[发明专利]供电弧等离子体沉积用的增强式阴极电弧源

说明书

本申请涉及供电弧等离子体沉积用的增强式阴极电弧源。改进的阴极电弧源和DLC膜沉积方法，其中在圆柱形石墨空腔内部产生定向喷射的含碳等离子体流，所述空腔的深度约等于阴极直径。所产生的碳等离子体膨胀通过孔口进入周围真空中，引起等离子体流发生强烈的自收缩。所述方法代表了一种重复工艺，其包括两个步骤：上述等离子体产生/沉积步骤和与之交替的回收步骤。这个步骤可以通过使空腔内部的阴极棒向孔口方向移动来定期除去腔壁上所积聚的过量碳。所述阴极棒伸出而高于所述孔口，且移回到初始阴极尖端位置。所述步骤可以定期再现直到膜沉积至目标厚度为止。技术优点包括膜硬度、密度和透明度改进、再现性高、持续操作时间长和微粒减少。

技术领域

本发明大体上涉及使用阴极电弧等离子体源进行薄膜沉积的技术，且更具体地说，涉及适于可重复沉积超硬和/或超致密、低缺陷碳膜的技术。

背景技术

增进耐磨损和耐腐蚀性以及滑动行为是薄膜技术领域中的一个重要考虑因素。这些应用代表了往往同时存在的各种各样的艰难操作条件，如与滑动对应物和周围介质发生的粘合、磨损和腐蚀相互作用。类金刚石碳(“DLC”)涂层似乎作为防护层而满足了许多的这些需求：DLC代表了以高硬度和杨氏模量(Young Modulus)为特征的高机械硬度材料。另外，其对金属和大部分其它材料只展现了微弱的粘附亲和性。其对大部分侵蚀剂和环境具有惰性。

使用阴极电弧等离子体沉积DLC涂层是一种潜力巨大的涂布技术。阴极电弧等离子体是高度电离的且因此可以通过电场和磁场操控。通常，使用电场改变离子能量且从而改变所沉积膜的结构和特性；使用磁场导引和均质化等离子体。

阴极电弧电流典型地局限于微小的非静态阴极斑点。斑点形成向等离子体形成、电子发射和阴极与阳极之间的电流传输提供了足够的功率密度。大粒子来源于在阴极斑点发生的等离子体-固体相互作用。

为了从阴极电弧等离子体中排除大粒子，已提出多种方法且进行了测试，如曲面磁过滤器。虽然已经合成了金属、金属-化合物和DLC膜，但是大粒子过滤器受困于两个主要缺点：(1)等离子体传输效率低，即初始等离子体中只有一部分实际上用于膜沉积，和(2)大粒子无法完全除去。

大粒子过滤器的设计取决于电弧操作模式。DC电弧等离子体源通常装备有大尺寸(例如1-2的直径)的阴极。可以用磁性方式控制斑点位置。在任何情况下，产生等离子体的微米级阴极斑点的位置可以在整个阴极表面中变化，且过滤器入口的横截面必须大到足以容纳多个斑点位置。过滤器入口大意味着过滤器的长度、容积和重量大。就过滤器容积被围封于由磁场线圈包围的导管或管道中来说，几乎全部的DC操作过滤器具有“封闭”的架构。理想的是，大粒子无法离开过滤器容积。预计粒子会粘附到管壁或被截获于管道内部所放置的挡板之间。一种方式是过滤式阴极电弧源，其中过滤器采取具有环管的封闭式架构，所述环管具有2个弯头。所述管道典型地相对较大，其直径为4-6。

然而，由于大粒子倾向于从表面反弹，因此对于有些阴极材料(如碳)来说，难以截获大粒子。这种“反弹”问题可以通过具有开放式架构的过滤器来解决，其中利用“反弹”让大粒子从等离子体传输区域逃出。开放式架构的过滤器不具有管道，而改为包括几匝磁过滤器线圈。尽管单位长度的匝数少，线圈也必须具有相对较高的电流以产生足够的磁场强度。开放式架构过滤器与具有小面积阴极且按脉冲模式操作的紧凑型电弧源的组合可如人所愿地将纯净的碳等离子体递送到沉积靶。这种技术的局限性包括如下事实：当流动横截面按S(r)～r²增加时，等离子体流几乎在具有半角约π/3的圆锥体内发生膨胀。所述流膨胀典型地导致等离子体冷却效应、离子减速且因此导致sp3/sp2比率减小(和硬度、密度、透明度减小)；以及阳极表面上的“寄生”碳沉积物，其引起标靶上的碳膜沉积速率降低。

有些新型的微系统(“MEMS”)应用，具体地说，具有热辅助磁记录功能的磁头可能需要具有极高的硬度、密度和透明度以及增强的厚度可再现性的薄碳膜。

发明内容