【技术实现步骤摘要】
本专利技术主要涉及物理汽相淀积，尤其涉及一种用于电弧汽相真空淀积涂层工艺的改进方法及设备。汽相淀积涂层工艺通常分为“化学”和“物理”汽相淀积。它们都有一个淀积或喷涂室，在其中，生成了涂层材料的等离子体，且等离子体投射向欲涂敷的基片。用于基片的涂层以及基片的形状和材料极多，包括瓷器或陶器材料上的装饰涂层，半导体片表面的电路连线以及切削工具和轴承表面的耐磨涂层。相似地，所用的涂层材料的物理特性和性能变化也很大，它包括导电涂层，半导体涂层以及形成电绝缘体的涂层。化学汽相淀积通常涉及这样一种汽相淀积工艺方法，其中，活性气体分子被引入淀积室并以反应形成包括涂层等离子体的气体混合物。在淀积“进行”之前，可抽空淀积室以清除该室的杂质。但通常，化学汽相淀积是在大气压或正压(高于大气压)环境下进行的。就是说，在典型的化学汽相淀积技术中，等离子体从反应源到基片不是作直线或视线路径运动的。反之，物体汽相淀积工艺通常要求在淀积工艺之前抽空淀积室并在淀积时维持负压。在抽空该室之前，至少一部分将被淀积的涂层材料是在淀积室中作为固态源材料，而且由转换固态源材料成为涂层材料的等离子体的一种能量激励源所作用。涂层材料一旦转换成等离子体时，在有效地将它们淀积在基片上之前，可将涂层材料和反应气体或其他元素在室中混合以形成涂层化合物及分子。涂层材料等离子体主要包括原子、分子、离子、离子化分子和分子的团块。物理汽相淀积室中的基片涂层主要是由“视线”淀积方法，通过从涂层材料源到基片的等离子体颗粒的传输而实现的。电磁场可以用来改变或限定等离子体涂层材料流的形状，也可对淀积室的其他部分或基片施加电偏压，以...
【技术保护点】
一种适用于在抽空的淀积室中，利用发生于一个消耗涂层材料源阴极与一个阳极之间电弧所形成的涂层等离子体在基片上进行汽相淀积的工艺方法，该工艺方法包括：（ａ）对淀积室抽真空；（ｂ）在抽了真空的室中，建立阳极消耗涂层材料源阴极之间的第一电位 差和电返回通路，此电位差足够大以保持阴极和阳极之间的电弧放电；（ｃ）激发所述消耗阴极和所述阳极之间的电弧；（ｄ）在所述抽空的室中的至少一个导电表面和所述阴极之间建立第二电位差，该电位差值稍小于所述第一电位差，其中，相对于所述阴极来说 ，所述阳极比所述的一个导电表面受到更正的电偏正；（ｆ）相对于所述消耗阴极，如此构制和设置所述淀积室中的所述阳极，使得由所述电弧从所述消耗阴极放出的电子被吸引向所述阳极会比被吸引向所述的一个导电表面更多。
【技术特征摘要】
US 1985-11-15 798,484书的范围之内。参考附图，其中所有视图的相同数字表示相同部分图1为实际汽相淀积室装置的示意图，它说明按照本发明最佳实施例而配置的电弧汽相淀积结构的基本部件。图2为图1中所示的相对偏压功能器件的最佳部件示意图。图3为图1的汽相淀积室装置的阳极部分和阴极部分放大的示意图，它更详细地说明来自阴极的电子流。参考附图，图1总体地说明了能够应用本发明的电弧汽相真空淀积系统。要强调的是，图1仅仅是这种系统的示意图，它总体地示意说明与讨论本发明有关的电弧真空汽相淀积系统的基本部分，而决不是详尽的。要得到电弧真空淀积系统及其不同部分的更详细说明，可参考授予Sablev等人的美国专利第3，793，179号、授予Brandolf的4，485，759号、授予Bergman等人的4，448，799号以及授予Snaper的3，625，848号。这些附加的公开对理解本发明是必需的，在这个意义上，这里引用了这些专利公开和教导。参考图1，那里示出了总体地用10说明的汽相真空淀积室，该室具有一个第一室壁部分10a和第二室壁部分10b，10a和10b适当地连在一起(未说明)，以形成一个限定淀积室的封闭内腔11。在该淀积室中，要对基片进行涂覆。用12概略说明的真空排气系统通过出气口11a与内腔11连通，而且正如本领域技术人员所知的那样，用来适当地对淀积室抽真空。在淀积过程中的不同工艺过程步骤中，供将活性或惰性气体加入到内腔11之间的装置用13概略说明，它利用进气口11b与内腔11连通。其它一般用途的进气口和出气口可提供至内腔11的通道，在这里未说明或描述。图1中被称作“阴极”的涂覆材料源15表示汽相淀积涂覆工艺过程中的涂覆蒸汽或“等离子体”源，也表示电弧发生设备的一个电极。在电弧汽相淀积系统中，这样的涂覆材料源一般表示一种诸如固体形式钛的涂覆材料的实际物质。源材料的实际形状能够由圆柱形改变为矩形，变为不规则形状。源材料类型也可以有较大的不同，从导体到半导体或到绝缘体。在本发明最佳实施例中，源材料是导电金属，且最好是钛。利用适当的固定装置将源材料15安装在淀积腔11中，该固定装置用16概略地表示，它具有至少一个穿过室壁之一向外伸出到大气环境中的部分。在图1的图示说明中，固定装置16图示为第二室壁部分10b中伸穿出去。由于在电弧汽相淀积工艺过程中通过阴极的高电流，阴极变得十分热，所以需要外部冷却。这种冷却一般由一个(在图1中概略地用17说明)利用通道18与阴极固定装置16连通的水流通系统来提供。供真空密封和电绝缘之用的装置(用19概略地说明)用来维持淀积腔11中的真空和使源15与淀积室壁部分10a和10b电绝缘。用20说明供产生和维持系统电弧能量的主直流电源。电源20的负端标为“V1”且通过阴极固定装置16与阴极15实行电连接。电源20的正端标为“V2”且直接连接到电弧系统的第一阳极上(概略地用22表示且标有“阳极”标志)。导体23将电源20正端V2通过室壁10b的绝缘密封部件(概略地用24表示)连接到阳极22上。阳极22最好是以合适的液体冷却装置(笼统地以37来图示)来冷却，借助于一个穿过真空密封和绝缘子连接头(以39来图示)的信号通路38来实现。对于阴极，冷却媒质最好是水。在最佳实施例中，阳极22构成园柱环的形状，这将在下文给予更详细的描述。然而，对于本领域的技术人员来说，从对本发明的更详细描述可以显然知道，阳极22能够以其它形状构成而完成前述的“第一阳极”功能，而且这种阳极构形不需要按“封闭”环或者附图中表明的样子来成形。同样地，当单个第一阳极22表示在相应于最佳实施例的附图中时，将会懂得，通过使用总功能与“第一阳极”相应的多个阳极也能够达到本发明的原则。在真空室11内要被覆的物品典型地称作为基片，并且通常表示为图1中的26。在真空室内适当地安装基片，并如图示，借助于基片偏压功能器27在基片上加上电偏压，也能够以适宜的加热装置(未示出)加热基片。很清楚，所图示的相对间距，比如图1中的阴极、阳极、基片之间的相对间距，自然只是为了图示说明的，并不企图代表工作系统中的缩尺或它们实际上表现出的彼此间的相对关系。进而，将会如下文要叙述的，基片并不需要如图1所示的那样位于第一阳极之外，而是当位于阴极15和阳极22之间也能够同样好地工作。一个起弧触发器组件图示地表示为30。此触发器组件30可以有着任何合适的结构，比如美国专利4，448，799的气动操作触发器装置，或者使阴极15和阳极22之间起弧的任何其它结构。如图按最佳实施例所图示的那样，此触发器有一个可移动的接触棒部件30a，它能够如此移动操作，以使得能与阴极表面15a建立或去除电接触。用于在阴极表面15a激发电弧的电能从电源20的V2输出端取出，一般经过电阻器32和信号通路33，加到触发器接点30a上。借助于绝缘密封部件34，信号通路33穿过室壁10b。不言而喻，还需要提供合适的触发器启动装置，例如在美国专利4，448，799中所描述的那样，只是在这里没有用图来说明。在图示的用机械触发器30的最佳实施例中，触发器30有选择地移动触发器导线30a，使之与阴极15的表面15a先接触后分离。当电弧激发导线部件30a处于与阴极15的上表面15a相接触的位置时，从电源20的V2端出发，经过电阻器32、信号通路33、起弧触发器导线30a、阴极15以及阴极支撑件16，回到电源20的V输出端，形成一个闭合回路。当触发器30动作，抬起导线部件30a使之脱离阴极源15的上表面15a时，导线30a和阴极表面15a之间的电路断开，使得在二者之间的缝隙内跳过一电弧，从而在阴极表面15a上激发出电弧。当电弧在真空室11中激发时，电弧通路立即在阴极源15和室的阳极部分延伸，并且在此以后由电源20保持。显而易见，正如本领域的技术人员所知道的，可以采用一系列不同方式向例如30那样的触发器部件提供电源，而图1所示仅仅是概念性的。如前所述，这种电弧通路可承载大电流，一般超过20安培、很强的电能通过电弧，在阴极表面15a上可见到非常明亮的光点(称为“阴极亮点”)，释放出阴极材料，该材料形成镀膜用的蒸汽或等离子体，如图1中40所示。从阴极表面释放出来的材料自阴极源表面15a通常向外扩散。适当地安装和/或偏置基片26，使之截获镀膜蒸汽40，并且利用该蒸汽使自身镀膜，其方式为本领域技术人员所熟知。电源20的V2输出端也与“相对偏压”功能器36的正输出端35相联。偏压功能器36的第二输出端V3在本实施例中与室壁部分10a和10b有电连接，并且接地或接参考点，如图中50所示。相对偏压功能器36能够维持其两端35和V3的电位差。在图1所示的最佳实施例中，由于端点35是与直流电压20的V2输出端直接连在一起的，所以相对偏压功能器36正负两端的电位差为(V2-V3)伏，能够完成相对偏压功能的几种电气元件的电路如图2所示。参照该图可以看出，一个简单电阻器或电阻器网路36a能够在电流流经其中时，在V2及V3两端提供一个稳定的电位差(由欧姆定律决定)。36a为可变或可调电阻器时，情况也一样。同样，也可以采用可变或可调电阻器，如图中36b所示。另一供选择的方案是采用电压源，如图36c所示。按图1方式连接的相对偏压功能器36的目的，是在阳极22和淀积腔11中的其它的导电表面如图1中的室壁10a和10b之间总是保持一个电位差。维持的电位差使得阳极22的电位总是比相对偏压功能器36的V3端所接的其它导电层的电位为正，以致于所说的其它导电层的功能如同室11中的第二阳极。根据图1电路连接的阴极15和阳极22之间的电子流关系的放大图，如图3所示。图中阳极22是圆柱环形部件，与阴极15以同心圆形式放置，阳极置于阴极15的表面15a上方距离“X”处。阳极超出阴极15的外边缘的距离为“Y”，如图3所示。偏置电位为V3的第二阳极(如图中所示，室壁10)距阴极15的外边缘的距离为“Z”。容易理解，当本实施例中所示的第二阳极为室壁10时，室11中的其它的导电表面偏置在V3电位，因而其功能为淀积系统中的第二阳极。在这些实施例中，“Z”表示阴极15的外边缘和以上述方式偏置的第二阳极表面的空间。阳极22可以采取图1和图3所示结构以外的多种不同的结构。然而，如本实施例所示，阳极22的尺寸和结构是根据置于阴极表面15a外的它的方位决定的，距离“X”和“Y”确定阳极22的方位，使得尽可能少地阻止等离子流40，以及尽可能多地截获电子，电子以倾斜角度离开阴极表面15a，如图3中“C”所示。从图3可以看出，有三条不同的电子通路，即“A”、“B”和“C”。“A”所示的电子通路既代表离开阴极表面15a、一般与该表面垂直且具有足以使其不受阳极22的正电位影响的相当高能量的游离电子，又代表可能是被阳极22后面的中性等离子体流携带的、等离子体的电中性等离子体流中的电子。这些电子向外穿过阳极22并进入淀积室10的内腔11，极可能被作为第二阳极正偏的、电位低于第一阳极22的室壁表面所吸引。图3中“B”所示电子通路表示的电子具有复合能量和方向，离开阴极表面15a，以致极有可能被正偏的第一阳极直接吸引。图3中“C”所示的电子流通路中的电子，倾斜着离开电极表面15a，正常情况下(即没有阳极22)斜穿向正偏(即由V所正偏)室壁10或腔11中的其它第二阳极表面。然而，由于在第二阳极和第一阳极22之间存在相对偏置电位差(即V2-V3)，所以通路“C”中的电子将被第二阳极排斥，而被更正偏置的、电位为V2的阳极22所吸引。如果阳极放置距离“X”足够小，以致使得第一阳极吸收流经电子通路“C”的绝大部分电子的话，发出沿通路“C”的电子的阴极亮点将保持在所需的阴极侵蚀表面15a处，并且不会跃过阴极部件15...
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