KR100343033B1

KR100343033B1 - 진공아크 증발원 및 진공아크 증착장치

Info

Publication number: KR100343033B1
Application number: KR1020000000591A
Authority: KR
Inventors: 다카하라가즈키; 후지이히로후미
Original assignee: 구마모토 마사히로; 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 1999-01-14
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2002-07-02
Also published as: DE60019821D1; EP1020541B1; DE60019821T2; KR20000053411A; US6334405B1; EP1020541A3; EP1020541A2; TWI242049B

Abstract

아크방전의 음극으로 되는 증발물질과, 증발물질의 증발면과 교차하는 모든 자력선이 대략 수직으로 교차하도록 자장발생원을 배치함으로써, 자장에 의해 기판에 도달하는 용융입자의 수를 감소시킬 수 있음과 동시에, 아크스폿의 발생의 편향을 억제할 수 있는 증발원 및 아크증발장치를 제공한다.

Description

진공아크 증발원 및 진공아크 증착장치{VACUUM ARC EVAPORATION SOURCE AND VACUUM ARC DEPOSITION APPARATUS}

본 발명은, 진공아크증발원 및 당해 진공아크 증발원을 구비한 진공아크 증착장치에 관한 것이다.

종래로부터, 진공실내에서 증발물질을 음극으로 하는 아크방전을 발생시켜, 아크전류의 에너지에 의해 음극재료를 증발·이온화시켜, 기판상에 피막을 퇴적시키는 진공아크 증착장치가 알려져 있다.

이와 같은 진공아크 증착장치에서는, 증발입자·이온화입자에 비교하여 매우 큰 수 ㎛ 이상의 직경을 갖는 용융입자가 발생하는 것을 피할 수 없으며, 이것이 피막중에 혼입함으로써 피막면 조도(粗度)의 악화나 피막조성의 불균일성을 초래하는 것이 결점으로 되어 있다.

이와 같은 용융입자에 의한 문제를, 자장의 발생에 의해 해결하고자 하는 것이 제안되어 있다. 예컨대, 일본 특개평 2 - 194167호 공보에는, 증발면과 기판 사이에 증발면과 동축상태의 공심(空心)코일을 설치한 것이 개시되어 있다. 이 구성에 의하면, 공심코일에 의한 자장에 플라즈마중의 전자가 감기어서 선회운동하면서 자력선을 따라서 유동하여 플라즈마가 기판에 도달한다. 한편, 중성의 용융입자에는, 이 유도효과가 작용하지 않고, 이온은, 선택적으로 기판에 유도되므로, 상대적으로 기판을 향하는 용융입자의 수를 감소시키는 것이 가능하다고 되어 있다.

그렇지만, 이 기술의 경우, 코일은, 기판과 증발면의 중간위치에 설치되어 있으며, 코일에 의한 자장은 증발면의 반경방향 내측방향으로 접근하도록 작용한다. 이 경우, 아크스폿이 증발면의 중앙에 접근하는 경향으로 되어, 증발물질이 균일하게 소모되지 않는다. 또, 이 기술의 경우, 자장이 길게 뻗어 있기 때문에, 증발원을 다수 인접시켜서 배치한 경우, 다른 증발원에 악영향이 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 진공아크 증착장치의 개략구성도,

도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 증발원을 표시하는 단면측면도,

도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 증발원의 정면도,

도 4는 본 발명에 있어서의 증발원으로부터의 전자의 비행경로를 표시하는 도면,

도 5는 본 발명에 있어서의 증발면상의 아크스폿의 괘적을 도시하는 이미지도면,

도 6은 본 발명에 대한 비교예로서의 증발원을 표시하는 단면측면도 및 정면도로서, (a)는 자력선이 내측방향인 것, (b)는 자력선이 외측방향인 것을 표시하는 도면,

도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 증발원을 표시하며, (a)는 측면도, (b)는 정면도,

도 8은 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 증발원을 표시하는 단면 측면도,

도 9는 본 발명의 제 4 실시형태에 관한 증발원을 표시하며, (a)는 단면측면도, (b)는 정면도,

도 10은 본 발명의 제 5 실시형태에 관한 증발원을 표시하며, (a)는 단면측면도, (b)는 정면도,

도 11은 본 발명의 제 6 실시형태에 관한 진공증착장치의 개략구성도,

도 12는 본 발명의 제 6 실시형태에 관한 증발원의 정면도,

도 13은 증발물질의 외주를 둘러싸는 환상의 자성체에 의한 자력선의 변화를 표시하는 단면도,

도 14는 상기 증발물질의 외주를 둘러싸는 환상의 자성체에 의한 아크반발거동을 표시하는 사시도,

도 15는 본 발명의 제 7 실시형태에 관한 증발원을 표시하며, (a)는 측면도, (b)는 정면도,

도 16은 본 발명의 제 8 실시형태에 관한 증발원의 단면도,

도 17은 자력선방향 변경수단인 자석을 배치한 경우의 자력선의 상태를 표시하는 단면도, 및

도 18은 경사진 자력선에 의해 아크가 둘레 회전운동을 하는 것을 표시하는 도면.

(부호의 설명)

1 : 진공아크 증착장치 2 : 진공용기

3 : 증발물질 7, 17, 27, 37, 47 : 자장발생원

9, 19, 29, 39, 49 : 증발원(유닛) 11 : 아크증발면

21 : 봉형상 자석 30 : 직경내측 자장발생원

31 : 직경외측 자장발생원 40 : 제 1 자장발생원

41 : 제 2 자장발생원 42 : 자성체

본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 자장에 의해 기판에 도달하는 용융입자의 수를 감소할 수 있음과 동시에, 아크스폿의 발생의 편향을 감소시킬 수 있는 증발원을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여, 이하의 기술적 수단을 강구하였다. 즉, 본 발명에 관한 진공아크 증발원의 특징은, 아크방전의 음극으로 되는 증발물질과, 자장발생원이 당해 증발물질을 둘러싸도록, 또한, 상기 증발물질의 증발면과 교차하는 모든 자력선은, 상기 증발면과 대략 수직으로 교차하도록 자장발생원이 배치되는 점에 있다.

이러한 구성에 의하면, 증발면과 교차하는 자력선에 의해 상기 종래기술과 마찬가지로 용융입자를 감소시킬 수가 있다. 그리고, 상기 종래기술과는 달리, 자력선은 증발면과 대략 수직으로 교차하므로, 아크스폿이 증발면에서 편향되게 존재하기 어렵게 되어, 증발물질이 균일하게 소모된다.

여기서, 자력선은, 증발면과 완전히 수직으로 교차하는 것일 필요는 없고, 증발면과 대략 수직으로 교차하면 좋다. 본 발명에서 말하는 대략 수직이란, 증발면의 법선에 대하여 ±30도 이내를 가리킨다. 이 범위이면, 증발물질의 균일한 소모가 어느정도 달성되며 허용범위내이다. 따라서, 상기 자장발생원은 자력선이 그와 같은 방향으로 되는 위치에 배치되면 좋다.

또한, 상기 자력선의 증발면에 있어서의 방향이, 증발면의 법선에 대하여 ±10도 이내로 되도록 상기 자장발생원이 배치되어 있는 것이 적합하다. 이 경우, 증발물질을 더 균일하게 소모시킬 수가 있다.

본 발명의 자장발생원으로서는, 영구자석이더라도, 전자석이더라도, 증발물질의 외주측에 감겨진 코일이더라도 좋은데, 장치를 소형화, 경량화할 수 있는 점에서 영구자석이 좋다.

자력선을 증발면과 대략 수직으로 교차시키기 위한 자장발생원의 구체적 구성으로서는, 상기 자장발생원의 N, S 양자극(兩磁極)의 중간위치에, 상기 증발면이 위치하도록 상기 자장발생원을 배치하는 것이 적합하다.

여기서, N, S 양자극의 중간위치로는, 양자극의 중앙이 아니더라도 좋다, 단, 상기 자장발생원의 N, S 양자극의 대략 중앙위치에, 상기 증발면이 위치하도록 상기 자장발생원이 배치되어 있으면, 자력선의 방향이 증발면의 법선방향과 다시 일치하기 쉽게 되어, 더 적합하다.

또, 상기 자장발생원은, 상기 증발물질을 둘러싸는 직경내측 자장발생원과, 당해 직경내측 자장발생원과 동일축형상 또한 동일극이 동일방향을 향하도록 상기직경내측 자장발생원을 돌러싸는 직경외측 자장발생원으로 구성되어 있는 것으로 할 수가 있다.

이 경우, 증발물질을 관통하는 자력선의 개수가 증가하고, 즉 자장강도가 상승하며, 상기 효과를 보다 강하게 얻을 수 있게 된다.

또, 본 발명에서는, 다음과 같은 구성으로 할 수도 있다. 즉, 상기 자장발생원은, 증발물질을 둘러싸는 내주측과 외주측에 자극을 갖는 제 1 자장발생원과 제 2 자장발생원으로 이루어지며, 상기 제 1 자장발생원과 상기 제 2 자장발생원은 축방향으로 나란히 설치되어 있고, 또한, 상기 제 1 자장발생원과 상기 제 2 자장발생원의 내주측의 자극은 상이한 자극이다.

이러한 구성에 의하면, 축방향으로의 자장의 확대가 한층 작으므로 적합하다. 이 경우, 상기 제 1 자장발생원과 제 2 자장발생원의 외주측을 자성체에 의해 결합하여 구성하면, 측방향으로의 자장의 확대가 거의 없으므로, 본 발명의 증발원을 진공용기에 복수 설치한 경우, 인접 증발원의 영향을 배제할 수 있다.

또, 동일한 효과를 얻는데에는, 상기 자장발생원을, 직경내측에 N, S 양자극을 갖는 단면 U자형상의 영구자석으로 하고, 증발물질을 둘러싸는 구성으로 해도 좋다.

본 발명의 더욱 바람직한 구성은, 또한 자성체가 상기 증발물질의 외주를 둘러싸도록 설치되어 있는 구성이다.

증발물질의 외주를 둘러싸도록 설치되어 있는 자성체는, 자력선을 인입하여, 증발면 외주부에 증발면의 중심으로 향하는 방향으로 경사진 자력선이 형성된다.아크스폿은 자력선의 경사방향으로 이동하기 쉬운 성질을 갖고 있기 때문에, 증발면 외주부에 접근한 아크스폿은 증발면 중앙으로 되밀려서 한층 강한 아크폐쇄효과를 얻게 된다.

또, 증발물질과 자성체 사이에는, 양자를 전기적으로 절연시키는 절연부가 설치되어 있는 것이 적합하다. 자성체와 증발면이 절연되지 않고 동일 전위이면, 아크스폿이 증발면으로부터 자성체로 이행할 염려가 있으나, 절연부를 설치함으로써, 이것이 확실히 방지된다.

여기서, 절연부로서는, 증발물질 외주와 자성체의 내주 사이에 절연재를 사이에 둘 수도 있으나, 상기 절연부는 증발물질과 자성체 사이에 부재(절연재)를 설치하면, 증발물질이 증발하여 그 부재에 부착하고, 절연불량이 발생할 염려가 있는데, 절연부를 간극으로서 구성하면, 그와 같은 부착의 염려가 없어 절연불량이 방지된다.

또, 자력선을 증발면에 세운 법선에 대하여, 둘레 가장자리 측으로 경사지는 방향으로 바꾸는 방향변경수단을 증발물질의 증발면의 중앙부 부근에 설치하는 것은 더 적합하다. 이것에 의해, 아크의 증발면 중앙부로의 집중이 방지되어 균일하게 소모한다.

이와 같이 자장발생원으로부터의 자력선의 방향에 변화를 주기 위한 수단으로서는, 자석, 코일 또는 자성체를 들 수 있다. 자석, 코일 또는 자성체를 증발물질의 중앙부 배면측으로 배치하면, 중앙부 부근의 자력선은 자석, 코일 또는 자성체로 근접 유인시킬 수 있으므로, 증발면의 중앙부 부근의 자력선은 법선에 대하여 외측방향으로 경사진다. 중앙의 자력선이 외측방향으로 경사지면, 아크가 자력선 경사방향으로 이동하기 쉬운 특징에 의해 아크의 증발면 중앙부로의 집중이 방지되어 균일하게 소모한다.

또, 자력선의 경사에 의해 증발면에 수평자력성분이 발생하므로, 아크스폿은 둘레 회전운동을 행하는데, 그 영역이 확대되고, 경사가 크게되므로, 광범위하게 아크스폿의 이동속도를 가속할 수 있어, 그 결과, 타깃(target)의 국소적인 온도상승을 방지할 수 있어 비말(飛沫)의 발생이 저감된다. 또, 자력선방향 변경수단으로서 자석 또는 코일을 채용하면, 자속밀도가 크게 되므로, 아크스폿의 이동속도를 보다 가속 할 수 있어, 고온화를 일층 방지할 수가 있다.

그리고, 이상과 같은 증발원을 진공용기에 구비한 진공증착장치이면, 아크의 실화(失火)를 방지하여 효율이 좋은 운전이 가능하며, 또 비말의 저감에 의해 고품위의 피막을 형성할 수 있다.

(실시예)

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 설명한다. 도 1 내지 도 3은, 본 발명의 제 1 실시형태를 도시하고 있다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 관한 진공아크 증착장치(1)는, 진공용기(2)내에 음극인 증발물질(3)이 설치되고, 아크방전전원(4)에 의해 도시하지 않은 양극 사이에서 아크방전을 발생시켜서 증발물질(3)을 증발·이온화시키고, 코팅처리물(기판)(5)에 피막을 퇴적시키는 것이다.

상기 증발물질(3)은, 당해 증발물질(3)의 증발면과 대략 수직으로 교차하는 자장을 발생시키는 자장발생원(7)과 함께 하나의 증발원 유닛(9)을 구성하고 있다.도 1에 있어서는, 자장발생원 유닛(9)은, 진공용기(2)에 1개 설치된 것이 예시되어 있는데, 진공용기(2)의 측벽에 코팅처리물(5)을 둘러싸도록 복수 설치하는 것이 적합하다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 상기 증발물질(3)은, 원판형상으로 형성되어 있으며, 그 코팅처리물(5)측의 면이 아크증발면(11)이다. 증발물질(3)과 함께 증발원 (9)을 구성하는 자장발생원(7)은, 축방향(두께방향) 양끝면에 환상의 자극을 갖는 환상 영구자석으로서 구성되어 있다. 이 자장발생원(7)은, 증발물질(3)과 동축상태로 당해 증발물질(3)을 둘러싸도록 배치되어 있다. 또, 자장발생원(7)은, 그 축방향 중앙위치와 증발면의 위치가 대략 일치하도록 배치되고, 그 코팅처리물(5)측의 끝면(앞측의 면)이 N극이고, 다른 쪽 끝면이 S극으로 되어 있다. 또한, 자극은 반대로 되어 있어도 좋다. 이러한 배치의 자장발생원(7)은, 도 2에 도시하는 바와 같은 자장을 발생한다.

이 경우, 작은 루프를 형성하는 자력선이 증발면을 통과하게 된다. 루프가 작으면 발생된 자장은 확대가 작고, 다른 곳에 대한 영향이 적다. 또한, 자장발생원(7)에서 발생된 자력선은, 증발면을 통과후, 직경 외측방향으로 급속히 발산하기 때문에, 그 자력선에 감기어서 유도되는 플라즈마 흐름의 분포가 넓게 되어, 보다 광범위하게 균일한 막두께 분포를 얻을 수 있다.

또, 자장발생원(7)으로서, 영구자석을 채용할 경우, 코일에 비교하여 동일 체적의 자장발생원으로서는 자장강도가 크다. 따라서, 자장강도가 큰 지역에 증발면 및 증발입자의 비행경로가 놓이게 되는 것으로 되기 때문에, 도 4에 도시하는바와 같이, 증발물질(3)로부터 증발한 하전입자가 자력선에 감기면서 자력선을 따라서 비행하는 나선운동이 활발화된다. 이것에 의해, 증발물질(3)로부터 증발된 성막입자 및 반응가스의 활성화를 촉진하고, 밀착력이 큰, 치밀한 피막을 얻게 된다. 또한, 하전입자의 나선운동의 반경은, 하전입자의 스피드와 자장강도에 의해 결정되며, 하전입자의 비행은, 여러가지 반경의 나선비행의 집합으로 된다.

도 5(a) 내지 도 5(d)는, 본 발명에 있어서의 증발면(11)상에서의 아크스폿의 궤적의 이미지를 도시하고 있다. 도 5(a) 내지 도 5(d)의 패턴은 순간순간에서 랜덤으로 나타난다. 각 패턴은, 공히 둘레 회전운동이며, 각 패턴은 그 둘레 회전반경이 상이한 것이다. 자력선이 증발면(11)에 대하여, 대략 수직이면, 이와 같이 아크스폿의 궤적이 순간순간에서 반경이 상이한 둘레 회전운동으로 되므로, 둘레 회전운동의 반경이 일정한 경우와 비교하여, 증발위치가 변화하고, 증발면의 소모가 균등하게 된다. 따라서, 증발면은, 신품일 때의 증발면과 평행에 가까운 상태를 유지하면서 소모되고, 증발물질의 이용효율이 매우 높다. 또한 둘레 회전운동의 방향은, 자력선의 방향에 따라서 역전된다.

또, 아크스폿의 둘레 회전반경이 랜덤으로 변동하므로, 증발물질의 국부적인 온도상승이 억제되고, 용융입자의 발생이 억제된다.

도 6은 비교예로서 자력선이 증발면(11)의 법선방향으로부터 크게 경사져 있는 경우의 아크스폿의 이미지를 도시하고 있다. 도 6 (a)와 같이, 증발물질(3)의 증발면(11)에 대하여 자장발생원(7)이 전방(코팅처리물(5)측)으로 크게 어긋나 있으면, 증발면(11)에서의 자력선이 내측방향으로 크게 경사진다. 따라서 아크스폿이증발면(11)의 중앙부에서 집중적으로 방전된다.

한편, 도 6 (b)와 같이 후방으로 크게 어긋나 있으면, 증발면(11)에서의 자력선이 외측방향으로 크게 경사진다. 따라서 아크스폿이 증발면(11)의 변(邊) 가장자리부에서만 방전하고, 아크스폿이 증발물질(3)로부터 튀어나와서 아크방전이 정지하기 쉽다. 도 6(a) 도 6(b) 어느 경우에서라도 증발물질(3)은 균일하게 소모되지 않고 이용효율이 불량하다.

이와 같은 결함을 방지하는데에는, 증발면(11)상에서의 자력선의 방향을, 증발면의 법선에 대하여 ±30도 이내로 하는 것이 바람직하며, 더 바람직한 것은 ±10도 이내로 되도록 증발물질(3)과 자장발생원(7)을 배치한다. 또, 자력선이 증발면(11)에 대하여 수직으로 되는 것이 가장 바람직한데, 증발원 유닛(9)은, 자장발생원(7)의 축방향중심보다 증발면(11)이 약간 전방으로 위치한 상태에서 제조하는 것이 바람직하다. 이 경우, 증발물질(3)이 어느 정도 소모하여 증발면(11)이 후퇴하면 자장발생원(7)의 축방향중심과 증발면(11)의 위치가 일치하고, 또한 증발물질(3)이 소모해도 증발면(11)은 자장발생원(7)의 축방향중심보다 약간 후방으로 위치할 뿐이므로, 증발물질(3)이 신품일 때로부터 소모할 때까지, 항상 자력선이 증발면과 대략 수직인 상태를 얻게 된다.

도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 증발원(19)을 도시하고 있다. 이 증발원(19)의 자장발생원(17)은, 다수의 영구자석(21)을 환상으로 나란히 하여, 제 1 실시형태의 자장발생원(7)과 동일한 자장을 발생하도록 구성된 것이다. 즉, 길이방향 양단에 자극을 갖는 복수의 봉(棒)형상 자석(21)을 자극의 방향을 가지런히 정돈하여 환상으로 배치하고, 실질적으로 제 1 실시형태에 있어서의 자장발생원(7)과 동일한, 축방향 양끝면에 환상의 자극을 갖는 환상자석을 구성한 것이다. 이 자장발생원(17)은, 제 1 실시형태의 자장발생원(7)과 동일하게 배치되고, 증발물질(3)에 대하여 제 1 실시형태와 동일하게 작용한다.

도 8은, 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 증발원(29)을 도시하고 있다. 이 증발원(29)의 자장발생수단(27)은, 제 1 실시형태의 환상자석(7)과 동일하게 구성·배치된 직경내측 환상자석(30)과, 그 직경외측에 배치되는 직경외측 환상자석 (31)으로 구성되어 있다. 직경외측 환상자석(31)은, 직경내측 환상자석(30)과 동일하게, 축방향 양끝에 자극을 갖는 환상자석으로서, 축방향의 두께도 대략 동일하게 구성되어 있다. 이 직경외측 환상자석(31)은, 직경내측 환상자석(30)과 동축상태로 배치되고, 동일한 자극이 동일방향을 향하도록 직경내측 환상자석(30)을 둘러싸고 있다.

도 8에 도시하는 바와 같이, 이러한 구성의 자장발생수단(27)에 의하면, 양환상자석(30, 31)의 상호작용에 의해, 직경내측자석(30)만의 경우보다 증발물질(3)을 관통하는 자력선의 수가 증가한다. 즉, 증발면(11)에 있어서의 자장강도가 상승하여, 용융입자를 감소시키는 효과가 보다 강하게 얻어진다.

도 9는, 본 발명의 제 4 실시형태에 관한 증발원(39)을 도시하고 있다. 이 증발원(39)의 자장발생원(37)은, 내주측과 외주측에 자극을 갖는 제 1 환상자석 (40)과, 내주측과 외주측에 자극을 가짐과 동시에 내주측과 외주측의 자극이 각각 제 1 환상자석(40)과는 상이한 제 2 환상자석(41)을 가지고 있다. 제 1 환상자석(40)과 제 2 환상자석(41)은, 동일축형상으로 또한 그들의 축방향에 나란히 위치되어 있다.

구체적으로는, 제 1 환상자석(40)은, 내주측이 N극, 외주측이 S극으로 되어 있다. 또 제 2 환상자석(41)은, 내주측이 S극, 외주측이 N극으로 되어 있다. 양환상자석(40, 41)의 외주측은, 자성체(42)에 의해 접속되어 있다. 양환상자석(40, 41)의 외주측은, 이극(異極)이므로, 자성체(42)는 양자석(40, 41)의 자력에 의해 결합된다.

이와 같이, 환상으로 자극을 갖는 자석은, 상기 구성에 의해서도 실현된다. 즉, 양환상자석(40, 41)의 내주측에서 발생되는 자장은, 제 1 실시형태에 있어서의 자장발생원(7)과 대략 동일한 것으로 되며, 양환상자석(40, 41)의 내주측자극의 중간위치에 증발물질(3)의 증발면(11)을 위치시키면, 자장이 증발면(11)을 대략 수직으로 관통한다.

또, 본 실시형태에 의하면, 양자석(40, 41)의 외주측이 자성체(42)에 의해 접속되어 있으므로, 외주측으로 자장이 발생하지 않는다. 따라서, 이 증발원(39)을 유닛으로하여 진공용기(2)에 다수 인접시켜서 배치한 경우, 인접하는 증발원(39)으로의 자장의 영향을 효과적으로 배제할 수 있다.

도 10은, 본 발명의 제 5 실시형태에 관한 증발원(49)을 도시하고 있다. 이 증발원(49)의 자장발생원(47)은, 직경내측에 N, S 양자극을 갖는 단면 U자형상의 영구자석에 의해 구성되어 있다. 본 실시형태에 있어서도, 증발물질(3)은, 그 증발면 (11)이 양자극의 중간위치에 위치하도록 배치되어 있으며, 제 4 실시형태와 동일한 작용효과를 얻게 된다.

또한, 본 발명은, 상기 각 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 자장발생원은 원환상으로 증발물질을 둘러싸는 것이어야 할 필요는 없으며, 다각형상으로 증발물질을 둘러싸는 것이라도 좋다.

도 11은 본 발명의 제 6 실시형태에 관한 진공증착장치를 도시하고 있다. 이 진공증착장치는, 진공용기(2)내에 음극으로 되는 증발물질(3)을 갖는 아크증발원 (9)이 설치되고, 아크방전원(4)에 의해 도시하지 않는 양극 사이에 아크방전을 발생시켜서 증발물질(3)을 증발·이온화시켜, 코팅피처리물(기판)(5)에 피막을 퇴적시키는 것이다.

도 12에 도시하는 바와 같이, 증발원(9)은, 원판형상의 증발물질(타깃)(3)과, 증발물질의 중심축(X)과 동일축형상이 되도록 배치된 링형상의 자장발생원(7)과, 자장발생원(7)의 내주측에 있어서 증발물질(3)의 외주에 절연을 유지할 수 있는 약간의 간극(12)을 가지고 배치된 링형상의 자성체(13)와, 증발물질(3)의 배면측(증발면(11)의 반대측)의 중앙부에 배치된 자석(자력선방향 변경수단)(14)을 가지고 있다.

증발물질(3)의 형상은 원판형상 이외에, 사각형상을 채용할 수 있다. 이 경우, 자장발생원(7)이나 자성체(13)도 원형상의 링은 아니며, 사각형상의 링형상을 채용하는 것이 바람직하다.

자장발생원(7)은, 축방향(X) 양끝면에 자극을 갖는 링형상의 영구자석으로서 구성되며, 증발물질을 둘러싸도록 배치되어 있다. 또, 자장발생원(7)은, 코팅 피처리물(5) 측의 끝면(전방측의 면)이 N극이며, 다른 쪽 끝면이 S극으로 되어 있다. 또한 자극의 배치는 반대라도 좋다.

링형상의 자성체(13)는, 예컨대 탄소강재로 구성되며, 피처리물(5) 측의 끝면 (13a)이 증발면(11)과 대략 동일면으로 되도록 배치되어 있다.

자력선방향 변경수단인 자석(제 4 자석)(14)은, 영구자석으로서, 축방향의 피처리물(5) 측이 S극으로 되며, 축방향 반대측이 N극으로 되어 있다. 이와 같이 자장발생원(7)과 자석(14)의 자극은 반대방향으로 설치되어 있다. 따라서, 자장발생원(7)의 자극이 상술한 것과 반대라면, 이 자석(14)의 자극도 반대로 배치된다.

자성체(13)를 설치하면, 도 2의 자력선은, 도 13과 같이 된다. 즉, 자장발생원(7)이 형성하는 자력선중, 증발면의 외주 가장자리부 부근을 관통하는 것은, 자력선이 통과하기 쉬운 자성체(13)로 끌어들이게 된다. 이 때문에, 증발면(11) 외주부에는 증발면(11)의 법선에 대하여 증발면 중앙부로 경사진 자력선이 형성되는 것이다. A1 내지 A3은, 자력선이 증발면(11)과 교차하는 점에 있어서의 자력선의 접선방향을 표시하고 있으며, 증발면 외주측일수록 자력선의 중앙부로의 경사가 크다는 것을 알 수 있다.

이와 같이 해서, 증발면(11)의 외주부에는, 중앙부측으로 경사진 자력선이 얻어짐과 동시에, 중앙부근의 자력선은 자장발생원(7) 단독의 경우와 거의 변경되는 일이 없이, 증발면에 대하여 대략 수직으로 교차하고 있다. 따라서, 증발면의 균일한 소모가 확보됨과 동시에, 증발면(11) 외주측에 근접한 아크스폿은, 아크가 자력선의 경사방향으로 이동하기 쉬운 특징에 의해 증발면(11) 중앙방향으로 되밀리게 된다.

또, 도 14에 도시하는 바와 같이, 자성체(13)를 증발물질(3)의 둘레 가장자리에 설치함으로써, 자성체(13)에 대한 아크(A)의 반발거동도 아크(A)의 튀어나오기를 방지한다. 즉, 아크(A)가 도 14(a)의 위치로부터 도 14(b)와 같이 자성체(13)에 근접하면 아크(A)의 자기형성자장이 자성체(13)에 의해 만곡되고, 자성체(13)측이 고자속밀도로 되어 증발물질(3)측이 저자속밀도로 된다. 아크(A)는 저자속밀도방향으로 이동한다는 성질에 의해, 아크(A)는 저자속밀도방향인 증발물질(3)측으로 되밀린다.

또, 아크(A)가 자성체(13)로부터 이격되어 자기형성(自己形成)자장이 자성체(13)에 의한 영향영역으로부터 이격됨에 따라 되밀리기 힘은 서서히 저감되어, 최종적으로 영향을 받지 않게 된다(도 14 (a)의 상태).

이상과 같은 작용에 의해 아크스폿의 가두어넣기가 한층 확실히 행해진다,

또, 자성체(13)와 증발물질(3)이 간극(12)을 가지고 설치되어, 양자는 전기적으로 절연되어 있으므로, 아크가 자성체(13)측으로 이행하는 것을 확실히 방지할 수 있다.

도 15는, 본 발명의 제 7 실시형태에 관한 증발원(19)을 도시하고 있다. 이 증발원(19)의 자장발생원(17)은, 다수의 영구자석을 환상(링형상)으로 나란히 세워서, 제 1 실시형태의 자장발생원(7)과 동일한 자장을 형성하도록 구성된 것이다. 즉, 길이방향 양끝에 자극을 갖는 복수의 봉자석(21)의 자극의 방향을 나란히 정돈하여 환상으로 배치하고, 실질적으로 제 1 실시형태에 있어서의 자장발생원(7)과동일한 링형상 자석을 구성한 것이다.

도 16은, 본 발명의 제 8 실시형태에 관한 증발원(29)을 도시하고 있다. 이 증발원(29)의 자장발생원(27)은, 증발물질(3)과 동일축형상으로 감긴 공심(空芯)코일이다.

도 17은, 증발물질(4)의 배면에 자력선방향 변경수단인 자석(14)을 설치한 경우의 자력선의 상태를 도시하고 있다. 도 2와 비교하면 명백한 바와 같이, 증발면(11)의 중앙부 부근을 관통하는 자력선은, 자석(14)에 끌려들어서 증발면(11)의 법선방향에 대하여 외측방향의 경사로 된다. 이 때문에, 아크가 자력선의 경사방향으로 이동하기 쉬운 특징에 의해 아크의 증발면(11) 중앙으로의 집중이 방지된다. 또, 자석(14)의 존재에 의해, 증발면(11) 중앙의 자속밀도가 크게 되므로, 도 2와 같은 중앙부에 있어서의 자속밀도의 감쇄도 개선된다. 따라서 아크의 집중이 방지되어 균일소모가 도모된다.

또, 도 18에 도시하는 바와 같이, 자력선이 경사지면, 증발면(11)에 수평자력성분이 발생한다. 여기서 경사진 자력선의 자속밀도를 B로 하고, 자력선과 증발면(11)과의 각도를 θ로 하면, 수평자력성분은 B cosθ로 된다.

아크스폿은, 「j×B와 반대방향으로 움직인다」는 특성에 의해(j는 아크전류) 아크스폿에는, 도 18에 도시하는 방향으로 F = -j×B cosθ의 힘이 작용하여, 아크스폿은 증발면(11)상을 둘레 회전운동하는데, 그 영역이 확대되고, 자력선의 경사가 크게 되므로 광범위한 아크스폿의 이동속도를 가속할 수 있어, 그 결과 비말의 발생이 저감된다.

또한, 자력선방향 변경수단으로서는, 영구자석 이외에, 동일한 자장을 발생하는 전자석이라도 좋으며, 또 코일이라도 좋다. 이 경우에도, 자극의 방향이 자장발생원(7)의 자력선과 반발하지 않고 연결되도록 해놓으면 좋다. 전자석 또는 코일을 채용한 경우, 전자석 또는 코일로의 통전전류값을 변화시키는 제어장치(도시 생략)를 설치해 놓는 것이 바람직하다.

제어장치에 의해 전자석의 밸생자력강도를 변화시킴으로써 증발면(11)의 자력선 개수(자속밀도)를 변화시키고, 증발면(11)의 아크스폿의 운동영역, 이동속도를 제어할 수 있다. 이 결과, 타깃의 소모정도, 요구성능(조도 혹은 성막율)에 따른 아크방전이 가능하게 된다.

또, 자력선방향 변경수단으로서는, 자성체이라도 좋다. 자성체의 경우는, 증발면(11) 중앙의 자속밀도를 크게 하는 작용이 없는 것만으로, 자력선을 경사시키는 것에 관해서는 자석과 동일하게 작용한다.

종래기술의 경우 아크스폿이 증발면의 중앙에 접근하는 경향으로 되어, 증발물질이 균일하게 소모되지 않는다. 또, 자장이 길게 뻗어 있기 때문에, 증발원을 다수 인접시켜서 배치한 경우, 다른 증발원에 악영향이 있다.

본 발명은 아크방전의 음극으로 되는 증발물질과, 자장발생원이 당해 증발물질을 둘러싸도록, 또한, 상기 증발물질의 증발면과 교차하는 모든 자력선이, 상기 증발면과 대략 수직으로 교차하도록 자장발생원을 배치하여, 증발면과 교차하는 자력선에 의해 용융입자를 감소시킬 수 있고, 자력선이 증발면과 대략 수직으로 교차하므로, 아크스폿이 증발면에서 편향되게 존재하기 어렵게 되어, 증발물질을 균일하게 소모시킨다.

Claims

아크방전의 음극으로 되는 일정 두께를 가진 판형상의 증발물질과, 자장발생원을 구비하고 있으며,

여기서 자장발생원은 그것의 축방향과 상기 증발물질의 축방향이 일치되도록 상기 증발물질을 둘러싸고, 또한, 상기 자장발생원에서 발생되어 상기 증발물질을 통과하는 자력선의 전부가 상기 증발물질의 증발면의 법선에 대하여 ±30도 범위 이내의 각을 이루어 상기 증발물질의 증발면과 교차되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
제 1 항에 있어서, 상기 자력선은 상기 증발물질의 증발면의 법선에 대하여 ±10도 이내의 각을 이루어 상기 증발면과 교차되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
제 1 항에 있어서, 상기 증발면이 상기 자장발생원의 N, S 양극의 중간에 위치하는 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
제 1 항에 있어서, 상기 자장발생원은 그 축방향 양단에 자극을 갖는 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
제 4 항에 있어서, 상기 자장발생원은, 상기 증발물질을 둘러싸는 직경내측 자장발생원과, 당해 직경내측 자장발생원과 동일축형상 또한 동일극이 동일방향을 향하도록 상기 직경내측 자장발생원을 둘러싸는 직경외측 자장발생원으로 구성되어있는 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
제 1 항에 있어서, 상기 자장발생원은 내주측과 외주측에 자극을 갖는 제 1 자장발생원과 제 2 자장발생원으로 이루어지며,

여기서, 상기 제 1 자장발생원과 상기 제 2 자장발생원은 축방향으로 나란히 위치되어 있고, 또한 상기 제 1 자장발생원과 상기 제 2 자장발생원의 내주측의 자극은 상이한 자극인 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
제 1 항에 있어서, 상기 증발물질의 외주를 둘러싸는 자성체를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
제 7 항에 있어서, 상기 증발물질과 상기 자성체 사이에 양자를 전기적으로 절연시키는 절연부를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
제 1 항에 있어서, 자력선의 방향변경수단을 더 구비하고 있으며, 여기서 방향변경수단은 상기 증발물질의 중앙부 배면측에 구비되며, 상기 증발물질의 중앙부 부근에서 교차하는 자력선의 방향을, 증발면에 세운 법선에 대하여, 둘레 가장자리측에 외부방향으로 경사지는 방향으로 변경하는 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
제 4 항에 있어서, 상기 증발물질의 외주를 둘러싸는 자성체와 자력선의 방향변경수단을 더 구비하고 있으며, 여기서, 방향변경수단은 상기 증발물질의 중앙부 배면측에 구비된 자석이고, 축방향 양끝에 자극을 가지며, 그 자극은 상기 자장발생원과 반대방향인 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
제 1 항에 있어서, 상기 자장발생원은 영구자석인 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
아크방전의 음극으로 되는 증발물질과 자장발생원을 구비하고 있으며, 여기서 자장발생원은 상기 증발물질을 둘러싸도록 하며, 또한 자성발생원의 N, S 양극의 중간의 위치가 상기 증발물질의 증발면으로 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
제 12 항에 있어서, 상기 증발물질의 외주를 둘러싸는 자성체를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
제 12 항에 있어서, 자력선의 방향변경수단을 더 구비하고 있으며, 여기서 방향변경수단은 상기 증발물질의 중앙부 배면측에 구비되어 있고, 상기 증발물질의 중앙부 부근에서 교차하는 자력선의 방향을, 증발면에 세운 법선에 대하여, 둘레 가장자리측으로 외측방향으로 경사하는 방향으로 변경하는 것을 특징으로 하는 진공아크 증발원.
제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 기재된 증발원을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 아크증착장치.