JP6374948B2 - 永久磁石を有するアーク蒸着源 - Google Patents

Description

本発明は、蒸発させる蒸着材料からなるターゲットと、当該蒸発させる蒸着材料の蒸発に影響を与えるフェロ磁性体と、前記蒸発させる蒸着材料の蒸発に影響を与える少なくとも１つの永久磁石、とを有するアーク蒸着源に関する。

非常に広範な工業分野において様々な被膜の製造のために物理的気相技術が用いられている。この利用分野は色々な基板材の耐摩耗性及び耐腐食性コーティングから多層材の製造、特に半導体と電子工業分野にまで及んでいる。これらの広範な利用分野の拡大に対応するために様々な種類の蒸着材料を遊離させなければならない。

この場合、物理的気相法には、例えば、蒸発、カソードスパッタリング（スパッタ堆積）又はアーク蒸発法（カソードアーク方式やアーク蒸着源技術）などの様々な技術が用いられている。

カソードスパッタリング法においては、アルゴンのような作動ガスを使ってプラズマを炉の中に発生させる。作動ガスのイオンは蒸着材料からなるターゲット材の上で活性化されてそこでターゲット材料の粒子をたたき出し、これが気相になりここからコーティングすべき基板上に遊離される。カソードスパッタリング法では、このプロセスを確実にするためターゲット材の活性面上に磁場を形成することが行われる。ここで磁場は、ターゲットの活性面近傍のプラズマ密度を高めて、これにより蒸着材料の昇華を促進するように作用する。このような方法は、マグネトロン・カソードスパッタリング（マグネトロンスパッタリング法）といわれる。

アーク蒸発法は上述のカソードスパッタリング法とは根本的に異なっている。カソードスパッタリングは、とりわけ工具のハードコーティングや装飾的な利用分野に用いられる。アーク蒸発法においては、ターゲット材として提供された蒸着材料をカソードとしてアノードとの間で放電するアーク放電が用いられる。その結果としての低圧大電流アーク（以下、アークという。）がカソードの自由電荷担体と高い分圧を超えて発生するので高真空下においてもアーク放電を維持できる。使用する方法の実施対応の如何により、アーク発生位置がカソード全表面にわたって、程度の問題ではあるが、偶然性的に周回運動したり（いわゆるランダム・アーク法）、逆に、制御されて周回運動したり（いわゆる操作アーク法）し、この場合、ターゲット表面の中の小さな面積（いわゆるスポット）上に非常に高いエネルギ損失が発生する。この高いエネルギ損失がターゲット表面の蒸着材料の局所的な蒸発を導く。ここで、当該スポットの範囲は蒸着材料の溶融粒子、蒸着材料の蒸気及び生成した蒸着材料イオンからなる。ターゲットはその非常に僅かの面積のみが溶融状態に変化し、そのためいずれの場所も比較的高い蒸着速度を有する蒸発源として稼働する。蒸着材料の蒸気のイオン化は、蒸着されるべき基板上の蒸着材料からなる遊離層の結果として生じる特性にとっては非常に重要である。高い蒸気圧下の蒸着材料においては一般に気相の約２０％がイオン状態にあり、低い蒸気圧下の蒸着材料においては、これが、通常、気相の５０％〜１００％となる。このためイオン交換膜メッキにおいてはイオン化装置を設備に追加する必要はない。アーク蒸発技術における基礎的なパラメータはアーク電圧とアーク電流であるが、これらはターゲット材、取扱う活性ガス及び与えられた作動圧力による影響を受ける。アーク蒸発法における通常の運転条件は、例えば、アーク電圧が１５Ｖから３０Ｖの間でアーク電流は５０Ａから１５０Ａの間である。

アーク蒸発法においてはターゲット表面のアークの周回速度が対応するスポットに融合する材料の量を決定する。この速度が小さければ小さいほど、蒸着すべき基板に向かって遊離するスポットからの蒸着材料の量が大きくなる。したがって、低い速度は基板上の堆積層内に好ましくないスパッタやマクロ粒子を発生させる。この場合、アークの周回運動の到達速度はターゲットの蒸着材料に依存する。蒸着材料の導電性の減少はアーク速度の減少につながる。ターゲット表面上のアークの速度が低いと、すなわち、１つのスポット上にあまりにも長い滞留があると、その結果は、ターゲットの局所的な熱的過剰負荷と基板上の堆積層の好ましくないスパッタやマクロ粒子による強い汚染である。この場合、それは表面のマクロ的溶融を基礎としていた初期のターゲットの非実用性についてもまた当てはまる。このような訳で、従来から特に熱衝撃耐性の悪い材料はアーク蒸発には一切使用されない。

アーク位置の移動速度とこれによるアークの大きさは磁場の影響を受ける可能性がある。磁場の強度が強ければ強い程アークの周回運動は速くなる。アーク蒸発用の装置においては、アーク速度に影響を与えるため、ターゲット用の冷却支持部の後ろに電磁石又は永久磁石を設置することが行われている。

特許文献１には、物理的気相用の蒸着源であって、蒸発させられるべき蒸着材料で粉末冶金工程により製造されたターゲットを有し、当該粉末冶金工程で前記ターゲットに導入されて当該ターゲットと固く結合している少なくとも１つのフェロ磁性領域を有する蒸着源が記載されている。

国際公開第２０１１／１２７５０４号

本発明の課題は、比較的耐火性の蒸着材料、耐熱衝撃性の低いセラミック材、及び、磁性蒸着材料の場合であっても、非常に安定性のある蒸着工程が可能なアーク蒸着源の提供にある。

上記課題は請求項１に記載のアーク蒸着源によって解決される。好ましい応用については従属項に記載されている。当該アーク蒸着源は、蒸発させられるべき蒸着材料であるターゲットと、当該蒸発させられるべき蒸着材料の蒸発に影響を与えるフェロ磁性ヨーク（継鉄）と、前記蒸発させられるべき蒸着材料の蒸発に影響を与える少なくとも１つの永久磁石を有する。前記ヨークはターゲットと接触するよう配置される。永久磁石はヨークを介してターゲットに固定される。

ターゲットとは、上に述べた範囲から、蒸発させられるべき蒸着材料で形成される蒸着源と理解すべきである。フェロ磁性ヨークを介して永久磁石をターゲットに固定することは、当該フェロ磁性ヨークを前記ターゲットと接触させる配置によって、蒸着材料として耐火性材料であっても、耐熱衝撃性の低いセラミック材であっても、又、磁性蒸着材料であっても非常に安定した蒸着の提供を可能にする。永久磁石を直接ターゲットに接触させることもまた好ましい。特に、蒸着材料は永久磁石の材料のキューリー温度より高い溶解温度を有することも可能であり、ターゲットは永久磁石の永久磁性を破壊することなしに比較的高い温度で粉末冶金法により製造することが可能である。その理由は、永久磁石は後からフェロ磁性ヨークを介してターゲットに固定することができるからであって、この場合は、永久磁石をターゲット材の中に直接、粉末冶金製法で作りこむことはできない。さらに、フェロ磁性ヨークと少なくとも１つの永久磁石を簡単にかつ低コストのやり方でターゲットの活性面に非常に接近させて配置することができることから、特にコンパクトなアーク蒸着源が提供される。さらにフェロ磁性ヨークを少なくとも１つの永久磁石と組み合わせることで磁界をターゲットの活性面に確実に構築することができる。それは例えばただ１つの永久磁石を設置することもできるし、アーク蒸着源が例えば複数の永久磁石を有していてもよい。フェロ磁性ヨークの近くに更に２つ以上のフェロ磁性部品や複数の磁界を設けることもできる。フェロ磁性ヨークは一体で形成されることが好ましいが、複数の分離したエレメントで形成されていてもよい。本発明の一態様では、セラミック又はメタルセラミック製のターゲットを有するアーク蒸着源を、例えば、永久磁石が製造工程の高い温度が原因で磁性を喪失する高温プレスやいわゆる放電プラズマ焼結法（SPS）で製造することも可能である。本発明のアーク蒸着源を用いることにより、磁性材料もアーク蒸着装置の稼働中に好ましくないひび割れを発生させることなくアークによって蒸発させることが可能である。

他の態様によるとフェロ磁性ヨークとターゲットとが機械結合で互いに連結している。この場合に特に有利なのは、ターゲットを全て蒸発させた後でフェロ磁性ヨークと永久磁石を再利用へ向けることができることである。この場合、機械結合とは分解可能な強制結合又は嵌め合い的連結と理解すべきである。この場合、機械結合とは特にねじ結合、ソケット結合又は類似の結合である。好ましくは、フェロ磁性ヨークとターゲットとはねじ結合によって互いに連結される。この場合に、特にもっとも簡単かつ低コストのアーク蒸着源の組立が可能であるからである。

別の態様では、ターゲットにはヨークに形成された雌ねじに対応する雄ねじが形成されている。この場合、ターゲットはフェロ磁性ヨークの雌ねじによって、ヨーク及び永久磁石と簡単にかつ低コストで結合することができる。

好ましくは、フェロ磁性ヨークをターゲットの背面に配置することである。他の態様によるとフェロ磁性ヨークがターゲットの背面を椀状に取り囲んでいる。この場合には、ターゲットの活性面上の磁場を確実に励起させることができる。特にこの場合にはターゲット活性面上の残留磁場をヨークの形状のみならず、永久磁石の形状や磁場強度の僅かな変化によって任意の方法で修正若しくは変化させることができる。

他の態様によると永久磁石はフェロ磁性ヨークのターゲットに対面する側のヨークに収納される。この場合には永久磁石をターゲット上で特に確実に固定することができ、この場合、ヨークによって永久磁石の磁場を任意の方法で修正することができる。

他の態様では永久磁石はリング状に形成される。この場合にはターゲット活性面上では特に一様な磁場の形成が可能である。ターゲットの形状に対応させて永久磁石はこの場合は例えば基本的に円形リング形状とすることや、基本的に楕円形リング形状または矩形リング形状とすることができる。

他の態様によれば、ヨークはアーク蒸着源の冷却支持部に機械結合するための連結部を有することができる。この場合にはアーク蒸着源を他の部品を用いることなく、蒸着装置内に非常にコンパクトに固定することができる。別の態様によれば、この連結部はねじである。蒸着装置の実施態様に応じてこのねじを例えば、蒸着装置の雄ねじと結合する雌ねじとすることも、又は例えば蒸着装置の雌ねじと結合する雄ねじとして形成することもできる。

本発明の他の利点及び効用については添付図を参照した実施形態の説明による。

以下、図面の説明をする。
一実施形態によるアーク蒸着源の模式的外観図を示す。 図１のアーク蒸着源の模式的断面図を示す。 アーク蒸着源の個々の部品を説明するための分解断面図を示す。 第１の変形によるアーク蒸着源の模式的分解断面図を示す。 第２の変形によるアーク蒸着源の模式的分解断面図を示す。 第３の変形によるアーク蒸着源の模式的分解断面図を示す。

以下に、実施形態を図１及び図２に関連させて示す。更に、図３から図６に関しても可能な変形態様を述べ、これらの図に対応する部品も表示している。

図１に示すように、アーク蒸着源１は平面図では基本的に円形形状である。実施形態及びその変形態様においてアーク蒸着源１は基本的に円形形状に描かれているが、他の形状、特に、楕円や長方形なども可能である。

アーク蒸着源１は蒸発されるべき蒸着材料のターゲット２を有する。表示した実施形態ではターゲット２は、基本的には、正面２０及び背面２１を有する円筒形状である。正面２０は活性表面として形成され、アーク蒸着装置の中のアーク蒸着源の運転中には、その上をアークが周回運動して、これにより蒸着材料が蒸発する。正面２０は、正面２０の平面２３から隆起した縁２２によって周り取り囲まれている。縁２２の外側は、基本的に円筒面で区切られる。縁２２は、平面２３を基準として平面２３からの距離が増えるにしたがって僅かに拡大する内径を有している。

実施形態においてはターゲット２が上に述べたような縁２２を有するが、例えば、ターゲット２２がそのような縁を有さず全面が平らな正面２０を有することもできる。さらに変形した正面２０の実施形態も可能である。

ターゲット２は、基本的には円筒形状の外径を有する縁２２の後ろ側に背面２１へとつながる領域２４を有し、その外径は、ターゲット２２の外側に１つの全周にわたる段差が形成されるように、縁２２の領域の外径よりもやや小さい。

本実施形態では、ターゲット２は背面２１につながる領域２４に同じように、基本的には円筒の外径を有している。ターゲット２はこの領域２４に１つの雄ねじを有するが、この雄ねじの機能について以下に詳説する。

背面２１にはその中央領域に凹部２６が形成されており、当該凹部は表示された実施形態ではより大きな断面積を有する第１の断面２６ａとこれにつながるより小さな断面積を有する第２の断面２６ｂを有する２段形状を呈している。本実施形態では、このような２段形状を示しているが、他の形状、例えば、凹部２６を第１の断面のみを単純に深くする形で構成することもできる。

ターゲット２は、粉末冶金法において１つまたは複数の粉末原料をプレスによるコンパクト化とその後の焼結によって製造することができ、この場合、あるいは粉末原料は特に１つ又は複数の非常に高融点の成分を有することも可能である。この場合、ターゲット２は蒸着材料としてメタルセラミック材又はセラミック材製とすることもできる。

図示した実施形態において、雄ねじ２５は例えば、対応する形状のプレスによって又は焼結前の中間製品の機械加工によって、粉末冶金製造工程の中で直接蒸着材料に形成するか、又、若しくは、雄ねじ２５を焼結後の機械加工によって形成することもできる。

特に図２及び図３に示すように、アーク蒸着源１は、実施形態では、更に例えば、鋼で形成することができるフェロ磁性ヨーク３を有することができる。もっとも、例えばそれ以外のフェロ磁性材料も可能である。フェロ磁性ヨーク３は、底部領域３０と底部領域３０から全周にわたって上方、すなわちターゲット２の活性表面の方向に向かって広がる側壁３１からなる椀型形状である。底部領域３０の中央部において、底部領域を基礎としてターゲット２の方向に延びている１つの凸部３２がある。底部３０は、ターゲット２０に対面する側では基本的に凸部３２を取り囲んだ環状の面を呈している。

フェロ磁性ヨーク３は、アーク蒸着装置の冷却支持部に機械的に固定するための１つの連結部を備えている。本実施形態においては、フェロ磁性ヨーク３の背面を基礎とした凸部３２の中に雌ねじ３３が形成され、そこがアーク蒸着装置の冷却支持部上のこれに対応する雄ねじとが共働するように施される。この実施形態では、ヨークに１つのこのような雌ねじ３３を設けているが、例えば、背面から隆起する雄ねじを切った凸部など、フェロ磁性ヨーク３に上記実施例以外の連結部を設けることもできる。実施形態は上に述べたように、アーク蒸着源１は１つのねじ結合によってアーク蒸着装置の中に固定されるように形成されるが、例えば、アーク蒸着源１をフランジ接合、又は、ソケット接合、又は、類似の接合を介してアーク蒸着装置と連結する等これ以外の連結法も可能である。

フェロ磁性ヨーク３はターゲット２の雄ねじとねじ結合の形成で共働するように形成された雌ねじを有する。特に図２に示すように、フェロ磁性ヨーク３とターゲット２とは機械的な結合によって互いに連結しており、これは表示した実施形態ではねじ結合で形成される。図２に示すようにフェロ磁性ヨーク３の側壁３１の外径は、フェロ磁性ヨーク３が組立状態においてターゲット２と面一でつながるよう、活性面の領域にあるターゲット２の外径に一致する寸法にする。

アーク蒸着源１は、更に少なくとも１つの永久磁石４を有することができる。実施形態では永久磁石４はリングで形成されており、これはフェロ磁性ヨーク３とターゲット２との機械結合前に、フェロ磁性ヨーク３に設置される。実施形態において永久磁石４はフェロ磁性ヨーク３の底面領域で凸部３２を基本的にはリンク状で取り囲み、かつ、凸部３２によってセンター支持がなされるように設計することができる。

永久磁石４の外周とターゲット２の凹部２６とは、永久磁石４が凹部２６に収納されるように互いに調整される。図示した実施形態では永久磁石４は凹部２６の第１の断面２６ａに収納されており、凸部３２は凹部２６の第２の断面２６ｂまで延びている。実施形態ではただ１つの永久磁石４が表示されているが、複数の永久磁石を設置することもできる。さらに永久磁石をこれ以外の形状とすることもできる。

特に図２に見られるようにターゲット２、フェロ磁性ヨーク３及び永久磁石４は、アーク蒸着源１の組立状態ではターゲット２、フェロ磁性ヨーク３及び永久磁石４が互いに強固に接して配置されるような形状に互いに調整される。これによりアーク蒸着源１は非常にコンパクトな構造となる。

ターゲット２の背面２１とフェロ磁性ヨーク３の底部領域３０との電気的及び熱的な接触を可能な限り改善するために、ターゲット２とフェロ磁性ヨーク３の底部領域３０の間に、例えば薄い黒鉛フォイルのような高導電性かつ高熱伝導性材料製のフォイルを配置することができる。このフォイルはターゲット２とフェロ磁性ヨーク３の機械結合を行う際にこれらの間に挟み込まれる。この場合、当該フォイルは特にリング状の底部領域３０に凸部３２をぐるりと囲んでぴったりはめ込まれるように基本的にリング形状である。

すでに述べたアーク蒸着源１では、図４ないし図６に模式的に示すように、ターゲット２の活性面上の残留磁界をターゲット２、フェロ磁性ヨーク３若しくは永久磁石４の形状の微調整によって簡単な方法で変更若しくは調整することができる。

図４に模式的に示すように、残留磁界を変化させるために、フェロ磁性ヨーク３の側壁３１の高さを変えることができる。さらに上記残留磁界を変化させるためには、フェロ磁性ヨーク３の側壁の壁厚を変化させることができる。

さらに、図４に示すように側壁３１の内側の雌ねじ３４の下の部分には逃し溝３５が設けられている。

図４に示すように、フェロ磁性ヨークの側壁３１の自由端面はその内側で、特定の円弧半径３６で丸く面取りされている。当該円弧半径を拡大するか縮小するかによって、残留磁界は非常に大きな影響を受ける。

図５及び図６に模式的に示すように、更に、永久磁石４の形状は残留磁界を変化させるために変えることができる。図５及び図６ではフェロ磁性体４は同様に基本的にリング形状であるが、いずれにしろフェロ磁性体４外周のターゲット２に対向する側では、ある程度面取り若しくは丸みを施されている。特に、必要な残留磁界を作るために、上述したフェロ磁性ヨーク３の側壁３１及び永久磁石４の形状の変更はそれぞれ組み合わせることができる。

本発明の１つの応用としては、上述のアーク蒸着源１を、例えば、銅又は銅合金のようなより熱伝導性の高い材料を冷却支持部に溶入することにより、熱的に更に好ましくアーク蒸着装置に連結することもできる。そうすることによって、耐熱衝撃性の非常に低い蒸着材料もアーク蒸着装置の中で蒸発させることができる。

以下に、アーク蒸着源のターゲット表面に非常に高い磁場誘導をつくることができる実施形態について述べる。アーク蒸発においてはこのようにして蒸着工程におけるアークの放電特性と安定性が著しく改善される。メタルを含んだターゲットにおいてはこのようにしてスパッタとドロップレットの放出の減少をすることができる。メタルセラミックスやセラミック製のターゲットにおいてはアークの周回運動の到達速度が高いことと、周回運動及びこれにより昇華した蒸着材料を所望の軌道に向けさせる可能性があることから、スポットにおける局所的なエネルギ損失が減少し蒸着材料の導電性の低さと耐熱衝撃性の低さの欠点は目立たなくなる。この場合、フェロ磁性ヨーク３及び少なくとも１つの永久磁石４は、昇華過程並びに蒸着材料の昇華プロファイルをコントロールできるように配置される。アーク蒸発法によるフェロ磁性蒸着材料の直接分散も可能である。

フェロ磁性ヨーク３と少なくとも１つの永久磁性領域４は、ターゲットの表面領域中の全隙間に、蒸着装置内に存在する外部磁界と共に、高い精度で、所望の磁界を保持しておくよう、最適化させることができる。この場合、局所的な分解によって装置側の磁界を弱めたり、又は、強めたりすることができる。この場合、磁性範囲を例えば特定の場所で計画していない昇華が行われないよう、蒸着工程で特定の範囲を遮蔽するように構築することもできる。さらに、上述の実施形態によって、例えば残留磁場の計画的形成によって、例えば、窒化セラミック又は酸化物セラミックスの層による好ましくないターゲットへの成膜を回避することによって、ターゲットの特定の領域を汚染から保護することができる。アーク周回運動の軌道をターゲットの活性面に置くことができる。このことは例えば、分割ターゲット、すなわち製造技術の制限によって小さな形状寸法しか製造できない場合や、所望の化学合成物を含む層を分離するよう様々な領域に異なった材料成分を有するような分割ターゲットの利用も可能とする。

Claims (5)

1. 蒸着材料で形成された雄ねじ（２５）を備え、蒸発させる蒸着材料からなるターゲット（２）と、
   蒸発させる蒸着材料の蒸発に影響を与えるフェロ磁性ヨーク（３）であって、前記ターゲット（２）の背面（２１）を椀状に取り囲んでおり、前記ターゲット（２）の雄ねじ（２５）と組み合わされる雌ねじ（３４）を有するフェロ磁性ヨーク（３）と、
   蒸発させる蒸着材料の蒸発に影響を与える少なくとも１つの永久磁石（４）であって、前記フェロ磁性ヨーク（３）の前記ターゲット（２）に対向する側で前記ヨーク（３）内に収納されている少なくとも１つの永久磁石（４）とを有し、
   前記フェロ磁性ヨーク（３）が前記ターゲット（２）に接触して配置されるとともに、前記フェロ磁性ヨーク（３）の雌ねじ（３４）と前記ターゲット（２）の雄ねじ（２５）とにより形成されたねじ結合によってターゲット（２）に連結されているアーク蒸着源（１）であって、
   前記永久磁石（４）が前記ターゲット（２）と前記フェロ磁性ヨーク（３）の間に配置されることによって前記ターゲット（２）に固定されることを特徴とするアーク蒸着源（１）。
2. 前記フェロ磁性ヨーク（３）を前記ターゲット（２）の背面（２１）に配置したことを特徴とする請求項１記載のアーク蒸着源。
3. 前記永久磁石（４）がリング状に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のアーク蒸着源。
4. 前記ヨーク（３）がアーク蒸着装置の冷却支持部と機械結合するための１つの固定部分（３３）を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のアーク蒸着源。
5. 前記固定部分（３３）がねじであることを特徴とする請求項４記載のアーク蒸着源。
   

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