CN111315915A - 具有受限磁场的电弧源 - Google Patents

Abstract

一种电弧蒸镀装置，包括‑包括冷却板(11)和作为阴极元件的靶(1)的阴极组件，‑布置成容许产生在该电极和该靶(1)的正面(1A)之间的电弧的电极，‑安放在该靶(1)的背面(1B)的前方，包括用于产生一个或以上磁场的机构的磁引导系统，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，该围绕屏蔽(15)在横向上具有总高度(H)，所述总高度(H)包括一个用于产生沿任一纵向延伸的磁场线的屏蔽效果的分量(C)，由此使得阴极组件的边界成为在任一纵向上的磁场线延伸的极限。

Description

具有受限磁场的电弧源

本发明涉及新型电弧源，其包括受限磁场。

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特殊屏蔽，其相比于属于现有技术的已知电弧源允许可观的效率增长。

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随机移动性质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。

Goikoetxea Larrinaga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广大的阴极板面积。确切说，磁引导系统应该允许引导该阴极点(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，如果两个或以上的电弧源彼此紧靠安放在一个涂覆室内，则所产生的用于引导电弧运动轨迹且因此控制在电弧源内的靶表面中的阴极斑路径的磁场导致了对对应于紧靠安放的其它电弧源的其它磁场的干扰，这甚至可能导致彼此紧靠安放的不同电弧源的磁场之间的交互干扰。

本发明目的

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的电弧源，其允许实现具有在涂覆室内挨得更紧密的电弧源的电弧源布置。

本发明描述

为了达成上述目的，本发明提供一种如权利要求1所限定的电弧源，其允许安放多个电弧源形成更紧密的排布以提高效率。

具体说，根据本发明的电弧源(电弧蒸镀装置)包括：

-阴极组件，包括冷却板11、作为阴极元件的靶1，优选是盘形靶但也可以是例如矩形靶，靶1具有截面方向的厚度、布置成被蒸发的正面1A和背面1B，正面1A平行于背面1B，这两个表面通过靶1的厚度相互分开，该阴极组件在横向上具有总高度并且在任何纵向上具有界定总尺度的边界，

-电极(在图6a和6b中未被示出)，其按照已知方式布置成允许可以形成在阴极与靶1的正面1A之间的电弧以使得靶1的正面的至少一部分蒸发，和

-安放在靶1的背面1B的前方的磁引导系统，包括用于产生一个或多个形成一个总磁场的磁场的机构，总磁场包含磁场线，磁场线延伸穿过靶1的截面并沿着在靶1的正面1A的前方空间延伸以引导源自，当在电极和靶1的正面1A之间形成电弧时，该电弧与靶1接触的阴极斑，

其中：

-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，所述总高度H包含一个分量C，该分量用于形成在任意纵向上延伸的磁场线的屏蔽作用，由此建立作为在任意纵向上的磁场线延伸的极限的阴极组件的边界。

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：100毫米≤D1≤150毫米，阴极组件的总直径在以下范围内：150毫米≤D≤200毫米。

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。

优选地，电弧源中的磁引导系统包括安放在中心区内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，其中如此产生的这些磁场形成了一个总磁场，总磁场用于引导电弧并控制在靶的正面1A的阴极斑路径。就此而言，图6a示意性示出对应于本发明电弧源的优选实施例的用于产生磁场的机构在磁引导系统中的可能布置。在此优选实施例中，所述机构包括一个在中心区内的用于产生一个磁场的电磁线圈C3以及两个在周边区内的用于产生另外两个磁场的电磁线圈C1和C2。

不必然使用只具有电磁线圈或只具有三个电磁线圈作为磁场产生机构的磁引导系统。使用多个永磁体和仅一个作为控制线圈的电磁线圈以产生磁场特性变化也可能是有利的。

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。

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。

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(每个电弧源相互接近并紧靠地放置)，

-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，

-允许更靠近电弧源布置结构安放待涂覆基片。

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D_b的圆形靶1与待涂覆基片3间隔一段距离L_b地安放在涂覆室内。在图2中，三个分别具有直径D_S的圆形靶1与待涂覆基片3间隔一段距离L_S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(L_b>L_s)的可能，这尤其在也采用较小的靶直径(D_b>D_s)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)，

-研发出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M_LE，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如下径向距离处，其被包含在被另一源的外磁力线M_LE所占据的区域中，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M_LE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L_RDMLE，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M_LE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，L_RDMLE＝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-该距离应被理解为两个彼此相邻布置的靶之间的径向距离，其中该距离是从两个相邻靶之一的中心点到另一个相邻靶的中心点沿径向测量的)。

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。

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:

优选地，该本发明的电弧源包括磁体系统，其包括电磁线圈和软磁性材料(也被称为铁磁性材料)。对于此优选实施例，纯铁是非常适用的软磁性材料。低碳钢也适合作为软磁性材料，并且甚至上述类型的铁磁性材料适合作为软磁性材料用于此优选实施例。

根据正好前述的本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)。

图6示出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。本发明的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，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。电磁线圈C1、C2和C3被软磁性材料20，优选是纯铁或低碳钢包围。

软磁性材料屏蔽15(最好由纯铁制成)也在图6中被示出。

根据前述优选实施例的另一个优选变型，所述的磁性系统由多个永磁体和一个作为控制线圈的电磁线圈制成。

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。

图7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8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9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，此时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8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可观效率优势的证明。

图9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。

因使用根据本发明的电弧源而带来的最重要优点的总结：

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：

-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：

ο提高能效

ο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

ο提高涂覆膜沉积速率

Claims (11)

1.一种电弧蒸镀装置，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)具有在截面方向的厚度、布置用于被蒸发的正面(1A)和背面(1B)，该正面(1A)平行于该背面(1B)，这两个表面以所述靶(1)的所述厚度相互分开，该阴极组件在横向上具有总高度并且具有在任何纵向上界定总尺度的边界，

-电极，其布置成容许产生在该电极和该靶(1)的正面(1A)之间的电弧以使得该靶(1)的正面的至少一部分蒸发，和

-安放在该靶(1)的背面(1B)的前方的磁引导系统，包括用于产生形成总磁场的一个或以上的磁场的机构，该总磁场包含磁场线，所述磁场线延伸经过该靶(1)的截面并且沿着在该靶(1)的正面(1A)前方的空间延伸，以便当在所述电极和该靶(1)的正面(1A)之间产生电弧时引导因该电弧与靶(1)接触形成的阴极斑，

其特征是，

-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，该围绕屏蔽(15)在横向上具有总高度(H)，所述总高度(H)包括一个用于产生沿任一纵向延伸的磁场线的屏蔽效果的分量(C)，由此使得阴极组件的边界成为在任一纵向上的磁场线延伸的极限。

2.根据权利要求1的电弧蒸镀装置，其特征是，该阴极组件具有对称结构，其包括具有靶直径(D1)的盘形靶，该阴极组件具有总直径(D)，其中，该分量(C)的值在以下范围：D/20≤C≤D/5。

3.根据权利要求1或2的电弧蒸镀装置，其特征是，该靶直径在以下范围内：100毫米≤D1≤150毫米，并且该阴极组件的总直径在以下范围内：150毫米≤D≤200毫米。

4.根据前述权利要求之一的电弧蒸镀装置，其特征是，该铁磁性材料是纯铁或ARMCO纯铁或结构钢或马氏体铬钢。

5.根据权利要求4的电弧蒸镀装置，其特征是，该铁磁性材料是结构钢S355J2。

6.根据前述权利要求之一的电弧蒸镀装置，其特征是，在该电弧源中的磁引导系统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置在周边区内的用于产生至少另一个磁场的机构，其中，如此产生的磁场形成了用于引导电弧并控制在该靶的正面(1A)处的阴极斑路径的总磁场。

7.根据权利要求6的电弧蒸镀装置，其特征是，安放在中心区内的所述机构包括一个用于产生一个磁场的电磁线圈(C3)，而安放在周边区内的所述机构包括两个用于产生另外两个磁场的电磁线圈(C1,C2)。

8.根据权利要求6的电弧蒸镀装置，其特征是，用于产生磁场的机构包括多个永磁体和仅一个用作控制线圈的电磁线圈，以便产生磁场特性变化。

9.根据前述权利要求之一的电弧蒸镀装置源，其特征是，该磁引导系统包括围绕用于产生磁场的机构布置的铁磁性材料(20)，其中，该铁磁性材料(20)围绕所述机构分布，但没有铁磁性材料(20)安放在所述磁引导系统与阴极组件之间。

10.根据权利要求7的电弧蒸镀装置，其特征是，该磁引导系统包括围绕用于产生磁场的机构布置的铁磁性材料(20)，其中，该铁磁性材料部分围绕该机构布置，但没有铁磁性材料(20)安置在所述磁引导系统与阴极组件之间，其中，安置在中心区内的电磁线圈(C3)的具有长度(S)的上部分以及安放在周边区内但最靠近安置在中心区内的电磁线圈的电磁线圈(C2)的具有长度S’的上部分未被铁磁性材料(20)包围，形成了含空气的空间(Spc)，这样允许源自所产生的磁场之和的该总磁场相比于不具有含空气的所述空间(Spc)的相似的电弧蒸镀装置显示出与该靶(1)的正面(1A)平行的更多磁场线。

11.根据权利要求10的电弧蒸镀装置，其特征是，所述上长度(S)处于以下范围：3毫米≤S≤15毫米，所述靶直径(D1)处于以下范围：100毫米≤D1≤150毫米，该阴极组件的总直径(D)处于以下范围：150毫米≤D≤200毫米。

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