JP3668845B2

JP3668845B2 - Discharge plasma deposition apparatus and method

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Publication number: JP3668845B2
Application number: JP2001376591A
Authority: JP
Inventors: 護武丹波
Original assignee: RIKEN
Current assignee: RIKEN
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2021-12-11
Also published as: JP2002241928A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中でカソード物質をプラズマ化させて成膜する放電型プラズマ成膜装置とその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
部品の高機能化のために、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅｃａｒｂｏｎｆｉｌｍ）やＴｉＮ，ＣＮ等の薄膜を被処理材の表面に成膜する表面加工技術が産業界で強く要望されている。例えばＤＬＣはカーボンを材料とする薄膜ダイヤモンドであり、（１）プラスチックレンズの表面にコーティングしてスクラッチ傷を防ぎ、（２）磁気ディスクの表面に成膜して読取りヘッドとの接触による磨耗を防ぎ、（３）環境問題化している湿式メッキの代替として優れた耐食性、耐磨耗性を発揮することができる。
【０００３】
上述したＤＬＣ等の成膜手段として、（１）窒素、アルゴン等のガスプラズマを用いたガスプラズマ法、（２）炭素、チタンなどのプラズマを用いたプラズマ法、及び（３）この両方を組合わせたハイブリッド法が開発されている。
このうち、ガスプラズマ法は、メタン（ＣＨ₄）やアセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）を原料ガスとするため、成膜中に水素（Ｈ）が残存する基本的な問題があり、このため、ＤＬＣ等の膜質の硬度が低下する。これに対して、プラズマ法では、原料（陰極材）として純粋なカーボンや金属材料を用いることができるため、硬度の高い優れた膜ができる特徴がある。本発明は、かかるプラズマ法に関するものである。
【０００４】
プラズマ法による成膜手段として、従来、アーク放電型プラズマイオン源を用いてＤＬＣ，ＴｉＮ，ＣＮ等の薄膜が生成されている。しかし従来の成膜手段では、溶けた原料（陰極材）が微細（直径１μｍ前後）の液滴（スプラッシュ、マクロパーティクル、ドロップレットと呼ぶ）となって生成膜に付着し、薄膜の品質（膜質）を悪化させる問題がある。
【０００５】
この問題を解決する手段として、例えば、特表平６−５０８２３５号、ＰＣＴ／ＦＩ９５／００６７７、等が提案されている。特表平６−５０８２３５号の「アークソース用大粒子フィルター」は、図９に示すように、円形のカソード２、円筒形のアノード３、トロイド４及び非線形のプラズマダクト５を備え、トロイド状の磁場により荷電粒子を素材８に導き、荷電していない液滴を除去するものである。なお、この図で、６は管、７は標的部域、９は磁気走査コイルである。また、ＰＣＴ／ＦＩ９５／００６７７の“ＦＯＣＵＳＩＮＧＵＮＩＴＦＯＲＡＮＡＲＣＤＩＳＣＨＡＧＥＡＰＰＡＲＡＴＵＳＵＳＥＤＦＯＲＰＬＡＴＩＮＧ"「メッキ用アーク放電装置のフォーカシングユニット」も、同様にブラズマビームを磁場により曲げ、同時に陰極表面に半径方向の磁場をかけることによって陰極点を陰極表面で回転させ液滴を除去するものである。
【０００６】
しかし、上述した従来のプラズマ法による成膜手段では、磁場によりプラズマを曲げて素材８に導くために、大型のトロイド４（コイル）を複数用いる必要があり、その結果、成膜効率が低下し磁場発生設備（例えばコイル）が大型化し、装置設備が非常に高価になる問題点があった。
【０００７】
この問題点を解決するために、本発明の発明者は先に、発生した金属アークプラズマを拡径する金属プラズマ拡径装置１０を備えた「金属プラズマを用いた成膜装置及び方法」を創案し出願した（特願平１１−３５４５５０号、未公開）。この発明により、高エネルギーで指向性の高い金属アークプラズマを用いて広い範囲に均一に高品質のＤＬＣ等を成膜することができ、かつ、膜質を低下させる液滴を効果的に除去することができるようになった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の放電型プラズマ成膜手段では、プラズマ源として使用する陰極（カソード）は、薄い円柱形又は円錐形のものが用いられていた。しかし、図５に例示したような薄い円柱形の陰極では、陰極容積が小さいため長時間の成膜ができない問題点があった。
【０００９】
一方、円錐形の陰極を用いる場合には、アーク放電のスポットを円錐陰極の先端部に局所化させて直流アーク放電を安定維持することができる。そのため、薄い円柱形よりは長時間成膜が継続できるものの、経過時間とアーク放電の積で陰極先端部が消耗し、陰極が円錐形であるため放電時間により陰極が急激に消耗してしまう欠点があった。
【００１０】
また、このような陰極の製作には、円柱材を旋盤等で加工するため加工時間がかかるばかりでなく、大量の切削くずが発生し、特に材料コストの陰極材料（例えば、ニッケル）では、成膜コストが上昇する問題点があった。
【００１１】
本発明はかかる問題点を同時に解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、真空アーク放電を発生させてカソード物質のプラズマを長時間安定して成膜することができる放電型プラズマ成膜装置とその方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、真空中でカソード物質をプラズマ化させる放電型プラズマ成膜装置であって、内部を減圧可能な真空容器（１２）と、該真空容器内に配置された円柱形状のカソード（１４）と、該カソードの円形端面（１４ａ）に対向する位置に設けられたアノード（１６）と、カソードとアノードの間に直流電圧を印加する直流電源装置（１８）と、カソードの円柱面（１４ｂ）とアノードの間に発生する真空アーク放電（１９）を遮蔽するアーク遮蔽部材（２０）とを備え、前記アーク遮蔽部材（２０）は、カソードの円柱面（１４ｂ）がアノードと直接対向するのを阻止するようにカソードの円柱面を軸方向に関し一定間隔を隔てて囲む中空円筒形の導電材であり、かつカソード及びアノードから電気的に絶縁されており、前記カソードは、その円形端面（１４ａ）とアノードとの距離を一定に保持するように軸方向に移動可能に構成されている、ことを特徴とする放電型プラズマ成膜装置が提供される。
【００１４】
また、真空容器（１２）内を真空に保持し、印加磁場中でアノードとカソードの間に真空アーク放電（１９）を発生させてカソード物質のプラズマを形成する放電型プラズマ発生方法であって、カソード及びアノードから電気的に絶縁された中空円筒形のアーク遮蔽部材（２０）でカソードの円柱面（１４ｂ）を軸方向に関し一定間隔を隔てて囲み、カソードの円柱面とアノードの間に発生する真空アーク放電（１９）を遮蔽し、前記カソードを、その円形端面（１４ａ）とアノードとの距離が一定に保持されるように軸方向に移動させる、ことを特徴とする放電型プラズマ発生方法が提供される。
【００１５】
上記本発明の装置及び方法によれば、アーク遮蔽部材（２０）がアノード及びカソードから電気的に絶縁されてその中間位置に位置するので、アーク遮蔽部材の電位はアノードとカソードの中間電位となり、真空アーク放電（１９）を電位差の大きいカソードとアノードの間のみに発生させることができる。
【００１６】
また、アーク遮蔽部材は、カソードの円柱面（１４ｂ）がアノードと直接対向するのを阻止するようにカソードの円柱面を軸方向に関し一定間隔を隔てて囲むので、カソードの円柱面（１４ｂ）とアノードの間に発生する真空アーク放電（１９）を遮蔽することができる。
【００１７】
従って、真空容器（１２）内を真空に保持し、印加磁場中でアノードとカソードの円形端面（１４ａ）との間のみに真空アーク放電（１９）を発生させてカソード物質のプラズマを形成することができ、カソードは円柱形を保持したまま徐々に短くなるだけなので、放電状態の変化が少なくカソード物質のプラズマ化を長時間安定して行うことができる。
【００１８】
また、前記カソード（１４）は、一定の長さを有する着脱可能な円柱部材、又は連続的にアノードに向けて供給可能に構成された長尺円柱部材であるのがよい。
一定の長さを有する着脱可能な円柱部材でカソードを構成すれば、この長さ分のカソード物質のプラズマ化が安定してできる。また、連続的にアノードに向けて供給可能に構成された長尺円柱部材でカソードを構成すれば、カソードの円形端面（１４ａ）の位置が一定に保持できるので、この面とアノードとの間に長時間安定して同一条件でプラズマを発生させることができる。
【００１９】
本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記真空容器（１２）は、カソード（１４）を保持するカソードホルダー（１２ａ）と、アーク遮蔽部材（２０）を間隔を隔てて囲むカウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）とからなり、カソードホルダー（１２ａ）はカソード（１４）と電気的に導通し、カウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）は、カソード及びアノードから電気的に絶縁されている。
また、前記真空容器（１２）を、カソード（１４）を保持するカソードホルダー（１２ａ）と、アーク遮蔽部材（２０）を間隔を隔てて囲むカウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）で構成し、カソードホルダー（１２ａ）をカソード（１４）と電気的に導通し、カウリング部（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ）を、カソード及びアノードから電気的に絶縁する。
【００２０】
この構成及び方法により、アーク遮蔽部材（２０）を間隔を隔てて囲むカウリング部（１２ｂ，１２ｃ）がカソード及びアノードから電気的に絶縁されるので、アーク遮蔽部材（２０）と共にそのまわりのカウリング部（１２ｂ，１２ｃ）も電位がアノードとカソードの中間電位となり、真空アーク放電（１９）を電位差の大きいカソードとアノードの間のみに更に安定して発生させることができる。
【００２１】
また、前記カウリング部（１２ｂ，１２ｃ）は、中空円筒形の可撓性ベローズ（３３）を介して連結されたカウリング移動部（１２ｂ）とカウリング固定部（１２ｃ）とからなり、カウリング移動部（１２ｂ）はカウリング固定部（１２ｃ）に対してカソード（１４）の軸方向に移動可能であり、カウリング移動部（１２ｂ）は、カソード絶縁部材（１５ｃ）を介してカソードホルダー（１２ａ）に固定され、カウリング固定部（１２ｃ）は、アノード絶縁部材（３１，３２）を介してアノード側に固定されている。
【００２２】
この構成により、カウリング部（１２ｂ，１２ｃ）をカソード及びアノードから電気的に絶縁したままで、カウリング移動部（１２ｂ）をカウリング固定部（１２ｃ）に対してカソード（１４）の軸方向に移動させることで、カソードの円形端面（１４ａ）の位置を一定に保持でき、この面とアノードとの間に長時間安定して同一条件でプラズマを発生させることができる。
【００２３】
前記アーク遮蔽部材（２０）は、絶縁碍子（３５）を介して前記カウリング固定部（１２ｃ）の内側に固定されている。
この構成により、アーク遮蔽部材（２０）をカウリング部（１２ｂ，１２ｃ）から絶縁して支持でき、アーク遮蔽部材（２０）とカソード及びアノードとの電気的な絶縁性能を更に高めることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明の放電型プラズマ成膜装置の第１実施形態の全体構成図である。本発明の放電型プラズマ成膜装置１０は、真空容器１２、カソード１４、アノード１６、直流電源装置１８及びアーク遮蔽部材２０を備え、真空中でカソード物質をプラズマ化させるようになっている。
【００２５】
真空容器１２は、互いに連通した第１チャンバー２２と第２チャンバー２３からなる。第１チャンバー２２と第２チャンバー２３は、中空の導管２４で連通する。また、第２チャンバー２３内は、図示しない真空装置により真空排気され、これにより、カソードが蒸発してプラズマが発生する第１チャンバー２２よりも第２チャンバー２３の圧力が低くなるように差動排気する。
【００２６】
カソード１４は、円柱形状の成膜材料（例えば、カーボン、Ｔｉ等）からなり、真空容器１２のカソードホルダー１２ａ内に配置され、かつ直流電源装置１８により負に印加される。
アノード１６は、導電性材料（例えば銅又は銅合金）からなり、カソード１４に対向する位置（例えば導管２４）に取付られ、その中央に第２チャンバー２３に通じる貫通孔を有している。アノード１６は、直流電源装置１８により正に印加される。
直流電源装置１８は、カソード１４を負にアノード１６を正に印加しその間に真空アーク放電１９を起こさせるようになっている。
【００２７】
図１において、本発明の成膜装置１０は、更に被処理材１を負に印加して金属プラズマからイオンを蓄積させるバイアス電源２９と、第１チャンバー２２及び第２チャンバー２３内に発生するプラズマを少なくとも一時的に封じ込める磁場を発生させる磁場発生装置３０とを備えている。
成膜チャンバー２７は、例えば、マルチカスプ磁場を形成するための複数の永久磁石と、ミラー磁場を形成するための空心コイルとからなり、これらの２つの磁場により、プラズマ閉じ込め空間を形成するようになっている（図示せず）。なお、磁場発生装置３０は、かかる構成に限定されず、例えば、特開平５−１０１７９９号に開示したような種々の構成のものであってもよい。
【００２８】
被処理材１は、成膜チャンバー２７内に収容され、内部を真空（例えば１０^-5〜１０^-6Ｔｏｒｒ）に保持される。また、被処理材１を保持するホルダー２８はバイアス電源２９により−１００Ｖ〜−１０００Ｖ程度に印加され、プラスに帯電したプラズマ２１中のイオンによる成膜効率を高めるようになっている。
【００２９】
バイアス電源２９は、好ましくは、直流パルス電源であるのがよい。この理由を以下に説明する。
プラズマ２１中に配置された被処理材１に負の高圧パルスが印加された時、プラズマ中の電子は被処理材１から斥けられ、金属イオンが被処理材１に引き込まれる。電子とイオンの質量差から電子は被処理材１から急激に遠ざかり、金属イオンと被処理材１の間には取り残された金属イオンのみが存在するイオンシースが形成される。負の印加高圧パルスのほとんどはこのイオンシースに加わり、その高電界により金属イオンは被処理材１に向かって加速される。このことはイオンシースのシースエッジが被処理材１から離れていくことであり、それと同時にシース内に金属プラズマより金属イオンが引き込まれる。
【００３０】
上述した構成により、放電型プラズマ成膜装置１０により、真空容器１２内を真空に保持し、印加磁場中でアノードとカソードの間に真空アーク放電１９を発生させてカソード物質のプラズマ２１を形成することができる。更に発生したプラズマ２１から磁場発生装置３０とバイアス電源２９により、プラスイオン（金属イオン）を抽出し、被処理材１に照射し成膜することができる。
【００３１】
また上述した装置は以下のように使用される。すなわち、真空チャンバー２２、２３内にガスを入れて真空（例えば１０^-2〜１０^-4Ｔｏｒｒ）に保持し、アノード１６とカソード１４との間に真空アーク放電１９を発生させてカソード物質のプラズマを形成し、その後ガスを遮断して真空チャンバー２２、２３内の真空度を１０^-5〜１０^-6Ｔｏｒｒに保ち、磁場発生装置３０による磁場によりプラズマを一時的に封じ込め、バイアス電極２９による電界によりプラズマ２１から所望するイオンを基板上に蓄積させる。
【００３２】
図２は、図１のＡ部の拡大図である。この図において、カソード１４は、一定の長さを有する着脱可能な円柱部材、１７はカソード１４をネジ等で固定して保持するカソード保持電極、１５ａ，１５ｂはカソード絶縁部材である。アーク遮蔽部材２０は、カソード１４の円柱面１４ｂがアノード１６と直接対向するのを阻止するようにカソードの円柱面を間隔を隔てて囲む中空円筒形の導電材（例えば金属管）である。このアーク遮蔽部材２０は、カソード絶縁部材１５ａ，１５ｂを介してカソード１４及びアノード１６から電気的に絶縁されている。
【００３３】
従って、アーク遮蔽部材２０の電位はアノードとカソードの中間電位となり、かつ電気的に絶縁されているので、真空アーク放電１９を電位差の大きいカソード１４とアノード１６の間のみに発生させることができる。また、アーク遮蔽部材２０は、カソード１４の円柱面１４ｂがアノード１６と直接対向するのを阻止するように位置しているので、真空アーク放電１９はカソードの端面１４ａとアノード１６との間に限定され、カソードの円柱面１４ｂとアノードの間に発生する真空アーク放電を実質的に遮蔽することができる。
【００３４】
図３は、本発明の放電型プラズマ成膜装置の第２実施形態の構成図である。この図も、図１のＡ部に相当する部分を示している。この図において、カソード１４は、図示しない供給装置により連続的にアノード１６に向けて供給可能に構成された長尺円柱部材である。この場合、カソードの端面１４ａは、アノード１６からの距離をほぼ一定に保持するようになっている。その他の構成は、図２と同様である。
【００３５】
また、本発明の放電型プラズマ成膜方法によれば、上述したように、カソード１４及びアノード１６から電気的に絶縁されたアーク遮蔽部材２０でカソード１４の円柱面１４ｂを間隔を隔てて囲み、カソード１４の円柱面１４ｂとアノード１６の間に発生する真空アーク放電１９を遮蔽して、真空アーク放電１９をカソード１４の端面１４ａとアノード１６との間に制限する。
【００３６】
上述した本発明の装置及び方法によれば、真空容器１２内を真空に保持し、印加磁場中でアノードとカソードの円形端面１４ａとの間のみに真空アーク放電１９を発生させてカソード物質のプラズマを形成することができる。この放電により、カソード１４は円柱形を保持したまま徐々に短くなるだけなので、放電状態の変化が少なくカソード物質のプラズマ化を長時間安定して行うことができる。
【００３７】
また、図１及び図２に示したように、一定の長さを有する着脱可能な円柱部材でカソード１４を構成すれば、この長さ分のカソード物質のプラズマ化が安定してできる。
また、図３に示したように、連続的にアノード１６に向けて供給可能に構成された長尺円柱部材でカソード１４を構成すれば、カソードの円形端面１４ａの位置が一定に保持できるので、この面とアノードとの間に長時間安定して同一条件でプラズマを発生させることができる。
【００３８】
図４は、本発明の放電型プラズマ成膜装置の第３実施形態の構成図である。この図も、図１のＡ部に相当する部分を示している。この図において、真空容器１２は、カソード１４を保持するカソードホルダー１２ａと、アーク遮蔽部材２０を半径方向に間隔を隔てて囲むカウリング部１２ｂ，１２ｃとからなる。
【００３９】
カソード１４は、その末端部に設けられた雄ネジ部でカソード保持電極１７に固定される。カソード保持電極１７は内部に中空部を有し、その中空部に冷却水を通して冷却し、カソード１４を使用中の過熱から保護するようになっている。また、カソード保持電極１７に設けられたフランジ部がカソードホルダー１２ａにボルト等で固定され、カソードホルダー１２ａとカソード１４は電気的に導通している。この構成により、カソードホルダー１２ａを直流電源装置１８の負極と電気的に接続することにより、カソード１４を負に印加することができる。
【００４０】
この例において、カウリング部１２ｂ，１２ｃは、中空円筒形の可撓性ベローズ３３を介して連結されたカウリング移動部１２ｂとカウリング固定部１２ｃとからなる。カウリング移動部１２ｂとカウリング固定部１２ｃは金属製であり、金属製のベローズ３３の両端部が溶接等により気密に接合されている。また、カウリング移動部１２ｂとカウリング固定部１２ｃの間隔を調整する金属製のボルト３４により、カウリング移動部１２ｂをカウリング固定部１２ｃに対してカソード１４の軸方向に移動できるようになっている。この移動は、カウリング移動部１２ｂと共に移動するカソード１４の円形端面１４ａの位置を、カソード１４の消耗に応じて一定に保持するように行うのがよい。なお、カウリング移動部１２ｂの移動は、この例ではボルトとナットの螺合によるが、パルスシリンダやステッピングモータを用いて正確に移動できるようにしてもよい。
【００４１】
カウリング移動部１２ｂは、カソード絶縁部材１５ｃを介してカソードホルダー１２ａに固定されている。カソード絶縁部材１５ｃは、例えば円板状のテフロン（登録商標）であり、絶縁性ボルト１３（例えばベーク材のボルト）でカウリング移動部１２ｂとカソードホルダー１２ａの間に挟持される。また、カウリング移動部１２ｂの内縁部とカソード保持電極１７との間には、中空円筒形のカソード絶縁部材１５ａが嵌め込まれ、カソード保持電極１７の先端（図で左端）とカソード１４の末端部には中空円筒形のカソード絶縁部材１５ｂが嵌まり、カソード１４の末端部とカソード保持電極１７の先端部が第１チャンバー２２内に露出しないようになっている。カソード絶縁部材１５ａは例えば強度の高いアルミナ材であり、カソード絶縁部材１５ｂは例えば耐熱性の高い窒化ボロン材（ＢＮ）であるのがよい。
【００４２】
この構成により、カウリング部１２ｂ，１２ｃをカソードから電気的に絶縁するとともに、カソード１４の末端部とカソード保持電極１７の先端部からの放電を本質的に防止することができる。
【００４３】
また、カウリング固定部１２ｃは、アノード絶縁部材３１，３２を介してアノード側に固定されている。アノード絶縁部材３１は、この例では、中空円筒形のアルミナであり、アノード絶縁部材３２はこの例では絶縁性ボルト（例えばベーク材のボルト）である。絶縁性ボルト３２によりアノード絶縁部材３１がカウリング固定部１２ｃと導管２４のフランジ部との間に挟持される。また、アノード絶縁部材３１の両端面がＯリング３６により、カウリング固定部１２ｃと導管２４のフランジ部との間を気密にシールされている。
この構成により、カウリング部１２ｂ，１２ｃ及びベローズ３３をアノード及びカソードから電気的に絶縁し、アーク遮蔽部材２０と共にそのまわりのカウリング部１２ｂ，１２ｃの電位もアノードとカソードの中間電位とすることができ、真空アーク放電１９を電位差の大きいカソードとアノードの間のみに更に安定して発生させることができる。
【００４４】
更に、この例では、アーク遮蔽部材２０は、周方向に複数個（例えば４個）設けられた絶縁碍子３５を介して、カウリング固定部１２ｃの内側に固定されている。なお、その他の構成は、図２と同様である。
この構成により、前述のようにカウリング固定部１２ｃは、アノード及びカソードから電気的に絶縁されており、更に絶縁碍子３５を介してアーク遮蔽部材２０が固定されているので、アーク遮蔽部材２０とカソード１４及びアノード１６との電気的な絶縁性能を更に高めることができる。
【００４５】
図５は、本発明の放電型プラズマ成膜装置の第４実施形態の構成図である。この図も、図１のＡ部に相当する部分を示している。
この図において、真空容器１２は、カソード１４を保持するカソードホルダー１２ａと、アーク遮蔽部材２０を半径方向に間隔を隔てて囲む金属製のカウリング部１２ｄとからなる。この例では、カウリング部１２ｄは、カウリング固定部のみからなる。
【００４６】
カウリング部１２ｄ（カウリング固定部）は、カソード絶縁部材１５ａを介してカソードホルダー１２ａに固定されている。カソード絶縁部材１５ａは、例えば円筒形のアルミナ材であり、絶縁ロッド１５ｄ（例えばベーク材製）とボルト２５でカウリング部１２ｄとカソードホルダー１２ａの間に挟持される。また、カソード絶縁部材１５ａの両端部はＯリング３６で気密にシールされる。
この例において、カソードホルダー１２ａは、第３実施形態（図４）におけるカソード保持電極１７の役割も担っている。すなわち、カソード１４は、その末端部に設けられた雄ネジ部でカソードホルダー１２ａに直接固定される。また、カソードホルダー１２ａは内部に中空部を有し、その中空部に冷却水を通して冷却し、カソード１４を使用中の過熱から保護するようになっている。
この構成によりカソードホルダー１２ａがカソード１４に電気的に導通し、カソードホルダー１２ａを直流電源装置１８の負極と電気的に接続することにより、カソード１４を負に印加することができる。
【００４７】
また、カソードホルダー１２ａとカソード１４の末端部の間には平板状のカソード絶縁部材１５ｂが嵌まり、カソード絶縁部材１５ａの末端部とカソードホルダー１２ａとの間には、中空円筒形のカソード絶縁部材１５ｃが嵌まり、カソードホルダー１２ａが第１チャンバー２２内に露出しないようになっている。カソード絶縁部材１５ｂは例えば耐熱性の高い窒化ボロン材（ＢＮ）であり、カソード絶縁部材１５ｃは例えばテフロン材であるのがよい。
【００４８】
この構成により、カウリング部１２ｄをカソード１４から電気的に絶縁するとともに、カソード１４の末端部とカソードホルダー１２ａからの放電を本質的に防止することができる。
【００４９】
また、カウリング部１２ｄは、アノード絶縁部材３１，３２を介してアノード側の導管２４に固定されている。アノード絶縁部材３１は、この例では、中空円筒形のテフロン材であり、アノード絶縁部材３２はこの例では絶縁性ボルト（例えばベーク材のボルト）である。絶縁性ボルト３２によりアノード絶縁部材３１がカウリング固定部１２ｄと導管２４のフランジ部との間に挟持される。また、アノード絶縁部材３１の両端面がＯリング３６により、カウリング部１２ｄと導管２４のフランジ部との間を気密にシールされている。
この構成により、カウリング部１２ｄをアノード及びカソードから電気的に絶縁し、アーク遮蔽部材２０と共にそのまわりのカウリング部１２ｄの電位もアノードとカソードの中間電位とすることができ、真空アーク放電１９を電位差の大きいカソードとアノードの間のみに更に安定して発生させることができる。
【００５０】
更に、この例では、アノード絶縁部材３１は、２枚の金属板３７ａ，３７ｂの間に挟持され、かつその内側に金属製の遮熱リング３８ａ，３８ｂが二重に設けられ、過熱されたアノード１６からの輻射熱を遮り、アノード絶縁部材３１を保護するようになっている。また、アーク遮蔽部材２０は、カソード絶縁部材１５ｂと金属板３７ｂの間に軸方向に挟持され、アノードとカソードの中間電位となるように固定されている。なお、その他の構成は、図２と同様である。
【００５１】
図６は、本発明の放電型プラズマ成膜装置の第５実施形態の構成図であり、図７は、第６実施形態の構成図である。これらの図も、図１のＡ部に相当する部分を示している。
図６及び図７において、真空容器１２は、カソード１４を保持するカソードホルダー１２ａと、アーク遮蔽部材２０を半径方向に間隔を隔てて囲む金属製のカウリング部１２ｅとからなる。この例では、カウリング部１２ｅは、カウリング固定部のみからなる。
【００５２】
カウリング部１２ｅ（カウリング固定部）は、カソード絶縁部材１５ｃを介してカソードホルダー１２ａに固定されている。すなわちこの例で、カソード絶縁部材１５ｃは、円板状のテフロン材であり、ボルト２５でカウリング部１２ｅと連結され、カソードホルダー１２ａも図示しないボルトによりカソード絶縁部材１５ｃに取り付けられる。カソード絶縁部材１５ｃとカウリング部１２ｅ及びカソードホルダー１２ａの間は、Ｏリング３６で気密にシールされる。
この例でも、カソードホルダー１２ａは、第３実施形態（図４）におけるカソード保持電極１７の役割も担っている。すなわち、カソード１４は、その末端部に設けられた雄ネジ部でカソードホルダー１２ａに直接固定される。また、カソードホルダー１２ａは内部に中空部を有し、その中空部に冷却水を通して冷却し、カソード１４を使用中の過熱から保護するようになっている。また、カウリング部１２ｅもこの例では中空部を有し、その中空部に冷却水を通して冷却し、使用中の過熱から保護するようになっている。
この構成によりカソードホルダー１２ａがカソード１４に電気的に導通し、カソードホルダー１２ａを直流電源装置１８の負極と電気的に接続することにより、カソード１４を負に印加することができる。
【００５３】
図６において、カソードホルダー１２ａとカソード１４の末端部の間にはリング状のカソード絶縁部材１５ｂが嵌まり、カウリング部１２ｅの内側には軸方向に２分割された中空円筒形のカソード絶縁部材１５ａが嵌まり、その内側に中空円筒形のアーク遮蔽部材２０が嵌まるようになっている。更にこの例では、アーク遮蔽部材２０の先端部にフランジ部が設けられ、このフランジ部がボルト３９によりカソード絶縁部材１５ａを軸方向に貫通してカソード絶縁部材１５ｃに固定される。
【００５４】
また、図７において、カソードホルダー１２ａとカソード１４の末端部の間にはリング状のカソード絶縁部材１５ｂが嵌まり、カウリング部１２ｅの内側には中空円筒形のアーク遮蔽部材２０が直接嵌まるようになっている。更にこの例では、アーク遮蔽部材２０の末端部にフランジ部が設けられ、このフランジ部がボルト３９によりカソード絶縁部材１５ｃに固定される。
【００５５】
図６及び図７において、カソード絶縁部材１５ｂは例えば耐熱性の高い窒化ボロン材（ＢＮ）であり、カソード絶縁部材１５ａは例えばアルミナ材であるのがよい。
【００５６】
これらの構成により、カウリング部１２ｅをカソード１４から電気的に絶縁するとともに、カソード１４の末端部とカソードホルダー１２ａからの放電を本質的に防止することができる。
【００５７】
また、図６及び図７において、カウリング部１２ｅは、アノード絶縁部材３１，３２を介してアノード側の導管２４に固定されている。この構成は、図５の第４実施形態と同様である。また、その他の構成は、図２と同様である。
この構成により、カウリング部１２ｅをアノード及びカソードから電気的に絶縁し、アーク遮蔽部材２０と共にそのまわりのカウリング部１２ｅの電位もアノードとカソードの中間電位とすることができ、真空アーク放電１９を電位差の大きいカソードとアノードの間のみに更に安定して発生させることができる。
【００５８】
【実施例】
図８は、本発明の実施例におけるカソードの消耗状態を示す模式図である。この図において、（Ａ）は従来の円錐形のカソードの場合の使用前ａと使用後ｂ、（Ｂ）は従来の装置における円柱形カソードの使用前ａと使用後ｂ１，ｂ２、（Ｃ）は本発明における円柱形カソードの使用前ａと使用後ｂを示している。
【００５９】
図８（Ａ）に示すように、従来の円錐形の陰極（カソード）では、先端部に局所化させて直流アーク放電を安定維持することができが、陰極が円錐形であるため放電時間により陰極が短時間に急激に消耗してしまう欠点があった。
また、図８（Ｂ）に示すように、従来の装置に円柱形カソードを適用した場合には、直流アーク放電を先端部に局所化させて安定維持することができず、円柱形カソードの側面との間でも放電がおきて消耗するため、円錐形の場合よりも短時間した成膜ができなかった。
【００６０】
これに対して、図８（Ｃ）に示すように、本発明の装置及び方法では、アノード１６とカソード１４の円形端面１４ａとの間のみに真空アーク放電１９を局所化させて発生させ、カソード物質のプラズマ形成を長時間継続させることができることが確認された。なおこの試験は、カーボン、銅、チタンで成功している。
【００６１】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００６２】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、円柱状の丸棒をそのまま陰極として使用し、先端部の円形断面部にのみプラズマスポットを局所化させ円柱形状を保ったまま金属円柱をプラズマ化するものである。
従って、本発明の放電型プラズマ成膜装置とその方法は、真空アーク放電を発生させてカソード物質のプラズマを長時間安定して成膜することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第１実施形態の全体構成図である。
【図２】図１のＡ部の拡大図である。
【図３】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第２実施形態の構成図である。
【図４】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第３実施形態の構成図である。
【図５】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第４実施形態の構成図である。
【図６】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第５実施形態の構成図である。
【図７】本発明の放電型プラズマ成膜装置の第６実施形態の構成図である。
【図８】カソードの消耗状態を示す模式図である。
【図９】従来の成膜装置の構成図である。
【符号の説明】
１被処理材、２カソード、３アノード、４トロイド、
５プラズマダクト、６管、７標的部域、８素材、
９磁気走査コイル、１０放電型プラズマ成膜装置、
１２真空容器、１２ａカソードホルダー、
１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅカウリング部、
１３絶縁性ボルト、１４カソード、
１４ａ円形端面、１４ｂ円柱面、
１５ａ，１５ｂ，１５ｃカソード絶縁部材、
１５ｄ絶縁ロッド、１６アノード、
１７カソード保持電極、１８電源装置、
１９真空アーク放電、２０アーク遮蔽部材、
２１プラズマ、２２第１チャンバー、２３第２チャンバー、
２４導管、２７成膜チャンバー、２８ホルダー、
２９バイアス電源（直流電源）、３０磁場発生装置
３１，３２アノード絶縁部材、３３ベローズ、
３４ボルト、３５絶縁碍子、３６Ｏリング、
３７ａ，３７ｂ金属板、３８ａ，３８ｂ遮熱リング、
３９ボルト[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a discharge-type plasma film forming apparatus and method for forming a film by forming a cathode material into plasma in a vacuum.
[0002]
[Prior art]
In order to increase the functionality of parts, there is a strong demand in the industry for surface processing techniques for forming a thin film such as diamond-like carbon film (DLC), TiN, or CN on the surface of a material to be processed. For example, DLC is a thin film diamond made of carbon. (1) The surface of the plastic lens is coated to prevent scratches. (2) The film is formed on the surface of the magnetic disk to prevent wear due to contact with the read head. (3) It can exhibit excellent corrosion resistance and abrasion resistance as an alternative to wet plating, which has become an environmental problem.
[0003]
As the film forming means such as DLC described above, (1) a gas plasma method using a gas plasma such as nitrogen or argon, (2) a plasma method using a plasma such as carbon or titanium, and (3) both of these are combined. A combined hybrid method has been developed.
Of these, the gas plasma method uses methane (CH _Four ) Or acetylene (C ₂ H ₂ ) As a source gas, there is a basic problem that hydrogen (H) remains during film formation, and the hardness of the film quality such as DLC decreases. On the other hand, the plasma method has a feature that an excellent film having high hardness can be obtained because pure carbon or a metal material can be used as a raw material (cathode material). The present invention relates to such a plasma method.
[0004]
Conventionally, thin films such as DLC, TiN, and CN have been generated using an arc discharge type plasma ion source as a film forming means by the plasma method. However, in the conventional film forming means, the melted raw material (cathode material) becomes fine (about 1 μm diameter) droplets (called splash, macroparticle, droplet) and adheres to the generated film, and the quality of the thin film (film quality) ).
[0005]
As means for solving this problem, for example, JP-T 6-508235, PCT / FI95 / 00677, etc. have been proposed. As shown in FIG. 9, the “large particle filter for arc source” of JP-T 6-508235 comprises a circular cathode 2, a cylindrical anode 3, a toroid 4 and a non-linear plasma duct 5, and has a toroidal shape. The charged particles are guided to the material 8 by a magnetic field, and uncharged droplets are removed. In this figure, 6 is a tube, 7 is a target area, and 9 is a magnetic scanning coil. PCT / FI95 / 00677 “FOCUSING UNIT FORAN ARC DISCHARGE APPARATUS USED FOR PLATING” “Focusing unit of arc discharge device for plating” also applies a magnetic field in the radial direction to the cathode surface. Thus, the cathode spot is rotated on the cathode surface to remove the droplets.
[0006]
However, in the film forming means using the conventional plasma method described above, it is necessary to use a plurality of large toroids 4 (coils) in order to bend the plasma by the magnetic field and guide it to the material 8, and as a result, the film forming efficiency decreases. There has been a problem that the magnetic field generating equipment (for example, a coil) becomes large and the equipment becomes very expensive.
[0007]
In order to solve this problem, the inventors of the present invention previously invented a “film forming apparatus and method using metal plasma” equipped with a metal plasma expansion apparatus 10 for expanding the generated metal arc plasma. (Japanese Patent Application No. 11-354550, unpublished). According to the present invention, high-quality DLC or the like can be uniformly formed over a wide range using a high-energy and highly directional metal arc plasma, and droplets that deteriorate film quality can be effectively removed. Can now.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional discharge-type plasma film forming means described above, a cathode (cathode) used as a plasma source has a thin cylindrical shape or conical shape. However, the thin cylindrical cathode as illustrated in FIG. 5 has a problem that it cannot form a film for a long time because the cathode volume is small.
[0009]
On the other hand, when a conical cathode is used, the arc discharge spot can be localized at the tip of the conical cathode, so that the DC arc discharge can be stably maintained. Therefore, although the film formation can be continued for a longer time than the thin cylindrical shape, the cathode tip is consumed due to the product of elapsed time and arc discharge, and the cathode is conical, so the cathode is consumed rapidly due to the discharge time. was there.
[0010]
In addition, the manufacture of such a cathode not only takes processing time because a cylindrical material is processed with a lathe or the like, but also generates a large amount of cutting waste. There was a problem that the membrane cost increased.
[0011]
The present invention was devised to solve such problems at the same time. That is, an object of the present invention is to provide a discharge-type plasma film forming apparatus and method that can generate a vacuum arc discharge and stably form a cathode material plasma for a long time.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there is provided a discharge-type plasma film forming apparatus for converting a cathode material into a plasma in a vacuum, wherein a vacuum vessel (12) capable of reducing the pressure inside, and a columnar cathode disposed in the vacuum vessel ( 14), an anode (16) provided at a position facing the circular end surface (14a) of the cathode, a DC power supply device (18) for applying a DC voltage between the cathode and the anode, and a cylindrical surface of the cathode ( 14b) and an arc shielding member (20) for shielding a vacuum arc discharge (19) generated between the anode and The arc shielding member (20) is a hollow cylindrical conductive material that surrounds the cathode cylindrical surface at a constant interval in the axial direction so as to prevent the cathode cylindrical surface (14b) from directly facing the anode. And the cathode is electrically insulated from the cathode and the anode, and the cathode is configured to be movable in the axial direction so as to maintain a constant distance between the circular end face (14a) and the anode. A discharge-type plasma film forming apparatus is provided.
[0014]
Also, a discharge type plasma generation method for forming a cathode material plasma by maintaining a vacuum in a vacuum vessel (12) and generating a vacuum arc discharge (19) between an anode and a cathode in an applied magnetic field, Electrically isolated from the cathode and anode Hollow cylindrical The cylindrical surface (14b) of the cathode is covered with the arc shielding member (20). Constant with respect to axial direction The vacuum arc discharge (19) generated between the cylindrical surface of the cathode and the anode is shielded at an interval, and Moving the cathode in the axial direction so that the distance between the circular end face (14a) and the anode is kept constant; A discharge-type plasma generation method is provided.
[0015]
According to the apparatus and method of the present invention, since the arc shielding member (20) is electrically insulated from the anode and the cathode and positioned at the intermediate position, the potential of the arc shielding member becomes an intermediate potential between the anode and the cathode, A vacuum arc discharge (19) can be generated only between the cathode and anode with a large potential difference.
[0016]
The arc shielding member also has a cylindrical surface of the cathode so as to prevent the cylindrical surface (14b) of the cathode from directly facing the anode. Constant with respect to axial direction Since it surrounds at intervals, the vacuum arc discharge (19) generated between the cylindrical surface (14b) of the cathode and the anode can be shielded.
[0017]
Therefore, the inside of the vacuum vessel (12) is kept in a vacuum, and a vacuum arc discharge (19) is generated only between the anode and the circular end face (14a) of the cathode in an applied magnetic field to form a cathode material plasma. In addition, since the cathode is only gradually shortened while maintaining the cylindrical shape, there is little change in the discharge state, and the cathode material can be converted into plasma stably for a long time.
[0018]
The cathode (14) may be a detachable cylindrical member having a certain length, or a long cylindrical member configured to be continuously supplied toward the anode.
If the cathode is composed of a detachable cylindrical member having a certain length, the cathode material for this length can be stably converted into plasma. In addition, if the cathode is constituted by a long cylindrical member configured to be continuously supplied toward the anode, the position of the circular end face (14a) of the cathode can be kept constant, so that the gap between this face and the anode can be maintained. Plasma can be generated under the same conditions stably for a long time.
[0019]
According to another preferred embodiment of the present invention, the vacuum vessel (12) includes a cathode holder (12a) for holding the cathode (14) and a cowling portion (12b) surrounding the arc shielding member (20) with a space therebetween. , 12c, 12d, 12e), the cathode holder (12a) is electrically connected to the cathode (14), and the cowling portions (12b, 12c, 12d, 12e) are electrically insulated from the cathode and the anode. ing.
The vacuum vessel (12) is composed of a cathode holder (12a) for holding the cathode (14) and a cowling part (12b, 12c, 12d, 12e) surrounding the arc shielding member (20) at a distance. The cathode holder (12a) is electrically connected to the cathode (14), and the cowling portions (12b, 12c, 12d, 12e) are electrically insulated from the cathode and the anode.
[0020]
With this configuration and method, the cowling portions (12b, 12c) surrounding the arc shielding member (20) at an interval are electrically insulated from the cathode and the anode. The potential of (12b, 12c) also becomes an intermediate potential between the anode and the cathode, and the vacuum arc discharge (19) can be generated more stably only between the cathode and the anode having a large potential difference.
[0021]
The cowling part (12b, 12c) includes a cowling moving part (12b) and a cowling fixing part (12c) connected via a hollow cylindrical flexible bellows (33). 12b) is movable in the axial direction of the cathode (14) with respect to the cowling fixing part (12c), and the cowling moving part (12b) is fixed to the cathode holder (12a) via the cathode insulating member (15c). The cowling fixing part (12c) is fixed to the anode side via the anode insulating members (31, 32).
[0022]
With this configuration, the cowling moving portion (12b) is moved in the axial direction of the cathode (14) with respect to the cowling fixing portion (12c) while the cowling portions (12b, 12c) are electrically insulated from the cathode and the anode. Thus, the position of the circular end face (14a) of the cathode can be kept constant, and plasma can be generated between this face and the anode stably for a long time under the same conditions.
[0023]
The arc shielding member (20) is fixed to the inside of the cowling fixing part (12c) via an insulator (35).
With this configuration, the arc shielding member (20) can be insulated and supported from the cowling portions (12b, 12c), and the electrical insulation performance between the arc shielding member (20) and the cathode and anode can be further enhanced.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a first embodiment of a discharge-type plasma film forming apparatus of the present invention. The discharge-type plasma film forming apparatus 10 of the present invention includes a vacuum vessel 12, a cathode 14, an anode 16, a DC power supply device 18, and an arc shielding member 20, and converts the cathode material into plasma in a vacuum.
[0025]
The vacuum vessel 12 includes a first chamber 22 and a second chamber 23 that are in communication with each other. The first chamber 22 and the second chamber 23 communicate with each other through a hollow conduit 24. Further, the inside of the second chamber 23 is evacuated by a vacuum device (not shown), so that the pressure in the second chamber 23 is lower than that in the first chamber 22 where the cathode is evaporated and plasma is generated. To do.
[0026]
The cathode 14 is made of a cylindrical film-forming material (for example, carbon, Ti, etc.), is disposed in the cathode holder 12 a of the vacuum vessel 12, and is negatively applied by the DC power supply device 18.
The anode 16 is made of a conductive material (for example, copper or a copper alloy), is attached to a position (for example, a conduit 24) facing the cathode 14, and has a through hole that communicates with the second chamber 23 in the center thereof. The anode 16 is positively applied by the DC power supply device 18.
The DC power supply device 18 applies a negative cathode 14 and a positive anode 16 to cause a vacuum arc discharge 19 therebetween.
[0027]
In FIG. 1, the film forming apparatus 10 of the present invention further includes a bias power source 29 for negatively applying the material 1 to be processed and accumulating ions from metal plasma, and plasma generated in the first chamber 22 and the second chamber 23. And a magnetic field generator 30 for generating a magnetic field that at least temporarily contains the magnetic field.
The film forming chamber 27 includes, for example, a plurality of permanent magnets for forming a multicusp magnetic field and an air-core coil for forming a mirror magnetic field, and a plasma confining space is formed by these two magnetic fields. (Not shown). The magnetic field generator 30 is not limited to such a configuration, and may have various configurations as disclosed in, for example, JP-A-5-101799.
[0028]
The material 1 to be processed is accommodated in the film forming chamber 27 and the inside thereof is evacuated (for example, 10 ^-Five -10 ^-6 Torr). Further, the holder 28 for holding the material 1 to be processed is applied with a bias power supply 29 to about −100 V to −1000 V so as to increase the film forming efficiency by the ions in the plasma 21 charged positively.
[0029]
The bias power source 29 is preferably a direct current pulse power source. The reason for this will be described below.
When a negative high-pressure pulse is applied to the workpiece 1 disposed in the plasma 21, electrons in the plasma are generated from the workpiece 1 and metal ions are drawn into the workpiece 1. Due to the mass difference between the electrons and ions, the electrons abruptly move away from the material 1 to be processed, and an ion sheath in which only the remaining metal ions exist is formed between the metal ions and the material 1 to be processed. Most of the negative applied high-pressure pulse is applied to the ion sheath, and the metal field is accelerated toward the workpiece 1 by the high electric field. This means that the sheath edge of the ion sheath moves away from the material 1 to be processed, and at the same time, metal ions are drawn into the sheath from the metal plasma.
[0030]
With the above-described configuration, the inside of the vacuum vessel 12 is kept in a vacuum by the discharge-type plasma film forming apparatus 10, and a vacuum arc discharge 19 is generated between the anode and the cathode in the applied magnetic field to form the cathode material plasma 21. be able to. Further, positive ions (metal ions) can be extracted from the generated plasma 21 by a magnetic field generator 30 and a bias power source 29 and irradiated onto the material 1 to form a film.
[0031]
The apparatus described above is used as follows. That is, gas is put into the vacuum chambers 22 and 23 and vacuum (for example, 10 ^-2 -10 ^-Four Torr), a vacuum arc discharge 19 is generated between the anode 16 and the cathode 14 to form a cathode material plasma, and then the gas is shut off to make the degree of vacuum in the vacuum chambers 22 and 23 10. ^-Five -10 ^-6 The plasma is temporarily confined by the magnetic field generated by the magnetic field generator 30 while being maintained at Torr, and desired ions from the plasma 21 are accumulated on the substrate by the electric field generated by the bias electrode 29.
[0032]
FIG. 2 is an enlarged view of a portion A in FIG. In this figure, a cathode 14 is a detachable cylindrical member having a fixed length, 17 is a cathode holding electrode that holds the cathode 14 fixed with screws or the like, and 15a and 15b are cathode insulating members. The arc shielding member 20 is a hollow cylindrical conductive material (for example, a metal tube) that surrounds the cylindrical surface of the cathode at a distance so as to prevent the cylindrical surface 14 b of the cathode 14 from directly facing the anode 16. The arc shielding member 20 is electrically insulated from the cathode 14 and the anode 16 via the cathode insulating members 15a and 15b.
[0033]
Therefore, since the potential of the arc shielding member 20 is an intermediate potential between the anode and the cathode and is electrically insulated, the vacuum arc discharge 19 can be generated only between the cathode 14 and the anode 16 having a large potential difference. Further, since the arc shielding member 20 is positioned so as to prevent the cylindrical surface 14b of the cathode 14 from directly facing the anode 16, the vacuum arc discharge 19 is applied to the end face of the cathode. 14a Is generated between the cathode cylindrical surface 14b and the anode. Vacuum arc discharge Can be substantially shielded.
[0034]
FIG. 3 is a configuration diagram of a second embodiment of the discharge-type plasma film forming apparatus of the present invention. This figure also shows a portion corresponding to part A of FIG. In this figure, the cathode 14 is a long cylindrical member configured to be continuously supplied toward the anode 16 by a supply device (not shown). In this case, the end face 14a of the cathode keeps the distance from the anode 16 substantially constant. Other configurations are the same as those in FIG.
[0035]
In addition, according to the discharge-type plasma film forming method of the present invention, as described above, the cylindrical surface 14b of the cathode 14 is surrounded by the arc shielding member 20 that is electrically insulated from the cathode 14 and the anode 16, with an interval therebetween. The vacuum arc discharge 19 generated between the cylindrical surface 14 b of the cathode 14 and the anode 16 is shielded, and the vacuum arc discharge 19 is restricted between the end surface 14 a of the cathode 14 and the anode 16.
[0036]
According to the apparatus and method of the present invention described above, the inside of the vacuum vessel 12 is kept in a vacuum, and the vacuum arc discharge 19 is generated only between the anode and the circular end face 14a of the cathode in the applied magnetic field, thereby generating the plasma of the cathode material. Can be formed. Due to this discharge, the cathode 14 is only gradually shortened while maintaining the cylindrical shape, so that the change in the discharge state is small and the cathode material can be stably converted into plasma for a long time.
[0037]
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, if the cathode 14 is constituted by a removable cylindrical member having a certain length, the cathode material for this length can be stably converted into plasma.
Also, as shown in FIG. 3, if the cathode 14 is constituted by a long cylindrical member configured to be continuously supplied toward the anode 16, the position of the circular end surface 14a of the cathode can be kept constant. Plasma can be generated between this surface and the anode stably for a long time under the same conditions.
[0038]
FIG. 4 is a configuration diagram of a third embodiment of the discharge-type plasma film forming apparatus of the present invention. This figure also shows a portion corresponding to part A of FIG. In this figure, the vacuum vessel 12 includes a cathode holder 12a for holding the cathode 14 and cowling portions 12b and 12c surrounding the arc shielding member 20 with a space in the radial direction.
[0039]
The cathode 14 is fixed to the cathode holding electrode 17 with a male screw portion provided at the end thereof. The cathode holding electrode 17 has a hollow portion therein, and cooling water is passed through the hollow portion to protect the cathode 14 from overheating during use. A flange portion provided on the cathode holding electrode 17 is fixed to the cathode holder 12a with a bolt or the like, and the cathode holder 12a and the cathode 14 are electrically connected. With this configuration, the cathode 14 can be negatively applied by electrically connecting the cathode holder 12 a to the negative electrode of the DC power supply device 18.
[0040]
In this example, the cowling portions 12b and 12c include a cowling moving portion 12b and a cowling fixing portion 12c connected via a hollow cylindrical flexible bellows 33. The cowling moving portion 12b and the cowling fixing portion 12c are made of metal, and both end portions of the metal bellows 33 are airtightly joined by welding or the like. Further, the cowling moving portion 12b can be moved in the axial direction of the cathode 14 with respect to the cowling fixing portion 12c by a metal bolt 34 that adjusts the distance between the cowling moving portion 12b and the cowling fixing portion 12c. This movement is preferably performed so that the position of the circular end surface 14a of the cathode 14 that moves together with the cowling moving portion 12b is held constant according to the wear of the cathode 14. In this example, the cowling moving unit 12b is moved by screwing a bolt and a nut. However, the cowling moving unit 12b may be moved accurately using a pulse cylinder or a stepping motor.
[0041]
The cowling moving part 12b is fixed to the cathode holder 12a via the cathode insulating member 15c. The cathode insulating member 15c is, for example, a disk-shaped Teflon (registered trademark), and is sandwiched between the cowling moving portion 12b and the cathode holder 12a by an insulating bolt 13 (for example, a bolt of a baking material). A hollow cylindrical cathode insulating member 15 a is fitted between the inner edge of the cowling moving portion 12 b and the cathode holding electrode 17, so that the tip of the cathode holding electrode 17 (left end in the drawing) and the end of the cathode 14 are fitted. The hollow cylindrical cathode insulating member 15 b is fitted so that the end of the cathode 14 and the tip of the cathode holding electrode 17 are not exposed in the first chamber 22. The cathode insulating member 15a is preferably made of an alumina material having high strength, for example, and the cathode insulating member 15b is preferably made of a boron nitride material (BN) having high heat resistance, for example.
[0042]
With this configuration, the cowling portions 12b and 12c can be electrically insulated from the cathode, and discharge from the end portion of the cathode 14 and the tip portion of the cathode holding electrode 17 can be essentially prevented.
[0043]
Further, the cowling fixing portion 12c is fixed to the anode side via the anode insulating members 31 and 32. In this example, the anode insulating member 31 is hollow cylindrical alumina, and in this example, the anode insulating member 32 is an insulating bolt (for example, a baked material bolt). The anode insulating member 31 is sandwiched between the cowling fixing portion 12 c and the flange portion of the conduit 24 by the insulating bolt 32. Further, both end surfaces of the anode insulating member 31 are hermetically sealed between the cowling fixing portion 12 c and the flange portion of the conduit 24 by O-rings 36.
With this configuration, the cowling portions 12b and 12c and the bellows 33 are electrically insulated from the anode and the cathode, and the potential of the cowling portions 12b and 12c around the arc shielding member 20 can be set to an intermediate potential between the anode and the cathode. The vacuum arc discharge 19 can be generated more stably only between the cathode and the anode having a large potential difference.
[0044]
Furthermore, in this example, the arc shielding member 20 is fixed inside the cowling fixing portion 12c via a plurality of insulators 35 (for example, four) provided in the circumferential direction. Other configurations are the same as those in FIG.
With this configuration, the cowling fixing portion 12c is electrically insulated from the anode and the cathode as described above, and the arc shielding member 20 is fixed via the insulator 35, so that the arc shielding member 20 and the cathode are fixed. 14 and the anode 16 can be further improved in electrical insulation performance.
[0045]
FIG. 5 is a configuration diagram of a fourth embodiment of the discharge-type plasma film forming apparatus of the present invention. This figure also shows a portion corresponding to part A of FIG.
In this figure, the vacuum vessel 12 includes a cathode holder 12a for holding the cathode 14 and a metal cowling portion 12d surrounding the arc shielding member 20 with a space in the radial direction. In this example, the cowling portion 12d includes only a cowling fixing portion.
[0046]
The cowling portion 12d (the cowling fixing portion) is fixed to the cathode holder 12a via the cathode insulating member 15a. The cathode insulating member 15a is made of, for example, a cylindrical alumina material, and is sandwiched between the cowling portion 12d and the cathode holder 12a by an insulating rod 15d (for example, made of a baking material) and a bolt 25. Further, both end portions of the cathode insulating member 15a are hermetically sealed by O-rings 36.
In this example, the cathode holder 12a also serves as the cathode holding electrode 17 in the third embodiment (FIG. 4). That is, the cathode 14 is directly fixed to the cathode holder 12a with a male screw portion provided at the end portion thereof. Further, the cathode holder 12a has a hollow portion therein, and cooling water is passed through the hollow portion to protect the cathode 14 from overheating during use.
With this configuration, the cathode holder 12 a is electrically connected to the cathode 14, and the cathode 14 can be negatively applied by electrically connecting the cathode holder 12 a to the negative electrode of the DC power supply device 18.
[0047]
A flat cathode insulating member 15b is fitted between the cathode holder 12a and the end portion of the cathode 14, and a hollow cylindrical cathode insulating member is interposed between the end portion of the cathode insulating member 15a and the cathode holder 12a. 15 c is fitted, and the cathode holder 12 a is not exposed in the first chamber 22. The cathode insulating member 15b is preferably made of, for example, boron nitride material (BN) having high heat resistance, and the cathode insulating member 15c is made of, for example, Teflon material.
[0048]
With this configuration, the cowling portion 12d can be electrically insulated from the cathode 14, and discharge from the end portion of the cathode 14 and the cathode holder 12a can be essentially prevented.
[0049]
The cowling portion 12d is fixed to the anode-side conduit 24 via the anode insulating members 31 and 32. In this example, the anode insulating member 31 is a hollow cylindrical Teflon material, and in this example, the anode insulating member 32 is an insulating bolt (for example, a baked material bolt). The insulating member 32 holds the anode insulating member 31 between the cowling fixing part 12 d and the flange part of the conduit 24. Further, both end surfaces of the anode insulating member 31 are hermetically sealed between the cowling portion 12 d and the flange portion of the conduit 24 by O-rings 36.
With this configuration, the cowling part 12d is electrically insulated from the anode and the cathode, and the potential of the cowling part 12d around the arc shielding member 20 can be set to an intermediate potential between the anode and the cathode. Can be generated more stably only between the cathode and the anode having a large diameter.
[0050]
Further, in this example, the anode insulating member 31 is sandwiched between the two metal plates 37a and 37b, and the metal heat shield rings 38a and 38b are doubly provided inside the anode insulating member 31 so that the anode is overheated. The radiant heat from 16 is shielded and the anode insulating member 31 is protected. The arc shielding member 20 is sandwiched in the axial direction between the cathode insulating member 15b and the metal plate 37b, and is fixed so as to have an intermediate potential between the anode and the cathode. Other configurations are the same as those in FIG.
[0051]
FIG. 6 is a configuration diagram of a fifth embodiment of the discharge-type plasma film forming apparatus of the present invention, and FIG. 7 is a configuration diagram of the sixth embodiment. These drawings also show a portion corresponding to the portion A in FIG.
6 and 7, the vacuum vessel 12 includes a cathode holder 12a that holds the cathode 14 and a metal cowling portion 12e that surrounds the arc shielding member 20 with a space in the radial direction. In this example, the cowling part 12e consists only of a cowling fixing part.
[0052]
The cowling portion 12e (the cowling fixing portion) is fixed to the cathode holder 12a via the cathode insulating member 15c. That is, in this example, the cathode insulating member 15c is a disk-shaped Teflon material, and is connected to the cowling portion 12e by a bolt 25, and the cathode holder 12a is also attached to the cathode insulating member 15c by a bolt (not shown). A space between the cathode insulating member 15c, the cowling portion 12e, and the cathode holder 12a is hermetically sealed with an O-ring 36.
Also in this example, the cathode holder 12a also functions as the cathode holding electrode 17 in the third embodiment (FIG. 4). That is, the cathode 14 is directly fixed to the cathode holder 12a with a male screw portion provided at the end portion thereof. Further, the cathode holder 12a has a hollow portion therein, and cooling water is passed through the hollow portion to protect the cathode 14 from overheating during use. Further, the cowling portion 12e also has a hollow portion in this example, and is cooled by passing cooling water through the hollow portion to protect it from overheating during use.
With this configuration, the cathode holder 12 a is electrically connected to the cathode 14, and the cathode 14 can be negatively applied by electrically connecting the cathode holder 12 a to the negative electrode of the DC power supply device 18.
[0053]
In FIG. 6, a ring-shaped cathode insulating member 15b is fitted between the end portions of the cathode holder 12a and the cathode 14, and a hollow cylindrical cathode insulating member 15a that is divided into two in the axial direction inside the cowling portion 12e. And a hollow cylindrical arc shielding member 20 is fitted inside. Further, in this example, a flange portion is provided at the distal end portion of the arc shielding member 20, and this flange portion penetrates the cathode insulating member 15a in the axial direction by a bolt 39 and is fixed to the cathode insulating member 15c.
[0054]
In FIG. 7, a ring-shaped cathode insulating member 15b is fitted between the cathode holder 12a and the end of the cathode 14, and a hollow cylindrical arc shielding member 20 is directly fitted inside the cowling portion 12e. It has become. Further, in this example, a flange portion is provided at the end portion of the arc shielding member 20, and this flange portion is fixed to the cathode insulating member 15 c by a bolt 39.
[0055]
6 and 7, the cathode insulating member 15b is preferably a boron nitride material (BN) having a high heat resistance, and the cathode insulating member 15a is preferably an alumina material, for example.
[0056]
With these configurations, the cowling portion 12e can be electrically insulated from the cathode 14, and discharge from the end portion of the cathode 14 and the cathode holder 12a can be essentially prevented.
[0057]
6 and 7, the cowling portion 12e is fixed to the anode-side conduit 24 via the anode insulating members 31 and 32. This configuration is the same as that of the fourth embodiment in FIG. Other configurations are the same as those in FIG.
With this configuration, the cowling part 12e is electrically insulated from the anode and the cathode, and the arc shielding member 20 and the surrounding cowling part 12e can be set at an intermediate potential between the anode and the cathode. Can be generated more stably only between the cathode and the anode having a large diameter.
[0058]
【Example】
FIG. 8 is a schematic diagram showing the exhausted state of the cathode in the embodiment of the present invention. In this figure, (A) shows a before and after use b in the case of a conventional conical cathode, and (B) shows a before and after use b1, b2, and (C) of a cylindrical cathode in a conventional apparatus. These show a before use and b after use of the cylindrical cathode in the present invention.
[0059]
As shown in FIG. 8 (A), in the conventional conical cathode (cathode), the DC arc discharge can be stably maintained by being localized at the tip portion. However, since the cathode is conical, it depends on the discharge time. There was a drawback that the cathode was consumed rapidly in a short time.
Further, as shown in FIG. 8B, when the cylindrical cathode is applied to the conventional apparatus, the DC arc discharge cannot be localized and maintained stably at the tip, and the side surface of the cylindrical cathode In this case, the film could not be formed in a shorter time than in the case of the conical shape.
[0060]
On the other hand, as shown in FIG. 8C, in the apparatus and method of the present invention, the vacuum arc discharge 19 is generated locally only between the anode 16 and the circular end surface 14a of the cathode 14 to generate the cathode. It was confirmed that the plasma formation of the material can be continued for a long time. This test has been successful with carbon, copper, and titanium.
[0061]
In addition, this invention is not limited to the Example and embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, the present invention uses a cylindrical round bar as a cathode as it is, and localizes the plasma spot only at the circular cross section at the tip, and converts the metal cylinder into plasma while maintaining the cylindrical shape. .
Therefore, the discharge-type plasma film forming apparatus and method of the present invention have excellent effects such as generating a vacuum arc discharge and forming a cathode material plasma stably for a long time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a first embodiment of a discharge-type plasma film forming apparatus of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of part A in FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram of a second embodiment of a discharge-type plasma film forming apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a third embodiment of the discharge-type plasma film forming apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of a fourth embodiment of a discharge-type plasma film forming apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a fifth embodiment of a discharge plasma deposition apparatus of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a sixth embodiment of a discharge-type plasma film forming apparatus of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a cathode consumption state.
FIG. 9 is a configuration diagram of a conventional film forming apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Material to be treated, 2 cathode, 3 anode, 4 toroid,
5 plasma ducts, 6 tubes, 7 target areas, 8 materials,
9 Magnetic scanning coil, 10 Discharge-type plasma film forming device,
12 vacuum vessel, 12a cathode holder,
12b, 12c, 12d, 12e cowling part,
13 Insulating bolt, 14 cathode,
14a circular end face, 14b cylindrical face,
15a, 15b, 15c cathode insulation member,
15d insulating rod, 16 anode,
17 cathode holding electrode, 18 power supply,
19 vacuum arc discharge, 20 arc shielding member,
21 plasma, 22 first chamber, 23 second chamber,
24 conduits, 27 deposition chambers, 28 holders,
29 Bias power supply (DC power supply), 30 Magnetic field generator
31, 32 Anode insulation member, 33 bellows,
34 bolts, 35 insulators, 36 O-rings,
37a, 37b metal plate, 38a, 38b heat shield ring,
39 volts

Claims

A discharge-type plasma film forming apparatus for converting a cathode material into a plasma in a vacuum, a vacuum vessel (12) capable of reducing the pressure inside, a cylindrical cathode (14) disposed in the vacuum vessel, and the cathode An anode (16) provided at a position facing the circular end surface (14a) of the cathode, a DC power supply device (18) for applying a DC voltage between the cathode and the anode, and a cylindrical surface (14b) of the cathode and the anode An arc shielding member (20) for shielding vacuum arc discharge (19) generated in
The arc shielding member (20) is a hollow cylindrical conductive material that surrounds the cathode cylindrical surface at a constant interval in the axial direction so as to prevent the cathode cylindrical surface (14b) from directly facing the anode. And electrically insulated from the cathode and anode,
The cathode is configured to be movable in the axial direction so as to maintain a constant distance between the circular end face (14a) and the anode.
Discharge-type plasma film forming apparatus characterized by the above.

The cathode (14) is a removable cylindrical member having a fixed length, or a long cylindrical member configured to be continuously supplied toward the anode. Discharge-type plasma film forming apparatus.

The vacuum vessel (12) includes a cathode holder (12a) for holding the cathode (14) and a cowling portion (12b, 12c, 12d, 12e) surrounding the arc shielding member (20) with a space therebetween. The holder (12a) is in electrical communication with the cathode (14), and the cowling portions (12b, 12c, 12d, 12e) are electrically insulated from the cathode and anode. The discharge-type plasma film-forming apparatus as described.

The cowling part (12b, 12c) includes a cowling moving part (12b) and a cowling fixing part (12c) connected via a hollow cylindrical flexible bellows (33), and the cowling moving part (12b). Is movable in the axial direction of the cathode (14) with respect to the cowling fixing part (12c), and the cowling moving part (12b) is fixed to the cathode holder (12a) via the cathode insulating member (15c), The discharge-type plasma film forming apparatus according to claim 3 , wherein the fixing portion (12c) is fixed to the anode side via an anode insulating member (31, 32).

The discharge-type plasma film forming apparatus according to claim 4 , wherein the arc shielding member (20) is fixed inside the cowling fixing portion (12c) via an insulator (35).

A discharge-type plasma generation method in which the inside of a vacuum vessel (12) is kept in vacuum and a vacuum arc discharge (19) is generated between an anode and a cathode in an applied magnetic field to form a cathode material plasma,
A hollow cylindrical arc shielding member (20) that is electrically insulated from the cathode and anode surrounds the cylindrical surface (14b) of the cathode at a constant interval in the axial direction, and is generated between the cylindrical surface of the cathode and the anode. Shielding the vacuum arc discharge (19),
Moving the cathode in the axial direction so that the distance between the circular end face (14a) and the anode is kept constant;
A discharge-type plasma generation method characterized by the above.

The vacuum vessel (12) is composed of a cathode holder (12a) for holding the cathode (14) and a cowling part (12b, 12c, 12d, 12e) surrounding the arc shielding member (20) with a space therebetween. conducting a holder (12a) and electrically cathode (14), the cowling portion (12b, 12c, 12d, 12e) and electrically insulated from the cathode and the anode, according to claim 6, characterized in that Discharge type plasma generation method.