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プラズマエネルギーシステム研究室

豊橋技術科学大学

電気・電子情報工学系

滝川・須田研究室

シールド型真空アーク蒸着法の開発










Updated july 03, 2014
Shielded Cathodic Vacuum Arc Deposition
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 真空中のアーク放電は,一般的に,陰極上に極めて小さな陰極点が形成されます。この陰極点は高温で極めて活性であり,高エネルギーの陰極材料イオンを放出されます。このイオンを利用して物体上に薄膜を合成する手法を,真空アーク蒸着法(Vacuum Arc Depositon),あるいは,アークイオンプレーティング(Arc Ion Plating: AIP)と呼びます。英語では,Cathodic Arc Deposition (陰極アーク蒸着法)と呼ぶことも多いです。真空アーク蒸着法はPVD(Physical Vapor Deposition: 物理蒸着)法の一種であり,イオンを利用して薄膜を合成するイオンプレーティングの一種です。なお,一般に,陽極は不活性で蒸発を伴わないため,通常は真空容器を陽極とします。また,イオンが得られるため,真空アークをアークイオン源と呼ぶこともあります。更には,真空アークの陰極のことをターゲットと呼ぶこともあります。これは,スパッタ蒸着において材料の供給源をターゲットと呼ぶことに依頼しています。(真空アークの場合,自発的にイオンを発生しますから,学術的には,陰極をターゲットと呼ぶのは正しくないように思えます。)

 真空アーク蒸着法の利点は,
    ・固体金属(黒鉛を含む)から直接高エネルギーのイオンが得られる
    ・成膜速度が速い
    ・基板との密着性がよい
    ・るつぼやボートなどの容器を必要としない
    ・イオン源である陰極を,プロセス容器(真空容器)のあらゆる面に複数個配置できる
などです。

 しかしながら,真空アーク蒸着法の最大の欠点は,真空アークの陰極点から,陰極材料の微粒子(サブミクロンから数十ミクロンの大きさ)が発生することです。この微粒子は小さいのにマクロドレップレット(イオンと比較して大きいため),あるいは単にドロップレットと呼ばれます。ほとんどの陰極の場合,発生するドロップレットは溶融しています。このため,日本語では液滴と訳すこともあります。しかし,炭素を陰極とした場合などは,溶融していないドロップレットが発生しますので,厳密には液滴という訳は正しくないでしょう。

 真空アーク蒸着法の開発の歴史は,ドロップレットの問題を以下に解決するかという技術開発の歴史といっても過言ではありません。ドロップレット問題を解決する指針は次に2つに大別できます。


大分類 ドロップレットの発生自体を抑制する ドロップレットの除去(フィルタリング)した
空間で成膜を行う
主な手法 ・ステアド法
・分散放電法
・ガス冷却法
・パルス放電法
・陽極法
・シールド法
・磁気フィルタ法(磁気輸送法)
・同軸型放電法

このうち,ステアド法は一般的に利用され,これに加えて他の手法を併用します。


 ここでは,シールド法について紹介します。シールド手法のベースは,名古屋大学 教授 高井治先生らの開発によるものです。次の図にシールド型真空アーク蒸着装置の模式図を示します。



 この装置は,陰極(Cathode)と基板(Substrate)との間に,一枚のじゃま板(シールド板:Shield plate)を配置した単純なものです。次の図に示すように,陰極点(Cathode spot)から発生するドロップレット(Droplet)は直進するため,このじゃま板によってさえぎられ,基板には到達しません。同様に中性粒子(Neutrals)もこのじゃま板でさえぎられます。しかしながら,プラズマ(Plasma)中の電子はプラズマ内を比較的自由に動きます。従って,電子はじゃま板の背後に回り込みます。そして,イオンは電子に引きずられるようにして(双極性拡散による),じゃま板の背後に回りこみます。その結果,じゃま板の背後に配置した基板上にイオンが到達し,膜が形成されます。じゃま板の直後は電子の回り込みが少なく,プラズマが薄いので,じゃま板の直後に基板を配置すると,膜があまり堆積しません。



 次に,シールドしない場合(通常のステアド法の場合,ノンシールド法)と,シールド法によって成膜した場合との比較を示します。ノンシールド(Non-shield)の場合には,大量のドロップレットが付着している様子がわかります。窒化アルミニウム(AlN)は透明膜ですが,この膜はドレップレットが大量に付着しているのでの透明ではありません。一方,shield法で作成した場合には,ドレップレットはほとんど付着していません。ドロップレットが付着していない膜は透明です。


ノンシールド法
(Non-shield method)
シールド法
(Shield method)
窒化アルミニウム
(AlN)
窒化アルミニウム ノンシールド法 窒化アルミニウム シールド法
酸化アルミニウム
(Al2O3
酸化アルミニウム ノンシールド法 酸化アルミニウム シールド法


 このように,シールド法は,とても簡単な細工により,ドロップレットがほとんどない膜を作ることができます。しかしながら,じゃま板は,陰極点から放出されるドロップレットや中性粒子と同時に,成膜に寄与するイオンの大部分までもトラップしてしまいます。その結果,じゃま板がない場合(ノンシールド法)の場合と比較して,成膜速度が 1/3 あるいはそれ以下に低下してしまうという問題が生じます。

 従って,シールド法において成膜速度を改善する技術の開発が必要になります。

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