JPH01312067A - 真空アーク蒸着装置 - 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、切削工具、ヘアリング、ギア等の耐摩耗性コ
ーティング、電子部品、プリント回路、光学、磁気装置
等の分野での被膜形成に使用される真空アーク蒸着装置
の改良に関する。

（従来の技術） 真空アーク蒸着法は、基本的には、真空室内で蒸発源（
陰極）からアーク放電により被膜材料粒子を発生させ、
これをマイナスのバイアス電圧を印可した基板上に堆積
させる方法であり、蒸発源である陰極からは高アーク電
流により高エネルギーの陰極材料原子がプラズマビーム
となって放出され、陰極と基板との間にかけられた電圧
により加速され、基板上に被膜が形成されるようにする
。この真空アーク蒸着法の特長は１つは、入射粒子のエ
ネルギーが高いため、被膜の密度が高く、強度および耐
久性に優れた膜が得られる点であり、それにもまして実
用的に注目されるのは、成膜速度が速く生産性が高い点
である。

真空アーク蒸着法の進歩した従来技術の代表的なものと
しては、特公昭５８−３０３３号、特公昭５２−１４６
９０号がある。特公昭５８−３０３３号は、要約して［
真空室内で蒸発源物質とアーク電極との間にアーク放電
を発生させ、蒸発源物質の原子およびイオンよりなる粒
子のビームを射出し、この際１００ボルト以下の低電圧
で約５０〜３００アンペアのアーク放電電流を供給して
各粒子に約１０〜１００電子ボルトの運動エネルギーを
与え、上記粒子を基板の表面上に堆積させる」ことを要
旨とし、この方法を実施する装置として、ビームの指向
性を高めるために、陽極を円錐台筒状に形成してビーム
指向方向を決定し、その開口度および拡径角度を制御す
ることによってビーム幅を規制することが開示され、さ
らに指向性を高めるために磁界の利用が有効の旨記載さ
れている。

また、特公昭５２−１４６９０号は、要約して［冷却床
に配置した蒸発源金属陰極、陰極の蒸発面に放電の陰極
点を発生させるトリガ電極、排気室およびアーク電極を
備える真空金属被覆装置において、陽極が外囲器であり
、陰極の蒸発面は外囲器内空間に面し、かつ陰極点保持
装置が陰極の蒸発面を制御しかつ陰極点が陰極の蒸発面
から非蒸発面へ転移するのを妨げるように陰極の近くに
配置される」ことを要旨とするもので、この構造により
アークの安定性、陰極材料利用率を向上させている。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の真空アーク蒸着技術は、前記２特公に開示の技術
を含めて、陰極蒸発面から発生するイオンや中性子から
なるプラズマ粒子の他に、陰極材料の溶融粒子、すなわ
ちプラズマ粒子に較べて大きいマクロパーティクル、マ
クロドロップレット等が発生し、これが基板上の堆積膜
中に混入して膜表面粗度の悪化、密着力の低下を起し、
また反応性コーテイング膜の場合には熔融粒子が未反応
のまま膜中にとり込まれるという点に解決すべき問題点
がある。

この問題点を解決する従来技術としては、第８図の磁界
利用装置があり、すなわち真空アーク蒸発源（ａ）と基
板（ｂ）との間を直角に曲げられソレノイド（Ｃ）が配
置された真空に維持される管路（ｄ）で連結し、発生源
から発生したプラズマはソレノイド（Ｃ）の磁場の作用
のもとに曲がり管路（ｄ）内を曲進して基板（ｂ）まで
導かれるが、溶融粒子は磁場の影響を受けずに直進して
光学的に影となる位置にある基板（ｂ）には到達できず
、こうして溶融粒子を含まぬ良質な被膜の形成が可能で
あるとしている。

しかしこの技術は、図示のように装置が大掛かりで、利
用空間が狭〈実施、制御に困難があり、有効なコーティ
ングエリアが小さいために、工業的規模での実施には不
向きである。

以上次第で、本発明は従来技術の真空アーク蒸着装置は
、通常の構造では蒸発源からの溶融粒子が堆積被膜中に
混入することを避けられず、第８図の構造では装置が大
掛かりであり、しかもコーティングエリアが小さく工業
的装置としては不経済であるという問題に解決を与える
ことを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 前記目的は、本発明においては、真空アーク蒸着装置を
カスプ形状磁場に沿う一定の配置のもとに構成すること
により達成される。

カスプ（Ｃｕｓｐ）形状磁場とは、第１図に示すように
、同一軸線（Ｘ）上に同じ磁性で向い合う１対の磁極を
対設し、例えばコイル（１）（２）を平行に向い合わせ
、矢印（Ｃ）で示すように互いに逆の方向に電流を流す
ことにより、その間に生ずる磁力線（Ｆ）が磁極中央の
仮想の面（Ｓ）を対称面とする尖頭山形対称形に分布す
る磁場（ＣＦ）を言う。

このカスプ形状磁場では、電荷を持つプラズマ粒子が磁
力線を横切って外に出ようとするとこれを妨げる方向に
力が働くことにより、第２図にハツチングを施して示す
内部領域（Ｐ）の範囲内に閉じ込められるようになるの
で、この部分のプラズマは磁場が軸線（Ｘ）のまわりに
集束する点（八）あるいは磁場が発散する中央面（Ｓ）
の磁場を横切らない位置より外部に流れ出ようとする。

本発明では、このカスプ形状磁場の特性を利用し、具体
的には、カスプ形状磁場の前記（八）点（少なくともそ
の１つ）にプラズマ給源となる真空アーク発生源を設置
してここからカスプ形状磁場の中央に向けて堆積材料を
蒸発させてプラズマ粒子を射出し領域（Ｐ）につめ込む
ことにより、その駆動力乃至はポテンシャルのもとにこ
の領域からプラズマがカスプ形状磁場外に流出しようと
する中央面（Ｓ）の外周部に基板を配置することにより
流出プラズマを基板上に被膜として堆積させるようにす
る。その一方でそれと同時に基板又は真空アーク蒸発源
からみて相手方が光学的に影となるような配置を与え、
すなわち両者間に見透しを遮る何等からの光学遮蔽が介
在するようにすることにより、真空アーク蒸発源から発
生する中性の溶融粒子が磁場の影響を受けずに直進し、
見透しのない位置にある基板には到達できないようにす
る。このような役割を果たす光学遮蔽としては、真空処
理室の部分を利用してもよく、あるいは特に遮蔽体を設
けてもよいこととなる。

またカスプ形状磁場を形成する磁極としては、上記のコ
イルに限らず永久磁石を利用してもよく、あるいは両者
を混用しても同様にカスプ形状磁場を形成することがで
きる。

これらの構想を総合して、本発明の真空アーク蒸着装置
は、その具体的全体構成としては、基板面上に真空アー
ク蒸着により被膜を形成するため、真空処理室に対し同
じ極性で向い合う１対の磁極を同一軸線上に対設して真
空処理室内の両磁極間空間にカスプ形状磁場を形成する
ようにし、カスプ形状磁場に関連して磁場が点状に集束
し磁場強度が最大となる位置の少なくとも１つの近傍に
被膜形成物質の真空アーク蒸発源をその蒸発面を磁場中
央に向けて配設し、磁場が発散する中央面の周囲位置の
近傍に基板を配置し、かつ基板が真空アーク蒸発源の蒸
発面とその間に介在する光学遮蔽により相互に光学的に
影となる非見透しの位置を占めるようにしたことを特徴
とする。

（作　用） 本発明によると、真空アーク蒸発源の蒸発面から光学的
に影となる位置に配置した基板には、中性粒子である熔
融粒子は到達せず、蒸発粒子プラズマはカスプ形状磁場
に導かれ効率良く基板に流れて堆積するので、溶融粒子
の混入が少ない良質膜を形成することができる。

また本発明の装置は第８図の従来技術の装置に較べて小
形化できるにかかわらず、プラズマの発散は平面的に起
こるのでこれを利用して同時に多数の基板の被膜蒸着を
実施でき、コーティングエリアが大きく、処理効率が良
い。

（実施例） 以下、本発明を第３〜７図を参照し、実施例に即して具
体的に説明し、その特質を明らかにする。第３図は本発
明装置の基本的構成を示す第１実施例の縦断側面図、第
４図はその横断平面図、第５図はその作動状況を模式的
に示す断面斜視図である。

この実施例では、真空処理室（３）は軸線（Ｘ）を中心
とする十字形断面の回転体の形状の密閉可能な室で真空
ポンプ（４）により排気され真空化される。

真空処理室（３）の上下の部分の外側には、同一極性で
向い合う１対の磁極として、前記のコイル（１）（２）
が軸線（Ｘ）上に相対して配置され、互いに逆の（Ｃ）
方向に通電して励磁することにより互に向い合う方向に
同一の極性となる。このようにすることにより、前記の
カスプ形状の磁場（ＣＦ）が形成される。真空処理室（
３）の壁を非磁性材料で形成することにより外部のコイ
ルにより真空室内にかかる磁場が支障なく形成される。

カスプ形状磁場（ＣＰ）が点状に集束し磁場強度が最大
となる位置、すなわちコイル（１）（２）の内側に該当
する真空処理室（３）内の位置、またはその近傍に真空
アーク蒸発源（５）をその蒸発面がカスプ形状磁場の中
央に向うようにして配設する。

真空アーク蒸発源（５）には、図示省略されているが、
電源、アークの点弧機構、アークの安定化機構、水冷機
構等を必要に応じて付属させる。

これらは前出特発に準じた任意の構造とすることができ
る。通常、真空アーク蒸発源（５）はカスプ形状磁場の
２つの磁場集束点の双方に設けるが、その一方だけであ
ってもよい。

被膜を堆積しようとする基板（６）は、真空処理室（３
）内にあって、カスプ形状磁場（ＣＦ）が発散してくる
位置、すなわちこの磁場の対称中央面（Ｓ）上で軸線（
Ｘ）より外方に放射状に発散してくる周囲位置に配置す
る。同時にこの位置は、真空アーク蒸発源（５）より基
板（６）が光学的に真空処理室（３）の壁の影となるよ
うな、すなわち互に見透しの利かない位置であるように
する。すなわちこの実施例では真空処理室（３）の壁が
見透しを遮る光学遮蔽としての役割を果たす。基板（６
）の数は回倒では８つで、第４図に示すように軸線（×
）まわりの点対称に配置されている。これらの基板（６
）は真空処理室（３）に接地しておいてもよいが、図示
省略の基板ホルダに取付は負のバイアス電圧を印可して
もよい。

このような装置構成において、真空アーク蒸発源（５）
に点弧し被膜となる物質を蒸発させると、第５図にハツ
チングを施して示すように、電子と蒸発物質のイオンか
らなるプラズマはカスプ形状磁場の中央部に向けて放射
されその過程でこのプラズマは磁場の影響を受けて、真
空処理室（３）の壁に向かわずにカスプ形状磁場が発散
する個所から流出して基板（６）に効率良く輸送され、
基板上に被膜となって堆積する。一方、溶融粒子はイオ
ン化していないのが通常であるので、真空アーク蒸発源
で発生したとしても、磁場の影響を受けずに直進して真
空処理室の壁に衝突して留められ基板（６）には堆積し
ない。

また本発明によると、基板（６）は磁場が軸線（Ｘ）よ
り周囲に３６０°全方位に向い発散する位置に置かれる
ため、第４図のように多くの基板を配置して同時処理可
能で、大きいコーティングエリアを得ることができる。

第６図は、本発明の第２実施例を示し、第１実施例と均
等の各部は同一符号を使用して指摘し説明の重複を省略
する。

この実施例では、カスプ形状磁場（ＣＦ）を形成する磁
極として、前実施例のコイルの代わりに、永久磁石（Ｌ
Ａ）　（２Ａ）を、同じ極、例えばＮ極を向い合わせて
設置している。また光学遮蔽として、前実施例のように
真空処理室（３）の壁を利用する代わりに、真空アーク
蒸発源（５）の蒸発面の前方にこれを囲む蒸発源と同軸
の円筒体の光学遮蔽（７）を特設している。この円筒体
（７）はまたシールド機構となり、溶融粒子の飛散を防
止し、プラズマの通路を確保し、さらに真空アーク蒸発
源（５）の陰極に対する陽極としてプラズマ流を制御す
る役割を持たせることができ、また真空処理室（３八）
の形状を図示のように簡単化して製作を容易にするのに
も役立つ。

第７図は本発明の第３実施例を示し、前実施例と均等の
各部は同一符号を使用して指摘し説明の重複を省略する
。

この実施例は多数あるいは大形の基板の処理を可能とし
たもので、大形の真空処理室（３Ｂ）内に軸線（Ｘ）の
方向にわたって基板（６）を列設し、真空アーク蒸発源
（５Ｂ）、磁極（ＩＢ）　（２Ｂ）、光学遮蔽（７Ｂ）
からなる機構を軸線（Ｘ）方向に移動させて真空アーク
蒸着を実施するようにしたものである。

（発明の効果） 以上のように本発明によると、真空アーク蒸着に際し、
熔融粒子の混入のない良質の被膜を形成させることがで
き、またその形成速度が速いとともに広い被膜面積の基
板あるいは多数の基板に同時に蒸着できて、量産および
大形基板の蒸着が可能で、工業的生産に通し装置の稼働
効率が良く、装置費用は安価に留る等の諸効果を実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるカスプ形状磁場の形成状況を示す
斜視図、第２図はこの磁場内のプラズマの所在状況を示
す断面図、第３図は本発明の真空アーク蒸着装置の基本
的第１実施例の縦断側面図、第４図はその横断平面図、
第５図はその作動状況を模式的に示す縦断斜視図、第６
図は本発明の第２実施例の縦断側面図、第７図は本発明
の第３実施例の縦断側面図、第８図は従来技術の真空蒸
着装置の１例の縦断側面図である。 （１）（２）・・・コイル、（ＩＡ）　（２Ａ）・・・
永久磁石、（３）（３Ａ）（３Ｂ）・・・真空処理室、
（４）・・・真空ポンプ、（５）（５Ｂ）・・・真空ア
ーク蒸発源、（６）（６Ｂ）・・・基板、（７）（７Ｂ
）・・・光学遮蔽、（Ｘ）・・・軸線、（Ｃ）・・・電
流方向、（Ｆ）・・・磁力線、（ＣＦ）・・・カスプ形
状磁場、（Ｓ）・・・中央面、（Ｐ）・・・プラズマ閉
鎖領域、（Ａ）・・・磁場集束点、（ａ）・・・真空ア
ーク蒸発源、（ｂ）・・・基板、（Ｃ）・・・ソレノイ
ド、（ｄ）・・・管路。 茄］　図 算３図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板面上に真空アーク蒸着により被膜を形成する
   ため、真空処理室に対し同じ極性で向い合う１対の磁極
   を同一軸線上に対設して真空処理室内の両磁極間空間に
   カスプ形状磁場を形成するようにし、カスプ形状磁場に
   関連して磁場が点状に集束し磁場強度が最大となる位置
   の少なくとも１つの近傍に被膜形成物質の真空アーク蒸
   発源をその蒸発面を磁場中央に向けて配設し、磁場が発
   散する中央面の周囲位置の近傍に基板を配置し、かつ基
   板が真空アーク蒸発源の蒸発面とその間に介在する光学
   遮蔽により相互に光学的に影となる非見透し位置を占め
   るようにしたことを特徴とする真空アーク蒸着装置。
2. （２）前記両磁極が対設されたコイルからなり両コイル
   に互に反対方向の電流を通ずるところの特許請求の範囲
   第１項記載の真空アーク蒸着装置。
3. （３）前記両磁極が対設された永久磁石からなり両永久
   磁石を同じ極性の側で向い合わせた特許請求の範囲第１
   項記載の真空アーク蒸着装置。
4. （４）前記光学遮蔽が真空処理室の部分からなるところ
   の特許請求の範囲第１項記載の真空アーク蒸着装置。
5. （５）前記光学遮蔽が真空アーク蒸発源の蒸発面を同軸
   に囲む筒状の遮蔽部材からなるところの特許請求の範囲
   第１項記載の真空アーク蒸着装置。
6. （６）真空処理室内においてカスプ形状磁場形成装置が
   その軸線の方向に移動するようになっており、その方向
   に沿って基板が列設されているところの特許請求の範囲
   第１項記載の真空アーク蒸着装置。