JPH0445262A - 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
ーティングや、電子回路、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、真空室内で陰極蒸発
源からアーク放電により被膜形成材料の粒子を発生させ
、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、高アーク電流により、蒸発源であ
る陰極から被膜形成材料の粒子か、プラズマビームとな
って放出され、陰極と基板の間に印加された電圧により
加速されて基板に入射される。そして、その入射粒子の
エネルギーか高いため、基板面に高密度で強度や耐久性
等に優れる被膜を、高い成膜速度をもって形成すること
ができる。

ところか、従来の真空アーク蒸着法では、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、即ちマクロパーティクルやマイク
ロドロップレット等と呼ばれるプラズマ粒子より大きな
粒子が発生することが大きな問題とされていた。具体的
には、陰極材料の溶融粒子か、基板上の堆積被膜中に混
入して、表面粗度の悪化や付着強度の低下を招いたり、
また、反応性被膜の場合には、溶融粒子か未反応のまま
被膜中に取り込まれるという問題が生していた。

このような問題を解決する従来技術としては、例えば、
第５図に示すように、アーク蒸発源（５１）と基板（５
２）との間を、直角方向に曲げられその外周部にソレノ
イド（５４）を設けた曲管路（５３）で連結し、アーク
蒸発源（５１）から発生したプラズマは、ソレノイド（
５４）の磁場の作用にて曲管路（５３）内を曲進させて
基板（５２）まで導く一方、磁気的に中性な溶融粒子は
、直進させて光学的に影となる位置に配した基板（５２
）に到達できないようにして、溶融粒子を含まぬ良質な
被膜の形成を可能とした構成の真空アーク蒸着装置が知
られている。

しかし、第５図に示す例の真空アーク蒸着装置では、溶
融粒子を含まぬ良質な被膜の形成か可能であるものの、
図示のように装置か大掛かりで、利用空間か狭く、装置
全体に対する有効なコーティングエリヤか小さいため、
工業的規模での実施には不向きである。

そこて本発明者等は、本願に先立ち、蒸発源からの溶融
粒子の混入を最小限度にすることか可能で、しかも工業
的、経済的な装置としての条件を具備するものとして、
第４図に示す構成の真空アーク蒸着装置を提案（特願平
１−２４８６９６号）した。

この先願の真空アーク蒸着装置は、真空室（４１）内の
真空雰囲気下において、アーク閉じ込めリング（４４）
に囲まれたアーク蒸発源（４２）の蒸発面（４３）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
（４５）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（４２）の蒸発
面（４３）とその前方の基板（４５）との間の管状部（
４７）の外側の位置に同軸線の空心コイル（４６）を配
置して、空心コイル（４６）の励磁により該空心コイル
（４６）ＩＩより漏洩する磁場か中心軸線Ｘより半径方
向外向きに発散する距離の位置に蒸発面（４３）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（４３）上に発生させたアークスポットを高速に回
転させつつ、該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Ｍに沿って真空空間を通過させて、基
板（４５）上に導いて被膜の形成を行うようにしたもの
である。

この真空アーク蒸着装置では、アークスポットか蒸発面
上を高速にて周回運動するので、一箇所に滞留する時間
か短くなり、アークスポットの周囲の溶融部分の発生か
抑制され、蒸発源から発生する溶融粒子の発生量を減少
させると共にその粒子を小さくする作用が得られる。ま
た、磁力線によるプラズマ誘導効果は中性の溶融粒子に
は作用せず、イオンのみか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
ことができる。この先願技術は、以上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ものである
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記先願の真空アーク蒸着装置では、工業的か
つ経済的な装置構成のもとて、被膜への溶融粒子の混入
をかなり減少させることかできるものの、アーク蒸発面
と基板か対向しているため、蒸発面より中心軸線と平行
に飛び出した溶融粒子の基板への到達は抑止することが
できず、溶融粒子の減少量にはある限度か生じ、これか
より良質な被膜を形成せんとするに問題となる。

本発明者等は、上記先願の構成に更なる検討を加えた結
果、その問題点を解消できる新たな観点を得て本発明を
なしたものである。

すなわち、本発明は、蒸発面からの溶融粒子の混入のな
い良質な被膜の形成か可能であり、しかも工業的、経済
的な装置としての条件を具備して、真空蒸着法の特質を
支障なく実現し得る真空アーク蒸着装置の提供を目的と
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成とされ
ている。すなわち、本発明に係る真空アーク蒸着装置は
、真空下においてアーク蒸発源から発生させた被膜形成
材料のプラズマを基板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、筒状に形成されてその周面を蒸
発面とされたアーク蒸発源と該アーク蒸発源の前方に同
芯に配置された筒状のアノードとの間でアーク放電を発
生させると共に、アーク蒸発源の外部に同芯に配置され
た少なくとも一つの空心コイルを励磁することにより生
じた磁場の磁力線に沿って、アーク蒸発源の円面上のア
ークスポットより発生したプラズマをアーク蒸発源の中
心軸線に交差して配された基板上に導いて被膜を形成す
るものである。

〔作用〕

第１図に本発明に係る真空アーク蒸着装置の主要構成品
の配置を模式的に示す。

本発明においては、アーク蒸発源（２）は筒状に形成さ
れ、その周面のみが蒸発面（３）となるように、根元部
と先端部にはアーク閉じ込めリング（７）が配されてい
る。なお、アーク蒸発源（２）の根元部は、アーク電源
（９）の陰極側に接続されたカソードホルダ（８）に取
り付けられている。

また、アーク蒸発源（２）の前方には、アーク電源（９
）の陽極側に接続された筒状のアノード（４）が同芯に
配置されている。一方、基板（５）は、アーク蒸発源（
２）の中心軸線Ｘに交差して配される。

そして、アーク蒸発源（２）とアーク閉じ込めリング（
７）およびカソードホルダ（８）により構成されるカソ
ード部と、アノード（４）および基板（５）とは、ここ
では図示を省略した真空室（１１内に配置され、アーク
電源（９）により両電極間で真空アーク放電を発生させ
ることができる。また、アーク蒸発源（２）の外部には
、空心コイル（６）か同芯に配置され、該空心コイル（
６）を励磁することにより、アーク蒸発源（２）の蒸発
面（３）にほぼ平行な磁力線Ｍが形成される。

本発明の作用をこの例により説明する。

アークスポットから放出される溶融粒子の方向性につい
ては、文献等により報告されているように、蒸発面に対
して２０〜３０°にピークを持ち、蒸発面に水平な方向
への放出は非常に少ない。本発明では、前述した先願例
と異なり、アーク蒸発源の蒸発面が周面上に限定され、
かつ、この蒸発面に対して水平な前方に基板か位置する
ので、アーク蒸発源より発生した溶融粒子は、そのほと
んどが基板に到着できなくなる。

一方、イオン、電子等のプラズマ粒子については、前述
した先願例と同様に、荷電粒子か磁場中を移動する際に
、磁力線に巻きつくような形で運動する「ラーモア旋回
運動」の効果により、磁力線に沿った方向には移動し易
いが、直交する方向には移動し難いという性質を利用し
て、空心コイルにより形成した磁場により蒸発面付近で
発生したプラズマを、核蒸発面に水平な方向に導くこと
かできる。本発明では、アーク放電回路においてカソー
ドとなるアーク蒸発源の前方にアノードを配置し、これ
らの間でアーク放電を発生させるので、プラズマ中の荷
電粒子は基本的に中心軸線Ｘに平行な速度成分として基
板方向への速度を持つことになり、磁力線にトラップさ
れたプラズマは基板方向に導かれることになる。この効
果により、蒸発面か基板に対向していなくても、成膜速
度の低下を生じさせないと共に、前述した先願例でも効
果として挙げている基板に向かう溶融粒子を相対的に減
少させることか可能となる。

更に第３の効果として、前述した先願例でも効果として
挙げたアークスポットの高速移動効果をより強化して、
アーク蒸発源での溶融粒子の発生を更に抑制することか
可能である。アークスポットの高速移動効果は蒸発面に
平行な磁場成分によって生じるものであり、前述した先
願例では、アーク蒸発源をコイルによる磁場の磁力線が
半径方向外向きに発散する位置に配置することにより、
このアーク蒸発源に平行な方向の磁場成分を得ている。

しかし、この場合、プラズマを誘導するに寄与するアー
ク蒸発源に直交する方向の磁場成分と、アークスポット
の高速移動効果に寄与する平行成分とか相反する成分で
あるため、磁場形状を変えてどちらかの成分を強くしよ
うとすると、反対側の成分を下げることになる。これに
対し、本発明では、プラズマを誘導するための蒸発面に
平行な磁場が、そのままアークスポットを高速移動させ
る磁場となるため、より大きな磁場をアークスポットの
高速移動のために働かせることが可能となるからである
。

本発明では、以上３つの効果により、基板上に形成され
る被膜中への溶融粒子の混入を防止しつつ、工業的に適
用可能な生産性を有した被膜形成が達成される。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第２図は、本発明の真空アーク蒸着装置の一例の要部を
示す正断面図である。なお、本例は第１図の模式図に準
するものであり、第１図と均等の各部は同一符号で示し
、その説明を援用する。

説明を捕捉すると、真空室（１）内において、円筒状に
形成されたアーク蒸発源（２）が、その内部を冷却水導
入フランジαωを通して導入した冷却水によって冷却さ
れるカソードホルダ（８）に取り付けられ、かつアーク
蒸発源（２）の根元部と先端部にはＢＮ型のアーク閉じ
込めリング（７）が配されている。

カソードホルダ（８）は、アーク電源（９）の陰極側に
接続されると共に、絶縁部材αυを介して管状部α２に
取り付けられている。また、管状部α２は、絶縁部材α
Ｊを介してアーク電源（９）の陽極側に接続された円筒
状のアノード（４）に接続され、また、該管状部■の外
部のアーク蒸発源（２９に対応する位置には空心コイル
（６）が配設されている。また、アノード（４）は、絶
縁部材（＋４１を介して真空室（１）本体に取り付けら
れている。ａ９はアーク点火機構である。

一方、基板（５）は、ここでは図示を省略した基板ホル
ダに保持されて、アーク蒸発源（２）の中心軸線Ｘに直
交して配置される。

なお、この実施例では、アーク蒸発源（２）とアノード
（４）の双方を円筒状としたか、これらは筒状であれば
、本発明を実施できる。すなわち、円筒状が望ましいが
、楕円筒や角筒状であっても良い。

また、基板（５）は、アーク蒸発源（２）の中心軸線Ｘ
に直交して配置したか、これは、該中心軸線Ｘに交差す
るのであれば、傾きをもって配置されても良いことは言
うまでもない。

本例の真空アーク蒸着装置の具体的な数値を示すと、ア
ーク蒸発源（２）は、外径５０ｍｍ、長さ５０ｍｍでで
あり、この場合、通常の直径１００ｍｍの平板型ア一り
蒸発源とほぼ等しい面積の蒸発面（３）が得られる。ま
た、空心コイル（６）の内径は２００ｍｍである。

この真空アーク蒸着装置において、空心コイル（６）を
励磁した状態で、アーク電源（９）により電力を供給し
つつ、アーク点火機構０９により真空アーク放電を発生
させると、蒸発面（３）からプラズマ流か磁力線に沿っ
て基板（５）方向に誘導される様子か目視によって確認
された。また、この時、蒸発面（３）上のアークスポッ
トは、その円周面に沿って高速で回転するような動きを
示していた。

また、同装置で、ステンレス鋼（ＳＯＳ３０４）製の基
板（５）を、アーク蒸発源（２）先端より２００ｍｍの
位置に置き、蒸発源としてＴｌ製のターゲットを使用し
、成膜条件として、アーク電流１００Ａ、基板バイアス
電圧−３０Ｖ１真空室（１）内Ｎ、ガス圧力１０ｍＴｏ
ｒｒ、空心コイル（６）の励磁を３（１００Ａ　Ｔとし
て、ＴｉＮ膜の反応性真空蒸着を行った。また、比較例
として、前述した先願による装置にて、同様の条件下で
ＴｉＮ膜を形成した。その結果、溶融粒子の混入の抑制
効果は、比較例よりも更に改善されることか確認されて
いる。また、前述したプラズマを曲進させる構成の従来
技術の装置に比較すると、本発明の装置は、その構造か
簡単で、かつ小型化され、工業的実施に適している。

第３図ａは、本発明の真空アーク蒸着装置の他の一例の
要部を示す正断面図であり、第３図すは第３図ａの部分
拡大断面図である。なお、これら図において、第２図と
均等の各部は同一符号で示してその説明を省略し、その
差異点についてのみ要約説明する。

この例において、第２図に示した例と異なる点は、カソ
ードホルダ（８）内の冷却水路中に、同極同志か向かい
合うように複数の永久磁石ａｅか配置されていることで
ある。これら永久磁石Ｑ５により、アーク蒸発源（２）
の蒸発面（３）付近には、第３図す中に示す磁力線Ｍ′
が形成される。

そして、この磁力線Ｍ′により、アーク放電を発生させ
た際に、プラズマの半径方向への拡散かさらに抑えられ
るため、プラズマをより一層効率的に基板（５）側に誘
導することか可能になる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明に係るアーク蒸着装置によ
ると、蒸発面からの蒸発粒子の混入のない良好な真空ア
ーク蒸着被膜を、高い生産性を維持しながら形成するこ
とが可能であり、しかも、その装置構成を、簡単かつ小
型な構造で工業的実施に適した経済的なものとすること
かできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る真空アーク蒸着装置の主要構成品
の配置を模式的に示す図、 第２図は本発明の実施例の真空アーク蒸着装置の要部を
示す正断面図、 第３図ａは本発明の他の実施例の真空アーク蒸着装置の
要部を示す正断面図、 第３図すは第３図ａの部分拡大断面図、第４図は先願技
術の真空アーク蒸着装置の概念説明図、 第５図は従来技術の真空アーク蒸着装置の概要を示す正
断面図である。 （１）−真空室、 （２）−アーク蒸発源、 （３）−蒸発面、 （４）−アノード、 （５）一基板、 （６）−空心コイル、 （７）−アーク閉じ込めリング、 （８）−力ソードホルダ、 （９）−アーク電源、 α０−冷却水導入フランジ、 Ｑｌ）−一絶縁部材、 α２−管状部、 ０３−絶縁部材、 α４−絶縁部材、 （至）−アーク点火機構、 Ｘ−中心軸線、 Ｍ−磁力線。 特許出願人　　株式会社　神戸製鋼折 代　理　人　　弁理士　　金丸　章− ！ 第２図 第３図ａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　真空下においてアーク蒸発源から発生させた被膜形成
   材料のプラズマを基板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、筒状に形成されてその周面を蒸
   発面とされたアーク蒸発源と該アーク蒸発源の前方に同
   芯に配置された筒状のアノードとの間でアーク放電を発
   生させると共に、アーク蒸発源の外部に同芯に配置され
   た少なくとも一つの空心コイルを励磁することにより生
   じた磁場の磁力線に沿って、アーク蒸発源の円面上のア
   ークスポットより発生したプラズマをアーク蒸発源の中
   心軸線に交差して配された基板上に導いて被膜を形成す
   ることを特徴とする真空アーク蒸着装置。