JP3057039U - アークイオンメッキユニットの磁場発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 メッキ領域の大きさを調整可能とし、均一な
膜厚分布を実現するとともに、金属粒子を有効に除去し
てメッキ膜の品質を向上させる。 【解決手段】 拡散式コイルおよび収斂式コイルを備
え、筒径が次第に拡大された拡散式コイルにより磁力線
に沿って噴出される電子およびイオン流を拡散すること
で大きな面積のメッキ領域を得るとともに、筒径が次第
に縮小された収斂式コイルにより磁力線に沿って噴出さ
れる電子およびイオン流を収斂させることで小さな面積
のメッキ領域を得る。拡散式コイルならびに収斂式コイ
ルの相互接続によって磁場を強化できると同時に、十分
な長さを備えた拡散式コイルおよび収斂式コイルで金属
粒子を有効に除去する構成となっている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、磁場発生装置に係り、特に、出口筒径の大きさを変えて磁力線に拡 散または収斂効果を持たせたコイルを用いたアークイオンメッキユニットの磁場 発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

アークイオンメッキ（AIP = Arc Ion Plating)の主要な原理は、アークでター ゲット（target）に衝撃を与えることによりターゲットの原子を飛散させて反応 性ガス（reactive gas）と反応させるものである。アーク発生過程において、金 属粒子がターゲットの表面から衝撃により飛び出すが、その中には、マクロ粒子 （macro particles)ならびにミクロ粒子（micro particles)が含まれている。こ れらの金属粒子が、メッキと同時に工作物の表面に堆積して、試料に形成される メッキ膜の品質を粗雑なものとし機械的なひび割れを発生させることがある。

【０００３】 このような問題につき、Ｈ．Ｗｏｒｅが最初に解決策を提案した。彼は、磁場 領域（magnetic confine）方式を提案して、電離されたイオンエネルギを磁場の 磁力線に沿って、らせん運動させることで磁場中に領域を限定させるものとした 。なお、異なるシステムには、それぞれ異なった磁場構造が形成されるものであ り、発生される電子流の方向ならびにそのエネルギの大きさもそれによって異な ったものとなる。公知のアークイオンメッキユニットの磁場発生装置においては 、図１に示すように、いずれも、らせん状の円筒コイルが採用されていた。以下 、いくつかの関連する従来技術およびそれらの解決すべき課題を紹介する。

【０００４】 アメリカ特許第３，６２５，８４８号の“Arc deposition process and appar atus”において、拡散式の円筒状スカートにより大きな粒子を除去していたが、 その欠点としては、磁場作用を利用したものではないので、メッキ過程で大きな 粒子を完全には除去できなかったことがあげられる。アメリカ特許第４，６７３ ，４７７号の“Controlled Vacuum Arc Material Deposition Method and appar atus”では、永久磁石および電磁石により磁場を発生させ、その磁力線がターゲ ット面と平行になるように構成されていたが、その欠点は、メッキ過程における 大きな粒子および小さな粒子を完全には除去できなかったことである。また、ア メリカ特許第５，２９８，１３６号の“Steered Arc Coating with Thick Targe ts”においては、磁場でアーク制御してアークをある領域内に限定して、異なる 材質の複合ターゲットを蒸着するものであったが、その欠点としては、微細粒子 を除去することができず、しかも、メッキ領域が中心ターゲット面に対して垂直 な領域に限られるものであった。

【０００５】 さらに、関連する従来技術がいくつかの文献に記載されている。例えば、１９ ８７年にアメリカのJ. Vac. Sci. Techol. A5(4)に掲載された“Magnetic enhan cement of cathodic arc deposition"では、メッキ試料の近くに従来方式の円筒 コイルを配置しているが、その技術的な欠点は、メッキ膜の厚さ分布が不均一で 、試料の中央が厚く周辺が薄くなるという現象が見られたことである。１９９４ 年にイギリスのSurface and Coating Technology 68/69, p141-151に掲載された “Influence of an external magnetic field on cathodic spot motion and co ating deposition using filtered vacuum arc evaporation”では、４組の円筒 磁場コイルを異なる位置に配置して、それぞれ陰極アークを制御しており、ター ゲットと試料との中間にある通路およびキャビティの磁場強度を強化することで 、メッキ速度ならびに品質を改善しようとしていた。その欠点は、メッキ領域が 小さすぎるとともに、実際の運用においてメッキ膜の厚さ分布が不均一なものと なることにあった。また、１９９２年にイギリスのSurface and Coating Techno logy 50, p103-109 に掲載された“Plasma and deposition enhancement by mod ified arc evaporation source”では、ターゲット付近に１組の円筒コイルおよ びスリットを有するフレキシブルコアを付設してプラズマ流をガイドすることに よって、メッキ膜の表面品質を改善していたが、膜厚が不均一でメッキ領域が小 さすぎるという欠点があった。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

従って、以上に述べた従来技術から理解できるように、従来の磁場発生装置に おいては磁場の有無に関係なく、いずれも図１に示したような円筒コイルを採用 しているので、アークでターゲットに衝撃を与えて発生させる電子およびイオン 流が円筒コイルの出口付近に集中するものとなり、出口から離れた領域にあるメ ッキ膜が薄いものとなってしまっていた。そこで、いずれも試料のメッキ膜厚が 不均一でメッキ領域が小さすぎるという欠点があった。また、金属粒子を除去す ることができず試料の表面に付着してしまい、メッキ膜の品質が粗雑で機械的な ひび割れが発生するという欠点もあった。さらに、大きな面積の試料には大きな 円筒コイルのキャビティを使用しなければならないとともに、小さな面積の試料 に対して大きなキャビティを使用すれば、大部分の電子およびイオン流が無駄に なってしまうことになっていた。

【０００７】 そこで、本考案に係るアークイオンメッキユニットの磁場発生装置は、改良さ れた円筒コイル磁場発生装置を採用して、メッキ膜の膜厚を均一なものとし、メ ッキ領域の大きさを大きくも小さくもできるものとすることをその主要な目的と する。また、メッキ過程で発生するマクロ粒子およびミクロ粒子を除去して、メ ッキ膜の品質が粗雑で機械的なひび割れが発生するという問題を改善することを その別な目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

上記課題を解決し、所望の目的を達成するために、本考案に係るアークイオン メッキユニットの磁場発生装置は、キャビティ内に配設される円筒状のコイルと 、このコイルの一端部から電流を供給し、磁力線が前記コイルの長手方向に沿っ て発生するよう磁場を形成する磁場電源供給器とを備えたアークイオンメッキユ ニットの磁場発生装置において、前記コイルの他端部の筒径を、外方に向かって 次第に拡大させるか縮小させるようにする。また、前記コイルを、端部において 筒径が外方に向かって次第に拡大した拡大端部を有する拡散式コイルと、端部に おいて筒径が外方に向かって次第に縮小した縮小端部を有する収斂式コイルとを 連接してなる複合式コイルとして構成する。

【０００９】 本考案に係るアークイオンメッキユニットの磁場発生装置は、少なくとも拡散 式コイル（expanded coil ）あるいは収斂式コイル（concentrated coil ）を備 える。拡散式コイルは、電子およびイオン流の流動範囲を拡大させることができ るものである。アーク発生器からのアークが金属ターゲットに衝撃を与えて電子 およびイオン流を発生させる。この拡散式コイルには、磁場電源供給器から電流 が供給され、磁場が発生する。その磁力線の拡散角度をαとすると、衝撃により 発生した電子およびイオン流が拡散する磁力線の拡散角度αに沿って吹き出して 、試料上にメッキ膜を形成する。従って、この拡散式コイルは、面積が大きな試 料に用いることができる。また、収斂式コイルは、電子およびイオン流の流動範 囲を集中させることができるものである。アーク発生器からのアークが金属ター ゲットに衝撃を与えて電子およびイオン流を発生させる。この収斂式コイルには 、磁場電源供給器から電流が供給され、磁場が発生する。その磁力線の収斂角度 をβとすると、衝撃により発生した電子およびイオン流が収斂する磁力線の収斂 角度βに沿って吹き出して、試料上にメッキ膜を形成する。従って、この収斂式 コイルは、面積が小さな試料に用いることができる。

【００１０】 そこで、磁場を発生する円筒状コイルのキャビティを変更することなく、試料 に対するメッキ膜の品質ならびにメッキ速度を向上させることができるとともに 、実際の試料の大きさに応じて拡散式あるいは収斂式コイルを選択して最適化さ れたメッキ工程となるようにコントロールすることができる。

【００１１】

【考案の実施の形態】

以下、本考案に係る好適な実施例を図面に基づいて説明する。 図２は、本考案において用いられる（ａ）拡散式コイルおよび（ｂ）収斂式コ イルの外観図である。拡散角度αは、磁場の磁力線が（ａ）拡散式コイルにより 拡散する角度を示し、収斂角度βは、磁場の磁力線が（ｂ）収斂式コイルにより 収斂する角度を示している。それぞれの角度は、約１５〜７５°とすることが望 ましい。

【００１２】 図３は本考案による磁場発生装置の実施の形態を示す構成図である。 図３（ａ）は、拡散式コイルを使用した磁場発生装置である。円筒状拡散式コ イル１０がキャビティ１２中に配設されるとともに、拡散式コイル１０の一端部 （図右側）が磁場電源供給器１８に接続されている。拡散式コイル１０の他端部 （出口）は筒径が、外方に向かって次第に拡大するように形成されている。磁場 電源供給器１８により交流電源または直流電源が供給され、拡散式コイル１０を 介して磁場が磁力線がコイルの長手方向に沿って発生するよう形成され、磁力線 ２０が図示のように発生する。磁場強度としては、約１０〜１５００ガウスとす ることが望ましい。また、キャビティ１２の底面（図右側）には金属ターゲット １４が配設されて、アーク電源供給器１６に接続されている。このアーク電源供 給器１６によりアーク器１７からアーク（図示せず）が発生して金属ターゲット １４に衝撃を与えることで、帯電イオンおよび電子流（図示せず）を発生させる 。この電子およびイオン流は、拡散式コイル１０により磁力線２０に沿って、ら せん運動をするが、電子およびイオン流（図示せず）が拡散式コイル１０の出口 （図左側）に至ると、拡散角度α（図２を参照）で拡散するので、比較的大きな 面積のメッキ領域とすることができる。しかも、メッキ面積を増加させることが できるだけでなく、従来の円筒コイルのメッキ領域がコイル出口付近に集中して メッキ膜の厚さが不均一になるという問題を解決することができる。

【００１３】 図３（ｂ）は、収斂式コイルを使用した磁場発生装置である。収斂式コイル２ ２がキャビティ１２中に配設されるとともに、収斂式コイル２２の一端部（図右 側）が磁場電源供給器１８に接続されている。収斂式コイル２２の他端部（出口 ）は筒径が、外方に向かって次第に縮小するように形成されている。磁場電源供 給器１８により交流電源または直流電源が供給され、収斂式コイル２２を介して 磁場が磁力線がコイルの長手方向に沿って発生するよう形成され、磁力線２０が 図示のように発生する。磁場強度としては、約１０〜１５００ガウスとすること が望ましい。また、キャビティ１２の底面（図右側）には金属ターゲット１４が 配設されて、アーク電源供給器１６に接続されている。このアーク電源供給器１ ６によりアーク器１７からアーク（図示せず）が発生して金属ターゲット１４に 衝撃を与えることで、帯電イオンおよび電子流（図示せず）を発生させる。この 電子およびイオン流は、収斂式コイル２２により磁力線２０に沿って、らせん運 動をするが、電子およびイオン流（図示せず）が収斂式コイル２２の出口（図左 側）に至ると、拡散角度β（図２を参照）で収斂するので、小さな面積の集中し たメッキ領域とすることができ、比較的小さな試料に用いることができる。

【００１４】 図４は、本考案に係る円筒コイルとアークイオンメッキ用チェンバとを組合わ せたアークイオンメッキユニットの実施の形態を示す構成図である。アークイオ ンメッキ用チェンバ４９の壁面に第１拡散式コイル４０ａと第２拡散式コイル４ ０ｂと収斂式コイル４０ｃとを配置している。これら第１拡散式コイル４０ａ， 第２拡散式コイル４０ｂおよび収斂式コイル４０ｃの底面には、それぞれ金属タ ーゲット４４ａ，４４ｂ，４４ｃが配設され、おのおの第１アーク電源供給器４ ２ａ，第２アーク電源供給器４２ｂ，第３アーク電源供給器４２ｃに接続されて いる。また、第１拡散式コイル４０ａおよび第２拡散式コイル４０ｂの一端部（ 図右側）が共通に磁場電源供給器４１ａに接続され、収斂式コイル４０ｃの一端 部（図左側）が第２磁場電源供給器４１ｂに接続されている。

【００１５】 先ず、第１〜第３アーク電源供給器４２ａ，４２ｂ，４２ｃから第１〜第３ア ーク器４３ａ，４３ｂ，４３ｃにそれぞれ電源が供給されて、アーク（図示せず ）が各金属ターゲット４４ａ，４４ｂ，４４ｃに衝撃を与え、おのおの電子およ びイオン流（図示せず）を発生させる。これらの電子およびイオン流が、それぞ れ第１拡散式コイル４０ａ，第２拡散式コイル４０ｂおよび収斂式コイル４０ｃ 内部で磁力線（図３を参照）に沿って、らせん運動を行う。反応ガス（点で表示 ）がガスバルブ４５からアークイオンメッキ用チェンバ４９に導入されて、第１ 拡散式コイル４０ａ，第２拡散式コイル４０ｂおよび収斂式コイル４０ｃの出口 から噴出する電子およびイオン流と反応する。試料４７ａ，４７ｂが試料台４８ 上に置かれるとともに、この試料台４８がバイアス電源供給器４６に接続され駆 動手段（図示せず）を介して、試料台４８を均一に回転させるようになっており 、試料４７ａ，４７ｂにメッキ膜を形成することができる。

【００１６】 第１および第２拡散式コイル４０ａ，４０ｂは、その出口が大きくなっている ので、大きな面積に対して均一なメッキ膜を形成することができる。そして、収 斂式コイル４０ｃは、その出口が小さくなっているので、特定領域において小さ な面積のメッキ膜を形成することができる。

【００１７】 なお、図示していないが、本考案に係る拡散式コイルと収斂式コイルとを相互 に連接して、磁場を強化することもできる。例えば、拡散式コイル出口の筒径を 収斂式コイル末端の筒径と同一にして、収斂式コイルの末端に連接するか、ある いは収斂式コイル出口の筒径を拡散式コイル末端の筒径と同一にして、拡散式コ イルの末端に連接することができるし、さらに別な組み合せも実施することがで きる。

【００１８】 以上のような構成により、本考案によって採用する拡散式コイルは、磁場の磁 力線をその出口において拡散させるので、磁力線に沿って運動する電子およびイ オン流も拡散し、比較的大きなメッキ領域とすることができる。また、収斂式コ イルは、磁場の磁力線をその出口において収斂させるので、磁力線に沿って運動 する電子およびイオン流も収斂し、比較的集中したメッキ領域とすることができ る。さらに、アークにより衝撃を受けた金属ターゲットの表面に発生するマクロ 粒子ならびにミクロ粒子は、いずれも帯電していない原子であるから、拡散式コ イルおよび／または収斂式コイルの長さを、金属粒子が一定距離を運動した後で 運動エネルギを失ってキャビティ内で落下するのに十分な長さとすることにより 、金属粒子を除去することができる。そして、電子およびイオン流が磁力線に沿 ってらせん運動をしており、大きな磁場作用により大きなエネルギを備えている ので、電子およびイオン流中の電子が運動中の金属粒子と衝突して金属を電子と 金属イオンとに分解するから、そのメッキ速度を増大させることができる。

【００１９】

【表１】

【００２０】 表１において、本考案に係るアークイオンメッキユニットの拡散式コイルによ る磁場発生装置と従来技術の円筒コイルによる磁場発生装置との比較を示す。表 １中、「改良前」は磁場を形成しない場合を示し、「改良後」は拡散式コイルに よる磁場発生装置を採用した場合を示している。また、磁場の大きさを直流磁場 の５０ガウス（Gauss)とし、試料サイズを５×８ｃｍ² としている。

【００２１】 以上の結果から分かるように、本考案においては、次のような改善が見られた 。 表１の第１項目に示したメッキ速度が、試料の周辺（上下）において０． ０４５μｍ／ｍｉｎおよび０．０４２μｍ／ｍｉｎとなっており、これは従来技 術よりも速くなっている。 表１の第２項目に示した表面粗さが、０．０１μｍより小さいものとなり 、表面粗さが大幅に改善されている。 表１の第３項目に示すように、０．５μｍより大きいマクロ粒子が０％で あり、表面のマクロ粒子が完全に除去されている。 表１の第４項目から分かるように、膜厚の均一性が８５％に達しており、 従来技術を３５％も上回っている。

【００２２】 以上のごとく、本考案を好適な実施例により開示したが、当業者であれば容易 に理解できるように、本考案の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに 修正が当然なされうるものであるから、その保護の範囲は、実用新案登録請求の 範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。

【００２３】

【考案の効果】

上述した構成により、本考案に係るアークイオンメッキユニットの磁場発生装 置は、拡散式コイルおよび収斂式コイルを併用して、メッキ膜の膜厚分布を均一 なものとし、メッキ領域の大きさを大きくも小さくもでき、また、メッキ過程で 発生するマクロ粒子およびミクロ粒子を有効に除去して、メッキ膜の品質を向上 させることができるので、産業上の利用価値が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術に用いる円筒コイルを示す構成図であ
る。

【図２】本考案に用いる（ａ）拡散式コイル（拡散角度
α）ならびに（ｂ）収斂式コイル（収斂角度β）を示す
構成図である。

【図３】本考案に係る（ａ）拡散式コイルによる磁場発
生装置および（ｂ）収斂式コイルによる磁場発生装置を
示す構成図である。

【図４】本考案に係る１つの実施の形態を示すユニット
構成図である。

【符号の説明】

１０ 拡散式コイル １２ キャビティ １４ 金属ターゲット １６ アーク電源供給器 １７ アーク器 １８ 磁場電源供給器 ２０ 磁力線 ２２ 収斂式コイル ４０ａ 第１拡散式コイル ４０ｂ 第２拡散式コイル ４０ｃ 収斂式コイル ４１ａ 第１磁場電源供給器 ４１ｂ 第２磁場電源供給器 ４２ａ 第１アーク電源供給器 ４２ｂ 第２アーク電源供給器 ４２ｃ 第３アーク電源供給器 ４３ａ，４３ｂ，４３ｃ アーク器 ４４ａ，４４ｂ，４４ｃ 金属ターゲット ４５ ガスバルブ ４６ バイアス電源供給器 ４７ａ，４７ｂ 試料 ４８ 試料台 ４９ アークイオンメッキ用チェンバ

フロントページの続き (72)考案者 張 為傑 台湾雲林県▲ツゥ▼桐郷▲ツゥ▼桐村中正 路69号 (72)考案者 黄 信誠 台湾台南県新営市育徳一街48号 (72)考案者 劉 茂賢 台湾新竹市金山里金山23号

Claims (11)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 キャビティ内に配設される円筒状のコイ
   ルと、このコイルの一端部から電流を供給し、磁力線が
   前記コイルの長手方向に沿って発生するよう磁場を形成
   する磁場電源供給器とを備えたアークイオンメッキユニ
   ットの磁場発生装置において、 前記コイルの他端部の筒径を、外方に向かって次第に拡
   大させることを特徴とするアークイオンメッキユニット
   の磁場発生装置。
2. 【請求項２】 前記他端部の筒径を所定の拡散角度で次
   第に拡大させることを特徴とする請求項１記載のアーク
   イオンメッキユニットの磁場発生装置。
3. 【請求項３】 キャビティ内に配設される円筒状のコイ
   ルと、このコイルの一端部から電流を供給し、磁力線が
   前記コイルの長手方向に沿って発生するよう磁場を形成
   する磁場電源供給器とを備えたアークイオンメッキユニ
   ットの磁場発生装置において、 前記コイルの他端部の筒径を、外方に向かって次第に縮
   小させることを特徴とするアークイオンメッキユニット
   の磁場発生装置。
4. 【請求項４】 前記他端部の筒径を所定の収斂角度で次
   第に縮小させることを特徴とする請求項３記載のアーク
   イオンメッキユニットの磁場発生装置。
5. 【請求項５】 前記拡散あるいは収斂角度を１５〜７５
   °とすることを特徴とする請求項２または４記載のアー
   クイオンメッキユニットの磁場発生装置。
6. 【請求項６】 前記磁場電源供給器が、直流電源を供給
   するものであることを特徴とする請求項１または３記載
   のアークイオンメッキユニットの磁場発生装置。
7. 【請求項７】 前記磁場電源供給器が、交流電源を供給
   するものであることを特徴とする請求項１または３記載
   のアークイオンメッキユニットの磁場発生装置。
8. 【請求項８】 キャビティ内に配設される円筒状のコイ
   ルと、このコイルの一端部から電流を供給し、磁力線が
   前記コイルの長手方向に沿って発生するよう磁場を形成
   する磁場電源供給器とを備えたアークイオンメッキユニ
   ットの磁場発生装置において、 前記コイルが、端部において筒径が外方に向かって次第
   に拡大した拡大端部を有する拡散式コイルと、端部にお
   いて筒径が外方に向かって次第に縮小した縮小端部を有
   する収斂式コイルとを連接してなる複合式コイルからな
   ることを特徴とするアークイオンメッキユニットの磁場
   発生装置。
9. 【請求項９】 前記複合式コイルが、前記拡散式コイル
   の前記拡大端部に前記収斂式コイルの非縮小端部を連接
   して構成されることを特徴とする請求項８記載のアーク
   イオンメッキユニットの磁場発生装置。
10. 【請求項１０】 前記複合式コイルが、前記収斂式コイ
    ルの前記縮小端部に前記拡散式コイルの非拡大端部を連
    接して構成されることを特徴とする請求項８記載のアー
    クイオンメッキユニットの磁場発生装置。
11. 【請求項１１】 前記コイルの発生する磁場強度が、５
    ０〜１５００ガウスであることを特徴とする請求項１、
    ３又は８のいずれか１項に記載のアークイオンメッキユ
    ニットの磁場発生装置。