專利名稱：有明確電場的電弧蒸發(fā)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I前序部分所述的電弧蒸發(fā)源。在本說明書中電弧蒸發(fā)源指得是一種用之可以在真空中產(chǎn)生一種其焦點位于陰極上的弧光的裝置，其中由所述陰極(=靶物)提供要蒸發(fā)的材料并且所述焦點引起所述靶物材料的蒸發(fā)。
背景技術(shù)：
電弧蒸發(fā)源是現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域公知的。Snaper在US 3625848中公開了一種“射束槍”(beam gun)，這種“射束槍”帶有一個陰極和一個陽極，它們被布置成在其間可以進行火花放電。在此所述陰極用要離析的材料構(gòu)成。該文中說明的陽極具有一種圓錐形漸變、并且直接鄰近于圓柱形的陰極布置的幾何狀態(tài)。在圖I中示出根據(jù)該現(xiàn)有技術(shù)的布置。在該布置中沒有采用磁性介體(magnetische Mittel)。因此,所述焦點在所述祀物上的移動按照現(xiàn)在的情況來說是非常慢的，盡管當時描述說是快的。所述焦點的慢速移動還導(dǎo)致借 助于所述電弧蒸發(fā)源制造的層有較高的粗糙度。與之相對Clark Bergman的專利文獻中公開了一種多電弧真空系統(tǒng)，在該文中采用了磁性介體。在此涉及一種帶有陽極線路布置的電弧源，其中采用腔室或者一種電絕緣地插入的陽極。然而在此得出的缺點在于由所述靶物發(fā)出的磁場只有一部分通向陽極。此設(shè)備的優(yōu)點是特別在小的放電電流時有一個穩(wěn)定的火花引導(dǎo)。所述腔室與插入的陽極之間的電流分布通過用一個正電壓附加地加載插入的陽極達到。于是需要一種允許在恒定的較高蒸發(fā)速度的情況下制造有很小的表面粗糙度的層的電弧蒸發(fā)源。本發(fā)明的技術(shù)問題是提出這樣一種電弧蒸發(fā)源。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明該技術(shù)問題通過根據(jù)權(quán)利要求I所述的電弧蒸發(fā)源達到。在從屬權(quán)利要求是根據(jù)本發(fā)明的電弧蒸發(fā)源的不同的且有利的實施方式。根據(jù)本發(fā)明的電弧蒸發(fā)源包含一個陰極(靶物)、一個陽極和磁性介體，所述磁性介體允許磁力線以較短的連接從所述靶物表面通向所述陽極。把所述陽極布置在所述陰極直接鄰近區(qū)域，從而確保所述陰極經(jīng)磁力線從所述靶物的要蒸發(fā)的表面的每個點與所述陽極連接，所述靶物的腐蝕受到阻止。在此如此地實施所述磁性介體使得平行于所述靶物表面的分量明顯地大于垂直于所述靶物表面的分量?？梢允褂眠_500高斯的磁場場強，也就是說使用明顯地高于其它在所述PVD技術(shù)中采用的磁場強度的場強。與所述現(xiàn)有技術(shù)相較，本發(fā)明的電弧源在擁有非常光滑的層的同時擁有較高的覆
層速率。根據(jù)本發(fā)明的電弧源本身可以在真空中工作，其中達到一種高火花速度。在此所述電弧源以金屬模式工作。如此產(chǎn)生的金屬離子，例如Cr+、Ti+可以無障礙地抵達所述基片并且用于進行金屬離子蝕刻?？梢栽诤苄〉姆烹婋娏鞯那闆r下使用。
借助于所謂的“預(yù)偏置”利用根據(jù)本發(fā)明的陽極可靠地調(diào)節(jié)所述離子能量。下面參照附圖詳細地舉例說明本發(fā)明。


圖I示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個電弧蒸發(fā)源；
圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個電弧蒸發(fā)源；
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個電弧蒸發(fā)源的第一實施方式；
圖4示出帶有一個根據(jù)本發(fā)明的電弧蒸發(fā)源的真空裝置；
圖5示出帶有一個根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電弧蒸發(fā)源的真空裝置；
圖6示出根據(jù)圖5的裝置中的電位狀態(tài)；·
圖7示出圖4所示的根據(jù)本發(fā)明的裝置中的電位狀態(tài)；
圖8示出根據(jù)本發(fā)明的真空裝置的另一個實施方式；
圖9示出圖4所示的根據(jù)本發(fā)明的裝置中的電位狀態(tài)；
圖10示出根據(jù)本發(fā)明的真空裝置的另一個實施方式；
圖11示出圖4所示的根據(jù)本發(fā)明的裝置中的電位狀態(tài)。
具體實施例方式為了更好理解本發(fā)明，下面首先粗略介紹根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電弧源的情況。圖2示出一個現(xiàn)有技術(shù)的電弧蒸發(fā)源201，帶有一個與源陰極209間隔開的陽極203。所述源陰極通過一個冷卻裝置211冷卻并且與一個DC電流源的負極213連接。在所述源陰極后面設(shè)置磁性介體215，所述磁性介體215負責(zé)在所述靶物表面上方建立一個磁場。一個焦點205放出一個高的電流并且從而向所述蒸發(fā)室中放出許多電子。提供電弧等離子體作為導(dǎo)電媒介。由于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)所述陽極203沒有直接處于焦點205近旁，帶電粒子不得不在其前往遠距離的陽極的途中與所述磁場交叉。相關(guān)聯(lián)的是電荷為q、質(zhì)量為m速度為V的帶電粒子在一個電場E (r)和磁場B (r)中的位置r處的運動。在此作用不同的分力對于平行于B場的運動作用一個與qE成正比的力。對于垂直于所述磁場的運動作用一個與q(E丄+V丄XB)成正比的力，這導(dǎo)致一種旋轉(zhuǎn)運動，然而該旋轉(zhuǎn)運動疊加在一個EXB漂移上。這導(dǎo)致一種“虛擬的”流路徑207，這如圖2中所示。在其在一個通往遠處的陽極203的想象的螺旋狀的軌道上跑過時，處于所述覆層室中的工作氣體(例如Ar、N2)受到強電離。為了構(gòu)成所述氣體離子，出現(xiàn)放電的電壓提高和在所述陰極前的電位跳變。此外還觀察到覆層速度的下降。在圖3中示出根據(jù)本發(fā)明的電弧蒸發(fā)源301的一個實施方式。它只是一個示例性方案并且可以通過不同的實施方式實現(xiàn)。所述陰極309由所述要蒸發(fā)的材料構(gòu)成并且通過所述電流端子連接在一個電流源的負極上。通過磁性介體305在所述陰極表面上產(chǎn)生一個磁場，該磁場允許一種快速的火花移動。從所述靶物表面上發(fā)出的磁力線如此地布置在一個大的面積組成部分上使得其能夠具有平行于所述陰極309的表面的優(yōu)勢分量，并且能夠?qū)Νh(huán)狀地圍繞所述陰極邊緣延伸的陽極303有一個短的連接。在圖3中所示的電弧蒸發(fā)源既可以實現(xiàn)為軸對稱的圓形陰極也可以實現(xiàn)為矩形陰極。在中心內(nèi)或者說沿著中心線的陰極區(qū)域具有總是垂直于所述靶物表面延伸的場線，并且應(yīng)當因此使得腐蝕得以排除。這例如可以借助于一個擋板或者一個被填充的空隙進行(兩者都沒有示出)。在區(qū)域6中的磁場強度為40高斯至500高斯。對于特別光滑的層結(jié)果，有利的是60高斯至100高斯，尤其有利的是200高斯至500高斯。根據(jù)本發(fā)明的陽極布置結(jié)合所述磁場分布允許在這樣的高的磁場條件下工作。對于硬質(zhì)材料覆層的陰極309的靶物材料可以使用通常的材料譬如Ti、TiAl、Al、AlCr、TiSi、Cr等等。在圖3所示的電弧蒸發(fā)布置301中，結(jié)合磁性介體305產(chǎn)生的磁場的所述陽極303根據(jù)本發(fā)明如此地布置在陰極309附近使得所述磁力線允許所述流路徑307在從焦點315至陽極303的直接路徑上。如果所述電場基本上平行于所述磁場延伸，就能夠基本上避免一個上述的漂移。在本發(fā)明的一個有利的實施方式中如此地實施所述陽極使得其在施加電壓和接通磁場的情況下得以滿足，并且直至所述中心的磁力線近乎所有的或者至少大部分的磁力線都通到所述陽極。所述電子軌道以拉莫(Larmor)半徑進行表征并且繞磁力線延伸畫出一個旋轉(zhuǎn)。對于10高斯該電子旋轉(zhuǎn)半徑約為1mm，對于100高斯該電子旋轉(zhuǎn)半
徑約為O. 1mm。因此在磁場強度的情況下所述軌道是良好地沿著所述場線定位的。這樣一種布置的作用是降低整個放電電壓并且提高覆層速度。在所述靶物附近的工作氣體只是被很少地電離。本發(fā)明的一個可能的有利應(yīng)用是金屬離子蝕刻(MIE)。這通過獨創(chuàng)的電弧蒸發(fā)源的另一個特點得以實現(xiàn)。該特點在于在氣壓小于lE-03Pa的真空中穩(wěn)定工作而本身無工作氣體的可能性。通過電弧點5對所述陽極的良好電氣連接使得所述金屬等離子體8的電導(dǎo)率足以承載9從所述陰極至所述陽極的電流。從所述電弧源發(fā)出的金屬蒸汽可以達一個高的程度簡單且多次的被電離并且可以通過偏置電壓12向基片11上加速。以此可以有效地實現(xiàn)一種金屬離子蝕刻(MIE)。一個對應(yīng)的MIE裝置401在圖4中示出所述MIE裝置包含一個電弧蒸發(fā)源403和一個基片支架407，它們布置在一個真空室405中。布設(shè)有要蝕刻的基片(圖中未示出)的所述基片支架借助于一個電壓源408置于負電位，由此向所述基片加速在所述電弧蒸發(fā)源上出現(xiàn)的正離子。值得注意的是，所述在真空中的工作可以保持在非常低的電流強度下對于上述的MIE工藝的參數(shù)選擇令人驚喜地實現(xiàn)即使在非常小的電弧放電電流的情況下也可以有一種穩(wěn)定的工藝。由于所述磁力線，所述陽極的電位可以被“拖曳”直達靶物表面前很短的距離，由此可以保持所述流路徑。對于鋁，可以在向下稍高于IOA處的電流強度確定一個穩(wěn)定的工藝，而對于鈦，可以在向下稍高于40A處的電流強度確定一個穩(wěn)定的工藝。利用根據(jù)本發(fā)明的ARC蒸發(fā)源還可以采用其它材料例如Cr、Nb、Ta和有高的電離度和高的多重電離部分的金屬穩(wěn)定地進行金屬離子蝕刻。根據(jù)本發(fā)明的電弧蒸發(fā)源可以用不同的線路布置實現(xiàn)，這本身又是獨創(chuàng)性的。還是為了更好地理解，首先概述使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電弧蒸發(fā)源的情況。與之對應(yīng)地在圖5中示出一個按照現(xiàn)有技術(shù)的線路布置。在此容器505的室壁構(gòu)成所述陽極。從所述靶物發(fā)出的磁力線與陽極沒有直接連接。在圖5中示出一個帶有一個布置在容器505中的電弧蒸發(fā)源503的覆層裝置501，其中在所述容器505中還布置一個基片支架507，該基片支架507可以借助一個電壓源508置于負電壓。特別在對層粗糙度起正面作用的高磁場強度的情況下，發(fā)生所述工作氣體(例如N2)的強電離并且從而導(dǎo)致放電電壓的提高或者導(dǎo)致靶物前的一個電位降。此外由于放電的高電子溫度(2eV_5eV)在所述基片前出現(xiàn)所述電位的一種畸變，如在圖6中概略地示出的那樣。與之相對，在圖4中概略地示出一個根據(jù)本發(fā)明的實施方式并且將繼續(xù)說明。以高的電離度蒸發(fā)的陰極材料經(jīng)一個偏置電壓408向所述基片加速。電系統(tǒng)陰極I-陽極4對腔室地(Kammermasse) 10懸浮地實施。在該實施方式中等離子體電位Upla■連接在室壁上。所述電弧源的放電電流從所述陰極流向陽極。在該例中，針對陽極4建立約-16至-25V的陰極電壓。來自發(fā)生器408的基片偏置針對所述基片加速具有等離子體電位Uplasma的等離子體中的離子。如在圖7中所示所述基片前的電位分布不再畸變，因為這樣一種等離子體的電子溫度僅為約O. 3eV至leV?！?br> 另一個實施方式地示于圖8中，即帶有電弧蒸發(fā)源803的覆層裝置801，所述電弧蒸發(fā)源803布置在容器805中，其中在所述容器805中還布置一個基片支架807，所述基片支架可以借助一個電壓源808置于負電壓。根據(jù)該實施方式，有別于圖4，圖4中懸浮的陰極-陽極系統(tǒng)的連接于腔室地(大地)。在此，如圖9中所示，電位被推移。陰極電位被推移到腔室地。電弧放電電流從陰極走向陽極。由所述電壓源(偏置源)808布設(shè)的電壓(在該例中為40V)產(chǎn)生所述有附加部分Ubias+ Uplasma的離子加速。在圖8中所述陰極與所述腔室短接并且從而置于腔室地。然而還可以將所述陰極和所述腔室經(jīng)一個電壓源連接并且由此實現(xiàn)附加的電位推移。從而可以實現(xiàn)所述等離子電位至少在所述陽極前是強正性的。這在圖10和圖11中示出。
權(quán)利要求
1.一種電弧蒸發(fā)裝置，具有 -陰極，該陰極包括具有應(yīng)當蒸發(fā)的材料的表面； -磁性介體，所述磁性介體導(dǎo)致在所述表面上的磁場； -陽極，用于吸收在所述蒸發(fā)工藝中從所述陰極拉出的電子； -電壓源，該電壓源允許至少分時地把所述陽極相對于所述陰極置于正電位； 其特征在于， 將所述陽極布置在所述陰極附近使得從所述陰極的表面發(fā)出的磁力線如果不從所述表面走到所述陰極的中心區(qū)域那么就到達所述陽極上。
2.如權(quán)利要求I所述的電弧蒸發(fā)裝置， 其特征在于， 所述陽極的位置和幾何狀態(tài)與所述陰極相比被如此地選擇使得磁力線以大于45°的角度并且優(yōu)選地基本上垂直地到達所述陽極的表面上。
3.如權(quán)利要求2所述的電弧蒸發(fā)裝置， 其特征在于， 所述陽極的位置和幾何狀態(tài)與所述陰極相比被如此地選擇使得到達所述陽極上的所述磁力線和電力線基本上彼此平行地伸展。
4.如以上權(quán)利要求中任一項所述的電弧蒸發(fā)裝置， 其特征在于， 在所述中心區(qū)域采取防護措施，所述防護措施在所述蒸發(fā)裝置工作時基本上防止其受到腐蝕。
5.如權(quán)利要求4所述的電弧蒸發(fā)裝置， 其特征在于， 所述防護措施包括所述陰極表面中心區(qū)域中的擋板。
6.一種真空處理裝置，擁有容器和基片支架，并且擁有如以上權(quán)利要求中任一項所述的電弧蒸發(fā)裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的真空處理腔室， 其特征在于， 所述電弧蒸發(fā)裝置的陰極相對于所述容器保持在懸浮、相同或者正性的電位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電弧蒸發(fā)裝置，其具有陰極、陽極、電壓源，所述電壓源把所述陽極相對于所述陰極置于正電位。所述裝置還包含磁性介體，所述磁性介體導(dǎo)致在所述陰極表面上的磁場，其中把所述陽極布置在所述陰極附近使得從所述陰極的表面發(fā)出的磁力線到達所述陽極上。
文檔編號C23C14/35GK102947478SQ201180030805
公開日2013年2月27日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月22日
發(fā)明者S.克拉斯尼策爾, J.哈格曼 申請人:歐瑞康貿(mào)易股份公司(特呂巴赫)