运行脉冲式电弧源的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于沉积绝缘层的电弧方法以及用于低温涂层的电弧方法，其中引起或运行在电弧源的靶表面上的电火花放电，其中该火花放电同时用直流电以及脉冲或交流电来馈电。此外本发明专利技术还涉及一种电弧源，其中靶与供电单元连接，该供电单元或者是至少一个第一脉冲式高电流电源１８，１８’以及另一个电源１３’，１８”，或者是用开关网络分配技术实施的电源２１，２１’，２２。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种按照权利要求1、 8、 9的前序部分的运行电弧源 的方法，以及一种按照权利要求34、 43、 45的前序部分的电弧源。
技术介绍
电弧源的脉冲长久以来已由现有技术公知，例如W002/070776非 常一般地描述了用于沉积不同的超硬层如TiSiN等的火花源的脉冲。在W003/057939中描述了一种火花源，其中通过脉冲式的高压电 源引起火花，即火花的馈入通过脉沖式高压电源进行。火花的运行在 此是非连续进行的。输出物质是金属导电的阴极、可导电的合金和另 外还有碳，或可蒸发的半导体。但是在此示出的电弧源由于靶体非常费事，而且工作起来很昂贵。在US6361663中描述了 一种具有由可导电材料制成的阴极的电弧 源，其用直到5kA的峰值电流和例如100A的基电流脉冲式地或者脉冲 式调制地运行。这种电弧源也因为其具有磁通道和被阴极完全包围的 阳极的构造而制造起来非常费事，而且工作起来很昂贵。借助阴极火花蒸发来沉积电绝缘层也已经公知，US5518597描述 了在反应过程中制造这样的层。在此要涂敷的表面设置在与活性靶表 面的光连接之外，该活性靶表面在此用作阴极的蒸发表面的同义词。 在抽吸之后用惰气调节过程压力。在涂层期间，氧气进入待涂层表面 的附近，而且是以在运行期间被消耗并且能够保持稳定压力的速率进 入。这与由现有技术的其它文献公开的方面一致，即反应气体进入基 底附近对于降低靶的氧化和稳定火花放电来说是很重要的。作为额外 的用于避免通过绝缘层在阳极上的不期望结构而导致的过程中断的措 施，在US5518597中优选阳极保持在大约1200°C的温度下，而且必须、 也就是成本高地由高熔点贵金属制成。所有这些方法的共同点是，如果使用在形成绝缘层的条件下与蒸发材料快速反应的反应气体就应当采取特殊的措施，以避免靶或阳极 的活性表面中毒，同时避免形成不期望的微滴。这些措施除了所提到 的加热阳极和将反应气体引入待涂层表面附近并确定精确剂量之外， 还包括用高成分的惰气使反应气体变得稀薄。尤其是要注意，靶的表面金属光洁或者保留至少对应于半导体的 传导性。通过半导体的正温度梯度，在电弧点的范围内虽然存在好到 足以引起火花的传导性，但是通过由此带来的更多地趋向于火花的烧结通常会导致形成比金属导电靶表面情况下更多的飞溅物。为此还由 现有技术公知 一 系列手段。例如源可以如上所述设置在到靶表面的光连接线之外，但是这大大限制了耙材料的产量或涂层速度。可以附加 或单独地施加磁场，该磁场只将离子化的蒸汽部分导向待涂层的表 面，而电中性的微滴被捕获到反弹面。其例子是弯曲的磁过滤器、磁 透镜等。另一种减少飞溅物的方法在于短时中断电流输入，其中例如通过 激光射线控制的火花分别在活性靶表面的其它地点被再次引起。该方 法尤其是用于碳的阴极火花蒸发，但也用于金属合金的阴极火花蒸 发。所有这些措施或这些措施的公知组合的共同点在于另外有很高的 技术代价和/或显著降低涂层速率。但是如果要在耙表面上形成绝缘 层，则到目前为止用上述措施还不能进行稳定地处理。
技术实现思路
因此本专利技术要解决的技术问题是提供一种方法，通过该方法可以 用常用的电弧源在稳定的过程条件下产生绝缘层而不必采用费事的额 夕卜措施。该技术问题通过按照权利要求1、 8、 9的方法以及按照权利要求 34、 43、 45的电弧源解决。本专利技术的其它扩展在从属权利要求中描述， 这些扩展可以单独存在，或者只要在技术上有意义就可以组合在一 起。令人震惊的是，在同时施加与脉冲电流或交流电叠加的直流电 时，即使靶表面至少部分被绝缘层覆盖也能运行稳定的电弧过程。例如，可以不采取其它附加措施地在纯氧气环境中运行铝耙长达8几个小时。其中会在靶上观察到电压的上升，但该上升会在几分钟内 稳定下来而不会导致电弧过程的中断或不稳定。在此期间沉积在直接 定位于靶之前的基底上的铝氧化物层与在相同条件下沉积的金属铝层 相比展示出完全没有料到的、由于附着微滴而导致的表面故障的明显下降。运行铬或钛靶或这些材料的具有甚至超过50%的高硅含量的金 属靶在纯氧气环境或纯氮气环境中也会导致类似的结果。在任何情况 下靶在表面完全敷设绝缘层之后，即使在过程中断之后也能毫无问题 地在反应气体环境中再次被点燃并在微滴形成减少了的同时运行。在面涂层的运行，在这种脉冲模式中导致更高的层质量，同时减少微滴 的形成。与运行没有绝缘涂层的靶相比，可以确定反应气体的数量至少应 选择为高到使源电压与没有绝缘涂层的运行相比增加至少10%，优选增加至少20%。源电压的增加原则上取决于所采用的反应气体和耙材料。由靶材料和反应气体在靶表面上产生的化合物的绝缘特性越高，通常源电压的差异就越大，即使在此由于很多特定于表面和材料的反应模式或反应抑制而无法容易地产生直接的数学关系。作为反应气体在此例如采用以下气体氧气、氮气、乙酰 (Acethylen)、甲醛、硅烷如四曱基硅烷、三甲铝、乙硼烷或原则上 所有的含有氧、氮、硅、硼或碳的气体。尤其合适的是该方法用于有 高反应气体流的过程，其中反应气体的含量选择为比惰气高，例如超 过70%，尤其是超过90%。但是也可以象上面提到的过程那样优选在 纯的、即含有100%反应气体的环境中进行。作为靶材料在此原则上可以采用与上述气体在上述靶的表面上形 成例如由氧化物、氮化物、硼化物、硅化物、碳化物或所述化合物的 混合组成的相应绝缘层的所有材料。但是为了产生硬层、，阻挡层或装 饰层，尤其适合采用以下材料IV、 V、 VI副族的过渡金属或着说铝、 硼、碳或娃，或上述材料的合金或化合物，如TiAl、 CrAl、 TiAlCr、 TiSi、 TaSi、 NbSi、 CrSi、 WC。但是具有高熔点的纯物质如W、 Ta、 Nb和Mo也可以根据该方法简单蒸发。为了尤其是在含氧环境中运行靶时进一步減少飞濺物，如 US6602390公开的，优选靶材料由唯一的一个结晶相组成。用直流电以及脉冲电流或交流电同时运行电弧源的另一个优点在 对温度灵敏的工件如硬化的钢、在青铜和黄铜基上的沉积合金、铝-镁合金、塑料等涂层时给出。在保持电流附近直流运行一个或多个电 弧源时，该保持电流是在用简单的直流电供应还能稳定地运行导电的 电弧源时的最小电流，待涂层的工件的温度负荷虽然很低，但是同时 对于工业应用来说涂层速率不太令人满意。保持电流或保持功率的值 在此取决于靶材料、电弧源的构成方式，或取决于例如放电在真空中 是否在输入惰气或反应气体的条件下运行。例如金属光洁表面以及诸如WC、 TiN或CrN的化合物都具有足以保证在电流很小时也能稳定运 行的传导性。石墨或硅靶在此形成一种极限情况，因为一方面其传导 性虽然还足以借助DC电弧被蒸发，但是另一方面存在局部引起火花的 强烈趋势，由此会导致等离子波动和强烈地形成微滴，因此例如目前 优选脉沖式地运行石墨靶。相反如果源在DC保持电流附近运行，同时叠加脉冲电流，则令人 吃惊的是不仅可以显著提高速率，而且与DC涂层相比在速率差不多的 同时还能将温度负荷保持得很低。优选的，DC分量设置为保持电流或 保持功率的100至300% ，优选为100至200%。保持电流的这种百分比组成对于如下详细描述的源来说相当于电 流的DC分量在30到90本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于运行电弧源的方法，其中引起或运行在靶表面上的电火花放电，其中该火花放电同时用直流电以及脉冲或交流电来馈电，其特征在于，所述靶的表面至少部分被绝缘层覆盖。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】CH 2005-3-24 518/051.一种用于运行电弧源的方法，其中引起或运行在靶表面上的电火花放电，其中该火花放电同时用直流电以及脉冲或交流电来馈电，其特征在于，所述靶的表面至少部分被绝缘层覆盖。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝缘层通过在 含有反应气体的环境中运行所述电弧源来产生。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，与用没有绝缘层的 表面来运行相比，通过所述绝缘层导致源电压的直流分量提高至少10 %，优选提高至少20%。4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，含有反应气体的环 境包括至少一种以下成分含有氧、氮、硅、硼或碳的气体，尤其是 氧气、氮气、乙酰、甲醛、硅烷、四甲基硅烷、三曱铝、乙硼烷。5. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述反应气体的含 量比惰气高，优选反应气体的含量超过70% ，更为优选的是超过90% ， 或大约为100%。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耙材料包括至 少一种以下材料IV、 V、 VI副族的过渡金属或铝、硼、碳或硅，或所 述材料的合金或化合物，如TiAl、 CrAl、 TiAlCr、 TiSi、 TaSi、 CrSi、 WC。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述绝缘层由耙材 料的氧化物、氮化物、硼化物、硅化物、碳化物制成，或由该靶材料 的这些化合物的混合物组成。8. —种用于运行电弧源的方法，其中引起或运行在靶表面上的电 火花放电，其中该火花放电同时用直流电以及脉冲或交流电来馈电， 其特征在于，所述电流的直流分量设置为保持电流的100%至300%， 优选为保持电流的100至200%。9. 一种用于运行电弧源的方法，其中引起或运行在靶表面上的电 火花放电，其中该火花放电同时用直流电以及脉冲或交流电来馈电， 其特征在于，所述电流的直流分量设置在30到90A的范围内，优选在 30到60A之间。10. 根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，加入反应气体、惰气或反应气体和惰气。11. 根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述靶材料 包括至少一种以下材料IV、 V、 VI副族的过渡金属或铝、硼、碳或硅， 或所述材料的合金或化合物，如TiAl、 CrAl、 TiAlCr、 TiSi、 TaSi、 CrSi、 WC。12. 根据权利要求l、 8或9所述的方法，其特征在于，所述靶材 料只由唯一的一个结晶相组成。13. 根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述直流 电分量通过直流发电机产生，所述脉冲或交流电分量通过脉冲或交流 发电机产生，其中两个发电机并联或串连在电弧阴极和至少一个阳极 或地之间。14. 根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，所 述直流电分量和脉沖电流分量通过两个叠加并且同步运4亍的脉冲或交 流发电机来产生，其中两个发电机并联或串连在电弧阴极和至少一个 阳极或地之间。15. 根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，所 述直流电分量和脉冲电流分量通过一个在次级由时钟控制的电流发电 机来产生，其中该发电机并联或串连在电弧阴极和至少一个阳极或地 之间。16. 根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，所 述直流电分量和脉冲电流分量通过一个在初级由时钟控制的电流发电 机来产生，其中该发电机并联或串连在电弧阴极和至少一个阳极或地 之间。17. —种涂层方法，其特征在于，运行根据上述权利要求之一所 述的电弧源，以用于在工件上沉积一个或多个层。18. 根据权利要求17所述的涂层方法，其特征在于，所述层包括 至少一种以下材料IV、 V、 VI副族的过渡金属，以及铝和它们与氧、 氮、碳、硼或硅的化合物。19. 根据权利要求17所述的涂层方法，其特征在于，所述层包括 至少一种以下材料铝氧化物、铝氮化物、铝氮氧化物、铬氧化物、 铬氮化物、铬氮氧化物、铝铬氧化物、铝铬氮化物、铝铬氮氧化物、 铝铬氧碳氮化物、硅氧化物、硅氮化物、硅氮氧化物、硅铝氧化物、硅铝氮化物、硅铝氮氧化物、钛硅氮化物、钛硅氮氧化物、钽硅氮化 物、钽氧化物、钽氮氧化物、鴒硅氮化物、鵠硅碳化物、铌硅氮化物、 钛碳化物、鵠碳化物或这些材料的合金或化合物。20. 根据权利要求17所述的涂层方法，其特征在于，在所述工件 上施加直流电偏压、脉冲偏压或交流电偏压。21. 根据权利要求20所述的涂层方法，其特征在于，施加与源的 脉冲或交流电同步的脉冲或交流电偏压。22. 根据权利要求17所述的涂层方法，其特征在于，用第一流速 率加入至少一次至少一种惰...

【专利技术属性】
技术研发人员：J拉姆，O格斯托尔，B威德里格，D伦迪，
申请(专利权)人：奥尔利康贸易股份公司特吕巴赫，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]