专利名称：基材处理的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在电弧汽化装置中处理基材的方法，如蚀刻，在此装置中，用于汽化靶材料和产生金属离子密度的强度I的弧电流在阳极和作为阴极的金属靶之间的抽真空的空间内流动。此外，本发明还涉及一种在电弧汽化装置中基材的处理装置，如蚀刻处理，该装置包括带有一个阳极以及至少一个由金属组成的靶构成的阴极的真空室。
背景技术：
为了在材料上，如零件层上，特别在硬质金属层上镀覆，要求待镀覆表面无原子级的杂质，以便使待镀覆材料的牢固的粘附成为可能。
例如在真空室中，在电压介于400V到1500V之间时，电流强度介于1A和10A之间时，通过镀覆来完成此层的镀覆。如果使用电弧技术，那么在100A数量级的电流流动下阳极和阴极之间的电压一般是20V。
EP0306491B1公开了一种电弧汽化装置。为了在零件上镀覆合金层，使用一种靶，其在靶的不同活性平截面上具有至少两种不同金属。
DE4243592A1公开了经电磁线圈向靶输入电流，其产生对于电弧位置移动所需要的磁场，因此对于金属汽化和等离子产生来说，电弧位置会在靶的整个平面的随机轨迹(Randombahn)上移动。
对于待镀覆基材如工件的预处理，甚至蚀刻，按照每个阴极上高的、在稳定的弧电流下形成的金属离子密度，要确定的是，不希望出现下列结果如基材(工件)的高的升温和由此产生的基材的基质材料硬度相应损失以及基材几何尺寸的改变，或者通过靶材释放的原子和原子结合(Atomverbnde)(小滴)而使汽化材料镀覆，因此获得了待镀覆层的差的粘结以及基材的打毛。
本发明解决了此问题，扩展了本文开头提及的这种方法和装置，以便在所需要的范围内完成了如基材蚀刻的处理，而不发生不允许的升温。此外建立了这种可能性，即能够极其迅速地清除干扰基材处理的分子(残余气体原子)。最后应该保证的是，当电弧汽化装置中存在很多靶时，应该排除在未使用靶上的寄生的沉积。
发明内容
通过本文开头提及的方法在根本上解决了此问题，即通过至少部分遮盖靶而调整用于基材处理的每个靶上有效的金属离子密度。特别地，使每个靶上金属离子密度如此改变，即弧电流强度明显地减小到值，在该值下，阳极和阴极之间通常会有不稳定的弧电流流动。
根据本发明，以这种方式影响用于待处理基材的每个靶的有效金属离子密度，即此浓度随着在阳极和靶之间的不变的稳定的电弧下减小至不发生不允许的基材升温的范围内。换句话说，电弧的电流强度明显向一个值减小，在该值下，就其本身而言，线性电弧源在压力范围例如为≤0.0001毫巴的低压时不再具有稳定的运行条件，同样在电流低于60A的时候(对于典型的矩形汽化器)。
从此，按照每个靶的金属离子密度，小的电流强度对基材产生效果，因此所期望的处理如蚀刻可以不在由于过热而导致基材变化如基材变形的危险下进行。因此，每个靶的金属离子密度能够通过将靶的基材侧用至少一个遮板例如能活动的面板在所期望的范围内遮盖。特别地，使用两个的能活动的面板来遮盖靶的基材侧。
任选地，靶的基材侧被相对可调整的，如具有可移动开口的元件遮盖，其中通过对元件进行调整，使开口互相排成直线或者偏心地对准所需范围。由于这些可能性，对基材有效的每个靶的金属离子密度是可调的。
另外，在本发明的进一步发展中规定，在靶和遮板之间，所产生的等离子被用来将气体分子结合到遮板的靶侧的表面上，还可以用作吸气剂泵，因此可以提供具有较高的抽运功率的吸气剂泵。已经测量出，在每个靶100A时，总共4个活性靶的情况下，抽运功率为每秒10000升，对此，靶可以由钛或铬或其他具有吸气能力的靶材组成。
在遮盖的靶的情况下所构成的吸气剂泵具有抽运功率，其比在电弧汽化装置中集成的涡轮泵的实际抽运功率大很多，其功率一般为每秒500到1000升。如果将基材蚀刻，本发明所构成的吸气剂泵的抽运功率会特别有效。因此，应该防止的是，气体分子填充在待处理基材的表面中，从而对所期望的表面的粘合效果产生负面的影响。
另外，由于在一个或多个靶与基材侧的封闭遮板之间所形成的等离子的影响，而产生了优势，即实际的处理过程，如蚀刻过程，比在一般的仅通过常规分开的泵的运转的电弧汽化装置情况下开始得要早。对比测量显示，采用本发明的原理，时间会毫无困难地缩短1/3。通常情况下，基材加热速度会快于室内部的起泡速度。
还可以看出本发明原理的另外一个优势是，未使用的靶通过完全遮盖被保护了起来，以避免在待处理基材加热时或在仅用一个阴极的沉积期间寄生沉积物。因此，对于如果需要脏的靶，附加的清洁过程是必需的。
而且在基材的镀覆时也存在优势，因为例如在使用由钛组成的靶并输入氮气时用氮化钛镀覆基材时，通过靶遮板这样控制地进行层的涂覆，即甚至可以形成纳米级的极其精确的薄的层。还有可能形成多层涂层，如果需要，其由不同材料组成，只要投入使用的靶自身由不同材料组成。
按照本发明原理能够得到另外的优势。电弧可以被“隐藏”起来而代替切断电弧，因此不会发生等离子中断。所以可以得到更好的涂层品质。此外，可以在压力为10-3mbar范围内用惰性气体如氩进行蚀刻。这种在其他情况下不可能的惰性气体蚀刻由于非常小的离子电流能够在基材上产生非常稳定和小心的作用。按照现有技术需要安装非常昂贵的电离辅助物。换句话说，在同时产生吸气剂泵效果时，也可能发生惰性气体离子蚀刻。
因此，本文开头提及的这种装置的特点是，靶在基材侧期望范围内用遮板能够遮盖。在这种情况下，遮板可以是单扇的或多扇的，特别是两扇的面板。还有的可能性是，可以由一个或两个相互错开的薄板冲孔元件包围靶，以便以所需的大小遮盖或打开薄板冲孔中存在的小孔。
本发明的其他细节、优势和特征不仅由权利要求书得出，由权利要求书获得的特征本身或者它们的组合得出，而且由下面对从附图得出的更优选的实施方案的描述得出。
附图中图1表示电弧汽化装置的真空室原理2表示通过附加于靶的遮板延伸在基材上作用的等离子体的原理3表示在电弧汽化装置中产生的金属离子密度与弧电流的关系图表具体实施方式
图1仅是纯理论描述电弧汽化装置10，其具有一个真空室12，该室带有设置于其中且起到阴极作用的靶14、16、18。在真空室12内部存在有比如设置在旋转盘上的基材20，根据本发明的教导，应该至少蚀刻该基材，但特别优选先进行蚀刻再进行涂覆。这里所需的等离子体是通过连接于汽化腔12或其壁24上的阳极和阴极或靶14和/或16和/或18之间形成电弧流从而使靶材料汽化而得到的。但是就此点而言可以参阅许多解释和技术，关于待施加的电压可以完全一致地在20伏，或者电流在100安。电弧室12内的压力取决于将产生的等离子体或者蚀刻或涂覆过程，可以位于示例性的，比如，10-4到103Pa的范围内。
经由附加在各靶14、16、18上的电压源22a、22b、22c来首先单独地或理想地，共同对前者施加电压。
现根据本发明，靶14、16、18可以在所希望的范围内相对于基材进行遮盖，因此使得每个靶14、16、18的金属离子密度可以变化，更确切地说就是要调节在一个范围内，使得虽然电弧流很稳定且因此而在汽化的靶14、16、18表面上形成一个电弧点，但是在蚀刻过程中基材18不会发生不希望有的过度加热情况。
因此要保证对基材20表面所需范围进行清洁，以便其后涂覆金属层，如硬质合金，可以具有很好的结合效果。
在实施例中遮板26、28、30是两扇活板32、34，它们根据其位置，相互配合可以完全遮盖住各个靶14、16、18，或是留出所希望宽度的缝36，由此而形成沿基材20方向的等离子体。这些根据图2所示将更加清楚。其中一般性地描绘了用于靶40的支架38，靶上表面借助也是标作闸板的活板42，44而可以沿着未示出的基材方向进行遮盖的。
在图2的小图1中，活板42，44完全关闭，从而不会在基材方向上比如由钛离子产生等离子体。
在位置2处活板42，44相互具有一个缝隙46，该缝可以实现沿着基材方向射出等离子体48。等离子的延伸以及因此而产生的金属离子密度的变化，在此都取决于活板42，44之间槽的宽度，如图2中另外的小图3和4所示。因此，可以通过活板42，44的位置来将由靶14上释放出来的金属离子的密度变化到理想的范围内，这样的结果是轰击基材上的金属离子的密度可以以这种方式进行变化，使得在清洁过程中，因此也在蚀刻过程中消除了不希望出现的过度加热现象。
但当用金属层，如氮化钛进行涂覆时，活板42、44可以提供以下优点，即可以在基材20上有针对性地涂上薄层或多层，层本身可以由不同的材料组成——也即当在真空室12中存在能根据所希望出现的层顺序产生作用于基材的等离子体的不同材料制成的靶时。
遮板26、28、30，也就是活板32、34或是42、44的作用在于以这种方式实现电弧流强度的相对降低，实现每靶或阴极的金属离子密度能按所希望的那样降低。哪怕当电弧流降低到再也不能得到稳定电弧的数值时——也即在60安培或更小的范围内，在0.0001mbar或更小的真空室12内压力范围内——也可以借助遮板26、28、30降低作用于基材20的每阴极上的金属离子密度。上述该范围在图3中以标记50标识出来。换言之，电弧流虽然会相对降低，但是其本身并不会导致电弧的不稳定。因此比较有利于进行低温涂层。
将阴极或靶14、16、18完全遮盖住这一可能性还带来了另一些优点。当相应的靶完全被遮盖时，在靶14、16、18上形成电弧，则可以实现吸气剂泵的功能。在这种情况下，由于在靶和遮板间形成等离子体，所以存在于真空室中的气体分子就会通过在遮板上析出的靶颗粒而被结合掉，结果是其气体分子不会或只会以可忽略的量嵌入到基材20的表面中。该过程中，相应产生的吸气剂泵的泵功率为，例如，10000升/秒，而电流强度为100安培/阴极，并且总共使用4个活性阴极。通过该附加条件，就可以比已知方法更早地进行原来的蚀刻过程。
另一项优点在于，可以将不使用的靶完全遮盖，从而免除了必需的分离除杂过程。
因此，本发明的教导还提供了以下优点更好的表面清理，更好的待涂覆金属层的粘结，工艺过程缩短，避免了不使用的靶的污染，
形成层的序列，形成极薄的层(纳米级的层)，实现低惰性气体压力下的有效惰性气体离子蚀刻，通过减少连续等离子体时的离子密度来进行更好的低温涂层过程。
权利要求
1.在电弧汽化装置(10)中基材(20)的处理方法，如蚀刻，在此装置中，用于汽化靶材料和产生金属离子密度的强度I的弧电流在阳极和作为阴极的金属靶(14，16，18，40)之间抽真空的空间(12)内流动，其特征在于，通过靶(14，16，18，40)的至少部分遮盖而调整用于基材(20)处理的每个靶上有效的金属离子密度。
2.权利要求1所述方法，其特征在于，使每个靶(14，16，18，40)上金属离子密度如此改变，即弧电流强度明显地减小到一个值，在该值下，阳极和阴极之间会有不稳定的弧电流流动。
3.权利要求1或2所述方法，其特征在于，每个靶(14，16，18，40)上金属离子密度随着在阳极和靶之间的不变的稳定的电弧下减小至不发生不允许的基材升温的范围中。
4.前述权利要求中至少一项所述方法，其特征在于，靶(14，16，18，40)的基材侧被至少一个遮板(26，28，30)，优选能活动的面板(32，34，42，44)，在所需的范围内遮盖。
5.前述权利要求中至少一项所述方法，其特征在于，靶(14，16，18，40)的基材侧被两个能活动的面板(32，34，42，44)在所需的范围内遮盖。
6.前述权利要求中至少一项所述方法，其特征在于，靶(14，16，18)的基材侧被相对可调整的，如具有可移动开口的元件遮盖，其中通过对元件进行调整，使开口互相排成直线或者偏心地对准所需范围。
7.一种在电弧汽化装置中处理基材的装置(10)，如蚀刻处理装置，其中包括真空室(12)，此室带有一个阳极以及至少一个由金属组成的靶(14，16，18，40)构成的阴极，其特征在于，靶(14，16，18，40)的基材侧在所需的范围内用遮板(26，28，30，32，34，42，44)遮盖。
8.权利要求7所述装置，其特征在于，遮板(26，28，30)是单扇或多扇，特别是双扇面板(32，34，42，44)。
9.权利要求7或8所述装置，其特征在于，用具有相对可调整/可移动的开口的元件在基材侧遮盖靶(14，16，18)，其这样相互调整，即使开口互相排成直线或者偏心地对准所需范围。
10.该装置在遮盖的和用电弧轰击的靶(14，1 6，18)下用于气体分子吸气的应用。
11.该装置用于惰性气体离子蚀刻的应用。
全文摘要
本发明涉及一种在电弧汽化装置(10)中处理基材(20)的方法和装置。在电弧汽化装置(10)中，强度I的弧电流在阳极和作为阴极的金属靶(14，16，18)之间的抽真空室(12)内流动。所述的弧电流常用于汽化靶材料以制造金属离子密度。本发明的目的在于处理基材(20)而不导致不符合要求的升温。结果是，每个靶(14，16，18)的金属离子密度至少部分覆盖了靶，所述金属离子密度能有效地用于处理基材。
文档编号C23F4/00GK1533445SQ02811250
公开日2004年9月29日 申请日期2002年6月4日 优先权日2001年6月5日
发明者H·库尔廷斯, H 库尔廷斯 申请人:瑞士-普拉斯股份有限公司, 赫伯特 M·加百利