JPS63230866A - アノード・カソード間のアーク放電による真空蒸着の方法及び装置 - 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〕 本発明はアノード・カソード間の電気的アーク放電によ
る真空蒸着の方法及び装置に関する。

〔従来技術および発明が解決しようとする課題〕プラズ
マで支持される真空蒸着方法の適用により、種々の源か
らの必要な成分の供給により反応して分離する際に基層
上に発生される化合物の板状体は、酸化物の広められた
製造法を超えて大いに広まっている。大抵は必要とする
金属成分は、第２のもしくはその他の成分がガス状とな
って導入する間に、気化又は粉粒化により蒸着空間に供
給される。

アーク放電のカソード点による金属の気化はプラズマ支
持された蒸着に良く適合するものである、何故ならカソ
ード点がカソード材料を実質的に真空蒸着に利用される
その他の源のように中性蒸気としてでは一ヱく、主要部
分に対し殆んどイオンとして放射するからである。イオ
ンは同様に放射される電子と共に、高速蒸着を許す高い
荷電担体密度のプラズマを形成する。同時にプラズマで
支持された層の形成により有利な層の特性（高密度、高
剛性、僅かなあらさ）が得られ、しかもカソードから発
生される金属蒸気の析出物によってのみ得られる層なら
びに、基層上に対応する化合物から成る層が生じるよう
に、特に添加した「反応性」ガスと金属蒸気との化合物
から成る層に対しても、同様に得られる。

平らなカソードにおいて、放射されたイオンの方向分布
は殆んど余弦法則に従っている、すなわちカソード面上
の鉛直線に関し角度αを囲む方向において観測される気
化した材料の流れが、垂直線における放射よりも係数ｃ
ｏｓαだけより小となっている。この強度分布は、真空
蒸着にとって公知のその他の蒸発源から放射する場合で
も大体において存在する。したがって合理的な蒸着の観
点から眺めてみると、蒸着されるべき基層を源の気化さ
れる面に従属する鉛直線近傍に配設することが目的に適
っている。

このことは、カソード点により気化する場合に、別の理
由から依然として推奨される。すなわちその他の源とは
反対に、いわゆるカソード点によりカソード表面の材料
が飛行もしくは発生して基層上に固まるイオンから偏差
した方向分布で、かなりの量の小さな流動小粒子の形状
となって放射され、そして例えば層表面のあらさの増加
と、金属蒸気とともに化学的化合物として形成される層
の汚染と、噴出（Ｓｐｔｉｔｚｅｒ）の不意の出現に基
づく腐蝕の受は易さの増加等とのような種々の不利な層
特性が生じるのである。鉛直線の近傍に配設され、した
がって同時に蒸着速度が最大となる基層上に最小の噴出
が存在する。

カソード点による気化を適用して真空蒸着を行なうこれ
迄の通常の装置は、噴出による可能な限りの最小数の欠
点を有する層を得るために、蒸気と噴出の種々の放射特
性を利用することを試みてきている。この目的のため基
層は、カソードの直径に対し相対的に小さな領域又はカ
ソードからの大きな距離において、カソード面上に引か
れた中心鉛直線が個々の基層の中心に向けられるよう、
相並んで近接して配設されて、いる。しかしながら一方
では一般に要求されている基層からのカソードの大きな
距離と、他方では鉛直線近傍の場所に存在する基層の僅
かな数とが経済的で、噴出の乏しい蒸着を許さない。

したがってこれ迄はいわゆるスパークによる気化を適用
する場合に、経済的に制作する目的でより僅かな距離又
はより延長された基層の場に対する方向における妥協を
行なって我慢しているが、これは噴出に関する本質的な
悪化を生じている。

したがってこれ迄の種々の知られた努力は、経済性を害
することなく達成される噴出の減少に向けられている。

カソードのその時々の箇所におけるカソード点の持続時
間が短かい場合には、噴出数が減じられうるということ
が知られている。しかしながらこの目的のために提案さ
れた電流の遮断及び短かい休止後の再点弧は、商業上の
尺度における蒸着と調和しない。

同時に活性化するカソード点の数はカソードスパッタ放
電に利用される電流に従うことは既に知られており、こ
の場合カソード点はカソード材料に応じて５０乃至１５
０アンペア（Ａ）の電流を放射する。カソード点はカソ
ードの表面上を統計的に揺動する。カソード点は、適合
磁界により希望した領域における動きに制限されうる。

カソード表面に対し平行に向けられ、しかしながら平面
において絶えずその方向を変えねばならない強力な磁界
により、カソード点の短かい持続時間も得ることができ
る。しかしながらこのような方法は煩雑であり、工業上
の実務には実施されえないものである。

本発明の課題は、蒸発源として電気的アーク放電のカソ
ード点を適用し、これ迄よりもより大きな経済性をもっ
て噴出の乏しい基層蒸着を可能にする真空蒸着方法を提
供することにある。

〔課題を解決するための手段、および作用〕本発明にお
いては、基本的形態として、アノード・カソード間のア
ーク放電による真空蒸着の方法において、 カソードが、該カソード側において、アーク放′辺の作
用により分解可能な金属化合物をともないつつ、持続的
な蒸発に支配される、 ことを特徴とするアノード・カソード間のアーク放電に
よる真空蒸着の方法が提供される。

また、本発明にふいては、他の形態として、アノード・
カソード間のアーク放電による真空蒸着を行なうにあた
り、カソードが、該カソード側において、アーク放電の
作用にあり分解可能な金属化合物をともないつつ、持続
的な蒸発に支配される、真空蒸着の方法を行ｔｌう装置
であって、排気可能な蒸着室に少なくともカソード材料
をカソード点から気化する目的で電気的アーク放電する
ためのカソードとアノードが設けられ、該蒸着室に金属
化合物によりカソード面の持続的蒸発を行なうための付
属装置が備えられている、ことを特徴どするアノード・
カソード間の電気的アーク放電による真空蒸着の装置、
が提供される。

本発明は、成る時間間隔の間のアークの点弧後に隙き間
なく詰まった層の形成に必要とされるイオンが放射され
るが、噴出が殆んど行なわれないという観察を基礎とし
ている。この時間間隔内に多分、例えば前述したような
氾濫に基づ（カソード表面の汚染層が運び去られる。カ
ソード点のより平均的な移動速度がこの時間間隔の間に
かなり高められる、ということも測定されている。した
がってカソード面のその時々の一定箇所におけるより平
均的な持続時間も明らかに減少し、そしてこのことは噴
出の発生を減じるのに適合した効果を有している。

本発明により提案される金属化合物（Ｍｅｔａｌ　ｖｅ
ｃ−ｂｉｎｄｕｎｇ）、例えば反応して発生する窒化チ
タン（ＴｉＮ）によるカソードの蒸着は、このことを短
かい最初の時間間隔の間ばかりでな（、絶えず行なう。

カソードからの運び去りと平衡して行なわれる蒸着が本
発明の目的の蒸着に適うようにするために、蒸着比率は
カソードのより平均的な運び去り比率に関係して（運び
去り比率はスパッタ放電の電流密度に比例している）材
料に依存する最低量以上でなければならない。しかしな
がらこの場合本発明に従う効果は唐突に現われることは
なく、運び去り比率対蒸着比率が増大するとともに次第
に現われてくる。

特に反応する蒸着に対し、すなわち化合物の形成にとっ
て必要な、気化による一つの種類の成分及び他の成分が
ガス状となって反応空間に供給される（例えば気化され
たチタンと流入された窒素とからなる窒化チタンを形成
する場合に）ような化合物からなる層の製造に対し、本
発明に従う方法は非常に有効な方法として実施された。

この場合容器内に幾つかのカソードが、基層ばかりでは
なく、相互に自身も蒸着するように配設することが可能
である。同時にカソードがカソード点による気化を行な
うため、より平均的な電流密度が余りにも高くならない
ような大きな面を有する場合には、カソード面上の鉛直
線に対し４５°以上の角度にて傾斜する方向において、
本発明に従う条件に適合しない唯一つのカソードもしく
は幾つかのカソードを使用する際に鉛直線に対し２５°
の方向において得られる層よりも、噴出のより乏しい層
が依然として得られる。したがって本発明により、重潰
損失なしに蒸着されるべき層の配列に適用可能な空間角
度の著るしい拡大が得られ、これにより本質的に完全な
経済性が得られる。

以下に添付図面を参照しつつ本発明がより詳細に説明さ
れる。

〔実施例〕

第１図において１は、ポンプ開口２３により排気される
円筒状の真空蒸着室を示す。その内部には、絶縁体によ
り電気的に絶縁されて装置の円板状の蓋と底板とに固定
されているカソード２及び３が設けられている。これら
のカソードは、循環する冷却媒体により発生した損失熱
を搬出するため、冷却台２′又は３′を常に備えている
。両力ソードのそれぞれは電流源１８の負極と接続され
、その正極は常に電子をガス放電から再び運び去るよう
両力ソードを囲むリング状の円板４　（したがってアノ
ードとして持続されている）に導びかれている。

好ましくは各カソードはその外に、真空封止されて室壁
を貫通している作動装置１６によりカソードを指状点弧
部と接触させもしくはカソードからこの点弧部を離隔し
うるように矢印方向に移動されるいわゆる指状点弧器１
５を備えている。この場合流れる電流は抵抗１７により
２．３０アンペアに制限される。指状点弧器をカソード
から引き離す際に発生する開放スパークが、気化にとっ
て必要なカソード点を最初に発生させる。

両力ソード２及び３は、カソードの円筒状側壁へのカソ
ード点の移動を阻止し、このようにしてカソード点の移
動を常にカソード正面に制限する、絶縁して設けられた
円筒状の金属板１９により囲まれている。

さらにコイル１３及び１４が存在し、（これらのコイル
はへルムホルツ対として接続される）はぼ１０ガウスの
小さな磁界強度におけるプラズマ密度の増加と、一定の
アーク電流にて両力ソードの相互の蒸着比率の向上とを
常に生せしめる。

蒸着室の内部にはさらに、回転運動によりより一様な蒸
着を得るため、駆動装置６と接続されている基層支持器
５が回転自在に配設されている。

個々の支持器８乃至１２が、基層支持器５に固定されて
いる。

第２図に示す蒸着装置は、第１図に従う装置から、記載
されている方式の上方カソード２のみが設けられかつ第
２のカソードの代りに金属化合物とともに上方カソード
を蒸発させるための補助装置２０を具備する点で区別さ
れる。この補助装置は、例えばアノードポテンシャルに
置かれていて、電気的に絶縁されかつ真空封止して装置
の底板を貫通する導線２１を介し電圧Ｒ１８の正の側に
置かれている気化るつぼとして形成されている。作動の
際このるつぼ２０は電子衝撃を受け、かつその内部に存
在する物質２２が気化するよう加熱される。るつぼ内に
在る金属化合物を直接気化するか、もしくは蒸着空間に
おける反応ガスが存在し、基層に希望された金属化合物
から成る層を形成する金属を気化するかは、いずれも本
発明の枠内に在る。るつぼに加えられた正の電圧の大き
さにより、るつぼに生じる出力は制御され、これにより
気化比率の好ましい調整が行なわれる。この場合、（よ
り小さな）アノードに収斂する磁界を発生する電流によ
り下方コイル１３のみで蒸着を行なうのが有利である。

以下の実施例は第１図に従う蒸着装置により実施される
が、このため第２図に従う装置或いは他の（公知の）蒸
着装置も、カソード点の気化及び同時に金属化合物によ
るカソードの蒸着を実施する可能性が与えられた場合に
使用することができる。

第１の実施例においては、窒化チタンにより基層を蒸着
するため、第１図の装置に純粋チタン（Ｒｅｉｎｔｉｔ
ａｎ）からなる２個のカソードが置かれた。

基層はあらかじめ通常の方法で溶媒中に超音波を使用し
て清浄にされた。

高真空に達した後装置にアルゴンが０．１乃至１パスカ
ル（Ｐａｓｃａｌ）の圧力となる迄導入され、基層にス
パッタによりより一層の清浄を生せしめるイオンが当て
られうるほぼ１０００ボルト（ｖ）の負の電圧が基層支
持器に加えられる。清浄にした後アルゴン圧力が２．３
・１０−２パスカルに低下し、両力ソードにおけるカソ
ード点の形成の下でアークが点弧され、基層に加えられ
た電圧が７０ボルトに低下した。同時に窒素が１０’パ
スカルの圧力となる迄導入され、そしてこの圧力は次に
続く蒸着の間一定に保持された。アーク電流は、２度３
００アンペアに調整された。８分間の蒸着時間の後に窒
化チタン層の厚みは、支持器位置８乃至１２に存在する
基層を２．５−３．４−３．５−３．５−２．３マイク
ロンメー）　ル（Ｍｉｋｚｏｎｍｅｔｅｒ）　　となっ
た。

次に、噴出の大きさ及びその頻度は、０．０２５平方ミ
リメートル（ｍｍ２）の平面を再現するマイクロカメラ
で測量した、この結果は第３図に記入されている。ｌで
示す曲線は、位置１０における（第１図、第２図）基層
支持器に設けられた試料皿の層における噴出平均値を示
すもので、上記の平面には例えば５平方マイクロメート
ル（廊２）の断面積を有していて、平均してほぼ７個の
噴出が存在したが、２０平方マイクロメートルの大きさ
の２個の噴出のみが存在した。

同一装置にて窒化チタンにより蒸着を行なうための第２
の例においては、２　Ｘ　６００アンペアのより高いア
ーク電流に調整された点を除いて同一の方式にて行なわ
れた。位置ＩＯに設けられた基層における大きさ及び頻
度がマイクロカメラで再び調査され、第３図に曲線２と
して記入された。

次に本発明と公知の技術レベルを比較するため、同一の
蒸着装置にて（第１図に従う）窒化チタンによる蒸着を
本発明に従う方法を使用することな〈実施された。準備
は例１におけるのと同一の方式にて行なわれたが、蒸着
のために下方のカソード３におけるカソード点のみが点
弧され、したがって蒸着過程の間下方のカソード側では
作動外に在るカソード２による蒸着は行なわれなかった
。

電流は、６００アンペアに調整された。これに対応して
蒸着時間は、例２におけるのと同一長さの２倍に選ばれ
た。これにより得られた、位置１０に再び設けられてい
る基層の噴出分布は、第３図の曲線３として認められる
。より多くの有利な曲線１及び２と比較して、本発明の
教示に対応する大きな長所が認められる。

第３図に示された噴出頻度は、０．７乃至１．５アンペ
ア／平方センチメートル（Ａｃｍ−”）の領域における
カソード放射面のより平均的な電流密度に関係している
。カソード点から主としてイオンが放射されるから、こ
れらの源の一つが残りの源により受ける蒸着比率は、イ
オン軌道の影響により、例えば適当な磁界により支持さ
れ又は弱められる。

イオンによる蒸着のこの場合において、最適な蒸着に調
整するための測定が殊に簡単に行なわれる。

蒸着が調査されるべき一方のカソードは、カソードにス
パークを点弧することなく、電流計を介して他方のカソ
ードの一つのポテンシャルに置かれる。窒化チタン（Ｔ
ｉｔａｎｎｉｔｒｉｄ）及びチタンカルボニトリド（Ｔ
　１ｔａｎｋａｒｂｏｎ　ｉｔｒ　ｉｄ）による蒸着の
適用に対し、裏面蒸着の際の噴出の乏しい蒸着の最適性
がより後で選ばれるアーク電流の１乃至２パーセント　
（％）のイオン流により達成されることを、我々は発見
した。放射されたイオンの（電気的）流れが全アーク電
流のほぼ８パーセントになるから、この場合においてス
パークカソードが放射イオン流の１２乃至２５％の間に
あるときに、スパークカソードの裏面蒸着が最適である
ことが明らかとなる。

この裏面蒸着は、希望する化合物が上述したように通常
の熱的蒸発もしくはスパーク源により行なわれて形成さ
れるように、反応度が十分に高いという条件に基づいて
いることは明らかである。

電流８測定は１平方センチメートル毎に被覆される量を
決めることにより、例えば水晶発振器により行なわれる
かもしくは試料状の蒸着した基層を秤量することにより
置き換えられる。（イオン蒸着に対応する電流から、観
察したカソード上の１秒につき被覆される層の量から、
ロシュミット数６・１０２３と、１．６・１０Ｉｇアン
ペア秒の簡単にイオン化されるイオンの比電荷と、数倍
に荷電されたイオンの値を顧慮しかつ層の材料の１モル
の「原子潰」単位によりグラム（Ｇｒａｍｍ）で割った
ほぼ２に等しい係数ａとを乗算することにより得られる
）。

その他の例は、チタンカーボニトリドによる蒸着に関係
するものである。第１図に概略で示した装置の中にＨ３
Ｓ−鋼からなる基層が設けられ、反応ガスとして窒素と
炭素を含むガス（例えばペンシーツのとの混合物が、し
かも炭化水素の体積含量が５０パーセント迄になる程の
多量のガスが導入された。この蒸着においても、第３図
に記入されている付属の噴出曲線４に示されるように、
本発明の長所が明らかである。

終りに酸化チタン（Ｔｉｔａｎｏｘｙｄ）　又は窒化ジ
ルコン（Ｚｉｃｋｏｎｎｉｔｔｉｄ）による蒸着の例も
提案されている。

酸化チタンにより蒸着するには、装置内にチタンからな
るカソードが設けられ（第１図）、反応ガス用の吸入弁
に酸素圧力場が接続された。酸化チタンは（チタンの化
学的組成物に応じて）電気的導電性を劣化し又は良好な
絶縁性を示すから、この場合において基層表面にイオン
を加速するための負の直流電圧を基層に加えることは、
短かい時間経過後に既に基層表面が到達するイオンによ
り同行される反対電荷で中和化されてしまって、目的を
達成しない。しかしながら経験は、酸化層形成のために
必要な活性エネルギーを高めるため、カソード点から放
射されるチタンイオンの運動エネルギーが十分にある、
ということを示している。

したがって導電性を呈する基層は蒸着されるばかりでは
なく、絶縁体もチタンの酸化物により蒸着される。

ここにおいてもカソード点により気化する間に反応ガス
、したがってこの場合において酸素が蒸着室に導入され
、基層ばかりではなく、両力ソードも層材料にとづて希
望された化合物により蒸着される。窒素又はカーボニト
リド（Ｋａｒｂｏｎｉｔｚｉｄ）により蒸着する場合の
ように、酸化物はカソード点の動きを高め、ここにおい
ても本発明の適用により本質的に乏しい噴出蒸着（第３
図、曲線５）が基層上に得られる。

窒化ジルコンによる蒸着に対しては、蒸着室の中にジル
コンからなる２個の円板状のカソードが設けられる。６
ミリメードルの厚みを有するジルコン円板は、不透鋼か
らなる板に溶着された。基層の清浄化・スパッタエツチ
ングを実施するために、基層にはほぼ３００ボルトの負
の電圧が加えられ、容器にアルゴンが（または良好なス
パッタ効果を有する別の希ガス類元素）はぼ０．１パス
カルの圧力になる迄導入され、両力ソードにカソード点
が点弧される。基層上の電流密度は１０−２アンペア／
平方センナメートルとなり、これを以ってエツチング段
階が１０分後に終了し、蒸着段階が開始する。始めにカ
ソード金属のみが気化されるが、層材料としての窒化ジ
ルコンを得るために、僅かの秒数経過後に窒素が１０−
１パスカルの圧力となる迄導入される。基層電圧は、層
が析出を行なっている間に、はぼ−５０ボルトに減じら
れた。

基層上において再び噴出頻度分布が調査された。

付属の曲線は、第３図において５で示されている。

複数のジルコンカソードの一つのみを使用する場合の比
較蒸着が行なわれるときには、窒化ジルコン（ＺｃＮ）
においても数字３で示す第３図の曲線と殆んど一致する
噴出頻度を生じる。

蒸発源として電気的アーク放電のカソード点の適用によ
り蒸発を行なうために設けられた公知の蒸着装置は、こ
れらの装置により本発明に従う方法も実施しろるように
、大抵は直ちに改造される。

したがって第１図及び第２図に従う装置は新規である。

実証された別の新規な装置は、第４図に示されている。

この装置には蒸着室内に同様にカソード点から気化する
ため、相互に蒸着を行なう２個のカソードが設けられて
いるが、（第４図から明らかなように）基層支持器に相
対しそして基層支持器と向い合って一定の角度以下に傾
斜されている。この場合、本発明の意義において要求さ
れるより平均的な運び去り比率対蒸着比率の比率が、両
力ソード間の相互距離及び／又は磁界の適合した調整に
より達成される。法線が両力ソード面に対して共に含む
角度を変更することによっても相互の蒸着が変えられる
。なお、これに対して必要な曲折自在なカソードの結合
は、装置のその他の詳細と同様に第４図において図示が
省略されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施に適合する、相互に蒸着を行な
う２個のカソードを備える真空蒸着装置を示す断面図、
第２図は、１つのカソードと、金属化合物によりこのカ
ソードを熱による蒸発を行なう補助装置とを備える一層
適合した装置を示す断面図、第３図は、一部には公知技
術により、一部には本発明に従って製造された層に関す
る種々の大きさの噴出分類頻度を示す特性図、第４図は
、同様に本発明の実施のために確証が得られている真空
蒸着装置を示す断面図である。 １・・・真空蒸着室、　　　　２．３・・・カソード、
２’、３’・・・冷却台、　４・・・アノード用円板、
５・・・基層支持器、　　　６・・・駆動装置、８、９
，１０，１１．１２・・・支持器、１３．１４・・・コ
イル、　　　　１５・・・指状点弧器、１６・・・作動
装置、　　　　１７・・・抵抗、１８・・・電流源、　
　　　１９・・・円筒状金属板、２０・・・補助装置、
　　　２３・・・ポンプ開口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アノード・カソード間のアーク放電による真空蒸着
   の方法において、 カソードが、該カソード側において、アーク放電の作用
   により分解可能な金属化合物をともないつつ、持続的な
   蒸発に支配される、 ことを特徴とするアノード・カソード間のアーク放電に
   よる真空蒸着の方法。 ２、金属化合物が３０ないし９０重量パーセントの金属
   含有比率を有する、ことを特徴とする請求項１記載のア
   ノード・カソード間の電気的アーク放電による真空蒸着
   の方法。 ３、蒸発の蒸着比率が、カソードの蒸発により供給され
   る金属量がカソードのカソード点からの気化により運び
   去られる金属量の１２ないし２５パーセントになるよう
   な大きさに選ばれる、ことを特徴とする請求項１に記載
   の方法。 ４、金属化合物が同一金属を含み、カソードが該金属か
   らなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。 ５、アノード・カソード間のアーク放電による真空蒸着
   を行なうにあたり、カソードが、該カソード側において
   、アーク放電の作用にあり分解可能な金属化合物をとも
   ないつつ、持続的な蒸発に支配される、真空蒸着の方法
   を行なう装置であって、 排気可能な蒸着室に少なくともカソード材料をカソード
   点から気化する目的で電気的アーク放電するためのカソ
   ードとアノードが設けられ、該蒸着室に金属化合物によ
   りカソード面の持続的蒸発を行なうための付属装置が備
   えられている、 ことを特徴とするアノード・カソード間の電気的アーク
   放電による真空蒸着の装置。 ６、少なくともカソード点から気化するための２個のカ
   ソードが備えられかつ同時に相互に蒸発するように配設
   されている、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。 ７、複数のカソード面が相互に相対しかつ蒸着されるべ
   き基層面に対して傾むいている、ことを特徴とする請求
   項５に記載の装置。