JPH03115561A - 膜を被覆する方法および被覆装置 - 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、薄膜を基体に被覆する方法および被覆装置に
関するもので、とりわけ大きな面積の基体に金属酸化物
、金属窒化物、金属炭化物などの電気絶縁性を有する薄
膜を、大きな被覆速度で被覆するのに適した被覆方法お
よび被覆装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、基体に大きい付着速度で薄膜を被覆する方法とし
ては、米国特許３，６２５．８４８号に気体のアーク放
電を利用した方法が開示されている。この方法によると
、電気絶縁性の物質の薄膜を基体に被覆する方法として
は、被覆すべき膜と実質的に同じ蒸発物質をアーク放電
用陰極に設置し、前記アーク放電用陰極と第一の陽極と
の間に高周波電力を印加してアーク放電を生起させる方
法が開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の開示の技術では、電気絶縁性を有する物質の膜の
被覆は、アーク放電用陰極に設置された被覆すべき膜と
同じ物質を蒸発させて行い、蒸発を行うためのアーク放
電は高周波電力を外部から印加することにより行われて
いるので、基体への被膜の付着速度を大きくするために
は、大きい高周波電力の電極への印加を必要とする。し
かしながら大きな高周波電力を印加することは、アーク
放電が不安定になり、また基体の周縁部に異常放電を発
生し易くなるので被覆する膜に欠点が生じ易いという問
題がある。

電気絶縁性を有する薄膜を基体の上に形成する他の従来
方法としては、電気絶縁性を有する薄膜を形成する金属
を蒸発物質としてアーク放電用陰極にセントし、真空槽
内に酸素や窒素等の反応性ガスを導入し、直流電源から
電力を投入してアーク放電を生起させ、蒸発した金属蒸
気と反応性ガスとを反応させる方法が知られている。と
ころが、この方法では、真空槽内壁面あるいはアーク放
電のための第一の陽極にも電気絶縁性の膜が形成され、
次第にその抵抗が高くなるので大きい放電電流が必要に
なり、放電が極めて不安定になり、真空槽内壁面あるい
はアーク放電用の陽極に蓄積された電荷に異常放電が発
生し、真空槽内壁面あるいはアーク放電用陽極の一部に
電流が集中し、装置が損傷するといった重大な問題を生
じていた。

本発明は、上記した問題を解決する、すなわち、基体に
電気絶縁性の薄膜を大きい付着速度で、かつ、安定して
被覆する方法およびその装置を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、減圧された雰囲気ガスが調節できる真空槽内
で基体に金属化合物の膜を被覆するアーク蒸着法におい
て、陰極に被覆すべき金属化合物の金属成分となる金属
を設置してアーク放電により前記金属を蒸発させ、その
後蒸発させた前記金属蒸気を反応性ガスまたは反応性ガ
スと不活性ガスとを含むプラズマの中を通過させて、前
記金属と前記反応性ガスとの反応生成物からなる金属化
合物を被覆する方法であって、前記プラズマが、加速型
プラズマ電子ビーム源内で発生され、その後前記真空槽
内へ電気的に加速して引出された電子と、前記真空槽内
に導入された反応性ガスまたは反応性ガスと不活性ガス
との衝突により形成したプラズマであることを特徴とす
る金属化合物の膜を被覆する方法である。

本発明にかかる加速型プラズマ電子ビーム源から引出さ
れる電子のエネルギーは、電気的に数１０ｅＶ〜１ｋｅ
Ｖに加速されていることが好ましい。

数１０ｅＶ〜１ｋｅＶに加速された電子は、真空槽内に
導入された反応性ガスと衝突して効率良く反応性ガスの
分子をイオン化あるいは励起状態にするので、反応性ガ
スの濃度が小さくても、すなわち低い反応性ガスの分圧
下においても、化学量論組成の反応生成物が得られる。

基体に金属酸化物の膜を被覆する場合は、反応性ガスと
して酸素ガスを、不活性ガスとして、アルゴンガスを用
いるのが好ましい、さらに酸素ガスはプラズマ発生領域
の近傍から導入し、一方アルゴンガスはアーク放電用陰
極の近傍から導入することが好ましい。

これにより、アーク放電用陰極の近傍の雰囲気中の酸素
分圧を小さくすることができ、蒸発すべき物質の表面の
酸化を抑制することができる。通常アーク放電用陰極の
酸素分圧を０．１Ｐａ以下とし、かつ、酸素とアルゴン
との混合ガスの雰囲気の圧力を１〜０．１Ｐａとするこ
とは、蒸発物質の表面を変質させずに、金属酸化物の膜
を大きい付着速度で被覆するうえでとくに好ましい。

金属窒化物や金属炭化物の膜を基体に被覆する場合は、
反応性ガスとして窒素ガスあるいはメタン、エタンなど
の炭化水素のガスを用いることができる。

電子ビーム源に対向して設置される第二の陽極は真空槽
と電気的に絶縁して設置してもよく、電気的に導通して
設置してもよい、電気絶縁物の如き膜を基体に被膜する
場合は、プラズマを長時間一定に維持するためには、第
二の陽極は真空槽と電気的に絶縁して設置する方が望ま
しい。

大面積の基体に膜質を均一に、かつ、大きい被覆速度で
膜を被覆するには、電子ビーム源と陽極との空間に生起
されるプラズマが、膜を被覆すべき基体とほぼ平行して
高密度に閉じ込められていることが好ましい。プラズマ
をシート状すなわち偏平な形状にするためには、たとえ
ば真空槽の外側または内側に電磁石または永久磁石を設
置する特開昭５９−２７４９９に開示されている方法を
用いることができる。

本発明にかかる被覆装置は、減圧された雰囲気ガスが調
節できる真空槽と、蒸発すべき物質の取付手段を有する
前記真空槽とは電気的に絶縁されたアーク放電用陰極と
、前記アーク放電用陰極および前記真空槽とは電気的に
絶縁され、前記アーク放電用陰極との間でアーク放電を
おこなう第一の陽極と、前記アーク放電用陰極と前記第
一の陽極との間でアーク放電を生起させるためのトリガ
ー電極と、前記アーク放電用陰極に対向して配置されて
、薄膜を被覆するべき基体を保持する手段と、前記真空
槽内にガスを導入する手段と、前記基体を保持する手段
と、前記アーク放電用陰極との間に、電子と外部から導
入されたガスとの衝突によりプラズマが発生するように
、前記真空槽とは電気的に絶縁されて、互に対向して設
けられた加速型プラズマ電子ビーム源と第二の陽極とが
設けられた被覆装置である。

本発明に用いられる、アーク放電を維持するために外部
より供給される・電源は、アーク放電を安定して得るう
えで直流電源が好ましい。

本発明の被覆装置の第１の実施態様は、雰囲気ガスを導
入する手段が、２つのガス導入手段からなり、第一のガ
ス導入手段は、加速型プラズマ電子ビーム源から引出さ
れた電子により生じるプラズマが発生する近傍に設けら
れ、第二のガス導入手段がアーク放電用陰極の近傍に設
けられている装置である。

第一のガス導入手段からは反応性ガスを導入し、第二の
ガス導入手段からはアーク放電を維持するための不活性
ガスが導入される。これにより蒸発すべき物質の表面上
に蒸発物質と反応ガスとの反応生成物が生成するのが抑
制される。上記したガス導入手段としては、マスフロー
コントローラーあるいはバリアプルリークバルブなどの
流量が制御し得る機能を有するガス供給パイプを用いる
ことができる。

本発明の被覆装置の第２の実施態様は、加速型プラズマ
電子ビーム源および第一のガス導入手段を含む反応室と
、アーク放電用陰極と第二のガス導入手段とを含む蒸発
室とに、真空槽内を仕切る隔壁が設けられ、前記隔壁の
アーク放電用陰極に対向する部分が開口部になっている
装置である。

隔壁の開口部は、アーク放電用陰極のほぼ真上に位置し
、前記開口部の面積がアーク放電用陰極の面積とほぼ等
しく設けられる。

本発明の基体を保持する手段は、金属製で、基体の周辺
部を保持する枠体などの通常の支持具を用いることがで
きる。

加速型プラズマ電子ビーム源は、前記電子ビーム源より
引出される電子の方向が基板とほぼ平行で、蒸発粒子の
飛行方向とほぼ垂直となるように設置される。

また本発明の被覆装置の第三の実施態様としては、真空
槽内の雰囲気を調節するための排気手段の排気口が、前
記反応室を形成する真空槽の壁に設けられた装置である
０反応室を構成する壁に設けられ真空排気ポンプは、反
応室内の反応性ガスを効率よく排気し、蒸発室内の反応
ガスの分圧を小さくすることができる。

〔作　用〕 本発明にかかる方法の加速型プラズマ電子ビーム源は、
真空槽内にプラズマを発生させるのに必要な電子を供給
する。この電子は、加速されて反応性ガスと衝突するこ
とにより、電子密度が高く蒸発物質との反応性が大きい
プラズマを発生させるので、化学量論組成の蒸発物質と
反応性ガスとの反応生成物を基体に被覆するに際して、
雰囲気中の反応性ガスの分圧を低くすることができる。

また本発明の装置にかかる隔壁は、蒸発物質が基体に到
達するのを妨げることなく、開口部における雰囲気のコ
ンダクタンスを小さくし、反応性ガスがアーク放電用陰
極に拡散流入するのを抑制する。

〔実施例〕

本発明を実施例に基いて説明する。第１図は本発明の被
覆装置の１実施例を示す概略断面図である。

第１図において１は被覆を行なうための真空槽であり、
その底部に電気的絶縁体６を介してアーク放電用陰極２
が設置されている。このアーク放電用陰極２は、スイッ
チ２０を介して直流電源７に接続されており、この直流
電源７には、また、アーク放電を生起させる為のトリガ
ー電極８がスイッチ２１を介して接続されている。更に
、第一の陽極５が電気的絶縁体６を介してアーク放電用
陰極２近傍に配置される。アーク放電用の不活性ガスが
ガス供給パイプ４からアーク放電用陰極２の上に設置さ
れた蒸発物質３の近傍に供給される。

一方、反応性ガスを含むプラズマを形成するための加速
型プラズマ電子ビーム源１９および第２の陽極１５が電
気的絶縁体６を介して、互いに対向するようにしてアー
ク放電用陰極２の上部に配置される。加速型プラズマ電
子ビーム源１９は電子ビームを発生させる為の熱陰極１
０と、電子ビームを加速し引きだすための中間電極９と
熱陰極１０に不活性ガスを供給するためのガス供給パイ
プ１１からなり、前記熱陰極１０は直流電源１２に接続
されている。熱陰極ＩＯと第二の陽極１５との間に電流
（通常数１０Ａ乃至数１００Ａ）を供給すると、プラズ
マ電子ビーム源１９と第二の陽極１５との間で大電流、
高密度のプラズマ１８が形成される。このプラズマは、
プラズマ電子ビーム源１９および第二の陽極１５近傍に
配置される空芯コイル１４とプラズマ電子ビーム源近傍
に配置された永久磁石１３の磁場により、シート面が基
体に平行なシート状のプラズマとなる。第２の陽極１５
の中央部には反応性ガスを供給するためのガス供給パイ
プ１６が設置されており、反応性ガスはこのガス供給パ
イプ１６からシートプラズマ１８中に供給される。基体
１７は基体ホルダー２２によりシートプラズマ１８に対
して平行となるように配置される。

そして真空槽１はアーク放電用陰極２の上部で開口部２
５を有する隔壁２４により反応室２６と蒸発室２７に仕
切られている。また真空槽１は、真空排気ポンプ２３に
より排気されている。隔壁２４はアーク放電用陰極２か
ら５０鶴の距離に取付けられ、開口部の開口面積はアー
ク放電用陰極２と同じ直径２０ＣＩｍである。また隔壁
２４とシートプラズマ１８の距離は５００ｔｍである。

以上述べた被覆装置を用いて、ガラス板上に酸化チタン
の薄膜を被覆した。

実施例１ まず、アーク放電用陰極２の上面にＴｉを蒸発物質とし
て配置した。次いで、薄膜を被覆すべきガラス板を基体
ホルダー２２によって保持した。

しかる後、真空ポンプ２３により真空槽１内を約１Ｏ−
３Ｐａまで減圧した０次いで、ガス供給バイブ４から不
活性ガスとしてＡｒガス５０ＳＣＣＭを導入すると同時
に、真空槽１内を約５　Ｘ　１０−’Ｐａに調節した。

次いで、加速型プラズマ電子ビーム源１９内の熱陰極１
０に不活性ガスとじてＡｒガス３０ＳＣＣＭを導入した
。この状態で、熱陰極１０に３０Ａの電流を供給し、熱
陰極を加熱することにより約６０Ａ／−の電流をとりだ
し、第２の陽極１５との間でプラズマを生起させた。

この時のプラズマ１８は空芯コイル１４と永久磁石１３
によって、幅約５５Ｃ１１、長さ７０１の大きさのシー
ト状プラズマであった０次に、反応性ガス供給バイブ１
６から約８０３ＣＣＭの酸素ガスを導入した。

このような状態で、スイッチ２０をＯＮにし、アーク放
電用陰極２に１０ＯＡの電流を供給した後、トリガー電
極８のスイッチ２１をＯＮにして、アーク放電を生起さ
せた。この時の放電電圧は２１Ｖであった。このアーク
放電を１５０秒間継続させた後、スイッチ２０＠ＯＦＦ
にして放電を終了した。アーク放電中、アーク放電用陰
極２の近傍の酸素分圧を分圧計で測定した結果、２．５
×１Ｏ−ｔＰａであった。このようにして、ガラス板上
に酸化チタン薄膜を形成した０次に、真空槽１内を大気
圧に戻し、酸化チタンが被覆されたガラス板を取出した
。表面粗さ計により被覆された薄膜の厚みを測定したと
ころ１４５０人であった。

また、エリプソメーターで光学定数を測定したところ、
波長６３３ｎａ＋において屈折率が２．３４、消衰係数
が０．００の吸収のない透明な膜であった。

実施例２ 放電の長時間安定性を調べるために、実施例１と同じ条
件でアーク放電を３時間持続した。アーク放電電圧は放
電初期の２１Ｖに対して３時間後には２４Ｖと若干の上
昇が認められたが、放電状態を目視により観察した結果
、何の異常放電も発生せず、また、アノードスポットの
局部的集中も発生しない極めて安定した放電であった。

反応ガスに窒素ガスを用いることにより金属の窒化物を
、またメタン、エタンなどの炭化水素のガスを用いるこ
とにより金属炭化物の薄膜を、基体上に反応性ガスの分
圧を低くした状態で被覆することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、金属と反応性ガスとの反応生成物から
なる金属化合物の被覆を、蒸発物質の表面近傍の雰囲気
中の反応性ガスの分圧を低くしておこなうことができる
。これにより、蒸発物質の表面に電気絶縁性の高い物質
の生成が抑制され、アーク放電を長時間安定状態に維持
することができる。

また本発明の被覆装置により、電気絶縁性を有する金属
化合物の薄膜を、基体に大きい被覆速度で安定して長時
間被覆することができる。

物質、４・・・第１のガス導入手段、５・・・第１の陽
極、８・・・トリガー電極、１３・・・永久磁石、１４
・・・空芯コイル、１５・・・第２の陽極、１６・・・
第２のガス導入手段、１７・・・基体、１８・・・発生
したシートプラズマ、１９・・・加速型プラズマ電子ビ
ーム源、２３・・・真空排気ポンプ、２４・・・隔壁、
２５・・・開口部、２６・・・反応室、２７・・・蒸発
室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）減圧された雰囲気ガスが調節できる真空槽内で、基
   体に被覆すべき金属化合物の膜の金属成分となる金属を
   アーク放電用陰極に設置し、アーク放電により前記金属
   を蒸発させて膜を被覆する方法において、蒸発させた前
   記金属蒸気を反応性ガスまたは反応性ガスと不活性ガス
   とを含むプラズマの中を通過させることにより前記金属
   と前記反応性ガスとの反応生成物からなる金属化合物の
   膜を被覆する方法であって、前記プラズマが、加速型プ
   ラズマ電子ビーム源内で発生され、その後前記真空槽内
   へ電気的に加速して引出された電子と、前記真空槽内に
   導入された反応性ガスまたは反応性ガスと不活性ガスと
   の衝突によりつくられたプラズマであることを特徴とす
   る基体に金属化合物の膜を被覆する方法 ２）前記プラズマの形状がシート状であって、シート面
   が前記基体に対してほぼ平行である特許請求範囲第１項
   記載の方法 ３）前記反応性ガスが酸素ガス、不活性ガスがアルゴン
   ガスである特許請求範囲第１項または第２項記載の方法 ４）前記酸素ガスの分圧が０．１Ｐａ以下である特許請
   求範囲第１項乃至第３項のいずれかの項記載の方法 ５）減圧された雰囲気ガスが調節できる真空槽と、蒸発
   すべき物質の取付手段を有する前記真空槽とは電気的に
   絶縁されたアーク放電用陰極と、前記アーク放電用陰極
   および前記真空槽とは電気的に絶縁され、前記アーク放
   電用陰極との間でアーク放電をおこなう第一の陽極と、
   前記アーク放電用陰極と前記第一の陽極との間でアーク
   放電を生起させるためのトリガー電極と、前記アーク放
   電用陰極および前記第一の陽極に外部から電力を供給す
   る手段と、前記アーク放電用陰極に対向して配置されて
   被膜を被覆するべき基体を保持する手段と、前記真空槽
   内にガスを導入する手段と、前記基体を保持する手段と
   前記アーク放電用陰極との間に、電子と外部から導入さ
   れたガスとの衝突によりプラズマが発生するように、前
   記真空槽とは電気的に絶縁され、かつ、互に対向して設
   けられた加速型プラズマ電子ビーム源と第二の陽極とが
   設けられた被覆装置 ６）前記ガスを導入する手段が、前記プラズマが発生す
   る領域近傍に設けられた第一のガス導入手段と前記アー
   ク放電用陰極の近傍に設けられた第二のガス導入手段と
   からなることを特徴とする特許請求範囲第５項記載の装
   置 ７）前記真空槽内に、前記加速型プラズマ電子ビーム源
   および第一のガス導入手段を含む反応室と前記アーク放
   電用陰極および第二のガス導入手段を含む蒸発室とに仕
   切る隔壁が設けられ、前記隔壁の前記アーク放電用陰極
   に対向する部分が開口部になっていることを特徴とする
   特許請求範囲第６項記載の装置 ８）前記雰囲気を調節するための排気手段の排気口が、
   前記反応室を形成する真空槽の壁に設けられたことを特
   徴とする特許請求範囲第７項記載の装置