JP5496223B2 - アーク・エバポレーターおよびアーク・エバポレーターの操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、アーク・エバポレーター（ａｒｃ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）の分野に含まれるものである。より具体的には本発明はアーク用の磁気ステアリング・システムを含んで成るアーク・エバポレーターの分野に含まれている。

アーク・エバポレーターは電気導電材料を蒸発することを目的としたシステム又は装置であって、材料は(真空又は超低圧状態が通常に発生する)チャンバーを介して動くことができることでパーツの表面に蒸着されて材料に被覆される。すなわち、このタイプの装置はパーツおよび表面を被覆するために使用される。

アーク・エバポレーター装置は通常チャンバー自身に加えて電気アークが発生する少なくとも１つのアノードと少なくとも１つのカソードを有して成る。 (典型的なケースでは８０Ａの電流を示し、２２Ｖの電圧下で適用され得る) このアークは、(カソード・スポットとして知られている)カソードのポイントに作用し、ポイントに対応してカソードの材料の蒸発を発生させる。したがって、カソードはコーティングに使用される材料から形成され、一般的に材料のプレート形成においては(例えばディスク形成においては)、“蒸発（又はエバポレーション・）ターゲット”として知られているものを形成する。アークを維持しおよび/又はアークの作成を促すために、少量のガスが通常チャンバーに導かれる。アークが表面上に(例えば、チャンバーの内部に接触するカソードの表面上に)作用するポイントに対応してカソードの内面に材料の蒸発をアークが引き起こす。この内面はパーツに面することができ、又はこの内面が表面に出ることにより被覆することができ、アークによって蒸着された材料はパーツ又は表面に蒸着される。カソードの過熱を防ぐため、冷却液(例えば、水)がカソードに例えばカソードの外面上によく用いられる。

アーク(又は多数のアークシステムのケースでは各アーク)は常に特定のポイントに作用して、カソードの蒸発を発生させる。アークはカソードの内面に動き、その動作中にアークに従いパスに対応して表面に磨耗を発生させる。いくつかのタイプの制御がアークの動作に適用されなければ、動作はランダムになり、カソードの材料の不十分な利用によりカソードが不均一に磨耗され、単価がかなり高くなる。

この問題はサイズの小さいエバポレーターのケースでは深刻でなくてもよい。例えば、６０ｍｍの径を有する円形の蒸発ターゲットを使用するエバポレーターでは、通常磨耗の十分な均一を確かにするために特定の大きさを採用する必要はない。しかしながら、サイズの大きなエバポレーターでは、この問題は益々より重要となる。

より均一にカソードの磨耗を行うことを目的として、アークの動作のランダムな特性を防ぎ又は低減するために、アーク用の磁気ステアリング・システムに基づき、アークの動作用の制御又はステアリング・システムが開発されている。これらステアリング・システムは電気アークの動作に影響を与える磁場を作り、そして変更することによって、より均一にカソードの蒸発をすることにより磨耗することができる。一方では、アークが偶然に蒸発面の部分ではないポイントに動くことは不可能又は困難であるため、これら磁気ステアリング要素はアーク・エバポレーターの信頼性を高めることができる。

アークによって蒸発された材料はイオン化の程度が高く、これら状況下ではアークの動作は磁場特性によって強く影響を与えられる、したがって、蒸発された材料の分布、アークがパーツに辿り着いて被覆されるエネルギー、および最後に得られるコーティングの質に重要な影響を与える。

このタイプの異なるシステムを説明したいくつかの特許公報又は特許出願がある。

ＵＳ−Ａ−４６７３４７７号には機械的手段により蒸発するようにプレートの後方部に動く永久磁石を使用する磁気ステアリング・システムが記載される。この永久磁石により発生する様々な磁場が電気アークをカソードへと導く。又、この装置は任意にはカソードの活性面に垂直な方向に磁場の強さを強化し、又は低減するためカソードのプレートに囲まれた巻線を組み込んで、電極のステアリングを改善する。この装置の問題は、移動性永久磁石の磁気システムはかなり機械的に複雑であり、したがって装置は高く、故障に影響を受けやすい。

ＵＳ−Ａ−４７２４０５８号はカソード・プレートの後方部に設置されたコイルを組み込んだ磁気ステアリング要素を有する装置に関する。カソード・プレートは、コイルによる電気アークと平行な１つの方向に電気アークを導く。シングル・パスで望ましい磨耗効果を低減するために、磁場のステアリング効果を弱めようとする方法が使用されることで、ランダムな構成要素が後者に重ね合わせられる。具体的には、コイルにより発生する磁場が接続および非接続されて、その時間ほとんどアークはランダムにカソードに動き、大変短時間で磁場により導かれる。

ＵＳ−Ａ−５８６１０８８号はターゲットの中央に、そして後方面に設置された永久磁石を有して成る磁気ステアリング要素、および記載の永久磁石を囲むコイルを有する装置を記載し、アッセンブリが磁場コンセントレータを形成する。システムはエバポレータの外側に設置された第２コイルで補完されている。

ＷＯ−Ａ−０２/０７７３１８号(ＥＳ−Ｔ−２２２８８３０号およびＥＰ−Ａ−１３８２７１１号に対応する)はチャンバーの内側に対応する進んだ位置に永久磁石を使用する操作的に強力な磁気ステアリング要素を有するエバポレーターが開示されている。したがって、チャンバーが高温で行われるコーティングに使用される際、例えば５００℃の処理温度を要するツールを切断するようなこれら磁気を冷却する手段を取り入れなければならない。

ＵＳ−Ａ−５２９８１３６号は円形状のエバポレーターに厚いターゲット用の磁気ステアリング要素を記載する。このエバポレーターは、蒸発させるようにターゲットの端に適応する２つのコイルおよび特徴的な形態を有する磁気部分を有して成る。したがって、アッセンブリは２つの磁極を有するたった１つの磁気要素として作用する。ＵＳ−Ａ−４７２４０５８号に記載されるシステムおよび他の同様のシステムの場合のように、ＵＳ−Ａ−５２９８１３６号に記載されるシステムが有する問題は磁気的に規定されたパスが蒸発ターゲットの表面をこえて動くことができない(又は大変小さな範囲で動くことができる)ということである。したがって、過度ではない磨耗をもたらすために、アークがある自由度を有することであらかじめ既定されたパスから離れることができるように、磁場の強度を制限する必要がある。

ＥＰ−Ａ−１５７６６４１号は強磁性体部分を使用することなく、異極性を有する２つのコイルを使用することによって、蒸発ターゲットにパスを規定することができるシステムを記載し、いくつかの前述のシステムよりも設計性に優れていることで磁気的に規定されたパスが蒸発ターゲットの表面をこえて動くことができる。

今までの上述の磁気ステアリング要素の全ての設計は、蒸発ターゲットの表面に垂直である磁場が消えるポイントにより形成される蒸発ターゲットの表面にあるパスの存在に基づくものである。好ましくは蒸発ターゲットの表面を越えて動きつつ電気アークによるパスである。アークを磁気的に導くためのこの技術は操作されたアーク技術である。アークが蒸発ターゲットの表面をこえて動く速さは平行磁場の強さとともに増し、したがって微小滴の放出は低減され、もっとも共通で重要な欠陥がある微小滴はカソード状のアーク蒸発によって蒸発される層にある。又、操作されたアーク技術磁気ステアリング要素を設計することができることで、アークによってパスの修正をし、蒸発するように材料の更なる開発を行うことができる。

上述したような操作されたアーク技術タイプのステアリング要素に加えて、そのようなパスを有しない磁場を使用するエバポレーターがある。垂直な磁場は蒸発ターゲットにあるパスに沿って消え、パスは好ましくはその動作内のアークによって生じる。これらエバポレーターでは、磁場は略全表面にあるターゲットに垂直である。イオン化材料(プラズマ)が磁線により定められたルートを生じる傾向がある事実により、蒸発ターゲットの表面に垂直なこの磁場は、ターゲットの表面からパーツの表面へ蒸発材料を移して被覆することを好む特異性を有する。むしろ、磁気ステアリング要素が操作されたアーク技術タイプである場合、このアークは垂直な磁場がないパスにより、被覆されるようにパーツが到達する前にイオン化材料は磁気ステアリング要素によって形成される磁束線を越えなければならなく、蒸着材料の運動エネルギーに負の効果を有し、すなわち得られるコーティングの質に負の効果を有する。

操作されたアーク技術に使用されるステアリング要素に対する“垂直な”磁気ステアリング要素の欠点は、後者があるサイズを超えると、蒸発ターゲットの均一な使用を供しないということである。したがって、“垂直な”磁気ステアリング要素はよりサイズの小さいエバポレーターにより適切であり、他方ではコーティングの質に有用な効果を有する、磁場の高い強度の使用を促す。対照的に、小さなエバポレーターは蒸発ターゲットの単位面積につきより高いエネルギーの密集状態を可能とし、コーティングに微小滴の割合を増やすことに寄与する。

ＪＰ−Ａ−２−１９４１６７号は相対的に強力な磁気ステアリング要素のタイプを有するシステムを記載し、蒸発ターゲットと基板との間にある空間プレゼントに磁場収縮があることで被覆される。記載のシステムはおそらくアーク・エバポレーターにより放出される微小滴量のかなりの低減できる。

ＪＰ−Ａ−４−２３６７７０号は蒸発ターゲットの後方部に設置される小さな移動性磁石を収縮コイルに加える様々なこのシステムを記載し、蒸発ターゲットの中央に過度な磨耗を防ぐ機能を有している。

ＥＰ−Ａ−０４９５４４７号(ＪＰ−Ａ−４−２３６７７０号に対応する)は上記に記載される１つとよく似た磁気ステアリング要素を有するシステムを記載する。その違いは、ターゲットの後方部に設置された小さな移動性磁石を加えて全表面に蒸発ターゲットの磨耗を釣り合わせることである。

ＵＳ−Ａ−６１３９９６４号はこのタイプのシステム例および必要とする便益例の詳細な記載を含み、特にチャンバーにあるイオン化するガスの観点から、より標準なアーク蒸発方法により得られるものよりもかなりイオン化に優れたものを含む。ガス種のこの増したイオン化の結果として、窒素雰囲気内でチタン蒸発の最も一般的なコーティング・プロセスの場合、チタン・ターゲットの表面に窒化チタンの層の形成を導く両方の要素間の蒸発ターゲットに反応がある。この化合物（ＴｉＮ）がもとの金属(チタン)よりもかなりの耐熱性を有すると、この表面反応の重要な事の１つは微小滴の放出にかなりの低減があるということである。

イオン化増大による別の利点はアークの安定性の拡大であり、アークがより低い電界強度値で障害なく維持され、又コーティング中の微小滴量を低減するためにより適切である。

しかし、このタイプのエバポレーターの別の利点は、アーク・エバポレーターに発生するプラズマ中の電子温度がこのタイプの磁場と共にかなり増え、一番良い質のコーティングを得ることがより容易となるということである。

ＪＰ−Ａ−１１−２６９６３４号は別の様々なこのタイプのシステムを記載し、磁場の収縮がエバポレーターと基板との間に挿入されたコイルの使用ではなく、蒸発ターゲットの周縁にある永久磁石の挿入によって行われる。ＪＰ−Ａ−２−１９４１６７号に記載されるコイルとは異なり、永久磁石はターゲットの後方部に設置される。ＪＰ−Ａ−２−１９４１６７号に記載される考え方は、エバポレーターとチャンバーとの間に位置する１０キロのコイルの使用を含んでおり、メンテナンス作業等のためエバポレーターにアクセスすることを困難とする。又、ＪＰ−Ａ−１１−２６９６３４号に記載されるシステムは、エバポレーターおよびその製造物へのアクセスを単純化することに加えて、ＪＰ−Ａ−２−１９４１６７号の場合のエバポレーターと基板との間に必然的に設置された要素(コイルを支持しているチューブ)を取り除く利点を有し、それによって蒸発材料のより集中的な分布を含むが、たいてい質のよいコーティングになる被覆基板に閉じられたエバポレーターを設置することができるという常時の関心がある。

収束磁場を有するこのタイプのエバポレーター中のターゲット中央に生じるより良い磨耗に伴う問題を低減するために、ＪＰ−Ａ−１１−２６９６３４号は蒸発ターゲットがある間、磁石リングとエバポレーターのターゲットとの間の長さを変えることができることを考慮することで、ターゲットの周縁で磁場強度および蒸発面に垂直な方向に対する傾きが修正され、すなわち中央部での放電を集めるための動きが修正される。ＪＰ−Ａ−１１−２６９６３４号にグラフで示されるコンピューター計算では、どのようにして長さが増えたことで磁場の収束性質を修正し、収束磁場を発散磁場に変換するかがわかる。アークが中央部に集められるだけではなく、縁でも集められる傾向がある。すなわち、蒸発ターゲットがある間、磁石のリングと蒸発ターゲットとの間にある異なる長さを使用することによって磨耗断面を変えることができる。いずれにしても、ターゲットの均一な磨耗を得るために、ＪＰ−Ａ−１１−２６９６３４号に記載されるシステムは、蒸発ターゲットがあるかなりの間に、非収束磁場で作用することによって被覆工程を行うことを要し、それによってこのタイプのエバポレーターを供することによる利益が失われる。

ＪＰ−Ａ−２０００−３２８２３６号は蒸発ターゲットと同一平面上に設置された小さな永久磁石により場が生じる別の解決策を記載している。それによって、蒸発ターゲットの中央部が蒸発面と一致する。すなわち、磁場は基本的に蒸発面にある蒸発ターゲットに垂直であるということである。蒸発ターゲットの周縁域へのアークのアクセスを制限するために、強磁性体材料から成る局所的にこのポイントで収縮性質を有する磁場断面を変えるパーツは、ターゲットの全周縁に近接した箇所に設置され、ターゲットの中心に対して蒸発ターゲットの端に近接するアーク放電をかわす傾向がある。同時に、ＪＰ−Ａ−２０００−３２８２３６号はターゲットの中央後方部で小さな永久磁石を含むことができることを考慮していることで、永久磁石が幾何学的中心からアークを遠ざける傾向にあり、より均一な磨耗を得る。ＪＰ−Ａ−２０００−３２８２３６号で記載されるシステムでは、磁場収束の有益な効果が大部分失われている。

ＵＳ−Ａ−６１０３０７４号は２つのコイルを使用することによって磁束の磁気収縮(収束)を形成するエバポレーターを有するシステムを記載する。２つのコイルの一方は蒸発面の前部に設置されるコイルであって、他方は蒸発面の後部に設置される。この後部にあるコイルを加える利点は磁束収束の程度および蒸発ターゲットに対する位置を変えることができることで、各コーティング工程の特定の求めに対して適応させることができる。

ＪＰ−Ａ−２０００−２０４４６６号は蒸発ターゲットに垂直な磁場が蒸発ターゲットと略同一平面状に設置された一連の磁石によって得られるシステムを示し、蒸発ターゲットに垂直な方向に磁石を少し動かして、蒸発ターゲットの表面上にあるアークのパスを変えることができることを考慮している。

ＪＰ−Ａ−２００１−０４０４６７号は電気アーク放電のアノードとして作用する構造中に周辺の磁石リングを有して成るシステムを記載する。すなわち、磁石は水により直接冷却され、チャンバーの内側がツールを切るために質の高いコーティングを得ることを目的とする高い温度(５００℃)の効果によって、磁石が磁石特性を失うリスクがない。

ＪＰ−Ａ−２００１−２９５０３０号はＵＳ−Ａ−６１０３０７４号に記載されるシステムと似たシステムを記載する。２つのコイルを使用することを基本とし、一方のコイルは蒸発面前部に設置され、他方のコイルは蒸発面の後部に設置されて、磁束の収束又は発散特性を制御する。ＵＳ−Ａ−６１３９９６４号に示されるコイルと似た、コイルの過熱を防ぐためコイルの設置にあたり水による特定の冷却を使用することを必要とする。

ＪＰ−Ａ−２００３−３４２７１７号は各エバポレーター用に３つのコイルによって形成される磁気構造を示す。蒸発ターゲットと同一平面にあるコイルはコイルに対して略垂直である磁場を形成する。別のコイルは被覆されるように蒸発ターゲットとパーツとの間に設置された磁気収縮を形成する。ターゲットの後部に設置された３つ目のコイルによってターゲットの良い磨耗を形成することができる。しかしながら、各エバポレーターのための３つのコイルの使用は費用がかかり、とても実用的であるとは言えない。

本発明の第１の形態はアーク・エバポレーターであって、
少なくとも１つのアノード、カソード、および磁場発生用システムを含んで成り、
アノードは、少なくとも１つの被覆されるべき対象物を収容するため構成された蒸発チャンバーに設置されるように構成されており、
カソードは、内面および外面を有して成り、
内面は、蒸発チャンバーの内側に設置されるように構成されることで、少なくとも１つのアノードとカソードとの間にあるアークが内面に材料の蒸発を発生させることができ、そして、
外面は、蒸発チャンバーの内側に設置されないように構成されており、並びに、
磁場発生用システムは、蒸発チャンバーに磁場を発生させるように構成されている、
アーク・エバポレーターに関する。

本発明によれば、磁場発生用システムは、第１サブ・システムおよび第２サブ・システムを有して成る。第１サブ・システムは、蒸発チャンバーの外側に設置されるように構成された一組の永久磁石(一組の永久磁石は１つの又はそれよりも多い永久磁石から成る)から成り、一組の永久磁石によってカソードの内面に対して第１磁場成分を形成し、第１磁場成分が収束磁場成分であって(カソードの端にある磁力線がカソード前部の設置点で収束する傾向がある)、第２サブ・システムは、蒸発チャンバーの外側に、そしてカソードの外面(例えば、カソードを通らず、カソードの外面からよりもカソードの内面からはなれている平面)に設置されるように構成された少なくとも１つのコイルを有して成り、第２サブ・システムを構成することで蒸発チャンバーで第２磁場成分を発生させる少なくとも第１の操作モードに作用し、第２磁場成分が発散磁場成分である。

上記記載からわかるように、第１サブ・システムは電離度およびプラズマ温度の点から作用する利益を有する、相当程度収束することができる収束磁場(又は磁場成分)を形成する。しかしながら、全磁場が第１サブ・システムにより発生するこの要素によってのみ形成されたならば、磁場の中央域に蒸発ターゲット(カソード)の特恵的磨耗の状況があるであろう。コイルに基づく第２サブ・システムの活性は、(コイルを通る電流の強さを変えるだけの)制御方法で磁場の収束度を減らし、又カソードの内面に発散磁場成分を発生させることによって、各コーティング工程段階の正確なニーズへ全磁場(例えば２つの要素の合計から生じる磁場)の“収束度”を適応させることができる。したがって、例えば、他の可能性を排除することなく、大変重要であるコーティングの初期段階で高い収束度を使用して、次いでそんなに高いプラズマの質を求めないコーティング・プロセスの段階で蒸発ターゲットが良い活用を得るようにコーティング・プロセスが進むように収束を徐々に減らすことができる。

すなわち、アーク・エバポレーターは蒸発面に略垂直な磁力線を有する磁場を生み出すが、収束していく垂直タイプの磁場を有する磁気ステアリング要素を使用するということである。コイルによって収束度を変えることで蒸発ターゲットの磨耗が適切な方法で生じているか確かめることができる。本発明の構造はより費用対効果のある解決策を見い出す要素の数を減らして蒸発ターゲットの磨耗を行うことができる。更に、要素は容量が小さく、適当な位置に設置されて保守タスク用にエバポレーターおよび蒸発ターゲットへのアクセスを妨げないようにする。更に、その設計により、記載の解決策はエバポレーターの製造を複雑にする水による冷却を要しない。その上、“垂直”(“収束している”)なモード又は操作されたアーク・モードでステアリング要素を操作することができ、１０Ｈｚの周波数で交互にこのアーク・ステアリング・モードを行うこともできる。

一組の永久磁石の各々はカソードの内面に略垂直であり、同じ方向である磁化を有する磁石であってもよい。

少なくとも一組の永久磁石の磁石のいくつかは蒸発ターゲットの径よりも大きい径を有するリングに収められてもよい。

一組の永久磁石の各々は蒸発されるように材料の内面に略垂直であり、同じ方向である磁化を有する磁石であることで、第１磁場成分の垂直な成分がカソードの全内面と同じ方向であることができる。

一組の永久磁石の各々は蒸発されるように材料の内面に略垂直な磁化を有する磁石で、又同じ方向である。第１磁場成分の垂直な成分は表面の中央部を除いてカソードの全内面と同じ方向を有する。磁場は１０ガウス(１０ガウスは例えば、全ての磁石によって発生する場の合計である全強度である)未満である強度を有する端の磁場とは逆方向にある。

コイルによって発生する磁場はコイルの全表面にカソードの表面に対して略垂直であることで、磁場がカソード表面に平行なポイントはない。

エバポレーターが構成されることで、流れる電流を変えてコイルにより発生する磁場を変えることができる。したがって、コイルと永久磁石により形成される全ての磁場は、コイルを介して流れる電流を変えるだけで、蒸発されるように収束し、分岐し又は材料の内面に垂直な磁場がないポイントのパスを形成する。

第１サブ・システムの一組の永久磁石はカソードの外面後部に設置してもよい。

第１サブ・システムの一組の永久磁石はカソードと同心円をなす少なくとも１つのリング状に設置することができる。例えば、第１サブ・システムの一組の永久磁石はカソードと同心円をなす少なくとも２つのリング状に設置してもよい。

一組の永久磁石の各々は、フェライト、ネオジム−鉄−ホウ素又はサマリウム−コバルトから製造してもよい。

カソードの対称軸に対して円筒対称に設置された帯磁方向に永久磁石を設置してもよい。

磁石は各帯磁方向と平行に、そして同じ方向に設置してもよい。

磁石はカソードの内面に対して垂直な磁化を設置してもよい。

一組の永久磁石はカソードの内面径よりも大きい径である磁石の一番外側のリングを有して成ってよい。

一組の磁石はコイルのケーシングに設置してもよい。

コイルは一組の永久磁石よりもカソードから離れた位置に設置することができることによって、カソードに垂直な軸に従って、一組の永久磁石はコイルとカソードとの間に設置される。

コイルはカソードと同心円状にあってもよい。

コイルは第１操作モードでコイルを選択的に操作するように構成された電力供給システムと関連付けられる。

コイルを介して流れる強度を修正し得る電力供給システムとコイルを関連付けることによって、コイルを流れる強度を増やして、永久磁石により発生する磁場およびコイルにより発生する磁場の合計により生じる磁場の収束特性を低減することができる。

電力供給システムを構成することで、第１操作モードでの電流方向とは反対にあるコイルを介した電流方向を有する第２操作モードでコイルを選択的に操作することができる。第２サブ・システムを構成することで、第２操作モードでカソードの内面に対応する磁場が少なくとも１つのコースに沿ってカソードの内面と平行であることができる。永久磁石と共にコイルにとって、その目的は操作されたアーク技術に使用されるこれら閉鎖磁気ループを形成することである。このタイプのステアリングは蒸発ターゲットの端に大変近接したエリアの適切な磨耗を確かめるために最も適当である。したがって、ステアリングが段階的に行われる間、ステアリングを使用して質の低い照射によって更にターゲットの開発を増やすことができる。

コイルおよび電力供給装置を構成して、１Ｈｚよりも大きな周波数でコイルを介して電流方向とは逆の方向にすることができる。エバポレーターの操作の間、コイルを介して流れる電流の方向は、例えば数十Ｈｚの周波数で逆方向にすることができる。したがって、例えば、数十Ｈｚの周波数で(異なる方向を有する、そして任意には又異なる大きさを有する)２つの異なる電流に変え、そして電流の１つを(特にカソードの内面の端にあるエリアで通常収束又は発散するが)表面に対してカソードの内面に略垂直な磁場を(永久磁石と共に)形成することができる。一方で他の電流は操作されたアーク技術タイプのステアリングを発生する。

エバポレーターは冷却流体を運搬する手段を有して成るカソードを冷却するシステムを有して成ることができることによって、カソード(３)の外面を冷却する。又、これら冷却手段により蒸発チャンバー由来の熱から、磁場を形成するサブ・システムを収容する一種のシールドをもたらす。

更にエバポレーターは蒸発チャンバーを有して成ることができ、蒸発チャンバーを構成して少なくとも１つの対象物を収容して被覆する。少なくとも１つのアノードは蒸発チャンバーに設置される。カソードは蒸発チャンバー内の内面に設置される。一組の永久磁石は蒸発チャンバーの外側に設置される。そして、少なくとも１つのコイルは蒸発チャンバーの外側に設置される。

本発明の別の側面は本発明に従ってエバポレーターを操作する方法に関するものであって、
蒸発チャンバー内に被覆される少なくとも１つの対象物を設置する工程、
少なくとも１つのアノードとカソードとの間にアークを形成し、カソードの内面に蒸発を発生させる工程、および
少なくとも１つのコイルを介して電流の強さを変えることによってカソードの内面に対応する磁場の収束度を制御する工程
を含んで成る。

例えば、電流を変えることにより、第１段階でより高い磁場の収束度を使用し、続いてコーティング工程段階でより低い磁場の収束度を使用して、蒸発ターゲットのより良い利用を得ることができる。

説明を補完するため、そして本発明の好ましい実用的な形態に従い本発明の特徴の理解をより促すために、図一式は次の具体例に示され、そして制限されない特性である必要不可欠な説明部分として加えられる。

図１は本発明の考えられる形態に従ったエバポレーターの概略断面図を示す。この場合、蒸発ターゲットの後部に位置する永久磁石によってのみ形成される収束磁場が示される。 図２は本発明の考えられる形態に従ったエバポレーターの概略断面図を示す。この場合、永久磁石が寄与することなく、蒸発ターゲットの後部に位置するコイルによってのみ形成される収束磁場が示される。 図３は発明の考えられる形態に従ったエバポレーターの概略断面図を示す。この場合、操作されたアーク・タイプ磁場が示される。コイルを介して流れる強度の適当な調節をして永久磁石により順に形成される磁場の強度を考慮する、両システムの関与により該磁場が形成される。 図４は２５００アンペア・ターンがコイルを介して流れる際、永久磁石なしにコイルにより形成される磁場のグラフィック描写である。 図５は２５００アンペア・ターンがコイルを介して循環し、永久磁石の寄与を考慮しない場合、磁場の中心を座標系システムの原点とする蒸発ターゲットの内面にある磁場の接線成分を示すグラフである。 図６は電流がコイルを介して流れることなく、一組の永久磁石により発生する磁場のグラフィック描写である。 図７は電流がコイルを介して流れることなく、一組の永久磁石により発生する磁場の中心を座標系システムの原点とする蒸発ターゲットの内面にある磁場の接線成分を示すグラフである。 図８は１２５０アンペア・ターンがコイルを介して流れる際、一組の永久磁石およびコイルにより発生される磁場のグラフィック描写である。 図９は１２５０アンペア・ターンがコイルを介して流れる際、一組の永久磁石およびコイルにより発生する磁場の中心を座標系システムの原点とする蒸発ターゲットの内面にある磁場の接線成分を示すグラフである。 図１０は２５００アンペア・ターンがコイルを介して流れる際、一組の永久磁石およびコイルにより発生する磁場のグラフィック描写である。 図１１は２５００アンペア・ターンがコイルを介して流れる際、一組の永久磁石およびコイルにより発生する磁場の中心を座標系システムの原点とする蒸発ターゲットの内面にある磁場の垂直成分を示すグラフである。 図１２は電流がコイルを介して流れることなく、一組の第２永久磁石により発生する磁場のグラフィック描写である。 図１３は電流がコイルを介して流れることなく一組の第２永久磁石により発生する磁場の中心を座標系システムの原点とする蒸発ターゲットの内面にある磁場の垂直成分を示すグラフである。 図１４は６００アンペア・ターンがコイルを介して流れる際、一組の第２永久磁石およびコイルにより発生する磁場のグラフィック描写である。 図１５は６００アンペア・ターンがコイルを介して流れる際、一組の第２永久磁石およびコイルにより発生する磁場の中心を座標系システムの原点とする蒸発ターゲットの内面にある磁場の接線成分を示すグラフである。 図１６は２５００アンペア・ターンがコイルを介して流れる際、一組の第２永久磁石およびコイルにより発生する磁場のグラフィック描写である。 図１７は２５００アンペア・ターンがコイルを介して流れる際、一組の第２永久磁石およびコイルにより発生する磁場の中心を座標系システムの原点とする蒸発ターゲットの内面にある磁場の接線成分を示すグラフである。 図１８は２５００アンペア・ターンがコイルを介して流れる際、一組の第２永久磁石およびコイルにより発生する磁場のグラフィック描写である。 図１９は２５００アンペア・ターンがコイルを介して流れる際、一組の第２永久磁石およびコイルにより発生する磁場の中心を座標系システムの原点とする蒸発ターゲットの内面にある磁場の垂直成分を示すグラフである。 図２０はＪＰ−Ａ−１１−２６９６３４号に使用されるのと類似の磁場方向に設置される一組の永久磁石により発生する磁場のグラフィック描写である。 図２１は“収束”という用語を説明するための参照用の概略図である。 図２２は“収束”という用語を説明するための参照用の概略図である。

図１〜３は蒸発チャンバー２を有して成る本発明の好ましい形態に従ったエバポレーターを模式的に示す。パーツ１はこのチャンバー２に導かれて被覆される。コーティング工程が始まる前に、適当な真空レベル(例えば、５×１０^−８バール)は真空ポンプ２０を使用することによって達成される。真空発生サイクルの間、赤外線放射を出すヒーターによりパーツ１は必要な温度へ加熱されて被覆される。工程のタイプによって、これらヒータは全コーティング工程の間に作動させることができる。

一旦要求する真空レベルに達すると、あるガス流れが対応するガスポンプ２１によりチャンバーに導入されることによって、真空ポンプ２０による吸引ガスと導入されるガスとの間の平衡圧は約１０^−５バールとなる。一旦この圧力に達すると、エバポレーター中で放電を開始することができる。該放電は蒸発により蒸発ターゲット(すなわち、カソード３)から材料の放射を生じさせる。蒸発ターゲットは部分真空を介して被覆されるようにパーツへ動く。直近の蒸着材料は順にチャンバーに存在するガスに到達することができる。概略図では、このタイプのアーク放電に火をつけるために通常使用されるモバイル要素(このタイプのモバイル要素の例が上記にて説明し、考察されているいくつかの資料に説明されている)が容易にするために除かれている。

電気アーク放電は、自然自己消炎から放電を防ぐ役割を果たすため特に設計されている電源２２の作用を受けて維持されている。放電は、蒸発ターゲット３と電気放電アノード４として作用する適当な冷却要素との間に発生する。蒸発ターゲット３又はカソードはボディ５にしっかりと固定されている。ボディ５は、従来からのこのタイプのシステムにあるように、水で蒸発ターゲットの後部を冷却し、チャンバー２のボディに対して真空シーリングする必要がある要素一式を収納している。図１〜３に示されている例では、冷却水は以下に記載され、設計される要素を生じる磁場の中央域を通過する延長軸７を介してボディ５に入り、そして出て行くことによって、磁気成分を簡単に分解することができる。

蒸発ターゲット３とチャンバー２のボディとの間に適当な電気絶縁材を形成するために、高真空および高温に対応する電気絶縁要素６の一式が設置される。この要素は蒸発ターゲットから蒸発される材料に徐々に被覆されるように該要素は電気絶縁材の劣化を防ぐために定期的なメンテナンスを行わなければならない。

エバポレーターのボディのパーツを形成する全ての要素は、例えば、相対的な透磁率は１．２未満であるような磁性度の強くない材料で製造される。

蒸発ターゲットの径を１００ｍｍにそして厚さを１５ｍｍにする必要がある磁場を発生させるための全ての要素は、蒸発ターゲットに垂直な軸に従って、そして被覆されるべき対象物１が蒸発ターゲット３の前に設置されているところに従って、図に示される要素のようにエバポレーターの後方部に例えば、蒸発ターゲット３の後部に設置される。

２５００アンペア・ターンで供給することができるコイル１０は、リール１３の形をする絶縁材料のボディに収納されている。１００ｍｍの径を有する前述の蒸発ターゲットに適当なコイルのため、電流値は特定の冷却を要しないほど十分に低い。リール１３上にはネオジム−鉄−ほう素又はコバルト−サマリウムから製造された高いエネルギー密度を有する２つの同心円状の磁石(８，９)が設置されている。例えば、２つの同心円状の磁石(８，９)は、互いに平行な磁化を有しており、蒸発ターゲットの内面に(蒸発チャンバーの内側に設置された面に)垂直な方向であって、両リング(外側のリング８および内側のリング９)は同じ極性を有している。全アッセンブリは装備品１１の手段によってエバポレーターのボディとしっかりと固定されている。

例えば、好ましい態様によれば、磁石リングは１６ｍｍの径と５ｍｍの高さを有するコバルト−サマリウム磁石を基本として製造される。外側のリング８では磁石は１０ｍｍの高さになるように並べられており、一方で内側のリング９は５ｍｍの高さである。内側のリング９の場合ではリングの平均径は８４ｍｍであり、外側のリング８の場合では１４６ｍｍである。又リングの支持盤と蒸発ターゲットの内面(チャンバー２の内側にある蒸発面)との間の長さは５２ｍｍである。

図１は磁石により形成された磁場に対応する磁力線の単純化した概略描写を含む。図１のポイントＡおよびＡ´におけるような蒸発ターゲットの端で磁力線に接する延長部分が蒸発ターゲットの前に設置されるポイントにあるように、この描写は例えば磁場のような、集密した又は収束している場であることを示す。対して、発散場はポイントＡおよびＡ´で磁力線に接する直線的延長部が蒸発ターゲットの後部に設置されるポイントであるということであろう。

これらの特徴と共に、コイル１０に電流のない状態である磁場が図６により詳細に描かれている。図７は座標系システムの原点とする蒸発ターゲット３の中心から、その中心から５０ｍｍ離れたところにある外面までの蒸発面に対応する蒸発面に平行な磁場成分(テスラ(Ｔ)で)のグラフィック図を示す。対称性により論理的であるようにその成分は中心でなくなり、次いで、図６に示すようにターゲットの全面にある収束磁場に対応するターゲットの全幅で負になる。

グラフでは、ターゲットの端で(中心から５０ｍｍで)の接線成分は−５乗のオーダーであることがわかる。したがって、この配置はコイルを介して電流がない場合わずかに収束している。

記載のとおり、収束磁場の磁力線が材料の内面前部に集中して蒸発する傾向があるということである。図２１に示される座標系の規定では、座標系はその原点を蒸発材料の内面の中心とし、図２１に描かれるようにトルｔ(接線方向)およびｎ(垂線方向)を有する。収束磁場は図２１および２２に明記される２つの可能性のうちの１つによって特徴づけられる。例えば、蒸発材料の端にある磁場が垂直成分(Ｂ^※ｎ)および負の平行成分(Ｂ^※ｔ)(図２１)を有し、又はその逆に、蒸発面の端にある磁場が負の垂直成分(Ｂ^※ｎ)および正の平行又は接線成分(Ｂ^※ｔ)(図２２)を有するならば、磁場は収束する。簡単にしたため、磁石の磁気方向およびコイル中の電流の正方向が記載した例から選択されることによって、材料の全面に正方向の垂直な場を発生させて、蒸発する。したがって、これら表示された方法では、蒸発させるように材料の端にある負の接線成分は収束場に生じ、一方で負の接線成分は発散磁場に生じる。

対して、永久磁石が存在しない状態で２５００アンペア−ターンがコイルを介して流れる際のコイル１０によってのみ発生する磁場は、図２でわかりやすく、そして図４によりわかりやすく示されている磁場である。見てわかるように、この磁場は発散している。図５はターゲットの中心からその周辺５０ｍｍの長さまでの蒸発面での磁場(テスラ(Ｔ))の平行成分のグラフィック描写を示す。再度、その成分が対称性により中心で消え、次いで、図２に示すように、ますます正に、すなわちますます発散する。本明細書に描かれる場は決して実用的には利用されない。何故なら永久磁石は常時あるが、コイルを動かす際、これら図は磁場の発散特性の増加を示すためにあるからである。

図８は１２５０アンペア−ターンの電流がコイルを介して流れる際、磁石(８，９)によって発生した磁場にコイル１０によって発生した磁場を加えた結果を示す。図９を見ればわかるように永久磁石があることで、磁場の接線成分が蒸発ターゲットの端でわずかに正になるにはこの強度で十分である。したがって、磁場はわずかに発散している。

その結果、０アンペア−ターンと１２５０アンペア−ターンとの間のコイルを介して流れる電流を変えることによって、０アンペア−ターンのわずかな収束から１２５０アンペア−ターンのわずかな発散までの間の蒸発ターゲットの磨耗外形と蒸発された材料のイオン化度を調節可能な発散又は収束の所望の程度へ達することができる。

２５００アンペア−ターンがコイルを介して流れる場合、図３にて分かりやすく示され、図１０でより詳細に示されている磁場が得られる。磁場は見てわかるように操作されたアーク技術ステアリング要素に使用されるタイプの磁場である。図１１は、磁場が常に正であるので接線成分を示しておらず、むしろ垂直成分(テスラで)を示している。考察するに、垂直成分は中心から３０ｍｍ近いところまでの動作のため消される。その結果、この場合、アークは３０ｍｍの範囲で円軌道になる傾向があるだろう。

補足として、前述の形態の磁石９の内側のリングが省かれている形態の磁場が次の図で解析される。

この場合、図１２はコイルに電流がない磁場を描く。この場合、発生する磁場はすでに操作されたアーク・タイプである。けれども、大変弱いステアリングでは、垂直成分(図１３)のグラフでわかるように、この成分は約２３ｍｍの範囲で消え、そしてターゲットの中心にある垂直成分が約６ガウスまで弱くなるということが観察される。

図１４は約６００アンペア−ターンのコイルを介した電流による磁場を示す。この場合では、接線成分のグラフ(図１５)に見られるように磁場はかなり収束している。そして、蒸発ターゲットの端にある磁場の接線成分は約１５ガウスであるということがわかる。

２５００アンペア−ターンの電流では、発生する磁場は図１６に示されるものである。そして、磁場は図１７に見られるように−４ガウスのターゲットの端で磁場の接線値に達する。したがって、わずかではあるが収束する。

最後に、−２５００アンペア−ターンの電流値では、発生する磁場は操作されたアーク・タイプであり、そして、図１９に示される磁場の垂直成分のグラフによれば、蒸発ターゲットの端に大変近いアークの回転半径は約４７ｍｍであることが図１８にてわかる。

これら２つのわずかに異なる形態の解析から分かるように、設計の基本原理の説明に続き、使用される永久磁石の大きさを調整することで、コイルを介して流れる強度を変えるだけで、中央域から蒸発ターゲットの周囲まで制御可能な強く収束する磁場、垂直にわずかに発散する磁場、又は特定の径でアークが円形に回り続ける操作されたアーク技術タイプの磁場を得ることができる。

対して、磁石およびコイルの最後に調査された形態で、永久磁石の方向を修正してＪＰ−Ａ−１１−２６９６３４号で提案されているように磁石を並べることで得られた磁場を図２０に示す。この特定のケースでは、蒸発ターゲットの表面にある収束している磁場はもはや得られないことがわかる。これを達成するために、公報で説明されているように更に互いに磁石を分離し、すなわち、磁石のリングの大きくし、そして、磁石を蒸発面の平面へ近づけて動かす必要があるであろう。これら全ての欠点は、磁石が蒸発チャンバーに大変近い又は蒸発チャンバーの内側にあるということである。そして、温度にかなり大変敏感である磁石の過熱によりコーティング工程にもたらされる熱を防ぐため特定の測定を行う必要がある。例えば、ＪＰ−Ａ−２００１−０４０４６７号では、磁石はＪＰ−Ａ−１１−２６９６３４号で説明されている磁石と同様の位置にあるが、水浴に浸されている。本発明の磁石の配置の利点の一つは、磁石がエバポレーターのボディの後部に正確にあるので、又該蒸発ターゲット自身の冷却は、装置の内側にあるヒーターから赤外線放射により熱の到達を抑えるので、冷却のための特別のシステムを要しないということである。

必然的に、性能の質を高めるため記載のエバポレーターと他の既知の技術と組み合わせることは可能である。本明細書に記載のエバポレーターの構造の変更を行うことを考慮することなく、そのような変更は当業者には理解できる範囲である。

本明細書では、“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ”という語およびその変形した(“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”など)語は、排他的な形式で解釈されてはいけない。すなわち、説明されるものが他の要素、段階等を含んで成る可能性を排除しないということである。

他方では、本発明は説明されている特定の態様に限定されず、むしろ、又クレームから推論されるもの、例えば当業者(例えば、材料、寸法、構成要素、配置など)により作成される改良物まで及ぶ。

Claims (20)

1. アーク・エバポレーターであって、
   ａ）エバポレーション・チャンバー内に設置されるように構成された少なくとも１つのアノード(４)；
   ｂ）カソード(３)、および
   ｃ）エバポレーション・チャンバーに磁場を発生させるように構成された磁場発生用システムを含んで成り、
   前記エバポレーション・チャンバーが、被覆される少なくとも１つの対象物を収容するために構成されており、
   前記カソード(３)が、内面および外面を有して成り、
   前記内面が、エバポレーション・チャンバーの内側に設置され、それによって、前記少なくとも１つのアノード(４)とカソード(３)との間のアークが前記内面にて材料のエバポレーションを発生させることができ、および
   前記外面が、エバポレーション・チャンバーの内側に設置されないように構成されており、又、
   前記磁場発生用システムが、
   ｃ１）第１サブ・システムおよび
   ｃ２）第２サブ・システムを含んで成り、
   前記第１サブ・システムが、エバポレーション・チャンバーの外側に設置されるように構成された一組の永久磁石(８,９）から成り、
   前記一組の永久磁石(８,９）がカソード(３)の内面に対応する第１磁場成分を生成し、そして前記第１磁場成分が収束磁場成分であることでカソード（３）の端にある磁場線がカソード（３）に対して垂直な中心軸の周りに位置するポイントで収束する傾向があって、
   前記第１磁場成分が略カソード(３)の内面に垂直であって、および
   前記第２サブ・システムが、エバポレーション・チャンバーの外側に、そしてカソード(３)の外面後方に設置されるように構成された少なくとも１つのコイル(１０)を有して成り、
   前記コイル(１０)は、前記第２サブ・システムが少なくとも前記エバポレーション・チャンバー内で第２磁場成分を発生させる第１操作モードで操作されるように構成されており、
   前記第２磁場成分が発散磁場成分であり、
   前記コイル(１０)が、前記一組の永久磁石(８,９)よりもカソード(３)から離れたところに設置され、それによって、前記一組の永久磁石(８,９)がカソード（３）に垂直な軸に従ってコイル（１０）とカソード（３）との間に設置され、
   前記一組の永久磁石(８,９)の各々は、カソード（３）の内面に略垂直な磁化を有する磁石であり、それぞれが同じ方向を有することで、前記第１磁場成分の垂直成分がカソード（３）の全内面にて同じ方向を有し、
   前記コイル（１０）により発生した磁場が、カソード（３）の全表面のうちカソード（３）の内面に略垂直であり、該磁場がカソード（３）の表面に平行となるポイントがなく、および
   前記コイル（１０）が、前記第１操作モードで選択的にコイル（１０）を操作するように構成され、又、コイル（１０）を介して流れる強度を変えることができる電力供給システムと関連しており、それによって、コイル（１０）を介して流れる強度が増して一組の永久磁石(８,９)により発生する磁場とコイル（１０）により発生する磁場との合計に起因する磁場の収束特性を低減することができることを特徴とする、
   アーク・エバポレーター。
2. 一組の永久磁石の各々は、カソードの内面に略垂直な磁化を有する磁石であり、それぞれ同じ方向を有する、請求項１に記載のアーク・エバポレーター。
3. 一組の永久磁石の少なくともいくつかの磁石は、エバポレーション・ターゲットの径よりも大きな径を有するリングに収容されている、請求項１又は２に記載のアーク・エバポレーター。
4. 流す電流を変えることにより、コイルにより発生した磁場を変えることができ、それによって、コイルおよび永久磁石により形成される全ての磁場を収束又は発散させることができ、あるいはコイルを介して流す電流を変えるだけで、エバポレーションされる材料の内面上にて垂直な磁場がないポイントのパスを形成することができる、請求項１〜３のいずれかに記載のエバポレーター。
5. 第１サブ・システムの一組の永久磁石が、カソード(３)の外面後部に設置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のエバポレーター。
6. 第１サブ・システムの一組の永久磁石が、カソードと同心円状にある少なくとも１つのリング(８,９)の形態で配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のエバポレーター。
7. 前記第１サブ・システムの一組の永久磁石が、カソードと同心円状にある少なくとも２つのリング(８,９)の形態で配置されていることを特徴とする、請求項６に記載のエバポレーター。
8. 前記一組の永久磁石の永久磁石が、フェライト、ネオジム−鉄−ホウ素又はコバルト−サマリウムから製造されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のエバポレーター。
9. 前記永久磁石が、カソードの対称軸に関して円筒対称に配置された各帯磁方向に配置されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のエバポレーター。
10. 前記永久磁石が各帯磁方向に平行に配置され、それぞれ同じ方向にあることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載のエバポレーター。
11. 前記永久磁石がカソード(３)の内面に対して垂直な磁化を有するように配置されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載のエバポレーター。
12. 前記一組の永久磁石が、カソードの内面の径よりも大きい径となっている磁石の最外部のリングを有して成ることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載のエバポレーター。
13. 前記磁石一式が、コイル(１０)のケーシング(１３)に設置されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載のエバポレーター。
14. 前記コイル(１０)が、カソード(３)と同心円状にあることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれかに記載のエバポレーター。
15. 前記第１操作モードにおける電流方向とは反対にあるコイルを介した電流方向を有する第２操作モードでの前記電力供給システムが、コイル(１０)を選択的に操作するように構成され、前記第２操作モードでカソードの内面に対応する磁場が少なくとも１つのコースに沿って前記内面と平行となるように第２サブ・システムが構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のエバポレーター。
16. コイルおよびその電力供給が、１Ｈｚよりも多い周波数でコイルを介して電流方向とは逆にするように構成されていることを特徴とする、請求項１５に記載のエバポレーター。
17. カソード(３)の外面が冷却されるように、エバポレーターが冷却流体を運ぶ手段(７)を有して成ることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれかに記載のエバポレーター。
18. エバポレーターが、更にエバポレーション・チャンバーを有して成り、該エバポレーション・チャンバーが被覆される少なくとも１つの対象物(１)を収容するように構成されており、
    前記少なくとも１つのアノードが前記エバポレーション・チャンバー内に設置されており、
    前記一組の永久磁石が前記エバポレーション・チャンバーの外側に設置されており、および
    前記少なくとも１つのコイルが前記エバポレーション・チャンバーの外側に設置されていることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれかに記載のエバポレーター。
19. 請求項１８に記載のエバポレーターの操作方法であって、
    エバポレーション・チャンバーの内側に被覆される少なくとも１つの対象物(１)を設置する工程、
    前記少なくとも１つのアノードとカソードとの間にアークを形成することで、カソードの内面にエバポレーションを発生させる工程、および
    前記少なくとも１つのコイルを介して電流強度を変えることで、カソードの内面に対応する磁場の収束度を制御する工程を含んで成る、エバポレーターの操作方法。
20. 前記電流を変えることで、前記磁場の高い収束度を第１の段階で使用し、そしてより低い収束度を、対象物を被覆するようにコーティング工程の段階で使用することを特徴とする、請求項１９に記載の操作方法。

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