JP4019464B2

JP4019464B2 - アーク式蒸発源

Info

Publication number: JP4019464B2
Application number: JP25784197A
Authority: JP
Inventors: 尚登岡崎; 聡大谷; 浩村上; 治男平塚; 潔緒方
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2017-09-05
Also published as: JPH1180940A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば工具や金型等の基体の表面に陰極物質を被着して、当該陰極物質から成る、または当該陰極物質の窒化物、酸化物等から成る薄膜を形成する薄膜形成装置（これはアーク式イオンプレーティング装置とも呼ばれる）等に用いられるものであって、アーク放電によって陰極を溶解させて陰極物質を蒸発させるアーク式蒸発源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アーク式蒸発源で蒸発させる陰極物質には、陰極近傍に生じるアークプラズマによってイオン化された陰極物質イオンがかなりの割合で含まれており、この陰極物質イオンを電界によって基体に引き込んで基体表面に薄膜を形成するアーク式イオンプレーティング法またはアーク式イオンプレーティング装置は、薄膜の密着性が良い、成膜速度が大きい等の利点を有しており、工具や金型等の表面に金属膜やセラミックス膜を被覆する手段として広く用いられている。膜の密着性が良いのは、陰極物質中に含まれている陰極物質イオンを、負バイアス電圧等による電界によって基体に引き込んで衝突させることができるからである。成膜速度が大きいのは、アーク放電を利用して陰極を溶解させるからである。
【０００３】
しかし、上記陰極から発生する陰極物質には、ドロップレットと呼ばれる粗大粒子が含まれており、これが基体表面に形成される薄膜に入射付着すると、当該薄膜の平滑性を損ねて工具等の寿命を短くしたり、薄膜の外観を損ねたりする。
【０００４】
このようなドロップレットを低減するために、陰極の前方付近に磁界を形成するアーク式蒸発源が既に提案されている。その一例を図１０に示す。
【０００５】
このアーク式蒸発源２は、特開平５−１７１４２７号公報に開示されているものであり、陰極（カソード）４と図示しない陽極（アノード）との間でアーク放電を生じさせて、このアーク放電によって陰極４を溶解させて陰極物質６を蒸発させる。陰極４は例えば金属から成る。この陰極４の陰極物質６を蒸発させる面が蒸発面５である。この蒸発面５の前方（即ち陰極物質６の蒸発方向。以下同じ）付近にはアーク放電によるプラズマ（即ちアークプラズマ）が生成され、上記陰極物質６には、このプラズマによってイオン化された陰極物質イオンがかなりの割合で含まれている。
【０００６】
この陰極４の前方に基体１８を配置しておくことにより、上記陰極物質６をこの基体１８に入射堆積させて薄膜を形成することができる。その際に、例えば基体１８に負のバイアス電圧を印加しておくことにより、陰極物質６に含まれている陰極物質イオンを、この負バイアス電圧によって基体１８に向けて加速して基体１８に衝突させることができる。また、基体１８の周りに陰極物質６と反応する反応性ガス（例えば窒素、酸素、炭化水素等）を導入しておけば、陰極物質６とこの反応性ガスとが反応して、基体１８の表面に化合物（セラミックス）薄膜を形成することができる。
【０００７】
更にこのアーク式蒸発源２は、陰極４の前方付近に円筒状の磁気コイル８を設け、その内部に２段のリング状のコア１６を設け、これらによって磁気コイル８の中心部付近に、即ち陰極４の前方付近に、磁力線１２の集束領域１４を形成するようにしている。この集束領域１４での磁界の強さは、例えば８９０Ｏｅ（エルステッド）ないし１４５０Ｏｅとかなり強く、その強い磁界によって当該集束領域１４にプラズマの集中が起こり、ドロップレットがこのプラズマ中でリサイクル（分解・再利用）されることにより、陰極物質６に含まれるドロップレットが低減される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記アーク式蒸発源２においては、陰極４の前方に磁力線１２の集束領域１４が形成されていてプラズマが当該集束領域１４に集束されるために、当該プラズマ中に含まれる陰極物質イオンも集束を受けて比較的鋭い指向性を持ち、基体１８の設置位置では、陰極４の前方の小さい円形領域に成膜領域が限定されるという課題がある。その結果、膜厚均一性の高い成膜領域が狭く、従って例えば大量生産を目的とする成膜においては、基体１８を設置できる領域が限られてしまい、生産性が向上しない。また、基体１８が大型の場合は、基体１８中の部位によって膜厚に大きな不均一が生じる。
【０００９】
そこでこの発明は、陰極から飛散するドロップレットを低減することができ、しかも膜厚均一性の高い成膜領域が広いアーク式蒸発源を提供することを主たる目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明のアーク式蒸発源は、前記陰極の陰極物質を蒸発させる蒸発面を取り囲むように、当該蒸発面を含む領域に磁界を形成するものであって蒸発面の前方に向けて徐々に直径を増していて円錐台状をしている磁界形成手段を設けており、かつこの磁界形成手段は、前記陰極の蒸発面を仮想的に広げた平面に当該磁界形成手段の一部が重なるように配置されており、しかもこの磁界形成手段は、前記陰極の蒸発面での強さが７００エルステッド以上の磁界を形成するものであることを特徴としている。
【００１１】
上記構成によれば、磁界形成手段が円錐台状をしているので、当該磁界形成手段によって発生する磁力線は、磁界形成手段の内部で、集束することなく、陰極の蒸発面の前方に（即ち陰極物質の蒸発方向に）向かって発散するものとなる。陰極の蒸発面からアーク放電によって放出された電子は、上記磁界に捕捉され上記磁力線に沿って移動するが、それに伴って、陰極物質中に含まれている陰極物質イオンも当該磁力線に沿って発散する。その結果、陰極物質イオンの放射領域は従来技術に比べて広くなり、従って膜厚均一性の高い成膜領域も広くなる。
【００１２】
しかも、磁界形成手段によって、陰極の蒸発面での磁界の強さが７００Ｏｅ以上の磁界を形成するので、このかなり強い磁界によって、蒸発面から飛び出した電子を当該蒸発面の前方付近に強力に捕捉して、蒸発面の前方付近に高密度のプラズマを生成することができる。この高密度のプラズマによって、陰極から蒸発する陰極物質に含まれるドロップレットを効率良く分解することができるので、陰極から飛散するドロップレットを低減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るアーク式蒸発源の一例を示す図である。図１０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。
【００１４】
このアーク式蒸発源２ａは、前述したような陰極４の蒸発面５を取り囲むように、即ち蒸発面５を仮想的に広げた平面２５に磁気コイル８ａの一部が重なるように、磁界形成手段の一例として、磁気コイル８ａを設けている。この磁気コイル８ａは、蒸発面５を含む領域に、より具体的には少なくとも当該蒸発面５からその前方にかけての領域に磁界を形成するものであり、しかも、蒸発面５の前方に（即ち蒸発面５から蒸発する陰極物質６の進行方向に）向けて徐々に直径を増していて円錐台状をしている。この磁気コイル８ａは、この例では、非磁性体から成る枠体２０内に、コイルを、その巻き半径を蒸発面５の前方に進むにつれて少しずつ大きくしながら巻いたものである。この磁気コイル８ａは、コイル電源１０によって励磁されて上記磁界を形成する。図中に、この磁気コイル８ａが作る磁力線１２の例を模式的に示す。
【００１５】
陰極４は、この例では、非磁性体から成る陰極ホルダ２４に取り付けられている。陰極４には、陰極ホルダ２４を介して、図示しない直流のアーク電源（図９のアーク電源４８参照）から負電圧が印加されるので、この陰極ホルダ２４と枠体２０との間は、絶縁物２２によって電気的に絶縁されている。なお、陰極４の形状は、特定のものに限定されるものではなく、図示例のような円錐台状の場合もあるし、それ以外の形状、例えば直方体状、立方体状、板状等の場合もある。
【００１６】
しかもこの磁気コイル８ａは、陰極４の蒸発面５での強さが７００Ｏｅ（エルステッド）以上の磁界を形成する。その場合、この例では、上記のように蒸発面５を仮想的に広げた平面２５に磁気コイル８ａの一部が重なる位置としているので、磁気コイル８ａ内の磁界が強い領域に蒸発面５が位置することになり、従って蒸発面５に上記強さの磁界を形成するのが容易になる。
【００１７】
磁気コイル８ａは円錐台状をしているので、この磁気コイル８ａによって発生する磁力線１２は、磁気コイル８ａの内部で、集束することなく、陰極４の蒸発面５の前方に向かって、即ち蒸発面５から蒸発する陰極物質６の蒸発（進行）方向に向かって、外に発散するものとなる。図２に、図１に示したのと同様の円錐台状の磁気コイル８ａ周りの磁界の解析結果の一例を示す。矢印が、磁気コイル８ａによって作られる磁界のベクトルを示しており、この磁界ベクトルの向きと磁力線の方向とは同じであり、この図からも、上記磁気コイル８ａによって作られる磁力線が蒸発面５の前方に向かって発散することが分かる。
【００１８】
陰極４の蒸発面５からアーク放電によって放出された電子は、上記磁界に捕捉され上記磁力線１２に沿って（巻き付いて）移動するが、それに伴って、蒸発面５から蒸発する陰極物質６中に含まれている陰極物質イオンも、発散している磁力線１２に沿って発散する。その結果、陰極物質イオンの放射領域は従来技術に比べて広くなり、従って膜厚均一性の高い成膜領域も広くなる。
【００１９】
例えば、図３を参照して、Ｔｉから成る陰極４を用い、陰極４の蒸発面５から距離Ｚ＝２０ｃｍ離れた所の基体１８にＴｉ膜の成膜を行い、その蒸発面５の中心軸２６上（即ち当該中心軸２６からの距離Ｌ＝０ｍｍ）での成膜速度を１００％とした場合の、各距離Ｌの位置における成膜速度比の分布を測定した結果を図４に示す。この図４中の実施例は上記アーク式蒸発源２ａによるものであり、比較例は図１０に示した従来のアーク式蒸発源２によるものである。
【００２０】
この図４から分かるように、実施例の場合は、比較例に比べて、成膜速度分布の均一性が広い領域において非常に高い。これは換言すれば、実施例の方が、膜厚均一性の高い成膜領域が遙かに広いということである。その結果、このアーク式蒸発源２ａによれば、一度に大量の基体１８に膜厚均一性良く成膜することが可能になるので、あるいは大型の基体１８に膜厚均一性良く成膜することが可能になるので、成膜の生産性が向上する。
【００２１】
しかも、このアーク式蒸発源２ａでは、磁気コイル８ａによって、陰極４の蒸発面５での磁界の強さが７００Ｏｅ以上の磁界を形成するので、このかなり強い磁界によって、蒸発面５から飛び出した電子を当該蒸発面５の前方付近に強力に捕捉して、蒸発面５の前方付近に高密度のプラズマ（アークプラズマ）を生成することができる。この高密度のプラズマによって、陰極４から蒸発する陰極物質６に含まれるドロップレットを効率良く分解することができるので、陰極から飛散するドロップレットを、ひいては基体１８に到達するドロップレットを低減することができる。その結果、基体１８の表面に形成される薄膜の平滑性を高める（即ち面粗度を良好にする）ことができるので、当該薄膜を被覆した工具や金型等の寿命を長くすることができる。また、当該薄膜の外観を、ひいては当該薄膜を被覆した製品の外観を良好なものにすることができる。従って、従来は面粗度が悪くて適用できなかった分野での成膜にもこのアーク式蒸発源２ａを適用することが可能になる。
【００２２】
例えば、図３に示したように、陰極４の蒸発面５から距離Ｚ＝２０ｃｍ離れた所の基体１８にＴｉ膜の成膜を行い、その蒸発面５の中心軸２４上（即ち当該中心軸２４からの距離Ｌ＝０ｃｍの位置）における基体表面のドロップレットを測定したところ、図５に示すように、蒸発面５での磁界の強さを７００Ｏｅ以上にすることによって、基体表面に付着するドロップレット数を著しく低減できることが確かめられた。
【００２３】
なお、磁気コイル８ａは、例えば図６に示す例のように、直径の異なる複数のリング状のコイルを、蒸発面５の前方側のものほど直径が大きくなるように配置し、全体として概ね円錐台状になるようにしても良い。各リング状のコイルは互いに直列接続している。このような磁気コイル８ａによっても、前記と同様の磁力線１２を発生させることができる。
【００２４】
また、磁界形成手段としては、上記のような磁気コイル８ａおよびコイル電源１０の代わりに、例えば図７に示す例のように、陰極４の蒸発面５の前方に向けて徐々に直径を増していて円錐台状または概ね円錐台状をしている永久磁石２８を用いても良い。この永久磁石２８によっても、前記とほぼ同様の磁力線１２を発生させることができる。
【００２５】
更に、例えば図８に示す例のように、磁気コイル８ａの後方部付近に、陰極４の後方部付近の周りを囲むように、例えば板状で環状の強磁性体３０を設けても良く（この例ではこの強磁性体３０が陰極ホルダを兼ねている）、そのようにすれば、磁力線１２がこの強磁性体３０中を通るようになるので、磁力線１２の経路の磁気抵抗が下がり蒸発面５での磁界を強めることがより容易になると共に、他への漏れ磁束も減少する。磁気コイルの代わりに永久磁石を用いる場合も同様である。
【００２６】
また、上記いずれのアーク式蒸発源２ａにおいても、磁力線１２の向きは、図示例と逆でも良い。そのようにしても、単に、磁力線１２に巻き付く電子の旋回方向等が逆向きになるだけであり、その他の作用は前記と同様である。
【００２７】
また、陰極４の材料は、特定のものに限定されるものではなく、前述したＴｉ以外の材料、例えばＺｒ、Ｈｆ、ＴｉＡｌ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｖ、Ｃ等でも良い。例えば、Ｃｒを陰極４に用いることによって、ドロップレット数の少ないＣｒ膜またはＣｒＮ膜を形成することができる。
【００２８】
【実施例】
図９に示すアーク式イオンプレーティング装置を用いて、複数本のステンレス製のシャフト（直径１０ｍｍ、長さ１００ｍｍ）を基体１８として、それらの表面にＴｉＮ膜を形成した。
【００２９】
この装置は、真空排気装置３４によって真空排気される真空容器３２を有しており、その中に、図示しない駆動装置によって例えば矢印Ｂ方向に回転させられるホルダ４０が設けられている。４２は、電気絶縁機能を有する軸受部である。このホルダ４０に、複数本の上記基体１８を保持する。ホルダ４０および基体１８には、直流のバイアス電源４４から負のバイアス電圧が印加される。真空容器３２内には、ガス導入口３６から次のようなガス３８が導入される。
【００３０】
この真空容器３２の壁面に、絶縁物４６を介して、かつホルダ４０上の基体１８に向けて、図１に示したのと同様のアーク式蒸発源２ａを１台取り付けている。陰極４は、この例ではＴｉから成る。この例では、真空容器３２が陽極（アノード）を兼ねており、陰極４と真空容器３２との間に直流のアーク電源４８からアーク放電電圧が印加され、陰極４と真空容器３２との間にアーク放電が生じる。磁気コイル８ａは、この例では巻数が３２０回であり、発熱による抵抗値増加を防ぐために水冷としている。
【００３１】
成膜に際しては、この実施例では、成膜工程に先立ってボンバード工程を行った。
【００３２】
ボンバード工程では、ホルダ４０に上記基体１８を保持して、まず真空排気装置３４によって真空容器３２内を５×１０^-5Ｔｏｒｒ程度以下の圧力まで排気した後、ガス導入口３６からガス３８としてＡｒガスを約５０ｓｃｃｍ導入し、真空容器３２内の圧力を３ｍＴｏｒｒ程度に保持する。基体１８にはバイアス電源４４から−１０００Ｖのバイアス電圧を印加する。アーク式蒸発源２ａの磁気コイル８ａにコイル電源１０から７５Ａの電流を流すと、陰極４の蒸発面５には約２３００Ｏｅの磁界が形成される。その状態で、陰極４にアーク電源４８からアーク放電電圧を印加しておき、図示しないトリガを陰極４の側面に短時間接触させると、それが種となって陰極４と真空容器３２との間にアーク放電が発生して持続し、陰極４の前方付近にはアークプラズマが生成される。このときのアーク電流は６０Ａとする。このアーク放電によって、陰極４が溶解してその蒸発面５から陰極物質６が蒸発し、その一部がアークプラズマによってイオン化され、このイオン化した陰極物質イオンが負バイアス電圧によって基体１８に向けて加速されて基体１８に衝突する。その状態を約３分間保持すると、陰極物質イオンの衝突によって、各基体１８が約３８０℃まで加熱されると共に、各基体１８がスパッタされてその表面が清浄化される。
【００３３】
上記ボンバード工程に続いて、成膜工程に入る。即ち、この実施例の場合は、ガス３８を窒素ガスに切り換え、それを約１００ｓｃｃｍ導入し、真空容器３２内の圧力を２０ｍＴｏｒｒ程度に保持する。かつ、基体１８に印加するバイアス電圧を−２００Ｖにし、陰極４に流すアーク電流を８０Ａにする。その状態を約１０分間保持すると、各基体１８の側面に約３μｍ厚のＴｉＮ膜が形成される。
【００３４】
上記のようにして成膜されたステンレスシャフトの軸方向におけるＴｉＮ膜の膜厚のばらつきを表１中に実施例として示す。また、上記のようなアーク式蒸発源２ａの代わりに、図１０に示した従来のアーク式蒸発源２を用いて同様にして成膜した場合の膜厚のばらつきを表１中に比較例として示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
この表に示すように、この発明に係るアーク式蒸発源２ａを用いた実施例の方が、従来のアーク式蒸発源２を用いた比較例に比べて、膜厚ばらつきが小さく膜厚の均一性が非常に高い。ちなみに、基体表面でのドロップレットについては、実施例および比較例の両方共に良好であった。
【００３７】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、磁界形成手段が円錐台状をしていて、当該磁界形成手段によって発生する磁力線は、磁界形成手段の内部で、集束することなく、陰極の蒸発面の前方に向かって発散するので、陰極物質中に含まれている陰極物質イオンも当該磁力線に沿って発散するようになり、陰極物質イオンの放射領域は広くなる。その結果、膜厚均一性の高い成膜領域も広くなる。
【００３８】
しかも、磁界形成手段によって、陰極の蒸発面での磁界の強さが７００Ｏｅ以上の磁界を形成するので、蒸発面の前方付近に高密度のプラズマを生成して、この高密度のプラズマによって陰極物質に含まれるドロップレットを効率良く分解することができる。その結果、陰極から飛散するドロップレットを低減することができる。
かつこの磁界形成手段は、陰極の蒸発面を仮想的に広げた平面に当該磁界形成手段の一部が重なるように配置されているので、磁界形成手段内の磁界が強い領域に蒸発面が位置することになり、従って、蒸発面の前方に向かって発散する磁力線を発生させる場合でも、蒸発面に上記強さの磁界を形成するのが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るアーク式蒸発源の一例を示す図である。
【図２】図１に示したのと同様の円錐台状の磁気コイル周りの磁界の解析結果の一例を示す図である。
【図３】陰極の蒸発面と基体との位置関係を示す図である。
【図４】陰極の蒸発面から一定の距離Ｚ離れた基体表面における成膜速度分布の例を示す図である。
【図５】陰極の蒸発面での磁界の強さを変えた場合の基体表面でのドロップレット数の変化の例を示す図である。
【図６】この発明に係るアーク式蒸発源の他の例を示す図である。
【図７】この発明に係るアーク式蒸発源の他の例を示す図である。
【図８】この発明に係るアーク式蒸発源の他の例を示す図である。
【図９】図１と同様のアーク式蒸発源を備えるアーク式イオンプレーティング装置の一例を示す図である。
【図１０】従来のアーク式蒸発源の一例を示す図である。
【符号の説明】
２ａアーク式蒸発源
４陰極
５蒸発面
６陰極物質
８ａ磁気コイル
１０コイル電源
１２磁力線
２８永久磁石

Claims

アーク放電によって陰極を溶解させて陰極物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、前記陰極の陰極物質を蒸発させる蒸発面を取り囲むように、当該蒸発面を含む領域に磁界を形成するものであって蒸発面の前方に向けて徐々に直径を増していて円錐台状をしている磁界形成手段を設けており、かつこの磁界形成手段は、前記陰極の蒸発面を仮想的に広げた平面に当該磁界形成手段の一部が重なるように配置されており、しかもこの磁界形成手段は、前記陰極の蒸発面での強さが７００エルステッド以上の磁界を形成するものであることを特徴とするアーク式蒸発源。