JPH0510422B2 - - Google Patents

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JPH0510422B2
JPH0510422B2 JP61151307A JP15130786A JPH0510422B2 JP H0510422 B2 JPH0510422 B2 JP H0510422B2 JP 61151307 A JP61151307 A JP 61151307A JP 15130786 A JP15130786 A JP 15130786A JP H0510422 B2 JPH0510422 B2 JP H0510422B2
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cathode
anode
electric arc
conductive surface
evaporation surface
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Baaguman Kuraaku
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ANDARU CORP
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Publication of JPH0510422B2 publication Critical patent/JPH0510422B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32055—Arc discharge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、物理蒸着に関し、特に改良された
電弧真空蒸着コーテイング方法及び装置に関す
る。
［従来の技術］ 一 般 蒸着コーテイングは、一般的に「化学」蒸着と
「物理」蒸着に分類される。両者とも一般的に蒸
着室すなわちコーテイング室を用い、蒸着室中で
はコーテイング材料の「プラズマ」が生成され、
これがコーテイングすべき基板に投射される。基
板に施されるコーテイングの使用目的並びに基板
の形状及び材質は非常に様々である。すなわち、
セラミツクや陶器材料に装飾に目的のために施さ
れるコーテイング、半導体チツプの表面に回路の
内部配線のために施されるコーテイング、さら
に、切断工具やベアリングの表面に耐摩耗の目的
で施されるコーテイングと様々である。同様に、
コーテイング材料の物理的性質も導体コーテイン
グから半導体コーテイング、電気絶縁物を構成す
るコーテイングと様々である。
化学蒸着とは、一般的に、反応性ガス元素を蒸
着室中に導入し、反応させて、コーテイングプラ
ズマを有するガス状化合物を形成する蒸着方法を
言う。蒸着を行なう前に蒸着室を真空にして不純
物を除去することもできるが、一般的には、化学
蒸着は大気圧下又は陽圧（大気圧よりも高い）下
で行なわれる。また、化学蒸着に特徴的なこと
は、プラズマ粒子が一般的に反応物質供給源から
基板に向つて直線的に、すなわち照準線に沿つて
接近しないことである。対照的に、物理蒸着は一
般的に蒸着を始める前に蒸着室を真空にしなけれ
ばならず、蒸着工程中も陰圧に保たなければなら
ない。コーテイング材料の少なくとも一部は蒸着
室を真空にする前に蒸着室中に固体状態で存在
し、エネルギー刺激を受けて固体からコーテイン
グ材料のプラズマに変換される。一旦プラズマに
変換されると、コーテイング供給源材料は蒸着室
中の反応性ガス又は他の元素と結合し、実際に基
板に蒸着される前にコーテイング化合物及び分子
を生成する。コーテイングプラズマは典型的には
原子、分子、イオン、イオン化分子及び分子集合
体を包含する。
物理蒸着室中での基板コーテイングは主とし
て、コーテイング供給源から基板に移動するプラ
ズマ粒子によつて「照準線」（line−of−sight）
蒸着により行なわれる。電場及び磁場をかけてプ
ラズマコーテイング流を成型すなわち規定するこ
とができ、基板及び／又は蒸着室の他の部分に電
気バイアスをかけてプラズマのイオン化された成
分を基板に引きつけることを容易にすることもで
きる。固体供給源材料をガス状／蒸気状プラズマ
に変換するために最も一般的に採用される物理蒸
着方法は、(1)抵抗又は誘導加熱、(2)電子線又はイ
オン破壊、及び(3)電源である。
抵抗又は誘導加熱方法では、コーテイング供給
源材料は外部加熱源により又はコーテイング供給
源材料に大きな電流を流すことによつてその融点
にまで加熱される。供給源材料又はその一部はま
ず溶融して液状になり、次に蒸発して気体になつ
てコーテイングプラズマを生成する。電子線及び
イオン破壊法では、コーテイング供給源材料（そ
の固体状態にある）を高エネルギー電子線及び／
又はイオン線で破壊することによつてコーテイン
グ供給源材料の溶融物プールを形成する。この方
法では、固体の供給源材料は典型的に、電子及
び／又はイオンがそれに向けて加速される「標
的」と呼ばれる。破壊電子及び／又はイオンは標
的コーテイング供給源材料に十分な運動エネルギ
ーを与え、原子、イオン、分子、イオン化分子及
び分子集合体をしてコーテイングプラズマの形態
で標的供給源材料を離れさせる。上記した２つの
物理蒸着方法によつて生成されるコーテイングプ
ラズマ粒子のエネルギーレベルは比較的低い。
電 弧 この発明は、上記３番目の物理蒸着方法（すな
わち、電弧蒸着又は陰極アーク蒸着と呼ばれる）
に関する。電弧物理蒸着においては、通常電気バ
イアスがかけられて陰極として機能するコーテイ
ング供給源材料と、この陰極供給源材料陰極と間
隔をあけて配置された陽極との間に電源を形成し
維持する。電弧は大きな電弧、通常30ないし数百
アンペアの電流を流し、コーテイング供給源材料
を気化させるエネルギーを供給する。陰極上で電
弧の末端、すなわち、電弧が陰極に「接触」する
部分は見ることができ、この部分は「陰極スポツ
ト」と呼ばれる。電弧中に存在する電流に依存し
て、１又は２以上のこのような陰極スポツトが同
時に陰極表面上に存在することもあり、材料の表
面上を移動してコーテイング供給源材料をコーテ
イングプラズマに瞬間的に気化する。電弧によつ
て生成されたプラズマ粒子は、電子線、イオン破
壊又は抵抗若しくは誘導加熱法によつて生成され
たプラズマ粒子に比べて有意に大きなエネルギー
レベルを持つて固体供給源を離れる。電弧法は商
業的なコーテイング用途、特に切断工具、ベアリ
ング、ギア等の耐摩耗性コーテイングの経済的な
形成にとつて特に魅力的であることがわかつてい
る。
スネイバーとサブレフらの米国特許第3625848
号及び第3793179号は、種々の公知の電弧蒸着方
法を記載している。これらの特許に開示された電
弧蒸着の方法及び装置は、この発明に関連してお
り、これらの特許はこの明細書に組み入れられた
ものとする。米国特許第3625848号は、犠牲陰極
と、これに隣接するが絶縁された特殊な形状を有
する陽極との間に電弧放電によつてプラズマビー
ムを形成するコーテイングプラズマビームガン技
術を開示している。米国特許第3793179号は、陽
極が任意形状の陽極エンベロープを規定するよう
に配置され、犠牲陰極の蒸発表面が陽極エンベロ
ープによつて規定される空間に向いた電弧蒸着方
法を開示している。この発明はこれらの従来技術
のいずれか又は両方に用いることができる方法及
び装置を提供する。
一般的に、従来の電弧蒸着方法は陰極の陽極に
対する総体的バイアスにおいて２つの電圧コンジ
ダレーシヨン（Voltage considerations）のみを
用いている。例えば、米国特許第3625848号の装
置では、陰極は陽極に対して負にバイアスされる
と記載されており、両極とも１つの真空室に設置
される。実際には、電極バイアスは通常、陽極を
設置又は参照電位に接続し、陰極の負電圧をバイ
アスすることによつて行なわれる。蒸着室はバイ
アスされていない、すなわち電気的にフローテイ
ング状態にあるように描かれている。このような
構造は実験室内で理論的には作動するが、商業的
に用いる場合には、蒸着室は通常導電性材料で形
成されており、あるいは非導電性材料で形成され
ている場合であつてもその内表面が蒸着工程中に
導電性のコーテイング材料によつてコーテイング
され、陽極／陰極バイアス回路の電気的絶縁及び
「フロート」を維持することが困難になる。さら
に、金属製室又は室内の他の導電性表面の電気的
フローテイングの故に、蒸着工程中により移動性
の高い電子が蓄積する。時間が経過すると、この
ような電子の蓄積の故に導電性表面上に表面電荷
が蓄積され、室内で望ましくないマイクロ電弧が
発生する。一方、もしこのような導電性表面が、
表面電荷の蓄積を防止するために参照又は設置電
位に接続されていれば、そのような表面は室内で
追加的な陽極として機能し、それによつて米国特
許第3625848号に記載された原理からはずされて
しまう。
米国特許第3793179号に従つた蒸着構造では、
陽極又はその１部分は、陰極の所望の蒸発面の下
側に位置できるようになつている。例えば、導電
性の蒸着室壁が陽極に接続されている場合には、
陽極は陰極構造をほとんど完全に囲包することが
できる。このような例では、低い電弧電流レベル
において陰極スポツトが所望の陰極蒸発表面から
移動して外にはみ出してしまう傾向がある。も
し、このような陰極スポツトの移動の故に電弧が
陰極の所望の蒸発表面上にない時に陽極に当たつ
た場合には、電弧はそのような表面上で生存しつ
づけることもあり、そうするとコーテイングプラ
ズマをコーテイングすべき基板の方向とは異つた
方向に投射し、また所望の陰極蒸発表面からの蒸
発電弧エネルギーを減少させる。陰極の不所望の
蒸発表面と陽極との間にシールドを戦略的に置く
ことも可能であるが、このようなシールドを設置
し、保守するのに精密さを要し、また、蒸着工程
中に導電性材料によりコーテイングされ得る。こ
のようなコーテイングは、米国特許第3793179号
に記載されているように、シールドの効率を下
げ、極端な場合には陰極とシールドとの間にシヨ
ートが起きる。
この発明は従来技術の上述の問題を解決するた
めの単純で効果的な方法を提供する。この発明
は、装置内の電弧を安定化し、蒸発成分と周りの
室壁との間の電弧を減少させ、陰極スポツトが所
望の陰極蒸発表面から外に逸脱することを防止す
るのに役立つ相対バイアス法を提供することによ
つて、従来の電弧蒸着構造における単一の陽極／
陰極バイアスの枠を超えたものである。この発明
を実施することによつて、コーテイングすべき基
板へのコーテイングプラズマの所望の流れを妨げ
ることを最小限に抑えつつ上記利点が得られる。
この発明のこれら及びこれら以外の利点は、以下
のより詳細な説明によつてより明らかになるであ
ろう。
［発明の概要］ この発明の原理は全ての型の電弧蒸着装置に適
用することができる。特にこの発明は、例えば電
弧を流れる電流が50アンペア未満の低出力電弧蒸
着に有用である。このような低電流レベルでは、
陽極と陰極との間に安定な電弧放電を維持するこ
とは、陰極スポツトが所望の陰極蒸発表面から外
に逸脱する傾向の故に、問題がある。
この発明の１実施例では、基板が真空蒸着室中
で、装置の陰極として働き電弧によつて消費され
るコーテイング供給源材料と陽極との間を通過す
る電弧によつて生成されるコーテイングプラズマ
でコーテイングされる、電弧蒸着装置に用いられ
る方法が提供される。このような電弧蒸着装置に
おいて、この発明の方法は、 (a) 蒸着室を真空し、 (b) 真空蒸着室中で、陽極と犠牲コーテイング材
料供給源陰極との間に、陰極と陽極との間の放
電を維持するのに十分な大きさの第１の電位差
を確立し、 (c) 陰極と陽極との間で電弧を発生させ、 (d) 真空室中における少なくとも１つの導電性表
面と陽極との間に第１の電位差よりもわずかに
小さな第２の電位差を確立し、前記導電性表面
よりも陽極の方が陰極に対してより正にバイア
スされるようにし、 (e) 陽極と前記導電性表面との間に電流通路を提
供し、 (f) 蒸着室中の陽極を、陰極からの電弧によつて
放電された電子が前記導電性表面よりも陽極に
引き付けられるように成形し、犠牲陰極に対し
て配置することを含む。
陰極との間で第２の電位差を確立するために用
いられる導電性表面は、真空室の内壁の少なくと
も一部、又は導電性真空室の内壁の全部であつて
もよい。この発明の原理においてより有意義なこ
とは、室壁が前記導電性表面としてバイアスされ
るのであれば、陰極の所望の蒸発表面と陽極との
間の領域に延びる部分は少なくとも前記導電性表
面としてバイアスされるということである。電弧
の入射のために陰極を離れる電子は、通常正にバ
イアスされたあらゆる導電性表面に向かう。しか
しながら、この発明の原理を適用して、主陽極を
周りの室壁よりも正にバイアスし、かつ陰極表面
を離れた電子を陽極がより引きつけやすいように
陽極を配置、成形することによつて、電子は優先
的に主陽極に向かう。。コーテイングすべき基板
に向かうプラズマ流を有意に妨害しないように所
望のコーテイングプラズマ流の方向に陽極を配置
することによつて、陰極スポツトは所望の陰極蒸
発表面に留まる傾向を示す。なぜなら、陰極スポ
ツトを離れる電子の大多数は、陰極の不所望の蒸
発表面よりも所望の陰極蒸発表面の中心に陰極ス
ポツトを引きつけやすい方向に引きつけられるか
らである。
この発明の１実施例によると、陰極と導電性表
面との間の電位差は、抵抗性の導電通路によつて
確立することができる。この発明の好ましい具体
例における抵抗導電性通路は、約１ないし300オ
ーム、好ましくは約１ないし10オームの抵抗器網
を含む。抵抗器網はまた、可変抵抗手段又は電源
を含んでもよい。この発明の好ましい実施例で
は、相対バイアス網が陽極と導電性表面との間の
電流路を流れる電流を全電弧電流の約10％未満、
好ましくは５％、さらには１％未満に制御するこ
とが好ましい。
陰極の所望の蒸発表面を離れる電子が主陽極の
選択的に向かうようにするために、この発明の好
ましい実施例では、陽極は、陰極から操作上見る
ことができる陽極の外縁部分が、所望の蒸発表面
に一般的に垂直でかつ所望の蒸発表面の外縁部を
通過する垂直面の外側にまで、陽極と所望の陰極
蒸発表面との距離の半分以下に等しい距離だけ延
びるように所望の陰極蒸発表面の方を向いてい
る。
この発明のもう１つの局面によると、真空蒸着
室内で行なわれる電弧蒸着方法であつて、陰極ス
ポツトを所望の蒸発表面に維持することによつて
電弧の安定性を改善した、以下の工程を含む方法
が提供される。
(a) 真空蒸着室中で主陽極とコーテイング供給材
料から成る犠牲陰極との間に電弧を発生させ、
それによつて陰極の所望の蒸発表面上に１又は
２以上の陰極スポツトを形成する。
(b) 主陽極を前記陰極に対して電気的に正にバイ
アスしてこれらの間の電弧を維持する、そして (c)(1) 操作上露出する陰極供給源材料の表面から
見ることができる位置にある、主陽極以外の
少なくとも１つの導電性表面を、陰極に対
し、主陽極よりもわずかに小さく正にバイア
スし、 (2) 所望の陰極蒸発表面の少なくとも実質的な
部分が、主陽極の有意部分を操作上見ること
ができるように、主陽極を所望の陰極蒸発表
面に近接して間隔をあけて配置し、陰極スポ
ツトを離れる電子が前記導電性表面よりも主
陽極に対して優先的に引きつけられるように
し、それによつて陰極スポットを所望の陰極
蒸発表面に維持する。
この発明では、コーテイングすべき基板を主陽
極と陰極との間に置くこともできるし主陽極を陰
極と基板との間に置くこともできる。後者の配置
では、主陽極は、陰極から発射されたコーテイン
グ粒子の大部分が基板に到達することができるよ
うに、コーテイング粒子の移動ができるだけ妨害
しないように成形される。
この発明は、上記陽極の配置及び陰極スポツト
を所望の陰極蒸発表面上に維持するための手段を
包含する上記方法を提供するのみならず、この方
法の実施に用いられる電弧蒸着装置をも提供す
る。
この発明を、真空室中での電弧蒸着のための公
知の方法に関連して説明するけれども、この発明
はこのような公知の方法に限定されるものではな
いことが理解されるべきである。同様に、この発
明を図面に描かれた特定の構造基づいて説明する
けれども、このような装置の図面は模式的に描く
ことを意図しており、このような模式的な図を用
いることを理由としてこの発明を限定的に解釈す
べきでないことが理解されるべきである。この発
明を、陰極材料として特定の金属及び材料を用い
た場合について説明するが、この発明はこのよう
な材料又は金属を用いる場合に限定されるもので
はなく、ここに記載していない他の金属及び材料
を用いた場合にも適用できる。さらに、この発明
の好ましい実施例を、特定の電圧レベルおよび極
性を採用して、図示の構造に基づいて説明する
が、これらの電圧や極性の採用は限定的に解釈さ
れるべきではなく、種々の変形及び置換がこの発
明の範囲内に含まれることを意図している。当業
者はこの明細書に特定的に記載されていない変形
と容易に認識することができるかもしれないが、
それらは明らかに特許請求の範囲の範囲内に含ま
れる。
第１図には、この発明の方法に用いることがで
きる電弧真空蒸着装置が模式的に記載されてい
る。第１図はこの発明に関連した電弧真空蒸着装
置を単に模式的に描いたものであり、このような
模式図は詳細を完全に示していないことを強調す
る。電弧蒸着装置及びその種々の部分のより詳細
な説明は、サブレブらの米国特許第3793179号、
ブランドルフらの米国特許第4485759号、バーグ
マンらの米国特許第4448799号、及びスネイバー
らの米国特許第3625848号に記載されている。こ
の発明の理解にこれらの追加的な開示が必要であ
る範囲において、これらの特許中の開示及び表示
はこの明細書に組み入れられたものとする。
第１図において、適当に結合された（図示せ
ず）第１の壁室部分１０ａと第２の壁室部分１０
ｂとを有し、基板がその中でコーテイングされる
蒸着室を規定する閉じた内部空間１１を形成する
真空蒸着室１０が描かれている。図式的に１２で
示される真空ポンプ装置は出口１１ａを介して内
部空間１１に連通しており、当業者によく知られ
ているように室を適当に真空にする。蒸着工程中
の種々の段階で反応ガス又は不活性ガスを内部空
間１１に導入するための適当な手段が１３で示さ
れており、これは入口１１ｂを介して内部空間１
１に連通している。他の一般的な目的のための入
口及び出口を設けて内部空間１１に開口すること
も可能であるが、ここでは図示しないし説明もし
ない。
第１図において「陰極」と示されるコーテイン
グ材料の供給源１５は、蒸着コーテイング工程の
ための蒸着すなわち「プラズマ」の起源であり、
電弧発生装置の一方の電極でもある。電弧蒸着装
置において、このようなコーテイング材料の供給
源は一般的には固体チタンのような物理的な物質
である。供給源材料の物理的形状は円筒状から長
方形状、また、不規則形状と種々のものを採用す
ることができる。供給源材料のタイプも導電性の
もの、半導電性のもの、絶縁性のものと有意に異
なるものを採用することができる。この発明の好
ましい１実施例においては供給源材料は導電性金
属、好ましくはチタンである。供給源材料１５は
図中１６で示される適当な載置手段によつて蒸着
空間１１中に載置される。載置手段１６は典型的
にはその少なくとも１部分が室壁を通過して大気
圧環境下に突出している。第１図の模式図では、
載置手段１６は第２の室壁部分１０ｂを介して突
出している。電弧蒸着工程中に陰極を通過する電
流が大きいので、陰極は非常に熱くなり、外部冷
却を必要とする。このような冷却は典型的には第
１図の１７として模式的に示す水流通システムに
よつて提供され、水流通システム１７は流路１８
を介して陰極載置手段１６に連通している。蒸着
空間１１を真空に維持し、供給源１５を蒸着室壁
部分１０ａ及び１０ｂから電気的に分離するため
に適当な真空シール及び電気的分離手段１９が設
けられている。
装置のエネルギーを発生させ維持するための主
直流電源２０として描かれている。電源 の陰極
は「V1」として示され、陰極載置手段１６を介
して陰極１５に電気的に接続されている。電源２
０の陽極端子は「V2」として示され、２２で示
され、「陽極」と書かれた電弧システムの主陽極
に直接接続されている。電源２０のV2陽極端子
と陽極２２とを接続する導体２３は、２４で示さ
れる室壁１０ｂ中の絶縁シール部材を通過してい
る。
陽極２２は好ましくは、３９で示される真空シ
ール及び絶縁体を通過する信号流路３８によつ
て、適当な冷却液手段により冷却される。陰極の
場合と同様に、冷媒は好ましくは水である。好ま
しい実施例では、陽極は、以下にさらに詳細に説
明する円筒リング状の形状をしている。しかしな
がら、より詳細な説明から明らかになるように、
陽極２２は、ここで述べる「主陽極」として機能
を有するためには図示したような「閉じた」ルー
プ状になつている必要はないことは当業者にとつ
て明らかであろう。同様に、好ましい実施例に関
し、単一の主陽極２２が描かれているけれども、
この発明は、このような陽極が複数であつて全体
として「主陽極」として機能する場合にも適用可
能であることが理解されるべきである。
室１１内でコーテイングされるべき物体は典型
的に基板と呼ばれ第１図では２６で示されてい
る。基板は室内で適当に載置され、基板バイアス
供給機能ブロツク２７で図式的に示されるように
電気的にバイアスをかけてもよく、また適当な加
熱手段（図示せず）によつて加熱することもでき
る。第１図において、陰極、陽極及び基板のよう
な構成部材同志の相対的間隔はあくまでも模式的
に示したものであり、作動可能なシステムにおけ
る実際の寸法を示す意図はないことが理解される
であろう。さらに、以下により詳細に説明するよ
うに基板は第１図に示すように主陽極２２の向こ
う側に必ずしも置く必要はなく、陰極１５と陽極
２２との間に置くことも可能である。
電弧発生トリガ−アセンブリーが図式的に３０
で示されている。トリガーアセンブリー３０は、
いずれの適当な構造のものでもよく、例えば米国
特許第4448799号に記載されているような油圧で
操作されるものであつてもよいし、陰極１５と陽
極２２との間に電弧を発生させることができる他
のいずれの構造のものであつてもよい。好ましい
実施例で例示されるように、トリガ−は、移動可
能な接触棒部材３０ａを有しており、これは陰極
表面１５ａと電気的に接触したり電気的接触を切
断したりするように操作される。陰極表面１５ａ
上に電弧を発生させるための電力は、電源２０の
V2出力端子から、典型的には抵抗器３２と信号
流路３３とを介してトリガ−接触子３０ａに提供
される。信号流路３３は３４で示される絶縁シー
ル部材によつて室壁１０ｂを通過している。米国
特許第4448799号に記載されたように適当なトリ
ガ−活性化手段が提供されると理解されるが、図
示していない。図示の機械的トリガ−３０の好ま
しい具体例では、トリガー３０は、トリガ−ワイ
ヤー30aを陰極１５の上表面１５ａと接触しまた
これから離れるように選択的に移動させることが
できる。電弧発生ワイヤー部材３０ａが陰極１５
の上表面１５ａに接触している時には、電源２０
のV2端子から抵抗器３２、信号流路３５、電弧
発生トリガ−ワイヤー３０ａ、陰極１５、陰極支
持構造１６を介して電源２０のV1出力端子に戻
る閉じた回路が形成される。トリガ−３０が、ワ
イヤー部材３０ａを持ち上げて陰極供給源１５の
上表面１５ａからワイヤー部材３０ａを離すと、
ワイヤー３０ａと陰極表面１５ａとの間の電気回
路が断たれ、電弧にその間のギヤツプを飛び越え
させて陰極表面１５ａ上で電弧を発生させる。真
空室１１中では、電弧が発生すると電弧通路は直
ちに陰極供給源１５と室の陽極部分との間に延
び、その後は電源２０によつて維持される。３０
のようなトリガ−アセンブリーに電流を供給する
多数の変形例は当業者にとつて明らかなように多
数存在し、第１図に示した特定の図式的表示は単
に概念的なものであることが理解されるであろ
う。
上述したように、このような電弧は大きな電
流、典型的には20アンペア以上の電流を流す。陰
極表面１５ａ上の明るいスポツト（陰極スポツ
ト）として見ることができる、電弧を通過する大
きな電気エネルギーが陰極材料を遊離して第１図
に４０で示すコーテイング蒸気又はプラズマを生
成する。陰極表面から遊離された材料は、一般的
に陰極供給源表面１５ａから外に向かつて移動す
る。基板は、コーテイング蒸気４０を遮断するこ
とができるように適当に載置され及び／又はバイ
アスされており、この分野で広く知られたように
それによつてコーテイングされる。
電源２０のV2出力端子はまた、ブロツク３６
で示される「相対バイアス」の陽極出力端子３５
に接続されている。バイアスブロツク３６の第２
の出力端子は「V3」として示され、好ましい実
施例では、室壁部分１０ａ及び１０ｂに電気的に
接続され、５０で示される接地又は参照電位に接
続される。
相対バイアスブロツク３６は、その端子３５と
V3の間の電位差を維持するように作動すること
ができる。第１図に示す好ましい実施例では、端
子３５が直流電源２０のV2出力端子に直接接続
されているので、相対バイアスブロツク３６の陽
極と陰極との間の電位差はV2−V3ボルトである。
相対バイアスとして機能し得るいくつかの要素が
第２図に模式的に示されている。単一の抵抗器又
は抵抗器網３６ａにより、電流が抵抗器３６ａを
流れるとV2とV3との間に安全な電位差が提供さ
れる（オームの法則）ことがわかる。同様に、３
６ｂで示すような可変抵抗器を用いることができ
る。同様に、３６ｃで示される電源も採用するこ
ともできる。第１図における相対バイアスブロツ
ク３６の目的は、陽極２２と室壁１０ａ，１０ｂ
のような、蒸着空間１１内の他の導電性表面とを
常に異なる電位に維持することである。維持され
るべき電位差は、陽極２２が、相対バイアスブロ
ツク３６のV3端子が接続された他の導電性表面
よりも幾分常に陽性になつて前記他の導電性表面
が室１１内の第２電極として機能するようにする
ものである。
第１図に示す模式的図式に従つて操作上接続さ
れた陰極１５と陽極２２との間の電子流関係が第
３図に示されている。陽極２２は一般的に陰極１
５と共軸的に陰極１５の表面１５ａ上に距離
「Ｘ」をあけて配置された円筒状のリング部材と
して描かれている。第３図に示すように、陽極は
陰極１５の外縁の向こう側に距離「ｙ」だけ半径
方向に外側に延びている。第２陽極（図示のよう
に破線５５で示され、好適な具体例では室壁１０
を有している）はV3電位がバイアスされ、陰極
１５の外縁から「ｚ」だけ間隔をあけて配置され
るように描かれている。好ましい実施例では第２
陽極としては室壁１０が描かれているけれども、
室１１内の他の導電性表面もV3電位をバイアス
されて第２陽極として機能することもできること
が理解されるであろう。このような場合には、
「ｚ」は陰極１５の外縁とこのようにバイアスさ
れた第２陽極の表面との距離を指す。
陽極２２は第１図及び第３図に図示した以外に
多くの異なる形状にすることができる。もつと
も、好ましい実施例で例示したように、陽極２２
は、「ｘ」及び「ｙ」によつて、陽極２２がプラ
ズマ流４０を妨げることを最小限にし、陰極表面
１５ａを離れる電子をできるだけ多く第３図の
「Ｃ」で示すような斜めの角度で遮断することが
できるように、大きさを選択し、陰極表面１５ａ
上に配置される。
第３図において、３つの異なる電子経路、すな
わち「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」が描かれている。「Ａ」
で示される電子経路は、一般的に表面１５ａに対
して垂直に、陽極２２の陽電位の影響から逃れる
のに十分な大きなエネルギーを持つて陰極表面１
５ａを離れる比較的高エネルギーの移動電子、及
びプラズマ４０の電気的に中性なプラズマ流中で
あつて、陽極２２の向こう側にまで中性のプラズ
マ流によつて運ばれ易い電子の経路を示す。この
ような電子は陽極２２を越えて蒸着室１０の内部
空間１１に入り、第２陽極として機能するために
主陽極２２よりも幾分低い電位に正にバイアスさ
れている室壁のような表面におそらく引きつけら
れるであろう。第３図において「Ｂ」で示す電子
経路は、主陽極２２によつて直接引きつけられる
であろうエネルギー及び方向性を持つて陰極表面
１５ａを離れる電子の経路を示している。第３図
に示す電子経路「Ｃ」は、電極表面１５ａを斜め
の方向に離れ、正常には（すなわち、陽極２２が
ない状態では）正にバイアスされた（すなわち
V3によつて）室壁１０又は室空間１１内の他の
第２陽極に向かう電子の経路を示している。しか
しながら、第２陽極と主陽極２２との相対バイア
ス電位差（すなわちV2−V3）の故に、経路Ｃを
たどる電子は、第２陽極によつて反発され、より
正のバイアス陽極電位V2によつて引きつけられ
る。
陽極設置の寸法「ｘ」を十分に小さくして
「Ｃ」電子経路をたどろうとする電子を主陽極２
２が集めるようにすると、「Ｃ」経路を通る電子
がそこから発射される陰極スポツトが所望の陰極
侵食表面１５ａに留まる傾向が見られ、陰極構造
１５の外側、特に陰極支持構造１６にまで移動し
たりすることがなくなる。同様に、「ｚ」を「ｘ」
や「ｙ」に比べて比較的大きくすると、「Ｃ」経
路に沿う電子が、室壁１０ａや１０ｂのような、
より小さく正にバイアスされた第２電極表面より
も、より正にバイアスされた主陽極２２の方に引
きつけられる。従つて、ｘ，ｙ，ｚは、陰極を離
れる電子が陰極１５の側面や下側に位置する第２
陽極表面によつて捕集される可能性を有意に減少
させるようにバイアス網３６と組み合わせて選択
される。
上述したことを考慮してｘ，ｙ，ｚを適当に選
択すると、相対バイアス網３６によつてもたらさ
れる相対バイアスは、比較的小さな電弧電流（例
えば20アンペア）においても陰極スポツトを陰極
１５の所望の蒸発表面１５ａ上に維持することに
よつて電弧の安定性を増大する。この発明の好ま
しい態様では、ｘはｙの約２倍以上であり、ｚは
ｘの約２倍以上である。この発明の好ましい態様
では、例えば、寸法はｘが約５cm、ｙが約２cm、
ｚが約10cmとすることができる。
このように、バイアス及び第１図ないし第３図
に示す適当な間隔を採用することによつて、陽極
２２は陰極１５から発射される電子を捕集するた
めの主陽極として働き、陰極スポツトが所望の陰
極蒸発表面１５ａから外にはみ出して移動するこ
とを防止することによつて電弧の安全性を維持す
る。しかしながら、室壁１０ａ，１０ｂ及び室内
でV3に電気的にバイアスされた表面は、第３図
の電子経路「Ａ」に沿う電子及び陽極２２の電位
V2の影響から逃れるのに十分なエネルギーを持
つた電子を捕集して第２陽極として働く。所望の
第２陽極表面（すなわち、それによる電子捕集が
望まれる部分）は、第３図に示すように、主陽極
２２の上（すなわち、寸法ｘよりも上）に位置す
る部分である。このような好ましい第２陽極捕集
表面が第３図５５で示されている。
相対バイアスブロツク３６において採用される
抵抗及び電源の大きさは、配置寸法と組み合わせ
て、電弧電流の約５％未満、さらに好ましくは約
１％未満の電流が相対バイアス網３６を流れるよ
うに選択される。このようなパラメーターは、約
50アンペア以下の低い陰極電流値において特に有
用である。好ましい１実施例では、陰極電圧V1
はV3に対して約−20ボルトであり、電弧電流は
約50アンペアであり、抵抗値は約１ないし300オ
ーム、好ましくは約２ないし10オームであり、こ
のようにすると所望の値の電流がバイアス網を流
れる。あるいは、バイアス網３６は、上記した好
ましい条件の実施例において、第２陽極のバイア
ス電位を、V2−V3が約＋５ないし＋10ボルトに
限定するように選択することも好ましい。バイア
ス網３６を上記のように設定すると、電弧中の平
均電子エネルギーの自己制御効果によつて、主陽
極の第２陽極表面に対する電位が蒸着工程中、比
較的一定に保たれる。
この発明を図示の好ましい１実施例に適用した
場合について説明したけれども、多数の他の実施
例が可能であり、また、異なる電弧蒸着室構造に
も適用することが可能である。同様に、陰極と陽
極との相対的位置関係及び基板に対する位置関係
も多数の変形が可能である。例えば、（限定的意
図はないが）第１図の例では主陽極２２が陰極１
５と基板２６との間に配置されているけれども第
１図に破線２６′に示すように、陰極１５と陽極
２２との間に基板２６′を配置することもこの発
明の範囲に含まれることが当業者によつて理解さ
れるであろう。同様に、１０のような蒸着室は典
型的に１５のような陰極供給源１５を複数有し、
このようなシステムでは複数の陰極供給源がこの
ような陽極構造を共有するようにすることが好ま
しいかもしれないことが当業者によつて理解され
るであろう。このような修飾は、上記記載を参照
することによつて当業者にとつて明らかであろ
う。この記載は、この発明を明確に規定し開示す
るための特定の例を提供することを意図してい
る。従つて、この発明は記載した実施例、又は特
定の部材、配置材料の使用に限定されるものでは
ない。広い特許請求の範囲の範囲に含まれるこの
発明の全ての修飾及び変形はこの発明の範囲内に
入る。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の好ましい１実施例の電弧蒸
着室の基本的構成を示す図、第２図は第１図に示
された相対バイアスブロツクの好ましい構成部材
を示す模式図、第３図は第１図の蒸着室の陽極及
び陰極部分をより詳細に、陰極からの電子流とと
もに示す拡大模式図である。 １０…蒸着室、１５…陰極、２０…直流電源、
２２…陽極、２６…基板、３６…相対バイアス、
４０…プラズマ流、５５…第２陽極。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 犠性コーテイング材料供給源陰極と陽極との
    間を通る電弧によつて形成されるコーテイングプ
    ラズマによつて、真空の蒸着室中で基板の蒸着を
    行なう、電弧蒸着方法において、 (a) 蒸着室を真空にし、 (b) 真空蒸着室中で、陽極と犠性コーテイング材
    料供給源陰極との間に、陰極と陽極との間の放
    電を維持するのに十分な大きさの第１の電位差
    及び電子の帰路を確立し、 (c) 陰極と陽極との間で電弧を発生させ、 (d) 真空室中における少なくとも１つの導電性表
    面と陽極との間に第１の電位差よりもわずかに
    小さな第２の電位差を確立し、前記導電性表面
    よりも陽極の方が陰極に対してより正にバイア
    スされるようにし、 (e) 陽極と前記導電性表面との間に電流通路を提
    供し、 (f) 蒸着室中の陽極を、陰極からの電弧によつて
    放電された電子が前記導電性表面よりも陽極に
    引きつけられるように形成し、かつ犠性陰極に
    対して配置することを含む方法。 ２ 前記導電性表面は前記真空室の内壁の少なく
    とも１部を包含する特許請求の範囲第１項記載の
    方法。 ３ 前記真空室の内壁の前記部分は、前記陰極の
    所望の蒸発表面を含む面と前記陽極との間に延び
    る部分を少なくとも含む特許請求の範囲第２項記
    載の方法。 ４ 前記第２の電位差を維持する工程は、前記陽
    極と前記導電性表面との間に抵抗性の導電性通路
    を設けることによつて行なわれる特許請求の範囲
    第１項記載の方法。 ５ 前記抵抗性の導電性通路は約１ないし300オ
    ームの抵抗器網を含む特許請求の範囲第４項記載
    の方法。 ６ 前記抵抗は約１ないし10オームである特許請
    求の範囲第５項記載の方法。 ７ 前記抵抗性の導電性通路は可変抵抗手段を含
    む特許請求の範囲第４項記載の方法。 ８ 前記第２の電位差を維持する工程は、前記陽
    極と前記導電性表面との間に接続された電源によ
    つて行なわれる特許請求の範囲第１項記載の方
    法。 ９ 前記陽極と前記導電性表面との間を流れる、
    電弧電流の部分は、全電弧電流の約10％未満であ
    る特許請求の範囲第１項記載の方法。 １０ 前記陽極と前記導電性表面との間を流れ
    る、電弧電流の部分は、全電弧電流の約５％未満
    である特許請求の範囲第９項記載の方法。 １１ 前記陽極と前記導電性表面との間を流れ
    る、電弧電流の部分は、全電弧電流の約１％未満
    である特許請求の範囲第９項記載の方法。 １２ 前記陽極と前記陰極の所望の陰極蒸発表面
    との間の距離が、前記陰極と前記導電性表面との
    間の距離の少なくとも約２倍となるように前記陽
    極を前記室中で前記陰極に対して配置する特許請
    求の範囲第１項記載の方法。 １３ 前記陽極は前記陰極の所望の蒸発表面を向
    き、前記所望の蒸発表面は外縁を有し、前記陽極
    の外縁と、前記所望の蒸発表面の外縁を通り該蒸
    発表面と垂直な面との距離は前記陰極と陽極との
    距離の半分以下である特許請求の範囲第１項記載
    の方法。 １４ 前記電弧によつて運ばれる電流は約50アン
    ペア未満である特許請求の範囲第１項記載の方
    法。 １５ 前記導電性表面は接地電位において電気的
    にバイアスされている特許請求の範囲第１項記載
    の方法。 １６ 前記陽極は、前記陰極の所望の蒸発表面と
    平行に、これと間隔をあけて配置されている特許
    請求の範囲第１項記載の方法。 １７ 前記陽極はリング状である特許請求の範囲
    第１６項記載の方法。 １８ 犠性コーテイング材料供給源陰極と陽極と
    の間を通る電弧によつて形成されるコーテイング
    プラズマによつて、真空の蒸着室中で基板の蒸着
    を行なうための電弧蒸着装置において、 (a) 蒸着室を真空にする手段と、 (b) 真空蒸着室中で、陽極と犠性コーテイング材
    料供給源陰極との間に、陰極と陽極との間の放
    電を維持するのに十分な大きさの第１の電位差
    及び電子の帰路を確立する手段と、 (c) 陰極と陽極との間で電弧を発生させる手段
    と、 (d) 真空室中における少なくとも１つの導電性表
    面と陽極との間に第１の電位差よりもわずかに
    小さな第２の電位差を確立し、前記導電性表面
    よりも陽極の方が陰極に対してより正にバイア
    スされるようにする手段と、 (e) 陽極と前記導電性表面との間に電流通路を提
    供する手段を有し、 (f) 蒸着室中の陽極を、陰極からの電弧によつて
    放電された電子が前記導電性表面よりも陽極に
    引きつけられるように形成し、かつ犠牲陰極に
    対して配置した装置。 １９ 前記導電性表面は前記真空室の内壁の少な
    くとも１部を包含する特許請求の範囲第１８項記
    載の装置。 ２０ 前記第２の電位差を維持する手段は、前記
    陽極と前記導電性表面との間に設けられた抵抗性
    の導電性通路である特許請求の範囲第１８項記載
    の装置。 ２１ 前記第２の電位差を維持する手段は、前記
    陽極と前記導電性表面との間に接続された電源で
    ある特許請求の範囲第１８項記載の装置。 ２２ 前記陽極は、前記陰極の所望の蒸発表面と
    平行に、これと間隔をあけて配置されている特許
    請求の範囲第１８項記載の装置。 ２３ 真空蒸着室内で行なわれる電弧蒸着方法に
    おいて、 (a) 真空蒸着室中で主陽極とコーテイング供給材
    料から成る犠牲陰極との間に電弧を発生させ、
    それによつて陰極の所望の蒸発表面上に１又は
    ２以上の陰極スポツトを形成し、 (b) 前記主陽極を前記陰極に対して電気的に正に
    バイアスしてこれらの間の電弧を維持し、 (c)(i) 前記陰極供給源材料の露出する表面からの
    照準線上に位置する、主陽極以外の少なくと
    も１つの導電性表面を、陰極に対し、主陽極
    よりもわずかに小さく正にバイアスし、 (ii) 所望の陰極蒸発表面の少なくとも実質的な
    部分が、主陽極の有意部分を見ることができ
    るように、主陽極を所望の陰極蒸発表面に近
    接して間隔をあけて配置し、陰極スポツトを
    離れる電子が前記導電性表面よりも主陽極に
    対して優先的に引きつけられるようにし、そ
    れによつて陰極スポットを所望の陰極蒸発表
    面に維持することから成る、電弧陰極スポツ
    トを陰極供給源材料の所望の蒸発表面上に維
    持することによつて電弧の安定性を改善する
    方法。 ２４ 前記主陽極は所望の陰極蒸発表面を向き、
    陰極スポツトにおける陰極蒸発表面から発射され
    るコーテイング粒子の動きを妨害することを最小
    限に抑えるように配置される特許請求の範囲第２
    ３項記載の方法。 ２５ 前記主陽極は、前記陰極を離れる電子を捕
    集することはできるけれども、帯電した及び中性
    のコーテイングプラズマ粒子は比較的自由に通過
    してコーテイングすべき基板に到達することを許
    す開口形状を有する特許請求の範囲第２４項記載
    の方法。 ２６ コーテイングすべき基板を、前記電弧によ
    つて所望の陰極蒸発表面から発射されるコーテイ
    ングプラズマ粒子によつてコーテイングされるよ
    うに配置する工程をさらに含む特許請求の範囲第
    ２３項記載の方法。 ２７ 前記基板は部分的に前記所望の陰極蒸発表
    面と前記主陽極との間に位置する特許請求の範囲
    第２６項記載の方法。 ２８ 前記導電性表面は、前記蒸着室の内壁の少
    なくとも一部を含む特許請求の範囲第２３項記載
    の方法。 ２９ 前記導電性表面をバイアスする工程は、電
    弧が維持されている時に、前記主陽極と前記導電
    性表面との間に５ないし10ボルトの電位差を与え
    ることができる相対バイアス網によつて行なわれ
    る特許請求の範囲第２３項記載の方法。 ３０ 電弧によつて運ばれる電流は約50アンペア
    未満である特許請求の範囲第２３項記載の方法。 ３１ 真空蒸着室内で行なわれる電弧蒸着装置に
    おいて、 (a) 真空蒸着室中で主陽極とコーテイング供給材
    料から成る犠牲陰極との間に電弧を発生させ、
    それによつて陰極の所望の蒸発表面上に１又は
    ２以上の陰極スポツトを形成する手段と、 (b) 前記主陽極を前記陰極に対して電気的に正に
    バイアスしてこれらの間の電弧を維持する手段
    と、 (c)(i) 前記陰極供給源材料の露出する表面からの
    照準線上に位置する、主陽極以外の少なくと
    も１つの導電性表面を、陰極に対し、主陽極
    よりもわずかに小さく正にバイアスする手段
    を有し、 (ii) 所望の陰極蒸発表面の少なくとも実質的な
    部分が、主陽極の有意部分を見ることができ
    るように、主陽極を所望の陰極蒸発表面に近
    接して間隔をあけて配置し、陰極スポツトを
    離れる電子が前記導電性表面よりも主陽極に
    対して優先的に引きつけられるようにし、そ
    れによつて陰極スポツトを所望の陰極蒸発表
    面に維持するようにした、電弧陰極スポツト
    を陰極供給源材料の所望の蒸発表面上に維持
    することによつて電弧の安定性を改善した装
    置。 ３２ 前記主陽極は所望の陰極蒸発表面を向き、
    陰極スポツトにおける陰極蒸発表面から発射され
    るコーテイング粒子の動きを妨害することを最小
    限に抑えるように配置される特許請求の範囲第３
    １項記載の装置。 ３３ 前記主陽極は、前記陰極を離れる電子を捕
    集することはできるけれども、帯電した及び中性
    のコーテイングプラズマ粒子は比較的自由に通過
    してコーテイングすべき基板に到達することを許
    す開口形状を有する特許請求の範囲第３１項記載
    の装置。 ３４ コーテイングすべき基板を、前記電弧によ
    つて所望の陰極蒸発表面から発射されるコーテイ
    ングプラズマ粒子によつてコーテイングされるよ
    うにさらに配置した特許請求の範囲第３１項記載
    の装置。
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