(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク放電の陰極となる蒸発物質と、
当該蒸発物質の蒸発面と略垂直に交差する磁力線のみを発生するように前記蒸発物質を取り囲む磁場発生源とを備え、
前記磁場発生源は、環状の磁極を軸方向両端に有して前記蒸発物質を取り囲む環状磁石からなり、前記磁場発生源のＮ，Ｓ両磁極の中間位置に、前記蒸発面が位置するように前記磁場発生源が配置され、
前記磁場発生源による磁力線が、環状磁石の一方の端面から前記蒸発面と交差して他方の端面まで伸びる分布を示すことを特徴とする真空アーク蒸発源。
【請求項２】
前記磁力線の蒸発面における方向が、蒸発面の法線に対し±３０度以内となるように前記磁場発生源が配置されていることを特徴とする請求項１記載の真空アーク蒸発源。
【請求項３】
前記磁力線の蒸発面における方向が、蒸発面の法線に対し±１０度以内となるように前記磁場発生源が配置されていることを特徴とする請求項２記載の真空アーク蒸発源。
【請求項４】
前記磁場発生源による磁力線が、前記蒸発物質の前記蒸発面を通過後に前記蒸発物質の径外方向に急速に発散することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の真空アーク蒸着源。
【請求項５】
前記磁場発生源は、長手方向両端にそれぞれ異なる磁極を有する複数の棒磁石を磁極の向きを揃えて環状に配置して構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の真空アーク蒸発源。
【請求項６】
前記環状磁石は、前記蒸発物質を取り囲む径内側環状磁石と、当該径内側環状磁石と同軸状かつ同極が同方向を向くように前記径内側環状磁石を取り囲む径外側環状磁石とから構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の真空アーク蒸発源。
【請求項７】
前記磁場発生源は、内周側と外周側に磁極を有する第１環状磁石と、内周側と外周側の磁極がそれぞれ第１環状磁石とは異なる磁極とされていると共に前記第１環状磁石の軸方向に並置された第２環状磁石と、
から構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の真空アーク蒸発源。
【請求項８】
前記磁場発生源は、前記第１環状磁石と第２環状磁石の外周側を磁性体によって結合して構成されていることを特徴とする請求項７記載の真空アーク蒸発源。
【請求項９】
前記磁場発生源は、径内側にＮ，Ｓ両磁極を有する断面Ｕ字状の環状磁石であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の真空アーク蒸発源。
【請求項１０】
前記蒸発面は、蒸発物質の蒸発に伴って前記磁場発生源の軸方向中心より前方の蒸発開始位置から前記磁場発生源の軸方向中心より後方まで後退することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の真空アーク蒸発源。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の真空アーク蒸発源を備えていることを特徴とする真空アーク蒸着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空アーク蒸発源及び当該真空アーク蒸発源を備えた真空アーク蒸着装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、真空室内で蒸発物質を陰極とするアーク放電を発生させ、アーク電流のエネルギーにより陰極材料を蒸発・イオン化させ、基板上に皮膜を堆積させる真空アーク蒸着装置が知られている。
このような真空アーク蒸着装置では、蒸発粒子・イオン化粒子に比べてはるかに大きい数μｍ以上の径をもつ溶融粒子が発生することが避けられず、これが皮膜中に混入することによって皮膜面粗度の悪化や皮膜組成の不均一性をもたらすことが欠点となっている。
【０００３】
このような溶融粒子による問題を、磁場の発生によって解決しようとするものが提案されている。例えば、特開平２−１９４１６７号公報には、蒸発面と基板との間に蒸発面と同軸状の空心コイルを設けたものが開示されている（従来技術１）。この構成によれば、空心コイルによる磁場にプラズマ中の電子が巻き付いて旋回運動しながら磁力線に沿って流れプラズマが基板に到達する。一方、中性の溶融粒子には、この誘導効果が作用せず、イオンは、選択的に基板に導かれるから、相対的に基板に向かう溶融粒子の数を減少させることができるとされている。
【０００４】
また、特公平５−４８２９８号公報には、陰極表面に平行な成分の磁界を発生させる永久磁石が陰極背面に配置され、この永久磁石を回転させることによってアーク運動の経路を円軌道にするものが開示されている。そして、この永久磁石による磁界は、陰極を取り囲むようなソレノイドコイルが発生する磁界によって、水平成分が大きくなるようにされている（従来技術２）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１の場合、コイルは、基板と蒸発面との中間位置に設けられており、コイルによる磁場は蒸発面の半径方向内向きに寄るように作用する。この場合、アークスポットが蒸発面の中央に寄りがちとなり、蒸発物質が均一に消耗しない。
一方、従来技術２の場合は、コイルが蒸発面を取り囲むように配置されており、一見、その磁力線が蒸発面に対して垂直に作用するとも考えられる。しかし、このコイルは蒸発物質の背面に配置された永久磁石による磁力線の蒸発面に対する平行成分を大きくさせるためのものであって、前記永久磁石によって発生した磁力線の垂直成分を打ち消すためのものである。
【０００６】
すなわち、このコイルは前記永久磁石に対して補助的に設けられたものであって、従来技術２においては、前記コイルは蒸発面に対して垂直な磁力線を作用させるものではない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、磁場によって基板に到達する溶融粒子の数を減少できると共に、アークスポットの発生の偏りを減少させることができる蒸発源を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の技術的手段を講じた。すなわち、本発明に係る真空アーク蒸発源の特徴は、当該蒸発物質の蒸発面と略垂直に交差する磁力線のみを発生するように前記蒸発物質を取り囲む磁場発生源とを備え、
前記磁場発生源は、環状の磁極を軸方向両端に有して前記蒸発物質を取り囲む環状磁石からなり、前記磁場発生源のＮ，Ｓ両磁極の中間位置に、前記蒸発面が位置するように前記磁場発生源が配置され、
前記磁場発生源による磁力線が、環状磁石の一方の端面から前記蒸発面と交差して他方の端面まで伸びる分布を示すしている点にある。
【０００８】
かかる構成によれば、蒸発面と交差する磁力線により従来技術１と同様に溶融粒子を減少させることができる。そして、従来技術１と異なり、磁力線は蒸発面と略垂直に交差するので、アークスポットが蒸発面で偏在し難くなり、蒸発物質が均一に消耗する。
ここで、磁力線は、蒸発面と完全に垂直に交差するものである必要はなく、蒸発面と略垂直な磁力線とは、蒸発面の法線に対し±３０度以内のものも含むものである。この範囲であれば、蒸発物質の均一な消耗がある程度達成でき許容範囲内である。したがって、前記磁場発生源は磁力線がそのような方向になる位置に配置すれば良い。
【０００９】
更に、前記磁力線の蒸発面における方向が、蒸発面の法線に対し±１０度以内となるように前記磁場発生源が配置されているのが好適である。この場合、蒸発物質をさらに均一に消耗させることができる。
ところで、従来技術１のように、空心コイルで磁場を発生させる場合、広い範囲で磁場が発生することが避けられない。特に、コイルの軸方向に長く伸びた磁場が発生する。このように長く伸びた磁場は、基板が配置されている位置にまで作用し、基板における皮膜形成過程においてこの磁場が皮膜構造に影響を及ぼすという問題がある。
【００１０】
また、真空用に複数の蒸発源を配置する場合、ある蒸発源から発生する広い範囲の磁場が近隣の蒸発源に対して蒸発特性に影響を与え易いという問題がある。さらに、真空容器に蒸発源が対向して配置される場合には、コイルの軸方向に長く伸びる磁場が対向する蒸発源に対して相互に影響し合うという問題がある。
これに対し、前述のような環状の磁極を有する磁石であれば、空心コイルのように軸方向に長く伸びる磁界が発生することが防止される。
したがって、この真空アーク蒸発源を真空アーク蒸着装置に用いた場合、磁場による基板への悪影響を防止することができる。また真空容器に複数の蒸発源を配置した場合には、一の蒸発源からの磁場が他の蒸発源へ悪影響を及ぼすことを防止できる。
【００１１】
なお、ここで、環状の磁極を有する磁石とは、環状に形成された永久磁石であってもよいし、環状の磁極を持つように形成された磁心を有する電磁石であっても良い。
また、前記磁場発生源による磁力線が、前記蒸発物質の前記蒸発面を通過後に前記蒸発物質の径外方向に急速に発散することが好ましい。
また、磁力線を蒸発面と略垂直に交差させるための磁場発生源としては、上述の如く前記磁場発生源のＮ，Ｓ両磁極の中間位置に、前記蒸発面が位置するように前記磁場発生源を配置するのが好適である。
【００１２】
ここで、Ｎ，Ｓ両磁極の中間位置とは、両磁極の中央でなくとも良い。ただし、前記磁場発生源のＮ，Ｓ両磁極の略中央位置に、前記蒸発面が位置するように前記磁場発生源が配置されていれば、磁力線の方向が蒸発面の法線方向とさらに一致し易くなり、更に好適である。
また、前記磁場発生源は、長手方向両端にそれぞれ異なる磁極を有する複数の棒磁石を磁極の向きを揃えて環状に配置して構成するのが好適である。この場合、磁場発生源の軸方向への磁場の広がりが少ないので、基板又は他の蒸発源への影響を効果的に押えることができる。
【００１３】
また、前記環状磁石は、前記蒸発物質を取り囲む径内側環状磁石と、当該径内側環状磁石と同軸状かつ同極が同方向を向くように前記径内側環状磁石を取り囲む径外側環状磁石とから構成されているものとするのが好適である。
この場合、蒸発物質を貫く磁力線の本数が増え、すなわち磁場強度が上がり、前記効果をより強く得られる。
また、本発明では、前記磁場発生源は、内周側と外周側に磁極を有する第１環状磁石と、内周側と外周側の磁極がそれぞれ第１環状磁石とは異なる磁極とされていると共に前記第１環状磁石の軸方向に並置された第２環状磁石と、から構成されているものとすることができる。
【００１４】
かかる構成によれば、環状磁石の軸方向への磁場の広がりが一層少ないので好適である。この場合、前記第１環状磁石と第２環状磁石の外周側を磁性体によって結合して構成すれば、側方への磁場の広がりが殆どないので、本発明の蒸発源を真空容器に複数設けた場合、隣の蒸発源の影響を排除することができる。
また、同様の効果を得るには、前記磁場発生源を、径内側にＮ，Ｓ両磁極を有する断面Ｕ字状の環状磁石として構成してもよい。
さらに、前記蒸発面が、蒸発物質の蒸発に伴って前記磁場発生源の軸方向中心より前方の蒸発開始位置から前記磁場発生源の軸方向中心より後方まで後退するように蒸発物質が配備されていることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１〜図３は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１に示すように、本発明に係る真空アーク蒸着装置１は、真空容器２内に陰極である蒸発物質３が設けられ、アーク放電電源４によって図示しない陽極との間でアーク放電を発生させて蒸発物質３を蒸発・イオン化させ、コーティング処理物（基板）５に皮膜を堆積させるものである。
【００１６】
前記蒸発物質３は、当該蒸発物質３の蒸発面とほぼ垂直に交差する磁場を発生させる磁場発生源７と共に１つの蒸発源ユニット９を構成している。図１においては、磁場発生源ユニット９は、真空容器２に１個設けたものが例示されているが、真空容器２の側壁にコーティング処理物５を取り囲むように複数設けるのが好適である。
図３に示すように、前記蒸発物質３は、円板状に形成されており、そのコーティング処理物５側の面がアーク蒸発面１１である。蒸発物質３と共に蒸発源９を構成する磁場発生源７は、軸方向（厚さ方向）両端面に環状の磁極を有する環状永久磁石として構成されている。この磁場発生源７は、蒸発物質３と同軸状で当該蒸発物質３を取り囲むように配置されている。また、磁場発生源７は、その軸方向中央位置と蒸発面の位置とがほぼ一致するように配置され、そのコーティング処理物５側の端面（前方側の面）がＮ極で、他方の端面がＳ極とされている。なお、磁極は逆であっても良い。
【００１７】
かかる配置の磁場発生源７は、図２に示すような磁場を発生する。図４は、比較例として、従来技術のようにコイル１３を蒸発物質３の周りに配置した場合の磁場の状態を示している。図４に示すように、コイル１３によって発生した磁場の場合、磁力線Ｍ２は、コイル１３の軸方向に広く拡がるような大きなループとなる。一方、本発明のように磁場発生源７が環状の磁極を有する環状磁石であると、図２に示すように、蒸発面１１と交差する磁力線Ｍ１は比較的小さなループとなり、環状磁石７の軸方向への磁場の伸びが少ない。
【００１８】
したがって、蒸発面１１を交差する磁場の強さが同じである場合、図４に示すコイルによって発生した磁場は広がりが大きく他所への影響が大きいのに対し、図２に示す環状磁石７によって発生した磁場は広がりが小さく、他所への影響が小さい。さらに、環状磁石７から発生した磁力線は、蒸発面を通過後、径外方向に急速に発散するため、その磁力線に巻き付いて誘導されるプラズマ流の分布が広くなり、広範囲に均一な膜厚分布を得ることができる。
また、磁場発生源７として、永久磁石を採用しているため、コイルに比べて同体積の磁場発生源としては磁場強度が大きい。したがって、磁場強度の大きいエリアに蒸発面及び蒸発粒子の飛行経路が置かれることになるため、図５に示すように、蒸発物質３から蒸発した荷電粒子が磁力線に巻き付きながら磁力線に沿って飛行する螺旋運動が活発化する。これにより、蒸発物質３から蒸発した成膜粒子及び反応ガスの活性化を促進し、密着力の大きい、緻密な皮膜が得られる。なお、荷電粒子の螺旋運動の半径は、荷電粒子のスピードと磁場強度により決まり、荷電粒子の飛行は様々な半径の螺旋飛行の集まりとなる。
【００１９】
図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明における蒸発面１１上でのアークスポットの軌跡のイメージを示している。図６（ａ）〜（ｄ）のパターンは瞬間瞬間でランダムに現れる。各パターンは、ともに周回運動であり、各パターンはその周回半径が異なるものである。磁力線が蒸発面１１に対してほぼ垂直であると、このようにアークスポットの軌跡が瞬間瞬間で半径の異なった周回運動となるので、周回運動の半径が一定な場合と比較して、蒸発位置が変化し、蒸発面の消耗が均等になる。したがって、蒸発面は、新品時の蒸発面と平行に近い状態を保ちながら消耗し、蒸発物質の利用効率が非常に高い。なお、周回運動の向きは、磁力線の向きによって逆転する。
【００２０】
また、アークスポットの周回半径がランダムに変動するので、蒸発物質の局部的な温度上昇が抑えられ、溶融粒子の発生が抑制される。
図７は、比較例として、磁力線が蒸発面１１の法線方向から大きく傾いている場合のアークスポットのイメージを示している。図７（Ａ）のように、蒸発物質３の蒸発面１１に対し磁場発生源７が前方（コーティング処理物５側）に大きくずれていると、蒸発面１１での磁力線が内向きに大きく傾く。したがってアークスポットが蒸発面１１の中央部で集中的に放電する。
【００２１】
一方、図７（Ｂ）のように後方に大きくずれていると、蒸発面１１での磁力線が外向きに大きく傾く。したがってアークスポットが蒸発面１１の辺縁部のみで放電し、アークスポットが蒸発物質３から飛び出してアーク放電が停止し易い。図７（Ａ）（Ｂ）いずれの場合であっても蒸発物質３は均一に消耗せず、利用効率が悪い。
このような不都合を防止するには、蒸発面１１上での磁力線の方向を、蒸発面の法線に対し±３０度以内とするのが好ましく、さらに好ましくは±１０度以内となるように蒸発物質３と磁場発生源７を配置する。また、磁力線が蒸発面１１に対して垂直になるのが最も好ましいが、蒸発源ユニット９は、磁場発生源７の軸方向中心より蒸発面１１がやや前方に位置した状態で製造するのが好ましい。この場合、蒸発物質３がある程度消耗して蒸発面１１が後退すると磁場発生源７の軸方向中心と蒸発面１１の位置が一致し、さらに蒸発物質３が消耗しても蒸発面１１は磁場発生源７の軸方向中心よりやや後方に位置するだけであるから、蒸発物質３の新品時から消耗するまで、常に磁力線が蒸発面とほぼ垂直した状態を得られる。
【００２２】
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る蒸発源１９を示している。この蒸発源１９の磁場発生源１７は、多数の永久磁石２１を環状に並べて、第１の実施の形態の磁場発生源７と同様な磁場を発生するように構成されたものである。すなわち、長手方向両端に磁極を有する複数の棒状磁石２１を磁極の向きを揃えて環状に配置して、実質的に第１の実施の形態における磁場発生源７と同様な、軸方向両端面に環状の磁極を有する環状磁石を構成したものである。この磁場発生源１７は、第１の実施の形態の磁場発生源７と同様に配置され、蒸発物質３に対して第１の実施の形態と同様に作用する。
【００２３】
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る蒸発源２９を示している。この蒸発源２９の磁場発生手段２７は、第１の実施の形態の環状磁石７と同様に構成・配置された径内側環状磁石３０と、その径外側に配置される径外側環状磁石３１とから構成されている。径外側環状磁石３１は、径内側環状磁石３０と同様に、軸方向両端に磁極を有する環状磁石であって、軸方向の厚さもほぼ同じに構成されている。この径外側環状磁石３１は、径内側環状磁石３０と同軸状に配置され、同じ磁極が同方向を向くように径内側環状磁石３０を取り囲んでいる。
【００２４】
図９に示すように、かかる構成の磁場発生手段２７によると、両環状磁石３０，３１の相互作用によって、径内側磁石３０のみの場合より蒸発物質３を貫く磁力線の数が増える。すなわち、蒸発面１１における磁場強度が上がり、溶融粒子を減少させる効果がより強く得られる。
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る蒸発源３９を示している。この蒸発源３９の磁場発生源３７は、内周側と外周側に磁極を有する第１環状磁石４０と、内周側と外周側に磁極を有すると共に内周側と外周側の磁極がそれぞれ第１環状磁石４０とは異なる第２環状磁石４１とを有している。第１環状磁石４０と第２環状磁石４１とは、同軸状でかつそれらの軸方向に並置されている。
【００２５】
具体的には、第１環状磁石４０は、内周側がＮ極、外周側がＳ極とされている。また第２環状磁石４１は、内周側がＳ極、外周側がＮ極とされている。両環状磁石４０，４１の外周側は、磁性体４２によって接続されている。両環状磁石４０，４１の外周側は異極であるので、磁性体４２は両磁石４０，４１の磁力によって結合される。
このように、環状に磁極を有する環状磁石は、上記構成によっても実現できる。すなわち、両環状磁石４０，４１の内周側から発生する磁場は、第１の実施の形態における磁場発生源７とほぼ同様なものとなり、両環状磁石４０，４１の内周側磁極の中間位置に蒸発物質３の蒸発面１１を位置させると、磁場が蒸発面１をほぼ垂直に貫く。
【００２６】
また、本実施の形態によれば、両磁石４０，４１の外周側が磁性体４２によって接続されているから、外周側へ磁場が発生しない。したがって、この蒸発源３９をユニットとして真空容器２に多数隣接させて配置した場合、隣接する蒸発源３９への磁場の影響を効果的に排除することができる。
図１１は、本発明の第５の実施の形態に係る蒸発源４９を示している。この蒸発源４９の磁場発生源４７は、径内側にＮ，Ｓ両磁極を有する断面Ｕ字状の環状磁石によって構成されている。本実施の形態においても、蒸発物質３は、その蒸発面１１が両磁極の中間位置に位置するように配置されており、第４の実施の形態と同様な作用効果が得られる。
【００２７】
なお、本発明は、前記各実施の形態に限定されるものではない。例えば、磁場発生源である環状磁石は円環状に蒸発物質を取り囲むものである必要はなく、多角形状に蒸発物質を取り囲むものであってもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、蒸発面と交差する磁力線により溶融粒子の数を減少させることができる。そして、磁力線は蒸発面と略垂直に交差するので、アークスポットが蒸発面で偏在し難くなり、蒸発物質が均一に消耗する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態に係る真空アーク蒸着装置の概略構成図である。
【図２】  本発明の第１の実施の形態に係る蒸発源を示す断面側面図である。
【図３】  本発明の第１の実施の形態に係る蒸発源の正面図である。
【図４】  本発明に対する比較例としての蒸発源を示す断面側面図である。
【図５】  本発明における蒸発源からの電子の飛行経路を示す図である。
【図６】  本発明における蒸発面上のアークスポットの軌跡を示すイメージ図である。
【図７】  本発明に対する比較例としての蒸発源を示す断面側面図及び正面図であって、（Ａ）は磁力線が内向きのもの、（Ｂ）は磁力線が外向きのものを示している。
【図８】  本発明の第２の実施の形態に係る蒸発源を示しており、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。
【図９】  本発明の第３の実施の形態に係る蒸発源を示す断面側面図である。
【図１０】  本発明の第４の実施の形態に係る蒸発源を示しており、（ａ）は断面側面図、（ｂ）は正面図である。
【図１１】  本発明の第５の実施の形態に係る蒸発源を示しており、（ａ）は断面側面図、（ｂ）は正面図である。
【符号の説明】
１  真空アーク蒸着装置
２  真空容器
３  蒸発物質
７  磁場発生源
９  蒸発源（ユニット）
１１  アーク蒸発面
１７  磁場発生源
１９  蒸発源
２１  棒状磁石
２７  磁場発生源
２９  蒸発源
３０  径内側環状磁石
３１  径外側環状磁石
３７  磁場発生源
２９  蒸発源
４０  第１環状磁石
４１  第２環状磁石
４２  磁性体
４７  磁場発生源
４９  蒸発源
【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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