JPH07180043A - マルチアーク放電方式のイオンプレーティング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 真空チャンバ１内に２つの陰極ａ・ｂが設け
られている。プラズマを収束させた後に拡散させるよう
な磁界を形成する電磁石６が、上記陰極ａ・ｂの前方に
設けられている。 【効果】 電磁石６の形成する磁界の影響を受けて、各
陰極ａ・ｂの前方においてプラズマが収束された後に拡
散されるので、各陰極ａ・ｂから蒸発した金属イオンの
プラズマ中での混合率が従来よりも向上し、コーティン
グ対象物１１の真空チャンバ１内の位置に関係なく、ど
の位置でも合金膜の混合比が略同じとなる。また、収束
されたプラズマ中でのイオン化率の向上により、従来に
比べてドロップレットの低減を図ることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空中でのアーク放電
による陰極金属（蒸発源）の蒸発およびイオン化を利用
してコーティング対象物をコーティングするアーク放電
方式のイオンプレーティング装置に関し、特に、真空中
に複数の異なる蒸発源を設けて合金膜をコーティングす
ることができるマルチアーク放電方式のイオンプレーテ
ィング装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】イオンプレーティング装置には、陰極金
属のイオン化率およびイオンエネルギーが高く、成膜速
度が速く、且つ、膜の密着性に優れたアーク放電方式の
イオンプレーティング装置がある。このアーク放電方式
のイオンプレーティング装置では、陰極金属を目的とす
る混合比の合金とすることにより、コーティング対象物
に合金膜をコーティングすることができる。

【０００３】しかしながら、上記の方法で合金膜をコー
ティングする場合、目的とする混合比の合金陰極（蒸発
源）をまず製作する必要があり、陰極製作の技術が必要
である。また、合金膜の混合比を変更しようとする場
合、その度に混合比の異なる合金陰極を製作する必要が
あり、合金膜の混合比を容易に変更することができない
等の問題がある。

【０００４】そこで、従来より、図３に示すように、真
空チャンバ５１内に材質の異なる２つの陰極金属ａ・ｂ
を設置し、陰極ａと陰極ｂとでアーク電流比を変えるこ
とによって、陰極ａ・ｂの金属の混合比を制御して所望
の混合比の合金膜をコーティング対象物５２の表面にコ
ーティングする方法が用いられている。

【０００５】上記の方法を用いたマルチアーク放電方式
のイオンプレーティング装置は、陰極ａと真空チャンバ
５１との間にアーク電圧を印加する第１アーク電源５３
と、陰極ｂと真空チャンバ５１との間にアーク電圧を印
加する第２アーク電源５４を備えており、上記の両アー
ク電源５３・５４はともに可変定電流電源である。

【０００６】上記真空チャンバ５１と同電位のトリガ５
５・５６をそれぞれ陰極ａ・ｂに接触させた後に開放す
ることによってアーク放電が起こり、斜線で示すような
プラズマ領域５７・５８が発生する。このとき、陰極ａ
・ｂの表面上におけるアーク放電が発生した局所的な部
分（アークスポット）にアーク電流が集中してジュール
加熱が生じ、陰極ａ・ｂの金属が溶融蒸発し、金属原子
や溶融金属粒子が放出される。各陰極ａ・ｂから蒸発し
た金属原子や金属粒子は、上記のプラズマ領域５７・５
８中で、電子或いは真空チャンバ５１内に導入されてい
る導入ガスと衝突し、導入ガスとともにイオン化され
る。真空チャンバ５１内にセットされたコーティング対
象物５２には、定電圧のバイアス電源５９から負のバイ
アス電圧（例えば、コーティング時は−２００Ｖ程度）
が印加されており、イオン化された金属がコーティング
対象物５２の方へ加速されてコーティング対象物５２の
表面に付着する。

【０００７】上記のイオンプレーティング装置では、第
１アーク電源５３と第２アーク電源５４とのアーク放電
電流比を変えることによって、陰極ａ・ｂから蒸発する
金属の比を任意に変えることができ、コーティング対象
物５２をコーティングする合金膜の混合比を容易に変更
することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のイオンプレーティング装置では、プラズマ領域５７
・５８が、各陰極ａ・ｂの前方に限られるため、各陰極
ａ・ｂから蒸発した金属のイオンも、各陰極ａ・ｂの前
方の限られた領域において発生し易い。このため、コー
ティング対象物５２におけるＡ・Ｂ・Ｃの各場所で、合
金膜の混合比が異なるといった不都合が生じる。

【０００９】本発明は、上記に鑑みなされたものであ
り、その目的は、コーティング対象物の設置位置に関係
なく、コーティング対象物の表面に略同じ混合比の合金
膜をコーティングすることができるマルチアーク放電方
式のイオンプレーティング装置を提供することにある。

【００１０】また、本発明の他の目的は、従来よりもド
ロップレットの低減を図れ、成膜表面粗さを改善するこ
とができるマルチアーク放電方式のイオンプレーティン
グ装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のマルチアーク放
電方式のイオンプレーティング装置は、真空チャンバ内
に複数の蒸発源が設けられており、アーク放電によって
各蒸発源から成膜粒子を蒸発させてプラズマ中でイオン
化し、イオン化した成膜粒子を加速して真空チャンバ内
に設けられたコーティング対象物へ付着させるものであ
って、上記の課題を解決するために、以下の手段が講じ
られていることを特徴とするものである。

【００１２】即ち、上記イオンプレーティング装置は、
プラズマを収束させた後に拡散させるような磁界を、上
記真空チャンバ内における上記複数の蒸発源の前方に形
成する磁界形成手段を備えている。

【００１３】

【作用】上記の構成によれば、真空チャンバ内に複数の
蒸発源が設けられており、各蒸発源を構成する金属を異
なる材質のものにすると、コーティング対象物の表面に
合金膜を成膜することができ、また、各蒸発源のアーク
放電電流を変えることによって合金膜の組成比を容易に
変えることができる。

【００１４】上記複数の蒸発源の前方には、磁界形成手
段によってプラズマを収束させた後に拡散させるような
磁界が形成されている。この磁界形成手段が形成する磁
界の影響を受けて、各蒸発源の前方においてプラズマが
収束されるので、各蒸発源から蒸発した成膜粒子がプラ
ズマ中の電子やイオンと衝突する確率が非常に高く、成
膜粒子のイオン化が促進される。また、プラズマ中でイ
オン化された各蒸発源から蒸発した成膜粒子は、上記の
プラズマが収束された部分で効率的に混合される。

【００１５】また、プラズマは、磁界によって収束され
た後に拡散されるので、プラズマが収束された部分で効
率良く混合された各成膜粒子イオンは、プラズマ中で大
きくひろがりながら混合されるので、混合率がさらに高
くなる。

【００１６】このように、各蒸発源から蒸発した成膜粒
子のプラズマ中での混合率が従来よりも向上するので、
コーティング対象物の真空チャンバ内の位置に関係な
く、どの位置でも合金膜の混合比が略同じとなる。ま
た、収束されたプラズマ中でのイオン化率の向上によ
り、従来に比べてドロップレットの低減を図ることもで
きる。

【００１７】

【実施例】本発明の一実施例について図１および図２に
基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００１８】本実施例に係るマルチアーク放電方式のイ
オンプレーティング装置は、エンハンスドアークと呼称
される技術を応用したものであり、図１に示すように、
真空チャンバ１を有し、この真空チャンバ１内の所定位
置には材質の異なる２つの陰極金属（蒸発源）ａ・ｂが
並設されている。上記の陰極ａと真空チャンバ１との間
には、可変定電流電源である第１アーク電源２から、ア
ーク放電のための数十ボルト程度のアーク電圧が印加さ
れるようになっている。また、上記の陰極ｂと真空チャ
ンバ１との間には、可変定電流電源である第２アーク電
源３から、アーク放電のための数十ボルト程度のアーク
電圧が印加されるようになっている。また、上記の各陰
極ａ・ｂの近傍には、各陰極ａ・ｂにおいてアーク放電
を容易に発生させるための、真空チャンバ１と同電位の
トリガ４・５が設けられている。

【００１９】また、上記真空チャンバ１内には、プラズ
マを収束させた後に拡散させるような磁界を、上記真空
チャンバ１内における上記陰極ａ・ｂの前方に形成する
磁界形成手段としての電磁石６が設けられている。この
電磁石６は、陰極ａ・ｂの前方位置に陰極ａ・ｂを取り
巻くようにして設けられた円筒状のコア７と、上記のコ
ア７の外周部に巻回された円筒状電磁コイル８と、この
電磁コイル８を被覆して磁力線回路を形成する、磁性材
からなる磁力回路部９とを有している。また、上記コア
７の一部分が切欠され、エアギャップ１０が形成されて
いる。

【００２０】また、上記真空チャンバ１内の所定位置に
は、コーティング対象物１１がセットできるようになっ
ており、このコーティング対象物１１には、定電圧電源
であるバイアス電源１２より−１００〜−１０００Ｖ程
度の負のバイアス電圧が印加されるようになっている。

【００２１】また、上記真空チャンバ１には、Ｎ₂ ガス
等のガスをチャンバ内に導入するためのガス導入部１ａ
が設けられている。

【００２２】上記の構成において、イオンプレーティン
グ装置の動作を以下に説明する。

【００２３】上記円筒状の電磁コイル８に電流を流す
と、磁力回路（コア７−磁力回路部９−コア７）が形成
され、コア７に形成されたエアギャップ１０によって、
陰極ａ・ｂの前方に形成される磁界が、電磁コイル８の
中心付近に絞り込まれる（図２参照）。また、エアギャ
ップ１０によって電磁コイル８の中心付近に大きく絞り
込まれた磁界は、そこから離れるに連れて大きくひろが
る。

【００２４】次に、コーティングしようとする合金膜の
混合比に応じて、第１アーク電源２と第２アーク電源３
とのアーク電圧比を調整し、真空チャンバ１内にＮ₂ ガ
ス等のガスを導入し、トリガ４・５をそれぞれ陰極ａ・
ｂに接触させた後に開放することによってアーク放電を
生じさせてプラズマを生成する。このとき発生するプラ
ズマは、上記電磁石６によって形成された磁界の作用を
受け、真空チャンバ１内には図１中に斜線で示すような
プラズマ領域１３が発生する。特に、プラズマ中の電子
やイオンは、図２に示すように、磁力線にからみついて
旋回運動を行ない電磁コイル８の中心付近に集中するの
で、電磁コイル８の中心付近のプラズマ密度が非常に高
くなり、プラズマ集光部ができる。そして、上記のプラ
ズマ集光部から離れるに連れて、プラズマが発散する。

【００２５】また、このとき、陰極ａ・ｂの表面上にお
けるアーク放電が発生した局所的な部分（アークスポッ
ト）にアーク電流が集中してジュール加熱が生じ、陰極
ａ・ｂの金属が溶融蒸発し、成膜粒子としての金属原子
や溶融金属粒子が放出される。上記のアークスポットは
短時間で消滅し、新たに放電条件を備えた新しいアーク
スポットに放電が移行する。このように、アークスポッ
トは短時間活動した後に消滅し、またすぐに再活動する
といった過程を繰り返しながら陰極ａ・ｂの表面上を動
き回る。

【００２６】各陰極ａ・ｂの表面上のアークスポットの
軌道は、電磁石６によって形成された上記の磁界の影響
を受ける。即ち、アークスポットは、図２に示すよう
に、陰極ａ・ｂの表面と交差する磁力線との間の鋭角方
向に力Ｆを受ける。このため、アークスポットは、各陰
極ａ・ｂ表面上において、電磁コイル８の中心付近に局
限される。

【００２７】このように、金属原子や溶融金属粒子の発
生源となるアークスポットが電磁コイル８の中心付近に
局限されるので、各陰極ａ・ｂから蒸発する金属は、電
磁コイル８の中心付近に集中する。

【００２８】このように、各陰極ａ・ｂから蒸発した金
属原子や金属粒子は、上記のプラズマ領域１３中で、電
子や導入ガスと衝突し、導入ガスとともにイオン化され
る。上述したように、電磁コイル８の中心付近は、電子
やイオンが磁界によって閉じ込められてプラズマ密度が
非常に高くなったプラズマ集光部が形成されているの
で、上記の蒸発金属が電子やイオンと衝突する確率が非
常に高く、蒸発金属のイオン化が促進される。このた
め、本イオンプレーティング装置では、１００％近いイ
オン化率が得られる。

【００２９】上記のように、電磁石６の形成する磁界の
影響を受けて、アークスポットが電磁コイル８の中心付
近に局限され、且つ、プラズマが電磁コイル８の中心付
近に収束されるので、各陰極ａ・ｂから蒸発した金属は
ともに電磁コイル８の中心付近でイオン化され易く、各
陰極ａ・ｂの金属イオンの混合率は非常に高くなる。

【００３０】また、電磁石６の形成する磁界の影響を受
けて、プラズマ集光部から離れるに連れてプラズマが発
散するので、プラズマ集光部でイオン化して混合された
各陰極ａ・ｂの金属イオンも、その後、大きくひろが
り、プラズマ中の各陰極ａ・ｂの金属イオンの混合率が
さらに高くなる。

【００３１】この後、プラズマ中の各陰極ａ・ｂの金属
イオンは、バイアス電源１２から−２００Ｖ程度の負の
バイアス電圧が印加されたコーティング対象物１１の方
へ電界により加速されてコーティング対象物１１の表面
に付着する。この場合、上記のようにコーティング対象
物１１の前方においてひろがりを持ったプラズマ領域１
３が形成されており、そのプラズマ領域１３中の各陰極
ａ・ｂの金属イオンの混合率が高いので、コーティング
対象物１１におけるＡ・Ｂ・Ｃの各場所の合金膜の混合
比は略同じとなる。

【００３２】尚、コーティングしようとする合金膜の混
合比を変更する場合、第１アーク電源２と第２アーク電
源３とのアーク電流比を変えるだけで、任意の混合比の
合金膜をコーティング対象物１１表面にコーティングす
ることができる。

【００３３】また、上述のように、本イオンプレーティ
ング装置では、イオン化率が非常に高い（従来のマルチ
アーク放電方式のイオンプレーティング装置では８０％
程度のイオン化率であるが、本イオンプレーティング装
置では１００％近いイオン化率が得られる）ので、従来
のようにイオン化されなかった溶融金属粒子がコーティ
ング対象物の表面に付着することによって生じるドロッ
プレットが殆ど生じることがなく、成膜した表面は非常
にスムースとなり、成膜表面粗さが従来に比べて大幅に
改善される。

【００３４】以上のように、本実施例のマルチアーク放
電方式のイオンプレーティング装置は、真空チャンバ１
内に２つの陰極ａ・ｂが設けられており、アーク放電に
よって各陰極ａ・ｂから成膜粒子を蒸発させてプラズマ
中でイオン化し、イオン化した成膜粒子を電界によって
加速して真空チャンバ１内に設けられたコーティング対
象物１１へ付着させるものであって、プラズマを収束さ
せた後に拡散させるような磁界を、上記真空チャンバ１
内における陰極ａ・ｂの前方に形成する磁界形成手段と
しての電磁石６を備えている構成である。

【００３５】これにより、電磁石６の形成する磁界の影
響を受けて、各陰極ａ・ｂの前方においてプラズマが収
束された後に拡散されるので、各陰極ａ・ｂから蒸発し
た金属イオンのプラズマ中での混合率が従来よりも向上
し、コーティング対象物１１の真空チャンバ１内の位置
に関係なく、どの位置でも合金膜の混合比が略同じとな
る。また、収束されたプラズマ中でのイオン化率の向上
により、従来に比べてドロップレットの低減を図ること
もできる。

【００３６】尚、上記実施例では、２つの蒸発源（陰極
ａ・ｂ）を真空チャンバ１内に設けた例を示している
が、これに限定されるものではなく、蒸発源が３つ以上
であってもよい。上記実施例は、あくまでも、本発明の
技術内容を明らかにするものであって、そのような具体
例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、
本発明の精神と特許請求の範囲内で、いろいろと変更し
て実施することができるものである。

【００３７】

【発明の効果】本発明のマルチアーク放電方式のイオン
プレーティング装置は、以上のように、プラズマを収束
させた後に拡散させるような磁界を、真空チャンバ内に
おける複数の蒸発源の前方に形成する磁界形成手段を備
えている構成である。

【００３８】それゆえ、磁界形成手段が形成する磁界の
影響を受けて、各蒸発源の前方においてプラズマが収束
されるので、各蒸発源から蒸発した成膜粒子がプラズマ
中で効率良くイオン化されるとともに効率的に混合され
る。また、磁界の影響を受けて、プラズマは収束された
後に拡散されるので、各蒸発源から蒸発した成膜粒子イ
オンのプラズマ中における混合率がさらに高くなる。し
たがって、コーティング対象物の真空チャンバ内の位置
に関係なく、どの位置でもコーティング対象物の表面に
成膜される合金膜の混合比が略同じとなる。また、イオ
ン化率の向上により、従来に比べてドロップレットの低
減を図ることができ、成膜表面粗さを改善することがで
きる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すものであり、マルチア
ーク放電方式のイオンプレーティング装置の概略の構成
図である。

【図２】上記イオンプレーティング装置における陰極の
前方に形成される磁界を示すと共に、その磁界の影響に
よるアークスポットの軌道および電子の運動を説明する
説明図である。

【図３】従来例を示すものであり、マルチアーク放電方
式のイオンプレーティング装置の概略の構成図である。

【符号の説明】

１ 真空チャンバ ２ 第１アーク電源 ３ 第２アーク電源 ６ 電磁石（磁界形成手段） ７ コア ８ 電磁コイル ９ 磁力回路部 １０ エアギャップ １１ コーティング対象物 １２ バイアス電源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空チャンバ内に複数の蒸発源が設けられ
   ており、アーク放電によって各蒸発源から成膜粒子を蒸
   発させてプラズマ中でイオン化し、イオン化した成膜粒
   子を加速して真空チャンバ内に設けられたコーティング
   対象物へ付着させるマルチアーク放電方式のイオンプレ
   ーティング装置において、 プラズマを収束させた後に拡散させるような磁界を、上
   記真空チャンバ内における上記複数の蒸発源の前方に形
   成する磁界形成手段を備えていることを特徴とするマル
   チアーク放電方式のイオンプレーティング装置。