JP3993388B2 - 真空アーク蒸発源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空アーク蒸発源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
真空アーク蒸着法は、真空室内で蒸発物質を陰極とするアーク放電により陰極材料を蒸発、イオン化させ基板上に皮膜を堆積させる方法である。この蒸着法は、切削工具、機械部品、電子部品、プリント回路などの各分野での耐摩耗性被膜の形成に使用されている。この方法では基板への入射粒子のエネルギーが高いため密度が高く強度耐久性に優れた膜を高速に成膜することができる。
しかし陰極から数μｍ以上の径を持つ溶融粒子が発生し易く、これが基板表面へ付着することで被膜の面粗度悪化や組成の不均一につながってしまう。
【０００３】
したがって、より高質の皮膜を形成するために、陰極からの溶融粒子の発生あるいは基板への付着を低減することが求められている。
溶融粒子の発生の原因の一つとして、陰極の蒸発面におけるアークスポット（陰極点）の位置が偏在することによる蒸発面の局所的加熱が挙げられる。このような溶融粒子の発生を抑制するには、磁場によりアークスポットを移動させ、局所加熱を防ぐ必要がある。
アークスポット移動による溶融粒子の発生抑制技術としては、特開平１１−２６９６３４号公報に記載のものが公知である。この技術では、蒸発源を同軸状に囲むリング状永久磁石を設け、蒸発面を通過する磁力線の蒸発面に平行な成分とアーク電流との相互作用によって、蒸発面上のアークスポットを高速で周回転させ、局所加熱を防止し、溶融粒子の発生を抑制している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、溶融粒子の発生を効果的に抑制しようとすれば、アークスポットの移動速度をより大きくして、局所加熱を防ぐ必要がある。アークスポットの移動速度は磁束密度の蒸発面に平行な成分の大きさに比例するため、局所加熱を防ぐには、磁場を強力にして蒸発面における平行な成分の大きさを強くすることが求められる。
しかし、平行成分を大きくするために、単に磁石を大きくすること等で対応すると、装置が大きく複雑になるという問題がある。特に、前記従来技術では、磁石によって発生する磁場は蒸発面に垂直な成分の方が大きいため、単に磁場を強力にしても磁力線の平行成分の効率的な増加、すなわちアークスポット周回運動の速度の効率的な増加は期待できない。
【０００５】
かかる問題に鑑み、本発明の課題は、磁力線を蒸発面に対してより平行にしてアークスポットの周回速度を効率的に増加させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、次の技術的手段を採用した。すなわち、本発明の特徴は、蒸発物質の蒸発面に平行な成分を有する磁力線を発生する磁場発生源を備えた真空アーク蒸発源において、前記磁場発生源は、前記蒸発面の略中央位置に配置された中央磁極部と前記蒸発物質の外周を囲むように配置された外周磁極部とを備え、前記蒸発面において前記中央磁極部と前記外周磁極部との間で放射状に延びる磁力線を発生するように前記中央磁極部と前記外周磁極部とは異種磁極とされ、前記中央磁極部及び／又は外周磁極部は、使用前の蒸発物質の蒸発面より正面側に突出するように配備されている点にある。
【０００７】
アークスポットを周回運動させるには、磁力線が単に蒸発面と平行なだけでなく、磁力線が蒸発面において放射状に延びている必要がある。放射状の磁力線を形成し、かつその平行成分を大きくするために、本発明では、外周磁極部に加えて中央磁極部を設けている。中央磁極と外周磁極部は異種磁極であるので、これらの間には放射状の磁力線が発生し、しかもこの磁力線は、従来技術と比べて蒸発面に対してより平行に近くなる。
この平行成分の大きい磁力線によって、アークスポットは蒸発面を高速で周回移動し、局所加熱が防止され、溶融粒子の発生が抑制される。
【０００８】
なお、本発明における磁石には、電磁石も採用できるが、永久磁石であれば構成を簡易にすることができる。
また、前記中央磁極部と外周磁極部は磁石だけで構成することもできるが、前記中央磁極部及び／又は外周磁極部は、蒸発物質正面側に位置する第１磁性体の背面側に磁石を設けて構成するのが好ましい。
かかる構成であれば、正面側に磁性体が存在するので、この磁性体に磁力線が集中し、蒸発面付近の磁束密度を高くすることでき、より強力な磁場となる。
【０００９】
また中央磁極部や外周磁極部の蒸発物質正面側は真空アーク蒸着装置の運転時には高温になるので、高温となる蒸発物質正面側に第１磁性体を設け、この磁性体の背面側に磁石を設けることで、磁石の磁力劣化を防止できる。
そして、蒸発面は、磁力線がより平行となる位置に配置するのが好ましく、このためには、前記第１磁性体の軸方向（リング状の外周磁極部の中心軸Ｃ）に沿った寸法の略中央位置が適当である。また、蒸発面は、蒸発物質の消耗により背面側に後退するので、これを考慮すると、蒸発面は、前記略中央位置より正面側であるのが好ましい。すなわち、前記外周磁極部はリング状であって前記中央磁極部を取り囲むように配置され、前記外周磁極部の中心軸に沿った方向において、前記蒸発面が、前記第１磁性体の略中央位置と前記第１磁性体の正面側端部位置との間に配置されていることが好ましい。
【００１０】
第１磁性体の軸方向寸法は、磁石の位置等の関係で大きくなる場合もあるが、磁性体が大きくなると磁力線が分散するので、磁力線を集中させて磁束密度を高くするために、前記外周磁極部の中心軸に沿った方向において、前記第１磁性体の前記蒸発物質と接する面の寸法が、第１磁性体全体の寸法より小さく形成されているのが好ましい。
この構成であれば、第１磁性体が大きくなっても、蒸発物質と接する面の寸法を小さくすることで、磁力線が蒸発面付近に集中し、磁束密度を高くすることができる。
【００１１】
また、前記中央磁極部と前記外周磁極部とを蒸発物質背面側でつなぐ磁気回路を構成するための第２磁性体を設けておくと、磁力線は磁気回路内に多く位置し、周囲へ発散する磁力線が少なくなり、磁場による周囲への影響を抑えることができる。特に複数の真空アーク蒸発源が設置される真空アーク蒸着装置の場合には、隣接する蒸発源への磁場の影響を防止できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図４は、本発明の第１実施形態を示している。本発明の真空アーク蒸発源１が適用される真空アーク蒸着装置２は、内部にワークとしての基板Ｗが設置される真空チャンバ３を有し、このチャンバ３内に複数の真空アーク蒸発源１が設けられている。また、この真空アーク蒸発源１は、陰極となる蒸発物質４を備えている。なお、真空アーク蒸着装置２は、アーク放電電流を供給するためのアーク電源５を備えている。
【００１３】
真空アーク蒸発源１は、図２及び図３に示すように、陰極となる蒸発物質４の他、磁場発生源６を有している。磁場発生源６は、蒸発物質４の蒸発面４ａ（図２の上側面）の略中央位置に配置された中央磁極部８と、蒸発物質４の外周を囲むように配置されたリング状の外周磁極部９とを有している。なお、中央磁極部８と外周磁極部９とは同軸状に配置され、前記蒸発物質４は中央磁極部８側面と外周磁極部９内周面の間にドーナツ状に設けられている。
前記中央磁極部８は、中央第１磁性体１１と中央永久磁石（ネオジ磁石）１２とを有している。中央第１磁性体１１は、蒸発物質４の中央孔に嵌合され、蒸発面４ａより正面側（基板Ｗ側：図２において上側）にやや突出状に設けられている。中央永久磁石１２は、中央第１磁性体１１の背面側に設けられ、蒸発物質４の背面側に位置している。
【００１４】
この中央磁石１２は、両磁極が軸方向（外周磁極部９の中心軸であって図２の線Ｃの方向）を向くように配置され、図２では正面側がＳ極とされ、背面側がＮ極とされている。したがって、中央磁極部８の蒸発面４ａ付近、すなわち中央第１磁性体１１にはＳ極が現れる。
前記外周磁極部９は、外周第１磁性体１４と外周永久磁石（ネオジ磁石）１５とを有している。外周第１磁性体１４は、リング状であって蒸発物質４と同軸状に配置され、蒸発面４ａより正面側にやや突出状に設けられている。なお、前記中央第１磁性体１１とこの外周第１磁性体１４の背面は蒸発物質４の背面と面一となっている。
【００１５】
外周永久磁石１５は、リング状であって外周第１磁性体１４背面側に設けられ、蒸発物質４の背面側に位置している。この外周磁石１５は、両磁極が軸方向を向くように配置され、図２では、正面側がＮ極とされ、背面側がＳ極とされている。したがって、外周磁極部９の蒸発面４ａ付近、すなわち外周第１磁性体１４にはＮ極が現れる。中央第１磁性体１１はＳ極であるので、外周第１磁性体１４の内周面（Ｎ極）と中央第１磁性体１１の外周面（Ｓ極）との間には、蒸発面４ａと略平行な磁力線Ｍが放射状に発生する（図２参照）。この平行な磁力線は、図２の矢印Ａで示すように、蒸発面４ａ上のアークスポットを高速で周回運動させる。
【００１６】
また、各磁石１２，１５から出た磁力線は第１磁性体１１，１４に集中するため、蒸発面（陰極表面）４ａでの磁束密度が大きくなる。アークスポットの回転速度は磁束密度の蒸発面４ａに平行な成分に比例するので、このように形成された磁場によりアークスポットを高速に回転させることができる。したがって、陰極表面の局所加熱を防ぎ、溶融粒子の発生を抑制することができる。
ここで、蒸発面４ａは、磁力線分布の最も適した箇所に配置されるべきである。すなわち、蒸発面４ａは磁力線が平行になる位置に配置するのが好ましい。平行な磁力線は、各第１磁性体１１，１４の軸方向寸法ｈ１の略中央位置に形成されるので、蒸発面４ａは、第１磁性体１１，１４の軸方向寸法ｈ１の略中央位置に配置するのが好ましい。言い換えると、第１磁性体１１，１４の蒸発面４ａに対する突出寸法ｈ２は、ｈ１の略半分であるのが好ましい。
【００１７】
また、蒸発面４ａは蒸発物質４の消耗により後退（図２において下方に消耗）するので、これを考慮すると、蒸発面４ａは、第１磁性体１１，１４の軸方向寸法ｈ２の略中央位置と第１磁性体１１，１４の上面側端部との間に配置されているのが良い。言い換えると、第１蒸発体１１，１４の蒸発面４ａに対する突出寸法ｈ１は、０≦ｈ２≦（ｈ１／２）の範囲であるのが良い。
中央磁石１１と外周磁石１５の背面には、これら両者を磁気的に接続する磁気回路を構成するための第２磁性体１７が設けられている。この第２磁性体１７は、外周磁極部９と同径の円盤形状に形成されている。第２磁性体１７を設けることで、各磁石１１，１５の背面側磁極からの磁力線の発散が抑えられ、チャンバ３内で隣接する他の蒸発源１への磁場の影響が少なくなる。
【００１８】
なお、第２磁性体１７を有することによって、磁場発生源６の径方向断面形状は、図２のようにＥ字状となる。
図３は、図２のような磁場発生源６における磁力線分布のシミュレーション結果を示している。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）中の磁場発生源６の構成対応図である。図３（ａ）に示すように、磁石１２，１５で発生した磁力線は、第１磁性体１１，１４に集中し、蒸発面４ａで平行な磁場が形成されている。
また、図４は、蒸発物質４内の磁束密度分布の等高線図を示している。なお、図４中、符号４ｂは中央第１磁性体１１と接する面を、符号４ｃは外周第１磁性体１４と接する面を示している。
【００１９】
蒸発物質４内において磁束密度は０．０５Ｔ以上となり、強い磁場を形成できている。なお、図４において、ａ２〜ａ１４は等高線であり、ａ２は０．０８２９Ｔ、ａ３は０．０９８２Ｔ、ａ４は０．１１３Ｔ、ａ５は０．１２９Ｔ、ａ６は０．１４４Ｔ、ａ７は０．１５９Ｔ、ａ８は０．１７５Ｔ、ａ９は０．１９０Ｔ、ａ１０は０．２０５Ｔ、ａ１１は０．２２１Ｔ、ａ１２は０．２３６Ｔ、ａ１３は０．２５１Ｔ、ａ１４は０．２６６Ｔを示している。
図５〜図７は、第２実施形態に係る真空アーク蒸発源１を示している。この蒸発源１の磁場発生源６は、第１実施形態の中央永久磁石１２が磁性体に置き換えられている点で第１実施形態と相違する。
【００２０】
ここでは、中央第１磁性体１１が第１磁性体１７と接するように延長され、中央磁極部８を構成している。この中央磁極部８は、第２磁性体１７を介して外周永久磁石１５と接続されているので、中央磁極部８には、Ｓ極が現れ、Ｎ極である外周磁極部９とは異種磁極となる。
中央磁石１２を磁性体に置き換えても、図６の磁力線分布図及び図７の磁束密度等高線図に示すように、第１実施形態とよく似た磁場分布を形成することができる。第１実施形態に比べて磁束密度はわずかに小さくなるが、蒸発面４ａに略平行な磁力線が形成されている。
【００２１】
なお、図７の磁束密度等高線は、ａ２が０．０５３６Ｔ、ａ３が０．０６１２Ｔ、ａ４が０．０６８９Ｔ、ａ５が０．０７６６Ｔ、ａ６が０．０８４２Ｔ、ａ７が０．０９１９Ｔ、ａ８が０．９９６Ｔ、ａ９が０．１０７Ｔ、ａ１０が０．１１５Ｔ、ａ１１が０．１２３Ｔ、ａ１２が０．１３０Ｔ、ａ１３が０．１３８Ｔ、ａ１４が０．１４６Ｔを示している。
図８及び図９は、第３実施形態に係る真空アーク蒸発源１を示している。この蒸発源１の磁場発生源６は、蒸発物質４と接する部分において第１磁性体１１，１４の軸方向厚みを薄くしている点で第１実施形態のものと相違する。
【００２２】
すなわち、中央第１磁性体１１の外周面の一部１１ａが蒸発物質４側に突出形成され、また、外周第１磁性体１４の内周面の一部１４ａが蒸発物質４側に突出形成されている。これら突出形成された部分１１ａ，１４ａは磁力線集中部であり、中央第１磁性体１１の外周面又は外周第１磁性体１４の内周面から出る磁力線は、図９に示すように、薄い部分１１ａ，１４ａに集中し、蒸発面４ａの磁束密度を高くすることができる。
図１０は、第４実施形態に係る真空アーク蒸発源１を示している。この蒸発源１の磁場発生源６は、磁石の配置が第１実施形態と相違する。この磁場発生源６では、中央磁極部８は蒸発物質４背面側まで延びる中央磁性体１１からなり、外周磁極部９は蒸発物質４背面側まで延びる外周磁性体１４からなる。
【００２３】
蒸発物質４の背面側には、リング状の永久磁石２０が設けられている。この磁石２０は、内周面と外周面に磁極が現れるものであり、図１０では、外周側がＮ極、内周側がＳ極とされている。両磁極はそれぞれ中央磁性体１１及び外周磁性体１４と接しており、中央磁極部８正面側にはＳ極が、外周磁極部９正面側には
Ｎ極が現れる。各磁極から出た磁力線は磁性体１１，１４に集中し、中央磁極部８の外周面と外周磁極部９の内周面との間には蒸発面４ａと略平行な磁力線が現れる。
【００２４】
図１１は、第５実施形態に係る真空アーク蒸発源１を示している。この蒸発源１の磁場発生源６も、磁石の配置が第１実施形態と相違する。この磁場発生源６では、中央永久磁石１２及び外周永久磁石１５が磁性体１１，１４より正面側に配置されている。このような配置であっても、蒸発面４ａと略平行な磁力線が得られる。
上記第２〜５実施形態において説明を省略した点は第１実施形態と同様である。
【００２５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、放射状であって蒸発面に対してより平行な磁力線が得られるので、アークスポットをより高速で周回運動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 真空アーク蒸着装置の概略構成図である。
【図２】 （ａ）は、第１実施形態に係る真空アーク蒸発源の径方向断面図であり、（ｂ）は、同正面図である。
【図３】 （ａ）は第１実施形態に係る真空アーク蒸発源の磁力線分布図であり、（ｂ）は（ａ）中の磁場発生源の構成対応図である。
【図４】 第１実施形態に係る真空アーク蒸発源の蒸発物質内の磁束密度等高線図である。
【図５】 第２実施形態に係る真空アーク蒸発源の径方向断面図である。
【図６】 第２実施形態に係る真空アーク蒸発源の磁力線分布図である。
【図７】 第２実施形態に係る真空アーク蒸発源の蒸発物質内の磁束密度等高線図である。
【図８】 第３実施形態に係る真空アーク蒸発源の径方向断面図である。
【図９】 第３実施形態に係る真空アーク蒸発源の磁力線分布図である。
【図１０】 第４実施形態に係る真空アーク蒸発源の径方向断面図である。
【図１１】 第５実施形態に係る真空アーク蒸発源の径方向断面図である。
【符号の説明】
１ 真空アーク蒸発源
４ 蒸発物質
６ 磁場発生源
８ 中央磁極部
９ 外周磁極部
１１ 中央第１磁性体
１２ 中央永久磁石
１４ 外周第１磁性体
１５ 外周永久磁石
１７ 第２磁性体

Claims (5)

1. 蒸発物質（４）の蒸発面（４ａ）に平行な成分を有する磁力線を発生する磁場発生源（６）を備えた真空アーク蒸発源において、
   前記磁場発生源（６）は、前記蒸発面（４ａ）の略中央位置に配置された中央磁極部（８）と前記蒸発物質（４）の外周を囲むように配置された外周磁極部（９）とを備え、
   前記蒸発面（４ａ）において前記中央磁極部（８）と前記外周磁極部（９）との間で放射状に延びる磁力線を発生するように前記中央磁極部（８）と前記外周磁極部（９）とは異種磁極とされ、
   前記中央磁極部（８）及び／又は外周磁極部（９）は、使用前の蒸発物質（４）の蒸発面（４ａ）より正面側に突出するように配備されている
   ことを特徴とする真空アーク蒸発源。
2. 前記中央磁極部（８）及び／又は外周磁極部（９）は、蒸発物質（４）正面側に位置する第１磁性体（１１，１４）の背面側に磁石（１２，１５）を設けて構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の真空アーク蒸発源。
3. 前記外周磁極部（９）はリング状であって前記中央磁極部（８）を取り囲むように配置され、
   前記外周磁極部（９）の中心軸（Ｃ）に沿った方向において、前記蒸発面（４ａ）が、前記第１磁性体（１１，１４）の略中央位置と前記第１磁性体（１１，１４）の正面側端部位置との間に配置されている
   ことを特徴とする請求項２記載の真空アーク蒸発源。
4. 前記外周磁極部（９）はリング状であって前記中央磁極部（８）を取り囲むように配置され、
   前記外周磁極部（９）の中心軸（Ｃ）に沿った方向において、前記第１磁性体（１１，１４）の前記蒸発物質（４）と接する面の寸法（ｈ３）が、第１磁性体（１１，１４）全体の寸法（ｈ１）より小さく形成されている
   ことを特徴とする請求項２又は３記載の真空アーク蒸発源。
5. 前記中央磁極部（８）と前記外周磁極部（９）とを蒸発物質（４）背面側でつなぐ磁気回路を構成するための第２磁性体（１７）が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の真空アーク蒸発源。

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