真空电弧源制造技术

一种用于硼化物的电弧蒸发的真空电弧源，包括：由至少90原子％的硼化物，特别是由大于98原子％的硼化物制成的阴极(1)；阳极(5)，其优选地为圆盘形状；主体(2)，其由与阴极(1)相比电弧放电不太优选的材料制成；主体(2)以这样的方式围绕所述阴极(1)，使得在真空电弧源的操作期间，电弧在阴极(1)的电弧表面上的移动受到主体(2)限制，其中阳极(5)的材料的至少90原子％具有与阴极(1)相同的化学组成。90原子％具有与阴极(1)相同的化学组成。90原子％具有与阴极(1)相同的化学组成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】真空电弧源


[0001]本专利技术涉及一种具有权利要求1前序部分的特征的用于硼化物电弧蒸发的真空电弧源以及这种真空电弧源的用途。

技术介绍

[0002]迄今为止，还没有从电弧蒸发可重复地合成硼化物，特别是TiB2，并且从报道的使用TiB
2-阴极用于薄膜合成的少数尝试中，可以得出严重的不稳定性、开裂和阴极失效的结论。在使用现有工业电弧源时，观察到阴极烧蚀通常不均匀，极有可能在阴极表面上局部地粘住电弧点，随后阴极损坏，并且在仅几分钟的操作之后就终止沉积过程(即，不良的阴极利用率)。
[0003]文献中没有很好地描述通过真空电弧法在TiB2阴极上沉积TiB2薄膜。这主要限于实验室使用，主要是由于与材料合成相关的挑战，例如广泛的不稳定性、开裂和阴极失效(O.Knotek,F.M.R.Breidenbach and C.“Ceramic cathodes for arc-physical vapour deposition:development and application,”Surface and Coatings Technology,vol.49,pp.263-267,1991)。
[0004]已经提出了用于改善工艺稳定性的假设途径，例如施加合适的磁场，或在反应性气氛中工作(O.Knotek,F.M.R.Breidenbach and C.“Ceramic cathodes for arc-physical vapour deposition:development and application,”Surface and Coatings Technology,vol.49,pp.263-267,1991)，或通过使用脉冲电弧(J.Treglio,S.Trujillo and A.Perry,“Deposition of TiB
2 at low temperature with low residual stress by a vacuum arc plasma source,”Surface and Coatings Technology,vol.61,pp.315-319,1993)。
[0005]这些途径仍然有待证实，尽管已经报道了在N2中使用TiB2阴极的改进的电弧法稳定性(H.Fager,J.Andersson,J.Jensen,J.Lu and L.Hultman,“Thermal stability and mechanical properties of amorphous coatings in the Ti-B-Si-Al-N system grown by cathodic arc evaporation from TiB2,Ti
33
Al
67
,and Ti
85
Si
15 cathodes,"J.Vac.Sci.Technol.A.,vol.32,no.6,p.061508,2014)。
[0006]还观察到，去除外部磁场似乎导致电弧点的耗散和阴极的活性区域增加，结果过热减少和等离子体生成稍微稳定(I.Zhirkov,A.Petruhins,L.-A.Naslund,S.Kolozsv
á
ri,P.Polcik,and J.Rosen“Vacuum arc plasma generation and thin film deposition from a TiB
2 cathode”,Applied Physics Letters 107,184103(2015))。
[0007]WO 2011/137472A1公开了一种TiB2靶，其含有一种或多种选自铁、镍、钴和铬的金属的部分，以及具有TiB2颗粒的特定平均颗粒尺寸和碳含量的碳。
[0008]TiB2阴极在电弧放电时的破坏被认为是由相对高的热膨胀系数引起的。TiB2阴极被电弧点局部加热导致高应力，在温度梯度下产生裂纹。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种用于硼化物电弧蒸发的真空电弧源，该真空电弧源可以连续使用或相比现有技术的真空电弧源使用更长时间。
[0010]这通过具有权利要求1的特征的真空电弧源和这种真空电弧源的用途来实现。本专利技术的实施例在从属权利要求中限定。
[0011]根据本专利技术，提供了：
[0012]-由至少90原子％的硼化物，特别是由大于98原子％的硼化物制成的阴极
[0013]-由与阴极相比电弧放电不太优选的材料制成的主体，所述主体以这样的方式围绕阴极，使得在真空电弧源的操作期间，电弧在阴极的电弧表面上的移动受到主体的限制
[0014]-阳极，其优选地为圆盘形状，至少90原子％的阳极材料具有与阴极相同的化学组成。
[0015]在本专利技术的真空电弧源中，电弧放电被耗散(因为不需要使用磁体)，导致电流密度较小，因此热冲击较小，从而降低了阴极开裂的风险。实现了使用本专利技术的真空电弧源产生的涂层至少基本上没有杂质。
[0016]将阳极放置在阴极附近导致强烈的阳极加热。选择阳极，其材料的至少90原子％(优选大于99原子％)与阴极具有相同的化学组成，防止了阳极材料的阴极污染，以及在材料合成期间所导致的无意的杂质掺入。
[0017]优选地，阴极由TiB2、ZrB2、VB2、TaB2、CrB2、NbB2、W2B5或WB2、HfB2、AlB2、MoB2、或MoB、或其混合物制成。
[0018]由于为任何物理方法的最低功耗成本的努力，在由两个或多个具有明显不同的元素组成的区域组成的阴极上电弧点火，导致在能够提供最低发光阴极电势的材料上优先电弧发光，即使初始电弧在具有较高电势的材料上被点火。因此，本专利技术提供了在另一种材料处放电的点火，随后电弧点移动到硼化物阴极。为此目的，阴极被由与阴极相比不太优选电弧放电的材料制成的主体围绕。
[0019]在本专利技术中，通过增加电弧点的有效面积并由此改善热分布来防止工作阴极表面的破坏。本专利技术通过消除由于在电弧的点火和/或操作期间发生的电和/或机械效应而导致的阴极破坏，增加了用于硼化物的电弧蒸发的真空电弧源可以使用的时间。
[0020]通过用由电弧放电不太优选的材料制成的主体包围阴极，可以防止在阴极边缘出现电弧点，从而提高工艺稳定性。在现有技术中，磁体用于保持工作阴极表面处的电弧。没有磁体和没有主体，电弧点开始到达阴极的一侧，在那里产生的金属流可能破坏源绝缘体或者电弧点可能消失。这两种效果都影响工艺稳定性。本专利技术不需要使用磁体，换句话说，在真空电弧源的操作期间，电弧放电的运动由在阴极和阳极之间延伸的电场线控制，并且优选地不存在引导电弧放电的磁体。
[0021]在本专利技术的真空电弧源中，设计成提供用于电弧点的耗散、稳定的等离子体生成和因此均匀的阴极烧蚀的条件，不需要使用磁体(其通常用于现有的源中)。没有磁体可能导致电弧点到达阴极的边缘，电弧斑在阴极的边缘熄灭，并中断沉积过程。这里提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于硼化物的电弧蒸发的真空电弧源，包括：-阴极(1)，其由至少90原子％的硼化物，特别是由大于98原子％的硼化物制成；-阳极(5)，其优选为圆盘形状；-主体(2)，其由与所述阴极(1)相比电弧放电不太优选的材料制成，所述主体(2)以这样的方式围绕所述阴极(1)，使得在所述真空电弧源的操作期间，电弧在所述阴极(1)的电弧表面上的移动受到所述主体(2)的限制；其特征在于，所述阳极(5)的材料的至少90原子％具有与所述阴极(1)相同的化学组成。2.根据权利要求1所述的真空电弧源，其中，所述阴极(1)由TiB2、ZrB2、VB2、TaB2、CrB2、NbB2、W2B5或WB2、HfB2、AlB2、MoB2、或MoB、或其混合物制成。3.根据前述权利要求中至少一项所述的真空电弧源，其中，所述阴极(1)的形状为棱柱形或圆柱形和/或所述主体(2)的形状为棱柱形或圆柱形，其中优选的是所述阴极(1)的形状和所述主体(2)的形状至少基本上相同。4.根据前一权利要求所述的真空电弧源，其中，所述阴极(1)朝向所述电弧表面逐渐变细。5.根据前述权利要求中至少一项所述的真空电弧源，其中，所述阴极(1)和所述主体(2)之间的最大间隙低于1毫米，优选地低于0.5毫米，并且优选地所述主体(2)邻接所述阴极(1)。6.根据前述权利要求中至少一项所述的真空电弧源，其中-所述主体(2)轴向突出超过所述阴极(1)的电弧表面，或者-所述阴极(1)轴向突出超过所述主体(2)的端表面，或者-所述阴极(1)的所述电弧表面与所述主体(2)的端表面共面。7.根据前述权利要求中至少一项所述的真空电弧源，其中，所述主体(2)的高度(H
B

【专利技术属性】
技术研发人员：皮特，
申请(专利权)人：普兰西复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：