本申請與2012年9月14日提交的序列號為13/617,005的美國專利申請相關(guān)，以及與2013年10月28日提交的序列號為14/064,617的美國專利申請相關(guān)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種等離子體輔助沉積系統(tǒng)和相關(guān)方法，具體地，是涉及一種涂布系統(tǒng)和遠程電弧放電等離子體輔助工藝。

背景技術(shù)：

物理氣相沉積(PVD)和低壓化學(xué)氣相沉積(CVD)源被用于涂布的沉積以及表面處理。傳統(tǒng)的金屬氣相源例如電子束物理氣相沉積(EBPVD)和磁控濺射(MS)金屬氣相源能夠提供較高的沉積率。然而，金屬氣相原子的低能量和這些工藝的低電離率導(dǎo)致了涂層密度低、黏性差、結(jié)構(gòu)和形態(tài)差。通過使用能量粒子來轟擊的涂層沉積工藝輔助，通過稠化沉積材料、減小顆粒尺寸以及改善涂層黏性，極大地改善了涂層，這是確定的。在這些工藝中，通過能量離子的高速率攻擊來影響表面層，改變了沉積金屬氣相原子的移動性，并且在很多情況下產(chǎn)生了具有獨特功能特性的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)。進一步地，涂層表面的離子轟擊，通過增加氣體比如氮氣的黏著系數(shù)和把吸附點的特性從較低能量物理吸附點改變?yōu)檩^高能量化學(xué)吸附點，來影響氣體吸附行為。這種方法對于具有超細或玻璃狀無定形結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)組合物涂層是特別有效率的。

在PVD或CVD工藝中，存在兩種不同的方式來提供離子轟擊輔助。離子束輔助沉積(IBAD)這種方法對于在聚合物和其它溫度敏感材料上形成致密陶瓷涂層來說具有很大潛力。IBAD工藝典型地在真空(～1x10-⁵托)下進行，其中陶瓷被熱蒸發(fā)到基片上，同時用能量離子轟擊。離子束促使被沉積的原子與基片混合，產(chǎn)生分級層，其能改進涂層黏性，并且減少薄膜壓力。撞擊離子也產(chǎn)生一種“噴丸效應(yīng)”，它壓實并致密化層，從而減少或消除柱狀生長。

例如，在類金剛石碳(DLC)薄膜的IBAD工藝期間，碳被電子束源蒸發(fā)或被磁控管源濺射。由獨立的寬孔徑離子束源例如氬離子束提供離子轟擊。這樣的氬離子束不會改變生長膜的化學(xué)性，而僅通過改變格網(wǎng)來影響其原子對原子鍵合、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和結(jié)合能。把合適的氣態(tài)前體添加到離子束，則導(dǎo)致生長DLC薄膜的摻雜，從而提供在IBAD工藝中提供化學(xué)氣相輔助。DLC膜的這種硅摻雜的一個例子是用Ar+SiH₄離子束沉積?？梢酝ㄟ^Ar和氟代離子束來把氟化物添加到膜中，可以通過使用氬氣和N₂離子束而把氮添加到膜中，以及，可以通過使用Ar+BH₄離子束而把硼加入膜中。IBAD是一個靈活的技術(shù)工藝，其允許通過改變以下工藝參數(shù)來在擴大的區(qū)域內(nèi)控制涂布的性質(zhì)：離子束組合物，離子能量，離子電流和離子至原子到達比。

盡管IBAD工藝效果相當(dāng)好，由于其視線內(nèi)成線(line-in–sight)的本質(zhì)，它還是具有局限性的，在涂層沉積工藝的一致性很重要的情況下，其視線內(nèi)成線的本質(zhì)不利于實現(xiàn)在復(fù)雜形狀部件上的均勻涂布分布。此外，IBAD工藝具有有限的規(guī)模化能力。通過提供低壓等離子體環(huán)境-其有效地封閉將在均勻等離子體云中被涂布的基片，從而等離子體浸沒離子沉積工藝(PIID)克服了 這些缺陷中的一些。這導(dǎo)致離子以高度均勻的速率轟擊3D復(fù)合形狀的基片基質(zhì)和大負載。PVD或CVD工藝被用于產(chǎn)生用于處理基片表面的氣態(tài)物質(zhì)。與IBAD相比，PIID是非視線性(none-line-of–sight)工藝，能夠處理復(fù)雜的表面而不需要操控。PIID利用由填充整個工藝腔室的氣體放電而產(chǎn)生的等離子體，從而實現(xiàn)復(fù)雜的組合物和架構(gòu)的涂布。等離子體浸沒離子工藝的實例包括離子氮化、碳氮化、離子注入和其他氣體離子處理工藝，可以通過把待涂布的基片浸在負偏壓下的含氮等離子體中來進行。此外，當(dāng)基片被正偏壓時，從等離子體重提取的電子流可以被用于預(yù)加熱和加熱工藝。很清楚，非視線性工藝特征表現(xiàn)出大量相對于視線性工藝的優(yōu)勢，尤其是對于大量三維對象的有效處理。在PIID工藝中使用的電離氣體環(huán)境，可以通過施加不同類型的等離子體放電而產(chǎn)生。，比如輝光放電、RF放電、微波(MW)放電以及低壓電弧放電。低壓電弧放電能低成本地對大處理體積提供稠密的均勻的高度電離的等離子體，在這方面其是特別有優(yōu)勢的。在電弧放電等離子體輔助涂層沉積或者離子處理工藝中，基片被定位在電弧放電等離子體區(qū)域內(nèi)的電弧陰極和遠程電弧陽極之間。熱離子絲陰極、空心陰極、真空電弧蒸發(fā)冷陰極以及它們的組合可以用作電子發(fā)射器以用于產(chǎn)生氣態(tài)低壓電弧等離子體放電的環(huán)境?；蛘?，導(dǎo)電蒸發(fā)材料本身可以用作電離電弧放電的陰極或陽極。后一特征可提供在真空陰極電弧沉積工藝中或各種電弧等離子體增強電子束和熱蒸發(fā)工藝中。

類似CrN的反應(yīng)涂布的沉積可通過各種物理氣相沉積技術(shù)例如陰極電弧沉積、過濾電弧沉積、電子束蒸發(fā)和濺射沉積技術(shù)來完成。電子束物理氣相沉積(EBPVD)技術(shù)，傳統(tǒng)的和電離的，都在很多應(yīng)用中使用，但是由于批量處理的問題，其在很多領(lǐng)域中一般不認為是一種可行的制造工藝，由于批量處理的問題、難以擴大以實現(xiàn)在大型基板上均勻分布涂布，以及由元件的熱力學(xué)驅(qū)動蒸餾而造成的多元素涂布組合物控制困難。與之相反，由于在可接受沉積率下的磁控管涂布的高度均勻性、多元素涂料組合物的精確控制和MS工藝很容易被集成在完全自動化的工業(yè)批量涂料體系的能力，基于磁控濺射(MS)的PVD被用于各種各樣的應(yīng)用中。陰極和陽極電弧增強電子束物理氣相沉積(EBPVD)工藝，也稱為熱蒸發(fā)陰極(HEC)和熱蒸發(fā)陽極(HEA)，分別表現(xiàn)出增加的電離率，但是在EBPVD金屬氣相流上容易受到電弧點的不穩(wěn)定性和電離率的非均勻分布的困擾。在這些工藝中，電弧放電加上蒸發(fā)工藝使得難以提供對HEA和HEC過程中電離和蒸發(fā)速率的獨立控制。因此，把PA-EBPVD工藝集成到完全自動化的工業(yè)批量涂布系統(tǒng)中是非常困難的。

作為能夠有效地沉積厚反應(yīng)涂布的濺射技術(shù)，在本領(lǐng)域中是眾所周知的，雖然超過約一微米的薄膜由于結(jié)晶容易出現(xiàn)混濁。結(jié)晶現(xiàn)象或柱狀薄膜生長與在濺射沉積技術(shù)沉積原子的固有的低能量有關(guān)，從而為了喜歡能量的晶體結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了機會。對于有特殊的穿戴和化妝品應(yīng)用來說，這些晶體結(jié)構(gòu)可能具有不需要的各向異性。在過去十年已經(jīng)開發(fā)各種方法，以加強在磁控濺射工藝的電離率。這些方法的主要目標(biāo)是提高沿著磁控濺射原子流的傳輸?shù)碾娮用芏?，從而通過增加電子原子碰撞的頻率來增加金屬原子的電離。高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)工藝中同時使用適用于磁控靶的高功率脈沖和直流電源，以增加電子發(fā)射和因此增加金屬濺射流的電離率。該工藝證明了在用于切削刀具的氮化物耐磨涂布的沉積中的改進的涂布性質(zhì)。在HIPIMS工藝中，僅在短脈沖時間內(nèi)實現(xiàn)電離的改進，而暫停期間，電離率與現(xiàn)有的DC-MS工藝一樣低。由于脈沖參數(shù)與HIPIMS工藝中的磁控濺射工藝參數(shù)鏈接在一起，被發(fā)現(xiàn)比現(xiàn)有的DC-MS方法之下幾乎低三倍的濺射速率，會受到不利的影響。此外，HIPIMS工藝中的高電壓脈沖可能引起對磁控靶的電弧從而導(dǎo)致生長膜污染。

為了在磁控靶附近產(chǎn)生高度電離放電，可以在陰極和基片之間的區(qū)域內(nèi)添加感應(yīng)耦合等離子 體(ICP)源。非諧振感應(yīng)線圈然后放置成實質(zhì)上平行于浸沒在或鄰近于的等離子體中的傳統(tǒng)DC-MS裝置的陰極。通常在13.56MHz的頻率通過電容匹配網(wǎng)絡(luò)使用50ΩRF電源來驅(qū)動感應(yīng)線圈。RF電源通?？缃橘|(zhì)窗或墻壁來耦合到等離子體。電感耦合放電在1～50米托的壓力范圍內(nèi)和200-1000W的應(yīng)用功率下工作，產(chǎn)生10¹⁶–10¹⁸m^-3范圍內(nèi)的電子密度，其通常會發(fā)現(xiàn)，電子密度隨著應(yīng)用功率的增加而線性增加。在磁控濺射放電中，金屬原子從使用DC或RF電源的陰極靶濺射而出。金屬原子傳送由射頻線圈電離而產(chǎn)生的致密等離子體，放置于磁控靶和將被涂布的基片之間的水冷感應(yīng)線圈不利地影響涂布金屬濺射流。該MS設(shè)置因此更加復(fù)雜，昂貴，并且難以集成到現(xiàn)有的批量涂布和在線涂布系統(tǒng)。這些劣勢在微波輔助磁控濺射(MW-MS)工藝中也是存在的。在MW-MS工藝中，必須重新設(shè)計真空處理室結(jié)構(gòu)以允許穿越電離區(qū)的金屬濺射流。然而，電離PVD工藝的RF、MW和ICP方法，在大加工面積的等離子體均勻分布上，遇到很多困難，這對于集成到大面積涂層沉積系統(tǒng)來說是一個障礙。

用于產(chǎn)生能量離子的另一項現(xiàn)有技術(shù)是等離子體增強磁控濺射(PEMS)，其具有熱離子熱絲陰極(HF-MS)或空心陰極(HC-MS)作為電離電子源，以增加DC-MS工藝中的電離率。在HF-MS方法，一個較遠的熱離子絲陰極被用作電離電子源，使這個工藝相似于HC-MS工藝。然而，這種工藝通常表現(xiàn)出等離子體不均勻性，并且難以集成到工業(yè)大面積涂布系統(tǒng)。此外，這兩個熱絲陰極和空心電弧陰極是敏感的，并且在反應(yīng)性等離子體氣氛下迅速降級。這些等離子體生成工藝的缺點是通過利用冷蒸發(fā)真空電弧陰極作為電子源，用于蒸鍍處理環(huán)境的電離和活化。

傳統(tǒng)的陰極電弧沉積薄膜的裝飾性外觀，包括被稱為宏的未反應(yīng)的目標(biāo)材料的顆粒，其使得沉積薄膜在需要特定磨損、腐蝕和外觀特性的應(yīng)用中具有不希望的缺陷。然而，不同于濺射膜，電弧沉積的膜并不具有結(jié)晶性質(zhì)，因為電弧蒸發(fā)工藝使用沉積原子的高能量產(chǎn)生高度電離的等離子體，被認為是能使得顯影薄膜中的晶化結(jié)構(gòu)非常隨機化。

因此有需要尋找一種在涂布工藝中產(chǎn)生能量粒子的新技術(shù)，以產(chǎn)生具有改善的性能的薄膜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過在至少一個實施例中提供用于對基片進行涂布的系統(tǒng)，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中的一個或多個問題。涂布系統(tǒng)包括真空室和安置于真空室內(nèi)的涂布組件。涂布組件包括把待涂布的材料提供給基片的氣相源、用于保持待涂布的基片從而使得基片處于氣相源的前方的基片保持器、陰極室組件和遠程陽極。陰極室組件包括陰極靶、可選主陽極和把陰極與真空室隔離的屏蔽。屏蔽定義用于把電子發(fā)射電流從陰極發(fā)射到真空室的開口。氣相源安置在陰極室組件和遠程陽極之間而遠程陽極電耦合到陰極。涂布系統(tǒng)還包括連接在陰極靶和主陽極之間的主電源和連接在陰極靶和遠程陽極之間的次電源。典型地，遠程陽極具有線性遠程陽極尺寸，氣相源具有線性氣相源尺寸，陰極靶具有線性陰極靶尺寸，以及基片保持器具有線性保持器尺寸，從而使得線性遠程陽極尺寸、線性氣相源尺寸、線性陰極靶尺寸和線性保持器尺寸彼此相互平行，其中線性遠程陽極尺寸等于大于線性陰極靶尺寸和線性氣相源尺寸從而使得受限等離子體從陰極靶流向遠程陽極。

在另外一個實施例中，提供了一種在上述涂布系統(tǒng)中涂布基片的方法。該方法包括在陰極靶和主陽極之間的電子發(fā)射陰極源產(chǎn)生主電弧步驟。在陰極室組件和遠程陽極之間產(chǎn)生涂布區(qū)域中的受限遠程電弧從而使得產(chǎn)生從氣相源到待涂布的基片的金屬氣相流。在另外一個實施例中，提供了具有直流電弧點的涂布系統(tǒng)。該涂布系統(tǒng)包括真空室和安置于真空室內(nèi)的涂布組件。涂布組件包括至少一個濺射源，用于保持待涂布的基片從而使得基片被安置在濺射源的前方的基片保持器，和定義第一出口開口和第二出口開口的等離子體管道。涂布組件包括安置于等離子體管道內(nèi) 的用于產(chǎn)生金屬等離子體的陰極靶，電耦合到陰極靶的遠程陽極，為陰極供電的主電源，和連接在陰極靶和遠程陽極之間的次電源。濺射源安置于陰極靶和遠程陽極之間。管道線圈圍繞等離子體管道從而管道線圈的激活，在等離子體管道內(nèi)產(chǎn)生大體上平行于陰體靶的蒸發(fā)表面的傳輸磁場，來把等離子體從等離子體管道導(dǎo)向濺射源或基片保持器上的基片。管道線圈電源激活管道線圈，而第一微調(diào)電磁體和第二微調(diào)電磁體被安置成鄰近陰極靶的相對側(cè)的非蒸發(fā)相對側(cè)，在陰極靶的表面上產(chǎn)生磁場。

在另外一個實施例中，提供了具有遠程陽極的涂布系統(tǒng)。該涂布系統(tǒng)包括真空室和涂布組件。涂布組件包括具有具有靶臉的氣相源和基片保持器，氣相源具有較長的氣相源尺寸和較短的氣相臉尺寸，而基片保持器用于保持待涂布的基片從而使得所述基片被安置在所述氣相源之前。所述基片保持器具有線性的保持器尺寸。涂布組件進一步包括電耦合到陰極靶的遠程陽極。該遠程陽極具有線性遠程陽極尺寸。涂布組件進一步包括具有陰極靶的陰極室組件、可選主陽極和把陰極靶與真空室隔離的屏蔽。陰極靶具有線性陰極靶長尺寸和線性陰極靶短尺寸。屏蔽定義至少一個用于把沿著靶臉的長尺寸流動的遠程電弧放電的電子發(fā)射電流從陰極靶發(fā)送到遠程陽極的開口。主電源連接在陰極靶和主陽極之間，而次電源連接在陰極靶和遠程陽極之間。典型地，線性遠程陽極尺寸和氣相源短尺寸電弧平行于這樣的尺寸：電弧點被沿著陰極靶操控的尺寸。

在另外一個實施例中，提供了一種在涂布系統(tǒng)中涂布基片的方法。該方法包括步驟：在陰極靶和主陽極之間電子發(fā)射陰極源產(chǎn)生主電?。辉陉帢O室組件和遠程陽極之間的涂布區(qū)域產(chǎn)生遠程電??；和產(chǎn)生從氣相源到至少一個待涂布的基片的金屬氣相流。

在另外一個實施例中，提供了使用電子發(fā)射電流和/或金屬氣相等離子體的涂布系統(tǒng)。該涂布系統(tǒng)包括真空室和涂布組件。涂布系統(tǒng)包括涂布組件。涂布組件包括氣相源、用于保持待涂布的基片從而使得基片被安置于氣相源前方的基片保持器、主陰極真空電弧組件、電耦合到陰極靶的遠程陽極、連接在陰極靶和主陽極之間的主電源和連接在陰極靶和遠程陽極之間的次電源。主陰極真空電弧組件包括陰極室組件、陰極靶、可選主陽極和把陰極靶與真空室隔離開的屏蔽。屏蔽定義用于把電子發(fā)射電流傳輸?shù)秸婵帐业拈_口，同時開口保持對陰極靶產(chǎn)生的金屬氣相等離子體的重粒子的不透性。氣相源被安置在陰極室組件和遠程陽極之間。遠程陽極具有線性遠程陽極尺寸，氣相源具有線性氣相源尺寸，陰極靶具有線性陰極靶尺寸，而基片保持器具有線性保持器尺寸，從而使得線性遠程陽極尺寸，線性氣相源尺寸，和線性保持器尺寸彼此相互平行。典型地，線性遠程陽極尺寸等于或大于線性氣相源尺寸從而使得受限等離子體從陰極靶流向遠程陽極。進一步地，線性氣相源尺寸可以是平行于線性陰極靶尺寸的長側(cè)，而線性氣相源尺寸平行于線性陰極靶尺寸?；蛘?，線性氣相源尺寸可以是平行于線性陰極靶尺寸的短側(cè)。

另一個實施例提供了涂布系統(tǒng)。涂布系統(tǒng)包括具有靶臉的氣相源，氣相源具有較長的氣相源尺寸和較短的氣相臉尺寸。涂布系統(tǒng)還包括用于保持待涂布的基片的基片保持器，從而使得基片被安置于涂布室內(nèi)并且在氣相源前方?；３制骶哂芯€性保持器尺寸。雙重過濾電弧單向矩形等離子體源作為金屬氣相等離子體涂層沉積源和電子發(fā)射源工作。單向雙過濾電弧源包括具有偏轉(zhuǎn)部分的矩形等離子體管道和出口隧道斷面，具有第一陰極靶的第一陰極電弧室，具有第二陰極靶的第二陰極電弧室和擋板陽極盤。第一陰極電弧室和第二陰極電弧室被擋板陽極盤分開，并且被安置在偏置部分的相對側(cè)。涂布系統(tǒng)還包括電耦合到第一陰極靶和第二陰極靶的遠程陽極，安裝在陰極靶和主陽極之間的主電源，和連接在陰極靶和遠程陽極之間的次電源。典型地，遠程陽極具有線性遠程陽極尺寸和氣相源具有線性氣相源尺寸。

附圖說明

根據(jù)以下詳細說明以及附圖，可更全面地理解本發(fā)明的示范性實施例。

圖1A是使用遠程電弧放電等離子體的涂布系統(tǒng)的理想化的側(cè)視圖；

圖1B是涂布系統(tǒng)的前視圖，其垂直于圖1A的視圖；

圖1C是圖1A的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖1D是表示陰極和遠程陽極之間的等離子體射流流體約束的示意圖；

圖1E是用于光柵掃描等離子體射流的多元素陰極的示意圖；

圖1F是具有安置于濺射源和陽極之間的基片的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖1G是具有細電線的陽極的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖2提供的在屏幕和遠程陽極之間通過有限元建模獲得的等離子體電勢的典型分布；

圖3提供了由受激勵氬原子所發(fā)射的輻射強度(譜線ArI739.79nm)，從遠程電弧放電等離子體相對于放電電流；

圖4A提供了具有附加的遠程陽極的涂布系統(tǒng)的示意圖，附加的遠程陽極位于磁控濺射源之間，其具有附加的屏蔽陰極室組件，用于獲得氣態(tài)等離子體環(huán)境下的均勻性和高電離率；

圖4B提供了涂布系統(tǒng)的示意圖，其具有主陽極和每個多個從屬陽極的每一個之間設(shè)置的可變電阻器；

圖4C提供了一種改良，其中與電容器平行的電阻器被用于設(shè)置中間陽極的電壓電位；

圖5提供了RAAMS系統(tǒng)的內(nèi)嵌模塊配置的示意圖；

圖6提供了RAD等離子體工藝中電勢分布的圖解；

圖7A提供了具有位于中間的屏蔽陰極室的批量涂布系統(tǒng)示意圖；

圖7B提供了具有位于中間的屏蔽陰極室的批量涂布系統(tǒng)示意圖；

圖8A是圖7A和圖7B系統(tǒng)的變型的示意圖；

圖8B是圖7A和圖7B系統(tǒng)的變型的示意圖；

圖8C是圖7A和圖7B系統(tǒng)的變型的示意圖；

圖8D是圖7A和圖7B系統(tǒng)的變型的示意圖；

圖8E是圖7A和圖7B系統(tǒng)的變型的示意圖；

圖8F是圖7A和圖7B系統(tǒng)的變型的示意圖；

圖8G是為圖8A-圖8C的系統(tǒng)提供磁輪廓線的示意圖；

圖8H是為圖8A-圖8C的系統(tǒng)提供磁輪廓線的示意圖；

圖9A是具有附加磁控管的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖9B是具有附加磁控管的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖9C是具有附加磁控管的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖9D是具有附加磁控管的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖9E是具有附加磁控管的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖10提供了雙向遠程電弧放電中所涉及的物理工藝的示意圖說明；

圖11A提供了具有位于外圍的屏蔽陰極室組件的批量涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖11B是包含有矩形單向過濾陰極電弧源作為金屬氣相等離子體沉積源和電子發(fā)射源的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖11C是具有位于中間的磁控管和矩形單向過濾陰極電弧源作為金屬氣相等離子體沉積源和電子發(fā)射源的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖11D是具有雙向過濾電弧源和矩形單向過濾陰極電弧源作為金屬氣相等離子體沉積源和電子發(fā)射源的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖11E是具有無屏蔽雙向過濾電弧源和矩形單向過濾陰極電弧源作為金屬氣相等離子體沉積源和電子發(fā)射源的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖11F是圖11E的具有在單向過濾陰極電弧源的隧道斷面的磁控源的系統(tǒng)的變型的示意圖；

圖11G是圖11C的使用表面處理系統(tǒng)的系統(tǒng)的變型的示意圖；

圖11H是在處理系統(tǒng)的隧道斷面處具有雙向過濾電弧源和表面處理系統(tǒng)磁控源的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖12A是具有位于涂布室的中間的屏蔽陰極電弧電子發(fā)射源的進一步的變型的示意圖；

圖12B包含單向過濾陰極電弧源作為金屬氣相等離子體沉積源和電子發(fā)射源的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖12C是具有中間樞紐和單向過濾陰極電弧源作為金屬氣相等離子體沉積源和電子發(fā)射源的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖12D提供了具有帶旋轉(zhuǎn)管狀陰極靶的圓柱形陰極電弧源的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖13A提供包含電子發(fā)射真空電弧冷陰極源的系統(tǒng)的示意圖；

圖13B是使用圖13A的圓柱形陰極電弧源作為主陰極電弧電子發(fā)射源的順排系統(tǒng)的示意圖；

圖13C是使用圖11B的矩形過濾電弧源的涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖13D是使用圖11G所描述的單向雙過濾電弧源順排涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖13E是使用圖11G所描述的單向雙過濾電弧源順排涂布系統(tǒng)的示意圖，其在電弧源的出口隧道處具有兩個磁控源；

圖13F是帶有圓柱形陰極電弧源的順排涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖13G是如之前參照圖13B所描述的使用圓柱形主陰極電弧源的順排涂布系統(tǒng)的示意圖；

圖13H示出了具有圓柱形靶和磁操控電弧點的真空陰極電弧源的設(shè)計；

圖13I是使用短圓柱形陰極電弧電子發(fā)射源的旋轉(zhuǎn)靶磁控金屬氣相源的立體圖；

圖13J是使用短圓柱形陰極電弧電子發(fā)射源的旋轉(zhuǎn)靶磁控金屬氣相源的側(cè)視圖；

圖13K是使用短圓柱形陰極電弧電子發(fā)射源的旋轉(zhuǎn)靶磁控金屬氣相源的注視圖；

圖13L是圖13I-圖13K的系統(tǒng)的變型示意圖；

圖13M是圖13I-圖13K的系統(tǒng)的變型示意圖；

圖14A提供了包含宏粒子過濾器的涂布系統(tǒng)的變型的示意圖；

圖14B提供了宏粒子過濾器的管組件的俯視圖；

圖14C提供了宏粒子過濾器的管組件的立體圖；

圖15A提供了由多個刀片環(huán)繞的圓柱形陰極電弧源的立體圖；

圖15B提供了由多個刀片環(huán)繞的圓柱形陰極電弧源的示意性橫截面；

圖15C提供了在30度角處的圓柱形陰極電弧源由多個刀片環(huán)繞的示意性立體圖；

圖15D提供了在30度角處的圓柱形陰極電弧源由多個刀片環(huán)繞的示意性俯視圖；

圖15E提供了在60度角處的圓柱形陰極電弧源由多個刀片環(huán)繞的示意性立體圖；

圖15F提供了在60度角處的圓柱形陰極電弧源由多個刀片環(huán)繞的示意性俯視圖；

圖15G提供了使用一組等離子體導(dǎo)磁擋板的具有旋轉(zhuǎn)靶的雙向圓柱形陰極電弧源的示意圖；

圖15H提供了類似于圖14A所示的系統(tǒng)的涂布系統(tǒng)，其使用圖15G所示的陰極室設(shè)計；

圖16A是具有涂層的基片的示意圖，該涂層是通過遠程電弧放電等離子體輔助工藝制得；和

圖16B是具有多層涂層的基片的示意圖，該多層涂層是通過遠程電弧放電等離子體輔助工藝制得。

具體實施方式

現(xiàn)在將結(jié)合附圖詳細地說明目前來說本發(fā)明優(yōu)選的組合物、實施方案和方法，這些構(gòu)成練目前發(fā)明人所知的本發(fā)明的最佳模式。附圖不一定是按比例繪制的。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，所公開的實施方案僅僅是示例性的，可能會以不同的和替代的形式實施本發(fā)明。因此，本文公開的具體細節(jié)不應(yīng)被解釋為限制，而僅作為本發(fā)明的任何方面的說明性支持，以及作為教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以各種方式利用本發(fā)明的說明性基礎(chǔ)。

在實施例中或者在任何其它地方，除非另有明確說明，在本說明書中，表示材料的量或反應(yīng)條件和/或使用條件的所有數(shù)值量，應(yīng)該被理解為由單詞“約”所描述的本發(fā)明的最寬范圍。在所述的數(shù)值范圍內(nèi)實施本發(fā)明，通常是優(yōu)選的。此外，除非有明確相反說明，應(yīng)如此理解：百分比，“部分”和率值均以重量；作為適合或優(yōu)選用于與本發(fā)明給定目的的材料的組或類的說明，意味著組或類的成員的任何兩種或多種的混合物是同樣適合或優(yōu)選的；在化學(xué)術(shù)語成分的描述是指在成分在除了在說明書中指明的任何組合的時間，和并不一定排除一旦混合的混合物的成分之間的化學(xué)相互作用；首字母縮寫詞或縮寫等的第一個定義適用于所有的后續(xù)使用此相同的縮寫，并比照適用于最初定義的縮寫以及正常語法變化；和，除非明確說明與此相反，一個屬性的測量是通過如前面或后面所引用的用于相同屬性的相同技術(shù)來確定。

還應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限定于以下描述和方法的具體實施方案，因為具體組分和/或條件當(dāng)然可以有所不同。此外，這里使用的術(shù)語僅用于描述本發(fā)明的具體實施方案的目的，而不是旨在以任何方式進行限制。

還必須指出，如在說明書和所附權(quán)利要求書中所使用的，單數(shù)形式“一”，“一個”，和“所述”包括多個對象，除非上下文另外明確指出。例如，對一個單數(shù)的技術(shù)特征的引述，也可理解為包含多個技術(shù)特征。

貫穿本申請，其中引用了公開出版物，這些出版物的公開內(nèi)容整體地全部通過參照的方式并入本申請，以更充分地描述本發(fā)明所屬領(lǐng)域的狀態(tài)。

參照圖1A、圖1B、圖1C和圖1D，提供了一種使用遠程電弧放電等離子體的涂布系統(tǒng)。圖1A是理想化的涂布系統(tǒng)的側(cè)視圖。圖1B與圖1A的視圖相垂直的主視圖。圖1C是包括電氣布線的涂布系統(tǒng)的示意圖。該實施例的系統(tǒng)對于大面積磁控濺射涂層沉積工藝的電弧等離子體增強是特別有用的。涂布系統(tǒng)10包括真空室12，其中安置有涂布組件。涂布組件包括氣相源16、安置于真空室12內(nèi)的陰極室組件18和基片保持器20用于保持待涂布的基片22。圖1A和圖1B描述一個變型，其中氣相源16是磁控濺射源，從而使得系統(tǒng)10的涂布工藝是遠程電弧輔助磁控濺射(RAAMS)工藝。這種磁控濺射源包括靶Ts、電源Ps和陽極As。需要理解的是，其它類型的氣相源也可以用作氣相源16。這些氣相源的例子包括但不限于，熱蒸發(fā)器、電子束蒸發(fā)器、陰極電弧蒸發(fā)器，以及類似。在涂布期間以及涂層沉積期間沿著d₁方向移動，基片22被安置于氣相源16之前。在一個改進中，基片可以被連續(xù)地從在真空室12右側(cè)的裝載鎖定室中引出，并被圖1A中真空室12左側(cè)的輸出室接納。陰極室組件18包括其中具有開口26的陰極罩24、電子發(fā)射陰極28、可選分離主陽極34和屏蔽36。屏蔽36把電子發(fā)射陰極28與真空室12隔離開。在一個改進中，可選分離陽極34、陰極罩24、屏蔽36或者接地連接作為主陰極耦合的陽極。

在本實施例的背景中陰極室組件18作為電子發(fā)射陰極源而工作。在一個改進中，主電弧在 陰極28和主陽極之間的電子發(fā)射陰極源中產(chǎn)生。陰極罩24能夠用作連接到主電弧電源48的正極的獨立的主陽極，以及當(dāng)連接到接地34時用作接地陽極。屏蔽36定義開口38，用于把電子發(fā)射電流40從陰極28傳輸?shù)秸婵帐?2。屏可以是不固定的，或者可以被連接到主電弧電源48的正極或者附加電源(未示出)。在另一個改進中，陰極28是陰極電弧陰極而接地主陽極34是陰極電弧陽極。可以使用任意數(shù)量的陰極作為電子發(fā)射陰極28。這種陰極的例子包括，但不限于，冷真空電弧陰極、空心陰極、熱離子絲陰極及其類似以及其任何組合。典型地，陰極靶由具有吸氣能力的包括鈦和鋯合金的金屬制成。在一個改進中，陰極室的屏蔽被水冷卻，并且相對于陰極靶負偏壓，其中屏蔽的偏壓電勢范圍在-50伏特到-1000伏特。在一個改進中，陰極室組件18包括具有多個安裝在其中的陰極靶的陰極陣列，陰極靶陣列的高度基本上與遠程陽極的高度以及沉積區(qū)域的高度相同。從氣相源16或陰極室組件的頂部到基片22(即基片的頂部)的分開，使得從陰極28到遠程陽極44的等離子體流受限。典型地，從陰極室組件的屏蔽36或者從氣相源16的蒸發(fā)表面或者從遠程陽極44到基片22的分開距離是從大概2英寸到大概20英寸，其導(dǎo)致用于限制陰極室18內(nèi)的陰極28和遠程陽極44之間的遠程電弧等離子體的窄通道的形成。當(dāng)通道的寬度小于2英寸，其在等離子體中產(chǎn)生高阻抗，導(dǎo)致等離子體不穩(wěn)定，甚至?xí)罱K消滅遠程電弧放電。當(dāng)通道的寬度大于20英寸，遠程電弧放電中的等離子體密度中的等離子體密度不能足夠地增加來電離金屬濺射流。在一個特別有用的改進中，把碟形或條形的大面積陰極靶安裝在陰極室組件18內(nèi)。典型地，這種大面積陰極靶，陰極靶的高度基本上與陽極的高度以及沉積區(qū)域的高度相同。在一個改進中，陰極靶由具有吸氣能力的金屬(比如包括鈦合金和鋯合金)制成。在這種情況下，被屏蔽的陰極電子發(fā)射源也可用作真空吸氣泵，其能改善涂布系統(tǒng)的泵效率。為進一步改善吸氣泵效率，可水冷卻面對陰極室18c內(nèi)陰極靶28的蒸發(fā)表面的屏蔽36，并且可選地，將屏蔽36連接到高電位偏壓電源。當(dāng)水冷卻屏蔽36被偏壓到相對于陰極靶28的范圍在-50伏特到-1000伏特的高負電勢，它將遭受由陰極電弧蒸發(fā)工藝產(chǎn)生的金屬離子的密集離子轟擊。密集離子轟擊情況下的金屬氣相的冷凝，對于泵送惰性氣體如氦、氬、氖、氙、氪以及氫是有利的。

系統(tǒng)10也包括電耦合到陰極28的遠程陽極44，連接在陰極28和主陰極耦合的陽極之間的主電源48。遠程陽極44安置于真空室12中從而使得氣相源16被安置在在陰極室組件18和遠程陽極之間。在一個改進中，多個氣相源被安置在陰極室組件18和遠程陽極44之間，如下文更加詳細地所述。系統(tǒng)10還包括次電源52，其把陰極28電氣耦合到遠程陽極44。圖1A也示出了低通濾波器54，其包括電阻器R和電容器C。典型地，氣相源16被安置在陰極室組件18和遠程陽極44之間。系統(tǒng)10進一步包括泵送系統(tǒng)56和氣體系統(tǒng)58，泵送系統(tǒng)56用于維持降低的壓力，氣體系統(tǒng)58用于引入一種或多種氣體(例如氬氣，氮氣，氦氣等)至沉積室12。在一個改進中，為涂布室12內(nèi)的遠程電弧放電供電的次電源52，被安裝在陰極室組件18和遠程陽極44之間，并且提供比主電源48高至少20％的開路電壓。

仍參照圖1A、圖1B、圖1C和圖1D，主電弧被陰極室24內(nèi)的電弧引燃器60啟動，陰極室24被屏蔽36與放電室隔離開，其具有開口38用于傳輸電子流40。典型地，靠近屏幕的等離子體電勢較低，接近陰極室組件18的等離子體電勢，而在遠程電弧放電等離子體中，電勢較高，接近遠程陽極44的電勢。圖2提供了屏幕和遠程陽極之間通過有限元建模獲得的等離子體電勢的典型分布。令人驚訝的是，本涂布系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生受限的等離子體電弧，其從陰極室組件18流向遠程陽極44。圖1D提供的示意圖展示了等離子體密度在遠程陽極44和陰極28之間的移動。受限等離子體(即等離子體射流)在遠程陽極和陰極之間穿過涂布區(qū)域而流動。如圖1D所示，受限等離子體的末端沿著d₄的方向移動。電弧點66沿著腐蝕區(qū)68形成于陰極28上。在遠程陽 極44處的等離子體場62和在陰極28處的等離子體場64沿著d₄的方向在大約1到5英寸的空間內(nèi)大小受限。在一個改進中，磁場被用于完成沿著d₄的光柵掃描運動。在另一個改進中，通過沿著d₄機械移動陰極28來完成光柵掃描運動。在另一個其它改進中，使用電子轟擊陰極的發(fā)射絲是沿著d₄移動的。在另一個改進中，如圖1E所示，陰極包括多個陰極元件28^1-6它們被順序地激活以形成沿著d₄移動的等離子體射流。等離子體電弧的受限產(chǎn)生高密度的和熱的等離子體射流，其借助遠程陽極的相關(guān)區(qū)域在主陰極處連接陰極電弧點，其運行通過在室壁(具有附接的磁控管和主陰極、陽極)和基片保持器之間生成的相對較窄的通道。這使得在移動連接陰極和遠程陽極的等離子體射流中產(chǎn)生高電流密度。在一個改進中，較窄通道中的RAAMS等離子體的電流密度是從0.1mA/cm²到高達100A/cm²。典型地，在背景遠程電弧等離子體中的電子密度n_e范圍是從大約n_e～10⁸cm^-3到大約n_e～10¹⁰cm^-3，在受限電弧等離子體射流區(qū)域內(nèi)電子密度范圍是從大約n_e～10¹⁰cm^-3到大約n_e～10¹³cm^-3。產(chǎn)生等離子體射流的受限是下文所述的元件之間的物理大小關(guān)系以及磁場的使用的結(jié)果。尤其地，放電是在很高的等離子體電勢下進行的，其對應(yīng)于離子轟擊的高能量(即離子轟擊能量是等離子體電勢(對地)與基片偏置電勢(對地)之間的差)。即使在浮置(不接地)和接地基片中，仍可獲得具有50-70eV的離子，因為等離子體電勢高于50V。在一個改進中，等離子體電勢是從5V到500V。

參照圖1A和圖1B，其提供了涂布系統(tǒng)10的不同的元件的相對大小的一個例子。遠程陽極44具有線性遠程陽極尺寸D_a。氣相源16具有線性氣相源尺寸D_v。陰極靶Ts具有線性陰極靶尺寸D_c?；３制?0具有線性保持器尺寸D_h。在一個改進中，線性遠程陽極尺寸D_a，線性氣相源尺寸D_v，線性陰極靶尺寸D_c和線性保持器尺寸D_h彼此相互平行。在另一個改進中，線性遠程陽極尺寸D_a大于或等于線性氣相源尺寸D_v，線性氣相源尺寸D_v大于或等于線性陰極靶尺寸D_c，線性陰極靶尺寸D_c大于或等于線性保持器尺寸D_h。

在本實施例的一個變型中，幾個遠程陽極與安置于屏蔽陰極室組件18的至少一個電弧陰極相關(guān)聯(lián)(即電氣耦合到)。遠程陽極被安裝在涂布室內(nèi)的策略點。

在另外一個變型中，氣相源(例如氣相源16)的每一個和待涂布的基片22之間的垂直距離基本相同。進一步地，在進一步的改進中，陰極28和遠程陽極44之間的距離小于這樣的距離：在該距離，次電源52的施加電壓超過主電源48的施加電壓的1.2到30倍，故障出現(xiàn)。

在本實施例的另外一個改進中，等離子體探針被安裝在陰極28和遠程陽極44之間以測量等離子體密度。該測量提供反饋，以調(diào)整第二電源52來調(diào)整到遠程陽極44的遠程陽極電流，以獲得陰極室組件18和遠程陽極44之間的等離子體密度的均勻分布。

參照圖1F和圖1G，其提供了遠程等離子體系統(tǒng)的另一個配置。圖1F提供了涂布系統(tǒng)的示意圖，其具有安置在濺射源和陽極之間的基片。涂布系統(tǒng)70包括安置在磁控濺射源74和陽極76之間的基片保持器72。涂布系統(tǒng)70還包括陰極室78，其設(shè)計如上所述。該配置增加了遠程電弧等離子體的密度，其在磁控濺射期間提供更高的離子轟擊輔助率。圖1G提供了涂布系統(tǒng)的示意圖，該涂布系統(tǒng)具有細電線的陽極。涂布系統(tǒng)80包括陽極82，其由細電線組成。陽極82安裝在磁控靶84和基片保持器86之間。涂布系統(tǒng)80還包括陰極室，如上所述。在后一個配置中，磁控靶和待涂布的基片之間的空隙內(nèi)形成遠程電弧放電等離子體的密集區(qū)。

本實施例中的遠程電弧等離子體的模型其特征在于，陰極室組件18和遠程陽極44之間的電勢分布，以及在于遠程電弧放電等離子體內(nèi)的等離子體密度。隨著遠程放電電流增加，遠程電弧放電等離子體內(nèi)的等離子體電勢和陽極電勢增加。遠程電弧放電等離子體內(nèi)的等離子體密度也與放電電流成比例地增加。遠程電弧放電等離子體的光學(xué)發(fā)射光譜驗證了該結(jié)果。圖3示出了受激 勵的氬原子從遠程電弧放電等離子體發(fā)射的相對于放電電流輻射強度(譜線ArI739.79nm)?？梢园l(fā)現(xiàn)，來自由直接電子作用而被激勵的氬原子的光發(fā)射的強度幾乎與放電電流成比例。該現(xiàn)象可以用遠程電弧等離子體中的電子濃度和遠程電弧放電電流之間的直接比例關(guān)系來解釋。遠程電弧放電中的離子濃度幾乎等于電子濃度，從而使得等離子體的準(zhǔn)中性得以維持。

參照圖4A、圖4B和圖4C，其提供了本實施例的另一個變型，其具有在一側(cè)的屏蔽陰極室組件和在另一側(cè)的遠程電弧陽極之間的順排安裝的磁控濺射源鏈。在上下文中，“順排”表示元件成直線排列，從而使得基片能越過組件，同時保持直線方向移動。圖4A提供了涂布系統(tǒng)的示意圖，該涂布系統(tǒng)具有安置在磁控濺射源之間的附加遠程陽極，磁控濺射源具有附加的屏蔽陰極室組件，該屏蔽陰極室組件被添加以用來獲得氣態(tài)等離子體環(huán)境的高電離和均勻性。沉積系統(tǒng)90包括真空室92，其具有如上所述的相關(guān)真空和氣體供應(yīng)系統(tǒng)。沉積系統(tǒng)90還包括氣相源96和98、陰極室組件100和102和用于保持待涂布的基片22的基片保持器104。圖4A示出了這樣一個變型：其中氣相源96和98是磁控濺射源?；谕坎计陂g別安置于氣相源前方。典型地，基片22在涂層沉積期間沿著方向d₁移動。陰極室組件100和102分別包括其中具有開口114和116的陰極罩110和112、陰極118和120、可選主陽極122和124和屏蔽126和128。屏蔽126和128分別把陰極118、120與真空室92隔離開。屏蔽126和128每個均定義用于傳輸電子發(fā)射電流至真空室92的開口。在一個改進中，陰極118和120是陰極電弧陰極，而主陽極122和124是陰極電弧陽極。系統(tǒng)90還包括遠程陽極130和132，其分別電氣耦合到陰極118和120。在一個改進中，如圖4A所示，屏蔽陰極室組件、氣相源(例如磁控靶)和遠程陽極沿著適用于順排涂布系統(tǒng)的直線而對齊。

圖4B提供了涂布系統(tǒng)的示意圖，其包括安裝在主陽極和多個從陽極中的每一個之間的可變電阻器。在該改進中，涂布系統(tǒng)140包括真空室142和陰極室組件144，其如上文所述的一般設(shè)計。陰極室組件144包括陰極室146、陰極148、電弧引燃器150、其中定義有多個開口的屏蔽152和可選主陽極154。系統(tǒng)140還包括主電源156，其連接陰極148和主陽極154和磁控濺射源156、158、160。每個磁控濺射源均具有靶Ts、電源Ps和相關(guān)聯(lián)的反電極系統(tǒng)120，其還包括遠程陽極142，具有在陰極128和遠程陽極142之間提供電位勢的次電源144。系統(tǒng)120還包括從陽極146,148,150、152，其處于由可變電阻器R1、R2、R3和R4所建立的中間電壓電位。在一個改進中，可以通過使用可變電阻器R1、R2、R3來改變通過每一個從陽極的電流來控制等離子體分布密度。從陽極之間的距離和最靠近主陽極的從陽極與主陽極之間的距離，不能大于處理氣體的成分和壓力中等離子體放電中斷的最小距離。

圖4C提供了這樣的一個改進，其中與電容器平行的電阻器被用于設(shè)置中間陽極的電壓電位。在該改進中，平行于C⁵的電阻器R⁵設(shè)置用于陽極166的電壓電位。平行于C⁶的電阻器R⁶設(shè)置用于陽極168的電壓電位，平行于C7的電阻器R7設(shè)置用于陽極170的電壓電位，和平行于C8的電阻器R8設(shè)置用于陽極172的電壓電位。在該改進中，電容器被用于沿著大距離，通過在陰極室內(nèi)的陰極和每一個從陽極(放置在陰極室內(nèi)的陰極和主陽極之間的從陽極)之間，脈沖點燃遠程電弧放電，延長RAMMS過程?？梢岳斫獾氖牵梢詾閺年枠O提供獨立的功率供應(yīng)；每一個從陽極電源都可以被安裝在陰極148和對應(yīng)的從陽極之間。每個連接到主陽極或從陽極的次電源的開路電壓超過主電弧電源136的開路電壓至少1.2倍。

在本發(fā)明的另一個變型中，圖5提供了RAAM設(shè)置的內(nèi)嵌模塊配置。這種順排系統(tǒng)包括任意數(shù)量的沉積站和/或表面處理站(例如等離子體清洗、離子注入滲碳、滲氮等)。在圖5所示的變型中，涂布系統(tǒng)174包括順排對齊的模塊176-184。模塊176-184被裝載鎖定閘閥186-196與鄰近 的模塊分開。模塊化RAAMS表面工程系統(tǒng)174包括模塊196，其是具有屏蔽陰極電弧室198和沿著該室的壁安置的遠程陽極200的室模塊，如上所述。本圖還示出了一組可選的磁線圈202和204，該組磁線圈產(chǎn)生了沿著涂布室的范圍從1到100Gs的縱向磁場。模塊176執(zhí)行以下操作：基片裝載；利用在屏蔽陰極室的陰極和遠程陽極之間產(chǎn)生的遠程陽極電弧放電(RAAD)等離子體來進行高能量(典型地E>200eV)的氬離子轟擊來對基片進行離子刻蝕或離子凈化；利用在屏蔽陰極室的陰極和遠程陽極之間產(chǎn)生的氬RAAD等離子體的輕度離子轟擊(典型地E<200eV)來護理待涂布的基片。第二模塊178在屏蔽陰極室的陰極和遠程陽極之間產(chǎn)生的氮或氬氮混合RAAD等離子體中，離子氮化待涂布的基片表面。在RAAD等離子體浸沒離子氮化工藝中，在0.1毫托到200毫托的壓強下和在遠程陽極電流范圍從10至300安培時，但典型地在壓強范圍內(nèi)0.2-100毫托和遠程陽極電流范圍從10到200安培，HSS、M2和440C鋼的等離子體浸沒離子氮化的速度達到0.5到1μm/min。RAAD等離子體浸沒離子氮化是低溫處理，其中基片溫度典型地不超過350℃。在該工藝中，基片可以是浮置的(不接地的)，接地或者被偏置在非常低的負片偏置電位(例如低于-100V)。在這種低偏置電位下的離子氮化歸因于高正RAAD等離子體電勢，其促使等離子體離子接收來自超過接地基片電勢的高等離子體電勢的過量能量?；蛘撸瑏碜詺鈶B(tài)RAAD等離子體的氮、磷、硅、碳這些元素的低能量離子植入可在相對低的基片偏置電位下進行，典型地電壓范圍為-200至-1500伏特。圖6示出了RAAD等離子體處理中的電勢分布的圖表。在典的RAAD等離子體工藝中，相對于接地主陽極，主陰極的電位范圍在-20到-50伏特之間。在一個改進中，相對于主陰極，浮置基片電勢范圍為從-10到-50伏特。在離子氮化，滲碳和等離子體擴散飽和工藝中，相對于主陰極，典型的偏置基片電勢范圍為從-10到-200V，而在RAAD等離子體浸沒低能量離子植入工藝中，典型地基片偏壓范圍為從-200到-1500伏特。

需要理解的是，圖5中的模塊室架構(gòu)也可以用于在氣態(tài)RAAD等離子體室內(nèi)執(zhí)行遠程陽極電弧等離子體輔助CVD(RAACVD)工藝(例如圖5中模塊176、178和184)。例如，低壓等離子體浸沒CVD工藝設(shè)置能夠被用于在由0.1-1％甲烷和平衡氫或氫氬混合物的等離子體產(chǎn)生氣體氣氛中沉積多晶金剛石涂層。RAAD等離子體作為反應(yīng)性氣體的一個有力活化劑，與助于形成多晶金剛石涂層的高密度氫原子和HC自由基。在該工藝中，待涂布的基片或者接地，或者浮置，或者被偏置到相對于主陰極不低于-100伏特的負電位。在等離子體增強低壓CVD工藝中，獨立輻射加熱器陣列可被用于根據(jù)需要而維持基片溫度在200℃到1000℃，以用于多晶金剛石涂層的沉積。

在另外一個實施例中，提供了具有與曲線壁對齊的等離子體源的涂布系統(tǒng)。圖7A提供了具有位于中間的屏蔽陰極室的批量涂布系統(tǒng)的示意性俯視圖。圖7B提供了圖7A的批量涂布系統(tǒng)示意性立體圖。涂布系統(tǒng)210包括真空室212、包括陰極216的陰極室214和屏蔽218。真空室212具有基本上圓形的橫截面。系統(tǒng)210還包括主電源220，其設(shè)置在陰極216和主陽極222之間的電壓電位。系統(tǒng)210還包括磁控濺射源224-230，其中每一個均包括靶Ts、電源Ps和陽極As。在一個改進中，磁控濺射源224-230被沿著圓形而布置，該圓形的中心與真空室212的橫截面相同。系統(tǒng)210還包括遠程陽極232和234，其電壓電位被電源236和238相對于陰極214而設(shè)置。在該實施例中，在被涂布時，基片22軸向地沿著圓周方向d₂移動。在圖7A和圖7B的每個變型中，等離子體在陰極216和遠程陽極之間流動。該流動被遠程陽極(或濺射源)和基片(即基片頂部)之間的分隔所限制，該分隔典型地為2到20英寸。該受限在整個涂布區(qū)上持續(xù)存在。進一步地，等離子體被沿著陰極在與基片的移動相垂直的方向上被光柵掃描，如上文參照圖1D所述。

如上所述，遠程陽極232和234具有線性遠程陽極尺寸D_a。磁控濺射源224-230具有線性源 尺寸D_s。陰極靶216具有線性陰極靶尺寸D_c?；３制?0具有線性保持器尺寸D_h。在一個改進中，線性遠程陽極尺寸D_a、線性陰極靶尺寸D_c和線性保持器尺寸D_h彼此相當(dāng)。在另一個改進中，線性遠程陽極尺寸D_a大于或等于線性陰極靶尺寸D_c，而線性陰極靶尺寸D_c大于或等于線性保持器尺寸D_h。

需要理解的是，可以在涂布室內(nèi)施加外部磁場，以用于上述的實施例，以在電弧等離子體增強磁控濺射涂層沉積工藝期間進一步增強等離子體密度。優(yōu)選的磁場具有大體上與陰極電弧室和/或遠程陽極對齊的磁場線。這將有助于電弧放電電壓的增加，以及因此有助于電子能量和沿著涂布室的電弧等離子體傳播路徑。例如，外部磁場可以沿著圖5所示的順排涂布系統(tǒng)的涂布室而施加。

如上所述的涂布室內(nèi)的均勻等離子體密度分布，可以這樣實現(xiàn)：恰當(dāng)?shù)胤峙溥h程陽極和屏蔽真空電弧陰極靶的電子發(fā)射表面來均勻地覆蓋涂層沉積區(qū)域。例如，如果涂層沉積區(qū)域是1米高，那么屏蔽陰極靶的電子發(fā)射表面和電子流收集遠程陽極表面，需要被分配來均勻地覆蓋該一米高的涂層沉積區(qū)域。為了達到這些要求，幾個小的陰極靶被安裝到屏蔽陰極室內(nèi)，每個陰極靶都被連接到獨立電源的負極。陰極靶被大概均勻地分配從而使得由每個陰極靶發(fā)射的電子流在屏蔽陰極室外重疊，在涂層沉積區(qū)域上提供大概均勻的電子密度分布。遠程電弧電源的負極也可以被連接到一個大的陽極盤上，該陽極盤的高度基本上與涂層沉積區(qū)域的高度相同，并面對持有待涂布的基片的基片保持器，如圖1和圖4-圖6所示。這組陽極盤，其中每個均連接到遠程電弧電源的正極，可被用于提供在涂層沉積區(qū)域上的電子密度的均勻分布。類似的，不在屏蔽陰極室內(nèi)一組小陰極靶，而是使用單個大陰極靶，該大陰極靶的直線尺寸類似于涂層沉積區(qū)域的直線尺寸，該大陰極靶可用作遠程電弧放電的陰極。在該例子中，在陰極靶上光柵掃描電子發(fā)射點(即陰極電弧點)，以在涂層沉積區(qū)域上提供電子發(fā)射電流的大致均勻分布。陰極電弧點在陰極靶區(qū)域上的光柵掃描可以實現(xiàn)，例如，通過陰極靶的電弧蒸發(fā)區(qū)上的陰極電弧點磁操控或者機械移動。

參照圖8A-圖8H，其提給出了示意圖來表示圖7A和圖7B的涂布系統(tǒng)的改進，其使用磁操控陰極電弧點。本實施例變型使用了來自美國專利No.6,350,356的技術(shù)特征，其所公開的全部內(nèi)容都以參考的方式結(jié)合到本文中。參照圖8A，系統(tǒng)210’包括圍繞等離子體管道272的管道磁線圈270，其形成在殼體274的兩個相對端之間陰極室194內(nèi)。線圈270包括面對陰極靶216的側(cè)216a的繞線270a和面對陰極靶216的側(cè)216b的相對繞線270b。陰極靶216一般是長度尺寸為d_A的條狀。管道線圈270沿著管道272使用平行于陰極靶216的側(cè)216a和216b的磁力線來產(chǎn)生磁場。當(dāng)陰極電弧點278在蒸發(fā)表面216a或216b上被點燃，點278沿著條狀陰極216的較長側(cè)移動。在條的末端，電弧點278轉(zhuǎn)換側(cè)，并繼續(xù)在條的相反側(cè)上沿相反的方向移動。附接到垂直于磁力線的陰極條的側(cè)上的隔離陶瓷盤(未示出)防止弧點從陰極216的蒸發(fā)表面逃逸。屏蔽218可選第安裝在面對涂布室212中涂布區(qū)域的等離子體管道272的末端。在一個改進中，屏蔽218是可移動的(如圖8A中箭頭所示)以根據(jù)涂布工藝的階段允許等離子體管道272的打開和閉合。當(dāng)屏蔽218是關(guān)閉的，可通過RAAD等離子體用磁控濺射環(huán)境的增強電離來實施RAAMS工藝。當(dāng)管道272的末端打開，陰極電弧等離子體沿著管道線圈270的磁力線流向待涂布的基片22，其，根據(jù)陰極電弧金屬氣相等離子體(其中不需要的中性金屬原子和宏粒子被磁過濾)產(chǎn)生陰極電弧涂層的沉積。過濾的陰極電弧涂層沉積可以作為單獨的工藝階段而進行，或者與由磁控濺射源224-230產(chǎn)生的磁控濺射一起進行。在陰極室214的陰極216和遠程陽極232、234之間建立的遠程電弧放電而帶來的等離子體環(huán)境的電離和激活改進了涂層的密度、光潔度和其它物理化學(xué)和功能特性。

參照圖8B和圖8C，其提供了表示繞長條矩形條陰極的陰極電弧點的磁操控機制。矩形條狀陰極216位于管道線圈繞線270的兩部分之間。左繞線270a和右繞線270b面對陰極216的蒸發(fā)側(cè)。陰極側(cè)216a面對管道線圈繞線側(cè)270a而陰極側(cè)216b面對管道線圈繞線側(cè)270b。由管道線圈繞線270產(chǎn)生的磁場B平行于陰極216面對管道線圈繞線的側(cè)并且同時垂直長條陰極216的軸d_A(即陰極靶216的較長側(cè))。當(dāng)陰極電弧點278在陰極216面對管道線圈繞線電弧的側(cè)上被點燃，電流I_arc被垂直于陰極靶216的表面而產(chǎn)生并且因此垂直于管道線圈270所產(chǎn)生的磁力線B。在這個例子中，陰極電弧點沿著陰極的較長側(cè)以平均速度V_arc移動，其與由電弧電流I_arc和磁場B的積所定義的安培力成比例，遵循以下公知的安培定理：

V_arc＝(-/+)c*I_arc*B (1)

其中c是系數(shù)，其由陰極材料定義。電弧點的移動方向(上述公式中括號內(nèi)的符號)還由陰極靶材料決定，因為管道線圈270產(chǎn)生的磁場平行于陰極靶的四側(cè)(即，繞陰極靶216的蒸發(fā)側(cè)的相同方向的長側(cè))。例如，當(dāng)陰極電弧點278a是在面對管道線圈繞線270a的陰極側(cè)上產(chǎn)生，電弧點沿著較長側(cè)216a往下移動陰極靶216。在陰極條的末端，電弧點轉(zhuǎn)向短側(cè)216d，之后轉(zhuǎn)向長側(cè)216b，然后沿著長側(cè)216b一直繼續(xù)，等等。

圖8C示出了電弧點沿著陰極靶216的蒸發(fā)側(cè)216a、216b、216c和216d移動，其平行于由管道線圈270產(chǎn)生的磁力線280。管道線圈由管道線圈電源282提供能量，而電弧電源284則連接到陰極靶216。管道線圈包括由電子電路連接的線圈270a和270b，該電子電路包括電流導(dǎo)體286、288、290和290。垂直于磁力線的陰極靶196的側(cè)被隔離盤294覆蓋，其防止電弧點從陰極靶216的蒸發(fā)表面逃逸。陰極電弧等離子體被由管道線圈270a和270b所產(chǎn)生的磁力280困住，管道線圈270a和270b防止等離子體擴散過磁力線280而等離子體則可以沿著磁力線280自由移動。

圖8D提供了通過管道線圈操控陰極點的更多附加細節(jié)。管道線圈270所生的磁場操控陰極電弧點使之沿著陰極靶條216的側(cè)平行于磁力線，如上所述。陰極電弧點移動的方向如箭頭AD所示。等離子體管道272的末端被打開，其允許陰極金屬氣相等離子體沿著磁力線朝向安裝在涂布室內(nèi)的基片保持器20上的基片22流動。中性粒子和宏粒子被困在陰極室內(nèi)，在管道272的內(nèi)壁上，產(chǎn)生接近100％電離的金屬氣相等離子體以進入等離子體管道272外的涂布區(qū)域。陰極室的設(shè)計基本上是經(jīng)過濾的陰極電弧金屬氣相等離子體源，能夠擺脫所產(chǎn)生的金屬氣相等離子體中的宏粒子和中性粒子，并產(chǎn)生將近100％自動潔凈的電離金屬氣相，以用于沉積高級涂層。建立在陰極196和遠程陽極232、234之間的RAAD等離子體增強了RAAMS涂層沉積工藝中等離子體環(huán)境的電離和激活，產(chǎn)生了改善的涂層性能。在該設(shè)計中，混合涂層沉積工藝可以被實施為單陰極電弧或磁控管涂層沉積，或者為把陰極電弧金屬氣相等離子體與浸沒于混合電離遠程電弧等離子體環(huán)境中的磁控管金屬濺射流結(jié)合的混合工藝。

仍參照圖8D，大面積磁控濺射涂層沉積工藝和混合工藝電弧等離子體增強問題，是通過把至少一個遠程電弧陽極與陰極靶條16不成視線內(nèi)成線來解決。在該變型中，基片保持器20’保持的至少一個基片22和磁控濺射源224-230被安置于等離子體管道272之外的涂布室區(qū)內(nèi)?，F(xiàn)在的RAAMS工藝把由傳統(tǒng)的磁控源產(chǎn)生金屬濺射流浸沒在密集和高度電離的遠程陽極電弧放電(RAAD)氣態(tài)等離子體中。為RAAD等離子體供電的遠程電弧電源(未示出)設(shè)置在電弧陰極靶216和至少一個遠程陽極232之間。遠程陽極232、234提供比為陰極室內(nèi)的主電弧放電供電的電源高至少20％的開路電壓，其在電弧陰極216和鄰近的陽極之間被點燃。鄰近的陽極可以是等離子體管道罩296a、296b的內(nèi)壁，或者，可選地，是等離子體管道272內(nèi)的獨立陽極電極。在另一 個改進中，可以使用幾個附加的遠程陽極，其中每個都與至少一個安置在等離子體管道272內(nèi)的電弧陰極相關(guān)聯(lián)。遠程陽極被安置于與陰極216不視線內(nèi)成線的等離子體管道272的端開口之間的涂布室內(nèi)的策略點。等離子體管道272的端開口和遠程陽極232、234之間的最小距離必須小于等離子體放電故障距離，該故障距離是當(dāng)施加在陰極和遠程陽極之間的電壓超過陰極和主(鄰近)陽極之間的壓降的1.2到10倍的故障距離，其或者電接地或者絕緣。

圖8E示出了圖8A-圖8D中的涂布系統(tǒng)的變型，其使用宏粒子過濾器。該變型的設(shè)計使用美國專利No.7,498,587和歐洲專利申請No.EP1852891A2中的高級宏粒子過濾器，其所有的內(nèi)容都以參照的方式結(jié)合到本文中。系統(tǒng)210’包括被安置為臨近陰極靶216的相對側(cè)并面對等離子體管道272的相對側(cè)的微調(diào)線圈300a和300b。相對的管道296a和296b的內(nèi)壁被設(shè)置有凹槽或者可選地帶有用于困住宏粒子的擋板。管道線圈272用繞線部分270a圍繞管道272，繞線部分270a平行于長側(cè)陰極靶216a長側(cè)而面對管道側(cè)296a。類似地，繞線部分270b平行于長側(cè)且面對管道側(cè)296b。微調(diào)線圈300a、300b包括磁芯302，其被電磁磁線圈304圍繞。陰極電弧點沿著陰極靶216、蒸發(fā)側(cè)216a和216b在根據(jù)上文中的表達式(1)的安培力的影響下移動，垂直于管道272的對稱平面的陰極靶216的側(cè)被陶瓷隔離盤294a和294b覆蓋以防止電弧點從陰極靶216的蒸發(fā)表面逃逸。微調(diào)線圈300a、b所產(chǎn)生的磁場的方向與管道線圈270所產(chǎn)生的磁場方向相一致。但是，在陰極靶216a或216b的蒸發(fā)表面附近，微調(diào)線圈300a、b所產(chǎn)生的磁力線是拱形，從而允許對陰極靶的蒸發(fā)區(qū)域內(nèi)的陰極電弧點進行限制，如已知的銳角規(guī)則所要求的。(例如，請參見R.L.博克斯曼，D.M.S安德斯，和P.J.馬丁，真空電弧科學(xué)與技術(shù)手冊，和帕克里奇，N.J.：諾伊斯刊物，1995，423-444頁)。

圖8F、圖8G和圖8H提供的示意圖示出了微調(diào)線圈300a、b產(chǎn)生的磁場的電弧受限機制。陰極電弧點278被放置在拱形磁力線的頂點的下方，如電弧點受限的銳角規(guī)則所要求的。陰極靶216的蒸發(fā)表面上方的拱形配置的磁場在微調(diào)線圈300a的南極和微調(diào)線圈300b的北極之間面對管道272的陰極靶216的兩側(cè)上產(chǎn)生。用數(shù)值估算來評估等離子體管道272內(nèi)的磁場配置。當(dāng)管道線圈270和微調(diào)線圈300都被打開(ON)，磁場與等離子體管道272產(chǎn)生磁場，在與圖8G所示的相同的方向上。該圖展示了磁力線在相同的方向上被引導(dǎo)，并且在陰極靶216的蒸發(fā)表面附近具有拱形配置。在該模式下，把其中中性金屬原子和宏粒子已經(jīng)被磁過濾的陰極電弧等離子體沿著磁力線離開等離子體管道272流向在等離子體管道272外部的涂布室的涂布區(qū)域中的待涂布的基片(未示出)。在該過濾的陰極電弧沉積模式下，具有極少(如果有的話)的中性金屬原子或宏粒子且?guī)缀?00％電離金屬氣相等離子體，被沉積到基片上，從而生成具有極佳性質(zhì)的無瑕疵涂層。在該模式工作期間，還可使用在等離子體管道272的外壁上的磁控管來沉積磁控濺射涂布。在該工作模式下涂層沉積等離子體環(huán)境的附加電離和激活，通過在，安置在等離子體管道272的外壁上的或者在涂布室相對于磁控源(未示出)的內(nèi)壁上的磁控管附近的遠程陽極232、234和陰極216之間建立的遠程電弧放電來實現(xiàn)。參照圖8H，示出了當(dāng)管道線圈270被關(guān)閉“OFF”時在等離子體管道內(nèi)切換方向的磁力線。但是，當(dāng)微調(diào)線圈300a、b被打開“ON”，拱形磁場在陰極靶216的蒸發(fā)表面上產(chǎn)生。取決于工作模式，偏轉(zhuǎn)管道線圈270產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)磁場可以被打開“ON”或關(guān)閉“OFF”。當(dāng)偏轉(zhuǎn)管道線圈270的磁場被打開“ON”，由陰極靶216所產(chǎn)生的金屬氣相等離子體通過等離子體管道272被雙向地傳輸?shù)交?0。當(dāng)偏轉(zhuǎn)管道線圈270被關(guān)閉“OFF”，由陰極靶216所產(chǎn)生的金屬氣相等離子體不會被傳輸?shù)交?0，盡管陰極電弧點在由微調(diào)線圈300a、b所產(chǎn)生的操控磁場的驅(qū)動下繼續(xù)繞靶條216移動。在該變型中，管道線圈作為磁快門而工作，而不需要如圖7A所示機械快門或屏蔽。當(dāng)磁快門是打開“ON”金屬氣相被通過等離子體 管道傳輸?shù)皆谔幚硎覂?nèi)的基片20。當(dāng)磁快門是關(guān)閉“OFF”，磁快門被關(guān)閉，金屬氣相不會到達基片20。圖8H示出了等離子體管道272內(nèi)的磁場分布是零時，當(dāng)管道線圈的電流被設(shè)置為零，而微調(diào)線圈電流被設(shè)置為0.1安培，管道線圈電流為零。可以看到，當(dāng)管道線圈270的磁場為零，沒有磁場來把金屬氣相等離子體傳輸離開等離子體管道272，盡管微調(diào)線圈300a、300b仍然產(chǎn)生具有拱形幾何形狀的磁場，其足夠用于限制靶216的蒸發(fā)區(qū)域內(nèi)的電弧點278(蒸發(fā)靶表面處的磁拱形配置)，以及用于操控繞陰極條196的電弧點移動。在后一個工作模式下，當(dāng)陰極電弧金屬氣相等離子體被困在等離子體管道內(nèi)，電子仍然離開等離子體管道流向涂布室內(nèi)的等離子體管道272外的遠程陽極。所產(chǎn)生的遠程電弧放電是建立在等離子體管道272內(nèi)的陰極216和遠程陽極(未示出)之間，該遠程陽極可被安置于等離子體管道272外壁或者相對于磁控源的位置處的涂布室的壁內(nèi)磁控源(未示出)。RAAD等離子體增強了涂布室內(nèi)涂層沉積處理環(huán)境的電離和激活，產(chǎn)生了具有優(yōu)異性質(zhì)的高級涂層沉積。

當(dāng)磁快門關(guān)閉，陰極靶216仍然產(chǎn)生大的電子流，其可被抽向遠程陽極以在處理室內(nèi)建立遠程電弧輔助放電等離子體。RAAD等離子體特征在于范圍為10¹⁰-10¹³cm^-3的高密度，溫度范圍為3到20eV的電子，和類似遠程陽極的電勢高等離子體電勢。實驗研究證實，當(dāng)磁快門關(guān)閉時，磁快門能夠封閉等離子體管道272從而防止金屬氣相等離子體到達基片20。這些實驗中所使用的陰極靶條216由不銹鋼制成。用作基片20的硅晶可被安裝到圓桌基片保持器的基片保持桿上，其兩小時的涂層沉積過程中可旋轉(zhuǎn)5RPM。微調(diào)線圈300的電流被設(shè)置為0.2A而管道線圈270的電流被設(shè)置為零。氬氣壓強是1.5毫托而主電弧的電流是140安培。在暴露兩個小時之后，基片被卸載，而通過光干涉的方式來測量涂層厚度，使用威科儀NT3300光學(xué)輪廓儀。結(jié)果被呈現(xiàn)在下面表1中。

表1

根據(jù)表1所呈現(xiàn)的結(jié)果，其遵循當(dāng)磁快門關(guān)閉時旋轉(zhuǎn)基片保持器上的沉積率不會超過6nm/hr。典型地，涂層沉積工藝中由過濾陰極電弧沉積或磁控濺射源所產(chǎn)生的平均涂層厚度，超過1m/hr。在這種情況下，在涂層沉積工藝中使用的陰極靶在通常的雜質(zhì)水平上，金屬氣相的泄露不會增加涂層中的摻雜元素。

在遠程電弧輔助表面工程(RAASE)室中可以施行以下處理：

1.在稠密RAAD等離子體(磁快門關(guān)閉)中進行離子凈化或刻蝕；

2.低溫度離子氮化或氧氮共滲，等離子體滲碳。在該工藝中基片溫度可以低到150℃。在RAAD氮氣中等離子體M2鋼的離子氮化率典型地范圍為0.1到0.5μm/min。(磁快門關(guān)閉)；

2.低能量離子植入(基片偏壓小于2kV)(磁快門關(guān)閉)；

3.過濾電弧涂層的沉積(磁快門打開)；

4.通過遠程電弧輔助磁控濺射(RAAMS)工藝的磁控濺射涂層的沉積(磁快門關(guān)閉)；和

5.過濾電弧涂層所調(diào)制的磁控濺射涂層的沉積(磁快門OFF/ON按占空比，以實現(xiàn)所需的 涂層調(diào)制周期)。

參照圖9A-圖9E，示意圖示出了具有附加磁控源的過濾電弧輔助磁控濺射(“FAAMS”)混合過濾電弧磁控管雙向系統(tǒng)。在該變型中，附加的磁控濺射源310-316被安置成臨近電弧陰極室214，電弧陰極室214磁耦合到過濾電弧源216并具有形成范圍為10度到80度的開角的磁控靶。開角Ao輔助磁控濺射聚焦流向基片。在該過濾電弧輔助磁控濺射混合涂層沉積工藝中，過濾電弧金屬等離子體沿著由管道線圈270所產(chǎn)生的傳輸磁場的磁場線流動。進一步地，磁場線在等離子體管道272的出口發(fā)散。這導(dǎo)致了來自過濾電弧陰極的金屬離子，經(jīng)過靠近靶表面的磁控濺射靶區(qū)域，并穿越具有大閉環(huán)磁場拓撲的磁控管放電區(qū)域。金屬離子的主要部分被困在磁控管磁場內(nèi)，并對磁控靶的濺射有貢獻，甚至在沒有濺射氣體(氬氣或其他惰性氣體)時和在變寬的壓力范圍10^-6到10^-2托內(nèi)也會發(fā)生。由過濾電弧陰極所產(chǎn)生的金屬離子的另一部分，繼續(xù)朝向基片22，在這兒其與聚焦磁控濺射流混合，提供磁控濺射涂層沉積工藝的電離金屬成分。眾所周知，金屬氣相的電離率的增加改進了涂層黏性、密度和其它機械特性以及光滑度。

圖9B提供了FAAMS混合過濾電弧磁控管雙向源的附加特征。可選的附加的聚焦磁線圈320被安置成相對于等離子體管道的出口開口，其提供了等離子體密度的額外改進，并且控制磁控濺射流與過濾電弧金屬等離子體流的混合，將其聚焦向涂布室(未示出)內(nèi)待涂布的基片。此外，可選的聚焦磁線圈324被安置在磁控靶310-316附近在等離子體管道272的出口部分。聚焦線圈324改善了靠近磁控靶的等離子體密度的濃度。由臨近管道線圈的側(cè)的這些線圈所產(chǎn)生的磁力線的方向與由管道線圈所產(chǎn)生傳輸磁場的方向相同。圖9C是圖9B的系統(tǒng)的改進的示意圖。在該改進中，磁聚焦線圈328的對，被安置在磁控源兩側(cè)，在圍繞等離子體管道的等離子體管道出口部分。圖9D提供了圖9A-圖9C的涂布系統(tǒng)的頂部橫截面，其示出了遠程電弧等離子體(F1)、磁控濺射流(F2)和過濾電弧等離子體流(F3)。由這些聚焦線圈所產(chǎn)生的磁場的方向與由管道線圈所產(chǎn)生的傳輸磁場的方向相一致。圖9E提供了涂布系統(tǒng)的另一個變型。圖9E示出剖面涂布室212輪廓，具有帶待涂布的基片20的旋轉(zhuǎn)基片保持轉(zhuǎn)盤22。陰極室214被安置成與涂布室212內(nèi)的待涂布的基片20相對。陰極室214內(nèi)的主電弧放電被封閉在殼體274內(nèi)的陰極靶216上的射擊器440點燃。殼體274具有帶開口的屏蔽218，該開口對于由陰極靶216的表面所發(fā)射的重粒子比如離子、原子和宏粒子是不透明的，但允許電子自由地流向涂布室212內(nèi)的遠程陽極。磁控靶310和312被安置成為臨近陰極室屏蔽218從而使得由磁控靶發(fā)射的濺射流與高度電離的等離子體在屏蔽218前方相耦合，并且將其聚焦向涂布室212的基片20。在該布置中，陰極屏蔽218前產(chǎn)生的遠程電弧等離子體的陰極部分與磁控濺射流相耦合，以實現(xiàn)由磁控靶310、312產(chǎn)生的金屬氣態(tài)等離子體的電離和激活的實質(zhì)性增長，其有助于涂層的黏性、密度、光滑度的進一步改善，減少瑕疵，以及改善不同應(yīng)用的功能性性質(zhì)。

FAAMS表面工程系統(tǒng)可以在下列模式下工作：

1.RAAD等離子體浸沒離子凈化、離子氮化、低能離子注入。在該模式下，陰極電弧源在工作時，兩個微調(diào)線圈都是打開ON，但是等離子體傳輸管道線圈是關(guān)閉OFF。關(guān)閉管道線圈能有效地防止由安置于等離子體管道的中間的陰極所產(chǎn)生的等離子體跑出等離子體管道跑向涂布室內(nèi)的待涂布的基片，但是，氣態(tài)的稠密的和高度電離的RAAD等離子體充滿了整個處理室，包括等離子體管道的內(nèi)部和室內(nèi)的區(qū)域，其中待涂布的基片被安置在基片保持器上。稠密氣態(tài)等離子體提供了高度電離環(huán)境，用于等離子體浸沒離子凈化、離子氮化(以及離子滲碳、OXI滲碳、滲硼和其它離子飽和過程)和低能離子注入。它還能溶于遠程電弧輔助CVD(RAACVD)工藝，包括類金剛石碳(DLC)涂層的沉積，當(dāng)在涂布室內(nèi)產(chǎn)生含烴氣態(tài)氣氛。在該模式下，可施行遠程電 弧等離子體輔助CVD工藝。進一步地，可以沉積多晶金剛石涂層，當(dāng)基片被加熱到沉積溫度范圍為500到1000℃(取決于基片的類型)。在這種工藝中，氣體壓強典型地范圍為1到200毫托，氣態(tài)氣氛典型地為在氫氣流速范圍為50到200sccm的氫氣中包括0.1-2％甲烷，取決于泵送系統(tǒng)能力與余量的氬氣。管道線圈作為磁快門工作，有效地關(guān)閉由等離子體管道內(nèi)的陰極所產(chǎn)生的金屬等離子體的出路，而打開由RAAD產(chǎn)生的氣態(tài)等離子體的出路。

2.當(dāng)管道線圈關(guān)閉OFF(磁快門關(guān)閉)以及RAAD等離子體在等離子體管道的陰極和等離子體管道外的涂層沉積區(qū)域內(nèi)的遠程陽極之間的涂布室內(nèi)被生成時，高度電離等離子體環(huán)境可被用于等離子體輔助磁控濺射(RAAMS)工藝。在這種情況下，安裝在涂布區(qū)域內(nèi)的等離子體管道外的磁控源被打開ON，以及磁控濺射工藝在高度電離RAAD等離子體環(huán)境下進行。在該工藝中，磁控濺射的產(chǎn)率增加了多于30％，并且由于氣態(tài)等離子體生離子的基片表面的離子轟擊，涂層被致密化。

3.當(dāng)?shù)入x子體管道線圈打開ON，磁快門打開，由等離子體管道內(nèi)的陰極所產(chǎn)生的金屬等離子體沿著由管道線圈所產(chǎn)生的傳輸磁場的磁力線流入涂層沉積區(qū)域。過濾電弧金屬等離子體可被用于沉積涂層的不同類型，包括超硬無氫四面體無定形碳無定形(ta-C)涂層，當(dāng)石墨棒被用作等離子體管道內(nèi)的陰極靶時。當(dāng)安置于等離子體管道的出口部分并且具有面對著基片的靶的磁控源被打開ON，混合過濾電弧輔助磁控濺射(FAAMS)工藝開始。在該例子中間，100％電離的過濾電弧金屬等離子體通過磁控源，與一般具有<5％的低電離率的磁控濺射原子金屬流混合?；旌线^濾電弧金屬等離子體和磁控濺射原子金屬流被引導(dǎo)向在等離子體管道出口前方的涂布區(qū)域內(nèi)的基片，其使用具有高和可控濃度沉積金屬原子流來提供了混合過濾電弧輔助磁控濺射涂層沉積。

圖10提供了示意圖，其示出了本發(fā)明的雙向遠程電弧放電所涉及的物理工藝。主電弧由借助微調(diào)線圈300對而與放電室隔離開的陰極靶216的表面上的電弧引燃器啟動。該源能夠在兩種模式下工作：第一，在涂層沉積模式下，當(dāng)電弧氣相等離子體沿著由管道線圈270力產(chǎn)生的縱向磁場的磁力線而被傳輸；以及第二，在電子發(fā)射模式，由于微調(diào)線圈300對所產(chǎn)生的磁場，電弧等離子體受限，以及與處理室磁隔離，管道線圈被關(guān)閉。等離子體管道272內(nèi)等離子體電勢較低，接近于臨近陽極的電勢，其大多數(shù)情況下接地，而在遠程電弧放電等離子體中電勢較高，接近遠程陽極234的電勢。由有限元建模獲得等離子體管道272和遠程陽極234之間的等離子體電勢的典型分布，在圖2中示出。

參照圖11A，其提供了具有位于周邊的屏蔽陰極室組件的批量涂布系統(tǒng)的示意圖。涂布系統(tǒng)330包括真空室332和陰極室組件334，陰極室組件334包括陰極室336、陰極338和屏蔽340。系統(tǒng)330還包括主電源342，其設(shè)置陰極338和主陽極344之間的電壓電位。系統(tǒng)330還包括磁控濺射源356-366，其中每一個包括靶Ts，電源Ps，和陽極As。系統(tǒng)330還包括遠程陽極360，其被電源362設(shè)置在一個相對于陰極338的電壓電位上。在該實施例中，基片22在被涂布室，沿著d₃方向軸向移動。

圖11B到圖11G示出了進一步的變型，進一步的變型提供了單向過濾陰極電弧金屬氣相等離子體源來代替圖11A中的屏蔽源。該過濾陰極電弧源可以作為離子化幾乎100％的源來工作，幾乎沒有中性金屬氣相等離子體，以及作為電子發(fā)射源來提供用于在涂布室內(nèi)產(chǎn)生遠程陽極電弧放電的電子電流的流?？梢允褂蒙衔闹袇⒄請D8A-圖8H所討論的磁快門模式來實現(xiàn)這兩種特征。在磁快門模式下，過濾電弧源的磁偏轉(zhuǎn)和聚焦線圈可以被激活，打開磁快門，提供偏轉(zhuǎn)，以及把在陰極靶的蒸發(fā)表面產(chǎn)生的金屬氣相等離子體聚焦導(dǎo)向涂布室內(nèi)的待涂布的基片。當(dāng)磁偏轉(zhuǎn)和聚焦線圈被關(guān)閉，磁快門關(guān)閉。在后一種情況下，過濾電弧源的陰極作為有力的電子發(fā)射器而工作， 傳輸高電子電流至涂布室內(nèi)的遠程陽極，在這兒建立遠程陽極電弧放電。當(dāng)磁快門關(guān)閉，過濾電弧源的陰極所產(chǎn)生的金屬氣相離子仍然位于過濾電弧源內(nèi)，并不能到達涂布室內(nèi)待涂布的基片。

參照圖11B，示意圖提供了包含矩形單向過濾陰極電弧源作為金屬氣相等離子體沉積源和電子發(fā)射源的涂布系統(tǒng)的變型。在一個改進中，美國專利號No.5,480,527中的矩形過濾電弧源的設(shè)計被用作過濾電弧源；其整個內(nèi)容都以參考引用的方式被結(jié)合到本文中。涂布系統(tǒng)400類似于圖11A所示的系統(tǒng)，但是被裝配有矩形單向過濾真空電弧源418(即等離子體源)。

該過濾真空電弧源418包括等離子體管道434，其具有矩形橫截面形狀，尺寸類似于陰極靶430，而等離子體管道的長側(cè)平行于涂布室332的軸。等離子體管道434在沿著等離子體管道434的中心線的軸上具有90°彎曲。等離子體管道434由矩形管道436形式的陰極室部分和出口隧道438組成，出口隧道438在等離子體管道434的彎曲部分439的內(nèi)徑彎曲點437的任一側(cè)上。陰極430安裝在隔離保持器432，在或靠近陰極室436的末端，從而使得陰極靶430的蒸發(fā)表面433面對等離子體管道。一組電磁體被設(shè)置在等離子體管道附近，其包括偏轉(zhuǎn)和聚焦電磁體。偏轉(zhuǎn)磁體446和448被連接到電源452并被安置位于等離子體管道的彎曲部分439和陰極室436的外側(cè)附近，而聚焦電磁螺線管450連接到電源452，并纏繞等離子體管道434的出口隧道部分438。陰極430連接到主電弧電源的負輸出，而正輸出連接到(接地)等離子體管道。通過把陰極430連接到遠程陽極電弧電源362的負輸出，而把正輸出連接到涂布室332內(nèi)的遠程陽極360，來建立遠程陽極電弧放電。該系統(tǒng)400在磁快門模式下工作。當(dāng)兩個偏轉(zhuǎn)線圈446和448和聚焦線圈450都打開ON時，磁快門打開，并且?guī)缀?00％電離的過濾金屬氣相等離子體被所產(chǎn)生的(跑過在陰極靶430的蒸發(fā)表面433上的陰極電弧點的)真空電弧傳輸通過等離子體管道到達涂布室332內(nèi)的待涂布的基片20。氣態(tài)環(huán)境也是高度電離的，在過濾電弧金屬氣相等離子體流內(nèi)，以及在真空室332的壁和基片的通道之間沿著遠程電弧放電路徑定義的窄通道內(nèi)。在該例子中，磁控濺射源350、352、354、356、346、348還可以被激活，提供由遠程陽極電弧放輔助的磁控濺射沉積，其能夠增加磁控濺射流的電離，而同時把磁控濺射與過濾陰極電弧沉積組合成混合過濾電弧磁控濺射沉積工藝。當(dāng)偏轉(zhuǎn)線圈446和448和聚焦線圈450被關(guān)閉OFF，磁快門被關(guān)閉，并且由陰極430所產(chǎn)生的金屬氣相等離子體被困在等離子體管道434內(nèi)，不能到達涂布室332內(nèi)的待涂布的基片20。在該模式下，遠程陽極電弧放電仍然在陰極430和遠程陽極360之間運行，沿著在基片通道d₂和涂布室332的壁之間定義的通道，提供涂層沉積環(huán)境的高電離和激活。在這種情況下，可進行在由遠程陽極電弧放電建立的高度電離環(huán)境下的磁控濺射和基片20的氣態(tài)等離子體處理。在一個變型中，磁控濺射源和遠程陽極可以被安裝在涂布室的中間區(qū)域，附接到源平臺的外壁，安裝在涂布室的中間區(qū)域附近。

參照圖11C，提供了包含矩形單向過濾陰極電弧源作為金屬氣相等離子體沉積源和電子發(fā)射源的涂布系統(tǒng)的示意圖。磁控源224、226、228和230和遠程陽極232和234被附接到中間源樞紐216的外壁是。在該設(shè)計中，待涂布的基片20在源樞紐216和涂布室212的壁之間的環(huán)內(nèi)移動。通過把陰極連接到遠程陽極電弧電源362a和362b的負輸出，而把正輸出連接到各個遠程陽極232和234，來在過濾電弧源418的陰極430和遠程陽極232和234之間建立遠程陽極電弧放電。在這種情況下，RAAD等離子體將會填充在中間樞紐216和涂布室212的壁之間限定的整個區(qū)域，使得基片20有效地浸沒在高度電離和激活的RAAD等離子體中。在一個改進中，屏蔽的雙向過濾電弧源，類似于參照圖7A和圖8A所討論的，還可以被安裝在涂布室的中間區(qū)域。圖11D示出了該改進，其中遠程陽極電弧放電還可以被建立在雙向過濾電弧源的陰極216和安裝在雙向等離子體管道217的周緣的遠程陽極232和234之間。在這種情況下，遠程陽極電弧放電大 多建立在沿著在等離子體管道217的外緣和基片通道d₂之間限定的通道上，其提供設(shè)置在等離子體管道217的外壁上的磁控源224、226、228和230所產(chǎn)生的金屬濺射流的高度電離和激活。

參照圖11E，該示意圖提供了具有雙向過濾電弧源沒有屏蔽和矩形單向過濾陰極電弧源的涂布系統(tǒng)。在該變型中，圖11D中的屏蔽218被移除以打開雙向過濾電弧源的等離子體管道217通向涂布室212中的涂層沉積區(qū)域。在發(fā)明的高級實施例中，可以由單向過濾電弧源418或者雙向過濾電弧源215或兩個過濾電弧源同時支持遠程陽極電弧放電。當(dāng)由單向過濾電弧源418建立RAAD，陰極430被連接到遠程陽極電弧電源362a和362b的負出口，而其相應(yīng)的正出口則連接到設(shè)置在等離子體管道217的外緣上的遠程陽極232和234。當(dāng)由雙向過濾電弧源215建立RAAD時，陰極216連接到遠程陽極電弧電源236和238的負出口，而其相應(yīng)的正出口則連接到設(shè)置在等離子體管道217的外緣上的遠程陽極232和234。在這種情況下遠程陽極電弧放電等離子體將會填充在雙向過濾電弧源215的外壁和涂布室212的壁之間限定的涂層沉積區(qū)域，其提供設(shè)置等離子體管道217的外壁上的磁控源224、226、228和230產(chǎn)生的磁控濺射流的改進的電離和激活。在該布置中，兩個雙向過濾電弧源215和單向過濾電弧源418可同時或獨立工作，在磁快門模式下而與磁控濺射源224、226、228和230相耦合，而磁控管和待涂布的基片20被浸沒在高度電離和激活的RAAD等離子體。

圖11F示出了圖11E的設(shè)計的進一步的變型，其使用兩個磁控源246a和246b，磁控源246a和246b被安置為鄰近等離子體管道434的出口隧道部分438和真空室212，并面對涂布室212內(nèi)的基片22。磁控管246a和246b都被磁耦合到過濾電弧源418。在該設(shè)計中，磁控濺射流與過濾電弧源418的陰極430所產(chǎn)生的100％電離過濾電弧金屬氣相等離子體相合并，以調(diào)節(jié)在涂層沉積工藝中金屬離子轟擊的程度。

圖11G示出了圖11C中所示的涂層和表面處理系統(tǒng)的進一步的變型。該變型的設(shè)計使用下文中出版物中所說明的涂層和表面處理系統(tǒng)，D.G.巴特，V.I.戈洛哈士奇，R.巴塔查里亞，R.希沃布里，K.庫卡尼，“在壓鑄磨損防裂涂料的開發(fā)模具的過濾陰極電弧過程，”在北美的交易壓鑄協(xié)會，第20屆國際模具鑄造國會和博覽會，美國俄亥俄州克里夫蘭市，1999年11月，第391-399，其所有的內(nèi)容都以參照的方式被結(jié)合到本文中。在該設(shè)計中，系統(tǒng)500包括單向雙電弧矩形等離子體源502為金屬氣相等離子體涂層沉積源和作為電子發(fā)射源。該設(shè)計的單向雙過濾電弧源使用具有偏轉(zhuǎn)部分505和出口隧道斷面510的矩形等離子體管道，具有兩個安裝在等離子體管道的偏轉(zhuǎn)部分505的相對側(cè)的圓柱形或矩形陰極電弧室512a和512b。使用圓柱形或長條形靶的兩個或多個圓柱形的或兩個矩形主陰極電弧源，具有圓柱形或者矩形盤，被放置在陰極室內(nèi)，在等離子體引導(dǎo)器的偏轉(zhuǎn)部分505的側(cè)壁上彼此面對，被矩形偏轉(zhuǎn)線圈506圍繞，以及可選地，被擋板陽極507盤分開。穩(wěn)定線圈508被用于在陰極靶504的蒸發(fā)表面上限制陰極電弧點，而圍繞陰極室的出口部分的聚焦線圈509把金屬氣相等離子體聚焦流向等離子體管道的偏轉(zhuǎn)部分505。電弧可以被可周期性地接觸陰極靶表面的機械點燃器或者能在陰極靶附近產(chǎn)生微電弧等離子體電子(電火花)點然器511點燃。偏轉(zhuǎn)線圈的前偏轉(zhuǎn)線性導(dǎo)體在鄰近陰極室和等離子體管道的地方面對涂布室212，而偏轉(zhuǎn)線圈的關(guān)閉線性導(dǎo)體被安置在陰極室后邊，遠離涂布室212。該源使用由偏轉(zhuǎn)線圈的前線性導(dǎo)體所產(chǎn)生的疊加偏轉(zhuǎn)磁場來把金屬離子流轉(zhuǎn)90°到達沉積室212。最后聚焦線圈514圍繞等離子體管道的出口隧道部分510而把由陰極室512a和512b內(nèi)的陰極所產(chǎn)生的兩個金屬氣相等離子體射流聚焦導(dǎo)向涂布室212內(nèi)的基片22。一組掃描磁線圈(未示出)允許離子等離子體射流在垂直方向(垂直于圖11G中的平面)被掃描，從而較大地覆蓋大表面區(qū)域。同時，電弧柱被磁場在與等離子體管道的對稱平面相垂直的水平方向上很好地限制，提供增強的湍流等離子 體擴散抑制，以及使得金屬氣相離子產(chǎn)量顯著增加。

圖11H示出了圖8D的設(shè)計的進一步的變型，其使用如上文中參照圖11F已經(jīng)討論的雙向過濾電弧源215和安置在鄰近等離子體管道的出口隧道部分和真空室212并面對涂布室212中的基片22的兩個磁控源246a和246b。磁控管226a和226b被磁耦合到過濾電弧源502。在該設(shè)計中磁控濺射流與過濾電弧源502的陰極520所產(chǎn)生的100％電離過濾電弧金屬氣相等離子體合并，以允許調(diào)節(jié)混合過濾電弧增強磁控濺射涂層沉積工藝期間金屬離子離子轟擊度。

圖12A示出了進一步的一個變型，其提供了位于涂布室中間的屏蔽陰極電弧電子發(fā)射源。尤其地，本變型提供了圓形批量涂布系統(tǒng)530，其具有位于其中間區(qū)域的陰極室組件532。陰極534被大概沿著涂布系統(tǒng)530的軸安置于陰極室組件532。陰極室組件532，分布包括具有開口540和542的陰極罩538、陰極534、可選的主陽極(未示出)和屏蔽546，548。罩538和屏蔽546，548分別把陰極534與真空室550隔離開，以及還能用作主陽極以用于在陰極室532點燃的電弧放電。主電弧電源被設(shè)置在陰極534和陽極罩538之間。罩538和屏蔽546，548每個均定義用于把電子發(fā)射電流傳輸?shù)秸婵帐?50的開口，該開口同時還用作障礙來阻擋由陰極534發(fā)射出的欲到達涂布室550內(nèi)的待涂布基片20的重粒子比如金屬氣相原子，離子和宏粒子。磁控濺射源552、554和556被附接到室550的壁558。遠程陽極560、562和564被安置為靠近對應(yīng)的磁控源，最好是圍繞這些濺射源。遠程陽極560、562和564可選地被提供有安置在相應(yīng)的磁控源552、554和556的濺射靶前方的細線網(wǎng)格560a、562a和564a?；?0被安置在轉(zhuǎn)盤平臺570上，在陰極室和磁控濺射靶之間距離為d₁處。從磁控靶表面到基片20的距離典型地范圍為4到10英寸。遠程電弧電源574、576和578被安裝在遠程陽極560、562和564與陰極室532內(nèi)的中間陰極534之間。陰極534可以是熱離子絲陰極，但最好是使用冷蒸發(fā)真空電弧陰極，因為其對含有用于碳化物、氧化物和氮化物的涂層沉積的化學(xué)腐蝕性的氣體(例如甲烷，氧氣和氮氣)的反應(yīng)性等離子體工藝環(huán)境不敏感。陰極534是長條的熱離子絲或者細長的金屬條或桿形式的冷陰極。進一步地，陰極534被沿著涂布室550的軸安置于陰極室532內(nèi)，其電子發(fā)射區(qū)的長度平行于并且大概在尺寸上等于基片20裝載區(qū)的高度。進一步地，陰極534具有較長的尺寸，其小于或等于遠程陽極560、562和564的高度。磁控靶的高度還小于或等于遠程陽極的高度。

在一個改進中，圖12A所示的磁控管552、554、556可以被平面加熱器代替。待涂布的基片可以被放置在加熱器表面上，面對室的中心，在這兒屏蔽陰極室532與陰極534一起被安置。在這種情況下基片可以被加熱至900℃，而同時高度電離遠程陽極電弧等離子體可以通過被在陰極室內(nèi)的532陰極534和安置在室530的壁上的遠程陽極560、562、564之間的遠程陽極電弧放電建立在室530內(nèi)。在該工藝中，當(dāng)室530內(nèi)的氣體氣氛，在1毫托到200毫托的壓強下，在氫氣中甲烷濃度重量百分比在0.1～2％之間，是由甲烷、氫氣和氬氣的混合物組成時，多晶金剛石涂層可以被沉積到安置于加熱器的加熱表面上的基片上，在加熱到沉積溫度范圍為700到1000℃。

在圖12A的實施例的一個變型中，涂層和表面處理系統(tǒng)530可以被裝配有附接到涂布室的壁上的單向過濾電弧源。參照圖12B，單向雙過濾電弧源502，如參照圖11G所描述的，被附接到涂布室558。涂布系統(tǒng)530還被提供有兩個附接到涂布室558的壁上的平面或旋轉(zhuǎn)磁控濺射源552和556。通過把位于中間的屏蔽陰極534連接到RAAD電源574和576的負輸出上而把其正輸出連接到對應(yīng)的遠程陽極560和562，磁控濺射流被RAAD等離子體電離和激活，其可選地被提供有被設(shè)置在對應(yīng)的磁控源552和556的濺射靶前方的細線網(wǎng)格560a和562a。在一個圖12C所示的改進中，除了兩個附接到源樞紐216的外緣的遠程陽極232和234，涂層和表面處理系統(tǒng)530還被提供有位于中間的源樞紐216，其還具有磁控濺射源224、226、228和230。通過把過濾電 弧源502的陰極連接到RAAD電源578和580的負輸出而把其正輸出連接到相應(yīng)的安置在源樞紐216的外緣的遠程陽極232和234來建立RAAD等離子體。在該設(shè)計中，源樞紐216的壁和室558的壁之間的整個區(qū)域都被填充有RAAD放電的高度電離等離子體，其由安置在室558的壁上的磁控管552和556和由安置在源樞紐216的外壁上的磁控管224、226、228和230提供電離沉積，而在混合過濾電弧等離子體輔助遠程陽極電弧增強磁控濺射涂層沉積工藝的所有階段期間保持待涂布的基片20浸沒在RAAD等離子體中。圖12D的示意圖示出的系統(tǒng)具有待旋轉(zhuǎn)管狀陰極靶的圓柱形陰極電弧源。在該改進中，安置于涂布室558中間的電子發(fā)射電弧源532可以是具有旋轉(zhuǎn)管狀陰極靶的圓柱形陰極電弧源，其具有較高的材料利用率，如圖12D所示。在該實施例中，圓柱形陰極靶584被安置于涂布室558的中間。靶584的旋轉(zhuǎn)方向如箭頭所示。由永磁體組成的磁軛585被安置于陰極靶圓柱內(nèi)部，目的在于在陰極靶585的蒸發(fā)表面上形成跑道磁場。陰極電弧點在磁軛585的極之間的跑道內(nèi)轉(zhuǎn)向。屏蔽586防止陰極電弧點從陰極靶584表面的蒸發(fā)區(qū)域逃逸?？蛇x的可移動屏蔽587也被安裝在陰極靶584的蒸發(fā)區(qū)域的前方。當(dāng)屏蔽587關(guān)閉，等離子體源582在電子發(fā)射模式作為主陰極電弧源工作，以用于在陰極584與鄰近磁控源552和556的遠程陽極560和562之間建立的遠程電弧放電。當(dāng)屏蔽587打開，陰極靶584的蒸發(fā)區(qū)域面對待涂布的基片20，陰極電弧源582在兩個陰極電弧涂層沉積模式下工作，而仍支持遠程陽極電弧放電，用于磁控源552和556所產(chǎn)生的磁控濺射電離和激活。

參照圖13A，該示意圖中的系統(tǒng)包含電子發(fā)射真空電弧冷陰極源。尤其地，本變型采用了美國專利號5,269,898的系統(tǒng)的電子發(fā)射真空電弧冷陰極源的設(shè)計，其所有的內(nèi)容都以引用的方式結(jié)合到本文中。桿狀陰極630被安裝在陰極室632內(nèi)，其用作由主電弧電源634供電的真空陰極電弧放電的主陽極。陰極630連接到電弧電源634的負輸出而陰極室632的罩636連接到電弧電源634的正輸出。主電弧的正輸出是可選的接地，如圖7D和圖13A中的虛線所示。與電弧電源634的連接相對的陰極630的末端的射擊器640重復(fù)地擊打電弧點。螺旋狀電磁線圈642被安裝成與陰極630共軸，并且用于產(chǎn)生螺線管磁場，其磁通線大體上平行于陰極630軸，并且具有與線圈電源646提供的電流成比例的幅度。其上沉積有涂層的一個或多個基片20，被設(shè)置成圍繞陰極室632，以及可選地安裝在基片保持轉(zhuǎn)盤平臺上(未示出)，其提供了沉積期間的基片旋轉(zhuǎn)，如果需要的話，能在其上達到均勻涂層厚度分布。圖還示出了由所施加的磁場的影響所產(chǎn)生的電弧點650及其典型的軌跡652。在被再次擊打之前，電弧點沿著陰極630長度的全部或一部分行走朝向電弧電源634的連接。絕緣子654防止電弧點650離開所需的陰極630的蒸發(fā)表面。電磁線圈642可以與電弧電路電隔離，或者它可以通過連接到陽極而包括陽極的一部分，如點畫線658所示。電磁線圈642或者可以用作唯一的主陽極，以用于陰極室632內(nèi)的主電弧放電，其中電磁線圈642被與室430電隔離，且連接到主電弧電源634的正輸出，其與陰極室632斷開。一個或多個磁控濺射源660被沿著被遠程陽極670圍繞的室666的壁662安裝。遠程陽極連接到遠程電弧電源672的正輸出，而且負輸出連接到陰極室632的陰極630。陰極室630的罩636具有被屏蔽678覆蓋的開口676，用于防止陰極630發(fā)射的重粒子(離子，中性原子和宏粒子)到達陰極室632之外的沉積區(qū)域，而電子則可以自由地通過罩636和屏蔽678之間的開口676穿透進入涂布區(qū)域。遠程電弧電流在陰極室632內(nèi)的陰極630與圍繞涂布室666的壁上的磁控濺射源660的遠程陽極670之間傳導(dǎo)。遠程陽極連接到遠程電弧電源672的正輸出，而遠程電弧電源672的負輸出則連接到陰極室632內(nèi)的陰極630。磁控濺射涂層沉積工藝期間，遠程電弧電離和激活等離子體環(huán)境，但還可用作在涂層工藝開始之前電離源和基片的初級離子凈化期間涂布區(qū)域內(nèi)的等離子體環(huán)境的生成，以及用于等離子體浸沒離子注入，離子氮化和等離子體輔助低壓CVD涂層沉積 工藝。

參照圖13B，該示意圖示出了使用圖13A的圓柱形陰極電弧源作為主陰極電弧電子發(fā)射源順排系統(tǒng)(參考圖1)。圖13B示出了該設(shè)計，其中示出了裝配有磁控濺射源16，遠程陽極44和主陰極電弧電子發(fā)射源18的順排涂布系統(tǒng)10的一個模塊的側(cè)視圖。主圓柱形陰極電弧源18安置于罩24內(nèi)，其具有輸出屏蔽，該屏蔽對于電子流是可滲透的，但是對于重粒子比如金屬離子、原子和宏粒子則是不可滲透的。桿狀陰極680被安裝在接地陰極室罩24內(nèi)，其用做用于由主電弧電源684供電的真空陰極電弧放電的主陽極。陰極680連接到電弧電源684的負輸出而陰極室24的罩則接地。螺旋電磁線圈692被安裝成與陰極680共軸，并且用于產(chǎn)生螺線管磁場，其磁通線大體上平行于陰極680軸，并且具有與線圈電源696提供的電流成比例的幅度。RAAD等離子體建立在由具有待涂布的基片22的基片保持器20和涂布系統(tǒng)10的壁12之間定義的通道上，通過把桿狀陰極980連接到RAAD電源472的負輸出而把電源694的正輸出連接到遠程陽極44。

圖13C到圖13E示出了順排涂布系統(tǒng)的進一步的變型，其提供有單向過濾陰極電弧金屬氣相等離子體源，而不是圖13A和圖13B所示的屏蔽陰極電弧源，來作為主陰極電弧源，用于建立RAAD等離子體和用于產(chǎn)生用于涂層沉積目的的金屬氣相等離子體。參照圖13C，涂布系統(tǒng)的示意圖使用矩形過濾電弧源，如之前參照圖11B所描述的。在該變型中，過濾電弧源被用作金屬氣相等離子體源以及用作電子發(fā)射源來支持在順排系統(tǒng)10內(nèi)的RAAD等離子體。系統(tǒng)10在磁快門模式下工作。當(dāng)兩個偏轉(zhuǎn)線圈446和448與聚焦線圈450都打開ON時，磁快門打開，由真空電弧所產(chǎn)生的幾乎100％電離的過濾金屬氣相等離子體，運行陰極靶430的蒸發(fā)表面433上的陰極電弧點，被傳輸通過等離子體管道到達待涂布室212內(nèi)的涂布的基片20。當(dāng)偏轉(zhuǎn)線圈446和448和矩形過濾電弧源418的聚焦線圈450被關(guān)閉OFF，磁快門被關(guān)閉，由陰極430所產(chǎn)生的金屬氣相等離子體的重粒子(金屬離子，原子和宏粒子)被困在等離子體管道34內(nèi)，不能到達涂布室12內(nèi)待涂布的基片20，而陰極430發(fā)射的電子流可以被引導(dǎo)通過涂布室212。在該模式下遠程陽極電弧放電在陰極30和遠程陽極44之間運行，沿著基片通道d₁和涂布室12壁之間所定義的通道，提供涂層沉積環(huán)境的高電離和激活。

參照圖13D的示意圖示出了使用圖11G所述的單向雙過濾電弧源的順排涂布系統(tǒng)。在該改進中，使用單向雙過濾電弧源作為金屬氣相等離子體涂層沉積和電子發(fā)射源，如圖13D所示。過濾電弧源418在磁快門模式下工作：當(dāng)?shù)入x子體管道磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)線圈和聚焦線圈被打開ON，磁快門被打開，真空電弧陰極的陰極電弧點所產(chǎn)生的金屬氣相等離子體產(chǎn)生兩個金屬氣相等離子體射流，其使得金屬氣相等離子體流經(jīng)陰極室進入等離子體管道的偏轉(zhuǎn)部分，在此處等離子體流被磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)朝向等離子體管道的出口隧道斷面彎曲90°，而兩個射流都被合并并且聚焦向順排涂布室12內(nèi)的待涂布的基片22。當(dāng)離子體管道磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)線圈和聚焦線圈被關(guān)閉OFF，磁快門被關(guān)閉，而真空電弧金屬氣相等離子體的重粒子(金屬離子，金屬原子和宏粒子)被困在陰極室和等離子體管道內(nèi)，而不會到達涂布室12內(nèi)的待涂布的基片22。在這種情況下，過濾電弧源418仍然作為有力的電子發(fā)射器，提供穿過涂布室12的電子流，建立RAAD等離子體環(huán)境，以用于在涂層沉積和表面處理工藝期間電離和激活氣態(tài)氣氛和金屬濺射流。在該模式下，RAAD放電建立在連接到RAAD電源458的負輸出的過濾電弧源418的主陰極之間，而電源正輸出連接到遠程陽極44。

參照圖13E，示意圖示出了使用圖11G所述的單向雙過濾電弧源的順排涂布系統(tǒng)，其具有電弧源的出口隧道的兩個磁控源。磁控濺射源246a和246b被安裝成鄰近涂布室12和等離子體管道的出口隧道斷面。磁控濺射源產(chǎn)生的金屬濺射流與過濾電弧源產(chǎn)生的金屬氣相等離子體流合并， 使用混合過濾電弧增強遠程陽極電弧輔助磁控濺射工藝時，以提供受控的金屬氣相等離子體的電離，以及因此涂層沉積期間可控的離子轟擊水平。

參照圖13F，示意圖示出了具有圓柱形陰極電弧源的順排涂布系統(tǒng)。在該改進中，安置于陰極室罩24內(nèi)的電子發(fā)射主陰極電弧源18，可以是具有旋轉(zhuǎn)管狀陰極靶的圓柱形陰極電弧源，其具有高材料利用率。在該實施例中，圓柱形陰極靶700被安置于陰極室罩24內(nèi)。靶700的旋轉(zhuǎn)方向如箭頭所示。由永磁體組成的磁軛702被安置于陰極靶圓柱700內(nèi)部，目的在于在陰極靶700的蒸發(fā)表面上形成跑道磁場。陰極電弧點在磁軛702的極之間的跑道內(nèi)轉(zhuǎn)向。屏蔽704防止陰極電弧點從陰極靶584表面的蒸發(fā)區(qū)域逃逸。

主陰極電弧電子發(fā)射源和遠程陽極還可以被安置在一個或多個磁控濺射源的兩側(cè)上，提供切換裝置用于周期性把遠程電弧放電從一個主陰極-遠程陽極對切換到另一個，有效地切換電磁場的方向和在相反方向上的遠程電弧放電電弧電流。

參照圖13G的示意圖示出了使用如參照圖13B所述的圓柱形主陰極電弧源的順排涂布系統(tǒng)。在該變型中，陰極電弧室718L和718R被安置在至少一個磁控濺射源16的左側(cè)和右側(cè)。遠程電弧電源722L被通過開關(guān)1040連接在右遠程陽極726R和左陰極室718L的左主陰極730L之間。遠程電弧電源736R被通過開關(guān)775連接在左遠程陽極36L和右右陰極室1018R的主陰極730R之間。在工作中，由主電弧電源734L和734分別供電的R主陰極室718L和718R中的主電弧連續(xù)地工作，遠程電弧放電，當(dāng)開關(guān)775關(guān)閉和開關(guān)776打開時在左陰極730L和右遠程陽極736R之間被激活，或者當(dāng)開關(guān)776關(guān)閉和開關(guān)775打開時在右陰極730R和左遠程陽極736L之間被激活。

在一個改進中，在如圖12A至圖12D所示的批量涂布系統(tǒng)中以及在圖13B和圖13G中所示的順排涂布系統(tǒng)中實施的RAAD/RAAMS工藝中，具有短圓柱形靶和磁操控電弧點的電子發(fā)射真空陰極電弧源HIA可被用作主電子發(fā)射陰極電弧源。然而，需要注意的是，一般應(yīng)該選擇遠程陽極線性尺寸使之等于或大于以及平行于基片保持器的基片的線性尺寸和磁控靶的長線性尺寸，即使當(dāng)陰極室的電子發(fā)射主陰極的線性尺寸小于以及不平行于磁控靶和基片保持器的基片的尺寸。圖13H示出了具有短圓柱形靶和磁操控電弧點的真空陰極電弧源的設(shè)計。操控安裝在圓柱形陰極靶808的相對端的磁線圈對804，806所產(chǎn)生的磁力線802的拱形配置，實現(xiàn)了圓柱形陰極靶上的真空陰極電弧點810的受限，在這塊區(qū)域磁操控場幾乎平行于通過陰極靶長度的軸。同時陰極電弧點810在電磁力的影響下繞靶的軸而旋轉(zhuǎn)，該電磁力與公式1中所述的安培力成比例。通過改變在一個操控線圈中電流相對于相對的那個線圈中的電流的幅度，這樣的區(qū)域-其中磁場基本平行于靶的軸-可以沿著靶移動，其會驅(qū)動陰極電弧點的位置，因此產(chǎn)生腐蝕區(qū)域812和陰極電弧靶的電子發(fā)射區(qū)的增加，因此在RAAD/RAAMS工藝中增加圓柱形陰極靶作為電子發(fā)射源的工作時間。圓柱形陰極靶808連接到圓筒的相對兩個末端上的水冷截頭圓錐保持器814,816的較小圓鋸端。截頭圓錐保持器814,816冷卻圓柱形靶和并且防止陰極電弧點810從圓柱形表面區(qū)域逃逸，該處消耗型真空電弧陰極靶發(fā)射電子。此外，兩個陶瓷絕緣圓盤818，820可選地被添加到陰極靶的兩端來進一步地防止電弧點從電子發(fā)射區(qū)逃逸。陰極靶808對稱地連接到電弧電源822，其中主電弧電源的負極通過大體上等長的連接電線連接到圓柱形靶的兩端，而主電弧電源的正極連接到陰極室罩(如圖13G所示)或者接地。另一對大體上等長的電線連接到遠程電弧電源824的負極的靶的兩端，而其正極連接到遠程陽極826。

圖13I-圖13K提供的示意圖中的涂布系統(tǒng)包含圓柱形磁控管，其具有旋轉(zhuǎn)管狀靶和短圓柱形真空陰極電弧源作為電子發(fā)射器以用于遠程電弧放電。圖13I示出了使用類似于圖13H所示的圓 柱形陰極電弧電子發(fā)射源的旋轉(zhuǎn)靶磁控金屬氣相源830的整體視圖，其被安置于陰極室832內(nèi)。旋轉(zhuǎn)磁控管830使用帶有磁控濺射跑道834的旋轉(zhuǎn)管狀靶833，其面對涂布室內(nèi)待涂布的基片(如圖12D所示)。管狀磁控靶833被位于磁控靶保持室836內(nèi)的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)保持。陰極室832位于磁控靶830的長側(cè)的一端，而保持遠程陽極842的遠程陽極室840位于磁控靶830的長側(cè)的另一端。圖13I所示的變型中，沿著圖13K所示的跑道834的兩個長側(cè)之間中間的中心線而對稱地安置水冷管狀遠程陽極842，其典型地與磁控靶表面間隔0.5cm到5cm。用于冷卻遠程陽極842的水在遠程陽極室840處通過水冷插孔850和852而提供，如圖13J所示。短圓柱形陰極電弧源包含圓柱形消耗性靶854，防止陰極電弧點從圓柱形靶854上的電子發(fā)射區(qū)逃逸的截頭圓錐形金屬保持器856和陶瓷圓盤858，被安置于大體平行于磁控靶830的小尺寸的陰極室832罩的860內(nèi)。圓柱形陰極電弧靶的線性尺寸范圍是從磁控管跑道834的寬度(小尺寸)磁控濺射管狀靶830的直徑。電子發(fā)射陰極的對齊提供了沿著遠程電弧放電流動的電子均勻地覆蓋在磁控濺射跑道834前方的磁控管放電區(qū)。操控磁線圈862位于圓柱形陰極靶854的相對端，用于操控沿著陰極靶上蒸發(fā)區(qū)的真空陰極電弧點。罩860被面對磁控管跑道834的相同側(cè)的擋板屏866蓋住，使得由陰極電弧源發(fā)射的電子能夠流向遠程陽極840以及電離由磁控濺射靶830沿著跑道834所產(chǎn)生的金屬原子濺射流。

在圖13I，圖13J，圖13K中的實施例的進一步的變型中，遠程陽極能以圖13L橫截面所示的方式來圍繞濺射區(qū)域。本發(fā)明的實施例可用于增強磁控濺射和二極管濺射，其不需要在濺射靶前方的致密濺射放電等離子體的磁控管磁系統(tǒng)。圖13L-圖13M示出了遠程電弧輔助二極管濺射(RAADS)實施例。在圖13M橫截面所示的視圖中，二極管濺射源830’由封閉在屏蔽1301內(nèi)的被濺射靶1300構(gòu)成。靶1300被遠程陽極1303圍繞，被屏蔽1305與周圍等離子體環(huán)境隔開，使其陽極僅在面對陰極的一側(cè)上對放電等離子體開放。在這種情況下，被在側(cè)上的陽極壁1303和在后圓鋸端的濺射靶1300所限制，對涂布室內(nèi)的待涂布的基片開放的放電腔1304(與圖12A所示的布置類似)形成在濺射靶前方。磁線圈1307可選的被封閉在陽極屏蔽1305內(nèi)，以用于增加放電腔1304內(nèi)的等離子體密度。二極管濺射放電位于二極管陰極靶1300和遠程陽極1303之間，由在電壓源模式下工作的高電位低電流電源1321供電。放電的點燃電壓的閾值為大約200-300伏特，取決于靶材料，在來自二極管放電等離子體的離子轟擊的情況下，由來自靶的次極電子發(fā)射攻擊決定。由可安裝在真空室內(nèi)任何地方的屏蔽電子發(fā)射陰極電弧源1309提供遠程電弧輔助模式。圖13L所示的電子發(fā)射陰極電弧源832包括帶有操控磁線圈1310的陰極靶1309。陰極組件被封閉在內(nèi)具有人形蓋1313的罩1311，其對重粒子(陰極靶1309所發(fā)射的原子，離子和宏粒子)是不滲透的，但是允許電子流自由地流向真空室。由主電弧電源1317供電的主陰極電弧在陰極靶1309的蒸發(fā)表面上被點燃器1315點燃。The電子流陰極電弧源832所發(fā)射的電子流被遠程電弧電源1319導(dǎo)向遠程陽極，電弧電源1319一般具有比主電源1317更高的開路電壓。此外，二極管1323被安裝以防止二極管電源1321和遠程陽極電源1319之間的干擾。遠程電弧提供了在陽極腔1304內(nèi)的高密度放電等離子體，即使當(dāng)二極管濺射放電沒有被點燃。當(dāng)二極管放電或遠程陽極電弧放電或者兩個都被激活，腔1304變得被高密度等離子體填充，形成空心陽極效應(yīng)，極大地增加了陽極放電腔1304內(nèi)的等離子體密度。當(dāng)磁線圈1307被打開，其由遠程陽極1303的壁產(chǎn)生交叉ExB場(圖13L，圖13M中箭頭所示)，產(chǎn)生繞陽極壁1303的電子漂移速度為v_ed的閉環(huán)電子漂移電流，其極大地增加腔1304內(nèi)氣態(tài)金屬濺射流的氣態(tài)和金屬成分的電離。具有高度金屬離子的金屬濺射-氣態(tài)等離子體流經(jīng)腔1304的開口流向涂布室內(nèi)待涂布的基片。圖13M的本實施例中使用的主陰極電弧源可以與之前的圖13H-圖13K中所示的設(shè)計相同。磁控管磁系統(tǒng)例如磁軛還被 安裝靶1300之后，以進一步地增加濺射靶1300的離子轟擊強度，并因此提高金屬濺射涂層沉積工藝的產(chǎn)率(如圖13I，圖13J，圖13K所示)。在二極管和磁控濺射實施例中，遠程空心陽極效應(yīng)增加了金屬離子的通量，其使得沉積金屬濺射涂層的功能性質(zhì)得到改善。

參照圖14A-圖14C，示意圖示出了涂布系統(tǒng)變型包含宏粒子過濾器。在該變型中，采用了美國專利申請No.2012/0199070中陰極室的設(shè)計，其中的全部內(nèi)容以參照的方式被結(jié)合到本文中。系統(tǒng)880包括陰極室884，其被配置成宏粒子過濾器。陰極室884包括偶數(shù)個管組件，其對稱地繞長條陰極886而安置。圖14A和圖14B所示的變型包括四個管組件，即管組件888、890、892、894，其有效地形成一個繞陰極886的罩896。管組件888、890、892、894定義管道900、902、904、906，通過該管道，正電荷的離子被從陰極靶986引導(dǎo)向基片20。管組件988、990、992、994定義用于引導(dǎo)等離子體的磁場。管組件的每一個均包括支持元件910和擋板元件912用于阻擋宏粒子。在一個改進中，擋板元件912包括用于增強過濾宏粒子能量的凸出914。電氣接線柱916、918被用于連接到電源從而使得管組件被電氣偏置，用于排斥帶正電荷的離子。當(dāng)管組件888、890、892、894被相對于陰極886正偏置，其還用作主陽極以用于建立在陰極室884內(nèi)的主電弧放電。管組件888、890、892、894還能被隔離以及具有浮置電勢。在這種情況下，電弧操控電磁線圈(未示出)可用作相對于陰極886的主陽極，以用于點燃陰極室884內(nèi)的主電弧放電，如上文參照圖14B所述的本發(fā)明的實施例的。參照圖14C，示意性立體圖示出了陰極室罩過濾器組件896。過濾器組件陰極室罩896由一組管組件888、890、892、894制成，其平行于陰極886，最好是具有桿的形狀，但也可以被制成具有任意多邊形橫截面的條。在過濾陰極電弧涂層沉積工藝期間，過濾器被電激活通過沿著管組件888、890、892、894傳輸電流以建立磁場。

仍參照圖14A-圖14C，可選地，通過把電流傳輸通過管組件來產(chǎn)生磁場。尤其地，鄰近的管組件產(chǎn)生具有相反次極的磁場。箭頭920、922、924、926表示電流流動產(chǎn)生磁場的流向。箭頭表示在相鄰的管組件中電流的方向彼此相反。這種方式所產(chǎn)生的磁場具有垂直于長條陰極表面的定向和把電流傳過管組件而產(chǎn)生的等離子體引導(dǎo)導(dǎo)通的力量。在過濾電弧沉積模式下，從陰極986發(fā)射的金屬氣相等離子體經(jīng)過管道在組件間通行，從而使得不需要的宏粒子和中性金屬氣相成分被消除，把100％電離金屬氣相等離子體傳輸給基片。

在遠程陽極電弧等離子體放電(RAAD)模式，電流不能導(dǎo)通通過管組件888、890、892、894，而金屬氣相等離子體提取磁場不會產(chǎn)生。在這種管道消極模式下，陰極886的表面所發(fā)射的電子能夠自由地通過管道900、902、904、906，其在陰極室884的陰極886和遠程陽極930、932和934之間導(dǎo)通RAAD電流，圍繞沿著涂布系統(tǒng)880的室壁906安置的磁控源936、938和940。同時，管組件888、890、892、894被用作阻礙來阻擋從陰極886發(fā)射的重粒子(例如金屬氣相原子，離子和宏粒子)以防止其到達基片。RAAD等離子體在系統(tǒng)880的處理區(qū)域內(nèi)電離或激活其中安置有基片的等離子體處理環(huán)境。這提供了進行離子等離子體凈化，離子植入離子氮化和遠程電弧輔助磁控濺射(RAAMS)的能力，產(chǎn)生具有高級性能的等離子體處理產(chǎn)品。

參照圖15A，示意圖中的陰極室還用作宏粒子過濾器。該設(shè)計類似于圖13A所示的設(shè)計，并且可用于替換圖14B的順排涂布系統(tǒng)的陰極室。在該變型中，陰極室包括一組磁刀片1010，其圍繞圓柱形陰極電弧源986軸向地安裝。在一個改進中，刀片可繞旋轉(zhuǎn)軸1020而旋轉(zhuǎn)。圖15B的橫截面視圖所示的圓柱形陰極電弧源986包括圓柱形陰極靶1026，其由將被真空陰極電弧蒸發(fā)工藝蒸發(fā)的材料制成，并且圍繞磁線圈1028。刀片1010的相同極性的磁極面對陰極986而刀片具有相反極性的另一端則面對待涂布的基片(圖14A所示的)。刀片的電勢應(yīng)該被浮置或者否則相對于周圍等離子體環(huán)境是正的，其產(chǎn)生電磁場把金屬離子從擋板1010排斥開，有效地保持與金 屬氣相等離子體磁隔離的擋板，而中性金屬原子和宏粒子能夠自由地施加到擋板表面。當(dāng)?shù)镀?010幾乎徑向地與陰極986的半徑對齊，或者與陰極986的半徑成大體上小于45°的銳角，相鄰的磁隔離刀片1010之間的空隙形成等離子體引導(dǎo)通道，用于傳輸圓柱形陰極電弧源486的陰極靶的蒸發(fā)表面上的陰極電弧點產(chǎn)生的金屬氣相等離子體1030，金屬氣相等離子體被沿著磁力線遠離陰極486朝向待涂布的基片(圖14A所示)而傳播。陰極電弧點在陰極靶1026的蒸發(fā)表面上產(chǎn)生的金屬氣相等離子體流1030(圖15B中箭頭所示)沿著相鄰的磁刀片1010之間的等離子體傳輸通道朝向待涂布的基片(圖14A所示)傳播。圖15C-圖15D示出的磁刀片，其被安置成與圓柱形涂布電弧源986的半徑成30°角。在該位置，相鄰的刀片1010之間形成的等離子體傳輸通道可滲透的以用于傳輸由陰極靶1026的蒸發(fā)表面的陰極電弧點所產(chǎn)生的金屬氣相等離子體的金屬離子和電子流。金屬氣相等離子體沿著曲線磁場線在相鄰的磁擋板1010之間傳播。當(dāng)?shù)镀?010轉(zhuǎn)到相對于圓柱形陰極電弧源986的半徑大體上成大于45°和小于90°的角位置，相鄰的刀片1010之間的等離子體通道，對于金屬氣相等離子體流1030是不可滲透的，但電子可自由地在相鄰的刀片1010之間的空隙內(nèi)(如圖15F中虛線箭頭1035所示)從作為電子發(fā)射器的陰極1026流向安裝在涂布室內(nèi)其它位置的遠程陽極涂布室(如圖14A所示)，從提供在涂布室內(nèi)的遠程陽極和陰極1026之間的遠程電弧放電。圖15E和圖15F示出陰極組件的電子發(fā)射模式，其中刀片被安置成相對于陰極1026的半徑60°角。

參照圖15G，該示意圖示出了具有旋轉(zhuǎn)靶的使用一組等離子體導(dǎo)磁擋板的雙向圓柱形陰極電弧源。在該設(shè)計中，陰極組件1036類似于圖12D所示的具有旋轉(zhuǎn)圓柱形陰極靶的陰極電弧源，但是可選地具有雙磁軛1040，在旋轉(zhuǎn)靶1038的相對側(cè)上提供電弧點操控區(qū)域。屏蔽1042限制電弧點以防止其從磁軛1040的極之間的蒸發(fā)區(qū)逃逸。附加的屏蔽1051可選可以被安裝在過濾陰極電弧源1036的側(cè)上以困住宏粒子，防止其到達涂布室內(nèi)待涂布的基片(如圖14A所示)。金屬氣相等離子體在等離子體導(dǎo)引通道內(nèi)沿著磁力線在相鄰的磁隔離擋板1010之間傳輸，當(dāng)它們被對齊靠近沿著陰極1036的半徑的方向，或者更具體地，在與陰極靶1038的半徑成范圍為0°到45°的角時。在遠程電弧放電模式下，擋板1010可以繞軸1020相對于陰極靶1038的半徑成范圍為45°到90°的角而旋轉(zhuǎn)，以有效地關(guān)閉用于包括金屬離子的重粒子的等離子體引導(dǎo)通道，但仍留出空隙以供電子從陰極1036流向涂布室中的遠程陽極。圖15H提供了類似于圖14A所示的系統(tǒng)的涂布系統(tǒng)，其使用圖15G的陰極室1036。涂布系統(tǒng)1052在兩種模式下工作：當(dāng)擋板1010被對齊而相對于陰極靶1038的半徑成范圍為0到45度角，在過濾陰極電弧沉積模式下工作，以及，當(dāng)磁擋板1010和陰極靶1038的半徑之間的角度范圍45°到60°之間時在電子發(fā)射模式下工作。在過濾陰極電弧沉積模式，涂層被由圓柱形陰極電弧源1082的蒸發(fā)靶1038所產(chǎn)生的金屬氣相等離子體沉積，使用或者不適用由安裝在涂布室408內(nèi)的磁控濺射源1058、1060、1062所提供的磁控濺射沉積。在遠程陽極電弧輔助磁控濺射(RAAMS)模式，由磁控濺射源1058、1060、1062所產(chǎn)生的電離磁控濺射來沉積涂層，在陰極靶1038和遠程陽極1064、1066和1068之間傳導(dǎo)的遠程電弧來電離金屬濺射流。

在另外一個實施例中，提供了根據(jù)如上所述的系統(tǒng)和方法所形成的涂層產(chǎn)品。參照圖16A，涂層產(chǎn)品1100包括具有表面1104的基片1102和設(shè)置在表面1104上的涂層1106。在一個改進中，涂層保護性涂層。典型地，涂層具有稠密微結(jié)構(gòu)和特征顏色。在一個改進中，涂層包括耐火金屬，與氮，氧和/或碳反應(yīng)以形成耐火金屬氮化物，氧化物，或碳化物。耐火金屬的恰當(dāng)?shù)睦影ǖ幌抻阢t，鉿，鉭，鋯，鈦和鋯鈦合金。氮化鉻是一個特別有用的涂層的例子，其由上述制成。在一個改進中，涂層的厚度在大約1到大約6微米之間。參照圖16B，其提供了氮化鉻涂層的一 個變型，其是多層結(jié)構(gòu)，由上述方法制成。涂層產(chǎn)品1108包括設(shè)置在基片102上的不反應(yīng)性鉻薄層1110，以及設(shè)置在不反應(yīng)性鉻層1110之上的較厚的化學(xué)計量氮化鉻層1112。在一個改進中，多層結(jié)構(gòu)進一步包括包括設(shè)置在化學(xué)計量氮化鉻層1112上的中間化學(xué)計量氮化鉻層的層1114。中間化學(xué)計量氮化鉻1114具有由CrN(1-x)給出的化學(xué)計量，其中x是在0.3和1.0之間的數(shù)。在一個改進中，不反應(yīng)性鉻層1110的厚度在0.05和0.5微米之間，厚的氮化鉻層1112的厚度為1到3微米，和中間化學(xué)計量氮化鉻1114則是0.5到1微米。

雖然上文解釋說明了本發(fā)明的實施例，但是并不是說上文給出了本發(fā)明的所有實施例和變型。相反，本說明書的文字僅僅是用于說明的目的，而不是用于限定，需要理解的是，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的任何改進都是落入本發(fā)明的范圍的。