改进的电弧汽相淀积方法及设备的制作方法

专利名称:改进的电弧汽相淀积方法及设备的制作方法
本发明主要涉及物理汽相淀积，尤其涉及一种用于电弧汽相真空淀积涂层工艺的改进方法及设备。
汽相淀积涂层工艺通常分为“化学”和“物理”汽相淀积。它们都有一个淀积或喷涂室，在其中，生成了涂层材料的等离子体，且等离子体投射向欲涂敷的基片。用于基片的涂层以及基片的形状和材料极多，包括瓷器或陶器材料上的装饰涂层，半导体片表面的电路连线以及切削工具和轴承表面的耐磨涂层。相似地，所用的涂层材料的物理特性和性能变化也很大，它包括导电涂层，半导体涂层以及形成电绝缘体的涂层。
化学汽相淀积通常涉及这样一种汽相淀积工艺方法，其中，活性气体分子被引入淀积室并以反应形成包括涂层等离子体的气体混合物。在淀积“进行”之前，可抽空淀积室以清除该室的杂质。但通常，化学汽相淀积是在大气压或正压(高于大气压)环境下进行的。就是说，在典型的化学汽相淀积技术中，等离子体从反应源到基片不是作直线或视线路径运动的。反之，物体汽相淀积工艺通常要求在淀积工艺之前抽空淀积室并在淀积时维持负压。在抽空该室之前，至少一部分将被淀积的涂层材料是在淀积室中作为固态源材料，而且由转换固态源材料成为涂层材料的等离子体的一种能量激励源所作用。涂层材料一旦转换成等离子体时，在有效地将它们淀积在基片上之前，可将涂层材料和反应气体或其他元素在室中混合以形成涂层化合物及分子。涂层材料等离子体主要包括原子、分子、离子、离子化分子和分子的团块。
物理汽相淀积室中的基片涂层主要是由“视线”淀积方法，通过从涂层材料源到基片的等离子体颗粒的传输而实现的。电磁场可以用来改变或限定等离子体涂层材料流的形状，也可对淀积室的其他部分或基片施加电偏压，以便将等离子体的离子化组分吸到基片上。将固态涂层源材料转换成气体/汽化等离子体的最常用物理汽相淀积技术是1)电阻或感应加热;2)电子或离子束轰击;3)电弧。
当采用电阻或感应加热技术时，涂层源材料由外部加热源或通过涂层源材料的大电流使其到达熔点。源材料，或部分源材，首先熔化为液态，然后蒸发成为汽态以形成涂层材料等离子体。而在采用电子和离子束轰击技术时，通过用一高能量的电子和/或离子束轰击涂层源材料(固态)，而生成了涂层源材料的熔池。在这类技术中，固态源材料被称为“靶”，离子和/或电子被向靶加速。轰击电子和/或离子将有效的动量给予靶源涂层材料，使得原子、离子、分子、离子化分子和分子团块以涂层材料等离子体的形式离开靶源材料。由上述两种物理淀积方法产生的涂层材料等离子体颗粒的能量是相当低的。
本发明涉及第三种物理汽相淀积技术(即电弧技术，也称之为阴极电弧汽相淀积)。在电弧物理汽相淀积中，电弧穿过并保持在涂层源材料和阳极之间。该涂层源材料一般是被电偏置而作为阴极的，而阳极与阴极源材料隔有一定间距。电弧可带有强电流，其典型范围是从30～几百安培，并提供了汽化涂层源材料的能量。在电弧“接触”阴极处的表面，可见到电弧的末端，它通常被叫做“阴极亮点”，在同一时间，根据电弧的电流大小可在阴极表面同时存在一个或多个阴极亮点，它们穿过源材料表面运动并立即使涂层源材料汽化成涂层材料等离子体。电弧产生的等离子体通常给予固态源材料远远大于电子束、离子轰击或电阻、感应加热技术所产生的能量。电弧技术对商业涂层应用最具诱惑力，尤其是在切削工具、轴承、齿轮等的表面耐磨涂层的经济生产更是如此。
在授予Snaper和Sablev等人的美国专利3625848和3793179号中公布了一些熟知的电弧汽相淀积技术。在某种程度上讲，在这些专利中公开的电弧淀积方法和设备与本发明的叙述和理解有关，因此，在此将其作为参照。3，625，848号专利主要叙述了一种涂层等离子体束枪技术，其中，借助于在损耗阴极和与之相邻、但是电绝缘的特殊形状的阳极之间的放电电弧，来产生等离子体束。3，793，179号专利公开了一种电弧汽相淀积工艺，其中，一个适当形状的阳极外罩，并且损耗阴极的汽化表面与阳极罩相对。本发明提供了一种这两种现有技术结构都可使用的方法和设备。
通常，现有技术的电弧汽相淀积设备只考虑两个电压，即阳极和阴极的偏置电压。例如，在3625848号专利的设备中，阴极相对阳极有一负偏压，阳极和该阴极都位于汽化室中。实际上，电极的偏置主要是把阳极接地或接一参考电位，并通过对阴极提供一个负偏压完成的，淀积室被解释成无偏压或浮动。当这种结构在实验室条件下从理论上完成时，在商业实施中，淀积室一般由导电材料构成，或者在淀积进行期间，用导体涂层材料涂在非导电室的内表面，这使得难以实现电隔离和阳极/阴极偏置电路的浮动。此外，在室中其他导电表面或金属室的电浮动使得在淀积进行期间，引起在室中更多游动电子的累积。过些时候，这些电子积累在导电表面建立了一个电荷面，就会在室内产生不希望有的微电弧，换言之，如果该表面与参考电位或地电位相连，以避免表面电荷积累，该表面就会起着附加阳极的作用，从而偏离3，625，848号专利提出的原理。
根据3，793，179号专利构成的电弧淀积结构中，阳极或其部分可以置于阴极表面的平面之下。例如，当导电淀积室壁与阳极相连时，该阳极几乎可以完全围绕阴极结构。在这一例子中，低电弧电流使阴极亮点具有偏移理想阴极汽化表面的趋向。如果此偏移的阴极亮点在一个不是所希的阴极汽化表面时，它“看到”阳极的一部分，则它可以继续存在于该表面处从而朝着不是要被喷涂的基片方向发射涂层等离子体，从而从所希阴极汽化表面中减去汽化电弧能量。当在阳极和不希望汽化的阴极表面之间加上护罩以限制所希汽化阴极表面的阴极亮点偏移时，这种护罩的位置应很精确而且要仔细地加以维护，在淀积进行时，护罩本身会被导电材料所涂覆。这种涂层，如3，793，179号专利所述，可以降低护罩的效率，在极限情况下，它将导致阴极和护罩之间的电短路。
本发明提供了一种针对现有技术的上述问题和关系的简单有效方法。本发明超出了电弧汽相淀积现有技术结构所述的一个阳极/阴极偏压，这是通过提供相对偏压法和设备来实现的，所提供的方法和设备有助于稳定系统中的电弧，减少汽化部件和周围室壁之间的电弧，并禁止阴极亮点偏离所希的阴极汽化表面。本发明的实现可以提供上述优点，与此同时，把朝向欲涂覆基片的涂层材料等离子流的离散减至最小。本发明的这些优点和其他特性将在说明书中给予更为详尽的描述。
本发明的原理可用于各种电弧汽相淀积设备。尤其是，它更有利于较低功率电弧汽相淀积工艺，例如，通过电弧的电流小于50安培的情况。在这类低电流情况下，由于阴极亮点偏离所希阴极汽化表面，从而在阳极和阴极之间保持稳定的电弧放电成为问题。
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于电弧汽相淀积设备的工艺方法，其中的基片借助涂层材料源和阳极之间的电弧形成的涂层材料等离子体在抽空的淀积室中进行被覆，所述的涂层材料源由电弧消耗并作为该系统的阴极。在这类电弧汽相淀积设备中，本发明的方法包括下列步骤a)对淀积室抽真空;
b)在抽了真空的室中，建立阳极和消耗涂层材料源阴极之间的第一电位差及电返回通路，此电位差是足够大以保持阴极和阳极之间的电弧放电;
c)激发阴极和阳极之间的电弧;
d)在抽真空室中的至少一个导电表面和阴极之间建立第二电位差，该电位差之值稍小于第一位差，所以相对于阴极来说，阳极比上述的那一个导电表面具有更正的偏压;
e)在阳极和上述那一个导电表面之间提供一个电流通路;
f)相对于消耗阴极构制和设置淀积室中的阳极，使得由所述电弧从所述阴极放出的电子被吸引向所述阳极比被吸引向上述那一个导电表面更多。
用来建立相对阴极的第二电位差的导电表面至少可以形成真空室内壁的一部分，或可形成导电真空室整个内壁。但是根据本发明的原理，更有意义的是，如果室壁作为所述的一个导电表面来偏置，则至少真空室内壁部分作为一个导电表面而置偏压，该内壁部分延展在阳极和阴极的所希汽化表面的平面之间的区域。由于电弧轰击的原因离开阴极表面的电子通常会被任何正偏压导电表面所吸引。但是，根据本发明的原理，对第一阳极部件施加比室周围壁更正的偏压，并且构制和设置加有偏压的阳极结构的位置，以便使该阳极结构更易于吸引离开阴极表面的电子，结果，这些电子将优先被吸向第一阳极部件。将阳极构件放在所希的涂层等离子体流方向上，但不要过多地阻碍流向将被涂覆的基片的等离子体，则由于离开阴极亮点的大部分电子将在一个方向上被吸引(在该方向，更趋于将阴极亮点拉向所希的阴极汽化表面)，所以阴极亮点具有保持在所希阴极汽化表面的趋向。
根据本发明的一个实施例，通过一个电阻性导电通路而在阴极和一个导电表面之间建立了电位差。最佳实施例的电阻性导电通路包括其阻值范围为1～300欧姆为好，而且最好是在1～10欧姆的电阻网络。电阻网络可包括可变电阻装置或电压源或一电源。根据本发明的最佳实施例。使相对偏压网络控制电流流过阳极和一个导电表面之间的电流通路，以便该通路中的电流小于总电弧电流的10%为好，且最好小于5%，或甚至可小于总电弧电流的1%。
为了使第一阳极对离开所希阴极汽化表面的电子有选择地影响，根据本发明的一个实施例，阳极被置于面向所希阴极汽化表面之处，以此方法，可从阴极看到的阳极的最外面部分延伸出通常与所希汽化表面正交的垂直平面，可通过这一表面的周围边界区域，其距离大约等于或小于阳极和所希阴极汽化表面之间的工作间距的1/2。
根据本发明的另一方面，提供一种在抽真空的汽相淀积室中进行的电弧汽相淀积工艺过程中的一种方法，即把电弧阴极亮点保持在阴极源材料的一个所希汽化表面上，而提高电弧稳定性的方法，此方法包括a)在一个抽真空汽相淀积室中的第一阳极与涂层源材料的消耗阴极之间，激发起一电弧从而在阴极的所希汽化表面上产生一个或更多的阴极亮点;
b)相对于阴极，给所述第一阳极加正偏电压，以便维持在其间的电弧，以及c)用以下方法使阴极亮点保持在所述阴极的所希汽化表面上1)在汽化室内非第一阳极的至少一个导电表面加电偏压，导电表面位于从阴极源材料的暴露的工作表面的视线上，此表面相对于所述阴极比所述第一阳极具有稍小的正电压。
2)如此接近地相隔且面对所希的阴极汽化表面，构制和设置第一阳极，这样，至少有一部分所希阴极汽化表面正对着第一阳极的有效部分;其中，在阴极亮点上离开阴极的电子首先被拉向第一阳极，而不是拉向这个导电表面，由此，阴极亮点就会保持在所希阴极汽化面上。
本发明包括第一阳极结构，其中，将被涂覆的基片置于第一阳极和阴极之间，或第一阳极置于阴极和将被涂覆的基片之间，在后一种设置中，构制第一阳极，以使阴极发射涂层材料粒子运动的阻力最小，从而使最大量的这种粒子可到达基片。
本发明不仅包括阳极安置的方法和保持阴极亮点位于所希阴极汽化表面的装置，还包括实施该方法的电弧汽相淀积设备。
在相应于真空中进行电弧汽相淀积的特殊已知技术对本发明进行描述时，应该知道，本发明并不限于应用这些已知技术。类似地，尽管本发明的实施例是根据的结构来描述的，但应知道，这个描述自然是概括性的，而且本发明不会因使用了这些简图而在理解上受到限制。虽然是相对于特定的阴极金属和材料而描述本发明的，但应知道，本发明不限于应用这些材料和金属，而也同样可使用未在这里描述的材料和金属。此外，尽管本发明的最佳实施例是相对于特定的电压和极性叙述的(正如结构说明中所采用的)，但不能限制性地理解这种应用的说明，所有的变换和变型都应包括在本发明的范围之内。应该知道，本技术领域：
中的技术人员能很容易地发现说明书的以上或以下部分中未具体描述的本发明的变型，但这些变型显然属于所附的权利要求
书的范围之内。
参考附图，其中所有视图的相同数字表示相同部分图1为实际汽相淀积室装置的示意图，它说明按照本发明最佳实施例而配置的电弧汽相淀积结构的基本部件。
图2为图1中所示的相对偏压功能器件的最佳部件示意图。
图3为图1的汽相淀积室装置的阳极部分和阴极部分放大的示意图，它更详细地说明来自阴极的电子流。
参考附图，图1总体地说明了能够应用本发明的电弧汽相真空淀积系统。要强调的是，图1仅仅是这种系统的示意图，它总体地示意说明与讨论本发明有关的电弧真空汽相淀积系统的基本部分，而决不是详尽的。要得到电弧真空淀积系统及其不同部分的更详细说明，可参考授予Sablev等人的美国专利第3，793，179号、授予Brandolf的4，485，759号、授予Bergman等人的4，448，799号以及授予Snaper的3，625，848号。这些附加的公开对理解本发明是必需的，在这个意义上，这里引用了这些专利公开和教导。
参考图1，那里示出了总体地用10说明的汽相真空淀积室，该室具有一个第一室壁部分10a和第二室壁部分10b，10a和10b适当地连在一起(未说明)，以形成一个限定淀积室的封闭内腔11。在该淀积室中，要对基片进行涂覆。用12概略说明的真空排气系统通过出气口11a与内腔11连通，而且正如本领域技术人员所知的那样，用来适当地对淀积室抽真空。在淀积过程中的不同工艺过程步骤中，供将活性或惰性气体加入到内腔11之间的装置用13概略说明，它利用进气口11b与内腔11连通。其它一般用途的进气口和出气口可提供至内腔11的通道，在这里未说明或描述。
图1中被称作“阴极”的涂覆材料源15表示汽相淀积涂覆工艺过程中的涂覆蒸汽或“等离子体”源，也表示电弧发生设备的一个电极。在电弧汽相淀积系统中，这样的涂覆材料源一般表示一种诸如固体形式钛的涂覆材料的实际物质。源材料的实际形状能够由圆柱形改变为矩形，变为不规则形状。源材料类型也可以有较大的不同，从导体到半导体或到绝缘体。在本发明最佳实施例中，源材料是导电金属，且最好是钛。利用适当的固定装置将源材料15安装在淀积腔11中，该固定装置用16概略地表示，它具有至少一个穿过室壁之一向外伸出到大气环境中的部分。
在图1的图示说明中，固定装置16图示为第二室壁部分10b中伸穿出去。由于在电弧汽相淀积工艺过程中通过阴极的高电流，阴极变得十分热，所以需要外部冷却。这种冷却一般由一个(在图1中概略地用17说明)利用通道18与阴极固定装置16连通的水流通系统来提供。供真空密封和电绝缘之用的装置(用19概略地说明)用来维持淀积腔11中的真空和使源15与淀积室壁部分10a和10b电绝缘。
用20说明供产生和维持系统电弧能量的主直流电源。电源20的负端标为“V1”且通过阴极固定装置16与阴极15实行电连接。电源20的正端标为“V2”且直接连接到电弧系统的第一阳极上(概略地用22表示且标有“阳极”标志)。导体23将电源20正端V2通过室壁10b的绝缘密封部件(概略地用24表示)连接到阳极22上。
阳极22最好是以合适的液体冷却装置(笼统地以37来图示)来冷却，借助于一个穿过真空密封和绝缘子连接头(以39来图示)的信号通路38来实现。对于阴极，冷却媒质最好是水。在最佳实施例中，阳极22构成园柱环的形状，这将在下文给予更详细的描述。然而，对于本领域的技术人员来说，从对本发明的更详细描述可以显然知道，阳极22能够以其它形状构成而完成前述的“第一阳极”功能，而且这种阳极构形不需要按“封闭”环或者附图中表明的样子来成形。同样地，当单个第一阳极22表示在相应于最佳实施例的附图中时，将会懂得，通过使用总功能与“第一阳极”相应的多个阳极也能够达到本发明的原则。
在真空室11内要被覆的物品典型地称作为基片，并且通常表示为图1中的26。在真空室内适当地安装基片，并如图示，借助于基片偏压功能器27在基片上加上电偏压，也能够以适宜的加热装置(未示出)加热基片。很清楚，所图示的相对间距，比如图1中的阴极、阳极、基片之间的相对间距，自然只是为了图示说明的，并不企图代表工作系统中的缩尺或它们实际上表现出的彼此间的相对关系。进而，将会如下文要叙述的，基片并不需要如图1所示的那样位于第一阳极之外，而是当位于阴极15和阳极22之间也能够同样好地工作。
一个起弧触发器组件图示地表示为30。此触发器组件30可以有着任何合适的结构，比如美国专利4，448，799的气动操作触发器装置，或者使阴极15和阳极22之间起弧的任何其它结构。如图按最佳实施例所图示的那样，此触发器有一个可移动的接触棒部件30a，它能够如此移动操作，以使得能与阴极表面15a建立或去除电接触。
用于在阴极表面15a激发电弧的电能从电源20的V2输出端取出，一般经过电阻器32和信号通路33，加到触发器接点30a上。借助于绝缘密封部件34，信号通路33穿过室壁10b。不言而喻，还需要提供合适的触发器启动装置，例如在美国专利4，448，799中所描述的那样，只是在这里没有用图来说明。在图示的用机械触发器30的最佳实施例中，触发器30有选择地移动触发器导线30a，使之与阴极15的表面15a先接触后分离。当电弧激发导线部件30a处于与阴极15的上表面15a相接触的位置时，从电源20的V2端出发，经过电阻器32、信号通路33、起弧触发器导线30a、阴极15以及阴极支撑件16，回到电源20的V输出端，形成一个闭合回路。当触发器30动作，抬起导线部件30a使之脱离阴极源15的上表面15a时，导线30a和阴极表面15a之间的电路断开，使得在二者之间的缝隙内跳过一电弧，从而在阴极表面15a上激发出电弧。当电弧在真空室11中激发时，电弧通路立即在阴极源15和室的阳极部分延伸，并且在此以后由电源20保持。显而易见，正如本领域的技术人员所知道的，可以采用一系列不同方式向例如30那样的触发器部件提供电源，而图1所示仅仅是概念性的。
如前所述，这种电弧通路可承载大电流，一般超过20安培、很强的电能通过电弧，在阴极表面15a上可见到非常明亮的光点(称为“阴极亮点”)，释放出阴极材料，该材料形成镀膜用的蒸汽或等离子体，如图1中40所示。从阴极表面释放出来的材料自阴极源表面15a通常向外扩散。
适当地安装和/或偏置基片26，使之截获镀膜蒸汽40，并且利用该蒸汽使自身镀膜，其方式为本领域技术人员所熟知。
电源20的V2输出端也与“相对偏压”功能器36的正输出端35相联。偏压功能器36的第二输出端V3在本实施例中与室壁部分10a和10b有电连接，并且接地或接参考点，如图中50所示。
相对偏压功能器36能够维持其两端35和V3的电位差。在图1所示的最佳实施例中，由于端点35是与直流电压20的V2输出端直接连在一起的，所以相对偏压功能器36正负两端的电位差为(V2-V3)伏，能够完成相对偏压功能的几种电气元件的电路如图2所示。参照该图可以看出，一个简单电阻器或电阻器网路36a能够在电流流经其中时，在V2及V3两端提供一个稳定的电位差(由欧姆定律决定)。36a为可变或可调电阻器时，情况也一样。同样，也可以采用可变或可调电阻器，如图中36b所示。另一供选择的方案是采用电压源，如图36c所示。按图1方式连接的相对偏压功能器36的目的，是在阳极22和淀积腔11中的其它的导电表面如图1中的室壁10a和10b之间总是保持一个电位差。维持的电位差使得阳极22的电位总是比相对偏压功能器36的V3端所接的其它导电层的电位为正，以致于所说的其它导电层的功能如同室11中的第二阳极。
根据图1电路连接的阴极15和阳极22之间的电子流关系的放大图，如图3所示。图中阳极22是圆柱环形部件，与阴极15以同心圆形式放置，阳极置于阴极15的表面15a上方距离“X”处。阳极超出阴极15的外边缘的距离为“Y”，如图3所示。偏置电位为V3的第二阳极(如图中所示，室壁10)距阴极15的外边缘的距离为“Z”。容易理解，当本实施例中所示的第二阳极为室壁10时，室11中的其它的导电表面偏置在V3电位，因而其功能为淀积系统中的第二阳极。在这些实施例中，“Z”表示阴极15的外边缘和以上述方式偏置的第二阳极表面的空间。
阳极22可以采取图1和图3所示结构以外的多种不同的结构。然而，如本实施例所示，阳极22的尺寸和结构是根据置于阴极表面15a外的它的方位决定的，距离“X”和“Y”确定阳极22的方位，使得尽可能少地阻止等离子流40，以及尽可能多地截获电子，电子以倾斜角度离开阴极表面15a，如图3中“C”所示。
从图3可以看出，有三条不同的电子通路，即“A”、“B”和“C”。“A”所示的电子通路既代表离开阴极表面15a、一般与该表面垂直且具有足以使其不受阳极22的正电位影响的相当高能量的游离电子，又代表可能是被阳极22后面的中性等离子体流携带的、等离子体的电中性等离子体流中的电子。这些电子向外穿过阳极22并进入淀积室10的内腔11，极可能被作为第二阳极正偏的、电位低于第一阳极22的室壁表面所吸引。图3中“B”所示电子通路表示的电子具有复合能量和方向，离开阴极表面15a，以致极有可能被正偏的第一阳极直接吸引。图3中“C”所示的电子流通路中的电子，倾斜着离开电极表面15a，正常情况下(即没有阳极22)斜穿向正偏(即由V所正偏)室壁10或腔11中的其它第二阳极表面。然而，由于在第二阳极和第一阳极22之间存在相对偏置电位差(即V2-V3)，所以通路“C”中的电子将被第二阳极排斥，而被更正偏置的、电位为V2的阳极22所吸引。
如果阳极放置距离“X”足够小，以致使得第一阳极吸收流经电子通路“C”的绝大部分电子的话，发出沿通路“C”的电子的阴极亮点将保持在所需的阴极侵蚀表面15a处，并且不会跃过阴极部件15的边缘，可能降到阴极支件16上。同样，如果相对于距离“X”和“Y”而言，距离“Z”很大，那么流经通路“C”的电子更多地是斜着被更正偏置的第一阳极22所吸引，少量飞向较低正电位的第二阳极表面，例如室壁10a或10b。因此，距离X、Y和Z是结合偏置网络36来选择的以致显著地减小了电子离开阴极而被置于阴极15旁边或下方的第二阳极表面所吸收的可能性。
如果根据上面的讨论来适当地选择“X、Y和Z”的话，由相对偏压网络36提供的这种相对偏置方案将通过在所需的阴极15的汽化表面15a上维持阴极亮点来提高电弧稳定性，而电流相对较小(例如低于20安培)。在本发明的实施例中，“X”最好大约大于或等于“Y”的两倍，“Z”最好大约大于或等于“X”的两倍。根据本发明的一个最佳实施例，大约的尺寸是X＝5厘米，Y＝2厘米，Z＝10厘米。
因此，利用偏置和图1-3中表明的合适的间隔技术，使阳极22作为第一阳极以收集自阴极15发射的电子，以及通过防止阴极辉光放电亮点自所希望的阴极汽化表面15a漂移出而维持电弧的稳定性。然而，加有偏压V的真空室壁10a和10b以及室腔内的任何其它表面用作为第二阳极以收集沿着图3中电子流路径“A”中的电子，以及收集有着足够能量而克服了阳极22的电位V的初始影响通过的电子。所希望的第二阳极表面(即完成最佳电子收集)是真空室内加有偏压为V的表面，这些表面位于图3中所示的第一阳极22的大致平面之上(即尺寸“X”之外)。一个这种最佳第二阳极收集表面通常以图3中的55来表示。
相对偏压功能器36的网络元件的电阻器或电压值按照阳极22的位置尺寸组合选择，以使通过相对偏压网络36的电流小于约5%的阴极弧电流为好，使通过相对偏压网络36的电流大约小于阴极弧电流的1%就更为合适。在大约低于50安培的低阴极电流值之下，这种参数更为有用。在本发明的一个最佳实施例中，例如仅用钛源作为阴极15的淀积系统中，阴极电压(V1)相对于电压V3大约为-20V，阴极弧电流大约为50安培，为了使流过偏压网络的电流在所希望的范围之内，使电阻值的范围为大约1到300欧姆，而为大约2到10欧姆更为合适。最好如此选择偏压网络36的变化，使得在上述的最佳实施例条件下的第二阳极偏压电位造成的电位差V2-V3最好处于大约为+5到+10伏的范围之内。按照上述的偏压网络36的构成，在执行淀积的操作过程中，因为电弧中平均电子能量的自限制作用，第一阳极相对于第二阳极的电位将维持在一个恒定值上。
当相应于最佳实施例所述的应用来描述本发明时，应当明白，有可能实现本实施例的许多变化以及它在电弧淀积真空室各种构形中的应用。同样地，在真空室中阴极和阳极之间，及与基片之间的各种相对构形和方位都是可能的。例如(但不限于此)，当相应于最佳实施例所描述的图1的构形式表明第一阳极22是位于阴极15和基片26之间，对于本领域的技术人员将会明白，把基片26′放在阴极15和阳极22之间(正如图1中以虚线26表示的)系统会落在本发明的范围之内。同样地，本领域的技术人员能够确认，淀积室(比如是10)典型地包括许多阴极(比如是15)，以及在这种系统中，可以希望如此来使阳极22构形，即使得多个阴极共用一个这样的阳极。对于本领域的技术人员来说，根据前面的描述，本发明的这种变型将是很显然的。本说明书是企图提供一个特定的实施例来清晰地区分和公开本发明。因此，本发明不限于所描述的实施方案，或限制于这里所描述的特定元件、结构或材料的使用。落在所附权利要求
书的宽范围之内的本发明的所有的变型和变化都被包括在内。
权利要求
1.一种适用于在抽空的淀积室中，利用发生于一个消耗涂层材料源阴极与一个阳极之间电弧所形成的涂层等离子体在基片上进行汽相淀积的工艺方法，该工艺方法包括(a)对淀积室抽真空；(b)在抽了真空的室中，建立阳极消耗涂层材料源阴极之间的第一电位差和电返回通路，此电位差足够大以保持阴极和阳极之间的电弧放电；(c)激发所述消耗阴极和所述阳极之间的电弧；(d)在所述抽空的室中的至少一个导电表面和所述阴极之间建立第二电位差，该电位差值稍小于所述第一电位差，其中，相对于所述阴极来说，所述阳极比所述的一个导电表面受到更正的电偏压；(f)相对于所述消耗阴极，如此构制和设置所述淀积室中的所述阳极，使得由所述电弧从所述消耗阴极放出的电子被吸引向所述阳极会比被吸引向所述的一个导电表面更多。
2.如权利要求
1所述的方法，其中，所述的一个导电表面至少包括所述真空室内壁的一部分。
3.如权利要求
2所述的方法，其中，所述真空室的内壁部分实际上至少包括延展在所述阴极的所希汽化表面的总平面与所述阳极之间的所述真空室壁区域的一部分。
4.如权利要求
1所述的方法，其中，维持所述第二电位差的步骤利用在所述阳极与所述一个导电表面间的电阻性导电通路来进行。
5.如权利要求
4所述的方法，其中，所述电阻性导电通路包括一个电阻值范围在1～300欧姆的电阻网路。
6.如权利要求
5所述的方法，其中，所述电阻网络电阻值范围大约是1～10欧姆。
7.如权利要求
4所述的方法，其中，电阻性导电通路包括可变电阻装置。
8.如权利要求
1所述的方法，其中，维持所述第二电位差的步骤利用一个有效地连接在所述阳极与所述一个导电表面之间电压源来提供。
9.如权利要求
1所述的方法，其中，流经所述阳极与所述一个导电表面之间的电流通路的电弧电流部分小于整个电弧电流的百分之十。
10.如权利要求
9所述的方法，其中，流经所述阳极与所述一个导电表面之间的电流通路的电弧电流部分小于整个电弧电流的百分之五。
11.如权利要求
9所述的方法，其中，流经所述阳极与所述一个导电表面之间的电流通路的电弧电流部分小于整个电弧电流的百分之一。
12.如权利要求
1所述的方法，其中，使所述阳极在所述真空室中相对于所述阴极被如此构制和设置，使得在所述阴极的一个所希阴极汽化表面与所述阳极间的相对有效间隔至少大约是在阴极与所述一个导电表面之间有效间隔的二倍。
13.如权利要求
1所述的方法，其中，阳极被配置得有效地面对所述阴极的一个所希汽化表面，其中，上述所希汽化表面具有一个外围边界，而且能够有效地从所述阴极视见的所述阳极的最外面部分伸展超出一个垂直平面，该垂直平面穿过所述外围边界且以一个大约等于或小于上述阳极与上述所希汽化表面之间间隔距离一半的距离一半的距离垂直于上述所希汽化表面。
14.如权利要求
1所述的方法，其中，由所述电弧携带的电流约小于50安培。
15.如权利要求
1所述的方法，其中，所述一个导电表面加上地电位偏压。
16.如权利要求
1所述的方法，其中，所述阳极有效地基本位于一个与所述阴极的所希汽化表面平行且相隔开的平面中。
17.如权利要求
16所述的方法，其中所述阳极通常为环形。
18.一种具有实施权利要求
1方法而构制和设置的部件的电弧气相淀积设备。
19.一种具有实施权利要求
2方法而构制和设置的部件的电弧汽相淀积设备。
20.一种具有实施权利要求
4方法而构制和设置的部件的电弧汽相淀积设备。
21.一种具有实施权利要求
8方法而构制和设置的部件的电弧汽相淀积设备。
22.一种具有实施权利要求
16方法而构制和设置的部件的电弧气相淀积设备。
23.在抽真空的汽相淀积室中进行的电弧汽相淀积工艺过程中的一种方法，即把电弧阴极亮点保持在阴极源材料的一个所希汽化表面上以提高电弧稳定性的方法，包括(a)在一个抽真空的汽相淀积室中的第一阳极与涂层源材料的消耗阴极之间激发一电弧，从而在所述阴极的所希汽化表面上产生一个或更多的阴极亮点。(b)相对于所述阴极，给所述第一阳极加正偏电压，以便维持其间的所述电弧，以及(c)用以下方法使所述阴极亮点保持在所述阴极的上述所希汽化表面。<ⅰ>在所述汽化室内非第一阳极的至少一个导电表面加电偏压，该导电表面位于从所述阴极源材料的露出的工作表面看的视线上，此表面相对于所述阴极比所述第一阳极具有稍小的正电压;以及<ⅱ>如此接近地相隔且面对所述所希的阴极汽化表面，构制和设置所述第一阳极，这样，至少有一部分所述所希阴极汽化表面正对着所述的第一阳极的有效部分，其中在所述阴极亮点上离开所述阴极的电子首先被拉向所述第一阳极，而不是拉向所述一个导电表面，由此，所述阴极亮点就会保持在所述所希阴极汽化表面上。
24.如权利要求
23所述的方法，其中，所述第一阳极相对所希的阴极汽化表面被有效地安置，而且被如此构制及设置，使得最低程度地阻碍从阴极汽化表面的所述阴极亮点发射来的涂覆粒子的运动。
25.如权利要求
24所述的方法，其中，所述第一阳极具有一个开口形状，该开口形状处可以收集离开所述阴极的电子，但又能够使放出的中心涂覆材料等离子体粒子相当自由地穿过而到达要被涂覆的基片。
26.如权利要求
23所述的方法，还包括把借助所述电弧从所希阴极汽化表面发射来的涂层材料等离子体粒子涂覆其上的基片加以安置，以及用所述涂层材料等离子体涂覆所述基片。
27.如权利要求
26所述的方法，所述基片部分地被安置在所述的所希阴极汽化表面与所述第一阳极之间。
28.如权利要求
23所述的方法，其中，所述的一个导电表面的至少一部分包括所述淀积室的部分内壁。
29.如权利要求
23所述的方法，其中，对所述的一个导电表面加偏压的步骤是利用一个相对偏压网络完成的，该网络用于在电弧工作时，在所述第一阳极与所述的一个导电表面之间提供一个大约为5～10伏特范围内的电位差。
30.一种为实施权利要求
23的方法而构制和设置了部件的电弧汽相淀积设备。
31.一种为实施权利要求
24的方法而构制和设置了部件的电弧汽相淀积设备。
32.一种为实施权利要求
25的方法而构制和设置了部件的电弧汽相淀积设备。
33.一种为实施权利要求
26的方法而构制和设置了部件的电弧汽相淀积设备。
34.如权利要求
23所述的方法，其中，由所述电弧携带的电流小于约50安培。
专利摘要
一种在电弧汽相淀积涂层过程中使阴极亮点维持在露出的所需阴极汽化表面上的改进方法及设备。在淀积室中，相对于阴极对第一阳极进行构制设置，以维持阳、阴极间的电弧。相对偏压网络维持室内第一阳极与其它导电表面或室内壁间的电位差，使离开阴极的电子被拉向第一阳极比被拉向其它表面更多。阳极在室内的方位使电子被拉向阳极，以使阴极亮点保持在所需阴极汽化表面上，维持了低电弧电流水平下电弧的稳定性。
文档编号C23C14/24GK86104365SQ86104365
公开日1987年5月20日 申请日期1986年6月27日
发明者克拉克·伯格曼 申请人:安达尔公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan