Осаждение из паровой фазы для нанесения покрытия с погружением в дуговую плазму низкого давления и ионная обработка
Изобретение относится к системе и способу нанесения покрытия. Система включает вакуумную камеру и узел для нанесения покрытия. Узел для нанесения покрытия включает в себя источник пара, держатель подложки, удаленный анод, электрически соединенный с мишенью-катодом, и узел катодной камеры. Узел катодной камеры включает в себя мишень-катод, первичный анод и экран, который изолирует мишень-катод от вакуумной камеры. В экране сформировано отверстие для передачи тока электронной эмиссии удаленной дуги от мишени-катода к удаленному аноду, который проходит вдоль длинного размера стороны мишени. Первичный источник питания включен между мишенью-катодом и первичным анодом, в то время как вторичный источник питания включен между мишенью-катодом и удаленным анодом. При этом линейный размер удаленного анода и короткий размер источника пара расположены параллельно размеру, в котором выполняют управление пятном дуги вдоль мишени-катода. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 51 ил., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системам нанесения покрытия с использованием плазмы и соответствующим способам.
Уровень техники
Источники физического осаждения из паровой фазы (PVD) и химического осаждения из паровой фазы при низком давлении (CVD) используются для нанесения покрытий и обработки поверхности. Обычные источники паров металла, такие как осаждение из физической паровой фазы, используя электронный пучок (EBPVD) и источники паров металла с магнетронным напылением (MS) могут обеспечивать высокую скорость осаждения. Однако низкая энергия атомов паров металла и низкий уровень ионизации в этих процессах приводит к получению покрытий с малой плотностью, плохой адгезией, плохой структурой и морфологией. Хорошо известно, что использование для помощи в процессе нанесения покрытия бомбардировки энергетическими частицами существенно улучшает покрытие, благодаря уплотнению осаждаемых материалов, уменьшению размеров зерна и улучшению адгезии покрытия. В этих процессах на слой поверхности воздействуют бомбардировкой с высокой частотой энергетическими ионами, которая модифицирует мобильность осаждаемых атомов паров металла и, во многих случаях, формирует метастабильные структуры с уникальными функциональными свойствами. Кроме того, ионная бомбардировка поверхности покрытия влияет на поведение адсорбции газов, путем увеличения коэффициента прилипания газов, таких как азот, и изменения природы центров адсорбции от центров физической сорбции с низкой энергией к центрам химической сорбции с высокой энергией. Такой подход является особенно продуктивным при нанесении наноструктурных композитных покрытий с ультратонкими или стеклоподобными аморфными структурами.
Существуют два разных подхода для обеспечения помощи, используя ионную бомбардировку во время процессов PVD или CVD. Осаждение с помощью ионного луча (IBAD) представляет собой способ, который является многообещающим для формирования плотных керамических покрытий на полимерах и других чувствительных к температуре материалах. Процесс IBAD обычно выполняют в условиях вакуума (~1×10-5 Торр), при которых происходит тепловое испарение керамики на подложку при одновременной бомбардировке энергетическими ионами. Ионные лучи обеспечивают перемешивание осаждаемых атомов с подложкой, формируя улучшенный слой, который может улучшить адгезию покрытия и уменьшить напряжение пленки. Падающие на поверхность ионы также формируют "эффект поверхностного упрочнения", который уплотняет и повышает плотность слоя, уменьшая, таким образом, или устраняя колонновидный рост.
Например, во время обработки IBAD алмазоподобных пленок углерода (DLC), углерод испаряется под действием источника электронного луча или рассеивается магнетронным источником. Бомбардировку ионами предусматривают, используя независимую широкую апертуру источника ионного луча, такую как аргонный ионный луч. Такие аргонные ионные лучи не меняют химию наращиваемых пленок, и только влияют на их структуру, морфологию, энергию построения и связи между отдельными атомами в результате модификации сети кристаллической решетки. Добавление соответствующего газообразного прекурсора к ионному лучу приводит к легированию выращиваемых пленок DLC, обеспечивая, таким образом, помощь со стороны химического пара во время процесса IBAD. В примере такого легирования кремнием пленки DLC наносят из Ar+SiH4 ионного пучка. Фтор может быть добавлен к пленкам через Ar и пучок фторуглеводородных ионов, азот может быть добавлен, используя пучок ионов Ar и N2, и бор может быть добавлен, используя пучок ионов Ar+BH4. IBAD представляет собой гибкий технологический процесс, который позволяет управлять свойствами покрытия в расширенной области путем вариации параметров обработки: состава ионного пучка, энергии ионов, ионного тока и отношения количества ионов к количеству атомов.
Хотя процесс IBAD работает приемлемо хорошо, он имеет ограничения, связанные с его естественным пределом из-за свойства прямой видимости, что оказывает отрицательное влияние при достижении однородного распределения покрытия по компонентам со сложными формами, когда важно обеспечить соответствие процесса нанесения покрытия. Кроме того, процесс IBAD имеет ограниченные возможности по возможностям увеличения масштаба. Процесс ионного нанесения с погружением в плазму (PIID) преодолевает некоторые из этих ограничений, обеспечивая среду плазмы с низким давлением, которая эффективно обволакивает подложку, на которую требуется нанести покрытие, однородным облаком плазмы. В результате, получают чрезвычайно однородную частоту ионного бомбардирования, как по подложкам с 3-мерной сложной формой, так и при больших нагрузках. Процесс PVD или CVD используется для генерирования разновидностей паров для обработки поверхности подложки. В отличие от IBAD, PIID представляет собой процесс, не работающий в пределах прямой видимости, позволяющий обрабатывать сложные поверхности без манипуляции. В PIID используется плазма, генерируемая в газовом разряде, которая заполняет всю камеру обработки, позволяя, таким образом, наносить покрытия на сложные составы и архитектуры. Примеры ионной обработки с погружением в плазму включают в себя азотирование в тлеющем разряде, карбонитридирование, имплантацию ионов и другие процессы обработки газообразных ионов, которые могут быть выполнены путем погружения подложки, на которую требуется нанести покрытие, в плазму, содержащую азот, с отрицательным смещением. Кроме того, электронный ток, выделяемый из плазмы, когда к подложке приложено положительное смещение, можно использовать для предварительного нагрева и процессов тепловой обработки. Очевидно, что свойство обработки за пределами прямой видимости представляет ряд преимуществ по сравнению с обработкой в пределах прямой видимости, в частности, для эффективной обработки большого количества 3-D объектов. Ионизированная газообразная среда, используемая во время обработки PIID, может быть сгенерирована путем применения разных типов плазменных разрядов, таких как тлеющий разряд, RF разряд, микроволновый (МВТ) разряд и дуговой разряд при низком давлении. Дуговой разряд при низком давлении является особенно предпочтительным в том, что он обеспечивает плотную, однородную в высокой степени ионизированную плазму в больших объемах обработки при малых затратах. При нанесении покрытия с помощью плазмы, возникающей при дуговом разряде, или в процессах ионной обработки подложку устанавливают между катодом дуги и удаленным анодом дуги в области плазмы дугового разряда. Катоды с термоионными нитями, полые катоды, испаряемые вакуумной дугой, и их комбинации могут использоваться, как излучатели электронов, для генерирования среды дугового плазменного разряда с газом при низком давлении. В качестве альтернативы, сам электропроводный испаряющий материал может использоваться, как катод или анод ионизирующего дугового разряда. Это последнее свойство обеспечивается в процессе вакуумного катодного дугового нанесения или в различных процессах дугового плазменного улучшенного электронного пучка и теплового испарения.
Нанесение прореагировавшего покрытия, такого как CrN, может выполняться, используя различные технологии нанесения физических паров, такие как нанесение катодной дугой, нанесение фильтрованной дугой, испарение электронным лучом и технологии осаждения способом напыления. Технология нанесения физических паров электронным пучком (EBPVD), как обычная, так и ионизированная, используется во многих приложениях, но обычно не рассматривается, как жизнеспособная технология для производства во многих областях, из-за проблем, связанных с пакетной обработкой, трудностями увеличения масштаба для достижения однородного распределения покрытия на больших подложках и в связи с трудностью управления нанесением многоэлементного покрытия, из-за вызванной термодинамическими особенностями дистилляции элементов при разных давлениях пара. В отличие от этого, магнетронное рассеяние (MS) на основе PVD используется в самых разнообразных вариантах применения, благодаря высокой однородности магнетронного покрытия при приемлемых скоростях осаждения точному управлению состава многоэлементного покрытия со способностью простой интеграции процесса MS в полностью автоматизированные промышленные системы нанесения покрытия при пакетной обработке. Процессы нанесения покрытия из атмосферы физических паров и использованием электронного пучка, улучшенные катодной и анодной дугой (EBPVD), дублированные горячим испаряющимся катодом (НЕС), и горячим испаряющимся анодом (НЕА), соответственно, продемонстрировали повышенную скорость ионизации, но имеют недостаток, связанный с нестабильностью пятен дуги и неоднородным распределением интенсивности ионизации в потоке паров металла EBPVD. В этих процессах дуговой разряд связан с процессами испарения, что затрудняет обеспечение независимого управления скоростями ионизации и испарения в процессах НЕС и НЕА. Поэтому чрезвычайно трудно интегрировать процессы PA-EBPVD в полностью автоматизированные системы нанесения покрытия с пакетной обработкой.
Технологии напыления, хорошо известные в данной области техники, позволяют выполнять нанесение толстых прореагировавших покрытий, при эффективности затрат, хотя пленки за пределами приблизительно одного микрона проявляют тенденцию развития помутнения из-за кристаллизации. Явление кристаллизации или колонновидный рост пленки ассоциировано с неотъемлемой низкой энергией осаждаемых атомов при технологиях нанесения напылением, что, таким образом, создает возможность энергетического способствования возникновению кристаллических структур. Такие кристаллические структуры могут иметь нежелательные анизотропные свойства, специфичные для истирания и применения в косметике. Различные подходы были разработаны в последние десятилетие для улучшения скорости ионизации в процессе магнетронного напыления. Основная цель этих подходов состоит в повышении плотности электронов вдоль пути потока атомов при магнетронном напылении, увеличивая, таким образом, ионизацию атомов металла, благодаря повышению частоты столкновений электронов и атомов. В процессе магнетронного напыления используются импульсы высокой мощности (HIPIMS), применяемые к магнетронной мишени одновременно с энергией постоянного тока для повышения эмиссии электронов и последующего увеличения степени ионизации потока напыления металла. Такой процесс демонстрирует улучшенные свойства покрытия при нанесении нитридных износостойких покрытий для режущих инструментов. В процессе HIPIMS обеспечивается улучшенная ионизация только в течение времени действия коротких импульсов, в то время как в течение пауз, степень ионизации является такой же низкой, как и в обычных процессах DC MS. Поскольку параметры импульсов связаны с параметрами процесса магнетронного напыления в процессе HIPIMS, это может отрицательно влиять на скорость напыления, которую определяют, как в три раза ниже, чем в обычных процессах MS DC. Кроме того, импульсы высокого напряжения в процессе HIPIMS могут индуцировать воздействие на магнетронные мишени, в результате чего, происходит загрязнение наращиваемых пленок.
Для генерирования высокоионизированного разряда в непосредственной близости к магнетронным мишеням, источник плазмы с индуктивной связью (ICP) может быть добавлен в области между катодом и подложкой. Нерезонансную индукционную катушку затем размещают параллельно катоду в, по существу, обычном устройстве DC MS, которая погружена в плазму или расположена рядом с плазмой. Индукционную катушку, в общем, возбуждают с частотой 13,56 МГц, используя источник радиочастотного питания 50 Ом через цепь с емкостным согласованием. Радиочастотную энергию часто соединяют с плазмой через диэлектрическое окно или стенку. Индукционно связанные разряды обычно работают в диапазоне давлений 1-50 мТорр и с приложенной мощностью 200-1000 Вт, в результате чего, получают плотность электронов в диапазоне 1016-1018 м-3, которая, обычно, линейно увеличивается при увеличении приложенной мощности. При разряде для магнетронного напыления металлические атомы рассеивают из мишени-катода, используя энергию постоянного тока или радиочастотную энергию. Атомы металла проходят через плотную плазму, формируемую радиочастотной катушкой, где они ионизируются. Индукционная катушка, помещенная между магнетронной мишенью и подложками водяным охлаждением, на которую требуется нанести покрытие, отрицательно влияет на поток распыляемого металла. Установка MS поэтому является намного более сложной, дорогостоящей и трудной для интеграции в существующие системы покрытия при пакетной обработке и при обработке в линии. Эти недостатки также справедливы для процесса магнетронного напыления с использованием микроволн (MW-MS). В процессе MW-MS компоновка вакуумной камеры обработки должна быть изменена для обеспечения возможности потока напыления металла с пересечением зоны ионизации. Однако подходы RF, MW и ICP для ионизации процесса PVD связаны с трудностями при однородном распределении плазмы на больших областях обработки, что представляет собой препятствие для интеграции в системы нанесения покрытия с большой площадью.
Другая технология предшествующего уровня техники для получения энергетических ионов представляет собой магнетронное напыление с использованием плазмы (PEMS), которая имеет термоэлектронный катод с горячей нитью (HF-MS) или полый катод (НС-MS), в качестве источника ионизированных электронов, для повышения скорости ионизации в процессе DC-MS. В процессе HF-MS отдельный термоэлектронный катод с нитью используется в качестве источника ионизирующих электронов, что делает этот процесс аналогичным процессу НС-MS. Однако в этом процессе обычно проявляется неоднородность плазмы и его трудно интегрировать в промышленных системах нанесения покрытия на большой площади. Кроме того, как горячие нити, так и полые дуговые катоды являются чувствительными и быстро деградируют в атмосфере реактивной плазмы. Недостатки этих процессов генерирования плазмы преодолеваются в результате использования холодного дугового катода в холодном вакууме как среде испарения, в качестве источника электронов для ионизации и активации среды обработки при осаждении пара.
Косметический внешний вид обычных нанесенных катодной дугой пленок включает в себя макрочастицы непрореагировавшего целевого материала, называемые макросами, которые приводят к образованию дефектов на пленке, нежелательных в вариантах применения, в которых требуется обеспечить специфичные свойства износа, коррозии и косметические свойства. Однако пленки, нанесенные дугой, не обладают кристаллическим характером, в отличие от распыляемых пленок, поскольку процесс испарения дугой формирует чрезвычайно ионизированную плазму с высокой энергией осаждаемых атомов, которые, как считается, эффективно рандомизируют кристаллические структуры в получаемой пленке.
Соответственно, существует потребность в дополнительных технологиях производства энергетических частиц в процессах нанесения покрытия для формирования улучшенных свойств пленки.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении решается одна или больше проблем предшествующего уровня техники, благодаря предоставлению, по меньшей мере, в одном варианте осуществления, системы для покрытия подложки. Система для покрытия включает в себя вакуумную камеру и узел покрытия, расположенный внутри вакуумной камеры. Узел покрытия включает в себя источник пара, который предоставляет материал для покрытия на подложку, держатель подложки, предназначенный для удержания подложек, на которые наносят покрытие таким образом, что подложки располагаются перед источником пара, узел катодной камеры и удаленный анод. Узел катодной камеры включает в себя мишень-катод, необязательный первичный анод и экран, который изолирует катод от вакуумной камеры. В экране сформированы отверстия для передачи тока электронной эмиссии от катода в вакуумную камеру. Источник пара расположен между узлом катодной камеры и удаленным анодом, в то время как удаленный анод электрически соединен с катодом. Система покрытия также включает в себя первичный источник питания, включенный между мишенью-катодом и первичным анодом, и вторичный источник питания, включенный между мишенью-катодом и удаленным анодом. В частности, удаленный анод имеет линейный размер удаленного анода, источник пара имеет линейный размер источника пара, мишень-катод имеет линейный размер мишени-катода, и держатель подложки имеет линейные размеры держателя подложки таким образом, что линейные размеры удаленного анода, линейный размер источника пара, линейный размер мишени-катода и линейный размер держателя располагают параллельно друг другу, при этом линейный размер удаленного анода равен или больше, чем линейный размер мишени-катода, и линейным размер источника пара таким образом, что удерживаемая плазма протекает от мишени-катода к удаленному аноду.
В другом варианте осуществления предусмотрен способ нанесения покрытия на подложку в системе покрытия, описанной выше. Способ включает в себя этап генерирования первичной дуги в источнике катода, излучающем электроны, между мишенью-катодом и первичным анодом. Ограниченная удаленная дуга в области покрытия генерируется между узлом катодной камеры и удаленным анодом таким образом, что поток металлического пара от источника пара генерируется, по меньшей мере, в направлении одной подложки, на которую требуется нанести покрытие. В еще одном другом варианте осуществления в системе нанесения покрытия предусмотрено пятно направленной дуги. Система нанесения покрытия включает в себя вакуумную камеру и узел покрытия, расположенный внутри вакуумной камеры. Узел покрытия включает в себя, по меньшей мере, один источник рассеяния, держатель подложки, предназначенный для удержания подложек, на которые требуется нанести покрытие таким образом, что подложки располагаются перед источником рассеяния, и канал для плазмы, в котором сформировано первое выходное отверстие и второе выходное отверстие. Узел покрытия включает в себя мишень-катод для генерирования металлической плазмы, расположенной в канале плазме, удаленный анод, электрически соединенный с мишенью-катодом, первичный источник питания для питания катода и вторичный источник питания, соединенный между мишенью-катодом и удаленным анодом. Источник напыления расположен между мишенью-катодом и удаленным анодом. Спираль канала окружает канал с плазмой таким образом, что активация катушки канала формирует магнитное поле транспортирования в канале плазмы, которая расположена, по существу, параллельно поверхности испарения мишени-катода для направления плазмы от канала - плазмы, продолжаясь в источник напыления и/или подложки на держателе подложки во время осаждения пленки. Источник питания катушки канала активирует катушку канала, в то время как первый электромагнит равномерного распределения и второй электромагнит равномерного распределения расположены рядом и противоположны, неиспаряющимся противоположным сторонам мишени-катода, где они генерируют магнитное поле над поверхностью мишени-катода.
В еще одном, другом варианте осуществления, предусмотрена система покрытия, имеющая удаленный анод. Система покрытия включает в себя вакуумную камеру и узел покрытия. Узел покрытия включает в себя источник пара, имеющий целевую сторону с длинным размером источника пара, и коротким размером стороны пара и держатель подложки, предназначенный для удержания подложек, на которые требуется нанести покрытие, таким образом, что подложки располагаются перед источником пара. Держатель подложки имеет линейный размер держателя. Узел покрытия дополнительно включает в себя удаленный анод, электрически соединенный с мишенью-катодом. Удаленный анод имеет линейный размер удаленного анода. Узел покрытия дополнительно включает в себя узел катодной камеры, имеющий мишень-катод, необязательный первичный анод и экран, который изолирует мишень-катод от вакуумной камеры. Мишень-катод имеет длинный размер линейной мишени-катода, и короткий размер линейной мишени-катода. В экране сформировано, по меньшей мере, одно отверстие для передачи тока эмиссии электронов разряда удаленной дуги от мишени-катода к удаленному аноду, который продолжается вдоль длинного размера целевой стороны. Первичный источник питания включен между мишенью-катодом и первичным анодом, в то время как вторичный источник питания подключен между мишенью-катодом и удаленным анодом. В частности, линейный размер удаленного анода и короткий размер источника пара параллельны размеру, в котором управляют точкой дуги вдоль мишени-катода.
В еще одном, другом варианте осуществления, предусмотрен способ нанесения покрытия на подложку в системах покрытия. Способ включает в себя этапы генерирования первичной дуги в катодном источнике излучения электронов, между мишенью-катодом и первичным анодом; генерируют ограниченную удаленную дугу в области покрытия между узлом катодной камеры и удаленным анодом; и генерируют поток пара металла из источника пара в направлении, по меньшей мере, одной подложки, для которую требуется нанести покрытие.
Краткое описание чертежей
Примерные варианты осуществления настоящего изобретения будут более понятны из подробного описания изобретения и приложенных чертежей, на которых:
на фиг. 1А показан идеализированный вид сбоку системы покрытия с использованием плазмы удаленного дугового разряда;
на фиг. 1В показан вид спереди системы покрытия перпендикулярно виду на фиг. 1А;
на фиг. 1С представлена схема системы покрытия на фиг. 1А;
на фиг. 1D показана схематическая иллюстрация, представляющая ограничение плазменной струи, протекающей между катодом и удаленным анодом;
на фиг. 1Е представлена схема многоэлементного катода, используемого для растровой плазменной струи;
на фиг. 2 представлено типичное распределение потенциала плазмы между экраном и отдаленным анодом, полученное путем моделирования конечного элемента;
на фиг. 3 показана интенсивность излучения, излучаемого возбужденными атомами аргона (линия спектра ArI 739,79 нм) плазмы удаленного дугового разряда в зависимости от тока разряда;
на фиг. 4А представлена схема системы покрытия, имеющей дополнительные удаленные аноды, помещенные между источником магнетронного напыления с дополнительными экранированными узлами катодной камеры, добавленными для обеспечения однородности и высокой степени ионизации газообразной плазменной среды;
на фиг. 4В представлена схема системы покрытия, которая включает в себя переменные резисторы, установленные между главным анодом и каждым из множества вспомогательных анодов;
на фиг. 4С представлено усовершенствование, в котором используется резистор параллельно с конденсатором для установки потенциала напряжения промежуточного анода;
на фиг. 5 представлена схема системы встроенной модульной конфигурации системы RAAMS;
на фиг. 6 представлена схема распределения потенциала при плазменной обработке RAD;
на фиг. 7А и 7В показана схема системы покрытия при обработке партии изделий с расположенной в центре экранированной катодной камерой;
на фиг. 8А показана схематическая иллюстрация варианта системы на фиг. 7А и 7В;
на фиг. 8В показана схематическая иллюстрация варианта системы на фиг. 7А и 7В;
на фиг. 8С показана схематическая иллюстрация варианта системы на фиг. 7А и 7В;
на фиг. 8D представляет собой схематическую иллюстрацию вариации системы на фиг. 7А и 7В;
на фиг. 8Е показана схематическая иллюстрация варианта системы на фиг. 7А и 7В;
на фиг. 8F показана схематическая иллюстрация варианта системы на фиг. 7А и 7В;
на фиг. 8G показана схематическая иллюстрация контуров магнетика для систем на фиг. 8А-8С;
на фиг. 8-Н показана схематическая иллюстрация контуров магнетика для систем на фиг. 8А-8С;
на фиг. 9А показана схематическая иллюстрация системы покрытия, имеющей дополнительные магнетроны;
на фиг. 9В показана схематическая иллюстрация системы покрытия, имеющей дополнительные магнетроны;
на фиг. 9С показана схематическая иллюстрация системы покрытия, имеющей дополнительные магнетроны;
на фиг. 9D показана схематическая иллюстрация системы покрытия, имеющей дополнительные магнетроны;
на фиг. 9Е показана схематическая иллюстрация системы покрытия, имеющей дополнительные магнетроны;
на фиг. 10 схематично представлено описание физических процессов, которые вовлечены в двунаправленный разряд удаленной дуги;
на фиг. 11 схематично представлено описание системы покрытия при обработке партии изделий с периферийно расположенным узлом экранированной катодной камеры;
на фиг. 12 схематично представлена иллюстрация дополнительной вариации, имеющей экранированный холодный катодный источник электронной эмиссии с вакуумной дугой, расположенный в центре камеры покрытия;
на фиг. 13 схематично представлена иллюстрация системы, включающей в себя катодный источник электронной эмиссии электронов с вакуумной дугой;
на фиг. 14А представлена схематичная иллюстрация варианта системы покрытия, в которой используется фильтр макрочастиц;
на фиг. 14В представлена схематичная иллюстрация варианта системы покрытия, в которой используется фильтр макрочастиц;
на фиг. 14С представлена схематичная иллюстрация варианта системы покрытия, в которой используется фильтр макрочастиц;
на фиг. 15А схематично представлен вид сбоку системы RAAMS;
на фиг. 15В схематично представлен вид сбоку перпендикулярно виду на фиг. 15А;
на фиг. 16 представлена схематичная иллюстрация варианта фиг. 15А и 15В с катодом в одном из отсеков катодной камеры и с двумя пятнами дуги катода;
на фиг. 17 представлена схематичная иллюстрация альтернативной конфигурации удаленной плазменной системы, в которой используется компоновка коаксиальной камеры для системы покрытия при обработке партии изделий с плоскими магнетронными источниками;
на фиг. 18А показана схематическая иллюстрация усовершенствования с отдельными камерами первичного катода для каждого магнетронного источника напыления;
на фиг. 18В показана схематическая иллюстрация усовершенствования с отдельными камерами первичного катода для каждого магнетронного источника напыления;
на фиг. 19А показана схематическая иллюстрация улучшенного варианта систем на фиг. 14-18;
на фиг. 19В показана схематическая иллюстрация улучшенного варианта систем на фиг. 19А;
на фиг. 19С показана схематическая иллюстрация улучшенного варианта систем на фиг. 19А;
на фиг. 19D показан вид в перспективе модуля RAAMS с электродной решеткой;
на фиг. 19Е схематично показан вид другой системы покрытия с удаленным анодом;
на фиг. 19F показан вид в поперечном сечении системы, показанной на фиг. 19Е;
на фиг. 20 представлена схематическая иллюстрация варианта, в котором используется дуговой источник катодной электронной эмиссии с нерасходуемым катодом.
на фиг. 21А схематично представлен вид, на котором держатель подложки помещен между анодом и источником магнетронного напыления;
на фиг. 21В схематично представлен вид, на котором проводной анод размещен между держателем подложки и источником магнетронного напыления;
на фиг. 22А схематично представлен вид подложки с покрытием, нанесенным в процессе удаленного дугового разряда с помощью плазмы;
на фиг. 22В схематично представлен вид подложки с многослойным покрытием, нанесенным в процессе удаленного дугового разряда с помощью плазмы.
Раскрытие изобретения
Далее будет сделана ссылка на детали предпочтительной в настоящее времени композиции вариантов осуществления и способов настоящего изобретения, которые составляют наилучшие режимы осуществления на практике изобретения, известные в настоящее время авторам изобретения. Фигуры необязательно выполнены в масштабе. Однако следует понимать, что раскрытые варианты осуществления представляют собой просто примеры изобретения, которое может быть воплощено в различных и альтернативных формах. Поэтому конкретные детали, раскрытые здесь, не следует интерпретировать как ограничение, а просто как репрезентативную основу для любого аспекта изобретения и/или как репрезентативную основу для обеспечения понимания для специалиста в данной области техники возможности использования по-другому настоящего изобретения.
За исключением примеров или где в случаях, когда явно обозначено другое, все цифровые величины в этом описании, обозначающие количество материала или условия реакции, и/или использования, следует понимать, как модифицированное словом "приблизительно" при описании самого широкого объема изобретения. Практическое воплощение в установленных цифровых пределах, в общем, является предпочтительным. Кроме того, если только явно не будет выражено противоположное: процент, "части" и значения отношений, представлены по массе; описание группы или класса материалов как соответствующее или предпочтительное для данного назначения в связи с изобретением означает, что смеси любых двух или больше из элементов группы или класса в равной степени пригодны или являются предпочтительными; описание составляющих в химических терминах относится к составляющим во время добавления к любой комбинации, указанной в описании, и необязательно предотвращает химические взаимодействия между составляющими смеси после их смешивания; первое определение акронима или других сокращений относится ко всему последующему использованию здесь тех же сокращений и подвержено с соответствующими изменениями нормальным грамматическим изменениям первоначально определенной аббревиатуры; и, если только явно не будет выражено противоположное, измерение свойства определяют, используя ту же технологию, как и ранее или позже со ссылкой на то же свойство.
Также следует понимать, что данное изобретение не ограничено конкретными вариантами осуществления и способами, описанными ниже, поскольку конкретные компоненты и/или условия, конечно, могут изменяться. Кроме того, используемая здесь, терминология применяется только с целью описания конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения и не предназначена для ограничения каким-либо образом.
Следует также отметить, что, как используется в описании и приложенной формуле изобретения, форма единственного числа включает ссылки на множественное число, если только в контексте не будет ясно обозначено другое. Например, ссылка на компонент в единственном числе должна содержать множество компонентов.
В данном описании, при ссылке на публикации, раскрытие этих публикаций в их полноте тем самым включено по ссылке в настоящей заявке для полного описания состояния предшествующего уровня техники, к которому относится настоящее изобретение.
Со ссылкой на фиг. 1А, 1В, 1С и 1D, предусмотрена система покрытия, в которой используется плазма удаленного дугового разряда. На фиг. 1А показан идеализированный вид сбоку системы покрытия. На фиг. 1В показан вид спереди перпендикулярно виду на фиг. 1А. На фиг. 1С представлено описание схемы системы покрытия, включающей в себя электрические провода. Система, в соответствии с данным вариантом осуществления, в частности, полезна для улучшения дуговой плазмы в процессах нанесения покрытия путем магнетронного напыления в большой области. Система 10 покрытия включает в себя вакуумную камеру 12 с узлом покрытия, расположенным в ней. Узел покрытия включает в себя источник 16 пара, узел 18 катодной камеры, расположенный в вакуумной камере 12, и держатель 20 подложки для удержания подложек 22, предназначенных для нанесения покрытия. На фиг. 1А и 1В представлен вариант, в котором источник 16 пара представляет собой источник магнетронного напыления таким образом, что процесс покрытия системы 10 представляет собой дистанционный процесс магнетронного напыления (RAAMS). Такие источники магнетронного напыления включают в себя мишень Ts, источник Ps питания и анод As. Следует понимать, что другие типы источников пара можно использовать в качестве источника 16 пара. Примеры таких источников пара включают в себя, но не ограничиваются этим, тепловые испарители, испарители на электронных лучах, испарители на катодных дугах и т.п. Подложки 22 располагаются перед источником 16 пара во время нанесения покрытия и перемещаются вдоль направления d1 во время осаждения покрытия. В улучшенной форме подложки могут подаваться непрерывно из загрузочной камеры справа от вакуумной камеры 12 и могут поступать в выходную камеру слева от вакуумной камеры 12 по фиг. 1А. Узел 18 катодной камеры включает в себя катодное ограждение 24 с отверстиями 26, сформированными в нем, излучающий электроны катод 28, необязательный отдельный первичный анод 34 и экран 36. Экран 36 изолирует катод 28 электронной эмиссии от вакуумной камеры 12. В улучшенном варианте необязательный отдельный анод 34, катодное ограждение 24, экран 36 или соединение с землей работают, как первичный анод, связанный с катодом.
Узел 18 катодной камеры работает, как катодный источник, излучающий электроны, в контексте настоящего варианта осуществления. В улучшенном варианте первичную дугу генерируют в катодном источнике, излучающем электроны, между катодом 28 и первичным анодом. Катодное ограждение 24 может использоваться, как в качестве независимого первичного анода, соединенного с положительным полюсом источника 48 питания первичной дуги, так и в качестве заземленного анода, когда оно соединено с землей 34. В экране 36 образованы отверстия 38 для передачи тока 40 электронной эмиссии от катода 28 в вакуумную камеру 12. Потенциал экрана может быть плавающим, или он может быть соединен с положительным полюсом любого из первичного источника 48 питания дуги или дополнительного источника питания (не показаны). В другом варианте усовершенствовании катод 28 представляет собой катод с катодной дугой, и заземленный первичный анод 34 представляет собой анод для катодной дуги. Любое количество разных катодов можно использовать в качестве катода 28, излучающего электроны. Примеры таких катодов включают в себя, но не ограничены этим, холодные вакуумные дуговые катоды, полые катоды, термоэлектронные катоды с нитью накаливания и т.п., и их комбинации. Как правило, мишень-катод состоит из металла, обладающего способностью поглощения газа, включая в себя сплавы титана и циркония. В варианте осуществления экран катодной камеры имеет водяное охлаждение, и к нему приложен потенциал с отрицательным сдвигом относительно мишени-катода, в котором потенциал сдвига экрана находится в диапазоне от -50 вольт до -1000 вольт. В еще одном, другом варианте осуществления узел 18 катодной камеры включает в себя катодную сборку, имеющую множество мишеней-катодов, установленных в ней, при этом высота сборки мишени-катода, по существу, является такой же, как и высота удаленного анода и высота области осаждения. Разделение от верхней части узла катодной камеры или источника 16 пара до подложек 22 (то есть до верхней части подложек) установлено таким образом, что плазма, стекающая с катода 28 к удаленному аноду 44, получается ограниченной. Типично, расстояние разделения от экрана 36 узла катодной камеры или от испарительной поверхности источника 16 пара, или от удаленного анода 44 до подложек 22 составляет от приблизительно 2 дюймов до приблизительно 20 дюймов, в результате чего формируется узкий коридор для ограничения плазмы удаленной дуги между катодом 28 в катодной камере 18 и удаленным анодом 44. Когда ширина этого коридора составляет меньше чем 2 дюйма, он создает высокий импеданс в плазме, в результате чего возникает нестабильность плазмы и, в конечном итоге, происходит затухание разряда удаленной дуги. Когда ширина этого коридора больше, чем 20 дюймов, плотность плазмы в разряде удаленной дуги увеличивается недостаточно, для ионизации потока напыляемого металла. В особенно полезном варианте осуществления мишень-катод с большой площадью, имеющую форму пластины или бруска, устанавливают в узел 18 катодной камеры. Как правило, такая мишень-катод с большой площадью имеет высоту, по существу, равную высоте анода и высоте области осаждения. В варианте осуществления мишень-катод может быть изготовлена из металла, обладающего способностью поглощения газа, такого, как, например, сплав титана или сплав циркония. В этом случае источник излучения электронов в виде экранированного катода также может использоваться, как вакуумный насос, собирающий газы, который может улучшить эффективность откачки газов из системы нанесения покрытия. Для дальнейшего улучшения эффективности откачки путем поглощения газов, экран 36, обращенный к испаряющейся поверхности мишени-катода 28 в катодной камере 18, может быть выполнен с водяным охлаждением и, в случае необходимости, может быть подключен к источнику питания смещения с высоким напряжением. Когда на экране 36 с водяным охлаждением устанавливают смещение с высоким отрицательным потенциалом в диапазоне от -50 В до -1000 В относительно мишени-катода 28, он будет подвергаться интенсивной ионной бомбардировке ионами металлов, генерируемыми в процессе испарения катодной дуги. Конденсация паров металла в условиях интенсивной ионной бомбардировки является предпочтительной для откачки инертных газов, таких как Не, Ag, неон, ксенон, криптон, а также водорода.
Система 10 также включает в себя удаленный анод 44, электрически соединенный с катодом 28, первичный источник 48 питания, соединенный между катодом 28 и анодом, соединенным с первичным катодом. Удаленный анод 44 расположен в вакуумной камере 12 таким образом, что источник 16 пара располагается между узлом 18 катодной камеры и удаленным анодом. В варианте осуществления множество источников пара располагается между узлом 18 катодной камеры и удаленным анодом 44, как более подробно описано ниже. Система 10 также включает в себя вторичный источник 52 питания, который электрически соединяет катод 28 с удаленным анодом 44. Фильтр 54 низкой частоты также представлен на фиг. 1А, который включает в себя резистор R и конденсатор С. Как правило, источник 16 паров расположен между узлом 18 катодной камеры и удаленным анодом 44. Система 10 дополнительно включает в себя систему 56 откачки для поддержания пониженного давления и систему 58 газа для ввода одного или больше газов (например, аргона, азота, гелия и т.д.) в камеру 12 осаждения. В варианте осуществления, вторичный источник 52 питания, который обеспечивает питание разряда удаленной дуги в камере 12 нанесения покрытия, установлен между узлом 18 катодной камеры и удаленным анодом 44 и обеспечивает, по меньшей мере, на 20% более высокое напряжение в разомкнутой цепи, чем первичный источник 48 питания.
Также, как показано на фиг. 1А, 1В, 1С и 1D, первичная дуга инициируется воспламенителем 60 дуги в катодной камере 24, изолированной от разрядной камеры экраном 36 с отверстиями 38 для передачи электронного тока 40. Как правило, потенциал плазмы рядом с экраном будет низким, близким к потенциалу плазмы в узле 18 катодной камеры, в то время как в плазме разряда удаленной дуги электрический потенциал высокий, близкий к электрическому потенциалу удаленного анода 44. На фиг. 2 представлено типичное распределение потенциала плазмы между экраном и удаленным анодом, полученное путем моделирования с конечными элементами. Неожиданно, для настоящей системы покрытия была определена возможность формировать ограниченную плазменную дугу, которая протекает от узла 18 катодной камеры к удаленному аноду 44. На фиг. 1D показана схематичная иллюстрация, представляющая движение плотности плазмы между удаленным анодом 44 и катодом 28. Ограниченная плазма протекает струей (то есть в виде струи плазмы) между удаленным анодом и катодом через область нанесения покрытия. Концы ограниченной плазмы движутся вдоль направления d4, как показано на фиг. 1D. Пятно 66 дуги формируется на катоде 28, вместе с зоной 68 эрозии. Поле 62 плазмы на удаленном аноде 44 и поле 64 плазмы на катоде 28 ограничены по размерам в пространстве от приблизительно 1 до 5 дюймов вдоль направления d4. В одном варианте осуществления магнитные поля используются для выполнения растрового движения вдоль d4. В другом варианте осуществления растровое движение выполняется путем механического перемещения катода 28 вдоль направления d4. В еще одних, других вариантах осуществления нить накаливания для эмиссии, бомбардирующей катод электронами, перемещается вдоль d4. В еще других вариантах осуществления, как показано на фиг. 1Е, катод включает в себя множество элементов 281-6 катода, которые последовательно активируют для формирования струи плазмы, перемещающейся вдоль d4. Ограничение дуги плазмы приводит к получению горячей плазменной струи с высокой плотностью, которая соединяет пятна катодной дуги на первичном катоде с соответствующей областью на удаленном аноде, проходя через относительно узкий коридор, сформированный между стенками камеры (с закрепленными на ней первичными катодами, анодами и магнетронами), и держателем подложки. В результате, обеспечивается высокая плотность тока в движущейся струе плазмы, соединяющей катод с удаленным анодом. В варианте осуществления плотность тока в плазме RAAMS в этом узком коридоре составляет от 0,1 мА/см2 до 100 А/см2. Как правило, плотность ne электронов в фоновой плазме удаленной дуги находится в диапазоне от приблизительно ne~108 см-3 до приблизительно ne~1010 см-3, в то время как в пределах ограниченной области струи дуговой плазмы плотность электронов находится в диапазоне от ne~1010 см-3 до приблизительно ne~1013 см-3. Ограничение, формирующее струю плазмы, представляет собой результат соотношений физических размеров между компонентами, как указано более подробно ниже, а также результат применения магнитных полей. В частности, разряд работает с очень высоким потенциалом плазмы, который соответствует высокой энергии ионной бомбардировки (то есть энергия ионной бомбардировки представляет собой разность между потенциалом плазмы (относительно земли), и потенциалом смещения подложки (относительно земли)). Даже при использовании подложек с плавающим и заземленным потенциалом, получают ионы с энергией 50-70 эВ, поскольку потенциал плазмы превышает 50 В. В варианте осуществления потенциал плазмы составляет от 5 В до 500 В.
Со ссылкой на фиг. 1А и 1В, будет представлен аспект относительных размеров различных компонентов системы 10 нанесения покрытия. Удаленный анод 44 имеет линейный размер Da удаленного анода. Источник 16 паров имеет линейный размер Dv источника паров. Мишень-катод Ts имеет линейный размер Dc мишени-катода. Держатель 20 подложки имеет линейный размер Dh держателя. В варианте осуществления, линейный размер Da удаленного анода, линейный размер Dv источника паров, линейный размер Dc мишени-катода и линейный размер Dh держателя параллельны друг другу. В другом варианте осуществления линейный размер Da удаленного анода больше или равен линейному размеру Dv источника паров, который больше или равен линейному размеру Dc мишени-катода, который больше или равен линейному размеру Dh держателя.
В варианте настоящего варианта осуществления несколько удаленных анодов ассоциированы (то есть электрически соединены), по меньшей мере, с одним дуговым катодом, расположенным в узле 18 экранированной катодной камеры. Удаленные аноды располагаются в стратегических положениях внутри камеры для нанесения покрытия.
В другом варианте осуществления перпендикулярные расстояния между каждым из источников пара (например, источником 16 пара) и подложками 22, для которых требуется нанести покрытие, по существу, равны. Кроме того, в дополнительном варианте осуществления, расстояние между катодом 28 и удаленным анодом 44 меньше, чем расстояние, при котором происходит пробой, когда приложенное напряжение вторичного источника 52 питания превышает от 1,2 до 30 раз приложенное напряжение первичного источника 48 питания.
Во еще одном, другом варианте осуществления настоящего изобретения, датчики плазмы установлены между катодом 28 и удаленным анодом 44 для измерения плотности плазмы. Такие измерения обеспечивают обратную связь таким образом, что второй источник 52 питания можно регулировать для обеспечения настройки тока удаленного анода для удаленного анода 44, для получения равномерного распределения плотности плазмы между узлом 18 катодной камеры и удаленным анодом 44.
Моделирование плазмы удаленной дуги, в соответствии с настоящим вариантом осуществления отличается распределением электрического потенциала между узлом 18 катодной камеры и удаленным анодом 44 и плотностью плазмы в плазме разряда удаленной дуги. Потенциал плазмы в плазме разряда удаленной дуги и потенциал анода увеличивается при увеличении тока удаленного разряда. Плотность плазмы в плазме разряда удаленной дуги увеличиваются практически пропорционально току разряда. Этот результат был проверен с использованием спектроскопии оптической эмиссии плазмы разряда удаленной дуги. На фиг. 3 представлена интенсивность излучения атомов аргона (спектральная линия ArI 739,79 нм), возбужденных от плазмы разряда удаленной дуги, в зависимости от тока разряда. Как можно видеть, интенсивность излучения света атомами аргона, возбуждаемыми прямой бомбардировкой электронами, приблизительно пропорциональна току разряда. Это явление поясняется прямой пропорциональной взаимосвязью между концентрацией электронов в плазме удаленной дуги и током разряда удаленной дуги. Концентрация ионов при разряде удаленной дуги приблизительно равна концентрации электронов таким образом, что поддерживается квазинейтральность плазмы.
Со ссылкой на фиг. 4А, 4В и 4С, будут представлены варианты настоящего варианта осуществления по цепи источников магнетронного напыления, установленных в линию между узлом камеры экранированного катода, с одной стороны, и анодом удаленной дуги, с другой стороны. В этом контексте термин "в линию" означает, что компоненты расположены линейно таким образом, что подложки могут перемещаться над компонентами, при их движении в линейном направлении. На фиг. 4А представлена схема системы нанесения покрытия, имеющей дополнительные удаленные аноды, расположенные между источником магнетронного напыления с дополнительными узлами экранированной катодной камеры, добавленными для обеспечения однородности и высокой степени ионизации среды газовой плазмы. Система 70 нанесения включает в себя вакуумную камеру 72 с подключенными системами поддержания вакуума и подачи газа, как представлено выше. Система 70 нанесения также включает в себя источники 76 и 78 паров, узлы 80 и 82 катодной камеры и держатель 84 подложки для удержания подложки 22, на которую требуется нанести покрытие. На фиг. 4А представлен вариант, в котором источники 76, 78 паров представляют собой источники магнетронного напыления. Подложки располагаются перед источниками паров во время нанесения покрытия. Как правило, подложки 22 движутся вдоль направления d1 во время нанесения покрытия. Узлы 80 и 82 катодной камеры, соответственно, включают в себя катодные ограждения 90 и 92 с отверстиями 94 и 96, образованными в них, катоды 98 и 100, необязательные первичные аноды 102 и 104, и экраны 106, 108. Экраны 106, 108, соответственно, изолируют катоды 98, 100 от вакуумной камеры 72. Каждый экран 106, 108 образует отверстия для передачи тока электронной эмиссии в вакуумную камеру 72. В варианте осуществления катоды 98, 100 представляют собой катоды для катодной дуги, и первичные аноды 102, 104 представляют собой аноды для катодной дуги. Система 70 также включает в себя удаленные аноды 110, 112, соответственно, электрически соединенные с катодам 98, 100. В варианте осуществления, как представлено на фиг. 4А, узлы экранированной катодной камеры, источники паров (например, магнетронной мишени) и удаленные аноды выровнены вдоль прямой линии, которая пригодна для систем нанесения покрытия, установленных в линию.
На фиг. 4В приведен пример схемы описания системы для нанесения покрытия, которая включает в себя переменные резисторы, установленные между главным анодом и каждым из множества вспомогательных анодов. В таком варианте осуществления система 120 нанесения покрытия включает в себя вакуумную камеру 122 и узел 124 катодной камеры, который имеет общую конструкцию, представленную выше. Узел 124 катодной камеры включает в себя катодную камеру 126, катод 128, воспламенитель 130 дуги, экран 132, в котором сформировано множество отверстий, и необязательный первичный анод 134. Система 120 также включает в себя первичный источник 136 питания, который соединяет катод 128 и первичный анод 134 и источники 136, 138, 140 магнетронного напыления. Каждый источник магнетронного напыления имеет мишень Ts, источник Ps питания и соответствующую систему 120 противоположного электрода, которая также включает в себя удаленный анод 142 с вторичным источником 144 питания, который обеспечивает потенциал между катодом 128 и удаленным анодом 142. Система 120 также включает в себя вспомогательные аноды 146, 148, 150, 152, в которым приложены промежуточные потенциалы, установленные переменными резисторами R1, R2, R3 и R4. В этом варианте осуществления плотностью распределения плазмы можно управлять путем изменения тока через каждый из вспомогательных анодов, используя переменные резисторы R1, R2, R3 и R4. Расстояния между вспомогательными анодами и расстояние между вспомогательным анодом, ближайшим к главному аноду и главным анодом, не могут быть больше, чем минимальное расстояние прерывания разряда плазмы при составе и давлении газа, используемых во время обработки.
На фиг. 4С представлен вариант осуществления, в котором резистор, включенный параллельно конденсатору, используется для установки потенциалов промежуточного анода. В этом варианте осуществления резистор R5, включенный параллельно С5, устанавливает потенциал для анода 146, резистор R6, включенный параллельно С6, устанавливает потенциал для анода 148, резистор R7, включенный параллельно С7, устанавливает потенциал для анода 150, и резистор R8, включенный параллельно С8, устанавливает потенциал для анода 152. В этом варианте осуществления конденсаторы используются для расширения процесса RAAMS вдоль расстояния заряда путем импульсного воспламенения разрядов удаленной дуги между катодом в катодной камере и каждым из вспомогательных анодов, помещенных между катодом в катодной камере, и главным анодом. Следует понимать, что во вспомогательных анодах также могут быть предусмотрены дополнительные независимые источники питания; каждый из источника питания вспомогательного анода может быть установлен между катодом 128 и соответствующим вспомогательным анодом. Напряжение разомкнутой цепи каждого вторичного источника питания, соединенного либо с главным анодом или со вспомогательным анодом, превышает, по меньшей мере, в 1,2 раза напряжение разомкнутой цепи первичного источника 136 питания дуги.
В еще одном другом варианте изобретения модульная конфигурация в линию установки RAAMS представлена на фиг. 5. Такая система установки в линию может включать в себя любое количество станций нанесения и/или станций обработки поверхности (например, плазменной очистки, ионной имплантации, насыщения углеродом, азотирования и т.д.). В варианте, показанном на фиг. 5, система 154 нанесения покрытия включает в себя модули 156-164, которые выровнены в линию. Модули 156-164 разделены от соседнего модуля клапаном 166-176 с загрузочным шлюзом. Модульная система 154 модификации поверхности RAAMS включает в себя модуль 156, который представляет собой камеру - модуль, имеющую экранированную камеру 178 катодной дуги и удаленный анод 180, расположенный вдоль одной стенки камеры, как описано выше. Необязательный набор магнитных катушек 182, 184, которые формируют продольное магнитное поле в диапазоне от 1-100 Гс вдоль камеры нанесения покрытия, также показанной на этом чертеже. Этот модуль 156 выполняет следующие операции: загрузку подложки; ионное вытравливание или ионную очистку подложек, используя бомбардировку ионами высокой энергии (обычно Ε>200 eV) в аргоне с плазмой дугового разряда удаленного анода (RAAD), генерируемой между катодом в экранированной камере катода и удаленным анодом; и кондиционирование подложек, на которые должно быть нанесено покрытие мягкой ионной бомбардировкой (обычно Ε<200 eV) в аргоновой плазме RAAD, генерируемой между катодом в экранированной катодной камере и удаленным анодом. Второй модуль 158 выполняет ионное азотирование поверхности подложки, на которую должно быть нанесено покрытие в азотной смеси или в смеси аргон - азот, в плазме RAAD, генерируемой между катодом в экранированной катодной камере и удаленным анодом. Скорость азотирования с положением плазмы HSS, М2 и стали 440С в процессе азотирования плазмой при погружении в плазму RAAD достигает от 0,5 до 1 мкм/мин при давлении от 0,1 мТорр до 200 мТорр и при токе удаленного анода в диапазоне от 10 до 300 ампер, но обычно в пределах диапазона давлений 0,2-100 мТорр и токе удаленного анода в диапазоне от 10 до 200 ампер. Ионное азотирование при погружении плазмы RAAD представляет собой низкотемпературную обработку, при которой температура подложки обычно не превышает 350°С. В этом процессе подложки могут иметь плавающий потенциал, могут быть заземлены, или в них может быть подан потенциал смещения с очень малым отрицательным напряжением смещения (например, ниже -100 В). Ионное азотирование при таких низких напряжениях смещения возникает из-за высокого положительного потенциала плазмы RAAD, которое обеспечивает получение ионов плазмы с чрезмерной энергией от высокого потенциала плазмы, который превышает потенциал заземленной подложки. В качестве альтернативы, имплантация ионов с малой энергией таких элементов как азот, фосфор, кремний, углерод газообразной плазмой RAAD также может выполняться при относительно низких напряжениях смещения подложки обычно в пределах от -200 до -1500 вольт. Схема распределения потенциала при плазменной обработке RAAD показана на фиг. 6. При типичной плазменной обработке RAAD первичный катод имеет потенциал в пределах от -20 до -50 вольт относительно первичного анода земли. В варианте осуществления потенциал плавающей подложки находится в диапазоне от -10 до -50 вольт относительно первичного катода. Потенциал подложки со смещением при ионном азотировании, науглероживании и в других процессах насыщения в результате диффузии ионов обычно составляет от -10 до -200 В относительно первичного катода, в то время, как в процессе имплантации ионов низкой энергии с погружением в плазму RAAD смещение подложки обычно составляет от -200 до -1500 вольт.
Следует понимать, что компоновка модульной камеры по фиг. 5 также может использоваться для выполнения процессов, выполняемых с помощью дуговой плазмы вспомогательного удаленного анода CVD (RAACVD), в газообразных плазменных камерах RAAD (например, модулях 156, 158 и 164 на фиг. 5). Например, такая установка процесса погружения в плазму низкого давления CVD может использоваться для нанесения поликристаллических алмазных покрытий в атмосфере газа, формирующей плазму, состоящей из 0,1-1% метана и балансных количеств водородно-аргоновой смеси. Плазма RAAD действует, как мощный активатор реактивной атмосферы с высокой плотностью атомарного водорода и радикалов НС, которые способствуют формированию поликристаллического алмазного покрытия. В этом процессе подложка, на которую требуется нанести покрытие, может быть заземлена, может иметь плавающий потенциал или может быть смещена до отрицательного потенциала, но не ниже -100 вольт относительно первичного катода. Независимый массив излучающего нагревателя может использоваться для поддержания температуры подложки в диапазоне от 200°С до 1000°С, в соответствии с необходимостью, для нанесения поликристаллического алмазного покрытия при улучшенной плазменной обработке низкого давления CVD.
В другом варианте осуществления предусмотрена система покрытия, имеющая плазменные источники, выровненные вдоль криволинейных стенок. На фиг. 7А схематично представлен вид сверху системы нанесения покрытия при групповой обработке, расположенной в центре экранированной катодной камеры. На фиг. 7В представлен схематичный вид в перспективе системы нанесения покрытия при групповой обработке по фиг. 7А. Система 190 нанесения покрытия включает в себя вакуумную камеру 192, катодную камеру 194, которая включает в себя катод 196 и экран 198. Вакуумная камера 192 имеет, по существу, круглое поперечное сечение. Система 190 также включает в себя первичный источник 170 питания, который устанавливает потенциал между катодом 196 и первичным анодом 202. Система 190 также включает в себя источники 204-210 магнетронного напыления, каждый из которых включает в себя мишень Ts, источник Ps питания и анод As. В варианте осуществления источники 204-210 магнетронного напыления расположены вдоль круга, имеющего тот же центр, что и поперечное сечение вакуумной камеры 192. Система 190 также включает в себя удаленные аноды 212 и 214, для которых установлен потенциал относительно катода 194 источниками 216 и 218 питания. В этом варианте осуществления, подложки 22 движутся вдоль оси вдоль кругового направления d2, при нанесении на них покрытия. В каждом из вариантов на фиг. 7А и 7В, плазма протекает между катодом 196 и удаленными анодами. Такие потоки ограничены разделением между удаленным анодом (или источниками рассеяния) и подложками (то есть верхней частью подложек), которое обычно составляет 2-20 дюймов. Ограничение сохраняется через зону нанесения покрытия. Кроме того, для плазмы выполняют растровую развертку вдоль катода в направлении, перпендикулярном движению подложек, как указано выше со ссылкой на фиг. 1D.
Как упомянуто выше, удаленные аноды 212 и 214 имеют линейный размер Da удаленного анода. Источники 204-210 магнетронного напыления имеют линейный размер Ds источника. Мишень-катод 196 имеет линейный размер Dc мишени-катода. Держатель 20 подложки имеет линейный размер Dh держателя. В варианте осуществления линейный размер Da удаленного анода, линейный размер Dc мишени-катода и линейный размер Dh держателя расположены параллельно друг другу. В другом варианте осуществления линейный размер Da удаленного анода больше или равен линейному размеру Dc мишени-катода, который больше чем или равен линейному размеру Dh держателя.
Следует понимать, что внешнее магнитное поле может применяться в камере для нанесения покрытия для вариантов осуществления, описанных выше, для дополнительного улучшения плотности плазмы во время обработки осаждения покрытия путем улучшенного магнетронного напыления дуговой плазмы. Предпочтительное магнитное поле будет иметь линии магнитного поля, выровненные, в общем, параллельно камере катодной дуги и/или удаленному аноду. Это способствует увеличению напряжения разряда дуги и, следовательно, энергии электронов, и длины распространения плазмы дуги вдоль камеры нанесения покрытия. Например, внешнее магнитное поле может применяться вдоль камер для нанесения покрытия в системе для нанесения покрытия в линию, показанной на фиг. 5.
Однородное распределение плотности плазмы в камерах для нанесения покрытия, описанных выше, может быть достигнуто путем соответствующего распределения, как удаленных анодов, так и поверхности излучения электронов экранированных мишеней вакуумного дугового катода, для равномерного охвата области нанесения покрытия. Например, если область нанесения покрытия имеет высоту 1 м, тогда обе поверхности, излучающие электроны, экранированной мишени-катода, и поверхности удаленного анода, собирающие электронный ток, должны быть распределены для равномерного охвата такой области нанесения покрытия высотой 1 м. Для достижения таких требований, несколько малых мишеней-катодов могут быть установлены в экранированной катодной камере, причем каждая из мишеней-катодов соединена с отрицательным полюсом независимого источника питания. Мишени-катоды распределены, в общем, равномерно таким образом, что потоки электронов, излучаемые каждой из мишеней-катодов, накладываются снаружи экранированной катодной камерой, обеспечивая, в общем, равномерное распределение плотности электронов по области осаждения покрытия. Положительные полюсы источников питания удаленной дуги могут быть соединены с одной большой анодной пластиной, имеющей высоту, в общем, такую же, как и высота области нанесения покрытия, и обращенной к держателю подложек с подложками, на которые должно быть нанесено покрытие, как показано на фиг. 1 и 4-6. Набор анодных пластин, каждая из которых соединена с положительным полюсом источников питания удаленной дуги, может использоваться для обеспечения равномерного распределения плотности электронов по области осаждения покрытия. Аналогично, для использования набора малых мишеней-катодов в экранированной катодной камере, одна большая мишень-катод, имеющая линейный размер, аналогичный линейному размеру области осаждения покрытия, может использоваться в качестве катода для разряда удаленной дуги. В этом случае выполняют растровую развертку пятен электронной эмиссии (то есть пятен катодной дуги) по мишени-катоду для обеспечения, в общем, равномерного распределения тока электронной эмиссии по области осаждения покрытия. Растровая развертка пятен катодной дуги по большой площади мишени-катода может быть обеспечена, например, с помощью магнитного управления пятнами катодной дуги по области испарения дуги мишени-катода или используя механическое движение.
Со ссылкой на фиг. 8А-8Н будут описаны схематичные иллюстрации, представляющие вариант системы покрытия по фиг. 7А и 7В, в которых используется пятно катодной дуги с магнитным управлением. В данном варианте содержатся свойства патента США №6,350,356, полное раскрытие которого представлено здесь по ссылке. Как показано на фиг. 8А, система 190' включает в себя магнитную катушку 270 канала, окружающую плазменный канал 272, который сформирован в катодной камере 194 между двумя противоположными сторонами корпуса 274. Катушка 270 включает в себя обмотку 270а, которая обращена к стороне 196а мишени-катода 196 и противоположную обмотку 270b, обращенную к стороне 196b мишени-катода 196. Мишень-катод 196, в общем, имеет форму бруска с длинным размером dA. Катушка 270 канала генерирует магнитное поле вдоль канала 272, при этом линии магнитного поля, в общем, расположены параллельно сторонам 196а и 196b мишени-катода 196. Когда пятно 278 катодной дуги воспламеняют на испарительных поверхностях 196а или 196b, пятно 278 дуги передвигается вдоль длинной стороны катода 196 в виде бруска. На конце бруска пятно 278 дуги переключает стороны и продолжает свое движение в противоположном направлении на противоположной стороне бруска. Изолирующие керамические пластины (не показаны), соединенные на сторонах катодного бруска, перпендикулярно магнитным силовым линиям, предотвращают сход пятна дуги с испарительной поверхности катода 196. Экраны 198, в случае необходимости, установлены на концах плазменного канала 272, обращенных к областям покрытия камеры 192 для нанесения покрытия. В варианте осуществления экраны 198 выполнены подвижными для обеспечения возможности открывания и закрывания плазменного канала 272, в зависимости от этапа процесса нанесения покрытия. Когда экраны 198 закрыты, может быть проведена обработка RAAMS с улучшенной ионизацией среды магнетронного напыления плазмой RRAD. Когда концы канала 272 открыты, плазма катодной дуги протекает вдоль силовых магнитных линий, генерируемых катушкой 270 канала в направлении подложек 22, на которые требуется нанести покрытые, в результате чего происходит осаждение покрытия катодной дугой из плазмы металлического пара катодной дуги, из которой магнитное поле отфильтровывает нежелательные нейтральные атомы металла и макрочастицы. Осаждение покрытия с помощью отфильтрованной катодной дуги может быть выполнено в одной фазе обработки или совместно с магнетронным напылением, выполняемым источниками 204-210 магнетронного напыления. Ионизация и активация плазменной среды разрядом удаленной дуги, установленным между катодом 196 в катодной камере 194 и удаленными анодами 210, 214, улучшает плотность, гладкость и другие физико-химические и функциональные свойства покрытий.
На фиг. 8В и 8С, показаны схематичные иллюстрации, представляющие механизм магнитного управления пятнами катодной дуги вокруг катода в виде удлиненного прямоугольного бруска. Катод 196 в форме прямоугольного бруска расположен между двумя участками обмоток 270 катушки канала. Левая обмотка 270а и правая обмотка 270b обращены к испаряющимся сторонам катода 196. Сторона 196а обращена к стороне 270а катода обмотки катушки канала, в то время как сторона 196b катода обращена к стороне 270b обмотки катушки канала. Магнитное поле В, генерируемое обмотками 270 катушки канала расположено параллельно сторонам катода 196, обращенным к обмотке катушки канала и, одновременно с этим, расположено перпендикулярно оси dA удлиненного катода 196 (то есть длинных сторон мишени-катода 196). Когда происходит воспламенение пятна 278 катодной дуги на стороне 196 катода, обращенной к обмотке катушки канала, ток Iarc дуги генерируется перпендикулярно поверхности мишени-катода 196 и поэтому перпендикулярно магнитным силовым линиям В, генерируемым катушкой 270 канала. В этом случае, пятно дуги катода движется вдоль длинной стороны катода со средней скоростью Varc, которая пропорциональна силе Ампера, определенной произведением тока Iarc дуги и магнитного поля В, в соответствии с хорошо известным законом Ампера:
где с представляет собой коэффициент, который определен материалом катода. Направление движения пятна дуги (знак в круглой скобке в представленной выше формуле) также определяется материалом мишени-катода, поскольку магнитное поле, генерируемое катушкой 270 канала, расположено параллельно четырем сторонам мишени-катода (то есть является длинным в том же направлении вокруг испарительных сторон мишени-катода 196). Например, когда пятно 278а дуги катода формируется на стороне 196а катода, обращенной к обмотке 270а катушки канала, пятно дуги движется вниз от мишени-катода 196 вдоль длинной стороны 196а. На конце бруска катода пятна дуги поворачивают на короткую сторону 196d, после чего происходит поворот длинной стороны 196b и затем движение продолжается вверх вдоль длинной стороны 196b и т.д.
На фиг. 8С представлены пятна дуги, движущиеся вдоль испаряющихся сторон 196а, 196b, 196с и 196d мишени-катода 196, которые расположены параллельно магнитным силовым линиям 280, генерируемым катушкой 270 канала. Катушка канала получает питание от источника 282 питания катушки канала, в то время как источник 284 питания дуги соединен с мишенью-катодом 196. Катушка канала включает в себя катушки 270а и 270b, соединенные электрической цепью, включающей в себя проводники 286, 288, 290 и 290 тока. Стороны мишени-катода 196, перпендикулярные магнитным силовым линиям, покрыты изолирующими пластинами 294, которые предотвращают сход пятен дуги с испаряющейся поверхности мишени-катода 196. Плазма катодной дуги захватывается магнитными силами 280, генерируемыми катушками 270а и 270b канала, что предотвращают диффузию плазмы через магнитные силовые линии 280, в то время, как плазма может свободно двигаться вдоль магнитных силовых линий 280.
На фиг. 8D показаны дополнительные детали, относящиеся к управлению катодными пятнами катушкой канала. Магнитное поле, генерируемое катушкой 270 канала, управляет пятнами катодной дуги вдоль сторон бруска 196 мишени-катода, параллельно магнитным силовым линиям, как упомянуто выше. Направление движения пятен катодной дуги показано стрелками AD. Концы канала 272 плазмы открыты, что позволяет протекать плазме катодных паров металла вдоль магнитных силовых линий в направлении подложек 22, установленных на держателе 20 подложки в камере для нанесения покрытия. Нейтральные частицы и макрочастицы захватываются внутри катодной камеры на внутренних стенках канала 272, в результате чего получается практически 100% ионизированная плазма из металлических паров, которая поступает в область для нанесения покрытия снаружи плазменного канала 272. Такая конструкция катодной камеры является существенной в том, что отфильтрованный источник плазмы из паров металла катодной дуги позволяет избавиться от макрочастиц и нейтральных частиц в выходной плазме паров металла, обеспечивая практически 100% атомарно чистый ионизированный пар металла для осаждения и получения улучшенных покрытий. Плазма RAAD, установленная между катодом 196 и удаленными анодами 212, 214, улучшает ионизацию и активацию плазменной среды в процессе осаждения покрытия RAAMS, в результате чего, получают улучшенные свойства покрытия. В такой конструкции могут выполняться гибридные процессы осаждения покрытия в виде одиночной катодной дуги или осаждения покрытия магнетроном, или как гибридный процесс, комбинирующий плазму паров металла катодной дуги с потоком магнетронного напыления металла, погруженным в среду плазмы чрезвычайно ионизированного удаленного дугового разряда.
Также, обращаясь к фиг. 8D, проблема улучшения плазмы дугового разряда в процессе осаждения покрытия при магнетронном напылении на большой площади и в гибридных процессах решается при помещении, по меньшей мере, одного анода удаленной дуги вне линии прямого обзора с бруском 196 мишени-катода. В этом варианте, по меньшей мере, одна подложка 22, удерживаемая держателем 20' подложки, и источники 204-210 магнетронного напыления помещены в область камеры покрытия за пределами плазменного канала 272. Существующий процесс RAAMS эффективно погружает поток напыления металла, генерируемый обычными магнетронными источниками в плотную и чрезвычайно ионизированную газообразную плазму дугового разряда удаленного анода (RAAD). Источник питания (не показан) удаленной дуги, который питает плазму RAAD, установлен между мишенью-катодом 196 дуги и, по меньшей мере, одним удаленным анодом 212. На удаленные аноды 212, 214 подают, по меньшей мере, на 20% более высокое напряжение разомкнутой цепи, чем напряжение источника питания, который подает питание для первичного дугового разряда в катодной камере, который зажигается между катодом 196 дуги и проксимальным анодом. Проксимальный анод может быть выполнен, как внутренняя стенка ограждения 296а, 296b плазменного канала, или, в случае необходимости, как независимый анодный электрод в пределах плазменного канала 272. В другом улучшенном варианте могут быть использованы несколько дополнительных удаленных анодов, каждый из них связан, по меньшей мере, с одним катодом дуги, помещенным в пределах плазменного канала 272. Удаленные аноды размещены в стратегических положениях в пределах камеры покрытия между оконечными отверстиями плазменного канала 272 в поле зрения катода 196. Минимальное расстояние между оконечными отверстиями плазменного канала 272 и удаленными анодами 212, 214 должно быть меньше, чем расстояние пробоя плазменного разряда, когда напряжение, поданное между катодом и удаленным анодом в 1,2 - 10 раз превышает падение напряжения между катодом и первичным (проксимальным) анодом, который может быть либо электрически заземленным или изолированным.
На фиг. 8Е представлен вариант системы покрытия по фиг. 8A-8D, в котором используется фильтр макрочастиц. Дизайн этого варианта включает в себя улучшенный фильтр макрочастиц в соответствии с патентом США №7498587 и заявкой на патент ЕС. № ЕР 1852891 А2, все раскрытия которых тем самым включены здесь по ссылке. Система 190' включает в себя настроечные катушки 300а, и 300b размещенные рядом с противоположными сторонами мишени-катода 196 и обращенные к противоположным сторонам плазменного канала 272. На внутренних стенках противоположных каналов 296а и 296b предусмотрены выемки или, в случае необходимости, экраны для захвата макрочастиц. Обмотка 272 канала окружает канал 272 участком 270а витка, который расположен параллельно длинной стороне мишени-катода 196а, будучи обращенным к стороне 296а канала. Точно так же участок 270b витка расположен параллельно длинной стороне мишени-катода 196b, будучи обращенным к стороне 296b канала. Настроечные катушки 300а, 300b включают в себя магнитные сердечники 302, которые окружены электромагнитными катушками 304. Пятна катодной дуги перемещаются вдоль сторон 196а и 196b испарения мишени-катода 196 под влиянием силы Ампера, в соответствии с выражением (1), сформулированным выше. Стороны мишени-катода 196 перпендикулярные плоскости симметрии канала 272 закрыты керамическими пластинами 294а и 294b изоляции, чтобы препятствовать выходу пятен дуги за пределы поверхности испарения мишени-катода 196. Направление магнитного поля, генерируемого настроечными катушками 300a, b совпадает с направлением магнитного поля, генерируемого обмоткой 270 канала. Однако около поверхностей испарения мишени-катода 196а или 196b, силовые линии магнитного поля, генерируемые настроечными катушками 300а, b, имеют форму дуги, таким образом, обеспечивая возможность ограничения пятен катодной дуги в пределах области испарения мишени-катода, как требуется по известному правилу острого угла (см., например, R.L. Boxman, D.M. Sanders, и P.J. Martin, Handbook of Vacuum Arc Science and Technology. Park Ridge, N.J.: Noyes Publications, 1995, pgs. 423-444).
На фиг. 8F, 8G и 8H представлены схематичные описания, иллюстрирующие механизм ограничения дуги магнитным полем, генерируемым настроечными катушками 300а, b. Пятна 278 катодной дуги располагаются ниже верхней точки магнитных силовых линий в форме дуги, в соответствии с правилом острого угла ограничения пятна дуги. Магнитное поле с дугообразной конфигурацией над испарительной поверхностью мишени-катода 196 генерируется между южным полюсом регулирующей катушки 300а и Северным полюсом регулирующей катушки 300b на обеих сторонах мишени-катода 196, обращенной к каналу 272. Конфигурацию магнитного поля в канале 272 плазмы оценивают, используя цифровые расчеты. Магнитное поле с плазменным каналом 272, когда включены, как катушка 270 канала, так и регулирующие катушки 300, генерируется магнитное поле, направленное в том же направлении, как показано на фиг. 8G. На этом чертеже демонстрируется, что линии магнитного поля направлены в одном направлении, в то время, как они при этом имеют дугообразную конфигурацию в непосредственной близости к испарительной поверхности мишени-катода 196. В этом режиме из плазмы катодной дуги магнитное поле отфильтровывает нейтральные атомы металла и макрочастицы, и плазма протекает вдоль магнитных силовых линий от плазменного канала 272 в направлении подложек, на которые требуется нанести покрытие (не показаны) в области нанесения покрытия камеры, для нанесения покрытия за пределами плазменного канала 272. В этом режиме осаждения отфильтрованной катодной дуги практически 100% ионизированная плазма паров металла с небольшим количеством, если они присутствуют вообще, нейтральных атомов металла или макрочастиц осаждается на подложке, формируя, таким образом, покрытия без дефектов с исключительными свойствами. Покрытия, получаемые магнетронным напылением, также могут быть нанесены в этом режиме работы с помощью магнетронов, расположенных на внешних стенках плазменного канала 272. Дополнительная ионизация и активация плазменной среды для осаждения покрытия во время этого режима работы обеспечивается удаленным дуговым разрядом, который устанавливается между катодом 196 и удаленными анодами 212, 214, расположенными рядом с магнетронами во внешней стенке плазменного канала 272, или, в качестве альтернативы, на внутренней стенке камеры для нанесения покрытия, расположенной напротив магнетронных источников (не показано). На фиг. 8h показано, что силовые линии магнитного поля переключают направления внутри плазменного канала, когда плазменный канал 270 "выключен". Однако, когда обе регулирующие катушки 300а, b включены, магнитное поле в форме дуги генерируется над испарительной поверхностью мишени-катода 196. В зависимости от режима работы отклоняющее магнитное поле, генерируемое отклоняющей катушкой 270, может быть включено или "выключено". Когда магнитное поле отклоняющей катушкой 270 канала включено, плазма из паров металла, генерируемая мишенью-катодом 196, транспортируется в двух направлениях через канал 272 плазмы в направлении подложек 20. Когда отклоняющая катушка 270 канала "выключена", плазма металлического пара, генерируемая мишенью-катодом 196, не транспортируется в направлении подложек 20, хотя пятна катодной дуги продолжают свое движение вокруг бруска 196 мишени под управлением управляющего магнитного поля, генерируемого регулирующими катушками 300а, b. В этом варианте катушка канала работает, как магнитный затвор, устраняющий необходимость использования механического затвора или экрана, как показано на фиг. 7А. Когда магнитный затвор "включен", пар металла транспортируется через плазменный канал в направлении подложек 20 в камеру обработки. Когда магнитный затвор "выключен", магнитный затвор закрыт, и пары металла не попадают на подложку 20. На фиг. 7Н показано, что распределение магнитного поля в плазменном канале 272 равно нулю, когда ток катушки канала установлен равным нулю, и ток регулирующих катушек установлен равным 0,1 ампер, и ток катушки канала равен нулю. Можно видеть, что когда магнитное поле катушки 270 канала равно нулю, отсутствует магнитное поле для транспортирования плазмы паров металла из плазменного канала 272, хотя регулирующие катушки 300а, 300b все еще генерируют магнитное поле с дугообразной формой структуры, которая достаточна, как для ограничения пятен 278 дуги в испарительной области мишени 196 (конфигурация магнитной дуги на поверхности испарительной мишени), так и для управления движением пятна дуги по бруску 196 катода. В этом последнем режиме работы, когда плазма паров металла катодной дуги захвачена в плазменном канале, электроны все еще протекают из плазменного канала в направлении удаленных анодов, расположенных за пределами плазменного канала 272 в камере для нанесения покрытия. В результате устанавливается разряд удаленной дуги между катодом 196 в плазменном канале 272 и удаленными анодами (не показаны), которые могут быть расположены на внешней стенке плазменного канала 272 или на стенке камеры покрытия в положении, противоположном магнетронным источникам (не показаны). Плазма RAAD улучшает ионизацию и активацию среды обработки для нанесения покрытия в камере для нанесения покрытия, в результате чего обеспечивается осаждение улучшенных покрытий с исключительными свойствами.
Когда магнитный затвор закрыт, мишень-катод 196 все еще генерирует большой электронный ток, который может быть выделен в линии удаленных анодов, для установления удаленной дуги, для установления плазмы разряда, получаемой с помощью удаленной дуги в камере обработки. Плазма RAAD характеризуется высокой плотностью, в диапазоне от 1010-1013 см-3, высокой температурой электронов в диапазоне от 3-20 эВ, и высоким потенциалом плазмы, который обычно совпадает с потенциалом удаленного анода. Экспериментальное исследования подтвердили, что магнитный затвор может перекрывать плазменный канал 272, предотвращая, таким образом, попадание в плазму паров металла для подложек 20, когда магнитный затвор закрыт. Брусок 196 мишени-катода, используемый в этих экспериментах, был изготовлен из нержавеющей стали. Многослойные кремниевые подложки, которые использовались в качестве подложек 20, установили на стержнях держателей подложки круглого стола держателей подложки, которые вращались со скоростью 5 об/мин в течение 2 часов в процессе нанесения покрытия. Ток регулирующих катушек 300 установили равным 0,2 А, в то время как ток катушки 270 канала установили равным нулю. Давление аргона составляло 1,5 мТорр, в то время как ток первичной дуги составлял 140 ампер. Через два часа экспонирования подложки выгрузили и измеряли толщину покрытий, используя оптическую интерферометрию, с применением Veeco NT3300 Optical Profiler. Результаты представлены ниже в Таблице 1.
Из результатов, представленных в Таблице 1, следует, что скорость осаждения на вращающемся держателе подложки не превышала 6 нм/час, когда магнитный затвор закрыт.Средняя толщина покрытия, полученная в процессе осаждения покрытия, либо с использованием осаждения из фильтрованной катодной дуги, или источниками магнетронного напыления, обычно превышает 1 мкм/час. В этом случае, утечка паров металла не увеличивает количество элементов примесей в покрытии по сравнению с обычным уровнем загрязнений мишени-катода, используемых в промышленных процессах осаждения покрытия.
Следующие процессы выполняли в камере модифицирования поверхности подложки с использованием удаленной дуги (RAASE):
1. Ионная очистка/вытравливание в плотной плазме RAAD (магнитный затвор закрыт);
2. Низкотемпературное ионное азотирование или окси-азотирование, плазменное науглероживание. Температура подложек во время этого процесса может быть низкой, на уровне 150°С. Скорость ионного азотирования стали М2 в плазме азота RAAD обычно находится в диапазоне от 0,1 до 0,5 мкм/мин. (Магнитный затвор закрыт);
2. Имплантация ионов низкой энергии (смещение подложки ниже 2 кВ). (Магнитный затвор закрыт);
3. Осаждение фильтрованных покрытий дуги (магнитный затвор открыт).
4. Осаждение покрытия магнетронного напыления, используя процесс магнетронного напыления с использованием удаленной дуги (RAAMS) (магнитный затвор закрыт); и
5. Осаждение покрытий магнетронного напыления, модулированных покрытиями фильтрованной дуги (магнитный затвор выключают/включают в соответствии с рабочим циклом для достижения требуемого периода модуляции покрытия).
Со ссылкой на фиг. 9А-Е, схематично показана двунаправленная система с гибридным использованием фильтрованной дуги - магнетронов с помощью магнетронного напыления ("FAAMS"), имеющая дополнительные магнетронные источники. В этой вариации дополнительные источники 310-316 магнетронного напыления расположены рядом с дуговой катодной камерой 194, которая магнитно соединена с отфильтрованным дуговым источником 196 и имеет магнетронные мишени, формирующие открытый угол в диапазоне от 10 градусов до 80 градусов. Такой угол Ао раскрыва помогает в фокусировании потока магнетронного напыления в направлении подложек. В таком процессе гибридного осаждения покрытия с магнетронным напылением, с использованием отфильтрованной дуги, плазма металлов из отфильтрованной дуги протекает вдоль линий магнитного поля транспортирующего магнитного поля, сформированного катушкой 270 канала. Кроме того, линии магнитного поля расходятся на выходе плазменного канала 272. В результате, получают ионы металла из отфильтрованного дугового катода, которые проходят через область мишени магнетронного напыления рядом с поверхностью мишени и пересекают область магнетронного разряда с большой топологией магнитного поля в виде замкнутого контура. Существенная часть этих ионов металла захватывается в магнитном поле магнетрона и способствует напылению магнетронной мишени, которое может происходить даже без газа напыления (аргона или другого инертного газа) и в пределах расширенного диапазона давлений от 10-6 до 10-2 торр. Другая часть ионов металла, генерируемая фильтрованными дуговыми катодами, продолжает движение в направлении подложек 22, где они смешиваются с фокусирующим потоком магнетронного напыления, обеспечивая фракцию ионизированного металла в процессе осаждения покрытия магнетронного напыления. Хорошо известно, что увеличение интенсивности ионизации паров металла улучшает адгезию покрытия, плотность и другие механические свойства, а также гладкость.
На фиг. 9В представлены дополнительные свойства гибридного двунаправленного источника отфильтрованная дуга - магнетрон FAAMS. Дополнительные катушки 320 магнитного фокусирования расположены противоположно выходному отверстию плазменного канала, которые обеспечивают дополнительное улучшение плотности плазмы и управляют смешиванием потока магнетронного напыления потоком плазмы металла из отфильтрованной дуги, фокусируясь в направлении подложек, на которые требуется нанести покрытие, в камере для нанесения покрытия (не показана). Кроме того, дополнительные фокусирующие магнитные катушки 324 расположены вдоль магнетронных мишеней 310-316 на участке выхода плазменного канала 272. Фокусирующие катушки 324 улучшают концентрацию плотности плазмы рядом с магнетронными мишенями. Направления магнитных силовых линий, генерируемых этими катушками на стороне рядом с катушкой канала, совпадают с направлением магнитного поля транспортирования, генерируемого катушкой канала. На фиг. 9С представлена схематичная иллюстрация варианта системы по фиг. 9В. В этом варианте пары магнитных фокусирующих катушек 328 расположены на выходном участке плазменного канала, окружающего плазменный канал с обеих сторон магнетронных источников. На фиг. 9D представлен вид сверху в поперечном сечении системы для нанесения покрытия по фиг. 9А-С, в котором показаны плазма (F1) удаленной дуги в потоке (F2) магнетронного напыления и поток (F3) плазмы отфильтрованной дуги. Направление магнитного поля, генерируемое этими катушками фокусирования, совпадает с направлением магнитного поля транспортирования, генерируемого катушкой канала. На фиг. 9Е представлен еще один, другой вариант системы нанесения покрытия. На фиг. 9Е представлен участок камеры 192 для нанесения покрытия с вращающимся столом 22 держателя подложки с подложками 20, на которые требуется нанести покрытие. Катодная камера 194 расположена противоположно подложкам 20, на которые требуется нанести покрытие, в камере 192 для нанесения покрытия. Первичный дуговой разряд в катодной камере 194 воспламенятся ударником 440 по мишени-катоду 196, которая заключена внутри корпуса 274. Корпус 274 имеет экран 198 с отверстиями, которые не являются прозрачными для тяжелых частиц, таких как ионы, атомы и макрочастицы, излучаемые с поверхности мишени-катода 196, но позволяют свободно протекать электронам в удаленных анодах в камере 192 для нанесения покрытия. Магнетронные мишени 310, 312 расположены рядом с экраном 198 катодной камеры таким образом, что поток напыления, излучаемый магнетронными мишенями, соединяется с плазмой из тяжелых ионов перед экраном 198 и фокусируется в направлении подложек 20 в камере 192 для нанесения покрытия. В такой компоновке катодная часть плазмы удаленной дуги, генерируемая перед экраном 198 катода, соединяется с потоком напыления магнетрона, в результате чего, получают существенное увеличение ионизации и активации металлической газообразной плазмы, генерируемой магнетронными мишенями 310, 312, что способствует дополнительному улучшению адгезии покрытия, плотности, гладкости, уменьшению дефектов и улучшению их функциональных свойств для разных вариантов применения.
Система модификации поверхности FAAMS может работать в следующих режимах:
1. Ионная очистка с погружением в плазму RAAD, ионное азотирование, имплантация ионов низкой энергии. В этом режиме работает катодный дуговой источник, обе регулирующие катушки включены, но катушка канала транспортирования плазмы выключена. Выключение катушки канала эффективно предотвращает попадание плазмы металлов, генерируемой катодом, распложенным в центре канала плазмы, за пределы канала плазмы в направлении подложек, на которые требуется нанести покрытие в камере нанесения покрытия, но газообразная плотная и в высокой степени ионизированная плазма RAAD заполняет всю камеру обработки, включая в себя внутреннюю часть канала плазмы в области, в камере, где подложки, на которые требуется нанести покрытие, расположены на держателе подложки. Такая плотная газообразная плазма обеспечивает в высокой степени ионизированную среду для ионной очистки с погружением в плазму, ионного азотирования (а также ионного науглероживания, окси-науглероживания, борирования и других процессов насыщения ионами) а также имплантации ионами низкой энергии. Его также можно использовать для процессов с применением удаленной дуги CVD (RAACVD), включающих в себя нанесение углеродного покрытия в виде алмазов (DLC), когда газообразная атмосфера, содержащая углеводород, формируется в камере для нанесения покрытия. В этом режиме может быть проведен процесс с использованием плазмы удаленной дуги (CVD). Кроме того, можно наносить поликристаллические алмазные покрытия, когда подложки нагревают до температуры осаждения в диапазоне от 500-1000°С (в зависимости от типа подложки). В таком процессе давление газа обычно находится в диапазоне от 1-200 мТорр, атмосфера газа обычно включает в себя 0,1-2% метана в водороде при скорости потока водорода в диапазоне от 50-200 кубических сантиметров в минуту, в зависимости от возможности системы прокачки, при этом баланс составляет аргон. Катушка канала работает, как магнитный затвор, эффективно закрывая выход плазмы металла, генерируемой катодом в канале плазмы, открывая при этом путь для газообразной плазмы, генерируемой RAAD.
2. Когда катушка канала выключена (магнитный затвор закрыт), и плазма RAAD формируется внутри камеры для нанесения покрытия между катодом в плазменном канале и удаленным анодом (анодами) в области нанесения покрытия за пределами плазменного канала, среда с высокой степенью ионизации плазмы может использоваться для процессов магнетронного напыления с использованием плазмы (RAAMS). В этом случае включены магнетронные источники, расположенные за пределами плазменного канала в области покрытия, и процесс магнетронного напыления там выполняется с среде с высокой степенью ионизации плазмы RAAD. В этом процессе производительность магнетронного напыления повышается более чем на 30%, и покрытие уплотняется в результате ионной бомбардировки поверхности подложки ионами, переносимыми газообразной плазмой.
3. Когда катушка плазменного канала включена, магнитный затвор открыт, и плазма металла, генерируемая катодом в плазменном канале, поступает в область осаждения покрытия вдоль магнитных силовых линий магнитного поля транспортирования, генерируемого катушкой канала. Отфильтрованная плазма металла дуги может использоваться для осаждения различных покрытий, включая в себя сверхтвердое, не содержащее водород покрытие из тетраэдрического аморфного углерода (ta-C), когда графитовый брусок используется в качестве мишени-катода в плазменном канале. Когда магнетронные источники расположены на выходном участке плазменного канала, и их мишени, обращенные к подложкам, включены, начинается гибридный процесс магнетронного напыления с использованием отфильтрованной дуги (FAAMS). В этом случае отфильтрованная плазма металла дуги, которая на 100% ионизирована, проходит мимо магнетронных источников, смешиваясь с потоком атомарного металла, получаемого в результате магнетронного напыления, которое, в общем, имеет низкую степень ионизации<5%. Смешанную отфильтрованную плазму металла дуги и поток атомарного металла после магнетронного напыления, направляют к подложкам в области покрытия перед выходом из плазменного канала, что обеспечивает гибридное нанесение покрытия магнетронным напылением с использованием отфильтрованной дуги, с высокой степенью и управляемыми концентрациями потока осаждаемых атомов металла.
На фиг. 10 представлено схематичное описание физических процессов, которые происходят в двунаправленном разряде удаленной дуги, в соответствии с настоящим изобретением. Первичная дуга инициируется воспламенителем дуги на поверхности мишени-катода 196, изолированной от разрядной камеры парой регулирующих катушек 300. Такой источник может работать в двух режимах: первый, в режиме осаждения покрытия, когда плазма паров дуги транспортируется вдоль силовых линий магнитного поля продольного магнитного поля, формируемого катушкой 270 канала; и второй, в режиме электронной эмиссии, когда катушка канала выключена, и плазма дуги содержится и изолирована магнитным полем от камеры обработки магнитным полем, формируемым парой регулирующих катушек 300. Потенциал плазмы в плазменном канале 272 низкий, близкий к потенциалу проксимально анода, который, в большинстве случаев, заземлен, в то время как в плазме разряда удаленной дуги электрический потенциал высок, близкий к потенциалу удаленного анода 214. Типичное распределение потенциала плазмы между плазменным каналом 272 и удаленным анодом 214, полученное в результате моделирования конечного элемента, показано на фиг. 2.
На фиг. 11 представлена схема системы нанесения покрытия при групповой обработке с периферийно расположенным узлом экранированной катодной камеры. Система 330 для нанесения покрытия включает в себя вакуумную камеру 332, узел 334 катодной камеры, который включает в себя катодную камеру 336, катод 338 и экран 340. Система 330 также включает в себя первичный источник 342 питания, который устанавливает потенциал напряжения между катодом 338 и первичным анодом 344. Система 330 также включает в себя источники 356-366 магнетронного напыления, каждый из которых включает в себя мишень Ts, источник Ps питания и анод As. Система 330 также включает в себя удаленный анод 360, на котором установлен потенциал относительно катода 338 с помощью источника 362 питания. В этом варианте осуществления подложки 22 могут выполнять осевые движения вдоль направления аз, по мере нанесения на них покрытия.
На фиг. 12 иллюстрируется дополнительный вариант, представляющий источник эмиссии электронов дуги экранированного катода, расположенный в центре камеры для нанесения покрытия. В частности, данный вариант обеспечивает круговую систему 380 для группового нанесения покрытия с узлом 382 катодной камеры, расположенной в ее центральной области. Катод 384 расположен внутри узла 382 катодной камеры, в общем, вдоль осей системы 380 для нанесения покрытия. Узел 382 катодной камеры, соответственно, включает в себя ограждения 388 катода с отверстиями 390 и 392, образованными в нем, катод 384, необязательные первичные аноды (не показаны), и экраны 396, 398. Ограждение 388 и экраны 396, 398, соответственно, изолируют катод 384 от вакуумной камеры 400 и также могут использоваться, как первичный анод, для дугового разряда, воспламеняемого в катодной камере 382. Первичный источник питания дуги также предусмотрен между катодом 384 и ограждением 388 анода (не показан). В каждом из ограждений 388 и экранах 396, 398 сформированы отверстия для транспортирования токов электронной эмиссии в вакуумную камеру 400, в то время, как одновременно они используются, как барьер, останавливающей тяжелые частицы, такие как атомы паров металла, ионы и макрочастицы, излучаемые из катода 384 на подложки 20, на которые требуется нанести покрытие в камере 400 для нанесения покрытия. Источники 402, 404 и 406 магнетронного напыления закреплены на стенке 408 камеры 400. Удаленные аноды 410, 412 и 414 расположены рядом с соответствующими магнетронными источниками, предпочтительно, окружающими эти источники напыления. Подложки 20 установлены на платформе вращающегося стола 420 на расстоянии d1 между катодной камерой и магнетронными мишенями напыления. Расстояние от поверхности магнетронной мишени до подложек 20 обычно находится в диапазоне от 4-10 дюймов. Источники 424, 426, и 428 питания удаленной дуги установлены между удаленными анодами 410, 412 и 414 и центральным катодом 384 в катодной камере 382. Катод 384 может представлять собой катод с термоионной нитью накаливания, но, предпочтительно, можно использовать вакуумный дуговой катод холодного испарения, который является нечувствительным к среде обработки реактивной плазмы, которая может содержать химически агрессивные газы, такие как метан, кислород и азот, для осаждения покрытия из карбидов, оксидов и нитридов. Катод 384 представляет собой либо удлиненную термоионную нить накаливания или холодный катод в форме удлиненного металлического бруска или стержня. Кроме того, катод 384 расположен внутри катодной камеры 382 вдоль осей камеры 400 нанесения покрытия, и длина зоны электронной эмиссии расположена параллельно, и, в общем, по размерам она равна высоте зоны загрузки подложки 20. Кроме того, катод 384 имеет длинное измерение, которое либо меньше чем или равно высоте удаленных анодов 310, 312 и 314. Высоты магнетронных мишеней также либо меньше чем или равны высоте удаленных анодов.
В варианте осуществления магнетроны 402, 404, 406, показанные на фиг. 12, могут быть заменены плоскими нагревателями. Подложки, на которые требуется нанести покрытие, могут быть размещены на нагревательной поверхности, обращенной к центру камеры, где камера 382 экранированного катода расположена с катодом 384. В этом случае подложки могут быть нагреты до 900°С, в то время как в это же время высоко ионизированная дуговая плазма удаленного анода может быть установлена в камере 380 в результате дугового разряда и удаленного анода между катодом 384 в катодной камере 382, и удаленными анодами 536, 538, 540, распложенными на стенке камеры 380. В этом процессе, когда атмосфера газа в камере 380 состоит из смеси метана, водорода и аргона давлений в диапазоне от 1 мТорр до 200 мТорр, и концентрации метана в водороде находится в диапазоне от 0,1 до 2 атомных % массы, поликристаллические алмазные покрытия могут быть нанесены на подложки, установленные на нагретой поверхности нагревателей, которые нагреты до температуры осаждения в диапазоне от 700 до 1000°С.
На фиг. 13 представлена схематичная иллюстрации системы, которая включает в себя источник вакуумного дугового излучения электронов с холодным катодом. В частности, в данном варианте принята конструкция вакуумного дугового излучения электронов, источником на холодном дуговом катоде в соответствии с системой по патенту США №5,269,898, полное раскрытие которого представлено здесь по ссылке. Катод 430 в форме стержня, установленный внутри катодной камеры 432, в которой используется анод для вакуумного разряда катодной дуги, питания первичного источника 434 питания дуги. Катод 430 соединен с отрицательным выводом источника 434 питания дуги, и ограждение 436 катодной камеры 432 соединено с положительным выходом источника 434 питания дуги. Положительный выход первичной дуги, в случае необходимости, может быть заземлен, как показано пунктирной линией на фиг. 7D. Дуга воспламеняется многократно ударником 440, который расположен на конце катода 430, который противоположен соединению с источником 434 питания дуги. Спиральная электромагнитная катушка 442 установлена коаксиально с катодом 430 и используется для генерирования соленоидного магнитного поля с линиями потока, по существу, параллельными оси катода 430, и имеющими магнитуду, пропорциональную току, протекающему от источника 446 питания катушки. Одна или больше подложек 20, на которые требуется нанести покрытие, расположены так, что они окружают катодную камеру 432 и, в случае необходимости, установлены на поворотной платформе держателя подложки (не показана), которая обеспечивает вращение подложек во время нанесения покрытия, в случае необходимости, для достижения равномерного распределения толщины покрытия на них. Пятно 450 дуги и типичная его траектория 452, получаемая в результате влияния приложенного магнитного поля также показано. Пятно дуги перемещается по всем или частям длины катода 430 в направлении соединения с источником 434 питания дуги перед ее повторным воспламенением. Изолятор 454 предотвращает движение пятна 450 дуги за пределы требуемой испарительной поверхности катода 430. Электромагнитная катушка 442 может быть электрически изолированной от цепи дуги, или она может содержать часть анода путем соединения с ним, как обозначено пунктирной линией 458. Электромагнитная катушка 442, в качестве альтернативы, может использоваться, как единственный первичный анод для первичного дугового разряда в катодной камере 432, и в этом случае электромагнитная катушка 442 электрически изолирована от камеры 430 и соединена с положительным выводом первичного источника 434 питания дуги, который отключен от катодной камеры 432. Один или больше источников 460 магнетронного напыления установлены вдоль стенок 462 камеры 466, окруженных удаленными анодами 470. Удаленные аноды соединены с положительным выводом источника 472 питания удаленной дуги, в то время как его отрицательный вывод соединен с катодом 430 в катодной камере 432. Ограждение 436 катодной камеры 430 имеет отверстия 476, покрытые экранами 478, для предотвращения попадания тяжелых частиц (ионов, нейтральных атомов и макрочастиц), излучаемых катодом 430 в области осаждения за пределами катодной камеры 432, но электроны могут свободно проходить через в области нанесения покрытия через отверстиям 476 между ограждением 436 и экранами 478. Ток удаленной дуги протекает между катодом 430 в катодной камере 432 и удаленными анодами 470, окружающими источники 460 магнетронного напыления на стенке камеры 466 для нанесения покрытия. Удаленный анод соединен с положительным выходом источника 472 питания удаленной дуги, в то время как отрицательный вывод источника 472 питания удаленной дуги соединен с катодом 430 в катодной камере 432. Удаленная дуга ионизирует и активирует плазменную среду во время процесс нанесения покрытия магнетронного напыления, но также может использоваться, как источник ионизации и формирования плазменной среды в области для нанесения покрытия во время предварительной ионной очистки подложек перед началом процесса нанесения покрытия, а также для ионной имплантации с погружением в плазму, ионного азотирования и процессов осаждения покрытия с низким давлением с использованием плазмы CVD.
Со ссылкой на фиг. 14А-14С будут представлены схематичные иллюстрации варианта системы для нанесения покрытия, в которой включен фильтр макрочастиц. В этом варианте используется конструкция катодной камеры в соответствии с заявкой на патент США №2012/0199070, причем полное раскрытие этой заявки на патент представлено здесь по ссылке. Система 480 включает в себя катодную камеру 484, которая выполнена, как фильтр макрочастиц. Катодная камера 484 включает в себя четное количество узлов канала, расположенных симметрично вокруг удлиненного катода 486. Варианты, представленные на фиг. 14А, и 14В, включает в себя четыре узла канала, то есть узлы 488, 490, 492, 494 канала, которые эффективно формируют ограждение 496 вокруг катода 486. Узлы 488, 490, 492, 494 канала образуют каналы 500, 502, 504, 506, через которые положительно заряженные ионы направляются из мишени-катода 486 к подложкам 20. Узлы 488, 490, 492, 494 канала образуют магнитное поле, для направления плазмы. Узлы канала каждый включает в себя компонент 510 держателя и компонент 512 перегородки, для блокирования макрочастиц. В варианте осуществления компонент 512 перегородки включают в себя выступы 514, для улучшения возможности отфильтровывания макрочастиц. Электрические столбиковые выводы 516, 518 используют для подключения источника питания фильтра таким образом, чтобы узлы канала электрически смещены для отталкивания положительно заряженных ионов. Когда узлы 488, 490, 492, 494 канала имеют положительное смещение относительно катода 486, они также используются, как первичный анод для разряда первичной дуги, установленного внутри катодной камеры 484. Узлы 488, 490, 492, 494 канала также могут быть изолированы и могут иметь плавающий потенциал. В этом случае электромагнитная катушка управления дугой (не показана) может использоваться, как первичный анод для катода 486, для воспламенения первичного дугового разряда в катодной камере 484, как пояснялось выше в отношении варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 14В. На фиг. 14С представлен схематичный вид в перспективе узла 496 ограждения - фильтра катодной камеры. Ограждение 496 узла фильтра - катодной камеры выполнено из набора узлов 488, 490, 492, 494 канала, которые расположены параллельно катоду 486, предпочтительно имеющих форму стержня, но которые также могут быть выполнены, как брусок с любым многоугольным поперечным сечением. Во время процесса осаждения покрытия отфильтрованной катодной дугой фильтр электрически активируется путем пропускания тока вдоль узлов 488, 490, 492, 494 канала, для установления магнитного поля.
Далее, обращаясь к фиг. 14А-14С, магнитное поле, в случае необходимости, формируется, путем пропуска тока через узлы канала, для генерирования магнитного поля. В частности, соседние узлы канала генерируют магнитные поля с противоположными магнитными полярностями. Стрелки 520, 522, 524, 526 обозначают пример направлений, в которых может протекать ток, для формирования таких магнитных полей. Стрелки показывают, что направления тока в соседних узлах канала противоположны друг другу. Магнитное поле, генерируемое таким образом, имеет ориентацию, нормальную к поверхности удлиненного катода, и силу для направления плазмы, формируемую путем пропускания тока через узлы канала. В этом режиме осаждения с отфильтрованной дугой плазма металлических паров, излучаемая из катода 486, проходит через каналы между узлами канала, обеспечивая, таким образом, устранение нежелательных макрочастиц и нейтральных избирательных составляющих металлических паров и для подачи 100% ионизированной плазмы пара металла на подложки.
В режиме дугового плазменного разряда удаленного анода (RAAD) ток не протекает через узлы 488, 490, 492, 494 канала, и магнитное поле, извлекающее плазму из металлических паров, не генерируется. В таком режиме пассивным каналом электроны, излучаемые из поверхности катода 486, могут свободно проходить через каналы 500, 502, 504, 506, которые проводят ток RAAD между катодом 486 в катодном камере 484 и удаленными анодами 530, 532 и 534, которые окружают магнетронные источники 536, 538 и 540, которые расположены вдоль стенки 506 камеры системы 380 нанесения покрытия. Одновременно, узлы 488, 490, 492, 494 канала используются, как барьер, который останавливает тяжелые частицы, такие как атомы паров металла, ионы и макрочастицы, излучаемые из катода 486, не пропуская их к подложкам. Плазма RAAD ионизирует и активирует среду плазменной обработки в области обработки системы 380, где расположены подложки. Это приводит к возможности выполнения ионно-плазменной очистки, ионной имплантации, такой, как ионная азотизация и магнетронное рассеивание с использованием удаленной дуги (RAAMS), которая позволяет получить улучшенные свойства продуктов плазменной обработки.
На фиг. 15А и 15В, приведен пример схематичной иллюстрации варианта системы RAAMS. На фиг. 15А схематично показан вид сбоку системы RAAMS, в то время как на фиг. 15В схематично показан вид сбоку, перпендикулярный виду на фиг. 15А. Система 530 включает в себя камеру 532, держатель 534 подложки с подложками 536, предназначенными для нанесения покрытий, первичными катодами 538а, b, магнетронами 540а, b и удаленными анодами 542а, b. Катоды 538а, b расположены на стороне 544 (то есть снизу) камеры 532 в блоке 548 катода, который отделен от блока 550 для нанесения покрытия камеры 532 с жалюзийным экраном 552, который выполнен непроницаемым для тяжелых частиц, но пропускает электроны в направлении удаленных анодов 542а, b в блоке 550 для нанесения покрытия. Экран 552 может иметь плавающий электрический потенциал, или он может быть соединен с положительным выводом либо источника 554 питания первичной дуги, или дополнительного источника питания (не показан). Анод 556 первичной дуги расположен посередине катодной камеры 548 между двумя катодами дуги: катод 538а в левом отсеке катодной камеры 548 и катод 538b в правом отсеке катодной камеры 548. Держатель 534 подложки с подложками 536, на которые требуется нанести покрытие, расположен между магнетронами 540а, b. Подложки обращены к магнетрону 540а с левой стороны и магнетрону 540b с правой стороны. Удаленные аноды 542а, b расположены над магнетронами 540а, b и отделены друг от друга необязательной разделительной перегородкой 560. Разделительный анод 556, держатель 534 подложки и подложки 536, предназначенные для нанесения на них покрытия, и необязательная разделительная перегородка 560, эффективно разделяют камеру 532 на две стороны (то есть левую сторону и правую сторону), предотвращая, таким образом, протеканием горячей струи 562а, связанной с катодом 538а, расположенным с левой стороны от камеры 532, через правую сторону камеры 532 в направлении удаленного анода 542b от протекания в левую сторону камеры 532 в направлении удаленного анода 542а. Удаленный анод 542а соединен с катодом 538а дуги с левой стороны держателя 534 подложки, и удаленный анод 542b соединен с катодом 538b с правой стороны держателя 534 подложки. Анод 556, держатель 534 подложки и необязательная разделительная перегородка 560 эффективно разделяют камеру 550 для нанесения покрытия на два участка: левый участок, в котором содержится катод 538а, левый магнетрон 540а и левый удаленный анод 542а и правый участок, в котором размещен правый катод 538b, правый магнетрон 540b и правый удаленный анод 542b. Такое разделение формирует два узких разрядных зазора или разрядных коридора: левый зазор, разделяющий левый магнетрон 540а и держатель 534 подложки с левой стороны блока 550 для нанесения покрытия, и правый зазор, разделяющий правый магнетрон 540b и держатель 534 подложки с правой стороны блока 550 для нанесения покрытия. Ширина разделительных разрядных зазоров находится в диапазоне от 2 до 20 дюймов.
В варианте осуществления мишень-катода может быть изготовлена из металла, обладающего способностью поглощения газов, такого как титановый сплав или сплав циркония. В этом случае экранированный катодный источник излучения электронов также используется, как вакуумный поглощающий насос, который улучшает эффективность откачки в системе 530 для нанесения покрытия. Для дальнейшего улучшения эффективности откачки путем поглощения экран 552, обращенный к испарительной поверхности мишени-катода 538а в камере 550 катода может иметь водяное охлаждение и, в случае необходимости, может быть подключен к источнику питания смещения с высоким напряжением. Когда экран 552, охлаждаемый водой, смещают до высокого отрицательного потенциала в диапазоне от -50 В до -1000 В относительно мишеней-катодов 538а и 538b, экран 552 подвергается интенсивной ионной бомбардировке ионами металла, генерируемыми в процессе испарения катодной дуги. Конденсация паров металла в условиях интенсивной ионной бомбардировки является предпочтительной для накачки инертных газов, таких как Не, Ar, Ne, Хе, Kr, а также водород. Кроме того, первичный анод 556 с водяным охлаждением, обращенный к мишеням-катодам 538а, b, также способствует хорошей откачке путем увеличения площади конденсации/поглощения паров металла.
Также на фиг. 15А и 15В можно видеть, что несколько магнетронных источников 540 расположены над катодной камерой 548 в блоке 550 для нанесения покрытия. Держатель 534 подложки с подложками 536 движется вдоль камеры 532 вдоль магнетронов 562. Пятно 564 катодной дуги перемещается вдоль мишени-катода 566 из катода 538 дуги, под управлением магнитной катушки 570 управления или другого средства управления. Экспериментальные проверки такой системы показали, что узкая струя 562 плазмы имеет высокую плотность плазмы в диапазоне от 1011 до 1013 см-3, и температуру электронов, превышающую 2 эВ (обычно в диапазоне от 3 до 20 эВ). Большая часть тока разряда удаленной анодной дуги протекает вдоль узкой струи 562 горячей плазмы и имеет плотность тока дуги в диапазоне от 0,1 мА/см2 до 100 А/см2. Остальная часть участка нанесения покрытия обычно заполнена холодной и разреженной плазмой с температурой электронов обычно ниже 3 эВ и плотностью плазмы в диапазоне от 108-1011 см-3. Ширина струи 562 горячей плазмы обычно составляет от 1 до 5 см, при перемещении с той же скоростью, что и пятно 564 катодной дуги, которое следует управляющему движению пятна 564 катодной дуги на мишени-катоде 566. Считается, что большая часть тока удаленной дуги протекает между катодом 538 и катодной камерой 548, и удаленным анодом 542 через струю 562 горячей плазмы. Также можно видеть на фиг. 15А, что две струи 562а и 562b горячей плазмы формируются из узких разрядных зазоров между левым магнетроном 540а и держателем 534 подложки с левой стороне в блоке 550 для нанесения покрытия и между правым магнетроном 540b и держателем 534 подложки с правой стороны блока 550 для нанесения покрытия. Левая струя 562а замыкает левый катод 538а в левом отсеке катодной камеры 548 и левый анод 542а с левой стороны блока 550 для нанесения покрытия. Правая струя 562b замыкает правый катод 538b в правом отсеке катодной камеры 548 с правым удаленным анодом 542b на правой стороне блока 550 для нанесения покрытия.
На фиг. 16 показана схематичная иллюстрация варианта фиг. 15А и 15В с катодом в одном из отсеков катодной камеры, в котором предусмотрены два пятна катодной дуги. В этом варианте две струи 562а и 562b плазмы, сформированные между шевронной перегородкой 552 и удаленный анод 542 над каждым из пятна 576а и 576b катодной дуги, замыкает соединения по току между катодом 538 и удаленным анодом 542. Направление тока удаленной дуги вдоль струй 562а и 562b, ассоциированное с пятнами 576а и 576b катодной дуги, показано вертикальными стрелками на этих струях. Распределение плазмы имеет максимумы 578а и 578b рядом с каждым из пятен 576а и 576b катодной дуги, которые перемещаются вдоль коридора 580 эрозии по мишени-катоду 566 либо под действием управляющего магнитного поля, формируемого управляющей катушкой, расположенной ниже мишени 582 (не показана), или с помощью другого средства, как описано ниже. В этом варианте размеры области высокой ионизации составляют Ai~L (магнетрона) × W (струи). В горизонтально выровненных системах, описанных выше, область ионизации составляет только Ai~W (магнетрон) × W (струи). Увеличение потока области ионизации магнетронного напыления, в результате вертикального выравнивания струи 562 дуги (параллельно длинной стороне магнетрона 540) по сравнению с горизонтальным выравниванием струи 562 дуги (параллельно короткой стороне магнетрона 540, как и в предыдущем случае), составляла приблизительно L (магнетрона)/W (магнетрона).
Также, как показано на фиг.16, ограниченные потоки плазмы (то есть струи плазмы), соединяющие зазоры разряда между удаленным анодом 542 и мишенью-катодом 566, через область 550 нанесения покрытия, движется вдоль направления d4, оставаясь параллельным длинной стороне магнетронов 540. Концы ограниченных струй 562 плазмы движутся вдоль направления d4 как можно видеть на фиг. 16. Пятна 576 дуги формируются на катоде 580 вдоль зоны 578 эрозии. Поле 584 плазмы на удаленном аноде 542 и поле 578 плазмы на мишени-катоде 580 ограничены по размерам в пространстве от приблизительно 1 до 5 дюймов вдоль направления d4. В одном варианте осуществления магнитные управляющие поля используются для выполнения движения растровой развертки вдоль d4. В других вариантах осуществления такое движение растровой развертки осуществляется путем механического передвижения катода 580 вдоль направления d4. Во все еще других вариантах осуществления катод термоионной нитью накаливания с электронами вторичной эмиссии движется вдоль d4.
На фиг. 15А, 15В и 16 представлен аспект относительных размеров различных компонентов системы 530 для нанесения покрытия. Удаленный анод 542 имеет линейный размер Da удаленного анода, параллельный мишени-катоду 538. Горизонтальная область размещения источников 538 пара (то есть четырех магнетронов, показанных на фиг. 15В), также соответствует по размерам. Область вдоль направления, параллельного короткой стороне магнетронов 538, имеет линейный размер Dv источника пара. Мишень-катод 566 имеет линейный размер De мишени-катода, параллельный удаленному аноду 542 и также параллельный короткой стороне магнетронов 538. В варианте осуществления, линейный размер Da удаленного анода, линейный размер Dv источника пара и линейный размер De мишени-катода расположены параллельно друг другу. В другом варианте осуществления линейный размер Da удаленного анода больше чем или равен линейному размеру De мишени-катода, который больше чем или равен линейному размеру Dv источника пара.
На фиг. 17 представлена альтернативная конфигурация удаленной системы образования плазмы, в которой используется коаксиальная компоновка камеры для группового нанесения покрытия с планарными магнетронными источниками 540а, b расположенными на стенках камеры и подложками, на которые требуется нанести покрытие 536, закрепленными на держателе 592 подложки в виде вращающейся карусели. Камера 590 для нанесения покрытия включает в себя карусельный держатель 592 подложки с подложками 536, которые предназначены для нанесения на них покрытия, и набор источников 540а, b, магнетронного напыления, которые закреплены на стенках камеры 590 для нанесения покрытия, обращенных к подложкам, на которые требуется нанести покрытие. Камера 590 для нанесения покрытия также включает в себя катодную камеру 600 с первичным катодом 538 и коаксиальным первичным анодом 556, расположенным в нижней камеры 590 и кольцо 596 удаленного анода, расположенное в верхней части камеры 590.
Катодная камера 600 включает в себя экранирующий корпус 598 с отверстиями 598а, 598b, обращенную в направлении зазора между магнетронами 540 и держателем 592 подложки. Необязательная разделительная перегородка 560 в форме цилиндра также установлена на вращающемся держателе 592 подложки. Анод 556, держатель 592 подложки, и необязательная разделительная перегородка 560 формируют узкий коаксиальный зазор внутри камеры 590 между магнетронами 540 и держателем 592 подложки, для ограничения горячих струй 562 и обеспечения их положения параллельно оси камеры 590. Отверстия 598 могут быть расположены коаксиальные держателю 592 подложки. Катод 540 имеет форму кольца, коаксиального с камеры 590 для нанесения покрытия и с первичным цилиндрическим анодом 556. В качестве альтернативы, несколько первичных катодов 540 установлены коаксиально первичному аноду 556 в катодной камере 548. Первичный анод также может использоваться, как поверхность конденсации, для улучшения скорости откачки, используя эффект поглощения, эффективно поглощающий остаточные газы в пределах пленки, формирующейся на поверхности анода 556 в результате конденсации плазмы паров, генерируемой катодом 538. Такая конфигурация увеличивает плотность плазмы удаленной дуги, обеспечивая, таким образом, более интенсивную частоту бомбардировки ионами во время магнетронного напыления. В такой конфигурации более плотная зона плазмы разряда удаленной дуги формируется в зазоре между магнетронной мишенью и подложками, на которые требуется нанести покрытие.
На фиг. 18А и 18В представлен вариант с отдельными камерами 548 первичного катода для каждого источника 540 магнетронного напыления. На фиг. 18А катодная камера 548 расположена под камерой 550 для нанесения покрытия. Магнетрон 540 расположен в камере 550 для нанесения покрытия непосредственно выше экрана 552, разделяющего катодную камеру 548 от камеры 550 для нанесения покрытия. Источник 538 катодной дуги, в качестве мощного излучателя электронов, расположен ниже магнетрона 540. Размер мишени-катода, которая определяет размер зоны управления пятном дуги, находится в диапазоне от 1/4 до 2 значений ширины магнетронной мишени, но, предпочтительно, находится в пределах диапазона от 0,5 до 1,5 значения ширины магнетронной мишени. Первичный анод 556 расположен над мишенью-катодом 566 и имеет размер, который, в общем, меньше или равен мишени 566 катодной дуги. Катушка 570 магнитного управления, в случае необходимости, располагается под катодом 538, для управления пятнами дуги на поверхности мишени 566 катодной дуги. Удаленный анод 542 расположен в камере 550 для нанесения покрытия над магнетроном 540 при условии, что катод 538, магнетрон 540 и анод 542 выровнены, в общем, вдоль одной и той же линии. Струя 562 плазмы высокой плотности формируется в камере 550 для нанесения покрытия между экраном 552 и анодом 542 вдоль поверхности магнетрона 540 над пятном 602 катодной дуги, которая движется по поверхности мишени-катода 566 под действием магнитного управления, обеспечиваемого управляющим магнитным полем управляющей катушки 570. Пятна 602 катодной дуги и струи 562 плазмы выравниваются вдоль одной вертикальной линии, параллельной длинной стороне магнетрона 540, перенося зазор разряда в направлении удаленного анода 542. В такой компоновке управление пятнами 602 катодной дуги на поверхности мишени-катода 566 обеспечивает соответствующее управление струей 562 плазмы высокой плотности, при этом ток дуги удаленного анода направляется вдоль направления, параллельного длинной стороне магнетрона 540, в то время как оси струи 562 расположены параллельно длинной стороне магнетрона 540. Струя 562 плазмы пересекает разряд магнетрона перед магнетронной мишенью, соединяя расстояния между экраном и удаленным анодом 542, и ионизирует поток атомов распыляемого металла, и газообразную среду перед источником 540 магнетронного напыления в пределах области, где плазменная струя 562 пересекает разряд магнетрона. Повышение степени ионизации и активация атомов распыляемого металла и газообразных элементов перед магнетроном 540 равномерно распределяется, как вдоль направления, параллельного длинной стороне магнетрона 540, так и вдоль направления, параллельного короткой стороне магнетрона 540. Однородность способности ионизации плазменной струи 562 вдоль направления, параллельного длинной стороне магнетрона 540, достигается с помощью однородного распределения плотности плазмы и температуры электронов вдоль плазменной струи 562. Однородность способности ионизации плазменной струи 562 вдоль направления, параллельного короткой стороне магнетрона 540, достигается путем многократного перемещения струи 562 назад и вперед поперек разряда магнетрона от одного конца магнетрона 540 до другого путем магнитного управления смещением пятна 602 катодной дуги на мишени 566 катодной дуги.
В типичном примере разряд первичной дуги между катодом 538 в катодной камере 548 и первичным анодом 556 обеспечивается, благодаря питанию от источника 554а питания. Разряд дуги удаленного анода между катодом 538 и удаленным анодом 542 обеспечивается, благодаря питанию от источника 608 питания. Балластный резистор 610 установлен между удаленным анодом 542 и заземленной камерой 550 для нанесения покрытия, что обеспечивает возможность управления падением напряжения между удаленным анодом 542 и заземленной камерой 550. Когда возникает формирование микродуг в стенках камеры 550, для нанесения электронный переключатель 612 будет замкнут, замыкая накоротко, таким образом, удаленный анод 542 на землю и эффективно устраняя формирование дуги, с последующим повторным воспламенением удаленной дуги, когда положение электронный переключатель 612 будет разомкнут. Переключатель 612 также может быть разомкнут во время воспламенения плазмы RAAD. Воспламенение RAAD может быть обеспечено путем приложения отрицательного потенциала с высоким напряжением, либо к магнетрону 540, который начинает магнетронный разряд, или, в качестве альтернативы, путем приложения высокого отрицательного напряжения к держателю 534 подложки, устанавливая тлеющий разряд через зазор разряда между катодной камерой 548 и удаленным анодом 542. Разряд с высоким напряжением, как средство для воспламенения RAAD, можно использовать в любом из режимов DC или импульсного разряда. Размеры мишени магнетронного напыления магнетрона 540 обычно составляет 10 см в ширину на 100 см в высоту. Размер мишени 566 катодной дуги обычно составляет приблизительно 10 см, что приблизительно ширине магнетронной мишени 540. Ширина струи плазменной 562 составляет приблизительно 3 см. Скорость перемещения под магнитным управлением пятна 602 дуги по поверхности 566 мишени-катода составляет приблизительно 1000 см/с. В этом случае частота повторений управления струей плазмы через зону разряда магнетрона будет приблизительно составлять 50 Гц. Предполагая улучшенную степень ионизации в пределах области магнетронного разряда, пересекаемой плазменной струей 56а, составляет ~30% от средней скорости ионизации магнетронного плазменного разряда плазменной струей 562 достигнет ~10%, что составляет, по меньшей мере, на порядок более высокую магнитуду, чем в случае потока рассеяния обычного магнетрона. Улучшенная степень ионизации потока напыления магнетрона приводит к увеличенной интенсивности ионной бомбардировки во время процесса осаждения покрытия путем магнетронного напыления, в результате чего, получают покрытия, имеющие приблизительно теоретически высокую плотность, низкие дефекты, высокую степень гладкости и исключительные функциональные свойства. Линейная вакуумная система нанесения покрытия, в котором используется множество магнетронных источников, в каждом из которых предусмотрена отдельная катодная камера, показана на фиг. 18В.
На фиг. 19А представлен дополнительный улучшенный вариант систем по фиг. 14-18. Промежуточная электродная решетка 622 установлена перед магнетроном 540, которая эффективно ограничивает область ограничения струи 562 плазмы высокой плотности перед мишенью 540 магнетронного напыления. При такой компоновке катодная камера 548 заключена внутри ограждения 628. Хотя ограждение 628 может быть электрически заземлено, предпочтительно, чтобы оно было изолировано от заземленной камеры, обеспечивая то, что отсутствует непосредственное прямое соединение между первичным разрядом и разрядами удаленной дуги. Ограждение 628 имеет отверстие 630, которое обращено к зазору разряда или плазменному коридору 632 между магнетронной мишенью 634 и электродной решеткой 622. Длина отверстия 630, в общем, равна значению ширины магнетронной мишени 634, в то время как ширина отверстия 630 меньше, чем ширина d зазора 632 разряда. Решетка 622 электрода может состоять из тонких проводов 638, изготовленных из тугоплавких металлов, выбранных из группы W, Та, Nb, Hf, Ti, Mo и нержавеющая сталь. Диаметры проводов обычно составляют от 0,01 мм до 2 мм. Диаметр меньше чем 0,01 мм может привести к плавлению проводов, находящихся в контакте, плазмы RAAD. Диаметр толще чем 2 мм будет поглощать слишком много материала покрытия из распыляемого потока. Провода 638 могут быть расположены в виде сита с разными структурами или в виде массива из одиночных проводов, расположенных параллельно друг другу. Решетчатый электрод 622 должен быть прозрачным для потока распыляемого металла со степенью прозрачности, лучшей чем 50%. Расстояние между соседними проводами 638 в сите или в решетчатом электроде 622 обычно составляет от 0,5 мм до 10 мм. Расстояния между соседними проводами в решетчатом электроде 622 меньшие чем 0,5 мм, являются непрактичными и могут влиять на прозрачность решетчатого электрода 622. Расстояния между соседними проводами 638 в решетчатом электроде 622 больше чем 10 мм, могут не иметь достаточных свойств ограничения плазмы, для ограничения струи 562 плазмы внутри зазора разряда или плазменного коридора 632. Расстояние d между магнетронной мишенью 634 и решетчатым электродом 622 обычно составляет от 10 мм до 100 мм. Расстояния, меньшие чем 10 мм, слишком малы для ограничения струи 562а дуги, в то время как расстояния, большие чем 10 см, слишком велики для обеспечения узкого коридора, который может сжимать струю плазмы, эффективно увеличивая ее плотность электронов, температуру электронов и степень ионизации потока распыляемого металла.
Решетчатый электрод 622, в общем, функционирует, как промежуточный анод. Однако он также может использоваться, как удаленный электрод воспламенения разряда плазмы. В последнем случае, переключатель 642 соединяет отрицательный вывод высокого напряжения постоянного тока или импульсного источника 644 питания с решетчатым электродом 622. Когда отрицательное высокое напряжение постоянного тока или импульсный потенциал смещения прикладываются к решетчатому электроду 622, он воспламенят тлеющий разряд, обеспечивающий исходную ионизацию в пределах зазора 632 разряда плазмы дуги удаленного анода, инициируя, таким образом, плазму RAAD. После воспламенения плазмы RAAD, переключатель 642 может подключать положительный вывод промежуточного источника 646 питания анода с электродом - решеткой 622, переводя электрод-решетку 622 в режим промежуточного анода, когда электрод-решетка 622 становится промежуточным анодом для дугового разряда удаленного анода. В этом случае, решетчатый электрод 622 соединен с положительным выводом источника 646 питания, в то время как отрицательный вывод соединен с катодом 538. В варианте осуществления электрод-решетка может быть соединен с отрицательным выводом источника 644 питания во время работы плазмы RAAD, в то время как положительный вывод соединен с катодом 538. В этом случае потенциал электрода-решетки 622 будет отрицательным относительно катода 538, но потенциал электрода-решетки 622 не может быть низким, чем у катода 538 больше, чем двукратного падения напряжения между катодом 538 и первичным анодом 556. Электрод-решетка 622 также может быть изолирован от других компонентов установки камеры для нанесения покрытия. В таких случаях потенциал электрода-решетки 622 может быть установлен, как плавающее значение потенциала, определенное плотностью плазмы, и температура электронов в плазме RAAD. Плотность плазмы в зазоре 632 разряда может быть увеличена до чрезвычайно высокого уровня, в результате уменьшения ширины зазора разряда, и увеличения тока дуги удаленного анода. Это позволяет использовать мишень 540а напыления в процессе диодного напыления без магнитного улучшения, которое требуется в процессе магнетронного напыления.
Плотность тока удаленной дуги в струе 562, зазоре разряда удаленной дуги, определенная между анодной решеткой 622 и магнетроном 540, находится в диапазоне от 0,1 до 500 А/см2. Плотность удаленного тока меньше, чем 0,1 А/см2, недостаточна для обеспечения требуемого уровня ионизации потока магнетронного напыления. Плотности тока удаленной дуги больше, чем 500 А/см2, требуют слишком большого мощности источника питания разряда удаленной дуги, что является не практичным для вариантов применения на практике. Высокая плотность тока разряда удаленной дуги (то есть струя (562) в зазоре разряда, определенная между анодной решеткой 622 и магнетроном 540, может быть достигнута, используя источники 646 и/или 608 питания постоянного тока, подает, которые могут обеспечить постоянные токи в диапазоне от 10 до 2000 А для удаленного анода 542 и/или решетчатого анода 622, или, в качестве альтернативы, используя импульсные источники питания, которые могут прикладывать положительные импульсы напряжения к удаленному аноду 542 и/или решетчатому аноду 622. Импульсы положительного напряжения могут находиться в диапазоне от 500 до 10000 В, и соответствующие импульсы тока могут находиться в диапазоне от 1000 до 50000 А.
На фиг. 19В представлен вариант системы по фиг. 19А. Проводники 638 в массиве 622 решетки-электрода могут быть распложены параллельно друг другу и их короткой стороне магнетрона 540. Каждый проводник 638 соединен с удаленным анодом 542 через конденсатор 640 и шунтирующий резистор 642, в то время как диоды обеспечивают направление тока в направлении проволочного элемента 638. Во время работы, перед воспламенением удаленного разряда, конденсаторы 640 заряжают до максимального напряжения разомкнутой цепи источника 608 питания дуги удаленного анода. Такая компоновка инициирует каскадное воспламенение разряда удаленной дуги, в результате воспламенения удаленной дуги, вначале между катодом 538 и первым одиночным проводником 638, который расположен ближе всего к катоду 538, после чего происходит распространение разряда удаленной дуги последовательно через все промежуточные электроды 638 из одиночного провода массива 622 электродной решетки в направлении удаленного анода 542. После фазы воспламенения конденсаторы 640 разряжаются, и потенциал каждого проводника 638 и всего массива 622 электродной решетки будет определен шунтирующими резисторами 642. Если разряд дуги удаленного анода погаснет, то конденсаторы 640 будут снова заряжены до максимального напряжения разомкнутой цепи источника 608 питания и каскадные воспламенение автоматически повторяется. В качестве альтернативы, воспламенение инициируется системой управления. Этот подход также можно применять к многомагнетронной системе, аналогичной той, которая показана на фиг. 16 и 18В. В этом случае промежуточные электроды воспламенения для компоновки каскадного воспламенения могут быть предусмотрены в зазорах между соответствующими источниками магнетронного напыления.
На фиг. 19С представлено дополнительное улучшение системы нанесения покрытия по фиг. 19А. RF электроды 648, 650 с емкостной связью расположены на обоих концах 652 катода и в удаленном конце 654 анода столбика 562 разряда удаленной дуги. Генератор RF и цепь согласования установлены последовательно с RF электродами 648, для активации струи 562 плазмы, путем наложения RF колебаний вдоль плазменной струи 562. Частота колебаний может находиться в диапазоне от 10 кГц до 500 МГц. В варианте осуществления частота генератора находится в диапазоне от 500 кГц до 100 МГц. Обычно используемый RF генератор 13,56 МГц пригоден для этой цели. Когда интенсивные колебания RF формируют в струе 562 плазмы, плотность плазмы, температура электронов и, следовательно, степень ионизации плазмы, получаемой при магнетронном напылении и газообразной плазме, повышается, приводя, таким образом, к увеличению эффективности ионизации разряда дуги удаленного анода и возможности степени активации. Это дополнительно улучшает свойства и рабочие характеристики покрытий, и поверхностей, вырабатываемых плазмой, с помощью плазмы разряда RAAMS. В другом варианте, как представлено на фиг. 19С, импульсный генератор высокого напряжения или пульсировал генератор RF 656, используются вместо RF генератор незатухающей волны, обеспечивая, таким образом, униполярное высокое напряжение или импульсы RF для воспламенения заряда RAAMS, а также для наложения импульсов высокого напряжения и большого тока во время процесса осаждения покрытия. Частота повторения тока высокого напряжения или RF импульсов находится в диапазоне от 1 Гц до 100 кГц.
На фиг. 19D представлен вид в перспективе модуля RAAMS с электродной решеткой. Катодная камера 548 с первичным катодом (не показан) и первичным анодом (не показан) расположена под магнетронами 540 магнетронного напыления. Электродная решетка 622 расположена перед магнетроном 540. Разряд удаленной дуги, то есть струи 562, воспламеняется между первичным катодом (не показан) в катодной камере 548 и удаленным анодом 542. Струя 562 удаленной дуги попадает из отверстия в катодной камере 548 в зазор разряда удаленной дуги, сформированный между электродом 622 решетки и поверхностью напыления магнетрона 540.
На фиг. 19Е представлена схема системы другой системы нанесения покрытия с удаленным анодом. Клетка 622 для плазмы дуги удаленного анода может быть сформирована перед магнетронной мишенью 634 источника 540 паров магнетрона, как иллюстративно показано на фиг. 19Е. Разряд удаленной дуги может быть установлен между катодом первичной дуги (не показан) в катодной камере 548 и клеткой анода (то есть решеткой 622) и/или верхним удаленным анодом 542. В этом варианте осуществления изобретения плазма дуги удаленного анода протекает к току через отверстия 630 в катодной камере 548 вдоль длинной стороны магнетронной мишени 634 в направлении решетчатого анода 622 и/или к верхнему удаленному аноду 542. Хотя удаленный анод 622 в виде клетки-решетки может быть изготовлен из проводов, выровненных в виде множества разных структур, в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 19Е, используется клетка 622 удаленного анода, состоящая из множества прямых проводников, расположенных параллельно длинной стороне магнетронной мишени 634.
Со ссылкой на фиг. 19F, на которой показано поперечное сечение системы, представленной на фиг 19Е, показана схема системы, в которой используется массив из проводов. Такой массив из параллельных проводов состоит из внешнего массива из проводов 622а, формирующих внешние границы решетки-клетки 622 удаленного анода. Струя плазмы дуги удаленного анода ограничена клеткой анода, сформированной этим внешним массивом проводов 622а клетки анода. Она может также, в случае необходимости, состоять из массива внутренних проводов 622b, которые расположены внутри решетки-клетки 622 анода. Когда положительное постоянное напряжение или импульсный потенциал прикладывают к решетке-клетке анода относительно катода в катодной камере 548, формируется оболочка из анодной плазмы вокруг каждого провода массива внешних проводов 622а и внутренних проводов 622b. Эффективность ионизации внутри оболочки анодной плазмы больше, чем у фоновой плазмы, в результате чего, происходит улучшение скорости ионизации потока напыления магнетроном, поскольку она способствует дополнительному улучшению свойств покрытия. Роль внутренних проводов 622b также состоит в том, чтобы отклонять заряженные частицы, такие как электроны и положительные ионы, изгибающие свои траектории, формирующие эффект маятника, увеличивая длину траекторий заряженных частиц, и эффективно захватывая заряженные частицы в пределах клетки-решетки 622 анода, увеличивая, таких образом, вероятности ионизации потока напыления магнетроном. Такой подход по ограничению плазмы также может использоваться без необходимости магнитного ограничения. Это позволяет использовать мишень напыления в режиме диодного напыления без каких-либо магнитов, в то время как плазма высокой плотности дуги удаленного анода электростатически ограничена внутри решетки - клетки 622 анода. Характеристическое расстояние между соседними проводами в клетке-решетке 622 анода, показанное на фиг. 19Е, находится в диапазоне от 0,5 мм до 30 мм. Толщина каждого проводника обычно находится в диапазоне от 50 микрометров до 3000 микрометров. Плотность тока дуги удаленного анода, протекающего вдоль мишени 634 параллельно ее длинной стороне из отверстия 634 катодной камеры, находится в диапазоне от 0,1 до 500 А/см2. Ток дуги удаленного анода может быть обеспечен либо от источника питания постоянного тока или импульсных источников питания. Поперечное сечение источника 540 напыления магнетрона, окружающее клетку-решетку 622 анода, схематично показано на фиг. 19F. Разряд 647 магнетрона устанавливается над магнетронной мишенью 7а, налагая его на поток 649 металлических атомов магнетронного напыления. Анодная клетка состоит из внешнего массива 622а и внутреннего анодного массива 622b проводников. Когда энергию подают к проводу путем применения положительного потенциала относительно катода в катодной камере (не показана), произошла утечка анодной плазмы и улучшенная степень ионизации устанавливается вокруг каждого из проводников анодной клетки-решетки 622. Траектории заряженных частиц (электронов и положительных ионов) 651 отклоняются, когда частица приближается к оболочке анодной плазмы, окружающей массив проводников 622а, b. В варианте осуществления провода клетки-решетки 622 изготовлены из огнеупорных металлов, таких как W или Та, и их температура поддерживается в диапазоне от 500 до 2500°С, что позволяет эффективно повторное испарение атомов металла потока магнетронного напыления, в которое может прилипать к поверхности провода. Считается, что высокая степень ионизации в анодной клетке-решетке позволяет оперировать источником пара для напыления в диапазоне давлений ниже 0,5 мТорр и даже без использования инертного газа, такого как аргон или криптон, что, таким образом, устраняет отрицательное включение атомов инертного газа в решетку покрытия.
Со ссылкой на фиг. 20, будет представлен вариант, в котором источник дуговой катодной электронной эмиссии представляет собой нерасходуемый катод. Узел катода 660 включает в себя катод с водяным охлаждением, с цилиндрической формой или прямоугольной полостью. Прямоугольная полость 662 включает в себя внутреннюю испарительную и электронной эмиссии поверхность 664, и первичный анод 666, в общем, состоящий из цилиндрической или прямоугольной вставки 668, закрепленной на пластине 670 анода. Вставка 668 анода продолжается в катодную полость 662. Анод 666 изготовлен из огнеупорных металлов, выбранных из группы W, Та, Nb, Hf, Ti, Cr, Mo и нержавеющая сталь. Анодная пластина 670 изолирована от катода керамическими распорками 672. Первичный анод 666 прикреплен на резервуаре 676 передачи охлажденной водой плазмы через распорки 678, имеющие малое поперечное сечение, обеспечивающее высокое тепловое сопротивление между резервуаров 676 плазмы и первичным анодом 666. Резервуар 676 плазмы включает в себя отверстие 680, которое обращено к катоду 538 через трубчатую анодную вставку 668 на боковой стороне катода 538 и отверстие 682, обращенной к зазору разряда между электродом-решеткой 622 и магнетронным источником 540 на боковой стороне камеры 550 для нанесения покрытия. Длина отверстия 682, в общем, равна ширине магнетронной мишени 634, в то время как ширина отверстия 682 меньше, чем ширина d зазора 632 разряда. Распорки 678 могут быть изготовлены из огнеупорного металла. В этом случае резервуар 676 с плазмой электрически соединен с первичным анодом 666. В качестве альтернативы, распорки 678 могут быть изготовлены из неэлектропроводной керамики, что делает резервуар 676 с плазмой электрически изолированным от первичного анода 666. В любом случае, распорки 678 должны иметь малое поперечное сечение, обеспечивающее высокое тепловое сопротивление между резервуаром 662 с плазмой с водяным охлаждением и первичным анодом 668. Во время работы первичный анод нагревается током дуги, который повышает температуру, когда происходит повторное испарение металла, передаваемого от катода, которое эффективно выполняет повторное использование металла катода, испаряющегося с внутренней поверхности 669 катода при дуговом разряде катода.
Резервуар 662 катода обычно сформирован из металла с относительно низкой температурой плавления и высоким давлением насыщения паров. Примеры таких металлов включают в себя, но без ограничений, Cu, Al, бронзу и другие низкотемпературные сплавы. В качестве альтернативы, резервуар 662 катода может быть изготовлен из меди, но его внутреннее испарительная эмиссия и электронной поверхность 669 должна быть покрыта тонким слоем металла с низкой температурой кипения (например, Zn, Cd, Bi, Na, Mg, Rb). Металлы с низкой температурой испарения легко повторно испаряются горячим первичным анодом, когда его температура составляет от 600 до 1100 градусов С. Внутренняя поверхность с водяным охлаждением резервуара 676 с плазмой также может функционировать, как поверхность конденсации, которая эффективно предотвращает протекание потока атомов катода на блок 550 для нанесения покрытия камеры. Следует понимать, что вариации, показанные на фиг. 18-20, также можно использовать без электрода-решетки 622. В этом случае отверстие в катодной камере 548, обращенной к камере 550 покрытия, должно быть расположено близко к поверхности магнетронной мишени 634, которая обращена к области разряда магнетрона при высокой плотности распыляемых атомов.
На фиг. 21А и 21В показаны альтернативные конфигурации удаленных плазменных систем. Со ссылкой на фиг. 21А, будет описана система 670 нанесения покрытия, которая включает в себя держатель 672 подложки, расположенный между источником 674 магнетронного напыления и анодом 676. Система 670 для нанесения покрытия также включает в себя катодную камеру 678, которая имеет конструкцию, описанную выше. Такая конфигурация увеличивает плотность плазмы удаленной дуги, обеспечивая, таким образом, большую степень содействия при бомбардировке во время магнетронного напыления. На фиг. 21В показана система 680 для нанесения покрытия, включающая в себя анод 682, который состоит из тонких проводов. Анод 682 установлен между магнетронной мишенью 684 и держателем 686 подложки. Система 680 нанесения покрытия также включает в себя катодную камеру 688, как описано выше. В этой последней конфигурации более плотная зона плазмы разряда удаленной дуги формируется в зазоре между магнетронной мишенью и подложками, на которые требуется нанести покрытие.
В другом варианте осуществления предусмотрено изделие с нанесенным покрытием, сформированное с помощью способов и систем, представленных выше. На фиг. 22А показано изделие 726 с покрытием, которое содержит подложку 728, имеющую поверхность 730 и покрытие 732, расположенные поверх поверхности 730. В варианте осуществления покрытие представляет собой защитное покрытие. Как правило, покрытие имеет плотную микроструктуру и характерный цвет. В варианте осуществления покрытие включает в себя огнеупорный металл, которые вступил в реакцию с азотом, кислородом и/или углеродом, для формирования огнеупорного нитрида, оксида или карбида металла. Примеры соответствующих огнеупорных металлов включают в себя, но не ограничены этим, хром, гафний, тантал, цирконий, титан и сплав циркония и титана. Нитрид хрома представляет собой пример особенно полезного покрытия, изготовленного с помощью способов, описанных выше. В варианте осуществления покрытие имеет толщину от приблизительно 1 до приблизительно 6 микрон. На фиг. 22В показан вариант хром нитридного покрытия, которое представляет собой многослойную структуру, сформированную с использованием способов, описанных выше. Покрытое изделие 834 включает в себя тонкий слой 836 из не вступившего в реакцию слоя хрома, расположенного поверх подложки 728, и толстый слой 838 стехиометрического нитрида хрома, расположенный поверх слоя 736 непрореагировавшего хрома. В дополнительном варианте осуществления многослойная структура дополнительно включает в себя слой 740 промежуточного слоя стехиометрического нитрида хрома, расположенного поверх слоя 738 стехиометрического нитрида хрома. Промежуточный стехиометрический нитрид 240 хрома имеет стехиометрию, заданную уравнением CrN(1-x), где x представляет собой число от 0,3 до 1,0. В варианте осуществления толщина непрореагировавшего слоя 736 хрома составляет от 0,05 до 0,5 микрон, толщина толстого слоя 738 нитрида хрома составляет от 1 до 3 микрон, и толщина промежуточного стехиометрического нитрида 740 хрома составляет от 0,5 до 1 микрона.
В то время как варианты осуществления изобретения были представлены и описаны, предполагается, что эти варианты осуществления иллюстрируют и описывают не все возможные формы изобретения. Скорее, формулировки, используемые в описании, представляют собой формулировки, направленные скорее на описание, чем на ограничения, и при этом следует понимать, что различные изменения могут быть выполнены без выхода за пределы сущности и объема изобретения.
1. Система для нанесения покрытия на подложку, содержащая:
вакуумную камеру и
узел для нанесения покрытия, включающий в себя
источник паров металла покрытия, имеющий поверхность мишени, характеризующуюся двумя габаритными размерами в виде длинного габарита источника паров и короткого габарита источника паров и соответствующими двумя ориентациями в виде ориентации длинного габарита источника паров и ориентации короткого габарита источника паров,
держатель подложек для удержания подложек, на которые требуется нанести покрытие, причем подложки располагаются перед источником паров металла покрытия, причем держатель подложек имеет удлиненную форму и характеризуется линейным габаритным размером и соответствующей ориентацией линейного габарита держателя,
узел катодной камеры, включающий в себя мишень-катод, первичный анод и экран, который изолирует мишень-катод от вакуумной камеры, при этом мишень-катод характеризуется двумя габаритными размерами в виде линейного длинного габарита мишени-катода и линейного короткого габарита мишени-катода и соответствующими двумя ориентациями в виде ориентации линейного длинного габарита мишени-катода и ориентации линейного короткого габарита мишени-катода,
удаленный анод, электрически соединенный с мишенью-катодом, причем удаленный анод имеет удлиненную форму и характеризуется линейным габаритным размером и соответствующей ориентацией линейного габарита удаленного анода,
первичный источник питания, подключенный между мишенью-катодом и первичным анодом; и
вторичный источник питания, подключенный между мишенью-катодом и удаленным анодом,
при этом в экране узла катодной камеры сформировано по меньшей мере одно отверстие для передачи тока электронной эмиссии удаленного дугового разряда от мишени-катода к удаленному аноду, который проходит вдоль поверхности мишени источника паров металлов в направлении ориентации длинного габарита источника паров,
причем ориентация линейного габарита удаленного анода и ориентация короткого габарита источника паров металла параллельна направлению, в котором направляют пятно дугового разряда вдоль мишени-катода.
2. Система по п. 1, в которой в экране сформировано единственное отверстие.
3. Система по п. 1, в которой в экране сформировано множество отверстий.
4. Система по п. 1, которая содержит дополнительный источник паров металла, расположенный между узлом катодной камеры и удаленным анодом, при этом ориентация линейного габарита удаленного анода и направление, в котором направляют пятно дуги вдоль мишени-катода, параллельны ориентации короткого габарита каждого дополнительного источника паров металла.
5. Система по п. 1, которая дополнительно содержит второй узел катодной камеры, включающий в себя вторую мишень-катод, второй первичный анод и второй экран, который изолирует вторую мишень-катод от вакуумной камеры, при этом вторая мишень-катод характеризуется линейным габаритом второй мишени-катода, во втором экране сформировано по меньшей мере одно отверстие для передачи второго тока электронной эмиссии от второй мишени-катода к удаленному аноду, который проходит вдоль длинного габарита второй мишени.
6. Система по п. 1, в которой плазма дугового разряда удаленного анода ограничена между мишенью-источником паров металла и линейным держателем.
7. Система по п. 1, в которой источник паров металла включает в себя магнетронную мишень.
8. Система по п. 7, которая дополнительно содержит анод в виде решетки-клетки, установленный между магнетронной мишенью и линейным держателем, при этом узел катодной камеры расположен на первом конце анода в виде решетки-клетки, причем узел катодной камеры имеет отверстие катодной камеры для выпуска тока электронной эмиссии в пределах анода в виде решетки-клетки.
9. Система по п. 8, в которой удаленный анод установлен на втором конце анода в виде решетки-клетки.
10. Система по п. 8, в которой удаленный анод соединен с положительным выводом первого источника питания удаленной дуги и анод решетки-клетки соединен с положительным выводом второго источника питания удаленной дуги.
11. Система по п. 8, в которой анод в виде решетки-клетки имеет плавающий электрический потенциал или заземлен, при этом дуговой разряд удаленного анода ограничен внутри этой клетки.
12. Система по п. 8, в которой расстояние между внешней границей анодной клетки составляет от 10 до 100 мм от магнетронной мишени, при этом плотность тока удаленного дугового разряда в пределах анода в виде решетки-клетки составляет от 0,1 до 500 A/см2.
13. Система по п. 8, в которой узел решетки-клетки включает в себя провода, имеющие толщину от 0,05 до 3 мм и расстояние между соседними проводами от 0,5 до 30 мм.
14. Система по п. 8, которая дополнительно содержит внутренние провода анода, распределенные внутри анодной клетки, которые отклоняют заряженные частицы, захватываемые в анодную клетку.
15. Система по п. 7, которая дополнительно содержит RF антенны, расположенные на обоих концах анодной клетки, при этом держатели RF антенн индуцируют RF разряд, который нагревает электроны, излучаемые мишенью-катодом.
16. Система по п. 1, в которой мишень-катод узла катодной камеры выполнена с полостью, поверхность которой покрыта металлом с высоким давлением насыщенных паров, причем указанная полость отделена от области удаленного дугового разряда сепаратором.
17. Система по п. 1, которая дополнительно содержит источник питания для разряда удаленного дугового разряда, который представляет собой источник питания постоянного тока или импульсный источник питания постоянного тока, причем отрицательный вывод источника питания соединен с мишенью-катодом, а положительный вывод источника питания соединен по меньшей мере с одним удаленным анодом.
18. Система по п. 7, в которой источник питания удаленного дугового разряда представляет собой источник питания постоянного тока или импульсный источник питания постоянного тока, причем отрицательный вывод источника питания соединен с мишенью-катодом, а положительный вывод источника питания соединен с анодом в виде решетки-клетки.
19. Способ нанесения покрытия на подложку, включающий использование системы нанесения покрытия, которая содержит
вакуумную камеру и
узел нанесения покрытия, включающий в себя:
источник паров металла покрытия, имеющий поверхность мишени, характеризующуюся двумя габаритными размерами в виде длинного габарита источника паров и короткого габарита источника паров и соответствующими двумя ориентациями в виде ориентации длинного габарита источника паров и ориентации короткого габарита источника паров,
держатель подложек для удержания подложек, на которые требуется нанести покрытие, причем подложки располагаются перед источником паров металла покрытия, причем держатель подложек имеет удлиненную форму и характеризуется линейным габаритным размером и соответствующей ориентацией линейного габарита держателя,
узел катодной камеры, включающий в себя мишень-катод, первичный анод и экран, который изолирует мишень-катод от вакуумной камеры, при этом мишень-катод характеризуется двумя габаритными размерами в виде линейного длинного габарита мишени-катода и линейного короткого габарита мишени-катода и соответствующими двумя ориентациями в виде ориентации линейного длинного габарита мишени-катода и ориентации линейного короткого габарита мишени-катода,
удаленный анод, электрически соединенный с мишенью-катодом, причем удаленный анод имеет удлиненную форму и характеризуется линейным габаритным размером и соответствующей ориентацией линейного габарита удаленного анода,
первичный источник питания, подключенный между мишенью-катодом и первичным анодом, и
вторичный источник питания, подключенный между мишенью-катодом и удаленным анодом,
при этом в экране узла катодной камеры сформировано по меньшей мере одно отверстие для передачи тока электронной эмиссии удаленного дугового разряда от мишени-катода к удаленному аноду, который проходит вдоль поверхности мишени источника паров металла в направлении ориентации длинного габарита источника паров,
причем ориентация линейного габарита удаленного анода и ориентация короткого габарита источника паров металла параллельна направлению, в котором направляют пятно дугового разряда вдоль мишени-катода,
характеризующийся тем, что
генерируют первичный дуговой разряд в источнике катода, испускающий электроны, между мишенью-катодом и первичным анодом,
генерируют ограниченный удаленный дуговой разряд в области нанесения покрытия между узлом катодной камеры и удаленным анодом и
генерируют поток паров металла от источника паров металла в направлении по меньшей мере одной подложки, на которую требуется нанести покрытие.
20. Способ по п. 19, в котором используют систему для нанесения покрытия, дополнительно содержащую анод в виде решетки-клетки, установленный между магнетронной мишенью и линейным держателем, при этом узел катодной камеры расположен на первом конце анода в виде решетки-клетки и выполнен с отверстием в катодной камере для прохода тока электронной эмиссии в пределах анода в виде решетки-клетки.
