JPH07150340A

JPH07150340A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JPH07150340A
Application number: JP32612293A
Authority: JP
Inventors: Akira Doi; 陽土居
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1993-11-29
Publication date: 1995-06-13

Abstract

(57)【要約】【目的】アーク式蒸発源から発生する蒸発粒子に含ま
れている粗大粒子が基材に入射することを防止する薄膜
形成装置を提供する。【構成】アーク式蒸発源１４から発生して直進する蒸
発粒子が、ホルダ６に保持された基材４に入射しないよ
うに、アーク式蒸発源１４とホルダ６とを配置した。か
つ、真空容器２の両側面の外部に一組の電磁石を設け、
これによって、アーク式蒸発源１４から発生する蒸発粒
子１８の進路上に垂直に磁界Ｂをかけるようにした。そ
の結果、蒸発粒子１８に含まれているイオン化した粒子
は、それが磁界Ｂ中を運動するときに受けるローレンツ
力によって、ホルダ６に保持された基材４の方へ曲げら
れる。これによって、蒸発粒子１８に含まれているイオ
ン化粒子のみを選択的に基材４に入射させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、イオンプレーティン
グ装置の一種であって、アーク式蒸発源を用いて基材の
表面に薄膜を形成する薄膜形成装置に関し、より具体的
には、アーク式蒸発源から発生する蒸発粒子に含まれて
いる粗大粒子を基材に入射させない手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の薄膜形成装置の従来例を図４に
示す。この装置は、図示しない真空排気装置によって真
空排気される真空容器２と、その中に設けられたホルダ
６と、真空容器２に取り付けられたアーク式蒸発源１４
とを備えている。

【０００３】ホルダ６は、成膜しようとする基材を保持
するものであり、この例では支持軸８および絶縁物１０
を介して真空容器２から支持されている。この支持軸８
には、この例では、バイアス電圧１２が接続されてお
り、これによってホルダ６上の基材４に負のバイアス電
圧を印加することができるようにしている。

【０００４】アーク式蒸発源１４は、そのカソード１６
とアノードとしての真空容器２との間でアーク放電を起
こさせて、カソード１６を局部的に溶解させてカソード
物質から成る蒸発粒子１８を発生させるものであるが、
アーク点弧用のトリガ、アーク制御用の磁石、アーク電
源等は図示を省略している（他の図においても同様）。

【０００５】このアーク式蒸発源１４とホルダ６上の基
材４とは、従来は、互いに正面で対向するように、即
ち、カソード１６の蒸発面１６ａに立てた法線１７が基
材４の表面に対して垂直になるように配置されている。

【０００６】このような構成によって、ホルダ６に所望
の基材４を取り付けた後、真空容器２内を真空排気する
と共に必要に応じてそこに反応ガスを導入し、アーク式
蒸発源１４を働かせてそこから蒸発粒子１８を発生させ
ると、それが基材４に入射して基材４の表面に薄膜が形
成される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記アーク式蒸発源１
４は、アーク放電によってカソード１６を溶解・蒸発さ
せるため、それから蒸発する蒸発粒子１８には、粗大粒
子（塊状粒子）が必然的に含まれている。この粗大粒子
は、アークの衝撃と蒸発のエネルギーとにより、カソー
ド１６の蒸発面１６ａの法線方向に飛散する。

【０００８】ところが、上記従来の薄膜形成装置におい
ては、アーク式蒸発源１４とホルダ６上の基材４とが互
いに正面で対向するように配置されているので、アーク
式蒸発源１４からの蒸発粒子１８が基材４の表面を直撃
する格好になり、その結果、蒸発粒子１８中に含まれて
いる粗大粒子が基材表面の膜中に混入するという問題が
ある。

【０００９】このような粗大粒子が膜中に混入にする
と、膜の平滑性が悪化し、種々の問題を惹き起こす。例
えば、軸受の表面に成膜した場合、軸受の摺動性が悪化
する。また、金型の表面に成膜した場合、平坦な成形表
面が得られなくなる。また、刃物の刃先に成膜した場
合、膜が剥離しやすく刃こぼれを伴いやすい。

【００１０】そこでこの発明は、アーク式蒸発源から発
生する蒸発粒子に含まれている粗大粒子が基材に入射す
ることを防止する薄膜形成装置を提供することを主たる
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の薄膜形成装置は、アーク式蒸発源から発
生して直進する蒸発粒子がホルダに保持された基材に入
射しないように、アーク式蒸発源とホルダとを配置し、
かつ、アーク式蒸発源から発生する蒸発粒子の進路上に
磁界をかけて、当該蒸発粒子に含まれているイオン化粒
子を選択的にホルダ上の基材に導く磁界発生手段を設け
たことを特徴とする。

【００１２】

【作用】アーク式蒸発源から発生する蒸発粒子に、イオ
ン化粒子（イオン化した粒子）が含まれていることは公
知である。

【００１３】このようなアーク式蒸発源から発生した蒸
発粒子の内でイオン化していないあるいは質量の大きい
粗大粒子は、磁界発生手段による磁界の影響を受けない
ので、蒸発源から発生してそのまま直進する。このよう
な直進粒子は、アーク式蒸発源とホルダとの上記配置関
係により、基材に入射しない。

【００１４】一方、イオン化粒子は、磁界発生手段によ
る磁界中を運動するときに受けるローレンツ力によっ
て、ホルダに保持された基材の方へ進路が曲げられる。
その場合、粗大粒子はたとえイオン化していても重くて
電荷量／質量の比が小さいので少ししか曲げられず、原
子状、分子状粒子等の微細粒子は軽くて電荷量／質量の
比が大きいので大きく曲げられる。

【００１５】従って、磁界発生手段による磁界の強さを
適宜設定することにより、粗大粒子と微細粒子とを分離
して、微細粒子のみを選択的にホルダ上の基材に入射さ
せることができる。

【００１６】

【実施例】図１は、この発明の一実施例に係る薄膜形成
装置を示す概略断面図である。図２は、図１中の矢印Ｐ
方向に見た正面図である。図４の従来例と同一または相
当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従
来例との相違点を主に説明する。

【００１７】この実施例においては、前述したようなホ
ルダ６上の基材４に対向する真空容器２の壁面に開口部
２ａを設け、そこの外部に斜めに連結容器２０を接続
し、その端部に前述したようなアーク式蒸発源１４を斜
め下に向けて取り付けている。

【００１８】即ち、ホルダ６に保持された基材４が、ア
ーク式蒸発源１４のカソード１６の蒸発面１６ａに立て
たいかなる法線１７からも外れた所に位置するように、
アーク式蒸発源１４とホルダ６とを配置している。この
ような配置によって、アーク式蒸発源１４から発生して
直進する蒸発粒子が、ホルダ６に保持された基材４に入
射しない状態にしている。

【００１９】かつ、磁界発生手段の一例として、図２に
示すように、真空容器２の両側面の外部に一組の電磁石
２２を設け、これによって、アーク式蒸発源１４から発
生する蒸発粒子１８の進路上に垂直に、図示のような向
きの磁界Ｂをかけるようにしている。これによって、蒸
発粒子１８に含まれているイオン化粒子は、それが磁界
Ｂ中を運動するときに受けるローレンツ力によって、ホ
ルダ６に保持された基材４の方へ曲げられる。

【００２０】アーク式蒸発源１４から発生する蒸発粒子
１８に、イオン化粒子が含まれていることは公知である
（例えば特公平４−４８８７０号公報、特公昭６０−３
６４６８号公報参照）。

【００２１】このようなアーク式蒸発源１４から発生し
た蒸発粒子１８の内でイオン化していないあるいは質量
の大きい粗大粒子は、電磁石２２による磁界Ｂの影響を
受けないので、アーク式蒸発源１４から発生してそのま
ま直進する。このような直進粒子は、アーク式蒸発源１
４とホルダ６との上記配置関係により、基材４に入射し
ない。

【００２２】一方、イオン化粒子は、上記磁界Ｂ中を運
動するときに受けるローレンツ力によって、ホルダ６に
保持された基材４の方へ進路が曲げられる。その場合、
粗大粒子１８ａはたとえイオン化していても重くて電荷
量／質量の比が小さいので少ししか曲げられず、原子
状、分子状粒子等の微細粒子１８ｂは軽くて電荷量／質
量の比が大きいので大きく曲げられる。

【００２３】従って、電磁石２２による磁界Ｂの強さを
適宜設定することにより、粗大粒子１８ａと微細粒子１
８ｂとを分離して、原子状、分子状粒子等の微細粒子１
８ｂのみを選択的にホルダ６上の基材４に入射させるこ
とができる。

【００２４】その結果、基材４の表面に、平滑性の良い
良質の膜を形成することができる。従って例えば、この
ような薄膜形成装置によって軸受の表面に成膜した場
合、軸受の摺動性を高めることができる。また、金型の
表面に成膜した場合、平坦な成形表面を得ることができ
る。また、刃物の刃先に成膜した場合、刃先表面の欠け
を防止することができる。

【００２５】なお、アーク式蒸発源１４の向きは、それ
とホルダ６との上記のような関係を満たしさえすれば、
必ずしもこの実施例のように斜め下に向ける必要はない
が、このように斜め下に向ける方が、次のような理由か
ら好ましい。即ち、基材４はその成膜面上へパーティク
ル（ゴミ）が落下付着するのを防止する観点から立てて
保持するのが好ましく、そのような基材４の表面に、上
記のようにして分離された微細粒子１８ｂを小さい曲げ
角で入射させるには、アーク式蒸発源１４を斜め下に向
けて配置するのが好ましいからである。

【００２６】もっとも、この実施例のように連結容器２
０を用いるか否かは、アーク式蒸発源１４の取り付けや
すさ等に応じて決めれば良く、任意である。

【００２７】また、上記のようにして分離された微細粒
子１８ｂは、蒸発時のエネルギーを持って基材４に衝突
するので、ある程度密着性の良い膜を形成することがで
きるが、バイアス電源１２を設けて、成膜の際に、この
バイアス電源１２からホルダ６上の基材４に負の（例え
ば−５０Ｖ〜−３００Ｖ程度の）バイアス電圧を印加し
ても良く、そのようにすれば、このバイアス電圧によっ
てイオン化された微細粒子１８ｂを基材４の方へ加速す
ることができるので、膜の密着性が一層向上する。ま
た、膜の基材４に対する付き回り性も向上する。

【００２８】図３は、この発明の他の実施例に係る薄膜
形成装置を示す概略断面図である。図１の実施例との相
違点を説明すると、この実施例では、アーク式蒸発源１
４のカソード１６の正面に真空容器２の開口部２ａを設
けるのではなくそれを少し上へずらして、アーク式蒸発
源１４から発生して直進する蒸発粒子が、できるだけ開
口部２ａを通過せずにその下部の壁面２ｂに当たるよう
にしている。そしてこの開口部２ａの下部に、壁面２ｂ
を囲む小部屋２４を設けている。このようにすると、ア
ーク式蒸発源１４から発生した蒸発粒子１８に含まれて
いるイオン化していない粒子およびイオン化しているけ
れども電荷量／質量比の小さい粗大粒子１８ａは、それ
らのかなりの割合が壁面２ｂに当たり真空容器２内へは
入射しない。

【００２９】このような粒子は、前述したように成膜に
寄与しないだけでなく、それが真空容器２内に多く溜ま
るとパーティクルとなり、それを放置しておくと基材４
の表面に付着する可能性がある。ところがこの実施例の
ように構成すると、壁面２ｂに当たった粒子は小部屋２
４内に溜まるので、真空容器２内に溜まるパーティクル
を減らすことができる。その結果、真空容器２内の清掃
等のメインテナンスが楽になり、しかも基材４へのパー
ティクル付着を抑えて膜質を向上させることができる。

【００３０】なお、図１および図３いずれの薄膜形成装
置の場合も、磁界発生手段としては、上記のような電磁
石２２の代わりに、永久磁石を用いても良い。

【００３１】次に、上記のような薄膜形成装置を用いて
成膜した実験例を幾つか説明する。

【００３２】（実験例１）図１に示した薄膜形成装置
で、Ｔi のカソード１６を用いて、基材４の表面に３μ
ｍ厚のＴi 膜を形成した。図４に示した従来の薄膜形成
装置による成膜では、大きさが１〜１０μｍ程度の粗大
粒子が膜中に多数存在していたが、図１の薄膜形成装置
による成膜では、Ｔi 膜中にそのような粗大粒子は全く
存在しなかった。このとき基材４には超硬合金を用い
た。

【００３３】（実験例２）図３に示した薄膜形成装置
で、Ａl のカソード１６を用いて、基材４の表面に５μ
ｍ厚のＡl 膜を形成したところ、Ａl 膜中に１μｍ以上
の大きさの粗大粒子の存在は全く認められなかった。こ
のとき基材４には高速度鋼を用いた。ちなみに、図４の
従来の薄膜形成装置による成膜では、上記大きさの粗大
粒子が膜面積１ｃｍ²当りに数千個も存在することが観
察された。

【００３４】（実験例３）図１に示した薄膜形成装置
で、Ｔi のカソード１６を用い、かつ真空容器２内に反
応ガスとして窒素ガスを導入して、基材４の表面に４μ
ｍ厚のＴiＮ膜を形成したところ、ＴiＮ膜中に１μｍ以
上の大きさの粗大粒子の存在は全く認められなかった。
このとき基材４にはステンレスおよび超硬合金の２種類
を用いて実験したが、結果はいずれも同じであった。ち
なみに、図４の従来の薄膜形成装置による成膜では、Ｔ
iＮ膜中に１μｍ以上の粗大粒子の存在が多数認められ
た。

【００３５】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、アーク
式蒸発源とホルダとを上記のように配置し、かつ上記の
ような磁界発生手段を設けたので、アーク式蒸発源から
発生する蒸発粒子に含まれている粗大粒子と微細粒子と
を分離して、微細粒子のみを選択的にホルダ上の基材に
入射させることができる。その結果、基材の表面に、平
滑性の良い良質の膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る薄膜形成装置を示す
概略断面図である。

【図２】図１中の矢印Ｐ方向に見た正面図である。

【図３】この発明の他の実施例に係る薄膜形成装置を示
す概略断面図である。

【図４】従来の薄膜形成装置の一例を示す概略断面図で
ある。

【符号の説明】

２真空容器４基材６ホルダ１４アーク式蒸発源１６カソード１８蒸発粒子１８ａ粗大粒子１８ｂ微細粒子２０電磁石（磁界発生手段）Ｂ磁界

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器と、この真空容器内に設けられ
ていて基材を保持するホルダと、アーク放電によってカ
ソードを局部的に溶解させて蒸発粒子を発生させるアー
ク式蒸発源とを備え、このアーク式蒸発源から発生させ
た蒸発粒子を、ホルダに保持された基材に入射させて当
該基材の表面に薄膜を形成するように構成した薄膜形成
装置において、アーク式蒸発源から発生して直進する蒸
発粒子がホルダに保持された基材に入射しないように、
アーク式蒸発源とホルダとを配置し、かつ、アーク式蒸
発源から発生する蒸発粒子の進路上に磁界をかけて、当
該蒸発粒子に含まれているイオン化粒子を選択的にホル
ダ上の基材に導く磁界発生手段を設けたことを特徴とす
る薄膜形成装置。