JP4409015B2 - アークイオンプレーティング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば工具、金型、ベアリングボール、軸受、スピンドルシリンダまたは磁気ヘッド保護膜等、耐摩耗性、耐腐食性、自潤滑性を要求される対象物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（一般にアーク式イオンプレーティング装置と呼ばれる）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アークイオンプレーティング装置においては、アーク放電によって陰極から蒸発する陰極物質には、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バイアス電界によって被処理物に引き込んで表面に薄膜を形成する。その薄膜は、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。
【０００３】
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被処理物に引き込んで衝突させ、イオンミキシングの効果が期待できるからである。成膜速度が大きいのは、アーク放電の大電流を利用して陰極表面を瞬時に加熱、溶解、蒸発する作用による。
しかしながら、この利点は次の副作用をもたらす。すなわち、上記陰極から発生する陰極物質には、ドロップレットまたはマクロパーティクルと呼ばれる粗大粒子が含まれ、これが被処理物の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】
ドロップレットの原因は、陰極表面のアークスポット直下の局所加熱による液溜りの過大成長に起因する。ドロップレットの径は個数は、アーク電流の増大やアークスポットの集中、局在によって急激に増加する現象が観測されている。
アーク放電現象は、放電電子によって加熱した陰極表面が、蒸発した物質がアークプラズマとなり、それが放電媒体となって、放電空間の等価抵抗を下げ、さらに放電電流を増殖させるという正帰還作用を本質的にもっていることから、アーク放電は、一旦発生すれば、急激にアーク電流を増大させ、プラズマの自己ピンチまたは電源系の電圧降下で抑制されるまでアーク放電が成長するため、どうしても局所加熱それに伴う液溜りの拡大が避けられない。
（従来技術Ａ）
そこで、陰極に接続する電源回路の出力端に、インダクタ・コイルを挿入して、瞬間的なアーク電流の増殖を抑制する方法が、特開平10-46324号公報にある。
（従来技術Ｂ）
別の方法として、陰極表面近傍に、その法線に対して、0〜30°の発散性の角度をつけた比較的強い磁場（700Ｏe以上）を発生させ、アークイオン流と磁場の電磁相互作用によって、陰極表面上のアークスポット位置を、陰極の中心部に集中することなく、蒸発面のやや外寄りを周回するように移動させる方法が特開平11-36063号公報に提案されている。条件によっては、相当早い速度で、アークスポットが動くため、局所加熱が回避されて、液溜りの拡大、即ち、ドロップレットの発生が抑制されることが報告されている。
【０００５】
さらに、この方法では、陰極の蒸発面全体をほぼ一様に、またはやや外周寄りを多く消耗して、陰極表面を万遍無く使うために、陰極寿命を長くする効果もある。
（従来技術Ｃ）
もうひとつドロップレットの発生は許しても、それを再加熱・分解する方法が、特開平5-171427号公報に提案されている。陰極の前方近傍に1000Ｏe近い強い、しかも陰極中央に集束性の磁界を形成することによって、陰極表面近傍に発生したアークプラズマを閉じ込め、このプラズマ中で発生したドロップレットを再加熱、再溶解、再蒸発させることによって、ドロップレットの分解・再利用を促して、直径、個数を低減する方法である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
アーク電圧、真空度、導入ガス種＆圧力など装置運転条件や、ターゲット消耗度など付帯条件に依存せず、また陰極周辺に大袈裟な磁場発生回路を必要とせずに、アーク放電の成長によるアーク電流の急激な電流増殖を抑え込むとともに、強制的に陰極表面上のアークスポットを移動させて、局所加熱を避け、しかしてドロップレットを低減する方法を提供する。
【０００７】
まず、従来法Ａでは、陰極表面の消耗変形、周辺の境界構造により、アークスポット位置が局在した場合は、アーク電流の増殖に伴い、頻繁に放電が止められ、平均的に投入電力が少なくとどまり、成膜の生産性が尽く犠牲にされる怖れがある。当然、陰極表面の均一な消耗も期待できない。
次に、従来法Ｂでは、ある適切な運転条件では、アークスポットが一定の速度で陰極表面を周回することは事実であるが、アーク電圧、真空度、導入ガス種＆圧力など装置運転条件や、ターゲット消耗度など付帯条件に敏感に依存し、実用的な操業に利用できる提案ではない。実際、本願発明者の実験では、陰極に印加するアーク電圧の増加に伴い、ランダム放電→右回り周回運動→左廻り周回運動と微妙に変化するとともに、ガス種を変えると、全く周回運動が起きないこともあった。
【０００８】
また、700Ｏeの磁場を、高電圧、大容量水冷の要求される陰極ホルダー近傍に作るための、コイル系または、永久磁石系を装備することは容易ではない。さらに、理想的にアークスポットが最大速度で周回運動する条件を出しても、ドロップレットの根絶には至らなかった実験結果があり、本方式も抜本的解決策ではないことが解っている。
【０００９】
第３の従来法Ｃにおいては、陰極近傍に高密度のアークプラズマが存在することが肝要であるが、実現可能または運転条件としてのアーク電流、磁束密度で得られるアークプラズマでは、発生するドロップレットを全て再加熱・再溶融・再蒸発させるには、不十分であることが、自明である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、真空アーク放電によって陰極物質を蒸発させるとともにイオン化して被処理物に蒸着成膜する装置において、前記陰極の蒸発面を貫く磁界を発生させる磁界発生手段を具備し、その磁束線に交差するようにアノード電極が設置され、当該アノード電極は、陰極を中心軸として周方向に複数に分割して並設され、接地電位に、分割された各アノード電極が回路素子を介してそれぞれ接続されていて、前記回路素子は、あるアノード電極のアーク電流が急増した際に、接地電位のままである他のアノード電極に対応する陰極部位へアークスポットを移動させる逆起電力を誘起可能なインダクタンス成分を持つことを特徴とする。
【００１１】
磁束線によって、アーク放電の電子流の軌道が固定されるために、陰極表面（蒸発面）の各部位と、電子流が吸収される分割された各アノード電極が１対１に写像されることになる。
陰極の一部で発生したアーク放電電流は、その部位に対応したアノード電極に吸収され、接続されるインダクタ（コイル）回路を経て、接地電位に至る。
【００１２】
アーク電流が急激に増殖した場合は、インダクタ内に誘起される逆起電力により、アーク電流を抑制するような方向に、アノード電極の電位を変化させる結果となる。
その場合、他のアノード電極は接地電位のままであるので、陰極から見ると、電位差が高く、放電し易い条件であることになり、それらに対応する陰極部位へとアークスポットは移動することになる。
【００１３】
以上は、微視的な放電現象を時系列的に描写したものであるが、実際には、本アークイオンプレーティング装置においては、高い電圧、大きな電流まで、安定したアーク放電が生じるとともに、陰極表面ではアークスポットがランダムまたは高速周回移動して、時間平均的には均一な放電面を実現することになる。
また、上記構成によれば、陰極を貫く磁界は弱く（１０ガウス以上高々１００ガウス以下；０．００１Ｔ〜０．０１Ｔ）てもよいので、磁界発生手段の構成を簡易にすることができる。
【００１４】
なお、前記磁界としては、陰極の蒸発面を貫く平行または前方に発散する発散磁界が好適である。
また、前記アノード電極を、周方向へ傾斜した方向に分割しておけば、アークスポットを一方向に回転させることができ、運転条件（成膜条件）による依存性を小さくするのに望ましい。
【００１５】
前記装置において、アーク電流が小さな条件で運転する場合には、インダクタ回路の逆起電力だけで、アークスポットを移動が困難な場合、アノード電極を、偶数個に分割し、かつ周方向に隣り合うアノード電極に接続された前記回路素子同士を、電磁誘導的に逆位相にカップリングさせて、アークスポットの移動を容易にすることができる。
【００１６】
それは、ひとつのアノード電極に流れ込んだ電流は、それに接続されたインダクタンスに生じた逆起電力を発生させるとともに、両隣のアノードのインダクタに作用して、放電を促す（引込む）極性の起電力を、両隣のアノード電極に生ぜしめるためである。
アークスポットの移動特性は、前記装置のアノード電極に接続された回路素子に、インダクタンス成分以外に、直列純抵抗および／または並列キャパシタンス成分を追加することによって、調整可能である。
【００１７】
本発明では、上記のように電流が安定で、陰極表面で均一なアーク放電を実現するとともに、陰極の蒸発面の前方において平行進行ないし発散する磁力線を採用すれば、陰極物質イオンが、この磁力線に沿って放射される領域は広くなり、従って膜厚均一性の高い成膜領域も広くなる効果も期待できる。
さらに、アークスポットの動きは、陰極の蒸発面全体をほぼ一様に消耗させるか、やや外寄りに比重を置きながら蒸発面全体を消耗させることになり、いずれにしても陰極の蒸発面を万遍無く使うので、陰極の寿命を長くすることができる。
【００１８】
装置としても、必要磁場は、従来技術に対してはるかに弱く、安価な磁場発生装置で十分である点も、装置構成、価格の点でメリットがある。
【００１９】
【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は、本発明の第１実施形態に係るアークイオンプレーティング装置１を示している。
この装置１は、処理室を構成する真空チャンバ２内に蒸発源としての陰極（カソード）３と、陽極（アノード）４とを備えている。陰極３は、正極が接地されたアーク電源５の負極に接続されている。また、真空チャンバ２自体も接地されている。
【００２０】
なお、真空チャンバ２には真空ポンプ６と導入ガスのタンク（導入ガス供給手段）７とが接続されている。
真空チャンバ２内には、さらに前記陰極３の蒸発面（前面）３ａを含む領域に磁界を発生させる磁界発生手段９が設けられている。より具体的には、この磁界発生手段９は、蒸発面３ａを貫くとともに蒸発面３ａからその前方にかけての領域に磁界を形成するためのものである。ここで磁界発生手段９は、蒸発面３ａの周りに巻かれた筒状（より具体的には円筒状）の磁気コイル１０からなる。
【００２１】
この磁気コイル１０は、図示していないコイル電源によって励磁されて、上記のような磁界を形成する。図１には、この磁気コイル１０が作る磁力線の例を模式的に示している。この磁力線は、蒸発面３ａに対してほぼ直交し、前方（図１では上方）に発散している。
また、陰極３の前方には、空間をおいて、被処理物１２が設置され、正極が真空チャンバ２に接続されたバイアス電源１３の負極がこの被処理物１２に接続され、被処理物１２が負電位に保たれる。
【００２２】
前記アノード電極４は、陰極３中央における蒸発面３ａに対する法線を軸として、被処理物１２を取り巻くように、また上記磁力線と交差（吸収）するように配置されている。アノード電極４は、周方向に複数個（８個：偶数個）に分割され、全体として円筒形状に形成されている。なお、この円筒形状は前方が拡径した形状である。
【００２３】
各アノード電極４，４，・・は、それぞれ個別のインダクタ（コイル）回路素子１６を介して、接地電位（真空チャンバ２）に接続されている。
本実施形態のコイル１０は、陰極蒸発面３ａの前方において、進行方向に向かって外に発散する磁力線を発生し、陰極３の蒸発面３ａで最大値、アノード４表面で最小値をとる。アノード４近傍で高々１０Ｏｅ（エルステッド）（約７９０Ａ／ｍ）以上の磁界を形成すれば、この磁力線に沿って、陰極３を起点とするアーク放電の電子流は、螺旋軌道を描きながら、アノード電極４に向かって移動する。このことは、電子の軌道半径が、次式で与えられることから解る。
【００２４】
ｒ[m]＝3.4×10^-6 √Ｔ[eV]／Ｂ[T]
プラズマ温度として１００ｅＶを仮定しても、高々１０Gauss（0.001T）でも、軌道は１cmオーダにとどまり、電子流は磁力線に絡み付いて流れるとの描像は、よい近似であると言える。
さて、アーク放電の電流増殖およびアークスポットの非局在化のメカニズムを、上記実施形態をもとに説明する。
【００２５】
発散性の磁束線によって、アーク放電の電子流の軌道が固定されるために、陰極表面３ａの各部位と、電子流が吸収される分割されたアノード電極体４，４，・・が１対１に写像されることになる。陰極３の一部で発生したアーク放電電流は、その部位に対応したアノード電極体４に吸収され、接続されるインダクタ（コイル）回路１６を経て、接地電位に至る。
【００２６】
アーク電流が急激に増殖した場合は、インダクタ１６内に誘起される逆起電力により、アーク電流を抑制するような方向に、アノード電極４の電位を変化させる結果となる。その場合、他のアノード電極４は接地電位のままであるので、陰極３から見ると、電位差が高く、放電し易い条件であることになり、それらに対応する陰極部位へとアークスポットは移動することになる。
【００２７】
このように、周方向に複数に分割されたリング状のアノード電極４を用いると、ある分割アノード電極４と隣接する他の分割アノード電極４との間に電位差を生じさせてアークスポットを移動させることができる。
以上は、微視的な放電現象を時系列的に描写したものであるが、実際には、本アークイオンプレーティング装置１においては、高い電圧、大きな電流まで、安定したアーク放電が生じるとともに、陰極表面３ａではアークスポットがランダムまたは高速周回移動して、時間平均的には均一な放電面を実現することになる。
【００２８】
本実施形態では、上記のように電流が安定で、陰極表面３ａで均一なアーク放電を実現する以外に、陰極３の蒸発面３ａの前方において平行進行ないし発散する磁力線の効果により、陰極物質イオンが、この磁力線に沿って放射される領域は広くなり、従って膜厚均一性の高い成膜領域も広くなる効果も期待できる。
さらに、アークスポットの動きは、陰極３の蒸発面３ａ全体をほぼ一様に消耗させるか、やや外寄りに比重を置きながら蒸発面３ａ全体を消耗させることになり、いずれにしても陰極３の蒸発面３ａを万遍無く使うので、陰極３の寿命を長くすることができる。
【００２９】
なお、アークスポットの移動特性は、アノード電極４に接続された回路素子１６に、インダクタンス成分以外に、直列純抵抗および／または並列キャパシタンス成分を追加することによって、調整することができる。
図２は、本発明の第２実施形態に係るアークイオンプレーティング装置１を示している。この第２実施形態はアノード電極４の形状をのぞき、他の構成については第１実施形態に準じている。第１実施形態では、アノード電極４の分割方向が陰極３を中心とした放射方向であったが、本実施形態では、アノード電極４は、放射方向から周方向へ傾斜した方向に分割されている。すなわち、アノード電極４を分割する仮想線Ｘに着目すれば、全体として渦巻状になっている。
【００３０】
また、いいかえれば、アノード電極４は、陰極３を中心軸とした回転非対称の形状、具体的には、扇風機の羽根のような形状（プロペラ形状）にされている。これによってアークスポットを一方向に回転させることができ、運転条件（成膜条件）による依存性を小さくする効果が期待できる。
すなわち、アークスポットが陰極３の中心から外方に向かって移動するという特性により、写像されたアノード電極４では外方から内方に移動する現象が起こる。この外から内への移動が周方向への移動を伴うように規制すれば、アークスポットの移動方向を一定方向に回転させることができる。アノード電極４の分割方向を周方向に傾斜させたのは、この点に着目したものであって、具体的に例えば、アノード電極４を扇風機の羽根のような形状にすれば、その形状によって外から内に向かうときに強制的に周方向に移動する規制を受け、図２の例では、アークスポットは時計回りに周回運動する。
【００３１】
図３は本発明の第３実施形態、図４は本発明の第４実施形態に係るアークイオンプレーティング装置１を示している。これらの装置１は、アーク電流が小さな条件でも運転を可能とするためのものである。アーク電流が小さいためにインダクタ回路１６の逆起電力だけでアークスポットを移動させるのが困難な場合のため、アノード電極４を偶数個に分割し、かつ周方向に隣り合うアノード電極４に接続された該回路素子１６同士を、電磁誘導的に逆位相にカップリングさせて、アークスポットの移動を容易にしたものである。
【００３２】
図３は、各インダクタ・コイル１６を共通のリング状磁性コア１８で結合した例で、相隣り合うコイル１６Ａ，１６Ｂは巻き方が逆方向である。
図４は、各インダクタ・コイル１６（各コイルの巻き方は同方向）に、二次コイル１９を設け、隣り合う２次コイル１９Ａ，１９Ｂを逆位相で接続して、閉回路とした例である。なお、図４において、相隣り合うインダクタ・コイル１６の巻き方を逆にして、二次コイル１９を同位相で接続してもよい。
【００３３】
図３、図４のいずれも、ひとつのアノード電極４に流れ込んだ電流は、それに接続されたインダクタンス１６に生じた逆起電力を発生させるとともに、両隣のアノード電極４のインダクタ１６に作用して、放電を促す（引込む）極性の起電力を、両隣のアノード電極４に生ぜしめる。
図５は、本発明の第５実施形態を示している。この装置１では、磁界発生手段９として永久磁石２１が採用されており、軸方向に磁極を有する筒状の永久磁石２１が陰極３のまわりに同軸状に配置され、第１実施形態と類似の磁力線を発生させることができる。
【００３４】
なお、第２〜第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。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、アーク電圧、真空度、導入ガス種＆圧力など装置運転条件や、ターゲット消耗度など付帯条件に依存せず、また陰極周辺に大袈裟な磁場発生回路を必要とせずに、アーク放電の成長によるアーク電流の急激な電流増殖を抑え込むとともに、強制的に陰極表面上をアークスポットを移動させて、局所加熱
を避け、しかしてドロップレットを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係るアークイオンプレーティング装置の平面図及び断面図である。
【図２】 第２実施形態に係るアークイオンプレーティング装置の平面図である。
【図３】 第３実施形態に係るアークイオンプレーティング装置の平面図である。
【図４】 第４実施形態に係るアークイオンプレーティング装置の平面図である。
【図５】 第５実施形態に係るアークイオンプレーティング装置の断面図である。
【符号の説明】
１ アークイオンプレーティング装置
２ 真空チャンバ
３ 陰極
４ アノード電極
５ アーク電源
９ 磁界発生手段
１２ 被処理物
１６ インダクタ回路素子（コイル）

Claims (4)

1. 真空アーク放電によって陰極物質を蒸発させるとともにイオン化して被処理物（１２）に蒸着成膜する装置において、
   前記陰極の蒸発面（３ａ）を貫く磁界を発生させる磁界発生手段（９）を具備し、その磁束線に交差するようにアノード電極（４）が設置され、
   当該アノード電極（４）は、陰極（３）を中心軸として周方向に複数に分割して並設され、
   接地電位に、分割された各アノード電極（４）が回路素子（１６）を介してそれぞれ接続されていて、
   前記回路素子（１６）は、あるアノード電極（４）のアーク電流が急増した際に、接地電位のままである他のアノード電極（４）に対応する陰極部位へアークスポットを移動させる逆起電力を誘起可能なインダクタンス成分を持つことを特徴とするアークイオンプレーティング装置。
2. 前記アノード電極（４）は、周方向へ傾斜した方向に分割されていることを特徴とする請求項１記載のアークイオンプレーティング装置。
3. 前記アノード電極（４）は、偶数個に分割され、かつ周方向に隣り合うアノード電極（４）に接続された前記回路素子（１６）同士が、電磁誘導的に逆位相にカップリングされていることを特徴とする請求項１又は２記載のアークイオンプレーティング装置。
4. 前記回路素子（１６）には、インダクタンス成分以外に、直列純抵抗および／または並列キャパシタンス成分が含まれることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアークイオンプレーティング装置。

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