專利名稱：運(yùn)行脈沖式電弧源的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1、 8、 9的前序部分的運(yùn)行電弧源 的方法，以及一種按照權(quán)利要求34、 43、 45的前序部分的電弧源。
背景技術(shù)：
電弧源的脈沖長久以來已由現(xiàn)有技術(shù)公知，例如W002/070776非 常一般地描述了用于沉積不同的超硬層如TiSiN等的火花源的脈沖。在W003/057939中描述了一種火花源，其中通過脈沖式的高壓電 源引起火花，即火花的饋入通過脈沖式高壓電源進(jìn)行?；鸹ǖ倪\(yùn)行在 此是非連續(xù)進(jìn)行的。輸出物質(zhì)是金屬導(dǎo)電的陰極、可導(dǎo)電的合金和另 外還有碳，或可蒸發(fā)的半導(dǎo)體。但是在此示出的電弧源由于靶體非常費(fèi)事，而且工作起來很昂貴。在US6361663中描述了 一種具有由可導(dǎo)電材料制成的陰極的電弧 源，其用直到5kA的峰值電流和例如100A的基電流脈沖式地或者脈沖 式調(diào)制地運(yùn)行。這種電弧源也因?yàn)槠渚哂写磐ǖ篮捅魂帢O完全包圍的 陽極的構(gòu)造而制造起來非常費(fèi)事，而且工作起來很昂貴。借助陰極火花蒸發(fā)來沉積電絕緣層也已經(jīng)公知，US5518597描述 了在反應(yīng)過程中制造這樣的層。在此要涂敷的表面設(shè)置在與活性靶表 面的光連接之外，該活性靶表面在此用作陰極的蒸發(fā)表面的同義詞。 在抽吸之后用惰氣調(diào)節(jié)過程壓力。在涂層期間，氧氣進(jìn)入待涂層表面 的附近，而且是以在運(yùn)行期間被消耗并且能夠保持穩(wěn)定壓力的速率進(jìn) 入。這與由現(xiàn)有技術(shù)的其它文獻(xiàn)公開的方面一致，即反應(yīng)氣體進(jìn)入基 底附近對(duì)于降低靶的氧化和穩(wěn)定火花放電來說是很重要的。作為額外 的用于避免通過絕緣層在陽極上的不期望結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的過程中斷的措 施，在US5518597中優(yōu)選陽極保持在大約1200°C的溫度下，而且必須、 也就是成本高地由高熔點(diǎn)貴金屬制成。所有這些方法的共同點(diǎn)是，如果使用在形成絕緣層的條件下與蒸發(fā)材料快速反應(yīng)的反應(yīng)氣體就應(yīng)當(dāng)采取特殊的措施，以避免靶或陽極 的活性表面中毒，同時(shí)避免形成不期望的微滴。這些措施除了所提到 的加熱陽極和將反應(yīng)氣體引入待涂層表面附近并確定精確劑量之外， 還包括用高成分的惰氣使反應(yīng)氣體變得稀薄。尤其是要注意，靶的表面金屬光潔或者保留至少對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體的 傳導(dǎo)性。通過半導(dǎo)體的正溫度梯度，在電弧點(diǎn)的范圍內(nèi)雖然存在好到 足以引起火花的傳導(dǎo)性，但是通過由此帶來的更多地趨向于火花的燒結(jié)通常會(huì)導(dǎo)致形成比金屬導(dǎo)電靶表面情況下更多的飛濺物。為此還由 現(xiàn)有技術(shù)公知 一 系列手段。例如源可以如上所述設(shè)置在到靶表面的光連接線之外，但是這大大限制了耙材料的產(chǎn)量或涂層速度?？梢愿郊?或單獨(dú)地施加磁場，該磁場只將離子化的蒸汽部分導(dǎo)向待涂層的表 面，而電中性的微滴被捕獲到反彈面。其例子是彎曲的磁過濾器、磁 透鏡等。另一種減少飛濺物的方法在于短時(shí)中斷電流輸入，其中例如通過 激光射線控制的火花分別在活性靶表面的其它地點(diǎn)被再次引起。該方 法尤其是用于碳的陰極火花蒸發(fā)，但也用于金屬合金的陰極火花蒸 發(fā)。所有這些措施或這些措施的公知組合的共同點(diǎn)在于另外有很高的 技術(shù)代價(jià)和/或顯著降低涂層速率。但是如果要在耙表面上形成絕緣 層，則到目前為止用上述措施還不能進(jìn)行穩(wěn)定地處理。發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種方法，通過該方法可以 用常用的電弧源在穩(wěn)定的過程條件下產(chǎn)生絕緣層而不必采用費(fèi)事的額 夕卜措施。該技術(shù)問題通過按照權(quán)利要求1、 8、 9的方法以及按照權(quán)利要求 34、 43、 45的電弧源解決。本發(fā)明的其它擴(kuò)展在從屬權(quán)利要求中描述， 這些擴(kuò)展可以單獨(dú)存在，或者只要在技術(shù)上有意義就可以組合在一 起。令人震驚的是，在同時(shí)施加與脈沖電流或交流電疊加的直流電 時(shí)，即使靶表面至少部分被絕緣層覆蓋也能運(yùn)行穩(wěn)定的電弧過程。例如，可以不采取其它附加措施地在純氧氣環(huán)境中運(yùn)行鋁耙長達(dá)8幾個(gè)小時(shí)。其中會(huì)在靶上觀察到電壓的上升，但該上升會(huì)在幾分鐘內(nèi) 穩(wěn)定下來而不會(huì)導(dǎo)致電弧過程的中斷或不穩(wěn)定。在此期間沉積在直接 定位于靶之前的基底上的鋁氧化物層與在相同條件下沉積的金屬鋁層 相比展示出完全沒有料到的、由于附著微滴而導(dǎo)致的表面故障的明顯下降。運(yùn)行鉻或鈦靶或這些材料的具有甚至超過50%的高硅含量的金 屬靶在純氧氣環(huán)境或純氮?dú)猸h(huán)境中也會(huì)導(dǎo)致類似的結(jié)果。在任何情況 下靶在表面完全敷設(shè)絕緣層之后，即使在過程中斷之后也能毫無問題 地在反應(yīng)氣體環(huán)境中再次被點(diǎn)燃并在微滴形成減少了的同時(shí)運(yùn)行。在面涂層的運(yùn)行，在這種脈沖模式中導(dǎo)致更高的層質(zhì)量，同時(shí)減少微滴 的形成。與運(yùn)行沒有絕緣涂層的靶相比，可以確定反應(yīng)氣體的數(shù)量至少應(yīng) 選擇為高到使源電壓與沒有絕緣涂層的運(yùn)行相比增加至少10%，優(yōu)選增加至少20%。源電壓的增加原則上取決于所采用的反應(yīng)氣體和耙材料。由靶材料和反應(yīng)氣體在靶表面上產(chǎn)生的化合物的絕緣特性越高，通常源電壓的差異就越大，即使在此由于很多特定于表面和材料的反應(yīng)模式或反應(yīng)抑制而無法容易地產(chǎn)生直接的數(shù)學(xué)關(guān)系。作為反應(yīng)氣體在此例如采用以下氣體氧氣、氮?dú)?、乙?(Acethylen)、甲醛、硅烷如四曱基硅烷、三甲鋁、乙硼烷或原則上 所有的含有氧、氮、硅、硼或碳的氣體。尤其合適的是該方法用于有 高反應(yīng)氣體流的過程，其中反應(yīng)氣體的含量選擇為比惰氣高，例如超 過70%，尤其是超過90%。但是也可以象上面提到的過程那樣優(yōu)選在 純的、即含有100%反應(yīng)氣體的環(huán)境中進(jìn)行。作為靶材料在此原則上可以采用與上述氣體在上述靶的表面上形 成例如由氧化物、氮化物、硼化物、硅化物、碳化物或所述化合物的 混合組成的相應(yīng)絕緣層的所有材料。但是為了產(chǎn)生硬層、，阻擋層或裝 飾層，尤其適合采用以下材料IV、 V、 VI副族的過渡金屬或著說鋁、 硼、碳或娃，或上述材料的合金或化合物，如TiAl、 CrAl、 TiAlCr、 TiSi、 TaSi、 NbSi、 CrSi、 WC。但是具有高熔點(diǎn)的純物質(zhì)如W、 Ta、 Nb和Mo也可以根據(jù)該方法簡單蒸發(fā)。為了尤其是在含氧環(huán)境中運(yùn)行靶時(shí)進(jìn)一步減少飛濺物，如 US6602390公開的，優(yōu)選靶材料由唯一的一個(gè)結(jié)晶相組成。用直流電以及脈沖電流或交流電同時(shí)運(yùn)行電弧源的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在 對(duì)溫度靈敏的工件如硬化的鋼、在青銅和黃銅基上的沉積合金、鋁-鎂合金、塑料等涂層時(shí)給出。在保持電流附近直流運(yùn)行一個(gè)或多個(gè)電 弧源時(shí)，該保持電流是在用簡單的直流電供應(yīng)還能穩(wěn)定地運(yùn)行導(dǎo)電的 電弧源時(shí)的最小電流，待涂層的工件的溫度負(fù)荷雖然很低，但是同時(shí) 對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來說涂層速率不太令人滿意。保持電流或保持功率的值 在此取決于靶材料、電弧源的構(gòu)成方式，或取決于例如放電在真空中 是否在輸入惰氣或反應(yīng)氣體的條件下運(yùn)行。例如金屬光潔表面以及諸如WC、 TiN或CrN的化合物都具有足以保證在電流很小時(shí)也能穩(wěn)定運(yùn) 行的傳導(dǎo)性。石墨或硅靶在此形成一種極限情況，因?yàn)橐环矫嫫鋫鲗?dǎo) 性雖然還足以借助DC電弧被蒸發(fā)，但是另一方面存在局部引起火花的 強(qiáng)烈趨勢(shì)，由此會(huì)導(dǎo)致等離子波動(dòng)和強(qiáng)烈地形成微滴，因此例如目前 優(yōu)選脈沖式地運(yùn)行石墨靶。相反如果源在DC保持電流附近運(yùn)行，同時(shí)疊加脈沖電流，則令人 吃驚的是不僅可以顯著提高速率，而且與DC涂層相比在速率差不多的 同時(shí)還能將溫度負(fù)荷保持得很低。優(yōu)選的，DC分量設(shè)置為保持電流或 保持功率的100至300% ，優(yōu)選為100至200%。保持電流的這種百分比組成對(duì)于如下詳細(xì)描述的源來說相當(dāng)于電 流的DC分量在30到90A范圍內(nèi)，優(yōu)選在30到60A之間。在此，原則 上沒有過程氣體地運(yùn)行電弧源，但優(yōu)選采用只包含反應(yīng)氣體、只包含 惰氣或包含由反應(yīng)氣體和惰氣組成的混合物的過程氣體來運(yùn)行電弧 源。作為靶材料在此原則上可以使用所有導(dǎo)電材料或半導(dǎo)體材料，優(yōu) 選如上所述的材料。施加或產(chǎn)生不同的電流分量在此可以按照公知方式進(jìn)行。例如可 以通過直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生直流電分量，通過脈沖或交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生脈沖 或交流電分量，其中兩種發(fā)電機(jī)并聯(lián)或串連在電弧源和至少一個(gè)陽極 或地之間。另一個(gè)可能性在于，通過兩個(gè)同樣連接的、疊加并且同步運(yùn)行的 脈沖或交流電發(fā)電才幾來產(chǎn)生直流電分量和脈沖電流分量。此外最后還 可以通過一個(gè)在次級(jí)或初級(jí)由脈沖控制的電流發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生直流電分 量和脈沖電流分量。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來說尤其感興趣的是，對(duì)例如被提出涉及耐磨性的 要求的工件或者表面應(yīng)當(dāng)具有絕緣或裝飾特性的工件進(jìn)行涂層。尤其 適用于這種方法的層例如是鋁氧化物、鋁氮化物、鋁氮氧化物、鉻氧 化物、鉻氮化物、鉻氮氧化物、鋁鉻氧化物、鋁鉻氮化物、鋁鉻氮氧 化物、鋁鉻氧碳氮化物、硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、硅鋁氧 化物、硅鋁氮化物、硅鋁氮氧化物、鈦硅氮化物、鈦硅氮氧化物、鉭 硅氮化物、鉭氧化物、鉭氮氧化物、鵠硅氮化物、鈮硅氮化物、鈦碳 化物、鴒碳化物、鵠硅碳化物或上述材料的合金或化合物。所述材料可以作為單層或在元素組成、化學(xué)計(jì)量或結(jié)晶方向方面 變化的兩個(gè)或多個(gè)層的序列沉積，其中各個(gè)層的層厚可以根據(jù)需要設(shè) 置在幾納米到幾微米之間。另外，如專業(yè)人員公知的，還可以在敷設(shè) 上述層之前沉積例如金屬或氮化物粘附層或者由不同的化合物組成的 匹配層，這些化合物例如實(shí)現(xiàn)工件的基底材料到層材料的梯度式過渡。公知的粘附層例如是Cr、 Ti、 CrN或TiN。匹配層在示例1中施 加。另外在這些方法中優(yōu)選施加DC偏壓、脈沖偏壓或交流電偏壓，該 偏壓在需要時(shí)與源的脈沖或交流電發(fā)電機(jī)同步。在此可以按照公知方式通過垂直于工件表面地交替引入至少一種 惰氣和至少一種反應(yīng)氣體或者通過垂直于工件表面地交替引入至少兩 種反應(yīng)氣體，來改變層組成，并由此沉積具有按照需要梯度或階梯形 狀的層組成分布的兩層或多層系統(tǒng)。為此，用相同或不同的耙材料運(yùn) 行多個(gè)源。按照類似的優(yōu)選方式可以在使用源來蝕刻工件表面時(shí)，采用如上 所述的方法來運(yùn)行電孤源，因?yàn)樵诖嗽摫砻嬖诒冉饘侔斜砻媲闆r下明 顯更小的范圍內(nèi)被微滴占據(jù)。在此也在工件上施加DC偏壓、脈沖偏壓 或交流電偏壓，但是該偏壓明顯高于在涂層時(shí)施加的偏壓。例如，在 此基底電壓設(shè)置在-50到-2000V之間，優(yōu)選在-200到-1500V之間。 為了放大蝕刻加工余量，另外還可以采用蝕刻氣體，該蝕刻氣體例如 包含以下成分He、 Ar、 Kr、氧氣、氮?dú)?、氫氣、鹵素(例如氯、氟、 溴、碘)或者含有卣素的化合物。在所有上述實(shí)施的方法中，涂層速度或進(jìn)入工件中的能量通過設(shè) 置脈沖寬度、電流脈沖、電流脈沖的大小或通過時(shí)鐘比例或通過這些參數(shù)的組合來匹配或調(diào)節(jié)。另一種手段是提高DC源電流，但是這對(duì)低 溫過程不太適用。作為適用于這種涂層方法或蝕刻方法的工件，尤其適用由鋼和結(jié) 構(gòu)金屬如銅和鉛青銅、黃銅和特種合金如AlMg合金、硬金屬組成的工 件和組件，由陶瓷材料如硼氮化物、尤其是CBN、金屬陶瓷化合物組成 的工件和組件，或至少部分具有鉆石或陶乾表面的相應(yīng)工件。這些方法的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是對(duì)由硅或其它半導(dǎo)體材料制成的工 件進(jìn)行涂層。已經(jīng)表明，在所述脈沖模式中的涂層也適用于絕緣基底，其中施 加DC基底偏壓沒有意義，或施加具有更小或中等頻率的DC脈沖式基 底偏壓有意義。利用上述方法可以總結(jié)出以下其它優(yōu)點(diǎn)1. 一種借助火花蒸發(fā)制造絕緣層的穩(wěn)定過程，不會(huì)產(chǎn)生妨礙層的 氧化透或氧化反應(yīng)的飛濺物。2. 可以用完全中毒的火花靶一次性處理完畢。反應(yīng)性，即反應(yīng)成 分的提供如在沉積鋁氧化物時(shí)的氧氣提供可以通過在完全中毒的模式 或在純反應(yīng)氣體環(huán)境中工作而得到改善，并由此帶來更大的層生長。3. 既不需要靶和反應(yīng)空間的位置分離或壓力級(jí)的分離，也不需要 費(fèi)事地分離開飛濺物和離子化的蒸汽。4. 火花的引導(dǎo)可以在沒有附加磁場支持的條件下進(jìn)行。5. 即使在靶中毒時(shí)也能降低飛濺物的數(shù)量和大小。6. 通過經(jīng)過調(diào)制的脈沖運(yùn)行可以用更大的電流工作，這在保持耙 熱負(fù)擔(dān)不變或甚至降低熱負(fù)擔(dān)的同時(shí)引起更大的離子化。7. 無需重新點(diǎn)燃和費(fèi)事的火花引導(dǎo)就能將碳和半導(dǎo)體材料幾乎無 飛濺物地蒸發(fā)。8. 導(dǎo)電、半導(dǎo)電和不導(dǎo)電的靶表面相同地除去。9. 火花更為精細(xì)的分布，即很小的和快速地分布在表面上的電弧點(diǎn)。10. 通過采用高電流脈沖達(dá)到更高的離子化，并由此帶來基底電 流的提高。11. 在反應(yīng)的火花蒸發(fā)過程中的過程引導(dǎo)與是通過絕緣層還是半 導(dǎo)體層來涂敷靶無關(guān)。這允許反應(yīng)氣體混合，而且允許在反應(yīng)過程中有斜坡經(jīng)過，這在中間層以及功能層中都是有利的。12. 過程穩(wěn)定性提高，而且過程窗更寬。13. 采用公知的電源，其允許電流和電壓規(guī)格的很寬的范圍(實(shí) 現(xiàn)多方面的經(jīng)濟(jì)的組合，如用便宜的DC電源來用于基本負(fù)載)。14. 本發(fā)明保證等離子不會(huì)中斷，由此不再需要用費(fèi)事的技術(shù)進(jìn) 行重復(fù)和周期性的重新點(diǎn)燃。15. 本方法與其它等離子源的組合也是可行的；在此尤其是要提 到通過同時(shí)運(yùn)行的低壓電弧的附加激勵(lì)，由此進(jìn)一步提高了在基底上 涂層時(shí)的反應(yīng)性。實(shí)施本發(fā)明的途徑下面利用一個(gè)反應(yīng)的火花涂層過程描述本發(fā)明涂層方法的典型流 程。通過這種方式在Balzers公司的RCS類型的工業(yè)涂層設(shè)備中，如 EP1186681的圖3至圖6，第7欄第18行至第9欄第25行的描述，相 應(yīng)于下面詳細(xì)描述的例子將鋁氧化物沉積在不同的工件上。除了實(shí)際的涂層過程之外，如果需要還要討論其它涉及基底的預(yù) 處理和后處理的處理步驟。很多這樣的步驟，如根據(jù)不同的材料和預(yù) 處理而不同地執(zhí)行的基底的清潔，如專業(yè)人員公知的那樣允許很多變 形，有幾種還可以在特定的條件下刪除、縮短、延長或組合。示例1在將工件放置在為其設(shè)置的可旋轉(zhuǎn)兩次或三次的固定裝置中并且 將該固定裝置放置到真空處理設(shè)備中之后，將該處理腔抽吸到大約1 (T 毫巴的壓力。為了設(shè)置過程溫度，在氬氣-氫氣環(huán)境中在通過光闌分開的具有電弧(NVB)等離子。在此設(shè)置以下加熱參數(shù) ;改電電流NVB 150A氬氣流氛氣流過程壓力基底溫度處理時(shí)間50sccm 300sccm 1. 4 x 10—2毫巴 大約500°C 45分鐘其替換方式是專業(yè)人員公知的?；自诖藘?yōu)選作為用于低壓電弧 的陽極接入，并且優(yōu)選另外單極或雙極地脈動(dòng)。下個(gè)處理步驟是開始蝕刻。為此在金屬絲和輔助陽極之間運(yùn)行低壓電弧。在此也可以在工件和地之間接入DC、脈沖式DC或用交流電運(yùn) 行的MF或RF電源。優(yōu)選對(duì)工件施加負(fù)的偏壓。在此設(shè)置以下蝕刻參數(shù)氬氣流 60sccm過程壓力 2.4xi(T毫巴二故電電流NVB 150A基底溫度 大約500。C處理時(shí)間 30分鐘為了保證在制造絕緣層期間的低壓電弧放電的穩(wěn)定性，在所有由 NVB支持的過程步驟中用熱的、能導(dǎo)電的輔助陽極工作，或者在輔助陽 極和地之間接入脈沖式高電流電源。為了提高附著強(qiáng)度借助火花蒸發(fā)敷設(shè)大約300nm厚的CrN層，該 火花蒸發(fā)在需要附加的離子化時(shí)還可以通過低壓電弧的等離子來支 持。在此設(shè)置以下中間層參數(shù) 氬氣流 80sccm 氮?dú)饬?200sccm 過程壓力 8xl(T亳巴 直流源電流Cr 140A基底偏壓 從-100V到-40V，雙極36|iis負(fù)偏壓和4jus正偏壓基底溫度 大約500。C 處理時(shí)間 10分鐘在到實(shí)際功能層的大約5分鐘長的過渡期間，鋁電弧源與60A的 DC源電流連接，其中該DC源的正極與陽極環(huán)和地連接。另外還將單極 DC脈沖與以50kHz運(yùn)行的第二并聯(lián)電源疊加。在所示例子中用IOjlis 脈沖/10ilis間歇的對(duì)稱的時(shí)鐘/間歇比例來工作，并且在該脈沖中產(chǎn)生 直到150A的電流。然后引入具有300sccm或按照表中列出的參數(shù)的氧 氣。在開動(dòng)Al靶并且設(shè)置了氧氣流之后，將Cr靶上的源電流在一個(gè)14大約IO分鐘的斜坡上復(fù)原為0，同時(shí)減少N2流。然后將Ar流降至O。 用實(shí)際功能層對(duì)基底的涂層是在純反應(yīng)氣體(在這種情況下是氧 氣)中進(jìn)行的。由于鋁氧化物是絕緣層，因此采用脈沖式或AC偏置電源。重要的功能層參數(shù)如下所示 氧氣流 300sccm 過程壓力 9xi(T毫巴 DC源電流Al 60A脈沖源電流AL 150A, 50kHz， 10jus脈沖/10ps間歇基底偏壓 保持為-40VDC脈沖式或AC (分別是50 - 350kHz )基底溫度 大約5 00°C處理時(shí)間 60至120分鐘，360分鐘的單次嘗試涂層還可以與所引起的低壓電弧一起進(jìn)行。在這種情況下可以實(shí) 現(xiàn)更高的反應(yīng)性。此外，在涂層期間同時(shí)使用低壓電弧還具有以下優(yōu) 點(diǎn)源的DC分量根據(jù)NVB電流的大小可以進(jìn)一步降低。這樣進(jìn)行的涂層過程在數(shù)小時(shí)內(nèi)都是穩(wěn)定的。靶被覆蓋上薄的、 光滑的氧化層?；鸹ū仍跊]有附加脈沖信號(hào)的運(yùn)行中更安靜地運(yùn)行， 而且分為多個(gè)更小的火花。飛濺物數(shù)量明顯降低。作為電弧源，對(duì)于粘附層就像對(duì)功能層那樣采用Balzers公司的 具有160mm靶直徑和6mm厚度、具有標(biāo)準(zhǔn)Mag 6磁系統(tǒng)的電弧源。原 則上任何公知的源都可以經(jīng)歷這樣的過程，只要連接了相應(yīng)的供電單 元。所述過程是優(yōu)選的版本，因?yàn)樵撨^程對(duì)脈沖式電源的要求很少。 DC電源為火花提供最低電流或保持電流，脈沖式高電流電源用于減少 飛賊物。功能層的沉積參數(shù)的其它例子在表1中詳細(xì)描述。首先基本上采 用相同的清潔、加熱和蝕刻步驟，以及相應(yīng)于示例1沉積由CrN或TiN 組成的中間層。接著根據(jù)表中的說明用鋁氧化物、鋁氮化物、鉻氧化 物、鉻氮化物、鈦氧化物以及鈦氮化物來制造功能層。與通過覆蓋絕緣層而引入源電壓相比，在示例2和示例8中沉積 純金屬層。其中示出，尤其是在沉積高度絕緣的氧化層時(shí)會(huì)導(dǎo)致源電 壓的DC分量顯著增加。在此，電壓的相對(duì)增加在含氧反應(yīng)氣體的輸入量比較低時(shí)就已經(jīng)等于在純惰氣下運(yùn)行的金屬光潔源的值的大約20到 50%。在用氮?dú)膺\(yùn)行時(shí)也導(dǎo)致源電壓的升高，但是該電壓升高具有較 小的值，大約是10%到最大30%。在任何情況下雖然通過同時(shí)施加脈 沖電壓導(dǎo)致DC源電壓相對(duì)于純DC驅(qū)動(dòng)來說只有較小的下降，但是在 任何情況下都不會(huì)再次達(dá)到金屬光潔源的最初較低的電壓狀態(tài)。運(yùn)行電弧源的優(yōu)選頻率范圍位于5到50kHz之間。在需要時(shí)還可 以在直到0. 5kHz的低頻率或者直到1MHz的高頻率下運(yùn)行電弧源。在 更低的頻率下，該運(yùn)行在沉積絕緣層時(shí)是不穩(wěn)定的，在更高的頻率時(shí) 發(fā)電才幾成本急劇增加。如果期望或需要額外的匹配層，則該匹配層可以取代CrN或其他 粘附層，或沉積在粘附層和功能層之間。除了已經(jīng)提到的之外還在沉 積氧化覆蓋層時(shí)是優(yōu)選的例子是鈦和硼的碳氧化物，以及鋁、鉻、鈦、 鉭、鈮或鋅的氮氧化物、硅氧化物、硅氧氮化物、或硅氮化物。雖然借助陰極火花蒸發(fā)產(chǎn)生的粘附層或匹配層具有突出的粘附CVD、 PECVD、賊射或借助低壓電弧的蒸鍍從陽極連接的蚶鍋中進(jìn)行。 在此原則上不同技術(shù)的任意組合都可行，其中保證高度離子化的等離 子支持的過程由于可達(dá)到更好的粘附性而成為優(yōu)選。


下面參照只示出不同實(shí)施例的附圖詳細(xì)解釋本發(fā)明。圖1示出具有電弧源的真空處理設(shè)備，圖2示出并聯(lián)連接的DC和脈沖電源，圖3示出耙表面，圖4示出兩個(gè)并聯(lián)的脈沖電源，圖5示出多陽極排列，圖6示出串聯(lián)電路中的電源，圖7示出具有短路電路的電源，圖8是在次級(jí)由脈沖控制的電源，圖9是在初級(jí)由脈沖控制的電源。
具體實(shí)施方式
圖1所示的真空處理設(shè)備1對(duì)比地示出現(xiàn)有技術(shù)公知的用DC電源 13運(yùn)行電孤源的配置。設(shè)備1具有用于產(chǎn)生真空的抽氣系統(tǒng)2，用于 容納并電接觸在此未詳細(xì)示出的工件的基底固定裝置3，以及用于向工 件施加所謂的基底電壓的偏置電源4。偏置電源4可以是DC、 AC或雙 極或單極基底電源。通過過程氣體入口 11可以引入惰氣或反應(yīng)氣體， 以控制處理腔中的過程壓力和氣體組成。電弧源本身的組成是靶5以及位于靶下面的冷卻板12、火花塞7 以及包括靼的陽極6。利用開關(guān)14可以在陽極以及電源13正極的浮動(dòng) 運(yùn)4亍和用定義的零電位或地電位的運(yùn)4亍之間加以選擇。真空處理設(shè)備1的其它裝備特征是額外的等離子源9，在這種情況 下是用加熱陰極產(chǎn)生NVB的源，和惰氣入口8、輔助陽極10以及在此 未詳細(xì)示出的用于運(yùn)行等離子源9和輔助陽極IO之間的低壓電弧的其 它電源，以及在需要時(shí)還有用于磁聚焦低壓電弧等離子的線圏17。圖2示出一個(gè)電弧源，其用兩個(gè)并聯(lián)的電源即一個(gè)DC電源13，和 一個(gè)脈沖式高電流電源18來運(yùn)行，從而將直流電與單極或雙極的脈沖 信號(hào)疊加。這種連接使得對(duì)于絕緣層來說也能達(dá)到反應(yīng)火花蒸發(fā)的穩(wěn) 定運(yùn)行，其中在時(shí)間變化過程中設(shè)備1的內(nèi)部、輔助陽極10和帶有基 底的基底固定裝置3都被絕緣層覆蓋。如果比較而言由純鋁制成的靶5在含有氬氣和氧氣的環(huán)境中只用 按照?qǐng)D1的DC電源13來運(yùn)行，則在幾分鐘之后就已經(jīng)形成會(huì)在高氧 氣流下導(dǎo)致過程中斷的過程不穩(wěn)定。在此，在靶5上形成圖3a所示的 由絕緣材料制成的、具有幾毫米大的孤島的層。沉積在工件表面上的 層很不平坦而且不是完全絕緣，因?yàn)楹苊黠@不會(huì)引起很多金屬飛濺物 的完全反應(yīng)。相反，如果在其它相同條件下在含氧環(huán)境中用如圖2所 示的本發(fā)明方法來運(yùn)行靶5，則形成如圖3b所示的絕緣但是完全均勻 的鋁氧化物表面。該過程可以實(shí)施幾個(gè)小時(shí)，中斷，并且用這種中毒 的靶再次進(jìn)行。同時(shí)顯著減少在工件表面上的飛賊物。下面描述脈沖調(diào)制地運(yùn)行電弧源的其它可能性和配置。圖4示出 兩個(gè)優(yōu)選同步的脈沖式DC電源18，和18"的并聯(lián)電路。該配置例如在 單極運(yùn)行時(shí)具有很多優(yōu)點(diǎn)。在用相同的脈沖寬度運(yùn)行時(shí)可以將兩個(gè)脈 沖之間的時(shí)間選擇得很短，由此也可以設(shè)置相應(yīng)較大的時(shí)鐘比例或非 常短的周期持續(xù)時(shí)間。通過由此帶來的、例如也與特定的靼材料相匹配地限制每個(gè)脈沖的引入能量的可能性，非常有效地避免火花的燒 結(jié)，也進(jìn)一步減少飛濺物的形成。即使在用不同的脈沖寬度和不同或 相同的頻率進(jìn)行單極運(yùn)行時(shí)，這樣的運(yùn)行也能很好地設(shè)置各個(gè)周期階段，并由此非常好地控制涂層速度。原則上，脈沖式DC電源還可以由 更有利的交流電源來代替。但是這樣就例如難以達(dá)到具有特定形狀和 升降沿陡度的信號(hào)。同時(shí)如圖5所示的兩個(gè)電源19、 19"的概念特別有利地實(shí)現(xiàn)了多 個(gè)陽極20、 20，的定位，從而實(shí)現(xiàn)等離子在涂層腔中的更好的分布。由 此可以更好地引導(dǎo)電子，并由此提高等離子密度和過程的反應(yīng)性。在圖6中示出通過兩個(gè)串聯(lián)的電源19，、 19"供電的電弧源，在這 兩個(gè)電源中至少一個(gè)是脈沖或交流電源。利用該配置可以特別輕*>地 實(shí)現(xiàn)與電弧源的速度調(diào)節(jié)的匹配。的電源。:這種電源中，所產(chǎn)生的DC信號(hào)的本來是不期望^脈S性被 放大，使得在該電源的輸出端輸出相應(yīng)于上述要求的信號(hào)。例如如圖7 示意性所示，在次級(jí)用時(shí)鐘控制的電源用作上行轉(zhuǎn)換器21，或者如圖 8所示的同樣在次級(jí)用時(shí)鐘控制的電源用作下行轉(zhuǎn)換器21，。圖9則示 出在初級(jí)由時(shí)鐘控制的電源22，用于產(chǎn)生期望的信號(hào)。在具有開關(guān)網(wǎng)絡(luò)分配技術(shù)的所有電源中，圖8所示的電源可以用 最低的技術(shù)代價(jià)實(shí)現(xiàn)，也就是優(yōu)選采用該電源。附圖標(biāo)記列表1 真空處理設(shè)備2 抽氣系統(tǒng)3 基底固定裝置4 偏置電源5 靶6 陽極7 火花塞8 惰氣入口9 等離子源10 輔助陽極11 過程氣體入口12 冷卻板13， 13" DC電源14 開關(guān)17 磁線圈18， 18，， 18"脈沖電源19， 19，， 19"電源20， 20，陽極21 上行轉(zhuǎn)換器 21'下行轉(zhuǎn)換器22 在初級(jí)由時(shí)鐘控制的電源
權(quán)利要求
1.一種用于運(yùn)行電弧源的方法，其中引起或運(yùn)行在靶表面上的電火花放電，其中該火花放電同時(shí)用直流電以及脈沖或交流電來饋電，其特征在于，所述靶的表面至少部分被絕緣層覆蓋。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述絕緣層通過在 含有反應(yīng)氣體的環(huán)境中運(yùn)行所述電弧源來產(chǎn)生。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，與用沒有絕緣層的 表面來運(yùn)行相比，通過所述絕緣層導(dǎo)致源電壓的直流分量提高至少10 %，優(yōu)選提高至少20%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，含有反應(yīng)氣體的環(huán) 境包括至少一種以下成分含有氧、氮、硅、硼或碳的氣體，尤其是 氧氣、氮?dú)狻⒁阴?、甲醛、硅烷、四甲基硅烷、三曱鋁、乙硼烷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)氣體的含 量比惰氣高，優(yōu)選反應(yīng)氣體的含量超過70% ，更為優(yōu)選的是超過90% ， 或大約為100%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述耙材料包括至 少一種以下材料IV、 V、 VI副族的過渡金屬或鋁、硼、碳或硅，或所 述材料的合金或化合物，如TiAl、 CrAl、 TiAlCr、 TiSi、 TaSi、 CrSi、 WC。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述絕緣層由耙材 料的氧化物、氮化物、硼化物、硅化物、碳化物制成，或由該靶材料 的這些化合物的混合物組成。
8. —種用于運(yùn)行電弧源的方法，其中引起或運(yùn)行在靶表面上的電 火花放電，其中該火花放電同時(shí)用直流電以及脈沖或交流電來饋電， 其特征在于，所述電流的直流分量設(shè)置為保持電流的100%至300%， 優(yōu)選為保持電流的100至200%。
9. 一種用于運(yùn)行電弧源的方法，其中引起或運(yùn)行在靶表面上的電 火花放電，其中該火花放電同時(shí)用直流電以及脈沖或交流電來饋電， 其特征在于，所述電流的直流分量設(shè)置在30到90A的范圍內(nèi)，優(yōu)選在 30到60A之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，加入反應(yīng)氣體、惰氣或反應(yīng)氣體和惰氣。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述靶材料 包括至少一種以下材料IV、 V、 VI副族的過渡金屬或鋁、硼、碳或硅， 或所述材料的合金或化合物，如TiAl、 CrAl、 TiAlCr、 TiSi、 TaSi、 CrSi、 WC。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l、 8或9所述的方法，其特征在于，所述靶材 料只由唯一的一個(gè)結(jié)晶相組成。
13. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述直流 電分量通過直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，所述脈沖或交流電分量通過脈沖或交流 發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，其中兩個(gè)發(fā)電機(jī)并聯(lián)或串連在電弧陰極和至少一個(gè)陽極 或地之間。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所 述直流電分量和脈沖電流分量通過兩個(gè)疊加并且同步運(yùn)4亍的脈沖或交 流發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生，其中兩個(gè)發(fā)電機(jī)并聯(lián)或串連在電弧陰極和至少一個(gè) 陽極或地之間。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所 述直流電分量和脈沖電流分量通過一個(gè)在次級(jí)由時(shí)鐘控制的電流發(fā)電 機(jī)來產(chǎn)生，其中該發(fā)電機(jī)并聯(lián)或串連在電弧陰極和至少一個(gè)陽極或地 之間。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所 述直流電分量和脈沖電流分量通過一個(gè)在初級(jí)由時(shí)鐘控制的電流發(fā)電 機(jī)來產(chǎn)生，其中該發(fā)電機(jī)并聯(lián)或串連在電弧陰極和至少一個(gè)陽極或地 之間。
17. —種涂層方法，其特征在于，運(yùn)行根據(jù)上述權(quán)利要求之一所 述的電弧源，以用于在工件上沉積一個(gè)或多個(gè)層。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的涂層方法，其特征在于，所述層包括 至少一種以下材料IV、 V、 VI副族的過渡金屬，以及鋁和它們與氧、 氮、碳、硼或硅的化合物。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的涂層方法，其特征在于，所述層包括 至少一種以下材料鋁氧化物、鋁氮化物、鋁氮氧化物、鉻氧化物、 鉻氮化物、鉻氮氧化物、鋁鉻氧化物、鋁鉻氮化物、鋁鉻氮氧化物、 鋁鉻氧碳氮化物、硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、硅鋁氧化物、硅鋁氮化物、硅鋁氮氧化物、鈦硅氮化物、鈦硅氮氧化物、鉭硅氮化 物、鉭氧化物、鉭氮氧化物、鴒硅氮化物、鵠硅碳化物、鈮硅氮化物、 鈦碳化物、鵠碳化物或這些材料的合金或化合物。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的涂層方法，其特征在于，在所述工件 上施加直流電偏壓、脈沖偏壓或交流電偏壓。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的涂層方法，其特征在于，施加與源的 脈沖或交流電同步的脈沖或交流電偏壓。
22. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的涂層方法，其特征在于，用第一流速 率加入至少一次至少一種惰氣或反應(yīng)氣體，然后用第二流速率加入至 少一種其它反應(yīng)氣體，或反過來，以引起層組成的變化。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的涂層方法，其特征在于，所述第一流 速率在設(shè)置第二流速率之前、期間或之后被減小，以及第二流速率從 一個(gè)較低的值設(shè)置到一個(gè)較高的值，或反過來。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的涂層方法，其特征在于，所述加入或 設(shè)置是斜坡或階梯形狀地進(jìn)行，以產(chǎn)生層組成的基本上恒定或階梯狀 的變化。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的涂層方法，其特征在于，通過交替的 升高和降低第一和第二流速率來沉積一個(gè)、兩個(gè)或更多的層。
26. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的涂層方法，其特征在于，同時(shí)用相同 或不同的靶材料來運(yùn)行多個(gè)電孤源。
27. —種用金屬離子進(jìn)行蝕刻的蝕刻方法，其特征在于，運(yùn)行根 據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的電弧源，以用于在對(duì)工件施加直流 電偏壓、脈沖偏壓或交流電偏壓的條件下蝕刻至少一個(gè)工件。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的蝕刻方法，其特征在于，在工件上設(shè) 置在-50到-2000V之間，優(yōu)選在-200到-1500V之間的直流偏壓。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27至28中任一項(xiàng)所述的蝕刻方法，其特征在 于，另外加入蝕刻氣體。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的蝕刻方法，其特征在于，所述蝕刻氣 體包含至少一種以下成分He、 Ar、 Kr、氧氣、氮?dú)?、氫氣、卣?例 如氯、氟、溴、碘)或者含有卣素的化合物。
31. 根據(jù)權(quán)利要求至17至30中任一項(xiàng)所述的涂層方法或蝕刻方 法，其特征在于，涂層速度或進(jìn)入工件中的能量通過設(shè)置至少一個(gè)以下參數(shù)來設(shè)置電流的脈沖寬度，電流脈沖的大小，時(shí)鐘比例。
32. 根據(jù)權(quán)利要求至17至31中任一項(xiàng)所述的涂層方法或蝕刻方 法，其特征在于，所述工件是工具或零件。
33. 根據(jù)權(quán)利要求至16至28中任一項(xiàng)所述的涂層方法或蝕刻方 法，其特征在于，所述工件主要由硅或另一種半導(dǎo)體材料組成。
34. —種電弧源，具有靶(5 )和至少一個(gè)反電極(6， 20， 20，) 以及與耙(5)連接的供電單元，其特征在于，所述供電單元包括至少 一個(gè)第一脈沖式高電流電源(18， 18，)以及另一個(gè)電源(13，， 18")。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的電弧源，其特征在于，所述供電單元 另外還包括一個(gè)直流電源(13，)，該直流電源設(shè)計(jì)為至少用于維持保 持電流。
36. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的電弧源，其特征在于，所述供電單元 另外還包括一個(gè)直流電源(13，)，該直流電源設(shè)計(jì)為至少用于維持保 持電流。
37. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的電弧源，其特征在于，所述供電單元 另外還包括第二脈沖式高電流電源(18"),該第二脈沖式高電流電源 與第一脈沖式電弧源同步，使得可以用疊加的脈沖信號(hào)設(shè)置保持電流。
38. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的電弧源，其特征在于，所述脈沖式電 弧源(18，， 18")這樣同步，使得保持電流在單個(gè)或所有脈沖間歇期 間具有 一個(gè)或多個(gè)保持電流間歇，在該保持電流間歇期間沒有電壓施 加在靶或電極上，其中該保持電流間歇可以設(shè)置為短到不消除間歇期 間的電弧等離子。
39. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的電弧源，其特征在于，所述保持電流 間歇設(shè)置在lns到1|lis之間，優(yōu)選在1到100ns之間。
40. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的電弧源，其特征在于，所述第一脈沖 式高電流電源U8， 18，)和另一個(gè)電源(13，， 18")并聯(lián)或串聯(lián)連接。
41. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的電弧源，其特征在于，所述第一脈沖 式高電流電源U8， 18，)和另一個(gè)電源(13，， 18")并聯(lián)或串聯(lián)連接。
42. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的電弧源，其特征在于，至少所述第一 脈沖式高電流電源(18， 18，)或至少所述另一個(gè)電源(13，， 18")連 接在靶(5)和一個(gè)包括該靶的電極(6)或其它電極(20， 20，)之間。
43. —種電弧源，具有靶(5)和至少一個(gè)反電極(6， 20， 20，) 以及與靶(5)連接的供電單元，其特征在于，所述供電單元是在次級(jí) 由時(shí)鐘控制的電源(21， 21，)，由此調(diào)制所述在次級(jí)由時(shí)鐘控制的電 源(21， 21，)的信號(hào)，使得給出與脈沖信號(hào)或交流信號(hào)疊加的直流保 持電流。
44. 才艮據(jù)權(quán)利要求42所述的電弧源，其特征在于，所述在次級(jí)由 時(shí)鐘控制的電源實(shí)施為下行轉(zhuǎn)換器(21，)或上行轉(zhuǎn)換器(21)。
45. —種電弧源，具有靶(5)和至少一個(gè)反電極(6， 20， 20，) 以及與靶(5)連接的供電單元，其特征在于，所述供電單元是在初級(jí) 由時(shí)鐘控制的電源(22 )，由此調(diào)制所述在初級(jí)由時(shí)鐘控制的電源(22 ) 的信號(hào)，使得給出與脈沖信號(hào)或交流信號(hào)疊加的直流保持電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于沉積絕緣層的電弧方法以及用于低溫涂層的電弧方法，其中引起或運(yùn)行在電弧源的靶表面上的電火花放電，其中該火花放電同時(shí)用直流電以及脈沖或交流電來饋電。此外本發(fā)明還涉及一種電弧源，其中靶與供電單元連接，該供電單元或者是至少一個(gè)第一脈沖式高電流電源18，18’以及另一個(gè)電源13’，18”，或者是用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)分配技術(shù)實(shí)施的電源21，21’，22。
文檔編號(hào)C23C14/32GK101263575SQ200680009506
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2006年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月24日
發(fā)明者B·威德里格, D·倫迪, J·拉姆, O·格斯托爾 申請(qǐng)人:奧爾利康貿(mào)易股份公司(特呂巴赫)