一種涂布系統(tǒng)以及在該涂布系統(tǒng)中涂布基底的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種涂布系統(tǒng)以及在該涂布系統(tǒng)中涂布基底的方法。該涂布系統(tǒng)包括真空腔室以及位于該真空腔室內(nèi)的涂布組合件。該涂布組合件包括：蒸氣源，該蒸氣源將待涂布的材料提供到基底上；用于固持待涂布的基底的基底固持器，使得基底位于蒸氣源的前方；陰極腔室組合件；以及遠(yuǎn)程陽極。該陰極腔室組合件包括陰極、可選的初級陽極以及屏蔽物，該屏蔽物將陰極與真空腔室隔離。該屏蔽物界定用于將電子發(fā)射電流從該極傳輸?shù)秸婵涨皇抑械拈_口。該蒸氣源位于陰極與遠(yuǎn)程陽極之間，而遠(yuǎn)程陽極耦合到陰極。該涂布系統(tǒng)還包括連接在陰極與初級陽極之間的初級電源以及連接在陰極腔室組合件與遠(yuǎn)程陽極之間的次級電源。
【專利說明】一種涂布系統(tǒng)以及在該涂布系統(tǒng)中涂布基底的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及等離子體輔助沉積系統(tǒng)和相關(guān)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]物理氣相沉積(PVD)和低壓化學(xué)氣相沉積(CVD)源，被用于涂層的沉積和表面處理。常規(guī)金屬蒸氣源，例如，電子束物理氣相沉積(EBPVD)以及磁控濺射(MS)金屬蒸氣源可以提供較高的沉積速率。然而，金屬蒸氣原子的低能量以及這些工藝的低電離速率，產(chǎn)生了具有低密度、低粘性、不良結(jié)構(gòu)和形態(tài)的涂層。已經(jīng)很好地證實(shí):用高能粒子的轟擊來輔助涂層沉積工藝，可以大大改善涂層，因?yàn)檫@樣使沉積材料的密度增加，粒度減小并且使涂層的粘性增強(qiáng)。在這些工藝中，表面層受到高能離子的高速轟擊的影響，這改變了沉積金屬蒸氣原子的移動性并且在許多情況下產(chǎn)生具有獨(dú)特功能特性的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)。此外，涂層表面的離子轟擊影響氣體吸附行為，這是通過增加了氮?dú)獾葰怏w的粘著系數(shù)并且將吸附位點(diǎn)的性質(zhì)從較低能物理吸附位點(diǎn)變?yōu)檩^高能化學(xué)吸附位點(diǎn)。在具有超細(xì)或玻璃狀無定形結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合涂層的沉積中，該方法尤其有效。
[0003]有兩種不同的方法可以在PVD或CVD工藝過程中提供離子轟擊輔助。離子束輔助沉積(IBAD)是這樣一種方法，它在以下方面具有巨大的潛力:在聚合物和其他溫度敏感材料上形成密集的陶瓷涂層。該IBAD工藝通常是在真空下(~Ixl(T5Torr)執(zhí)行的，其中陶瓷熱蒸發(fā)到基底上并且同時受到高能離子的轟擊。該離子束使沉積的原子與基底混合，從而產(chǎn)生分級層，這可以提高涂層粘性并且減小膜應(yīng)力。撞擊離子還產(chǎn)生“噴丸硬化效果”，這使得該層變得緊湊并且密度變大，從而減少或消除了柱狀生長。
[0004]例如，在類金剛石碳(DLC)膜的IBAD處理過程中，碳通過電子束源來蒸發(fā)或者通過磁控管源來濺射。離子 轟擊是通過氬離子束等獨(dú)立的大孔徑離子束源來提供的。這種氬離子束不改變生長膜的化學(xué)性質(zhì)而是僅通過晶格網(wǎng)絡(luò)修飾而影響其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、鍵能和原子間鍵合。將適當(dāng)?shù)臍鈶B(tài)前體添加到離子束中，引起了生長的DLC膜的摻雜，從而在IBAD工藝過程中提供化學(xué)氣相輔助。DLC膜的此類硅摻雜的一個實(shí)例是從Ar+SiH4離子束中沉積的。氟化物可以經(jīng)由Ar和氟代烴離子束而添加到這些膜中，氮可以通過使用Ar和N2離子束來添加，并且硼可以使用Ar+BH4離子束來添加。IBAD是一種靈活的工藝流程，它通過改變以下處理參數(shù)而允許在擴(kuò)大的區(qū)域中對涂層特性進(jìn)行控制:離子束成分、離子能量、離子電流以及離子-原子到達(dá)率。
[0005]盡管IBAD工藝的工作性能相當(dāng)好,但是它所具有的視線(line-1n - sight)性質(zhì)使其受到限制，當(dāng)涂層沉積工藝的一致性較為重要時，該性質(zhì)不利于在復(fù)雜形狀組件上實(shí)現(xiàn)均勻的涂層分布。另外，IBAD工藝具有有限的按比例放大能力。等離子體浸沒離子沉積(PIID)工藝通過提供低壓等離子體環(huán)境而克服了這些限制中的一些，該工藝有效地將待涂布的基底包封在均勻的等離子體云內(nèi)。這在3-D復(fù)雜形狀基底以及較大的負(fù)載上產(chǎn)生了高度均勻的離子轟擊速率。PVD或CVD工藝用于產(chǎn)生氣相種類，以用于基底表面的處理。與IBAD相比，PIID是非視線工藝，能夠在不操縱的情況下處理復(fù)雜表面。PIID利用由氣體放電產(chǎn)生的等離子體填滿整個處理腔室，從而使得復(fù)雜成分和架構(gòu)能夠被涂布。等離子體浸沒離子處理的實(shí)例包括離子氮化、碳氮共滲、離子植入以及可以通過在負(fù)偏壓下將待涂布的基底浸沒在含氮等離子體中來執(zhí)行的其他氣態(tài)離子處理工藝。另外，在基底受到正偏壓時從等離子體中提取的電子電流，可以用于預(yù)熱和熱處理工藝中。顯然，非視線處理特征與視線處理相比呈現(xiàn)出更多的優(yōu)點(diǎn)，確切地說是針對大量對象和3-D對象的有效處理。在PIID工藝過程中使用的電離氣態(tài)環(huán)境可以通過應(yīng)用不同類型的等離子體放電來實(shí)現(xiàn)，例如輝光放電、射頻放電、微波(麗)放電以及低壓電弧放電。低壓電弧放電尤其有利，因?yàn)樗暂^低的成本在較大的處理體積上提供了密集的、均勻的高度電離的等離子體。在電弧放電等離子體輔助涂布沉積或離子處理工藝中，基底被定位在電弧放電等離子體區(qū)域內(nèi)的電弧陰極與遠(yuǎn)程的電弧陽極之間。熱離子絲陰極、中空陰極、真空電弧蒸發(fā)冷陰極，以及它們的組合可以用作電子發(fā)射體來產(chǎn)生氣態(tài)低壓電弧等離子體放電環(huán)境?；蛘?，導(dǎo)電的蒸發(fā)材料本身可以用作電離化電弧放電的陰極或陽極。后一特征提供在真空陰極電弧沉積工藝中或提供在各種電弧等離子體增強(qiáng)型電子束和熱蒸發(fā)工藝中。
[0006]如CrN等反應(yīng)涂層的沉積可以通過各種物理氣相沉積技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，例如陰極電弧沉積、過濾電弧沉積、電子束蒸發(fā)以及濺射沉積技術(shù)。電子束物理氣相沉積(EBPVD)技術(shù)，無論是常規(guī)的還是電離的，均用于許多應(yīng)用中，但是通常在許多領(lǐng)域中不被認(rèn)為是可行的制造技術(shù)，這是由于批量處理問題，按比例放大以在較大基底上實(shí)現(xiàn)均勻的涂層分布的困難，以及由于用不同氣相壓力對這些元素進(jìn)行熱力學(xué)驅(qū)動蒸餾導(dǎo)致的多元涂層沉積控制的困難。相比之下，基于PVD的磁控濺射(MS)應(yīng)用廣泛，這是由于可接受的沉積速率下的磁控涂布的高度均勻性，多元涂層沉積的精確控制以及MS工藝易于整合在全自動化的工業(yè)批量涂布系統(tǒng)中的能力。分別稱為熱蒸發(fā)陰極(HEC)和熱蒸發(fā)陽極(HEA)的陰極和陽極電弧增強(qiáng)型電子束物理氣相沉積(EBPVD)工藝已經(jīng)顯示出增大的電離速率，但是遭受電弧點(diǎn)不穩(wěn)定性和電離速率在EBPVD金屬蒸氣流上的不均勻分布。在這些工藝中，電弧放電與蒸發(fā)工藝結(jié)合在一起，從而使得難以在HEA和HEC工藝中提供電離和蒸發(fā)速率的獨(dú)立控制。因此，極難將PA-EBPVD工藝整合在全自動化的工業(yè)批量涂布系統(tǒng)中。
[0007]本領(lǐng)域中熟知的是，濺射技術(shù)能夠成本有效地使厚的反應(yīng)涂層沉積，盡管超過約一微米的膜由于晶化而趨向于變模糊。晶化現(xiàn)象或柱狀膜增長與濺射沉積技術(shù)中沉積原子的內(nèi)在低能量有關(guān)，從而為支持高能的晶體結(jié)構(gòu)創(chuàng)造機(jī)會。這些晶體結(jié)構(gòu)可能具有專門針對磨損和外觀應(yīng)用的不需要的各向異`性。在過去十年間已開發(fā)出各種方法用于在磁控濺射工藝中增大電離速率。這些方法的主要目的是為了增加沿著磁控濺射原子流的通道的電子密度，從而通過增加電子-原子碰撞的頻率來增加金屬原子的電離。高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)工藝使用與直流功率同時施加給磁控靶材的高功率脈沖，來增加電子發(fā)射并且因此增大金屬濺射流的電離速率。該工藝在用于切削工具的氮化物耐磨涂層的沉積中顯示出改善的涂布特性。在HIPMS工藝中，只在短的脈沖時間內(nèi)才實(shí)現(xiàn)改善的電離，而在暫停過程中，電離速率與常規(guī)DC-MS工藝中的一樣低。由于在HIPMS工藝中脈沖參數(shù)與磁控濺射工藝參數(shù)有關(guān)，因此大約比常規(guī)DC-MS工藝的濺射速率低三倍的濺射速率可能會受到不利的影響。此外，HIPMS工藝中的高壓脈沖可能在磁控靶材上引起電弧作用，從而導(dǎo)致生長膜的污染。
[0008]為了在磁控靶材附近產(chǎn)生高度電離的放電，電感耦合的等離子體(ICP)源可以被添加到陰極與基底之間的區(qū)域中。隨后將非共振感應(yīng)線圈放置成平行于本質(zhì)上常規(guī)的DC-MS設(shè)備中的陰極，浸在等離子體中或鄰近等離子體。感應(yīng)線圈一般通過電容匹配網(wǎng)絡(luò)使用50Q的射頻電源以13.56MHz進(jìn)行驅(qū)動。射頻功率通常穿過介電窗或壁而耦合到等離子體上。電感耦合的放電通常在1- 50mTorr的壓強(qiáng)范圍內(nèi)操作并且被施加了 200 -1OOOff的功率，從而產(chǎn)生在IO16 -1O1V3范圍內(nèi)的電子密度，通常發(fā)現(xiàn)該電子密度隨著施加的功率的增加而線性地增加。在磁控濺射放電中，使用直流或射頻功率從陰極靶材中濺射金屬原子。這些金屬原子發(fā)射由射頻線圈產(chǎn)生的密集等離子體，在這種情況下它們被電離。放置在磁控靶材與待涂布的基底之間的水冷卻的感應(yīng)線圈對金屬濺射流造成了不利的影響。因此，將MS裝置整合到現(xiàn)有的批量涂布和直線型(in-line)涂布系統(tǒng)中，是相當(dāng)較復(fù)雜、昂貴并且困難的。在微波輔助磁控濺射(MW-MS)工藝中，這些缺點(diǎn)也同樣存在。在MW-MS工藝中，真空處理腔室布局需重新設(shè)計(jì)以允許金屬濺射流穿過電離區(qū)。然而，使PVD過程電離的RF、MW和ICP方法在等離子體在較大處理區(qū)域上的分布均勻性方面經(jīng)歷了一些困難，這成為整合到較大面積涂層沉積系統(tǒng)中的障礙。
[0009]用于產(chǎn)生高能離子的另一現(xiàn)有技術(shù)是等離子體增強(qiáng)型磁控濺射(PEMS)，它具有熱離子熱絲陰極(HF-MS )或中空陰極(HC-MS )作為電離電子源來增加DC-MS工藝中的電離速率。在HF-MS工藝中，遠(yuǎn)程熱離子絲陰極被用作電離電子源，從而使該工藝類似于HC-MS工藝。然而，該工藝通常呈現(xiàn)出等離子體不均勻性并且難以整合在工業(yè)大面積涂布系統(tǒng)中。此外，熱絲和中空電弧陰極在反應(yīng)等離子環(huán)境中是敏感的并且快速降解。這些等離子體生成工藝的缺點(diǎn)可以通過以下方法來克服:將冷蒸發(fā)真空電弧陰極用作電子源以對氣相沉積處理環(huán)境進(jìn)行電離和激活。
[0010]常規(guī)陰極電弧沉積膜的外觀表象包括稱為宏(macro)的未反應(yīng)靶材的微粒，所述微粒使沉積膜在對磨損、腐蝕和外觀特性有特定要求的應(yīng)用中具有不期望的缺陷。然而，與濺射膜不同的是，電弧沉積膜不具有結(jié)晶特性，因?yàn)殡娀≌舭l(fā)工藝產(chǎn)生具有高能量沉積原子的高度電離的等離子體，這被認(rèn)為有效地使發(fā)展的膜中的晶體結(jié)構(gòu)隨機(jī)化。
[0011]相應(yīng)地，有必要在涂布工藝中使用額外的技術(shù)來產(chǎn)生高能粒子，從而產(chǎn)生改善的膜特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明通過在至少一個實(shí)施例中提供一種用于涂布基底的系統(tǒng)，而解決了現(xiàn)有技術(shù)中的一個或多個問題。所述涂布系統(tǒng)包括真空腔室以及位于所述真空腔室內(nèi)的涂布組合件。所述涂布組合件包括:蒸氣源，所述蒸氣源將待涂布的材料提供到基底上；基底固持器，用于固持待涂布的基底，使得這些基底位于蒸氣源的前方；陰極腔室組合件；以及遠(yuǎn)程陽極。所述陰極腔室組合件包括陰極靶材、可選的初級陽極以及屏蔽物，所述屏蔽物將陰極與真空腔室隔離。所述屏蔽物界定了用于將電子發(fā)射電流從陰極傳輸?shù)秸婵涨皇抑械拈_口。蒸氣源位于陰極腔室組合件與遠(yuǎn)程陽極之間，而遠(yuǎn)程陽極電氣地耦合到陰極。所述涂布系統(tǒng)還包括連接在陰極靶材與初級陽極之間的初級電源以及連接在陰極靶材與遠(yuǎn)程陽極之間的次級電源。典型地，所述遠(yuǎn)程陽極具有線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸，所述蒸氣源具有線性的蒸氣源尺寸，所述陰極靶材具有線性的陰極靶材尺寸，并且所述基底固持器具有線性的固持器尺寸，使得所述線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸、所述線性的蒸氣源尺寸、所述線性的陰極靶材尺寸，以及所述線性的固持器尺寸彼此類似，其中所述線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸等于或大于所述線性的陰極靶材尺寸和所述線性的蒸氣源尺寸，使得一個受到約束的等離子體從陰極靶材流到遠(yuǎn)程陽極。
[0013]在另一實(shí)施例中，提供一種用于在上述涂布系統(tǒng)中涂布基底的方法。所述方法包括在陰極靶材與初級陽極之間的電子發(fā)射陰極源中產(chǎn)生初級電弧的步驟。在陰極腔室組合件與遠(yuǎn)程陽極之間的一個涂布區(qū)域中產(chǎn)生受到約束的遠(yuǎn)程電弧，使得從蒸氣源中產(chǎn)生朝向至少一個待涂布基底的金屬蒸氣流。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]通過詳細(xì)描述和附圖，將更完整地理解本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中:
[0015]圖1A是使用遠(yuǎn)程電弧放電等離子體的涂布系統(tǒng)的理想化側(cè)視圖；
[0016]圖1B是垂直于圖1A的視圖的涂布系統(tǒng)的前視圖；
[0017]圖1C是圖1A的涂布系統(tǒng)的示意圖；
[0018]圖1D是陰極與遠(yuǎn)程陽極之間的等離子體射流的約束的示意圖；
[0019]圖1E是用于使等離子體射流形成光柵的多元陰極的示意圖；
[0020]圖2提供了通 過有限元建模獲得的屏幕與遠(yuǎn)程陽極之間的等離子體電勢的典型分布；
[0021]圖3提供了由來自遠(yuǎn)程電弧放電等離子體的激發(fā)的氬原子(光譜線ArI739.79nm)發(fā)射的輻射強(qiáng)度與放電電流的關(guān)系；
[0022]圖4A提供了具有位于磁控濺射源之間的附加的遠(yuǎn)程陽極的涂布系統(tǒng)的示意圖，所述系統(tǒng)中添加有附加的屏蔽式陰極腔室組合件，以確保氣態(tài)等離子體環(huán)境的均勻性和高度電尚;
[0023]圖4B提供了一種涂布系統(tǒng)的示意圖，所述涂布系統(tǒng)包括安裝在主陽極與多個從屬陽極中的每一者之間的可變電阻器；
[0024]圖4C提供了一種改良方案，其中與電容器并聯(lián)的電阻器被用于設(shè)置中間陽極的電勢；
[0025]圖5提供了 RAAMS系統(tǒng)的線性模塊化配置的示意圖；
[0026]圖6提供了 RAD等離子體處理中的電勢分布圖；
[0027]圖7A和圖7B提供了具有中央定位的屏蔽式陰極腔室的批量涂布系統(tǒng)的示意圖；
[0028]圖8提供了具有外圍定位的屏蔽式陰極腔室組合件的批量涂布系統(tǒng)的示意圖；
[0029]圖9A提供了一幅示意圖，其中基底固持器位于陽極與磁控濺射源之間；
[0030]圖9B提供了一幅示意圖，其中導(dǎo)線陽極位于基底固持器與磁控濺射源之間；
[0031]圖1OA是具有由遠(yuǎn)程電弧放電等離子體輔助工藝制成的涂層的基底的示意圖；
[0032]圖1OB是具有由遠(yuǎn)程電弧放電等離子體輔助工藝制成的多層涂層的基底的示意圖；
[0033]圖11提供了在本發(fā)明的變體中均勻分布在涂層沉積區(qū)域上的離子電流收集探測器的放置的示意圖；
[0034]圖12提供了由涂布系統(tǒng)中的圓盤集電器收集的離子電流密度的典型的波形圖；
[0035]圖13提供了將常規(guī)磁控濺射與遠(yuǎn)程電弧輔助磁控濺射制成的CrN進(jìn)行比較的掃描電子顯微照片；[0036]圖14A提供了百分比光澤度與陽極電流的關(guān)系圖；
[0037]圖14B提供了百分比光澤度與偏壓的關(guān)系圖；
[0038]圖15提供了硬度與陽極電流的關(guān)系圖；
[0039]圖16A提供了涂層沉積速率與陽極電流的關(guān)系圖；
[0040]圖16B提供了涂層沉積速率與偏壓的關(guān)系圖；
[0041]圖17提供了根據(jù)本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例的由磁控濺射產(chǎn)生的種類的光發(fā)射譜(OES)；
[0042]圖18提供了在4mtorr以及50mtorr下的CrII離子光譜線的強(qiáng)度與中間陽極電流的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0043]現(xiàn)將詳細(xì)參考本發(fā)明目前優(yōu)選的組合、實(shí)施例和方法，所述組合、實(shí)施例和方法構(gòu)成發(fā)明人目前已知的實(shí)踐本發(fā)明的最佳模式。附圖不必按比例繪制。但應(yīng)理解，所披露的實(shí)施例只是本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其可以通過多種形式和替代形式實(shí)施。因此，本文中所披露的具體細(xì)節(jié)并非解釋為限定性的，而只是本發(fā)明任一方面的代表性基礎(chǔ)和/或用于教示所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員以多種方式使用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
[0044]除非在實(shí)例中或另外明確指明，否則本說明書中表示材料的量或者反應(yīng)和/或使用的條件的所有數(shù)量都應(yīng)理解為在描述本發(fā)明的最大范圍時使用字詞“約”進(jìn)行修飾。通常優(yōu)選的是，在所述數(shù)值限制范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)踐。此外，除非明確說明情況相反，否則:百分比值、“部分值”和比值是按重量計(jì)的算；如果將一組或一類材料描述成適用于或優(yōu)選用于本發(fā)明的指定目的，則表示該組或該類材料中任何兩種或更多種材料的混合物同樣是適用的或優(yōu)選的；用化學(xué)術(shù)語描述的成分指代的是，添加到說明書中所指定的任何組合中的成分，并且不一定排除混合時混合物的成分之間的化學(xué)相互作用；首字母縮略詞或其他縮寫的第一定義適用于相同縮寫的本文所有隨后的使用并且加以必要的修改可用于最初定義的縮寫的正常語法變體；并且，除非明確說明相反，否則某種性質(zhì)的測量由同一性質(zhì)中先前或稍后提到的相同的技術(shù)來確定。
[0045]還應(yīng)理解，本發(fā)明并不限于下文描述的具體實(shí)施例和方法，因?yàn)榫唧w組件和/或條件顯然可以是不同的。此外，本文中使用的術(shù)語只用于描述本發(fā)明的特定實(shí)施例，而并不旨在以任何方式限制本發(fā)明。
[0046]還必須注意，除非本文中另外指明，否則說明書和所附權(quán)利要求書中使用的單數(shù)形式“一”、“一個”和“所述”包括復(fù)數(shù)指代對象。例如，提及采用單數(shù)形式的組件旨在包括多個組件。
[0047]本申請案中，在參考公開案的地方，這些公開案的披露內(nèi)容以全文引用的方式在此并入本申請案中，以更全面地描述本發(fā)明所涉及的技術(shù)現(xiàn)狀。
[0048]參考圖1A、圖1B、圖1C和圖1D，提供了使用遠(yuǎn)程電弧放電等離子體的涂布系統(tǒng)。圖1A是所述涂布系統(tǒng)的理想化側(cè)視圖。圖1B是垂直于圖1A的視圖的前視圖。圖1C是包括電氣布線的涂布系統(tǒng)的示意圖。該實(shí)施例的系統(tǒng)尤其可以用于大面積磁控濺射涂層沉積工藝的電弧等離子體增強(qiáng)。涂布系統(tǒng)10包括真空腔室12，所述真空腔室中放置有涂布組合件。所述涂布組合件包括蒸氣源16、位于真空腔室12內(nèi)的陰極腔室組合件18，以及用于固持待涂布的基底22的基底固持器20。圖1A和圖1B描繪了一種變體，其中蒸氣源16是磁控濺射源，使得系統(tǒng)10的涂布工藝是遠(yuǎn)程電弧輔助磁控濺射(RAAMS)工藝。這樣的磁控濺射源包括靶材Ts、電源Ps，以及陽極As。應(yīng)了解，其他類型的蒸氣源可以用作蒸氣源16。這樣的蒸氣源的實(shí)例包括，但不限于，熱蒸發(fā)器、電子束蒸發(fā)器、陰極電弧蒸發(fā)器等?；?2在涂布過程中位于蒸氣源16的前方并且在涂層沉積過程中沿著方向Cl1移動。在一種改良方案中，基底可以從圖1A中的真空腔室12右側(cè)的加載互鎖真空室(load-lock chamber)連續(xù)引入并且由真空腔室12的左側(cè)的輸出腔室來收納。陰極腔室組合件18包括:陰極外殼24，其中界定有開口 26 ;電子發(fā)射陰極28 ;可選的單獨(dú)的初級陽極34;以及屏蔽物36。屏蔽物36將電子發(fā)射陰極28與真空腔室12隔離。在一種改良方案中，可選的單獨(dú)的陽極34、陰極外殼24、屏蔽物36，或接地線，用作初級的陰極耦合的陽極。
[0049]在本實(shí)施例的背景下，陰極腔室組合件18用作電子發(fā)射陰極源。在一種改良方案中，初級電弧在陰極28與初級陽極之間的電子發(fā)射陰極源中產(chǎn)生。陰極外殼24可以用作連接到初級電弧電源48的正極的獨(dú)立的初級陽極并且當(dāng)它連接到接地34時用作接地的陽極。屏蔽物36界定開口 38，用于將電子發(fā)射電流40從陰極28傳輸?shù)秸婵涨皇?2中。所述屏蔽物可以是浮動的或者它可以連接到初級電弧電源48或額外電源(未圖示)的正極。在另一種改良方案中，陰極28是陰極電弧陰極并且接地的初級陽極34是陰極電弧陽極。任何數(shù)量的不同陰極都可以用作電子發(fā)射陰極28。這樣的陰極的實(shí)例包括，但不限于，冷真空電弧陰極、中空陰極、熱離子絲陰極等，以及它們的組合。通常，陰極靶材由具有吸氣能力的金屬制成，包括鈦和鋯合金。在一個改良方案中，陰極腔室的屏蔽物是水冷卻的并且相對于陰極靶材是負(fù)偏壓的，其中屏蔽物的偏壓電勢在-50伏特至-1000伏特的范圍內(nèi)。在又一改良方案中，陰極腔室組合件18包括陰極陣列，該陰極陣列中安裝有多個陰極靶材，其中陰極靶材陣列的高度基本上等于遠(yuǎn)程陽極的高度以及沉積區(qū)域的高度。從陰極腔室組合件或蒸氣源16的頂部到基底22 (即，基底的頂部)的間隔，使得等離子體從陰極28到遠(yuǎn)程陽極44的流動受到約束。通常，從陰極腔室組合件的屏蔽物36或從蒸氣源16的蒸發(fā)表面或從遠(yuǎn)程陽極44到基底22的間隔距離是從大約2英寸到大約20英寸的，這導(dǎo)致窄通道的形成，以約束陰極腔室18中的陰極28與遠(yuǎn)程陽極44之間的遠(yuǎn)程電弧等離子體。當(dāng)該通道的寬度小于2英寸時，它在等離子體中產(chǎn)生較高的阻抗，從而導(dǎo)致等離子體的不穩(wěn)定并且最終導(dǎo)致遠(yuǎn)程電弧放電的停止。當(dāng)該通道的寬度大于20英寸時，遠(yuǎn)程電弧放電中的等離子體密度不會增大到足以使金屬濺射流電離。在尤其有用的改良方案中，具有板形或條形的大面積陰極靶材被安裝在陰極腔室組合件18中。通常，這樣的大面積陰極靶材的高度基本上等于陽極的高度以及沉積區(qū)域的高度。在一個改良方案中，陰極靶材可以由具有吸氣能力的金屬制成，例如鈦合金或鋯合金。在這種情況下，屏蔽式陰極電子發(fā)射源也可以用作真空吸氣泵，它可以提高涂布系統(tǒng)的泵吸效率。為了進(jìn)一步提高吸氣泵吸效率，面向陰極腔室18中的陰極靶材28的蒸發(fā)表面的屏蔽物36可以是水冷卻的并且可選地連接到高偏壓電源。當(dāng)水冷卻的屏蔽物36相對于陰極靶材28被偏置到-50V到-1000V范圍內(nèi)的高負(fù)電勢時，它將受到由陰極電弧蒸發(fā)工藝產(chǎn)生的金屬離子劇烈的離子轟擊。在劇烈離子轟擊的條件下金屬蒸氣的冷凝有利于泵吸He、Ar、Ne、Xe、Kr等稀有氣體以及氫氣。
[0050]系統(tǒng)10還包括電氣地耦合到陰極28的遠(yuǎn)程陽極44、連接在陰極28與初級的陰極耦合的陽極之間的初級電源48。遠(yuǎn)程陽極44位于真空腔室12中，使得蒸氣源16位于陰極腔室組合件18與遠(yuǎn)程陽極之間。在一個改良方案中，多個蒸氣源位于陰極腔室組合件18與遠(yuǎn)程陽極44之間，下文將對此進(jìn)行更詳細(xì)的描述。系統(tǒng)10還包括將陰極28電氣地耦合到遠(yuǎn)程陽極44的次級電源52。低通濾波器54也在圖1A中描繪出來，它包括電阻器R和電容器C。通常，蒸氣源16位于陰極腔室組合件18與遠(yuǎn)程陽極44之間。系統(tǒng)10進(jìn)一步包括用于維持減壓的泵吸系統(tǒng)56以及用于將一種或多種氣體(例如，氬氣、氮?dú)?、氦氣?引入沉積腔室12中的氣體系統(tǒng)58。在一個改良方案中，對涂布腔室12中的遠(yuǎn)程電弧放電進(jìn)行供電的次級電源52被安裝在陰極腔室組合件18與遠(yuǎn)程陽極44之間并且它的開路電壓比初級電源48至少高20%。 [0051]仍然參考圖1A、圖1B、圖1C和圖1D，初級電弧由陰極腔室24中的電弧點(diǎn)火器60來引發(fā)，所述陰極腔室通過屏蔽物36而與放電腔室隔離，所述屏蔽物具有用于傳輸電子電流40的開口 38。通常，屏幕附近的等離子體電勢較低，接近陰極腔室組合件18中的等離子體電勢，而在遠(yuǎn)程電弧放電等離子體中，電勢較高，接近遠(yuǎn)程陽極44的電勢。圖2提供了通過有限元建模獲得的屏幕與遠(yuǎn)程陽極之間的等離子體電勢的典型分布。令人驚訝的是發(fā)現(xiàn)，該涂布系統(tǒng)產(chǎn)生受到約束的等離子體電弧，該電弧從陰極腔室組合件18流到遠(yuǎn)程陽極44。圖1D提供了示出遠(yuǎn)程陽極44與陰極28之間的等離子體密度的移動的示意圖。受到約束的等離子體(即，等離子體射流)通過涂布區(qū)域在遠(yuǎn)程陽極與陰極之間流動。該受到約束的等離子體的末端沿著如圖1D中所示的方向d4移動。電弧點(diǎn)66與侵蝕帶68 —起形成于陰極28上。遠(yuǎn)程陽極44處的等離子場62以及陰極28處的等離子場64在尺寸上約束在沿著方向d4的約I至5英寸的一個空間中。在一個改良方案中，磁場用于實(shí)現(xiàn)沿著d4的光柵移動。在另一個改良方案中，該光柵移動是通過沿著方向山機(jī)械地移動陰極28來實(shí)現(xiàn)的。在其他實(shí)施例中，帶有電子的發(fā)射絲轟擊陰極沿著d4移動。在如圖1E所示的其他改良方案中，陰極包括多個陰極元素281'這些陰極元素被順序地激活以形成沿著d4移動的等離子體射流。等離子體電弧的約束產(chǎn)生高密度并且熱的等離子體射流，從而將初級陰極處的陰極電弧點(diǎn)與遠(yuǎn)程陽極處的相關(guān)區(qū)域連接起來，該相關(guān)區(qū)域行進(jìn)通過腔室壁(附接有初級陰極、陽極和磁控管)與基底固持器之間產(chǎn)生的相對較窄通道。這在連接陰極與遠(yuǎn)程陽極的移動的等離子體射流中產(chǎn)生了高電流密度。在一個改良方案中，該窄通道內(nèi)的RAAMS等離子體中的電流密度從0.1mA/cm2至100A/cm2。通常，背景的遠(yuǎn)程電弧等離子體中的電子密度ne的范圍從大約ne~108cm_3到大約ne~10lclcm_3,而在受到約束的電弧等離子體射流區(qū)域內(nèi)，電子密度范圍從大約ne~IOiciCnT3到大約ne~1013cm_3。產(chǎn)生等離子體射流的約束是如下所述的各組件之間的物理尺寸關(guān)系以及磁場應(yīng)用的結(jié)果。確切地說，放電在與離子轟擊的高能相對應(yīng)的非常高的等離子體電勢下進(jìn)行操作(即，離子轟擊能量是等離子體電勢(與地之間的)與基底偏壓電勢(與地之間的)之間的差值)。即使是在浮動和接地的基底處，也獲得具有50-70eV的離子，因?yàn)榈入x子體電勢大于50V。在一個改良方案中，等離子體電勢從 5V 到 500V。
[0052]參考圖1A和圖1B，提供了涂布系統(tǒng)10的各組件的相對尺寸的一方面。遠(yuǎn)程陽極44具有線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸Da。蒸氣源16具有線性的蒸氣源尺寸Dv。陰極靶材Ts具有線性的陰極靶材尺寸D。。基底固持器20具有線性的固持器尺寸Dh。在一個改良方案中，所述線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸Da、所述線性的蒸氣源尺寸Dv、所述線性的陰極靶材尺寸D。，以及所述線性的固持器尺寸Dh彼此類似。在另一個改良方案中，所述線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸Da大于或等于所述線性的蒸氣源尺寸Dv，所述線性的蒸氣源尺寸Dv大于或等于所述線性的陰極靶材尺寸D。，所述線性的陰極靶材尺寸D。大于或等于所述線性的固持器尺寸Dh。
[0053]在本實(shí)施例的一個變體中，若干遠(yuǎn)程陽極與位于屏蔽式陰極腔室組合件18中的至少一個電弧陰極相連(即，電氣地耦合)。這些遠(yuǎn)程陽極位于涂布腔室內(nèi)的策略位置處。
[0054]在另一變體中，每個蒸氣源(例如，蒸氣源16)與待涂布基底22之間的垂直距離基本上相等。此外，在另一改良方案中，陰極28與遠(yuǎn)程陽極44之間的距離小于當(dāng)次級電源52施加的電壓超過初級電源48施加的電壓的1.2至30倍時發(fā)生故障處的距離。
[0055]在本實(shí)施例的又另一改良方案中，等離子體探測器安裝在陰極28與遠(yuǎn)程陽極44之間，以測量等離子體密度。這樣的測量提供一個反饋，使得二極電源52受到調(diào)整以提供到遠(yuǎn)程陽極44的遠(yuǎn)程陽極電流的調(diào)整，進(jìn)而獲得陰極腔室組合件18與遠(yuǎn)程陽極44之間的等離子體密度的均勻分布。
[0056]本實(shí)施例的遠(yuǎn)程電弧等離子體建模的特征在于陰極腔室組合件18與遠(yuǎn)程陽極44之間的電勢分布并且在于遠(yuǎn)程電弧放電等離子體中的等離子體密度。遠(yuǎn)程電弧放電等離子體中的等離子體電勢以及陽極電勢隨著遠(yuǎn)程放電電流的增加而增加。遠(yuǎn)程電弧放電等離子體中的等離子體密度幾乎與放電電流成比例增加。此結(jié)果由遠(yuǎn)程電弧放電等離子體的發(fā)射光譜來證實(shí)。圖3示出了由來自遠(yuǎn)程電弧放電等離子體的激發(fā)的氬原子(光譜線ArI739.79nm)發(fā)射的輻射強(qiáng)度與放電電流的關(guān)系?？梢钥吹?，通過直接電子撞擊激發(fā)的氬原子的發(fā)光強(qiáng)度幾乎與放電電流成比例。這一現(xiàn)象可以用遠(yuǎn)程電弧等離子體中的電子濃度與遠(yuǎn)程電弧放電電流之間的成正比的關(guān)系來說明。遠(yuǎn)程電弧放電中的離子濃度幾乎等于電子濃度，使得等離子體準(zhǔn)中性得以維持。
[0057]參考圖4A、圖4B和圖4C，提供了本實(shí)施例的變體，其具有線性地安裝在一側(cè)的屏蔽式陰極腔室組合件與另一側(cè)的遠(yuǎn)程電弧陽極之間的一系列磁控濺射源。在此背景下，術(shù)語“線性”指的是各組件線性地布置，使得各基底可以在線性方向上移動而越過各部件。圖4A提供了具有位于磁控濺射源之間的額外遠(yuǎn)程陽極的涂布系統(tǒng)的示意圖，其中添加了附加的屏蔽式陰極腔室組合件，以確保氣態(tài)等離子體環(huán)境的均勻性和高度電離。沉積系統(tǒng)70包括真空腔室72，該真空腔室具有如上所述的相連的真空和氣體供應(yīng)系統(tǒng)。沉積系統(tǒng)70還包括蒸氣源76和78、陰極腔室組合件80和82，以及用于固持待涂布基底22的基底固持器84。圖4A描繪了一種變體，其中蒸氣源76、78為磁控濺射源。所述基底在涂布過程中位于蒸氣源的前方。通常，基底22在涂層的沉積過程中沿著方向dl移動。陰極腔室組合件80和82分別包括其中界定有開口 94和96的陰極外殼90和92、陰極98和100、可選的初級陽極102和104，以及屏蔽物106、108。屏蔽物106、108分別將陰極98、100與真空腔室72隔離。屏蔽物106、108各自界定用于將電子發(fā)射電流傳輸?shù)秸婵涨皇?2中的開口。在一個改良方案中，陰極98、100為陰極電弧陰極，而初級陽極102、104為陰極電弧陽極。系統(tǒng)70還包括分別電氣地耦合到陰極98、100的遠(yuǎn)程陽極110、112。在如圖4A所描繪的一個改良方案中，屏蔽式陰極腔室組合件、蒸氣源(例如，磁控靶材)以及遠(yuǎn)程陽極沿著適用于線性涂布系統(tǒng)的直線對齊。
[0058]圖4B提供了一種涂布系統(tǒng)的示意圖，所述涂布系統(tǒng)包括安裝在主陽極與多個從屬陽極中每一者之間的可變電阻器。在此改良方案中，涂布系統(tǒng)120包括真空腔室122以及為上述一般設(shè)計(jì)的陰極腔室組合件124。陰極腔室組合件124包括陰極腔室126、陰極128、電弧點(diǎn)火器130、其中界定多個開口的屏蔽物132，以及可選的初級陽極134。系統(tǒng)120還包括連接陰極128與初級陽極134的初級電源136，以及磁控濺射源136、138、140。每個磁控濺射源具有靶材Ts、電源Ps以及相連的對電極系統(tǒng)120，該對電極系統(tǒng)也包括遠(yuǎn)程陽極142，其中次級電源144在陰極128與遠(yuǎn)程陽極142之間提供電勢。系統(tǒng)120還包括從屬陽極146、148、150、152，這些從屬陽極處于由可變電阻器R1、R2、R3和R4確定的中間電勢。在此改良方案中，等離子體分布的密度可以通過使用可變電阻器R1、!?2、!?3和R4來改變每個從屬陽極中的電流來進(jìn)行控制。從屬陽極之間的距離以及最接近主陽極的從屬陽極與主陽極之間的距離不能大于處理氣體成分和壓力中的等離子體放電干擾的最小距離。
[0059]圖4C提供了一種改良方案，其中與電容器并聯(lián)的電阻器用于設(shè)置中間陽極的電勢。在此改良方案中，與C5并聯(lián)的電阻器R5設(shè)置陽極146的電勢，與C6并聯(lián)的電阻器R6設(shè)置陽極148的電勢，與C7并聯(lián)的電阻器R7設(shè)置陽極150的電勢，并且與C8并聯(lián)的電阻器R8設(shè)置陽極152的電勢。在此改良方案中，所述電容器用于沿著較大距離來延伸RAAMS工藝，方法是脈沖點(diǎn)燃陰極腔室中的陰極與每個從屬陽極之間的遠(yuǎn)程電弧放電，所述從屬陽極位于陰極腔室中的陰極與主陽極之間。應(yīng)了解，從屬陽極也可以具有附加的獨(dú)立電源；每個從屬陽極電源可以安裝在陰極128與相應(yīng)的從屬陽極之間。連接到主陽極或從屬陽極的每個次級電源的開路電壓，至少超過初級電弧電源136的開路電壓的1.2倍。
[0060]在本發(fā)明的又一變體中，RAAMS裝置的線性模塊化配置在圖5中提供。這樣的線性系統(tǒng)可以包括任何數(shù)量的沉積站和/或表面處理站(例如，等離子體清潔、離子植入滲碳、滲氮等)。在圖5中描繪的變體中，涂布系統(tǒng)154包括線性對齊的模塊156-164。通過加載互鎖閘閥166-176，將模塊156-164與鄰近的模塊隔離。模塊化RAAMS表面工程系統(tǒng)154包括模塊156，該模塊是一個腔室模塊，具有如上所述的屏蔽式陰極電弧腔室178以及沿著該腔室的一個壁放置的遠(yuǎn) 程陽極180。該圖中還示出了磁性線圈182、184的可選的組，所述線圈沿著涂布腔室產(chǎn)生I至IOOGs范圍內(nèi)的縱向磁場。該模塊156執(zhí)行以下操作:基底裝載；通過氬中的高能(通常E>200eV)離子轟擊對基底進(jìn)行離子刻蝕或離子清潔，其中遠(yuǎn)程陽極電弧放電(RAAD)等離子體在屏蔽式陰極腔室中的陰極與遠(yuǎn)程陽極之間產(chǎn)生；并且通過在屏蔽式陰極腔室中的陰極與遠(yuǎn)程陽極之間產(chǎn)生的氬RAAD等離子體中的柔和的離子轟擊(通常E〈200eV)來對待涂布基底進(jìn)行調(diào)整。第二模塊158在氮?dú)庵谢蛘咴谄帘问疥帢O腔室中的陰極與遠(yuǎn)程陽極之間產(chǎn)生的氬氣-氮?dú)饣旌衔颮AAD等離子體中對待涂布的基底表面進(jìn)行離子氮化。在0.1mtorr至200mtorr的壓強(qiáng)以及10至300安培范圍內(nèi)的遠(yuǎn)程陽極電流下，但是通常在0.2-100mtorr的壓強(qiáng)范圍以及10至200安培的遠(yuǎn)程陽極電流范圍內(nèi)，在RAAD等離子體浸沒離子氮化工藝中HSS、M2和440C鋼的等離子體浸沒離子氮化的速率達(dá)到0.5至I y m/min。RAAD等離子體浸沒離子氮化是一種低溫處理，其中基底溫度通常不超過350°C。在此工藝中，基底可以是浮動的、接地的或以非常低的負(fù)偏壓(例如，低于-100V)來偏置。在這種低的偏壓下離子氮化的原因是RAAD等離子體的高正電勢使得等離子體離子從超過接地基底電勢的等離子體高電勢中接收過量的能量?；蛘?，來自氣態(tài)RAAD等離子體的氮、磷、硅、碳等元素的低能離子植入，也可以在通常在-200至-1500伏特范圍內(nèi)的相對較低的基底偏壓下執(zhí)行。RAAD等尚子體處理中的電勢分布圖在圖6中不出。在典型的RAAD等離子體工藝中，初級陰極相對于接地的初級陽極具有在-20至-50伏特的范圍內(nèi)的電勢。在一個改良方案中，浮動的基底電勢相對于初級陰極在-10至-50伏特的范圍內(nèi)。離子氮化、滲碳以及其他離子擴(kuò)散飽和工藝中的偏置的基底電勢相對于初級陰極通常在-10至-200V的范圍內(nèi)，而在RAAD等離子體浸沒低能離子植入工藝中，基底偏壓通常在-200至-1500伏特的范圍內(nèi)。
[0061]應(yīng)了解，圖5的模塊化腔室布局也可以用于在氣態(tài)RAAD等離子體腔室中執(zhí)行遠(yuǎn)程陽極電弧等離子體輔助CVD (RAACVD)工藝(例如，圖5中的模塊156、158和164)。例如，此低壓等離子體浸沒CVD工藝裝置可以用于在由0.1-1%甲烷以及平衡氫氣或氫氣-氬氣混合物組成的產(chǎn)生等離子體的環(huán)境中使多晶金剛石涂層沉積。RAAD等離子體充當(dāng)含有高密度原子氫和HC自由基的反應(yīng)環(huán)境的強(qiáng)力催化劑，所述HC自由基有助于多晶金剛石涂層的形成。在此工藝中，待涂布基底相對于初級陰極可以是接地的、浮動的或偏置到不低于-100伏特的負(fù)電勢的。獨(dú)立輻射加熱器陣列可以用于將基底溫度維持在200°C至1000°C的范圍內(nèi)，該溫度范圍對于等離子體增強(qiáng)型低壓CVD工藝中的多晶金剛石涂層的沉積是必要的。
[0062]在另一實(shí)施例中，提供一種涂布系統(tǒng)，其具有沿著曲線壁對齊的等離子體源。圖7A提供了具有中央定位的屏蔽式陰極腔室的批量涂布系統(tǒng)的示意性俯視圖。圖7B提供了圖7A的批量涂布系統(tǒng)的示意性透視圖。涂布系統(tǒng)190包括真空腔室192、陰極腔室194，所述陰極腔室包括陰極196和屏蔽物198。真空腔室192具有基本上呈圓形的截面。系統(tǒng)190還包括初級電源170，所述初級電源對陰極196與初級陽極202之間的電勢進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)190還包括磁控濺射源204-210，這些磁控濺射源各自包括靶材Ts、電源Ps，以及陽極As。在一個改良方案中，磁控濺射源204-210沿著與真空腔室192的截面同心的一個圓圈布置。系統(tǒng)190還包括遠(yuǎn)程陽極212和214，這些陽極通過電源216和218設(shè)置成相對于陰極194的一個電勢。在此實(shí)施例中，基底22在被涂布時沿著圓形方向d2軸向地移動。在圖7A和圖7B的每種變體中，等離子體在陰極196與遠(yuǎn)程陽極之間流動。該流動受到遠(yuǎn)程陽極(或?yàn)R射源)與基底(即，基底的頂部)之間的間隔的約束，該間隔通常為2至20英寸。該約束在整個涂層區(qū)上持續(xù)。此外，如上文關(guān)于圖1D所述，在垂直于基底移動的方向上沿著陰極，使等離子體形成光柵。
[0063]如上文所述，遠(yuǎn)程陽極212和214具有線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸Da。磁控濺射源204-210具有線性的源尺寸Ds。陰極靶`材196具有線性的陰極靶材尺寸D。。基底固持器20具有線性的固持器尺寸Dh。在一個改良方案中，所述線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸Da、所述線性的陰極靶材尺寸D。，以及所述線性的固持器尺寸Dh彼此類似。在另一個改良方案中，所述線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸Da大于或等于所述線性的陰極靶材尺寸D。，所述線性的陰極靶材尺寸D。大于或等于所述線性的固持器尺寸Dh。
[0064]參考圖8，提供了具有外圍定位的屏蔽式陰極腔室組合件的批量涂布系統(tǒng)的示意圖。涂布系統(tǒng)230包括真空腔室232、陰極腔室組合件234，所述陰極腔室組合件包括陰極腔室236、陰極238以及屏蔽物240。系統(tǒng)230還包括初級電源242，所述初級電源對陰極238與初級陽極244之間的電勢進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)230還包括磁控濺射源256-266，這些磁控濺射源各自包括靶材Ts、電源Ps，以及陽極As。系統(tǒng)230還包括遠(yuǎn)程陽極260，該陽極通過電源262設(shè)置成相對于陰極238的一個電勢。在此實(shí)施例中，基底22在被涂布時沿著方向d3軸向地移動。
[0065]應(yīng)了解，在上文所述的實(shí)施例中，可以在涂布腔室中施加外部磁場，從而在電弧等離子體增強(qiáng)型磁控濺射涂層沉積工藝中進(jìn)一步提高等離子體密度。優(yōu)選的磁場所具有磁場線大體平行于陰極電弧腔室和/或遠(yuǎn)程陽極而對齊。這將有助于增大電弧放電電壓并且因此，有助于電子能量和電弧等離子體沿著涂布腔室的傳播長度。例如，外部磁場可以在圖5中所示的線性涂布系統(tǒng)中沿著涂布腔室施加。
[0066]在上文所述的涂布腔室中的均勻的等離子體密度分布，可以通過以下方式來實(shí)現(xiàn):適當(dāng)?shù)胤植歼h(yuǎn)程陽極以及屏蔽式真空電弧陰極靶材的電子發(fā)射表面，以均勻地覆蓋涂層沉積區(qū)域。例如，如果涂層沉積區(qū)域是Im高，那么屏蔽式陰極靶材的電子發(fā)射表面與電子電流收集遠(yuǎn)程陽極表面均需要被分布，以均勻地覆蓋此Im高的涂層沉積區(qū)域。為了實(shí)現(xiàn)這些需求，若干個小型陰極靶材可以安裝在屏蔽式陰極腔室中，每個陰極靶材連接到獨(dú)立電源的負(fù)極。所述陰極靶材大體均勻地分布，因此由每個陰極靶材發(fā)射的電子流在屏蔽式陰極腔室外重合，從而提供了涂層沉積區(qū)域上的電子密度的大體均勻的分布。遠(yuǎn)程電弧電源的正極可以連接到一個大型陽極板，該陽極板的高度大體等于涂層沉積區(qū)域的高度并且該陽極板面向含有待涂布基底的基底固持器，如圖1以及圖4至圖6所示。該組陽極板各自連接到遠(yuǎn)程電弧電源的正極，它們可以用于在涂層沉積區(qū)域上提供電子密度的均勻分布。類似地，作為在屏蔽式陰極腔室中使用一組小型陰極靶材的替代，具有與涂層沉積區(qū)域的線性尺寸相似的線性尺寸的單個大型陰極靶材可以用作遠(yuǎn)程電弧放電的陰極。在這種情況下，在陰極靶材上使電子發(fā)射點(diǎn)(即，陰極電弧點(diǎn))形成光柵，從而提供涂層沉積區(qū)域上的電子發(fā)射電流的大體均勻分布。在大型陰極靶材區(qū)域上使陰極電弧點(diǎn)形成光柵，可以通過例如以下方式來實(shí)現(xiàn):通過陰極電弧點(diǎn)在陰極靶材的電弧蒸發(fā)區(qū)域上的磁導(dǎo)向或者通過機(jī)械運(yùn)動。[0067]圖9A和圖9B提供了遠(yuǎn)程等離子體系統(tǒng)的替代性配置。參考圖9A，涂布系統(tǒng)270包括位于磁控濺射源274與陽極276之間的基底固持器272。涂布系統(tǒng)270還包括具有上文所述設(shè)計(jì)的陰極腔室278。該配置增加了遠(yuǎn)程電弧等離子體的密度，從而在磁控濺射過程中提供了更高的離子轟擊輔助速率。參考圖9B，涂布系統(tǒng)280包括由細(xì)導(dǎo)線構(gòu)成的陽極282。陽極282安裝在磁控靶材284與基底固持器286之間。涂布系統(tǒng)280還包括如上文所述的陰極腔室288。在后一種配置中，遠(yuǎn)程電弧放電等離子體的更密集區(qū)在磁控靶材與待涂布基底之間的間隙中產(chǎn)生。
[0068]在另一實(shí)施例中，提供一種用上文所述的方法和系統(tǒng)形成的帶涂層物品。參考圖10A，帶涂層物品226包括基底228，該基底具有表面230以及設(shè)置在表面230上的涂層232。在一個改良方案中，所述涂層是一種保護(hù)涂層。通常，所述涂層具有密集的微觀結(jié)構(gòu)和特有的顏色。在一種改良方案中，所述涂層包括一種難熔金屬，該金屬與氮?dú)狻⒀鯕夂?或碳發(fā)生反應(yīng)以形成難熔金屬氮化物、氧化物或碳化物。合適的難熔金屬的實(shí)例包括，但不限于，鉻、鉿、鉭、鋯、鈦以及鋯-鈦合金。氮化鉻是由上文所述方法制成的一種尤其有用的涂層的實(shí)例。在一個改良方案中，所述涂層的厚度在約I微米至約6微米的范圍內(nèi)。參考圖10B，提供了氮化鉻的一種變體，它是由上文所述的方法形成的多層結(jié)構(gòu)。帶涂層物品234包括設(shè)置在基底228上的未反應(yīng)鉻層的薄層236以及設(shè)置在未反應(yīng)鉻層236上的厚的化學(xué)計(jì)量的氮化鉻層238。在另一改良方案中，所述多層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括設(shè)置在所述化學(xué)計(jì)量的氮化鉻層238上的中間化學(xué)計(jì)量的氮化鉻層的層240。中間化學(xué)計(jì)量的氮化鉻240具有由CrN(1_x)給出的一個化學(xué)計(jì)量，其中X是介于0.3與1.0之間的數(shù)。在一個改良方案中，未反應(yīng)鉻層236的厚度在0.05與0.5微米之間，厚的氮化鉻層238的厚度在I至3微米的范圍內(nèi)，而中間化學(xué)計(jì)量的氮化鉻240在0.5至I微米的范圍內(nèi)。
[0069]在與圖7A中所示的具有一個從屬陽極和一個主陽極的方案相似的裝置中進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究。電氣組件的以下值被用于此實(shí)驗(yàn)裝置中，R=0.5歐姆，Ri=3歐姆。初級電弧電流被確定為100安培，氬氣壓為4mtorr。在此實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，從屬陽極的電流為5安培，而主陽極的電流為10安培。陰極腔室與從屬陽極之間的距離為60cm，陰極腔室與主陽極之間的距離為1.5m。從屬陽極和基底固持盤一側(cè)上的腔室壁形成了 3英寸的放電間隙。等離子體分布是通過朗繆爾探針、離子收集器探測器等合適的靜電探測器或通過發(fā)射光譜來測量的。隨后，電弧電流分布可以通過調(diào)整遠(yuǎn)程陽極電路和電弧陰極電路中的電流來進(jìn)行控制。
[0070]由陰極電弧點(diǎn)沿著遠(yuǎn)程電弧放電的屏蔽式陰極靶材的移動所引起的離子電流密度的波動，可以通過使用多通道離子收集探測器監(jiān)控離子電流密度來顯示。在大面積遠(yuǎn)程電弧放電中，空間等離子體密度分布的實(shí)驗(yàn)研究是在圖11中示意性示出的涂布系統(tǒng)中進(jìn)行的。圖11提供了用于該研究中的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。測量系統(tǒng)242包括陰極244、浮動屏蔽物246，以及離子探測器陣列，所述離子探測器陣列包括離子電流收集探測器248、250、252。離子電流收集探測器248、250、252在涂層沉積區(qū)域上均勻地分布，因此收集器探測器陣列的高度大體等于屏蔽式陰極區(qū)域的高度以及相應(yīng)地大體等于遠(yuǎn)程陽極的高度。在這些實(shí)驗(yàn)中，離子電流收集探測器248、250、252是圓盤形1/2〃直徑的收集器探測器，它們經(jīng)由用作離子電流收集器的I千歐姆的電阻器R9、R'Rn而連接到電源。電池254用于將陰極244電氣地耦合到離子收集探測器。電阻器R9、R1(l、Rn兩端的電壓信號用示波器來測量。由圓盤形收集器k收集的離子電流密度j ik的密度可以計(jì)算為jik=Vik/(1000*1.23) mA/cm2，其中Vik是用福祿克(Fluke)示波器測定的、1000歐姆電阻器兩端的電壓降，該圓盤的離子電流收集面積為1.23cm2。由一個圓盤形收集器收集的離子電流密度的典型波形圖在圖12中示出?？梢钥吹剑x子電流信號在脈動，其中峰值離子電流密度超過5mA/cm2，從而表明由遠(yuǎn)程電弧等離子體放電產(chǎn)生的高等離子體密度。離子電流脈沖的特有重復(fù)頻率約為IOHz，對應(yīng)于沿著屏蔽式陰極腔室中的14"高的陰極電弧靶材的陰極電弧光柵形成的特有頻率。在此實(shí)驗(yàn)中的陰極電弧點(diǎn)光柵形成是通過磁導(dǎo)向方式來實(shí)現(xiàn)的。離子電流信號還擁有高頻組分，如I千歐姆的電阻器兩端的電壓信號的波形圖所示。
[0071]實(shí)際上由本發(fā)明的遠(yuǎn)程電弧放電產(chǎn)生的等離子體密度在較廣的頻率和振幅范圍內(nèi)波動這一事實(shí)被發(fā)現(xiàn)是有利于沉積涂層的質(zhì)量的。等離子體密度的波動對應(yīng)于在涂層沉積工藝過程中基底的離子轟擊頻率和強(qiáng)度的波動。離子轟擊強(qiáng)度的波動阻礙了大型晶體結(jié)構(gòu)(例如，柱)的生長以及生長缺陷的發(fā)展。因此，沉積涂層顯示出極其密集的結(jié)構(gòu)和平滑的表面輪廓。
[0072]用上文所述的方法產(chǎn)生的涂層，產(chǎn)生了最多3.5微米的涂層厚度的密集的涂層微觀結(jié)構(gòu)。帶有動力的遠(yuǎn)程陽極電流以50安培進(jìn)行操作，而初級電弧電子源以140安培進(jìn)行操作。初級沉積通量來自磁控濺射陰極，該磁控濺射陰極具有以8.5kW操作的實(shí)心鉻靶材。在60/40的Ar:N2氣體混合物中，沉積壓強(qiáng)為4mTorr。對于用這些方法產(chǎn)生的CrN膜而言，光澤度被測定為99% ;而對于用磁控派射產(chǎn)生的膜而言,光澤度為96.8%。相應(yīng)膜的截面在圖13中示出。
[0073]遠(yuǎn)程電弧放電電流和基底偏壓電勢對用上文所述的遠(yuǎn)程電弧輔助磁控濺射(RAAMS)工藝沉積的CrN涂層的光澤度的影響得到了分析。圖13提供了將常規(guī)磁控濺射與遠(yuǎn)程電弧輔助磁控濺射(RAAMS)制成的CrN進(jìn)行比較的掃描電子顯微照片，所述遠(yuǎn)程電弧輔助磁控濺射在涂層沉積階段使用以下工藝設(shè)置:壓強(qiáng)4mtorr、磁控功率8.5kW、初級電弧電流140安培、氮-氬比40%N2/60%Ar。圖14A和圖14B分別提供了百分比光澤度與陽極電流的關(guān)系圖以及百分比光澤度與偏壓的關(guān)系圖?？梢钥吹剑繉铀玫墓鉂啥葮O其高并且在較廣的遠(yuǎn)程電弧電流和基底偏壓范圍內(nèi)不發(fā)生變化。具體而言，沉積在接地基底上的涂層顯示出的光澤度與沉積在具有浮動電勢或-50V的電勢(相對于地)的基底上的涂層相同。這可以歸因于如圖5所示的遠(yuǎn)程電弧等離子體中的等離子體的高的正電勢。遠(yuǎn)程電弧放電等離子體中的氣態(tài)離子具有接近陽極電勢的勢能，所述陽極電勢的范圍是+40至+60V (相對于地)。在這種情況下，氣態(tài)離子用40至60eV范圍內(nèi)的能量來轟擊接地基底。這足以使生長涂層工藝的密度在常規(guī)磁控濺射(MS)工藝上增加25%以上。圖15顯示了遠(yuǎn)程陽極電弧電流對沉積的CrN膜的硬度的影響。應(yīng)注意，25GPa的硬度約為沒有電弧等離子體輔助而用磁控濺射沉積的常規(guī)CrN膜的兩倍。圖16A和圖16B分別提供了膜沉積速率與陽極電流的關(guān)系圖以及膜沉積速率與偏壓的關(guān)系圖。與具有浮動或-50V偏壓的基底相比，在接地基底的情況下沉積速率較大，如圖16A和圖16B所示。這可以用具有高的負(fù)偏壓電勢的基底的再濺射來解釋。例如，在-50V偏壓的情況下，相對于基底的等離子體電勢達(dá)到了 100伏特，從而導(dǎo)致基底被接近IOOeV能量的氣態(tài)離子轟擊，進(jìn)而導(dǎo)致涂層的大量再濺射，這減小了它的沉積速率。
[0074]圖17提供了根據(jù)本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例的由磁控濺射產(chǎn)生的種類的發(fā)射光譜(0ES)。該OES顯示了金屬原子、金屬離子、激發(fā)的Ar原子和離子、激發(fā)的分子態(tài)氮N2和分子態(tài)氮離子N2+的存在。觀察到，遠(yuǎn)程陽極的添加將增加電離金屬以及激發(fā)的/電離的分子態(tài)氮的強(qiáng)度。已發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)程陽極電流的增加會導(dǎo)致磁控濺射等離子體中的金屬離子濃度的增加，如圖18中關(guān)于RAAMS鉻濺射工藝所示。該事實(shí)提供以下證據(jù):RAAD等離子體是用于使磁控金屬濺射流電離的有效方式，如果不用這種方式，那么電離率將極其低，小于0.1%。從電離的濺射流中沉積的磁控濺射涂層，具有提高的粘性、光滑性，超細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，高密度，低濃度的涂層缺陷和多孔性以及改進(jìn)的功能特性。
[0075]盡管已說明和描述本發(fā)明的各個實(shí)施例，但這些實(shí)施例并不旨在說明和描述本發(fā)明的所有可能形式。相反，本說明書中使用的字詞是說明性而非限制性的字詞，并且應(yīng)理解，可以在不違背本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出多種改變。
【權(quán)利要求】
1.一種涂布系統(tǒng)，其包括: 真空腔室；和 涂布組合件，其包括: 蒸氣源； 基底固持器，其用于固持待涂布的基底，使得所述基底位于所述蒸氣源的前方； 陰極腔室組合件，所述陰極腔室組合件包括陰極靶材、可選的初級陽極以及屏蔽物，所述屏蔽物將所述陰極靶材與所述真空腔室隔離，所述屏蔽物界定用于將電子發(fā)射電流從所述陰極靶材傳輸?shù)剿稣婵涨皇抑械拈_口； 遠(yuǎn)程陽極，所述遠(yuǎn)程陽極電氣地耦合到所述陰極靶材； 初級電源，所述初級電源連接在所述陰極靶材與所述初級陽極之間；以及 次級電源，所述次級電源連接在所述陰極靶材與所述遠(yuǎn)程陽極之間，所述蒸氣源位于所述陰極腔室組合件與所述遠(yuǎn)程陽極之間，所述遠(yuǎn)程陽極具有線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸，所述蒸氣源具有線性的蒸氣源尺寸，所述陰極靶材具有線性的陰極靶材尺寸，并且所述基底固持器具有線性的固持器尺寸，使得所述線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸、所述線性的蒸氣源尺寸、所述線性的陰極靶材尺寸，以及所述線性的固持器尺寸彼此類似，其中所述線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸等于或大于所述線性的陰極靶材尺寸和所述線性的蒸氣源尺寸，使得受到約束的等離子體從所述陰極靶材流到所述遠(yuǎn)程陽極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述初級陽極是接地或所述屏蔽物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括位于所述陰極腔室組合件與所述遠(yuǎn)程陽極之間的至少一個附加的蒸氣源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中每個所述蒸氣源與所述待涂布的基底之間的垂直距離基本上相等，并且所述陰極腔室組合件與所述遠(yuǎn)程陽極之間的距離小于當(dāng)所述次級電源施加的電壓超過所述初級電源施加的電壓的1.2至10倍時發(fā)生故障處的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中多個陰極靶材耦合到所述遠(yuǎn)程陽極，所述多個陰極靶材中的每個陰極靶材的線性陰極靶材尺寸類似于所述線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中從所述陰極腔室組合件的頂部到基底的間隔約為2至20英寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中沿著所述蒸氣源與所述待涂布基底之間的一個區(qū)域施加外部磁場。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中施加所述外部磁場，以磁性地隔絕所述陰極腔室組合件的所述陰極靶材。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中施加所述外部磁場，以磁性地隔絕所述遠(yuǎn)程陽極的所述陽極。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述蒸氣源包括選自由以下項(xiàng)組成的群組中的組件:磁控管、熱蒸發(fā)器、電子束蒸發(fā)器以及陰極電弧蒸發(fā)器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述陰極靶材包括選自由以下項(xiàng)組成的群組中的組件:冷真空電弧陰極、中空陰極、熱離子絲陰極、電子束蒸發(fā)器，以及它們的組合。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述陰極靶材由具有吸氣能力的金屬制成，包括欽和錯合金。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述陰極腔室的所述屏蔽物是水冷卻的并且相對于所述陰極靶材是負(fù)偏壓的，其中所述屏蔽物的偏壓電勢在-50伏特至-1000伏特的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中等離子體探測器安裝在所述陰極腔室組合件與所述遠(yuǎn)程陽極之間以測量等離子體密度，所述等離子體探測器提供反饋來控制所述次級電源，其中遠(yuǎn)程陽極電流得到調(diào)整以獲得所述陰極腔室組合件與所述遠(yuǎn)程陽極之間的所述等離子體密度的均勻分布。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述陰極靶材是具有多個安裝在所述陰極腔室組合件中的陰極靶材的陰極陣列的一部分，每個陰極靶材的線性尺寸基本上等于所述遠(yuǎn)程陽極的線性尺寸。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述陰極靶材是一個板或條。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中多個從屬遠(yuǎn)程陽極經(jīng)由可變電阻器而連接到所述遠(yuǎn)程陽極。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中多個從屬遠(yuǎn)程陽極用電容器連接到所述遠(yuǎn)程陽極。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其包括多個涂布組合件。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述多個涂布組合件基本上成直線地對齊。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述蒸氣源、所述陰極靶材以及所述遠(yuǎn)程陽極沿著一個直線方向分布，其中所述基底固持器沿著所述直線方向移動。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系`統(tǒng)，其中所述真空腔室具有圓形截面，其中所述陰極靶材和所述遠(yuǎn)程陽極圍繞著所述真空腔室的中央軸來分布，其中所述基底固持器在圓周方向上移動。
23.一種用于在涂布系統(tǒng)中涂布基底的方法，所述涂布系統(tǒng)包括: 真空腔室；和 沉積組合件，其包括: 蒸氣源； 基底固持器，其用于固持待涂布的基底，所述基底固持器經(jīng)定位使得所述基底位于所述蒸氣源的前方； 陰極腔室組合件，所述陰極腔室組合件包括陰極靶材、可選的初級陽極以及屏蔽物，所述屏蔽物將所述陰極靶材與所述真空腔室隔離，所述屏蔽物界定用于將電子發(fā)射電流從所述陰極祀材傳輸出去的開口； 遠(yuǎn)程陽極，所述遠(yuǎn)程陽極耦合到所述陰極靶材； 初級電源，所述初級電源連接在所述陰極靶材與所述初級陽極之間；以及 次級電源，所述次級電源連接在所述陰極靶材與所述遠(yuǎn)程陽極之間，所述蒸氣源位于所述陰極腔室組合件與所述遠(yuǎn)程陽極之間，所述遠(yuǎn)程陽極具有線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸，所述蒸氣源具有線性的蒸氣源尺寸，所述陰極靶材具有線性的陰極靶材尺寸，并且所述基底固持器具有線性的固持器尺寸，使得所述線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸、所述線性的蒸氣源尺寸、所述線性的陰極靶材尺寸，以及所述線性的固持器尺寸彼此類似，其中所述線性的遠(yuǎn)程陽極尺寸等于或大于所述線性的陰極靶材尺寸和所述線性的蒸氣源尺寸，所述方法包括: 在所述陰極靶材與所述初級陽極之間的電子發(fā)射陰極源中產(chǎn)生初級電?。? 在所述陰極腔室組合件與所述遠(yuǎn)程陽極之間的一個涂布區(qū)域中產(chǎn)生受到約束的遠(yuǎn)程電??；以及 從所述蒸氣源朝向至少一個待涂布的基底產(chǎn)生金屬蒸氣流。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述涂布區(qū)域上的電子密度分布不均勻度小于50%。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述電子發(fā)射電流在脈動，重復(fù)頻率為I至1000Hz并且振幅是平均電子發(fā)射電流的lxlO—5至IxlO3倍。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中多個陰極安裝在至少一個涂布腔室中，所述陰極沿著所述涂布區(qū)域的高度均勻地分布。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中多個遠(yuǎn)程陽極安裝在一個涂布區(qū)域中，所述遠(yuǎn)程陽極沿著所述涂布區(qū)域的線性尺寸均勻地分布。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中多個蒸氣源安裝在一個涂布區(qū)域中，所述蒸氣源沿著所述涂布區(qū)域的線性尺寸均勻地分布。
29.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述陰極靶材是一個板或條，其面積基本上等于所述陰極腔室組合件中的電子發(fā)射面積。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中陰極電弧點(diǎn)沿著陰極表面來導(dǎo)向，使得陰極電弧點(diǎn)導(dǎo)向面積基本上等于來自所述陰極靶材的電子發(fā)射面積。
31.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述蒸氣源包括從由鉻、鉿、鉭、鋯、鈦、鋯-鈦合金，及其組合組成的群組中選出的組分。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括將反應(yīng)氣體引入所述真空腔室中。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述反應(yīng)氣體包括氮?dú)狻?br> 34.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中在涂層沉積過程中，所述基底以-10至-100伏特范圍內(nèi)的偏壓電勢發(fā)生電氣偏壓。
35.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中在涂層沉積過程中，所述基底是電氣浮動的。
36.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中在涂層沉積過程中，所述基底是電氣接地的。
【文檔編號】C23C16/448GK103668099SQ201310421921
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月14日
【發(fā)明者】V·戈羅霍夫斯基, W·格蘭特, E·W·泰勒, D·胡梅尼克, K·邦度姆 申請人:蒸汽技術(shù)公司