[发明专利]改进的阴极弧源设备

说明书

本发明提供了一种阴极弧源，包括：阴极靶材；位于靶面上方的第一磁场源；位于靶面下方的第二个磁场源；以及第三磁场源，位于第一磁场源和第二磁场源之间，并且与第一磁场源具有相反的极性；其中，来自第一、第二和第三磁场源所产生的垂直零磁场在靶面上方。本发明还提供了一种敲击阴极靶材的方法和一种使用本文所述的阴极弧源进行的沉积涂层的方法。

技术领域

本发明涉及一种改进的阴极电弧源，特别是改进的真空阴极过滤弧 (FCVA)源。改进的阴极电弧源与传统阴极弧源相比，靶材使用的材料范围更广，从而使得阴极电弧源沉积或涂层工艺中，将更广泛的材料用作涂层。

背景技术

阴极电弧源用于在低温下，在基材上产生坚硬、致密的薄膜涂层，并且涂层具有良好的膜基附着力。涂层可以是碳基材料(例如四面体非晶碳涂层)，也可以是特定的金属涂层。当涂层为碳基涂层时，以石墨当作靶材。当涂层为金属涂层时，块状金属或块状合金材料可以用作靶材。

对于阴极电弧源，现有技术的一个问题是，在靶材表面因电弧放电而产生等离子体时，其强烈的电弧点会产生大量大颗粒子，从而污染等离子体，进而污染沉积的涂层。通常采用过滤大颗粒的方法，来减少靶材与基材之间的等离子束中的大颗粒子，从而解决涂层中存在大颗粒子的问题。

已知的商用设备采用的是45°弯管来过滤离子束中的大颗粒子。此外， WO 96/026531描述的具有双弯管过滤管道的装置，也可用于同一用途。虽然后一种装置更为高效，但我们希望可以提供另一种有效可行的方法，以减少沉积涂料中的大颗粒子。

WO 98/03988描述了一个阴极电弧源，该源内部的磁场，由石墨靶材和垂直靶材且磁场强度为零的合成磁场组成。合成磁场通常由两个相反方向的磁场源产生，一个位于靶材上方，另一个位于靶材下方。在WO 98/03988中的装置可以稳定电弧，并且可以减少大颗粒子在镀膜基材上的沉积。

然而，对于形成碳涂层WO98/03988中描述的装置，其在石墨靶材上使用效果良好，但该装置并不太适用于金属靶材。

一个相关的问题是，在理论上，可以通过使用较低的电弧电流，来减少阴极弧产生的大颗粒子生成。但实际上，当电流降至最小稳定电流(或截止电流)以下时，电弧会熄灭。这个问题在使用金属靶材时一定存在，因为阴极电弧源不是特别稳定，一旦点燃，不会长时间保持起弧状态。所以，为了提高电弧点的稳定性，需要更高的电弧电流。石墨靶材可用低至20A至 30A的电弧电流，但金属靶材通常需要大于100A的电流。这些较高的电弧电流，不能应用在所有金属靶材(如铜和镍靶材)。因此，迄今为止，在沉积金属涂层时，使用阴极电弧源一般仅限于沉积铬、铝和钛涂层，甚至此类靶材也只能在有限范围内，或在对弧源设备进行持续监督下，才能使用。这样使得长期使用金属靶材标变得不太可能，所以，使用金属靶的弧源，只能局限在实验室小规模使用，无法在更广泛的范围内发展起来。

虽然其他物理气相沉积涂层方法(如溅射)是众所周知的，但并不是所有这些方法都适用于所有类型的金属。例如，使用溅射技术就不能令人生产满意地沉积镍镀薄膜。

EP 0495447 A1(株式会社神戸製鋼所)描述了一种在真空电弧气相沉积中控制电弧点和蒸发源的方法。US 7,381,311 B2(Aksenov等人)描述了一种进一步的阴极电弧等离子体源。在这两种源中，都使用磁场将从靶标喷射的离子引导到基板。US 2004/0137725描述了使用FCVA设备形成的金属涂层，而CN108456844描述了使用FCVA方法形成镍铬合金涂层。

因此，有必要对阴极电弧源设备进行改进，才能够利用金属靶材在基底上制备金属涂层，尤其是制备那些之前还无法制备的金属涂层。

发明内容

通过修改WO96/026531中的装置，发现使用较低的电弧电流可以产生稳定的弧点，因此修改后的装置适用于范围更广的靶材，包括特定的金属和合金靶材。这意味着，可以首次在工业规模上，对于金属靶材，如镍、钨、铜等金属，实现FCVA方法的沉积。