一种涂布系统的制作方法

本申请与2012年9月14日提交的序列号为13/617,005的美国专利申请相关，以及与2013年10月28日提交的序列号为14/064,617的美国专利申请相关。

技术领域

本发明涉及一种等离子体辅助沉积系统和相关方法，具体地，是涉及一种涂布系统和远程电弧放电等离子体辅助工艺。

背景技术：

物理气相沉积(PVD)和低压化学气相沉积(CVD)源被用于涂布的沉积以及表面处理。传统的金属气相源例如电子束物理气相沉积(EBPVD)和磁控溅射(MS)金属气相源能够提供较高的沉积率。然而，金属气相原子的低能量和这些工艺的低电离率导致了涂层密度低、黏性差、结构和形态差。通过使用能量粒子来轰击的涂层沉积工艺辅助，通过稠化沉积材料、减小颗粒尺寸以及改善涂层黏性，极大地改善了涂层，这是确定的。在这些工艺中，通过能量离子的高速率攻击来影响表面层，改变了沉积金属气相原子的移动性，并且在很多情况下产生了具有独特功能特性的亚稳结构。进一步地，涂层表面的离子轰击，通过增加气体比如氮气的黏着系数和把吸附点的特性从较低能量物理吸附点改变为较高能量化学吸附点，来影响气体吸附行为。这种方法对于具有超细或玻璃状无定形结构的纳米结构组合物涂层是特别有效率的。

在PVD或CVD工艺中，存在两种不同的方式来提供离子轰击辅助。离子束辅助沉积(IBAD)这种方法对于在聚合物和其它温度敏感材料上形成致密陶瓷涂层来说具有很大潜力。IBAD工艺典型地在真空(～1x10-⁵托)下进行，其中陶瓷被热蒸发到基片上，同时用能量离子轰击。离子束促使被沉积的原子与基片混合，产生分级层，其能改进涂层黏性，并且减少薄膜压力。撞击离子也产生一种“喷丸效应”，它压实并致密化层，从而减少或消除柱状生长。

例如，在类金刚石碳(DLC)薄膜的IBAD工艺期间，碳被电子束源蒸发或被磁控管源溅射。由独立的宽孔径离子束源例如氩离子束提供离子轰击。这样的氩离子束不会改变生长膜的化学性，而仅通过改变格网来影响其原子对原子键合、结构、形态和结合能。把合适的气态前体添加到离子束，则导致生长DLC薄膜的掺杂，从而提供在IBAD工艺中提供化学气相辅助。DLC膜的这种硅掺杂的一个例子是用Ar+SiH₄离子束沉积。可以通过Ar和氟代离子束来把氟化物添加到膜中，可以通过使用氩气和N₂离子束而把氮添加到膜中，以及，可以通过使用Ar+BH₄离子束而把硼加入膜中。IBAD是一个灵活的技术工艺，其允许通过改变以下工艺参数来在扩大的区域内控制涂布的性质：离子束组合物，离子能量，离子电流和离子至原子到达比。

尽管IBAD工艺效果相当好，由于其视线内成线(line-in–sight)的本质，它还是具有局限性的，在涂层沉积工艺的一致性很重要的情况下，其视线内成线的本质不利于实现在复杂形状部件上的均匀涂布分布。此外，IBAD工艺具有有限的规模化能力。通过提供低压等离子体环境-其有效地封闭将在均匀等离子体云中被涂布的基片，从而等离子体浸没离子沉积工艺(PIID)克服了 这些缺陷中的一些。这导致离子以高度均匀的速率轰击3D复合形状的基片基质和大负载。PVD或CVD工艺被用于产生用于处理基片表面的气态物质。与IBAD相比，PIID是非视线性(none-line-of–sight)工艺，能够处理复杂的表面而不需要操控。PIID利用由填充整个工艺腔室的气体放电而产生的等离子体，从而实现复杂的组合物和架构的涂布。等离子体浸没离子工艺的实例包括离子氮化、碳氮化、离子注入和其他气体离子处理工艺，可以通过把待涂布的基片浸在负偏压下的含氮等离子体中来进行。此外，当基片被正偏压时，从等离子体重提取的电子流可以被用于预加热和加热工艺。很清楚，非视线性工艺特征表现出大量相对于视线性工艺的优势，尤其是对于大量三维对象的有效处理。在PIID工艺中使用的电离气体环境，可以通过施加不同类型的等离子体放电而产生。，比如辉光放电、RF放电、微波(MW)放电以及低压电弧放电。低压电弧放电能低成本地对大处理体积提供稠密的均匀的高度电离的等离子体，在这方面其是特别有优势的。在电弧放电等离子体辅助涂层沉积或者离子处理工艺中，基片被定位在电弧放电等离子体区域内的电弧阴极和远程电弧阳极之间。热离子丝阴极、空心阴极、真空电弧蒸发冷阴极以及它们的组合可以用作电子发射器以用于产生气态低压电弧等离子体放电的环境。或者，导电蒸发材料本身可以用作电离电弧放电的阴极或阳极。后一特征可提供在真空阴极电弧沉积工艺中或各种电弧等离子体增强电子束和热蒸发工艺中。

类似CrN的反应涂布的沉积可通过各种物理气相沉积技术例如阴极电弧沉积、过滤电弧沉积、电子束蒸发和溅射沉积技术来完成。电子束物理气相沉积(EBPVD)技术，传统的和电离的，都在很多应用中使用，但是由于批量处理的问题，其在很多领域中一般不认为是一种可行的制造工艺，由于批量处理的问题、难以扩大以实现在大型基板上均匀分布涂布，以及由元件的热力学驱动蒸馏而造成的多元素涂布组合物控制困难。与之相反，由于在可接受沉积率下的磁控管涂布的高度均匀性、多元素涂料组合物的精确控制和MS工艺很容易被集成在完全自动化的工业批量涂料体系的能力，基于磁控溅射(MS)的PVD被用于各种各样的应用中。阴极和阳极电弧增强电子束物理气相沉积(EBPVD)工艺，也称为热蒸发阴极(HEC)和热蒸发阳极(HEA)，分别表现出增加的电离率，但是在EBPVD金属气相流上容易受到电弧点的不稳定性和电离率的非均匀分布的困扰。在这些工艺中，电弧放电加上蒸发工艺使得难以提供对HEA和HEC过程中电离和蒸发速率的独立控制。因此，把PA-EBPVD工艺集成到完全自动化的工业批量涂布系统中是非常困难的。

作为能够有效地沉积厚反应涂布的溅射技术，在本领域中是众所周知的，虽然超过约一微米的薄膜由于结晶容易出现混浊。结晶现象或柱状薄膜生长与在溅射沉积技术沉积原子的固有的低能量有关，从而为了喜欢能量的晶体结构创造了机会。对于有特殊的穿戴和化妆品应用来说，这些晶体结构可能具有不需要的各向异性。在过去十年已经开发各种方法，以加强在磁控溅射工艺的电离率。这些方法的主要目标是提高沿着磁控溅射原子流的传输的电子密度，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)工艺中同时使用适用于磁控靶的高功率脉冲和直流电源，以增加电子发射和因此增加金属溅射流的电离率。该工艺证明了在用于切削刀具的氮化物耐磨涂布的沉积中的改进的涂布性质。在HIPIMS工艺中，仅在短脉冲时间内实现电离的改进，而暂停期间，电离率与现有的DC-MS工艺一样低。由于脉冲参数与HIPIMS工艺中的磁控溅射工艺参数链接在一起，被发现比现有的DC-MS方法之下几乎低三倍的溅射速率，会受到不利的影响。此外，HIPIMS工艺中的高电压脉冲可能引起对磁控靶的电弧从而导致生长膜污染。

为了在磁控靶附近产生高度电离放电，可以在阴极和基片之间的区域内添加感应耦合等离子 体(ICP)源。非谐振感应线圈然后放置成实质上平行于浸没在或邻近于的等离子体中的传统DC-MS装置的阴极。通常在13.56MHz的频率通过电容匹配网络使用50ΩRF电源来驱动感应线圈。RF电源通常跨介质窗或墙壁来耦合到等离子体。电感耦合放电在1～50米托的压力范围内和200-1000W的应用功率下工作，产生10¹⁶–10¹⁸m^-3范围内的电子密度，其通常会发现，电子密度随着应用功率的增加而线性增加。在磁控溅射放电中，金属原子从使用DC或RF电源的阴极靶溅射而出。金属原子传送由射频线圈电离而产生的致密等离子体，放置于磁控靶和将被涂布的基片之间的水冷感应线圈不利地影响涂布金属溅射流。该MS设置因此更加复杂，昂贵，并且难以集成到现有的批量涂布和在线涂布系统。这些劣势在微波辅助磁控溅射(MW-MS)工艺中也是存在的。在MW-MS工艺中，必须重新设计真空处理室结构以允许穿越电离区的金属溅射流。然而，电离PVD工艺的RF、MW和ICP方法，在大加工面积的等离子体均匀分布上，遇到很多困难，这对于集成到大面积涂层沉积系统来说是一个障碍。

用于产生能量离子的另一项现有技术是等离子体增强磁控溅射(PEMS)，其具有热离子热丝阴极(HF-MS)或空心阴极(HC-MS)作为电离电子源，以增加DC-MS工艺中的电离率。在HF-MS方法，一个较远的热离子丝阴极被用作电离电子源，使这个工艺相似于HC-MS工艺。然而，这种工艺通常表现出等离子体不均匀性，并且难以集成到工业大面积涂布系统。此外，这两个热丝阴极和空心电弧阴极是敏感的，并且在反应性等离子体气氛下迅速降级。这些等离子体生成工艺的缺点是通过利用冷蒸发真空电弧阴极作为电子源，用于蒸镀处理环境的电离和活化。

传统的阴极电弧沉积薄膜的装饰性外观，包括被称为宏的未反应的目标材料的颗粒，其使得沉积薄膜在需要特定磨损、腐蚀和外观特性的应用中具有不希望的缺陷。然而，不同于溅射膜，电弧沉积的膜并不具有结晶性质，因为电弧蒸发工艺使用沉积原子的高能量产生高度电离的等离子体，被认为是能使得显影薄膜中的晶化结构非常随机化。

因此有需要寻找一种在涂布工艺中产生能量粒子的新技术，以产生具有改善的性能的薄膜。

技术实现要素：

本发明通过在至少一个实施例中提供用于对基片进行涂布的系统，从而解决了现有技术中的一个或多个问题。涂布系统包括真空室和安置于真空室内的涂布组件。涂布组件包括把待涂布的材料提供给基片的气相源、用于保持待涂布的基片从而使得基片处于气相源的前方的基片保持器、阴极室组件和远程阳极。阴极室组件包括阴极靶、可选主阳极和把阴极与真空室隔离的屏蔽。屏蔽定义用于把电子发射电流从阴极发射到真空室的开口。气相源安置在阴极室组件和远程阳极之间而远程阳极电耦合到阴极。涂布系统还包括连接在阴极靶和主阳极之间的主电源和连接在阴极靶和远程阳极之间的次电源。典型地，远程阳极具有线性远程阳极尺寸，气相源具有线性气相源尺寸，阴极靶具有线性阴极靶尺寸，以及基片保持器具有线性保持器尺寸，从而使得线性远程阳极尺寸、线性气相源尺寸、线性阴极靶尺寸和线性保持器尺寸彼此相互平行，其中线性远程阳极尺寸等于大于线性阴极靶尺寸和线性气相源尺寸从而使得受限等离子体从阴极靶流向远程阳极。

在另外一个实施例中，提供了一种在上述涂布系统中涂布基片的方法。该方法包括在阴极靶和主阳极之间的电子发射阴极源产生主电弧步骤。在阴极室组件和远程阳极之间产生涂布区域中的受限远程电弧从而使得产生从气相源到待涂布的基片的金属气相流。在另外一个实施例中，提供了具有直流电弧点的涂布系统。该涂布系统包括真空室和安置于真空室内的涂布组件。涂布组件包括至少一个溅射源，用于保持待涂布的基片从而使得基片被安置在溅射源的前方的基片保持器，和定义第一出口开口和第二出口开口的等离子体管道。涂布组件包括安置于等离子体管道内 的用于产生金属等离子体的阴极靶，电耦合到阴极靶的远程阳极，为阴极供电的主电源，和连接在阴极靶和远程阳极之间的次电源。溅射源安置于阴极靶和远程阳极之间。管道线圈围绕等离子体管道从而管道线圈的激活，在等离子体管道内产生大体上平行于阴体靶的蒸发表面的传输磁场，来把等离子体从等离子体管道导向溅射源或基片保持器上的基片。管道线圈电源激活管道线圈，而第一微调电磁体和第二微调电磁体被安置成邻近阴极靶的相对侧的非蒸发相对侧，在阴极靶的表面上产生磁场。

在另外一个实施例中，提供了具有远程阳极的涂布系统。该涂布系统包括真空室和涂布组件。涂布组件包括具有具有靶脸的气相源和基片保持器，气相源具有较长的气相源尺寸和较短的气相脸尺寸，而基片保持器用于保持待涂布的基片从而使得所述基片被安置在所述气相源之前。所述基片保持器具有线性的保持器尺寸。涂布组件进一步包括电耦合到阴极靶的远程阳极。该远程阳极具有线性远程阳极尺寸。涂布组件进一步包括具有阴极靶的阴极室组件、可选主阳极和把阴极靶与真空室隔离的屏蔽。阴极靶具有线性阴极靶长尺寸和线性阴极靶短尺寸。屏蔽定义至少一个用于把沿着靶脸的长尺寸流动的远程电弧放电的电子发射电流从阴极靶发送到远程阳极的开口。主电源连接在阴极靶和主阳极之间，而次电源连接在阴极靶和远程阳极之间。典型地，线性远程阳极尺寸和气相源短尺寸电弧平行于这样的尺寸：电弧点被沿着阴极靶操控的尺寸。

在另外一个实施例中，提供了一种在涂布系统中涂布基片的方法。该方法包括步骤：在阴极靶和主阳极之间电子发射阴极源产生主电弧；在阴极室组件和远程阳极之间的涂布区域产生远程电弧；和产生从气相源到至少一个待涂布的基片的金属气相流。

在另外一个实施例中，提供了使用电子发射电流和/或金属气相等离子体的涂布系统。该涂布系统包括真空室和涂布组件。涂布系统包括涂布组件。涂布组件包括气相源、用于保持待涂布的基片从而使得基片被安置于气相源前方的基片保持器、主阴极真空电弧组件、电耦合到阴极靶的远程阳极、连接在阴极靶和主阳极之间的主电源和连接在阴极靶和远程阳极之间的次电源。主阴极真空电弧组件包括阴极室组件、阴极靶、可选主阳极和把阴极靶与真空室隔离开的屏蔽。屏蔽定义用于把电子发射电流传输到真空室的开口，同时开口保持对阴极靶产生的金属气相等离子体的重粒子的不透性。气相源被安置在阴极室组件和远程阳极之间。远程阳极具有线性远程阳极尺寸，气相源具有线性气相源尺寸，阴极靶具有线性阴极靶尺寸，而基片保持器具有线性保持器尺寸，从而使得线性远程阳极尺寸，线性气相源尺寸，和线性保持器尺寸彼此相互平行。典型地，线性远程阳极尺寸等于或大于线性气相源尺寸从而使得受限等离子体从阴极靶流向远程阳极。进一步地，线性气相源尺寸可以是平行于线性阴极靶尺寸的长侧，而线性气相源尺寸平行于线性阴极靶尺寸。或者，线性气相源尺寸可以是平行于线性阴极靶尺寸的短侧。

另一个实施例提供了涂布系统。涂布系统包括具有靶脸的气相源，气相源具有较长的气相源尺寸和较短的气相脸尺寸。涂布系统还包括用于保持待涂布的基片的基片保持器，从而使得基片被安置于涂布室内并且在气相源前方。基片保持器具有线性保持器尺寸。双重过滤电弧单向矩形等离子体源作为金属气相等离子体涂层沉积源和电子发射源工作。单向双过滤电弧源包括具有偏转部分的矩形等离子体管道和出口隧道断面，具有第一阴极靶的第一阴极电弧室，具有第二阴极靶的第二阴极电弧室和挡板阳极盘。第一阴极电弧室和第二阴极电弧室被挡板阳极盘分开，并且被安置在偏置部分的相对侧。涂布系统还包括电耦合到第一阴极靶和第二阴极靶的远程阳极，安装在阴极靶和主阳极之间的主电源，和连接在阴极靶和远程阳极之间的次电源。典型地，远程阳极具有线性远程阳极尺寸和气相源具有线性气相源尺寸。

附图说明

根据以下详细说明以及附图，可更全面地理解本发明的示范性实施例。

图1A是使用远程电弧放电等离子体的涂布系统的理想化的侧视图；

图1B是涂布系统的前视图，其垂直于图1A的视图；

图1C是图1A的涂布系统的示意图；

图1D是表示阴极和远程阳极之间的等离子体射流流体约束的示意图；

图1E是用于光栅扫描等离子体射流的多元素阴极的示意图；

图1F是具有安置于溅射源和阳极之间的基片的涂布系统的示意图；

图1G是具有细电线的阳极的涂布系统的示意图；

图2提供的在屏幕和远程阳极之间通过有限元建模获得的等离子体电势的典型分布；

图3提供了由受激励氩原子所发射的辐射强度(谱线ArI739.79nm)，从远程电弧放电等离子体相对于放电电流；

图4A提供了具有附加的远程阳极的涂布系统的示意图，附加的远程阳极位于磁控溅射源之间，其具有附加的屏蔽阴极室组件，用于获得气态等离子体环境下的均匀性和高电离率；

图4B提供了涂布系统的示意图，其具有主阳极和每个多个从属阳极的每一个之间设置的可变电阻器；

图4C提供了一种改良，其中与电容器平行的电阻器被用于设置中间阳极的电压电位；

图5提供了RAAMS系统的内嵌模块配置的示意图；

图6提供了RAD等离子体工艺中电势分布的图解；

图7A提供了具有位于中间的屏蔽阴极室的批量涂布系统示意图；

图7B提供了具有位于中间的屏蔽阴极室的批量涂布系统示意图；

图8A是图7A和图7B系统的变型的示意图；

图8B是图7A和图7B系统的变型的示意图；

图8C是图7A和图7B系统的变型的示意图；

图8D是图7A和图7B系统的变型的示意图；

图8E是图7A和图7B系统的变型的示意图；

图8F是图7A和图7B系统的变型的示意图；

图8G是为图8A-图8C的系统提供磁轮廓线的示意图；

图8H是为图8A-图8C的系统提供磁轮廓线的示意图；

图9A是具有附加磁控管的涂布系统的示意图；

图9B是具有附加磁控管的涂布系统的示意图；

图9C是具有附加磁控管的涂布系统的示意图；

图9D是具有附加磁控管的涂布系统的示意图；

图9E是具有附加磁控管的涂布系统的示意图；

图10提供了双向远程电弧放电中所涉及的物理工艺的示意图说明；

图11A提供了具有位于外围的屏蔽阴极室组件的批量涂布系统的示意图；

图11B是包含有矩形单向过滤阴极电弧源作为金属气相等离子体沉积源和电子发射源的涂布系统的示意图；

图11C是具有位于中间的磁控管和矩形单向过滤阴极电弧源作为金属气相等离子体沉积源和电子发射源的涂布系统的示意图；

图11D是具有双向过滤电弧源和矩形单向过滤阴极电弧源作为金属气相等离子体沉积源和电子发射源的涂布系统的示意图；

图11E是具有无屏蔽双向过滤电弧源和矩形单向过滤阴极电弧源作为金属气相等离子体沉积源和电子发射源的涂布系统的示意图；

图11F是图11E的具有在单向过滤阴极电弧源的隧道断面的磁控源的系统的变型的示意图；

图11G是图11C的使用表面处理系统的系统的变型的示意图；

图11H是在处理系统的隧道断面处具有双向过滤电弧源和表面处理系统磁控源的涂布系统的示意图；

图12A是具有位于涂布室的中间的屏蔽阴极电弧电子发射源的进一步的变型的示意图；

图12B包含单向过滤阴极电弧源作为金属气相等离子体沉积源和电子发射源的涂布系统的示意图；

图12C是具有中间枢纽和单向过滤阴极电弧源作为金属气相等离子体沉积源和电子发射源的涂布系统的示意图；

图12D提供了具有带旋转管状阴极靶的圆柱形阴极电弧源的涂布系统的示意图；

图13A提供包含电子发射真空电弧冷阴极源的系统的示意图；

图13B是使用图13A的圆柱形阴极电弧源作为主阴极电弧电子发射源的顺排系统的示意图；

图13C是使用图11B的矩形过滤电弧源的涂布系统的示意图；

图13D是使用图11G所描述的单向双过滤电弧源顺排涂布系统的示意图；

图13E是使用图11G所描述的单向双过滤电弧源顺排涂布系统的示意图，其在电弧源的出口隧道处具有两个磁控源；

图13F是带有圆柱形阴极电弧源的顺排涂布系统的示意图；

图13G是如之前参照图13B所描述的使用圆柱形主阴极电弧源的顺排涂布系统的示意图；

图13H示出了具有圆柱形靶和磁操控电弧点的真空阴极电弧源的设计；

图13I是使用短圆柱形阴极电弧电子发射源的旋转靶磁控金属气相源的立体图；

图13J是使用短圆柱形阴极电弧电子发射源的旋转靶磁控金属气相源的侧视图；

图13K是使用短圆柱形阴极电弧电子发射源的旋转靶磁控金属气相源的注视图；

图13L是图13I-图13K的系统的变型示意图；

图13M是图13I-图13K的系统的变型示意图；

图14A提供了包含宏粒子过滤器的涂布系统的变型的示意图；

图14B提供了宏粒子过滤器的管组件的俯视图；

图14C提供了宏粒子过滤器的管组件的立体图；

图15A提供了由多个刀片环绕的圆柱形阴极电弧源的立体图；

图15B提供了由多个刀片环绕的圆柱形阴极电弧源的示意性横截面；

图15C提供了在30度角处的圆柱形阴极电弧源由多个刀片环绕的示意性立体图；

图15D提供了在30度角处的圆柱形阴极电弧源由多个刀片环绕的示意性俯视图；

图15E提供了在60度角处的圆柱形阴极电弧源由多个刀片环绕的示意性立体图；

图15F提供了在60度角处的圆柱形阴极电弧源由多个刀片环绕的示意性俯视图；

图15G提供了使用一组等离子体导磁挡板的具有旋转靶的双向圆柱形阴极电弧源的示意图；

图15H提供了类似于图14A所示的系统的涂布系统，其使用图15G所示的阴极室设计；

图16A是具有涂层的基片的示意图，该涂层是通过远程电弧放电等离子体辅助工艺制得；和

图16B是具有多层涂层的基片的示意图，该多层涂层是通过远程电弧放电等离子体辅助工艺制得。

具体实施方式

现在将结合附图详细地说明目前来说本发明优选的组合物、实施方案和方法，这些构成练目前发明人所知的本发明的最佳模式。附图不一定是按比例绘制的。然而，应当理解的是，所公开的实施方案仅仅是示例性的，可能会以不同的和替代的形式实施本发明。因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制，而仅作为本发明的任何方面的说明性支持，以及作为教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的说明性基础。

在实施例中或者在任何其它地方，除非另有明确说明，在本说明书中，表示材料的量或反应条件和/或使用条件的所有数值量，应该被理解为由单词“约”所描述的本发明的最宽范围。在所述的数值范围内实施本发明，通常是优选的。此外，除非有明确相反说明，应如此理解：百分比，“部分”和率值均以重量；作为适合或优选用于与本发明给定目的的材料的组或类的说明，意味着组或类的成员的任何两种或多种的混合物是同样适合或优选的；在化学术语成分的描述是指在成分在除了在说明书中指明的任何组合的时间，和并不一定排除一旦混合的混合物的成分之间的化学相互作用；首字母缩写词或缩写等的第一个定义适用于所有的后续使用此相同的缩写，并比照适用于最初定义的缩写以及正常语法变化；和，除非明确说明与此相反，一个属性的测量是通过如前面或后面所引用的用于相同属性的相同技术来确定。

还应当理解，本发明并不限定于以下描述和方法的具体实施方案，因为具体组分和/或条件当然可以有所不同。此外，这里使用的术语仅用于描述本发明的具体实施方案的目的，而不是旨在以任何方式进行限制。

还必须指出，如在说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”，“一个”，和“所述”包括多个对象，除非上下文另外明确指出。例如，对一个单数的技术特征的引述，也可理解为包含多个技术特征。

贯穿本申请，其中引用了公开出版物，这些出版物的公开内容整体地全部通过参照的方式并入本申请，以更充分地描述本发明所属领域的状态。

参照图1A、图1B、图1C和图1D，提供了一种使用远程电弧放电等离子体的涂布系统。图1A是理想化的涂布系统的侧视图。图1B与图1A的视图相垂直的主视图。图1C是包括电气布线的涂布系统的示意图。该实施例的系统对于大面积磁控溅射涂层沉积工艺的电弧等离子体增强是特别有用的。涂布系统10包括真空室12，其中安置有涂布组件。涂布组件包括气相源16、安置于真空室12内的阴极室组件18和基片保持器20用于保持待涂布的基片22。图1A和图1B描述一个变型，其中气相源16是磁控溅射源，从而使得系统10的涂布工艺是远程电弧辅助磁控溅射(RAAMS)工艺。这种磁控溅射源包括靶Ts、电源Ps和阳极As。需要理解的是，其它类型的气相源也可以用作气相源16。这些气相源的例子包括但不限于，热蒸发器、电子束蒸发器、阴极电弧蒸发器，以及类似。在涂布期间以及涂层沉积期间沿着d₁方向移动，基片22被安置于气相源16之前。在一个改进中，基片可以被连续地从在真空室12右侧的装载锁定室中引出，并被图1A中真空室12左侧的输出室接纳。阴极室组件18包括其中具有开口26的阴极罩24、电子发射阴极28、可选分离主阳极34和屏蔽36。屏蔽36把电子发射阴极28与真空室12隔离开。在一个改进中，可选分离阳极34、阴极罩24、屏蔽36或者接地连接作为主阴极耦合的阳极。

在本实施例的背景中阴极室组件18作为电子发射阴极源而工作。在一个改进中，主电弧在 阴极28和主阳极之间的电子发射阴极源中产生。阴极罩24能够用作连接到主电弧电源48的正极的独立的主阳极，以及当连接到接地34时用作接地阳极。屏蔽36定义开口38，用于把电子发射电流40从阴极28传输到真空室12。屏可以是不固定的，或者可以被连接到主电弧电源48的正极或者附加电源(未示出)。在另一个改进中，阴极28是阴极电弧阴极而接地主阳极34是阴极电弧阳极。可以使用任意数量的阴极作为电子发射阴极28。这种阴极的例子包括，但不限于，冷真空电弧阴极、空心阴极、热离子丝阴极及其类似以及其任何组合。典型地，阴极靶由具有吸气能力的包括钛和锆合金的金属制成。在一个改进中，阴极室的屏蔽被水冷却，并且相对于阴极靶负偏压，其中屏蔽的偏压电势范围在-50伏特到-1000伏特。在一个改进中，阴极室组件18包括具有多个安装在其中的阴极靶的阴极阵列，阴极靶阵列的高度基本上与远程阳极的高度以及沉积区域的高度相同。从气相源16或阴极室组件的顶部到基片22(即基片的顶部)的分开，使得从阴极28到远程阳极44的等离子体流受限。典型地，从阴极室组件的屏蔽36或者从气相源16的蒸发表面或者从远程阳极44到基片22的分开距离是从大概2英寸到大概20英寸，其导致用于限制阴极室18内的阴极28和远程阳极44之间的远程电弧等离子体的窄通道的形成。当通道的宽度小于2英寸，其在等离子体中产生高阻抗，导致等离子体不稳定，甚至会最终消灭远程电弧放电。当通道的宽度大于20英寸，远程电弧放电中的等离子体密度中的等离子体密度不能足够地增加来电离金属溅射流。在一个特别有用的改进中，把碟形或条形的大面积阴极靶安装在阴极室组件18内。典型地，这种大面积阴极靶，阴极靶的高度基本上与阳极的高度以及沉积区域的高度相同。在一个改进中，阴极靶由具有吸气能力的金属(比如包括钛合金和锆合金)制成。在这种情况下，被屏蔽的阴极电子发射源也可用作真空吸气泵，其能改善涂布系统的泵效率。为进一步改善吸气泵效率，可水冷却面对阴极室18c内阴极靶28的蒸发表面的屏蔽36，并且可选地，将屏蔽36连接到高电位偏压电源。当水冷却屏蔽36被偏压到相对于阴极靶28的范围在-50伏特到-1000伏特的高负电势，它将遭受由阴极电弧蒸发工艺产生的金属离子的密集离子轰击。密集离子轰击情况下的金属气相的冷凝，对于泵送惰性气体如氦、氩、氖、氙、氪以及氢是有利的。

系统10也包括电耦合到阴极28的远程阳极44，连接在阴极28和主阴极耦合的阳极之间的主电源48。远程阳极44安置于真空室12中从而使得气相源16被安置在在阴极室组件18和远程阳极之间。在一个改进中，多个气相源被安置在阴极室组件18和远程阳极44之间，如下文更加详细地所述。系统10还包括次电源52，其把阴极28电气耦合到远程阳极44。图1A也示出了低通滤波器54，其包括电阻器R和电容器C。典型地，气相源16被安置在阴极室组件18和远程阳极44之间。系统10进一步包括泵送系统56和气体系统58，泵送系统56用于维持降低的压力，气体系统58用于引入一种或多种气体(例如氩气，氮气，氦气等)至沉积室12。在一个改进中，为涂布室12内的远程电弧放电供电的次电源52，被安装在阴极室组件18和远程阳极44之间，并且提供比主电源48高至少20％的开路电压。

仍参照图1A、图1B、图1C和图1D，主电弧被阴极室24内的电弧引燃器60启动，阴极室24被屏蔽36与放电室隔离开，其具有开口38用于传输电子流40。典型地，靠近屏幕的等离子体电势较低，接近阴极室组件18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提供了屏幕和远程阳极之间通过有限元建模获得的等离子体电势的典型分布。令人惊讶的是，本涂布系统被发现能产生受限的等离子体电弧，其从阴极室组件18流向远程阳极44。图1D提供的示意图展示了等离子体密度在远程阳极44和阴极28之间的移动。受限等离子体(即等离子体射流)在远程阳极和阴极之间穿过涂布区域而流动。如图1D所示，受限等离子体的末端沿着d₄的方向移动。电弧点66沿着腐蚀区68形成于阴极28上。在远程阳 极44处的等离子体场62和在阴极28处的等离子体场64沿着d₄的方向在大约1到5英寸的空间内大小受限。在一个改进中，磁场被用于完成沿着d₄的光栅扫描运动。在另一个改进中，通过沿着d₄机械移动阴极28来完成光栅扫描运动。在另一个其它改进中，使用电子轰击阴极的发射丝是沿着d₄移动的。在另一个改进中，如图1E所示，阴极包括多个阴极元件28^1-6它们被顺序地激活以形成沿着d₄移动的等离子体射流。等离子体电弧的受限产生高密度的和热的等离子体射流，其借助远程阳极的相关区域在主阴极处连接阴极电弧点，其运行通过在室壁(具有附接的磁控管和主阴极、阳极)和基片保持器之间生成的相对较窄的通道。这使得在移动连接阴极和远程阳极的等离子体射流中产生高电流密度。在一个改进中，较窄通道中的RAAMS等离子体的电流密度是从0.1mA/cm²到高达100A/cm²。典型地，在背景远程电弧等离子体中的电子密度n_e范围是从大约n_e～10⁸cm^-3到大约n_e～10¹⁰cm^-3，在受限电弧等离子体射流区域内电子密度范围是从大约n_e～10¹⁰cm^-3到大约n_e～10¹³cm^-3。产生等离子体射流的受限是下文所述的元件之间的物理大小关系以及磁场的使用的结果。尤其地，放电是在很高的等离子体电势下进行的，其对应于离子轰击的高能量(即离子轰击能量是等离子体电势(对地)与基片偏置电势(对地)之间的差)。即使在浮置(不接地)和接地基片中，仍可获得具有50-70eV的离子，因为等离子体电势高于50V。在一个改进中，等离子体电势是从5V到500V。

参照图1A和图1B，其提供了涂布系统10的不同的元件的相对大小的一个例子。远程阳极44具有线性远程阳极尺寸D_a。气相源16具有线性气相源尺寸D_v。阴极靶Ts具有线性阴极靶尺寸D_c。基片保持器20具有线性保持器尺寸D_h。在一个改进中，线性远程阳极尺寸D_a，线性气相源尺寸D_v，线性阴极靶尺寸D_c和线性保持器尺寸D_h彼此相互平行。在另一个改进中，线性远程阳极尺寸D_a大于或等于线性气相源尺寸D_v，线性气相源尺寸D_v大于或等于线性阴极靶尺寸D_c，线性阴极靶尺寸D_c大于或等于线性保持器尺寸D_h。

在本实施例的一个变型中，几个远程阳极与安置于屏蔽阴极室组件18的至少一个电弧阴极相关联(即电气耦合到)。远程阳极被安装在涂布室内的策略点。

在另外一个变型中，气相源(例如气相源16)的每一个和待涂布的基片22之间的垂直距离基本相同。进一步地，在进一步的改进中，阴极28和远程阳极44之间的距离小于这样的距离：在该距离，次电源52的施加电压超过主电源48的施加电压的1.2到30倍，故障出现。

在本实施例的另外一个改进中，等离子体探针被安装在阴极28和远程阳极44之间以测量等离子体密度。该测量提供反馈，以调整第二电源52来调整到远程阳极44的远程阳极电流，以获得阴极室组件18和远程阳极44之间的等离子体密度的均匀分布。

参照图1F和图1G，其提供了远程等离子体系统的另一个配置。图1F提供了涂布系统的示意图，其具有安置在溅射源和阳极之间的基片。涂布系统70包括安置在磁控溅射源74和阳极76之间的基片保持器72。涂布系统70还包括阴极室78，其设计如上所述。该配置增加了远程电弧等离子体的密度，其在磁控溅射期间提供更高的离子轰击辅助率。图1G提供了涂布系统的示意图，该涂布系统具有细电线的阳极。涂布系统80包括阳极82，其由细电线组成。阳极82安装在磁控靶84和基片保持器86之间。涂布系统80还包括阴极室，如上所述。在后一个配置中，磁控靶和待涂布的基片之间的空隙内形成远程电弧放电等离子体的密集区。

本实施例中的远程电弧等离子体的模型其特征在于，阴极室组件18和远程阳极44之间的电势分布，以及在于远程电弧放电等离子体内的等离子体密度。随着远程放电电流增加，远程电弧放电等离子体内的等离子体电势和阳极电势增加。远程电弧放电等离子体内的等离子体密度也与放电电流成比例地增加。远程电弧放电等离子体的光学发射光谱验证了该结果。图3示出了受激 励的氩原子从远程电弧放电等离子体发射的相对于放电电流辐射强度(谱线ArI739.79nm)。可以发现，来自由直接电子作用而被激励的氩原子的光发射的强度几乎与放电电流成比例。该现象可以用远程电弧等离子体中的电子浓度和远程电弧放电电流之间的直接比例关系来解释。远程电弧放电中的离子浓度几乎等于电子浓度，从而使得等离子体的准中性得以维持。

参照图4A、图4B和图4C，其提供了本实施例的另一个变型，其具有在一侧的屏蔽阴极室组件和在另一侧的远程电弧阳极之间的顺排安装的磁控溅射源链。在上下文中，“顺排”表示元件成直线排列，从而使得基片能越过组件，同时保持直线方向移动。图4A提供了涂布系统的示意图，该涂布系统具有安置在磁控溅射源之间的附加远程阳极，磁控溅射源具有附加的屏蔽阴极室组件，该屏蔽阴极室组件被添加以用来获得气态等离子体环境的高电离和均匀性。沉积系统90包括真空室92，其具有如上所述的相关真空和气体供应系统。沉积系统90还包括气相源96和98、阴极室组件100和102和用于保持待涂布的基片22的基片保持器104。图4A示出了这样一个变型：其中气相源96和98是磁控溅射源。基片在涂布期间别安置于气相源前方。典型地，基片22在涂层沉积期间沿着方向d₁移动。阴极室组件100和102分别包括其中具有开口114和116的阴极罩110和112、阴极118和120、可选主阳极122和124和屏蔽126和128。屏蔽126和128分别把阴极118、120与真空室92隔离开。屏蔽126和128每个均定义用于传输电子发射电流至真空室92的开口。在一个改进中，阴极118和120是阴极电弧阴极，而主阳极122和124是阴极电弧阳极。系统90还包括远程阳极130和132，其分别电气耦合到阴极118和120。在一个改进中，如图4A所示，屏蔽阴极室组件、气相源(例如磁控靶)和远程阳极沿着适用于顺排涂布系统的直线而对齐。

图4B提供了涂布系统的示意图，其包括安装在主阳极和多个从阳极中的每一个之间的可变电阻器。在该改进中，涂布系统140包括真空室142和阴极室组件144，其如上文所述的一般设计。阴极室组件144包括阴极室146、阴极148、电弧引燃器150、其中定义有多个开口的屏蔽152和可选主阳极154。系统140还包括主电源156，其连接阴极148和主阳极154和磁控溅射源156、158、160。每个磁控溅射源均具有靶Ts、电源Ps和相关联的反电极系统120，其还包括远程阳极142，具有在阴极128和远程阳极142之间提供电位势的次电源144。系统120还包括从阳极146,148,150、152，其处于由可变电阻器R1、R2、R3和R4所建立的中间电压电位。在一个改进中，可以通过使用可变电阻器R1、R2、R3来改变通过每一个从阳极的电流来控制等离子体分布密度。从阳极之间的距离和最靠近主阳极的从阳极与主阳极之间的距离，不能大于处理气体的成分和压力中等离子体放电中断的最小距离。

图4C提供了这样的一个改进，其中与电容器平行的电阻器被用于设置中间阳极的电压电位。在该改进中，平行于C⁵的电阻器R⁵设置用于阳极166的电压电位。平行于C⁶的电阻器R⁶设置用于阳极168的电压电位，平行于C7的电阻器R7设置用于阳极170的电压电位，和平行于C8的电阻器R8设置用于阳极172的电压电位。在该改进中，电容器被用于沿着大距离，通过在阴极室内的阴极和每一个从阳极(放置在阴极室内的阴极和主阳极之间的从阳极)之间，脉冲点燃远程电弧放电，延长RAMMS过程。可以理解的是，可以为从阳极提供独立的功率供应；每一个从阳极电源都可以被安装在阴极148和对应的从阳极之间。每个连接到主阳极或从阳极的次电源的开路电压超过主电弧电源136的开路电压至少1.2倍。

在本发明的另一个变型中，图5提供了RAAM设置的内嵌模块配置。这种顺排系统包括任意数量的沉积站和/或表面处理站(例如等离子体清洗、离子注入渗碳、渗氮等)。在图5所示的变型中，涂布系统174包括顺排对齐的模块176-184。模块176-184被装载锁定闸阀186-196与邻近 的模块分开。模块化RAAMS表面工程系统174包括模块196，其是具有屏蔽阴极电弧室198和沿着该室的壁安置的远程阳极200的室模块，如上所述。本图还示出了一组可选的磁线圈202和204，该组磁线圈产生了沿着涂布室的范围从1到100Gs的纵向磁场。模块176执行以下操作：基片装载；利用在屏蔽阴极室的阴极和远程阳极之间产生的远程阳极电弧放电(RAAD)等离子体来进行高能量(典型地E>200eV)的氩离子轰击来对基片进行离子刻蚀或离子净化；利用在屏蔽阴极室的阴极和远程阳极之间产生的氩RAAD等离子体的轻度离子轰击(典型地E<200eV)来护理待涂布的基片。第二模块178在屏蔽阴极室的阴极和远程阳极之间产生的氮或氩氮混合RAAD等离子体中，离子氮化待涂布的基片表面。在RAAD等离子体浸没离子氮化工艺中，在0.1毫托到200毫托的压强下和在远程阳极电流范围从10至300安培时，但典型地在压强范围内0.2-100毫托和远程阳极电流范围从10到200安培，HSS、M2和440C钢的等离子体浸没离子氮化的速度达到0.5到1μm/min。RAAD等离子体浸没离子氮化是低温处理，其中基片温度典型地不超过350℃。在该工艺中，基片可以是浮置的(不接地的)，接地或者被偏置在非常低的负片偏置电位(例如低于-100V)。在这种低偏置电位下的离子氮化归因于高正RAAD等离子体电势，其促使等离子体离子接收来自超过接地基片电势的高等离子体电势的过量能量。或者，来自气态RAAD等离子体的氮、磷、硅、碳这些元素的低能量离子植入可在相对低的基片偏置电位下进行，典型地电压范围为-200至-1500伏特。图6示出了RAAD等离子体处理中的电势分布的图表。在典的RAAD等离子体工艺中，相对于接地主阳极，主阴极的电位范围在-20到-50伏特之间。在一个改进中，相对于主阴极，浮置基片电势范围为从-10到-50伏特。在离子氮化，渗碳和等离子体扩散饱和工艺中，相对于主阴极，典型的偏置基片电势范围为从-10到-200V，而在RAAD等离子体浸没低能量离子植入工艺中，典型地基片偏压范围为从-200到-1500伏特。

需要理解的是，图5中的模块室架构也可以用于在气态RAAD等离子体室内执行远程阳极电弧等离子体辅助CVD(RAACVD)工艺(例如图5中模块176、178和184)。例如，低压等离子体浸没CVD工艺设置能够被用于在由0.1-1％甲烷和平衡氢或氢氩混合物的等离子体产生气体气氛中沉积多晶金刚石涂层。RAAD等离子体作为反应性气体的一个有力活化剂，与助于形成多晶金刚石涂层的高密度氢原子和HC自由基。在该工艺中，待涂布的基片或者接地，或者浮置，或者被偏置到相对于主阴极不低于-100伏特的负电位。在等离子体增强低压CVD工艺中，独立辐射加热器阵列可被用于根据需要而维持基片温度在200℃到1000℃，以用于多晶金刚石涂层的沉积。

在另外一个实施例中，提供了具有与曲线壁对齐的等离子体源的涂布系统。图7A提供了具有位于中间的屏蔽阴极室的批量涂布系统的示意性俯视图。图7B提供了图7A的批量涂布系统示意性立体图。涂布系统210包括真空室212、包括阴极216的阴极室214和屏蔽218。真空室212具有基本上圆形的横截面。系统210还包括主电源220，其设置在阴极216和主阳极222之间的电压电位。系统210还包括磁控溅射源224-230，其中每一个均包括靶Ts、电源Ps和阳极As。在一个改进中，磁控溅射源224-230被沿着圆形而布置，该圆形的中心与真空室212的横截面相同。系统210还包括远程阳极232和234，其电压电位被电源236和238相对于阴极214而设置。在该实施例中，在被涂布时，基片22轴向地沿着圆周方向d₂移动。在图7A和图7B的每个变型中，等离子体在阴极216和远程阳极之间流动。该流动被远程阳极(或溅射源)和基片(即基片顶部)之间的分隔所限制，该分隔典型地为2到20英寸。该受限在整个涂布区上持续存在。进一步地，等离子体被沿着阴极在与基片的移动相垂直的方向上被光栅扫描，如上文参照图1D所述。

如上所述，远程阳极232和234具有线性远程阳极尺寸D_a。磁控溅射源224-230具有线性源 尺寸D_s。阴极靶216具有线性阴极靶尺寸D_c。基片保持器20具有线性保持器尺寸D_h。在一个改进中，线性远程阳极尺寸D_a、线性阴极靶尺寸D_c和线性保持器尺寸D_h彼此相当。在另一个改进中，线性远程阳极尺寸D_a大于或等于线性阴极靶尺寸D_c，而线性阴极靶尺寸D_c大于或等于线性保持器尺寸D_h。

需要理解的是，可以在涂布室内施加外部磁场，以用于上述的实施例，以在电弧等离子体增强磁控溅射涂层沉积工艺期间进一步增强等离子体密度。优选的磁场具有大体上与阴极电弧室和/或远程阳极对齐的磁场线。这将有助于电弧放电电压的增加，以及因此有助于电子能量和沿着涂布室的电弧等离子体传播路径。例如，外部磁场可以沿着图5所示的顺排涂布系统的涂布室而施加。

如上所述的涂布室内的均匀等离子体密度分布，可以这样实现：恰当地分配远程阳极和屏蔽真空电弧阴极靶的电子发射表面来均匀地覆盖涂层沉积区域。例如，如果涂层沉积区域是1米高，那么屏蔽阴极靶的电子发射表面和电子流收集远程阳极表面，需要被分配来均匀地覆盖该一米高的涂层沉积区域。为了达到这些要求，几个小的阴极靶被安装到屏蔽阴极室内，每个阴极靶都被连接到独立电源的负极。阴极靶被大概均匀地分配从而使得由每个阴极靶发射的电子流在屏蔽阴极室外重叠，在涂层沉积区域上提供大概均匀的电子密度分布。远程电弧电源的负极也可以被连接到一个大的阳极盘上，该阳极盘的高度基本上与涂层沉积区域的高度相同，并面对持有待涂布的基片的基片保持器，如图1和图4-图6所示。这组阳极盘，其中每个均连接到远程电弧电源的正极，可被用于提供在涂层沉积区域上的电子密度的均匀分布。类似的，不在屏蔽阴极室内一组小阴极靶，而是使用单个大阴极靶，该大阴极靶的直线尺寸类似于涂层沉积区域的直线尺寸，该大阴极靶可用作远程电弧放电的阴极。在该例子中，在阴极靶上光栅扫描电子发射点(即阴极电弧点)，以在涂层沉积区域上提供电子发射电流的大致均匀分布。阴极电弧点在阴极靶区域上的光栅扫描可以实现，例如，通过阴极靶的电弧蒸发区上的阴极电弧点磁操控或者机械移动。

参照图8A-图8H，其提给出了示意图来表示图7A和图7B的涂布系统的改进，其使用磁操控阴极电弧点。本实施例变型使用了来自美国专利No.6,350,356的技术特征，其所公开的全部内容都以参考的方式结合到本文中。参照图8A，系统210’包括围绕等离子体管道272的管道磁线圈270，其形成在壳体274的两个相对端之间阴极室194内。线圈270包括面对阴极靶216的侧216a的绕线270a和面对阴极靶216的侧216b的相对绕线270b。阴极靶216一般是长度尺寸为d_A的条状。管道线圈270沿着管道272使用平行于阴极靶216的侧216a和216b的磁力线来产生磁场。当阴极电弧点278在蒸发表面216a或216b上被点燃，点278沿着条状阴极216的较长侧移动。在条的末端，电弧点278转换侧，并继续在条的相反侧上沿相反的方向移动。附接到垂直于磁力线的阴极条的侧上的隔离陶瓷盘(未示出)防止弧点从阴极216的蒸发表面逃逸。屏蔽218可选第安装在面对涂布室212中涂布区域的等离子体管道272的末端。在一个改进中，屏蔽218是可移动的(如图8A中箭头所示)以根据涂布工艺的阶段允许等离子体管道272的打开和闭合。当屏蔽218是关闭的，可通过RAAD等离子体用磁控溅射环境的增强电离来实施RAAMS工艺。当管道272的末端打开，阴极电弧等离子体沿着管道线圈270的磁力线流向待涂布的基片22，其，根据阴极电弧金属气相等离子体(其中不需要的中性金属原子和宏粒子被磁过滤)产生阴极电弧涂层的沉积。过滤的阴极电弧涂层沉积可以作为单独的工艺阶段而进行，或者与由磁控溅射源224-230产生的磁控溅射一起进行。在阴极室214的阴极216和远程阳极232、234之间建立的远程电弧放电而带来的等离子体环境的电离和激活改进了涂层的密度、光洁度和其它物理化学和功能特性。

参照图8B和图8C，其提供了表示绕长条矩形条阴极的阴极电弧点的磁操控机制。矩形条状阴极216位于管道线圈绕线270的两部分之间。左绕线270a和右绕线270b面对阴极216的蒸发侧。阴极侧216a面对管道线圈绕线侧270a而阴极侧216b面对管道线圈绕线侧270b。由管道线圈绕线270产生的磁场B平行于阴极216面对管道线圈绕线的侧并且同时垂直长条阴极216的轴d_A(即阴极靶216的较长侧)。当阴极电弧点278在阴极216面对管道线圈绕线电弧的侧上被点燃，电流I_arc被垂直于阴极靶216的表面而产生并且因此垂直于管道线圈270所产生的磁力线B。在这个例子中，阴极电弧点沿着阴极的较长侧以平均速度V_arc移动，其与由电弧电流I_arc和磁场B的积所定义的安培力成比例，遵循以下公知的安培定理：

V_arc＝(-/+)c*I_arc*B (1)

其中c是系数，其由阴极材料定义。电弧点的移动方向(上述公式中括号内的符号)还由阴极靶材料决定，因为管道线圈270产生的磁场平行于阴极靶的四侧(即，绕阴极靶216的蒸发侧的相同方向的长侧)。例如，当阴极电弧点278a是在面对管道线圈绕线270a的阴极侧上产生，电弧点沿着较长侧216a往下移动阴极靶216。在阴极条的末端，电弧点转向短侧216d，之后转向长侧216b，然后沿着长侧216b一直继续，等等。

图8C示出了电弧点沿着阴极靶216的蒸发侧216a、216b、216c和216d移动，其平行于由管道线圈270产生的磁力线280。管道线圈由管道线圈电源282提供能量，而电弧电源284则连接到阴极靶216。管道线圈包括由电子电路连接的线圈270a和270b，该电子电路包括电流导体286、288、290和290。垂直于磁力线的阴极靶196的侧被隔离盘294覆盖，其防止电弧点从阴极靶216的蒸发表面逃逸。阴极电弧等离子体被由管道线圈270a和270b所产生的磁力280困住，管道线圈270a和270b防止等离子体扩散过磁力线280而等离子体则可以沿着磁力线280自由移动。

图8D提供了通过管道线圈操控阴极点的更多附加细节。管道线圈270所生的磁场操控阴极电弧点使之沿着阴极靶条216的侧平行于磁力线，如上所述。阴极电弧点移动的方向如箭头AD所示。等离子体管道272的末端被打开，其允许阴极金属气相等离子体沿着磁力线朝向安装在涂布室内的基片保持器20上的基片22流动。中性粒子和宏粒子被困在阴极室内，在管道272的内壁上，产生接近100％电离的金属气相等离子体以进入等离子体管道272外的涂布区域。阴极室的设计基本上是经过滤的阴极电弧金属气相等离子体源，能够摆脱所产生的金属气相等离子体中的宏粒子和中性粒子，并产生将近100％自动洁净的电离金属气相，以用于沉积高级涂层。建立在阴极196和远程阳极232、234之间的RAAD等离子体增强了RAAMS涂层沉积工艺中等离子体环境的电离和激活，产生了改善的涂层性能。在该设计中，混合涂层沉积工艺可以被实施为单阴极电弧或磁控管涂层沉积，或者为把阴极电弧金属气相等离子体与浸没于混合电离远程电弧等离子体环境中的磁控管金属溅射流结合的混合工艺。

仍参照图8D，大面积磁控溅射涂层沉积工艺和混合工艺电弧等离子体增强问题，是通过把至少一个远程电弧阳极与阴极靶条16不成视线内成线来解决。在该变型中，基片保持器20’保持的至少一个基片22和磁控溅射源224-230被安置于等离子体管道272之外的涂布室区内。现在的RAAMS工艺把由传统的磁控源产生金属溅射流浸没在密集和高度电离的远程阳极电弧放电(RAAD)气态等离子体中。为RAAD等离子体供电的远程电弧电源(未示出)设置在电弧阴极靶216和至少一个远程阳极232之间。远程阳极232、234提供比为阴极室内的主电弧放电供电的电源高至少20％的开路电压，其在电弧阴极216和邻近的阳极之间被点燃。邻近的阳极可以是等离子体管道罩296a、296b的内壁，或者，可选地，是等离子体管道272内的独立阳极电极。在另一 个改进中，可以使用几个附加的远程阳极，其中每个都与至少一个安置在等离子体管道272内的电弧阴极相关联。远程阳极被安置于与阴极216不视线内成线的等离子体管道272的端开口之间的涂布室内的策略点。等离子体管道272的端开口和远程阳极232、234之间的最小距离必须小于等离子体放电故障距离，该故障距离是当施加在阴极和远程阳极之间的电压超过阴极和主(邻近)阳极之间的压降的1.2到10倍的故障距离，其或者电接地或者绝缘。

图8E示出了图8A-图8D中的涂布系统的变型，其使用宏粒子过滤器。该变型的设计使用美国专利No.7,498,587和欧洲专利申请No.EP1852891A2中的高级宏粒子过滤器，其所有的内容都以参照的方式结合到本文中。系统210’包括被安置为临近阴极靶216的相对侧并面对等离子体管道272的相对侧的微调线圈300a和300b。相对的管道296a和296b的内壁被设置有凹槽或者可选地带有用于困住宏粒子的挡板。管道线圈272用绕线部分270a围绕管道272，绕线部分270a平行于长侧阴极靶216a长侧而面对管道侧296a。类似地，绕线部分270b平行于长侧且面对管道侧296b。微调线圈300a、300b包括磁芯302，其被电磁磁线圈304围绕。阴极电弧点沿着阴极靶216、蒸发侧216a和216b在根据上文中的表达式(1)的安培力的影响下移动，垂直于管道272的对称平面的阴极靶216的侧被陶瓷隔离盘294a和294b覆盖以防止电弧点从阴极靶216的蒸发表面逃逸。微调线圈300a、b所产生的磁场的方向与管道线圈270所产生的磁场方向相一致。但是，在阴极靶216a或216b的蒸发表面附近，微调线圈300a、b所产生的磁力线是拱形，从而允许对阴极靶的蒸发区域内的阴极电弧点进行限制，如已知的锐角规则所要求的。(例如，请参见R.L.博克斯曼，D.M.S安德斯，和P.J.马丁，真空电弧科学与技术手册，和帕克里奇，N.J.：诺伊斯刊物，1995，423-444页)。

图8F、图8G和图8H提供的示意图示出了微调线圈300a、b产生的磁场的电弧受限机制。阴极电弧点278被放置在拱形磁力线的顶点的下方，如电弧点受限的锐角规则所要求的。阴极靶216的蒸发表面上方的拱形配置的磁场在微调线圈300a的南极和微调线圈300b的北极之间面对管道272的阴极靶216的两侧上产生。用数值估算来评估等离子体管道272内的磁场配置。当管道线圈270和微调线圈300都被打开(ON)，磁场与等离子体管道272产生磁场，在与图8G所示的相同的方向上。该图展示了磁力线在相同的方向上被引导，并且在阴极靶216的蒸发表面附近具有拱形配置。在该模式下，把其中中性金属原子和宏粒子已经被磁过滤的阴极电弧等离子体沿着磁力线离开等离子体管道272流向在等离子体管道272外部的涂布室的涂布区域中的待涂布的基片(未示出)。在该过滤的阴极电弧沉积模式下，具有极少(如果有的话)的中性金属原子或宏粒子且几乎100％电离金属气相等离子体，被沉积到基片上，从而生成具有极佳性质的无瑕疵涂层。在该模式工作期间，还可使用在等离子体管道272的外壁上的磁控管来沉积磁控溅射涂布。在该工作模式下涂层沉积等离子体环境的附加电离和激活，通过在，安置在等离子体管道272的外壁上的或者在涂布室相对于磁控源(未示出)的内壁上的磁控管附近的远程阳极232、234和阴极216之间建立的远程电弧放电来实现。参照图8H，示出了当管道线圈270被关闭“OFF”时在等离子体管道内切换方向的磁力线。但是，当微调线圈300a、b被打开“ON”，拱形磁场在阴极靶216的蒸发表面上产生。取决于工作模式，偏转管道线圈270产生的偏转磁场可以被打开“ON”或关闭“OFF”。当偏转管道线圈270的磁场被打开“ON”，由阴极靶216所产生的金属气相等离子体通过等离子体管道272被双向地传输到基片20。当偏转管道线圈270被关闭“OFF”，由阴极靶216所产生的金属气相等离子体不会被传输到基片20，尽管阴极电弧点在由微调线圈300a、b所产生的操控磁场的驱动下继续绕靶条216移动。在该变型中，管道线圈作为磁快门而工作，而不需要如图7A所示机械快门或屏蔽。当磁快门是打开“ON”金属气相被通过等离子体 管道传输到在处理室内的基片20。当磁快门是关闭“OFF”，磁快门被关闭，金属气相不会到达基片20。图8H示出了等离子体管道272内的磁场分布是零时，当管道线圈的电流被设置为零，而微调线圈电流被设置为0.1安培，管道线圈电流为零。可以看到，当管道线圈270的磁场为零，没有磁场来把金属气相等离子体传输离开等离子体管道272，尽管微调线圈300a、300b仍然产生具有拱形几何形状的磁场，其足够用于限制靶216的蒸发区域内的电弧点278(蒸发靶表面处的磁拱形配置)，以及用于操控绕阴极条196的电弧点移动。在后一个工作模式下，当阴极电弧金属气相等离子体被困在等离子体管道内，电子仍然离开等离子体管道流向涂布室内的等离子体管道272外的远程阳极。所产生的远程电弧放电是建立在等离子体管道272内的阴极216和远程阳极(未示出)之间，该远程阳极可被安置于等离子体管道272外壁或者相对于磁控源的位置处的涂布室的壁内磁控源(未示出)。RAAD等离子体增强了涂布室内涂层沉积处理环境的电离和激活，产生了具有优异性质的高级涂层沉积。

当磁快门关闭，阴极靶216仍然产生大的电子流，其可被抽向远程阳极以在处理室内建立远程电弧辅助放电等离子体。RAAD等离子体特征在于范围为10¹⁰-10¹³cm^-3的高密度，温度范围为3到20eV的电子，和类似远程阳极的电势高等离子体电势。实验研究证实，当磁快门关闭时，磁快门能够封闭等离子体管道272从而防止金属气相等离子体到达基片20。这些实验中所使用的阴极靶条216由不锈钢制成。用作基片20的硅晶可被安装到圆桌基片保持器的基片保持杆上，其两小时的涂层沉积过程中可旋转5RPM。微调线圈300的电流被设置为0.2A而管道线圈270的电流被设置为零。氩气压强是1.5毫托而主电弧的电流是140安培。在暴露两个小时之后，基片被卸载，而通过光干涉的方式来测量涂层厚度，使用威科仪NT3300光学轮廓仪。结果被呈现在下面表1中。

表1

根据表1所呈现的结果，其遵循当磁快门关闭时旋转基片保持器上的沉积率不会超过6nm/hr。典型地，涂层沉积工艺中由过滤阴极电弧沉积或磁控溅射源所产生的平均涂层厚度，超过1m/hr。在这种情况下，在涂层沉积工艺中使用的阴极靶在通常的杂质水平上，金属气相的泄露不会增加涂层中的掺杂元素。

在远程电弧辅助表面工程(RAASE)室中可以施行以下处理：

1.在稠密RAAD等离子体(磁快门关闭)中进行离子净化或刻蚀；

2.低温度离子氮化或氧氮共滲，等离子体渗碳。在该工艺中基片温度可以低到150℃。在RAAD氮气中等离子体M2钢的离子氮化率典型地范围为0.1到0.5μm/min。(磁快门关闭)；

2.低能量离子植入(基片偏压小于2kV)(磁快门关闭)；

3.过滤电弧涂层的沉积(磁快门打开)；

4.通过远程电弧辅助磁控溅射(RAAMS)工艺的磁控溅射涂层的沉积(磁快门关闭)；和

5.过滤电弧涂层所调制的磁控溅射涂层的沉积(磁快门OFF/ON按占空比，以实现所需的 涂层调制周期)。

参照图9A-图9E，示意图示出了具有附加磁控源的过滤电弧辅助磁控溅射(“FAAMS”)混合过滤电弧磁控管双向系统。在该变型中，附加的磁控溅射源310-316被安置成临近电弧阴极室214，电弧阴极室214磁耦合到过滤电弧源216并具有形成范围为10度到80度的开角的磁控靶。开角Ao辅助磁控溅射聚焦流向基片。在该过滤电弧辅助磁控溅射混合涂层沉积工艺中，过滤电弧金属等离子体沿着由管道线圈270所产生的传输磁场的磁场线流动。进一步地，磁场线在等离子体管道272的出口发散。这导致了来自过滤电弧阴极的金属离子，经过靠近靶表面的磁控溅射靶区域，并穿越具有大闭环磁场拓扑的磁控管放电区域。金属离子的主要部分被困在磁控管磁场内，并对磁控靶的溅射有贡献，甚至在没有溅射气体(氩气或其他惰性气体)时和在变宽的压力范围10^-6到10^-2托内也会发生。由过滤电弧阴极所产生的金属离子的另一部分，继续朝向基片22，在这儿其与聚焦磁控溅射流混合，提供磁控溅射涂层沉积工艺的电离金属成分。众所周知，金属气相的电离率的增加改进了涂层黏性、密度和其它机械特性以及光滑度。

图9B提供了FAAMS混合过滤电弧磁控管双向源的附加特征。可选的附加的聚焦磁线圈320被安置成相对于等离子体管道的出口开口，其提供了等离子体密度的额外改进，并且控制磁控溅射流与过滤电弧金属等离子体流的混合，将其聚焦向涂布室(未示出)内待涂布的基片。此外，可选的聚焦磁线圈324被安置在磁控靶310-316附近在等离子体管道272的出口部分。聚焦线圈324改善了靠近磁控靶的等离子体密度的浓度。由临近管道线圈的侧的这些线圈所产生的磁力线的方向与由管道线圈所产生传输磁场的方向相同。图9C是图9B的系统的改进的示意图。在该改进中，磁聚焦线圈328的对，被安置在磁控源两侧，在围绕等离子体管道的等离子体管道出口部分。图9D提供了图9A-图9C的涂布系统的顶部横截面，其示出了远程电弧等离子体(F1)、磁控溅射流(F2)和过滤电弧等离子体流(F3)。由这些聚焦线圈所产生的磁场的方向与由管道线圈所产生的传输磁场的方向相一致。图9E提供了涂布系统的另一个变型。图9E示出剖面涂布室212轮廓，具有带待涂布的基片20的旋转基片保持转盘22。阴极室214被安置成与涂布室212内的待涂布的基片20相对。阴极室214内的主电弧放电被封闭在壳体274内的阴极靶216上的射击器440点燃。壳体274具有带开口的屏蔽218，该开口对于由阴极靶216的表面所发射的重粒子比如离子、原子和宏粒子是不透明的，但允许电子自由地流向涂布室212内的远程阳极。磁控靶310和312被安置成为临近阴极室屏蔽218从而使得由磁控靶发射的溅射流与高度电离的等离子体在屏蔽218前方相耦合，并且将其聚焦向涂布室212的基片20。在该布置中，阴极屏蔽218前产生的远程电弧等离子体的阴极部分与磁控溅射流相耦合，以实现由磁控靶310、312产生的金属气态等离子体的电离和激活的实质性增长，其有助于涂层的黏性、密度、光滑度的进一步改善，减少瑕疵，以及改善不同应用的功能性性质。

FAAMS表面工程系统可以在下列模式下工作：

1.RAAD等离子体浸没离子净化、离子氮化、低能离子注入。在该模式下，阴极电弧源在工作时，两个微调线圈都是打开ON，但是等离子体传输管道线圈是关闭OFF。关闭管道线圈能有效地防止由安置于等离子体管道的中间的阴极所产生的等离子体跑出等离子体管道跑向涂布室内的待涂布的基片，但是，气态的稠密的和高度电离的RAAD等离子体充满了整个处理室，包括等离子体管道的内部和室内的区域，其中待涂布的基片被安置在基片保持器上。稠密气态等离子体提供了高度电离环境，用于等离子体浸没离子净化、离子氮化(以及离子渗碳、OXI渗碳、渗硼和其它离子饱和过程)和低能离子注入。它还能溶于远程电弧辅助CVD(RAACVD)工艺，包括类金刚石碳(DLC)涂层的沉积，当在涂布室内产生含烃气态气氛。在该模式下，可施行远程电 弧等离子体辅助CVD工艺。进一步地，可以沉积多晶金刚石涂层，当基片被加热到沉积温度范围为500到1000℃(取决于基片的类型)。在这种工艺中，气体压强典型地范围为1到200毫托，气态气氛典型地为在氢气流速范围为50到200sccm的氢气中包括0.1-2％甲烷，取决于泵送系统能力与余量的氩气。管道线圈作为磁快门工作，有效地关闭由等离子体管道内的阴极所产生的金属等离子体的出路，而打开由RAAD产生的气态等离子体的出路。

2.当管道线圈关闭OFF(磁快门关闭)以及RAAD等离子体在等离子体管道的阴极和等离子体管道外的涂层沉积区域内的远程阳极之间的涂布室内被生成时，高度电离等离子体环境可被用于等离子体辅助磁控溅射(RAAMS)工艺。在这种情况下，安装在涂布区域内的等离子体管道外的磁控源被打开ON，以及磁控溅射工艺在高度电离RAAD等离子体环境下进行。在该工艺中，磁控溅射的产率增加了多于30％，并且由于气态等离子体生离子的基片表面的离子轰击，涂层被致密化。

3.当等离子体管道线圈打开ON，磁快门打开，由等离子体管道内的阴极所产生的金属等离子体沿着由管道线圈所产生的传输磁场的磁力线流入涂层沉积区域。过滤电弧金属等离子体可被用于沉积涂层的不同类型，包括超硬无氢四面体无定形碳无定形(ta-C)涂层，当石墨棒被用作等离子体管道内的阴极靶时。当安置于等离子体管道的出口部分并且具有面对着基片的靶的磁控源被打开ON，混合过滤电弧辅助磁控溅射(FAAMS)工艺开始。在该例子中间，100％电离的过滤电弧金属等离子体通过磁控源，与一般具有<5％的低电离率的磁控溅射原子金属流混合。混合过滤电弧金属等离子体和磁控溅射原子金属流被引导向在等离子体管道出口前方的涂布区域内的基片，其使用具有高和可控浓度沉积金属原子流来提供了混合过滤电弧辅助磁控溅射涂层沉积。

图10提供了示意图，其示出了本发明的双向远程电弧放电所涉及的物理工艺。主电弧由借助微调线圈300对而与放电室隔离开的阴极靶216的表面上的电弧引燃器启动。该源能够在两种模式下工作：第一，在涂层沉积模式下，当电弧气相等离子体沿着由管道线圈270力产生的纵向磁场的磁力线而被传输；以及第二，在电子发射模式，由于微调线圈300对所产生的磁场，电弧等离子体受限，以及与处理室磁隔离，管道线圈被关闭。等离子体管道272内等离子体电势较低，接近于临近阳极的电势，其大多数情况下接地，而在远程电弧放电等离子体中电势较高，接近远程阳极234的电势。由有限元建模获得等离子体管道272和远程阳极234之间的等离子体电势的典型分布，在图2中示出。

参照图11A，其提供了具有位于周边的屏蔽阴极室组件的批量涂布系统的示意图。涂布系统330包括真空室332和阴极室组件334，阴极室组件334包括阴极室336、阴极338和屏蔽340。系统330还包括主电源342，其设置阴极338和主阳极344之间的电压电位。系统330还包括磁控溅射源356-366，其中每一个包括靶Ts，电源Ps，和阳极As。系统330还包括远程阳极360，其被电源362设置在一个相对于阴极338的电压电位上。在该实施例中，基片22在被涂布室，沿着d₃方向轴向移动。

图11B到图11G示出了进一步的变型，进一步的变型提供了单向过滤阴极电弧金属气相等离子体源来代替图11A中的屏蔽源。该过滤阴极电弧源可以作为离子化几乎100％的源来工作，几乎没有中性金属气相等离子体，以及作为电子发射源来提供用于在涂布室内产生远程阳极电弧放电的电子电流的流。可以使用上文中参照图8A-图8H所讨论的磁快门模式来实现这两种特征。在磁快门模式下，过滤电弧源的磁偏转和聚焦线圈可以被激活，打开磁快门，提供偏转，以及把在阴极靶的蒸发表面产生的金属气相等离子体聚焦导向涂布室内的待涂布的基片。当磁偏转和聚焦线圈被关闭，磁快门关闭。在后一种情况下，过滤电弧源的阴极作为有力的电子发射器而工作， 传输高电子电流至涂布室内的远程阳极，在这儿建立远程阳极电弧放电。当磁快门关闭，过滤电弧源的阴极所产生的金属气相离子仍然位于过滤电弧源内，并不能到达涂布室内待涂布的基片。

参照图11B，示意图提供了包含矩形单向过滤阴极电弧源作为金属气相等离子体沉积源和电子发射源的涂布系统的变型。在一个改进中，美国专利号No.5,480,527中的矩形过滤电弧源的设计被用作过滤电弧源；其整个内容都以参考引用的方式被结合到本文中。涂布系统400类似于图11A所示的系统，但是被装配有矩形单向过滤真空电弧源418(即等离子体源)。

该过滤真空电弧源418包括等离子体管道434，其具有矩形横截面形状，尺寸类似于阴极靶430，而等离子体管道的长侧平行于涂布室332的轴。等离子体管道434在沿着等离子体管道434的中心线的轴上具有90°弯曲。等离子体管道434由矩形管道436形式的阴极室部分和出口隧道438组成，出口隧道438在等离子体管道434的弯曲部分439的内径弯曲点437的任一侧上。阴极430安装在隔离保持器432，在或靠近阴极室436的末端，从而使得阴极靶430的蒸发表面433面对等离子体管道。一组电磁体被设置在等离子体管道附近，其包括偏转和聚焦电磁体。偏转磁体446和448被连接到电源452并被安置位于等离子体管道的弯曲部分439和阴极室436的外侧附近，而聚焦电磁螺线管450连接到电源452，并缠绕等离子体管道434的出口隧道部分438。阴极430连接到主电弧电源的负输出，而正输出连接到(接地)等离子体管道。通过把阴极430连接到远程阳极电弧电源362的负输出，而把正输出连接到涂布室332内的远程阳极360，来建立远程阳极电弧放电。该系统400在磁快门模式下工作。当两个偏转线圈446和448和聚焦线圈450都打开ON时，磁快门打开，并且几乎100％电离的过滤金属气相等离子体被所产生的(跑过在阴极靶430的蒸发表面433上的阴极电弧点的)真空电弧传输通过等离子体管道到达涂布室332内的待涂布的基片20。气态环境也是高度电离的，在过滤电弧金属气相等离子体流内，以及在真空室332的壁和基片的通道之间沿着远程电弧放电路径定义的窄通道内。在该例子中，磁控溅射源350、352、354、356、346、348还可以被激活，提供由远程阳极电弧放辅助的磁控溅射沉积，其能够增加磁控溅射流的电离，而同时把磁控溅射与过滤阴极电弧沉积组合成混合过滤电弧磁控溅射沉积工艺。当偏转线圈446和448和聚焦线圈450被关闭OFF，磁快门被关闭，并且由阴极430所产生的金属气相等离子体被困在等离子体管道434内，不能到达涂布室332内的待涂布的基片20。在该模式下，远程阳极电弧放电仍然在阴极430和远程阳极360之间运行，沿着在基片通道d₂和涂布室332的壁之间定义的通道，提供涂层沉积环境的高电离和激活。在这种情况下，可进行在由远程阳极电弧放电建立的高度电离环境下的磁控溅射和基片20的气态等离子体处理。在一个变型中，磁控溅射源和远程阳极可以被安装在涂布室的中间区域，附接到源平台的外壁，安装在涂布室的中间区域附近。

参照图11C，提供了包含矩形单向过滤阴极电弧源作为金属气相等离子体沉积源和电子发射源的涂布系统的示意图。磁控源224、226、228和230和远程阳极232和234被附接到中间源枢纽216的外壁是。在该设计中，待涂布的基片20在源枢纽216和涂布室212的壁之间的环内移动。通过把阴极连接到远程阳极电弧电源362a和362b的负输出，而把正输出连接到各个远程阳极232和234，来在过滤电弧源418的阴极430和远程阳极232和234之间建立远程阳极电弧放电。在这种情况下，RAAD等离子体将会填充在中间枢纽216和涂布室212的壁之间限定的整个区域，使得基片20有效地浸没在高度电离和激活的RAAD等离子体中。在一个改进中，屏蔽的双向过滤电弧源，类似于参照图7A和图8A所讨论的，还可以被安装在涂布室的中间区域。图11D示出了该改进，其中远程阳极电弧放电还可以被建立在双向过滤电弧源的阴极216和安装在双向等离子体管道217的周缘的远程阳极232和234之间。在这种情况下，远程阳极电弧放电大 多建立在沿着在等离子体管道217的外缘和基片通道d₂之间限定的通道上，其提供设置在等离子体管道217的外壁上的磁控源224、226、228和230所产生的金属溅射流的高度电离和激活。

参照图11E，该示意图提供了具有双向过滤电弧源没有屏蔽和矩形单向过滤阴极电弧源的涂布系统。在该变型中，图11D中的屏蔽218被移除以打开双向过滤电弧源的等离子体管道217通向涂布室212中的涂层沉积区域。在发明的高级实施例中，可以由单向过滤电弧源418或者双向过滤电弧源215或两个过滤电弧源同时支持远程阳极电弧放电。当由单向过滤电弧源418建立RAAD，阴极430被连接到远程阳极电弧电源362a和362b的负出口，而其相应的正出口则连接到设置在等离子体管道217的外缘上的远程阳极232和234。当由双向过滤电弧源215建立RAAD时，阴极216连接到远程阳极电弧电源236和238的负出口，而其相应的正出口则连接到设置在等离子体管道217的外缘上的远程阳极232和234。在这种情况下远程阳极电弧放电等离子体将会填充在双向过滤电弧源215的外壁和涂布室212的壁之间限定的涂层沉积区域，其提供设置等离子体管道217的外壁上的磁控源224、226、228和230产生的磁控溅射流的改进的电离和激活。在该布置中，两个双向过滤电弧源215和单向过滤电弧源418可同时或独立工作，在磁快门模式下而与磁控溅射源224、226、228和230相耦合，而磁控管和待涂布的基片20被浸没在高度电离和激活的RAAD等离子体。

图11F示出了图11E的设计的进一步的变型，其使用两个磁控源246a和246b，磁控源246a和246b被安置为邻近等离子体管道434的出口隧道部分438和真空室212，并面对涂布室212内的基片22。磁控管246a和246b都被磁耦合到过滤电弧源418。在该设计中，磁控溅射流与过滤电弧源418的阴极430所产生的100％电离过滤电弧金属气相等离子体相合并，以调节在涂层沉积工艺中金属离子轰击的程度。

图11G示出了图11C中所示的涂层和表面处理系统的进一步的变型。该变型的设计使用下文中出版物中所说明的涂层和表面处理系统，D.G.巴特，V.I.戈洛哈士奇，R.巴塔查里亚，R.希沃布里，K.库卡尼，“在压铸磨损防裂涂料的开发模具的过滤阴极电弧过程，”在北美的交易压铸协会，第20届国际模具铸造国会和博览会，美国俄亥俄州克里夫兰市，1999年11月，第391-399，其所有的内容都以参照的方式被结合到本文中。在该设计中，系统500包括单向双电弧矩形等离子体源502为金属气相等离子体涂层沉积源和作为电子发射源。该设计的单向双过滤电弧源使用具有偏转部分505和出口隧道断面510的矩形等离子体管道，具有两个安装在等离子体管道的偏转部分505的相对侧的圆柱形或矩形阴极电弧室512a和512b。使用圆柱形或长条形靶的两个或多个圆柱形的或两个矩形主阴极电弧源，具有圆柱形或者矩形盘，被放置在阴极室内，在等离子体引导器的偏转部分505的侧壁上彼此面对，被矩形偏转线圈506围绕，以及可选地，被挡板阳极507盘分开。稳定线圈508被用于在阴极靶504的蒸发表面上限制阴极电弧点，而围绕阴极室的出口部分的聚焦线圈509把金属气相等离子体聚焦流向等离子体管道的偏转部分505。电弧可以被可周期性地接触阴极靶表面的机械点燃器或者能在阴极靶附近产生微电弧等离子体电子(电火花)点然器511点燃。偏转线圈的前偏转线性导体在邻近阴极室和等离子体管道的地方面对涂布室212，而偏转线圈的关闭线性导体被安置在阴极室后边，远离涂布室212。该源使用由偏转线圈的前线性导体所产生的叠加偏转磁场来把金属离子流转90°到达沉积室212。最后聚焦线圈514围绕等离子体管道的出口隧道部分510而把由阴极室512a和512b内的阴极所产生的两个金属气相等离子体射流聚焦导向涂布室212内的基片22。一组扫描磁线圈(未示出)允许离子等离子体射流在垂直方向(垂直于图11G中的平面)被扫描，从而较大地覆盖大表面区域。同时，电弧柱被磁场在与等离子体管道的对称平面相垂直的水平方向上很好地限制，提供增强的湍流等离子 体扩散抑制，以及使得金属气相离子产量显著增加。

图11H示出了图8D的设计的进一步的变型，其使用如上文中参照图11F已经讨论的双向过滤电弧源215和安置在邻近等离子体管道的出口隧道部分和真空室212并面对涂布室212中的基片22的两个磁控源246a和246b。磁控管226a和226b被磁耦合到过滤电弧源502。在该设计中磁控溅射流与过滤电弧源502的阴极520所产生的100％电离过滤电弧金属气相等离子体合并，以允许调节混合过滤电弧增强磁控溅射涂层沉积工艺期间金属离子离子轰击度。

图12A示出了进一步的一个变型，其提供了位于涂布室中间的屏蔽阴极电弧电子发射源。尤其地，本变型提供了圆形批量涂布系统530，其具有位于其中间区域的阴极室组件532。阴极534被大概沿着涂布系统530的轴安置于阴极室组件532。阴极室组件532，分布包括具有开口540和542的阴极罩538、阴极534、可选的主阳极(未示出)和屏蔽546，548。罩538和屏蔽546，548分别把阴极534与真空室550隔离开，以及还能用作主阳极以用于在阴极室532点燃的电弧放电。主电弧电源被设置在阴极534和阳极罩538之间。罩538和屏蔽546，548每个均定义用于把电子发射电流传输到真空室550的开口，该开口同时还用作障碍来阻挡由阴极534发射出的欲到达涂布室550内的待涂布基片20的重粒子比如金属气相原子，离子和宏粒子。磁控溅射源552、554和556被附接到室550的壁558。远程阳极560、562和564被安置为靠近对应的磁控源，最好是围绕这些溅射源。远程阳极560、562和564可选地被提供有安置在相应的磁控源552、554和556的溅射靶前方的细线网格560a、562a和564a。基片20被安置在转盘平台570上，在阴极室和磁控溅射靶之间距离为d₁处。从磁控靶表面到基片20的距离典型地范围为4到10英寸。远程电弧电源574、576和578被安装在远程阳极560、562和564与阴极室532内的中间阴极534之间。阴极534可以是热离子丝阴极，但最好是使用冷蒸发真空电弧阴极，因为其对含有用于碳化物、氧化物和氮化物的涂层沉积的化学腐蚀性的气体(例如甲烷，氧气和氮气)的反应性等离子体工艺环境不敏感。阴极534是长条的热离子丝或者细长的金属条或杆形式的冷阴极。进一步地，阴极534被沿着涂布室550的轴安置于阴极室532内，其电子发射区的长度平行于并且大概在尺寸上等于基片20装载区的高度。进一步地，阴极534具有较长的尺寸，其小于或等于远程阳极560、562和564的高度。磁控靶的高度还小于或等于远程阳极的高度。

在一个改进中，图12A所示的磁控管552、554、556可以被平面加热器代替。待涂布的基片可以被放置在加热器表面上，面对室的中心，在这儿屏蔽阴极室532与阴极534一起被安置。在这种情况下基片可以被加热至900℃，而同时高度电离远程阳极电弧等离子体可以通过被在阴极室内的532阴极534和安置在室530的壁上的远程阳极560、562、564之间的远程阳极电弧放电建立在室530内。在该工艺中，当室530内的气体气氛，在1毫托到200毫托的压强下，在氢气中甲烷浓度重量百分比在0.1～2％之间，是由甲烷、氢气和氩气的混合物组成时，多晶金刚石涂层可以被沉积到安置于加热器的加热表面上的基片上，在加热到沉积温度范围为700到1000℃。

在图12A的实施例的一个变型中，涂层和表面处理系统530可以被装配有附接到涂布室的壁上的单向过滤电弧源。参照图12B，单向双过滤电弧源502，如参照图11G所描述的，被附接到涂布室558。涂布系统530还被提供有两个附接到涂布室558的壁上的平面或旋转磁控溅射源552和556。通过把位于中间的屏蔽阴极534连接到RAAD电源574和576的负输出上而把其正输出连接到对应的远程阳极560和562，磁控溅射流被RAAD等离子体电离和激活，其可选地被提供有被设置在对应的磁控源552和556的溅射靶前方的细线网格560a和562a。在一个图12C所示的改进中，除了两个附接到源枢纽216的外缘的远程阳极232和234，涂层和表面处理系统530还被提供有位于中间的源枢纽216，其还具有磁控溅射源224、226、228和230。通过把过滤电 弧源502的阴极连接到RAAD电源578和580的负输出而把其正输出连接到相应的安置在源枢纽216的外缘的远程阳极232和234来建立RAAD等离子体。在该设计中，源枢纽216的壁和室558的壁之间的整个区域都被填充有RAAD放电的高度电离等离子体，其由安置在室558的壁上的磁控管552和556和由安置在源枢纽216的外壁上的磁控管224、226、228和230提供电离沉积，而在混合过滤电弧等离子体辅助远程阳极电弧增强磁控溅射涂层沉积工艺的所有阶段期间保持待涂布的基片20浸没在RAAD等离子体中。图12D的示意图示出的系统具有待旋转管状阴极靶的圆柱形阴极电弧源。在该改进中，安置于涂布室558中间的电子发射电弧源532可以是具有旋转管状阴极靶的圆柱形阴极电弧源，其具有较高的材料利用率，如图12D所示。在该实施例中，圆柱形阴极靶584被安置于涂布室558的中间。靶584的旋转方向如箭头所示。由永磁体组成的磁轭585被安置于阴极靶圆柱内部，目的在于在阴极靶585的蒸发表面上形成跑道磁场。阴极电弧点在磁轭585的极之间的跑道内转向。屏蔽586防止阴极电弧点从阴极靶584表面的蒸发区域逃逸。可选的可移动屏蔽587也被安装在阴极靶584的蒸发区域的前方。当屏蔽587关闭，等离子体源582在电子发射模式作为主阴极电弧源工作，以用于在阴极584与邻近磁控源552和556的远程阳极560和562之间建立的远程电弧放电。当屏蔽587打开，阴极靶584的蒸发区域面对待涂布的基片20，阴极电弧源582在两个阴极电弧涂层沉积模式下工作，而仍支持远程阳极电弧放电，用于磁控源552和556所产生的磁控溅射电离和激活。

参照图13A，该示意图中的系统包含电子发射真空电弧冷阴极源。尤其地，本变型采用了美国专利号5,269,898的系统的电子发射真空电弧冷阴极源的设计，其所有的内容都以引用的方式结合到本文中。杆状阴极630被安装在阴极室632内，其用作由主电弧电源634供电的真空阴极电弧放电的主阳极。阴极630连接到电弧电源634的负输出而阴极室632的罩636连接到电弧电源634的正输出。主电弧的正输出是可选的接地，如图7D和图13A中的虚线所示。与电弧电源634的连接相对的阴极630的末端的射击器640重复地击打电弧点。螺旋状电磁线圈642被安装成与阴极630共轴，并且用于产生螺线管磁场，其磁通线大体上平行于阴极630轴，并且具有与线圈电源646提供的电流成比例的幅度。其上沉积有涂层的一个或多个基片20，被设置成围绕阴极室632，以及可选地安装在基片保持转盘平台上(未示出)，其提供了沉积期间的基片旋转，如果需要的话，能在其上达到均匀涂层厚度分布。图还示出了由所施加的磁场的影响所产生的电弧点650及其典型的轨迹652。在被再次击打之前，电弧点沿着阴极630长度的全部或一部分行走朝向电弧电源634的连接。绝缘子654防止电弧点650离开所需的阴极630的蒸发表面。电磁线圈642可以与电弧电路电隔离，或者它可以通过连接到阳极而包括阳极的一部分，如点画线658所示。电磁线圈642或者可以用作唯一的主阳极，以用于阴极室632内的主电弧放电，其中电磁线圈642被与室430电隔离，且连接到主电弧电源634的正输出，其与阴极室632断开。一个或多个磁控溅射源660被沿着被远程阳极670围绕的室666的壁662安装。远程阳极连接到远程电弧电源672的正输出，而且负输出连接到阴极室632的阴极630。阴极室630的罩636具有被屏蔽678覆盖的开口676，用于防止阴极630发射的重粒子(离子，中性原子和宏粒子)到达阴极室632之外的沉积区域，而电子则可以自由地通过罩636和屏蔽678之间的开口676穿透进入涂布区域。远程电弧电流在阴极室632内的阴极630与围绕涂布室666的壁上的磁控溅射源660的远程阳极670之间传导。远程阳极连接到远程电弧电源672的正输出，而远程电弧电源672的负输出则连接到阴极室632内的阴极630。磁控溅射涂层沉积工艺期间，远程电弧电离和激活等离子体环境，但还可用作在涂层工艺开始之前电离源和基片的初级离子净化期间涂布区域内的等离子体环境的生成，以及用于等离子体浸没离子注入，离子氮化和等离子体辅助低压CVD涂层沉积 工艺。

参照图13B，该示意图示出了使用图13A的圆柱形阴极电弧源作为主阴极电弧电子发射源顺排系统(参考图1)。图13B示出了该设计，其中示出了装配有磁控溅射源16，远程阳极44和主阴极电弧电子发射源18的顺排涂布系统10的一个模块的侧视图。主圆柱形阴极电弧源18安置于罩24内，其具有输出屏蔽，该屏蔽对于电子流是可渗透的，但是对于重粒子比如金属离子、原子和宏粒子则是不可渗透的。杆状阴极680被安装在接地阴极室罩24内，其用做用于由主电弧电源684供电的真空阴极电弧放电的主阳极。阴极680连接到电弧电源684的负输出而阴极室24的罩则接地。螺旋电磁线圈692被安装成与阴极680共轴，并且用于产生螺线管磁场，其磁通线大体上平行于阴极680轴，并且具有与线圈电源696提供的电流成比例的幅度。RAAD等离子体建立在由具有待涂布的基片22的基片保持器20和涂布系统10的壁12之间定义的通道上，通过把杆状阴极980连接到RAAD电源472的负输出而把电源694的正输出连接到远程阳极44。

图13C到图13E示出了顺排涂布系统的进一步的变型，其提供有单向过滤阴极电弧金属气相等离子体源，而不是图13A和图13B所示的屏蔽阴极电弧源，来作为主阴极电弧源，用于建立RAAD等离子体和用于产生用于涂层沉积目的的金属气相等离子体。参照图13C，涂布系统的示意图使用矩形过滤电弧源，如之前参照图11B所描述的。在该变型中，过滤电弧源被用作金属气相等离子体源以及用作电子发射源来支持在顺排系统10内的RAAD等离子体。系统10在磁快门模式下工作。当两个偏转线圈446和448与聚焦线圈450都打开ON时，磁快门打开，由真空电弧所产生的几乎100％电离的过滤金属气相等离子体，运行阴极靶430的蒸发表面433上的阴极电弧点，被传输通过等离子体管道到达待涂布室212内的涂布的基片20。当偏转线圈446和448和矩形过滤电弧源418的聚焦线圈450被关闭OFF，磁快门被关闭，由阴极430所产生的金属气相等离子体的重粒子(金属离子，原子和宏粒子)被困在等离子体管道34内，不能到达涂布室12内待涂布的基片20，而阴极430发射的电子流可以被引导通过涂布室212。在该模式下远程阳极电弧放电在阴极30和远程阳极44之间运行，沿着基片通道d₁和涂布室12壁之间所定义的通道，提供涂层沉积环境的高电离和激活。

参照图13D的示意图示出了使用图11G所述的单向双过滤电弧源的顺排涂布系统。在该改进中，使用单向双过滤电弧源作为金属气相等离子体涂层沉积和电子发射源，如图13D所示。过滤电弧源418在磁快门模式下工作：当等离子体管道磁偏转系统的偏转线圈和聚焦线圈被打开ON，磁快门被打开，真空电弧阴极的阴极电弧点所产生的金属气相等离子体产生两个金属气相等离子体射流，其使得金属气相等离子体流经阴极室进入等离子体管道的偏转部分，在此处等离子体流被磁偏转系统朝向等离子体管道的出口隧道断面弯曲90°，而两个射流都被合并并且聚焦向顺排涂布室12内的待涂布的基片22。当离子体管道磁偏转系统的偏转线圈和聚焦线圈被关闭OFF，磁快门被关闭，而真空电弧金属气相等离子体的重粒子(金属离子，金属原子和宏粒子)被困在阴极室和等离子体管道内，而不会到达涂布室12内的待涂布的基片22。在这种情况下，过滤电弧源418仍然作为有力的电子发射器，提供穿过涂布室12的电子流，建立RAAD等离子体环境，以用于在涂层沉积和表面处理工艺期间电离和激活气态气氛和金属溅射流。在该模式下，RAAD放电建立在连接到RAAD电源458的负输出的过滤电弧源418的主阴极之间，而电源正输出连接到远程阳极44。

参照图13E，示意图示出了使用图11G所述的单向双过滤电弧源的顺排涂布系统，其具有电弧源的出口隧道的两个磁控源。磁控溅射源246a和246b被安装成邻近涂布室12和等离子体管道的出口隧道断面。磁控溅射源产生的金属溅射流与过滤电弧源产生的金属气相等离子体流合并， 使用混合过滤电弧增强远程阳极电弧辅助磁控溅射工艺时，以提供受控的金属气相等离子体的电离，以及因此涂层沉积期间可控的离子轰击水平。

参照图13F，示意图示出了具有圆柱形阴极电弧源的顺排涂布系统。在该改进中，安置于阴极室罩24内的电子发射主阴极电弧源18，可以是具有旋转管状阴极靶的圆柱形阴极电弧源，其具有高材料利用率。在该实施例中，圆柱形阴极靶700被安置于阴极室罩24内。靶700的旋转方向如箭头所示。由永磁体组成的磁轭702被安置于阴极靶圆柱700内部，目的在于在阴极靶700的蒸发表面上形成跑道磁场。阴极电弧点在磁轭702的极之间的跑道内转向。屏蔽704防止阴极电弧点从阴极靶584表面的蒸发区域逃逸。

主阴极电弧电子发射源和远程阳极还可以被安置在一个或多个磁控溅射源的两侧上，提供切换装置用于周期性把远程电弧放电从一个主阴极-远程阳极对切换到另一个，有效地切换电磁场的方向和在相反方向上的远程电弧放电电弧电流。

参照图13G的示意图示出了使用如参照图13B所述的圆柱形主阴极电弧源的顺排涂布系统。在该变型中，阴极电弧室718L和718R被安置在至少一个磁控溅射源16的左侧和右侧。远程电弧电源722L被通过开关1040连接在右远程阳极726R和左阴极室718L的左主阴极730L之间。远程电弧电源736R被通过开关775连接在左远程阳极36L和右右阴极室1018R的主阴极730R之间。在工作中，由主电弧电源734L和734分别供电的R主阴极室718L和718R中的主电弧连续地工作，远程电弧放电，当开关775关闭和开关776打开时在左阴极730L和右远程阳极736R之间被激活，或者当开关776关闭和开关775打开时在右阴极730R和左远程阳极736L之间被激活。

在一个改进中，在如图12A至图12D所示的批量涂布系统中以及在图13B和图13G中所示的顺排涂布系统中实施的RAAD/RAAMS工艺中，具有短圆柱形靶和磁操控电弧点的电子发射真空阴极电弧源HIA可被用作主电子发射阴极电弧源。然而，需要注意的是，一般应该选择远程阳极线性尺寸使之等于或大于以及平行于基片保持器的基片的线性尺寸和磁控靶的长线性尺寸，即使当阴极室的电子发射主阴极的线性尺寸小于以及不平行于磁控靶和基片保持器的基片的尺寸。图13H示出了具有短圆柱形靶和磁操控电弧点的真空阴极电弧源的设计。操控安装在圆柱形阴极靶808的相对端的磁线圈对804，806所产生的磁力线802的拱形配置，实现了圆柱形阴极靶上的真空阴极电弧点810的受限，在这块区域磁操控场几乎平行于通过阴极靶长度的轴。同时阴极电弧点810在电磁力的影响下绕靶的轴而旋转，该电磁力与公式1中所述的安培力成比例。通过改变在一个操控线圈中电流相对于相对的那个线圈中的电流的幅度，这样的区域-其中磁场基本平行于靶的轴-可以沿着靶移动，其会驱动阴极电弧点的位置，因此产生腐蚀区域812和阴极电弧靶的电子发射区的增加，因此在RAAD/RAAMS工艺中增加圆柱形阴极靶作为电子发射源的工作时间。圆柱形阴极靶808连接到圆筒的相对两个末端上的水冷截头圆锥保持器814,816的较小圆锯端。截头圆锥保持器814,816冷却圆柱形靶和并且防止阴极电弧点810从圆柱形表面区域逃逸，该处消耗型真空电弧阴极靶发射电子。此外，两个陶瓷绝缘圆盘818，820可选地被添加到阴极靶的两端来进一步地防止电弧点从电子发射区逃逸。阴极靶808对称地连接到电弧电源822，其中主电弧电源的负极通过大体上等长的连接电线连接到圆柱形靶的两端，而主电弧电源的正极连接到阴极室罩(如图13G所示)或者接地。另一对大体上等长的电线连接到远程电弧电源824的负极的靶的两端，而其正极连接到远程阳极826。

图13I-图13K提供的示意图中的涂布系统包含圆柱形磁控管，其具有旋转管状靶和短圆柱形真空阴极电弧源作为电子发射器以用于远程电弧放电。图13I示出了使用类似于图13H所示的圆 柱形阴极电弧电子发射源的旋转靶磁控金属气相源830的整体视图，其被安置于阴极室832内。旋转磁控管830使用带有磁控溅射跑道834的旋转管状靶833，其面对涂布室内待涂布的基片(如图12D所示)。管状磁控靶833被位于磁控靶保持室836内的旋转机构保持。阴极室832位于磁控靶830的长侧的一端，而保持远程阳极842的远程阳极室840位于磁控靶830的长侧的另一端。图13I所示的变型中，沿着图13K所示的跑道834的两个长侧之间中间的中心线而对称地安置水冷管状远程阳极842，其典型地与磁控靶表面间隔0.5cm到5cm。用于冷却远程阳极842的水在远程阳极室840处通过水冷插孔850和852而提供，如图13J所示。短圆柱形阴极电弧源包含圆柱形消耗性靶854，防止阴极电弧点从圆柱形靶854上的电子发射区逃逸的截头圆锥形金属保持器856和陶瓷圆盘858，被安置于大体平行于磁控靶830的小尺寸的阴极室832罩的860内。圆柱形阴极电弧靶的线性尺寸范围是从磁控管跑道834的宽度(小尺寸)磁控溅射管状靶830的直径。电子发射阴极的对齐提供了沿着远程电弧放电流动的电子均匀地覆盖在磁控溅射跑道834前方的磁控管放电区。操控磁线圈862位于圆柱形阴极靶854的相对端，用于操控沿着阴极靶上蒸发区的真空阴极电弧点。罩860被面对磁控管跑道834的相同侧的挡板屏866盖住，使得由阴极电弧源发射的电子能够流向远程阳极840以及电离由磁控溅射靶830沿着跑道834所产生的金属原子溅射流。

在图13I，图13J，图13K中的实施例的进一步的变型中，远程阳极能以图13L横截面所示的方式来围绕溅射区域。本发明的实施例可用于增强磁控溅射和二极管溅射，其不需要在溅射靶前方的致密溅射放电等离子体的磁控管磁系统。图13L-图13M示出了远程电弧辅助二极管溅射(RAADS)实施例。在图13M横截面所示的视图中，二极管溅射源830’由封闭在屏蔽1301内的被溅射靶1300构成。靶1300被远程阳极1303围绕，被屏蔽1305与周围等离子体环境隔开，使其阳极仅在面对阴极的一侧上对放电等离子体开放。在这种情况下，被在侧上的阳极壁1303和在后圆锯端的溅射靶1300所限制，对涂布室内的待涂布的基片开放的放电腔1304(与图12A所示的布置类似)形成在溅射靶前方。磁线圈1307可选的被封闭在阳极屏蔽1305内，以用于增加放电腔1304内的等离子体密度。二极管溅射放电位于二极管阴极靶1300和远程阳极1303之间，由在电压源模式下工作的高电位低电流电源1321供电。放电的点燃电压的阈值为大约200-300伏特，取决于靶材料，在来自二极管放电等离子体的离子轰击的情况下，由来自靶的次极电子发射攻击决定。由可安装在真空室内任何地方的屏蔽电子发射阴极电弧源1309提供远程电弧辅助模式。图13L所示的电子发射阴极电弧源832包括带有操控磁线圈1310的阴极靶1309。阴极组件被封闭在内具有人形盖1313的罩1311，其对重粒子(阴极靶1309所发射的原子，离子和宏粒子)是不渗透的，但是允许电子流自由地流向真空室。由主电弧电源1317供电的主阴极电弧在阴极靶1309的蒸发表面上被点燃器1315点燃。The电子流阴极电弧源832所发射的电子流被远程电弧电源1319导向远程阳极，电弧电源1319一般具有比主电源1317更高的开路电压。此外，二极管1323被安装以防止二极管电源1321和远程阳极电源1319之间的干扰。远程电弧提供了在阳极腔1304内的高密度放电等离子体，即使当二极管溅射放电没有被点燃。当二极管放电或远程阳极电弧放电或者两个都被激活，腔1304变得被高密度等离子体填充，形成空心阳极效应，极大地增加了阳极放电腔1304内的等离子体密度。当磁线圈1307被打开，其由远程阳极1303的壁产生交叉ExB场(图13L，图13M中箭头所示)，产生绕阳极壁1303的电子漂移速度为v_ed的闭环电子漂移电流，其极大地增加腔1304内气态金属溅射流的气态和金属成分的电离。具有高度金属离子的金属溅射-气态等离子体流经腔1304的开口流向涂布室内待涂布的基片。图13M的本实施例中使用的主阴极电弧源可以与之前的图13H-图13K中所示的设计相同。磁控管磁系统例如磁轭还被 安装靶1300之后，以进一步地增加溅射靶1300的离子轰击强度，并因此提高金属溅射涂层沉积工艺的产率(如图13I，图13J，图13K所示)。在二极管和磁控溅射实施例中，远程空心阳极效应增加了金属离子的通量，其使得沉积金属溅射涂层的功能性质得到改善。

参照图14A-图14C，示意图示出了涂布系统变型包含宏粒子过滤器。在该变型中，采用了美国专利申请No.2012/0199070中阴极室的设计，其中的全部内容以参照的方式被结合到本文中。系统880包括阴极室884，其被配置成宏粒子过滤器。阴极室884包括偶数个管组件，其对称地绕长条阴极886而安置。图14A和图14B所示的变型包括四个管组件，即管组件888、890、892、894，其有效地形成一个绕阴极886的罩896。管组件888、890、892、894定义管道900、902、904、906，通过该管道，正电荷的离子被从阴极靶986引导向基片20。管组件988、990、992、994定义用于引导等离子体的磁场。管组件的每一个均包括支持元件910和挡板元件912用于阻挡宏粒子。在一个改进中，挡板元件912包括用于增强过滤宏粒子能量的凸出914。电气接线柱916、918被用于连接到电源从而使得管组件被电气偏置，用于排斥带正电荷的离子。当管组件888、890、892、894被相对于阴极886正偏置，其还用作主阳极以用于建立在阴极室884内的主电弧放电。管组件888、890、892、894还能被隔离以及具有浮置电势。在这种情况下，电弧操控电磁线圈(未示出)可用作相对于阴极886的主阳极，以用于点燃阴极室884内的主电弧放电，如上文参照图14B所述的本发明的实施例的。参照图14C，示意性立体图示出了阴极室罩过滤器组件896。过滤器组件阴极室罩896由一组管组件888、890、892、894制成，其平行于阴极886，最好是具有杆的形状，但也可以被制成具有任意多边形横截面的条。在过滤阴极电弧涂层沉积工艺期间，过滤器被电激活通过沿着管组件888、890、892、894传输电流以建立磁场。

仍参照图14A-图14C，可选地，通过把电流传输通过管组件来产生磁场。尤其地，邻近的管组件产生具有相反次极的磁场。箭头920、922、924、926表示电流流动产生磁场的流向。箭头表示在相邻的管组件中电流的方向彼此相反。这种方式所产生的磁场具有垂直于长条阴极表面的定向和把电流传过管组件而产生的等离子体引导导通的力量。在过滤电弧沉积模式下，从阴极986发射的金属气相等离子体经过管道在组件间通行，从而使得不需要的宏粒子和中性金属气相成分被消除，把100％电离金属气相等离子体传输给基片。

在远程阳极电弧等离子体放电(RAAD)模式，电流不能导通通过管组件888、890、892、894，而金属气相等离子体提取磁场不会产生。在这种管道消极模式下，阴极886的表面所发射的电子能够自由地通过管道900、902、904、906，其在阴极室884的阴极886和远程阳极930、932和934之间导通RAAD电流，围绕沿着涂布系统880的室壁906安置的磁控源936、938和940。同时，管组件888、890、892、894被用作阻碍来阻挡从阴极886发射的重粒子(例如金属气相原子，离子和宏粒子)以防止其到达基片。RAAD等离子体在系统880的处理区域内电离或激活其中安置有基片的等离子体处理环境。这提供了进行离子等离子体净化，离子植入离子氮化和远程电弧辅助磁控溅射(RAAMS)的能力，产生具有高级性能的等离子体处理产品。

参照图15A，示意图中的阴极室还用作宏粒子过滤器。该设计类似于图13A所示的设计，并且可用于替换图14B的顺排涂布系统的阴极室。在该变型中，阴极室包括一组磁刀片1010，其围绕圆柱形阴极电弧源986轴向地安装。在一个改进中，刀片可绕旋转轴1020而旋转。图15B的横截面视图所示的圆柱形阴极电弧源986包括圆柱形阴极靶1026，其由将被真空阴极电弧蒸发工艺蒸发的材料制成，并且围绕磁线圈1028。刀片1010的相同极性的磁极面对阴极986而刀片具有相反极性的另一端则面对待涂布的基片(图14A所示的)。刀片的电势应该被浮置或者否则相对于周围等离子体环境是正的，其产生电磁场把金属离子从挡板1010排斥开，有效地保持与金 属气相等离子体磁隔离的挡板，而中性金属原子和宏粒子能够自由地施加到挡板表面。当刀片1010几乎径向地与阴极986的半径对齐，或者与阴极986的半径成大体上小于45°的锐角，相邻的磁隔离刀片1010之间的空隙形成等离子体引导通道，用于传输圆柱形阴极电弧源486的阴极靶的蒸发表面上的阴极电弧点产生的金属气相等离子体1030，金属气相等离子体被沿着磁力线远离阴极486朝向待涂布的基片(图14A所示)而传播。阴极电弧点在阴极靶1026的蒸发表面上产生的金属气相等离子体流1030(图15B中箭头所示)沿着相邻的磁刀片1010之间的等离子体传输通道朝向待涂布的基片(图14A所示)传播。图15C-图15D示出的磁刀片，其被安置成与圆柱形涂布电弧源986的半径成30°角。在该位置，相邻的刀片1010之间形成的等离子体传输通道可渗透的以用于传输由阴极靶1026的蒸发表面的阴极电弧点所产生的金属气相等离子体的金属离子和电子流。金属气相等离子体沿着曲线磁场线在相邻的磁挡板1010之间传播。当刀片1010转到相对于圆柱形阴极电弧源986的半径大体上成大于45°和小于90°的角位置，相邻的刀片1010之间的等离子体通道，对于金属气相等离子体流1030是不可渗透的，但电子可自由地在相邻的刀片1010之间的空隙内(如图15F中虚线箭头1035所示)从作为电子发射器的阴极1026流向安装在涂布室内其它位置的远程阳极涂布室(如图14A所示)，从提供在涂布室内的远程阳极和阴极1026之间的远程电弧放电。图15E和图15F示出阴极组件的电子发射模式，其中刀片被安置成相对于阴极1026的半径60°角。

参照图15G，该示意图示出了具有旋转靶的使用一组等离子体导磁挡板的双向圆柱形阴极电弧源。在该设计中，阴极组件1036类似于图12D所示的具有旋转圆柱形阴极靶的阴极电弧源，但是可选地具有双磁轭1040，在旋转靶1038的相对侧上提供电弧点操控区域。屏蔽1042限制电弧点以防止其从磁轭1040的极之间的蒸发区逃逸。附加的屏蔽1051可选可以被安装在过滤阴极电弧源1036的侧上以困住宏粒子，防止其到达涂布室内待涂布的基片(如图14A所示)。金属气相等离子体在等离子体导引通道内沿着磁力线在相邻的磁隔离挡板1010之间传输，当它们被对齐靠近沿着阴极1036的半径的方向，或者更具体地，在与阴极靶1038的半径成范围为0°到45°的角时。在远程电弧放电模式下，挡板1010可以绕轴1020相对于阴极靶1038的半径成范围为45°到90°的角而旋转，以有效地关闭用于包括金属离子的重粒子的等离子体引导通道，但仍留出空隙以供电子从阴极1036流向涂布室中的远程阳极。图15H提供了类似于图14A所示的系统的涂布系统，其使用图15G的阴极室1036。涂布系统1052在两种模式下工作：当挡板1010被对齐而相对于阴极靶1038的半径成范围为0到45度角，在过滤阴极电弧沉积模式下工作，以及，当磁挡板1010和阴极靶1038的半径之间的角度范围45°到60°之间时在电子发射模式下工作。在过滤阴极电弧沉积模式，涂层被由圆柱形阴极电弧源1082的蒸发靶1038所产生的金属气相等离子体沉积，使用或者不适用由安装在涂布室408内的磁控溅射源1058、1060、1062所提供的磁控溅射沉积。在远程阳极电弧辅助磁控溅射(RAAMS)模式，由磁控溅射源1058、1060、1062所产生的电离磁控溅射来沉积涂层，在阴极靶1038和远程阳极1064、1066和1068之间传导的远程电弧来电离金属溅射流。

在另外一个实施例中，提供了根据如上所述的系统和方法所形成的涂层产品。参照图16A，涂层产品1100包括具有表面1104的基片1102和设置在表面1104上的涂层1106。在一个改进中，涂层保护性涂层。典型地，涂层具有稠密微结构和特征颜色。在一个改进中，涂层包括耐火金属，与氮，氧和/或碳反应以形成耐火金属氮化物，氧化物，或碳化物。耐火金属的恰当的例子包括但不限于铬，铪，钽，锆，钛和锆钛合金。氮化铬是一个特别有用的涂层的例子，其由上述制成。在一个改进中，涂层的厚度在大约1到大约6微米之间。参照图16B，其提供了氮化铬涂层的一 个变型，其是多层结构，由上述方法制成。涂层产品1108包括设置在基片102上的不反应性铬薄层1110，以及设置在不反应性铬层1110之上的较厚的化学计量氮化铬层1112。在一个改进中，多层结构进一步包括包括设置在化学计量氮化铬层1112上的中间化学计量氮化铬层的层1114。中间化学计量氮化铬1114具有由CrN(1-x)给出的化学计量，其中x是在0.3和1.0之间的数。在一个改进中，不反应性铬层1110的厚度在0.05和0.5微米之间，厚的氮化铬层1112的厚度为1到3微米，和中间化学计量氮化铬1114则是0.5到1微米。

虽然上文解释说明了本发明的实施例，但是并不是说上文给出了本发明的所有实施例和变型。相反，本说明书的文字仅仅是用于说明的目的，而不是用于限定，需要理解的是，在不背离本发明的精神和范围的任何改进都是落入本发明的范围的。