(57)【要約】アーク放電が作用する表面を有するターゲットからなり、前記ターゲットは磁界発生装置の作用範囲内に配置され、前記磁界発生装置は反対極性を有する少なくとも２つのマグネットシステムからなると共に、発生する当該磁界の前記表面に対する垂直成分Ｂ^が前記表面の大部分にわたって基本的にコンスタントに小さな値を有するかまたはゼロとなるように形成されている真空アークソースならびにその作用方法が開示される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク放電が作用する表面を有するターゲットからなり、前記ターゲットは磁界発生装置の作用範囲内に配置されている真空アークソースであって、前記磁界発生装置は反対極性を有する少なくとも２つのマグネットシステムからなると共に、発生する当該磁界の前記表面に対する垂直成分Ｂ^が前記表面の大部分にわたって基本的にコンスタントに小さな値を有するかまたはゼロとなるように形成されていることを特徴とする、アークソース。
【請求項２】
請求項１において、前記の垂直磁界成分Ｂ^の値は３０ガウス以下、好ましくは２０ガウス以下、特に好ましくは１０ガウス以下であることを特徴とする、アークソース。
【請求項３】
前述の請求項のいずれか１項において、前記表面の大部分とはターゲット表面の中心領域から端縁領域にまで及び、しかも詳細に言えば、前記の大部分とはターゲット表面のジオメトリ決定寸法の少なくとも５０％、特に好ましくは６０％またはそれ以上を包括していることを特徴とする、アークソース。
【請求項４】
前述の請求項のいずれか１項において、ターゲット表面の端縁領域において前記の垂直磁界成分の値Ｂ^Rはターゲット表面の中心領域における値Ｂ^Mに比較して上昇、下降および／または前置記号が変化していることを特徴とする、アークソース。
【請求項５】
前述の請求項のいずれか１項において、平行磁界成分Ｂeeの値はターゲット表面の中心において基本的にゼロであって、ターゲット表面の端縁方向に向かって上昇または下降し、好ましくはターゲット中心に対して相称的に、特に好ましくは基本的に線形に上昇することを特徴とする、アークソース。
【請求項６】
前述の請求項のいずれか１項において、反対極性を有する少なくとも２つの前記のマグネットシステムのうち第１のマグネットシステムはターゲットの背後に取り付けられた少なくとも１つの第１の電磁コイルからなることを特徴とする、アークソース。
【請求項７】
請求項６において、前記の第１のコイルの内径は基本的にせいぜい＋／−３０％、好ましくは＋／−２０％の差でターゲット表面の外側寸法の投影面と重なり合っていることを特徴とする、アークソース。
【請求項８】
請求項１から５までのいずれか１項において、反対極性を有する少なくとも２つの前記のマグネットシステムのうち第１のマグネットシステムはターゲットの背後に取り付けられた１つまたは複数の永久磁石からなることを特徴とする、アークソース。
【請求項９】
請求項８において、前記の１つまたは複数の永久磁石はそれ自体が低い磁界強度を有するかまたはターゲット表面に生ずる磁界強度が低くなるようなターゲットからの離間間隔を有することを特徴とする、アークソース。
【請求項１０】
前述の請求項のいずれか１項において、反対極性を有する少なくとも２つの前記のマグネットシステムのうち第２のマグネットシステムは第１のマグネットシステムと同軸に配置された少なくとも１つの第２のコイルからなることを特徴とする、アークソース。
【請求項１１】
請求項１０において、前記の第２のコイルは第１のマグネットシステムの後方に配置されていることを特徴とする、アークソース。
【請求項１２】
請求項１０において、前記の第２のコイルはターゲットから離間して配置されているこ
とを特徴とする、アークソース。
【請求項１３】
請求項１０において、前記の第２のコイルは第１のマグネットシステムを少なくとも部分的に同軸的に包囲していることを特徴とする、アークソース。
【請求項１４】
請求項１０から１３までのいずれか１項において、前記の第２のコイルは第１のコイルよりも高い巻数および／または大きな直径を有することを特徴とする、アークソース。
【請求項１５】
前記請求項のいずれか１項において、ターゲットは陰極として接続されていることを特徴とする、アークソース。
【請求項１６】
前記請求項のいずれか１項において、ターゲットは陽極として接続されていることを特徴とする、アークソース。
【請求項１７】
請求項１から１６までのいずれか１項に記載の少なくとも１つのアークソースが配置されている、真空装置。
【請求項１８】
請求項１７において、前記の少なくとも１つのアークソースは装置軸の方向に作用し、発生したプラズマビームを偏向するために装置軸と同軸に配置されたさらに別の少なくとも１つの電磁コイルを有することを特徴とする、装置。
【請求項１９】
請求項１８において、前記のさらに別の少なくとも１つのコイルは、前記の少なくとも１つのアークソースによって発生させられたプラズマビームの向きを可変的に偏向させるため、制御装置を備えた少なくとも１つの時間的に可変的な電源に接続されていることを特徴とする、装置。
【請求項２０】
請求項１８から１９までのいずれか１項において、さらに別の少なくとも２つの電磁コイルが好ましくは装置の上部流域ならびに下部領域または適切な側方境界領域に装置軸と同軸に配置され、これらのコイルは異なったまたは同一の直径ないし基本的にヘルムホルツ配置に応じた構造を有することを特徴とする、装置。
【請求項２１】
アークソースのターゲット表面に磁界発生装置を用いてアーク放電を作用させる方法であって、前記の磁界発生装置によって、当該磁界の垂直成分Ｂ^がターゲット表面の大部分にわたって基本的にコンスタントにゼロに近いかまたはゼロで推移する磁界がターゲット表面に発生させられることを特徴とする、方法。
【請求項２２】
請求項２１において、前記の垂直磁界成分Ｂ^の値は３０ガウス以下、好ましくは２０ガウス以下、特に好ましくは１０ガウス以下に設定されることを特徴とする、方法。
【請求項２３】
請求項２１から２２までのいずれか１項において、前記の磁界は、基本的にコンスタントにゼロに近いかまたはゼロで推移する垂直成分Ｂ^を有する前記のターゲット表面の大部分はターゲット表面の中心領域から端縁領域にまで及び、しかも詳細に言えば前記の中心領域はターゲット表面のジオメトリ決定寸法の少なくとも５０％、特に好ましくは６０％またはそれ以上を包括するようにして、設定されることを特徴とする、方法。
【請求項２４】
請求項２１から２３までのいずれか１項において、ターゲット表面の端縁領域において前記の垂直磁界成分の値Ｂ^Rはターゲット表面の中心領域における値Ｂ^Mに比較して上昇、下降および／または前置記号が変化するようにして設定されることを特徴とする、方法。
【請求項２５】
請求項２１から２４までのいずれか１項において、平行磁界成分Ｂeeの値はターゲット表面の中心において基本的にゼロでかつターゲット表面の端縁方向に向かって上昇し、好ましくはターゲット中心に対して相称的に上昇するように設定され、その結果、スパークに対して接線方向において時計周り方向または反時計回り方向に作用する力はターゲットの端縁に向かって増加することを特徴とする、方法。
【請求項２６】
請求項２１から２４までのいずれか１項において、さらにターゲットの前方領域に、ターゲット表面に対して基本的に垂直に向いた１つの磁界が発生させられることを特徴とする、方法。
【請求項２７】
請求項２１から２６までのいずれか１項において、磁界強度はターゲット材料および／またはターゲット厚さに適合されることを特徴とする、方法。
【請求項２８】
請求項２１から２７までのいずれか１項において、前記の磁界発生装置はターゲットの背後に配置された少なくとも１つのコイルからなり、磁界設定のために１つの電圧源が少なくとも１つの前記コイルに印加される結果、電流は第１の方向に流れることを特徴とする、方法。
【請求項２９】
請求項２１から２７までのいずれか１項において、前記の磁界発生装置はターゲットの背後に配置された１つまたは複数の永久磁石で構成される少なくとも１つのマグネットシステムからなることを特徴とする、方法。
【請求項３０】
請求項２８から２９までのいずれか１項において、少なくとも１つの第２のコイルがターゲットの後方、前方またはターゲットを包囲して配置され、磁界調整のため、第１のマグネットシステムによって発生させられた磁界とは反対向きの第２の磁界が発生するようにして第２のコイルに電圧が印加されることを特徴とする、方法。
【請求項３１】
請求項２０から２９までに記載の方法のいずれかを使用して加工物、特に切削工具および／または部品をコーティングするための方法。
【請求項３２】
請求項１から１６までに記載のいずれかのアークソースを使用して加工物、特に切削工具および／または部品をコーティングするための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク放電を作用させるための請求項１に記載の真空アークソース、この種のアークソースを備える請求項１７に記載の装置ならびにアーク放電を作用させるための請求項２１に記載の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空チャンバ内における各種材料の蒸発用および／またはイオンソースとして知られているアークソースは各種加工物のコーティングおよび前処理に使用される。アークソースのターゲット表面を運動する―以下、スパークと称する―アークによって点状にもたらされる高いエネルギにより、ガス状の、大半は電離した粒子が放出されるほかに、特に、爾後に爆発的な蒸発を伴うスパークの“局所融蝕”に際して、直径が数マイクロメータからそれ以上に及ぶことのあるマクロ粒子も放出されるに至る。したがって、たとえば前以て研磨処理された加工物のコーティング後の表面粗さはコーティング膜表面に付着したもしくはコーティング膜内に入り込んだマクロ粒子の数と大きさとによって大きく影響される。それゆえこのようにして蒸着されたコーティング膜は相対的に粗く、これはコーティングされた切削工具または部品の使用に際して不適な影響をもたらすこととなる。さらにマクロ粒子の大半は比較的フラットな角度でターゲット表面からはじき出されるため、コーティング工程に際して貴重な材料が真空チャンバの内面に堆積して、失われてしまうことになる。
【０００３】
よりスムーズなコーティング膜を蒸着させるため、さまざまな解決方法が提案された。一例として、たとえば加工物の目視圏外にアークソースが取り付けられて、電離した粒子は磁界によって加工物の方向に誘導された。これによって、技術コストの高まりを甘受すれば、よりスムーズなコーティング膜を実現することができたが、同時にコーティング速度は大幅に低下した。
【０００４】
さらに、スパークをターゲット表面全体にわたって所定のトラック上をできるだけ迅速に運動させ、こうして小さな面積への高いエネルギ注入あるいは“局所融蝕”を回避するべく、さまざまなアークソースが開発された。この場合、スパークはたとえばターゲットの背後を運動する１つまたは複数の磁石によって、閉じた円形トラックを運動するように強制された。
【０００５】
スパークを制御するさらに別の可能性は米国特許第５，２９８，１３６号［ＵＳ  ５，２９８，１３６］明細書に記載されている。同明細書は従来の技術のうち最新のものと見なされる。同書に開示されたアークソースはターゲット背面まで導かれた中央極片を備えた杯状の磁極片とその間に配置されたコイルとによって後方側方から包囲される円形ターゲットを示している。これによってターゲット上方に磁界が発生し、その垂直成分はターゲット中心で正の最大値を有し、シンメトリックに徐々に小さな値に低下して端縁領域で負の最小値に達し、続いて再び漸近的に横座標の方向に上昇する。同様な磁界は公知の方法でターゲット背面に永久磁石を配置することによっても発生させることができる。この場合、磁力線の横軸（つまり、磁界の方向の変化に対応するゼロ点）の通過はターゲット表面に、磁界の垂直成分が同所でゼロである完全な（円形の）線を形成する。このゼロ線上で、たとえばターゲットが陰極に接続されている場合に、技術的なビーム方向に応じてプラズマからターゲットに進入するスパークは半径方向には加速されないが、この線上で磁界の平行成分が最大値を有するため、接線方向に高い加速を得ることになる。このようにして達成されたスパークの高い回転速度は“局所浸食”を効果的に防止するが、基本的にターゲットの狭い円環状範囲しか融蝕されないために、同時に不適なターゲット利用率
を結果することとなる。
【０００６】
これを改善するため、さらに、ターゲットと極片とを上部領域で包囲し、極片とその中に配置されたコイルとによって発生するゼロ線の半径を半径方向に変位させることのできるソレノイドコイルが設けられた。
【０００７】
しかしながら、双方のコイルにそれぞれ独立した電流／電圧−制御装置が設けられなければならず、しかもそのうち少なくとも一方はターゲット上におけるゼロ線の周期的な膨張／収縮を可能とするために時間的に可変的な電流／電圧信号の出力に適していなければならないため、こうした対策に要される技術コストは比較的高いものとなる。しかも、高いコストにもかかわらず、このようにして形成されたアークソースにおいても、ターゲット中心部の相対的に広い領域はわずかに融蝕されるにすぎないかあるいはまったく融蝕されないこととなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明の目的は従来の技術が有する前述した短所を取り除くことである。本発明の目的は、特に、従来のソースないし従来の方法に比較して総じて改善された、高度なコーティング膜品質による、より経済的な処理工程を可能とする真空アークソースとアーク放電を作用させるための方法とを実現することである。詳細に言えばこれは特に以下の諸点に関する：
―ターゲット利用率の改善
―ターゲット耐久寿命の延長
―ターゲット当たりの達成可能コーティング工程の向上
―工程時間の減少
―蒸着膜の表面粗さの減少。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明によれば、請求項１に記載の真空アークソース、請求項１７に記載の真空装置、ならびに請求項２１に記載の方法による処理が提案される。
【００１０】
驚くべきことに、ターゲット表面の磁界をその垂直成分Ｂ^がターゲット表面の大部分にわたって基本的にコンスタントにゼロに近いかまたはゼロで推移するように設定すれば、ターゲット表面の全体または少なくともその大部分にわたってスパークが迅速かつ一様に運動するスパーク挙動が可能となることが判明した。これにより、一方で、個々のスパークによって単位時間にターゲット表面で溶融される領域は小さくかつ溶融池から放出されるマクロ粒子の大きさと数とは減少する。他方で、これにより、ターゲットの比較的狭い領域を強制案内されるスパークによるよりも優れた収率を達成することができる。
【００１１】
この場合、磁界成分Ｂ^は３０ガウス以下、好ましくは２０ガウス以下、特に好ましくは１０ガウス以下に選択されるのが好適である。ターゲット表面の端縁領域では、垂直磁界成分の値Ｂ^Rをターゲット表面の中心領域における値Ｂ^に比較して上昇、下降および／または前置記号を変化させて設定することができる。
【００１２】
この場合、ターゲット表面の大部分、つまり垂直成分Ｂ^が基本的にコンスタントにゼロに近いかまたはゼロで推移する領域はターゲット表面の中心領域から端縁領域にまで及び、ジオメトリ決定寸法の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも６０％を包括しているのが好適であり、したがってたとえば方形ターゲットの場合には辺ａ，ｂの少なくとも５０ないし６０％を、円形ターゲットの場合には半径の少なくとも５０ないし６０％を包括しているのが好ましい。ターゲット表面の端縁領域では、垂直磁界成分の値Ｂ^Rをター
ゲット表面の中心領域における値Ｂ^に比較して上昇、下降および／または前置記号を変化させて設定することができる。
【００１３】
この場合、水平磁界成分Ｂeeの値は中心において基本的に同じくゼロに、ただしターゲット表面の端縁に向かって好ましくはターゲット中心に比較して相称的に上昇するようにして設定することができる。たとえば円形ターゲットの場合に端縁から中心領域近傍までほぼ線形に上昇する成分Ｂeeを有する磁界が印加されれば、スパークに対して接線方向において時計回り方向または反時計回り方向に作用する力はターゲットの端縁に向かって増加し、これによってスパークは半径全体にわたってほぼコンスタントな角速度で運動し得ることとなる。
【００１４】
こうした磁界は、少なくとも２つの反対極マグネットシステムからなる磁界発生装置付きの真空アークソースによってつくり出すことができる。
【００１５】
以下、こうした磁界をターゲット表面全体にわたってつくり出すことのできる種々の真空アークソースを例示によって説明する。
【００１６】
少なくとも２つの反対極マグネットシステムの第１のマグネットシステムとして、たとえばターゲットの背後に取り付けられた第１の電磁コイルを設けることができ、このコイル自体はまたも複数のコイルから構成されていてよい。この場合、第１のコイルの内径は基本的にせいぜい＋／−３０％、好ましくは＋／−２０％の差でターゲット表面の外側寸法の投影面と重なり合っているのが好適である。これにより、通電コイルに電圧が印加されると、均一な、ターゲットの表面に対して基本的に垂直に走る磁界が発生する。ターゲット表面の大部分において垂直成分に比較して小さな平行磁界成分はターゲット表面の中心領域においてゼロであり、端縁に向かって上昇する。また、これよりもっと大きな第１のコイルを使用することも可能であるがほとんど実用的ではなく、また、これより小さな直径のコイルを使用する場合には平行成分は過大となり、あるいはこの場合に望ましくない磁界の方向の変化すら招来することとなる。
【００１７】
こうした磁界はソレノイドコイルしたがって管状コイルによって、付加的な磁極片ないし磁心なしで発生させることができる。この場合、磁界の平行成分の割合はターゲット表面との間隔ないしコイル直径に応じて増加または減少する。
【００１８】
第１のマグネットシステムを形成する別の方法は、ターゲットの背後にもしくはターゲット背面に固定された冷却板の背後に取り付けられた１つまたは複数の永久磁石でそれを構成することである。これによってターゲット表面に発生する磁界は前述したソレノイドコイルの磁界におおよそ相当し、したがって相対的に小さいことが必要であろう。それゆえ、永久磁石はそれ自体が低い磁界強度を有するかまたはターゲットから適切に離間して配置される必要があろう。さらに、ここで前述したコイルを使用する場合と同様に、すでに第１のマグネットシステムによってターゲット表面での磁界の方向の反転が招来されることがないように注意しなければならない。したがって、従来の技術から公知の、たとえばターゲット中心領域と端縁領域との間で極性が交代するような配置は回避されなければならない。この場合、１つの容易な方法は、設定さるべき磁界強度に応じ単層または多層のディスクまたは多角形の形の、ターゲットの背面に上記と同様にターゲット表面の外側寸法の＋／−３０％、好ましくは＋／−２０％の領域までできるだけ均一に装着することのできる薄いいわゆるプラストフェライト磁石を使用することである。
【００１９】
第２のマグネットシステムとして、第１のマグネットシステムを包囲するもしくは該システムと同軸に配置された少なくとも１つのコイルを設けるのが好適である。このコイルはたとえば第１のマグネットシステムまたはターゲットを側方から包囲するかまたは好ま
しくは第１のマグネットシステムまたはターゲットの後方に配置されていてよい。
【００２０】
第１のマグネットシステムの後方に配置された第２のコイルについても、第１のマグネットシステムないし第１のコイルの直径よりもおおきな直径を備えるのが好適である。また、第１のマグネットシステムの作用と連携するターゲット表面での垂直磁界を基本的にゼロに設定することがそれによって容易になることから、同じく、より多くの巻数を備えるのが好適であることも判明した。巻数が同じ場合には、その作用は遥かに高い電流フローによって設定されなければならないこととなり、それによって第２のコイルに熱的過負荷が招来されることになろう。さらに、こうしたこの場合相対的に強力な第２のコイルによって、第１のマグネットシステムの作用とは反対向きの第２のマグネットシステムも真空チャンバ内に作用して、さもなければ拡散的なアークプラズマをプラズマジェットとも称される１つのプラズマビームに集束することを可能にする磁界を発生させることができる。この場合、第２のマグネットシステムの正反対の平行成分はターゲットからの間隔に応じて部分的または全面的に相殺され、これが集束を招来し、他方、第２のマグネットシステムの相対的に強力な垂直成分はターゲットの直近の表面領域でのみ相対的に弱い第１のマグネットシステムによって打ち消される。これは処理さるべき加工物に向いた粒子ビームをそれによって発生させることができるために好適であり、これによってたとえば、より高いエッチング速度またはより急速な堆積膜成長が可能となり、またそれによって達成される工程時間の短縮により総じてターゲット寿命の延長が可能となる。
【００２１】
さらに、第１のマグネットシステムならびに第２のマグネットシステムをいずれもターゲット背後に配置することにより、双方のマグネットシステムを外側から接近し得るようにして組付けることができるとともにそれらを処理チャンバ内の高温ならびにコーティングに曝露しないようにすることができるという利点が得られる。
【００２２】
同等な効果はターゲット前方に離間して配置されたコイルによっても達成することが可能である。第１のマグネットシステムとして同じく１つのコイルが使用される場合には、第２のコイルも同様にもしくは同一に構成されていてよい。コイルをこのように多かれ少なかれターゲットに対してシンメトリックに配置する場合には、プラズマジェットを発生させるために、第２のコイルの磁界は第１のコイルの磁界よりも必ずしも大きい必要もなく、したがって同様なジオメトリを有する双方のコイルを１つの共通の電流／電圧源で作用させることも可能である。この場合、磁界の微調整は制御式抵抗によるかまたは少なくとも一方のコイルの離間間隔の調整によって容易に行なうことができる。ただしこの場合には、第２のマグネットシステムはアークソースの粒子ビームに曝露されているため、補助的な保護対策たとえば冷却ないし取外し式保護被覆またはその他の公知の対策を講じて連続的作用を保証することが必要である。
【００２３】
第１のマグネットシステムにも、第２のマグネットシステムにもそれぞれ少なくとも１つのコイルが使用される場合には、上述した一連の実施例から容易に推定し得るように、それぞれ印加される電圧源（単数ないし複数）はコイル電流がそれぞれ正反対の方向に、つまり基本的に時計回り方向ないし反時計周り方向に流れるようにして印加されなければならない。
【００２４】
上述したように、磁界発生装置は陰極または陽極に接続されて動作する特にフラットないずれのアークソースの使用時にも適しており、少なくとも１つのコイルが使用される場合には、たとえばコイル電流の変化あるいはまたターゲット表面からの一方のマグネットシステムの離間間隔の変化によって各種のターゲット材料および／またはターゲット厚さに容易に適合させることが可能である。ターゲットジオメトリはそれぞれの必要に適合させることができ、当該磁界発生装置も本発明によりたとえば円形ソースにも方形または多角形ソースにも合った仕様に形成することが可能である。
【００２５】
したがって、エッチングないしコーティング工程中のコイル電流（単数または複数）の変化は、原理的に可能であっても、不必要である。スパークは引き続き、いわゆる“ランダムアーク”ソースから知られているのと同様に、偶然パターンを描いてターゲット表面上を運動するが、本発明によって形成されたアークソースの磁界によって、アークが微細に分布し、スパッタ発生頻度が大幅に減少されるようにして案内ないし加速されることとなる。この場合、驚くべきことに、垂直磁界成分も平行磁界成分もともに非常に小さいかもしくはゼロであるターゲット中心領域においてもスパークによる局所侵食はなんら確認することはできなかった。
【００２６】
本発明によるアークソースで達成される制御作用によって、発生したプラズマビームは真空処理装置のチャンバ内で付加的に発生させられる磁界によって好適に制御することができる。たとえば１つまたは複数のアークソースが真空処理装置の軸方向に配置され、同時に、装置軸と同軸配置されたさらに少なくとも１つの電磁コイルが設けられる場合には、これにより、アークソースによって発生させられたプラズマビームを偏向させることができる。少なくともさらに１つのコイルが制御装置を備えた時間的に可変的な電源に接続されれば、プラズマビームを可変的にチャンバ内のさまざまな領域に向けることができる。たとえば、エッチング工程用プラズマビームは加工物の脇を通過させ、あるいはコーティング工程用のプラズマビームは好ましくは周期的に加工物上を案内されるようにすることが可能である。
【００２７】
この場合、少なくとも装置軸を中心にして複数のソースをシンメトリックに配置する際には、装置軸と平行なできるだけ均一な磁界をチャンバ内に発生させることのできるコイル配置を選択するのが好適であることが判明した。これはたとえば少なくともさらに２つの電磁コイルを備え、これらのコイルが好ましくは装置の上部領域ならびに下部領域または適切な側方境界領域に配置された装置によって達成することができる。この場合、コイルは異なった直径を有するかまたは基本的にヘルムホルツコイル配置に応じた同一の直径を有していてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、概略的に示した図面を参照し、本発明を例示によって説明する。
【００２９】
図１は、ガス供給装置４とここでは詳細不図示の多様な給電装置およびポンプ装置とを備えた真空処理装置１のチャンバ内に取り付けられて、加工物３に作用する本発明によるアークソース２を示している。図示実施例において２つのマグネットシステム９，１０は電磁コイルの形で形成されており、ターゲット６の後方で、ターゲット背面プレート８と連携して装置を周囲空気から封止するソースインサートピース７の内部ないし脇に配置されている。第１のマグネットシステム９に対応する第１のコイルはターゲット６のすぐ背後ないし公知の方法で水冷されるターゲット背面プレート８の背後に配置されている。第２のマグネットシステム１０に対応する第２のコイルも同じくターゲット６の後方に配置されているが、ただし第１のコイル９よりも大きな内径ないし外径を有している。この場合、第１のコイル９と第２のコイル１０との間の間隔は０〜２００ｍｍ、若干の実施例では６７ｍｍに設定された。双方のコイルはチャンバの外部にあり、したがって容易に接近可能であって、必要に応じ、容易な方法で冷却することが可能である。この実施例では、コイルへの給電用に独立した２つの直流電源１１，１２が設けられており、これらはそれぞれの工程ないしそれぞれのターゲットに求められる直流を供給する。
【００３０】
ターゲットとしては、各種材料たとえばチタン［Ｔｉ］ないしチタン・アルミニウム合金［ＴｉＡｌ］からなる直径１６０ｍｍ、厚さ６ｍｍの円板を製造することができる。当業者には公知のように、厚さがこれよりも厚いターゲットならびに薄いターゲットならび
に他の形状のターゲットも使用可能である。コイルジオメトリならびにコイル電流の設定例は表１から看取される通りである。この場合、所望の効果を達成し得るように、双方のコイルはそれらを流れる電流が電気的に逆になるようにして電源装置と接続された回路を形成している。
【００３１】
【表１】
2006510803.tif 000003
【００３２】
表２は当該アークソースに関する好適な作用パラメータと作用限界値とをまとめたものである（ターゲット直径  約１６０ｍｍ、厚さ［ｄ］＝６〜１２ｍｍ、ターゲット材料：チタン［Ｔｉ］ないしチタン・アルミニウム合金［ＴｉＡｌ］）。
【００３３】
【表２】
2006510803.tif 000004
【００３４】
表３はさらに、窒化チタン［ＴｉＮ］ないし窒化チタン・アルミニウム合金［ＴｉＡｌＮ］を蒸着するための２つの事例としての作用態様を挙げたものであり、基板にはいわゆるバイアス電圧が印加された。
【００３５】
【表３】
2006510803.tif 000005
【００３６】
テストは八角形断面を有し、コーティング堆積量が約１０００リットルのバルツァー社［Ｆｉｒｍａ  Ｂａｌｚｅｒ］のＲＣＳ−コーティング装置で実施された。コーティングチャンバの直径は１０７０ｍｍ、高さは８３０ｍｍであった。
【００３７】
図２は円形ターゲット6を例として、ターゲット表面で発生させられた放射相称磁界がスパークに作用する力を概略的に示したものである。この場合、スパークは運動する点電荷Ｑarcと見なされる。
【００３８】
一般に磁界内で運動する帯電した粒子は力Ｆ＝Ｑ（ｖ×Ｂ）によって偏向される。この場合、Ｆは磁界内で運動する電荷Ｑに作用する力であり、ｖは磁力線に対して直角に運動する電荷Ｑの速度であり、Ｂは磁界の磁束密度である。ターゲット表面に対して基本的に垂直に向いたスパークのビームＩarcを、ターゲット陰極の電磁界による―印加された磁界に比較して―僅かな影響を無視して観察すれば、帯電した粒子はターゲット表面と平行な、したがってビームＩarcに対して垂直な方向の、放射相称磁界Ｂeeの力Ｆeeによって、磁力線に対して直角なスパーク挙動の加速、つまり磁界の方向に応じて時計回り方向または反時計回り方向の加速を得る。他方、ターゲット表面に対して垂直に向いた、外側磁界の磁界成分Ｂ^-ないしＢ^+は、ベクトルのクロス乗積ｖ×Ｂがこの場合ゼロであることから、さしあたり垂直に進入するビームＩarcの荷電粒子の偏向を生じない。スパークがターゲット表面への的中に際する偏向によって、たとえば平面図で示したように時計回りとは逆向きに偏向され、したがってターゲット表面と平行な速度成分も有するようになって初めて、今や、垂直な磁界成分Ｂ^-およびＢ^+によって発生した２つの力Ｆ^-およびＦ^+も作用することとなる。Ｂ^-によってスパークは図示したようにターゲット中心に向かって偏向され、他方、Ｂ^+はスパークに、それをターゲット端縁に向かって運動させる速度成分を与える。
【００３９】
この効果は、従来の技術の評価に際して触れたように、時間的に可変的な給電による２コイルシステムにより、スパークを垂直な磁界成分Ｂ^の、半径方向に変位可能な零位線に沿ってターゲット表面上を案内するのに利用することができる。
【００４０】
永久磁石によって構成された公知の磁界の一例として図３はターゲット表面上の磁界平行成分ならびに磁界垂直成分を示している。このマグネトロン装置において、ターゲットの裏面側には端縁領域に同一極配列の周回磁石が取り付けられ、これに対してターゲット中央に１つまたは複数の反対極の磁石が配置されている。スパッタマグネトロン用のマグネトロン装置に比較して、ここで同様に配置された磁石は所望の案内効果を達成するため遥かに低い磁界強度を有している。
【００４１】
図４は図３から生ずる、プラズマから表面に対して垂直にアークするスパークないし、平行磁界によって円形状に偏向されたスパークＩarcにターゲット表面のポジション１〜７で作用する力のベクトルを表したものである。この場合、Ｂeeは接線方向に作用する力Ｆeeを生じ、Ｂ^はそれに対して垂直に、したがって半径方向に作用する作用力Ｆ^をターゲット面に生ずる。実際にあっては、スパーク挙動はターゲット中心から４〜６ｃｍの半径方向間隔を保った基本的に円環状の領域を推移し、同所から周期的にターゲット中心に向かって収縮することが判明している。こうしたスパークの挙動は半径方向間隔５ｃｍにおいて垂直磁界はゼロで、平行磁界が最大であることから生ずる。平行磁界によってスパークは図２に示したように接線方向の運動を得る。垂直磁界は４〜６ｃｍの半径方向間隔ではゼロと大して異ならないことから、スパークはターゲット中心に向かってもターゲット端縁に向かっても運動せず、基本的に前述した円環領域内を運動する。
【００４２】
ただし、図３に示したように、磁界の平行成分はターゲット中心で零位線を通過し、他方、垂直成分は最大値を通過する。強力な円環状平行磁界の案内からターゲット中心方向にいったん外れたスパークは同所でなんら偏向を受けないかまたは少なくともわずかな偏向を受けるにすぎないが、これは垂直に進入するスパークは弱い力Ｆeeによってほとんど加速されず、それゆえ大きな力Ｆ^がほとんど作用しないからである。したがってスパー
クの運動はターゲット表面の中心領域において緩慢となり、同所を局部的に激しく加熱することから、ターゲット材料は爆発的に蒸発し、それによってスパークは消滅する。これは中性粒子（スパッタ）の放出の高まりも結果すると同時にターゲット中心領域のターゲット融蝕を結果する。スパークのこうした挙動は、ターゲット表面の比較的小部分のみが浸食され、それによって浸食溝が形成されるとともにターゲットの機械的安定性を維持するために頻繁なターゲット交換が必要になるという点からも、現実に不適であることが判明している。またそのため、ターゲット寿命の終了前に、多くの場合に高価なターゲット材料のごく一部が蒸発させられるにすぎないこととなる。
【００４３】
図５は、たとえば図１で説明したアークソースによりターゲット表面ないしその直前に２つのコイル磁界の重ね合わせによって発生させられるような本発明による磁界の垂直成分Ｂ^と平行成分Ｂeeの推移を示したものである。この場合、コイル電流は表１に示したようにコンスタントに、第１のコイル９については１．５Ａに、第２のコイル１０については５Ａに―図１から表１の（１）および（２）に代わる符号を読み取られたい！―定された。
【００４４】
こうして生じた磁界は、図３とは異なって広い領域にわたってコンスタントであって著しく小さな値を有する垂直成分の推移を特徴としている。たとえばここで垂直成分Ｂ^は＋５〜−５ガウスの間を推移しており、他方、図３に示した垂直成分は＋８０〜−１２０ガウスの間を変動し、中心領域に顕著な最小値を有している。図５に示した平行成分Ｂeeも図３に示した平行成分よりも総じて弱いものである。Ｂeeはターゲット端縁での約２０ガウスの値から開始して、おおよそ４ガウス／ｃｍの勾配で、変曲点（曲座標表示における極小値に相当する）の近傍までほぼ線形に推移している。このカーブは変曲点の近傍で初めて著しく扁平化する。この場合、最大Ｂee値と結びついた１つまたは複数のＢ^零位線の形成はターゲット投影面とほぼ同じ内径を有する第１のコイルによって意識的に回避され、こうしてスパークは選好的なルートを強制されることがなく、したがってたとえば周回レーストラックのような際立った浸食パターンの形成が回避される。同様な磁界は公知のように永久磁石によって発生させることも可能である。
【００４５】
図６は、図４と同様に、図１に説明したような本発明によるアークソースによりターゲット表面のポジション１〜７でスパークに作用する力のベクトルを表したものである。これにより、本発明によって形成ないし作用させられるマグネットシステムがターゲット中心へのスパークの不適な収縮を効果的に防止する理由が説明されよう。外側に向かって基本的に連続的に高まる平行な力の成分Ｆeeによってスパークはターゲットの半径領域全体にわたって比較的コンスタントな角速度を得ることとなり、したがってスパークはそれがターゲット中心から離れていればいるほどそれだけいっそう急速に運動する。同時に、中心領域で作用する求心的な力の成分Ｆ^は図４に示したそれよりも小さい。
【００４６】
この種のアークソースの作用時には、アークビームがターゲットの領域全体を浸食する多数の小さなスパークに微細に細分されることが観察される。さらに、双方のコイル磁界の重ね合わせによって生じた磁界はプラズマを１本のプラズマジェットに集束させる遠隔場を形成し、こうして生じたプラズマジェット自体は補助コイルによって偏向させることができる。ターゲット性能が同一の場合に浸食は従来のアークソースの場合と少なくとも同程度であることから、イオンビームを加工物３の方向に配向すれば、より高いコーティング速度が得られることとなる。こうした集束はそれぞれの要件に応じて広い範囲で、たとえばコイル電流の調整により、それぞれの特にジオメトリ条件たとえば所望の堆積高さ、基材−ターゲット−間隔などに適合させることができる。
【００４７】
図７と図８は本発明によるアークソースのさらに別途の２つの実施例を示したものであり、図７では、第２のマグネットシステム１０は第１のマグネットシステム９を包囲し、
他方、図８では、第２のマグネットシステム１０はターゲット６の前方に配置されている。図８に示したアークソースにおいて、特に、第１と第２のマグネットシステムがターゲットに対して作用上からしてシンメトリックに配置され、それらの内径がターゲットの外側寸法と少なくとも等しいかまたはそれより大きく選択される場合には、第２のマグネットシステムを第１のマグネットシステムと同様な寸法とすることも可能である。
【００４８】
図９は、装置軸１３を中心にして運動する１つまたは複数の加工物３に側方から作用するアークソース２を備えた真空処理装置１を示したものである。プラズマビームの垂直偏向のため、ヘルムホルツ配置された更なるコイル１４が設けられている。
【００４９】
図１０は６つのアークソース２を備えるコーティング装置１の断面を示したものであり、この場合、すべてのアークソース２は装置軸１３の方向に対して基本的に直角に配向されている。
【００５０】
図１１〜図１６はコイル電流をさまざまに設定した場合に生ずる、ターゲット表面における磁界のＢ^成分ないしＢee成分の推移を示したものである。この場合、アークソースは、最適な設定範囲と限界とを明らかにするため、図１に説明した作用パラメータにしたがって作用させられた。
【００５１】
たとえば図１１と１２は、所望の微細分布したスパーク挙動が達成された、当該コイル設定に対応した磁界の種々のＢ^カーブないしＢeeカーブを示したものである。この場合、所与のジオメトリ構成においてＢ^値ないしＢee値は互いに独立に設定することはできず、そのため、図１１に示したＢ^分布にはそれぞれ図１２に同じ記号で表示したＢee分布が対応している点に注意しなければならない。
【００５２】
図１３と１４は、アークはなお微細分布した状態を示しているが、中心部に向かっての周期的な収縮の最初の兆候をすでにはっきりと認めることのできる限界ケースを示したものである。Ｂ^分布がさらに著しく負の値の方向に変位すれば、スパーク挙動はより粗い経過をたどり、中心領域への過度に激しい収縮が生じるに至る。
【００５３】
図１５と１６はさらに別の限界ケースを示したものである。この場合にもスパークパターンはなお十分に微細分布しているが、この場合に印加された磁界によってスパークが周期的にターゲットの端縁領域に押しやられる最初の兆候が認められる。Ｂ^分布がさらに著しく正の値の方向に変位すれば、より粗いスパーク挙動がターゲットの端縁に生ずることとなる。
【００５４】
さらに、Ｂ^分布が零位線の両側に分布している場合には、Ｂ^分布が完全に零位線以上ないし以下に分布している場合よりも大きな磁界強度差、つまりターゲット表面におけるより不均等なＢ^分布がほぼ不変に微細かつ均等に分布したスパーク挙動とともに許容されることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】２つのマグネットシステムを有するアークソース。
【図２】ターゲット表面でのスパーク挙動
【図３】従来の技術による磁界成分の推移
【図４】図３の磁界ベクトル
【図５】本発明によるアークソースの磁界成分の推移
【図６】図５の磁界ベクトル
【図７】包囲コイルを有するアークソース
【図８】ターゲット前方にコイルを有するアークソース
【図９】コーティング装置の縦断面図
【図１０】６つのソースを備えるコーティング装置の横断面図
【図１１】最適作用のＢ^推移
【図１２】最適作用のＢee推移
【図１３】中心でのスパーク時のＢ^推移
【図１４】中心でのスパーク時のＢee推移
【図１５】端縁でのスパーク時のＢ^推移
【図１６】端縁でのスパーク時のＢee推移
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年3月1日(2005.3.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク放電が作用する表面を有するターゲットからなり、前記ターゲットは磁界発生装置の作用範囲内に配置されている真空アークソースであって、前記磁界発生装置は反対極性を有する少なくとも２つのマグネットシステムからなると共に、前記表面に対して垂直な磁界成分Ｂ^が前記表面の大部分にわたって３０ガウス以下の基本的にコンスタントな値を有するかまたはゼロとなるように形成されていることを特徴とする、アークソース。
【請求項２】
請求項１において、前記の垂直磁界成分Ｂ^の値は２０ガウス以下、好ましくは１０ガウス以下であることを特徴とする、アークソース。
【請求項３】
前述の請求項のいずれか１項において、前記表面の大部分とはターゲット表面の中心領域から端縁領域にまで及び、しかも詳細に言えば、前記の大部分とはターゲット表面のジオメトリ決定寸法の少なくとも５０％、特に好ましくは６０％またはそれ以上を包括していることを特徴とする、アークソース。
【請求項４】
前述の請求項のいずれか１項において、ターゲット表面の端縁領域において前記の垂直成分の値Ｂ^Rはターゲット表面の中心領域における値Ｂ^Mに比較して上昇、下降および／または前置記号が変化していることを特徴とする、アークソース。
【請求項５】
前述の請求項のいずれか１項において、平行磁界成分Ｂeeの値はターゲット表面の中心において基本的にゼロであって、ターゲット表面の端縁方向に向かって上昇または下降し、好ましくはターゲット中心に対して相称的に、特に好ましくは基本的に線形に上昇することを特徴とする、アークソース。
【請求項６】
前述の請求項のいずれか１項において、反対極性を有する少なくとも２つの前記のマグネットシステムのうち第１のマグネットシステムはターゲットの背後に取り付けられた少なくとも１つの第１の電磁コイルからなることを特徴とする、アークソース。
【請求項７】
請求項６において、前記の第１のコイルの内径は基本的にせいぜい＋／−３０％、好ましくは＋／−２０％の差でターゲット表面の外側寸法の投影面と重なり合っていることを特徴とする、アークソース。
【請求項８】
請求項１から５までのいずれか１項において、反対極性を有する少なくとも２つの前記のマグネットシステムのうち第１のマグネットシステムはターゲットの背後に取り付けられた１つまたは複数の永久磁石からなることを特徴とする、アークソース。
【請求項９】
請求項８において、前記の１つまたは複数の永久磁石はそれ自体が低い磁界強度を有するかまたはターゲット表面に生ずる磁界強度が低くなるようなターゲットからの離間間隔を有することを特徴とする、アークソース。
【請求項１０】
前述の請求項のいずれか１項において、反対極性を有する少なくとも２つの前記のマグネットシステムのうち第２のマグネットシステムは第１のマグネットシステムと同軸に配置された少なくとも１つの第２のコイルからなることを特徴とする、アークソース。
【請求項１１】
請求項１０において、前記の第２のコイルは第１のマグネットシステムの後方に配置されていることを特徴とする、アークソース。
【請求項１２】
請求項１０において、前記の第２のコイルはターゲットから離間して配置されていることを特徴とする、アークソース。
【請求項１３】
請求項１０において、前記の第２のコイルは第１のマグネットシステムを少なくとも部分的に同軸的に包囲していることを特徴とする、アークソース。
【請求項１４】
請求項１０から１３までのいずれか１項において、前記の第２のコイルは第１のコイルよりも高い巻数および／または大きな直径を有することを特徴とする、アークソース。
【請求項１５】
前記請求項のいずれか１項において、ターゲットは陰極として接続されていることを特徴とする、アークソース。
【請求項１６】
前記請求項のいずれか１項において、ターゲットは陽極として接続されていることを特徴とする、アークソース。
【請求項１７】
請求項１から１６までのいずれか１項に記載の少なくとも１つのアークソースが配置されている、真空装置。
【請求項１８】
請求項１７において、前記の少なくとも１つのアークソースは装置軸の方向に作用し、発生したプラズマビームを偏向するために装置軸と同軸に配置されたさらに別の少なくとも１つの電磁コイルを有することを特徴とする、装置。
【請求項１９】
請求項１８において、前記のさらに別の少なくとも１つのコイルは、前記の少なくとも１つのアークソースによって発生させられたプラズマビームの向きを可変的に偏向させるため、制御装置を備えた少なくとも１つの時間的に可変的な電源に接続されていることを特徴とする、装置。
【請求項２０】
請求項１８から１９までのいずれか１項において、さらに別の少なくとも２つの電磁コイルが好ましくは装置の上部領域ならびに下部領域または適切な側方境界領域に装置軸と同軸に配置され、これらのコイルは異なったまたは同一の直径ないし基本的にヘルムホルツ配置に応じた構造を有することを特徴とする、装置。
【請求項２１】
アークソースのターゲット表面に磁界発生装置を用いてアーク放電を作用させる方法であって、反対極性を有する少なくとも２つのマグネットシステムからなる前記の磁界発生装置によって、当該磁界の垂直成分Ｂ^がターゲット表面の大部分にわたって基本的にコンスタントにゼロに近いかまたはゼロで推移する磁界がターゲット表面に発生させられることを特徴とする、方法。
【請求項２２】
請求項２１において、前記の垂直磁界成分Ｂ^の値は３０ガウス以下、好ましくは２０ガウス以下、特に好ましくは１０ガウス以下に設定されることを特徴とする、方法。
【請求項２３】
請求項２１から２２までのいずれか１項において、前記の磁界は、基本的にコンスタントにゼロに近いかまたはゼロで推移する垂直成分Ｂ^を有する前記のターゲット表面の大部分はターゲット表面の中心領域から端縁領域にまで及び、しかも詳細に言えば前記の中心領域はターゲット表面のジオメトリ決定寸法の少なくとも５０％、特に好ましくは６０％またはそれ以上を包括するようにして、設定されることを特徴とする、方法。
【請求項２４】
請求項２１から２３までのいずれか１項において、ターゲット表面の端縁領域において前記の垂直磁界成分の値Ｂ^Rはターゲット表面の中心領域における値Ｂ^Mに比較して上昇、下降および／または前置記号が変化するようにして設定されることを特徴とする、方法。
【請求項２５】
請求項２１から２４までのいずれか１項において、平行磁界成分Ｂeeの値はターゲット表面の中心において基本的にゼロでかつターゲット表面の端縁方向に向かって上昇し、好ましくはターゲット中心に対して相称的に上昇するように設定され、その結果、スパークに対して接線方向において時計周り方向または反時計回り方向に作用する力はターゲットの端縁に向かって増加することを特徴とする、方法。
【請求項２６】
請求項２１から２４までのいずれか１項において、さらにターゲットの前方領域に、ターゲット表面に対して基本的に垂直に向いた１つの磁界が発生させられることを特徴とする、方法。
【請求項２７】
請求項２１から２６までのいずれか１項において、磁界強度はターゲット材料および／またはターゲット厚さに適合されることを特徴とする、方法。
【請求項２８】
請求項２１から２７までのいずれか１項において、前記の磁界発生装置はターゲットの背後に配置された少なくとも１つのコイルからなり、磁界設定のために１つの電圧源が少なくとも１つの前記コイルに印加される結果、電流は第１の方向に流れることを特徴とする、方法。
【請求項２９】
請求項２１から２７までのいずれか１項において、前記の磁界発生装置はターゲットの背後に配置された１つまたは複数の永久磁石で構成される少なくとも１つのマグネットシステムからなることを特徴とする、方法。
【請求項３０】
請求項２８から２９までのいずれか１項において、少なくとも１つの第２のコイルがターゲットの後方、前方またはターゲットを包囲して配置され、磁界調整のため、第１のマグネットシステムによって発生させられた磁界とは反対向きの第２の磁界が発生するようにして第２のコイルに電圧が印加されることを特徴とする、方法。
【請求項３１】
請求項２０から２９までに記載の方法のいずれかを使用して加工物、特に切削工具および／または部品をコーティングするための方法。
【請求項３２】
請求項１から１６までに記載のいずれかのアークソースを使用して加工物、特に切削工具および／または部品をコーティングするための方法。
【国際調査報告】
2006510803.tif 000022
2006510803.tif 000023
2006510803.tif 000024
2006510803.tif 000025