电弧蒸发装置 本发明涉及一种电弧蒸发装置，它包括一个阳极、一个起阴极作用的或与之连接的靶、一个连接在该阳极和阴极上的电压源用以在该靶上或其自由表面上产生电弧或电弧斑点，以及一个设置在该靶下面的、包括一个内外环形线圈的、用来产生一个影响靶表面上电弧运动的磁场的磁性装置。
电弧蒸发装置例如用于基板的硬质材料的涂覆。为此，在一个真空室中，通过在一个金属制成的靶上产生的电弧来蒸发靶材料，蒸发地靶材料与引入该真空室中的反应气体例如N2、C2H2发生反应并淀积在基板上。如果靶用钛制成，且用氮供入该真空室，则在要涂覆的基板上淀积TiN。在这方面可参考早已熟知的方法，至于要加的电压或电流则为10至50伏或大于60安。真空室中的压力例如为0.0001至0.1毫巴(10-2帕至10帕)。
阴极的电流导通可直接向它通电或通过一个电磁线圈来实现，以便例如按DE 42 43 592 A1使靶上产生的电弧斑点的一条随机轨道运动。
EP 0 306 491 B1描述了一种电弧蒸发装置，该装置用一个靶来在基板上涂覆一层合金层，该靶在靶的不同的有源表面区段内具有至少两种不同的金属。
为了在大的靶区面积时也能实现靶材料的均匀烧蚀，可按DE 35 28677 C2在整个靶区面积上产生具有至少一个闭合环的磁场。
DE 43 29 153 A1提出了一种电弧蒸发装置，该装置在一个最好由两个线圈与一个布置在中间的(被内线圈包围的)永久磁铁一起的组合中在靶表面这样产生一个磁场，使该磁场的水平分量在靶宽度的一个尽可能宽的区域保持尽可能恒定。这样，一方面保证了电弧在一个闭合轨道内沿靶运动和在横向内(平行于该磁场的水平分量)不选择优先的位置，并在平均时间内以相同的频率通过这个横向内的所有位置。这种情况叫做“电弧运动方向的可控电弧和横向内的随机电弧”。其目的是为了达到靶的最佳利用或烧蚀。这种装置的诸多缺点是：由于永久磁铁引起的磁场分量的强度随着烧蚀不断变化，很难甚至根本不可能通过线圈进行校正。其结果是不能达到靶的最佳利用。
在不断烧蚀的过程中，电压电流特别曲线不可能保持不变，而且淀积的硬质材料层在性能上发生变化。磁场强度变化的可能性是有限的，所以不能达到一定的涂层性能。由于“随机电弧效应”，水平磁场分量的宽的水平特性曲线有利于产生电弧分支，从而导致较大的滴溅射和不希望的涂层粗糙度。此外，磁性装置的控制是相当复杂的。
在全部公知的蒸发装置中，目的是这样设计磁性装置，使之考虑下列条件或满足下列标准。由该磁性装置产生的磁场在靶表面上和其水平分量形成一个闭合的磁道。如果靶表面具有一个矩形几何形状，则该磁道总是为倒圆角的矩形。相应的场几何形状可用环形线圈(电磁铁)、用永久磁铁或用它们的组合来实现。其中重要的是，在靶上要产生的电弧的电压电流特性曲线应根据它的材料和涂覆条件最佳选择和调节，其中电流是预先给定的，电压则取决于(用可变参数的控制系统)产生的磁场、偏压、压力、气体种类等等。为此，需要磁场强度在一个大的范围内变化。实践经验表明，磁场强度可在几高斯至大约200高斯(几个10-4T至大约2×10-2T)的范围内变化。此外，需要磁场的水平分量扫掠整个靶表面区域，才可最佳利用靶材料。为此，磁场的运动必须通过线圈的控制(静态的MAC，MAC＝磁弧吸持)或通过MAC的机械运动来实现。其中，静态磁性装置易于理解，结构比较简单，因而价格比较低廉。
此外，为了达到可重复的过程，在靶的整个使用期内，必须保证磁场即其确定在靶表面上的电弧运动的水平分量可在要求的范围内进行调节。这时如果磁力线的水平分量呈陡峭下降，以抑制电弧分裂成较多分支，乃是有利的，这样就可减少滴从靶溅出，从而减小在基板上形成的涂层的粗糙度。
本发明要解决的问题是，使靶配置的磁性装置的磁场变化这样进行，扩大被电弧扫掠的靶的区域的范围，亦即实现烧蚀坑变宽。与此同时，应确保电弧在规定的轨道上运动。而且在靶的整个使用过程中，应可能达到电压电流特性曲线的恒定，从而提高经济效益。
根据本发明，这个问题大致是这样解决的，磁性装置的环形线圈的至少一个配置了一个在靶的表面区域内影响环形线圈磁场的高的相对磁导率(μr＞＞1)的元件，该元件垂直地或基本上垂直于环形线圈的内侧或外侧朝靶的表面延伸。特别是，高的相对导磁率的该元件四周包围该内环形线圈或内侧环绕外环形线圈延伸。此外，环形线圈相互同心布置。
根据本发明，内环形线圈四周被高相对磁导率的该元件包围，以便影响内环形线圈的磁场，使水平的场分量的最大值在靶中心方向内移动。所以通过一个这样设计的引起磁短路的极靴防止了磁力线在外环形线圈的方向内移动。
就外环形线圈而言，这个具有高相对磁导率的元件则在外线圈和内线圈之间延伸，即内侧沿外环形线圈延伸，该外环形线圈的磁场通过该元件向外偏移。所以通过这些叫做极靴的高相对导磁率的元件所引起的磁场变化提供了磁场的水平分量这样对准靶表面的可能性，使靶表面的大部分区域被电弧扫掠。
高导磁率的元件是指用铁或钢或铁合金例如坡莫合金之类的磁性材料制成的元件。该元件具有一个相对的磁导率μr，最好μr≥106。
通过本发明的原理，增加了靶的烧蚀宽度，从而提高了电弧蒸发装置的生产率。技术的解决方案在结构上简单而价廉，因为只用一个固定的即机械上不可调的磁性装置，几乎不担心任何干扰。避免了永久磁铁，而且磁场强度还可达到10-5T至10-2T或更大的值。
根据本发明的原理，即使按优选的方式实现一个具有内外环形线圈的磁性装置时，也可用只有一个环形线圈的磁性装置。根据本发明的原理，该磁性装置配置了一个在靶表面的范围内影响该环形线圈的磁场强度的、具有高的相对导磁率的元件，该元件最好包围该环形线圈，而且该磁性装置本身可在x和/或y方向内在一个平行于靶表面延伸的平面内进行调节，必要时也可垂直于靶表面即垂直于z轴进行调节。
本发明的其他细节、优点和特征不但可从各项含有这些-单独和/或组合的-特征的权利要求中得知，而且还可从附图所示的优选实施例的下列说明中得知。
附图表示：
图1具有两个环形线圈的磁性装置的原理图，其中的内环形线圈通电流，
图2外环形线圈通电流的相当于图1的磁性装置；
图3内和外环形线圈通电流的图1和2的磁性装置；
图4具有环形线圈和永久磁铁的磁性装置；
图5内环形线圈通电流的本发明磁性装置的原理图；
图6内环形线圈通电流的相当于图5的磁性装置；
图6a两个环形线圈通电流的相当于图5和6的磁性装置；
图7用图1至6的磁性装置所达到的典型的烧蚀轮廓；
图8用本发明装置产生的沿靶表面的磁场强度的变化；
图9磁性装置的第一实施例的透视图；
图10图9所示磁性装置的俯视图；
图11图9和10所示磁性装置的剖面图；
图12磁性装置另一个实施例的俯视图；
图13图12所示磁性装置的透视图和剖面图。
结合相同的元件原则上用相同的附图标记表示的这些附图，下面来描述电弧蒸发装置用的各种磁性装置，这些磁性装置一些对应先有技术(图1至5)，另一些对应本发明原理(图6至13)。必须说明，尽管联系公知的磁性装置进行说明，但附图所示的靶的原理布置和供电则都具有独创性的内涵。
图1至6只是原则性示出了一个阴极体10，该阴极体通过一块法兰板12可固定在一个电弧蒸发装置的一个真空室的外壳中。阴极体10包括一个靶14，该靶沿真空室一侧延伸的自由表面(靶表面16)用一个在该表面上运动的电弧斑点18或20蒸发。蒸发出的材料随即与引入真空室中的反应气体例如N2或C2H2发生反应并淀积在一块未画出的、位于该真空室中的基板上。如果靶14例如用钛制成并在该真空室中通入氮时，则在该基板上淀积氮化钛。
为了蒸发靶材料，在靶14和真空室的外壳之间通过一个电压源加电压，其中，外壳为阳极，而阴极体10和靶14则为阴极。参阅众多的公知的相关技术，所加的电压约为10伏至50伏的量级，而电流则最好大于60安。真空室内的压力例如可为0.0001至0.1巴(10-2帕至10帕)，视使用场合而定，这些值只是作为例子提及。
根据一个独特的方案，靶14从一个载体22出发。该载体通过一个绝缘子24对法兰板12电绝缘，该法兰板例如用铝制成。载体22和靶16相隔一定距离延伸，以便构成一个用冷却液加入的间隙26。此外，靶14具有一个环形的底部法兰28，靶14通过该法兰固定在载体22和一块在靶14上方延伸的固定板30之间。固定板30本身则例如用BN制成的绝缘子32覆盖并通过绝缘子34、36与基板12连接。
靶14或载体22通过螺栓、螺钉或作用相同的元件38、40与一个尤其是环形导体形式的引到电压源的电线42连接。
为了在电压加到阳极和阴极之间时形成的电弧斑点18，20沿一条规定的轨道在靶14的表面16上运动并由此烧蚀靶的材料，在靶14下方和真空室外面设置了一个磁性装置，从图1至4中可以看出先有技术公知的这类磁性装置。
例如图1所示的磁性装置42包括两个环形线圈44、46，这两个线圈基本上在一个平行于靶14的表面16的平面内延伸。环形线圈44、46安装在一个例如用塑料或铝制成的外壳48中。支架48和环形线圈44、46是固定布置的。此外，环形线圈44、46-也象本发明方案那样-相互同心并对称于靶14的纵轴延伸。
在图1中，内环形线圈44通电流，所以磁力线50的水平分量的最大值具有一个距离D1。如果在图1所示装置中在断开环形线圈44的情况下，外环形线圈46通电，则磁力线52的水平分量的最大值为距离D2。在图3中，两个环形线圈44、46都通电，于是磁力线54的水平分量的最大值为距离D3，其中可以看出D2≥D3≥D1。
所以，一条由磁力线的水平变化预定的电弧斑点18、20的轨道最多可烧蚀相当于靶14的宽度D的区域D2-D1，其结果是在靶14内形成图7所示的即通过线圈44、46的相应控制所达到的烧蚀轮廓56。D2-D1之差比靶14的宽度D小。典型的值为D2-D1≤0.5D。靶的窄的烧蚀区的原因是由于线圈44和46之间的磁通大，内线圈44的磁力线挤入外环形线圈46的方向所致。其结果是，D1相当大。虽然可设法用内环形线圈44产生大的场强来减小距离D1，但大的场强意味着增大环形线圈的几何尺寸，从而又增大D1。
换言之，在图1至3所示固定磁性装置42的情况下，只能获得靶烧蚀的相当小的区域，所以用贵重的靶材带来的却是涂层的高的生产成本。
图4表示具有相当于图1至3阴极体10的一种磁性装置的一个实施例，该磁性装置除了具有两个同轴相互延伸的环形线圈44、46外，还具有一个永久磁铁60，该永久磁铁被内环形线圈44包围并布置在靶14的中央，与DE 43 29 155 A1提出的一样。在这个实施例中，画出了在内线圈44通电时的磁力线60，这些磁力线由内线圈44的磁场和永久磁铁60的磁场的叠加而成。磁力线62的水平分量的最大值位于距离D4内。虽然在内线圈44不通电和外线圈46激励时获得了差值D2-D4的改善，但还是要忍受这样的缺点，即永久磁铁60的磁场强度原则上始终存在着，而且只能用相当大的费用通过线圈44、46来补偿。所以要调节的磁场强度是有限的。实践表明，在不断烧蚀的情况下，通过线圈44、46的过程控制不再可能达到可重复结果所需的程度，其结果是必须过早地更换靶。在图7中用附图标记64表示一个相当于图4装置的烧蚀轮廓。与烧蚀轮廓56比较，烧蚀坑显示出较大的宽度。
另一个方案是，一个靶只配置一个具有一永久磁铁的电磁装置。在这种情况中，只需这个永久磁铁至少在x和y的一个平面内平行于靶的表面运动。垂直于靶表面16即在z方向内的一个附加运动导致磁场强度本身尤其是它的走向的改变。
图5和6表示遵循本发明原理的磁性装置66的原理图。
磁性装置66包括一个例如用塑料或铝制成的支架68，该支架支承一个内环形线圈70和一个与之同心延伸的外环形圈72。环形线圈70、72大致与靶14本身的几何形状相似且在俯视图中呈倒圆角的矩形。环形线圈70、72也在一个平行于靶14的表面16的平面内延伸。此外，相对靶14的纵轴存在对称性。
与公知的装置的区别是，内线圈70被一个用铁磁材料例如铁或钢或坡莫合金制成的环形极靴74包围，亦即这类材料具有高的相对导磁率μr，特别是μr≥104，最好≥106。
外环形线圈72内侧也被一个用相应材料制成的极靴76界定，且该极靴与极靴74同轴延伸。在图5和6中还画出了在单是接通内环形线圈70或单是接通外环形线圈72(图6)时的磁力线。
从图5可以看出，由内环形线圈70产生的场线78的水平分量的最大距离为D5，而在外环形线圈72通电和内环形线圈70断开时，磁力线80的最大距离则为值D6。可以看出，D6-D5之差比图1至3实施例的D2-D1之差大得多，也比图4的相应差大得多。所以如图7所示，可获得较宽的烧蚀轮廓82。这又意味着，与先有技术比较，具有磁性装置66的电弧蒸发装置的生产率获得了提高，与此同时，可自由选择阻抗而与烧蚀状态无关。
下面对较大的差即烧蚀坑的宽度进行说明。包围内环形线圈70的极靴74用一种具有大的相对磁导率的材料制成，由于该极靴的磁阻很小，在线圈70通电时，磁力线的绝大部分流经极靴74。尽管如此，场线78仍必须在环形线圈70的中部(沿靶14的中轴)流动。通过极靴74的磁短路，防止了场线在外环形线圈72的方向内的偏移。所以，场78的水平分量的最大值移到靶中间，亦即距离D5变成小于图1至4实施例所示的距离。如果外环形线圈72通电，则产生相反的效应。沿外环形线圈的内侧并与它同心延伸的极靴76的磁短路引起磁通的变化，其结果是磁力线80向外移动，所以，场的水平分量的最大距离增加。在图6中，这个距离用D6表示。其结果是，获得了D6和D5的较大的差，并由此改善靶的利用，同时提高了动态特性。象先有技术那样，磁力线的最大值的移动是通过线圈70、72所加电流的相应变化或其断开和接通来实现的。
图6a表示一个相当于图5和6的磁性装置，其中，内环形线圈70和外环形线圈72都通电流。这样产生的磁场的最大水平分量向里或向外移动，视线圈70、72的通电而定。在本实施例中，有效磁场的最大分量用距离D7表示。
图8给出了靶14对面的磁场强度H的水平分量，环形线圈70、72和极靴74、76从该极靴的中点开始对称延伸到该极靴。这个磁场强度即内线圈70的水平分量窄而且迅速下降(实线)，而由外环形线圈72引起的磁场强度则宽而且缓慢下降。这样，在靶表面16上运动的电弧斑点18、20只有一条窄的轨道，从而抑制了运动的分支，并由此减少了溅滴。
现在对图8进行一般的说明，原则上，靶表面上的电弧可觉察到的磁场的水平分量的变化可从该图查出。由于该磁场的有利的电离作用(水平分量)，电弧优先沿着较高场的轨道运动。如果磁场的水平分量按图8的曲线1变化，即为一条快速下降的曲线，则电弧首先停留或运动在宽度x1的区域内。但如果磁场的水平分量按图8的曲线2变化，则电弧停留在区域x2内，其中x2＞＞x1。所以磁场呈曲线1变化的情况下，电弧被明显地定位和控制。
从而在接通内外环形线圈70、72时，极靴74、76不再具有决定性的意义，也变得很明显，确切地说，显示出了这两个线圈对增加烧蚀宽度的作用。
对图1至4先有技术的磁性装置与本发明的磁性装置进行的试验比较得出了如下的结果。在全部试验中，靶14的宽度D都为140毫米，长度为750毫米。在图1中用H表示的靶表面16和相应支架48、68的表面之间的距离为25毫米。所用的内外环形线圈44、46或70、72分别具有相同的尺寸，其中，内环形线圈44、70在宽度(平行于靶表面16)为22毫米和高度(垂直于靶表面)为55毫米时用3200安培表征，而外环形线圈46、72在宽度为18毫米和高度为55毫米时则具有2500安培。在图1至3所示的装置中，即在只有两个相互同心延伸的环形线圈时，在水平分量的最大值之间的区域内，水平的磁场强度调到了0至40高斯。得出距离D1的值为80毫米，D2的值为115毫米，所以差为35毫米。在靶14的中心点或沿其中心轴具有永久磁铁60的磁性装置58时，在磁力线的水平分量的最大值之间得出的水平磁场强度为20至50高斯，其中，D4为55毫米，D2为120毫米，所以差为65毫米。
上述结果原则上是8至12安的电流通过250至350匝的线圈得出的。
在遵循本发明原理的磁性装置66中，在水平分量的最大值之间的区域内的水平磁场强度在0和80高斯之间变化，其中在最大值之间得出的值D5＝30毫米，D6＝120毫米，所以差D6-D5约为90毫米。
试验表明，即使只有内环形线圈70配置一个同心包围它的用一种大的相对磁导率材料制成的极靴74，与公知的装置比较也达到了改善的烧蚀轮廓。
图9至13表示遵循本发明原理的磁性装置的原理图。图9至11的磁性装置包括一个用铝-必要时也用塑料-制成的称为基体100的外壳，该外壳平行于靶14的表面16布置。在基体100的内部，布置了内环形线圈70，该线圈被同心包围它的极靴74包围。在所示实施例中，内环形线圈70包围基体100的一个条形段102，这个条形段沿靶14的中轴和垂直于其横轴延伸。内极靴74又被基体100的一个同心包围内环形线圈70和内极靴74的壁104限定，外环形线圈72对应的第二个极靴74外侧沿该壁延伸。最后，外环形线圈72被基体100的外壁106包围。
必须指出，条形段102应尽量窄-几乎接近0-或必要时用“空气”或一种非磁性材料例如塑料代替，以便更进一步减小图5中所示的距离D5。
从图9、10和11可以看出，环形线圈70、72和它们配置的极靴74、76是同心相互延伸并对准靶14的纵轴或横轴。
图12和13的实施例与图9至11的实施例的区别在于，只有内环形线圈70配置了一个极靴74，而外环形线圈72内侧和外侧则被基体100的区段即外壁106和中间壁108限定，该中间壁相当于图9至11的壁104的作用。
极靴74、76或环形线圈70、72的典型尺寸为：内极靴74在高度上相当于内环形线圈70的高度即例如60毫米时可具有5至10毫米的宽度。而外极靴76则最好具有3至8毫米的宽度，外环形线圈的高度例如可为60毫米。线圈70、72本身最好通0至20安的电流强度。