PICVD涂覆系统中的弧束位置监测和位置控制

技术领域

本发明涉及一种特别是在等离子体诱导化学气相沉积过程(PICVD过程)中用来稳定等离子体束的位置和形状的方法，并且涉及一种被配置成执行根据本发明的方法的特别是以弧束PICVD涂覆系统的形式的系统。

背景技术

为了使工具(尤其是精密工具和相关联的组件)更加耐腐蚀和耐磨，已知在工具的表面上应用金刚石涂覆。为了创造薄的均匀层结构，现在经常使用CVD过程，尤其是PICVD过程。

在衬底上生产金刚石膜的PICVD过程从文献中是已知的，例如从文档US5753045、WO03/031675A2、US7192483、US5902649，“High current d.c.arc(HCDCA)technique fordiamond deposition”，J.Karner，M.Pedrazzini，C.Hollenstein，Diamond and RelatedMaterials 5，(1996)，217-220和Operating Manual BAI730D Diamond Coating System，BD 802633 DE，第五版，2004年4月，第20页中是已知的

基于利用电子发射源(阴极)和收集器(阳极)生成的DC等离子体弧束的PICVD(等离子体诱导化学气相沉积)系统通常在通常在0.1和10mbar之间的范围内的低压气体气氛中操作。用于生成金刚石膜的可能的气体混合物可以包括稀有气体(如氩气(Ar))、氢气(H2)和碳氢化合物气体。碳氢化合物气体可以是待生长的碳基膜的碳原子源。氢可以确保生长处于金刚石sp3碳键模式，并且Ar对于操作弧束等离子体可能是必要的。等离子体弧束可以用磁场来稳定，其中场线形成从阴极到阳极的非回旋路径。为简单起见，阴极和阳极通常位于基面和盖上，并且因此位于圆柱形反应器的相反侧上，使得弧束可以形成从阴极到阳极的直柱，如图1a和1b所示，图1a和1b图示典型的现有技术设置。

PICVD过程中的磁场通常由一个线圈(或多个线圈10)生成，所述线圈以这样的方式布置，使得场线10a基本上平行于从阴极到阳极的轴，并且场强近似均匀。

在弧束的热等离子体中，碳氢化合物气体分子被激发，以及形成原子氢。这些物种可以扩散迁移到离弧束一定距离的零件。在零件的表面上，这些物种可以起反应以形成碳膜。对于适当选择的零件到弧束的距离，必须满足金刚石膜的有效生长的温度条件。

在PICVD系统中，涂覆膜由凝结在任何表面上的受激物种形成，其中这些物种在涂覆系统中以扩散的方式迁移。根据表面温度，发生不同类型的凝结反应，并在表面上生长不同类型的涂层。在用于制造金刚石型涂层的系统中，sp3型金刚石膜生长在适当量的原子氢的存在下发生在具有在700-900℃范围中的温度的表面处。通过来自弧束等离子体的热辐射和通过主要是原子氢的放热表面反应两者加热，在系统的中心的弧束周围的一定径向距离内满足那些温度条件。以更大的距离，温度更低，并且有利于石墨型生长。在具有更低温度的区域，尤其是水冷却系统壁上，可能观察到聚合物型薄膜生长。

不利的是，在用于生成金刚石膜的PICVD过程中，位于距等离子体弧束特定距离处的零件上的金刚石膜生长速率很大程度上依赖于距弧束的中心的距离。

在如同图1a、图1b中的所示的设置一样的典型设置中，待涂覆的零件1位于离弧束轴9大约120mm的固定距离处。在该装置中，观察到相对于弧束中心轴每毫米距离变化3％-5％的相对金刚石膜厚度灵敏度。为了实现通常请求的小于10％的相对膜厚度精度，考虑到也影响膜厚度的其他影响因素，弧束到零件的距离必须在＜2-3mm之内。由于弧束9是扩散柱，其具有从约为50毫米的径向半密度宽度的束中心轴开始密度递减的，不幸的是，视觉确定零件到束轴的实际距离非常不准确，或者不可能达到几毫米的精度。

尽管可以仔细地将零件布置在离涂覆系统的几何轴固定距离处，该几何轴由等离子体电子源的孔7的中心和系统的相反侧的锥形阳极8限定，但是弧束轴可以偏离该几何轴。外部磁场以及来自等离子体环境中的夹具的表面电势的电场都可能导致弧束9在其从阴极到阳极的途中上的一些偏转。例如，将阳极和阴极源连接到驱动弧电流的功率供应装置的高电流导线的磁场引起一些明显的偏转。此外，生成轴向磁场的外部线圈10的机械公差或轻微的几何未对准可导致一些束偏转。

为了解决上述问题，已经使用保持良好对中的弧束的部件。然而，如上所述，弧束位置的直接视觉检查是模糊和不准确的，因为弧束是扩散柱，其具有从中心亮度逐渐降低。视觉上确定扩散弧束的位置通常不能优于1cm。如上所述，当系统打开时，可以将零件对中到弧束的预先确定的位置，但是精度可能不够好。可以想象通过保持零件的夹具的某种定位机构来调节零件，然而，考虑到过程温度远高于500℃的事实，实现这样的原位机构将是非常苛刻的。备选地，生成轴向磁场的线圈可以倾斜以创造水平场分量，该水平场分量发起弧束的偏转。但是做这样的调整是一项单调乏味的迭代任务，因为这将意味着在连续测量零件上的涂覆厚度的情况下进行若干涂覆运行。此外，由于过程漂移或弧束位置随过程条件的系统变化，需要在不同过程之间或甚至在不同过程步骤之间调整线圈倾斜。使用电动倾斜部件，这种调节可以自动化，从而根据过程配方实现远程控制光束偏转调节。

假定随着距系统中弧束轴的距离而迅速降低的温度，同时测量弧束周围不同角度位置的温度也可用于确定弧束柱的位置。在J.Karner，M.Pedrazzini，C.Hollenstein，Diamond and Related Materials 5，(1996)，217-220和Operating Manual BAI730DDiamond Coating System，BD 802633 DE，第5版，2004年4月中已经描述这样的使弧束对中的方法。但是，强制性定位温度传感器以及保持所有传感器上的相同表面是非常准确。考虑到需要只几毫米的位置精度的事实，那些挑战可能很难克服生产型环境。

本发明的目的

因此，本发明的目的是要至少部分地克服已知的PICVD过程的上述缺点，以在衬底上生产金刚石膜。特别地，本发明的目的是要提供一种用来稳定等离子体束的位置和形状的方法，以用于以简单、成本有效和可靠的方式有目标地、可控地应用金刚石涂层。

发明内容

上述问题通过根据权利要求1的方法和根据权利要求15的系统来解决。本发明的另外的特征和细节来自相应的从属权利要求、说明书和附图。结合根据本发明的方法描述的特征和细节与根据本发明的系统结合也有效，并且反之亦然，使得关于本发明的各个方面的公开，相互参考或者总是可以相互参考。

在这方面，根据本发明的第一方面，公开一种用来稳定在阴极和阳极之间建立的等离子体束的位置和形状的方法，其中在阴极和阳极之间建立电场，并且其中阴极和阳极之间的最短电场线限定参考线，其中提供至少一个定向电磁线圈，并且该至少一个定向电磁线圈具有其线圈轴，所述线圈轴以与基准线非共线的方式定向，使得与两个线圈开口相交并且平行于线圈轴的直线中的至少一条与基准线相交，并且其中电流被发送通过该至少一个定向电磁线圈，以便建立用于偏转或吸引等离子体束的磁场。

因此，本发明的核心描述在PICVD系统内精确对准弧束位置以在所述系统内获得相等涂覆厚度和成分的部件。这尤其包括两个关键要素：a)远程确定系统中的实际束位置，以及b)调整系统内的束位置以补偿偏差。在必须生产预定的非均匀涂层的情况下，理解的是，有可能有意地在系统中保持非对中的情况。

与线圈开口中的两个线圈开口相交并且平行于与参考线相交的线圈轴的直线可以特别理解为平行于线圈轴穿过线圈的虚拟直线。

关于允许清楚地确定和有效地调整弧束的位置的布置，可以有利地提供的是，非共线定向是垂直定向。

在以简单和有效的方式弧束的特别精确地可确定和可调整定位的范围内，可以提供至少一个镜像电磁线圈，其相对于至少一个定向电磁线圈以镜像方式定向和定位，其中优选参考线用作镜像轴，其中定向和镜像电磁线圈形成第一对电磁线圈。

在弧束的特别精确可确定和可调整的定位的上下文中，还可以提供的是，第二对电磁线圈可以被提供，并且优选地可以以这样的方式布置，使得它们的线圈轴以与参考线非共线的方式定向，使得与线圈开口相交并且平行于线圈轴的直线中的至少一条与参考线相交，并且第二对也以与第一对电磁线圈的轴非共线的方式定向。

在这里，特别可以想到的是，关于弧束的精确可限定和可调整的定位，第二对电磁线圈的定向可以垂直于参考线，并且优选垂直于第一对电磁线圈的线圈轴。

同样，可以想到的是，关于弧束的可精确限定和可调整的定位，磁场由一个线圈或两个或更多个线圈生成，所述线圈以这样的方式布置，使得场线基本上平行于从阴极到阳极的轴，并且场强近似均匀。

关于允许清楚地确定和有效地调整弧束位置的布置，可以有利地提供的是，提供一组生产磁场Bx、By的线圈，其中所述一组线圈相对于参考线以这样的方式布置，使得磁场Bx、By垂直于稳定弧束的轴向场Bz定向，其中磁场Bx、By优选地用于确定弧束位置，其中特别地，弧阻抗的确定用于弧束位置的确定。

为了允许在涂覆过程期间连续控制弧束，可以有利地提供的是，通过使用解调技术，优选地通过使用应用于调制电压信号的相敏正交解调，从调制电压信号中提取弧束的静态位置，其中特别地，检测施加的场调制的幅度和相位延迟两者。

关于在涂覆过程期间弧束的连续控制，还可以想象的是，弧束的偏移位置可以通过从极坐标到笛卡尔坐标的变换来表示在坐标x和y中，其中优选地，幅度提供距中心对准的静态偏移位置，而相位延迟给出弧束未对准的角度方向。

在这方面，当弧阻抗抛物面的曲率被用于特定的过程条件以确定弧束的定位时，同样可以是有益的，其中优选地假设阻抗抛物面的单轴对称。

此外，关于在涂覆过程期间弧束的连续控制，可以有利地提供的是，静态偏移电流Isx和Isy用于优选地通过将静态偏移电流Isx和Isy叠加到线圈调制信号来校正实际弧束位置，其中弧束特别地通过使用Isx＝-dIx和Isy＝-dIy的估计来对中，其中束对中的检查通过线圈调制信号的消失来指示。

在这方面，当迭代重复用于弧束对中的校正过程时，同样可能是有益的，其中该迭代过程优选地作为在线弧束对中方法自动进行，该方法随着时间的推移将弧束位置保持在中心位置。

在涂覆过程期间连续控制弧束的范围内，还可以想到的是，在手动测试静态偏移电流Isx和Isy的特定设置的弧电压的情况下确定弧阻抗抛物面的曲率，其中优选地，在每个步骤的过程之前确定弧阻抗抛物面的曲率值。

同样，可以想象的是，有意选择不相等的线圈调制电流Imx和Imy，以用于确定对于确定束位置所要求的曲率，其中，对于确定束位置所要求的曲率优选地对于前述确定过程的若干步骤同时获得。

最后，根据本发明的第二方面，公开一种用于涂覆零件的弧束PICVD涂覆系统，其中该弧束PICVD涂覆系统被配置成执行前述方法。

从下面的描述中，本发明的另外优点、特征和细节将是显而易见的，其中参考附图详细描述本发明的实施例。独立权利要求和说明书对应部分中提到的特征对于本发明来说可能是必不可少的。未包括在独立权利要求中但在从属权利要求和说明书的对应部分中提到的另外特征单独或以任何组合构成本发明的优选实施例。在本说明书中提供的本发明的示例不应被理解为对本发明的限制，而是被理解为本发明的优选实施例或展示。图1c至图8用于促进理解本发明的描述。

具体实施方式

图1c中示出根据本发明的PICVD系统设置。

远程确定系统中的实际束位置和调整系统内的束位置以补偿偏差的两个关键要素由一组线圈解决，所述一组线圈生产垂直于轴向场Bz的磁场Bx、By以稳定弧束(图1c)。通过使用2对线圈10a、10b，其布置有优选地垂直于它们的方向的它们的轴，可以生成在任何方向上与弧束非线性并且优选地垂直于弧束的磁场矢量(Bx，By)。弧束的等离子体电子在从阴极到阳极的移动中遵循磁场线。通过在系统中施加(与Bz相比小的)水平场，来自轴向线圈的磁场线被偏转，并且因此在存在这种水平场的情况下，束在阴极和阳极之间的路径上被偏转。利用生成水平场分量的线圈电流的特定设置，可以获得任何水平方向上的束偏转。

利用设置和调整x、y线圈中优选的静态电流的量和方向，可以补偿任何不希望的束偏转，并且可以将束适当地带到对中位置。此外，例如在待涂覆的部件不与系统轴同心布置的情况下，任何偏离中心的束位置(在限制内)也可以通过有意地使用适当的线圈电流来生产静态偏转场来实现。

由线圈生成的水平磁场(Bx，By)也可以用于确定束位置，这是要解决的第二个话题，即弧束位置监测。当弧束利用水平场偏转时，弧阻抗(＝弧电压除以弧电流)增加，因为当接近阳极附近以到达阳极表面时，沿着磁场线迁移的电子必须偏离该路径。

利用小圆孔阴极和锥形阳极，该系统具有轴对称性，并且弧束的阻抗增加了相同的量，而与其偏转的水平方向无关。因为当弧束与轴向磁场完全对准时阻抗具有最小值，所以阻抗随着束偏转以一阶近似二次方上升。

因此，阻抗图相对于束偏转是抛物面，其中其最小值在由锥形阳极尖端限定的竖直轴上(见图2a)。

作为锥形阳极的备选方案，也可以使用圆柱形中空阳极，通过其对称性，它也具有抛物线阻抗依赖性。

阻抗随弧束(横向)位置的变化可用于确定弧束的位置。对于本文本的其余部分，假设弧由恒流源驱动，弧束阻抗R

通过在x和y线圈中应用相移电流调制，生成水平磁场分量，该磁场分量以特定的调制频率fm(调制周期Tp＝1/fm)在水平面中动态旋转。在最简单的情况下，线圈垂直布置在水平面中，并由x和y方向指代，如图1b中所示。对第一对线圈(x线圈)的线圈电流调制可以选择为正弦函数，其中对第二对线圈(y线圈)的调制可以选择为相移90°的正弦函数。

跟随该磁场分量的弧束围绕其静态方向在对应的圆形路径上移动。弧电压(或阻抗)随后受到弧束的运动的影响。在弧束关于阳极轴有任何未对准的情况下，弧电压与移动的弧束同步调制。在阻抗抛物面上，对应的路径是椭圆。图3a、图3b和图3c概述上述情况。

通过具有到线圈的叠加优选静态电流的束的适当偏转，弧束可以与阳极轴对准，导致弧电压的调制的消失。在这种情况下，束在阻抗抛物面上以固定阻抗值做圆周运动。该水平仅取决于调制幅度。弧电压中不存在调制信号是弧束很好地对中的指示符。

在一个调制周期Tp的过程期间，在调制周期的前半段中，更靠近弧束的部件上的涂覆率暂时大于未偏转束的涂覆率，在周期的后半段中，涂覆率对应地更小。对于持续比该调制周期长得多的总涂覆过程，涂覆速率的变化平均到没有光束调制的静态厚度。作为持续达到若干小时的微米厚度金刚石涂层的PICVD过程的典型示例，典型的调制周期可以在几秒到10秒的范围内。

弧束的静态位置可以通过使用解调技术从如图3c中所示的调制电压信号中提取。具体而言，通过将相敏正交解调(通常也称为锁定技术)应用于调制电压信号，可以检测施加的场调制的幅度和相位延迟两者。图5示出解调的示意性实现。幅度提供相对于中心对准的静态偏移位置，相位延迟给出束未对准的角度方向。等效地，束的偏移位置可以通过从极坐标到笛卡尔坐标的通常变换在坐标x和y中表示。

由线圈对水平磁场(Bx，By)的调制根据下式利用线圈电流的调制生成，

Ix＝Imx·cos(2·π·f·t)

Iy＝Imy·sin(2·π·f·t)

其中f是调制频率，并且Imx和Imy是x线圈和y线圈的对应幅度，并且t是时间。利用由V

其中

xb＝p

yb＝p

为了校正实际的束位置，静态偏移电流Isx和Isy必须叠加到线圈调制信号

Ix＝Isx+Imx·cos(2·π·f·t)

Iy＝Isy+Imy·sin(2·π·f·t)

利用Isx＝-dIx和Isy＝-dIy，可以使束对中，其特征在于弧电压的调制信号消失，如图4c中所描绘。弧束围绕图4a中所示的中心位置旋转，弧电压恒定在由阻抗乘以电弧电流给出的水平。

实际上，电压信号的任何其他施加的或固有的波动在解调中被抑制，但是仍然可能导致校正值dIx和dIy的波动。用于弧束对中的校正过程可以根据下式迭代重复

Isx

Isy

其中，Isxn和Isyn是施加于x和y线圈的静态电流的先前设置，并且dIxn和dIyn是在第n次迭代步骤中获得的校正电流。利用束对线圈电流p

xc

yc

(xCn，yCn)的序列表示每次用校正dIxn和dIyn更新束位置后的弧束位置。

该迭代过程可以作为在线弧束对中方法自动进行，该方法随着时间的推移将弧束位置保持在中心位置。那些可能源于在影响弧束位置的过程步骤的更复杂的过程配方序列期间过程条件的改变。

迄今目前为止，假设弧束应该以系统轴对中，以实现围绕该轴的相等的涂覆均匀性。然而，这可以被认为是将弧束保持在预定义位置的特殊情况。将指定的偏移电流Ipx和Ipy加到x和y线圈，弧束从没有这些电流的位置偏转固定的量Δx＝Ipx/p

对于理想的对中弧束，则弧束在适当的位置(xp，yp)＝(Δx，Δy)。然后，解调方法将弧束位置的这种移动检测为新的校正电流dIx和dIy，其包含量Ipx和Ipy。用于连续校正弧束位置的迭代公式则是

Isx

Isy

对于弧束位置，这转变为

xp

yp

然后，弧束在期望位置(xp，yp)附近迭代波动。

对于Isx和Isy的特定设置，可以在手动测试弧电压的情况下来确定弧阻抗抛物面的曲率c2。在包括具有不同过程参数的若干步骤的更复杂的过程中，抛物面的形状可能改变，并且必须在每个步骤的过程之前确定c2值。

避免c2的这种确定通过对于给定的过程条件自动这样做的方法将是期望的。

使用线圈的已经应用的调制，弧电压信号也被馈入2f-解调方案中。将2f-解调正交信号表示为Vcos2和Vsin2，并且仍然假设旋转对称阻抗抛物面，则c2可以由下式获得

c2＝8·((Vcos2)

因此，对于有意不相等选择的线圈调制电流Imx和Imy，可以为上述用于自动校正束位置的方法中的每个步骤同时获得对于确定束位置所要求的曲率。在不相等选择的线圈调制电流Imx和Imy的这种情况下，弧束围绕中心位置在椭圆路径上循环，如图6a中所描绘。弧电压调制由1f和2f分量两者组成(图6b)。图6c示意性地示出馈入提供c2的实际值的偏移控制器的附加2f-解调信号，。

备选地，弧阻抗抛物面的曲率也可以从没有任何垂直磁场偏转电弧束的情况下的弧电压V0和在调制水平磁场(Bx，By)的许多周期(例如与用于生成解调Vcos和Vsin的周期数相同的周期数)内的时间平均弧电压Vavg获得。利用取决于水平线圈的电流Ix和Iy的弧电压的抛物面公式V＝V0+0.5·c2·(Ix

时间平均电压可以在固定电流Isx和Isy以及正弦调制幅度Imx和Imy的情况下在固定数量的调制周期内针对平均来计算为

c2＝2·(V

以这种方式，可以同时获得用于获得解调信号和弧束位置的必要参数c2，如果该参数可能在涂覆过程的持续时间内变化，这是一个优点。

现在将基于特定示例来描述本发明。

在如在[1]-[5]中所述的用于金刚石涂层的PICVD系统的典型布置中，相对于线圈电流的束偏转灵敏度约为2mm/A，如从具有更大电流的视觉偏转实验和从所考虑的几何形状的场线计算中观察到的。在示例中，轴向磁场Bz为10mT，并且由弧束位置处的线圈生成的水平磁场约为每安培线圈电流0.1mT。

在静态偏转约为c2＝0.3V/A

上述情况是布置和调制解调方案的特殊情况。通常，x-和y-线圈不需要相互垂直来生成偏转束的旋转水平磁场分量。在这种情况下，必须适配调制幅度和相位，并且必须在解调方案中正确考虑这一点，使得用于获得束中心位置的公式更加复杂。此外，y线圈的调制信号不必采取正弦函数的形式，它也可以具有更一般的形式cos(2＊ρi＊f＊t+δ)，其中δ≠π。在这种情况下，存在也具有施加在x和y线圈上的相等调制幅度Imx和Imy的弧电压的2f分量。关于前面的概括，用于获得束位置的公式变得更加复杂。

对于一些特定情况，可能期望不具有cos或sin型调制函数。调制-解调方案同样可适用于这种情况，但是用于检测和校正弧束中心或位置偏移的正确公式再次变得更加复杂。

在如所描述的示例中，使用两对线圈(x线圈和y线圈)来偏转等离子体束。然而，应该注意的是，线圈对的数量可以被增加。一种可能性将要3或4或N对线圈“围绕”等离子弧束。

垂直于弧束的磁场的生成也可以利用多于2对的线圈来完成。例如，如果两对的布置具有一些几何或其他不需要的限制，这可能是有意义的。然后，线圈电流的波函数必须相应地适配超越简单的三角正弦和余弦函数。

在如图1a和图1b所描绘的迄今考虑的系统中，阴极和阳极布置在系统的相反侧上。本发明可以扩展到如图7a和图7b中所示的系统配置。阴极位于系统的一侧上，相对于位于系统的底部处的阳极在其发射方向上旋转，并且弧束形成从阴极到阳极的弯曲柱。利用适当选择限定为对应线圈电流的来自阴极处的线圈9a和阳极处的线圈9两者的场强，弧束路径可以被定制和稳定，使得它在水平路径上从阴极延伸，然后在相当短的路径上向阳极弯曲，并且最后在几乎直的竖直路径中到达阳极。

通过适当调制到线圈9a和线圈9的电流两者，弧束可以在x方向上来回偏转。利用可选的线圈9b，可以生成额外的磁场来扩展和简化弧束在x方向上的运动。弧束在y方向上的偏转可以利用一对线圈10b来实现，如在前面的图1a和图1b中描述的系统中那样。通过同步调制到线圈9a、线圈9的电流两者，以及可选的线圈9b的电流与线圈10b的电流，理想的是在椭圆形或甚至圆形路径中可以生成弧束运动的闭合路径，并且可以应用相同的解调技术来确定如上所述的弧束位置。

如图8中所示，图7a和图7b中描述的系统还可以通过位于同一水平上系统的相反侧的额外阴极源来扩展。

如果弧束电流应增加超过一个阴极源的限制，这可能变得必要。该阴极源同样配备有线圈9b，其为该源生成磁场。现在，来自线圈9a、9b和9的磁场生成用于稳定弧束的磁场，并且用于偏转的调制方案必须包括到对应线圈的所有电流。在这种具有多于一个弧束的系统中，必须考虑弧束之间的交互，因为弧束自身的磁场导致与另一个弧束的交互。控制多个弧束显然可导致对各个线圈进行更复杂的电流控制，以将组合的弧束引导和稳定到公共阳极。

以同样的方式，如果要求更大的弧束电流，该系统可以进一步扩展，其中额外的阴极源位于系统的垂直侧上。在这样的系统中，可能不再使用用于在y方向偏转束的线圈10b，这些附加源的线圈可以用于此目的。