JPS60135570A - ア−ク安定化方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野） 本発明は例えばアーク蒸着システムにおいて使用される
アーク安定化方法および装置に関するものである。

（従来技術） アーク蒸着システムはアルビンＡ、スネーパーに与えら
れた米国特許第３．６２５，８４８号、第３．８３６，
４５１号、およびＬサブレフ等に与えられた米国特許第
３，７８３，２３１Ｍ、第３．７９３．１７９号に開示
されている。このアーク蒸着システムは蒸着速度が高い
等の種々の長所を有するものであるが、アークが不安定
であるためにその長所が幾分相殺されてしまうきらいが
ある。ずなわち、そのアーク放電は６０アンペア乃至そ
れ以上もの電流を伴い、しかもその電流が極めて小さな
陰極スポットに集中されるため電流密度が１０３〜１０
６／平方インチという大きな値になる。このときの電圧
は１５〜４５ボルトである。したがってその小さな陰極
スポット上の出力密度は平方インチ当たりメガワットの
オーダーに達する。したがって局所的な烈しさであると
いうのには出力密度が高過ぎる。陰極スポットの下のタ
ーゲラ１へ面は激しい熱のために瞬時に蒸発する。基板
上に蒸着被膜を形成するのはこの蒸発したターゲット材
料である。陰極スポットはターゲットの表面を不規則に
移動し、その速度は秒速何メー１〜ルにも達すると報告
されている。陰極スポットはこのように不規則に移動す
るため、ターゲットの表面から外れてしまうことがあり
、そのために装置が損傷したり、ｊｑられる被膜が汚れ
たりすることがある。

上記のようなアークの不安定性を解消するために種々の
方法が提案されている。例えばサブレフ等の米国特許第
３．７９３．１７９号にはターゲットの縁に近接してシ
ールドを配することが提案されている。Ｊ：り詳細には
、そのシールドはターゲットに対して、存在する気体の
平均自由行程より短い距離内に配される。しかしながら
、アーク放電においては、部分的平均自由行程を時とし
て１０００分の数インチにまで短縮づるような激しさで
、陰極スポット上でガスとプラズマが発生する。このよ
うな局所的な高圧がシールド（数ミリメートル１なわち
約１０００分の８０インチ離れている）の下で発生する
ど、アークがシールドの下を通ってしまう可能性がある
。そうすると、陰極がアークで破損されたり、蒸発源が
汚れたり、アークが消えたりすることになる。

ザブレフ等の米国特ｎ第３，７８３，２３１号はフィー
ドバック機構によって前述のような問題を解消しようと
するものであるが、そのフィードバック機構は複雑で実
施上の問題をより大きくすることになってしまっている
。そのフィードバック機構は陰極スポラｉ・をターゲッ
ト上に保持するために磁場を利用している。Ｈ，ロー等
の米国特許第２，９７２．６９５号にＪ３いても陰極ス
ポットをターゲット上に保持するのに磁場を利用してい
る。

（発明の目的） 上記のような事情に鑑みて本発明はアーク蒸発法におい
て、従来の方法における上記のような問題なしに、非透
過性ターゲット用のアークを安定化させることを目的と
でるものである。

（発明の構成） このような目的は非透過性ターゲットの蒸発面の所定の
部分を透過性月利で形成された閉込めリングで取り巻く
ことによって達成される。このような閉込めリングはア
ークがその閉込めリングに近づくとそのアークを蒸発面
の方に押し戻す。

（実ｌ１ＩＩｌＢ様） 以下図面を参照して本発明の望ましい実施態様を詳細に
説明する。

第１図において非透過性ターゲット１０がアーク閉込め
リング１４によって水冷陰極体１２上に保持されている
。そのアーク閉込めリング１４１２軟鉄、パーマロイ等
の磁気透過性月利で形成されている。アーク閉込めリン
グ１４の材料としては磁気透過性のものであればどのよ
うな材料でも使用することができ、例えば、鉄、ニッケ
ル、コバル１〜、これ等の金属に必要に応じて少量の添
加７− 物を混合した合金、フェライト、スチール等も使用する
こともできる。後に詳述するように、アークを非透過性
のターゲット１０上に保持してアークを安定させるのは
リング１４の透過性に依るものである。さらに、リング
１４はボルト１６によってターゲット１Ｏを陰極体１２
上に固定する。

上述のようにアークを安定させる透過性リングを以下Ｐ
−リングと称する。

また第１図において２２．２４．２６はそれぞれアーク
蒸着において従来から使用されているアノード、電源、
支持体である。図示されていないが、一般に陰極電位と
同電位にあって、アノード２２どターゲット１０の間に
アークを発生させる手段を使用するのが普通である。そ
のアークは帯電粒子と、ターゲラ１〜１Ｏの面上を不規
則に移動づる陰極スポットの存在によって特徴づけられ
る。

一旦アークが確立されると、帯電粒子の平均エネルギー
が２０〜１０ＯｅＶ（通常４０〜６ＯｅＶ）にも及ぶと
いうアークの高エネルギーのためにターゲットの材料が
独特な状態で蒸発する。蒸発し８− た材料は支持体上に付着する。このとき支持体がアノー
ドの機能を果たすようにすることもある。

また非透過性ターゲラ１〜は導電性の材料からなってい
てもよいし、絶縁性の材料からなっていてもよい。通常
、電源２４としてはターゲットが導電性の場合にはＤＣ
電源が使用され、絶縁性の場合にはＲＦ電源が使用され
る。また、ターゲットと陰極が同一であつｔよい場合も
ある。

１９８３年５月９日出願の米国特許出願Ｎｏ。

４．９２，８３１においては窒化硼素、窒化チタン等の
材料で形成された閉込めリングでターゲットを取り巻く
ことによってアークの安定化がなされている。このタイ
プのリングを以下［Ｎ−リング」と称（ることにする。

特定の動作原理に限定しようとするものではないが、本
発明におけるＰ−リングには次のような考察が摘要でき
るようである。非透過性ターゲットに向けられている真
空アークは不規則に動き回るがターゲットを離れて陰極
の他の部分に移動するのは１秒程度以下である場合が殆
どであることが観察されている。透過性ターゲットの場
合にはアークがそのターゲットを外れて陰極の他の部分
に移るのはミリセコンドの範囲内である。汚染されてい
ないコーティングを得るためには、当然アークはターゲ
ットから外れてはならない。

保護されていない透過性ターゲットからのアークの瞬間
的な外れに関してはＮ−リングによって取り巻かれたパ
ーマロイの円形ターゲットをアーク蒸発さゼる試みが本
出願人によってなされた。

この場合には第２ａ図に示すようにＮ−リングの近くの
みに侵食が生じた。なお、第２ａ図においてターゲラ１
〜、Ｎ−リング、陰極体はそれぞれ１０．１８．１２で
示されており、２０は侵食パターンを示している。第２
ｂ図［よ前述の米国特許出願Ｎｏ、４９２，８３１に開
示されている、Ｎ−リングを使用した場合の非透過性タ
ーゲラ１−の通常の侵食パターンを示すものである。第
２ａ図のターゲラ１〜を調べたところアークを透過性タ
ーゲットの縁の方に向かって動かずような力が作用して
いるようであり、これ以外にはアークがＮ−リングに向
かって特異的に動く理由が考えられない。

真空アークにかけられる磁界に関す−る初期の文献では
磁界密度の最も大ぎい方向にアークが動ぎ易いことにな
っている。これが第２ａ図においてターゲラ１〜の縁の
方にアークを動かＪメカニズムであると仮定ケると、ア
ークは磁界密度を減らず透過性材料から離れる方向に動
くと考えられる。

閉込め機構に関するもう１つの考え方を、カップ形のフ
エライ１−ターゲットから）■ライｌ−？Ｉ合体をアー
ク蒸発させた直性と山中の研究（［日本応用物理ジャー
ナルＪ　（Ｖｏｌ、１０、ＮＯ６６，１９７１年６月発
行）所載装置フェライトの真空アーク蒸発およびその蒸
着体の組成（ｙａｃｕｕｍ　ＡｒＣＦｖａｐｏｒａｔｉ
ｏｎＳ　ｏｆＦｅｒｒｉｔ：ｅｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｏ
ｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　王ｈｅｉｒ　ｐｅｐｏｓｉｔｓ
）Ｊ参照。）から見出ずことができる。ターゲットの溶
融部分に３３いて、酸化物材料は金属とは極めて異なる
振舞をした。直性と山中はアークは極めで安定してＪ３
す、カップのほぼ中央で非常にゆっく１１　一 つとした円運動をしたど報告している。彼等はこの異常
な振舞については言及していないが目視によるアークの
運動についてはかなり詳しく述べている。アークの閉込
め一般については記載がない。

この現象をざらに良く理解するために、本出願人はワイ
ヤーに直流を通して、アークがターゲットの近くに形成
されるであろうような円筒状の磁界を発生させた。この
ワイヤーを種々の形状の透過性ターゲラ１〜に近づけ、
また鉄のヤスリ屑によってこれらの透過性材料の磁界に
与える影響を洞察した。

なお、これは上述の米国特許第２，９７２，６９５号お
よび第３．７８３，２３１号におけるようにアークフィ
ールドと相互に作用し合う磁界をかけるのとは、外部フ
ィールドをかけないという点で幾分異なっている。ワイ
ヤーに電流を通ずと、そのワイヤーの周囲に対称に磁束
が発生する。２本のワイヤーを平行に置いて電流を同じ
方向に通すと、両ワイヤーは互いに引き合う。ワイヤー
の右と左では磁束の方向が異なるために、両ワイヤ　１
２− 一の間に発生した磁界は相殺される。

実際には、アークというのは極めてユニークなものであ
り、アークを電流を通したワイヤーでモデル化したもの
はアークの挙動について真に正確に示ずものではない。

もしも、充分な電流がアーク内を流れることができたら
、アークは陰極面を別々に動き回る２つのアークスポッ
トに分かれるであろう。これは電流が流れたとぎに一緒
に動くワイヤーの場合とは全く逆である。アークとワイ
ヤーのこの違いに対する簡単な説明は、アークの場合に
は電子が横方向に自由に動くことができるが、ワイレ−
の場合には電子がワイヤー内に閉じ込められているとい
う表現でなされることもある。

電子はワイヤー内で横に動こうとして大きさが等しく、
方向の異なる力をワイヤーに及ばず。したがってワイヤ
ーはアークとは反対の方向に動き、アークを透過性ター
グツ１への縁の方に動かそうとする力の大ぎざは、アー
クを一般に非透過性ターゲットの周囲に動かす不規則運
動の力に対して相当大きい。

第３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ図は透過性ターゲット・、非
透過性ターゲットの両方の場合において種々の条件下に
おける磁束密度を鉄のやすり屑の分布パターンによって
表現したものである。第３ａ図においては鉄のプレー（
−２６に近づく程磁束密度が小さくなっている。これは
磁力線（断面みが図に見えている。）が鉄の中の方が通
り易いために鉄のプレート２６内に引き込まれるからで
ある。

アルミニウムターゲラ１〜２８の場合には第３ｂ図に示
ずようにターゲットに近づいても磁束密度は殆ど変らな
い。またアルミニウムのターゲット２８の場合には第４
ｂ図に示すようにターゲラ１〜の縁に近づけても磁束密
度は変化しない。これに対して鉄のターゲットの場合に
は縁に近づｔノるとターゲラｉ〜の外側の磁束密度が大
ぎくなり、内側では磁束が殆どなくなってしまう。した
がってアークを外側に押１カが存在するどアークが暴走
的にターゲラ１−の外縁を外れてしまうというのは容易
に理解できることである。アークを外側に押す力はアー
クが完全にターゲラ１−の中心にあるときはゼロであろ
うが、アークは通常不規則に移動するから、直ぐに中心
から外れてしまう。アークがターゲットの縁に近づくに
つれてアークを外側に押す力は倍加する。したがって、
外側への誘導電磁気力と、アークがそれ以上外側へ動く
のを阻止するＮ−リングの間にアークが捕えられるため
第２ａ図に示すようなパターンで侵食が生ずるのは当然
である。運動の相対的自由度は第２ａ図の平面に向かっ
てのみ存在する。したがってアークはその１−ラップに
直角な方向にターゲット周囲を動く。

ここではアークの運動を完全に説明するのが目的ではな
く、アークの運動の幾つかの面のうち相当に大きな影響
を制御の目的をもって与えることができるものを示すの
が目的である。

ざらに第１図の実施例において、磁力線が透過性リング
内の方が通り易いために、その透過性リングに近づくに
つれて磁束密度が低くなることになる。特に真空アーク
の電流によって発生される磁界は透過性のリングと相互
に作用してアークをターゲラ１へ上に完全に閉じ込める
。したがってア１５− −クにがかるノＪはターゲラ１〜の磁束密度のより高い
部分に向かってリングから離れている。

リングの透過性材料のアーク電圧はターゲラ１へ材料の
アーク電圧より高い。文献ににればアークが−Ｈアーク
電圧の高い材料を外れてアーク電圧の低い材料に移動す
るとアークは決して戻らない。

この事実はアークの閉込め法のもう１つの可能性を示す
ものである。また低電圧ターゲット材料の充分な層が他
のものの上に被さるとぎに何が起きるかについても疑問
がある。いずれにしろ、鉄はアーク電圧の最も高い金属
であり、本発明で使用されるリングはアーク電圧が高い
、透過性が高いという２つの点で有利である。しかしな
がら、アークが閉込めリングから殆ど遠過ぎる位遠くに
留まる（侵食パターンが多少変化づ−るが）という点で
透過性が一次的なファクターであると考えられる。これ
はリングに極めて近い部分まで極めて均一に侵食される
、Ｎ−リングによって押さえられたターゲットと全く異
なる。

さらに、本発明で使用されるＰ−リングによれ１６− ば均一な侵食を得ることができ、またそのＰ−リングは
安価でしかも丈夫であるという利点がある。

なお本出願は１９８３年５月９日出願の米国特許出願Ｎ
ｏ、　４．９２，８３１．本出願に係る発明の米国出願
ど同［」に出願されたウィリアムＭムラリーの（’Ｉｍ
ｐｒｏｖｅｄ　Ａｐｐａｒａｔｕｓａｎｄ　Ｍｅｔｈｏ
ｄ　Ｆｏｒ　［：ｖａｐｏｒａｔｉｏｎ　Ａｒｃ　３ｔ
：ａｂｉｌｉｇａｌ：ｉ。

ｎ　Ｆｏｒ　Ｐｅｒｍｅａｂｌｅ　ＴａｒｇｅｔｓＪと
題する米国特許出願、および同じく本出願に係る発明の
米国特許出願と同日に出願されたチャールスＦモリジン
ジャニャのｌ’ｔｍｐｒｏｖｅｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎ
ｄ　ＡｐｐａｒａｔｕｓＦｏｒ　Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏ
ｎ　Ａｒｃ　３ｔａｂｉｌｉａａｔｉｏｎ　Ｉｎｃｌｕ
ｄｉｎａＩｎｉｔｉａｌ　Ｔａｒｇｅｔ　Ｃ１ｅａｎｉ
ｎＱＪと題する米国特許出願に関連するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のアーク安定化装置の概略断
面図、第２ａ図は透過性ターゲットをＮ−リングで押さ
えた場合の侵食パターンを示す断面図、第２ｂ図は非透
過性ターゲットをＮ−リングで押さえた場合の侵食パタ
ーンを示す断面図、第３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ図は透過
性ターゲット、非透過性ターゲットの秤々の条件にお番
プる磁束密度を鉄のヤスリ屑の分布パターンによってそ
れぞれ示す図である。 １０・・・ターゲット　１２・・・陰極体１４・・・閉
込めリング　２２・・・アノード２６・・・支持体 １９− ＦＩＧ、１ ８ ＦＩＧ、　２゜ ＦＩＧ、　２１） １Ｇ、３゜ ＦＩＧ、　３ｉ） ｉ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　蒸発されるべき非透過性材料の表面を備えたタ
   ーゲット、 ターゲツト材ｒ１を蒸発させるためのアークを前記ター
   ゲツト面上に形成するアーク形成手段、および前記ター
   ゲツト面を取り巻く閉込めリング、からなり、前記アー
   クが帯電粒子の存在と、前記ターゲツト面上を不規則に
   移動する陰極スポットの存在とによって特徴づけられる
   とともに、前記閉込めリングが磁気透過性の材料で形成
   されており、それによって前記陰極スポラ１〜を前記タ
   ーゲツト面内に閉じ込めるようになっていることを特徴
   とする蒸発アーク安定化装置。 く２）　前記アークの前記帯電粒子の平均エネルギー　
   ｈ＜　２０〜１ｏｏｅｖであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の装置。 （３）　前記アークの前記帯電粒子の平均エネルギーが
   ４０〜６０ｅＶであることを特徴とする特許請求の範囲
   第２項記載の装置。 （４）　前記透過性何科が軟鉄もしくはパーマロイであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。 （５〉　蒸発させられた前記ターグツ１〜材料が被膜と
   して支持体上に蒸着されるようになっていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の装置。 （６）　前記支持体がアノードと同一の部材であること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項記載の装置。 く７）　前記ターゲットが導電性の材料からなっている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。 （８）　前記ターゲットが絶縁性材料からなっているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。 （９）　前記アーク形成手段がカソードとアノードを備
   えていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   装置。 （１０）　前記ターゲットが前記カソード上に取り付け
   られていることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載
   の装置。 （１１）　前記ターゲットとカソードが同一の部拐であ
   るであることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の
   装置。 （１２）　前記閉込めリングが前記ターゲラ１〜に接触
   していることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   装置。 （１３）　非透過性材料のターゲットの表面にそのター
   ゲットを蒸発させるためのアークであって、帯電粒子の
   存在と前記ターゲットの表面を不規則に移動する陰極ス
   ポットの存在とによって特徴づけられるアークを形成し
   、前記ターゲットの表面を取り巻く、磁気透過性の材料
   で形成された閉込めリングによって前記アークを前記タ
   ーゲットの表面上に閉じ込めることを特徴とする蒸発ア
   ーク安定化方法。 （１４）　前記アークの前記帯電粒子の平均エネルギー
   が２０〜１００ｅＶであることを特徴とする特許請求の
   範囲第１３項記載の方法。 （１５）　前記アークの前記帯電粒子の平均エネルギー
   が４０〜６０　ｅ　Ｖ　Ｐあることを特徴とする特許請
   求の範囲第１５項記載の方法。 （１Ｇ）　前記透過性月利が軟鉄もしくはパー７１］イ
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１３項記載の
   方法。 （１１）　前記ターゲットが導電性の月利からなってい
   ることを特徴とする特許請求の範囲１３項記載の装置。 （１８）　前記導電性材料が金属質のものであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１７項記載の方法。 （１９）　前記ターゲットが絶縁性材料からなっている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１３項記載の方法。 （２Ｏ〉　蒸発させられた前記ターゲット材料が被膜と
   して支持体上に蒸着されることを特徴とする特許請求の
   範囲第１３項記載の方法。 （２１）　前記閉込めリングが前記ターゲットに接触し
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１３項記載の
   方法。