[發(fā)明專(zhuān)利]過(guò)濾陰極電弧沉積設(shè)備和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201280059992.4
• 申請(qǐng)日: 2012-11-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104364416B
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-10-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: M.吉雷克森;M.吉雷克瓊;O.柯德特
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 帕拉迪特公司
• 主分類(lèi)號(hào): C23C14/32
• 分類(lèi)號(hào): C23C14/32;C23C14/35;H01J37/34;C23C14/06;C23C14/08;C23C14/56;C23C14/54;C23C14/34;H01J37/32
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所 11105
• 代理人: 吳艷

技術(shù)領(lǐng)域

一種過(guò)濾陰極電弧沉積方法和設(shè)備，其中有效的離子轉(zhuǎn)運(yùn)和宏觀(guān)粒子過(guò)濾是期望的。

背景技術(shù)

本發(fā)明涉及陰極電弧沉積方法和設(shè)備。更特別地，陰極電弧沉積方法和設(shè)備，其通過(guò)蒸發(fā)材料的凝結(jié)而產(chǎn)生用于施加涂層到基板表面的導(dǎo)電材料的等離子。該設(shè)備，其包括用于從離子流分離源材料宏觀(guān)粒子的裝置，能夠用于在切削工具、成形工具和機(jī)械部件等上形成高質(zhì)量的耐磨層。

陰極電弧沉積大體上包括通過(guò)在真空腔室中電弧放電而從蒸發(fā)源(陰極)產(chǎn)生膜形成材料的蒸氣發(fā)射，和在施加負(fù)偏壓下在基板上沉積蒸氣。電弧放電集中在那里的一個(gè)或多個(gè)電弧斑形成在蒸發(fā)源的表面上，所述蒸發(fā)源是電弧放電電路中的陰極。典型的電弧電流是在50-500安培，電壓為15-50伏。電弧等離子放電通過(guò)由電弧引起靶材料的氣化和離子化產(chǎn)生的等離子在陰極和陽(yáng)極之間傳導(dǎo)電流。所述靶通過(guò)在真空腔室中的低壓電弧等離子放電而蒸發(fā)，所述真空腔室已經(jīng)被抽空到至少0.01帕斯卡的典型背景壓力。陰極(負(fù)極)是電離源結(jié)構(gòu)，其在工藝過(guò)程中至少部分地被消耗。陰極的可消耗的部分稱(chēng)作“靶”，并制造為可替換的元件，該可替換的元件夾持到稱(chēng)作陰極主體的冷卻的不可消耗的元件。陽(yáng)極(正極)可以是在真空腔室中的電離結(jié)構(gòu)，或者自身可以為真空腔室，并且在工藝過(guò)程中不被消耗。

從電弧斑，源材料的離子、中性原子、宏觀(guān)粒子，電子由于電弧斑的高溫而以束的方式發(fā)出。這些電離粒子優(yōu)選地垂直于陰極靶面發(fā)出，與發(fā)出的電子一起形成等離子的源材料的離子是在膜沉積中主要的重要的物質(zhì)。陰極電弧沉積的一個(gè)顯著特征是，入射蒸發(fā)的離子的能量足夠高以產(chǎn)生具有良好的硬度和耐磨性的高密度膜。在碳蒸發(fā)的情形下，根據(jù)Decker的US5,799,549，本發(fā)明具有特別的功效，用于在剃刀的非常薄的切削邊緣上形成非常硬且剛性的高展弦比(high?aspect?ratio)的涂層。而且，快速的膜成形以及高生產(chǎn)率的技術(shù)已經(jīng)被工業(yè)應(yīng)用。

電弧斑處的靶材料的氣化的不期望的副作用是產(chǎn)生熔融的靶材料熔滴，所述熔滴由于在電弧斑處的蒸氣的膨脹通過(guò)反作用力從靶彈出。這些熔滴，通常稱(chēng)作宏觀(guān)粒子，典型地直徑在亞微米到幾十微米的范圍。熔滴從陰極表面向外以這樣的速度運(yùn)動(dòng)以使得當(dāng)它們落在待涂布的基板上時(shí)它們通常變?yōu)榍对谕繉又小＿@樣，陰極電弧涂層通常被粘附到基板表面的宏觀(guān)粒子污染，或者在它們?cè)?jīng)粘附但是之后被移除的地方留下孔洞。粘性的宏觀(guān)粒子增大涂布的工件和接觸配合件之間的摩擦系數(shù)。結(jié)果，軟的宏觀(guān)粒子留下孔洞，并且這代表著開(kāi)始腐蝕或者裂縫蔓延的地方。

因此，對(duì)能夠防止或者降低宏觀(guān)粒子的沉積同時(shí)在基板表面上形成均一的粘附碳或者金屬化合物涂層的工業(yè)方法和設(shè)備，存在明顯的持續(xù)的需求。

已經(jīng)發(fā)展出各種策略來(lái)減少結(jié)合到涂層中的宏觀(guān)粒子的數(shù)量。通常有兩種不同的策略：第一種是利用某種形式的電磁場(chǎng)來(lái)控制和加速電弧從而減少宏觀(guān)粒子生成的設(shè)備，第二種是利用陰極源和基板之間的過(guò)濾設(shè)備以傳輸電離部分到基板，但是阻擋熔融的熔滴。傳統(tǒng)地，過(guò)濾設(shè)備可以構(gòu)造為使用電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)導(dǎo)向或者偏轉(zhuǎn)等離子流。

因?yàn)楹暧^(guān)粒子是中性的，所以它們不會(huì)受到電磁場(chǎng)的影響。這是為什么過(guò)濾方法能夠有效工作的原因，所述方法是通過(guò)將基板安置在陰極靶面的視線(xiàn)之外，以使得宏觀(guān)粒子不會(huì)直接落在基板上，而電弧斑加速方法通常更為簡(jiǎn)單，但是并不完全消除宏觀(guān)粒子的存在。根據(jù)第二種的過(guò)濾設(shè)備可以在陰極腔室和涂布腔室之間提供等離子傾斜過(guò)濾管，其中基板保持器安裝在等離子源的光軸之外。因此，圍繞設(shè)備聚焦和偏斜電磁場(chǎng)可以向著基板導(dǎo)向等離子流，而不受電磁場(chǎng)影響的宏觀(guān)粒子繼續(xù)從陰極沿著直線(xiàn)行進(jìn)。但是，宏觀(guān)粒子跳離管中的擋板會(huì)導(dǎo)致它們的一部分傳輸通過(guò)過(guò)濾器而到達(dá)基板。腔室內(nèi)的擋板，也稱(chēng)作宏觀(guān)粒子隔火墻，物理地阻擋源于電弧源和過(guò)濾區(qū)域的中性粒子，如在A(yíng)nders的US2009/0065350Al中提及的。

第一種的電弧斑加速方法通常比過(guò)濾方法更為簡(jiǎn)單，但是并不完全消除宏觀(guān)粒子的產(chǎn)生。而過(guò)濾方法通常可以更為有效，但它們給設(shè)備帶來(lái)額外的復(fù)雜性并大幅降低其產(chǎn)量。下面示出通過(guò)利用在陰極源和基板之間的某種類(lèi)型的過(guò)濾設(shè)備以發(fā)射發(fā)出的粒子的帶電的電離部分并阻擋中性粒子來(lái)降低結(jié)合到基板上的涂層中的宏觀(guān)粒子的數(shù)量的努力的例子。