JPH02232364A - 真空アーク蒸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、切削工具、ベアリング、ギヤ等の耐摩耗性コ
ーティング、電子部品、プリント回路、光学、磁気装置
等の分野での被膜形成に使用される真空アーク蒸着装置
の改良に関する．（従来の技術） 真空アーク蒸着法は、基本的には、真空室内で蒸発源（
陰極）からアーク放電により被膜材料粒子を発生させ、
これをマイナスのバイアス電圧を印加した基板上に堆積
させる方法であり、蒸発源である陰極からは高アーク電
流により高エネルギーの陰極材料粒子がプラズマビーム
となって放出され、陰極と基板との間にかけられた電圧
により加速され、基板上に被膜が形成されるようにする
ものである．この真空アーク蒸着法の特長の一つは入射
粒子のエネルギーが高いため、被膜の密度が高く、付着
強度および耐久性に優れた膜が得られる点であり、それ
にもまして工業的に注目されるのは、成膜速度が速く生
産性が高い点である． しかし、真空アーク蒸着方法では陰極蒸発源から発生す
るイオンや電子からなるプラズマ粒子の他に陰極材料の
溶融粒子、すなわちマクロパーティクル、マクロドロッ
プレフト等と呼ばれるプラズマ粒子に較べて大きい粒子
が発生し、これが基板上の堆積膜中に混入して膜表面粗
度の悪化、付着強度の低下を招き、また反応性被膜の場
合には溶融粒子が未反応のまま膜中に取り込まれるとい
う問題がある． 第１２図はこの問題を解決するために改良された真空ア
ーク蒸着装置の１つであって、真空室（１）内の真空雰
囲気下においてアーク閉込めリング（２）に囲まれたア
ーク蒸発源（３）の蒸発面（４）からアークにより発生
させた被膜形成材料のプラズマを基板（５）に導いて被
膜を形成する真空アーク蒸着法の装置として、中心軸線
Ｘ上のアーク蒸発源の蒸発面（４）とその前方の基板（
５）との間の管状部（６》の外側の位置に同軸線の空心
コイル（７）を配備して、空心コイル（７）の励磁によ
りコイル端より漏洩する磁場が中心軸線Ｘより半径方向
外向きに発散する距離の位置に前記蒸発面（４）を配置
し、かくして発散する磁場の半径方向成分によって蒸発
面（４）上に発生させたアークスポットを高速に周回さ
せつつ、前記アークスポットにより発生したプラズマを
磁場の磁力線（８）に沿って真空空間を通過させて基板
（５）上に導いて被膜の形成を行うようにしたものであ
る．アークスポットが蒸発面（４）を高速で周回運動す
るので、一ケ所に滞留する時間が短くなり、アークスポ
ットの周囲の溶融部分の発生が抑制され、蒸発源から発
生する溶融粒子の発生量を減少させるとともにその粒子
径を小さくする作用が生ずる．また磁力線による誘導効
果は中性の溶融粒子には作用せずイオンのみが選択的に
基板まで導かれるので、相対的に基板に到達する溶融粒
子の量を減少させる．以上の２つの作用により被膜への
溶融粒子の混入の減少を達成することができる． （発明が解決しようとする問題点） 第１２図の真空アーク蒸着装置は、溶融粒子の基板への
混入は減少させることができるが、空心コイルにより発
生させる磁力線形状が中心軸線と同軸であるために、基
板上での被膜の形成は基板面と中心軸線との交点を中心
とした円形部分に限定され、基板上の任意の位置に被膜
を形成したり、基板が大面積になった場合その全面に一
様に被膜を形成させることは困難であるという問題があ
る。

この問題を解決するための１つの手段としては、第１３
図に示すように、中心軸線Ｘに対して空心コイル（７ａ
）を傾斜可能に配置する方法を応用することが考えられ
る．すなわち空心コイル（７ａ）を中心軸線Ｘに対して
傾斜させることにより、この空心コイルによって発生す
る磁場の軸線Ｘ″を中心軸線Ｘに対して傾け、蒸発！（
３ａ）から磁力線（８ａ）に沿って導かれるプラズマの
誘導方向をＸ“方向に変化させることができる．しかし
この方法を前記真空アーク蒸着装置に応用しようとして
も、空心コイルを蒸発源と基板との間の位置の真空容器
管状部（６）外側に配備しなければならないという配置
上の制約との関連から、空心コイルの傾斜可能な角度は
小角度に限定され、被膜の形成領域を大きく変化させる
ことばできない。また空心コイルを傾斜させることによ
り、蒸発面付近の磁力線の分布形状も変化するため、第
１２図装置で溶融粒子の混入を減少させる作用の１つと
して前述した蒸発面上での外側に発散する磁場の半径方
向成分によりアークスポットを高速で周回運動させる作
用が蒸発面上で一様に起こらないようになって来る。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、前記先行技術の諸問題に解決を与えるために
なされたものであって、空心コイルを第１磁場発生手段
としそれと基板との間の管状部の位置に中心軸線と直交
する軸線方向の偏向磁場を発生させる第２磁場発生手段
を固定的に配備し、その励磁強度を制御機構によって変
更可能とすることにより、第１磁場発生手段の空心コイ
ルにより発生する中心軸線まわりの磁力線の形状に所望
の偏向を起こさせることができるようにし、こうして蒸
発面から発生して磁力線に沿って誘導されるプラズマ粒
子の誘導方向を変化させ、基板に到達する被膜形成粒子
の分布の中心を中心軸線との交点位置から偏らせ、偏り
量を広範囲に任意に変化させることができるようにする
。

中心軸線と直交する１つの軸線のみに第２磁場発生手段
を設ける場合は基板を中心軸線のまわりに回転させ得る
ようにして、基板の全周に均等に被膜が形成されるよう
にする．また中心軸線と直交する直角２軸に各第２磁場
発生手段を設ける場合は、各制御手段によって中心軸線
まわり磁場の偏向量、偏向方向を制御して変化させるこ
とができるようにする。

これらを総合して、本発明の真空アーク蒸着装置は、構
成上、真空室内において中心軸線上の被膜形成材料のア
ーク蒸発源の蒸発面とその前方の成膜基板との間の位置
に少なくとも１つの空心コイルを同軸線に配備して、空
心コイルの励磁によりコイル端より漏洩する磁場が中心
軸線より半径方向外向きに発散する距離の位置に前記蒸
発面を配置し、かくして外側へ発散する磁場の半径方向
成分によって蒸発面上に発生させたアークスポットを高
速に周回させつつ、前記アークスポットにより発生した
被膜形成材料のプラズマを磁場の磁力線に沿ってコイル
内側の真空空間を通過させて基板上に導いて被膜の形成
を行う真空アーク蒸着方式において、前記空心コイルと
その前方の基板との間の位置に、中心軸線と直交する軸
線のもとに少なくとも１つの磁場偏向用の第２磁場発生
手段を配備するとともに、この第２磁場発生手段が真空
空間に発生する磁場の大きさを制御する機構が第２磁場
発生手段に接続して配されていることを特徴とする。

（作　用） 第１図は本発明の真空アーク蒸着装置の１代表例を模式
的に示す縦断側面図で、第２図は第１図■一■線断面図
である。

この装置においては、第１２図の先行技術の装置と同じ
く、真空室（１）の真空下においてアーク閉込めリング
（２）に囲まれたアーク蒸発Ｒ（３）の蒸発面（４）か
ら発生させた被膜形成材料のプラズマを基板（５）に導
いて被膜を形成する真空アーク蒸着法の装置として、ア
ーク蒸発源の蒸発面（４）とその中心軸線Ｘの前方の基
板（５）との間の管状部（６）の外側の位置に少なくと
も１つの同軸線の空心コイル（７）を配備して、空心コ
イル（７）の励磁によりコイル端より漏洩する磁場が中
心軸線Ｘより半径方向外向きに発散する距離の位置に前
記蒸発面（４）を配置し、かくして発散する磁場の半径
方向成分によって蒸発面（４）上に発生させたアークス
ポットを高速に周回させつつ、前記アークスポットによ
り発生したプラズマを磁場の磁力線に沿って真空空間を
通過させて基板（５）上に導いて被膜の形成を行うよう
になっている。

そして本発明では、空心コイル（７）と前方の基板（５
）との間の管状部（６）の外側の位置に、中心軸線Ｘと
直交する１つの軸Ｙを軸線とする第２磁場発生手段（９
）が少なくとも１個配備される．また、この第２磁場発
生手段（９）にはそれが管状部（３）内真空空間に発生
する磁場の大きさを制御するための制御機構θωが接続
されている。そしてこの例では、基板（５）は基板ホル
ダ０１）によって支持され、基板ホルダ０！）は基板（
５）を中心軸線Ｘのまわりに回転運動させるための電動
モータ０２）に接続されている． 本発明装置の作用をこの例により説明すると、空心コイ
ル（７）のみを励磁し、第２磁場発生手段（９）からは
磁場を発生しない状態では、第３図（イ）に示すように
磁力線の分布状態は第１２図先行技術と等しい．一般に
プラズマは磁場を印加すると、磁力線に沿った方向に向
かって移動しやすく交叉する方向には移動しにくい性質
がある．この結果として、第３図（イ）の状態では、ア
ーク蒸発源（３）から発生したプラズマは磁力線（８）
に沿って基板（５）に到達する．磁場の形状が中心軸線
Ｘに対して軸対称であるため、プラズマ流も中心軸線Ｘ
を中心として進み、基板（５）上に形成される被膜の膜
厚分布は、第３図（イ）の右側に併示したように、中心
軸線Ｘと基板（５）との交点を頂点とするような分布形
状となる．この装置で、空心コイル（７）の磁場に加え
て、第２磁場発生手段（９）により中心軸線Ｘ側に湧き
出るような磁力線形状の磁場を印加すると、合成される
磁力線形状は、第３図（口）に示すように、第２磁場発
生手段による磁力線のＹ軸負方向の成分によって空心コ
イル（７）による主たる磁力線が全体的にＹ軸負側に押
しやられた磁力線形状（８Ａ）となり、これに沿ってプ
ラズマが導かれるので、基板（５）上に形成される被膜
の膜厚分布は第３図（口）の右側に併示するように、頂
点がＹ軸負側に移動した形になる。つまり、第２磁場発
生手段（９）の発生する磁場により被膜形成領域を原点
からＹ軸負方向に移動させることができる。移動量につ
いて第２磁場発生手段（９）に接続された制御機構００
）により第２磁場発生手段（９）の発生する磁場強度を
変えて制御することができる． この第２磁場発生手段によるＹ軸方向の動きに加えて、
電動モータ（１′ｌＪにより基板（５）を中心軸線Ｘの
まわりに任意の回転角θ（第２図参照）だけ回転させる
ことにより、Ｙ一〇座標で示される基板（４）の面頷域
の所望の位置に被膜形成位置を設定することができる． さらに、第４図（イ）に示すようなタイムチャートに従
って第２ｍ場発生（９）による磁場の大きさを変え、基
板（５）の大きさに応じた振幅で、第４図（口）に示す
ように、被膜形成位置をＹ軸上で往復させながら、基板
（５）を適当な速度で連続回転させることにより、基板
（５）上全面に一様な被膜の形成を行うこともできる． 尚、第２磁場発生手段（９）の磁場による空心コイル（
１）の磁場への影響は、アーク蒸発源（３）付近では無
視できる程小さいため、蒸発面上で外側に発散する磁場
の半径方向成分により、アークスポットを高速で周回運
動させる作用、従って溶融粒子の減少作用は殆ど影響を
受けない。

第５図は本発明の真空アーク蒸着装置の他の代表例を模
式的に示す縦断側面図で、第６図は第５図■−■線断面
図である．第１２図および第１図装置と均等の各部は同
一または均等な符号を記入して指摘し、説明の重複は省
略する．この装置では、空心コイル（７）とその前方の
基板（５）との間の環状部（６）の外側の位置に、中心
軸線Ｘと相直交する２軸Ｙ，Ｚを軸線とし、Ｙ、Ｚ軸の
それぞれについて中心軸線Ｘを挟んで対向させた２個の
第２磁場発生手段（９Ａ）　（９Ｂ）および（９Ｃ）　
（９０）が配備される。そしてそれぞれの第２磁場発生
手段にはそれが管状部（６）内真空空間に発生する磁場
の大きさを独立して制御するための制御機構（ＩＯＡ）
　（ＩＯＢ）　（ＩＯＣ）　（１００）が接続されてい
る． この装置の作用を、Ｙ軸方向の第２磁場発生手段（９＾
）　（９Ｂ）について示す第７図（イ）（口）（ハ）の
磁力線形状および膜厚分布図について説明する． 第７図（イ）は空心コイル（７）のみ励磁し、第２磁場
発生手段（９Ａ）　（９Ｂ）はともに磁場を発生してい
ない状態であって、磁力線形状および膜厚分布とも、第
３図（イ）の状態に等しい。次に空心コイル（７）の磁
場に加えてＹ軸上位の第２磁場発生手段（９Ａ）により
磁場を発生されると、第３図（口）と均等な第７図（口
）の状態となり、磁力線（８Ａ）が全体的にＹ軸負方向
に押しやられ、膜厚分布は頂点がＹ軸負方向に移動する
。次に空心コイル（７）の磁場に加えてＹ軸下位の第２
Ｖｉ場発生手段（９Ｂ）により磁場を発生させると第７
図（ハ）の状態となり磁力線（８Ｂ）が全体的にＹ軸正
方向に押しやられ膜厚分布の頂点がＹ軸正方向に移動す
る。これらの膜厚分布の頂点の移動量については第２磁
場発注手段（９Ａ）　（９Ｂ）に接続された制御機構（
ＩＯＡ）　（ＩＯＢ）によりそれぞれ発生する磁場強度
を変えて制御することができる．Ｚ軸方向の第２磁場発
生手段（９Ｃ）　（９Ｄ）についても、Ｙ軸方向につい
て上記に説明したのと同様に操作し同様な動作させるこ
とができる。

従ってＹ軸方向第２磁場発生手段（９Ａ）　（９Ｂ）と
Ｚ軸方向第２磁場発生手段（９Ｃ）　（９Ｄ）とを組合
わせて操作することにより、Ｙ−Ｚ平面上の所望の位置
に被膜形成の中心を設定することができる。さらにこれ
ら第２磁場発生手段の発生する磁場の大きさを変化させ
ることにより、基板上で被膜形成位置を走査させること
も可能である。

例えば、第８図（イ）および（口）に示すタイムチャー
トに従ってＹ軸第２磁場発生手段（９＾）および（９Ｂ
）の磁場の大きさを変化させると、被膜形成位置はＹ軸
方向に連続的に移動し、これにＺ軸第２Ｖｉ場発生手段
（９Ｃ）および（９Ｄ）によるＺ軸方向の連続移動を組
合わせると、Ｙ−Ｚ平面上の走査が可能となる。

（実施例） 第９図は第１および２図に模式的に示した本発明の１代
表例の装置を具体的に示す。第１および２図と均等の各
部は同一符号で示し、その説明を援用する， この装置は、真空室（１）内において、アーク蒸発源（
３）はアーク電源０３）のマイナス側に接続され、蒸発
面（４）の周囲にＢＮ製のアーク閉込めリング（２）を
配し、アーク電源０■のプラス側に接続される真空室（
１）とは絶縁物圓を介して絶縁された水冷機構を有する
カソードホルダ（１５）に取付けられ、蒸発面（４）を
真空室内に向けて配置されている。

ａωはアーク点火機構である．基板（５）、空心コイル
（力、第２磁場発生手段（９）は既述のように配置され
、基Ｆｉ（５）は電動モータ０７Ｊにより中心軸線のま
わりに回転する基板ホルダθ１）に取付けられ、第２磁
場発生手段（９）は制御機構００）に接続される。

この装置のアーク蒸発源の蒸発面（４）径１００　ａｍ
、空心コイル（７）の中心径１８４ａｍ、空心コイル端
より蒸発面までの距離８０ｍｍ、第２磁場発生手段（９
）軸線の位置は蒸発面から２００膿の寸法として、被膜
形成を実施した。

この装置で、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製基板（５
）を蒸発面（４）より３５０ｍの位置に置き、蒸発源（
３）としてＴｉ製のカソードを使用し、成膜条件として
、アーク電流１００Ａ、基板バイアス電圧−３０Ｖ、真
空室（１）内Ｎ２ガス圧１抛Ｔｏｒｒ、空心コイル（７
）の励磁３０００＾Ｔとし、第２磁場発生手段（９）の
コイルを励磁しない場合と、２０００ＡＴで励磁した場
合について、ＴｉＮ膜の反応性真空アーク蒸着を行っこ
。基板（５）上に成膜したＹ軸方向の膜厚分布を第１０
図に横軸にＹ軸座標順、縦軸に膜厚μｍをとって示す。

本発明装置による第２磁場発生装置（９）の励磁の場合
の膜厚分布線（Ｅ）は無励磁線（Ｎ）に較べ被膜形成領
域が移動することが確認された。またプラズマ流の目視
観察からも、プラズマ流の発光部が第２磁場発生手段（
９）の内側付近でＹ軸負側に曲がりながら基板（５フに
到達する様子が観察された。

さらに、第２磁場発生手段（９）による磁場の強度を第
４図（イ）のように連続的に変化させて、プラズマ流が
到達する位置をＹ軸方向について往復運動させながら、
基板（５）を数ｒｐｍ程度の速度で連続回転させたとこ
ろ、大面積基板にも一様にＴｉＮ膜を形成できた。

第１１図は、第５および６図に模式的に示した本発明の
他の代表例の装置を具体的に示すもので、第５および６
図の装置と均等の各部は同一符号で示し説明の重複を省
略する。

この装置では、中心軸線Ｘと直交する直角２軸Ｙおよび
Ｚをそれぞれ軸線として第２Ｎ場発生手段（９Ａ）　（
９Ｂ）および（９Ｃ）（９Ｄ）　（図示省略）が配置さ
れ、それぞれ独立して制御機構（ＩＯＡ）　（１０Ｂ）
および（ＩＯＣ）　（１００）　（図示省略）に接続さ
れている。基板（５）はこの例で回転可能とすることは
必ずしも必要でない。

第９図実施例装置と同じ寸法条件、同じ成膜条件でＴｉ
Ｎ被膜成膜を実施Ｌ７て同様な結果が得られた。

（発明の効果） 以上のように、本発明装置によると、磁界の大きさを制
御可能な第２磁場発生手段の発生する中心軸線に直交す
る方向の磁場により、空心コイルによる磁場を空心コイ
ルと基板との間の領域において偏向させ、この偏向した
磁場の磁力線に沿ってプラズマを導くことによって、基
板上の任意の位置に被膜を形成しあるいは被膜形成位置
の走査が可能であるので、基板が大面積になった場合で
もその全面に一様に被膜を形成することができる。

また第２ｆｔｆｆ場発生手段による磁場は空心コイルが
蒸発面Ｌにつくる磁力線形状には殆ど影響を及ぼさない
ので、蒸発面上で外側に発散する磁場の半径方向成分に
より、アークスポットを高速で周回運動させる作用につ
いては低下をみない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の真空アーク蒸着装置の１代表例を模式
的に示す縦断側面図、第２図は第１図■−■線断面図、
第３図（イ）はその第２磁場発生手段の無励磁の場合の
磁力線形状とＹ軸方向模厚分布を示す図、第３図（口）
はその第２磁場発生手段の磁場発生の場合の磁力線形状
とＹ軸方向膜厚分布を示す図、第４図（イ）はその時間
に対する磁場強度の変化状況を示す図、第４図（口）は
そのプラズマ流の変化状況を示す斜視図、第５図は本発
明の真空アーク蒸着装置の他の代表例を模式的に示す縦
断側面図、第６図は第５図ｖｔ−ｖｔ線断面図、第７図
（イ）はその第２磁場発生手段の無励磁の場合の磁力線
形状とＹ軸方向膜厚分布を示す図、第７図（口）はその
Ｙ軸上位第２１場発生手段の磁場発生の場合の磁力線形
状とＹ軸方向膜厚分布を示す図、第７図（ハ）はそのＹ
軸方向下位第２磁場発生手段の磁場発生の場合の磁力線
形状および膜厚分布を示す図、第８図（イ）はその時間
に対すＹ軸方向上位第２磁場発生手段の磁場強度の変化
状況を示す図、第８図（口）はそのＹ軸方向下位第２磁
場発生手段の磁場強度の変化状況を示す図、第９図は本
発明の１代表例の装置を具体的に示す縦断側面図、第ｌ
Ｏ図はその被膜形成結果を横軸にＹ座標をとり縦軸に膜
厚をとって示す図、第１１図は本発明の他の代表例の装
置を具体的に示す縦断側面図、第１２図は先行技術の真
空アーク蒸着装置の縦断側面図、第１３図は先行技術の
参考例の装置の縦断側面図である。 （１）・・・真空室、（２）・・・アーク閉込めリング
、（３）（３ａ）・・・アーク蒸発源、（４）・・・蒸
発面、（５）・・・基板、（６）・・・管状部、（７）
　（７ａ）−空心コイル、（８）　（８ａ）　（８Ａ）
　（８Ｂ）・・・磁力線、（９）　（９Ａ）　（９Ｂ）
　（９Ｃ）　（９Ｄ）・・・第２磁場発生手段、Ｇ（１
）　（ＩＯＡ）　（ＩＯＢ）　（ＩＯＣ）　（１００）
・・・制御機構、ｑＯ・・・基板ホルダ、０２）・・・
電動モータ、面・・・アーク電源、側・・・絶縁物、０
５）・・・カソードホルダ、Ｏｅ・・・アーク点火機構
、（Ｘ）・・・中心軸線、（Ｘ′）・・・磁場軸線、（
Ｙ）　（Ｚ）・・・軸、（Ｅ）　（Ｎ）・・・膜厚分布
線、（θ）・・・角度。 第３ｌ２！ Ｃイ） 第４ 図 第 図 第１０図 Ｙ雇線 （ｍｍ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空室内において中心軸線上の被膜形成材料のア
   ーク蒸発源とその前方の成膜基板との間の位置に少なく
   とも１つの空心コイルを同軸線に配備して、空心コイル
   の励磁によりコイル端より漏洩する磁場が中心軸線より
   半径方向外向きに発散する距離の位置に前記アーク蒸発
   源の蒸発面を配置し、かくして外側へ発散する磁場の半
   径方向成分によって蒸発面上に発生させたアークスポッ
   トを高速に周回させつつ、前記アークスポットにより発
   生した被膜形成材料のプラズマを磁場の磁力線に沿って
   空心コイル内側の真空空間を通過させて基板上に導いて
   被膜の形成を行う真空アール蒸着方式において、前記空
   心コイルとその前方の基板との間の位置に、中心軸線と
   直交する軸線のもとに少なくとも１つの磁場偏向用の第
   ２磁場発生手段を配備するとともに、この第２磁場発生
   手段が真空空間に発生する磁場の大きさを制御する機構
   が第２磁場発生手段に接続して配されていることを特徴
   とする真空アーク蒸着装置。
2. （２）基板が中心軸線のまわりに回転可能な構造となっ
   ている特許請求の範囲第１項記載の真空アーク蒸着装置
   。
3. （３）中心軸線と直交する相互直交２軸を軸線として、
   各軸線にそれぞれ中心軸線を挟んで対向させた少なくと
   も１つの磁場偏向用の第２磁場発生手段を配備し、第２
   磁場発生手段が真空空間に発生する磁場の大きさを制御
   する機構が第２磁場発生手段に接続して配されている特
   許請求の範囲第１項および第２項の何れか１に記載の真
   空アーク蒸着装置。