説明

アーク式蒸発源

【課題】ターゲット表面から基材方向に伸びる直進性の高い磁力線を、ターゲット表面の広い領域において発生させることができるアーク式蒸発源を提供する。
【解決手段】アーク式蒸発源1aに、ターゲット2の外周を取り囲むように配置されたリング状の外周磁石3と、ターゲット2の背面側に配置されたリング状の背面磁石4aとを備える。アーク式蒸発源1aにおいて、外周磁石3は、ターゲット2の前面と直交する方向に沿うと共に前方を向くような磁化方向となる極性を有する。背面磁石4aは、ターゲット2の前面と平行であり且つリング径内方向を向くような磁化方向となる極性を有すると共に、ターゲット2の大きさ以上の内径を有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、機械部品等の耐摩耗性などの向上のために用いられる、窒化物及び酸化物などのセラミック膜、非晶質炭素膜等の薄膜を形成する成膜装置のアーク式蒸発源に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、機械部品、切削工具、摺動部品などの耐摩耗性、摺動特性及び保護機能を向上させる目的で、当該部品及び工具の基材の表面に薄膜をコーティングする物理蒸着法が広く用いられている。この物理蒸着法としては、アークイオンプレーティング法や、スパッタ法が広く知られており、アークイオンプレーティング法は、カソード放電型アーク式蒸発源を用いる技術である。
【0003】
カソード放電型アーク式蒸発源(以下、アーク式蒸発源という)は、カソードであるターゲットの表面にアーク放電を発生させ、ターゲットを構成する物質を瞬時に溶解及び蒸発させてイオン化する。アーク式蒸発源は、アーク放電によってイオン化されたその物質を被処理物である基材側に引き込んで、基材表面に薄膜を形成する。このアーク式蒸発源では、ターゲットの蒸発速度が速く、かつ蒸発した物質のイオン化率が高いので、成膜時には基材にバイアスを印加することで緻密な皮膜を形成できる。このため、アーク式蒸発源は、切削工具などの表面に耐摩耗性皮膜を形成する目的で産業的に用いられている。
【0004】
アーク放電により蒸発するターゲット原子は、アークプラズマ中において高度に電離及びイオン化する。その場合、ターゲットから基材に向かうイオンの輸送は、ターゲットと基材との間の磁界に影響され、その軌跡は、ターゲットから基材に向かう磁力線に沿ったものとなる。
しかし、カソード(ターゲット)とアノードの間で生じるアーク放電において、カソード側の電子放出点(アークスポット)を中心としてターゲットが蒸発する際に、アークスポット近傍から溶融した蒸発前の溶融ターゲット(マクロパーティクル)が放出されることがある。この溶融ターゲットの被処理体への付着は、薄膜の面粗度を低下させる原因となる。
【0005】
これに関して、アークスポットが高速で移動すると、マクロパーティクルの量は抑制される傾向にあるが、そのアークスポットの移動速度は、ターゲット表面に印加された磁界に影響される。
このような問題を解消するために、ターゲット表面に磁界を印加し、アークスポットの移動を制御する次のような技術が提案されている。
【0006】
特許文献1には、ターゲットの周囲に、リング状の磁場発生源を設け、ターゲット表面に垂直な磁場を印加する真空アーク蒸発源が開示されている。この真空アーク蒸発源によれば、アークスポットの動きが高速になり、溶融粒子の発生を抑制できるとされている。
特許文献2には、ターゲットの外周を取り囲み、磁化方向がターゲット表面と直交する方向に沿った外周磁石と、極性が外周磁石と同方向で且つ磁化方向が磁化方向がターゲット表面と直交する方向に沿った背面磁石とを備えアーク式蒸発源が開示されている。このアーク式蒸発源によれば、磁力線の直進性を向上させることができるとされている。
【0007】
特許文献3には、ターゲット周囲に配置されたリング状磁石と背面の電磁コイルによりターゲット表面に平行な磁場を形成するアーク蒸発装置が開示されている。このアーク蒸発装置によれば、ターゲットの中心からその外縁部までのあらゆるトラックに従ったアークの誘導が達成されるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平11−269634号公報
【特許文献2】特開2010−275625号公報
【特許文献3】特表2004−523658号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、特許文献1に開示の真空アーク蒸発源は、ターゲット周辺部からのみターゲット表面に磁場を印加する構成を採用しているために、ターゲット表面の中心付近では磁場が弱くなる。また、ターゲット表面から基材方向に伸びる磁力線は軸芯から逸れる方向に向かっており、基材から逸れる磁力線が多数発生してしまう。このような磁力線が形成される磁場形態では、ターゲットから蒸発したイオンを効率的に基材に輸送することができないため、成膜速度が遅くなる。
【0010】
特許文献2に開示のアーク式蒸発源は、ターゲットの背面に間隔を空けて配置された2枚の円板磁石によって、ターゲット表面から基材に向かう方向に磁力線を発生させている。これら2枚の円板磁石は、中央部においては直進性の高い磁力線を発生させることができるが、中央部よりも外周側から出た磁力線は、円板磁石の軸芯に対して外向きに発散する。これは、一般的な磁石の特性として避けがたい現象であり、イオン化されたターゲット物質を効率的に基材方向に誘導するには、特許文献2のアーク式蒸発源において、更なる改善の余地がある。
【0011】
さらに、特許文献3に開示のアーク蒸発装置によれば、電磁コイルの中央部からは直進性の高い磁力線が発生するが、電磁コイルの中央部よりも外周側から出た磁力線は、電磁コイルの軸芯に対して外向きに発散する。
つまり、特許文献2及び3に開示の技術では、ターゲットの背面に設ける磁石や電磁石の特性上、ターゲットの前面から基材に向かって直進性の高い磁力線を発生させることができるのは、ターゲットの中央部のみである。そのため、特許文献2及び3に開示の技術によっても、成膜速度を十分に向上させることができない。
【0012】
前述の問題に鑑み、本発明は、ターゲット表面から基材方向に伸びる直進性の高い磁力線を、ターゲット表面の広い領域において発生させることができるアーク式蒸発源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
前記目的を達成するため、本発明は、以下の技術的手段を採用した。
本発明に係るアーク式蒸発源は、ターゲットの外周を取り囲むように配置されたリング状の外周磁石と、前記ターゲットの背面側に配置されたリング状の背面磁石と、を備えたアーク式蒸発源において、前記外周磁石は、前記ターゲットの前面と直交する方向に沿うと共に前方又は後方を向くような磁化方向となる極性を有し、前記背面磁石は、前記ターゲットの前面と平行な磁化方向となる極性を有すると共に、前記ターゲットの大きさ以上の内径を有し、前記背面磁石の磁化方向は、前記外周磁石の磁化方向が前方を向く場合はリング径内方向を向く、又は前記外周磁石の磁化方向が後方を向く場合はリング径外方向を向くことを特徴とする。
【0014】
ここで、好ましくは、前記外周磁石の前端面が、前記ターゲットの前面と同一平面上、又は前記ターゲットの前面よりも前方となるように配置されているとよい。
また、好ましくは、前記背面磁石と同じ磁化方向となる極性を有するリング状の第2の背面磁石を有し、前記第2の背面磁石が、前記背面磁石の後方又は背面磁石の前方であって、且つターゲットの背面側で、前記背面磁石と同軸状に配備されているとよい。
【0015】
さらに、好ましくは、前記背面磁石及び第2の背面磁石の径内には、両背面磁石を貫通する磁性体が設けられており、前記磁性体の外周が前記背面磁石の内周面と接しているとよい。
なお、好ましくは、前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石及び前記外周磁石は永久磁石であるとよい。
【発明の効果】
【0016】
本発明によると、アーク式蒸発源において、ターゲット表面から基材方向に伸びる直進性の高い磁力線を、ターゲット表面の広い領域において発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】(a)は、本発明の第1実施形態によるアーク式蒸発源を備えた成膜装置の概略構成を示す側面図であり、(b)は、成膜装置の概略構成を示す平面図である。
【図2】本発明の第1実施形態によるアーク式蒸発源の概略構成を示す図である。
【図3】第1実施形態によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図4】比較例によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図5】本発明の第2実施形態によるアーク式蒸発源の概略構成を示す図である。
【図6】第2実施形態によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図7】本発明の第3実施形態によるアーク式蒸発源の概略構成を示す図である。
【図8】第3実施形態によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。
[第1実施形態]
図1〜図4を参照して、本発明の第1実施形態について説明する。図1は、本発明の第1実施形態によるアーク式蒸発源1a(以下、蒸発源1aという)を備えた成膜装置6を示している。
【0019】
成膜装置6は、チャンバ11を備え、このチャンバ11内には被処理物である基材7を支持する回転台12と、基材7に向けて配置された蒸発源1aとが備えられている。チャンバ11には、当該チャンバ11内へ反応ガスを導入するガス導入口13と、チャンバ11内から反応ガスを排出するガス排気口14とが設けられている。
加えて、成膜装置6には、後に詳述する蒸発源1aのターゲット2に負のバイアスをかけるアーク電源15と、基材7に負のバイアスをかけるバイアス電源16とが設けられている。両電源15、16の正極側はグランド18に接地されている。
【0020】
図1に示すように、蒸発源1aは、蒸発面が基材7に向くように配置された所定の厚みを有する円板状(以下、「円板状」とは所定の高さを有する円柱形状も含む)のターゲット2と、ターゲット2の近傍に配置された磁界形成手段8a(外周磁石3と背面磁石4aから構成される)を備えている。なお、本実施形態では、チャンバ11がアノードとして作用する。このような構成によって、蒸発源1aは、カソード放電型のアーク式蒸発源として機能する。
【0021】
図1及び図2を参照し、成膜装置6に備えられた蒸発源1aの構成について、以下に説明する。図2は、本実施形態による蒸発源1aの概略構成を示す図である。
蒸発源1aは、上述したように、所定の厚みを有する円板状のターゲット2と、ターゲット2の近傍に配備された磁界形成手段8aとから構成されている。
なお、以下の説明において、ターゲット2の蒸発面であって基材7側(基材方向)を向く面を「前面(ターゲット前面)」といい、その反対側(基材と反対方向)を向く面を「背面(ターゲット背面)」という(図1及び図2参照)。
【0022】
ターゲット2は、基材7上に形成しようとする薄膜に応じて選択された材料で構成されている。その材料としては、例えば、クロム(Cr)、チタン(Ti)、及びチタンアルミ(TiAl)などの金属材料や炭素(C)などのイオン化可能な材料がある。
磁界形成手段8aは、ターゲット2の外周を取り囲むように配置されたリング状(環状乃至はドーナツ状)の外周磁石3と、ターゲット2の背面側で外周磁石3と同軸状に配置されたリング状(環状乃至はドーナツ状)の背面磁石4aとを有している。これら外周磁石3及び背面磁石4aは、保磁力の高いネオジム磁石により形成された永久磁石によって構成されている。
【0023】
つまり、蒸発源1aは、ターゲット2、外周磁石3、及び背面磁石4aを、互いの軸心をほぼ一致させるように配置することで構成される。
外周磁石3は、上述のとおりリング体であって、ターゲット2の径(寸法)よりも若干大きな(1〜2倍程度の)内径(内寸)と軸心方向に沿った所定の高さとを有している。外周磁石3の高さは、ターゲット2の軸心方向に沿った高さとほぼ同じであるか若干小さい。
【0024】
このようなリング状の外周磁石3の外観は、互いに平行な2つの円環状の面(円環面)と、当該2つの円環面を軸心方向につなぐ2つの周面とからなっている。この2つの周面は、円環面の内周側(径内側)に形成される内周面と、円環面の外周側(径外側)に形成される外周面である。これら内周面と外周面の幅は、すなわち外周磁石3の厚み(径方向厚み)である。
【0025】
なお、外周磁石3の径内側の内周面の形状は、外周磁石3とターゲット2とをターゲット2の前面と直交する方向に沿って投影したときの両者の投影形状において、外周磁石3の径内側の内周面の投影形状と、ターゲット2の投影形状とが相似となるように形成されている。
図2に示すように、外周磁石3は、基材7側を向く前方の円環面(前端面)がN極となり、その反対側を向く後方の円環面(後端面)がS極となるように構成されている。図中、外周磁石3の後方の円環面(S極)から前方の円環面(N極)に向かう矢印が示されているが、以降、この矢印の方向を磁化方向と呼ぶ。本実施形態の外周磁石3は、この磁化方向がターゲット2の前面と直交する方向に沿うと共に前方を向くように配置されている。
【0026】
外周磁石3は、上述のように、リング状あるいは環状の一体形状をなすものであるとよい。しかし、円柱状あるいは直方体状の複数の磁石を、それらの磁化方向がターゲット2の前面と直交する方向に沿うと共に前方を向くようにリング状あるいは環状に並べて外周磁石3を構成してもよい。
外周磁石3は、ターゲット2の外周を取り囲むように配置されており、このような配置においてターゲット2と同心軸状となっている。このとき、外周磁石3の前方の円環面は、ターゲット2の前面と同一平面上にあって互いに面一となっているか、ターゲット2の前面よりも前方に配置されている。
【0027】
例えば、図2においてターゲット2は、その前面が外周磁石3の高さの範囲から出ないように配置されている。よって、本実施形態では、外周磁石3の径方向から見た投影がターゲット2の径方向から見た投影と重なるように配置されている。すなわち、外周磁石3は、ターゲット2の前面(蒸発面)と平行な方向に外周磁石3とターゲット2とを投影したときに形成される影が互いに重なると共に、外周磁石3の影がターゲット2の影に完全に含まれるように配置されている。
【0028】
このように、外周磁石3は、前端面がターゲット2の前面と同一平面上、又はターゲット2の前面よりも前方に配置されるように、蒸発源1aに備えられている。
背面磁石4aは、外周磁石3とほぼ同径のリング体であって、外周磁石3とほぼ同じ内径(内寸)と外径(外寸)を有している。従って、ターゲット2の径よりも若干大きな(1〜2倍程度の)内径と軸心方向に沿った所定の高さとを有している。外周磁石3の厚みは、ターゲット2の厚みよりも若干大きく、外周磁石3の厚みの2倍程度である。
【0029】
このようなリング状の背面磁石4aの外観も、外周磁石3と同様に、互いに平行な2つの円環状の面(前端面及び後端面)と、当該2つの円環面を軸心方向につなぐ2つの周面(内周面及び外周面)とからなっている。これら内周面と外周面の幅は、すなわち外周磁石3の軸心方向に沿った高さである。
図2に示すように、背面磁石4aは、径内側の内周面がN極となり、その反対の径外側の外周面がS極となるように構成されている。図中、背面磁石4aの外周面(S極)から内周面(N極)に向かって磁化方向を表す矢印が示されている。本実施形態の背面磁石4aにおいて、磁化方向は、ターゲット2の前面と平行となると共に径内方向を向くように配置されている。
【0030】
このような構成の外周磁石3の磁化方向と背面磁石4aの磁化方向とは、外周磁石3の前端面と背面磁石4aの内周面が同じ極性を有した上で、互いに垂直な方向となっている。
このように、外周磁石3と背面磁石4のそれぞれの磁化方向が、互いに垂直な方向となることで、外周磁石3によって形成される磁界と背面磁石4aによって形成される磁界とを組合せることができる。これにより、ターゲット2の蒸発面を通過する磁力線の方向を蒸発面に対してほぼ垂直とすることができ、且つターゲット2の表面から基材7に向かって伸びる直進性の高い磁力線をターゲット表面の広い領域において発生させることができるという効果が得られる。
【0031】
なお、上述の通り、外周磁石3の磁化方向と背面磁石4aの磁化方向とは、外周磁石3の前端面と背面磁石4aの内周面が同じ極性を有した上で、互いに垂直な方向となっていればよい。従って、外周磁石3の極性と背面磁石4aの極性を、図2に示した上述の構成とは反対にして、外周磁石3の磁化方向と背面磁石4aの磁化方向をそれぞれ反転させてもよい。
【0032】
次に、蒸発源1aを用いた成膜装置6における成膜の方法を説明する。
まず、チャンバ11を真空引きして真空にした後、アルゴンガス(Ar)等の不活性ガスをガス導入口13より導入し、ターゲット2及び基材7上の酸化物等の不純物をスパッタによって除去する。不純物の除去後、チャンバ11内を再び真空にして、真空となったチャンバ11内にガス導入口13より反応ガスを導入する。
【0033】
この状態でチャンバ11に設置されたターゲット2上でアーク放電を発生させると、ターゲット2を構成する物質がプラズマ化して反応ガスと反応する。これによって、回転台12に置かれた基材7上に窒化膜、酸化膜、炭化膜、炭窒化膜、或いは非晶質炭素膜等を成膜することができる。
なお、反応ガスとしては、窒素ガス(N)や酸素ガス(O)、またはメタン(CH)などの炭化水素ガスを用途に合わせて選択すればよく、チャンバ11内の反応ガスの圧力は1〜10Pa程度とすればよい。また、成膜時、ターゲット2は、100〜200Aのアーク電流を流すことで放電させると共に、10〜30Vの負電圧をアーク電源15により印加するとよい。さらに、基材7には10〜200Vの負電圧をバイアス電源16により印加するとよい。
【0034】
また、ターゲット2の前面における磁束密度が50ガウス以上となるように、外周磁石3及び背面磁石4を構成及び配置すると好ましい。このようにターゲット2の前面における磁束密度の下限を設定することで、成膜を確実に行うことができる。なお、ターゲット2の前面における磁束密度は75ガウス以上であればより好ましく、100ガウス以上であればさらに好ましい。
【0035】
これら磁束密度の下限に加えて、ターゲット2の前面における磁束密度を250ガウス以下とすると好ましい。ターゲット2の前面における磁束密度の上限を設定することで、成膜をより確実に行うことができる。なお、ターゲット2の前面における磁束密度は225ガウス以下であればより好ましく、200ガウス以下であればさらに好ましい。
上記のような磁束密度を採用することで、ターゲット2の表面上にアークスポットを閉じこめることができるとともに、アーク放電による成膜を安定して行うことができる。
(実施例1)
図3を参照しながら、第1実施形態による蒸発源1aで発生する磁力線の分布について説明する。なお、図3で示される磁力線分布図は、背面磁石4aの後方から基材7の表面までの磁力線分布を示している。図3の磁力線分布図において、右端は基材7の表面の位置を示している。
【0036】
以下に、各種実験条件を示す。例えば、ターゲット2の寸法は、(100mmφ×16mm厚み)である。外周磁石3の寸法は、(内径150mm、外径170mm、高さ10mm)であり、外周磁石3のターゲット2の表面からの距離は5mmとなっている。背面磁石4aの寸法は、(内径150mm、外径170mm、高さ20mm)であり、背面磁石4aのターゲット2の表面からの距離は40mmとなっている。ターゲット2の表面での磁束密度は、50ガウス以上である。
【0037】
図3を参照すると、背面磁石4aから径内方向に出た磁力線は、その進行方向を背面磁石4aの軸心方向に沿うように変化させて、ターゲット2に向かってほぼ垂直に伸びる。これら磁力線は、外周磁石3から出た磁力線と組み合わされてターゲット2の蒸発面を通過する。ターゲット2の蒸発面からは、基材方向に伸びる直進性の高い磁力線が、ターゲット2の蒸発面の広い領域において発生している。言い換えれば、ターゲット2の蒸発面の広い領域において、垂直の磁力線(垂直成分)が多く発生している。
【0038】
ここで、図3のターゲット2の外周部において、2つの丸印Pで囲んだ部分の磁力線に注目する。2つの丸印Pにおける磁力線は、ターゲット2の蒸発面から出ると、ターゲット2の径外方向、つまり、外周磁石3に向かって湾曲している。これは、2つの丸印Pで囲んだターゲット2の外周部においては、ターゲット2の蒸発面に垂直となる磁力線成分がほぼ存在していないということを表している。
【0039】
成膜装置6において発生するカソード側の電子放出点(アークスポット)は、ターゲット2の蒸発面に略平行な磁力成分が存在する(垂直となる磁力線成分が存在しない)場所に捕捉(トラップ)されやすい。つまり、ターゲット2の蒸発面上を高速に移動するアークスポットが、ターゲット2の外周部を越えてターゲット2の蒸発面の外に移動してしまうといった不具合を回避することができ、アークスポットをターゲット2の蒸発面上に留めておくことができる。
(比較例)
本実施形態による蒸発源1aの特徴及び効果を明確にするために、上記実施例1に対する比較例を説明する。
【0040】
図4は、本比較例による蒸発源で発生する磁力線の分布を示している。本比較例による蒸発源は、第1実施形態による蒸発源1aと同様のターゲット及び外周磁石を備えると共に、蒸発源1aの背面磁石4aの代わりに、電磁コイルからなる背面電磁石20を備えている。本比較例による蒸発源は、特許文献3に開示されたアーク蒸発装置と類似の構成を有している。
【0041】
なお、図4で示される磁力線分布図も、背面電磁石20の後方から基材の表面までの磁力線分布を示している。図4の磁力線分布図において、右端は基材の表面の位置を示している。
以下に、各種実験条件を示す。例えば、ターゲットの寸法は、(100mmφ×16mm厚み)である。外周磁石の寸法は、(内径150mm、外径170mm、高さ10mm)であり、外周磁石3のターゲット2の表面からの距離は5mmとなっている。背面電磁石20の寸法は、(内径50mm、外径100mm、高さ25mm)であり、背面電磁石20のターゲット2の表面からの距離は45mmとなっている。ターゲットの表面での磁束密度は、50ガウス以上である。
【0042】
図4を参照すると、電磁コイル径内における中央部よりも外周側から出た磁力線は、電磁コイルを出た直後からコイルの軸芯に対して外向きに発散している。これら発散した磁力線は、ターゲット内でさらに発散してターゲットの前面に達することなく、ターゲットの側方へ向かう。
一方、背面電磁石20の中央部からは、直進性の高い磁力線が出ており、これら磁力線はターゲットの前面を透過している。しかし、直進する磁力線の密度は、図3に示した実施例1と比較して非常に低い。
【0043】
また、本比較例におけるターゲットの外周部には、上記実施例1を説明する図3に示した丸印Pの部分に相当する磁力線分布は存在していない。つまり、本比較例では、アークスポットをターゲットの蒸発面上に留めておくことは困難であるといえる。
【0044】
[第2実施形態]
図5及び図6を参照して、本発明の第2実施形態について説明する。
図5は、本発明の第2実施形態によるアーク式蒸発源1b(以下、蒸発源1bという)の概略構成を示す図である。本実施形態による成膜装置6は、第1実施形態による蒸発源1aの代わりに、後述する蒸発源1bを備えるものである。本実施形態による成膜装置6において、蒸発源1b以外の構成は第1実施形態で説明した構成と同様であるので、同様の構成要素については説明を省略し同じ参照番号を付す。
【0045】
本実施形態における蒸発源1bは、第1実施形態における蒸発源1aと同様に、所定の厚みを有する円板状のターゲット2と、ターゲット2の近傍に配備された磁界形成手段8bとから構成されている。磁界形成手段8bは、第1実施形態と同様の外周磁石3と背面磁石4aとを備え、さらに、背面磁石4aと同様の構成であって、外周磁石3とほぼ同径のリング体である背面磁石4b(第2の背面磁石)を備えている。
【0046】
リング状の背面磁石4bは、背面磁石4aの背面側で、背面磁石4a及び外周磁石3と同軸状に配置されている。これによって、背面磁石4bの磁化方向は、背面磁石4aの磁化方向と平行かつ同じ向きとなる。背面磁石4aと背面磁石4bは互いに隣接しているが、その間隔は任意とは限らない。背面磁石4aと背面磁石4bの間で互いに斥力が働くように、背面磁石4aと背面磁石4bを接近させるとよい。
【0047】
図5に示すように、背面磁石4aと背面磁石4bを同軸状に接近させると、背面磁石4aから出て背面磁石4bに向かって発散する磁力線と、反対に背面磁石4bから出て背面磁石4aに向かって発散する磁力線とが、互いに反発しあう。この反発によって、背面磁石4aと背面磁石4bの間における磁力線の発散が抑制されて、背面磁石4aと背面磁石4bの径内において直進性の高い磁力線を多数発生させることができる。
(実施例2)
図6を参照しながら、第2実施形態による蒸発源1bで発生する磁力線の分布について説明する。なお、図6で示される磁力線分布図は、背面磁石4bの後方から基材7の表面までの磁力線分布を示している。図6の磁力線分布図において、右端は基材7の表面の位置を示している。
【0048】
以下に、各種実験条件を示す。例えば、ターゲット2の寸法は、(100mmφ×16mm厚み)である。外周磁石3の寸法は、(内径150mm、外径170mm、高さ10mm)であり、外周磁石3のターゲット2の表面からの距離は5mmとなっている。
背面磁石4aの寸法は、(内径150mm、外径170mm、高さ20mm)であり、背面磁石4aのターゲット2の表面からの距離は60mmとなっている。背面磁石4bの寸法は、(内径150mm、外径170mm、高さ20mm)であり、背面磁石4bのターゲット2の表面からの距離は90mmとなっている。背面磁石4aと背面磁石4bの間隔は10mmである。
【0049】
なお、ターゲット2の表面での磁束密度は、50ガウス以上である。
図6を参照すると、背面磁石4a及び背面磁石4bから径内方向へ向かって、直進性の高い磁力線が多数出ている。これら磁力線は、その進行方向を背面磁石4a及び背面磁石4bの軸心方向に沿うように変化させて、ターゲット2に向かってほぼ垂直に伸びる。これら磁力線は、外周磁石3から出た磁力線と組み合わされてターゲット2の蒸発面を通過する。ターゲット2の蒸発面からは、基材方向に伸びる直進性の高い磁力線が、ターゲット2の蒸発面の広い領域において発生している。言い換えれば、ターゲット2の蒸発面の広い領域において、垂直の磁力線(垂直成分)が多く発生している。
【0050】
ここで、実施例1の図3と本実施例の図6とを比較する。図3と図6では、磁力線分布の範囲及び形状はほぼ同じである。しかし、背面磁石4a及び背面磁石4bの径内方向に沿って伸びる磁力線と、両背面磁石からターゲット2の軸心に沿って基材7へ伸びる磁力線との直進性及び密度は、図6の方が高くなっている。
また、図6においても、実施例1の図3における丸印Pと同様に、ターゲット2の外周部において、蒸発面に垂直となる磁力線成分がほぼ存在しない領域が形成されている。よって、本実施例も、アークスポットが、ターゲット2の外周部を越えてターゲット2の蒸発面の外に移動してしまうといった不具合を回避することができ、アークスポットをターゲット2の蒸発面上に留めておくことができる。
【0051】
[第3実施形態]
図7及び図8を参照して、本発明の第3実施形態について説明する。
図7は、本発明の第3実施形態によるアーク式蒸発源1c(以下、蒸発源1cという)の概略構成を示す図である。本実施形態による成膜装置6は、第2実施形態による蒸発源1bの代わりに、後述する蒸発源1cを備えるものである。本実施形態の成膜装置6において、蒸発源1c以外の構成は第2実施形態で説明した構成と同様であるので、同様の構成要素については説明を省略し同じ参照番号を付す。
【0052】
本実施形態における蒸発源1cは、第2実施形態における蒸発源1bと同様に、所定の厚みを有する円板状のターゲット2と、ターゲット2の近傍に配備された磁界形成手段8cとから構成されている。磁界形成手段8cは、第2実施形態と同様に、外周磁石3、背面磁石4a、及び背面磁石4bを備え、さらに、背面磁石4a及び背面磁石4bの径内には単一の磁性体9を備えている。
【0053】
磁性体9は、非リング状の磁気コアであって、背面磁石4a及び背面磁石4bの磁心となるものである。磁性体9は、背面磁石4a及び背面磁石4bを貫通するように設けられており、背面磁石4a及び背面磁石4bの内径と同一の径を有する円板状又は円柱状を有している。ここで、「非リング状」とは、ドーナツ状に径方向内部に孔が空いている環状ではなく、円板状や円柱状等の中実な形状を指す。
【0054】
言い換えれば、背面磁石4aと背面磁石4bは、一つの磁性体9の外周を密着(密接)して取り巻くように配置されているとも言える。このような配置において、背面磁石4aの前端面は、磁性体9の前端面とほぼ面一であり、背面磁石4bの後端面は、磁性体9の後端面とほぼ面一である。
蒸発源1cの構成をまとめると、ターゲット2、外周磁石3、背面磁石4a、背面磁石4b、及び磁性体9は、それぞれの各軸心が互いに一致するように同軸状に配置されているといえる。
【0055】
図7に示すように、背面磁石4a及び背面磁石4bの内側側面と磁性体9の側面を密着させることにより、背面磁石4a及び背面磁石4bの端面から出た磁力線を、磁性体9を通じて背面磁石4a及び背面磁石4bの軸芯方向に直線的に誘導することが可能となる。
従って、磁性体9において、背面磁石4a及び背面磁石4bの軸心に近い位置での磁力線の反発作用を大きくすることが可能となる。その結果、磁性体9の前端面の軸心に近い位置から、直進性の高い磁力線を多数発生させることができる。
(実施例3)
図8を参照しながら、第3実施形態による蒸発源1cで発生する磁力線の分布について説明する。なお、図8で示される磁力線分布図は、背面磁石4bの後方から基材7の表面までの磁力線分布を示している。図8の磁力線分布図において、右端は基材7の表面の位置を示している。
【0056】
以下に、各種実験条件を示す。例えば、ターゲット2の寸法は、(100mmφ×16mm厚み)である。外周磁石3の寸法は、(内径150mm、外径170mm、高さ10mm)であり、外周磁石3のターゲット2の表面からの距離は5mmとなっている。
背面磁石4aの寸法は、(内径150mm、外径170mm、高さ20mm)であり、背面磁石4aのターゲット2の表面からの距離は60mmとなっている。背面磁石4bの寸法は、(内径150mm、外径170mm、高さ20mm)であり、背面磁石4bのターゲット2の表面からの距離は90mmとなっている。背面磁石4aと背面磁石4bの間隔は10mmである。
【0057】
磁性体9の寸法は、(150mmφ×高さ50mm)である。
なお、ターゲット2の表面での磁束密度は、50ガウス以上である。
図8を参照すると、背面磁石4a及び背面磁石4bから径内方向へ向かって、直進性の高い磁力線が図6に示す実施例2よりも多数出ている。これら磁力線は、磁性体9の軸心近くで、進行方向を当該軸心方向に沿うように変化させて、ターゲット2に向かってほぼ垂直に伸びる。これら磁力線は、外周磁石3から出た磁力線と組み合わされてターゲット2の蒸発面を通過する。ターゲット2の蒸発面からは、図6に示す実施例2よりも直進性の高い磁力線がターゲット2の蒸発面の広い領域において発生し、基材方向に伸びている。言い換えれば、ターゲット2の蒸発面の広い領域において、垂直の磁力線(垂直成分)が多く発生している。
【0058】
ここで、実施例2の図6と本実施例の図8とを比較する。図6と図8では、磁力線分布の範囲及び形状はほぼ同じである。しかし、図8に示す磁力線は、図6に示す磁力線よりも、磁性体9及びターゲット2の軸心付近に集約されるように集中している。従って、磁力線全体の直進性及び密度は、図6よりも図8の方が高くなっている。
また、図8においても、上述した実施例2の図6と同様に、ターゲット2の外周部において、蒸発面に垂直となる磁力線成分がほぼ存在しない領域が形成されている。よって、本実施例も、アークスポットが、ターゲット2の外周部を越えてターゲット2の蒸発面の外に移動してしまうといった不具合を回避することができ、アークスポットをターゲット2の蒸発面上に留めておくことができる。
【0059】
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【0060】
例えば、各実施形態による蒸発源の説明において、各構成要素の形状や寸法に関して、平行、直交、及び同一といった表現、加えて、同軸といった表現を用いているが、これは、数学的な厳密さをもって平行、直交、同一、及び同軸を規定しているのではない。通常の機械部品の工作精度及び組立精度において、平行、直交、同一、及び同軸と言える範囲の誤差は、当然に許容される。
【0061】
また、ターゲット2は、円板形状に限定されず、例えば四角形状などの多角形状を有していてもよい。さらに、外周磁石3及び背面磁石4a,4bは、円環状に限定されず、例えば四角形などの多角形の環状となっていてもよい。
【符号の説明】
【0062】
1a〜1c 蒸発源(アーク式蒸発源)
2 ターゲット
3 外周磁石
4a,4b 背面磁石
6 成膜装置
7 基材
8a〜8c 磁界形成手段
9 磁性体
11 真空チャンバ
12 回転台
13 ガス導入口
14 ガス排気口
15 アーク電源
16 バイアス電源
18 グランド
20 背面電磁石

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ターゲットの外周を取り囲むように配置されたリング状の外周磁石と、前記ターゲットの背面側に配置されたリング状の背面磁石と、を備えたアーク式蒸発源において、
前記外周磁石は、前記ターゲットの前面と直交する方向に沿うと共に前方又は後方を向くような磁化方向となる極性を有し、
前記背面磁石は、前記ターゲットの前面と平行な磁化方向となる極性を有すると共に、前記ターゲットの大きさ以上の内径を有し、
前記背面磁石の磁化方向は、前記外周磁石の磁化方向が前方を向く場合はリング径内方向を向く、又は前記外周磁石の磁化方向が後方を向く場合はリング径外方向を向くことを特徴とするアーク式蒸発源。
【請求項2】
前記外周磁石の前端面が、前記ターゲットの前面と同一平面上、又は前記ターゲットの前面よりも前方となるように配置されていることを特徴とする請求項1に記載のアーク式蒸発源。
【請求項3】
前記背面磁石と同じ磁化方向となる極性を有するリング状の第2の背面磁石を有し、
前記第2の背面磁石が、前記背面磁石の後方又は背面磁石の前方であって、且つターゲットの背面側で、前記背面磁石と同軸状に配備されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のアーク式蒸発源。
【請求項4】
前記背面磁石及び第2の背面磁石の径内には、両背面磁石を貫通する磁性体が設けられており、前記磁性体の外周が前記背面磁石の内周面と接していることを特徴とする請求項3に記載のアーク式蒸発源。
【請求項5】
前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石及び前記外周磁石は永久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アーク式蒸発源。

【図2】
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【図5】
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【図7】
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【図1】
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【図3】
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【図4】
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【図6】
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【図8】
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【公開番号】特開2012−237063(P2012−237063A)
【公開日】平成24年12月6日(2012.12.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−98757(P2012−98757)
【出願日】平成24年4月24日(2012.4.24)
【特許番号】特許第5081327号(P5081327)
【特許公報発行日】平成24年11月28日(2012.11.28)
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Fターム(参考)】