JPH11140630A - カソードアーク気相堆積装置 - Google Patents

カソードアーク気相堆積装置

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JPH11140630A
JPH11140630A JP10245460A JP24546098A JPH11140630A JP H11140630 A JPH11140630 A JP H11140630A JP 10245460 A JP10245460 A JP 10245460A JP 24546098 A JP24546098 A JP 24546098A JP H11140630 A JPH11140630 A JP H11140630A
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cathode
arc
magnetic field
container
annular
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JP10245460A
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English (en)
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Robert E Hendricks
イー．ヘンドリックス ロバート
Russell A Beers
エイ．ビアーズ ラッセル
Dean N Marszal
エヌ．マーザル ディーン
Allan A Noetzel
エイ．ノエゼル アラン
Robert J Wright
ジェイ．ライト ロバート
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United Technologies Corp
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    • 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
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 コスト効果良く、かつ、均一で高品質のコー
ティングを基体に対して行うことを可能とするカソード
アーク気相堆積装置を提供する。 【解決手段】 カソードアーク気相堆積法によって材料
を基体１２にコーティングするための装置１０は、容器
１４と、この容器を真空に維持するための装置１６と、
第１の端面と第２の端面の間に延び、開口部を備えた蒸
発面４４を有する環状のカソード１８と、このカソード
１８とアノード２６の間でアークの電気エネルギーを選
択的に維持させるための手段２２と、上記カソードに対
して上記アークを移動させるための装置７４と、を有し
ている。上記アークを運動させる装置７４は、上記カソ
ード１８の開口部に配置されていて、実質的に上記蒸発
面４４に平行に延びる磁界を発生させている。上記環状
のアノード２６は、前記容器内に配置された上記基体１
２の径方向内側において、これと整列されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概ねコーティング
のための気相堆積（ベーパデポジッション）装置、より
詳細には、カソードアーク気相堆積装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】基体へのコーティングを施すための手段
として気相堆積法が当業界で知られている。この気相堆
積法としては、ケミカルベーパデポジッション法（化学
的気相堆積法）、フィジカルベーパデポジッション法
（物理的気相堆積法）、カソードアークベーパデポジッ
ション法（カソードアーク気相堆積法）を挙げることが
できる。化学的気相堆積法（ＣＶＤ）は、反応性ガスで
ある元素を１つ以上のコーティングすべき基体を入れた
堆積チャンバに導入する。物理的気相堆積法（ＰＶＤ）
は、供給材料及び基体を排気された堆積チャンバに導入
するステップを有している。この供給材料は、抵抗加
熱、誘導加熱又は電子ビーム手段によって加熱されるこ
とでエネルギーが加えられて気化する。
【０００３】カソードアーク気相堆積法は、供給材料及
びコーティングすべき基体を排気された堆積チャンバ内
に配置するステップを有している。このチャンバは、比
較的少量の気体しか含有していない。直流（ＤＣ）電源
からの負側の導線は、上記供給材料に取り付けられ（こ
れを以後、「カソード」として引用する）、その正側の
導線は、アノード部材に取り付けられる。多くの場合、
上記正の導線は、上記堆積チャンバに取り付けられ、上
記チャンバをアノードとしている。上記アノードと同電
位あるいは上記アノード付近の電位でアークを開始させ
るトリガは、上記カソードに接触しており、連続して上
記カソードから離れて行くようになっている。上記トリ
ガが上記カソードにいまだ極近接している場合には、上
記トリガと上記カソードの間の電位差により、それらの
間に電気的なアークが生じる。このトリガがより離間す
るにつれこのアークは、上記カソードと上記アノード電
位とされたチャンバ部分の間で生じることになる。上記
カソード表面のアークが接触するその位置又はその複数
の位置を、以後カソードスポットと呼ぶ。制御機構が存
在しなければ、このカソードスポットは、上記カソード
表面上をランダムに移動してしまうことになる。
【０００４】上記カソードスポットにおいて放出される
エネルギーは強力であり、１０5〜１０7Ａ／ｃｍ2で、
数μｓの時間だけ持続する。このエネルギー強度は、上
記カソードスポットの局所的温度を上記排気されたチャ
ンバ圧での上記カソード材料の沸点にほぼ等しい温度に
まで上昇させる。この結果、上記カソードスポットにお
けるカソード材料は、原子、分子、イオン、電子、粒子
を含有するプラズマとして気化する。正に帯電したイオ
ンは、上記カソードから飛び出し、この正に帯電したイ
オンに対して低い電位を有する上記堆積チャンバ内のど
のような物体にでも付着する。いくつかの堆積プロセス
では、コートされる上記基体を上記アノードと同電位に
維持させている。別のプロセスでは、上記基体の電位を
低下させるためにバイアス電源を用いて、上記正帯電イ
オンに対しより引力を与えるようにされている。どちら
の場合にも、上記基体は、上記カソードから飛び出して
気化した材料によってコートされることになる。堆積速
度、コーティング密度と、コーティング厚は、特定の用
途を満たすように調節される。
【０００５】上記アークのランダムな移動は、上記カソ
ードの不均一な浸食を生じさせ、このことが上記カソー
ドの使用寿命を制限してしまうことになる。この不均一
な浸食を避けるために、上記カソードに対して上記アー
クを制御することが知られている。米国特許第４，６７
３，４７７号，米国特許第４，８４９，０８８号，米国
特許第５，０３７，５２２号では、カソードに対し、ア
ークを制御する装置が開示されている。いくつかの従来
技術においては、上記カソードへの上記アークを、その
磁界源を機械的に制御することによって制御している。
別の従来技術では、上記アークを上記カソードに対して
電気的に制御している。これらの双方の手法では、上記
カソードに対する上記アークの速度が上記磁界源の装置
操作速度や上記電源のスイッチング速度によって制限さ
れてしまう。別の制限は、上記カソードに対して磁界源
を操作するための上記スイッチング機構及びそのための
装置の複雑さにある。当業者によれば、コーティング環
境の構築は、労力を伴う単調なものであっても信頼性に
大きな影響を与えることが理解されよう。
【０００６】これまでのカソードアークコータは、高効
率で、大量の使用のためのコスト効果を考慮して設計さ
れているものではなかった。例えば、複雑なスイッチン
グ機構及び装置を上記磁界源を運動させるためいにいる
と、カソードの交換が煩雑で、時間を浪費し、この結果
コストが高くなってしまう。多くのカソードアークコー
タにおけるいくつかのコスト的な問題点は、上記カソー
ドを直接冷却することにある。直接冷却は、概ね上記カ
ソードとこのカソードに取り付けられたマニホルドの間
に冷媒を通過させるか、又は上記カソードを通ったパイ
プに直接冷媒を流すことによって行われている。どちら
にせよ、上記カソードは、上記マニホルドやパイピング
を収容するように機械加工されねばならず、機械加工
は、上記消耗品であるカソードに対し著しいコストを加
えてしまうことになる。加えて、いくつかの所望される
カソード材料は、充分な加工ができない。カソードの
「直接冷却」により生じる別の問題点は、その使用寿命
が終了した場合に上記カソードを交換する労力を伴うこ
とにある。マニホルド（又はパイプ）が上記カソードに
機械的に取り付けられている上述の場合には、上記マニ
ホルド（又はパイプ）は、古いカソードから取り外され
て、新しいカソード及び上記堆積チャンバに装着され、
それに引き続いて冷媒によって洗浄が行われる。各コー
ティング操作の後にカソードを交換することが必要な用
途の場合には、労力・コスト及び停止時間が重大な関心
事となる。
【０００７】すなわち、基体への材料のカソードアーク
気相堆積法のための装置に対しては、効率よく操作で
き、基体への高品質のコーティングを一貫して行うこと
ができ、コスト効率が良いこと、が要求されていたので
ある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、コスト効果良く基体へと材料をカソードアーク
気相堆積させるための装置を提供することにある。
【０００９】本発明の別の目的は、一貫して均一で高品
質のコーティングを基体に対して行うことを可能とす
る、基体へと材料をカソードアーク気相堆積させるため
の装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、基体に
対してカソードアーク気相堆積法を施すための装置は、
容器と、この容器を真空に維持させるための手段と、第
１の端面と第２の端面の間に延びた開口を備えた蒸発面
を有する環状カソードと、選択的にアークの電気エネル
ギーを上記カソードとアノードの間で維持させるための
手段と、上記アークを上記カソードを巡るように移動さ
せて制御するための手段と、を有している。上記アーク
を制御する手段は、上記カソードの開口内に配置されて
いて、上記蒸発面に実質的に平行に延びる磁界を発生さ
せている。上記環状カソードは、上記容器内の上記基体
の径方向内側で、上記基体に整列されている。
【００１１】本発明の上記目的及び他の目的、特徴、効
果については、添付する図面を持ってする本発明の最良
の実施例についての詳細な説明により、より明確とする
ことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
Ｉ．装置 図１を参照し、基体１２へのカソード気相堆積法のため
の装置１０を以後、「カソードアークコータ」と呼ぶこ
とにする。このカソードアークコータ１０は、容器１４
と、上記容器１４を真空に維持するための手段１６と、
カソード１８と、コンタクタ２０と、上記カソード１８
に上記コンタクタ２０を電気的に接続させるように選択
的に駆動するアクチュエータ２２と、上記カソード１８
と上記アノード２６の間においてアークの電気エネルギ
ーを維持させるための手段２４と、を有している。冷媒
供給源２８は、それぞれ上記容器１４及び上記コンタク
タ２０内の冷媒通路３０，３２を通して冷媒を循環させ
ることにより、上記装置を許容可能な温度に維持させて
いる。上記容器１４内の真空を維持させるための上記手
段１６は、低真空用の機械的真空ポンプ３４と上記容器
内部へと通された拡散型大容量真空ポンプ３６とから構
成されている。しかしながら、これら以外の真空手段で
あっても用いることが可能である。好適な実施例では、
上記カソード１８は、上記容器に容易に挿入・搬出でき
るプラター３８上に配置されている。上記カソード１８
は、上記プラター３８の中心に配設され、上記プラター
３８から電気的に絶縁されている。複数のペディスタル
３９は、上記プラター３８に回動自在に取り付けられて
おり、上記カソードを取り囲むように配置されている。
【００１３】図２及び図４を参照して、上記カソード１
８は、第１の端面４０と、第２の端面４２と、それらの
間に延びた蒸発面４４及び開口部４６を備える実質的環
状体とされている。上記端面４０，４２は、実質的に互
いに平行とされている。ライン４１は、上記カソード１
８のセンタライン４３から径方向外側に延びているとと
もに、実質的に上記カソード１８の軸方向中心に位置し
ていて、上記カソード１８の軸方向の中心を現してい
る。堆積されるコーティングは、上記カソード１８の組
成によって決定される。上記カソード１８の軸方向の長
さ４８は、上記カソード１８の上記蒸発面４４に沿った
浸食パターン５２の予測される最終幅５０よりも長くさ
れていることが好ましい。上記端面４０，４２の間の上
記浸食パターン５２を維持させることにより、上記アー
クが上記カソード１８の上記蒸発面４４から離れてしま
う可能性が最低化される。
【００１４】図１，図２及び図４を参照すると、上記コ
ンタクタ２０は、中空のシャフト５６に取り付けられた
ヘッド５４を有している。上記ヘッド５４は、上記容器
１４の内側に配置されており、上記シャフト５６は、上
記ヘッド５４から上記容器１４の外へと延ばされてい
る。絶縁性のディスク５８（図１）は、上記コンタクタ
２０を上記容器１４から電気的に絶縁させている。上記
コンタクタ２０は、上記シャフト５６内部でこれと同軸
に位置決めされた冷却チューブ６０と、この冷却チュー
ブ６０に連結された冷媒インレットポート６２と、上記
同軸冷媒チューブ６０及び上記シャフト５６の間に形成
され、通路３２に連結された冷媒排出ポート６４と、を
さらに有している。上記冷却チューブ６０と上記シャフ
ト５６の間のこのような同軸配置により、冷媒が上記冷
却チューブ６０に導入され、上記シャフト５６と上記冷
却チューブ６０の間の上記通路３２を通して排出され又
この逆も可能なようにされている。上記コンタクタ２０
を選択的に上記カソード１８へと電気的に接続させるた
めの上記アクチュエータ２２は、上記容器１４とコンタ
クタシャフトに取り付けられたシャフトフランジの間で
動作する、対となった２方向アクチューエタシリンダ６
６を有している（油圧又は空圧式である）。機械的手段
（図示せず）であっても、上記アクチュエータシリンダ
６６の代わりに用いることができる。市販の利用可能な
制御装置（図示せず）は、上記シリンダ６６（又は機械
的装置）の位置及び力を制御するために用いることがで
きる。
【００１５】図２を参照して、第１の実施例では、上記
コンタクタヘッド５４は、テーパとされた端部７０を有
している。このテーパ端部７０は、支持ブロック７２に
よって選択的に収容され、この支持ブロック７２は、磁
界発生器７４と上記カソード１８を双方支持している。
上記アクチュエータ２２は、コンタクタヘッド５４を上
記支持ブロック７２に接触・離間するように選択的に駆
動させている。上記磁界発生装置７４は、上記カソード
１８の開口内に配置されており、実質的に上記カソード
１８の軸方向中心４１と整列されている。上記支持ブロ
ック７２は、電気的に上記コンタクタ２０を上記カソー
ド１８へと連結させている。電気的絶縁体７６と、デフ
レクタシールド７８は、上記支持ブロック７２の反対側
で上記カソード１８の側部に配置されており、上記カソ
ード端面４０が汚染されないようにしているとともに、
堆積がなされるのを防止している。
【００１６】図４を参照して、上記コンタクタヘッド５
４の第２の実施例では、上記磁界発生装置７４を収容す
るためのカップ８０及び蓋８２が備えられている。上記
カップ８０は、上記カソード１８の開口部４６内に配置
されていて、上記磁界発生装置７４が、上記カソード１
８の軸方向中心４１と整列されるようになっている。上
記カップ８０は、上記カソード１８と電気的に連結され
ており、上記カソード１８を上記コンタクタ２０に接続
している。上記アクチュエータ２２は、上記コンタクタ
ヘッド５４を上記カソード１８に選択的に接触・離間さ
せている。図４は上記カップの対となったオス面８４と
メス面８６及び上記カソード開口部の内側がそれぞれ示
されている。上記対となったオス・メスの面８４，８６
が連結して必要とされる電気的接触が容易にされてい
る。別の接続幾何学配置も別途用いることができる。双
方の実施例において、上記コンタクタシャフト５６及び
ヘッド５４は、銅合金といった導電性材料から製造され
ている。
【００１７】上記磁界発生装置７４は、好ましくはセグ
メント化された環状マグネット８８を有しており、この
環状マグネット８８は、第１の端面９０と第２の端面９
２とを有している。上記環状マグネット８８の極となる
端部は、上記各端面９０，９２と整列されている、すな
わち、一方の端面がＮ極とされ、他方の端面がＳ極とさ
れている。これとは別の実施例では、上記磁界発生装置
７４は、複数のマグネット９４とホルダ９６とを有して
いる。上記マグネット９４は、上記ホルダ９６内に収容
されており、上記カソード開口部４６の周方向に沿って
均一に離間されている。容易に利用できる市販の円筒形
マグネットを用いることができる。上記マグネットに
は、これらのマグネットを被覆し、これらがが浸食され
ないようにするための保護コーティングを有していても
良い。図５は、４つのマグネット９４が、上記ホルダ９
６内に保持されている実施例を示しているが、上記マグ
ネット９４の数は、手作業によるプロセスを行うことが
できるように変更することができる。
【００１８】図１を参照すると、本発明の好適な実施例
では、装置９８が上記磁界発生装置７４を回転させるた
めに備えられている。そのための回転装置９８は、上記
冷却チューブ６０を通して上記マグネットホルダ９６に
連結され、上記ヘッド５４にまで延びたロッド１００を
備えている。上記ロッド１００の反対側の端部は、可変
速度モータ１０２へと駆動ベルト１０４によって連結さ
れている。
【００１９】上記カソードアークコータ１０は、上記基
体１２を電気的にバイアスさせるためのバイアス電源１
０６を備えていることが好ましい。コンタクト１０８
は、上記バイアス電源１０６と上記プラター３８とを電
気的に連結させている。上記基体１２は、上記プラター
３８に電気的及び機械的に連結されていて、この結果上
記バイアス電源１０６に電気的に接続されている。上記
基体１２を上記バイアス電源１０６に連結させるための
別の手段であっても別途用いることが可能である。 デ
フレクタシールド１１０を上記コータ１０全体に用い
て、上記基体１２の領域上へと気化される上記カソード
材料を規制するることも可能である。上記容器１４に取
り付けられた上記デフレクタシールド１１０と、上記プ
ラター３８と、上記コンタクタ２０とが、これらの面上
に好ましからざる材料堆積を最低化させるようにしてい
る。好ましい実施例では、上記デフレクタシールド１１
０は、上記容器１４に取り付けられていて、電気的に上
記容器１４と接続され、腐食に耐性のある例えばステン
レススチールといった導電性材料から製造されているこ
とが好ましい。
【００２０】上記カソード１８とアノード２６の間にお
いてアークの電気的エネルギーを維持させるための手段
２４は、直流（Ｄ．Ｃ．）電源１１２を備えている。好
ましい実施例では、上記電源１１２からの正の導線１１
４は、上記容器１４へと接続されていて、上記容器１４
をアノードとして作用させている。上記電源１１２から
の負の導電１１６は、上記コンタクタシャフト５６に電
気的に連結されている。別の実施例では、上記容器１４
の内側に配設されたアノード（図示せず）を用いること
もできる。アーク開始装置１１８は、上記容器１４の電
位あるいはその付近の電位に維持されている。上記アー
ク開始装置１１８は、上記カソード１８から接触した状
態から離間した状態にまで移動して行くようになってい
る。
【００２１】ＩＩ．装置の操作 図１を参照して、本発明のカソードアークコータ１０の
操作について説明する。本発明のカソードアークコータ
１０へと、カソード１８を上記プラター３８の中心に取
り付け、上記基体１２を、上記カソード１８を取り囲
み、それぞれが回動自在とされているペディスタル３９
に取り付ける。上記プラター３８を、その後上記容器１
４内に配置する。上記基体１２は、あらかじめ油分が除
去されて、実質的に清浄化されているが、それぞれその
外表面に幾分かの汚染物質又は表面酸化物が残存してい
る。上記アクチュエータシリンダ６６を、連続的に上記
コンタクタ２０が上記カソード１８に電気的に接続する
ように駆動させ、その後上記容器１４が閉じられる。上
記低真空用機械的真空ポンプ３４を、上記容器１４を所
定の圧力まで排気するように運転する。その所定圧力に
まで達すると、上記大容量拡散真空ポンプ３６は、さら
に上記容器１４を真空条件にまで排気する。上記基体１
２は、その後どのような残存汚染物及び酸化物、あるい
はそれら双方でも「スパッタクリーニング」と言った方
法により清浄化される。スパッタクリーニングは、当業
界においては良く知られた方法であり、本願明細書にお
いては詳細な説明を行わない。別の清浄化方法であって
も用いることが可能である。上記基体１２が清浄化され
た後には、上記汚染物質が、典型的には不活性ガスを用
いてパージされる。
【００２２】アークを開始させる前に、いくつかのステ
ップを完了させておく。これらのステップとしては、
（１）上記基体１２を上記バイアス電源１０６により電
気的にバイアスしてこれらの基体１２が上記カソード１
８から放出される正イオンに対して引力を及ぼすように
させるステップと、（２）上記基体１２を所定の速度で
回転させるステップと、（３）上記電源１１２をセット
してアークを開始させないまま、一定の電流強度及び電
圧のアークを開始させるようにするためのステップと、
（４）上記真空ポンプ３４，３６を起動して上記容器１
４内の気体圧力を一定の真空となるように維持させるス
テップと、（５）冷媒を上記容器１４及び上記コンタク
タ２０内の上記冷却通路３０，３２に通じるステップ
と、を挙げることができる。特定のプロセスパラメータ
は、基体材料、コーティング材料、そのコーティングの
所望特性に応じて定めることができる。
【００２３】上記ステップが完了すると、上記アーク開
始装置１１８が駆動されて上記カソード１８の上記蒸発
面４４との接触が断たれて、上記アーク開始装置１１８
と上記蒸発面４４の間においてアークを生じさせること
になる。上記アーク開始装置１１８は、連続的に上記カ
ソード１８から遠ざけられ、上記基体１２の径方向外側
とされることが好ましい。上記アーク開始装置１１８が
上記カソード１８にもはや近接していなくなると、上記
アークは、上記カソード１８と上記容器１４に電気的に
接続された上記デフレクタシールド１１０の間で、又は
上記カソード１８と上記容器１４の間において直接発生
するようになる。
【００２４】図２〜図４を参照して、上記磁界発生装置
７４は、上記コンタクタ２０内に配置されていて、上記
カソード１８の上記蒸発面４４に沿って上記カソードス
ポットを移動させる。より具体的には、上記環状マグネ
ット８８、又は複数のマグネット９４は、実質的に上記
カソードの蒸発面４４に平行に延びる磁界を発生させ
る。図３は、上記磁力線が存在すると考えられる場所を
近似的に示している。ベクトル１２４は、上記カソード
端面４０，４２の間に延びた磁場を現している。上記磁
場ベクトル１２４の方向は、上記側部マグネット極配置
に依存している。複数のマグネット９４を用いる場合に
は、複数のすべてのマグネットの極は、同様の方法で配
置される。ベクトル１２６は、上記電気的アークを示し
ており、磁場ベクトル１２４とは対照的に実質的に垂直
の方向に遠ざかるようにして上記蒸発面４４から延びて
いる。これとともに、上記磁界及び上記アークによる電
流は、上記アークに力を作用させ（ホール効果）、この
アークを上記カソード１８の周方向に沿った一定距離で
移動させる。所定のカソードスポットにおける上記アー
クの滞留時間は、上記ホール効果による力とは反対の影
響を受ける。すなわち、上記ホール効果による力が増加
すると、上記滞留時間は減少する。環状マグネット８８
を用いる場合は、連続的な環状磁場と電流は、上記アー
ク経路１２８に沿って上記アークを上記カソード１８の
蒸発面４４を周回するようにして運動させる。複数のマ
グネット９４が用いられる実施例では、上記マグネット
９４は、互いに周方向に近接されていて、個々の磁界が
集合して上記アーク経路１２８に沿って上記アークを運
動させている。上記マグネット９４の数、上記マグネッ
ト９４から放出される磁界の相対的間隔、それらの磁界
強度は、手作業による安全性を考慮して調節される。
【００２５】上記磁界発生装置７４が上記カソードに対
して対称的とされているので、特定のカソードから気化
される材料の量を最大化させ、上記コーティング効率を
向上させている。特に、上記カソード１８の実質的軸方
向中心４１上に上記磁界発生装置７４を配列させること
により、アーク経路１２８が上記カソード１８の軸方向
中心４１に近接できる。加えて、上記磁界発生装置７４
の上記カソード１８に対しての対称性は、上記カソード
１８の上記蒸発面４４に沿った磁力線の平行性を向上さ
せる。磁力線は、上記蒸発面４４に沿って平行に実質的
に所定距離だけ入り込み、上記アーク経路の平均位置の
双方の端部の間において対称的に移動させる。この結
果、浸食パターン５２は、浸食の間に軸方向に成長し、
上記特定カソード１８から気化するカソード材料を最大
化させ、この結果上記コーティングプロセスの効率を向
上させている。
【００２６】図２及び図４には、仮想線をもって浸食さ
れたカソード１８を示しており、これは実質的に上記ア
ーク経路１２８を中心として対称的となっている。上記
磁界発生装置７４を回転させるための装置９８を備えた
実施例（図１及び図４参照）では、上記磁界発生装置７
４の上記コンタクタ２０内での回転が上記カソード１８
の均一な軸方向及び周方向の浸食を容易にさせている。
その回転により、上記カソード１８の周方向における各
マグネット９４の磁力による寄与が時間に関して分散さ
れる。しかしながら、上記磁界発生装置７４の回転はア
ークを回転させるために必要とされるわけではないこと
を明記する必要がある。上述したように、上記環状マグ
ネット８８又は上記マグネット９４の個々の磁界は、上
記アークを上記カソード蒸発面４４へと集中させている
のである。
【００２７】図１を参照すると、アークから放出される
エネルギーは、カソードスポットにおける材料を蒸発さ
せて原子、分子、イオン、電子、粒子を上記カソード１
８から放出させる。バイアスされた上記基体１２は、イ
オンを引きつけ、基体１２へと加速させる。イオンは、
基体１２を衝撃し、付着し、これが集合してカソード材
料のコーティングが形成される。充分な厚さのコーティ
ングが上記基体１２上に形成されると、上記電源１１４
は停止され、アークが消滅する。上記容器１１４は、不
活性ガスによりパージされ、常圧とされる。上記コンタ
クタ２０は、上記カソード１８と接触しなくなるように
駆動され、上記プラター３８が上記容器１４から除去さ
れる。上記基体１２は、これに続いて上記プラター３８
から取り外され、新たな基体１２が装着される。このよ
うにして装着の済んだプラター３８は、その後上記容器
１４内に戻され、上述したようにして上記プロセスが繰
り返されることになる。
【００２８】本発明を実施例の詳細な説明により行って
きたが、当業者によれば形態及び細部への種々の変更
は、本発明の趣旨及び範囲内で行うことができることが
明らかであろう。例えば一例として、上記コンタクタ２
０を冷却する手段は、最良の実施例で示したもの以外に
も用いることが可能であろう。別の実施例では、電源１
１４は、ＬＣＲ回路又は別の改良した手段により、直流
に似せた電流を上記Ｄ．Ｃ．電源１４の代わりに供給す
るものも用いることができる。さらに別の実施例では、
図４に示される磁界発生装置７４は、複数のマグネット
９４とホルダ９６を備えている。上記環状マグネット８
８は、図２に示されるように複数のマグネット９４及び
ホルダ９６の代わりに用いることができる。
【００２９】
【発明の効果】本発明の効果は、基体への材料のカソー
ドアーク気相堆積を行うための本発明の装置が、コスト
効果良い方法により操作できるように構成されているこ
とにある。本発明の良好なコスト効果を生じさせる特徴
としては、上記カソードにある。本発明のカソードは、
環状体であることが好ましく、また、円形断面の鋳造物
から例えば切削・せん孔することによって得られるよう
になっていることが好ましい。この簡単に形成できるカ
ソードにより、高コストの機械加工が最低限とでき、上
記カソード及びコーティングプロセスのコストを軽減で
きることになる。別のコスト効果を生じさせる特徴とし
ては、上記カソードが容易に上記容器内に挿入できるこ
とにある。いくつかの従来技術のカソードアークコータ
は、上記堆積チャンバに固定されたカソードが備えられ
ており、又は冷却装置が取り付けられているか、あるい
はそれら双方とされている。どちらの場合でも、上記カ
ソードを装着又は取り外しすることは、上記コーティン
グプロセスのコストを著しく増加させてしまうことにな
る。本発明のコスト効果を生じさせる別の特徴として
は、使用済みカソードのリサイクル可能な形状にある。
使用されたカソードは、わずかなコンタミネーションを
含むとはいえ、高品質の材料から製造されている。この
結果、リサイクル可能なカソードは、上記コーティング
プロセスのコストを低下させることを可能とすることが
できる。
【００３０】また、本発明の別の効果としては、上記磁
界源及び上記磁界源の位置決めが上記カソード内におい
て可能となることにより、上記特定のカソードから蒸発
する材料の量を最大化させることで、コーティングプロ
セス効率を向上させることができることにある。
【００３１】本発明のさらに別の効果としては、上記カ
ソードに対し上記アークを制御するための手段の簡単さ
と信頼性とにある。上記アークを制御するための手段
は、磁界発生装置を備えており、スイッチング機構は必
要とされない。このようにスイッチング機構を設けない
ことにより、上記制御手段の信頼性を向上させることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカソードアーク気相堆積装置の概略図
である。
【図２】コンタクタの一部断面概略図である。
【図３】図２に示したコンタクタの一部断面概略図であ
り、磁界発生装置から放出された磁力線が示されてい
る。
【図４】コンタクタの別実施例の一部断面概略図であ
る。
【図５】磁界発生装置の概略上面図である。
【符号の説明】
１０…カソードアーク気相堆積装置 １２…基体 １４…容器 １６…容器真空維持手段 １８…カソード ２０…コンタクタ ２２…アクチュエータ ２４…電気エネルギー維持手段 ２６…アノード ２８…冷媒供給源 ３０，３２…冷媒通路 ３４…低真空用機械的真空ポンプ ３６…拡散型真空ポンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラッセル エイ．ビアーズ アメリカ合衆国，フロリダ，パーム ビー チ ガーデンズ ユンジェリー ストリー ト 6272 (72)発明者 ディーン エヌ．マーザル アメリカ合衆国，コネチカット，サウスイ ングトン，ブディング リッジ ロード 166 (72)発明者 アラン エイ．ノエゼル アメリカ合衆国，フロリダ，シンガー ア イランド，ノース オーシャン ドライヴ 300 (72)発明者 ロバート ジェイ．ライト アメリカ合衆国，ウエスト ヴァージニ ア，チャールズタウン，テュスカヴィラ ヒルズ 804

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 カソードアーク気相堆積法により材料を
    基体に堆積させるための装置であって、 容器と、 前記容器を真空に維持するための手段と、 前記容器内において前記基体と整列されているととも
    に、この基体よりも径方向内側に配置され、第１の端面
    と第２の端面とこれらの端面の間に延びた蒸発面及び開
    口部を備えた環状のカソードと、 アークによる電気エネルギーを前記蒸発面とアノードの
    間で選択的に支持するための手段と、 前記蒸発面の前記開口部内に配置され、前記カソードに
    平行に延びる磁界を発生させるとともに、前記アークを
    前記蒸発面を巡るようにして移動させるための手段とを
    有し、 前記カソードと前記アノードの間に延びた前記アークの
    電気エネルギーにより、前記容器内に配置された前記基
    体に連続的に堆積される前記カソード部分を蒸発させる
    ことを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 前記カソードと前記アノードの間におい
    てアークの電気エネルギーを支持するための前記手段
    は、 前記容器に電気的に連結され、前記容器をアノードとす
    るための正の導線及び前記カソードに電気的に連結され
    た負の導線を備えた電源を有しており、 前記カソードは、電気的に前記容器から絶縁されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記蒸発面を巡るようにして前記アーク
    を移動させるための前記手段は、 複数のマグネットとホルダとを備えた磁界発生装置を有
    しており、 この磁界発生装置は、前記カソードの開口部内に配置さ
    れ、前記環状カソードの実質的軸方向中間部に整列され
    ていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記ホルダは、前記マグネットを前記開
    口部の周方向に均一な離間で保持していることを特徴と
    する請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記蒸発面を巡るようにして前記アーク
    を運動させるための手段は、 環状マグネットを備えた磁界発生装置を有しており、 前記磁界発生装置は、前記カソードの開口部内に配置さ
    れているとともに、前記環状カソードの軸方向中心に実
    質的に整列されていることを特徴請求項１に記載の装
    置。
  6. 【請求項６】 前記環状マグネットは、複数のセグメン
    トから構成されていることを特徴とする請求項５に記載
    の装置。
  7. 【請求項７】 前記装置はさらに、前記マグネットを被
    覆し、強磁性体中心部材及び前記マグネットが浸食され
    ないようにするための保護コーティングを有しているこ
    とを特徴とする請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記装置はさらに、前記電源に電気的に
    連結されたコンタクタと、 前記コンタクタを前記カソードに選択的に接続して、前
    記カソードを前記電源に電気的に連結するようになった
    アクチュエータとを有していることを特徴とする請求項
    １に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記コンタクタは、 前記容器内に配置されたヘッドと、 前記ヘッドに取り付けられ、前記ヘッドから前記容器の
    外部へと延ばされた中空シャフトとを有していることを
    特徴とする請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記コンタクタは、さらに、前記シャ
    フトと前記ヘッドを冷却するための手段を有しているこ
    とを特徴とする請求項９に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記冷却手段は、 前記中空シャフトの内側に位置決めされ、前記中空シャ
    フトとの間で通路を形成している冷却チューブと、 前記冷却チューブ及び前記通路に連結され、前記コンタ
    クタ内に冷媒を流すための冷媒供給源と、を有している
    ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記装置はさらに、１つ以上の前記基
    体が連結され、かつ前記カソードが電気的に絶縁されて
    取り付けられたプラターを備えており、前記プラター
    は、堆積前に前記容器内に挿入され、その後取り出され
    るようになっていることを特徴とする請求項１１に記載
    の装置。
  13. 【請求項１３】 前記プラターはさらに、前記プラター
    に回動可能に取り付けられ、それぞれ１つ以上の基体が
    取り付けられた複数のペディスタルを備えており、前記
    ペディスタル及び前記基体は、回動されることによって
    前記カソードに対する向きが変えられるようになってい
    ることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記蒸発面に対して上記アークを巡ら
    せるようにして移動させる手段は、 複数のマグネット及び複数のホルダを有し、前記ヘッド
    内に配置された磁界発生装置を有しており、 前記ヘッドは、前記カソードの開口部内における前記環
    状カソードの軸方向中間部に実質的に整列されるように
    して駆動されるようになっていることを特徴とする請求
    項９に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記ホルダは、前記マグネットを前記
    開口部の周方向に均一な離間で保持していることを特徴
    とする請求項１４に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記装置はさらに、前記ハウジング内
    部に取り付けられた磁界発生装置を回転させる手段を備
    えていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 前記蒸発面を巡るようにして前記アー
    クを運動させるための手段は、 前記ヘッド内に配置され、環状マグネットを備えた磁界
    発生装置を有しており、 前記ヘッドは、前記カソード
    の開口部内における前記環状カソードの軸方向中間部に
    実質的に整列されるようにして駆動されるようになって
    いることを特徴とする請求項９に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 前記環状マグネットは、複数のセグメ
    ントから構成されていることを特徴とする請求項１７に
    記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記蒸発面を巡るようにして前記アー
    クを移動させるための前記手段は、 複数のマグネットとホルダを備えた磁界発生装置を有し
    ており、 この磁界発生装置は、前記カソードの開口部内に配置さ
    れ、前記環状カソードの実質的軸方向中間部に整列され
    ていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記ホルダは、前記マグネットを前記
    開口部の周方向に均一な離間で保持していることを特徴
    とする請求項１９に記載の装置。
  21. 【請求項２１】 前記蒸発面を巡るようにして前記アー
    クを運動させるための手段は、 環状マグネットを備えた磁界発生装置を有しており、 前記磁界発生装置は、前記カソードの開口部内に配置さ
    れているとともに、前記環状カソードの軸方向中心に実
    質的に整列されていることを特徴とする請求項８に記載
    の装置。
  22. 【請求項２２】 前記環状マグネットは、複数のセグメ
    ントから構成されていることを特徴とする請求項２１に
    記載の装置。
JP10245460A 1997-08-30 1998-08-31 カソードアーク気相堆積装置 Pending JPH11140630A (ja)

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