專利名稱:改進的電弧汽相淀積方法及設(shè)備的制作方法
本發(fā)明主要涉及物理汽相淀積，尤其涉及一種用于電弧汽相真空淀積涂層工藝的改進方法及設(shè)備。
汽相淀積涂層工藝通常分為“化學(xué)”和“物理”汽相淀積。它們都有一個淀積或噴涂室，在其中，生成了涂層材料的等離子體，且等離子體投射向欲涂敷的基片。用于基片的涂層以及基片的形狀和材料極多，包括瓷器或陶器材料上的裝飾涂層，半導(dǎo)體片表面的電路連線以及切削工具和軸承表面的耐磨涂層。相似地，所用的涂層材料的物理特性和性能變化也很大，它包括導(dǎo)電涂層，半導(dǎo)體涂層以及形成電絕緣體的涂層。
化學(xué)汽相淀積通常涉及這樣一種汽相淀積工藝方法，其中，活性氣體分子被引入淀積室并以反應(yīng)形成包括涂層等離子體的氣體混合物。在淀積“進行”之前，可抽空淀積室以清除該室的雜質(zhì)。但通常，化學(xué)汽相淀積是在大氣壓或正壓(高于大氣壓)環(huán)境下進行的。就是說，在典型的化學(xué)汽相淀積技術(shù)中，等離子體從反應(yīng)源到基片不是作直線或視線路徑運動的。反之，物體汽相淀積工藝通常要求在淀積工藝之前抽空淀積室并在淀積時維持負壓。在抽空該室之前，至少一部分將被淀積的涂層材料是在淀積室中作為固態(tài)源材料，而且由轉(zhuǎn)換固態(tài)源材料成為涂層材料的等離子體的一種能量激勵源所作用。涂層材料一旦轉(zhuǎn)換成等離子體時，在有效地將它們淀積在基片上之前，可將涂層材料和反應(yīng)氣體或其他元素在室中混合以形成涂層化合物及分子。涂層材料等離子體主要包括原子、分子、離子、離子化分子和分子的團塊。
物理汽相淀積室中的基片涂層主要是由“視線”淀積方法，通過從涂層材料源到基片的等離子體顆粒的傳輸而實現(xiàn)的。電磁場可以用來改變或限定等離子體涂層材料流的形狀，也可對淀積室的其他部分或基片施加電偏壓，以便將等離子體的離子化組分吸到基片上。將固態(tài)涂層源材料轉(zhuǎn)換成氣體/汽化等離子體的最常用物理汽相淀積技術(shù)是1)電阻或感應(yīng)加熱;2)電子或離子束轟擊;3)電弧。
當采用電阻或感應(yīng)加熱技術(shù)時，涂層源材料由外部加熱源或通過涂層源材料的大電流使其到達熔點。源材料，或部分源材，首先熔化為液態(tài)，然后蒸發(fā)成為汽態(tài)以形成涂層材料等離子體。而在采用電子和離子束轟擊技術(shù)時，通過用一高能量的電子和/或離子束轟擊涂層源材料(固態(tài))，而生成了涂層源材料的熔池。在這類技術(shù)中，固態(tài)源材料被稱為“靶”，離子和/或電子被向靶加速。轟擊電子和/或離子將有效的動量給予靶源涂層材料，使得原子、離子、分子、離子化分子和分子團塊以涂層材料等離子體的形式離開靶源材料。由上述兩種物理淀積方法產(chǎn)生的涂層材料等離子體顆粒的能量是相當?shù)偷摹?br>本發(fā)明涉及第三種物理汽相淀積技術(shù)(即電弧技術(shù)，也稱之為陰極電弧汽相淀積)。在電弧物理汽相淀積中，電弧穿過并保持在涂層源材料和陽極之間。該涂層源材料一般是被電偏置而作為陰極的，而陽極與陰極源材料隔有一定間距。電弧可帶有強電流，其典型范圍是從30～幾百安培，并提供了汽化涂層源材料的能量。在電弧“接觸”陰極處的表面，可見到電弧的末端，它通常被叫做“陰極亮點”，在同一時間，根據(jù)電弧的電流大小可在陰極表面同時存在一個或多個陰極亮點，它們穿過源材料表面運動并立即使涂層源材料汽化成涂層材料等離子體。電弧產(chǎn)生的等離子體通常給予固態(tài)源材料遠遠大于電子束、離子轟擊或電阻、感應(yīng)加熱技術(shù)所產(chǎn)生的能量。電弧技術(shù)對商業(yè)涂層應(yīng)用最具誘惑力，尤其是在切削工具、軸承、齒輪等的表面耐磨涂層的經(jīng)濟生產(chǎn)更是如此。
在授予Snaper和Sablev等人的美國專利3625848和3793179號中公布了一些熟知的電弧汽相淀積技術(shù)。在某種程度上講，在這些專利中公開的電弧淀積方法和設(shè)備與本發(fā)明的敘述和理解有關(guān)，因此，在此將其作為參照。3，625，848號專利主要敘述了一種涂層等離子體束槍技術(shù)，其中，借助于在損耗陰極和與之相鄰、但是電絕緣的特殊形狀的陽極之間的放電電弧，來產(chǎn)生等離子體束。3，793，179號專利公開了一種電弧汽相淀積工藝，其中，一個適當形狀的陽極外罩，并且損耗陰極的汽化表面與陽極罩相對。本發(fā)明提供了一種這兩種現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)都可使用的方法和設(shè)備。
通常，現(xiàn)有技術(shù)的電弧汽相淀積設(shè)備只考慮兩個電壓，即陽極和陰極的偏置電壓。例如，在3625848號專利的設(shè)備中，陰極相對陽極有一負偏壓，陽極和該陰極都位于汽化室中。實際上，電極的偏置主要是把陽極接地或接一參考電位，并通過對陰極提供一個負偏壓完成的，淀積室被解釋成無偏壓或浮動。當這種結(jié)構(gòu)在實驗室條件下從理論上完成時，在商業(yè)實施中，淀積室一般由導(dǎo)電材料構(gòu)成，或者在淀積進行期間，用導(dǎo)體涂層材料涂在非導(dǎo)電室的內(nèi)表面，這使得難以實現(xiàn)電隔離和陽極/陰極偏置電路的浮動。此外，在室中其他導(dǎo)電表面或金屬室的電浮動使得在淀積進行期間，引起在室中更多游動電子的累積。過些時候，這些電子積累在導(dǎo)電表面建立了一個電荷面，就會在室內(nèi)產(chǎn)生不希望有的微電弧，換言之，如果該表面與參考電位或地電位相連，以避免表面電荷積累，該表面就會起著附加陽極的作用，從而偏離3，625，848號專利提出的原理。
根據(jù)3，793，179號專利構(gòu)成的電弧淀積結(jié)構(gòu)中，陽極或其部分可以置于陰極表面的平面之下。例如，當導(dǎo)電淀積室壁與陽極相連時，該陽極幾乎可以完全圍繞陰極結(jié)構(gòu)。在這一例子中，低電弧電流使陰極亮點具有偏移理想陰極汽化表面的趨向。如果此偏移的陰極亮點在一個不是所希的陰極汽化表面時，它“看到”陽極的一部分，則它可以繼續(xù)存在于該表面處從而朝著不是要被噴涂的基片方向發(fā)射涂層等離子體，從而從所希陰極汽化表面中減去汽化電弧能量。當在陽極和不希望汽化的陰極表面之間加上護罩以限制所希汽化陰極表面的陰極亮點偏移時，這種護罩的位置應(yīng)很精確而且要仔細地加以維護，在淀積進行時，護罩本身會被導(dǎo)電材料所涂覆。這種涂層，如3，793，179號專利所述，可以降低護罩的效率，在極限情況下，它將導(dǎo)致陰極和護罩之間的電短路。
本發(fā)明提供了一種針對現(xiàn)有技術(shù)的上述問題和關(guān)系的簡單有效方法。本發(fā)明超出了電弧汽相淀積現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)所述的一個陽極/陰極偏壓，這是通過提供相對偏壓法和設(shè)備來實現(xiàn)的，所提供的方法和設(shè)備有助于穩(wěn)定系統(tǒng)中的電弧，減少汽化部件和周圍室壁之間的電弧，并禁止陰極亮點偏離所希的陰極汽化表面。本發(fā)明的實現(xiàn)可以提供上述優(yōu)點，與此同時，把朝向欲涂覆基片的涂層材料等離子流的離散減至最小。本發(fā)明的這些優(yōu)點和其他特性將在說明書中給予更為詳盡的描述。
本發(fā)明的原理可用于各種電弧汽相淀積設(shè)備。尤其是，它更有利于較低功率電弧汽相淀積工藝，例如，通過電弧的電流小于50安培的情況。在這類低電流情況下，由于陰極亮點偏離所希陰極汽化表面，從而在陽極和陰極之間保持穩(wěn)定的電弧放電成為問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種用于電弧汽相淀積設(shè)備的工藝方法，其中的基片借助涂層材料源和陽極之間的電弧形成的涂層材料等離子體在抽空的淀積室中進行被覆，所述的涂層材料源由電弧消耗并作為該系統(tǒng)的陰極。在這類電弧汽相淀積設(shè)備中，本發(fā)明的方法包括下列步驟a)對淀積室抽真空;
b)在抽了真空的室中，建立陽極和消耗涂層材料源陰極之間的第一電位差及電返回通路，此電位差是足夠大以保持陰極和陽極之間的電弧放電;
c)激發(fā)陰極和陽極之間的電弧;
d)在抽真空室中的至少一個導(dǎo)電表面和陰極之間建立第二電位差，該電位差之值稍小于第一位差，所以相對于陰極來說，陽極比上述的那一個導(dǎo)電表面具有更正的偏壓;
e)在陽極和上述那一個導(dǎo)電表面之間提供一個電流通路;
f)相對于消耗陰極構(gòu)制和設(shè)置淀積室中的陽極，使得由所述電弧從所述陰極放出的電子被吸引向所述陽極比被吸引向上述那一個導(dǎo)電表面更多。
用來建立相對陰極的第二電位差的導(dǎo)電表面至少可以形成真空室內(nèi)壁的一部分，或可形成導(dǎo)電真空室整個內(nèi)壁。但是根據(jù)本發(fā)明的原理，更有意義的是，如果室壁作為所述的一個導(dǎo)電表面來偏置，則至少真空室內(nèi)壁部分作為一個導(dǎo)電表面而置偏壓，該內(nèi)壁部分延展在陽極和陰極的所希汽化表面的平面之間的區(qū)域。由于電弧轟擊的原因離開陰極表面的電子通常會被任何正偏壓導(dǎo)電表面所吸引。但是，根據(jù)本發(fā)明的原理，對第一陽極部件施加比室周圍壁更正的偏壓，并且構(gòu)制和設(shè)置加有偏壓的陽極結(jié)構(gòu)的位置，以便使該陽極結(jié)構(gòu)更易于吸引離開陰極表面的電子，結(jié)果，這些電子將優(yōu)先被吸向第一陽極部件。將陽極構(gòu)件放在所希的涂層等離子體流方向上，但不要過多地阻礙流向?qū)⒈煌扛驳幕牡入x子體，則由于離開陰極亮點的大部分電子將在一個方向上被吸引(在該方向，更趨于將陰極亮點拉向所希的陰極汽化表面)，所以陰極亮點具有保持在所希陰極汽化表面的趨向。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過一個電阻性導(dǎo)電通路而在陰極和一個導(dǎo)電表面之間建立了電位差。最佳實施例的電阻性導(dǎo)電通路包括其阻值范圍為1～300歐姆為好，而且最好是在1～10歐姆的電阻網(wǎng)絡(luò)。電阻網(wǎng)絡(luò)可包括可變電阻裝置或電壓源或一電源。根據(jù)本發(fā)明的最佳實施例。使相對偏壓網(wǎng)絡(luò)控制電流流過陽極和一個導(dǎo)電表面之間的電流通路，以便該通路中的電流小于總電弧電流的10%為好，且最好小于5%，或甚至可小于總電弧電流的1%。
為了使第一陽極對離開所希陰極汽化表面的電子有選擇地影響，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，陽極被置于面向所希陰極汽化表面之處，以此方法，可從陰極看到的陽極的最外面部分延伸出通常與所希汽化表面正交的垂直平面，可通過這一表面的周圍邊界區(qū)域，其距離大約等于或小于陽極和所希陰極汽化表面之間的工作間距的1/2。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種在抽真空的汽相淀積室中進行的電弧汽相淀積工藝過程中的一種方法，即把電弧陰極亮點保持在陰極源材料的一個所希汽化表面上，而提高電弧穩(wěn)定性的方法，此方法包括a)在一個抽真空汽相淀積室中的第一陽極與涂層源材料的消耗陰極之間，激發(fā)起一電弧從而在陰極的所希汽化表面上產(chǎn)生一個或更多的陰極亮點;
b)相對于陰極，給所述第一陽極加正偏電壓，以便維持在其間的電弧，以及c)用以下方法使陰極亮點保持在所述陰極的所希汽化表面上1)在汽化室內(nèi)非第一陽極的至少一個導(dǎo)電表面加電偏壓，導(dǎo)電表面位于從陰極源材料的暴露的工作表面的視線上，此表面相對于所述陰極比所述第一陽極具有稍小的正電壓。
2)如此接近地相隔且面對所希的陰極汽化表面，構(gòu)制和設(shè)置第一陽極，這樣，至少有一部分所希陰極汽化表面正對著第一陽極的有效部分;其中，在陰極亮點上離開陰極的電子首先被拉向第一陽極，而不是拉向這個導(dǎo)電表面，由此，陰極亮點就會保持在所希陰極汽化面上。
本發(fā)明包括第一陽極結(jié)構(gòu)，其中，將被涂覆的基片置于第一陽極和陰極之間，或第一陽極置于陰極和將被涂覆的基片之間，在后一種設(shè)置中，構(gòu)制第一陽極，以使陰極發(fā)射涂層材料粒子運動的阻力最小，從而使最大量的這種粒子可到達基片。
本發(fā)明不僅包括陽極安置的方法和保持陰極亮點位于所希陰極汽化表面的裝置，還包括實施該方法的電弧汽相淀積設(shè)備。
在相應(yīng)于真空中進行電弧汽相淀積的特殊已知技術(shù)對本發(fā)明進行描述時，應(yīng)該知道，本發(fā)明并不限于應(yīng)用這些已知技術(shù)。類似地，盡管本發(fā)明的實施例是根據(jù)的結(jié)構(gòu)來描述的，但應(yīng)知道，這個描述自然是概括性的，而且本發(fā)明不會因使用了這些簡圖而在理解上受到限制。雖然是相對于特定的陰極金屬和材料而描述本發(fā)明的，但應(yīng)知道，本發(fā)明不限于應(yīng)用這些材料和金屬，而也同樣可使用未在這里描述的材料和金屬。此外，盡管本發(fā)明的最佳實施例是相對于特定的電壓和極性敘述的(正如結(jié)構(gòu)說明中所采用的)，但不能限制性地理解這種應(yīng)用的說明，所有的變換和變型都應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。應(yīng)該知道，本技術(shù)領(lǐng)域：
中的技術(shù)人員能很容易地發(fā)現(xiàn)說明書的以上或以下部分中未具體描述的本發(fā)明的變型，但這些變型顯然屬于所附的權(quán)利要求
書的范圍之內(nèi)。
參考附圖，其中所有視圖的相同數(shù)字表示相同部分圖1為實際汽相淀積室裝置的示意圖，它說明按照本發(fā)明最佳實施例而配置的電弧汽相淀積結(jié)構(gòu)的基本部件。
圖2為圖1中所示的相對偏壓功能器件的最佳部件示意圖。
圖3為圖1的汽相淀積室裝置的陽極部分和陰極部分放大的示意圖，它更詳細地說明來自陰極的電子流。
參考附圖，圖1總體地說明了能夠應(yīng)用本發(fā)明的電弧汽相真空淀積系統(tǒng)。要強調(diào)的是，圖1僅僅是這種系統(tǒng)的示意圖，它總體地示意說明與討論本發(fā)明有關(guān)的電弧真空汽相淀積系統(tǒng)的基本部分，而決不是詳盡的。要得到電弧真空淀積系統(tǒng)及其不同部分的更詳細說明，可參考授予Sablev等人的美國專利第3，793，179號、授予Brandolf的4，485，759號、授予Bergman等人的4，448，799號以及授予Snaper的3，625，848號。這些附加的公開對理解本發(fā)明是必需的，在這個意義上，這里引用了這些專利公開和教導(dǎo)。
參考圖1，那里示出了總體地用10說明的汽相真空淀積室，該室具有一個第一室壁部分10a和第二室壁部分10b，10a和10b適當?shù)剡B在一起(未說明)，以形成一個限定淀積室的封閉內(nèi)腔11。在該淀積室中，要對基片進行涂覆。用12概略說明的真空排氣系統(tǒng)通過出氣口11a與內(nèi)腔11連通，而且正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣，用來適當?shù)貙Φ矸e室抽真空。在淀積過程中的不同工藝過程步驟中，供將活性或惰性氣體加入到內(nèi)腔11之間的裝置用13概略說明，它利用進氣口11b與內(nèi)腔11連通。其它一般用途的進氣口和出氣口可提供至內(nèi)腔11的通道，在這里未說明或描述。
圖1中被稱作“陰極”的涂覆材料源15表示汽相淀積涂覆工藝過程中的涂覆蒸汽或“等離子體”源，也表示電弧發(fā)生設(shè)備的一個電極。在電弧汽相淀積系統(tǒng)中，這樣的涂覆材料源一般表示一種諸如固體形式鈦的涂覆材料的實際物質(zhì)。源材料的實際形狀能夠由圓柱形改變?yōu)榫匦?，變?yōu)椴灰?guī)則形狀。源材料類型也可以有較大的不同，從導(dǎo)體到半導(dǎo)體或到絕緣體。在本發(fā)明最佳實施例中，源材料是導(dǎo)電金屬，且最好是鈦。利用適當?shù)墓潭ㄑb置將源材料15安裝在淀積腔11中，該固定裝置用16概略地表示，它具有至少一個穿過室壁之一向外伸出到大氣環(huán)境中的部分。
在圖1的圖示說明中，固定裝置16圖示為第二室壁部分10b中伸穿出去。由于在電弧汽相淀積工藝過程中通過陰極的高電流，陰極變得十分熱，所以需要外部冷卻。這種冷卻一般由一個(在圖1中概略地用17說明)利用通道18與陰極固定裝置16連通的水流通系統(tǒng)來提供。供真空密封和電絕緣之用的裝置(用19概略地說明)用來維持淀積腔11中的真空和使源15與淀積室壁部分10a和10b電絕緣。
用20說明供產(chǎn)生和維持系統(tǒng)電弧能量的主直流電源。電源20的負端標為“V1”且通過陰極固定裝置16與陰極15實行電連接。電源20的正端標為“V2”且直接連接到電弧系統(tǒng)的第一陽極上(概略地用22表示且標有“陽極”標志)。導(dǎo)體23將電源20正端V2通過室壁10b的絕緣密封部件(概略地用24表示)連接到陽極22上。
陽極22最好是以合適的液體冷卻裝置(籠統(tǒng)地以37來圖示)來冷卻，借助于一個穿過真空密封和絕緣子連接頭(以39來圖示)的信號通路38來實現(xiàn)。對于陰極，冷卻媒質(zhì)最好是水。在最佳實施例中，陽極22構(gòu)成園柱環(huán)的形狀，這將在下文給予更詳細的描述。然而，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，從對本發(fā)明的更詳細描述可以顯然知道，陽極22能夠以其它形狀構(gòu)成而完成前述的“第一陽極”功能，而且這種陽極構(gòu)形不需要按“封閉”環(huán)或者附圖中表明的樣子來成形。同樣地，當單個第一陽極22表示在相應(yīng)于最佳實施例的附圖中時，將會懂得，通過使用總功能與“第一陽極”相應(yīng)的多個陽極也能夠達到本發(fā)明的原則。
在真空室11內(nèi)要被覆的物品典型地稱作為基片，并且通常表示為圖1中的26。在真空室內(nèi)適當?shù)匕惭b基片，并如圖示，借助于基片偏壓功能器27在基片上加上電偏壓，也能夠以適宜的加熱裝置(未示出)加熱基片。很清楚，所圖示的相對間距，比如圖1中的陰極、陽極、基片之間的相對間距，自然只是為了圖示說明的，并不企圖代表工作系統(tǒng)中的縮尺或它們實際上表現(xiàn)出的彼此間的相對關(guān)系。進而，將會如下文要敘述的，基片并不需要如圖1所示的那樣位于第一陽極之外，而是當位于陰極15和陽極22之間也能夠同樣好地工作。
一個起弧觸發(fā)器組件圖示地表示為30。此觸發(fā)器組件30可以有著任何合適的結(jié)構(gòu)，比如美國專利4，448，799的氣動操作觸發(fā)器裝置，或者使陰極15和陽極22之間起弧的任何其它結(jié)構(gòu)。如圖按最佳實施例所圖示的那樣，此觸發(fā)器有一個可移動的接觸棒部件30a，它能夠如此移動操作，以使得能與陰極表面15a建立或去除電接觸。
用于在陰極表面15a激發(fā)電弧的電能從電源20的V2輸出端取出，一般經(jīng)過電阻器32和信號通路33，加到觸發(fā)器接點30a上。借助于絕緣密封部件34，信號通路33穿過室壁10b。不言而喻，還需要提供合適的觸發(fā)器啟動裝置，例如在美國專利4，448，799中所描述的那樣，只是在這里沒有用圖來說明。在圖示的用機械觸發(fā)器30的最佳實施例中，觸發(fā)器30有選擇地移動觸發(fā)器導(dǎo)線30a，使之與陰極15的表面15a先接觸后分離。當電弧激發(fā)導(dǎo)線部件30a處于與陰極15的上表面15a相接觸的位置時，從電源20的V2端出發(fā)，經(jīng)過電阻器32、信號通路33、起弧觸發(fā)器導(dǎo)線30a、陰極15以及陰極支撐件16，回到電源20的V輸出端，形成一個閉合回路。當觸發(fā)器30動作，抬起導(dǎo)線部件30a使之脫離陰極源15的上表面15a時，導(dǎo)線30a和陰極表面15a之間的電路斷開，使得在二者之間的縫隙內(nèi)跳過一電弧，從而在陰極表面15a上激發(fā)出電弧。當電弧在真空室11中激發(fā)時，電弧通路立即在陰極源15和室的陽極部分延伸，并且在此以后由電源20保持。顯而易見，正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知道的，可以采用一系列不同方式向例如30那樣的觸發(fā)器部件提供電源，而圖1所示僅僅是概念性的。
如前所述，這種電弧通路可承載大電流，一般超過20安培、很強的電能通過電弧，在陰極表面15a上可見到非常明亮的光點(稱為“陰極亮點”)，釋放出陰極材料，該材料形成鍍膜用的蒸汽或等離子體，如圖1中40所示。從陰極表面釋放出來的材料自陰極源表面15a通常向外擴散。
適當?shù)匕惭b和/或偏置基片26，使之截獲鍍膜蒸汽40，并且利用該蒸汽使自身鍍膜，其方式為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。
電源20的V2輸出端也與“相對偏壓”功能器36的正輸出端35相聯(lián)。偏壓功能器36的第二輸出端V3在本實施例中與室壁部分10a和10b有電連接，并且接地或接參考點，如圖中50所示。
相對偏壓功能器36能夠維持其兩端35和V3的電位差。在圖1所示的最佳實施例中，由于端點35是與直流電壓20的V2輸出端直接連在一起的，所以相對偏壓功能器36正負兩端的電位差為(V2-V3)伏，能夠完成相對偏壓功能的幾種電氣元件的電路如圖2所示。參照該圖可以看出，一個簡單電阻器或電阻器網(wǎng)路36a能夠在電流流經(jīng)其中時，在V2及V3兩端提供一個穩(wěn)定的電位差(由歐姆定律決定)。36a為可變或可調(diào)電阻器時，情況也一樣。同樣，也可以采用可變或可調(diào)電阻器，如圖中36b所示。另一供選擇的方案是采用電壓源，如圖36c所示。按圖1方式連接的相對偏壓功能器36的目的，是在陽極22和淀積腔11中的其它的導(dǎo)電表面如圖1中的室壁10a和10b之間總是保持一個電位差。維持的電位差使得陽極22的電位總是比相對偏壓功能器36的V3端所接的其它導(dǎo)電層的電位為正，以致于所說的其它導(dǎo)電層的功能如同室11中的第二陽極。
根據(jù)圖1電路連接的陰極15和陽極22之間的電子流關(guān)系的放大圖，如圖3所示。圖中陽極22是圓柱環(huán)形部件，與陰極15以同心圓形式放置，陽極置于陰極15的表面15a上方距離“X”處。陽極超出陰極15的外邊緣的距離為“Y”，如圖3所示。偏置電位為V3的第二陽極(如圖中所示，室壁10)距陰極15的外邊緣的距離為“Z”。容易理解，當本實施例中所示的第二陽極為室壁10時，室11中的其它的導(dǎo)電表面偏置在V3電位，因而其功能為淀積系統(tǒng)中的第二陽極。在這些實施例中，“Z”表示陰極15的外邊緣和以上述方式偏置的第二陽極表面的空間。
陽極22可以采取圖1和圖3所示結(jié)構(gòu)以外的多種不同的結(jié)構(gòu)。然而，如本實施例所示，陽極22的尺寸和結(jié)構(gòu)是根據(jù)置于陰極表面15a外的它的方位決定的，距離“X”和“Y”確定陽極22的方位，使得盡可能少地阻止等離子流40，以及盡可能多地截獲電子，電子以傾斜角度離開陰極表面15a，如圖3中“C”所示。
從圖3可以看出，有三條不同的電子通路，即“A”、“B”和“C”?！癆”所示的電子通路既代表離開陰極表面15a、一般與該表面垂直且具有足以使其不受陽極22的正電位影響的相當高能量的游離電子，又代表可能是被陽極22后面的中性等離子體流攜帶的、等離子體的電中性等離子體流中的電子。這些電子向外穿過陽極22并進入淀積室10的內(nèi)腔11，極可能被作為第二陽極正偏的、電位低于第一陽極22的室壁表面所吸引。圖3中“B”所示電子通路表示的電子具有復(fù)合能量和方向，離開陰極表面15a，以致極有可能被正偏的第一陽極直接吸引。圖3中“C”所示的電子流通路中的電子，傾斜著離開電極表面15a，正常情況下(即沒有陽極22)斜穿向正偏(即由V所正偏)室壁10或腔11中的其它第二陽極表面。然而，由于在第二陽極和第一陽極22之間存在相對偏置電位差(即V2-V3)，所以通路“C”中的電子將被第二陽極排斥，而被更正偏置的、電位為V2的陽極22所吸引。
如果陽極放置距離“X”足夠小，以致使得第一陽極吸收流經(jīng)電子通路“C”的絕大部分電子的話，發(fā)出沿通路“C”的電子的陰極亮點將保持在所需的陰極侵蝕表面15a處，并且不會躍過陰極部件15的邊緣，可能降到陰極支件16上。同樣，如果相對于距離“X”和“Y”而言，距離“Z”很大，那么流經(jīng)通路“C”的電子更多地是斜著被更正偏置的第一陽極22所吸引，少量飛向較低正電位的第二陽極表面，例如室壁10a或10b。因此，距離X、Y和Z是結(jié)合偏置網(wǎng)絡(luò)36來選擇的以致顯著地減小了電子離開陰極而被置于陰極15旁邊或下方的第二陽極表面所吸收的可能性。
如果根據(jù)上面的討論來適當?shù)剡x擇“X、Y和Z”的話，由相對偏壓網(wǎng)絡(luò)36提供的這種相對偏置方案將通過在所需的陰極15的汽化表面15a上維持陰極亮點來提高電弧穩(wěn)定性，而電流相對較小(例如低于20安培)。在本發(fā)明的實施例中，“X”最好大約大于或等于“Y”的兩倍，“Z”最好大約大于或等于“X”的兩倍。根據(jù)本發(fā)明的一個最佳實施例，大約的尺寸是X＝5厘米，Y＝2厘米，Z＝10厘米。
因此，利用偏置和圖1-3中表明的合適的間隔技術(shù)，使陽極22作為第一陽極以收集自陰極15發(fā)射的電子，以及通過防止陰極輝光放電亮點自所希望的陰極汽化表面15a漂移出而維持電弧的穩(wěn)定性。然而，加有偏壓V的真空室壁10a和10b以及室腔內(nèi)的任何其它表面用作為第二陽極以收集沿著圖3中電子流路徑“A”中的電子，以及收集有著足夠能量而克服了陽極22的電位V的初始影響通過的電子。所希望的第二陽極表面(即完成最佳電子收集)是真空室內(nèi)加有偏壓為V的表面，這些表面位于圖3中所示的第一陽極22的大致平面之上(即尺寸“X”之外)。一個這種最佳第二陽極收集表面通常以圖3中的55來表示。
相對偏壓功能器36的網(wǎng)絡(luò)元件的電阻器或電壓值按照陽極22的位置尺寸組合選擇，以使通過相對偏壓網(wǎng)絡(luò)36的電流小于約5%的陰極弧電流為好，使通過相對偏壓網(wǎng)絡(luò)36的電流大約小于陰極弧電流的1%就更為合適。在大約低于50安培的低陰極電流值之下，這種參數(shù)更為有用。在本發(fā)明的一個最佳實施例中，例如僅用鈦源作為陰極15的淀積系統(tǒng)中，陰極電壓(V1)相對于電壓V3大約為-20V，陰極弧電流大約為50安培，為了使流過偏壓網(wǎng)絡(luò)的電流在所希望的范圍之內(nèi)，使電阻值的范圍為大約1到300歐姆，而為大約2到10歐姆更為合適。最好如此選擇偏壓網(wǎng)絡(luò)36的變化，使得在上述的最佳實施例條件下的第二陽極偏壓電位造成的電位差V2-V3最好處于大約為+5到+10伏的范圍之內(nèi)。按照上述的偏壓網(wǎng)絡(luò)36的構(gòu)成，在執(zhí)行淀積的操作過程中，因為電弧中平均電子能量的自限制作用，第一陽極相對于第二陽極的電位將維持在一個恒定值上。
當相應(yīng)于最佳實施例所述的應(yīng)用來描述本發(fā)明時，應(yīng)當明白，有可能實現(xiàn)本實施例的許多變化以及它在電弧淀積真空室各種構(gòu)形中的應(yīng)用。同樣地，在真空室中陰極和陽極之間，及與基片之間的各種相對構(gòu)形和方位都是可能的。例如(但不限于此)，當相應(yīng)于最佳實施例所描述的圖1的構(gòu)形式表明第一陽極22是位于陰極15和基片26之間，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會明白，把基片26′放在陰極15和陽極22之間(正如圖1中以虛線26表示的)系統(tǒng)會落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。同樣地，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠確認，淀積室(比如是10)典型地包括許多陰極(比如是15)，以及在這種系統(tǒng)中，可以希望如此來使陽極22構(gòu)形，即使得多個陰極共用一個這樣的陽極。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，根據(jù)前面的描述，本發(fā)明的這種變型將是很顯然的。本說明書是企圖提供一個特定的實施例來清晰地區(qū)分和公開本發(fā)明。因此，本發(fā)明不限于所描述的實施方案，或限制于這里所描述的特定元件、結(jié)構(gòu)或材料的使用。落在所附權(quán)利要求
書的寬范圍之內(nèi)的本發(fā)明的所有的變型和變化都被包括在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種適用于在抽空的淀積室中，利用發(fā)生于一個消耗涂層材料源陰極與一個陽極之間電弧所形成的涂層等離子體在基片上進行汽相淀積的工藝方法，該工藝方法包括(a)對淀積室抽真空；(b)在抽了真空的室中，建立陽極消耗涂層材料源陰極之間的第一電位差和電返回通路，此電位差足夠大以保持陰極和陽極之間的電弧放電；(c)激發(fā)所述消耗陰極和所述陽極之間的電??；(d)在所述抽空的室中的至少一個導(dǎo)電表面和所述陰極之間建立第二電位差，該電位差值稍小于所述第一電位差，其中，相對于所述陰極來說，所述陽極比所述的一個導(dǎo)電表面受到更正的電偏壓；(f)相對于所述消耗陰極，如此構(gòu)制和設(shè)置所述淀積室中的所述陽極，使得由所述電弧從所述消耗陰極放出的電子被吸引向所述陽極會比被吸引向所述的一個導(dǎo)電表面更多。
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，所述的一個導(dǎo)電表面至少包括所述真空室內(nèi)壁的一部分。
3.如權(quán)利要求
2所述的方法，其中，所述真空室的內(nèi)壁部分實際上至少包括延展在所述陰極的所希汽化表面的總平面與所述陽極之間的所述真空室壁區(qū)域的一部分。
4.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，維持所述第二電位差的步驟利用在所述陽極與所述一個導(dǎo)電表面間的電阻性導(dǎo)電通路來進行。
5.如權(quán)利要求
4所述的方法，其中，所述電阻性導(dǎo)電通路包括一個電阻值范圍在1～300歐姆的電阻網(wǎng)路。
6.如權(quán)利要求
5所述的方法，其中，所述電阻網(wǎng)絡(luò)電阻值范圍大約是1～10歐姆。
7.如權(quán)利要求
4所述的方法，其中，電阻性導(dǎo)電通路包括可變電阻裝置。
8.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，維持所述第二電位差的步驟利用一個有效地連接在所述陽極與所述一個導(dǎo)電表面之間電壓源來提供。
9.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，流經(jīng)所述陽極與所述一個導(dǎo)電表面之間的電流通路的電弧電流部分小于整個電弧電流的百分之十。
10.如權(quán)利要求
9所述的方法，其中，流經(jīng)所述陽極與所述一個導(dǎo)電表面之間的電流通路的電弧電流部分小于整個電弧電流的百分之五。
11.如權(quán)利要求
9所述的方法，其中，流經(jīng)所述陽極與所述一個導(dǎo)電表面之間的電流通路的電弧電流部分小于整個電弧電流的百分之一。
12.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，使所述陽極在所述真空室中相對于所述陰極被如此構(gòu)制和設(shè)置，使得在所述陰極的一個所希陰極汽化表面與所述陽極間的相對有效間隔至少大約是在陰極與所述一個導(dǎo)電表面之間有效間隔的二倍。
13.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，陽極被配置得有效地面對所述陰極的一個所希汽化表面，其中，上述所希汽化表面具有一個外圍邊界，而且能夠有效地從所述陰極視見的所述陽極的最外面部分伸展超出一個垂直平面，該垂直平面穿過所述外圍邊界且以一個大約等于或小于上述陽極與上述所希汽化表面之間間隔距離一半的距離一半的距離垂直于上述所希汽化表面。
14.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，由所述電弧攜帶的電流約小于50安培。
15.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，所述一個導(dǎo)電表面加上地電位偏壓。
16.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中，所述陽極有效地基本位于一個與所述陰極的所希汽化表面平行且相隔開的平面中。
17.如權(quán)利要求
16所述的方法，其中所述陽極通常為環(huán)形。
18.一種具有實施權(quán)利要求
1方法而構(gòu)制和設(shè)置的部件的電弧氣相淀積設(shè)備。
19.一種具有實施權(quán)利要求
2方法而構(gòu)制和設(shè)置的部件的電弧汽相淀積設(shè)備。
20.一種具有實施權(quán)利要求
4方法而構(gòu)制和設(shè)置的部件的電弧汽相淀積設(shè)備。
21.一種具有實施權(quán)利要求
8方法而構(gòu)制和設(shè)置的部件的電弧汽相淀積設(shè)備。
22.一種具有實施權(quán)利要求
16方法而構(gòu)制和設(shè)置的部件的電弧氣相淀積設(shè)備。
23.在抽真空的汽相淀積室中進行的電弧汽相淀積工藝過程中的一種方法，即把電弧陰極亮點保持在陰極源材料的一個所希汽化表面上以提高電弧穩(wěn)定性的方法，包括(a)在一個抽真空的汽相淀積室中的第一陽極與涂層源材料的消耗陰極之間激發(fā)一電弧，從而在所述陰極的所希汽化表面上產(chǎn)生一個或更多的陰極亮點。(b)相對于所述陰極，給所述第一陽極加正偏電壓，以便維持其間的所述電弧，以及(c)用以下方法使所述陰極亮點保持在所述陰極的上述所希汽化表面。<ⅰ>在所述汽化室內(nèi)非第一陽極的至少一個導(dǎo)電表面加電偏壓，該導(dǎo)電表面位于從所述陰極源材料的露出的工作表面看的視線上，此表面相對于所述陰極比所述第一陽極具有稍小的正電壓;以及<ⅱ>如此接近地相隔且面對所述所希的陰極汽化表面，構(gòu)制和設(shè)置所述第一陽極，這樣，至少有一部分所述所希陰極汽化表面正對著所述的第一陽極的有效部分，其中在所述陰極亮點上離開所述陰極的電子首先被拉向所述第一陽極，而不是拉向所述一個導(dǎo)電表面，由此，所述陰極亮點就會保持在所述所希陰極汽化表面上。
24.如權(quán)利要求
23所述的方法，其中，所述第一陽極相對所希的陰極汽化表面被有效地安置，而且被如此構(gòu)制及設(shè)置，使得最低程度地阻礙從陰極汽化表面的所述陰極亮點發(fā)射來的涂覆粒子的運動。
25.如權(quán)利要求
24所述的方法，其中，所述第一陽極具有一個開口形狀，該開口形狀處可以收集離開所述陰極的電子，但又能夠使放出的中心涂覆材料等離子體粒子相當自由地穿過而到達要被涂覆的基片。
26.如權(quán)利要求
23所述的方法，還包括把借助所述電弧從所希陰極汽化表面發(fā)射來的涂層材料等離子體粒子涂覆其上的基片加以安置，以及用所述涂層材料等離子體涂覆所述基片。
27.如權(quán)利要求
26所述的方法，所述基片部分地被安置在所述的所希陰極汽化表面與所述第一陽極之間。
28.如權(quán)利要求
23所述的方法，其中，所述的一個導(dǎo)電表面的至少一部分包括所述淀積室的部分內(nèi)壁。
29.如權(quán)利要求
23所述的方法，其中，對所述的一個導(dǎo)電表面加偏壓的步驟是利用一個相對偏壓網(wǎng)絡(luò)完成的，該網(wǎng)絡(luò)用于在電弧工作時，在所述第一陽極與所述的一個導(dǎo)電表面之間提供一個大約為5～10伏特范圍內(nèi)的電位差。
30.一種為實施權(quán)利要求
23的方法而構(gòu)制和設(shè)置了部件的電弧汽相淀積設(shè)備。
31.一種為實施權(quán)利要求
24的方法而構(gòu)制和設(shè)置了部件的電弧汽相淀積設(shè)備。
32.一種為實施權(quán)利要求
25的方法而構(gòu)制和設(shè)置了部件的電弧汽相淀積設(shè)備。
33.一種為實施權(quán)利要求
26的方法而構(gòu)制和設(shè)置了部件的電弧汽相淀積設(shè)備。
34.如權(quán)利要求
23所述的方法，其中，由所述電弧攜帶的電流小于約50安培。
專利摘要
一種在電弧汽相淀積涂層過程中使陰極亮點維持在露出的所需陰極汽化表面上的改進方法及設(shè)備。在淀積室中，相對于陰極對第一陽極進行構(gòu)制設(shè)置，以維持陽、陰極間的電弧。相對偏壓網(wǎng)絡(luò)維持室內(nèi)第一陽極與其它導(dǎo)電表面或室內(nèi)壁間的電位差，使離開陰極的電子被拉向第一陽極比被拉向其它表面更多。陽極在室內(nèi)的方位使電子被拉向陽極，以使陰極亮點保持在所需陰極汽化表面上，維持了低電弧電流水平下電弧的穩(wěn)定性。
文檔編號C23C14/24GK86104365SQ86104365
公開日1987年5月20日 申請日期1986年6月27日
發(fā)明者克拉克·伯格曼 申請人:安達爾公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan