JPH0625835A

JPH0625835A - 真空蒸着方法及び真空蒸着装置

Info

Publication number: JPH0625835A
Application number: JP4182496A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tamagaki; 浩玉垣
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1992-07-09
Filing date: 1992-07-09
Publication date: 1994-02-01

Abstract

(57)【要約】【目的】品質と経済性を兼ね備えた皮膜を形成するこ
と。【構成】単数又は複数の蒸着膜形成物質を基板上に蒸
着させる真空蒸着方法において、真空アーク蒸発源を陰
極、坩堝を陽極として真空アーク放電を発生させるとと
もに、陰極で発生した電子ビームアーク放電により発生
させた蒸気と、坩堝から発生した蒸気を同時に基板に供
給しながら、皮膜の形成を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は真空中で基板上に皮膜を
形成する技術に関し、とくにイオンプレーティング法に
より、工具、機械部品などの上に硬質の耐摩耗性皮膜を
形成する方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在いわゆる物理蒸着法による各種皮膜
形成が工業的に幅広く行われている。とくにイオン化さ
れた蒸気を利用するイオンプレーティング法は、密着性
の高い緻密な皮膜が形成できる方法として幅広く使われ
ている。このような技術は、坩堝を用いて蒸気を生成す
る方法と、真空アーク放電を利用して固体の蒸発源から
蒸気を生成する方法に大きく２つに分けられる。

【０００３】前者の代表技術としてはＨＣＤ法と呼ばれ
る技術がある。ＨＣＤ法ではタンタル等の材料で構成し
た中空電極を陰極、蒸発させて皮膜の原料とする物質を
いれた坩堝を陽極として、陰極内部からＡｒ等のガスを
導入しながらアーク放電を発生させる。陰極で発生した
電子はビームとなって、坩堝内の蒸発材料を加熱蒸発さ
せ、さらには蒸気の一部をイオン化させる。このように
して生じた皮膜材料の蒸気を負の電圧を印加した基板
（皮膜を形成する対象）に堆積させ皮膜を形成する。Ｈ
ＣＤ法に類似の技術としては、赤熱したフィラメントか
ら発生した熱電子をビームとして、坩堝内の材料を蒸発
させる技術もある。

【０００４】この技術の場合、非常に大きな蒸発量を容
易に実現でき、鋼板のような大きな面積の基板への処理
を行う場合や非常に厚い皮膜を形成する場合能率的であ
る。また、皮膜形成中の蒸発材料の供給も坩堝に材料を
供給すれば良いため比較的容易であった。一方で、この
方法では後述する真空アーク蒸発法に比べ蒸気のイオン
化率が低く、皮膜の密着性等の面で劣るとの問題点があ
った。またこの方法では、蒸気発生用の放電維持のため
にＡｒガスを導入する必要があり、このＡｒの皮膜への
取り込みが問題視されることもあった。

【０００５】後者の技術は真空アーク蒸着法等とよば
れ、特公昭５８−３０３３などに開示された基本技術に
各種改良を加え現在工業的に多く利用されている。この
方法では、皮膜の原料となる蒸発材料は固体であり、こ
れを陰極に取り付け、近傍に設置した陽極との間に真空
アーク放電を発生させる。このとき、陰極の蒸発材料の
表面にはアークスポットと呼ばれる放電電流が集中した
点が生まれ、非常に高い電流密度により、蒸発材料を瞬
時に蒸気化、イオン化する。一方でアークスポットは蒸
発面上を高速で移動する性質を有しており、冷却された
ターゲットは溶解せず、結果としてあたかも昇華のよう
に固体から蒸気を発生させることができる。

【０００６】この真空アーク蒸着法の最大の特徴は、蒸
発した蒸気のイオン化率の高さにある。したがって、活
性度の高い蒸気を利用しての成膜が可能で、密度の高い
機密な皮膜が容易に形成できる。また、イオン化率の高
い金属蒸気を利用して、基板の表面を清浄化する、いわ
ゆるメタルイオンボンバード処理が可能であり、高い皮
膜と基板の密着力を実現できる。一方で１台の蒸発源で
供給できる蒸気の量に関しては、蒸発材料によっては坩
堝を用いた前記技術におよばず、また形状の決まったタ
ーゲットを蒸発材料に使うことから、蒸発材料の連続供
給が困難であるとの問題点があった。

【０００７】このような、両方の技術の長所を生かす方
法として、本出願人が先に特開平１−１３９７５１や特
開平１−８１９０５等に開示したように、１台の蒸着装
置内にこのような２種類の蒸発源を並列配置してそれぞ
れの長所を生かして蒸着を行うことが提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな装置構成においては、１台の装置内に複数の蒸発源
を設置するため、それぞれに対して陰極・陽極を設ける
必要があり、真空容器内のスペースが多く必要とした。
また、それぞれの蒸発源に蒸発用の電源も必要であっ
た。また、ＨＣＤ法の坩堝を用いる場合においては放電
補助用のＡｒガスが必要であり、皮膜へのＡｒガスの侵
入も懸念された。

【０００９】本発明は上記の問題を解決し、品質と経済
性を兼ね備えた皮膜を形成するための真空蒸着方法とそ
の方法を実施するための装置を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】しかして、上記目的を達
成するために講じた本発明方法は、単数又は複数の蒸着
膜形成物質を基板上に蒸着させる真空蒸着方法におい
て、真空アーク蒸発源を陰極、坩堝を陽極として真空ア
ーク放電を発生させるとともに、陰極で発生した電子ビ
ームを陽極の坩堝内の蒸発材料に照射して加熱・蒸発さ
せ、真空アーク蒸発源で真空アーク放電により発生させ
た蒸気と、坩堝から発生した蒸気を同時に基板に供給し
ながら、皮膜の形成を行う点に特徴があり、また本発明
装置は、真空容器1 内に、基板15に蒸気を供給可能に配
置され、かつ陰極となる固体ターゲット5 を備えた真空
アーク蒸発源2 と、基板15に蒸気を供給可能に配置さ
れ、かつ蒸発材料10を収容した陽極となる坩堝3 とを備
え、前記真空アーク蒸発源2 と坩堝3 をアーク電源4 に
接続されてなる点に特徴を有する。

【００１１】

【作用】この装置における皮膜の形成は、真空アーク蒸
発源2 から供給される蒸気6 と坩堝3 から供給される蒸
気12の両方により行われる。すなわち、真空アーク蒸発
源2 で真空アーク放電を図示しない点火機構により発生
させると、アークスポットが蒸発面8 上に発生し、ここ
から高い割合でイオン化したターゲットの蒸気6と放電
電流を運ぶ電子7 が放電される。このうち蒸気6 は基板
15に向け照射され、基板17上で凝縮して皮膜を形成す
る。放電された電子7 は陽極である坩堝3 に向かい、坩
堝3 近傍の磁場によりガイドされて、坩堝3 内の蒸発材
料10に照射され、放電電源から供給される電力により、
蒸発材料10を加熱する。加熱された蒸発材料10はやがて
温度が上昇し、蒸発が始まる。この蒸気12は同様に基板
15に向け照射され、皮膜を形成することになる。

【００１２】坩堝3 から発生した蒸気12は基板15へ向か
う途中において、蒸発材料10を加熱した電子ビームと衝
突をひきおこし、この過程でイオン化も行われる。した
がって、本発明では真空アーク蒸発源2 から発生した蒸
気6 も坩堝3 から発生した蒸気12もイオン化されてお
り、バイアス電源16より負の電圧を基板15に印加するこ
とで、イオン化した蒸気を加速しながら皮膜を形成で
き、品質に優れた皮膜を形成できる。

【００１３】以上の過程において、本発明によるとＨＣ
Ｄ法で必要とされるようなＡｒなどの放電ガスは必要な
く、高真空下での皮膜形成が実現できる。もちろん、形
成する皮膜が金属の窒化物、炭化物、酸化物あるいはこ
れらの混合物である場合には、目的に応じて、窒素、炭
化水素、酸素などの反応性ガスを皮膜形成中に導入する
ことで、反応性の蒸着も可能である。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の方法を図１に示した装置と共
に説明する。なお、ここでは本発明の開示に必要な項目
のみ説明、図示するものとして、真空アーク蒸着法やＨ
ＣＤ法など坩堝を用いる蒸発源などの周知技術に関する
詳細にかかわる説明は省略する。

【００１５】本発明では、真空容器1 内に真空アーク蒸
発源2 、および坩堝3 が設置され、これに対して外部に
設けた電源4 より、真空アーク蒸発源2 を陰極、坩堝3
を陽極として電力が供給される。ここでの真空アーク蒸
発源2 は、周知技術の真空アーク蒸着技術において陰極
を構成したものと基本的に同一である。すなわち、真空
アーク蒸発源2 には、固体のターゲット5 （蒸発材料）
が取り付けられ、ここを陰極として図示しないアーク点
火機構によってアーク放電を開始すると、ターゲット5
表面にアークスポットと呼ばれる放電電流が集中した点
が生まれる。この点においては集中したエネルギーによ
り蒸発現象が起こり、蒸気6 を発生するとともに、放電
電流を運ぶ電子7 が放出される。ターゲット5 は通常加
熱を防止するため水冷され、また通常はターゲット5 の
蒸発面8 周囲にはリング状のアークの閉じ込め機構9 が
取り付けられ、アークスポットの位置を蒸発面内に限定
している。

【００１６】一方、陽極を構成する坩堝3 も、基本的に
は周知技術であるＨＣＤ法で用いられるものと同一の構
成を有する。坩堝3 内には蒸発させ皮膜の原料となる材
料10を投入し、陰極で発生した電子7 をビームとして照
射して、加熱、溶融させ、さらには蒸気12を発生させ
る。坩堝3 は通常図示しない構造によって水冷されてい
る。坩堝3 の周囲や背後には電子ビームを蒸発材料10に
向かい確実に導くための磁場を形成するための手段（電
磁コイルなど）13が準備される。また、必要に応じて坩
堝3 内に蒸発材料10を連続供給するための手段（図示し
ない）が付加されることがある。

【００１７】真空容器1 内には、皮膜を形成する対象で
ある基板15が設置され、形成される皮膜特性を改善する
目的でバイアス電源16より負の電圧が供給される。真空
容器1 は皮膜形成に適した環境を達成するため真空ポン
プ17により排気されている。また、真空容器1 にはチタ
ンなどの金属を蒸発させ、皮膜形成時に窒素などの反応
性ガス雰囲気中でＴｉＮなどの化合物皮膜を形成するい
わゆる反応性蒸着を行うための、ガス導入機構18が付属
している。

【００１８】本発明においては、真空アーク蒸発源2 と
坩堝3 蒸発源の両方から同じ皮膜材料を蒸発させるのが
最も普通の使い方であるが、形成する皮膜を２種類の材
料の混合物としたい場合には、異なる材料をそれぞれの
蒸発源から蒸発させることも可能である。この場合に
は、真空アーク蒸発源2 側に比較の上で融点の高い材料
を、坩堝3 側に融点の低い材料を準備することが有利で
ある。これは、坩堝3 からの蒸発は低融点の材料ほど蒸
発効率が急速に高くなるのに対して、真空アーク蒸発源
2 での蒸発は材料の融点による蒸発量の変化が坩堝3 か
らの蒸発にくらべて大きくなく、比較の上で高融点材料
の蒸発に適しているからである。

【００１９】次に、本発明の皮膜形成例えばピストンリ
ンクなどの機械部品などに対するクロム窒化物のコーテ
ィングについての具体的実施例を示す。まず、皮膜を形
成する基板を周知の方法で洗浄した後、装置内に適当な
治具によりセットする。この後、真空容器内を真空によ
り10^-4から10^-5Torr前後の高真空に排気する。この後、
ヒーターなどを用いた基板15の加熱を必要に応じて実施
する。加熱時間は数１０分から１００分程度にわたり実
施され、加熱後の基板15の温度は２５０から４００℃程
度となる。基板15の種類に依ってはこの加熱工程は省略
されることもある。

【００２０】この後、基板15には６００から１０００Ｖ
程度の負のバイアス電圧を印加するとともに、真空アー
ク蒸発源2 でアーク放電を発生させ、イオン化されたク
ロムの蒸気6 を照射し、いわゆるメタルイオンボンバー
ドにより基板15表面をエッチングすることで清浄化し、
またイオンの衝撃の効果により、基板材料と皮膜材料が
混合したものを基板表面上に形成する。このことによ
り、高い皮膜の密着性を実現できる。ここでは坩堝3 は
陽極として作用しているが、放電開始直後の状態におい
ては蒸発材料10の加熱は十分でなく、坩堝3 からの蒸気
発生はほとんどない。したがって、メタルイオンボンバ
ードはもっぱら真空アーク蒸発源2 で発生した高い割合
でイオン化した蒸気6 によって行われる。

【００２１】この工程においてアーク放電電流は５０か
ら２００Ａ程度であり、アーク放電電圧は数十Ｖであ
る。メタルイオンボンバードは通常数分から１０分程度
継続され、この間に基板15の温度は皮膜形成に適した４
００から５５０℃に加熱される。この工程は、通常は高
真空下で実施するため反応ガスの導入は行わないが、エ
ッチングの強度をマイルドにするためなどの目的で、補
助的に導入したガスの雰囲気下で行うこともある。ま
た、この工程においては、電子ビームを坩堝3 内に集中
させる目的の磁場を後の蒸着工程より低く設定して、電
子ビームを拡散させた状態として、坩堝3 からの蒸気発
生を抑制することも有用である。

【００２２】以上の工程で高い密着力で皮膜を形成する
ための準備が完了したら、次の皮膜形成工程に進む。皮
膜形成工程では前工程から電子ビームにより加熱されて
きた坩堝3 内の蒸発材料10が蒸気を発生する温度に達
し、坩堝3 からの蒸気の供給が開始される。前工程で磁
場を弱め電子ビームを拡散させていた場合には、磁場を
所定の強度にまで高め、電子ビームの坩堝3 内の材料10
への集中を行う。このようにして発生した蒸気12は、基
板15に達する途上で電子ビームに遭遇して一部はイオン
化し、真空アーク蒸発源2 から供給された蒸気6 ととも
に基板15に照射され、堆積して皮膜を形成する。

【００２３】皮膜形成工程においては、基板15に印加す
るバイアス電圧はイオンボンバード中よりは小さく、通
常０から３００Ｖの範囲の負の電圧が加えられる。Ｃｒ
Ｎのような金属窒化物の皮膜を形成する場合には反応ガ
スとして、窒素が真空容器1内に導入され、反応性の蒸
着が行われる。この工程では、皮膜を形成する蒸気は真
空アーク蒸発源2 と坩堝3 の両方より供給されるため、
イオン化の割合は真空アーク蒸発源2 単独の蒸気イオン
化率よりは多くの場合低下するが、この工程においては
イオンボンバードの場合よりイオン化率は重要でなく、
むしろ坩堝3 から効率よく生成された蒸気を利用するこ
とによる経済性が重視される。

【００２４】成膜工程においては、アーク放電電流はボ
ンバード工程よりも高い成膜速度を得るため高めに設定
することが多く、通常１００から５００Ａ程度の範囲の
電流値で運転され、放電電圧は数十Ｖである。皮膜形成
中の基板15の温度は４００から５５０℃程度が通常望ま
しく、皮膜の形成条件（放電電流、バイアス電圧など）
を適切に制御することで実現される。形成する皮膜の膜
厚は放電電流と成膜時間により決定され、操業条件の確
立後は成膜時間の管理により膜厚を実現する。成膜時間
は形成する皮膜の膜厚によって数分から数時間の範囲と
なる。

【００２５】以上のように、皮膜形成が終了した後は、
放電を停止し、真空中または負活性ガスを導入した雰囲
気下で基板を室温から２００℃程度の範囲まで冷却し、
真空容器から取り出され、成膜処理の完了とする。この
ようにして、形成された皮膜はボンバード工程において
高い割合でイオン化した蒸気により、メタルイオンボン
バードされているため基板との密着力が高く、また坩堝
で発生した蒸気を併用するため形成に要する費用も経済
的である。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、真空アーク蒸発源と坩
堝を用いた蒸発源の複数蒸発源を真空容器内に設置する
にもかかわらず、１組の陰極・陽極を有するにすぎず、
真空容器内のスペースを節約できる。また、複数蒸発源
を有するにもかかわらず、１台の電源から電力を供給す
るだけでよく、装置構成の面でも装置運転の面でも経済
的である。さらに、真空アーク蒸発源ではＡｒなどのガ
スを放電維持の目的で導入する必要もなくなる。

【００２７】したがって、本発明によると真空アーク蒸
着法とＨＣＤ法の組み合わせによる従来技術で得られ
る、真空アークによる高いイオン化率の蒸気の利用と坩
堝蒸発源による蒸着速度面での利点をそのまま生かしな
がら、複数蒸発源組み合わせにともなう問題点を克服で
き、装置としても安価であり、品質と経済性を兼ね備え
た皮膜が形成できる点で優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の１実施例を示す模式図である。

【符号の説明】

１真空容器２真空アーク蒸発源３坩堝４アーク電源５ターゲット６蒸気７電子８蒸発面９アーク閉じ込め機構１０蒸発材料１２蒸気１３磁場形成手段１５基板１６バイアス電源１７真空ポンプ１８ガス導入機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単数又は複数の蒸着膜形成物質を基板上
に蒸着させる真空蒸着方法において、真空アーク蒸発源を陰極、坩堝を陽極として真空アーク
放電を発生させるとともに、陰極で発生した電子ビーム
を陽極の坩堝内の蒸発材料に照射して加熱・蒸発させ、
真空アーク蒸発源で真空アーク放電により発生させた蒸
気と、坩堝から発生した蒸気を同時に基板に供給しなが
ら、皮膜の形成を行うことを特徴とする真空蒸着方法。
【請求項２】真空容器(1) 内に、基板(15)に蒸気を供
給可能に配置され、かつ陰極となる固体ターゲット(5)
を備えた真空アーク蒸発源(2) と、基板(15)に蒸気を供
給可能に配置され、かつ蒸発材料(10)を収容した陽極と
なる坩堝(3)とを備え、前記真空アーク蒸発源(2) と坩
堝(3) をアーク電源(4) に接続されてなることを特徴と
する真空蒸着装置。