JPH11140631A - カソードアークコータのアーク制御装置 - Google Patents

カソードアークコータのアーク制御装置

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JPH11140631A
JPH11140631A JP10245461A JP24546198A JPH11140631A JP H11140631 A JPH11140631 A JP H11140631A JP 10245461 A JP10245461 A JP 10245461A JP 24546198 A JP24546198 A JP 24546198A JP H11140631 A JPH11140631 A JP H11140631A
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cathode
magnetic field
arc
container
housing
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Application number
JP10245461A
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English (en)
Inventor
Russell A Beers
エイ．ビアーズ ラッセル
Tyrus E Royal
イー．ロイヤル ティルス
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RTX Corp
Original Assignee
United Technologies Corp
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Publication date
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32055—Arc discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3266—Magnetic control means

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 コスト効果良く、かつ、均一で高品質のコー
ティングを基体に対して行うことを可能とするカソード
アーク気相堆積装置を提供する。 【解決手段】 カソードアーク気相堆積法によって材料
を基体１２にコーティングするための装置１０は、容器
１４と、この容器を真空に維持するための装置１６と、
ディスク形状のカソード１８と、このカソード１８とア
ノード２４の間でアークの電気エネルギーを選択的に維
持させるための手段２２と、上記カソードに対して上記
アークを移動させるための手段７４と、を有している。
上記カソード１８と上記アノード２４の間に延びるアー
クの電気エネルギーは、上記容器内部に配置された基体
に連続的に堆積されるカソード部分を蒸発させるように
なっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概ねコーティング
のための気相堆積（ベーパデポジッション）装置、より
詳細には、カソードアーク気相堆積装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】基体へのコーティングを施すための手段
として気相堆積法が当業界で知られている。この気相堆
積法としては、ケミカルベーパデポジッション法（化学
的気相堆積法）、フィジカルベーパデポジッション法
（物理的気相堆積法）、カソードアークベーパデポジッ
ション法（カソードアーク気相堆積法）を挙げることが
できる。化学的気相堆積法（ＣＶＤ）は、反応性ガスで
ある元素を１つ以上のコーティングすべき基体を入れた
堆積チャンバに導入する。物理的気相堆積法（ＰＶＤ）
は、供給材料及び基体を排気された堆積チャンバに導入
するステップを有している。この供給材料は、抵抗加
熱、誘導加熱又は電子ビーム手段によって加熱されるこ
とでエネルギーが加えられて気化する。
【０００３】カソードアーク気相堆積法は、供給材料及
びコーティングすべき基体を排気された堆積チャンバ内
に配置するステップを有している。このチャンバは、比
較的少量の気体しか含有していない。直流（ＤＣ）電源
からの負側の導線は、上記供給材料に取り付けられ（こ
れを以後、「カソード」として引用する）、その正側の
導線は、アノード部材に取り付けられる。上記アノード
と同電位あるいは上記アノード付近の電位でアークを開
始させるトリガは、上記カソードに接触しており、連続
して上記カソードから離れて行くようになっている。上
記トリガが上記カソードにいまだ極近接している場合に
は、上記トリガと上記カソードの間の電位差により、そ
れらの間に電気的なアークが生じる。このトリガがより
離間するにつれこのアークは、上記カソードと上記アノ
ード電位とされたチャンバ部分の間で生じることにな
る。上記カソード表面のアークが接触するその位置又は
その複数の位置を、以後カソードスポットと呼ぶ。制御
機構が存在しなければ、このカソードスポットは、上記
カソード表面上をランダムに移動してしまうことにな
る。
【０００４】上記カソードスポットにおいて放出される
エネルギーは強力であり、１０5〜１０7Ａ／ｃｍ2で、
数μｓの時間だけ持続する。このエネルギー強度は、上
記カソードスポットの局所的温度を上記排気されたチャ
ンバ圧での上記カソード材料の沸点にほぼ等しい温度に
まで上昇させる。この結果、上記カソードスポットにお
けるカソード材料は、原子、分子、イオン、電子、粒子
を含有するプラズマとして気化する。正に帯電したイオ
ンは、上記カソードから飛び出し、この正に帯電したイ
オンに対して低い電位を有する上記堆積チャンバ内のど
のような物体にでも付着する。いくつかの堆積プロセス
では、コートされる上記基体を上記アノードと同電位に
維持させている。別のプロセスでは、上記基体の電位を
低下させるためにバイアス電源を用いて、上記正帯電イ
オンに対しより引力を与えるようにされている。どちら
の場合にも、上記基体は、上記カソードから飛び出して
気化した材料によってコートされることになる。
【０００５】上記アークのランダムな移動は、上記カソ
ードの不均一な浸食を生じさせ、このことが上記カソー
ドの使用寿命を制限してしまうことになる。この不均一
な浸食を避けるために、上記カソードに対して上記アー
クを制御することが知られている。米国特許第４，６７
３，４７７号，米国特許第４，８４９，０８８号，米国
特許第５，０３７，５２２号では、カソードに対すし、
アークを制御する装置が開示されている。いくつかの従
来技術においては、上記カソードへの上記アークを、そ
の磁界を機械的に制御することによって制御している。
別の従来技術では、上記アークを上記カソードの２つの
端部間で電源リード線を電気的に交互に接続することに
よって制御している。これらの双方の手法では、上記カ
ソードに対する上記アークの速度が上記磁界源の装置操
作速度や上記電源のスイッチング速度によって制限され
てしまう。別の制限は、上記カソードに対して磁界源を
操作するための上記スイッチング機構及びそのための装
置の複雑さにある。当業者によれば、コーティング環境
の構築は、労力を伴う単調なものであっても信頼性に大
きな影響を与えることが理解されよう。
【０００６】現在使用できるカソードアークコータは、
典型的には上記コータに固定された冷却カソードを用い
ている。一つの冷却方法としては、上記カソードとマニ
ホルドの間で冷媒を流すようになったマニホルドをカソ
ードに取り付けることによる。別の手法としては、ホロ
ーカソードに連結した冷却パイプを用いることによる。
いずれの場合も問題となるのは上記マニホルド又はパイ
プを収容すべく、カソードを機械加工しなければならな
いことにある。すべてのカソード材料が、機械加工が可
能ではあっても適しているわけではないので、機械加工
は、上記消耗品であるカソードに対し著しいコストを加
えてしまうことになる。カソードの「直接冷却」により
生じる別の問題点は、その使用寿命が終了した場合に上
記カソードを交換する労力を伴うことにある。マニホル
ド（又はパイプ）が上記カソードに機械的に取り付けら
れている上述の場合には、上記マニホルド（又はパイ
プ）は、古いカソードから取り外されて、新しいカソー
ド及び上記堆積チャンバに装着され、それに引き続いて
冷媒によって洗浄が行われる。各コーティング操作の後
にカソードを交換することが必要な用途の場合には、労
力・コスト及び停止時間が重大な関心事となる。さらに
は、上記直接冷却による別の問題は、リークにある。堆
積中の冷媒のリークは、コーティングする上記基体を汚
染するので、上記堆積チャンバ内を充分に清掃化するこ
とが必要となる。ガスタービンエンジンの翼は、コート
すべき高価な基体の一例である。このような汚染による
損失を最低限とし、又は排除することは、重大な課題で
あるといえる。
【０００７】すなわち、基体への材料のカソードアーク
気相堆積法のための装置に対しては、効率よく操作で
き、基体への高品質のコーティングを一貫して行うこと
ができ、カソード浸食を最適化でき、コスト効率が良い
こと、が要求されていたのである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、コスト効果良く基体へと材料をカソードアーク
気相堆積させるための装置を提供することにある。
【０００９】本発明の別の目的は、均一で高品質のコー
ティングを上記装置内部のすべての基体に対して行うこ
とを可能とする、基体へと材料をカソードアーク気相堆
積させるための装置を提供することにある。
【００１０】さらに本発明の他の目的は、従来技術の制
限を克服し、カソードへのアークの制御を行う装置を備
え、基体へと材料をカソードアーク気相堆積させるため
の装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、基体に
対してカソードアーク気相堆積法を施すための装置は、
容器と、この容器を真空に維持させるための手段と、デ
ィスク形状のカソードと、選択的にアークの電気エネル
ギーを上記カソードとアノードの間で維持させるための
手段と、上記アークを上記カソードに対して制御するた
めの手段と、を有している。上記アークの電気的エネル
ギーは、上記カソードとアノードの間に延びて、そのカ
ソード部分を気化させ、連続的に上記容器内に位置決め
された上記基体に堆積が行われるようにさせている。
【００１２】さらに本発明の上記課題は、より詳細に
は、カソードアーク気相堆積法により材料を基体に堆積
させるための装置であって、容器と、上記容器を真空に
維持するための手段と、上記容器内に配置され、第１の
端面と第２の端面とこれらの端面の間に延びた蒸発面と
を備えたディスク形状のカソードと、アークによる電気
エネルギーを上記蒸発面とアノードの間で選択的に支持
するための手段と、上記カソードに近接して位置決めさ
れ、上記カソードにまで入り込む磁界を発生させるとと
もに、上記アークを上記蒸発面を巡るようにして移動さ
せるための手段とを有し、上記カソードと上記アノード
の間に延びた上記アークの電気エネルギーにより、上記
容器内に配置された上記基体に連続的に堆積される上記
カソード部分を蒸発させることを特徴とする装置を提供
することによって解決される。
【００１３】本発明の上記構成では、上記カソードと上
記アノードの間においてアークの電気エネルギーを支持
するための上記手段は、上記容器に電気的に連結され、
上記容器をアノードとするための正の導線及び上記カソ
ードに電気的に連結された負の導線を備えた電源を有し
ており、上記カソードは、電気的に上記容器から絶縁さ
れていても良い。
【００１４】さらに、上記蒸発面を巡るようにして上記
アークを移動させるための上記手段は、強磁性体中心部
材と、この強磁性体中心部材に取り付けられ、上記カソ
ードの上記蒸発面に実質的に平行に延びる部分を有する
磁界を発生させる磁界発生装置を備えていても良い。
【００１５】また、上記磁界発生装置はさらに、上記強
磁性体中心部材の側面にそれぞれが取り付けられ、か
つ、この強磁性体中心部材の周りに均一の離間で取り付
けられた複数のマグネットを備えていることもできる。
【００１６】さらに、上記マグネットは、永久磁石とさ
れていても良い。
【００１７】また、上記各マグネットは、第１の極形成
端部とこの第１の極とは反対の極性である第２の極形成
端部とを備えた円筒形状とされていて、上記各マグネッ
トの上記第１の極を形成する端部は、上記強磁性体中心
部材に取り付けられていても良い。
【００１８】上記装置はさらに、上記強磁性体中心部材
及び上記マグネットを被覆し、上記強磁性体中心部材及
び上記マグネットが浸食されないようにするための保護
コーティングを有していても良い。
【００１９】また、上記装置はさらに、上記カソードの
端面の１つに接触し、上記磁界発生装置を収容するハウ
ジングを備えていても良い。
【００２０】上記装置はさらに、上記ハウジングから熱
エネルギーを選択的に移動させるための手段を備えてお
り、この熱を移動させるための手段は、上記ハウジング
から熱を選択的に移動させるように構成することもでき
る。
【００２１】また上記装置はさらに、上記強磁性体中心
部材に取り付けられ、この強磁性体中心部材及び上記ハ
ウジング内部に取り付けられた磁界発生装置を回転させ
るローテータを備えていても良い。
【００２２】また、上記ローテータは、上記容器の外側
に配設された駆動モータと、上記強磁性体中心部材に取
り付けられたロッドとを備えていて、上記ロッドは、上
記容器の外側にまで延ばされ、かつ、上記駆動モータに
より選択的に回転するように構成することもできる。
【００２３】さらに、上記磁界発生装置は、径方向内側
面とこの径方向内側面とは逆の極とされた径方向外側面
を有する環状マグネットを備え、上記径方向内側面は、
上記強磁性体中心部材に取り付けられていても良い。
【００２４】さらに、上記環状マグネットは、複数のマ
グネットセグメントが集合して形成されていても良い。
【００２５】また、上記装置はさらに、上記カソードの
端面のうちの１つに接触し、上記磁界発生装置を内側に
収容するハウジングを有していても良い。
【００２６】さらに、上記蒸発面を巡るようにして上記
アークを移動させるための手段は、強磁性体中心部材に
それぞれ取り付けられ、対となった磁界発生装置を備え
ており、上記磁界発生装置のうちの１つは、上記第１の
端面に近接して配置され、上記磁界発生装置の別の１つ
は、上記第２の端面に近接して配置されていて、上記各
磁界発生装置は、上記カソードの蒸発面に実質的に平行
に延びる部分を有する磁界を発生させるように構成され
ていても良い。
【００２７】本発明の上記目的及び他の目的、特徴、効
果については、添付する図面を持ってする本発明の最良
の実施例についての詳細な説明により、より明確とする
ことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
Ｉ．装置 図１を参照し、基体１２へのカソード気相堆積法のため
の装置１０を以後、「カソードアークコータ」と呼ぶこ
とにする。このカソードアークコータ１０は、容器１４
と、上記容器１４を真空に維持するための手段１６と、
カソード１８と、コンタクタ２０と、上記カソード１８
と上記アノード２４の間においてアークの電気エネルギ
ーを維持させるための手段２２と、を有している。冷媒
供給源２６は、上記容器１４及び上記コンタクタ２０内
の冷媒通路２８，３０を通して冷媒を循環させることに
より、上記装置を許容可能な温度に維持させている。好
適な実施例では、上記容器１４内の真空を維持させるた
めの上記手段１６は、低真空用のメカニカル真空ポンプ
３２と上記容器内部へと通された拡散型大容量真空ポン
プ３４とから構成されている。これら以外の真空手段で
あっても用いることが可能である。
【００２９】図１及び図２を参照して、上記カソード１
８は、対となった端面３８，４０の間に延びた蒸発面３
６を備える実質的に断面円形のディスクとされている。
本発明のカソードは、ディスク形状であることが好まし
く、また、円形断面の鋳造物から例えば切削によって得
られるようになっていることが好ましい。上記端面３
８，４０は、実質的に互いに平行とされている。堆積さ
れるコーティングは、上記カソード１８の組成によって
決定され、又しばしば上記カソード１８は、単に鋳造ロ
ッドから切断されたものとすることが可能である。上記
カソード１８の軸方向の長さ４２は、上記カソード１８
の上記蒸発面３６に沿った浸食パターン４６の予測され
る最終幅４４よりも長くされていることが好ましい。上
記端面３８，４０の間の上記浸食パターン４６を維持さ
せることにより、上記アークが上記カソード１８の上記
蒸発面３６から離れてしまう可能性が最低化される。上
記基体１２は、プラター４８上にマウントされていて、
このプラター４８は、上記容器１４の内側及び外側方向
に向かって転がりながら移動するようにされている。上
記プラター４８は、上記基体を回転させるための手段を
備えている（図示せず）。
【００３０】上記コンタクタ２０は、シャフト５４に取
り付けられたヘッド５２を有している。上記ヘッド５２
は、上記容器１４の内側に位置決めされており、上記シ
ャフト５４は、上記ヘッド５２から上記容器１４の外へ
と延ばされている。絶縁性のディスク５６は、電気的に
上記コンタクタ２０を上記容器１４から絶縁させてい
る。上記コンタクタ２０は、さらに、上記シャフト５４
内部でこれと同軸に位置決めされた冷却チューブ５８
と、この冷却チューブ５８に連結された冷媒インレット
ポート６０（図１参照）と、上記同軸冷媒チューブ５８
及び上記シャフト５４の間に形成された通路３０と、を
さらに有していることが好ましい。上記冷却チューブ５
８と上記シャフト５４の間のこのような同軸配置によ
り、上記冷媒供給源２６からの冷媒が上記冷却チューブ
５８に導入され、上記シャフト５４と上記冷却チューブ
５８の間の上記通路３０を通して戻され又この逆も可能
なようにされている。
【００３１】図２〜図８を参照すると、上記コンタクタ
ヘッド５２は、カップ６６と、シャフトフランジ６８
と、磁界発生装置７４と、を備えている。上記シャフト
フランジ６８は、上記シャフト５４に取り付けられてお
り、上記カップ６６は、上記シャフトフランジ６８に着
脱自在に取り付けられている。上記カップ６６と、上記
シャフトフランジ６８と、上記シャフト５４は、銅合金
と言った導電性材料から製造されている。上記磁界発生
装置７４は、強磁性体中心部材８２と、複数の側部マグ
ネット８４と、センタマグネット８６と、を備えてい
る。上記中心部材８２は、少なくとも１つの側面８８を
備えており、この側面８８は、２つの端面９０の間に延
びているとともに、上記センタマグネット８６を収容す
るための中空部９２を備えている。上記側部マグネット
８４及び上記センタマグネット８６は、永久磁石とされ
ていることが好ましいが、これとは別に電磁石といった
磁界発生源であっても用いることができる。例えば円筒
形の永久磁石は、市販に利用できるので比較的安価とな
り有効である（図２〜図４，図７及び図８参照）。セグ
メント化されたマグネットや、一体型のマグネットとい
った環状のマグネットであっても、これに代えて用いる
ことができる（図５，図６参照）。上記側部マグネット
８４は、上記側面８８に取り付けられており、上記セン
タマグネット８６は、上記中空部９２に収容されている
か又は上記端面９０において取り付けられている。本発
明の上記装置においては、上記強磁性体中心部材及び上
記マグネットを被覆し、上記強磁性体中心部材及び上記
マグネットが浸食されないようにする保護コーティング
を上記強磁性体中心部材及び上記マグネットに施すこと
もできる。
【００３２】図８は、磁界発生装置７４を示している
が、この磁界発生装置７４は、強磁性体の中心部材８２
と、側部マグネット８４と、を備えているが、中心マグ
ネット８６を有していない。上記すべての実施例では、
多数の側部マグネット８４が手操作によりそのプロセス
を適正化させるように変更することができる。
【００３３】図１及び図２を参照すると、装置９４は、
上記磁界発生装置７４を回転させるために備えられてい
る。そのための回転装置９４は、上記冷却チューブ５８
を通して、上記強磁性体の中心部材８２に連結される上
記ヘッド５２にまで延びたロッド９６を備えている。上
記ロッド９６の反対側の端部は、可変速度モータ９８へ
と駆動ベルト１００によって連結されている（図１参
照）。
【００３４】上記カソードアークコータ１０は、また、
選択的に上記コンタクタ２０を上記カソード１８へと接
触させるように駆動するアクチュエータ１０２を有して
おり、このアクチュエータ１０２は、対となった２方向
アクチュエータシリンダ１０４（油圧又は空圧式であ
る）を備えており、これらのアクチュエータシリンダ１
０４は、上記容器１４と上記コンタクタシャフト５４に
取り付けられたシャフトフランジ１０６の間で動作する
ようにされている。これらのアクチュエータシリンダ１
０４の代わりに、機械的装置を用いることもできる。市
販の利用可能な制御装置（図示せず）は、上記シリンダ
１０４（又は機械的装置）の位置及び力を制御するため
に用いることができる。図１は、固定支持体１９と駆動
可能なコンタクタ２０の間に配設されたカソード１８を
示している。図２は、コンタクタ２０が上記カソード１
８の各端面３８，４０に接触している別の配置を示して
いる。第２のコンタクタ２０は、固定されていても駆動
されるようにされていても良い。
【００３５】上記カソードアークコータ１０は、上記基
体１２を電気的にバイアスさせるためのバイアス電源１
０８を備えていることが好ましい。上記基体を１２上記
アノード２４に対して負にバイアスさせることにより、
上記基体１２が上記カソード１８から飛び出した正イオ
ンに対して電気的引力を生じさせる。コンタクト１１０
は、電気的に上記バイアス電源１０８を上記プラター４
８へと接続している。上記基体１２は、上記プラター４
８へと電気的に接続されており、このため上記バイアス
電源１０８に電気的に接続されている。上記基体１２を
上記バイアス電源１０８に連結させるための別の手段で
あっても別途用いることが可能である。
【００３６】デフレクタシールド１１２を上記コータ１
０全体に用いて、上記基体１２の領域上へと気化される
上記カソード材料を規制するることも可能である。上記
容器１４に取り付けられた上記デフレクタシールド１１
２と、上記プラター４８と、上記コンタクタ２０とが、
これらの面上に好ましからざる材料堆積を最低化させる
ようにしている。好ましい実施例では、上記デフレクタ
シールド１１２は、上記容器１４に取り付けられてい
て、電気的に上記容器１４と接続され、腐食に耐性のあ
る例えばステンレススチールといった導電性材料から製
造されていることが好ましい。
【００３７】上記カソード１８とアノード２４の間にお
いてアークの電気的エネルギーを維持させるための手段
２２は、直流（Ｄ．Ｃ．）電源１１４を備えている。好
ましい実施例では、上記電源１１４からの正の導線１１
５は、上記容器１４へと接続されていて、上記容器１４
をアノードとして作用させている。上記電源１１４から
の負の導電１１７は、上記コンタクタシャフト５２に電
気的に連結されている。別の実施例では、上記容器１４
の内側に配設されたアノード（図示せず）を用いること
もできる。アーク開始装置１１６は、上記容器１４の電
位あるいはその付近の電位に維持されており、アークを
開始させるために用いられている。
【００３８】ＩＩ．装置の操作 図１を参照して、本発明のカソードアークコータ１０の
操作について説明する。本発明のカソードアークコータ
１０は、複数の基体１２と、単一のカソード１８が上記
プラター４８に取り付けられている。このプラター４８
は、上記容器１４内に配置されている。上記基体１２
は、あらかじめ油分が除去されて、実質的に清浄化され
ているが、それぞれその外表面に幾分かの汚染分子又は
表面酸化物が残存している。上記アクチュエータシリン
ダ１０４は、連続的に上記コンタクタ２０を上記カソー
ド１８に電気的に接続するように駆動しており、上記容
器１４が閉じられる。
【００３９】上記低真空用機械的真空ポンプ３２は、上
記容器１４を所定の圧力まで排気するように運転され
る。その所定圧力にまで達すると、上記大容量拡散真空
ポンプ３４は、さらに上記容器１４を真空条件にまで排
気する。上記基体１２は、その後どのような残存汚染物
及び酸化物、あるいはそれら双方でも「スパッタクリー
ニング」と言った方法により清浄化される。スパッタク
リーニングは、当業界においては良く知られた方法であ
り、本願明細書においては詳細な説明を行わない。別の
清浄化方法であっても用いることが可能である。上記基
体１２が清浄化された後には、上記汚染物質が、典型的
には不活性ガスを用いてパージされる。
【００４０】アークを開始させる前に、いくつかのステ
ップを完了させておく。これらのステップとしては、
（１）上記基体１２を上記バイアス電源１０８により電
気的にバイアスしてこれらの基体１２が上記カソード１
８から放出される正イオンに対して引力を及ぼすように
させるステップと、（２）上記基体１２を所定の速度で
回転させるステップと、（３）上記電源１１４をセット
してアークを開始させないまま、一定の電流強度及び電
圧のアークを開始させるようにするためのステップと、
（４）上記真空ポンプ３２，３４を起動して上記容器１
４内の気体圧力を一定の真空となるように維持させるス
テップと、（５）冷媒を上記容器１４及び上記コンタク
タ２０内の上記冷却通路２８，３０に通じるステップ
と、を挙げることができる。特定のプロセスパラメータ
は、基体材料、コーティング材料、そのコーティングの
所望特性に応じて定めることができる。
【００４１】上記ステップが完了すると、上記アーク開
始装置１１６が駆動されて上記カソード１８の上記蒸発
面３６との接触が断たれて、上記アーク開始装置１１６
と上記蒸発面３６の間においてアークを生じさせること
になる。上記アーク開始装置１１６は、連続的に上記カ
ソード１８から遠ざけられ、上記基体１２の径方向外側
とされることが好ましい。上記アーク開始装置１１６が
上記カソード１８にもはや近接していなくなると、上記
アークは、上記カソード１８と上記容器１４に電気的に
接続された上記デフレクタシールド１１２の間で、又は
上記カソード１８と上記容器１４の間において直接発生
するようになる。
【００４２】上記磁界発生装置７４は、上記コンタクタ
２０内に配置されていて、上記カソード１８の上記蒸発
面３６に沿って上記カソードスポットを移動させる。よ
り具体的には、各側部マグネット８４は、上記カソード
１８に入り込み、実質的に上記カソードの蒸発面３６に
平行に延びる磁界を発生させる。図７及び図８は、上記
磁力線が存在すると考えられる場所を近似的に示してお
り、ベクトル１２４は、上記カソード端面３８，４０の
間に延びた磁場を現している。上記磁場ベクトル１２４
の方向は、上記側部マグネット８４の極配置に依存して
おり、すべてのマグネット８４は、同様に配置されてい
る。ベクトル１２６は、上記電気的アークを示してお
り、磁場ベクトル１２４とは対照的に実質的に垂直の方
向に遠ざかるようにして上記蒸発面３６から延びてい
る。これとともに、上記磁界及び上記アークによる電流
は、上記アークに力を作用させ（ホール効果）、このア
ークを上記カソード１８の周方向に沿って一定距離で移
動させる。所定のカソードスポットにおける上記アーク
の滞留時間は、上記ホール効果による力とは反対の影響
を受ける。すなわち、上記ホール効果による力が増加す
ると、上記滞留時間は減少する。当業者によれば、上記
滞留時間を低減させることは、堆積したコーティングの
均一性及び表面仕上げに対して悪影響を与える粗大粒子
の発生を低減させることが知られている。
【００４３】上記側部マグネット８４個々の磁界は、互
いに周方向に近接しており、上記アークを上記カソード
の蒸発面３６へと上記アークの経路１２２に沿って集中
させるような力を生じさせている（図２参照）。上記側
部マグネット８４の数、上記側部マグネット８４から放
出される磁界の相対的間隔、それらの磁界強度は、手作
業による安全性を考慮して調節される。しかしながらあ
る用途においては、さらにセンタマグネット８６を備え
ることが効果を奏する。上記センタマグネット８６の磁
界は、上記側部マグネット８４から放出される上記磁界
の幾何学的形状に影響を与える。この結果、上記カソー
ド１８の周方向を巡る上記アークの経路１２２は、上記
側部マグネット８４から軸方向に遠ざかるようにして移
動する。このため、上記センタマグネット８６は、上記
アーク経路１２２の軸方向位置を移動させるために用い
られる。図７は、どのように上記側部マグネット８４及
び上記センタマグネット８６からの上記磁力線が相互作
用しているかを推定して示した概略図である。アーク経
路１２２は、上記カソード１８の軸方向の中間に近接し
ていて、上記アークが上記コンタクタ２０から遠ざかる
ように、又は双方のコンタクタ２０の間となるようにし
て保持しており、上記コンタクタ２０の望ましからざる
消耗を最低限としている。アーク経路１２２（及びこの
結果による浸食形状）は、軸方向の中間部に近接してお
り、特定のカソード１８から浸食される材料の量を最大
化させてコーティングプロセスの効率を向上させてい
る。
【００４４】上記カソードスポットにおいて上記アーク
から供給されるエネルギーは、上記材料を蒸発させ、原
子、分子、イオン、電子、粒子を上記カソード１８から
飛び出させる。上記バイアスされた基体１２は、上記イ
オンに対して引力を生じさせて、上記イオンを上記基体
１２に向けて加速させる。上記イオンは、上記基体１２
の表面を衝撃し、付着し、これが集合して上記カソード
材料コーティングを形成させる。
【００４５】図２は、仮想線をもって浸食されたカソー
ド１８を示しており、これは実質的に上記アーク経路１
２２を中心として対称的となっている。上記磁界発生装
置７４を回転させるための装置９４を備えた実施例で
は、上記磁界発生装置７４の上記コンタクタ２０内での
回転が上記カソード１８の均一な軸方向及び周方向の浸
食を容易にさせている。その回転により、上記カソード
１８の周方向における各側部マグネットの磁力による寄
与が時間に関して分散される。しかしながら、上記磁界
発生装置７４の回転はアークを回転させるために必要と
されるわけではないことを明記する必要がある。上述し
たように、上記側部マグネット８４の個々の磁界は、上
記アークを上記カソード蒸発面３６へと集中させている
のである。
【００４６】図１を参照すると、充分な厚さのコーティ
ングが上記基体１２上に形成されると、上記電源１１４
は停止され、アークが消滅する。上記容器１１４は、不
活性ガスによりパージされ、常圧とされる。上記コンタ
クタ２０は、上記カソード１８と接触しなくなるように
駆動され、上記プラッター４８が上記容器１４から取り
出される。上記基体１２は、これに続いて上記プラッタ
ー４８から取り外され、新たな基体１２が装着される。
このようにして装着の済んだプラッター４８は、その後
上記容器１４内に戻され、上述したようにして上記プロ
セスが繰り返されることになる。
【００４７】本発明を実施例の詳細な説明により行って
きたが、当業者によれば形態及び細部への種々の変更
は、本発明の趣旨及び範囲内で行うことができることが
明らかであろう。例えば一例として、上記コンタクタ２
０を冷却する手段は、最良の実施例で示したもの以外に
も用いることが可能であろう。別の実施例では、電源１
１４は、ＬＣＲ回路又は別の改良した手段により、直流
に似せた電流を上記Ｄ．Ｃ．電源１４の代わりに供給す
るものも用いることができる。さらに別の実施例のうち
の最良の実施例としては、１つ又は双方のコンタクタ２
０が駆動されるようになっていても良い。しかしなが
ら、ある場合には固定されたコンタクタ２０を備えてい
ることが好ましい場合もある。
【００４８】
【発明の効果】本発明の効果は、基体への材料のカソー
ドアーク気相堆積を行うための本発明の装置が、コスト
効果良い方法により操作できるように構成されているこ
とにある。本発明の良好なコスト効果を生じさせる特徴
としては、上記カソードにある。本発明のカソードは、
ディスク形状であることが好ましく、また、円形断面の
鋳造物から例えば切削によって得られるようになってい
ることが好ましい。この簡単に形成できるカソードによ
り、高コストの機械加工が最低限とでき、上記カソード
及びコーティングプロセスのコストを軽減できることに
なる。良好なコスト効果を与える別の特徴としては、上
記カソードの浸食が周方向に均一であることを挙げるこ
とができる。この結果、交換が必要とされるまでの上記
カソードの寿命を最大限とすることができる。
【００４９】本発明のさらに別の効果は、上記コーティ
ングプロセスの均一性にある。上記カソードに対する上
記アークの制御手段は、上記カソード浸食を均一化させ
る。特に、上記アークを上記カソードの周方向に対して
実質的に一定の速度で制御することにより、上記カソー
ドに対し、均一な周方向浸食を生じさせることができ
る。上記カソードを取り囲むようにして均等な離間で配
置された基体は、この結果、より均一にコートの堆積が
できる。これに加えて、上記カソードに対する上記アー
クの速度は、磁界強度と供給電流の関数となることであ
る。この結果、上記アークの速度は、電流量を変化させ
ること、磁界強度を変更すること、又はこれら双方によ
り制御できることになる。
【００５０】本発明のさらに別の効果としては、上記カ
ソードに対し上記アークを制御するための手段の簡単さ
と信頼性とにある。上記アークを制御するための手段
は、複数の側部マグネット及び強磁性体製の中心部材を
備えており、スイッチング機構は必要とされない。この
ようにスイッチング機構を設けないことにより、上記制
御手段の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカソードアーク気相堆積装置の概略図
である。
【図２】２つの磁界発生装置を示したコンタクタの断面
概略図である。
【図３】磁界発生装置の概略的な側面図である。
【図４】図３で示した磁界発生装置の上面図である。
【図５】環状の側部マグネットを備えた磁界発生装置の
概略上面図である。
【図６】図５に示した磁界発生装置の側面図である。
【図７】センタマグネットを備えたカソード及び磁界発
生装置について、上記カソードに入り込む磁力線を示し
た概略図である。
【図８】上記カソードに入り込む磁力線を示した上記カ
ソードと上記磁界発生装置の概略図である。
【符号の説明】
１０…カソードアーク気相堆積装置 １２…基体 １４…容器 １６…容器真空維持手段 １８…カソード ２０…コンタクタ ２２…電気エネルギー維持手段 ２４…アノード ２６…冷媒供給源 ２８，３０…冷媒通路 ３２…低真空用機械的真空ポンプ ３４…拡散型真空ポンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ティルス イー．ロイヤル アメリカ合衆国，フロリダ，レイク パー ク，レイク ショア ドライヴ 1025，ア パートメント 201

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 カソードアーク気相堆積法により材料を
    基体に堆積させるための装置であって、 容器と、 前記容器を真空に維持するための手段と、 前記容器内に配置され、第１の端面と第２の端面とこれ
    らの端面の間に延びた蒸発面とを備えたディスク形状の
    カソードと、 アークによる電気エネルギーを前記蒸発面とアノードの
    間で選択的に支持するための手段と、 前記カソードに近接して位置決めされ、前記カソードに
    まで入り込む磁界を発生させるとともに、前記アークを
    前記蒸発面を巡るようにして移動させるための手段とを
    有し、 前記カソードと前記アノードの間に延びた前記アークの
    電気エネルギーにより、前記容器内に配置された前記基
    体に連続的に堆積される前記カソード部分を蒸発させる
    ことを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 前記カソードと前記アノードの間におい
    てアークの電気エネルギーを支持するための前記手段
    は、 前記容器に電気的に連結され、前記容器をアノードとす
    るための正の導線及び前記カソードに電気的に連結され
    た負の導線を備えた電源を有しており、 前記カソードは、電気的に前記容器から絶縁されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記蒸発面を巡るようにして前記アーク
    を移動させるための前記手段は、 強磁性体中心部材と、 この強磁性体中心部材に取り付けられ、前記カソードの
    前記蒸発面に実質的に平行に延びる部分を有する磁界を
    発生させる磁界発生装置を備えていることを特徴とする
    請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記磁界発生装置はさらに、前記強磁性
    体中心部材の側面にそれぞれが取り付けられ、かつ、こ
    の強磁性体中心部材の周りに均一の離間で取り付けられ
    た複数のマグネットを備えていることを特徴とする請求
    項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記マグネットは、永久磁石であること
    を特徴とする請求項４に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記各マグネットは、第１の極形成端部
    とこの第１の極とは反対の極性である第２の極形成端部
    とを備えた円筒形状とされており、 前記各マグネットの前記第１の極形成端部は、前記強磁
    性体中心部材に取り付けられていることを特徴とする請
    求項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記装置はさらに、前記強磁性体中心部
    材及び前記マグネットを被覆し、前記強磁性体中心部材
    及び前記マグネットが浸食されないようにするための保
    護コーティングを有していることを特徴とする請求項６
    に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記装置はさらに、前記カソードの端面
    の１つに接触し、前記磁界発生装置を収容するハウジン
    グを備えることを特徴とする請求項６に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記装置はさらに、前記ハウジングから
    熱エネルギーを選択的に移動させるための手段を備えて
    おり、この熱を移動させるための手段は、前記ハウジン
    グから熱を選択的に移動させるようになっていることを
    特徴とする請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記装置はさらに、前記強磁性体中心
    部材に取り付けられ、この強磁性体中心部材及び前記ハ
    ウジング内部に取り付けられた磁界発生装置を回転させ
    るローテータを備えていることを特徴とする請求項６に
    記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記ローテータは、 前記容器の外側に配設された駆動モータと、 前記強磁性体中心部材に取り付けられたロッドとを備え
    ていて、前記ロッドは、前記容器の外側にまで延ばさ
    れ、かつ、前記駆動モータにより選択的に回転されてい
    ることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記磁界発生装置は、径方向内側面と
    この径方向内側面とは逆の極とされた径方向外側面を有
    する環状マグネットを備え、前記径方向内側面は、前記
    強磁性体中心部材に取り付けられていることを特徴とす
    る請求項３に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記環状マグネットは、複数のマグネ
    ットセグメントが集合して形成されていることを特徴と
    する請求項１２に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記装置はさらに、前記カソードの端
    面のうちの１つに接触し、前記磁界発生装置を内側に収
    容するハウジングを有していることを特徴とする請求項
    １２に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記装置はさらに、前記ハウジングか
    ら熱エネルギーを選択的に移動させるための手段を備え
    ており、この熱を移動させるための手段は、前記ハウジ
    ングから熱を選択的に移動させるようになっていること
    を特徴とする請求項１４に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記装置はさらに、前記強磁性体中心
    部材に取り付けられ、この強磁性体中心部材及び前記ハ
    ウジング内部に取り付けられた磁界発生装置をを回転さ
    せるローテータを備えていることを特徴とする請求項１
    ２に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 前記ローテータは、 前記容器の外側に配設された駆動モータと、 前記強磁性体中心部材に取り付けられたロッドとを備え
    ていて、前記ロッドは、前記容器の外側にまで延ばさ
    れ、かつ、前記駆動モータにより選択的に回転されてい
    ることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 前記装置はさらに、前記強磁性体中心
    部材に取り付けられ、この強磁性体中心部材及び前記ハ
    ウジング内部に取り付けられた磁界発生装置をを回転さ
    せるローテータを備えていることを特徴とする請求項３
    に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記ローテータは、 前記容器の外側に配設された駆動モータと、 前記強磁性体中心部材に取り付けられたロッドとを備え
    ていて、前記ロッドは、前記容器の外側にまで延ばさ
    れ、かつ、前記駆動モータにより選択的に回転されてい
    ることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記カソードの端面のうちの１つに接
    触し、前記磁界発生装置を内側に収容するハウジングを
    有していることを特徴とする請求項３に記載の装置。
  21. 【請求項２１】 前記装置はさらに、前記ハウジングか
    ら熱エネルギーを選択的に移動させるための手段を備え
    ており、この熱を移動させるための手段は、前記ハウジ
    ングから熱を選択的に移動させるようになっていること
    を特徴とする請求項２０に記載の装置。
  22. 【請求項２２】 前記蒸発面を巡るようにして前記アー
    クを移動させるための手段は、 強磁性体中心部材にそれぞれ取り付けられ、対となった
    磁界発生装置を備えており、 前記磁界発生装置のうちの１つは、前記第１の端面に近
    接して配置され、前記磁界発生装置の別の１つは、前記
    第２の端面に近接して配置されていて、 前記各磁界発生装置は、前記カソードの蒸発面に実質的
    に平行に延びる部分を有する磁界を発生させていること
    を特徴とする請求項１に記載の装置。
JP10245461A 1997-08-30 1998-08-31 カソードアークコータのアーク制御装置 Pending JPH11140631A (ja)

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US08/919,132 US6036828A (en) 1997-08-30 1997-08-30 Apparatus for steering the arc in a cathodic arc coater

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