具有预定阴极材料蚀除的阴极电弧蒸发制造技术

本发明专利技术涉及借助阴极电弧蒸发来蒸发阴极的方法，在此，电弧焦斑借助在时间和地点上可控的磁场被迫向在阴极表面上的预定移动轨迹，其中产生阴极表面的预定材料蚀除。本发明专利技术也涉及用于执行本发明专利技术方法的装置。

Cathodic arc evaporation with anticipated cathode material removal

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有预定阴极材料蚀除的阴极电弧蒸发本专利技术涉及借助阴极电弧蒸发的阴极蒸发方法，在此，电弧焦斑借助在时间和地点上可控的磁场被迫使至阴极表面上的预定移动轨迹，在此造成了阴极表面的预定材料蚀除。本专利技术也涉及用于执行本专利技术方法的装置。现有技术在用作阴极的材料的电弧蒸发(以下也称为电火花蒸发，在本专利技术范围内，电弧蒸发＝电火花蒸发)中，当未使用磁场时，焦斑(也称为斑点或阴极焦斑)运动大多时不可计算的。尤其是在石墨材料情况下，相比于金属材料，焦斑运动极为随意和缓慢。这样的情况下，通常发生斑点长时间留在待蒸发石墨材料表面的一个地点，以至于在石墨材料中出现深洞，同时电弧熄灭。坎大哈等人例如在其文章“在各种石墨阴极上的真空电弧阴极斑点运动”(等离子体源技术，5(1996)349-355)中描述了阴极焦斑如何在石墨阴极上相比于由金属材料构成的阴极更缓慢运动，使得它甚至停留不动且同时可能在石墨材料中烧结。坎大哈等人在同一文章中报告，通过使用在时间和地点上保持恒定的强磁场可以获得借助石墨阴极电弧蒸发所产生的层膜中宏观颗粒的减小。他们解释说：强磁场引起焦斑速度提高和进而在阴极焦斑区域内的焦斑热作用时间的缩短，这造成了自石墨阴极产生的宏观颗粒的减少。坎大哈等人针对所做实验，已经通过将斑点移动路径除以电弧持续时间而计算出平均斑点速度。平行于阴极表面的外部静态磁场被用于使斑点在石墨阴极表面上反向运动，就像对于真空中处于横向磁场影响下的电弧典型出现的那样。已经观察到斑点对于不同石墨类型的表现截然不同，不仅就斑点速度而言、也就蚀除轮廓而言。以下，在时间和地点上保持恒定的磁场也被称为“在时间和地点上固定不变的磁场”或简称为“静态磁场”。但是，在采用这样的静态磁场情况下的最佳蚀除轮廓的调节在大面积的阴极上几乎是不可能的。与此相关，例如曾涉及圆形活性阴极面，其所具有的直径为几厘米、即两厘米或以上。其它作者近年来也关于使用磁场控制阴极焦斑在石墨阴极上的运动的方法作了报告。李柳河等人例如在其文章“在外磁场下的阴极电弧斑运动的控制”(真空91(2013)20-23)中报告了在时间和地点上固定不变的磁场、电弧电流、气压的各种不同的强度和表面形貌对阴极焦斑在矩形石墨阴极上的运动和动力学的影响。所用磁场通过永磁体和电磁线圈的组合产生。但在时间和地点上固定不变的磁场基本以如下方式作用于移动轨迹，即，它导致石墨阴极的不均匀材料蚀除。就此而言，阿克赛诺夫等人在其文章“磁场对石墨阴极刻蚀表面形状的影响”(原子科学技术问题，2002，第5期：等离子体物理学(8)，142-144页)中也报告了在时间和地点上固定不变的磁场对在电火花蒸发中的石墨阴极蚀除表面形状的影响。与此相关地尤其进行实验，以研究气压和电弧流的作用。阿克赛诺夫等人还说明了，阴极斑点在石墨上的运动速度具有比在金属上低约2至3个数量级。在阴极边缘区中，尽管有磁场优化，但确认有阴极材料的不定的蚀除(也称为刻蚀)。也从现有技术中知道了使用多个固定不变的磁场来迫使电弧在金属阴极上移动。与此相关，例如维特在DE4008850A1中描述了通过有目的的切换边缘磁场可以防止电弧从待蒸发阴极表面滑落。但专利技术人确定，包含外磁场控制的迄今解决方案迄今只允许有限针对性地调节蚀除轮廓(也称为刻蚀轮廓)。专利技术任务本专利技术任务是提供一种借助阴极电弧蒸发来蒸发阴极的方法，其中，产生阴极表面的尤其是待蒸发石墨阴极材料的预定材料蚀除。本专利技术任务的完成——
技术实现思路
专利技术人已经证实，出乎意料地可以利用在时间和地点上可控的磁场理想地克服根据现有技术的迄今解决方案的在尤其是石墨材料电弧蒸发中的上述缺点，其中，阴极材料刻蚀(以下也称为蚀除，在本专利技术范围内刻蚀＝蚀除)借助在时间和地点上可控的磁场来有目的地调节。专利技术详述在本专利技术范围内，用术语“在时间和地点上可控的磁场”称呼这样的磁场，其所具有的磁场线的性能至少在磁场使用时间的一部分内可在一个或多个地点被有目的地改变。也在本专利技术范围内地，用术语“静态磁场”称呼这样的尤其外部磁场，其所具有的磁场线的性能在磁场使用期间内无法在时间和地点上来控制，即它无法在电弧蒸发期间如此改变焦斑移动轨迹，即，出现蚀除的阴极地点可通过改变磁场线性能而在时间上改变。以下结合几幅图和实施例来详述本专利技术。附图说明图1示出两个以有创意的方式来设定的隧道形磁场(在图1中标为M1和M2)和在阴极30上由此导致的蚀除路径(在图1中标为W1和W2)的视图，每个蚀除路径以具有相应直径(在图1中标为D1和D2)的圆形表示。图2示出用于执行本专利技术方法的装置。图3示出蚀除路径和蚀除区域，它们是因使用根据下述例2的本专利技术方法而产生的。如果例如作为阴极在真空涂覆室内使用具有一定石墨质量的石墨靶(以下也简称靶)以借助电火花蒸发来蒸发石墨靶且同时将碳层膜沉积到安放于真空涂覆室内的基材的表面，则人们可根据本专利技术调节出在时间和地点上可控的隧道形引导磁场，以便例如在采取针对一定石墨质量的恒定蚀除速度R下，时间积分地在靶(以下也简称为阴极)的不同地点输入等量的安培秒。与此相关，为了计算按微克/安培秒(μg/As)的石墨材料蚀除速度，采用标记“RGraph”。现在结合图1来描述本专利技术，在图1中示出两个根据本专利技术所设定的引导磁场(M1和M2)。根据本专利技术，调节出合适的第一引导磁场M1，以蚀刻阴极表面的第一区域。在此出现第一蚀除路径W1。于是，在产生引导磁场M1且保持设定时，第一蚀除路径W1对应于焦斑移动轨迹。在第一引导磁场M1中导致的斑点的第一蚀除路径W1和第一积分速度v1利用合适的方法来测量，例如通过目测观察。也调节出至少一个第二引导磁场M2，其导致阴极表面的第二区域的蚀除。在此出现第二蚀除路径W2，其在产生并保持设定第二引导磁场M2时对应于焦斑的移动轨迹。在第二引导磁场M2下导致的第二积分速度v2和第二蚀除路径也被测量。当第一蚀除路径W1具有第一长度L1且第二蚀除路径W2具有第二长度L2时并且存在L2>L1时，则在两个蚀除路径的积分斑点速度相同(v1＝v2)时，第二蚀除路径W2转一圈的时间t2大于第一蚀除路径转一圈的时间t1，即，t2>t1。因此得到如下情况：v1＝L1/t1＝v2＝L2/t2，对于同一靶材，此时采取相同的规定靶材质量，即，vi-1＝Li-1/ti-1＝vi＝Li/ti，在此i＝1至n，其中n≥2并且i是整数，n也是整数。蚀除E针对各自区域被限定为E＝R*t，其中，Ei＝R*ti，并且当i＝n时，则En＝R*tn＝En-1＝R*tn-1，采取恒定的蚀除速度R。本专利技术例1加载于电弧蒸发器上的电流在此例子中为100安培，在第一区域中的斑点的测得的停留时间为t1＝40秒，测得的蚀除速度为R1＝18μg/As，其中R1＝R，此时采用恒定的蚀除速度。接着，第一区域内的蚀除E1可以计算如下：E1＝R*t1＝R1*t1＝18μg/As*100A*40s＝72000μg用于产生所述例子中的引导磁场的磁体件被如此调节，即，出现圆形的或近似圆形的蚀除路径。第一蚀除路径的直径D1等于约8厘米。因为斑点的移动轨迹的圆形形状，焦斑的第一移动轨迹的长度L1计算如下：L1＝π*D1≈25厘米一方面，由此得到约38厘米/分钟的积分斑点速度v1＝L1/t1以及涉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种借助阴极电弧蒸发法在真空室中蒸发阴极的方法，其中，电弧被引燃且电弧焦斑在待蒸发阴极表面上在预定移动轨迹上的运动是借助引导磁场被强制的，其中，采用在该真空室之内的内磁体件以及在该真空室之外的外磁体件，用于分别产生至少一个内磁场和一个外磁场，其中，该引导磁场是因磁场相互作用而出现的隧道形引导磁场，其特征是，该隧道形引导磁场是可变的且在执行电弧蒸发法过程中产生至少两个不同的引导磁场(M1,M2)，其中，该方法包括如下步骤：‑产生第一隧道形引导磁场(M1)，其被用于在第一持续时间t1在待蒸发阴极表面上沿第一移动轨迹引导电弧焦斑，其中，在阴极表面的第一区域中出现具有长度(L1)的第一蚀除路径(W1)，其中，第一持续时间(t1)对应于：行经第一蚀除路径(W1)的整个长度(L1)一次，该焦斑所需的时间，‑改变第一引导磁场的性能，以调节成不同于第一引导磁场的第二隧道形引导磁场(M2)，第二隧道形引导磁场被用于在第二持续时间(t2)在待蒸发阴极表面上沿第二移动轨迹引导电弧焦斑，其中，在阴极表面的第二区域中出现具有长度(L2)的第二蚀除路径(W2)，其中，第二持续时间(t2)对应于：行经第二蚀除路径(W2)的整个长度(L2)一次，该焦斑所需的时间，‑执行电弧蒸发法，其中，在电弧蒸发法的整个持续期间ttot，第一引导磁场(M1)在接通期间tein1投入使用，并且第二引导磁场(M2)在接通期间tein2投入使用，其中，tein1≥t1，tein2≥t2，并且ttot≥tein1+tein2，其中，t1和t2分别持续若干秒到若干分钟。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.14 US 62/458,6311.一种借助阴极电弧蒸发法在真空室中蒸发阴极的方法，其中，电弧被引燃且电弧焦斑在待蒸发阴极表面上在预定移动轨迹上的运动是借助引导磁场被强制的，其中，采用在该真空室之内的内磁体件以及在该真空室之外的外磁体件，用于分别产生至少一个内磁场和一个外磁场，其中，该引导磁场是因磁场相互作用而出现的隧道形引导磁场，其特征是，该隧道形引导磁场是可变的且在执行电弧蒸发法过程中产生至少两个不同的引导磁场(M1,M2)，其中，该方法包括如下步骤：-产生第一隧道形引导磁场(M1)，其被用于在第一持续时间t1在待蒸发阴极表面上沿第一移动轨迹引导电弧焦斑，其中，在阴极表面的第一区域中出现具有长度(L1)的第一蚀除路径(W1)，其中，第一持续时间(t1)对应于：行经第一蚀除路径(W1)的整个长度(L1)一次，该焦斑所需的时间，-改变第一引导磁场的性能，以调节成不同于第一引导磁场的第二隧道形引导磁场(M2)，第二隧道形引导磁场被用于在第二持续时间(t2)在待蒸发阴极表面上沿第二移动轨迹引导电弧焦斑，其中，在阴极表面的第二区域中出现具有长度(L2)的第二蚀除路径(W2)，其中，第二持续时间(t2)对应于：行经第二蚀除路径(W2)的整个长度(L2)一次，该焦斑所需的时间，-执行电弧蒸发法，其中，在电弧蒸发法的整个持续期间ttot，第一引导磁场(M1)在接通期间tein1投入使用，并且第二引导磁场(M2)在接通期间tein2投入使用，其中，tein1≥t1，tein2≥t2，并且ttot≥tein1+tein2，其中，t1和t2分别持续若干秒到若干分钟。2.根据权利要求1的方法，其中，第一隧道形引导磁场的性能被改变n次，以便调节出n数个隧道形引导磁场Mi，其中，n为整数且n≥2，i为整数且i＝1至n，其中，针对每个隧道形引导磁场得到不同的移动轨迹，用以在第二持续时间ti引导电弧焦斑，并且通过这种方式出现具有相应长度Li的不...

【专利技术属性】
技术研发人员：约格·韦特，马库斯·维拉赫，
申请(专利权)人：欧瑞康表面处理解决方案股份公司普费菲孔，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH