catodo esta separada del area de descarga del arco remoto por un separador.
17. El sistema de 1 en cuyo caso comprende ademas un suministro de energla para la descarga de arco remoto que es un suministro de energla DC o un suministro de energla DC de pulsos, y el polo negativo del suministro de energla se conecta al objetivo catodico y el polo positivo del suministro de energla se conecta al menos un anodo remoto.
18. El sistema de 7 donde el suministro de energla de la descarga del arco remoto to de energla DC o suministro de energla DC de pulsos, y el polo negativo del suministro de energla se conecta con el objetivo catodico y el polo positivo del suministro de energla se conecta a un anodo de rejilla-jaula.
19. Un metodo de recubrir un sustrato en un sistema de recubrimiento, y el sistema de recubrimiento comprende: una camara de vaclo; y
un montaje de recubrimiento que incluye:
una fuente de vapor que tiene una cara objetivo con una dimension larga de cara objetivo y una dimension corta de cara objetivo;
un soporte de sustrato para sostener sustratos que van a revestirse de modo que los sustratos esten posicionados en frente de la fuente de vapor y el soporte de sustrato tiene una dimension de soporte lineal;
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un anodo remoto electricamente acoplado al objetivo catodico, y el anodo remoto tiene una dimension de anodo remoto lineal, y la fuente de vapor tiene una dimension de fuente de vapor lineal;
un montaje de camara catodica que incluye un objetivo catodico, un anodo primario opcional y un escudo que alsla el objetivo catodico de la Camara de vaclo, y el objetivo catodico tiene una dimension de objetivo catodico lineal, y el escudo define al menos una abertura para transmitir una corriente de emision de electrones de una descarga de arco remoto desde el objetivo catodico al anodo remoto que fluye a raudales a lo largo de la dimension larga de cara de objetivo;
un suministro de energla primario conectado entre el objetivo catodico y el anodo primario; y
un suministro de energla secundario conectado entre el objetivo catodico y el anodo remoto , donde la dimension de anodo remoto lineal y la dimension corta de fuente de vapor son paralelas a una dimension en la que se direcciona un punto de arco a lo largo del objetivo catodico.
El metodo comprende:
generar un arco primario en la fuente de catodo que emite electrones entre el objetivo catodico y el anodo primario;
generar un arco remoto confinado en un area de recubrimiento entre el montaje de camara catodica y el anodo remoto ; y
generar por de vapor metalico desde la fuente de vapor hacia al menos un sustrato que va a revestirse.
20. El metodo de 19 donde el sistema de recubrimiento comprende ademas un anodo de rejilla-jaula instalado entre el objetivo de magnetron y el soporte lineal, y el montaje de camara catodica esta posicionado en un primer extremo del anodo de rejilla-jaula, y el montaje de camara catodica tiene una abertura de camara catodica para corriente de liberacion emision de electrones dentro del anodo de rejilla-jaula.
Claims (13)
- 51015202530354045Reivindicaciones1. Un sistema de recubrimiento que comprende: una camara (12) de vaclo; yun montaje de recubrimiento que incluye:una fuente (16) de vapor que tiene una cara de objetivo con una dimension larga de fuente de vapor y una dimension corta de fuente de vapor;un soporte (20) de sustrato para sostener sustratos (22) que van a revestirse de modo que los sustratos (22) esten posicionados en frente de la fuente (16) de vapor, y el soporte (20) de sustrato tiene una dimension de soporte lineal;un anodo (44) remoto electricamente acoplado al objetivo (28) catodico, y el anodo (44) remoto tiene una dimension de anodo remoto lineal, y la fuente (16) de vapor tiene una dimension de fuente de vapor lineal;un montaje (18) de camara catodica que incluye un objetivo (28) catodico, un anodo (34) primario y un escudo (36) que alsla el objetivo (28) catodico de la camara (12) de vaclo, y el objetivo (28) catodico tiene una dimension larga de objetivo catodico lineal y una dimension corta de objetivo catodico lineal, y el escudo (36) define al menos una abertura (38) para transmitir una corriente (40) de emision de electrones de una descarga de arco remoto desde el objetivo (28) catodico al anodo (44) remoto que fluye a raudales a lo largo de la dimension larga de cara objetivo;un suministro (48) de energla primario conectado entre el objetivo (28) catodico y el anodo (34) primario; yun suministro (52) de energla secundario conectado entre el objetivo (28) catodico y el anodo (44) remoto , en cuyo caso la dimension de anodo remoto lineal y la dimension corta de fuente de vapor son paralelas a una dimension en la cual se direcciona un punto de arco a lo largo del objetivo (28) catodico.
- 2. El sistema de la reivindicacion 1 donde el escudo (36) define una abertura (38) individual.
- 3. El sistema de la reivindicacion 1 donde el escudo (36) define una pluralidad de aberturas (38).
- 4. El sistema de la reivindicacion 1 que ademas comprende una fuente de vapor adicional o que comprende ademas unsegundo montaje de camara catodica que incluye un segundo objetivo catodico, un segundo anodo primario y unsegundo escudo que alsla el segundo objetivo catodico de la camara (12) de vaclo, y el segundo objetivo catodico tiene una segunda dimension de objetivo catodico lineal, y el segundo escudo define al menos una abertura para transmitir una segunda corriente de emision de electrones desde el segundo objetivo catodico al anodo remoto que fluye a raudales a lo largo de la segunda dimension larga de cara de objetivo; o donde un plasma de arco de anodo remoto esta confinado entre el objetivo de fuente de vapor y el soporte lineal.
- 5. El sistema de la reivindicacion 1 donde la fuente (16) de vapor incluye un objetivo de magnetron.
- 6. El sistema de la reivindicacion 5 que comprende ademas un anodo (622) de rejilla-jaula instalado entre el objetivo de magnetron y el soporte lineal, y el montaje (18) de camara catodica esta posicionado en un primer extremo del anodo (622) de rejilla-jaula, el montaje (18) de camara catodica tiene una abertura (634) de camara catodica para corriente de liberacion y emision de electrones dentro del anodo (622) de rejilla-jaula.
- 7. El sistema de la reivindicacion 6 donde el anodo (44) remoto esta instalado en un segundo extremo del anodo (622) de rejilla-jaula; o donde el anodo (44) remoto esta conectado a un polo positivo de un primer suministro de energla de arco remoto y el anodo (622) de rejilla-jaula esta conectado con un polo positivo de un segundo suministro de energla de arco remoto ; o donde el anodo (622) de rejilla-jaula es flotante o aterrizado electricamente; o donde el arco de anodo remoto esta confinado generalmente dentro de la jaula; o donde una distancia entre la frontera externa de la jaula anodo es de 10 mm a 100 mm desde el objetivo de magnetron, una densidad de una corriente de arco remoto dentro del anodo de rejilla-jaula es de 0.1 a 500 A/cm2; o donde el anodo de rejilla-jaula incluye alambres que tienen un espesor de 0.05 a 3 mm y una distancia entre alambres adyacentes de 0.5 a 30 mm; o que comprende ademas alambres de anodo internos distribuidos dentro de la jaula de anodo que desvla partlculas cargadas que van a tratarse dentro de la jaula (622) anodo.
- 8. El sistema de la reivindicacion 5 que comprende ademas antenas de RF posicionadas en ambos extremos de la jaula anodo, y el soporte de las antenas de RF induce una descarga de RF que calienta electrones emitidos por el objetivo (28) catodico.5101520253035
- 9. El sistema de la reivindicacion 1 donde el objetivo (28) catodico del montaje (18) de camara catodica incluye una cavidad (662) cubierta por metal que tiene una presion de vapor de saturacion, la cavidad (662) catodica se separa del area de descarga de arco remoto por un separador.
- 10. El sistema de la reivindicacion 1 en cuyo caso comprende ademas un suministro de energla para la descarga de arco remoto es un suministro de energla DC o suministro de energla DC de pulsos, y el polo negativo del suministro de energla esta conectado con el objetivo catodico y el polo positivo del suministro de energla esta conectado con al menos un anodo remoto .
- 11. El sistema de la reivindicacion 5 donde el suministro de energla de la descarga de arco remoto es un suministro de energla DC o un suministro de energla DC de pulsos, y el polo negativo del suministro de energla esta conectado con el objetivo catodico y el polo positivo del suministro de energla esta conectado con un anodo de rejilla-jaula.
- 12. Un metodo de recubrir un sustrato (22) en un sistema (10) de recubrimiento, y el sistema (10) de recubrimiento comprende:una camara (12) de vaclo; y un montaje de recubrimiento que incluye:una fuente (16) de vapor que tiene una cara de objetivo con una dimension larga de fuente de vapor y una dimension corta de cara de vapor;un soporte (20) de sustrato para sostener sustratos (22) que van a revestirse de modo que los sustratos (22) esten posicionados en frente de la fuente (16) de vapor, y el soporte (20) de sustrato tiene una dimension de soporte lineal;un anodo (44) remoto electricamente acoplado al objetivo (28) catodico, y el anodo (44) remoto tiene una dimension de anodo remoto lineal, y la fuente (16) de vapor tiene una dimension de fuente de vapor lineal;un montaje (18) de camara catodica que incluye un objetivo (28) catodico, un anodo (34) primario y un escudo (36) que alsla el objetivo (28) catodico de la camara (12) de vaclo, y el objetivo (28) catodico tiene una dimension de objetivo catodico lineal, y el escudo (36) define al menos una abertura (38) para transmitir una corriente (40) de emision de electrones de una descarga de arco remoto desde el objetivo (28) catodico al anodo (44) remoto que fluye a raudales a lo largo de la cara de la dimension larga de cara de objetivo;un suministro (48) de energla primario conectado entre el objetivo (28) catodico y el anodo (34) primario; yun suministro (52) de energla secundario conectado entre el objetivo (28) catodico y el anodo (44) remoto , en cuyo caso la dimension de anodo remoto lineal y la dimension corta de fuente de vapor son paralelas a una dimension en la cual se direcciona un punto de arco a lo largo del objetivo (28) catodico.El metodo comprende:generar arco primario en la fuente catodica que emite electrones entre el objetivo (28) catodico y el anodo (34) primario;generar un arco remoto confinado en un area de recubrimiento entre el montaje (18) de camara catodica y el anodo (44) remoto ; ygenerar flujo de vapor de metal desde la fuente (16) de vapor hacia al menos un sustrato (22) que va a revestirse.
- 13. El metodo de la reivindicacion 12 donde el sistema (10) de recubrimiento comprende ademas un anodo (622) de rejilla-jaula instalado entre la fuente (16) de vapor y el soporte de sustrato (28), y el montaje (18) de camara catodica esta posicionado en un primer extremo del anodo (622) de rejilla-jaula, y el montaje (18) de camara catodica tiene una abertura de camara catodica para corriente de liberacion y emision de electrones dentro del anodo (622) de rejilla-jaula.
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