катод для распыления или электродугового испарения (варианты) и устройство для покрытия или ионной имплантации подложек

Формула изобретения

1. Катод для распыления или электродугового испарения, имеющий форму стержня прямоугольного поперечного сечения, при этом длина стержня больше любого размера прямоугольного поперечного сечения, внешняя поверхность катода имеет четыре стороны и два торца, четыре стороны содержат первую пару параллельных сторон и вторую пару параллельных сторон, а также испаряемую поверхность, содержащую, по меньшей мере, один материал, подлежащий испарению, при этом испаряемая поверхность составлена из обоих компонентов первой параллельной пары сторон и обоих торцов катода, испаряемая поверхность имеет две кромки, причем каждая кромка определяется пересечением испаряемой поверхности с одной из параллельных сторон второй пары, а средство генерации магнитного поля выполнено с возможностью создания вблизи испаряемой поверхности магнитного поля, причем магнитное поле представлено линиями магнитной индукции, магнитное поле имеет составляющую по всей испаряемой поверхности, которая параллельна испаряемой поверхности и перпендикулярна второй паре параллельных сторон катода, магнитное поле действует с возможностью направления распыляющейся плазмы или, по меньшей мере, одного активного пятна дугового разряда на испаряемую поверхность по траектории замкнутого контура вокруг периферии упомянутого катода с возможностью испарения упомянутого материала, подлежащего испарению, с испаряемой поверхности, средство бокового удержания выполнено с возможностью удержания распыляющейся плазмы или, по меньшей мере, одного активного пятна дугового разряда по бокам между кромками испаряемой поверхности и выполнено с возможностью эмиссии паров материала, подлежащего испарению, причем пары испускаются в направлениях, перпендикулярных испаряемой поверхности.

2. Катод по п.1, отличающийся тем, что длина катода равна, по меньшей мере, 4-кратному любому измерению поперечного сечения.

3. Катод по п.1, отличающийся тем, что длина катода равна, по меньшей мере, 10-кратному любому измерению поперечного сечения.

4. Катод по п.1, отличающийся тем, что магнитная индукция параллельной составляющей магнитного поля 1 - 100 Гс.

5. Катод по п.1, отличающийся тем, что магнитная индукция параллельной составляющей магнитного поля 100 - 1000 Гс.

6. Катод по п.1, отличающийся тем, что магнитная индукция параллельной составляющей магнитного поля 400 - 2000 Гс.

7. Катод по п. 1, отличающийся тем, что средство генерации магнитного поля содержит, по меньшей мере, одну катушку электромагнита, имеющую центральную ось, причем магнитное поле, созданное катушкой, имеет линии магнитной индукции, параллельные центральной оси, по меньшей мере, в центральной области катушки, и катушка располагается так, чтобы центральная ось была перпендикулярна второй паре параллельных сторон катода, и так, чтобы вся испаряемая поверхность была локализована в пределах центральной области.

8. Катод по п. 1, отличающийся тем, что средство генерации магнитного поля содержит, по меньшей мере, две катушки электромагнита, причем каждая имеет центральную ось, при этом катушки расположены соосно с двух сторон катода так, чтобы центральные оси были перпендикулярны второй паре параллельных сторон катода, а магнитное поле, созданное катушками, имеет составляющие, параллельные испаряемой поверхности по всей испаряемой поверхности.

9. Катод по п.1, отличающийся тем, что средство генерации магнитного поля содержит множество постоянных магнитов, установленных на полюсных наконечниках, обладающих магнитной проницаемостью, при этом полюсные наконечники содержат, по меньшей мере, два боковых полюсных наконечника и, по меньшей мере, один центральный полюсный наконечник, причем боковые полюсные наконечники располагаются параллельно второй паре параллельных сторон катода и на каждой стороне испаряемой поверхности, а центральные полюсные наконечники располагаются между боковыми полюсными наконечниками и проходят, по меньшей мере, через одно отверстие сквозь катод, причем отверстие расположено в плоскости, перпендикулярной второй паре параллельных сторон, и отсутствует пересечение этой плоскости с какой-либо частью испаряемой поверхности, при этом постоянные магниты содержат, по меньшей мере, два набора магнитов, причем, по меньшей мере, один из наборов магнитов устанавливаются смежно к испаряемой поверхности на каждом из боковых полюсных наконечников, направление намагниченности магнитов перпендикулярно боковым полюсным наконечникам и параллельно испаряемой поверхности, упомянутые магниты в каждом наборе расположены на боковом полюсном наконечнике в матрице вокруг периферии испаряемой поверхности, при этом магниты и полюсные наконечники составляют магнитную цепь, имеющую межполюсной зазор, параллельный испаряемой поверхности и проходящий по всей испаряемой поверхности, а центральный полюсный наконечник выполнен с возможностью обеспечения замыкания контура силовых линий между боковыми полюсными наконечниками для магнитного потока, создаваемого в межполюсном зазоре, магнитная цепь выполнена с возможностью создания в пределах межполюсного зазора магнитного поля, которое имеет составляющую, параллельную испаряемой поверхности в каждой точке на испаряемой поверхности.

10. Катод по п.1, отличающийся тем, что средство генерации магнитного поля содержит множество постоянных магнитов, установленных, по меньшей мере, на одном центральном полюсном наконечнике, обладающем магнитной проницаемостью, а боковой полюсной наконечник располагается параллельно испаряемой поверхности и проходит, по меньшей мере, через одно отверстие сквозь катод, причем отверстие расположено в плоскости, перпендикулярной второй паре параллельных сторон и отсутствует пересечение этой плоскости с какой-либо частью испаряемой поверхности, постоянные магниты содержат два набора магнитов, причем по меньшей мере, один из наборов магнитов устанавливается вокруг периферии центрального полюсного наконечника на противоположных сторонах катода и смежно к каждой из параллельных сторон второй пары, причем направление намагниченности магнитов параллельно второй паре параллельных сторон и противоположно между наборами магнитов на противоположных сторонах катода, магниты и полюсные наконечники составляют магнитную цепь, имеющую межполюсной зазор между наборами магнитов с противоположных сторон катода, при этом центральный полюсной наконечник обеспечивает замыкание силовых линий между магнитами для потока, созданного в межполюсном зазоре, а магнитная цепь выполнена с возможностью создания в пределах межполюсного зазора магнитного поля, имеющего составляющую, параллельную испаряемой поверхности по всей испаряемой поверхности.

11. Катод по п.1, отличающийся тем, что средство бокового удержания содержит магнитное средство, выполненное с возможностью создания перпендикулярных составляющих магнитного поля на испаряемой поверхности, и добавления перпендикулярных составляющих к параллельной составляющей и получения результирующей кривизны магнитного поля вблизи испаряемой поверхности, при этом кривизна содержит выпукло-изогнутый канал линий магнитной индукции в области по всей испаряемой поверхности, а магнитный канал функционирует с возможностью направления распыляющейся плазмы или, по меньшей мере, одного активного пятна дугового разряда на испаряемой поверхности по траектории замкнутого контура вокруг периферии катода и для удержания распыляющейся плазмы или активного пятна дуги от ухода по бокам с испаряемой поверхности.

12. Катод по п. 1, отличающийся тем, что средство бокового удержания содержит выступы на обеих кромках испаряемой поверхности, выступы имеют стенки, протягивающиеся наружу от испаряемой поверхности и электрически соединенные с катодом, стенки протягиваются на расстояние, по меньшей мере, 2 мм над испаряемой поверхностью, по меньшей мере, часть линий магнитной индукции над испаряемой поверхностью проходит через стенки, а выступы выполнены с возможностью предотвращения диффузии распыляющейся плазмы с боков с испаряемой поверхности по линиям магнитной индукции.

13. Катод по п.1, отличающийся тем, что средство бокового удержания содержит, по меньшей мере, два боковых электрода, расположенных смежно к кромкам испаряемой поверхности, при этом электроды имеют стенки, протягивающиеся наружу от испаряемой поверхности и электрически изолированные от катода, упомянутые стенки протягиваются на расстояние, по меньшей мере, 2 мм над испаряемой поверхностью, между боковыми электродами отсутствует электрическая связь с катодом или на них подается электрическое напряжение смещения, которое выше потенциала катода, по меньшей мере, часть линий магнитной индукции над испаряемой поверхностью проходит через стенки, боковые электроды выполнены с возможностью предотвращения диффузии распыляющейся плазмы по бокам с испаряемой поверхности по линиям магнитной индукции.

14. Катод по п. 1, отличающийся тем, что средство бокового удержания содержит изолятор, расположенный смежно к обеим кромкам испаряемой поверхности, при этом изолятор выполнен с возможностью предотвращения ухода активного пятна дугового разряда с испаряемой поверхности.

15. Катод по п.1, отличающийся тем, что средство бокового удержания содержит выступы на обеих кромках испаряемой поверхности, при этом выступы имеют стенки, протягивающиеся наружу от испаряемой поверхности и электрически соединенные с катодом, при этом стенки протягиваются на расстояние, по меньшей мере, 2 мм над испаряемой поверхностью, по меньшей мере, часть линий магнитной индукции на испаряемой поверхностью проходит через стенки, а выступы выполнены с возможностью предотвращения ухода активных пятен дуги по бокам с испаряемой поверхности.

16. Катод по п.1, отличающийся тем, что содержит стыковое устройство, по меньшей мере, из двух прямоугольных стержней, по меньшей мере, из двух материалов, подлежащих испарению.

17. Катод по п.1, отличающийся тем, что содержит крепежное средство и испаряемый элемент, который содержит множество сменных элементов, установленных по всей периферии крепежного средства, при этом сменные элементы содержат, по меньшей мере, один материал, подлежащий испарению.

18. Катод по п.17, отличающийся тем, что сменные элементы содержат, по меньшей мере, два различных материала, подлежащих испарению.

19. Устройство для покрытия или ионной имплантации подложек, содержащее вакуумную камеру, насос, анод, источник питания, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, один катод по п.1 и средство крепления подложек.

20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что средство крепления подложек содержит множество крепежных шпинделей, которые расположены в круговой матрице вокруг катода, при этом круговая матрица шпинделей имеет средство для вращения вокруг центра матрицы, а каждый из упомянутых шпинделей имеет средство для вращения вокруг его собственной оси.

21. Устройство по п.19, отличающееся тем, что средство крепления подложек содержит множество крепежных шпинделей, при этом каждый шпиндель содержит средство для крепления множества подложек, подлежащих покрытию или имплантации, а упомянутые шпиндели расположены, по меньшей мере, в двух линейных матрицах, по меньшей мере, одна из линейных матриц обращена к каждой из упомянутой первой пары параллельных сторон катода, причем линейные матрицы имеют средство для перемещения в направлении, параллельном первой паре параллельных сторон и перпендикулярном к длине катода, причем каждый из шпинделей имеет средство для вращения вокруг своей собственной оси.

22. Катод для распыления или электродугового испарения с прямоугольным поперечным сечением и при этом имеет длину больше любого размера прямоугольного сечения, четыре стороны и два торца, при этом четыре стороны содержат первую пару параллельных сторон и вторую пару параллельных сторон.

23. Катод по п. 22, отличающийся тем, что содержит испаряемую поверхность, содержащую, по меньшей мере, один испаряемый материал, а испаряемая поверхность содержит первую пару параллельных сторон и два торца.

24. Катод по п.23, отличающийся тем, что испаряемая поверхность имеет две кромки, причем каждая кромка задается пересечением испаряемой поверхности с одной из параллельных сторон второй пары.

25. Катод по п.24, отличающийся тем, что включает средство бокового удержания для удержания распыляющейся плазмы или, по меньшей мере, одного активного пятна дуги по бокам между кромками испаряемой поверхности.

26. Катод по п.25, отличающийся тем, что включает средство генерации магнитного поля для создания магнитного поля вблизи испаряемой поверхности, представляемое линиями магнитной индукции и имеющее составляющую по всей испаряемой поверхности, которая параллельна испаряемой поверхности и перпендикулярна второй паре параллельных сторон катода, при этом магнитное поле выполнено с возможностью направления распыляющейся плазмы или, по меньшей мере, одного активного пятна дугового разряда на испаряемую поверхность по траектории замкнутого контура вокруг периферии катода с возможностью испарения материала, подлежащего испарению, с испаряемой поверхности.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к осаждению покрытий и плазменной обработке (ионная имплантация, травление и т. д.), и, в частности, к катодам магнетронов.

Катоды магнетронов, в которых замкнутое магнитное поле устанавливается по меньшей мере на части испаряемой поверхности катода, получили широкое использование приблизительно за два последних десятилетия в технике катодного распыления и электродугового испарения (напыления). В случае распыляющего катода магнитное поле служит для усиления плазменного разряда в инертном газе и для направления плазмы по траектории замкнутого контура вдоль испаряемой поверхности. В случае катода дугового разряда магнитное поле служит для задания направления одного или более активных пятен дуги по траектории замкнутого контура вдоль испаряемой поверхности. Подобные конфигурации катодов и магнитных полей использовались и для распыления и для электродугового испарения, главные различия которых состоят в требуемой напряженности магнитного поля и средствах бокового удержания разряда. Распыляющиеся катоды обычно имеют напряженность поля в несколько сотен Гаусс, в то время как катоды дугового разряда обычно имеют напряженность поля только несколько десятков Гаусс. Наиболее известные, используемые в настоящее время катоды магнетронов могут быть описаны как имеющие в основном плоскую или цилиндрическую геометрию.

Плоские магнетроны главным образом содержат плоскую круглую или прямоугольную пластину из материала, подлежащего испарению. Магнитное поле проходит через или по пластине таким образом, чтобы образовать магнитный канал с замкнутым контуром силовых линий или "гоночный трек" по испаряемой поверхности, как раскрывается, например, в патентах США 5,407,551 (Sieck и др.), 4,162,954 (Morrison), 4,673,477 (Ramalingam и др.) и 4,724,058 (Morrison). Магнитный канал направляет и удерживает распыляющий разряд или дуговой разряд, обычно образуя круглую или овальную эрозионную выемку на испаряемой поверхности (поверхности катода, с которой испаряется материал). Материал, испаряемый посредством любого процесса, испускается в направлениях, по существу перпендикулярных к испаряемой поверхности. В настоящем изобретении под словами "по существу перпендикулярные направления" подразумевается распределение эмиссии, сосредоточенное вблизи перпендикуляра к поверхности, на которой количество материала, испускаемого из конкретной точки на катоде в конкретном направлении, уменьшается как функция угла отклонения от перпендикуляра в этой точке. Подложки, подлежащие покрытию, обычно обращены к поверхности катода и могут вращаться и/или перемещаться для увеличения площади равномерного покрытия. Как раскрывается в патентах США 4,428,259 (Class и др. ) и 4,457,825 (Lamont), части поверхности катода могут быть наклонены относительно плоской поверхности, чтобы влиять на распределение испускаемого материала или профиль эрозии катода.

В патенте США 4,404,077 (Fournier) раскрывается триодное прямоугольное плоское устройство распыления, в котором параллельная составляющая поля простирается по незамкнутой траектории на испаряемой поверхности, с эмиттером электронов на одном конце траектории и с коллектором на другом конце. В патенте США 5,480,527 (Welty) раскрыт прямоугольный плоский катод дугового разряда, в котором полярность параллельной составляющей поля меняется на обратную, чтобы производить сканирование дугового разряда назад и вперед по длине испаряемой поверхности. В патентах США 5,380,421 (Gorokhovsky) раскрыт прямоугольный катод электродугового испарения, в котором испаряемая поверхность является одной стороной прямоугольной пластины, имеющей скошенные края, и в котором заявляется, что объединенное статическое и динамическое средство магнита управляет перемещением дугового разряда по длине. В патенте США 5,277,779 (Henshaw) раскрыт распыляющийся катод магнетрона, содержащий прямоугольную конструкцию, в которой эрозионная область проходит по внутренней периферии конструкции, испаряемый материал направляется внутрь, в центр отверстия конструкции, и, подложки, подлежащие покрытию, перемещаются через отверстие. В патенте США 4,116,806 (Love) раскрывается двусторонний распыляющийся катод магнетрона, который имеет отдельный замкнутый магнитный канал на каждой из двух плоских мишеней, расположенных на каждой стороне центральной конструкции, содержащей средство магнита. В патенте США 5,160,585 (Hauzer и др.) раскрывается катод плоского магнетрона, предназначенный либо для электродугового испарения, либо для распыления, в котором часть средств магнита может перемещаться относительно поверхности мишени, чтобы регулировать напряженность поля в зависимости от используемого способа испарения.

Цилиндрические магнетроны в основном содержат цилиндрический стержень или трубку из материала, подлежащего испарению. Испаряемая поверхность является в основном полной внешней или внутренней поверхностью цилиндра, в то время как распределение эмиссии зависит от конкретной конфигурации магнитов. В патенте США 4,031,424 (Penfold и др.) раскрывается цилиндрический распыляющийся катод с соленоидальным магнитным полем, параллельным продольной оси цилиндра, который имеет распределение эмиссии, перпендикулярное к внешней поверхности, и (идеально) равномерное по окружности и вдоль длины. В патентах США 4,717,968 (McKelvey), 5,364,518 (Haztig и др.) и 4,849,088 (Veltzop и др.) раскрываются распыляющиеся катоды и катоды дугового разряда, использующие магнитные средства внутри цилиндрической мишени для создания замкнутого магнитного канала и эрозионной области по части внешней поверхности, которые используют относительное перемещение между средством магнита и средством мишени, для достижения равномерной эрозии мишени. Средство магнита может оставаться неподвижным, в то время как цилиндр вращается, или наоборот. Распределение эмиссии по существу перпендикулярно к точкам на поверхности цилиндра, содержащим текучее местоположение эрозионного трека. В патентах США 4,492,845 (Kuljuchko и др. ) и 5,518,597 (Storer и др.) раскрываются короткие цилиндрические катоды электродугового испарения с соленоидальными магнитными полями. Длинные цилиндрические катоды электродугового испарения в основном требуют динамического средства для обеспечения равномерного перемещения дугового разряда по длине катода, как раскрывается, например, в патентах 5,269,898 (Welty) и 5,451,308 (Sablev и др.). В свидетельстве 711787 советского изобретателя раскрывается цилиндрический катод дугового разряда, в котором внешняя катушка создает магнитное поле, перпендикулярное продольной оси катода. Описывается, что в этом случае активные пятна дуги удерживаются в области, в которой силовые линии магнитного поля почти перпендикулярны поверхности катода, и утверждается, что перемещение дуги по окружности достигается посредством вращения катушки вокруг катода. Магнитное поле в этом случае не содержит замкнутый канал и траекторию по поверхности катода.

В патенте США 4,430,184 (Mulazie) раскрывается средство изолятора, предназначенное для предотвращения ухода активных пятен дугового разряда с испаряемой поверхности. В патентах США 4,448,659 (Morzison), 4,559,121 (Mulazie) и 4,600,489 (Lefkow) раскрываются кольцевые средства, обладающие магнитной проницаемостью, предназначенные для предотвращения ухода активных пятен дугового разряда с испаряемой поверхности. В патентах США 3,793,179 и 3,783,231 (Sablev и др. ) раскрываются средства экранирования и зазоров, предназначенные для гашения активных пятен дуги, которые уходят с определенной испаряемой поверхности. В патенте США 5,387,326 (Buhl и др.) раскрывается проводящее кольцевое средство, применяющее вихревые токи для удержания дугового разряда. В патентах США 4,515,675 (Kieser и др.), 4,933,064 (Geislez и др. ), 5,133,850 (Kukla и др.), 5,266,178 (Sichmann и др.) и 5,597,459 (Altshuler) описаны средства выступающих боковых стенок, предназначенные для удержания распыляющего разряда, в которых направленные наружу выступы мишени, магнитных полюсных наконечников или экрана на сторонах испаряемой поверхности служат для обеспечения бокового удержания плазмы.

Патент США 4,581,118 (Class и др.) раскрывает электрод магнетрона, являющийся держателем подложки, имеющий прямоугольный корпус в форме книги, и ядро магнита с полюсными наконечниками в виде фланца, предназначенный для обеспечения продольного магнитного поля, замыкающегося вокруг корпуса электрода. Утверждается, что устройство обеспечивает равномерную плазменную обработку подложки, закрепленной на электроде, и должно использоваться в сочетании с отдельным распыляющимся катодом, обращенным к электроду-держателю и к подложке. Заявляется, что электрод подложки должен соединяться с источником питания, имеющим напряжение, подходящее для ионизации газа реагента вблизи поверхности подложки без того, чтобы вызывать значительное распыление с подложки. Следовательно, устройство не имеет ни испаряемой поверхности, ни распределения эмиссии пара.

Известно использование распыляющихся катодов и катодов электродугового испарения в источниках ионов или плазмы для процессов имплантации или травления, как раскрыто в патентах США 4,994,164 (Bernardet и др.), 5,404,017 (Inuishi и др.), 5,482,611 (Helmer и др.). Известно использование ионов с катода электродугового испарения, для распыления материала из вторичного катода, находящегося под электрическим смещением, с целью осаждения на подложку. Известно использование катодов электродугового испарения в сочетании с процессами химического осаждения из паровой фазы (CVD), как раскрывается в патентах США 4,749,587 (Bergmann) и 5,587,207 (Gorokhovsky). Общие описания оборудования и процессов распыления и электродугового испарения могут быть найдены в следующих источниках: "Thin Film Processes", J. Vossen и соавт., (Academic Press, 1991), "Handbook of Vacuum Arc Science and Technology", R.Boxman и соавт., (Noyes, 1995) "Glow Discharge Processes", B. Chapman (Wiley, 1980), и "Thin Film Deposition - Principles and Practice", D.Smith (McGraw-Hill, 1995).

В настоящем описании раскрывается катод магнетрона, который имеет форму, геометрию магнитного поля и распределение эмиссии, отличные от тех, которые имеют известные и доступные в настоящее время катоды магнетронов. В настоящем изобретении катод имеет форму прямоугольного стержня (параллелепипеда), как изображено на фиг. 1. Катод, согласно изобретению, имеет форму стержня по существу прямоугольного поперечного сечения, длина стержня больше любого размера прямоугольного поперечного сечения, внешняя поверхность катода имеет четыре стороны и два торца, четыре стороны содержат первую пару параллельных сторон и вторую пару параллельных сторон, а также

испаряемую поверхность, содержащую, по меньшей мере, один материал, подлежащий испарению, при этом испаряемая поверхность составлена из обоих компонентов первой параллельной пары сторон и обоих торцов катода, испаряемая поверхность имеет две кромки, причем каждая кромка определяется пересечением испаряемой поверхности с одной из параллельных сторон второй пары, а средство генерации магнитного поля выполнено с возможностью создания вблизи испаряемой поверхности магнитного поля, причем магнитное поле представлено линиями магнитной индукции, магнитное поле имеет составляющую по всей испаряемой поверхности, которая параллельна испаряемой поверхности и перпендикулярна второй паре параллельных сторон катода, магнитное поле действует с возможностью направления распыляющейся плазмы или, по меньшей мере, одного активного пятна дугового разряда на испаряемую поверхность по траектории замкнутого контура вокруг периферии упомянутого катода с возможностью испарения упомянутого материала, подлежащего испарению, с испаряемой поверхности,

средство бокового удержания выполнено с возможностью удержания распыляющейся плазмы или, по меньшей мере, одного активного пятна дугового разряда по бокам между кромками испаряемой поверхности и выполнено с возможностью эмиссии паров материала, подлежащего испарению, причем пары испускаются в направлениях, перпендикулярных испаряемой поверхности.

Желательно, чтобы длина катода была равна, по меньшей мере, 4-кратному любому измерению поперечного сечения.

Желательно, чтобы длина катода была равна, по меньшей мере, 10-кратному любому измерению поперечного сечения.

Желательно, чтобы магнитная индукция параллельной составляющей магнитного поля составляла от 1 до 100 Гс.

Желательно, чтобы магнитная индукция параллельной составляющей магнитного поля составляла от 100 до 1000 Гс.

Желательно, чтобы магнитная индукция параллельной составляющей магнитного поля составляла от 400 до 2000 Гс.

Желательно, чтобы средство генерации магнитного поля содержало, по меньшей мере, одну катушку электромагнита, имеющую центральную ось, причем магнитное поле, созданное катушкой, имеет линии магнитной индукции, параллельные центральной оси, по меньшей мере, в центральной области катушки, и катушка располагается так, чтобы центральная ось была перпендикулярна второй паре параллельных сторон катода, и так, чтобы вся испаряемая поверхность была локализована в пределах центральной области.

Желательно, чтобы средство генерации магнитного поля содержало, по меньшей мере, две катушки электромагнита, причем каждая имеет центральную ось, при этом катушки расположены соосно с двух сторон катода так, чтобы центральные оси были перпендикулярны второй паре параллельных сторон катода, а магнитное поле, созданное катушками, имело бы составляющие, параллельные испаряемой поверхности по всей испаряемой поверхности.

Желательно, чтобы средство генерации магнитного поля содержало множество постоянных магнитов, установленных на полюсных наконечниках, обладающих магнитной проницаемостью, при этом полюсные наконечники содержали бы, по меньшей мере, два боковых полюсных наконечника и, по меньшей мере, один центральный полюсной наконечник, причем боковые полюсные наконечники были расположены параллельно второй паре параллельных сторон катода и на каждой стороне испаряемой поверхности, а центральные полюсные наконечники были расположены между боковыми полюсными наконечниками и проходили бы, по меньшей мере, через одно отверстие сквозь катод, причем отверстие расположено в плоскости, перпендикулярной второй паре параллельных сторон, и отсутствует пересечение этой плоскости с какой-либо частью испаряемой поверхности,

при этом постоянные магниты содержат, по меньшей мере, два набора магнитов, причем, по меньшей мере, один из наборов магнитов устанавливали бы смежно к испаряемой поверхности на каждом из боковых полюсных наконечников, направление намагниченности магнитов перпендикулярно боковым полюсным наконечникам и параллельно испаряемой поверхности, упомянутые магниты в каждом наборе расположены на боковом полюсном наконечнике в матрице вокруг периферии испаряемой поверхности,

при этом магниты и полюсные наконечники составляют магнитную цепь, имеющую межполюсной зазор, параллельный испаряемой поверхности и проходящий по всей испаряемой поверхности, а центральный полюсной наконечник выполнен с возможностью обеспечения замыкания контура силовых линий между боковыми полюсными наконечниками для магнитного потока, создаваемого в межполюсном зазоре, магнитная цепь выполнена с возможностью создания в пределах межполюсного зазора магнитного поля, которое имеет составляющую, параллельную испаряемой поверхности в каждой точке на испаряемой поверхности.

Желательно, чтобы средство генерации магнитного поля содержало бы множество постоянных магнитов, установленных, по меньшей мере, на одном центральном полюсном наконечнике, обладающем магнитной проницаемостью, а боковой полюсной наконечник был бы расположен параллельно испаряемой поверхности и проходил, по меньшей мере, через одно отверстие сквозь катод, причем отверстие располагалось бы в плоскости, перпендикулярной второй паре параллельных сторон, и отсутствовало бы пересечение этой плоскости с какой-либо частью испаряемой поверхности,

постоянные магниты содержали бы, по меньшей мере, два набора магнитов, причем, по меньшей мере, один из наборов магнитов устанавливается вокруг периферии центрального полюсного наконечника на противоположных сторонах катода и смежно к каждой из параллельных сторон второй пары, причем направление намагниченности магнитов параллельно второй паре параллельных сторон и противоположно между наборами магнитов на противоположных сторонах катода, магниты и полюсные наконечники составляют магнитную цепь, имеющую межполюсной зазор между наборами магнитов с противоположных сторон катода, при этом центральный полюсной наконечник обеспечивает замыкание силовых линий между магнитами для потока, созданного в межполюсном зазоре, а магнитная цепь была бы выполнена с возможностью создания в пределах межполюсного зазора магнитного поля, имеющего составляющую, параллельную испаряемой поверхности по всей испаряемой поверхности.

Желательно, чтобы средство бокового удержания содержало бы магнитное средство, выполненное с возможностью создания перпендикулярных составляющих магнитного поля на испаряемой поверхности и добавления перпендикулярных составляющих к параллельной составляющей, и получения результирующей кривизны магнитного поля вблизи испаряемой поверхности, при этом кривизна содержала бы выпукло-изогнутый канал линий магнитной индукции в области по всей испаряемой поверхности, а магнитный канал функционировал бы с возможностью направления распыляющейся плазмы или, по меньшей мере, одного активного пятна дугового разряда на испаряемой поверхности по траектории замкнутого контура вокруг периферии катода и для удержания распыляющейся плазмы или активного пятна дуги от ухода по бокам с испаряемой поверхности.

Желательно, чтобы средство бокового удержания содержало бы выступы на обеих кромках испаряемой поверхности, выступы имели бы стенки, протягивающиеся наружу от испаряемой поверхности и электрически соединенные с катодом, стенки протягивались бы на расстояние, по меньшей мере, 2 мм над испаряемой поверхностью, по меньшей мере, часть линий магнитной индукции над испаряемой поверхностью проходила бы через стенки, а выступы были выполнены с возможностью предотвращения диффузии распыляющейся плазмы с боков с испаряемой поверхности по линиям магнитной индукции.

Желательно, чтобы средство бокового удержания содержало бы, по меньшей мере, два боковых электрода, расположенных смежно к кромкам испаряемой поверхности, при этом электроды имели бы стенки, протягивающиеся наружу от испаряемой поверхности и электрически изолированные от катода, упомянутые стенки протягивались бы на расстояние, по меньшей мере, 2 мм над испаряемой поверхностью, между боковыми электродами отсутствовала бы электрическая связь с катодом или на них подали бы электрическое напряжение смещения, которое было бы выше потенциала катода, по меньшей мере, часть линий магнитной индукции над испаряемой поверхностью проходила бы через стенки, боковые электроды были бы выполнены с возможностью предотвращения диффузии распыляющейся плазмы по бокам с испаряемой поверхности по линиям магнитной индукции.

Желательно, чтобы средство бокового удержания содержало бы изолятор, расположенный смежно к обеим кромкам испаряемой поверхности, при этом изолятор был бы выполнен с возможностью предотвращения ухода активного пятна дугового разряда с испаряемой поверхности.

Желательно, чтобы средство бокового удержания содержало бы выступы на обеих кромках испаряемой поверхности, при этом выступы имели бы стенки, протягивающиеся наружу от испаряемой поверхности и электрически соединенные с катодом, при этом стенки протягивались бы на расстояние, по меньшей мере, 2 мм над испаряемой поверхностью и, по меньшей мере, часть линий магнитной индукции над испаряемой поверхностью проходила бы через стенки, а выступы были выполнены с возможностью предотвращения ухода активных пятен дуги по бокам с испаряемой поверхности.

Желательно, чтобы было стыковое устройство, по меньшей мере, из двух прямоугольных стержней, по меньшей мере, из двух материалов, подлежащих испарению.

Желательно, чтобы было крепежное средство и испаряемый элемент, который содержал бы множество сменных элементов, установленных по всей периферии крепежного средства, при этом сменные элементы содержали бы, по меньшей мере, один материал, подлежащий испарению.

Желательно, чтобы сменные элементы содержали бы, по меньшей мере, два различных материала, подлежащих испарению.

Согласно другому аспекту изобретения предлагается устройство для покрытия или ионной имплантации подложек, содержащее вакуумную камеру, насос, анод, источник питания, и которое содержит, по меньшей мере, один вышеуказанный катод и средство крепления подложек, при этом желательно, чтобы средство крепления подложек содержало бы множество крепежных шпинделей, которые были бы расположены в круговой матрице вокруг катода, при этом круговая матрица шпинделей имела бы средство для вращения вокруг центра матрицы, а каждый из упомянутых шпинделей имел бы средство для вращения вокруг его собственной оси.

Желательно, чтобы средство крепления подложек содержало множество крепежных шпинделей, при этом каждый шпиндель содержал бы средство для крепления множества подложек, подлежащих покрытию или имплантации, а упомянутые шпиндели были бы расположены, по меньшей мере, в двух линейных матрицах, по меньшей мере, одна из линейных матриц была обращена к каждой из упомянутой первой пары параллельных сторон катода, причем линейные матрицы имели бы средство для перемещения в направлении, параллельном первой паре параллельных сторон и перпендикулярном к длине катода, причем каждый из шпинделей имел бы средство для вращения вокруг своей собственной оси.

Еще одним аспектом изобретения является катод для распыления или электродугового испарения с прямоугольным поперечным сечением и имеющий длину больше любого размера прямоугольного сечения, четыре стороны и два торца, при этом четыре стороны содержат первую пару параллельных сторон и вторую пару параллельных сторон.

Желательно, чтобы катод содержал испаряемую поверхность, содержащую, по меньшей мере, один испаряемый материал, а испаряемая поверхность содержала бы первую пару параллельных сторон и два торца.

Желательно, чтобы испаряемая поверхность имела бы две кромки, причем каждая кромка задавалась пересечением испаряемой поверхности с одной из параллельных сторон второй пары.

Желательно, чтобы включалось средство бокового удержания для удержания распыляющейся плазмы или, по меньшей мере, одного активного пятна дуги по бокам между кромками испаряемой поверхности.

Желательно, чтобы включалось средство генерации магнитного поля для создания магнитного поля вблизи испаряемой поверхности, представляемое линиями магнитной индукции и имеющее составляющую по всей испаряемой поверхности, которая параллельна испаряемой поверхности и перпендикулярна второй паре параллельных сторон катода, при этом магнитное поле было бы выполнено с возможностью направления распыляющейся плазмы или, по меньшей мере, одного активного пятна дугового разряда на испаряемую поверхность по траектории замкнутого контура вокруг периферии катода с возможностью испарения материала, подлежащего испарению, с испаряемой поверхности.

Катод обычно устанавливают в вакуумной камере параллельно с подложками, которые должны покрываться или имплантироваться, и используют при давлениях ниже 50 миллиторр в любых конфигурациях, т.е., электродугового испарения или распыления. Инертные и/или химически активные газы, такие как аргон, азот, кислород, метан и т.д., могут вводиться в камеру во время работы. При использовании катод обычно соединяют с отрицательным выводом источника питания постоянного тока, а положительный вывод источника питания соединяют с анодом. Анод может быть электрически изолированной структурой внутри вакуумной камеры или может быть самой вакуумной камерой, и/или любым внутренним экраном и т.д. В случае распыляющегося катода источник питания может иметь относительно высокое напряжение и низкий допустимый выходной ток (например, 500 В и 20 А), в то время как для катода дугового разряда источник питания может иметь относительно высокий ток и низкое допустимое напряжение (например, 500 А и 20 В). В случае катода электродугового испарения разряд обычно зажигается механическим пусковым устройством, электрической искрой или лазерным импульсом, в то время как в случае распыления достаточно простого приложения высокого напряжения к катоду, чтобы инициировать разряд. В другом случае к источнику питания постоянного тока или в дополнение к нему катод может работать с источниками питания переменного тока или импульсным. Подложки, подлежащие покрытию или имплантации, могут быть электрически изолированы от катода, анода и камеры и соединены с отрицательным выводом другого источника питания для увеличения энергии ионной бомбардировки во время осаждения или имплантации. В другом случае подложки могут оставаться при потенциале, равном потенциалу земли или близком к нему, в то время как катод смещается положительным потенциалом.

В разряде электродугового испарения, в дополнение к испускаемой плазме имеются также капельки плавленого материала катода, выбрасываемые дуговым разрядом. Эти капельки, упоминаемые как макрочастицы, испускаются главным образом под низкими углами относительно поверхности катода. Дополнительное преимущество настоящего изобретения по сравнению с цилиндрическими и плоскими катодами дугового разряда уровня техники состоит в том, что существенная часть этих макрочастиц может быть заблокирована от попадания на подложку анодом или экранирующей структурой, выступающей наружу от сторон поверхности испарения. Для узкого катода относительно короткое боковое экранирование обеспечивает существенное уменьшение макрочастиц с минимальным блокированием испаряемого материала. Например, было экспериментально обнаружено, что в системе покрытия, имеющей подложки, установленные по кругу вокруг катода, как описано ниже, катод электродугового испарения настоящего изобретения снижает число макрочастиц, вкрапленных в покрытие нитрида циркония, по меньшей мере, в 3 раза по сравнению со стандартным коммерческим цилиндрическим катодом электродугового испарения подобного размера.

Подложки, подлежащие покрытию или имплантации, могут, например, быть установлены во вращающейся круговой матрице вокруг катода и вдоль его длины или на матрице шпинделей со сложным "планетарным" вращением, как показано на фиг. 9. Эмиссия материала с обеих сторон катода обеспечивает более равномерное покрытие по матрице подложек, чем может быть получено, используя отдельный плоский магнетрон уровня техники. Это может быть выгодно, например, в случае реактивного осаждения покрытия, в котором желательно, чтобы условия вокруг матрицы подложек были настолько однородны, насколько это возможно, чтобы получить однородные свойства (например, цвет). Специалистам будут очевидны различные другие расположения подложек. Например, в системе с линейным перемещением подложек двухстороннее распределение эмиссии настоящего изобретения позволяет одновременно покрывать два параллельных ряда подложек, один с каждой стороны катода, как показано на фиг. 10.

Следовательно, в основу настоящего изобретения положена задача обеспечения равномерной эрозии и эмиссии пара в двух противоположных направлениях по удлиненным катодам, что позволяет получать равномерное осаждение или ионную имплантацию на больших участках в разнообразных конфигурациях подложек. Дополнительные задачи состоят в том, чтобы обеспечить возможность работы либо распыляющегося катода, либо катода электродугового испарения путем правильного выбора напряженности магнитного поля и средства бокового удержания для устранения любой потребности в динамическом управлении активным пятном дуги, для уменьшения числа макрочастиц, испускаемых катодом электродугового испарения, и для достижения высокой эффективности использования материала катода в любой конфигурации распыления или испарения.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает общий вид катода магнетрона настоящего изобретения, использующего две катушки электромагнита, показывающий относительную ориентацию испаряемой поверхности, параллельной составляющей магнитного поля и распределения эмиссии паров;

фиг. 2 изображает вид сверху силовых линий магнитного поля, создаваемого катушками электромагнита;

фиг. 3 изображает вид в разрезе устройства одного варианта воплощения настоящего изобретения, в котором магнитное поле создается постоянными магнитами с направлением намагниченности, параллельным испаряемой поверхности;

фиг. 4 изображает общий вид средства генерации магнитного поля варианта воплощения фиг. 3;

фиг. 5 изображает вид в разрезе устройства другого варианта воплощения настоящего изобретения, в котором магнитное поле создается постоянными магнитами с направлением намагниченности, перпендикулярным к испаряемой поверхности;

фиг. 6 изображает общий вид средства генерации магнитного поля варианта воплощения фиг. 5;

фиг. 7 изображает диаграмму силовых линий магнитного поля, создаваемого конфигурацией магнитов и полюсов фиг. 3;

фиг. 8 изображает диаграмму силовых линий магнитного поля, создаваемого конфигурацией магнитов и полюсов фиг. 5;

фиг. 9 изображает установку для покрытия или ионной имплантации, в которой матрица подложек вращается вокруг центрального катода настоящего изобретения; и

фиг. 10 изображает установку для покрытия или ионной имплантации, в которой 2 ряда подложек перемещаются линейно по обеим сторонам мимо катода настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения

Фиг. 1 изображает упрощенный вид катода магнетрона настоящего изобретения, содержащего катод (1) в виде стержня с прямоугольным поперечным сечением с испаряемой поверхностью 2, расположенной вокруг периферии (включая соответствующие противоположные поверхности, которые не видны на изображении в общем виде). Электромагнитные катушки 3 и 4 расположены соосно с каждой стороны катода 1, их общая ось параллельна испаряемой поверхности 2 и перпендикулярна продольной оси катода. Маленькие стрелки 5 показывают направление магнитного поля вдоль общей оси катушек, обусловленное током в направлении, показанном в катушках 3 и 4. Магнитное поле, направленное вдоль оси, параллельно испаряемой поверхности 2 и перпендикулярно второй паре параллельных сторон катода 1. Большие стрелки 6 показывают основные направления эмиссии паров, которые по существу перпендикулярны испаряемой поверхности 2 в различных точках вокруг катода. Для длинных катодов большая часть пара испускается в двух противоположных направлениях, перпендикулярных продольной оси катода. Боковые элементы 7 размещены вплотную к неиспаряемым сторонам катода 1, которые являются двумя параллельными сторонами катода 1, не входящими в испаряемую поверхность 2. Боковые элементы 7 обеспечивают боковое удержание плазменного разряда на краях испаряемой поверхности и могут содержать изолирующие или металлические пластины, как описано ниже. Могут использоваться обычные средства крепления, водяного охлаждения, экранирования и электрической изоляции, которые здесь не показаны. Катод 1 соединен с отрицательным выводом источника 8 питания плазменного разряда, который может иметь характеристики, подходящие либо для дугового разряда, либо для распыляющего разряда, как описано выше. Положительная клемма источника 8 питания разряда соединена с анодом 22, который может представлять собой металлическую вакуумную камеру или отдельную структуру, которая может быть или не быть заземленной.

Ток в катушках 3 и 4 может быть обеспечен источником 15 питания катушек, соединенных с клеммами 9 и 10 катушек, у которых клеммы 11 и 12 соединены между собой. В другом варианте включения (соединения не показаны) ток в катушках может быть обеспечен посредством соединения клеммы 9 катушек к земле (или к аноду) и клеммы 10 к положительному выводу источника 8 питания разряда (или наоборот) таким образом, чтобы разрядный ток из источника 8 питания разряда также протекал через катушки 3 и 4. Катушки 3 и 4 могут быть экранированы от разрядной плазмы внутри или снаружи вакуумной камеры или могут быть открыты для воздействия плазмы в пределах вакуумной камеры и таким образом составлять часть анода разряда. В другом варианте воплощения (соединения не показаны) катушки 3 и 4 расположены внутри вакуумной камеры, открыты для воздействия плазмы и функционируют как единственный анод для разряда. В этом варианте воплощения клеммы 10 и 11 катушек соединены между собой так же, как клеммы 9 и 12 катушек, которые еще соединены с положительным выводом источника 8 питания разряда. Электронный ток, собираемый анодом, следовательно, течет через катушки 3 и 4 на положительную клемму источника 8 питания разряда, создавая такое магнитное поле, как показано маленькими стрелками 5. В этой конфигурации может быть желательно временно заземлять катушки 3 и 4, чтобы способствовать зажиганию плазменного разряда.

Фиг. 2 изображает диаграмму линий магнитной индукции в сечении (вид сверху) установки катода и катушек фиг. 1. В проводах 3а и 4a электрический ток направлен в плоскость страницы, а в проводах 3b и 4b направлен из плоскости страницы. Вообще катод может функционировать с током, текущим в любом направлении в катушках. Маленькие стрелки 5 показывают направление линий магнитной индукции в положениях, где они соответствуют маленьким стрелками 5 фиг. 1. Линии магнитной индукции в областях 13 над испаряемой поверхностью 2 по существу параллельны поверхности 2, но слегка выпукло-изогнуты из-за дополнительного присутствия составляющих магнитного поля, перпендикулярных поверхности 2, как описано ниже. Степень изгибания и, следовательно, степень магнитного бокового удержания плазменного разряда может управляться размером и местоположением катушек, причем с большими и более удаленными катушками вызывается меньшее изгибание, а с меньшими и менее удаленными катушками вызывается большее изгибание. Ток в катушке и число витков катушки могут быть выбраны так, чтобы обеспечить желательную напряженность поля, согласно средству обеспечения тока катушки. Например, ток 250 А в катушках 3 и 4 с четырьмя витками из фиг. 2 обеспечит на поверхности катода параллельную составляющую поля приблизительно 40 Гс, в то время как ток 20 А в катушках 3 и 4, имеющих 500 витков каждая, обеспечил бы параллельную составляющую поля приблизительно 400 Гс.

Боковые элементы 7 могут выступать на расстояние d, большее нуля над поверхностью (в направлении наружу от нее), и могут иметь боковые стенки 14, обращенные к испаряемой поверхности 2, которые наклонены под углом (равным нулю или более), равным углу отклонения от перпендикуляра к поверхности. В рамках настоящего изобретения могут применяться различные варианты воплощения боковых элементов 7. В одном предпочтительном варианте воплощения катода электродугового испарения изолирующие пластины (например, из нитрида бора) приводятся в контакт с обеими кромками испаряемой поверхности 2 для предотвращения ухода активного пятна дуги от испаряемой поверхности 2. Изолирующие пластины могут находиться на одном уровне с испаряемой поверхностью (то есть d = 0) или могут продлеваться на расстояние в несколько миллиметров или более в направлении наружу от испаряемой поверхности. В другом предпочтительном варианте воплощения катода дугового разряда боковые элементы 7 содержат металлические пластины, находящиеся в контакте с обеими кромками испаряемой поверхности 2. Пластины, например, могут содержать материал самого катода, другой металл типа нержавеющей стали, материал, обладающий магнитной проницаемостью, или предпочтительно материал с более высоким напряжением дугового разряда, чем испаряемая поверхность, и могут предпочтительно выступать на расстояние d, составляющее несколько миллиметров или более, над испаряемой поверхностью по всей периферии. Материалы, имеющие высокие напряжения дугового разряда, включают тугоплавкие металлы типа молибдена и тантала. Выступающий элемент 7 может также предпочтительно иметь угол наклона стенки , равный 20 градусам или более, таким образом создавая острые углы между силовыми линиями магнитного поля и выступающими боковыми стенками элементов 7. Активное пятно дуги, которое перемещается на наклонную боковую стенку, будет поэтому стремиться подталкиваться вниз на испаряемую поверхность посредством взаимодействия с магнитным полем. В другом варианте воплощения катода дугового разряда электрически заземленные или электрически изолированные металлические пластины размещаются смежно к кромкам испаряемой поверхности на расстоянии около 1 мм или более и подавляют дугу, уходящую от испаряемой поверхности 2, или отталкивают активное пятно дуги посредством вихревых токов. Один предпочтительный вариант воплощения распыляющего катода использует металлические боковые элементы 7, которые выступают на расстояние d, составляющее несколько миллиметров или более над испаряемой поверхностью, и имеют стенки, которые могут быть наклонены под углом , который может изменяться от нуля приблизительно до 70 градусов. Боковые элементы могут иметь состав материала катода или другого электропроводного материала. Выступающие боковые стенки служат в этом случае для предотвращения диффузии распыляющейся плазмы вдоль силовых линий магнитного поля от испаряемой поверхности 2. В другом предпочтительном варианте воплощения распыляющегося катода боковые элементы 7 могут содержать металлические пластины, расположенные вплотную к обеим кромкам на расстоянии приблизительно 1 мм или более и выступающие над испаряемой поверхностью на расстояние d, составляющее несколько миллиметров или более. Напряжение пластин может плавать или смещаться вблизи напряжения, промежуточного между напряжением катода и анода, а также пластины могут содержать часть корпуса катода или системы магнитных полюсных структур. Выступающие боковые стенки также служат в этом случае для предотвращения диффузии распыляющейся плазмы вдоль силовых линий магнитного поля от испаряемой поверхности 2.

В дополнение к средству бокового удержания, использующего боковые элементы 7, или вместо него, боковое удержание распыления или дугового разряда может быть выполнено посредством замкнутого выпукло-изогнутого магнитного канала, расположенного на испаряемой поверхности по траектории замкнутого контура вокруг периферии катода. Изогнутая форма магнитного канала может быть описана как обусловленная добавкой перпендикулярных составляющих магнитного поля к описанной ранее параллельной составляющей, производящих результирующую выпуклую кривизну поля в области над испаряемой поверхностью. Перпендикулярные составляющие поля создают боковые силы на распыляющейся плазме или на активном пятне дуги, подталкивая их к центру эрозионного трека с обеих сторон. В результате, более сильные перпендикулярные составляющие приводят к большей кривизне поля и большим силам бокового удержания. Образование узкой эрозионной выемки в катоде может быть предотвращено использованием магнитного поля, которое меняет кривизну от выпуклой - над поверхностью катода до вогнутой - под поверхностью (внутри материала катода), как описано в патенте США 4,892,633 (Welty) и изображено на фиг. 7 и 8 настоящего изобретения. Перпендикулярные составляющие магнитного поля могут создаваться соответствующей конфигурацией и размещением того же самого средства генерации магнитного поля, которое создает составляющую магнитного поля, параллельную испаряемой поверхности. Коммерческие программы моделирования магнитов методом конечных элементов, такие, как программа Maxwell от Ansoft Corporation из Питсбурга (Pittsburg, PA), обеспечивают подходящие возможности для целей проектирования катодов.

Фиг. 3 изображает вид в разрезе предпочтительного варианта воплощения настоящего изобретения, в котором катод содержит крепежное средство и испаряемый элемент, содержащий множество сменных элементов, установленных по периферии крепежного средства 15, содержащего прямоугольный стержень с каналами 16 водяного охлаждения и кольцевыми прокладками 17. Боковые элементы 7, имеющие боковые стенки 14, размещены вокруг обеих кромок испаряемой поверхности 2 и выступают по всей периферии над испаряемой поверхностью на расстояние по меньшей мере около 2 мм и более, предпочтительно приблизительно от 5 до 10 мм. Боковые элементы 7 могут также предпочтительно иметь угол наклона стенки на фиг. 2, составляющий с перпендикуляром 20 градусов или более. В случае катода дугового разряда боковые элементы 7 могут содержать, например, материал самого катода, другой металл, изолирующий материал, материал, обладающий магнитной проницаемостью, или предпочтительно металл с более высоким напряжением дугового разряда, чем материал испаряемой поверхности. В случае распыляющегося катода боковые элементы 7 могут содержать такой же материал, как катод, или другой электропроводный материал. Катоды 1 поддерживаются на крепежном средстве 15 зажимами 23, с использованием винтов (не показаны). Средство генерации магнитного поля содержит множество постоянных магнитов, установленных на полюсных наконечниках: боковые магниты 18 и центральный магнит 19, боковые полюсные наконечники 20, обладающие магнитной проницаемостью, и центральные полюсные наконечники 21, обладающие магнитной проницаемостью. Магниты 18 и 19 имеют намагниченность, ориентированную параллельно испаряемым поверхностям 2 в направлениях, показанных стрелками, находящимися внутри магнитных блоков. Анод 22 расположен смежно к кромкам испаряемой поверхности 2. Могут использоваться обычные средства установки, соединения, экранирования и электрической изоляции, которые здесь не показаны.

Фиг. 4 изображает общий вид магнитов и полюсных наконечников варианта воплощения фиг. 3. Постоянные магниты содержат, по меньшей мере, два набора магнитов, причем, по меньшей мере, один из наборов устанавливается смежно к испаряемой поверхности 2 на каждом из боковых полюсных наконечников 20, обладающих магнитной проницаемостью. Центральные магниты 19 установлены между сегментами центральных полюсных наконечников 21, обладающих магнитной проницаемостью, которые расположены между боковыми полюсными наконечниками 20. Магниты 18 и 19 и полюсные наконечники 20 и 21 вместе образуют магнитную цепь, имеющую межполюсной зазор между магнитами 18 на противоположных сторонах испаряемой поверхности 2, изображенной на фиг. 3. Магнитный поток генерируется поперек зазора между противостоящими сторонами магнитов 18, как показано на фиг. 7. Катоды 1 расположены в пределах межполюсного зазора так, что поток, генерируемый в межполюсном зазоре, проходит по всем испаряемым поверхностям 2, включая торцы, обеспечивая составляющую магнитного поля, параллельную испаряемым поверхностям 2 по всей периферии катода. Центральные полюсные наконечники 21 проходят через центр крепежного средства 15 (фиг. 3) и соединяют по магнитному полю два боковых полюсных наконечника 20, чтобы замкнуть магнитную цепь и обеспечить "замыкание силовых линий" для магнитного потока. Магниты 18 обеспечивают большую часть магнитного поля внутри межполюсного зазора, в то время как магниты 19 служат главным образом для того, чтобы влиять на форму поля внутри зазора. Центральные полюсные наконечники 21 могут быть изготовлены из многочисленных отдельных секций по длине катода, как показано на фиг. 4, чтобы сохранить механическую целостность крепежного средства 15.

Фиг. 5 изображает вид в разрезе для другого предпочтительного варианта воплощения настоящего изобретения, в котором катод 1 содержит прямоугольный стержень, имеющий испаряемую поверхность 2. Крепежные средства 15, имеющие каналы 16 водяного охлаждения и кольцевые прокладки 17, расположены на неиспаряемых сторонах катода 1 и туго зажаты обычными, непоказанными средствами для охлаждения катода. Боковые элементы 7 расположены по кромкам испаряемой поверхности 2 и могут содержать изолирующие или металлические материалы подобно тому, как обсуждалось для фиг. 2 и 3. Средство генерации магнитного поля содержит боковые магниты 18 и центральные полюсные наконечники 21, обладающие магнитной проницаемостью. Магниты 18 имеют намагниченность, ориентированную перпендикулярно к испаряемым поверхностям 2, как показано стрелками. Центральные полюсные наконечники 21 могут быть изготовлены в виде многочисленных отдельных секций по длине катода, как показано на фиг. 6, чтобы сохранить механическую целостность катода 1. Анод 22 расположен вдоль кромок и направлен наружу от испаряемой поверхности 2. Могут использоваться обычные средства установки, соединения, экранирования и электрической изоляции, которые здесь не показаны.

Фиг. 6 изображает общий вид магнитов и полюсных наконечников варианта воплощения фиг. 5. Магниты 18 установлены по периферии центральных полюсных наконечников 21 на противоположных сторонах катода 1. Магниты 28, имеющие намагниченность, перпендикулярную испаряемой поверхности на торце катодного стержня, расположены на полюсных наконечниках 21 на торцах катода, чтобы генерировать параллельную составляющую поля по испаряемой поверхности на торцах. Магниты 18 и полюсные наконечники 21 вместе образуют магнитную цепь, имеющую межполюсной зазор между магнитами 18 на противоположных сторонах испаряемой поверхности 2. Магнитный поток генерируется поперек зазора между противостоящими сторонами магнитов 18, как показано на фиг. 8. Катод 1 расположен в пределах межполюсного зазора так, что поток, генерируемый в межполюсном зазоре, проходит по всей испаряемой поверхности 2, включая торцы, обеспечивая составляющую магнитного поля, параллельную испаряемым поверхностям 2 по всей периферии катода. Центральные полюсные наконечники 21 проходят через центр катода 1 и соединяют по магнитному полю магниты 18 на противоположных сторонах катода, чтобы замкнуть магнитную цепь и обеспечить "замыкание силовых линий" для магнитного потока.

Фиг. 7 и 8 изображают диаграммы, представляющие сечения магнитного поля, создаваемого магнитом и полюсной структурой из фиг. 3 и 5 соответственно. На фиг. 7 и 8 линии магнитной индукции в области 30 вблизи испаряемой поверхности 2 в преобладающей степени параллельны испаряемой поверхности 2 и перпендикулярны продольной оси катода. Магнитное поле выпукло-изогнуто в области 31 над испаряемой поверхностью и вогнуто-изогнуто в области 32 под испаряемой поверхностью внутри объема катода, чтобы обеспечить магнитное боковое удержание плазменного разряда над испаряемой поверхностью, в то же время предотвращая формирование узкой эрозионной выемки по мере испарения материала катода. Напряженностью магнитного поля можно управлять путем выбора материала магнита и толщины "t" магнита (в направлении намагниченности). Например, в конфигурациях обеих фиг. 7 и 8 металлокерамические магниты класса 8 толщиной 3 мм обеспечат параллельную составляющую поля около 50 Гс поперек испаряемой поверхности шириной 7,5 см, в то время как неодимовые магниты класса 35 толщиной 10 мм обеспечат параллельную составляющую поля около 500 Гс. Магниты этих типов могут быть получены, например, от компании Magnet Sales, Inc. of Los Angeles, CA.

Фиг. 9 изображает установку для осаждения покрытий или ионной имплантации, в которой множество шпинделей 36 - держателей подложек - расположено вокруг центрального катода 35 настоящего изобретения. Шпиндели 36 - держатели - могут содержать средство для поддерживания множества меньших подложек, которые подлежат покрытию или имплантации. Стрелки 6 показывают направления эмиссии паров из катода 35. Все множество подложек может вращаться вокруг катода 35, чтобы достичь равномерного покрытия. Отдельные шпиндели 36 могут также вращаться вокруг их собственных осей, чтобы улучшить однородность или увеличить площадь крепления подложек. В рамках настоящего изобретения возможны различные другие установки. Например, фиг. 10 изображает установку для осаждения покрытий или ионной имплантации, в которой два потока подложек 36 перемещаются линейно мимо центрального катода 35 настоящего изобретения. Подложки могут перемещаться непрерывно или периодически и могут также вращаться вокруг их собственных осей, чтобы улучшить однородность или увеличить участок крепления подложки. В другом варианте воплощения сборка катода и анода такая, как изображена на фиг. 3, может использоваться, чтобы покрывать внутреннюю сторону трубы или трубки, с относительным вращением между катодом и трубой с целью получения равномерного покрытия. Таким образом во внутренних покрытиях трубы, нанесенных дуговым разрядом, может быть получено более низкое содержание макрочастиц, чем при использовании цилиндрического катода дугового разряда.

Внутри матрицы с подложками могут быть помещены многочисленные катоды с одинаковыми или разными испаряемыми материалами для увеличения полной интенсивности испарения или для осаждения или имплантации смешанных сплавов или многослойных структур. Катод настоящего изобретения хорошо подходит для плотной установки, так как испаряемая поверхность может быть сделана намного более узкой, чем это возможно для катода плоского магнетрона (планотрона), таким образом обеспечивая более компактную катодную сборку и большее перекрытие функций распределения эмиссии. В системе с многочисленными катодами может быть выгодным использование катодов обоих типов и распыляющихся катодов и катодов дугового разряда. Например, напыляемое покрытие может наноситься первым, а затем покрытие, получаемое электродуговым испарением, или наоборот. В случае легирования некоторых материалов может быть желательно использовать один катод (например, алюминиевый) в качестве распыляющегося катода, чтобы избежать чрезмерной генерации макрочастиц, в то же время используя другой катод (например, титановый) в качестве катода электродугового испарения, чтобы получить выгоду от усиленной ионизации и реакционной способности. Плотная установка многочисленных катодов может потребовать регулирования напряженности магнитных полюсов или ориентации, для компенсации магнитного взаимодействия между катодами.

В случае электродугового испарения способ соединения силовых кабелей к катоду может влиять на равномерность эрозии катода. Токи дугового разряда величиной несколько сотен ампер в кабелях и в самом катоде создают магнитные поля, которые могут влиять на перемещение активных пятен дуги на испаряемой поверхности. Для катодов электродугового испарения настоящего изобретения вообще желательно выполнять соединения к источнику питания симметрично на обеих неиспаряемых сторонах катода. Силовые кабели могут быть проложены симметрично по сторонам катода, чтобы получить максимальное подавление собственных магнитных полей.

Полные раскрытия всех патентов, патентных документов и публикаций, цитируемых здесь, включены ссылкой, как если бы каждый из них был включен отдельно. Хотя были изображены и описаны конкретные варианты воплощения настоящего изобретения, специалистам будут очевидны различные его модификации. Следовательно, примеры предназначены не для того, чтобы ограничить изобретение раскрытыми вариантами воплощения. Следует понимать, что термин "по существу прямоугольный", применяемый в связи с формой поперечного сечения катода настоящего изобретения, включает вариации всей формы, обусловленные средством монтажа, изоляторами и т.д., и вариации профиля испаряемой поверхности, которые могут быть желательны для улучшения бокового удержания плазменного разряда или влияния на эрозию или распределение эмиссии.