JP2019218598A - Vacuum arc vapor deposition apparatus and vacuum arc vapor deposition method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、真空アーク蒸着装置および真空アーク蒸着方法に関する。 The present invention relates to a vacuum arc evaporation apparatus and a vacuum arc evaporation method.
アーク放電を用いて基材表面に薄膜を形成するアーク蒸着には、通常、真空アーク蒸着装置および真空アーク蒸着方法が用いられている。図16は、従来の真空アーク蒸着装置を示す概略図である。 A vacuum arc vapor deposition apparatus and a vacuum arc vapor deposition method are generally used for arc vapor deposition for forming a thin film on a substrate surface using arc discharge. FIG. 16 is a schematic view showing a conventional vacuum arc evaporation apparatus.
図16に示すように、従来の真空アーク蒸着装置は、真空チャンバー31と、カーボン材料からなる円板状の陰極部材32と、電源34、37と、トリガー35と、台座部36を備えており、真空チャンバー31内の陰極部材32と対向した位置に基材Wが基材支持部材33で支持されている。そして、陰極部材32を固定する台座部36の背面側には、放電中の陰極部材32に磁力が掛かるようにリング状の磁石39が配置されている。
As shown in FIG. 16, the conventional vacuum arc evaporation apparatus includes a
この真空アーク蒸着装置では、真空チャンバー31内を排気系によって所定の真空度まで真空排気した後、電源37により陰極部材32に負の電圧を印加した状態で、トリガー35を陰極部材32に接触させた後に離間させることにより、陽極を兼ねる真空チャンバー31と陰極部材32との間でアーク放電を生じさせる。これにより、陰極部材32にアークスポットが形成されて陰極部材32の構成材料であるカーボンが蒸発し、真空チャンバー31内にプラズマが発生する。そして、蒸発したカーボンが基材Wの表面に蒸着することにより、基材W上にカーボンの薄膜が形成される。
In this vacuum arc evaporation apparatus, after the inside of the
近年、この薄膜の適用分野をさらに広げるために、例えば、3.0μm以上と従来よりも膜厚を厚くすることが求められており、それを可能とする成膜方法として、例えば、陰極部材の形状を細い柱状にし、挿通孔を設けた台座部に挿通させて、この柱状の陰極部材を基材に向けて順次送り出すように構成することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, in order to further expand the field of application of this thin film, it is required to increase the film thickness to, for example, 3.0 μm or more, compared to the conventional film. There has been proposed a configuration in which a thin columnar shape is formed, the columnar cathode member is inserted through a pedestal portion provided with an insertion hole, and the columnar cathode member is sequentially sent out toward a base material (for example, see Patent Document 1).
図17はこのような柱状の陰極部材を備えた真空アーク蒸着装置を示す概略図である。図17に示すように、この真空アーク蒸着装置においては、柱状の陰極部材2が、台座部6の挿通孔に挿通されて、真空チャンバー1の外側で陰極保持部材7に保持されている。さらに、陰極部材2を前方の基材Wに向けて順次送り出す送出機構12が、陰極保持部材7の後方に設けられている。なお、図17中の5は磁石、15、16は電源、17は抵抗である。
FIG. 17 is a schematic view showing a vacuum arc vapor deposition apparatus provided with such a columnar cathode member. As shown in FIG. 17, in this vacuum arc vapor deposition apparatus, the
このような構成とし、基材Wへの成膜が進むに従って陰極部材2が短くなった際に送出機構12が陰極部材2を前方の基材Wに向けて送り出すことにより、従来よりも長時間の成膜を継続して行うことができるため、従来よりも厚い膜厚で薄膜を形成することができる。具体的に上記した膜厚が3.0μm以上の薄膜を形成する場合には、長さ150〜600mmの柱状の陰極部材2を用いて送出機構12によって、真空チャンバー1内に陰極部材2を適宜送り出すようにしている。
With such a configuration, when the
しかしながら、上記した柱状の陰極部材を用いた場合、アーク放電開始に際してトリガー35を陰極部材2に接触させるときに高い頻度で火花(スパーク)が発生するという問題があった。
However, in the case where the above-described columnar cathode member is used, there is a problem that sparks occur frequently when the
即ち、このようにスパークが発生した際には粒径の大きな粒子(マクロパーティクル)が飛散し、この粒子が基材Wに衝突するため、基材Wの表面が傷付いたり、形成された薄膜の表面精度が悪化して膜品質が低下する。 That is, when such a spark occurs, particles (macro particles) having a large particle size are scattered, and the particles collide with the base material W, so that the surface of the base material W is damaged or the formed thin film is formed. The surface accuracy is deteriorated and the film quality is reduced.
そこで本発明は、真空アーク蒸着装置に柱状の陰極部材を用いた場合に生じるマクロパーティクルの衝突による膜品質の低下を防止できる真空アーク蒸着技術を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a vacuum arc vapor deposition technique that can prevent a decrease in film quality due to collision of macro particles that occurs when a columnar cathode member is used in a vacuum arc vapor deposition apparatus.
前記した図17に示すような真空アーク蒸着装置の場合、トリガー35の接触によるスパークの発生自体を抑制することは非常に困難である。そこで、本発明者は、スパークの発生を抑制することに替えて、飛散したマクロパーティクルを基材Wに付着させなければ良いと考え、付着を防止するための具体的な手法について検討した。
In the case of the vacuum arc vapor deposition apparatus as shown in FIG. 17, it is very difficult to suppress the generation of spark itself due to the contact of the
その結果、トリガー35を陰極部材2に接触させて放電を開始する際に、陰極部材2とトリガー35との接触位置(陰極部材2の先端)と基材Wとの間にシャッターを配置させれば、アーク放電開始時に飛散したマクロパーティクルをシャッターで遮断して、マクロパーティクルの基材Wへの付着を防止できることに思い至った。
As a result, when the
具体的には、トリガーを板状のシャッターに取り付けて一体化させることによりトリガーを兼用するシャッター(トリガー兼シャッター)を作製し、このトリガー兼シャッターをアーク放電開始時のみ陰極部材2と接触させて基材Wとの間に配置する一方、成膜中は、トリガー兼シャッターを回転軸を中心として旋回させて陰極部材2との接触位置から陰極部材2と基材Wの間を遮蔽しない位置に移動させれば、マクロパーティクルの基材Wへの付着を防止できると考え、実験の結果、その効果を確認した。
Specifically, a shutter (trigger / shutter) that doubles as a trigger is manufactured by attaching and integrating the trigger to a plate-shaped shutter, and the trigger / shutter is brought into contact with the
請求項1および請求項2に記載の発明は上記の知見に基づくものであり、請求項1に記載の発明は、
陰極部材にトリガーを接触させてアーク放電を開始し、前記アーク放電に伴って前記陰極部材に形成されたアークスポットで前記陰極部材を蒸発させることによりプラズマを発生させ、前記陰極部材に対向して配置された基材の表面に前記陰極部材の材料を蒸着させて薄膜を形成する真空アーク蒸着装置であって、
前記基材に向けて突出する柱状の陰極部材と、
前記トリガーを兼用する板状のシャッターとを備え、
前記板状のシャッターが回転して前記陰極部材の先端に近接した際に、前記トリガーが前記陰極部材の先端に接触すると共に、前記板状のシャッターが前記陰極部材と前記基材との間に配置されるように構成されていることを特徴とする真空アーク蒸着装置である。
The invention described in
The arc discharge is started by bringing the trigger into contact with the cathode member, plasma is generated by evaporating the cathode member with an arc spot formed on the cathode member along with the arc discharge, and the plasma is generated. A vacuum arc vapor deposition apparatus for forming a thin film by depositing the material of the cathode member on the surface of the disposed base material,
A column-shaped cathode member protruding toward the base material,
A plate-shaped shutter also serving as the trigger,
When the plate-shaped shutter rotates and approaches the tip of the cathode member, the trigger contacts the tip of the cathode member, and the plate-shaped shutter moves between the cathode member and the base material. A vacuum arc vapor deposition apparatus characterized by being configured to be arranged.
請求項2に記載の発明は、
前記陰極部材に前記トリガーを接触させる際に前記板状のシャッターが前記陰極部材と前記基材との間に配置されるように、前記板状のシャッターを回転させるシャッター回転機構を備えていることを特徴とする請求項1に記載の真空アーク蒸着装置である。
The invention described in
A shutter rotation mechanism for rotating the plate-shaped shutter is provided so that the plate-shaped shutter is disposed between the cathode member and the base material when the trigger is brought into contact with the cathode member. The vacuum arc vapor deposition apparatus according to
上記した真空アーク蒸着装置を用いることにより、スパークにより発生したマクロパーティクルの基材への飛散は防止できるようになったが、検討を進めると、アーク放電による成膜の繰り返しによって柱状の陰極は螺旋状に消耗していくが、この消耗の過程で、成膜中に、消耗した陰極の折損片や陰極の表面に堆積した堆積物の剥離片など(以下、総称して「折損片等」ともいう)がマクロパーティクルとなって飛散して基材表面を傷つけ、微粒子が飛び散った状態の欠陥(星雲状欠陥)の発生を招くことが分かった。 The use of the vacuum arc vapor deposition apparatus described above enabled the macro particles generated by the spark to be prevented from scattering to the base material.However, as the study progressed, the columnar cathode was spiraled due to repeated deposition by arc discharge. In the process of this consumption, during the film formation, broken pieces of the depleted cathode and stripped pieces of deposits deposited on the surface of the cathode (hereinafter, collectively referred to as “broken pieces, etc.”) ) Are scattered as macroparticles and are scattered to damage the surface of the base material, resulting in generation of defects (nebula-like defects) in a state where fine particles are scattered.
そこで、本発明者は、このような星雲状欠陥の発生を抑制する手法についてさらに検討を行った。具体的には、まず、アーク放電開始時だけでなく成膜中も陰極部材と基材との間にシャッターを配置しておくようにすれば、星雲状欠陥を招くマクロパーティクルを遮蔽できると考えたが、この場合には、シャッターがマクロパーティクルだけでなく硬質炭素膜を成膜するためのプラズマまでも遮蔽してしまい、好ましい手法ではないことが分かった。 Thus, the present inventors have further studied a technique for suppressing the occurrence of such nebula-like defects. Specifically, first, it is thought that if a shutter is arranged between the cathode member and the base material not only at the start of arc discharge but also during film formation, macro particles that cause nebula-like defects can be shielded. However, in this case, it was found that the shutter shielded not only the macroparticles but also the plasma for forming the hard carbon film, which was not a preferable method.
そこで、本発明者は、マクロパーティクルを遮蔽する一方でプラズマを遮蔽することなく基材まで輸送する方法について検討を行い、ビーム状のプラズマは磁石から発生する磁界に沿って基材に向けて輸送されるという特性を有していることに着目した。そして、台座部の背面側に配置されている磁石を回転させた場合、陰極部材の周囲に動磁場が形成されて磁界の向きが変化するため、プラズマの進路を変更できることに思い至った。 Therefore, the present inventor studied a method of transporting the macroparticles to the substrate without shielding the plasma while shielding the plasma, and transported the beam-like plasma toward the substrate along the magnetic field generated by the magnet. It is noted that it has the characteristic of being performed. Then, when the magnet arranged on the back side of the pedestal portion is rotated, a dynamic magnetic field is formed around the cathode member and the direction of the magnetic field changes, so that it is possible to change the course of the plasma.
即ち、陰極部材の周囲に動磁場を形成した場合、磁界の向きの変化に応じてビーム状のプラズマの輸送方向が変化するため、陰極部材と基材との間にシャッターが配置されていても、シャッターの外側を迂回させてプラズマを基材まで輸送して、表面に到達させることができる。 That is, when a dynamic magnetic field is formed around the cathode member, the transport direction of the beam-like plasma changes according to the change in the direction of the magnetic field, so even if a shutter is arranged between the cathode member and the base material. The plasma can be transported to the substrate by bypassing the outside of the shutter and reach the surface.
また、アーク放電開始後は成膜に支障が生じない位置に後退させていたシャッターの配置位置についても検討を行った。その結果、図4に一例を示すように、アーク放電開始時には、上記と同様に、シャッター13を陰極部材2の先端部分(第1位置:A)に接触させるが、アーク放電を開始した後の成膜中には、陰極部材2から基材Wに向けて離間させて陰極部材2と基材Wの間の板状の面が陰極部材2に対して正対する位置(第2位置:B)にシャッター13が配置されるように、シャッター13を陰極部材2に対して接近・離間可能に支持すれば、折損片等をシャッター13で十分に遮蔽できることが分かった。
In addition, the position of the shutter, which was retracted to a position where the film formation was not hindered after the start of the arc discharge, was also examined. As a result, as shown in an example in FIG. 4, at the time of starting the arc discharge, the
請求項3に記載の発明は、上記の知見に基づくものであり、
陰極部材にトリガーを接触させてアーク放電を開始し、前記アーク放電に伴って前記陰極部材に形成されたアークスポットで前記陰極部材を蒸発させることによりプラズマを発生させ、前記陰極部材に対向して配置された基材の表面に前記陰極部材の材料を蒸着させて薄膜を形成する真空アーク蒸着装置であって、
前記基材に向けて突出する柱状の陰極部材と、
前記トリガーを兼用する板状のシャッターと、
前記シャッターを前記陰極部材との間で、前記陰極部材に向けて接近・離間可能に支持するシャッター支持機構と、
前記陰極部材の背面側に配置された磁石を移動させて、前記陰極部材の周囲に動磁場を形成する動磁場形成手段を備えており、
前記シャッターは、アーク放電開始時に前記陰極部材と前記基材の間の第1位置で前記陰極部材に接触した後、アーク放電中は前記陰極部材と前記基材の間の第1位置よりも基材側の第2位置に配置され、
前記動磁場形成手段は、前記プラズマが前記第2位置に配置された前記シャッターを迂回して前記基材の表面に誘導できるように動磁場を形成する
ことを特徴とする真空アーク蒸着装置である。
The invention according to
The arc discharge is started by bringing the trigger into contact with the cathode member, plasma is generated by evaporating the cathode member with an arc spot formed on the cathode member along with the arc discharge, and the plasma is generated. A vacuum arc vapor deposition apparatus for forming a thin film by depositing the material of the cathode member on the surface of the disposed base material,
A column-shaped cathode member protruding toward the base material,
A plate-shaped shutter also serving as the trigger,
A shutter support mechanism that supports the shutter between the cathode member and the approachable / separable toward the cathode member,
A moving magnetic field forming means for moving a magnet arranged on the back side of the cathode member to form a moving magnetic field around the cathode member,
The shutter contacts the cathode member at a first position between the cathode member and the substrate at the start of arc discharge, and then is more grounded than the first position between the cathode member and the substrate during arc discharge. Placed at the second position on the material side,
The vacuum magnetic vapor deposition apparatus is characterized in that the dynamic magnetic field forming means forms a dynamic magnetic field so that the plasma can be guided to the surface of the base material by bypassing the shutter disposed at the second position. .
そして、シャッターの材料としては、プラズマでも融解しない高融点でかつ導電性がある材料、例えばモリブデン、カーボン、タングステンなどが好ましく用いられ、これらの材料で形成されたシャッターを用いることにより、マクロパーティクルの基材への飛散を効果的に防止することができる。 As a material for the shutter, a material having a high melting point and conductivity which is not melted even by plasma, for example, molybdenum, carbon, tungsten or the like is preferably used, and by using a shutter formed of these materials, Scattering to the substrate can be effectively prevented.
即ち、請求項4に記載の発明は、
前記シャッターは、モリブデン、カーボン、タングステンのいずれかの材料で形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の真空アーク蒸着装置である。
That is, the invention described in
4. The vacuum arc vapor deposition apparatus according to
また、陰極部材がカーボンである場合、陰極部材の材料としてガラス状炭素や積層状炭素を用いることが好ましい。このようなガラス状炭素は、粒界が存在しないため、アーク放電開始時に陰極部材からスパークが発生し難く、マクロパーティクルが飛散することをより適切に防止することができる。 When the cathode member is carbon, it is preferable to use glassy carbon or laminated carbon as a material for the cathode member. Since such glassy carbon does not have a grain boundary, it is difficult for sparks to be generated from the cathode member at the start of arc discharge, and it is possible to more appropriately prevent macro particles from scattering.
即ち、請求項5に記載の発明は、
前記陰極部材が、ガラス状炭素または積層状炭素から構成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の真空アーク蒸着装置である。
That is, the invention described in
The vacuum arc evaporation apparatus according to any one of
また、請求項3に記載の発明は、方法の面から以下にように捉えることができる。
The invention described in
即ち、請求項6に記載の発明は、
請求項3に記載の真空アーク蒸着装置を用いて行う硬質炭素膜の成膜方法であって、
アーク放電開始時は、前記陰極部材に前記シャッターを前記第1位置に配置させて前記シャッターのトリガーを接触させ、
アーク放電中は、前記シャッターを前記第2位置に配置させ、
前記アーク放電中は、前記動磁場形成手段により形成された動磁場によって、前記アーク放電により発生したプラズマを、前記第2位置に配置されたシャッターを迂回させて前記基材に到達させて、前記基材上で成膜を行うことを特徴とする硬質炭素膜の成膜方法である。
That is, the invention according to
A method for forming a hard carbon film using the vacuum arc evaporation apparatus according to
At the start of arc discharge, the shutter is arranged at the first position on the cathode member, and the trigger of the shutter is brought into contact with the cathode member,
During the arc discharge, the shutter is arranged at the second position,
During the arc discharge, the dynamic magnetic field formed by the dynamic magnetic field forming means causes the plasma generated by the arc discharge to reach the substrate while bypassing a shutter arranged at the second position. A method for forming a hard carbon film, comprising forming a film on a substrate.
上記の方法により、前記した陰極部材2から放出される折損片等のマクロパーティクルが飛散して基材に到達することを防止できるが、常時、シャッターを第2位置に配置させていると、成膜速度の低下が避けられない。そこで、より効率的な成膜を行う手法として、本発明者は、折損片等のマクロパーティクルの放出が、周期的に発生していることに着目し、マクロパーティクルが放出されていないときにはシャッターを第2位置から陰極部材と基材の間を遮蔽しない第3位置へと退避させておき、マクロパーティクが放出される周期に合わせてシャッターを第2位置に配置すればよいと考えた。これにより、成膜効率の低下を最小限に抑えながら、折損片等のマクロパーティクルによる欠陥の発生を防止することができる
According to the above method, it is possible to prevent macro particles such as broken pieces emitted from the above-described
即ち、請求項7に記載の発明は、
請求項3に記載の真空アーク蒸着装置を用いて行う硬質炭素膜の成膜方法であって、
アーク放電開始時は、前記シャッターを前記第1位置に配置させ、
アーク放電中は、前記シャッターを前記陰極部材と前記基材の間を遮蔽しない第3位置に配置させ、前記陰極部材からのマクロパーティクルの放出周期に合わせて前記シャッターを前記第2位置に配置して成膜を行うことを特徴とする硬質炭素膜の成膜方法である。
That is, the invention described in
A method for forming a hard carbon film using the vacuum arc evaporation apparatus according to
At the start of arc discharge, the shutter is arranged at the first position,
During the arc discharge, the shutter is arranged at a third position that does not shield between the cathode member and the base material, and the shutter is arranged at the second position in accordance with the emission period of macro particles from the cathode member. This is a method for forming a hard carbon film, characterized in that the film is formed by heating.
本発明によれば、真空アーク蒸着装置に柱状の陰極部材を用いた場合に生じるマクロパーティクルの蒸着による膜品質の低下を防止できる真空アーク蒸着技術を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the vacuum arc vapor deposition technique which can prevent the fall of film quality by vapor deposition of a macroparticle which arises when using a columnar cathode member in a vacuum arc vapor deposition apparatus can be provided.
以下、本発明を実施の形態に基づき、図面を用いて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments with reference to the drawings.
[1]第1の実施の形態
1.第1の実施の形態の概要
はじめに第1の実施の形態に係る真空アーク蒸着装置の基本的構造について説明する。図1は第1の実施の形態に係る真空アーク蒸着装置の構成を示す概略図である。本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置は、従来、陰極部材2の近傍に固定されていたトリガー35(図17)に替えて、トリガー14を備えた可動式のシャッター13、シャッター支持機構42を備えている点を除いて、図17に示した真空アーク蒸着装置と共通している。なお、図1中の1aは真空チャンバー1を真空排気するための排気口である。
[1] First Embodiment Overview of First Embodiment First, a basic structure of a vacuum arc evaporation apparatus according to a first embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a vacuum arc evaporation apparatus according to the first embodiment. In the vacuum arc vapor deposition apparatus according to the present embodiment, the
2.第1の実施の形態の真空アーク蒸着装置の特徴的な部分
(1)シャッター
図1に示すように、本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置は、トリガー14がシャッター13に設けられており、シャッターがトリガーを兼用している。これにより、トリガー14を陰極部材2に接触させる際に、陰極部材2からマクロパーティクルが発生しても、シャッター13がマクロパーティクルの基材方向への飛散を遮断するため、基材Wにマクロパーティクルが付着することを防止できる。
2. Characteristic Portion of Vacuum Arc Vapor Deposition Apparatus of First Embodiment (1) Shutter As shown in FIG. 1, in a vacuum arc vapor deposition apparatus according to the present embodiment, a
本実施の形態において、トリガー14を備えた板状のトリガー兼シャッターであるシャッター13は、陰極部材2の下方に配置されて陰極部材2に向けて回転可能に設けられている。このようなシャッターの具体的な形状を2例、図2A、図2Bに示す。図2A、図2Bに示すように、本実施の形態のシャッター13は、角板状または円板状の部材であり、そのサイズ、例えば図2Aで示したシャッターの辺の長さlおよびwは、陰極部材2(図1)のスパーク発生源から見て基材Wがシャッター13で隠されるように適宜決定される。そして、シャッター13の陰極部材2(図1)側の面の中央部分には、モリブデン(Mo)製のトリガー14が取り付けられている。なお、トリガー14は、図1に示すように、シャッター13とシャッター支持機構42を介して電源16に接続されている。
In the present embodiment, the
図1に示すように、シャッター13は、シャッター支持機構42に回転可能に支持されており、シャッター支持機構42は、モーター(図示せず)と支軸42bと回転軸42cを備えている。モーターを稼働させることにより、回転軸42cに取り付けられたシャッター13を、図中の矢印のように回転軸42cを回転中心として回転させて、シャッター13に設けられたトリガー14を陰極部材2に接触させることができる。
As shown in FIG. 1, the
そして、アーク放電を開始する際は、上記の様にシャッター13を回転させてトリガー14を陰極部材2の先端に接触させる。このとき、従来と同様に陰極部材2からスパークが発生するが、トリガー14と陰極部材2とが接触している間は、陰極部材2と基材Wとの間にシャッター13が配置されているため、スパークにより発生したマクロパーティクルはシャッター13に遮蔽されて基材Wに付着することはない。
When the arc discharge is started, the
そして、成膜時には、シャッター13を回転軸42cを回転中心として陰極部材2から離れる方向に旋回させることにより、陰極部材2と基材Wの間を遮蔽しない位置に配置することができるため、陰極部材から発生するプラズマの基材Wへの輸送が遮蔽されることなく成膜させることができ、品質の高い薄膜を基材Wの表面に作製することができる。
When the film is formed, the
また、本実施の形態のように、シャッター13をトリガー14と一体化させてトリガー兼シャッターとすることにより、トリガー14を陰極部材2に接触させるための動作と、シャッター13を陰極部材2と基材との間に配置させる動作を同時に行うことができる。そして、このようにシャッター13とトリガー14とを一体化させると、シャッターとトリガーとを同期させて動作させるような複雑な機構を設ける必要がなくなるため、設備コストの軽減に貢献することもできる。
Further, as in the present embodiment, the
なお、トリガー14には、上記したMo以外に、W、Ta等の高融点金属材料やC等の高融点でかつ導電性を有する材料が望ましい。
The
(2)陰極部材
陰極部材の素材は、特に限定されないが、炭素を素材とする場合にはガラス状炭素または積層状炭素から構成されていることが好ましい。
(2) Cathode Member The material of the cathode member is not particularly limited, but when carbon is used as the material, it is preferable that the cathode member is made of glassy carbon or laminated carbon.
3.本実施の形態の効果
以上のように、本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置は、アーク放電を開始する際に陰極部材2と基材Wとの間にシャッター13が配置されているため、図17に示すような柱状の陰極部材を用いた場合に生じる、アーク放電開始時に発生するマクロパーティクルの問題を解決することができると共に、成膜時にはシャッター13は陰極部材2から発生ずるプラズマを遮蔽しない位置に移動してプラズマによる成膜が抑制されないため、高い品質の薄膜を安定的かつ効率的に成膜することができる。
3. As described above, in the vacuum arc vapor deposition apparatus according to the present embodiment, the
[2]第2の実施の形態
1.第2の実施の形態の概要
図3は第2の実施の形態に係る真空アーク蒸着装置の構成を示す概略図である。図3に示すように、本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置の基本的な構造は、第1の実施の形態に係る真空アーク蒸着装置と同様である。
[2]
しかし、本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置は、成膜中のシャッター13の配置が第1の実施の形態の配置から変更されていると共に、動磁場形成手段を備えている点において、第1の実施の形態に係る真空アーク蒸着装置と異なっている。
However, the vacuum arc evaporation apparatus according to the present embodiment is different from the first embodiment in that the arrangement of the
前記したように、図4に一例を示すシャッター13は、アーク放電開始時には、第1の実施の形態と同様に、陰極部材2に基材側から接触する第1位置Aに配置されるが、アーク放電中(成膜中)は陰極部材2から基材Wに向けて少し離れた第2位置Bに配置される。
As described above, the
そして、動磁場形成手段は、図3に示すように、磁石5を回転させて陰極部材2の周囲に動磁場を形成するように設けられている。このような動磁場を形成することにより、折損片等のマクロパーティクルをシャッター13で遮蔽する一方で、アーク放電により発生したビーム状のプラズマ9を第2位置Bに配置されたシャッター13を迂回して基材表面に到達させることができるため、より品質が高い薄膜を安定して成膜することができる。
The dynamic magnetic field forming means is provided so as to rotate the
2.第2の実施の形態の真空アーク蒸着装置の特徴的な部分
(1)シャッター
図3に示すように、シャッター13は、板状でトリガー14を備えたトリガー兼シャッターであり、電源16に接続されている。中央部分に設けたトリガー14を陰極部材2に接触させることによりアーク放電が開始され、開始後、シャッター13を陰極部材2から少し離間させることで陰極部材2と真空チャンバー1との間でアーク放電が開始される。
2. Characteristic Portion of Vacuum Arc Vapor Deposition Apparatus of Second Embodiment (1) Shutter As shown in FIG. 3, the
シャッター13は、アーク放電開始時および成膜時に陰極部材2と基材Wの間に配置され、スパーク発生時に、スパーク発生源から基材Wに方向に向かって飛散するマクロパーティクルを遮蔽する。また、アーク放電時には陰極部材2からmmオーダーサイズの折損片が飛来することがあり、基材表面に多数の微粒子からなる星雲状の欠陥が生じる。これらのようなマクロパーティクルを遮蔽することによってこのような欠陥の発生が防止される。
The
シャッター13の形状は、第1の実施の形態の場合と同様に、スパーク発生源と基材Wとの間を遮蔽できるよう基材Wの形状に合わせて適宜決定される(図2参照)。
As in the case of the first embodiment, the shape of the
前記した通り、図4はアーク放電開始時およびアーク放電実施時のシャッター13の位置と姿勢を示す模式図であり、図5はアーク放電実施時のシャッターの位置を示す平面図である。シャッター13は、支持機構42で陰極部材2に対して垂直方向の回転軸42cに対して旋回可能に支持されている。そして、アーク放電開始時には、陰極部材2に接近して第1位置Aでトリガー14が陰極部材2に接触して、アーク放電が開始する。その後、シャッター13は陰極部材2から離間して、陰極部材2と基材Wの間の所定の第2位置Bで、板状の面が陰極部材2に対して垂直に対向する姿勢で停止する。
As described above, FIG. 4 is a schematic diagram showing the position and attitude of the
アーク放電開始時にはシャッター13が陰極部材側に傾く。シャッター13の停止位置は、このように傾いた状態でトリガー14を陰極部材2に確実に接触させることが可能であること、プラズマがシャッター13を迂回し易いことなどを考慮して図5に示す陰極部材2の先端とシャッター13との距離a1が適宜決定される。即ち、陰極部材2先端とシャッター13との距離a1が大きい場合、アーク放電開始時にトリガー14を陰極部材に確実に接触させることが難しく、小さい場合にはプラズマを迂回させることが難しくなる。一方、シャッター13と基材Wとの距離a2が小さい場合、プラズマを迂回させることが難しくなり、またシャッター13のサイズを大きくしなければならないため、移動の操作性が悪い。具体的には陰極部材の先端からの距離a1は、15mm程度に設定される。
At the start of the arc discharge, the
本実施の形態において、シャッター13のサイズ、例えば図2Aで示したシャッターの辺の長さlおよびwは、スパーク発生源から見て基材Wがシャッター13で隠されるように、スパーク発生源となる陰極部材2の先端とシャッター13との距離a1、シャッター13と基材Wとの距離a2、さらには、基材Wのサイズを勘案して適宜決定される。なお、回転軸42cに接続されるシャッター13の棒状部分はプラズマの迂回を阻害しないようにできるだけ細くすることが好ましい。
In the present embodiment, the size of the
また、シャッター13の材料には、第1の実施の形態と同様に、プラズマでも融解しない高融点材料であると共に、飛散するマクロパーティクルの衝撃に耐え得る材料、例えばモリブデン、カーボン、タングステンなどが用いられる。
As in the first embodiment, the material of the
そして、シャッター13にトリガーを兼ねさせることにより、第1の実施の形態と同様に、トリガーを陰極部材2に接触させるための動作と、シャッター13を陰極部材2と基材との間に配置させる動作を同時に行うことができる。また、シャッターとトリガーとを同期させて動作させるような複雑な機構を設ける必要がなくなるため、設備コストの軽減に貢献することもできる。
Then, by causing the
(2)シャッター支持機構
シャッター支持機構42は、回転軸42cを介してシャッター13を回転可能に支持する支軸42bを陰極部材2と平行に配置することにより形成されており、モーター(図示せず)によるモーター駆動で回転軸42cを回転させることによりシャッター13を回転軸42cを中心として、陰極部材2に向けて旋回できるように構成されている。これにより、アーク放電開始時に陰極部材2に接近させることができると共に、アーク放電中は陰極部材2から基材Wに向けて離間させて陰極部材2と基材Wの間の所定の位置で板状の面が陰極部材2に対して正対するように停止させることができる。
(2) Shutter Support Mechanism The
本実施の形態のようにシャッター13を回転軸42cを中心として旋回させることにより、陰極部材2の軸とシャッター13に設けられたトリガー14との間に位置ずれが生じない。また回転軸の回転の角度は、高い精度で制御することができるため、精度良く所定の位置に停止させることができる。また、確実に陰極部材に対して正対するように停止させることができる。
By rotating the
なお、シャッター13の移動には、上記した旋回方式ではなく、ピストン方式を用いることもできる。即ち、シャッター13を支軸42bに対して直立させ、支軸42bを軸方向に移動させることでシャッター13を陰極部材2と基材Wの間で移動させ、陰極部材2と接近・離間させる。
Note that the
(3)動磁場形成手段
動磁場形成手段は、磁石5を移動させて陰極部材2の周囲に動磁場を形成し、陰極部材2の周囲に動磁場を形成するように構成されている。
(3) Dynamic Magnetic Field Generating Unit The dynamic magnetic field generating unit is configured to move the
具体的には、従来、台座部6の背面側にリング状の磁石5を配置した場合、陰極部材2の周囲に静磁場が形成されて、陰極部材2から強い指向性を有するビーム状のプラズマが発生することが知られていたが、さらに、第2の実施の形態においては、単に磁石5を台座部6の背面側に配置するだけではなく、成膜を行っている間、磁石5を回転させて陰極部材2の周囲に動磁場を形成させる。
Specifically, conventionally, when the ring-shaped
これにより、変化する磁界の向きの変化に応じてビーム状のプラズマ9の向きが変化するため、陰極部材2と基材Wの間に配置されたシャッター13を迂回してプラズマを基材に到達させることができ、効率的な成膜を行うことができる。
Thereby, the direction of the beam-shaped
図6は陰極部材周辺の構造を説明する図である。図6に示すように、動磁場形成手段41は、磁石5を支持する支持板4にベルト4aを取り付けることにより構成されている。ベルト4aはプーリー41bに架け渡されており、プーリー41bにはモーター41aが取り付けられている。そして、モーター41aを作動させてプーリー41bを回転させることにより、ベルト4aを介して支持板4が回転して、支持板4に支持された磁石5が陰極部材2の周囲を回転するように構成されている。
FIG. 6 is a diagram illustrating the structure around the cathode member. As shown in FIG. 6, the dynamic magnetic
このような構造の動磁場形成手段41によって、磁石5を回転させることにより、成膜中の陰極部材2の周囲に動磁場を形成させることができるため、図3に示すようにビーム状のプラズマ9を回転させながら基材Wの表面に照射することができる。
By rotating the
なお、本実施の形態においては、動磁場形成手段として磁石5を回転させる機構を採用しているが、陰極部材の周辺に動磁場を形成させるためには、必ずしも磁石5を回転させる必要はない。例えば、磁石を上下方向などに直線的に移動させた場合でも、陰極部材の周辺に動磁場を形成させることができる。
In the present embodiment, a mechanism for rotating the
3.本実施の形態の効果
以上のように、本実施の形態に係る真空アーク蒸着装置は、アーク放電開始時だけでなく、折損片等のマクロパーティクルの放出時にも、陰極部材2と基材Wとの間にシャッター13が配置されるように構成されているため、より高い品質の薄膜を、より効率的に安定して成膜することができる。
3. Effect of the present embodiment As described above, the vacuum arc vapor deposition apparatus according to the present embodiment can be used not only at the start of arc discharge but also at the time of emission of macroparticles such as broken pieces. Since the
4.第2の実施の形態におけるより好ましい形態
上記の第2の実施の形態により、前記した陰極部材2から放出される折損片等のマクロパーティクルが飛散して基材に到達することを防止できるが、常時、シャッターを第2位置に配置させていると、成膜速度の低下が避けられない。そこで、本実施の形態においては、図4に示すように、折損片等のマクロパーティクルの放出周期に合わせて、マクロパーティクルを遮蔽する位置(第2位置B)にシャッター13を移動させることが好ましい。これにより、折損片等のマクロパーティクルの放出時にはシャッターでマクロパーティクルを遮蔽することができる一方、マクロパーティクルの放出がないときにはプラズマを基材までそのまま輸送することができるため、マクロパーティクルによる欠陥の発生を防止しながら、成膜効率の低下を最小限に抑制してより効率的な成膜を行うことができる。
4. More Preferred Mode in Second Embodiment According to the second embodiment described above, it is possible to prevent macro particles such as broken pieces emitted from the
具体的には、アーク放電が開始されると、陰極部材2とトリガー14との接触を解除するために、シャッター13を第1位置Aから基材方向に離間させ、その後、直ちに元の待機位置(第3位置C)まで移動させる。そして、成膜中、シャッター13は、基本的に、第3位置Cに保持される。しかし、前記したように、成膜中には陰極部材2から周期的に折損片等のマクロパーティクルが放出されて基材上に星雲状欠陥が形成される恐れがあるため、その際には、シャッター13を第3位置Cから第2位置Bへと移動させて、折損片等のマクロパーティクルを遮蔽する。この結果、高い品質の蒸着膜を高い効率で成膜することができる。
Specifically, when the arc discharge is started, the
[3]その他の付加することが好ましい態様
上記した第1および第2の実施の形態においては、以下の態様が付加されていることが好ましい。
[3] Other Preferred Embodiments In the first and second embodiments described above, the following embodiments are preferably added.
1.陰極の送出機構および磁界発生手段
柱状の陰極部材を用いた真空アーク蒸着装置では、成膜中にアークスポットが消滅して、成膜が継続できなくなる事態が発生して、作業効率の低下を招いてしまう恐れがある。また、成膜中の陰極部材に形成されていたアークスポットが、台座部に飛び火のように移動して火花(スパーク)を生じることにより、マクロパーティクルの飛散を招いて、膜品質を低下させる恐れがある。そこで、このようなアークスポットの消滅やスパークの発生を防止するために、陰極の送出機構および磁界発生手段を設けることが好ましい。
1. Cathode sending mechanism and magnetic field generating means In a vacuum arc vapor deposition apparatus using a columnar cathode member, the arc spot disappears during film formation, making it impossible to continue film formation, resulting in a reduction in work efficiency. There is a risk of going. In addition, the arc spot formed on the cathode member during the film formation moves on the pedestal portion like a spark and generates a spark (spark), which may cause macro particles to scatter and deteriorate the film quality. There is. Therefore, in order to prevent the disappearance of such an arc spot and the occurrence of spark, it is preferable to provide a cathode sending mechanism and a magnetic field generating means.
(1)陰極の送出機構
図7は真空アーク蒸着装置の陰極部材周辺の構造を説明する図である。陰極部材2は、真空チャンバー1の側壁にスライド可能に保持されている。具体的には、真空チャンバー1の側壁には、挿通孔を有する台座部6が取り付けられており、台座部6の後方に筒状の陰極保持部材7が設けられている。そして、柱状の陰極部材2が、台座部6と陰極保持部材7に挿通されてスライド可能に保持されている。そして、陰極保持部材7の後方には陰極の送出機構(以下、単に「送出機構」ともいう)12が設けられている。送出機構12には、例えばモーター駆動方式の機構が用いられており、送出用モーター12aを駆動させ、公知の機構を用いて送出用モーター12aの回転をロッド12bの軸方向の運動に変え、ロッド12bで陰極部材2を基材Wが配置された前方に向かって送り出すように構成されている。
(1) Cathode sending mechanism FIG. 7 is a view for explaining the structure around the cathode member of the vacuum arc evaporation apparatus. The
そして、送出機構12を用いて、陰極部材2の台座部6からの突出長さを適切に維持することにより、アークスポットの消滅を防止することができる。
Then, by using the
(2)磁界発生手段
また、台座部6の背面側には、磁界発生手段としての磁石5と、磁石5を支持する支持板4が設けられている。磁石5は陰極部材2の周囲に磁界を生じさせることにより、アーク放電中に陰極部材2に生じるアークスポットの挙動を制御する。即ち、陰極部材2の先端部分に磁力を掛けることによって、アークスポットをアーク放電が維持される位置に留まるように作用する。これにより、成膜中のアークスポットの消滅およびスパークの発生を低減させることができる。
(2) Magnetic Field Generating Means A
2.調整機構
また、送出機構12による陰極部材2の送り出しを制御して磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1(図1参照)を調整する調整機構を備えていることが好ましい。
2. Adjusting Mechanism It is preferable to provide an adjusting mechanism that controls the feeding of the
即ち、上記したアークスポットの消滅について調査した結果、図1に示す台座部6の表面からの陰極部材2の突出量d2がアークスポットの消滅に関係しており、陰極部材2の突出量d2が小さくなると、台座部6の背面側に配置されたリング状の磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1が短くなりすぎて、陰極部材2に磁力を作用させても、アークスポットの消滅が発生しやすいことが分かった。
That is, as a result of investigating the disappearance of the arc spot, the protrusion amount d2 of the
そして、実験の結果、磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1が54mm以上の場合に、陰極部材2のアークスポットに適切に磁力を届かせて、アーク放電を維持してアークスポットの消滅を防止できることを見出した。
As a result of the experiment, when the distance d1 from the
また、柱状の陰極部材2を用いた場合、上記したように、アークスポットの台座部への移動が発生する問題が発生していたが、実験と検討を行った結果、このアークスポットの台座部への移動の問題についても、磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1が関係していることが分かった。
In addition, when the
即ち、上記したアークスポットの消滅とは逆に、磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1が長くなりすぎると、陰極部材2の先端近傍に形成されたアークスポットに磁力が届かなくなり、アークスポットの挙動を制御することができなくなるため、アークスポットが台座部6に飛び火のように移動してしまう。
That is, contrary to the disappearance of the arc spot described above, if the distance d1 from the
そして、実験の結果、磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1を87mm以下にすることにより、陰極部材2の先端に適切に磁力を届かせて、アークスポットの台座部6への移動を防止できることを見出した。
Then, as a result of the experiment, by setting the distance d1 from the
調整機構は、送出機構12を制御して、磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1を調整する。調整機構は、陰極部材2の先端の位置を検出する検出手段と、検出した陰極部材2の先端の位置に基づいて磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1を測定する距離測定手段と、距離測定手段による距離d1の測定結果に基づいて送出機構12を制御する制御手段とを備えている。
The adjusting mechanism controls the sending
検出手段としては、例えば、先端位置の両端に設けられた発信部と受光部を有するレーザーセンサーが用いられる。このレーザーセンサーは先端部が短くなり、受光部でレーザー受信することにより、陰極部材2の先端の位置を検出する。
As the detecting means, for example, a laser sensor having a transmitting section and a light receiving section provided at both ends of the distal end position is used. This laser sensor has a short tip, and the laser receiving unit detects the position of the tip of the
距離測定手段は、検出手段に接続されており、台座部6の背面側に設けられた磁石5の位置が予め記録されている。そして、上記した検出手段により検出された陰極部材2の先端の位置と、予め記録された磁石5の位置との差を算出することにより、磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1を求める。
The distance measuring means is connected to the detecting means, and the position of the
また、制御手段には、磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1に対する下限の閾値T1と、上限の閾値T2とが予め設定されている(図8参照)。制御手段は、この閾値T1、T2の範囲内に陰極部材2の先端が常に位置するように送出機構12を制御することにより、アーク放電が行われる陰極部材2の先端を磁石5からの磁力が掛かり、かつ、アーク放電が維持される領域に(図8中の「安定放電領域」)維持する。
In the control means, a lower threshold T1 and an upper threshold T2 for the distance d1 from the
具体的には、図8に示す下限の閾値T1は、アークスポットの消滅が発生するか否かの境界の値であり、一方、上限の閾値T2は、陰極部材2の先端が磁石5と離れすぎて、磁力によるアークスポットの制御が困難になるか否か境界の値であり、T1、T2はそれぞれ54mm、87mmに設定される。このような閾値T1、T2との間の値に距離d1が維持されることにより、アーク放電を安定的に継続させて長時間の成膜を行うことが可能となる。
Specifically, the lower limit threshold T1 shown in FIG. 8 is a value at the boundary of whether or not the extinction of the arc spot occurs. On the other hand, the upper limit threshold T2 is such that the tip of the
3.送り出し量の調整
真空アーク蒸着装置は、アーク放電中の陰極部材における放電電圧を測定して、この放電電圧の測定結果に基づいてアークスポットの位置を検知し、アークスポットの位置が陰極部材にない場合に、アーク放電を一時停止させた後、アーク放電を開始させるように構成されていることが好ましい。
3. Adjustment of the delivery amount The vacuum arc evaporation apparatus measures the discharge voltage at the cathode member during arc discharge, detects the position of the arc spot based on the measurement result of the discharge voltage, and the position of the arc spot is not at the cathode member. In this case, it is preferable that the arc discharge is temporarily stopped and then the arc discharge is started.
上記したように、図17に示すような従来の真空アーク蒸着装置において柱状の陰極部材2を用いた場合、アークスポットが飛び火のように台座部6に移動することにより、マクロパーティクルが発生して薄膜の品質を低下させる恐れがある。
As described above, when the
これに対して、上記調整機構により、陰極部材2の先端が図8中の「安定放電領域」に常に位置するように調整することにより、アークスポットが台座部6に移動することを防止できるが、不測の事態によりアークスポットが台座部6に移動する可能性はまだ残っている。
On the other hand, by adjusting the tip of the
そこで、台座部にアークスポットが移動したことを検知して、この検知結果に基づいてアーク放電を停止させ、その後、アークスポットが陰極部材2の先端となるように調整してから放電を再開するように構成することが好ましい。これにより、台座部にアークスポットが移動した状態で、アーク放電が継続して行われることがなくなるため、マクロパーティクルが基材に付着することを防止することができる。
Therefore, it is detected that the arc spot has moved to the pedestal portion, the arc discharge is stopped based on the detection result, and then the arc spot is adjusted to be at the tip of the
具体的には、例えば、台座部にアークスポットが移動したことを正確に検知する指標として、アーク放電の放電電圧を用いる。通常、陰極部材と台座部との間には、材料や形状の違いによってアーク放電に対する抵抗値に差があるため、アークスポットが陰極部材に存在している場合と台座部に移動した場合とで放電電圧が変動する。このアーク放電中の放電電圧を測定すると、図9に示すような波形が得られる。なお、図9において、縦軸は計測電圧であり、横軸は時間である。 Specifically, for example, the discharge voltage of the arc discharge is used as an index for accurately detecting that the arc spot has moved to the pedestal portion. Usually, there is a difference in resistance to arc discharge between the cathode member and the pedestal portion due to a difference in material and shape, so that the arc spot exists in the cathode member and the arc spot moves to the pedestal portion. The discharge voltage fluctuates. When the discharge voltage during this arc discharge is measured, a waveform as shown in FIG. 9 is obtained. In FIG. 9, the vertical axis is the measured voltage, and the horizontal axis is the time.
図9より、柱状の陰極部材にアークスポットが存在している間は放電電圧の絶対値が高くなり(25〜50V)、円板状の台座部にアークスポットが移動した後(図9中の30sec以降)に放電電圧の絶対値が低くなることが分かる(10〜40V)。なお、図9では陰極部材にガラス状炭素を用い、台座部に金属材料を用いた場合の結果を示しているが、例えば、突起部と台座部の両方を同じ材料(ガラス状炭素)で形成した場合においても、陰極部材と台座部とでは形状が異なるため放電電圧の絶対値が変化する。このように陰極部材と台座部は材料や形状などの違いによって抵抗値が異なるため、この抵抗値の差に基づいてアーク放電の放電電圧が変化する。 From FIG. 9, the absolute value of the discharge voltage increases (25 to 50 V) while the arc spot exists on the columnar cathode member, and after the arc spot moves to the disk-shaped pedestal (see FIG. 9). It can be seen that the absolute value of the discharge voltage decreases after 30 seconds (10 to 40 V). FIG. 9 shows a result in the case where glassy carbon is used for the cathode member and a metal material is used for the pedestal portion. For example, both the protrusion and the pedestal portion are formed of the same material (glassy carbon). Even in this case, the absolute value of the discharge voltage changes because the shapes of the cathode member and the pedestal portion are different. As described above, the cathode member and the pedestal portion have different resistance values due to differences in material, shape, and the like, and the discharge voltage of the arc discharge changes based on the difference in the resistance values.
そして、放電電圧に対する閾値を予め設定しておき、アーク放電中の放電電圧を測定して閾値と定常的に比較し、閾値よりも低い放電電圧の絶対値が測定された場合には、アークスポットが台座部に移動したと判定してアーク放電を一時停止させる。これにより、台座部にアークスポットが位置した状態でアーク放電が継続して行われることがなくなり、マクロパーティクルが基材に付着することを防止することができる。 Then, a threshold value for the discharge voltage is set in advance, the discharge voltage during the arc discharge is measured and constantly compared with the threshold value. When the absolute value of the discharge voltage lower than the threshold value is measured, the arc spot is measured. Is determined to have moved to the pedestal, and the arc discharge is temporarily stopped. Thereby, the arc discharge is not continuously performed in a state where the arc spot is located on the pedestal portion, and it is possible to prevent the macro particles from adhering to the base material.
なお、放電電圧波形には振れ幅があり、振れ幅が大きい場合には、閾値との比較が困難になることがある。このような場合には、例えば、隣り合う50点のデータの平均値を順次求めるような波形処理を行うと、図10に示すように、図9の実測波形に比べて振れ幅が非常に小さくなった波形を得ることができる。この波形に基づいて、アークスポットが移動することによる放電電圧の変化を適切に検出することができる。 It should be noted that the discharge voltage waveform has a fluctuation width, and when the fluctuation width is large, it may be difficult to compare with the threshold value. In such a case, for example, if the waveform processing is performed to sequentially obtain the average value of the data of 50 points adjacent to each other, as shown in FIG. 10, the swing width is much smaller than the actually measured waveform of FIG. A distorted waveform can be obtained. Based on this waveform, it is possible to appropriately detect a change in the discharge voltage due to the movement of the arc spot.
4.トリガーとシャッターの他の形態
上記した第1の実施の形態においては、トリガーとシャッター13を一体とし、シャッターにトリガーを兼ねさせているが、これに限定されず、シャッターとトリガーを別体にしてもマクロパーティクルを遮断することは可能である。例えば、図11に示すように、支持部材43に回転可能に取り付けられたアーム14aの先端にトリガー14を取り付けると共に、トリガー14が陰極部材2に接触する際に陰極部材2と基材Wの間に配置されるように、昇降可能な板状のシャッター13aを設けてもよい。
4. Other Embodiments of Trigger and Shutter In the above-described first embodiment, the trigger and the
そして、上記のように、シャッターとトリガーを別体にする場合には、シャッターとトリガーの各々の動作を同期させるような機構を設けることが好ましい。具体的には、トリガー14を陰極部材2に接触させる動作を開始する際に、板状のシャッター13aを下降させて陰極部材2と基材Wの間に配置させるようなシャッター移動機構(図示省略)を設けることが好ましい。
When the shutter and the trigger are separated as described above, it is preferable to provide a mechanism for synchronizing the operations of the shutter and the trigger. Specifically, when starting the operation of bringing the
また、本実施の形態のように、アーム14aの先端にトリガー14を取り付ける場合、トリガー14として薄い箔状の部材を用いることが好ましい。これにより、トリガー14が陰極部材2に接触した際の衝撃で陰極部材2が破損することを防止することができる。
When the
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples.
1.実験1
(1)実験条件
本実験においては、図12に示すような真空アーク蒸着装置を用いて、シャッターを設ける必要性について検討した。なお、実験条件は以下のように設定した。
1.
(1) Experimental conditions In this experiment, the necessity of providing a shutter was examined using a vacuum arc evaporation apparatus as shown in FIG. The experimental conditions were set as follows.
磁石 :ネオジム磁石
磁力 :陰極部材の軸方向71Gauss、径方向26Gauss
陰極部材 :直径3mmの柱状のガラス状炭素
アーク電流:80A
Magnet: Neodymium magnet Magnetic force: 71 Gauss in axial direction of cathode member, 26 Gauss in radial direction
Cathode member: Columnar glassy carbon with a diameter of 3 mm Arc current: 80A
具体的には、図12に示すように、アーク放電中に2枚の基材W1、W2(Si基板)を公転させる基材支持部材11aを用いて、2枚の基材W1、W2の両方にDLC膜を成膜した。なお、本実験においては、6分間の成膜を基材W1、W2を交換せずに3回行い、陰極部材2にトリガー35を接触させて放電を開始する際には、基材W1が陰極部材2に対向するように調整した。
Specifically, as shown in FIG. 12, both the two substrates W1 and W2 are formed by using the
そして、3回の成膜が終了した後、触針式段差計(アルバック社製、dektak段差計Dektak150)を用い、1.5mgの荷重を掛けたダイヤモンド圧子を薄膜表面に30秒で5mm掃引することにより、基材W1、W2表面の薄膜に形成された凸部の高さを測定した。 Then, after the film formation is completed three times, a diamond indenter with a load of 1.5 mg is swept over the surface of the thin film by 5 mm in 30 seconds using a stylus type step meter (Dektak 150, manufactured by ULVAC, Inc.). Thereby, the heights of the protrusions formed on the thin films on the surfaces of the substrates W1 and W2 were measured.
(2)実験結果
結果を図13に示す。なお、図13の横軸は薄膜に形成された凸部の高さの範囲を示しており、縦軸は各々の高さ範囲に含まれる凸部の数を示している。また、図13は2バッチ分の測定結果の平均値を示している。
(2) Experimental results The results are shown in FIG. Note that the horizontal axis in FIG. 13 indicates the range of the height of the projections formed on the thin film, and the vertical axis indicates the number of projections included in each height range. FIG. 13 shows the average value of the measurement results for two batches.
図13より、トリガー35による放電開始を行った際に、陰極部材2に対向していた基材W1では、基材W2に比べて多くの凸部が形成されていた。このことから、トリガーを陰極部材に接触させて放電を開始させる際に、陰極部材からマクロパーティクルが放出されており、このマクロパーティクルが基材に付着することにより基材の表面が粗くなることが分かった。この結果から、品質が高い薄膜を成膜するには、放電を開始させる際に陰極部材と基材との間にシャッターを配置させる必要があることが分かった。
As shown in FIG. 13, when the discharge was started by the
2.実験2
(1)実験条件
本実験においては、陰極部材の周囲に静磁場を形成した真空アーク蒸着装置と、動磁場を形成した真空アーク蒸着装置のそれぞれを用いて基材への成膜を行い、成膜された薄膜の膜厚の分布を比較した。なお、本実験においては、実験1と同様に、2枚の基材W1、W2を公転させながら成膜を行った。
2.
(1) Experimental conditions In this experiment, a film was formed on a substrate by using a vacuum arc deposition apparatus in which a static magnetic field was formed around a cathode member and a vacuum arc deposition apparatus in which a dynamic magnetic field was formed. The distribution of film thickness of the formed thin film was compared. In this experiment, as in
具体的には、それぞれの真空アーク蒸着装置について、アーク電流を80Aに設定して120秒間成膜を行い、成膜後の薄膜の膜厚分布を調べた。なお、動磁場を形成した真空アーク蒸着装置においては、回転速度60rpmで磁石5を回転させながら成膜を行った。また、磁石5については、陰極部材の軸方向に71Gauss、径方向に26Gaussの磁場を生じさせる磁石を使用した。
Specifically, for each vacuum arc vapor deposition apparatus, a film was formed for 120 seconds at an arc current of 80 A, and the film thickness distribution of the thin film after film formation was examined. In a vacuum arc evaporation apparatus in which a dynamic magnetic field was formed, film formation was performed while rotating the
(2)実験結果
静磁場を形成した真空アーク蒸着装置の結果を図14に示し、動磁場を形成した真空アーク蒸着装置の結果を図15に示す。なお、図14、図15において、縦軸は陰極部材中心からの鉛直方向の距離を示し、横軸は規格化膜厚を示している。
(2) Experimental Results FIG. 14 shows the results of the vacuum arc evaporation apparatus in which a static magnetic field was formed, and FIG. 15 shows the results of the vacuum arc evaporation apparatus in which a dynamic magnetic field was formed. In FIGS. 14 and 15, the vertical axis represents the vertical distance from the center of the cathode member, and the horizontal axis represents the normalized film thickness.
そして、本実験においては、図14および図15に基づいて、各々の基材に成膜された薄膜の膜厚分布を半値幅(FWHM)で比較した。ここでのFWHMは、片側の半値幅を倍にした値である。 In this experiment, based on FIGS. 14 and 15, the film thickness distributions of the thin films formed on the respective substrates were compared with each other using a full width at half maximum (FWHM). The FWHM here is a value obtained by doubling the half width on one side.
図14より、静磁場の下で成膜した場合には、基材W1のFWHMが128mmであり、基材W2のFWHMが94mmであった。また、図15より、動磁場の下で成膜した場合には、基材W1のFWHMが176mmであり、基材W2のFWHMが173mmであった。 14, when the film was formed under a static magnetic field, the FWHM of the substrate W1 was 128 mm and the FWHM of the substrate W2 was 94 mm. 15, when the film was formed under a dynamic magnetic field, the FWHM of the substrate W1 was 176 mm, and the FWHM of the substrate W2 was 173 mm.
このことから、図14のように静磁場の下で成膜した薄膜は半値幅が十分に大きいとは言えず、また、基材W1と基材W2との間で半値幅が大きく異なっていた。即ち、膜厚分布が均一な成膜を行うことができなかった。 From this, the thin film formed under the static magnetic field as shown in FIG. 14 cannot be said to have a sufficiently large half-width, and the half-width was significantly different between the base material W1 and the base material W2. . That is, a film having a uniform thickness distribution could not be formed.
これに対して、図15のように動磁場の下で成膜した薄膜は、半値幅が大きくなって膜厚の均一性が向上していると共に、基材W1と基材W2との間で半値幅が殆ど変わらなかった。また、静磁場の場合と、動磁場の場合とでは薄膜の膜厚分布形状もそれぞれ異なっていた。 On the other hand, the thin film formed under a dynamic magnetic field as shown in FIG. 15 has a large half-value width and improved uniformity of the film thickness, and also has a small thickness between the base material W1 and the base material W2. The half width was hardly changed. Also, the thickness distribution of the thin film was different between the case of the static magnetic field and the case of the dynamic magnetic field.
このことから、陰極部材の周辺に動磁場を形成しながら成膜を行った場合、膜厚分布が均一な高品質の薄膜を安定して形成できることが確認された。 From this, it was confirmed that when film formation was performed while forming a dynamic magnetic field around the cathode member, a high-quality thin film having a uniform film thickness distribution could be stably formed.
3.実験3
(1)実験条件
本実験においては、図1に示す真空アーク蒸着装置を用い、磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1を異ならせて、基材W(シリコン基板)への成膜を行い、陰極部材2の先端に対する安定放電領域(図8参照)、即ち、磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1に対する下限の閾値T1と、上限の閾値T2を調べた。なお、実験条件は以下のように設定した。
3.
(1) Experimental Conditions In this experiment, a film was formed on a substrate W (silicon substrate) by using the vacuum arc evaporation apparatus shown in FIG. 1 and changing the distance d1 from the
磁石 :ネオジム磁石
磁力 :陰極部材の軸方向71Gauss、径方向26Gauss
陰極部材 :直径3mmの柱状のガラス状炭素
アーク電流:80A
Magnet: Neodymium magnet Magnetic force: 71 Gauss in axial direction of cathode member, 26 Gauss in radial direction
Cathode member: Columnar glassy carbon with a diameter of 3 mm Arc current: 80 A
送出機構12を用いて、磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1を変化させ、距離d1が40、54、70、87、100mmにおけるアーク放電の状態を観察した。結果を表1に示す。
Using the
(2)実験結果
表1より、本実験においては、距離d1が54mm未満の場合や87mmを超えた場合にアーク放電を完全に正常に行うことが難しくなった一方で、磁石5から陰極部材2の先端までの距離d1が87mm以下の場合に、アークスポットが台座部6に移動することが適切に防止され、距離d1が54mm以上の場合にアークスポットの消滅が防止されることが分かる。
(2) Experimental Results From Table 1, in this experiment, it was difficult to perform arc discharge completely normally when the distance d1 was less than 54 mm or more than 87 mm. It can be seen that, when the distance d1 to the tip of is less than 87 mm, the arc spot is appropriately prevented from moving to the
なお、本実験においては、アークスポットの消滅や移動を発生させるために、ネオジム製の永久磁石を用いているが、サマリウムコバルト製等の他の永久磁石やコイル等の電磁石を用いても良く、磁力を変更した場合には、距離d1が54mm未満の場合や87mmを超えた場合でも正常なアーク放電が行われることを本発明者は確認している。 In this experiment, a permanent magnet made of neodymium was used in order to cause the disappearance and movement of the arc spot. The inventor has confirmed that when the magnetic force is changed, normal arc discharge is performed even when the distance d1 is less than 54 mm or more than 87 mm.
このことから、柱状の陰極部材を用いた場合には、陰極部材の先端に磁界発生手段からの磁力が掛かると共にアーク放電が維持される領域に前記陰極部材の先端が位置するように、陰極部材2の送り出しを調整することにより、アーク放電を安定的に継続させて長時間の成膜を行うことができることが分かった。 For this reason, when the columnar cathode member is used, the cathode member is positioned such that the tip of the cathode member is positioned in a region where the magnetic force from the magnetic field generating means is applied to the tip of the cathode member and the arc discharge is maintained. It was found that by adjusting the feeding of No. 2, it was possible to stably continue the arc discharge and perform a long-term film formation.
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることができる。 As described above, the present invention has been described based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes can be made to the above embodiment within the same and equivalent scope as the present invention.
なお、本発明は、以下に付記する特徴を含む。
(付記1)
陰極部材にトリガーを接触させてアーク放電を開始し、前記アーク放電に伴って前記陰極部材に形成されたアークスポットで前記陰極部材を蒸発させることによりプラズマを発生させ、前記陰極部材に対向して配置された基材の表面に前記陰極部材の材料を蒸着させて薄膜を形成する真空アーク蒸着装置であって、
前記基材に向けて突出する柱状の陰極部材と、
前記柱状の陰極部材が挿通される挿通孔を有する台座部と、
前記台座部に挿通された前記陰極部材を、前方の前記基材に向けて送り出す送出機構と、
前記台座部の背面側に配置されており、前記陰極部材の周囲に磁界を生じさせて前記アークスポットの挙動を制御する磁界発生手段と、
前記陰極部材の先端に前記磁界発生手段からの磁力が掛かると共に前記アーク放電が維持される領域に前記陰極部材の先端が位置するように、前記送出機構を制御して前記磁界発生手段から前記陰極部材の先端までの距離を調整する調整機構と、
前記陰極部材に前記トリガーを接触させる際に前記陰極部材と前記基材との間に配置されるシャッターと
を備えていることを特徴とする真空アーク蒸着装置。
The present invention includes the following additional features.
(Appendix 1)
The arc discharge is started by bringing the trigger into contact with the cathode member, plasma is generated by evaporating the cathode member with an arc spot formed on the cathode member along with the arc discharge, and the plasma is generated. A vacuum arc vapor deposition apparatus for forming a thin film by depositing the material of the cathode member on the surface of the disposed base material,
A column-shaped cathode member protruding toward the base material,
A pedestal portion having an insertion hole through which the columnar cathode member is inserted,
A sending mechanism that sends out the cathode member inserted into the pedestal portion toward the front substrate,
Magnetic field generating means arranged on the back side of the pedestal portion, for generating a magnetic field around the cathode member and controlling the behavior of the arc spot,
The feeding mechanism is controlled so that the tip of the cathode member is positioned in a region where the magnetic force from the magnetic field generating means is applied to the tip of the cathode member and the arc discharge is maintained. An adjustment mechanism for adjusting the distance to the tip of the member,
A vacuum arc vapor deposition apparatus, comprising: a shutter disposed between the cathode member and the substrate when the trigger is brought into contact with the cathode member.
(付記2)
前記調整機構が、前記磁界発生手段から前記陰極部材の先端までの距離を54〜87mmの範囲に調整することを特徴とする付記1に記載の真空アーク蒸着装置。
(Appendix 2)
The vacuum arc vapor deposition apparatus according to
(付記3)
真空アーク蒸着装置を用いて基材表面に陰極材料を蒸着させて成膜する真空アーク蒸着方法であって、
陰極部材にトリガーを接触させた際に、シャッターを前記陰極部材と基材との間に配置させて前記陰極部材から飛散したマクロパーティクルを遮断した後、前記シャッターを前記陰極部材と基材との間から退避させ、
前記陰極部材の先端が、磁界発生手段からの磁力が掛かり、かつ、アーク放電が維持される領域に位置するように前記磁界発生手段から前記陰極部材の先端までの距離を調整しながら、前記基材表面への成膜を行うことを特徴とする真空アーク蒸着方法。
(Appendix 3)
A vacuum arc deposition method for depositing a cathode material on a substrate surface using a vacuum arc deposition apparatus to form a film,
When the trigger is brought into contact with the cathode member, after the shutter is disposed between the cathode member and the base material to block macro particles scattered from the cathode member, the shutter is moved between the cathode member and the base material. Evacuate from between,
While adjusting the distance from the magnetic field generating means to the tip of the cathode member so that the tip of the cathode member receives a magnetic force from the magnetic field generating means and maintains the arc discharge, A vacuum arc evaporation method comprising forming a film on a material surface.
1、31 真空チャンバー
1a 排気口
2、32 陰極部材
4 支持板
4a ベルト
5、39 磁石
6、36 台座部
7 陰極保持部材
9 プラズマ
11、11a、33 基材支持部材
12 送出機構
12a 送出用モーター
12b ロッド
13、13a シャッター
14、35 トリガー
14a アーム
15、16、34、37 電源
17 抵抗
41 動磁場形成手段
41a モーター
41b プーリー
42 シャッター支持機構
42a モーター
42b 支軸
42c 回転軸
43 支持部材
a1 陰極部材の先端とシャッターとの距離
a2 シャッターと基材との距離
d1 磁石から陰極部材の先端までの距離
d2 陰極部材の突出量
l、w シャッターの辺の長さ
T1 下限の閾値
T2 上限の閾値
W、W1、W2 基材
1, 31
Claims (7)
前記基材に向けて突出する柱状の陰極部材と、
前記トリガーを兼用する板状のシャッターとを備え、
前記板状のシャッターが回転して前記陰極部材の先端に近接した際に、前記トリガーが前記陰極部材の先端に接触すると共に、前記板状のシャッターが前記陰極部材と前記基材との間に配置されるように構成されていることを特徴とする真空アーク蒸着装置。 The arc discharge is started by bringing the trigger into contact with the cathode member, plasma is generated by evaporating the cathode member with an arc spot formed on the cathode member along with the arc discharge, and the plasma is generated. A vacuum arc vapor deposition apparatus for forming a thin film by depositing the material of the cathode member on the surface of the disposed base material,
A column-shaped cathode member protruding toward the base material,
A plate-shaped shutter also serving as the trigger,
When the plate-shaped shutter rotates and approaches the tip of the cathode member, the trigger contacts the tip of the cathode member, and the plate-shaped shutter moves between the cathode member and the base material. A vacuum arc vapor deposition apparatus characterized by being arranged.
前記基材に向けて突出する柱状の陰極部材と、
前記トリガーを兼用する板状のシャッターと、
前記シャッターを前記陰極部材との間で、前記陰極部材に向けて接近・離間可能に支持するシャッター支持機構と、
前記陰極部材の背面側に配置された磁石を移動させて、前記陰極部材の周囲に動磁場を形成する動磁場形成手段を備えており、
前記シャッターは、アーク放電開始時に前記陰極部材と前記基材の間の第1位置で前記陰極部材に接触した後、アーク放電中は前記陰極部材と前記基材の間の第1位置よりも基材側の第2位置に配置され、
前記動磁場形成手段は、前記プラズマが前記第2位置に配置された前記シャッターを迂回して前記基材の表面に誘導できるように動磁場を形成する
ことを特徴とする真空アーク蒸着装置。 The arc discharge is started by bringing the trigger into contact with the cathode member, plasma is generated by evaporating the cathode member with an arc spot formed on the cathode member along with the arc discharge, and the plasma is generated. A vacuum arc vapor deposition apparatus for forming a thin film by depositing the material of the cathode member on the surface of the disposed base material,
A column-shaped cathode member protruding toward the base material,
A plate-shaped shutter also serving as the trigger,
A shutter support mechanism that supports the shutter between the cathode member and the approachable / separable toward the cathode member,
A moving magnetic field forming means for moving a magnet arranged on the back side of the cathode member to form a moving magnetic field around the cathode member,
The shutter contacts the cathode member at a first position between the cathode member and the substrate at the start of arc discharge, and then is more grounded than the first position between the cathode member and the substrate during arc discharge. Placed at the second position on the material side,
The vacuum magnetic vapor deposition apparatus according to claim 1, wherein the dynamic magnetic field forming means forms a dynamic magnetic field so that the plasma can be guided to the surface of the substrate by bypassing the shutter disposed at the second position.
アーク放電開始時は、前記陰極部材に前記シャッターを前記第1位置に配置させて前記シャッターのトリガーを接触させ、
アーク放電中は、前記シャッターを前記第2位置に配置させ、
前記アーク放電中は、前記動磁場形成手段により形成された動磁場によって、前記アーク放電により発生したプラズマを、前記第2位置に配置されたシャッターを迂回させて前記基材に到達させて、前記基材上で成膜を行うことを特徴とする硬質炭素膜の成膜方法。 A method for forming a hard carbon film using the vacuum arc evaporation apparatus according to claim 3,
At the start of arc discharge, the shutter is arranged at the first position on the cathode member, and the trigger of the shutter is brought into contact with the cathode member,
During the arc discharge, the shutter is arranged at the second position,
During the arc discharge, the dynamic magnetic field formed by the dynamic magnetic field forming means causes the plasma generated by the arc discharge to reach the substrate while bypassing a shutter arranged at the second position. A method for forming a hard carbon film, comprising forming a film on a substrate.
アーク放電開始時は、前記シャッターを前記第1位置に配置させ、
アーク放電中は、前記シャッターを前記陰極部材と前記基材の間を遮蔽しない第3位置に配置させ、前記陰極部材からのマクロパーティクルの放出周期に合わせて前記シャッターを前記第2位置に配置して成膜を行うことを特徴とする硬質炭素膜の成膜方法。 A method for forming a hard carbon film using the vacuum arc evaporation apparatus according to claim 3,
At the start of arc discharge, the shutter is arranged at the first position,
During the arc discharge, the shutter is arranged at a third position where the space between the cathode member and the base material is not shielded, and the shutter is arranged at the second position in accordance with the emission period of macro particles from the cathode member. A method for forming a hard carbon film, comprising:
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