JPH04224671A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空アーク現象を利用
して薄膜を形成する真空アーク蒸着装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空中で皮膜を形成する方法の中で、真
空アーク蒸着法は現在ＴｉＮなどの硬質皮膜を効率的に
形成できる方法として工業的に多く利用されている。こ
の真空アーク蒸着法とは、真空容器中に配した陰極と陽
極の間でいわゆる真空陰極アーク放電を発生させ、固体
の陰極表面に発生するアークスポットから陰極の材料を
蒸発させ、この蒸気を真空容器中に配した基板上に堆積
させ皮膜を形成する方法である。

【０００３】この真空アーク蒸着法を実現する装置とし
ては、特公昭５８−３０３３，特公昭５２−１４６９０
に開示された装置があり、その後さまざまな改良が施さ
れている。現在多く用いられる真空アーク蒸着装置用の
蒸発源としては、例えば図７に示す構造のものが当業者
に周知である。図７において、１は真空容器２中に配し
た真空アーク蒸発源で、陰極３と陽極４とを有する。こ
の陰極３と陽極４との間にはアーク放電用電源５が接続
されている。陰極３には、蒸発させる材料からなるター
ゲット６が設置されており、図示しないアーク点火機構
によって数十Ｖの電圧、数十ないし数百Ａの電流で真空
アーク放電を発生させると、ターゲット６表面にはアー
クスポットが発生し、ここより蒸気が噴出する。この蒸
気を基板７に堆積させることで皮膜８を形成する。ター
ゲット６の周囲には、アークスポットがターゲット６の
表面を所定の蒸発面９に保持することを目的にアーク安
定化機構１０（例えば特開昭５９−２０８０７０に開示
されている）が取り付けられる。

【０００４】なお、１１は真空ポンプ、１２はバイアス
電源である。この真空アーク蒸着法の特徴としては、蒸
気のイオン化率が高く品質の良い緻密な皮膜が得られる
ことがあり、また工業的に注目されるもう一つの特徴と
しては、皮膜の速度が早いことが挙げられる。また、タ
ーゲット６の蒸発面９の面積も比較的自由に設定でき、
例えば外径１００ｍｍの円形の蒸発面９を構成したり、
あるいは長手方向が１ｍ程度の長方形の蒸発面９を構成
することも可能である。このような長方形の蒸発面９を
有する蒸発源１は、大型部材への皮膜形成時の蒸発源と
して、あるいは、例えば鋼板などの幅広のシート状物へ
の蒸着時の蒸発源として期待されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな真空アーク蒸発源においても大面積の蒸発源を考え
るとき、次のような問題点があった。すなわち、蒸発面
を大型化すると蒸発面表面での平均のアーク電流密度が
、小面積の蒸発面を使用する場合に比べ、面積に逆比例
して低下し、このため蒸発面正面での蒸着速度がこれに
応じて低下する問題点があった。これを解決するための
一つの方法として、蒸発面積の拡大に応じてアーク放電
電流を増加させる方法が考えられる。確かにこの方法は
、ある程度の面積比までは効果を発揮するが、さらに大
面積化をはかる際には別の問題点も生じる。

【０００６】すなわち、通常もっともよく使用する外径
１００ｍｍ程度の蒸発面積を持つ蒸発源では、１００Ａ
程度のアーク電流が代表的であり、単純な比例則で考え
ると、たとえば３倍の面積を持つ蒸発源に対しては、３
００Ａでの放電が必要であり、またたとえば１０倍の面
積を持つ蒸発源に対しては１０００Ａの放電電流が必要
となる。３００Ａでの放電は現状技術にて十分可能なも
のであるが、１０００Ａやそれ以上になると特に連続操
業の蒸発源を考えると、以下のような実用上の問題点が
生じてくる。 １。アーク放電電流が巨大化してくる。 ２。アーク電力を伝えるケーブルが、電流増加にともな
い太くなり、取扱いの不便を生じてくる。電力の伝達に
必要なケーブルの導電体の断面積は電流の２乗に比例し
大きくなるので、特に１０００Ａを越えるような領域で
は、通常のケーブルによる配線ではなく、ブスバー等に
よる配線が必要となり、施工上の困難も増す。 ３。ケーブルを流れる電流の増加にともないこれに起因
する磁場の強度も増加し、これがアークスポットの動き
に影響して放電の片寄り等の悪影響を生じることがある
。 ４。広い面積の蒸発面を用意しても、アークスポットが
蒸発面の一部分に片寄る傾向が出て、蒸発に不均一の生
じることがある。 ５。放電電流が大電流化すると陰極表面だけでなく陽極
表面にも電流が集中した部分（アノードスポット）がで
き、その部分の損傷が起こる事がある。

【０００７】従って、大きな蒸発面積を有する蒸発源を
用いても、上記の理由によって蒸発面積に比例してアー
ク放電電流を大きくすることができないので、平均の成
膜速度が低下するという問題点があった。その結果とし
て高い成膜速度が必要な用途では、大きな面積の蒸発源
では必要な成膜速度が達成できず、大型蒸発源の構成が
可能であるという特徴を生かせない状態となっていた。

【０００８】本発明は上記問題点に鑑み、大きな蒸発面
積を有するとともに、高い成膜速度を有する真空アーク
蒸着装置を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この技術的課題を解決す
る本発明の技術手段は、真空容器２中に配した真空アー
ク蒸発源１にアーク放電用電源からアーク電力を供給す
ることにより、真空アーク蒸発源１の陰極３と陽極４と
の間で真空陰極アーク放電を発生させ、陰極３側のター
ゲット６の蒸発面９から蒸着材料を蒸発させ、この蒸気
を、真空容器２中に配した基板７上に堆積させて皮膜８
を形成するようにした真空蒸着装置において、定電流制
御可能な複数台のアーク放電用電源５が設けられ、真空
アーク蒸発源１に互いに独立した複数のアーク電流導入
部１５が設けられ、真空アーク蒸発源１に対し、前記各
アーク放電用電源５から夫々アーク電流導入部１５を介
してアーク電力を同時に供給するようにした点にある。

【００１０】

【作用】複数台設置したアーク放電用電源５は、各々一
定電流で制御される。このことによって、各々の電源５
に対して真空アーク蒸発源１に流れる電流を確実に分配
できるからである。その結果、数百Ａという技術的に容
易に構成できる程度の電流容量のアーク放電用電源５に
よって、その数倍の放電電流を蒸発源１に対して供給す
る。

【００１１】このため、実現が困難な大容量の電源は不
要であり、また電流の供給もそれぞれ独立の電源５から
独立のアーク電流導入部１８に対して行うため、各電源
系統に流れる電流値も分割され、容易にケーブル等で供
給でき、施工上もまたその後の取扱いも容易である。さ
らに電流は一部の経路を集中して流れるわけでなく、分
散して流れるため、相互に発生する磁場を打ち消しあう
効果もあり、電流で発生する磁場によるアークスポット
の片寄りも発生しにくい。さらに、電流が蒸発源１に対
して分散して供給されるため、アークスポットが電流供
給部付近の一部に片寄ってしまうという問題点も発生し
ない。

【００１２】さらに望ましい実施の形態としては、各々
のアーク放電用電源５に対応して独立の陽極４を設置す
ることが挙げられる。独立陽極４の設置の効果としては
、各陽極４へ流入する放電電流をアーク放電用電源５に
よって制御できることがある。真空アーク蒸発源１では
放電電流を大電流化した際、しばしば陽極４側にいわゆ
るアノードスポットが発生し、陽極４が損傷する問題点
があったが、上記の方法で各陽極４に流入する電流をア
ノードスポット発生レベル以下に保ち、陽極４の損傷を
防げることができる。又、独立陽極４を設置する事によ
って、各陽極４の付近の蒸発面９に、対応する陰極３側
のアークスポットをある程度保持できる事から、成膜速
度の分布を安定化できる効果もある。

【００１３】またもう一つの好ましい作用としては、一
台の真空アーク蒸発源１に接続された各々のアーク放電
用電源５の電流値を適切に設定する事によって、基板７
への成膜速度分布を均一化できることがある。すなわち
、例えば長方形の蒸発面９を有する蒸発源１で、これに
相対して設置した基板７に対してその長手方向に均一な
膜厚で成膜する事を考えたとき、従来の蒸発源１ではた
とえ蒸発面上で均一な蒸発が行えたとしても、図５に示
すように蒸発面９の端部近くで基板７での膜厚が低下し
ていた。一方、本発明によると蒸発面９の端部近くに電
流を供給するアーク放電用電源５の電流値を他の電源に
比べやや高く設定する事で、図６に示すようにより均一
な膜厚分布を得る事ができるようになる。実際には、こ
のような理想的な蒸発量の分布からはずれてくるものの
、実験的に各電源の最適な電流バランスを実験的に求め
る事で良好な膜厚分布を得られる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に従って説明す
る。図１及び図２は本発明の一実施例を示し、同図に示
すように、基板７に対する膜厚分布を考慮して、真空ア
ーク蒸発源１は基板７幅とほぼ同一の蒸発面９幅を有し
ている。なお、基本的な蒸発源１の構造は、図７の従来
の技術で述べたものと同じであり、冷却機構など詳細な
構造は省略し、図の記号を同じものを用いて、重複する
説明は行わない。特徴的なのは、この例では蒸発源１が
複数台のアーク放電用電源５で駆動されることである。 図ではアーク電源を５台としたが、勿論、このアーク電
源の数は５台に限定される必要はなく、必要に応じて複
数台あると良い。

【００１５】この複数台のアーク放電用電源５に対応す
る形で真空アーク蒸発源１は、複数の独立したアーク電
流導入部１５からアーク電力が供給される。このアーク
電流導入部１５にほぼ対応する位置には、複数台の陽極
４が設置されている。この陽極４は一般的には図示しな
い構造によって水冷されており、また望ましくは電気的
に真空容器２及びそれぞれの間が電気的に絶縁されてお
り、各陽極４に分配される電流が正確に接続されたアー
ク放電用電源５によって規定されると、膜厚分布の均一
性や陽極の損傷の可能性のあるアノードスポットの発生
抑制の面で有利である。しかしながら、使用する電流の
値によって陽極損傷の心配がない場合、構造面の有利さ
から単一の陽極４やあるいは真空容器２そのものを陽極
化する事も可能である。

【００１６】この蒸発源１のアーク電流導入部１５は、
蒸発面９に対してできるだけ均一に分散した位置に配置
している。このことにより蒸発面９全体にわたる均一な
蒸発が実現できるようになっている。またアーク電流導
入部１５を分散して配置することによりアーク電流の供
給が分散化されるため、大電流を投入した際に発生する
電流磁界によるアークスポットの偏り現象を、分散した
電流の相互の打ち消し会いによって軽減できるようにな
っている。

【００１７】この装置に用いるアーク放電用電源５には
、自身の出力電流を一定電流で制御する機能が付いてい
る。さもないと、並列の形で運転される際に比較の上で
低インピーダンスな回路に接続された電源に多くの放電
電流が集中してしまうからである。電源５の出力容量と
しては、出力の配線工事の容易さ等を考慮するとケーブ
ルによる配線が実質上困難になる５００Ａ以上のものは
本発明の主旨からも意味がなく、またあまりに小さな容
量も成膜速度の点から望ましくなく、１００Ａ−４００
Ａ程度の物が実用的である。

【００１８】上記のような性能のアーク放電用電源５は
、基本的に溶接用に現在使用される電源と同等の回路形
式によって容易に実現できる。さらに、電流容量的にも
ケーブル配線で容易に対応できる。従って、数千Ａもの
放電電流に相当する蒸発量をきわめて容易に実現できる
。アーク放電電流を蒸発源１に供給する配線は、できる
限り正負両極の配線を近ずけて行うことが望ましい。 これは、正負両極への配線に流れる電流による磁界が相
互に打ち消しあい、アークスポットの動きに与える影響
を最小限にできるからである。独立の陽極４を対応する
アーク電流導入部１５の近くに設けることは放電電流の
流れる経路を短く限定できるので、発生する磁界を最小
化する上で有用である。このことは、アークスポットを
蒸発面９に均一に分散させ、基板７上の膜厚の分布を均
一化する上で重要である。

【００１９】各アーク放電用電源５より供給される電流
は、蒸発面９全体から均一な蒸発を行うと言った観点か
ら、基本的には全放電電流を均等に分配したものとなる
。しかしながら、基板７上での膜厚の均一性を実現する
ために、例えば基板７の両端で膜厚が減少しがちな時は
蒸発源１の両端に接続されるアーク放電用電源５の出力
電流をやや多い目に設定することは本発明の有意義な実
施の形態である。

【００２０】図３及び図４は他の実施例を示し、例えば
１ｍ程度以上の幅の広い鋼板や建材用ガラス板等を基板
７とし、これに高速度で皮膜８を形成するようにしてい
る。即ち、図３に示すように、蒸発源１の正面に前記の
ような基板７を連続的に通過させながら皮膜８を形成し
、基板７の移動方向に対して垂直方向に長い真空アーク
蒸発源１を取付け、１台の蒸発源１で基板７の幅方向に
対して均一な成膜を行う。このような装置で基板７の移
動速度を上昇させ高い生産性を得るには、高い蒸発速度
が必要なのは言うまでもない。

【００２１】例えば、窒化チタン皮膜の形成の例でチタ
ンをターゲットとした場合、実験結果によると蒸発源１
の蒸発面積によらずその蒸発量は、１ＡＨｒの放電電流
量あたり約０．１ｇである。例えば１ｍ幅の連続的な基
板７に対して１ｍ程度の長辺を持つ長方形の蒸発源１を
適用し、蒸発量の約８０％を基板上にＴｉＮ皮膜として
堆積できたとして、１０００オングストロームの皮膜厚
さを真空アーク蒸発源１として代表的な２００Ａの放電
電流で形成したとする。先に示した蒸発量から試算する
と、１時間あたりに蒸着可能な基板長は、約４０ｍとな
る。しかしながら、現実にはこの５倍、１０倍と言った
処理能力が要求されることがある。

【００２２】ひとつの解決方法はこのような蒸発源を５
台、１０台と並べる方法が考えられるが、これは真空装
置規模が大きくなり工業的にあまり魅力的でない。ある
いは、小型の蒸発源を５台、１０台と並べる方法もある
が、真空装置規模はさほどではないが多数の蒸発源を駆
動するため、１台の蒸発源の問題のために全体を休止す
る事になるなど、これも工業的にあまり魅力的な構成で
はなかった。もっとも魅力的な解決法と思えるのが蒸発
源の放電電流を５倍、１０倍とする事であったが、放電
電流が１０００Ａ，２０００Ａに達するため、これも従
来はさきに示したような理由で実現が困難であった。

【００２３】しかるに、図３及び図４に示すように例え
ば５台のアーク放電用電源５によって１台の真空アーク
蒸発源１に対して電力を供給する事によって、１０００
Ａ程度以上の放電も可能となり、均一かつ高速度な皮膜
形成処理が可能となった。さらに、図３及び図４の実施
例では、図３に示すようにフィードバック演算部１８を
有する制御装置１９を設け、既に皮膜形成を行った部分
の膜厚を計測し、これを制御装置１９にフィードバック
して各アーク電源の出力電流のバランスを決定してより
均一な膜厚を得るようにしている。このことは、本実施
例のように連続的な処理を行う場合には、工業的にきわ
めて重要な実施の形態である。

【００２４】なお、各アーク放電用電源５の電流の設定
は手動にて作業者が行う事によっても、本発明の目的は
達することができるが、前記のようなフィードバックを
有するような制御において、最大の効果を発揮すること
から、各アーク放電用電源５はこのような制御装置１９
からの指令信号を受けてその制御電流を決定できる回路
を有していることが望ましい。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明によると、大きな
面積を有する真空アーク蒸発源１を高いアーク電流で運
転でき、その結果として目的とする高い成膜速度を得ら
れるばかりか、同時に大電流による陽極４の損傷の防止
、膜厚分布の安定化、均一化など、工業的に優れた数々
の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す側断面図である。

【図２】同正面図である。

【図３】他の実施例を示す側断面図である。

【図４】同正断面図である。

【図５】蒸発面からの蒸発量と基板上の膜厚との関係を
示す作用説明用の図である。

【図６】蒸発面からの蒸発量と基板上の膜厚との関係を
示す作用説明用の図である。

【図７】従来例を示す側断面図である。

【符号の説明】

１　　真空アーク蒸発源 ２　　真空容器 ３　　陰極 ４　　陽極 ５　　アーク放電用電源 ６　　ターゲット ７　　基板 ８　　皮膜 ９　　蒸発面 １５　　アーク電流導入部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　真空容器（２）中に配した真空アーク
   蒸発源（１）にアーク放電用電源からアーク電力を供給
   することにより、真空アーク蒸発源（１）の陰極（３）
   と陽極（４）との間で真空陰極アーク放電を発生させ、
   陰極（３）側のターゲット（６）の蒸発面（９）から蒸
   着材料を蒸発させ、この蒸気を、真空容器（２）中に配
   した基板（７）上に堆積させて皮膜（８）を形成するよ
   うにした真空蒸着装置において、定電流制御可能な複数
   台のアーク放電用電源（５）が設けられ、真空アーク蒸
   発源（１）に互いに独立した複数のアーク電流導入部（
   １５）が設けられ、真空アーク蒸発源（１）に対し、前
   記各アーク放電用電源（５）から夫々アーク電流導入部
   （１５）を介してアーク電力を同時に供給するようにし
   たことを特徴とする真空アーク蒸着装置。
2. 【請求項２】　　前記複数台のアーク放電用電源（５）
   に対応して、互いに独立の陽極（４）が前記各アーク電
   流導入部（１５）の近傍に複数個設けられていることを
   特徴とする請求項１の真空アーク蒸着装置。