一种涂布系统以及在该涂布系统中涂布基底的方法

一种涂布系统以及在该涂布系统中涂布基底的方法
【专利摘要】本发明涉及一种涂布系统以及在该涂布系统中涂布基底的方法。该涂布系统包括真空腔室以及位于该真空腔室内的涂布组合件。该涂布组合件包括：蒸气源，该蒸气源将待涂布的材料提供到基底上；用于固持待涂布的基底的基底固持器，使得基底位于蒸气源的前方；阴极腔室组合件；以及远程阳极。该阴极腔室组合件包括阴极、可选的初级阳极以及屏蔽物，该屏蔽物将阴极与真空腔室隔离。该屏蔽物界定用于将电子发射电流从该极传输到真空腔室中的开口。该蒸气源位于阴极与远程阳极之间，而远程阳极耦合到阴极。该涂布系统还包括连接在阴极与初级阳极之间的初级电源以及连接在阴极腔室组合件与远程阳极之间的次级电源。
【专利说明】一种涂布系统以及在该涂布系统中涂布基底的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及等离子体辅助沉积系统和相关方法。
【背景技术】
[0002]物理气相沉积(PVD)和低压化学气相沉积(CVD)源，被用于涂层的沉积和表面处理。常规金属蒸气源，例如，电子束物理气相沉积(EBPVD)以及磁控溅射(MS)金属蒸气源可以提供较高的沉积速率。然而，金属蒸气原子的低能量以及这些工艺的低电离速率，产生了具有低密度、低粘性、不良结构和形态的涂层。已经很好地证实:用高能粒子的轰击来辅助涂层沉积工艺，可以大大改善涂层，因为这样使沉积材料的密度增加，粒度减小并且使涂层的粘性增强。在这些工艺中，表面层受到高能离子的高速轰击的影响，这改变了沉积金属蒸气原子的移动性并且在许多情况下产生具有独特功能特性的亚稳结构。此外，涂层表面的离子轰击影响气体吸附行为，这是通过增加了氮气等气体的粘着系数并且将吸附位点的性质从较低能物理吸附位点变为较高能化学吸附位点。在具有超细或玻璃状无定形结构的纳米结构复合涂层的沉积中，该方法尤其有效。
[0003]有两种不同的方法可以在PVD或CVD工艺过程中提供离子轰击辅助。离子束辅助沉积(IBAD)是这样一种方法，它在以下方面具有巨大的潜力:在聚合物和其他温度敏感材料上形成密集的陶瓷涂层。该IBAD工艺通常是在真空下(~Ixl(T5Torr)执行的，其中陶瓷热蒸发到基底上并且同时受到高能离子的轰击。该离子束使沉积的原子与基底混合，从而产生分级层，这可以提高涂层粘性并且减小膜应力。撞击离子还产生“喷丸硬化效果”，这使得该层变得紧凑并且密度变大，从而减少或消除了柱状生长。
[0004]例如，在类金刚石碳(DLC)膜的IBAD处理过程中，碳通过电子束源来蒸发或者通过磁控管源来溅射。离子 轰击是通过氩离子束等独立的大孔径离子束源来提供的。这种氩离子束不改变生长膜的化学性质而是仅通过晶格网络修饰而影响其结构、形态、键能和原子间键合。将适当的气态前体添加到离子束中，引起了生长的DLC膜的掺杂，从而在IBAD工艺过程中提供化学气相辅助。DLC膜的此类硅掺杂的一个实例是从Ar+SiH4离子束中沉积的。氟化物可以经由Ar和氟代烃离子束而添加到这些膜中，氮可以通过使用Ar和N2离子束来添加，并且硼可以使用Ar+BH4离子束来添加。IBAD是一种灵活的工艺流程，它通过改变以下处理参数而允许在扩大的区域中对涂层特性进行控制:离子束成分、离子能量、离子电流以及离子-原子到达率。
[0005]尽管IBAD工艺的工作性能相当好,但是它所具有的视线(line-1n - sight)性质使其受到限制，当涂层沉积工艺的一致性较为重要时，该性质不利于在复杂形状组件上实现均匀的涂层分布。另外，IBAD工艺具有有限的按比例放大能力。等离子体浸没离子沉积(PIID)工艺通过提供低压等离子体环境而克服了这些限制中的一些，该工艺有效地将待涂布的基底包封在均匀的等离子体云内。这在3-D复杂形状基底以及较大的负载上产生了高度均匀的离子轰击速率。PVD或CVD工艺用于产生气相种类，以用于基底表面的处理。与IBAD相比，PIID是非视线工艺，能够在不操纵的情况下处理复杂表面。PIID利用由气体放电产生的等离子体填满整个处理腔室，从而使得复杂成分和架构能够被涂布。等离子体浸没离子处理的实例包括离子氮化、碳氮共渗、离子植入以及可以通过在负偏压下将待涂布的基底浸没在含氮等离子体中来执行的其他气态离子处理工艺。另外，在基底受到正偏压时从等离子体中提取的电子电流，可以用于预热和热处理工艺中。显然，非视线处理特征与视线处理相比呈现出更多的优点，确切地说是针对大量对象和3-D对象的有效处理。在PIID工艺过程中使用的电离气态环境可以通过应用不同类型的等离子体放电来实现，例如辉光放电、射频放电、微波(丽)放电以及低压电弧放电。低压电弧放电尤其有利，因为它以较低的成本在较大的处理体积上提供了密集的、均匀的高度电离的等离子体。在电弧放电等离子体辅助涂布沉积或离子处理工艺中，基底被定位在电弧放电等离子体区域内的电弧阴极与远程的电弧阳极之间。热离子丝阴极、中空阴极、真空电弧蒸发冷阴极，以及它们的组合可以用作电子发射体来产生气态低压电弧等离子体放电环境。或者，导电的蒸发材料本身可以用作电离化电弧放电的阴极或阳极。后一特征提供在真空阴极电弧沉积工艺中或提供在各种电弧等离子体增强型电子束和热蒸发工艺中。
[0006]如CrN等反应涂层的沉积可以通过各种物理气相沉积技术来实现，例如阴极电弧沉积、过滤电弧沉积、电子束蒸发以及溅射沉积技术。电子束物理气相沉积(EBPVD)技术，无论是常规的还是电离的，均用于许多应用中，但是通常在许多领域中不被认为是可行的制造技术，这是由于批量处理问题，按比例放大以在较大基底上实现均匀的涂层分布的困难，以及由于用不同气相压力对这些元素进行热力学驱动蒸馏导致的多元涂层沉积控制的困难。相比之下，基于PVD的磁控溅射(MS)应用广泛，这是由于可接受的沉积速率下的磁控涂布的高度均匀性，多元涂层沉积的精确控制以及MS工艺易于整合在全自动化的工业批量涂布系统中的能力。分别称为热蒸发阴极(HEC)和热蒸发阳极(HEA)的阴极和阳极电弧增强型电子束物理气相沉积(EBPVD)工艺已经显示出增大的电离速率，但是遭受电弧点不稳定性和电离速率在EBPVD金属蒸气流上的不均匀分布。在这些工艺中，电弧放电与蒸发工艺结合在一起，从而使得难以在HEA和HEC工艺中提供电离和蒸发速率的独立控制。因此，极难将PA-EBPVD工艺整合在全自动化的工业批量涂布系统中。
[0007]本领域中熟知的是，溅射技术能够成本有效地使厚的反应涂层沉积，尽管超过约一微米的膜由于晶化而趋向于变模糊。晶化现象或柱状膜增长与溅射沉积技术中沉积原子的内在低能量有关，从而为支持高能的晶体结构创造机会。这些晶体结构可能具有专门针对磨损和外观应用的不需要的各向异`性。在过去十年间已开发出各种方法用于在磁控溅射工艺中增大电离速率。这些方法的主要目的是为了增加沿着磁控溅射原子流的通道的电子密度，从而通过增加电子-原子碰撞的频率来增加金属原子的电离。高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)工艺使用与直流功率同时施加给磁控靶材的高功率脉冲，来增加电子发射并且因此增大金属溅射流的电离速率。该工艺在用于切削工具的氮化物耐磨涂层的沉积中显示出改善的涂布特性。在HIPMS工艺中，只在短的脉冲时间内才实现改善的电离，而在暂停过程中，电离速率与常规DC-MS工艺中的一样低。由于在HIPMS工艺中脉冲参数与磁控溅射工艺参数有关，因此大约比常规DC-MS工艺的溅射速率低三倍的溅射速率可能会受到不利的影响。此外，HIPMS工艺中的高压脉冲可能在磁控靶材上引起电弧作用，从而导致生长膜的污染。
[0008]为了在磁控靶材附近产生高度电离的放电，电感耦合的等离子体(ICP)源可以被添加到阴极与基底之间的区域中。随后将非共振感应线圈放置成平行于本质上常规的DC-MS设备中的阴极，浸在等离子体中或邻近等离子体。感应线圈一般通过电容匹配网络使用50Q的射频电源以13.56MHz进行驱动。射频功率通常穿过介电窗或壁而耦合到等离子体上。电感耦合的放电通常在1- 50mTorr的压强范围内操作并且被施加了 200 -1OOOff的功率，从而产生在IO16 -1O1V3范围内的电子密度，通常发现该电子密度随着施加的功率的增加而线性地增加。在磁控溅射放电中，使用直流或射频功率从阴极靶材中溅射金属原子。这些金属原子发射由射频线圈产生的密集等离子体，在这种情况下它们被电离。放置在磁控靶材与待涂布的基底之间的水冷却的感应线圈对金属溅射流造成了不利的影响。因此，将MS装置整合到现有的批量涂布和直线型(in-line)涂布系统中，是相当较复杂、昂贵并且困难的。在微波辅助磁控溅射(MW-MS)工艺中，这些缺点也同样存在。在MW-MS工艺中，真空处理腔室布局需重新设计以允许金属溅射流穿过电离区。然而，使PVD过程电离的RF、MW和ICP方法在等离子体在较大处理区域上的分布均匀性方面经历了一些困难，这成为整合到较大面积涂层沉积系统中的障碍。
[0009]用于产生高能离子的另一现有技术是等离子体增强型磁控溅射(PEMS)，它具有热离子热丝阴极(HF-MS )或中空阴极(HC-MS )作为电离电子源来增加DC-MS工艺中的电离速率。在HF-MS工艺中，远程热离子丝阴极被用作电离电子源，从而使该工艺类似于HC-MS工艺。然而，该工艺通常呈现出等离子体不均匀性并且难以整合在工业大面积涂布系统中。此外，热丝和中空电弧阴极在反应等离子环境中是敏感的并且快速降解。这些等离子体生成工艺的缺点可以通过以下方法来克服:将冷蒸发真空电弧阴极用作电子源以对气相沉积处理环境进行电离和激活。
[0010]常规阴极电弧沉积膜的外观表象包括称为宏(macro)的未反应靶材的微粒，所述微粒使沉积膜在对磨损、腐蚀和外观特性有特定要求的应用中具有不期望的缺陷。然而，与溅射膜不同的是，电弧沉积膜不具有结晶特性，因为电弧蒸发工艺产生具有高能量沉积原子的高度电离的等离子体，这被认为有效地使发展的膜中的晶体结构随机化。
[0011]相应地，有必要在涂布工艺中使用额外的技术来产生高能粒子，从而产生改善的膜特性。

【发明内容】

[0012]本发明通过在至少一个实施例中提供一种用于涂布基底的系统，而解决了现有技术中的一个或多个问题。所述涂布系统包括真空腔室以及位于所述真空腔室内的涂布组合件。所述涂布组合件包括:蒸气源，所述蒸气源将待涂布的材料提供到基底上；基底固持器，用于固持待涂布的基底，使得这些基底位于蒸气源的前方；阴极腔室组合件；以及远程阳极。所述阴极腔室组合件包括阴极靶材、可选的初级阳极以及屏蔽物，所述屏蔽物将阴极与真空腔室隔离。所述屏蔽物界定了用于将电子发射电流从阴极传输到真空腔室中的开口。蒸气源位于阴极腔室组合件与远程阳极之间，而远程阳极电气地耦合到阴极。所述涂布系统还包括连接在阴极靶材与初级阳极之间的初级电源以及连接在阴极靶材与远程阳极之间的次级电源。典型地，所述远程阳极具有线性的远程阳极尺寸，所述蒸气源具有线性的蒸气源尺寸，所述阴极靶材具有线性的阴极靶材尺寸，并且所述基底固持器具有线性的固持器尺寸，使得所述线性的远程阳极尺寸、所述线性的蒸气源尺寸、所述线性的阴极靶材尺寸，以及所述线性的固持器尺寸彼此类似，其中所述线性的远程阳极尺寸等于或大于所述线性的阴极靶材尺寸和所述线性的蒸气源尺寸，使得一个受到约束的等离子体从阴极靶材流到远程阳极。
[0013]在另一实施例中，提供一种用于在上述涂布系统中涂布基底的方法。所述方法包括在阴极靶材与初级阳极之间的电子发射阴极源中产生初级电弧的步骤。在阴极腔室组合件与远程阳极之间的一个涂布区域中产生受到约束的远程电弧，使得从蒸气源中产生朝向至少一个待涂布基底的金属蒸气流。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]通过详细描述和附图，将更完整地理解本发明的示例性实施例，其中:
[0015]图1A是使用远程电弧放电等离子体的涂布系统的理想化侧视图；
[0016]图1B是垂直于图1A的视图的涂布系统的前视图；
[0017]图1C是图1A的涂布系统的示意图；
[0018]图1D是阴极与远程阳极之间的等离子体射流的约束的示意图；
[0019]图1E是用于使等离子体射流形成光栅的多元阴极的示意图；
[0020]图2提供了通 过有限元建模获得的屏幕与远程阳极之间的等离子体电势的典型分布；
[0021]图3提供了由来自远程电弧放电等离子体的激发的氩原子(光谱线ArI739.79nm)发射的辐射强度与放电电流的关系；
[0022]图4A提供了具有位于磁控溅射源之间的附加的远程阳极的涂布系统的示意图，所述系统中添加有附加的屏蔽式阴极腔室组合件，以确保气态等离子体环境的均匀性和高度电尚;
[0023]图4B提供了一种涂布系统的示意图，所述涂布系统包括安装在主阳极与多个从属阳极中的每一者之间的可变电阻器；
[0024]图4C提供了一种改良方案，其中与电容器并联的电阻器被用于设置中间阳极的电势；
[0025]图5提供了 RAAMS系统的线性模块化配置的示意图；
[0026]图6提供了 RAD等离子体处理中的电势分布图；
[0027]图7A和图7B提供了具有中央定位的屏蔽式阴极腔室的批量涂布系统的示意图；
[0028]图8提供了具有外围定位的屏蔽式阴极腔室组合件的批量涂布系统的示意图；
[0029]图9A提供了一幅示意图，其中基底固持器位于阳极与磁控溅射源之间；
[0030]图9B提供了一幅示意图，其中导线阳极位于基底固持器与磁控溅射源之间；
[0031]图1OA是具有由远程电弧放电等离子体辅助工艺制成的涂层的基底的示意图；
[0032]图1OB是具有由远程电弧放电等离子体辅助工艺制成的多层涂层的基底的示意图；
[0033]图11提供了在本发明的变体中均匀分布在涂层沉积区域上的离子电流收集探测器的放置的示意图；
[0034]图12提供了由涂布系统中的圆盘集电器收集的离子电流密度的典型的波形图；
[0035]图13提供了将常规磁控溅射与远程电弧辅助磁控溅射制成的CrN进行比较的扫描电子显微照片；[0036]图14A提供了百分比光泽度与阳极电流的关系图；
[0037]图14B提供了百分比光泽度与偏压的关系图；
[0038]图15提供了硬度与阳极电流的关系图；
[0039]图16A提供了涂层沉积速率与阳极电流的关系图；
[0040]图16B提供了涂层沉积速率与偏压的关系图；
[0041]图17提供了根据本发明的一项实施例的由磁控溅射产生的种类的光发射谱(OES)；
[0042]图18提供了在4mtorr以及50mtorr下的CrII离子光谱线的强度与中间阳极电流的关系。
【具体实施方式】
[0043]现将详细参考本发明目前优选的组合、实施例和方法，所述组合、实施例和方法构成发明人目前已知的实践本发明的最佳模式。附图不必按比例绘制。但应理解，所披露的实施例只是本发明的示例性实施例，其可以通过多种形式和替代形式实施。因此，本文中所披露的具体细节并非解释为限定性的，而只是本发明任一方面的代表性基础和/或用于教示所属领域的技术人员以多种方式使用本发明的代表性基础。
[0044]除非在实例中或另外明确指明，否则本说明书中表示材料的量或者反应和/或使用的条件的所有数量都应理解为在描述本发明的最大范围时使用字词“约”进行修饰。通常优选的是，在所述数值限制范围内进行实践。此外，除非明确说明情况相反，否则:百分比值、“部分值”和比值是按重量计的算；如果将一组或一类材料描述成适用于或优选用于本发明的指定目的，则表示该组或该类材料中任何两种或更多种材料的混合物同样是适用的或优选的；用化学术语描述的成分指代的是，添加到说明书中所指定的任何组合中的成分，并且不一定排除混合时混合物的成分之间的化学相互作用；首字母缩略词或其他缩写的第一定义适用于相同缩写的本文所有随后的使用并且加以必要的修改可用于最初定义的缩写的正常语法变体；并且，除非明确说明相反，否则某种性质的测量由同一性质中先前或稍后提到的相同的技术来确定。
[0045]还应理解，本发明并不限于下文描述的具体实施例和方法，因为具体组件和/或条件显然可以是不同的。此外，本文中使用的术语只用于描述本发明的特定实施例，而并不旨在以任何方式限制本发明。
[0046]还必须注意，除非本文中另外指明，否则说明书和所附权利要求书中使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指代对象。例如，提及采用单数形式的组件旨在包括多个组件。
[0047]本申请案中，在参考公开案的地方，这些公开案的披露内容以全文引用的方式在此并入本申请案中，以更全面地描述本发明所涉及的技术现状。
[0048]参考图1A、图1B、图1C和图1D，提供了使用远程电弧放电等离子体的涂布系统。图1A是所述涂布系统的理想化侧视图。图1B是垂直于图1A的视图的前视图。图1C是包括电气布线的涂布系统的示意图。该实施例的系统尤其可以用于大面积磁控溅射涂层沉积工艺的电弧等离子体增强。涂布系统10包括真空腔室12，所述真空腔室中放置有涂布组合件。所述涂布组合件包括蒸气源16、位于真空腔室12内的阴极腔室组合件18，以及用于固持待涂布的基底22的基底固持器20。图1A和图1B描绘了一种变体，其中蒸气源16是磁控溅射源，使得系统10的涂布工艺是远程电弧辅助磁控溅射(RAAMS)工艺。这样的磁控溅射源包括靶材Ts、电源Ps，以及阳极As。应了解，其他类型的蒸气源可以用作蒸气源16。这样的蒸气源的实例包括，但不限于，热蒸发器、电子束蒸发器、阴极电弧蒸发器等。基底22在涂布过程中位于蒸气源16的前方并且在涂层沉积过程中沿着方向Cl1移动。在一种改良方案中，基底可以从图1A中的真空腔室12右侧的加载互锁真空室(load-lock chamber)连续引入并且由真空腔室12的左侧的输出腔室来收纳。阴极腔室组合件18包括:阴极外壳24，其中界定有开口 26 ;电子发射阴极28 ;可选的单独的初级阳极34;以及屏蔽物36。屏蔽物36将电子发射阴极28与真空腔室12隔离。在一种改良方案中，可选的单独的阳极34、阴极外壳24、屏蔽物36，或接地线，用作初级的阴极耦合的阳极。
[0049]在本实施例的背景下，阴极腔室组合件18用作电子发射阴极源。在一种改良方案中，初级电弧在阴极28与初级阳极之间的电子发射阴极源中产生。阴极外壳24可以用作连接到初级电弧电源48的正极的独立的初级阳极并且当它连接到接地34时用作接地的阳极。屏蔽物36界定开口 38，用于将电子发射电流40从阴极28传输到真空腔室12中。所述屏蔽物可以是浮动的或者它可以连接到初级电弧电源48或额外电源(未图示)的正极。在另一种改良方案中，阴极28是阴极电弧阴极并且接地的初级阳极34是阴极电弧阳极。任何数量的不同阴极都可以用作电子发射阴极28。这样的阴极的实例包括，但不限于，冷真空电弧阴极、中空阴极、热离子丝阴极等，以及它们的组合。通常，阴极靶材由具有吸气能力的金属制成，包括钛和锆合金。在一个改良方案中，阴极腔室的屏蔽物是水冷却的并且相对于阴极靶材是负偏压的，其中屏蔽物的偏压电势在-50伏特至-1000伏特的范围内。在又一改良方案中，阴极腔室组合件18包括阴极阵列，该阴极阵列中安装有多个阴极靶材，其中阴极靶材阵列的高度基本上等于远程阳极的高度以及沉积区域的高度。从阴极腔室组合件或蒸气源16的顶部到基底22 (即，基底的顶部)的间隔，使得等离子体从阴极28到远程阳极44的流动受到约束。通常，从阴极腔室组合件的屏蔽物36或从蒸气源16的蒸发表面或从远程阳极44到基底22的间隔距离是从大约2英寸到大约20英寸的，这导致窄通道的形成，以约束阴极腔室18中的阴极28与远程阳极44之间的远程电弧等离子体。当该通道的宽度小于2英寸时，它在等离子体中产生较高的阻抗，从而导致等离子体的不稳定并且最终导致远程电弧放电的停止。当该通道的宽度大于20英寸时，远程电弧放电中的等离子体密度不会增大到足以使金属溅射流电离。在尤其有用的改良方案中，具有板形或条形的大面积阴极靶材被安装在阴极腔室组合件18中。通常，这样的大面积阴极靶材的高度基本上等于阳极的高度以及沉积区域的高度。在一个改良方案中，阴极靶材可以由具有吸气能力的金属制成，例如钛合金或锆合金。在这种情况下，屏蔽式阴极电子发射源也可以用作真空吸气泵，它可以提高涂布系统的泵吸效率。为了进一步提高吸气泵吸效率，面向阴极腔室18中的阴极靶材28的蒸发表面的屏蔽物36可以是水冷却的并且可选地连接到高偏压电源。当水冷却的屏蔽物36相对于阴极靶材28被偏置到-50V到-1000V范围内的高负电势时，它将受到由阴极电弧蒸发工艺产生的金属离子剧烈的离子轰击。在剧烈离子轰击的条件下金属蒸气的冷凝有利于泵吸He、Ar、Ne、Xe、Kr等稀有气体以及氢气。
[0050]系统10还包括电气地耦合到阴极28的远程阳极44、连接在阴极28与初级的阴极耦合的阳极之间的初级电源48。远程阳极44位于真空腔室12中，使得蒸气源16位于阴极腔室组合件18与远程阳极之间。在一个改良方案中，多个蒸气源位于阴极腔室组合件18与远程阳极44之间，下文将对此进行更详细的描述。系统10还包括将阴极28电气地耦合到远程阳极44的次级电源52。低通滤波器54也在图1A中描绘出来，它包括电阻器R和电容器C。通常，蒸气源16位于阴极腔室组合件18与远程阳极44之间。系统10进一步包括用于维持减压的泵吸系统56以及用于将一种或多种气体(例如，氩气、氮气、氦气等)引入沉积腔室12中的气体系统58。在一个改良方案中，对涂布腔室12中的远程电弧放电进行供电的次级电源52被安装在阴极腔室组合件18与远程阳极44之间并且它的开路电压比初级电源48至少高20%。 [0051]仍然参考图1A、图1B、图1C和图1D，初级电弧由阴极腔室24中的电弧点火器60来引发，所述阴极腔室通过屏蔽物36而与放电腔室隔离，所述屏蔽物具有用于传输电子电流40的开口 38。通常，屏幕附近的等离子体电势较低，接近阴极腔室组合件18中的等离子体电势，而在远程电弧放电等离子体中，电势较高，接近远程阳极44的电势。图2提供了通过有限元建模获得的屏幕与远程阳极之间的等离子体电势的典型分布。令人惊讶的是发现，该涂布系统产生受到约束的等离子体电弧，该电弧从阴极腔室组合件18流到远程阳极44。图1D提供了示出远程阳极44与阴极28之间的等离子体密度的移动的示意图。受到约束的等离子体(即，等离子体射流)通过涂布区域在远程阳极与阴极之间流动。该受到约束的等离子体的末端沿着如图1D中所示的方向d4移动。电弧点66与侵蚀带68 —起形成于阴极28上。远程阳极44处的等离子场62以及阴极28处的等离子场64在尺寸上约束在沿着方向d4的约I至5英寸的一个空间中。在一个改良方案中，磁场用于实现沿着d4的光栅移动。在另一个改良方案中，该光栅移动是通过沿着方向山机械地移动阴极28来实现的。在其他实施例中，带有电子的发射丝轰击阴极沿着d4移动。在如图1E所示的其他改良方案中，阴极包括多个阴极元素281'这些阴极元素被顺序地激活以形成沿着d4移动的等离子体射流。等离子体电弧的约束产生高密度并且热的等离子体射流，从而将初级阴极处的阴极电弧点与远程阳极处的相关区域连接起来，该相关区域行进通过腔室壁(附接有初级阴极、阳极和磁控管)与基底固持器之间产生的相对较窄通道。这在连接阴极与远程阳极的移动的等离子体射流中产生了高电流密度。在一个改良方案中，该窄通道内的RAAMS等离子体中的电流密度从0.1mA/cm2至100A/cm2。通常，背景的远程电弧等离子体中的电子密度ne的范围从大约ne~108cm_3到大约ne~10lclcm_3,而在受到约束的电弧等离子体射流区域内，电子密度范围从大约ne~IOiciCnT3到大约ne~1013cm_3。产生等离子体射流的约束是如下所述的各组件之间的物理尺寸关系以及磁场应用的结果。确切地说，放电在与离子轰击的高能相对应的非常高的等离子体电势下进行操作(即，离子轰击能量是等离子体电势(与地之间的)与基底偏压电势(与地之间的)之间的差值)。即使是在浮动和接地的基底处，也获得具有50-70eV的离子，因为等离子体电势大于50V。在一个改良方案中，等离子体电势从 5V 到 500V。
[0052]参考图1A和图1B，提供了涂布系统10的各组件的相对尺寸的一方面。远程阳极44具有线性的远程阳极尺寸Da。蒸气源16具有线性的蒸气源尺寸Dv。阴极靶材Ts具有线性的阴极靶材尺寸D。。基底固持器20具有线性的固持器尺寸Dh。在一个改良方案中，所述线性的远程阳极尺寸Da、所述线性的蒸气源尺寸Dv、所述线性的阴极靶材尺寸D。，以及所述线性的固持器尺寸Dh彼此类似。在另一个改良方案中，所述线性的远程阳极尺寸Da大于或等于所述线性的蒸气源尺寸Dv，所述线性的蒸气源尺寸Dv大于或等于所述线性的阴极靶材尺寸D。，所述线性的阴极靶材尺寸D。大于或等于所述线性的固持器尺寸Dh。
[0053]在本实施例的一个变体中，若干远程阳极与位于屏蔽式阴极腔室组合件18中的至少一个电弧阴极相连(即，电气地耦合)。这些远程阳极位于涂布腔室内的策略位置处。
[0054]在另一变体中，每个蒸气源(例如，蒸气源16)与待涂布基底22之间的垂直距离基本上相等。此外，在另一改良方案中，阴极28与远程阳极44之间的距离小于当次级电源52施加的电压超过初级电源48施加的电压的1.2至30倍时发生故障处的距离。
[0055]在本实施例的又另一改良方案中，等离子体探测器安装在阴极28与远程阳极44之间，以测量等离子体密度。这样的测量提供一个反馈，使得二极电源52受到调整以提供到远程阳极44的远程阳极电流的调整，进而获得阴极腔室组合件18与远程阳极44之间的等离子体密度的均匀分布。
[0056]本实施例的远程电弧等离子体建模的特征在于阴极腔室组合件18与远程阳极44之间的电势分布并且在于远程电弧放电等离子体中的等离子体密度。远程电弧放电等离子体中的等离子体电势以及阳极电势随着远程放电电流的增加而增加。远程电弧放电等离子体中的等离子体密度几乎与放电电流成比例增加。此结果由远程电弧放电等离子体的发射光谱来证实。图3示出了由来自远程电弧放电等离子体的激发的氩原子(光谱线ArI739.79nm)发射的辐射强度与放电电流的关系。可以看到，通过直接电子撞击激发的氩原子的发光强度几乎与放电电流成比例。这一现象可以用远程电弧等离子体中的电子浓度与远程电弧放电电流之间的成正比的关系来说明。远程电弧放电中的离子浓度几乎等于电子浓度，使得等离子体准中性得以维持。
[0057]参考图4A、图4B和图4C，提供了本实施例的变体，其具有线性地安装在一侧的屏蔽式阴极腔室组合件与另一侧的远程电弧阳极之间的一系列磁控溅射源。在此背景下，术语“线性”指的是各组件线性地布置，使得各基底可以在线性方向上移动而越过各部件。图4A提供了具有位于磁控溅射源之间的额外远程阳极的涂布系统的示意图，其中添加了附加的屏蔽式阴极腔室组合件，以确保气态等离子体环境的均匀性和高度电离。沉积系统70包括真空腔室72，该真空腔室具有如上所述的相连的真空和气体供应系统。沉积系统70还包括蒸气源76和78、阴极腔室组合件80和82，以及用于固持待涂布基底22的基底固持器84。图4A描绘了一种变体，其中蒸气源76、78为磁控溅射源。所述基底在涂布过程中位于蒸气源的前方。通常，基底22在涂层的沉积过程中沿着方向dl移动。阴极腔室组合件80和82分别包括其中界定有开口 94和96的阴极外壳90和92、阴极98和100、可选的初级阳极102和104，以及屏蔽物106、108。屏蔽物106、108分别将阴极98、100与真空腔室72隔离。屏蔽物106、108各自界定用于将电子发射电流传输到真空腔室72中的开口。在一个改良方案中，阴极98、100为阴极电弧阴极，而初级阳极102、104为阴极电弧阳极。系统70还包括分别电气地耦合到阴极98、100的远程阳极110、112。在如图4A所描绘的一个改良方案中，屏蔽式阴极腔室组合件、蒸气源(例如，磁控靶材)以及远程阳极沿着适用于线性涂布系统的直线对齐。
[0058]图4B提供了一种涂布系统的示意图，所述涂布系统包括安装在主阳极与多个从属阳极中每一者之间的可变电阻器。在此改良方案中，涂布系统120包括真空腔室122以及为上述一般设计的阴极腔室组合件124。阴极腔室组合件124包括阴极腔室126、阴极128、电弧点火器130、其中界定多个开口的屏蔽物132，以及可选的初级阳极134。系统120还包括连接阴极128与初级阳极134的初级电源136，以及磁控溅射源136、138、140。每个磁控溅射源具有靶材Ts、电源Ps以及相连的对电极系统120，该对电极系统也包括远程阳极142，其中次级电源144在阴极128与远程阳极142之间提供电势。系统120还包括从属阳极146、148、150、152，这些从属阳极处于由可变电阻器R1、R2、R3和R4确定的中间电势。在此改良方案中，等离子体分布的密度可以通过使用可变电阻器R1、!?2、!?3和R4来改变每个从属阳极中的电流来进行控制。从属阳极之间的距离以及最接近主阳极的从属阳极与主阳极之间的距离不能大于处理气体成分和压力中的等离子体放电干扰的最小距离。
[0059]图4C提供了一种改良方案，其中与电容器并联的电阻器用于设置中间阳极的电势。在此改良方案中，与C5并联的电阻器R5设置阳极146的电势，与C6并联的电阻器R6设置阳极148的电势，与C7并联的电阻器R7设置阳极150的电势，并且与C8并联的电阻器R8设置阳极152的电势。在此改良方案中，所述电容器用于沿着较大距离来延伸RAAMS工艺，方法是脉冲点燃阴极腔室中的阴极与每个从属阳极之间的远程电弧放电，所述从属阳极位于阴极腔室中的阴极与主阳极之间。应了解，从属阳极也可以具有附加的独立电源；每个从属阳极电源可以安装在阴极128与相应的从属阳极之间。连接到主阳极或从属阳极的每个次级电源的开路电压，至少超过初级电弧电源136的开路电压的1.2倍。
[0060]在本发明的又一变体中，RAAMS装置的线性模块化配置在图5中提供。这样的线性系统可以包括任何数量的沉积站和/或表面处理站(例如，等离子体清洁、离子植入渗碳、渗氮等)。在图5中描绘的变体中，涂布系统154包括线性对齐的模块156-164。通过加载互锁闸阀166-176，将模块156-164与邻近的模块隔离。模块化RAAMS表面工程系统154包括模块156，该模块是一个腔室模块，具有如上所述的屏蔽式阴极电弧腔室178以及沿着该腔室的一个壁放置的远 程阳极180。该图中还示出了磁性线圈182、184的可选的组，所述线圈沿着涂布腔室产生I至IOOGs范围内的纵向磁场。该模块156执行以下操作:基底装载；通过氩中的高能(通常E>200eV)离子轰击对基底进行离子刻蚀或离子清洁，其中远程阳极电弧放电(RAAD)等离子体在屏蔽式阴极腔室中的阴极与远程阳极之间产生；并且通过在屏蔽式阴极腔室中的阴极与远程阳极之间产生的氩RAAD等离子体中的柔和的离子轰击(通常E〈200eV)来对待涂布基底进行调整。第二模块158在氮气中或者在屏蔽式阴极腔室中的阴极与远程阳极之间产生的氩气-氮气混合物RAAD等离子体中对待涂布的基底表面进行离子氮化。在0.1mtorr至200mtorr的压强以及10至300安培范围内的远程阳极电流下，但是通常在0.2-100mtorr的压强范围以及10至200安培的远程阳极电流范围内，在RAAD等离子体浸没离子氮化工艺中HSS、M2和440C钢的等离子体浸没离子氮化的速率达到0.5至I y m/min。RAAD等离子体浸没离子氮化是一种低温处理，其中基底温度通常不超过350°C。在此工艺中，基底可以是浮动的、接地的或以非常低的负偏压(例如，低于-100V)来偏置。在这种低的偏压下离子氮化的原因是RAAD等离子体的高正电势使得等离子体离子从超过接地基底电势的等离子体高电势中接收过量的能量。或者，来自气态RAAD等离子体的氮、磷、硅、碳等元素的低能离子植入，也可以在通常在-200至-1500伏特范围内的相对较低的基底偏压下执行。RAAD等尚子体处理中的电势分布图在图6中不出。在典型的RAAD等离子体工艺中，初级阴极相对于接地的初级阳极具有在-20至-50伏特的范围内的电势。在一个改良方案中，浮动的基底电势相对于初级阴极在-10至-50伏特的范围内。离子氮化、渗碳以及其他离子扩散饱和工艺中的偏置的基底电势相对于初级阴极通常在-10至-200V的范围内，而在RAAD等离子体浸没低能离子植入工艺中，基底偏压通常在-200至-1500伏特的范围内。
[0061]应了解，图5的模块化腔室布局也可以用于在气态RAAD等离子体腔室中执行远程阳极电弧等离子体辅助CVD (RAACVD)工艺(例如，图5中的模块156、158和164)。例如，此低压等离子体浸没CVD工艺装置可以用于在由0.1-1%甲烷以及平衡氢气或氢气-氩气混合物组成的产生等离子体的环境中使多晶金刚石涂层沉积。RAAD等离子体充当含有高密度原子氢和HC自由基的反应环境的强力催化剂，所述HC自由基有助于多晶金刚石涂层的形成。在此工艺中，待涂布基底相对于初级阴极可以是接地的、浮动的或偏置到不低于-100伏特的负电势的。独立辐射加热器阵列可以用于将基底温度维持在200°C至1000°C的范围内，该温度范围对于等离子体增强型低压CVD工艺中的多晶金刚石涂层的沉积是必要的。
[0062]在另一实施例中，提供一种涂布系统，其具有沿着曲线壁对齐的等离子体源。图7A提供了具有中央定位的屏蔽式阴极腔室的批量涂布系统的示意性俯视图。图7B提供了图7A的批量涂布系统的示意性透视图。涂布系统190包括真空腔室192、阴极腔室194，所述阴极腔室包括阴极196和屏蔽物198。真空腔室192具有基本上呈圆形的截面。系统190还包括初级电源170，所述初级电源对阴极196与初级阳极202之间的电势进行设置。系统190还包括磁控溅射源204-210，这些磁控溅射源各自包括靶材Ts、电源Ps，以及阳极As。在一个改良方案中，磁控溅射源204-210沿着与真空腔室192的截面同心的一个圆圈布置。系统190还包括远程阳极212和214，这些阳极通过电源216和218设置成相对于阴极194的一个电势。在此实施例中，基底22在被涂布时沿着圆形方向d2轴向地移动。在图7A和图7B的每种变体中，等离子体在阴极196与远程阳极之间流动。该流动受到远程阳极(或溅射源)与基底(即，基底的顶部)之间的间隔的约束，该间隔通常为2至20英寸。该约束在整个涂层区上持续。此外，如上文关于图1D所述，在垂直于基底移动的方向上沿着阴极，使等离子体形成光栅。
[0063]如上文所述，远程阳极212和214具有线性的远程阳极尺寸Da。磁控溅射源204-210具有线性的源尺寸Ds。阴极靶`材196具有线性的阴极靶材尺寸D。。基底固持器20具有线性的固持器尺寸Dh。在一个改良方案中，所述线性的远程阳极尺寸Da、所述线性的阴极靶材尺寸D。，以及所述线性的固持器尺寸Dh彼此类似。在另一个改良方案中，所述线性的远程阳极尺寸Da大于或等于所述线性的阴极靶材尺寸D。，所述线性的阴极靶材尺寸D。大于或等于所述线性的固持器尺寸Dh。
[0064]参考图8，提供了具有外围定位的屏蔽式阴极腔室组合件的批量涂布系统的示意图。涂布系统230包括真空腔室232、阴极腔室组合件234，所述阴极腔室组合件包括阴极腔室236、阴极238以及屏蔽物240。系统230还包括初级电源242，所述初级电源对阴极238与初级阳极244之间的电势进行设置。系统230还包括磁控溅射源256-266，这些磁控溅射源各自包括靶材Ts、电源Ps，以及阳极As。系统230还包括远程阳极260，该阳极通过电源262设置成相对于阴极238的一个电势。在此实施例中，基底22在被涂布时沿着方向d3轴向地移动。
[0065]应了解，在上文所述的实施例中，可以在涂布腔室中施加外部磁场，从而在电弧等离子体增强型磁控溅射涂层沉积工艺中进一步提高等离子体密度。优选的磁场所具有磁场线大体平行于阴极电弧腔室和/或远程阳极而对齐。这将有助于增大电弧放电电压并且因此，有助于电子能量和电弧等离子体沿着涂布腔室的传播长度。例如，外部磁场可以在图5中所示的线性涂布系统中沿着涂布腔室施加。
[0066]在上文所述的涂布腔室中的均匀的等离子体密度分布，可以通过以下方式来实现:适当地分布远程阳极以及屏蔽式真空电弧阴极靶材的电子发射表面，以均匀地覆盖涂层沉积区域。例如，如果涂层沉积区域是Im高，那么屏蔽式阴极靶材的电子发射表面与电子电流收集远程阳极表面均需要被分布，以均匀地覆盖此Im高的涂层沉积区域。为了实现这些需求，若干个小型阴极靶材可以安装在屏蔽式阴极腔室中，每个阴极靶材连接到独立电源的负极。所述阴极靶材大体均匀地分布，因此由每个阴极靶材发射的电子流在屏蔽式阴极腔室外重合，从而提供了涂层沉积区域上的电子密度的大体均匀的分布。远程电弧电源的正极可以连接到一个大型阳极板，该阳极板的高度大体等于涂层沉积区域的高度并且该阳极板面向含有待涂布基底的基底固持器，如图1以及图4至图6所示。该组阳极板各自连接到远程电弧电源的正极，它们可以用于在涂层沉积区域上提供电子密度的均匀分布。类似地，作为在屏蔽式阴极腔室中使用一组小型阴极靶材的替代，具有与涂层沉积区域的线性尺寸相似的线性尺寸的单个大型阴极靶材可以用作远程电弧放电的阴极。在这种情况下，在阴极靶材上使电子发射点(即，阴极电弧点)形成光栅，从而提供涂层沉积区域上的电子发射电流的大体均匀分布。在大型阴极靶材区域上使阴极电弧点形成光栅，可以通过例如以下方式来实现:通过阴极电弧点在阴极靶材的电弧蒸发区域上的磁导向或者通过机械运动。[0067]图9A和图9B提供了远程等离子体系统的替代性配置。参考图9A，涂布系统270包括位于磁控溅射源274与阳极276之间的基底固持器272。涂布系统270还包括具有上文所述设计的阴极腔室278。该配置增加了远程电弧等离子体的密度，从而在磁控溅射过程中提供了更高的离子轰击辅助速率。参考图9B，涂布系统280包括由细导线构成的阳极282。阳极282安装在磁控靶材284与基底固持器286之间。涂布系统280还包括如上文所述的阴极腔室288。在后一种配置中，远程电弧放电等离子体的更密集区在磁控靶材与待涂布基底之间的间隙中产生。
[0068]在另一实施例中，提供一种用上文所述的方法和系统形成的带涂层物品。参考图10A，带涂层物品226包括基底228，该基底具有表面230以及设置在表面230上的涂层232。在一个改良方案中，所述涂层是一种保护涂层。通常，所述涂层具有密集的微观结构和特有的颜色。在一种改良方案中，所述涂层包括一种难熔金属，该金属与氮气、氧气和/或碳发生反应以形成难熔金属氮化物、氧化物或碳化物。合适的难熔金属的实例包括，但不限于，铬、铪、钽、锆、钛以及锆-钛合金。氮化铬是由上文所述方法制成的一种尤其有用的涂层的实例。在一个改良方案中，所述涂层的厚度在约I微米至约6微米的范围内。参考图10B，提供了氮化铬的一种变体，它是由上文所述的方法形成的多层结构。带涂层物品234包括设置在基底228上的未反应铬层的薄层236以及设置在未反应铬层236上的厚的化学计量的氮化铬层238。在另一改良方案中，所述多层结构进一步包括设置在所述化学计量的氮化铬层238上的中间化学计量的氮化铬层的层240。中间化学计量的氮化铬240具有由CrN(1_x)给出的一个化学计量，其中X是介于0.3与1.0之间的数。在一个改良方案中，未反应铬层236的厚度在0.05与0.5微米之间，厚的氮化铬层238的厚度在I至3微米的范围内，而中间化学计量的氮化铬240在0.5至I微米的范围内。
[0069]在与图7A中所示的具有一个从属阳极和一个主阳极的方案相似的装置中进行一项实验研究。电气组件的以下值被用于此实验装置中，R=0.5欧姆，Ri=3欧姆。初级电弧电流被确定为100安培，氩气压为4mtorr。在此实验中发现，从属阳极的电流为5安培，而主阳极的电流为10安培。阴极腔室与从属阳极之间的距离为60cm，阴极腔室与主阳极之间的距离为1.5m。从属阳极和基底固持盘一侧上的腔室壁形成了 3英寸的放电间隙。等离子体分布是通过朗缪尔探针、离子收集器探测器等合适的静电探测器或通过发射光谱来测量的。随后，电弧电流分布可以通过调整远程阳极电路和电弧阴极电路中的电流来进行控制。
[0070]由阴极电弧点沿着远程电弧放电的屏蔽式阴极靶材的移动所引起的离子电流密度的波动，可以通过使用多通道离子收集探测器监控离子电流密度来显示。在大面积远程电弧放电中，空间等离子体密度分布的实验研究是在图11中示意性示出的涂布系统中进行的。图11提供了用于该研究中的实验装置的示意图。测量系统242包括阴极244、浮动屏蔽物246，以及离子探测器阵列，所述离子探测器阵列包括离子电流收集探测器248、250、252。离子电流收集探测器248、250、252在涂层沉积区域上均匀地分布，因此收集器探测器阵列的高度大体等于屏蔽式阴极区域的高度以及相应地大体等于远程阳极的高度。在这些实验中，离子电流收集探测器248、250、252是圆盘形1/2〃直径的收集器探测器，它们经由用作离子电流收集器的I千欧姆的电阻器R9、R'Rn而连接到电源。电池254用于将阴极244电气地耦合到离子收集探测器。电阻器R9、R1(l、Rn两端的电压信号用示波器来测量。由圆盘形收集器k收集的离子电流密度j ik的密度可以计算为jik=Vik/(1000*1.23) mA/cm2，其中Vik是用福禄克(Fluke)示波器测定的、1000欧姆电阻器两端的电压降，该圆盘的离子电流收集面积为1.23cm2。由一个圆盘形收集器收集的离子电流密度的典型波形图在图12中示出。可以看到，离子电流信号在脉动，其中峰值离子电流密度超过5mA/cm2，从而表明由远程电弧等离子体放电产生的高等离子体密度。离子电流脉冲的特有重复频率约为IOHz，对应于沿着屏蔽式阴极腔室中的14"高的阴极电弧靶材的阴极电弧光栅形成的特有频率。在此实验中的阴极电弧点光栅形成是通过磁导向方式来实现的。离子电流信号还拥有高频组分，如I千欧姆的电阻器两端的电压信号的波形图所示。
[0071]实际上由本发明的远程电弧放电产生的等离子体密度在较广的频率和振幅范围内波动这一事实被发现是有利于沉积涂层的质量的。等离子体密度的波动对应于在涂层沉积工艺过程中基底的离子轰击频率和强度的波动。离子轰击强度的波动阻碍了大型晶体结构(例如，柱)的生长以及生长缺陷的发展。因此，沉积涂层显示出极其密集的结构和平滑的表面轮廓。
[0072]用上文所述的方法产生的涂层，产生了最多3.5微米的涂层厚度的密集的涂层微观结构。带有动力的远程阳极电流以50安培进行操作，而初级电弧电子源以140安培进行操作。初级沉积通量来自磁控溅射阴极，该磁控溅射阴极具有以8.5kW操作的实心铬靶材。在60/40的Ar:N2气体混合物中，沉积压强为4mTorr。对于用这些方法产生的CrN膜而言，光泽度被测定为99% ;而对于用磁控派射产生的膜而言,光泽度为96.8%。相应膜的截面在图13中示出。
[0073]远程电弧放电电流和基底偏压电势对用上文所述的远程电弧辅助磁控溅射(RAAMS)工艺沉积的CrN涂层的光泽度的影响得到了分析。图13提供了将常规磁控溅射与远程电弧辅助磁控溅射(RAAMS)制成的CrN进行比较的扫描电子显微照片，所述远程电弧辅助磁控溅射在涂层沉积阶段使用以下工艺设置:压强4mtorr、磁控功率8.5kW、初级电弧电流140安培、氮-氩比40%N2/60%Ar。图14A和图14B分别提供了百分比光泽度与阳极电流的关系图以及百分比光泽度与偏压的关系图。可以看到，涂层所得的光泽度极其高并且在较广的远程电弧电流和基底偏压范围内不发生变化。具体而言，沉积在接地基底上的涂层显示出的光泽度与沉积在具有浮动电势或-50V的电势(相对于地)的基底上的涂层相同。这可以归因于如图5所示的远程电弧等离子体中的等离子体的高的正电势。远程电弧放电等离子体中的气态离子具有接近阳极电势的势能，所述阳极电势的范围是+40至+60V (相对于地)。在这种情况下，气态离子用40至60eV范围内的能量来轰击接地基底。这足以使生长涂层工艺的密度在常规磁控溅射(MS)工艺上增加25%以上。图15显示了远程阳极电弧电流对沉积的CrN膜的硬度的影响。应注意，25GPa的硬度约为没有电弧等离子体辅助而用磁控溅射沉积的常规CrN膜的两倍。图16A和图16B分别提供了膜沉积速率与阳极电流的关系图以及膜沉积速率与偏压的关系图。与具有浮动或-50V偏压的基底相比，在接地基底的情况下沉积速率较大，如图16A和图16B所示。这可以用具有高的负偏压电势的基底的再溅射来解释。例如，在-50V偏压的情况下，相对于基底的等离子体电势达到了 100伏特，从而导致基底被接近IOOeV能量的气态离子轰击，进而导致涂层的大量再溅射，这减小了它的沉积速率。
[0074]图17提供了根据本发明的一项实施例的由磁控溅射产生的种类的发射光谱(0ES)。该OES显示了金属原子、金属离子、激发的Ar原子和离子、激发的分子态氮N2和分子态氮离子N2+的存在。观察到，远程阳极的添加将增加电离金属以及激发的/电离的分子态氮的强度。已发现，远程阳极电流的增加会导致磁控溅射等离子体中的金属离子浓度的增加，如图18中关于RAAMS铬溅射工艺所示。该事实提供以下证据:RAAD等离子体是用于使磁控金属溅射流电离的有效方式，如果不用这种方式，那么电离率将极其低，小于0.1%。从电离的溅射流中沉积的磁控溅射涂层，具有提高的粘性、光滑性，超细的微观结构，高密度，低浓度的涂层缺陷和多孔性以及改进的功能特性。
[0075]尽管已说明和描述本发明的各个实施例，但这些实施例并不旨在说明和描述本发明的所有可能形式。相反，本说明书中使用的字词是说明性而非限制性的字词，并且应理解，可以在不违背本发明的精神和范围的情况下做出多种改变。
【权利要求】
1.一种涂布系统，其包括: 真空腔室；和 涂布组合件，其包括: 蒸气源； 基底固持器，其用于固持待涂布的基底，使得所述基底位于所述蒸气源的前方； 阴极腔室组合件，所述阴极腔室组合件包括阴极靶材、可选的初级阳极以及屏蔽物，所述屏蔽物将所述阴极靶材与所述真空腔室隔离，所述屏蔽物界定用于将电子发射电流从所述阴极靶材传输到所述真空腔室中的开口； 远程阳极，所述远程阳极电气地耦合到所述阴极靶材； 初级电源，所述初级电源连接在所述阴极靶材与所述初级阳极之间；以及 次级电源，所述次级电源连接在所述阴极靶材与所述远程阳极之间，所述蒸气源位于所述阴极腔室组合件与所述远程阳极之间，所述远程阳极具有线性的远程阳极尺寸，所述蒸气源具有线性的蒸气源尺寸，所述阴极靶材具有线性的阴极靶材尺寸，并且所述基底固持器具有线性的固持器尺寸，使得所述线性的远程阳极尺寸、所述线性的蒸气源尺寸、所述线性的阴极靶材尺寸，以及所述线性的固持器尺寸彼此类似，其中所述线性的远程阳极尺寸等于或大于所述线性的阴极靶材尺寸和所述线性的蒸气源尺寸，使得受到约束的等离子体从所述阴极靶材流到所述远程阳极。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述初级阳极是接地或所述屏蔽物。
3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括位于所述阴极腔室组合件与所述远程阳极之间的至少一个附加的蒸气源。
4.根据权利要求3所述的系统，其中每个所述蒸气源与所述待涂布的基底之间的垂直距离基本上相等，并且所述阴极腔室组合件与所述远程阳极之间的距离小于当所述次级电源施加的电压超过所述初级电源施加的电压的1.2至10倍时发生故障处的距离。
5.根据权利要求3所述的系统，其中多个阴极靶材耦合到所述远程阳极，所述多个阴极靶材中的每个阴极靶材的线性阴极靶材尺寸类似于所述线性的远程阳极尺寸。
6.根据权利要求1所述的系统，其中从所述阴极腔室组合件的顶部到基底的间隔约为2至20英寸。
7.根据权利要求1所述的系统，其中沿着所述蒸气源与所述待涂布基底之间的一个区域施加外部磁场。
8.根据权利要求7所述的系统，其中施加所述外部磁场，以磁性地隔绝所述阴极腔室组合件的所述阴极靶材。
9.根据权利要求7所述的系统，其中施加所述外部磁场，以磁性地隔绝所述远程阳极的所述阳极。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述蒸气源包括选自由以下项组成的群组中的组件:磁控管、热蒸发器、电子束蒸发器以及阴极电弧蒸发器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述阴极靶材包括选自由以下项组成的群组中的组件:冷真空电弧阴极、中空阴极、热离子丝阴极、电子束蒸发器，以及它们的组合。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述阴极靶材由具有吸气能力的金属制成，包括钦和错合金。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述阴极腔室的所述屏蔽物是水冷却的并且相对于所述阴极靶材是负偏压的，其中所述屏蔽物的偏压电势在-50伏特至-1000伏特的范围内。
14.根据权利要求1所述的系统，其中等离子体探测器安装在所述阴极腔室组合件与所述远程阳极之间以测量等离子体密度，所述等离子体探测器提供反馈来控制所述次级电源，其中远程阳极电流得到调整以获得所述阴极腔室组合件与所述远程阳极之间的所述等离子体密度的均匀分布。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述阴极靶材是具有多个安装在所述阴极腔室组合件中的阴极靶材的阴极阵列的一部分，每个阴极靶材的线性尺寸基本上等于所述远程阳极的线性尺寸。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述阴极靶材是一个板或条。
17.根据权利要求1所述的系统，其中多个从属远程阳极经由可变电阻器而连接到所述远程阳极。
18.根据权利要求17所述的系统，其中多个从属远程阳极用电容器连接到所述远程阳极。
19.根据权利要求1所述的系统，其包括多个涂布组合件。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述多个涂布组合件基本上成直线地对齐。
21.根据权利要求1所述的系统，其中所述蒸气源、所述阴极靶材以及所述远程阳极沿着一个直线方向分布，其中所述基底固持器沿着所述直线方向移动。
22.根据权利要求1所述的系`统，其中所述真空腔室具有圆形截面，其中所述阴极靶材和所述远程阳极围绕着所述真空腔室的中央轴来分布，其中所述基底固持器在圆周方向上移动。
23.一种用于在涂布系统中涂布基底的方法，所述涂布系统包括: 真空腔室；和 沉积组合件，其包括: 蒸气源； 基底固持器，其用于固持待涂布的基底，所述基底固持器经定位使得所述基底位于所述蒸气源的前方； 阴极腔室组合件，所述阴极腔室组合件包括阴极靶材、可选的初级阳极以及屏蔽物，所述屏蔽物将所述阴极靶材与所述真空腔室隔离，所述屏蔽物界定用于将电子发射电流从所述阴极祀材传输出去的开口； 远程阳极，所述远程阳极耦合到所述阴极靶材； 初级电源，所述初级电源连接在所述阴极靶材与所述初级阳极之间；以及 次级电源，所述次级电源连接在所述阴极靶材与所述远程阳极之间，所述蒸气源位于所述阴极腔室组合件与所述远程阳极之间，所述远程阳极具有线性的远程阳极尺寸，所述蒸气源具有线性的蒸气源尺寸，所述阴极靶材具有线性的阴极靶材尺寸，并且所述基底固持器具有线性的固持器尺寸，使得所述线性的远程阳极尺寸、所述线性的蒸气源尺寸、所述线性的阴极靶材尺寸，以及所述线性的固持器尺寸彼此类似，其中所述线性的远程阳极尺寸等于或大于所述线性的阴极靶材尺寸和所述线性的蒸气源尺寸，所述方法包括: 在所述阴极靶材与所述初级阳极之间的电子发射阴极源中产生初级电弧； 在所述阴极腔室组合件与所述远程阳极之间的一个涂布区域中产生受到约束的远程电弧；以及 从所述蒸气源朝向至少一个待涂布的基底产生金属蒸气流。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述涂布区域上的电子密度分布不均匀度小于50%。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述电子发射电流在脉动，重复频率为I至1000Hz并且振幅是平均电子发射电流的lxlO—5至IxlO3倍。
26.根据权利要求23所述的方法，其中多个阴极安装在至少一个涂布腔室中，所述阴极沿着所述涂布区域的高度均匀地分布。
27.根据权利要求23所述的方法，其中多个远程阳极安装在一个涂布区域中，所述远程阳极沿着所述涂布区域的线性尺寸均匀地分布。
28.根据权利要求23所述的方法，其中多个蒸气源安装在一个涂布区域中，所述蒸气源沿着所述涂布区域的线性尺寸均匀地分布。
29.根据权利要求23所述的方法，其中所述阴极靶材是一个板或条，其面积基本上等于所述阴极腔室组合件中的电子发射面积。
30.根据权利要求29所述的方法，其中阴极电弧点沿着阴极表面来导向，使得阴极电弧点导向面积基本上等于来自所述阴极靶材的电子发射面积。
31.根据权利要求23所述的方法，其中所述蒸气源包括从由铬、铪、钽、锆、钛、锆-钛合金，及其组合组成的群组中选出的组分。
32.根据权利要求31所述的方法，进一步包括将反应气体引入所述真空腔室中。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述反应气体包括氮气。
34.根据权利要求23所述的方法，其中在涂层沉积过程中，所述基底以-10至-100伏特范围内的偏压电势发生电气偏压。
35.根据权利要求23所述的方法，其中在涂层沉积过程中，所述基底是电气浮动的。
36.根据权利要求23所述的方法，其中在涂层沉积过程中，所述基底是电气接地的。
【文档编号】C23C16/448GK103668099SQ201310421921
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2012年9月14日
【发明者】V·戈罗霍夫斯基, W·格兰特, E·W·泰勒, D·胡梅尼克, K·邦度姆 申请人:蒸汽技术公司