电弧源的制作方法

本发明涉及包括可变磁场的新型电弧源。

本发明的电弧源包括要被蒸发以产生涂覆材料以便在待涂覆基片表面上沉积涂覆膜的阴极材料和用于产生时间和空间可变的磁场以在涂覆过程中控制电弧运动轨迹的机构。本发明也涉及配备有本发明的电弧源的设备和使用本发明的电弧源的方法。

以下，术语“靶”也将被用来指称要蒸发的阴极材料。

在本发明的上下文中，术语“电弧源”被用来指称电弧蒸镀装置，其包括要作为要通过电弧放电作用被蒸发的阴极材料工作的靶。

发明技术领域

本发明属于电弧蒸镀装置领域，确切说，属于包括用于通过产生磁场造成电弧运动轨迹引导的机构的电弧蒸镀装置领域。

现有技术

电弧蒸镀设备通常除了室本身外还包括至少一个电极和一个阴极，在两者之间形成电弧。为了防止或减少电弧运动的随机性以便控制被蒸发的阴极表面的蚀除和减少液滴形成，已经研发出用于控制电弧运动的控制系统或磁引导系统。这些引导系统形成并改变影响电弧运动的磁场。有几篇专利或专利申请的公开文献描述了这种类型的不同系统。

goikoetxealarrinaga例如在申请号为12/097,28的美国专利申请中描述了一种包括磁引导系统的电弧蒸镀装置。在此文件中解释了该磁引导系统被设计用于允许阴极电弧的控制和移动阴极电弧经过阴极板的广大面积。确切说，磁引导系统应该允许引导阴极点(也称为阴极斑)。阴极点应该被理解为电弧击中阴极的点。通过使用该磁引导系统，该阴极点应该根据从实际上无限量的可行路径中单独所选的一条路径被引导。磁引导系统被设计成完全安放在蒸发室外。该电弧蒸镀装置包括作为阴极元件的蒸发靶(直径为100毫米的圆形蒸发靶)、设计成形成支座的铁磁芯和用于产生磁场的磁性装置。磁性装置包括中心柱和外围柱以及第一磁场产生机构和第二磁场产生机构，从而各自磁场分量形成对应于阴极元件的总磁场。

现有技术的缺点

当前可用的电弧源(即电弧蒸镀装置)的使用牵涉到以下缺点，用于调节所产生磁场以引导电弧运动轨迹且因此控制在电弧源内的靶面上的阴极斑路径的灵活性并不足以容许产生在涂覆过程中在相同电弧源工作期间内的阴极斑的随后不同路径的更准确调节的磁场的空间和时间变化。

本发明的目的

鉴于根据现有技术的电弧源的上述不足，本发明的主要目的是提供一种具有替代布置形式的新型电弧源，其允许产生磁场，该磁场不仅关于所产生磁场的局地性能随意可变，也可以关于所产生磁场的局地(空间)性能的变化的频率调节被随意调节。

本发明说明

为了达成上述目的，发明人提出一种根据本发明的新型电弧源，其被设计用于允许关于磁场配置的高度灵活性。这尤其在本发明的上下文中意味着空间分布和场强被设计成可被单独调节。这样一来，可以获得对于按轴对称配置的磁场的与高度磁体可调性范围相关的高度灵活性。

图5示出在可利用磁体配置来调节的轴对称配置范围内的不同的磁场。

具体说，根据本发明的电弧源(电弧蒸镀装置)包括：

-阴极组件，其包括冷却板11和作为阴极元件的靶1，优选是盘形靶但也可以例如是矩形靶，该靶1具有在截面方向厚度、布置成被蒸发的正面1a和背面1b，该正面1a平行于该背面1b，这两个表面通过靶1的厚度相互分开，该阴极组件具有在横向的总高度和在任何纵向的界定总尺度的边界，

-电极(图6a和6b未示出)，其按照已知方式布置用于允许能产生在所述电极和靶1的正面1a之间的电弧以使得该靶1的正面1a的至少一部分蒸发，和

-磁引导系统，其安放在该靶1的背面1b的前方，包括用于产生一个或以上形成总磁场的磁场的机构，该总磁场包含磁场线，所述磁场线延伸经过该靶1的截面并沿着在该靶1的正面1a前方的空间延伸以引导源自电弧与该靶的接触的阴极斑，当在该电极与该靶1的正面1a之间形成电弧时，在该电弧源内的磁引导系统包括安放在中心区的用于产生至少一个磁场的机构和在周边区内的用于产生至少另一个磁场的机构，其中如此产生的所述磁场形成用于引导电弧且控制在该靶1的正面1a处的阴极斑路径的总磁场，

其中：

所述机构包括一个用于产生一个磁场的位于中心区的电磁线圈c3和两个用于产生另外两个磁场的位于周边区的电磁线圈c1和c2。

尤其通过使用根据本发明的带有三个电磁线圈的磁体系统(也称为磁引导系统)的磁场产生的进一步说明:

根据正好前述的优选实施例的一个优选变型，该磁体系统只由电磁线圈制成(以下，该磁体系统也将被称为线圈系统)。

通过使用在电弧源内的包括安放在中心区内的用于产生至少一个磁场的机构和安放在周边区内的用于产生至少另一个磁场的机构的磁引导系统，如此产生的磁场形成了一个总磁场用于引导电弧并控制在靶正面1a处的阴极斑路径，图6a示意性示出对应于本发明电弧源的一个优选实施例的磁场产生机构在磁引导系统内的可能布置。在此优选实施例中，该机构包括在中心区内的用于产生一个磁场的一个电磁线圈c3和在周边区内的用于产生另外两个磁场的两个电磁线圈c1和c2。

图6a和6b都示出了根据正好上述的变型所概述的本发明的电弧源2。在此变型中，两个电磁线圈c1和c2被用于作为外(周)磁环。这两个线圈c1和c2应该如此布置，即每一个可以相互抵消。这两个线圈c1和c2例如可以被反向平行极化。c1与c2的关系(c1/c2)决定了磁聚焦。本发明电弧源的这个变型的线圈系统还优选包括安置在中心区内(中央区域)的第三线圈c3，它影响到靶心和磁场强度大小。此线圈系统可以产生与等效的永磁体布置相同的磁场并牵涉到以下巨大优点，即磁场强度可在没有任何磁体运动情况下被改变。

优选地，本发明的电弧源包括一个磁性系统，其包含多个电磁线圈和软磁性材料(也称为铁磁性材料)。对于此优选实施例，纯铁是很适用的软磁性材料。低碳钢也适合作为软磁性材料，甚至下述类型的铁磁性材料适合作为此优选实施例的软磁性材料。

铁磁性材料是软铁材料，其具有高磁化饱和度和低顽磁。在本发明的上下文中，优选可用的某些铁磁性材料是纯铁、armco纯铁、结构钢例如s235jr或者s355j2、马氏体铬钢如1.4021。更优选地，可以采用结构钢s355j2。

根据本发明的一个优选实施例，电磁线圈c1、c2和c3被软磁性材料20包围，如图6a所示。

根据本发明的另一个优选实施例，该磁引导系统包括如在图6a中示例性示出的那样围绕(或换言之环绕)磁场产生机构布置的铁磁性材料20。可以注意到，铁磁性材料20围绕该机构分布，但没有铁磁性材料20安放在所述磁引导系统和阴极组件之间。电磁线圈c1、c2和c3被软磁性材料包围。

图6b示意性示出本发明的另一个优选实施例，在此，铁磁性材料20没有完全围绕磁场产生机构。在此优选实施例中，安放在中心区内的电磁线圈(在此例子中是c3)的具有长度s的上部分及安放在周边区内但最靠近安放在中心区内的电磁线圈的电磁线圈(在此例子中是c2)的具有长度s’的上部分未被铁磁性材料20包围，形成了一个含空气的空间spc，由此允许源自所产生的磁场之和的总磁场显示出与不具所述含空气的空间spc的相似的电弧蒸镀装置相比有更多的平行于靶1的正面1a的磁场线。在使用该优选实施例时可推荐在3毫米≤s≤15毫米范围内的上长度s，此时靶直径在以下范围内：100毫米≤d1≤150毫米，且阴极组件的总直径在以下范围内：150毫米≤d≤200毫米。

关于上述的本发明实施例，重要的是考虑以下内容：

-需要线圈布置的冷却，并且

-软磁性材料须具有高饱和磁通密度和低顽磁。

通过改变根据本发明的具有三个电磁线圈的线圈系统的电流和极性的磁场形状的改变：

通过调节具有如图6所示地布置的三个电磁线圈的线圈系统，可以按以下方式调节振频使磁场振荡，即使得电弧被引导以在靶面经过，描画出具有不同直径的圆形电弧轨迹，如图7a-b所举例示出的那样。

图7a示出具有较大直径的圆形电弧轨迹，其允许蒸发靠近靶边界的靶面区域所含的靶材。图7b示出具有较小直径的圆形电弧轨迹，其允许蒸发靠近靶心的靶面区域所含的靶材。在图7a-b所示的例子中，铝被用作第一材料m1，其形成待蒸发的靶的外环形区，钛被用作第二材料m2，其形成待蒸发的靶的内区域。

根据本发明的一个优选实施例，该电弧源包括上述具有三个电磁线圈的线圈系统和靶，圆形靶包含至少两种如此分布的材料，即通过改变在靶面上工作的圆形电弧的直径，正被蒸发的靶材料被改变。

图8示范性示出由三种不同材料m1、m2和m3形成的圆形靶。第一材料m1被布置成形成靶的包括靶边界的外环形区，第三材料m3被布置成形成包括靶心的圆形，第二材料m2被布置成形成靶的位于由第三材料m3形成的中心区和由第一材料m1形成的外区之间的环形区。

为了蒸发包含在本发明靶中的、形成两个或三个或更多的环形部分或者环形部分和圆形部分的所述两种或三种或更多的材料，发明人提出使磁场振荡以引导电弧在靶面移动，描画出具有多种直径的圆形电弧轨迹，其允许根据所沉积的涂层的期望的成分和结构蒸发所述靶的每个环形部分或圆形部分所含的每种材料。

本发明的上述优选实施例例如可以通过改变振频来操作。

例如，至少在部分的涂层沉积期间，通过调节0赫兹的振频不会产生涂层沉积条件的变化。在这样的情况下，可以沉积显示出恒定的涂层性能的涂层。因此，人们可以沉积包含一层以上的涂层系统所含的一层，或者人们也能沉积单层涂层。

此外，通过调节高于0赫兹(>0hz)的振频，可以沉积包括在该结构中周期性重复的不同的单独层的多层涂层，每个单独层具有预定层厚，包含在纳米范围内的厚度，这使得制造纳米层涂层和多纳米层涂层变得可行。

通过根据本发明使用这三个线圈c1、c2和c3，可以调节振频至50赫兹，即对应于在0-50赫兹之间的值。

根据本发明电弧源的优选应用，该电弧源通过将振频调节至具有0.1赫兹或以上的值、例如在0.1赫兹与10赫兹之间或者在0.1赫兹至50赫兹之间的值来工作。

根据本发明电弧源的进一步优选应用，该电弧源通过将调节振频至具有10赫兹或以上的值、例如在10赫兹与50赫兹之间的值来工作。

通过如此操作本发明的电弧源，可以在不同的磁场形状之间振荡。

与本发明电弧源的这种操作有关的特殊优点是：

-得到振荡等离子体性能的混合，其可以被用来产生具有显示出可变结构的架构体系的涂层。例如包括具有不同成分和层厚的层的多层结构。

-通过更好地控制所期望的阴极路径来获得改善的对靶蚀的控制。

-避免电弧斑刻蚀入靶中，尤其当利用金属制靶进行非反应性涂覆工艺时或通常当采用由具有很小电弧斑数量的材料(如金属或碳)制造的靶时；

-通过使用相同的电弧源来产生纳米层结构。

另外，为了允许安放电弧源形成更密集组装的布置以改善效率，根据本发明的电弧源(电弧蒸镀装置)可包括围绕屏蔽15，其中该阴极组件的边界包括由铁磁性材料制造的围绕屏蔽15，其中围绕屏蔽15在横向上具有总高度h，总高度h包含一个分量c，该分量用于产生在任意纵向上延伸的磁场线的屏蔽作用，由此使得阴极组件的边界成为在任意纵向上的磁场线延伸的极限。

为了选择围绕屏蔽15的总高度h的合适的分量c须考虑阴极组件尺寸。

例如就像在图6a示意性所示的例子中那样在阴极组件具有包括具有靶直径d1的盘形靶的对称结构并且阴极组件具有总直径d的情况下，用于围绕屏蔽15的总高度h的分量c的一个可推荐的值可在以下范围内：d/20≤c≤d/5。

根据本发明的一个优选实施例，靶直径在以下范围内：100mm≤d1≤150mm，阴极组件的总直径在以下范围内：150mm≤d≤200mm。

图9示出通过使用五个本发明的电弧源所沉积的altin涂层的沉积率(按任意单位)的高度一致性，这五个本发明的电弧源沿涂覆室壁高度以相比于使用三个沿相同涂覆室壁高度分布的本发明的电弧源更密集排布分布的方式分布。在两种情况下采用相同涂覆参数以便可做对比。可以看到，在两种情况下都可以获得高度一致性，但尤其在使用更多数量的电弧源、在此情况下是使用五个电弧源时而获得了更高的一致性(即<±10％的较低的不一致性)。

图10示出沉积速率(按照任意单位)之间的比较，通过采用含非本发明的电弧源的涂覆配置和采用含本发明电弧源的涂覆配置。所述沉积速率按照每条涂覆线来考虑。通过使用具有本发明的电弧源的布置结构获得了约2倍的沉积速率增加。

图11示出关于涂层体积/蒸发材料所计算的涂覆效率之间的比较，通过采用包含非本发明的电弧源的涂覆配置和采用了本发明的电弧源的涂覆配置。通过使用带有本发明电弧源的布置结构获得了自靶蒸发出的材料的使用率的大约50％的增加。它意味着，从自靶蒸发出的材料中，大约50％更多的通过使用本发明的电弧源沉积在待涂覆的基片表面中。

图10所示的结果：

-对于非本发明的例子：两个非本发明的电弧源，每个包括具有150毫米直径的靶并且使用150a电弧电流来工作，这两个非本发明的电弧源沿着涂覆室壁的400毫米高度布置。

-对于本发明的例子：三个本发明的电弧源，每个包括具有150毫米直径的靶并且使用150a的电弧电流来工作，这三个本发明的电弧源沿着涂覆室壁的500毫米高度布置。

因为采用三个本发明的电弧源代替了两个非本发明的电弧源，故预期有1.5倍的沉积速率增量，但增量高了许多，因为它大致是2倍。这些结果提供了可使用本发明的电弧源获得的显著效率优势的证明。

图11所示的结果：

-对于非本发明的例子：两个非本发明的电弧源，每个包括一个具有150毫米直径的靶且利用200a电弧电流来工作，这两个非本发明的电弧源沿着涂覆室壁的400毫米高度布置。

-对于本发明的例子：三个本发明的电弧源，每个包括一个具有150毫米直径的靶并且利用200a的电弧电流来工作，这三个本发明的电弧源沿着涂覆室壁的500毫米高度布置。

在每种情况下(即当使用非本发明的电弧源时和在使用本发明的电弧源时)，效率通过计算涂覆量除以总蒸发材料的关系来确定。为了计算，沉积在涂覆基片上的涂层的总量和从靶中蒸发出的全部材料被确定。全部蒸发材料通过测量在涂覆后在每个靶中的蚀除情况并将对应于每个靶所蒸发的材料的蚀除量相加来确定。通过使用本发明的电弧源获得了约1.5倍的增量。这些结果提供了可利用本发明电弧源获得的可观效率优势的证明。

通过选择一个或以上的特征用于构建新颖而有创意的上述电弧源，可以分别达成以下目的中的一个或更多：

通过使用相同类型的电弧源以得到下述进一步目的的结合：

-高效率和高生产率，

-磁场变化的高度灵活性，

-在反应性气氛中高效工作，不管反应性气体是气体电离或低电离的，例如如果需要高度电离氮气或低电离氮气，

-沉积任何类型的涂层如氮化物、氧化物、碳化物或其组合的灵活性，

-因提高在电弧源工作期间的整体效率而降低工作成本，尤其是通过：

о提高能效，

о提高与从阴极材料蒸发出的涂层材料的最大使用率相关的效率，

о提高涂覆膜沉积速率，

发明人进一步提出构造电弧源，其可以允许更靠近待涂覆基片表面地且更密集排布地安放电弧源以改善效率。

这样，可以例如通过如下方式提高效率：

-减小待蒸发阴极材料与待涂覆基片表面之间的距离，即获得更小的基片距靶距离，

-通过安放更多阴极增大待蒸发的阴极材料的表面，每个阴极在包括待蒸发的阴极的涂覆室壁的区域内相互靠得更近，即获得电弧源的更密的排布，

-提高所用磁性部件的灵活性和性能以允许磁场更好聚焦，即获得更集中的磁场，

-减小待蒸发的阴极材料的表面，尤其是减小靶直径，如果采用圆形靶，即较小的靶直径。

为了更好地解释关于在本发明的上下文中的效率增加的某些上述方面，图1和图2示出两种不同的涂覆室配置。在图1中，两个分别具有直径db的圆形靶1与待涂覆基片3间隔一段距离lb地安放在涂覆室内。在图2中，三个分别具有直径ds的圆形靶1与待涂覆基片3间隔一段距离ls地安放在该室内。图2示出因为阴极之间距离更短而电弧源排布更密的涂覆配置，和甚至可以使用更短的阴极距基片距离(lb>ls)的可能，这尤其在也采用较小的靶直径(db>ds)时是可行的。这例如可通过观看并比较如图1和图2所示的配置的示意图来看到。

通过使用本发明电弧源的上述实施例，可以克服现有技术的缺点并获得以下优点：

-管理源之间的“串扰”(术语“串扰”意味着磁场串扰，即在两个或以上的电弧源的两个或以上磁场之间的磁干扰)，

-研发一种具有新性能的新型电弧源，其不管怎样能与可获得的磁性系统和可获得的arc蒸镀技术兼容。

-采用具有较小直径的靶(尤其因为在设计一个或多个合适阳极和设计适用于产生磁场的磁性系统时的难度)。

使用围绕屏蔽(在本发明的上下文中也被称为集成于高导磁回路中的磁屏蔽)的进一步说明：

根据本发明的新型电弧源容许实现如下的电弧源布置(也称为阴极布置)，其通过使用如图3b所示的封闭磁场而显示出狭窄的源间距离。

如已经在上面解释地，根据本发明，可以通过给电弧源配备软磁性材料屏蔽(也称为由铁磁性材料制造的围绕屏蔽)例如软铁屏蔽或低碳钢屏蔽来获得封闭磁场(以下也称为分流磁环路)。这样一来，该场发生机构的软磁性材料分流(如软铁分流)可以超过10倍地减少磁干扰。通过使用本发明的电弧源结合上述的软磁性材料屏蔽(尤其是围绕靶的软铁屏蔽或低碳钢屏蔽)和具有较小直径的圆形靶，可以允许靶的更密集排布。这种组合也对于轴对称阳极限定是重要的，尤其因为这样一来可以采用一个或以上的围绕圆靶并在所有方向上有相同作用(换言之，在所有点处对称地形成阳极)的环形阳极靶。

图3示出使用根据现有技术的开放磁环路(见图3a)与使用根据本发明的封闭磁场(见图3b)之间的比较。

从此示范例子中清楚看到，使用如图3a所示的开放磁环路，这将会在相邻源相互紧邻安放的情况下导致与相邻源的干扰。

换言之，如果第一电弧源通过使用开放磁环路来工作，则某些磁力线将会沿着径向距离在电弧源10的靶1旁边延伸。这些磁力线将在本发明的上下文中被称为外磁力线mle，并且它们在图3a中被示例性示出。从该例子中清楚看到，如果一个相邻源安放在被另一源的外磁力线mle所占据的区域所包含的径向距离处，则它将会导致与相邻源的干扰。

为了更好地解释本发明，在电弧源10旁的、外磁力线mle沿着延伸的径向距离将被称为含外磁力线的径向距离并且将标示为lrdmle，就像在图3中示出的那样。

根据本发明，采用封闭磁场，就像在图3b中举例示出的那样。在此情况下，不会有外磁力线mle在径向上在电弧源10旁沿着大距离延伸，因此，该含外磁力线的径向距离几乎为零，lrdmle＝0。这样一来，可以相互间径向挨得更近地安放两个或以上的源，而没有造成与相邻源的任何干扰。

图4示出磁场线图，其是考虑到使用两个圆形靶所产生的条件计算出的，每个靶的直径为100毫米并且所述靶以靶间距离约为150毫米的方式安放(以下，靶间距离也将被称为tt距离--该距离应被理解为径向上两个彼此相邻布置的靶之间的距离，其中该距离是沿径向从两个相邻靶之一的中心点到另一个相邻靶的中心点测量的)。

在图4中，可以观察到在采用具有开放磁环路的电弧源(无软铁屏蔽)和具有分流磁环路(有软铁屏蔽)的本发明电弧源时的磁场大小沿径向分布的区别。在采用具有分流磁环路的本发明电弧源时，磁场大小在小于150毫米的tt距离处因软铁屏蔽的作用而可被忽略或被完全抵消。相反，当使用具有开放磁环路的电弧源时，磁场大小在至少250毫米的tt距离处才可被忽略。

根据本发明的新型电弧源也可被设计用于允许关于磁场配置的高度灵活性。这尤其在本发明的上下文中意味着场的空间分布和场强被设计成其可以被单独调节。这样一来，可以获得与轴对称配置中的磁场高度磁体可调性范围相关的高度灵活性。

图5示出在可利用磁体配置来调节的轴对称配置范围内的不同的磁场。

本发明也涉及通过使用根据本发明的电弧蒸镀装置来执行的涂覆方法。

特别是：

-涂覆方法，其通过使用根据前述实施例之一的电弧蒸镀装置来执行，其中该电弧蒸镀装置通过调节所述三个电磁线圈来工作，所述三个电磁线圈构成产生磁场振荡的线圈系统，由此调节振频以引导在靶的正面1a经过的电弧，电弧画出具有不同直径的圆形电弧轨迹。

-如紧接前面所述的涂覆方法，其中采用圆形靶，其包括形成待蒸发的靶的外环形区的第一材料m1和形成待蒸发的靶的内区域的第二材料m2。

-如紧接前面所述的涂覆方法，其中该靶包括如此分布的两种或以上材料，即通过改变在靶表面处工作的圆形电弧的直径，正被蒸发的靶材料被改变。

-如紧接前面所述的涂覆方法，其中所述至少两种材料是铝和钛。

-任意上述的涂覆方法，其中在电弧蒸镀装置工作期间所形成的涂层显示出多层结构，优选是纳米复层结构。