JP5494663B2 - アーク蒸発源及び真空蒸着装置 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば自動車部品、自動車以外の各種機械の部品、各種工具や、自動車部品等の成形に用いる成形用型などの物品に膜形成する膜形成装置、なかでも、アークＰＶＤ（アーク式物理的蒸着）を利用した真空蒸着装置及び該装置で用いるアーク蒸発源に関する。
物品の表面に膜を形成することにより、該物品の耐摩耗性、他物品等との摺動性、化学的安定性、光学特性等の性質を改善し、物品に求められる性能をより向上させることが、自動車部品、各種機械の部品（例えば摺動部品）、各種工具や、金型等の成形用型、さらには医療用の物品や部材等について広く行われている。
このような表面処理の方法の一つとして、膜構成原子を含み、陰極材料として用いることができる材料からなるカソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させ、該イオン化したカソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成する、アークＰＶＤの一種であるアーク式イオンプレーティングを利用した真空蒸着装置（アーク式真空蒸着装置）が知られている。
このようなアーク式イオンプレーティングによる膜形成は、膜の被成膜物品への密着性が良好である、膜形成速度が大きく、膜生産性が高いといった利点があり、各種物品の表面処理に用いられている。
ところで、アーク式イオンプレーティングにおいては、カソードの蒸発面にアーク放電のアークスポットが存在することで、カソード材料を溶融蒸発させることができるのであるが、アークスポットがカソード蒸発面から飛び出してしまうとアークが消え、膜形成を続行できなくなり、膜生産性が低下する。また、このようにアークが消えると、再びアークを発生させて膜形成を再開することになるが、アーク消えとアーク点灯の繰り返しにより形成される膜質が低下するおそれもある。
さらに、アークスポットがカソード蒸発面から移動してカソード側面に回り込むとドロップレットと呼ばれる巨大溶融粒子が発生し易くなることも経験上分かっている。
また、アークスポットがカソードの蒸発面に局部的に停滞すると、カソードのアークスポット停滞部分が高温になり、ドロップレットが発生しやすくなる。
ドロップレットが被成膜物品や該物品上に形成されつつある膜に付着すると、膜の表面は粗いものとなり、膜の摺動特性や耐摩耗性などの膜に求められている性能が低下する。
また、アークスポットがカソードの蒸発面に局部的に停滞すると、カソード蒸発面を全体的に均一状に消費することができなくなり、カソード材料の全体的な有効利用がそれだけ困難になり、ひいては、膜形成コストが高くつく。
特許第３７２８１４０号公報には、アーク放電のアークスポットはカソードの蒸発面において磁力線が傾く方向に移動し易い性質があることを利用して、上記のような問題の解決を目指している。
すなわち、同公報には、カソードの蒸発面にほぼ垂直に交差する磁力線を発生させる磁場発生源を設けるとともにカソードの外周を取り囲むように絶縁部を介してリング状の磁性体を配置することで、カソードの周縁部において蒸発面に対して蒸発面中央側へ内向きに鋭角な方向となる磁力線を持つ磁場を形成し、それによりアークスポットの蒸発面からの飛び出しを抑制できるアーク蒸発源が記載されている。
また、同公報には、磁力線方向変更手段をカソードの中央部背面側に配置し、該磁力線方向変更手段により、前記磁場発生源による磁力線のうち蒸発面の中央部において蒸発面と交差する磁力線の方向を蒸発面に立てた法線に対して蒸発面の周縁側へ外向きに傾斜する方向へ変え、それによりアークスポットが蒸発面の中央部に停滞してドロップレットが発生することを抑制することが記載されている。
しかしながら、特許第３７２８１４０号公報に記載されたアーク蒸発源によると、カソードの蒸発面とほぼ垂直に交差する磁力線を発生させる磁場発生源は、真空容器内においてカソードの近傍に配置され、蒸発面のアークスポットから発せられる熱の影響を直接的に受ける。
磁場発生源がアークスポットから発せられる熱で加熱されることでその磁力が劣化或いは消失しやすくなり、有効な磁場の形成が困難になるおそれがある。特に、磁場発生源が永久磁石であるときはこの傾向が大である。磁場発生源を冷却手段で冷却することも考えられるが、それではアーク蒸発源は構造が複雑化し、高価になる。
また、アークスポットの移動速度は、アークスポットにおける磁束密度の蒸発面に平行な成分に比例することが分かっているが、磁束密度が不十分な場合、アークスポットの移動速度が低下し、アークスポットが局所的に停滞しがちとなってドロップレットが発生し易くなる。
そこで本発明は、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化されたカソード材料を含むプラズマを発生させる、真空蒸着装置用のアーク蒸発源であって次の利点を有するアーク蒸発源を提供することを第１の課題とする。
（ａ）アークスポットのカソード蒸発面からの飛び出しを抑制して該飛び出しによるアーク消えを抑制でき、真空蒸着装置に適用された場合、該飛び出しによるアーク消えの抑制によりそれだけ生産性良く膜形成できるとともに、アーク消えとアーク再開による膜質の低下を抑制できる。
（ｂ）アークスポットのカソード側面への回り込み及びアークスポットのカソード蒸発面での局所的停滞を抑制してドロップレットの発生を抑制でき、真空蒸着装置に適用された場合、ドロップレット発生を抑制できることで、ドロップレットによる膜質の低下を抑制できる。
（ｃ）アークスポットのカソード側面への回り込みやアークスポットのカソード蒸発面での局所的停滞を抑制できることで、それだけカソード材料を所望どおり有効利用でき、ひいては膜形成コストをそれだけ安価に抑えることができる。
（ｂ）アークスポットのカソード側面への回り込み及びアークスポットのカソード蒸発面での局所的停滞を抑制してドロップレットの発生を抑制でき、真空蒸着装置に適用された場合、ドロップレット発生を抑制できることで、ドロップレットによる膜質の低下を抑制できる。
（ｃ）アークスポットのカソード側面への回り込みやアークスポットのカソード蒸発面での局所的停滞を抑制できることで、それだけカソード材料を所望どおり有効利用でき、ひいては膜形成コストをそれだけ安価に抑えることができる。
また、本発明は、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化されたカソード材料を含むプラズマを発生させるアーク蒸発源を含み、該アーク蒸発源で発生させたイオン化カソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成する真空蒸着装置であって、アーク蒸発源におけるアーク消え、ドロップレット発生を抑制でき、また、アーク蒸発源におけるカソード材料の有効利用が可能で、それらにより、それだけ良質の膜を生産性良く、安価に形成できる真空蒸着装置を提供することを第２の課題とする。
本発明は前記第１の課題を解決するため、
カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化されたカソード材料を含むプラズマを発生させる、真空蒸着装置用のアーク蒸発源であって、前記カソードの蒸発面での真空アーク放電によるアークスポットの位置制御のための、該蒸発面に交差する磁力線を発生させる、磁場形成用環状磁石を含んでおり、該環状磁石は、内径が前記カソードの外径より大きく、該カソードの蒸発面に垂直な方向からみると該カソードに中心軸線を一致させて外嵌するように配置され、且つ、該カソードの蒸発面とは反対側の背面部の後方において大気中に露出配置されており、中心軸線方向において片側に第１磁極を提供するとともに反対側に第１磁極とは逆極性の第２磁極を提供でき、前記カソードの蒸発面周縁部においては蒸発面に対して蒸発面中央部へ鋭角をなして傾く磁力線を発生させるとともに蒸発面中央部においては蒸発面に対して蒸発面周縁部へ鋭角をなして傾く磁力線を発生させる磁場を形成する磁石であるアーク蒸発源を提供する。
カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化されたカソード材料を含むプラズマを発生させる、真空蒸着装置用のアーク蒸発源であって、前記カソードの蒸発面での真空アーク放電によるアークスポットの位置制御のための、該蒸発面に交差する磁力線を発生させる、磁場形成用環状磁石を含んでおり、該環状磁石は、内径が前記カソードの外径より大きく、該カソードの蒸発面に垂直な方向からみると該カソードに中心軸線を一致させて外嵌するように配置され、且つ、該カソードの蒸発面とは反対側の背面部の後方において大気中に露出配置されており、中心軸線方向において片側に第１磁極を提供するとともに反対側に第１磁極とは逆極性の第２磁極を提供でき、前記カソードの蒸発面周縁部においては蒸発面に対して蒸発面中央部へ鋭角をなして傾く磁力線を発生させるとともに蒸発面中央部においては蒸発面に対して蒸発面周縁部へ鋭角をなして傾く磁力線を発生させる磁場を形成する磁石であるアーク蒸発源を提供する。
本発明は前記第２の課題を解決するため、
カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化されたカソード材料を含むプラズマを発生させるアーク蒸発源を含み、該アーク蒸発源で発生させたイオン化カソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成する真空蒸着装置であって、アーク蒸発源として本発明に係るアーク蒸発源を採用した真空蒸着装置を提供する。
カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化されたカソード材料を含むプラズマを発生させるアーク蒸発源を含み、該アーク蒸発源で発生させたイオン化カソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成する真空蒸着装置であって、アーク蒸発源として本発明に係るアーク蒸発源を採用した真空蒸着装置を提供する。
（本段落は空白）
本発明の実施形態の例として以下に記す第１、第２及び第３のアーク蒸発源及び真空蒸着装置を提供する。
〔１〕アーク蒸発源
（１）第１のアーク蒸発源
カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化されたカソード材料を含むプラズマを発生させる、真空蒸着装置用のアーク蒸発源であって、前記カソードの蒸発面での真空アーク放電によるアークスポットの位置制御のための、該蒸発面に交差する磁力線を発生させる、磁場形成用環状磁石を含んでおり、該環状磁石は、内径が前記カソードの外径より大きく、該カソードの蒸発面に垂直な方向からみると該カソードに中心軸線を一致させて外嵌するように配置され、且つ、該カソードの蒸発面とは反対側の背面部の後方において大気中に露出配置されており、中心軸線方向において片側に第１磁極を提供するとともに反対側に第１磁極とは逆極性の第２磁極を提供でき、前記カソードの蒸発面周縁部においては蒸発面に対して蒸発面中央部へ鋭角をなして傾く磁力線を発生させるとともに蒸発面中央部においては蒸発面に対して蒸発面周縁部へ鋭角をなして傾く磁力線を発生させる磁場を形成する磁石であるアーク蒸発源。
（１）第１のアーク蒸発源
カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化されたカソード材料を含むプラズマを発生させる、真空蒸着装置用のアーク蒸発源であって、前記カソードの蒸発面での真空アーク放電によるアークスポットの位置制御のための、該蒸発面に交差する磁力線を発生させる、磁場形成用環状磁石を含んでおり、該環状磁石は、内径が前記カソードの外径より大きく、該カソードの蒸発面に垂直な方向からみると該カソードに中心軸線を一致させて外嵌するように配置され、且つ、該カソードの蒸発面とは反対側の背面部の後方において大気中に露出配置されており、中心軸線方向において片側に第１磁極を提供するとともに反対側に第１磁極とは逆極性の第２磁極を提供でき、前記カソードの蒸発面周縁部においては蒸発面に対して蒸発面中央部へ鋭角をなして傾く磁力線を発生させるとともに蒸発面中央部においては蒸発面に対して蒸発面周縁部へ鋭角をなして傾く磁力線を発生させる磁場を形成する磁石であるアーク蒸発源。
このアーク蒸発源における前記環状磁石は永久磁石でも、電磁石でも、それらを組み合わせた磁石でもよく、また、複数の磁石を組み合わせた磁石でもよい。
アーク蒸発源におけるカソード蒸発面のアーク放電によるアークスポットは、既述のとおり、カソードの蒸発面において磁力線が傾く方向に移動し易い性質がある。
本発明に係るアーク蒸発源によると、前記環状磁石により、カソード蒸発面周縁部においては蒸発面に対して蒸発面中央部へ鋭角をなして傾く磁力線を発生させることができ、蒸発面周縁部においてはそのような磁力線によりアークスポットを蒸発面中央部側へ移動させることができる。かくして、アークスポットの蒸発面からの飛び出しや、蒸発面に続くカソード側面への回り込みを抑制できる。
本発明に係るアーク蒸発源によると、前記環状磁石により、カソード蒸発面周縁部においては蒸発面に対して蒸発面中央部へ鋭角をなして傾く磁力線を発生させることができ、蒸発面周縁部においてはそのような磁力線によりアークスポットを蒸発面中央部側へ移動させることができる。かくして、アークスポットの蒸発面からの飛び出しや、蒸発面に続くカソード側面への回り込みを抑制できる。
一方、蒸発面中央部では、前記環状磁石により、蒸発面に対して蒸発面周縁部へ鋭角をなして傾く磁力線を発生させることができ、蒸発面中央部ではそのような磁力線によりアークスポットを蒸発面周縁部側へ移動させることができる。かくして、アークスポットが蒸発面中央部やその辺りにおいて局所的に停滞することを抑制できる。
このようにして、アークスポットを、蒸発面上に全面的に走行させることができる。
このようにして、アークスポットを、蒸発面上に全面的に走行させることができる。
また、環状磁石は、カソードの背面部の後方において大気中に露出配置されているので、カソード蒸発面におけるアークスポットからの熱の影響を受けることなく、前記アークスポットをカソード蒸発面において、飛び出し及び停滞を抑制しつつ走行させ得る磁力線を形成する安定した磁場を提供することができる。
かくして、第１のアーク蒸発源によると、
（ａ）アークスポットのカソード蒸発面からの飛び出しを抑制して該飛び出しによるアーク消えを抑制でき、真空蒸着装置に適用された場合、該飛び出しによるアーク消えの抑制によりそれだけ生産性良く膜形成できるとともに、アーク消えとアーク再開による膜質の低下を抑制できる。
（ｂ）アークスポットのカソード側面への回り込み及びアークスポットのカソード蒸発面での局所的停滞を抑制してドロップレットの発生を抑制でき、真空蒸着装置に適用された場合、ドロップレット発生を抑制できることで、ドロップレットによる膜質の低下を抑制できる。
（ｃ）アークスポットのカソード側面への回り込みやアークスポットのカソード蒸発面での局所的停滞を抑制できることで、それだけカソード材料を所望どおり有効利用でき、ひいては膜形成コストをそれだけ安価に抑えることができる。
（ａ）アークスポットのカソード蒸発面からの飛び出しを抑制して該飛び出しによるアーク消えを抑制でき、真空蒸着装置に適用された場合、該飛び出しによるアーク消えの抑制によりそれだけ生産性良く膜形成できるとともに、アーク消えとアーク再開による膜質の低下を抑制できる。
（ｂ）アークスポットのカソード側面への回り込み及びアークスポットのカソード蒸発面での局所的停滞を抑制してドロップレットの発生を抑制でき、真空蒸着装置に適用された場合、ドロップレット発生を抑制できることで、ドロップレットによる膜質の低下を抑制できる。
（ｃ）アークスポットのカソード側面への回り込みやアークスポットのカソード蒸発面での局所的停滞を抑制できることで、それだけカソード材料を所望どおり有効利用でき、ひいては膜形成コストをそれだけ安価に抑えることができる。
（２）第２のアーク蒸発源
前記第１のアーク蒸発源において、前記カソードの背面部に臨む、カソード中央部での磁束密度を高める磁力強化部材を備えたアーク蒸発源。
前記第１のアーク蒸発源において、前記カソードの背面部に臨む、カソード中央部での磁束密度を高める磁力強化部材を備えたアーク蒸発源。
既述のとおり、アークスポットの移動速度は、アークスポットにおける磁束密度の蒸発面に平行な成分に比例する。
第２のアーク蒸発源によると、磁力強化部材を設けてあることで、カソード蒸発面中央部やその辺りでのアークスポットの移動速度を速め、それによりカソード蒸発面中央部やその辺りでのアークスポットの停滞を一層確実に抑制し、蒸発面中央部やその辺りでのドロップレット発生を一層確実に抑制することができる。
第２のアーク蒸発源によると、磁力強化部材を設けてあることで、カソード蒸発面中央部やその辺りでのアークスポットの移動速度を速め、それによりカソード蒸発面中央部やその辺りでのアークスポットの停滞を一層確実に抑制し、蒸発面中央部やその辺りでのドロップレット発生を一層確実に抑制することができる。
それとは限定されないが、磁力強化部材は、カソード中央部での磁束密度をカソード外周部での磁束密度と同等以上に高めるものであることが好ましい。
かかる磁力強化部材はアーク放電を発生させる真空領域に配置されていても、大気中に配置されていてもよい。いずれにしても、水冷或いは空冷等により冷却することが望ましい。
かかる磁力強化部材はアーク放電を発生させる真空領域に配置されていても、大気中に配置されていてもよい。いずれにしても、水冷或いは空冷等により冷却することが望ましい。
いずれにしてもこのような磁力強化部材として、永久磁石、電磁石、磁性体（好ましくは強磁性体）を例示できる。
磁力強化部材として磁石を採用する場合、前記環状磁石により提供される、アークスポットの飛び出しや停滞を抑制する磁場の形状をできるだけ維持するうえで、該磁力強化部材としての磁石のカソード背面部に臨む側の磁極を、前記環状磁石の第１磁極と逆極性の磁極とすることが望ましい、と言える。
（３）第３のアーク蒸発源
上記（１）又は（２）に記載のアーク蒸発源において、前記カソードの蒸発面周縁角部分を絶縁部を介して非磁性高融点金属で覆ったアーク蒸発源。
上記（１）又は（２）に記載のアーク蒸発源において、前記カソードの蒸発面周縁角部分を絶縁部を介して非磁性高融点金属で覆ったアーク蒸発源。
このようにカソードの蒸発面周縁角部分を絶縁部を介して非磁性材である、高融点金属で覆うと、アークスポットがカソード蒸発面に続く側面へ移行しようとした場合、該高融点金属により放電経路が遮られ、カソード蒸発面の周縁部より内側域と比較して放電が持続し難くなり、アークスポットは放電がより安定する内側へ戻りやすい。もしも、側面での放電が持続しないことでアークスポットが消えてしまったときには、蒸発面の中央部で再点灯させればよい。このように、アークスポットのカソード蒸発面に続く側面への回り込みを一層確実に抑制できる。
〔２〕真空蒸着装置
カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化されたカソード材料を含むプラズマを発生させるアーク蒸発源を含み、該アーク蒸発源で発生させたイオン化カソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成する真空蒸着装置であって、アーク蒸発源として上記第１、第２又は第３のタイプのアーク蒸発源を採用した真空蒸着装置。
カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化されたカソード材料を含むプラズマを発生させるアーク蒸発源を含み、該アーク蒸発源で発生させたイオン化カソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成する真空蒸着装置であって、アーク蒸発源として上記第１、第２又は第３のタイプのアーク蒸発源を採用した真空蒸着装置。
この真空蒸着装置によると、アーク蒸発源として上記実施形態のアーク蒸発源のいずれかを採用しているので、アーク蒸発源におけるアーク消え、ドロップレット発生を抑制でき、また、アーク蒸発源におけるカソード材料の有効利用が可能で、それらにより、それだけ良質の膜を生産性良く、安価に形成できる。
以下図面を参照してアーク蒸発源及び真空蒸着装置の幾つかの例について説明する。
図１は本発明に係る真空蒸着装置の１例を概略的に示す図である。
図１に示す真空蒸着装置１０１は、
膜形成を行うための真空容器１、
容器１の外側壁１１に設けられたアーク蒸発源２、
容器１内の、蒸発源２に臨む位置に配置された膜形成対象物品Ｗのホルダ３及び
真空容器１内を所望の膜形成のための減圧雰囲気に設定する排気装置ＥＸ等を含んでいる。
図１は本発明に係る真空蒸着装置の１例を概略的に示す図である。
図１に示す真空蒸着装置１０１は、
膜形成を行うための真空容器１、
容器１の外側壁１１に設けられたアーク蒸発源２、
容器１内の、蒸発源２に臨む位置に配置された膜形成対象物品Ｗのホルダ３及び
真空容器１内を所望の膜形成のための減圧雰囲気に設定する排気装置ＥＸ等を含んでいる。
ホルダ３は支持部４に回転可能に支持され、回転駆動部５により回転させることができる。ホルダ３に支持される膜形成対象物品Ｗには、後述するイオン化されたカソード材料をひきつけて円滑な膜形成を行えるように、ホルダ３を介してバイアス電源６からバイアス電圧を印加できる。物品ホルダ３には膜形成にあたり物品を加熱するヒータを設けてあってもよい。
排気装置ＥＸは、容器１内を排気減圧できるものであればよく、例えば、ターボ分子ポンプ、ディフュージョンポンプ、クライオンポンプ等の排気ポンプを含む装置を使用できる。
真空容器１には、必要に応じて予め定めたガスを導入するためのガス導入部７が設けられている。このガス導入部７は、例えば蒸発源カソード材料がクロムで窒化クロム膜を形成するときに容器１内へ窒素ガスを導入する部分として、また、例えば被成膜物品Ｗを膜形成に先立ってグロー放電等による清浄化前処理等の前処理を施すためのガスの導入部として利用できる。
アーク蒸発源２は、カソード２０、トリガー電極２５、アーク放電用電源２４等を備えている。カソード２０は導電性のカソードホルダ２１に支持されて容器１内に位置し、物品ホルダ３の方に向けられている。
図示例では、カソードホルダ２１は電気絶縁部材２２を介して容器１の外壁１１に外側からあてがわれ、保持部材２３にて外壁１１の方へ押しつけられるようにして外壁１１に取り付けられている。カソードホルダ２１のカソード２０背面に臨む部分には空間２１１が形成されている。ここには、所望とあれば、図示省略の水循環装置にて冷却水を通すことができる。
カソード２０は、それとは限定されないが、ここでは短円柱形状を呈しており、形成しようとする膜に応じて選択した材料で形成される。
このカソードに対するアノードはここでは接地された容器１がこれを兼ねている。なお、アノードについては、例えばカソード２０端部を囲むアノードを別途設ける等してもよい。
このカソードに対するアノードはここでは接地された容器１がこれを兼ねている。なお、アノードについては、例えばカソード２０端部を囲むアノードを別途設ける等してもよい。
トリガー電極２５はカソード２０の物品ホルダ３に向けられた端面（カソード蒸発面）２０Ｓに臨んでおり、図示を省略した往復駆動装置によりカソード蒸発面２０Ｓに対し接触離反可能である。第１図においては、トリガー電極２５はカソード２０を貫通しているかの如く示されているが、カソード２０を貫通しているのではなく、カソード周囲の壁体に往復動可能に通されている（図示省略）。
アーク放電用電源２４はカソード２０とアノードとの間にアーク放電用電圧を印加できるように、また、カソード２０とアノード間のアーク放電を誘発するためにカソード２０とトリガー電極２５との間にトリガー用電圧を印加できるように、カソード２０等に配線接続されている。トリガー電極２５はアーク電流が流れないように抵抗２６を介して接地されている。
このアーク蒸発源２は次の点に特徴がある。
すなわち、真空容器１の外壁１１の外側において、図1に示されるように、冷却装置により冷却媒体が供給されるような状態ではなく、単に大気中に露出配置されて該外壁に取り付けられた磁場形成用磁石を備えている点である。該磁場形成用磁石この磁場形成用磁石は、カソード蒸発面２０Ｓでの真空アーク放電によるアークスポットの位置制御のための、該蒸発面に交差する磁力線を発生させる磁石である。
すなわち、真空容器１の外壁１１の外側において、図1に示されるように、冷却装置により冷却媒体が供給されるような状態ではなく、単に大気中に露出配置されて該外壁に取り付けられた磁場形成用磁石を備えている点である。該磁場形成用磁石この磁場形成用磁石は、カソード蒸発面２０Ｓでの真空アーク放電によるアークスポットの位置制御のための、該蒸発面に交差する磁力線を発生させる磁石である。
この磁場形成用磁石は、永久磁石でも、電磁石でも、それらを組み合わせた磁石でもよく、また、複数の磁石を組み合わせた磁石でもよいが、ここでは、環状の永久磁石Ｍである。磁石Ｍについてはさらに後述する。
以上説明した真空蒸着装置１０１によると、次のようにして膜形成対象物品Ｗ上にカソード２０の構成材料元素を含む薄膜を形成することができる。
まず、図示省略の容器扉を開き、物品ホルダ３に膜形成対象物品Ｗを搭載し、該扉を気密に閉じる。次いで排気装置ＥＸを運転して容器１から排気し、容器１内を膜形成圧力まで減圧する。
まず、図示省略の容器扉を開き、物品ホルダ３に膜形成対象物品Ｗを搭載し、該扉を気密に閉じる。次いで排気装置ＥＸを運転して容器１から排気し、容器１内を膜形成圧力まで減圧する。
膜形成開始にあたっては、蒸発源２において、トリガー電極２５をカソード２０の蒸発面２０Ｓに接触させ、ひき続き引き離す。これにより電極２５とカソード２０間に火花が発生し、これが引き金となってアノード（容器１）とカソード２０との間に真空アーク放電が誘発される。このアーク放電によりカソード材料が加熱され、カソード材料が蒸発し、さらにカソード２０前方にイオン化カソード材料を含むプラズマが形成される。
本例では、膜形成中は、膜付着性を良好にする等のために膜形成用イオンを引き寄せるためのバイアス電圧を電源６からホルダ３に印加する。さらに、各物品への均一な膜形成のために、ホルダ３を駆動部５にて回転させる。ホルダ３に図示省略のヒータを設けてあるときは、必要に応じ、該ヒータで物品を加熱することもできる。
かくして、物品Ｗにカソード材料の構成元素を含む膜が形成されるのであるが、アーク蒸発源２においては、前記磁場形成用の環状磁石Ｍが次のような利点をもたらす。
環状磁石Ｍは、内径がカソード２０の外径より大きく、カソード２０の蒸発面２０Ｓに垂直な方向からみるとカソード２０に中心軸線を一致させて外嵌するように配置されている。そして、中心軸線方向において片側に（容器１に臨む側に）第１磁極Ｎを有しているとともに反対側に逆極性の第２磁極Ｓを有している。
図２はアーク蒸発源２における磁場の状態の概略を模式的に示している。
図２に示すように、磁場形成用磁石Ｍは、カソード２０の蒸発面２０Ｓの周縁部においては蒸発面２０Ｓに対して蒸発面中央部へ鋭角θ１をなして傾く磁力線を発生させるとともに蒸発面中央部においては蒸発面２０Ｓに対して蒸発面周縁部へ鋭角θ２をなして傾く磁力線を発生させる磁場を形成する。
図２に示すように、磁場形成用磁石Ｍは、カソード２０の蒸発面２０Ｓの周縁部においては蒸発面２０Ｓに対して蒸発面中央部へ鋭角θ１をなして傾く磁力線を発生させるとともに蒸発面中央部においては蒸発面２０Ｓに対して蒸発面周縁部へ鋭角θ２をなして傾く磁力線を発生させる磁場を形成する。
アーク蒸発源２におけるカソード蒸発面２０Ｓのアーク放電によるアークスポットは、カソード蒸発面２０Ｓにおいて磁力線が傾く方向に移動し易い性質がある。
従って、図２に示すようにな上記磁力線により、蒸発面２０Ｓの周縁部においてはアークスポットを蒸発面中央部側へ移動させることができる。かくして、アークスポットの蒸発面２０Ｓからの飛び出しや、蒸発面２０Ｓに続くカソード側面ｓｓへの回り込みを抑制できる。
従って、図２に示すようにな上記磁力線により、蒸発面２０Ｓの周縁部においてはアークスポットを蒸発面中央部側へ移動させることができる。かくして、アークスポットの蒸発面２０Ｓからの飛び出しや、蒸発面２０Ｓに続くカソード側面ｓｓへの回り込みを抑制できる。
蒸発面２０Ｓの中央部では、磁場形成用磁石Ｍにより、蒸発面２０Ｓに対して蒸発面周縁部へ鋭角θ２をなして傾く磁力線が発生しており、蒸発面中央部ではそのような磁力線によりアークスポットを蒸発面周縁部側へ移動させることができる。かくして、アークスポットが蒸発面中央部やその辺りにおいて局所的に停滞することを抑制できる。
このようにして、アークスポットを、蒸発面２０Ｓ上に全面的に走行させることができる。
このようにして、アークスポットを、蒸発面２０Ｓ上に全面的に走行させることができる。
また、磁石Ｍは、カソード２０の背面部の後方において大気中に配置されているので、さらに言えば、図1、図2に示されるように、磁石Ｍは、カソード２０の背面部の後方において大気中に露出配置されているので、カソード蒸発面２０Ｓにおけるアークスポットからの熱の影響を受けることなく（磁石Ｍの熱劣化を招くことなく）アークスポットをカソード蒸発面２０Ｓにおいて飛び出し及び停滞を抑制しつつ走行させ得る磁力線を形成する安定した磁場を提供することができる。
かくして、アーク蒸発源２によると、磁石Ｍを採用していることで、アークスポットのカソード蒸発面２０Ｓからの飛び出しを抑制して該飛び出しによるアーク消えを抑制でき、従って真空蒸着装置１０１は、該飛び出しによるアーク消えの抑制によりそれだけ生産性良く膜形成できるとともに、アーク消えとアーク再開による膜質の低下を抑制できる。
また、アークスポットのカソード２０の側面ｓｓへの回り込み及びアークスポットのカソード蒸発面２０Ｓでの局所的停滞を抑制してドロップレットの発生を抑制でき、従って真空蒸着装置１０１は、ドロップレット発生を抑制できることで、ドロップレットによる膜質の低下を抑制できる。
また、アークスポットのカソード２０の側面ｓｓへの回り込みやアークスポットのカソード蒸発面２０Ｓでの局所的停滞を抑制できることで、それだけカソード材料を所望どおり有効利用でき、ひいては膜形成コストをそれだけ安価に抑えることができる。
図３は真空蒸着装置の他の例１０２を示している。この装置１０２は、図１の真空蒸着装置１０１においてアーク蒸発源２をアーク蒸発源２’に置き換えたものであり、その他の点は装置１０１と同構成である。装置１０１における部品、部分等と同じ部品、部分等には図１と同じ参照符号を付してある。
真空蒸着装置１０２のアーク蒸発源２’は、装置１０１の蒸発源２においてカソードホルダ２１のカソード２０背面に臨む空間２１１にカソード２０に対して空隙をおいて磁力強化部材ｍを配置した点を除けば、蒸発源２と同じものである。蒸発源２における部品、部分等と同じ部品、部分等には図１及び図２と同じ参照符号を付してある。装置１０２においても、装置１０１と同様の原理で物品Ｗに膜形成できる。空間２１１に図示省略の水循環装置から通水し磁力強化部材ｍを水冷することができる。
磁力強化部材ｍとしては、永久磁石、電磁石、磁性体（好ましくは強磁性体）を例示できるが、ここでは環状の永久磁石ｍを採用している。
磁石ｍは、磁場形成用磁石Ｍやカソード２０と中心軸線を一致させて配置されており、カソード２０の背面に臨む側にＳ極を、反対側（磁石背面側）にＮ極を有している。
第４図はアーク蒸発源２’における磁場の状態の概略を模式的に示している。
磁石ｍは、磁場形成用磁石Ｍやカソード２０と中心軸線を一致させて配置されており、カソード２０の背面に臨む側にＳ極を、反対側（磁石背面側）にＮ極を有している。
第４図はアーク蒸発源２’における磁場の状態の概略を模式的に示している。
アークスポットの移動速度は、アークスポットにおける磁束密度の蒸発面２０Ｓに平行な成分に比例する。
アーク蒸発源２’によると、磁力強化磁石ｍを設けてあることで、図４に示すように、カソード蒸発面２０Ｓ中央部やその辺りで磁力を強化することができ、アークスポットの移動速度を速めることができる。それによりカソード蒸発面中央部やその辺りでのアークスポットの停滞を一層確実に抑制し、蒸発面中央部やその辺りでのドロップレット発生を一層確実に抑制することができる。
アーク蒸発源２’によると、磁力強化磁石ｍを設けてあることで、図４に示すように、カソード蒸発面２０Ｓ中央部やその辺りで磁力を強化することができ、アークスポットの移動速度を速めることができる。それによりカソード蒸発面中央部やその辺りでのアークスポットの停滞を一層確実に抑制し、蒸発面中央部やその辺りでのドロップレット発生を一層確実に抑制することができる。
それとは限定されないが、磁力強化磁石ｍは、カソード中央部での磁束密度をカソード外周部での磁束密度と同等以上に高めるものであることが好ましい。
磁石ｍの採用によりカソード蒸発面２０Ｓの中央部やその辺りでの磁力が強化されることを確認した実験結果を図６に示す。
磁石ｍの採用によりカソード蒸発面２０Ｓの中央部やその辺りでの磁力が強化されることを確認した実験結果を図６に示す。
実験で用いたカソード等の寸法は以下のとおりである。
カソード２０：蒸発面２０Ｓは直径８４ｍｍの平坦円形面。
磁石Ｍ：外径１７０ｍｍ、内径１１０ｍｍ、厚さ９ｍｍ、保磁力２０００エルステッド。
磁石ｍ：外径２５ｍｍ、内径１０ｍｍ、厚さ３ｍｍ、保磁力２０００エルステッド。
カソード２０：蒸発面２０Ｓは直径８４ｍｍの平坦円形面。
磁石Ｍ：外径１７０ｍｍ、内径１１０ｍｍ、厚さ９ｍｍ、保磁力２０００エルステッド。
磁石ｍ：外径２５ｍｍ、内径１０ｍｍ、厚さ３ｍｍ、保磁力２０００エルステッド。
図６から分かるように、磁石Ｍのみ採用する場合と比べると、磁石Ｍ及び磁石ｍの双方を併用する方が、カソード蒸発面２０Ｓの中央部やその辺りで磁力を強化することができる。
図５は真空蒸着装置のさらに他の例１０３を示している。この装置１０３は、図３の真空蒸着装置１０２において、カソード２０の蒸発面２０Ｓの周縁角部分を絶縁部（ここでは真空部）を介して非磁性材である、高融点金属リングＲで覆ったものである。その他の点は装置１０２と同構成である。装置１０２における部品、部分等と同じ部品、部分等には図３及び図４と同じ参照符号を付してある。装置１０３においても、装置１０１や装置１０２と同様の原理で物品Ｗに膜形成できる。
リングＲを構成する非磁性高融点金属としては、モリブデン、タングステン、オーステナイト系ステンレススチール等を例示できるが、ここでは、非磁性ステンレススチールとモリブデンの結合部材を採用している。さらに言えば、カソード蒸発面２０Ｓに外嵌する非磁性ステンレススチールリングの室１内側へ向けられた端面に、一部が該蒸発面２０Ｓの周縁に被さるようにモリブデンリングがネジ留めされたものを採用している。
このようにカソード２０の蒸発面周縁角部分を絶縁部を介して非磁性高融点金属リングＲで覆うことで、アークスポットがカソード蒸発面２０Ｓに続く側面へ移行しようとした場合、該高融点金属リングＲにより放電経路が遮られ、カソード蒸発面２０Ｓの周縁部より内側部分と比較して放電が持続し難くなり、該アークスポットが、放電がより安定して持続し得るカソード蒸発面の内側領域へ戻りやすくなる。もしも、カソード側面ｓｓでの放電が持続しないことでアークスポットが消えてしまったときには、蒸発面の中央部で再点灯させればよい。かくして、アークスポットのカソード蒸発面２０Ｓに続く側面ｓｓへの回り込みを一層確実に抑制でき、それだけドロップレット発生を抑制できる。
以上説明した真空蒸着装置１０１、１０２、１０３のいずれにおいても、アーク蒸発源におけるアーク消え、ドロップレット発生を抑制でき、また、アーク蒸発源におけるカソード材料の有効利用が可能で、それらにより、それだけ良質の膜を生産性良く、安価に形成できる。
なお、真空容器１にはアーク蒸発源を２以上設けることも可能である。
なお、真空容器１にはアーク蒸発源を２以上設けることも可能である。
本発明は、アーク消えやドロップレットの発生を抑制でき、良質な膜形成に寄与できる、真空蒸着装置のためのアーク蒸発源及び該アーク蒸発源を採用することでそれだけ良質な膜を生産性良好に形成できる真空蒸着装置を提供することに利用できる。
１０１、１０２、１０３ 真空蒸着装置
１ 真空容器
１１ 容器外壁
２、２’、２” アーク蒸発源
２０ カソード
２０Ｓ カソード蒸発面
ｓｓ カソード側面
２１ カソードホルダ
２１１ 空間
２２ 絶縁部材
２３ 保持部材
２４ アーク放電電源
２５ トリガー電極
２６ 抵抗
３ 物品ホルダ
Ｗ 膜形成対象物品（成膜物品）
４ 支持部
５ 駆動部
６ バイアス電源
７ ガス導入部
ＥＸ 排気装置
Ｍ 磁場形成用の環状磁石
ｍ 磁力強化磁石
Ｒ 非磁性高融点金属リング
１ 真空容器
１１ 容器外壁
２、２’、２” アーク蒸発源
２０ カソード
２０Ｓ カソード蒸発面
ｓｓ カソード側面
２１ カソードホルダ
２１１ 空間
２２ 絶縁部材
２３ 保持部材
２４ アーク放電電源
２５ トリガー電極
２６ 抵抗
３ 物品ホルダ
Ｗ 膜形成対象物品（成膜物品）
４ 支持部
５ 駆動部
６ バイアス電源
７ ガス導入部
ＥＸ 排気装置
Ｍ 磁場形成用の環状磁石
ｍ 磁力強化磁石
Ｒ 非磁性高融点金属リング
Claims (8)
- カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化されたカソード材料を含むプラズマを発生させる、真空蒸着装置用のアーク蒸発源であって、前記カソードの蒸発面での真空アーク放電によるアークスポットの位置制御のための、該蒸発面に交差する磁力線を発生させる、磁場形成用の環状磁石を含んでおり、該環状磁石は、内径が前記カソードの外径より大きく、該カソードの蒸発面に垂直な方向からみると該カソードに中心軸線を一致させて外嵌するように配置され、且つ、該カソードの蒸発面とは反対側の背面部の後方において大気中に露出配置されており、中心軸線方向において片側に第１磁極を提供できるとともに反対側に第１磁極とは逆極性の第２磁極を提供でき、前記カソードの蒸発面周縁部においては蒸発面に対して蒸発面中央部へ鋭角をなして傾く磁力線を発生させるとともに蒸発面中央部においては蒸発面に対して蒸発面周縁部へ鋭角をなして傾く磁力線を発生させる磁場を形成する磁石であるアーク蒸発源。
- 前記カソードの背面部に臨む、カソード中央部での磁束密度を高める磁力強化部材を備えた請求項１記載のアーク蒸発源。
- 前記磁力強化部材は、前記カソード背面部に臨む側の磁極が、前記環状磁石の第１磁極とは逆極性の磁極である請求項２記載のアーク蒸発源。
- 前記カソードの蒸発面周縁角部分を絶縁部を介して非磁性高融点金属で覆った請求項１記載のアーク蒸発源。
- 前記カソードの蒸発面周縁角部分を絶縁部を介して非磁性高融点金属で覆った請求項２記載のアーク蒸発源。
- 前記環状磁石は永久磁石である請求項１記載のアーク蒸発源。
- 前記磁力強化部材は永久磁石である請求項２記載のアーク蒸発源。
- カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化されたカソード材料を含むプラズマを発生させるアーク蒸発源を含み、該アーク蒸発源で発生させたイオン化カソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成する真空蒸着装置であって、アーク蒸発源として請求項１から７のいずれか１項に記載のアーク蒸発源を備えた真空蒸着装置。
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- 2009-08-19 JP JP2011527514A patent/JP5494663B2/ja active Active
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