JP2001011608A - 膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ輸送時に粗大粒子を除去する磁気フ
ィルタを改善して、そのプラズマ輸送効率を高くする。 【解決手段】 この膜形成装置は、真空アーク蒸発源１
２と成膜室２との間に、プラズマ２２を輸送すると共に
当該プラズマ２２中から粗大粒子を除去する磁気フィル
タ２４ａを備えている。この磁気フィルタ２４ａは、湾
曲した輸送管２６と、この輸送管２６の内面近傍を覆う
複数のカスプ磁場を形成する複数の永久磁石３４とを備
えて成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、真空アーク蒸発
源を用いたいわゆるアーク式イオンプレーティング法に
よって、例えば自動車部品、工作機械部品、工具等の基
体の表面に、例えば潤滑性や硬度等に優れた膜を形成す
る膜形成装置に関し、より具体的には、その磁気フィル
タの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空アーク放電によって陰極を溶解させ
て陰極物質を含むプラズマを生成する真空アーク蒸発源
を用いて、この真空アーク蒸発源で発生させたプラズマ
中のイオン（この明細書では正イオンを意味する）を負
バイアス電圧等によって基体に引き込んで基体の表面に
膜を形成する手法は、アーク式イオンプレーティング法
とも呼ばれており、成膜速度が大きい、膜の密着性が高
い等の特長を有している。成膜速度が大きいのは、真空
アーク放電を利用して陰極を溶解させて、陰極物質を大
量に蒸発させることができるからである。膜の密着性が
高いのは、上記プラズマ中のイオンを、負バイアス電圧
等による電界によって基体に引き込んで衝突させること
ができるからである。

【０００３】しかし、真空アーク蒸発源の陰極から蒸発
させる陰極物質には、成膜に好ましい微小粒子の他に、
例えば直径が数μｍ程度またはそれ以上という粗大粒子
（これはドロップレットとも呼ばれる）が含まれてお
り、この粗大粒子が基体に飛来して付着してしまい、こ
れが原因で基体に対する膜の密着性や膜表面の平滑性が
低下するという問題がある。

【０００４】プラズマ中から粗大粒子を除去するために
磁気フィルタを用いる技術が既に幾つか提案されてい
る。例えば、I. I. Aksenov et al Sov. J. Plasma Phy
s. 4(1978)425-428（文献１）、A. Anders et al Plasm
a Sources Sci. Technol. 4(1995)1-12（文献２）参
照。この文献１または２に記載されたような磁気フィル
タを用いた膜形成装置の例を以下に説明する。

【０００５】図５に示す膜形成装置は、図示しない真空
排気装置によって真空排気される成膜室（換言すれば真
空容器）２を備えており、その中に、成膜しようとする
基体６を保持するホルダ８が設けられている。成膜室２
内には、必要に応じて、不活性ガス、反応性ガス等のガ
ス４が導入される。この成膜室２およびそれに接続され
た後述する輸送管２６は、この例では電気的に接地され
ている。

【０００６】ホルダ８およびそれに保持される基体６に
は、バイアス電源１０から、例えば−数百Ｖ〜−１００
０Ｖ程度の負のバイアス電圧が印加される。但し、基体
６に負のバイアス電圧を印加しなくても、即ち基体６を
接地電位にしておいても、その近傍のプラズマ２２の方
が基体６よりも正電位になりやすいので、このプラズマ
２２と基体６との電位差によってプラズマ２２中のイオ
ンを基体６に向けて加速することも可能である。

【０００７】成膜室２の壁面には、磁気フィルタ２４を
構成する輸送管２６の一方の端部が、ホルダ８上の基体
６に向くように接続されている。この輸送管２６内も、
成膜室２と共に真空排気される。この例ではこの輸送管
２６の他方の端部付近内に、真空アーク蒸発源１２が設
けられている。

【０００８】真空アーク蒸発源１２は、この例では金属
製の支持体１６に取り付けられた陰極１４を有してい
て、当該陰極１４とこの例では陽極を兼ねる輸送管２６
との間の真空アーク放電によって、陰極１４を局部的に
溶解させて陰極物質１４ａを蒸発させるものである。こ
のとき、陰極１４の前方近傍には、アーク放電によって
プラズマが生成され、陰極物質１４ａの一部はイオン化
される。即ち、陰極１４の前方近傍には、イオン化され
た陰極物質１４ａを含むプラズマ２２が生成される。

【０００９】このとき、陰極１４と輸送管２６との間に
は、アーク電源１８から、前者を負極側にして、例えば
数十Ｖ〜数百Ｖ程度のアーク放電電圧が供給される。陰
極１４の近傍には、必要に応じて、上記ガス４と同種類
のガス２０が導入される。なお、通常は、アーク放電起
動用のトリガ電極が備えられているが、ここではその図
示を省略している。

【００１０】磁気フィルタ２４は、この例では、湾曲し
た前記輸送管２６と、その外周部に当該輸送管２６に直
交するように配置されていて輸送管２６に沿って湾曲し
た磁場（トロイダル磁場）を形成する複数の（通常は図
示の３個よりも多い）トロイダルコイル２８と、このト
ロイダルコイル２８に直流電流を流す直流電源（図示省
略）とを備えている。このトロイダルコイルで発生する
磁力線３０は、図中にその一部を概略的に示している
が、輸送管２６の内面にほぼ沿っている。

【００１１】上記複数のトロイダルコイル２８の代わり
に、図６に示す磁気フィルタ２４のように、輸送管２６
の外周部に沿って巻かれたソレノイドコイル３２によっ
て、輸送管２６に沿って湾曲した磁場（ソレノイド磁
場）を形成する例もある。

【００１２】真空アーク蒸発源１２によって生成された
プラズマ２２は、上記磁気フィルタ２４中をその磁場に
沿って輸送されて、成膜室２内の基体６の近傍に導かれ
る。その際、プラズマ２２中に含まれている粗大粒子は
次のような作用によって除去される。

【００１３】即ち、真空アーク蒸発源１２の陰極１４か
ら蒸発する陰極物質１４ａには、前述したように成膜に
好ましい微小粒子だけでなく、例えば直径が数μｍ程度
またはそれ以上という粗大粒子も含まれているが、この
粗大粒子がイオン化した場合、それは磁気フィルタ２６
内の磁場に捕捉されてその磁力線３０を中心軸として螺
旋運動をする。この螺旋運動の半径（ラーマー半径）は
質量に比例して大きくなるため、粗大粒子の場合は極端
に大きく、結果的に輸送管２６の内壁や当該内壁に突設
したフィン（図示省略）等に衝突して消滅（付着）す
る。

【００１４】イオン化していない粗大粒子や他の中性粒
子は、陰極１４から直線的に飛散するため、これも湾曲
した輸送管２６の内壁またはフィンに衝突して消滅す
る。

【００１５】従っていずれにしても、粗大粒子および中
性粒子は、磁気フィルタ２４内においてプラズマ２２中
から除去され、成膜室２内には、イオン化した微小粒子
および電子から成り、粗大粒子を殆ど含まないプラズマ
２２が輸送され、これが基体６の近傍に導かれる。従っ
て、粗大粒子が基体６に付着することを防止することが
できる。

【００１６】プラズマ２２中に含まれているイオン化し
た陰極物質１４ａは、バイアス電圧によって基体６に向
けて加速されて、基体６の表面に入射堆積して膜を形成
する。このとき、前記ガス４および２０が反応性ガスの
場合は、それと陰極物質１４ａとが化合した化合物膜が
形成される。例えば、陰極１４をＴi 、ガス４および２
０をＮ₂ とすれば、ＴiＮ膜が形成される。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなトロイダ
ル磁場またはソレノイド磁場を用いた磁気フィルタ２４
では、上記文献２の第９〜１１頁にも記載されているよ
うに、輸送されるプラズマ２２の条件等によって、プラ
ズマ２２に不安定が発生しやすく、プラズマ２２の輸送
効率を高めることが難しいという課題がある。

【００１８】この不安定発生機構について簡単に説明す
ると、プラズマには種々の条件によって異なった種類の
不安定が発生するため、一概には言えないけれども、一
般的には、磁場中のプラズマが電流を持つ場合、この電
流と磁場とが相互作用を起こし、プラズマに不安定が発
生する。しかも磁場が強いほど不安定が発生しやすい。

【００１９】真空アーク放電で作られるプラズマは、一
例を挙げれば、数十ｅＶ程度のエネルギーに相当するド
リフト速度（従ってイオン電流）を持っている。このと
き、プラズマ中の揺らぎ（波動）がＥ×Ｂドリフト波と
呼ばれるものの場合、その位相速度はＥ／Ｂに比例する
（即ちＢが増加すると位相速度は小さくなる）。ここ
で、Ｅはプラズマ中の電界強度、Ｂは磁場強度である。
この位相速度がイオンのドリフト速度よりも小さくなっ
た場合、イオンの持つエネルギーが波に転換されて波が
増幅される。これがプラズマの不安定である。プラズマ
不安定が発生すると、輸送管２６中のプラズマ２２は異
常に拡散が大きくなり、消滅してしまう。

【００２０】プラズマ２２のドリフトには、上記Ｅ×Ｂ
ドリフトと呼ばれるものの他に、プラズマ密度勾配ドリ
フト、磁場勾配ドリフト、トロイダルドリフト等と呼ば
れる様々なものがあり、これらが複合してプラズマ不安
定が発生する。

【００２１】特に、従来の磁気フィルタ２４が採用して
いるトロイダル磁場やソレノイド磁場では、輸送管２６
の中心軸に近い所ほど磁場が強くなり、このような磁場
配位では磁場勾配ドリフトが発生しやすい。また、この
ような磁場配位に伴って、輸送管２６内での半径方向に
おけるプラズマ２２の空間的不均一性が大きくなり、プ
ラズマ密度勾配ドリフトも発生しやすい。更に、トロイ
ダル磁場では、磁場の曲率に伴うトロイダルドリフトが
発生しやすい。

【００２２】このような理由から、従来の膜形成装置で
は、その磁気フィルタ２４でのプラズマ２２の輸送効率
を高めることが難しいので、粗大粒子を除去することは
できるものの、成膜速度が低下して、アーク式イオンプ
レーティング法の前述した成膜速度が大きいという特長
を十分に生かすことができないという課題がある。

【００２３】そこでこの発明は、上記のような磁気フィ
ルタを改善して、そのプラズマ輸送効率を高くすること
を主たる目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】この発明の膜形成装置
は、前記磁気フィルタが、湾曲した輸送管と、この輸送
管の内面近傍を覆う複数のカスプ磁場を形成する複数の
永久磁石とを備えて成ることを特徴としている。

【００２５】上記磁気フィルタによれば、その輸送管の
内面近傍を覆うように形成された複数のカスプ磁場によ
って、真空アーク蒸発源で生成したプラズマを、輸送管
に沿ってしかもその内壁から離して（即ち内部に閉じ込
めて）輸送することができる。その際、真空アーク蒸発
源で生成したプラズマ中の中性の粗大粒子等は、直進し
て、湾曲した輸送管の内壁等に衝突して消滅する。イオ
ン化した粗大粒子も、その質量が大きくてカスプ磁場に
十分に捕捉されずに輸送管の内壁等に衝突して消滅す
る。従って、従来例の場合と同様に、輸送するプラズマ
中から粗大粒子および中性粒子を除去することができ
る。

【００２６】しかも、カスプ磁場の場合は、輸送管の内
壁近傍は磁場が強いけれども、輸送管内部は磁場が弱
く、このような磁場配位では、従来のトロイダル磁場や
ソレノイド磁場に比べて、ドリフトによるプラズマ不安
定が起こりにくい（これについては後で更に説明す
る）。

【００２７】従って、上記磁気フィルタによれば、従来
のトロイダル磁場やソレノイド磁場を用いた磁気フィル
タに比べて、プラズマの輸送効率を高くすることができ
る。その結果、このような磁気フィルタを備えるこの発
明の膜形成装置によれば、粗大粒子が基体およびその表
面に形成される膜に付着することを防止すると共に、大
きな成膜速度を実現することが可能になる。

【００２８】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係る膜形成装
置の一例を示す概略水平断面図である。図２は、図１の
線Ａ−Ａに沿う拡大断面図である。図５に示した従来例
と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下に
おいては当該従来例との相違点を主に説明する。

【００２９】この膜形成装置は、前述した従来の磁気フ
ィルタ２４の代わりに、磁気フィルタ２４ａを備えてい
る。この磁気フィルタ２４ａは、例えば前述したような
湾曲した輸送管２６と、この輸送管２６の内面近傍を覆
う複数のカスプ磁場を形成する複数の永久磁石３４とを
備えて成る。この複数のカスプ磁場は、この例では、輸
送管２６の内面をほぼ全域に亘って覆うように形成され
ている。この複数のカスプ磁場は、多極磁場とも呼ばれ
る。

【００３０】輸送管２６の断面形状は、例えば円形であ
るが、それに限定されるものではなく、方形やその他の
形状でも良い。

【００３１】各永久磁石３４は、図１および図２に示す
例では、細長い棒状（短冊状とも言える）のものであ
り、これを湾曲した輸送管２６に（即ちその湾曲した軸
に）沿って配置している。そしてこのような永久磁石３
４を、輸送管２６の周囲に互いの間に所定の間隔をあけ
て配置している。

【００３２】各永久磁石３４は、図３および図４に示す
磁気フィルタ２４ａのように、輸送管２６の周囲に、当
該輸送管２６に（即ちその湾曲した軸に）ほぼ直交する
ように環状に配置しても良い。各永久磁石３４の間は互
いに所定の間隔をあけている。

【００３３】あるいは、上記二例の中間として、各永久
磁石３４を、輸送管２６の周囲に、輸送管２６に沿って
斜めに（即ち螺旋状に）配置しても良い。

【００３４】各永久磁石３４は、輸送管２６に向かう面
に磁極を有している。従って、各永久磁石３４に出入り
するときの磁力線３６は、その一例を図２および図４に
示すように、輸送管２６の内面にほぼ垂直になる。しか
も、複数の永久磁石３４を、Ｎ極とＳ極とが交互に現れ
るように並べている。それによって、図２および図４に
示すように、輸送管２６の内面近傍に、当該内面を覆う
ように、複数のカスプ磁場（より具体的にはこの例では
線カスプ磁場）が形成される。

【００３５】上記各永久磁石３４は、それぞれ複数個に
分割しても良い。その場合、永久磁石３４が図３および
図４に示す配置で、輸送管２６の断面が円形の場合は、
直線状の多数の永久磁石を円環状に配列しても良いし、
曲率を持つ複数個の永久磁石を円環状に配列しても良
い。後者の方がより円形に近くなるので好ましい。

【００３６】各永久磁石３４の材質は、例えばサマリウ
ムコバルト（ＳmＣo ）であるが、それに限られるもの
ではない。

【００３７】上記磁気フィルタ２４ａによれば、その輸
送管２６の内面近傍を覆うように形成された複数のカス
プ磁場によって、真空アーク蒸発源１２で生成したプラ
ズマ２２を、輸送管２６に沿ってしかもその内壁から離
して（即ち内部に閉じ込めて）輸送することができる。

【００３８】その際、真空アーク蒸発源１２で生成した
プラズマ２２中の中性の粗大粒子や中性粒子は、陰極１
４から直線的に飛散するため、湾曲した輸送管２６の内
壁や当該内壁に突設したフィン（図示省略）等に衝突し
て消滅する。イオン化した粗大粒子も、質量が大きくて
カスプ磁場に十分に捕捉されずに輸送管２６の内壁等に
衝突して消滅する。従って、従来例の場合と同様に、輸
送するプラズマ２２中から粗大粒子および中性粒子を除
去することができる。

【００３９】このようにして、真空アーク蒸発源１２に
よって生成したプラズマ２２を、その中から粗大粒子お
よび中性粒子を除去して、成膜室２内の基体６の近傍に
輸送することができる。

【００４０】しかも、カスプ磁場の場合は、輸送管２６
の内壁近傍は磁場が強いけれども、輸送管２６の内部は
磁場が弱く、このような磁場配位では、従来のトロイダ
ル磁場やソレノイド磁場に比べて、プラズマ２２のドリ
フトによる不安定が起こりにくい。

【００４１】即ち、輸送管２６の内部は磁場が弱いの
で、前述したＥ×Ｂドリフトによるプラズマ不安定が起
こりにくい。

【００４２】また、カスプ磁場の場合は、従来のトロイ
ダル磁場やソレノイド磁場とは逆に、輸送管２６の中心
軸に近づくほど磁場が弱くなる磁場配位を有しているの
で、前述した磁場勾配ドリフトによるプラズマ不安定も
起こりにくい。

【００４３】また、カスプ磁場の場合は、輸送管２６の
中心軸付近の磁場は周辺と比較して弱く、輸送管２６内
をプラズマ２２が自由に移動でき、輸送管２６内のプラ
ズマ２２の空間的均一性が良くなるので、プラズマ密度
勾配が小さく、前述したプラズマ密度勾配ドリフトによ
るプラズマ不安定も起こりにくい。

【００４４】更に、カスプ磁場の場合は、前述したトロ
イダル磁場に伴うトロイダルドリフトによるプラズマ不
安定も起こらない。

【００４５】従って、上記磁気フィルタ２４ａによれ
ば、従来のトロイダル磁場やソレノイド磁場を用いた磁
気フィルタ２４に比べて、プラズマ２２の輸送効率を高
くすることができる。その結果、このような磁気フィル
タ２４ａを備えるこの膜形成装置によれば、粗大粒子が
基体６およびその表面に形成される膜に付着することを
防止すると共に、大きな成膜速度を実現することが可能
になる。従って、アーク式イオンプレーティング法の成
膜速度が大きいという特長を十分に生かすことができ
る。

【００４６】しかも、カスプ磁場を用いる上記磁気フィ
ルタ２４ａによれば、大口径のプラズマ２２の輸送が可
能であり、しかも当該磁気フィルタ２４ａの出口部で
の、即ち基体６の近傍での、プラズマ２２の均一性が高
い。

【００４７】これを詳述すると、従来のトロイダル磁場
またはソレノイド磁場を用いた磁気フィルタ２４では、
輸送管２６の内部全体に輸送管２６に沿って磁場（磁力
線）が存在していて、輸送管２６の中心軸付近に真空ア
ーク蒸発源１２から入射したプラズマ２２は、上記磁力
線にほぼ沿って移動するため、輸送管２６の出口でのプ
ラズマ２２の大きさ（断面積）は、ほぼ入射時のプラズ
マ２２の大きさで決まってしまう。しかも、当該プラズ
マ２２の半径方向の密度分布は、磁場を横切る拡散のた
め、ガウス分布に近いものとなる。従って、入射プラズ
マが小口径の場合は出口でも小口径のままであり、かつ
その密度分布の均一性も悪い。

【００４８】これに対して、カスプ磁場を用いた上記磁
気フィルタ２４ａでは、前述したように輸送管２６の中
心軸付近の磁場は周辺に比べて弱く、輸送管２６内全体
をプラズマ２２が自由に移動できるので、入射プラズマ
２２が小口径であっても、輸送管２６内のほぼ全体を覆
う大口径のプラズマ２２となる。しかも、輸送管２６内
の周辺のみで強い磁場の影響を受けて反射を繰り返し、
かつ輸送管２６内の周辺で初めて磁場を横切る拡散が生
じるため、磁気フィルタ２４ａの出口付近ではプラズマ
２２は台形状の均一性の高い密度分布を持つようにな
る。従って、大口径のプラズマ２２の輸送が可能であ
り、かつ当該磁気フィルタ２４ａの出口部付近での、即
ち基体６の近傍での、プラズマ２２の均一性も高い。そ
の結果、大型の基体６に均一性の高い膜形成を行うこと
が可能になる。

【００４９】また、従来の磁気フィルタ２４は、輸送管
２６内の全体に磁場を発生させるものであるため、トロ
イダルコイル２８またはソレノイドコイル３２が大型に
なると共にその励磁用の直流電源も必要であり、装置が
大型化せざるを得ない。これに対して、この磁気フィル
タ２４ａでは、輸送管２６内の周辺部にのみカスプ磁場
を発生させれば良いので、小型の磁石で済み、しかも永
久磁石を用いているので電源も不要である。従って、磁
気フィルタ２４ａひいては膜形成装置を小型化すること
ができる。

【００５０】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、カスプ
磁場を用いた磁気フィルタを備えており、カスプ磁場の
場合は従来のトロイダル磁場やソレノイド磁場に比べて
プラズマ不安定が起こりにくいので、磁気フィルタでの
プラズマの輸送効率を高くすることができる。

【００５１】その結果、このような磁気フィルタを備え
るこの発明の膜形成装置によれば、粗大粒子が基体およ
びその表面に形成される膜に付着することを防止すると
共に、大きな成膜速度を実現することが可能になる。従
って、アーク式イオンプレーティング法の成膜速度が大
きいという特長を十分に生かすことができる。

【００５２】しかも、上記磁気フィルタによれば、カス
プ磁場を用いているので、大口径のプラズマの輸送が可
能であり、かつ出口部での、即ち基体の近傍でのプラズ
マの均一性も高い。従って、大型の基体に均一性の高い
膜形成を行うことが可能になる。

【００５３】更に上記磁気フィルタでは、輸送管内の周
辺部にのみカスプ磁場を発生させれば良いので、小型の
磁石で済み、しかも永久磁石を用いているので電源も不
要である。従って、磁気フィルタひいては膜形成装置を
小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る膜形成装置の一例を示す概略水
平断面図である。

【図２】図１の線Ａ−Ａに沿う拡大断面図である。

【図３】この発明に係る膜形成装置を構成する磁気フィ
ルタの他の例を示す概略断面図である。

【図４】図３の線Ｃ−Ｃに沿う拡大部分断面図である。

【図５】従来の膜形成装置の一例を示す概略水平断面図
である。

【図６】従来の磁気フィルタの他の例を示す概略断面図
である。

【符号の説明】

２ 成膜室 ６ 基体 １０ バイアス電源 １２ 真空アーク蒸発源 １４ａ 陰極物質 ２２ プラズマ ２４ａ 磁気フィルタ ２６ 輸送管 ３４ 永久磁石 ３６ 磁力線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体を収納して真空排気される成膜室
   と、真空アーク放電によって陰極を溶解させて陰極物質
   を含むプラズマを生成する真空アーク蒸発源と、この真
   空アーク蒸発源によって生成したプラズマを磁場によっ
   て湾曲させて粗大粒子を除去して前記成膜室内の基体の
   近傍に導く磁気フィルタとを備える膜形成装置におい
   て、前記磁気フィルタが、湾曲した輸送管と、この輸送
   管の内面近傍を覆う複数のカスプ磁場を形成する複数の
   永久磁石とを備えて成ることを特徴とする膜形成装置。