專利名稱：電弧沉積系統(tǒng)及其過(guò)濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電弧沉積系統(tǒng)，確切地說(shuō)，涉及從此類電弧沉積系統(tǒng)中過(guò)濾粒子從而改善涂層質(zhì)量的電弧沉積系統(tǒng)及其過(guò)濾器。
背景技術(shù)：
在過(guò)去20年中，陰極電弧沉積已成為高度電離等離子體的可靠來(lái)源，用于使已反應(yīng)以及未反應(yīng)的涂層沉積，所述涂層由諸如鋯、鈦、鉻、鋁、銅及其合金等導(dǎo)電靶材料構(gòu)成。電弧蒸發(fā)工藝中產(chǎn)生的高度電離等離子體及相關(guān)電子束還用于表面處理技術(shù)，例如離子濺射、蝕刻、注入和擴(kuò)散工藝。該電弧蒸發(fā)工藝的不良副作用在于，生成宏觀上較大的粒子(“宏觀粒子”)，這些粒子傾向于最終停留在待處理的襯底上。這些宏觀粒子可能會(huì)在膜形成過(guò)程中造成缺陷，使膜松散地附著雜質(zhì)、表面不均勻，以及表面粗糙度增加。宏觀粒子的存在降低了涂層在一些要求較高的應(yīng)用中的價(jià)值和普遍適用性，因?yàn)檫@些應(yīng)用要求諸如防腐性能、均質(zhì)性、硬度、光澤或阻隔性能等方面的優(yōu)良性質(zhì)。已知的過(guò)濾器可減少?gòu)碾娀≌舭l(fā)等離子體到達(dá)襯底的宏觀內(nèi)含物(macrocontent)。此類現(xiàn)有技術(shù)過(guò)濾器通常依賴于以下機(jī)制。一些過(guò)濾器會(huì)提供物理障礙(physical barrier),其可在宏觀粒子沿著視線從陰極上的電弧點(diǎn)朝襯底擴(kuò)散時(shí),攔截這些宏觀粒子。此類障礙的特征在于，可部分阻礙活躍的宏觀粒子到達(dá)襯底。其他現(xiàn)有技術(shù)過(guò)濾器使用成形磁場(chǎng)在軌道中引導(dǎo)電弧電子束，使之繞開(kāi)物理障礙，而且所述成形磁場(chǎng)的強(qiáng)度至少部分使物理障礙磁絕緣，從而防止其成為接收電子的陽(yáng)極。最后，一些現(xiàn)有技術(shù)過(guò)濾器使用物理障礙的正電勢(shì)，從而排斥電弧所產(chǎn)生的等離子體中存在的離子。依賴于這三種過(guò)濾原理的組合的過(guò)濾器在科學(xué)和專利文獻(xiàn)中進(jìn)行了描述。關(guān)于概述，參閱安德斯^AMnders, A)的“除去宏觀粒子和納米粒子中的陰極電弧等離子體的方法-評(píng)論(Approaches to rid cathodic arc plasmas of macro-and nanoparticles-a review)”,《表面和涂層技術(shù)》(Sukfage and Coatings Technology)，1999 年，第 120 卷，第 319 至 330 頁(yè)。已過(guò)濾的電弧源的陰極通常是點(diǎn)源，即圓形陰極，同時(shí)描述了一些細(xì)長(zhǎng)配置，例如線性對(duì)齊的多點(diǎn)源和線源。電弧源的線性布置可容納細(xì)長(zhǎng)涂層區(qū)，并可能極大地增加已過(guò)濾的電弧技術(shù)的大量形成。但是，就大型襯底、軋輥板材的涂層或離子處理以及線性傳送器或圓形傳送帶上較小襯底的數(shù)量而言，更需要圓柱形靶過(guò)濾的電弧等離子體源。盡管用于從電弧沉積過(guò)程中過(guò)濾出宏觀粒子的現(xiàn)有技術(shù)方法相當(dāng)有效，但這些方法仍存在一些缺點(diǎn)。例如，使用現(xiàn)有技術(shù)過(guò)濾器的沉積系統(tǒng)中，陰極靶的凈離子輸出電流較低。而且，現(xiàn)有技術(shù)方法對(duì)陰極表面的使用并不理想。最后，通過(guò)此類方法形成的涂層仍可能存在不必要的缺陷。因此，需要具有改進(jìn)的宏觀粒子過(guò)濾裝置的改進(jìn)陰極電弧沉積系統(tǒng)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種電弧沉積系統(tǒng)及其過(guò)濾器，改善形成的涂層的質(zhì)量。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種用于電弧沉積系統(tǒng)的過(guò)濾器，其中，所述電弧沉積系統(tǒng)包括細(xì)長(zhǎng)陰極、陽(yáng)極和至少一個(gè)襯底，所述過(guò)濾器包括偶數(shù)個(gè)導(dǎo)管組件，其圍繞所述細(xì)長(zhǎng)陰極對(duì)稱地放置，所述導(dǎo)管組件定義用于引導(dǎo)等離子體的磁場(chǎng)，并且具有用于阻礙宏觀粒子的阻擋部件。一種用于電弧沉積系統(tǒng)的過(guò)濾器，其中，所述電弧沉積系統(tǒng)包括細(xì)長(zhǎng)陰極、陽(yáng)極和至少一個(gè)襯底，所述過(guò)濾器包括偶數(shù)個(gè)導(dǎo)管組件，其圍繞所述細(xì)長(zhǎng)陰極對(duì)稱地放置，所述導(dǎo)管組件定義用于引導(dǎo)等離子體的磁場(chǎng)，以及用于排斥正離子的電偏壓，且所述導(dǎo)管組件具有用于阻礙宏觀粒子的阻擋部件，所述阻擋部件具有帶正電的表面。一種電弧沉積系統(tǒng)，其中，其包括細(xì)長(zhǎng)陰極、襯底區(qū)、陽(yáng)極、負(fù)偏壓襯底區(qū)及過(guò)濾器；襯底區(qū)具有圍繞電弧陰極設(shè)置的多個(gè)襯底；陽(yáng)極位于遠(yuǎn)離細(xì)長(zhǎng)電弧陰極的位置;過(guò)濾器設(shè)置在所述陰極和所述襯底之間，所述過(guò)濾器包括偶數(shù)個(gè)導(dǎo)管組件，其圍繞所述細(xì)長(zhǎng)陰極對(duì)稱地放置，所述導(dǎo)管組件形成用于引導(dǎo)等離子體的磁場(chǎng)，并且具有用于阻礙宏觀粒子的阻擋部件，其中所述導(dǎo)管組件能夠選擇施以電偏壓，以排斥正離子。本發(fā)明的至少一項(xiàng)實(shí)施例提供一種用于電弧沉積系統(tǒng)的過(guò)濾器，所述電弧沉積系統(tǒng)包括細(xì)長(zhǎng)陰極、陽(yáng)極和至少一個(gè)襯底，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題。所述過(guò)濾器包括偶數(shù)個(gè)導(dǎo)管組件，其圍繞所述細(xì)長(zhǎng)陰極對(duì)稱地放置。所述導(dǎo)管組件形成用于引導(dǎo)等離子體的磁場(chǎng)，并且具有用于阻礙宏觀粒子的阻擋部件。在另一項(xiàng)實(shí)施例中，提供一種電弧沉積系統(tǒng)所使用的過(guò)濾器組件。所述過(guò)濾器組件包括偶數(shù)個(gè)導(dǎo)管組件，其圍繞所述細(xì)長(zhǎng)陰極對(duì)稱地放置。導(dǎo)管組件形成可以將正離子從陰極靶引導(dǎo)至襯底的路徑。為了完成這種引導(dǎo)，導(dǎo)管組件為電偏壓，以排斥正離子。導(dǎo)管組件還包括用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的部件，用于將等離子體從陰極靶引導(dǎo)至襯底。具體而言，磁場(chǎng)引導(dǎo)電子運(yùn)動(dòng)，從而有效地避免離子(即正離子)在運(yùn)動(dòng)時(shí)與過(guò)濾器碰撞。導(dǎo)管組件還包括用于阻礙宏觀粒子到達(dá)襯底的擋板。由于中性粒子和帶負(fù)電的粒子會(huì)導(dǎo)致涂層不完整和結(jié)塊，因此這類粒子是不受歡迎的。中性粒子和帶負(fù)電粒子與過(guò)濾器碰撞，因碰撞而被清除并且無(wú)法到達(dá)襯底。在又一項(xiàng)實(shí)施例中，提供一種用于從沉積于襯底上的陰極靶中清除材料的電弧沉積系統(tǒng)。所述電弧沉積系統(tǒng)包括位于真空室內(nèi)的細(xì)長(zhǎng)陰極靶。一個(gè)或多個(gè)襯底位于襯底區(qū)中，襯底區(qū)與真空室中的陰極靶相隔預(yù)定距離。過(guò)濾器組件也可置于真空室內(nèi)，從而使過(guò)濾器組件介于陰極靶和襯底區(qū)之間所述過(guò)濾器組件的特征在于，包括偶數(shù)個(gè)導(dǎo)管組件，其圍繞所述細(xì)長(zhǎng)陰極靶對(duì)稱地放置。導(dǎo)管組件形成可以將正離子從陰極靶引導(dǎo)至襯底的路徑。為了完成此引導(dǎo)，導(dǎo)管組件為電偏壓，以排斥正離子。導(dǎo)管組件還包括用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的部件，用于將等離子體從陰極靶引導(dǎo)至襯底。具體而言，磁場(chǎng)引導(dǎo)電子運(yùn)動(dòng)，從而有效地避免離子(即正離子)在運(yùn)動(dòng)時(shí)與過(guò)濾器碰撞。導(dǎo)管組件還包括用于阻礙宏觀粒子到達(dá)襯底的擋板。由于中性粒子和帶負(fù)電的粒子會(huì)導(dǎo)致涂層不完整和結(jié)塊，因此這類粒子是不受歡迎的。中性粒子和帶負(fù)電粒子與過(guò)濾器碰撞，因碰撞而被清除并且無(wú)法到達(dá)襯底。本發(fā)明主要是在真空電弧沉積系統(tǒng)中，電弧源過(guò)濾器設(shè)置在電弧陰極與襯底之間。所述過(guò)濾器包括圍繞所述電弧源的多個(gè)導(dǎo)管元件。所述導(dǎo)管元件具有足夠的空間維度來(lái)阻礙粒子。此外，所述導(dǎo)管元件具有電磁性質(zhì)，這有助于等離子體通過(guò)所述過(guò)濾器進(jìn)行傳輸。在通過(guò)所述過(guò)濾器時(shí)，高度電離電弧等離子體基本上清除了粒子，從而形成已反應(yīng)以及未反應(yīng)的涂層的源等離子體，所述涂層的特征在于，密度較高且?guī)缀鯖](méi)有任何質(zhì)量缺陷。此設(shè)計(jì)在過(guò)濾程度、涂層區(qū)長(zhǎng)度以及電弧源選擇方面具有一定靈活性。


通過(guò)具體實(shí)施方式
及附圖，可以更完整地理解本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中圖IA是增加了過(guò)濾器的電弧沉積系統(tǒng)的示意圖；圖IB是用于電弧沉積的沉積室及沉積室中的部件的截面示意圖；圖2是圍繞陰極靶的導(dǎo)管元件的俯視圖；圖3是電弧沉積系統(tǒng)中圍繞陰極放置的過(guò)濾器的透視圖；圖4是圍繞安裝在真空法蘭上的陰極放置的過(guò)濾器的透視圖；圖5是在使用根據(jù)圖IA至圖4的過(guò)濾器、在鉻陰極的情況下，以離子傳輸模式運(yùn)行的過(guò)濾器的電磁輪廓圖；圖6是通過(guò)圖4中所示的已過(guò)濾的圓柱形陰極電弧等離子體源所得到的磁通量密度的截面圖；圖7A是未過(guò)濾的Cr涂層放大了 200倍的光學(xué)顯微圖片；圖7B是已過(guò)濾的Cr涂層放大了 200倍的光學(xué)顯微圖片；圖8是從使用鉻靶的過(guò)濾器中得到的粒子頻率與粒子大小的函數(shù)關(guān)系圖；以及圖9是通過(guò)鉻靶所得到的從四個(gè)過(guò)濾器端口中的一個(gè)端口輸出的沉積物的相對(duì)水平的角分布圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將詳細(xì)參閱本發(fā)明目前最佳的組合、實(shí)施例和方法，所述組合、實(shí)施例和方法構(gòu)成發(fā)明人目前已知的實(shí)踐本發(fā)明的最佳模式。附圖不必按比例繪制。但應(yīng)理解，所公開(kāi)的實(shí)施例只是本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其可通過(guò)各種或替代形式實(shí)施。因此，本文中所公開(kāi)的具體細(xì)節(jié)并非解釋為限定性的，而只是表示本發(fā)明任一方面和/或用于教示所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員以各種方式使用本發(fā)明。除非在實(shí)例中或另有明確表示，否則本說(shuō)明書中表示材料的量或者反應(yīng)條件和/或使用條件的所有數(shù)量都應(yīng)理解為，使用字詞“約”所描述的本發(fā)明的最大范圍。通常優(yōu)選的是，在所述數(shù)值限制范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)踐。此外，除非明確說(shuō)明情況相反，否則百分?jǐn)?shù)、“……的部分”和比值按重量計(jì)算；如果將一組或一類材料描述成適用于或優(yōu)選用于本發(fā)明的指定目的，則表示該組或該類材料中任何兩種或更多材料的混合物同樣適用或可?。挥没瘜W(xué)術(shù)語(yǔ)描述的成分指代的是，添加到說(shuō)明內(nèi)容中所指定的任何組合時(shí)的成分，而不必排除混合后混合物的成分之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)；縮略詞或其他縮寫詞的第一次定義適用于隨后在本文中使用的所有相同縮寫詞，并且作了必要的修正來(lái)對(duì)初次定義的縮寫詞進(jìn)行正常的語(yǔ)法變化；以及，除非明確說(shuō)明情況相反，否則，對(duì)某種性質(zhì)的測(cè)量由此前或此后所提到的用于這種性質(zhì)的同種技術(shù)來(lái)確定。還應(yīng)理解，本發(fā)明并不限于下文所述的具體實(shí)施例和方法，因?yàn)榫唧w的部件和/或條件顯然可以不同。此外，本文中使用的術(shù)語(yǔ)只用于描述本發(fā)明的特定實(shí)施例，而并非意圖限制本發(fā)明。
必須注意，說(shuō)明書和所附權(quán)利要求中使用的單數(shù)形式“一”和“所述”包括復(fù)數(shù)，除非本文中另有指明。例如，采用單數(shù)形式參考的部件意圖包括多個(gè)部件。本專利申請(qǐng)案始終參考相應(yīng)的公開(kāi)案，這些公開(kāi)案的內(nèi)容全文以引用的方式完全并入本專利申請(qǐng)案中，從而更全面地描述本發(fā)明所涉及的技術(shù)現(xiàn)狀。參考圖IA和圖1B，所示為增加了過(guò)濾器的電弧沉積系統(tǒng)的示意圖。此實(shí)施例中的電弧沉積技術(shù)對(duì)第5，269，898號(hào)美國(guó)專利中所述的系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，所述專利的全文以引用的方式并入本文中。具體而言，本實(shí)施例提供一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)中的過(guò)濾器能夠顯著降低宏觀粒子對(duì)涂層的損耗，所述過(guò)濾器適用于第5，269，898號(hào)美國(guó)專利中的系統(tǒng)。圖IA是增加了過(guò)濾器的電弧沉積系統(tǒng)的示意圖。圖IB是用于電弧沉積的沉積室及沉積室中的部件的截面示意圖。在上述電弧沉積系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，電弧放電，從而使氣體和陰極原子有效電離，由此形成等離子體。離子化陰極金屬離子從陰極區(qū)域被傳送到涂有金屬層的襯底。電弧沉積系統(tǒng)10包括位于真空室16中的陰極靶12。電弧沉積系統(tǒng)10包括至少一個(gè)陽(yáng)極。在一個(gè)改進(jìn)方案中，真空室16的壁18是陽(yáng)極。陰極靶12的特征在于，其采用細(xì)長(zhǎng)設(shè)計(jì)(例如，圓柱形或桿狀)。還應(yīng)了解，靶12的截面實(shí)際上可以是任何形狀，例如包括，但不限于，圓形、三角形、正方形、五角形、六角形、橢圓形或不規(guī)則形狀。在對(duì)襯底進(jìn)行涂覆的過(guò)程中，電弧沉積系統(tǒng)10通過(guò)所屬領(lǐng)域中已知的合適的真空系統(tǒng)，借助于端口 19維持在低壓狀態(tài)。通常，運(yùn)行壓力在0.5mT和50mT之間。應(yīng)注意，在氮?dú)寤旌蠚怏w環(huán)境中使用例如鉻靶、在約ImT以上的條件下，便可使涂層充分反應(yīng)。盡管本實(shí)施例中陰極靶12的尺寸并不受限制，但陰極12通常具有I英寸到10英寸的直徑以及6英寸到5英尺的長(zhǎng)度。襯底20位于襯底區(qū)22中，襯底區(qū)22與陰極靶12之間的距離為屯。過(guò)濾器組件24也位于真空室16中。具體而言，過(guò)濾器組件24介于陰極靶12和襯底區(qū)22之間。過(guò)濾器組件24包括偶數(shù)個(gè)導(dǎo)管組件26、28、30、32，其圍繞陰極靶12對(duì)稱地放置。導(dǎo)管組件26、28、30、32形成可以將正離子從陰極靶12引導(dǎo)至襯底20的導(dǎo)管34、36、38、40。為了完成此引導(dǎo)，導(dǎo)管組件26、28、30、32為電偏壓，從而通過(guò)過(guò)濾器電源42將正離子從導(dǎo)管組件中排出。正10伏或正10伏以上的電壓可有效地排斥正離子。導(dǎo)管組件26、28、30、32還包括用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的部件，用于將等離子體(即正離子)從陰極靶12引導(dǎo)至襯底20。在一個(gè)改進(jìn)方案中，導(dǎo)管組件26、28、30、32還包括用于阻礙宏觀粒子到達(dá)襯底20的擋板。在一個(gè)改進(jìn)方案中，系統(tǒng)10包括螺旋式電磁鐵線圈48，其圍繞陰極靶12以同軸方式安裝。螺旋式電磁鐵線圈48由獨(dú)立線圈電源50供電?？蓪?duì)電磁鐵線圈48進(jìn)行電絕緣，或可將其連接到真空室16。控制系統(tǒng)52用于改變陰極靶12兩端的輸入電流，同時(shí)使總電弧電流實(shí)質(zhì)上保持恒定，這樣，陰極靶12兩端的電流可在所供應(yīng)的總電弧電流的0%和100%之間變化。電弧電流與沉積率正相關(guān)，并且(例如)可控制在50A和2000A之間，其中上限具體取決于靶的冷卻效率。要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，可采用連接在陰極靶12各端的獨(dú)立電弧電源54、58，以及向獨(dú)立電弧電源54、58提供補(bǔ)償設(shè)定點(diǎn)信號(hào)的控制器60。在一個(gè)替代性變體中，可采用具有兩個(gè)補(bǔ)償電流輸出端的獨(dú)立電弧電源。
仍參考圖IA和 圖1B，在陰極靶12中，接收到總電流輸入中的大部分電流的那端易于吸引電弧，這是因?yàn)殛帢O靶中存在電弧電流的自磁場(chǎng)。電弧沿著陰極靶12朝一個(gè)方向移動(dòng)的速度部分取決于流入陰極靶12兩端的電流之間的失衡程度。因此，可通過(guò)以振蕩方式改變陰極靶12兩端之間的電流分配，沿著陰極靶12來(lái)回掃描電弧點(diǎn)。因此，可均勻地腐蝕陰極靶12，且電弧可持續(xù)維持在陰極表面上，而不是像現(xiàn)有技術(shù)所述的那樣，重復(fù)地進(jìn)行再放電。傳感器可適當(dāng)?shù)刂糜陉帢O靶12的蒸發(fā)表面的每端，以在電弧點(diǎn)到達(dá)陰極靶12的蒸發(fā)表面的一端時(shí)提供信號(hào)，這時(shí)可逆向分配電流，從而沿著陰極靶12的整個(gè)表面自動(dòng)掃描電弧點(diǎn)。電磁鐵線圈48可與電弧電源54、58串聯(lián)連接，從而使電弧電流流經(jīng)電磁鐵線圈48以產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)。由于線圈連接在電弧電源54、58的正輸出端和陽(yáng)極之間，并且由于總電弧電流恒定，因此輸入到電磁鐵線圈48中的電流不受陰極靶12兩端的電流變化的影響。這種布置無(wú)需獨(dú)立電源為電磁鐵線圈48供電，但所施加的磁場(chǎng)的強(qiáng)度不再具有獨(dú)立的可調(diào)性，除非通過(guò)對(duì)電磁鐵線圈48的節(jié)距進(jìn)行選擇。參考圖2和圖3，提供一種用于電弧沉積系統(tǒng)的過(guò)濾器。本實(shí)施例中的過(guò)濾器可置于電弧沉積系統(tǒng)的陰極和襯底之間。過(guò)濾器組件24包括圍繞細(xì)長(zhǎng)陰極12對(duì)稱地放置的偶數(shù)個(gè)導(dǎo)管組件。圖2和圖3中所示的變體包括四個(gè)導(dǎo)管組件，即導(dǎo)管組件26、28、30、32。導(dǎo)管組件26、28、30、32形成可以將正離子從陰極靶12引導(dǎo)至襯底20的導(dǎo)管34、36、38、40。導(dǎo)管組件26、28、30、32定義用于引導(dǎo)等離子體的磁場(chǎng)。導(dǎo)管組件26、28、30、32各自包括支撐部件60，以及用于阻礙宏觀粒子的阻擋部件62。在一個(gè)改進(jìn)方案中，阻擋部件62包括突出部分64，其用于增強(qiáng)過(guò)濾出宏觀粒子的能力。電接線柱66、68用于連接到過(guò)濾器電源，從而對(duì)導(dǎo)管組件施以電偏壓，以排斥正離子。在此類情況下，阻擋部件具有帶正電的表面。參考圖4，提供一種具有外圍襯底支架的過(guò)濾器組件的透視示意圖。過(guò)濾器組件80包括安裝在真空法蘭90上的導(dǎo)管組件82、84、86、88。過(guò)濾器組件80還包括安裝有要涂覆的樣品的樣品支架92。要注意，圖4中去除了一些樣品支架，以便于查看導(dǎo)管組件。通常，樣品支架92圍繞導(dǎo)管組件呈圓形分布。導(dǎo)管組件82、84、86、88中的每個(gè)組件各自包括由金屬管構(gòu)成的結(jié)構(gòu)部件94。如上所述，使電流流過(guò)結(jié)構(gòu)部件94，從而形成磁場(chǎng)。導(dǎo)管組件82、84、86、88還各自包括阻擋部件98，用于與設(shè)置于阻擋部件上的突出部分100 —起阻礙宏觀粒子。此外，如上所述，導(dǎo)管組件82、84、86、88通過(guò)連接點(diǎn)100連接在一起。應(yīng)了解，在不背離本發(fā)明的基本教示的前提下，可更改上述導(dǎo)管組件的尺寸和方向以及磁場(chǎng)元件的特性、傳輸和過(guò)濾效率。因此，可以構(gòu)造能夠?qū)ν繉又械暮暧^粒子內(nèi)含物的量進(jìn)行調(diào)整的過(guò)濾器。參考圖2、圖3、圖4、圖5和圖6，可選擇通過(guò)使電流流過(guò)導(dǎo)管組件來(lái)形成磁場(chǎng)。具體而言，相鄰導(dǎo)管組件產(chǎn)生具有相反磁極性的磁場(chǎng)。箭頭70、72、74、76表示電流方向的實(shí)例，所述電流可流動(dòng)以產(chǎn)生此類磁場(chǎng)。要實(shí)現(xiàn)這種更改，導(dǎo)管組件要以交錯(cuò)方式通過(guò)接線80、82、84在頂部或底部電連接，如圖所示。通過(guò)此方式產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有垂直于細(xì)長(zhǎng)圓柱形陰極表面的方向，以及有利于進(jìn)行等離子體引導(dǎo)的強(qiáng)度，所述強(qiáng)度是通過(guò)使電流流過(guò)導(dǎo)管組件而產(chǎn)生的。用于等離子體引導(dǎo)的磁場(chǎng)強(qiáng)度是否足夠，取決于設(shè)計(jì)。例如，可用范圍在6，000安匝和12，000安匝之間下限由靶離子傳輸確定，而上限由阻礙靶離子傳輸?shù)碾娮由⒁莠F(xiàn)象(電磁鏡)確定。圖5是圖4中所示的具有四個(gè)導(dǎo)管組件的過(guò)濾器的磁場(chǎng)輪廓線的截面圖。圖中圖示了導(dǎo)管組件82、84、86、88相對(duì)于輪廓線的位置。類似地，圖6是通過(guò)已過(guò)濾的圓柱形陰極電弧等離子體源所得到的磁通量密度的截面圖。應(yīng)注意，導(dǎo)管組件82、84、86、88可進(jìn)行偏壓(帶正電)，且載有電流以產(chǎn)生必需的磁場(chǎng)。在一個(gè)變體中，結(jié)構(gòu)部件載有電流，同時(shí)對(duì)阻擋部件施以偏壓。在此變體中，對(duì)結(jié)構(gòu)部件和阻擋部件進(jìn)行電絕緣。在另一個(gè)變體中，不對(duì)結(jié)構(gòu)部件和阻擋部件進(jìn)行電絕緣。如上所述，本實(shí)施例中的過(guò)濾 器包括偶數(shù)個(gè)導(dǎo)管組件，所述導(dǎo)管組件圍繞陰極靶12對(duì)稱地放置。在一個(gè)改進(jìn)方案中，導(dǎo)管組件的數(shù)量是從2到8的偶數(shù)。在另一個(gè)改進(jìn)方案中，導(dǎo)管組件的數(shù)量是從4到8的偶數(shù)。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，包括四個(gè)導(dǎo)管組件尤其適用。此外，如圖IA和圖2所示，阻擋部件62位于導(dǎo)管組件朝向陰極靶12的一側(cè)，從而阻擋在陰極和襯底區(qū)之間的視線。參考圖IA和圖1B，電弧沉積系統(tǒng)可作為電子束系統(tǒng)運(yùn)行。在此運(yùn)行期間，過(guò)濾器無(wú)需進(jìn)行阻擋偏壓(baffle bias)就可運(yùn)行。在此情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度也可能較低。過(guò)濾器以電子束模式運(yùn)行可有助于襯底清洗，且需要對(duì)襯底施以正偏壓。電子束還可用于輔助電子束蒸發(fā)，例如使用第二靶源將鋁沉積。仍參考圖IA和圖1B，電弧沉積系統(tǒng)可作為離子束系統(tǒng)運(yùn)行。在此運(yùn)行期間，沉積室中的壓力為ImT或高于lmT，且過(guò)濾器未進(jìn)行阻擋偏壓。在此情況下，逸出電子電離通過(guò)過(guò)濾器出口逸出的氣體分子。過(guò)濾器以離子束模式運(yùn)行可有助于襯底清洗，且要求對(duì)襯底施以負(fù)偏壓。在溫度升高的情況下，使用離子束進(jìn)行延伸的襯底處理可有助于鋼襯底的氮化(含氮等離子體)以及鋼的碳化(含碳等離子體)。應(yīng)進(jìn)一步清楚了解，替代性陰極配置可應(yīng)用于本發(fā)明的過(guò)濾器配置中。所屬領(lǐng)域中已知的一種此類陰極配置是旋轉(zhuǎn)式圓柱形陰極，例如，如第6，262，539號(hào)美國(guó)專利(該專利全文以引用的方式并入本文中)所述，在不背離本發(fā)明的范圍和教示的前提下，所述旋轉(zhuǎn)式圓柱形陰極可應(yīng)用于本發(fā)明的過(guò)濾器。所屬領(lǐng)域中已知的另一種陰極配置是平面磁控管，例如，如第4，892，633號(hào)美國(guó)專利(該專利全文以引用的方式并入本文中)所述，在不背離本發(fā)明的范圍和教示的前提下，所述平面磁控管可應(yīng)用于本發(fā)明的過(guò)濾器。以下實(shí)例說(shuō)明了本發(fā)明的各種實(shí)施例。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的各種變體。所公開(kāi)的具有四個(gè)導(dǎo)管元件的過(guò)濾電弧(filtered arc)配備有圓柱形鉻陰極。所述室降壓至I毫托，并通過(guò)將氬氣作為背景氣體來(lái)維持一定的壓力。使電弧放電并維持在900A，同時(shí)使8000A的電流流過(guò)偏壓在正30伏的導(dǎo)管元件，使100A的電流流過(guò)導(dǎo)向線圈(steering coil)，并使襯底偏壓在負(fù)50伏。在襯底上收集40A的電流，且Cr膜沉積。記錄宏觀粒子的沉積膜，結(jié)果表明，與未過(guò)濾的電弧相比，宏觀內(nèi)含物的體積從1%下降至小于0. 01%。Cr膜的截面大體上顯示出非晶態(tài)性質(zhì)和各向同性，而沒(méi)有任何缺陷。圖7A和圖7B是上述已過(guò)濾和未過(guò)濾的Cr涂層中的宏觀粒子含量的比較。圖7A是未過(guò)濾的Cr涂層的掃描電子顯微圖片，而圖7B是已過(guò)濾的Cr涂層的掃描電子顯微圖片?？扇菀椎赜^察到，已過(guò)濾的涂層中包括的宏觀粒子明顯較少。圖8為粒子頻率與粒子大小的函數(shù)關(guān)系圖。該圖顯示大小約I微米的粒子分布非常低。應(yīng)注意，由于受宏觀記錄中所使用的光學(xué)顯微照相術(shù)的分辨率限制，因此低估了直徑小于0. 5微米的宏觀粒子的宏觀頻率密度。圖9是沉積在襯底區(qū)中的襯底上的涂層的相對(duì)(％)厚度變化與放置角度(0度到90度)的函數(shù)關(guān)系，所述放置角度是相對(duì)于縱向穿過(guò)陰極靶的平面得到的。由于對(duì)稱，因此只記錄了零度到90度。所公開(kāi)的具有四個(gè)導(dǎo)管元件的過(guò)濾電弧配備有圓柱形鉻陰極。所述室降壓至I毫托，并按照I : I比例使用氬氣和氮?dú)庾鳛楸尘皻怏w來(lái)維持一定的壓力。使電弧放電并維持在900A，同時(shí)使8000A的電流流過(guò)偏壓在正30伏的導(dǎo)管元件，使100A的電流流過(guò)導(dǎo)向線圈，并使襯底偏壓在負(fù)50伏。在襯底上收集40A的電流，且Cr膜沉積。記錄宏觀粒子的沉積膜，結(jié)果表明，與未過(guò)濾的電弧相比，宏觀內(nèi)含物的體積從1%下降至小于0. 01%。Cr膜的截面大體上顯示出非晶態(tài)性質(zhì)和各向同性，而沒(méi)有任何缺陷。盡管已說(shuō)明和描述本發(fā)明的各實(shí)施例，但并不表示這些實(shí)施例說(shuō)明和描述了本 發(fā)明的所有可能形式。相反，本說(shuō)明書中使用的字詞是說(shuō)明性而非限制性的字詞，且應(yīng)理解，在不違背本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可做出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種用于電弧沉積系統(tǒng)的過(guò)濾器，其特征在于，所述電弧沉積系統(tǒng)包括細(xì)長(zhǎng)陰極、陽(yáng)極和至少一個(gè)襯底，所述過(guò)濾器包括 偶數(shù)個(gè)導(dǎo)管組件，其圍繞所述細(xì)長(zhǎng)陰極對(duì)稱地放置，所述導(dǎo)管組件定義用于引導(dǎo)等離子體的磁場(chǎng)，并且具有用于阻礙宏觀粒子的阻擋部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)濾器，其特征在于所述導(dǎo)管組件為電偏壓，以排斥正離子。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)濾器，其特征在于所述過(guò)濾器能夠位于所述陰極和所述襯底之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)濾器，其特征在于相鄰導(dǎo)管組件具有相反的磁極性。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)濾器，其特征在于所述導(dǎo)管組件的數(shù)量是2到8之間的偶數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)濾器，其特征在于中所述導(dǎo)管組件的數(shù)量為四。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)濾器，其特征在于所述阻擋部件位于所述導(dǎo)管組件朝向所述陰極的一側(cè)，從而阻檔在所述陰極和襯底區(qū)之間的視線。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)濾器，其特征在于所述阻擋部件具有帶正電的表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的過(guò)濾器，其特征在于導(dǎo)管組件圍繞有磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)具有垂直于細(xì)長(zhǎng)圓柱形陰極表面的方向，以及有利于進(jìn)行等離子體引導(dǎo)的強(qiáng)度，所述強(qiáng)度是通過(guò)使電流流過(guò)所述導(dǎo)管組件而產(chǎn)生的。
10.一種用于電弧沉積系統(tǒng)的過(guò)濾器，其特征在于，所述電弧沉積系統(tǒng)包括細(xì)長(zhǎng)陰極、陽(yáng)極和至少一個(gè)襯底，所述過(guò)濾器包括 偶數(shù)個(gè)導(dǎo)管組件，其圍繞所述細(xì)長(zhǎng)陰極對(duì)稱地放置，所述導(dǎo)管組件定義用于引導(dǎo)等離子體的磁場(chǎng)，以及用于排斥正離子的電偏壓，且所述導(dǎo)管組件具有用于阻礙宏觀粒子的阻擋部件，所述阻擋部件具有帶正電的表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過(guò)濾器，其特征在于所述過(guò)濾器能夠位于所述陰極和所述襯底之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過(guò)濾器，其特征在于相鄰導(dǎo)管組件具有相反的磁極性。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過(guò)濾器，其特征在于所述導(dǎo)管組件的數(shù)量是2到8之間的偶數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過(guò)濾器，其特征在于所述阻擋部件位于所述導(dǎo)管組件朝向所述陰極的一側(cè)，從而阻擋在所述陰極和襯底區(qū)之間的視線。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過(guò)濾器，其特征在于所述導(dǎo)管組件圍繞有磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)具有垂直于細(xì)長(zhǎng)圓柱形陰極表面的方向，以及有利于進(jìn)行等離子體引導(dǎo)的強(qiáng)度，所述強(qiáng)度是通過(guò)使電流流過(guò)所述導(dǎo)管組件而產(chǎn)生的。
16.一種電弧沉積系統(tǒng)，其特征在于，其包括 細(xì)長(zhǎng)陰極； 襯底區(qū)，其具有圍繞電弧陰極設(shè)置的多個(gè)襯底； 陽(yáng)極，其位于遠(yuǎn)離細(xì)長(zhǎng)電弧陰極的位置； 負(fù)偏壓襯底區(qū)；以及 過(guò)濾器，其設(shè)置在所述陰極和所述襯底之間，所述過(guò)濾器包括 偶數(shù)個(gè)導(dǎo)管組件，其圍繞所述細(xì)長(zhǎng)陰極對(duì)稱地放置，所述導(dǎo)管組件形成用于引導(dǎo)等離子體的磁場(chǎng)，并且具有用于阻礙宏觀粒子的阻擋部件，其中所述導(dǎo)管組件能夠選擇施以電偏壓，以排斥正離子。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電弧沉積系統(tǒng)，其特征在于相鄰導(dǎo)管組件具有相反的磁極性。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電弧沉積系統(tǒng)，其特征在于所述導(dǎo)管組件的數(shù)量是2到8之間的偶數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電弧沉積系統(tǒng)，其特征在于所述阻擋部件位于所述導(dǎo)管組件朝向所述陰極的一側(cè)，從而阻擋在所述陰極和所述襯底區(qū)之間的視線。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電弧沉積系統(tǒng)，其特征在于所述阻擋部件具有帶正電的表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電弧沉積系統(tǒng)，其特征在于所述導(dǎo)管組件圍繞有磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)具有垂直于細(xì)長(zhǎng)圓柱形陰極表面的方向，以及有利于進(jìn)行等離子體引導(dǎo)的強(qiáng)度，所述強(qiáng)度是通過(guò)使電流流過(guò)所述導(dǎo)管組件而產(chǎn)生的。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電弧沉積系統(tǒng)，特征在于，進(jìn)一步包括多個(gè)永久磁鐵，用于調(diào)整所述磁場(chǎng)。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電弧沉積系統(tǒng)，其特征在于在電弧陰極表面上，所述磁場(chǎng)的大小能夠在O高斯與200高斯之間變化，在距離所述電弧陰極表面預(yù)定距離處，所述磁場(chǎng)的大小最低從O高斯朝1000高斯變化，且在接近所述襯底區(qū)的過(guò)程中逐漸減弱。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電弧沉積系統(tǒng)，其特征在于所述過(guò)濾器以低磁場(chǎng)強(qiáng)度在低于ImT的壓力下運(yùn)行，而不施以阻擋偏壓，從而使電子通過(guò)過(guò)濾器出口逸出，以將所述電弧沉積系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電子束系統(tǒng)。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電弧沉積系統(tǒng)，其特征在于所述過(guò)濾器以低磁場(chǎng)強(qiáng)度在ImT或高于ImT的壓力下運(yùn)行，從而逸出的電弧電子電離通過(guò)過(guò)濾器出口逸出的氣體分子，以將所述電弧沉積系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成離子束系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電弧沉積系統(tǒng)及其過(guò)濾器，其主要是在真空電弧沉積系統(tǒng)中，電弧源過(guò)濾器設(shè)置在電弧陰極與襯底之間。所述過(guò)濾器包括圍繞所述電弧源的多個(gè)導(dǎo)管元件。所述導(dǎo)管元件具有足夠的空間維度來(lái)阻礙粒子。此外，所述導(dǎo)管元件具有電磁性質(zhì)，這有助于等離子體通過(guò)所述過(guò)濾器進(jìn)行傳輸。在通過(guò)所述過(guò)濾器時(shí)，高度電離電弧等離子體基本上清除了粒子，從而形成已反應(yīng)以及未反應(yīng)的涂層的源等離子體，所述涂層的特征在于，密度較高且?guī)缀鯖](méi)有任何質(zhì)量缺陷。此設(shè)計(jì)在過(guò)濾程度、涂層區(qū)長(zhǎng)度以及電弧源選擇方面具有一定靈活性。
文檔編號(hào)C23C14/34GK102628159SQ20121002243
公開(kāi)日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月3日
發(fā)明者K·邦度姆 申請(qǐng)人:蒸汽技術(shù)公司