專(zhuān)利名稱(chēng)：具有磁場(chǎng)發(fā)生裝置的真空電弧光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1所述的用于使一個(gè)電弧放電運(yùn)行的真空電弧光源，一個(gè)如權(quán)利要求17所述的配有這種電弧光源的設(shè)備，以及一個(gè)如權(quán)利要求21所述的用于使一個(gè)電弧放電運(yùn)行的方法。
已知在一個(gè)真空室中用于蒸鍍不同材料和/或作為離子源的電弧光源用于對(duì)不同的工件進(jìn)行覆層和預(yù)處理。由于在電弧光源靶表面上連續(xù)的、在下面稱(chēng)為火花的電弧的點(diǎn)狀施加的高能量除了發(fā)射氣體的、大部分離子化的顆粒以外、尤其是在一個(gè)伴隨爆炸形蒸鍍效果的火花“固體燃燒”時(shí)也導(dǎo)致大顆粒的發(fā)射，其直徑可能達(dá)幾微米甚至更大。因此事先例如拋光的工件在覆層后的表面粗糙度主要由粘附在層表面上的或者在層中生長(zhǎng)的大顆粒的數(shù)量和大小決定。因此這樣沉積出來(lái)的層相對(duì)粗糙，這在用于覆層的工具或構(gòu)件時(shí)起到不利的作用。此外大部分大顆粒以一個(gè)相對(duì)扁平的角度離開(kāi)靶表面，由此在覆層過(guò)程中丟失有價(jià)值的材料，它沉積在真空室的內(nèi)表面上。
為了沉積出光滑的覆層已經(jīng)提出不同的解決方案。因此例如將電弧光源設(shè)置在工件的光學(xué)視線外部并且使離子化的顆粒通過(guò)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)到工件的方向，由此以較高的工藝費(fèi)用盡管可以實(shí)現(xiàn)光滑的覆層，但是同時(shí)使覆層率大為降低。
此外還研制出不同的電弧光源，用于使火花盡可能迅速地在靶表面上的一個(gè)確定的軌跡上移動(dòng)并由此避免在一個(gè)小的表面上過(guò)高的能量加入甚至于一個(gè)“固體燃燒”。在此所述火花例如通過(guò)一個(gè)或多個(gè)在靶后面移動(dòng)的磁鐵被強(qiáng)制地在一個(gè)封閉的圓軌跡上。
在US 5,298,136中描述了另一控制火花的方法。這個(gè)文獻(xiàn)被認(rèn)為是最近的技術(shù)現(xiàn)狀。在那里公開(kāi)的電弧光源顯示出一個(gè)圓形的靶，它在側(cè)向從后面被一個(gè)杯形極靴包圍，該極靴具有一個(gè)中心的、一直引到靶背面的極體和一個(gè)設(shè)置在其間的線圈。由此在靶上產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，其垂直分量在靶中心具有一個(gè)正的最大值，與較小的值對(duì)稱(chēng)地一直下降到邊緣區(qū)的一個(gè)負(fù)的最小值并接著又非對(duì)稱(chēng)地在橫坐標(biāo)方向上增加。也可以以公知的方法通過(guò)在靶背面布置永久磁鐵產(chǎn)生類(lèi)似的磁場(chǎng)。在此場(chǎng)線穿過(guò)橫坐標(biāo)(即對(duì)應(yīng)于場(chǎng)向的一個(gè)交變而過(guò)零)的通道在靶表面上定義一個(gè)自身封閉的(圓形)曲線，在該曲線上磁場(chǎng)的垂直分量為零。在這個(gè)零線上對(duì)于一個(gè)例如陰極接通的靶對(duì)應(yīng)于工藝流方向從等離子進(jìn)入靶的火花沒(méi)有獲得徑向的但是可能是切向的高加速度，因?yàn)樵谕磺€上磁場(chǎng)的平行分量具有一個(gè)最大值。這樣達(dá)到的火花高運(yùn)行速度有效地防止“腐蝕”，但是同時(shí)起到不良利用靶的作用，因?yàn)榛局蝗コ械囊粋€(gè)窄小圓環(huán)。
為了改善這一點(diǎn)附加地具有一個(gè)在頂部包圍靶和極靴的線圈，通過(guò)它可以使由極靴和設(shè)置在其中的線圈產(chǎn)生的零線的半徑徑向移動(dòng)。
但是為此所需的工藝費(fèi)用是相當(dāng)可觀的，因?yàn)閷?duì)于兩個(gè)線圈要分別具有一個(gè)獨(dú)立的電流/電壓控制單元，其中至少一個(gè)單元必需適合于輸出隨時(shí)間變化的電流/電壓信號(hào)，用于使靶上的零線實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期的膨脹/收縮。但是盡管花費(fèi)很高的費(fèi)用，但是在這種結(jié)構(gòu)的電弧光源中在靶中心的一個(gè)相對(duì)較大的部位也只能微少地甚至根本不能去除。
本發(fā)明的目的是克服背景技術(shù)的上述缺陷。本發(fā)明的目的尤其是實(shí)現(xiàn)一個(gè)真空電弧光源和一個(gè)用于使一個(gè)電弧放電運(yùn)行的方法，它們與目前使用的光源或目前使用的方法相比總體上以高的覆層質(zhì)量實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的、經(jīng)濟(jì)的處理過(guò)程。具體地說(shuō)特別涉及下面幾點(diǎn)-改進(jìn)靶利用率，-延長(zhǎng)靶使用壽命，-提高每個(gè)靶可實(shí)現(xiàn)的覆層過(guò)程，-減少工藝時(shí)間，-降低所沉積的覆層的表面粗糙性。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的按照本發(fā)明建議一個(gè)如權(quán)利要求1所述的真空電弧光源，一個(gè)如權(quán)利要求17所述的真空設(shè)備，以及一個(gè)按照權(quán)利要求21的方法的過(guò)程。
已經(jīng)令人驚奇地證實(shí)，磁場(chǎng)的垂直分量B⊥基本幾乎不變地或以零分布在大部分表面上，在調(diào)整靶表面上的一個(gè)磁場(chǎng)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)一種火花分布，其中火花迅速而均勻地分布在整個(gè)或至少大部分靶表面上。由此一方面使由單個(gè)火花在每個(gè)單位時(shí)間在靶表面上熔化的部位保持較小，而且使由熔池發(fā)射的大顆粒的尺寸和數(shù)量變少。另一方面由此可以比以一個(gè)在相當(dāng)小的靶部位上強(qiáng)迫導(dǎo)引的火花實(shí)現(xiàn)更好的效率。
在此有利的是，選擇磁場(chǎng)垂直分量B⊥小于30高斯、最好小于20高斯、尤其是小于10高斯。在靶表面邊緣區(qū)可以使垂直的磁場(chǎng)分量值B⊥R與靶表面中心區(qū)的值B⊥相比進(jìn)行增加調(diào)整、下降調(diào)整和/或變換符號(hào)。
大部分表面，即垂直分量B⊥在其中基本幾乎不變或以零分布的部位在此以有利的方式從靶表面的中心區(qū)一直延伸到邊緣區(qū)并且包括以幾何尺寸確定的范圍的至少50％，但是最好至少60％。在例如矩形靶的情況下即至少邊長(zhǎng)a，b的50或60％，在圓形靶的情況下即至少半徑的50或60％。在靶表面邊緣區(qū)可以使垂直的磁場(chǎng)分量值B⊥R與靶表面中心區(qū)的值B⊥相比增加地、下降地和/或變換符號(hào)地進(jìn)行調(diào)整。
在此平行的磁場(chǎng)分量值B‖在中心區(qū)基本同樣調(diào)整到零，但是在靶表面的邊緣方向上進(jìn)行增加調(diào)整，優(yōu)選相對(duì)于靶中心對(duì)稱(chēng)地進(jìn)行增加調(diào)整。如果例如在圓形靶中從邊緣至到接近中心區(qū)一個(gè)磁場(chǎng)以接近線性增加的分量B‖增加，則使切向順時(shí)針或逆時(shí)針作用于火花的作用力相對(duì)于靶邊緣增加，由此可以使火花在半徑上以接近不變的角速度移動(dòng)。
這種磁場(chǎng)可以通過(guò)一個(gè)具有一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生裝置的真空電弧光源產(chǎn)生，它包括至少兩個(gè)相反極性的磁系統(tǒng)。
下面的實(shí)施例示例性地描述不同的真空電弧光源，通過(guò)它們可以在靶表面上建立一個(gè)這樣的磁場(chǎng)。
作為第一個(gè)具有至少兩個(gè)相反極性的磁系統(tǒng)例如可以具有一個(gè)安置在靶后面的第一電磁線圈，它本身又可以由多個(gè)線圈構(gòu)成。在此以有利的方式使第一線圈的內(nèi)部尺寸基本上以最多正/負(fù)30％、最好正/負(fù)20％的偏差遮蓋靶表面外尺寸的投影。由此在由一個(gè)流過(guò)電流的線圈施加電壓時(shí)產(chǎn)生一個(gè)均勻的、基本垂直于靶表面分布的磁場(chǎng)。在大部分表面上與垂直分量相比較小的平行的磁場(chǎng)分量在表面中心區(qū)為零并且向著邊緣增加。盡管可以使用一個(gè)更大的第一線圈，但是是不實(shí)用的，在使用較小直徑時(shí)平行分量太大，或者甚至導(dǎo)致一個(gè)在這里不期望的場(chǎng)向變化。這種場(chǎng)可以通過(guò)螺桿線圈、即無(wú)源線圈沒(méi)有附加極靴地或者磁芯地產(chǎn)生。在此磁場(chǎng)的平行分量的份額根據(jù)與靶表面的距離或者線圈的直徑而變大或減小。
用于構(gòu)成第一磁系統(tǒng)的另一可能性是可以由一個(gè)或多個(gè)安置在靶后面或者安置在一個(gè)固定在靶背面上的冷卻板后面的永久磁鐵構(gòu)成。由此在靶表面上產(chǎn)生的磁場(chǎng)應(yīng)該基本對(duì)應(yīng)于如上所述的螺桿線圈的磁場(chǎng)，即相對(duì)較小的磁場(chǎng)。因此或者所述永久磁鐵本身具有一個(gè)微弱的場(chǎng)強(qiáng)或者與靶相應(yīng)間隔地設(shè)置。此外要注意，如同使用上述線圈一樣通過(guò)第一磁系統(tǒng)不影響場(chǎng)向在靶表面上的反向。即，要避免一個(gè)與背景技術(shù)已知的通過(guò)例如在中心區(qū)與邊緣區(qū)之間選擇極性的布置。在這里一個(gè)簡(jiǎn)單的可能性提供例如使用薄的所謂塑性鐵素體(Plastoferrit)磁鐵，它們可以根據(jù)要調(diào)整的場(chǎng)強(qiáng)以單層或多層圓片或多角形盡可能均勻地安置在靶背面上，與上述類(lèi)似地在靶表面外尺寸的正/負(fù)30％、最好正/負(fù)20％的范圍中。
作為第二磁系統(tǒng)以有利的方式具有至少一個(gè)包圍第一磁系統(tǒng)的或者與其同軸線設(shè)置的線圈。這個(gè)線圈例如可以側(cè)面包圍第一磁系統(tǒng)或靶或者最好設(shè)置在第一磁系統(tǒng)或靶的后面。
對(duì)于設(shè)置在第一磁系統(tǒng)后面的第二線圈也有利地配有一個(gè)比第一磁系統(tǒng)或第一線圈更大的直徑。同樣較多的匝數(shù)已經(jīng)證實(shí)是有利的，因?yàn)橛纱烁子谑勾怪钡拇艌?chǎng)與第一磁系統(tǒng)的功能相結(jié)合在表面上基本調(diào)整到零。在匝數(shù)相同時(shí)這種作用必需經(jīng)過(guò)一個(gè)非常大的電流調(diào)整，由此可能導(dǎo)致第二線圈的過(guò)熱負(fù)荷。通過(guò)一個(gè)這樣的在這種情況下更大的第二線圈也可以使一個(gè)對(duì)于第一磁系統(tǒng)作用相反的第二磁系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)作用于真空室內(nèi)部的磁場(chǎng)，它使一個(gè)否則分散的電弧等離子束形成一個(gè)也稱(chēng)為等離子射流的等離子射線。在此兩個(gè)磁系統(tǒng)的相反的平行分量根據(jù)與靶的距離部分地或者全部地抵消，這起到成束的作用，而第二磁系統(tǒng)的較強(qiáng)的垂直磁場(chǎng)只在接近靶表面處被較弱的第一磁系統(tǒng)抵消。這是有利的，因?yàn)橛纱丝梢援a(chǎn)生一個(gè)指向要被處理的工件的分流，這例如能夠?qū)崿F(xiàn)較高的腐蝕率或者更迅速地層生長(zhǎng)并由于由此實(shí)現(xiàn)的縮短工藝時(shí)間實(shí)現(xiàn)總體上更長(zhǎng)的靶使用壽命。
第一磁系統(tǒng)也包括第二磁系統(tǒng)在靶后面的布置還具有優(yōu)點(diǎn)，即，這兩個(gè)磁系統(tǒng)可以從外部接觸地進(jìn)行裝配并且不承受高溫和一個(gè)可能的在處理室中的覆層。
通過(guò)一個(gè)間隔地設(shè)置在靶前面的線圈也可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)明顯的效果。如果作為第一磁系統(tǒng)同時(shí)使用一個(gè)線圈，則第二線圈類(lèi)似設(shè)置完全相同地構(gòu)成。在這樣一個(gè)或多或少地相對(duì)于靶平面對(duì)稱(chēng)的線圈結(jié)構(gòu)中為了產(chǎn)生一個(gè)等離子射流第二線圈的磁場(chǎng)不一定非得大于第一線圈，由此兩個(gè)線圈可以以近似的幾何尺寸通過(guò)一個(gè)公共的電流/電壓源驅(qū)動(dòng)。在此磁場(chǎng)的微調(diào)可以以簡(jiǎn)單的方式通過(guò)至少一個(gè)線圈的可調(diào)電阻或可調(diào)間距實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵谶@種情況下第二磁系統(tǒng)置于電弧光源的分電流下，但是具有附加的保護(hù)措施或其它公知的措施，以保證一個(gè)持續(xù)地運(yùn)行。
如果不僅對(duì)于第一磁系統(tǒng)而且對(duì)于第二磁系統(tǒng)分別使用至少一個(gè)線圈，則如同由上述實(shí)施例易于推斷地那樣，這樣施加各電壓源，使得線圈電流分別在相反的方向上、即基本在順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛏狭鲃?dòng)。
與上述磁場(chǎng)發(fā)生裝置一樣不僅適用于通過(guò)陰極驅(qū)動(dòng)的而且適用于通過(guò)陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)的、尤其是平面的電弧光源并且在使用至少一個(gè)線圈時(shí)可以簡(jiǎn)單地例如通過(guò)改變線圈電流、但是也可以通過(guò)改變至少一個(gè)磁系統(tǒng)與靶表面的距離調(diào)整到不同的靶材和/或靶厚。所述靶材可以適配于那些需求并且相應(yīng)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置按照本發(fā)明例如不僅用于圓的而且用于四角或多角的源。
因此如果在原理上也能夠?qū)崿F(xiàn)，則在腐蝕或覆層過(guò)程期間線圈電流的變化不是必需的。此外火花以一個(gè)公知的與所謂的“任意電弧”源類(lèi)似的隨機(jī)圖形中在靶表面上移動(dòng)，但是通過(guò)按照本發(fā)明構(gòu)成的電弧光源的磁場(chǎng)這樣導(dǎo)引或加速，使得火花更細(xì)地分布并且徹底減少峰值幾率。同時(shí)在靶中心區(qū)，在那里不僅垂直的而且平行的磁場(chǎng)分量非常小或者為零也可以令人驚奇地沒(méi)有火花腐蝕。
通過(guò)一個(gè)按照本發(fā)明的電弧光源實(shí)現(xiàn)的功能可以通過(guò)一個(gè)在真空處理設(shè)備的腔室中附加產(chǎn)生的磁場(chǎng)有利地控制所產(chǎn)生的等離子射線。如果例如在一個(gè)真空處理設(shè)備的軸向設(shè)置一個(gè)或多個(gè)電弧光源同時(shí)具有至少另一個(gè)與設(shè)備中心同心設(shè)置的電磁線圈，則由此可以使由電弧光源產(chǎn)生的等離子射線偏轉(zhuǎn)。如果將至少另一線圈連接到一個(gè)隨時(shí)間變化的具有控制單元的電流源上，則可以使等離子射線變化地指向腔室的不同部位。例如等離子射線對(duì)于腐蝕過(guò)程可以在工件旁邊導(dǎo)引或者對(duì)于覆層過(guò)程可以?xún)?yōu)選周期地在工件上導(dǎo)引。
在此已經(jīng)證實(shí)，至少對(duì)于對(duì)稱(chēng)的布置多個(gè)源圍繞一個(gè)設(shè)備軸線是有利的，選擇一個(gè)這樣的線圈結(jié)構(gòu)，通過(guò)它在腔室中可以產(chǎn)生一個(gè)盡可能均勻的軸線平行的場(chǎng)。這一點(diǎn)例如通過(guò)一個(gè)具有至少另外兩個(gè)電磁線圈的設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)，其中另外的線圈優(yōu)選在設(shè)備的頂面以及底面或者相應(yīng)的側(cè)面鄰近部位與設(shè)備軸線同心地設(shè)置。所述線圈在此可以具有一個(gè)不同的直徑或者一個(gè)基本對(duì)應(yīng)于一個(gè)亥姆霍茨線圈結(jié)構(gòu)的相同直徑。
下面借助于示意圖示例地描述本發(fā)明。


圖1示出具有兩個(gè)磁系統(tǒng)的電弧光源，圖2示出靶表面上的火花分布，圖3示出按照背景技術(shù)的磁場(chǎng)分量的分布曲線，圖4示出圖3的磁場(chǎng)矢量，圖5示出一個(gè)按照本發(fā)明的電弧光源的磁場(chǎng)分量的分布曲線，圖6示出圖5的磁場(chǎng)矢量，圖7示出具有一個(gè)包圍的線圈的電弧光源，圖8示出具有靶前線圈的電弧光源，圖9示出一個(gè)覆層設(shè)備的截面圖，圖10示出一個(gè)具有6個(gè)電弧光源的覆層設(shè)備的橫截面圖，圖11示出對(duì)于最佳運(yùn)行的B⊥變化曲線，圖12示出對(duì)于最佳運(yùn)行的B‖變化曲線，圖13示出火花在中心時(shí)的B⊥變化曲線，圖14示出火花在中心時(shí)的B‖變化曲線，圖15示出火花在邊緣時(shí)的B⊥變化曲線，圖16示出火花在邊緣時(shí)的B‖變化曲線。
圖1示出一個(gè)安裝在一個(gè)真空處理設(shè)備1的腔室中的按照本發(fā)明的電弧光源2，該真空處理設(shè)備配有供氣機(jī)構(gòu)4和不同的在這里未詳細(xì)示出的電源和泵單元，所述電弧光源作用于一個(gè)工件3。在所示實(shí)施例中兩個(gè)磁系統(tǒng)9，10以電磁線圈的形式構(gòu)成，并且在靶6的后面設(shè)置在一個(gè)與靶背板8相結(jié)合的使設(shè)備與大氣隔離的源插入物7的中或上面。附屬于第一磁系統(tǒng)9的第一線圈緊挨著位于靶6的后面或者位于一個(gè)以公知的方式水冷的靶背板8的后面。附屬于第二磁系統(tǒng)10的第二線圈同樣設(shè)置在靶6的后面，但是比第一線圈9具有一個(gè)更大的內(nèi)徑以及外徑。在此第一線圈9與第二線圈10之間的距離在0至200mm之間調(diào)整，在一些實(shí)施例中調(diào)整到67mm。所述兩個(gè)線圈位于所述腔室外部，因此易于接觸到并且如果需要可以通過(guò)簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行冷卻。為了對(duì)線圈供電，在這種情況下設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立的直流電壓源11，12，它們提供對(duì)于那個(gè)工藝過(guò)程或者對(duì)于那個(gè)靶所需的直流電。
作為靶例如可以是一個(gè)直徑為160mm且厚度為6mm的由不同的材料、如Ti或TiAl制成的圓坯。對(duì)于專(zhuān)業(yè)人員能夠公知地實(shí)現(xiàn)較大或較小的靶厚以及其它的形狀。由表1可以看出線圈的幾何尺寸以及線圈電流的示例性調(diào)整。為了達(dá)到所期望的效果，這兩個(gè)線圈在此通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接通，通過(guò)這兩個(gè)線圈流動(dòng)的電流在電性上是反向的。
表1
*冷態(tài)電阻在表2中給出對(duì)于一個(gè)相應(yīng)的電弧光源的運(yùn)行優(yōu)選的運(yùn)行參數(shù)和極限值(靶徑約160mm，d＝6-12mm，靶材料Ti或TiAl)。
表2
在表3中附地給出兩個(gè)示例性的運(yùn)行方式用于區(qū)別TiN以及TiAlN，其中在基底上施加一個(gè)所謂的偏置電壓。
表3
試驗(yàn)在Balzers公司的一個(gè)RCS覆層設(shè)備上進(jìn)行，該設(shè)備具有八角形的橫截面和約1000l的覆層容積。覆層室的直徑為1070mm，高度為830mm。
圖2以一個(gè)圓形靶6的示例簡(jiǎn)示出作用于一個(gè)火花的、在靶表面上產(chǎn)生的徑向?qū)ΨQ(chēng)的磁場(chǎng)的作用力。在此火花以移動(dòng)的點(diǎn)電荷Q電弧表示。
通常一個(gè)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的帶電顆粒通過(guò)作用力F＝Q(v×B)偏轉(zhuǎn)。其中F是作用于一個(gè)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電荷Q上的作用力，v是與場(chǎng)線成直角移動(dòng)的電荷Q的速度，而B(niǎo)是場(chǎng)的磁感應(yīng)。如果人們?cè)诤雎耘c施加的電磁場(chǎng)相比微小的由靶陰極引起的電磁場(chǎng)的影響的情況下觀察基本垂直于靶表面指向的一個(gè)火花的電流I電弧，則所述電荷顆粒通過(guò)一個(gè)平行于表面的、并因此垂直于電流I電弧指向的、一個(gè)徑向?qū)ΨQ(chēng)的磁場(chǎng)B‖的作用力F‖獲得一個(gè)火花分布與場(chǎng)線成直角的、即根據(jù)場(chǎng)方向順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较虻募铀俣取６粋€(gè)垂直于靶表面指向的、外部磁場(chǎng)的磁場(chǎng)分量B⊥-或B⊥+首先不起到使垂直出現(xiàn)的電流I電弧的電荷載體偏轉(zhuǎn)的作用，因?yàn)槭噶縱×B的交叉乘積在這里是零。只有在火花通過(guò)偏轉(zhuǎn)在靶表面上出現(xiàn)時(shí)獲得一個(gè)例如在俯視圖中所示的逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)并由此也具有一個(gè)平行于靶表面的速度分量之后，所述兩個(gè)通過(guò)垂直的磁場(chǎng)分量B⊥-和B⊥+所產(chǎn)生的作用力F⊥-和F⊥+才起作用。通過(guò)B⊥-使火花如圖所示向著靶中心偏轉(zhuǎn)，而B(niǎo)⊥+給火花一個(gè)速度分量，它使火花向著靶邊緣移動(dòng)。
如同在評(píng)價(jià)背景技術(shù)時(shí)所提及的那樣，這種效果可以通過(guò)一個(gè)具有一個(gè)隨時(shí)間變化的電流輸入的雙線圈結(jié)構(gòu)得到充分利用，用于使火花可著一個(gè)徑向沿移動(dòng)的、垂直磁場(chǎng)分量B⊥的零線在靶表面上導(dǎo)引。
作為對(duì)于一個(gè)已知的通過(guò)永久磁鐵建立的磁場(chǎng)的示例，圖3示出磁場(chǎng)在靶表面上的平行的以及垂直的分量。在這個(gè)磁控管結(jié)構(gòu)中在靶的背面上在邊緣區(qū)環(huán)繞地使磁鐵以一致的極取向安置，該磁極與一個(gè)或多個(gè)相反極化的磁鐵在靶中心對(duì)置。與用于濺射磁控管的磁控管結(jié)構(gòu)相比在這里類(lèi)似設(shè)置的磁鐵具有一個(gè)更微弱的磁場(chǎng)強(qiáng)度，用于實(shí)現(xiàn)所期望的導(dǎo)向效應(yīng)。
圖4示出由圖3給出的作用力矢量圖，該作用力作用于一個(gè)垂直地由等離子在表面上燃燒的或者通過(guò)所述平行的磁場(chǎng)圓形地偏轉(zhuǎn)的、在靶表面的位置1-7上的火花I電弧。在此在靶平面中B‖引起切向起作用的作用力F‖，B⊥引起一個(gè)與其正交的、即徑向起作用的作用力F⊥。在實(shí)際應(yīng)用中證實(shí)，所述火花分布以一個(gè)與靶中心4-6cm的徑向距離基本分布在一個(gè)圓環(huán)上并從那里周期地收縮到靶中心。因?yàn)樵谝粋€(gè)5cm的徑向距離中垂直的磁場(chǎng)是零，并且平行的磁場(chǎng)是最大值，所以產(chǎn)生這種火花分布。通過(guò)平行的磁場(chǎng)使所述火花得到一個(gè)在切向上的運(yùn)動(dòng)，如圖2所示的那樣。因?yàn)榇怪钡拇艌?chǎng)以一個(gè)4-6cm的徑向距離與零非本質(zhì)的不同，所以火花既不向著靶中心也不向著靶邊緣運(yùn)動(dòng)，而是基本在上述圓環(huán)的范圍中移動(dòng)。
如圖3所示，在靶中心處磁場(chǎng)的平行分量與零線相交，而垂直分量通過(guò)最大值。一個(gè)曾經(jīng)從非常圓環(huán)形平行的磁場(chǎng)導(dǎo)向在靶中心方向逃離的火花在那里沒(méi)有獲得或者至少只略微的偏轉(zhuǎn)，因?yàn)榇怪比肷涞幕鸹ㄍㄟ^(guò)弱的作用力F‖幾乎不加速，因此大的作用力F⊥幾乎不起作用。因此火花在中心區(qū)減慢其在靶表面上的運(yùn)動(dòng)并局部這樣強(qiáng)烈地加熱這個(gè)表面，使靶材爆炸式的蒸發(fā)，由此熄滅火花。這一點(diǎn)也導(dǎo)致增加中性顆粒(尖端)的發(fā)射并且增加在靶中心區(qū)的靶去除。因此在實(shí)踐中已經(jīng)證實(shí)火花的這種分布是不利的，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)相當(dāng)小的靶表面部分被去除，這導(dǎo)致形成腐蝕輪廓，也就是說(shuō)需要經(jīng)常換靶，用以保持靶的機(jī)械穩(wěn)定性。因此可能只使通常昂貴的靶材的一小部分在靶使用壽命結(jié)束前被蒸發(fā)。
在圖5中示出一個(gè)按照本發(fā)明的磁場(chǎng)的垂直分量B⊥和平行分量B‖的曲線變化，如何例如通過(guò)一個(gè)在圖1中所述的電弧光源在靶表面上或者緊挨著在靶前面通過(guò)兩個(gè)線圈場(chǎng)的疊加產(chǎn)生磁場(chǎng)。在此線圈電流對(duì)應(yīng)于表1對(duì)于第一線圈9恒定地調(diào)整到1.5A，或者對(duì)于第二線圈10調(diào)整到5A，利用圖1中標(biāo)記來(lái)代替(1)和(2)更清楚。
由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)由于垂直分量的分布而是有特征的，它與在圖3中所示的分布不同，在另一部位上是恒定的，并具有明顯更小的數(shù)值。所述垂直分量B⊥在此分布在+5至-5高斯之間，而圖3中的垂直分量分布在+80至-120高斯之間，并且以一個(gè)明顯最小值分布在中心部位。在圖5中所示平行分量B‖總體上比在圖3中所示的平行分量更弱。從一個(gè)在靶邊緣上約為20高斯的數(shù)值開(kāi)始B‖以一個(gè)約4高斯/cm的梯度分布，猶如直線一直延伸到靠近拐點(diǎn)(對(duì)應(yīng)于極座標(biāo)圖的一個(gè)最小值)。只有在其靠近周邊處曲線才明顯扁平。在此通過(guò)一個(gè)其內(nèi)徑基本對(duì)應(yīng)于靶投影的第一線圈明顯地避免形成一個(gè)或多個(gè)B⊥零線與最大的B‖值的結(jié)合，由此火花不強(qiáng)制在一個(gè)優(yōu)選的軌跡上，并且避免形成明顯的去除輪廓、例如環(huán)繞的跑道。以公知的方式通過(guò)永久磁鐵可以產(chǎn)生類(lèi)似的磁場(chǎng)。
圖6示出與圖4類(lèi)似的由一個(gè)按照本發(fā)明的如圖1所述的電弧光源在靶表面的位置1-7上作用于一個(gè)火花上的作用力的矢量圖。這一點(diǎn)也可以解釋?zhuān)粋€(gè)按照本發(fā)明構(gòu)成的或運(yùn)行的磁系統(tǒng)如何有效地防止火花以有害的方式向著靶中心收縮。通過(guò)所述向外基本連續(xù)增加的平行作用力分量F‖，所述火花在靶的整個(gè)徑向范圍上得到一個(gè)相對(duì)恒定的角速度，即火花移動(dòng)得越快，它離開(kāi)靶中心就越遠(yuǎn)。同時(shí)在中心區(qū)作用的向心作用力分量F⊥小于在圖4中的作用力分量。
在這樣一種電弧光源工作時(shí)能夠觀察到，產(chǎn)生電弧光源在靶的整個(gè)范圍上移動(dòng)的許多小火花中的一個(gè)細(xì)分支。此外通過(guò)所述兩個(gè)線圈場(chǎng)的重疊產(chǎn)生的磁場(chǎng)構(gòu)成一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)，它使一個(gè)等離子束形成一個(gè)等離子射流，該射流本身可以通過(guò)附加的線圈偏轉(zhuǎn)。因?yàn)樵谙嗤陌泄β蕰r(shí)所述去除至少與常見(jiàn)的電弧光源一樣大小，所以在離子流對(duì)準(zhǔn)工件3的方向時(shí)導(dǎo)致一個(gè)較高的覆層率。這種束流可以對(duì)應(yīng)于需求而在寬范圍中調(diào)整，例如通過(guò)將線圈電流調(diào)整到尤其是那些幾何特性-如所期望的覆層高度、基底靶間距等。
圖7和8示出按照本發(fā)明的電弧光源的另兩個(gè)實(shí)施例，其中在圖7中所述第二磁系統(tǒng)10包圍第一磁系統(tǒng)9，而在圖8中所述第二磁系統(tǒng)10設(shè)置在靶6的前面。在一種如圖8所示的電弧光源中，第二磁系統(tǒng)也可以具有與第一磁系統(tǒng)類(lèi)似的尺寸，尤其是當(dāng)?shù)谝缓偷诙畔到y(tǒng)相對(duì)于所述靶進(jìn)行功能對(duì)稱(chēng)地設(shè)置、并且選擇內(nèi)徑與靶的外尺寸至少相同或大于的時(shí)候。
圖9示出一個(gè)具有電弧光源2的真空處理設(shè)備1，該電弧光源從側(cè)面作用于一個(gè)或多個(gè)圍繞設(shè)備軸線13移動(dòng)的工件3上。為了使等離子射線垂直地偏轉(zhuǎn)，還配有亥姆霍茨結(jié)構(gòu)的線圈14。
圖10以橫截面圖示出一個(gè)具有6個(gè)電弧光源2的覆層設(shè)備1，其中所有光源2都基本成直角地對(duì)準(zhǔn)設(shè)備軸線13的方向。
圖11至16示出在對(duì)線圈電流進(jìn)行不同地調(diào)整時(shí)在靶表面上產(chǎn)生的磁場(chǎng)分量B⊥或B‖的變化曲線。在此所述電弧光源對(duì)應(yīng)于在圖1中所述的運(yùn)行參數(shù)而運(yùn)行，用于獲得最佳的調(diào)整范圍和極限值。
圖11和12示出不同的對(duì)應(yīng)于通過(guò)相應(yīng)的線圈調(diào)整的磁場(chǎng)B⊥或B‖的曲線，其中可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)所期望的細(xì)分布的火花分布。在此要注意，B⊥或B‖的值對(duì)于給定的幾何配置不能相互獨(dú)立地調(diào)整，因此圖11中的一個(gè)B⊥分布只分別對(duì)應(yīng)于圖12中相同標(biāo)記的B⊥分布。
圖13和14示出一個(gè)極限狀況，其中電弧盡管也細(xì)分布地移動(dòng)，但是已經(jīng)可以用肉眼識(shí)別出一個(gè)周期收縮到中心的第一標(biāo)記。如果B⊥分布還明顯地繼續(xù)向負(fù)值移動(dòng)，則在中心部位導(dǎo)致一個(gè)更粗的火花分布和一個(gè)特別強(qiáng)烈的收縮。
圖15和16示出另一極限狀況。在這里火花圖樣更加充分地進(jìn)行細(xì)分布，但是通過(guò)在此施加的磁場(chǎng)可以看出火花在靶邊緣區(qū)的一個(gè)周期偏差的第一標(biāo)記。如果B⊥分布還明顯地繼續(xù)向正值移動(dòng)，則在靶邊緣上導(dǎo)致一個(gè)更粗的火花分布。
此外已經(jīng)確認(rèn)，在接近相同的細(xì)和均勻分布的火花分布時(shí)位于零線兩側(cè)的B⊥分布允許比完全位于零線以上或以下的B⊥分布具有更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度差，即，在靶表面上一個(gè)更不均勻的B⊥分布。
權(quán)利要求
1.用于使一個(gè)電弧放電設(shè)備運(yùn)行的、包括一個(gè)具有一個(gè)表面的靶的真空電弧光源，其中所述靶設(shè)置在一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生裝置的有效區(qū)中，其特征在于，所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置包括至少兩個(gè)相反極性的磁系統(tǒng)并且這樣構(gòu)成使得所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的垂直于表面的分量B⊥在大部分表面上具有基本恒定的小數(shù)值或者為零。
2.如權(quán)利要求1所述的電弧光源，其特征在于，所述垂直磁場(chǎng)分量B⊥的數(shù)值小于30高斯、最好小于20高斯、尤其優(yōu)選小于10高斯。
3.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電弧光源，其特征在于，所述大部分表面從靶表面的一個(gè)中心區(qū)延伸到一個(gè)邊緣區(qū)，更確切地說(shuō)，所述大部分包括靶表面幾何尺寸的至少50％，尤其優(yōu)選60％或者更多。
4.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電弧光源，其特征在于，在所述靶表面的邊緣區(qū)中垂直的磁場(chǎng)分量B⊥R的數(shù)值與靶表面中心區(qū)的數(shù)值B⊥M相比增加、下降和/或變換符號(hào)。
5.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電弧光源，其特征在于，所述平行的磁場(chǎng)分量B‖在中心區(qū)中基本為零，而在靶表面邊緣方向上增加或下降地優(yōu)選對(duì)稱(chēng)于靶中心、尤其優(yōu)選基本線性地增加。
6.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電弧光源，其特征在于，所述至少兩個(gè)相反極性的磁系統(tǒng)中的第一磁系統(tǒng)包括至少一個(gè)安置在靶后面的第一電磁線圈。
7.如權(quán)利要求6所述的電弧光源，其特征在于，所述第一線圈的內(nèi)徑基本上以一個(gè)最多正/負(fù)30％、優(yōu)選正/負(fù)20％的偏差遮蓋所述表面外部尺寸的投影。
8.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電弧光源，其特征在于，所述至少兩個(gè)相反極性的磁系統(tǒng)中的第一磁系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)安置在靶后面的永久磁鐵構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求8所述的電弧光源，其特征在于，所述永久磁鐵或者本身具有一個(gè)微弱的場(chǎng)強(qiáng)，或者與靶具有一個(gè)這樣的距離，使得場(chǎng)強(qiáng)在靶表面上是微弱的。
10.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電弧光源，其特征在于，所述至少兩個(gè)相反極性的磁系統(tǒng)的第二磁系統(tǒng)包括至少一個(gè)與第一磁系統(tǒng)同軸線設(shè)置的第二線圈。
11.如權(quán)利要求10所述的電弧光源，其特征在于，所述第二線圈設(shè)置在第一磁系統(tǒng)后面。
12.如權(quán)利要求10所述的電弧光源，其特征在于，所述第二線圈以一個(gè)距離設(shè)置在靶前面。
13.如權(quán)利要求10所述的電弧光源，其特征在于，所述第二線圈至少部分同軸線地包圍第一磁系統(tǒng)。
14.如權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的電弧光源，其特征在于，所述第二線圈比第一線圈具有一個(gè)較多的匝數(shù)和/或更大的直徑。
15.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電弧光源，其特征在于，所述靶作為陰極接通。
16.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電弧光源，其特征在于，所述靶作為陽(yáng)極接通。
17.一種真空設(shè)備，在其中設(shè)置至少一個(gè)如權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的電弧光源。
18.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個(gè)電弧光源在設(shè)備軸線方向上起作用，并且具有至少另一個(gè)與設(shè)備軸線同心設(shè)置的電磁線圈，用于使所產(chǎn)生的等離子射線偏轉(zhuǎn)。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少另一個(gè)線圈通過(guò)控制單元連接到至少一個(gè)隨時(shí)間變化的電流源上，用于使由所述至少一個(gè)電弧光源產(chǎn)生的等離子射線的取向變化地偏轉(zhuǎn)。
20.如權(quán)利要求18至19中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，至少兩個(gè)另外的電磁線圈優(yōu)選地與設(shè)備軸線同心地設(shè)置在設(shè)備的上面以及下面或者相應(yīng)從側(cè)面限定的部位上，它們具有一個(gè)不同的或相同的直徑、或者一個(gè)基本對(duì)應(yīng)于一個(gè)亥姆霍茨裝置的結(jié)構(gòu)。
21.用于使一個(gè)電弧放電裝置在一個(gè)電弧光源的靶表面上借助于一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生裝置運(yùn)行的方法，其特征在于，通過(guò)磁場(chǎng)發(fā)生裝置在表面上產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，其垂直分量B⊥在大部分表面上基本接近恒定地分布或者為零地分布。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述垂直的磁場(chǎng)分量的數(shù)值B⊥被調(diào)整到小于30高斯、最好小于20高斯、尤其優(yōu)選小于10高斯。
23.如權(quán)利要求21至22中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述磁場(chǎng)這樣被調(diào)整，使得大部分表面以基本接近恒定地或者為零地分布的垂直分量B⊥從靶表面的一個(gè)中心區(qū)延伸到一個(gè)邊緣區(qū)，更確切地說(shuō)，所述中心區(qū)包括靶表面幾何上確定的尺寸的至少50％，尤其是最好60％或者更多。
24.如權(quán)利要求21至23中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述靶表面的邊緣區(qū)中垂直的磁場(chǎng)分量B⊥R的數(shù)值與靶表面中心區(qū)的數(shù)值B⊥M相比增加地、下降地和/或變換符號(hào)地進(jìn)行調(diào)整。
25.如權(quán)利要求21至24中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述平行的磁場(chǎng)分量B‖的數(shù)值在中心區(qū)基本為零，而在靶表面邊緣方向上增加地、優(yōu)選對(duì)稱(chēng)地與靶中心相比增加地調(diào)整，使得切向地在順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蛏献饔糜诨鸹ǖ牧ο蛑羞吘壴黾印?br> 26.如權(quán)利要求21至24中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，附加地在靶前面的一個(gè)區(qū)域中產(chǎn)生一個(gè)基本上垂直于表面指向的磁遠(yuǎn)場(chǎng)。
27.如權(quán)利要求21至26中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于靶材料和/或靶厚地進(jìn)行調(diào)整。
28.如權(quán)利要求21至27中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置包括至少一個(gè)設(shè)置在靶后面的線圈，并且為了調(diào)整磁場(chǎng)將一個(gè)電壓源施加到所述至少一個(gè)線圈上，由此使一個(gè)電流在一個(gè)第一方向上流動(dòng)。
29.如權(quán)利要求21至27中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置包括至少一個(gè)設(shè)置在靶后面的、由一個(gè)或多個(gè)永久磁鐵構(gòu)成的磁系統(tǒng)。
30.如權(quán)利要求28至29中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)第二線圈在靶后面、前面或包圍靶地設(shè)置，并且為了調(diào)整磁場(chǎng)將一個(gè)電壓這樣施加到第二線圈上，使得產(chǎn)生一個(gè)與由第一磁系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相反指向的第二磁場(chǎng)。
31.用于對(duì)一個(gè)工件、尤其是一個(gè)工具和/或一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行覆層的方法，該方法使用如權(quán)利要求20至29所述方法中的一個(gè)方法。
32.用于對(duì)一個(gè)工件、尤其是一個(gè)工具和/或一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行覆層的方法，該方法使用一個(gè)如權(quán)利要求1至16所述的一個(gè)電弧光源。
全文摘要
本發(fā)明涉及一個(gè)真空電弧光源以及一種用于使其運(yùn)行的方法，包括一個(gè)具有一個(gè)表面的靶，用于使一個(gè)電弧放電運(yùn)行，其中所述靶設(shè)置在一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生裝置的有效區(qū)中，所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置包括至少兩個(gè)相反極性的磁系統(tǒng)并且這樣構(gòu)成，使得所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的垂直于表面的分量B
文檔編號(hào)C23C14/32GK1729549SQ200380107068
公開(kāi)日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月19日
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