JP2812249B2

JP2812249B2 - イオン蒸着薄膜形成装置

Info

Publication number: JP2812249B2
Application number: JP14114395A
Authority: JP
Inventors: 陽土居
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1995-05-15
Filing date: 1995-05-15
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: JPH08311646A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、真空蒸着とイオン照
射とを併用して基材の表面に薄膜を形成するイオン蒸着
薄膜形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のイオン蒸着薄膜形成装置の従来
例を図１１に示す。この装置は、図示しない真空ポンプ
によって真空排気口１８を経由して真空排気される真空
容器１６と、この真空容器１６内に設けられていて基材
（被処理物）２２を保持するホルダ２０と、真空容器１
６内の底部に設けられていてホルダ２２に保持された基
材２２に蒸発物質７６を蒸着させる蒸発源７０と、真空
容器１６の下部に取り付けられていてホルダ２０に保持
された基材２２にイオン８４を照射するイオン源８０と
を備えている。

【０００３】ホルダ２０および基材２２は、矢印Ａのよ
うに回転させる場合もある。基材２２の形状は図示例の
ようなものに限られるものではなく任意である。

【０００４】蒸発源７０は、電子ビーム加熱式の蒸発源
であり、電子銃７３から引き出した電子ビーム７４によ
ってるつぼ７１内の蒸発材料７２を加熱してそれを蒸発
または昇華（炭素の場合）させて蒸発物質７６を発生さ
せる。蒸発材料７２は、基材２２上に形成する薄膜を構
成する元素（例えばＴｉ等の金属または炭素等）から成
る。

【０００５】イオン源８０は、そこに導入されたガス８
２をイオン化してイオン８４を所定の加速エネルギーで
引き出すものである。このイオン源８０は、例えば多極
磁場型のバケット型イオン源が大面積大電流の点で好ま
しいが、勿論それ以外の方式のイオン源でも良い。この
イオン源８０から引き出すイオン８４の種類は後述す
る。

【０００６】薄膜形成に当たっては、所望の基材２２を
ホルダ２０に保持した後、真空容器１６内を所定の真空
度（例えば１０^-5〜１０^-6Ｔｏｒｒ程度）に保持する。
その後、蒸発源７０から薄膜を構成する元素より成る蒸
発物質７６を蒸発させてそれを基材２２の表面に蒸着さ
せるとの同時または交互に、イオン源８０から所要のイ
オン８４を引き出してそれを基材２２に照射する。

【０００７】その際、基材２２の表面に化合物薄膜を形
成する場合は、蒸発物質７６と化合して当該化合物薄膜
を形成する元素を含むイオン８４を照射し、化合物以外
の薄膜、例えば金属単体の薄膜や炭素系薄膜を形成する
場合は、イオン８４として例えばＡｒイオン等の不活性
ガスイオンを照射する。

【０００８】これによって、基材２２の表面に、蒸発物
質７６の蒸着による、あるいは蒸発物質７６と照射イオ
ン８４とが化合することによる薄膜が形成される。

【０００９】それと共に、照射イオン８４の押込み作用
等によって、基材２２と薄膜との界面付近に、基材を構
成する元素と薄膜を構成する元素とが混じり合って成る
混合層が形成され、この混合層が言わば楔のような作用
をするので、基材２２に対する薄膜の密着性が高くな
る。

【０００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなイオン蒸
着薄膜形成装置は、比較的低温で、面粗度の良好な（即
ち薄膜表面の平滑性に優れた）、かつ密着性の良い薄膜
を形成することができるという特長を有しているけれど
も、高速成膜に適さず薄膜の生産性が低いという欠点が
ある。

【００１０】これは、電子ビーム加熱式の蒸発源７０か
らの蒸発物質７６のイオン化率が１０％以下と低く、金
属元素と非金属元素とから成る化合物薄膜の形成におい
ては、蒸発物質７６として金属を蒸発させることになる
が、この金属と非金属ガス分子（このガスは真空容器１
６内に導入されたガス、あるいはイオン源８０から真空
容器１６内に噴射導入されたガスである）との反応性が
低く、成膜速度を上げるにつれて、反応の進行が不十分
になるからである。

【００１１】また、電子ビーム加熱式の蒸発源７０は、
蒸発材料７２が溶融された時にそれがるつぼ７１からこ
ぼれ出さないようにする必要があり、下から上に向けて
の蒸発しかできない、即ち基材２２の下方にしか蒸発源
７０を配置することができないので、蒸発源７０の配置
上の制約が大きく、ひいては基材２２に対する成膜方向
や装置構成上等の制約が大きいという問題もある。

【００１２】一方、蒸発源には、陰極（カソード）にお
けるアーク放電を利用して陰極物質を蒸発させるアーク
式蒸発源が従来からある。

【００１３】アーク式蒸発源では、蒸発物質のイオン化
率が７０％程度以上と高いので、このようなアーク式蒸
発源を上記電子ビーム加熱式の蒸発源７０の代わりに用
いれば、化合物薄膜を形成する際の反応の進行は、高速
成膜でも速やかに行うことができ、生産性を高めること
ができる。

【００１４】また、アーク式蒸発源では、アークによっ
て陰極を局所的に溶融させるので、蒸発源の向きがどの
ようなものであっても溶融物質（溶融金属）が落下する
恐れはなく、従って当該蒸発源の配置上の制約はなく、
任意の向きに取り付けることができる。従って、このよ
うなアーク式蒸発源を上記電子ビーム加熱式の蒸発源７
０の代わりに用いれば、基材２２に対する成膜方向や装
置構成上等の制約が少なくなる。

【００１５】ところが、従来のアーク式蒸発源では、陰
極の溶融部が大きくなり易く、そのため陰極から細かい
陰極物質と共に大きな塊の陰極物質も同時に蒸発し、こ
れが基材２２の表面に入射堆積するため、基材２２の表
面に形成される薄膜表面の面粗度が、電子ビーム加熱式
の蒸発源７０を用いた場合よりも悪いという問題があ
る。

【００１６】そこでこの発明は、上記のような従来の各
技術が有する課題を全て解決して、密着性および面粗度
の良好な薄膜を比較的低温で生産性良く形成することが
できるイオン蒸着薄膜形成装置を提供することを主たる
目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明のイオン蒸着薄膜形成装置は、前記蒸発源
として、陰極におけるアーク放電を利用して陰極物質を
蒸発させるものであって、陰極構成物質と反応する反応
性ガスを陰極前面に吹き付けるガス吹付け機構を有する
アーク式蒸発源を備えていることを特徴とする。

【００１８】

【作用】上記アーク式蒸発源によれば、ガス吹付け機構
から陰極前面に反応性ガスを吹き付けながらアーク放電
させると、アーク放電の陰極点が陰極前面に多数生じ
て陰極近傍でアーク分岐が生じてアーク放電部位が多数
に分散される、陰極表面に元の陰極構成物質よりも高
融点の化合物が形成されてそれが溶融部の広がりを抑え
る、等の作用によって、個々の溶融部位の体積が小さく
抑えられ、陰極前面での粗大な溶融部の形成が抑制され
る。その結果、大きな塊の陰極物質が発生するのを防止
することができ、それによって、基材表面に面粗度の良
好な薄膜を形成することができる。

【００１９】しかも、アーク式蒸発源であるので蒸発物
質のイオン化率が高く、従って高速成膜が可能で生産性
が高い。また、このようなアーク式蒸発源による真空蒸
着とイオン照射とを併用して薄膜を形成するので、密着
性の良好な薄膜を比較的低温で形成することができる。

【００２０】

【実施例】図１は、この発明の一実施例に係るイオン蒸
着薄膜形成装置を示す概略図である。図１１の従来例と
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。

【００２１】この実施例においては、前述した従来の電
子ビーム加熱式の蒸発源７０の代わりに、アーク式蒸発
源４０を設けている。即ちこの実施例では、ホルダ２０
に保持された基材２２に向くように、真空容器１６の側
面部にアーク式蒸発源４０を取り付けている。

【００２２】このアーク式蒸発源４０は、所望の材料
（例えば金属、合金、カーボン等）から成る陰極２、そ
れを支持するものであって非磁性材から成るフランジ
６、その後方近傍に配置された環状の永久磁石８を備え
ており、絶縁物１２を介して真空容器１６に取り付けら
れている。尚、トリガ電極も通常は備えているが、ここ
ではその図示を省略している（他の例においても同
様）。陰極２は、より具体的には、基材２２上に形成す
る薄膜を構成する元素（例えばＴｉ、Ｃｒ、Ｂ等の金属
または炭素等）から成る。

【００２３】この例では真空容器１６が陽極を兼ねてお
り、それとフランジ６ひいては陰極２との間には、陰極
２側を負側にして、直流のアーク電源１４が接続されて
おり、これによって陰極２と真空容器１６間に、例えば
数十Ｖ〜数百Ｖ程度のアーク放電電圧を印加することが
できる。

【００２４】このアーク式蒸発源４０は、更に、陰極構
成物質と反応する反応性ガス３４を、陰極２から離れた
所から陰極前面２ａに吹き付けるガス吹付け機構３２
を、陰極２の近傍に備えている。ガス吹付け機構３２
は、この例ではガス供給パイプ３３である。

【００２５】なお、ホルダ２０には、この実施例のよう
に直流のバイアス電源２４の負側を接続して、ホルダ２
０上の基材２２に例えば数百Ｖ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おいても良い。２３
は絶縁物である。そのようにすれば、アーク式蒸発源４
０からのイオン化した陰極物質４をバイアス電圧によっ
て基材２２に引き込むことができるので、付き周り性
（即ち、陰になった部分にも陰極物質１４が到達するこ
と）が良くなる。また、イオン源８０から引き出したイ
オン８４をバイアス電圧によって簡単に加速することが
できるので、イオン８４による基材表面のボンバード効
果（即ちクリーニング効果）等を簡単に高めることがで
きる。

【００２６】ホルダ２０および基材２２は、矢印Ａのよ
うに回転させるようにしておいても良い。そのようにす
れば、基材２２が複雑な形状であっても、その表面に均
一に薄膜を形成することができる。

【００２７】真空容器１６内には、その壁面に設けられ
たガス導入口２６を経由して、図示しないガス源から反
応性ガス２８を導入するようにしておいても良い。

【００２８】ガス吹付け機構３２から陰極前面２ａに吹
き付ける前記反応性ガス３４は、陰極前面２ａから粗大
粒子が飛散するのを防止することを目的とするものであ
り、例えば窒素ガス、メタンガス等である。一方、ガス
導入口２６から真空容器１６内に導入する反応性ガス２
８は、主として、基材２２の表面に形成する薄膜を構成
する元素を、イオン源８０からイオン８４として供給す
る代わりに、またはそれと共に、基材２２の近傍に供給
することを目的とするものであり、例えば窒化物系の化
合物薄膜を形成する場合は窒素ガス、炭化物系の化合物
薄膜を形成する場合はメタンガス等である。従って、両
反応性ガス２８および３４は、互いに同種の場合もある
し異種の場合もある。

【００２９】また、前述したイオン源８０に供給するガ
ス８２は、主として、基材２２の表面に形成する薄膜を
構成する元素をイオン８４として供給するためのもので
あり、例えば窒化物系の化合物薄膜を形成する場合は窒
素ガス、炭化物系の化合物薄膜を形成する場合はメタン
ガス、酸化物系の化合物薄膜を形成する場合は酸素ガス
等である。従ってこのガス８２と、上記反応性ガス２８
および３４とも、互いに同種の場合もあるし異種の場合
もある。また、このようなイオン源８０に供給するガス
８２に、Ａｒ等の不活性ガスを添加しても良く、そのよ
うにすればイオン源８０における所望のガスのイオン化
率が向上する。あるいは、金属単体または炭素系膜のよ
うに非化合物系の薄膜を形成する場合は、ガス８２とし
て不活性ガスを供給して不活性ガスイオンを引き出して
それを基材２２に照射するようにしても良い。

【００３０】薄膜形成に際しては、真空容器１６内を所
定の真空度に保った状態で、アーク式蒸発源４０を動作
させてそれから陰極物質４を蒸発させてそれを基材２２
の表面に蒸着させるのと同時または交互に、イオン源８
０から所要のイオン８４を引き出してそれを基材２２に
照射する。その際、必要に応じてガス導入口２６から反
応性ガス２８を真空容器１６内に導入する。

【００３１】アーク式蒸発源４０の動作は次のようなも
のである。即ち、陰極２と真空容器１６間にアーク電源
１４から前述したようなアーク放電電圧を印加した状態
で、図示しないトリガ電極を用いる等して陰極２の前面
２ａ近傍で最初の火花を発生させると、それが引き金と
なって、陰極前面２ａと真空容器１６間にアーク放電が
生じる。このアーク放電によって、陰極前面２ａが局所
的に高温に加熱され、陰極前面２ａが局所的に溶融して
そこから原子状およびそれよりも大きい粒子状の陰極物
質４が蒸発し、これが基材２２に到達して堆積する。

【００３２】これによって、基材２２の表面に、陰極物
質４の蒸着による、あるいは陰極物質４と照射イオン８
４とが化合することによる、更には化合に反応性ガス２
８が加わることによる薄膜が形成される。

【００３３】それと共に、照射イオン８４の押込み作用
等によって、基材２２と薄膜との界面付近に、基材を構
成する元素と薄膜を構成する元素とが混じり合って成る
混合層が形成され、この混合層が言わば楔のような作用
をするので、基材２２に対する薄膜の密着性が高くな
る。

【００３４】しかもこのアーク式蒸発源４０は、前述し
たようなガス吹付け機構３２を有しており、このガス吹
付け機構３２から陰極前面２ａに反応性ガス３４を吹き
付けながらアーク放電させると、アーク放電の陰極点
が陰極前面２ａに多数生じて陰極近傍でアーク分岐が生
じてアーク放電部位が多数に分散される、陰極表面に
元の陰極構成物質よりも高融点の化合物が形成されてそ
れが溶融部の広がりを抑える、等の作用によって、個々
の溶融部位の体積が小さく抑えられ、陰極前面２ａでの
粗大な溶融部の形成が抑制される。その結果、大きな塊
の陰極物質４が発生するのを防止することができ、それ
によって、基材２２の表面に面粗度の良好な薄膜を形成
することができる。

【００３５】しかもこの実施例で用いているのはアーク
式蒸発源４０であるので、電子ビーム加熱式蒸発源に比
べて、蒸発物質、即ち陰極物質４のイオン化率が高く、
従って高速成膜が可能で生産性が高い。また、このよう
なアーク式蒸発源４０による真空蒸着とイオン源８０か
らのイオン８４のイオン照射とを併用して薄膜を形成す
るので、密着性の良好な薄膜を比較的低温で形成するこ
とができる。

【００３６】ここで「比較的低温で」と言うのは、基材
の高温加熱を要するＣＶＤ法よりも低温でという意味で
あり、具体的な温度は形成しようとする薄膜の種類等に
よって異なり一概には言えないが、例えば室温〜数百℃
程度である。

【００３７】このようにこのイオン蒸着薄膜形成装置に
よれば、面粗度の良好な薄膜を生産性良く形成すること
ができるため、安価でかつ鏡面仕上げを必要とする製
品、例えばレンズ成形金型、コンパクトディスク成形型
等の製造にも適用することができる。

【００３８】また、従来の（即ち、ガス吹付け機構を有
していない）アーク式蒸発源を用いる場合は、成膜速度
を上げると膜の面粗度が悪化し、また蒸発速度の低い陰
極材料（例えばカーボン、チタン等）では堆積膜の面粗
度は比較的良いが、成膜速度が低く生産性が悪いという
問題があったけれども、この実施例のようなアーク式蒸
発源４０を用いれば、どのような材料の陰極を用いて
も、高速でかつ面粗度の優れた薄膜の形成を行うことが
できる。

【００３９】次に、面粗度のより良好な薄膜を形成する
ことができるように更に改善した実施例を説明する。図
２は、そのようなイオン蒸着薄膜形成装置の一例を示す
概略図である。

【００４０】図１に示した実施例との相違点を主体に説
明すると、この実施例におけるアーク式蒸発源４０は、
複数の棒状の永久磁石４２を、各々の一方の磁極がフラ
ンジ６の後面ひいては陰極２の後面２ｂに対向するよう
に配置しており、それによって、陰極後面２ｂの後方近
傍に、互いに極性の異なる複数の磁極を形成している。

【００４１】この永久磁石４２の配置の詳細例を図３に
示す。この例では、複数の棒状の永久磁石４２を、各々
の一方の磁極が陰極後面２ｂに対向するように、かつＮ
極とＳ極とが交互に並ぶように配置している。４４は非
磁性材から成り各永久磁石４２を支持する支持部材であ
る。

【００４２】このような磁石配置によれば、陰極前面２
ａの近傍において、多数の磁極によるマルチポール磁界
が形成される。これを詳述すると、陰極前面２ａの近傍
には、図７に示し、かつその一部を拡大して図８に示す
ように、陰極前面２ａに沿っていて多数の方向に向いた
磁界Ｂ、即ちマルチポール磁界が形成される。

【００４３】これに対して、図１に示した実施例におけ
るアーク式蒸発源４０に用いている単なる環状の永久磁
石８による場合は、図６に示すように、陰極前面２ａに
沿っているけれども単純な放射状の磁界Ｂ、即ち単一磁
界が形成される。

【００４４】図６に示すような単一磁界の場合は、陰極
前面２ａの近傍における電子（これはアーク放電によっ
て生じたものである）の運動はあまり複雑にはならない
ため、陰極前面２ａにガス吹付け機構３２から反応性ガ
ス３４を吹き付けてもその分子と電子との衝突確率はあ
まり大きくならず、従って反応性ガス３４をイオン化し
て、陰極前面２ａでの化合物形成を促進する作用はあま
り強くない。

【００４５】また、図６に示すような単一磁界の場合
は、陰極前面２ａの近傍におけるＪ×Ｂ効果（Ｊはアー
クを流れる電流、Ｂは磁界）によるローレンツ力Ｆは、
アーク放電位置を単純な円５８を描くように移動（ドリ
フト）させるだけであるので、そのドリフトによって、
陰極前面２ａでの粗大溶融部の形成を阻止する作用はあ
まり強くない。３６はアークの一状態を示す。

【００４６】これに対して、例えば図７および図８に示
したようなマルチポール磁界の場合は、単一磁界の場合
に比べて、陰極前面２ａの近傍における電子の運動が複
雑になって陰極前面近傍における電子密度が高くなり、
それによって、当該電子と、陰極前面２ａにガス吹付け
機構３２から吹き付けられる反応性ガス３４の分子との
衝突確率が高くなって、反応性ガス３４の分解、電離、
励起等が促進される。その結果、反応性ガス３４と陰極
構成物質との反応が促進され、陰極前面２ａでの高融点
化合物（これは、元の陰極材料よりも融点の高い化合物
のことである。以下同じ）の形成が促進され、それによ
って、陰極前面２ａにおけるアークによる溶融部の広が
りが強く抑制される。

【００４７】これは、陰極前面２ａの近傍における一種
のマグネトロン放電を利用したものであるということが
でき、陰極前面２ａにおける化合物の形成を促進するの
に大きな効果があるが、マルチポール磁界を利用すれ
ば、上記のような理由から、その効果が著しい。

【００４８】また、マルチポール磁界の場合は、陰極前
面２ａの近傍におけるＪ×Ｂ効果によるローレンツ力Ｆ
は、単なる円状ではなく、例えば図７ないし図９に示す
ように、多数の小さな円状であってしかも互いに近接し
た、あるいは部分的に重なった円状に働く。その結果、
ローレンツ力Ｆによるアーク放電位置のドリフトは、単
なる円状ではなく、例えば図９中にその軌跡５９を示す
ように、トロコイド状でしかも全体として大きな円状を
描く等の複雑な運動となる。その結果、陰極前面２ａで
のアークによる粗大溶融部の形成が強く抑制される。

【００４９】上記二つの作用が相俟って、陰極前面２ａ
でのアークによる粗大溶融部の形成が、より効果的かつ
徹底的に抑制される。その結果、陰極２から粗大な粒子
が飛散することをより確実に防止して、面粗度の極めて
良好な薄膜を基材２２の表面に形成することができる。

【００５０】尚、上記各永久磁石４２は、それらからの
磁力線が効果的に陰極前面２ａにまでに達するようにす
るために、できるだけ陰極後面２ｂに近づけて配置する
のが好ましい。近づけない場合は、永久磁石４２の数を
減らして磁石間の間隔を大きくしても良い。これは以下
に説明する他の例においても同様である。

【００５１】上記複数の永久磁石４２は、図３の例のよ
うにＮ極とＳ極とが交互に並ぶように配置する代わり
に、Ｎ極とＳ極とが無秩序に並ぶように配置しても良
く、その場合でも、陰極前面２ａの近傍にマルチポール
磁界が形成されるので、図３の例の場合とほぼ同様の作
用効果が得られる。

【００５２】また、図４に示す例のように、中心となる
永久磁石４６の周りに１以上の環状の永久磁石４８を同
心状に、かつ各々の一方の磁極が陰極後面２ｂに対向す
るように、かつ環の内外方向においてＮ極とＳ極とが交
互に存在するように配置することによって、前述した極
性の異なる複数の磁極を形成しても良い。ここで言う環
状とは、図示例のような円環状以外に、方形環状等を含
む広い概念である。また、中心の永久磁石４６も環状に
しても良い。

【００５３】この例の場合も、陰極前面２ａの近傍にマ
ルチポール磁界が形成され、それによって陰極前面２ａ
での高融点化合物の形成が促進されると共に、ローレン
ツ力によるアーク放電位置のドリフトがトロコイド状に
なる等の複雑な運動となるので、陰極前面２ａでのアー
クによる粗大溶融部の形成を阻止する効果は著しい。

【００５４】また、前述したような複数の棒状の永久磁
石４２を、各々の一方の磁極が陰極後面２ｂに対向し、
かつ同極性のもの同士が同心環状に並び、かつ環の内外
方向においてＮ極群環とＳ極群環とが交互に存在するよ
うに配置しても良い。ここで言う環状とは、円環状、方
形環状等を含む広い概念である。つまり、複数の棒状の
永久磁石４２で、図４に示す例とほぼ同様の磁極を形成
しても良い。この場合も、図４の例と同様の作用効果が
得られる。

【００５５】また、図５に示す例のように、三つの電磁
石５０を、各々の一方の磁極が陰極後面２ｂに対向する
ように、かつ所定の中心Ｏの周りに１２０度ごとに配置
し、それらに三相交流（即ち同一周波数で互いに１２０
度ずつ位相の異なる交流）を供給することによって、前
述した極性の異なる複数の磁極を形成しても良い。各電
磁石５０は、この例では、棒状のコア５２およびそれに
巻かれたコイル５４を有している。

【００５６】この例の場合、三つの電磁石５０によって
形成される磁界は、陰極前面２ａの面内において回転す
るので、アーク放電位置を、Ｊ×Ｂ効果によるローレン
ツ力によるだけでなく、磁界の回転によって強制的に回
転させることができる。その結果、陰極前面２ａでのア
ークによる粗大溶融部の形成を効果的に抑制することが
できる。

【００５７】上記電磁石５０に供給する三相交流の周波
数は、あまり高いと磁界の回転にアークのドリフトが追
従できなくなるので、１０Ｈｚ程度以下にするのが好ま
しく、その内でも１〜数Ｈｚ程度がより好ましい。

【００５８】ところで、前述したガス吹付け機構３２
は、例えば図１０に示す例のように、ガス供給パイプ３
３の先端部に、陰極２の前面２ａ付近の側方の周囲を取
り囲むリング状部６０を設け、このリング状部６０に、
複数のガス吹出し口６２を分散配置、より好ましくはほ
ぼ均等に分散配置した構造にしても良い。そのようにす
れば、陰極２の前面２ａに反応性ガス３４をより均一に
吹き付けることができるので、陰極前面２ａにおいてア
ーク放電の陰極点をより多数に分散させたり、陰極前面
２ａに高融点化合物をより均一に形成したりすることが
でき、それによって陰極前面２ａでの粗大溶融部の形成
を一層効果的に抑制することができる。

【００５９】陰極２がカーボン（黒鉛）の場合、カーボ
ンはアークによって溶融させられるのではなく、昇華さ
せられる。その際、従来の（即ち、ガス吹付け機構を有
していない）アーク式蒸発源では、カーボンが昇華する
時にパチンと弾けて大きな塊が飛び散り（これを突沸と
いう）、これが基材２２の表面に形成される薄膜の面粗
度を悪化させる。これに対して、上記各実施例における
アーク式蒸発源４０では、ガス吹付け機構３２から反応
性ガス３４として水素ガスを陰極前面２ａに吹き付ける
ことにより、陰極前面２ａに、気化性を有する炭化水素
系の化合物を形成させてその状態で蒸発させることがで
きるので、粗大粒子の飛散を防止することができる。
尚、基材２２に到達した化合物中から水素はガスとして
放出されるので、基材表面には炭素が堆積される。

【００６０】このような炭化水素系化合物の形成作用
は、図１に示した実施例におけるアーク式蒸発源４０に
おいても得られるが、それの単一磁界による場合より
も、図２以降に示した実施例におけるアーク式蒸発源４
０のようにマルチポール磁界による方が、前述したよう
に、反応性ガス３４の分解、電離、励起等をより促進す
ることができるので、炭化水素系の化合物をより効果的
に形成することができ、その結果、粗大粒子の飛散をよ
り効果的に抑制することができる。

【００６１】次に、より具体的な実施例を幾つか説明す
る。

【００６２】＜実施例１＞図１に示した実施例の装置を
用いて、真空容器１６内を１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下まで
十分に排気した後に薄膜の形成を行った。陰極２の材料
には純度３Ｎのチタン（Ｔｉ）を用い、陰極２に反応性
ガス３４として窒素ガス（Ｎ₂）を吹き付けると共に、
イオン源８０にもガス８２として窒素ガスを導入してイ
オン８４として窒素イオンを引き出し、ＴｉＮ膜を基材
２２の表面に形成した。

【００６３】電子ビーム加熱式蒸発源を用いた図１１に
示す従来の装置においても、平滑な膜を形成することは
できるが、Ｔｉの蒸着速度が３μｍ／ｈｒを越えると、
ＴｉとＮとの比が、Ｔｉ／Ｎ＞１となり、化学量論的組
成からずれてしまう。これに対してこの実施例の装置の
場合は、平滑な膜が得られるだけでなく、Ｔｉの蒸着速
度が１０μｍ／ｈｒでもＴｉとＮとの比は、Ｔｉ／Ｎ＝
１であり、ほぼ化学量論的組成のＴｉＮ膜が得られた。

【００６４】また、図２に示した実施例の装置において
アーク式蒸発源４０の磁石配置を図３に示すものとした
場合も、上記とほぼ同じ結果が得られた。

【００６５】＜実施例２＞図１に示した実施例の装置を
用いて、真空容器１６内を１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下まで
十分に排気した後に薄膜の形成を行った。陰極２の材料
には純度３Ｎのクロム（Ｃｒ）を用い、陰極２に反応性
ガス３４として窒素ガス（Ｎ₂）を吹き付けると共に、
イオン源８０にもガス８２として窒素ガスを導入してイ
オン８４として窒素イオンを引き出し、更に、真空容器
１６内にガス導入口２６から反応性ガス２８としてメタ
ンガス（ＣＨ₄）を導入して、ＣｒＣＮ膜を基材２２の
表面に形成した。

【００６６】電子ビーム加熱式蒸発源を用いた図１１に
示す従来の装置では、Ｃｒの蒸着速度が６μｍ／ｈｒを
越えると、Ｃｒ／（Ｃ＋Ｎ）＞１となるが、この実施例
の装置では、Ｃｒの蒸着速度が２４μｍ／ｈｒでも上記
比は１に等しく、また、得られたＣｒＣＮ膜の面粗度は
Ｒａ＝０．０５μｍ（Ｒａは最大表面粗さ）と平滑であ
った。

【００６７】また、図２に示した実施例の装置において
アーク式蒸発源４０の磁石配置を図３に示すものとした
場合は、上記と同様にＣｒの蒸着速度が２４μｍ／ｈｒ
でも上記比は化学量論値の１に等しく、また得られたＣ
ｒＣＮ膜の面粗度はＲａ＝０．０３μｍに改善された。

【００６８】＜実施例３＞図１に示した実施例の装置を
用いて、真空容器１６内を１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下まで
十分に排気した後に薄膜の形成を行った。陰極２の材料
にはホウ素（Ｂ）を用い、陰極２に反応性ガス３４とし
て窒素ガス（Ｎ₂）を吹き付けると共に、イオン源８０
にもガス８２として窒素ガスを導入してイオン８４とし
て窒素イオンを引き出し、ＢＮ膜を基材２２の表面に形
成した。

【００６９】電子ビーム加熱式蒸発源を用いた図１１に
示す従来の装置でも、平滑な六方晶、立方晶またはアモ
ルファスのＢＮ膜が形成されるが、化学量論的組成を得
るためのＢの蒸着速度の上限値が０．５μｍ／ｈｒと低
い。これに対してこの実施例の装置の場合は、平滑な六
方晶、立方晶またはアモルファスのＢＮ膜が得られる
が、化学量論的組成のＢＮ膜を得るためのＢの蒸着速度
の上限値は２μｍ／ｈｒと高かった。

【００７０】また、図２に示した実施例の装置において
アーク式蒸発源４０の磁石配置を図４に示すものとした
場合は、得られるＢＮ膜の面粗度がＲａ＝０．０５μｍ
からＲａ＝０．０２μｍに向上することが分かった。

【００７１】＜実施例４＞図１に示した実施例の装置を
用いて、真空容器１６内を１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下まで
十分に排気した後に薄膜の形成を行った。陰極２の材料
にはアルミニウム（Ａｌ）を用い、陰極２に反応性ガス
３４として窒素ガス（Ｎ₂）を吹き付けると共に、イオ
ン源８０にもガス８２として窒素ガスを導入してイオン
８４として窒素イオンを引き出し、ＡｌＮ膜を基材２２
の表面に形成した。

【００７２】電子ビーム加熱式蒸発源を用いた図１１に
示す従来の装置でも、平滑なＡｌＮ膜が形成されるが、
この実施例の装置に比べると、化学量論的組成のＡｌ膜
を得るための成膜速度の上限値は約１／３と低かった。

【００７３】また、図２に示した実施例の装置において
アーク式蒸発源４０の磁石配置を図５に示すものとした
場合は、得られるＡｌＮ膜の面粗度Ｒａは、従来の装置
の場合に比べて１／４になり、平滑性がより向上するこ
とが分かった。

【００７４】＜実施例５＞図１に示した実施例の装置を
用いて、真空容器１６内を１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下まで
十分に排気した後に、陰極２に黒鉛を用い、陰極に吹き
付ける反応性ガス３４を水素として、基材２２の表面に
ダイヤモンド状カーボン（ＤＬＣ）を蒸着した。このと
き、イオン源８０にガス８２として水素ガスとＡｒガス
との混合ガスを導入し、基材２２には水素イオンとＡｒ
イオンとの混合イオンを照射した。水素イオンは、ＤＬ
Ｃ膜中のグラファイトをエッチング除去する作用をす
る。Ａｒガスは、イオン源８０における水素のイオン化
率を向上させる作用をする。

【００７５】電子ビーム加熱式蒸発源を用いた図１１に
示す従来の装置でも、ＤＬＣ膜は形成されるが、この実
施例の装置に比べると、ＤＬＣ膜の成膜速度の上限値は
約１／５と低い。即ち、前者では０．２μｍ／ｈｒであ
るのに対して、後者では１μｍ／ｈｒの上限値が得られ
た。

【００７６】図２に示した実施例の装置においてアーク
式蒸発源４０の磁石配置を図３に示すものとした場合
も、上記とほぼ同じ結果が得られた。

【００７７】

【発明の効果】この発明は上記のとおり構成されている
ので、次のような効果を奏する。

【００７８】請求項１の装置によれば、ガス吹付け機構
を有するアーク式蒸発源を備えているので、その陰極前
面での粗大な溶融部の形成が抑制される。その結果、大
きな塊の陰極物質が蒸発するのを防止することができ、
それによって、基材表面に面粗度の良好な薄膜を形成す
ることができる。

【００７９】しかも、アーク式蒸発源を用いているので
蒸発物質のイオン化率が高く、従って高速成膜が可能で
生産性が高い。また、このようなアーク式蒸発源による
真空蒸着とイオン照射とを併用して薄膜を形成するの
で、密着性の良好な薄膜を比較的低温で形成することが
できる。

【００８０】また、従来の電子ビーム加熱式蒸発源を用
いた装置の場合は、成膜速度を上げると膜の組成が変動
し、化学量論的組成の化合物薄膜が得られなくなる問題
があり、また蒸発速度の低い蒸発材料を用いて成膜する
場合は、膜組成の変動は少ないが成膜速度が低く、結果
としていずれの場合も生産性が悪い問題があったが、こ
の発明の装置によれば、アーク式蒸発源の陰極にどのよ
うな材料を用いても、高速でかつ面粗度の良好な薄膜を
形成することができる。

【００８１】請求項２ないし７の装置によれば、次のよ
うな更なる効果を奏する。即ち、アーク式蒸発源の陰極
前面近傍においてマルチポール磁界が形成され、それに
よって陰極前面近傍における反応性ガスと陰極構成物質
との反応が促進され、陰極前面において、元の陰極材料
よりも高融点の化合物の形成やカーボン陰極の場合の炭
化水素系化合物の形成が促進されるので、陰極からの粗
大粒子の溶融・飛散が強く抑制される。しかも、上記磁
界とアーク電流とのローレンツ力等によって、アーク放
電位置のドリフトが強く促進されるので、陰極前面での
アークによる粗大溶融部の形成が強く抑制される。これ
らの作用が相俟って、陰極から粗大な粒子が飛散するこ
とをより確実に防止して、面粗度の極めて良好な薄膜を
形成するができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係るイオン蒸着薄膜形成
装置を示す概略図である。

【図２】この発明の他の実施例に係るイオン蒸着薄膜形
成装置を示す概略図である。

【図３】アーク式蒸発源における磁石配置の一例を示す
ものであり、Ａは断面図、Ｂはそのｂ−ｂ方向に見た正
面図である。

【図４】アーク式蒸発源における磁石配置の他の例を示
すものであり、Ａは断面図、Ｂはそのｂ−ｂ方向に見た
正面図である。

【図５】アーク式蒸発源における磁石配置の更に他の例
を示すものであり、Ａは断面図、Ｂはそのｂ−ｂ方向に
見た正面図である。

【図６】単一磁界の場合のアーク式蒸発源におけるアー
クの振舞いを説明する図である。

【図７】マルチポール磁界の場合のアーク式蒸発源にお
けるアークの振舞いを説明する図である。

【図８】図７中の磁界の一部を拡大して示す図である。

【図９】図７中のアーク放電位置の軌跡の一例を拡大し
て示す図である。

【図１０】ガス吹付け機構の他の例を示す正面図であ
る。

【図１１】従来のイオン蒸着薄膜形成装置の一例を示す
概略図である。

【符号の説明】

２陰極２ａ陰極前面２ｂ陰極後面４陰極物質１４アーク電源１６真空容器２０ホルダ２２基材（被処理物）３２ガス吹付け機構３４反応性ガス４０アーク式蒸発源４２，４６，４８永久磁石５０電磁石８０イオン源８４イオン

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器と、この真空容器内に設けられ
ていて基材を保持するホルダと、このホルダに保持され
た基材に蒸発物質を蒸着させる蒸発源と、前記ホルダに
保持された基材にイオンを照射するイオン源とを備え、
真空蒸着とイオン照射とを併用して基材の表面に薄膜を
形成するイオン蒸着薄膜形成装置において、前記蒸発源
として、陰極におけるアーク放電を利用して陰極物質を
蒸発させるものであって、陰極構成物質と反応する反応
性ガスを陰極前面に吹き付けるガス吹付け機構を有する
アーク式蒸発源を備えていることを特徴とするイオン蒸
着薄膜形成装置。
【請求項２】前記アーク式蒸発源の陰極の後面の後方
近傍に、互いに極性の異なる複数の磁極を、陰極後面に
対向させて配置している請求項１記載のイオン蒸着薄膜
形成装置。
【請求項３】複数の棒状の永久磁石を、各々の一方の
磁極が前記陰極後面に対向するように、かつＮ極とＳ極
とが交互に並ぶように配置することによって、前記極性
の異なる複数の磁極を形成している請求項２記載のイオ
ン蒸着薄膜形成装置。
【請求項４】複数の棒状の永久磁石を、各々の一方の
磁極が前記陰極後面に対向するように、かつＮ極とＳ極
とが無秩序に並ぶように配置することによって、前記極
性の異なる複数の磁極を形成している請求項２記載のイ
オン蒸着薄膜形成装置。
【請求項５】複数の棒状の永久磁石を、各々の一方の
磁極が前記陰極後面に対向し、かつ同極性のもの同士が
同心環状に並び、かつ環の内外方向においてＮ極群環と
Ｓ極群環とが交互に存在するように配置することによっ
て、前記極性の異なる複数の磁極を形成している請求項
２記載のイオン蒸着薄膜形成装置。
【請求項６】中心となる永久磁石の周りに１以上の環
状の永久磁石を同心状に、かつ各々の一方の磁極が前記
陰極後面に対向するように、かつ環の内外方向において
Ｎ極とＳ極とが交互に存在するように配置することによ
って、前記極性の異なる複数の磁極を形成している請求
項２記載のイオン蒸着薄膜形成装置。
【請求項７】三つの電磁石を、各々の一方の磁極が前
記陰極後面に対向するように、かつ所定の中心の周りに
１２０度ごとに配置し、それらに三相交流を供給するこ
とによって、前記極性の異なる複数の磁極を形成する請
求項２記載のイオン蒸着薄膜形成装置。