JP2000204466A

JP2000204466A - 真空ア―ク蒸発源及び真空ア―ク蒸着装置

Info

Publication number: JP2000204466A
Application number: JP11008045A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Fujii; 博文藤井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1999-01-14
Filing date: 1999-01-14
Publication date: 2000-07-25
Anticipated expiration: 2019-01-14
Also published as: JP3789667B2

Abstract

(57)【要約】【課題】磁場によって基板に到達する溶融粒子の数を
減少させることができると共に、アークスポットの発生
の偏りを減少させることができる蒸発源及び真空アーク
蒸着装置を提供することを目的とする。【解決手段】アーク放電の陰極となる蒸発物質と、当
該蒸発物質の蒸発面と略垂直に交差する磁力線のみを発
生するように前記蒸発物質を取り囲む磁場発生源と、を
備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空アーク蒸発源
及び当該真空アーク蒸発源を備えた真空アーク蒸着装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、真空室内で蒸発物質を陰極と
するアーク放電を発生させ、アーク電流のエネルギーに
より陰極材料を蒸発・イオン化させ、基板上に皮膜を堆
積させる真空アーク蒸着装置が知られている。このよう
な真空アーク蒸着装置では、蒸発粒子・イオン化粒子に
比べてはるかに大きい数μｍ以上の径をもつ溶融粒子が
発生することが避けられず、これが皮膜中に混入するこ
とによって皮膜面粗度の悪化や皮膜組成の不均一性をも
たらすことが欠点となっている。

【０００３】このような溶融粒子による問題を、磁場の
発生によって解決しようとするものが提案されている。
例えば、特開平２−１９４１６７号公報には、蒸発面と
基板との間に蒸発面と同軸状の空心コイルを設けたもの
が開示されている（従来技術１）。この構成によれば、
空心コイルによる磁場にプラズマ中の電子が巻き付いて
旋回運動しながら磁力線に沿って流れプラズマが基板に
到達する。一方、中性の溶融粒子には、この誘導効果が
作用せず、イオンは、選択的に基板に導かれるから、相
対的に基板に向かう溶融粒子の数を減少させることがで
きるとされている。

【０００４】また、特公告５−４８２９８号公報には、
陰極表面に平行な成分の磁界を発生させる永久磁石が陰
極背面に配置され、この永久磁石を回転させることによ
ってアーク運動の経路を円軌道にするものが開示されて
いる。そして、この永久磁石による磁界は、陰極を取り
囲むようなソレノイドコイルが発生する磁界によって、
水平成分が大きくなるようにされている（従来技術
２）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術１の場合、コイルは、基板と蒸発面との中間位置に設
けられており、コイルによる磁場は蒸発面の半径方向内
向きに寄るように作用する。この場合、アークスポット
が蒸発面の中央に寄りがちとなり、蒸発物質が均一に消
耗しない。一方、従来技術２の場合は、コイルが蒸発面
を取り囲むように配置されており、一見、その磁力線が
蒸発面に対して垂直に作用するとも考えられる。しか
し、このコイルは蒸発物質の背面に配置された永久磁石
による磁力線の蒸発面に対する平行成分を大きくさせる
ためのものであって、前記永久磁石によって発生した磁
力線の垂直成分を打ち消すためのものである。

【０００６】すなわち、このコイルは前記永久磁石に対
して補助的に設けられたものであって、従来技術２にお
いては、前記コイルは蒸発面に対して垂直な磁力線を作
用させるものではない。本発明は、このような事情に鑑
みてなされたものであって、磁場によって基板に到達す
る溶融粒子の数を減少できると共に、アークスポットの
発生の偏りを減少させることができる蒸発源を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、以下の技術的手段を講じた。すなわち、
本発明に係る真空アーク蒸発源の特徴は、アーク放電の
陰極となる蒸発物質と、当該蒸発物質の蒸発面と略垂直
に交差する磁力線のみを発生するように前記蒸発物質を
取り囲む磁場発生源と、を備えている点にある。かかる
構成によれば、蒸発面と交差する磁力線により従来技術
１と同様に溶融粒子を減少させることができる。そし
て、従来技術１と異なり、磁力線は蒸発面と略垂直に交
差するので、アークスポットが蒸発面で偏在し難くな
り、蒸発物質が均一に消耗する。

【０００８】ここで、磁力線は、蒸発面と完全に垂直に
交差するものである必要はなく、蒸発面と略垂直な磁力
線とは、蒸発面の法線に対し±３０度以内のものも含む
ものである。この範囲であれば、蒸発物質の均一な消耗
がある程度達成でき許容範囲内である。したがって、前
記磁場発生源は磁力線がそのような方向になる位置に配
置すれば良い。更に、前記磁力線の蒸発面における方向
が、蒸発面の法線に対し±１０度以内となるように前記
磁場発生源が配置されているのが好適である。この場
合、蒸発物質をさらに均一に消耗させることができる。

【０００９】そして、磁場発生源としては、前記蒸発物
質を取り囲む環状の磁極を有する磁石とすることができ
る。従来技術１のように、空心コイルで磁場を発生させ
る場合、広い範囲で磁場が発生することが避けられな
い。特に、コイルの軸方向に長く伸びた磁場が発生す
る。このように長く伸びた磁場は、基板が配置されてい
る位置にまで作用し、基板における皮膜形成過程におい
てこの磁場が皮膜構造に影響を及ぼすという問題があ
る。

【００１０】また、真空用に複数の蒸発源を配置する場
合、ある蒸発源から発生する広い範囲の磁場が近隣の蒸
発源に対して蒸発特性に影響を与え易いという問題があ
る。さらに、真空容器に蒸発源が対向して配置される場
合には、コイルの軸方向に長く伸びる磁場が対向する蒸
発源に対して相互に影響し合うという問題がある。前述
のような環状の磁極を有する磁石であれば、空心コイル
のように軸方向に長く伸びる磁界が発生することが防止
される。したがって、この真空アーク蒸発源を真空アー
ク蒸着装置に用いた場合、磁場による基板への悪影響を
防止することができる。また真空容器に複数の蒸発源を
配置した場合には、一の蒸発源からの磁場が他の蒸発源
へ悪影響を及ぼすことを防止できる。

【００１１】なお、ここで、環状の磁極を有する磁石と
は、環状に形成された永久磁石であってもよいし、環状
の磁極を持つように形成された磁心を有する電磁石であ
っても良い。磁力線を蒸発面と略垂直に交差させるため
の磁場発生源の具体的構成としては、前記磁場発生源の
Ｎ，Ｓ両磁極の中間位置に、前記蒸発面が位置するよう
に前記磁場発生源を配置するのが好適である。ここで、
Ｎ，Ｓ両磁極の中間位置とは、両磁極の中央でなくとも
良い。ただし、前記磁場発生源のＮ，Ｓ両磁極の略中央
位置に、前記蒸発面が位置するように前記磁場発生源が
配置されていれば、磁力線の方向が蒸発面の法線方向と
さらに一致し易くなり、更に好適である。

【００１２】そして、前記磁場発生源のさらに具体的な
構成としては、前記磁場発生源は、その軸方向両端に磁
極を有する環状磁石からなるものとするのが好適であ
る。この場合、環状磁石の軸方向への磁場の広がりが少
ないので、基板又は他の蒸発源への影響を効果的に押え
ることができる。また、前記環状磁石は、前記蒸発物質
を取り囲む径内側環状磁石と、当該径内側環状磁石と同
軸状かつ同極が同方向を向くように前記径内側環状磁石
を取り囲む径外側環状磁石とから構成されているものと
するのが好適である。

【００１３】この場合、蒸発物質を貫く磁力線の本数が
増え、すなわち磁場強度が上がり、前記効果をより強く
得られる。また、本発明では、前記磁場発生源は、内周
側と外周側に磁極を有する第１環状磁石と、内周側と外
周側の磁極がそれぞれ第１環状磁石とは異なる磁極とさ
れていると共に前記第１環状磁石の軸方向に並置された
第２環状磁石と、から構成されているものとすることが
できる。かかる構成によれば、環状磁石の軸方向への磁
場の広がりが一層少ないので好適である。この場合、前
記第１環状磁石と第２環状磁石の外周側を磁性体によっ
て結合して構成すれば、側方への磁場の広がりが殆どな
いので、本発明の蒸発源を真空容器に複数設けた場合、
隣の蒸発源の影響を排除することができる。

【００１４】また、同様の効果を得るには、前記磁場発
生源を、径内側にＮ，Ｓ両磁極を有する断面Ｕ字状の環
状磁石として構成してもよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１〜図３は、本発明の第１の実
施の形態を示している。図１に示すように、本発明に係
る真空アーク蒸着装置１は、真空容器２内に陰極である
蒸発物質３が設けられ、アーク放電電源４によって図示
しない陽極との間でアーク放電を発生させて蒸発物質３
を蒸発・イオン化させ、コーティング処理物（基板）５
に皮膜を堆積させるものである。

【００１６】前記蒸発物質３は、当該蒸発物質３の蒸発
面とほぼ垂直に交差する磁場を発生させる磁場発生源７
と共に１つの蒸発源ユニット９を構成している。図１に
おいては、磁場発生源ユニット９は、真空容器２に１個
設けたものが例示されているが、真空容器２の側壁にコ
ーティング処理物５を取り囲むように複数設けるのが好
適である。図３に示すように、前記蒸発物質３は、円板
状に形成されており、そのコーティング処理物５側の面
がアーク蒸発面１１である。蒸発物質３と共に蒸発源９
を構成する磁場発生源７は、軸方向（厚さ方向）両端面
に環状の磁極を有する環状永久磁石として構成されてい
る。この磁場発生源７は、蒸発物質３と同軸状で当該蒸
発物質３を取り囲むように配置されている。また、磁場
発生源７は、その軸方向中央位置と蒸発面の位置とがほ
ぼ一致するように配置され、そのコーティング処理物５
側の端面（前方側の面）がＮ極で、他方の端面がＳ極と
されている。なお、磁極は逆であっても良い。

【００１７】かかる配置の磁場発生源７は、図２に示す
ような磁場を発生する。図４は、比較例として、従来技
術のようにコイル１３を蒸発物質３の周りに配置した場
合の磁場の状態を示している。図４に示すように、コイ
ル１３によって発生した磁場の場合、磁力線Ｍ２は、コ
イル１３の軸方向に広く拡がるような大きなループとな
る。一方、本発明のように磁場発生源７が環状の磁極を
有する環状磁石であると、図２に示すように、蒸発面１
１と交差する磁力線Ｍ１は比較的小さなループとなり、
環状磁石７の軸方向への磁場の伸びが少ない。

【００１８】したがって、蒸発面１１を交差する磁場の
強さが同じである場合、図４に示すコイルによって発生
した磁場は広がりが大きく他所への影響が大きいのに対
し、図２に示す環状磁石７によって発生した磁場は広が
りが小さく、他所への影響が小さい。さらに、環状磁石
７から発生した磁力線は、蒸発面を通過後、径外方向に
急速に発散するため、その磁力線に巻き付いて誘導され
るプラズマ流の分布が広くなり、広範囲に均一な膜厚分
布を得ることができる。また、磁場発生源７として、永
久磁石を採用しているため、コイルに比べて同体積の磁
場発生源としては磁場強度が大きい。したがって、磁場
強度の大きいエリアに蒸発面及び蒸発粒子の飛行経路が
置かれることになるため、図５に示すように、蒸発物質
３から蒸発した荷電粒子が磁力線に巻き付きながら磁力
線に沿って飛行する螺旋運動が活発化する。これによ
り、蒸発物質３から蒸発した成膜粒子及び反応ガスの活
性化を促進し、密着力の大きい、緻密な皮膜が得られ
る。なお、荷電粒子の螺旋運動の半径は、荷電粒子のス
ピードと磁場強度により決まり、荷電粒子の飛行は様々
な半径の螺旋飛行の集まりとなる。

【００１９】図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明における蒸
発面１１上でのアークスポットの軌跡のイメージを示し
ている。図６（ａ）〜（ｄ）のパターンは瞬間瞬間でラ
ンラムに現れる。各パターンは、ともに周回運動であ
り、各パターンはその周回半径が異なるものである。磁
力線が蒸発面１１に対してほぼ垂直であると、このよう
にアークスポットの軌跡が瞬間瞬間で半径の異なった周
回運動となるので、周回運動の半径が一定な場合と比較
して、蒸発位置が変化し、蒸発面の消耗が均等になる。
したがって、蒸発面は、新品時の蒸発面と平行に近い状
態を保ちながら消耗し、蒸発物質の利用効率が非常に高
い。なお、周回運動の向きは、磁力線の向きによって逆
転する。

【００２０】また、アークスポットの周回半径がランダ
ムに変動するので、蒸発物質の局部的な温度上昇が抑え
られ、溶融粒子の発生が抑制される。図７は、比較例と
して、磁力線が蒸発面１１の法線方向から大きく傾いて
いる場合のアークスポットのイメージを示している。図
７（Ａ）のように、蒸発物質３の蒸発面１１に対し磁場
発生源７が前方（コーティング処理物５側）に大きくず
れていると、蒸発面１１での磁力線が内向きに大きく傾
く。したがってアークスポットが蒸発面１１の中央部で
集中的に放電する。

【００２１】一方、図７（Ｂ）のように後方に大きくず
れていると、蒸発面１１での磁力線が外向きに大きく傾
く。したがってアークスポットが蒸発面１１の辺縁部の
みで放電し、アークスポットが蒸発物質３から飛び出し
てアーク放電が停止し易い。図７（Ａ）（Ｂ）いずれの
場合であっても蒸発物質３は均一に消耗せず、利用効率
が悪い。このような不都合を防止するには、蒸発面１１
上での磁力線の方向を、蒸発面の法線に対し±３０度以
内とするのが好ましく、さらに好ましくは±１０度以内
となるように蒸発物質３と磁場発生源７を配置する。ま
た、磁力線が蒸発面１１に対して垂直になるのが最も好
ましいが、蒸発源ユニット９は、磁場発生源７の軸方向
中心より蒸発面１１がやや前方に位置した状態で製造す
るのが好ましい。この場合、蒸発物質３がある程度消耗
して蒸発面１１が後退すると磁場発生源７の軸方向中心
と蒸発面１１の位置が一致し、さらに蒸発物質３が消耗
しても蒸発面１１は磁場発生源７の軸方向中心よりやや
後方に位置するだけであるから、蒸発物質３の新品時か
ら消耗するまで、常に磁力線が蒸発面とほぼ垂直した状
態を得られる。

【００２２】図８は、本発明の第２の実施の形態に係る
蒸発源１９を示している。この蒸発源１９の磁場発生源
１７は、多数の永久磁石２１を環状に並べて、第１の実
施の形態の磁場発生源７と同様な磁場を発生するように
構成されたものである。すなわち、長手方向両端に磁極
を有する複数の棒状磁石２１を磁極の向きを揃えて環状
に配置して、実質的に第１の実施の形態における磁場発
生源７と同様な、軸方向両端面に環状の磁極を有する環
状磁石を構成したものである。この磁場発生源１７は、
第１の実施の形態の磁場発生源７と同様に配置され、蒸
発物質３に対して第１の実施の形態と同様に作用する。

【００２３】図９は、本発明の第３の実施の形態に係る
蒸発源２９を示している。この蒸発源２９の磁場発生手
段２７は、第１の実施の形態の環状磁石７と同様に構成
・配置された径内側環状磁石３０と、その径外側に配置
される径外側環状磁石３１とから構成されている。径外
側環状磁石３１は、径内側環状磁石３０と同様に、軸方
向両端に磁極を有する環状磁石であって、軸方向の厚さ
もほぼ同じに構成されている。この径外側環状磁石３１
は、径内側環状磁石３０と同軸状に配置され、同じ磁極
が同方向を向くように径内側環状磁石３０を取り囲んで
いる。

【００２４】図９に示すように、かかる構成の磁場発生
手段２７によると、両環状磁石３０，３１の相互作用に
よって、径内側磁石３０のみの場合より蒸発物質３を貫
く磁力線の数が増える。すなわち、蒸発面１１における
磁場強度が上がり、溶融粒子を減少させる効果がより強
く得られる。図１０は、本発明の第４の実施の形態に係
る蒸発源３９を示している。この蒸発源３９の磁場発生
源３７は、内周側と外周側に磁極を有する第１環状磁石
４０と、内周側と外周側に磁極を有すると共に内周側と
外周側の磁極がそれぞれ第１環状磁石４０とは異なる第
２環状磁石４１とを有している。第１環状磁石４０と第
２環状磁石４１とは、同軸状でかつそれらの軸方向に並
置されている。

【００２５】具体的には、第１環状磁石４０は、内周側
がＮ極、外周側がＳ極とされている。また第２環状磁石
４１は、内周側がＳ極、外周側がＮ極とされている。両
環状磁石４０，４１の外周側は、磁性体４２によって接
続されている。両環状磁石４０，４１の外周側は異極で
あるので、磁性体４２は両磁石４０，４１の磁力によっ
て結合される。このように、環状に磁極を有する環状磁
石は、上記構成によっても実現できる。すなわち、両環
状磁石４０，４１の内周側から発生する磁場は、第１の
実施の形態における磁場発生源７とほぼ同様なものとな
り、両環状磁石４０，４１の内周側磁極の中間位置に蒸
発物質３の蒸発面１１を位置させると、磁場が蒸発面１
をほぼ垂直に貫く。

【００２６】また、本実施の形態によれば、両磁石４
０，４１の外周側が磁性体４２によって接続されている
から、外周側へ磁場が発生しない。したがって、この蒸
発源３９をユニットとして真空容器２に多数隣接させて
配置した場合、隣接する蒸発源３９への磁場の影響を効
果的に排除することができる。図１１は、本発明の第５
の実施の形態に係る蒸発源４９を示している。この蒸発
源４９の磁場発生源４７は、径内側にＮ，Ｓ両磁極を有
する断面Ｕ字状の環状磁石によって構成されている。本
実施の形態においても、蒸発物質３は、その蒸発面１１
が両磁極の中間位置に位置するように配置されており、
第４の実施の形態と同様な作用効果が得られる。

【００２７】なお、本発明は、前記各実施の形態に限定
されるものではない。例えば、磁場発生源である環状磁
石は円環状に蒸発物質を取り囲むものである必要はな
く、多角形状に蒸発物質を取り囲むものであってもよ
い。

【００２８】

【発明の効果】以上、本発明によれば、蒸発面と交差す
る磁力線により溶融粒子の数を減少させることができ
る。そして、磁力線は蒸発面と略垂直に交差するので、
アークスポットが蒸発面で偏在し難くなり、蒸発物質が
均一に消耗する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る真空アーク蒸
着装置の概略構成図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る蒸発源を示す
断面側面図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る蒸発源の正面
図である。

【図４】本発明に対する比較例としての蒸発源を示す断
面側面図である。

【図５】本発明における蒸発源からの電子の飛行経路を
示す図である。

【図６】本発明における蒸発面上のアークスポットの軌
跡を示すイメージ図である。

【図７】本発明に対する比較例としての蒸発源を示す断
面側面図及び正面図であって、（Ａ）は磁力線が内向き
のもの、（Ｂ）は磁力線が外向きのものを示している。

【図８】本発明の第２の実施の形態に係る蒸発源を示し
ており、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。

【図９】本発明の第３の実施の形態に係る蒸発源を示す
断面側面図である。

【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る蒸発源を示
しており、（ａ）は断面側面図、（ｂ）は正面図であ
る。

【図１１】本発明の第５の実施の形態に係る蒸発源を示
しており、（ａ）は断面側面図、（ｂ）は正面図であ
る。

【符号の説明】

１真空アーク蒸着装置２真空容器３蒸発物質７磁場発生源９蒸発源（ユニット）１１アーク蒸発面１７磁場発生源１９蒸発源２１棒状磁石２７磁場発生源２９蒸発源３０径内側環状磁石３１径外側環状磁石３７磁場発生源２９蒸発源４０第１環状磁石４１第２環状磁石４２磁性体４７磁場発生源４９蒸発源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アーク放電の陰極となる蒸発物質と、当該蒸発物質の蒸発面と略垂直に交差する磁力線のみを
発生するように前記蒸発物質を取り囲む磁場発生源と、を備えていることを特徴とする真空アーク蒸発源。
【請求項２】前記磁力線の蒸発面における方向が、蒸
発面の法線に対し±３０度以内となるように前記磁場発
生源が配置されていることを特徴とする請求項１記載の
真空アーク蒸発源。
【請求項３】前記磁力線の蒸発面における方向が、蒸
発面の法線に対し±１０度以内となるように前記磁場発
生源が配置されていることを特徴とする請求項２記載の
真空アーク蒸発源。
【請求項４】前記磁場発生源は、前記蒸発物質を取り
囲む環状の磁極を有する磁石であることを特徴とする請
求項１〜３のいずれかに記載の真空アーク蒸着装置。
【請求項５】前記磁場発生源のＮ，Ｓ両磁極の中間位
置に、前記蒸発面が位置するように前記磁場発生源が配
置されていることを特徴とする請求項４記載の真空アー
ク蒸発源。
【請求項６】前記磁場発生源のＮ，Ｓ両磁極の略中央
位置に、前記蒸発面が位置するように前記磁場発生源が
配置されていることを特徴とする請求項５記載の真空ア
ーク蒸発源。
【請求項７】前記磁場発生源は、その軸方向両端に磁
極を有する環状磁石からなることを特徴とする請求項４
〜６のいずれかに記載の真空アーク蒸発源。
【請求項８】前記環状磁石は、前記蒸発物質を取り囲
む径内側環状磁石と、当該径内側環状磁石と同軸状かつ
同極が同方向を向くように前記径内側環状磁石を取り囲
む径外側環状磁石とから構成されていることを特徴とす
る請求項７記載の真空アーク蒸発源。
【請求項９】前記磁場発生源は、内周側と外周側に磁
極を有する第１環状磁石と、内周側と外周側の磁極がそれぞれ第１環状磁石とは異な
る磁極とされていると共に前記第１環状磁石の軸方向に
並置された第２環状磁石と、から構成されていることを特徴とする請求項４〜６のい
ずれかに記載の真空アーク蒸発源。
【請求項１０】前記磁場発生源は、前記第１環状磁石
と第２環状磁石の外周側を磁性体によって結合して構成
されていることを特徴とする請求項９記載の真空アーク
蒸発源。
【請求項１１】前記磁場発生源は、径内側にＮ，Ｓ両
磁極を有する断面Ｕ字状の環状磁石であることを特徴と
する請求項４〜６のいずれかに記載の真空アーク蒸発
源。
【請求項１２】請求項１〜１１のいずれかに記載の真
空アーク蒸発源を備えていることを特徴とする真空アー
ク蒸着装置。