JP5454386B2 - Vacuum arc evaporation system - Google Patents
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本発明は、自動車部品、機械部品、工具、金型等の基材の摩擦係数低減や耐摩耗性を向上するために、基材表面に薄膜を蒸着して形成する真空アーク蒸着装置に関する。 The present invention relates to a vacuum arc vapor deposition apparatus that deposits and forms a thin film on the surface of a base material in order to reduce the friction coefficient and improve the wear resistance of the base material of automobile parts, machine parts, tools, molds and the like.
一般に、真空アーク蒸着法は、陽極と陰極の間にアーク放電を生じさせ、陰極材料を蒸発させて基材に蒸着するという薄膜形成方法であり、生産性に優れているという特徴をもつ。 In general, the vacuum arc deposition method is a thin film forming method in which arc discharge is generated between an anode and a cathode, and the cathode material is evaporated and deposited on a base material, which is characterized by excellent productivity.
しかし、陰極材料から、直径が数μｍ〜数百μｍにもなる大きな塊りの粗大粒子（これはドロップレットとも呼ばれる。）が飛散し、この粗大粒子が基材に付着して被膜特性が劣化することが知られている。 However, a large lump of coarse particles (also called droplets) with a diameter of several μm to several hundreds of μm are scattered from the cathode material, and the coarse particles adhere to the base material to deteriorate the coating properties. It is known to do.
この粗大粒子による被膜特性の劣化を防止するため、磁気コイル等の磁石により、陰極と基体との間で偏向磁場を発生させ、粗大粒子を除いたプラズマ流だけを偏向磁場に沿って基体方向に輸送して、基体への粗大粒子の付着を防止する蒸着装置が磁気フィルター法として、例えば、特開２００１−３１６０号公報などで提案されている。 In order to prevent deterioration of the coating properties due to the coarse particles, a magnet such as a magnetic coil generates a deflection magnetic field between the cathode and the substrate, and only the plasma flow excluding the coarse particles is directed toward the substrate along the deflection magnetic field. A vapor deposition apparatus that transports and prevents coarse particles from adhering to a substrate has been proposed as a magnetic filter method, for example, in JP-A-2001-3160.
しかし、上記の装置では完全に粗大粒子が基体に混入することを防ぐことは難しく、そこで粗大粒子は陰極から直進する性質をもつことから、陰極の対面に粗大粒子補集部を設けて、基体を収納するプロセス室（成膜室）への侵入を抑え、基材への粗大粒子混入をさらに抑えた装置が特開２００２−８８９３号公報で提案されている。 However, in the above apparatus, it is difficult to completely prevent coarse particles from being mixed into the substrate, and since the coarse particles have a property of going straight from the cathode, a coarse particle collecting portion is provided on the opposite side of the cathode, and the substrate Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-8893 proposes an apparatus that suppresses entry into a process chamber (deposition chamber) for storing the material and further prevents coarse particles from being mixed into the substrate.
前記の従来の装置では、磁場を発生させる電磁コイル等はプラズマ輸送室の真空容器外部に設置されており、このため電磁コイル等の作用を有効に働かすためにはプラズマ輸送室を狭くする必要があり、そのためメンテナンス性が悪く、逆にメンテナンス性を考慮してプラズマ輸送部を広くすると大きな電磁コイル等が必要になりコスト高になる。 In the above-described conventional apparatus, an electromagnetic coil or the like that generates a magnetic field is installed outside the vacuum container of the plasma transport chamber. For this reason, it is necessary to narrow the plasma transport chamber in order to effectively operate the electromagnetic coil or the like. For this reason, the maintainability is poor, and conversely, if the plasma transport portion is widened in consideration of the maintainability, a large electromagnetic coil or the like is required and the cost is increased.
また電磁コイル等を真空室内に設置すると、プラズマなどが電磁コイル等に直接照射されて、電磁コイル等の劣化や破損が頻繁に生ずる、などの問題がある。 Further, when an electromagnetic coil or the like is installed in a vacuum chamber, there is a problem that plasma or the like is directly irradiated onto the electromagnetic coil or the like, and the electromagnetic coil or the like is frequently deteriorated or damaged.
そこで、本発明は上記問題に鑑み、真空チャンバ内のメンテナンスが容易で、電磁コイル等の磁気コイルの劣化が小さく、ランニングコストが安い装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an apparatus in which maintenance in a vacuum chamber is easy, magnetic coils such as electromagnetic coils are less deteriorated, and running costs are low.
プラズマ輸送室を広くすることを可能にするため、誘導磁場発生部の少なくとも一部を真空チャンバ内に取り込むとともに、該誘導磁場発生部を構成する磁気コイルをプラズマ輸送室内に設けた大気空間部内に配設するようにした。 In order to make the plasma transport chamber wide, at least a part of the induction magnetic field generation unit is taken into the vacuum chamber, and the magnetic coil constituting the induction magnetic field generation unit is placed in the atmospheric space provided in the plasma transport chamber. It was arranged.
すなわち、本発明は、真空チャンバ内に、アーク放電による蒸発源部と、該蒸発源部から発生したプラズマを輸送するプラズマ輸送室と、該プラズマによって薄膜を被覆する基体を収納する成膜室と、該蒸発源部から発生したプラズマを成膜室へ屈曲輸送するように前記プラズマ輸送室に設けられた磁気コイルからなる誘導磁場発生部と、を備えた真空アーク蒸着装置であって、前記誘導磁場発生部を構成する磁気コイルの少なくとも一部が真空チャンバ内のプラズマ輸送室に設けられた大気空間部内に配設されていることを特徴としている。 That is, the present invention provides a vacuum chamber with an evaporation source section by arc discharge, a plasma transport chamber for transporting plasma generated from the evaporation source section, and a film formation chamber for storing a substrate that covers a thin film with the plasma. A vacuum arc vapor deposition apparatus comprising: an induction magnetic field generation unit including a magnetic coil provided in the plasma transport chamber so as to bend and transport the plasma generated from the evaporation source unit to the film formation chamber, It is characterized in that at least a part of a magnetic coil constituting the magnetic field generating part is disposed in an atmospheric space part provided in a plasma transport chamber in the vacuum chamber.
誘導磁場発生部を構成する磁気コイルのすべて、あるいは少なくとも一部を真空チャンバのプラズマ輸送室内に設けるので、プラズマ輸送室を広くすることができ、従ってメンテナンスが容易にできる。また前記磁気コイルはプラズマの当たらない大気空間部内に配置するので、プラズマの影響を受けることがなく、従って劣化しないという効果を奏する。 Since all or at least a part of the magnetic coil constituting the induction magnetic field generation unit is provided in the plasma transport chamber of the vacuum chamber, the plasma transport chamber can be widened, and maintenance can be facilitated. Further, since the magnetic coil is disposed in the atmospheric space where no plasma is applied, the magnetic coil is not affected by the plasma, and therefore, there is an effect that the magnetic coil is not deteriorated.
さらに、誘導磁場発生部の磁気コイルを収める大気空間部内を二重配管として冷却水を通すと、磁気コイルの熱による劣化を防ぐことができる。 Furthermore, when the cooling water is passed through the atmosphere space portion containing the magnetic coil of the induction magnetic field generation portion as a double pipe, deterioration of the magnetic coil due to heat can be prevented.
図１は本発明に係る真空アーク蒸着装置の一実施形態を示す平面概略図である。この真空アーク蒸着装置は、図示しない真空排気装置によって真空排気される真空チャンバ１が隔壁４によってプラズマ輸送室２と成膜室３に分けられており、成膜室３の中には成膜しようとする基体９が図示しないホルダに保持されている。
FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of a vacuum arc deposition apparatus according to the present invention. In this vacuum arc deposition apparatus, a
そして、この真空チャンバ１は電気的に接地されている。基体９にはホルダを介して、例えば直流の負のバイアス電圧が印加される。
また、成膜室３には必要に応じてアルゴン等の不活性ガス、窒素等の反応性ガスが導入される。
The
In addition, an inert gas such as argon or a reactive gas such as nitrogen is introduced into the
プラズマ輸送室２の一端には真空アーク放電による蒸発源部５を設けており、この蒸発源部５は陰極（カソード）を有し、陰極とこの例では陽極を兼ねるプラズマ輸送室２との間の真空アーク放電によって、陰極を局部的に溶解させて陰極物質を蒸発させ、陰極物質のプラズマ１０と粗大粒子１１が生成される。なお、蒸発源部５前方に陽極となる電極を配置してもよい。その場合は陰極とこの陽極との間で真空アーク放電が生ずる。
One end of the
蒸発源部５の陰極は成膜しようとする所望の材料（例えば純金属、合金、カーボン等）からなる。より具体的には、例えばTi、Cr、Mo、W、Al等の純金属、TiAl等の合金、グラファイト（カーボン）からなる。
The cathode of the
プラズマ輸送室２内には前記プラズマ１０を誘導磁場によって、図で示すように成膜室３の基体８近傍に屈曲輸送するように、磁気コイル７が複数個配設された誘導磁場発生部８を有している。この実施形態では磁気コイルは3個であり、すべて真空チャンバ１内のプラズマ輸送室２に配置している。この磁気コイル７は図示しない直流の電源によって励磁される電磁コイルである。この磁気コイル７が励磁されることによって磁場が形成され、プラズマが屈曲輸送されるのである。
In the
磁気コイル７は図１のX−X’方向断面概略図である図2に示すように、プラズマ輸送室２内に縦断して設けられ、上下の真空チャンバ上壁２１及び下壁２２に取り付けられた大気空間部6aを形成するパイプ６ｂ内および真空チャンバ１の外側を通し巻回して配設される。これにより、磁気コイル７はプラズマに曝されることがなく、したがって、磁気コイル７の劣化を防ぐことができるのである。
As shown in FIG. 2 which is a schematic cross-sectional view in the XX ′ direction of FIG. 1, the
また、プラズマ輸送室２の蒸発源部５に対向する壁面及び側壁面には羽根状の部材で構成されたバッフル１２が設けられており、陰極から発生し直進する性質をもつ粗大粒子１１を捕獲し、成膜室３に飛散しないようにしている。
Further, a
図３は本発明に係る真空アーク蒸着装置の他の実施形態を示す平面概略図である。この実施形態では複数の磁気コイル７の一部で、しかも磁気コイル７の一部を前記説明したように、プラズマ輸送室２内に縦断して設けた大気空間部６aを形成するパイプ６ｂ内を通し、さらに真空チャンバ１外を通して巻回して配設する例である。
FIG. 3 is a schematic plan view showing another embodiment of the vacuum arc deposition apparatus according to the present invention. In this embodiment, as described above, a part of the plurality of
本実施形態では3個の磁気コイル７のから構成される磁気コイル７のうち、1個の磁気コイルの一部分はプラズマ輸送室２内を通る前記パイプ６ｂの大気空間部6aを通して設け、その他の部分は真空チャンバ外に設けている。残りの磁気コイル７はすべて真空チャンバ外に配設している。
In this embodiment, among the
なお、この実施形態ではプラズマ輸送室２と成膜室３とはプラズマガイド部１３によって連接している。
In this embodiment, the
なお、以上の実施形態では、磁気コイル７は磁気コイルを直流電流で励磁する電磁コイルとしたが、これに限らず、永久磁石等で構成してもよい。また、磁気コイル７を３個としたがこれに限らず、それ以下又はそれ以上の数の磁気コイルを設けても良いことは勿論のことである。
In the above embodiment, the
また、実施形態では真空チャンバ１を縦断するパイプ６ｂを一つの配管としたが、直径の異なるパイプで二重配管としてその隙間部に冷却水を流して大気空間部６aを冷却するようにした方が磁気コイルの熱による損傷を防ぐことが出来るので望ましい。
Further, in the embodiment, the
自動車部品、機械部品、工具、金型等の基体の摩擦係数低減や耐摩耗性を向上するために、基体表面に薄膜を蒸着して形成する蒸着装置として利用できる。 In order to reduce friction coefficient and improve wear resistance of substrates such as automobile parts, machine parts, tools, dies, etc., it can be used as a deposition apparatus for depositing a thin film on the surface of the substrate.
１ 真空チャンバ
２ プラズマ輸送室
３ 成膜室
４ 隔壁
５ 蒸発源部
６a 大気空間部
６b パイプ
７ 磁気コイル
８ 誘導磁場発生部
９ 基体
１０ プラズマ
１１ 粗大粒子
１２ バッフル
１３ プラズマガイド
２１ 真空チャンバ上壁
２２ 真空チャンバ下壁
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