專利名稱：用于電弧蒸鍍源的可修改的磁鐵配置的制作方法
用于電弧蒸鍍源的可修改的磁鐵配置本發(fā)明涉及一種用于在采用強反應(yīng)氣體、采用弱反應(yīng)氣體以及不采用反應(yīng)氣體的涂層過程中使用的電弧蒸鍍源的磁鐵系統(tǒng)。此外，本發(fā)明涉及一種用于電弧蒸鍍源的磁鐵系統(tǒng)，該磁鐵系統(tǒng)將蒸鍍速率在整個靶壽命期間保持恒定并且還允許最佳地調(diào)節(jié)速率和液滴發(fā)射。典型的、利用火花蒸鍍運行的PVD涂層設(shè)備包括與真空泵組連接的真空室，該真空泵組在該設(shè)備中產(chǎn)生與過程相關(guān)的真空。所述真空室中的襯底固著裝置用于容納襯底 (工具或元件或其它部件)并且在預(yù)處理和涂層期間固定該襯底。該襯底固著裝置以及由此該襯底本身可以在處理期間以及尤其是在涂層期間借助于襯底偏壓電源施加電壓，由此該襯底固著裝置以及該襯底被離子轟擊(負電壓)或者被電子轟擊(正電壓)。所述襯底偏壓電源可以是直流的、交流的或者雙極或單極的襯底電壓源。涂層借助火花源來進行。這些火花源包括靶，靶的材料通過火花來蒸鍍。通過磁器件引起的源磁場確定火花是否在特定的軌道上被引導(所謂的“操縱的電弧(steered arc)”)以例如減少飛濺物，或者確定火花是否能夠或多或少地在靶表面上自由移動(所謂的“隨機電弧”)，這大多導致更好的靶利用以及更高的蒸鍍速率。也就是說，磁鐵系統(tǒng)被用于將火花在靶上移動。所謂的電弧操縱(ARC-Steering) 借助特殊定向的磁場允許影響火花的速度以及在靶表面上限定火化軌道，以實現(xiàn)靶的盡可能好的體積利用。如在"Handbook of vacuum ARC science and technology, Boxman 等人，第 3 章 Cathode Spots”中所說明的，不同類型的電弧斑點及其移動是不同的。原則上根據(jù)氣體的反應(yīng)性觀察到以下事實。a)在真空中或者采用諸如氬的惰性氣體的電弧蒸鍍
火花相對緩慢地在通過所述磁場預(yù)定的軌道上行進，這些軌道在圓形靶的情況下主要是圓形的。隨機移動所占的份額很小。蒸鍍速率在這種情況下相對高。蒸鍍在發(fā)射相對大的液滴的情況下進行。火花的速度以及火花在靶上的“軌道直徑”可以通過磁場來調(diào)節(jié)。在這樣的方法中稱為金屬火花。

圖1示例性示出相應(yīng)的軌道。b)在諸如氮的弱反應(yīng)氣體中的電弧蒸鍍
氮在靶表面上反應(yīng)并且形成若干原子位置的氮化物層。在此可以確定火花速度的提高?；鸹ㄋ俣鹊倪M一步提高通過更強的、與靶表面平行分布的磁場來實現(xiàn)。所發(fā)射的液滴在此有利地為更小的。一般來說，可以建立涉及表面反應(yīng)性的均勻關(guān)系，也就是在靶表面上建立起蒸鍍速率和氮反應(yīng)速率的穩(wěn)定設(shè)置。由于氮化物相對高的導電性，火花腐蝕也可以在氮化物表面上進行。因此在氮化物表面上還產(chǎn)生材料的凈損耗，也就是說，在靶表面上非持續(xù)進行的涂層會形成導致靶中毒的區(qū)域。圖2示出了相應(yīng)的變化過程。C)在諸如氧或乙炔、甲烷的強反應(yīng)氣體中的電弧蒸鍍
在此產(chǎn)生該反應(yīng)氣體與靶表面的強烈反應(yīng)。在正常情況下，這在例如使用氧的情況下會產(chǎn)生電絕緣層。為了獲得穩(wěn)定的關(guān)系，重要的是能夠在整個靶表面上保持凈蒸鍍。具有小的局部蒸鍍速率的區(qū)域是絕緣的，因此還繼續(xù)被排除在蒸鍍之外。靶表面在此“中毒”了， 其中該過程一般是進行中的并且在結(jié)束時還只有在靶上的一小塊面積部分承載火花放電。 特別是將具有大的徑向分量的高的磁性場強用于提高火花速度并由此減小液滴大小的情況下，產(chǎn)生局部蒸鍍速率的強烈非均勻性并由此導致靶的其它區(qū)域更快中毒。如在US2008020138A1 (J. Ramm等人)中提到的，例如僅在磁場小于最大場強或者根本就不使用磁場的時候才可能進行AlCr氧化物的穩(wěn)定蒸鍍。在使用強磁場的情況下， 當然與靶表面平行的磁場分布是非常不均勻的，因此在靶表面上很快形成具有絕緣層的區(qū)域。相應(yīng)的火花變化過程在圖3中示意性示出。因此如上面討論的，利用同樣的金屬靶可以產(chǎn)生不同的層，其方式是例如利用惰性氣體、弱反應(yīng)氣體或強反應(yīng)氣體來涂層。惰性氣體與靶材料不形成化合物，而反應(yīng)氣體會在靶表面上產(chǎn)生導電或絕緣的層。為了獲得穩(wěn)定的涂層過程，有利的是在靶表面上以及在靶表面上方實現(xiàn)與任何這些情況都匹配的磁力線分布，該磁力線分布分別影響在行進中的火花軌道以及速度。給出了不同的、由現(xiàn)有技術(shù)公知的在靶表面上以及在靶表面上方實現(xiàn)磁力線分布的可能性。這例如可以用永久磁鐵和/或利用電磁鐵和/或它們的組合來實現(xiàn)。此外，設(shè)置可相對于靶表面移動的、由現(xiàn)有技術(shù)公知的磁鐵裝置，從而由于由此可實現(xiàn)的電弧軌道的可移動性而能夠?qū)崿F(xiàn)靶材料的均勻消耗。相應(yīng)地在DE10127012A1中， Curtins公開了一種具有固著裝置的磁鐵裝置，從該固著裝置出發(fā)是環(huán)狀線圈以及永久磁鐵。為了借助該磁鐵裝置，也就是由該環(huán)狀線圈和永久磁鐵產(chǎn)生的磁場在電弧斑點的區(qū)域內(nèi)建立可作用于靶的表面的磁場，使得電弧或電弧斑點可以在限定的軌道中覆蓋靶的整個表面，并且結(jié)果是進行靶材料的均勻消耗，可以將磁鐵裝置作為單元朝著靶移動，而且是在與靶平面平行分布的平面中。此外，該單元必要時還可以與靶之間間隔期望的幅度 (Umfang),也就是在Z方向上進行移動。EP 00459137B1公開了一種具有中極永久磁鐵和邊緣永久磁鐵的磁場裝置，該中極永久磁鐵和邊緣永久磁鐵都可以共軸地、也就是垂直于靶表面地移動。此外，在靶的區(qū)域內(nèi)設(shè)置電磁環(huán)狀線圈，該環(huán)狀線圈在電弧放電時可以被控制為，使得該環(huán)狀線圈影響所形成的電弧軌跡并由此有助于靶的耐用度的提高。在EP00459137B1中，靶位于環(huán)狀線圈的內(nèi)部空間中。靶表面和線圈末端根據(jù)EP00459137B1的圖2基本上位于一個平面內(nèi)(參見本申請的圖16)。相應(yīng)地，所述線圈包括靶并且還包括作為容器表示的真空室的室壁的一部分。由此實現(xiàn)了，通過該線圈產(chǎn)生的磁場在靶表面上基本上不具有徑向分量。因此，這樣的垂直線圈場對電弧的斑點在靶表面上方移動的速度沒有影響。相反，有利的是具有一種磁場裝置，該磁場裝置由于靶邊緣上的力線分布而導致更高的速度并因此導致更少的停留持續(xù)時間。這將導致靶具有集成的用于產(chǎn)生磁場的器件，利用該靶可以有效地既利用強反應(yīng)氣體又利用弱反應(yīng)氣體以及惰性氣體進行火花蒸鍍。根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過一種磁場裝置解決，該磁場裝置包括邊緣永久磁鐵和至少一個環(huán)狀線圈，其中所述邊緣永久磁鐵能基本上垂直于靶表面地遠離靶移動，并且該邊緣永久磁鐵在靶表面上的投影與環(huán)狀線圈在靶表面上的投影相比離靶表面的中心更遠。在此，環(huán)狀線圈設(shè)置在靶后面，并且具有通過繞組限定的內(nèi)直徑，該內(nèi)直徑不顯著大于靶的直徑并且優(yōu)選小于或等于靶的直徑。發(fā)明人已經(jīng)確定，在邊緣永久磁鐵遠離靶以及接通線圈電流的情況下，涂層過程明顯比利用根據(jù)EP00459137B1的圖2的線圈裝置的涂層過程更穩(wěn)定。因此這使得利用這樣的裝置實現(xiàn)了，通過流通電流的線圈所激勵的磁場的力線在靶表面的中心區(qū)域中基本上不包含徑向分量，而該力線在靶表面的邊緣區(qū)域中包含徑向分量。為了加以說明，在圖17中示意性示出由線圈產(chǎn)生的磁場(確切的說是磁力線的分布)，并且在圖18中示出與緊接在線圈末端上方的線圈軸之間的距離相關(guān)的軸向分量和徑向分量。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述磁場裝置附加地包括中心永久磁鐵，其中環(huán)狀線圈的內(nèi)部在靶表面上的投影與該中心永久磁鐵在靶表面上的投影相比離靶表面的中心更遠， 并且該中心永久磁鐵可以基本上垂直于靶表面地遠離靶移動。然后，利用示例并借助附圖詳細解釋本發(fā)明。在此圖4示出具有根據(jù)第一實施方式的磁鐵系統(tǒng)的靶。所述磁場如圖4中所示通過固定設(shè)置的線圈(4)以及通過永久的磁鐵裝置(5，5a) 產(chǎn)生。具有磁鐵容器6的該磁鐵裝置可在軸向方向上遠離靶地移動。這種可移動性由圖5 示出。對于上面描述的磁鐵系統(tǒng)，給出如下基本設(shè)置。設(shè)置1，如圖6中示意性示出的
永久磁鐵采取這樣的位置，在該位置時該永久磁鐵的極離涂層材料最近(位置“前面”)。優(yōu)選的，線圈末端和極在這種設(shè)置的情況下基本上位于一個平面內(nèi)。線圈電流被接通。該線圈電流可以被接通為正的也可以被接通為負的(8)，并且還可以被調(diào)制。該設(shè)置產(chǎn)生大約60-100高斯的強磁場。由此該設(shè)置例如適用于蒸鍍氮化物層。通過該高的磁場強度及其徑向分量，火花迅速移動。由此產(chǎn)生平滑的層。利用線圈的疊加在永久磁鐵的場上的磁場，影響力線的分布并由此影響火花的軌道。優(yōu)選的，線圈電流間或被調(diào)制并由此實現(xiàn)腐蝕槽的加寬。利用這樣的設(shè)置，完成了諸如TiN、TiAlN, AlTiN, A1CRN、TiSiN的硬材料層的產(chǎn)生。設(shè)置2，如圖7中所示
永久磁鐵(5，5a，6)被“拉回”5-50mm，也就是與靶表面的距離比設(shè)置1中的遠5_50mm。 線圈電流又被接通并且可以是正的或負的以及還可以被調(diào)制。該設(shè)置根據(jù)位移逐步產(chǎn)生10-40高斯的磁場，包括疊加的線圈場。一方面隨著位移的增加可以提高蒸鍍速率，其中由此預(yù)計必定得到具有更大液滴的更粗糙的層。另一方面，在使用諸如氧和/或乙炔的氣體情況下通過移動磁鐵裝置(5，5a，6)可以在靶表面的多個點上建立靶中毒與腐蝕速率之間的平衡。由此可以使涂層過程顯著穩(wěn)定。該設(shè)置既適用于在高涂層速率的情況下產(chǎn)生諸如TiN、TiAlN, AlTiN, TiSiN的氮化物層，又適用于在使用諸如乙炔或甲烷的氣體情況下產(chǎn)生碳氮化物或碳化物。但是，首先該設(shè)置還適用于相應(yīng)于靶的原材料而產(chǎn)生諸如Al203、&0、Ti02的極為不同的氧化物層或者它們的混合物。設(shè)置3，如圖8中所示
在該設(shè)置中永久磁鐵被拉回多于50mm，也就是完全與線圈分離。線圈場又被接通，正的或負的和/或必要時被調(diào)制。但是，永久磁鐵裝置的磁場分量可被忽略地小。根據(jù)電流強度所述線圈場大約是5-15高斯。該設(shè)置適用于除去金屬層和/或氮化物層、碳氮化物層、碳化物層和/或氧化物層。如上面已經(jīng)進一步討論的，對于強反應(yīng)氣體來說，線圈的磁場不應(yīng)當太高(最大大約是 10高斯)。由此才可以進行電弧蒸鍍器的運行而不會使靶區(qū)域中毒。設(shè)置4，如圖9中所示
永久磁鐵被拉回多于50mm，線圈電流斷開。在該設(shè)置中，在靶表面上不存在值得一提的磁場。電弧源在所謂的隨機模式下運行。這尤其是在諸如氧的強反應(yīng)氣體的情況下是有利的。在此，電弧放電的火花隨著非常多的電弧斑點而以隨機的方式在靶上行進。該放電非常穩(wěn)定地進行并且不可能形成具有靶中毒的區(qū)域。但是，如果該磁鐵設(shè)置是金屬地(沒有反應(yīng)氣體或在強真空中)或者氮化物地運行，則在非常高的液滴含量的情況下會觀察到高的蒸鍍速率。如從附圖中得知的，在真空室中的所有源位置都可以用同一個靶實現(xiàn)。也就是說， 在同一個涂層過程中可以通過根據(jù)圖6-9改變磁鐵位置而可選擇地為了產(chǎn)生金屬、氮化物、碳氮化物、碳化物或氧化物而將磁場與要求最佳匹配。不需要排他地為各層類型保留源位置。由此可以實現(xiàn)具有高生產(chǎn)率的涂層過程。通過這種方式和方法，利用同一個AlCr靶(70%:30%)對具有3層的以下層系統(tǒng)進行涂層
1)具有設(shè)置1的金屬附著層。在此可以觀察到靶的腐蝕通過線圈的擺動來優(yōu)化
2)AlCrN作為具有設(shè)置2的第一硬層
3)AlCryOx作為具有設(shè)置3的第二硬層。在第二示例中使用Ti靶。首先又施加具有設(shè)置1的金屬附著層。此外，通過線圈的擺動優(yōu)化靶的腐蝕。接著施加具有設(shè)置2的TiCN層，然后施加具有設(shè)置3的TiN層。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了用于電弧蒸鍍源的磁鐵系統(tǒng)，利用該磁鐵系統(tǒng)在整個靶壽命期間保持蒸鍍速率恒定。此外，該磁鐵系統(tǒng)允許最佳地設(shè)置速率和液滴發(fā)射。此外，電弧源的蒸鍍速率非常強烈地通過與靶表面平行的磁場來確定。更強的磁場提高了火花的速度并因此降低了蒸鍍速率并同時除去了平滑的層。隨著靶腐蝕的增加， 靶表面越來越靠近位于靶表面后方的磁鐵系統(tǒng)，這通過磁場強度的劇烈增加以及涂層速率的下降來表示。本發(fā)明的磁鐵系統(tǒng)可以通過永久磁鐵裝置的移動來補償靶表面與磁鐵系統(tǒng)之間的距離變化，并因此保證在靶的整個使用持續(xù)時間內(nèi)具有恒定的蒸鍍速率。靶表面與磁鐵系統(tǒng)之間的距離基本上確定了磁場強度并因此確定了蒸鍍的速率。 在新的未被消耗的靶的情況下，存在最大距離并因此存在最小磁場強度。在該涂層過程期間的腐蝕導致靶表面與磁鐵系統(tǒng)之間的距離連續(xù)減小，并因此導致磁場強度的提高和速率的降低。這將借助圖10的具有圓形符號的數(shù)據(jù)序列表示。為了補償如上所述的過程，根據(jù)本發(fā)明相應(yīng)于腐蝕深度從靶拉回磁鐵系統(tǒng)，以便在新靶的情況下基本上產(chǎn)生原始狀態(tài)。由此在靶的整個使用時間段期間(靶壽命)實現(xiàn)基本上恒定的速率。這在圖10中由具有菱形符號的數(shù)據(jù)序列示出。圖12與圖11相比還為了說明狀況而示出大約厚度D的靶的腐蝕以及相應(yīng)的向下移動的永久磁鐵。如上已經(jīng)提到的，液滴的發(fā)射(大微粒)或所發(fā)射的液滴的大小尤其是取決于通過磁場移動的火花的速度(電弧操縱)。通過永久磁鐵位置的合適設(shè)置，可以調(diào)節(jié)高速率與粗糙層之間或低速率與平滑層之間的源。這通過圖13表示，圖13示出層粗糙度(Rz，Ra)與通過磁鐵系統(tǒng)調(diào)節(jié)的涂層速率的相關(guān)關(guān)系。在圖14中附加地還示出涂層速率如何依據(jù)磁鐵位置變化以及因此可以如何調(diào)節(jié)速率。因此，永久磁鐵的跟蹤一方面通過恒定的蒸鍍速率和恒定的放電電壓導致涂層過程的穩(wěn)定。此外該涂層過程的持續(xù)時間通過所述恒定的速率而對同類型的涂層來說幾乎相同，而與靶老化無關(guān)。但是借助本發(fā)明的磁鐵系統(tǒng)，還可以實現(xiàn)，針對不同的要求調(diào)節(jié)不同的速率并且可以有針對性地影響諸如粗糙度和微型結(jié)構(gòu)的層特性。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可以將在待涂層的工件的平面上的層厚度分布調(diào)節(jié)為均勻的。這是借助本發(fā)明的磁鐵系統(tǒng)在一種實施方式中這樣來實現(xiàn)的，即內(nèi)部的永久磁鐵相對于靶來說與外部的永久磁鐵無關(guān)地被拉回大約50mm。外部的永久磁鐵還可以與靶垂直地移動，優(yōu)選移動幾毫米。這在圖15中示出。線圈電流可以施加為正的也可以施加為負的，其中可以根據(jù)線圈電流的符號改變電弧源的蒸鍍特性。也就是說，可以調(diào)節(jié)分布特性。
權(quán)利要求
1.一種電弧蒸鍍源，具有設(shè)置在靶上的磁場裝置以用于在靶表面以及靶表面上方產(chǎn)生磁場，其中該磁場裝置包括邊緣永久磁鐵和至少一個設(shè)置在所述靶后方的環(huán)狀線圈，該環(huán)狀線圈的通過繞組限定的內(nèi)直徑優(yōu)選小于或等于靶的直徑，在任何情況下都不顯著大于靶的直徑，其特征在于，所述邊緣永久磁鐵能基本上垂直于靶表面地遠離靶移動，并且該邊緣永久磁鐵在靶表面上的投影與環(huán)狀線圈在靶表面上的投影相比離靶表面的中心更遠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧蒸鍍源，其特征在于，所述邊緣永久磁鐵的可移動性與環(huán)狀線圈無關(guān)地實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2之一所述的電弧蒸鍍源，其特征在于，所述邊緣永久磁鐵的極性主要地以及優(yōu)選地對所有來說都相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電弧蒸鍍源，其特征在于，在所述環(huán)狀線圈的內(nèi)部設(shè)置中心永久磁鐵，該中心永久磁鐵具有與邊緣永久磁鐵的主要極性相反設(shè)置的極性。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電弧蒸鍍源，其特征在于，所述中心永久磁鐵能基本上垂直于靶的表面遠離靶地移動。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電弧蒸鍍源，其特征在于，所述中心永久磁鐵通過引導磁通量的連接而與所述邊緣永久磁鐵固定連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電弧蒸鍍源，其特征在于，所述中心永久磁鐵能與邊緣永久磁鐵無關(guān)地基本上垂直于靶的表面移動。
8.一種具有根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的電弧蒸鍍源的電弧蒸鍍設(shè)備。
全文摘要
一種用于在工件上產(chǎn)生硬材料層的電弧蒸鍍源。本發(fā)明包含電弧蒸鍍源，其由至少一個電磁線圈以及可相對于靶表面移動的永久磁鐵裝置組成。該蒸鍍源可以與氧化物層、氮化物層或金屬層的不同要求匹配。在待蒸鍍的靶的壽命期間的速率下降可以通過永久磁鐵與靶正面之間匹配的距離來保持恒定或調(diào)節(jié)。可以在層粗糙度和速率之間調(diào)節(jié)出一種折衷。
文檔編號H01J37/34GK102308359SQ200980156427
公開日2012年1月4日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月9日
發(fā)明者哈格曼 J., 格斯特爾 O., 克拉斯尼策爾 S. 申請人:歐瑞康貿(mào)易股份公司(特呂巴赫)