[发明专利]真空电弧蒸发源及使用它的薄膜形成装置

说明书

               发明背景

1.发明领域

本发明涉及真空电弧蒸发源和使用真空电弧蒸发源的薄膜形成装置，用于在例如汽车零件、机器零件、工具、模具、外部零件等的衬底的表面上形成包括阴极材料或含有所述阴极材料的化合物的薄膜，以便提高衬底的耐磨性、滑动性、防卡塞性、装饰性等。更具体地说，本发明涉及真空电弧蒸发源和使用它、以用于在衬底的表面上形成包括多个异质薄膜的叠层薄膜的薄膜形成装置。

2.先有技术

有一种用于通过把真空电弧蒸发源产生的等离子体中的离子(在本说明书中指的是正离子)借助负偏置电压等拉向衬底、在衬底的表面上形成薄膜的方法。所述真空电弧蒸发源通过真空电弧放电蒸发阴极，由此产生含有阴极材料的等离子体。上述方法也被称为电弧离子电镀法。电弧离子电镀法具有薄膜形成速度高，薄膜的粘附性高等这些特性。

薄膜形成速度高的原因是，通过使用真空电弧放电可以从阴极蒸发大量的阴极材料。薄膜粘附性高的原因是，由负偏置电压等产生的电场可把等离子体中的离子拉向衬底并与之碰撞。

为了提高薄膜的性能，可在衬底表面上形成包括多个异质薄膜(彼此不同种类的薄膜)的叠层薄膜。

图4表示在先有技术中用于通过电弧离子电镀法形成这种叠层薄膜的薄膜形成装置。这种基于电弧离子电镀法的薄膜形成装置也称为电弧离子电镀装置。

夹具8被设置在由未示出的真空泵系统抽成真空的真空容器2内，并且夹住在其上面形成薄膜的衬底6。衬底6可具有所需的形状。根据需要，对于实施例以箭头A所示的方向，旋转夹具8和衬底6。

在此实例中，从偏置电源10把例如在从大约负几十伏到大约负500伏的范围内的负偏置电压加至夹具8从而加在所夹的衬底6上。真空容器2接地。

根据需要把气体4引入真空容器2。例如，气体4包括惰性气体、或与从真空电弧蒸发源20的阴极22蒸发的阴极材料反应的反应气体。

在真空容器2的壁面互不相同的位置装上多个(例如，二个)真空电弧蒸发源20，使得后者指向夹具8上的衬底6。

各个真空电弧蒸发源20要通过真空电弧放电来蒸发阴极22，以便产生含有阴极材料(阴极材料意味着含有阴极的材料)的等离子体24。每个真空电弧蒸发源20具有一个阴极22、用于使阴极22和真空容器2相互绝缘的绝缘材料26等。各个真空电弧蒸发源20的阴极22包括彼此不同种类的材料。每个真空电弧蒸发源20还配备有许多未示出的组成部分，即，触发电极、磁体、水冷系统、真空密封机构等。

在此实例中，真空容器2还用作各个真空电弧蒸发源20的阳极。例如，在作为阳极的真空容器2和各个阴极22之间，从各个电弧电源28施加从大约几十伏到大约100伏的范围内的电弧放电电压。但是，可以单独提供阳极电极。

当在阴极22和真空容器2之间加上电弧放电电压时，在这两者之间产生真空电弧放电，使得阴极22被局部加热而阴极材料从加热的阴极22上蒸发。此时，在阴极22指向衬底6的表面附近，由电弧放电产生等离子体，使得阴极材料被部分地电离。也就是说，在指向衬底6的阴极22的表面附近产生了含有电离的阴极材料的等离子体24。

通过偏置电压把等离子体24中电离的阴极材料吸引到衬底6并且淀积在其上。由此，在衬底6的表面上形成含有阴极材料的薄膜。当时，如果把反应气体(例如氮气)作为气体4引入真空容器2，则反应气体与阴极材料反应，使得在衬底6的表面上形成化合物(例如氮化物)的薄膜。

在先有技术中，通过这种装置，用一种真空电弧蒸发源20来形成一种薄膜。也就是说，在真空容器2中安装多个真空电弧蒸发源20，以便真空电弧蒸发源20的数量与组成形成于衬底6的表面的叠层薄膜的薄膜的种数相对应，然后依次操作各个真空电弧蒸发源20以便在衬底6的表面上形成叠层薄膜。

例如，为了在形成于衬底6表面上的氮化钛(TiN)薄膜上形成氮化铬(CrN)薄膜，在真空容器2内安装了两个真空电弧蒸发源20。其中一个阴极22的材料是由钛构成的而另一个阴极22的材料是由铬构成的。然后，在氮气气氛中依次操作各个真空电弧蒸发源20使得在衬底6的表面上形成具有一个或一个以上的氮化钛层和一个或一个以上的氮化铬层的叠层薄膜。