MX2007005041A - Fuente de plasma de arco filtrado bidireccional. - Google Patents

Abstract

Un aparato para generar plasma incluye un cátodo que tiene una superficie evaporable configurada para emitir un material que comprende plasma y macropartículas; dirigidas opuestamente a las aberturas de salida configuradas para dirigir el plasma; un filtro configurado para transmitir por lo menos algo del plasma a las aberturas de salida mientras evita la transmisión de por lo menos algunas de las macropartículas, el filtro comprendiendo por lo menos un electrodo de deflexión dispuesto generalmente paralelo a, y mirando hacia, por lo menos un electrodo de deflexión; y un segundo elemento para generar un segundo componente de campo magnético que tiene una segunda polaridad en la superficie evaporable del cátodo que está opuesto a la primera polaridad de manera que se crea una región de campo baja ente la superficie evaporable y por lo menos un electrodo de flexión.

Description

FUENTE DE PLASMA DE ARCO FILTRADO BIDIRECCIONAL ANTECEDENTES La presente invención se refiere generalmente a un aparato de depósito de vapor para depositar un revestimiento sobre un sustrato y método para depositar un revestimiento sobre un sustrato. Más particularmente, se refiere a un aparato de depósito de arco catódico y métodos para usar el mismo. La evaporación de arco catódico, durante las dos últimas décadas, se ha convertido de uso comercial para depositar revestimientos de metales, aleaciones de metales y compuestos, y carbono. Las descargas de arco catódico también se pueden usar como fuentes de planta para operaciones de procesamiento de hierro tales como implante, grabado por chispas, grabado reactivo y difusión. Un cátodo del material deseado (o su precursor) se vaporiza por una alta corriente, descarga de plasma de arco a bajo voltaje en una cámara de vació que se ha evacuado a una presión normalmente menor a 0.001 mbar. Las corrientes de arco normales varían entre 25 y 1000 ampere con voltajes entre 15 y 50 volts. Los compuestos tales como nitruros, carburos y óxidos de metales pueden formarse por la introducción de uno o más gases reactivos durante el depósito.

Un efecto lateral indeseable de evaporación de arco catódico es la generación de gotas fundidas de material catódico, los cuales se expulsan del cátodo por al fuerza de reacción del chorro de arco. Estas gotas comúnmente se llaman macroparticulas y varían en diámetro de sub-micras a décimas de mieras o más. Las macroparticulas pueden incrustarse en el revestimiento cuando se posan sobre el sustrato, o pueden pegarse y después caerse, ocasionando defectos superficiales en cualquier caso. Las estrategias para reducir el número de macroparticulas que llegan al sustrato generalmente están dentro de dos categorías. La primera estrategia es usar un campo magnético en la superficie blanco para acelerar el arco y así reducir la generación de macroparticulas. La segunda estrategia es interponer un filtro o estructura general entre el cátodo y los sustratos. El filtro permite que por lo menos parte del vapor ionizado se transmita mientras que bloquea por lo menos algo de las gotas fundidas . La primera estrategia (es decir, el empleo de un campo magnético) generalmente es más sencillo de implementar pero no se limita por completo la generación de macroparticulas. La segunda estrategia (es decir, filtrado) generalmente es más efectiva para reducir contaminación de macroparticulas del revestimiento pero requiere un aparato más complejo y en el pasado tendió a reducir significativamente la salida de iones debido a perdidas de transmisión. Las fuentes de arco filtradas se han descrito en literatura científica y de patentes. Por ejemplo, una publicación por Aksenov, y toros ("Transport of plasma streams in a curvilinear plasma-optics system"; Soviet Journal of Plasma Physics, 4(4), 1978) esta entre los primeros en describir el uso de un conducto de plasma en el cuarto toroidal, con serpentines electromagnéticos para crear un campo magnético solenoidal a través del conducto. Aunque las fuentes de plasma de arco filtrado circulares son las más comunes, particularmente son convenientes las fuentes de plasma de arco filtrado rectangulares para el revestimiento o procesamiento de iones de grandes sustratos, material de lámina en forma enrollada, y para cantidades de sustratos más pequeños en un transportador lineal o carrusel circular. Podría ser conveniente proveer una fuente de plasma de arco filtrada mejorada que tiene corriente de salida de iones sustancialmente superior que la de fuentes de plasma conocidas. También podría ser conveniente proveer un método para usar una fuente de plasma de arco filtrada que da como resultado el depósito mejorado comprado con métodos conocidos. Consecuentemente, podría ser ventajoso proveer un sistema y/o método que provea cualquiera o más de estas u otras características ventajosas como será evidente para los que revisan la presente descripción.

COMPENDIO Una modalidad ilustrativa de la invención se refiere a un aparato para generar plasma. El aparato incluye un cátodo que tiene una superficie evaporable configurada para emitir un material que comprende plasma y macroparticulas y se dirigen opuestamente a las aberturas de salida configuradas para dirigir el plasma. El aparato también incluye un filtro configurado para transmitir por lo menos algo del plasma a las aberturas de salida mientras se evita la transmisión de por lo menos alguna de las macropartículas . El filtro comprendiendo por lo menos un electrodo de deflexión dispuesto generalmente paralelo a, y mirando hacia, por lo menos una porción de la superficie evaporable. El aparato también incluye un primer elemento para generar un primer componente de campo magnético que tiene una primera polaridad entre el cátodo y por lo menos un electrodo de deflexión y un segundo elemento para generar un segundo componente campo magnético teniendo una primera polaridad entre el cátodo y por lo menos un electrodo de deflexión y un segundo elemento para generar un segundo componente de campo magnético que tiene una segunda polaridad en la superficie evaporable del cátodo que es opuesta a la de la primera polaridad en la superficie evaporable del cátodo que es opuesta a la de la primera polaridad de manera que se crea una región de campo bajo entre la superficie evaporable y por lo menos un electrodo de deflexión. Otra modalidad ilustrativa de la invención se refiere a un aparato para generar plasma que incluye un cátodo configurado para emitir plasma y macroparticulas y un filtro configurado para transmitir por lo menos una porción del plasma mientras se evita la transmisión de por lo menos una porción de las macroparticulas. El filtro comprende por lo menos un electrodo de deflexión. El aparato también incluye medios para generar un primer componente de campo magnético que tiene una primera polaridad entre el cátodo y por lo menos un electrodo de deflexión y medios para generar un segundo componente de campo magnético que tiene una segunda polaridad próxima al cátodo que es opuesta al de la primera polaridad. Otra modalidad ilustrativa de la invención se refiere a un método para generar plasma comprendiendo vapor ionizado de un material de cátodo. El método incluye proveer un filtro que comprende electrodos de deflexión paralelos y protecciones laterales al cátodo y proveer un cátodo configurado para sacar el plasma y macroparticulas dentro del filtro. E método también incluye generar un componente de campo magnético primario entre los electrodos de deflexión que es paralelo a los electrodos de deflexión y a una superficie evaporable del cátodo. El campo magnético primario pretendido para incrementar la transmisión de plasma emitido de la superficie evaporable a una región afuera de los electrodos de deflexión. El método además incluye generar un segundo componente de campo magnético secundario próximo a la superficie evaporable del cátodo que tiene una polaridad opuesta a la del componente del campo magnético primario de manera que se forma una región de campo bajo entre la superficie evaporable y el electrodo de deflexión adyacente en cada lado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un dibujo esquemático de una fuente de plasma de arco filtrado de la técnica anterior que ilustra arco, inclinación del deflector, y conexiones de suministro de energía magnética. La Figura 2 es un dibujo transversal esquemático de la fuente de plasma de arco filtrado mostrado en la Figura 1 que ilustra líneas de flujo magnéticas y trayectorias de macropartículas .

La Figura 3 es un dibujo transversal a través de una fuente de plasma de arco filtrada de acuerdo con una modalidad ilustrativa que ilustra lineas de flujo magnético. La Figura 4, es un dibujo esquemático de un cátodo lineal y medios magnéticos secundarios de acuerdo con una modalidad ilustrativa. Las Figuras 5a y 5b son gráficas de contorno de salida de corriente de iones contra corriente de serpentín electromagnético primario y secundario, para cátodos de cromo y grafito, respectivamente. La Figura 6 es un dibujo esquemático de una fuente de arco filtrado bidireccional montada en el centro de un carrusel de sustrato giratorio de acuerdo con una modalidad ilustrativa .

DESCRIPCIÓN DETALLADA De acuerdo con una modalidad ilustrativa, se provee un sistema de plasma de arco filtrado bidireccional (es decir, que incluye fuentes que proveen salida de plasma en dos direcciones opuestas) para formar un revestimiento o preformar un procesamiento de iones de un sustrato o artículo. Se pretende que el uso de dicho sistema permitirá que el área sobre la cual se distribuye el plasma emitido se incremente y pueda dar como resultado capacidad de sustrato incrementada . Deberá observarse que los términos "sustrato" y "articulo" como se usa en la presente se pretende que se refieran a cualquier articulo, estructura, o producto sobre el cual podría ser conveniente proveer un revestimiento o realizar procesamiento de iones. Ejemplos de dichos productos incluyen, pero no necesariamente están limitados a, componentes de plomería (v.gr., grifos, manijas, boquillas, fregaderos, pestañas de drenaje, válvulas de retención, tuberías, drenajes de tinas, etc.), accesorios domésticos (v.gr., perillas de puertas, ganchos, jaladeras de cajones/gabinetes, etc.), accesorios para baño (toalleros, pasamanos de seguridad, etc.), ventanas y puertas (v.gr., puertas para regaderas, etc.), cuchillos, instrumentos médicos, vajillas, productos recreativos, artículos deportivos (v.gr., palos de golf, patines de hielo, etc.), productos de iluminación interior o exterior (v.gr., lámparas, aparatos fijos, etc.), señalamientos de información a prueba de agua, y cualquiera de una variedad de otros productos o artículos. La Figura 1 es un dibujo esquemático de una fuente de plasma de arco filtrada rectangular tal como la descrita en mayor detalle en la Patente de E.U.A. No. 5,997,705 de Welty y titulada "Rectangular Filtered Are Plasma Source" (de aquí en adelante denominada como "la patente '705"), toda la descripción de la cual se incorpora aquí por referencia. Se provee un cátodo 1 el cual incluye una superficie evaporable envolviéndose alrededor de la periferia que consiste de un lado largo 2, extremo 3, y sus superficies opuestas. Durante la operación, los puntos del arco circulan alrededor de la periferia en un circuito de "pista" continua, a una velocidad determinada por el material de cátodo y la resistencia del componente de campo magnético paralelo a la superficie del cátodo. El plasma se emitió desde el cátodo en las direcciones aproximadamente perpendiculres a las cuatro caras de la periferia (superficie evaporable) . Par un cátodo largo, la mayoría del plasma se emitió en dos direcciones opuestas perpendiculares a los lados largos del cátodo. Se evita que las macropartículas expulsadas de la superficie evaporable alcancen el sustrato por un aparato de filtro comprendiendo protecciones laterales al cátodo y electrodos de deflexión. Las protecciones laterales del cátodo 4 estén dispuestas perpendiculares a la superficie evaporable a lo largo de ambos bordes y proyectan una distancia "d" hacia afuera desde alrededor de toda la superficie evaporable. El suministro de potencia de arco 5 se conecta en su terminal negativa al cátodo 1 y en su terminal positiva a la protección lateral 4 (que también sirve como un ánodo) . El ánodo de la descarga puede comprender una estructura eléctricamente aislada dentro de la cámara de vacio o puede comprender una o más estructuras conectadas a tierra eléctricamente a la cámara de vacio (metálica) o sistema conectado a tierra. El ánodo deberá estar en contacto eléctrico con el plasma (es decir, afectando a un número suficiente de partículas de plasma para soportar la descarga) y preferiblemente es una superficie a través de la cual pasan por lo menos algunas de las líneas de flujo magnéticas paralelas a los electrodos de deflexión. Como se muestra en la Figura 2, que es una vista transversal de la fuente de arco filtrada mostrada en la Figura 1, el ánodo comprende protecciones laterales 4, que están conectadas a la salida positiva del suministro de potencia de arco y preferiblemente pueden estar conectadas al sistema conectado a tierra. Como se muestra en la Figura 1, los electrodos de deflexión laterales 6 están dispuestos paralelos a los lados del cátodo 1 y mirando hacia las superficies que pueden evaporarse. Los electrodos de deflexión final 7 también pueden estar dispuestos paralelos a los extremos del cátodo para reducir pérfidas finales. Un serpentín electromagnético 8 está dispuesto alrededor de la parte exterior de los electrodos de deflexión 6 y 7 y está conectado a un suministro de energía de serpentín 9. El serpentín está alineado de tal manera que el campo magnético solenoidal generado substancialmente está paralelo a las cuatro caras de la superficie evaporable y a los electrodos de deflexión. El aparato puede operarse de tal manera que la corriente de serpentín, y por lo tanto el campo magnético, sean provistos en cualquier polaridad. Los electrodos de deflexión 6 y 7 pueden conectarse a la salida positiva de un suministro de derivación de deflexión 15, la salida negativa de la cual se conecta al ánodo (ánodo de protección lateral 4) . Las flechas 10 indican la dirección general del flujo de plasma dado que se emite aproximadamente perpendicular a la superficie evaporable (es decir, en una distribución angular que cae desviada a medida que se incrementa el ángulo lejos de la superficie normal) . Las flechas 11 y 12 indican las corrientes dirigidas opuestamente en las cuales se divide el plasma a medida que se redirige por electrodos de deflexión 6. Las corrientes de plasma 11 y 12 salen de la fuente a través de las aberturas de salida que miran opuestamente 13 14. Los electrodos de deflexión 6 y 7 tienen una anchura seleccionada y están montados a una distancia seleccionada de la superficie evaporable. Los electrodos de deflexión funcionan para deflectar y redirigir la corriente de plasma, emitida perpendicular a la superficie evaporable, en dos direcciones opuestas paralelas a los electrodos y la superficie evaporable. Los electrodos de deflexión también funcionan para bloquear macroparticulas expulsadas en ángulos superiores a la superficie evaporable. La anchura de los electrodos de deflexión y su distancia desde la superficie evaporable, asi como la distancia por la cual se proyectan las protecciones laterales hacia fuera de la superficie evaporable, se seleccionan de manera que no hay linea de visión desde la superficie evaporable al sustrato. En este caso, una macroparticula expulsada desde cualquier punto en la superficie evaporable y viajando en cualquier dirección hacia el sustrato se bloqueará por una protección lateral del cátodo o un electrodo de deflexión. Los deflectores 17 pueden estar dispuestos perpendiculares a los electrodos 6 para reducir el rebote de macropartículas hacia las aberturas de salida 13 y 14. La flecha 15 muestra una trayectoria para una macroparticula 30 emitida a un ángulo desde la superficie evaporable 2. Las macropartículas emitidas debajo del ángulo están bloqueadas por protecciones laterales 4, mientras que las que están por arriba del ángulo a están bloqueadas por los electrodos de deflexión 6. Como se muestra en la Figura 2, los serpentines electromagnéticos 19 y 20 están dispuestos alrededor de la parte exterior de los electrodos de deflexión 6. Las líneas de flujo magnéticas 21 generadas por corriente en los serpentines 19 y 20 están sustancialmente paralelas a las caras de superficies evaporables 2 y a los electrodos de deflexión 6 y 7. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, la forma y ubicación de los serpentines 19 y 20 se eligen usando modelado por computadora para proveer la configuración del campo magnético deseada para la geometría del electrodo particular deseada. Las líneas de flujo magnéticas mostradas en las Figuras 2 y 3 se generaron por un programa de análisis magnético del elemento finito comercialmente disponible (v.gr., comercialmente disponible bajo el nombre "Maxwell" de Ansoft Corporation de Pittsburgh, Pennsylvania ) . Par los serpentines 19 y 20 que tienen una densidad de corriente de 1000 amperes/cm¿ y que tienen dimensiones relativas como se muestra con respecto a los electrodos (independientes de escala real) la resistencia de campo en la región adyacente a superficies evaporables 2 es de 25 gauses aproximadamente. Una preocupación asociada con el aparato mostrado y descrito con respecto a la Figura 1 es que para lograr eficiente deflexión del plasma, y por lo tanto salida de fuente superior, es conveniente tener un campo magnético fuerte cerca del electrodo de deflexión. Dado que el componente de campo magnético primario generado por los medios magnéticos es sustancialmente uniforme dentro de la región entre los electrodos de deflexión y el cátodo, también existe entonces un campo magnético fuerte en la superficie del cátodo. De acuerdo con una modalidad ejemplar ilustrada, por ejemplo, en la Figura 3, y en contraste con la modalidad mostrada en las Figuras 1 y 2, en lugar de usar un solo serpentín electromagnético 8 para proveer la fuente del campo magnético, se usan dos elementos o miembros (v.gr. , medios magnéticos primario y secundarios) para generar un campo magnético en la región entre los electrodos de deflexión y adyacente a la superficie blanco. El campo magnético sirve tanto para forzar los puntos de descarga de arco como para circular continuamente alrededor de la superficie evaporable (periferia) del cátodo, y para incrementar la efectividad del electrodo de deflexión como se trata más adelante. Los medios magnéticos primarios funcionan para generar un componente de campo magnético primario sustancialmente solenoidal dentro de la región entre los electrodos de deflexión y a través del volumen del cátodo, como se enseña en la patente '705 y se muestra en las Figuras 1 y 2. Los medios magnéticos secundarios funcioanan para generar un componente de . campo magnético secundario concentrado cerca de la superficie del cátodo, teniendo polaridad opuesta al componente del campo magnético primario, por lo que reduce la resistencia total del campo (la suma de los componentes primario y secundario) en la región cerca de la superficie del cátodo. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, los medios magnéticos secundarios preferiblemente están localizados cerca del cátodo, de manera que la resistencia del componente del campo secundario es mayor cerca de la superficie del cátodo a la que está cerca del electrodo de deflexión. Controlando las resistencias relativas de los componentes del campo primario y secundario, es posible, de acuerdo con una modalidad ilustrativa, logar simultáneamente un campo fuerte cerca del electrodo de deflexión y un campo débil cerca de la superficie del cátodo, aumentando así al máximo la eficiencia tanto del transporte del plasma lejos de la superficie del cátodo y su redirección en el electrodo de deflexión. Se crea una región magnética de campo inferior en la parte frontal de a superficie del cátodo a través de la cual el plasma emitido desde el cátodo se guía magnéticamente hacia el electrodo de deflexión. La redirección del plasma por los electrodos de deflexión se logra usando un campo eléctrico perpendicular a la superficie del electrodo. El campo eléctrico tiene una polaridad que repele iones positivos del electrodo (es decir, el potencial se vuelve crecientemente positivo para un ion que se acerca al electrodo) . En un electrodo de deflexión aislado eléctricamente, un campo eléctrico se desarrolla espontáneamente debido a los diferentes regímenes de llegada de los iones y electrones del plasma afectados. Un campo magnético paralelo a la superficie del electrodo reduce el régimen de llegada de electrones mucho más que el régimen de llegada de iones (debido a que los electrones tienen masa mucho más pequeña), ocasionando que el potencial de electrodos se vuelva más positivo y por lo tanto más efectivo para repeler iones. La efectividad de los electrodos de deflexión además puede incrementarse aplicando un voltaje de derivación positivo (con respecto al ánodo) a por lo menos una porción de cada electrodo de deflexión por medio de un suministro de potencia adicional. La Figura 3 es una visa en sección transversal de una modalidad ilustrativa de la presente invención en la cual un cátodo 101, que tiene una superficie evaporable 102, se dispone entre los electrodos de deflexión 106 y 107, y entre bobinas electromagnéticas secundarias 141 y 142. Un serpentín electromagnético primario 119 se dispone alrededor del exterior de los electrodos de deflexión 106 y 107. La configuración y ubicación de las vueltas del serpentín 119 se eligieron por medio de una computadora de modelación para proveer un componente de campo primario sustancialmente uniforme paralelo a las caras superficiales evaporables 102 a los electrodos de deflexión 106 y 107. A 400 amps de corriente en serpentín primario 119, la densidad de flujo ("resistencia" del componente de campo magnético primario entre los electrodos de deflexión 106 y 107 es de aproximadamente 150 Gauses. Los serpentines secundarios 141 y 142 tienen cada uno 500 vueltas de alambre de cobre, devanados en una pieza de polo permeable magnéticamente, y conservado con epoxi en un alojamiento de cobre enfriado con agua 145, el cual también sirve como una superficie de ánodo (145a) y como una superficie de protección lateral del cátodo (145b) que define el ángulo a (véase, v.gr., Figura 2) debajo del cual se bloquean las macropartículas . Las lineas de flujo 161 mostradas en la Figura 3 representan la suma de los componentes de campo magnético primario y secundario generados por una corriente de serpentín primario de 400 amps y una corriente de serpentín secundario de 9 amp . Una región de campo baja 160 se crea en la parte frontal de la superficie del cátodo a través de la cual se canaliza el plasma emitido del cátodo 101 hacia el electrodo de deflexión 106 y 107. Controlando las resistencias relativas de los componentes de campo primario y secundario, es posible lograr un campo relativamente fuerte cerca de los electrodos de deflexión 106 y 107. Controlando las resistencias relativas de los componentes de campo primario y secundario, es posible lograr un campo relativamente fuerte cerca de los electrodos de deflexión 106 y 107 y un campo relativamente débil cerca de la superficie de cátodo, aumentando asi la eficiencia tanto del transporte del plasma lejos de la superficie del cátodo y su redirección al electrodo de deflexión. La Figura 4 es un dibujo esquemático de un cátodo lineal y medios magnéticos secundarios de acuerdo con una modalidad ilustrativa en la cual el cátodo 101, que tiene una superficie evaporable que consiste de superficies 102 y 103 y sus superficies opuestas correspondientes, se dispone entre las protecciones laterales del cátodo 104, todos los cuales están dispuestos entre los serpentines electromagnéticos secundarios 141 y 142. Los serpentines se devanan en piezas de polos permeables magnéticamente 143. Las Figuras 5a y 5b muestran la corriente de salida de iones promedio de la fuente a medida que varia la corriente a través de los serpentines electromagnéticos primario y secundario, y también muestran la velocidad a la cual los puntos de arco circulan o "rotan" alrededor del cátodo. Los valores de cero de la corriente de serpentín secundario corresponden a aquellos de la fuente descrita en la patente '705, que incluye solo un serpentín electromagnético primario. A medida que se incrementa la corriente del serpentín secundario, el campo magnético en la superficie del cátodo se vuelve más débil, dando como resultado el incremento en la corriente de salida de iones y disminuyendo la velocidad de rotación de arco. La corriente de salida de iones máxima ocurre cuando la velocidad de rotación de arco está cerca de cero (es decir, el componente de campo magnético primario en la superficie del cátodo se ha cancelado casi por completo por el componente de campo secundario, reduciendo asi la circulación de puntos de arco de derivación de fuerza) . Una región de campo baja 160 se crea en la parte frontal de la superficie del cátodo a través de la cual el plasma emitió desde el cátodo se guia magnéticamente hacia el electrodo de deflexión, en donde encuentra lineas de flujo fuertes 161 paralelas a los electrodos de deflexión 106 y 107. A valores aún superiores de la corriente de serpentín secundarios a la rotación de arco disminuye completamente hasta que se detiene y cambia de dirección, indicada por los valores negativos de la velocidad de rotación. En el caso de carbono, como se muestra en la Figura 5b, la velocidad de rotación de arco es muy baja, en particular para la corriente de serpentín secundaria alta que aumenta la corriente de salida. En este caso puede ser difícil depositar un revestimiento de grosor uniforme en áreas de sustrato grandes. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, es posible obtener revestimientos uniformes de diamante amorfo (carbón amorfo unido tetrahédricamente ) a un régimen de depósito relativamente alto sobre un área mayor a un metro cuadrado (m¿) , montando los sustratos adentro de un carrusel cilindrico que gira a una velocidad relativamente alta alrededor de la fuente de arco, como se muestra en la Figura 6 de acuerdo con una modalidad ilustrativa. En la Figura 6, el cátodo 201 se coloca entre los electrodos de deflexión 206 y 207, y entre serpentines electromagnéticos secundarios 241 y 242. Los medios magnéticos primarios y medios de enfriamiento de cátodos no se muestran. Las protecciones laterales de cátodos 204 se proyectan más allá de la superficie evaporable sobre todos los lados por una distancia seleccionada, junto con la anchura de los electrodos de deflexión 206 y 207, para evitar que las macroparticulas se expulsen de la superficie evaporable al alcanzar un sustrato 251 montado sobre la superficie interna del carrusel cilindrico giratorio 250. La velocidad de rotación del carrusel 250 en la Figura 6 deberá ser lo suficientemente alta que pueda ocurrir la rotación completa durante cada incremento pequeño del movimiento de arco. Por lo tanto es constante el régimen de depósito, en promedio, alrededor de la circunferencia del cilindro, mientras que el chorro de plasma se explora hacia arriba y hacia abajo a lo largo de la longitud del carrusel a medida que el arco rota alrededor de la periferia del cátodo. Por ejemplo, una rotación del carrusel del sustrato para cada cm de movimiento de arco a lo largo del cátodo requiere una velocidad de rotación del carrusel de aproximadamente 100 rpm, cuando el arco gira a 1 rpm alrededor de un cátodo de 50 cm de largo. En referencia a todas las Figuras, el montaje y enfriamiento del cátodo, ánodo y aparato de filtro pueden lograrse mediante cualquier método adecuado. Es inevitable algún bloqueo del flujo de plasma debido al enfriamiento y conexiones de potencia y soporte mecánico; sin embargo, las conexiones pueden hacerse preferiblemente en los extremos del cátodo, dejando no obstruidos los lados a lo largo de toda su longitud. El cátodo tiene la forma general de una barra rectangular, pero puede comprender múltiples segmentos o elementos reemplazables para conveniencia de operación y mantenimiento. Se puede evitar el movimiento lateral del arco afuera del borde de la superficie evaporable por medios conocidos, v.gr., aislantes, cubiertas, anillos conductores, o anillos permeables. Los que revisen esta descripción reconocerán que varias modalidades ilustrativas descritas en la presente con respecto a las Figuras 3-6 incluyen varias características ventajosas en contraste con las utilizadas en los sistemas de arco filtrado convencionales. Por ejemplo, de acuerdo con una modalidad ilustrativa, una fuente de arco filtrado tal como el descrito en la presente incluye una distribución de salida bidireccional , usa un cátodo de magnetrón lineal, e incluye una disposición única de electrodos de deflexión, áreas de montaje de sustrato y disposición permanente de imanes. Una característica particularmente ventajosa descrita en la presente es el uso de un medio magnético secundario para controlar el campo magnético en la región de la superficie del cátodo. De esta manera, puede producirse una fuente de plasma rectangular compacta y eficiente de cualquier longitud requerida. La salida bidireccional es bastante adecuada para una fuente central adentro de una disposición giratoria de sustratos, por ejemplo, o entre dos sustratos de transporte lineales. Los medios magnéticos primario y secundario pueden comprender electroimanes, imanes permanentes, o una combinación de ambos. Un simple serpentín de solenoide devanado alrededor del exterior de los electrodos de deflexión y cátodo, como se muestra en la Figura 1, puede proveer un componente de campo primario adecuado. Dos o más solenoides más pequeños pueden usarse con el fin de configurar al campo magnético o para conveniencia en la fabricación y montaje como se muestra en la Figura 2. De acuerdo con otra modalidad ilustrativa, el campo primario puede generarse por medio de imanes permanentes (v.gr., tales como aquellos descritos en la patente '705). Los electroimanes tienen la ventaja de que la resistencia del campo magnético puede varia relativamente fácil, pero tiene las desventajas de gran tamaño y peso, costo relativamente alto y el requerimiento de enfriamiento para evitar acumulación de calor durante la operación. Los imanes permanentes tienen las ventajas de tamaño más pequeño y costo inferior y no requieren enfriamiento o suministro de energía, pero tienen la desventaja de que puede variar la resistencia de campo magnético solo reemplazando los imanes. La resistencia del campo magnético y el voltaje desviado al electrodo de deflexión puede elegirse para optimizar transmisión de plasma para un material particular vaporizado (peso atómico y estado de carga promedio) . Las fuerzas del campo magnético en la escala de 100-1000 gauses con voltajes desviado de electrodos en la escala de 5-50 volts son adecuadas para una variedad de materiales, aunque las resistencias de campo superior e inferior y los voltajes pueden emplearse de acuerdo con otras modalidades ilustrativas. La anchura de electrodos de deflexión y separación y la distancia por la cual se proyecta la protección lateral puede variar dentro de los límites impuestos por el requerimiento de línea de visión. Una distancia de proyección de protección lateral más corta requiere un electrodo de deflexión más amplio y vice-versa. Las protecciones laterales más cortas son convenientes para aumentar la cantidad de plasma que escapa de la región del cátodo y reduce la acumulación de revestimiento sobre las protecciones laterales. Sin embargo, las protecciones de deflexión más amplias ocupan mas espacio en la cámara de procesamiento, requieren ensambles magnéticos más grandes y pueden sufrir perdidas de transmisión incrementadas. El enfriamiento con agua de los electrodos de deflexión y protecciones laterales puede ser necesario para la operación continua a una potencia alta. El rebote de raacroparticulas afuera del electrodo de deflexión puede reducirse por medio de múltiples deflectores paralelos montados perpendiculares al electrodo como se muestra en la Figura 2. La altura, separación, número y ubicación de los deflectores puede seleccionarse ventajosamente para asegurar que las macroparticulas no pueden escaparse sin que reboten por lo menos dos. Alternativamente, se pueden formar múltiples superficies anguladas 148 en el electrodo de deflexión, como se muestra en la Figura 3, para controlar la dirección en la cual incide el rebote de macroparticulas . De acuerdo con una modalidad ilustrativa, se describen un aparato y método mejorados para generar corrientes dirigidas de plasma de metales, con el fin de depositar un revestimiento o llevar a cabo procesamiento de iones. El plasma comprende vapor ionizado de un material de cátodos, generado por evaporación de arco de vació usando un cátodo de magnetrón lineal. El plasma se deriva por medios de electrodos de deflexión a una región de sustrato, mientras que las gotas macroscópicas de material de cátodos también generado por el arco se interceptan por los electrodos de deflexión y evitan que lleguen al sustrato. Se proveen medios magnéticos mejorados para controlar el movimiento de arco en la superficie del cátodo mientras deflecta simultáneamente y guia la corriente del plasma. La fuente provee un haz de plasma rectangular que puede extenderse indefinidamente en longitud, permitiendo revestir o procesar por iones los grandes sustratos. Deberá observarse que el término "ilustrativo" como se usa en la presente para describir varias modalidades se pretende que indiquen que dichas modalidades son posibles ejemplos, representaciones y/o ilustraciones de modalidades posibles de la invención (y no se pretende que dicho término connote que dichas modalidades son ejemplos necesariamente extraordinarios o superlativos) . Es importante observar que la construcción y disposición de la fuente de arco filtrado como se muestra en las diferentes modalidades ejemplares es ilustrativa únicamente. Aunque solo pocas modalidades se han descrito en detalle en esta descripción, los expertos en la materia quienes revisen esta descripción apreciará fácilmente que son posibles muchas modificaciones (v.gr., variaciones en tamaños, dimensiones, estructuras, formas y proporciones de los diferentes elementos, valores de parámetros, montaje de disposiciones, uso de materiales, colores, orientaciones, etc.) sin alejarse materialmente de las enseñanzas novedosas y ventajas del tema principal recitadas en las reivindicaciones. Por ejemplo, los elementos mostrados como se formaron integralmente pueden construirse de múltiples partes o elementos, la posición de elementos puede cambiar o variar de alguna manera y la naturaleza o número de elementos discretos o posiciones se puede alterar o variar. Consecuentemente, todas dichas modificaciones se pretende que se incluyan dentro del alcance de la presente invención como se define en las reivindicaciones anexas. El orden o secuencia de cualquier paso del proceso o método puede variar o volverse a secuenciar de acuerdo con las modalidades alternativas. Otras sustituciones, modificaciones, cambios y omisiones pueden hacerse en el diseño, condiciones de operación y disposición de las diferentes modalidades ilustrativas sin alejarse del alcance de la presente invención, como se expresa en las reivindicaciones anexas.

Claims (32)

REIVINDICACIONES

1.- Un aparato para generar plasma comprendiendo: un cátodo que tiene una superficie evaporable configurada para emitir un material que comprende plasma y macropart iculas ; aberturas de salida dirigidas opuestamente configuradas para dirigir el plasma; un filtro configurado para transmitir por lo menos algo del plasma a las aberturas de salida mientras se evita la transmisión de por lo menos algunas de las macroparticulas , el filtro comprendiendo por lo menos un electrodo de deflexión dispuesto generalmente paralelo a y mirando por lo menos hacia una porción de la superficie evaporable; un primer elemento para generar un primer componente de campo magnético que tiene una primera polaridad entre el cátodo y por lo menos un electrodo de deflexión; y un segundo elemento para generar un segundo componente de campo magnético que tiene una segunda polaridad en la superficie evaporable del cátodo que es opuesta a la primera polaridad de manera que se cera una región de campo baja creada entre la superficie evaporable y por lo menos un electrodo de deflexión.

2. - El aparato de la reivindicación 1, en donde el primer componente de campo magnético incluye lineas de flujo que son sustancialmente paralelas a la superficie evaporable.

3. - El aparato de la reivindicación 2, en donde las lineas de flujo también son sustancialmente paralelas a una superficie del electrodo de deflexión.

4. - El aparato de la reivindicación 1, en donde el primer elemento para generar un primer campo magnético comprende un serpentín de solenoide.

5.- El aparato de al reivindicación 4, en donde el segundo elemento para generar un segundo campo magnético comprende por lo menos un serpentín electromagnético.

6. - El aparato de al reivindicación 1, en donde por lo menos uno del primer elemento y el segundo elemento comprende un imán permanente.

7. - El aparato de al reivindicación 1, en donde por lo menos uno del primer elemento y el segundo elemento comprende un electroimán.

8. - El aparato de la reivindicación 1 en donde el cátodo tiene la forma de una barra rectangular que tiene cuatro lados largos y dos extremos y en donde la superficie evaporable comprende dos lados largos opuestos y ambos extremos de la barra.

9. - El aparato de la reivindicación 8, en donde por lo menos un electrodo de deflexión comprende por lo menos dos superficies deflectoras.

10. - El aparato de la reivindicación 9, en donde cada uno de por lo menos dos superficies deflectoras están montada paralelas a, y mirando hacia, uno de los lados largos de la superficie evaporable.

11. - El aparato de al reivindicación 10, en donde por lo menos un electrodo de deflexión se configura para deflectar el plasma en dos direcciones paralelas a por lo menos dos superficies deflectoras mientras evita que por lo menos algunas de las macroparticulas alcance las aberturas de salida .

12. - El aparto de la reivindicación 1, en donde el filtro además comprende una protección lateral del cátodo comprendiendo por lo menos dos superficies montadas en lados opuestos de la superficie evaporable y proyectándose hacia fuera de la superficie evaporable por una distancia seleccionada .

13. - El aparato de la reivindicación 12, en donde la protección lateral se configura para evitar que por lo menos alguna de las macroparticulas emitida de la superficie evaporable alcance las aberturas de salida.

14. - Un aparato para generar plasma que comprende: un cátodo configurado para emitir plasma y macroparticulas : un filtro configurado para transmitir por lo menos una porción del plasma mientras que evita la transmisión de por lo menos una porción de las macroparticulas, el filtro comprendiendo por lo menos un electrodo de deflexión; medios para generar un primer componente de campo magnético que tiene una primera polaridad entre el cátodo y por lo menos un electrodo de deflexión; y medios para generar un segundo componente de campo magnético que tiene una segunda polaridad próxima al cátodo que es opuesto al de la primera polaridad.

15. - El aparato de la reivindicación 14, en donde los medios para generar un primer componente de campo magnético comprende un serpentín de solenoide.

16. - El aparato de al reivindicación 14, en donde los medios para generar un segundo componente de campo magnético comprende por lo menos un serpentín electromagnético .

17.- El aparato de la reivindicación 14, en donde por lo menos uno de los medios para generar un primer componente de campo magnético y los medios para generar un segundo componente de campo magnético comprende un imán permanente .

18. - El aparato de la reivindicación 14, en donde por lo menos uno de los medios para generar un primer componente de campo magnético y los medios para generar un segundo componente de campo magnético comprende un electroimán.

19. - El aparato de la reivindicación 14, en donde el cátodo tiene la forma de una barra rectangular que tiene cuatro lados largos y dos extremos.

20. - El aparato de la reivindicación 19, en donde por lo menos un electrodo de deflexión comprende por lo menos dos superficies deflectoras.

21. - El aparato de la reivindicación 20, en donde por lo menos cada una de las dos superficies deflectoras está montada paralela a, y mirando hacia, uno de los lados largos del cátodo.

22. - El aparato de la reivindicación 20, en donde por lo menos un electrodo de deflexión se configura para deflectar el plasma en dos direcciones paralelas a por lo menos dos superficies deflectoras.

23.- El aparato de la reivindicación 22, en donde el aparato además comprende una pluralidad de aberturas de salida y por lo menos un electrodo de deflexión se configura para evitar que por lo menos una de las macroparticulas alcance la abertura de salida.

24. - El aparato de la reivindicación 23, en donde el filtro además comprende una protección lateral de cátodo que comprende por lo menos dos superficies montadas sobre los alados opuestos del cátodo y proyectándose hacia fuera del cátodo por una distancia seleccionada, la protección lateral configurada para evitar que por lo menos algunas de las macroparticulas emitidas del cátodo alcancen las aberturas de salida .

25. - Un método para generar un plasma que comprende vapor ionizado de un material de cátodo que comprende: proveer un filtro que comprende electrodos de deflexión paralelos y protecciones laterales de cátodos; proveer un cátodo configurado para expulsar plasma y macroparticulas dentro del filtro; generar un componente de campo magnético primara entre los electrodos de deflexión que es paralelo a los electrodos de deflexión y a una superficie evaporable del cátodo, el campo magnético primario pretendido para incrementar la transmisión de plasma emitido de la superficie evaporable a una región afuera de los electrodos de deflexión; y generar un componente de campo magnético secundario próximo a la superficie evaporable del cátodo teniendo una polaridad opuesta a la del componte del campo magnético primario de manera que se crea una región de campo baja entre la superficie evaporable y el electrodo de deflexión adyacente en cada lado.

26. - El método de la reivindicación 25, en donde el cátodo comprende una barra rectangular y la superficie evaporable se extiende alrededor de una periferia longitudinal de la barra.

27. - El método de la reivindicación 25, en donde las protecciones laterales se proyectan más allá de la superficie evaporable en todos los lados por una distancia seleccionada junto con la anchura de los electrodos de deflexión para evitar que se escapen las macropartículas expulsadas de la superficie evaporable de la región dentro del filtro.

28. - El método de la reivindicación 25, en donde el paso de generar un componente de campo magnético primario utiliza un serpentín de solenoide.

29. - El método de la reivindicación 28, en donde el paso de generar un componente de campo magnético secundario utiliza por o menos un serpentín electromagnético.

30.- El método de la reivindicación 25, en donde por lo menos uno del paso de generar un componente de campo magnético primario y el paso de generar un segundo componente de campo magnético secundario utiliza un imán permanente.

31. - El método de la reivindicación 25, que comprende además proveer dos aberturas de salida dirigidas opuestamente para dirigir el plasma.

32. - El método de la reivindicación 25, en donde por lo menos uno del paso de generar un componente de campo magnético primario y el paso de generar un segundo componente de campo magnético secundario utiliza un electroimán.