运行脉冲式电弧蒸发源的方法以及具有脉冲式电弧蒸发源的真空处理设备的利记博彩app

专利名称：运行脉冲式电弧蒸发源的方法以及具有脉冲式电弧蒸发源的真空处理设备的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的用于对工件进行 表面处理的具有电弧蒸发源的真空处理设备，以及如权利要求l4的前 序部分所述的一种运行电弧蒸发源的方法。
背景技术：
通过馈给电脉冲运行也称为电火花阴极的电弧蒸发源长期以来为 所属技术领域所公知。用电弧蒸发源可以经济地达到高的蒸发速度并 且从而在涂层时达到高的沉积速度。此外，只要对所述脉冲运行没有较高的要求并且所述脉冲或多或少地仅限于触发一种DC放电，则这样 的源的结构在技术上实现相对简单。所述源在典型地约IOOA或以上的 电流和几伏至几十伏的电压条件下工作，这可以用相对成本合算的直 流电源实现。这样的源的一个重要缺点在于，在阴极斑的区域中发生 非常快速变化的靶表面熔融，由此构成熔滴，即所谓的微滴，然后所 述熔滴被作为飞溅物甩脱并且凝结在所述工件上，从而不受欢迎地影 响层特性。例如由此使得层结构不均匀并且劣化表面粗糙度。在对层 质量高要求的情况下往往在商业上不能够采用这样产生的涂层。因此 人们已经尝试减轻所述问题，其中用电源的纯脉冲运行来运行电弧蒸 发源。尽管用脉冲运行已经可以部分地提高电离，然而视运行参数的 设置而异却负面地影响所述飞溅物形成。采用反应气体在反应等离子中在金属靶上沉积化合物的可行性直 到现在都非常有限，因为在这样处理的情况下附加地加大了飞溅物形 成的问题，尤其是要产生不导电的也就是介电的层时，例如在采用氧 作为反应气体情况下的氧化物。在这样情况下所述工艺固有的、用一 个不导电层重新覆盖电弧蒸发源的靶表面和反电极譬如阳极以及所述 真空处理设备的其它部分，将导致完全不稳定的特性并且甚至导致熄 弧。在这种情况下必须总要重新触发所述电弧，不然由此会使得完全
不能够进行所述处理。在EP0666335B1中提出，为了用 一个电弧蒸发器沉积纯金属材料 向所述直流电流叠加一种脉冲式的电流，以由此降4氐DC基础电流，从 而减少所述飞'减物形成。在此需要达5000A的脉沖电流，该电流应当 在100Hz至50kHz范围内的相对低的频率下用电容器放电产生。这种 做法提出用于在用一个电弧蒸发源非反应地蒸发纯金属靶的情况下阻 止微滴形成。然而在该文献中没有说明沉积不导电的、介电层的技术 方案。稳定性，尤其是在;;造i缘:的情'况下。:其它的p;D工艺:例如喷溅)相反，借助于电弧蒸发的绝缘层只能够用导电的靶制造。用高频 进行的工作，譬如在喷溅的情况下，直到现在都缺乏用高频运行大电 流电源的技术。用脉冲式电源进行的工作是一个选择。然而，如前所 说明的这样就总是要重新触发电弧，或者要把脉沖频率选择得大到不 会灭弧。这在应用特定的材料譬如石墨时一定程度上是起作用的。在靶表面被氧化的情况下不能够通过机械接触和借助于DC电源 进行新的触发。其它的快速触发的类型在技术上是高耗费的并且在其 触发频率上受限。在所述反应的电弧蒸发中的真正问题是在靶上和在 所述阳极或者涂层腔上覆盖绝缘层。这种覆盖提高了火花放电的点火 电压，导致飞溅物和飞弧的增加，这是一种以火花放电的中断结束的 过程。对所述靶的涂层带来了岛生长，这减少了导电的表面。 一种强 稀释的反应气体(例如氩/氧混合气体)可以延迟这种在所述耙上的生 长，但是过程稳定性的基本问题没有得到解决。根据US5103766的提 议，即用相应的新触发交替地运行所述阴极和阳极，尽管对过程稳定 性起作用，但是却导致飞溅物的增加。如在反应喷溅时可能的那样通过一种脉沖式电源的出路在传统的 电火花蒸发的情况下走不通。这是因为如果中断电源供给，辉光放电 比电火花的"寿命长"。为了能够克服用绝缘层覆盖靶的所述问题，在制造绝缘层的反应 过程中要么把反应气体入口在位置上与所述靶分隔开(于是所述过程 的反应性仅在基底上的温度允许进行氧化/反应时才得到保证)，要么 采取飞溅物与电离部分之间的分隔(所谓过滤了的电弧)，并且在过滤以后向所述电离了的蒸汽添加所述反应气体。申请号为CH00518/05 的在先申请为此问题提出了一组方案，在其基础上本专利申请进行了 进一步的发展，因此要求该申请的优先权并且把它作为本申请的组成 部分。与喷賊相反的是，借助于阴极电火花的涂层实质上是一种蒸发过 程。人们设想，在热的阴极斑与其边缘之间的过渡部分吸引了不在原 子大小范围的部分。这种聚结物作为不能够在飞溅物中反应透的聚结 物出现在基底上并且造成粗糙的层。在此这种飞溅物的避免和分散至 目前为止是不成功的，甚至于对于反应涂层过程来说完全不成功。在 此，例如在氧气环境中于所述火花阴极上附加地还构成一个薄的氧化 层，所述薄氧化层倾向于增加飞溅物的形成。在上述的专利申请 CH00518/05中提出了第一技术方案，所述第一技术方案尤其适于完全 反应的靶表面并且有明显减少的飞溅物形成。然而值得追求的是进一 步减少所述飞溅物以及其大小。此外还希望存在可以另外减少或可缩放所述基底的热负荷的手 段，以及在阴极电弧涂层中的低温处理的手段。在WO-03018862中把等离子源的脉冲运行描述为 一种降低基底上 的热负荷的可能途径。然而在此说明的理由可能对喷溅工艺的领域还 成立。它对于电弧蒸发则不产生任何关系。在现有技术方面归结有以下的缺点1. 在借助于阴极电弧蒸发的涂层时的反应不充分。2. 没有解决飞溅物问题的基本方案聚结物(飞'践物)不能够完全 反应透—层表面的粗糙性、层结构和化学计量的一致性。3. 没有可以沉积绝缘层的稳定的工艺。4. 飞賊物的补充电离手段不够。5. 实现低温过程的手段不充分。6. 所述基底热负荷的进一步降低不充分。发明内容本发明的任务在于克服上述现有技术的缺点。本发明的任务尤其 是，用至少一个电弧蒸发源经济地沉积所述层，其方式是通过更好 地电离所蒸发的材料和参与所述过程的反应气体提高过程中的反应。
在这种反应过程中应当明显降低所述飞溅物的频度和大小，尤其是在 制造绝缘层的反应过程的情况下。此外还应当实现较好的过程控制， 譬如控制蒸发速度、提高层的质量、层特性的可调节性、改善反应的 均匀性以及减低所沉积的层的表面粗糙度。这些改善还在制造分级的 层和/或合金的情况下有意义。在制造绝缘层的反应过程时的过程稳定性应当普遍地提高。此外 即使在所述方法的经济性较高的情况下也应当能够实现低温处理。此 外还应当把装置以及尤其是脉冲式运行用的电源的耗费保持得很低。其组合出现。根据本发明所述任务通过权利要求1所述的真空处理设备以及通过采取如权利要求13所述的方法完成。从属权利要求确定其它有利的 实施方式。根据本发明所述任务的解决是通过设置一种用至少一个电弧蒸 发源对所述工件进行表面处理的真空处理设备，所述至少一个电弧蒸 发源与一个DC电源连接并且形成第一电极，其中附加地设置一个与所 述电弧蒸发源分开安放的第二电极，并且这两个电极都与一个脉沖电 源连接。从而在这两个电极之间仅用一个单个的脉冲电源运行一个附 加的放电路段，所述脉冲电源使得可以在非常良好的工艺可控制性的 情况下对所参与的材料进行特别高的电离。在此所述第二电极可以是另一个电弧蒸发源、 一个喷溅源如一个 磁源、 一个工件固定装置或者所述工件本身，由此在这种情况下把所 述第二电极作为偏置电极运行，或者所述第二电极也可以构成为蒸发 钵，所述蒸发钵构成低压电弧蒸发器的阳极。一个尤其优选的实施方式在于，这两个电极分别是一个电弧蒸发 源的阴极，并且这两个电弧蒸发源分别直接与 一个DC电源连接以如此 地维持所述电弧电流使得所述电弧或者说这两个源的电弧放电在用 所述脉冲电源的双极运行中不会被熄灭。从而在该配置中只需要一个 脉冲电源，因为该脉沖电源直接地接在电弧蒸发器的这两个阴极之 间。除了高的电离度和所述过程的良好可控制性以外所述配置还产生 了较高的功效。在这两个电极与由此附加产生的脉冲放电路段之间， 相对于该放电路段地构成一个有负分量和正分量的双极脉冲，由此可
以把这种馈入的交变电压的整个周期长度都用于所述过程。实际上不 出现不被利用的脉冲间歇，并且不论是负脉冲还是正脉冲都无间断地 一起用于所述过程。这对减少飞溅物有用，稳定了反应涂层过程，提 高了反应性和沉积速度，而不必使用附加的昂贵的脉冲电源。这种有沉积所述层。用诸如氩的惰气运行等离子过程公知地是真正稳定的。 只要把反应气体用于沉积各种金属的和半金属的化合物，该过程就难 于进行，因为这样过程参数不同，并且由此出现甚至可能使所述过程 完全不能够进行的不稳定性。这种问题尤其出现在要产生非导电层的 情况，譬如在用氧气作反应气体产生氧化层的情况。上述的有两个电 弧蒸发源的安排以简单的方式方法解决该问题。用这种安排甚至可以 完全地放弃支持的惰性气体，譬如氩，并且可以用纯反应气体工作， 甚至以令人吃惊的方式用纯氧气工作。通过由此可达到的不论是蒸发 的材料还是反应气体如氧气的高电离度，产生具有较高质量的不导电 的层，所述质量几乎够得上散装材料的质量。在此所述工艺进行得非 常稳定，并且令人吃惊的是急剧地降低或者近乎完全避免了飞溅物形 成。然而上述的优点还可以通过用其它的源作为第二电极来达到，譬 如用一个喷溅电极、 一个偏置电极、 一个辅助电极或者一个低压电弧 蒸发钵，尽管所述的有利作用不会达到在用两个电弧蒸发器构成所述 安排的情况下所达到的程度。


下面参照附图用实施例详细地说明本发明。在附图中图1示出对应于现有技术的一种电弧蒸发器涂层设备的一个示意图；图2示出具有在用叠加的大电流脉沖运行的情况下的两个DC馈电 的电弧蒸发源的如本发明所述的安排；图3示出根据本发明不接地运行的有两个DC馈电的电弧蒸发源和接于其间的大电流电源的安排；图4示出具有DC馈电的电弧蒸发源和一个作为基底固定装置的第 二电极的安排，同时具有接入其间的大电流电源；图5示出具有DC馈电的电弧蒸发源和作为DC驱动的磁控喷溅源
的第二电极的安排，同时具有接入其间的大电流电源；图6示出具有DC馈电的电弧蒸发源和作为低压电弧蒸发装置的蒸发钵的第二电极的安排，同时具有接入其间的大电流电源； 图7示出所述大电流脉冲电源的电压脉冲波形。
具体实施方式
图1中示出一个真空处理设备，所述真空处理设备展示出用DC电 源(13)运行一个电弧蒸发源(5)的由现有技术公知的安排。所述设 备(1)配备一个泵系统(2)用于在所述真空处理设备(1)的腔内产 生所需要的真空。所述泵系统(2)使得能够在〈10—1毫巴的压力下运 行所述涂层设备，并且还确保用典型的反应气体譬如02、 N2、 SiH4、 碳氢化合物等等运行。所述反应气体通过一个气体入口 (ll)放入腔(10)中并且在所述腔中对应地分布。此外还可以通过另一个气体入 口放入附加的反应气体或者还在需要时放入惰性气体，譬如氩气，以 单个地和/或混合地使用所述气体。设置在所述设备中的工件固定装置(3)用于容纳和电连接在此不再示出的工件，所述工件通常用金属的 或者陶瓷材料制成，并且把所述工件用这样的工艺涂敷硬材料层或者 磨损保护层。 一个偏置电源(4)与工件固定装置(3)电连接，用于 在所述工件上加以基底电压或者说偏置电压。所述偏置电源(4)可以 是DC或者AC电源，或者是双极脉沖或者单极脉冲基底电源。通过一 个过程气体入口 (11)可以放入惰性气体或者反应气体，以在所述处 理腔中预定和控制过程压力和气体组成。电弧蒸发源(5)的组成部分包括具有置于其下方的冷却板并且优 选地具有磁系统的靶5、、设置在所述靶表面的外围区域中的火花塞(7)以及包围所述耙的阳极(6)。用一个开关(14)可以在所述电 源(13)的正极的阳极(6)的浮动运行与用确定的零电位或者接地电 位的运行之间进行选择。用所述火花塞(7)例如在引起所述电弧蒸发 源(5)的电弧时产生与所述阴极的短暂接触并且然后再把它拿开，由 此引起电火花。为此火花塞(7)例如通过一个限流电阻与阳极电位连 接。如果所述工艺做法需要，所述真空处理设备(1)可以附加地选用 配备一个附加的等离子源(9)。在这种情况下，等离子源(9)实施 为用热阴极产生低压电弧的源。所述热阴极例如可以构成为设置在一 个小的电离腔中的丝极，在所述小的电离腔中用一个气体入口 (8)放 入一种工作气体，例如氩气，以产生在真空处理设备(1)的主腔中展开的低压电弧放电。 一个用于形成所述低压电弧放电的辅助阳极(15) 对应定位地设置在真空设备(1)的所述腔中，并且以公知的方式和方 法用一个在阴极与等离子源(9)和阳极(")之间的DC电源运行。 在需要时可以设置附加的线圏(10、 10、)，例如围绕空间处理设备(l) 放置的斧柄木那样(helmholzartig)的安排，用于磁聚焦或者引导所述 低压电弧等离子。根据本发明现在除了具有靶电极(5、)的第一电弧蒸发源(5)以 外还设置具有笫二靶电极(20、)的第二电孤蒸发源(20)，如在图2 中所示。这两个电弧蒸发源(5、 20)各用一个DC电源(13、 13、)运 行，运行的方式是所述DC电源用一个基础电流确保维持所述电弧放 电。DC电源(13、 13、)对应于当今的现有技术并且可以成本合算地 实现。构成这两个电弧蒸发源(5、 20)的阴极的两个电极(5、、 20、) 对应于本发明与一个单个的脉沖电源U6)连接，所述脉冲电源能够 在这两个电极(5、、 20、)上输出具有一定的脉冲波形和升降沿陡度的 大脉冲电流。在图2所示的安排中这两个电弧蒸发源(5、 20)的阳极 (6)与处理设备(1)的地电位关联。如在图3中所示，还有可能不接地地运行所述电弧放电。在此情 况下第一DC电源U3)以其负极与第一电弧蒸发源(5)的阴极(5、) 连接并用其正极与第二电弧蒸发源(20)的对置的阳极连接。类似地 运行第二电弧蒸发源(2 )，并且第二电源(13、)与第一电弧蒸发源(5) 的阳极的正极连接。这种对置地运行所述电弧蒸发源的阳极导致在该 过程中较好地电离所述材料。所述不接地的运行或者说悬浮或者浮动 地运行电弧蒸发源(5、 20)还可以不采用对置的阳极馈电进行。此外 还可以设置一个开关(14)，以有选择地在不接地的运行和接地运行 之间切换。如前所述，构成这两个电弧蒸发源(5、 20)的阴极的两个 电极(5、、 20、)对应于本发明与一个单个的脉冲电源(l6)连接。这种"双脉沖模式"的电源必须能够覆盖不同的阻抗区域，并且 即使如此在电压上也是"硬"的。这意味着，所述电源必须提供大的 电流，并且在此还要基本上电压稳定地运行。这样的电源的一个例子 与本专利申请在同一日以…号并列地提出了申请。本发明的第一且优选的应用范围是有两个脉沖式电弧蒸发源(5、20)的阴极电火花蒸发，如其在图2中所示。在该应用中阻抗在约0.01 Q至1Q的区间内。在此还必须注意，通常在其间"双脉冲"的所述源 的阻抗是不同的。其原因可能在于该源由不同的材料或者合金构成、 所述源的磁场不同或者所述源的材料损耗处于不同的阶段。现在所述 "双脉冲模式"使得能够这样地通过调节脉沖宽度来进行平衡使得 两个源吸收相同的电流。结果在所述源上导致不同的电压。当然还可 以在电流方面不对称地加载所述电源，如果对于所述过程进行是值得 追求的话，这例如是在形成不同材料的分级层的情况下。相应等离子 的阻抗越小，电源的电压稳定性就越难于实现。因此短的脉冲宽度往 往是有利的。对不同的输出阻抗的可切换性或者受控制的可跟踪性因 此是尤其有利的，如果想要充分地利用其功率的全部范围的话，所述 功率范围例如也就是在500V/100A至50V/1000A的范围，或者如同在 并列申请…号中实现的那样。这样一种双脉冲的阴极安排并且尤其是由两个电弧蒸发源构成的 双脉沖的阴极安排的优点综合如下1. 在陡直脉沖情况下提高的电子发射产生较大的电源(还有基底 电源)和所述蒸发材料和反应气体的较高的电离；2. 更高的电子密度还对更快速的基底表面放电起作用，在制造绝 缘层的情况下，就是说在基底上相对小的再充电时间(或者还只是偏 压的脉冲间歇)就足以对所述构成的绝缘层放电；3. 在两个阴极的电弧蒸发源之间的双极运行使得能够有近于 100%的脉冲-间歇比例(占空比)，而仅一个源的脉沖总是需要一个 间歇并且因此效率不是太高；4. 相互对置的两个阴极电弧源的双脉沖的运行把所述基底区域浸 入致密的等离子中并且提高了该区域中的反应，也提高了反应气体的 反应。事实表明还提高了基底电流；5. 在氧气环境中的反应处理可以在脉沖式运行中达到更高的电子 发射值，并且看来基本上避免了像在传统蒸发金属靶的情况下那样的 电火花区域的熔融。本发明的另一个有利的变例在于，除了电弧蒸发源(5)的第一电
极以外，利用带有工件的工件固定装置(3)作笫二电极，如在图4中 所示。在此情况下，将所述单个的脉冲电源(16)连接在电弧蒸发源 (5)的第一电极(5、)与构成为工件固定装置(3)的所述第二电极之 间。为了能够达到稳定的放电条件，还可以同时把电弧蒸发源(5)的 DC电源附加地与所述第二电极连接，即与所述工件固定装置连接。用 这样的偏置运行同样地可以有针对性地影响电离性能，尤其是在所述 工件表面的区域中。在该变例中所述阻抗明显相互不同。在此也可以 进行通过电压脉冲宽度的电流平衡。由于所述基底固定装置和基底的 电子发射与所述阴极电弧蒸发器的电子发射强烈地不同，因此所得出 的脉冲式电压没有过零点(基底总是阳极的)。在该变例中重要的是 在制造绝缘层时的应用和附加的用大的电子流冲击所述基底的可能 性。这种运行尤其是在离解来到所述基底表面附近的气体并且同时实 现高的基底温度时受到人们的关注。 优点归结如下1. 在基底附近的高反应；2. 有效地分解所述反应气体；3. 在沉积绝缘层时》文电所述基底4. 可以实现较高的基底温度。本发明的另一个变例在图5中示出，其中在此在一个喷雾源(18) 上把所述第二电极构成为喷雾靶(喷溅靶)。优选的是该喷雾源(18) 构成为磁控喷雾源并且在通常的情况下用一个DC电源(17)馈电。用该配置可以把喷雾技术的优点与电弧蒸发技术的优点相结合，并且在 反应过程的情况下，尤其是在沉积介电层或者是分级层和合金层的情 况下也能够这样地结合。在该情况下阻抗也非常地不同。所述阻抗在以上说明的电弧蒸发 源的阻抗与带有一个磁控源的喷溅器的阻抗之间(10Q-100O)。如果 应当进行平衡以得到相同的电流，则必须再相应地匹配脉冲宽度。尤 其是在这种工作方式的情况下重要的是，把所述DC电源通过一个例如 包含二极管的滤波器把所述DC电源与脉冲式电源退耦。事实表明，这 种模式首先对沉积绝缘层的反应过程是有利的，因为不只是对所述电 弧蒸发源，而且首先还对所述喷溅源造成非常宽的处理窗口。例如可 以用恒定的反应气体流处理并且避免控制的困难。如果相互对置地设
置所述两个源，则所述过程等离子穿过所述基底而抵达另一个源，并 且阻止所述喷'减靶在宽的区域上中毒。附加的优点是1. 有力地扩大喷溅运行的处理窗口而没有靶中毒；2. 尤其是所述喷溅工艺由于较高的电子密度而导致较高的反应性。在本发明的另一个扩展中所述第二电极构成为蒸发钵(22)，所述 蒸发钵是一种低压蒸发装置的部件，如在图6中所示。如已经说明的 那样，所述低压放电用一个DC电源(21)驱动，所述DC电源以正极 连接到在此用作阳极的蒸发钵(22)上，并以负极连接到一个对置的 等离子源(9)的灯丝上，所述等离子源在此用作阴极。可以用公知的 方式把所述低压电弧放电用所述线圏(10、 10、)聚集在钵(22)上， 其中在所述钵上熔融和蒸发一个蒸发物。脉冲电源(16)还是接在电 弧蒸发源(5)的电极(5、)与蒸发钵(22)的笫二电极之间，以达到 所希望的高电离度。这种做法还在材料难于蒸发的情况下帮助减少飞 溅物。当然还可以把一个普通的电子射束蒸发器的钵用作所述脉沖电源 的第二电极。 优点是1. 双运行在热蒸发的情况下提高电离。2. 热蒸发和阴极电孤蒸发的简单结合。3. 在低压电弧放电中有效地分解和激励反应气体。4. 利用电弧蒸发的高电子流进行另一种热蒸发。5. 过程进行中具有非常高的灵活性。为了通过在以上说明的本发明的各种可能的实施方式中达到所阐 述的有利的过程特性，所述脉沖电源(16)必须满足各种条件。在双 极脉沖形成的情况下必须能够在从10Hz至500kHz的范围内的一种频 率下运行所述过程。由于电离性能，在此重要的是脉冲的可规定的升 降沿坡陡度。不论是上升沿U2 (t2-tl) 、 Ul/(t6-t5)还是下降沿U2 (t3-t4) 、 Ul/(t8-t7)在升降沿前后段的相当一部分上都应当测量到大 于2.0V/ns的陡度。然而它应当至少在0.02V/ns至2.0V/ns的范围内， 优选地至少在0.1V/ns至l.OV/ns的范围内，并且至少在空载运行的情
况下也就是说无负荷的情况下是这样的，然而优选的是有负荷时也在所述范围内。如在图7中的图解所示，视对应的负荷大小或者所施加 的阻抗或者对应的设定而异，所述升降沿的陡度当然在运行时起作 用。在双极图示中的脉冲宽度如图7中所示对t4至tl和t8至t5有利 的是》l"s，其中，间歇t5至t4和W至t8有利地可以是基本上为0， 但是在一定的前提条件下也可以>0ms。如果所述脉冲间歇>0，就把 这种运行称为有间隙的，并且可以例如通过脉冲间隙宽度的可变时间 推移来调节输入到等离子中的针对性能量并且调节其稳定性。如以上 所阐述的，在两个不同阻抗的电极之间运行所述脉冲电源时，如果把 脉沖宽度保持得较窄以限制电流上升并且用有间隙的模式运行所述脉 冲电源，则在一定的条件下是有利的。尤其有利是，这样地设计所述脉沖电源使得在1000V的电压下 可以实现达到500A的脉冲运行，其中，在此必须对应地考虑脉沖间歇 比例(占空比)或者必须针对所设计的电源的可能功率来匹配脉冲间 歇比例(占空比)。除了所述脉沖电压的升降沿陡度以外优选地要注 意，所述脉沖电源(16)能够在至少1 ms的时间把电流上升到500A。下面的例子说明如在图2中所示的本发明的第一优选应用。在此 情况下在两个阴极的蒸发源(5、 20)之间运行脉冲式的大电流电源 (16)。在该例子中达到绝缘层的过程稳定性、飞賊物的减少和所述 等离子的较高的反应。例1:描述一种制造Al-Cr-O层的典型工艺流程。下面说明在采用本发明条件下的反应电火花涂层工艺中的基底处 理的典型流程。除了实现本发明的真正的涂层过程以外，还说明涉及 所述基底的预处理和后处理的其它的工艺步骤。所有这些步骤都可以 包括许多变例，在一定的条件下还可以去掉、缩短或者延长或者组合 一些步骤。在第一步骤中通常对所述基底进行一种湿化学清洁，所述湿化学 清洁可以视材料和以前的层而异不同地进行。1. 预处理(清洁等等)所述基底(本领域内普通技术人员公知的方法)2. 在为此设置的固定装置中放入所述基底并且送入所述涂层系统中3. 借助于一个泵系统把所述涂层腔抽吸到约l"毫巴的压力下，如 本领域内普通技术人员所公知的(前泵/扩散泵、前泵/涡流分子泵可以 达到约10—7亳巴的最终压力)4. 在一种氩-氬等离子或者一种其它公知等离子处理中用加热步骤 在真空中开始所述基底预处理。无限制地这种预处理可以用以下的参 数进行具有约100A放电电流、到200A、 400A的低压电弧放电的等离子， 优选把所述基底作为这种低压电弧放电的阳极接入。 氩气流50sccm 氢气流300sccm基底温度500匸(部分通过等离子加热，部分通过射线加热) 处理时间45分钟优选在该步骤中在基底与地或者其它参照电位之间设置一个电 源，利用该电源向基底施加DC (优选是正的)或脉沖式的DC (单极 的、双极的)，也可以向基底施加MF或者RF。5. 下个工艺步骤是开始蚀刻。为此在灯丝与辅助阳极之间运行所述 低压电孤。在基底与地之间接入一个DC、脉沖式DC、 MF或者RF电 源并且优选地用负电压加载所述基底。在脉沖的和MF、 RF电源的情 况下还在基底上施加正电压。可以单极地或者双极地运行所述电源。 在该步骤中典型的然而并非排它的工艺参数是氩气流60sccm4氐压电弧;故电电流150A基底温度5001C (部分通过等离子加热，部分通过射线加热) 处理时间30分钟为了在制造绝缘层的情况下保证所述低压电弧放电的稳定性，要 么用较热的、导电的辅助阳极工作要么在辅助阳极与地之间接入脉沖 式的大电流电源。6. 开始用所述中间层涂层(约15分钟)借助于电火花蒸发涂敷CrN中间层300nm (源电流140A, N2 1200sccm，具有陽180V的双极偏压(36jus负，4ps正)。 所述涂层可以用也可以不用低压电弧进行。 直到此时都遵循例如在图1中表示的现有技术。7. 向功能层的过渡(约5分钟)在向真正的功能层过渡中把氮气从1200sccm下降到约400sccm， 然后接入300sccm的氧气流。同时把Cr电火花阴极的DC供电电流提 高到200A。然后接入Al电火花阴极并且同样用200A的电流运行。现 在关闭氮气流并且接着把氧气流提高到400sccm。8. 用功能层的涂层现在在这两个电火花阴极之间把双极脉冲式大电流电源(16)投 入运行，如在图2中所示。在所描述的过程中用约SOA的时间上成正 或负的均值电流工作。正的及负的电压区域的脉冲宽度各为20ms。通 过所述双极脉冲式电源的电流峰值取决于相应的脉冲波形。流过相应 的电火花阴极的DC电流与所述双极脉冲式电流的峰值之间的差不能 低于所述电火花阴极的保持电流，因为不然就会发生熄弧。在所述涂层的头10分钟内把偏压从-180V上升到-60V。对于双旋 转基底的典型涂层速度在3 ju m/h与6 )i m/h之间。也就是用真正的功能层对所述基底的涂层是在纯反应气体(在该 例的情况下是氧气)中进行的。重要的过程参数再次总结为氧气流300sccm基底温度5001CDC源电流200A，不论是对Al源还是对Cr源。 在这两个阴极之间的双极脉沖式DC电流具有"kHz的频率。 过程压力约3xl0^亳巴。如前所说明，所述涂层还可以与低压电弧的运行同时进行。在此 情况下首先在基底附近达到反应的进一步提高。此外在涂层过程中同 时使用所述低压电弧还有可以减少所述源的DC成分的优点。随着电弧 电流的提高还可以进一步地减少所述DC成分。这样进行的涂层工艺在长达数小时内是稳定的。所述电火花靶被 覆盖了薄的、光滑的氧化层。这是所希望的并且是一个很大程度上无 飞賊物且稳定的过程的前提。该覆盖表明电火花靶上电压的提高，如 以前的专利申请CH00518/05中已经说明的那样。下面说明三个其它的应用例，然而其中只说明界面和功能层的沉积。
例2:上个例子中描述了制造一种Al-Cr-O层，其中只使用了两个电火 花靶，下面要说明的是在使用4个电火花靶的情况下的纯铝氧化物层 的过程对于该涂层使用硬金属转位式刀片(碳化钨)作为基底，该硬金 属转位式刀片已经在前面的工艺中被涂敷上1.5]Lim厚的TiN层。基底 受到基本上与上述步骤1至5相同的预处理。但在用功能层涂层之前没 有沉积特殊的中间层，也就是立即从TiN底层上的功能层开始，而且 去掉步骤6和7。为了沉积功能层(8)用4个电火花靶工作，并且使用以下过程参数 分别用170A DC运行4个AL耙.每2个Al乾的双极电流脉冲，对应于图2，施加在所述电源上 的输出电压为100V，并且正和负脉沖宽度各20ns 氩气流50sccm 氧气流700sccm 基底偏压双极脉沖式的DC， +/-100V" 38ps负，4 p s正 基底温度695"C以此方式得到的层以下面的测度为特征 '在基底双旋转情况下的层厚度4Mm.层附着性用洛氏(Rockwell)压入检测确定为HF1至HF2。 .微硬度用费氏镜检法(在F=50mN/20s条件下微压痕)确定并且 值为HV=1965 (+/-200) ， Y=319Gpa ( =/-12Gpa )。不论对2G)/0的角区域还是对条紋入射(3° )都进行所述层的 XRD频谱分析。这种x线检查示出具有尽可能少量非晶铝氧化物的结 晶层。可以清楚地把所述铝氧化物识别为Y-Ah03相。 例3:下一个例子涉及制造一种锆氧化物层。在真正地覆盖功能层以前 用ZrN构成的中间层覆盖所述基底。对于该覆盖用4个靶工作，所述 靶在2Pa的氮分压下各用170A电流运行。所述基底温度为500"C并且 采用-150V的基底偏压。该中间层的涂层时间为6分钟。为了沉积功能层(8)同样地用四个电火花靶工作，对应于图2， 并且使用以下的过程参数.分别用170A DC运行4个Zr耙每2个Zr耙的双极电流脉沖，在所述电源上的输出电压为IOOV， 并且正和负脉沖宽度各20 n s 氩气流50sccm 氧气流700sccm'基底偏压双极脉冲式的DC， +/-40V, 38ins负，4ps正 -基底温度5001C以此方式得到的层以下面的测度为特征 .在基底双旋转情况下的层厚度6.5jtim -层附着性用洛氏压入检测确定为HF1。.微硬度用费氏镜检法(在F=50mN/20s条件下的微压痕)确定并 且值为HV=2450。'粗糙度的层值为Ra=0.41 m m、 Rz=3.22 m、 Rmax=4.11 m m 磨擦系数测定为0.58。通过所述层的XRD频谱测量可以确定唯一的斜锆石结构。 例4:最后的一个例子涉及制造和分析SiAIN层。在真正地覆盖功能层 以前用TiN构成的中间层覆盖所述基底。对于该覆盖用2个靶工作， 对应于图2，所述靶在0.8Pa的氮分压下各用180A电流运行。所述基 底温度为5001C并且采用-150V的基底偏压。该中间层的涂层时间为5 分钟。-分别用170A的DC电流运行2个Si/Al比为70/30的SiAl耙 .所述2个Si/Al耙的双极电流脉沖，在所述电源上的输出电压为 IOOV，并且正和负脉沖宽度各20)LiS 氩气流50sccm 氧气流歸sccm.基底偏压双极脉冲式的DC， +/-100V, 38ps负，4 p s正 基底温度4101C以此方式得到的层以下面的测度为特征 -在基底双旋转情况下的层厚度6.5Mm 层附着性用洛氏压入检测确定为HF2。 微硬度用费氏镜检法(在F-50mN/20s条件下的微压痕)确定并
且值为HV=1700。 粗糙度的层值为Ra=0.48 y m、 Rz=4.08 jli m、 Rmax=5.21 m m 磨擦系数确定为0.82。
权利要求
1.一种用于对工件(3)进行表面处理的真空处理设备，具有电弧蒸发源(5)，所述电弧蒸发源包含与一个DC电源(13)连接的第一电极(5`)，并且具有与所述电弧蒸发源(5)分开安放的第二电极(3、18、20)，其特征在于，这两个电极(5`、3、18、20)都与一个脉冲电源(16)连接。
2. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述笫二电极(2(T) 是另一个电弧蒸发源(20)的阴极，并且所述第二电极同样地与一个 DC电源(13')连接。
3. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二电极U8) 是一个喷溅源(18)的阴极，尤其是一个磁控源(18)的阴极，并且 所述第二电极同样地与一个电源U7)，尤其是与一个DC电源连接。
4. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二电极(3) 构成为工件固定装置(3)并且与工件(3) —起构成偏置电极。
5. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述第二电极是蒸发 钵(22)，所述蒸发钵构成低压电弧蒸发器(9、 22)的阳极。
6. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述第二电极是辅助 电极(22)，优选地是用于形成低压放电的辅助阳极(15)。
7. 如权利要求1至6中任一顶所述的设备，其特征在于，在所述 DC电源(13)与所述脉沖电源(16)之间安放一个电退耦滤波器，其 中所述退耦滤波器优选地包含至少一个截止二极管。
8. 如权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述DC 电源U3)输出基础电流，用于基本上无间断地在所述源(5、 18、 20) 上，尤其是在电弧蒸发源(5、 20)上维持等离子放电。
9. 如权利要求1至8中任一项所述的设备，其特征在于，所述设 备具有一个反应气体入口 。
10. 如权利要求1至9中任一项所述的设备，其特征在于，所述脉 冲电源(16)的频率在lkHz至200kHz的范围内。
11. 如权利要求1至10中任一项所述的设备，其特征在于，所述 脉冲电源(16)的脉沖宽度比例不同地设定。
12. 如权利要求l至ll中任一项所述的设备，其特征在于，所述脉冲电源(16)的脉冲有间隙地设定。
13. 如权利要求1至12中任一项所述的设备，其特征在于，所述 脉沖电源(16)的脉冲升降沿具有大于10V/ns的陡度，所述陡度至少 在0.02V/ns至2.0V/ns的范围内，优选地至少在0.1V/ns至1.0V/ns的范围内。
14. 一种用于在真空处理设备(3)中对工件(3)进行表面处理的方 法，其中用一个电弧蒸发源(5)的第一电极(5、)并且用与所述电弧蒸 发源(5)分开安放的第二电极(3、 18、 20)在工件(3)上沉积一个 层，其中向电弧蒸发源(5)馈给DC电流，其特征在于，这两个电极(5、、 3、 18、 20)都与一个单个的脉冲电源(16)连接。
15. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，把所述第二电极 (20、)作为另一个电弧蒸发源(20)的阴极运行，并且把所述第二电极同样地与一个DC电源(13、)连接。
16. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，把所述第二电极(18 ) 作为一个喷溅源(18)的阴极运行，尤其作为一个磁控源(18)的阴 极运行，并且所述第二电极同样地与一个电源(l7)，尤其是与一个 DC电源连接。
17. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述笫二电极(3) 构成为工件固定装置(3)并且与工件(3) —起构成偏置电极。
18. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第二电极构成 为蒸发钵(22)，并且作为低压电弧蒸发器(9、 22)的阳极运行。
19. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，把所述第二电极作 为辅助电极(22)运行，优选地作为形成低压放电的辅助阳极(15) 运行。
20. 如权利要求14至20中任一顶所述的方法，其特征在于，所述 DC电源(13)与所述脉冲电源(16)通过一个电退耦滤波器退耦，其 中所述退耦滤波器优选地包含至少一个截止二极管。
21. 如权利要求14至20中任一项所述的方法，其特征在于，用基 础电流运行DC电源(13)，使得基本上无间断地在所述源(5、 18、 20)上，尤其是在电弧蒸发源(5、 20)上维持等离子放电。
22. 如权利要求14至21中任一项所述的方法，其特征在于，用一 种过程气体运行所述源(5、 18、 20)，所述过程气体包含一种反应气 体。
23. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，用一种过程气体运 行所述源(5、 18、 20)，所述过程气体只是一种反应气体。
24. 如权利要求22或23所述的方法，其特征在于，用一种过程气 体运行所述源(5、 18、 20)，其中所述反应气体包含氧气并且该反应 气体优选基本上是氧气。
25. 如权利要求14至24中任一项所述的方法，其特征在于，所述 脉沖电源(16)用在lkHz至200kHz范围内的频率运行。
26. 如权利要求14至25中任一项所述的方法，其特征在于，所述 脉冲电源(l6)用不同的脉冲宽度比例运行。
27. 如权利要求14至26中任一项所述的方法，其特征在于，所述 脉冲电源(16)用有间隙的脉沖运行。
28. 如权利要求14至27中任一项所述的方法，其特征在于，所述 脉沖电源(16)用具有大于2.0V/ns的陡度的脉冲升降沿运行，所述陡 度至少在0.02V/ns至2.0V/ns的范围内，优选地至少在0.1V/ns至 1.0V/ns的范围内。
29. 如权利要求14至28中任一项所述的方法，其特征在于，在包 含反应气体，尤其是只包含反应气体的真空处理设备(19)中运行多 于两个的电极(5、 5、、 3、 18、 20),其中只有两个电极用一个单个的 脉沖电源(16)运行，并且把这两个电极中的一个作为一个电弧蒸发 源(5)的第一电极(5、)运行。
30. 如权利要求29所述的方法，其特征在于，把所述两个脉冲式 电极(5、 5、)作为电弧蒸发源(5、 5、)运行，并且把至少一个其它电 极作为喷溅源(18)运行。
全文摘要
本发明涉及一种用于对工件(3)进行表面处理的真空处理设备，具有一个电弧蒸发源(5)，所述电弧蒸发源包含与一个DC电源(13)连接的第一电极(5`)，还具有与所述电弧蒸发源(5)分开安放的第二电极(3、18、20)。这两个电极(5`、3、18、20)都与一个脉冲电源(16)连接地运行。
文档编号H01J37/32GK101151701SQ200680009516
公开日2008年3月26日 申请日期2006年3月1日 优先权日2005年3月24日
发明者A·雷特, B·维德里格, D·伦迪, J·拉姆, V·德弗林杰 申请人:奥尔利康贸易股份公司(特吕巴赫)