JPH01263265A - 真空アーク蒸着法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、混入する溶融粒子の数が少なく、たとえ混入
したとしてもその粒径が小さい良質膜を、基板上に能率
良く形成する真空アーク蒸着法に関するものである。

［従来の技術］ 真空アーク蒸着法とは、真空アーク放電を利用して真空
チャンバー内の蒸発源（陰極）から陰極材料粒子を発生
させ、これをマイナスのバイアス電圧を印加した基板上
に堆積させる方法であり、蒸発源である陰極から高エネ
ルギーの陰極材料原子がプラズマビームとなって放出さ
れ、陰極と基板の間にかけられた電圧を受けて加速され
基板上に皮膜が形成される。この様に真空アーク蒸着法
の特長の１つは入射粒子のエネルギーが高い為、皮膜の
密度が高く、強度及び耐久性に優れた膜が得られる点で
あり、この点についてはＣＶＤ法等に比べて基板の強度
が低く抑えられることも寄与している。それにも増して
真空アーク蒸着法が実用的に注目される理由は成膜速度
が速い点であり、切削工具５ベアリング、ギア等の耐摩
耗性コーティングをはじめとして、電子部品、プリント
回路、光学・磁気装置等、種々の分野への利用が検討さ
れている。

［発明が解決しようとする課題］ こうした真空アーク蒸着技術に関する公知技術としては
、特公昭５８−３０３３や特公昭５２−１４６９０等の
公知の方法が提案されている。即ち特公昭５８−３０３
３は、この分野における基本的な発明の１つであり、「
ソース物質と陽極との間にアーク放電を発生させ、ソー
ス物質の原子およびイオンよりなる粒子のビームを射出
し、この際各粒子にアーク放電用電流を供給して１０〜
１００電子ボルトの運動エネルギーを与え、上記粒子を
物体の表面上に堆積する」ことを要旨とするものがある
。又該特許公報においてはビームの指向性を高める為に
、陽極を円錐台筒状に形成してビーム指向方向を決定す
ると共に、その開口度及び拡径角度を制御することによ
ってビーム幅を規制した装置が開示され、さらに指向性
を高める為に磁界の利用が有効である旨記載している。

又特公昭５２−１４６９０は、「冷却床に配置した金属
陰極、陰極の蒸発面に陰極点を発生させるトリガ電極、
排気チャンバー及びアーク電源を備える真空金属被覆装
置において、陽極が外囲器であり、陰極の蒸発面は外囲
器空間に面し、且つ陰極点保持装置が陰極の蒸発面を制
限しかつ陰極点かの蒸発面から非蒸発面へ転移するのを
妨げるように陰極の近くに配置されてなる」点に要旨を
有する真空金属被覆装置であり、上記構成を採用するこ
とにより（殊に陰極点保持装置のシールド部材を陰極の
非蒸発面を囲むように形成することにより）、非蒸発面
へのアークの転移を防止して陰極形成材料の利用率を向
上させている。

しかるに上記２つの公知技術を含めた従来の真空アーク
蒸着法においては、陰極蒸発面から発生するイオンや中
性子からなるプラズマ粒子の他に、陰極材料の溶融粒子
（マクロパーティクル。

マクロドロップレット等）が発生し、これが基板堆積膜
中に混入して膜表面粗度の悪化、密着力の低下を起し、
又反応性コーテイング膜の場合には溶融粒子が反応しな
いまま膜中にとり込まれるという事態が避けられない。

この様な溶融粒子の発生はアークの安定性に大きく依存
するものであり、アーク安定性を高めることによってそ
の発生をかなり減少させることができるとされている。

ところで上記特許公報にも記載される様に、ｌ！ｌ極と
陰極の間に発生するアークは、陰極上を動く小さなスポ
ットを流れる電流によって発生し、このアークスポット
は陰極上を迅速に移動する。一方アークスポットからの
プラズマ粒子放出機構は、溶融プールを伴なうようなも
のではないが、アークスポットには小さな溶融点が形成
され、アークスポットが８行するまでの瞬間的な時間の
間に溶融物質が蒸発及びイオン化してプラズマ粒子が形
成される。そして上記溶融点が増大し、且つ拡大すると
溶融粒子の発生が著しくなることから、皮膜への溶融粒
子の混入を減らそうとすると陰極面に生成する溶融点を
できる限り減少させることが望ましく、かかる観点から
陰極を冷却床の上に投首して裏面側から強制冷却し、陰
極面の溶融を制限する手段が一般に採用されている。し
かしながらこうした手段を採用するにもかかわらず従来
技術においては溶融粒子の発生並びに膜中への混入が避
けられず、膜表面粗度を悪化させると共に膜の密着力を
低下させ、膜質の悪化を招いていた。

本発明はこうした事情に着目してなされたものであって
、混入する溶融粒子の数が少なく、たとえ混入したとし
てもその粒径が小さい良質蒸着膜を、基板上に能率良く
形成し得る様な真空アーク蒸着法を提供することを目的
とするものである。

［課題を解決するための手段］ しかして本発明の真空アーク蒸着法は、真空チャンバー
内に配置した陽極と陰極の間にアークを発生させ、陰極
面から発生したプラズマ粒子を基板上に堆積させる真空
アーク蒸着法において、陰極表面温度を２００℃以上、
陰極材料の融点未満に保持すると共に、真空チャンバー
内に陰極材料と反応して高融点化合物を形成するガスを
１　ｘ　１０”４Ｔｏｒｒ以上の分圧となる様に導入し
て陰極表面に高融点化合物層を形成しつつ、基板への成
膜を行なう点に要旨を有するものである。

［作用コ 萌述の様に陰極に対しては従来アーク安定性の向上等を
目的として水等の冷媒による強制冷却を採用するのが一
般的であり、陰極面温度は５０℃程度に（少なくとも２
００℃までの低温に）抑えられていた。即ち陰極面を高
い温度にするとアークエネルギーの集中により陰極材料
が溶融し、多くの溶融物が形成されて溶融粒子が極めて
多く発生するためである。

これに対し、本発明では真空チャンバー内に、陰極材料
と反応して陰極材料より高融点を有する化合物を形成す
る様なガスを導入して、陰極材料の蒸発面に高融点化合
物層を形成する。しかも本発明では陰極に対する冷却を
制限することによって陰極表面温度が２００℃以上好ま
しくは５００℃以上、融点以下に制御して陰極材料と導
入ガスの反応並びに反応生成物の拡散を促進する。特に
本発明では陰極表面温度が高いので反応生成物層の深部
への拡散が十分に進行し、陰極表面に厚さの大きな高融
点化合物層が形成される。この結果アークスポットから
プラズマ粒子を発生させる時の、スポット周辺の溶融部
が減少し、プラズマ粒子の発生を妨げることなく溶融粒
子の発生数を大幅に低減することができると共に、発生
する溶融粒子の粒径も小さくすることができる。

こうした本発明の作用効果を確実に得る為には陰極表面
温度を２００℃以上（好ましくは５００℃以上）にする
必要があり、２ｏｏ℃未満では陰極材料とガスとの反応
並びに反応生成物の拡散が不十分となる。一方陰極表面
温度をあまりに高くすると、陰極材料の溶解あるいは溶
は落ちが発生するので陰極表面温度は陰極材料の融点以
下に制限しなければならない。尚陰極表面温度を制御す
る手段については特に制限を設けるものではないが、ア
ークエネルギーが蓄積して陰極温度は次第に上昇するの
で積極的な加熱は必要ではなく、強制冷却機構等による
陰極冷却度合を調整すればよく、該制御手段としては例
えば間接冷却を採用したり、熱伝導性の良くない材料か
らなる冷却構造体を使用する等の手段を適用することが
できる。

さらに陰極の厚さを増加させ、熱流抵抗を大きくするこ
とによっても実現することができる。

又真空チャンバー内へ導入する高融点化合物形成用ガス
の導入圧力については、真空チャンバー内に残存する空
気や別途導入することのある不活性ガスの圧力を除いた
分圧でＩ　Ｘ　１０−４Ｔｏｒｒ以上、より好ましくは
１　ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ以上に設定する必要があり、
これよりガス分圧が低い場合には反応性ガスの不足によ
って高融点化合物を十分に形成することができない。

［実施例］ 実施例１ 第１図は本発明方法を実施する為の真空アーク蒸着装置
を示す模式図で、真空チャンバー１内に真空アーク蒸発
源Ａを設置し、これに対向して基板８を設けている。真
空アーク蒸発源Ａは、有効蒸発面の直径が５０ｍｍすの
Ｔｉからなる陰極２の裏面にステンレス板からなる伝熱
制御板５を介して水冷構造冷却床６を付設してなり、陰
極２の基板側の近傍に陽極３を配設している。尚４はア
ーク閉じ込めリング、１０は絶縁物を示す。

真空アーク蒸着を実施するに当たっては、真空チャンバ
ー１内を１　ｘ　１０−４Ｔｏｒｒまで図示しない排気
手段により減圧した後、ガスボンベ１１からＮ２を１　
ｘ　１Ｏ−２Ｔｏｒｒまで導入し、陽極３と陰極２の間
でアークを発生させた。この状態でアーク電流を１８Ｏ
Ａに保持すると陰極表面は数分で赤熱し、表面温度は５
００ｔ：以上になった。そして陰極２から発生したＴｉ
のプラズマ粒子が基板に照射されて反応性ガスであるＮ
２と反応して約２μｍのＴｉＮのコーテイング膜が形成
された。

比較の為陰極２の背面を直接冷却する従来方法を用いて
基板上に約２μｍのＴｉＮコーテイング膜を形成し、両
者の膜質を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察し
たところ第１表に示す結果が得られた。

第　　　１　　　表 第１表に示す様に実施例では大幅な溶融粒子の数及びサ
イズの減少を観察することができた。

さらにコーティング処理終了後の陰極面の状態を観察す
ると従来方法を用いた陰極面は金属色でありＴｉ素地が
現れていると思われるのに対し、実施例の陰極面は金色
を呈し、陰極表面にＴｉＮ層が形成されていることを確
認することができた。又、コーティング処理終了後の陰
極面をＳＥＭにて３００倍に拡大して観察したところ、
従来法による陰極面はアークスポットにて溶融した跡と
思われる領域が２０〜５０μｍ程度の直径を持つのに対
して、本発明による陰極面は、溶融領域の跡は大幅に微
細化されており、直径で１０μｍ程度、最大のもので２
５μｍ程度となっていることが判った。これは本発明の
効果にてアークスポットで溶融する領域が小さくなった
ためと考えられる。

尚導入Ｎ２圧力を種々変化させてみると１×１０−４Ｔ
ｏｒｒ以上で明らかに上記と同様の効果を得ることがで
きた。又アーク電流値については１２０〜２００Ａの範
囲で十分な陰極表面温度の上昇を確認することができ、
皮膜中の溶融粒子数の減少を見たのでアーク電流値を上
記範囲に調整することが望ましいと言えるが、これに限
定する訳ではない。

上記の様に優れた効果が得られる理由については前記し
た通り陰極材料と反応性ガスの反応生成物である高融点
化合物層が陰極表面に形成されるからであるが、車に反
応性ガスを導入するだけでは高融点化合物層の形成は不
十分で溶融粒子の発生をそれ程抑えることができない。

しかるに上記実施例にも示す様に陰極表面温度を２００
℃以上に高めると拡散現象が活発となって浸透深さの大
きい高融点化合物層が形成され、溶融粒子の発生は格段
に少なくなる。

尚上記実施例では陰極の冷却制限手段として陰極と冷却
床の間にステンレス板を挟んだが、これ以外の方法でも
勿論同様の効果を得ることができる。

例えば冷却床をステンレス鋼等の熱伝達係数の小さい材
料で作製することが有効である他、第２図に示す様に陰
極と冷却床の接触面積を小さくした構造の真空アーク蒸
発源を使用することも有効である。また陰極自身の厚み
を大きくしたり、陰極を熱伝導の悪い材料で製作し、陰
極自身の中で温度差を大きくして陰極表面温度を上昇さ
せるのも有効である。

実施例２ 実施例１では陰極にＴｉ、反応性ガスとしてＮ２を使用
したが、本発明は真空アーク蒸発法で蒸発可能な陰極材
料のすべて及びこれと反応して高融点化合物を形成する
全てのガスについて通用可能であり、陰極材料としては
例えばＴｉ（融点１９５３”Ｋ、以下同じ）　、　Ｚ　
ｒ　（２１２３°Ｋ）、Ｈｆ（２４９５°Ｋ）　、　Ｔ
　ａ　（３２７３’Ｋ）　、　Ｎ　ｂ　（２６９３°Ｋ
）。

Ｖ　（２１９３’Ｋ）　ノｌ　Ｖｂ、　Ｖｂ属の金属が
挙げられ、これとＮ２　、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２，０２等の
反応性ガスを反応させると、Ｔ　ｉ　Ｎ　（３２２０°
Ｋ）。

Ｔ　ｉ　Ｃ（３３４０”Ｋ）　、　　ＺｒＮ　（３２５
０’Ｋ）　、　　Ｚ　ｒＣ（３６９０”Ｋ）　、　Ｈｆ
　Ｎ　（３５８０’Ｋ）、Ｈｆ　Ｃ（４２２０”Ｋ）。

Ｔ　ａ　Ｎ　　（３３６０＠Ｋ）、Ｔ　ａ　Ｃ（４２７
０°Ｋ）、ＮｂＣ（３８７０°Ｋ）　、　　Ｖ　Ｎ　（
２４５０’Ｋ）、Ｖ　Ｃ（２９２１＠Ｋ）　。

Ｔ　ｉ　０２（２１１３’Ｋ）　、　　Ｚ　ｒ　０２　
　（２９５０’Ｋ）　。

Ｔ１ＣＮ、ＨｆＣＮ等の高融点化合物を形成することが
できるので、上記組み合せにおいて、本発明方法の適用
が可能である。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、溶融粒子の混入が
少ない良質の皮膜を基板上に能率良く成膜することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する為の装置を示す模式図、
第２図は真空アーク蒸発源の他の実施例を示す模式図で
ある。 １・・・真空チャンバー　２・・・陰極３・・・陽極　
　　　　　４・・・アーク封込めリング５・・・冷却制
御板　　　６・・・冷却床７・・・冷却水　　　　　８
・・・基板９・・・アーク電源　　　１０・・・絶縁物
１１・・・ガスボンベ 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 真空チャンバー内に配置した陽極と陰極の間にアークを
   発生させ、陰極面から飛び出したプラズマ粒子を基板上
   に堆積させる真空アーク蒸着法において、陰極表面温度
   を２００℃以上、陰極材料の融点未満に保持すると共に
   、真空チャンバー内に陰極材料と反応して高融点化合物
   を形成するガスを１×１０＾−＾４Ｔｏｒｒ以上の分圧
   となる様に導入して陰極表面に高融点化合物層を形成し
   つつ、基板への成膜を行なうことを特徴とする真空アー
   ク蒸着法。