专利名称：电弧型离子镀装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电弧型离子镀装置，其中通过使用电弧蒸发源的称作电弧离子镀方法，在基底表面上形成润滑性、硬度、装饰性等性能优越的薄膜，所述的基底例如是工具、机械零件、模具、外镀层部件等。特别是，本发明涉及一种能够形成在大面积内具有良好膜厚均匀性的高平滑度的薄膜的装置。
已经公知具有下述特点的电弧型离子镀方法。在该方法中，通过真空放电，用电弧蒸发源熔化阴极，以产生含有阴极材料的等离子体，并且通过负偏压等将由该电弧蒸发源产生的该等离子体中的离子(在该说明书中指正离子)引导在基底上，以在基底表面形成薄膜。该方法的特征是成膜速度高，薄膜的粘合性能高，等。
成膜速度高的原因是使用真空电弧放电熔化阴极。从而可蒸发大量的阴极材料。粘合性能高的原因是通过负偏压等产生的电场将等离子体引导在基底上，从而冲击基底。
但是，由电弧蒸发源的阴极蒸发产生的阴极材料不仅含有适合于成膜的细颗粒，而且还含有大颗粒，所述的大颗粒是每个具有约几微米至约几十微米的的大块颗粒(这种大颗粒也称作“液滴”或者“大型颗粒”)。所产生的问题是这种大颗粒飞溅并且粘结在基底上，从而薄膜表面的平滑度低或者薄膜粘结于基底上的粘结性能差。
一种解决这种由大颗粒造成的问题的方法是JP-A-8-199346公开的电弧型离子镀装置，该装置具有电弧蒸发源，使用气吹机构将反应气体吹向阴极附近，其中反应气体与阴极材料反应以形成化合物。
根据该申请公开的电弧型离子镀装置，反应气体与阴极材料反应，从而在阴极的蒸发表面形成高熔点的化合物。因此，形成大量的用于电弧放电的阴极斑点，从而使电弧电流分配在多个阴极斑点之间。结果，可能限制大颗粒在电弧蒸发源周围飞出。因此可形成平滑度好的薄膜。
但是，存在需进一步降低大颗粒以形成平滑度更好的薄膜的应用领域，诸如(1)形成透镜模具的应用领域，(2)用于电池等内部的电极的保护膜的应用领域，如果存在任何针孔则这是不能使用的。难以将上述装置应用于这些应用领域。
另外，如果电弧蒸发源的阴极是碳，即使在吹入反应气体时，碳不能形成高熔点的化合物，这与诸如Ti，Ti-Al，Cr的金属不同。另外，碳蒸发的同时会爆裂。因此，抑制大颗粒飞溅的作用小至不能形成平滑度优异的碳膜。
另一方面，作为另一种解决大颗粒造成的问题的方法，在Anders等人的等离子体源科学技术(4(1995)1-12)中公开了真空电弧等离子体传输装置，如图3所示。
在该装置中，由棒状阴极2和柱状阳极4之间真空电弧放电产生的等离子体6通过聚焦线圈8聚焦，并且由引导线圈12所产生的磁场通过具有环形截面的弯管10传输。
根据该装置，在阴极2附近产生的等离子体6中所含的大颗粒的质量大至不能由引导线圈12所产生的磁场足够地弯曲。结果，大颗粒冲击传输管10的内壁并且粘附于其上。因此，几乎不含大颗粒的等离子体从传输管10的末端导出。因此认为该装置可用于需进一步降低大颗粒以形成平滑度高的薄膜的上述应用领域。
另外，即使阴极2是碳，在传输管10中可去除从阴极2飞出的大颗粒。因此认为可形成高平滑度的碳膜。
但是，在图3的装置中，只能产生和传输薄(小截面积)的等离子体。因此，每个装置的成膜面积小至该装置难以用于大面积成膜。即，生产率低。例如，对于大面积成膜的应用来说，需安装很多图3所示的装置以面对基底。在这种情况下，实用时，装置变得太复杂并且重量太重。
本发明的目的是提供一种电弧型离子镀装置，该装置可形成具有良好膜厚均匀性的大面积的高平滑度薄膜。
根据本发明，提供了一种电弧型离子镀装置，该装置包括可抽空的真空室；真空室中的用于夹持基底的夹持器；传输管，该传输管是具有基本上方形或者基本上椭圆形截面的弯管，该弯管的一端连接于真空室以面对夹持器夹持的基底；多个独立的具有阴极的电弧蒸发源，每个阴极由真空电弧放电所熔化以产生含阴极材料的等离子体，该蒸发源置于传输管的另一端并且沿传输管的方形或者椭圆形截面的长边方向布置；以及在传输管外周布置的磁性线圈，用于形成沿传输管弯曲的磁场，以便通过该磁场将由多个电弧蒸发源产生的等离子体引导至真空室中的基底周围。
根据上述的电弧型离子镀装置，多个电弧蒸发源置于传输管的一端，并且沿传输管的方形截面的长边方向或者沿传输管的椭圆形截面的主轴布置(下面称作“纵向”)。因此，可由电弧蒸发源产生含阴极材料的等离子体，从而可产生在纵向扩展的大面积的等离子体。
该等离子体通过传输管由磁性线圈产生的磁场引导和传输。然后，如果从电弧蒸发源飞溅出的大颗粒是电中性的，则这些大颗粒会直线运动。即使这些大颗粒被离子化，它们的质量也大至磁性线圈所产生的磁场不足以使其弯曲。因此，它们冲击传输管的内壁并且粘附于其上。结果，几乎不含大颗粒的等离子体从传输管的末端导出，并且引导至基底的附近。
通过这种操作，通过大面积等离子体，可以以大面积形成具有良好膜厚均匀性的平滑度高和几乎不含大颗粒的薄膜。
在附图中
图1是表明本发明电弧型离子镀装置的实施方案的透视图；图2是图1的装置的水平截面图；以及图3是表明常规真空电弧等离子体传输装置的例子的截面图。
图1是表明本发明电弧型离子镀装置的实施方案的透视图。图2是图1的装置的水平截面图。
该电弧型离子镀装置具有真空室20，该真空室通过未示出的真空泵抽真空。在真空室20中安装用于夹持待镀膜的基底24的夹持器26。在该实施方案中，真空室20和传输管36电接地，传输管连接于真空室20，并且在下面说明。
在该实施方案中，夹持器26是圆柱形的，并且多个基底24附着于夹持器26的侧面上。基底24的数量、形状等是符合要求的。夹持器26的形状是柱状或者类似形状。
在该实施方案中，夹持器26支承在支承轴30上，并且例如，通过驱动部件32沿箭头A的方向旋转。在该实施方案中，在支承轴30穿入真空室20的部位安装具有真空密封作用和电绝缘作用的轴承28。
根据需要将气体如惰性气体、反应气体等引入真空室20中。惰性气体例如是氩气。反应气体用于通过与电弧蒸发源42所产生的阴极材料反应而形成化合物，上述的电弧蒸发源下面说明。该反应气体例如是氮气。
在该实施方案中，通过偏压电源34将约几伏至约-1000伏的负偏压施加于夹持器26和由夹持器26所夹持的基底14上。但是，即使基底24不施加负偏压，即，即使不安装偏压电源34并且基底24置于接地电势，传输至基底24附近的等离子体50(见图2)较基底24更容易地置于正电势。因此，等离子体50和基底24之间的电势差可加速等离子体50中的离子，使离子加速至基底24。
传输弯管36的一端连接于真空室20的壁表面的孔21处，从而面对于夹持器26上的基底24。该传输管36与真空室20一起抽真空。传输管36具有基本上方形截面。术语“基本上方形”包括准确的方形还包括将方形的角(如4个角)倾斜切去的接近于方形的多边形(例如八边形)。对于多边形截面的情况，可以与方形的情况相同的方式产生和传输沿纵向Y扩展的大面积等离子体50。
作为替换，传输管36可具有基本上椭圆形的截面。术语“基本上椭圆形”包括准确的椭圆形还包括接近于椭圆形的多边形。对于这种基本上椭圆形截面的情况，可以与方形的情况相同的方式产生和传输沿纵向Y扩展的大面积等离子体50。
上述传输管36的弯曲角度α(见图2)优选设定为从各个电弧蒸发源42的阴极46的蒸发表面不能直接看到夹持器26上的基底24。以这种方式可有效地防止从阴极46飞溅出的大颗粒到达基底24上。更具体地，角度α设定为约45°-120°。从实用的观点出发，角度α优选设定为90°。
在该实施方案中，传输管36的另一端用方形端板54覆盖。在该实施方案中，3个电弧蒸发源42置于该端板54上，以Y方向(即纵向)直线方式布置，沿传输管36的方形截面的长边(换句话说，沿端板54的方形长边)延伸布置。即，电弧蒸发源42布置在纵向Y上的3段内。
在传输管36的截面基本上为椭圆形的情况下，上述多个电弧蒸发源42可沿上述纵向Y(即沿椭圆的主轴)布置。
多个蒸发源42不总是以直线方式(其中心位于沿上述传输管36的长边或主轴的线上)布置。电弧蒸发源42可以使其中心一定程度地偏离于另一个而布置。在这种情况下，可以产生并且传输沿纵向Y扩展的大面积等离子体50。
在该实施方案中，每个电弧蒸发源42具有附着于金属阴极夹持器44上的阴极46。在该实施方案中，阴极46通过在阴极46和作为阳极的传输管36或者端板54之间的真空电弧放电而局部熔化。因此，通过电弧放电在阴极46的前面附近产生等离子体，从而阴极材料48被部分离子化。即，分别在电弧蒸发源42的阴极46的前面附近产生含有离子化阴极材料48的等离子体50。
此时，在各个电弧蒸发源42的阴极46、传输管36和端板54之间，由为每个电弧蒸发源42配备的电弧电源56施加例如约几十伏的电弧放电电压，同时将阴极46设定为负极端。标号52表示绝缘体。顺便指出，每个电弧蒸发源42通常具有用于引弧放电的触发电极，但是图中未示出。
根据形成薄膜的类型的要求，电弧蒸发源42的阴极由所需的材料(例如金属、合金、碳等)组成。更具体地，例如阴极46是由金属如Ti，Cr，Mo，Ta，W，Al，Cu等、合金如Ti-Al合金等或者石墨(碳)组成。通常优选各个电弧蒸发源42的全部阴极46是由一种且相同的材料组成。
在传输管36的外周布置磁性线圈38，用于形成沿传输管36弯曲的磁场。因此，通过该磁场将由电弧蒸发源42产生的等离子体50引导至真空室20中的夹持器26上的基底24周围。这些磁性线圈38由直流励磁电源39激励。由磁性线圈38产生的部分磁力线40示于图2中。磁力线40基本上沿传输管36的内表面运动。
在该实施方案中，磁性线圈38由多个(在说明性实施例中为4个)环形线圈组成。作为替代，该线圈可由沿传输管36的外周缠绕的螺线线圈组成。
顺便指出，接近于磁性线圈38的部件是由非磁性材料组成，以便不干扰由磁性线圈38产生的磁力线40。
根据本发明的电弧型离子镀装置，3个电弧蒸发源42沿纵向Y置于传输管36的端部。即电弧蒸发源42在3段内布置。含有阴极材料48的等离子体50可由电弧蒸发源42产生。因此可产生大面积的等离子体50以沿纵向Y扩展。
等离子体50由具有基本上方形或者椭圆形截面的传输管36和由磁性线圈38产生的磁场引导和传输。因此，等离子体50被引导至真空室20中的基底24附近。即，由各个电弧蒸发源42的阴极46放电产生的电子被由磁性线圈38产生的磁场俘获以便螺线型运动。另外，由这些电子离子化的阴极材料48由俘获的电子所产生的电场通过传输弯管36传输。通过这种过程，等离子体50到达真空室20中的夹持器26上的基底20附近。
引导至基底24附近的等离子体50中的离子(离子化的阴极材料48)由施加于基底24上的负偏压等引导至基底24上。结果，离子冲击基底24而沉积在其上。因此，在基底24的表面形成薄膜。在这种情况下，如果在真空室20中先前引入反应气体，阴极材料与反应气体反应而在基底24的表面形成化合物薄膜。
另一方面，从各个电弧蒸发源42的阴极飞溅出的大颗粒如果是电中性的则直线运动。即使大颗粒是离子化的，它们的质量大至磁性线圈38所产生的磁场不足以使其弯曲，并且它们冲击传输管36的内部且粘附于其上。即，即使离子化的大颗粒被磁性线圈38所产生的磁场俘获并螺线运动，该大颗粒冲击传输管36的内部且粘附于其上。这是因为螺线运动的半径(Larmor半径)与质量成正比的增大，特别是对于大颗粒的情况，Larmor半径非常大。因此，几乎不含大颗粒的等离子体50从传输管36的末端导出，并且引导至基底24的附近。
通过这种操作，可以在夹持器26上的各个基底24上形成平滑度高和几乎不含大颗粒的薄膜。
另外，以纵向Y扩展的大面积的等离子体50可由多个电弧蒸发源42产生，并且由基本上方形或椭圆形截面的传输管36传输。因此可形成具有良好薄膜厚度均匀性的大面积薄膜。
如果用于夹持基底24的夹持器26是旋转型的，如该实施方案中的这样，可形成具有良好薄膜厚度均匀性的大面积薄膜。代替这种旋转型夹持器，例如，可安装夹持基底24的板状夹持器，以在真空室20中产生沿X方向的往复的直线运动，X方向横向于等离子体50(见图2)。
顺便指出，尽管存在在传输管36的端部安装单个具有大面积方形阴极的电弧蒸发源的设想，但是，优选地是如本发明这样安装多个电弧蒸发源42，因为成膜的均匀性高。即，即使使用这种大面积阴极，弧斑(电弧放电的阴极斑点)易于停留在一个位点上，从而以偏置的方式产生阴极材料和等离子体。特别是，在阴极是碳的情况，弧斑的运动太慢，以至于弧斑易于长时间停留在一个位点上(例如约几分钟)。因此增加偏置。结果，等离子体的均匀性以及所形成薄膜的均匀性都不好。
另一方面，当如本发明这样安装多个电弧蒸发源42时，即使在弧斑易于停留在每个阴极46的一个位点上的情况下，必然地存在多个弧斑(即，弧斑的数量不少于电弧蒸发源的数量)。结果，由多个分散的位点产生阴极材料48和等离子体50，从而改进等离子体50的均匀性以及所形成薄膜的均匀性。
顺便指出，每个电弧蒸发源42可安装一个吹气机构以将反应气体吹向电弧蒸发源42的阴极46的附近。该反应气体与阴极46的材料反应。因此，如前所述，可抑制大颗粒自身从阴极46飞溅出来。从而可形成高平滑度的薄膜。
使用图1和2所示的电弧型离子镀装置，将多个由SCM415H造成的盘状基底24附着于外径450毫米的柱状旋转夹持器26的侧面上。另外，将3个电弧蒸发源42(每个均具有石墨(碳)造成的阴极46)安装在具有方形截面的传输管36的端部上，安装方式为沿纵向Y以20cm的间距安装在3段内。在该实施例所用的电弧蒸发源42中不安装吹气机构。传输管36的弯曲角度α设定为约90°。
在具有这种结构的电弧型离子镀装置中，将真空室20抽真空至约5×10-5乇之后，向真空室20中供入作为气体22的100sccm的氩气，使真空室20中的压力保持为约5乇。然后，由偏压电源34向夹持器26和基底24施加-50V的偏压，在该状态下，启动3个电弧蒸发源42，从而将流入每个电弧蒸发源的弧电流保持为60A。
结果，以约1微米/小时的速度在夹持器26夹持的各个基底24上形成碳膜。另外，在夹持器26的侧面上，在沿纵向扩展超过约600毫米的大面积内，可形成具有良好膜厚均匀性的高平滑度的碳膜。
如上所述，根据本发明，多个电弧蒸发源置于传输管的端部，并且沿传输管的方形截面的长边方向或者椭圆形截面的主轴方向布置。因此，可由电弧蒸发源产生含阴极材料的等离子体，从而可产生沿纵向扩展的大面积的等离子体。另外，该等离子体由磁性线圈所产生的磁场、通过具有方形截面或椭圆形截面的传输弯管引导和传输。结果，几乎不含大颗粒的等离子体从传输管的末端导出，并且引导至基底的附近。
结果，通过大面积等离子体，可以以大面积形成具有良好膜厚均匀性的平滑度高和几乎不含大颗粒的薄膜。
权利要求
1.一种电弧型离子镀装置，该装置包括可抽空的真空室；安装在所述真空室中的用于夹持基底的夹持器；为弯管的传输管，该弯管的一端连接于真空室以面对所述夹持器夹持的所述基底；多个独立的具有阴极的电弧蒸发源，每个阴极由真空电弧放电所熔化以产生含阴极材料的等离子体，所述的蒸发源置于所述传输管的另一端并且沿所述传输管的方形截面的长边方向布置；以及在所述传输管外周布置的磁性线圈，用于形成沿所述传输管弯曲的磁场，以便通过该磁场将由多个所述电弧蒸发源产生的所述等离子体引导至所述真空室中的所述基底周围。
2.如权利要求1的电弧型离子镀装置，其特征在于，所述的传输管具有基本上方形截面。
3.如权利要求1的电弧型离子镀装置，其特征在于，所述的传输管具有基本上椭圆形截面。
4.如权利要求2的电弧型离子镀装置，其特征在于，所述的所述的多个蒸发源沿所述传输管的方形截面的长边方向布置。
5.如权利要求3的电弧型离子镀装置，其特征在于，所述的所述的多个蒸发源沿所述传输管的椭圆形截面的主轴方向布置。
6.如权利要求1的电弧型离子镀装置，其特征在于，所述的传输管的弯曲角度α设定为从所述电弧蒸发源的阴极的蒸发表面不能直接看到所述夹持器上的基底。
7.如权利要求6的电弧型离子镀装置，其特征在于，角度α设定为约45°-120°。
8.如权利要求1的电弧型离子镀装置，其特征在于，所述的线圈是环形线圈。
9.如权利要求1的电弧型离子镀装置，其特征在于，还包括用于将反应气体吹向所述电弧蒸发源的阴极附近的吹气机构。
全文摘要
一种电弧型离子镀装置具有用于夹持基底的夹持器。该夹持器安装在真空室中。传输弯管的一端连接于该真空室上以面对夹持器上的基底。该传输管具有方形或者椭圆形截面。多个电弧蒸发源沿纵向Y布置在传输管的另一端。各个电弧蒸发源通过真空电弧放电熔化阴极,从而产生含阴极材料的等离子体。用于形成沿传输管弯曲的磁场的磁性线圈布置在传输管的外周。由电弧蒸发源产生的等离子体通过磁场引导至真空室内的基底附近。
文档编号C23C14/32GK1285253SQ0012601
公开日2001年2月28日 申请日期2000年8月18日 优先权日1999年8月18日
发明者冈崎尚登, 大谷聪 申请人:日新电机株式会社