(57)【要約】  本発明は、真空下で基板を対象材料で被膜するべくカソードとして接続される対象からアーク放電を起こしてプラズマを形成するアノードに係る。本発明の目的は、必要なプラント工学上の労力を実質的に増加させることなく少なくとも被膜率を向上させることのできる手段による可能性を提供することである。本発明による、カソードとして接続された対象からアーク放電を起こすことでプラズマを形成するアノードは、その後、既知の方法により対象からある距離を隔てて配置される。同時に、アノード棒がアノード上の対象表面に平行に先ず配置される。加えて、帯状部材は、アノード上に間隙により互いから隔てられて形成される。その後、帯状部材が、アノード棒から基板の方向へ向かい表面に被膜される。この結果、形成されたプラズマは、アノードの帯状部材の２つの対向する面の間に封入される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空下で基板を対象材料で被膜するべくカソードとして接続される対象からアーク放電を起こしてプラズマを形成するアノードであって、
前記アノードは前記対象と離れて配置され、
前記アノード（１）は、前記対象（４）の表面に対して平行に配置されたアノード棒（１'）を起点として、互いから間隙（５）で隔てられた帯状部材（６、６'）により形成され、前記対象（４）から形成されたプラズマ（８）は、前記帯状部材（６、６'）の少なくとも２つの対向する面の間に封入され、前記アノード棒（１'）の間には、前記形成されたプラズマ（８）が、被膜する基板の方向へと通過する間隙が存在することを特徴とするアノード。
【請求項２】
アーク放電を発生させるべく、パルス状のレーザビーム（２）が前記対象（４）の前記表面へと向けられることを特徴とする請求項１に記載のアノード。
【請求項３】
前記帯状部材（６、６'）は、対向して配置された前記帯状部材の間の距離が前記アノード棒（１'）から拡大する角度で配列されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアノード。
【請求項４】
前記帯状部材（６、６'）は、前記アノード棒（１'）の前部領域に封止される前部を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアノード。
【請求項５】
前記帯状部材（６、６'）は、前記アノード棒（１'）から、各々の縦軸に沿って凹状または凸状に湾曲するよう形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のアノード。
【請求項６】
前記帯状部材（６、６'）は、前記アノード（１）の前記縦軸に関して互いに対称に配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のアノード。
【請求項７】
前記帯状部材（６、６'）は、前記アノード（１）の前記縦軸に関して互いに非対称に配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のアノード。
【請求項８】
前記アノード棒（１'）に関して対向配置された前記帯状部材（６、６'）は、互い違いに配置されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のアノード。
【請求項９】
前記アノード（１）は、前記アノード棒（１'）の領域で電力源に接続されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のアノード。
【請求項１０】
遮蔽部材（７、７'）が、前記帯状部材（６、６'）の上方前部領域の隣、および、内部に配置されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のアノード。
【請求項１１】
前記帯状部材（６、６'）は、前記アノード棒（１'）が対向する前記前部側で互いに対して接続されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のアノード。
【請求項１２】
前記帯状部材（６、６'）は、前記アノード棒（１'）から円錐状に分岐して、前記間隙（５）は、前記アノード棒（１'）から互いの隣に配置された前記帯状部材（６、６'）の間で広くなることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のアノード。
【請求項１３】
対向して配置された前記帯状部材（６、６'）は、それらの間に、プラズマ形成領域が、前記基板の前記方向に円錐状に広がる角度で配列されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のアノード。
【請求項１４】
前記帯状部材（６、６'）の間の前記距離は、前記アノード棒（１'）から前記基板の前記方向に向かって狭まることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のアノード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空下で基板を対象材料で被膜するべくカソードとして接続される対象からアーク放電を起こしてプラズマを形成するアノードに係る。本発明によるアノードは、最も様々な被膜材料で基板表面を被膜するのに利用することができる。同時に、互いに異なる材料または物質から形成される少なくとも２つの層が互いの上に形成されうる層システムの形成も可能である。故に、本発明による解決法では、特に、ダイアモンド状の炭素の層を基板表面に形成することが可能である。従来は、カソードとして接続される対象とアノードとの間で、アーク放電を発生させ、そのエネルギーで対象材料をプラズマに変換する処理が行われている。形成されたプラズマはその後、基板表面に到達して、そこで層を形成する。
【背景技術】
【０００２】
対象表面の制御不能な材料磨耗を引き起こしうる、このような対象の表面沿いに発生したアーク放電のベースの制御不能な動きを避けるべく、レーザ光源が利用されてきた。同時に、レーザ光から発せられるレーザパルスにより、レーザビームを選択的にこのような対象の表面にわたり走査することで、アーク放電の発生が局所的に向けられる（locally pointed）ようになる。この結果、対象表面上の材料の磨耗をより均一にすることができる。
【０００３】
このような技術的解決法は、ドイツ特許出願公開第１９８５０２１７号明細書に記載されている。さらに各方法は本技術分野では「レーザアーク法」と称されている。
【０００４】
アーク放電の発生および形成においては、好適には直列接続される１または多数の対象を、カソードとして接続する。その後、このような対象の表面上に、対象表面とアノードとの間の距離が数ミリメートルであるアノードを配置する。アノードは、各電位に接続される。
【０００５】
これまでのところ、厚みが約１０ｍｍであり、深さが約３０から５０ｍｍである高純度の棒鋼から形成される単純なアノードの利用が一般的である。このようなアノードは、図１に図示されている。
【０００６】
理解可能な理由から、アノード棒は、１つの対象、および互いに隣り合わせに配置される複数の対象よりも、それぞれ幾分長めの寸法とされるべきである。
【０００７】
しかし、カソードとして接続される対象をはじめとして、アーク放電を起こしてプラズマを形成させる際に、直径が２０ｍｍから３０ｍｍの範囲の回転水冷式丸型アノードを利用することが知られている。
【０００８】
特に、「レーザアーク法」では、プラズマがアーク放電により生成される他の処理よりも被膜率が低くなる。
【０００９】
この不利な点を克服するには、電力を増加させることが考えられる。しかし、この方法に必要な電子プラントのために費用が顕著に増加するようになるので、電力増加は現実的ではない。
【００１０】
プラズマをアーク放電で生成する真空被膜法の別の課題は、形成される被膜内に、より大きな部分（液滴）が埋め込まれる可能性があり、形成される被膜の表面品質が劣化する、ということである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上に鑑みて、本発明の目的は、必要なプラント工学上の労力を実質的に増加させることなく少なくとも被膜率を向上させることのできる可能性を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によると、この目的は、請求項１の特徴を有するアノードにより解決される。本発明の有利な実施形態および向上は、従属請求項が示唆する技術的特徴による達成が可能である。
【００１３】
本発明による、カソードとして接続された対象からアーク放電を起こすことでプラズマを形成するアノードは、同時に、既知の方法により対象からある距離を隔てて配置される。そして、先ず、アノード棒が対象表面に平行に配置される。加えて、帯状部材は、アノード上に間隙により互いから隔てられて形成される。その後、帯状部材が、アノード棒から表面が被膜される基板の方向へ向かう。この結果、形成されたプラズマは、アノードの帯状部材の２つの対向する面の間に封入される。アノード棒間には、形成されるプラズマが基板の被膜方向を通る間隙が存在する。
【００１４】
アノード棒は互いに導電性をもって接続されるべきである。
【００１５】
本記載の導入部で既に触れたように、本発明によるアノードは、「レーザアーク法」での利用が可能であり、この方法では、アーク放電の発生は、対象表面に対するパルス状のレーザビームにより、対象の表面に局所的に異なる方法で開始されてよい。
【００１６】
帯状部材を傾けた角度で配置して、対向する帯状部材間の距離がアノード棒から広がるようにすると有利である。こうすることで、基板方向に円錐形に広がったプラズマ形成領域が形成されうる。
【００１７】
アノードの帯状部材間の間隙のために、形成されるプラズマのアノードからドレインされる電子は、アノードの縦軸に対して法線方向のみへの移動が可能であり、この結果、対象（１または複数）の縦軸に実質的に平行且つアノード棒それぞれに平行な磁場Ｈを形成する。このおかげで、プラズマに過剰に含まれる正のイオンは、帯状部材の間の中心の方向に形成された磁場のローレンツ力によって回折される。
【００１８】
このようにして加速されたプラズマ内の電子は、プラズマ拡散方向とは反対の強い電流となり、同軸磁場Ｈ'が、基板に向かう方向に加速されるプラズマの周りにも形成され、これもまた、本発明によるアノードの帯状部材間に形成されたプラズマをフォーカスさせる。
【００１９】
故に、より大量の粒子または電子も、帯状部材間に形成された間隙を通過することができる。この粒子または他の不要なプラズマの成分は、遮蔽部材により遮られる。この遮蔽部材は、例えばそれらの隣の面の帯状部材の上方前部（upper front sides）の領域に配置される板状部材であってよい。実際、遮蔽部材は、プラズマから分離したこれら粒子またはプラズマの成分が被膜される基板表面に到達することを妨げることのできる孔を形成し、特に膜形成中の悪影響を生じる。
【００２０】
本発明ではアノード上にアノード棒を起点とする帯状部材を平行配列して利用することもできる。こうすると、多少とも平行な間隙が形成されうるので、プラズマ形成領域も形成されうる。
【００２１】
しかし、上述したように帯状部材を傾けた角度で配置すると、より好適である。これに関しては、対象表面に対して法線方向に配置される平面に対して少なくとも１０度の最少角度が保たれるべきである。
【００２２】
さらに、本発明ではアノード上にさらなる帯状部材を形成してもよいが、これらはアノード棒の前部領域（the area of the front ends）に配置される。こうすることで、形成されたプラズマは、２つの対向する面の間のみならず、前部領域（front side end area）の間に封入されることになる。故に、帯状部材を利用すると、堆積される基板の表面に向かう方向が開いている「ケージ」を形成することができる。
【００２３】
さらに、少なくともアノードの対向する面に帯状部材を形成して、それらが各々の縦軸に沿って凹状または凸状に湾曲するよう形成することもできる。このような帯状部材の湾曲により、それぞれ幾何学的な構成を有するプラズマ形成領域が形成されうる。帯状部材の凸状の湾曲により、プラズマ形成領域は基板方向に拡張して、帯状部材の凹状の湾曲の場合とは反対であり、基板に対向する側の帯状部材の前部の領域内では、互いに反対側に配置される帯状部材間の間隙の幅を狭めることが出来る。
【００２４】
互いの反対側に配置される帯状部材は、２つの帯状部材が反対側にくるようアノード棒の縦軸について互いに対称に配置することができる。しかし帯状部材は互い違いに配置され、アノードの片面の帯状部材がアノードの他の面に配置される間隙に対向するようにしてもよい。
【００２５】
アノードは、好適にはアノード棒の領域にある電力源に接続されるべきであり、ここでは特に、このコンタクトをアノードの前部（front side end）に配置することが好適である。
【００２６】
特に、対象が縦軸方向に非常に長い場合、または、複数の対象の対応する配置の場合、さらに、本発明のアノードを複数提供する可能性が出てきて、この場合、一列配置が好ましい。
【００２７】
互いに隣接して配置される帯状部材間の間隙は、少なくとも各帯状部材と同様の幅を有するべきである。
【００２８】
しかし、さらに、帯状部材はアノード棒から円錐状に分岐するよう形成され、各幅が連続的に狭まり、その結果、互いに隣接して配置される帯状部材間の間隙が、アノード棒から基板方向に対向する帯状部材の前部側へ向かって広くなってよい。このように広くなる間隙により、より多い粒子または他の不要な成分の、プラズマからの分離が促進され、これにより、膜形成中の基板表面上への不要な影響を避けることができる。
【００２９】
本発明によるアノードによれば、基板表面上に形成される被膜の粒子密度を、約４０％低減することができるので、被膜品質および特にその表面皮膜等級（grade）を格段に向上させることができる。加えて、被膜率が少なくとも５０％向上しうる。被膜厚が約１μｍであるダイアモンド状の炭素被膜を形成することで、弾性係数は、一般的に形成されるダイアモンド状の炭素の膜に比べて５０％の向上が見込める。
【００３０】
パルス状のアーク放電を発生させるアノードの起動に際しては、現在までのところ、約３０００Ａまでの電流ピークを有し、２μｓから２００μｓの間のパルス長を有する高電流パルス源が利用されている。この場合、電力源が電気コンデンサを充電する回路が利用され、このコンデンサとアノード端子またはカソードとして接続される対象との間に誘電部材が接続される。加えて、ダイオードが、アノードカソード経路と平行な回路に接続される。高電流の結果、各電気コンポーネントは水冷されるべき、または強力に空冷されるべきであり、これは大いに不利である。このような既知の解決法では、コンポーネントの急速な変化、または、単に大きな多種のコンポーネント間の切り替えおよびその結果急速に変化させることは容易ではない。これは、パルス長および電流強度が、本方法のそれぞれの条件に簡単には整合しない場合があることを意味している。
【００３１】
このような既知の回路では、並列共振回路の本来既知の条件が生じる。電圧および電流の流れにより、コンデンサが発振後に、ダイオードにより、アーク放電のダブルバーニング時間の後に、その出力電圧の４０％から６０％まで再充電されうる。アーク放電は単にコンデンサに累積された電力の４０％までを消費する。こうすると、イオンおよび電子がまだ利用可能であることによる不要なアーク放電が、例えば、負の電圧に接続されているチャンバ壁または基板とアノードとの間で発生する危険がある。しかし、コンデンサの必要な設定電圧までの再充電はアーク放電直後に行われる必要があるので、電力源と不要な発生アーク放電間が短絡することになり、著しい欠陥が電力源に生じる。こうなると、電力源への接続を少なくとも短期間切らねばならなくなる。
【００３２】
これら不利な点は、複数の並列共振回路が１つの電力源に接続される場合の回路系にも起こりうる。
【００３３】
しかし、既に述べた不利な点は、さらなるスイッチ（好適には固体スイッチ）を、電気コンデンサと、アノードまたはカソードとして接続された対象へのコンタクトとの間の誘電部材と直列接続することで、なくすことができる。
【００３４】
このようなスイッチを設けることで、コンデンサの放電経路を意図的に分離することが出来るようになる。このようなスイッチをアーク放電直後に切ることで、問題のない、完璧なコンデンサの再充電を、何ら瑕疵なく実行することができる。真空チャンバ内に残存する先のアーク放電のイオンまたは電子は、アーク放電の発生を遅らせることがないので好適である。
【００３５】
例えば、高速ＩＧＢＴスイッチデバイスまたは他の電力トランジスタをスイッチとして利用することができる。これらスイッチの制御は、放電経路の通電を段階を追って減速させることでパルス長を変更させることのできるタイマ制御により行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
以下に本発明の例を詳述する。
【００３７】
図面は以下の通りである。
【００３８】
【図１】先行技術によるアノードの概略図である。
【００３９】
【図２】本発明によるアノードの一実施形態の概略図である。
【００４０】
【図３】さらなる遮蔽部材を有する本発明によるアノードの別の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１は、先行技術によるアノード１の配置を示す。アノード１は、ステンレス鋼製の２つの部材（アノード棒１'）から形成され、約１０ミリメートルの厚みおよび３０から５０ミリメートルの幅を有し、カソードとして接続される円筒状の対象４の上に、数ミリメートルの距離を隔てて配置される。互いに対して傾いた角度で配置されたアノード１の２つのアノード棒１'の間に間隙を設けられ、対象４が形成したプラズマ８は、この間隙を通過して不図示の基板への方向に向かい、基板の表面被膜に利用されることになる。
【００４２】
図１からは、さらに、レーザ光源から放出されるレーザビーム２が対象４の表面に向かってよいことも明らかである。レーザビーム２のパルス処理により、および、同時偏向と同時に、アーク放電を所定の方法で対象４とアノード棒１'との間で局所的に発生させることができ、これをプラズマ形成に利用することができる。発生させたアーク放電のベースは、このようにして特に変更することができ、対象４の全表面に渡る材料磨耗を均一にすることができる。ここで、熱コンタクト３がアノード１の前部に存在し、これによりアノード１を、これも不図示の電力源に接続することができる。
【００４３】
図２を参照して、本発明による一実施形態を詳述する。
【００４４】
本発明によるアノード１は、帯状部材６および６'が、アノード棒１'から、これも不図示の基板の方向へと延びるよう形成される。間隙５が、帯状部材６および６'間に形成される。
【００４５】
他の部材は、図１による先行技術による実施形態に既に例示および説明されているものに対応している。
【００４６】
形成されるプラズマ８から生じ、アノード１からドレインされる電子は、帯状部材６および６'およびそれらの間に形成されている間隙５によって縦軸に対する法線方向のみにドレインされえて、アノード棒１'および対象の縦軸に平行に概ね形成される磁場Ｈを生成する。こうすることで、形成されるプラズマ８に過剰に存在する正のイオンの経路が、ローレンツ力によりプラズマ８の中心方向に回折される。
【００４７】
プラズマ８内で加速された電子が、拡張するプラズマ８内で、過度ではあるがより大量なイオンよりも強力な、プラズマ８の伝播方向の強力な電力を生じるので、さらに同軸磁場Ｈ'が基板の方向に加速されたプラズマ８の周りに形成される。磁場Ｈ'は、プラズマ８をさらにフォーカスさせる。
【００４８】
本実施形態では、本発明によるアノード１は、レーザカット法によりステンレス鋼から製造される。こうすると帯状部材６および６'は、対象４の方向に対向する前部（front side）側（故に、アノード棒１'の前部側）から計って２００ミリメートルの長さを有する。さらに、厚みは４ミリメートルである。個々の帯状部材６および６'の間の間隙の幅は、２６ミリメートルと計測された。アノード棒１'間には間隙が形成され、形成されるプラズマ８は、対象４からこの間隙を通過して、これも不図示の基板の方向へ向かい、基板の表面被膜に利用されることになる。
【００４９】
図２から分かるように、帯状部材６および６'の２つの線は、互いに傾いた角度で配列されうる。このようなアノード１によると、帯状部材６および６'の２つの線間の法平面に対する角度は１５度と計測された。
【００５０】
アノード１は、端子３を介して電源に接続される。そこから、１４０Ｖの量の電圧がかけられる。アノードは、最大電流強度２０００Ａで動作されてきた。
【００５１】
図２および図３の実施形態では、純粋な炭素から形成される対象４は、表面をダイアモンド状炭素で被膜されうる基板により利用されてきた。
【００５２】
図示されていない形態ではあるが、複数の円筒状の対象４を縦軸方向に配置してその周りを回転させてよく、複数の材料から形成してよく、記載の導入部でも触れたように、個々の部材の置き換えまたは各々堆積すべき基板のトランスポート等のさらなるプラント工学上の労力を必要とすることなく、多層システムを基板表面に形成してよい。
【００５３】
図２および図３の記載に反して、本発明によるアノード１は、対象４の長さに、または、複数の対象４の一列に並んだ配置の全長に少なくとも実質的に対応するべきであるが、好適には少し長いほうがよい。
【００５４】
図３に示す発明のアノード１の実施形態は、図２による実施形態と２つの点において異なる。帯状部材６および６'の間の間隙５が広がって、隣接配置される帯状部材６または６'の間の距離も図１に示すアノード１の実施形態同様に広がっている。
【００５５】
加えて、帯状部材６および６'の上方前部領域のアノードの隣の側には、平板状の遮蔽部材７および７'が配置されている。こうして、対象４の方向に対向する遮蔽部材７および７'の表面を利用して、形成されるプラズマ８から間隙５を通過した粒子または他の不要な成分を捉えることができ、この遮蔽部材７および７'によって、基板の被膜表面を、これら粒子またはプラズマ成分から保護することが出来る。
【００５６】
遮蔽部材７および７'もまた、僅かに斜めに傾いた角度で配列されてよいことが明らかであるが、その表面は、プラズマ８の粒子または不要な成分を確実に捉えることができるような配置にされるべきである。
【００５７】
遮蔽部材７および７'はさらに、電気的に正の性質を有する電位の上に配置されることで、保護効果を高めることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2010525173.tif 000007
2010525173.tif 000008
2010525173.tif 000009
2010525173.tif 000010
2010525173.tif 000011