KR20170008298A - 아크 증발원 - Google Patents

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요시노리 구로카와
사토시 히로타
시니치 다니후지
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

타깃의 선단면에 아크 스폿을 안정적으로 유지할 수 있고, 게다가 장치의 소형화를 달성 가능한 아크 증발원을 제공한다. 아크 증발원(1)은, 아크 방전에 의해 선단면(3a)으로부터 용해되어 증발되는 타깃(3)과, 타깃(3)의 측면(3b)으로부터 당해 타깃(3)의 반경 방향으로 이격된 위치에 배치된 적어도 1개의 자석(4)을 구비하고 있다. 자석(4)은, 타깃(3)의 측면(3b)에 있어서 타깃(3)의 축 방향의 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 10㎜까지의 범위에 있어서, 이하의 조건 a) 및 b), 즉,
a) 타깃(3)의 측면(3b)에 대해 자장에 의한 자력선이 이루는 각도는, 45도 이하이고, 또한,
b) 당해 자력선의 강도에 있어서의 타깃(3)의 축 방향의 성분은, 200G 이상
이라고 하는 조건을 만족시키는 자장 MF1을 형성하도록 배치되어 있다.

Description

아크 증발원 {ARC EVAPORATION SOURCE}
본 발명은, 아크 증발원에 관한 것이다.
종래부터 공구나 기계 부품 등의 기재의 표면에 내마모성의 향상 등의 목적을 위해 피막을 형성하는 방법으로서, 아크 방전을 이용하여 기재의 표면에 피막을 형성하는 방법이 다양하게 제안되어 있다. 그러한 피막의 재료로서는, 예를 들어 연속적인 성막을 가능하게 하기 위해 봉상의 타깃이 사용되는 경우가 있다.
특허문헌 1의 기재에는, 봉상의 타깃을 갖는 아크 증발원이 개시되어 있다. 이러한 아크 증발원에서는, AIP 등의 아크 방전을 이용하여 성막을 행하는 경우, 봉상의 타깃의 선단면은, 아크 방전에 의해 용융되어 증발된다. 그 용융되어 증발된 재료는, 기재의 표면에 부착된다.
여기서, 성막 중에는, 타깃의 선단면에 있어서 아크 방전이 발생하는 점인 아크 스폿은, 불안정하게 움직인다. 그로 인해, 아크 스폿은, 타깃의 선단면의 범위로부터 나와 타깃의 측면이나 타깃 이외의 쪽으로 예기치 않은 이동이나 미주를 일으킬 우려가 있다. 그러한 경우, 성막 장치는 아크 방전을 자동적으로 정지할 수밖에 없으므로, 연속적인 성막을 할 수 없게 될 우려가 있다.
따라서, 아크 스폿을 타깃의 선단면의 범위 내로 유지하기 위해, 특허문헌 1에 기재된 아크 증발원에서는, 봉상의 타깃의 주위에 자장 발생용의 원환상의 코일이 당해 타깃과 동축상에 배치되어 있다. 이 코일에서 발생한 자장에서는, 타깃의 선단면으로부터 대략 법선 방향으로 연장되는 자력선이 형성된다. 이러한 타깃의 선단면으로부터 대략 법선 방향으로 연장되는 자력선에 의해, 아크 스폿은, 타깃의 선단면의 범위로부터 나오지 않도록 유지된다.
여기서, 타깃으로서, 최근, 카본제의 타깃을 사용하여 성막이 행해지는 경우가 있다. 이러한 경우, 아크 스폿이 더욱 불안정하게 움직이므로, 당해 타깃의 선단면으로부터 더욱 나오기 쉬워지는 경향이 있다. 그로 인해, 아크 스폿을 타깃의 선단면의 범위 내로 유지하기 위해서는, 더욱 강한 자력선이 필요해진다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 아크 증발원과 같이, 봉상의 타깃의 주위에 자장 발생용 코일이 배치된 구조에서는, 강한 자력선을 발생하기 위해서는, 코일이나 그 주변의 기기가 대형화되어, 당해 아크 증발원의 제조 비용이 증대된다고 하는 문제가 있다.
일본 특허 공개 제2007-70690호 공보
본 발명의 목적은, 장치의 대형화를 억제하면서 타깃의 선단면에 아크 스폿을 안정적으로 유지하는 것이 가능한 아크 증발원을 제공하는 것이다.
본 발명자는, 상기한 과제를 해결하기 위해, 예의 연구를 거듭한 결과, 자석에 의해 형성되는 자장은, 아크 스폿을 타깃의 선단면의 범위 내로 유지하기 위해, 타깃의 측면에 대한 자력선의 각도가 소정의 크기보다 낮고, 또한 자력선의 강도에 있어서의 타깃의 축 방향의 성분의 크기가 소정의 크기 이상인 조건을 동시에 만족시키면 되는 것을 발견하였다. 또한, 발명자는, 자석이 이러한 조건을 만족시키는 자장을 발생하도록 배치된 경우에는, 장치의 대형화를 억제하는 것이 가능한 것을 발견하였다.
즉, 본 발명의 아크 증발원은,
아크 방전에 의해 선단면으로부터 용해되어 증발되는 타깃과,
상기 타깃의 상기 선단면의 주연에 연속되는 측면으로부터 당해 타깃의 반경 방향으로 이격된 위치에 배치된 적어도 1개의 자석을 구비하고 있고,
상기 자석은,
상기 타깃의 측면에 있어서 상기 선단면에 직교하는 상기 타깃의 축 방향의 상기 타깃의 선단면으로부터 10㎜까지의 범위에 있어서, 이하의 조건 a) 및 b), 즉,
a) 상기 타깃의 측면에 대해 자장에 의한 자력선이 이루는 각도는, 45도 이하이고, 또한,
b) 당해 자력선의 강도에 있어서의 상기 타깃의 축 방향의 성분은, 200G 이상
이라고 하는 조건을 만족시키는 자장을 형성하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 아크 증발원의 사시도이다.
도 2는 도 1의 타깃 및 자석을 타깃의 측면으로부터 본 도면이다.
도 3은 도 1의 타깃 및 자석을 타깃의 선단면으로부터 본 도면이다.
도 4는 도 1의 자석에 의해 발생한 자장을 도시하는 도면이다.
도 5는 도 4의 자장에 있어서의 타깃 선단면과 자석 사이의 부분을 확대한 도면이다.
도 6은 도 1의 타깃의 선단면으로부터의 거리와 수평 자속 밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 1의 타깃의 선단면으로부터의 거리와 타깃의 측면에 대한 자력선의 각도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 변형예이며, 자석의 자극이 타깃의 축 방향으로 나열되도록 자석이 배치된 경우의 타깃 선단면과 자석 사이의 부분을 확대한 도면이다.
도 9는 본 발명의 비교예로서, 타깃의 축 방향으로 서로 다른 자극이 나열되는 자석이 본 발명의 자장의 발생 조건 a) 및 b)를 만족시키지 않는 자장을 발생한 상태를 도시하는 도면이다.
도 10은 도 9의 타깃의 선단면으로부터의 거리와 수평 자속 밀도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 9의 타깃의 선단면으로부터의 거리와 타깃의 측면에 대한 자력선의 각도의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 아크 증발원의 실시 형태에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
도 1∼도 3에 도시되는 아크 증발원(1)은, 본체부(2)와, 봉상의 카본제의 타깃(3)과, 타깃(3)의 주위에 방사상으로 배치된 복수의 자석(4)과, 이들 자석(4)을 아크 방전으로부터 보호하는 실드판(5)과, 타깃(3)을 축 방향 A로 송출하는 송출부(6)와, 타깃(3)의 아크 방전을 개시시키는 착화 장치(7)를 구비하고 있다.
본체부(2)는, 주 판부(2a)와, 통부(2b)를 갖는다. 주 판부(2a)는, 성막 장치의 챔버(도시하지 않음) 내에 배치되어 있다. 통부(2b)는, 주 판부(2a)의 배면측에 있어서 챔버의 외부에 배치되어 있다. 봉상의 타깃(3)의 선단부는, 주 판부(2a) 및 실드판(5)을 관통하여, 챔버 내에 노출되어 있다. 타깃(3)의 나머지 부분(3c)은, 통부(2b) 내부에 수용되어 있다. 또한, 실드판(5)은, 타깃(3)이 관통하는 관통 구멍(5a)을 갖는다.
봉상의 카본제의 타깃(3)은, 원기둥 형상을 갖고 있고, 구체적으로는, 원형의 선단면(3a)과, 당해 선단면(3a)의 주연에 연속되는 측면(3b)을 갖는다. 타깃(3)의 직경은, 10∼30㎜ 정도이다. 타깃(3)의 길이는, 당해 타깃(3)의 직경보다 충분히 길다. 여기서, 카본제의 타깃(3)의 경우는 아크 스폿 S(도 2 참조)는, 원형의 선단면(3a)의 범위 내에서, 천천히 회전(수 초에 1회전)하고, 금속제의 타깃의 경우와 같이 선단면 내에서 랜덤하게 움직이지 않는 경향이 있다. 그로 인해, 카본제의 타깃에서는, 직경이 굵고, 평판에 가까운 형상을 갖는 경우에는, 성막 시의 막 두께 분포가 변동되어, 타깃 선단면의 구석부만 소모되어 균일하게 소모되지 않을 우려가 있다. 따라서, 이러한 문제를 해소하기 위해, 카본제의 타깃의 경우에는, 타깃(3)의 직경은, 상기한 바와 같이 10∼30㎜ 정도인 것이 바람직하다.
또한, 타깃(3)은, 봉상 이외의 형상(예를 들어, 평판상 등과 같이 타깃(3)의 길이가 당해 타깃(3)의 직경과 비교하여 충분히 길지 않은 다양한 입체 형상)이어도 된다.
타깃(3)은, 카본(즉, 탄소)을 포함하는 재료로 이루어지고, 예를 들어 탄소 순물질 또는 탄소와 다른 물질의 혼합물에 의해 제조된다.
타깃(3)은, 성막 장치에 챔버 내에 있어서, 기재의 표면에 성막을 행하기 위해, 아크 방전에 의해 선단면(3a)으로부터 용해되어 증발된다. 아크 방전은, 착화 장치(7)의 접촉 봉(7a)이 타깃(3)에 접촉하였을 때에 개시된다. 타깃(3)은, 송출부(6)에 의해, 용융된 길이 분만큼 챔버 내에 돌출되도록, 선단면(3a)에 직교하는 축 방향 A로 자동적으로 송출된다. 그로 인해, 타깃(3)의 선단면(3a)의 위치는, 타깃(3)이 소모되어도 소정의 위치로 유지된다.
또한, 본 실시 형태에서 사용되는 카본제의 타깃(3)은, 다른 재료(예를 들어, 금속)로 이루어지는 타깃과 비교하여, 아크 방전에 의해 증발될 때에 온도가 상승하기 어렵다. 그로 인해 아크 증발원(1)은, 타깃(3)을 냉각하기 위한 기구가 불필요하다. 또한, 타깃은, 카본 이외의 다른 재료(예를 들어, 후술하는 텅스텐 카바이드 등의 금속제 타깃 등)여도 된다.
복수의 자석(4)은, 서로 다른 자성의 자극(4a, 4b)을 각각 갖고 있다. 복수의 자석(4)은, 타깃(3)의 측면(3b)으로부터 당해 타깃(3)의 반경 방향 B로 이격된 위치에 있어서, 서로 다른 자성의 자극(4a, 4b)이 당해 타깃(3)의 반경 방향 B로 나열되도록 배치되어 있다. 이들 자석(4)은, 후술하는 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장 MF1(도 4∼도 5 참조)을 발생한다. 타깃(3)의 측면(3b)에 대향하는 자극(4a)은 N극이고, 타깃(3)의 반경 방향 B 외측을 향하는 자극(4b)은 S극이다.
이들 복수의 자석(4)은, 타깃(3)의 주위 방향에 있어서 서로 등간격으로 배치되도록, 본체부(2)의 주 판부(2a)에 설치되어 있다. 이에 의해, 타깃(3)의 측면(3b)에 있어서, 자석(4)에 의해 발생하는 자장 MF1을 타깃(3)의 주위 방향에 있어서 균일하게 분포시키는 것이 가능하다.
이들 자석(4)은, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 당해 타깃(3)의 축 방향 A에 있어서의 후방측에 배치되어 있다. 예를 들어, 도 4에 나타나는 바와 같이, 자석(4)은, 그 중심이 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 20㎜ 후방(도 4의 우측 방향)의 위치에 있도록 배치된다. 그로 인해, 후술하는 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장 MF1을 확실하게 발생하는 것이 가능하고, 게다가 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 튀어나오는 용융 재료가 자석(4)에 부착될 우려를 회피하는 것이 가능하다. 자석(4)은, 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장 MF1을 형성할 수 있는 것이면, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 당해 타깃(3)의 축 방향 A에 있어서의 후방측에 배치되는 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 자석(4)의 일부가, 선단면(3a)으로부터 전방측(구체적으로는, 도 4에 있어서의 선단면(3a)이 향하는 방향(도 4에 있어서의 좌측 방향)을 향하는 측)으로 돌출되어 있어도 된다.
타깃의 선단면(3a)과 자석(4) 사이에는, 도 2에 도시되는 바와 같이, 실드판(5)이 개재되어 있다.
각각의 자석(4)은, 강한 자력을 발생하는 영구 자석으로 이루어지고, 예를 들어 네오디뮴을 포함하는 합금(예를 들어, NdFeB 등)에 의해 제조된다. 네오디뮴을 포함하는 영구 자석은, 소형이면서, 후술하는 조건 a) 및 b)를 만족시키는 강한 자력선 FL1을 발생하는 것이 가능하다. 또한, 강한 자력을 발생하는 영구 자석은, 사마륨 및 코발트를 포함하는 합금(SmCo)에 의해서도 제조된다.
자석(4)은, 영구 자석으로 이루어지므로, 코일을 갖는 전자석과 비교하여 소형화가 가능하다. 따라서, 자석(4)의 배치 자유도가 향상됨과 함께, 아크 증발원(1)의 소형화를 더욱 확실하게 달성하는 것이 가능하다.
자석(4)은, 상기한 바와 같이 타깃(3)의 측면(3b)으로부터 이격되어 반경 방향 B로 자극(4a, 4b)이 나열되도록 방사상으로 배치됨으로써, 자석(4)은, 타깃(3)의 측면(3b)에 있어서 도 4∼도 5에 나타나는 자장 MF1을 형성한다. 또한, 도 4에서는, 자석(4)은, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 후방측에 배치되고, 구체적으로는, 당해 자석(4)의 중심이 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 20㎜ 후방의 위치에 있도록 배치되어 있다. 단, 선단면(3a)에 대한 자석(4)의 위치 관계에 대해서는, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.
이 자장 MF1의 자력선 FL1은, 타깃(3)의 측면(3b)에 대향하는 자극(4a)으로부터 나와, 타깃(3)의 측면(3b)에 있어서의 선단면(3a) 부근(구체적으로는, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 10㎜까지의 범위)에서는, 타깃(3)의 측면(3b)에 대해 예각(구체적으로는, 도 4∼도 5에서는 45도 이하의 예각)으로 연장된다. 즉, 자력선 FL1은, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 10㎜까지의 범위에서는, 타깃(2)의 측면(3b)에 있어서, 선단면(3a)에 근접하면서 반경 방향 B의 외측을 향하는 방향으로 연장된다. 게다가, 이 범위에서는, 자력선 FL1은, 밀집 상태를 유지하고 있다(즉, 자속 밀도가 높다).
이 자장 MF1은, 타깃(3)의 축 방향 A의 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 10㎜까지의 범위에 있어서, 이하의 조건 a) 및 b), 즉,
a) 타깃(3)의 측면(3b)에 대해 자장 MF1에 의한 자력선 FL1이 이루는 각도 θ는, 45도 이하이고, 또한,
b) 당해 자력선 FL1의 강도에 있어서의 타깃(3)의 축 방향 A의 성분 Bx는, 200G 이상
이라고 하는 조건을 만족시킨다.
상기한 조건 a) 및 b)를 만족시킴으로써, 도 2∼도 3에 도시되는 아크 스폿 S는, 카본제의 타깃(3)의 선단면(3a)의 범위로부터 나오려고 해도, 타깃(3)의 선단면(3a) 부근, 즉, 선단면(3a)으로부터 10㎜까지의 범위에 있어서 타깃(3)의 측면(3b)에 있어서의 자력선 FL1(도 4∼도 5 참조)이 아크 스폿 S를 당해 선단면(3a)의 범위 내로 되밀도록 작용한다. 이에 의해, 아크 스폿 S는, 카본제의 타깃(3)의 선단면(3a)의 범위 내로 유지되고, 아크 스폿 S가 타깃(3)의 선단면(3a)의 범위 밖으로 나오는 것이 방지된다.
그리고, 자석(4)은, 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장을 발생하도록 배치됨으로써, 개개의 자석(4)은 강력한 자력을 발생하므로 당해 자석(4)을 대형으로 할 필요가 없어진다. 그로 인해, 아크 증발원(1)의 대형화를 억제하는 것이 가능하다.
또한, 타깃(3)은 봉상이므로, 그 길이에 따라서 장시간에 걸쳐 연속적인 성막이 가능하다.
본 실시 형태에서는, 타깃(3)으로서 카본제의 타깃이 채용되어 있으므로, 아크 스폿 S가 더욱 불안정하게 움직여, 아크 스폿 S가 선단면(3a)으로부터 나오기 쉬운 경향이 있다. 그러나, 상기한 바와 같이 자석(4)이 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장을 발생함으로써, 카본제의 타깃(3)을 사용해도 타깃(3)의 선단면(3a)에 아크 스폿 S를 안정적으로 유지하는 것이 가능하다.
본 실시 형태에서는, 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장 MF1을 발생하기 위한 자석(4)의 배치로서, 복수의 자석(4)은, 카본제의 타깃(3)의 측방에 있어서 그들 자석(4)이 갖는 서로 다른 자극(4a, 4b)이 타깃(3)의 반경 방향 B로 나열되도록 배치되어 있다. 이에 의해, 타깃(3)의 측면(3b)에 대해 45도 이하의 예각이며, 또한 강한 자력선 FL1을 발생하면서도, 개개의 자석(4)은 작아도 되므로, 아크 증발원(1)의 장치 전체를 확실하게 소형화하는 것이 가능하다.
또한, 자석(4)은, 도 8에 도시되는 바와 같이, 서로 다른 자성의 자극(4a)(예를 들어, N극) 및 자극(4b)(예를 들어, S극)이 당해 타깃(3)의 축 방향 A로 나열되도록 배치되어 있어도 된다. 이 경우도, 자석(4)이 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장 MF1'을 발생하도록 배치되어 있으면, 카본제의 타깃(3)의 선단면(3a)의 범위로부터 나오려고 해도, 타깃(3)의 선단면(3a) 부근, 즉, 선단면(3a)으로부터 10㎜까지의 범위에 있어서 타깃(3)의 측면(3b)에 있어서의 자력선 FL1'이 아크 스폿 S를 당해 선단면(3a)의 범위 내로 되미는 것이 가능하다. 게다가, 이러한 도 8에 도시되는 구성 개개의 자석(4)은 강력한 자력을 발생하므로 당해 자석(4)을 대형으로 할 필요가 없어진다. 그로 인해, 아크 증발원(1)의 대형화를 억제하는 것이 가능하다. 또한, 이와 같이 자극(4a, 4b)이 타깃(3)의 축 방향으로 나열되어 배치된 경우, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 방출되는 전자는 자력선 FL1'을 따라 선단면(3a)에 가까운 측의 자극(4a)을 향해 흐르기 때문에, 자석(4)의 자극(4a)의 부분은 애노드(양극)로 되어 가열되므로, 이 자극(4a)의 부분을 수랭 등에 의한 냉각 기구에 의해 냉각하는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 바와 같이, 자석(4)이 서로 다른 자성의 자극(4a) 및 자극(4b)이 당해 타깃(3)의 축 방향 A로 나열되도록 배치되는 경우에는, 자석(4)은, 링 형상의 자석이어도 되고, 도 8에 도시되는 바와 같이 타깃(3)의 주위에 복수의 자석(4)을 주위 방향으로 배치해도 된다. 상기한 링 형상의 자석은, 적어도 1개 있으면 되고, 1개 뿐이어도 된다.
자력선 FL1의 강도에 있어서의 타깃(3)의 축 방향 A의 성분 Bx는, 500G 이상인 것이 바람직하다. 이러한 자력선 FL1은, 아크 스폿 S를 카본제의 타깃(3)의 선단면(3a)의 범위 내로 더욱 확실하게 되미는 것이 가능하다.
상기한 조건 a) 및 b)에 대해서는, 더욱 상세한 설명이 행해진다.
도 6에는, 자석(4)이 도 4에 나타나는 바와 같이 방사상으로 배치된 경우에 있어서, 도 1의 타깃의 선단면(3a)으로부터의 거리 X(㎜)와 자석(4)에 의해 형성되는 자장 MF1의 수평 자속 밀도 Bx(단위는 G(＝×10-4T))의 관계를 나타내는 그래프가 나타나 있다. 이 도 6에서는, 자력선 FL1의 강도에 있어서의 타깃(3)의 축 방향 A의 성분 Bx는, 수평 자속 밀도 Bx로서 나타난다.
도 6의 그래프 곡선 I는, 본 실시 형태에 있어서의 네오디뮴을 포함하는 합금(NdFeB)으로 제조된 영구 자석으로 이루어지는 자석(4)에 있어서의 수평 자속 밀도 Bx가 나타나 있다. 이 곡선 I에서는, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터의 거리 X가 0∼10㎜의 범위에 있어서, 200G 이상의 수평 자속 밀도 Bx, 구체적으로는 230∼800G의 수평 자속 밀도 Bx가 나타난다. 따라서, 이 범위에 있어서 아크 스폿 S를 선단면(3a)으로 되미는 것이 가능한 강한 자력선이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 곡선 I에서는, 거리 X가 10∼16㎜의 범위에 있어서, 800G 이상의 수평 자속 밀도 Bx가 나타나, 이 범위에 있어서 매우 강한 자력선이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 이 범위에서는, 자력선이 매우 강하므로, 아크 스폿 S를 자력의 작용에 의해 아크 스폿 S를 선단면(3a)으로 더욱 확실하게 되미는 것이 가능하다.
또한, 도 6의 그래프 곡선 II는, 본 실시 형태에 있어서의 사마륨 및 코발트를 포함하는 합금(SmCo)으로 제조된 영구 자석으로 이루어지는 자석(4)에 있어서의 수평 자속 밀도 Bx가 나타나 있다. 이 곡선 II에서는, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터의 거리 X가 0∼10㎜의 범위에 있어서, 200G 이상, 구체적으로는 210∼620G의 수평 자속 밀도 Bx가 나타나고, 이 범위에 있어서 아크 스폿 S를 선단면(3a)으로 되미는 것이 가능한 강한 자력선이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 곡선 II에서는, 거리 X가 13∼14㎜의 범위에 있어서, 800G 이상의 수평 자속 밀도 Bx가 나타나 있다.
또한, 도 6의 그래프의 곡선 I, II에 있어서의 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터의 거리 X가 0∼14㎜의 범위에서는, 자력선 FL1의 강도에 있어서의 타깃(3)의 축 방향 A의 성분 Bx는, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 당해 타깃(3)의 축 방향 A로 이격됨에 따라서 증가한다. 이에 의해, 자력선 FL1은, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 타깃(3)의 축 방향 A로 이격됨에 따라서 강해져 간다. 그 결과, 아크 스폿 S가 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 벗어나 타깃(3)의 측면(3b)으로 이동한 경우라도 당해 측면(3b)에서 머무르는 일 없이, 아크 스폿 S를 자력의 작용에 의해 확실하게 타깃(3) 선단면(3a)으로 되돌아가게 하는 것이 가능하다.
바꾸어 말하면, 카본제의 타깃(3)의 측면(3b)에 있어서 아크 스폿 S를 되돌아가게 하는 효과는, 자력선 FL1의 수평 성분 강도 Bx에 의한 부분이 크다. 그러나, 측면(3b) 상에 있어서 수평 성분 강도 Bx가 국소적으로 약한 개소가 있는 경우에는, 그 개소에 있어서 아크 스폿 S가 의도하지 않은 거동을 할 우려가 높아져, 아크 스폿 S의 위치를 제어하는 것이 어려워진다. 따라서, 자력선 FL1의 수평 성분 강도 Bx가 균일하게 단조 증가하도록 당해 자력선 FL1이 분포되어 있으면, 아크 스폿 S를 확실하게 타깃(3) 선단면(3a)으로 되돌아가게 하는 것이 가능하다.
또한, 도 6의 그래프 곡선 III는, 참고예로서 철(Fe)을 주원료로 하는 기존의 영구 자석으로 이루어지는 자석에 있어서의 수평 자속 밀도 Bx가 나타나 있다. 이 곡선 III에서는, 상기한 곡선 I, II와 비교하여, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터의 거리 X가 0∼20㎜의 범위에 있어서, 수평 자속 밀도 Bx가 전체적으로 낮은 것이 이해된다. 이 거리 X가 0∼10㎜의 범위의 대부분의 부분에서는, 수평 자속 밀도 Bx가 200G 이하이므로, 이러한 철제의 기존의 영구 자석에서는, 아크 스폿 S를 선단면(3a)으로 되미는 것이 가능한 강도의 자력선을 얻을 수 없는 것을 알 수 있다.
도 7에는, 자석(4)이 도 4에 나타나는 바와 같이 방사상으로 배치된 경우에 있어서, 도 1의 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터의 거리 X(㎜)와 타깃(3)의 측면(3b)에 대한 자력선 FL1의 각도 θ의 관계를 나타내는 그래프가 나타나 있다. 이 도 7의 그래프에서는, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터의 거리 X가 0∼12㎜의 범위에 있어서, 각도 θ가 0∼30도의 예각의 범위에 있고, 자력선 FL1이 아크 스폿 S를 선단면(3a)으로 되미는 것이 가능한 예리한 각도를 갖고 있는 것을 알 수 있다.
상기한 바와 같이 네오디뮴을 포함하는 합금(NdFeB) 또는 사마륨 및 코발트를 포함하는 합금(SmCo)으로 제조된 영구 자석으로 이루어지는 자석(4)이, 도 4∼도 5에 나타나는 바와 같이 방사상으로 배치된 구성에서는, 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자력선 MF1을 발생하고, 그것에 의해, 아크 스폿 S가 타깃(3)의 선단면(3a)의 범위 밖으로 나오는 것을 방지할 수 있는 것이 발명자에 의한 실험에 의해 확인되어 있다.
한편, 본 발명의 비교예로서, 도 9에 나타나는 바와 같이, 영구 자석으로 이루어지는 자석(104)이 타깃(3)의 축 방향 A로 배치된 경우에 본 발명의 자장의 발생 조건인 상기한 조건 a), b)를 만족시키지 않는 자장을 발생하는 구성에 대해 고찰한다.
도 9에 나타나는 구성에서는, 자석(104)은, 타깃(3)의 측면(3b)으로부터 이격되고, 자극(104a, 104b)이 타깃(3)의 축 방향 A로 나열되도록 배치되어 있다. 이에 의해, 자석(104)은, 타깃(3)의 측면(3b)에 있어서 도 9에 나타나는 자장 MF2를 형성한다. 또한, 도 9에서는, 자석(104)은, 자석(104)의 축 방향의 중간 위치가 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 20㎜ 후방의 위치에 있도록 배치되어 있다.
이 자장 MF2의 자력선 FL2는, 타깃(3)의 선단면(3a)의 측을 향하는 자극(104a)으로부터 나와 있지만, 타깃(3)의 측면(3b)에 있어서의 선단면(3a) 부근(구체적으로는, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 6㎜ 정도까지의 범위)에서는, 타깃(3)의 측면(3b)으로부터 타깃(3)의 내부로 들어가 있다. 즉, 자력선 FL2는, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 6㎜ 정도까지의 범위에서는, 타깃(2)의 측면(3b)에 있어서, 선단면(3a)으로 근접하면서 반경 방향 B의 내측을 향하는 방향으로 연장되어 있다. 게다가, 이 범위에서는, 자력선 FL2는, 듬성듬성하다(즉, 자속 밀도가 낮다).
도 10에는, 자석(104)이 도 9에 나타나는 바와 같이 타깃(3)의 축 방향으로 배치된 경우에 있어서, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터의 거리 X(㎜)와 자석(4)에 의해 형성되는 자장 MF2의 수평 자속 밀도 Bx(단위는 G(＝×10-4T))의 관계를 나타내는 그래프가 나타나 있다.
도 10의 그래프의 곡선 IV는, 네오디뮴을 포함하는 합금(NdFeB)으로 제조된 영구 자석으로 이루어지는 자석(104)에 있어서의 수평 자속 밀도 Bx가 나타나 있다. 또한, 곡선 V는, 사마륨 및 코발트를 포함하는 합금(SmCo)으로 제조된 영구 자석으로 이루어지는 자석(104)에 있어서의 수평 자속 밀도 Bx가 나타나 있다. 곡선 VI는, 철(Fe)을 주원료로 하는 영구 자석으로 이루어지는 자석(104)에 있어서의 수평 자속 밀도 Bx가 나타나 있다.
이들 곡선 IV∼VI에서는, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터의 거리 X가 0∼10㎜의 범위에 있어서, 수평 자속 밀도 Bx가 200G 미만인 낮은 값을 유지하고 있는 것이 나타나 있다. 따라서, 이 범위에서는, 자력선 FL2의 강도가 약하므로, 타깃의 아크 스폿 S를 선단면(3a)으로 되미는 것이 어렵다고 생각된다.
도 11에는, 자석(104)이 도 9에 나타나는 바와 같이 타깃(3)의 축 방향으로 배치된 경우에 있어서, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터의 거리 X(㎜)와 타깃(3)의 측면(3b)에 대한 자력선 FL2의 각도 θ의 관계를 나타내는 그래프가 나타나 있다. 이 도 11의 그래프에서는, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터의 거리 X가 0∼6㎜의 범위에 있어서, 각도 θ가 0도 이하로 되는 것이 이해된다. 즉, 자력선 FL2는, 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 6㎜까지의 범위에서는, 타깃(3)의 측면(3b)에 있어서, 선단면(3a)으로 근접하면서 반경 방향 B의 내측을 향하는 방향으로 연장되어, 타깃(3) 내부로 들어가 있다. 그로 인해, 이러한 타깃(3) 내부로 들어간 자력선 FL2는, 타깃(3)의 측면(3b)에 있어서 아크 스폿 S를 선단면(3a)으로 되미는 작용이 약하다고 생각된다.
이상과 같이, 도 9에 나타나는 바와 같이, 자석(104)이 타깃(3)의 축 방향 A로 배치된 경우에는, 당해 자석(104)에 있어서 형성되는 자장 MF2는, 타깃(3)의 축 방향 A의 타깃(3)의 선단면(3a)으로부터 10㎜까지의 범위에 있어서, 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 구성을 구축하는 것이 어려운 것을 알 수 있다. 그로 인해, 도 9∼도 11에 나타나는 바와 같이 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키지 않는 경우에는, 타깃(3)의 측면(3b)에 있어서의 자력선 FL2에 의해 아크 스폿 S를 타깃(3)의 선단면(3a)의 범위 내로 되미는 것이 어렵다고 생각된다.
그리고, 이러한 자석(104)이 타깃(3)의 축 방향 A로 배치된 구성에서는, 가령 네오디뮴을 포함하는 합금(NdFeB) 또는 사마륨 및 코발트를 포함하는 합금(SmCo)으로 제조된 영구 자석을 사용해도, 상기한 본 실시 형태의 도 4∼도 5에 도시되는 바와 같이 자석(4)이 방사상으로 배치된 구성과 같이, 아크 스폿 S가 타깃(3)의 선단면(3a)의 범위 외로 나가는 것을 방지할 수 없는 것이 발명자에 의한 실험에 의해 확인되어 있다.
따라서, 도 4∼도 5에 나타나는 바와 같이 자석(4)이 서로 다른 자성의 자극(4a, 4b)이 당해 타깃(3)의 반경 방향으로 나열되도록 배치되어 있는 구성의 쪽이, 도 9에 나타나는 바와 같이 자극(104a, 104b)이 타깃(3)의 축 방향으로 나열되도록 자석(104)이 배치되어 있는 구성과 비교하여, 상기한 자장의 발생 조건 a) 및 b)를 만족시키는 구성을 용이하게 구축할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 4∼도 5에 나타나는 자석(4)이 방사상으로 배치된 구성의 쪽이, 타깃(3)의 선단면(3a)에 아크 스폿 S를 더욱 안정적으로 보유 지지할 수 있고, 게다가 당해 아크 증발원(1)의 소형화를 확실하게 달성하는 것이 가능한 것을 알 수 있다.
상기한 실시 형태에서는, 타깃(3)으로서, 카본제의 타깃을 예로 들어 설명하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 타깃(3)은, 텅스텐 카바이드, 텅스텐, 몰리브덴, 혹은 니오븀을 포함해도 된다. 이들 텅스텐 카바이드제 등의 타깃(3)에 대해서도, 상기한 카본제의 타깃(3)과 마찬가지로, 아크 스폿이 불안정하게 움직이는 경향이 있다. 그러나, 상기한 바와 같이 자석이 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장을 발생함으로써, 텅스텐 카바이드제 등의 타깃(3)을 사용해도 타깃(3)의 선단면에 아크 스폿을 안정적으로 유지하는 것이 가능하다. 텅스텐 카바이드제 등의 타깃(3)은 고가이므로, 특히 타깃(3)의 소모 형태 및 수율도 중시된다. 그로 인해, 상기한 아크 증발원(1)에 있어서 봉상의 타깃(3)으로서 텅스텐 카바이드 등을 사용하는 것은, 이 타깃(3)의 소모 형태의 균일화(즉, 타깃(3)이 그 선단면 전체에 걸쳐 균일하게 소모되는 것) 및 수율의 향상의 점에서 유효하다.
또한, 상술한 구체적 실시 형태에는 이하의 구성을 갖는 발명이 주로 포함되어 있다.
본 실시 형태의 아크 증발원은,
아크 방전에 의해 선단면으로부터 용해되어 증발되는 타깃과,
상기 타깃의 상기 선단면의 주연에 연속되는 측면으로부터 당해 타깃의 반경 방향으로 이격된 위치에 배치된 적어도 1개의 자석을 구비하고 있고,
상기 자석은,
상기 타깃의 측면에 있어서 상기 선단면에 직교하는 상기 타깃의 축 방향의 상기 타깃의 선단면으로부터 10㎜까지의 범위에 있어서, 이하의 조건 a) 및 b), 즉,
a) 상기 타깃의 측면에 대해 자장에 의한 자력선이 이루는 각도는, 45도 이하이고, 또한,
b) 당해 자력선의 강도에 있어서의 상기 타깃의 축 방향의 성분은, 200G 이상
이라고 하는 조건을 만족시키는 자장을 형성하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의하면, 자석에 의해 발생하는 자장은, 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시킴으로써, 아크 스폿은, 타깃의 선단면의 범위로부터 나오려고 해도, 타깃의 선단면 부근, 즉, 선단면으로부터 10㎜까지의 범위에 있어서 타깃의 측면에 있어서의 자력선이 아크 스폿을 당해 선단면의 범위 내로 되밀도록 작용한다. 이에 의해, 아크 스폿은, 타깃의 선단면의 범위 내에 유지된다.
그리고, 자석이 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장을 발생하도록 배치됨으로써, 개개의 자석은 강력한 자력을 발생하므로 당해 자석을 대형으로 할 필요가 없어진다. 그로 인해, 장치의 대형화를 억제하는 것이 가능하다.
상기 타깃은, 봉상인 것이 바람직하다. 이 경우에는, 봉상의 타깃의 길이에 따라서 장시간에 걸쳐 연속적인 성막이 가능해진다.
상기 타깃은, 카본을 포함해도 된다. 카본제의 타깃은, 아크 스폿이 더욱 불안정하게 움직여, 아크 스폿이 선단면으로부터 나가기 쉬운 경향이 있다. 그러나, 상기한 바와 같이 자석이 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장을 발생함으로써, 카본제의 타깃을 사용해도 타깃의 선단면에 아크 스폿을 안정적으로 유지하는 것이 가능하다.
상기 타깃은, 텅스텐 카바이드, 텅스텐, 몰리브덴, 혹은 니오븀을 포함해도 된다. 이들 텅스텐 카바이드제 등의 타깃에 대해서도, 상기한 카본제의 타깃과 마찬가지로, 아크 스폿이 불안정하게 움직이는 경향이 있다. 그러나, 상기한 바와 같이 자석이 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장을 발생함으로써, 텅스텐 카바이드제 등의 타깃을 사용해도 타깃의 선단면에 아크 스폿을 안정적으로 유지하는 것이 가능하다. 텅스텐 카바이드제 등의 타깃은, 고가이므로, 특히 타깃의 소모 형태 및 수율도 중시된다. 그로 인해, 상기한 아크 증발원에 있어서 봉상의 타깃으로서 텅스텐 카바이드 등을 사용하는 것은, 이 타깃의 소모 형태의 균일화 및 수율의 향상의 점에서 유효하다.
상기 자석은, 서로 다른 자성의 자극을 갖고, 당해 서로 다른 자성의 자극이 당해 타깃의 반경 방향으로 나열되도록, 상기 자석이 배치되어 있는 것이 바람직하다. 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장을 발생하기 위한 자석의 배치로서, 자석은, 타깃의 측방에 있어서 그들 자석이 갖는 서로 다른 자극이 타깃의 반경 방향으로 나열되도록 배치되어 있는 경우에는, 개개의 자석에 있어서의 한쪽의 자극은, 타깃의 측면에 대향하고, 다른 쪽의 자극은, 타깃의 반경 방향 외측을 향한다. 이에 의해, 타깃의 측면에 대향하는 자극은, 타깃의 측면에 대해 선단면으로부터 10㎜까지의 범위에 있어서, 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 45도 이하의 예각이며, 또한 강한 자력선을 발생하는 것이 가능하다. 바꾸어 말하면, 상기한 바와 같이 자석을 배치함으로써, 타깃의 측면에 대해 45도 이하의 예각이며, 또한 강한 자력선을 발생하면서도, 개개의 자석은 작아도 되므로, 아크 증발원의 장치 전체를 확실하게 소형화하는 것이 가능하다.
또한, 상기 자석은, 서로 다른 자성의 자극을 갖고, 당해 서로 다른 자성의 자극이 당해 타깃의 축 방향으로 나열되도록, 상기 자석이 배치되어 있어도 된다. 이 경우도, 자석이 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장을 발생하도록 배치되어 있으면, 개개의 자석은 강력한 자력을 발생하므로 당해 자석을 대형으로 할 필요가 없어진다. 그로 인해, 장치의 대형화를 억제하는 것이 가능하다.
상기 자력선의 강도에 있어서의 상기 타깃의 축 방향의 성분은, 500G 이상인 것이 바람직하다.
이 자력선은, 아크 스폿을 타깃의 선단면의 범위 내로 더욱 확실하게 되미는 것이 가능하다.
상기 자력선의 강도에 있어서의 상기 타깃의 축 방향의 성분은, 상기 타깃의 선단면으로부터 당해 타깃의 축 방향으로 이격됨에 따라서 증가하는 것이 바람직하다.
이 구성에서는, 자력선은, 타깃의 선단면으로부터 타깃의 축 방향으로 이격됨에 따라서 강해져 간다. 그 결과, 아크 스폿이 타깃의 선단면으로부터 벗어나 타깃의 측면으로 이동한 경우라도 당해 측면에서 머무르는 일 없이, 아크 스폿을 자력의 작용에 의해 확실하게 타깃 선단면으로 되돌아가게 하는 것이 가능하다.
상기 자장은, 상기 타깃의 측면에 있어서 상기 타깃의 축 방향의 상기 타깃의 선단면으로부터 20㎜까지의 범위에 있어서, 상기 자력선의 강도에 있어서의 상기 타깃의 축 방향의 성분이 800G 이상이 되는 장소를 갖는 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 아크 스폿이 타깃의 측면에서 머무르는 일 없이, 아크 스폿을 자력의 작용에 의해 더욱 확실하게 타깃 선단면으로 되돌아가게 하는 것이 가능하다.
상기 자석은, 영구 자석인 것이 바람직하다.
이 경우, 코일을 갖는 전자석과 비교하여 자석을 소형으로 하는 것이 가능해진다. 그로 인해, 자석의 배치 자유도가 향상됨과 함께, 아크 증발원의 소형화를 더욱 확실하게 달성하는 것이 가능하다.
상기 영구 자석은, 네오디뮴을 포함하고 있는 것이 바람직하다.
네오디뮴을 포함하는 영구 자석은, 소형이면서, 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 강한 자력선을 발생하는 것이 가능하다.
복수의 상기 자석은, 상기 타깃의 주위 방향에 있어서, 서로 등간격으로 배치되어 있는 것이 바람직하다.
이에 의해, 상기 타깃 측면에 있어서, 자석에 의해 발생하는 자장을 타깃의 주위 방향에 있어서 균일하게 분포시키는 것이 가능하다. 그로 인해, 아크 스폿이 타깃의 측면에 머무를 우려가 있는 국소적으로 자력선이 약한 부분을 없앨 수 있다. 그 결과, 아크 스폿을 자력의 작용에 의해 더욱 확실하게 타깃 선단면으로 되돌아가게 하는 것이 가능하다.
상기 자석은, 상기 타깃의 선단면으로부터 당해 타깃의 축 방향에 있어서의 후방측에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
자석이 상기한 바와 같이 배치되어 있음으로써, 상기한 조건 a) 및 b)를 만족시키는 자장을 확실하게 발생하는 것이 가능하고, 게다가 타깃의 선단면으로부터 튀어나오는 용융 재료가 자석에 부착될 우려를 회피하는 것이 가능하다.

Claims (13)

  1. 아크 방전에 의해 선단면으로부터 용해되어 증발되는 타깃과,
    상기 타깃의 상기 선단면의 주연에 연속되는 측면으로부터 당해 타깃의 반경 방향으로 이격된 위치에 배치된 적어도 1개의 자석을 구비하고 있고,
    상기 자석은,
    상기 타깃의 측면에 있어서 상기 선단면에 직교하는 상기 타깃의 축 방향의 상기 타깃의 선단면으로부터 10㎜까지의 범위에 있어서, 이하의 조건 a) 및 b), 즉,
    a) 상기 타깃의 측면에 대해 자장에 의한 자력선이 이루는 각도는, 45도 이하이고, 또한,
    b) 당해 자력선의 강도에 있어서의 상기 타깃의 축 방향의 성분은, 200G 이상
    이라고 하는 조건을 만족시키는 자장을 형성하도록 배치되어 있는, 아크 증발원.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타깃은, 봉상인, 아크 증발원.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 타깃은, 카본을 포함하고 있는, 아크 증발원.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 타깃은, 텅스텐 카바이드, 텅스텐, 몰리브덴, 또는 니오븀을 포함하고 있는, 아크 증발원.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자석은, 서로 다른 자성의 자극을 갖고,
    당해 서로 다른 자성의 자극이 당해 타깃의 반경 방향으로 나열되도록 상기 자석이 배치되어 있는, 아크 증발원.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자석은, 서로 다른 자성의 자극을 갖고,
    당해 서로 다른 자성의 자극이 당해 타깃의 축 방향으로 나열되도록 상기 자석이 배치되어 있는, 아크 증발원.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자력선의 강도에 있어서의 상기 타깃의 축 방향의 성분은, 500G 이상인, 아크 증발원.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자력선의 강도에 있어서의 상기 타깃의 축 방향의 성분은, 상기 타깃의 선단면으로부터 당해 타깃의 축 방향으로 이격됨에 따라서 증가하는, 아크 증발원.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 자장은, 상기 타깃의 측면에 있어서 상기 타깃의 축 방향의 상기 타깃의 선단면으로부터 20㎜까지의 범위에 있어서, 상기 자력선의 강도에 있어서의 상기 타깃의 축 방향의 성분이 800G 이상이 되는 장소를 갖는, 아크 증발원.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 자석은, 영구 자석인, 아크 증발원.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 영구 자석은, 네오디뮴을 포함하는, 아크 증발원.
  12. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 자석은, 상기 타깃의 주위 방향에 있어서, 서로 등간격으로 배치되어 있는, 아크 증발원.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 자석은, 상기 타깃의 선단면으로부터 당해 타깃의 축 방향에 있어서의 후방측에 배치되어 있는, 아크 증발원.
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