JP4085593B2 - 真空アーク蒸着装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車部品、機械部品、工具、金型等の基体の表面に、例えば潤滑性や硬度等に優れた薄膜を形成すること等に用いられる装置であって、真空アーク蒸発源によって生成したプラズマを基体の近傍に導く磁気コイルを備える真空アーク蒸着装置に関し、より具体的には、当該磁気コイルが作る磁場中におけるプラズマのドリフトによって基体表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空アーク放電によって陰極を蒸発させて陰極物質を含むプラズマを生成する真空アーク蒸発源を用いて基体に成膜（薄膜形成）するという真空アーク蒸着装置は、成膜速度が大きくて生産性に優れているという特長を有している。
【０００３】
しかし、真空アーク蒸発源の陰極から蒸発する陰極物質には、成膜に好ましい微小粒子の他に、例えば直径が数μｍ程度またはそれ以上という粗大粒子（これはドロップレットとも呼ばれる）が含まれており、この粗大粒子が基体に飛来してその表面に付着して、膜の密着性や平滑性（面粗度）が低下するという欠点がある。
【０００４】
この欠点を解消するために、（１）偏向磁場によって粗大粒子を除去してプラズマを基体へ輸送する技術（例えば特開２００１−３１６０号公報参照）や、（２）磁場でプラズマを集束させてプラズマを高密度化することによって粗大粒子を微細化する技術（例えば特開２０００−３４５６１号公報参照）が既に提案されている。
【０００５】
図１０は、上記（１）の技術を採用した真空アーク蒸着装置であり、この装置は、図示しない真空排気装置によって真空排気される成膜室（換言すれば真空容器）２を備えており、その中に、成膜しようとする基体６を保持するホルダ８が設けられている。
【０００６】
成膜室２内には、この例では、図示しないガス源から、不活性ガス、反応性ガス等のガス４が導入される。
【０００７】
ホルダ８およびそれに保持される基体６には、この例では、バイアス電源１０から例えば−５０Ｖ〜−５００Ｖ程度の負のバイアス電圧ＶB が印加される。
【０００８】
成膜室２には、この例では９０度程度曲げられたダクト（偏向ダクト）２８を介して、真空アーク蒸発源１２が接続されている。
【０００９】
真空アーク蒸発源１２は、ダクト２８の端板２９に絶縁物２０を介して取り付けられた陰極１４を有していて、この陰極１４と陽極兼用のダクト２８（但し、陽極電極を別途設置する場合もある。以下同じ）との間の真空アーク放電によって陰極１４を蒸発させて、陰極物質（即ち、陰極１４を構成する物質。以下同じ）１６を含むプラズマ１８を生成するものである。陰極１４とダクト２８との間には、アーク電源２２から上記アーク放電用の電圧が印加される。真空アーク蒸発源１２は、公知のトリガ機構、水冷機構等を有しているが、この明細書ではそれらの図示を省略している。
【００１０】
ダクト２８の外周には、真空アーク蒸発源１２によって生成したプラズマ１８を偏向させる磁場を発生させて、当該偏向磁場によってプラズマ１８を成膜室２内の基体６の近傍に導く（輸送する）複数の磁気コイル２４が設けられている。これらの磁気コイル２４が発生する磁力線２６の一部を図中に概略的に示すが、ダクト２８の内面にほぼ沿っている。各磁気コイル２４は互いに直列接続されていて、これらには、直流のコイル電源３０から、上記磁場発生用のコイル電流ＩC が供給される。
【００１１】
真空アーク蒸発源１２によって生成されたプラズマ１８は、磁力線２６にほぼ沿って曲げられて基体６の方へ輸送される。その際、陰極１４から飛び出した粗大粒子は、電気的に中性であるかまたはプラズマ１８中で負に帯電している。いずれにしても、当該粗大粒子は質量が非常に大きいため、磁場に関係なく直進して、曲げられたダクト２８の内壁に衝突して、基体６には到達しない。その結果、基体６の近傍には、粗大粒子を殆ど含まないプラズマ１８が導かれる。従って、粗大粒子が基体６に付着することを防止することができる。上記のような磁気コイル２４、ダクト２８およびコイル電源３０（図１の例ではコイル電源４０）を備える構成を、その粗大粒子除去作用に着目して、磁気フィルタと呼ぶ場合もある。
【００１２】
上記のようにして基体６の近傍に輸送されたプラズマ１８中のイオン（即ち、イオン化した陰極物質１６）は、バイアス電圧ＶB 等によって基体６に引き寄せられて基体の表面に堆積して薄膜を形成する。このとき、ガス４として、陰極物質１６と反応して化合物を作る反応性ガスを導入しておくと、化合物薄膜を形成することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
一様な磁場中で電子が輸送される状態を考えると、よく知られているように、電子は次式で表されるローレンツ力Ｆを受け、磁力線の周りに巻きつくように旋回運動を行う。ここで、ｑは電荷、ｖは電子の速度、Ｂは磁束密度である（以下も同じ）。
【００１４】
【数１】
Ｆ＝ｑｖＢ
【００１５】
従って、一様な磁場であれば、例えば図１１に示す二つの位置Ｐ、Ｑから飛び出した電子３２は、一様な磁力線２６に沿って進んで基体６に到達して、位置Ｐ、Ｑにそれぞれ対応する位置Ｐ1 、Ｑ1 付近にそれぞれ入射する。
【００１６】
しかし、現実の磁気コイル２４によって形成される磁場は一様な磁場ではなく、必ず磁場の勾配を持っている。磁場に勾配がある場合の、電子のような荷電粒子のドリフトについては、例えば「最新プラズマ発生技術」河合良信著、株式会社アイピーシー、平成３年８月５日発行、第１２〜２１頁にも記載されているように、当該荷電粒子は次式で表されるドリフト速度ｖD でドリフトする。ここで、μは透磁率、∇Ｂは磁場の勾配（ベクトル）、ＢV は磁場（ベクトル）、その他は前記のとおりである。∇は、ナブラあるいはハミルトン演算子と呼ばれるものである。
【００１７】
【数２】
ｖD ＝−μ（∇Ｂ×ＢV ）／（ｑＢ2 ）
【００１８】
これを、図１０（あるいは後述する図１）に示すような偏向磁場でプラズマ１８を輸送する装置の場合について考えてみる。
【００１９】
まず、磁気コイル２４およびダクト２８が断面円形である場合の例を図１２〜図１８に示す。図１２〜図１５は、二つの陰極１４ａ、１４ｂを二つの位置Ｐ、Ｑで簡略化したものであり（後述する図１９〜図２１も同様）、図１６〜図１８は当該陰極１４ａ、１４ｂを具体的に示したものである（後述する図２２、図２３および図２〜図７も同様）。
【００２０】
この場合は、図１４に示すように、円形の磁気コイル２４の性質上から、ダクト２８内には、その中心部２８ａが最も弱くそこから外に向かうほど強くなるという磁場の勾配∇Ｂが存在することになる。なお、複数の磁気コイル２４を図１０等に示すように曲げて配置している場合は、磁場の最も弱い部分は、実際はダクト２８の中心部２８ａより少し外寄りにずれる。
【００２１】
従って、図１２および図１３に示すように二つの位置Ｐ、Ｑから出た電子３２ａ、３２ｂは、図１４に示す磁場の勾配∇Ｂによって、前記数２に従って、図１５に示すように円周方向のドリフト速度ｖD でドリフトする。従って、基体６には、円周方向にずれた位置に到達する。イオンの場合も同様であり、結局プラズマは円周方向にずれる形でドリフトする。
【００２２】
従って、図１６および図１７に示す例のように二つの真空アーク蒸発源１２を、互いにｚ軸に沿って上下に離して設けた場合、各陰極１４ａ、１４ｂでそれぞれ生成されたプラズマ１８は円周方向にドリフトしながら基体６に到達することになる。各陰極１４ａ、１４ｂで生成するプラズマ１８は、通常、中心部が濃く周縁部が薄いという山形の密度分布を有している。従って、基体６の表面には、図１８に示す例のように、各陰極１４ａ、１４ｂに対応する位置３４ａ、３４ｂから円周方向にずれた位置に、膜厚分布（換言すれば成膜速度分布）のピーク部３６ａ、３６ｂおよびその裾部３８ａ、３８ｂが表れる。
【００２３】
次に、磁気コイル２４およびダクト２８が断面矩形の場合の例を図１９〜図２３に示す。
【００２４】
この場合は、図２０に示すように、矩形の磁気コイル２４の性質上から、また複数の磁気コイル２４を図１０等に示すように曲げて配置していることから、ダクト２８内には、その中心部２８ａよりも少し外寄りの部分２８ｂが最も弱くそこから外に向かうほど強くなるという磁場の勾配∇Ｂが存在することになる。
【００２５】
従って、図１２および図１９に示すように二つの位置Ｐ、Ｑから出た電子３２ａ、３２ｂは、図２０に示す磁場の勾配∇Ｂによって、前記数２に従って、図２１に示すように、下方向と横方向とを合成して成る斜め下方向のドリフト速度ｖD でドリフトする。
【００２６】
従って、図１６および図２２に示す例のように二つの真空アーク蒸発源１２を、互いにｚ軸に沿って上下に離して設けた場合、各陰極１４ａ、１４ｂでそれぞれ生成されたプラズマ１８は斜め下方にドリフトしながら基体６に到達することになり、基体６の表面には、図２３に示す例のように、各陰極１４ａ、１４ｂに対応する位置３４ａ、３４ｂから斜め下方にずれた位置に、膜厚のピーク部３６ａ、３６ｂおよびその裾部３８ａ、３８ｂが表れる。
【００２７】
この両ピーク部３６ａ、３６ｂ等のずれ方には実際は差があり、上側の（上下はｚ軸方向におけるもの。以下同じ）ピーク部３６ａよりも下側のピーク部３６ｂの方が、横および下へのずれが大きいという実験結果が得られている。従って、両ピーク部３６ａ、３６ｂは互いに離れる方向にずれる。図２３はその一例を示したものであり、このようなずれが生じると基体６の中心付近には殆ど成膜されなくなる。しかもこのずれは、基体６が真空アーク蒸発源１２から離れるほど大きくなる。
【００２８】
上記のように磁場の勾配∇Ｂによって、基体６の表面における膜厚分布のピーク部３６ａ、３６ｂおよびその裾部３８ａ、３８ｂがずれることは、基体６に対して所望の成膜を行うことを困難にし、基体６の表面における膜厚分布の均一性を悪化させる原因になる。磁気コイル２４およびダクト２８が断面円形の場合に比べれば、磁気コイル２４およびダクト２８が断面矩形の場合は特に、上述したように膜厚分布のピーク部３６ａ、３６ｂが互いに離れる方向にずれるので、しかも基体６が真空アーク蒸発源１２から離れるほどそのずれは大きくなるので、基体６の表面における膜厚分布の均一性を悪化させる度合いは大きくなる。
【００２９】
そこでこの発明は、前述したような磁気コイルが作る磁場中におけるプラズマのドリフトによって基体表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することを主たる目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
この発明の真空アーク蒸着装置は、基体を収納して真空排気される成膜室と、真空アーク放電によって陰極を蒸発させて陰極物質を含むプラズマを生成する真空アーク蒸発源と、この真空アーク蒸発源と前記成膜室との間を接続している湾曲したダクトと、このダクトの外周にそれぞれ巻かれていて当該ダクトの軸に沿う方向に分散して配置されている複数の磁気コイルであって、前記真空アーク蒸発源によって生成したプラズマを偏向させる磁場を前記ダクトの内面に沿って発生させて当該磁場によって前記プラズマを前記成膜室内の基体の近傍に導く複数の、かつ互いに電気的に直列接続された磁気コイルと、この磁気コイルに前記磁場を発生させるコイル電流を流すコイル電源とを備える真空アーク蒸着装置において、前記コイル電源を、前記磁気コイルに流すコイル電流を反転させることのできるコイル電源とし、かつこのコイル電源を制御して前記磁気コイルに流すコイル電流の方向を反転させる制御器を設けたことを特徴としている。
【００３１】
前記磁気コイルが発生する磁場によってプラズマを基体の近傍に導くという作用は、当該磁気コイルに流すコイル電流を反転させる前も反転させた後も共に奏する。これは、磁場が発生している限りその磁場によってプラズマを導くことができるからである。
【００３２】
しかし、磁気コイルに流すコイル電流を反転させると、前述した磁場の勾配∇Ｂの方向は変わらないけれども、ベクトル磁場ＢV の方向は反転する。従って、前記数２からも分かるように、輸送するプラズマに作用するドリフト速度ｖD も反転する。
【００３３】
その結果、輸送中のプラズマのドリフトによって基体表面における膜厚分布のピーク部がずれるという前述した現象が、コイル電流を反転させることによって、基体表面において反転して現れることになる。この反転によって、膜厚分布の不均一性が緩和されるので、基体表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することができる。その結果、基体のより広い面積により均一に成膜することが可能になる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る真空アーク蒸着装置の一例を示す概略図である。図２は、図１中の二つの真空アーク蒸発源の各陰極の配置を図１のＣ−Ｃ方向に見て示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。この図２と前述した図２２とは同じものである。図１０〜図２３に示した例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては従来例との相違点を主に説明する。
【００３５】
この図１に示す真空アーク蒸着装置は、従来の直流のコイル電源３０の代わりに、前記複数の各磁気コイル２４に流すコイル電流ＩC を正逆反転させることのできるコイル電源４０を備えており、更に、このコイル電源４０を制御して、各磁気コイル２４に流すコイル電流ＩC の方向を反転させる制御器４２を備えている。
【００３６】
コイル電源４０は、例えば、正逆両極性の電流を流すことのできる両極性（バイポーラ）電源でも良いし、正方向の電流を流す直流電源とその逆方向の電流を流す直流電源とを組み合わせた電源等でも良い。
【００３７】
この真空アーク蒸着装置は、二つの前述したような真空アーク蒸発源１２を互いにｚ軸に沿って上下に離して設けている。
【００３８】
各磁気コイル２４およびダクト２８の断面形状は、前述したように円形の場合もあるけれども、図２〜図７は矩形の場合の例である。
【００３９】
各磁気コイル２４が発生する磁場によって、各真空アーク蒸発源１２が生成したプラズマ１８を成膜室２内の基体６の近傍に導くという作用自体は、各磁気コイル２４に流すコイル電流ＩC を反転させる前も反転させた後も共に奏する。これは、磁場が発生している限りその磁場によってプラズマ１８を導くことができるからである。
【００４０】
しかし、各磁気コイル２４に、真空アーク蒸発源１２側から見て時計回り方向にコイル電流ＩC を流すと、各真空アーク蒸発源１２の各陰極１４ａ、１４ｂから出た電子３２ａ、３２ｂは、図３に示すように斜め下方向のドリフト速度ｖD でドリフトし、それに応じて各陰極１４ａ、１４ｂの近傍で生成されかつ磁場によって輸送されるプラズマ１８も当該方向にドリフトし、基体６の表面に形成される薄膜の膜厚分布のピーク部３６ａ、３６ｂおよびその裾部３８ａ、３８ｂは、図５に示す例のように斜め下方にずれた位置に現れる。この図３および図５は、前述した図２１および図２３にそれぞれ相当しており、このようなドリフト速度ｖD や膜厚分布のずれが生じることについての詳細は前述したとおりである。
【００４１】
一方、各磁気コイル２４に流すコイル電流ＩC を上記とは反転させて、図４に示すように反時計回り方向とすると、各磁気コイル２４が作る磁場の勾配∇Ｂの方向は変わらないけれども、ベクトル磁場ＢV の方向は反転するので、前記数２からも分かるように、前述した各電子３２ａ、３２ｂに作用するドリフト速度ｖD は、この図４に示すように、図３の場合とは反対方向に向く。即ち斜め上方向に向く。それに応じて、各陰極１４ａ、１４ｂの近傍で生成されかつ磁場によって輸送されるプラズマ１８もこのドリフト速度ｖD の方向にドリフトすることになる。
【００４２】
その結果、輸送中のプラズマ１８のドリフトによって基体６の表面における膜厚分布のピーク部３６ａ、３６ｂおよびその裾部３８ａ、３８ｂがずれるという前述した現象が、反転前とは、即ち図３および図５の場合とは反転して現れることになる。その様子を図６に示す。即ち、各陰極１４ａ、１４ｂによる膜厚分布のピーク部３６ａ、３６ｂ等は、陰極１４ａ、１４ｂに対応する位置３４ａ、３４ｂから斜め上方にしかも互いに離れるようにずれる。
【００４３】
従って、コイル電流ＩC を上記のように反転させることによって、基体６の表面における膜厚分布は、図５のものと図６のものとを互いに重ね合わせることになり、図７に示すようなものが得られる。即ち、膜厚分布のピーク部３６ａ、３６ｂおよびその裾部３８ａ、３８ｂが、基体６の表面に分散して表れることになる。例えば、コイル電流ＩC を時計回り方向に流す時間ｔ1 と反時計方向に流す時間ｔ2 とを互いに同じにすると、同じ程度の強さ（膜厚）のピーク部が４箇所に分散して生じることになる。上記のようなピーク部の分散によって、基体６の表面における膜厚分布の不均一性が緩和される。即ち、磁気コイル２４が作る磁場中におけるプラズマ１８のドリフトによって基体６の表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することができる。その結果、基体６のより広い面積により均一に成膜することが可能になる。
【００４４】
基体６およびそれを保持するホルダ８を、図１および図７に示すように、基体６の中心部を中心にして例えば矢印Ｒ方向（またはその反対方向）に回転させるようにしても良い。そのようにすれば、基体６の回転によっても膜厚分布の不均一性を緩和することができるので、基体６の表面における膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【００４５】
制御器４２は、例えば、所定時間経過後に前記コイル電流ＩC の方向を反転させるものである。この反転は、１回でも良いけれども、所定時間ごとに繰り返して反転させる方が好ましい。そのようにすれば、コイル電流ＩC の反転による膜厚分布の不均一性緩和作用を繰り返して行わせることができるので、膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【００４６】
コイル電流ＩC を所定方向に流す時間ｔ1 とその反対方向に流す時間ｔ2 とは、互いに同じにしても良いし、膜厚分布の前述したずれ方等に応じて、膜厚分布の不均一性をよりうまく緩和して均一性をより高めるように、互いに異ならせても良い。
【００４７】
コイル電流ＩC を繰り返して反転させる場合は、短い時間ごとに反転させる方が、プラズマ１８中のイオンの入射によって基体６に加わる熱入力の集中をより緩和して、基体６の熱応力集中をより低減させるという観点から好ましい。例えば、基体６が１回転するのに要する時間の整数倍の時間ごとにコイル電流ＩC を反転させれば良い。より具体例を示せば、基体６を５秒で１回転させるならば、コイル電流ＩC を１０秒ごとに反転させれば良い。
【００４８】
また、基体６の表面における膜厚分布の均一性をより高めるために、次のような手段を採用しても良い。
【００４９】
図８の例では、基体６の周辺部近傍に、前記プラズマ１８による成膜の膜厚を計測する複数の膜厚計４４を設けている。より具体的にはこの例では、基体６の上下近傍に二つの膜厚計４４を設けている。そして前記制御器４２によって、この二つの膜厚計４４で計測する膜厚の相互間の差が所定値以上になったときに前記コイル電流ＩC を反転させる制御を行うようにしている。
【００５０】
このような手段を採用することによって、基体６の表面に成膜される膜厚を基体６の周辺近傍の複数箇所でモニタしながら、膜厚の不均一性が解消するようにコイル電流ＩC の反転制御を行うことができるので、基体６の表面における膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【００５１】
図９の例では、基体６の周辺部近傍に、前記プラズマ１８中のイオンが入射することによって流れるイオン電流ＩI を計測する複数のイオン電流プローブ４６を設けている。より具体的にはこの例では、基体６の上下近傍に二つのイオン電流プローブ４６を設けている。かつこの各イオン電流プローブ４６に流れるイオン電流ＩI をそれぞれ積算する二つの電流積算器５０を設けている。各イオン電流プローブ４６は、接地電位にしておいても良いけれども、イオン電流ＩI をより正確に計測するためには、この例のようにバイアス電源４８を設けて負電位にバイアスするのが好ましい。そして前記制御器４２によって、前記二つの電流積算器５０で積算した電流値の相互間の差が所定値以上になったときに前記コイル電流ＩC を反転させる制御を行うようにしている。
【００５２】
プラズマ１８を基体６の近傍に導くことによって基体６に成膜されるのは、前述したように、プラズマ１８中のイオン（具体的にはイオン化した陰極物質１６）が基体６に入射するからであり、そのイオンの入射量と成膜の膜厚とには相関的関係がある。このイオンの入射量を、上記イオン電流ＩI の積算値によって計測することができる。
【００５３】
従って上記のような手段を採用することによって、基体６に入射するイオンの量を基体６の周辺近傍の複数箇所でモニタしながら、イオン入射量の不均一性が解消するようにコイル電流ＩC の反転制御を行うことができるので、基体６の表面における膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【００５４】
各磁気コイル２４およびダクト２８の断面形状が円形の場合も、先に図１３〜図１５、図１７および図１８を参照して説明したように、磁場の勾配∇Ｂによってプラズマ１８がドリフトして、基体６の表面における膜厚分布の均一性を悪化させるけれども、この場合も上記のようにコイル電流ＩC を反転させることによって、プラズマ１８のドリフト方向を反転させることができるので、それによって膜厚分布の不均一性を緩和することができる。即ち、磁気コイル２４が作る磁場中におけるプラズマ１８のドリフトによって基体６の表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することができる。
【００５５】
また、上記各例は、複数の磁気コイル２４によって偏向磁場を形成してプラズマ１８を偏向させて輸送する場合の例であるけれども、この発明は、プラズマ１８を磁場によって偏向させずに基体６の近傍に導く場合にも適用することができる。即ち、前述したように、一つまたは複数の磁気コイルでプラズマ１８を集束させてプラズマ１８を高密度化することによって粗大粒子を微細化する場合がそれである。この場合も、磁気コイルが発生する磁場を用いてプラズマ１８を輸送する限り、前述したような磁場の勾配∇Ｂが存在し、それによってプラズマ１８に所定方向のドリフトをもたらし、これが基体６の表面に形成される膜厚分布の均一性を悪化させるけれども、この場合も上記のようにコイル電流ＩC を反転させることによって、プラズマ１８のドリフト方向を反転させることができるので、それによって膜厚分布の不均一性を緩和することができる。
【００５６】
【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。
【００５７】
請求項１記載の発明によれば、上記のような成膜室、真空アーク蒸発源、ダクト、磁気コイルに加えて、上記のようなコイル電源および制御器を備えているので、磁気コイルに流すコイル電流を反転させることができる。その結果、輸送中のプラズマのドリフトによって基体表面における膜厚分布のピーク部がずれるという現象が、磁気コイルに流すコイル電流を反転させることによって、基体表面において反転して現れることになり、この反転によって基体表面における膜厚分布の不均一性が緩和されるので、基体表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することができる。その結果、基体のより広い面積により均一に成膜することが可能になる。
【００５８】
請求項２に記載のように、真空アーク蒸発源を複数有しており、かつ磁気コイルが偏向磁場を発生させる場合は、プラズマのドリフトによる膜厚分布の不均一性が特に生じやすくなる。このような場合に、上記のようなコイル電源および制御器を設けて磁気コイルに流すコイル電流を反転させることによって、膜厚分布の不均一性を改善する効果はより顕著になる。
【００５９】
請求項３記載の発明によれば、コイル電流の反転による膜厚分布の不均一性緩和作用を繰り返して行わせることができるので、膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【００６０】
請求項４記載の発明によれば、上記のようなコイル電源および制御器を備えているので、磁気コイルに流すコイル電流を反転させることができる。その結果、輸送中のプラズマのドリフトによって基体表面における膜厚分布のピーク部がずれるという現象が、磁気コイルに流すコイル電流を反転させることによって、基体表面において反転して現れることになり、この反転によって基体表面における膜厚分布の不均一性が緩和されるので、基体表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することができる。その結果、基体のより広い面積により均一に成膜することが可能になる。更に、基体の表面に成膜される膜厚を基体の周辺近傍の複数箇所でモニタしながら膜厚分布の不均一性が解消するようにコイル電流の反転制御を行うことができるので、基体表面における膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【００６１】
請求項５記載の発明によれば、上記のようなコイル電源および制御器を備えているので、磁気コイルに流すコイル電流を反転させることができる。その結果、輸送中のプラズマのドリフトによって基体表面における膜厚分布のピーク部がずれるという現象が、磁気コイルに流すコイル電流を反転させることによって、基体表面において反転して現れることになり、この反転によって基体表面における膜厚分布の不均一性が緩和されるので、基体表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することができる。その結果、基体のより広い面積により均一に成膜することが可能になる。更に、基体に入射するイオンの量を基体の周辺近傍の複数箇所でモニタしながらイオン入射量の不均一性が解消するようにコイル電流の反転制御を行うことができるので、基体表面における膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る真空アーク蒸着装置の一例を示す概略図である。
【図２】図１中の二つの真空アーク蒸発源の各陰極の配置を図１のＣ−Ｃ方向に見て示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。
【図３】コイル電流を反転させる前の図１中の磁気コイルの磁場による電子のドリフト方向を図１のＤ−Ｄ方向に見て示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。
【図４】コイル電流を反転させた後の図１中の磁気コイルの磁場による電子のドリフト方向を図１のＤ−Ｄ方向に見て示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。
【図５】コイル電流を反転させる前の、図２の各陰極による成膜の基体表面における膜厚分布の一例を示す図である。
【図６】コイル電流を反転させた後の、図２の各陰極による成膜の基体表面における膜厚分布の一例を示す図である。
【図７】図５と図６の膜厚分布を重ね合わせた図である。
【図８】基体の周辺近傍に二つの膜厚計を設けた例を示す図である。
【図９】基体の周辺近傍に二つのイオン電流プローブを設けた例を示す図である。
【図１０】従来の真空アーク蒸着装置の一例を示す概略断面図である。
【図１１】一様な磁場中での電子の運動を示す概略図である。
【図１２】図１および図１０の装置の磁気コイル周りを抜き出して示す図である。
【図１３】図１２のＣ−Ｃ方向に見た断面の一例を示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面円形の場合の例である。
【図１４】図１２のＤ−Ｄ方向に見た断面における磁場勾配を示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面円形の場合の例である。
【図１５】図１４の磁気コイルの磁場による電子のドリフト方向を示す図である。
【図１６】図１および図１０の装置の陰極から基体にかけての部分を抜き出して示す図である。
【図１７】図１６の各陰極の配置を、図１６のＣ−Ｃ方向に見て示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面円形の場合の例である。
【図１８】図１７の各陰極による成膜の基体表面における膜厚分布の一例を示す図である。
【図１９】図１２のＣ−Ｃ方向に見た断面の一例を示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。
【図２０】図１２のＤ−Ｄ方向に見た断面における磁場勾配を示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。
【図２１】図２０の磁気コイルの磁場による電子のドリフト方向を示す図である。
【図２２】図１６の各陰極の配置を、図１６のＣ−Ｃ方向に見て示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。
【図２３】図２２の各陰極による成膜の基体表面における膜厚分布の一例を示す図である。
【符号の説明】
２ 成膜室
６ 基体
１２ 真空アーク蒸発源
１４、１４ａ、１４ｂ 陰極
１６ 陰極物質
１８ プラズマ
２４ 磁気コイル
２６ 磁力線
２８ ダクト
４０ コイル電源
４２ 制御器
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車部品、機械部品、工具、金型等の基体の表面に、例えば潤滑性や硬度等に優れた薄膜を形成すること等に用いられる装置であって、真空アーク蒸発源によって生成したプラズマを基体の近傍に導く磁気コイルを備える真空アーク蒸着装置に関し、より具体的には、当該磁気コイルが作る磁場中におけるプラズマのドリフトによって基体表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空アーク放電によって陰極を蒸発させて陰極物質を含むプラズマを生成する真空アーク蒸発源を用いて基体に成膜（薄膜形成）するという真空アーク蒸着装置は、成膜速度が大きくて生産性に優れているという特長を有している。
【０００３】
しかし、真空アーク蒸発源の陰極から蒸発する陰極物質には、成膜に好ましい微小粒子の他に、例えば直径が数μｍ程度またはそれ以上という粗大粒子（これはドロップレットとも呼ばれる）が含まれており、この粗大粒子が基体に飛来してその表面に付着して、膜の密着性や平滑性（面粗度）が低下するという欠点がある。
【０００４】
この欠点を解消するために、（１）偏向磁場によって粗大粒子を除去してプラズマを基体へ輸送する技術（例えば特開２００１−３１６０号公報参照）や、（２）磁場でプラズマを集束させてプラズマを高密度化することによって粗大粒子を微細化する技術（例えば特開２０００−３４５６１号公報参照）が既に提案されている。
【０００５】
図１０は、上記（１）の技術を採用した真空アーク蒸着装置であり、この装置は、図示しない真空排気装置によって真空排気される成膜室（換言すれば真空容器）２を備えており、その中に、成膜しようとする基体６を保持するホルダ８が設けられている。
【０００６】
成膜室２内には、この例では、図示しないガス源から、不活性ガス、反応性ガス等のガス４が導入される。
【０００７】
ホルダ８およびそれに保持される基体６には、この例では、バイアス電源１０から例えば−５０Ｖ〜−５００Ｖ程度の負のバイアス電圧ＶB が印加される。
【０００８】
成膜室２には、この例では９０度程度曲げられたダクト（偏向ダクト）２８を介して、真空アーク蒸発源１２が接続されている。
【０００９】
真空アーク蒸発源１２は、ダクト２８の端板２９に絶縁物２０を介して取り付けられた陰極１４を有していて、この陰極１４と陽極兼用のダクト２８（但し、陽極電極を別途設置する場合もある。以下同じ）との間の真空アーク放電によって陰極１４を蒸発させて、陰極物質（即ち、陰極１４を構成する物質。以下同じ）１６を含むプラズマ１８を生成するものである。陰極１４とダクト２８との間には、アーク電源２２から上記アーク放電用の電圧が印加される。真空アーク蒸発源１２は、公知のトリガ機構、水冷機構等を有しているが、この明細書ではそれらの図示を省略している。
【００１０】
ダクト２８の外周には、真空アーク蒸発源１２によって生成したプラズマ１８を偏向させる磁場を発生させて、当該偏向磁場によってプラズマ１８を成膜室２内の基体６の近傍に導く（輸送する）複数の磁気コイル２４が設けられている。これらの磁気コイル２４が発生する磁力線２６の一部を図中に概略的に示すが、ダクト２８の内面にほぼ沿っている。各磁気コイル２４は互いに直列接続されていて、これらには、直流のコイル電源３０から、上記磁場発生用のコイル電流ＩC が供給される。
【００１１】
真空アーク蒸発源１２によって生成されたプラズマ１８は、磁力線２６にほぼ沿って曲げられて基体６の方へ輸送される。その際、陰極１４から飛び出した粗大粒子は、電気的に中性であるかまたはプラズマ１８中で負に帯電している。いずれにしても、当該粗大粒子は質量が非常に大きいため、磁場に関係なく直進して、曲げられたダクト２８の内壁に衝突して、基体６には到達しない。その結果、基体６の近傍には、粗大粒子を殆ど含まないプラズマ１８が導かれる。従って、粗大粒子が基体６に付着することを防止することができる。上記のような磁気コイル２４、ダクト２８およびコイル電源３０（図１の例ではコイル電源４０）を備える構成を、その粗大粒子除去作用に着目して、磁気フィルタと呼ぶ場合もある。
【００１２】
上記のようにして基体６の近傍に輸送されたプラズマ１８中のイオン（即ち、イオン化した陰極物質１６）は、バイアス電圧ＶB 等によって基体６に引き寄せられて基体の表面に堆積して薄膜を形成する。このとき、ガス４として、陰極物質１６と反応して化合物を作る反応性ガスを導入しておくと、化合物薄膜を形成することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
一様な磁場中で電子が輸送される状態を考えると、よく知られているように、電子は次式で表されるローレンツ力Ｆを受け、磁力線の周りに巻きつくように旋回運動を行う。ここで、ｑは電荷、ｖは電子の速度、Ｂは磁束密度である（以下も同じ）。
【００１４】
【数１】
Ｆ＝ｑｖＢ
【００１５】
従って、一様な磁場であれば、例えば図１１に示す二つの位置Ｐ、Ｑから飛び出した電子３２は、一様な磁力線２６に沿って進んで基体６に到達して、位置Ｐ、Ｑにそれぞれ対応する位置Ｐ1 、Ｑ1 付近にそれぞれ入射する。
【００１６】
しかし、現実の磁気コイル２４によって形成される磁場は一様な磁場ではなく、必ず磁場の勾配を持っている。磁場に勾配がある場合の、電子のような荷電粒子のドリフトについては、例えば「最新プラズマ発生技術」河合良信著、株式会社アイピーシー、平成３年８月５日発行、第１２〜２１頁にも記載されているように、当該荷電粒子は次式で表されるドリフト速度ｖD でドリフトする。ここで、μは透磁率、∇Ｂは磁場の勾配（ベクトル）、ＢV は磁場（ベクトル）、その他は前記のとおりである。∇は、ナブラあるいはハミルトン演算子と呼ばれるものである。
【００１７】
【数２】
ｖD ＝−μ（∇Ｂ×ＢV ）／（ｑＢ2 ）
【００１８】
これを、図１０（あるいは後述する図１）に示すような偏向磁場でプラズマ１８を輸送する装置の場合について考えてみる。
【００１９】
まず、磁気コイル２４およびダクト２８が断面円形である場合の例を図１２〜図１８に示す。図１２〜図１５は、二つの陰極１４ａ、１４ｂを二つの位置Ｐ、Ｑで簡略化したものであり（後述する図１９〜図２１も同様）、図１６〜図１８は当該陰極１４ａ、１４ｂを具体的に示したものである（後述する図２２、図２３および図２〜図７も同様）。
【００２０】
この場合は、図１４に示すように、円形の磁気コイル２４の性質上から、ダクト２８内には、その中心部２８ａが最も弱くそこから外に向かうほど強くなるという磁場の勾配∇Ｂが存在することになる。なお、複数の磁気コイル２４を図１０等に示すように曲げて配置している場合は、磁場の最も弱い部分は、実際はダクト２８の中心部２８ａより少し外寄りにずれる。
【００２１】
従って、図１２および図１３に示すように二つの位置Ｐ、Ｑから出た電子３２ａ、３２ｂは、図１４に示す磁場の勾配∇Ｂによって、前記数２に従って、図１５に示すように円周方向のドリフト速度ｖD でドリフトする。従って、基体６には、円周方向にずれた位置に到達する。イオンの場合も同様であり、結局プラズマは円周方向にずれる形でドリフトする。
【００２２】
従って、図１６および図１７に示す例のように二つの真空アーク蒸発源１２を、互いにｚ軸に沿って上下に離して設けた場合、各陰極１４ａ、１４ｂでそれぞれ生成されたプラズマ１８は円周方向にドリフトしながら基体６に到達することになる。各陰極１４ａ、１４ｂで生成するプラズマ１８は、通常、中心部が濃く周縁部が薄いという山形の密度分布を有している。従って、基体６の表面には、図１８に示す例のように、各陰極１４ａ、１４ｂに対応する位置３４ａ、３４ｂから円周方向にずれた位置に、膜厚分布（換言すれば成膜速度分布）のピーク部３６ａ、３６ｂおよびその裾部３８ａ、３８ｂが表れる。
【００２３】
次に、磁気コイル２４およびダクト２８が断面矩形の場合の例を図１９〜図２３に示す。
【００２４】
この場合は、図２０に示すように、矩形の磁気コイル２４の性質上から、また複数の磁気コイル２４を図１０等に示すように曲げて配置していることから、ダクト２８内には、その中心部２８ａよりも少し外寄りの部分２８ｂが最も弱くそこから外に向かうほど強くなるという磁場の勾配∇Ｂが存在することになる。
【００２５】
従って、図１２および図１９に示すように二つの位置Ｐ、Ｑから出た電子３２ａ、３２ｂは、図２０に示す磁場の勾配∇Ｂによって、前記数２に従って、図２１に示すように、下方向と横方向とを合成して成る斜め下方向のドリフト速度ｖD でドリフトする。
【００２６】
従って、図１６および図２２に示す例のように二つの真空アーク蒸発源１２を、互いにｚ軸に沿って上下に離して設けた場合、各陰極１４ａ、１４ｂでそれぞれ生成されたプラズマ１８は斜め下方にドリフトしながら基体６に到達することになり、基体６の表面には、図２３に示す例のように、各陰極１４ａ、１４ｂに対応する位置３４ａ、３４ｂから斜め下方にずれた位置に、膜厚のピーク部３６ａ、３６ｂおよびその裾部３８ａ、３８ｂが表れる。
【００２７】
この両ピーク部３６ａ、３６ｂ等のずれ方には実際は差があり、上側の（上下はｚ軸方向におけるもの。以下同じ）ピーク部３６ａよりも下側のピーク部３６ｂの方が、横および下へのずれが大きいという実験結果が得られている。従って、両ピーク部３６ａ、３６ｂは互いに離れる方向にずれる。図２３はその一例を示したものであり、このようなずれが生じると基体６の中心付近には殆ど成膜されなくなる。しかもこのずれは、基体６が真空アーク蒸発源１２から離れるほど大きくなる。
【００２８】
上記のように磁場の勾配∇Ｂによって、基体６の表面における膜厚分布のピーク部３６ａ、３６ｂおよびその裾部３８ａ、３８ｂがずれることは、基体６に対して所望の成膜を行うことを困難にし、基体６の表面における膜厚分布の均一性を悪化させる原因になる。磁気コイル２４およびダクト２８が断面円形の場合に比べれば、磁気コイル２４およびダクト２８が断面矩形の場合は特に、上述したように膜厚分布のピーク部３６ａ、３６ｂが互いに離れる方向にずれるので、しかも基体６が真空アーク蒸発源１２から離れるほどそのずれは大きくなるので、基体６の表面における膜厚分布の均一性を悪化させる度合いは大きくなる。
【００２９】
そこでこの発明は、前述したような磁気コイルが作る磁場中におけるプラズマのドリフトによって基体表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することを主たる目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
この発明の真空アーク蒸着装置は、基体を収納して真空排気される成膜室と、真空アーク放電によって陰極を蒸発させて陰極物質を含むプラズマを生成する真空アーク蒸発源と、この真空アーク蒸発源と前記成膜室との間を接続している湾曲したダクトと、このダクトの外周にそれぞれ巻かれていて当該ダクトの軸に沿う方向に分散して配置されている複数の磁気コイルであって、前記真空アーク蒸発源によって生成したプラズマを偏向させる磁場を前記ダクトの内面に沿って発生させて当該磁場によって前記プラズマを前記成膜室内の基体の近傍に導く複数の、かつ互いに電気的に直列接続された磁気コイルと、この磁気コイルに前記磁場を発生させるコイル電流を流すコイル電源とを備える真空アーク蒸着装置において、前記コイル電源を、前記磁気コイルに流すコイル電流を反転させることのできるコイル電源とし、かつこのコイル電源を制御して前記磁気コイルに流すコイル電流の方向を反転させる制御器を設けたことを特徴としている。
【００３１】
前記磁気コイルが発生する磁場によってプラズマを基体の近傍に導くという作用は、当該磁気コイルに流すコイル電流を反転させる前も反転させた後も共に奏する。これは、磁場が発生している限りその磁場によってプラズマを導くことができるからである。
【００３２】
しかし、磁気コイルに流すコイル電流を反転させると、前述した磁場の勾配∇Ｂの方向は変わらないけれども、ベクトル磁場ＢV の方向は反転する。従って、前記数２からも分かるように、輸送するプラズマに作用するドリフト速度ｖD も反転する。
【００３３】
その結果、輸送中のプラズマのドリフトによって基体表面における膜厚分布のピーク部がずれるという前述した現象が、コイル電流を反転させることによって、基体表面において反転して現れることになる。この反転によって、膜厚分布の不均一性が緩和されるので、基体表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することができる。その結果、基体のより広い面積により均一に成膜することが可能になる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る真空アーク蒸着装置の一例を示す概略図である。図２は、図１中の二つの真空アーク蒸発源の各陰極の配置を図１のＣ−Ｃ方向に見て示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。この図２と前述した図２２とは同じものである。図１０〜図２３に示した例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては従来例との相違点を主に説明する。
【００３５】
この図１に示す真空アーク蒸着装置は、従来の直流のコイル電源３０の代わりに、前記複数の各磁気コイル２４に流すコイル電流ＩC を正逆反転させることのできるコイル電源４０を備えており、更に、このコイル電源４０を制御して、各磁気コイル２４に流すコイル電流ＩC の方向を反転させる制御器４２を備えている。
【００３６】
コイル電源４０は、例えば、正逆両極性の電流を流すことのできる両極性（バイポーラ）電源でも良いし、正方向の電流を流す直流電源とその逆方向の電流を流す直流電源とを組み合わせた電源等でも良い。
【００３７】
この真空アーク蒸着装置は、二つの前述したような真空アーク蒸発源１２を互いにｚ軸に沿って上下に離して設けている。
【００３８】
各磁気コイル２４およびダクト２８の断面形状は、前述したように円形の場合もあるけれども、図２〜図７は矩形の場合の例である。
【００３９】
各磁気コイル２４が発生する磁場によって、各真空アーク蒸発源１２が生成したプラズマ１８を成膜室２内の基体６の近傍に導くという作用自体は、各磁気コイル２４に流すコイル電流ＩC を反転させる前も反転させた後も共に奏する。これは、磁場が発生している限りその磁場によってプラズマ１８を導くことができるからである。
【００４０】
しかし、各磁気コイル２４に、真空アーク蒸発源１２側から見て時計回り方向にコイル電流ＩC を流すと、各真空アーク蒸発源１２の各陰極１４ａ、１４ｂから出た電子３２ａ、３２ｂは、図３に示すように斜め下方向のドリフト速度ｖD でドリフトし、それに応じて各陰極１４ａ、１４ｂの近傍で生成されかつ磁場によって輸送されるプラズマ１８も当該方向にドリフトし、基体６の表面に形成される薄膜の膜厚分布のピーク部３６ａ、３６ｂおよびその裾部３８ａ、３８ｂは、図５に示す例のように斜め下方にずれた位置に現れる。この図３および図５は、前述した図２１および図２３にそれぞれ相当しており、このようなドリフト速度ｖD や膜厚分布のずれが生じることについての詳細は前述したとおりである。
【００４１】
一方、各磁気コイル２４に流すコイル電流ＩC を上記とは反転させて、図４に示すように反時計回り方向とすると、各磁気コイル２４が作る磁場の勾配∇Ｂの方向は変わらないけれども、ベクトル磁場ＢV の方向は反転するので、前記数２からも分かるように、前述した各電子３２ａ、３２ｂに作用するドリフト速度ｖD は、この図４に示すように、図３の場合とは反対方向に向く。即ち斜め上方向に向く。それに応じて、各陰極１４ａ、１４ｂの近傍で生成されかつ磁場によって輸送されるプラズマ１８もこのドリフト速度ｖD の方向にドリフトすることになる。
【００４２】
その結果、輸送中のプラズマ１８のドリフトによって基体６の表面における膜厚分布のピーク部３６ａ、３６ｂおよびその裾部３８ａ、３８ｂがずれるという前述した現象が、反転前とは、即ち図３および図５の場合とは反転して現れることになる。その様子を図６に示す。即ち、各陰極１４ａ、１４ｂによる膜厚分布のピーク部３６ａ、３６ｂ等は、陰極１４ａ、１４ｂに対応する位置３４ａ、３４ｂから斜め上方にしかも互いに離れるようにずれる。
【００４３】
従って、コイル電流ＩC を上記のように反転させることによって、基体６の表面における膜厚分布は、図５のものと図６のものとを互いに重ね合わせることになり、図７に示すようなものが得られる。即ち、膜厚分布のピーク部３６ａ、３６ｂおよびその裾部３８ａ、３８ｂが、基体６の表面に分散して表れることになる。例えば、コイル電流ＩC を時計回り方向に流す時間ｔ1 と反時計方向に流す時間ｔ2 とを互いに同じにすると、同じ程度の強さ（膜厚）のピーク部が４箇所に分散して生じることになる。上記のようなピーク部の分散によって、基体６の表面における膜厚分布の不均一性が緩和される。即ち、磁気コイル２４が作る磁場中におけるプラズマ１８のドリフトによって基体６の表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することができる。その結果、基体６のより広い面積により均一に成膜することが可能になる。
【００４４】
基体６およびそれを保持するホルダ８を、図１および図７に示すように、基体６の中心部を中心にして例えば矢印Ｒ方向（またはその反対方向）に回転させるようにしても良い。そのようにすれば、基体６の回転によっても膜厚分布の不均一性を緩和することができるので、基体６の表面における膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【００４５】
制御器４２は、例えば、所定時間経過後に前記コイル電流ＩC の方向を反転させるものである。この反転は、１回でも良いけれども、所定時間ごとに繰り返して反転させる方が好ましい。そのようにすれば、コイル電流ＩC の反転による膜厚分布の不均一性緩和作用を繰り返して行わせることができるので、膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【００４６】
コイル電流ＩC を所定方向に流す時間ｔ1 とその反対方向に流す時間ｔ2 とは、互いに同じにしても良いし、膜厚分布の前述したずれ方等に応じて、膜厚分布の不均一性をよりうまく緩和して均一性をより高めるように、互いに異ならせても良い。
【００４７】
コイル電流ＩC を繰り返して反転させる場合は、短い時間ごとに反転させる方が、プラズマ１８中のイオンの入射によって基体６に加わる熱入力の集中をより緩和して、基体６の熱応力集中をより低減させるという観点から好ましい。例えば、基体６が１回転するのに要する時間の整数倍の時間ごとにコイル電流ＩC を反転させれば良い。より具体例を示せば、基体６を５秒で１回転させるならば、コイル電流ＩC を１０秒ごとに反転させれば良い。
【００４８】
また、基体６の表面における膜厚分布の均一性をより高めるために、次のような手段を採用しても良い。
【００４９】
図８の例では、基体６の周辺部近傍に、前記プラズマ１８による成膜の膜厚を計測する複数の膜厚計４４を設けている。より具体的にはこの例では、基体６の上下近傍に二つの膜厚計４４を設けている。そして前記制御器４２によって、この二つの膜厚計４４で計測する膜厚の相互間の差が所定値以上になったときに前記コイル電流ＩC を反転させる制御を行うようにしている。
【００５０】
このような手段を採用することによって、基体６の表面に成膜される膜厚を基体６の周辺近傍の複数箇所でモニタしながら、膜厚の不均一性が解消するようにコイル電流ＩC の反転制御を行うことができるので、基体６の表面における膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【００５１】
図９の例では、基体６の周辺部近傍に、前記プラズマ１８中のイオンが入射することによって流れるイオン電流ＩI を計測する複数のイオン電流プローブ４６を設けている。より具体的にはこの例では、基体６の上下近傍に二つのイオン電流プローブ４６を設けている。かつこの各イオン電流プローブ４６に流れるイオン電流ＩI をそれぞれ積算する二つの電流積算器５０を設けている。各イオン電流プローブ４６は、接地電位にしておいても良いけれども、イオン電流ＩI をより正確に計測するためには、この例のようにバイアス電源４８を設けて負電位にバイアスするのが好ましい。そして前記制御器４２によって、前記二つの電流積算器５０で積算した電流値の相互間の差が所定値以上になったときに前記コイル電流ＩC を反転させる制御を行うようにしている。
【００５２】
プラズマ１８を基体６の近傍に導くことによって基体６に成膜されるのは、前述したように、プラズマ１８中のイオン（具体的にはイオン化した陰極物質１６）が基体６に入射するからであり、そのイオンの入射量と成膜の膜厚とには相関的関係がある。このイオンの入射量を、上記イオン電流ＩI の積算値によって計測することができる。
【００５３】
従って上記のような手段を採用することによって、基体６に入射するイオンの量を基体６の周辺近傍の複数箇所でモニタしながら、イオン入射量の不均一性が解消するようにコイル電流ＩC の反転制御を行うことができるので、基体６の表面における膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【００５４】
各磁気コイル２４およびダクト２８の断面形状が円形の場合も、先に図１３〜図１５、図１７および図１８を参照して説明したように、磁場の勾配∇Ｂによってプラズマ１８がドリフトして、基体６の表面における膜厚分布の均一性を悪化させるけれども、この場合も上記のようにコイル電流ＩC を反転させることによって、プラズマ１８のドリフト方向を反転させることができるので、それによって膜厚分布の不均一性を緩和することができる。即ち、磁気コイル２４が作る磁場中におけるプラズマ１８のドリフトによって基体６の表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することができる。
【００５５】
また、上記各例は、複数の磁気コイル２４によって偏向磁場を形成してプラズマ１８を偏向させて輸送する場合の例であるけれども、この発明は、プラズマ１８を磁場によって偏向させずに基体６の近傍に導く場合にも適用することができる。即ち、前述したように、一つまたは複数の磁気コイルでプラズマ１８を集束させてプラズマ１８を高密度化することによって粗大粒子を微細化する場合がそれである。この場合も、磁気コイルが発生する磁場を用いてプラズマ１８を輸送する限り、前述したような磁場の勾配∇Ｂが存在し、それによってプラズマ１８に所定方向のドリフトをもたらし、これが基体６の表面に形成される膜厚分布の均一性を悪化させるけれども、この場合も上記のようにコイル電流ＩC を反転させることによって、プラズマ１８のドリフト方向を反転させることができるので、それによって膜厚分布の不均一性を緩和することができる。
【００５６】
【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。
【００５７】
請求項１記載の発明によれば、上記のような成膜室、真空アーク蒸発源、ダクト、磁気コイルに加えて、上記のようなコイル電源および制御器を備えているので、磁気コイルに流すコイル電流を反転させることができる。その結果、輸送中のプラズマのドリフトによって基体表面における膜厚分布のピーク部がずれるという現象が、磁気コイルに流すコイル電流を反転させることによって、基体表面において反転して現れることになり、この反転によって基体表面における膜厚分布の不均一性が緩和されるので、基体表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することができる。その結果、基体のより広い面積により均一に成膜することが可能になる。
【００５８】
請求項２に記載のように、真空アーク蒸発源を複数有しており、かつ磁気コイルが偏向磁場を発生させる場合は、プラズマのドリフトによる膜厚分布の不均一性が特に生じやすくなる。このような場合に、上記のようなコイル電源および制御器を設けて磁気コイルに流すコイル電流を反転させることによって、膜厚分布の不均一性を改善する効果はより顕著になる。
【００５９】
請求項３記載の発明によれば、コイル電流の反転による膜厚分布の不均一性緩和作用を繰り返して行わせることができるので、膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【００６０】
請求項４記載の発明によれば、上記のようなコイル電源および制御器を備えているので、磁気コイルに流すコイル電流を反転させることができる。その結果、輸送中のプラズマのドリフトによって基体表面における膜厚分布のピーク部がずれるという現象が、磁気コイルに流すコイル電流を反転させることによって、基体表面において反転して現れることになり、この反転によって基体表面における膜厚分布の不均一性が緩和されるので、基体表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することができる。その結果、基体のより広い面積により均一に成膜することが可能になる。更に、基体の表面に成膜される膜厚を基体の周辺近傍の複数箇所でモニタしながら膜厚分布の不均一性が解消するようにコイル電流の反転制御を行うことができるので、基体表面における膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【００６１】
請求項５記載の発明によれば、上記のようなコイル電源および制御器を備えているので、磁気コイルに流すコイル電流を反転させることができる。その結果、輸送中のプラズマのドリフトによって基体表面における膜厚分布のピーク部がずれるという現象が、磁気コイルに流すコイル電流を反転させることによって、基体表面において反転して現れることになり、この反転によって基体表面における膜厚分布の不均一性が緩和されるので、基体表面における膜厚分布の均一性が悪化することを抑制することができる。その結果、基体のより広い面積により均一に成膜することが可能になる。更に、基体に入射するイオンの量を基体の周辺近傍の複数箇所でモニタしながらイオン入射量の不均一性が解消するようにコイル電流の反転制御を行うことができるので、基体表面における膜厚分布の均一性をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る真空アーク蒸着装置の一例を示す概略図である。
【図２】図１中の二つの真空アーク蒸発源の各陰極の配置を図１のＣ−Ｃ方向に見て示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。
【図３】コイル電流を反転させる前の図１中の磁気コイルの磁場による電子のドリフト方向を図１のＤ−Ｄ方向に見て示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。
【図４】コイル電流を反転させた後の図１中の磁気コイルの磁場による電子のドリフト方向を図１のＤ−Ｄ方向に見て示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。
【図５】コイル電流を反転させる前の、図２の各陰極による成膜の基体表面における膜厚分布の一例を示す図である。
【図６】コイル電流を反転させた後の、図２の各陰極による成膜の基体表面における膜厚分布の一例を示す図である。
【図７】図５と図６の膜厚分布を重ね合わせた図である。
【図８】基体の周辺近傍に二つの膜厚計を設けた例を示す図である。
【図９】基体の周辺近傍に二つのイオン電流プローブを設けた例を示す図である。
【図１０】従来の真空アーク蒸着装置の一例を示す概略断面図である。
【図１１】一様な磁場中での電子の運動を示す概略図である。
【図１２】図１および図１０の装置の磁気コイル周りを抜き出して示す図である。
【図１３】図１２のＣ−Ｃ方向に見た断面の一例を示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面円形の場合の例である。
【図１４】図１２のＤ−Ｄ方向に見た断面における磁場勾配を示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面円形の場合の例である。
【図１５】図１４の磁気コイルの磁場による電子のドリフト方向を示す図である。
【図１６】図１および図１０の装置の陰極から基体にかけての部分を抜き出して示す図である。
【図１７】図１６の各陰極の配置を、図１６のＣ−Ｃ方向に見て示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面円形の場合の例である。
【図１８】図１７の各陰極による成膜の基体表面における膜厚分布の一例を示す図である。
【図１９】図１２のＣ−Ｃ方向に見た断面の一例を示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。
【図２０】図１２のＤ−Ｄ方向に見た断面における磁場勾配を示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。
【図２１】図２０の磁気コイルの磁場による電子のドリフト方向を示す図である。
【図２２】図１６の各陰極の配置を、図１６のＣ−Ｃ方向に見て示す図であり、磁気コイルおよびダクトが断面矩形の場合の例である。
【図２３】図２２の各陰極による成膜の基体表面における膜厚分布の一例を示す図である。
【符号の説明】
２ 成膜室
６ 基体
１２ 真空アーク蒸発源
１４、１４ａ、１４ｂ 陰極
１６ 陰極物質
１８ プラズマ
２４ 磁気コイル
２６ 磁力線
２８ ダクト
４０ コイル電源
４２ 制御器
Claims (5)
- 基体を収納して真空排気される成膜室と、真空アーク放電によって陰極を蒸発させて陰極物質を含むプラズマを生成する真空アーク蒸発源と、この真空アーク蒸発源と前記成膜室との間を接続している湾曲したダクトと、このダクトの外周にそれぞれ巻かれていて当該ダクトの軸に沿う方向に分散して配置されている複数の磁気コイルであって、前記真空アーク蒸発源によって生成したプラズマを偏向させる磁場を前記ダクトの内面に沿って発生させて当該磁場によって前記プラズマを前記成膜室内の基体の近傍に導く複数の、かつ互いに電気的に直列接続された磁気コイルと、この磁気コイルに前記磁場を発生させるコイル電流を流すコイル電源とを備える真空アーク蒸着装置において、
前記コイル電源を、前記磁気コイルに流すコイル電流を反転させることのできるコイル電源とし、かつこのコイル電源を制御して前記磁気コイルに流すコイル電流の方向を反転させる制御器を設けたことを特徴とする真空アーク蒸着装置。 - 前記真空アーク蒸発源を複数有している請求項１記載の真空アーク蒸着装置。
- 前記制御器は、前記コイル電流の方向を所定時間ごとに繰り返して反転させる制御を行うものである請求項１または２記載の真空アーク蒸着装置。
- 基体を収納して真空排気される成膜室と、真空アーク放電によって陰極を蒸発させて陰極物質を含むプラズマを生成する真空アーク蒸発源と、この真空アーク蒸発源によって生成したプラズマを偏向または集束させる磁場を発生させて当該磁場によって前記プラズマを前記成膜室内の基体の近傍に導く磁気コイルと、この磁気コイルに前記磁場を発生させるコイル電流を流すコイル電源とを備える真空アーク蒸着装置において、
前記コイル電源を、前記磁気コイルに流すコイル電流を反転させることのできるコイル電源とし、かつこのコイル電源を制御して前記磁気コイルに流すコイル電流の方向を反転させる制御器を設けており、更に、前記基体の周辺部近傍に、前記プラズマによる成膜の膜厚を計測する複数の膜厚計を設けており、前記制御器は、この複数の膜厚計で計測する膜厚の相互間の差が所定値以上になったときに前記コイル電流の方向を反転させる制御を行うものである真空アーク蒸着装置。 - 基体を収納して真空排気される成膜室と、真空アーク放電によって陰極を蒸発させて陰極物質を含むプラズマを生成する真空アーク蒸発源と、この真空アーク蒸発源によって生成したプラズマを偏向または集束させる磁場を発生させて当該磁場によって前記プラズマを前記成膜室内の基体の近傍に導く磁気コイルと、この磁気コイルに前記磁場を発生させるコイル電流を流すコイル電源とを備える真空アーク蒸着装置において、
前記コイル電源を、前記磁気コイルに流すコイル電流を反転させることのできるコイル電源とし、かつこのコイル電源を制御して前記磁気コイルに流すコイル電流の方向を反転させる制御器を設けており、更に、前記基体の周辺部近傍に、前記プラズマ中のイオンが入射することによって流れるイオン電流を計測する複数のイオン電流プローブを設けておき、かつこの各イオン電流プローブに流れるイオン電流をそれぞれ積算する複数の電流積算器を設けておき、前記制御器は、この複数の電流積算器で積算した電流値の相互間の差が所定値以上になったときに前記コイル電流の方向を反転させる制御を行うものである真空アーク蒸着装置。
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