[发明专利]过滤阴极电弧沉积设备和方法

说明书

技术领域

一种过滤阴极电弧沉积方法和设备，其中有效的离子转运和宏观粒子过滤是期望的。

背景技术

本发明涉及阴极电弧沉积方法和设备。更特别地，阴极电弧沉积方法和设备，其通过蒸发材料的凝结而产生用于施加涂层到基板表面的导电材料的等离子。该设备，其包括用于从离子流分离源材料宏观粒子的装置，能够用于在切削工具、成形工具和机械部件等上形成高质量的耐磨层。

阴极电弧沉积大体上包括通过在真空腔室中电弧放电而从蒸发源(阴极)产生膜形成材料的蒸气发射，和在施加负偏压下在基板上沉积蒸气。电弧放电集中在那里的一个或多个电弧斑形成在蒸发源的表面上，所述蒸发源是电弧放电电路中的阴极。典型的电弧电流是在50-500安培，电压为15-50伏。电弧等离子放电通过由电弧引起靶材料的气化和离子化产生的等离子在阴极和阳极之间传导电流。所述靶通过在真空腔室中的低压电弧等离子放电而蒸发，所述真空腔室已经被抽空到至少0.01帕斯卡的典型背景压力。阴极(负极)是电离源结构，其在工艺过程中至少部分地被消耗。阴极的可消耗的部分称作“靶”，并制造为可替换的元件，该可替换的元件夹持到称作阴极主体的冷却的不可消耗的元件。阳极(正极)可以是在真空腔室中的电离结构，或者自身可以为真空腔室，并且在工艺过程中不被消耗。

从电弧斑，源材料的离子、中性原子、宏观粒子，电子由于电弧斑的高温而以束的方式发出。这些电离粒子优选地垂直于阴极靶面发出，与发出的电子一起形成等离子的源材料的离子是在膜沉积中主要的重要的物质。阴极电弧沉积的一个显著特征是，入射蒸发的离子的能量足够高以产生具有良好的硬度和耐磨性的高密度膜。在碳蒸发的情形下，根据Decker的US5,799,549，本发明具有特别的功效，用于在剃刀的非常薄的切削边缘上形成非常硬且刚性的高展弦比(high aspect ratio)的涂层。而且，快速的膜成形以及高生产率的技术已经被工业应用。

电弧斑处的靶材料的气化的不期望的副作用是产生熔融的靶材料熔滴，所述熔滴由于在电弧斑处的蒸气的膨胀通过反作用力从靶弹出。这些熔滴，通常称作宏观粒子，典型地直径在亚微米到几十微米的范围。熔滴从阴极表面向外以这样的速度运动以使得当它们落在待涂布的基板上时它们通常变为嵌在涂层中。这样，阴极电弧涂层通常被粘附到基板表面的宏观粒子污染，或者在它们曾经粘附但是之后被移除的地方留下孔洞。粘性的宏观粒子增大涂布的工件和接触配合件之间的摩擦系数。结果，软的宏观粒子留下孔洞，并且这代表着开始腐蚀或者裂缝蔓延的地方。

因此，对能够防止或者降低宏观粒子的沉积同时在基板表面上形成均一的粘附碳或者金属化合物涂层的工业方法和设备，存在明显的持续的需求。

已经发展出各种策略来减少结合到涂层中的宏观粒子的数量。通常有两种不同的策略：第一种是利用某种形式的电磁场来控制和加速电弧从而减少宏观粒子生成的设备，第二种是利用阴极源和基板之间的过滤设备以传输电离部分到基板，但是阻挡熔融的熔滴。传统地，过滤设备可以构造为使用电磁场，该电磁场导向或者偏转等离子流。

因为宏观粒子是中性的，所以它们不会受到电磁场的影响。这是为什么过滤方法能够有效工作的原因，所述方法是通过将基板安置在阴极靶面的视线之外，以使得宏观粒子不会直接落在基板上，而电弧斑加速方法通常更为简单，但是并不完全消除宏观粒子的存在。根据第二种的过滤设备可以在阴极腔室和涂布腔室之间提供等离子倾斜过滤管，其中基板保持器安装在等离子源的光轴之外。因此，围绕设备聚焦和偏斜电磁场可以向着基板导向等离子流，而不受电磁场影响的宏观粒子继续从阴极沿着直线行进。但是，宏观粒子跳离管中的挡板会导致它们的一部分传输通过过滤器而到达基板。腔室内的挡板，也称作宏观粒子隔火墙，物理地阻挡源于电弧源和过滤区域的中性粒子，如在Anders的US2009/0065350Al中提及的。

第一种的电弧斑加速方法通常比过滤方法更为简单，但是并不完全消除宏观粒子的产生。而过滤方法通常可以更为有效，但它们给设备带来额外的复杂性并大幅降低其产量。下面示出通过利用在阴极源和基板之间的某种类型的过滤设备以发射发出的粒子的带电的电离部分并阻挡中性粒子来降低结合到基板上的涂层中的宏观粒子的数量的努力的例子。