JP2012177181A - アークイオンプレーティング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アークスポットが蒸発源の表面部以外に入り込む現象を防止して、安定した放電を行わせるとともに、表面平滑性を向上させ、残留応力の制御性が高い薄膜を形成可能なアークイオンプレーティング装置を提供する。
【解決手段】蒸発源の端面から内方に所定幅の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が１０〜１５ｍＴであり、端部領域表面の磁束密度が内側領域表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きく、蒸発源の表面からワークまでの距離が１２０〜３００ｍｍであり、その距離の間の磁束密度の絶対値の積算値が２６０ｍＴ・ｍｍ以下であり、蒸発面における磁力線は、蒸発面の法線に対する角度θが０°＜θ＜２０°であり、端部領域表面では内側領域に向けて傾いており、内側領域の磁束密度は、標準偏差が３以下である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、アーク放電によって蒸発源をイオン化させてワークの上に成膜させるアークイオンプレーティング装置に関する。

アークイオンプレーティング装置は、真空中で金属材料やセラミックス材料の蒸発源を陰極（カソード）としてアーク放電を起こし、それにより蒸発源を蒸発させると同時にイオンとして放出させ、一方、ワーク（被コーティング物）には負のバイアス電圧を印加しておき、そのワーク表面にイオンを加速供給して成膜する装置である。蒸発源としては、チタンやクロムが広く用いられており、例えば、高速度鋼や超硬合金、サーメットなどからなる切削工具の表面に、耐摩耗性向上のためにＴｉ、ＴｉＡｌ、ＣｒＡｌなどの硬質皮膜を形成する技術に利用されている。

この種のアークイオンプレーティング装置では、蒸発源表面の微小領域にアーク電流が集中することにより、その微小領域がアークスポットとなって蒸発源を溶解蒸発させる。このアークスポットが滞留すると、その滞留部の付近の材料が蒸発せずに溶解して飛散するので、蒸発源の背部に磁石を設置して、アークスポットの移動を促進させることが行われる。
その磁界として、特許文献１には、蒸発源の蒸発面における磁界の強さが５ｍＴ（ミリテスラ）以上で、アーク電流値が２００Ａ以上であることが推奨されている。また、蒸発面における法線に対する磁力線の最大角度θが６０°以下であることが推奨されている。
また、特許文献２には、蒸発面の中心から蒸発面の径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の最小値が４．５ｍＴ以上、平均値が８ｍＴ以上、標準偏差が３以下である磁界を形成することで、陰極（カソード）の利用効率を向上させることができると記載されている。
特許文献３には、ターゲット裏面中心に第1磁石、裏面の外周部に磁界が反極性かつ第1磁石の磁力の０．５〜１倍の磁力を有する６個以上の第２磁石を均等間隔で配置し、さらに第２磁石と同軸かつほぼ同じ外径の環状電磁コイルを隣接させて配置し、アークスポットの可動領域を制御して、エロージョン領域を広げ、ターゲット寿命を向上させることが記載されている。

特許第４０３４５６３号公報 特開２００９−１４４２３６号公報

しかしながら、放電中にアークスポットが蒸発源表面部以外に入り込む現象がみられ、それに起因して電源の停止を招くなど、安定的に放電ができなくなるという問題が生じる。
また、ターゲットの周辺部に比べて中心部の磁力が小さいため、中心部にアークスポットが集中してドロップレットが発生し易く、薄膜表面の平滑性を損なう原因となる。
これを解決するため、磁力を大きくすると、ワーク近傍での磁力も大きくなって蒸発源からのイオン粒子の飛程が大きくなり、その間にイオン粒子の価数が上昇して、ワークに引き込まれる力が大きくなり、薄膜の残留応力が大きくなる傾向にある。この場合、ワークにかけるバイアス電圧を低くすればよいと考えられるが、磁力が大きいために、バイアス電圧を低くしても残留応力を低減させることは難しい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、アークスポットが蒸発源表面部以外に入り込む現象を防止して、安定した放電を行わせるとともに、表面平滑性を向上させ、残留応力の制御性が高い薄膜を形成可能なアークイオンプレーティング装置を提供することを目的とする。

本発明のアークイオンプレーティング装置は、蒸発源の端面から内方に所定幅の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が１０〜１５ｍＴであり、前記端部領域表面の磁束密度が前記内側領域表面の磁束密度よりも大きく、かつ前記蒸発源の表面からワークまでの距離が１２０〜３００ｍｍであり、その距離の間の磁束密度の絶対値の積算値が２６０ｍＴ・ｍｍ以下であることを特徴とする。

蒸発面に生じるアークスポットは、電子の放出点であるから、蒸発源の利用効率を高めるには、蒸発面の全域で平均的に動き回れるようにすることが重要である。本発明では、蒸発面の磁束密度を１０〜１５ｍＴとした内側領域表面においては、アークスポットは高速でランダムに動き回ることができる。また、その放電領域にアークスポットを閉じ込める効果を得るには、磁束密度として１０ｍＴ以上必要である。磁束密度が１５ｍＴを超えると、アークスポットの存在自体が著しく制限され、成膜速度が著しく低下してしまう問題がある。また、アーク放電の電圧値が通常時より上昇する問題も発生してしまう。
一方、蒸発源の端部領域においては、内側領域表面よりも磁束密度が大きいので、内側領域表面のアークスポットが端部領域に向かおうとしても、端部領域の強い磁場によって跳ね返されるようにして、内側領域に戻される。したがって、アークスポットを端部領域から表面部以外に入り込む現象を防止して、ほぼ内側領域内に閉じ込めた状態で移動させることができる。所定幅としては端面から１ｃｍの幅が望ましい。
これにより、蒸発源を面内均一に蒸発させて、薄膜表面の平滑性を高めることができる。

また、蒸発源からワークまでの間の磁束密度の絶対値の積算値を小さくして、ワーク近傍の磁束密度が小さくなるようにしているから、蒸発源のイオン粒子の飛程を短くすることができる。このため、イオンの価数の上昇を抑制して、ワークに対するバイアス電圧によるイオンの引き込み効果を低減することができ、その結果、薄膜の残留応力の制御が容易になる。

本発明のアークイオンプレーティング装置において、前記蒸発源の背面に、蒸発源の表面の磁束密度を周辺部より中央部に集中させて大きくするように中央磁石が設けられ、蒸発源の半径方向外側に、極性を逆にした二重のリング状磁石が設けられているとよい。
中央磁石とリング状磁石とを配置し、中央磁石により蒸発源の中央部の磁束密度を大きくすることにより、蒸発源表面の磁束密度を面内均一にし、リング状磁石を極性を逆にして二重に配置したことにより、ワークまでの空間における磁場を打ち消し合って、積算値を小さくすることができる。

本発明のアークイオンプレーティング装置において、前記端部領域表面における磁束密度は前記内側領域表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きいとよい。
アークスポットを端部領域から外に移動しないようにするために、端部領域表面の磁束密度を内側領域表面の磁束密度より少なくとも３ｍＴ大きくしておくことが重要である。より好ましくは、内側領域表面の磁束密度が１０〜１５ｍＴに対して、端部領域表面の磁束密度を１８ｍＴ以上とするとよい。

本発明のアークイオンプレーティング装置において、前記蒸発面における磁力線は、前記蒸発面の法線に対する角度θが０°＜θ＜２０°であり、前記端部領域表面では前記内側領域に向けて傾いているとよい。
磁力線が蒸発面の法線に対して上記の角度に設定されていると、蒸発面にアークスポットを閉じ込める効果がある。
また、アークスポットを移動させる力は、磁場における蒸発面に平行な成分と、蒸発面に垂直な成分とのそれぞれの大きさにより決まり、その向きは、蒸発面に平行な成分に直角の方向と、平行な成分に同じ方向との合成方向となる。したがって、磁場における蒸発面に平行な成分を蒸発面の内側領域に向けるようにすれば、端部領域表面にアークスポットが移動しようとしても蒸発面の内側領域に戻す方向に力が働き、端部領域から外に飛び出すことが防止される。

本発明のアークイオンプレーティング装置において、前記内側領域の磁束密度は、標準偏差が３以下であるとよい。
蒸発面の内側領域においては、局部的な集中をなくして全体に均等にアークスポットが移動することにより、蒸発源が均等に消耗し、利用効率がよくなる。

本発明のアークイオンプレーティング装置によれば、蒸発源の表面でアークスポットを高速でランダムに移動させるとともに、アークスポットが表面部以外に入り込む現象を防止して、安定した放電を生じさせることができ、薄膜表面の平滑性を高めることができる。また、蒸発源からワークまでの間の磁束密度の絶対値の積算値を小さくしたことから、ワークに対するバイアス電圧によるイオンの引き込み効果を低減して、薄膜の残留応力の制御を容易にすることができる。

本発明のアークイオンプレーティング装置の一実施形態を模式的に示した平断面図である。 図１の縦断面図である。 蒸発面上の磁力線のベクトルを示す模式図である。 蒸発面上の磁力線によるアークスポットの移動原理を説明する模式図である。 蒸発面上の磁束密度、磁力線の角度の分布を示すグラフである。

以下、本発明のアークイオンプレーティング装置の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
この実施形態のアークイオンプレーティング装置１は、図１及び図２に示すように、真空チャンバ２内に、ワーク（被コーティング物）３を保持するテーブル４が設けられるとともに、このテーブル４を介して両側に、カソードとしての蒸発源５がそれぞれ設けられている。テーブル４は、その上面に複数のワーク３を保持する支持棒６が周方向に間隔をおいて複数本立設されるとともに、これら支持棒６を図１の矢印で示すように水平回転する機構を有しており、自身も旋回機構（図示略）により水平に旋回させられるターンテーブルとなっている。そして、支持棒６に保持したワーク３を自転させながら公転させる構成である。
また、真空チャンバ２には、内部に反応ガスを導入するガス導入口７と、内部から反応ガスを排出するガス排出口８とが設けられているとともに、テーブル４の後方に、テーブル４上のワーク３を加熱して被膜の密着力を高めるためにヒータ９が設けられている。

蒸発源５は、図示例のものは、円板状に形成され、その一面をテーブル４上のワーク３に向けて（テーブル４の半径方向と直交させて）配置されており、テーブル４に向けた面が蒸発面１１となる配置とされる。そして、この蒸発源５の蒸発面１１の適宜箇所を向けてアノード電極１２が配置され、蒸発源５をカソードとし、アノード電極１２と蒸発源５との間に負のバイアス電圧をかけるアーク電源１３が接続されている。
また、テーブル４にも、これに保持されるワーク３に負のバイアス電圧をかけるバイアス電源１４が接続されている。

また、蒸発源５の背面中央部に中央磁石１５が設けられるとともに、蒸発源５の半径方向外側位置に、蒸発源５の外周面を囲むように二つのリング状磁石１６Ａ，１６Ｂが設けられている。これら磁石１５，１６Ａ，１６Ｂは永久磁石である。
蒸発源５の背部の中央磁石１５は、周辺部よりも中央部の厚さが大きい円錐状に形成されており、その円錐面を蒸発源５に向けた状態に配置されている。言い換えれば、中央磁石１５の極の表面（円錐面）は、蒸発源５の背面に中央部が最も接近し、周辺部に向かうにしたがって漸次離間する配置となっている。このため、蒸発源５の表面の磁束密度は、周辺部より中央部に集中して大きくなる。

一方、蒸発源５の外側に設けられる一組のリング状磁石１６Ａ，１６Ｂは、蒸発源５の中心に対して二重のリング状に配置されるとともに、相互に反対の極性とされている。また、その内側の磁石１６Ａは、中央磁石１５の極に対しても反対の極となる配置である。
図示例では、中央磁石１５が蒸発源５の前方に向けた側の極がＮ極、リング状磁石のうち、内側の磁石１６Ａは、蒸発源５の前方に向けた側の極がＳ極、外側の磁石１６Ｂは、蒸発源５の前方に向けた側の極がＮ極となる配置とされている。

このような磁石配置としたことにより、中央磁石１５によって蒸発源５表面の中央に磁力線が集中して、中央の磁束密度が大きくなっているとともに、各磁石１５，１６Ａ，１６Ｂの磁場の一部が相互に重なり合うように作用する。リング状磁石１６Ａ，１６Ｂは、いずれも蒸発源５の外周部で磁力線が集中し、蒸発源５の中央部にかけて弱くなるが、極性を反対にして二重に配置されているので、これらの磁力線が逆向きとなり、相互に打ち消すように作用する。

そして、このような複数の磁石１５，１６Ａ，１６Ｂの磁束密度を適宜に設定することにより、これらの合成された磁場が蒸発源５の表面に作用する。その蒸発源５の表面における磁束密度は、蒸発源５の外周端面から内方に１ｃｍ幅のリング状の端部領域Ｅを除く内側領域Ｃ表面においては１０〜１５ｍＴ（ミリテスラ）、標準偏差が３以下とされ、リング状の端部領域Ｅ表面においては、内側領域Ｃ表面の磁束密度よりも大きく、１５ｍＴ以上とされる。

また、蒸発源５を通過する磁力線は、その蒸発面１１の法線に対する角度θが０°＜θ＜２０°とされ、リング状の端部領域Ｅ表面では、その角度が内側領域Ｃに向けて傾斜するように形成される。
図３に蒸発面１１上の磁力線のベクトルを模式的に示したように、破線で示すように、内側領域Ｃにおいては、蒸発面１１の法線に対する角度が０°＜θ＜２０°とされ、端部領域Ｅにおいては、実線で示すように、内側領域Ｃの磁力線よりも大きい磁束密度の磁力線が蒸発面１１の法線に対する角度は０°＜θ＜２０°とされるが、内側領域Ｃに向けて傾いた状態に形成される。

このように構成したアークイオンプレーティング装置１を用いてワーク３に成膜する方法について説明する。
まず、テーブル４の支持棒６にワーク３を保持して、真空チャンバ２内を真空引きした後、Ａｒ等をガス導入口７より導入して、蒸発源５とワーク３上の酸化物等の不純物をスパッタすることにより除去する。そして、再度真空チャンバ２内を真空引きした後、窒素ガス等の反応ガスをガス導入口７から導入し、蒸発源５に向けたアノード電極１２をトリガとしてアーク放電を発生させることにより、蒸発源５を構成する物質をプラズマ化して反応ガスと反応させ、テーブル４上のワーク３表面に窒化膜等を成膜する。

この成膜工程時に蒸発源５の蒸発面１１上には放電電流が微小領域に集中して、高温で極めて活性な数μｍ径のアークスポットが発生し、蒸発面１１上を１０ｍ／ｓ以上の速さでランダムに動き回りながら、蒸発源５を瞬時に溶解蒸発させるとともに、イオンとして放出する。
このとき、蒸発源５の蒸発面１１上には、前述した磁石１５，１６Ａ，１６Ｂによって磁界が発生しており、この磁界の作用によりアークスポットの移動が制御される。

具体的には、蒸発源５の外周の端部領域Ｅを除く内側領域Ｃの表面においては、磁束密度が１０〜１５ｍＴとされていることから、その内側領域Ｃの表面で発生したアークスポットは、この内側領域Ｃに閉じ込められる。また、蒸発面１１上の磁力線が前述した二つの磁石１５，１６の相互作用により、蒸発面１１の法線に対する角度θが０°＜θ＜２０°とされているので、アークスポットを蒸発面１１に閉じ込めるように作用する。
なお、この内側領域Ｃの磁束密度の標準偏差が３以下としたのは、蒸発源５を均等に消耗させるためである。

一方、蒸発源５の端部領域Ｅにおいては、内側領域Ｃ表面よりも磁束密度が大きく設定されているので、内側領域Ｃ表面のアークスポットが端部領域Ｅに向かおうとしても、端部領域Ｅの強い磁場によって跳ね返されるようにして、内側領域Ｃに戻される。この端部領域Ｅの磁束密度としては、内側領域Ｃの磁束密度よりも３ｍＴ以上大きくなるように設定しておけば、アークスポットを内側領域Ｃに戻す効果を発揮させることができる。

また、蒸発面１１の法線に対する磁力線の角度が端部領域Ｅにおいては、内側領域Ｃに向けて傾斜するように形成されているので、アークスポットを内側領域Ｃに向けて戻す効果がある。Ｒｏｂｓｏｎら（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ社、Ｃａｔｈｏｄｉｃ ａｒｃｓ， ｐ．１４０）によると、蒸発面１１に生じる磁場がアークスポットに作用する力は、図４のＢで示す磁場を例にとると、蒸発面１１に平行な磁場成分ＢＨは、この磁場成分に対して９０°傾いた方向の力ＡＨとなり、蒸発面１１に垂直な磁場成分ＢＶは、平行な磁場成分ＢＨと同じ方向の力ＡＶを作用する。そして、これら磁場から作用する力ＡＨ，ＡＶの合成力によってアークスポットＡが移動する。したがって、蒸発面１１の法線に対する磁力線の角度θを内側領域Ｃに向けることにより、磁場からアークスポットＡに作用する力ＡＶの方向を内側領域Ｃに向けることができる。また、蒸発面１１に垂直な磁場成分ＢＶを大きくすることにより、力ＡＶの大きさを大きくすることができ、アークスポットＡを内側領域Ｃに戻す力を大きくすることができる。

これら端部領域Ｅの磁束密度を大きくしたこと、及びその磁力線を内側領域Ｃに向けて傾斜させたことにより、図３に矢印で示したようにアークスポットＡは端部領域Ｅに移動しようとすると戻されて内側領域Ｃに戻される。
そして、このようにアークスポットＡを内側領域Ｃ内に閉じ込め、端部領域Ｅを超えることが拘束されるので、アークスポットが蒸発源表面部以外に入り込む現象が防止され、安定した放電を維持することができる。

また、中央磁石１５と一組のリング状磁石１６Ａ，１６Ｂとにより、蒸発源５の表面では大きな磁束密度とし、蒸発源５から離れるにしたがって磁束密度が小さくなるので、蒸発源５からワークまでの間の磁束密度の絶対値の積算値を小さくすることができ、特にワーク近傍の磁束密度が小さくなり、蒸発源５のイオン粒子の飛程を短くすることができる。このため、イオンの価数の上昇を抑制して、ワークに対するバイアス電圧によるイオンの引き込み効果を低減することができ、その結果、薄膜の残留応力の制御が容易になる。

本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。
蒸発源として直径１００ｍｍ、厚さ１６ｍｍのＴｉＡｌ（Ｔｉ：Ａｌ＝５０：５０）を用いた。
そして、蒸発源の外側の一組のリング状磁石及び蒸発源裏面の中央磁石とも永久磁石のネオジム磁石で、保磁力が２０００ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が１１５０ｍＴとした。比較例として、蒸発源の外側には、１個のリング状磁石で、ネオジム磁石で保磁力が２０００ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が１１５０ｍＴとした。蒸発源の裏面中央の磁石はフェライト磁石で、保磁力が２５０ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が３５０ｍＴとした。

このような磁石を取り付けたアークイオンプレーティング装置に蒸発源を配置し、蒸発面の磁場を測定したところ、図５に示すものとなった。図５において、破線が実施例、実線が比較例である。いずれも横軸は、蒸発源の中心を０とし、中心からの距離を左右に示しており、左右両端が外周端である。
この図５に示されるように、実施例のものでは、蒸発源の中心から比較的広い範囲でほぼ一定の領域が存在し、外周端部付近で１５ｍＴ以上に大きくなっている。端部領域を除く内側領域の部分では、磁束密度は標準偏差３以下であった。また、磁力線と蒸発面の法線とのなす角度（傾斜角）は、全面で０°＜θ＜２０°の範囲となっている。また、その角度が比較的小さいので、磁束密度の絶対値と垂直成分との差はあまり生じていない。

これに対して、比較例のものは、蒸発源の外周端部も１５ｍＴ以上であるが、中心部付近の磁場が７ｍＴ以下と非常に小さい値となっている。内側領域を含めて全体に磁束密度のばらつきも大きい。また、磁力線と蒸発面の法線とのなす角度（傾斜角）は、蒸発面の中心部付近は０°＜θ＜２０°の範囲であるが、外周端部付近では２０°を超えている。
なお、磁束密度は、磁束計にて、蒸発源表面において蒸発源表面の中心を通る直線上を測定した。蒸発源の表面では、測定箇所を１０ｍｍ間隔と設定し、各測定点で蒸発源表面の垂直方向及び平行方向の磁束密度を測定した。また、これらの測定値から各測定点での磁束密度及び磁力線と蒸発面の法線とのなす角度（傾斜角）を算出した。また、蒸発源表面での磁束密度の標準偏差は、端部領域の磁束密度が大きい部分を除いた磁束密度の数値から標準偏差を算出した。

次に、表１及び表２に示すように、各種の条件で成膜し、蒸発源からワークまでの積算磁力と膜の残留応力とを測定した。反応ガスとしては窒素ガスを用いた。
積算磁力は、磁束計にて、蒸発源表面中心からワークまでの直線上を１０ｍｍ間隔で磁束密度を求め、これを蒸発源からワークまで積算して求めた。
残留応力は、Ｘ線回折を利用した２θ―ｓｉｎ^２φ法により求めた。
表１が比較例、表２が実施例を示している。

この表１及び表２の結果から明らかなように、実施例においては、バイアス電圧を調整することにより、膜の残留応力も大きく変動しており、その制御が容易であることがわかる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、中央磁石を円錐形状に形成したが、蒸発源の磁束密度を周辺部よりも中央部に集中させて大きくすることができるものであればよく、同一極の磁石を中央部に複数集中させて設け、周辺部には分散して配置することにより、磁束密度に分布を持たせるようにしてもよい。
また、蒸発源を円板状に形成したが、柱状、筒状等のものにも適用することができ、その場合も、端面から１ｃｍ幅の範囲を端部領域として、前述したような磁界を設定すればよい。

１ アークイオンプレーティング装置
２ 真空チャンバ
３ ワーク
４ テーブル
５ 蒸発源
６ 支持棒
７ ガス導入口
８ ガス排出口
９ ヒータ
１１ 蒸発面
１２ アノード電極
１３ アーク電源
１４ バイアス電源
１５ 中央磁石
１６Ａ，１６Ｂ リング状磁石

Claims (5)

1. 蒸発源の端面から内方に所定幅の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が１０〜１５ｍＴであり、前記端部領域表面の磁束密度が前記内側領域表面の磁束密度よりも大きく、かつ前記蒸発源の表面からワークまでの距離が１２０〜３００ｍｍであり、その距離の間の磁束密度の絶対値の積算値が２６０ｍＴ・ｍｍ以下であることを特徴とするアークイオンプレーティング装置。
2. 前記蒸発源の背面に、蒸発源の表面の磁束密度を周辺部より中央部に集中させて大きくするように中央磁石が設けられ、蒸発源の半径方向外側に、極性を逆にした二重のリング状磁石が設けられており、かつ中央磁石と二重のリングの内側の極性が逆であることを特徴とする請求項１記載のアークイオンプレーティング装置。
3. 前記端部領域表面における磁束密度は前記内側領域表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きいことを特徴とする請求項１又は２記載のアークイオンプレーティング装置。
4. 前記蒸発面における磁力線は、前記蒸発面の法線に対する角度θが０°＜θ＜２０°であり、前記端部領域表面では前記内側領域に向けて傾いていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアークイオンプレーティング装置。
5. 前記内側領域の磁束密度は、標準偏差が３以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のアークイオンプレーティング装置。

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