TWI491752B - Arc evaporation source - Google Patents

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TWI491752B
TWI491752B TW102121731A TW102121731A TWI491752B TW I491752 B TWI491752 B TW I491752B TW 102121731 A TW102121731 A TW 102121731A TW 102121731 A TW102121731 A TW 102121731A TW I491752 B TWI491752 B TW I491752B
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Shinichi Tanifuji
Kenji Yamamoto
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Kobe Steel Ltd
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Description

電弧式蒸發源
本發明有關於形成薄膜之成膜裝置的電弧式蒸發源，該薄膜係為了提昇機械零件等之耐摩耗性等所使用之氮化物及氧化物等的陶瓷膜、非晶質碳膜等。
自以往，以提昇機械零件、切削工具、滑動零件等之耐摩耗性、滑動特性及保護機能之目的，在該零件及工具等的基材表面塗敷薄膜之物理氣相蒸鍍法被廣泛使用。以此物理氣相蒸鍍法而言，電弧離子蒸鍍法、濺鍍法廣為人知，電弧離子蒸鍍法係使用陰極放電型電弧式蒸發源之技術。
陰極放電型電弧式蒸發源(以下稱為電弧式蒸發源)，在陰極之靶表面產生電弧放電，將構成靶之物質瞬間熔解及蒸發進行離子化。電弧式蒸發源，係將藉由電弧放電而離子化後之該物質拉入被處理物亦即基材側，於基材表面形成薄膜。於此電弧式蒸發源，由於靶之蒸發速度快，並且蒸發後物質之離子化率高，因此藉著成膜時對基材施加偏壓可形成緻密之皮膜。因此，電弧式蒸發源 在產業上其目的係用於在切削工具等之表面形成耐摩耗性皮膜。
藉由電弧放電所蒸發之靶原子，於電弧電漿中高度電離及離子化。在該情況，從靶朝向基材之離子的輸送，受靶和基材之間的磁場影響，該軌跡係成為沿從靶朝向基材之磁力線。
但是，在陰極(靶)和陽極之間產生之電弧放電中，當以陰極側之電子發射點(電弧點)作為中心進行靶蒸發時，會從電弧點附近放出熔融之蒸發前的熔融靶(巨粒子)。此熔融靶對被處理體之附著，會成為使薄膜之面粗度降低的原因。
有關於此，當電弧點高速移動時，巨粒子的量有受抑制之傾向，但該電弧點之移動速度，受施加於靶表面之磁場影響。
為了解決如此般之問題，而提案如下述般於靶表面施加磁場，控制電弧點之移動的技術。
於專利文獻1揭示有電弧式蒸發源，該電弧式蒸發源係具備：包圍靶之外周且磁化方向沿與靶表面正交之方向的外周磁鐵；以及極性與外周磁鐵同方向並且磁化方向沿與靶表面正交之方向的背面磁鐵。藉由此電弧式蒸發源，可以提昇磁力線的直線前進能力。
於專利文獻2揭示有電弧蒸發裝置，該電弧蒸發裝置係藉由配置於靶周圍之環形磁鐵和背面之電磁線圈形成與靶表面平行之磁場。藉由此電弧蒸發裝置，達成順著從靶 之中心至該外緣部之所有軌道(track)的電弧之誘導。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
專利文獻1日本特開2010-275625號公報
專利文獻2日本特表2004-523658號公報
然而，專利文獻1所揭示之電弧式蒸發源，藉由於靶之背面隔著間隔配置的兩片圓板磁鐵，在從靶表面朝向基材之方向產生磁力線。此些兩片圓板磁鐵，可以於中央部產生直線前進能力高之磁力線，但從比中央部更靠外周側發出之磁力線，卻相對於圓板磁鐵之軸心向外發散。此作為一般磁鐵之特性係難以避免的現象，為了將離子化之靶物質有效地往基材方向誘導，於專利文獻1之電弧式蒸發源，尚有進一步改良的餘地。
而且，依據專利文獻2所揭示之電弧蒸發裝置，雖從電磁線圈之中央部產生直線前進能力高之磁力線，但從比電磁線圈之中央部更靠外周側發出之磁力線，係相對於電磁線圈之軸芯向外發散。
也就是說，專利文獻1及2所揭示之技術，在設於靶之背面的磁鐵或電磁鐵之特性上，僅在靶之中央部，能產生從靶之前面朝向基材之直線前進能力高的磁力線。因 此，藉由專利文獻1及2所揭示之技術，由於無法將直線前進能力高之磁力線形成在靶全面，因此難以充分提昇成膜速度。
另外，如專利文獻1及2般，將外周磁鐵或環形磁鐵配置成，基材方向側之端面比靶表面更靠基材，而且在靶之後方(基材之相反方向側)配置與外周磁鐵或環形磁鐵磁化方向相同之背面磁鐵或電磁線圈的情況，於靶表面上之一部分形成與靶表面平行的磁力線(平行磁場)。當如此般平行磁場在靶表面上形成時，於此平行磁場電弧放電被捕集而使電弧放電穩定，但放電位置在靶表面上偏移，其結果發生靶之偏消耗。
有鑑於前述問題，本發明之目的為提供：可以將從靶表面往基材方向延伸之直線前進能力高之磁力線，產生在靶表面之大區域，並且抑制靶的偏消耗的電弧式蒸發源。
為了達成前述目的，本發明採用以下技術手段。
本發明相關之電弧式蒸發源是具備：靶、環狀磁場感應磁鐵、以及背面磁場產生源，其特徵在於，前述磁場感應磁鐵係具有：成為沿著與前述靶之蒸發面正交之方向並且朝向前方或後方之磁化方向的極性；前述背面磁場產生源，係在前述靶之背面側配置在前述磁場感應磁鐵後方， 並且沿著前述磁場感應磁鐵之磁化方向形成磁力線；前述靶配置成，使前述蒸發面位於前述磁場感應磁鐵的前方。
此時，較佳為在前述磁場感應磁鐵之磁化方向朝向前方的情況，前述背面磁場產生源之磁化方向朝向前方；在前述磁場感應磁鐵之磁化方向朝向後方的情況，前述背面磁場產生源之磁化方向朝向後方。
在此，較佳為於前述磁場感應磁鐵之磁化方向之磁場感應磁鐵及靶的投影中，前述靶配置成，投影於比前述磁場感應磁鐵之徑向之內周面和外周面的中間位置更靠徑內側。
另外，較佳為前述背面磁場產生源所形成的磁力線，係沿前述磁場感應磁鐵之磁化方向通過前述環狀磁場感應磁鐵之內周面所形成的孔部，前述靶係配置於：使通過前述蒸發面之磁力線相對於前述環狀磁場感應磁鐵之軸心平行或向前述軸心側傾斜的位置。
在此，較佳為前述背面磁場產生源係包含在內周面及外周面具有極性之環狀背面磁鐵，在前述磁場感應磁鐵之磁化方向朝向前方的情況，由前述內周面及外周面之極性所形成之背面磁鐵的磁化方向係朝向環徑內方向；在前述磁場感應磁鐵之磁化方向朝向後方情況，由前述內周面及外周面之極性所形成之背面磁鐵的磁化方向係朝向環徑外方向。
除此之外，較佳為前述背面磁場產生源係包含複數個前述環狀背面磁鐵，前述複數個環狀背面磁鐵， 係具有相同磁化方向之極性並且配置成同軸狀。
而且，較佳為於前述複數個環狀背面磁鐵之徑內，設有貫穿各背面磁鐵之磁性體，前述磁性體之外周與各背面磁鐵的內周面接觸。
在此，較佳為前述背面磁場產生源係包含互相隔著間隔配置之圓板狀的第1圓板狀磁鐵和第2圓板狀磁鐵，前述第1圓板狀磁鐵及第2圓板狀磁鐵分別配置成，以具有從一方之圓板面朝向另一方之圓板面之磁化方向的方式於圓板面具有極性，並且彼此之磁化方向相同，在前述磁場感應磁鐵之磁化方向朝向前方的情況，前述第1圓板狀磁鐵及第2圓板狀磁鐵之磁化方向係朝向前方；在前述磁場感應磁鐵之磁化方向朝向後方的情況，前述第1圓板狀磁鐵及第2圓板狀磁鐵之磁化方向係朝向後方。
另外，較佳為於前述第1圓板狀磁鐵及第2圓板狀磁鐵之間，設有與各圓板狀磁鐵接觸的磁性體。
在此，較佳為前述背面磁場產生源係空心狀的線圈磁鐵，且前述線圈磁鐵之極性係朝向與前述磁場感應磁鐵之極性相同方向。
另外，較佳為於前述線圈磁鐵之空心部分配置有磁性體。
依據本發明之電弧式蒸發源，可以將從靶表面往基材方向延伸之直線前進能力高的磁力線，產生在靶 表面之大區域，並且可以抑制靶的偏消耗。
1、1a、1b、1c‧‧‧電弧式蒸發源(蒸發源)
2‧‧‧靶
3‧‧‧磁場感應磁鐵
4、4a、4b、4c‧‧‧背面磁場產生源
5a‧‧‧第1背面磁鐵
5b‧‧‧第2背面磁鐵
6‧‧‧成膜裝置
7‧‧‧基材
8a、8b、8c‧‧‧磁場形成手段
9a、9b、9c‧‧‧磁性體
10a‧‧‧第1圓板背面磁鐵
10b‧‧‧第2圓板背面磁鐵
11‧‧‧真空處理室
12‧‧‧旋轉台
13‧‧‧氣體導入口
14‧‧‧氣體排氣口
15‧‧‧電弧電源
16‧‧‧偏壓電源
17‧‧‧電磁線圈
18‧‧‧地面
第1圖之第1(a)圖係表示具備本發明之第1實施方式之電弧式蒸發源的成膜裝置的概略構造之側視圖，第1(b)圖係表示成膜裝置的概略構造的俯視圖。
第2圖之第2(a)圖係表示本發明之第1實施方式之電弧式蒸發源之基本構造的圖，第2(b)圖係將磁場感應磁鐵和靶沿著與靶之蒸發面正交之方向投影時的投影圖。
第3圖係表示本發明之第1實施方式之電弧式蒸發源的具體構造的概略圖。
第4圖係表示第1實施方式之電弧式蒸發源之磁力線分佈的圖。
第5圖係表示本發明之第2實施方式之電弧式蒸發源的具體構造的概略圖。
第6圖係表示第2實施方式之電弧式蒸發源之磁力線分佈的圖。
第7圖係表示本發明之第3實施方式之電弧式蒸發源的具體構造的概略圖。
第8圖係表示第3實施方式之電弧式蒸發源之磁力線分佈的圖。
以下，將本發明之實施方式依據圖式進行說明。
〔第1實施方式〕
參照第1圖至第4圖，針對本發明之第1實施方式進行說明。第1(a)圖和第1(b)圖係表示具備本發明之第1實施方式之電弧式蒸發源1(以下稱為蒸發源1)的成膜裝置6，第1(a)圖係表示成膜裝置6之概略構造的側視圖、第1(b)圖係表示成膜裝置6之概略構造的俯視圖。
成膜裝置6係具備處理室11，於處理室11內具備：支撐被處理物亦即基材7的旋轉台12、以及朝向基材7配置的蒸發源1。於處理室11設有：往處理室11內導入反應氣體的氣體導入口13、以及從處理室11內排出反應氣體的氣體排氣口14。
除此之外，於成膜裝置6設有：對之後詳述之蒸發源1的靶2施加負偏壓的電弧電源15、以及對基材7施加負偏壓的偏壓電源16。兩個電源15、16之正極側與地面18接地。
如第1(a)圖及第1(b)圖所示般，蒸發源1係具備：配置成蒸發面朝向基材7之具有既定厚度之圓板狀(以下「圓板狀」亦包含具有既定高度之圓柱形狀)的靶2、以及配置於靶2附近的磁場形成手段8(由磁場 感應磁鐵3和背面磁場產生源4構成)。此外，於本實施方式中，處理室11係作為陽極來作用。藉由如此般構成，蒸發源1係作為陰極放電型之電弧式蒸發源發揮功能。
參照第1(a)圖至第1(b)圖及第2(a)圖，針對成膜裝置6具備之蒸發源1的構造，以下進行說明。第2(a)圖係表示本實施方式之蒸發源1之基本構造的圖。
蒸發源1如上述般，具備：具有既定厚度之圓板狀的靶2、以及配備於靶2附近的磁場形成手段8。
此外，於以下之說明中，將靶2之蒸發面亦即朝向基材7側(基材方向)的面稱為「前面(靶前面)」、將朝向其相反側(與基材相反方向)的面稱為「背面(靶背面)」(參照第2(a)圖)。
靶2係以依照在基材7上形成之薄膜來選擇的材料構成。以其材料而言，例如，鉻(Cr)、鈦(Ti)、及鈦鋁(TiAl)等之金屬材料或碳(C)等之可離子化的材料。
磁場形成手段8係具有：比靶2之蒸發面更靠背面側配置之環狀(環狀或甜甜圈狀)的磁場感應磁鐵3，以及在靶2之背面側與磁場感應磁鐵3同軸狀配置之環狀(環狀或甜甜圈狀)或圓柱狀的背面磁場產生源4。此些磁場感應磁鐵3及背面磁場產生源4，係藉由保磁力高之釹磁鐵所形成的永久磁鐵等構成。
也就是說，蒸發源1藉由以將靶2、磁場感應磁鐵3、及背面磁場產生源4，彼此之軸心大致一致的方式配置構成。
磁場感應磁鐵3如上述般為環體，並且具有比靶2之徑(尺寸)稍微大的(1至2倍程度之)內徑(內部尺寸)和沿軸心方向之的既定高度(厚度)。磁場感應磁鐵3之高度(厚度)，與沿靶2之軸心方向的高度(厚度)大致相同或稍微小。
如此般環狀磁場感應磁鐵3之外觀係具備：互相平行且朝向靶2之前面或背面之兩個圓環狀的面(圓環面)、以及該兩個圓環面在軸心方向連接的兩個周面。此兩個周面係：形成於圓環面之內周側(徑內側)的內周面31、以及形成於圓環面之外周側(徑外側)的外周面32。此些內周面31和外周面32之寬度，亦即磁場感應磁鐵3之厚度(徑向厚度)。
在此，一邊參照第2(b)圖，一邊針對相對於磁場感應磁鐵3之靶2的配置進一步說明。第2(b)圖係將靶2及磁場感應磁鐵3沿與靶2之蒸發面正交之方向投影時的投影圖。第2(b)圖可以說是將靶2及磁場感應磁鐵3，從基材7側觀看時的投影圖。
於第2(b)圖之投影圖，靶2及磁場感應磁鐵3之形狀係形成，磁場感應磁鐵3之徑內側的內周面31之投影形狀與靶2之投影形狀互相相似。另外，於第2(b)圖之投影圖，靶2係配置成：投影在比磁場感應磁鐵3之 徑向之內周面31和外周面32的中間位置33更靠徑內側。
第2(b)圖所示之投影圖，可說是表示將靶2從前面觀看之前視圖之靶2及磁場感應磁鐵3的配置。也就是說，從前面觀看，靶2係位於比磁場感應磁鐵3之徑向之內周面31和外周面32的中間位置33更靠徑內側。
如第2(a)圖所示般，磁場感應磁鐵3係構成為：朝向基材7側之前方的圓環面(前端面)為N極、朝向該相反側之後方的圓環面(後端面)為S極。圖中，雖標示有從磁場感應磁鐵3後方之圓環面的磁極(S極)朝向前方之圓環面的磁極(N極)的箭頭，但以後將從此S極朝向N極之箭頭的方向稱為磁化方向。本實施方式之磁場感應磁鐵3係配置成：此磁化方向沿與靶2之前面(蒸發面)正交之方向並且朝向前方。
在此，再次參照第2(b)圖。由於第2(b)圖可以說是磁場感應磁鐵3之磁化方向的磁場感應磁鐵3及靶2的投影圖，因此靶2於磁場感應磁鐵3之磁化方向之磁場感應磁鐵3及靶2的投影中，可以說是配置成投影在比磁場感應磁鐵3之徑向的內周面31和外周面33的中間位置33更靠徑內側。
如上述般，磁場感應磁鐵3較佳為環狀或環狀之一體形狀。但是，亦可將圓柱狀或長方體狀之複數個磁鐵，以該些磁鐵之磁化方向沿與靶2之前面正交之方向 並且朝向前方的方式環狀或環狀排列來構成磁場感應磁鐵3。
磁場感應磁鐵3配置成位於靶2之蒸發面的後方，也就是位於背面側，於如此般配置中與靶2同心軸狀。此時，由於磁場感應磁鐵3之前方的圓環面位於比靶2之蒸發面更後方，因此靶2可說是配置於比磁場感應磁鐵3之前方的圓環面更前方。
例如，第2(a)圖至第2(b)圖中靶2配置成，其蒸發面位於磁場感應磁鐵3之前端面的前方。如此，於本實施方式中，靶2係設置於蒸發源1，並且配置成：從靶2之徑向觀看的投影比從磁場感應磁鐵3之徑向觀看的投影更前方之位置。
接著，一邊參照第2(a)圖及第3圖，一邊針對背面磁場產生源4之具體構造進行說明。第3圖係表示本實施方式之蒸發源1之具體例亦即蒸發源1a之構造的圖。
如第2(a)圖以箭頭所示般，背面磁場產生源4所產生之磁極，係與磁場感應磁鐵3之磁化方向相同方向的磁化方向。另外，如第3圖所示般，蒸發源1之具體例亦即蒸發源1a，係具備：上述之靶2、以及磁場形成手段8a；該磁場形成手段8a，係具有：磁場感應磁鐵3、以及背面磁場產生源4的具體構造亦即背面磁場產生源4a。
背面磁場產生源4a係與磁場感應磁鐵3大致同徑之環形磁鐵，並且在同心軸上配置：與磁場感應磁鐵 3具有大致相同之內徑(內部尺寸)及外徑(外寸)的第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b。因而，第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b係具有比靶2之徑稍大(一至兩倍程度)的內徑和沿軸心方向之既定的高度(厚度)。
如此般環狀第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之外觀，亦與磁場感應磁鐵3相同地，具有：互相平行之兩個圓環狀的面(前端面及後端面)、以及將該兩個圓環面沿軸心方向連接的兩個周面(內周面及外周面)。此些內周面和外周面之寬度，亦即沿磁場感應磁鐵3之軸心方向之第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b的高度(厚度)。
如第3圖所示般，第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b係構成為具有徑內側的內周面為N極、其相反之徑外側的外周面為S極的磁化方向。圖中，標示有從第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之外周面(S極)朝向內周面(N極)表示磁化方向的箭頭。本實施方式之第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b，係配置成朝向各個之徑內方向的磁化方向與靶2之前面平行。
如此，將磁化方向相同第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b並列配置時，從第1背面磁鐵5a之內側側面產生的磁力線與第2背面磁鐵5b的內周面產生的磁力線互相排斥。藉由此排斥，可以產生多數朝向環狀之第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之軸心方向的磁力線。另外，朝向第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之軸心方向 產生的磁力線，與從第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之內周面產生的磁力線彼此相排斥，可以產生沿第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之軸心方向之直線前進能力高的磁力線。
如此般構成之磁場感應磁鐵3之磁化方向和第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之磁化方向，係磁場感應磁鐵3之前端面和第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之各內周面具有相同極性，並且成為互相垂直之方向。
如上述般，若將磁場感應磁鐵3之磁化方向和第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之磁化方向成為互相垂直的方向，可以組合藉由磁場感應磁鐵3形成之磁場和藉由第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b形成之磁場，背面磁場產生源4a如第3圖所示般與朝向磁場感應磁鐵3之前方的磁化方向相同，具有朝向前方之磁化方向。
藉由上述磁場感應磁鐵3、第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之構造，而且將靶2配置於磁場感應磁鐵3前方的構造所形成磁力線，係沿磁場感應磁鐵3之磁化方向通過環狀磁場感應磁鐵3之內周面所形成的孔部。藉此，通過靶2之蒸發面之磁力線，係相對於環狀磁場感應磁鐵3之軸心平行，或傾向該軸心側。也就是說，可以將通過靶2之蒸發面之磁力線的方向相對於蒸發面大致垂直，並且可以得到於蒸發面的大區域產生從靶2之蒸發面朝向基材7延伸之直線前進能力高的磁力線之效果。
背面磁場產生源4a除了如上述般構成之第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b以外，還在第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之徑內具備單一的磁性體9a。
磁性體9a係非環狀之實心的磁性體，並且係第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之磁心。磁性體9a係以貫穿第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b的方式設置，並且具有圓板狀或圓柱狀，該圓板狀或圓柱狀係具有與第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之內徑相同的直徑。在此，所謂「非環狀」係指並非甜甜圈狀地於徑向內部開孔之環狀，而是圓板狀或圓柱狀等之實心形狀。
換句話說，第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b，係配置成緊貼(緊靠)環繞一個磁性體9a之外周。於如此般配置中，第1背面磁鐵5a之前端面係與磁性體9a之前端面大致相同平面、第2背面磁鐵5b之後端面係與磁性體9a之後端面大致相同平面。
藉由使第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之內周面與磁性體9a緊貼，可以將從第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之端面產生的磁力線誘導至第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之軸心方向，而且可以加強在第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之軸心附近之磁力的排斥作用。其結果，可以產生沿第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之軸心方向之直線前進能力高的磁力線，在配置於第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b前方之靶2的蒸發面之大區域，可以產生多數直線前進能力高之磁力線。
將蒸發源1a之構成加以歸納，靶2、磁場感應磁鐵3、第1背面磁鐵5a、第2背面磁鐵5b、以及磁性體9a可以說是以各個之各軸心互相一致的方式同軸狀配置。
如第3圖所示般，將第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之內周面和磁性體9a之側面緊貼來構成背面磁場產生源4a，藉此可以將從第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之內周面發出的磁力線，透過磁性體9a直線地往第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b的軸心方向進行誘導。因而，可以於磁性體9a中，將在靠近第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之軸心的位置之磁力線的排斥作用加強。其結果，背面磁場產生源4a可以從靠近磁性體9a之前端面之軸心的位置，朝向靶2產生多數直線前進能力高之磁力線。
而且，藉由背面磁場產生源4a產生與磁場感應磁鐵3之磁化方向相同方向之磁化方向的磁極，藉此來自背面磁場產生源4a之磁力線當中開始從基材7偏離的磁力線，與磁場感應磁鐵3的磁力線相排斥再次往基材7方向延伸。藉此，可以在靶2之蒸發面的大區域產生多數直線前進能力高之磁力線。
此外，如上述所言，磁場感應磁鐵3之磁化方向和第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之各磁化方向，係磁場感應磁鐵3之前端面和第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之各內周面具有相同極性，並且成為互相 垂直之方向即可。因而，將磁場感應磁鐵3之極性和第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之極性，與第3圖所示之上述構造相反，亦可使磁場感應磁鐵3之磁化方向和第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b之各磁化方向分別反轉。
接著，說明使用蒸發源1a之成膜裝置6的成膜方法。
首先，將處理室11抽真空成為真空後，將氬氣(Ar)等之惰性氣體從氣體導入口13導入，將靶2及基材7上之氧化物等之不純物藉由濺鍍除去。不純物除去後，將處理室11內再次真空，由氣體導入口13導入反應氣體至成為真空之處理室11內。
在此狀態使電弧放電產生於處理室11設置之靶2上時，構成靶2之物質電漿化與反應氣體進行反應。藉此，可以在放置於旋轉台12之基材7上形成氮化膜、氧化膜、碳化膜、碳氮化膜、或非晶質碳膜等。
此外，以反應氣體而言，將氮氣(N2 )或氧氣(O2 )、或甲烷(CH4 )等之碳氫化物氣體配合用途選擇即可，處理室11內之反應氣體的壓力則在1至10Pa左右即可。另外，成膜時靶2可藉著流通100至200A之電弧電流進行放電，並且藉由電弧電源15施加10至30V之負電壓。而且，藉由偏壓電源16對基材7施加10至200V之負電壓。
另外，較佳為以靶2前面之磁通密度成為50高斯以上的方式，將磁場感應磁鐵3及背面磁場產生源 4a加以構成及配置。藉著如此設定靶2前面之磁通密度的下限，可以確實地進行成膜。此外，靶2前面之磁通密度較佳75高斯以上，更佳為100高斯以上。
除了此些磁通密度之下限以外，較佳為將靶2前面之磁通密度設為250高斯以下。藉著設定靶2前面之磁通密度的上限，可以確實地進行成膜。此外，靶2前面之磁通密度較佳225高斯以下，更佳為200高斯以下。
藉著採用上述般磁通密度，可以將電弧點封閉於靶2之表面上，並且可以穩定地進行電弧放電之成膜。
(實施例1)
一邊參照第4圖，一邊針對第1實施方式之蒸發源1a產生之磁力線的分佈進行說明。此外，第4圖所示之磁力線分佈圖，係表示從背面磁場產生源4a之後方至基材7之表面的磁力線分佈。於第4圖之磁力線分佈圖，右端表示基材7之表面的位置。
以下表示各種實驗條件。例如，靶2之尺寸係(100mm×16mm厚度)。磁場感應磁鐵3之尺寸係(內徑150mm、外徑170mm、高度10mm)，從磁場感應磁鐵3之前端面至靶2之後面的距離係25mm。
第1背面磁鐵5a之尺寸係(內徑150mm、外徑170mm、高度20mm)，從第1背面磁鐵5a之前端面至靶2之後面的距離係100mm。第2背面磁鐵5b之尺寸係(內徑150mm、外徑170mm、高度20mm)，從第2背面 磁鐵5b之前端面至靶2之後面的距離係130mm。第1背面磁鐵5a和第2背面磁鐵5b之間隔係10mm。
磁性體9a之尺寸係(150mm×高度50mm)。此外，靶2之蒸發面的磁場強度係50高斯以上。
參照第4圖，從第1背面磁鐵5a及第2背面磁鐵5b朝向徑內方向，發出多數直線前進能力高之磁力線。此些磁力線在磁性體9a之軸心附近，以將行進方向沿該軸心方向的方式大致垂直地變化，朝向靶2延伸。此些磁力線與從磁場感應磁鐵3發出之磁力線組合來通過靶2的蒸發面。從靶2之蒸發面，直線前進能力高之磁力線存在於靶2之蒸發面大致全面的大區域，往基材方向延伸。換句話說，於靶2之蒸發面大致全面的大區域存在有垂直的磁力線(垂直成分)。
針對通過靶2之蒸發面之磁力線角度的效果進行說明。如前述般電弧放電中，於靶2之蒸發面形成有稱為陰極點之熱電子發射點(電弧點)，陰極點係強烈受到靶2之蒸發面之磁場的影響。通過靶2之蒸發面之磁力線相對於蒸發面之法線傾斜的情況，於靶2之蒸發面產生水平磁力成分。在此，將傾斜之磁力線的磁通密度設為B、將磁力線和靶蒸發面之角度設為角度θ時，水平磁力成分為Bcosθ。陰極點藉由往j×B相反方向移動之特性(j係電弧電流)，於陰極點，作用F=-j×Bcosθ之力。
也就是說，磁力線之角度向外(靶2之外周 方向)的情況，陰極點係受到朝向靶2之外周方向般的力而移動。當陰極點受到向外之力往外周方向移動時，從靶表面飛出陰極點，有放電異常產生的可能性。另一方面，磁力線之角度向內(靶中心方向)的情況，陰極點係受到朝向靶2之中心方向般的力而移動。因而，為了抑制如前述般電弧放電異常，較佳為於靶2之蒸發面的最外周部形成將磁力線之角度比外周方向更向內之磁場。
如此，本實施方式說明之蒸發源1a，藉由磁場感應磁鐵3和背面磁場產生源4a形成朝向基材方向延伸之直線前進能力高的磁力線，在該形成之磁力線中，將靶2配置於垂直之磁力線(垂直成分)通過靶2之蒸發面大致全面的大區域的位置。
依據本實施方式之蒸發源1a，於靶2之蒸發面大致全面的大區域存在有垂直的磁力線(垂直成分)，藉此可以將電弧點封閉於靶2之蒸發面上，並且可以抑制靶2之蒸發面的偏消耗、穩定進行電弧放電之成膜。
〔第2實施方式〕
參照第5圖及第6圖，針對本發明之第2實施方式進行說明。
第5圖係表示本實施方式之成膜裝置6具備之電弧式蒸發源1的具體構造亦即電弧式蒸發源1b(以下稱為蒸發源1b)的概略構造的圖。於本實施方式之成膜裝置6中，由於除了蒸發源1b以外之構造與第1實施方式說明 之構造相同，因此此些相同之構成要素係省略說明並賦予相同參照符號。
本實施方式之蒸發源1b與第1實施方式之蒸發源1a相同，具備：具有既定厚度之圓板狀的靶2、以及配備於靶2附近的磁場形成手段8b。磁場形成手段8b係具備：與第1實施方式相同的磁場感應磁鐵3、以及背面磁場產生源4b。
背面磁場產生源4b，係具備：成為磁心之非環狀實心的磁性體9b、以及挾著磁性體9b之圓板狀的第1圓板背面磁鐵10a及第2圓板背面磁鐵10b。第1圓板背面磁鐵10a及第2圓板背面磁鐵10b，亦與磁性體9b相同地係非環狀。由以往的見解，可瞭解為了往基材方向有效地延伸磁力線，背面之磁鐵必須有厚度。於本實施方式中，為了確保該厚度將兩片磁鐵板、亦即第1圓板背面磁鐵10a及第2圓板背面磁鐵10b並列地分離配置，並且藉著將磁性體9b埋入該兩磁鐵間來防止磁力降低。
如第5圖所示般，於第1圓板背面磁鐵10a及第2圓板背面磁鐵10b，以各個圓板背面磁鐵之一方的圓板面成為N極、另一方之圓板面成為S極的方式磁化。第1圓板背面磁鐵10a及第2圓板背面磁鐵10b，以第1圓板背面磁鐵10a之S極側的圓板面和第2圓板背面磁鐵10b之N極側的圓板面來挾持磁性體9b，將彼此之磁化方向成為相同方向朝向靶2。
將磁化方向相同之兩片圓板背面磁鐵10a、 10b並列地隔著間隔配置，使磁性體9b緊貼於兩片圓板背面磁鐵10a、10b配置時所得到的效果，係如下所述。
藉由將第1圓板背面磁鐵10a及第2圓板背面磁鐵10b並列地隔著間隔配置，藉此增加從各圓板背面磁鐵產生之磁力線的直線前進能力。而且，由於藉由在第1圓板背面磁鐵10a及第2圓板背面磁鐵10b之間配置磁性體9b，藉此磁性體9b發揮磁性導引的作用，因此可以進一步增加從圓板背面磁鐵產生之磁力線的直線前進能力。
如此，將以兩片圓板背面磁鐵挾持磁性體9b之方式構成的背面磁場產生源4b，配置於靶2之背面，藉此可以產生多數直線前進能力高之磁力線在靶2之蒸發面的大區域。
如上述般構成之背面磁場產生源4b，係以該磁化方向沿靶2之軸心且相對於靶2之蒸發面垂直的方式，並且以第1圓板背面磁鐵10a之N極側朝向靶2的方式，配置於靶2之背面側。此時，背面磁場產生源4b係軸心與靶2之軸心大致一致的方式配置。
如第5圖所示般，蒸發源1b係藉著在如上述般構成之背面磁場產生源4b之前方，也就是於磁場感應磁鐵3之前方，與背面磁場產生源4b及磁場感應磁鐵3同軸狀配置靶2所構成。此時，磁場感應磁鐵3之磁化方向係朝向與靶2之蒸發面成垂直之方向，亦即朝向基材方向的方式構成。磁場感應磁鐵3之圓環面亦即前端面側的磁極為N極，背面磁場產生源4b之靶2側的磁極亦為N 極，而且磁場感應磁鐵3之前端面側的磁極與背面磁場產生源4b之靶2側的磁極係互相為相同極性。
如此，藉著磁場感應磁鐵3和背面磁場產生源4b，將相同極性朝向靶2，可以組合藉由磁場感應磁鐵3形成之磁場和藉由背面磁場產生源4b形成之磁場。因此，可以將通過靶2之蒸發面之磁力線的方向相對於蒸發面大致垂直，並且得到能夠將磁力線往基材7之方向直線誘導的效果。
此外，由於如上述所言，將磁場感應磁鐵3和背面磁場產生源4b相同磁極朝向靶2即可，因此蒸發源1b亦可以磁場感應磁鐵3和背面磁場產生源4b互相將S極朝向靶2的方式構成。
(實施例2)
一邊參照第6圖，一邊針對第2實施方式之蒸發源1b產生之磁力線的分佈進行說明。此外，第6圖所示之磁力線分佈圖，係表示從背面磁場產生源4b之後方至基材7之表面的磁力線分佈。於第6圖之磁力線分佈圖，右端表示基材7之表面的位置。
以下表示說明之實施例2的實驗條件。例如，靶2之尺寸係(100mm×16mm厚度)。第1圓板背面磁鐵10a及第2圓板背面磁鐵10b之尺寸分別係(100mm×4mm厚度)。磁性體9b之尺寸係(100mm×30mm厚度)。磁場感應磁鐵3之尺寸係 (內徑150mm、外徑170mm、厚度10mm)。靶2表面的磁通密度係50高斯以上。
此外，從磁場感應磁鐵3之前端面至靶2後面為止的距離係25mm。另外，從第1圓板背面磁鐵10a之前端面至靶2之後面的距離為100mm。
參照第6圖，從背面磁場產生源4b之第1圓板背面磁鐵10a及第2圓板背面磁鐵10b朝向靶2，發出多數直線前進能力高之磁力線。此些磁力線以行進方向沿磁性體9b之軸心方向的方式朝向靶2延伸。此些磁力線與從磁場感應磁鐵3發出之磁力線組合來通過靶2的蒸發面。與第1實施方式之蒸發源1a相同地，從靶2之蒸發面，直線前進能力高之磁力線存在於靶2之蒸發面大致全面的大區域，往基材方向延伸。換句話說，於靶2之蒸發面大致全面的大區域存在有垂直的磁力線(垂直成分)。
如此，本實施方式說明之蒸發源1b，藉由磁場感應磁鐵3和背面磁場產生源4b形成朝向基材方向延伸之直線前進能力高的磁力線，在該形成之磁力線中，將靶2配置於垂直之磁力線(垂直成分)通過靶2之蒸發面大致全面的大區域的位置。
藉由本實施方式之蒸發源1b，於靶2之蒸發面大致全面的大區域存在有垂直的磁力線(垂直成分)。藉此，可以將電弧點封閉於靶2之蒸發面上，並且可以抑制靶2之蒸發面的偏消耗、穩定進行電弧放電之成膜。
〔第3實施方式〕
參照第7圖及第8圖，針對本發明之第3實施方式進行說明。
第7圖係表示本實施方式之成膜裝置6具備之電弧式蒸發源1的具體構造亦即電弧式蒸發源1c(以下稱為蒸發源1c)的概略構造的圖。於本實施方式之成膜裝置6中，由於除了蒸發源1c以外之構造與第1實施方式說明之構造相同，因此此些相同之構成要素係省略說明並賦予相同參照符號。
本實施方式之蒸發源1c與第1實施方式之蒸發源1a相同，具備：具有既定厚度之圓板狀的靶2、以及配備於靶2附近的磁場形成手段8c。磁場形成手段8c係具備：與第1實施方式相同的磁場感應磁鐵3、以及背面磁場產生源4c。
背面磁場產生源4c，係具備：將導體捲繞成大致同心之環狀(環狀)所形成之空心狀的電磁線圈(線圈磁鐵)17、以及插入在環狀電磁線圈17之徑內側形成的孔亦即空心部分之單一的磁性體9c。
電磁線圈17係形成環狀之電磁閥，例如，以匝數係數百圈左右(例如410圈)，比靶2之直徑更大直徑的線圈的方式捲繞。於本實施方式中，以大約5000A．T程度之安培匝數產生磁場。
磁性體9c係非環狀之實心的磁性體9c，並且成為電磁線圈17之磁心。磁性體9c以貫穿電磁線圈17的方式 設置於電磁線圈17之空心部分，並且具有圓板形狀或圓柱形狀，該圓板形狀或圓柱形狀係具有與電磁線圈17之內徑大致相同的直徑。
換話說，電磁線圈17係配置成密合(緊貼)一個磁性體9c之外周來環繞。於如此般配置中，電磁線圈17之前端面係與磁性體9c之前端面大致相同平面、電磁線圈17之後端面係與磁性體9c之後端面大致相同平面。
藉著配置電磁線圈17所得到的效果係如下所述。
由於電磁線圈17可以從線圈軸心周邊產生直線前進能力高之磁力線，因此藉由將磁性體9c配置於電磁線圈17之空心部分，可以增加從線圈軸心周邊產生之磁力線的直線前進能力。因而，藉由將電磁線圈17配置於靶2之背面，可以產生多數直線前進能力高之磁力線在靶2之蒸發面的大區域。
將蒸發源1c之構成加以歸納，即靶2、磁場感應磁鐵3、電磁線圈17、及磁性體9c以各個之各軸心互相一致的方式同軸狀配置。如第7圖所示般，使電磁線圈17之內周面和磁性體9c之側面密合，藉此可以將從電磁線圈17產生之磁力線的密度，在靠近電磁線圈17之軸心之位置提高。其結果，可以從靠近磁性體9c之前端面之軸心的位置，朝向靶2產生多數直線前進能力高之磁力線。
(實施例3)
一邊參照第8圖，一邊針對第3實施方式之蒸發源1c產生之磁力線的分佈進行說明。此外，第8圖所示之磁力線分佈圖，係表示從背面磁場產生源4c之後方至基材7之表面的磁力線分佈。於第8圖之磁力線分佈圖，右端表示基材7之表面的位置。
以下表示說明之實施例3的實驗條件。例如，磁場感應磁鐵3之尺寸係(內徑150mm、外徑170mm、厚度10mm)。靶2之尺寸係(100mm×16mm厚度)。靶2表面的磁通密度係50高斯以上。電磁線圈17係形成空心部之內徑為100mm、外徑為170mm、厚度50mm之環狀的電磁閥，例如，匝數係410圈。電磁線圈17之空心部具備之磁性體9c的尺寸係(100mm×50mm厚度)。
從磁場感應磁鐵3之前端面至靶2後面為止的距離係25mm。另外，從磁性體9c之前端面至靶2之後面的距離係100mm。
參照第8圖，從背面磁場產生源4c之磁性體9c朝向靶2發出多數直線前進能力高之磁力線。此些磁力線以行進方向沿磁性體9c之軸心方向的方式朝向靶2延伸。此些磁力線與從磁場感應磁鐵3發出之磁力線組合來通過靶2的蒸發面。與第1實施方式之蒸發源1a相同地，從靶2之蒸發面，直線前進能力高之磁力線存在於靶2之蒸發面大致全面的大區域，且往基材方向延伸。換句話說，於靶 2之蒸發面大致全面的大區域存在有垂直的磁力線(垂直成分)。
如此，本實施方式說明之蒸發源1c，藉由磁場感應磁鐵3和背面磁場產生源4c形成朝向基材方向延伸之直線前進能力高的磁力線，在該形成之磁力線中，將靶2配置於垂直之磁力線(垂直成分)通過靶2之蒸發面大致全面的大區域的位置。
藉由本實施方式之蒸發源1c，於靶2之蒸發面大致全面的大區域產生垂直的磁力線(垂直成分)。藉此，可以將電弧點封閉於靶2之蒸發面上，並且可以抑制靶2之蒸發面的偏消耗，且穩定進行電弧放電之成膜。
藉由上述第1至第3實施方式，可以相對於靶2之蒸發面的法線，形成向內或大致平行的磁力線。藉由此磁力線之方向不僅可以抑制電弧放電時的異常放電而且可以獲得比以往更穩定之放電。由於此放電之穩定化可以實現在靶2之蒸發面全面的電弧放電，因此可以提高靶2之使用良率。
另外，藉由本發明之第1至第3實施方式，由於可以從靶2之蒸發面全體朝向基材7之方向形成多數直線前進能力高之磁力線，因此可以提高電弧放電時，從靶2蒸發之粒子(離子)往工件的輸送效率，提昇成膜速度。
然而，此次揭示之實施方式應視作在全部觀點為例示並非限制性。尤其，於此次揭示之實施方式中，未明白揭 示之事項，例如，作動條件或測定條件、各種參數、構成物之尺寸、重量、體積等，並未脫離該技術領域具有通常知識者通常實施之範圍，而是採用只要是一般該技術領域具有通常知識者，可以容易設想的值。
例如，於各實施方式之蒸發源之說明中，除了有關於各構成要素之形狀或尺寸，平行、正交、及相同之表現之外，使用稱為同軸之表現，但此並非指以數學上之嚴密度來規定之平行、正交、相同、及同軸。於通常之機械零件的工作精度及組裝精度中，被視為平行、正交、相同、及同軸之範圍誤差，當然被允許。
另外，靶2不限定於圓板形狀，亦可例如具有四角形等之多角形狀。而且，磁場感應磁鐵3及背面磁場產生源4a至4c，不限定於圓環狀，亦可是例如四角形等之多角形的環狀。
雖然將本申請詳細地或參照特定之實施態樣說明，但對該技術領域具有通常知識者而言可以未脫離本發明之精神和範圍施加各種變更或修正明是顯而易見。
本申請係依據2012年6月20日申請之日本專利申請(特願2012-139078)，將其內容在此收錄作為參照。
〔產業上的利用可能性〕
藉由本發明之電弧式蒸發源，可以將從靶表面往基材方向延伸之直線前進能力高的磁力線，產生在靶表面之大區域，並且可以抑制靶的偏消耗。
1‧‧‧電弧式蒸發源(蒸發源)
2‧‧‧靶
3‧‧‧磁場感應磁鐵
4‧‧‧背面磁場產生源
8‧‧‧磁場形成手段
31‧‧‧內周面
32‧‧‧外周面
33‧‧‧中間位置

Claims (11)

  1. 一種電弧式蒸發源，係具備：靶、環狀磁場感應磁鐵、以及背面磁場產生源，其特徵在於，前述磁場感應磁鐵係具有：成為沿著與前述靶之蒸發面正交之方向並且朝向前方或後方之磁化方向的極性；前述背面磁場產生源，係在前述靶之背面側配置在前述磁場感應磁鐵後方，並且沿著前述磁場感應磁鐵之磁化方向形成磁力線；前述靶配置成，使前述蒸發面位於前述磁場感應磁鐵的前方。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電弧式蒸發源，其中，在前述磁場感應磁鐵之磁化方向朝向前方的情況，前述背面磁場產生源之磁化方向朝向前方；在前述磁場感應磁鐵之磁化方向朝向後方的情況，前述背面磁場產生源之磁化方向朝向後方。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電弧式蒸發源，其中，於前述磁場感應磁鐵之磁化方向之磁場感應磁鐵及靶的投影中，前述靶配置成，投影於比前述磁場感應磁鐵之徑向之內周面和外周面的中間位置更靠徑內側。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電弧式蒸發源，其中，前述背面磁場產生源所形成的磁力線，係沿前述磁場感應磁鐵之磁化方向通過前述環狀磁場感應磁鐵之內周面所形成的孔部，前述靶係配置於：使通過前述蒸發面之磁力線相對於 前述環狀磁場感應磁鐵之軸心平行或向前述軸心側傾斜的位置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電弧式蒸發源，其中，前述背面磁場產生源係包含在內周面及外周面具有極性之環狀背面磁鐵，在前述磁場感應磁鐵之磁化方向朝向前方的情況，由前述內周面及外周面之極性所形成之背面磁鐵的磁化方向係朝向環徑內方向；在前述磁場感應磁鐵之磁化方向朝向後方情況，由前述內周面及外周面之極性所形成之背面磁鐵的磁化方向係朝向環徑外方向。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電弧式蒸發源，其中，前述背面磁場產生源係包含複數個前述環狀背面磁鐵，前述複數個環狀背面磁鐵，係具有相同磁化方向之極性並且配置成同軸狀。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電弧式蒸發源，其中，於前述複數個環狀背面磁鐵之徑內，設有貫穿各背面磁鐵之磁性體，前述磁性體之外周與各背面磁鐵的內周面接觸。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電弧式蒸發源，其中，前述背面磁場產生源係包含互相隔著間隔配置之圓板狀的第1圓板狀磁鐵和第2圓板狀磁鐵，前述第1圓板狀磁鐵及第2圓板狀磁鐵分別配置成，以具有從一方之圓板面朝向另一方之圓板面之磁化方向的方式於圓板面具有極性，並且彼此之磁化方向相同，在前述磁場感應磁鐵之磁化方向朝向前方的情況，前述第1圓板狀磁鐵及第2圓板 狀磁鐵之磁化方向係朝向前方；在前述磁場感應磁鐵之磁化方向朝向後方的情況，前述第1圓板狀磁鐵及第2圓板狀磁鐵之磁化方向係朝向後方。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電弧式蒸發源，其中，於前述第1圓板狀磁鐵及第2圓板狀磁鐵之間，設有與各圓板狀磁鐵接觸的磁性體。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電弧式蒸發源，其中，前述背面磁場產生源係空心狀的線圈磁鐵，且前述線圈磁鐵之極性係朝向與前述磁場感應磁鐵之極性相同方向。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電弧式蒸發源，其中，於前述線圈磁鐵之空心部分配置有磁性體。
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