Procedimiento para el funcionamiento de una fuente de vaporización con arco pulsada así como instalación de procesamiento en vacío con fuente de vaporización con arco pulsada.

Instalación de procesamiento en vacío con una cámara (1) de vacío para el tratamiento de la superficie de piezas (3)con una fuente (5) de vaporización con arco,

que comprende un ánodo (6) y un primer electrodo (5') configurado comoelectrodo de target, estando conectados este ánodo (6) y este electrodo (5') con una fuente (13) de alimentación concorriente continua y con un segundo electrodo (3, 18, 20, 22) dispuesto separado de la fuente (5) de vaporización conarco y de la cámara (1) de vacío, caracterizada porque los dos electrodos (5', 3, 18, 20, 22) están conectados con unafuente (16) bipolar de corriente pulsada para la formación de una vía de descarga adicional.

Procedimiento para el funcionamiento de una fuente de vaporización con arco pulsada así como instalación de procesamiento en vacío con fuente de vaporización con arco pulsada

El invento se refiere a una instalación de procesamiento en vacío según el preámbulo de la reivindicación 1 para el tratamiento de superficies de pieza con una fuente de vaporización con arco así como a un procedimiento para el funcionamiento de una fuente de vaporización con arco según el preámbulo de la reivindicación 14.

El funcionamiento de las fuentes de vaporización con arco, conocidas también como cátodo de chispas, por medio de la alimentación con impulsos eléctricos se conoce en el estado de la técnica desde hace tiempo. Con las fuentes de vaporización con arco se pueden obtener de manera rentable tasas grandes de vaporización y con ello tasas grandes de depósito durante el recubrimiento. Además, la construcción de una fuente de esta clase se puede realizar técnicamente de una manera relativamente sencilla, siempre que no se impongan requerimientos altos al funcionamiento de los impulsos y que la generación de impulsos se limite exclusivamente más o menos al encendido de una descarga de corriente continua. Estas fuentes trabajan con intensidades típicas en el margen de aproximadamente 100 A y más y con tensiones de algunos voltios hasta algunas decenas de voltios, que se pueden obtener con fuentes de alimentación de corriente continua relativamente baratas. Un inconveniente esencial de estas fuentes es que en la zona de la mancha catódica se producen en la superficie de los targets fundidos, que se expanden rápidamente, con lo que se forman gotas, conocidas como “droplets”, que son lanzadas en forma de salpicaduras y se condensan después en la pieza e influyen de manera no deseada en las propiedades de la capa. Así por ejemplo, debido a ello la estructura de la capa resulta no homogénea y la rugosidad de la superficie es deficiente. Con requerimientos altos de la calidad de la superficie es frecuente, que las capas así obtenidas no se puedan utilizar comercialmente. Por ello ya se intentó reducir este problema haciendo funcionar la fuente de vaporización con arco con un funcionamiento de generación de impulsos puro de la fuente de alimentación. Si bien con el funcionamiento de generación de impulsos se pudo incrementar en parte la ionización, incluso se influyó, según el ajuste de los parámetros de funcionamiento, negativamente en la formación de salpicaduras. La utilización de gases reactivos para el depósito de compuestos desde un target metálico en un plasma reactivo sólo era posible entonces de una manera muy limitada, en especial, cuando se debían crear capas no conductoras, es decir dieléctricas, como por ejemplo óxidos utilizando oxígeno como gas reactivo. El nuevo recubrimiento de las superficies del vaporizador con arco y de los contraelectrodos, tales como los ánodos y también otras partes de la instalación de procesamiento con arco con una capa no conductora inherente en este caso al proceso da lugar a condiciones totalmente inestables e incluso a la extinción del arco voltaico. En este caso se tendría que encender este siempre de nuevo o el desarrollo de proceso se vuelve con ello totalmente imposible.

En el documento EP 0 666 335 B1 se propone para el depósito de materiales puramente metálicos con un vaporizador de arco, que a la corriente continua se superponga una corriente pulsatoria para poder rebajar así la corriente continua de base y reducir la formación de salpicaduras. Para ello se necesitan corrientes pulsatorias hasta de 5000 A, que deben ser generadas con descargas de condensadores con una frecuencia relativamente baja de los impulsos en el margen de 100 Hz a 50 kHz. Se propone este procedimiento para evitar la formación de “droplets” durante la vaporización no reactiva de targets puramente metálicos con una fuente de vaporización con arco. En este documento no se expone una solución para el depósito de capas dieléctricas no conductoras.

Una disposición análoga a la descrita anteriormente en el documento EP 0 666 335 B1 se divulga en la publicación para información de solicitud de patente japonesa JP 01 9042574. En ella se quiere mejorar la rugosidad de la superficie de un recubrimiento. Para ello se propone alimentar una fuente de vaporización con arco con una corriente continua a la que se debe superponer una tensión de alta frecuencia (RF – 100 kHz a 100 MHz) . La cámara de vacío de conecta como ánodo. En la figura se representa esta alimentación combinada como “Power Source 10 (rectángulo) . Además, de la figura se desprende una disposición conocida para la aplicación de una tensión 11 continua de polarización al soporte del substrato. De manera conocida se aplica el polo negativo al soporte del substrato y el polo positivo a la masa de la instalación.

El documento US 4, 645 895 describe una disposición para el tratamiento de la superficie de una pieza con un ánodo y un cátodo poco distanciados entre sí, que se alimentan con una corriente continua pulsada para generar una descarga entre este ánodo y el cátodo conectado a masa. Se trata de impulsos de corriente continua monopolares y la disposición funciona intermitentemente con una frecuencia relativamente baja, de manera, que siempre es necesario encenderla de nuevo.

El recubrimiento reactivo con fuentes de vaporización con arco posee una reactividad y una estabilidad del proceso deficientes, en especial en la obtención de capas aislantes. Contrariamente a otros procesos PVD (por ejemplo pulverización catódica) sólo se pueden obtener con la vaporización con arco capas aislantes con targets eléctricamente conductores. El funcionamiento con alta frecuencia, como sucede en el caso de la pulverización catódica, falló hasta ahora debido a la falta de una técnica para el funcionamiento de fuentes de alimentación con corrientes y con frecuencias altas. El funcionamiento con fuentes de alimentación pulsadas parece ser una opción. Sin embargo, en este caso es preciso, que la chispa sea encendida, como ya se mencionó, siempre de nuevo o la frecuencia de los impulsos tiene que 2 10

ser elegida tan alta, que no se extinga el arco. Esto parece funcionar en cierto modo en las aplicaciones para materiales especiales como grafito.

Con superficies oxidadas de los targets no es posible el nuevo encendido por medio del contacto mecánico y de fuentes de alimentación de corriente continua. Otras clases de procesos de encendido rápidos son técnicamente costosos y su frecuencia de encendido es limitada. El problema propiamente dicho de la vaporización reactiva con arco es el recubrimiento con capas aislantes del target y del ánodo, respectivamente la cámara de recubrimiento. Estos recubrimientos elevan la tensión de combustión de la descarga de chispas, dan lugar a salpicaduras y a un salto de chispas más frecuentes, a un proceso no estable, que finaliza con la interrupción de la descarga de la chispa. A ello se suma la ocupación del target con el crecimiento de islas, que reduce la superficie conductora. Un gas reactivo muy diluido (por ejemplo una mezcla de argón y oxígeno) puede retardar el crecimiento en el target, pero no soluciona el problema fundamental de la inestabilidad del proceso. Si bien la propuesta según el documento US 5, 103, 766 de hacer funcionar el cátodo y el ánodo de manera alternativa siempre con un nuevo encendido contribuye a la estabilidad del proceso, da lugar a una mayor cantidad de salpicaduras.

El recurso de una fuente de alimentación pulsada, como es por ejemplo posible en la pulverización catódica reactiva, no es viable en la vaporización de chispas clásica. Esto se debe a que una descarga de efluvios “vive más tiempo” que una chispa, cuando se interrumpe la aportación de corriente.

Para soslayar el problema del recubrimiento del target con una capa aislante se separan localmente en los procesos reactivos para la obtención de capas aislantes, la entrada del gas reactivo y el target (entonces sólo se garantiza la reactividad del proceso, cuando la temperatura en el substrato permite una oxidación/reacción) o se procede a una separación entre las salpicaduras y la parte ionizada (conocida como “filtered arc”) y el gas reactivo se agrega al vapor ionizado después del filtrado. La solicitud anterior de patente con el número de solicitud CH 00518/05 divulga esencialmente una solución de este problema y el invento presentado en la solicitud de patente actual representa un perfeccionamiento, que solicita la prioridad... [Seguir leyendo]

1. Instalación de procesamiento en vacío con una cámara (1) de vacío para el tratamiento de la superficie de piezas (3) con una fuente (5) de vaporización con arco, que comprende un ánodo (6) y un primer electrodo (5’) configurado como electrodo de target, estando conectados este ánodo (6) y este electrodo (5’) con una fuente (13) de alimentación con corriente continua y con un segundo electrodo (3, 18, 20, 22) dispuesto separado de la fuente (5) de vaporización con arco y de la cámara (1) de vacío, caracterizada porque los dos electrodos (5’, 3, 18, 20, 22) están conectados con una fuente (16) bipolar de corriente pulsada para la formación de una vía de descarga adicional.

2. Instalación según la reivindicación 1, caracterizada porque el segundo electrodo (20’) es el cátodo de otra fuente (20) de vaporización con arco, estando conectada esta igualmente con una fuente (13’) de alimentación con corriente continua.

3. Instalación según la reivindicación 1, caracterizada porque el segundo electrodo (18) es el cátodo de una fuente (18) de pulverización catódica, en especial una fuente (18) con matgnetrón y porque esta está conectada igualmente con una fuente (17) de alimentación, en especial una fuente de alimentación con corriente continua.

4. Instalación según la reivindicación 1, caracterizada porque el segundo electrodo (3) se configura como soporte de la pieza y forma junto con las piezas (3) un electrodo de polarización.

5. Instalación según la reivindicación 1, caracterizada porque el segundo electrodo es un crisol (22) de vaporización, que forma el ánodo de un vaporizador (9, 22) con arco de bajo voltaje.

6. Instalación según la reivindicación 1, caracterizada porque el segundo electrodo es un electrodo (22) auxiliar, con preferencia un ánodo (15) auxiliar para la formación de una descarga de arco de bajo voltaje.

7. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque entre la fuente (13) de alimentación con corriente continua y la fuente (16) de alimentación con plasma se dispone un filtro eléctrico de desacoplamiento, conteniendo este con preferencia al menos un diodo de bloqueo.

8. Instalación según la reivindicación 2 ó 3, caracterizada porque la fuente (13) de alimentación con corriente continua genera una corriente de base para el mantenimiento esencialmente sin interrupciones de una descarga de plasma en los electrodos (5, 18, 20) , en especial en las fuentes (5, 20) del vaporizador con arco.

9. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la instalación posee una entrada de gas reactivo.

10. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque la frecuencia de la fuente (16) de alimentación con corriente pulsada se halla en el margen de 1 kHz a 200 kHz,

11. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque la relación de los anchos de los impulsos de le fuente (16) de alimentación con corriente pulsada es ajustada distintamente.

12. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 11 caracterizada porque los impulsos de la fuente (16) de corriente pulsada están ajustados con intervalos.

13. Instalación según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada porque los flancos de los impulsos de la fuente

(16) de alimentación con corriente pulsada poseen pendientes que se hallan al menos en el margen de 0, 02 V/ns a 2, 0 V/ns, con preferencia al menos en el margen de 0, 1 V/ns a 1, 0 V/ns, con preferencia mayor que 2, 0 V/ns.

14. Procedimiento para el tratamiento de la superficie de piezas (3) en una instalación (1) de procesamiento con una cámara (1) de vacío en el que con un primer electrodo (5’) configurado como electrodo de target de una fuente (5) de vaporizador con arco, que comprende un ánodo (6) y con un segundo electrodo (3, 18, 20, 22) dispuesto separado de la cámara (1) de vacío y de la fuente (5) del vaporizador con arco se deposita una capa sobre la pieza (3) , siendo alimentados el primer electrodo (5’) de la fuente (5) del vaporizador con arco y el ánodo (6) con una fuente de alimentación con corriente continua, caracterizado porque los dos electrodos (5’, 3, 18, 20, 22) funcionan conectados con una sola fuente (16) de alimentación con corriente bipolar pulsada con lo que entre los electrodos actúa una vía de descarga adicional.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque el segundo electrodo (20’) funciona como cátodo de otra fuente (20) de vaporizador con arco y porque está trabaja igualmente conectada con una fuente (13’) de alimentación con corriente continua.

16. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque el segundo electrodo (18) funciona como cátodo de una fuente (18) de pulverización catódica, en especial una fuente (18) con magnetrón y porque esta funciona igualmente

conectada con una fuente (17) de alimentación con corriente, en especial una fuente de alimentación con corriente continua.

17. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque el segundo electrodo (3) se configura como soporte

(3) de la pieza y forma junto con las piezas (3) un electrodo de polarización.

18. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque el segundo electrodo se configura como crisol (22) de vaporización y funciona como ánodo de un evaporador (9, 22) con arco de bajo voltaje.

19. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque el segundo electrodo funciona como electrodo (22) auxiliar, con preferencia como ánodo (15) auxiliar para la formación de una descarga de arco de bajo voltaje.

20. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 19, caracterizado porque la fuente (13) de alimentación con corriente continua y la fuente (16) de alimentación con corriente pulsada se desacoplan con un filtro eléctrico de desacoplamiento, conteniendo este con preferencia al menos un diodo de bloqueo.

21. Procedimiento según la reivindicación 15 ó 16, caracterizado porque la fuente (13) de alimentación con corriente continua funciona con una corriente de base de tal modo, que la descarga de plasma en los electrodos (5, 18, 20) es mantenida esencialmente sin interrupciones, en especial en las fuentes (5, 20) de evaporador con arco.

22. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 21, caracterizado porque la instalación de procesamiento en vacío trabaja con un gas de proceso, que contiene un gas reactivo.

23. Procedimiento según la reivindicación 22, caracterizado porque la instalación de procesamiento en vacío trabaja con un gas de proceso, que es exclusivamente un gas reactivo.

24. Procedimiento según una de las reivindicaciones 22 ó 23, caracterizado porque la instalación de procesamiento en vacío trabaja con un gas de proceso en el que el gas reactivo contiene oxígeno y con preferencia es esencialmente oxígeno.

25. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 24, caracterizado porque la fuente (16) de alimentación con corriente pulsada trabaja con una frecuencia en el margen a 1 kHz a 200 kHz.

26. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 25, caracterizado porque la fuente (16) de alimentación con corriente pulsada trabaja con una relación de anchos de impulso ajustada distintamente.

27. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 26, caracterizado porque la fuente (16) de alimentación con corriente pulsada trabaja con impulsos intermitentes.

28. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 27, caracterizado porque la fuente (16) de alimentación con corriente pulsada trabaja con flancos de los impulsos, que poseen pendientes, que se hallan al menos en el margen de 0, 02 V/ns a 2, 0 V/ns, con preferencia al menos en el margen de 0, 1 V/ns a 1, 0 V/ns, con preferencia mayor que 2, 0 V/ns.

29. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 a 28, caracterizado porque en la instalación (19) de procesamiento en vacío, que contiene gas reactivo, con preferencia exclusivamente gas reactivo, trabajan más de dos electrodos (5, 5’, 3, 18, 20) , trabajando exclusivamente dos electrodos con una fuente (16) de alimentación con corriente pulsada individual y porque uno de los dos electrodos trabaja como primer electrodo (5’) de una fuente (5) de vaporizador con arco.

30. Procedimiento según la reivindicación 29, caracterizado porque los dos electrodos (5, 5’) pulsados trabajan como fuentes de vaporizador con arco y porque al menos un electrodo adicional trabaja como fuente (18) de pulverización catódica.