(57)【要約】【課題】コーティング工程でエネルギッシュな粒子を生成して改良した膜特性を生む減圧アークプラズマ浸漬コーティング蒸気蒸着及びイオン処理を提供する。【解決手段】コーティングシステムは真空室及びコーティングアセンブリを備える。コーティングアセンブリは蒸気源、基板ホルダー、陰極ターゲットに電気的に結合した離隔した陽極、及び陰極室アセンブリを備える。陰極室アセンブリは陰極ターゲット、選択的主陽極、及び陰極ターゲットを真空室から絶縁する遮蔽を備える。遮蔽は離隔したアーク放電の電子放出電流がターゲット面の長い寸法に沿って流れるように陰極ターゲットから離隔陽極に送る開口を形成する。第１の電源は陰極ターゲット及び主陽極間に接続され、第２の電源は陰極ターゲット及び離隔陽極間に接続される。直線的な離隔陽極寸法及び蒸気源の短い寸法は陰極ターゲットに沿ってアークスポットが誘導される寸法と平行である。【選択図】図１Ａ
2014181406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空室と、
コーティングアセンブリと、を
具備し、該コーティングアセンブリが、
蒸気源の長い寸法及び蒸気面の短い寸法を有するターゲット面を有する前記蒸気源と、
コートすべき各基板が前記蒸気源の前に位置付けされるようにして前記各基板を保持する基板ホルダーであって、直線的なホルダー寸法を有してなる前記基板ホルダーと、
電気的に陰極ターゲットに結合されると共に、直線的な離隔した陽極寸法を有する離隔した陽極であって、前記蒸気源が直線的な蒸気源寸法を有してなる前記離隔した陽極と、
陰極ターゲット、選択的主陽極、及び前記陰極ターゲットを前記真空室から絶縁する遮蔽を備えた陰極室アセンブリであって、前記陰極ターゲットが直線的な陰極ターゲットの長い寸法及び直線的な陰極ターゲットの短い寸法を有し、前記遮蔽が離隔したアーク放電の電子放出電流が前記ターゲット面の長い寸法に沿って流れるように前記陰極ターゲットから前記離隔した陽極へ送る少なくとも１つの開口を形成してなる前記陰極室アセンブリと、
前記陰極ターゲット及び前記主陽極の間に接続された第１の電源と、
前記陰極ターゲット及び前記離隔した陽極の間に接続された第２の電源と、を具備し、
前記直線的な離隔した陽極寸法及び前記蒸気源の短い寸法が、アークスポットが前記陰極ターゲットに沿って誘導される寸法に平行であるコーティングシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のコーティングシステムにおいて、前記遮蔽は単一の開口を形成している前記コーティングシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のコーティングシステムにおいて、前記遮蔽は複数の開口を形成している前記コーティングシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のコーティングシステムにおいて、前記陰極室アセンブリの間に位置付けられた付加的蒸気源を更に具備し、
前記直線的な離隔した陽極寸法及びアークスポットが前記陰極ターゲットに沿って誘導される前記寸法の双方が各付加的蒸気源の蒸気源の短い寸法と平行である前記コーティングシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のコーティングシステムにおいて、第２の陰極ターゲット、選択的第２の主陽極、及び前記第２の陰極ターゲットを前記真空室から絶縁する第２の遮蔽を備える第２の陰極室アセンブリを更に具備し、前記第２の陰極ターゲットが第２の直線的な陰極ターゲット寸法を有し、前記遮蔽が、前記第２のターゲット面の長い寸法に沿って流れるように前記第２の陰極ターゲットから前記離隔した陽極に第２の電子放出電流を送る少なくとも１つの開口を形成してなる前記コーティングシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のコーティングシステムにおいて、離隔した陽極アークプラズマが前記蒸気源ターゲット及び前記直線的なホルダーの間に形成される前記コーティングシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のコーティングシステムにおいて、前記蒸気源はマグネトロンターゲットを備えている前記コーティングシステム。
【請求項８】
請求項７に記載のコーティングシステムにおいて、前記マグネトロンターゲット及び前記直線的なホルダーの間に設置されたグリッド-ケージ陽極を更に具備し、前記陰極室アセンブリが前記グリッド-ケージの第１の端に位置付され、前記陰極室アセンブリが前記グリッド-ケージ陽極内の電子放出電流を解放する陰極室開口を有してなる前記コーティングシステム。
【請求項９】
請求項８に記載のコーティングシステムにおいて、前記離隔した陽極が前記グリッド-ケージ陽極の第２の端に設置されている前記コーティングシステム。
【請求項１０】
請求項８に記載のコーティングシステムにおいて、前記離隔した陽極が第１の離隔したアーク電源の正のポールに接続され、かつ、前記グリッド-ケージ陽極が第２の離隔したアーク電源の正のポールに接続されている前記コーティングシステム。
【請求項１１】
請求項８に記載のコーティングシステムにおいて、前記グリッド-ケージ陽極が電気的に浮遊するか又は接地され、
前記離隔した陽極アークは一般に前記ケージ内に形成されている前記コーティングシステム。
【請求項１２】
請求項８に記載のコーティングシステムにおいて、前記陽極ケージの外側境界の間の距離が前記マグネトロンターゲットから１０ｍｍから１００ｍｍであり、前記グリッド-ケージ陽極内の離隔したアーク電流の密度が０.１から５００A/ｃｍ２である前記コーティングシステム。
【請求項１３】
請求項８に記載のコーティングシステムにおいて、前記グリッド-ケージ陽極が０.０５から３ｍｍの厚さを有し、隣接するワイヤー間の距離が０.５から３０ｍｍである前記コーティングシステム。
【請求項１４】
請求項８に記載のコーティングシステムにおいて、前記陽極ケージ内で捕獲すべき帯電粒子をそらすように、前記陽極ケージ内に分布された内側陽極ワイヤーを更に具備した前記コーティングシステム。
【請求項１５】
請求項７に記載のコーティングシステムにおいて、前記陽極ケージの両端に位置付けられた各RFアンテナを更に具備し、該各RFアンテナは、前記陰極ターゲットによって放出された電子を加熱するRF放電を誘発することを支持してなる前記コーティングシステム。
【請求項１６】
請求項１に記載のコーティングシステムにおいて、前記陰極室アセンブリの前記陰極ターゲットは、高い飽和蒸気圧を有する金属によってカバーされた空洞を備え、該陰極空洞はセパレーターによって前記離隔したアーク放電領域から分離されてなる前記コーティングシステム。
【請求項１７】
請求項１に記載のコーティングシステムにおいて、DC電源又はパルスDC電源である、前記離隔したアーク放電用の電源を更に具備し、前記電源の負のポールが前記陰極ターゲットに接続されると共に、前記電源の正のポールが少なくとも１つの離隔した陽極に接続されてなる前記コーティングシステム。
【請求項１８】
請求項１７に記載のコーティングシステムにおいて、前記離隔したアーク放電の前記電源はDC電源又はパルスDC電源であり、前記電源の負のポールが前記ターゲットに接続されると共に、前記電源の正のポールがグリッドケージ陽極に接続されてなる前記コーティングシステム。
【請求項１９】
コーティングシステム内の基板をコートする方法において、前記コーティングシステムが、
真空室と、
コーティングアセンブリと、を
具備し、該コーティングアセンブリが、
ターゲット面の長い寸法及びターゲット面の短い寸法を有するターゲット面を有する前記蒸気源と、
コートすべき各基板が前記蒸気源の前に位置付けされるようにして前記各基板を保持する基板ホルダーであって、直線的なホルダー寸法を有してなる前記基板ホルダーと、
電気的に陰極ターゲットに結合されると共に、直線的な離隔した陽極寸法を有する離隔した陽極であって、前記蒸気源が直線的な蒸気源寸法を有してなる前記離隔した陽極と、
陰極ターゲット、選択的主陽極、及び前記陰極ターゲットを前記真空室から絶縁する遮蔽を備えた陰極室アセンブリであって、前記陰極ターゲットが直線的な陰極ターゲットの長い寸法を有し、前記遮蔽が離隔したアーク放電の電子放出電流が前記ターゲット面の長い寸法に沿って流れるように前記陰極ターゲットから前記離隔した陽極へ送る少なくとも１つの開口を形成してなる前記陰極室アセンブリと、
前記陰極ターゲット及び前記主陽極の間に接続された第１の電源と、
前記陰極ターゲット及び前記離隔した陽極の間に接続された第２の電源と、を具備し、
前記直線的な離隔した陽極寸法及び前記蒸気源の短い寸法が、アークスポットが前記陰極ターゲットに沿って誘導される寸法に平行であり、
前記方法が、
前記陰極ターゲット及び前記主陽極の間の前記電子放出陰極源に主アークを発生させることと、
前記陰極室アセンブリ及び前記離隔した陽極の間のコーティング領域に閉じ込められた離隔したアークを発生させることと、かつ
コートすべき少なくとも１つの基板に向けて前記蒸気源から金属蒸気流を発生させることと、を具備した前記方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、前記コーティングシステムが前記マグネトロンターゲット及び前記直線的ホルダーの間に設置されたグリッド-ケージ陽極を更に具備し、前記陰極室アセンブリが前記グリッド-ケージ陽極の第１の端に位置付されると共に、前記グリッド-ケージ陽極内の電子放出電流を解放する陰極開口を有してなる前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマ支援成膜システム及び関連方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理気相成長（ＰＶＤ：  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）及び減圧化学気相成長（ＣＶＤ：  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）源は成膜の蒸着及び表面処理用に使用されている。電子ビーム物理気相成長（ＥＢＰＶＤ：  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）及びマグネトロンスッパタリング（ＭＳ：  Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）金属蒸気源等の従来の金属蒸気源は高蒸着速度をもたらすことができる。しかしながら、低エネルギーの金属蒸気原子、及びこれらの工程の低イオン化率は、低密度、貧弱な密着性、貧弱な構造、及び形態を有する皮膜を形成することになる。エネルギッシュな微粒子の衝撃がある皮膜蒸着工程を支援することは、蒸着材料の高密度化、粒径の低減、及び皮膜の密着性の改善によって皮膜を劇的に改良することは十分に確立されている。これらの工程において、蒸着金属蒸気原子の移動度を変更すると共に、多くの場合、特有の機能的諸特性を有する準安定構造を生成するエネルギッシュなイオンによる高率の衝撃によって表面層は影響を受ける。更に、窒素等のガスの付着係数を増加させると共に、吸着部位の特質を低エネルギーの物理的吸着部位から高エネルギーの化学吸着部位に変化させることによって、皮膜表面のイオン衝撃がガス吸着挙動に影響を及ぼす。このアプローチは超微細な又はガラス状の非晶質構造を有するナノ構造複合皮膜の蒸着には特に生産的である。
【０００３】
ＰＶＤ又はＣＶＤ工程の際にイオン衝撃支援をもたらすのに２つの異なるアプローチがある。イオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ：  Ｉｏｎ  ｂｅａｍ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、高分子及び他の温度感知材料上に高密度のセラミック皮膜を形成することが期待できる方法である。ＩＢＡＤ工程は、セラミックが熱的に基板上に蒸着されると共に、同時にエネルギッシュなイオンにさらされる真空下（〜１×１０−５Ｔｏｒｒ）で通常は行われる。イオンビームによって、蒸着した原子は基板と混ぜ合わされて等級層が形成される。この等級層は皮膜付着を改善することができると共に、膜応力を低減することができる。衝突するイオンはまた、膜の質を密にすると共に、高密度にすることによって、柱状成長を低減するか又は除去する「ショートピーニング効果（ｓｈｏｒｔ−ｐｅｅｎｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）」を生成する。
【０００４】
例えば、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ：  Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ  ｃａｒｂｏｎ）膜のＩＢＡＤ処理の際には、炭素が電子ビーム源によって蒸発されるか又はマグネトロン源によってスパッタされる。アルゴンイオンビーム等の独立広開口イオンビームによってイオン衝撃がもたらされる。こういったアルゴンイオンビームは成長する膜の相互関係を変えることはなく、格子網の変更によって構造的に形態、結合エネルギー、及び原子間結合に影響するに過ぎない。イオンビームに適切なガス状前駆体を加えることによって、成長するDLC膜にドープして、ＩＢＡＤ工程の際に化学気相支援をもたらすことになる。ＤＬＣ膜のこういったシリコンドーピングの例は、（Ａｒ＋ＳｉＨ4）イオンビームから蒸着される。フッ化物はＡｒ及びフッ化炭素水素イオンビームを介して膜に添加することができ、窒素は（Ａｒ＋Ｎ2）イオンビームを使用して添加することができ、また、ホウ素は（Ａｒ＋ＢＨ2）イオンビームを使用して添加することができる。ＩＢＡＤは処理パラメータ、即ち、イオンビーム組成、イオンエネルギー、イオン電流、及びイオン原子間到達率の変動によって、広くした領域における皮膜の諸特性を制御することを許容する柔軟性のある技術工程である。
【０００５】
ＩＢＡＤ工程はかなりうまく働くが、皮膜蒸着工程の適合性が重要なときに複雑な形状の構成要素に亘って均一な皮膜分布を達成するのに有害なその視線（ｌｉｎｅ−ｉｎ−ｓｉｇｈｔ）による限界を有している。また、ＩＢＡＤ工程は制限された拡大能力を有する。プラズマ浸漬イオン蒸着（ＰＩＩＤ：  Ｐｌａｓｍａ  ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  ｉｏｎ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）工程は、均一なプラズマ雲内でコートするべき基板を有効に包み込む減圧プラズマ環境を提供することによって、これらの限界のうちの幾つかを克服するものである。このことによって、３次元の複雑な形状の基板及び大きな負荷の双方に及ぶイオン衝撃の高度に均一な率をもたらすことになる。ＰＶＤ又はＣＶＤ工程は基板表面の処理用の蒸気種を発生するのに使用される。ＩＢＡＤとは対照的に、ＰＩＩＤは操作することなく複雑な表面を処理することができる非視線（ｎｏｎ−ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）工程である。ＰＩＩＤは処理室全体を満たすことによって、複雑な組成物及びアーキテクチャをコートできるようにするガス放電から発生されるプラズマを利用する。プラズマ浸漬イオン処理の諸例には、コートすべき基板を負のバイアス下で窒素含有プラズマに浸漬することによって行われる場合があるイオン窒化、炭素窒化、イオン注入、及び他のガス状イオン処理工程がある。また、基板が正にバイアスされるときにプラズマから引き抜かれる電子電流は、予備加熱及び加熱処理工程に対して使用することができる。明瞭に、非視線処理特徴は、特に、大量の３次元対象物の効率的な処理に対して、視線処理を凌ぐ多数の利点を提供するものである。ＰＩＩＤ工程の際に使用されるイオン化したガス状環境は、グロー放電、RF放電、マイクロ波（ＭＷ）放電、及び減圧アーク放電等の異なる型式のプラズマ放電を適用することによって発生させることができる。減圧アーク放電は、高密度で、均一で、高度にイオン化したプラズマを大きな処理容積に亘って低コストでもたらすという点で特に有益である。アーク放電プラズマ支援皮膜蒸着又はイオン処理工程においては、基板はアーク陰極及びアーク放電プラズマ領域内の離隔したアーク陽極の間に位置付けられている。熱電子フィラメント陰極、中空陰極、真空アーク蒸発陰極、及びこれらの組合せはガス状減圧アークプラズマ放電環境を発生させる電子エミッタとして使用することができる。代替的に、導電性蒸発材料自体はイオン化アーク放電の陰極又は陽極として使用することができる。この後者の特徴は、真空陰極アーク蒸着工程において、又は種々のアークプラズマ支援電子ビーム及び熱蒸発工程においてもたらされる。
【０００６】
反応性皮膜状ＣｒＮの蒸着は、陰極アーク蒸着、フィルターアーク蒸着、電子ビーム蒸着、及びスパッタ蒸着技術等の種々の物理気相成長技術電子ビーム蒸着によって達成し得る。従来及びイオン化したものの双方であるが、電子ビーム物理気相成長（ＥＢＰＶＤ：  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術は多くの用途において使用されてきているものの、多くの分野における実行可能な製造技術は一般に考慮されてはいない。なぜならば、バッチ式処理争点があり、大きな基板にわたっての均一な皮膜分布を達成するのにスケールアップが困難であるからである。また、異なる蒸気圧で各要素を熱力学的に被駆動の抽出に起因して、多数の要素の皮膜組成物の制御が困難であるからである。対照的に、マグネトロンスパッタリング（ＭＳ：  Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）ベースのPVDは、許容蒸着速度でのマグネトロン皮膜の高い均一性、多数の要素の皮膜組成物の正確な制御、及びＭＳ工程の十分に自動化された工業的バッチ式コーティングシステムに容易に統合される能力に起因して、広範囲の用途に対して使用されている。熱い蒸発した陰極（ＨＥＣ：  Ｈｏｔ  ｅｖａｐｏｒａｔｅｄ  ｃａｔｈｏｄｅ）及び熱い蒸発した陽極（ＨＥＣ：  Ｈｏｔ  ｅｖａｐｏｒａｔｅｄ  ａｎｏｄｅ）と名の付く陰極及び陽極アーク強化電子ビーム物理気相成長（ＥＢＰＶＤ：  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）工程はそれぞれイオン化率の促進を実証してきたが、アークスポットの不安定性、及びＥＢＰＶＤ金属蒸気流のイオン化率の不均一分布に見舞われている。これらの工程において、アーク放電は蒸発工程と結合されて、ＨＥＡ及びＨＥＣ工程にてイオン化率及び蒸気速度の独立制御をもたらすことを困難にしている。従って、十分に自動化された工業的バッチ式コーティングシステムにＰＡ−ＥＢＰＶＤ工程を統合することは極めて難しい。
【０００７】
略１μｍを超える膜は結晶化により漠然性を展開しようとするが、スパッタ技術はコスト効率良く、厚い反応性皮膜を堆積することができることから、技術的に周知である。結晶化現象又は柱状膜成長は、スパッタ堆積技術において原子を堆積する固有の低エネルギーと関連することによって、エネルギー的に起こり易い結晶構造の機会をもたらす。これらの結晶構造は、摩耗及び外見上の用途に対して特異的な望ましくない異方性特性を有する場合がある。種々のアプローチが過去１０年間に亘って展開されてきて、マグネトロンスパッタリング工程においてイオン化率を助長してきた。これらのアプローチの主な目的は、マグネトロンスパッタリング原子流の経路に沿って電子密度を増大して、電子-原子間衝突の頻度を増すことによって金属原子のイオン化率を増大することにある。高電力インパルスマグネトロンスパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ：  Ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  ｉｍｐｕｌｓｅ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）工程は、ＤＣ電力と同時にマグネトロンターゲットに印加される高電力パルスを使用して、電子放出を増大させ、従って、金属スパッタリング流のイオン化率を増大させる。この工程は切断ツールに対する耐摩耗性の窒化物皮膜の蒸着にいて改良された皮膜特性を立証するものである。ＨＩＰＩＭＳ工程において、改良されたイオン化は短いパルス時間の際にのみ達成され、一方、中断の際にはイオン化率は従来のＤＣ−ＭＳ工程におけるように低い。パルスパラメータはＨＩＰＩＭＳ工程におけるマグネトロンスパッタリング工程パラメータと結合されるため、従来のＤＣ−ＭＳ工程に比して殆ど３倍低いことが見出されているスパッタ率には悪影響が及ぼされる。更に、ＨＩＰＩＭＳ工程における高電圧パルスはマグネトロンターゲット上にアーク放電を誘発して、成長する膜を汚染することになる場合がある。
【０００８】
マグネトロンターゲットの近傍に高度にイオン化した放電を発生させるために、誘導結合されたプラズマ（ＩＣＰ：  Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ）源を陰極及び基板の間の領域に加えることができる。非共振誘導コイルは次いで、プラズマに浸漬されるか又はこれに隣接する本質的に従来のＤＣ−ＭＳ装置における陰極と平行に置かれる。誘導コイルは一般に、容量性整合回路網を介して５０Ωｒｆ電源を使用して１３．５６ＭＨｚで駆動される。ｒｆ電力は誘電体まで又は壁に差し渡るプラズマに結合される場合が多い。誘導結合放電は一般に、１〜５ｍＴｏｏｒの圧力範囲及び２００〜１，０００Ｗの印加電力で動作し、このことは、電子密度が１０１６〜１０１８ｃｍ−3の範囲に収まることになる。この場合、１０１６〜１０１８ｃｍ−3の範囲の電子密度は一般に印加電力の増加につれて線形に増大することが見出されている。マグネトロンスパッタリング放電において、金属原子はｄｃ又はｒｆ電力を使用して陰極ターゲットからスパッタされる。金属原子は、ｒｆコイルによって生成された高密度のプラズマを通過し、そこでイオン化する。マグネトロンターゲットとコートすべき基板との間に置かれた水冷式誘導コイルは、金属スパッタリング流に悪影響を及ぼす。従って、ＭＳ機構ははるかに複雑で、高価で、しかも既存のバッチ式コーティング及びインライン式コーティングシステムに統合するのが困難である。これらの欠点はまた、マイクロ波支援マグネトロンスパッタリング（ＭＷ−ＭＳ：  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）工程に対して真実である。ＭＷ−ＭＳ工程において、真空処理室レイアウトは設計し直して、イオン化ゾーンを横切る金属スパッタリング流を許容するようにしなければならない。しかしながら、ＰＶＤ工程をイオン化することに対するＲＦ、ＭＷ、及びＩＣＰアプローチは大きな処理領域に亘るプラズマ分布の均一性に対処するのが難しい。この場合、大きな処理領域は、大領域皮膜蒸着システムへの統合に対して障害となる。
【０００９】
エネルギッシュなイオンを生成する別の先行技術は、プラズマ増強マグネトロンスパッタリング（ＰＥＭＳ：  Ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）である。このＰＥＭＳはＤＣ−ＭＳ工程においてイオン化率を増加させるために、イオン化した電子の源として熱電子熱フィラメント陰極（ＨＦ−ＭＳ：  Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ  ｈｏｔ  ｆｉｌａｍｅｎｔ  ｃａｔｈｏｄｅ）又は中空陰極（ＨＣ−ＭＳ：  Ｈｏｌｌｏｗ  ｃａｔｈｏｄｅ）を有している。ＨＦ−ＭＳ工程において、離隔した熱電子フィラメント陰極はイオン化電子の源として使用されて、この工程をＨＣ−ＭＳ工程と同様のものとしている。しかしながら、この工程は典型的にはプラズマ非均一性を示すと共に、工業的大面積コーティングシステムに統合するのが困難である。更に、熱フィラメント及び中空アーク陰極の双方は高感度であると共に、反応性プラズマ雰囲気においてすぐに劣化する。これらのプラズマ発生工程の欠点は、蒸着処理環境のイオン化及び活性化のための電子の源として冷蒸着真空アーク陰極を利用することによって克服される。
【００１０】
従来の陰極アーク蒸着膜の表面的な外観には、摩耗、腐食、及び外観的特性を必要とする用途には望ましくない欠陥を有する蒸着膜を表わすマクロス（ｍａｃｒｏｓ）と呼ばれる未反応ターゲット材料の微粒子がある。しかしながら、アーク蒸着膜はスパッタした膜とは異なり、結晶特性を有していない。何故ならば、成長する膜において効果的に結晶構造をランダム化すると確信されている蒸着原子の高エネルギーを有する高度にイオン化したプラズマをアーク蒸発工程が生成するからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６,３５０,３５６号明細書
【特許文献２】米国特許第７,４９８,５８７号明細書
【特許文献３】米国特許第５，２６９，８９８号明細書
【特許文献４】欧州特許出願第ＥＰ  ５  ８５２  ８９１  Ａ２号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開２０１２/０１９９０７０号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】アール・エル・ボックスマン(Ｒ.Ｌ.Ｂｏｘｍａｎ)、ディー・エム・サンダーズ(Ｄ.Ｍ.Ｓａｎｄｅｒｓ)、及びピー・ジェー・マーチン(Ｐ.Ｊ.Ｍａｒｔｉｎ)著、真空アーク科学及び技術ハンドブック(Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ａｒｃ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ). パーク  ブリッジ(Ｐａｒｋ  Ｂｒｉｄｇｅ)、エヌ・ジェー(Ｎ.Ｊ.).：  ノイエス刊行(Ｎｏｙｅｓ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ)、１９９５年  第４２３頁から第４４４頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、改良した膜特性を作り出すために、コーティング工程においてエネルギッシュな粒子を生成する付加的技術の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、少なくとも１つの実施例において基板をコートするシステムを提供することによって先行技術の１つ以上の諸問題を解決するものである。コーティングシステムは真空室と、この真空室内に位置付けられたコーティングアセンブリとを備えている。コーティングアセンブリは、基板上にコートすべき材料をもたらす蒸気源と、各基板が蒸気源の前に位置付けされるようにしてコートすべき各基板を保持する基板ホルダーと、陰極室アセンブリと、離隔した陽極とを備える。陰極室アセンブリは陰極ターゲットと、選択的主陽極と、陰極を真空室から絶縁する遮蔽とを備えている。遮蔽は電子放出電流を陰極から真空室に送る各開口を形成する。蒸気源は陰極室アセンブリ及び離隔した陽極の間に位置付けられ、一方、離隔した陽極は陰極と電気的に結合している。コーティングシステムはまた、陰極ターゲット及び主陽極の間に接続された第１の電源と、陰極ターゲット及び離隔した陽極の間に接続された第２の電源とを備えている。特徴として、離隔した陽極は直線的な離隔陽極寸法を有し、蒸気源は直線的な蒸気源寸法を有し、陰極ターゲットは直線的な陰極ターゲット寸法を有し、かつ、基板ホルダーは、直線的な離隔陽極寸法、直線的な蒸気源寸法、直線的な陰極ターゲット寸法、及び直線的なホルダー寸法が相互に平行となるようにして直線的なホルダー寸法を有している。この場合、閉じ込められたプラズマが陰極ターゲットから離隔した陽極に流れるようにして、直線的な離隔陽極寸法が直線的な陰極ターゲット寸法及び直線的な蒸気源寸法以上になっている。
【００１５】
別の実施例において、前述したコーティングシステムにおける基板をコートする方法を提供する。この方法は、陰極ターゲット及び主陽極の間の電子放出陰極源において主アークを発生させる段階を備えている。コーティング領域の閉じ込められた離隔したアークは、蒸気源からの金属蒸気流がコートすべき少なくとも１つの基板に向けて発生されるようにして、陰極室アセンブリと離隔した陽極との間に発生される。また別の実施例では、有向アークスポットを有するコーティングシステムが提供される。このコーティングシステムは真空室と、この真空室内に位置付けられたコーティングアセンブリとを備えている。このコーティングアセンブリは、少なくとも１つのスパッタリング源と、このスパッタリング源の前に基板が位置付けられるようにしてコートすべき基板を保持する基板ホルダーと、第１の出口開口及び第２の出口開口を形成するプラズマ導管とを備えている。コーティングアセンブリはプラズマ導管に位置する金属プラズマを発生する陰極ターゲットと、この陰極ターゲットに電気的に結合した離隔した陽極と、陰極に給電する第１の電源と、陰極ターゲット及び、離隔した陽極の間に接続した第２の電源とを備えている。スパッタリング源は陰極ターゲット及び離隔した陽極の間に位置付けられている。導管コイルの活性化によってプラズマ導管内に移動する磁界を生成するようにして導管コイルがプラズマ導管を囲んでいる。この場合、移動する磁界は陰極ターゲットの蒸発表面と実質的に平行であって、膜蒸着の際にスパッタリング源及び/又は基板ホルダー上の各基板に伸長するプラズマ導管から離隔されている。導管コイル電源は導管コイルを活性化し、一方、第１のトリム電磁石及び第２のトリム電磁石は陰極ターゲットの向かい合った非蒸発の両対向側に隣接して位置付けられている。この場合、陰極ターゲットの向かい合った非蒸発の両対向側に隣接して位置付けられている、第１のトリム電磁石及び第２のトリム電磁石は陰極ターゲットの表面上方に磁界を発生する。
【００１６】
また別の実施例では、離隔した陽極を有するコーティングシステムが提供される。このコーティングシステムは真空室及びコーティングアセンブリを備えている。このコーティングアセンブリは蒸気源の長い寸法及び蒸気面の短い寸法を有するターゲット面を有する蒸気源と、各基板が蒸気源の前に位置付けられるようにしてコートすべき各基板を保持する基板ホルダーとを備えている。この基板ホルダーは直線的なホルダー寸法を有している。コーティングアセンブリは陰極ターゲットに電気的に結合した離隔した陽極を更に備えている。この離隔した陽極は直線的な離隔陽極寸法を有している。コーティングアセンブリは、陰極ターゲットと、選択的主陽極と、陰極ターゲットを真空室から絶縁する遮蔽とを有する陰極室アセンブリを更に備えている。陰極ターゲットは直線的な陰極ターゲットの長い寸法及び直線的な陰極ターゲットの短い寸法を有している。遮蔽は離隔したアーク放電のターゲット面の長い寸法に沿って流れる電子放出電流を陰極ターゲットから離隔した陽極へ送る少なくとも１つの開口を形成している。第１の電源は陰極ターゲット及び主陽極の間に接続され、一方、第２の電源は陰極ターゲット及び離隔した陽極の間に接続されている。特徴として、直線的な離隔した陽極寸法及び蒸気源の短い寸法はアークスポットが陰極ターゲットに沿って誘導される寸法に平行である。
【００１７】
また別の実施例では、本願でのコーティングシステムにおける基板をコートする方法が提供される。この方法は、陰極ターゲット及び主陽極の間の電子放出陰極源において主アークを発生させる段階と、陰極室アセンブリ及び離隔した陽極の間のコーティング領域において閉じ込められたアークを発生する段階と、蒸気源からコートすべき少なくとも１つの基板に向けて金属蒸気を発生する段階と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明の例示的各実施例は詳細な説明及び添付図面からより十分に理解されることとなろう。
【００１９】
【図１Ａ】離隔したアーク放電プラズマを使用したコーティングシステムの理想化した側面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの図に垂直な、コーティングシステムの正面図である。
【図１Ｃ】図１Ａのコーティングシステムの概略図である。
【図１Ｄ】陰極及び離隔した陽極の間を流れるプラズマジェットの閉じ込めを示す概略図である。
【図１Ｅ】プラズマジェットをラスターするのに使用する多要素陰極の概略図である。
【図２】有限の要素モデル化によって得られるスクリーン及び離隔した陽極の間のプラズマ電位の典型的分布を示図である。
【図３】放電電流に対する離隔したアーク放電プラズマからの励起したアルゴン原子（スペクトル線ＡｒＩ  ７３９.７ｎｍ）によって放出された放射線の強度を示す図である。
【図４Ａ】ガス状プラズマ環境の均一性及び高いイオン化を保障するために付加された付加的な遮蔽した各陰極室アセンブリを有するマグネトロンスパッタリング源との間に位置付けされた付加的な離隔した各陽極を有するコーティングシステムの概略図である。
【図４Ｂ】マスター陽極及び複数のスレーブ陽極のおのおのの間に設置された各可変抵抗器を備えたコーティングシステムの概略図である。
【図４Ｃ】コンデンサと並列の抵抗器が中間陽極の各電位を設定するのに使用されている閉じ込めを示す概略図である。
【図５】ＲＡＡＭＳシステムのインライン式モジュール構成の概略図である。
【図６】ＲＡＤプラズマ処理における電位分布の線図である。
【図７Ａ】中央に位置する遮蔽した陰極室を有するバッチ式コーティングシステムの概略図である。
【図７Ｂ】中央に位置する遮蔽した陰極室を有するバッチ式コーティングシステムの概略図である。
【図８Ａ】図７Ａ及び図７Ｂのシステムのバリエーションの概略図である。
【図８Ｂ】図７Ａ及び図７Ｂのシステムのバリエーションの概略図である。
【図８Ｃ】図７Ａ及び図７Ｂのシステムのバリエーションの概略図である。
【図８Ｄ】図７Ａ及び図７Ｂのシステムのバリエーションの概略図である。
【図８Ｅ】図７Ａ及び図７Ｂのシステムのバリエーションの概略図である。
【図８Ｆ】図７Ａ及び図７Ｂのシステムのバリエーションの概略図である。
【図８Ｇ】図８Ａから図８Ｃの各システム用の各磁気的輪郭を示す概略図である。
【図８Ｈ】図８Ａから図８Ｃの各システム用の各磁気的輪郭を示す概略図である。
【図９Ａ】各付加的マグネトロンを有するコーティングシステムの概略図である。
【図９Ｂ】各付加的マグネトロンを有するコーティングシステムの概略図である。
【図９Ｃ】各付加的マグネトロンを有するコーティングシステムの概略図である。
【図９Ｄ】各付加的マグネトロンを有するコーティングシステムの概略図である。
【図９Ｅ】各付加的マグネトロンを有するコーティングシステムの概略図である。
【図１０】双方向遠隔アーク放電に含まれる各物理的工程の概略的説明図である。
【図１１】周辺に位置する遮蔽した陰極室アセンブリを有するバッチ式コーティングシステムの概略図である。
【図１２】コーティング室の中央に位置する遮蔽した陰極アーク電子放出源を有する更なるバリエーションの概略図である。
【図１３】電子放出真空アーク陰極源を組み込んだシステムの概略図である。
【図１４Ａ】マクロ粒子フィルターを組み込んだコーティングシステムのバリエーションを示す概略図である。
【図１４Ｂ】マクロ粒子フィルターを組み込んだコーティングシステムのバリエーションを示す概略図である。
【図１４Ｃ】マクロ粒子フィルターを組み込んだコーティングシステムのバリエーションを示す概略図である。
【図１５Ａ】ＲＡＡＭＳシステムの概略側面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａの図に垂直な概略側面図である。
【図１６】陰極室の各部分の内の１つの陰極及び２つの陰極アークスポットを有する、図１５Ａ及び１５Ｂのバリエーションを示す概略図である。
【図１７】各平面マグネトロン源を有する同軸バッチ式コーティング室レイアウトを利用した離隔したプラズマシステムの代替的構成を示す概略図である。
【図１８Ａ】各マグネトロンスパッタリング源用の別個の主陰極室を有する改良を示す概略図である。
【図１８Ｂ】各マグネトロンスパッタリング源用の別個の主陰極室を有する改良を示す概略図である。
【図１９Ａ】図１４Ａから図１８Ｂの各システムの高度なバリエーションを示す概略図である。
【図１９Ｂ】図１９Ａのシステムのバリエーションを示す概略図である。
【図１９Ｃ】図１９Ａのシステムのバリエーションを示す概略図である。
【図１９Ｄ】電極グリッドを有するＲＡＡＭＳモジュールの斜視図である。
【図１９Ｅ】別の離隔した陽極コーティングシステムの概略図である。
【図１９Ｆ】図１９Ｅに示したシステムの横断面図である。
【図２０】非消耗陰極を有する電子放出陰極アーク源が設けられたバリエーションを示す概略図である。
【図２１Ａ】陽極及びマグネトロンスパッタリング源の間に基板ホルダーが位置付けられている概略図である。
【図２１Ｂ】基板ホルダー及びマグネトロンスパッタリング源の間にワイヤー陽極が位置付けられている概略図である。
【図２２Ａ】離隔したアーク放電プラズマ支援工程によって作られた皮膜を有する基板の概略図である。
【図２２Ｂ】離隔したアーク放電プラズマ支援工程によって作られた多層皮膜を有する基板の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
現在、発明者らに既知のこの発明を実施する最良の形態を構成する、本発明の目下の好ましい構成、実施例、及び方法についてここで詳細に参照する。各図は必ずしも拡大縮小するものではない。しかしながら、開示する各実施例は種々の及び代替的な形式で実施し得るこの発明の単なる例示的なものに過ぎないことは言うまでもない。従って、本願で開示する特定の詳細は限定的なものとして解釈すべきではなく、この発明の任意の態様に対する代表となる基盤として及び/又は本発明を種々に採用する当業者への教示に対する代表となる基盤として単に解釈すべきに過ぎない。
【００２１】
各例、又は、さもなくば明示的に示す場合を除いて、材料の量又は反応及び/又は使用の条件を示すこの説明における全ての数量は、この発明の最も広い範囲を説明する際に単語「約(ａｂｏｕｔ)」によって修正をされるものとして理解すべきである。本願で述べる数値限定内の実行は一般に好ましい。また、それとは反対に明示的に述べない限り、パーセント、「分量(ｐａｒｔ  ｏｆ)」、及び比率値は重畳によるものである。まら、この発明と関連した一定の目的として適切又は好ましい材料の群又はクラスの説明は、この群又はクラスの２つ以上の部材の混合物は等しく適切であるか又は好ましい。また、化学用語における構成要素の説明は、この説明で特定される任意の組合せに付加したときの構成要素に言及するものであり、一旦混合された混合物の構成要素間の化学的相互作用を必ずしも不可能にするものではない。また、頭言語又は他の略語の最初の定義は、同一の略語の本願での続く全ての使用に当てはまると共に、最初に定義した略語の通常の文法的変異について準用(ｍｕｔａｔｉｓ  ｍｕｔａｎｄｉｓ)する。更に、それとは反対に明示的に述べない限り、特性の測定は、同一の特性について予め又は後に言及するように同じ技術によって決定される。
【００２２】
この発明は、特定の構成要素及び/又は条件は勿論のこと変わり得るので、以下に説明する特定の実施例及び方法に限定されるものではないこともまた言うまでもない。更にまた、本願で使用する専門用語はこの発明の特定の実施例を説明するためにのみ使用され、何れにしろ限定的に意図されるものではない。
【００２３】
この明細書及び添付した特許請求の範囲において使用されるように、文脈が明白にその他の点で示さない限り、単数形”ａ”、”ａｎ”、及び”ｔｈｅ”は複数の指示対象を含んでいる。例えば、単数における構成要素に対する参照は、複数の構成要素を含むことが意図されるものとして留意する必要もある。
【００２４】
この出願を通して、刊行物を参照する場合には、全体においてこれらの刊行物の開示は、この発明が関連する技術の状態をより十分に説明すべく、参照によって本出願に組み込まれる。
【００２５】
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、及び図１Ｄについて説明すると、離隔したアーク放電プラズマを使用するコーティングシステムが提供されている。図１Ａはこのコーティングシステムの理想化した側面図である。図１Ｂは図１Ａの図に垂直な正面図である。図１Ｃは電気的配線を備えたこのコーティングシステムの概略図である。この実施例のこのコーティングシステムは大領域マグネトロンスパッタリング皮膜蒸着工程のアークプラズマ増進に対して特に有益である。コーティングシステム１０はこれに位置付けられたコーティングアセンブリを有する真空室１２を備えている。このコーティングアセンブリは蒸気源１６、真空室１２に位置付けられた陰極室アセンブリ１８、及びコートすべき各基板２２を保持する基板ホルダー２０を備えている。図１Ａ及び図１Ｂは、システム１０のコーティング工程が離隔したアーク支援マグネトロンスパッタリング（ＲＡＡＭＳ：  Ｒｅｍｏｔｅ  ａｒｃ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）工程であるように蒸気源１６がマグネトロンスパッタリング源であるバリエーションを描いている。こういったマグネトロンスパッタリング源はターゲットＴｓ、電源Ｐｓ、及び陽極Ａｓを備えている。蒸気源１６に対しては他の型式の蒸気源を用いて良いことを十分に理解すべきである。こういった蒸気源の諸例には、これらに限定されるものではないが、熱蒸発器、電子ビーム蒸発器、及び陰極アーク蒸発器等がある。各基板２２はコーティングの際に蒸気源１６の前に位置付けされると共に、皮膜の蒸着の際には方向ｄ１に沿って移動する。改良の点では、各基板は真空室１２の右の負荷ロック室から連続的に導入されると共に、図１Ａの真空室１２の左の出力室によって受け取られても良い。陰極室アセンブリ１８はそこに形成された各開口２６を有する陰極筐体２４、電子放出陰極２８、選択的別個の主陽極３４、及び遮蔽３６を備えている。この遮蔽３６は真空室１２から電子放出陰極２８を絶縁している。改良の点で、選択的別個の主陽極３４、陰極筐体２４、遮蔽３６又は地面接続部は主陰極結合式陽極として動作する。
【００２６】
陰極室アセンブリ１８は本実施例との関連で電子放出陰極源として動作する。改良の点で、主アークは、陰極２８及び主陽極の間の電子放出陰極源において発生される。陰極筐体２４は地面３４に接続されるとき、主アーク電源４８の正のポールに接続された独立主陽極、及び接地された陽極の双方として機能することができる。遮蔽３６は陰極２８から真空室１２に電子放出電流４０を送るための各開口３８を構成する。遮蔽は浮遊していることができるか、又は主アーク電源４８又は付加的電源（図示せず）の何れかの正のポールに接続することができる。別の改良の点で、陰極２８は陰極性アーク陰極であり、接地された主陽極３４は陰極性アーク陽極である。任意数の異なる陰極を電子放出陰極２８に対して使用しても良い。こういった陰極の諸例には、これらに限定されるものではないが、冷真空アーク陰極、中空陰極、熱電子フィラメント陰極等、及びこれらの組合せがある。典型的には、陰極ターゲットはチタン及びジルコニウム合金を含むゲッタリング能力を有する金属から作られている。改良の点で、陰極室の遮蔽は、陰極ターゲットとの関連で水冷式であり、かつ負にバイアスされている。この場合、遮蔽のバイアス電位は-５０0Ｖから-１,０００Ｖに亘っている。また別の改良の点では、陰極室アセンブリ１８は、陰極ターゲットアレイの高さが離隔した陽極の高さ及び蒸着領域の高さと実質的に同一である状態で、そこに設置されている複数の陰極ターゲットを有する陰極アレイを備えている。陰極室アセンブリ又は蒸気源１６の頂部から各基板２２（即ち、各基板の頂部）への分離は、陰極２８から離隔した陽極４４へ流れるプラズマが閉じ込められているということである。典型的には、陰極室アセンブリの遮蔽３６から又は蒸気源１６の蒸発面から或いは離隔した陰極４４から各基板２２までの分離距離は、約５.０８ｃｍ（２インチ)から約５０.８ｃｍ（２０インチ）である。このことによって、陰極室１８における陰極２８と、離隔した陽極４４との間に離隔したアークプラズマを閉じ込めるための狭い通路が形成されることになる。この通路の幅が５.０８ｃｍ（２インチ)未満のとき、この通路の幅はプラズマに高インピーダンスを生成して、プラズマの不安定性及び最終的には離隔したアーク放電の消滅につながることとなる。この通路の幅が５０.８ｃｍ（２０インチ）より大きいとき、離隔したアーク放電におけるプラズマ密度は、金属スパッタリング流をイオン化するのに十分には増加していない。特に有益な改良の点では、板又はバーの形状を有する大面積の陰極ターゲットが陰極室アセンブリ１８に設置される。典型的には、こういった大面積の陰極ターゲットは陽極の高さ及び蒸着領域の高さと実質的に等しい高さを有している。改良の点で、陰極ターゲットは、例えば、チタン合金又はジルコニウム合金等のゲッタリング能力を有する金属から成ることができる。この場合、遮蔽した陰極電子放出源はまた、コーティングシステムのポンプ効率を改善することができる真空ゲッタリングポンプとして機能することができる。ゲッタリングポンプ効率を更に改善するために、陰極室１８での陰極ターゲット２８の蒸発面に面する遮蔽３６は水冷することができると共に、高電圧バイア��電源に随意に接続することができる。水冷式遮蔽３６が、陰極ターゲット２８との関連で-５０Vから-１,０００Ｖに亘る高い負の電位にバイアスされているとき、水冷式遮蔽３６は陰極アーク蒸発工程によって発生される金属イオンにより、激しいイオン衝撃に晒されることとなる。激しいイオン衝撃の条件下で金属蒸気を濃縮することは、水素は勿論、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｋｒ等の希ガスをポンピングするのに有益である。
【００２７】
システム１０はまた、陰極２８に電気的に結合した離隔した陽極４４、及び陰極２８及び主陰極結合式陽極の間に接続された主電源４８を備えている。蒸気源１６が陰極室アセンブリ１８及び離隔した陽極の間に位置付けされるようにして、離隔した陽極４４が真空室１２内に位置付けられている。改良の点で、複数の蒸気源が、以下においてより詳細に述べるように、陰極室アセンブリ１８及び離隔した陽極４４の間に位置付けられている。システム１０はまた、陰極２８を離隔した陽極４４に電気的に結合する第２の電源５２を備えている。抵抗器R及びコンデンサCを備えた低域フィルター５４も図１Ａに描かれてる。典型的には、蒸気源１６は陰極室アセンブリ１８及び離隔した陽極４４の間に位置付けられている。システム１０は、低減された圧力を維持するポンプシステム５６、及び１種類以上のガス（例えば、アルゴン、窒素、ヘリウム等）を蒸着室１２中に導入するガスシステム５８を更に備えている。改良の点で、コーティング室１２中の離隔したアーク放電に給電する第２の電源５２が陰極室アセンブリ１８及び離隔した陽極４４の間に設置されると共に、主電源４８に比して少なくとも２０％高い開回路電圧を提供する。
【００２８】
また図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、及び図１Ｄについて説明すると、主アークは、電子流４０を送るための各開口３８を有する遮蔽３６によって放電室から絶縁された陰極室２４においてアーク点火装置６０によって開始される。典型的には、スクリーンに近接したプラズマ電位は低く、陰極室アセンブリ１８中のプラズマ電位に近く、一方、離隔したアーク放電プラズマでは、電位は高く、離隔した陽極４４の電位に近い。図２は有限の要素モデル化によって得られるスクリーン及び離隔した陽極の間のプラズマ電位の典型的分布を提供している。驚いたことに、本コーティングシステムでは、陰極室アセンブリ１８から離隔した陽極４４に流れる閉じ込められたプラズマアークを生成することが判明した。図１Ｄは離隔した陽極４４及び陰極２８の間のプラズマ密度の移動を示す概略図を提供している。閉じ込められたプラズマ(即ち、プラズマジェット)はコーティング領域を介して離隔した陽極及び陰極の間を流れる。閉じ込められたプラズマの各端部は図１Ｄで前述したように方向ｄ４に沿って移動する。アークスポット６６は浸食ゾーン６８と一緒に陰極２８上に生じる。離隔した陽極４４でのプラズマ場６２、及び陰極２８でのプラズマ場６４は方向ｄ４に沿って約２.５４ｃｍ(約１インチ)から約１２.７ｃｍ(約５インチ)の空間に位置関係的に閉じ込められる。１つの改良では、各磁界はｄ４に沿ったラスター移動を達成するために使用される。別の改良では、このラスター移動は方向ｄ４に沿って陰極２８を機械的に移動させることによって達成される。また他の改良では、陰極を電子で照射する放出フィラメントはｄ４に沿って移動される。図１Ｅに示すようなまた他の改良では、陰極は、ｄ４に沿って移動するプラズマジェットを形成するために、逐次的に始動される複数の陰極要素２８１−６を備えている。プラズマアークを閉じ込めることによって、主陰極での陰極アークスポットを離隔した陽極での関連する領域と接触する高密度かつ熱いプラズマジェットが、（取り付けられた主陰極、陽極、及びマグネトロンを有する）各室壁及び基板ホルダーの間に生成された比較的狭い通路を通して流れることになる。このことによって、陰極及び離隔した陽極を接続する移動するプラズマジェットにおいて高電流密度が得られることになる。改良の点で、この狭い通路内のＲＡＡＭＳプラズマにおける電流密度は０.１ｍＡ/ｃｍ２から１００Ａ/ｃｍ２である。典型的には、後の方の離隔したアークプラズマにおける電子密度ｎｅは約ｎｅ〜１０８ｃｍ−３から約ｎｅ〜１０１０ｃｍ−３であり、一方、閉じ込められたアークプラズマジェット領域内では、電子密度ｎｅは約ｎｅ〜１０１０ｃｍ−３から約ｎｅ〜１０１３ｃｍ−３である。アークプラズマジェットを生成するこの閉じ込めは、以下に述べるような構成要素及び磁界の印加の間の物理的次元関係の結果として生じる。特に、放電は非常に高いプラズマ電位で動作する。この場合、非常に高いプラズマ電位は高エネルギーのイオン衝撃（即ち、イオン衝撃エネルギーはプラズマ電位（対地面）及び基板バイアス電位（対地面）の間の差である）に対応している。浮遊基板及び接地された基板においてさえ、プラズマ電位は約５０Ｖであるので５０〜７０ｅＶを���するイオンが得られる。改良の点で、プラズマ電位は５Ｖから５００Ｖである。
【００２９】
図１Ａ及び図１Ｂについて説明すると、コーティングシステム１０の種々の構成要素の相対的サイジングの態様が提案されている。離隔した陽極４４は直線的な離隔した陽極寸法Ｄａを有している。蒸気源１６は直線的な蒸気源寸法Ｄｖを有している。陰極ターゲットＴｓは直線的な陰極ターゲット寸法Ｄｃを有している。基板ホルダー２０は直線的な基板ホルダー寸法Ｄｈを有している。改良の点で、直線的な離隔した陽極寸法Ｄａ、直線的な蒸気源寸法Ｄｖ、直線的な陰極ターゲット寸法Ｄｃ、及び直線的な基板ホルダー寸法Ｄｈは相互に平行である。別の改良の点で、直線的な離隔した陽極寸法Ｄａは直線的な蒸気源寸法Ｄｖ以上であり、直線的な蒸気源寸法Ｄｖは直線的な陰極ターゲット寸法Ｄｃ以上である。また、直線的な陰極ターゲット寸法Ｄｃは直線的な基板ホルダー寸法Ｄｈ以上である。
【００３０】
本実施例のバリエーションにおいて、幾つかの離隔した陽極は、遮蔽した陰極室アセンブリ１８に位置付けられた少なくとも１つのアーク陰極と関連している（即ち、電気的に結合している）。
【００３１】
別のバリエーションにおいて、蒸気源のおのおの（例えば、蒸気源１６）及びコートすべき基板２２の間の各垂直距離は実質的に等しい。更に、別の改良点で、陰極２８及び離隔した陽極４４の間の距離は、第２の電源５２の印加電圧が第１の電源４８の印加電圧の１.２倍から３０倍を超えるときに絶縁破壊が生じる距離未満である。
【００３２】
本発明のまた別の改良の点で、各プラズマ探針を陰極２８及び離隔した陽極４４の間に設置して、プラズマ密度を測定する。こういった測定は、第２の電源５２を調整して、調整した離隔した陽極電流を離隔した陽極４４に供給して、陰極室アセンブリ１８及び離隔した陽極４４の間にプラズマ密度の均一な分布を得るようにフィードバックをかける。
【００３３】
本実施例の離隔したアークプラズマのモデル化は、陰極室アセンブリ１８及び離隔した陽極４４の間の電位分布によって、また、離隔したアーク放電プラズマにおけるプラズマ密度によって特徴付けられる。離隔したアーク放電プラズマにおけるプラズマ電位、及び陽極電位は、離隔した放電電流が増加するにつれて増加する。離隔したアーク放電プラズマにおけるプラズマ密度は殆ど放電電流に比例して増加する。この結果は離隔したアーク放電プラズマの光学的発光分光によって立証される。図３は放電電流に対する離隔したアーク放電プラズマから、励起されたアルゴン原子（スペクトル線ＡｒＩ  ７３９.７９ｎｍ）によって放出された放射線の強度を示している。直接的な電子衝撃によって励起されたアルゴン原子からの光の放射の強度は略放電電流に比例することを了知することができる。この現象は、離隔したアークプラズマにおける電子濃度及び離隔した放電電流の間の直接的比例関係によって説明される。離隔したアーク放電におけるイオン濃度は、プラズマの準中性が維持されるようにして電流濃度に略等しい。
【００３４】
図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃについて説明すると、一方の側の遮蔽した陰極室アセンブリ及び他方の側の離隔したアーク電極の間にインラインで設置された一連のマグネトロンスパッタリング源を有する本実施例の各バリエーションが提供されている。この文脈において、用語「インライン(ｉｎｌｉｎｅ)」は、各基板が直線方向に移動しながら各構成要素を横切るようにして各構成要素が直線的に配置されていることを意味している。図４Ａはガス状プラズマ環境の均一性及び高イオン化を保障すべく付加された各付加的な遮蔽した陰極室アセンブリを有するマグネトロンスパッタリング源の間に位置付けられた各付加的離隔した陽極を有するコーティングシステムの概略図を提供している。蒸着システム７０は上述したような関連する真空及びガス供給システムを有する真空室７２を備えている。蒸着システム７０はまた蒸気源７６及び７８、陰極室アセンブリ８０及び８２、及びコートすべき基板２２を保持する基板ホルダー８４を備えている。図４Ａは蒸気源７６、７８がマグネトロンスパッタリング源であるバリエーションを描いている。各基板はコーティングの際に各蒸気源の前に位置付けられている。典型的には、各基板２２は皮膜の蒸着の際に方向ｄ１に沿って移動する。陰極室アセンブリ８０及び８２はそれぞれそこに形成された開口９４及び９６を有する陰極筐体９０及び９２、陰極９８及び１００、選択的な主陽極１０２及び１０４、及び遮蔽１０６、１０８を備えている。遮蔽１０６、１０８はそれぞれ真空室７２から陰極９８、１００を絶縁している。遮蔽１０６、１０８はおのおのが電子放出電流を真空室７２に送る開口を形成している。改良の点で、陰極９８、１００は陰極性アーク陰極であり、主陽極１０２、１０４は陰極性アーク陽極である。システム７０はまたそれぞれ陰極９８、１００に電気的に結合された離隔した陽極１１０、１１２を備えている。図４Ａで描いたような改良点では、遮蔽した陰極室アセンブリ、蒸気源（例えば、マグネトロンターゲット）、及び離隔した陽極は、インライン式コーティングシステムに適する直線に沿って位置合わせされている。
【００３５】
図４Ｂはマスター陽極及び複数のスレーブ陽極のおのおのの間に設置された可変抵抗器を備えたコーティングシステムの概略図を提供している。この改良では、コーティングシステム１２０は真空室１２２及び前述した一般的設計である陰極室アセンブリ１２４を備えている。陰極室アセンブリ１２４は陰極室１２６、陰極１２８、アーク点火装置１３０、そこに複数の開口１３６を形成する遮蔽１３２、及び選択的主陽極１３４を備えている。システム１２０はまた、陰極１２８及び主陽極１３４を接続する主電源１３４、及びマグネトロンスパッタリング源１３６、１３８、１４０を備えている。各マグネトロンスパッタリング源はターゲットＴｓ、電源Ｐｓ、及び関連する対向電極システム１２０を有している。また、対向電極システム１２０はまた陰極１２８及び離隔した陽極１４２の間に電位を提供する第２の電源１４４を有する離隔した陽極１４２を備えている。システム１２０はまた可変抵抗器R1、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４によって確立された中間電位にあるスレーブ陽極１４６、１４８、１５０、１５２を備えている。この改良において、プラズマ分布の密度は可変抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４を使用してスレーブ陽極のおのおのを通して電流を変化させることによって制御することができる。スレーブ陽極間の各距離、及びマスター陽極に最も近いスレーブ陽極及びマスター陽極の間の距離は処理ガス組成及び圧力でのプラズマ放電の中断の最小距離に比して大きくはできない。
【００３６】
図４Ｃはコンデンサと平行な抵抗器が中間陽極の各電位を設定するのに使用される改良を提供している。この改良において、C５と並列な抵抗器R5は陽極１４６用の電位を設定し、Ｃ６と並列な抵抗器Ｒ６は陽極１４８用の電位を設定し、Ｃ７と並列な抵抗器Ｒ７は陽極１５０用の電位を設定し、かつ、Ｃ８と並列な抵抗器R８は陽極１５２用の電位を設定する。この改良の点で、陰極室の陰極と、陰極室の陰極及びマスター陽極の間に位置付けられたスレーブ陽極のおのおのとの間に離隔したアーク放電をパルス点火することによって、各コンデンサは長い距離に沿ってＲＡＡＭＳ工程を拡大するのに使用される。各スレーブ陽極にはまた各付加的独立電源を備えることができる。即ち、スレーブ陽極電源のおのおのは、陰極１２８及び対応するスレーブ陽極の間に位置することができる。マスター陽極又はスレーブ陽極の何れかに接続された各第２の電源の開回路電圧は第１のアーク電源１３６の開回路電圧の少なくとも１.２倍を超える。
【００３７】
この発明のまた別のバリエーションにおいては、ＲＡＡＭＳ機構のインラインのモジュール的構成が図５に提供されている。こういったインラインシステムは任意数の蒸着ステーション及び/又は表面処理ステーション（例えば、プラズマ洗浄処理、イオン注入浸炭化処理、窒化処理等）を備えていて良い。図５に描かれたバリエーションでは、コーティングシステム１５４はインライン式に位置合わせされたモジュール１５６〜１６４を備えている。モジュール１５６〜１６４は負荷ロック仕切り弁１６６〜１７６によって隣接するモジュールから分離されている。モジュール的ＲＡＡＭＳ表面工学的システム１５４はモジュール１５６を備えている。このモジュール１５６は、遮蔽した陰極アーク室１７８及び前述した室の１つの壁に沿って位置決めされた離隔した陽極１８０を有する室-モジュールである。コーティング室に沿って１から１００Ｇｓに亘る縦磁界を生成する磁気コイル１８２、１８４の選択的セットもまたこの図に示されている。このモジュール１５６は以下の動作、即ち、基板ロード、遮蔽した陰極室の陰極及び離隔した陽極の間で発生された離隔した陽極アーク放電（ＲＡＡＤ：  Ｒｅｍｏｔｅ  ａｎｏｄｅ  ａｒｃ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）プラズマを用いたアルゴン中での高エネルギー（典型的には、Ｅ  ＞  ２,０００Ｖ）のイオン衝撃、によるイオンエッチング又はイオン洗浄処理、及び遮蔽した陰極室の陰極及び離隔した陽極の間で発生されたアルゴンＲＡＡＤプラズマ中のソフトなイオン衝撃（典型的には、Ｅ  ＜  ２,０００Ｖ）によるコートすべき各基板のコンディショニングを実行する。第２のモジュールは遮蔽した陰極室の陰極及び離隔した陽極の間で発生された窒素又はアルゴン-窒素混合ＲＡＡＤプラズマ中で、コートすべき各基板表面をイオン窒化する。ＲＡＡＤプラズマ浸漬イオン窒化工程におけるＨＳＳ、Ｍ２、及び４４０Ｃスチールのプラズマ浸漬イオン窒化率は、０.１ｍＴｏｏｒから２００ｍＴｏｏｒ、及び１０から３００Ａに亘る離隔した陽極電流で、典型的には０.２から１００ｍＴｏｏｒの圧力範囲で、かつ１０から２００Ａの離隔した陽極範囲内で０.５から１μｍ/ｍｉｎに達する。ＲＡＡＤプラズマ浸漬イオン窒化処理は、基板温度が典型的には３５０℃を超えない低温処理である。この工程において、各基板は浮遊しているか、接地されているか又は非常に低い負のバイアス電圧（例えば、−１００Ｖ未満）でバイアスされても良い。こういった低いバイアス電圧でのイオン窒化処理は、接地した基板電位を超す高いプラズマ電位から過剰エネルギーをプラズマイオンが受けるようにする高い正のＲＡＡＤプラズマ電位に因るものである。代替的に、ガス状のＲＡＡＤプラズマからの窒素、リン、シリコン、炭素等の元素の低エネルギーイオン注入はまた、典型的には、−２００から−１,５００Ｖに亘る比較的低い基板バイアス電圧で行うことができる。ＲＡＡＤプラズマ処理における電位分布の線図は図６に図示されている。典型的なＲＡＡＤプラズマ工程では、主陰極は接地主陽極に対して−２０から−５０Ｖに亘る電位を有している。改良の点で、浮遊基板電位は主陰極に対して−１００から-５０Ｖに亘る。イオン窒化処理、浸炭化処理、及び他のイオン拡散飽和���程におけるバイアスされた基板電位は、主陰極に対して典型的には−１０から−２００Ｖであり、一方、ＲＡＡＤプラズマ浸漬低エネルギーイオン注入工程では、基板バイアスは典型的に-２００から-１,５００Ｖである。
【００３８】
図５のモジュール的室レイアウトはまた、ガス状ＲＡＡＤプラズマ室（例えば、図５のモジュール１５６、１５８、及び１６４）での離隔した陽極アークプラズマ支援ＣＶＤ（ＲＡＡＣＶＤ：  Ｒｅｍｏｔｅ  ａｎｏｄｅ  ａｒｃ  ｐｌａｓｍａ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ＣＶＤ）工程を実行するのに使用することができることが認められる。例えば、この減圧プラズマ浸漬CVD工程機構は、０．１〜１％メタン及びバランス水素又は水素-アルゴン混合から成るプラズマ−生成ガス雰囲気中での多結晶ダイヤモンド皮膜の蒸着用に使用することができる。ＲＡＡＤプラズマは、多結晶ダイヤモンド皮膜の形成に寄与している高密度の原子状水素及びＨＣラジカルを用いた反応性雰囲気の強い活性剤として機能する。この工程において、コートすべき基板は接地されるか、浮遊しているか、又は主陰極に対して−１００Ｖを下回らない負の電位にバイアスされている。独立放射線加熱器アレイは、プラズマ増強減圧ＣＤＶ工程における多結晶ダイヤモンド皮膜の蒸着に対して必要に応じて基板温度を２００℃から１，０００℃の範囲に維持するのに使用することができる。
【００３９】
別の実施例において、曲線のある各壁に沿って位置合わせされた各プラズマ源を有するコーティングシステムが提供される。図７Aは中央に位置した遮蔽した陰極室を有するバッチ式コーティングシステムの概略的平面図を提供している。図７Ｂは図７Ａのバッチ式コーティングシステムの概略的斜視図を提供している。コーティングシステム１９０は真空室１９２、陰極１９６を備えた陰極室１９４、及び遮蔽１９８を備えている。真空室１９２は実質的に円形の断面を有する。システム１９０はまた陰極１９６及び主陽極２０２の間に電位を設定する第１の電源１７０を備えている。システム１９０はまた、おのおのがターゲットＴｓ、電源Ｐｓ、及び陽極Ａｓを備えたマグネトロンスパッタリング源２０４〜２１０を備えている。改良の点で、マグネトロンスパッタリング源２０４〜２１０は真空室１９２の断面と同一の中心を有する円に沿って配置されている。システム１９０はまた電源２１６及び２１８によって陰極１９４に対する電位に設定される離隔した陽極２１２及び２１４を備えている。この実施例において、各基板２２はコートされるにつれて円形方向ｄ２に沿って同軸状に移動する。図７Ａ及び図７Ｂの各バリエーションにおいて、プラズマは陰極１９６及び各離隔した陽極の間に流れる。この流れは、離隔した陽極（又は各スパッタリング源）と、典型的には５.０８ｃｍ（２インチ)から５０.８ｃｍ（２０インチ）の各基板（即ち、各基板の頂部）との間の分離によって閉じ込められる。この閉じ込めはコーティングゾーンを通して持続する。更に、プラズマは図１Ｄについて前述したように各基板の移動と垂直方向に陰極に沿ってラスターされる。
【００４０】
前述したように、離隔した陽極２１２及び２１４は直線的な離隔した陽極寸法Ｄａを有する。マグネトロンスパッタリング源２０４〜２１０は直線的なマグネトロンスパッタリング源寸法Ｄｓを有する。陰極ターゲット１９６は直線的な陰極ターゲット寸法Ｄｃを有する。基板ホルダー２０は直線的な基板ホルダー寸法Ｄｈを有する。改良の点では、直線的な離隔した陽極寸法Ｄａ、直線的な陰極ターゲット寸法Ｄｃ、及び直線的な基板ホルダー寸法Ｄｈは相互に平行である。別の改良の点では、直線的な離隔した陽極寸法Ｄａは直線的な陰極ターゲット寸法Ｄｃ以上であり、また、直線的な陰極ターゲット寸法Ｄｃは直線的な基板ホルダー寸法Ｄｈ以上である。
【００４１】
プラズマ増強マグネトロンスパッタリング皮膜蒸着工程の際にプラズマ密度を更に助長するために、外部磁界を前述の各実施例に対してコーティング室にて印加することができることが認められる。好ましい磁界は陰極アーク室及び/又は離隔した陽極に一般に平行に位置合わせされた各磁力線を有することとなろう。このことはアーク放電電圧の増加に寄与することとなり、結果的に、コーティング室に沿った電子エネルギー及びアークプラズマ伝播長に寄与することとなる。例えば、外部磁界は図５に示すインライン式コーティングシステムにおける各コーティング室に沿って印加することができる。
【００４２】
前述した均一なプラズマ密度分布は、離隔した各陽極と、遮蔽した真空アーク陰極ターゲットの電子放出面との双方を適切に分布させて皮膜蒸着領域を最終的にカバーすることによって達成することができる。例えば、皮膜蒸着領域が１ｍの高さであれば、遮蔽した陰極ターゲットの電子放出面、及び電子電流収集用陽極表面を分布させて、最終的にこの１ｍ高さの皮膜蒸着領域をカバーするようにしなければならない。これらの要求を達成するために、幾つかの小型陰極ターゲットを遮蔽した陰極室に設置することができ、陰極ターゲットのおのおのは独立電源の負のポールに接続される。陰極ターゲットのおのおのによって放出された電子流が遮蔽した陰極室の外側でオーバーラップして、皮膜蒸着領域に亘って電子密度の一般的に均一な分布をもたらすように、陰極ターゲットが一般に分布される。離隔したアーク電源の正のポールを１つの大型の陽極板に接続することができる。この場合、１つの大型陽極板は、図１及び図４Ａから図６に示すように、皮膜蒸着領域の高さと一般に同一の高さを有すると共に、コートすべき各基板を有する基板ホルダーに面している。おのおのが離隔したアーク電源の正のポールに接続された陽極板のセットを、皮膜蒸着領域に亘って電子密度の均一な分布をもたらすのに使用することができる。同様にして、遮蔽した陰極室において小型の陰極ターゲットのセットを使用する代わりに、皮膜蒸着領域の直線的な寸法と同様の直線的な寸法を有する単一の大型陰極ターゲットを離隔したアーク放電の陰極として使用することができる。この場合、電子放出スポット（即ち、陰極アークスポット）が陰極ターゲット全体に亘ってラスターされて、皮膜蒸着領域に亘って電子放出電流の一般的に均一な分布をもたらすようになっている。大型の陰極ターゲット領域全体に亘って陰極アークスポットをラスターすることは、例えば、陰極ターゲットのアーク蒸発領域に亘って陰極アークスポットを磁気的に誘導することによって、又は機械的移動によって達成することができる。
【００４３】
図８Ａから図８Ｈについて説明すると、磁気的に誘導された陰極アークスポットを使用する図７Ａ及び図７Ｂのコーティングシステムの改良を描く概略的図示が提供されている。本バリエーションは、全体の開示が参照によって本願に組み込まれる米国特許第６,３５０,３５６号明細書からの諸特徴を組み込んでいる。図８Ａについて説明すると、システム１９０’はハウジング２７４の２つの対向する側の間の陰極室１９４内に形成されたプラズマ導管２７２を囲む導管磁気コイル２７０を備えている。コイル２７０は陰極ターゲット１９６の側面１９６ａに面する配線２７０ａ及び陰極ターゲット１９６の側面１９６ｂに面する反対の配線２７０ｂを備えている。陰極ターゲット１９６は長い寸法ｄＡを有する一般的にバー形状をしている。導管コイル２７０は、陰極ターゲット１９６の側面１９６ａ及び１９６ｂに一般に平行な磁力線を用いて導管２７２に沿って磁界を発生する。陰極アークスポット２７８が蒸発面１９６ａ又は１９６ｂ上で点火されるとき、アークスポット２７８はバー−陰極１９６の長辺に沿って移動する。バーの端では、アークスポット２７８はサイドを変えると共に、バーの反対側では反対方向の移動を継続する。磁力線に垂直な陰極バーの両側に取り付けられた絶縁分離セラミック板（図示せず）は、陰極１９６の蒸発面からアークスポットが逃げるのを防止する。各遮蔽１９８はコーティング室１９２におけるコーティング領域に面するプラズマ導管２７２の端部に付随的に設置されている。改良の点では、各遮蔽１９８はコーティング工程の段階に応じてプラズマ導管２７２の開閉を可能にすべく移動可能である。各遮蔽１９８が閉じられるとき、ＲＡＡＤプラズマによって、マグネトロンスパッタリング環境のイオン化増強を用いてＲＡＡＭＳ工程を行うことができる。導管２７２の両端が開かれるとき、陰極アークプラズマはコートすべき各基板２２に向かって導管コイル２７０によって発生された各磁力線に沿って流れる。このことによって、望ましくない中性金属原子及び微粒子から磁気的にフィルター化された陰極アーク金属蒸気プラズマから陰極アーク皮膜が蒸着されにことになる。フィルター化された陰極アーク皮膜蒸着が単一の工程段階として又はマグネトロンスパッタリング源２０４〜２１０によるマグネトロンスパッタリングと連動して行っても良い。陰極室１９４の陰極１９６及び離隔した陽極２１０、２１４の間に確立された離隔したアーク放電によるプラズマ環境のイオン化及び活性化によって、皮膜の密度、平滑性、及び他の物理化学的及び機能的諸特性が改善される。
【００４４】
図８Ｂ及び図８Ｃについて説明すると、細長い矩形状のバー陰極の周りの陰極性アークスポットの磁気的誘導の機構を描く概略的図示が提供されている。矩形状のバー形状陰極１９６は導管コイル配線２７０の２つの部分の間に位置付けされている。左の配線２７０ａ及び右の配線２７０ｂは陰極１９６の蒸発側に面している。陰極側１９６ａは導管コイル配線側２７０ａに面し、一方、陰極側１９６ｂは導管コイル配線側２７０ｂに面している。導管コイル配線２７０によって発生された磁界Ｂは導管コイル配線に面した陰極１９６の両側に平行であると同時に、細長い陰極１９６の軸ｄＡ（即ち、陰極ターゲット１９６の各長辺）に垂直である。陰極性アークスポット２７８が導管コイル配線アークに面する陰極１９６の側で点火されるとき、電流Ｉａｒｃは、陰極ターゲット１９６の表面、従って、導管コイル２７０によって発生された各磁力線Ｂに垂直に発生される。この場合、陰極アークスポットは平均速度Ｖａｒｃで陰極の長辺に沿って移動する。この場合、この平均速度Ｖａｒｃは電流Ｉａｒｃ及び磁界Ｂの積によって定義されるアンペールの力（Ａｍｐｅｒｅ  ｆｏｒｃｅ）に比例し、周知のアンペアの法則に従う。
【００４５】
【数１】
2014181406.tif 000003
式中、Cは陰極材料によって規定される係数である。アークスポット移動の方向（上記式における丸括弧の符号）はまた陰極ターゲット材料によって決定される。何故ならば、導管コイル２７０によって発生された磁界は陰極ターゲットの４辺（即ち、陰極ターゲット１９６の蒸発側の周りの同一方向において長い）に平行だからである。例えば、陰極アークスポット２７８ａが導管コイル巻線２７０ａに面する陰極辺１９６ａ上で生成されるとき、アークスポットは長辺１９６ａに沿って陰極ターゲット１９６を下方に移動する。陰極バーの端部では、各アークスポットは短辺１９６ｄに向き、続いて長辺１９６ｂに向き、次いで長辺１９６ｂ等に沿うまで継続する。
【００４６】
図８Ｃは導管コイル２７０によって発生された各磁力線２８０に平行な陰極ターゲット１９６の蒸発辺１９６ａ、１９６ｂ、１９６ｃ、及び１９６ｄに沿って移動する各アークスポットを描いている。導管コイルは導管コイル電源２８２によって活性化され、一方、アーク電源２８４は陰極ターゲット１９６に接続されている。導管コイルは、電流導体２８６、２８８、及び２９０を含む電気回路によって接続されたコイル２７０ａ及び２７０ｂを備えている。各磁力線に垂直な陰極ターゲット１９６の両面は各絶縁板２９４によってカバーされている。この場合、各絶縁板２９４はアークスポットが陰極ターゲット１９６の蒸発面から逃れることを防止している。陰極性アークプラズマは導管コイル２７０ａ及び２７０ｂによって発生された磁気力２８０によって捕獲される。この場合、導管コイル２７０ａ及び２７０ｂは各磁力線２８０に差し渡るプラズマ拡散を防止しており、また一方では、プラズマは磁力線２８０に沿って自由に移動することができる。
【００４７】
図８Ｄは導管コイルによる陰極スポットの誘導を注視する付加的詳細を提供している。導管コイル２７０によって発生された磁界は、前述したように各磁力線に平行な陰極ターゲットバー１９６の両側に沿って各陰極アークスポットを誘導する、各陰極アークスポットの移動方向を矢印ＡＤによって示している。プラズマ導管２７２の両端部を開くことによって、陰極金属蒸気プラズマがコーティング室の基板ホルダー２０上に設置された各基板２２に向けて各磁力線に沿って流れることができる。中性物質及び微粒子は略１００％のイオン化金属蒸気プラズマを生む導管２７２の各内壁上の陰極室内に捕獲されて、プラズマ導管２７２の外側のコーティング領域に入る。陰極ターゲットのこの設計は本質的にはフィルター化した陰極アーク金属蒸気プラズマ源の設計である。この場合、フィルター化した陰極アーク金属蒸気プラズマ源は得られた金属蒸気プラズマ中の微粒子及び中性物質を取り除くことができると共に、高度な皮膜の蒸着用の略１００％自動的に清浄なイオン化した金属蒸気を生むことができる。陰極１９６及び離隔した陽極２１２、２１４の間で確立されたＲＡＡＤプラズマは、ＲＡＡＭＳ皮膜蒸着工程におけるプラズマ環境のイオン化及び活性化を増進することによって、改善された皮膜特性が得られることとなる。この設計において、ハイブリッド式皮膜蒸着工程は、単一の陰極アーク又はマグネトロン皮膜蒸着、或いは組合せ陰極アーク金属蒸気プラズマを高度にイオン化した離隔アークプラズマ環境に浸漬されたマグネトロン金属スパッタリング流と組み合わせるハイブリッド工程として行うことができる。
【００４８】
また図８Ｄについて説明すると、大面積マグネトロンスパッタリング皮膜蒸着工程及びハイブリッド工程のアークプラズマ増強の論点は、陰極ターゲットバー１９６を用いて少なくとも１つの離隔したアーク陽極オフライン−イン−サイト（ｏｆｆｌｉｎｅ−ｉｎ−ｓｉｇｈｔ）を位置付けることによって取り込まれる。このバリエーションにおいて、基板ホルダー２０‘によって保障される少なくとも１つの基板２２、及びマグネトロンスパッタリング源２０４〜２１０は、プラズマ導管２７２の外側のコーティング室領域に位置付けられる。本ＲＡＡＭＳ工程では、従来のマグネトロン源によって発生された金属スパッタリング流が高密度で高度にイオン化した離隔アーク放電（ＲＡＡＤ：  Ｒｅｍｏｔｅ  ａｎｏｄｅ  ａｒｃ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）ガス状プラズマに効果的に浸漬される。ＲＡＡＤプラズマに給電する離隔したアーク電源（図示せず）がアーク陰極ターゲット１９６及び少なくとも１つの離隔した陽極２１２の間に設置される。離隔した陽極２１２，２１４は、陰極室中の主アーク放電に給電する電源に比して少なくとも２０％高い開回路電圧をもたらす。この場合、陰極室中の主アーク放電はアーク陰極１９６及び近接した陽極の間で点火される。近接した陽極はプラズマ導管筐体２９６ａ、２９６ｂの内壁、又は付随的にプラズマ導管２７２内の独立陽極電位であり得る。別の改良の点で、おのおのがプラズマ導管２７２中に位置付けられた少なくとも１つのアーク陰極と関連する幾つかの付加的な離隔した陽極を利用しても良い。各離隔した陽極は、陰極１９６から視線から外れたプラズマ導管２７２の端開口の間のコーティング室内の各極めて重要な位置に位置付けられる。プラズマ導管２７２の端開口及び離隔した陽極２１２、２１４の間の最小距離は、陰極及び離隔した陽極の間に印加される電圧が、電気的に接地又は絶縁することができる、陰極及び主（近接した）陽極の間の電圧降下の１.２から１０倍を超えるときにプラズマ放電絶縁電圧距離を下回る必要がある。
【００４９】
図８Ｅは微粒子フィルターを利用する図８Ａから図８Ｄのコーティングシステムのバリエーションを描いている。このバリエーションの設計は、開示全体が参照によって本願に組み込まれる米国特許第７,４９８,５８７号明細書及び欧州特許出願第ＥＰ  １  ８５２  ８９１  Ａ２号明細書の高度な微粒子フィルターを組み込んでいる。システム１９０‘は陰極ターゲット１９６の両対向側に隣接して位置決めされると共に、プラズマ導管２７２の両対向側に面するトリマーコイル３００a及び３００bを備えている。対向する導管２９６ａ及び２９６ｂの内壁には溝、又は付随的には微粒子を捕獲するためのバッフルが設けられている。巻線部２７０ａが導管側２９６ａに面したまま陰極ターゲット１９６ａの長辺に平行の状態で、導管コイル２７０は導管２７２を囲んでいる。同様に、巻線部２７０ｂは陰極ターゲット１９６ｂの長辺に平行であると共に、導管側２９６ｂに面している。トリマーコイル３００ａ、３００ｂは各電磁コイル３０４によって囲まれた各磁気コア３０２を備えている。陰極アークスポットは、前述した式（１）によるアンペールの力の影響下で、陰極ターゲット１９６の蒸発側１９６ａ及び１９６ｂに沿って移動する。導管２７２の対称の平面に垂直な陰極ターゲット１９６の両側は、アークスポットが陰極ターゲット１９６の蒸発面から逃れることを防止するために、セラミック絶縁板２９４ａ及び２９４ｂによって覆われている。トリマーコイル３００ａ、３００ｂによって発生された磁界の方向は導管コイル２７０によって発生された磁界の方向と一致する。しかしながら、陰極ターゲット１９６ａ又は１９６ｂの蒸発面の近傍では、トリマーコイル３００ａ、３００ｂによって発生された各磁力線はアーチ形状である。これによって、周知の鋭角則によって要求されるような陰極ターゲットの蒸発領域内に陰極アークスポットを閉じ込めることが可能となる（例えば、アール・エル・ボックスマン(Ｒ.Ｌ.Ｂｏｘｍａｎ)、ディー・エム・サンダーズ(Ｄ.Ｍ.Ｓａｎｄｅｒｓ)、及びピー・ジェー・マーチン(Ｐ.Ｊ.Ｍａｒｔｉｎ)著、真空アーク科学及び技術ハンドブック(Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ａｒｃ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)．パーク  ブリッジ(Ｐａｒｋ  Ｂｒｉｄｇｅ)、エヌ・ジェー(Ｎ.Ｊ.)．:  ノイエス刊行(Ｎｏｙｅｓ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ)、１９９５年  第４２３頁から第４４４頁参照）。
【００５０】
図８Ｆ、図８Ｇ、及び図８Ｈはトリマーコイル３００ａ、３００ｂ、３００ｃによって発生された磁界によるアーク閉じ込めの機構を図示する概略図を提供している。陰極アークスポット２７８は、アークスポット閉じ込めに関する鋭角則によって要求されるようなアーチ形状の磁力線の頂点下方に位置している。陰極ターゲット１９６の蒸発面上方のアーチ形状の構成を有する磁界が、導管２７２に面する陰極ターゲット１９６の両側のトリマーコイル３００ａのS極及びトリマーコイル３００ｂのN極の間で発生される。プラズマ導管２７２内の磁界の構成は数値計算を使用して評価される。導管コイル２７０及びトリマーコイル３００の双方がオンに切り替えられるとき、プラズマ導管２７２における磁界は図８Ｇに示すと同じ方向に磁界を発生する。この構成は、陰極ターゲット１９６の蒸発面の近傍でアーチ形状の構成を依然として有したまま各磁力線が同一方向に向けられることを明示している。このモードでは、中性金属原子及び微粒子から磁気的にフィルター化された陰極アークプラズマはプラズマ導管２７２の外側のコーティング領域においてコートすべき各基板（図示せず）に向けてプラズマ導管２７２から離隔した各磁力線に沿って流れる。このフィルター化された陰極アーク蒸着モードでは、もしあれば、僅かな中性金属原子又は微粒子を有する略１００％イオン化した金属蒸気プラズマが各基板上に蒸着されて、優れた諸特性を有する欠陥のない皮膜を生成するものである。マグネトロンスパッタリング皮膜はまた、プラズマ導管２７２の外側壁上に位置決めされた各マグネトロンによる動作のこのモードの際に蒸着することができる。このモードの動作の皮膜蒸着プラズマ環境の付加的イオン化及び活性化は離隔したアーク放電によってもたらされる。この離隔したアーク放電は、陰極１９６と、プラズマ導管２７２の外壁上、又は代替的に各マグネトロン源（図示せず）とは反対のコーティング室の内壁上の各マグネトロンに隣接して位置決めされている離隔した陽極２１２、２１４との間に確立されている。図８Ｈについて説明すると、各磁力線は、導管コイル２７０が「オフ(OFF)」に切り替えられるときにプラズマ導管内の各方向を切り替えるために示されている。しかしながら、トリマーコイル３００ａ、３００ｂ双方が「オン(ＯＮ)」に切り替えられるとき、アーチ形状の磁界が陰極ターゲット１９６の蒸発面上方で発生される。動作モードに応じて、偏向導管コイル２７０によって発生された磁界が「オン」に切り替えられるとき、陰極ターゲット１９６によって発生された金属蒸気プラズマは、プラズマ導管２７２全体に亘って各基板２０へと双方向的に運ばれる。偏向導管コイル２７０が「オフ」に切り替えられるときに、陰極アークスポットはトリマーコイル３００ａ、３００ｂによって発生された誘導磁界により駆動されるターゲットバー１９６の周りに移動することを継続するものの、陰極ターゲット１９６によって発生された金属蒸気プラズマは各基板２０へと向かって運ばれることはない。このバリエーションにおいて、導管コイルは、図７Ａに示すような機械的シャッタ又は遮蔽での必要性を除去する磁気的シャッタとして働く。磁気的シャッタが「オン」のとき、金属蒸気は処理室の各基板２０に向けてプラズマ導管を通して運ばれる。磁気的シャッタが「オフ」のとき、磁気的シャッタが閉じられて、金属蒸気が各基板２０に達することはない。図８Ｈは導管コイルの電流が零に設定され、トリマーコイル電流が０．１Ａに設定され、かつ、導管電流が零のときのプラズマ導管２７２中の磁界の分布を示している。導管コイル２７０の磁界が零のとき、トリマーコイル３００ａ、３００ｂが依然として磁界を発生しているが、プラズマ導管２７２から離隔して金属蒸気プラズマを運ぶ磁界はないことを了知することができる。この場合、トリマーコイル３００ａ、３００ｂが依然として発生する磁界は、ターゲット１９６の蒸発領域内にアークスポット２７８を閉じ込めること（蒸気ターゲット面での磁気的アーチ構成）、及び陰極バー１９６周りにアークスポット移動を誘導すること双方にとって十分なアーチ形状の構造を有する。この後者の動作モードでは、陰極アーク金属蒸気プラズマがプラズマ導管内で捕獲されるとき、各電子は依然としてプラズマ導管から離れてコーティング室中のプラズマ導管２７２の外側に位置付けられた各離隔した陽極へと流れる。得られた離隔アーク放電はプラズマ導管２７２の陰極１９６及び各離隔した陽極（図示せず）の間に確立される。この場合、各離隔した陽極（図示せず）は、プラズマ導管２７２の外壁、又はマグネトロン源（図示せず）とは反対の位置にあるコーティング室の壁に位置付けることができる。ＲＡＡＤプラズマはコーティング室の皮膜蒸着処理環境のイオン化及び活性化を増進し、これによって優れた諸特性を有する高度な皮膜が蒸着されることになる。
【００５１】
磁気的シャッタが閉じられるとき、陰極ターゲット１９６は依然として大きな電子流を発生する。この大きな電子流は、処理室中に離隔したアーク支援放電プラズマを確立するために、各離隔した陽極へと引き出すことができる。ＲＡＡＤプラズマは、１０１０〜１０１３ｃｍ−３に亘る高密度、３〜２０ｅＶに亘る高電子温度、及び離隔した陽極の電位に一般に類似する高プラズマ電位によって特徴付けられる。実験的研究から磁気的シャッタはプラズマ導管２７２を封止することができ、これによって磁気的シャッタが閉じられるときに金属蒸気プラズマが各基板２０に届くのが防止されることが確認されている。これらの実験に使用された陰極ターゲットバーはステンレス鋼から作られた。各基板２０として使用される各シリコンウェハは、皮膜蒸着工程の２時間の間に５ＲＰＭの速度で回転する丸いテーブル基板ホルダーの基板保持用シャフト上に設置されている。トリマーコイル３００の電流は０．２Ａに設定されており、一方、導管コイル２７０電流は零に設定されている。アルゴン圧力は１.５ｍＴｏｏｒであり、一方、主アークの電流は１４０Ａである。２時間晒した後、各基板は取り外され、皮膜厚さがＶｅｅｃｏＮＴ３３００光学的プロファイラーを用いた光干渉法によって測定される。結果は以下のように表１に提示されている。
【００５２】
【表１】
2014181406.tif 000004
【００５３】
表１に提示した結果から、回転する基板ホルダー上の蒸着速度は磁気的シャッタが閉じられているとき、６ｎｍ／ｈを超えてはいないことになる。フィルター化した陰極アーク蒸着又はマグネトロンスパッタリング源の何れかによる、皮膜蒸着工程で生成された平均皮膜の膜厚は、典型的には１μｍ／ｈｒを超えている。この場合、金属蒸気の漏洩によって、工業的皮膜蒸着工程で使用される陰極の不純物の通常レベルを超えてコーティングにおけるドープ元素を増大することはない。
【００５４】
以下の工程は離隔式アーク支援式表面エンジニアリング（ＲＡＡＳＥ：  Ｒｅｍｏｔｅ  ａｒｃ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）室において行うことができる。
【００５５】
１．高密度ＲＡＡＤプラズマにおけるイオン洗浄/エッチング処理（磁気的シャッタは閉じている）、
２．低温イオン窒化処理又は酸窒化処理、プラズマ浸炭化処理。この工程の際の各基板の温度は１５０℃と低くできる。ＲＡＡＤ窒化プラズマでのＭ２鋼のイオン窒化速度は典型的に０.１から０.５μｍに亘っている（磁気的シャッタは閉じている）、
２．低エネルギーイオン注入（２ｋＶを下回る基板バイアス）（磁気的シャッタは閉じている）、
３．フィルター化したアーク皮膜の蒸着（磁気的シャッタは開いている）、
４．離隔アーク支援式マグネトロンスパッタリング（ＲＡＡＭＳ：  Ｒｅｍｏｔｅ  ａｒｃ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）工程によるマグネトロンスパッタリング皮膜の蒸着（磁気的シャッタは閉じている）、及び
５．フィルター化したアークコーティングによって変調されたマグネトロンスパッタリング皮膜の蒸着（要求されたコーティング変調期間を達成するための負荷サイクル当たりとして磁気的シャッタオフ／オン）。
【００５６】
図９Ａから図９Ｅについて説明すると、各付加的マグネトロン源を有するフィルター化アーク支援マグネトロンスパッタリング（”ＦＡＡＭＳ”：  Ｆｉｌｔｅｒｅｄ  ａｒｃ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）ハイブリッド式フィルター化アークマグネトロン双方向システムの概略図が提供されている。このバリエーションでは、フィルター化アーク源１９６に磁気的に結合されると共に、１０度から８０度の範囲の開放角を形成する各マグネトロンターゲットを有するアーク陰極室１９４に隣接して各付加的マグネトロンスパッタリング源３１０〜３１６が位置付けされている。この開口角Ａｏは、各基板へのマグネトロンスパッタリング流を集めるのを支援する。このフィルター化アーク支援マグネトロンスパッタリングハイブリッド式皮膜蒸着プロセスでは、フィルター化したアーク金属プラズマは導管コイル２７０によって生成された輸送磁界の各磁力線に沿って流れる。更に、各磁力線はプラズマ導管２７２の出口で発散する。このことによって、フィルター化したアーク陰極からの金属イオンがターゲット表面に近いマグネトロンスパッタリングターゲットのそばを通ると共に、大きな閉ループ磁界トポロジーを有するマグネトロン放電領域と交差することになる。これらの金属イオンのかなりの部分はマグネトロン磁界に捕獲されると共に、マグネトロンターゲットのスパッタリングに寄与する。この場合、マグネトロンターゲットのスパッタリングはスパッタリングガス（アルゴン又は他の希ガス）無しでも、また、１０−６から１０−２Ｔｏｏｒの範囲の拡大された圧力内で生じることができる。フィルター化したアーク陰極によって発生された金属イオンの別の部分は各基板２２に向けて連続する。この場合、各基板２２では、金属イオンの別の部分は集束するマグネトロンスパッタリング流と混ざり合い、マグネトロンスパッタリング皮膜蒸着工程のほんの一部のイオン化した金属を」もたらす。金属蒸気のイオン化率を増大させることによって、皮膜付着、密度、及び他の機械的諸特性、及び平滑性が改善される。
【００５７】
図９ＢはＦＡＡＭＳハイブリッド式フィルター化アークマグネトロン双方向源の付加的諸特徴を提供している。選択的な付加的集束磁気的コイル３２０はプラズマ導管の出口開口とは反対に位置している。この場合、プラズマ導管の出口開口は、プラズマ密度の付加的改善をもたらすと共に、マグネトロンスパッタリング流と、コーティング室（図示せず）でコートすべき各基板に向かって集束するフィルター化したアーク金属プラズマ流との混合を制御する。また、選択的な集束磁気的コイル３２４はプラズマ導管２７２の出口部分にてマグネトロンターゲット３１０〜３１６の周囲に位置付けられている。各集束コイル３２４はマグネトロンターゲット近傍のプラズマ密度の濃度を改善する。導管コイルに隣接した側のこれらのコイルによって発生された各磁力線の方向は、導管によって発生された輸送磁界と同一方向を有する。図９Ｃは図９Ｂのシステムの改良の概略図を提供している。この改良の点で、磁気的集束コイル３２８の各対は、マグネトロン源の両側でプラズマ導管を囲むプラズマ導管の出口部分に位置付けられている。図９Ｄは、離隔したアークプラズマ（Ｆ１）、マグネトロンスパッタリング流（Ｆ２）、及びフィルター化したアークプラズマ流（Ｆ３）が描かれている、図９Ａから図９Ｃの各コーティングシステムの水平断面を提供している。これらの集束コイルによって発生された磁界の方向は、導管コイルによって発生された輸送磁界の方向と一致する。図９Ｅはコーティングシステムのまた別のバリエーションを提供している。図９Ｅはコートすべき各基板を有する回転する基板保持ターンテーブル２２についての断面コーティング室１９２の概要を描いている。陰極室１９４はコーティング室１９２でコートすべき各基板２０と反対に位置付けられている。陰極室１９４における主アーク放電はハウジング２７４内に包み込まれている陰極ターゲット１９６上のストライカー４４０によって点火される。ハウジング２７４は各開口を有する遮蔽１９８を有している。この場合、各開口は陰極ターゲット１９６の表面から放出されたイオン、原子、及び微粒子等の重粒子に対して透明ではないが、電子をコーティング室１９２中の各離隔した陽極に向けて自由に流すことができる。マグネトロンターゲットから放出されたスパッタリング流が、遮蔽１９８の前で高度にイオン化したプラズマと結合すると共に、コーティング室１９２中で各基板２０に向かって集束するように、マグネトロンターゲット３１０、３１２は陰極室遮蔽１９８に隣接して位置付けられている。この配置において、陰極室遮蔽１９８の前で発生する離隔したアークプラズマの陰極部分はマグネトロンスパッタリング流と結合している、これによって、皮膜付着、密度、平滑性の更なる改良、欠陥の低減、及び異なる用途向けのそれらの機能的諸特性の改良に寄与するマグネトロンターゲット３１０、３１２によって発生される金属-ガス状プラズマのイオン化及び活性化がかなり増大することになる。
【００５８】
ＦＡＡＭＳ表面エンジニアリングシステムは以下の各モードで動作することができる。
【００５９】
１．ＲＡＡＤプラズマ浸漬イオン浄化処理、イオン窒化処理、低エネルギーイオン注入処理。陰極アーク源が動作しているこのモードにおいて、トリマーコイル双方はオンであるが、プラズマ輸送導管コイルはオフである。導管コイルをオフに切り替えることによって、プラズマ導管の中央に位置付けされる陰極によって発生された金属プラズマがプラズマ導管から抜け出してコーティング室中のコートすべき各基板へと到達するのが効果的に防止される。しかしながら、ガス状の高密度で高度にイオン化したＲＡＡＤプラズマが処理室全体に充満する。この場合、処理室全体はプラズマ導管の内部と、及びコートすべき各基板が基板ホルダー上に位置付けられている室中の領域とを備えている。この高密度のガス状プラズマによって、プラズマ浸漬イオン浄化処理、イオン窒化処理（及びイオン浸炭化処理、酸浸炭化処理、ホウ素化処理、及び他のイオン飽和工程）、及び低エネルギーイオン注入処理がもたらされる。この高密度のガス状プラズマは、炭化水素が含有されたガス状雰囲気がコーティング室中で生成されるときのダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ：  Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ  ｃａｒｂｏｎ）皮膜の蒸着を始めとする、離隔したアーク支援式ＣＶＤ（ＲＡＡＣＶＤ：  Ｒｅｍｏｔｅ  ａｒｃ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ＣＶＤ)工程向けに使用することもできる。このモードでは、離隔したアーク支援式ＣＶＤ工程を実行することができる。更に、各基板が（基板の型式に応じて）５００から１，０００℃に亘る蒸着温度に加熱されるときに多結晶ダイヤモンド皮膜を堆積することができる。こういった工程において、ガス圧力は典型的には１から２００ｍＴｏｏｒに亘り、ガス雰囲気は典型的に、バランスをアルゴンにとった、ポンプシステム能力に応じて５０から２００ｓｃｃｍに亘る水素流量で水素中に０.１〜２％メタンを含んでいる。導管コイルは磁気的シャッタとして働いて、ＲＡＡＤ発生ガス状プラズマに対して道を開けたまま、プラズマ導管の陰極によって発生された金属プラズマから脱する手段を効果的に閉ざすことになる。
【００６０】
２．導管コイルがオフで（磁気的シャッタが閉じられる）、かつ、プラズマ導管の陰極及びプラズマ導管の外側にある皮膜蒸着領域の離隔した（各）陽極の間のコーティング室内でＲＡＡＤプラズマが生成されるとき、高度にイオン化したプラズマ環境をプラズマ支援マグネトロンスパッタリング（ＲＡＡＭＳ）工程向けに使用することができる。この場合、コーティング領域のプラズマ導管の外側に位置付けられている各マグネトロン源がオンに切り替えられると共に、マグネトロンスパッタリング工程が高度にイオン化したプラズマ環境において実行される。この工程において、マグネトロンスパッタリングの生産性は３０％以上増加すると共に、ガス状プラズマ-ホウ素イオンによる基板表面のイオン衝撃によって、皮膜は高密度化される。
【００６１】
３．プラズマ導管コイルがオンのとき、磁気的シャッタは開いており、プラズマ導管の陰極によって発生された金属プラズマは、導管コイルによって発生された輸送磁界の各磁力線に沿って皮膜蒸着領域に流入している。グラファイトバーがプラズマ導管の陰極ターゲットとして使用するときの超硬質の水素を含有しない４面体炭素（ｔａ−Ｃ）皮膜を始めとして、多様の皮膜の蒸着向けにフィルター化したアーク金属プラズマを使用することができる。プラズマ導管の出口部分に位置付けられると共に、各基板に面した各ターゲットを有する各マグネトロン源がオンに切り替えられるとき、ハイブリッド式フィルター化アーク支援マグネトロンスパッタリング（ＦＡＡＭＳ）工程が開始する。この場合、１００％イオン化したフィルター化したアーク金属プラズマは、一般に５％未満（＜５％）の低イオン化率を有するマグネトロンスパッタリング原子金属流と混合したマグネトロン源を通過している。混合されたフィルター化したアーク金属プラズマ及びマグネトロンスパッタリング原子金属流は、プラズマ導管の出口の前のコーティング領域における各基板の方へ向けられる。このことによって、高くて、かつ、制御可能な濃度の堆積金属原子流を用いて、ハイブリッド式のフィルター化したアーク支援マグネトロンスパッタリング皮膜蒸着がもたらされる。
【００６２】
図１０は本発明の双方向の離隔したアーク放電に含まれる物理的工程の概略的説明を提供している。一対のトリマーコイル３００によって放電室から絶縁されている陰極ターゲット１９６の表面上のアーク点火装置によって主アークが開始される。この源は２つのモード、即ち、第１に、導管コイル２７０の力によって生成される縦方向の磁界の各磁力線に沿ってアーク蒸気プラズマが運ばれるときの皮膜蒸着、及び第２に、導管がオフに切り替えられると共に、アークプラズマが一対のトリマーコイル３００によって生成された磁界により閉じ込められ、処理室から磁気的に絶縁されるときの電子放出モードで働くことができる。プラズマ導管２７２内のプラズマ電位は低く、最も近接した陽極の電位に近く、多くの場合、最も近接した陽極は接地されており、一方、離隔したアーク放電プラズマでは、電位は高く、離隔した陽極２１４の電位に近い。有限の要素モデル化によって得られる、プラズマ導管２７２及び離隔した陽極２１４の間のプラズマ電位の典型的分布を図２に示している。
【００６３】
図１１について説明すると、周辺に位置した遮蔽陰極室アセンブリを有するバッチ式コーティングシステムの概略図が提供されている。コーティングシステム３３０は真空室３３２と、陰極室３３６、陰極３３８、及び遮蔽３４０を備えた陰極室アセンブリ３３４とを備えている。システム３３０はまた陰極３３８及び主陽極３４４の間に電位を設定する主電源３４２を備えている。システム３３０はまた、おのおのがターゲットＴｓ、電源Ｐｓ、及び陽極Ａｓを備えたマグネトロンスパッタリング源３５６〜３６６を備えている。システム３３０はまた、電源３６２によって陰極３３８に対しての電位に設定される離隔した陽極３６０を備えている。この実施例において、各基板２２はコートされるにつれて方向ｄ３に沿って同軸方向に移動する。
【００６４】
図１２はコーティング室の中央に位置する遮蔽した陰極アーク電子放出源を提供する更なるバリエーションを図示している。特に、本バリエーションは中央領域に位置する陰極室アセンブリ３８２を有する円形のバッチ式コーティングシステム３８０を提供している。陰極３８４は一般にコーティングシステム３８０の軸に沿って陰極室アセンブリ３８２内に位置決めされている。陰極室アセンブリ３８２はそこに形成された開口３９０及び３９２を有する陰極筐体３８８、陰極３８４、選択的な主陽極(図示せず)、及び遮蔽３９６、３９８を備えている。筐体３８８及び遮蔽３９６、３９８はそれぞれ陰極３８４を真空室４００から絶縁すると共に、陰極室３８２において点火されたアーク放電用の主陽極として機能することもできる。主アーク電源もまた陰極３８４及び陽極-筐体３８８(図示せず)の間に設けられている。筐体３８８及び遮蔽３９６、３９８は各電子放出電流を陰極室４００中に運ぶ各開口を形成し、一方、同時に陰極３８４から放出された金属蒸気原子、イオン、及び微粒子等の重粒子をコーティング室４００のコートすべき各基板２０に達するのを停止させる障壁として機能する。マグネトロンスパッタリング源４０２、４０４、及び４０６は室４００の壁４０８に取り付けられている。離隔した陽極４１０、４１２、及び４１４は対応するマグネトロン源に隣接して位置付けされており、好ましくは、これらのスパッタリング源を囲んでいる。各基板２０は陰極室及び各マグネトロンスパッタリングターゲットの間に距離ｄ１を置いて回転テーブル台４２０上に位置付けられている。マグネトロンターゲット表面から基板２０までの距離は典型的には１０.2ｃｍ（４インチ)から２５.４ｃｍ（１０インチ）に亘っている。離隔したアーク電源４２４、４２６、及び４２８は、離隔した陽極４１０、４１２、及び４１４と陰極室３８２の中央陰極３８４との間に設置されている。陰極３８４は熱電子フィラメント陰極であり得るが、好ましくは、冷蒸着真空アーク陰極を使用することができる。この場合、冷蒸発真空アーク陰極は、カーバイド、酸化物、及び窒化物の皮膜蒸着用のメタン、酸素、及び窒素等の化学的に攻撃的なガスを含有することができる反応性プラズマ処理環境には感知的ではない。陰極３８４は細長い金属バー又はロッドとしての細長い熱電子フィラメント又は冷陰極の何れかである。更に、陰極３８４は、基板２０負荷ゾーンの高さに平行で一般に寸法的に等しい電子放出ゾーン高さを有するコーティング室４００の各軸に沿って陰極室３８２内に位置付けられている。更に、陰極３８４は離隔した陽極３１０，３１２、及び３１４の高さ以下である長い寸法を有する。各マグネトロンターゲットの高さは各離隔した陽極の高さ以下である。
【００６５】
改良の点で、図１２に示すマグネトロン４０２、４０４、４０６は面加熱器と置換することができる。コートすべき各基板は、遮蔽した陰極室３８２が陰極３８４を用いて位置決めされている室の中央に面する加熱器表面に置くことができる。この場合、各基板は９００℃に加熱することができると同時に、陰極室３８２の陰極３８４と室３８０の壁に位置決めされている離隔した陽極５３６、５３８、５４０との間の離隔した陽極アーク放出によって、高度にイオン化した離隔陽極アークプラズマを室３８０に確立することができる。この工程、室３８０のガス雰囲気が１ｍＴｏｏｒから２００ｍＴｏｏｒの圧力範囲で、かつ、０.１から２重量百分率に亘る水素中のメタン濃度で、メタン、水素、及びアルゴンの混合物から構成されるとき、７００から１，０００℃に亘る蒸着温度に加熱された各加熱器の被加熱面に位置付けされた各基板上に多結晶ダイヤモンド皮膜を堆積することができる。
【００６６】
図１３について説明すると、電子放出真空アーク冷陰極源を組み込んだシステムの概略図が提供されている。特に、本バリエーションは、開示全体が参照によって本願に組み込まれる米国特許第５,２６９,８９８号明細書のシステムの電子放出真空アーク冷陰極源の設計を採用している。ロッド状陰極４３０は陰極室４３２内に取り付けられている。陰極室４３２は、主アーク電源４３４によって給電される真空陰極アーク放出用の主陽極として機能する。陰極４３０はアーク電源４３０の負の出力に接続されると共に、陰極室４３２の筐体４３６はアーク電源４３４の正の出力に接続されている。主アークの正の出力は図７Dで破線で示すように随意に接地することができる。アークは、接続アーク電源４３４とは反対の陰極４３０の端に位置するストライカー４４０によって繰り返し引き起こされる。螺旋状電磁コイル４４２は陰極４３０に同軸的に取り付けられると共に、陰極４３０軸と実質的に平行であり、コイル電源４４６によって与えられる電流に比例する大きさを有するソレノイド磁界を発生するように機能する。皮膜を蒸着すべき１つ以上の基板２０は陰極室４３２を囲んで配置されると共に、基板保持用回転テーブル台(図示せず)に随意に取り付けられる。この場合、基板保持用回転テーブル台は必要に応じて蒸着の際に各基板の回転をもたらすこととなり、各基板上に均一な皮膜厚さ分布を達成する。アークスポット４５０、及び印加した磁界の影響に起因する典型的軌道４５２もまた描かれている。アークスポットは再び引き起こされる前にアーク電源４３４の接続部に向かって陰極４３０の全ての又は一部分の長さを進む。絶縁体４５４はアークスポットの移動が陰極４３０の所望の蒸発可能な表面から外れることを防止する。電磁コイル４４２はアーク回路から電気的に絶縁されて良く、又は点線４５８によって示されるように接続による陽極の一部分を備えていて良い。電磁コイル４４２は代替的に陰極室４３２の主アーク放電用の唯一の主陽極として機能して良い。この場合、電磁コイル４４２は室４３０から電気的に絶縁されると共に、陰極室４３２から切り離される、主アーク電源４３４の正の出力に接続されている。１つ以上のマグネトロンスパッタリング源４６０は各離隔した陽極４７０によって囲まれている室４６６の各壁４６２に沿って取り付けられている。各離隔した陽極は離隔したアーク電源４７２の正の出力に接続されており、一方、その負の出力は陰極室４３２の陰極４３０に接続されている。陰極室４３０の筐体４３６は各遮蔽４７８によって覆われた各開口４７６を有して、陰極４３０によって放出された重粒子（イオン、中性原子、及び微粒子）が陰極室４３２の外側の蒸着領域に達するのを防止するようになっている。しかしながら、電子は筐体４３６及び各遮蔽４７８の間の各開口４７６全体を通して自由にコーティング領域に入り込むことができる。離隔したアーク電流は、陰極室４３２内の陰極４３０と、コーティング室４６６の壁の各マグネトロンスパッタリング源４６０を囲む各離隔した陽極４７０との間を導通する。離隔した陽極は離隔したアーク電源４７２の正の出力に接続され、一方、離隔したアーク電源４７２の負の出力は陰極室４３２の陰極４３０に���続されている。離隔したアークはマグネトロンスパッタリング皮膜蒸着工程の際にプラズマ環境をイオン化し、活性化する。しかしながら、離隔したアークはまた、プラズマ浸漬イオン注入処理、イオン窒化処理、及びプラズマ支援減圧ＣＶＤ皮膜蒸着工程に対しては勿論、コーティング工程が開始する前の各基板の予備のイオン洗浄処理の際にコーティング領域のプラズマ環境のイオン化及び生成の源として機能することができる。
【００６７】
図１４Ａから図１４Ｃについて説明すると、微粒子フィルターを組み込んだコーティングシステムのバリエーションの概略図が提供されている。このバリエーションにおいて、米国特許出願公開第２０１２/０１９９０号明細書の陰極室の設計が採用されており、この特許出願の開示全体は参照によって本願に組み込まれる。システム４８０は微粒子フィルターとして構成される陰極室４８４を備えている。陰極室４８４は細長い陰極４８６の周囲に対称的に位置付された偶数の導管アセンブリを備えている。図１４Ａ及び図１４Ｂで前述したバリエーションは４つの導管アセンブリ、即ち、陰極４８６の周囲に筐体４９６を有効に形成する導管アセンブリ４８８、４９０、４９２、４９４を備えている。導管アセンブリ４８８、４９０、４９２、４９４は正に帯電したイオンを陰極ターゲット４８６から各基板２０に導く導管５００、５０２、５０４、５０６を形成している。導管アセンブリ４８８、４９０、４９２、４９４はプラズマを導く磁界を形成する。導管アセンブリは微粒子を阻止する支持部品５１０及びバッフル部品５１２を備えている。改良の点で、バッフル部品５１２は微粒子をフィルター化し切る能力を増進する各突起物５１４を備えている。導管アセンブリが正に帯電したイオンを弾くために電気的にバイアスされるように電気的ポスト５１６、５１８がフィルター電源につながるように使用される。導管アセンブリ４８８、４９０、４９２、４９４が陰極４８６と関連付して正にバイアスされるとき、陰極室４８４内に確立された主アーク放電用に主陽極として機能している。導管アセンブリ４８８、４９０、４９２、４９４は絶縁することもできると共に、浮遊電位を有することもできる。この場合、アーク誘導電磁気コイル(図示せず)は、図１４Ｂに示したこの発明の実施例に対して前述したように陰極室４８４の主アーク放電を点火する陰極４８６に対する主陽極として機能することができる。図１４Ｃについて説明すると、陰極室筐体-フィルターアセンブリ４９６の概略的斜視図が提供されている。フィルターアセンブリ-陰極室筐体４９６は、陰極４８６に平行であり、好ましくは任意の多角形断面を有するバーとしても作ることができるロッドの形状を有する導管アセンブリ４８８、４９０、４９２、４９４のセットから作られる。フィルター化した陰極アーク皮膜蒸着工程の際、フィルターは電流を導管アセンブリ４８８、４９０、４９２、４９４に沿って通すことによって電気的に始動されて、磁界を確立する。
【００６８】
また図１４Ａから図１４Ｃについて説明すると、磁界を生成するように導管アセンブリに電流を通すことによって、磁界が随意に生成される。特に、隣接する導管アセンブリは逆の磁気的極性を有する各磁界を発生する。矢印５２０、５２２、５２４、５２６は、電流が流れてこういった磁界を生成し得る各方向の例を示している。矢印は隣接する導管アセンブリの各電流の方向が相互に逆であることを示している。この方法で発生された磁界は細長い陰極表面に垂直な向きと、導管アセンブリに電流を通すことによって生成されるプラズマ誘導に対して伝導性のある強度とを有する。このフィルター化したアーク蒸着モードでは、陰極４８６から放出された金属蒸気プラズマは導管アセンブリ間の各導管を通過する。これによって、望ましくない微粒子及び中性金属蒸気の構成要素を除去すると共に、１００％イオン化した金属蒸気プラズマを各基板に引き渡すことができる。
【００６９】
離隔した陽極アークプラズマ放電（ＲＡＡＤ）モードでは、電流は導管アセンブリ４８８、４９０、４９２、４９４を導通せず、かつ、金属蒸気プラズマ引出し磁界も発生していない。この導管受動モードでは、陰極４８６の表面から放出された電子は、陰極室４８４の陰極４８６と離隔した陽極５３０、５３２、及び５３４との間にＲＡＡＤ電流を導通させる導管５００、５０２、及び５０４を自由に通過することができる。この場合、離隔した陽極５３０、５３２、及び５３４は、コーティングシステム３８０の室壁５０６に沿って位置付されているマグネトロン源５３６、５３８、及び５４０を囲んでいる。同時に、導管アセンブリ４８８、４９０、４９２、４９４は陰極４８６から放出された金属蒸気原子、イオン、及び微粒子等の重粒子が各基板に達するのを停止させる障壁として機能する。ＲＡＡＤプラズマは、各基板が位置付けられているシステム３８０の処理領域におけるプラズマ処理環境をイオン化し、活性化する。このことによって、イオンプラズマ浄化処理、イオン注入処理、イオン窒化処理、及び高度の諸特性のプラズマ処理製品を生む離隔したアーク支援マグネトロンスッパタリング（ＲＡＡＭＳ）を実行する能力を得ることになる。
【００７０】
図１５Ａ及び図１５Ｂについて説明すると、ＲＡＡＭＳシステムのバリエーションの概略図が提供されている。図１５ＡはＲＡＡＭＳシステムの概略的側面図であり、一方、図１５Ｂは図１５Ａの図に垂直な概略的側面図である。システム５３０は室５３２、コートすべき各基板５３６を有する基板ホルダー５３４、主陰極５３８ａ、５３８ｂ、マグネトロン５４０ａ、５４０ｂ、及び離隔した陽極５４２ａ、５４２ｂを備えている。各陰極５３８ａ、５３８ｂは、山形遮蔽５５２によって室５３２のコーティングセクション５５０から分離された陰極セクション５４８の室５３２の側部５４４（即ち、底部）に位置している。この場合、山形遮蔽５５２は重粒子に対しては不浸透性であるが、電子がコーティングセクション５５０の離隔した陽極５４２ａ、５４２ｂに向かって通過できるようになっている。遮蔽５５２は電気的に浮遊にできるか、又は主アーク電源５５４又は付加的電源（図示せず）の何れかの正の端子に接続することができる。主アーク陽極５５６は２つのアーク陰極、即ち、陰極室５４８の左区画の陰極５３８ａ、及び陰極室５４８の右区画の陰極５３８ｂの間の陰極室５４８の途中に位置している。コートすべき各基板５３６を有する基板ホルダー５３４はマグネトロン５４０ａ、５４０ｂの間に位置している。各基板は左側のマグネトロン５４０ａ及び右側のマグネトロン５４０ｂに面している。離隔した陽極５４２ａ、５４２ｂはマグネトロン５４０ａ、５４０ｂの上方に位置すると共に、選択的分離バッフル５６０によって相互に分離されている。分離用陽極５５６、コートすべき各基板５３６を有する基板ホルダー５３４、及び選択的分離バッフル５６０は室５３２を効果的に２つの側（即ち、左側及び右側）に分割することによって、室５３２の左側に位置する陰極５３８ａに関連する高温ジェット５６２ａが室５３２の右側を流れて離隔した陽極５４２ｂへと向かうのを防止すると共に、室５３２の左側に流れ込んで離隔した陽極５４２ａへと向かうのを防止する。離隔した陽極５４２ａは基板ホルダー５３４の左側のアーク陰極５３８ａと結合し、離隔した陽極５４２ｂは基板ホルダー５３４の右側のアーク陰極５３８ｂと結合している。陽極５５６、基板ホルダー５３４、及び選択的分離用バッフル５６０はコーティング室５５６を２つのセクション、即ち、左側の陰極５３８ａ、左側のマグネトロン５４０ａ、及び左側の離隔した陽極５４２ａを収納する左側のセクションと、右側の陰極５３８ｂ、右側のマグネトロン５４０ｂ、及び右側の離隔した陽極５４２ｂを収納する左側のセクションに効果的に分割する。この分割によって、２つの狭い放電空隙又は放電通路、即ち、コーティングセクション５５０の左側の左側マグネトロン５４０ａ及び基板ホルダー５３４を分離する左側空隙と、コーティングセクション５５０の右側の右側マグネトロン５４０ｂ及び基板ホルダー５３４を分離する右側空隙とが形成される。分離用放電空隙の幅は５.０８ｃｍ（２インチ）から５０.８ｃｍ（２０インチ）に亘る。
【００７１】
改良の点で、陰極ターゲットは、チタン合金又はジルコニウム合金等のゲッタリング能力を有する金属から作ることができる。この場合、遮蔽した陰極電子放出源はまた、コーティングシステム５３０のポンプ効率を改善する真空ゲッタリングポンプとして機能する。ゲッタリングポンプ効率を更に改善するために、陰極室５５０における陰極ターゲット５３８ａの蒸発面に面する遮蔽５５２は水冷することができると共に、高電圧バイアス電源に随意に接続することができる。水冷式遮蔽５５２が陰極ターゲット５３８ａ及び５３８ｂに対して−５０Ｖから−１．０００Ｖに亘る高い負の電位にバイアスされるとき、遮蔽５５２は陰極アーク蒸着工程によって発生された金属イオンにより強烈なイオン衝撃に晒される。強烈なイオン衝撃の条件下で金属蒸気を濃縮することは、水素は勿論、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｋｒ等の希ガスをポンピングするのに有益である。更に、陰極ターゲット５３８ａ、５３８ｂに面する水冷式主陽極５５６はまた、金属蒸気濃縮/ゲッタリング領域を増大することによってポンピング能力に寄与する。
【００７２】
また図１５Ａ及び図１５Ｂについて説明すると、幾つかのマグネトロン源５４０はコーティングセクション５５０において陰極室５４８の上方に位置していることを了知することができる。各基板５３６を有する基板ホルダー５３４は室５３２に沿って移動して、各マグネトロン５６２を通過する。陰極性アークスポット５６４は磁気的誘導コイル５７０又は他の誘導手段によって誘導されながらアーク陰極５３８の陰極ターゲット５６６に沿って移動する。このシステムの実験的研究によって、狭いプラズマジェット５６２は１０１１から１０１３ｃｍ−３に亘る高プラズマ密度及び２ｅＶを超える（典型的には、３から２０ｅＶに亘る）電子温度を有することが明らかにされた。陽極アーク放電電流の大部分は狭い高温プラズマジェット５６２に沿って流れ、０.１ｍＡ／ｃｍ２から１００Ａ／ｃｍ２に亘るアーク電流密度を有する。コーティングセクションの残りの部分は、典型的に３ｅＶ未満の電子温度及び１０８から１０１１ｃｍ−３に亘るプラズマ密度を有する冷たく希少なプラズマによって満たされる。高温プラズマジェット５６２の幅は、陰極ターゲット５６６上の陰極アークスポット５６４の誘導移動に続く陰極アークスポット５６４と同じ速度で移動する間、一般には、１から５ｃｍである。離隔したアーク電流の殆どは高温プラズマジェット５６２全体を通して陰極室５４８の陰極５３８及び離隔した陽極５４２の間で導通することが信じられている。図１５Ａから、２つの高温プラズマジェット５６２ａ及び５６２ｂは、左側マグネトロン５４０ａ及びコーティングセクション５５０の左側の基板ホルダー５３４の間、及び右側マグネトロン５４０ｂ及びコーティングセクション５５０の右側の基板ホルダー５３４の間の狭い放電空隙内で生じることもまた了知することができる。左側のジェット５６２aは陰極室５４８の左側区画の左側陰極５３８ａと、コーティングセクション５５０の左側の左側離隔した陽極５４２ａとに架かる。右側のジェット５６２ｂは陰極室５４８の右側区画の右側陰極５３８ｂと、コーティングセクション５５０の右側の右側離隔した陽極５４２ｂとに架かる。
【００７３】
図１６について説明すると、陰極室の両区画の一方の陰極、及び２つの陰極アークスポットを有する図１５Ａ及び図１５Ｂのバリエーションの概略図が提供されている。このバリエーションにおいて、陰極アークスポット５７６ａ及び５７６ｂのおのおのの上方の山形バッフル５５２及び離隔した陽極５４２の間に形成される２つのプラズマジェット５６２ａ及び５６２ｂは、陰極５３８及び離隔した陽極５４２の間の電流接続部に架かっている。陰極性アークスポット５７６ａ及び５７６ｂに関連したジェット５６２ａ及び５６２ｂに沿った離隔したアーク電流の方向は、これらのジェット上の垂直矢印によって示されている。プラズマ分布は陰極アークスポット５７６ａ及び５７６ｂのおのおのの近くに最大値５７８ａ及び５７８ｂを有する。この場合、陰極アークスポット５７６ａ及び５７６ｂのおのおのは、ターゲット５８２(図示せず)を超えて位置する誘導コイルによって生成された誘導磁界によって、又は以下に説明するような他の手段によって陰極ターゲット５６６上の腐食通路５８０に沿って移動する。このバリエーションでは、高度のイオン化領域の寸法はＡｉ〜Ｌ(マグネトロン)×Ｗ(ジェット)である。前述した水平方向に位置合わせした各システムでは、イオン化領域はほんのＡｉ〜Ｗ(マグネトロン)×Ｗ(ジェット)である。（元の場合におけるようなマグネトロン５４０の短辺に平行なアークジェット５６２の水平方向の位置合わせに対する（マグネトロン５４０の長辺に平行な）垂直位置合わせによるマグネトロンスパッタリング流イオン化の増加は、近似的にＬ(マグネトロン)／Ｗ(マグネトロン)である。
【００７４】
また図１６について説明すると、コーティング領域５５０を通して離隔した
陽極５４２及び陰極ターゲット５６６の間の放電空隙に架かる閉じ込められたプラズマ流（即ち、プラズマジェット）は、各マグネトロン５４０の長辺に平行のまま方向ｄ４に沿って移動する。閉じ込められたプラズマジェット５６２の両端は図６において前述したように方向ｄ４に沿って移動する。アークスポット５７６は腐食ゾーン５７８に沿って陰極５８０上に生じる。離隔した陽極５２でのプラズマ場５８４及び陰極ターゲット５８０でのプラズマ場５７８は、方向ｄ４に沿って約２.５４ｃｍ（１インチ）から１２.７ｃｍ（５インチ）の空間に位置関係的に閉じ込められる。他の改良の点で、このラスター移動は方向ｄ４に沿って陰極５８０を機械的に移動させることによって達成される。また他の改良の点で、二次的放出電子を有する熱電子フィラメント陰極は方向ｄ４に沿って移動する。
【００７５】
図１５Ａ、図１５Ｂ、及び図１６について説明すると、コーティングシステム５３０の種々の構成要素の相対的サイジングの態様が提供されている。離隔した陽極５４２は陰極ターゲット５３８に平行な直線的な離隔した陽極寸法Ｄａを有する。各蒸気源５３８（即ち、図１５Ｂに示す４つのマグネトロン）の位置の水平領域もまた関連性がある。各マグネトロン５３８の短辺に平行な方向に沿った領域は直線的な蒸気源寸法Ｄｖを有する。陰極ターゲット５６６は離隔した陽極５４２及び各マグネトロン５３８の短辺に平行な直線的な陰極ターゲット寸法Ｄｃを有する。改良の点で、直線的な離隔した陽極寸法Ｄａ、直線的な蒸気源寸法Ｄｖ、及び直線的な陰極ターゲット寸法Ｄｃは相互に平行である。別の改良の点で、直線的な離隔した陽極寸法Ｄａは直線的な陰極ターゲット寸法Ｄｃ以上であり、直線的な陰極ターゲット寸法Ｄｃは直線的な蒸気源寸法Ｄｖ以上である。
【００７６】
図１７は各室壁に位置する平面マグネトロン源５４０ａ、５４０ｂ及び回転する円形基板ホルダー５９２に取り付けられたコートすべき各基板５３６を有する同軸バッチ式コーティング室レイアウトを利用した離隔したプラズマシステムの代替的構成を提供している。コーティング室５９０はコートすべき各基板５３６を有する円形基板ホルダー５９２、及びコートすべき各基板に面するコーティング室５９０の各壁に取り付けられた平面マグネトロンスパッタリング源５４０ａ、５４０ｂのセットを備えている。コーティング室５９０はまた、主陰極５３８及び室５９０の底部に位置する同軸状の主陽極５５６を有する陰極室６００と、室５９０の頂部に位置する離隔した陽極リング５９６とを備えている。
【００７７】
陰極室６００は各マグネトロン５４０及び基板ホルダー５９２の間の空隙に向かって面する開口５９８ａ、５９８ｂを有する遮蔽ハウジング５９８を備えている。円筒形状の選択的分離バッファ５６０はまた回転する基板ホルダー５９２に設置されている。陽極５５６、基板ホルダー５９２、及び選択的分離バッファ５６０は、各マグネトロン５４０及び基板ホルダー５９２の間の狭い同軸状の空隙を生成して、各高温ジェット５６２を閉じ込めると共に、室５９０の両軸に平行なそれらの位置を保障している。各開口５９８は基板ホルダー５９２に同軸状に位置しても良い。陰極５４０はコーティング室５９０及び主円筒状陽極５５６と同軸状のリングの形状を有している。代替的に、幾つかの主陰極５４０は陰極室５４８の主陽極５５６に同軸状に設置される。主陽極は濃縮面として機能することもできて、陰極５３８によって発生された蒸気プラズマの濃縮により陽極５５６の表面に生じる膜内の残留ガスを効果的に吸収するゲッタリング効果によりポンプ速度を改善している。この構成が離隔したアークプラズマ密度を増大させることによって、マグネトロンスパッタリングの際により強烈なイオン衝撃支援率をもたらす。この構成において、離隔したアーク放電プラズマのより高密度の領域がマグネトロンターゲット及びコートすべき各基板の間の空隙に生成される。
【００７８】
図１８Ａ及び図１８Ｂについて説明すると、各マグネトロンスパッタリング源５４０用の分離主陰極室５４８における改良が提供されている。図１８Ａにおいて、陰極室５４８がコーティング室５５０の下方に位置付けられている。マグネトロン５４０は陰極室５４８をコーティング室５５０から分離する遮蔽５５２の真上のコーティング室５５０に位置付けられている。強力な電子エミッタである陰極アーク源５３８はマグネトロン５４０の下方に位置付けられている。アークスポット誘導ゾーンの寸法を形成する陰極ターゲットの寸法は、マグネトロンターゲットの幅の１/４から２倍に亘るが、好ましくは、マグネトロンターゲットの幅の０.５から１.５倍の範囲内にある。主陽極５５６は陰極ターゲット５６６の上方に位置付けられると共に、一般に、陰極アークターゲット５６６以下の寸法を有している。磁気的誘導コイル５７０は、陰極アークターゲット５６６の表面に各アークスポットを誘導する陰極５３８の下方に随意に位置付けられている。離隔した陽極５４２はマグネトロン５４０上方のコーティング室５５０に位置付けられて、陰極５３８、マグネトロン５４０、及び陽極５４２が同一の線に沿って一般に位置合わせされることをもたらしている。高密度プラズマジェット５６２は陰極アークスポット６０２上方のマグネトロン５４０の表面に沿って遮蔽５５２及び陽極５４２の間のコーティング室５５０内に生じる。この場合、陰極アークスポット６０２は、誘導コイル５７０の誘導磁界によってもたらされる磁気的誘導効果により陰極ターゲット５６６の表面全体に移動している。各陰極アークスポット６０２及びプラズマジェット５６２は、離隔した陽極５４２に向かって放電空隙に架かるマグネトロン５４０の長辺に平行な単一の垂直線に沿って位置合わせされている。この配置において、陰極ターゲット５６６の表面に陰極アークスポット６０２が誘導されることによって、ジェット５６２の両軸がマグネトロン５４０の長辺に平行のままマグネトロン５４０の長辺に平行な方向に沿って向けられた離隔した陽極アーク電流を用いて、高密度プラズマジェット５６２の対応する誘導がもたらされる。プラズマジェット５６２は遮蔽及び離隔した陽極５４２の間の距離に架かるマグネトロンターゲットの前のマグネトロン放電に交差する。また、プラズマジェット５６２は、このプラズマジェット５６２がマグネトロン放電と交差する領域内でマグネトロンスパッタリング源５４０の前でスパッタリング金属原子流及びガス状の環境をイオン化する。マグネトロン５４０の前での金属スパッタリング原子及びガス種のイオン化及び活性化の増加は、マグネトロン５４０の長辺に平行な方向、及びマグネトロン５４０の短辺に平行な方向の双方に沿って均一に分布される。マグネトロン５４０の長辺に平行な方向に沿ったプラズマジェット５６２のイオン化能力の均一性は、プラズマジェット５６２に沿ったプラズマ密度及び電子温度の均一な分布によって達成される。マグネトロン５４０の短辺に平行な方向に沿ったプラズマジェット５６２のイオン化能力の均一性は、陽極アークターゲット５６６上に陰極アークスポット６０２を磁気的に誘導変位させることによってマグネトロン５４０の一方の端から別の端へとマグネトロン放電を横切ってジェット５６２を前後に繰り返し移動させることによって達成される。
【００７９】
典型例では、陰極室５４８の陰極５３８及び主陽極５５６の間の主アーク放電が電源５５４aによって給電される。陰極５３８及び離隔した陽極５４２の間の離隔した陽極アーク放電が電源６０８によって給電される。安定抵抗器６１０は、離隔した陽極５４２及び接地されたコーティング室５５０の間に設置され、離隔した陽極５４２及び接地されたコーティング室５５０の間の電圧降下を制御できるようになっている。マイクロアークが各コーティング室５５０壁に生じるとき、電子スイッチ６１２が閉じられることとなって、離隔した陽極５４２を地面に短絡すると共に、効果的にアークを除去し、これに続いて電子スイッチ６１２の位置が開いているときに離隔したアークの再点火が行われる。スイッチ６１２はまたＲＡＡＤプラズマの点火の際には開いていても良い。ＲＡＡＤの点火は高電圧の負の電位を、マグネトロン放電を開始させるマグネトロン５４０に印加することによって、又は、代替的に、高い負の電圧を基板ホルダー５３４に印加して陰極室５４８及び離隔した陽極５４２の間の放電空隙を横切ってグロー放電を確立することによってもたらすことができる。ＲＡＡＤの点火用の手段としての高電圧放電をＤＣ又はパルス放電モードで使用することができる。マグネトロン５４０のマグネトロンスパッタリングターゲットの寸法は、典型的には１０ｃｍ幅×１００ｃｍ高さである。陰極アークターゲット５６６の寸法は典型的には約１０ｃｍであり、マグネトロン５４０のターゲットの幅と略等しい。プラズマジェット５６２の幅は約３ｃｍである。陰極ターゲット５６６の表面の全体に亘るアークスポット６０２の磁気的に誘導された移動速度は、近似的に１，０００ｃｍ/ｓである。この場合、マグネトロン放電ゾーンを横切るプラズマジェット誘導の繰返し周波数は近似的に５０Ｈｚとなろう。プラズマジェット５６２が交差するマグネトロン放電の領域内の改良したイオン化率を〜３０％と仮定すれば、プラズマジェット５６２によるマグネトロン放電プラズマの平均イオン化率は〜１０％に達することとなり、これは従来のマグネトロンスパッタリング流の場合に比して少なくとも１桁高い大きさである。マグネトロンスパッタリング流の改良したイオン化率によって、略理論的に高密度、低欠陥、高平坦性、及び優れた機能特性を有する皮膜を生むマグネトロンスパッタリング皮膜蒸着工程の際にイオン衝撃支援の強さが増大することになる。おのおのには分離陰極室が設けられている複数のマグネトロン源を利用したインライン式真空コーティングシステムが図１８Ｂに示されている。
【００８０】
図１９Ａについて説明すると、図１４Ａから図１８Ｂの各システムの更に高度なバリエーションが提供されている。中間の電極グリッド６２２はマグネトロン５４０の前に設置され、マグネトロンスパッタリングターゲット５４０の前の高密度プラズマジェット５６２の閉じ込め領域を有効に制限している。この配置において、陰極室５４８は筐体６２８内に包み込まれている。筐体６２８は電気的に接地することができるが、接地された室から絶縁されて、主アーク放電及び離隔したアーク放電の間には直接的電気的結合がないことをもたらすのが好ましい。筐体６２８は、マグネトロンターゲット６３４及び電極グリッド６２２の間の放電空隙又はプラズマ通路６３２に面した開口６３０を有する。開口６３０の長さは一般に、マグネトロンターゲット６３４の幅と等しく、一方、開口６３０の幅は放電空隙６３２の幅ｄ未満である。電極グリッド６２２はＷ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｍｏ、及びステンレス鋼の群から選択された耐熱金属から成る薄いワイヤー６３８から構成することができる。各ワイヤーの直径は典型的には０.０１ｍｍから２ｍｍである。０.０１ｍｍ未満の直径によって、ＲＡＡＤプラズマと接触するワイヤーが溶融することとなる場合がある。直径が２ｍｍより厚いと、スパッタリング流から多過ぎる皮膜材料を吸収することになる。各ワイヤー６３８は異なるパターンのスクリーンにおいて又は相互に平行な単一ワイヤーのアレイとして配置することができる。グリッド電極６２２は５０％より良好な透明度を有するスパッタリング金属流に対して透明でなければならない。スクリーン又はグリッド電極６２２での隣り合うワイヤー６３８間の距離は典型的に０.５ｍｍから１０ｍｍである。０.５ｍｍ未満のグリッド電極６２２での隣り合うワイヤー間の各距離は実現困難であり、グリッド電極６２２の透明度に影響を及ぼすことができる。１０ｍｍより大きなグリッド電極６２２での隣り合うワイヤー間の各距離は、放電空隙又はプラズマ通路６３２内にプラズマジェット５６２を閉じ込めるのに十分なプラズマ閉じ込め特性を有しなくとも良い。マグネトロンターゲット６３４及びグリッド６２２間の距離ｄは典型的には１０ｍｍから１００ｍｍである。１０ｍｍ未満の距離はアークジェット５６２ａを閉じ込めるのには小さ過ぎ、一方、１０ｃｍより大きい距離は、プラズマジェットを絞り出すことができ、電子密度、電子温度、及び金属スパッタリング流イオン比率を効果的に増大させる狭い通路をもたらすには余りに大き過ぎる。
【００８１】
グリッド電極６２２は中間陽極として一般に機能する。しかしながら、グリッド電極６２２は離隔した放電プラズマ点火電極として機能しても良い。この後者の場合、スイッチ６４２は高電圧ＤＣ又はパルス電源６４４の負のポールをグリッド電極６２２に接続する。負の高電圧ＤＣ又はパルスバイアス電位がグリッド電極６２２に印加されるとき、グロー放電を点火して離隔した陽極アークプラズマ放電空隙６３２内に初期イオン化をもたらすことによって、ＲＡＡＤプラズマを開始する。ＲＡＡＤプラズマが点火された後、スイッチ６４２は中間陽極電源６４６の正のポールを電極グリッド６２２に接続することができて、電極グリッド６２２が離隔した陽極アーク放電の中間陽極となる場合の中間陽極モードで電子グリッド６２２を移動させる。この場合、グリッド電極６２２は電源６４６の正のポールに接続され、一方、負のポールは陰極５３８に接続されている。改良の点で、ＲＡＡＤプラズマの動作の際、電極グリッドは電源６４４の負のポールに接続することができ、一方、負のポールは陰極５３８に接続させることができる。この場合、電極グリッド６２２の電位は陰極５３８との関連で負になることとなるが、電極グリッド６２２の電位は、陰極５３８及び主陽極５５６の間の電圧降下の２倍以上で陰極５３８に比して低くはなり得ない。電極グリッド６２２はコーティング室機構の他の構成要素から絶縁することができる。こういった場合、電極グリッド６２２の電位はＲＡＡＤプラズマのプラズマ密度及び電子温度によって決定される浮遊電位値に設定されることとなる。放電空隙６３２内のプラズマ密度は放電空隙の幅を低減すると共に、離隔した陽極アーク電流を増加させることによって極端に高いレベルに増加させることができる。このことによって、マグネトロンスパッタリング工程において要求されるような磁気的増進無しでダイオードスパッタリング工程においてスパッタリングターゲット５４０ａを使用することができる。
【００８２】
陽極グリッド６２２及びマグネトロン５４０の間に形成される離隔したアーク放電空隙におけるジェット５６２の離隔したアーク電流密度は０.１から５００Ａ／ｃｍ２の範囲に亘る。０.１Ａ／ｃｍ２未満の離隔した電流密度は、マグネトロンスパッタリング流のイオン化の望ましいレベルをもたらすのに十分ではない。５００Ａ／ｃｍ２を超える離隔したアーク電流密度は、各用途に対して実用的ではない離隔したアーク放電電源の多過ぎる電力を必要とする。陽極グリッド６２２及びマグネトロン５４０の間に形成される放電空隙内の離隔したアーク放電（即ち、ジェット（５６２））の高電流密度は、１０から２，０００Ａに亘るＤＣ電流を離隔した陽極５４２及び/又はグリッド陽極６２２に提供することができるＤＣ電源６４６及び/又は６０８を使用することによって、又は、代替的に、正の電圧パルスを離隔した陽極５４２及び/又はグリッド陽極６２２に印加することができる電源を使用することによって達成することができる。正の電圧パルスは５００から１０，０００Ｖの範囲に亘ることができ、関連する電流パルスは１，０００から５０，０００Ａの範囲に亘ることができる。
【００８３】
図１９Ｂについて説明すると、図１９Ａのシステムのバリエーションが提供されている。グリッド電極アレイ６２２の各ワイヤー６３８は相互に平行に位置付けされると共に、マグネトロン５４０の短辺に平行に位置付けされてる。各ワイヤー６３８はコンデンサ６４０及び分流抵抗器６４２を介して離隔した陽極５４２に接続され、一方、各ダイオードはワイヤー要素６３８に向かう電流の方向を保障している。動作の際、離隔した放電が点火される前に、各コンデンサ６４０は、離隔した陽極アーク電源６０８の最大開回路電圧に充電される。この配置によって、最初は陰極５３８と陰極５３８に最も近く位置決めされた第１の単一のワイヤー６３８との間で離隔したアークを点火することによって、次いで、離隔した陽極５４２に向けて電極グリッドアレイ６２２の全ての中間の単一ワイヤー電極６３８を介して離隔したアーク放電が連続して伝播することによって、離隔したアーク放電の直列点火がトリガーされる。点火段階の後、各コンデンサ６４０が放電し、各ワイヤー６３８及び電極グリッドアレイ６０２全体の電位が各分流抵抗器６４２によって決定されることとなる。離隔した陽極放電が消滅すれば、各コンデンサ６４０は、自動的に繰り返される直列点火で、電源６０８の最大開回路電圧にまで再度充電されることとなる。代替的に、点火は制御システムによって開始される。このアプローチはまた、図１６及び図１８Ｂに示したものと類似のマルチマグネトロンシステムに適用することができる。この場合、直列点火配置の中間の点火電極はそれぞれのスパッタリング源の内の各空隙内の間に位置決めすることができる。
【００８４】
図１９Ｃについて説明すると、図１９Ａのコーティングシステムの付加的な高度構成が提供されている。容量性結合式のＲＦ電極６４８、６５０は、離隔したアーク放電柱５６２の陰極端６５２及び離隔した陽極端６５４の双方に位置決めされている。ＲＦ発生器及び整合回路網が各RF電極６４８と直列に設置されて、プラズマジェット５６２に沿った各RF発振を重ね合せることによってプラズマジェット５６２を活性化する。発振の周波数は１０ｋＨｚから５００ＭＨｚに亘ることができる。改良の点で、発生器の周波数は５００ｋＨｚから１００ＭＨｚに亘る。一般に使用される１３.５６ＭＨｚ発生器はこの目的に適している。強いＲＦ発振がプラズマジェット５６２内に生成されるとき、プラズマ密度、電子温度、次いで、マグネトロンスパッタリング及びガス状プラズマのイオン化率が増大することによって、離隔した陽極アーク放電イオン化効率及び活性化能力が増大することになる。このことは、ＲＡＡＭＳ放電プラズマによる皮膜及びプラズマ処理表面の諸特性及び性能を更に改善する。図１９Ｃに図示したような別のバリエーションにおいて、パルス高電圧発生器又はパルスＲＦ発生器６５６を連続波ＲＦ発生器の代わりに使用することによって、皮膜蒸着工程の際の重畳した高電圧高電流パルスは勿論、ＲＡＡＭＳ放電の点火用の高電圧単極又はＲＦパルスをもたらす。高電圧高電流又はＲＦパルスの繰り返し周波数は１Ｈｚから１００ｋＨｚに亘る。
【００８５】
図１９Ｄは電極グリッドを有するＲＡＡＭＳモジュールの斜視図を提供している。主陰極（図示せず）及び主陽極（図示せず）を有する陰極室５４８は、各マグネトロンスパッタリングマグネトロン５４０の下方に位置付けられている。電極グリッド６２２はマグネトロン５４０の前に位置付けられている。離隔したアーク放電、即ち、ジェット５６２は陰極室５４８の主陰極（図示せず）及び離隔した陽極５４２の間で点火される。離隔したアークジェット５６２は陰極室５４８の開口からグリッド電極６２２及びマグネトロン５４０のスパッタリング表面の間に生成した離隔したアーク放電空隙に入る。
【００８６】
図１９Ｅについて説明すると、別の離隔した陽極コーティングシステムのシステムの概略図が提供されている。離隔した陽極アークプラズマケージ６２２は図１９Ｅに説明的に示したようなマグネトロン蒸発源５４０のマグネトロンターゲット６３４の前に生成することができる。陽極アーク放電は陰極室５４８の主アーク陰極（図示せず）及び陽極ケージ（即ち、グリッド６２２）及び／又は頂部の離隔した陽極５４２の間で確立することができる。この発明のこの実施例では、離隔した陽極アークプラズマは、マグネトロンターゲット６３４の長さに沿った陰極室５４８の各開口６３０からグリッド陽極６２２及び／又は頂部の離隔した陽極５４２に向かって流れている。ケージグリッドの離隔した陽極６２２は多くの異なるパターンで位置合わせされた各ワイヤーで作ることができるが、図１９Ｅに示すこの発明の実施例はマグネトロンターゲット６３４の長辺に平行な直線ワイヤーのアレイから構成された離隔した陽極ケージ６２２を利用している。
【００８７】
図１９Ｅに示すシステムの横断面図である図１９Ｆについて説明すると、ワイヤーのアレイを使用したシステムの概略図が提供されている。平行ワイヤーのこのアレイは離隔した陽極グリッドケージ６２２の外側境界を形成するワイヤー６２２ａの外側アレイから成る。離隔した陽極アークプラズマジェットは陽極ケージワイヤー６２２ａのこの外側アレイによって形成される陽極ケージ内に形成される。離隔した陽極グリッドケージ６２２は、この離隔した陽極グリッドケージ６２２内に位置付けされた内側ワイヤー６２２ｂのアレイから随意に成ることもできる。正のＤＣ又はパルス電位が陰極室５４８の陰極に関して陽極グリッドケージに印加されたとき、陽極プラズマシースは外側ワイヤー６２２ａのアレイのワイヤー及び内側ワイヤー６２２ｂのおのおのの周囲に形成されている。陽極プラズマシース内のイオン化効率は裏方プラズマのイオン化効率に比して大きく、このことはマグネトロンスパッタリング流のイオン化率を改善することになり、従って、皮膜特性の更なる改善に寄与することになる。内側ワイヤー６２２ａの役割はまた、電子及び正イオン等の荷電粒子をそらすことであり、これによってそれらの軌道をカール状にし、振り子効果を生成し、帯電粒子の軌道の長さを増大し、かつ、陽極グリッドケージ６２２内の帯電粒子を効果的に捕獲し、従ってマグネトロンスパッタリング流のイオン化確率を増大することにある。プラズマ閉じ込めに対するアプローチはまた、磁気的閉じ込めの必要性なしで使用することができる。このことによって、磁石無しでダイオードスパッタリングモードにおけるスパッタリングターゲットを使用することができるようになり、一方、高密度の離隔した陽極アークプラズマは陽極グリッドケージ６２２内に静電的に閉じ込められる。図１９Ｅに示す陽極グリッドケージ６２２の隣接するワイヤー間の特性距離は０.５ｍｍから３０ｍｍに亘る。各ワイヤーの厚さは典型的に５０μｍから３，０００μｍに亘る。陰極室開口６３４からその長辺に平行なターゲット６３４に沿って流れる離隔した陽極アーク放電密度は０.１から５００Ａ／ｃｍ２に亘る。離隔した陽極アーク電流はＤＣ電源又はパルス電源の何れかによってもたらすことができる。陽極グリッドケージ６２２によって囲まれるマグネトロンスパッタリング源５４０の断面は説明的に図１９Ｆに示されている。マグネトロン放電６４７はマグネトロンターゲット７ａ上方に確立されて、マグネトロンスパッタリング金属原子流６４９を与える。陽極ケージは外側アレイ６２２ａ及び内側陽極ワイヤーアレイ６２２ｂから構成される。陰極室（図示せず）の陰極に対する正の電位を印加することによってワイヤーが活性化されるとき、増進したイオン化率を有する陽極プラズマシースは、陽極グリッドケージ６２２の各ワイヤーの周りに確立される。帯電粒子（電子及び正のイオン）６５１の各軌道は、粒子がワイヤー６２２ａ、６２２ｂのアレイを囲む陽極プラズマシースに近づいているときに迂回している。改良の点で、陽極グリッドケージ６２２の各ワイヤーは、Ｗ又はＴａ等の耐熱金属から成っており、それらの温度は５００から２，５００℃の範囲に維持されている。このことによって、ワイヤーの表面に付着可能なマグネトロンスパッタリング流の金属原子を効果的に再蒸発することができる。陽極グリッドケージ内の高イオン化率は、０.５ｍＴｏｏｒの圧力範囲で、しかもアルゴン又はクリプトン等の希ガスなしでスパッタリング蒸気源を動作させることが可能であり、これによって皮膜格子の希ガス原子の有害な含有が除去される。
【００８８】
図２０について説明すると、非消耗陰極を有する原子放出陰極アーク源のバリエーションが提供されている。陰極アセンブリ６６０は円筒形状又は矩形状の空洞を有する水冷式陰極を備えている。矩形空洞６６２は内部の蒸発及び電子放出表面６６４と、及び陽極板６７０に取り付けられた円筒状又は矩形状の挿入部材６６８から一般に構成される主陽極６６６とを備えている。陽極挿入部材６６８は陰極空洞６６２内に伸長している。陽極６６６はＷ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びステンレス鋼の群から選択された耐熱金属から成っている。陽極板６７０はセラミックスペーサー６７２によって陰極から絶縁されている。主陽極６６６は各スペーサー６７８を介して水冷式プラズマ移動容器６７６に取り付けられている。この場合、各スペーサー６７８は小さい断面を有し、プラズマ容器６７６及び主陽極６６６の間に高い熱抵抗をもたらしている。プラズマ容器６７６は開口６８０及び開口６８２を備えている。開口６８０は陰極５３８の側で管状陽極挿入部材６６８全体を通して陰極５３８に面している。また、開口６８２はコーティング室５５０の側で電極グリッド６２２及びマグネトロン源５４０の間の放電空隙上に面している。開口６８２の長さは一般にマグネトロンターゲット６３４の幅と等しく、一方、開口６８２の幅は放電空隙６３２の幅ｄ未満である。各スペーサー６７８は耐熱金属から成ることができる。この場合、プラズマ容器６７６は主陽極６６６と電気的に接続されている。代替的に、各スペーサー６７８は非導電性セラミックから成ることができ、プラズマ容器６７６を主陽極６６６から電気的に絶縁されている。何れにしろ、各スペーサー６７８は小さい断面を有し、水冷式プラズマ容器６６２及び主陽極６６８の間に高い熱抵抗をもたらす必要がある。動作において、陰極から移動する金属の再蒸発が生じて、陰極アーク放電で内部陰極表面６６９からの陰極金属蒸発を効果的にリサイクルするときの温度に達するアーク電流によって、主陽極が加熱される。
【００８９】
陰極容器６６２は比較的低い溶融温度及び高い飽和蒸気圧を有する金属から典型的に形成される。こういった金属の諸例には、これらに限定されるものではないが、Ｃｕ、Ａｌ、青銅、及び他の低温度合金がある。代替的に、陰極容器６６２は銅から作ることができるが、その内部蒸発及び電子放出表面６６９は低沸点を有する金属（例えば、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｒｂ）の薄い層によって覆われなければならない。低温蒸発金属はその温度が６００から１，１００℃のときに熱い主陽極によって容易に再蒸発される。プラズマ容器６７６の水冷式内部表面はまた濃縮表面として機能しても良く、陰極原子の束がコーティング室セクション５５０に流れ込むのを効果的に防止する。図１８Ａから図２０の各バリエーションはまた、電極グリッド６２２無しで使用可能であることを認めるべきである。この場合、コーティング室５５０に面する陰極室５４８の開口は、マグネトロンターゲット６３４の表面に近接して位置決めするべきである。この場合、マグネトロンターゲット６３４の表面は、スパッタリング原子の密度がより高いマグネトロン放電の領域に面している。
【００９０】
図２１Ａ及び図２１Ｂは離隔したプラズマシステムの各代替的構成を提供している。図２１Ａについて説明すると、コーティングシステム６７０はマグネトロンスッパタリング源６７４及び陽極６７６の間に位置付けられた基板ホルダー６７２を備えている。コーティングシステム６７０はまた、前述の設計である陰極室６７８を備えている。この構成によって、離隔したアークプラズマ密度が増大されて、マグネトロンスッパタリングの際により高いイオン衝撃支援率をもたらす。図２１Ｂについて説明すると、コーティングシステム６８０は薄いワイヤーから構成された陽極６８２を備えている。陽極６８２はマグネトロンターゲット６８４及び基板ホルダー６８６の間に設置されている。コーティングシステム６８０はまた、前述のような陰極室６８８を備えている。この後者の構成では、離隔したアーク放電プラズマのより高密度のゾーンが、マグネトロンターゲット及びコートすべき各基板の間の空隙に生成される。
【００９１】
別の実施例では、前述の方法及びシステムによって形成されたコートされた物品が提供される。図２２Ａについて説明すると、コートされた物品７２６は表面７３０を有する基板７２８及びこの表面７３０全体に亘って配置された皮膜７３２を備えている。改良の点では、皮膜は保護皮膜である。一般に、皮膜は高密度の微細構造及び特徴的な色合いを有する。改良の点で、皮膜は窒素、酸素及び/又は炭素と反応する耐熱金属を含み、耐熱金属窒化物、酸化物、又は炭化物を形成する。適切な耐熱金属の諸例には、これらに限定されるものではないが、クロム、ハフニウム、タンタル、ジルコニウム、チタン、及びジルコニウム-チタン合金がある。クロム窒化物は前述の各方法によって作られる、特に有益な皮膜の例である。改良の点で、皮膜は約１μｍから６μｍの厚さを有している。図２２Ｂについて説明すると、前述の各方法で形成された多層構造であるクロム窒化物皮膜のバリエーションが提供されている。コートされた物品８３４は基板７２８全体に亘って配置された未反応のクロム層の薄い層８３６、及びこの未反応のクロム層７３６全体に亘って配置された厚い化学量論性のクロム窒化物層８３８を備えている。更なる改良の点で、多層構造は化学量論性のクロム窒化物層７２８全体に亘って配置された中間の化学量論性クロム窒化物層の層７４０を更に備えている。中間の化学量論性クロム窒化物２４０はＣｒＮ(１−ｘ)Ｃｘ（ｘは０．３及び１．０の間の数である）によって与えられる化学量論性を有している。改良の点で、未反応のクロム層７３６の厚さは０．０５μｍ及び０．５マイクロｍの間にあり、厚いクロム窒化物送７３８の暑さは１マイクロｍから３マイクロｍであり、かつ、中間の化学量論性クロム窒化物７４０は０．５μｍから１μｍである。
【００９２】
この発明の各実施例を図示し、説明してきたが、これらの実施例はこの発明の全ての可能な形式を図示し、説明することを意図されたものではない。むしろ、この明細書で使用される用語は制限よりもむしろ説明の用語であり、種々の変形例をこの発明の精神及び範囲から逸脱することなく行い得ることが理解される。
（関連出願に対するクロスレファレンス）
この出願は、開示が参照によって本願に組み込まれる、２０１２年９月１４日付で出願された米国特許出願公開第１３／６１７,００５号明細書の一部継続出願である。
【符号の説明】
【００９３】
１０、１２０、１５４、１９０、１９０‘、３３０、３８０、４８０、５３０，６７０  コーティングシステム
１２、７２、１２２、１９２、３３２  真空室
１６、７６、７８  蒸発源
１８、８０、８２、１２４、３３４、３８２、４７０  陰極室アセンブリ
２０、２０‘、８４、２０１、５３４、６７２、６８６  基板ホルダー
２２、５３６、７２８  基板
２４、９０、９２  陰極筐体
２６、３８、９４、９６、１３８、５９８ａ、６３０  開口
２６１−１６  陰極要素
２８  電子放出陰極
３４、１０２、１０４、１３４  選択的別個の主陽極
３６、１０６、１０８、１３２、１９８、３４０、３９６、３９８、４７８  遮蔽
４０  電子放出電流
４４、１２８、１４２、１８０、２１２、２１４、４１０、４１２、４１４、４７０、４７２、５３６、５３８、５４０、５４２、５４２a、５４２ｂ、６７６、６８２  離隔した陽極
４８、４３４  アーク電源
５２、１４４  第２の電源
５４  低域フィルター
５６  ポンプシステム
５８  ガスシステム
６０、１３０  アーク点火装置
６２、６４  プラズマ場
６６  アークスポット
６８  浸食ゾーン
１２８  陽極
１３６、３９０、３９２、４７６  開口
７０  蒸着システム
９８、１００、１２８、１９４、１９６、３３８、３８４、４３０、４８６、５３８ａ、５３８ｂ  陰極
１２６、１９４、３３２、３３６、３８２、４３２、４８４、５４８、６００，６７８、６８８  陰極室
１３４、４３４  主電源
１３６、１３８、１４０、２０４〜２１０、４０２、４０４、４０６、６７４  マグネトロンスパッタリング源
１４０、１４８、１５０、１５２  スレーブ陽極
１５４  モジュール式ＲＡＡＭＳ表面工学的システム
１５６〜１６４  モジュール
１５６〜１６４、１６６〜１７６  負荷ロック仕切り弁
１７０  第１の電源
１７８  遮蔽した陰極アーク室
１８２、１８４  磁気コイル
１９４  アーク陰極室
１９６  陰極ターゲット
１９６  バー状陰極
１９６ａ、１９６ｂ  側面（蒸発側）
２１６、２１８  電源
２７０  導管磁気コイル
２７０ａ、２７０ｂ  巻線（コイル）
２７２  プラズマ導管
２７４  ハウジング
２７８  アークスポット
２８２、２８６〜２９０  電流導体
２９４ａ、２９４ｂ  セラミック絶縁板
２９６ａ、２９６ｂ  導管
３００、３００ａ、３００ｂ、３００ｃ  トリマーコイル
３０２  磁気コア
３０４  電磁コイル
３１０〜３１６  付加的マグネトロンスパッタリング源
３２０、３２４、３２８  選択的集束磁気的コイル
３４２  主電源
３４４  主陽極
３５６〜３６６  マグネトロンスパッタリング源
３８８、４３６  陰極筐体
４０８  壁
４２０  回転テーブル台
４２４、４２６、４２８  離隔したアーク電源
４４０  ストライカー
４４６  コイル電源
４５０  アークスポット
４５２  軌道
４５８  点線
４６０  マグネトロンスパッタリング源
４６６  コーティング室
４８６  陰極ターゲット
４８８、４９０、４９２、４９４  導管アセンブリ
４９６  陰極主筐体-フィルターアセンブリ
５００、５０２、５０４、５０６  導管
５０６  室壁
５１０  支持部品
５１２  バッフル
５１４  突起物
５１６〜５１８  電気的ポスト
５２０、５２２、５２４、５２６  矢印
５３２  室
５３６、５３８、５４０  マグネトロン源
５４０、５４０ａ、５４０ｂ、５４２ａ、５４２ｂ  マグネトロン
５４８  陰極セクション
５５０  コーティングセクション
５５２  山形遮蔽
５５６  主アーク陽極
５６０  選択的分離バッフル
５６２、５６２ａ、５６２ｂ  プラズマジェット
５７６  アークスポット
５７６ａ、５７６ｂ  陰極アークスポット
５７８  腐食ゾーン
５７８ａ、５７８ｂ  最大値
５８０  腐食通路
５９０  コーティング室
５９２  円形基板ホルダー
５９６  離隔した陽極リング
５９８  遮蔽したハウジング
６０２  陰極アークスポット
６０８  離隔した陽極アーク電源
６１２  電子スイッチ
６２２  中間の電極グリッド
６２２ａ  外側ワイヤー
６２２ｂ  内側ワイヤー
６３２  離隔した陽極アークプラズマ放電空隙
６３４、６８４  マグネトロンターゲット
６３８  隣接するワイヤー
６４０  コンデンサ
６４４  パルス電源
６４８、６５０  容量性結合RF電極
６５２  陰極端
６５４  離隔した陽極端
６６２  陰極容器
６６６、６６８  主陽極
６６９  内部陰極表面
６７６  プラズマ容器
６７２、６７８  スペーサー
６８０、６８２  開口
７２６、８３４  物品
７３２  皮膜
７３８、７４０、８３６  クロム窒化物品
Ｔｓ  ターゲット
Ｐｓ  電源
Ａｓ  陽極
ｄ１〜ｄ４  方向
Ｒ  抵抗器
Ｃ  コンデンサ
Ｄａ  直線的な離隔した陽極寸法
Ｄｒ  直線的な蒸気源寸法
Ｄｃ  直線的な陰極ターゲット寸法
Ｄｈ  直線的なホルダー寸法
ＤÅ  長い寸法
Ｒ１〜Ｒ８  可変抵抗器
Ｃ５〜Ｃ８  コンデンサ
ｄＡ  軸
Ｂ  磁界（磁力線）
Ｉａｒｃ  電流
Ｖａｒｃ  平均速度
ＡＤ  矢印
Ａ０  開口角
Ｆ１  離隔したアークプラズマ
Ｆ２  マグネトロンスパッタリング流
Ｆ３  フィルター化したアークプラズマ流
ｄ  放電空隙の幅
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図８Ｇ】
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【図８Ｈ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図１９Ｅ】
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【図１９Ｆ】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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