ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННАЯ ИОННАЯ ОБРАБОТКА И ОСАЖДЕНИЕ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ ПРИ СОДЕЙСТВИИ ДУГОВОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
PLASMA-IMMERSION ION TREATMENT AND DEPOSITION OF COATINGS FROM VAPOUR PHASE WITH HELP OF LOW-PRESSURE ARC DISCHARGE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системам для плазменного напыления и к соответствующим способам.
Уровень техники
Для нанесения покрытий и обработки поверхностей используются источники физического парофазного осаждения (PVD) и химического парофазного осаждения (CVD) при низком давлении. Общеизвестные традиционные источники паров металлов, такие как источники металлических паров, используемые в электронно-лучевом методе парофазного осаждения (EBPVD) и магнетронном распылении (MS), могут обеспечить высокие скорости нанесения покрытия. Однако низкая энергия атомов паров металлов и низкая степень ионизации в этих процессах приводят к получению покрытий с низкой плотностью, недостаточной адгезией, некачественной структурой и морфологией. Точно установлено, что осуществление процесса нанесения покрытия путем бомбардировки частицами высокой энергии резко улучшает качество покрытия за счет уплотнения осажденных материалов, уменьшения размеров частиц и улучшения адгезии покрытия. В этих процессах на поверхностный слой оказывает влияние высокая скорость бомбардировки ионами высокой энергии, которая изменяет подвижность атомов осаждаемых паров металла и во многих случаях создает метастабильные структуры с уникальными функциональными характеристиками. Кроме того, бомбардировка поверхности, подлежащей покрытию, оказывает влияние на протекание процесса адсорбции газа за счет увеличения коэффициента аккомодации газов, в частности, азота, и изменения природы центров адсорбции от центров физической сорбции с низкой энергией до центров химической сорбции с высокой энергией. Такое решение, в особенности, эффективно при нанесении покрытий из наноструктурированного композита с ультратонкими или стеклообразными аморфными структурами.
-5
Существует два различных подхода для обеспечения ионной бомбардировки при проведении процессов PVD или CVD. Ионно-лучевое осаждение (IBAD) является способом, который таит в себе большие возможности для формирования плотных керамических покрытий на полимерах и других температурно-чувствительных материалах. Процесс IBAD обычно проводят под вакуумом (примерно 1×10 тор), при котором керамический материал термически напыляется на подложку и одновременно бомбардируется ионами высокой энергии. Под действием пучка ионов осажденные атомы смешиваются с подложкой, создавая дифференцированный слой, что может улучшить адгезию покрытия и уменьшить напряженное состояние пленки покрытия. Падающие ионы, кроме того, создают «дробеструйный эффект», благодаря которому происходит прессование и уплотнение слоя и тем самым снижается или исключается столбчатая форма роста.
4
2
4
Например, при проведении процесса осаждения IBAD пленок алмазоподобного углерода (DLC) углерод напыляется с помощью источника пучка электронов или напыляется с помощью магнетронного источника. Ионная бомбардировка проводится с использованием независимого источника ионного пучка с широкой апертурой, в частности, пучка ионов аргона. Такие пучки ионов аргона не изменяют химический состав растущих пленок, а влияют только на их структуру, морфологию, энергию связи, химические связи между атомами за счет изменения пространственной структуры. Добавление к пучку ионов подходящего газообразного исходного вещества приводит к легированию растущей пленки DLC, и тем самым обеспечивается участие паров химических веществ в проведении процесса IBAD. Примером легирования пленок DLC кремнием являются пленки, осажденные из пучка ионов Ar+SiH. В пленки с помощью пучка ионов Ar и фтороуглеводорода может быть добавлен фторид, азот может быть добавлен путем использования пучка ионов Ar и N, а бор может быть добавлен с помощью пучка ионов Ar+ВН. Процесс IBAD является гибким технологическим процессом, который позволяет регулировать свойства покрытия в расширенной области параметров данного технологического процесса, а именно, химический состав пучка ионов, энергию ионов, ионный ток и соотношение ион-атом в поступающем потоке для ионно-лучевого осаждения.
Хотя процесс IBAD дает достаточно хорошие результаты, он имеет ограничения, обусловленные его характерной особенностью осаждения «по линии прямой видимости», что негативно влияет на достижение равномерного распределения покрытия на элементах конструкции сложной формы, когда важным является соответствие процесса нанесения покрытия техническим требованиям. Кроме того, процесс IBAD имеет ограниченную производительность для его проведения в промышленном масштабе. Некоторые из этих ограничений преодолевает процесс плазменно-иммерсионного ионного осаждения (процесс PIID) за счет создание атмосферы, содержащей плазму низкого давления, которая эффективно окружает подлежащую покрытию подложку, находящуюся внутри облака однородной плазмы. Это позволяет обеспечить в значительной степени постоянную скорость ионной бомбардировки подложек сложной 3-D формы и большие нагрузки. Процесс PVD или CVD используют для генерирования парообразных веществ, используемых для обработки поверхности подложки. В отличие от процесса IBAD, процессу PIID не присуще свойство осаждения «по линии прямой видимости», и с помощью этого процесса можно обрабатывать сложные поверхности без проведения каких-либо манипуляций. Процесс PIID использует плазму, генерируемую в газовом разряде, который заполняет всю технологическую камеру, обеспечивая тем самым возможность покрытия сложных структур и конструкций. Примеры обработки путем плазменного иммерсионного ионного осаждения включают ионное азотирование, азотонауглероживание, ионное легирование и другие процессы обработки газовыми ионами, которые могут быть осуществлены путем погружения подлежащей покрытию подложки в азотсодержащую плазму при отрицательном напряжении смещения подложки. Кроме того, электронный ток, отводимый из плазмы, когда подложки находятся при положительном напряжении смещения, может быть использован для осуществления процессов предварительного нагрева и термической обработки. Очевидно, что характерное свойство обработки «не по линии прямой видимости» дает процессу PIID ряд преимуществ над процессом обработки «по линии прямой видимости», в особенности, при необходимости эффективной обработки большого количества 3-D объектов. Окружающая среда ионизированного газа, используемая при проведении процесса PIID, может быть создана путем применения различных типов плазменного разряда, например, тлеющего разряда, RF (радиочастотного) разряда, сверхвысокочастотного разряда и дугового разряда низкого давления. Дуговой разряд при низком давлении является, в частности, предпочтительным тем, что он обеспечивает плотную, однородную высокоионизованную плазму в больших технологических объемах при низких затратах. В плазме дугового разряда, способствующей процессам нанесения покрытия или ионной обработки, подложки размещают между катодом дугового разряда и удаленным анодом дугового разряда в пределах зоны существования плазмы дугового разряда. В качестве эмиттеров электронов для создания рабочей среды, содержащей плазму дугового разряда низкого давления, могут быть использованы термоэмиссионные катоды прямого накала, полые катоды, холодные катоды вакуумно-дуговых испарителей и их комбинации. В качестве альтернативы, сам токопроводящий испаряющийся материал может быть использован в качестве катода или анода ионизирующего дугового разряда. Такое решение используют в процессах катодного электродугового напыления в вакууме или в различных стимулированных плазмой дугового разряда процессах с пучком электронов и термического напыления.
Нанесение покрытия в среде реакционного газа, например, покрытия из CrN, может быть осуществлено различными методами осаждения из паровой фазы, такими как катодное электродуговое напыление, электродуговое напыление с фильтрованием, электронно-лучевое напыление, осаждение методом напыления. Технология электроннолучевого метода парофазного осаждения (EBPVD), как традиционного, так и с ионизацией, была использована во многих случаях применения, но обычно во многих областях эта технология не считается подходящей из-за проблем обработки партий изделий, трудностей перехода к промышленном производству и достижения равномерного распределения покрытия по всем большим подложкам, а также и из-за трудности контроля состава покрытия, содержащего много элементов, в связи с термическим выпариванием элементов с различными давлениями паров. В отличие от этого метода для широкого разнообразия случаев применения используют процесс PVD, основанный на магнетронном распылении (MS), благодаря высокой однородности магнетронного покрытия при подходящих скоростях нанесения покрытия, точному регулированию состава покрытия, образованного из многих элементов, и способности процесса MS легко интегрироваться в полностью автоматизированные промышленные системы покрытия изделий партиями (системы периодического действия). Электроннолучевые методы осаждения паров, стимулированного катодным и анодным дуговым разрядом, модифицированные за счет использования горячего испаряемого катода (НЕС) и горячего испаряемого анода (НЕА) соответственно, демонстрируют повышенную степень ионизации, но подвержены негативному проявлению нестабильности активных пятен дуги и неравномерному распределению степени ионизации в потоке паров металла процесса EBPVD. В этих процессах дуговой разряд объединяется с процессом испарения, что затрудняет обеспечение независимого регулирования степени ионизации и скорости испарения в процессах НЕА и НЕС. Поэтому крайне трудно интегрировать процессы РА-EBPVD в полностью автоматизированные промышленные системы, предназначенные для покрытия изделий партиями.
Метод напыления в вакууме хорошо известен в уровне техники как обеспечивающий экономически эффективное нанесение химически реагирующих покрытий большой толщины, хотя пленки толщиной приблизительно более одного микрона имеют тенденцию к проявлению мутности вследствие кристаллизации. Явление кристаллизации или столбчатого роста пленки связано с изначально присущей низкой энергией осаждающихся атомов при осаждении методом распыления и создает тем самым благоприятную возможность для образования энергетически выгодных кристаллических структур. Эти кристаллические структуры могут иметь нежелательные анизотропные свойства, характерные для применений, связанных с износом, и в косметических целях. В последнее десятилетие были разработаны различные методы повышения степени ионизации в процессе магнетронного распыления. Основная цель этих методов заключается в увеличении плотности электронов вдоль пути движения потока атомов магнетронного распыления и увеличения тем самым степени ионизации атомов металла за счет увеличения частоты столкновений электрон-атом. Процесс сильноточного импульсного магнетронного распыления (HIPIMS) использует мощные импульсы, приложенные к мишени магнетрона одновременно с электрической энергией постоянного тока (DC) для увеличения эмиссии электронов и соответствующего увеличения степени ионизации потока распыленного металла. Этот процесс демонстрирует улучшенные свойства покрытия при нанесении износостойких нитридных покрытий для режущих инструментов. В вышеупомянутом процессе HIPIMS повышенная степень ионизации достигается только в периоды коротких импульсов, в то же время в период пауз степень ионизации остается низкой, такой как в традиционных процессах DC-MS. Поскольку параметры импульсов связаны с процессом магнетронного распыления, скорость распыления, которая, как установлено, почти в три раза меньше чем в традиционных процессах DC-MS, может оказывать неблагоприятное влияние. Кроме того, импульсы высокого напряжения в процессе HIPIMS могут создавать дуговой разряд на мишенях магнетронов, приводящий к наличию примесей в растущих пленках.
16
18
-3
Для генерирования разряда с высокой степенью ионизации вблизи мишеней магнетрона в зону между катодом и подложкой может быть введен источник индуктивно связанной плазмы (ICP). В этом случае параллельно катоду по существу в традиционном устройстве для DC-MS размещают ненастроенную индукционную катушку, погруженную в плазму или размещенную вблизи нее. Индукционная катушка обычно возбуждается с частотой 13.56 MHz с помощью источника RF энергии с сопротивлением 50 Ом и электрической схемы, выполненной с согласованием посредством емкостного шлейфа. RF энергия во многих случаях подводится к плазме через диэлектрическое окно или стенку. Индуктивно связанные разряды обычно горят при давлении в интервале от 1 до 50 мТорр и подведенной электрической мощности от 200 до 1000 вт, что приводит к плотности электронов в интервале от 10 до 10 м, которая, как установлено, повышается по линейному закону с увеличением приложенной электрической мощности. В разряде для магнетронного распыления атомы металла распыляются от катодной мишени с использованием энергии DC или RF энергии. Атомы металла перемещаются в плотной плазме, созданной RF катушкой, где они ионизируются. Водоохлаждаемая индукционная катушка, размещенная между мишенью магнетрона и подложками, подлежащими нанесению покрытия, оказывает негативное воздействие на поток распыляемого металла. Установка MS является, таким образом, более сложной, дорогостоящей и трудно интегрируемой в существующую систему периодического нанесения покрытия и систему нанесения покрытия в поточной линии. Эти недостатки присущи также процессу магнетронного распыления, в котором используют энергию сверхвысокой частоты (MW-MS). В указанном процессе MW-MS вакуумная технологическая камера должна быть перепроектирована так, чтобы обеспечить поток распыляемого металла, пересекающий зону ионизации. Однако при использовании RF энергии, энергии MW и ICP для ионизации в процессе PVD возникают затруднения с равномерностью распределения плазмы в большой зоне технологической обработки, что является препятствием для интегрирования таких процессов в системы нанесения покрытий в зонах больших размеров.
Другим известным в уровне техники методом генерирования ионов высокой энергии является метод плазмостимулированного магнетронного распыления (PEMS), который использует термоэлектронный катод прямого накала (HF-MS) или полый катод (НС-MS) в качестве источника ионизирующих электронов с увеличением степени ионизации в процессе DC-MS. В процессе HF-MS в качестве источника ионизирующих электронов используют удаленный термоэлектронный катод прямого накала, что делает этот процесс подобным процессу HF-MS. Однако в этом процессе обычно получается неоднородная плазма, что создает затруднение для его интегрирования в системы нанесения покрытий в зонах больших размеров. Кроме того, используемые в дуговом разряде катоды прямого накала и полые катоды чувствительны и быстро разрушаются в реакционной атмосфере плазмы. Недостатки этих процессов генерирования плазмы устраняются за счет использования холодного катода дугового испарителя в качестве источника электронов для ионизации и создания условий проведения процесса осаждения из паровой фазы.
Внешний вид покрытий, нанесенных с использованием обычного катодного разряда, характеризуется видимыми твердыми частицами непрорегировавшего материала мишени, называемыми макроэлементами, которые являются дефектами нанесенного покрытия, нежелательными в случаях применения, требующих наличия определенных свойств покрытия с точки зрения износа, коррозии и внешнего вида. Однако покрытия электродугового напыления, в отличие от пленок покрытия, полученных магнетронным распылением, не имеют кристаллической структуры, поскольку процесс испарения в дуге производит сильно ионизированную плазму с осаждающимися атомами, обладающими высокой энергией, ответственными за весьма неупорядоченные кристаллические структуры в образующихся пленках покрытий. В соответствии с изложенным существует необходимость в новом способе генерирования частиц, обладающих высокой энергией, в процессах нанесения покрытий с получением улучшенных свойств пленки покрытия.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение решает одну или большее число проблем, существующих в уровне техники, за счет обеспечения, по меньшей мере, одного воплощения системы для нанесения покрытия в вакууме и плазменной обработки. Система для нанесения покрытия в вакууме и плазменной обработки включает узел формирования плазмы, находящийся напротив подложки, содержащий катод магнетрона с длинной кромкой, короткой кромкой и магнитный полюс. Магнитный полюс создает на поверхности мишени рейстрек распыления (дорожку распыления) и электромагнитный барьер. Анод электрически соединен с катодом магнетрона. По меньшей мере, один удаленный дуговой разряд генерируется независимо от катода магнетрона и в непосредственной близости к указанному катоду, и при этом заключен в объеме вблизи мишени для магнетронного распыления. Удаленный дуговой разряд распространяется параллельно длинной кромке мишени магнетрона и ограничивается поверхностью мишени с одной стороны и электромагнитным барьером со всех других сторон. Имеется защитный кожух катода удаленного дугового разряда и защитный кожух анода, установленный поверх дугового разряда и поперек короткой кромки катода магнетрона. Снаружи от узла формирования плазмы находится магнитная система, создающая силовые магнитные линии, которые проходят в плазму и локализуют ее напротив узла формировании плазмы и подложки. Источник электрической энергии для катода магнетрона соединен с катодом магнетрона и с анодом, а источник энергии для удаленного дугового разряда подключен между, по меньшей мере, двумя электродами для дистанционно управляемого дугового разряда.
В другом воплощении система для нанесения покрытия в вакууме и плазменной обработки содержит узел генерирования плазмы, обращенный в сторону подложки, содержащий катод магнетрона с длинной гранью, короткой гранью и магнитным полюсом. Магнитный полюс создает рейстрек на поверхности мишени и электромагнитный барьер. Анод электрически соединен с катодом магнетрона. По меньшей мере, один удаленный дуговой разряд генерируется отдельно от катода магнетрона и в непосредственной близости к катоду, так что он заключен в объеме, находящемся вблизи мишени для магнетронного распыления. Удаленный дуговой разряд проходит параллельно длинной кромке магнетронной мишени и ограничивается поверхностью мишени с одной стороны и электромагнитным барьером на всех других сторонах. Катод и анод удаленного дугового разряда снабжены щитками, проходящими поверх дугового разряда и поперек короткой кромки катода магнетрона. Проволочному электроду придана форма с направлением выпуклости профиля проволоки в сторону подложки. Снаружи от узла формирования плазмы находится магнитная система, создающая магнитные силовые линии, которые проходят в плазму и удерживают (локализуют) ее напротив узла формирования плазмы и подложки. Источник электрического питания катода магнетрона соединен с катодом магнетрона и с анодом, а источник питания удаленного дугового разряда включен, по меньшей мере, между двумя электродами удаленного дугового разряда.
В соответствии с еще одним воплощением изобретения обеспечивается способ покрытия подложки в системе для нанесения покрытий, описанной выше. Способ включает стадию питания электроэнергией катода и питание электроэнергией дугового разряда. К магнитной катушке подводится электрическая энергия, а в вакуумную камеру поступает поток газа. Газ откачивается из вакуумной камеры, и одновременно на подложку наносится покрытие.
Краткое описание чертежей
Примеры воплощения настоящего изобретения будут более понятными из нижеследующего подробного описания изобретения и сопровождающих чертежей.
Фиг. 1А - схематический вид сбоку системы нанесения покрытия, использующей удаленный дуговой разряд.
Фиг. 1В - вид спереди системы покрытия, перпендикулярный виду, представленному на фиг. 1А.
Фиг. 1С - схема системы покрытия, показанной на фиг. 1А.
Фиг. 1D - схематическая иллюстрация, отображающая локализацию плазменной струи, протекающей между катодом и удаленным анодом.
Фиг. 1Е - схематическое изображение катода, образованного из большого числа элементов, используемого для получения плазменной струи в виде растра.
Фиг. 2 - типичное распределение потенциала плазмы между сеткой и удаленным анодом, полученное с помощью моделирования по методу конечных элементов.
Фиг. 3 - графическая зависимость интенсивности излучения дистанционной плазмы дугового разряда, эмитируемого возбужденными атомами аргона (спектральная линия ArI 739.79 нм), в зависимости от тока разряда.
Фиг. 4А - схема системы покрытия, содержащей дополнительные удаленные аноды, размещенные между источником магнетронного распыления, и дополнительные катодные узлы с экранированными катодными камерами, добавленные для обеспечения однородности и высокой степени ионизации газообразной плазмы.
Фиг. 4В - схематическое изображение системы покрытия, которая содержит переменные резисторы, установленные между основным анодом и каждым из большого количества вспомогательных анодов.
Фиг. 4С - иллюстрация усовершенствованного варианта, в котором используется параллельный конденсатору резистор для создания потенциалов промежуточного анода.
Фиг. 5 - схематическая иллюстрация поточной модульной конфигурации системы магнетронного распыления при содействии удаленного дугового разряда (RAAMS).
Фиг. 6 - диаграмма распределения потенциала при обработке с использованием плазмы RAD.
Фиг. 7А и 7В - схематическое изображение системы покрытия партии изделий с центрально расположенной экранированной катодной камерой.
Фиг. 8А - схема варианта системы, показанной на фиг. 7А и 7В.
Фиг. 8В - схема варианта системы, показанной на фиг. 7А и 7В.
Фиг. 8С - схема варианта системы, показанной на фиг. 7А и 7В.
Фиг. 8D - схема варианта системы, показанной на фиг. 7А и 7В.
Фиг. 8Е - схема варианта системы, показанной на фиг. 7А и 7В.
Фиг. 8F - схема варианта системы, показанной на фиг. 7А и 7В.
Фиг. 8G - схематическое изображение изомагнитных линий для систем, показанных на фиг. 8А-8С.
Фиг. 8Н - схематическое изображение изомагнитных линий для систем, показанных на фиг. 8А-8С.
Фиг. 9А - схема системы покрытия, содержащей дополнительные магнетроны.
Фиг. 9В - схема системы покрытия, содержащей дополнительные магнетроны.
Фиг. 9С - схема системы покрытия, содержащей дополнительные магнетроны.
Фиг. 9D - схема системы покрытия, содержащей дополнительные магнетроны.
Фиг. 9Е - схема системы покрытия, содержащей дополнительные магнетроны.
Фиг. 10 - схематическая иллюстрация физических процессов, происходящих в двухмерном удаленном дуговом разряде.
Фиг. 11 - схема системы покрытия партий изделий с расположенным на периферии катодным узлом с экранированной катодной камерой.
Фиг. 12 - схема другого варианта, содержащего источник эмиссии электронов, включающий экранированный катодный разряд, расположенный в центре камеры для нанесения покрытия.
Фиг. 13 - схематические иллюстрации системы, содержащей источник эмиссии электронов с холодным катодом, эмитирующим электроны с помощью дугового разряда в вакууме.
Фиг. 14А - схема варианта системы покрытия, содержащей фильтр макрочастиц.
Фиг. 14В - схема варианта системы покрытия, содержащей фильтр макрочастиц.
Фиг. 14С - схема варианта системы покрытия, содержащей фильтр макрочастиц.
Фиг. 15А - схема системы RAAMS, вид сбоку.
Фиг. 15В - схематический вид сбоку, перпендикулярный виду на фиг. 15А.
Фиг. 16 - схематическое изображение варианта системы, представленной на фиг. 15А и фиг. 15В, с катодом в одной из секций катодной камеры и с двумя катодными пятнами дуги.
Фиг. 17 - схематическое изображение альтернативной конфигурации системы с удаленной плазмой, в которой используется схема с коаксиальной камерой для покрытия партии изделий и с источниками в виде плоского магнетрона.
Фиг. 18А - схематическое изображение усовершенствованного варианта с отдельными основными катодными камерами для каждого источника магнетронного распыления.
Фиг. 18В - схематическое изображение усовершенствованного варианта с отдельными основными катодными камерами для каждого источника магнетронного распыления.
Фиг. 19А - схема усовершенствованного варианта систем, представленных на фиг. 14 - фиг. 18.
Фиг. 19В - схема усовершенствованного варианта систем, представленных на фиг. 19А.
Фиг. 19С - схема усовершенствованного варианта систем, представленных на фиг. 19А.
Фиг. 19D - модуль системы RAAMS с электродной сеткой, вид в перспективе.
Фиг. 19Е - схема другой системы нанесения покрытия с использованием удаленного анода.
Фиг. 19F - система, показанная на фиг. 19Е, вид в поперечном разрезе.
Фиг. 20 - схема варианта выполнения, в котором используется источник эмиссии электронов с катодным разрядом и нерасходуемым катодом.
Фиг. 21А - схема, в которой между анодом и источником магнетронного распыления размещен держатель подложки.
Фиг. 21В - схема, в которой между держателем подложки и источником магнетронного распыления размещен проволочный анод.
Фиг. 22А - система, показанная с магнитными катушками для удержания плазмы, вид в поперечном разрезе.
Фиг. 22В - система, показанная с магнитными катушками для удержания плазмы и с одним катодом магнетрона, обращенным в сторону другого катода магнетрона, при этом полярность каждого из катодов зеркально отражает полярность другого катода, вид в поперечном разрезе.
Фиг. 22С - система, показанная с магнитными катушками для удержания и с одним катодом магнетрона, обращенным в сторону другого катода магнетрона, при этом полярность каждого из катодов противоположна полярности другого катода, вид в поперечном разрезе.
Фиг. 22D - система, показанная на фиг. 22А, использующая для питания катода источник энергии постоянного тока, вид сбоку в поперечном разрезе.
Фиг. 22Е - проволочный анод, расположенный вдоль линий магнитного поля, выходящих из катушки, вид в поперечном разрезе.
Фиг. 22F - система, показанная на фиг. 22А, с источником RF-энергии для питания катода, вид сбоку в разрезе.
Фиг. 22G - система, показанная на фиг. 22А, с импульсным источником энергии постоянного тока для питания катода, вид сбоку в разрезе.
Фиг. 23 - катушки для удержания плазмы, образующие магнитное зеркало, и плазма удаленного дугового разряда вблизи мишени и катода, вид в перспективе.
Фиг. 24А - множество обращенных друг к другу узлов нанесения покрытия, между которыми размещена подложка, вид в поперечном разрезе.
Фиг. 24В - множество обращенных друг к другу узлов нанесения покрытия с проволочным анодом согласно фиг. 22, между которыми размещена подложка, вид в поперечном разрезе.
Фиг. 24С - линии смоделированного магнитного поля, в котором полярность магнитного поля зеркально отображена на противоположной стороне поточной системы.
Фиг. 24D - линии смоделированного магнитного поля, в котором полярность магнитного поля зеркально отображена на противоположной стороне поточной системы, а ток магнитной катушки больше, чем ток катушки на фиг. 24С.
Фиг. 24Е - линии смоделированного магнитного поля, в котором полярность магнитного поля зеркально отображена на противоположной стороне поточной системы, а ток магнитной катушки отсутствует.
Фиг. 25А - два удаленных электродуговых разряда, вид в продольном разрезе.
Фиг. 25В - вариант, в котором защитный кожух катода проходит в короткий участок катода магнетрона, вид в продольном разрезе.
Фиг. 25С - иллюстрация удерживания удаленных плазменных струй в пределах разряда магнетрона, вид в продольном разрезе.
Фиг. 25D - иллюстрация удерживания удаленных плазменных струй в пределах магнетронного разряда, генерируемого с помощью электромагнитных катушек, вид в продольном разрезе.
Фиг. 25Е - иллюстрация удерживания удаленных плазменных струй в пределах магнетронного разряда, генерируемого с помощью электромагнитных катушек, ориентированных в направлении от задней стороны мишени, вид в продольном разрезе.
Фиг. 25F - узел нанесения покрытия, использующий четыре электромагнитные катушки для создания четырех рейстреков на одной мишени, вид в перспективе.
Фиг. 25D - удерживание удаленных плазменных струй в пределах разряда магнетрона, генерируемого с помощью электромагнитных катушек, вид в продольном разрезе.
Фиг. 25Н - основной электрод электрической дуги, размещенный в магнетронном разряде, генерируемом с помощью постоянного магнита в форме ярма, вид сбоку в разрезе.
Фиг. 25I - основной электрод электрической дуги, размещенный в магнетронном разряде, генерируемом с помощью постоянного магнита в форме ярма, и тонкий подвижный лист распыляемой мишени, вид сбоку в разрезе.
Фиг. 25J - распыляемая мишень в виде диска, параллельного удаленному дуговому разряду, вид в разрезе.
Фиг. 25K - вариант, в котором защитный кожух катода проникает в короткий участок катода магнетрона, при этом электромагнитная катушка охватывает катод, вид в продольном разрезе.
Фиг. 25L - схема поточной конфигурации системы RAAMS с усовершенствованной электромагнитной частью.
Фиг. 25М - схема улучшенного варианта поточной камеры системы RAAMS с усовершенствованной электромагнитной частью и вращающимися магнетронами.
Фиг. 26А - основные электроды электрической дуги, размещенные в разряде магнетрона, вид в разрезе.
Фиг. 26В - основной электрод электрической дуги, размещенный в разряде магнетрона, вид сбоку в разрезе.
Фиг. 25С - узел нанесения покрытия с основным стержневым катодом и основным стержневым анодом, размещенными на коротком участке магнетронного разряда, вид в перспективе.
Фиг. 25D - узел нанесения покрытия со стержневыми электродами, размещенными на коротком участке магнетронного разряда, вид в перспективе.
Фиг. 26Е - основной дуговой разряд, генерируемый с помощью электродугового реактивного микродвигателя, расположенного вблизи короткой части рейстрека магнетрона, вид в перспективе.
Фиг. 26F - катодный узел со стержневыми электродами на противоположных концах короткого участка магнетронного разряда и импульсным источником энергии постоянного тока для питания стержневых электродов, вид в перспективе.
Фиг. 26G - катодный узел со стержневыми электродами на противоположных концах короткого участка магнетронного разряда и высокочастотным (RF) источником электроэнергии для питания стержневых электродов, вид в перспективе.
Фиг. 27А - графические зависимости интенсивности спектральных линий Cr в плазме в зависимости от разрядного тока при использовании оппозитно расположенных узлов нанесения покрытия, показанных на фиг. 22В и фиг. 22С, и без их использования и отсутствия тока в удерживающих катушках.
Фиг. 27В - графические зависимости интенсивности спектральных линий возбужденных атомов Ar и азота в газовой смеси Ar/N2 в зависимости от разрядного тока.
Фиг. 28А - схема устройства прибора для непрерывного контроля плазмы, используемого для измерения интенсивности линий хрома, представленной на фиг. 27.
Фиг. 28В - графические зависимости интенсивности спектральных линий Cr в плазме в зависимости от тока удаленного анода при использовании оппозитно расположенных узлов нанесения покрытия, показанных на фиг. 22В и фиг. 22С, и без их использования и отсутствия тока в удерживающих катушках.
Фиг. 29А - схема подложки с покрытием, нанесенным с использованием процесса, осуществляемого с помощью дистанционной плазмы дугового разряда.
Фиг. 29В - схема подложки с многослойным покрытием, нанесенным с использованием процесса, осуществляемого с помощью дистанционной плазмы дугового разряда.
Осуществление изобретения
Ниже будет приведена подробная информация относительно предпочтительных в настоящее время вариантов конструкции и способов, соответствующих настоящему изобретению, которые представляют собой лучшие варианты практического осуществления изобретения, известные в настоящее время авторам изобретения. Фигуры не обязательно отображены в масштабе. При этом следует понимать, что описанные воплощения изобретения являются лишь примерами, которые могут быть реализованы в различных альтернативных формах. Поэтому описанные здесь конкретные детали следует рассматривать не в качестве ограничения, а лишь как основу для любого аспекта изобретения и/или основу, раскрывающую специалисту в данной области техники путь к использованию изобретения различным образом.
За исключением примеров или случаев, когда указано конкретные величины, все численные величины в этом описании, указывающие количества материала или параметры реакции и/или использования, при раскрытии наиболее полного объема изобретения и употреблении слова «приблизительно» следует понимать как изменяемые. Предпочтительным является осуществление изобретения в пределах указанных пределов численных величин. Кроме того, если это прямо не указано, проценты, «части» и величины отношений являются массовыми. Описание группы или класса материалов как подходящих или предпочтительных для достижения заданной цели во взаимосвязи с изобретением подразумевает, что смеси из двух или большего числа элементов группы или класса являются в одинаковой степени подходящими или предпочтительными. Описание компонентов с помощью используемых в химии терминов относится к этим компонентам во время их добавления в любую комбинацию, конкретизированную в описании, при этом отсутствует необходимость исключать химические взаимодействия между этими компонентами смеси сразу после смешивания. Первая дефиниция сокращения или другой аббревиатуры применима ко всем последующим использованиям здесь этой же аббревиатуры и применима, с необходимыми изменениями, к адекватным грамматически правильным вариантам первоначально приведенной аббревиатуры. Если не указано иное, измерение какого-либо свойства осуществляется с помощью того же метода, который ранее и позднее указан для этого свойства.
Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено описанными ниже конкретными воплощениями и способами, поскольку конкретные компоненты и/или режимные параметры, конечно, могут изменяться. Кроме того, употребляемая здесь терминология используется только в целях описания конкретных воплощений настоящего изобретения, а не для какого-либо ограничения.
Везде в описании изобретения, где указаны ссылки на публикации источников информации, описание этих источников во всей полноте включено в настоящую заявку, посредством ссылки, для более полного описания состояние уровня техники в отношении данного изобретения.
На фиг. 1А, 1В, 1С и 1D схематически показана система нанесения покрытия, в которой используется плазма дугового электрического разряда. На фиг. 1А представлен схематический вид сбоку системы покрытия. На фиг. 1B показан вид спереди системы покрытия, перпендикулярный виду на фиг. 1А. На фиг. 1С показана схема системы покрытия, включая электрические соединения с помощью электропроводки. Система в этом воплощении является, в особенности, эффективной для улучшения характеристик плазмы дугового разряда в процессах нанесения покрытий с помощью магнетронного распыления в больших зонах. Система 10 покрытия содержит вакуумную камеру 12 с размещенным в ней узлом нанесения покрытия. Узел нанесения покрытия содержит источник 16 паров, узел 18 с катодной камерой, размещенный в вакуумной камере 12, держатель 20 подложки, предназначенный для удерживания подложки 22, подлежащей покрытию. На фиг. 1А и фиг. 1B представлен вариант выполнения, в котором источник 16 паров представляет собой источник магнетронного распыления, так что процесс покрытия в системе 10 является магнетронным распылением с помощью удаленного дугового разряда (RAAMS). Такие источники магнетронного распыления содержат мишень Ts, источник Ps электрической энергии и анод As. Следует принимать во внимание, что в качестве источника 16 паров могут быть использованы другие типы источников паров. Примеры таких источников включают, но не в качестве ограничения, термические испарители, электронно-лучевые испарители, катодные дуговые испарители и тому подобные. Для нанесения покрытия подложки 22 размещают перед источником 16 паров и во время нанесения покрытия перемещают вдоль направления d1. В улучшенном варианте выполнения подложки могут непрерывно вводиться из загрузочного шлюза камеры с правой стороны вакуумной камеры 12, показанной на фиг. 1А, и выгружаться в выходную камеру с левой стороны вакуумной камеры. Узел 18 с катодной камерой содержит оболочку 24 с образованными в ней отверстиями 26, катод 28, эмитирующий электроны, отдельный используемый по усмотрению основной анод 34 и экран 36. Экран 36 изолирует эмитирующий электроны катод 28 от вакуумной камеры 12. В одном улучшенном варианте выполнения используемый по усмотрению отдельный анод 34, оболочка 24 катода, экран 36 или соединение на землю функционируют как основной анод, соединенный с катодом.
В случае настоящего изобретения узел 18 с катодной камерой функционирует как источник с эмитирующим электроны катодом. В одном улучшенном варианте основной дуговой разряд генерируется в указанном источнике с эмитирующим электроны катодом между катодом 28 и первичным анодом. Оболочка 24 катода может служить в качестве независимого основного анода, соединенного с положительным полюсом источника 48 электрического питания основного дугового разряда, и в качестве заземленного анода, если он соединен с землей 34. В экране 36 образованы отверстия 38 для прохождения тока 40 электронной эмиссии от катода 28 в вакуумную камеру 12. Экран может быть незаземленным, или он может быть соединен с положительным полюсом источника 48 электрического питания основного дугового разряда или с дополнительным источником питания (не показан). В другом варианте выполнения катод 28 является катодом катодного дугового разряда, а заземленный первичный анод 34 является анодом катодного дугового разряда. В качестве испускающего электроны катода 28 может быть использовано любое количество различных катодов. Примеры таких катодов включают, но не в качестве ограничения, холодные катоды вакуумно-дугового разряда, полые катоды, термоионные катоды с нитью прямого накала и тому подобные, и комбинация указанных типов катодов. Обычно катодная мишень выполнена из металла, обладающего способностью поглощать газы, включая титановые и циркониевые сплавы. В одном варианте выполнения экран катодной камеры выполнен водоохлаждаемым, и на него подают отрицательное электрическое смещение по отношению к катодной мишени, при этом потенциал смещения для экрана находится в интервале от -50 В до -1000 В. Согласно еще одному варианту узел 18 с катодной камерой содержит группу катодов с большим числом установленных катодных мишеней, при этом высота группы катодных мишеней по существу такая же, как и высота удаленного анода и высота зоны нанесения покрытия. Промежуток от верха узла с катодной камерой или источника 16 паров до подложек 22 (т.е. верхней поверхности подложек) такой, что плазма, протекающая от катода 28 до удаленного анода 44, локализуется. Обычно разделительный промежуток от экрана 36 узла с катодной камерой или от поверхности испарения источника 16 паров или от удаленного анода 44 до подложек 22 составляет от приблизительно 5,08 см до приблизительно 50,8 см, что приводит к образованию узкого коридора для удерживания плазмы удаленного дугового разряда между катодом 28 в катодной камере 18 и удаленным анодом 44. Если высота этого коридора составляет менее 5,08 см, он создает высокое полное сопротивление в плазме, что приводит к нестабильностям плазмы и, в конце концов, к гашению удаленного дугового разряда. Если высота этого коридора составляет более 50,8 см, плотность плазмы в удаленном дуговом разряде не увеличивается в достаточной степени для ионизации потока распыляемого металла. В особенно эффективных вариантах выполнения в узле 18 с катодной камерой установлена катодная мишень с большой поверхностью, имеющая форму пластины или бруска. Обычно такая катодная мишень с большой поверхностью имеет высоту, которая по существу равна высоте анода и высоте зоны нанесения покрытия. В одном варианте катодная мишень может быть изготовлена из металла, обладающего способностью газопоглощения, такого, например, как титановый сплав или циркониевый сплав. В этом случае испускающий электроны источник - экранированный катод может также служить в качестве вакуумного геттерного насоса, который может улучшать эффективность откачивания в системе покрытия. Для дополнительного повышения эффективности газопоглощения экран 36, обращенный в сторону испарительной поверхности катодной мишени 28 в катодной камере 18, может быть выполнен водоохлаждаемым и, по усмотрению, соединенным с электрическим источником высокого напряжения смещения. Когда на водоохлаждаемый экран 36 подают высокое отрицательное напряжение смещения, в интервале от -50 В до - 1000 В по отношению к катодной мишени 28, он будет подвержен интенсивной бомбардировке ионами металла, генерируемыми в процессе испарения катода в дуговом разряде. Конденсация паров металла в условиях интенсивной ионной бомбардировки является благоприятной для нагнетания инертных газов, таких как Не, Ar, Ne, Хе, Kr, а также водорода.
Система 10 содержит также удаленный анод 44, электрически соединенный с катодом 28, основной источник 48 электрической энергии, включенный между катодом 28 и основным анодом, соединенным с катодом. Удаленный анод 44 размещен в вакуумной камере 12 так, что источник 16 паров находится между узлом 18 с катодной камерой и удаленным анодом. Согласно улучшенному варианту между узлом 18 с катодной камерой и удаленным анодом 44 размещен ряд источников паров, как это более подробно описано ниже. Система 10 содержит также дополнительный источник 52 электрической энергии, который электрически соединяет катод 28 с удаленным анодом 44. На фиг. 1С показан также фильтр 54 нижних частот, который содержит резистор R и конденсатор С. Обычно источник 16 паров размещают между узлом 18 с катодной камерой и удаленным анодом 44. Система 10 дополнительно содержит насосную систему 56 для поддержания пониженного давления и систему 58 подачи газа, предназначенную для ввода одного или большего числа газов (например, аргона, азота, гелия и т.п.) в камеру 12 нанесения покрытия. В одном варианте в камере 12 для покрытия между узлом 18 с катодной камерой и удаленным анодом 44 установлен дополнительный источник 52 электрической энергии, который питает удаленный дуговой разряд и обеспечивает по меньшей мере на 20% более высокое напряжение в разомкнутой цепи, чем основной источник 48 электрической энергии.
1-6
2
2
8
-3
10
-3
10
-3
13
-3
e
e
e
e
e
Обращаясь вновь к фиг. 1А - фиг. 1D, следует отметить, что основной дуговой разряд инициируется с помощью поджигателя 60 дугового разряда, установленного в катодной камере 24, изолированной от разрядной камеры экраном 36, выполненном с отверстиями 38 для прохождения электрического тока 40. Обычно потенциал плазмы вблизи экрана имеет низкую величину, близкую к потенциалу плазмы в узле 18 с катодной камерой, хотя в плазме удаленного дугового разряда электрический потенциал имеет высокую величину, близкую к электрическому потенциалу удаленного анода 44. На фиг. 2 представлено типичное распределение потенциала плазмы между экраном и удаленным анодом, полученное с помощью моделирования методом конечных разностей. Неожиданно было обнаружено, что предлагаемая система нанесения покрытия обеспечивает получение изолированной плазмы дуги, которая перемещается от узла 18 с катодной камерой к удаленному аноду 44. На фиг. 1D схематически показано изменение плотности плазмы между удаленным анодом 44 и катодом 28. Изолированная плазма протекает в виде струи плазмы между удаленным анодом и катодом через зону нанесения покрытия. При этом торцы изолированной плазмы перемещаются вдоль направления d4 так, как показано на фиг. 1D. На катоде 28 образуется активное пятно 66 дуги наряду с зоной 68 эрозии. Участок 62 плазмы около удаленного анода 44 и участок 64 плазмы у катода 28 ограничены по размеру в направлении d4 приблизительно от 2,54 см до 12,7 см. В одном улучшенном варианте магнитные поля используются для реализации сканирующего перемещения вдоль направления d4. В другом улучшенном варианте такое сканирующее перемещение сопровождается механическим перемещением катода вдоль направления d4. Согласно следующим вариантам вдоль направления d4 перемещают нить накала, эмитирующую бомбардирующие катод электроны. В соответствии с другими вариантами, иллюстрируемыми на фиг. 1E, катод содержит ряд катодных элементов 28, последовательно активируемых для образования плазменной струи, движущейся вдоль направления d4. Удерживание плазменной дуги приводит к образованию горячей плазменной струи высокой плотности, соединяющей катодные активные пятна дуги на основном катоде с соответствующей зоной на удаленном аноде, при этом указанная плазменная струя проходит через относительно узкий коридор, созданный между стенками камеры (с помощью основных катодов, анодов и присоединенных магнетронов) и держателем подложки. Это приводит к высокой плотности тока в струе движущейся плазмы, соединяющей катод и удаленный анод. В одном варианте в плазме процесса RAAMS в пределах этого узкого коридора плотность тока составляет от 0,1 мА/см до 100 А/см. Обычно плотность n электронов в плазме удаленной электрической дуги, соответствующей уровню техники, изменяется в интервале от приблизительно n~10 см до приблизительно n~10 см, в то время как в зоне нахождения струи плазмы удерживаемого дугового разряда плотность электронов изменяется в интервале от приблизительно n~10 см до приблизительно n~10 см. Удерживание плазменной струи является результатом соотношений геометрических размеров между указанными ниже компонентами, а также результатом приложения магнитных полей. В частности, разряд протекает при очень высоком потенциале плазмы, который соответствует высокой энергии ионной бомбардировки (т.е. энергия ионной бомбардировки равна разности между потенциалом плазмы (относительно земли) и потенциалом смещения подложки (относительно земли)). Следует отметить, что даже при незаземленных и заземленных подложках получают ионы с энергией 50-70 эВ, поскольку потенциал плазмы составляет более 50 В. В одном улучшенном варианте воплощения потенциал плазмы составляет от 5 до 500 В.
Фиг. 1А и фиг. 1B иллюстрируют соотношение размеров различных элементов системы 10 покрытия. Удаленный анод 44 имеет линейный размер Da. Источник 16 паров имеет линейный размер Dy. Катодная мишень Ts имеет линейный размер Dc. Держатель 20 подложки имеет линейный размер Dh. Согласно одному варианту линейный размер Da удаленного анода, линейный размер Dy источника паров, линейный размер Dc катодной мишени и линейный размер Dh держателя параллельны друг другу. Согласно другому варианту линейный размер Da удаленного анода больше или равен линейному размеру Dy источника паров, который больше или равен линейному размеру Dc катодной мишени, который, в свою очередь, больше или равен линейному размеру Dh держателя.
Согласно одному варианту воплощения изобретения различные удаленные аноды взаимосвязаны (т.е. электрически соединены), по меньшей мере, с одним катодом электрической дуги, размещенным в экранированном узле 18 с катодной камерой. Удаленные аноды размещены в ключевых позициях внутри камеры нанесения покрытия.
В другом варианте расстояния по вертикали между каждым из источников паров (например, источником 16 паров) и подлежащими покрытию подложками 22 по существу равны. Кроме того, в другом варианте расстояние между катодом 28 и удаленным анодом 44 меньше, чем расстояние, при котором происходит зажигание дуги, если приложенное напряжение от второго источника 52 электроэнергии в 1,2-30 раз превышает приложенное напряжение основного источника 48 электрической энергии.
В соответствии с другим вариантом воплощения изобретения для измерения плотности плазмы между катодом 28 и удаленным анодом 44 устанавливают зонды для исследования плазмы. Такие измерения позволяют осуществить обратную связь, позволяющую регулировать второй источник 52 электрической энергии с целью регулирования тока, подводимого к удаленному аноду 44, для того чтобы получить однородное распределение плотности плазмы в промежутке между узлом 18 с катодной камерой и удаленным анодом 44.
Моделирование плазмы удаленного дугового разряда согласно рассматриваемому воплощению характеризуется распределением электрического потенциала между узлом 18 с катодной камерой и удаленным анодом 44 и плотностью плазмы в плазме удаленного дугового разряда. Потенциал в плазме удаленного дугового разряда и потенциал анода увеличиваются при увеличении тока удаленного разряда. Плотность плазмы в плазме разряда удаленной электрической дуги увеличивается приблизительно пропорционально разрядному току. Полученный результат проверен с помощью оптической эмиссионной спектроскопии разрядной плазмы удаленной дуги. На фиг. 3 показана зависимость интенсивности излучения, испускаемого возбужденными атомами аргона (спектральная линия ArI 739.79 нм) разрядной плазмы удаленной дуги, от разрядного тока. Как видно, интенсивность оптического излучения атомов аргона, возбужденных прямым воздействием электронной бомбардировки, почти пропорциональна разрядному току. Такой эффект объясняется прямой пропорциональной зависимостью между концентрацией электронов в плазме удаленного дугового разряда и разрядным током удаленной электрической дуги. Концентрация ионов в разряде удаленной электрической дуги почти равна концентрации электронов, и в результате плазма поддерживается в квазинейтральном состоянии.
На фиг. 4А, 4В и 4С представлены варианты настоящего изобретения, в которых используется ряд источников магнетронного распыления, установленных последовательно в линию между экранированным узлом с катодной камерой, находящимся с одной стороны, и удаленным от него анодом электрической дуги с другой стороны. В данном контексте термин «в линию» означает, что указанные компоненты системы расположены в линию так, что подложки могут проходить над этими компонентами, перемещаясь при этом прямолинейно. На фиг. 4А показана схема системы покрытия, содержащей дополнительные удаленные аноды, размещенные между источником магнетронного распыления с дополнительными узлами с катодной камерой, добавленные для обеспечения однородности и высокой степени ионизации газообразной плазмы. Система 70 нанесения покрытия содержит вакуумную камеру 72 с соответствующей системой создания вакуума и подачи газа, как было указано выше. Система 70 нанесения покрытия содержит также источники 76 и 78 паров, узлы 80 и 82 с катодными камерами и держатель 84 подложки для удержания подложек, подлежащих нанесению покрытия. Фиг. 4А иллюстрирует вариант, в котором источниками 76,78 паров являются источники магнетронного распыления. Во время нанесения покрытия подложки размещают напротив источников паров. Обычно во время нанесения покрытия подложки 22 перемещаются в направлении d1. Узлы 80 и 82 с катодной камерой содержат оболочки 90 и 92 катода, соответственно, с выполненными в них отверстиями 94 и 82, катоды 98 и 100, по усмотрению, основные катоды 102 и 104 и экраны 106, 108. Экраны 106 и 108 изолируют катоды 98, 100, соответственно, от вакуумной камеры 72. В каждом из экранов 106 и 108 образованы отверстия для прохождения в вакуумную камеру 72 токов эмиссии электронов. В одном улучшенном варианте катоды 98, 100 являются катодами катодного электрического дугового разряда, а основные аноды 102, 104 являются анодами катодного электрического дугового разряда. Система 70 содержит также удаленные аноды 110, 112 электрически соединенные с катодами 98, 100 соответственно. В варианте воплощения, иллюстрируемом на фиг. 4А, блоки с экранированными катодными камерами, источники паров (например, магнетронные мишени) и удаленные аноды размещены вдоль одной прямой линии, что является необходимым для поточной системы покрытия.
На фиг. 4В представлена схема системы покрытия, которая содержит переменные резисторы, включенные между основным анодом и каждым из большого количества вспомогательных анодов. В рассматриваемом воплощении система 120 покрытия содержит вакуумную камеру 122 и узел 124 с катодной камерой, который имеет в целом конструкцию, описанную выше. Узел 124 с катодной камерой содержит катодную камеру 126, катод 129, зажигатель 130, экран 132, в котором образовано большое число отверстий, и используемый по усмотрению основной анод 134. Система 120, кроме того, содержит основной электрический источник 136 питания, который соединяет катод 128 и основной анод 134 и источники 136, 138 и 140 магнетронного распыления. Каждый источник магнетронного распыления содержит мишень Ts, источник Ps питания и связанную с ними систему 120 с интегрирующим противоэлектродом, которая содержит также удаленный анод 142 с дополнительным источником 144 электрической энергии, обеспечивающим разность потенциалов между катодом 128 и удаленным анодом 142. Система 120 содержит также вспомогательные аноды 146, 148, 150, 152, которые находятся под промежуточными потенциалами, созданными с помощью переменных резисторов R1, R2, R3 и R4. В этом воплощении плотность распределения плазмы можно регулировать за счет изменения тока, протекающего через каждый вспомогательный анод с помощью переменных резисторов R1, R2, R3 и R4. Расстояния между вспомогательными анодами и расстояние между вспомогательным анодом, ближайшим к основному аноду, и основным анодом, не может превышать минимальное расстояние прерывания плазменного разряда при использовании композиции газа и давлении, соответствующих технологическому процессу.
5
5
6
6
7
7
8
8
Фиг. 4С иллюстрирует вариант воплощения, в котором используется резистор, включенный параллельно конденсатору, для установки электрических потенциалов промежуточного анода. В этом варианте резистор R параллельный конденсатору С устанавливает потенциал анода 146, резистор R параллельный конденсатору С устанавливает потенциал анода 148, резистор R параллельный конденсатору С устанавливает потенциал анода 150, резистор R параллельный конденсатору С устанавливает потенциал анода 152. Согласно этому варианту конденсаторы используют для распространения процесса RAAMS на большое расстояние посредством импульсного зажигания разрядов удаленной электрической дуги между катодом, размещенным в катодной камере, и каждым из вспомогательных анодов, размещенных между указанным катодом в катодной камере и основным анодом. Следует принимать во внимание, что вспомогательные аноды могут быть снабжены дополнительными независимыми источниками питания, при этом каждый из источников питания вспомогательного анода может быть установлен между катодом 128 и соответствующим вспомогательным анодом. Напряжение при разомкнутой электрической цепи для каждого вторичного источника питания, подключенного или к основному аноду или к вспомогательному аноду, превышает, по меньшей мере, в 1,2 раза напряжение в разомкнутой электрической цепи основного источника 136 электрической энергии электрической дуги.
На фиг. 5 представлена конфигурация модульной поточной системы RAAMS согласно еще одному воплощению изобретения. Такая поточная система может содержать любое количество точек для нанесения покрытия и/или точек обработки поверхности (например, плазменная очистка, имплантация ионным пучком, азотирования и т.д.). В варианте, иллюстрируемом на фиг. 5, система 154 покрытия содержит модули 156-164, расположенные один за другим на одной линии. Модули 156-164 отделены от ближайшего соседнего модуля задвижкой 166-176 загрузочного шлюза. Модульная система 154 обработки поверхностей с использованием процесса RAAMS содержит модуль 156, который является модулем-камерой, содержащим экранированную камеру 178 катодного дугового разряда и удаленный анод 180, размещенные вдоль одной стенки камеры, как это будет описано выше. На фиг. 5 показан также используемый по усмотрению ряд магнитных катушек 182, 184, которые создают продольное магнитное поле с магнитной индукцией в интервале от 1 до 100 Гаусс вдоль камеры нанесения покрытия. В модуле 156 осуществляются следующие операции: загрузка подложки; ионное травление или ионная очистка подложек с помощью бомбардировки ионами высокой энергии (обычно Е>200 эВ) в среде аргона с использованием плазмы электрического разряда с удаленным анодом (плазмы RAAD), генерируемой между катодом в экранированной катодной камере и удаленным анодом; и доводку покрываемых подложек до требуемого состояния с помощью мягкой ионной бомбардировки (как правило, Е<200 эВ) в плазме, генерируемой в процессе RAAD в среде аргона между катодом, заключенном в экранированной катодной камере, и удаленным анодом. Второй модуль 158 подвергает ионному азотированию поверхности подлежащей покрытия подложки в азоте или плазме, генерируемой в процессе RAAD, проводимым со смесью аргона и азота, между катодом, находящемся в экранированной катодной камере, и удаленным анодом. Скорость плазменного азотирования стали HSS, М2 и 440С в процессе азотирования с погружением изделий в плазму, инициируемую дуговым разрядом с удаленным анодом (плазму RAAD), достигает 0,5-1 мкм/мин при давлении в интервале от 0,1 мТорр до 200 мТорр, при этом ток удаленного анода изменяется в интервале от 10 до 300 ампер, но, как правило, в интервале давления от 0,2 до 100 мТорр и интервале величины тока удаленного анода от 10 до 200 А. Процесс азотирования методом погружения изделий в плазму RAAD представляет собой низкотемпературную обработку, при которой температура подложки обычно не превышает 350°С. В этом процессе подложки могут быть незаземленными, заземленными или находящимися при очень низких отрицательных потенциалах (например, менее -100 В). Азотирование при таких низких электрических потенциалах проводится благодаря высокому положительному потенциалу плазмы RAAD, при котором ионы плазмы получают избыточную энергию от высокого потенциала плазмы, который превышает потенциал заземленной подложки. В качестве альтернативы, имплантация ионами низкой энергии таких элементов как азот, фосфор, кремний, углерод из газообразной плазмы RAAD может быть также осуществлена при относительно низких напряжениях смещения подложки, которые обычно изменяются в интервале от -200 до -1500 В. На фиг. 6 представлена диаграмма распределения потенциала при обработке с использованием плазмы RAAD процесса. В типичном процессе с плазмой RAAD основной катод имеет потенциал, находящийся в интервале от -20 до -50 В по отношению к заземленному основному аноду. В одном улучшенном варианте воплощения потенциал незаземленной подложки относительно первичного катода находится в интервале от -10 до -50 В. Потенциал электрически смещенного анода при ионном азотировании, науглероживании и других процессах ионного диффузионного насыщения обычно составляет от -10 до -200 вольт относительно первичного катода, в то время как в процессе ионной плазменной имплантации ионами низкой энергии методом погружения в плазму RAAD электрическое смещение подложки обычно составляет от -200 до -1500 В.
Следует принимать во внимание, что представленная на фиг. 5 схема с модульными камерами может быть также использована для осуществления процессов CVD (RAACVD) с использованием плазмы дугового разряда с удаленным анодом в камерах с газообразной плазмой RAAD (например, модули 156, 158 и 164 на фиг. 5). Например, иллюстрируемая установка для проведения CVD процесса методом погружения в плазму при пониженном давлении может быть использована для нанесения покрытий из поликристаллического алмаза в атмосфере газа, создающей плазму, содержащей 0,1-10% метана и остальное количество - водород или смесь водорода и аргона. Плазма RAAD действует, как мощный активатор реакционной атмосферы с высокой плотностью атомарного водорода и радикалами НС, которые вносят свой вклад в формирование покрытия из поликристаллического алмаза. В этом процессе подлежащая покрытию подложка или заземлена или не заземлена, или находится под смещением отрицательным потенциалом не ниже -100 вольт относительно первичного катода. Для поддерживания температуры подложки в интервале от 200°С до 1000°С, необходимой для нанесения покрытий из поликристаллического алмаза в усиленных плазмой процессах CVD низкого давления может быть использован ряд независимых радиационных нагревателей.
В другом воплощении система покрытия содержит источники плазмы, расположенные на одной линии вдоль криволинейной стенки. На фиг. 7А представлен схематический вид сверху системы периодического нанесения покрытий - для партии изделий с центрально расположенной экранированной катодной камерой. На фиг. 7В показан схематический вид в перспективе системы покрытия партии изделий, отображенной на фиг. 7А. Система 190 покрытия включает вакуумную камеру 192, катодную камеру 194, которая содержит катод 196 и экран 198. Вакуумная камера 192 имеет по существу круговое поперечное сечение. Кроме того, система 190 содержит основной источник 170 электрической энергии, который устанавливает разность потенциалов между катодом 196 и основным анодом 202. Система 202 содержит также источники 204-210 магнетронного распыления, в состав каждого из которых входит мишень Ts, источник Ps электроэнергии и анод As. В одном варианте воплощения источники 204-210 магнетронного распыления размещены вдоль окружности, имеющей тот же центр, что и поперечное сечение вакуумной камеры 192. Система 190 содержит также удаленные аноды 212 и 214, которые с помощью источников 216 и 218 электроэнергии установлены при электрическом потенциале относительно катода 194. В этом воплощении подложки 22, по мере нанесения на них покрытия, перемещаются по направлению d2 вдоль окружности. В каждом варианте, иллюстрируемом фиг. 7А и фиг. 7В, плазма протекает между катодом 196 и удаленными анодами. Такое направление движения плазмы определяется наличием промежутка между удаленным анодом (или источниками распыления) и подложками (т.е. верхней поверхностью подложек), который, в большинстве случаев составляет от 5,08 см до 50,8 см. Удерживание плазмы сохраняется во всей зоне нанесения покрытия. Кроме того, происходит сканирующее перемещение плазмы вдоль катода в направлении перпендикулярном перемещению подложек, как это описано выше в отношении фиг. 1D.
Как было указано выше, удаленные аноды 212 и 214 имеют линейный размер Da. Источники 204-210 магнетронного распыления имеют линейный размер Ds источника. Катодная мишень 196 имеет линейный размер Dc. Держатель 20 подложки имеет линейный размер Dh. В одном варианте выполнения линейный размер Da удаленного анода, линейный размер Dc катодной мишени и линейный размер Dh держателя параллельны друг другу. В другом варианте выполнения линейный размер Da удаленного анода больше или равен линейному размеру Dc катодной мишени, который больше или равен линейному размеру Dh держателя.
Следует понимать, что для воплощений, описанных выше, в камере нанесения покрытия может быть приложено внешнее магнитное поле в целях дополнительного увеличения плотности плазмы при осуществлении процессов нанесения покрытия с помощью магнетронного распыления, усиленных плазмой дугового разряда. Предпочтительное магнитное поле будут создано с линиями магнитного поля, расположенными в целом параллельно камере с катодным разрядом и/или удаленному аноду. Это будет способствовать увеличению напряжения дугового разряда и, соответственно, энергии электрона и длине распространения плазмы дугового разряда вдоль камеры нанесения покрытия. Например, в поточной системе покрытия, показанной на фиг. 5, внешнее магнитное поле может быть приложено вдоль камеры нанесения покрытия.
Для равномерного покрытия поверхности, подлежащей покрытию, однородное распределение плотности плазмы в камерах нанесения покрытия, описанных выше, может быть достигнуто за счет подходящего распределения как удаленных анодов, так и испускающей электроны поверхности экранированных катодных мишеней в вакуумном разряде.
Например, если зона нанесения покрытия имеет высоту 1 м, то в этом случае как поверхности экранированной катодной мишени, эмитирующей электроны, так и поверхности удаленного анода, собирающие электронный ток, должны быть распределены с возможностью равномерного покрытия указанной зоны нанесения покрытия с высотой 1 м. Для удовлетворения этих требований некоторое количество небольших катодных мишеней может быть установлено в экранированной катодной камере, и каждая из катодных мишеней соединена с отрицательным полюсом автономного источника электрической энергии. Катодные мишени распределены, как правило, равномерно, и поэтому потоки электронов, эмитируемые каждой катодной мишенью, перекрывают внешнюю сторону экранированной катодной камеры, обеспечивая в целом равномерное распределение плотности электронов по всей зоне нанесения покрытия.
Положительные полюса источников электрической энергии удаленного дугового разряда могут быть подключены к одной большой анодной пластине, имеющей высоту, обычно такую же, что и высота зоны нанесения покрытия, и обращенной в сторону держателя подложки с подлежащими покрытию подложками, как показано на фиг. 1 и фиг. 4-6. Ряд анодных пластин, каждая из которых соединена с положительным полюсом источников электрической энергии удаленной дуги, может быть использован для получения равномерного распределения плотности электронов по всей зоне нанесения покрытия. Подобным образом, вместо использования небольших катодных мишеней в экранированной катодной камере, в качестве катода удаленного дугового электрического разряда может быть использована единственная большая катодная мишень с линейными размерами подобными линейным размерам зоны нанесения покрытия. В этом случае происходит сканирующее перемещение пятен электронной эмиссии (т.е. катодных пятен дугового разряда) по катодной мишени с обеспечением в целом равномерного распределения тока электронной эмиссии по всей зоне нанесения покрытия. Сканирующее перемещение катодных пятен дугового разряда по всей зоне большой катодной мишени может быть достигнуто, например, путем магнитного управления катодными пятнами дугового разряда по всей зоне катодной мишени, в которой происходит испарение под действием электрической дуги, или за счет механического перемещения.
A
На фиг. 8А - фиг. 8Н схематически иллюстрируется вариант воплощения системы покрытия, показанной на фиг. 7А и фиг. 7В, в соответствии с которым используется катодное пятно дугового разряда, управляемое магнитным полем. Рассматриваемый вариант включает особенности выполнения, заимствованные из патентного документа US 6350356, полное описание которого включено в настоящее описание посредством ссылки. Иллюстрируемая на фиг. 8А система 190' содержит магнитную катушку 270, охватывающую плазменный канал 272, который образован магнитной катушкой внутри катодной камеры 194 между двумя противоположными сторонами оболочки 274. Катушка 270 содержит обмотку 270, обращенную к боковой поверхности 196А катодной мишени 196, противоположная обмотка 270В катушки обращена к боковой поверхности 196В катодной мишени 196. Катодная мишень в целом имеет форму бруска с продольным размером d. Канальная катушка 270 генерирует вдоль канала 272 магнитное поле, магнитные силовые линии которого проходят в основном параллельно боковым поверхностям 196А и 196В катодной мишени 196. Когда катодное пятно 278 электрической дуги начинает светиться на поверхностях 196А и 196В испарения, указанное пятно 278 перемещается вдоль длинной боковой стороны катода 196, имеющего форму бруска. В конце бруска пятно 278 электрической дуги переходит на другую сторону и продолжает движение в противоположном направлении на противоположной поверхности бруска. Изоляционные керамические пластины (не показаны), прикрепленные к боковым поверхностям катодного бруска перпендикулярно магнитным силовым линиям, не позволяют пятну электрической дуги покидать пределы поверхности испарения катода 196. По усмотрению на узких боковых сторонах плазменного канала 272 устанавливают экраны 198, обращенные в сторону зоны покрытия в камере 192 нанесения покрытия. В одном варианте воплощения экраны 198 выполнены с возможностью перемещения, позволяющей открывать и закрывать плазменный канал 272 в зависимости от стадии процесса нанесения покрытия. Если экраны 198 закрыты, процесс RAAMS может осуществляться с более высокой степенью ионизации среды для магнетронного распыления за счет плазмы RAAD. Если узкие боковые стороны канала 272 открыты, плазма катодного дугового разряда протекает вдоль магнитных силовых линий, генерируемых канальной катушкой 270, в направлении покрываемых подложек, что приводит к осаждению покрытий в условиях катодного разряда из плазмы паров металла катодного дугового разряда, которая фильтруется с помощью магнитного поля для удаления атомов нежелательных нейтральных металлов и макрочастиц. Нанесение в катодном дуговом разряде покрытия с предварительным фильтрованием может быть осуществлено в качестве единственной фазы технологического процесса или в сочетании с магнетронным распылением с использованием источников 204-210 магнетронного распыления. Ионизация и активация среды, в которой образуется плазма, с помощью удаленного дугового разряда, генерируемого между размещенным в катодной камере 194 катодом 196 и удаленными анодами 210 и 214, улучшает плотность, однородность и другие физико-химические и функциональные характеристики покрытий.
A
arc
arc
arc
На фиг. 8В и фиг. 8С представлена схематическая иллюстрация механизма управления с помощью магнитного поля катодными пятнами дугового разряда вокруг катода, выполненного в виде протяженного бруска с прямоугольным сечением. Катод 196 в виде бруска с прямоугольным сечением размещен между двумя участками обмотки 270 канальной катушки. Левая обмотка 270а и правая обмотка 270В обращены в сторону боковых испарительных поверхностей катода 196. Боковая поверхность 196А катода расположена напротив боковой стороны 270А обмотки канальной катушки, в то время как боковая поверхность 196В расположена напротив боковой поверхности 270В обмотки канальной катушки. Магнитное поле В, генерируемое обмотками 270 канальной катушки, параллельно боковым поверхностям катода 196, обращенным в сторону обмотки канальной катушки, и в то же время перпендикулярно оси d протяженного катода 196 (т.е. длинным сторонам катодной мишени 196). Когда катодное пятно 278 дугового разряда начинает светиться на боковой поверхности катода 196, обращенной в сторону обмотки канальной катушки, генерируется ток I в направлении перпендикулярном поверхности катодной мишени 196 и, следовательно, перпендикулярно силовым линиям В магнитного поля, созданным канальной катушкой 270. В этом случае катодное пятно дугового разряда перемещается вдоль длинной стороны катода со средней скоростью V, которая пропорциональна силе Ампера, созданной током I дугового разряда и магнитным полем B в соответствии с хорошо известным законом Ампера:
где с - коэффициент, который зависит от материала катода. Направление перемещения катодного пятна дугового разряда (в приведенной выше формуле знак в круглых скобках) также определяется материалом катодной мишени, поскольку магнитное поле, созданное канальной катушкой 270, параллельно четырем сторонам катодной мишени (т.е. проходит в том же направлении вокруг испарительных поверхностей катодной мишени 196). Например, если катодное пятно 278А дугового разряда образовано на боковой поверхности 196А катода, обращенной в сторону обмотки 270А канальной катушки, указанное катодное пятно перемещается вниз катодной мишени 196 вдоль длинной боковой стороны 196А. В конце катодного бруска пятна дугового разряда поворачивают к короткой стороне 196D, после чего следует поворот к длинной стороне 196В и затем пятно продолжает перемещаться вверх вдоль длинной боковой стороны 196В и т.д.
На фиг. 8С отображены пятна дугового разряда, которые перемещаются вдоль испарительных боковых поверхностей 196а, 196b, 196с и 196d катодной мишени 196, которые параллельны магнитным силовым линиям 280, созданным канальной катушкой 270. Канальная катушка питается от источника 282 электрической энергии, а источник 284 энергии для дугового разряда соединен с катодной мишенью 196. Канальная катушка содержит катушки 270а и 270b, включенные в электрический контур, содержащий проводники 286, 288, 290 и 290 тока. Боковые поверхности катодной мишени 196, перпендикулярные магнитным силовым линиям, покрыты изоляционными пластинами 294, которые предотвращают выход пятен электрического разряда за пределы испарительной поверхности катодной мишени 196. Плазма катодного дугового разряда силой 280 магнитного поля захватывается в ловушку, созданную канальными катушками 270А и 270В, которая предотвращает диффузию плазмы поперек силовых линий 280 магнитного поля, в то же время плазма может свободно перемещаться вдоль магнитных силовых линий 280.
D
Фиг. 80 иллюстрирует дополнительные детали, относящиеся к управлению катодными пятнами с помощью канальной катушки. Магнитное поле, генерируемое канальной катушкой 270, направляет катодные пятна дугового разряда вдоль боковых поверхностей бруска 196, представляющего катодную мишень, параллельно силовым линиям магнитного поля, как было отмечено выше. Направление перемещения катодных пятен дугового разряда показано стрелками A. Концы канала 272 для плазмы открыты, что позволяет катодной плазме паров металла перемещаться вдоль силовых линий магнитного поля в направлении подложек 22, установленных на держателе 20 подложек в камере нанесения покрытия. Нейтральные частицы и макрочастицы улавливаются внутри катодной камеры на внутренние стенки канала 272 так, что плазма, состоящая почти на 100% из ионизированных паров металла, входит в зону нанесения покрытия, находящуюся снаружи канала 272 для плазмы. Показанная на фигуре конструкция катодной камеры по существу соответствует источнику фильтрованной катодной плазмы паров металла, полученной в дуговом разряде, способному освобождаться от макрочастиц и нейтральных частиц, содержащихся в выходящей плазме паров металла, и обеспечивающему почти 100% атомно-чистых ионизированных паров металла для нанесения покрытий с улучшенными свойствами. Плазма RAAD, образованная между катодом 196 и удаленными анодами 212 и 214, позволяет увеличить степень ионизации и активность плазменной среды в процессе RAAMS нанесения покрытия, что обеспечивает улучшение свойств покрытия. В рассматриваемой конструкции комбинированные процессы нанесения покрытия могут быть осуществлены в виде нанесения покрытия только с катодным дуговым разрядом или магнетронным распылением или в виде комбинированного процесса, объединяющего плазму паров металла катодного дугового разряда с потоком магнетронного распыления металла, погруженного в среду с высокоионизированной плазмой удаленного дугового разряда.
Обращаясь вновь к фиг. 8D, следует отметить, что проблема улучшения плазмы дугового разряда для проведения процесса нанесения покрытия путем магнетронного распыления в большой зоне и осуществления гибридных процессов решается путем размещения, по меньшей мере, одного удаленного анода дугового разряда вне линии прямой видимости по отношению к катодной мишени, выполненной в виде бруска 196. В этом варианте, по меньшей мере, одна подложка 22, удерживаемая с помощью держателя 20' подложки, и источники магнетронного распыления 204-210 размещены в зоне камеры нанесения покрытия, находящейся вне канала 272 с плазмой. Рассматриваемый в заявке процесс RAAMS обеспечивает эффективное погружение потока распыляемого металла, генерируемого обычным магнетронным источником, в плотную и высокоионизированную газообразную плазму дугового разряда с удаленным анодом (плазму RAAD). Источник электрической энергии (не показан), питающий дуговой разряд с удаленным катодом, который обеспечивает электрическую энергию для генерирования плазмы RAAD, установлен между катодной мишенью 196 и, по меньшей мере, одним удаленным катодом 212. Удаленные аноды 212, 214 обеспечивают, по меньшей мере, на 20% более высокое напряжение при разомкнутой цепи, чем напряжение источника электроэнергии, который питает основной дуговой разряд в катодной камере, который зажигают между катодом 196 дугового разряда и ближайшим анодом. Ближайший анод может быть внутренней стенкой оболочек 296А и 296В канала для плазмы или, по усмотрению, независимым анодным электродом, установленным внутри канала 272 для плазмы. В другом варианте выполнения может быть использовано некоторое количество дополнительных удаленных анодов, каждый из которых взаимосвязан, по меньшей мере, с одним катодом дугового разряда, размещенным внутри канала 272 для плазмы. Удаленные аноды размещены в ключевых позициях внутри камеры для нанесения покрытия между торцевыми проходными отверстиями канала 272 для плазмы, причем вне линии прямой видимости относительно катода 196. Минимальное расстояние между торцевыми отверстиями канала 272 для плазмы и удаленными анодами 212, 214 должно быть меньше расстояния пробоя плазменного разряда, если напряжение, приложенное между катодом и удаленным анодом, превышает от 1,2 до 10 раз падение напряжения между катодом и основным (ближним) анодом, который может быть или электрически заземлен или изолирован.
Фиг. 8Е иллюстрирует вариант системы нанесения покрытия, представленной на фиг. 8А-8D, в котором используется фильтр макрочастиц. Конструкция согласно этому варианту включает усовершенствованный фильтр макрочастиц, описанный в патентных документах US7498587 и заявке на европейский патент ЕР 1852891 А2, полное описание которых включено в настоящее описание посредством ссылки. Система 190' содержит корректирующие катушки 300а и 300b, размещенные вблизи противоположных сторон катодной мишени 196 и обращенные к противоположным сторонам канала 272 для плазмы. Внутренние стенки оппозитно расположенных каналов 296А and 296В выполнены с канавками или, по усмотрению, с поперечными перегородками для улавливания макрочастиц. Канальная катушка 270 охватывает канал 272 участком 270А намотки, параллельным длинной стороне 196А катодной мишени, и в то же время обращенным в сторону поверхности 196А канала. Подобным образом, участок 270В намотки параллелен длинной стороне 196b катодной мишени и обращен к поверхности 296b канала. Корректирующие катушки 300А и 300В содержат магнитные сердечники 302, которые охвачены электромагнитными катушками 304. Катодные пятна дугового разряда перемещаются вдоль испарительных поверхностей 196А и 196В катодной мишени 196 под действием силы Ампера в соответствии с уравнением (1), приведенным выше. Поверхности катодной мишени 196, перпендикулярные плоскости симметрии канала 272, покрыты керамическими изоляционными пластинами 294А и 294В для того, чтобы предотвратить выход пятен дугового разряда за пределы испарительной поверхности катодной мишени 196. Направление магнитного поля, генерируемого корректирующими катушками 300А, 300В, совпадает с направлением магнитного поля, генерируемого канальной катушкой 270. Однако в непосредственной близости от испарительных поверхностей 196А или 196В катодной мишени магнитные силовые линии, созданные корректирующими катушками 300А, 300В, имеют аркообразную форму, что позволяет удерживать катодные пятна дугового разряда в пределах зоны испарения катодной мишени, как этого требует хорошо известное правило «острого угла» (см., например, в справочнике: 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).
Фиг. 8F, 8G и 8H схематически иллюстрируют механизм удерживания (локализации) дугового разряда магнитным полем, генерируемым корректирующими катушками 300А, 300В. Катодные пятна 278 дугового разряда находятся под верхней точкой аркообразных магнитных силовых линий, как этого требует правило «острого угла» для удерживания пятен дугового разряда. Магнитное поле с аркообразной конфигурацией над испарительной поверхностью катодной мишени 196 создается между южным полюсом корректирующей катушки 300А и северным полюсом корректирующей катушки 300В с обеих сторон катодной мишени 196, обращенных в сторону канала 272. Конфигурацию магнитного поля внутри канала 272 для плазмы определяют, используя численные расчеты. Как показано на фиг. 8D магнитное поле с каналом 272 плазмы при возбуждении канальной катушки 270 и корректирующих катушек 300 генерирует магнитное поле в одном и том же направлении. Как видно на фиг. 8D, магнитные силовые линии направлены в одном направлении и в то же время еще имеют аркообразную форму в непосредственной близости от испарительной поверхности катодной мишени 196. В этом режиме плазма катодного дугового разряда фильтруется с помощью магнитного поля от нейтральных атомов металла, и макрочастицы перемещаются вдоль магнитных силовых линий в направлении от канала 272 с плазмой, в сторону подлежащих покрытию подложек (не показаны) в зоне покрытия камеры нанесения покрытия, и выходят за пределы канала 272 с плазмой. В этом режиме осаждения фильтрованного катодного дугового разряда почти 100% плазмы паров ионизированного металла с незначительным количеством нейтральных атомов металла или макрочастиц, если они вообще имеются, осаждается на подложках, создавая при этом бездефектное покрытие с превосходными свойствами. Покрытия с помощью магнетронного распыления могут быть также нанесены в этом режиме работы с использованием магнетронов, установленных на внешних стенках канала 272 с плазмой. Дополнительная ионизация и активация плазменной среды для нанесения покрытия в этом режиме работы обеспечивается с помощью удаленного дугового разряда, генерируемого между катодом 196 и удаленными анодами 212, 214, расположенными рядом с магнетронами на внешней стенке канала 272 с плазмой или, в качестве альтернативы, на внутренней стенке камеры нанесения покрытия, оппозитно по отношению к магнетронным источникам (не показано). При выключении канальной катушки 270 магнитные силовые линии в канале с плазмой изменяют направление, как это показано на фиг. 8Н. Однако, если обе корректирующие катушки 300А и 300В при этом возбуждены, над испарительной поверхностью катодной мишени 196 генерируется магнитное поле с аркообразными силовыми линиями. В зависимости от режима работы отклоняющее магнитное поле, генерируемое отклоняющей канальной катушкой 270, может быть включено или выключено. Если магнитное поле отклоняющей канальной катушки 270 включено, плазма паров металла, генерируемая катодной мишенью 196, транспортируется двунаправлено через канал 272 с плазмой в направлении подложек 20. Если магнитное поле отклоняющей канальной катушки 270 выключено, плазма паров металла, генерируемая катодной мишенью 196, не транспортируется в направлении подложек 20, хотя катодные пятна дугового разряда продолжают перемещаться вокруг мишени-бруска 196, под действием магнитного поля, генерируемого с помощью корректирующих катушек 300А, 300В. В этом варианте канальная катушка функционирует в качестве магнитного клапана, исключающего необходимость в использовании механического клапана или экрана, показанного на фиг. 7А. Когда магнитный клапан включен (открыт) пары металла транспортируются через канал с плазмой в направлении подложек 200 в технологической камере. Если магнитный клапан находится в положении «выключен», магнитный клапан закрыт, и пары металла не достигают подложек 20. На фиг. 8Н показано, что магнитное поле в канале 272 с плазмой отсутствует, когда ток канальной катушки уменьшается до нуля, величина тока в корректирующих катушках установлена до 0,1 ампер, а ток в канальной катушке равен нулю. Как видно, при нулевом магнитном поле канальной катушки 270 магнитное поле, необходимое для транспортирования плазмы паров металла от канала 272 с плазмой, отсутствует, хотя корректирующие катушки 300а, 300b все еще генерируют магнитное поле с аркообразной геометрией, которая является подходящей как для удерживания пятен 278 дугового разряда в пределах зоны испарения мишени 196 (конфигурация магнитной арки на испарительной поверхности мишени), так и для управления перемещением катодного пятна дугового разряда вокруг бруска-катода 196. В последнем из рассмотренных режимов работы, если плазма паров металла катодного дугового разряда локализуется в плазменном канале, электроны все еще протекают с удалением от плазменного канала в направлении удаленных анодов, расположенных снаружи плазменного канала 272 в камере для нанесения покрытия. Полученный удаленный дуговой разряд устанавливается между катодом 196 в плазменном канале 272 и удаленными анодами (не показаны), которые могут быть размещены на внешней стенке плазменного канала 272 или на стенке камеры нанесения покрытия напротив магнетронных источников (не показаны). Плазма RAAD увеличивает ионизацию и активацию рабочей среды для осаждения покрытия в камере нанесения покрытия, что приводит к нанесению улучшенных покрытий, обладающих превосходными свойствами.
10
13
-3
Когда магнитный клапан закрыт, катодная мишень 196 все еще генерирует большой величины ток электронов, который может быть отведен в направлении удаленных анодов для поддерживания удаленного дугового разряда, сопровождаемого разрядной плазмой в технологической камере. Плазма RAAD характеризуется высокой плотностью, в интервале от 10 до 10 см, высокой электронной температурой в интервале от 3 до 20 эВ и высоким потенциалом плазмы, который обычно мало отличается от потенциала удаленного анода. Экспериментальные исследования подтверждают, что магнитный клапан может уплотнить плазменный канал 272, что тем самым предотвращает осаждение плазмы паров металла на подложки 20 при закрытом магнитном клапане. Катодная мишень в виде бруска 196, использованная в этих экспериментах, была изготовлена из нержавеющей стали. Кремниевые пластины, которые использованы в качестве подложек 20, были установлены на подложке, удерживая валы держателя подложки, выполненного в виде круглого столика, который вращался со скоростью 5 об/мин в течение 2 часов процесса нанесения покрытия. Ток корректирующих катушек был установлен на уровне 0,2 А, в то время как ток канальной катушки 270 уменьшен до нуля. Давление аргона составляло 1,5 мТорр, при этом ток основного дугового разряда был равен 140 А. После двух часов воздействия подложки выгружались, и толщина покрытия измерялась с помощью оптической интерферометрии, используя оптический профилометр Veeco NT3300. Полученные результаты приведены в таблице 1 ниже.
Из приведенных в таблице 1 результатов следует, что при закрытом магнитном клапане скорость осаждения покрытия на вращающийся держатель подложки не превышает 6 нм/час. Средняя толщина покрытия, полученного в процессе нанесения покрытия или с помощью осаждения с использованием фильтрованного катодного дугового разряда или с помощью источников магнетронного распыления, обычно соответствует скорости осаждения более 1 мкм/час. В этом случае утечки паров металла не увеличивают количество легирующих элементов в покрытии сверх обычного уровня примесей катодных мишеней, используемых в промышленных процессах нанесения покрытия.
В камере для обработки поверхности при содействии удаленного дугового разряда (RAASE) могут быть проведены нижеследующие технологические процессы:
ионная очистка/травление в плотной плазме RAAD (магнитный клапан закрыт);
низкотемпературное ионное азотирование или оксиазотирование, плазменная цементация; температура подложек во время проведения этого процесса может составлять всего лишь 150°С, скорость ионного азотирования стали марки М2 в азотной плазме RAAD обычно находится в интервале от 0,1 до 0,5 мкм/мин (магнитный клапан закрыт);
низкоэнергетическая ионная имплантация (потенциал смещения подложки составляет менее 2 кВ) (магнитный клапан закрыт);
нанесение покрытия в фильтрованной дуге (магнитный клапан открыт);
нанесение покрытия магнетронным распылением с помощью процесса магнетронного распыления с удаленным дуговым разрядом (магнитный клапан закрыт); и
покрытие путем магнетронного распыления, скорость нанесения которых регулируется при нанесении покрытий в фильтрованной дуге (магнитный клапан закрыт/открыт в соответствии с одним рабочим циклом для достижения требуемого периода регулирования скорости покрытия).
-6
-2
На фиг. 9А - фиг. 9Е представлены схемы гибридной двунаправленной системы «фильтрованная дуга-магнетрон» с магнетронным распылением, сопровождаемым фильтрованным дуговым разрядом ("FAAMS"), содержащей дополнительные источники магнетронного распыления. В схематически представленном варианте дополнительные источники 310-316 магнетронного распыления расположены вблизи катодной камеры 194 дугового разряда, имеющей посредством магнитного поля связь с источником 196 фильтрованного дугового разряда и содержащей магнетронные источники, образующие угол раскрытия в интервале от 10 до 80 градусов. Такой угол Ао раскрытия способствует фокусированию потока магнетронного распыления в направлении подложек. В рассматриваемом гибридном процессе нанесения покрытия, осуществляемом с помощью магнетронного распыления, сопровождаемого фильтрованной дугой, плазма металла фильтрованного дугового разряда протекает вдоль магнитных силовых линий в транспортирующем магнитном поле, созданном канальной катушкой 270. Кроме того, на выходе плазменного канала 272 магнитные силовые линии отклоняются и расходятся. Это приводит к тому, что ионы металла проходят от катода фильтрованного дугового разряда мимо зоны мишени магнетронного распыления, близко к поверхности мишени, и пересекают область магнетронного разряда, имеющую конфигурацию достаточно большого магнитного поля с замкнутым контуром. Значительная часть этих ионов металла локализуется в магнитном поле магнетрона и способствует распылению мишени магнетрона, что может происходить даже при отсутствии распыляющего газа (аргон или другой инертный газ) и в пределах расширенного интервала давления, от 10 до 10 Торр. Другая часть ионов металла, генерируемых с помощью катодов фильтрованного дугового разряда, продолжает двигаться в направлении подложек 22, где они смешиваются с фокусированным потоком магнетронного распыления, обеспечивая получение фракции ионизированного металла для процесса нанесения покрытия с помощью магнетронного распыления. Хорошо известно, что повышение степени ионизации паров металла улучшает адгезионные свойства покрытия, его плотность и другие физические характеристики, а также однородность покрытия.
Фиг. 9В иллюстрирует дополнительные характерные особенности магнетронного двунаправленного источника, использующего фильтрованный дуговой разряд, гибридной системы FAAMS. Используемые по усмотрению дополнительные фокусирующие магнитные катушки 320 размещены оппозитно выходному отверстию плазменного канала, что обеспечивает дополнительное увеличение плотности плазмы, контроль смешивания потока магнетронного распыления с потоком плазмы металла фильтрованного дугового разряда и фокусирование потока в направлении подлежащих покрытию подложек (не показано). Кроме того, используемые по усмотрению фокусирующие магнитные катушки 324 размещены вокруг мишеней 310-316 магнетронного распыления у выходного участка плазменного канала 272. Фокусирующие катушки 324 повышают концентрацию плотности плазмы вблизи мишеней магнетронного распыления. Направление магнитных силовых линий, генерируемых этими катушками, со стороны, находящейся вблизи канальной катушки, такое же, что и направление транспортирующего магнитного поля, генерируемого канальной катушкой. Фиг. 9С схематически иллюстрирует улучшенный вариант системы, показанной на фиг. 9В. В этом варианте пары магнитных фокусирующих катушек 328 установлены на выходном участке плазменного канала, охватывая снаружи плазменный канал с обеих сторон от магнетронных источников. На фиг. 9D показан вид сверху в разрезе системы нанесения покрытия согласно фиг. 9А - фиг. 9С, на котором отображены плазма (F1) удаленного дугового разряда, потоки (F2) магнетронного распыления и поток (F3) фильтрованной плазмы дугового разряда. Направление магнитного поля, генерируемого этими фокусирующими катушками, совпадает с направлением транспортирующего магнитного поля, созданного канальной катушкой. На фиг. 9Е схематически показан участок камеры 192 нанесения покрытия с вращающимся поворотным столиком 22, удерживающим подлежащие покрытию подложки 20. Катодная камера 194 расположена напротив указанных подложек 20 в камере 192 нанесения покрытия. Основной дуговой разряд в катодной камере 194 зажигается с помощью ударника 440, установленного на катодной мишени 196, заключенной внутри оболочки 274. Оболочка 274 снабжена экраном 198 с отверстиями, которые являются не непроницаемыми для тяжелых частиц, в частности, для ионов, атомов и макрочастиц, эмитируемых поверхностью катодной мишени 196, но в то же время допускают свободное прохождение через них потока электронов в направлении удаленных анодов в камере 192 для нанесения покрытия. Магнетронные мишени 310, 312 размещены вблизи экрана 198 катодной камеры, так что поток распыления, эмитируемый из магнетронных мишеней, соединяется с высокоионизированной плазмой перед экраном 198 и фокусируется в направлении подложек 20 в камере 192 нанесения покрытия. При таком расположении катодный участок плазмы удаленного дугового разряда, генерируемого напротив экрана 198 катода, соединяется с потоком магнетронного распыления, в результате чего достигается значительное повышение степени ионизации и активности газообразной плазмы металла, генерируемой магнетронными мишенями 310, 312, что способствует дополнительному повышению адгезионной способности, плотности, однородности покрытий, восстановлению дефектов и улучшению их функциональных характеристик для различных случаев применения.
Система FAAMS для обработки поверхности может функционировать следующим образом.
3
Ионная очистка, ионное азотирование, низкоэнергетическая имплантация ионов методом погружения в плазму RAAD. В этом виде обработки используется источник катодного дугового разряда, обе корректирующие катушки включены, но канальные катушки для транспортирования плазмы отключены. Отключение канальной катушки эффективно предотвращает выход плазмы металла, генерируемой катодом, размещенным в центре плазменного канала, за пределы плазменного канала в направлении подлежащих покрытию подложек, размещенных в камере нанесения покрытия, при этом газообразная плотная высокоионизированная плазма RAAD заполняет всю камеру обработки, включая внутренний объем плазменного канала и область в камере, в которой расположены покрываемые подложки на держателе подложек. Эта плотная газообразная плазма обеспечивает высокоионизированную среду для ионной очистки, ионного азотирования (а также ионной карбюризации, оксикарбюризации, ионного борирования и других процессов насыщения ионами) и низкоэнергетической имплантации ионов методом погружения в плазму. Она может быть также использована для процессов CVD (RAACVD), осуществляемых при помощи удаленного дугового разряда, включая нанесение алмазоподобного углеродного (DLC) покрытия, когда в камере нанесении покрытия создается атмосфера, содержащая углеводороды. При проведении этого вида обработки может быть осуществлен процесс CVD, усиленный плазмой удаленного дугового разряда. Кроме того, можно нанести покрытие из поликристаллического алмаза, если подложки нагреты до температуры осаждения покрытия в интервале от 500 до 1000°С (в зависимости от типа подложки). В таком процессе давление газа обычно находится в интервале от 1 до 200 мТорр, газовая атмосфера обычно содержит 0,1-2% метана в водороде при расходе водорода в интервале от 50 до 200 см/мин в зависимости от производительности системы нагнетания, при этом остальным газом является аргон. Канальная катушка функционирует в качестве магнитного клапана, эффективно закрывая выход из плазмы металла, генерируемой катодом в плазменном канале, открывая в то же время проход для генерируемой газообразной плазмы RAAD.
Если канальная катушка отключена (магнитный клапан закрыт), и плазма RAAD генерируется внутри камеры нанесения покрытия между катодом в плазменном канале и удаленным анодом (анодами) в зоне нанесения покрытия вне плазменного канала, среда с высокоионизированной плазмой может быть использована для процессов магнетронного распыления, сопровождаемых плазмой (процессы RAAMS). В этом случае включают магнетронные источники, размещенные снаружи плазменного канала в зоне нанесения покрытия, и процесс магнетронного распыления продолжается в среде высокоионизированной плазмы RAAD. В этом процессе эффективность магнетронного распыления увеличивается более чем на 30%, и покрытие уплотняется за счет ионной бомбардировки поверхности подложки ионами, образованными в газообразной плазме.
Если катушка плазменного канала включена, магнитный клапан открыт, и плазма металла, генерируемая катодом в плазменном канале, протекает в зону нанесения покрытия вдоль магнитных силовых линий транспортирующего магнитного поля, созданного канальной катушкой. Фильтрованная плазма металла дугового разряда может быть использована для нанесения разнообразных покрытий, включая не содержащее водород покрытие из сверхтвердого тетраэдрического аморфного углерода (ta-C), в том случае, когда в качестве катодной мишени в плазменном канале используют графитовый брусок. Если магнетронные источники, размещенные на выходном участке плазменного канала так, что их мишени обращены в сторону подложек, приводятся в положение «включен», начинается гибридный процесс магнетронного распыления при использовании фильтрованного дугового разряда (процесс FAAMS). В этом случае фильтрованная плазма металла, полученная в дуговом разряде, степень ионизации которой составляет 100%, проходит магнетронные источники, смешиваясь с потоком атомарного металла магнетронного распыления, который, как правило, имеет степень ионизации менее 5%. Смесь фильтрованной плазмы металла дугового разряда и потока атомарного металла магнетронного распыления направляется к подложкам, находящимся в зоне нанесения покрытия напротив выхода плазменного канала, что обеспечивает гибридный процесс нанесения покрытия магнетронным распылением при помощи фильтрованного дугового разряда с высокими и контролируемыми концентрациями потока атомов осаждающегося металла.
Фиг. 10 схематически иллюстрирует физические процессы, которые происходят в двунаправленном удаленном дуговом разряде в соответствии с настоящим изобретением. Основной дуговой разряд инициируется с помощью зажигателя, установленного на поверхности катодной мишени 196, изолированной от разрядной камеры посредством пары корректирующих катушек 300. Этот источник может функционировать в двух режимах: первый, при нанесении покрытия, когда плазма дугового разряда, образованная из паров металла, транспортируется вдоль магнитных силовых линий продольного магнитного поля, созданного силовым воздействием канальной катушки 270; второй режим, с электронной эмиссией, когда канальная катушка выключена, и плазма дугового разряда удерживается и изолирована с помощью магнитного поля от камеры обработки магнитным полем, созданным парой корректирующих катушек 300. Потенциал плазмы в плазменном канале 272 низкий, близкий к потенциалу ближайшего анода, который в большинстве случаев заземлен, в то время как в плазме удаленного дугового разряда электрический потенциал высокий, близкий к потенциалу удаленного анода 214. Типичное распределение потенциала плазмы между плазменным каналом 272 и удаленным анодом 214, полученное моделированием по методу конечных элементов, показано на фиг. 2.
На фиг. 11 схематически изображена система нанесения покрытия на партии деталей (система периодического действия) с использованием расположенного на периферии катодного узла с экранированной катодной камерой. Система 300 нанесения покрытия содержит вакуумную камеру 332, узел 334 с катодный камерой, который содержит катодную камеру 336, катод 338 и экран 340. Система 330 содержит также основной источник 342 электрической энергии, который устанавливает разность потенциалов между катодом 338 и основным анодом 344. Кроме того, в состав системы 330 входят источники 356-366 магнетронного распыления, каждый из которых содержит мишень Ts, источник Ps электрической энергии и анод As. Система 330 содержит также удаленный анод 360, который с помощью источника 362 электрического питания находится под потенциалом относительно катода 338. В данном воплощении подложки 22 по мере нанесения на них покрытия перемещаются вдоль направления d3.
На фиг. 12 представлен еще один вариант, обеспечивающий экранированный источник эмиссии электронов в катодном дуговом разряде, расположенный в центре камеры нанесения покрытия. В частности, рассматриваемый вариант обеспечивает круговую систему 380 нанесения покрытия на партию изделий с узлом 382 катодной камеры, размещенным в центральной зоне системы. Катод 384 размещен в узле 382 с катодной камерой в целом вдоль оси системы 380 нанесения покрытия. Узел 382 с катодной камерой включает оболочку 388 катода с образованными в ней отверстиями 390 и 392, катод 384, используемые по усмотрению основные аноды (не показаны), а также экраны 396, 398. Оболочка 388 и экраны 396, 398 изолируют катод 384 от вакуумной камеры 400 и могут также служить в качестве основного анода для дугового разряда, который зажигают в катодной камере 382. Основной источник энергии для дугового разряда (не показан) расположен также между катодом 384 и оболочкой-анодом 388. Оболочка 388 и экраны 396, 398 образуют отверстия для прохождения токов электронной эмиссии в вакуумную камеру 400 и в то же время служат барьером, останавливающим тяжелые частицы, в частности, атомы паров металла, ионы и макрочастицы, эмитируемые из катода 384 для достижения подложек 20, подлежащих покрытию в камере 400 нанесения покрытия. Источники 402, 404 и 406 магнетронного распыления прикреплены к стенке 408 камеры 400. Удаленные аноды 410, 412 и 414 размещены рядом с соответствующими магнетронными источниками, предпочтительно охватывая эти источники распыления. Подложки 20 расположены на вращающейся платформе 420, выполненной в виде столика, на расстоянии d1 между катодной камерой и мишенями для магнетронного распыления. Расстояние от поверхности магнетронной мишени до подложек 20 обычно находится в интервале от 10,2 до 25,4 см. Источники 424, 426 и 428 электрической энергии для удаленного дугового разряда установлены между удаленными анодами 410, 412 и 414 и центральным катодом 384, размещенным в катодной камере 382. Катод может быть выполнен в виде термоионного катода прямого накала, но предпочтительно может быть использован холодный испаряемый катод вакуумного дугового разряда, не чувствительный к реакционной среде плазменной обработки, которая может содержать химически агрессивные газы, такие как метан, кислород и азот для нанесения покрытия карбидов, оксидов и нитридов. Катод 384 представляет собой или протяженный термоионный катод прямого накала или холодный катод в виде металлического бруска или стержня. Кроме того, следует отметить, что катод 384 размещен в катодной камере 382 вдоль осей камеры 40 нанесения покрытия, при этом длина его зоны электронной эмиссии параллельна или в целом по размерам равна высоте зоны загрузки подложек 20. Помимо этого, катод 384 имеет длину, которая или меньше или равна высоте удаленных анодов 410, 412 и 414. Высота магнетронных мишеней также или меньше или равна высоте удаленных анодов.
В одном воплощении магнетроны 402, 404, 406, показанные на фиг. 12, могут быть заменены плоскими нагревателями. Подложки, подлежащие нанесению покрытия, могут быть размещены около поверхности нагревателя, обращенной к центру камеры, где размещена экранированная катодная камера 382 с катодом 384. В этом случае подложки могут быть нагреты до 900°С, при этом высокоионизированная плазма дугового разряда с удаленным анодом может быть генерирована в камере 382 между катодом 384 в катодной камере 382 и удаленными анодами 536, 538, 540, размещенными у стенки камеры 380. В этом процессе, когда газовая атмосфера в камере 380 образована из смеси метана, водорода и аргона при давлении в интервале от 1 мТорр до 200 мТорр и концентрации метана в водороде в интервале от 0,1 до 2 ат. мас.%, покрытия из поликристаллического алмаза могут быть нанесены на подложки, расположенные вблизи горячей поверхности нагревателей, нагретой до температуры осаждения в интервале от 700 до 1000°С.
На фиг. 13 схематически показана система, содержащая источник эмитирования электронов в виде холодного катода в вакуумно-дуговом разряде. В частности, данный вариант воплощения заимствует конструкцию источника эмитирования электронов в виде холодного катода в вакуумно-дуговом разряде, используемого в системе, описанной в патентном документе US 5269898, полное описание которого включено в настоящее описание посредством ссылки. Катод 430, имеющий форму стержня, установлен внутри камеры 432 с катодом, служащей в качестве основного анода для вакуумно-дугового катодного разряда, который питается от основного источника 434 электрической энергии. Катод 430 подключен к отрицательному полюсу источника 434 энергии электрической дуги, а оболочка 436 катодной камеры 432 подключена к положительному полюсу источника 434 энергии электрической дуги. Положительный полюс основной электрической дуги может быть по усмотрению заземлен, как это показано на фиг. 7D пунктирной линией. Электрическая дуга может быть зажжена повторно с помощью зажигателя 440, производящего для зажигания чирканье и установленного на конце катода 430, противоположном соединению катода с источником 434 электрической энергии для дуги. Спиральная электромагнитная катушка 442 установлена соосно катоду 430 и служит для генерирования соленоидального магнитного поля с силовыми линиями по существу параллельными оси катода 430 и с интенсивностью, пропорциональной току, созданному источником 446 электрического питания катушки. Одна или большее число подложек 20, на которые наносится покрытие, расположены вокруг катодной камеры 432 и по усмотрению установлены на платформе-держателе подложек, установленной с возможностью вращения (не показана), который будет обеспечивать возможность вращения подложек в процессе нанесения покрытия, если это необходимо, для достижения на подложке равномерного распределения толщины покрытия. На фиг. 13 показано также пятно 450 электрической дуги и типичная траектория 452 его перемещения под воздействием приложенного магнитного поля. Пятно электрической дуги проходит всю или часть длины катода 430 в направлении электрического соединения катода с источником 434 энергии электрической дуги перед повторным зажиганием дуги. Электрический изолятор 454 предотвращает движение пятна 450 электрической дуги за пределы испаряемой поверхности катода 430. Электромагнитная катушка 442 может быть электрически изолирована от цепи электрической дуги, или катушка может представлять собой часть анода при подключении к ней так, как показано пунктирной линией 458. В качестве альтернативы электромагнитная катушка 442 может служить в качестве единственного основного анода для основного дугового разряда в катодной камере 432, и в этом случае электромагнитная катушка 442 изолирована от камеры 432 и соединена с положительным полюсом источника 434 энергии основной электрической дуги, который отключен от катодной камеры 432. Один или большее число источников 460 магнетронного распыления установлено вдоль стенки 462 камеры, охваченной удаленными анодами 470. Удаленные аноды подключены к положительному полюсу источнику 472 энергии удаленного электрического разряда, в то время как его отрицательный полюс подключен к катоду 430, установленному в катодной камере 342. Оболочка 436 катодной камеры 430 выполнена с отверстиями 476, покрытыми экранами 478, чтобы предотвратить достижение тяжелыми частицами (ионов, нейтральных атомов и макрочастиц), эмитируемыми катодом 430, зоны нанесения покрытия, находящейся снаружи от катодной камеры 432. Вместе с тем электроны способны свободно проникать в зону нанесения покрытия через указанные отверстия 476 между оболочкой 436 и экранами 478. Ток удаленной электрической дуги протекает между катодом 430, расположенным внутри катодной камеры, и удаленными анодами 470, расположенными вблизи источников 460 магнетронного распыления, установленных на стенке камеры 466 нанесения покрытия. Удаленный анод соединен с положительным полюсом источника 472 энергии удаленного электрического разряда, в то время как отрицательный полюс источника 472 энергии удаленного электрического разряда соединен с катодом 430, размещенным в катодной камере 432. Удаленная электрическая дуга ионизирует и активирует плазменную среду при проведении процесса нанесения покрытия путем магнетронного распыления, но может служить источником ионизации и создания плазменной среды в зоне покрытия во время предварительной ионной очистки подложек перед началом процесса нанесения покрытия, а также для плазменной ионной имплантации методом погружения, азотирования и процессов CVD нанесения покрытия при низком давлении, сопровождаемых плазмой.
На фиг. 14А - фиг. 14С схематически представлен вариант системы покрытия, содержащей фильтр макрочастиц. В этом варианте используется конструкция катодной камеры, описанная в опубликованной заявке на патент США №2012/0199070, полное описание которой включено в настоящее описание посредством ссылки. Система 480 содержит катодную камеру 484, которая сконфигурирована для выполнения функции фильтра макрочастиц. Катодная камера 484 содержит четное количество каналообразующих конструкций, симметрично расположенных вокруг протяженного катода 486. Вариант выполнения, иллюстрируемый на фиг. 14В и фиг. 14С, включает четыре каналообразующих конструкции, а именно, каналообразующие конструкции 488, 490, 492, 494, которые образуют по существу оболочку 496 вокруг катода 486. Каналообразующие конструкции 488, 490, 492, 494 формируют каналы 500, 502, 504, 506, через которые направляются положительно заряженные ионы от катодной мишени 485 к подложкам 20. Каналообразующие конструкции 488, 490, 492, 494 образуют магнитное поле для направленного движения плазмы. Каждая из каналообразующих конструкций содержит несущий элемент 510 и отражательный элемент 512 для задерживания макрочастиц. В одном варианте отражательный элемент 512 для повышения эффективности фильтрования макрочастиц снабжен шипами 514. Для соединения с источником электрической энергии, подводимой к фильтру, используются электрические стержни 516, 518, посредством которых к каналообразующим конструкциям приложено напряжение смещения для отталкивания положительно заряженных ионов. Когда каналообразующие конструкции 488, 490, 492, 494 находятся под положительным потенциалом смещения по отношению к катоду 486, они, кроме того, выполняют функцию основного анода для основного дугового разряда, зажженного в катодной камере 484. Каналообразующие конструкции 488, 490, 492, 494 могут быть также электрически изолированы и находиться под плавающим потенциалом. В данном случае управляющая электромагнитная катушка (не показана) может служить в качестве основного анода для катода 486, обеспечивая зажигание основного дугового разряда в катодной камере 484, как это было объяснено выше в отношении воплощения изобретения, иллюстрируемого на фиг. 14В. На фиг. 14С схематически показан вид в перспективе сборной конструкции 496 фильтра-оболочки катодной камеры. Сборная конструкция 496, образующая фильтр-оболочку катодной камеры, выполнена из ряда каналообразующих конструкций 488, 490, 492, 494, которые расположены параллельно катоду 486, предпочтительно выполненному в виде стержня, однако катод может быть также выполнен в виде бруска с поперечным сечением в форме какого-либо многоугольника. При проведении процесса нанесения покрытия в фильтрованном катодном дуговом разряде фильтр активируется путем пропускания электрического тока через каналообразующие конструкции 488, 490, 492, 494 с созданием магнитного поля.
Обращаясь вновь к фиг. 14А - фиг. 14С, следует отметить, что магнитное поле, создается, по усмотрению, за счет прохождения через каналообразующие конструкции тока. В частности, соседние каналообразующие конструкции генерируют магнитные поля с противоположными магнитными полярностями. Стрелки 520, 522, 524, 526 показывают пример возможных направлений протекания тока для создания таких магнитных полей. Стрелки показывают, что направления токов в соседних каналообразующих конструкциях противоположны друг другу. Магнитное поле, созданное таким путем, имеет ориентацию, нормальную протяженной поверхности катода, и напряженность, созданную за счет протекания тока через каналообразующие конструкции и способствующую управлению плазмой. В таком режиме нанесения покрытия с помощью фильтрованного дугового разряда плазма паров металла, испускаемых из катода 486, протекает через каналы между каналообразующими конструкциями, при этом из потока устраняются нежелательные макрочастицы и группы нейтральных паров металла, и к подложкам направляется плазма полностью (100%) ионизированных паров металла.
В режиме генерирования плазмы дугового разряда с удаленным анодом (плазмы RAAD) ток через каналообразующие конструкции 488, 490, 492, 494 не протекает, и магнитное поле для отвода плазмы паров металла не генерируется. В этом пассивном режиме электроны, эмитируемые из поверхности катода 486, могут свободно проходить через каналы 500, 502, 504, 506, которые проводят ток RAAD между размещенным в катодной камере 484 катодом 486 и удаленными анодами 530, 532 и 534, которые окружают магнетронные источники 538 и 540, расположенные вдоль стенки 506 камеры системы 380 нанесения покрытия. Одновременно каналообразующие конструкции 488, 490, 492, 494 служат барьерами, которые задерживают тяжелые частицы, в частности, атомы паров металла, ионы и макрочастицы, эмитируемые из катода 486, предотвращая достижение ими подложек. Плазма RAAD ионизирует и активирует плазменную среду в зоне обработки в системе 380, в которой размещены подложки. Это позволяет производить ионную плазменную очистку, азотирование ионной имплантации и магнетронное распыление при помощи удаленного дугового разряда (RAAMS), обеспечивая при этом улучшенные характеристики продуктов плазменной обработки.
На фиг. 15А и фиг. 15В представлена схема варианта выполнения системы RAAMS. На фиг. 15А показан схематический вид сбоку системы RAAMS, а на фиг. 15В представлен схематический вид сбоку перпендикулярный виду на фиг. 15А. Система 530 содержит камеру 532, держатель 534 подложек с подлежащими покрытию подложками 536, основные катоды 538А, b, магнетроны 540а, b и удаленные аноды 542а, b. Катоды 538а, b расположены со стороны 544 (т.е. в нижней части) камеры 532, в катодной секции 548, отделенной от секции 550 нанесения покрытия камеры 532 шевронным экраном 552, который является проницаемым для тяжелых частиц, но позволяет электронам проходить через экран в направлении удаленных анодов 542а, b в секции 550 нанесения покрытия. Экран 552 может быть под «плавающим» потенциалом, или он может быть подключен к положительной клемме источника 554 электрической энергии основного дугового разряда или дополнительного источника энергии (не показан). Основной анод 556 дугового разряда расположен в середине катодной камеры 548 между двумя катодами дугового разряда: катод 538а в левой секции катодной камеры 548 и катод 538b в правой секции катодной камеры 548. Держатель 534 подложек с подлежащими покрытию подложками 536 размещен между магнетронами 540а, b. Подложки обращены к магнетрону 540а с левой стороны и к магнетрону 540b с правой стороны. Удаленные аноды 542а, b расположены выше магнетронов 540а, b и отделены один от другого с помощью используемой по усмотрению разделительной перегородки 560. Анод 556, держатель 534 подложек, подлежащие покрытию подложки 536 и разделительная перегородка 560 по существу разделяют камеру 532 на две стороны (т.е. на левую сторону и правую сторону), и за счет такого разделения предотвращается прохождение горячей струи 562а, взаимосвязанной с катодом 538а, находящейся с левой стороны камеры 532, через правую сторону камеры 532 в направлении удаленного анода 542b, и прохождение горячей струи 562b, взаимосвязанной с катодом 538b и находящейся с правой стороны камеры 532, через левую сторону камеры 532 в направлении удаленного анода 542А. Удаленный анод 542а соединен с катодом 538а дугового разряда с левой стороны держателя 534 подложек, а удаленный анод 542b соединен с катодом 538b с правой стороны держателя 534 подложек. Анод 556, держатель 534 подложек и используемая по усмотрению разделительная перегородка 560 по существу разделяют камеру 550 нанесения покрытия на две части: левую часть, вмещающую левый катод 538а, левый магнетрон 540а и левый удаленный анод 542а, и правую часть, вмещающую правый катод 538b, правый магнетрон 540b и правый удаленный анод 542b. Такое разделение формирует два узких разрядных зазора или разрядных коридора: левый зазор, разделяющий левый магнетрон 540а и держатель 534 подложек - с левой стороны секции 550 нанесения покрытия, и правый зазор, разделяющий правый магнетрон 540В и держатель 534 подложек - с правой стороны секции 550 нанесения покрытия. Ширина разделительных разрядных зазоров находится в интервале от 5,1 см до 51 см.
В одном варианте катодная мишень может быть изготовлена из металла, обладающего способностью газопоглощения, в частности, сплава титана или сплава циркония. В этом случае источник эмитирования электронов с экранированным катодом служит также в качестве вакуумного геттерного насоса, что повышает эффективность откачивания системы 530 нанесения покрытия. Для дополнительного повышения эффективности геттерной откачки экран 552, обращенный в сторону испарительной поверхности катодной мишени 538А в катодной камере 550, может охлаждаться водой и по усмотрению может быть соединен с высоковольтным источником электрической энергии. Когда водоохлаждаемый экран 552 находится под высоким отрицательным потенциалом, в интервале от -50 до -1000 В относительно катодных мишеней 538А и 538В, экран 552 подвержен интенсивной бомбардировке ионами металла, генерируемыми процессами испарения в катодном дуговом разряде. Конденсация паров металла в условиях интенсивной ионной бомбардировки является выгодной для нагнетания инертных газов, в частности, Не, Ar, Ne, Хе, Kr, а также водорода. Кроме того, водоохлаждаемый основной анод 556, обращенный в сторону катодных мишеней 538А, В, также способствует активности нагнетания инертных газов за счет увеличения зоны конденсации паров металла/зоны газопоглощения.
11
13
-3
2
2
8
11
-3
На фиг. 15А и фиг. 15В можно видеть, что несколько магнетронных источников 540 размещены выше катодной камеры 548 в секции 550 нанесения покрытия. Держатель 534 подложек с подложками 536 перемещается вдоль камеры 532, проходя мимо магнетронов. Катодное пятно 564 дугового разряда перемещается вдоль катодной мишени 566 катода 538 дугового разряда, находясь в то же время под управлением магнитных управляющих катушек 570 или других средств управления. Экспериментальное исследование этой системы показало, что узкая струя 562 плазмы имеет высокую плотность плазмы в интервале от 10 до 10 см, и электронная температура превышает 2 эВ (обычно находится в интервале от 3 до 20 эВ). Основная часть тока дугового разряда с удаленным анодом протекает вдоль узкой горячей плазменной струи 562 и имеет плотность тока в дуговом разряде от 0,1 мА/см до 100 А/см. Остальная часть секции нанесения покрытия заполняется холодной и разреженной плазмой с электронной температурой, как правило, менее 3 эВ и плотностью плазмы в интервале от 10 до 10 см. Толщина струи 562 горячей плазмы обычно составляет от 1 до 5 см при ее перемещении с такой же скоростью, как и катодное пятно 564 дугового разряда, которая соответствует управляющему воздействию катодного пятна 564 дуги на катодной мишени 566. Считается, что большая часть тока удаленного дугового разряда проходит через горячую плазменную струю 562 между размещенным в катодной камере 548 катодом 538 и удаленным анодом 542. Из фиг. 15А также видно, что две горячие плазменные струи 562А и 562В образуются внутри узких разрядных зазоров между левым магнетроном 540А и держателем 534 подложки с левой стороны секции 550 нанесения покрытия и между правым магнетроном 540В и держателем 534 подложек с правой стороны секции 550 нанесения покрытия. Левая струя 562А соединяет (закорачивает) левый катод 538А в левом отделении катодной камеры 548 с левым удаленным анодом 542А с левой стороны секции 550 покрытия. Правая струя 562В закорачивает правый катод 538В в правом отделении катодной камеры 548 с правым удаленным анодом 542В с правой стороны секции 550 покрытия.
На фиг. 16 схематически представлен вариант системы RAAMS, иллюстрируемой на фиг. 15А и фиг. 15В, с катодом в одной из секций катодной камеры и с двумя катодными пятнами дугового разряда. Согласно этому варианту две плазменных струи 562А и 562В, образованные между шевронными перегородками и удаленным анодом 542 выше каждого из катодных пятен дугового разряда 576А и 576В, закорачивают существующие соединения токовых цепей между катодом 538 и удаленным анодом 542. Направление тока удаленного дугового разряда вдоль указанных струй 562А и 562В, взаимосвязанных с катодными пятнами дугового разряда 576А и 576В, показано на этих струях вертикальными стрелками. Распределение плотности плазмы имеет максимумы 578А и 578В вблизи каждого из этих катодных пятен дугового разряда 576А и 576В, которые перемещаются вдоль эрозионной дорожки 580 на катодной мишени 566 за счет управляющего магнитного поля, созданного управляющей катушкой, расположенной за мишенью 582 (не показана), или с помощью других средств, описанных ниже. В этом варианте размеры зоны высокой степени ионизации Ai ~ L (магнетрон) × W (струя). При горизонтальном расположении систем, описанных выше, зоной ионизации является только Ai ~ W (магнетрон) × W (струя). Увеличение зоны ионизации потока магнетронного распыления за счет вертикального расположения струи 562 дугового разряда (параллельно длинной боковой стороне магнетрона 540) по отношению к горизонтальному расположения струи 562 дугового разряда (параллельно короткой стороне магнетрона 540, как в исходном случае) соответствует приблизительно отношению L (магнетрон)/W (магнетрон).
4
4
4
4
4
В соответствии с фиг. 16 удерживаемые потоки плазмы (плазменная струя) закорачивающие разрядный зазор между удаленным анодом 542 и катодной мишенью 566, проходя через зону 550 нанесения покрытия, перемещаются вдоль направления d, оставаясь параллельными длинной боковой стороне магнетронов 540. Концы удерживаемых плазменных струй 562 перемещаются по направлению d, показанному на фиг. 16. Пятно 576 дугового разряда образуется на катоде 580 вдоль эрозионной зоны 578. Область 584 с созданной плазмой вблизи удаленного анода 542 и область 578 с плазмой вблизи катодной мишени 580 ограничены по размерам зазором, составляющим от приблизительно 2,54 см до 12,7 см вдоль направления d. В одном варианте магнитные управляющие поля используют для реализации сканирующего перемещения вдоль направления d. В других вариантах такое сканирующее перемещение осуществляется путем механического перемещения катода 580 вдоль направления 64. Согласно другим вариантам в направлении d перемещают термоионный катод прямого накала с вторичной эмиссией электронов.
Фиг. 15А, 15В и 16 отображают аспект, относящийся к соотношениям размеров различных компонентов системы 530 нанесения покрытия. Удаленный анод 542 имеет линейный размер Da параллельный катодной мишени 538. Горизонтальная зона размещения источников 538 паров (т.е. четыре магнетрона, показанные на фиг. 15В) также имеет подходящие соответствующие размеры. Зона вдоль направления параллельного короткой стороне магнетронов 538 имеет линейный размер D источника паров. Катодная мишень 566 имеет линейный размер Dc катодной мишени, параллельный удаленному аноду 542 и также параллельный короткой стороне магнетронов 538. В одном улучшенном варианте линейный размер Da удаленного анода, линейный размер D источника паров и линейный размер Dc катодной мишени параллельны друг другу. В другом варианте выполнения линейный размер Da удаленного анода больше или равен линейному размеру Dc катодной мишени, который больше или равен линейному размеру D источника паров.
На фиг. 17 представлена альтернативная конфигурация системы с удаленной плазмой, использующей коаксиальную компоновку камеры нанесения покрытия периодического действия (для партии изделий) с плоскими магнетронными источниками 540а, b, размещенными у стенок камеры, и подлежащими покрытия подложками, прикрепленными к вращающемуся держателю 592 подложек карусельного типа. Камера 590 нанесения покрытия содержит держатель 592 подложек карусельного типа с подложками 536 и ряд плоских магнетронных источников 540а, b, прикрепленных к стенками камеры 590 нанесения покрытия и обращенных в сторону подлежащих покрытию подложек. Камера 590 нанесения покрытия, кроме того, содержит расположенную внизу катодную камеру 600 с основным катодом 538 и коаксиальным основным анодом 556, и удаленный анод 596 в виде кольца, размещенный вверху камеры 590.
Катодная камера 600 содержит экран-оболочку 598 с отверстиями 598а, 598b, обращенными в сторону зазора, образованного между магнетронами 540 и держателем 592 обрабатываемых подложек. На вращающемся держателе 592 подложек, кроме того, центрально установлена используемая по усмотрению разделительная перегородка 560 в виде цилиндра. Анод 556, держатель 592 подложек и указанная разделительная перегородка 560 образуют узкий коаксиальный зазор внутри камеры 590 между магнетронами 540 и держателем 592 подложек для локализации горячих струй 562 и обеспечения их расположения параллельно осям камеры 590. Отверстия 598 могут быть расположены соосно держателю 592 подложек. Катод 540 имеет форму кольца, соосного камере 590 нанесения покрытия и основному цилиндрическому аноду 556. В качестве альтернативы, несколько основных катодов 540 установлено коаксиально основному аноду 556 в катодной камере 548. Основной анод может также служить поверхностью конденсации для повышения скорости откачки паров за счет эффекта газопоглощения, эффективно адсорбируя остаточные газа в пленку, образовавшуюся на поверхности анода 556 за счет конденсации парообразной плазмы, генерируемой катодом 538. Рассмотренная конфигурация системы увеличивает плотность плазмы удаленного дугового разряда, обеспечивая тем самым большую степень содействия ионной бомбардировке во время магнетронного распыления. В такой конфигурации системы в зазоре между магнетронной мишенью и обрабатываемыми подложками создается зона большей плотности плазмы удаленного дугового разряда.
На фиг. 18А и фиг. 18В представлен вариант выполнения системы с отдельными катодными камерами 548 для каждого источника 540 магнетронного распыления. На фиг. 18А катодная камера 548 показана размещенной под камерой 550 для нанесения покрытия. Магнетрон 540 расположен в камере 550 нанесения покрытия непосредственно над экраном 552, отделяющим катодную камеру 548 от камеры 550 нанесения покрытия. Ниже магнетрона 540 расположен источник 538 катодного дугового разряда в виде эмиттера электронов большой мощности. Размер катодной мишени, который определяет размер зоны управления пятном дугового разряда, составляет от 1/4 до 2 ширины магнетронной мишени, но предпочтительно находится в интервале от 0,5 до 1,5 ширины магнетронной мишени. Основной анод 556 размещен над катодной мишенью 566 и имеет размер в большинстве случаев меньший или равный катодной мишени 566 дугового разряда. Магнитная управляющая катушка 570 по усмотрению расположена под катодом 538 для управления пятнами дугового разряда, образующимися на поверхности катодной мишени 566 дугового разряда. Удаленный анод 542 размещен в камере 550 нанесения покрытия над магнетроном 540 так, что катод 538, магнетрон 540 и анод 542 располагаются один за другим по существу вдоль одной линии. Плазменная струя 562 высокой плотности образуется в камере 550 нанесения покрытия между экраном 552 и анодом 542 вдоль поверхности магнетрона 540 над катодным пятном 602 дугового разряда, которое перемещается по поверхности катодной мишени 566 за счет управляющего воздействия управляющего магнитного поля управляющей катушки 570. Катодные пятна 602 дугового разряда и плазменная струя 562 расположены вдоль вертикальной линии параллельно боковой стороне магнетрона 540, закорачивая разрядный зазор в направлении удаленного анода 542. При таком взаимном расположении управление катодными пятнами 602 дугового разряда, образовавшимися на поверхности катонной мишени 566, обеспечивает надлежащее управление струей 562 плазмы высокой плотности, при этом направление тока дугового разряда с удаленным анодом параллельно длинной стороне магнетрона 540, а оси струи 562 параллельны длинной стороне магнетрона 540. Плазменная струя 562 пересекает разряд магнетрона напротив магнетронной мишени, закорачивая промежуток между экраном и удаленным анодом 542 и ионизирует поток атомов распыляемого металла и газообразную среду перед источником 540 магнетронного распыления в пределах зоны, в которой плазменная струя 562 пересекает разряд магнетрона. Увеличение степени ионизации и повышение активности атомов распыляемого металла и газообразных веществ перед магнетроном 540 распределяется равномерно вдоль направления, параллельного длинной стороне магнетрона и вдоль направления параллельного короткой стороне магнетрона 540. Однородность ионизационной характеристики плазменной струи 562 вдоль направления параллельного длинной стороне магнетрона 540 достигается за счет однородного распределения плотности плазмы и электронной температуры вдоль плазменной струи 562. Однородность ионизационной характеристики плазменной струи 562 вдоль направления параллельного короткой стороне магнетрона 540 достигается за счет периодического перемещения струи 562 взад и вперед через разряд магнетрона от одного конца магнетрона 540 до другого с помощью управляющего воздействия магнитного поля, катодного пятна 602 дугового разряда на катодной мишени 566.
В одном типичном примере первичный дуговой разряд между катодом 538 в катодной камере 548 и первичным анодом 556 питается электрической энергией от источника 554а. Друговой разряд с удаленным анодом между катодом 538 и удаленным анодом 542 питается от источника 608 электрической энергии. Между удаленным анодом 542 и заземленной катодной камерой 550 установлен балластный резистор 610, который позволяет контролировать падение напряжения между удаленным анодом 542 и заземленной камерой 550. Когда у стенок катодной камеры 550 происходит микродуговой разряд, электронный переключатель 612 будет закрыт, и тем самым происходит короткое замыкание удаленного анода 542 на землю и эффективное исключение образования дугового разряда, после чего следует повторное зажигание удаленного дугового разряда, когда электронный переключатель 612 находится в положение «открыт». Переключатель может быть также открыт во время возбуждения RAAD плазмы (плазмы электрического разряда с удаленным анодом). Указанное возбуждение RAAD может быть обеспечено путем приложения высокого отрицательного электрического потенциала к магнетрону 540, которое инициирует разряд магнетрона или, в качестве альтернативы, путем приложения высокого отрицательного потенциала к держателю 534 подложек, создавая тлеющий разряд в разрядном зазоре между катодной камерой 548 и удаленным анодом 542. Высоковольтный разряд как средство возбуждения RAAD может быть использован в режиме разряда DC (постоянного тока) или в режиме импульсного разряда. Типичными размерами мишени магнетронного распыления магнетрона 540 являются ширина 10 см и высота 100 см. Типичный размер катодной мишени 556 дугового разряда - ширина 10 см, почти равна ширине мишени магнетрона 540. Толщина плазменной струи 562 составляет приблизительно 3 см. Управляемая магнитным полем скорость движения пятна 602 дуги по поверхности катодной мишени 566 составляет приблизительно 1000 см/с. В этом случае частота следования импульсов, направляющих плазменную струю через зону разряда магнетрона будет составлять приблизительно 50 гц. Предполагая, что увеличенная степень ионизации в пределах зоны магнетронного разряда, пересекаемого струей 562 плазмы, составляет примерно 30%, средняя степень ионизации плазмы магнетронного разряда плазменной струей 562 будет достигать примерно 10%, что является, по меньшей мере, величиной большего порядка, чем в случае традиционного потока магнетронного распыления. Увеличенная степень ионизации потока магнетронного распыления приводит к большей степени его содействия ионной бомбардировке во время процесса нанесения покрытия с помощью магнетронного распыления, что обеспечивает получение покрытий, имеющих близкую к расчетной высокую плотность, малую дефектность, высокую однородность и превосходные функциональные свойства. На фиг. 18 В показана рядная система нанесения вакуумного покрытия и плазменной обработки, использующая ряд магнетронных источников.
На фиг. 19А представлен еще один усовершенствованный вариант систем, показанных на фиг. 14 - фиг. 18. Перед магнетроном 540 установлен промежуточный электрод-сетка 622, который эффективно ограничивает зону удержания плазменной струи 562 высокой плотности перед мишенью 540 магнетронного распыления. В такой конструкции катодная камера 548 заключена в оболочку 628. Хотя оболочка 628 может быть электрически заземлена, предпочтительно, чтобы она была изолирована от заземленной камеры, что обеспечивает отсутствие непосредственного электрического соединения между основным и удаленным дуговыми разрядами. Оболочка 628 выполнена с отверстием 630, обращенным в сторону разрядного зазора или плазменного коридора 632, образованного между магнетронной мишенью 634 и электродом-сеткой 622. Длина отверстия 630 обычно равна ширине магнетронной мишени 634, а ширина отверстия 630 меньше ширина d разрядного зазора 632. Электрод-сетка 622 может быть образована из тонких проволочек 638, изготовленных из жаростойких металлов, выбранных из группы, включающей W, Та, Nab, Не, Ti, Mo и нержавеющую сталь. Диаметр проволочек обычно составляет от 0,01 мм до 2 мм. Использование проволочек диаметром менее 0,01 мм может привести к их плавлению при контактировании с RAAD плазмой, а проволочки толще 2 мм будут адсорбировать слишком большое количество материала покрытия из потока распыления. Проволочки 638 могут образовать сетку различной конфигурации или они могут быть расположены в виде ряда отдельных проволочек, параллельных друг другу. Сетчатый электрод 622 должен быть проницаемым для потока распыляемого металла, причем с коэффициентом пропускания более 50%. Расстояние между соседними проволочками 638 в экранирующем электроде или электродной сетке обычно составляет от 0,5 мм до 10 мм. Расстояние между соседними проволочками 638 в экранирующем электроде 622 менее 0,5 мм является нецелесообразной для использования и может оказывать влияние на проницаемость сетчатого электрода 622. Расстояние между соседними проволочками 638 в экранирующем электроде 622 более 10 мм может быть недостаточным для удерживания плазменной струи 562 в пределах разрядного зазора или плазменного коридора 632. Расстояние d между магнетронной мишенью 634 и сетчатым электродом 622 обычно составляет от 10 мм до 100 мм. Расстояние менее 100 мм является слишком малым для удержания струи 562А дугового разряда, в то же время расстояние более 10 см слишком велико для создания узкого коридора, который может обеспечить сжатие плазменной струи, эффективно увеличивая в ней плотность электронов, температуру электронов и степень ионизации потока распыляемого металла.
Сетчатый электрод 622 обычно функционирует в качестве промежуточного анода. Однако он может также служить в качестве зажигающего электрода плазмы удаленного разряда. В этом последнем случае переключатель 642 соединяет отрицательный полюс высоковольтного источника 644 электрической энергии постоянного тока или импульсного тока с сетчатым электродом 622. Когда к сетчатому электроду 622 приложен отрицательный высоковольтный постоянный или импульсный потенциал смещения, он зажигает тлеющий разряд, обеспечивающий первоначальную ионизацию в разрядном зазоре 632 плазмы дугового разряда с удаленным анодом, создавая тем самым RAAD плазму. После возбуждения RAAD плазмы переключатель 642 может соединять положительный полюс источника 646 энергии для промежуточного анода с сетчатым электродом 622, переводя сетчатый электрод 622 в режим промежуточного анода, когда сетчатый электрод становится промежуточным анодом дугового разряда с удаленным анодом. В этом случае сетчатый электрод подключается к положительному полюсу источника 646 электрической энергии, в то время как отрицательный полюс подключается к катоду 538. В одном варианте сетчатый электрод может быть подключен к отрицательному полюсу источника 644 энергии во время генерации RAAD плазмы, в то время как положительный полюс подключается к катоду 538. В этом случае потенциал сетчатого электрода 622 будет отрицательным относительно катода 538, но потенциал сетчатого электрода 622 не может быть ниже потенциала катода на величину более двукратного падения напряжения между катодом 538 и основным анодом 556. Сетчатый электрод 622 может быть также изолирован от других элементов системы с камерой нанесения покрытия. В таких случаях потенциал сетчатого электрода 622 будет установлен равным величине плавающего потенциала, определяемого плотностью плазмы и электронной температурой в плазме RAAD. Плотность плазмы в разрядном зазоре 632 может быть увеличена до крайне высокого уровня за счет уменьшения ширины разрядного зазора и увеличения тока дугового разряда с удаленным анодом. Это позволяет в процессе диодного ионного распыления использовать мишень 540а распыления без увеличения магнитного поля, как это необходимо в процессе магнетронного распыления.
2
2
2
Плотность тока в струе 562 удаленного дугового разряда, протекающей в разрядном зазоре, образованном между анодной сеткой 622 и магнетроном 540, составляет от 0,1 до 500 А/см. Плотность тока в удаленном разряде, составляющая менее 0,1 А/см, является недостаточной для обеспечения желаемой степени ионизации потока магнетронного распыления. Плотности тока удаленного дугового разряда более 500 А/см требуют слишком большой мощности источника электрической энергии для удаленного дугового разряда, что не является целесообразным для практических применений. Высокая плотность тока удаленного дугового разряда (т.е. струи 562) в разрядном зазоре, образованном между анодной сеткой 622 и магнетроном 540, может быть достигнута за счет использования источников энергии 646 и/или 608 постоянного тока, которые могут обеспечить подвод к удаленному аноду 542 и/или сетчатому аноду постоянного тока величиной от 10 до 2000А, или, в качестве альтернативы, такая плотность тока может быть достигнута за счет использования источников импульсной мощности, которые могут приложить положительные импульсы напряжения к удаленному аноду 542 и/или сетчатому аноду 622. Положительные импульсы напряжения могут изменяться в интервале от 500 до 10000 в, а соответствующие импульсы тока могут изменяться в интервале от 1000 до 50000А.
На фиг. 19В представлен вариант системы, иллюстрируемой на фиг. 19А. Проволочки 638 в ряду 622, образующему сетчатый электрод, расположены параллельно друг другу и короткой стороне магнетрона 540. Каждая проволочка 638 соединена с удаленным анодом 542 через конденсатор 640 и шунтирующий резистор 642, в то время как диоды обеспечивают направление тока в сторону проволочных элементов 638. Во время работы системы перед зажиганием удаленного дугового разряда конденсаторы 640 заряжаются до максимального напряжения в разомкнутой цепи источника 608 электрической энергии дугового разряда с удаленным анодом. Такая схема расположения активирует каскадное зажигание удаленного дугового разряда посредством зажигания удаленного разряда сначала между катодом 538 и первой отдельной проволочкой 638, расположенной ближе всего к катоду 538, после чего следует распространение удаленного дугового разряда последовательно через все промежуточные одиночные проволочные электроды 638 ряда 622, образующего сетчатый электрод, в направлении удаленного анода 542. После фазы зажигания конденсаторы 640 будут разряжаться, и потенциал каждой проволочки 638 и всего ряда проволочек 622, образующего сеточный электрод, будет определяться шунтирующими резисторами 642. Если дуговой разряд с удаленным анодом будет погашен, конденсаторы 640 будут заряжаться снова до максимального напряжения разомкнутой цепи источника 608 энергии, и каскадное зажигание автоматически будет повторено. В качестве альтернативы, зажигание инициируется с помощью системы управления. Такой подход может быть также применимым к системе с большим количеством магнетронов, подобной показанной на фиг. 16 и фиг. 18В. В этом случае промежуточные зажигающие электроды схемы каскадного зажигания разряда могут быть размещены в зазорах между соответствующими источниками магнетронного распыления.
Фиг. 19С иллюстрирует дополнительное усовершенствование системы нанесения покрытия, представленной на фиг. 19А. На конце 652 катода и на конце удаленного анода 654 столба удаленного дугового разряда 562 установлены радиочастотные (RF) электроды 648, 650 с емкостной связью. RF генератор и согласующая цепь установлены последовательно с RF-электродами 648 для активации плазменной струи 562 путем наложения RF-колебаний вдоль плазменной струи 562. Частота этих колебаний может изменять в пределах от 10 кГц до 500 кГц. В одном варианте частота генератора находится в интервале от 500 кГц до 1000 кГц. Для этой цели подходящим является традиционно используемый RF генератор с частотой 13,56 МГц. При создании в плазменной струе 562 интенсивных RF-колебаний плотность плазмы, электронная температура и, соответственно, степень ионизации газообразной плазмы при магнетронном распылении повышается, что в результате приводит к повышению эффективности ионизации и способности активирования дугового разряда с удаленным анодом. Это дополнительно улучшает свойства и характеристики покрытий и обработанных плазмой поверхностей с помощью разрядной плазмы RAAMS. В другом варианте, иллюстрируемом на фиг. 19С, вместо RF генератора незатухающих колебаний используется импульсный высоковольтный генератор или импульсный RF генератор 656, что обеспечивает получение высоковольтных униполярных или RF импульсов для зажигания разряда RAAMS, а также наложенных совмещенных высоковольтных и сильноточных импульсов во время процесса нанесения покрытия. Частота повторения указанных высоковольтных и сильноточных импульсов или RF импульсов находится в интервале от 1 Гц до 100 кГц.
На фиг. 19 В представлен вид в перспективе модуля RAAMS с сетчатым электродом. Катодная камера 548 с основным катодом (не показан) и основным анодом (не показан) установлена ниже магнетронов 540 для магнетронного распыления. Перед магнетроном 540 размещен сетчатый электрод 622. Между основным катодом (не показан), размещенным в катодной камере, и удаленным анодом 542 зажигается удаленный дуговой разряд, т.е. струя 562. Струя 562 удаленного разряда входит из отверстия в катодной камере 548 в разрядный зазор удаленного дугового разряда, образованный между сетчатым электродом 622 и распылительной поверхностью магнетрона 540.
На фиг. 19Е схематически показана другая система нанесения покрытия с удаленным анодом. Как иллюстративно показано на фиг. 19Е, перед магнетронной мишенью 634 магнетронного источника 540 паров может быть создана экранирующая клетка 622 для плазмы дугового разряда с удаленным анодом. Удаленный дуговой разряд может быть зажжен между основным катодом (не показан) в катодной камере 548 и анодной клеткой (т.е. сеткой 622) и/или верхним удаленным анодом 542. В этом воплощении изобретения плазма дугового разряда с удаленным анодом протекает из отверстия 630 в катодной камере 548 вдоль длинной стороны магнетронной мишени 634 в направлении сетчатого анода 622 и/или верхнего удаленного анода 542. Хотя указанная клетка-сетчатый удаленный анод 622 может быть изготовлена из проволочек, размещенных с образованием различных конфигураций, в воплощении изобретения, представленном на фиг. 19Е, используется удаленный анод-клетка 622, образованная из ряда прямых проволочек, параллельных длинной стороне магнетронной мишени 634.
2
На фиг. 19F представлен вид в поперечном разрезе системы, использующей структуру из множества проволочек, показанную на фиг. 19Е. Указанная структура из параллельных проволочек сформирована из внешнего ряда 622а проволочек, образующего внешнюю границу клетки-удаленного сетчатого анода. Плазменная струя разряда с удаленным анодом удерживается внутри этой анодной клетки, образованной внешним рядом 622а проволочек анодной клетки. По усмотрению, она может также состоять из множества внутренних проволочек 622b, которые размещены внутри клетки-сетчатого анода 622. Когда к клетке-сетчатому аноду приложен положительный DC или импульсный потенциал относительно катода в катодной камере 548, вокруг каждой из множества внешних проволочек 622а и внутренних проволочек 622b образуется экранирующий слой плазмы. Эффективность ионизации в экранирующем слое плазмы больше, чем в исходной плазме, что приводит к повышению степени ионизации потока магнетронного распыления, способствуя, таким образом, дополнительному улучшению свойств покрытия. Функция внутренних проволочек 622b заключается также в отклонении заряженных частиц, в частности, электронов и положительных ионов, с искривлением их траектории и создании эффекта маятника, что позволяет увеличить длину траекторий заряженных частиц и эффективно удерживать заряженные частицы в сетчатом аноде-клетке 622, увеличивая, таким образом, вероятность ионизации потока магнетронного распыления. Такой метод удерживания плазмы может быть также использован для исключения необходимости магнитного удерживания. Это позволяет использовать распыляемую мишень в режиме диодного ионного распыления без магнитов, в то время как имеющая высокую плотность плазма дугового разряда с удаленным анодом удерживается в пределах клетки-сетчатого анода 622 электростатически. Характерное расстояние между соседними проволочками в клетке-сетчатом аноде 622, показанной на фиг. 19Е, составляет от 0,5 мм до 30 мм. Толщина каждой проволочки обычно составляет от 50 микрон до 3000 микрон. Плотность тока дугового разряда с удаленным анодом, движущегося вдоль мишени 634 параллельно его длинной стороне от отверстия 634 катодной камеры, находится в интервале от 0,1 до 500 А/см. Ток дугового разряда с удаленным анодом может быть создан или с помощью источников электрической энергии постоянного тока или источников импульсной мощности. На фиг. 19Р схематически показано поперечное сечение источника 540 магнетронного распыления, окруженного клеткой-сетчатым анодом 622. Магнетронный разряд 647 формируется выше магнетронной мишени 7А, создавая поток 649 магнетронного распыления атомов металла. Анодная клетка состоит из множества проволочек внешнего ряда 622а и множества 622b внутренних анодных проволочек. Когда к проволочкам прикладывают положительный потенциал относительно катода, размещенного в катодной камере (не показан), вокруг каждой из проволочек клетки-сетчатого анода 622 устанавливается экранирующий слой анодной плазмы. Траектории заряженных частиц (электроны и положительные ионы) 651 искривляются, когда частица приближается к экранирующему слою анодной плазмы, окружающему множество проволочек 622а и 622b. Согласно одному варианту проволочки клетки-сетчатого анода 622 изготовлены из жаростойких металлов, таких как W или Та, и их температура поддерживается в интервале от 500 до 2500°С, что обеспечивает эффективное вторичное испарение атомов металла потока магнетронного распыления, которые могут прилипать к поверхности проволочки. Считается, что высокая степень ионизации в границах клетки-сетчатого анода будет создавать возможность функционирования источника распыляемых паров при давлении в интервале менее 0,5 мТорр и даже без использования инертного газа, такого как аргон или криптон, что исключает присутствие вредных включений атомов инертного газа в структуре покрытия.
Фиг. 20 иллюстрирует вариант, в котором используется источник электронной эмиссии с катодным дуговым разрядом и нерасходумым катодом. Катодный узел 660 содержит водоохлаждаемый катод с камерой, имеющей цилиндрическую форму или прямоугольное сечение. Камера 662 с прямоугольным сечением содержит внутреннюю испарительную поверхность 664 для электронной эмиссии и основной анод 666, обычно содержащий цилиндрическую или прямоугольную вставку 668, прикрепленную к анодной пластине 670. Анодная вставка 668 проходит внутрь катодной камеры 662. Анод 666 изготовлен из жаростойких металлов, выбранных из группы, включающей W, Та, Nb, Hf, Ti, Cr, Мо и нержавеющую сталь. Анодная пластина 670 изолирована от катода с помощью керамических дистанционирующих прокладок 672. Основной анод 666 прикреплен к водоохлаждаемой камере 676, служащей для транспортирования плазмы, с помощью дистанционирующих прокладок 678, имеющих небольшое поперечное сечение, обеспечивающее высокое термическое сопротивление между плазменной камерой 676 и основным анодом 666. В плазменной камере 676 со стороны катода 538 имеется отверстие 680, обращенное в сторону катода 538, проходящее через цилиндрическую анодную вставку 668, и отверстие 682, обращенное в сторону разрядного зазора, образованного между сетчатым электродом 622 и магнетронным источником 540, со стороны камеры 550 нанесения покрытия. Длина отверстия 682, как правило, равна ширине магнетронной мишени 634, а ширина отверстия 682 меньше ширины d разрядного зазора 632. Дистанционирующие прокладки 678 могут быть выполнены из жаростойкого металла. В данном случае плазменная камера 676 электрически соединена с основным анодом 666. В качестве альтернативы, дистанционирующие прокладки 678 могут быть выполнены из непроводящего керамического материала, что делает плазменную камеру 676 электрически изолированной от основного анода 666. В любом случае дистанционирующие прокладки 678 должны иметь небольшое поперечное сечение, обеспечивая высокое термическое сопротивление между водоохлаждаемой плазменной камерой 662 и основным анодом 668. При функционировании системы основной анод нагревается током дугового разряда, достигая такой температуры, при которой происходит повторное испарение металла, транспортируемого от катода, с рециркуляцией металла катода, испаряемого из внутренней поверхности 669 катода в катодном дуговом разряде. Катодная камера 662 обычно выполнена из металла с относительно низкой температурой плавления и высоким давлением насыщенных паров. Примеры таких металлов включают, но не в качестве ограничения, Cu, Al, бронзу и другие сплавы с низкой температурой плавления. В качестве альтернативы, катодная камера 662 может быть изготовлена из меди, но ее внутренняя испарительная поверхность 669, эмитирующая электроны, должна быть покрыта тонким слоем металла с низкой температурой испарения (например, Zn, Cd, Bi, Na, Mg, Rb). Металлы с низкой температурой испарения легко повторно испаряются под действием горячего основного анода, когда его температура находится в пределах от 600 до 1100°С. Водоохлаждаемая внутренняя поверхность плазменной камеры 676 может также функционировать в качестве поверхности конденсации, эффективно предотвращая прохождение потока атомов катода в секцию 550 камеры нанесения покрытия. Следует понимать, что варианты, иллюстрируемые на фиг. 18 - фиг. 20, могут быть также использованы без сетчатого электрода 622. В этом случае отверстие в катодной камере 548, обращенное в сторону камеры 550 покрытия, должно находиться близко к поверхности магнетронной мишени 634, обращенной в сторону зоны магнетронного разряда, где плотность распыляемых атомов выше.
На фиг. 21А и фиг. 21В представлены альтернативные конфигурации системы с удаленной плазмой. Согласно фиг. 21А система 670 нанесения покрытия содержит держатель 672 подложек, размещенный между источником 674 магнетронного распыления и анодом 676. Система 670 нанесения покрытия содержит катодную камеру 678, которая имеет конструкцию, описанную выше. Такая конструкция увеличивает плотность плазмы удаленного дугового разряда, что обеспечивает более высокую степень содействие ионной бомбардировке во время магнетронного распыления. Согласно фиг. 21В система 680 нанесения покрытия содержит анод 682, который образован из тонких проволочек. Анод 682 установлен между магнетронной мишенью 684 и держателем 686 подложек. Система 680 нанесения покрытия может также содержать катодную камеру 688, описанную выше. В этой конфигурации камеры в зазоре между магнетронной мишенью и подлежащими покрытию подложками создается зона большей плотности плазмы дугового разряда.
Используемая для покрытия плазма дугового разряда с удаленным анодом (RAAD) или разрядная плазма может быть локализована магнитостатически вблизи катода магнетрона и напротив магнетронной мишени, используя магнитную ловушку, созданную с помощью удерживающего магнитного поля, генерируемого магнитными катушками, размещенными в ключевых позициях снаружи вакуумной камеры и снаружи зоны магнетронного распыления вместо электростатической ловушки из сетчатого анода, размещенного перед магнетронной мишенью. Магнитная ловушка может быть создана при помощи конфигурации магнитного поля с полукаспами, в которой сторона сужения каспа обращена к подлежащим покрытию подложкам. Магнитное поле «сжимается» в направлении указанных подложек. Такая конфигурация магнитной ловушки, известная также как магнитное зеркало, эффективно отражает электроны обратно к магнетронной мишени, предотвращая диффузионные потери дугового разряда, плазмы RAAD, из зоны, близкой к магнетронной мишени. В качестве альтернативы, плазма дугового разряда может быть захвачена в область магнитного поля с замкнутым контуром линий вдоль одной или двух длинных сторон магнетронной мишени.
На фиг. 22А показан вид в разрезе плазменного узла. Согласно этой фигуре плазма RAAD удерживается плазменной ловушкой с магнитным зеркалом внутри полукаспа, образованного между выпуклыми криволинейными линиями магнитного поля, созданного удерживающими магнитными катушками 578 и 579, имеющими прямоугольное сечение, и магнетронной мишенью 634. В такой конструкции в качестве источников распыления могут быть использованы плоские магнетроны с прямоугольными мишенями или вращающимися магнетронами с цилиндрическими мишенями. В качестве альтернативы, в качестве источника распыления для диодного распыления может быть также использована катодная мишень без магнитов. Источник 540 магнетронного распыления заключен в оболочку 545, и с противоположных сторон магнетрона 540 расположена пара удерживающих магнитных катушек 578 и 579. Модуль RAAMS снабжен фланцем 546 для крепления к камере нанесения покрытия. Каждая из удерживающих магнитных катушек 578 и 579, имеющих прямоугольное сечение, содержит пару линейных проводников, параллельных длинной стороне магнетронной мишени 634, а именно, передние линейные проводники 578а и 579а, ближайшие к покрываемым подложкам в камере нанесения покрытия, и задние линейные проводники 578b, 579b, удаленные от подложек. Передние и задние линейные проводники соединены посредством замыкающих проводников перпендикулярных короткой стороне магнетронной мишени 634, формируя, таким образом, катушку. Удерживающие магнитные катушки 578 и 579 включены, имея противоположную полярность, например, направление тока в переднем линейном проводнике 578а противоположно направлению тока в переднем линейном проводнике 579а. Удерживающие катушки расположены так, что линии магнитного поля, выходящие из их центра, проходят под углом над поверхностью магнетронной мишени. При таком расположении магнитных катушек между выпуклыми криволинейными магнитными силовыми линиями 589 и магнетронной мишенью 634 образуются магнитные полукаспы. Плоскость магнитных силовых линий 589 перпендикулярна плоскости магнетронной мишени 634 при их сосредоточении в направлении подлежащих покрытию подложек, размещенных в камере нанесения покрытия. Магнитное поле, связанное с катодом 585 магнетронного распыления, сочетается с магнитными силовыми линиями 589, которые удерживают дуговой разряд 562, как это показано в центре 571 сближения линий.
На фиг. 22В и фиг. 22С изображена пара соединенных несбалансированных магнетронных источников 545, установленных оппозитно друг другу. В данном случае магнитные системы магнетронов 545 могут быть установлены в зеркальноподобной конфигурации, показанной на фиг. 22В, когда полюса магнитного поля перед магнетронными мишенями являются одинаковыми, или северными или южными полюсами. Такая полярность магнитных систем именуется также согласованной полярностью. В качестве альтернативы, конфигурация магнитного поля двух оппозитно соединенных несбалансированных магнетронных источников 545 может быть несогласованной, как показано на фиг. 22С. В обоих случаях полярность магнитного поля, созданная парой фокусирующих удерживающих плазму катушек 578, 579, должна быть такой же, как и полярность магнитного поля, созданного магнитами магнетрона 545. В вышеупомянутой зеркальноподобной конфигурации, показанной на фиг. 22В, магнетронная плазма является более рассеянной, по сравнению с более сфокусированным потоком плотной плазмы в конфигурации, показанной на фиг. 22С.
На фиг. 220 схематически показан вид сбоку модуля RAAMS с магнитным удерживанием. Показанная конфигурация модуля RAAMS подобна конфигурации, иллюстрируемой на фиг. 19А, за исключением наличия защитных кожухов, установленных снизу и сверху зоны с плазмой RAAD вдоль магнетронной мишени 634. Держатель 534 с подложками 536 обращен в сторону плазменной струи 562. Для питания катода используют источник 851 энергии постоянного тока. Положительный полюс источника 851 энергии может быть заземлен или, в качестве альтернативы, соединен с удаленным анодом 8а через выключатель 853. Катодный защитный кожух 18b установлен на верху экрана 18 катодной камеры и прикреплен к заземленной стенке камеры заподлицо с магнетронной мишенью 634, в то время как анодный защитный кожух 8b охватывает удаленный анод 8А перед анодной камерой 8.
Катодный защитный кожух 18b и анодный защитный кожух 8b проходят поперек короткой кромки эрозионной зоны (рейстрека) магнетронной мишени 634, а их отверстия расположены сзади границы эрозионной зоны короткой кромки в пределах магнетронной мишени 634. Катодная камера 1А и экран 18 катодной камеры заключают в себе основной анод 5 дугового разряда, основной катод 4 дугового разряда, управляющую магнитную катушку 15 и катодное пятно 66 дугового разряда. Основной дуговой разряд в катодной камере 1а питается энергией от источника 10 электрической энергии основного дугового разряда, в то время как плазменная струя 562 питается энергией от источника 11 энергии удаленного дугового разряда. Управляющая магнитная катушка 15 управляет перемещением катодного пятна 66 дугового разряда на передней поверхности катодной мишени. На фиг. 220 показана только одна удерживающая магнитная катушка 578 с передним линейным проводником 578а и задним линейным проводником 578b. Направление тока вдоль проводников 578 магнитной катушки показано стрелкой. При функционировании системы плазменная струя 562 RAAD входит в катодный защитный кожух 18b через отверстие 18а, имеющееся в оболочке 18 катодной камеры, пересекает магнитное поле магнетрона в зоне эрозионного коридора короткой стороны магнетронной мишени и проникает дальше в область эрозионной зоны магнетрона, перемещаясь параллельно длинным сторонам магнетронной мишени, где она удерживается в пределах магнитного полукаспа 571 (фиг. 22А) над магнетронной мишенью 634. Указанное удерживание происходит благодаря эффекту отражения магнитного зеркала с помощью выпуклых сходящихся магнитных силовых линий 571, которые эффективно отражают электроны обратно к магнитному полукаспу, создающему ловушку для плазмы RAAD. Соединение струи 562 дугового разряда с удаленным анодом 8а, находящимся в анодной камере 8, обеспечивается посредством анодного защитного кожуха 8b. Направление магнитных силовых линий 589, генерируемых удерживающими катушками 578 и 579, должно совпадать с направлением магнитных силовых линий 585 магнетрона, показанных на фиг. 22А, созданных магнетронной магнитной системой, находящейся позади магнетронной мишени 634. Катодный защитный кожух 18b и анодный защитный кожух 8b позволяют плазменной струе 562 удаленного дугового разряда преодолевать магнитные барьеры, созданные магнитным полем магнетрона вблизи эрозионной зоны коротких сторон магнетронной мишени 634 и проникать в область зоны 571 удерживания магнитным каспом. Конфигурация магнитного зеркала для удерживания плазмы RAAD может быть объединена с анодной сеткой, показанной на фиг. 19, объединяя электростатическое и магнитостатическое удерживание плазмы, что может дополнительно повысить удерживающую способность ловушки для плазмы перед магнетронной мишенью за счет приложения положительного потенциала, удерживающего плазму дугового разряда, вдоль магнитных силовых линий, охватывающих область 571 захвата в ловушку плазмы дугового разряда с помощью магнитного каспа, в особенности, на конце «сжатых» магнитных силовых линий, которые будут увеличивать отражение ионов обратно к зоне размещения магнетронной мишени 634, эффективно уплотняя ловушку для плазмы с помощью магнитного каспа.
Фиг. 22Е иллюстрирует гибридную магнитостатическую/электростатическую ловушку для плазмы, служащую для удерживания плазмы RAAD, с катодом 540 согласно одному варианту настоящего изобретения. Проволочные электроды 638, которые образуют сетчатый анод, предпочтительно имеют форму, повторяющую формы магнитных силовых линий 589, проходящих от катушек 578 и 579, образующих границы магнитного каспа 571 напротив магнетронной мишени 634. Такая анодная ловушка будет эффективно заряжать границу магнитного каспа высоким положительным «анодным» потенциалом, который будет улучшать удерживание плазмы удаленного разряда в пределах области 571 ловушки с магнитным каспом и увеличивать концентрацию частиц плазмы у подложки 536.
На фиг. 22F представлен вариант конфигурации, представленной на фиг. 22D, в котором источником электрического питания катода является источник 849 RF энергии. Фиг. 22G иллюстрирует вариант конфигурации, показанной на фиг. 22D, в котором источником энергии для катода является источник 800 импульсной энергии постоянного тока.
В соответствии с настоящим изобретением фиг. 23 отображает вид в перспективе вертикального модуля RAAMS с удерживанием плазмы RAAD с помощью магнитных зеркал, используя катушки 578 и 579 для создания магнитного каспа 571 перед магнетронной мишенью 634 и катодом 540. Катод магнетрона имеет длинную кромку 540d и короткую кромку 540с. Катодный защитный кожух 18b и анодный защитный кожух 8b закорачивают плазменную струю удаленного дугового разряда на всем протяжении магнитного барьера вокруг нижней и верхней коротких сторон магнетронной мишени 634 и обеспечивают транспортирование плазмы RAAD в магнитный касп 571 при отсутствии диффузионных потерь.
Описанная схема может быть также применима к системе с некоторым числом магнетронов, подобной показанной на фиг. 18. В улучшенном варианте, представленном на фиг. 24А, обеспечивается модульная поточная система 10 непрерывной обработки, содержащая ряд модулей RAAMS с удерживанием плазмы RAAD с помощью магнитных зеркал, показанных на фиг. 22 - фиг. 23. Модули RAAMS установлены последовательно оппозитно друг другу, в то время как держатель 534 подложек с подлежащими покрытия подложками размещен между двумя рядами модулей RAAMS с возможностью движения вперед и назад и/или линейного перемещения. Для создания конфигурации магнитного поля с магнитным каспом в каждом из модулей RAAMS полярность катушек для удерживания плазмы должна быть противоположной в каждой паре катушек, размещенных по обе стороны источника магнетронного распыления. Полярность удерживающих катушек должна быть согласована с полярностью постоянных магнитов источника магнетронного распыления, при этом направление магнитного поля, удерживающего плазму, созданного магнитной удерживающей катушкой, является таким же, как и направление магнитного поля магнетрона на той же стороне магнетронной мишени при размещении катушки. Например, направление тока в переднем линейном проводнике 578а катушки 578 противоположно направлению тока в переднем проводнике 579а тока на противоположной стороне магнетрона 540. Кроме того, полярность соседних магнетронных источников должна быть также противоположна друг другу. При таком расположении струя 562 плазмы RAAD будет удерживаться в пределах зоны 571 с магнитным каспом вблизи магнетронной мишени, обеспечивая повышенную степень ионизации и скорость активации потока магнетронного распыления металла, а также газообразной плазмы в камере. В результате будут достигнуты высокая скорость осаждения и уплотнение покрытий, нанесенных на подлежащие покрытию подложки 536, размещенные на транспортном средстве 534, удерживающем подложки. Выходное магнитное поле-касп на противоположных модулях в поточной системе 10 может иметь одинаковую полярность (как показано на фиг. 24В) или противоположную полярность относительно аналогичных средств, расположенных на противоположной стороне поточной системы нанесения покрытия. Когда противоположные модули, обращенные друг к другу, имеют одинаковую полярность выходного магнитного каспа, плазма RAAMS будет обеспечивать более рассеянное распределение по участкам больших размеров зоны нанесения покрытия в камере 10. В этом случае плазма RAAMS распределена более однородно вдоль пути движения транспортного средства 534, удерживающего подлежащие покрытию подложки 536. При этом энергия, переносимая из плазмы в направлении покрываемых подложек, также уменьшается за счет рассеивания потока энергетических частиц по области больших размеров. В качестве альтернативы, полярность выходных магнитных каспов оппозитных модулей RAAMS может быть противоположной. В этом случае плазма RAAMS, генерируемая оппозитными модулями в поточной системе 10, фокусируется в области между оппозитными модулями, обращенными друг к другу, причем распределение плазмы RAAMS вдоль камеры 100 непрерывного нанесения покрытия является менее однородным при максимальной плотности плазмы вдоль осей каждой пары оппозитных магнетронных источников, обращенных друг к другу. Поток высокоэнергетических частиц, достигающих подложек 536, подлежащих покрытию, больше вдоль осей оппозитных магнетронных источников, что приводит к большей скорости покрытия и более высокой температуре нанесения покрытия на подложки в области близкой к осям магнетронных мишеней.
6
2
6
2
7
6
6
2
На фиг. 24С, D и Е представлена карта магнитных силовых линий в поточной системе непрерывного нанесения покрытия, полученная путем вычислений с использованием моделирования по методу конечных элементов. В изображенной принципиальной схеме системы магнитное поле магнетрона моделировали, используя пару проводников 541 тока, размещенных сзади магнетронной мишени 634. Полярность магнитного поля является зеркальной на противоположной стороне поточной системы, например, оппозитные модули, обращенные друг к другу, имеют противоположную полярность выходных магнитных каспов, образуя согласованную в магнитном отношении конфигурацию магнитного поля. На фиг. 24С плотность тока в передних линейных проводников 578а и конечных линейных проводниках 578b магнитных удерживающих катушек 578 составляет 1,2×10 А/м, а плотность тока в линейных проводниках 541а и 541b, моделирующих магнитную систему магнетрона 540 на основе постоянных магнитов, составляет 2×10 А/м. Направления токов в линейных проводниках показаны условными обозначениями в виде крестиков и точек, при этом например, точка 541а, показывает ток, вытекающий в направлении из листа бумаги (на котором изображена фигура), а крестик, например, 541b показывает ток, направленный в лист бумаги. В представленной схеме взаимного расположения элементов магнетронный разряд создается в области 585, примыкающей к магнетронной мишени 634. Магнитный касп 571 образуется перед магнетронной мишенью 634 между передними линейными проводниками магнитных удерживающих катушек 578 и магнитной мишенью 634. Как видно, сильное магнитное отклонение магнитных линий 573 происходит вдоль плоскости симметрии оппозитных магнетронных источников 540. Пучки 573а и 573b магнитных силовых линий, взаимосвязанные с соседними магнетронами, направлены в противоположном направлении относительно друг друга. Когда токи в удерживающих магнитных катушках увеличиваются, магнитные каспы 571 более определенно демонстрируют резкое сужение в направлении противоположной стороны системы, показанной на фиг. 24D, в которой магнитная карта имеет такую же конфигурацию, как и показанная на фиг. 24С, но с плотностями тока 2×10 в линейных проводниках 578 и 579 удерживающих катушек, и плотностью тока 2×10 в линейных проводниках 541 моделирующего магнитного поля магнетрона. В этом случае магнитные каспы 571 сужаются в направлении противоположной стороны системы. Для сравнения на фиг. 24Е представлена карта магнитного поля поточной системы с оппозитно расположенными магнетронами 540, имеющими несогласованную (несовпадающую) магнитную полярность, но при отсутствии токов в удерживающих катушках. В этом примере токи в линейных проводниках, моделирующих магнитную систему с магнетронами, составляют 5×10 А/м. Как видно, в этом случае перед магнетронами 540 не образуются магнитные каспы 571; вместо этого линии магнитного поля отклоняются от магнетронной мишени в направлении противоположной стороны системы. При этом вдоль плоскости симметрии между оппозитными магнетронными источниками 540 образуются пучки 573 магнитных силовых линий. Магнитные силовые линии 573 транспортируют плазму распыленного ионизированного металла от магнетронных мишеней в направлении подложек, подлежащих покрытию, размещенных в зоне покрытия между двумя оппозитными рядами магнетронных источников 540.
В соответствии с одним вариантом этого воплощения фиг. 24В схематически показывает вид в плане гибридной поточной системы, использующей магнитостатическое и электростатическое удерживание плазмы RAAD. Проволочный электрод 638 используется отдельно для каждого магнитного каспа.
В соответствии с другим вариантом выполнения фиг. 25А иллюстрирует процесс RAAMS с двумя струями удаленного дугового разряда, которые распространяются вдоль длинных сторон зоны магнетронного разряда. В этом случае удаленный дуговой разряд транспортируется от катодной камеры 18 через защитные кожухи 18а и 18b катода в один из двух участков длинной стороны магнетронного разряда 667а и 667b. В катодной камере 1а и кожухе-экране 18 катодной камеры заключены основной анод 5 дугового разряда, основной катод 4 дугового разряда, управляющая магнитная катушка 15 и катодное пятно 66 дугового разряда. В этом случае две отдельные плазменные струи 562а и 562b образуются вдоль длинных сторон 667а и 667b магнетронного разряда 667. Прохождение электрического тока дугового разряда через магнитный барьер участка короткой стороны магнетронного разряда 667 в один из участков длинной стороны магнетронного разряда 667а или 667b обеспечивается под защитными кожухами 18а и 18b катода, имеющими высоту, которая, как правило, равна или меньше толщины магнетронного разряда. Ширина каждого из катодных кожухов 18а и 18b меньше или равна ширине эрозионной зоны рейстрека магнетрона, проходящей параллельно длинной стороне магнетронной мишени 634. Обычно высота указанного катодного защитного кожуха находится в интервале от 10 до 50 мм. Идентичная пара защитных кожухов используется для транспортирования плазмы удаленного дугового разряда сквозь магнитный барьер на участке короткой стороны магнетронного разряда 667d со стороны удаленных анодов 9а и 9b, установленных в отдельных защитных кожухах 8а и 8b. Основной разряд в катодной камере 1а питается энергией от источника 10 электрической энергии, в то время как к каждому удаленному дуговому разряду 562а и 562b электрическая энергия подводится от отдельных источников 11а и 11b дугового разряда. В данном воплощении изобретения ловушка для плазмы удаленного дугового разряда создается вдоль длинных сторон магнетронного разряда магнитным полем с замкнутым контуром силовых линий.
Фиг. 25В, в соответствии с еще одним вариантом воплощения, иллюстрирует защитный катодный кожух 18с, который проходит через короткий участок 667 с зоны 667 магнетронного разряда со стороны расположения катода. Указанный защитный кожух проходит в катодную камеру 18 и сообщается с ней посредством отверстия 18d. Защитный кожух содержит анодную секцию 18е с другой стороны короткого участка 667с области 667 магнетронного разряда. Внутри анодной секции 18е защитного катодного кожуха 18с установлен промежуточный анод 9с. Защитный катодный кожух на коротком участке 667с магнетронного разряда со стороны катодного дугового разряда содержит два отверстия 18а и 18b, обращенные к противоположным длинным участкам 667а и 667b магнетронного разряда. Удаленный дуговой разряд 562, показанный на фиг. 22а, распространяется через катодный кожух вдоль участков 667а, 667b и 667с магнетронного разряда, в которых плазма удаленного дугового разряда удерживается магнитным полем 669 магнетрона, формирующим замкнутый контур силовых линий. В катодной камере 1а и внутри защитного кожуха 18 катодной камеры находятся основной анод 5 дугового разряда, управляющая магнитная катушка 15, основной катод 4 дугового разряда и катодное пятно 66 дугового разряда. Основной дуговой разряд в катодной камере 1а питается энергией от источника 10 электрической энергии основного дугового разряда, в то время как удаленный дуговой разряд, передающий электрический ток между основным катодом 4 и удаленным анодом (не показан), питается электрической энергией от источника 11 энергии удаленного дугового разряда. В частности, удаленный дуговой разряд распространяется от катодной камеры 18 через отверстие 18d в катодном кожухе 18с в направлении промежуточного анода 9с, к которому подводится электрическая энергия от отдельного источника энергии, при этом разряд проходит через отверстия 18а и 18b в область 667 магнетронного разряда, удерживаемого магнитным полем, в его короткий участок 667с со стороны катода, и продолжает распространяться вдоль длинных боковых участков магнетронного разряда 667а и 667b в направлении удаленного анода, находящегося на другой стороне магнетронной мишени. Стрелки на фигуре показывают направление тока удаленного дугового разряда, направленного в сторону удаленного анода, размещенного на другой стороне магнетронной мишени (не показан). В результате будет обеспечено эффективное магнитное удержание удаленных плазменных струй 562а и 562b внутри длинных участков магнетронного разряда 667а и 667b, как это показано на фиг. 25В.
В соответствии с настоящим изобретением фиг. 25С иллюстрирует поперечное сечение длинных участков катода 540 с магнетронным разрядом 564, эрозионной канавкой 542 и погруженным удаленным дуговым разрядом 562. Следует отметить, что магнитное удерживание плазмы дугового разряда с помощью магнитного поля 585 магнетрона с замкнутыми силовыми линиями, показанного на фиг. 25С, может быть скомбинировано с магнитным удержанием с помощью оппозитных удерживающих катушек и, кроме того, с помощью сеточного анода, как показано на фиг. 22Е и фиг. 24В. В одном варианте основной дуговой разряд может быть погружен в короткую часть магнетронного разряда. В этом случае дуговой разряд может быть термоионным разрядом с катодом прямого накала или разрядом с полым катодом, при этом катод полностью погружен в короткий участок магнетронного разряда.
В одном варианте удерживание плазмы удаленного дугового разряда перед магнетронной мишенью может быть достигнуто без использования постоянных магнитов, как показано на фиг. 25D. В этом воплощении изобретения сзади магнетронной мишени 541 размещена электромагнитная катушка 539. Перед магнетронной мишенью образуются аркообразные силовые линии 585 удерживающего магнитного поля в виде участка магнитных силовых линий, образующих замкнутый контур линий вокруг линейных проводников 539а и 539b тока. Под арками 585, образованными линиями магнитного поля, развивается эрозионная зона 542 рейстрека, в то время как удаленный разряд создается между катодной камерой, размещенной на одном конце протяженной магнетронной мишени с отверстием, обращенным в сторону одной из коротких сторон рейстрека, и удаленным анодом, находящимся вблизи другой короткой стороны рейстрека на противоположном конце магнетронной мишени вдоль ее длинной стороны. Удаленный дуговой разряд 562 погружен в зону рейстрека плазменного разряда, образованную под аркообразными магнитными силовыми линиями 585.
Фиг. 25Е иллюстрирует вариант с двумя электромагнитными катушками 538 и 539, размещенными сзади магнетронной мишени 54 с удалением от задней стороны магнетронной мишени 541. В этом варианте линейные проводники 538а и 539а тока имеют противоположное направление тока и расположены непосредственно позади магнетронной мишени 541 для создания перед магнетронной мишенью 541 аркообразных магнитных полей 585, удерживающих плазму. Такая конфигурация магнитного поля не создает конфигурацию с замкнутым контуром силовых линий, используемую при традиционном магнетронном распылении, а вместо этого образуются два отдельных параллельных магнитных поля с рейстреками, которые являются частями кругового магнитного поля с замкнутым контуром линий, созданного вокруг проводников 539а и 538а тока. Замыкающие линейные проводники 539а и 538а тока установлены с направлением от магнетронной мишени 541. При такой конфигурации может быть создано два независимых удаленных дуговых разряда 562а и 562b в пределах двух зон с рейстреками под магнитными силовыми линиями 585а и 585b перед мишенью 541 для мегнетронного распыления. Две параллельные не соединенные эрозионные зоны 542а и 542b будут сформированы непосредственно под удерживаемой магнитным полем и образующей рейстреки плотной плазмой, генерируемой удаленными разрядами 562а и 562b. Кроме того, возможно создание большего числа параллельных несоединенных зон 585 рейстреков с помощью удерживаемых магнитным полем, параллельных независимых удаленных дуговых разрядов 562 и связанных с ними параллельных не соединенных эрозионных зон 542, за счет использования большего числа электромагнитных катушек 539 с передними линейными проводниками 538а, 539а и других, размещенных непосредственно сзади магнетронной мишени 541, имеющих оппозитное направление токов в соседних линейных проводниках 539а и 538а и дополнительных линейных проводниках, параллельных друг другу, обращенных в сторону магнетронной мишени 541.
-3
Замыкающие проводники электромагнитных катушек 538, 539 и дополнительные проводники, параллельные друг другу, расположены с удалением от магнетронной мишени 541. Магнитная индукция, генерируемая линейными проводниками 538а и 539а в пределах зоны образования рейстреков, непосредственно перед магнетронной мишенью 541, должна быть достаточной для удержания плазменных столбов удаленного дугового разряда в пределах зоны разряда в рейстреке и находится в интервале от 5×10 Тл до 2 Тл. Наиболее высокая магнитная индукция может быть необходимой для таких различных случаев применения настоящего изобретения, как реакторы для управляемой плазменной плавки, плазменные реактивные микродвигатели и лазеры на ионизированных парах металла. Для обеспечения магнитной индукции в интервале 0,5-1,5 Тл могут быть использованы электромагнитные катушки со сверхпроводниками с криогенным охлаждением. Если используются электромагнитные катушки для создания аркообразной конфигурации магнитного поля в зонах рейстреков, распыление мишени 541 может быть достигнуто при много более низком напряжении мишени, начиная от 100 В, что является резким контрастом по отношении к традиционному магнетронному разряду, который имеет порог генерации около 300 В. В случае использования электромагнитных катушек вместо постоянных магнитов мишень для распыления может питаться энергией за счет приложения к магнетронной мишени энергии DC (постоянного тока), энергии RF источника и/или импульсной энергии DC. Напряжение DC обычно изменяется в интервале от 100 В до 2 кВ, в то время как импульсное напряжение DC может изменяться в пределах от 100 В до 10 кВ при амплитуде импульсного тока в интервале от 1 А до 100 кА. Режим с низким напряжением для распыления может быть также использован для ионной очистки мишени 541 в процессах реактивного распыления. По усмотрению мишень 541 для распыления может быть установлена с возможностью перемещения в направлении, параллельном плоскости мишени, как это показано двунаправленной стрелкой на фиг. 25Е. Использование материала мишени 541 для распыления может быть в значительной степени улучшено за счет сканирования мишени 541 вперед и назад, одновременно поддерживая стабильное положения эрозионных зон 542, которые определяются линейными проводниками 538 и 539, расположенными сзади мишени 541.
5
На фиг. 25F представлен общий вид магнетронного источника 540 распыления в соответствии с настоящим изобретением, в котором используются четыре электромагнитные катушки 536, 537, 538 и 539 для создания четырех независимых эрозионных зон с рейстреками при распылении мишени 541. Электромагнитные катушки содержат передние линейные проводники 536а, 537а, 538а и 539а, расположенные вблизи мишени 541, которые создают четыре параллельных столба, образованные аркообразным магнитным полем напротив мишени 541 для распыления, которые соответствуют четырем параллельным независимым рейстрекам, образованным впереди мишени 541 для распыления. Электромагнитные катушки 536-539 имеют чередующиеся направления токов, как это показано стрелками на фиг. 25F. Указанные электромагнитные катушки, кроме того, содержат замыкающие проводники 536b, 537b, 538b и 539b, удаленные от мишени 541 и параллельные передним линейным проводникам. Катодные камеры 1a, 1b, 1с и 1d с источниками основного катодного дугового разряда, служащими для генерирования четырех независимых основных разрядов, прилегают к нижней стороне мишени 541, в то время как удаленный анод дугового разряда, общий для всех четырех удаленных дуговых разрядов, расположен в удаленной анодной камере 8, примыкающей к верхней стороне мишени 541. Удаленные дуговые разряды 562а, 562b, 562с и 562d погружены в соответствующие рейстреки перед мишенью 541 магнетрона. Токи удаленных разрядов имеют одинаковые направления от катода внизу фиг. 25F и в сторону анода на верху этой фигуры. Удаленные дуговые разряды входят в соответствующие зоны с рейстреками через отверстия 18а, 18b, 18с и 18d в катодных камерах 1a, 1b, 1с и 1d, соответственно. Столбы плазмы удаленного дугового разряда удерживаются «привязанными» к мишени 541 с помощью аркообразного магнитного поля, созданного линейными проводниками 536а, 537а, 538а и 539а. Такое усовершенствованное воплощение изобретения иллюстрирует перспективу использования большого числа параллельных рейстреков, примыкающих к общей мишени для распыления, используя в то же время электромагнитные катушки в качестве средств образования рейстреков. В качестве альтернативы, параллельные структуры постоянных магнитов, с чередующейся полярностью соседних структур, могут быть также использованы для создания магнетронного разряда с некоторым количеством рейстреков и с погруженными плазменными столбами разрядов впереди большой прямоугольной мишени 541 для магнетронного распыления. Как показано на фиг. 25G, два независимых параллельных рейстрека образованы с помощью двух устройств, представляющих собой структуры 539 и 538 постоянных магнитов, имеющие форму ярма. Каждая из этих структур образована из постоянных магнитов 539а, 539b, 538а, 538b, прилегающих к задней стороне магнетронной мишени 541, которые могут быть изготовлены из магнитных сплавов, например, из сплава Sm-Co. Замыкающие магнитные шунты 539а и 538с могут быть изготовлены из магнитомягкого сплава, в частности, из сплава чистого железа. Ниже аркообразных магнитных силовых линий 585 между северным и южным полюсами соответствующего магнитного ярма 538 и магнитного ярма 539 созданы магнитные туннели с погруженными удаленными дуговыми разрядами 562, параллельными длинной стороне мишени 541, образующие выше рейстреков 542а и 542b два независимых магнитных туннеля, удерживающих два независимых удаленных разряда 562а и 562b, которые, в основном, обеспечивают генерирование плазмы перед мишенью 541 для распыления магнетрона. Как показано стрелкой на фиг. 250, мишень для распыления установлена с возможностью перемещения в направлении, параллельном плоскости расположения мишени, что позволяет повысить степень использования мишени. Может быть также использован вращающийся магнетрон со структурой из постоянных магнитов, примыкающей к вращающейся мишени, что может значительно увеличить степень использования материала мишени для распыления. На фиг. 25Н показана структура 539 из постоянных магнитов в форме ярма, подобная структуре, показанной на фиг. 25G, размещенная сзади вращающейся мишени 541 для распыления, при этом длинная сторона структуры 539 из магнитов параллельна оси вращения мишени, показанной стрелками на фиг. 25Н. Плазменная струя 562 удаленного дугового разряда удерживается магнитным полем в пределах области мишени, заключенной между северным и южным полюсами магнитной структуры 539 и удерживающим магнитным барьером, образованным аркообразными силовыми линиями магнитного поля. На фиг. 251 показан другой вариант этого воплощения изобретения, в котором подвижный тонкий лист мишени 541 для распыления перемещается по схеме «с рулона на рулон» между двумя рулонами 541а и 541b. В усовершенствованном варианте может быть использована мишень для распыления в форме диска вместе с параллельными удаленными разрядами, как это иллюстративно показано на фиг. 25J. В таком выполнении мишень 541 для магнетронного распыления имеет форму диска и расположена внутри заземленного кожуха 541а. Несколько параллельных удаленных дуговых разрядов 562а, 562b, 562с и 562d зажжено между катодными камерами 1a, 1b, 1с и 1d, находящимися на одной стороны кожуха 541а, и общим удаленным анодом 8, размещенным на противоположной стороне защитного кожуха 541а. Указанные удаленные дуговые разряды удерживаются магнитным полем и распространяются вдоль кожуха 541а с помощью параллельных магнитных структур или электромагнитных катушек, расположенных сзади мишени 541. Удаленные дуговые разряды проникают в зоны рейстреков через отверстия 18а, 18b 18с и 18d в катодных камерах 1a, 1b, 1с и 1d. Электрическая энергия подводится к мишени 541 от магнетронного источника 12 энергии. При вращении мишени 541 в направлении, показанном стрелками на фиг. 25J, эрозия рейстрека на мишени является однородной, что приводит к повышению степени использования мишени. В варианте воплощения, иллюстрируемом на фиг. 25С, может быть добавлена дополнительная электромагнитная катушка 581, окружающая катод 540, как показано на фиг. 25K. Магнитные силовые линии 586 катушки 581 должны иметь такие же направления, как и линии 585 магнитного поля, созданные постоянными магнитами катода 540 магнетронного распылителя. В этом случае магнитное поле, созданное постоянными магнитами, объединяется с магнитным полем, созданным катушкой 581, что будет дополнительно улучшать способность магнитного удерживания плазмы удаленного разряда при помощи магнетрона 540 и повышать плотность плазмы перед мишенью 541 для магнетронного распыления. На фиг. 25L схематически изображена конфигурация поточной системы RAAMS с электромагнитным усилением. На этой фигуре показана карта магнитного поля, полученная путем компьютерного моделирования с использованием метода конечных разностей и базового программного обеспечения. В этой модели ток в линейных проводниках 581а, 581b, 582а, 582b и других проводниках электромагнитных катушек, охватывающих катоды магнетронного распылителя, устанавливают до 10000А. Постоянные магниты 539а, 539b и 539с магнитного ярма 539 магнетрона, изготовленного из магнитотвердых материалов, например, из сплава Sm-Co, изображены векторами намагничивания, в то время как магнитные шунты 539d, которые обычно изготовлены из мягкого железа, изображены с помощью нелинейной графической зависимости ВН. Для модели, показанной на фиг. 25b, намагниченность постоянных магнитов установлена на уровне М=5×10 А/м. Полюса магнетронов 540, установленных в оппозитно расположенных рядах поточной системы 10, а также полюса магнетрона, размещенные один за другим в одном ряду, имеют противоположную друг другу полярность. Вдоль линии, параллельной мишени 541 для магнетрона, в середине между двумя оппозитными рядами магнетронов 540 размещен механизм 534 для удерживания подложек, способный перемещать подлежащие покрытию подложки в поперечном направлении. На фиг. 25М показана камера поточной системы RAAMS, усиленной в электромагнитном отношении, с вращающимися магнетронами в соответствии с одним вариантом. Вращающиеся магнетроны 540 расположены в вакуумной камере 10, образуя два оппозитно расположенных ряда магнетронов, обращенных к подложкам, установленным на перемещаемой в поперечном направлении платформе 534, удерживающей подложки. Вращающиеся магнетроны содержат установленные с возможностью вращения цилиндрические мишени 541 и магнитное ярмо 539. Электромагнитные катушки 581, 582, 583 и другие установлены снаружи вакуумной камеры в зазорах между соседними магнетронами 540. Токи в линейных проводниках, расположенных на противоположных сторонах катода магнетронного распылителя, имеют противоположное направление. Например, токи в проводниках 581а, 582а, 583а и 584а направлены противоположно токам в проводниках 581b, 582b, 583b и 584b. Полярность катодов магнетронов, обращенных друг к другу в оппозитных рядах, а также полярность соседних катодов в одном и то же ряду противоположна по знаку. Удаленный дуговой разряд может быть вытянут в направлении, параллельном короткой стороне мишени 541 для магнетронного распыления, как показано, например, на фиг. 1А, или в направлении параллельном длинной стороне мишени 541, как показано, например, на фиг. 18В.
На фиг. 26А в соответствии с вариантом воплощения показан вид сбоку в разрезе основного вакуумного дугового разряда между двумя оппозитными стержневыми электродами, расположенными поперек короткого участка магнетронного разряда. Два коаксиальных стержневых электрода, основной катод 701 и основной анод 702, обращены друг к другу и погружены в короткий участок магнетронного разряда 564, при этом оси стержневых электродов перпендикулярны магнетронному разряду. Оба электрода снабжены водоохлаждаемыми кожухами. Стержневые электроды могут быть изготовлены из вольфрама, молибдена, графита или другого жаростойкого металла или сплава. Основной дуговой разряд, энергия к которому подводится от источника 10 электрической энергии, может быть зажжен с помощью магнитного устройства, содержащего соленоид 704 и пружину 705. По усмотрению, оно может также содержать отдельный поджигатель, который может активировать вакуумный дуговой разряд на поверхности катода 701. Отдельный поджигатель может быть также установлен около межэлектродного зазора, и энергия к нему подводится от высоковольтного импульсного источника электрического энергии или RF источника энергии. Следует принимать во внимание, что стержневой катод 701 или стрежневой анод 702 или оба указанных стержневых электрода могут быть выполнены с каналами для подачи газа, в частности, аргона, в межэлектродный зазор, чтобы облегчить зажигание основного дугового разряда, как это иллюстративно показано на фиг. 26С. Как показано на фиг. 26С, в стержневом катоде 701 основного дугового разряда выполнен канал 736 для подачи плазмообразующего газа в межэлектродный зазор 738. Плазмообразующий газ, как правило, аргон, подают через линию 734 подвода газа к катоду. В этом случае на катод 701 или анод 702 с помощью генератора колебаний через разделительный конденсатор могут быть поданы RF импульсы напряжения для зажигания основного дугового разряда. Для защиты источника энергии постоянного тока от RF импульсов высокого напряжения в цепи с источником постоянного тока основного дугового разряда может быть использована катушка индуктивности. Импульсы зажигания или RF напряжение, а также газовый поток в основном катоде могут быть прерваны непосредственно после зажигания основного дугового разряда, который будет продолжать функционировать в режиме вакуумного дугового разряда. По усмотрению, как показано на фиг. 26D, защитный кожух 18а катода закрывает стержневые электроды основного дугового разряда, препятствуя загрязнению потока металла магнетронного распыления в результате эрозии катода. Защитный кожух 18а катода может частично охватывать или полностью покрывать короткий участок магнетронного разряда, образуя разрядную трубу для локализации части удаленного дугового разряда в пределах короткой ветви магнетронного рейстрека, параллельно короткой стороне мишени 634 магнетрона. Удаленный анод 9 в виде защитного кожуха, который частично охватывает или полностью закрывает короткий участок магнетронного разряда на противоположной стороне протяженной мишени 541 магнетрона, соединен с положительным полюсом источника 11 энергии удаленного дугового разряда, в то время как его отрицательный полюс подключен к основному катоду 701. В качестве альтернативы удаленный дуговой разряд может быть зажжен между основным анодом 702 и удаленным анодом 9. В этом случае основной анод 702 служит промежуточным катодом для удаленного дугового разряда 562. Источник 10 электрической энергии для основного дугового разряда может быть альтернативным источником тока для создания основного разряда переменного тока между стержневыми электродами 701 и 702 основного дугового разряда. В этом случае один из электродов, 701 или 702, может служить в качестве катода для удаленного дугового разряда 562. После зажигания основного дугового разряда между основным катодом 701 и основным анодом 702 удаленный дуговой разряд 562 незамедлительно зажигается между основным катодом 701 и удаленным анодом-защитным кожухом 9. Две ветви удаленного дугового разряда образованы вдоль длинных участков магнетронного разряда 564, соединяющих катод 701 с анодом 9. Направление дугового разряда с удаленным анодом показано стрелками на фиг. 26А. Плазма удаленного дугового разряда 562 удерживается магнитным путем в пределах магнетронного разряда с помощью магнитного поля 585 магнетрона, которое магнитным путем изолирует плазму и предотвращает ее потери за счет диффузии. Расположение электродов основного разряда в пределах короткого участка магнетронного разряда параллельно короткому участку мишени 541 магнетрона показано более детально на фиг. 26В. Оба электрода снабжены рубашками с водяным охлаждением, схематически показанными позициями 706 и 703. Рубашка 703 с водяным охлаждением показана размещенной на задней стороне анодного стержня. Зазор между анодом и катодом основного дугового разряда находится на участке магнетронного разряда 564, где силовые линии магнитного поля магнитного поля 585 магнетрона в целом параллельным осям паре коаксиальных электродов, катоду и аноду.
В соответствии с настоящим изобретением, как показано на фиг. 26В, катод 701 обычно имеет форму усеченного конуса, в то время как анод 702 может иметь плоскую поверхность, перпендикулярную оси анода. В случае использования форм катода в виде усеченного конуса катодный дуговой разряд предпочтительно будет находиться на конце катодного стержня, обращенного в сторону анода. Величина межэлектродного зазора обычно находится в интервале от 1 до 50 мм, и, как правило, она не превышает ширины рейстрека, а диаметр стержней-электродов составляет от 5 до 30 мм. Расстояние от оси катода и анода до мишени 541 магнетрона обычно находится в интервале от 5 мм до 40 мм, но предпочтительно от 10 мм до 25 мм.
На фиг. 260 показан катод 540 в соответствии с настоящим изобретением с основным вакуумным катодным дуговым разрядом, включающим основной стержневой катод 701 и основной стержневой анод 702, размещенные в середине одного из коротких участков рейстрека 667 магнетрона. Катодный и анодный стержни установлены коаксиально поперек рейстрека 667 магнетрона. Зазор 738 основного дугового разряда, образованный между основным катодом 701 и основным анодом 702, находится в зоне, в которой магнитные силовые линии магнитного поля магнетрона в целом параллельны оси катода и анода. Спиральная пружина 704 используется для перемещения катода для зажигания дугового разряда в зазоре 738 между анодом и катодом. Основной дуговой разряд питается электрической энергией от источника 10 энергии. Удаленный анод 9 в виде защитного кожуха охватывает короткий участок рейстрека магнетрона на противоположной стороне мишени магнетрона. Удаленный анод 9 питается электрической энергией от источника 11 энергии, подключенного между основным катодом 701 и удаленным анодом 9. Удаленный дуговой разряд 562 погружен в магнетронный разряд 667, и ток удаленного дугового разряда протекает через две параллельные ветви 562а и 562b удаленного погруженного дугового разряда, соответствующая длинная боковая ветвь которого параллельна ветвям магнетронного разряда 667а и 667b. Плазма магнетронного разряда 667 с погруженным в него удаленным дуговым разрядом 562 удерживается магнитным полем 585 магнетрона, имеющим замкнутые контуры силовых линий. Стрелки указывают направление тока удаленного дугового разряда - в сторону удаленного анода, установленного на другой стороне мишени магнита. Плотность тока удаленного дугового разряда может быть определена из соотношения:
RAAD
RAAD
M.D.
M.D.
M.D.
M.D.
M.D.
M.D.
M.D.
M.D.
RAAD
RAAD
2
где I и j - ток дугового разряда с удаленным анодом и плотность тока дугового разряда с удаленным анодом соответственно; W, H - ширина магнетронного разряда, которая обычно равна ширине рейстрека на мишени магнетрона, и толщина или высота магнетронного разряда, которая обычно равна или меньше ширины указанного рейстрека. A= W*H - поверхность зоны удерживания магнетроном. Плотность тока RAAD, которую следует поддерживать в магнетронном разряде и которая является необходимой для обеспечения высокой степени ионизации потока магнетронного распыления, обычно находится в интервале от 1 до 500 А/см2. Например, если H=5 cm, W=5 cm, A=25 cm и ток RAAD разряда RAAD, погруженного в одну из двух длинных боковых ветвей магнетронного разряда I=250A, то в этом случае j=10 A/cm. Могут быть также использованы удерживающие электромагнитные катушки и анодная сетчатая корзина, окружающие магнетронный разряд, в дополнение к удерживанию с помощью магнитного поля самого магнетрона, как было описано выше и иллюстрировано на фиг. 22Е и фиг. 24В.
В одном варианте настоящего изобретения, который является вариантом воплощения, иллюстрируемого на фиг. 26С, основной дуговой разряд может быть зажжен с помощью электродугового реактивного микродвигателя, размещенного вблизи короткого участка рейстрека магнетронного разряда, как это показано на фиг. 26Е. В этом случае магнетрон 540 снабжен электродуговым реактивным микродвигателем 722 в качестве основного источника дугового разряда, состоящим из стержневого катода 701 и сопла-анода 703, который генерирует плазменный факел 705, пересекающий короткий участок рейстрека 667с магнетрона, в то время как удаленный анод 8 снабжен защитным кожухом 9, охватывающим короткий участок магнетронного разряда 667d на противоположной стороне мишени магнетрона. Основной дуговой разряд в электродуговом реактивном микродвигателе 722 питается энергией основного источника 10 электрической энергии. По усмотрению, защитный кожух 18а катода закрывает электродуговой реактивный микродвигатель 722, предотвращая загрязнение потока металла магнетронного распыления в результате эрозии катода. Защитный кожух 18а катода может простираться так, чтобы он охватывал весь короткий участок рейстрека 667с магнетрона на стороне размещения электродугового реактивного микродвигателя 722, используемого в качестве основного источника дугового разряда, который образует плазменный факел 705 дугового разряда, и выполненного в виде выпускной трубы для направления струи удаленного дугового разряда в разрядную плазму 667 вдоль рейстрека магнетрона. Удаленный дуговой разряд 562 распространяется вдоль длинных участков разрядной плазмы 667а и 667b с рейстреком магнетрона в направлении удаленного анода 9. Направления тока удаленного дугового разряда показаны на фиг. 26Е стрелками. Одна из причин, по которой плазма удаленного дугового разряда, может быть погружена в магнетронный разряд, состоит в том, что удельное электрическое сопротивление поперек магнитных силовых линий много выше, чем вдоль оси магнетронного разряда, что позволяет удерживать магнитным способом магнетронную плазму вместе с внедренной плазмой удаленного дугового разряда около поверхности мишени магнетрона, предотвращая утечки тока удаленного разряда за пределы зоны нахождения рейстрека магнетрона. В процессе RAAMS магнитное поле магнетрона обуславливает удерживание плазмы магнетрона и плазмы удаленного дугового разряда вдоль рейстрека магнетронного разряда. В результате плотность плазмы в пределах зоны разряда в рейстреке магнетрона увеличивается. Это приводит к повышению интенсивности магнетронного распыления и степени ионизации атомов металла, что способствует повышению производительности процесса осаждения покрытия и улучшению свойств осажденного покрытия.
На фиг. 26F представлен другой вариант осуществления изобретения. Дуговой разряд может быть возбужден в магнетронном разряде между двумя электродами, установленными вблизи короткого участка рейстрека магнетронного разряда на противоположных сторонах мишени магнетрона. Два стержня-электрода 822 и 821 погружены в магнетронный разряд в пределах коротких участков рейстрека магнетрона, находящихся на противоположных сторонах мишени магнетрона. Указанные стержневые электроды закрыты защитными кожухами 18а и 9, установленными у держателя 18 нижнего электрода и держателя 8 верхнего электрода. Указанные электроды подключены к импульсному источнику 800 электрической энергии постоянного тока, состоящему из высоковольтного трансформатора 801, выпрямителя 803, накопительного конденсатора 805 и включателя 807. При замыкании активатора-включателя 807 между электродами 821 и 822 генерируются однополярные импульсы высокого напряжения. Высоковольтные импульсы с амплитудой напряжения, как правило, в интервале от 300 В до 50 кВ и тока в интервале от 1 А до 10 кА, приложенные между электродами 821 и 822, возбуждают дуговой разряд, погруженный в рейстрек магнетронного разряда, что резко увеличивает плотность плазмы магнетронного разряда и электронную температуру. Это приводит к увеличению степени ионизации потока атомов металла магнетронного распыления. Одновременно к мишени для магнетронного распыления могут быть приложены электрическая энергия DC (постоянного тока), RF энергия или импульс энергии DC. Напряжение DC, как правило, может находиться в интервале от 300 В до 2 кВ, в то время как импульс напряжения DC может находиться в пределах от 300 В до 10 кВ, при этом амплитуда импульсного тока находится в интервале от 1 А до 100 кА.
В другом воплощении, иллюстрируемом на фиг. 260, источник 800 энергии может быть источником RF энергии или импульсным источником RF энергии, состоящим из генератора 802, соединенного с электродами 821 и 822 посредством коаксиального кабеля 810, содержащего внутренний высоковольтный проводник 810b и заземленную оболочку 810а. Водоохлаждаемые стержневые электроды 821 и 822, удерживаемые с помощью диэлектрических фланцев 823 и 824, погружены в короткие участки 667с и 667d рейстрека магнетрона, соответственно. Высоковольтный проводник 810b подключен к RF генератору посредством согласующей катушки 804 и конденсатора С. Когда между электродами 821 и 822 приложен высоковольтный RF импульс, вдоль длинных участков 667а и 667b рейстрека магнетрона генерируется сильноточный разряд. Импульсный разряд состоит из пульсирующих столбов 562а и 562b дуги, погруженных в магнетронный разряд. В этом случае рейстрек магнетронного разряда служит в качестве волновода для передачи электромагнитных волн, генерируемых источником RF энергии. Погружение дугового разряда в магнетронную плазму увеличивает плотность и электронную температуру магнетронной плазмы, что приводит к существенному повышению степени ионизации потока атомов магнетронного распыления. Следует принимать во внимание, что высокая степень ионизации, высокая плотность и высокая температура, которые могут быть получены в плазме RAAMS, могут быть также использованы не только для нанесения покрытий и обработки поверхности, но и для иных случаев применения. Например, сильноионизированный поток паров металла, генерируемый разрядом RAAMS, может быть использован в ускорителе плазмы электродугового двигателя космического аппарата. Разряд измененной системы RAAMS с положительным, плавающим или заземленным потенциалом, приложенным к мишени магнетрона, и высоковольтные импульсы, DC или RF, приложенные между погруженными в дуговой разряд электродами 821 и 822, могут быть использованы для управляемого ядерного синтеза в смеси дейтериевой и тритиевой плазмы, удерживаемой в магнитной ловушке с рейстреком магнетрона. Разряд измененной RAAMS может быть также использован для инерциального управляемого термоядерного синтеза с электростатическим удержанием плазмы (IECF), когда источник плазмы измененной системы RAAMS может создавать пучок плотной плазмы при более низких давлениях, чем традиционные тлеющие разряды. В этом случае для получения плотной плазмы к мишени магнетрона прикладывают высоковольтные положительные импульсы, в то время как в уровне техники плотная плазма генерируется удаленным дуговым разрядом. По усмотрению, положительные импульсы могут быть также приложены к положительным струнным электродам, установленным перед магнетронным источником, как показано, например, на фиг. 22Е и фиг. 24В. В такой конфигурации, подобной одной из показанных на фиг. 24В, ионные пучки, генерируемые оппозитными источниками плазмы измененной системы RAAMS, могут сталкиваться соударяться, инициируя реакции термоядерного синтеза в пределах зоны соударения ионных пучков.
На фиг. 27А показан спектр ионов хрома, генерируемых в разряде RAAMS, полученный с помощью оптической эмиссионной спектрометрии (OES), в зависимости от тока дугового разряда с удаленным анодом в случаях использования и без использования ряда оппозитно расположенных магнитов, имеющих такую же конфигурацию, что и магнитная система магнетронов, конфигурация которой соответствует показанной на фиг. 22В и фиг. 22С, но при отсутствии тока в удерживающих катушках. Как видно, усиление магнитного поля в зоне удерживания разряда RAAD приводит к значительному повышению степени ионизации атомов распыляемого хрома. Оппозитные магниты с согласованной (зеркальной) магнитной полярностью создают пучок магнитных линий вдоль плоскости симметрии при оппозитном расположении магнетрона, как это было отображено на фиг. 24Е с помощью расчета методом конечных элементов. Плазма магнетронного распыления фокусируется магнитным полем вдоль магнитных силовых линий пучка магнитных линий, что способствует увеличению эффективности ионизации процесса RAAMS. Фиг. 27В иллюстрирует увеличение концентрации возбужденных атомов аргона и концентрации атомарного азота в плазме, полученной из газообразной смеси аргон-азот, системы RAAMS с увеличением тока удаленного дугового разряда. Это может быть также связано с существенным увеличением плотности электронов и электронной температуры в плазме RAAMS при увеличении тока удаленного дугового разряда.
На фиг. 28А схематически показан датчик ионизации паров металла, используемый для измерения степени ионизации хрома в разряде RAAMS, представленной на фиг. 28В. Для непосредственного измерения степени ионизации металла используется датчик 830 с сеточными кварцевыми микровесами (GQCM) вместе со спаренным датчиком фронтальной загрузки INFICON, соединенным с кварцевыми микровесами (QCM). Выходной сигнал с QCM поступает на измерительный преобразователь 840 и компьютер 842. Принципиальная схема 832 электрических соединений отображает заземленную сетку 834, первую сетку 836 и вторую сетку 838. Первая сетка 836 имеет потенциал 12В по отношению к потенциалу земли, а вторая сетка 838 имеет регулируемый потенциал в пределах от -12 В до 88 В. Результат измерения степени ионизации в потоке распыляемого металла может быть определен из соотношения
I
i
1
2
i
1
2
где m' и m' - массовые расходы нейтральных ионных паров и ионов металла соответственно. Для измерения степени ионизации γ оба указанных датчика имеют одинаковые сетчатые приемники энергоанализатора (GEA) частиц, но GEA будет активирован только в одном из этих датчиков, в то время как GEA второго датчика будет оставаться пассивным. Датчик №1 с активным GEA измеряет поток нейтральных паров металла g=m', отклоняя поток ионизированных компонент паров, в то время как датчик №2 с пассивным GEA измеряет общий поток g=m'+m' паров металла. В этом случае влияние GEA на скорость осаждения на поверхность кристаллического датчика является одинаковым для обоих датчиков №1 и №2. Степень ионизации определяют затем по отношению показания g датчика №1 к показанию g датчика №2:
i
2
1
2
γ=(g-g)/g
На фиг. 28В приведены результаты измерения степени ионизации атомов распыленного хрома с помощью зонда GQCM в разряде RAAMS, как с использованием оппозитных магнитов, так и без их использования. Оппозитные магниты соответствуют конфигурации, показанной на фиг. 22В и 22С, при отсутствии тока в катушках. Как видно, ионизация атомов распыленного хрома увеличивается с увеличением тока удаленного анода. Усиление магнитного удерживающего поля благодаря оппозитным магнитам приводит к значительному увеличению степени ионизации хрома в разряде RAAMS, что согласуется с результатами, полученными с помощью оптического эмиссионного спектрометра (OES).
Степени ионизации хрома в распыленном потоке, приведенные на фиг. 27А и фиг. 28В, представляют собой средние величины степени ионизации хрома в распыленном потоке диаметром от 20 мм до 50 мм. Датчики GQCM, а также устройство для непрерывного контроля ионизации плазмы, входящие в состав оптического эмиссионного спектрометра, измеряли величины ионизации потока распыляемого металла при относительно высоком времени интегрирования, приблизительно, соответствующем одному измерению в секунду. Текущая мгновенная степень ионизации в зоне, где струя дугового разряда пересекает рейстрек магнетрона, составляет до 100%.
(1-x)
В другом воплощении обеспечивается изделие с покрытием, нанесенным с помощью описанных выше способов и систем. На фиг. 29А показано покрытое изделие 926, содержащее подложку 928 с покрытием 930 и покрытие 932, нанесенное на поверхность покрытия 930. В одном варианте это покрытие является защитным покрытием. Как правило, покрытия обладают плотной микроструктурой и характерным цветом. В одном варианте покрытие включает огнеупорный металл, реагирующий с азотом, кислородом и/или углеродом с образованием огнеупорного нитрида, оксида или карбида. Примеры подходящих огнеупорных материалов включают, но не в качестве ограничения, хром, гафний, тантал, цирконий, титан, и сплав циркония с титаном. Нитрид хрома является примером конкретного используемого покрытия, полученного с помощью рассмотренных выше способов. В одном воплощении покрытие имеет толщину в интервале от приблизительно 1 до 6 микрон. Фиг. 29 В иллюстрирует вариант покрытия из нитрида хрома, которое имеет многослойную структуру, сформированную с использованием описанных выше способов. Покрытое изделие 934 содержит тонкий слой 936 непрореагировавшего хрома, нанесенный поверх подложки 928, и толстый слой 938 нитрида хрома стехиометрического состава, осажденный поверх указанного слоя 936 непрореагировавшего хрома. В другом варианте воплощения многослойная структура дополнительно содержит слой 940, образованный вспомогательным слоем субстехиометрического нитрида хрома, осажденным поверх указанного стехиометрического слоя 938 нитрида хрома. Вспомогательный слой 940 стехиометрического нитрида хрома имеет стехиометрический состав, определяемый формулой CrN, где х - число, находящее в пределах от 0,3 до 1,0. В одном варианте воплощения толщина слоя 936 непрореагировавшего хрома составляет от 0,05 до 0,5 микрон, толщина толстого слоя 938 нитрида хрома составляет от 1 до 3 микрон, а толщина слоя 940 стехиометрического нитрида хрома составляет от 0,5 до 1 микрон.
Несмотря на то, что выше были иллюстрированы и описаны воплощения настоящего изобретения, не предполагается, что они иллюстрируют и описывают все возможные формы воплощения изобретения. Используемые в подробном описании изобретения формулировки являются лишь формулировками описания, а не ограничениями. Следует понимать, что могут быть произведены различные изменения без выхода за пределы сущности и объема настоящего изобретения.