供电弧等离子体沉积用的增强式阴极电弧源制造技术

本申请涉及供电弧等离子体沉积用的增强式阴极电弧源。改进的阴极电弧源和DLC膜沉积方法，其中在圆柱形石墨空腔内部产生定向喷射的含碳等离子体流，所述空腔的深度约等于阴极直径。所产生的碳等离子体膨胀通过孔口进入周围真空中，引起等离子体流发生强烈的自收缩。所述方法代表了一种重复工艺，其包括两个步骤：上述等离子体产生/沉积步骤和与之交替的回收步骤。这个步骤可以通过使空腔内部的阴极棒向孔口方向移动来定期除去腔壁上所积聚的过量碳。所述阴极棒伸出而高于所述孔口，且移回到初始阴极尖端位置。所述步骤可以定期再现直到膜沉积至目标厚度为止。技术优点包括膜硬度、密度和透明度改进、再现性高、持续操作时间长和微粒减少。

An enhanced cathode arc source for arc plasma deposition in power supply

This application involves an enhanced cathode arc source for plasma arc plasma deposition. The improved cathode arc source and DLC film deposition method, in which cylindrical carbon dioxide plasma flow is generated inside the cylindrical graphite cavity, and the depth of the cavity is approximately equal to the cathode diameter. The resulting carbon plasma expansion through the hole enters the surrounding vacuum, causing a strong autogenous contraction of the plasma flow. The method described represents a duplication process which includes two steps: the above plasma production / deposition steps and the alternate recovery steps. This step can be made by moving the cathode bar inside the cavity to the hole in the hole to remove the excess carbon accumulated on the cavity wall. The cathode rod extends beyond the hole and moves back to the initial cathode point position. The steps can be periodically reproduced until the film is deposited to the target thickness. Technical advantages include improvement of membrane hardness, density and transparency, high reproducibility, long duration of operation and reduction of particles.

【技术实现步骤摘要】
供电弧等离子体沉积用的增强式阴极电弧源
本专利技术大体上涉及使用阴极电弧等离子体源进行薄膜沉积的技术，且更具体地说，涉及适于可重复沉积超硬和/或超致密、低缺陷碳膜的技术。
技术介绍
增进耐磨损和耐腐蚀性以及滑动行为是薄膜
中的一个重要考虑因素。这些应用代表了往往同时存在的各种各样的艰难操作条件，如与滑动对应物和周围介质发生的粘合、磨损和腐蚀相互作用。类金刚石碳(“DLC”)涂层似乎作为防护层而满足了许多的这些需求：DLC代表了以高硬度和杨氏模量(YoungModulus)为特征的高机械硬度材料。另外，其对金属和大部分其它材料只展现了微弱的粘附亲和性。其对大部分侵蚀剂和环境具有惰性。使用阴极电弧等离子体沉积DLC涂层是一种潜力巨大的涂布技术。阴极电弧等离子体是高度电离的且因此可以通过电场和磁场操控。通常，使用电场改变离子能量且从而改变所沉积膜的结构和特性；使用磁场导引和均质化等离子体。阴极电弧电流典型地局限于微小的非静态阴极斑点。斑点形成向等离子体形成、电子发射和阴极与阳极之间的电流传输提供了足够的功率密度。大粒子来源于在阴极斑点发生的等离子体-固体相互作用。为了从阴极电弧等离子体中排除大粒子，已提出多种方法且进行了测试，如曲面磁过滤器。虽然已经合成了金属、金属-化合物和DLC膜，但是大粒子过滤器受困于两个主要缺点：(1)等离子体传输效率低，即初始等离子体中只有一部分实际上用于膜沉积，和(2)大粒子无法完全除去。大粒子过滤器的设计取决于电弧操作模式。DC电弧等离子体源通常装备有大尺寸(例如1-2"的直径)的阴极。可以用磁性方式控制斑点位置。在任何情况下，产生等离子体的微米级阴极斑点的位置可以在整个阴极表面中变化，且过滤器入口的横截面必须大到足以容纳多个斑点位置。过滤器入口大意味着过滤器的长度、容积和重量大。就过滤器容积被围封于由磁场线圈包围的导管或管道中来说，几乎全部的DC操作过滤器具有“封闭”的架构。理想的是，大粒子无法离开过滤器容积。预计粒子会粘附到管壁或被截获于管道内部所放置的挡板之间。一种方式是过滤式阴极电弧源，其中过滤器采取具有环管的封闭式架构，所述环管具有2个弯头。所述管道典型地相对较大，其直径为4-6"。然而，由于大粒子倾向于从表面反弹，因此对于有些阴极材料(如碳)来说，难以截获大粒子。这种“反弹”问题可以通过具有开放式架构的过滤器来解决，其中利用“反弹”让大粒子从等离子体传输区域逃出。开放式架构的过滤器不具有管道，而改为包括几匝磁过滤器线圈。尽管单位长度的匝数少，线圈也必须具有相对较高的电流以产生足够的磁场强度。开放式架构过滤器与具有小面积阴极且按脉冲模式操作的紧凑型电弧源的组合可如人所愿地将纯净的碳等离子体递送到沉积靶。这种技术的局限性包括如下事实：当流动横截面按S(r)～r2增加时，等离子体流几乎在具有半角约π/3的圆锥体内发生膨胀。所述流膨胀典型地导致等离子体冷却效应、离子减速且因此导致sp3/sp2比率减小(和硬度、密度、透明度减小)；以及阳极表面上的“寄生”碳沉积物，其引起标靶上的碳膜沉积速率降低。有些新型的微系统(“MEMS”)应用，具体地说，具有热辅助磁记录功能的磁头可能需要具有极高的硬度、密度和透明度以及增强的厚度可再现性的薄碳膜。
技术实现思路
本专利技术的多个实施例提供了一种改进的碳膜沉积方法以及改进的阴极电弧等离子体源，其目的是使所沉积的膜实现极高的硬度、密度和透明度；使系统中所产生以及递送到膜表面的粒子的数量减少。某些实施例进一步增强了沉积速率控制且减少了沉积膜厚度在阴极寿命期间的衰减。多个实施例可以进一步通过减少阳极和过滤器线圈表面上发生的碳“寄生”沉积来维持较高的源效率。在本专利技术中，我们公开了一种具有圆柱形石墨阴极棒和阳极的阴极电弧源，所述阴极棒和阳极被屏蔽件隔开；所述屏蔽件包括绝缘体管，所述管内部具有薄壁石墨衬套，且屏蔽件可以从阴极顶表面延伸，从而形成石墨空腔(孔口形状与阴极顶表面相同的半围束空间)。在一个实施例中，空腔深度大致等于阴极直径。空腔中所产生的碳等离子体膨胀通过孔口进入周围真空中。我们已经发现有若干因素(包括空腔几何形状)限制了等离子体通量角分布，导致等离子体流收缩更强且继而导致磁性自夹挤效应更强。等离子体在空腔中产生的结果是等离子体在极窄的锥角内的定向流动；等离子体加热，其引起等离子体与液滴的强烈相互作用，这有助于更高的等离子体密度提升以及石墨液滴/粒子的蒸发；以及离子加速。腔壁可以使用重复工艺定期清洁，所述方法包括两个步骤：上述等离子体产生/沉积步骤和与之交替的回收步骤。在回收步骤期间，石墨棒沿着轴移动，从而伸出而高于孔口，且返回到初始阴极尖端位置。这种定期清洁操作将腔壁上所积聚的过量蒸发石墨除去。可再现工艺可以维持较长的时间而不破坏腔室真空。可以按照等离子体从等离子体源定向膨胀的结果来使用不同的磁过滤器操作模式。正如所提及，等离子体的收缩导致定向的等离子体流或巨大的射流样形状，从而将大部分等离子体注射到过滤器管道入口中。在过滤器入口处不一定要有现有技术源中所特有的强磁透镜，所述透镜收集已发散的等离子体流。由此允许通过使用大幅降低的通过过滤器线圈的电流(在一个实施例中是约700A，而现有技术中是1600A)来操作过滤器。线圈内部减弱的磁场仍然强到足以“磁化”电子且传送等离子体通过螺线管过滤器，而且同时由于磁镜效应而阻止等离子体的部分反射(陈F.F(F.FChen)，《等离子体物理学概论(Introductiontoplasmaphysics)》(Plenum，纽约，1974，第2.3.3章)。在过滤器管道入口处，等离子体损失大幅度减少，而传输通过过滤器的效率仍相同。因此，其在总体上使得晶片上的膜沉积速率增加。其它特征和优点已有描述且通过审查以下具体实施方式更显而易见。附图说明图1是现有技术小型源的示意图；阴极-阳极单元和磁过滤器电连接到阴极电弧电源。图2是现有技术小型源的横截面，所述源具有由多个间隔挡板形成的阳极和开放式架构过滤器。图3A是一个本专利技术实施例中的源的示意图，且图3B是电弧等离子体流在阴极-阳极区域内的空间分布的横截面，以及现有技术的等离子体流锥角参照值。图4a在侧视图中描绘了等离子体流分布的锥角相对于空腔纵横比的等离子体通量分布的比较。图4b和4c分别描绘了现有技术源与所公开实施例中的源的比较，其中图4b描绘了现有技术源。图5描绘了晶片上的沉积速率、晶片上的粒子密度和石墨棒消耗(每20A厚度膜)与空腔尺寸(深度与直径的纵横比)的相关性。描绘了现有技术的参照值。图6描绘了在不同的电弧放电电流下，沉积速率与空腔尺寸(深度与直径的纵横比)的相关性。电弧放电电流降低而低于600A值导致磁性自夹挤效应减小和沉积速率大幅度降低。图7是装置示意图，所述装置提供石墨阴极在回收阶段(将空腔中的过量积聚碳清除)期间的移动和位置控制：使用控制器，通过线性马达来提供移动，且激光向控制器提供阴极棒位置反馈。图中描绘了回收步骤的步骤1-4。图8描绘了本专利技术的一个实施例(其中所述源按混合模式操作)中的沉积速率与过滤器线圈电流的相关性，其中在电弧放电开始之前向过滤器施加功率以及在电弧放电结束之后完成。图9是描绘根据实施例的电弧电流和过滤器电流的操作模式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沉积类金刚石碳膜的方法，所述方法包含：通过圆柱形阴极电弧源产生定向喷射的含碳等离子体流，所述圆柱形阴极电弧源包含：圆柱形石墨阴极和由多个间隔挡板形成的阳极，其中所述圆柱形石墨阴极棒和所述阳极是通过屏蔽件来隔开，所述屏蔽件进一步包括绝缘体管，所述管内部具有薄壁石墨衬套；继所述阴极电弧源之后的弯曲螺线管磁过滤器；通过所述屏蔽件从阴极顶表面延伸而形成的石墨空腔，从而产生半围束空间，其具有形状与所述阴极顶表面相同的空腔孔口。

【技术特征摘要】
2016.06.24 US 62/354,510;2017.06.23 US 15/631,6271.一种沉积类金刚石碳膜的方法，所述方法包含：通过圆柱形阴极电弧源产生定向喷射的含碳等离子体流，所述圆柱形阴极电弧源包含：圆柱形石墨阴极和由多个间隔挡板形成的阳极，其中所述圆柱形石墨阴极棒和所述阳极是通过屏蔽件来隔开，所述屏蔽件进一步包括绝缘体管，所述管内部具有薄壁石墨衬套；继所述阴极电弧源之后的弯曲螺线管磁过滤器；通过所述屏蔽件从阴极顶表面延伸而形成的石墨空腔，从而产生半围束空间，其具有形状与所述阴极顶表面相同的空腔孔口。2.一种沉积类金刚石碳膜的方法，所述方法包含：在空腔中产生碳电弧等离子体；使等离子体流以大射流形式向周围真空中定向膨胀；使屏蔽件内部的阴极棒向孔口的方向移动，从而伸出而高于所述孔口，且返回到初始阴极尖端位置；以及定期再现所述方法直到膜沉积至目标厚度为止。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述阴极电弧源的电弧放电电流高于600A。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述空腔孔口界定约5mm到约12mm的直径。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述阳极界定的直径约等于所述空腔孔口的所述直径。6.根据权利要求1所述的方法，其中阳极长度不超过所述空腔孔口的直径的五倍。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述弯曲螺线管磁过滤器的直径是所述空腔孔口的直径的约两倍到四倍。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述弯曲螺线管磁过滤器内部的磁场强度是足以磁化电子的磁场...

【专利技术属性】
技术研发人员：波里斯·L·宙斯，维克多·卡纳罗，尤里·尼古拉·叶夫图霍夫，山迪普·柯里，方兴杰，
申请(专利权)人：威科仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US