在阴极电弧物理气相沉积（PVD）中真空过滤宏观粒子的方法

摘要

描述了在阴极电弧物理气相沉积(PVD)中真空过滤宏观粒子的方法，所述方法包括以下步骤：借助于对固体源施加电弧而蒸发来自所述固体源(1)的材料，形成包括蒸发材料的电子、微观粒子(蒸汽)和离子的等离子体，以及比所述微观粒子和离子尺寸更大的宏观粒子。所述电弧以速率V

说明书

技术领域

本发明涉及在阴极电弧物理气相沉积(PVD)中真空过滤宏观粒子的方法。

特别地，本发明涉及上述类型的方法，包括以下步骤：通过对源施加电弧而蒸发来自固体源(“阴极”)的材料；形成包括蒸发材料的电子、中性微观粒子(蒸汽)和离子的等离子体，以及比微观粒子和离子尺寸更大的宏观粒子，以防止宏观粒子沉积在待涂层的衬底上。

本发明还涉及用于实施上述方法的系统。

背景技术

已知用于在阴极电弧物理气相沉积(PVD)期间真空过滤宏观粒子的方法和系统。

在上述类型的沉积中，固体源(“阴极”)的材料借助于对源施加电弧而在真空室里面蒸发，形成包括蒸发材料的电子、中性微观粒子(蒸汽)和离子的等离子体，以及所述材料的宏观粒子。电弧电弧的施加包括在源上释放电流并在其上移动电弧，以便蒸发其不同的表面部分。

产生的宏观粒子的尺寸大于中性微观粒子和离子，并且，如果宏观粒子到达衬底，与其上剩余的等离子体一起凝结，则宏观粒子在涂层中产生缺陷。

特别地，等离子体流中的宏观粒子越少，要求的涂层越薄。在一些情况下，待形成的涂层的厚度与宏观粒子的尺寸想当，并且几个宏观粒子在等离子体流中的存在足以严重影响涂层的质量。

为了更好地理解形成无缺陷涂层的难度，考虑以下即可：源的侵蚀的主要产物是离子和宏观粒子；中性微观粒子(蒸汽)仅形成1％的等离子体。当源是低熔点金属(具有低导热系数和低导电性(Zn，Cd，Sn，Pb，Bi))和石墨的情况下，宏观粒子的百分比特别高，在这种情况下，由源蒸发的质量多达90％由宏观粒子(其具有可变尺寸，例如0.1与100微米之间)。

必须被过滤的宏观粒子的运动速率大约是102-2×104厘米每秒(cm/s)；以较低速率移动的宏观粒子无法到达位于源对面的衬底。此外，发源于阴极的宏观粒子的量取决于不同的因素(包括阴极材料、电弧电流和热状态)。

为了减少或防止宏观粒子在衬底上的沉积，因此，考虑到上述因素(即宏观粒子的速率、其百分比、阴极材料、电弧电流、热状态等)，有必要清洗宏观粒子的等离子体。

已知在源与衬底之间应用过滤器的过滤系统。对减少宏观粒子特别有效的是磁滤器。这些过滤器包括应用具有线圈的磁系的非线性等离子体通道。基本上，线圈缠绕非线性等离子体通道并产生电磁场(其沿弯曲的通道引导等离子体)；宏观粒子不遵循通道的轴向路径并被收集在过滤器的预定区域。换言之，宏观粒子可以被过滤，因为它们与等离子体不同，呈直线移动。

然而，磁滤器具有许多缺点，主要与横穿过滤器的等离子体流显著减少有关，这导致涂层在衬底上的沉积速率明显减小，因此设备(系统)的效率较低。例如，沉积速率与环形过滤器相比减少75％以上，并且与S形过滤器相比减少90％以上。

当使用磁滤器时，因此有必要特别地借助于设备功率的增加来补偿生产率(效率)的损失。此外，为了确保涂层在功率增强的设备中的高质量，有必要设置更精细的过滤器，其复杂度且其成本必然增加。

即使有前述改善，也出现其他缺点，包括需要经常维修过滤器(其在于清洗宏观粒子的非线性等离子体通道)。

形成本发明基础的技术问题是设计在物理蒸汽沉积期间真空过滤宏观粒子的方法和相关的系统，因此，系统能够单独或与其他过滤系统组合使用脉冲电弧、脉冲激光、HIPIMS等，并能够防止宏观粒子在待涂层的衬底上的沉积，蒸发材料的离子和微观粒子的沉积速率的减小最小，并减少已知过滤器所需的复杂度、成本和维修，同时增加系统的效率，从而基本上克服至今还影响现有技术的过滤方法和系统的所有局限。

发明内容

形成本发明的基础的思想是：以由电弧在源的一点处产生的等离子体可以使在源的另一个点处产生的等离子体中存在的宏观粒子偏离的方式在源上移动阴极电弧，防止偏离的粒子继续朝向待涂层的衬底，待涂层的衬底位于真空中且与源相对，仅仅微观粒子、离子和电子向衬底行进，用于在衬底上凝结。

特别地，根据上述观点，源上的阴极电弧产生斑点，斑点在源的表面上的传播速率被控制以便将宏观粒子推到等离子体的外面并仅允许宏观粒子的清洗的等离子体在基本直线的方向上向待涂层的衬底行进。

上述过滤方法是自清洗的，因为其使用在一点处产生的等离子体本身来清洗包含在另一点处产生的等离子体内的宏观粒子。在此自清洗方法中，等离子体中的微观粒子、离子和电子的自然排斥力用于使宏观粒子偏离源与衬底之间的直线方向，而微观粒子、离子和电子可以沿该直线方向行进。

根据上述思想，本发明的技术问题通过一种在阴极电弧物理气相沉积(PVD)中真空过滤宏观粒子的方法(权利要求1)来解决，该方法包括以下步骤：借助于对固体源施加电弧而蒸发来自固体源(阴极)的材料，形成包括蒸发材料的电子、中性微观粒子(蒸汽)和离子的等离子体，以及比微观粒子和离子尺寸更大的宏观粒子，其特征在于，电弧以速率Vcs在源上移动，以速率Vcs，借助于在一点P2处蒸发而产生的材料的电子、微观粒子和离子使得在之前由电弧经过的点P1处产生的宏观粒子从朝向与固体源相对的待涂层的衬底的路径偏离，从而进行等离子体相对于宏观粒子的自清洗并允许过滤的等离子体在衬底上凝结。

上述自清洗活动由于等离子体的中性微观粒子、电子和离子与宏观粒子相比更大的速率而可行。作为指导，离子的速率可以比宏观粒子的速率大大约100倍，并且电子的速率比宏观粒子的速率大大约1000倍。

换言之，根据本发明，由源上的电弧产生的阴极斑点以速率Vcs移动，并且以所述速率，其借助于在点P2处产生的离子、电子和中性粒子推进在阴极斑点经过的上一个点P1处产生的宏观粒子过)；事实上，在点P1处产生的宏观粒子具有比在下一个点P2处产生的离子、电子和中性粒子更低的速率，并且迅速被在P2处产生的离子、电子和中性粒子追上，并且所述离子、电子和中性粒子使宏观离子从朝向衬底的直线路径偏离，使得在点P1处产生的宏观粒子不能达到衬底。

根据本发明，电弧结束于源的表面上的没有位于面向衬底的位置的点，并且在该点处，产生的宏观粒子位于等离子体可以向衬底行进的直线路径之外。

优选地，机械护罩应用于源上的电弧结束的点，以便阻挡在所述点产生的宏观粒子，防止其通向衬底。通过这种方式，即使可能没有以自清洗的方式清洗在电弧结束点处的等离子体，由于在结束点处，后面没有其他等离子体的自清洗活动，在该点处也产生不能到达衬底的宏观粒子，所述粒子被机械护罩阻挡。

申请人已经发现，通过以大于或等于源上的电弧的注入点P_i与电弧的结束点P_f之间的距离R_act与电弧的持续时间t的比例的速率V_cs(V_cs>＝R_act/t)在源上移动电弧，几乎所有的宏观粒子无法到达衬底。

根据本发明的一方面，源上的电弧运动的速率V_cs借助于电弧的脉冲(Imp)的电流(C)变化来调整。

根据本发明的另一方面，源上的电弧运动的距离R_ac借助于电弧的电流(C)的脉冲(Imp)的持续时间变化来调整。

在优选实施方式中，电弧结束在位于源的表面部分上的点P_f处，在点P_f处，通过电弧产生的宏观粒子不能到达所述衬底。优选地，电弧的结束点P_f和/或起始点P_i没有面对衬底。例如，结束点P_f和/或所述起始点P_i位于源的侧表面(其没有与衬底对齐并且没有面对衬底)。

还考虑到使用过滤电极(适于机械地阻挡从朝向衬底的路径偏离的宏观粒子)，过滤电极具有用于允许清洗的等离子体通向待涂层的衬底的开口。在过滤电极中的此开口位于源与衬底之间的直线上。

根据本发明的另一方面，设想应用静电类型的另一种过滤器。特别地，申请人已经设计了特别有利的静电过滤器(其利用宏观粒子与离子、电子和微观粒子相比不同的速率)。事实上，宏观粒子因为比微观粒子和离子的尺寸更大而具有与等离子体的电子、微观粒子和离子相比延迟的运动，并且获得等离子体之外的正电荷。

考虑到宏观粒子运动上的延迟，申请人已经有利地设想：以预定持续时间(T)的脉冲对源施加电弧；和在源与衬底之间施加静电场(E)，静电场(E)在施加脉冲电弧的所述脉冲(T)的间隔(I)期间，将宏观粒子从衬底偏离。

优选地，脉冲电弧的持续时间T小于或等于

D/V_mp+Δt，

其中，D是源与面对的衬底之间的距离，V_mp是宏观粒子的速率，并且Δt是宏观粒子获得正电荷的时间。

根据本发明的一方面，静电场(E)由电极对产生，其电位差U大于或等于：

U>＝(mV²)/2e，

其中，m是宏观粒子的质量，V是其朝向衬底的速率，并且e是其电荷。

特别地，衬底与电极对的静电阳极相关联，并且真空室与该电极对的静电阴极相关联。

在一个实施方式中，电极对的阳极还充当过滤电极，根据上述已经提到的，过滤电极适于机械地阻挡从朝向衬底的路径偏离的宏观粒子。

因此，根据本发明的方法以作为等离子体从阴极的表面同时发出的微观粒子和宏观粒子的不同速率为基础。离子具有大约10⁶cm/s的速率，并且宏观粒子具有大约10²-2xl0⁴cm/s的速率。

该方法利用阴极与衬底之间的距离，宏观粒子沿该距离在空间上与微观粒子、离子和电子分离。特别地，离子和微观粒子由于其更大的速率而比宏观粒子更快地向衬底移动。从宏观粒子当中，首先是较小尺寸且较快的宏观粒子，然后是较大尺寸且较慢的宏观粒子向衬底移动。

根据该方法，进行任何尺寸的宏观粒子的自清洗，即等离子体中的排斥力用于将宏观粒子推到朝向衬底的路径之外。静电过滤器帮助进行宏观粒子(其没有被上述过程充分推开)的过滤。

通过下文中接下来的描述，参考仅当作非限定例子的附图，本发明的进一步的属性特征和优点将变得清楚。

附图说明

图1以示例形式示出根据本发明的过滤系统。

图2-4以示例形式示出在图1中示出的过滤系统根据各个实施方式的的详图。

具体实施方式

下面结合附图描述在产生用于涂层衬底的等离子体的过程期间根据本发明的过滤方法。

借助于施加在阴极源1上的电弧来产生等离子体。例如，借助于源1上的脉冲式放电，在还包括离子、微观粒子和电子的等离子体中发出宏观粒子。在主放电脉冲期间，宏观粒子带负电荷，并且它们留在等离子体外面时，由于它们与剩余的等离子体相比更低的速率，它们改变它们的电荷，因此呈现正电荷。

由于电荷的变化，宏观粒子和离子的温度增加，并且电子由于紫外线辐照的热电子发射和光电发射发生。特别地，在源与衬底之间的空间中，缺少等离子体时带正电荷的宏观粒子超负荷；这发生是因为等离子体的离子、电子和微观粒子已经离开空间以比脉冲持续时间更短的时间间隔向待涂层的衬底2移动。例如，脉冲持续时间可以是100ms，并且在脉冲的100ms的时间间隔内，离子、电子和微观粒子可能已经超过了宏观粒子。

根据本发明的另一方面，沿宏观粒子从源1至衬底2的路径施加电场(其还被称作减速或偏离场)，这排斥或偏离带静电的宏观粒子。特别地，由于在阴极1(源)与衬底2之间的空间中缺少等离子体(离子、微观粒子和电子)而存在低密度带电宏观粒子，可以在脉冲之间的时间间隔I中进行静电分离(借助于施加静电场)。

事实上，在这些条件中，电场的等离子体筛选没有限制。因此，可以使用电极以便沿带正电荷的宏观粒子的路径例如使用大孔(10-50mm)格栅或借助于独立操作的电极来创建延迟静电场。

延迟静电场由布置在阴极侵蚀区域(源1)与衬底2的涂层表面之间的至少两个电极创建。与宏观粒子电位相同的电极或静电阳极与衬底的涂层表面相关联，例如接近它们。静电阳极可以由衬底本身例如图1的衬底2构成。第二电极或静电阳极例如可以与真空室3相关联。

根据本发明，通过在电极之间施加电位，电位值为

U>＝(mV²)/2e，

其中，m是宏观粒子的质量,V是其向衬底的速率并且e是其电荷，可以在与等离子体(离子、电子和微观粒子)的朝向衬底2移动的方向相反的方向推质量为m并且电荷为e的粒子。

发生了上述条件U的宏观粒子被静电场排斥，不能到达衬底2。

未发生上述条件U的宏观粒子能够到达衬底2。然而，这些宏观粒子可能具有明显较小的动能并具有对衬底2的较差的粘附力。这种情况特别是出现在由具有高抗熔性的材料构成，例如由碳、钨或铬构成的阴极1中，该阴极主要产生固体碎片而非液滴的微观粒子。

此外，沉积在衬底2上的宏观粒子与衬底2具有相同的极性，因此例如被排斥。冷中性宏观粒子(其从真空室3的墙壁落到衬底2的待涂层的表面上)同样被其排斥。

静电场过滤方法的效率随宏观粒子尺寸的增加而成比例地减少，而与这些粒子具有比更小尺寸的宏观粒子更小的速率无关。该效率损失是由于以下事实：在U>＝(mV²)/2e的情况下，较大尺寸的宏观粒子的电荷e与质量m之间的比例比较小尺寸的宏观粒子的电荷e与质量m之间的比例更小；事实上，电荷与表面面积或半径的平方成比例地增加，同时质量与半径的立方成比例地增加。然而，大宏观粒子还具有比较小粒子更低的速率。

有利地，本发明因而考虑施加静电场用于过滤特别是具有比预定阈值更小尺寸和高速率的宏观粒子。在这种情况下，当等离子体(离子、电子、微观粒子)在衬底上没有沉积时，施加静电阳极中的恒定和/或脉冲电压(其具有与宏观粒子相同的极性)。

正如所提到的，阳极可以是衬底2本身。然而，静电阳极可以由单独组件(位于衬底2与阴极1之间)构成。静电阳极的该分离式布局在以下情况中是合适的：待涂层的表面不导电，因此衬底不能充当静电阳极；或对衬底2施加电位不合适。衬底2还可以位于静电阳极与阴极1之间；静电阳极的该分离式布局还适合于非导电的涂层或对衬底施加电位不合适的情况。不同的配置结构是可能的，例如通过把阳极放在衬底2的前面和后面。图2至4示出衬底2对于阳极4的不同配置结构；阴极与源1相关联。

对于尺寸比预定阈值更大的宏观粒子，宏观粒子的电荷与质量之间的比例更大，因此向衬底2的速率更低，即那些热不足以产生电子的热电子发射的宏观粒子，考虑使用带正电位的过滤电极5。过滤电极5(图2-4)对从阴极以超过预定角度X发出的粒子进行机械过滤。特别地，由于其正电位，过滤电极5还可以用作静电过滤器4。

过滤电极5对于阻挡大的和冷的宏观粒子特别有效，事实上，当热的宏观粒子有时间改变电荷的符号而因此可能被静电过滤器4有效延迟时，大的和冷的宏观粒子无法逆转它们的电荷并可能向衬底2危险地行进；在这种情况下，过滤电极5形成屏蔽，屏蔽保护衬底2免受带负电荷的宏观粒子的伤害。

阴极1与阳极4之间的放电参数优选如下：

电流脉冲大于300A。有利地，使用同一电流脉冲，出现消除对用于聚集等离子体束的磁系的需要的物理现象。

选择阴极斑点在源1的表面上的运动速率，以便进行等离子体的自清洗。

该自清洗模式对较大尺寸且较慢的宏观粒子和较小尺寸且较快的宏观粒子都有影响，并主要用于根据本发明过滤等离子体。

例如，在由碳构成的阴极1具有30mm的直径和注入区域位于源中心的情况下，脉冲持续时间设置在0.8与1.1毫秒之间。

最小脉冲持续时间等于侵蚀区域在阴极1的表面移动直到其到达在没有对于衬底的视线的点期间的时间间隔。

脉冲电弧的持续时间T小于或等于D/V_mp+Δt，其中D是源1与面对的衬底2之间的距离，V_mp是宏观粒子的速率，并且Δt是其间宏观粒子获得正电荷的时间。

电弧可以在阴极1的末端处和侧表面L(例如，图2)上开始，并且必须在位于衬底的能见度之外中的阴极表面1(例如，图2中的L1)上结束。端面可以是阴极的侧表面L1或与覆盖装置6(其阻挡和防止宏观粒子的传播)相关联的阴极1的一端。这些覆盖装置可以与注入电极相关联。

如果电弧在阴极1与衬底2之间的直接和可见线上的点开始，则可以设置电容器C1(图1)。所述电容器用于稳定单个脉冲的点火条件并减少初始电弧产生电流。

阴极斑点的运动速率借助于阴极上的电感器7来调节。

阴极斑点相对彼此以取决于放电电流的速率在阴极1上移动。最初，阴极斑点快速移动，然后由于它们占据阴极1的表面而减速；减速与占据的阴极1的表面成正比。

例如，碳阴极1中的阴极斑点出现大约100-200ms的工作时间，并逐渐熄灭。在该时间周期期间，速率为200m/s的宏观粒子从离阴极2-4cm处的等离子体中去除，并且速率为50m/s的宏观粒子从0.5-1cm处去除。

根据本发明，当阴极斑点具有预定速率(申请人在以下考虑和分析的基础上确定的)时，出现用于从等离子体中去除大尺寸的宏观粒子的优选情况。

脉冲放电在阴极1中的持续时间已经在基本水平上被分成多个多个间隔(每个都与等离子体流Pl_i的产生对应)。在实际中，在第一间隔“1”，产生第一等离子体流Pl₁，在第二间隔“2”，产生第二等离子体流Pl₂，等等，直到在最后结束间隔中，产生等离子体流P_结束。

等离子体Pl₂(其在点2处产生并由阴极1上的电弧的运动而引起)具有推进或推开宏观粒子(其在产生等离子体流Pl₁的上一个点1处从阴极1的表面被发出)的作用。

电弧的运动速率特别重要。

事实上，如果阴极斑点的速率太高，则等离子体Pl₂成功地离宏观粒子(与等离子体流Pl₁一起发出)产生在点1处的位置太远，因而无法将这些宏观粒子推进(扫除)到朝向衬底2的路径外面。

与之相反，如果阴极斑点的速率太低，在点1处产生的等离子体流Pl₁向衬底2推进在点2处与等离子体Pl₂一起产生的宏观粒子。

申请人已经确定，对于清洗宏观粒子的等离子体理想的电弧(在源1上)的运动速率V_cs大于或等于源上的电弧的注入点P_i与电弧的结束点P_f之间的距离(R_act)与电弧的脉冲时间t之间的比(V_cs>＝R_act/t)。

以速率V_cs(表面速率)在源上移动的电弧进行等离子体的自清洗，因为在点P₂处蒸发的材料的电子、微观粒子和离子使得在电弧之前经过的点P₁处形成的宏观粒子从朝向面向源1的待涂层的衬底2的路径偏离。

有利地，与现有技术考虑的不同，由于缺少其减速清洗的等离子体向衬底的流动的过滤器，衬底2上的微观粒子和离子的沉积发生(基本没有宏观粒子)并具有高生产率。

在源1上使用不同的材料的情况下，调整沉积的离子(特别是用于DLC涂层)的能量很重要。由于所述调整，可以控制步幅sp2与sp3之间的比例，因此得到宽范围的涂层。离子的最大能量由阴极与阳极之间的电压确定，并优选在100与500伏特之间。

等离子体束(流)中离子的能量不尽相同。束在前部运载电子、然后是高能量离子，然后是在束的尾部的低能量离子；后者可能降低涂层的质量。

根据本发明的一方面，还可以过滤具有预定阈值以下能量的离子。对于该过滤操作，在静电过滤器中设置特定的电流值；特别地，电流随离子(其在静电过滤器的影响下减弱)百分比的增加而增加。

最终，可以通过在静电过滤器中设置电流值(其超过离子的电流)来完全地阻挡等离子体的离子成分并借助于等离子体电子进行清洗衬底。

在下文中参考图1描述用于实施根据本发明的方法的过滤系统的结构和电气组件。

系统包括真空室3。源或阴极1和阳极4相对于彼此轴向排列；例如，阳极4有棱纹的阳极并位于阴极1与待涂层的衬底2之间；可选地，例如借助于电源模块向待涂层的衬底2供应具有正电极(脉冲或DC)的静电位(其还充当静电阳极)。电弧放电阳极4不与静电阳极对应并未与其电连接。例如，具有负电极的静电位与室3连接。

阴极1的侵蚀区域9与待涂层的衬底3相对；所述衬底2例如可以安装在旋转或固定传送带上。系统包括放电电路，放电电路包括可调电感器7。

注入系统10点燃阴极1的表面上的电弧。放电在等离子体向衬底2快速移动的时间间隔t在阳极4与静电阴极3之间发生。在连续放电之间的间隔中，静电阳极和阴极用于创建适于延迟或偏离等离子体的宏观粒子的场。

等离子体离子和微观粒子在正常情况下沉积在衬底上，即静电场对它们没有任何影响。宏观粒子比离子更缓慢地移动，并且特别地，首先较小且较快的粒子移动，然后是较慢且较重的粒子。

在脉冲放电期间，阴极斑点的速率借助于加速装置调整，使得阴极1的侵蚀以自清洗的方式进行，即通过将在一点处产生的宏观粒子推到衬底路径外面，经过在另一点产生的等离子体。特别地，侵蚀区域终止于阴极(位于衬底的视野外面)的表面。

然后，重复该过程。

优选地，在阳极4的输出处设置带正电位的过滤电极5，用于机械过滤宏观粒子。

静电阳极4与比静电阴极至少低40伏特的正电位连接。