JP4679004B2 - アーク蒸発源装置、その駆動方法、及びイオンプレーティング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク蒸発源装置、その駆動方法、及びイオンプレーティング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンプレーティング装置には種々の形式の蒸発源が用いられるが、その１つにアーク蒸発源がある。
【０００３】
このアーク蒸発源を用いたイオンプレーティング装置では、装置を起動すると、アーク蒸発源のカソードとアノードとの間にアーク放電が発生して、カソードのアークスポットにおいてカソード材料が溶融して蒸発し、その蒸発したカソード材料がカソードからアノードに向かう電子によってイオン化され、そのイオン化されたカソード材料が基材ホルダに保持された基材表面に付着して堆積する。これにより、基材表面にカソード材料からなる薄膜が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記イオンプレーティングにおいては、カソードから原子の状態のカソード材料が飛び出して基材表面に付着するのが理想であり、このような理想状態では、基材上に形成された薄膜の表面がきれいな（平滑な）ものとなる。そして、カソード材料が、例えばチタンのように、高融点の材料からなる場合は、原子状態のカソード材料が飛び出して薄膜の表面がきれいなものとなる。
【０００５】
しかし、カソード材料が、例えばアルミニウムのように、低融点の材料からなる場合は、溶けた液体状のカソード材料（マクロパーティクル）が飛び出して薄膜の表面が荒れたものとなる。
【０００６】
これを防止するためには、アーク蒸発源のアーク放電電流を小さくしてカソードのアークスポットの温度を下げればよいが、アーク放電電流を余り小さくするとアーク放電が不安定になるため、この方法では、カソード材料が低融点の材料からなる場合における薄膜の表面の荒れを防止することができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、カソード材料が低融点の材料からなる場合における薄膜の表面の荒れを防止することができるアーク蒸発源装置、その駆動方法、及びイオンプレーティング装置提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係るアーク蒸発源装置は、アノードと、カソードたる蒸発源電極と、上記アノードと上記蒸発源電極との間に矩形波交流のアーク放電電流を供給する電流制御装置とを備えたものである（請求項１）。かかる構成とすると、アーク放電電流の矩形波形を適宜変化させることにより、放電を維持したまま該アーク放電電流の平均値を小さくすることができるため、アークスポットの温度を下げることができる。その結果、蒸発粒子の粒度を細かくすることができ、それにより基材に形成される薄膜の表面荒れを防止することができる。また、アーク放電電流の平均値を小さくすることができるので、イオンプレーティングを低温で行うことができる。
【０００９】
この場合、上記アーク放電電流は、１周期内において、正の期間が負の期間より短いものとしてもよい（請求項２）。かかる構成とすると、アーク放電電流の平均値を効果的に小さくすることができる。
【００１０】
また、上記アーク放電電流の周波数が400Hz以上であるものとしてもよい（請求項３）。かかる構成とすると、アーク放電電流が負となる絶対的な期間が短くなるので、アーク放電電流の負の期間に対する正の期間の比率を小さくしてその平均電流を小さくしても放電を持続することができる。
【００１１】
また、上記アーク放電電流の周波数が１KHz以上かつ10KHz以下であるものとしてもよい（請求項４）。かかる構成とすると、アーク放電電流が負となる絶対的な期間がさらに短くなるので、より好適に放電を持続することができる。
【００１２】
また、上記電流制御装置は、上記アーク放電電流の周波数、１周期内における負の期間に対する正の期間の比率、及び１周期内における負の値に対する正の値の比率のうちの少なくともいずれかを制御可能であるものとしてもよい（請求項５）。かかる構成とすると、基材に形成される薄膜の表面の荒れを防止することが可能なように、アーク放電電流の矩形波形を変化することができる。
【００１３】
また、上記蒸発源電極から蒸発せしめられたカソード材料からなる蒸発粒子の粒度を検出する粒度センサを有し、上記電流制御装置は、上記粒度センサで検出された上記粒度に基づいて、上記アーク電流の平均値を制御するものとしてもよい（請求項６）。かかる構成とすると、蒸発粒子の粒度が、所望のものとなるように、アーク放電電流を制御することができる。
【００１４】
この場合、上記粒度センサは、対向配置され互いの間に直流電界が形成される一対の電極と、該一対の電極間を通過し、それにより所定量偏向せしめられた上記蒸発粒子を捕捉する粒子コレクタと、該粒子コレクタで捕捉された蒸発粒子による電流値を検出する電流検出回路とを有するものとしてもよい（請求項７）。かかる構成とすると、簡単な構成で蒸発粒子用の粒度センサを得ることができる。
【００１５】
また、上記粒度センサは、上記蒸発粒子が付着して薄膜を形成する基材表面の一部に向け光を出射する発光装置と、該発光装置から出射され上記基材表面で反射された上記光の強度を検出する受光装置と、上記発光装置から出射された光の強度と上記受光装置で検出された光の強度との比を検出する制御回路とを有するものとしてもよい（請求項８）。かかる構成とすると、簡単な構成で蒸発粒子用の粒度センサを得ることができる。
【００１６】
また、本発明に係るアーク蒸発源装置の駆動方法は、アノードと、カソードたる蒸発源電極と、上記アノードと上記蒸発源電極との間に矩形波交流のアーク放電電流を供給する電流制御装置とを備えたアーク蒸発源装置の駆動方法であって、上記アーク放電電流の周波数、１周期内における負の期間に対する正の期間の比率、及び１周期内における負の値に対する正の値の比率のうちの少なくともいずれかを制御するようにしたもである（請求項９）。かかる構成とすると、蒸発粒子の粒度が、所望のものとなるように、アーク放電電流を制御することができる。
【００１７】
この場合、上記アーク放電電流の周波数を制御するようにしてもよい（請求項１０）。かかる構成とすると、アーク放電電流の負となる絶対期間が周波数に応じて変化するため、該周波数を適宜なものとすることにより、アーク放電電流を持続させることができる。
【００１８】
また、上記アーク放電電流の１周期内における負の期間に対する正の期間の比率を制御するようにしてもよい（請求項１１）。かかる構成とすると、負の期間に対する正の期間の比率に応じてアーク放電電流の平均値が変化するため、該負の期間に対する正の期間の比率を変化させることにより、アーク放電電流の平均値、ひいては蒸発粒子の粒度を変化させることができる。また、負の期間に対する正の期間の比率に応じて蒸発レートが変化するため、該負の期間に対する正の期間の比率を変化させることにより、蒸発レートを変化させることができる。
【００１９】
また、上記アーク放電電流の１周期内における負の値に対する正の値の比率を制御するようにしてもよい（請求項１２）。かかる構成とすると、負の値に対する正の値の比率に応じてアーク放電電流の平均値が変化するため、該負の値に対する正の値の比率を変化させることにより、アーク放電電流の平均値、ひいては蒸発粒子の粒度を変化させることができる。
【００２０】
また、本発明に係るイオンプレーティング装置は、真空チャンバと、該真空チャンバ内に配設され基材を保持する基材ホルダと、上記真空チャンバ内にて、カソード材料を矩形波交流のアーク放電電流を用いて蒸発させるアーク蒸発源装置とを備えたものである（請求項１３）。かかる構成とすると、基材上に形成される薄膜の表面の荒れを防止することができる。また、アーク放電電流の平均値を小さくすることができるので、イオンプレーティングを低温で行うことができる。
【００２２】
この場合、排気口及び原料ガスを供給するための原料ガス供給口を有するチャンバと、該チャンバ内を上記排気口を通じて排気する排気ポンプと、上記チャンバ内に配設され基材を保持する基材ホルダと、上記チャンバ内にて、カソード材料を蒸発させるアーク蒸発源装置と、上記原料ガス供給口を開閉する手段と、上記アーク蒸発源装置のカソード材料蒸発部を開閉可能に覆うカバー手段と、上記チャンバ内にプラズマを発生させる高周波電源とを備えたものとしてもよい。かかる構成とすると、カバー手段によるアーク蒸発源装置のカソード材料蒸発部の覆いを開くとともに原料ガス供給口を閉じてイオンプレーティングを行い、カバー手段によるアーク蒸発源装置のカソード材料蒸発部の覆いを閉じるとともに原料ガス供給口を開いてプラズマＣＶＤを行うことにより、イオンプレーティングとプラズマＣＶＤとを１つのチャンバ内で行うことができる。さらに、一般に基材の被コーティング面は三次元形状を有する場合が多いが、アーク蒸発源は作動姿勢が制約されないことから基材への成膜に最適な位置に必要な数だけアーク蒸発源を設置することにより、例えば、抵抗方式による蒸発源に比べて、好適にイオンプレーティングを行うことができる。さらに、この場合、上記アーク蒸発源装置は、上記カソード材料を蒸発させるために矩形波交流のアーク放電電流を用いるものとしてもよい（請求項１４）。かかる構成とすると、基材に形成される薄膜の表面の荒れを防止することができる。
【００２４】
また、本発明に係るイオンプレーティング装置は、真空チャンバと、該真空チャンバ内に配設され基材を保持する基材ホルダと、上記真空チャンバ内に、カソード材料を矩形波交流のアーク放電電流を用いて蒸発させるアーク蒸発源装置と、上記真空チャンバ内プラズマを発生させる高周波電源とを備えたものである（請求項１５）。かかる構成とすると、真空チャンバ内に高周波電力を与えてイオンプレーティングを行う場合でも蒸発源装置に矩形波交流のアーク放電電流を用いるため、平均電流を小さくしてカソード材料蒸発部の温度を下げることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１に係るアーク蒸発源装置及びイオンプレーティング装置の構成を模式的に断面図、図２は図１のアーク蒸発源装置の電流制御装置の概略の構成を示すブロック図、図３は図１のアーク蒸発源装置の粒度センサの構成を示す模式図、図４は図１のアーク蒸発源装置の電流制御装置から出力される電流波形を示すグラフである。
【００３３】
図１において、本実施の形態に係るイオンプレーティング装置は、真空チャンバ５内に基材７を保持する基材ホルダ６が配設され、該基材ホルダ６に対向するようにカソードたる蒸発源電極２が配設されている。また、基材ホルダ６の手前には粒度センサ４が配設されている。真空チャンバ５は導電性部材で構成され接地されている。真空チャンバ５と蒸発源電極２との間には、電流制御装置３によってアーク放電電圧が印加され、そのアーク放電電圧によるアーク放電電流が該電流制御装置３によって制御されている。従って、真空チャンバ５がアーク蒸発源のアノードを構成し、蒸発源電極２とともにアーク蒸発源を構成している。電流制御装置３には粒度センサ４の出力が入力されている。そして、これらアーク蒸発源、電流制御装置３、及び粒度センサ４が本実施の形態に係るアーク蒸発源装置１を構成している。基材ホルダ６は導電性部材で構成され、該基材ホルダ６と真空チャンバ５との間には、バイアス電源装置18によって所定のバイアス電圧が印加されている。このバイアス電圧は真空チャンバ５に対し基材ホルダ６が負電位となるように印加されている。なお、符号８は蒸発源電極２から蒸発したカソード材料からなる蒸発粒子を示している。
【００３４】
図２、図４において、電流制御装置３は、商用周波数の交流を整流する整流回路41と、整流回路41から出力される直流電流を矩形波パルス電流に変換するチョッパ回路42と、チョッパ回路42から出力される矩形波パルス電流と直流電流とを合成して矩形波交流電流を生成する合成回路43と、合成回路43から出力される矩形波交流電流を増幅する増幅回路44と、ＣＰＵからなる制御回路45とを有している。制御回路45は、外部から制御目標値46を入力され、その入力された制御目標値46と増幅回路44の出力及び粒度センサ４からの入力とを対比することにより、チョッパ回路42、合成回路43、及び増幅回路44をフィードバック制御している。これにより、増幅回路44から、図４に示す矩形波交流電流が出力される。なお、図４においては、真空チャンバ５から蒸発源電極２に向かって流れる電流を＋とした。
【００３５】
外部からは、矩形波交流電流の周期Ｔ、１周期内における負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率（以下、単に負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率という）、１周期内における負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率（以下、単に負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率という）、振幅(Ａ1+Ａ2)、及び蒸発粒子８の粒度についての制御目標値46が入力される。矩形波交流電流の周期Ｔ及び負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率は、制御回路45がチョッパ回路42を制御することによって制御される。矩形波交流電流の負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率は、制御回路45が合成回路43を制御することによって制御される。矩形波交流電流の振幅(Ａ1+Ａ2)は、制御回路45が増幅回路44を制御することによって制御される。そして、蒸発粒子８の粒度は、制御回路45が矩形波交流電流の負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率又は負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率を制御することによって制御される。
【００３６】
図３において、粒度センサ４は、対向配置された一対の電極９を有している。該一対の電極９には図示されない直流電源により直流電圧が印加されており、従って、該一対の電極９の間には直流電界が形成されている。そして、一対の電極９の間を通過し、それにより所定量偏向せしめられた蒸発粒子８を捕捉可能なように粒子コレクタ10が配設され、該粒子コレクタ10で捕捉された蒸発粒子８による電流値を検出するための電流検出回路11が設けられている。そして、電流検出回路11の電流値が粒度を表す信号として出力される。
【００３７】
次に、以上のように構成されたイオンプレーティング装置の動作を説明する。
【００３８】
図１〜図４において、基材ホルダ６に基材７を装着し、その後、イオンプレーティング装置を動作させる。すると、図示されない排気ポンプにより真空チャンバ５内が排気されて所定の真空度に到達し、維持される。次いで、バイアス電源装置18が動作して、基材ホルダ６に所定のバイアス電圧が印加され、基材ホルダ６が真空チャンバ５に対し負の電位に保持される。次いで、電流制御装置３が動作し、蒸発源電極２にてアーク放電が開始し、矩形波交流のアーク放電電流が該蒸発源電極２に流れる。それにより、蒸発源電極２からカソード材料が蒸発して蒸発粒子８となり、蒸発源電極２から真空チャンバ５へ向かう電子によりイオン化されて基材７に付着する。これにより、基材７の表面にカソード材料からなる薄膜が形成される。
【００３９】
この際、蒸発源電極２から蒸発した蒸発粒子の一部が粒度センサ４に捕捉される。図４に示すように、蒸発粒子はイオン化されており、そのイオン化された蒸発粒子８が、直流電界が形成された一対の電極９間を通過するので、その進路が該直流電界によって偏向せしめられる。この場合、蒸発粒子の粒度が細かい程、偏向の程度が大きくなり、従って、粒度センサ４から出力される電流値が大きくなる。よって、粒度センサ４によって蒸発粒子８の粒度を検出することができる。この粒度センサ４から出力される粒度信号を受け、電流制御装置３は、蒸発粒子８の粒度が大きいと、アーク放電電流の負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率、又は負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率を小さくする。すると、アーク放電電流の平均値が小さくなり、それにより、蒸発源電極２のカソードのアークスポットの温度が下がるので、蒸発粒子８の粒度が細かくなる。これにより、基材７に形成される薄膜の表面が荒れるのが防止される。逆に、蒸発粒子８の粒度が小さいと、電流制御装置３は、アーク放電電流の負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率、又は負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率を大きくする。すると、アーク放電電流の平均値が大きくなり、それにより、蒸発源電極２のカソードのアークスポットの温度が上がるので、蒸発粒子８の粒度が粗くなる。但し、実際には、蒸発粒子８の粒度は原子より小さくなることはなく、制御目標値となる粒度は原子のレベルに設定されるので、電流制御装置３が蒸発粒子の粒度を粗くするようアーク放電電流を制御することはないと考えられる。なお、アーク放電電流の負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率及び負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率のいずれを変化させても、蒸発粒子８の粒度が変化するが、負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率を変化させる方が好ましい。これは、アーク放電を維持するには、一定以上の瞬時電流値が必要であるが、負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率を変化させる場合には、一定以上の瞬時電流値を維持しつつ平均電流値を小さくすることができるからである。但し、負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率を変化させると、蒸発レートも変化する。一方、負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率を変化させた場合は、蒸発粒子８の粒度のみが変化する。
【００４０】
次に、外部から入力する上記制御目標値46を変化させることにより、アーク放電電流の波形を変えることができる。周期Ｔ、すなわち周波数を変化させると、アーク放電の安定性を変化させることができる。周波数が高くなる程アーク放電の安定性が高くなり、逆に周波数が低くなるとアーク放電が不安定になる。周波数が400Hz未満であると放電が途切れる恐れがある。従って、周波数は少なくとも400Hz以上とするのが望ましく、できれば数KHz〜数十KHzとするのが望ましい。また、上記したように、負の期間Ｔ1に対する正の期間Ｔ2の比率を変化させると、蒸発粒子８の粒度と蒸発レートを変化させることができ、負の値Ａ1に対する正の値Ａ2の比率を変化させると、蒸発粒子８の粒度を変化させることができる。従って、カソード材料の融点に応じて、これらを適宜設定することにより、基材７上に形成される薄膜の表面の荒れを防止することができる。よって、従来不可能であったアルミニウムのように低融点の材料をカソード材料に用いても、表面の荒れを生じることなく、基材７上に薄膜を形成することができる。
【００４１】
次に、本実施の形態の変形例を説明する。図５は、粒度センサの他の構成例を模式的に示す断面図である。図５において、粒度センサ４は、蒸発粒子８が付着して薄膜を形成する基材７表面の一部に向け光を出射する発光装置12と、該発光装置12から出射され基材7表面で反射された光の強度を検出する受光装置13と、発光装置12から出射された光の強度と受光装置13で検出された光の強度との比を検出する制御回路31とを有している。ここで、真空チャンバ５の壁部の上記光が通過する部分にはガラス窓（図示せず）が設けられている。発光装置12として、例えば発光ダイオードを用いることができる。また、受光装置13として、例えばフォトダイオードを用いることができる。
【００４２】
このような構成とすると、蒸発粒子の粒度によって基材７の光の反射率が変化し、それに応じて制御回路31で検出される上記光の強度比が変化するので、この構成例によっても蒸発粒子の粒度を検出することができ、しかも簡単な構成で検出することができる。
実施の形態２
本発明の実施の形態２は、イオンプレーティングとプラズマＣＶＤとを１つのチャンバ内で行うことが可能なイオンプレーティング装置を例示したものである。
【００４３】
図６は、本実施の形態に係るイオンプレーティング装置の構成を模式的に示す断面図である。図６において、図１と同一符号は、同一又は相当する部分を示す。
【００４４】
図６に示すように、本実施の形態に係るイオンプレーティング装置は、排気口22及び原料ガス25を供給する原料ガス供給口21を有するチャンバ５と、チャンバ５内を排気口22を通じて排気する排気ポンプ(図示せず）と、チャンバ５内に配設され基材７を保持する基材ホルダ６と、チャンバ５内にて、カソード材料を蒸発させる２台のアーク蒸発源装置（図には蒸発源電極２のみを示している）１Ａ,1Ｂと、原料ガス供給口21を開閉する手段（図示せず）と、アーク蒸発源装置１Ａ,１Ｂの蒸発源電極２を開閉可能に覆うカバー手段（図示せず）と、チャンバ５内にプラズマを発生させる高周波電源23と、基材ホルダ６に負のバイアス電圧を印加する直流電源24とを備えている。
【００４５】
基材７は、本実施の形態では、自動車のヘッドランプなどであり、図示するような半球状の形状を有し、かつガラス基材上に金属層と防錆用の樹脂層とが積層形成されて構成されている。また、蒸発源電極２は半球状の基材７の内面にカソード材料が付着するように、基材７の下方のチャンバ５側壁に配設されている。
【００４６】
なお、符号Ｃ0は直流ブロッキング用コンデンサ、符号Ｌ0は交流ブロッキング用チョークコイルを示す。
【００４７】
次に、以上のように構成されたイオンプレーティング装置の動作を説明する。
【００４８】
まず、図示されないカバー手段による蒸発源電極２の覆いを開くとともに原料ガス供給口21を閉じる。また、高周波電源23を停止して直流電源24のみを動作させる。そして、この状態でアーク蒸発源装置１Ａ,１Ｂを動作させてイオンプレーティングを行う。すると、基材７上にカソード材料からなる金属の薄膜が形成される。
【００４９】
次いで、図示されないカバー手段による蒸発源電極２の覆いを閉じるとともに原料ガス供給口21を開く。すると、樹脂モノマーからなる原料ガス25がチャンバ５内に充満する。この状態で、高周波電源23及び直流電源24を動作させてプラズマＣＶＤを行う。すると、チャンバ５内にプラズマが発生し、そのプラズマにより樹脂モノマーが重合して基材７の金属薄膜上に樹脂薄膜が形成される。これにより、基材７上に金属層と防錆用の樹脂層とが積層形成されたヘッドランプなどが得られる。
【００５０】
この場合、イオンプレーティングとプラズマＣＶＤとを１つのチャンバ内で行うことができるので、チャンバ内の排気が１回で済むため、製造コストを低減することができる。また、蒸発源電極２は作動姿勢が制約されないことから基材７への成膜に最適な位置に２つの蒸発源電極２が設置されているので、このような半球形状の基材７であっても、好適にイオンプレーティングを行うことができる。
実施の形態３
図７は本発明の実施の形態３に係る他のイオンプレーティング装置の構成を模式的に示す断面図である。図７において、図１及び図６と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００５１】
図７に示すように、本実施の形態は、他のイオンプレーティング装置に、実施の形態１に係るアーク蒸発源装置１を用いたものである。つまり、本実施の形態においては、実施の形態１とは異なり、基材ホルダ６と真空チャンバ５との間に、直流電源24による直流バイアス電圧とともに、高周波電源電源23による高周波電圧が印加されている。これ以外の点は実施の形態１と同様である。
【００５２】
このように構成されたイオンプレーティング装置では、装置が起動されると、高周波電源23によって真空チャンバ５内にプラズマが生成されるとともに、直流電源24によって真空チャンバ５から基材ホルダに向かう直流電界が形成される。そして、蒸発源電極２から蒸発粒子が蒸発し、その蒸発した蒸発粒子が上記プラズマにより励起され、かつ上記直流電界により加速されて基材７に衝突し、それにより、基材７上にカソード材料からなる緻密な薄膜が形成される。
【００５３】
ここで、アーク蒸発源装置１は、矩形波交流のアーク放電電流を用いるため、平均電流を小さくして蒸発源電極２の温度を下げることができる。よって、基材７の温度上昇を抑えることができ、イオンプレーティングを低温で行うことが可能となる。なお、この効果は上記実施の形態２、３においても同様に得ることができる。
実施の形態４
図８は、本発明の実施の形態４に係るアーク蒸発源装置の構成を示す断面図である。図８において、図１と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００５４】
図８に示すように、本実施の形態に係るアーク蒸発源装置１は、実施の形態１の構成に加えて、さらに、蒸発源電極２から蒸発する蒸発粒子８を偏向させる偏向装置33と、該偏向装置33を回転させる手段(図示せず）を備えている。
【００５５】
偏向装置33は、ここでは、蒸発源電極２の上方に配置され直流電源（図示せず）に接続された一対の電極で構成されている。また、偏向装置33の上方には、蒸発源電極２の上方に位置する部分に開口を有する遮蔽板32が配設されている。
【００５６】
そして、遮蔽板32の上方に、中央部が開口した笠状の基材ホルダが配置され、該基材ホルダ６の内面に多数の基材７が装着されている。
【００５７】
このような構成とすると、蒸発源電極２から蒸発した蒸発粒子８は偏向装置33の一対の電極によって偏向し、基材ホルダ６の基材７に付着する。すなわち、基材ホルダ６は、偏向した蒸発粒子８の進路上に位置し、蒸発源電極２の直上には位置しない。そのため、蒸発源電極２からの輻射熱による基材７の温度上昇を防止することができる。また、偏向装置33を回転させるので、図示するように、蒸発源電極の上方に環状に基材７を配置することにより、多数の基材７を一度にかつ回転させることなく、イオンプレーティングすることができる。
実施の形態５
本発明の実施の形態５は、図６の実施の形態２に係るイオンプレーティング装置において、２つのアーク蒸発源装置１Ａ，１Ｂの各蒸発源電極２に異なるカソード材料をセットしておき、２つのアーク蒸発源装置１Ａ，１Ｂを切り替えて使用するものである。かかる構成とすると、２つのカソード材料からなる薄膜形成を同一の真空チャンバで行うことができる。
【００５８】
なお、アーク蒸発源装置を３以上とすることにより３以上のカソード材料からなる薄膜形成も同様に行うことができる。また、１台のアーク蒸発源装置に複数の蒸発源電極を設けても同様の効果を得ることができる。さらに、複数の蒸発源電極に異なるカソード材料をセットし、蒸発源電極を切り替えて使用するこの構成は、実施の形態１、７に係るイオンプレーティング装置についても同様に応用することができる。
実施の形態６
本発明の実施の形態６は、蒸発材料により形成された薄膜の表面の荒れを防止可能な矩形波交流以外のアーク放電電流の波形を例示したものである。
【００５９】
図９及び図１０は、本実施の形態に係るアーク蒸発源装置のアーク放電電流の波形及び蒸発材料により形成された薄膜の反射率を示す表である。
【００６０】
本実施の形態に係るアーク蒸発源装置及びイオンプレーティング装置の全体構成は実施の形態３（図７）とほぼ同様である。但し、本実施の形態では、実施の形態３と異なり、電流制御装置が、時間軸に対し略垂直に立ち上がった後徐々に又は階段状に立ち下がる波形を有するアーク放電電流を供給する。また、電流制御装置は、粒度センサを用いたアーク放電電流のフィードバック制御を行っていない。
【００６１】
図９及び図１０に示すように、本実施の形態では、時間軸に対し略垂直に立ち上がった後徐々に又は階段状に立ち下がる波形として、繰り返し階段波(No.2)、のこぎり波(No.3)、変形のこぎり波(No.4〜No.6)を採用し、これを直流矩形波(No.1)及び時間軸に対し徐々に立ち上がる波形(No.7)と比較した。この比較は、蒸発材料により形成された薄膜の反射率で行った。製造条件は、各波形とも、直流バイアス電圧200V、成膜時間３分、真空チャンバ内の圧力5.0×10-3Torrである。なお、各波形の発生回路は周知であるので、その説明を省略する。
【００６２】
本実施の形態によれば、直流矩形波(No.1)の反射率が58.9％であるのに対し、繰り返し階段波(No.2)、のこぎり波(No.3)の反射率が、それぞれ、67.2％、78.9％とこれを大きく上回った。また、最も良好な反射率が得られたのは、大小２つのピークを有するのこぎり波(No.4)であり、その反射率は80.1％であった。アーク放電電流の波形は、時間軸に対し略垂直に立ち上がった後徐々に又は階段状に立ち下がる波形を有していればよく、これを三角波形について見ると、基本的なのこぎり波(No.3)や大小２つのピークを有するのこぎり波(No.4)のように三角波形が連続している波形はもちろん、三角波が離隔している波形(No.6)や立ち上がりが急峻な三角波の間に立ち上がりが緩やかな三角波形が存在する波形(No.5)においても、反射率が、それぞれ、62.4％、70.4％と向上した。
【００６３】
一方、比較例である立ち上がりが緩やかな三角波(No.7)は、反射率が直流矩形波以下(47.7％）であった。
【００６４】
以上のように、本実施の形態では、時間軸に対し略垂直に立ち上がった後徐々に又は階段状に立ち下がる波形を有するアーク放電電流を採用することにより、蒸発材料によって形成された薄膜の反射率が、直流矩形波に比べて向上する効果が得られた。これは、アークスポットにおいて、放電電流の急激な立ち上がりによって蒸発材料が急激に加熱された後、放電電流が直ぐ減少し始めるので、蒸発粒子の粗大化が抑制され、その結果、蒸発材料により形成された薄膜の表面の荒れが防止されるのであると考えられる。
【００６５】
なお、上記の説明では、アーク放電電流の波形として、時間軸に対し略垂直に立ち上がった後直線状又は階段状に立ち下がるもののみを示したが、立下りの態様は、徐々に立ち下がればよく、例えば曲線状、ジグザグ状等であってもよい。また、交流であってもよい。
【００６６】
また、上記の説明では、本実施の形態のアーク蒸発源装置を実施の形態３の高周波プラズマを用いたイオンプレーティングに用いる場合を示したが、これを実施の形態１に示す直流バイアスのみを用いるイオンプレーティングや他の蒸着に用いることもできる。
【００６７】
なお、実施の形態２及び４ではアーク蒸発源として矩形波交流のアーク放電電流を用いるものを用いたが、通常の直流アーク放電電流や、実施の形態６の時間軸に対し略垂直に立ち上がった後徐々に又は階段状に立ち下がる波形を有するアーク放電電流を用いるものであってもよい。
【００６８】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明したような形態で実施され、以下のような効果を奏する。
（１）蒸発粒子の粒度を細かくすることができ、それにより基材に形成される薄膜の表面荒れを防止することができる。また、アーク放電電流の平均値を小さくすることができるので、イオンプレーティングを低温で行うことができる。
（２）アーク放電電流の平均値を効果的に小さくすることができる。
（３）アーク放電電流の負の期間に対する正の期間の比率を小さくしてその平均電流を小さくしても放電を持続することができる。
（４）アーク放電電流が負となる絶対的な期間がさらに短くなるので、より好適に放電を持続することができる。
（５）基材に形成される薄膜の表面荒れを防止することが可能なように、アーク放電電流の矩形波形を変化することができる。
（６）蒸発粒子の粒度が、所望のものとなるように、アーク放電電流を制御することができる。
（７）簡単な構成で蒸発粒子用の粒度センサを得ることができる。
（８）蒸発粒子の粒度が、所望のものとなるように、アーク放電電流を制御することができる。
（９）アーク放電電流の負となる絶対期間が周波数に応じて変化するため、周波数を適宜なものとすることにより、アーク放電電流を持続させることができる。
（10）負の期間に対する正の期間の比率に応じてアーク放電電流の平均値が変化するため、該負の期間に対する正の期間の比率を変化させることにより、アーク放電電流の平均値、ひいては蒸発粒子の粒度を変化させることができる。また、負の期間に対する正の期間の比率に応じて蒸発レートが変化するため、該負の期間に対する正の期間の比率を変化させることにより、蒸発レートを変化させることができる。
（11）負の値に対する正の値の比率に応じてアーク放電電流の平均値が変化するため、該負の値に対する正の値の比率を変化させることにより、アーク放電電流の平均値、ひいては蒸発粒子の粒度を変化させることができる。
（12)イオンプレーティングとプラズマＣＶＤとを行うのにチャンバを１回排気すれば済むので、製造コストを低減することができる。
（13）イオンプレーティングとプラズマＣＶＤとを１つのチャンバ内で行うことができる。さらに、基材への成膜に最適な位置に必要な数だけアーク蒸発源を設置することにより、例えば、抵抗方式による蒸発源に比べて、好適にイオンプレーティングを行うことができる。
（14）基材に形成される薄膜の表面の荒れを防止することができる。
（15）真空チャンバ内に高周波電力を与えてイオンプレーティングを行う場合でも、平均電流を小さくしてカソード材料蒸発部の温度を下げることができる。
（16）蒸発源電極からの輻射熱による基材の温度上昇を防止することができる。
（17）蒸発源電極の前方に環状に基材を配置することにより、多数の基材を一度にかつ回転させることなく、イオンプレーティングすることができる。
（18）電流制御装置が時間軸に対し略垂直に立ち上がった後徐々に又は階段状に立ち下がる波形を有するアーク放電電流を供給するものとすると、蒸発材料により形成された薄膜の表面の荒れを防止することができる。
（19）アーク放電電流の波形がのこぎり波又は繰り返し階段波であるとすると、蒸発材料により形成された薄膜の表面の荒れをより好適に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るアーク蒸発源装置及びイオンプレーティング装置の構成を模式的に断面図である
【図２】図１のアーク蒸発源装置の電流制御装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図３】図１のアーク蒸発源装置の粒度センサの構成を示す模式図である。
【図４】図１のアーク蒸発源装置の電流制御装置から出力される電流波形を示すグラフである。
【図５】粒度センサの他の構成例を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係るイオンプレーティング装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る他のイオンプレーティング装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係るアーク蒸発源装置の構成を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態６に係るアーク蒸発源装置のアーク放電電流の波形及び蒸発材料により形成された薄膜の反射率を示す表である。
【図１０】本発明の実施の形態６に係るアーク蒸発源装置のアーク放電電流の波形及び蒸発材料により形成された薄膜の反射率を示す表である。
【符号の説明】
１ アーク蒸発源装置
２ 蒸発源電極
３ 電流制御装置
４ 粒度センサ
５ 真空チャンバ
６ 基材ホルダ
７ 基材
８ 蒸発粒子
９ 一対の電極
10 粒子コレクタ
11 電流検出回路
12 発光装置
13 受光装置
18 バイアス電源装置
21 原料ガス供給口
22 排気口
23 高周波電源
24 直流電源
25 原料ガス
31 制御回路
32 遮蔽板
33 偏向装置
41 整流回路
42 チョッパ回路
43 合成回路
44 増幅回路
45 制御回路
46 制御目標値
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク蒸発源装置、その駆動方法、及びイオンプレーティング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンプレーティング装置には種々の形式の蒸発源が用いられるが、その１つにアーク蒸発源がある。
【０００３】
このアーク蒸発源を用いたイオンプレーティング装置では、装置を起動すると、アーク蒸発源のカソードとアノードとの間にアーク放電が発生して、カソードのアークスポットにおいてカソード材料が溶融して蒸発し、その蒸発したカソード材料がカソードからアノードに向かう電子によってイオン化され、そのイオン化されたカソード材料が基材ホルダに保持された基材表面に付着して堆積する。これにより、基材表面にカソード材料からなる薄膜が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記イオンプレーティングにおいては、カソードから原子の状態のカソード材料が飛び出して基材表面に付着するのが理想であり、このような理想状態では、基材上に形成された薄膜の表面がきれいな（平滑な）ものとなる。そして、カソード材料が、例えばチタンのように、高融点の材料からなる場合は、原子状態のカソード材料が飛び出して薄膜の表面がきれいなものとなる。
【０００５】
しかし、カソード材料が、例えばアルミニウムのように、低融点の材料からなる場合は、溶けた液体状のカソード材料（マクロパーティクル）が飛び出して薄膜の表面が荒れたものとなる。
【０００６】
これを防止するためには、アーク蒸発源のアーク放電電流を小さくしてカソードのアークスポットの温度を下げればよいが、アーク放電電流を余り小さくするとアーク放電が不安定になるため、この方法では、カソード材料が低融点の材料からなる場合における薄膜の表面の荒れを防止することができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、カソード材料が低融点の材料からなる場合における薄膜の表面の荒れを防止することができるアーク蒸発源装置、その駆動方法、及びイオンプレーティング装置提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係るアーク蒸発源装置は、アノードと、カソードたる蒸発源電極と、上記アノードと上記蒸発源電極との間に矩形波交流のアーク放電電流を供給する電流制御装置とを備えたものである（請求項１）。かかる構成とすると、アーク放電電流の矩形波形を適宜変化させることにより、放電を維持したまま該アーク放電電流の平均値を小さくすることができるため、アークスポットの温度を下げることができる。その結果、蒸発粒子の粒度を細かくすることができ、それにより基材に形成される薄膜の表面荒れを防止することができる。また、アーク放電電流の平均値を小さくすることができるので、イオンプレーティングを低温で行うことができる。
【０００９】
この場合、上記アーク放電電流は、１周期内において、正の期間が負の期間より短いものとしてもよい（請求項２）。かかる構成とすると、アーク放電電流の平均値を効果的に小さくすることができる。
【００１０】
また、上記アーク放電電流の周波数が400Hz以上であるものとしてもよい（請求項３）。かかる構成とすると、アーク放電電流が負となる絶対的な期間が短くなるので、アーク放電電流の負の期間に対する正の期間の比率を小さくしてその平均電流を小さくしても放電を持続することができる。
【００１１】
また、上記アーク放電電流の周波数が１KHz以上かつ10KHz以下であるものとしてもよい（請求項４）。かかる構成とすると、アーク放電電流が負となる絶対的な期間がさらに短くなるので、より好適に放電を持続することができる。
【００１２】
また、上記電流制御装置は、上記アーク放電電流の周波数、１周期内における負の期間に対する正の期間の比率、及び１周期内における負の値に対する正の値の比率のうちの少なくともいずれかを制御可能であるものとしてもよい（請求項５）。かかる構成とすると、基材に形成される薄膜の表面の荒れを防止することが可能なように、アーク放電電流の矩形波形を変化することができる。
【００１３】
また、上記蒸発源電極から蒸発せしめられたカソード材料からなる蒸発粒子の粒度を検出する粒度センサを有し、上記電流制御装置は、上記粒度センサで検出された上記粒度に基づいて、上記アーク電流の平均値を制御するものとしてもよい（請求項６）。かかる構成とすると、蒸発粒子の粒度が、所望のものとなるように、アーク放電電流を制御することができる。
【００１４】
この場合、上記粒度センサは、対向配置され互いの間に直流電界が形成される一対の電極と、該一対の電極間を通過し、それにより所定量偏向せしめられた上記蒸発粒子を捕捉する粒子コレクタと、該粒子コレクタで捕捉された蒸発粒子による電流値を検出する電流検出回路とを有するものとしてもよい（請求項７）。かかる構成とすると、簡単な構成で蒸発粒子用の粒度センサを得ることができる。
【００１５】
また、上記粒度センサは、上記蒸発粒子が付着して薄膜を形成する基材表面の一部に向け光を出射する発光装置と、該発光装置から出射され上記基材表面で反射された上記光の強度を検出する受光装置と、上記発光装置から出射された光の強度と上記受光装置で検出された光の強度との比を検出する制御回路とを有するものとしてもよい（請求項８）。かかる構成とすると、簡単な構成で蒸発粒子用の粒度センサを得ることができる。
【００１６】
また、本発明に係るアーク蒸発源装置の駆動方法は、アノードと、カソードたる蒸発源電極と、上記アノードと上記蒸発源電極との間に矩形波交流のアーク放電電流を供給する電流制御装置とを備えたアーク蒸発源装置の駆動方法であって、上記アーク放電電流の周波数、１周期内における負の期間に対する正の期間の比率、及び１周期内における負の値に対する正の値の比率のうちの少なくともいずれかを制御するようにしたもである（請求項９）。かかる構成とすると、蒸発粒子の粒度が、所望のものとなるように、アーク放電電流を制御することができる。
【００１７】
この場合、上記アーク放電電流の周波数を制御するようにしてもよい（請求項１０）。かかる構成とすると、アーク放電電流の負となる絶対期間が周波数に応じて変化するため、該周波数を適宜なものとすることにより、アーク放電電流を持続させることができる。
【００１８】
また、上記アーク放電電流の１周期内における負の期間に対する正の期間の比率を制御するようにしてもよい（請求項１１）。かかる構成とすると、負の期間に対する正の期間の比率に応じてアーク放電電流の平均値が変化するため、該負の期間に対する正の期間の比率を変化させることにより、アーク放電電流の平均値、ひいては蒸発粒子の粒度を変化させることができる。また、負の期間に対する正の期間の比率に応じて蒸発レートが変化するため、該負の期間に対する正の期間の比率を変化させることにより、蒸発レートを変化させることができる。
【００１９】
また、上記アーク放電電流の１周期内における負の値に対する正の値の比率を制御するようにしてもよい（請求項１２）。かかる構成とすると、負の値に対する正の値の比率に応じてアーク放電電流の平均値が変化するため、該負の値に対する正の値の比率を変化させることにより、アーク放電電流の平均値、ひいては蒸発粒子の粒度を変化させることができる。
【００２０】
また、本発明に係るイオンプレーティング装置は、真空チャンバと、該真空チャンバ内に配設され基材を保持する基材ホルダと、上記真空チャンバ内にて、カソード材料を矩形波交流のアーク放電電流を用いて蒸発させるアーク蒸発源装置とを備えたものである（請求項１３）。かかる構成とすると、基材上に形成される薄膜の表面の荒れを防止することができる。また、アーク放電電流の平均値を小さくすることができるので、イオンプレーティングを低温で行うことができる。
【００２２】
この場合、排気口及び原料ガスを供給するための原料ガス供給口を有するチャンバと、該チャンバ内を上記排気口を通じて排気する排気ポンプと、上記チャンバ内に配設され基材を保持する基材ホルダと、上記チャンバ内にて、カソード材料を蒸発させるアーク蒸発源装置と、上記原料ガス供給口を開閉する手段と、上記アーク蒸発源装置のカソード材料蒸発部を開閉可能に覆うカバー手段と、上記チャンバ内にプラズマを発生させる高周波電源とを備えたものとしてもよい。かかる構成とすると、カバー手段によるアーク蒸発源装置のカソード材料蒸発部の覆いを開くとともに原料ガス供給口を閉じてイオンプレーティングを行い、カバー手段によるアーク蒸発源装置のカソード材料蒸発部の覆いを閉じるとともに原料ガス供給口を開いてプラズマＣＶＤを行うことにより、イオンプレーティングとプラズマＣＶＤとを１つのチャンバ内で行うことができる。さらに、一般に基材の被コーティング面は三次元形状を有する場合が多いが、アーク蒸発源は作動姿勢が制約されないことから基材への成膜に最適な位置に必要な数だけアーク蒸発源を設置することにより、例えば、抵抗方式による蒸発源に比べて、好適にイオンプレーティングを行うことができる。さらに、この場合、上記アーク蒸発源装置は、上記カソード材料を蒸発させるために矩形波交流のアーク放電電流を用いるものとしてもよい（請求項１４）。かかる構成とすると、基材に形成される薄膜の表面の荒れを防止することができる。
【００２４】
また、本発明に係るイオンプレーティング装置は、真空チャンバと、該真空チャンバ内に配設され基材を保持する基材ホルダと、上記真空チャンバ内に、カソード材料を矩形波交流のアーク放電電流を用いて蒸発させるアーク蒸発源装置と、上記真空チャンバ内プラズマを発生させる高周波電源とを備えたものである（請求項１５）。かかる構成とすると、真空チャンバ内に高周波電力を与えてイオンプレーティングを行う場合でも蒸発源装置に矩形波交流のアーク放電電流を用いるため、平均電流を小さくしてカソード材料蒸発部の温度を下げることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１に係るアーク蒸発源装置及びイオンプレーティング装置の構成を模式的に断面図、図２は図１のアーク蒸発源装置の電流制御装置の概略の構成を示すブロック図、図３は図１のアーク蒸発源装置の粒度センサの構成を示す模式図、図４は図１のアーク蒸発源装置の電流制御装置から出力される電流波形を示すグラフである。
【００３３】
図１において、本実施の形態に係るイオンプレーティング装置は、真空チャンバ５内に基材７を保持する基材ホルダ６が配設され、該基材ホルダ６に対向するようにカソードたる蒸発源電極２が配設されている。また、基材ホルダ６の手前には粒度センサ４が配設されている。真空チャンバ５は導電性部材で構成され接地されている。真空チャンバ５と蒸発源電極２との間には、電流制御装置３によってアーク放電電圧が印加され、そのアーク放電電圧によるアーク放電電流が該電流制御装置３によって制御されている。従って、真空チャンバ５がアーク蒸発源のアノードを構成し、蒸発源電極２とともにアーク蒸発源を構成している。電流制御装置３には粒度センサ４の出力が入力されている。そして、これらアーク蒸発源、電流制御装置３、及び粒度センサ４が本実施の形態に係るアーク蒸発源装置１を構成している。基材ホルダ６は導電性部材で構成され、該基材ホルダ６と真空チャンバ５との間には、バイアス電源装置18によって所定のバイアス電圧が印加されている。このバイアス電圧は真空チャンバ５に対し基材ホルダ６が負電位となるように印加されている。なお、符号８は蒸発源電極２から蒸発したカソード材料からなる蒸発粒子を示している。
【００３４】
図２、図４において、電流制御装置３は、商用周波数の交流を整流する整流回路41と、整流回路41から出力される直流電流を矩形波パルス電流に変換するチョッパ回路42と、チョッパ回路42から出力される矩形波パルス電流と直流電流とを合成して矩形波交流電流を生成する合成回路43と、合成回路43から出力される矩形波交流電流を増幅する増幅回路44と、ＣＰＵからなる制御回路45とを有している。制御回路45は、外部から制御目標値46を入力され、その入力された制御目標値46と増幅回路44の出力及び粒度センサ４からの入力とを対比することにより、チョッパ回路42、合成回路43、及び増幅回路44をフィードバック制御している。これにより、増幅回路44から、図４に示す矩形波交流電流が出力される。なお、図４においては、真空チャンバ５から蒸発源電極２に向かって流れる電流を＋とした。
【００３５】
外部からは、矩形波交流電流の周期Ｔ、１周期内における負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率（以下、単に負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率という）、１周期内における負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率（以下、単に負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率という）、振幅(Ａ1+Ａ2)、及び蒸発粒子８の粒度についての制御目標値46が入力される。矩形波交流電流の周期Ｔ及び負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率は、制御回路45がチョッパ回路42を制御することによって制御される。矩形波交流電流の負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率は、制御回路45が合成回路43を制御することによって制御される。矩形波交流電流の振幅(Ａ1+Ａ2)は、制御回路45が増幅回路44を制御することによって制御される。そして、蒸発粒子８の粒度は、制御回路45が矩形波交流電流の負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率又は負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率を制御することによって制御される。
【００３６】
図３において、粒度センサ４は、対向配置された一対の電極９を有している。該一対の電極９には図示されない直流電源により直流電圧が印加されており、従って、該一対の電極９の間には直流電界が形成されている。そして、一対の電極９の間を通過し、それにより所定量偏向せしめられた蒸発粒子８を捕捉可能なように粒子コレクタ10が配設され、該粒子コレクタ10で捕捉された蒸発粒子８による電流値を検出するための電流検出回路11が設けられている。そして、電流検出回路11の電流値が粒度を表す信号として出力される。
【００３７】
次に、以上のように構成されたイオンプレーティング装置の動作を説明する。
【００３８】
図１〜図４において、基材ホルダ６に基材７を装着し、その後、イオンプレーティング装置を動作させる。すると、図示されない排気ポンプにより真空チャンバ５内が排気されて所定の真空度に到達し、維持される。次いで、バイアス電源装置18が動作して、基材ホルダ６に所定のバイアス電圧が印加され、基材ホルダ６が真空チャンバ５に対し負の電位に保持される。次いで、電流制御装置３が動作し、蒸発源電極２にてアーク放電が開始し、矩形波交流のアーク放電電流が該蒸発源電極２に流れる。それにより、蒸発源電極２からカソード材料が蒸発して蒸発粒子８となり、蒸発源電極２から真空チャンバ５へ向かう電子によりイオン化されて基材７に付着する。これにより、基材７の表面にカソード材料からなる薄膜が形成される。
【００３９】
この際、蒸発源電極２から蒸発した蒸発粒子の一部が粒度センサ４に捕捉される。図４に示すように、蒸発粒子はイオン化されており、そのイオン化された蒸発粒子８が、直流電界が形成された一対の電極９間を通過するので、その進路が該直流電界によって偏向せしめられる。この場合、蒸発粒子の粒度が細かい程、偏向の程度が大きくなり、従って、粒度センサ４から出力される電流値が大きくなる。よって、粒度センサ４によって蒸発粒子８の粒度を検出することができる。この粒度センサ４から出力される粒度信号を受け、電流制御装置３は、蒸発粒子８の粒度が大きいと、アーク放電電流の負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率、又は負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率を小さくする。すると、アーク放電電流の平均値が小さくなり、それにより、蒸発源電極２のカソードのアークスポットの温度が下がるので、蒸発粒子８の粒度が細かくなる。これにより、基材７に形成される薄膜の表面が荒れるのが防止される。逆に、蒸発粒子８の粒度が小さいと、電流制御装置３は、アーク放電電流の負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率、又は負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率を大きくする。すると、アーク放電電流の平均値が大きくなり、それにより、蒸発源電極２のカソードのアークスポットの温度が上がるので、蒸発粒子８の粒度が粗くなる。但し、実際には、蒸発粒子８の粒度は原子より小さくなることはなく、制御目標値となる粒度は原子のレベルに設定されるので、電流制御装置３が蒸発粒子の粒度を粗くするようアーク放電電流を制御することはないと考えられる。なお、アーク放電電流の負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率及び負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率のいずれを変化させても、蒸発粒子８の粒度が変化するが、負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率を変化させる方が好ましい。これは、アーク放電を維持するには、一定以上の瞬時電流値が必要であるが、負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率を変化させる場合には、一定以上の瞬時電流値を維持しつつ平均電流値を小さくすることができるからである。但し、負の期間Ｔ2に対する正の期間Ｔ1の比率を変化させると、蒸発レートも変化する。一方、負の値Ａ2に対する正の値Ａ1の比率を変化させた場合は、蒸発粒子８の粒度のみが変化する。
【００４０】
次に、外部から入力する上記制御目標値46を変化させることにより、アーク放電電流の波形を変えることができる。周期Ｔ、すなわち周波数を変化させると、アーク放電の安定性を変化させることができる。周波数が高くなる程アーク放電の安定性が高くなり、逆に周波数が低くなるとアーク放電が不安定になる。周波数が400Hz未満であると放電が途切れる恐れがある。従って、周波数は少なくとも400Hz以上とするのが望ましく、できれば数KHz〜数十KHzとするのが望ましい。また、上記したように、負の期間Ｔ1に対する正の期間Ｔ2の比率を変化させると、蒸発粒子８の粒度と蒸発レートを変化させることができ、負の値Ａ1に対する正の値Ａ2の比率を変化させると、蒸発粒子８の粒度を変化させることができる。従って、カソード材料の融点に応じて、これらを適宜設定することにより、基材７上に形成される薄膜の表面の荒れを防止することができる。よって、従来不可能であったアルミニウムのように低融点の材料をカソード材料に用いても、表面の荒れを生じることなく、基材７上に薄膜を形成することができる。
【００４１】
次に、本実施の形態の変形例を説明する。図５は、粒度センサの他の構成例を模式的に示す断面図である。図５において、粒度センサ４は、蒸発粒子８が付着して薄膜を形成する基材７表面の一部に向け光を出射する発光装置12と、該発光装置12から出射され基材7表面で反射された光の強度を検出する受光装置13と、発光装置12から出射された光の強度と受光装置13で検出された光の強度との比を検出する制御回路31とを有している。ここで、真空チャンバ５の壁部の上記光が通過する部分にはガラス窓（図示せず）が設けられている。発光装置12として、例えば発光ダイオードを用いることができる。また、受光装置13として、例えばフォトダイオードを用いることができる。
【００４２】
このような構成とすると、蒸発粒子の粒度によって基材７の光の反射率が変化し、それに応じて制御回路31で検出される上記光の強度比が変化するので、この構成例によっても蒸発粒子の粒度を検出することができ、しかも簡単な構成で検出することができる。
実施の形態２
本発明の実施の形態２は、イオンプレーティングとプラズマＣＶＤとを１つのチャンバ内で行うことが可能なイオンプレーティング装置を例示したものである。
【００４３】
図６は、本実施の形態に係るイオンプレーティング装置の構成を模式的に示す断面図である。図６において、図１と同一符号は、同一又は相当する部分を示す。
【００４４】
図６に示すように、本実施の形態に係るイオンプレーティング装置は、排気口22及び原料ガス25を供給する原料ガス供給口21を有するチャンバ５と、チャンバ５内を排気口22を通じて排気する排気ポンプ(図示せず）と、チャンバ５内に配設され基材７を保持する基材ホルダ６と、チャンバ５内にて、カソード材料を蒸発させる２台のアーク蒸発源装置（図には蒸発源電極２のみを示している）１Ａ,1Ｂと、原料ガス供給口21を開閉する手段（図示せず）と、アーク蒸発源装置１Ａ,１Ｂの蒸発源電極２を開閉可能に覆うカバー手段（図示せず）と、チャンバ５内にプラズマを発生させる高周波電源23と、基材ホルダ６に負のバイアス電圧を印加する直流電源24とを備えている。
【００４５】
基材７は、本実施の形態では、自動車のヘッドランプなどであり、図示するような半球状の形状を有し、かつガラス基材上に金属層と防錆用の樹脂層とが積層形成されて構成されている。また、蒸発源電極２は半球状の基材７の内面にカソード材料が付着するように、基材７の下方のチャンバ５側壁に配設されている。
【００４６】
なお、符号Ｃ0は直流ブロッキング用コンデンサ、符号Ｌ0は交流ブロッキング用チョークコイルを示す。
【００４７】
次に、以上のように構成されたイオンプレーティング装置の動作を説明する。
【００４８】
まず、図示されないカバー手段による蒸発源電極２の覆いを開くとともに原料ガス供給口21を閉じる。また、高周波電源23を停止して直流電源24のみを動作させる。そして、この状態でアーク蒸発源装置１Ａ,１Ｂを動作させてイオンプレーティングを行う。すると、基材７上にカソード材料からなる金属の薄膜が形成される。
【００４９】
次いで、図示されないカバー手段による蒸発源電極２の覆いを閉じるとともに原料ガス供給口21を開く。すると、樹脂モノマーからなる原料ガス25がチャンバ５内に充満する。この状態で、高周波電源23及び直流電源24を動作させてプラズマＣＶＤを行う。すると、チャンバ５内にプラズマが発生し、そのプラズマにより樹脂モノマーが重合して基材７の金属薄膜上に樹脂薄膜が形成される。これにより、基材７上に金属層と防錆用の樹脂層とが積層形成されたヘッドランプなどが得られる。
【００５０】
この場合、イオンプレーティングとプラズマＣＶＤとを１つのチャンバ内で行うことができるので、チャンバ内の排気が１回で済むため、製造コストを低減することができる。また、蒸発源電極２は作動姿勢が制約されないことから基材７への成膜に最適な位置に２つの蒸発源電極２が設置されているので、このような半球形状の基材７であっても、好適にイオンプレーティングを行うことができる。
実施の形態３
図７は本発明の実施の形態３に係る他のイオンプレーティング装置の構成を模式的に示す断面図である。図７において、図１及び図６と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００５１】
図７に示すように、本実施の形態は、他のイオンプレーティング装置に、実施の形態１に係るアーク蒸発源装置１を用いたものである。つまり、本実施の形態においては、実施の形態１とは異なり、基材ホルダ６と真空チャンバ５との間に、直流電源24による直流バイアス電圧とともに、高周波電源電源23による高周波電圧が印加されている。これ以外の点は実施の形態１と同様である。
【００５２】
このように構成されたイオンプレーティング装置では、装置が起動されると、高周波電源23によって真空チャンバ５内にプラズマが生成されるとともに、直流電源24によって真空チャンバ５から基材ホルダに向かう直流電界が形成される。そして、蒸発源電極２から蒸発粒子が蒸発し、その蒸発した蒸発粒子が上記プラズマにより励起され、かつ上記直流電界により加速されて基材７に衝突し、それにより、基材７上にカソード材料からなる緻密な薄膜が形成される。
【００５３】
ここで、アーク蒸発源装置１は、矩形波交流のアーク放電電流を用いるため、平均電流を小さくして蒸発源電極２の温度を下げることができる。よって、基材７の温度上昇を抑えることができ、イオンプレーティングを低温で行うことが可能となる。なお、この効果は上記実施の形態２、３においても同様に得ることができる。
実施の形態４
図８は、本発明の実施の形態４に係るアーク蒸発源装置の構成を示す断面図である。図８において、図１と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００５４】
図８に示すように、本実施の形態に係るアーク蒸発源装置１は、実施の形態１の構成に加えて、さらに、蒸発源電極２から蒸発する蒸発粒子８を偏向させる偏向装置33と、該偏向装置33を回転させる手段(図示せず）を備えている。
【００５５】
偏向装置33は、ここでは、蒸発源電極２の上方に配置され直流電源（図示せず）に接続された一対の電極で構成されている。また、偏向装置33の上方には、蒸発源電極２の上方に位置する部分に開口を有する遮蔽板32が配設されている。
【００５６】
そして、遮蔽板32の上方に、中央部が開口した笠状の基材ホルダが配置され、該基材ホルダ６の内面に多数の基材７が装着されている。
【００５７】
このような構成とすると、蒸発源電極２から蒸発した蒸発粒子８は偏向装置33の一対の電極によって偏向し、基材ホルダ６の基材７に付着する。すなわち、基材ホルダ６は、偏向した蒸発粒子８の進路上に位置し、蒸発源電極２の直上には位置しない。そのため、蒸発源電極２からの輻射熱による基材７の温度上昇を防止することができる。また、偏向装置33を回転させるので、図示するように、蒸発源電極の上方に環状に基材７を配置することにより、多数の基材７を一度にかつ回転させることなく、イオンプレーティングすることができる。
実施の形態５
本発明の実施の形態５は、図６の実施の形態２に係るイオンプレーティング装置において、２つのアーク蒸発源装置１Ａ，１Ｂの各蒸発源電極２に異なるカソード材料をセットしておき、２つのアーク蒸発源装置１Ａ，１Ｂを切り替えて使用するものである。かかる構成とすると、２つのカソード材料からなる薄膜形成を同一の真空チャンバで行うことができる。
【００５８】
なお、アーク蒸発源装置を３以上とすることにより３以上のカソード材料からなる薄膜形成も同様に行うことができる。また、１台のアーク蒸発源装置に複数の蒸発源電極を設けても同様の効果を得ることができる。さらに、複数の蒸発源電極に異なるカソード材料をセットし、蒸発源電極を切り替えて使用するこの構成は、実施の形態１、７に係るイオンプレーティング装置についても同様に応用することができる。
実施の形態６
本発明の実施の形態６は、蒸発材料により形成された薄膜の表面の荒れを防止可能な矩形波交流以外のアーク放電電流の波形を例示したものである。
【００５９】
図９及び図１０は、本実施の形態に係るアーク蒸発源装置のアーク放電電流の波形及び蒸発材料により形成された薄膜の反射率を示す表である。
【００６０】
本実施の形態に係るアーク蒸発源装置及びイオンプレーティング装置の全体構成は実施の形態３（図７）とほぼ同様である。但し、本実施の形態では、実施の形態３と異なり、電流制御装置が、時間軸に対し略垂直に立ち上がった後徐々に又は階段状に立ち下がる波形を有するアーク放電電流を供給する。また、電流制御装置は、粒度センサを用いたアーク放電電流のフィードバック制御を行っていない。
【００６１】
図９及び図１０に示すように、本実施の形態では、時間軸に対し略垂直に立ち上がった後徐々に又は階段状に立ち下がる波形として、繰り返し階段波(No.2)、のこぎり波(No.3)、変形のこぎり波(No.4〜No.6)を採用し、これを直流矩形波(No.1)及び時間軸に対し徐々に立ち上がる波形(No.7)と比較した。この比較は、蒸発材料により形成された薄膜の反射率で行った。製造条件は、各波形とも、直流バイアス電圧200V、成膜時間３分、真空チャンバ内の圧力5.0×10-3Torrである。なお、各波形の発生回路は周知であるので、その説明を省略する。
【００６２】
本実施の形態によれば、直流矩形波(No.1)の反射率が58.9％であるのに対し、繰り返し階段波(No.2)、のこぎり波(No.3)の反射率が、それぞれ、67.2％、78.9％とこれを大きく上回った。また、最も良好な反射率が得られたのは、大小２つのピークを有するのこぎり波(No.4)であり、その反射率は80.1％であった。アーク放電電流の波形は、時間軸に対し略垂直に立ち上がった後徐々に又は階段状に立ち下がる波形を有していればよく、これを三角波形について見ると、基本的なのこぎり波(No.3)や大小２つのピークを有するのこぎり波(No.4)のように三角波形が連続している波形はもちろん、三角波が離隔している波形(No.6)や立ち上がりが急峻な三角波の間に立ち上がりが緩やかな三角波形が存在する波形(No.5)においても、反射率が、それぞれ、62.4％、70.4％と向上した。
【００６３】
一方、比較例である立ち上がりが緩やかな三角波(No.7)は、反射率が直流矩形波以下(47.7％）であった。
【００６４】
以上のように、本実施の形態では、時間軸に対し略垂直に立ち上がった後徐々に又は階段状に立ち下がる波形を有するアーク放電電流を採用することにより、蒸発材料によって形成された薄膜の反射率が、直流矩形波に比べて向上する効果が得られた。これは、アークスポットにおいて、放電電流の急激な立ち上がりによって蒸発材料が急激に加熱された後、放電電流が直ぐ減少し始めるので、蒸発粒子の粗大化が抑制され、その結果、蒸発材料により形成された薄膜の表面の荒れが防止されるのであると考えられる。
【００６５】
なお、上記の説明では、アーク放電電流の波形として、時間軸に対し略垂直に立ち上がった後直線状又は階段状に立ち下がるもののみを示したが、立下りの態様は、徐々に立ち下がればよく、例えば曲線状、ジグザグ状等であってもよい。また、交流であってもよい。
【００６６】
また、上記の説明では、本実施の形態のアーク蒸発源装置を実施の形態３の高周波プラズマを用いたイオンプレーティングに用いる場合を示したが、これを実施の形態１に示す直流バイアスのみを用いるイオンプレーティングや他の蒸着に用いることもできる。
【００６７】
なお、実施の形態２及び４ではアーク蒸発源として矩形波交流のアーク放電電流を用いるものを用いたが、通常の直流アーク放電電流や、実施の形態６の時間軸に対し略垂直に立ち上がった後徐々に又は階段状に立ち下がる波形を有するアーク放電電流を用いるものであってもよい。
【００６８】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明したような形態で実施され、以下のような効果を奏する。
（１）蒸発粒子の粒度を細かくすることができ、それにより基材に形成される薄膜の表面荒れを防止することができる。また、アーク放電電流の平均値を小さくすることができるので、イオンプレーティングを低温で行うことができる。
（２）アーク放電電流の平均値を効果的に小さくすることができる。
（３）アーク放電電流の負の期間に対する正の期間の比率を小さくしてその平均電流を小さくしても放電を持続することができる。
（４）アーク放電電流が負となる絶対的な期間がさらに短くなるので、より好適に放電を持続することができる。
（５）基材に形成される薄膜の表面荒れを防止することが可能なように、アーク放電電流の矩形波形を変化することができる。
（６）蒸発粒子の粒度が、所望のものとなるように、アーク放電電流を制御することができる。
（７）簡単な構成で蒸発粒子用の粒度センサを得ることができる。
（８）蒸発粒子の粒度が、所望のものとなるように、アーク放電電流を制御することができる。
（９）アーク放電電流の負となる絶対期間が周波数に応じて変化するため、周波数を適宜なものとすることにより、アーク放電電流を持続させることができる。
（10）負の期間に対する正の期間の比率に応じてアーク放電電流の平均値が変化するため、該負の期間に対する正の期間の比率を変化させることにより、アーク放電電流の平均値、ひいては蒸発粒子の粒度を変化させることができる。また、負の期間に対する正の期間の比率に応じて蒸発レートが変化するため、該負の期間に対する正の期間の比率を変化させることにより、蒸発レートを変化させることができる。
（11）負の値に対する正の値の比率に応じてアーク放電電流の平均値が変化するため、該負の値に対する正の値の比率を変化させることにより、アーク放電電流の平均値、ひいては蒸発粒子の粒度を変化させることができる。
（12)イオンプレーティングとプラズマＣＶＤとを行うのにチャンバを１回排気すれば済むので、製造コストを低減することができる。
（13）イオンプレーティングとプラズマＣＶＤとを１つのチャンバ内で行うことができる。さらに、基材への成膜に最適な位置に必要な数だけアーク蒸発源を設置することにより、例えば、抵抗方式による蒸発源に比べて、好適にイオンプレーティングを行うことができる。
（14）基材に形成される薄膜の表面の荒れを防止することができる。
（15）真空チャンバ内に高周波電力を与えてイオンプレーティングを行う場合でも、平均電流を小さくしてカソード材料蒸発部の温度を下げることができる。
（16）蒸発源電極からの輻射熱による基材の温度上昇を防止することができる。
（17）蒸発源電極の前方に環状に基材を配置することにより、多数の基材を一度にかつ回転させることなく、イオンプレーティングすることができる。
（18）電流制御装置が時間軸に対し略垂直に立ち上がった後徐々に又は階段状に立ち下がる波形を有するアーク放電電流を供給するものとすると、蒸発材料により形成された薄膜の表面の荒れを防止することができる。
（19）アーク放電電流の波形がのこぎり波又は繰り返し階段波であるとすると、蒸発材料により形成された薄膜の表面の荒れをより好適に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るアーク蒸発源装置及びイオンプレーティング装置の構成を模式的に断面図である
【図２】図１のアーク蒸発源装置の電流制御装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図３】図１のアーク蒸発源装置の粒度センサの構成を示す模式図である。
【図４】図１のアーク蒸発源装置の電流制御装置から出力される電流波形を示すグラフである。
【図５】粒度センサの他の構成例を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係るイオンプレーティング装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る他のイオンプレーティング装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係るアーク蒸発源装置の構成を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態６に係るアーク蒸発源装置のアーク放電電流の波形及び蒸発材料により形成された薄膜の反射率を示す表である。
【図１０】本発明の実施の形態６に係るアーク蒸発源装置のアーク放電電流の波形及び蒸発材料により形成された薄膜の反射率を示す表である。
【符号の説明】
１ アーク蒸発源装置
２ 蒸発源電極
３ 電流制御装置
４ 粒度センサ
５ 真空チャンバ
６ 基材ホルダ
７ 基材
８ 蒸発粒子
９ 一対の電極
10 粒子コレクタ
11 電流検出回路
12 発光装置
13 受光装置
18 バイアス電源装置
21 原料ガス供給口
22 排気口
23 高周波電源
24 直流電源
25 原料ガス
31 制御回路
32 遮蔽板
33 偏向装置
41 整流回路
42 チョッパ回路
43 合成回路
44 増幅回路
45 制御回路
46 制御目標値
Claims (15)
- アノードと、
カソードたる蒸発源電極と、
上記アノードと上記蒸発源電極との間に矩形波交流のアーク放電電流を供給する電流制御装置とを備えたアーク蒸発源装置。 - 上記アーク放電電流は、１周期内において、正の期間が負の期間より短いものである請求項１記載のアーク蒸発源装置。
- 上記アーク放電電流の周波数が400Hz以上である請求項１記載のアーク蒸発源装置。
- 上記アーク放電電流の周波数が１KHz以上かつ10KHz以下である請求項１記載のアーク蒸発源装置。
- 上記電流制御装置は、上記アーク放電電流の周波数、１周期内における負の期間に対する正の期間の比率、及び１周期内における負の値に対する正の値の比率のうちの少なくともいずれかを制御可能である請求項１記載のアーク蒸発源装置。
- 上記蒸発源電極から蒸発せしめられたカソード材料からなる蒸発粒子の粒度を検出する粒度センサを有し、
上記電流制御装置は、上記粒度センサで検出された上記粒度に基づいて、上記アーク電流の平均値を制御するものである請求項１記載のアーク蒸発源装置。 - 上記粒度センサは、対向配置され互いの間に直流電界が形成される一対の電極と、
該一対の電極間を通過し、それにより所定量偏向せしめられた上記蒸発粒子を捕捉する粒子コレクタと、
該粒子コレクタで捕捉された蒸発粒子による電流値を検出する電流検出回路とを有するものである請求項６記載のアーク蒸発源装置。 - 上記粒度センサは、上記蒸発粒子が付着して薄膜を形成する基材表面の一部に向け光を出射する発光装置と、
該発光装置から出射され上記基材表面で反射された上記光の強度を検出する受光装置と、
上記発光装置から出射された光の強度と上記受光装置で検出された光の強度との比を検出する制御回路とを有するものである請求項６記載のアーク蒸発源装置。 - アノードと、カソードたる蒸発源電極と、上記アノードと上記蒸発源電極との間に矩形波交流のアーク放電電流を供給する電流制御装置とを備えたアーク蒸発源装置の駆動方法であって、上記アーク放電電流の周波数、１周期内における負の期間に対する正の期間の比率、及び１周期内における負の値に対する正の値の比率のうちの少なくともいずれかを制御するアーク蒸発源装置の駆動方法。
- 上記アーク放電電流の周波数を制御する請求項９記載のアーク蒸発源装置の駆動方法。
- 上記アーク放電電流の１周期内における負の期間に対する正の期間の比率を制御する請求項９記載のアーク蒸発源装置の駆動方法。
- 上記アーク放電電流の１周期内における負の値に対する正の値の比率を制御する請求項９記載のアーク蒸発源装置の駆動方法。
- 真空チャンバと、
該真空チャンバ内に配設され基材を保持する基材ホルダと、
上記真空チャンバ内にて、カソード材料を矩形波交流のアーク放電電流を用いて蒸発させるアーク蒸発源装置とを備えたイオンプレーティング装置。 - 排気口及び原料ガスを供給するための原料ガス供給口を有するチャンバと、
該チャンバ内を上記排気口を通じて排気する排気ポンプと、
上記チャンバ内に配設され基材を保持する基材ホルダと、
上記チャンバ内にて、カソード材料を蒸発させるアーク蒸発源装置と、
上記原料ガス供給口を開閉する手段と、
上記アーク蒸発源装置のカソード材料蒸発部を開閉可能に覆うカバー手段と、
上記チャンバ内にプラズマを発生させる高周波電源とを備え、
上記アーク蒸発源装置は、上記カソード材料を蒸発させるために矩形波交流のアーク放電電流を用いるものであるイオンプレーティング装置。 - 真空チャンバと、
該真空チャンバ内に配設され基材を保持する基材ホルダと、
上記真空チャンバ内に、カソード材料を矩形波交流のアーク放電電流を用いて蒸発させるアーク蒸発源装置と、
上記真空チャンバ内にプラズマを発生させる高周波電源とを備えたイオンプレーティング装置。
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