碳火花蒸發(fā)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于運行脈沖斷續(xù)火花放電的方法?；鸹ㄍㄟ^電容器來饋電。在脈沖之間有斷開的時間間隔，在斷開的時間間隔期間沒有火花電流流動。在脈沖之內，即在接通的時間間隔期間在達到電流閾值時電荷輸送被停止并且重新開動，使得在脈沖之內出現(xiàn)子脈沖。按照本發(fā)明，時間間隔和子脈沖被選擇，使得在重新接通電容器時火花放電沒有困難地重新點燃。
【專利說明】碳火花蒸發(fā)
[0001]本發(fā)明涉及一種用于陰極火花蒸發(fā)碳靶或含碳多的靶以便制造碳層或包含大量碳的層的方法。
[0002]本發(fā)明尤其涉及制造沒有氫含量或僅具有小的氫含量并且其硬度可以在寬范圍內變化的硬碳層。
[0003]按照本發(fā)明，對一種裝置進行說明，所述裝置允許在低壓時通過電氣途徑、即無需機械的點火接觸并且以相應高的重復頻率的可能性點燃火花。
[0004]此外，所述裝置允許，在面積也較小并且具有小的磁場支持或沒有磁場支持的碳靶上安全地對火花進行引導，以便保證在真空中可再生的涂層。
[0005]按照本發(fā)明，在另一部分中對一種裝置和一種方法進行描述，所述裝置和方法允許在涂覆時對多次充電的碳離子的含量進行控制并改變涂覆速率。
[0006]方法和裝置之間的有利的組合被用于大大地降低或避免在火花蒸發(fā)時產生的飛派物(Spritzer)嵌入沉積的層之中。
[0007]最后，本發(fā)明還涉及一種利用該方法在使用所公開的裝置的情況下制造的不含氫的碳層，所述碳層的硬度和表面粗糙度可以在寬范圍上變化并且利用所述碳層可以有目的地優(yōu)化由涂覆體和對應的相接件形成的摩擦系統(tǒng)。
[0008]所述層的一個重要的實施在于，摻雜有其它元素，尤其是金屬和氣體，但是沒有較大量的氫被嵌入。
[0009]碳的陰極火花蒸發(fā)是多年以來已知的用于涂敷工具和元件的方法。在該方法中靶由待蒸發(fā)的碳組成并且在火花放電中作為陰極運行。
[0010]現(xiàn)有技術是利用脈沖火花電流執(zhí)行碳的陰極火花蒸發(fā)。直流運行導致火花“咬住”在靶的一個位置上。這可能在于，與通常的用于較高溫度的金屬導體不同，石墨具有較小的比電阻并且因而在較小的電壓時在靶的已經熱的位置上促進火花運行?；鸹娏鞯拿}沖使火花轉向，并且阻止火花停留在斑點上并且因此燃燒到靶中。
[0011]原則上有兩種生成脈沖火花電流的方式。第一種方式(以下稱為方法A)在于，使額外的電流脈沖IKP與持續(xù)的火花電流IKD疊加。這在圖1中被示意性地示出。另一種方式(以下稱為方法B，圖2)在于，只是使火花電流的電流脈沖IKP接連排列，其中在電流脈沖之間總是再次切斷電流并且因此也必須為每一個脈沖再次重新點燃火花，也就是說，以斷續(xù)的火花電流工作。
[0012]兩種方法具有優(yōu)點和缺點。在Grimm發(fā)表的文章EP_00666335_A1中描述的方法A具有優(yōu)點，即只需要一個點火過程來觸發(fā)持續(xù)的火花電流IKD。電流脈沖IKP與所述持續(xù)的火花電流疊加并且因此不需要自己的點火，如果電流脈沖具有高的頻率，這是特別有利的。因為由此只是在涂敷過程開始的時候必須觸發(fā)持續(xù)的火花電流，因此可以以穩(wěn)健的和在生產時通常的點火通過陰極與陽極之間的短時間的低歐姆的機械接觸工作。可以通過并聯(lián)的電容器放電裝置或通過并聯(lián)的單極電壓電源使由直流電源饋電的持續(xù)電流IKD與脈沖電流IKP疊加。但是，也可以使用商業(yè)上可獲得的脈沖電流電源(例如那些為脈沖焊接開發(fā)的電源)，所述脈沖電流電源允許在某一范圍內調節(jié)脈沖參數(shù)(頻率、脈沖高度、脈沖寬度、脈沖陡度)。
[0013]相應地，在Ramm等人發(fā)表的文章W02009 / 059807中對尤其用于制造ta_C層的脈沖方法進行了描述。在此，導致基本電流的直流電壓與電壓脈沖疊加，所述電壓脈沖影響電子發(fā)射特性，使得阻止火花底點的“咬住”，也就是說，阻止火花底點較長時間地停留在靶表面的非常小的區(qū)域上。在此，直流電流電源利用基本電流實現(xiàn)，使得等離子放電被保持不中斷。
[0014]但是，如果方法A被用于制造硬的碳層，在這種方法中持續(xù)的通過電流的必要性具有兩個缺點。第一個缺點在于以過高的速率、即通過持續(xù)的火花電流經由蒸發(fā)施加層的危險。已知的是，過高的涂覆速率減少碳的類金剛石的sp3鍵,這在由Yin等人在ThinSolid Films (1996) 95-100 中發(fā)表的著作“A theory for the formation of tetrahedralamorphous carbon including deposition rate effects，，中被描述。
[0015]于是這導致，沉積的層變得更軟，如果這些層應被用作防磨損層，則這是不值得期望的。一種可行的解決辦法在于，以或多或少大的時間間隔中斷涂覆。但是這于是意味著，每次必須再次重新點燃并且由此部分地失去在脈沖電流與持續(xù)的火花電流的組合時僅一次性點燃的優(yōu)點。該方法的另一個缺點在于，較高地被加載的碳離子的含量在持續(xù)的火花情況下較低。
[0016]另一種方法、即方法B利用電流脈沖工作，在所述電流脈沖之間火花電流分別再次退回到零。為此必要的是，每個電流脈沖也必須再次重新被觸發(fā)。存在多種實現(xiàn)這種點火過程的方法。這些方法例如在由Anders等人在J.Phys D:Appl.Phys, 31, (1998), 584-587發(fā)表的Triggerless' triggering ofvacuum arcs”中被描述。所有這些方法都具有共性，即它們在開始時在陰極或陽極上生成等離子體，然后所述等離子體使這兩個電極之間的路段對于火花放電來說足夠導電，該火花放電于是在靜態(tài)下在小的放電電壓的情況下進行。點火機構的可靠性是不同的。這也適用于在特定點火裝置必須再次被檢修之前利用該特定點火裝置可實現(xiàn)的最大脈沖數(shù)。這意味著，每次都必須執(zhí)行大規(guī)模的維護工作。在最好的情況下沒有這樣的修正而實現(xiàn)大約100000個脈沖。這將意味著，在30小時的運行時間之后(在IHz的脈沖頻率情況下)這樣的修正將等待處理。但是，如果利用更高的頻率、例如IkHz的脈沖頻率工作，則該過程將必須在將近2分鐘之后被中斷。于是利用現(xiàn)有的點火機構還要更少地可實現(xiàn)較高的頻率。但是，目前幾乎沒有使用超過IOHz的頻率，至少沒有在生產中用于涂覆過程。其原因在于，脈沖的重復率受電容器的充電時間的限制。也就是說，在方法B中的脈沖的持續(xù)時間(長度)通常通過電容器放電的特性參數(shù)或通過在火花電流電源中的脈沖持續(xù)時間斷開被調節(jié)。
[0017]總的來講可以說，方法A和B相互比較具有優(yōu)點和缺點。在方法A中只需要初始點火并且然后持續(xù)的火花電流與頻率也很高的電流疊加。但是，可能不利的是，直流電流部分確定對層特性起過大影響的最小蒸發(fā)速率。以下事實也是不利的，即脈沖內的火花電壓只是短時間地導致可困難地控制的、通過直流火花放電的低阻抗確定的電壓升高。這也許限制多次充電的碳離子的生成。
[0018]方法B的優(yōu)點是在點燃火花時相對高的電壓(對多次充電的碳離子的生成的積極影響)和以下可能性，即調節(jié)火花持續(xù)時間，使得在火花到達靶邊緣并跳躍到其它材料上之前使火花(例如在靶中心中點燃時)中斷。脈沖的頻率首先受點火機構的速度的限制。但是，如上面已經論述的，大多數(shù)的點火方法在高頻率時并且在長的過程持續(xù)時間上是不可靠的和/或造成太高的費用。
[0019]根據到目前為止所述的內容，因此如下方法是值得期望的，所述方法有小的直流電流部分就夠了或沒有直流電流部分也行，但是在此情況下在脈沖內具有高的工作電壓，此外在該高的工作電壓情況下能夠以高的頻率工作并且可靠地并以少量的花費進行脈沖點火。
[0020]在用于在碳靶上點燃并且運行陰極火花的方法情況下的缺點因此可以概括如下:至今的在火花蒸發(fā)情況下的方法或是以與脈沖疊加的直流火花電流為基礎或是以通過額外的點火裝置運行的斷續(xù)的火花為基礎。方法A的脈沖疊加只導致在脈沖上升時火花放電的小的電壓升高和多次充電的離子的隨之出現(xiàn)的相對較少的生成。此外，電容器的必要的充電時間限制脈沖部分的“占空比”。在方法B的純脈沖運行的情況下頻繁的點燃降低涂敷過程的可靠性和/或只能通過很昂貴的解決方案實現(xiàn)。
[0021]本發(fā)明的目的是，對一種用于碳的陰極火花蒸發(fā)的方法進行說明，利用所述方法能夠以很高的頻率和短的脈沖持續(xù)時間實現(xiàn)點火序列，而方法A(不斷地置于下面的直流電流)和方法B (在每個脈沖時點燃)的限制不是必要的。
[0022]優(yōu)選地，所述點火方法不僅可以與如可以在方法A中應用的“緩慢的”初始點燃組合，但是也可以與如在Anders等人中所述的斷續(xù)脈沖運行的“快速的”、不是以機械接觸為基礎的點火方法組合。
[0023]本發(fā)明應能夠實現(xiàn)斷續(xù)的脈沖運行，而在初始點燃之后不需要額外的、外源的點火機構。
[0024]本發(fā)明的一個重要方面是以下可能性，即針對脈沖調節(jié)放電電壓的大小，以便由此有目的地影響碳蒸汽的離子化程度。
[0025]本發(fā)明的另一個目的在于，對用于制造碳層的涂敷方法進行說明，所述方法在火花涂敷時允許可變的脈沖-間歇比，以便因此在襯底上實現(xiàn)最佳的涂覆速率調節(jié)。
[0026]此外，按照本發(fā)明的方法應是對方法A的改進，其方式是，按照本發(fā)明的方法與由短脈沖時間的單個脈沖的快速序列形成的多脈沖組合提供以下可能性，即，使火花放電的放電電壓相對于在傳統(tǒng)的直流電壓火花放電的情況下的放電電壓顯著提高。
[0027]該任務通過如下方式來解決，即在陰極火花蒸發(fā)時火花放電借助至少一個電容器的放電來實現(xiàn)并且相應的放電電流以通常的方式通過周期性地接通和斷開電容器被控制，其中按照本發(fā)明，在接通的時間間隔之內放電電流在達到事先確定的大小時短時間地被中斷。這在脈沖之內導致另外的脈沖,這些脈沖在下文中被稱作子脈沖。
[0028]令人驚訝的是，不需要直流電壓部分用于初始化子脈沖。也就是說，在脈沖之內，火花放電可以在斷開電壓之后沒有困難地再次被啟動。不需要從外部觸發(fā)的點燃。同樣不太必要的是通過直流電壓部分來保持火花。
[0029]但是，還要更令人驚訝的是，由于在真正的脈沖到期之后、在斷開電容器之后和在靜止間隔到期之后的子脈沖，接通電容器導致重新啟動火花放電，更確切地說沒有困難地，即，不需要從外部觸發(fā)的點燃。因此在脈沖之間也不需要基本電流。與在現(xiàn)有技術中不同，按照本發(fā)明，火花運行以顯著的中斷進行。
[0030]這一方面具有優(yōu)點，即通過在接通的時間間隔之內的子脈沖，蒸發(fā)的粒子的電離明顯增加。另一方面，在靜止間隔之后只通過接通放電電壓來再次點燃火花的可能性具有優(yōu)點，即可以沒有問題地限制涂覆速率并且因此此外存在實現(xiàn)sp3含量大的硬碳層的可能性。
[0031]為什么可以沒有困難地在子脈沖時重新點燃以及在靜止間隔之后重新點燃還沒有完全搞清楚。但是，發(fā)明人猜測，通過提高蒸發(fā)的粒子的電離度，點火閾值大大被降低，使得低的電壓已經足以重新點燃火花。猜測，這可能還由于離子化的粒子的惰性、尤其是也在靜止間隔到期之后適用。
[0032]必須指出，根據子脈沖的脈沖持續(xù)時間和數(shù)量可以將脈沖之間的靜止間隔選擇為多長的問題與所使用的火花蒸發(fā)設備的當前情況直接相關。但是專業(yè)人士根據實驗可以容易地確定，在哪一個靜止間隔持續(xù)時間的情況下不再點燃火花。
[0033]下面根據實例并借助于附圖對本發(fā)明進行詳細描述，而這并不對一般的發(fā)明構思進行限制。
[0034]附圖示出:
[0035]圖1:方法A (現(xiàn)有技術)的示意圖，
[0036]圖2:方法B (現(xiàn)有技術)的示意圖，
[0037]圖3:真空涂覆設備和具有電源的布線，
[0038]圖4:在根據按照現(xiàn)有技術的方法A以500Hz的脈沖頻率運行火花放電時UKA和IKP的時間變化曲線。作為脈沖長度，預先給定了 100 μ S的時間，
[0039]圖5:在根據按照現(xiàn)有技術的方法A以500Hz的脈沖頻率運行火花放電時更好地被分辨的單個脈沖的UKA和IKP的時間變化曲線。該脈沖的觸發(fā)信號為100 μ S。在預先給定的脈沖時間期間實現(xiàn)電流上升，其中電流已經在100 μ s之前達到可自由選擇的、大約720Α的電流限制，這導致在大約40 μ s之后的電壓斷開。
[0040]圖6:在脈沖火花放電(改進的方法Α)情況下的運行的圖解說明。直流電流電源
(5)提供30Α的IKD(未顯示)。脈沖利用脈沖電流電源(6)與該直流放電疊加。在圖中示出了脈沖電流IKP。在該情況下脈沖長度被確定為800 μ s (觸發(fā)信號被說明)。在脈沖之間設定了 1200 μ s的脈沖間歇。分別在大約700Α時進行電流斷開。在這些條件下觀察在預先給定的脈沖的長度上脈沖束的形成，所述脈沖束分別由6個子脈沖組成。
[0041]圖7:圖6的曲線的更好的時間分辨率。在大約700Α時在電流限制的情況下預先給定的脈沖長度為800 μ S。在該脈沖長度內通過電流限制生成6個子脈沖，其中在每個子脈沖內電壓經過大約40 μ s被穩(wěn)定在較高的水平上。
[0042]圖8:脈沖火花放電的按照本發(fā)明的運行。該圖顯示對于切斷的(對應于只利用斷續(xù)的脈沖的運行)直流電流電源(5)的情況UKA和IKP的時間變化曲線。預先給定1000 μ s的脈沖長度和同樣1000 μ s的脈沖間歇。
[0043]圖9:圖8的更好的時間分辨率。顯示了具有7個子脈沖的單個脈沖。從曲線可以看出，60V左右的點火電壓足以在單個脈沖之內再次觸發(fā)子脈沖，而不需要額外的點火裝置。令人驚訝地，這些電壓也足以在ΙΟΟΟμ s之后再次觸發(fā)單個脈沖。
[0044]圖10:該圖顯示對于900 μ s的預先給定的脈沖持續(xù)時間UKA和IKP的時間變化曲線(按照本發(fā)明沒有直流電流置于下面)，在該變化曲線中生成6個子脈沖。作為脈沖間歇，選擇了 IlOOys的時間。對于這種情況，點火運行利用純斷續(xù)的脈沖正好還能實現(xiàn)。對于該根據實驗的配置中的較短的脈沖長度和較長的脈沖長度，不再能夠可靠地保證點火。
[0045]在圖4?6中分別示出了 3個曲線。最上面的曲線對應于電流變化曲線。右側的軸相應地是相關的。中間的曲線對應于電壓變化曲線。左側的軸相應地是相關的。最下面的曲線應只顯示脈沖持續(xù)時間。其幅度是按隨機單位選擇的。
[0046]在OC Oerlikon Balzers股份公司的Innova型號的真空涂覆設備上進行了試驗。對于專業(yè)人士通過說明書該方法到另外的真空涂覆設備的可轉用性。
[0047]真空涂覆設備示意圖性地在圖3中被示出并且包括可抽成真空的容器1，可旋轉的襯底支架4位于所述容器內，用于接納待涂覆的襯底。在全部的試驗中,氬氣以200sccm的流量被準許進入抽成真空的容器內，其中在容器內出現(xiàn)0.6Pa的總壓力。氬氣的壓力范圍可以在寬范圍內變化并且也可以使用其它氣體，例如氮氣。
[0048]此外，火花蒸發(fā)源位于該可抽成真空的容器內，所述火花蒸發(fā)源包含待蒸發(fā)的由碳構成的靶2。靶2相應地以被機械支承并且與接地的容器I絕緣的方式被安裝。該靶作為火花放電的陰極被連接。附加地，陽極3位于容器內，所述陽極優(yōu)選地被安裝在陰極運行的靶2的附近。陽極3在空間上接近靶2使火花運行、首先在斷續(xù)的脈沖序列的情況下利用“自點燃”或沒有額外的外源點燃的點火過程變得容易。陽極3的中心布置也有助于火花的穩(wěn)定，因為陽極促進首先在靶中心的點火過程并阻止火花向靶邊緣移動?；鸹娏鞯拿}沖也有助于穩(wěn)定火花放電。過去，因為火花電流的脈沖阻止火花保持在靶的斑點上，但是也因為，并且特別是在斷續(xù)的火花運行的情況下阻止該保持，因為優(yōu)選地通過陽極3相對于靶2中心的安置，火花電流的脈沖促進靶中心的火花點燃并且在火花可以到達靶邊緣之前，火花電流可以(通過調節(jié)脈沖長度)被中斷。使用兩個電源用于靶2的陰極火花蒸發(fā)，所述電源的功能自然也可以在一個電源內被構成。直流電流電源5是空載電壓典型地為IOOV的饋電。在火花運行時，由于火花放電的小的阻抗(小于I歐姆)，該電壓適應于低于50V的電壓，典型地在碳靶中適應于20V左右的電壓。在這樣的饋電情況下，典型的電流可以被調節(jié)到大約1000A。但是，在這里所描述的實驗中優(yōu)選地只使用IOOA左右和之下的電流范圍，因為，如上面已經說明的，過高的涂覆速率降低碳層的硬度?；旧贤〝嚯娙萜鞣烹姷拿}沖電源6設計有其電子組件，使得其能夠通斷高的放電電流。因此可能有意義的是，確定電子組件(例如，IGBT)的尺寸，使得力求所要求的放電電流和開關頻率之間的最佳狀態(tài)。電容器的大小被選擇，使得在電容器的給定的充電電壓的情況下能夠充足地存儲能量(Q=CU),以便因此向陰極火花饋電或，換句話說，使相應的陰極材料(在這里是碳)蒸發(fā)。脈沖電源的設計因此是脈沖電流、脈沖頻率、充電電壓和所提供的電容器電容之間的折衷。用于運行火花放電的電源可以利用開關7和8連接到靶上。
[0049]也可能，而且這是新的并且是本發(fā)明的一部分，火花放電在初始點火之后僅僅通過脈沖電源饋電來運行，即，只利用脈沖電流IKP?？偦鸹娏鱅KA于是與IKP—致。在陰極(靶2)與陽極3之間測量火花放電UKA的放電電壓，如圖3中所示。如果僅僅利用脈沖電源來運行火花放電，在至今的現(xiàn)有技術中必須在每一個脈沖時總是再次重新點燃。通過按照本發(fā)明的方法，這種總是再次重新的點燃變得不必要。
[0050]電源分別利用二極管10來保護，所述二極管阻止，由一個電源提供的電流被饋入另一個電源并由此而產生損害。通常，電源的正輸出端被置于地、即如下電位上，容器也位于所述電位上。但是，也可以有利的是，火花放電浮動地(無電位地)運行。為此打開開關9。因此，根據開關位置，陽極無電位地或在地電位(與容器相等的電位)上運行。在實驗中將機械點火觸點11用于火花放電的初始點火，所述機械點火觸點通過低歐姆的電阻短時間地與陽極建立接觸并因此導致靶材料的初始蒸發(fā)，該靶材料于是使路段陰極-陽極導電，因此電源5和/或6承擔用于使靶材料蒸發(fā)的火花饋電，就是說，這些電源在較小的電壓下運行。在初始點火之后，按照本發(fā)明，直流電壓電源5例如通過開關7被斷開?，F(xiàn)在只通過沒有直流電流部分的脈沖電源6向火花饋電。
[0051]在文獻中針對斷續(xù)的脈沖運行(方法B)顯示了，在脈沖開始時電流的升高有助于提高蒸發(fā)的祀材料的多次離子化的離子的含量(Papemy等人,“1n acceleration atdifferent stages of a pulsed vacuum arc “，J.Phys.D:Appl.Phys.42(2009) 155201)。遺憾的是沒有對在這些實驗中的電壓變化曲線進行研究。也許在脈沖開始時電流升高的原因可歸因于短時間地施加較高的電壓，也就是說，電壓升高可能可看作提高的離子化的真正原因并且電流增大只是次級效應。
[0052]在方法B中，提高的火花電壓可以通過下述方式實現(xiàn):火花在以下前提下被點燃，即在陰極與陽極之間施加高的空載電壓。例如，這可通過下述方式實現(xiàn)，即把被用于在脈沖內放電的電容器充電到高的電壓并且以所述電容器上的該高的空載電壓為出發(fā)點，通過材料的另外的短時間的蒸發(fā)來點燃火花。在點燃之后，只要電容器的電荷足以維持火花，電容器于是就放電。然后，直接在點燃之后(典型地在前50 μ s之內)在提高的電壓下進行火花放電并且隨后又下降至較低的電壓值，所述電壓值典型地通過相應的直流火花放電的阻抗來給定。
[0053]在目前的知識水平(Papemy等人)下較高電荷狀態(tài)的離子的生成在電流脈沖開始時進行并且然后在該電流脈沖之后丟失，使得在200 μ S的脈沖長度情況下在前50 μ S之后只還生成如對于直流火花放電來說典型的電荷狀態(tài)。為了因此生成更高的電荷狀態(tài)，重要的是，生成數(shù)量級低于100 μ S、優(yōu)選地低于50 μ s的短的電流脈沖。在典型的IkHz的脈沖頻率的情況下，這將意味著“占空比”的顯著下降并導致非常小的涂覆速率。通過材料蒸發(fā)的較快速的外源點燃與要使用的電容器的電荷特性(電容器的電容必須足夠大，以便生成用于點燃的材料等離子體)相耦合并且在好的情況下同樣處于Ims的充電時間(參見Anders等人)，即，大約處于IkHz的頻率。為了獲得較高頻率的脈沖序列，可設想在時間上使多個點火電容器相互耦合的花費也高的可能性。但是，這是麻煩的并且昂貴的，根據發(fā)明人的了解，至今也還沒有被遵循。首先對于短脈沖和在斷續(xù)運行時，脈沖頻率的提高是通過本發(fā)明解決的另一方面。
[0054]對于方法B在脈沖開始時電流提高能夠相對簡單地實現(xiàn)并且僅僅由于點火機構上的高電壓而可能是復雜的，而在方法A中可以較困難地實現(xiàn)高的火花電壓。為專業(yè)人士所知的是，在直流火花放電中逐漸的電壓提高導致“無限制“的電流提高，而不出現(xiàn)顯著的電壓升高。在方法A中只通過非常陡的脈沖疊加直流電流提高火花放電的電壓。由于電流快速升高并且隨著在電容器本身上的電壓的與此相關的衰減而發(fā)生電容器的快速放電，因此在較長的時間上使這種電壓提高穩(wěn)定是困難的。這特別適合于置于下面的直流電流的情況，因為直流火花放電具有小的只有大約0.1歐姆的范圍內的阻抗。
[0055]按照本發(fā)明的方法也還涉及碳的陰極火花蒸發(fā)的另一個方面。由Horikoshi等人的石開究“Vacuum Arc Deposition of Homogeneous Amorphous Carbon Films at HighGrowth Rates，，，New Diamond and Frontier Carbon Technology, Vol.16, N0.5 (2006),267-277可以推斷出，在電容器放電時電容器上的放電電壓和電荷的大小影響在陰極火花蒸發(fā)時飛濺物頻率，更確切地說在放電時放電電壓越高并且電荷量越大，飛濺物數(shù)量越小。這按照方法B借助單個電流脈沖被證明。在此所畫出的脈沖形狀(Horikoshi等人中的圖4)表示電容器放電的典型的電流-時間-變化曲線:在陡峭的電流上升開始直到最大值，典型地在前100 μ s之內達到該最大值，和然后較緩慢的電流下降。脈沖長度與放電的電容和阻抗相關。放電電壓和電荷也影響脈沖形狀。
[0056]這里所述的實驗利用脈沖電源6來執(zhí)行，所述脈沖電源以受控的電容器放電為基礎并且在這種特殊的情況下在1000Α的最大放電電流時允許直至2kHz的脈沖頻率。電容器具有SmF的電容并且可以使用直至1000V的電壓用于給電容器充電。電容器的放大也可以容易地允許2000A或更大的電流和也可以使用例如直至2000V的充電電壓。電容器的充電時間與R和C的乘積成比例，其中R是充電電路內的歐姆電阻和C是電容器的電容。因此如果想要對具有大電容C的電容器充電，則必須強制性地容忍長的充電時間或使用大的充電電壓，以便在較短的充電時間情況下在電容器上達到相同的電荷量。較高的充電電壓遭受到電子組件的兼容性限制并且較長的充電時間限制脈沖頻率(Anders等人)。此外，較高的充電電壓的使用還受到被用于給電容器充電的直流電壓電源的電流限制的限制(所述直流電壓電源或者集成在電源6內或作為外部電源連接到6上并且在圖中沒有分開實施)。至今為止，所有這些事實已阻止，在提高的火花電壓的情況下在較長的脈沖時間上并且在頻率較高時陰極火花放電能夠為了材料蒸發(fā)的目的、特別是為了蒸發(fā)碳的目的而被執(zhí)行。
[0057]首先應對一種方法進行描述，所述方法導致方法A的改善。在已經在Grimm發(fā)表的文獻EP_00666335_A1中描述的方法中直流火花放電通過機械點火極(陽極)與靶的短時間的接觸來點火，該直流火花放電然后通過電源5繼續(xù)被保持。附加地，然后來自電容器放電(電源6)的電流脈沖還與所述直流放電疊加。所述脈沖的時間上的電流變化曲線與也在Horikoshi等人中所說明的那些電流變化曲線沒有本質的區(qū)別:在開始時電流脈沖的上升和然后由電容器的放電決定的以及根據相應的阻抗的下降。
[0058]在直流電流置于下面的情況下，該阻抗的大小為0.1歐姆，S卩，電容器快速地被放電(時間常數(shù)RxC)。
[0059]在圖4中示出了這樣的運行的電壓UKA和電流IKP的時間變化曲線。電流IKD (未示出)利用電源5被預先給定為30A。通常，在來自電源6的脈沖期間，電流下降，這是因為二極管然后封鎖電流IKD。生成具有500Hz的頻率的脈沖并且預先給定100 μ s的脈沖長度和1900 μ s的脈沖之間的間歇。在脈沖變化曲線中，不僅發(fā)生電壓升高而且發(fā)生電流升高，該電流升高在圖5中以改善的時間分辨率更清楚地針對以100 μ s預先給定的脈沖之一被示出。由此得知，在脈沖開始時電壓從-20V、即在利用電源(5)的直流情況下出現(xiàn)的電壓變化為大約-50V并且隨后穩(wěn)定在大約-40V處。這種絕對值上的電壓提高的結果是大的電流上升。如果現(xiàn)在在方法A中按照至今的運行方式采取行動(Grimm的文獻ΕΡ_00666335_Al)并且電容器放電允許空轉，則電流還要繼續(xù)上升，電容器將快速放電并且電壓隨著電流上升而下降(電荷從電容器流出)。因此，電壓將在時間上大大地變化。
[0060]為了使較高的放電電壓穩(wěn)定，因此還要在電容器上的電壓過大地降低之前對火花電流的大小進行限制。這借助圖5進行解釋。在電源6處可以預先給定脈沖長度，所述脈沖長度限制放電時間并且在這種情況下為該脈沖長度選擇了 100 μ S。為了更好地理解，同樣在圖5中畫出了脈沖的觸發(fā)信號(最下面的曲線)。為脈沖電流預先給定的上限為720Α(在圖中對應于1.4V，大約1000Α)。對電流進行限制，使得火花放電的電壓在時間上能夠被穩(wěn)定地保持在確定的極限內或換句話說:在一個電流值進行電流斷開，在所述電流值時電壓基本上還沒有下降。這與相應的實驗條件(即，例如還有電纜電感)和所使用的電源6的技術數(shù)據以及直流火花放電的特性有關。但是，根據實驗，借助示波器可以容易地確定這種電流限制，所述示波器顯示時間上的電流和電壓變化曲線。
[0061]圖5尤其顯示出，電流(圖5中最上面的曲線)在100 μ s的脈沖持續(xù)時間之前就已經達到該極限值并且通過這種在電壓衰減之前較早地斷開電流的方法可以使較高的電壓UKA在大約40 μ s上、即在生成陰極材料的較高的電荷狀態(tài)的范圍中穩(wěn)定。
[0062]已經顯示出，電壓升高與電容器的充電電壓(在這里使用300V)有關，但是也與必須被充電的電容器的大小(在這里8mF)有關。通過在該實驗中使用直流電壓電源來給電容器充電，在該直流電壓電源的情況下最大電流被限制在30A并且以500Hz的脈沖頻率工作，電容在脈沖之間不能重新完全被充電。這僅僅因此被提及，因為應表明，該方法即使在這樣的限制下也起作用。
[0063]圖6現(xiàn)在圖解說明在脈沖火花放電時的運行。在這種情況下再次利用提供30A的IKD的直流電流電源5工作?，F(xiàn)在利用脈沖電流電源6使脈沖與直流放電疊加。脈沖電流IKP在圖6中被示出。在該情況下，脈沖長度被確定為800 μ s (觸發(fā)信號被說明)。在脈沖之間設定了 1200ys的脈沖間歇。為了斷開電流，最大電流再次被限制在大約700A。現(xiàn)在，在這些條件下觀察在預先給定的脈沖的長度上分別由6個子脈沖組成的脈沖束的形成。為了加以說明，在圖7中選擇了更好的時間分辨率。從中可以看出，如果再次利用電流限制工作，子脈沖的生成可以與針對圖5中的條件類似地再次在大約40 μ s上、即在子脈沖的持續(xù)時間內把放電電壓確定為大約-40V的值。子脈沖的重新接通的時間常數(shù)為大約100 μ S。該時間常數(shù)通過保護二極管的換向特性造成并且可以通過更快的二極管來縮短。在圖7中也可以看出，在預先給定的800μ s的脈沖內和當將電流限制在700Α時可以以子脈沖的序列生成6個子脈沖，所述子脈沖的序列大于由原始電源可能形成的序列(在這里是大約7.5倍)。同時，在800 μ s長的脈沖內通過生成6個子脈沖可以在6x40 μ s的時間上、即總計在240 μ s上使電壓穩(wěn)定。
[0064]對于方法Α，因此利用所述方法不僅可以放大脈沖頻率而且還可以在較高的電壓上使火花放電穩(wěn)定。但是，首先重要的是以下可能性，即利用所述方法能夠在寬的范圍上為了脈沖電流部分而調節(jié)直流電流部分與脈沖電流部分之比。在圖4中利用30Α的IKD并且利用12Α的IKP的時間平均工作。而在圖6中在相同的直流電流部分的情況下利用70Α的時間平均的IKP工作。
[0065]在方法B中子脈沖束的生成現(xiàn)在是值得期望的。因此可以完全避免直流電流部分。在這種以斷續(xù)的脈沖為基礎的方法中，面對在每個脈沖時點燃的問題，但是更多地面對各個子脈沖的要以高得多的序列實現(xiàn)的點燃的問題。利用目前的技術水平的點火機構不能解決所述問題。
[0066]因此嘗試，火花電流限制、提高的放電電壓和較高的序列的組合是否能夠在這樣生成的子脈沖的情況下生成足夠地并且足夠長時間地導電的等離子體，以便放棄外源點燃，只有通過5結合機械點火極11的一次性的初始點火除外。
[0067]為了這個目的，如下采取行動。在第一步驟中，通過點火極11與靶2之間的短時間的接觸利用40A的電流IK對直流火花放電進行點火。然后，與方法A類似，接通脈沖電源并且使脈沖電流IKP與直流電流IKD疊加。作為下一個步驟，切斷直流電流電源5。在圖8中現(xiàn)在針對這種切斷的(對應于只利用斷續(xù)的脈沖的運行)直流電流電源5的情況示出了 IKP和UKA的時間變化曲線。預先給定1000 μ s的脈沖長度和同樣1000 μ s的脈沖間歇。令人驚訝的是，利用這樣的運行方式可以保證，在脈沖束之內的子脈沖之間不需要重新的點火，但是，還要令人驚訝的是，在單個脈沖之間也不需要重新的點火。圖9以更好的時間分辨率顯示包括7個子脈沖的單個脈沖，由圖9得知，具有60V左右的絕對值的點火電壓就足以重新對單個脈沖之內的子脈沖進行點火，而不需要額外的點火裝置。令人驚訝的是，這些電壓也足以在1000 μ s之后重新對單個脈沖進行點火。因此，該方法提供一種在不需要額外的點火裝置的情況下可以實現(xiàn)斷續(xù)的脈沖運行的方法。除此之外，單個脈沖之內的子脈沖的序列也可以被提高，在本情況中被提高到大約7kHz。
[0068]這種既快速又簡單的火花點燃方法起作用的原因沒有完全被搞清楚。假設，由氬氣與蒸發(fā)的碳形成的混合物結合通過脈沖運行的密集的離子化(高的電子流)足以足夠長時間地形成良好導電的等離子體，在所述等離子體內在小的電壓時火花放電可以再次被點燃。為了針對在這些實驗中所使用的裝置和特殊的過程參數(shù)估計正好還能實現(xiàn)的點燃的極限，單個脈沖被設置得較短和脈沖間歇被設置得較長。在圖10中示出了持續(xù)時間為900 μ S的脈沖，在所述脈沖的變化過程中生成6個子脈沖。作為脈沖間歇，選擇ΙΙΟΟμ s的時間。對于這種情況，利用純斷續(xù)的脈沖正好還能實現(xiàn)點火運行。對于較短的脈沖長度和較長的脈沖間歇，不再能夠可靠地保證點燃。但是，對于專業(yè)人士來說清楚的是，改變的電容、其它的電流斷開水平、不同的(或沒有)氣流、電容器上的其它電壓等等影響獨立的點燃的這些極限并且能夠容易地針對相應的實驗布置進行調節(jié)。
[0069]按照本發(fā)明的方法針對碳的陰極火花蒸發(fā)被描述，因為在這種材料的情況下特別困難的是，運行陰極火花，也就是說阻止“咬住“在靶位置上。但是，該方法同樣可以有利地被用于其它的材料。這可能是基本金屬靶或也可以是由多種材料形成的靶，諸如以粉末冶金方式制造的靶。對于熔點低的材料，該方法提供特殊的優(yōu)點，因為在這里脈沖運行也減少飛濺物形成。對于包含氧、氮或碳的氣體的反應過程，也可以應用具有優(yōu)點的該方法來提高離子化和降低飛濺物形成。
[0070]通過相對于靶中心地布置的陽極和首先在斷續(xù)的運行中火花電流的脈沖，可以保證穩(wěn)定的火花放電。
[0071]斷續(xù)的脈沖運行同樣允許金屬含量最多達50at.%的碳靶的陰極蒸發(fā)。
[0072]把單個脈沖分為較高序列的和在較長的時間上的子脈沖的束的方法允許斷續(xù)的脈沖運行，而無僅在緊密相鄰的子脈沖之間而且在單個脈沖之間無需額外的外源點燃。
[0073]電容器上的電壓(電源6)可以在寬的極限內被改變，以便生成在陰極火花放電中蒸發(fā)的材料的較高地加載的離子。
[0074]較高的放電電壓結合快速的但是電流受限制的放電降低在合成的碳層或含碳的層內的飛濺物頻率。[0075]該方法是火花放電的斷續(xù)的脈沖運行，而不必重新點燃。
[0076]基于該方法，不需要用于火花放電的直流保持電流。
[0077]在本說明書的范圍內，公開了一種用于運行脈沖斷續(xù)火花放電的方法，所述火花放電借助至少一個電容器的放電來實現(xiàn)并且相應的放電電流通過周期性地接通和斷開電容器進行控制，其中在斷開電容器的情況下在斷開的時間間隔期間不從電源提供電流并且在接通的時間間隔期間放電電流在達到事先確定的大小時短時間地被中斷并且這在脈沖之內導致子脈沖。
[0078]優(yōu)選地，第一多個斷開的時間間隔被選擇為短的，使得在其相應地到期之后電容器的接通沒有困難地造成重新點燃火花放電。
[0079]優(yōu)選地，第一次點燃火花放電借助點火裝置、特別優(yōu)選地借助直流電壓源來實現(xiàn)并且在點燃火花之后電容器被首次接通。優(yōu)選地，電容器在首次接通的時間點借助用于充電的裝置具有第一充電狀態(tài)并且隨后在直流電壓源斷開的情況下火花放電繼續(xù)運行。
[0080]可以根據至少一個電容器的用于充電的裝置存在第二多個斷開的時間間隔，所述時間間隔被選擇為長的，使得電容器在第二多個斷開的時間間隔到期之后基本上已達到第一充電狀態(tài)。
[0081 ] 上述的火花放電可以被用于運行陰極火花蒸發(fā)。
[0082]描述用于涂覆襯底的方法，所述方法包括下述步驟:
[0083]-提供襯底，
[0084]-將襯底引入真空室中，
[0085]-泵抽真空室，
[0086]-執(zhí)行上述方式的陰極火花蒸發(fā)。
[0087]借助所述涂覆方法可以制造沒有氫和/或含氫和/或沒有金屬和/或含金屬的碳層。
[0088]附圖標記列表
[0089]I 容器
[0090]2 靶(陰極)
[0091]3 陽極(優(yōu)選地，但是不必相對于靶在中心)
[0092]4 襯底支架(旋轉地)
[0093]5 直流電流(火花)電源
[0094]6 脈沖電流(火花)電源
[0095]7 用于通斷IKD的開關
[0096]8 用于通斷IKP的開關
[0097]9 用于將陽極連接到地或浮動電位上的開關
[0098]10保護二極管
[0099]11機械點火極
[0100]12用于點火極與陽極之間的電流限制的電阻
【權利要求】
1.用于運行脈沖斷續(xù)火花放電的方法，所述火花放電借助至少一個電容器的放電來實現(xiàn)并且相應的放電電流通過周期性地接通和斷開電容器進行控制，其中在被斷開的電容器的情況下在斷開的時間間隔期間不從電源提供電流，其特征在于，在接通的時間間隔之內所述放電電流在達到事先確定的大小時短時間地被中斷并且這在脈沖之內導致子脈沖。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，至少第一多個斷開的時間間隔被選擇為短的，使得在所述時間間隔相應到期之后電容器的接通沒有困難地造成火花放電的重新點燃。
3.根據權利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，火花放電的第一次點燃借助點火裝置、優(yōu)選地借助直流電壓源來實現(xiàn)，在點燃火花之后電容器首次被接通并且該電容器在首次接通的時間點借助用于充電的裝置具有第一充電狀態(tài)并且隨后在直流電壓源被斷開的情況下繼續(xù)運行火花放電。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，第二多個斷開的時間間隔根據用于至少一個電容器的充電的裝置被選擇為長的，使得電容器在第二多個斷開的時間間隔到期之后基本上已達到第一充電狀態(tài)。
5.用于運行陰極火花蒸發(fā)的方法，其特征在于，火花蒸發(fā)借助按照前述權利要求之一所述的火花放電來運行。
6.用于涂覆襯底的方法，所述方法包括下述步驟: -提供襯底， -把襯底引入到真空室中， -泵抽真空室， -執(zhí)行根據權利要求5所述的陰極火花蒸發(fā)。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，制造沒有氫和/或含氫和/或沒有金屬和/或含金屬的碳層。
【文檔編號】H01J37/32GK103748655SQ201280018132
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年3月26日 優(yōu)先權日:2011年4月11日
【發(fā)明者】J·拉姆, B·維德里希, K·魯姆 申請人:歐瑞康貿易股份公司(特呂巴赫)