技术领域
[0001] 本
发明涉及一种电弧沉积系统，确切地说，涉及从此类电弧沉积系统中过滤粒子从而改善涂层
质量的电弧沉积系统及其过滤器。
背景技术
[0002] 在过去20年中，
阴极电弧沉积已成为高度电离
等离子体的可靠来源，用于使已反应以及未反应的涂层沉积，所述涂层由诸如锆、
钛、铬、
铝、
铜及其
合金等导电靶材料构成。电弧
蒸发工艺中产生的高度电离等离子体及相关
电子束还用于
表面处理技术，例如离子溅射、蚀刻、注入和扩散工艺。
[0003] 该电弧蒸发工艺的不良
副作用在于，生成宏观上较大的粒子(“宏观粒子”)，这些粒子倾向于最终停留在待处理的衬底上。这些宏观粒子可能会在膜形成过程中造成
缺陷，使膜松散地附着杂质、表面不均匀，以及表面粗糙度增加。宏观粒子的存在降低了涂层在一些要求较高的应用中的价值和普遍适用性，因为这些应用要求诸如防腐性能、均质性、硬度、光泽或阻隔性能等方面的优良性质。
[0004] 已知的过滤器可减少从电弧蒸发等离子体到达衬底的宏观内含物(macro content)。此类
现有技术过滤器通常依赖于以下机制。一些过滤器会提供物理障碍(physical barrier)，其可在宏观粒子沿着视线从阴极上的电弧点朝衬底扩散时，拦截这些宏观粒子。此类障碍的特征在于，可部分阻碍活跃的宏观粒子到达衬底。其他现有技术过滤器使用成形
磁场在轨道中引导电弧电子束，使之绕开物理障碍，而且所述成形磁场的强度至少部分使物理障碍磁绝缘，从而防止其成为接收电子的
阳极。最后，一些现有技术过滤器使用物理障碍的正电势，从而排斥电弧所产生的等离子体中存在的离子。依赖于这三种过滤原理的组合的过滤器在科学和
专利文献中进行了描述。关于概述，参阅安德斯·A(Anders，A)的“除去宏观粒子和
纳米粒子中的阴极
电弧等离子体的方法-评论(Approaches to rid cathodic arc plasmas of macro-and nanoparticles-a review)”，《表面和涂层技术》(SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY)，1999年，第120卷，第319至330页。
[0005] 已过滤的电弧源的阴极通常是点源，即圆形阴极，同时描述了一些细长配置，例如线性对齐的多点源和线源。电弧源的线性布置可容纳细长涂层区，并可能极大地增加已过滤的电弧技术的大量形成。但是，就大型衬底、
轧辊板材的涂层或离子处理以及线性传送器或圆形传送带上较小衬底的数量而言，更需要圆柱形靶过滤的电弧等离子体源。
[0006] 尽管用于从电弧沉积过程中过滤出宏观粒子的现有技术方法相当有效，但这些方法仍存在一些缺点。例如，使用现有技术过滤器的沉积系统中，阴极靶的净离子输出
电流较低。而且，现有技术方法对阴极表面的使用并不理想。最后，通过此类方法形成的涂层仍可能存在不必要的缺陷。
[0007] 因此，需要具有改进的宏观粒子过滤装置的改进阴极电弧沉积系统。
发明内容
[0008] 本发明要解决的技术问题是提供一种电弧沉积系统及其过滤器，改善形成的涂层的质量。
[0009] 本发明的技术解决方案是：
[0010] 一种用于电弧沉积系统的过滤器，其中，所述电弧沉积系统包括细长阴极、阳极和至少一个衬底，所述过滤器包括偶数个
导管组件，其围绕所述细长阴极对称地放置，所述导管组件定义用于引导等离子体的磁场，并且具有用于阻碍宏观粒子的阻挡部件。
[0011] 一种用于电弧沉积系统的过滤器，其中，所述电弧沉积系统包括细长阴极、阳极和至少一个衬底，所述过滤器包括偶数个导管组件，其围绕所述细长阴极对称地放置，所述导管组件定义用于引导等离子体的磁场，以及用于排斥正离子的电
偏压，且所述导管组件具有用于阻碍宏观粒子的阻挡部件，所述阻挡部件具有带正电的表面。
[0012] 一种电弧沉积系统，其中，其包括细长阴极、衬底区、阳极、负偏压衬底区及过滤器；衬底区具有围绕电弧阴极设置的多个衬底；阳极位于远离细长电弧阴极的
位置；过滤器设置在所述阴极和所述衬底之间，所述过滤器包括偶数个导管组件，其围绕所述细长阴极对称地放置，所述导管组件形成用于引导等离子体的磁场，并且具有用于阻碍宏观粒子的阻挡部件，其中所述导管组件能够选择施以电偏压，以排斥正离子。
[0013] 本发明的至少一项
实施例提供一种用于电弧沉积系统的过滤器，所述电弧沉积系统包括细长阴极、阳极和至少一个衬底，从而解决了现有技术中的一个或多个问题。所述过滤器包括偶数个导管组件，其围绕所述细长阴极对称地放置。所述导管组件形成用于引导等离子体的磁场，并且具有用于阻碍宏观粒子的阻挡部件。
[0014] 在另一项实施例中，提供一种电弧沉积系统所使用的过滤器组件。所述过滤器组件包括偶数个导管组件，其围绕所述细长阴极对称地放置。导管组件形成可以将正离子从阴极靶引导至衬底的路径。为了完成这种引导，导管组件为电偏压，以排斥正离子。导管组件还包括用于产生磁场的部件，用于将等离子体从阴极靶引导至衬底。具体而言，磁场引导电子运动，从而有效地避免离子(即正离子)在运动时与过滤器碰撞。导管组件还包括用于阻碍宏观粒子到达衬底的
挡板。由于中性粒子和带负电的粒子会导致涂层不完整和结
块，因此这类粒子是不受欢迎的。中性粒子和带负电粒子与过滤器碰撞，因碰撞而被清除并且无法到达衬底。
[0015] 在又一项实施例中，提供一种用于从沉积于衬底上的阴极靶中清除材料的电弧沉积系统。所述电弧沉积系统包括位于
真空室内的细长阴极靶。一个或多个衬底位于衬底区中，衬底区与真空室中的阴极靶相隔预定距离。过滤器组件也可置于真空室内，从而使过滤器组件介于阴极靶和衬底区之间所述过滤器组件的特征在于，包括偶数个导管组件，其围绕所述细长阴极靶对称地放置。导管组件形成可以将正离子从阴极靶引导至衬底的路径。为了完成此引导，导管组件为电偏压，以排斥正离子。导管组件还包括用于产生磁场的部件，用于将等离子体从阴极靶引导至衬底。具体而言，磁场引导电子运动，从而有效地避免离子(即正离子)在运动时与过滤器碰撞。导管组件还包括用于阻碍宏观粒子到达衬底的挡板。由于中性粒子和带负电的粒子会导致涂层不完整和结块，因此这类粒子是不受欢迎的。中性粒子和带负电粒子与过滤器碰撞，因碰撞而被清除并且无法到达衬底。
[0016] 本发明主要是在真空电弧沉积系统中，电弧源过滤器设置在电弧阴极与衬底之间。所述过滤器包括围绕所述电弧源的多个导管元件。所述导管元件具有足够的空间维度来阻碍粒子。此外，所述导管元件具有电
磁性质，这有助于等离子体通过所述过滤器进行传输。在通过所述过滤器时，高度电离电弧等离子体基本上清除了粒子，从而形成已反应以及未反应的涂层的源等离子体，所述涂层的特征在于，
密度较高且几乎没有任何质量缺陷。此设计在过滤程度、涂层区长度以及电弧源选择方面具有一定灵活性。
附图说明
[0017] 通过具体实施方式及附图，可以更完整地理解本发明的示例性实施例，其中：
[0018] 图1A是增加了过滤器的电弧沉积系统的示意图；
[0019] 图1B是用于电弧沉积的沉积室及沉积室中的部件的截面示意图；
[0020] 图2是围绕阴极靶的导管元件的俯视图；
[0021] 图3是电弧沉积系统中围绕阴极放置的过滤器的透视图；
[0022] 图4是围绕安装在真空
法兰上的阴极放置的过滤器的透视图；
[0023] 图5是在使用根据图1A至图4的过滤器、在铬阴极的情况下，以离子传输模式运行的过滤器的电磁轮廓图；
[0024] 图6是通过图4中所示的已过滤的圆柱形阴极电弧等离子体源所得到的磁通量密度的截面图；
[0025] 图7A是未过滤的Cr涂层放大了200倍的光学显微图片；
[0026] 图7B是已过滤的Cr涂层放大了200倍的光学显微图片；
[0027] 图8是从使用铬靶的过滤器中得到的粒子
频率与粒子大小的函数关系图；以及[0028] 图9是通过铬靶所得到的从四个过滤器端口中的一个端口输出的
沉积物的相对
水平的
角分布图。
具体实施方式
[0029] 现将详细参阅本发明目前最佳的组合、实施例和方法，所述组合、实施例和方法构成
发明人目前已知的实践本发明的最佳模式。附图不必按比例绘制。但应理解，所公开的实施例只是本发明的示例性实施例，其可通过各种或替代形式实施。因此，本文中所公开的具体细节并非解释为限定性的，而只是表示本发明任一方面和/或用于教示所属领域的技术人员以各种方式使用本发明。
[0030] 除非在实例中或另有明确表示，否则本
说明书中表示材料的量或者反应条件和/或使用条件的所有数量都应理解为，使用字词“约”所描述的本发明的最大范围。通常优选的是，在所述数值限制范围内进行实践。此外，除非明确说明情况相反，否则：百分数、“……的部分”和比值按重量计算；如果将一组或一类材料描述成适用于或优选用于本发明的
指定目的，则表示该组或该类材料中任何两种或更多材料的混合物同样适用或可取；用化学术语描述的成分指代的是，添加到说明内容中所指定的任何组合时的成分，而不必排除混合后混合物的成分之间发生的化学反应；缩略词或其他缩写词的第一次定义适用于随后在本文中使用的所有相同缩写词，并且作了必要的修正来对初次定义的缩写词进行正常的语法变化；以及，除非明确说明情况相反，否则，对某种性质的测量由此前或此后所提到的用于这种性质的同种技术来确定。
[0031] 还应理解，本发明并不限于下文所述的具体实施例和方法，因为具体的部件和/或条件显然可以不同。此外，本文中使用的术语只用于描述本发明的特定实施例，而并非意图限制本发明。
[0032] 必须注意，说明书和所附
权利要求中使用的单数形式“一”和“所述”包括复数，除非本文中另有指明。例如，采用单数形式参考的部件意图包括多个部件。
[0033] 本专利
申请案始终参考相应的公开案，这些公开案的内容全文以引用的方式完全并入本专利申请案中，从而更全面地描述本发明所涉及的技术现状。
[0034] 参考图1A和图1B，所示为增加了过滤器的电弧沉积系统的示意图。此实施例中的电弧沉积技术对第5,269,898号美国专利中所述的系统进行了改进，所述专利的全文以引用的方式并入本文中。具体而言，本实施例提供一种系统，所述系统中的过滤器能够显著降低宏观粒子对涂层的损耗，所述过滤器适用于第5,269,898号美国专利中的系统。图1A是增加了过滤器的电弧沉积系统的示意图。图1B是用于电弧沉积的沉积室及沉积室中的部件的截面示意图。在上述电弧沉积系统的运行过程中，电弧放电，从而使气体和阴极
原子有效电离，由此形成等离子体。
离子化阴极
金属离子从阴极区域被传送到涂有金属层的衬底。电弧沉积系统10包括位于真空室16中的阴极靶12。电弧沉积系统10包括至少一个阳极。在一个改进方案中，真空室16的壁18是阳极。阴极靶12的特征在于，其采用细长设计(例如，圆柱形或杆状)。还应了解，靶12的截面实际上可以是任何形状，例如包括，但不限于，圆形、三角形、正方形、五角形、六角形、椭圆形或不规则形状。在对衬底进行涂覆的过程中，电弧沉积系统10通过所属领域中已知的合适的真空系统，借助于端口19维持在低压状态。通常，运行压
力在0.5mT和50mT之间。应注意，在氮氩混合气体环境中使
用例如铬靶、在约1mT以上的条件下，便可使涂层充分反应。
[0035] 尽管本实施例中阴极靶12的尺寸并不受限制，但阴极12通常具有1英寸到10英寸的直径以及6英寸到5英尺的长度。衬底20位于衬底区22中，衬底区22与阴极靶12之间的距离为d1。过滤器组件24也位于真空室16中。具体而言，过滤器组件24介于阴极靶12和衬底区22之间。过滤器组件24包括偶数个导管组件26、28、30、32，其围绕阴极靶12对称地放置。导管组件26、28、30、32形成可以将正离子从阴极靶12引导至衬底20的导管
34、36、38、40。为了完成此引导，导管组件26、28、30、32为电偏压，从而通过过滤器电源42将正离子从导管组件中排出。正10伏或正10伏以上的
电压可有效地排斥正离子。导管组件26、28、30、32还包括用于产生磁场的部件，用于将等离子体(即正离子)从阴极靶12引导至衬底20。在一个改进方案中，导管组件26、28、30、32还包括用于阻碍宏观粒子到达衬底20的挡板。
[0036] 在一个改进方案中，系统10包括螺旋式电磁
铁线圈48，其围绕阴极靶12以同轴方式安装。螺旋式电
磁铁线圈48由独立线圈电源50供电。可对电磁铁线圈48进行电绝缘，或可将其连接到真空室16。
[0037] 控制系统52用于改变阴极靶12两端的输入电流，同时使总电弧电流实质上保持恒定，这样，阴极靶12两端的电流可在所供应的总电弧电流的0％和100％之间变化。电弧电流与沉积率正相关，并且(例如)可控制在50A和2000A之间，其中上限具体取决于靶的冷却效率。要实现上述目标，可采用：连接在阴极靶12各端的独立电弧电源54、58，以及向独立电弧电源54、58提供补偿设定点
信号的
控制器60。在一个替代性变体中，可采用具有两个补偿电流输出端的独立电弧电源。
[0038] 仍参考图1A和图1B，在阴极靶12中，接收到总电流输入中的大部分电流的那端易于吸引电弧，这是因为阴极靶中存在电弧电流的自磁场。电弧沿着阴极靶12朝一个方向移动的速度部分取决于流入阴极靶12两端的电流之间的失衡程度。因此，可通过以振荡方式改变阴极靶12两端之间的电流分配，沿着阴极靶12来回扫描电弧点。因此，可均匀地
腐蚀阴极靶12，且电弧可持续维持在阴极表面上，而不是像现有技术所述的那样，重复地进行再放电。
传感器可适当地置于阴极靶12的蒸发表面的每端，以在电弧点到达阴极靶12的蒸发表面的一端时提供信号，这时可逆向分配电流，从而沿着阴极靶12的整个表面自动扫描电弧点。
[0039] 电磁铁线圈48可与电弧电源54、58
串联连接，从而使电弧电流流经电磁铁线圈48以产生轴向磁场。由于线圈连接在电弧电源54、58的正输出端和阳极之间，并且由于总电弧电流恒定，因此输入到电磁铁线圈48中的电流不受阴极靶12两端的电流变化的影响。
这种布置无需独立电源为电磁铁线圈48供电，但所施加的磁场的强度不再具有独立的可调性，除非通过对电磁铁线圈48的
节距进行选择。
[0040] 参考图2和图3，提供一种用于电弧沉积系统的过滤器。本实施例中的过滤器可置于电弧沉积系统的阴极和衬底之间。过滤器组件24包括围绕细长阴极12对称地放置的偶数个导管组件。图2和图3中所示的变体包括四个导管组件，即导管组件26、28、30、32。导管组件26、28、30、32形成可以将正离子从阴极靶12引导至衬底20的导管34、36、38、40。
导管组件26、28、30、32定义用于引导等离子体的磁场。导管组件26、28、30、32各自包括
支撑部件60，以及用于阻碍宏观粒子的阻挡部件62。在一个改进方案中，阻挡部件62包括突出部分64，其用于增强过滤出宏观粒子的能力。电
接线柱66、68用于连接到过滤器电源，从而对导管组件施以电偏压，以排斥正离子。在此类情况下，阻挡部件具有带正电的表面。
[0041] 参考图4，提供一种具有外围衬底
支架的过滤器组件的透视示意图。过滤器组件80包括安装在真空法兰90上的导管组件82、84、86、88。过滤器组件80还包括安装有要涂覆的样品的样品支架92。要注意，图4中去除了一些样品支架，以便于查看导管组件。通常，样品支架92围绕导管组件呈圆形分布。导管组件82、84、86、88中的每个组件各自包括由金属管构成的结构部件94。如上所述，使电流流过结构部件94，从而形成磁场。导管组件82、84、86、88还各自包括阻挡部件98，用于与设置于阻挡部件上的突出部分100一起阻碍宏观粒子。此外，如上所述，导管组件82、84、86、88通过连接点100连接在一起。
[0042] 应了解，在不背离本发明的基本教示的前提下，可更改上述导管组件的尺寸和方向以及磁场元件的特性、传输和过滤效率。因此，可以构造能够对涂层中的宏观粒子内含物的量进行调整的过滤器。
[0043] 参考图2、图3、图4、图5和图6，可选择通过使电流流过导管组件来形成磁场。具体而言，相邻导管组件产生具有相反磁极性的磁场。箭头70、72、74、76表示电流方向的实例，所述电流可流动以产生此类磁场。要实现这种更改，导管组件要以交错方式通过接线80、82、84在顶部或底部电连接，如图所示。通过此方式产生的磁场具有垂直于细长圆柱形阴极表面的方向，以及有利于进行等离子体引导的强度，所述强度是通过使电流流过导管组件而产生的。用于等离子体引导的磁场强度是否足够，取决于设计。例如，可用范围在
6,000安
匝和12,000安匝之间下限由靶离子传输确定，而上限由阻碍靶离子传输的电子散逸现象(电磁镜)确定。图5是图4中所示的具有四个导管组件的过滤器的磁场轮廓线的截面图。图中图示了导管组件82、84、86、88相对于轮廓线的位置。类似地，图6是通过已过滤的圆柱形阴极电弧等离子体源所得到的磁通量密度的截面图。应注意，导管组件82、
84、86、88可进行偏压(带正电)，且载有电流以产生必需的磁场。在一个变体中，结构部件载有电流，同时对阻挡部件施以偏压。在此变体中，对结构部件和阻挡部件进行电绝缘。在另一个变体中，不对结构部件和阻挡部件进行电绝缘。
[0044] 如上所述，本实施例中的过滤器包括偶数个导管组件，所述导管组件围绕阴极靶12对称地放置。在一个改进方案中，导管组件的数量是从2到8的偶数。在另一个改进方案中，导管组件的数量是从4到8的偶数。发明人发现，包括四个导管组件尤其适用。此外，如图1A和图2所示，阻挡部件62位于导管组件朝向阴极靶12的一侧，从而阻挡在阴极和衬底区之间的视线。
[0045] 参考图1A和图1B，电弧沉积系统可作为电子束系统运行。在此运行期间，过滤器无需进行阻挡偏压(baffle bias)就可运行。在此情况下，磁场强度也可能较低。过滤器以电子束模式运行可有助于衬底清洗，且需要对衬底施以正偏压。电子束还可用于辅助
电子束蒸发，例如使用第二靶源将铝沉积。
[0046] 仍参考图1A和图1B，电弧沉积系统可作为离子束系统运行。在此运行期间，沉积室中的压力为1mT或高于1mT，且过滤器未进行阻挡偏压。在此情况下，逸出电子电离通过过滤器出口逸出的气体分子。过滤器以离子束模式运行可有助于衬底清洗，且要求对衬底施以负偏压。在
温度升高的情况下，使用离子束进行延伸的衬底处理可有助于
钢衬底的氮化(含氮等离子体)以及钢的
碳化(含碳等离子体)。
[0047] 应进一步清楚了解，替代性阴极配置可应用于本发明的过滤器配置中。所属领域中已知的一种此类阴极配置是旋转式圆柱形阴极，例如，如第6,262,539号美国专利(该专利全文以引用的方式并入本文中)所述，在不背离本发明的范围和教示的前提下，所述旋转式圆柱形阴极可应用于本发明的过滤器。所属领域中已知的另一种阴极配置是平面
磁控管，例如，如第4,892,633号美国专利(该专利全文以引用的方式并入本文中)所述，在不背离本发明的范围和教示的前提下，所述平面磁控管可应用于本发明的过滤器。
[0048] 以下实例说明了本发明的各种实施例。所属领域的技术人员将认识到在本发明的精神和权利要求书的范围内的各种变体。
[0049] 所公开的具有四个导管元件的过滤电弧(filtered arc)配备有圆柱形铬阴极。所述室降压至1毫托，并通过将氩气作为背景气体来维持一定的压力。使电弧放电并维持在900A，同时使8000A的电流流过偏压在正30伏的导管元件，使100A的电流流过导向线圈(steering coil)，并使衬底偏压在负50伏。在衬底上收集40A的电流，且Cr膜沉积。记录宏观粒子的沉积膜，结果表明，与未过滤的电弧相比，宏观内含物的体积从1％下降至小于0.01％。Cr膜的截面大体上显示出非晶态性质和各向同性，而没有任何缺陷。
[0050] 图7A和图7B是上述已过滤和未过滤的Cr涂层中的宏观粒子含量的比较。图7A是未过滤的Cr涂层的扫描电子显微图片，而图7B是已过滤的Cr涂层的扫描电子显微图片。可容易地观察到，已过滤的涂层中包括的宏观粒子明显较少。图8为粒子频率与粒子大小的函数关系图。该图显示大小约1微米的粒子分布非常低。应注意，由于受宏观记录中所使用的光学显微照相术的
分辨率限制，因此低估了直径小于0.5微米的宏观粒子的宏观频率密度。图9是沉积在衬底区中的衬底上的涂层的相对(％)厚度变化与放置角度(0度到90度)的函数关系，所述放置角度是相对于纵向穿过阴极靶的平面得到的。由于对称，因此只记录了零度到90度。
[0051] 所公开的具有四个导管元件的过滤电弧配备有圆柱形铬阴极。所述室降压至1毫托，并按照1∶1比例使用氩气和氮气作为背景气体来维持一定的压力。使电弧放电并维持在900A，同时使8000A的电流流过偏压在正30伏的导管元件，使100A的电流流过导向线圈，并使衬底偏压在负50伏。在衬底上收集40A的电流，且Cr膜沉积。记录宏观粒子的沉积膜，结果表明，与未过滤的电弧相比，宏观内含物的体积从1％下降至小于0.01％。Cr膜的截面大体上显示出非晶态性质和各向同性，而没有任何缺陷。
[0052] 尽管已说明和描述本发明的各实施例，但并不表示这些实施例说明和描述了本发明的所有可能形式。相反，本说明书中使用的字词是说明性而非限制性的字词，且应理解，在不违背本发明的精神和范围的情况下，可做出各种改变。
