JPH1180940A - アーク式蒸発源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 陰極から飛散するドロップレットを低減する
ことができ、しかも膜厚均一性の高い成膜領域が広いア
ーク式蒸発源を提供する。 【解決手段】 このアーク式蒸発源２ａは、陰極４の蒸
発面５を取り囲むように、当該蒸発面５を含む領域に磁
界を形成するものであって蒸発面５の前方に向けて徐々
に直径を増していて円錐台状をしている磁気コイル８ａ
を設けている。しかもこの磁気コイル８ａは、蒸発面５
での強さが７００Ｏｅ以上の磁界を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば工具や金
型等の基体の表面に陰極物質を被着して、当該陰極物質
から成る、または当該陰極物質の窒化物、酸化物等から
成る薄膜を形成する薄膜形成装置（これはアーク式イオ
ンプレーティング装置とも呼ばれる）等に用いられるも
のであって、アーク放電によって陰極を溶解させて陰極
物質を蒸発させるアーク式蒸発源に関する。

【０００２】

【従来の技術】アーク式蒸発源で蒸発させる陰極物質に
は、陰極近傍に生じるアークプラズマによってイオン化
された陰極物質イオンがかなりの割合で含まれており、
この陰極物質イオンを電界によって基体に引き込んで基
体表面に薄膜を形成するアーク式イオンプレーティング
法またはアーク式イオンプレーティング装置は、薄膜の
密着性が良い、成膜速度が大きい等の利点を有してお
り、工具や金型等の表面に金属膜やセラミックス膜を被
覆する手段として広く用いられている。膜の密着性が良
いのは、陰極物質中に含まれている陰極物質イオンを、
負バイアス電圧等による電界によって基体に引き込んで
衝突させることができるからである。成膜速度が大きい
のは、アーク放電を利用して陰極を溶解させるからであ
る。

【０００３】しかし、上記陰極から発生する陰極物質に
は、ドロップレットと呼ばれる粗大粒子が含まれてお
り、これが基体表面に形成される薄膜に入射付着する
と、当該薄膜の平滑性を損ねて工具等の寿命を短くした
り、薄膜の外観を損ねたりする。

【０００４】このようなドロップレットを低減するため
に、陰極の前方付近に磁界を形成するアーク式蒸発源が
既に提案されている。その一例を図１０に示す。

【０００５】このアーク式蒸発源２は、特開平５−１７
１４２７号公報に開示されているものであり、陰極（カ
ソード）４と図示しない陽極（アノード）との間でアー
ク放電を生じさせて、このアーク放電によって陰極４を
溶解させて陰極物質６を蒸発させる。陰極４は例えば金
属から成る。この陰極４の陰極物質６を蒸発させる面が
蒸発面５である。この蒸発面５の前方（即ち陰極物質６
の蒸発方向。以下同じ）付近にはアーク放電によるプラ
ズマ（即ちアークプラズマ）が生成され、上記陰極物質
６には、このプラズマによってイオン化された陰極物質
イオンがかなりの割合で含まれている。

【０００６】この陰極４の前方に基体１８を配置してお
くことにより、上記陰極物質６をこの基体１８に入射堆
積させて薄膜を形成することができる。その際に、例え
ば基体１８に負のバイアス電圧を印加しておくことによ
り、陰極物質６に含まれている陰極物質イオンを、この
負バイアス電圧によって基体１８に向けて加速して基体
１８に衝突させることができる。また、基体１８の周り
に陰極物質６と反応する反応性ガス（例えば窒素、酸
素、炭化水素等）を導入しておけば、陰極物質６とこの
反応性ガスとが反応して、基体１８の表面に化合物（セ
ラミックス）薄膜を形成することができる。

【０００７】更にこのアーク式蒸発源２は、陰極４の前
方付近に円筒状の磁気コイル８を設け、その内部に２段
のリング状のコア１６を設け、これらによって磁気コイ
ル８の中心部付近に、即ち陰極４の前方付近に、磁力線
１２の集束領域１４を形成するようにしている。この集
束領域１４での磁界の強さは、例えば８９０Ｏｅ（エル
ステッド）ないし１４５０Ｏｅとかなり強く、その強い
磁界によって当該集束領域１４にプラズマの集中が起こ
り、ドロップレットがこのプラズマ中でリサイクル（分
解・再利用）されることにより、陰極物質６に含まれる
ドロップレットが低減される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記アーク
式蒸発源２においては、陰極４の前方に磁力線１２の集
束領域１４が形成されていてプラズマが当該集束領域１
４に集束されるために、当該プラズマ中に含まれる陰極
物質イオンも集束を受けて比較的鋭い指向性を持ち、基
体１８の設置位置では、陰極４の前方の小さい円形領域
に成膜領域が限定されるという課題がある。その結果、
膜厚均一性の高い成膜領域が狭く、従って例えば大量生
産を目的とする成膜においては、基体１８を設置できる
領域が限られてしまい、生産性が向上しない。また、基
体１８が大型の場合は、基体１８中の部位によって膜厚
に大きな不均一が生じる。

【０００９】そこでこの発明は、陰極から飛散するドロ
ップレットを低減することができ、しかも膜厚均一性の
高い成膜領域が広いアーク式蒸発源を提供することを主
たる目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明のアーク式蒸発
源は、前記陰極の陰極物質を蒸発させる蒸発面を取り囲
むように、当該蒸発面を含む領域に磁界を形成するもの
であって蒸発面の前方に向けて徐々に直径を増していて
概ね円錐台状をしている磁界形成手段を設けており、し
かもこの磁界形成手段は、前記陰極の蒸発面での強さが
７００エルステッド以上の磁界を形成するものであるこ
とを特徴としている。

【００１１】上記構成によれば、磁界形成手段が円錐台
状をしているので、当該磁界形成手段によって発生する
磁力線は、磁界形成手段の内部で、集束することなく、
陰極の蒸発面の前方に（即ち陰極物質の蒸発方向に）向
かって発散するものとなる。陰極の蒸発面からアーク放
電によって放出された電子は、上記磁界に捕捉され上記
磁力線に沿って移動するが、それに伴って、陰極物質中
に含まれている陰極物質イオンも当該磁力線に沿って発
散する。その結果、陰極物質イオンの放射領域は従来技
術に比べて広くなり、従って膜厚均一性の高い成膜領域
も広くなる。

【００１２】しかも、磁界形成手段によって、陰極の蒸
発面での磁界の強さが７００Ｏｅ以上の磁界を形成する
ので、このかなり強い磁界によって、蒸発面から飛び出
した電子を当該蒸発面の前方付近に強力に捕捉して、蒸
発面の前方付近に高密度のプラズマを生成することがで
きる。この高密度のプラズマによって、陰極から蒸発す
る陰極物質に含まれるドロップレットを効率良く分解す
ることができるので、陰極から飛散するドロップレット
を低減することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係るアーク式
蒸発源の一例を示す図である。図１０の従来例と同一ま
たは相当する部分には同一符号を付し、以下においては
当該従来例との相違点を主に説明する。

【００１４】このアーク式蒸発源２ａは、前述したよう
な陰極４の蒸発面５を取り囲むように、即ち蒸発面５を
仮想的に広げた平面２５に磁気コイル８ａの一部が重な
るように、磁界形成手段の一例として、磁気コイル８ａ
を設けている。この磁気コイル８ａは、蒸発面５を含む
領域に、より具体的には少なくとも当該蒸発面５からそ
の前方にかけての領域に磁界を形成するものであり、し
かも、蒸発面５の前方に（即ち蒸発面５から蒸発する陰
極物質６の進行方向に）向けて徐々に直径を増していて
円錐台状をしている。この磁気コイル８ａは、この例で
は、非磁性体から成る枠体２０内に、コイルを、その巻
き半径を蒸発面５の前方に進むにつれて少しずつ大きく
しながら巻いたものである。この磁気コイル８ａは、コ
イル電源１０によって励磁されて上記磁界を形成する。
図中に、この磁気コイル８ａが作る磁力線１２の例を模
式的に示す。

【００１５】陰極４は、この例では、非磁性体から成る
陰極ホルダ２４に取り付けられている。陰極４には、陰
極ホルダ２４を介して、図示しない直流のアーク電源
（図９のアーク電源４８参照）から負電圧が印加される
ので、この陰極ホルダ２４と枠体２０との間は、絶縁物
２２によって電気的に絶縁されている。なお、陰極４の
形状は、特定のものに限定されるものではなく、図示例
のような円錐台状の場合もあるし、それ以外の形状、例
えば直方体状、立方体状、板状等の場合もある。

【００１６】しかもこの磁気コイル８ａは、陰極４の蒸
発面５での強さが７００Ｏｅ（エルステッド）以上の磁
界を形成する。その場合、この例では、上記のように蒸
発面５を仮想的に広げた平面２６に磁気コイル８ａの一
部が重なる位置としているので、磁気コイル８ａ内の磁
界が強い領域に蒸発面５が位置することになり、従って
蒸発面５に上記強さの磁界を形成するのが容易になる。

【００１７】磁気コイル８ａは円錐台状をしているの
で、この磁気コイル８ａによって発生する磁力線１２
は、磁気コイル８ａの内部で、集束することなく、陰極
４の蒸発面５の前方に向かって、即ち蒸発面５から蒸発
する陰極物質６の蒸発（進行）方向に向かって、外に発
散するものとなる。図２に、図１に示したのと同様の円
錐台状の磁気コイル８ａ周りの磁界の解析結果の一例を
示す。矢印が、磁気コイル８ａによって作られる磁界の
ベクトルを示しており、この磁界ベクトルの向きと磁力
線の方向とは同じであり、この図からも、上記磁気コイ
ル８ａによって作られる磁力線が蒸発面５の前方に向か
って発散することが分かる。

【００１８】陰極４の蒸発面５からアーク放電によって
放出された電子は、上記磁界に捕捉され上記磁力線１２
に沿って（巻き付いて）移動するが、それに伴って、蒸
発面５から蒸発する陰極物質６中に含まれている陰極物
質イオンも、発散している磁力線１２に沿って発散す
る。その結果、陰極物質イオンの放射領域は従来技術に
比べて広くなり、従って膜厚均一性の高い成膜領域も広
くなる。

【００１９】例えば、図３を参照して、Ｔｉから成る陰
極４を用い、陰極４の蒸発面５から距離Ｚ＝２０ｃｍ離
れた所の基体１８にＴｉ膜の成膜を行い、その蒸発面５
の中心軸２６上（即ち当該中心軸２６からの距離Ｌ＝０
ｍｍ）での成膜速度を１００％とした場合の、各距離Ｌ
の位置における成膜速度比の分布を測定した結果を図４
に示す。この図４中の実施例は上記アーク式蒸発源２ａ
によるものであり、比較例は図１０に示した従来のアー
ク式蒸発源２によるものである。

【００２０】この図４から分かるように、実施例の場合
は、比較例に比べて、成膜速度分布の均一性が広い領域
において非常に高い。これは換言すれば、実施例の方
が、膜厚均一性の高い成膜領域が遙かに広いということ
である。その結果、このアーク式蒸発源２ａによれば、
一度に大量の基体１８に膜厚均一性良く成膜することが
可能になるので、あるいは大型の基体１８に膜厚均一性
良く成膜することが可能になるので、成膜の生産性が向
上する。

【００２１】しかも、このアーク式蒸発源２ａでは、磁
気コイル８ａによって、陰極４の蒸発面５での磁界の強
さが７００Ｏｅ以上の磁界を形成するので、このかなり
強い磁界によって、蒸発面５から飛び出した電子を当該
蒸発面５の前方付近に強力に捕捉して、蒸発面５の前方
付近に高密度のプラズマ（アークプラズマ）を生成する
ことができる。この高密度のプラズマによって、陰極４
から蒸発する陰極物質６に含まれるドロップレットを効
率良く分解することができるので、陰極から飛散するド
ロップレットを、ひいては基体１８に到達するドロップ
レットを低減することができる。その結果、基体１８の
表面に形成される薄膜の平滑性を高める（即ち面粗度を
良好にする）ことができるので、当該薄膜を被覆した工
具や金型等の寿命を長くすることができる。また、当該
薄膜の外観を、ひいては当該薄膜を被覆した製品の外観
を良好なものにすることができる。従って、従来は面粗
度が悪くて適用できなかった分野での成膜にもこのアー
ク式蒸発源２ａを適用することが可能になる。

【００２２】例えば、図３に示したように、陰極４の蒸
発面５から距離Ｚ＝２０ｃｍ離れた所の基体１８にＴｉ
膜の成膜を行い、その蒸発面５の中心軸２４上（即ち当
該中心軸２４からの距離Ｌ＝０ｃｍの位置）における基
体表面のドロップレットを測定したところ、図５に示す
ように、蒸発面５での磁界の強さを７００Ｏｅ以上にす
ることによって、基体表面に付着するドロップレット数
を著しく低減できることが確かめられた。

【００２３】なお、磁気コイル８ａは、例えば図６に示
す例のように、直径の異なる複数のリング状のコイル
を、蒸発面５の前方側のものほど直径が大きくなるよう
に配置し、全体として概ね円錐台状になるようにしても
良い。各リング状のコイルは互いに直列接続している。
このような磁気コイル８ａによっても、前記と同様の磁
力線１２を発生させることができる。

【００２４】また、磁界形成手段としては、上記のよう
な磁気コイル８ａおよびコイル電源１０の代わりに、例
えば図７に示す例のように、陰極４の蒸発面５の前方に
向けて徐々に直径を増していて円錐台状または概ね円錐
台状をしている永久磁石２８を用いても良い。この永久
磁石２８によっても、前記とほぼ同様の磁力線１２を発
生させることができる。

【００２５】更に、例えば図８に示す例のように、磁気
コイル８ａの後方部付近に、陰極４の後方部付近の周り
を囲むように、例えば板状で環状の強磁性体３０を設け
ても良く（この例ではこの強磁性体３０が陰極ホルダを
兼ねている）、そのようにすれば、磁力線１２がこの強
磁性体３０中を通るようになるので、磁力線１２の経路
の磁気抵抗が下がり蒸発面５での磁界を強めることがよ
り容易になると共に、他への漏れ磁束も減少する。磁気
コイルの代わりに永久磁石を用いる場合も同様である。

【００２６】また、上記いずれのアーク式蒸発源２ａに
おいても、磁力線１２の向きは、図示例と逆でも良い。
そのようにしても、単に、磁力線１２に巻き付く電子の
旋回方向等が逆向きになるだけであり、その他の作用は
前記と同様である。

【００２７】また、陰極４の材料は、特定のものに限定
されるものではなく、前述したＴｉ以外の材料、例えば
Ｚｒ、Ｈｆ、ＴｉＡｌ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、
Ｔａ、Ｖ、Ｃ等でも良い。例えば、Ｃｒを陰極４に用い
ることによって、ドロップレット数の少ないＣｒ膜また
はＣｒＮ膜を形成することができる。

【００２８】

【実施例】図９に示すアーク式イオンプレーティング装
置を用いて、複数本のステンレス製のシャフト（直径１
０ｍｍ、長さ１００ｍｍ）を基体１８として、それらの
表面にＴｉＮ膜を形成した。

【００２９】この装置は、真空排気装置３４によって真
空排気される真空容器３２を有しており、その中に、図
示しない駆動装置によって例えば矢印Ｂ方向に回転させ
られるホルダ４０が設けられている。４２は、電気絶縁
機能を有する軸受部である。このホルダ４０に、複数本
の上記基体１８を保持する。ホルダ４０および基体１８
には、直流のバイアス電源４４から負のバイアス電圧が
印加される。真空容器３２内には、ガス導入口３６から
次のようなガス３８が導入される。

【００３０】この真空容器３２の壁面に、絶縁物４６を
介して、かつホルダ４０上の基体１８に向けて、図１に
示したのと同様のアーク式蒸発源２ａを１台取り付けて
いる。陰極４は、この例ではＴｉから成る。この例で
は、真空容器３２が陽極（アノード）を兼ねており、陰
極４と真空容器３２との間に直流のアーク電源４８から
アーク放電電圧が印加され、陰極４と真空容器３２との
間にアーク放電が生じる。磁気コイル８ａは、この例で
は巻数が３２０回であり、発熱による抵抗値増加を防ぐ
ために水冷としている。

【００３１】成膜に際しては、この実施例では、成膜工
程に先立ってボンバード工程を行った。

【００３２】ボンバード工程では、ホルダ４０に上記基
体１８を保持して、まず真空排気装置３４によって真空
容器３２内を５×１０^-5Ｔｏｒｒ程度以下の圧力まで排
気した後、ガス導入口３６からガス３８としてＡｒガス
を約５０ｓｃｃｍ導入し、真空容器３２内の圧力を３ｍ
Ｔｏｒｒ程度に保持する。基体１８にはバイアス電源４
４から−１０００Ｖのバイアス電圧を印加する。アーク
式蒸発源２ａの磁気コイル８ａにコイル電源１０から７
５Ａの電流を流すと、陰極４の蒸発面５には約２３００
Ｏｅの磁界が形成される。その状態で、陰極４にアーク
電源４８からアーク放電電圧を印加しておき、図示しな
いトリガを陰極４の側面に短時間接触させると、それが
種となって陰極４と真空容器３２との間にアーク放電が
発生して持続し、陰極４の前方付近にはアークプラズマ
が生成される。このときのアーク電流は６０Ａとする。
このアーク放電によって、陰極４が溶解してその蒸発面
５から陰極物質６が蒸発し、その一部がアークプラズマ
によってイオン化され、このイオン化した陰極物質イオ
ンが負バイアス電圧によって基体１８に向けて加速され
て基体１８に衝突する。その状態を約３分間保持する
と、陰極物質イオンの衝突によって、各基体１８が約３
８０℃まで加熱されると共に、各基体１８がスパッタさ
れてその表面が清浄化される。

【００３３】上記ボンバード工程に続いて、成膜工程に
入る。即ち、この実施例の場合は、ガス３８を窒素ガス
に切り換え、それを約１００ｓｃｃｍ導入し、真空容器
３２内の圧力を２０ｍＴｏｒｒ程度に保持する。かつ、
基体１８に印加するバイアス電圧を−２００Ｖにし、陰
極４に流すアーク電流を８０Ａにする。その状態を約１
０分間保持すると、各基体１８の側面に約３μｍ厚のＴ
ｉＮ膜が形成される。

【００３４】上記のようにして成膜されたステンレスシ
ャフトの軸方向におけるＴｉＮ膜の膜厚のばらつきを表
１中に実施例として示す。また、上記のようなアーク式
蒸発源２ａの代わりに、図１０に示した従来のアーク式
蒸発源２を用いて同様にして成膜した場合の膜厚のばら
つきを表１中に比較例として示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】この表に示すように、この発明に係るアー
ク式蒸発源２ａを用いた実施例の方が、従来のアーク式
蒸発源２を用いた比較例に比べて、膜厚ばらつきが小さ
く膜厚の均一性が非常に高い。ちなみに、基体表面での
ドロップレットについては、実施例および比較例の両方
共に良好であった。

【００３７】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、磁界形
成手段が円錐台状をしていて、当該磁界形成手段によっ
て発生する磁力線は、磁界形成手段の内部で、集束する
ことなく、陰極の蒸発面の前方に向かって発散するの
で、陰極物質中に含まれている陰極物質イオンも当該磁
力線に沿って発散するようになり、陰極物質イオンの放
射領域は広くなる。その結果、膜厚均一性の高い成膜領
域も広くなる。

【００３８】しかも、磁界形成手段によって、陰極の蒸
発面での磁界の強さが７００Ｏｅ以上の磁界を形成する
ので、蒸発面の前方付近に高密度のプラズマを生成し
て、この高密度のプラズマによって陰極物質に含まれる
ドロップレットを効率良く分解することができる。その
結果、陰極から飛散するドロップレットを低減すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るアーク式蒸発源の一例を示す図
である。

【図２】図１に示したのと同様の円錐台状の磁気コイル
周りの磁界の解析結果の一例を示す図である。

【図３】陰極の蒸発面と基体との位置関係を示す図であ
る。

【図４】陰極の蒸発面から一定の距離Ｚ離れた基体表面
における成膜速度分布の例を示す図である。

【図５】陰極の蒸発面での磁界の強さを変えた場合の基
体表面でのドロップレット数の変化の例を示す図であ
る。

【図６】この発明に係るアーク式蒸発源の他の例を示す
図である。

【図７】この発明に係るアーク式蒸発源の他の例を示す
図である。

【図８】この発明に係るアーク式蒸発源の他の例を示す
図である。

【図９】図１と同様のアーク式蒸発源を備えるアーク式
イオンプレーティング装置の一例を示す図である。

【図１０】従来のアーク式蒸発源の一例を示す図であ
る。

【符号の説明】

２ａ アーク式蒸発源 ４ 陰極 ５ 蒸発面 ６ 陰極物質 ８ａ 磁気コイル １０ コイル電源 １２ 磁力線 ２８ 永久磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平塚 治男 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日 新電機株式会社内 (72)発明者 緒方 潔 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日 新電機株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アーク放電によって陰極を溶解させて陰
   極物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、前記陰極
   の陰極物質を蒸発させる蒸発面を取り囲むように、当該
   蒸発面を含む領域に磁界を形成するものであって蒸発面
   の前方に向けて徐々に直径を増していて概ね円錐台状を
   している磁界形成手段を設けており、しかもこの磁界形
   成手段は、前記陰極の蒸発面での強さが７００エルステ
   ッド以上の磁界を形成するものであることを特徴とする
   アーク式蒸発源。