(57)【要約】【課題】改善された膜特性を生成するために被覆プロセスにおいて高エネルギー粒子を生成する技法を提供する。【解決手段】被覆システムは真空チャンバーと被覆組立体を含む。被覆組立体は、蒸発源、被覆される基板が蒸発源の前に置かれるように基板を保持する基板ホルダー、主陰極真空アーク組立体、陰極ターゲットに電気的に結合された遠隔陽極、陰極ターゲットと主陽極との間に接続された一次電源、及び陰極ターゲットと遠隔陽極との間に接続された二次電源を含む。主陰極真空アーク組立体は、陰極チャンバー組立体、陰極ターゲット、任意選択の主陽極、及び陰極ターゲットを真空チャンバーから絶縁するシールドを含む。シールドは、電子放出電流又は金属蒸気プラズマのいずれかを陰極ターゲットから真空チャンバー内へ送出する開口部を画成する。蒸発源は、陰極チャンバー組立体と遠隔陽極との間に置かれる。【選択図】図１Ａ
2017031501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバーと、
前記真空チャンバー内に置かれた被覆組立体であって、
蒸発源、
被覆される基板が前記蒸発源の前に置かれるように、前記基板を保持する基板ホルダー、
陰極チャンバー組立体、陰極ターゲット、任意選択の主陽極、及び前記陰極ターゲットを前記真空チャンバーから絶縁するシールドであり、電子放出電流又は金属蒸気プラズマのいずれかを前記陰極ターゲットから前記真空チャンバー内に送出するための開口部を画成する前記シールドを含む主陰極真空アーク組立体、
前記陰極ターゲットに電気的に結合された遠隔陽極、
前記陰極ターゲット及び前記主陽極との間に接続された一次電源、並びに
前記陰極ターゲットと前記遠隔陽極との間に接続された二次電源であり、前記蒸発源が前記陰極チャンバー組立体と前記遠隔陽極との間に置かれ、遠隔陽極長さ寸法、蒸発源長さ寸法、及びホルダー長さ寸法が互いに平行となるように、前記遠隔陽極が前記遠隔陽極長さ寸法を有し、前記蒸発源が前記蒸発源長さ寸法を有し、前記陰極ターゲットが前記陰極ターゲット長さ寸法を有し、前記基板ホルダーがホルダー長さ寸法を有し、閉じ込められたプラズマが前記陰極ターゲットから前記遠隔陽極に流れるように、前記遠隔陽極長さ寸法が前記蒸発源長さ寸法以上である、二次電源
を含む被覆組立体と、
を備える被覆システム。
【請求項２】
前記蒸発源長さ寸法が陰極ターゲット長さ寸法と平行な長辺であり、前記蒸発源長さ寸法が前記陰極ターゲット長さ寸法と平行である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記蒸発源長さ寸法が陰極ターゲット長さ寸法と平行な短辺である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記主陽極がグランド又は前記シールドである、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記陰極チャンバー組立体と前記遠隔陽極との間に置かれた少なくとも１つの追加の蒸発源をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記蒸発源のそれぞれと前記被覆される基板との間の垂直距離が実質的に等しく、前記陰極チャンバー組立体と前記遠隔陽極との間の距離が、前記二次電源の印加電圧が前記一次電源の印加電圧の１．２〜１０倍を超えるときにブレークダウンが起きる距離未満である、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
複数の陰極ターゲットが前記遠隔陽極に結合され、前記複数の陰極ターゲットの各陰極ターゲットが前記遠隔陽極長さ寸法と平行な陰極ターゲット長さ寸法を有する、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記陰極チャンバー組立体の頂部から基板までの間隙が約５．０８〜５０．８ｃｍ（２〜２０インチ）である、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記蒸発源及び前記被覆される基板との間の領域に沿って外部磁場が印加される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記外部磁場が前記陰極チャンバー組立体の前記陰極ターゲットを磁気的に絶縁するように印加される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記外部磁場が前記遠隔陽極の陽極を磁気的に絶縁するように印加される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記蒸発源がマグネトロン、熱蒸発器、電子ビーム蒸発器、及び陰極アーク蒸発器から構成されているグループから選択された構成要素を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記陰極ターゲットが真空アーク冷陰極、中空陰極、熱電子フィラメント陰極、電子ビーム蒸発器、及びそれらの組合せから構成されているグループから選択された構成要素を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記陰極ターゲットが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で作られている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記陰極チャンバーの前記シールドが水冷式であり、前記陰極ターゲットに対して負にバイアスされ、前記シールドのバイアス電位が−５０ボルト〜−１０００ボルトの範囲にある、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
プラズマ密度を測定するために前記陰極チャンバー組立体と前記遠隔陽極との間にプラズマ・プローブが据え付けられ、前記プラズマ・プローブが、前記陰極チャンバー組立体と前記遠隔陽極との間で前記プラズマ密度の均一な分布を得るように遠隔陽極電流が調整される、前記二次電源を制御するためのフィードバックを提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記陰極ターゲットが前記陰極チャンバー組立体に据え付けられた複数の陰極ターゲットを有する陰極アレイの一部であり、各陰極ターゲットの長さ寸法が前記遠隔陽極の長さ寸法と実質的に等しい、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記陰極ターゲットが板又は棒である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
複数のスレーブ遠隔陽極が可変抵抗器を介して前記遠隔陽極に接続されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
複数のスレーブ遠隔陽極がキャパシタを有する前記遠隔陽極に接続されている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
複数の被覆組立体を備える請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記複数の被覆組立体が実質上インラインで並んでいる、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記蒸発源、前記陰極ターゲット、及び前記遠隔陽極が直線方向に沿って分布し、前記基板ホルダーが前記直線方向に沿って移動する、請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記真空チャンバーが円形断面を有し、前記陰極ターゲット及び前記遠隔陽極が前記真空チャンバーの中心軸のまわりに分布し、前記基板ホルダーが円周方向に移動する、請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記主陰極真空アーク組立体がフィルタード陰極真空アーク源を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
前記フィルタード陰極真空アーク源が陰極ターゲット及びプラズマ・ダクトを含み、前記プラズマ・ダクトが長辺を有し、前記プラズマ・ダクトが前記プラズマ・ダクトの中心線に沿って屈曲区間を有し、前記プラズマ・ダクトが前記屈曲の両側に陰極チャンバー部分及び出口トンネル部分を有する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記プラズマ・ダクトが前記陰極ターゲットと同様の寸法の矩形断面形状を有する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記陰極チャンバー組立体が矩形の管を含む、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２９】
前記陰極ターゲットの蒸発可能な表面が前記プラズマ・ダクトに面するように、前記陰極ターゲットが陰極チャンバー部分の端部の絶縁されたホルダーに取り付けられている、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３０】
前記屈曲が約６０〜１２０度の角度を有する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３１】
前記プラズマ・ダクトのまわりに配置された偏向磁石及び集束電磁石を有する磁気シャッターをさらに含み、前記偏向磁石が前記陰極チャンバーの外側及び前記屈曲区間のまわりに置かれ、前記集束電磁石が前記プラズマ・ダクトの前記出口に置かれている、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３２】
前記陰極ターゲットで生成された、イオン化された、フィルターされた金属蒸気プラズマが前記プラズマ・ダクトを通って基板の方に輸送されるように、偏向電磁石及び前記集束電磁石が両方とも作動しているときに前記磁気シャッターが開いている、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
遠隔アーク放電経路に沿った前記基板と前記真空チャンバーの壁との間に画成された狭い通路内部でガス環境が更に高度にイオン化されている、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３４】
前記蒸発源が放電を遠隔陽極アーク放電と組み合わせる複数のマグネトロン・スパッタリング源を含み、それによって前記マグネトロン・スパッタリング源のイオン化を向上させることができる、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３５】
前記陰極ターゲットによって生成された金属蒸気プラズマが前記プラズマ・ダクト内部にトラップされるように、前記偏向磁石及び前記集束電磁石が作動していないときに前記磁気シャッターが閉じており、一方、遠隔陽極アーク放電が前記陰極ターゲットと前記遠隔陽極との間に広がり、前記基板と前記真空チャンバーの壁との間に画成された通路に沿って被膜堆積環境のイオン化及び活性化を提供する請求項３１に記載のシステム。
【請求項３６】
複数のマグネトロン・スパッタリング源及び遠隔陽極が前記真空チャンバーの中央領域のハブに置かれ、それによって遠隔アーク放電が前記ハブと前記真空チャンバーの壁との間の領域を充填する、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３７】
前記蒸発源が双方向プラズマ・ダクトを有する双方向フィルタード・アーク源を含み、前記遠隔陽極が前記双方向プラズマ・ダクトの周辺リムに据え付けられ、遠隔陽極アーク放電が前記プラズマ・ダクトの外側リムと前記基板との間に画成された通路に沿って確立される、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３８】
前記双方向プラズマ・ダクトが前記双方向プラズマ・ダクトの両方の端部にシールドをさらに含む、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
遠隔陽極アーク放電プラズマが前記双方向フィルタード・アーク源の外部壁と前記真空チャンバーの壁との間に画成された被膜堆積領域を充填するように、前記遠隔陽極アーク放電が一方向フィルタード真空アーク源によって及び／又は前記双方向フィルタード・アーク源によって維持されている、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４０】
前記双方向フィルタード・アーク源及び前記一方向フィルタード・アーク源が磁気シャッター・モードで同時に及び独立して動作するように構成され、一方、マグネトロン・スパッタリング源と結合されている、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
マグネトロン・スパッタリング流が前記フィルタード・アーク源の前記陰極ターゲットと合流するように、前記基板に面する前記真空チャンバー内の前記プラズマ・ダクトの前記出口に隣接して置かれた第１の追加のマグネトロン源及び第２の追加のマグネトロン源をさらに備える請求項３９に記載のシステム。
【請求項４２】
前記プラズマ・ダクトの前記出口に置かれた２つのマグネトロン源をさらに備える請求項３９に記載のシステム。
【請求項４３】
インラインモードで動作するように構成された請求項３１に記載のシステム。
【請求項４４】
バッチモードで動作するように構成された請求項１に記載のシステム。
【請求項４５】
被覆チャンバーと、
蒸発源長寸法及び蒸気面短寸法を備えたターゲット面を有する蒸発源と、
被覆される基板が前記被覆チャンバー内部に及び前記蒸発源の前に置かれるように、前記基板を保持する基板ホルダーであって、ホルダー長さ寸法を有する基板ホルダーと、
金属蒸気プラズマ被膜堆積源及び電子放出源として動作する一方向デュアル・フィルタード・アーク矩形プラズマ源であって、偏向区間及び出口トンネル区間を有する矩形プラズマ・ダクト、第１の陰極ターゲットを有する第１の陰極アーク・チャンバー、第２の陰極ターゲットを有する第２の陰極アーク・チャンバー、及びバッフル付き陽極板を含み、前記第１の陰極アーク・チャンバー及び前記第２の陰極アーク・チャンバーが前記バッフル付き陽極板によって分離され、偏向区間の両側に置かれている、一方向デュアル・フィルタード・アーク矩形プラズマ源と、
前記第１の陰極ターゲット及び前記第２の陰極ターゲットと電気的に結合された遠隔陽極であって、遠隔陽極長さ寸法を有し、前記蒸発源が蒸発源長さ寸法を有する、遠隔陽極と、
前記陰極ターゲットと主陽極との間に接続された一次電源と、
前記陰極ターゲットと前記遠隔陽極との間に接続された二次電源と、
を備える被覆システム。
【請求項４６】
前記プラズマ・ダクトの偏向部分を取り囲む偏向コイルをさらに備える請求項４５に記載の被覆システム。
【請求項４７】
前記陰極チャンバーを取り囲み、前記陰極ターゲットの蒸発可能な表面の閉じ込め陰極アークスポットを閉じ込める安定化コイルをさらに備える請求項４５に記載の被覆システム。
【請求項４８】
金属蒸気プラズマ流を前記プラズマ・ダクトの偏向部分に向かって集束させる、前記陰極チャンバーの出口部分を取り囲む集束コイルをさらに備える請求項４５に記載の被覆システム。
【請求項４９】
前記プラズマ・ダクトの出口トンネル部分に置かれた第１のマグネトロン源及び第２のマグネトロン源をさらに備え、前記第１のマグネトロン源及び前記第２のマグネトロン源がハイブリッド・フィルタード・アーク促進マグネトロン・スパッタリング被膜堆積プロセス中に金属イオンによるイオン衝撃の度合いを調整する、請求項４５に記載の被覆システム。
【請求項５０】
前記被覆チャンバーの中心に位置するシールドされた陰極アーク電子放出源をさらに備える請求項４５に記載の被覆システム。
【請求項５１】
インラインモードで動作するように構成された請求項４５に記載のシステム。
【請求項５２】
バッチモードで動作するように構成された請求項４５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１２年９月１４日に出願された米国特許出願第１３／６１７，００５号、２０１３年３月１５日に出願された米国特許出願第１３／８４０，３０５号、及び２０１３年１０月２８日に出願された米国特許出願第１４／０６４，６１７号に関する。
【０００２】
本発明は、プラズマ支援堆積システム及び関連方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
物理気相堆積（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）及び低圧化学気相堆積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）源は、被膜の堆積及び表面処理に使用される。電子ビーム物理気相堆積（ＥＢＰＶＤ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）及びマグネトロン・スパッタリング（ＭＳ：ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）金属蒸発源などの従来の金属蒸発源は、高い堆積速度を提供することができる。しかし、金属蒸気原子の低いエネルギー及びこれらのプロセスの低いイオン化率によって、結果として密度が低く、密着性が悪く、構造及び形態が貧弱な被膜が生じる。高エネルギー粒子による衝撃を用いて被膜堆積プロセスを支援することは、堆積する材料の密度を高め、粒度を下げ、被膜密着性を改善することによって、劇的に被膜を改善することが十分に立証されている。これらのプロセスでは、表面層は、高エネルギー・イオンによる高速の衝撃によって影響を受け、この高エネルギー・イオンによる高速の衝撃が堆積する金属蒸気原子の移動度を変え、多くの場合、独特の機能特性を有する準安定な構造を生成する。さらに、被膜面のイオン衝撃は、窒素などのガスの付着係数を増加させ、吸着サイトの性質をより低エネルギーの物理的吸着サイトからより高エネルギーの化学的吸着サイトへと変えることによって、ガス吸着の挙動に影響を与える。この手法は、超微細の又はガラス状の非晶質構造を有するナノ構造化された複合被膜の堆積において特に生産的である。
【０００４】
物理気相堆積（ＰＶＤ）又は化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス中にイオン衝撃支援を行う２つの異なる手法がある。イオンビーム支援堆積（ＩＢＡＤ：Ｉｏｎ  ｂｅａｍ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、ポリマー及び他の温度敏感な材料上に高密度のセラミック被膜を形成するための極めて有望な方法である。イオンビーム支援堆積（ＩＢＡＤ）プロセスは、典型的には、真空（約１ｘ１０−５トール）の下で行われ、この真空中でセラミックが基板上に熱的に蒸着され、同時に高エネルギー・イオンによって衝撃が加えられる。イオンビームは堆積させる原子を基板と混合し、グレーデッド層を生成し、それによって被膜の密着性を改善し、膜の応力を減らすことができる。また、衝突するイオンは、層を固めて高密度化する「ショット・ピーニング効果」を生み、それによって柱状成長を低減させる、又はなくす。
【０００５】
例えば、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ：ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ  ｃａｒｂｏｎ）膜のイオンビーム支援堆積（ＩＢＡＤ）処理中に、炭素は、電子ビーム源によって蒸着させられ、又はマグネトロン源によってスパッタされる。イオン衝撃は、独立した広い開口の、アルゴン・イオンビームなどのイオンビーム源によってもたらされる。そうしたアルゴン・イオンビームは、成長膜の化学的性質を変えることなく、格子網の変更による成長膜の構造、形態、結合エネルギー及び原子間結合に影響を与えるに過ぎない。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、結果としてダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）成長膜のドーピングがなされ、それによってイオンビーム支援堆積（ＩＢＡＤ）プロセス中に化学気相支援が行われる。ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）膜のそうしたシリコン・ドーピングの実例は、Ａｒ＋ＳｉＨ４イオンビームによる堆積である。フッ化物は、Ａｒ及びフッ化炭化水素のイオンビームを介して膜に加えることができ、窒素は、Ａｒ及びＮ２のイオンビームを使用することによって加えることができ、ホウ素は、Ａｒ＋ＢＨ４のイオンビームを使用することによって加えることができる。イオンビーム支援堆積（ＩＢＡＤ）は、処理パラメータ、すなわちイオンビーム組成、イオンエネルギー、イオン電流、及び原子に対するイオンの到達割合を変えることによって、幅広い範囲で被膜特性の制御を行うことができる柔軟性のある技術プロセスである。
【０００６】
イオンビーム支援堆積（ＩＢＡＤ）プロセスは、適度にうまく機能するが、被膜堆積プロセスの共形性が重要な場合に、複雑な形状の構成要素上に均一な被膜分布を実現するのに有害となる、イオンビーム支援堆積（ＩＢＡＤ）プロセスの直線視野の性質のために限界を有する。加えて、イオンビーム支援堆積（ＩＢＡＤ）プロセスは、能力のスケールアップに限界がある。プラズマ浸漬イオン堆積（ＰＩＩＤ：ｐｌａｓｍａ  ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  ｉｏｎ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスは、被覆される基板を均一なプラズマ雲内に効果的に包む低圧プラズマ環境を提供することによって、これらの限界の一部を克服する。これによって、３Ｄの複雑な形状の基板及び大きな負荷の両方に対して極めて均一なイオン衝撃速度が得られる。物理気相堆積（ＰＶＤ）又は化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスは、基板表面を処理するための蒸気種を生成するために使用される。イオンビーム支援堆積（ＩＢＡＤ）とは対照的に、プラズマ浸漬イオン堆積（ＰＩＩＤ）は、巧みな操作なしに複雑な表面を処理することができる非直線視野プロセスである。プラズマ浸漬イオン堆積（ＰＩＩＤ）は、処理チャンバー全体に充満するガス放電により生成されたプラズマを利用し、複雑な組成及び構造物の被覆を可能にする。プラズマ浸漬イオン処理の実例には、イオン窒化処理、浸炭窒化処理、イオン注入及び他のガスイオン処理プロセスが含まれ、これらは、負バイアスの下で、被覆される基板を窒素含有プラズマ中に浸漬させることによって行うことができる。加えて、基板が正にバイアスされたときにプラズマから抽出される電子電流を予備加熱及び熱処理プロセスに使用することができる。非直線視野処理機構は、直線視野処理に比べて、特に大量の三次元物体の効率的な処理に対して数多くの利点を提供するのは明白である。プラズマ浸漬イオン堆積（ＰＩＩＤ）プロセス中に使用されるイオン化されたガス環境は、異なるタイプのプラズマ放電、例えばグロー放電、ＲＦ放電、マイクロ波（ＭＷ：ｍｉｃｒｏ−ｗａｖｅ）放電及び低圧アーク放電を適用することによって生成することができる。低圧アーク放電は、大きな処理容積に対して、低コストで高密度の、均一な高度にイオン化されたプラズマを提供するという点で特に有利である。アーク放電プラズマ支援被膜堆積又はイオン処理プロセスでは、基板は、アーク放電プラズマ領域内部のアーク陰極と遠隔アーク陽極との間に置かれる。熱電子フィラメント陰極、中空陰極、真空アーク蒸発冷陰極、及びそれらの組合せを、ガス低圧アーク・プラズマ放電環境を生成するための電子エミッターとして使用することができる。或いは、伝導性蒸発材料それ自体を、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、真空陰極アーク堆積プロセスにおいて、又は様々なアーク・プラズマ促進電子ビーム及び熱蒸着プロセスにおいて提供される。
【０００７】
ＣｒＮのような反応被膜の堆積は、様々な物理気相堆積技法、例えば陰極アーク堆積、フィルタード・アーク堆積、電子ビーム蒸着、及びスパッタ堆積技法によって達成することができる。電子ビーム物理気相堆積（ＥＢＰＶＤ）技術は、従来のもの及びイオン化されたもの両方ともが、多くの用途で使用されてきたが、バッチ処理の問題、大きな基板の端から端にわたって均一な被膜分布を実現するためにスケールアップすることの困難さ、及び異なる蒸気圧で熱力学的に推進される各元素の留出による複数元素の被膜組成制御の困難さのために、多くの分野で実用的な製造技術とは一般に考えられていない。対照的に、マグネトロン・スパッタリング（ＭＳ）をベースとする物理気相堆積（ＰＶＤ）は、許容可能な蒸着速度でのマグネトロン被膜の高い均一性、複数元素の被膜組成の精密な制御、及びマグネトロン・スパッタリング（ＭＳ）プロセスを完全に自動化された産業用バッチ被覆システムに容易に組込み可能なことにより、多種多様な用途に使用される。熱蒸発陰極（ＨＥＣ：ｈｏｔ  ｅｖａｐｏｒａｔｅｄ  ｃａｔｈｏｄｅ）及び熱蒸発陽極（ＨＥＡ：ｈｏｔ  ｅｖａｐｏｒａｔｅｄ  ａｎｏｄｅ）とそれぞれ呼ばれる、陰極及び陽極アーク促進電子ビーム物理気相堆積（ＥＢＰＶＤ）プロセスは、イオン化率の向上を実証したが、アークスポットの不安定性及び陰極及び陽極アーク支援電子ビーム物理気相堆積（ＥＢＰＶＤ）金属蒸気流全体にわたるイオン化率の不均一な分布を欠点として有する。これらのプロセスでは、アーク放電は蒸発プロセスと一体であり、熱蒸発陽極（ＨＥＡ）及び熱蒸発陰極（ＨＥＣ）プロセスにおけるイオン化及び蒸発速度の独立した制御を行うことを困難にしている。したがって、完全に自動化された産業用バッチ被覆システムにプラズマ支援電子ビーム物理気相堆積（ＰＡ−ＥＢＰＶＤ）プロセスを組み込むことは極めて困難である。
【０００８】
スパッタ技法は、厚い反応被膜をコスト効率よく堆積させることができることが当技術分野でよく知られているが、約１ミクロンを超える膜は結晶化により曇りを発生させる傾向がある。結晶化現象又は柱状膜成長は、スパッタ堆積技法における原子を堆積させる固有の低いエネルギーと関連しており、それによって、エネルギー的に有利な結晶構造の機会が生じる。これらの結晶構造は、摩耗及び表面処理用途にとって固有の望ましくない異方性の特性を有することがある。過去十年間、マグネトロン・スパッタリング・プロセスにおけるイオン化率を向上させるために、様々な手法が開発された。これらの手法の主な目標は、マグネトロン・スパッタリング原子流の流路に沿って電子密度を増加させ、それによって電子・原子間衝突の頻度を増加させることによって金属原子のイオン化を向上させることである。高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ：ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  ｉｍｐｕｌｓｅ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）プロセスは、マグネトロン・ターゲットに印加される高出力パルスをＤＣ電力と同時に使用して、電子放出を増加させ、その結果として金属スパッタリング流のイオン化率を向上させる。このプロセスによって、切削工具のための窒化物耐摩耗性被膜の堆積において被膜特性の改善が実証されている。高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）プロセスでは、イオン化の改善は、短いパルス時間中にのみ実現され、一方、休止中は、イオン化率は、従来のＤＣマグネトロン・スパッタリング（ＤＣ−ＭＳ）プロセスと同様に低い。高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）プロセスでは、パルス・パラメータがマグネトロン・スパッタリング・プロセス・パラメータと一体であるため、従来のＤＣマグネトロン・スパッタリング（ＤＣ−ＭＳ）プロセスのほぼ３倍低いことがわかっているスパッタ速度が悪影響を受ける可能性がある。さらに、高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）プロセス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引き起こすことがあり、結果として成長膜が汚染される。
【０００９】
マグネトロン・ターゲットの近傍で高度にイオン化された放電を生成するために、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ）源を、陰極と基板との間の領域に追加することができる。その場合、非共振誘導コイルが、本質的に、プラズマに浸漬させた又は隣接する、従来のＤＣマグネトロン・スパッタリング（ＤＣ−ＭＳ）装置の陰極と並列に配置されている。誘導コイルは、容量整合回路を介して５０ΩのＲＦ電源を使用して、一般に１３．５６ＭＨｚで駆動される。ＲＦ電力は、しばしば誘電体窓又は壁を横切ってプラズマに結合される。誘導結合放電は、通常、１０１６〜１０１８ｍ−３の電子密度が生じる１〜５０ミリトールの圧力及び２００〜１０００Ｗの印加電力で動作し、この電子密度は、印加電力の増加とともに直線的に増加することが一般に見出されている。マグネトロン・スパッタリング放電では、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横切り、そこでイオン化される。マグネトロン・ターゲットと被覆される基板との間に配置さ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。したがって、マグネトロン・スパッタリング（ＭＳ）装置は、既存のバッチ被覆及びインライン被覆システムに組み込むのが、はるかにより複雑で、高価で、困難である。これらの欠点は、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）プロセスにも当てはまる。マイクロ波支援マグネトロン・スパッタリング（ＭＷ−ＭＳ）プロセスでは、金属スパッタリング流がイオン化ゾーンを横切ることができるように、真空処理チャンバーのレイアウトを再設計しなければならない。しかしながら、物理気相堆積（ＰＶＤ）プロセスのイオン化のためのＲＦ、マイクロ波（ＭＷ）及び誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）手法は、大きな処理領域にわたるプラズマ分布の均一性に関する困難さに遭遇し、このことが大面積被膜堆積システムへの組込みに対する障害となっている。
【００１０】
高エネルギー・イオンを生成するための別の従来技法は、イオン化電子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）を有するプラズマ促進マグネトロン・スパッタリング（ＰＥＭＳ：ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）であり、ＤＣマグネトロン・スパッタリング（ＤＣ−ＭＳ）プロセスにおいてイオン化率を向上させる。熱電子熱フィラメント陰極（ＨＦ−ＭＳ）プロセスでは、遠隔の熱電子フィラメント陰極がイオン化電子源として使用され、このプロセスを中空陰極（ＨＣ−ＭＳ）プロセスと同様のものとしている。しかしながら、このプロセスは、典型的にはプラズマの非均一性を示し、産業用の大面積被覆システムに組み込むことが困難である。さらに、熱フィラメント及び中空アーク陰極は、両方とも、反応性プラズマ雰囲気中で影響を受けやすく、すぐに劣化する。これらのプラズマ生成プロセスの欠点は、気相堆積処理環境のイオン化及び活性化のための電子源として蒸発性真空アーク冷陰極を利用することによって克服される。
【００１１】
従来の陰極アーク堆積膜の表面的な外観は、特定の摩耗、腐食及び表面特性を必要とする用途において、望ましくない欠陥を有する堆積膜をもたらすマクロと呼ばれる未反応のターゲット材料の微粒子を含む。しかしながら、アーク堆積膜は、アーク蒸着プロセスが、成長膜の結晶構造を効果的にランダム化すると考えられる高エネルギーの堆積原子によって高度にイオン化されたプラズマを生成するため、スパッタ膜と異なり結晶特性を有さない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【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】欧州特許出願公開第１８５２８９１号明細書
【特許文献４】米国特許第５，４８０，５２７号明細書
【特許文献５】米国特許第５，２６９，８９８号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１２／０１９９０７０号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】R.L.Boxman, D.M.Sanders, and P.J.Martin, Handbook of Vacuum Arc Science and Technology. Park Ridge, N.J.: Noyes Publications, 1995 pgs.423-444)
【非特許文献２】D.G.Bhat, V.I.Gorokhovsky, R.Bhattacharya, R.Shivpuri, K.Kulkarni, “Development of a Coating for Wear and Cracking Prevention in Die-Casting Dies by the Filtered Cathodic Arc Process,” in Transactions of the North American Die Casting Association, 20th International Die Casting Congress and Exposition, Cleveland, OH, November 1999, pp. 391-399
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、改善された膜特性を生成するために被覆プロセスにおいて高エネルギー粒子を生成するさらなる技法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、少なくとも一実施例において、基板を被膜するためのシステムを提供することによって、従来技術の１つ又は複数の問題を解決する。被覆システムは、真空チャンバー、及び真空チャンバー内部に置かれた被覆組立体を含む。被覆組立体は、基板上に被覆される材料を提供する蒸発源、基板が蒸発源の前に置かれるように、被覆される基板を保持する基板ホルダー、陰極チャンバー組立体、及び遠隔陽極を含む。陰極チャンバー組立体は、陰極ターゲット、任意選択の主陽極、及び真空チャンバーから陰極を絶縁するシールドを含む。シールドは、陰極から真空チャンバー内へ電子放出電流を送出する開口部を画成する。蒸発源は、陰極チャンバー組立体と遠隔陽極との間に置かれるが、遠隔陽極は陰極に電気的に結合される。また、被覆システムは、陰極ターゲットと主陽極との間に接続された一次電源、及び陰極ターゲットと遠隔陽極との間に接続された二次電源を含む。遠隔陽極長さ寸法、蒸発源長さ寸法、陰極ターゲット長さ寸法、及びホルダー長さ寸法が互いに平行であり、閉じ込められたプラズマが陰極ターゲットから遠隔陽極に流れるように、遠隔陽極長さ寸法が、陰極ターゲット長さ寸法及び蒸発源長さ寸法以上となるように、遠隔陽極が遠隔陽極長さ寸法を有し、蒸発源が蒸発源長さ寸法を有し、陰極ターゲットが陰極ターゲット長さ寸法を有し、基板ホルダーがホルダー長さ寸法を有することが特徴的である。
【００１６】
別の実施例では、上述した被覆システムにおいて基板を被覆する方法が提供される。本方法は、陰極ターゲットと主陽極との間の電子放出陰極源において主アークを生成するステップを含む。被覆領域の閉じ込められた遠隔アークは、蒸発源からの金属蒸気流が、被膜される少なくとも１つの基板に向かって生成されるように、陰極チャンバー組立体と遠隔陽極との間に生成される。さらに別の実施例では、誘導されるアークスポットを有する被覆システムが提供される。被覆システムは、真空チャンバー、及び真空チャンバー内部に置かれた被覆組立体を含む。被覆組立体は、少なくとも１つのスパッタ源、基板がスパッタ源の前に置かれるように被膜される基板を保持する基板ホルダー、及び第１の出口開口部及び第２の出口開口部を画成するプラズマ・ダクトを含む。被覆組立体は、プラズマ・ダクトに置かれた金属プラズマを生成するための陰極ターゲット、陰極ターゲットに電気的に結合された遠隔陽極、陰極に電力を供給するための一次電源、及び陰極ターゲットと遠隔陽極との間に接続された二次電源を含む。スパッタ源は、陰極ターゲットと遠隔陽極との間に置かれる。ダクト・コイルは、ダクト・コイルを作動させることによって陰極ターゲットの蒸発面と実質的に平行な輸送磁場をプラズマ・ダクト内部に生成するようにプラズマ・ダクトを取り囲み、膜堆積中に、スパッタ源及び／又は基板ホルダー上の基板まで延在するプラズマをプラズマ・ダクトから離れるように誘導する。ダクト・コイル電源は、ダクト・コイルを作動させ、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う蒸発しない相対する側面に隣接して置かれ、陰極ターゲットの表面の上方に磁場を生成する。
【００１７】
さらに別の実施例では、遠隔陽極を有する被覆システムが提供される。被覆システムは、真空チャンバー及び被覆組立体を含む。被覆組立体は、蒸発源長寸法及び蒸気面短寸法を備えたターゲット面を有する蒸発源、並びに基板が蒸発源の前に置かれるように、被膜される基板を保持するための基板ホルダーを含む。基板ホルダーは、ホルダー長さ寸法を有する。被覆組立体は、陰極ターゲットに電気的に結合された遠隔陽極をさらに含む。遠隔陽極は、遠隔陽極長さ寸法を有する。被覆組立体は、陰極ターゲット、任意選択の主陽極、及び陰極ターゲットを真空チャンバーから絶縁するシールドを有する陰極チャンバー組立体をさらに含む。陰極ターゲットは、直線状の陰極ターゲット長寸法及び直線状の陰極ターゲット短寸法を有する。シールドは、ターゲット面長寸法に沿って流れる遠隔アーク放電の電子放出電流を陰極ターゲットから遠隔陽極に送出するための少なくとも１つの開口部を画成する。一次電源は、陰極ターゲットと主陽極との間に接続され、一方、二次電源は、陰極ターゲットと遠隔陽極との間に接続される。遠隔陽極長さ寸法及び蒸発源短寸法は、アークスポットが陰極ターゲットに沿ってステアリングされる寸法と平行であるのが特徴的である。
【００１８】
さらに別の実施例では、被覆システムにおいて基板を被覆する方法が本明細書で提供される。本方法は、陰極ターゲットと主陽極との間の電子放出陰極源において主アークを生成するステップと、陰極チャンバー組立体と遠隔陽極との間の被覆領域に閉じ込められた遠隔アークを生成するステップと、蒸発源から、被膜される少なくとも１つの基板に向かって金属蒸気流を生成するステップと、を含む。
【００１９】
さらに別の実施例では、電子放出電流及び／又は金属蒸気プラズマを使用する被覆システムが提供される。被覆システムは、真空チャンバー及び被覆組立体を含む。被覆組立体は、被覆組立体を含む。被覆組立体は、蒸発源と、基板が蒸発源の前に置かれるように、被膜される基板を保持する基板ホルダーと、主陰極真空アーク組立体と、陰極ターゲットに電気的に結合された遠隔陽極と、陰極ターゲットと主陽極との間に接続された一次電源と、陰極ターゲットと遠隔陽極との間に接続された二次電源と、を含む。主陰極真空アーク組立体は、陰極チャンバー組立体と、陰極ターゲットと、任意選択の主陽極と、陰極ターゲットを真空チャンバーから絶縁するシールドと、を含む。シールドは、電子放出電流を真空チャンバー内へ送出するための開口部を画成するが、陰極ターゲットから発生する金属蒸気プラズマの重粒子は透過できないようにしておく。蒸発源は、陰極チャンバー組立体と遠隔陽極との間に置かれる。遠隔陽極長さ寸法、蒸発源長さ寸法、及びホルダー長さ寸法が互いに平行となるように、遠隔陽極が遠隔陽極長さ寸法を有し、蒸発源が蒸発源長さ寸法を有し、陰極ターゲットが陰極ターゲット長さ寸法を有し、基板ホルダーがホルダー長さ寸法を有する。遠隔陽極長さ寸法は、閉じ込められたプラズマが陰極ターゲットから遠隔陽極に流れるように、蒸発源長さ寸法以上であるのが特徴的である。さらに、蒸発源長さ寸法は、蒸発源長さ寸法が陰極ターゲット長さ寸法と平行である陰極ターゲット長さ寸法と平行な長辺であってもよい。或いは、蒸発源長さ寸法は、陰極ターゲット長さ寸法と平行な短辺であってもよい。
【００２０】
さらに別の実施例では、被覆システムが提供される。被覆システムは、被覆チャンバーと、蒸発源長寸法及び蒸気面短寸法を備えたターゲット面を有する蒸発源と、を含む。また、被覆システムは、基板が被覆チャンバー内部に及び蒸発源の前に置かれるように、被膜される基板を保持するための基板ホルダーを含む。基板ホルダーは、ホルダー長さ寸法を有する。一方向デュアル・フィルタード・アーク矩形プラズマ源が、金属蒸気プラズマ被膜堆積源及び電子放出源として動作する。一方向デュアル・フィルタード・アーク源は、偏向区間及び出口トンネル区間を有する矩形プラズマ・ダクト、第１の陰極ターゲットを有する第１の陰極アーク・チャンバー、第２の陰極ターゲットを有する第２の陰極アーク・チャンバー、及びバッフル付き陽極板を含む。第１の陰極アーク・チャンバー及び第２の陰極アーク・チャンバーは、バッフル付き陽極板によって分離され、偏向区間の両側に置かれる。また、被覆システムは、第１の陰極ターゲット及び第２の陰極ターゲットに電気的に結合された遠隔陽極、陰極ターゲットと主陽極との間に接続された一次電源、並びに陰極ターゲットと遠隔陽極との間に接続された二次電源を含む。遠隔陽極が遠隔陽極長さ寸法を有し、蒸発源が蒸発源長さ寸法を有するのが特徴的である。
【００２１】
本発明の例示的な実施例は、詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】遠隔アーク放電プラズマを使用する被覆システムについての理想化された側面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの図に垂直な被覆システムの正面図である。
【図１Ｃ】図１Ａの被覆システムの概略図である。
【図１Ｄ】陰極と遠隔陽極と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走査するために使用される多素子陰極の概略図である。
【図１Ｆ】スパッタ源と陽極との間に置かれた基板を有する被覆システムの概略図である。
【図１Ｇ】細線の陽極を有する被覆システムの概略図である。
【図２】有限要素モデリングによって得られた、スクリーンと遠隔陽極との間のプラズマ電位の典型的な分布である。
【図３】遠隔アーク放電プラズマの中から、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の強度の放電電流に対する図である。
【図４Ａ】ガスプラズマ環境の均一性及び高いイオン化を確実にするために加えられた、追加のシールドされた陰極チャンバー組立体とともにマグネトロン・スパッタリング源間に置かれた追加の遠隔陽極を有する被覆システムの概略図である。
【図４Ｂ】マスタ陽極と複数のスレーブ陽極のそれぞれとの間に据え付けられた可変抵抗器を含む被覆システムの概略図である。
【図４Ｃ】中間の陽極の電位を設定するために、キャパシタと並列の抵抗器が使用された改良例である。
【図５】ＲＡＡＭＳシステムのインラインのモジュール式構成の概略図である。
【図６】ＲＡＤプラズマ処理中の電位分布の図である。
【図７Ａ】中央に位置するシールドされた陰極チャンバーを有するバッチ被覆システムの概略図である。
【図７Ｂ】中央に位置するシールドされた陰極チャンバーを有するバッチ被覆システムの概略図である。
【図８Ａ】図７Ａ及び７Ｂのシステムの変形例の概略図である。
【図８Ｂ】図７Ａ及び７Ｂのシステムの変形例の概略図である。
【図８Ｃ】図７Ａ及び７Ｂのシステムの変形例の概略図である。
【図８Ｄ】図７Ａ及び７Ｂのシステムの変形例の概略図である。
【図８Ｅ】図７Ａ及び７Ｂのシステムの変形例の概略図である。
【図８Ｆ】図７Ａ及び７Ｂのシステムの変形例の概略図である。
【図８Ｇ】図８Ａ〜図８Ｃのシステムに対する磁気等高線を提供する概略図である。
【図８Ｈ】図８Ａ〜図８Ｃのシステムに対する磁気等高線を提供する概略図である。
【図９Ａ】追加のマグネトロンを有する被覆システムの概略図である。
【図９Ｂ】追加のマグネトロンを有する被覆システムの概略図である。
【図９Ｃ】追加のマグネトロンを有する被覆システムの概略図である。
【図９Ｄ】追加のマグネトロンを有する被覆システムの概略図である。
【図９Ｅ】追加のマグネトロンを有する被覆システムの概略図である。
【図１０】双方向遠隔アーク放電に関与する物理的なプロセスの概略図である。
【図１１Ａ】周辺的に位置するシールドされた陰極チャンバー組立体を有するバッチ被覆システムの概略図である。
【図１１Ｂ】金属蒸気プラズマ堆積源及び電子放出源の両方としての矩形一方向フィルタード陰極アーク源を組み込む被覆システムの概略図である。
【図１１Ｃ】中央に位置するマグネトロン、並びに金属蒸気プラズマ堆積源及び電子放出源の両方としての矩形一方向フィルタード陰極アーク源を有する被覆システム概略図である。
【図１１Ｄ】双方向フィルタード・アーク源、並びに金属蒸気プラズマ堆積源及び電子放出源の両方としての矩形一方向フィルタード陰極アーク源を有する被覆システムの概略図である。
【図１１Ｅ】シールドのない双方向フィルタード・アーク源、並びに金属蒸気プラズマ堆積源及び電子放出源の両方としての矩形一方向フィルタード陰極アーク源を有する被覆システムの概略図である。
【図１１Ｆ】一方向フィルタード陰極アーク源のトンネル区間にマグネトロン源を有する、図１１Ｅのシステムの変形例の概略図である。
【図１１Ｇ】表面処理システムを使用する、図１１Ｃのシステムの変形例の概略図である。
【図１１Ｈ】処理システムのトンネル区間に双方向フィルタード・アーク源及び表面処理システム・マグネトロン源を有する被覆システムの概略図である。
【図１２Ａ】被覆チャンバーの中央に位置するシールドされた陰極アーク電子放出源を有するさらなる変形例の概略図である。
【図１２Ｂ】金属蒸気プラズマ堆積源及び電子放出源の両方としての一方向フィルタード陰極アーク源を組み込む被覆システムの概略図である。
【図１２Ｃ】中央のハブ、並びに金属蒸気プラズマ堆積源及び電子放出源の両方としての一方向フィルタード陰極アーク源を有する被覆システムの概略図である。
【図１２Ｄ】回転する管状の陰極ターゲットを備えた円筒状の陰極アーク源を有する被覆システムの概略図である。
【図１３Ａ】電子放出真空アーク冷陰極源を組み込むシステムの概略図である。
【図１３Ｂ】主陰極アーク電子放出源として図１３Ａの円筒状の陰極アーク源を使用するインライン・システムの概略図である。
【図１３Ｃ】図１１Ｂの矩形フィルタード・アーク源を使用する被覆システムの概略図である。
【図１３Ｄ】図１１Ｇに対して記載された一方向デュアル・フィルタード・アーク源を使用するインライン被覆システムの概略図である。
【図１３Ｅ】アーク源の出口トンネルに２つのマグネトロン源を有する、図１１Ｇに対して記載された一方向デュアル・フィルタード・アーク源を使用するインライン被覆システムの概略図である。
【図１３Ｆ】円筒状の陰極アーク源を有するインライン被覆システムの概略図である。
【図１３Ｇ】図１３Ｂに関連して前述したような円筒状の主陰極アーク源を使用するインライン被覆システムの概略図である。
【図１３Ｈ】短い円筒形ターゲット及び磁気的にステアリングされるアークスポットを有する真空陰極アーク源の設計である。
【図１３Ｉ】短い円筒状の陰極アーク電子放出源を利用する回転式ターゲット・マグネトロン金属蒸発源の斜視図である。
【図１３Ｊ】短い円筒状の陰極アーク電子放出源を利用する回転式ターゲット・マグネトロン金属蒸発源の側面図である。
【図１３Ｋ】短い円筒状の陰極アーク電子放出源を利用する回転式ターゲット・マグネトロン金属蒸発源の正面である。
【図１３Ｌ】図１３Ｉ〜図１３Ｋのシステムの変形例の概略図である。
【図１３Ｍ】図１３Ｉ〜図１３Ｋのシステムの変形例の概略図である。
【図１４Ａ】マクロ粒子フィルターを組み込む被覆システムの変形例の概略図である。
【図１４Ｂ】マクロ粒子フィルターのダクト組立体に対する上面図である。
【図１４Ｃ】マクロ粒子フィルターのダクト組立体に対する斜視図である。
【図１５Ａ】複数のブレードによって取り囲まれた円筒状の陰極アーク源の斜視図である。
【図１５Ｂ】複数のブレードによって取り囲まれた円筒状の陰極アーク源の概略断面図である。
【図１５Ｃ】３０度の角度で複数のブレードによって取り囲まれた円筒状の陰極アーク源の概略斜視図である。
【図１５Ｄ】３０度の角度で複数のブレードによって取り囲まれた円筒状の陰極アーク源の概略上面図である。
【図１５Ｅ】６０度の角度で複数のブレードによって取り囲まれた円筒状の陰極アーク源の概略斜視図である。
【図１５Ｆ】６０度の角度で複数のブレードによって取り囲まれた円筒状の陰極アーク源の概略上面図である。
【図１５Ｇ】１組のプラズマ誘導磁気バッフルを利用する、回転するターゲットを有する双方向円筒状陰極アーク源の概略図である。
【図１５Ｈ】図１５Ｇの陰極チャンバーの設計を利用する、図１４Ａに示すものと同様の被覆システムである。
【図１６Ａ】遠隔アーク放電プラズマ支援プロセスによって作られた被膜を有する基板の概略図である。
【図１６Ｂ】遠隔アーク放電プラズマ支援プロセスによって作られた多層の被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】
【００２３】
ここで、現在、発明者にわかっている本発明を実行する最良のモードを構成する、本発明の現在の好ましい構成、実施例、及び方法について詳細に言及する。図は、必ずしも縮尺どおりではない。しかしながら、開示した実施例は、様々な及び代替の形態で具現化されてもよい本発明の単なる例示に過ぎないことを理解されたい。したがって、本明細書に開示した特定の詳細は、限定していると解釈されるべきではなく、単に本発明の任意の態様に対する代表的な基本形態として、及び／又は本発明を様々に用いる当業者に教示するための代表的な基本形態として解釈されるべきである。
【００２４】
実例、又はその他の方法で明示的に示されている場合を除いて、材料の量又は反応及び／若しくは使用の状態を示す、本明細書中の数値的な量はすべて、本発明の最も広い範囲を説明する際に単語「約」よって修飾されると理解されるべきである。指定した数量的限界の範囲内での実行が一般に好ましい。また、明示的にそうでないと述べていない限り、パーセント、「の一部」、及び比の値は、重量によるものであり、本発明に関連して所与の目的のために、あるグループ又は部類の材料を、適切である又は好ましいとする記述は、このグループ又は部類の要素のうちの任意の２つ以上の混合物が等しく適切である又は好ましいということを示唆し、化学用語での成分の記述は、この記述で指定された任意の組合せに対して追加したときの成分を指し、一旦混合された混合物の成分間の化学的相互作用を必ずしも排除せず、頭字語又は他の省略形の最初の規定は、同じ省略形について本明細書において後の使用すべてに適用され、当初規定された省略形の通常の文法的な変形に必要な変更を加えて適用され、明示的にそうでないと述べていない限り、特性の測定値は、同じ特性に対して先に又は後で参照される同じ技法によって決定される。
【００２５】
また、本発明は、特定の構成要素及び／又は条件が当然変わることがあるため、以下に記載される特定の実施例及び方法に限定されないことを理解されたい。さらに、本明細書で使用される術語は、本発明の特定の実施例を説明する目的にのみ使用され、いかなる仕方であれ限定することは意図されていない。
【００２６】
また、本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用されるように、単数形「１つの（「ａ」）」、「１つの（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈上明確にそうでないと示さない限り、複数の指示対象を含むことに留意されなければならない。例えば、単数の構成要素への言及は、複数の構成要素を含むことが意図されている。
【００２７】
刊行物が参照される本出願の全体にわたって、これらの刊行物の開示は、その全体が参照により本出願に組み込まれ、本発明が関係する最先端技術をより完全に説明する。
【００２８】
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、及び図１Ｄを参照すると、遠隔アーク放電プラズマを使用する被覆システムが提供されている。図１Ａは、被覆システムの理想化された側面図である。図１Ｂは、図１Ａの図に垂直な正面図である。図１Ｃは、電気配線を含む被覆システムの概略図である。本実施例のシステムは、大面積マグネトロン・スパッタリング被膜堆積プロセスのアーク・プラズマ支援に特に有用である。被覆システム１０は、内部に被覆組立体が置かれた真空チャンバー１２を含む。被覆組立体は、蒸発源１６、真空チャンバー１２内に置かれた陰極チャンバー組立体１８、及び被覆される基板２２を保持するための基板ホルダー２０を含む。図１Ａ及び図１Ｂは、蒸発源１６がマグネトロン・スパッタリング源であり、それによってシステム１０の被覆プロセスが遠隔アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ：ｒｅｍｏｔｅ  ａｒｃ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）プロセスとなる変形例を表す。そうしたマグネトロン・スパッタリング源は、ターゲットＴｓ、電源Ｐｓ、及び陽極Ａｓを含む。他のタイプの蒸発源が蒸発源１６のために利用されてもよいことを認識されたい。そうした蒸発源の実例には、限定されないが、熱蒸発器、電子ビーム蒸発器、陰極アーク蒸発器などが含まれる。基板２２は、被覆中、蒸発源１６の前に置かれ、被膜の堆積中に方向ｄ１に沿って移動する。改良例において、基板は、図１Ａの真空チャンバー１２の右のロード・ロック・チャンバーから連続的に導入され、真空チャンバー１２の左の出力チャンバーによって受け取られてもよい。陰極チャンバー組立体１８は、開口部２６が画成された陰極エンクロージャー２４、電子放出陰極２８、任意選択の別個の主陽極３４、及びシールド３６を含む。シールド３６は、電子放出陰極２８を真空チャンバー１２から絶縁する。改良例において、任意選択の別個の陽極３４、陰極エンクロージャー２４、シールド３６、又はグランド接続部は、主陰極結合陽極として動作する。
【００２９】
陰極チャンバー組立体１８は、本実施例の文脈において電子放出陰極源として動作する。改良例において、主アークは、陰極２８と主陽極との間の電子放出陰極源で生成される。陰極エンクロージャー２４は、グランド３４に接続されている場合は、主アーク電源４８の正極に接続された独立した主陽極として、且つ接地された陽極の両方として働くことができる。シールド３６は、電子放出電流４０を陰極２８から真空チャンバー１２内へ送出するための開口部３８を画成する。シールドは、浮遊状態であってもよく、又は主アーク電源４８若しくは追加電源（図示せず）の正極に接続されてもよい。別の改良例において、陰極２８は、陰極アーク陰極であり、接地された主陽極３４は、陰極アーク陽極である。任意の数の異なる陰極が電子放出陰極２８に使用されてもよい。そうした陰極の実例には、限定されないが、真空アーク冷陰極、中空陰極、熱電子フィラメント陰極など、及びそれらの組合せが含まれる。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で作られている。改良例において、陰極チャンバーのシールドは、水冷式であり、陰極ターゲットに対して負にバイアスされ、このシールドのバイアス電位が−５０ボルト〜−１０００ボルトである。さらに別の改良例において、陰極チャンバー組立体１８は、内部に複数の陰極ターゲットが据え付けられた陰極アレイを含み、陰極ターゲット・アレイの高さが遠隔陽極の高さ及び堆積領域の高さと実質的に同じである。陰極チャンバー組立体又は蒸発源１６の上部から基板２２（すなわち、基板の上部）までの間隔は、陰極２８から遠隔陽極４４へのプラズマ流が閉じ込められるようにする。典型的には、陰極チャンバー組立体のシールド３６から、又は蒸発源１６の蒸発面から、或いは遠隔陽極４４から基板２２までの離隔距離は、約５．０８ｃｍ（約２インチ）〜約５０．８ｃｍ（約２０インチ）であり、この離隔距離よって、結果として陰極チャンバー１８内の陰極２８と遠隔陽極４４との間の遠隔アーク・プラズマを閉じ込めるための狭い通路が形成される。この通路の幅が５．０８ｃｍ（２インチ）未満の場合は、プラズマの不安定性につながり、最終的に遠隔アーク放電が消滅する高いインピーダンスがプラズマ中に生成される。この通路の幅が５０．８ｃｍ（２０インチ）よりも大きい場合は、遠隔アーク放電のプラズマ密度は、金属スパッタリング流をイオン化するほど十分に増大しない。特に有用な改良例において、板又は棒の形状を有する大面積陰極ターゲットが陰極チャンバー組立体１８内に据え付けられる。典型的には、そうした大面積の陰極ターゲットは、陽極の高さ及び堆積領域の高さと実質的に等しい高さを有する。改良例において、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などのゲッタリング能力を有する金属で作られてもよい。この場合、シールドされた陰極電子放出源は、被覆システムの圧送効率を改善することができる真空ゲッタリング・ポンプとしても働くことができる。ゲッタリング圧送効率をさらに改善するために、陰極チャンバー１８内の陰極ターゲット２８の蒸発面に面するシールド３６は、水冷式で、任意選択で高電圧バイアス電源に接続されてもよい。水冷式シールド３６が、陰極ターゲット２８に対して−５０Ｖ〜−１０００Ｖの高い負電位にバイアスされているとき、水冷式シールド３６は、陰極アーク蒸発プロセスによる金属イオンの発生によって強烈なイオン衝撃にさらされる。強烈なイオン衝撃の状態での金属蒸気の凝縮は、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｋｒなどの希ガス並びに水素を圧送するのに好都合である。
【００３０】
また、システム１０は、陰極２８と電気的に結合された遠隔陽極４４、陰極２８と陰極結合主陽極との間に接続された一次電源４８を含む。遠隔陽極４４は、蒸発源１６が陰極チャンバー組立体１８と遠隔陽極との間に位置するように真空チャンバー１２内に置かれている。改良例において、複数の蒸発源が、以下でより詳細に述べるように、陰極チャンバー組立体１８と遠隔陽極４４との間に置かれている。また、システム１０は、陰極２８を遠隔陽極４４に電気的に結合する二次電源５２を含む。また、抵抗器Ｒ及びキャパシタＣを含む低域通過フィルター５４が図１Ｃに表されている。典型的には、蒸発源１６は、陰極チャンバー組立体１８と遠隔陽極４４との間に置かれる。システム１０は、低減された圧力を維持するためのポンプ・システム５６、及び堆積チャンバー１２内に１つ又は複数のガス（例えば、アルゴン、窒素、ヘリウムなど）を導入するためのガス・システム５８をさらに含む。改良例において、被覆チャンバー１２内の遠隔のアーク放電に電力を供給する二次電源５２は、陰極チャンバー組立体１８と遠隔陽極４４との間に据え付けられ、一次電源４８よりも少なくとも２０％高い開路電圧を供給する。
【００３１】
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、及び図１Ｄをさらに参照すると、主アークは、電子電流４０を送出するための開口部３８を有するシールド３６によって放電チャンバーから絶縁された陰極チャンバー２４内のアーク点弧器６０によって点火される。典型的には、スクリーン近くのプラズマ電位は、低く、陰極チャンバー組立体１８のプラズマ電位に近いが、遠隔アーク放電プラズマ中では、電位は、高く、遠隔陽極４４の電位に近い。図２は、有限要素モデリングによって得られたスクリーンと遠隔陽極との間のプラズマ電位の典型的な分布を提供する。驚くことに、本被覆システムは、陰極チャンバー組立体１８から遠隔陽極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わかった。図１Ｄは、遠隔陽極４４と陰極２８との間のプラズマ密度の移動を示す概略図を提供する。閉じ込められたプラズマ（すなわち、プラズマ・ジェット）は、遠隔陽極と陰極との間を、被覆領域を通って流れる。閉じ込められたプラズマの端部は、図１Ｄに示すように方向ｄ４に沿って移動する。アークスポット６６は、腐食ゾーン６８とともに陰極２８上に形成される。遠隔陽極４４のプラズマ場６２及び陰極２８のプラズマ場６４は、方向ｄ４に沿って寸法的に約２．５４〜１２．７ｃｍ（約１〜５インチ）の空間内に閉じ込められている。一改良例において、ｄ４に沿ったラスター移動を遂行するために磁場が用いられる。他の改良例では、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。さらなる別の改良例において、電子による放出フィラメント衝突陰極をｄ４に沿って移動させる。図１Ｅに示すような、さらに別の改良例において、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順次活性化される複数の陰極エレメント２８１〜６を含む。プラズマ・アークを閉じ込めることによって、結果として主陰極における陰極アークスポットを遠隔陽極における関連付けられた領域と接続する、（主陰極、陽極、及びマグネトロンが取り付けられた）チャンバー壁と基板ホルダーとの間に生成された比較的狭い通路を通って広がる高密度のホット・プラズマ・ジェットが得られる。これによって、結果として陰極と遠隔陽極とを接続する移動プラズマ・ジェット中に高い電流密度が生じる。改良例において、この狭い通路内部の遠隔アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ）プラズマ中の電流密度は、０．１ｍＡ／ｃｍ２〜１００Ａ／ｃｍ２である。典型的には、バックグラウンドの遠隔アーク・プラズマ中の電子密度ｎｅは、約ｎｅ≒１０８ｃｍ−３〜約ｎｅ≒１０１０ｃｍ−３であるが、閉じ込められたアーク・プラズマ・ジェット領域内部では電子密度は、約ｎｅ≒１０１０ｃｍ−３〜約ｎｅ≒１０１３ｃｍ−３である。プラズマ・ジェットを生成する閉じ込めは、以下に述べるような構成要素間の物理的な寸法関係並びに磁場の印加の結果である。特に、放電は、イオン衝撃の高エネルギーに対応する非常に高いプラズマ電位で起こる（すなわち、イオン衝撃エネルギーは、（グランドに対する）プラズマ電位と（グランドに対する）基板バイアス電位との差である）。浮遊状態の及び接地された基板でさえ、プラズマ電位は、５０Ｖを上回るため、５０〜７０ｅＶを有するイオンが得られる。改良例において、プラズマ電位は、５Ｖ〜５００Ｖである。
【００３２】
図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、被覆システム１０の様々な構成要素の相対的なサイジングの態様が提供されている。遠隔陽極４４は、遠隔陽極長さ寸法Ｄａを有する。蒸発源１６は、蒸発源長さ寸法Ｄｖを有する。陰極ターゲットＴｓは、陰極ターゲット長さ寸法Ｄｃを有する。基板ホルダー２０は、ホルダー長さ寸法Ｄｈを有する。改良例において、遠隔陽極長さ寸法Ｄａ、蒸発源長さ寸法Ｄｖ、陰極ターゲット長さ寸法Ｄｃ、及びホルダー長さ寸法Ｄｈは、互いに平行である。別の改良例において、遠隔陽極長さ寸法Ｄａは、ホルダー長さ寸法Ｄｈ以上である陰極ターゲット長さ寸法Ｄｃ以上である蒸発源長さ寸法Ｄｖ以上である。
【００３３】
本実施例の変形例において、いくつかの遠隔陽極は、シールドされた陰極チャンバー組立体１８内に置かれた少なくとも１つのアーク陰極と関連付けられている（すなわち、電気的に結合されている）。遠隔陽極は、被覆チャンバー内の戦略的位置に置かれる。
【００３４】
別の変形例において、蒸発源のそれぞれ（例えば、蒸発源１６）と被覆される基板２２との間の垂直距離は、実質的に等しい。さらに、さらなる改良例において、陰極２８と遠隔陽極４４との間の距離は、二次電源５２の印加電圧が一次電源４８の印加電圧の１．２〜３０倍を上回るときにブレークダウンが生じる距離よりも小さい。
【００３５】
本実施例のさらなる別の改良例において、プラズマ密度を測定するために、陰極２８と遠隔陽極４４との間にプラズマ・プローブが据え付けられている。そうした測定によってフィードバックを行い、それによって、第２の電源５２を調整して、陰極チャンバー組立体１８と遠隔陽極４４との間でプラズマ密度の均一な分布が得られるように、遠隔陽極４４に対する遠隔陽極電流の調整を行う。
【００３６】
図１Ｆ及び図１Ｇを参照すると、遠隔プラズマ・システムの代替構成が提供されている。図１Ｆは、スパッタ源と陽極との間に基板が置かれた被覆システムの概略図を提供する。被覆システム７０は、マグネトロン・スパッタリング源７４と陽極７６との間に置かれた基板ホルダー７２を含む。また、被覆システム７０は、上述した設計の陰極チャンバー７８を含む。この構成によって、マグネトロン・スパッタリング中により高いイオン衝撃支援割合を提供する遠隔アーク・プラズマ密度が増加する。図１Ｇは、細線の陽極を有する被覆システムの概略図を提供する。被覆システム８０は、細線から構成された陽極８２を含む。陽極８２は、マグネトロン・ターゲット８４と基板ホルダー８６との間に据え付けられている。また、被覆システム８０は、上述したような陰極チャンバー８８を含む。この後者の構成では、遠隔アーク放電プラズマのより高密度のゾーンは、マグネトロン・ターゲットと被覆される基板との間のギャップ内に生成される。
【００３７】
本実施例の遠隔アーク・プラズマ・モデリングは、陰極チャンバー組立体１８と遠隔陽極４４との間の電位分布によって、及び遠隔アーク放電プラズマ中のプラズマ密度によって特徴づけられる。遠隔アーク放電プラズマ中のプラズマ電位及び陽極電位は、遠隔放電電流が増加するとともに増加する。遠隔アーク放電プラズマ中のプラズマ密度は、放電電流にほぼ比例して増加する。この結果は、遠隔アーク放電プラズマの発光分光法によって確認されている。図３は、遠隔アーク放電プラズマの中から、励起されたアルゴン原子によって放出された放射（スペクトル線ＡｒＩ  ７３９．７９ｎｍ）の放電電流に対する強度を示す。電子の直接衝突によって励起されたアルゴン原子からの発光の強度は、放電電流にほぼ比例することがわかる。この現象は、遠隔アーク・プラズマ中の電子濃度と遠隔アーク放電電流との間の直線比例関係によって説明される。遠隔アーク放電中のイオン濃度は、電子濃度とほぼ等しく、それによってプラズマの疑似中性が維持される。
【００３８】
図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃを参照すると、一方の側のシールドされた陰極チャンバー組立体ともう一方の側の遠隔のアーク陽極との間にインラインで据え付けら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変形例が提供されている。本文脈において、用語「インライン」は、基板が直線方向に移動しながら構成要素上を通過することができるように、構成要素が直線状に配置されていることを意味する。図４Ａは、ガスプラズマ環境の均一性及び高いイオン化を確実にするために追加された、追加のシールドされた陰極チャンバー組立体とともにマグネトロン・スパッタリング源との間に置かれた追加の遠隔陽極を有する被覆システムの概略図を提供する。堆積システム９０は、上述したような関連付けられた真空システム及びガス供給システムを有する真空チャンバー９２を含む。また、堆積システム９０は、蒸発源９６及び９８、陰極チャンバー組立体１００及び１０２、並びに被覆される基板２２を保持するための基板ホルダー１０４を含む。図４Ａは、蒸発源９６、９８がマグネトロン・スパッタリング源である変形例を表す。基板は、被覆中、蒸発源の前に置かれる。典型的には、基板２２は、被膜の堆積中に方向ｄ１に沿って移動する。陰極チャンバー組立体１００及び１０２は、それぞれ、開口部１１４及び１１６が画成された陰極エンクロージャー１１０及び１１２、陰極１１８及び１２０、任意選択の主陽極１２２及び１２４、並びにシールド１２６、１２８を含む。シールド１２６、１２８は、それぞれ、陰極１１８、１２０を真空チャンバー９２から絶縁する。シールド１２６、１２８は、それぞれ、電子放出電流を真空チャンバー９２内へ送出するための開口部を画成する。改良例において、陰極１１８、１２０は、陰極アーク陰極であり、主陽極１２２、１２４は、陰極アーク陽極である。また、システム９０は、陰極１１８、１２０に電気的に結合された遠隔陽極１３０、１３２をそれぞれ含む。図４Ａに表されるような改良例において、シールドされた陰極チャンバー組立体、蒸発源（例えば、マグネトロン・ターゲット）、及び遠隔陽極は、直線に沿って一列に並び、これはインライン被覆システムに適している。
【００３９】
図４Ｂは、マスタ陽極と複数のスレーブ陽極それぞれとの間に据え付けられた可変抵抗器を含む被覆システムの概略図を提供する。本改良例において、被覆システム１４０は、上述した一般的な設計である真空チャンバー１４２及び陰極チャンバー組立体１４４を含む。陰極チャンバー組立体１４４は、陰極チャンバー１４６、陰極１４８、アーク点弧器１５０、複数の開口部を画成するシールド１５２、及び任意選択の主陽極１５４を含む。また、システム１４０は、陰極１４８及び主陽極１５４を接続する一次電源１５６、並びにマグネトロン・スパッタリング源１５６、１５８、１６０を含む。各マグネトロン・スパッタリング源は、ターゲットＴｓと、電源Ｐｓと、遠隔陽極１４２をやはり含む関連付けられた対向電極システム１２０とを有し、二次電源１４４が陰極１２８と遠隔陽極１４２との間の電位を提供する。また、システム１２０は、可変抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４によって確立される中間電位にあるスレーブ陽極１４６、１４８、１５０、１５２を含む。本改良例において、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、スレーブ陽極のそれぞれを流れる電流を変化させることによって制御することができる。各スレーブ陽極間の距離、及びマスタ陽極に最も近いスレーブ陽極とマスタ陽極との間の距離は、ある処理ガス組成及び圧力においてプラズマ放電が中断する最小の距離よりも大きくなることはできない。
【００４０】
図４Ｃは、キャパシタに並列の抵抗器を使用して中間の陽極の電位を設定する改良例を提供する。本改良例では、Ｃ５に並列の抵抗器Ｒ５が陽極１６６に対する電位を設定し、Ｃ６に並列の抵抗器Ｒ６が陽極１６８に対する電位を設定し、Ｃ７に並列の抵抗器Ｒ７が陽極１７０に対する電位を設定し、Ｃ８に並列の抵抗器Ｒ８が陽極１７２に対する電位を設定する。本改良例では、キャパシタを使用して、陰極チャンバー内の陰極と、陰極チャンバー内の陰極とマスタ陽極との間に置かれたスレーブ陽極それぞれとの間で遠隔アーク放電をパルス点弧することによって遠隔アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ）プロセスを大きな距離に沿って延在させる。スレーブ陽極は、追加の独立した電源を備えることもでき、スレーブ陽極の電源それぞれを、陰極１４８と対応するスレーブ陽極との間に据え付けることができることを認識されたい。マスタ陽極又はスレーブ陽極のいずれかに接続された各二次電源の開路電圧は、主アーク電源１３６の開路電圧の少なくとも１．２倍を上回る。
【００４１】
本発明のさらに別の変形例において、遠隔アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ）装置のインライン・モジュール式構成が図５に提供されている。そうしたインライン・システムは、任意の数の堆積ステーション及び／又は表面処理ステーションを含むことができる（例えば、プラズマ・クリーニング、イオン注入浸炭処理、窒化処理など）。図５に表す変形例では、被覆システム１７４は、インラインで並んだモジュール１７６〜１８４を含む。モジュール１７６〜１８４は、ロード・ロック仕切り弁１８６〜１９６によって隣接するモジュールから分離されている。モジュール式遠隔アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ）表面エンジニアリング・システム１７４は、上述したようなチャンバーの１つの壁に沿って置かれた、シールドされた陰極アーク・チャンバー１９８及び遠隔陽極２００を有するチャンバー・モジュールであるモジュール１９６を含む。また、本図には、被覆チャンバーに沿って１〜１００ガウスの長手方向磁場を生成する、任意選択の１組の磁気コイル２０２、２０４が示されている。このモジュール１７６は、以下の動作、すなわち、基板の装填と、シールドされた陰極チャンバー内の陰極と遠隔陽極との間に生成される遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ：ｒｅｍｏｔｅ  ａｎｏｄｅ  ａｒｃ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）プラズマによるアルゴン中での高エネルギー（典型的には、Ｅ＞２００ｅＶ）のイオン衝撃による基板のイオン・エッチング又はイオン・クリーニングと、シールドされた陰極チャンバー内の陰極と遠隔陽極との間に生成されるアルゴンの遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマ中でのソフトなイオン衝撃（典型的には、Ｅ＜２００ｅＶ）による、被覆される基板のコンディショニングと、を行う。第２のモジュール１７８は、シールドされた陰極チャンバー内の陰極と遠隔陽極との間に生成された窒素、又はアルゴン窒素混合物の遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマ中で、被覆される基板表面をイオン窒化処理する。遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマ浸漬イオン窒化処理プロセスにおけるＨＳＳ、Ｍ２及び４４０Ｃ鋼のプラズマ浸漬イオン窒化処理の速度は、０．１ミリトール〜２００ミリトールの圧力及び１０〜３００アンペアの遠隔陽極電流において、典型的には０．２〜１００ミリトールの圧力及び１０〜２００アンペアの遠隔陽極電流の範囲内で０．５〜１μｍ／分に達する。遠隔陽極アーク放電（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℃を上回らない低温の処理である。このプロセスでは、基板は、浮遊状態であっても、接地されていても、非常に低い（例えば、−１００Ｖを下回る）負バイアス電圧にバイアスされていてもよい。そうした低いバイアス電圧でのイオン窒化処理は、高い正の遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマ電位によってプラズマ・イオンが、接地された基板電位を上回る高いプラズマ電位から過度のエネルギーを受け取るためである。或いは、ガス状の遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマから、窒素、燐、シリコン、炭素といった元素の低エネルギー・イオン注入を、典型的には−２００〜−１５００ボルトの比較的低い基板バイアス電圧で行うこともで���る。遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマ処理中の電位分布図を図６に示す。典型的な遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマ・プロセスでは、主陰極は、グランド主陽極に対して−２０〜−５０ボルトの電位を有する。改良例では、浮遊状態の基板電位は、主陰極に対して−１０〜−５０ボルトである。イオン窒化処理、浸炭処理、及び他のイオン拡散飽和プロセス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〜−２００Ｖであるが、遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマ浸漬の低エネルギー・イオン注入プロセスでは、基板バイアスは、典型的には−２００〜−１５００ボルトである。
【００４２】
また、図５のモジュール式チャンバー・レイアウトを使用して、ガス遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマ・チャンバー（例えば、図５のモジュール１７６、１７８及び１８４）内で遠隔陽極アーク・プラズマ支援化学気相堆積（ＲＡＡＣＶＤ：ｒｅｍｏｔｅ  ａｎｏｄｅ  ａｒｃ  ｐｌａｓｍａ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ＣＶＤ）プロセスを行うことも可能であることがわかる。例えば、この低圧プラズマ浸漬化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス装置は、０．１〜１％のメタン、バランス水素、又は水素・アルゴン混合物から構成されるプラズマ生成ガス雰囲気中で多結晶のダイヤモンド被膜を堆積させるために使用することができる。遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマは、多結晶のダイヤモンド被膜の形成に寄与する高密度の原子状水素及びＨＣラジカルを有する反応性雰囲気の強力な活性体として働く。本プロセスでは、被覆される基板は、接地されていても、浮遊状態にあっても、主陰極に対して−１００ボルトを下回らない負電位にバイアスされていてもよい。独立した輻射ヒータ・アレイを使用して、プラズマ促進低圧化学気相堆積プロセスにおいて多結晶のダイヤモンド被膜を堆積させるために、必要に応じて基板温度を２００℃〜１０００℃の範囲に維持することができる。
【００４３】
別の実施例において、曲線の壁に沿って並ぶプラズマ源を有する被覆システムが提供される。図７Ａは、中心に位置するシールドされた陰極チャンバーを有するバッチ被覆システムの概略上面図を提供する。図７Ｂは、図７Ａのバッチ被覆システムの概略斜視図を提供する。被覆システム２１０は、真空チャンバー２１２、陰極２１６を含む陰極チャンバー２１４、及びシールド２１８を含む。真空チャンバー２１２は、実質的に円形の断面を有する。また、システム２１０は、陰極２１６と主陽極２２２との間の電位を設定する一次電源２２０を含む。また、システム２１０は、それぞれがターゲットＴｓ、電源Ｐｓ、及び陽極Ａｓを含むマグネトロン・スパッタリング源２２４〜２３０を含む。改良例では、マグネトロン・スパッタリング源２２４〜２３０は、真空チャンバー２１２の断面と同じ中心を有する円に沿って配置されている。また、システム２１０は、電源２３６及び２３８によって陰極２１４に対してある電位に設定された遠隔陽極２３２及び２３４を含む。本実施例では、基板２２は、基板２２が被覆されるとともに、円周方向ｄ２に沿って軸のまわりを移動する。図７Ａ及び７Ｂの変形例のそれぞれにおいて、プラズマは、陰極２１６と遠隔陽極との間を流れる。この流れは、遠隔陽極（又はスパッタ源）と基板（すなわち、基板の上部）との間の間隙によって閉じ込められ、この間隙が、典型的には、５．０８〜５０．８ｃｍ（２〜２０インチ）である。閉じ込めは、被覆ゾーンを通って続く。さらに、プラズマは、図１Ｄに関して上述したように基板の移動と垂直な方向に、陰極に沿ってラスター走査される。
【００４４】
上述したように、遠隔陽極２３２及び２３４は、遠隔陽極長さ寸法Ｄａを有する。マグネトロン・スパッタリング源２２４〜２３０は、マグネトロン・スパッタリング源長さ寸法Ｄｓを有する。陰極ターゲット２１６は、陰極ターゲット長さ寸法Ｄｃを有する。基板ホルダー２０は、ホルダー長さ寸法Ｄｈを有する。改良例では、遠隔陽極長さ寸法Ｄａ、陰極ターゲット長さ寸法Ｄｃ、及びホルダー長さ寸法Ｄｈは、互いに平行である。別の改良例では、遠隔陽極長さ寸法Ｄａは、ホルダー長さ寸法Ｄｈ以上である陰極ターゲット長さ寸法Ｄｃ以上である。
【００４５】
アーク・プラズマ促進マグネトロン・スパッタリング被膜堆積プロセス中にプラズマ密度をさらに向上させるために、上述した実施例に対する被覆チャンバーにおいて外部磁場を印加することが可能であることがわかる。好ましい磁場は、陰極アーク・チャンバー及び／又は遠隔陽極と略平行に並んだ磁力線を有する。これは、アーク放電電圧の増加に、したがって電子エネルギー及び被覆チャンバーに沿ったアーク・プラズマ伝搬長に寄与する。例えば、外部磁場は、図５に示すインライン被覆システムの被覆チャンバーに沿って印加されてもよい。
【００４６】
上述した被覆チャンバー内の均一なプラズマ密度分布は、遠隔陽極及びシールドされた真空アーク陰極ターゲットの電子放出面の両方を適切に分布させて、被膜堆積領域を均一にカバーすることによって実現することができる。例えば、被膜堆積領域の高さが１ｍである場合、シールドされた陰極ターゲットの電子放出面及び電子電流収集遠隔陽極面の両方を、この１ｍの高さの被膜堆積領域を均一にカバーするように分布させなければならない。これらの要求を実現するために、いくつかの小さな陰極ターゲットをシールドされた陰極チャンバー内に据え付けることができ、陰極ターゲットのそれぞれが独立した電源の負極に接続される。陰極ターゲットは、略均一に分布し、したがって、陰極ターゲットのそれぞれによって放出された電子流がシールドされた陰極チャンバーの外側で重なり合い、被膜堆積領域上の電子密度の略均一な分布が提供される。遠隔アーク電源の正極は、被膜堆積領域の高さと略同一の高さを有する、及び図１及び図４〜図６に示すような、被覆される基板を有する基板ホルダーに面する、１つの大きな陽極板に接続されてもよい。それぞれが遠隔アーク電源の正極に接続された陽極板の組を用いて、被膜堆積領域上の電子密度の均一な分布を提供することができる。同様に、シールドされた陰極チャンバー内の１組の小さな陰極ターゲットを使用する代わりに、被膜堆積領域の長さ寸法と同様の長さ寸法を有する単一の大きな陰極ターゲットを、遠隔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（すなわち、陰極アークスポット）は、陰極ターゲット上をラスター走査され、被膜堆積領域上の電子放出電流の略均一な分布を提供する。大きな陰極ターゲット領域上の陰極アークスポット・ラスター走査は、例えば、陰極アークスポットを、陰極ターゲットのアーク蒸発領域上で磁気ステアリングすることによって、又は機械的に移動させることによって実現することができる。
【００４７】
図８Ａ〜図８Ｈを参照すると、磁気ステアリングされる陰極アークスポットを使用する、図７Ａ及び図７Ｂの被覆システムの改良例を表す概略図が提供されている。本変形例は、特許文献１の特徴を組み込み、特許文献１の開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。図８Ａを参照すると、システム２１０’は、ハウジング２７４の２つの相対する側面間の陰極チャンバー１９４内部に形成されたプラズマ・ダクト２７２を取り囲むダクト磁気コイル２７０を含む。コイル２７０は、陰極ターゲット２１６の側面２１６ａに面する巻線２７０ａ、及び陰極ターゲット２１６の側面２１６ｂに面する反対側の巻線２７０ｂを含む。陰極ターゲット２１６は、長さがｄＡの略棒状である。ダクト・コイル２７０は、ダクト２７２に沿って磁場を生成し、磁力線が陰極ターゲット２１６の側面２１６ａ及び２１６ｂと略平行である。陰極アークスポット２７８が蒸発面２１６ａ又は２１６ｂ上で点弧されると、アークスポット２７８は、棒陰極２１６の長い側面に沿って移動する。棒の端部で、アークスポット２７８は、向きを替えて、棒の反対側に向けて反対方向にその移動を続ける。磁力線に垂直な陰極棒の側面に取り付けられた絶縁セラミック板（図示せず）は、アークスポットが陰極２１６の蒸発面から逸脱するのを防ぐ。シールド２１８は、被覆チャンバー２１２内の被覆領域に面するプラズマ・ダクト２７２の端部に任意選択で据え付けられる。改良例では、シールド２１８は、被覆プロセスの段階に応じてプラズマ・ダクト２７２を開閉することができるように（図８Ａの矢印によって示すように）移動可能である。シールド２１８を閉じると、遠隔陽極アーク放電（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を促進する遠隔アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ）プロセスを行うことができる。ダクト２７２の端部を開くと、陰極アーク・プラズマは、ダクト・コイル２７０によって生成された磁力線に沿って被覆される基板２２に向かって流れ、その結果、望ましくない中性の金属原子及びマクロ粒子から磁気的にフィルターされた陰極アーク金属蒸気プラズマによる陰極アーク被膜の堆積が行われる。フィルタード陰極アーク被膜堆積は、単一のプロセスフェーズとして行われても、又はマグネトロン・スパッタリング源２２４〜２３０によるマグネトロン・スパッタリングと併用して行われてもよい。陰極チャンバー２１４内の陰極２１６と遠隔陽極２３２、２３４との間で確立される遠隔アーク放電によるプラズマ環境のイオン化及び活性化は、被膜の密度、平滑度、並びに他の物理化学的な及び機能的な特性を改善する。
【００４８】
図８Ｂ及び図８Ｃを参照すると、陰極アークスポットを、細長い矩形の棒陰極のまわりを磁気ステアリングするメカニズムを表す概略図が提供されている。矩形の棒状陰極２１６は、ダクト・コイル巻線２７０の２つの部分間に置かれている。左の巻線２７０ａ及び右の巻線２７０ｂは、陰極２１６の蒸発側面に面する。陰極側面２１６ａは、ダクト・コイル巻線側面２７０ａに面し、一方、陰極側面２１６ｂは、ダクト・コイル巻線側面２７０ｂに面する。ダクト・コイル巻線２７０によって生成された磁場Ｂは、ダクト・コイル巻線に面する陰極２１６の側面と平行であり、同時に細長い陰極２１６の軸ｄＡ（すなわち、陰極ターゲット２１６の長い側面）に垂直である。陰極アークスポット２７８が、ダクト・コイル巻線アークに面する陰極２１６の側面で点弧されると、陰極ターゲット２１６の表面と垂直に、したがってダクト・コイル２７０によって生成された磁力線Ｂと垂直に電流Ｉａｒｃが生成される。この場合、陰極アークスポットは、陰極の長い側面に沿って平均速度Ｖａｒｃで移動し、この速度は、アーク電流Ｉａｒｃと磁場Ｂの積によって規定されるアンペールの力に比例し、よく知られているアンペールの法則に従う。すなわち、
Ｖａｒｃ＝（−／＋）ｃ＊Ｉａｒｃ＊Ｂ        （１）
【００４９】
ここでｃは陰極材料によって規定される係数である。また、ダクト・コイル２７０によって生成される磁場は、陰極ターゲットの４つの側面と平行である（すなわち、陰極ターゲット２１６の蒸発側面のまわりで同一方向に長い）ので、アークスポットの移動の方向（上記式中のかっこ内の符号）は、陰極ターゲットの材料によって決まる。例えば、陰極アークスポット２７８ａがダクト・コイル巻線２７０ａに面する陰極側面２１６ａ上に生成される場合、アークスポットは、陰極ターゲット２１６を長い側面２１６ａに沿って下に移動する。陰極棒の端部で、アークスポットは、短い側面２１６ｄへ向きを変え、続いて長い側面２１６ｂへ向きを変え、次いで長い側面２１６ｂに沿って進むなどする。
【００５０】
図８Ｃは、ダクト・コイル２７０によって生成された磁力線２８０と平行な陰極ターゲット２１６の蒸発側面２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃ及び２１６ｄに沿って移動するアークスポットを表す。ダクト・コイルは、ダクト・コイル電源２８２によってエネルギーを与えられ、一方、アーク電源２８４は、陰極ターゲット２１６に接続されている。ダクト・コイルは、電流導体２８６、２８８、２９０及び２９２を含む電気回路によって接続されたコイル２７０ａ及び２７０ｂを含む。磁力線に垂直な陰極ターゲット１９６の側面は、アークスポットが陰極ターゲット２１６の蒸発面から逸脱するのを防ぐ絶縁板２９４によってカバーされている。陰極アーク・プラズマは、磁力線２８０を横切ってプラズマが拡散するのを防ぐ、ダクト・コイル２７０Ａ及び２７０Ｂによって生成される磁力２８０によってトラップされるが、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。
【００５１】
図８Ｄは、ダクト・コイルによる陰極スポットのステアリングに関するさらなる詳細を提供する。ダクト・コイル２７０によって生成される磁場は、上述したように磁力線と平行な陰極ターゲット棒２１６の側面に沿って陰極アークスポットをステアリングする。陰極アークスポットの移動の方向は、矢印ＡＤによって示されている。プラズマ・ダクト２７２の端部を開くと、それによって陰極金属蒸気プラズマが磁力線に沿って被覆チャンバー内の基板ホルダー２０に据え付けられた基板２２に向かって流れることができる。中性粒子及びマクロ粒子は、陰極チャンバー内部でダクト２７２の内部壁上にトラップされ、プラズマ・ダクト２７２の外側の被覆領域に入力するほぼ１００％イオン化された金属蒸気プラズマが得られる。陰極チャンバーのこの設計は、本質的に、改良された被膜を堆積させるために、発生する金属蒸気プラズマ中のマクロ粒子及び中性粒子を取り除き、ほぼ１００％原子的にクリーンなイオン化された金属蒸気をもたらすことができるフィルタード陰極アーク金属蒸気プラズマ源の設計である。陰極１９６と遠隔陽極２３２、２３４との間で確立される遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマは、遠隔アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ）被膜堆積プロセスにおけるプラズマ環境のイオン化及び活性化を促進し、結果として改善された被膜特性が得られる。この設計では、ハイブリッドの被膜堆積プロセスは、単一の陰極アーク被膜堆積若しくはマグネトロン被膜堆積として、又は高度にイオン化された遠隔アーク・プラズマ環境中に浸漬させたマグネトロン金属スパッタリング流を用いる陰極アーク金属蒸気プラズマを組み合わせるハイブリッドプロセスとして行われてもよい。
【００５２】
図８Ｄをさらに参照すると、大面積マグネトロン・スパッタリング被膜堆積プロセス及びハイブリッドプロセスのアーク・プラズマ促進に関する課題が、少なくとも１つの遠隔アーク陽極を陰極ターゲット棒２１６との直線視野から外して置くことによって対処されている。この変形例では、基板ホルダー２０’によって保持された少なくとも１つの基板２２、及びマグネトロン・スパッタリング源２２４〜２３０は、プラズマ・ダクト２７２の外側の被覆チャンバー領域に置かれる。この遠隔アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ）プロセスは、従来のマグネトロン源によって生成された金属スパッタリング流を、高密度の、高度にイオン化された遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）ガスプラズマ中に効果的に浸漬させる。遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマに電力を供給する遠隔アーク電源（図示せず）は、アーク陰極ターゲット２１６と少なくとも１つの遠隔陽極２３２との間に据え付けられている。遠隔陽極２３２、２３４は、アーク陰極２１６と隣接する陽極との間で点弧される陰極チャンバー内の主アーク放電に電力を供給する電源よりも少なくとも２０％高い開路電圧を提供する。隣接する陽極は、プラズマ・ダクト・エンクロージャーの内部壁２９６ａ、２９６ｂであっても、又は任意選択でプラズマ・ダクト２７２内部の独立した陽極電極であってもよい。別の改良例では、それぞれがプラズマ・ダクト２７２内部に置かれた少なくとも１つのアーク陰極に関連付けられたいくつかの追加の遠隔陽極を利用することができる。遠隔陽極は、陰極２１６からの直線視野から外れた、プラズマ・ダクト２７２の端部開口部間の、被覆チャンバー内部の戦略的な位置に置かれる。プラズマ・ダクト２７２の端部開口部と遠隔陽極２３２、２３４との間の最小の距離は、陰極と遠隔陽極との間に印加される電圧が、陰極と、電気的に接地されていても絶縁されていてもよい主（隣接）陽極との間の電圧降下の１．２〜１０倍を上回るときにプラズマ放電がブレークダウンする距離よりも小さくなければならない。
【００５３】
図８Ｅは、マクロ粒子フィルターを利用する、図８Ａ〜図８Ｄの被覆システムの変形例を表す。この変形例の設計は、特許文献２及び特許文献３の改良されたマクロ粒子フィルターを組み込み、これら特許の全開示が参照により本明細書に組み込まれる。システム２１０’は、陰極ターゲット２１６の相対する側面に隣接して置かれた、プラズマ・ダクト２７２の相対する側面に面するトリミング・コイル３００ａ及び３００ｂを含む。相対するダクトの内部壁２９６ａ及び２９６ｂは、溝、又は任意選択でマクロ粒子をトラップするためのバッフルを備える。ダクト・コイル２７２は、陰極ターゲットの長辺２１６ａと平行な、ダクトの側面２９６ａに面する巻線部分２７０ａによってダクト２７２を取り囲む。同様に、巻線部分２７０ｂは、陰極ターゲットの長辺２１６ｂと平行であり、ダクトの側面２９６ｂに面する。トリミング・コイル３００ａ、３００ｂは、電磁コイル３０４によって取り囲まれた磁芯３０２を含む。陰極アークスポットは、上述した式（１）によるアンペール力の影響下で、陰極ターゲット２１６の蒸発側面２１６ａ及び２１６ｂに沿って移動する。ダクト２７２の対称面に垂直な陰極ターゲット２１６の側面は、アークスポットが陰極ターゲット２１６の蒸発面から逸脱するのを防ぐために、セラミック絶縁板２９４ａ及び２９４ｂによってカバーされている。トリミング・コイル３００ａ、ｂによって生成される磁場の方向は、ダクト・コイル２７０によって生成される磁場の方向と一致する。しかしながら、陰極ターゲットの蒸発面２１６ａ又は２１６ｂの近傍で、トリミング・コイル３００ａ、ｂによって生成される磁力線は、アーチ形であり、それによって、陰極アークスポットを、よく知られた鋭角規則による要請として陰極ターゲットの蒸発領域内部に閉じ込めることができる（例えば、非特許文献１を参照）。
【００５４】
図８Ｆ、図８Ｇ、及び図８Ｈは、トリミング・コイル３００ａ、ｂによって生成される磁場によるアーク閉じ込めのメカニズムを示す概略図を提供する。陰極アークスポット２７８は、アークスポット閉じ込めの鋭角規則によって要請されるようにアーチ形の磁力線の最上点の下に位置する。陰極ターゲット２１６の蒸発面上方のアーチ形の形状を有する磁場は、ダクト２７２に面する陰極ターゲット２１６の両側のトリミング・コイル３００ａのＳ極とトリミング・コイル３００ｂのＮ極との間に生成される。プラズマ・ダクト２７２内部の磁場の形状は、数値計算を使用して評価される。ダクト・コイル２７０及びトリミング・コイル３００の両方をオンにすると、プラズマ・ダクト２７２内の磁場が同じ方向の磁場を生成することが図８Ｇに示されている。この図は、磁力線が同じ方向を向いてはいるが、それでも陰極ターゲット２１６の蒸発面の近傍でアーチ形の形状を有することを示す。このモードでは、中性の金属原子及びマクロ粒子から磁気的にフィルターされた陰極アーク・プラズマは、プラズマ・ダクト２７２から離れるように磁力線に沿って、プラズマ・ダクト２７２の外側の被覆チャンバーの被覆領域において被覆される基板（図示せず）に向かって流れる。このフィルタード陰極アーク堆積モードでは、たとえあったとしても、わずかな中性の金属原子又はマクロ粒子しか有さないほぼ１００％イオン化された金属蒸気プラズマが基板上に堆積し、それによって優れた特性を有する欠陥のない被膜を生成する。また、マグネトロン・スパッタリング被膜を、この動作モード中にプラズマ・ダクト２７２の外部壁に置かれたマグネトロンによって堆積させることができる。この動作モード中の被膜堆積プラズマ環境のさらなるイオン化及び活性化は、陰極２１６と、プラズマ・ダクト２７２の外部壁上の、或いはマグネトロン源に相対する、被覆チャンバーの内部壁上のマグネトロンに隣接して置かれた遠隔陽極２３２、２３４との間に確立された遠隔アーク放電によって提供される（図示せず）。図８Ｈを参照すると、磁力線は、ダクト・コイル２７０を「オフ」にすると、プラズマ・ダクト内部で方向を切り替えることが示されている。しかしながら、両方のトリミング・コイル３００ａ、ｂを「オン」にすると、陰極ターゲット２１６の蒸発面上方にアーチ形の磁場が生成される。動作モードに応じて、偏向ダクト・コイル２７０によって生成される偏向磁場を「オン」又は「オフ」にすることができる。偏向ダクト・コイル２７０の磁場を「オン」にすると、陰極ターゲット２１６によって生成される金属蒸気プラズマは、プラズマ・ダクト２７２の全体にわたって双方向に基板２０に向かって輸送される。偏向ダクト・コイル２７０を「オフ」にすると、陰極ターゲット２１６によって生成される金属蒸気プラズマは、基板２０に向かって輸送されないが、陰極アークスポットは、トリム・コイル３００ａ、ｂによって生成されたステアリング磁場によって駆動され、ターゲット棒２１６のまわりを移動し続ける。この変形例では、ダクト・コイルは、機械シャッター又は図７Ａに示すようなシールドを不要にする磁気シャッターとして働く。磁気シャッターが「オン」の場合、金属蒸気は、プラズマ・ダクトを通って処理チャンバー内の基板２０に向かって輸送される。磁気シャッターが「オフ」の場合、磁気シャッターは、閉じられ、金属蒸気は、基板２０に達しない。図７Ｈは、ダクト・コイルの電流がゼロに設定され、トリム・コイルの電流が０．１アンペアに設定されたときに、プラズマ・ダクト２７２中の磁場の分布がゼロであり、ダクト・コイルの電流がゼロであることを示す。ダクト・コイル２７０の磁場がゼロのとき、金属蒸気プラズマをプラズマ・ダクト２７２から離れるように輸送する磁場はないが、トリム・コイル３００ａ、３００ｂは、依然として、ターゲット２１６の蒸発領域内部へのアークスポット２７８の閉じ込め（蒸発ターゲット面での磁気アーチ形状）、及び陰極棒１９６のまわりのアークスポットの移動のステアリングの両方を行うのに十分な、アーチ形の幾何学形状を有する磁場を生成することがわかる。この後者の動作モードにおいて、陰極アーク金属蒸気プラズマがプラズマ・ダクト内部にトラップされるとき、電子は、それでもプラズマ・ダクトから離れるように被覆チャンバー内のプラズマ・ダクト２７２の外側に置かれた遠隔陽極に向かって流れる。結果として生じる遠隔アーク放電は、プラズマ・ダクト２７２内の陰極２１６と、プラズマ・ダクト２７２の外部壁に又はマグネトロン源（図示せず）に相対する位置にある被覆チャンバーの壁に置くことができる遠隔陽極（図示せず）との間で確立される。遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマは、被覆チャンバー内の被膜堆積処理環境のイオン化及び活性化を促進し、結果として優れた特性を有する改良された被膜の堆積が得られる。
【００５５】
磁気シャッターを閉じると、陰極ターゲット２１６は、それでも、処理チャンバー内に遠隔アーク支援放電プラズマを確立するために遠隔陽極に向かって抽出できる大きな電子電流を生成する。遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマは、１０１０〜１０１３ｃｍ−３の高い密度、３〜２０ｅＶの高い電子温度、及び遠隔陽極の電位に略類似する高いプラズマ電位によって特徴づけられる。実証研究によって、磁気シャッターがプラズマ・ダクト２７２を密閉することができ、それによって磁気シャッターを閉じると金属蒸気プラズマが基板２０に達するのを防止することが確認されている。これらの実験で使用された陰極ターゲット棒２１６は、ステンレス鋼で作られた。基板２０として使用されるシリコンウェーハは、２時間の被膜堆積プロセス中に５ＲＰＭで回転する円テーブル基板ホルダーの基板保持シャフトに据え付けられる。トリム・コイル３００の電流は、０．２Ａに設定され、一方、ダクト・コイル２７０の電流は、ゼロに設定される。アルゴンの圧力は１．５ミリトールであり、一方、主アークの電流は、１４０アンペアである。２時間曝した後、基板を取り外し、被膜厚さが、Ｖｅｅｃｏ  ＮＴ３３００  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｆｉｌｅｒを使用して光学干渉法によって測定される。結果を、以下の表１に示す。
【００５６】
【表１】
2017031501.tif 000003
【００５７】
表１に示す結果から、磁気シャッターを閉じた場合、回転する基板ホルダー上の堆積速度は、６ｎｍ／時間を上回らないことになる。フィルタード陰極アーク堆積又はマグネトロン・スパッタリング源のいずれかによる被膜堆積プロセスにおいて生成される平均の被膜厚さは、典型的には１μｍ／時間を上回る。この場合、金属蒸気の漏れによって、被膜中のドーピング元素が、産業用の被膜堆積プロセスで使用される陰極ターゲットの不純物の通常のレベルを超えて増加することはない。
【００５８】
遠隔アーク支援表面エンジニアリング（ＲＡＡＳＥ：ｒｅｍｏｔｅ  ａｒｃ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）チャンバー内で以下のプロセスを行うことができる。
【００５９】
１．高密度の遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマ中でのイオン・クリーニング／エッチング（磁気シャッターは閉じている）。
【００６０】
２．低温イオン窒化処理又は酸窒化処理、プラズマ浸炭処理。このプロセス中の基板の温度は、１５０℃と低くてもよい。遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）窒素プラズマ中のＭ２鋼のイオン窒化処理の速度は、典型的には０．１〜０．５μｍ／分の範囲にある（磁気シャッターは閉じている）。
【００６１】
２．低エネルギー・イオン注入（２ｋＶ未満の基板バイアス）（磁気シャッターは閉じている）。
【００６２】
３．フィルタード・アーク被膜の堆積（磁気シャッターは開いている）。
【００６３】
４．遠隔アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ）プロセスによるマグネトロン・スパッタリング被膜の堆積（磁気シャッターは閉じている）。及び
【００６４】
５．フィルタード・アーク被膜によって変調されたマグネトロン・スパッタリング被膜の堆積（必要な被膜変調周期を実現するためデューティサイクルごとに磁気シャッターのオフ／オン）。
【００６５】
図９Ａ〜図９Ｅを参照すると、追加のマグネトロン源を有するフィルタード・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・フィルタード・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。本変形例では、追加のマグネトロン・スパッタリング源３１０〜３１６は、フィルタード・アーク源２１６と磁気的に結合されたアーク陰極チャンバー２１４に隣接して置かれ、１０度〜８０度の開き角を形成するマグネトロン・ターゲットを有する。この開き角Ａｏは、基板に向かってマグネトロン・スパッタリング流を集束させる手助けをする。このフィルタード・アーク支援マグネトロン・スパッタリング・ハイブリッド被膜堆積プロセスでは、フィルタード・アーク金属プラズマは、ダクト・コイル２７０によって生成された輸送磁場の磁力線に沿って流れる。さらに、磁力線は、プラズマ・ダクト２７２の出口で分岐する。これによって、ターゲット面に近接してマグネトロン・スパッタリング・ターゲット領域のそばを通過し、大きな閉ループ磁場トポロジーを有するマグネトロン放電領域を横切る、フィルタード・アーク陰極からの金属イオンが生じる。これらの金属イオンの実質的な部分は、マグネトロン磁場にトラップされ、マグネトロン・ターゲットのスパッタリングに寄与し、このことは、スパッタ・ガス（アルゴン又は他の希ガス）がない場合でさえ、１０−６〜１０−２トールの幅広い圧力範囲で生じることがある。フィルタード・アーク陰極によって生成された金属イオンの別の部分は、基板２２に向かって進み、そこで集束マグネトロン・スパッタリング流と混合し、マグネトロン・スパッタリング被膜堆積プロセスのイオン化金属画分を提供する。金属蒸気のイオン化率を向上させることによって、被膜の密着性、密度、及び他の機械的特性、並びに平滑度が改善されることはよく知られている。
【００６６】
図９Ｂは、フィルタード・アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＦＡＡＭＳ）・ハイブリッド・フィルタード・アーク・マグネトロン双方向源のさらなる特徴を提供する。任意選択の追加の集束磁気コイル３２０は、プラズマ・ダクトの出口開口部に相対して置かれ、それによって、プラズマ密度のさらなる改善を行い、マグネトロン・スパッタリング流と、被覆チャンバー内で被覆される基板に向かって集束するフィルタード・アーク金属プラズマ流との混合を制御する（図示せず）。加えて、任意選択の集束磁気コイル３２４が、プラズマ・ダクト２７２の出口部分のマグネトロン・ターゲット３１０〜３１６のまわりに置かれている。集束コイル３２４は、マグネトロン・ターゲット近くのプラズマ密度の凝縮を改善する。ダクト・コイルに隣接する側のこれらのコイルによって生成される磁力線の方向は、ダクト・コイルによって生成される輸送磁場と同じ方向を有する。図９Ｃは、図９Ｂのシステムの改良例の概略図を提供する。本改良例では、磁場集束コイル３２８の対が、プラズマ・ダクトの出口部分に置かれ、マグネトロン源の両側でプラズマ・ダクトを取り囲む。図９Ｄは、図９Ａ〜図９Ｃの被覆システムの上部断面図を提供し、遠隔アーク・プラズマ（Ｆ１）、マグネトロン・スパッタリング流（Ｆ２）、及びフィルタード・アーク・プラズマ流（Ｆ３）が表されている。これらの集束コイルによって生成される磁場の方向は、ダクト・コイルによって生成される輸送磁場の方向と一致する。図９Ｅは、被覆システムのさらに別の変形例を提供する。図９Ｅは、被覆される基板２０を有する回転する基板保持ターンテーブル２２に関する被覆チャンバー２１２の区分概略図を表す。陰極チャンバー２１４は、被覆チャンバー２１２内で被覆される基板２０に相対して置かれている。陰極チャンバー２１４内の主アーク放電は、ハウジング２７４で囲まれた陰極ターゲット２１６上のストライカー４４０によって点弧される。ハウジング２７４は、陰極ターゲット２１６の表面から放出されたイオン、原子、及びマクロ粒子などの重粒子に対しては透過性がないが、電子が被覆チャンバー２１２内の遠隔陽極に向かって自由に流れることを可能にする開口部を備えたシールド２１８を有する。マグネトロン・ターゲット３１０、３１２は、陰極チャンバー・シールド２１８に隣接して置かれ、それによってマグネトロン・ターゲットから放出されたスパッタリング流がシールド２１８の前で高度にイオン化されたプラズマと結合し、被覆チャンバー２１２内の基板２０に向かって集束する。本装置では、陰極シールド２１８の前で発生する遠隔アーク・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、結果としてマグネトロン・ターゲット３１０、３１２によって発生する金属ガスプラズマのイオン化及び活性化の実質的な増加がもたらされ、それによって、被膜の密着性、密度、平滑度のさらなる改善、欠陥の低減、及び異なる用途に対するそれらの機能特性の改善に寄与する。
【００６７】
フィルタード・アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＦＡＡＭＳ）表面エンジニアリング・システムは、以下のモードで動作することができる。
【００６８】
１．遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマ浸漬イオン・クリーニング、イオン窒化処理、低エネルギー・イオン注入。陰極アーク源が動作しているこのモードでは、両方のトリム・コイルは、オンであるが、プラズマ輸送ダクト・コイルは、オフである。ダクト・コイルをオフにすることによって、プラズマ・ダクトの中心に置かれた陰極によって生成される金属プラズマが、プラズマ・ダクトから出て被覆チャンバー内で被覆される基板に向かって到達するのを効果的に防止するが、ガス状の高密度の、高度にイオン化された遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマは、プラズマ・ダクトの内部、及び被覆される基板が基板ホルダーに置かれるチャンバー内の領域を含む処理チャンバー全体を充填する。この高密度のガスプラズマは、プラズマ浸漬イオン・クリーニング、イオン窒化処理（並びに、イオン浸炭処理、酸浸炭処理、ほう化処理、及び他のイオン飽和プロセス）、並びに低エネルギー・イオン注入のための高度にイオン化された環境を提供する。また、この高密度のガスプラズマは、炭化水素含有ガス雰囲気が被覆チャンバー内で生成されるときのダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）被膜の堆積を含む、遠隔アーク支援化学気相堆積（ＲＡＡＣＶＤ）プロセスに使用されてもよい。本モードでは、遠隔アーク・プラズマ支援化学気相堆積プロセスを行うことができる。さらに、基板を（基板のタイプに応じて）５００〜１０００℃の堆積温度に加熱すると、多結晶のダイヤモンド被膜を堆積させることが可能である。そうしたプロセスでは、ガス圧力は、典型的には１〜２００ミリトールであり、ガス雰囲気は、典型的には、ポンプ・システムの能力に応じて５０〜２００ｓｃｃｍの水素流量の水素中に０．１〜２％のメタンを含み、残りがアルゴンである。ダクト・コイルは、プラズマ・ダクト内の陰極によって生成される金属プラズマの出口を効果的に閉じるが、遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）で生成されたガスプラズマに対する道を開く磁気シャッターとして働く。
【００６９】
２．ダクト・コイルがオフであって（磁気シャッターが閉じられ）、遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマが、プラズマ・ダクト内の陰極と、プラズマ・ダクトの外側の被膜堆積領域内の遠隔陽極（複数可）との間の被覆チャンバー内部で生成されるときに、高度にイオン化されたプラズマ環境を、プラズマ支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ）プロセスに使用することができる。この場合、被覆領域内の、プラズマ・ダクトの外側に置かれたマグネトロン源がオンにされ、マグネトロン・スパッタリング・プロセスが、高度にイオン化された遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマ環境中で行われる。このプロセスでは、マグネトロン・スパッタリングの生産性は、３０％強向上し、被膜は、ガス状のプラズマから生じたイオンによる基板表面のイオン衝撃によって高密度化される。
【００７０】
３．プラズマ・ダクト・コイルがオンのとき、磁気シャッターが開き、プラズマ・ダクト内の陰極によって生成された金属プラズマは、ダクト・コイルによって生成された輸送磁場の磁力線に沿って被膜堆積領域に流入する。フィルタード・アーク金属プラズマは、グラファイト棒をプラズマ・ダクト内の陰極ターゲットとして使用するとき、超硬度水素フリー四面体無定形炭素（ｔａ−Ｃ）被膜を含む様々な被膜の堆積に使用することができる。プラズマ・ダクトの出口部分に置かれた、基板に面するターゲットを有するマグネトロン源をオンにすると、ハイブリッド・フィルタード・アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＦＡＡＭＳ）プロセスがスタートする。この場合、１００％イオン化された、フィルタード・アーク金属プラズマが、マグネトロン源を通過し、一般に＜５％の低い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する。混合された、フィルタード・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・ダクトの出口の前の被覆領域内の基板に向かって誘導され、これによって堆積金属原子流を高度に且つ制御可能に凝縮したハイブリッド・フィルタード・アーク支援マグネトロン・スパッタリング被膜堆積が提供される。
【００７１】
図１０は、本発明の双方向遠隔アーク放電に関与する物理的なプロセスの概略図を提供する。主アークは、トリミング・コイル３００の対によって放電チャンバーから絶縁された陰極ターゲット２１６の表面上のアーク点弧器によって点火される。このソースは、２つのモードで、すなわち、第１は、アーク蒸気プラズマがダクト・コイル２７０の力によって生成される長手方向磁場の磁力線に沿って輸送されるときの被膜堆積モードで、及び第２は、ダクト・コイルがオフで、アーク・プラズマが閉じ込められ一対のトリミング・コイル３００により生成される磁場によって処理チャンバー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・ダクト２７２内部のプラズマ電位は、低く、ほとんどの場合、接地されている隣接陽極の電位に近いが、遠隔アーク放電プラズマ中では、電位は、高く、遠隔陽極２３４の電位に近い。図２に、有限要素モデリングによって得られた、プラズマ・ダクト２７２と遠隔陽極２３４との間のプラズマ電位の典型的な分布を示す。
【００７２】
図１１Ａを参照すると、周辺に位置するシールドされた陰極チャンバー組立体を有するバッチ被覆システムの概略図が提供されている。被覆システム３３０は、真空チャンバー３３２、陰極チャンバー組立体３３４を含み、この陰極チャンバー組立体３３４が陰極チャンバー３３６、陰極３３８、及びシールド３４０を含む。また、システム３３０は、陰極３３８と主陽極３４４との間の電位を設定する一次電源３４２を含む。また、システム３３０は、それぞれがターゲットＴｓ、電源Ｐｓ、及び陽極Ａｓを含むマグネトロン・スパッタリング源３５６〜３６６を含む。また、システム３３０は、電源３６２によって陰極３３８に対してある電位に設定された遠隔陽極３６０を含む。本実施例では、基板２２は、基板２２が被膜されるとともに、方向ｄ３に沿って軸のまわりを移動する。
【００７３】
図１１Ｂ〜図１１Ｇは、図１１Ａに示すシールドされたソースの代わりに、一方向フィルタード陰極アーク金属蒸気プラズマ源を設けたさらなる変形例を示す。フィルタード陰極アーク源は、ほぼ１００％イオン化された、ほとんど中性金属蒸気プラズマがないソースとしての、及び被覆チャンバー内の遠隔陽極アーク放電を生成するための電子電流の流れを提供する電子放出源としての両方の動作を行うことができる。これらの２つの特徴は、図８Ａ〜図８Ｈに関連して上で論じたように、磁気シャッター・モードを使用することによって達成することができる。磁気シャッター・モードでは、フィルタード・アーク源の磁気偏向及び集束コイルを作動させ、磁気シャッターを開き、被覆チャンバー内で被覆される基板に向かって、陰極ターゲットの蒸発面で発生する金属蒸気プラズマの偏向及び集束を行うことができる。磁気偏向及び集束コイルをオフにすると、磁気シャッターは閉じる。この後者の場合には、フィルタード・アーク源の陰極は、遠隔陽極アーク放電が確立される被覆チャンバー内に遠隔陽極に向かう高電子電流を送出する強力な電子エミッターとして働く。磁気シャッターを閉じると、フィルタード・アーク源陰極によって発生する金属蒸気イオンは、フィルタード・アーク源内部に留まり、被覆チャンバー内の被覆される基板に達することはできない。
【００７４】
図１１Ｂを参照すると、金属蒸気プラズマ堆積源及び電子放出源の両方としての矩形一方向フィルタード陰極アーク源を組み込む被覆システムの変形例の概略図が提供されている。改良例では、特許文献４の矩形フィルタード・アーク源の設計がフィルタード・アーク源として使用され、特許文献４の全開示が、参照により本明細書に組み込まれる。被覆システム４００は、図１１Ａに表されたシステムと同様であるが、矩形一方向フィルタード真空アーク源４１８（すなわち、プラズマ源）を装備している。
【００７５】
フィルタード真空アーク源４１８は、陰極ターゲット４３０と同様の寸法の矩形断面形状を有するプラズマ・ダクト４３４から構成されるが、プラズマ・ダクトの長辺は被覆チャンバー３３２の軸と平行である。プラズマ・ダクト４３４は、プラズマ・ダクト４３４の中心線に沿って軸が９０°の屈曲部を含む。プラズマ・ダクト４３４は、プラズマ・ダクト４３４の屈曲部分４３９における内半径屈曲点４３７の両側の矩形チューブ４３６及び出口トンネル４３８の形態の陰極チャンバー部分から構成されている。陰極４３０は、陰極ターゲット４３０の蒸発可能な表面４３３がプラズマ・ダクト内に向くように、陰極チャンバー４３６の端部で又はその端部の近くで、絶縁されたホルダー４３２に取り付けられている。偏向及び集束電磁石を含む１組の電磁石がプラズマ・ダクトのまわりに配置されている。偏向磁石４４６及び４４８は、電源４５２に接続され、陰極チャンバー４３６の外側及びプラズマ・ダクトの屈曲部分４３９のまわりに位置するが、集束電磁ソレノイド４５０は、電源４５２に接続され、プラズマ・ダクト４３４の出口トンネル部分４３８のまわりを包む。陰極４３０は、主アーク電源の負出力部に接続されているが、正出力部は（接地された）プラズマ・ダクトに接続されている。遠隔陽極アーク放電は、陰極４３０を遠隔陽極アーク電源３６２の負出力部に接続し、一方、正出力部を被覆チャンバー３３２の遠隔陽極３６０に接続することによって確立される。システム４００は、磁気シャッター・モードで動作する。偏向コイル４４６及び４４８、並びに集束コイル４５０の両方をオンにすると、磁気シャッターが開き、陰極ターゲット４３０の蒸発可能表面４３３で陰極アークスポットを走らせる真空アークによって生成された、ほぼ１００％イオン化された、フィルターされた金属蒸気プラズマが、プラズマ・ダクトの全体にわたって被覆チャンバー３３２内の被覆される基板２０に向かって輸送される。また、ガス環境は、遠隔アーク放電経路に沿って、フィルタード・アーク金属蒸気プラズマ流内部、及び基板の通り道と真空チャンバー３３２の壁との間に画成された狭い通路内部の両方で高度にイオン化される。また、この場合、マグネトロン・スパッタリング源３５０、３５２、３５４、３５６、３４６、３４８を作動させて、マグネトロン・スパッタリング流のイオン化を向上させることができる遠隔陽極アーク放電によって支援されたマグネトロン・スパッタリング堆積を行い、同時にハイブリッド・フィルタード・アーク・マグネトロン・スパッタリング堆積プロセスにおいてマグネトロン・スパッタリングをフィルタード陰極アーク堆積と組み合わせることができる。偏向コイル４４６及び４４８、並びに集束コイル４５０をオフにすると、磁気シャッターが閉じ、陰極４３０によって生成された金属蒸気プラズマは、プラズマ・ダクト４３４内部にトラップされ、被覆チャンバー３３２内の被覆される基板２０に達しない。このモードでは、遠隔陽極アーク放電は、陰極４３０と遠隔陽極３６０との間でなお広がっており、基板の通り道ｄ２と被覆チャンバー３３２の壁との間に画成された通路に沿って被膜堆積環境の高度のイオン化及び活性化を提供する。この場合、基板���０のマグネトロン・スパッタリング及びガスプラズマ処理は、遠隔陽極アーク放電によって確立された、高度にイオン化された環境内で行うことができる。変形例において、マグネトロン・スパッタリング源及び遠隔陽極は、被覆チャンバーの中央領域のまわりに据え付けられたソースプラットホームの外部壁に取り付けられた被覆チャンバーの中央領域に据え付けられてもよい。
【００７６】
図１１Ｃを参照すると、金属蒸気プラズマ堆積源及び電子放出源の両方としての矩形一方向フィルタード陰極アーク源を組み込む被覆システムの概略図が提供されている。マグネトロン源２２４、２２６、２２８及び２３０、並びに遠隔陽極２３２及び２３４は、中央ソース・ハブ２１６の外部壁に取り付けられている。この設計では、被覆される基板２０は、ソース・ハブ２１６と被覆チャンバー２１２の壁との間のリング内部を移動する。遠隔陽極アーク放電は、陰極を遠隔陽極アーク電源３６２ａ及び３６２ｂの負出力部に接続することによって、フィルタード・アーク源４１８の陰極４３０と遠隔陽極２３２及び２３４との間に確立されるが、正出力部は、それぞれの遠隔陽極２３２及び２３４に接続されている。この場合、遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマは、中央のハブ２１６と被覆チャンバー２１２の壁との間に画成された全領域を充填し、基板２０を、高度にイオン化され活性化された遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマに効果的に浸漬させたままにする。改良例では、図７Ａ、図８Ａに関連して上で論じたものと同様のシールドされた双方向フィルタード・アーク源を、被覆チャンバーの中央領域に据え付けることもできる。図１１Ｄは、双方向フィルタード・アーク源の陰極２１６と、双方向プラズマ・ダクト２１７の周辺リムに据え付けられた遠隔陽極２３２及び２３４との間に遠隔陽極アーク放電を確立することもできる本改良例を示す。この場合、遠隔陽極アーク放電は、プラズマ・ダクト２１７の外側リムと基板通り道ｄ２との間に画成された通路にほぼ沿って確立され、プラズマ・ダクト２１７の外部壁に配置されたマグネトロン源２２４、２２６、２２８及び２３０によって発生する金属スパッタリング流の高いイオン化及び活性化を提供する。
【００７７】
図１１Ｅを参照すると、シールドのない双方向フィルタード・アーク源及び矩形一方向フィルタード陰極アーク源を有する被覆システムの概略図が提供されている。本変形例では、図１１Ｄのシールド２１８は、双方向フィルタード・アーク源のプラズマ・ダクト２１７を被覆チャンバー２１２の被膜堆積領域に向かって開くために除去されている。本発明のこの改良された実施例では、遠隔陽極アーク放電は、一方向フィルタード・アーク源４１８、又は双方向フィルタード・アーク源２１５のいずれかによって、或いは両方のフィルタード・アーク源によって同時に維持されることができる。遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）が一方向フィルタード・アーク源４１８によって確立される場合、陰極４３０は、遠隔陽極アーク電源３６２ａ及び３６２ｂの負のコンセントに接続されるが、それぞれの正のコンセントは、プラズマ・ダクト２１７の外側リムに配置された遠隔陽極２３２及び２３４に接続される。遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）が双方向フィルタード・アーク源２１５によって確立される場合、陰極２１６は、遠隔陽極アーク電源２３６及び２３８の負のコンセントに接続されるが、それぞれの正のコンセントは、プラズマ・ダクト２１７の外側リムに配置された遠隔陽極２３２及び２３４に接続される。この場合、遠隔陽極アーク放電プラズマは、双方向フィルタード・アーク源２１５の外部壁と被覆チャンバー２１２の壁との間に画成された被膜堆積領域を充填し、プラズマ・ダクト２１７の外部壁に配置されたマグネトロン源２２４、２２６、２２８及び２３０によって発生するマグネトロン・スパッタリング流の改善されたイオン化及び活性化を提供する。本装置では、双方向フィルタード・アーク源２１５及び一方向フィルタード・アーク源４１８は両方とも、依然としてマグネトロン・スパッタリング源２２４、２２６、２２８及び２３０と結合した磁気シャッター・モードで同時に又は独立して働くことができ、一方でマグネトロン及び被覆される基板２０は、高度にイオン化され活性化された遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマに浸漬される。
【００７８】
図１１Ｆは、プラズマ・ダクト４３４及び真空チャンバー２１２の出口トンネル部分４３８に隣接して置かれた、被覆チャンバー２１２内の基板２２に面する２つのマグネトロン源２４６ａ及び２４６ｂを利用する、図１１Ｅの設計のさらなる変形例を示す。マグネトロン２４６ａ及び２４６ｂは、フィルタード・アーク源４１８と磁気的に結合している。本設計では、マグネトロン・スパッタリング流は、フィルタード・アーク源４１８の陰極４３０によって発生する１００％イオン化されたフィルタード・アーク金属蒸気プラズマと合流し、これによって被膜堆積プロセス中の金属イオンによるイオン衝撃の度合いを調整することができる。
【００７９】
図１１Ｇは、図１１Ｃで上述した被覆及び表面処理システムのさらなる変形例を示す。本変形例の設計は、非特許文献２に記載された被覆及び表面処理システムを組み込み、非特許文献２の開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。本設計では、システム５００は、金属蒸気プラズマ被膜堆積源として、及び電子放出源としての一方向デュアル・アーク矩形プラズマ源５０２を含む。本設計の一方向デュアル・フィルタード・アーク源は、プラズマ・ダクトの偏向部分５０５の両側に据え付けられた２つの円筒状又は矩形陰極アーク・チャンバー５１２ａ及び５１２ｂを備えた、偏向部分５０５及び出口トンネル区間５１０を有する矩形プラズマ・ダクトを使用する。円筒又は矩形板の形態を有する円筒状又は細長いターゲットを利用する２つ以上の円筒状の又は２つの矩形の主陰極アーク源は、プラズマ・ガイドの偏向部分５０５の側壁部に互いに向かい合って陰極チャンバー内に配置され、矩形偏向コイル５０６によって取り囲まれ、任意選択でバッフル付き陽極５０７板によって分離されている。安定化コイル５０８は、陰極ターゲット５０４の蒸発可能な表面の陰極アークスポットを閉じ込めるために使用され、一方、陰極チャンバーの出口部分を取り囲む集束コイル５０９は、金属蒸気プラズマ流をプラズマ・ダクトの偏向部分５０５に向かって集束させる。陰極ターゲットの近傍で微小アーク・プラズマを生成することができる、陰極ターゲットの表面と周期的に接触することができる機械的な点弧器によって、又は電子的な（電気スパーク）点弧器５１１によってアークを点弧することができる。偏向コイルの前面の直線状偏向導体は、陰極チャンバー及びプラズマ・ダクトの両方に隣接した位置で被覆チャンバー２１２に面しており、一方、偏向コイルの直線状閉路導体は、被覆チャンバー２１２から離れて陰極チャンバーの背部に置かれている。ソースは、金属イオン流を堆積チャンバー２１２の方に９０°回転させるために偏向コイルの前面の直線状導体によって生成された、重畳された偏向磁場を使用する。最後に、集束コイル５１４は、プラズマ・ダクトの出口トンネル部分５１０を取り囲み、陰極チャンバー５１２ａ及び５１２ｂ内の陰極によって生成された２つの金属蒸気プラズマ・ジェットを被覆チャンバー２１２内の基板２２に向かって集束させる。１組の走査磁気コイル（図示せず）は、極めて大きな表面領域をカバーするようにイオンプラズマ・ジェットを垂直方向（図１１Ｇの面に垂直）に掃引することができる。同時に、アーク柱は、水平方向の磁場によって、プラズマ・ダクトの対称面と垂直にうまく閉じ込められ、乱れたプラズマ拡散の抑制が強化され、金属蒸気イオン収率を著しく向上させる。
【００８０】
図１１Ｈは、図１１Ｆに関連して上で論じた双方向フィルタード・アーク源２１５、並びにプラズマ・ダクト及び真空チャンバー２１２の出口トンネル部分に隣接して置かれた、被覆チャンバー２１２内の基板２２に面する２つのマグネトロン源２４６ａ及び２４６ｂを利用する、図８Ｄの設計のさらなる変形例を示す。マグネトロン２２６ａ及び２２６ｂは、フィルタード・アーク源５０２と磁気的に結合している。本設計では、マグネトロン・スパッタリング流は、フィルタード・アーク源５０２の陰極５２０によって発生する１００％イオン化されたフィルタード・アーク金属蒸気プラズマと合流し、これによってハイブリッド・フィルタード・アーク促進マグネトロン・スパッタリング被膜堆積プロセス中の金属イオンによるイオン衝撃の度合いを調整することができる。
【００８１】
図１２Ａは、被覆チャンバーの中心に位置するシールドされた陰極アーク電子放出源を設けたさらなる変形例を示す。特に、本変形例は、その中心領域に陰極チャンバー組立体５３２が位置する円形のバッチ被覆システム５３０を提供する。陰極５３４は、被覆システム５３０の軸に概ね沿って陰極チャンバー組立体５３２内部に置かれている。陰極チャンバー組立体５３２は、開口部５４０及び５４２が内部に画成された陰極エンクロージャー５３８、陰極５３４、任意選択の主陽極（図示せず）、及びシールド５４６、５４８をそれぞれ含む。エンクロージャー５３８及びシールド５４６、５４８は、それぞれ、陰極５３４を真空チャンバー５５０から絶縁し、陰極チャンバー５３２内で点弧されるアーク放電に対する主陽極として働くこともできる。また、主アーク電源は、陰極５３４と陽極エンクロージャー５３８との間に設けられている。エンクロージャー５３８及びシールド５４６、５４８それぞれは、電子放出電流を真空チャンバー５５０内へ送出するための開口部を画成するが、同時に、陰極５３４から放出された金属蒸気原子、イオン、及びマクロ粒子などの重粒子が被覆チャンバー５５０内の被覆される基板２０に達するのを阻止する障壁として働く。マグネトロン・スパッタリング源５５２、５５４及び５５６は、チャンバー５５０の壁５５８に取り付けられている。遠隔陽極５６０、５６２及び５６４は、対応するマグネトロン源に隣接して置かれ、好ましくはこれらのスパッタ源を取り囲む。遠隔陽極５６０、５６２及び５６４は、任意選択で、それぞれのマグネトロン源５５２、５５４及び５５６のスパッタターゲットの前に配置された細線グリッド５６０ａ、５６２ａ及び５６４ａが設けられている。基板２０は、陰極チャンバーとマグネトロン・スパッタリング・ターゲットとの間の距離ｄｌの回転テーブル・プラットホーム５７０上に置かれている。マグネトロン・ターゲット面から基板２０までの距離は、典型的には１０．１６〜２５．４ｃｍ（４〜１０インチ）である。遠隔アーク電源５７４、５７６及び５７８は、遠隔陽極５６０、５６２及び５６４と陰極チャンバー５３２内の中心陰極５３４との間に据え付けられている。陰極５３４は、熱電子フィラメント陰極であってもよいが、蒸発性真空アーク冷陰極を使用することができるのが好ましく、この蒸発性真空アーク冷陰極は、炭化物、酸化物、及び窒化物の被膜を堆積するためのメタン、酸素、及び窒素などの化学的に反応性の強いガスを含有することがある反応性プラズマ処理環境に影響を受けにくい。陰極５３４は、細長い熱電子フィラメント、又は細長い金属の棒若しくはロッドの形態の冷陰極のいずれかである。さらに、陰極５３４は、被覆チャンバー５５０の軸に沿って陰極チャンバー５３２内部に置かれ、陰極５３４の電子放出ゾーン長が基板２０装填ゾーンの高さと平行で、寸法的に略等しい。さらに、陰極５３４は、遠隔陽極５６０、５６２及び５６４の高さ以下の長寸法を有する。また、マグネトロン・ターゲットの高さは、遠隔陽極の高さ以下である。
【００８２】
改良例では、図１２Ａに示すマグネトロン５５２、５５４、５５６は、平面ヒータと置き換えられてもよい。被覆される基板は、シールドされた陰極チャンバー５３２が陰極５３４とともに置かれているチャンバーの中心に面して、ヒータ面に配置されてもよい。この場合、基板を９００℃に加熱することができ、同時に、陰極チャンバー５３２内の陰極５３４とチャンバー５３０の壁に置かれた遠隔陽極５６０、５６２、５６４との間の遠隔陽極アーク放電によってチャンバー５３０内に高度にイオン化された遠隔陽極アーク・プラズマを確立することができる。このプロセスでは、チャンバー５３０内のガス雰囲気は、１ミリトール〜２００ミリトールの圧力のメタン、水素、及びアルゴンの混合物から構成され、水素中のメタン濃度が０．１〜２原子重量％のときに、７００〜１０００℃の堆積温度に加熱された、ヒータの加熱面に置かれた基板に多結晶のダイヤモンド被膜を堆積させることができる。
【００８３】
図１２Ａの実施例の変形例では、被覆及び表面処理システム５３０は、被覆チャンバーの壁に取り付けられた一方向フィルタード・アーク源を装備することができる。図１２Ｂを参照すると、図１１Ｇに関連して上で論じた一方向デュアル・フィルタード・アーク源５０２が被覆チャンバー５５８に取り付けられている。また、被覆システム５３０は、被覆チャンバー５５８の壁に取り付けられた２つの平坦な又は回転式のマグネトロン・スパッタリング源５５２及び５５６が設けられている。マグネトロン・スパッタリング流は、遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）電源５７４及び５７６の正出力部をそれぞれの遠隔陽極５６０及び５６２に接続し、一方、中心に位置するシールドされた陰極５３４を遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）電源５７４及び５７６の負出力部に接続することによって確立された遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマによってイオン化及び活性化され、この遠隔陽極５６０及び５６２が、任意選択でそれぞれのマグネトロン源５５２及び５５６のスパッタターゲットの前に配置された細線グリッド５６０ａ及び５６２ａを備えている。図１２Ｃに示す改良例では、被覆及び表面処理システム５３０は、ソース・ハブ２１６の外側リムに取り付けられた２つの遠隔陽極２３２及び２３４に加えて、マグネトロン・スパッタリング源２２４、２２６、２２８及び２３０を有する、中心に置かれたソース・ハブ２１６を備えている。遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマは、遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）電源５７８及び５８０の正出力部を、ソース・ハブ２１６の外側リムに位置するそれぞれの遠隔陽極２３２及び２３４に接続し、一方、フィルタード・アーク源５０２の陰極を遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）電源５７８及び５８０の負出力部に接続することによって確立される。本設計では、ソース・ハブ２１６の壁とチャンバー５５８の壁との間の全領域が、チャンバー５５８の壁に置かれたマグネトロン５５２及び５５６並びにソース・ハブ２１６の外部壁に置かれたマグネトロン２２４、２２６、２２８及び２３０の両方によってイオン化堆積を提供する遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）放電の高度にイオン化されたプラズマで充填され、一方、ハイブリッド・フィルタード・アーク・プラズマ支援遠隔陽極アーク促進マグネトロン・スパッタリング被膜堆積プロセスの全段階で、被覆される基板２０を遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマ中に浸漬させておく。図１２Ｄは、回転する管状の陰極ターゲットを備えた円筒状の陰極アーク源を有するシステムの概略図を提供する。本改良例では、被覆チャンバー５５８の中心に置かれた電子放出アーク源５３２は、図１２Ｄで概略的に示すような高い材料利用率を有する、回転する管状の陰極ターゲットを備えた円筒状の陰極アーク源であってもよい。本実施例では、円筒状の陰極ターゲット５８４は、被覆チャンバー５５８の中心に置かれている。ターゲット５８４の回転方向は、矢印によって示されている。永久磁石から構成された磁気ヨーク５８５は、陰極ターゲット５８５の蒸発面にレーストラック磁場を形成する際に目標とされる陰極ターゲット円筒の内側に置かれている。陰極アークスポットは、磁気ヨーク５８５の磁極間に形成されたレーストラック内部でステアリングする。シールド５８６は、陰極アークスポットが陰極ターゲット５８４表面の蒸発領域から逸脱するのを防ぐ。また、任意選択の可動シールド５８７が陰極ターゲット５８４の蒸発領域の前に取り付けられている。シールド５８７を閉じると、プラズマ源５８２は、陰極５８４と、マグネトロン源５５２及び５５６に隣接する遠隔陽極５６０及び５６２との間に確立される遠隔アーク放電のための主陰極アーク源として電子放出モードで動作する。シールド５８７が開くと、陰極ターゲット５８４の蒸発領域は、被覆される基板２０に面し、陰極アーク源５８２は、マグネトロン源５５２及び５５６によって生成されるマグネトロン・スパッタリングのイオン化及び活性化のために遠隔陽極アーク放電を依然として維持しながら、陰極アーク被膜堆積モードにおいて動作する。
【００８４】
図１３Ａを参照すると、電子放出真空アーク冷陰極源を組み込むシステムの概略図が提供されている。特に、本変形例は、特許文献５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、特許文献５の全開示が参照により本明細書に組み込まれる。ロッド形の陰極６３０は、陰極チャンバー６３２内部に取り付けられ、この陰極チャンバー６３２が、主アーク電源６３４によって電力が供給される真空陰極アーク放電のための主陽極として働く。陰極６３０は、アーク電源６３４の負出力部に接続され、陰極チャンバー６３２のエンクロージャー６３６は、アーク電源６３４の正出力部に接続されている。図７Ｄ及び図１３Ａの破線によって示すように、主アークの正出力部は任意選択で接地されてもよい。アーク電源６３４に対する接続部とは反対側の、陰極６３０の端部に位置するストライカー６４０よって繰り返しアークが打たれる。螺旋形の電磁石コイル６４２は、陰極６３０と同軸方向に取り付けられ、陰極６３０の軸と実質的に平行な磁束線を有する、コイル電源６４６によって供給される電流に比例した大きさを有するソレノイド磁場を生成するように働く。被膜が堆積されることになる１つ又は複数の基板２０は、陰極チャンバー６３２を取り囲んで配置され、必要な場合は、堆積中に基板の回転を行い、基板上に均一な被膜の膜厚分布を実現する基板保持ターンテーブル・プラットホーム（図示せず）に任意選択で取り付けられている。また、アークスポット６５０、及び印加磁場の影響によって生じる典型的なアークスポット６５０の軌道６５２が表されている。アークスポットは、再度打たれる前にアーク電源６３４に対する接続部に向かって陰極６３０の長さのすべて又は一部を進む。絶縁体６５４は、アークスポット６５０の移動が陰極６３０の所望の蒸発可能な表面から外れるのを防ぐ。電磁石コイル６４２は、アーク回路から電気的に絶縁されていてもよく、又は点線６５８によって示すように、アーク回路に接続することによって陽極の一部を構成してもよい。或いは、電磁コイル６４２は、陰極チャンバー６３２内の主アーク放電のための唯一の主陽極として働いてもよく、その場合は、電磁コイル６４２は、チャンバー４３０から電気的に絶縁され、陰極チャンバー６３２から切り離された主アーク電源６３４の正出力部に接続される。１つ又は複数のマグネトロン・スパッタリング源６６０は、遠隔陽極６７０によって取り囲まれたチャンバー６６６の壁６６２に沿って取り付けられている。遠隔陽極は、遠隔アーク電源６７２の正出力部に接続されているが、遠隔アーク電源６７２の負出力部は、陰極チャンバー６３２の陰極６３０に接続されている。陰極チャンバー６３０のエンクロージャー６３６は、陰極６３０によって放出された重粒子（イオン、中性原子、及びマクロ粒子）が、陰極チャンバー６３２の外側の堆積領域に達するのを防ぐために、シールド６７８によってカバーされた開口部６７６を有するが、電子は、エンクロージャー６３６とシールド６７８との間の開口部６７６を通り抜けて被覆領域に自由に侵入することができる。遠隔アーク電流は、陰極チャンバー６３２内の陰極６３０と、被覆チャンバー６６６の壁のマグネトロン・スパッタリング源６６０を取り囲む遠隔陽極６７０との間を伝導する。遠隔陽極は、遠隔アーク電源６７２の正出力部に接続されているが、遠隔アーク電源６７２の負出力部は、陰極チャンバー６３２内の陰極６３０に接続されている。遠隔アークは、マグネトロン・スパッタリング被膜堆積プロセス中のプラズマ環境をイオン化し活性化するが、被覆プロセスが開始する前の基板の予備イオン・クリーニング中の、並びにプラズマ浸漬イオン注入、イオン窒化処理及びプラズマ支援低圧化学気相堆積被膜堆積プロセスのための、被覆領域内のプラズマ環境のイオン化及び生成源として働くこともできる。
【００８５】
図１３Ｂを参照すると、主陰極アーク電子放出源として図１３Ａの円筒状の陰極アーク源を使用するインライン・システム（図１参照）の概略図が提供されている。本設計が図１３Ｂに示されており、本図は、マグネトロン・スパッタリング源１６、遠隔陽極４４、及び主陰極アーク電子放出源１８を装備したインライン被覆システム１０の１つのモジュールの側面図を示す。主円筒状陰極アーク源１８は、電子電流に対しては透過性があるが、金属イオン、原子、及びマクロ粒子などの重粒子に対しては不透過性の出力シールドを有するエンクロージャー２４内部に置かれている。ロッド形の陰極６８０は、接地された陰極チャンバー・エンクロージャー２４内部に取り付けられ、この陰極チャンバー・エンクロージャー２４が、主アーク電源６８４によって電力が供給される真空陰極アーク放電のための主陽極として働く。陰極６８０は、アーク電源６８４の負出力部に接続され、陰極チャンバー２４のエンクロージャーは、接地されている。螺旋形の電磁石コイル６９２は、陰極６８０と同軸方向に取り付けられ、陰極６８０の軸と実質的に平行な磁束線を有する、コイル電源６９６によって供給される電流に比例した大きさを有するソレノイド磁場を生成するように働く。電源６９４の正出力部を遠隔陽極４４に接続し、一方、ロッド陰極９８０を遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）電源４７２の負出力部に接続することによって、遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマが、被覆される基板２２を有する基板ホルダー２０と被覆システム１０の壁１２との間に画成された通路内部に確立される。
【００８６】
図１３Ｃ〜図１３Ｅは、被膜堆積を目的として、遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマを確立するための及び金属蒸気プラズマを生成するための主陰極アーク源として、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すシールドされた陰極アーク源の代わりに一方向フィルタード陰極アーク金属蒸気プラズマ源を設けたインライン被覆システムのさらなる変形例を示す。図１３Ｃを参照すると、図１１Ｂに関連して前述した矩形フィルタード・アーク源を使用する被覆システムの概略図が提供されている。本変形例では、フィルタード・アーク源は、金属蒸気プラズマ源及び電子放出源として使用され、インライン・システム１０において遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマを維持する。システム１０は、磁気シャッター・モードで動作する。偏向コイル４４６及び４４８、並びに集束コイル４５０の両方をオンにすると、磁気シャッターが開き、陰極ターゲット４３０の蒸発可能表面４３３で陰極アークスポットを走らせる真空アークによって生成された、ほぼ１００％イオン化された、フィルターされた金属蒸気プラズマが、プラズマ・ダクトの全体にわたって被覆チャンバー２１２内の被覆される基板２０に向かって輸送される。偏向コイル４４６及び４４８、並びに矩形フィルタード・アーク源４１８の集束コイル４５０をオフにすると、磁気シャッターが閉じられ、陰極４３０によって生成された金属蒸気プラズマ（金属イオン、原子、及びマクロ粒子）の重粒子は、被膜チャンバー１２内の被膜される基板２０に達することなくプラズマ・ダクト３４内部にトラップされるが、陰極４３０によって放出された電子電流は、被膜チャンバー２１２の全体にわたって伝導することができる。本モードでは、遠隔陽極アーク放電は、陰極３０と遠隔陽極４４との間でなお広がっており、基板の通り道ｄ１と被覆チャンバー１２の壁との間に画成された通路に沿って被膜堆積環境の高いイオン化及び活性化を提供する。
【００８７】
図１３Ｄを参照すると、図１１Ｇに対して記載された一方向デュアル・フィルタード・アーク源を使用するインライン被覆システムの概略図が提供されている。本改良例では、一方向デュアル・フィルタード・アーク源は、図１３Ｄに示されるように金属蒸気プラズマ被膜堆積及び電子放出源の両方として使用される。フィルタード・アーク源４１８は、磁気シャッター・モードで動作する。すなわち、プラズマ・ダクト磁気偏向システムの偏向コイル及び集束コイルをオンにすると、磁気シャッターが開かれ、真空アーク陰極の陰極アークスポットによって発生する金属蒸気プラズマは、金属蒸気プラズマを、陰極チャンバーを通ってプラズマ・ダクトの偏向部分へ流入させる２つの金属蒸気プラズマ・ジェットを生成し、この偏向部分でプラズマ流が磁気偏向システムによってプラズマ・ダクトの出口トンネル区間の方に９０°屈曲し、この出口トンネル区間で両方のジェットがインライン被覆チャンバー１２内の被覆される基板２２に向かって合流し、集束する。プラズマ・ダクト磁気偏向システムの偏向コイル及び集束コイルをオフにすると、磁気シャッターが閉じられ、真空アーク金属蒸気プラズマの重粒子（金属イオン、金属原子、及びマクロ粒子）は、陰極チャンバー及びプラズマ・ダクト内部にトラップされ、被覆チャンバー１２内の被覆される基板２２には達しない。この場合、フィルタード・アーク源４１８は、強力な電子エミッターとしてやはり動作し、ガス状雰囲気のイオン化及び活性化のための遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマ環境を確立する被覆チャンバー１２全体にわたる電子電流、並びに被膜堆積及び表面処理プロセス中の金属スパッタリング流を提供する。本モードでは、遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）放電は、遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）電源４５８の負出力部に接続されたフィルタード・アーク源４１８の主陰極間に確立されるが、この電源の正出力部は、遠隔陽極４４に接続されている。
【００８８】
図１３Ｅを参照すると、アーク源の出口トンネルに２つのマグネトロン源を有する、図１１Ｇに対して記載された一方向デュアル・フィルタード・アーク源を使用するインライン被覆システムの概略図が提供されている。マグネトロン・スパッタリング源２４６ａ及び２４６ｂは、被覆チャンバー１２及びプラズマ・ダクトの出口トンネル区間に隣接して据え付けられている。マグネトロン・スパッタリング源によって発生する金属スパッタリング流は、フィルタード・アーク源によって発生する金属蒸気プラズマ流と合流し、金属蒸気プラズマの制御されたイオン化、したがって、ハイブリッド・フィルタード・アーク促進遠隔陽極アーク支援マグネトロン・スパッタリング・プロセスによる被膜の堆積中に制御可能なレベルのイオン衝撃を提供する。
【００８９】
図１３Ｆを参照すると、円筒状の陰極アーク源を有するインライン被覆システムの概略図が提供されている。本改良例では、陰極チャンバー・エンクロージャー２４内部に置かれた電子放出主陰極アーク源１８は、図１３Ｆで概略的に示すように、高い材料利用率を有する回転する管状の陰極ターゲットを備えた円筒状の陰極アーク源であってもよい。本実施例では、円筒状の陰極ターゲット７００は、陰極チャンバー・エンクロージャー２４内に置かれている。ターゲット７００の回転方向は、矢印によって示されている。永久磁石から構成される磁気ヨーク７０２は、陰極ターゲット７００の蒸発面にレーストラック磁場を形成する際に目標とされる陰極ターゲット円筒７００の内側に置かれている。陰極アークスポットは、磁気ヨーク７０２の磁極間に形成されたレーストラック内部をステアリングする。シールド７０４は、陰極アークスポットが陰極ターゲット表面７０６の蒸発領域から逸脱するのを防ぐ。
【００９０】
また、主陰極アーク電子放出源及び遠隔陽極は、遠隔アーク放電を、ある主陰極・遠隔陽極対から別の対に周期的に切り替えるためのスイッチング手段を提供する１つ又は複数のマグネトロン・スパッタリング源の両側に置かれてもよく、これによって遠隔アーク放電の電場及びアーク電流の方向を反対方向に効果的に切り替える。
【００９１】
図１３Ｇを参照すると、図１３Ｂに関連して前述したような円筒状の主陰極アーク源を使用するインライン被覆システムの概略図が提供されている。本変形例では、陰極アーク・チャンバー７１８Ｌ及び７１８Ｒは、少なくとも１つのマグネトロン・スパッタリング源１６の左側及び右側に置かれている。遠隔アーク電源７２２Ｌは、スイッチ１０４０を介して右の遠隔陽極７２６Ｒと、左の陰極チャンバー７１８Ｌ内の左の主陰極７３０Ｌとの間に接続されている。遠隔アーク電源７３６Ｒは、スイッチ７７５を介して左の遠隔陽極３６Ｌと、右の陰極チャンバー１０１８Ｒ内の右の主陰極７３０Ｒとの間に接続されている。動作において、主陰極チャンバー７１８Ｌ及び７１８Ｒの主アークは、主アーク電源７３４Ｌ及び７３４Ｒによってそれぞれ電力が供給され、連続的に動作しているが、遠隔アーク放電は、スイッチ７７５が閉じられ、スイッチ７７６が開けられたときに左の陰極７３０Ｌと右の遠隔陽極７２６Ｒとの間で、又はスイッチ７７６が閉じられ、スイッチ７７５が開けられたときに右の陰極７３０Ｒと左の遠隔陽極７２６Ｌとの間で活性化される。
【００９２】
改良例では、短い円筒形ターゲットを有し、アークスポットを磁気ステアリングする電子放出真空陰極アーク源を、図１２Ａ〜図１２Ｄに示すようなバッチ被覆システムで、並びに図１３Ｂ及び図１３Ｇに示すようなインライン被覆システムで実施される遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）／遠隔アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ）プロセスにおいて、主電子放出陰極アーク源として使用することもできる。しかしながら、陰極チャンバーの電子放出主陰極の長さ寸法が比較的短く、マグネトロン・ターゲット及び基板ホルダーの基板の長さ寸法と平行でない場合は、遠隔陽極の長さ寸法は、基板ホルダーの基板配置の長さ寸法及びマグネトロン・ターゲットの長い方の長さ寸法と略等しく又はそれを上回り、それらの寸法と平行に選ばれるべきであることに留意されたい。図１３Ｈは、短い円筒形ターゲット及び磁気ステアリング・アークスポットを有する真空陰極アーク源の設計を示す。円筒状陰極ターゲット８０８の相対する端部に置かれたステアリング磁気コイル対８０４及び８０６によって生成される磁力線８０２のアーチ形状によって、円筒状陰極ターゲット上の真空陰極アークスポット８１０を、磁気ステアリング場が陰極ターゲットの長さ全体にわたって軸とほぼ平行な領域下に閉じ込めることができた。同時に、陰極アークスポット８１０は、式１に記載されたようなアンペールの力に比例した電磁力の影響下でターゲットの軸のまわりを回転している。ステアリングコイルの一方の電流の大きさを相対する側の電流の大きさに対して変えることによって、磁場がターゲットの軸と略平行な領域をターゲットに沿って移動させることができ、これによって陰極アークスポットの位置を動かし、それに応じて、陰極アークターゲット上の腐食領域８１２及び電子放出領域が増加し、したがって遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）／遠隔アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ）プロセスにおける電子放出源としての円筒状陰極ターゲットのサービス時間を増加させる。円筒状陰極ターゲット８０８は、円筒の相対する端部両方の水冷式円錐台形ホルダー８１４及び８１６の小さい方の突合せ端部に接続されている。円錐台形ホルダー８１４及び８１６は、円筒形ターゲットを冷却し、陰極アークスポット８１０が円筒表面領域を逸脱するのを防ぎ、この円筒表面領域で消耗可能な真空アーク陰極ターゲットが電子を放出する。加えて、２つのセラミック絶縁円板８１８及び８２０を任意選択で陰極ターゲットの両方の端部に追加して、アークスポットが電子放出領域を逸脱するのをさらに防ぐことができる。陰極ターゲット８０８は、対称的なやり方でアーク電源８２２に接続され、主アーク電源の負極が略等しい長さの接続線を介して円筒形ターゲットの両方の端部に接続され、一方、主アーク電源の正極が（図１３Ｇに示す）陰極チャンバー・エンクロージャーに接続、若しくは接地されている。別の一対の略等しい長さのワイヤは、ターゲットの両方の端部を遠隔アーク電源８２４の負極に接続し、一方、遠隔アーク電源８２４の正極は、遠隔陽極８２６に接続されている。
【００９３】
図１３Ｉ〜図１３Ｋは、遠隔アーク放電のための電子エミッターとして、回転する管状ターゲット及び短い円筒状真空陰極アーク源を有する円筒状マグネトロンを組み込む被覆システムの概略図を提供する。図１３Ｉは、陰極チャンバー８３２内に置かれた、図１３Ｈに示すものと同様の短い円筒状陰極アーク電子放出源を利用する、回転式ターゲット・マグネトロン金属蒸発源８３０の全体図を示す。回転式マグネトロン８３０は、（図１２Ｄに示すような）被覆チャンバー内の被覆される基板に面するマグネトロン・スパッタリング・レーストラック８３４を有する回転する管状ターゲット８３３を利用する。管状マグネトロン・ターゲット８３３は、マグネトロン・ターゲット保持チャンバー８３６に位置する回転機構によって保持されている。陰極チャンバー８３２は、マグネトロン・ターゲット８３０の長辺の一方の端部に位置するが、遠隔陽極８４２を保持する遠隔陽極チャンバー８４０は、管状マグネトロン・ターゲット８３０の長辺の反対側の端部に位置する。図１３Ｉに示す変形例では、水冷式管状遠隔陽極８４２は、図１３Ｋに示すように、レーストラック８３４の２つの長辺間の中央部の中心線に沿って対称に、典型的にはマグネトロン・ターゲット表面から０．５ｃｍ〜５ｃｍ間隔をあけて置かれている。遠隔陽極８４２を冷却するための水は、図１３Ｊに示すような遠隔陽極チャンバー８４０の水冷ジャック８５０及び８５２を介して供給される。円筒状の消耗可能ターゲット８５４と、円錐台形金属ホルダー８５６と、陰極アークスポットが円筒形ターゲット８５４の電子放出領域から逸脱するのを防ぐセラミック・ディスク８５８と、を組み込む短い円筒状陰極アーク源は、マグネトロン・ターゲット８３０の短寸法と略平行に陰極チャンバー８３２のエンクロージャー８６０内部に置かれている。円筒状陰極アークターゲットの長さ寸法は、マグネトロン・レーストラック８３４の幅（短寸法）からマグネトロン・スパッタリング管状ターゲット８３０の直径までの範囲にある。電子放出陰極のこのアライメントによって、遠隔アーク放電に沿って流れる電子が、マグネトロン・スパッタリング・レーストラック８３４の前のマグネトロン放電ゾーンを一様にカバーすることが可能となる。ステアリング磁気コイル８６２は、真空陰極アークスポットを陰極ターゲットの蒸発領域に沿ってステアリングするために円筒状陰極ターゲット８５４の両側に位置する。エンクロージャー８６０は、マグネトロン・レーストラック８３４と同じ側に面するバッフル付きスクリーン８６６によってカバーされ、これによって陰極アーク源によって放出された電子が遠隔陽極８４０に向かって流れ、マグネトロン・スパッタリング・ターゲット８３０によってレーストラック８３４に沿って生成された金属原子スパッタリング流をイオン化することができる。
【００９４】
図１３Ｉ、図１３Ｊ、図１３Ｋの実施例のさらなる変形例では、遠隔陽極は、図１３Ｌの断面で概略的に示すやり方でスパッタリング領域を取り囲むことができる。本発明の本実施例は、スパッタリングターゲットの前のスパッタリング放電プラズマを高密度化するためのマグネトロン磁気システムを必要としないマグネトロン・スパッタリング及びダイオード・スパッタリングの両方を促進するために使用することができる。遠隔アーク支援ダイオード・スパッタリング（ＲＡＡＤＳ）の実施例が図１３Ｌ〜図１３Ｍに例示的に示されている。図１３Ｍに示す断面図では、ダイオード・スパッタ源８３０’は、シールド１３０１で囲まれたスパッタリングターゲット１３００から構成されている。ターゲット１３００は、遠隔陽極１３０３によって取り囲まれ、シールド１３０５によって周囲のプラズマ環境から絶縁され、このシールド１３０５は、陽極を、陰極に面する側のみを放電プラズマに対して開けておく。この場合、（図１２Ａと同様の配置で示されるような）被覆チャンバー内の被覆される基板に向かって開かれた放電キャビティ１３０４は、スパッタリングターゲットの前に形成され、側面が陽極壁１３０３によって、及び背部突合せ端部がスパッタリングターゲット１３００によって限定される。磁気コイル１３０７は、放電キャビティ１３０４内部のプラズマ密度を増加させるため、任意選択で、陽極シールド１３０５で囲むことができる。ダイオード陰極ターゲット１３００と遠隔陽極１３０３との間のダイオード・スパッタリング放電は、電圧源モードで動作する高電圧低電流電源１３２１によって電力が供給される。この放電の点弧電圧は、ターゲット材料に依存して約２００〜３００ボルトのしきい値を有し、このしきい値は、ダイオード放電プラズマによるイオン衝撃の条件下でターゲットからの二次電子放出の開始によって決定される。遠隔アーク支援モードは、真空チャンバーのどこか他の場所に据え付けることができる、シールドされた電子放出陰極アーク源１３０９によって提供される。図１３Ｌに示す電子放出陰極アーク源８３２は、ステアリング磁気コイル１３１０を有する陰極ターゲット１３０９から構成されている。陰極組立体は、重粒子（陰極ターゲット１３０９によって放出される原子、イオン、及びマクロ粒子）に対しては不透過性であるが、電子電流を真空チャンバーに向かって自由に流すことができる山形の蓋１３１３を有するエンクロージャー１３１１で囲まれている。主アーク電源１３１７によって電力が供給される主陰極アークは、点弧器１３１５によって陰極ターゲット１３０９の蒸発面上で点弧される。陰極アーク源８３２によって放出された電子電流は、一般に一次電源１３１７よりも大きな開路電圧を有する遠隔アーク電源１３１９によって遠隔陽極に伝導される。さらに、ダイオード電源１３２１と遠隔陽極電源１３１９との間の干渉を防ぐためにダイオード１３２３が据え付けられている。遠隔アークは、ダイオード・スパッタリング放電が点弧されない場合でさえ、陽極キャビティ１３０４内の高密度放電プラズマを提供する。ダイオード放電又は遠隔陽極アーク放電、或いはその両方が活性化されると、キャビティ１３０４は、陽極放電キャビティ１３０４内のプラズマ密度を劇的に増加させる中空陽極効果を形成する高密度プラズマで充填される。磁気コイル１３０７がオンの場合、磁気コイル１３０７は、遠隔陽極１３０３の壁のそばに（図１３Ｌ、図１３Ｍの矢印によって示す）交差場Ｅ×Ｂを生成し、キャビティ１３０４内部のガス金属スパッタリング流のガス及び金属成分両方のイオン化を劇的に向上させることに寄与する、陽極壁１３０３の周囲に電子ドリフト速度ｖｅｄを有する閉ループ電子ドリフト電流を生成する。高い金属イオン度を有する金属スパッタリング・ガスプラズマは、キャビティ１３０４の開口部全体にわたって被覆チャンバー内の被覆される基板に向かって流れる。本実施例で使用する主陰極アーク源は、図１３Ｍに示すように、図１３Ｈ〜図１３Ｋで以前に示したものと同一の設計であってもよい。また、スパッタリングターゲット１３００のイオン衝撃の強度をさらに増加し、したがって（図１３Ｉ、図１３Ｊ、図１３Ｋに示す）金属スパッタリング被膜堆積プロセスの生産性を向上させるために、磁気ヨークなどのマグネトロン磁気システムをターゲット１３００の後ろに据え付けることができる。ダイオード・スパッタリング及びマグネトロン・スパッタリング両方の実施例において、遠隔中空陽極効果は、金属イオン束を増加させ、それによって堆積させた金属スパッタリング被膜の機能特性の改善がもたらされる。
【００９５】
図１４Ａ〜図１４Ｃを参照すると、マクロ粒子フィルターを組み込む被覆システムの変形例の概略図が提供されている。本変形例では、特許文献６の陰極チャンバーの設計が採用されており、特許文献６の全開示が参照により本明細書に組み込まれる。システム８８０は、マクロ粒子フィルターとして構成された陰極チャンバー８８４を含む。陰極チャンバー８８４は、細長い陰極８８６のまわりに対称に置かれた偶数のダクト組立体を含む。図１４Ａ及び図１４Ｂに述べる変形例は、４つのダクト組立体、すなわちダクト組立体８８８、８９０、８９２及び８９４を含み、これらの組立体が陰極８８６のまわりにエンクロージャー８９６を効果的に形成する。ダクト組立体８８８、８９０、８９２、８９４は、ダクト９００、９０２、９０４、９０６を画成し、これらのダクトを通って、正に帯電したイオンが陰極ターゲット９８６から基板２０に誘導される。ダクト組立体９８８、９９０、９９２、９９４は、プラズマを誘導するための磁場を画成する。ダクト組立体それぞれは、支持部品９１０、及びマクロ粒子を阻止するためのバッフル部品９１２を含む。改良例では、バッフル部品９１２は、マクロ粒子をフィルター除去する能力を向上させるための突起部９１４を含む。ダクト組立体が正に帯電したイオンを跳ね返すために電気的にバイアスされるように、フィルター電源に接続する電気的ポスト９１６、９１８を使用する。ダクト組立体８８８、８９０、８９２、８９４が陰極８８６との関係で正にバイアスされている場合、このダクト組立体は、陰極チャンバー８８４内部に確立される主アーク放電のための主陽極としても働く。また、ダクト組立体８８８、８９０、８９２、８９４は、絶縁され、浮遊電位を有してもよい。この場合、アーク・ステアリング電磁コイル（図示せず）は、図１４Ｂに示した本発明の実施例に関連して上で説明したように、陰極チャンバー８８４内の主アーク放電を点弧するための陰極８８６に対する主陽極として働くことができる。図１４Ｃを参照すると、陰極チャンバー・エンクロージャー・フィルター組立体８９６の概略斜視図が提供されている。フィルター組立体陰極チャンバー・エンクロージャー８９６は、１組のダクト組立体８８８、８９０、８９２、８９４で作られており、これらダクト組立体は、陰極８８６と平行であり、ロッドの形状を有するのが好ましいが、任意の多角形断面を有する棒として作られてもよい。フィルタード陰極アーク被膜堆積プロセス中に、フィルターは、ダクト組立体８８８、８９０、８９２、８９４に沿って電流を流すことよって電気的に活性化され、磁場を確立する。
【００９６】
図１４Ａ〜図１４Ｃをさらに参照すると、磁場は、磁場を生成するように、電流を、ダクト組立体を通過させることによって任意に生成される。特に、隣接したダクト組立体は、反対の磁気極性を有する磁場を生成する。矢印９２０、９２２、９２４、９２６は、そうした磁場を生成するように電流が流れることができる方向の実例を示す。矢印は、隣接するダクト組立体内の電流の方向が互いに反対であることを示す。このように生成された磁場は、プラズマ誘導に寄与する、細長い陰極面に垂直の配向及び強度を有し、電流を、ダクト組立体を通過させることによって生成される。このフィルタード・アーク堆積モードにおいて、陰極９８６から放出された金属蒸気プラズマは、各ダクト組立体間のダクトを通り抜け、それによって望ましくないマクロ粒子及び中性の金属蒸気成分を除去し、基板に１００％イオン化された金属蒸気プラズマを送出することができる。
【００９７】
遠隔陽極アーク・プラズマ放電（ＲＡＡＤ）モードでは、電流は、ダクト組立体８８８、８９０、８９２、８９４中を伝導せず、金属蒸気プラズマ抽出磁場は、発生しない。このダクト・パッシブ・モードでは、陰極８８６の表面から放出された電子は、陰極チャンバー８８４内の陰極８８６と、被覆システム８８０のチャンバー壁９０６に沿って置かれたマグネトロン源９３６、９３８及び９４０を取り囲む遠隔陽極９３０、９３２及び９３４との間で遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）電流を伝導するダクト９００、９０２、９０４、９０６を自由に通り抜けることができる。同時に、ダクト組立体８８８、８９０、８９２、８９４は、陰極８８６から放出された金属蒸気原子、イオン、及びマクロ粒子などの重粒子が基板に達するのを阻止する障壁として働く。遠隔陽極アーク放電（ＲＡＡＤ）プラズマは、基板が置かれた、システム８８０の処理領域内のプラズマ処理環境をイオン化し活性化する。これによって、結果としてイオンプラズマ・クリーニング、イオン注入イオン窒化処理、及び遠隔アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ）を行うことができ、プラズマ処理製品の改良された特性がもたらされる。
【００９８】
図１５Ａを参照すると、マクロ粒子フィルターとしても機能する陰極チャンバーの概略図が提供されている。本設計は、図１３Ａに示すものと同様であり、図１４Ｂのインライン被覆システムの陰極チャンバーの代わりに使用されてもよい。本変形例では、陰極チャンバーは、円筒状の陰極アーク源９８６のまわりに円周方向に置かれた１組の磁気ブレード１０１０を含む。改良例では、各ブレードは、各ブレードの回転軸１０２０のまわりを回転することができる。図１５Ｂの断面図に示す円筒状の陰極アーク源９８６は、真空陰極アーク蒸着プロセスによって蒸発する材料で作られた円筒状陰極ターゲット１０２６及び周囲の磁気コイル１０２８から構成されている。ブレード１０１０の同一極性の磁極は、陰極９８６に面しているが、反対極性を有するブレードのもう一方の端部は、（図１４Ａに示す）被覆される基板に面している。ブレードの電位は、浮遊状態、さもなければ周囲のプラズマ環境に対して正であるべきであり、それによって、正に帯電した金属イオンをバッフル１０１０から跳ね返す電場を生成し、バッフルを金属蒸気プラズマから磁気的に絶縁された状態に効果的に保持し、一方で、中性金属原子及びマクロ粒子は、バッフルの表面に自由に衝突することができる。ブレード１０１０が、ほぼ放射状に又は陰極９８６の半径に対して略４５°未満の鋭角で並んでいる場合、隣接する磁気的に絶縁されたブレード１０１０間のギャップは、円筒状陰極アーク源４８６の陰極ターゲットの蒸発面上の陰極アークスポットから発生する金属蒸気プラズマ１０３０を輸送するためのプラズマ誘導通路を形成し、金属蒸気プラズマは、陰極４８６から離れるように磁力線に沿って（図１４Ａに示す）被覆される基板に向かって伝播する。陰極ターゲット１０２６の蒸発面上の陰極アークスポットから発生する（図１５Ｂの矢印によって示す）金属蒸気プラズマ流１０３０は、（図１４Ａに示す）被覆される基板に向かって隣接する磁気ブレード１０１０間のプラズマ輸送通路に沿って伝播する。図１５Ｃ〜図１５Ｄは、円筒状被覆アーク源９８６の半径に対して３０°の角度に置かれた磁気ブレードを示す。この位置において、隣接するブレード１０１０間に形成されたプラズマ輸送通路は、陰極ターゲット１０２６の蒸発面の陰極アークスポットによって発生する金属蒸気プラズマの金属イオン及び電子電流の両方の輸送に対して透過性がある。金属蒸気プラズマは、隣接する磁気バッフル１０１０間の曲線からなる磁力線に沿って伝播する。ブレード１０１０が円筒状陰極アーク源９８６の半径に対して略４５°よりも大きく、９０°未満の角度位置まで回転すると、隣接するブレード１０１０間のプラズマ通路は、金属蒸気プラズマ流１０３０には不透過性になるが、それでも電子は、電子エミッターとしての陰極１０２６から（図１４Ａに示すような）被覆チャンバーのどこか他の場所に据え付けられた遠隔陽極まで、隣接するブレード１０１０間の残りのギャップ内部を（図１５Ｆの点線の矢印１０３５で示すように）自由に流れることができ、したがって被覆チャンバーにおける陰極１０２６と遠隔陽極との間の遠隔アーク放電を提供する。陰極組立体のこの電子放出モードが、ブレードが陰極１０２６の���径に対して６０°の角度に置かれた図１５Ｅ及び図１５Ｆに示されている。
【００９９】
図１５Ｇを参照すると、１組のプラズマ誘導磁気バッフルを利用する、回転するターゲットを有する双方向円筒状陰極アーク源の概略図が提供されている。本設計では、陰極組立体１０３６は、図１２Ｄに示す回転する円筒状陰極ターゲットを有する陰極アーク源と同様であるが、回転するターゲット１０３８の両側にアークスポット・ステアリング領域を提供するデュアル磁気ヨーク１０４０を任意選択で有する。シールド１０４２は、アークスポットが磁気ヨーク１０４０の磁極間の蒸発領域から逸脱するのを抑える。追加のシールド１０５１をフィルタード陰極アーク源１０３６の側面に任意選択で取り付け、マクロ粒子が（図１４Ａに示すような）被覆チャンバー内の被覆される基板に達するのをトラップすることができる。金属蒸気プラズマは、磁気的に絶縁されたバッフル１０１０が、陰極１０３６の半径にほぼ沿った方向に、又はより具体的には陰極ターゲット１０３８の半径に対して０°〜４５°の角度範囲に並んでいる場合に、このバッフル１０１０間の磁力線に沿ってプラズマ誘導通路内部を輸送される。バッフル１０１０は、陰極ターゲット１０３８の半径に対して軸１０２０のまわりに４５°〜９０°の角度範囲まで回転し、金属イオンを含む重粒子に対するプラズマ誘導通路を効果的に閉じることができるが、それでもなお、電子が、遠隔アーク放電モードにおいて被覆チャンバー内の陰極１０３６から遠隔陽極に流れることを可能にするギャップを残すことができる。図１５Ｈは、図１５Ｇの陰極チャンバー１０３６を利用する、図１４Ａに示すものと同様の被覆システムを提供する。被覆システム１０５２は、２つのモード、すなわち、バッフル１０１０が陰極ターゲット１０３８の半径に対して０〜４５の角度範囲に並んでいる場合のフィルタード陰極アーク堆積モードで、及び磁気バッフル１０１０と陰極ターゲット１０３８の半径との角度が４５°〜６０°の範囲にある場合の電子放出モードで動作する。フィルタード陰極アーク堆積モードでは、被覆チャンバー４０８に据え付けられたマグネトロン・スパッタリング源１０５８、１０６０、１０６２によって提供されるマグネトロン・スパッタリング堆積の有無にかかわらず、円筒状陰極アーク源１０８２の蒸着ターゲット１０３８によって生成される金属蒸気プラズマによって被膜を堆積させる。遠隔陽極アーク支援マグネトロン・スパッタリング（ＲＡＡＭＳ）モードでは、金属スパッタリング流が陰極ターゲット１０３８と遠隔陽極１０６４、１０６６及び１０６８との間を伝導する遠隔アークによってイオン化される、マグネトロン・スパッタリング源１０５８、１０６０、１０６２によって発生するイオン化されたマグネトロン・スパッタリングによって被膜が堆積する。
【０１００】
別の実施例では、上述した方法及びシステムによって形成される被覆物が提供される。図１６Ａを参照すると、被覆物１１００は、表面１１０４を有する基板１１０２及び表面１１０４上に配置された被膜１１０６を備える。改良例では、被膜は、保護被膜である。典型的には、被膜は、高密度微細構造及び特徴的な色を有する。改良例では、被膜は、窒素、酸素、及び／又は炭素と反応して、高融点金属窒化物、酸化物、又は炭化物を形成する高融点金属を含む。適切な高融点金属の実例には、限定されないが、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・チタン合金が含まれる。クロム窒化物は、上述した方法によって作られる特に有用な被膜の例である。改良例では、被膜は、約１〜約６ミクロンの厚さを有する。図１６Ｂを参照すると、上述した方法によって形成された多層構造であるクロム窒化物被膜の変形例が提供されている。被覆物１１０８は、基板１１０２上に配置された未反応のクロム層の薄層１１１０、及び未反応のクロム層１１１０上に配置された厚い化学量論的なクロム窒化物層１１１２を含む。さらなる改良例では、多層構造は、化学量論的なクロム窒化物層１１１２上に配置された中間のサブ化学量論的なクロム窒化物層の層１１１４をさらに含む。中間の化学量論的なクロム窒化物１１１４は、ＣｒＮ（１−ｘ）によって与えられる化学量論比を有し、ここでｘは０．３〜１．０の数である。改良例では、未反応のクロム層１１１０の厚さは、０．０５〜０．５ミクロン、厚いクロム窒化物層１１１２の厚さは、１〜３ミクロン、中間の化学量論的なクロム窒化物１１１４は、０．５〜１ミクロンである。
【０１０１】
本発明の実施例について示し、説明したが、これらの実施例が本発明のすべての可能な形態を示し、説明することは意図されていない。むしろ、本明細書において使用される用語は、限定ではなく説明の用語であり、様々な変更が本発明の精神及び範囲から逸脱せずに行われてもよいことが理解される。
【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１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１１Ｇ】
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【図１１Ｈ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【図１３Ｇ】
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【図１３Ｈ】
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【図１３Ｉ】
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【図１３Ｊ】
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【図１３Ｋ】
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【図１３Ｌ】
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【図１３Ｍ】
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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１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１５Ｇ】
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【図１５Ｈ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【外国語明細書】
2017031501000001.pdf