MX2011005039A - Metodo para el tratamiento previo de sustratos para procesos de deposicion fisica de vapor (pvd). - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un método para el tratamiento de la superficie de piezas de trabajo en un sistema de tratamiento al vacío, que comprende un primer electrodo que se diseña como blanco y que es parte de una fuente de evaporación por arco, en donde por vía del primer electrodo se opera un arco con corriente de arco mediante el cual se evapora material del blanco que se deposita al menos parcialmente y al menos temporalmente sobre las piezas de trabajo, y que comprende además un segundo electrodo diseñado como una sujeción de la pieza de trabajo y que en común con las piezas de trabajo constituye un electrodo de polarización, siendo que al electrodo de polarización se aplica una tensión de polarización por medio de una fuente de tensión, siendo que la tensión de polarización se aplica en sincronización con la corriente de arco de manera que en términos netos sustancialmente no tiene lugar una síntesis de material sobre la superficie.

Description

METODO PARA EL TRATAMIENTO PREVIO DE SUSTRATOS PARA PROCESOS DE DEPOSICION FISICA DE VAPOR (PVD) DESCRIPCION DE LA INVENCION La invención se refiere a un método para el tratamiento previo de sustratos como se puede efectuar usualmente antes de revestir los sustratos por medio de PVD (deposición física de vapor, en que el material vaporizado mediante un arco eléctrico de un cátodo como blanco se condensa como película sobre una superficie) .

La evaporación por arco catódica es un método establecido desde hace años que se usa para revestir herramientas y componentes y con el cual es posible depositar tanto capas metálicas en una amplia variedad como también nitruros metálicos, carburos metálicos y carbonitruros metálicos. En este método los cátodos son blanco de una descarga de arco que se opera con bajas tensiones y elevadas corrientes y con la cual se evapora el material (catódico) del blanco. Como fuentes de corriente más sencillas y económicas para operar las descargas de arco se utilizan la mayoría de las veces fuentes de corriente de tensión continua.

Se conoce que el material depositado por evaporación mediante la descarga de arco catódica contiene una elevada proporción de iones. Por Johnson, "P.C. in Physics of Thin Films", Vol . 14, Academic Press, 1989, Ref.: 219476 páginas 129-199 se conocen para esto valores de entre 30% y 100% en función del material del cátodo y la intensidad de la corriente de arco. Esta elevada proporción de vapor ionizado es deseable en la síntesis de capas.

El elevado grado de ionización produce un efecto particularmente favorable si durante la síntesis de la capa se le acopla al sustrato una polarización negativa y mediante ello se puede aumentar y variar la aceleración y la energía de los iones hacia el sustrato. Las capas sintetizadas de esta manera tienen una mayor densidad, y mediante la variación de la tensión de polarización es posible influir en algunas propiedades de la capa como por ejemplo el esfuerzo de la capa y la morfología de la capa.

Pero la evaporación por arco también es conocida por las muchas salpicaduras que en mayor o menor grado genera el material evaporado en función de su punto de fusión, las cuales fundamentalmente son indeseables. Esta proporción de salpicaduras la mayoría de las veces no se tiene en cuenta al indicar el grado de ionización del material evaporado, pero puede influir sustancialmente en la calidad de la capa. Por este motivo se intenta reducir la proporción de las salpicaduras en el material evaporado mediante un campo magnético especial de la fuente o filtros adicionales (en forma mecánica y electromagnética como se explica en Aksenov, I.I. et al., Soy. J. Plasma Phys. 4(4) (1978) 425), o reducirla mediante otros parámetros de proceso como por ejemplo una mayor presión de gas reactivo. También se propone el uso de materiales con punto de fusión más alto para reducir el número y tamaño de las salpicaduras.

La proporción ionizada del material evaporado que se observa con la evaporación por arco también se puede usar para el tratamiento previo de sustratos. Con un aumento sucesivo de la tensión de polarización de sustrato es posible llevar tan lejos su bombardeo mediante los iones de vapor del material evaporado y del gas de trabajo que los sustratos se subliman o/y se pueden calentar a temperaturas altas .

Generalmente esta etapa del proceso se designa como erosión por iones metálicos (metal ion etching según se conoce en inglés) , lo cual es una designación algo inexacta en virtud de que conceptualmente no incluye los iones que se generan debido al uso común o necesario de un gas de trabajo o reactivo. Pero en general se intenta reducir la proporción de los iones de gas de trabajo (frecuentemente se usa un gas noble como por ejemplo argón) o evitar por completo el gas de trabajo. Un motivo de esto es que los gases nobles no se pueden incorporar de manera estable en las capas en virtud de que no se enlazan, y que adicionalmente a esto provocan tensiones. Pero por lo general no es posible sin más ni más una operación continua de la fuente del arco sin la adición de gas (gas de trabajo o gas reactivo) . Si es necesario operar las fuentes de arco sin gas de trabajo, como por ejemplo las fuentes de iones para la implantación de iones, entonces estas se operan en forma pulsada, es decir, la fuente siempre se debe volver a encender en virtud de que el arco solamente "vive" un corto tiempo si no se adiciona un gas. Un ejemplo de una operación de este tipo se describe en el documento JP 01042574.

Un tratamiento previo de los sustratos mediante bombardeo iónico y la erosión aunada a esto del sustrato mediante iones así como el calentamiento del sustrato ya se describieron en el documento US 4734178.

Es importante agregar aquí que la erosión mediante iones de metal puede conducir a otros resultados del tratamiento en la superficie del sustrato de lo que es el caso con un simple calentamiento del sustrato o también con un calentamiento del sustrato mediante bombardeo con electrones como se describe, por ejemplo en el documento US 05503725 de Sablev. Ya solamente el uso de iones metálicos en comparación con los iones de gases nobles da por resultado nuevas posibilidades de reacción, por ejemplo en la formación de carburos o cristales mixtos.

En la literatura se describen combinaciones de procesos de implantación y difusión que conducen a una incorporación de los iones metálicos en la superficie del sustrato y con ello a un buen acoplamiento de la capa que posteriormente se aplica por evaporación (Muenz, W.- D. et al., Surf. Coat. Technol . 49 (1991) 161, Schónjahn, C. et al, J. Vac. Sci . Technol. A19(4) (2001) 1415).

Pero la problemática en este paso de proceso es ante todo la existencia de las salpicaduras metálicas cuya masa es un múltiplo de la masa atómica y que por lo general no se pueden desalojar nuevamente mediante un paso de erosión si llegan a la superficie del sustrato y se condensan allí.

Una salida de esta situación consiste en equipar las fuentes de arco con filtros que separan las salpicaduras de los iones.

Un diseño de filtro conocido se funda en los trabajos de Aksenov, I.I. et al., Sov. J. Plasma Phys . 4(4) (1978) 425, siendo que la fuente de arco se embrida a la cámara de revestimiento mediante un tubo que encierra un campo magnético y que tiene un ángulo de 90°. El campo magnético conduce los electrones en una trayectoria curva, y estos a su vez obligan a los iones a una trayectoria curva similar mediante fuerzas eléctricas. Pero las salpicaduras sin carga chocan contra la pared interior del tubo y por consiguiente se ven impedidas de llegar al sustrato. Para la finalidad de la erosión por iones metálicos la pérdida de rendimiento que con ello se genera desempeña un papel subordinado. Pero constituye una gran desventaja que el diámetro útil del haz de iones que sale del tubo a la cámara de revestimiento sólo tiene pocos centímetros hasta aproximadamente 10 cm de diámetro. Para muchas aplicaciones esto implica un movimiento del sustrato frente a la fuente para que se pueda asegurar una uniformidad suficiente del proceso de erosión. Esto excluye este método para los sistemas de revestimiento por lotes normales que son usuales para la producción.

Un enfoque sustancialmente más sencillo es trabajar con un diafragma frente a la fuente de arco y con un ánodo localmente desplazado, por ejemplo dispuesto detrás del sustrato (por ejemplo, el uso como ánodo de otra fuente en el lado opuesto de la cámara) , como ya se describió en principio en el documento US 05503725 de Sablev, pero sin embargo no se describió especialmente para el proceso MIE de erosión mediante iones metálicos (MIE, por sus siglas en inglés) . La trayectoria de los electrones conduce entonces a través de la cámara y pasa necesariamente por delante de los sustratos . Mediante los campos eléctricos también los iones son forzados a las trayectorias cercanas a los electrones y por consiguiente están disponibles en la proximidad del sustrato para el proceso de erosión. Las salpicaduras son interceptadas preponderantemente en el diafragma. Esta conducción de proceso sería muy inefectiva para un revestimiento en virtud de que también se pierde material ionizado en el diafragma y en las regiones marginales. Pero en virtud de que en el estado de la técnica los procesos típicos para la erosión por iones metálicos sólo requieren de pequeñas corrientes de algunos ampere y solamente se erosiona durante algunos minutos es posible que una operación de este tipo se justifique enteramente para procesos de producción. Sin embargo, la condición para una operación de este tipo que obliga a los iones a seguir las trayectorias de los electrones a través de la sujeción del sustrato es un ánodo separado del potencial de la cámara. Esto requiere de espacio adicional en la cámara, lo cual nuevamente reduce la productividad del sistema. El uso temporal de otra fuente de arco como ánodo que se citó en lo precedente adolece de la desventaja de que esta fuente se cubre y solamente se puede volver a usar si se limpia mediante "limpieza por arco" indeseada.

En pocas palabras, sería deseable que con la MIE se pudiera prescindir de un diafragma y no tener que realizar la operación de la fuente de arco mediante un ánodo separado, sino que operar las fuentes de arco con la cámara de sustrato como ánodo (masa) sin producir con esto demasiadas salpicaduras, ante todo de gran diámetro. Además es deseable llegar al crecimiento de capa nulo sobre el sustrato ya con polarizaciones de sustrato moderadas (inferiores a 1500 V, preferiblemente inferiores a 800 V) y tener la posibilidad de llegar de la fase de revestimiento a la fase de erosión y viceversa mediante una variación de la polarización del sustrato.

Debido a la formación de salpicaduras en el proceso de arco existen intentos de producir los iones no desde una fuente de arco sino mediante una fuente de sublimado por pulverización catódica como se describe en el documento EP 01260603. Se sabe que en el proceso de sublimado por pulverización catódica se producen muchas menos salpicaduras. Sin embargo también se sabe que las fuentes de sublimado por pulverización catódica convencionales producen muchos menos iones. Pero se pudo demostrar que si las fuentes de sublimado por pulverización catódica se operan alimentándoles corriente pulsada aumenta sustancialmente la densidad de iones durante el pulso. Este "Proceso de Sublimado por Pulverización Catódica, mediante magnetrón pulsado de alta potencia Ehiasarian, A.P. et al., 45th Annual techical Conference Proceedings, Society of Vacuum Coaters (2002) 328 parece ser bien adecuado para producir sustancialmente más iones de lo que es el caso en el proceso de sublimado por pulverización catódica normal y ante todo justamente iones metálicos.

Sin embargo, la desventaja de este método es que en el blanco llega a ser necesario un campo magnético sustancialmente más fuerte para que se pueda encender una descarga de magnetrón. Pero este campo magnético más fuerte provoca a su vez desventajosamente que los iones producidos en el pulso de alta energía sean capturados y solamente una pequeña porción de estos llegue al sustrato.

Pero una desventaja mucho mayor de este método es la incompatibilidad del método HIPIMS- IE con el revestimiento PVD en el sentido de que la mayoría de las veces no es posible usar estas fuentes para el revestimiento propiamente dicho. Las tasas de revestimiento con el método HIPIMS son tan bajas que en la mayoría de los casos es necesario usar fuentes adicionales para un revestimiento y no es posible recurrir a las fuentes HIPIMS para un revestimiento. Esto se contradice con un aumento de la productividad en los sistemas de producción. Y finalmente el proceso de sublimado por pulverización catódica también requiere de un gas noble, como por ejemplo argón como gas de trabajo .

Las desventajas de los métodos de la erosión por iones metálicos hasta ahora utilizados: basados en la evaporación catódica por arco se pueden resumir como sigue: l. Las fuentes de arco no filtradas producen una multitud de salpicaduras en función del material del blanco, en parte con grandes diámetros . Estas salpicaduras no tienen suficiente energía para reaccionar químicamente por completo con los componentes de la superficie del sustrato o poderse implantar en la superficie del sustrato. 2. La reducción de las salpicaduras mediante el uso de materiales de blanco con punto de fusión más alto aumenta los costos de material y requiere de un gasto mayor en la operación del arco. La estructura de las fuentes de arco se vuelve más complicada para poder realizar las corrientes de fuente y tensiones de descarga más altas necesarias para los materiales de alto punto de fusión, y también se vuelven más caros los servicios eléctricos. 3. Debido a la generalmente mayor inercia química de los materiales con punto de fusión más alto, las reacciones químicas deseadas de estos materiales con alto punto de fusión con los componentes de la superficie del sustrato la mayoría de las veces solamente tienen lugar a temperaturas más altas (ejemplo, formación de carburo) . 4. La combinación de las fuentes de arco con filtros electromagnéticos y/o mecánicos para la reducción de las salpicaduras provoca una pérdida de corriente iónica en el sustrato. Más importante todavía es que la uniformidad de un tratamiento de este tipo no se puede garantizar sobre grandes áreas del sustrato como son usuales en los sistemas de producción. 5. Además de la pérdida de corriente iónica en el sustrato, el uso de los filtros también tiene por consecuencia una disminución de la proporción de iones con carga múltiple. Estos aumentan la probabilidad de reacciones químicas (térmicamente estimuladas) en virtud de que chocan contra el sustrato con una energía múltiple correspondiente y por este motivo participan sustancialmente en la formación de compuestos estables a altas temperaturas. Es cierto que es concebible compensar la pérdida de iones de carga múltiple mediante un incremento de la polarización del sustrato, pero por lo general se trata de evitar tensiones superiores a 1000 V, tanto para reducir la formación de arcos pero también por motivos de seguridad. 6. Una mayor presión del gas de proceso conduce a una reducción de salpicaduras pero también reduce drásticamente la corriente de sustrato y nuevamente ante todo la proporción de los iones metálicos de carga múltiple. Por motivos de la compatibilidad del proceso sería sin embargo deseable poder obtener también corrientes iónicas de sustrato suficientemente altas para los arcos operados en el gas reactivo.

Las desventajas de la MIE basada en el proceso de sublimado por pulverización catódica mediante HIPIMS se pueden resumir como sigue: 1. Carencia de compatibilidad con fuentes de revestimiento por arco, debido a que las tasas de revestimiento son demasiado pequeñas, es decir, se requieren fuentes y alimentación eléctrica especial para la operación de las fuentes de sublimado por pulverización catódica. 2. La corriente iónica del sustrato solamente se genera en el pulso. Una gran parte de los iones es capturada por el campo magnético del magnetrón y no llega al sustrato Muenz, W.-D. et al., Vakuum in Forschung und Praxis, 19 (2007) 12. 3. La operación de las fuentes de sublimado por pulverización catódica siempre presupone un gas de trabajo que se incorpora en la superficie del sustrato y que provoca tensión e inestabilidades la mayoría de las veces indeseadas en la superficie del sustrato. 4. El trabajo con gas reactivo en la operación de sublimado por pulverización catódica es difícil de controlar .

Por lo anteriormente mencionado se podría llegar a la siguiente conclusión con relación a un uso de la MIE: En las fuentes de arco son sustancialmente las salpicaduras grandes las que provocan problemas debido a que no tienen suficiente energía para después de chocar contra la superficie del sustrato poder todavía difundirse al interior del sustrato o poder llevar a cabo reacciones químicas con los componentes de la superficie del sustrato. De otra manera la evaporación por arco con su posibilidad de producir iones con carga múltiple sería excelentemente adecuada para llevar a cabo el tratamiento previo del sustrato mediante erosión por iones metálicos.

Por Büschel, M. et al., Surf . Coat . Technol. 142-144 (2001) 665 se sabe además que las fuentes de evaporación por arco también se pueden operar en forma pulsada para depositar capas . En este método a una corriente de retención continua se le sobrepone una corriente pulsante. En este contexto también se menciona que la pulsación de las fuentes conduce a una reducción de ante todo las salpicaduras grandes en la deposición de capas.

Adicionalmente se conoce por la literatura que la pulsación de las fuentes de arco catódicas sin operarlas en forma continua, es decir, volviéndolas a encender siempre nuevamente con cada pulso conduce a una corriente más alta de iones que se debe ante todo a un aumento de la proporción de iones con carga múltiple Oks, E. . et al., Rev. Sci. Instrum. 77 (2006) 03B504.

Es el objeto de la invención una tasa de revestimiento cero a pesar de fuentes de revestimiento por arco operativas, es decir, obtener un estado de equilibrio entre síntesis de material y desalojo de material en/sobre la superficie, y la posibilidad de controlar este estado de equilibrio mediante la polarización del sustrato. Es además objeto de la presente invención crear un tratamiento previo del sustrato que se funda en el bombardeo de la superficie de sustrato con iones, siendo que estos constan en una proporción sustancial de iones metálicos e iones de gas reactivo y en el caso extremo se puede prescindir completamente de un gas reactivo.

Otro objetivo de esta invención es la difusión de estos iones al interior de la superficie de sustrato y una reacción química de estos iones con componentes de la superficie del sustrato.

Otro objetivo de esta invención es subsanar cambios del sustrato que son ocasionados por los pasos anteriores como por ejemplo el empobrecimiento de cobalto de la superficie del sustrato mediante la limpieza química húmeda del sustrato.

El problema se resuelve con las características de la reivindicación 1. Los perfeccionamientos favorables se caracterizan en las reivindicaciones subordinadas.

De conformidad con la invención se parte de un proceso para el tratamiento de superficies de piezas de trabajo en un sistema de tratamiento al vacío con un primer electrodo configurado como blanco que es parte de una fuente de evaporación por arco, siendo que por vía del primer electrodo se opera un arco con corriente de arco mediante el cual se evapora el material del blanco el cual se deposita al menos parcialmente y temporalmente sobre las piezas de trabajo, y con un segundo electrodo que se configura como sujeción de la pieza de trabajo y en común con las piezas de trabajo constituye un electrodo de polarización, siendo que en el electrodo de polarización se aplica mediante una fuente de tensión una tensión de polarización de manera que la tensión de polarización se adapta a la corriente de arco de manera que en términos netos sustancialmente no tiene lugar una síntesis de material sobre la superficie.

El método de conformidad con la invención se caracteriza además porque el primer electrodo se opera con corriente pulsante, siendo que en comparación con la operación no pulsante la pulsación conduce a una corriente de sustrato incrementada a través de la superficie de la pieza de trabajo y mediante esto ya con una tensión de polarización más baja en comparación con la operación sin pulsación del primer electrodo no tiene lugar en términos netos una síntesis de material sobre la superficie.

La operación de los sistemas de revestimiento al vacío con fuentes de arco con corriente pulsada es conocida. Por ejemplo, los documentos WO2006099760 y WO2007131944 describen la operación de la fuente de arco con corriente pulsada como factor esencial para mantener la superficie del cátodo libre de capas de óxido impermeables y garantizar una descarga de arco estable. Mediante la pulsación de la corriente de arco para la cual se requieren fuentes de corriente especiales, el arco se guía sobre el blanco constantemente a lo largo de nuevas trayectorias y se evita que solamente se mueva en regiones preferidas y que las otras regiones del blanco se cubran de óxido grueso como ocurre en el caso del arco guiado .

O sea que la pulsación de la corriente de la fuente de arco conduce en parte a un resultado similar al que produce la operación de la fuente de arco con un campo magnético, específicamente a una desviación del arco que evita que este permanezca demasiado tiempo en un sitio y se produzcan fusiones mayores del blanco y con ello una multiplicación de la formación de salpicaduras. Pero la ventaja de la pulsación en comparación con la operación con un campo magnético es que no siempre se guía sobre una trayectoria predeterminada por el campo magnético, lo cual puede provocar problemas de estabilidad ante todo si se trabaja con gases reactivos.

La operación pulsante de fuentes de arco se puede efectuar tanto como pulsación de la corriente de la fuente de arco individual como también como "pulsación dual" entre dos fuentes de arco. En tanto que la primera forma de operación solamente presupone (y esto si es que) una alimentación eléctrica modificada de manera insignificante en -comparación con la alimentación normal de corriente continua, y por lo tanto es económica, la "pulsación dual" requiere entre otras cosas de una alimentación eléctrica adicional que se conecta entre dos fuentes, como se desprende del documento O 2007131944. Pero a cambio esta operación permite frecuencias sustancialmente más altas en la operación pulsante con las que es posible realizar incrementos de corriente mucho más verticales.

Mediante la invención es posible entre otras cosas subsanar daños en el sustrato que se dieron por efecto de la limpieza húmeda de los sustratos (ex-situ) . Esto se refiere en particular al empobrecimiento de cobalto en la superficie del sustrato.

La invención se refiere además a la modificación de la superficie del sustrato mediante la implantación o bien reacción química de átomos de la fase de vapor con átomos/componentes en la superficie más externa del sustrato con el fin de establecer una unión estable que garantiza una estabilidad química, térmica y mecánica mucho mejor.

La invención también se refiere a la formación de una delgada capa intermedia en la superficie de sustrato que produce una unión íntima entre el sustrato y la capa a ser aplicada y que adopta funciones adicionales como capa de barrera de difusión o capa de barrera química.

La invención también se puede usar entre capas que tienen propiedades diferentes que no son posibles de producir o sólo de manera insuficiente mediante una transición gradiente y para las que se desea una interfaz lo más delgada posible con adhesión extremadamente buena, por ejemplo entre materiales tan diferentes como óxidos, carburos, nitruros y capas metálicas.

Este nuevo método tiene ventajas particulares en donde es necesario unir capas de óxido con capas metálicas, carburos metálicos, nitruros metálicos o carbonitruros metálicos. Es decir que este método se usa ante todo en donde es necesario unir íntimamente capas con propiedades muy diferentes, o sea, por ejemplo, en la deposición directa de capas de óxido sobre metal duro o en la transición de óxidos a nitruros en los sistemas de capas de capas múltiples .

El nuevo método también se usa favorablemente en donde es necesario unir unas con otras con buena adhesión capas con diferentes fases cristalinas.

Esta invención tiene ante todo por objeto que en la superficie de sustrato más externa se produzcan uniones estables entre los iones incidentes y los componentes de la superficie del sustrato, ante todo para aquellos componentes de la superficie del sustrato que por sí solos son inestables mecánica o químicamente y provocan problemas de adherencia con la capa que se deberá aplicar posteriormente.

Es decir que la invención no describe ni una erosión usual ni un revestimiento, sino más bien un equilibrio entre estos dos procesos y que el tratamiento se lleva a cabo con el objeto de desencadenar reacciones químicas solamente en y/o en la proximidad inmediata de la superficie del sustrato, y porque el tratamiento previo se debe terminar, por así decir, con un crecimiento nulo o crecimiento de capa solo muy pequeño.

La masa mucho mayor del ión en comparación con el electrón en combinación con la energía de iones ajustable por vía de la polarización del sustrato permite una reacción química entre el ión incidente y el componente de sustrato, lo cual en el estado de equilibrio solamente se podría realizar a temperaturas mucho más altas del sustrato. Esto es aplicable todavía en mayor grado a los iones de carga múltiple .

De conformidad con la invención se realiza una solución económica que se puede usar en sistemas de producción basados en fuentes de evaporación por arco.

Con la invención es posible ante todo reducir las salpicaduras macroscópicas al operar las fuentes de arco. El método de conformidad con la invención tiene una ventana de proceso amplia y fácil de controlar.

La invención se explica ejemplarmente mediante las figuras : Figura 1: un sistema de revestimiento PVD con fuentes de arco pulsadas en cada caso independientemente; Figura 2a: la corriente de arco CC; Figura 2b: la corriente de arco pulsada; Figura 3a: una corriente de sustrato para el caso de la corriente de arco CC; Figura 3b: la corriente de sustrato para el caso de la corriente de arco pulsada; Figura 4 : un sistema de revestimiento PVD para el proceso de pulsación dual; Figura 5a: la corriente de arco que fluye a través de una fuente de arco en la operación CC; Figura 5b: la corriente de arco con superposición de pulsos bipolares en la fuente de arco; Figura 6a: la corriente iónica del sustrato en la operación con arco CC; Figura 6b: la corriente iónica del sustrato en la operación bipolar; Figura 7 : esquemáticamente la interrelación de síntesis y desalojo de material en función de la corriente de arco y de la polaridad del sustrato; Tabla 1 : una tabla de valores de medición para corriente de arco pulsada; Tabla 2: una tabla que muestra la corriente iónica media y la tasa de evaporación.

Tabla 3 : una tabla de valores de medición para corriente de arco pulsada; Para poder describir con claridad la invención es ventajoso observar primero la forma de operación con la que cada fuente de arco es pulsada individualmente, y que se representa esquemáticamente en la figura 1. La figura l muestra un sistema de revestimiento PVD (1, sistema por cargas) como el que se usa para el revestimiento utilizando fuentes de arco. El sistema 1 de revestimiento está conectado con un puesto 4 de bombas (no mostrado) que produce en el sistema el vacío necesario del proceso. Las sujeciones 2 y 3 del sustrato sirven para acomodar los sustratos (herramientas o elementos de construcción u otros componentes) y sujetarlos durante el tratamiento previo y el revestimiento. A las sujeciones del sustrato y con ello a los sustratos mismos se les puede aplicar una tensión durante el tratamiento previo y el revestimiento por medio de una fuente 5 de polarización del sustrato, para que estos se expongan o bien al bombardeo de iones (tensión negativa) o al bombardeo de electrones (tensión positiva) . La fuente de polarización del sustrato puede ser una fuente de tensión del sustrato CC, CA o bi o bien unipolar. El revestimiento se efectúa mediante fuentes de arco. Estas fuentes de arco comprenden un blanco 6 cuyo material se evapora mediante el arco. El campo magnético de la fuente generado mediante los imanes 7 determina si un arco se guía sobre una trayectoria determinada (conocido como "steered are" por su nombre en inglés) para, por ejemplo, reducir salpicaduras o si el arco se puede mover más o menos libre sobre la superficie del blanco (conocido como "random are" por su nombre en inglés) , lo cual la mayoría de las veces tiene por consecuencia un mejor aprovechamiento del blanco y una tasa de evaporación más alta. La operación del arco se puede efectuar en un gas de trabajo que usualmente es un gas noble. La mayoría de las veces se usa argón para este propósito. Pero la operación también se puede llevar a cabo en una mezcla de gas de trabajo y un gas reactivo o también solo en el gas reactivo. El gas reactivo reacciona con el material del blanco evaporado por el arco y forma por consiguiente los correspondientes nitruros, óxidos, carburos o mezclas de estos . Los gases se pueden introducir ya sea por una entrada 8 de gas común o por diferentes entradas de gas distribuidas en el sistema, y la presión del proceso y la composición del gas en la cámara de tratamiento se puede controlar mediante medidores de flujo de gas. Para encender el arco sobre el blanco se puede usar o bien un dedo 9 de ignición u otro dispositivo de ignición eléctrico. Con el diafragma 10 es posible obturar el blanco de manera que a pesar de la evaporación por arco no llega material evaporado del blanco al sustrato. La corriente de arco para la evaporación por arco es proporcionada por la fuente 11 de corriente. Convencionalmente la fuente es una fuente de corriente CC convencional. Para los experimentos de aquí se utilizó una fuente de corriente pulsada como también es usual en la soldadura pulsada. Con ello es posible sobreponerle una corriente pulsada adicional a una corriente CC constante. Tiene importancia en este aspecto que entre las pausas la corriente no llega completamente a cero, sino que se mantiene en una magnitud (corriente de pausa) que no permite que el arco se apague.

Para poder investigar con más claridad el efecto de la pulsación de la corriente de arco sobre la corriente iónica del sustrato, en estas pruebas se trabajó solamente con una fuente. Sin estar limitado a este material, primero se seleccionó un blanco de Cr para la evaporación por arco. El blanco de Cr se operó en el gas de trabajo argón con un flujo de gas de argón de 30.0 sccm y con una corriente de fuente CC de 140 A. Los lapsos de incremento de corriente se mantuvieron constantes al seleccionar un ajuste de 1000 A/ms en la fuente de corriente. En todos los experimentos siguientes la corriente iónica del sustrato se midió para una sujeción típica e invariable del sustrato, o sea como total. Hay que agregar aquí que es posible que se genere un pequeño error en la medición de la corriente total (integral) que se produce debido a que no todos los iones son atrapados en las sujeciones del sustrato y también inciden, por ejemplo, sobre la pared de la cámara. Pero para mediciones comparativas y un paquete de sustrato denso es posible aceptar este error en virtud de que se supone que no falsifica la tendencia general de las mediciones que aquí solamente se deben entender como enunciados relativos. Con el uso de una corriente de fuente CC se midió con ello una corriente iónica media en el sustrato de 4.5 A (ver tabla 1) . Para el caso de la corriente de fuente pulsada con 600 A en el pulso y con la longitud de pulso de 0.5 ms así como 50 A en la pausa de pulso con una longitud de pausa de 3.4 ms se midió en comparación con esto una corriente iónica de sustrato media de 7.8 A. Y esto a pesar de que la corriente de arco temporalmente mediada también fue de 140 A. El pico de corriente iónica en el sustrato fue en este caso incluso de 57.8 A.

Tabla 1 tabla 1 (tablal) es posible leer las siguientes tendencias: La pulsación de la corriente de arco conduce a un incremento de la corriente de sustrato.

Entre más grande la diferencia entre la corriente de pulso y la corriente de pausa tanto más alta se vuelve la corriente de sustrato, tanto en la media temporal como en el pulso .

La influencia de la pulsación de la corriente de arco sobre la corriente de sustrato se investigó también para la operación de las fuentes de arco en gas reactivo puro, en este caso en oxigeno. Como comparación se recurrió nuevamente a la operación CC de las fuentes de arco y se trabajó con blancos de Cr y un flujo de oxigeno de 250 sccm. Para esto resultó una corriente iónica de sustrato media de 1.7 A (igualmente tabla 1) . Para el caso de la corriente de fuente pulsada de 600 A en el pulso con la longitud de pulso de 0.5 ms y 50 A en la pausa de pulso con una longitud de pausa de 3.4 ms se midió en comparación con esto una corriente iónica de sustrato media de 3.5 A. Nuevamente las corrientes de arco medias para CC y pulsación fueron iguales, específicamente 140 A. El pico de la corriente iónica en el sustrato fue en este caso de 58 A. Para la operación en el gas reactivo es posible leer nuevamente las mismas tendencias como las que existen para la operación en argón. Adicionalmente se observa que en la operación en oxigeno puro en comparación con la operación en argón la corriente del sustrato se vuelve menor. Una pulsación de las fuentes de arco puede compensar esto al menos parcialmente y permite por consiguiente una corriente de sustrato alta, incluso al trabajar en un gas reactivo puro, es decir, prescindiendo del gas (noble) de trabajo, lo cual es pues favorable para el tratamiento previo que se discute en este documento .

Para demostrar que este comportamiento no sólo es válido para los blancos elementales sino también para los blancos de aleaciones se llevaron a cabo pruebas adicionales con blancos de Al-Cr, en este caso como ejemplo para un blanco que consta de Al/Cr con una composición de 70%at/30%at. Nuevamente se comparó la operación de arco CC con la operación de arco pulsado. Se trabajó con una corriente de arco media de 200 A en atmósfera de oxigeno puro con un flujo de oxigeno ajustado en 400 sccm. Como comparación a continuación la corriente de arco se pulsó entre 50 A en la pausa y aproximadamente 470 A en el pulso. Esta corriente pulsada proporciona nuevamente una media temporal de 200 A, o sea que es comparable con la corriente de arco CC. En las figuras 2a y 2b se representan los desarrollos temporales de estas dos corrientes, siendo que aquí la corriente de arco se registró arbitrariamente negativa. La figura 2a muestra la corriente de arco CC y la figura 2b muestra la corriente de arco pulsada.

Las corrientes iónicas del sustrato totales medidas para esta operación se representan en las figuras 3a y 3b, siendo que aquí la porción de corriente iónica de la corriente de sustrato se registró negativa, la corriente de electrones positiva. La figura 3a muestra la corriente de sustrato para el caso de la corriente de arco CC, la figura 3b muestra la corriente de sustrato para el caso de la corriente de arco CA.

En virtud de que la operación de un blanco Al/Cr en atmósfera de oxigeno conduce a la formación de capas de oxido se trabajó en el sustrato con una polarización de sustrato bipolar (aproximadamente 25 kHz) . Durante la operación CC es posible diferenciar claramente la corriente iónica (representada en forma negativa) de la corriente de electrones (eje positivo) . Si se integra por la corriente iónica del sustrato (o sea, por la corriente que se representa negativa) , entonces se obtiene una media temporal de 2.8 A. Para la operación con la corriente de arco pulsada la superposición de la frecuencia de corriente de arco (aproximadamente 700 Hz) con la frecuencia de pulso de polarización del sustrato se refleja en el desarrollo de la corriente de la corriente de sustrato. Si aquí se media igualmente por la corriente iónica del sustrato (zona de valores negativos) , entonces resulta una corriente iónica media de 4.9 A, es decir, es posible obtener casi una duplicación de la corriente iónica del sustrato mediante la pulsación de la fuente de arco.

En el ejemplo indicado se describe una operación de alimentación por fuente y alimentación de polarización del sustrato en que ambas alimentaciones no están sincronizadas. La frecuencia de alimentación de polarización del sustrato es con aproximadamente 25 kHz sustancialmente más alta que aquella de la alimentación de corriente de la fuente (aproximadamente 700 Hz) . Las frecuencias de pulsación razonables de alimentación de la corriente de fuente se encuentran entre 1 Hz y 5 kHz . Preferiblemente se usan frecuencias de pulsación de entre 500 Hz y 2 kHz. Esta superposición se ve también en la corriente de sustrato durante la pulsación de la corriente de fuente. La polaridad pulsada en forma bipolar disminuye un poco la corriente de sustrato total en comparación con la polarización CC.

Un aumento drástico de la corriente de sustrato en el pico de pulso (pero no en la media temporal) se obtiene si se sincronizan ambas alimentaciones. Es decir, para la frecuencia de la tensión de polarización se selecciona una frecuencia que corresponde a la de la corriente de fuente o un número entero múltiplo de esta. Sin embargo, en el pico negativo la tensión de polarización se debiera desplazar temporalmente con respecto al pico de la corriente de fuente de manera que se tiene en cuenta el tiempo de vuelo de los iones desde el blanco al sustrato. Esta operación es favorable para la MIE en virtud de que con ello es posible obtener un bombardeo de iones momentáneo con muy altas energías. Sin embargo esto significa un gasto algo mayor para la sincronización de las alimentaciones, ante todo para la operación en el sistema por cargas con diferentes cargas. Por este motivo por lo general se prescinde de una sincronización si no resulta en desventajas relevantes para el proceso.

En resumen el resultado muestra que con la operación pulsada de las fuentes de arco es sustancialmente más sencillo incrementar drásticamente la tasa de desalojo con una potencia de evaporación casi igual, que es definida por la corriente media, y por consiguiente llegar al intervalo de cero crecimiento de capa.

Además, por lo anteriormente dicho resulta también claro que en el intervalo de crecimiento nulo del grosor de capa con el ajuste del coeficiente de utilización de la alimentación de polarización de sustrato bipolar se dispone además de un parámetro adicional para llegar del intervalo de erosión al intervalo de revestimiento, y esto conservando la misma tensión de sustrato. En el método de conformidad con la invención es posible operar la polarización de sustrato como tensión CC. Es cierto que por lo general una operación CA reduce de manera insignificante la corriente de sustrato, pero sin embargo es posible mediante ello evitar efectivamente que del sustrato salga un arco indeseado. En particular los coeficientes de utilización pequeños ayudan a evitar una formación indeseada de arcos de este tipo.

Hasta aquí se demostró que para los blancos elementales y de aleación la operación pulsante de las fuentes de arco conduce a un aumento de la corriente iónica del sustrato en el gas noble así como también en el oxigeno. A continuación se deberá investigar además en un experimento adicional la operación de las fuentes de arco en gas reactivo de nitrógeno puro. Los experimentos que pertenecen a esto se compilan en la tabla 2. Primero se comparó para una corriente de arco de 200 A la CC con la operación pulsada. Los blancos de Ti/Al utilizados en el ejemplo (sin limitación del material del blanco y su composición) tienen una composición del Ti/Al de 50at%/50at%. El flujo de nitrógeno se reguló durante la evaporación por arco de manera que en la cámara de revestimiento se ajustó una presión de proceso de 3.5 Pa. Para la operación CC resultó una corriente de sustrato de 6.5 A. En el caso de la operación pulsante fue posible para la misma corriente de arco media de 200 A obtener una corriente iónica de sustrato de 17 A. Estas pruebas se llevaron a cabo con un campo magnético del blanco (MAG A) que es suficientemente fuerte para guiar el arco a lo largo de trayectorias predeterminadas para forzar lo que se llama un "arco guiado". El experto sabe que una operación de este tipo conduce a una reducción drástica de las salpicaduras en virtud de que el arco puede permanecer solo durante menos tiempo en un sitio y con ello es posible mantener baja la fusión en la región del arco. Con este ejemplo resulta claro nuevamente que mediante la operación pulsante es posible incrementar la corriente iónica del sustrato y utilizar esta para obtener un crecimiento nulo del grosor de capa ya con moderadas tensiones de polarización del sustrato .

Con los mismos blancos se corrieron procesos con corriente de arco más alta para investigar la influencia de la presión del gas reactivo sobre la corriente iónica del sustrato. Para este propósito se utilizó un campo magnético de blanco débil (MAG B) que no obliga al arco a seguir una determinada trayectoria de blanco (arco aleatorio) . Para la operación en una presión de nitrógeno de 9 Pa se pudo aumentar la corriente iónica del sustrato de 8.7 A a 12 A. Con una presión de 3.5 Pa se aumentó la corriente del sustrato de 19 A a 25 A. Nuevamente resulta clara la influencia positiva de la corriente de arco pulsada sobre el aumento de la corriente iónica del sustrato.

Tabla 2 ahora se discute una vez más el objetivo del método mediante los resultados de la tabla 2, entonces es posible resumir lo siguiente: También en el gas reactivo nitrógeno la operación pulsada de las fuentes de arco conduce a un aumento de la corriente iónica del sustrato.

El aumento de la corriente del sustrato es mucho más marcado para el caso del arco guiado en comparación con el arco aleatorio.

Para el arco controlado aumentan mediante la pulsación tanto la tasa de evaporación como la corriente iónica del sustrato, pero el aumento de la corriente iónica del sustrato es relativamente mayor.

Para el arco aleatorio la tasa de evaporación varía sólo de manera insignificante, pero la corriente iónica del sustrato crece claramente.

En resumen, también en este caso se puede decir que la operación pulsante contribuye a obtener crecimiento nulo de capa incluso con menor polarización del sustrato debido a que es posible aumentar la corriente iónica del sustrato.

Con referencia a los resultados de la tabla 1 se puede suponer que también la verticalidad del incremento de corriente al pulsar podría ejercer una influencia sobre la corriente de sustrato. Por este motivo estas se investigaron y los resultados de estas investigaciones se reproducen en la tabla 2. Siempre se partió de la misma corriente de arco durante la pausa (70 A) y luego se saltó a la corriente pulsada. Para el salto se ajustaron diferentes verticalidades en la fuente de corriente. La corriente iónica pico del sustrato se midió en función de las diferentes verticalidades del pulso y en función de la corriente pulsada. Si se comparan los renglones 1 y 2 de la tabla se puede apreciar que una mayor verticalidad en el pulso resulta en un aumento del pico de la corriente iónica del sustrato de 35 A a 40 A. De la tabla 2 se desprende además que la verticalidad del incremento de corriente solamente conduce a un aumento sustancial de la corriente iónica del sustrato a partir de aproximadamente 1000 A/ms. Los lapsos de incremento más pequeños entre 250 A/ms y 750 A/ms apenas influyen.

Con base en este resultado es comprensible que un aumento de los lapsos de incremento de corriente puede ejercer una influencia sustancial sobre un aumento de la corriente de sustrato. Pero tecnológicamente esto es difícil si esto se debe realizar con fuentes de corriente que se usan como fuentes de corriente pulsada como se representa en la figura 1. En las fuentes de corriente que se obtienen hoy en día en el comercio ya un aumento de los lapsos de incremento de corriente a aproximadamente 50000 A/ms, o sea por un factor 50 del mayor valor indicado en la tabla 3 requeriría de un gran gasto técnico y financiero o bien de plano sería difícilmente realizable. A esto hay que agregar que con estos lapsos de incremento de corriente las impedancias de los cables de los conductos de alimentación de corriente desempeñan un papel esencial e influyen en la forma del pulso, es decir, reducen la verticalidad.

Tabla 3 En la figura 4 se especifica ahora un enfoque de proceso ("proceso de pulso dual") que es adecuado para realizar muy grandes frecuencias de pulso también para corrientes muy intensas . En este enfoque se opera una fuente bipolar de tensión o corriente (i 13, no confundir con la alimentación de polarización de sustrato bipolar!) entre dos fuentes de arco las cuales adicionalmente se alimentan en cada caso mediante una fuente de corriente CC (12) común. La ventaja de una disposición de este tipo reside en que la alimentación bipolar se opera en el plasma preionizado de ambas fuentes de evaporación por arco. Esto permite una pulsación muy rápida del plasma con frecuencias en el intervalo de algunos cientos de kHz y permite corrientes que corresponden sustancialmente en su tamaño a las corrientes de alimentación de las fuentes. La intensidad de la corriente bipolar de la fuente 13 únicamente se debe adaptar de manera que la corriente total resultante a través de la fuente de arco no se encuentra por debajo de la corriente de retención, es decir, que el arco no se apague sino que se pueda operar de manera continua.

En el ejemplo en la figura 5a se representa nuevamente la corriente de arco que fluye a través de una fuente de arco en la operación CC. Se trabajó con 200 A y nuevamente en el gas reactivo de oxigeno puro, y nuevamente con blancos de Al/Cr de la composición 70%at/30%at. En la figura 5b se representa la corriente de arco en el caso de que a la fuente de arco se le sobreponen pulsos bipolares, y se aprecia la pulsación de la corriente de arco entre 50 A y 350 A con un frecuencia de 25 kHz. Esto corresponde a un valor temporal medio de corriente de 200 A. Se comparó nuevamente la corriente iónica del sustrato respectiva en operación con arco CC (figura 6a) y en operación bipolar (figura 6b) . Las velocidades de aumento de corriente en este caso dependen de la frecuencia, y a esta frecuencia se encuentran en la magnitud de 106 A/s. Pero esta velocidad de aumento de corriente todavía se puede aumentar más sin problema mediante un incremento de la frecuencia a 100 kHz o 500 kHz.

La "pulsación dual" de las fuentes resulta igualmente en un aumento notable de la corriente de sustrato, como se desprende de la comparación de la figura 6a y 6b. Con la operación CC de las fuentes de arco la corriente iónica del sustrato media aumenta de 3.8 A a 6 A al pulsar, o sea, por aproximadamente 50%.

De la descripción efectuada hasta ahora se desprende que un aumento de la corriente iónica del sustrato se puede efectuar mediante la sola variación de los parámetros del pulso, o sea que eléctricamente se puede ajustar de manera sencilla, y que es un parámetro que no presupone una variación, por ejemplo de la tensión de polarización o de la corriente de fuente o de la presión de gas y en consecuencia se puede elegir libremente. Las preparaciones del proceso se pueden realizar de manera sencilla con las fuentes correspondientes y no se requiere de fuentes adicionales en el sistema, sino que se pueden usar las fuentes de arco usuales. Es posible prescindir del gas de trabajo y trabajar solamente en el gas reactivo.

Ambas formas de operación de la pulsación de las fuentes de arco se usaron ahora para el tratamiento previo del sustrato. En virtud de que las tasas de evaporación del material catódico no difieren sustancialmente de las tasas de evaporación CC para ambas formas de operación (al menos en la operación con arco aleatorio) se supone que con la pulsación de las fuentes de arco se producen ante todo iones metálicos de carga múltiple, y que mediante ello se aumenta la corriente de sustrato. Esta suposición es corroborada también por publicaciones Oks, E.M. et al., Rev. Sci. Instrum. 77 (2006) 03B504. Sin embargo también se produce una ionización sencilla adicional, ante todo del gas reactivo si se pulsan las fuentes de arco.

El aumento de la corriente iónica del sustrato sin que se produzca un aumento sustancial de la tasa de evaporación permite una mejor eficiencia de erosión. Esto significa que con la misma polarización en el sustrato es posible erosionar más rápido o que se obtiene la misma tasa de erosión con una menor polarización. En la operación CC de las fuentes de arco con una corriente de 120 A se obtiene, por ejemplo, una tasa de erosión de 14 nm/min sobre sustratos con doble rotación, en caso de trabajarse con una polarización de sustrato de 800 V. Con una polarización de 300 V en estas condiciones se está aproximadamente en la zona de equilibrio entre revestimiento y erosión.

En el caso de que por vía de los parámetros de pulso se ajuste con igual corriente de arco media un aumento por 50% de la corriente iónica del sustrato, la tasa de erosión se incrementa a 23 nm/min con una polarización del sustrato de 800 V, o es posible trabajar con una polarización de sustrato de aproximadamente 200 V para trabajar en el equilibrio entre revestimiento y erosión.

Además se tiene la posibilidad de modificar el coeficiente de utilización en la fuente de polarización del sustrato, de manera que se trabaja, por ejemplo con 800 V, pero solamente con 50% de coeficiente de utilización y de esta manera obtener el equilibrio entre la erosión y el revestimiento incluso a tensiones más altas, o sea con altas energías iónicas, y de esta manera controlar los procesos en la superficie del sustrato que dependen de la energía iónica .

En virtud de que es difícil el cálculo aritmético de las tasas de erosión para lotes de producción, es recomendable determinar el equilibrio entre revestimiento y erosión para una capacidad de evaporación. Se obtuvo una mejora sustancial de la adherencia de las capas PVD ya con un tratamiento previo del sustrato de 3 minutos. La adherencia se midió con la prueba Scracht conocida por el experto (con referencia a ISO 1071, ASTM G171) .

Pero la pulsación de las fuentes no solamente aumenta la corriente de sustrato, también tiene efecto sobre el movimiento de la mancha catódica, y con la pulsación tiene lugar una desviación de la mancha catódica. Las fuertes variaciones de corriente durante la pulsación tienen por efecto campos electromagnéticos que son suficientemente grandes para influir en la trayectoria del arco. Lo positivo de esto es ante todo una disminución del número de las salpicaduras metálicas, ante todo de las grandes, lo cual se debe al tiempo de permanencia más corto del arco en un solo sitio.

Es favorable el aumento de la corriente iónica del sustrato también desde el punto de vista que es posible trabajar con corrientes de arco medias más pequeñas. El experto sabe que una disminución de la corriente de arco también conlleva una reducción de las salpicaduras.

En el documento O2006099760 se describió la pulsación de la corriente de arco para poder utilizar el arco guiado para un revestimiento de óxido. Para evitar que el arco solamente recorra la trayectoria guiada y que la superficie de blanco se oxide completamente por fuera de esta trayectoria y con ello se produzcan inestabilidades en la operación del arco, el arco se pulsó. El resultado fue que se evitó una oxidación del blanco por fuera de la superficie para el arco guiado. Si ahora se combina de la misma manera el arco guiado con la pulsación es posible observar experimentalmente lo siguiente : * el arco guiado tiene una menor tasa de evaporación del material del blanco, pero sin embargo con una frecuencia de salpicaduras fuertemente reducida * es cierto que la pulsación del arco guiado conduce a un aumento de la tasa de evaporación del material del blanco, pero a un aumento relativo mucho mayor de la corriente iónica del sustrato.

De esta manera es posible realizar condiciones que son ideales para el tratamiento previo de sustratos y en donde se reduce drásticamente la frecuencia de salpicaduras .

Como ya se indicó en lo precedente, la evaporación por arco catódica es excelentemente adecuada para procesos reactivos. A diferencia del proceso de sublimado por pulverización catódica, la regulación del gas reactivo es muy sencilla y es posible trabajar en un exceso de gas reactivo, sin que se produzcan envenenamientos del blanco. Además, con los procesos de gas reactivo es posible prescindir de un gas de trabajo como el argón y trabajar en el gas reactivo puro como nitrógeno u oxigeno. Con ello no existe el riesgo de la implantación de un gas noble en la superficie del sustrato. Mediante esto se evita tanto el debilitamiento de la superficie del sustrato por tensión pero también se previenen inestabilidades que se fundan en la difusión o incorporación del gas noble en la capa.

Mediante la pulsación de las fuentes en el gas reactivo se ionizan además de los metales también los gases reactivos, y estos se pueden usar igualmente para "tratar" la superficie del sustrato. En este documento es intencional que no se habla de un paso de erosión en virtud de que, como ya se dijo al principio, el objetivo del tratamiento previo no es ni un desalojo sustancial de material ni un crecimiento sustancial de la capa. El proceso se ajusta precisamente de manera que se garantiza una especie de equilibrio entre la erosión y el revestimiento, y que se produce el bombardeo de iones que introduce tanta energía como es posible en la superficie del sustrato para que los iones metálicos se difundan, implanten o bien reaccionen con componentes de sustrato "inestables" en la superficie.

El control del proceso no está exento de problemas, ante todo no en sistemas de lotes y en condiciones de producción. Un cambio de la carga conduce en principio a una nueva relación de revestimiento-erosión. Además hay que tomar en cuenta también que los sustratos tienen un campo eléctrico mayor en los cantos agudos, lo cual conduce a una erosión más mayor. También por este motivo es favorable que el vapor generado por las fuentes tenga proporciones tan grandes como sea posible de iones, ante todo de carga mayor, para que las fuentes se puedan operar fácilmente en el intervalo del revestimiento cero con la condición marginal de que ya una polarización de sustrato comparativamente pequeña es suficiente para esto.

El erosionado con iones metálicos todavía no se ha investigado teóricamente lo suficiente, al menos con relación a los iones de carga múltiple que se producen con la operación pulsada de las fuentes de arco para poder evaluar precisamente uno con relación a otro los efectos de sublimado por pulverización catódica con los procesos de difusión de una implantación en la superficie de sustrato más externa y las reacciones de los iones ante todo múltiplemente cargados en las superficies de sustrato. Pero de manera meramente empírica es posible observar en el resultado del proceso una adherencia marcadamente mejorada de las capas PVD sobre sustratos metálicos. Esto es cierto en particular sobre HSS y en particular sobre sustratos de metal duro .

Por este motivo, en la adaptación de los parámetros del proceso para el tratamiento previo del sustrato se llevó siempre a cabo en una primera etapa una calibración de manera que para un determinado material de blanco se estableció la corriente de arco, la forma de pulso de la corriente de arco, el campo magnético de la fuente, la polarización del sustrato, la presión del gas de trabajo y/o la presión del gas reactivo en una ventana de proceso de manera que durante un lapso de entre 30 s y 10 min en función de la carga del sistema se midió un crecimiento nulo de la capa o solamente uno inferior a 20 nm sobre los sustratos. Para este propósito en el sistema no se trataron solamente sustratos metálicos, sino que para efectos de análisis también piezas de plaquitas de silicio. Sobre las plaquitas de silicio es particularmente sencillo medir también grosores de capa pequeños por medio del análisis RBS conocido por el experto.

La mayoría de las veces se procedió de manera que se operó una corriente de arco lo más pequeña posible con pulsos lo más verticales posibles, para obtener un rendimiento alto de iones de carga múltiple . Luego se midieron las capas que se obtuvieron con una operación de este tipo de la(s) fuente (s) y para diferentes tensiones de polarización, típicamente entre 40 V y 1200 V. De la dependencia obtenida de esta manera los parámetros de proceso se seleccionaron de manera que se ajustó aproximadamente un crecimiento nulo (± 5 nm) en el sustrato.

En este tipo de tratamiento previo del sustrato parece tener importancia la posibilidad de obtener reacciones químicas con los componentes del sustrato o desencadenar procesos de difusión en la proximidad de la superficie del sustrato por vía de la elevada energía de los iones ante todo cargados en forma múltiple que se introduce en la superficie del sustrato.

De particular importancia, pero sin limitación, se deberá discutir aquí la formación de un carburo con los iones de una fuente de blanco de cromo. En el caso del proceso de erosión convencional con gas argón se intenta que el material se desaloje de la superficie del sustrato para poder retirar los componentes sueltos de la superficie del sustrato, por ejemplo los residuos de un proceso de pulido antes de comenzar con el revestimiento propiamente dicho. Este proceso convencional se conservará en la mayoría de los casos antes de empezar con el tratamiento previo del sustrato real y más bien corto descrito aquí, puesto que es obvio que este solamente tiene sentido si ya se eliminaron los residuos más gruesos de restos de otros materiales de la superficie del sustrato. Dentro del paso del tratamiento previo del sustrato que es de interés en este documento se producen naturalmente también procesos de sublimado por pulverización catódica cuando inciden sobre la superficie del sustrato iones de cromo con carga múltiple. Pero mediante la introducción múltiple de energía de los iones con carga múltiple también se producen simultáneamente reacciones químicas. Pero como ya se mencionó, el objetivo del tratamiento previo del sustrato en esta invención no es el desalojo de material, sino el promover una reacción química. Si ahora los iones de cromo tienen una energía suficientemente alta, entonces, por ejemplo en un sustrato de metal duro (placa de corte de varios filos) que consta predominantemente de carburo de tungsteno y pequeñas cantidades de tungsteno y carbono elemental y que típicamente todavía contiene además cobalto como aglutinante se puede producir la formación de carburos de cromo y/o la formación de cristales mixtos de Cr, Co y W. Tanto mayor la proporción de los iones de cromo tanto mayor es la probabilidad de una formación de carburo. Una gran contribución la proporciona la proporción de iones de carga múltiple debido a que estos justamente introducen el múltiplo de energía y por consiguiente pueden penetrar en el sustrato y también reaccionar con componentes que se encuentran algo más profundos .

Un análisis de fase mediante X-TEM dio por resultado la existencia de fases de carburo con cromo. En tanto que estas fases de carburo de cromo ya se manifestaron con un pequeño aumento de la corriente de sustrato, en el caso del titanio fue necesario trabajar con corrientes iónicas de sustrato más altas y con polarización de sustrato más alta para poder comprobar una formación de carburo.

Se mencionará otro resultado experimental que se refiere a los procesos de difusión que son estimulados mediante la introducción de energía de los iones en la superficie del sustrato. Mediante RBS y SIMS se comprobó que tras el tratamiento previo del sustrato tuvo lugar una difusión notable del cobalto (aglutinante) hacia la superficie del sustrato. Una mejora de la adherencia de la capa y un mejor rendimiento de la herramienta también tienen su causa en que se vuelve a "subsanar" la superficie de metal duro empobrecida de cobalto debido a una etapa de limpieza húmeda, y mediante la difusión del cobalto hacia la superficie obtiene nuevamente suficiente resistencia.

Ya se mencionó en lo precedente que una operación de las fuentes de arco es posible incluso en solamente gas reactivo. Pero la operación en el gas reactivo, ante todo a presiones más altas puede provocar que disminuya la corriente de sustrato. Se considera que esto se debe a reacciones de intercambio de carga entre los iones metálicos (de la fuente) de carga múltiple y los átomos de gas reactivo. En este caso la operación pulsada de las fuentes de arco ayuda en dos aspectos. Por una parte aumenta la corriente del sustrato debido a que crea iones de metal de carga múltiple y por otra parte aumenta también la tendencia a la reacción química del gas reactivo debido a su ionización más alta. Con ello no sólo se producen reacciones químicas con los iones de metal gas y los componentes de la superficie del sustrato sino también la formación de nitruros por reacciones entre, por ejemplo, nitrógeno con los componentes de la superficie del sustrato.

También el tratamiento previo del sustrato con oxigeno como gas reactivo mostró entre otras cosas una mejora sustancial en la adherencia de la capa en los sustratos no metálicos como, por ejemplo, cerámicas de óxido, ante todo al aplicar capas oxidantes. Este proceso se puede apoyar todavía mediante la aplicación de una polarización RF de sustrato.

Finalmente se deberá agregar que una presión de gas reactivo más alta reduce adicionalmente las salpicaduras pero la pulsación de las fuentes permite compensar la pérdida de corriente de sustrato.

Los tratamientos previos químicos húmedos usuales pueden, en particular en el caso de sustratos de metal duro como las placas de corte de varios filos o también en ciertos tipos del HSS, provocar un empobrecimiento de la superficie de sustrato con respecto a determinados componentes materiales (por ejemplo a un empobrecimiento del aglutinante en el metal duro, para el cual frecuentemente se usa cobalto) . Esto es particularmente crítico en las placas de corte de varios filos en las que usualmente incluso se aumenta la concentración del cobalto hacia la superficie del sustrato para proporcionarle al canto de corte una mayor resistencia para portar mejor la capa de material duro (TiC, TiCN, A1203) que se aplica posteriormente (Ref US 04497874) . El inventor pudo comprobar que el método de conformidad con la invención que se describe contribuye a que se pueda iniciar una difusión del cobalto hacia la superficie del sustrato y que con ello es posible compensar considerablemente los daños del tratamiento previo químico húmedo. Hasta ahora era necesario eliminar la capa dañada mediante una etapa de erosión prolongada en la cámara de revestimiento para que pudiera garantizarse la adherencia de la capa. Como el inventor comprobó además, este proceso de subsanado es muy efectivo en el caso de cantos de corte y en particular en placas de corte de varios filos debido al mayor bombardeo de iones en el canto de corte de los sustratos. Una explicación posible es que el aumento del bombardeo de iones es ocasionado debido al sobre-aumento del campo al aplicar una polarización en geometrías con pequeño radio de canto. Esto se explicó aquí con el ejemplo de la difusión de cobalto, pero esencialmente también es válido para otros tipos de "procesos de subsanado" en la superficie del sustrato controlados en forma térmica.

Un uso favorable adicional se refiere a las fases de carburo del tungsteno. Con respecto a esto se conoce por la tecnología CVD que este tipo de fases de carburo del tungsteno (denominada fase eta, referencia documento US 04830886) son frágiles y responsables de una mala adherencia de una capa de material duro adicional que se aplica. El inventor comprobó que con el auxilio del método de conformidad con la invención resulta posible que mediante los iones metálicos altamente energéticos utilizados en el método los compuestos de carbono inestables y el carbono no ligado se transformen en carburos estables o cristales mixtos.

Las elevadas temperaturas sobre la superficie del sustrato por efecto del bombardeo con iones, ante todo también de los iones con carga múltiple, pero nuevamente en particular en el canto de corte de la herramienta promueven además de las reacciones químicas precedentemente discutidas también los procesos de difusión, tanto del material de blanco utilizado como también del material del sustrato. El inventor comprobó que la difusión de, por ejemplo Ti a las capas más externas de la superficie del sustrato tiene un efecto favorable para la adherencia de una capa de material duro que igualmente contiene Ti, como por ejemplo TiN, TiCN o TiAlN. Es particularmente ventajosa esta difusión de los átomos del blanco al interior del sustrato si es necesario realizar transiciones de buena adherencia a capas de material duro con propiedades físicas y mecánicas muy diferentes, como por ejemplo en una deposición directa de óxido de aluminio u óxido de aluminio y cromo o nitruro de boro o nitruro de silicio sobre el metal duro. Con ello se proporciona un método inventivo muy bueno para revestir el metal duro con estas capas .

El inventor comprobó además que este método de la difusión al interior también se puede usar en las transiciones en sistemas de capas de estratos múltiples. Es una enorme ventaja que la energía de los iones incidentes se puede mantener ante todo limitada a la región de la superficie del sustrato y que una etapa de tratamiento previo usual por lo general solo lleva pocos minutos, lo que ciertamente provoca una carga térmica en la superficie del sustrato, y eventualmente de nuevo en particular sobre el canto de corte, pero no excesiva en todo el sustrato.

En virtud de que los procesos de difusión discutidos son causados por el súper-aumento de temperatura local durante el bombardeo con iones, después del tratamiento la región de la transición de sustrato a capa también es estable térmicamente en los posteriores usos para corte y las altas temperaturas de sustrato aunadas a estos, y reduce de manera correspondiente los procesos de difusión indeseados durante el uso de la herramienta.

Con base en los hechos precedentemente discutidos, una ventaja adicional del proceso consiste en que es posible usar blancos de los materiales que luego también se usan para la síntesis de la capa de material duro, es decir, los procesos de difusión y las reacciones químicas ya se llevan a cabo con materiales que posteriormente se repiten en la capa. 0 sea que con este método también se pueden usar blancos de aleaciones y diferentes gases reactivos para iniciar de manera selectiva reacciones químicas y procesos de difusión.

La etapa de tratamiento previo también se puede utilizar para que, por ejemplo, con el uso de un gas reactivo los componentes metálicos en la superficie de sustrato se transformen en compuestos que son estables a altas temperaturas y que influyen de manera selectiva en el comportamiento de formación del núcleo de la capa a ser depositada posteriormente. Como ejemplos se mencionarán la formación de fases de corindón sobre aluminio o cromo.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (17)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Método para el tratamiento de superficies de piezas de trabajo en un sistema de tratamiento al vacío, con un primer electrodo configurado como blanco que es parte de una fuente de evaporación por arco, siendo que por vía del primer electrodo se opera un arco con corriente de arco, mediante el cual se evapora material del blanco, el cual se deposita al menos parcialmente y temporalmente sobre las piezas de trabajo, y con un segundo electrodo que se configura como sujeción de la pieza de trabajo y que en común con las piezas de trabajo constituye un electrodo de polarización, siendo que en el electrodo de polarización se aplica una tensión de polarización mediante una fuente de tensión, siendo que la tensión de polarización se aplica en sincronización con la corriente de arco, de manera que en términos netos sustancialmente no tiene lugar una síntesis de material sobre la superficie, caracterizado porque el primer electrodo se opera con corriente pulsada, siendo que mediante la pulsación se genera un incremento de la corriente de sustrato a través de la superficie de la pieza de trabajo, en comparación con la operación no pulsada, y mediante ello con una tensión de polarización más baja en comparación con la operación no pulsada del primer electrodo, en términos netos no tiene lugar una síntesis de material sobre la superficie.

2. Método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque se lleva a cabo sin gas de trabajo y/o sin gas reactivo.

3. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la tensión de polarización del sustrato se opera en forma pulsada.

4. Método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la frecuencia de pulso actual de la tensión de polarización del sustrato es un múltiplo de número entero de la frecuencia de pulso de la corriente de arco, siendo que se incluye el sencillo.

5. Método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la pulsación de la tensión de polarización es en fase desplazada con respecto a la pulsación de la corriente de arco por un intervalo de tiempo que corresponde sustancialmente al tiempo medio de vuelo de los iones del blanco al sustrato.

6. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque como sustrato se usa un metal duro, siendo que la superficie del sustrato es un canto de corte, como una placa de corte de ^ filos múltiples, siendo que el método se lleva a cabo para subsanar un empobrecimiento de cobalto en la superficie.

7. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el material del blanco y/u opcionaltnente el gas de reacción reaccionan 10 químicamente con componentes de material del sustrato y mediante ello forman preferiblemente componentes más estables .

8. Método de conformidad con la j2 reivindicación 7, caracterizado porque como blanco se usa un blanco metálico, el sustrato contiene carbono y la reacción química conduce a la formación de carburos.

9. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el pulso 0 de la corriente de arco se selecciona de manera que ocurren valores de incremento de corriente de al menos 1000 A/ms, preferiblemente de al menos 10000 A/ms.

10. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque un 5 aumento de la corriente iónica del sustrato mediada con relación al material evaporado en el blanco, masa por corriente de arco por tiempo da por resultado más de 10%, preferiblemente mas de 30% para corrientes de arco iguales, CC y pulsadas, en la media temporal.

11. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en el sustrato se obtiene crecimiento nulo o bien tasas inferiores a 5 nm/s .

12. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el tratamiento de la superficie se puede llevar a cabo tanto con diafragma como también sin diafragma frente al blanco del arco.

13. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se usan verticalidades de pulso preferiblemente superiores a 500 A/ms, preferiblemente 1000 A/ms.

14. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se usan frecuencias de pulso superiores a 100 Hz, preferiblemente superiores a 1000 Hz .

15. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el resultado se puede comprobar por la formación de compuestos químicos en la superficie de sustrato entre el material del blanco y el gas reactivo por una parte y el material del ^ sustrato por otra parte.

16. Método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se lleva a cabo en el gas reactivo sin que se produzca una síntesis de capa . 0

17. Uso del método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes para subsanar al menos parcialmente el empobrecimiento de la concentración de material en la superficie en comparación con el interior del C sustrato. 5