JP2005002360A

JP2005002360A - 真空アーク蒸着装置

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Publication number: JP2005002360A
Application number: JP2003163599A
Authority: JP
Inventors: Toru Amamiya; 亨雨宮
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2003-06-09
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2005-01-06
Anticipated expiration: 2023-06-09
Also published as: JP4356365B2

Abstract

【課題】低アーク電流運転の場合や陰極が高融点材料から成る場合でも、真空アーク蒸発源においてアーク放電を安定に維持することができるようにする。
【解決手段】この真空アーク蒸着装置は、真空アーク蒸発源１２用のアーク電源として、真空アーク蒸発源１２に三角波状のアーク電流Ｉ_Ａを供給するアーク電源３０を備えている。アーク電源３０は、方形波電圧Ｖ_Ｒを出力する方形波電源３２と、この方形波電源３２と真空アーク蒸発源１２との間に直列に接続されたインダクタ３８とを備えて成る。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車部品、機械部品、工具、金型等の基体の表面に、例えば潤滑性や硬度等に優れた薄膜を形成すること等に用いられる真空アーク蒸着装置に関し、より具体的には、当該装置を構成する真空アーク蒸発源にアーク電流を供給するアーク電源の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の真空アーク蒸着装置は、例えば特許文献１にも記載されているように、基体を収納する真空容器と、真空アーク放電によって陰極を蒸発させて陰極物質を含むプラズマを生成して基体に薄膜を形成する真空アーク蒸発源と、この真空アーク蒸発源にアーク電流を供給するアーク電源とを備えている。アーク電源は、従来は直流電源であり、このアーク電源から真空アーク蒸発源に直流のアーク電流が供給される。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２０６１６２号公報（段落０００２〜００１１、図６）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の真空アーク蒸着装置には、次のような課題がある。
【０００５】
（１）基体に対する成膜速度を下げる等の目的で、真空アーク蒸発源に供給するアーク電流を小さくする場合、真空アーク蒸発源においてアーク放電が不安定になってアーク放電が途切れやすくなるので、低アーク電流運転の場合にアーク放電を安定に維持することが難しい。
【０００６】
（２）真空アーク蒸発源の陰極が高融点材料（例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ等のいわゆる高融点金属やＣ（炭素）等）から成る場合、これらは融点が非常に高くて蒸発させにくいので、高アーク電流を供給してもアーク放電を安定に維持することが難しい。
【０００７】
そこでこの発明は、低アーク電流運転の場合や陰極が高融点材料から成る場合でも、真空アーク蒸発源においてアーク放電を安定に維持することができるようにすることを主たる目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る真空アーク蒸着装置は、アーク電源として、真空アーク蒸発源に三角波状のアーク電流を供給するアーク電源を備えていることを特徴としている（請求項１に対応）。
【０００９】
上記構成によれば、三角波状のアーク電流の周波数、ピーク値（最大値）、下限値（最小値）等によって、真空アーク蒸発源におけるアーク放電の状態、ひいては陰極の加熱・蒸発の状態を多様に制御することが可能になる。
【００１０】
例えば、三角波状のアーク電流のピーク値を、真空アーク蒸発源においてアーク放電を十分に継続（持続）することができる値にし、同アーク電流の下限値を、一旦点弧したアーク放電が消えない程度の小さな値にすることができる。これは、アーク放電が一旦点弧すれば、陰極付近にアークの火種がしばらく残っているので、その間はアーク電流を下げてもアーク放電は消えにくいからである。アーク電流は、このようなピーク値と下限値との間を脈動しながら所定の周波数で繰り返すことになる。
【００１１】
従って、三角波状のアーク電流の平均値について見れば、当該平均値を従来の直流のアーク電流値より小さくしても、アーク放電を安定に維持することができる。即ち、実質的に低アーク電流での運転の場合でも、アーク放電を安定に維持することができる。
【００１２】
また、陰極が前述したような高融点材料から成る場合、三角波状のアーク電流の平均値を例えば従来の直流のアーク電流値と同程度にしても、三角波状のアーク電流のピーク値は従来の直流のアーク電流値よりも大きくなるので、このピーク値付近では、陰極を十分に加熱して蒸発させることができる。アーク電流の下限値付近でのアーク放電については上述のとおりである。従って、陰極が高融点材料から成る場合でも、アーク放電を安定に維持することができる。
【００１３】
前記アーク電源は、方形波電圧を出力する方形波電源と、この方形波電源と前記真空アーク蒸発源との間に直列に接続されたインダクタとを用いて簡単に構成することができる（請求項２に対応）。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る真空アーク蒸着装置の一実施形態を示す概略図である。この装置では、図示しない真空排気装置によって真空排気される真空容器２内に、成膜しようとする基体６を保持するホルダ８が設けられており、これらには、必要に応じて、バイアス電源１０から例えば−５０Ｖ〜−５００Ｖ程度の負のバイアス電圧を印加することができるようにしている。但し、ホルダ８および基体６にバイアス電圧を印加せずに、それらを接地電位にする場合もある。真空容器２は、この例では電気的に接地されている。
【００１５】
真空容器２内には、必要に応じて、不活性ガスや、真空アーク蒸発源１２の陰極１４から蒸発する陰極物質と反応する反応性ガス等から成るガス４が導入される。
【００１６】
この真空容器２の壁面に、ホルダ８上の基体６に向けて、真空アーク蒸発源１２が取り付けられている。この真空アーク蒸発源１２は、陽極（この例では真空容器２がそれを兼ねているが、陽極を別途設置する場合もある）と陰極１４との間で真空アーク放電を生じさせて、当該アーク放電によって陰極１４を蒸発させて陰極物質（即ち、陰極を構成する物質）を含むプラズマ１８を生成して基体６の表面に薄膜を形成するものである。陽極兼用の真空容器２と陰極１４との間は、絶縁物２０によって絶縁されている。
【００１７】
真空アーク蒸発源１２は、更に、上記アーク放電の点弧を行うトリガ電極２２と、それをフィードスルー２４を介して真空容器２外から、矢印Ｂに示すように、陰極１４の放電面１６に対して前後方向に駆動する駆動装置２６とを備えている。トリガ電極２２は、電気的には、電流制限抵抗２８を介して、真空容器２等と同様にグラウンドに接続されている。
【００１８】
真空アーク蒸発源１２には、より具体的にはその陰極１４と陽極兼用の真空容器２との間には、当該真空アーク蒸発源１２にアーク放電時のアーク電流Ｉ_Ａを供給するアーク電源３０が接続されている。
【００１９】
真空アーク蒸発源１２用のアーク電源は、従来は（例えば前記特許文献１の図６中のアーク電源２２参照）直流電源であり直流のアーク電流を供給するものであったが、この発明ではそうではない。この発明におけるアーク電源３０は、真空アーク蒸発源１２に三角波状のアーク電流Ｉ_Ａを供給するものである。
【００２０】
アーク電源３０は、この実施形態では、方形波電圧Ｖ_Ｒを出力する方形波電源３２と、この方形波電源３２と真空アーク蒸発源１２との間に直列に接続されたインダクタ３８とを備えて成る。インダクタ３８は、例えばコイルであり、この例では、方形波電源３２の負出力端３４と陰極１４との間に直列に接続されている。方形波電源３２の接地端３６は接地されている。但し、インダクタ３８を上記箇所に接続する代わりに、方形波電源３２の接地端３６と真空容器２（即ちグラウンド）との間に直列に接続しても良く、そのようにしても電気回路上は実質的に同じである。つまり、方形波電源３２から出力される方形波電圧Ｖ_Ｒは、インダクタ３８を直列に介して、陰極１４側が相対的に負に、陽極兼用の真空容器２側が相対的に正になるように真空アーク蒸発源１２に印加される。
【００２１】
上記方形波電源３２から出力する方形波電圧Ｖ_Ｒと、真空アーク蒸発源１２に供給されるアーク電流Ｉ_Ａとの波形の例を図２に示す。なお、方形波電圧Ｖ_Ｒは、その向きを図１に示すように下向きに取っているので、図２では一見すると正電圧のように見えるけれども、実際は負電圧である。この方形波電圧Ｖ_Ｒの周期をＴ_１、パルス幅をＴ_２、パルス繰返し数をＮ（＝１／Ｔ_１）、デューティ比をＤ（＝Ｔ_２／Ｔ_１）とする。
【００２２】
方形波電源３２から方形波電圧Ｖ_Ｒを出力していても、真空アーク蒸発源１２においてアーク放電が発生していない時はアーク電流Ｉ_Ａは流れず、トリガ電極２２を用いてアーク放電を点弧した後は図２に示すように三角波状のアーク電流Ｉ_Ａが流れる。これは、インダクタ３８を直列接続しているので、方形波電圧Ｖ_Ｒの立ち上り時は、インダクタ３８にエネルギーを蓄積しながらアーク電流Ｉ_Ａが流れるのでアーク電流Ｉ_Ａは徐々に立ち上がり、方形波電圧Ｖ_Ｒの立ち下り後は、インダクタ３８に蓄積されていたエネルギーが放出されるのでアーク電流Ｉ_Ａは徐々に立ち下がり、これらが繰り返されるからである。
【００２３】
このようにして、方形波電源３２とインダクタ３８との組み合わせという簡単な構成によって、真空アーク蒸発源１２に三角波状のアーク電流Ｉ_Ａを供給することができる。その周波数は、方形波電圧Ｖ_Ｒのパルス繰返し数Ｎと同じである。この三角波状のアーク電流Ｉ_Ａのピーク値（最大値）をＩ_Ａ１、下限値（最小値）をＩ_Ａ２とすると、これらＩ_Ａ１、Ｉ_Ａ２の大きさは、方形波電圧Ｖ_Ｒの大きさ、パルス繰返し数Ｎ、パルス幅Ｔ_２（換言すればデューティ比Ｄ）およびインダクタ３８のインダクタンス等によって制御することができる。
【００２４】
上記のようにして、真空アーク蒸発源１２において真空アーク放電を生じさせることによって、陰極１４の前方に、イオン化された陰極物質を含むプラズマ１８が生成される。そしてこのプラズマ１８中のイオン化した陰極物質は、上記バイアス電圧等によって基体６に引き寄せられて堆積して、基体６の表面に、当該陰極物質から成る薄膜が形成される。その場合、真空容器２内にガス４として反応性ガス（例えば窒素ガス）を導入しておくと、それと陰極物質とが反応して、基体６の表面に化合物（例えば窒化物）薄膜が形成される。
【００２５】
この真空アーク蒸着装置によれば、アーク電源３０から真空アーク蒸発源１２に供給する三角波状のアーク電流Ｉ_Ａの周波数（これは前述したように方形波電源３２から出力する方形波電圧Ｖ_Ｒのパルス繰返し数Ｎに等しい）、ピーク値Ｉ_Ａ１、下限値Ｉ_Ａ２等によって、真空アーク蒸発源１２におけるアーク放電の状態、ひいては陰極１４の加熱・蒸発の状態を多様に制御することが可能になる。
【００２６】
例えば、三角波状のアーク電流Ｉ_Ａのピーク値Ｉ_Ａ１を、真空アーク蒸発源１２においてアーク放電を十分に継続（持続）することができる値にし、同アーク電流Ｉ_Ａの下限値Ｉ_Ａ２を、一旦点弧したアーク放電が消えない程度の小さな値にすることができる。これは、アーク放電が一旦点弧すれば、陰極１４付近にアークの火種がしばらく残っているので、その間はアーク電流Ｉ_Ａを下げてもアーク放電は消えにくいからである。つまり、三角波状のアーク電流Ｉ_Ａのピーク値Ｉ_Ａ１に制約はないが、下限値Ｉ_Ａ２は一旦点弧したアーク放電が消えない値以上にする必要がある。アーク電流Ｉ_Ａは、このようなピーク値Ｉ_Ａ１と下限値Ｉ_Ａ２との間を脈動しながら所定の周波数で繰り返すことになる。
【００２７】
従って、この真空アーク蒸着装置によれば、次の（１）〜（５）に示すような作用効果が得られる。
【００２８】
（１）低アーク電流運転の場合でもアーク放電を安定に維持することができる。
即ち、三角波状のアーク電流Ｉ_Ａの平均値について見れば、当該平均値を従来の直流のアーク電流値より小さくしても、上述した理由から、アーク放電を安定に維持することができる。従って、実質的に低アーク電流での運転の場合でも、アーク放電を安定に維持することができる。この効果は、陰極１４が前述したような高融点材料から成る場合にも得られる。
【００２９】
（２）陰極１４が高融点材料から成る場合でもアーク放電を安定に維持することができる。
即ち、陰極１４が前述したような高融点材料から成る場合、三角波状のアーク電流Ｉ_Ａの平均値を例えば従来の直流のアーク電流値と同程度にしても、三角波状のアーク電流Ｉ_Ａのピーク値Ｉ_Ａ１は従来の直流のアーク電流値よりも十分に大きくなるので、このピーク値Ｉ_Ａ１付近では、陰極１４を十分に加熱して蒸発させることができる。アーク電流Ｉ_Ａの下限値Ｉ_Ａ２付近でのアーク放電については上述のとおりである。従って、陰極１４が高融点材料から成る場合でも、アーク放電を安定に維持することができる。更に、次の（３）で述べるように、三角波状のアーク電流Ｉ_Ａの場合は陰極１４のごく表層のみを効率良く蒸発させることができるという作用を奏し、これも、陰極１４が高融点材料から成る場合でもアーク放電を安定に維持することに寄与する。
【００３０】
（３）基体６に対する成膜速度を向上させることもできる。
アーク電源３０を構成する方形波電源３２から出力する方形波電圧Ｖ_Ｒのパルス繰返し数Ｎと、基体６に対する成膜速度との関係を測定した結果の一例を図３に示し、その元になったデータを要約して表１に示す。このとき、陰極１４の材質はＣｒ、陰極１４と基体６との間の距離は２１０ｍｍ、同間の雰囲気は０．５３ＰａのＡｒ、基体６のバイアス電圧は０Ｖ（即ち接地電位）、方形波電圧Ｖ_Ｒの大きさは−５００Ｖ、方形波電圧Ｖ_Ｒのデューティ比Ｄは５．５％、インダクタ３８のインダクタンスは３８３μＨとした。パルス繰返し数Ｎが三角波状のアーク電流Ｉ_Ａの周波数と同じであることは前述のとおりである。
【００３１】
【表１】

【００３２】
この表１および図３から分かるように、三角波状のアーク電流Ｉ_Ａのピーク値Ｉ_Ａ１と直流のアーク電流値とを同等の約２５Ａにした場合、三角波状のアーク電流Ｉ_Ａの方が成膜速度が大きく、しかもそのパルス繰返し数Ｎを大きくするほど成膜速度は大きくなり、２０ｋｐｐｓの場合は直流の場合の約２倍になる。即ち、方形波電圧Ｖ_Ｒのパルス繰返し数Ｎを２ｋｐｐｓ〜２０ｋｐｐｓにすると、換言すれば三角波状のアーク電流Ｉ_Ａの周波数を２ｋＨｚ〜２０ｋＨｚにすると、直流のアーク電流の場合よりも成膜速度は明らかに大きくなる。
【００３３】
これは、直流のアーク電流の場合は、陰極１４の表層部はアークスポットによって深い所まで溶かされてエネルギーの無駄が多いのに対して、三角波状のアーク電流Ｉ_Ａの場合は、高周波による電流の表皮効果と同様の効果が得られて、陰極１４のごく表層のみを溶かして効率良く蒸発させることができるからであり、しかもこの作用は、パルス繰返し数Ｎが大きくなるほど顕著になるからであると考えられる。
【００３４】
方形波電圧Ｖ_Ｒのデューティ比Ｄは、上記実施例では５．５％であるが、それに限られるものではなく、必要に応じて、例えば２％〜１０％程度にしても良い。それより更に大きくしても良い。
【００３５】
（４）陰極１４から発生するドロップレット（粗大粒子）を低減することができる。
即ち、上記（３）で述べたように、直流のアーク電流の場合は、陰極１４の表層部は深い所まで溶かされるので、大きな固まりが蒸発して大きなドロップレットを発生しやすいのに対して、三角波状のアーク電流Ｉ_Ａの場合は、陰極１４のごく表層のみが蒸発させられるので、大きな固まりが発生するのを防止して、ドロップレットの発生を低減することができる。この効果は、パルス繰返し数Ｎが大きい方が顕著になる。ドロップレットの発生を低減することによって、基体６の表面に形成する薄膜の平滑性、緻密性および密着性を良くすることができる。
【００３６】
（５）基体６に形成する薄膜の膜質を制御することができる。
前述したように、アーク電源３０から真空アーク蒸発源１２に供給する三角波状のアーク電流Ｉ_Ａの周波数、ピーク値Ｉ_Ａ１、下限値Ｉ_Ａ２等によって、真空アーク蒸発源１２におけるアーク放電の状態、ひいては陰極１４の加熱・蒸発の状態を多様に制御することができるので、基体６に形成する薄膜の膜質を制御することができる。膜質とは、例えば、薄膜の平滑性、緻密性、密着性である。上記（４）で述べたドロップレット低減作用の制御も、この制御の一形態として行うことができる。
【００３７】
その場合、アーク電流Ｉ_Ａのピーク値Ｉ_Ａ１および下限値Ｉ_Ａ２は、この実施形態では、方形波電源３２から出力する方形波電圧Ｖ_Ｒの大きさ、そのパルス繰返し数Ｎ、パルス幅Ｔ_２（換言すればデューティ比Ｄ）、インダクタ３８のインダクタンス等によって制御することができる。例えば、ピーク値Ｉ_Ａ１と下限値Ｉ_Ａ２との差を大きくすることも小さくすることもできる。差を大きくすれば、陰極１４の脈動的蒸発の程度がより大きくなる。つまり、アーク電源３０を方形波電源３２とインダクタ３８とを用いて構成することによって、真空アーク蒸発源１２に三角波状のアーク電流Ｉ_Ａを簡単に供給することができると共に、この三角波状のアーク電流Ｉ_Ａの周波数、ピーク値Ｉ_Ａ１、下限値Ｉ_Ａ２等の多様な制御を簡単に行うことができ、ひいては膜質の制御等も簡単に行うことができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載の発明によれば、真空アーク蒸発源に三角波状のアーク電流を供給するアーク電源を備えているので、次のような効果を奏する。
【００３９】
（１）低アーク電流運転の場合でもアーク放電を安定に維持することができる。
（２）陰極が高融点材料から成る場合でもアーク放電を安定に維持することができる。
（３）基体に対する成膜速度を向上させることもできる。
（４）陰極から発生するドロップレットを低減することができる。
（５）基体に形成する薄膜の膜質を制御することができる。
【００４０】
請求項２に記載の発明によれば、アーク電源を方形波電源とインダクタとを用いて構成しているので、真空アーク蒸発源に三角波状のアーク電流を簡単に供給することができると共に、この三角波状のアーク電流の周波数、ピーク値、下限値等の多様な制御を簡単に行うことができ、ひいては膜質の制御等も簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る真空アーク蒸着装置の一実施形態を示す概略図である。
【図２】図１中の方形波電圧Ｖ_Ｒおよびアーク電流Ｉ_Ａの波形の例を示す図である。
【図３】図１中の方形波電圧Ｖ_Ｒのパルス繰返し数と成膜速度との関係を測定した結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
２真空容器
６基体
１２真空アーク蒸発源
１４陰極
３０アーク電源
３２方形波電源
３８インダクタ

Claims

基体を収納する真空容器と、真空アーク放電によって陰極を蒸発させて陰極物質を含むプラズマを生成して前記基体に薄膜を形成する真空アーク蒸発源と、この真空アーク蒸発源にアーク電流を供給するアーク電源とを備える真空アーク蒸着装置において、前記アーク電源として、前記真空アーク蒸発源に三角波状のアーク電流を供給するアーク電源を備えていることを特徴とする真空アーク蒸着装置。
前記アーク電源が、方形波電圧を出力する方形波電源と、この方形波電源と前記真空アーク蒸発源との間に直列に接続されたインダクタとを備えて成る請求項１記載の真空アーク蒸着装置。