特許 6487943 真空中の陰極アーク物理蒸着（ＰＶＤ）においてマクロ粒子をフィルタリングする方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6487943

(24)【登録日】2019年3月1日

(45)【発行日】2019年3月20日

(54)【発明の名称】真空中の陰極アーク物理蒸着（ＰＶＤ）においてマクロ粒子をフィルタリングする方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/32 20060101AFI20190311BHJP

   C23C 14/24 20060101ALI20190311BHJP

   H05H 1/48 20060101ALI20190311BHJP

【ＦＩ】

   C23C14/32 B

   C23C14/24 F

   H05H1/48

【請求項の数】14

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-566967(P2016-566967)

(86)(22)【出願日】2014年5月13日

(65)【公表番号】特表2017-524803(P2017-524803A)

(43)【公表日】2017年8月31日

(86)【国際出願番号】IB2014061393

(87)【国際公開番号】WO2015173607

(87)【国際公開日】20151119

【審査請求日】2017年3月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】505430964

【氏名又は名称】アルゴール アルジャバ ソシエテ アノニム

【氏名又は名称原語表記】ＡＲＧＯＲ ＡＬＪＢＡ Ｓ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】100121120

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 尚

(74)【代理人】

【識別番号】100169904

【弁理士】

【氏名又は名称】村井 康司

(72)【発明者】

【氏名】セルゲイ ウハノフ

【審査官】 岡田 隆介

(56)【参考文献】

【文献】 独国特許出願公開第０４１０３９８１（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−０２５５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 J. VYSKOCIL et al.，Cathodic arc evaporation in thin film technology，Journal of Vacuum Science & Technology A，１９９２年，Volume 10, Number 4，pp. 1740-1748

【文献】 WITKE T et al.，Comparison of filtered high-current pulsed arc deposition (phi-HCA) with conventional vacuum arc methods，Surface and Coatings Technology，Elsevier，２０００年，Volume 126, Number 1，pp. 81-88

【文献】 P. SIEMROTH et al.，High-current arc -- a new source for high-rate deposition，Surface and Coatings Technology，Elsevier，１９９４年，Volume 68-69，pp. 314-319

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ １４／００−１４／５８

ＤＷＰＩ（Ｄｅｒｗｅｎｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

ＣＡｐｌｕｓ／ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ）

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空中のパルス陰極アーク物理蒸着（ＰＶＤ）においてマクロ粒子をフィルタリングする方法であって、固体ソース（１）上にアークを照射することによって固体ソースから炭素材料を蒸発させ、蒸発した材料の電子、ミクロ粒子（蒸気）およびイオンを前記ミクロ粒子およびイオンよりサイズの大きいマクロ粒子と共に含むプラズマを形成するステップと、を含む方法において、
前記アークが、点Ｐ_２で蒸発した材料の前記電子、前記ミクロ粒子および前記イオンが、以前に前記アークが通過した点Ｐ_１で形成された前記マクロ粒子を、前記固体ソースに対向するコーティングすべき基板（２）に向かう経路からそらすことが可能な速度Ｖ_ｃｓ（表面速度）にて前記固体ソース上で移動され、前記プラズマから前記マクロ粒子を自己浄化し、かつ浄化されたプラズマのみの前記基板上での凝縮を可能とし、
前記アークは、３００アンペアよりも大きい電流を有するパルスを有し、前記プラズマを磁力システムを用いることなく集中させ、
前記マクロ粒子は、大きいサイズのために、前記プラズマの前記電子、ミクロ粒子およびイオンに対して遅れて移動し、前記プラズマの外側で正電荷を得、
前記アークは所定の持続時間（Ｔ）のパルスにパルス化され、
パルスアークの前記パルスの照射（Ｔ）の間隔（Ｉ）中に前記マクロ粒子を前記基板から遠ざける静電場（Ｅ）を、ｍＶ^２／２ｅ（ｍ：前記マクロ粒子の質量、Ｖ：前記基板に向かう前記マクロ粒子の速度、ｅ：前記マクロ粒子の電荷量）以上の電位差を有する電極対により、前記固体ソース（１）と前記基板（２）との間に印加し、
前記マクロ粒子と同じ電位を有する前記電極対の電極は、前記基板（２）又はその近傍に配置されている、
方法。

【請求項2】

前記ソース上の前記アークの移動速度Ｖ_ｃｓが、前記ソース上の前記アークの入射点Ｐ_ｉと前記アークの終点Ｐ_ｆとの間の距離（Ｒ_ａｃｔ）と、前記アークの持続時間ｔとの比率以上である（Ｖ_ｃｓ≧Ｒ_ａｃｔ／ｔ）ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ソース上の前記アークの移動速度Ｖ_ｃｓが、前記アークのパルス（Ｉｍｐ）の電流（Ｃ）を変化させることによって調節されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記ソース上の前記アークの移動距離（Ｒ_ａｃｔ）が、前記アークの電流（Ｃ）のパルス（Ｉｍｐ）の持続時間を変化させることによって調節されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記アークによって発生した前記マクロ粒子が前記基板に到達することができない前記ソースの表面部分上に位置する点Ｐ_ｆで、前記アークが終了することを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記アークの終点Ｐ_ｆおよび／または前記アークの入射点Ｐ_ｉが、前記基板に対向しないことを特徴とする、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記アークの終点Ｐ_ｆおよび／または前記アークの入射点Ｐ_ｉが、前記ソースの側面上に位置することを特徴とする、請求項５に記載の方法。

【請求項8】

前記経路からそれた前記マクロ粒子を機械的に遮断するように構成されたフィルタリング電極であって、前記浄化されたプラズマが、コーティングすべき前記基板に向かって通過する開口部を有するフィルタリング電極を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記パルスアークの持続時間Ｔが、
Ｄ／Ｖ_ｍｐ＋Δｔ
以下であり、式中、Ｄは、前記ソース（１）と前記対向する基板（２）との間の距離であり、Ｖ_ｍｐは、前記マクロ粒子の速度であり、およびΔｔは、前記マクロ粒子が正電荷を得る間の時間であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。

【請求項10】

真空チャンバ（３）が、前記電極対の静電陰極に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

電極対の陽極（４）が、前記フィルタリング電極（５）であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。

【請求項12】

陽極（４）がリブ付きであることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

真空中の陰極アーク物理蒸着（ＰＶＤ）においてマクロ粒子をフィルタリングするシステムであって、炭素の固体ソース（１）上にパルスアークを照射する手段を含むシステムにおいて、
前記手段は、前記ソース上にて前記アークを、所定の速度Ｖ_ｃｓ（表面速度）にて、点Ｐ_１から点Ｐ_２に移動させ、
前記所定の速度Ｖ_ｃｓは、前記点Ｐ_１で形成された前記マクロ粒子を、前記点Ｐ_２で蒸発した炭素の電子、ミクロ粒子およびイオンを通過させ、前記ソースに対向するコーティングすべき基板（２）に向かう経路からそらすことを可能とするものであり、
前記手段によりパルス化された電流は３００アンペアよりも大きく、
プラズマを集中させるための磁力システムは設けられておらず、
前記アークのパルスは所定の持続時間（Ｔ）を有し、
前記システムは、ｍＶ^２／２ｅ（ｍ：前記マクロ粒子の質量、Ｖ：前記基板に向かう前記マクロ粒子の速度、ｅ：前記マクロ粒子の電荷量）以上の電位差を有する電極対を備え、
前記マクロ粒子と同じ電位を有する前記電極対の電極は、前記パルスアークの前記パルスの照射（Ｔ）の間隔（Ｉ）中に、前記マクロ粒子を前記基板から遠ざけるために静電場（Ｅ）を、前記ソース（１）と前記基板（２）との間に印加するために、前記基板（２）又はその近傍に配置されている、
システム。

【請求項14】

前記手段は、
Ｄ／Ｖ_ｍｐ＋Δｔ
以下である前記パルスアークの持続時間Ｔを設定し、式中、Ｄは、前記ソース（１）と前記対向する基板（２）との間の距離であり、Ｖ_ｍｐは、前記マクロ粒子の速度であり、およびΔｔは、前記マクロ粒子が正電荷を得る間の時間であることを特徴とする、請求項１３に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、真空中の陰極アーク物理蒸着（ＰＶＤ）においてマクロ粒子をフィルタリングする方法に関する。

【0002】

特に本発明は、前述のタイプの方法であって、固体ソース（「陰極」）上にアークを照射することによってソースから材料を蒸発させ、蒸発した材料の電子、中性ミクロ粒子（蒸気）およびイオンをミクロ粒子およびイオンよりサイズの大きいマクロ粒子と共に含むプラズマを形成するステップを含み、プラズマからマクロ粒子が除去され、それにより、コーティングすべき基板上でのマクロ粒子の堆積を防ぐ、方法に関する。

【0003】

本発明はまた、上述の方法を実施するシステムに関する。

【背景技術】

【0004】

真空中の陰極アーク物理蒸着（ＰＶＤ）においてマクロ粒子をフィルタリングする方法およびシステムは知られている。

【0005】

上述のタイプの堆積では、固体ソース（「陰極」）上にアークを照射することによって、真空チャンバ内部でソースの材料が蒸発し、蒸発した材料の電子、中性ミクロ粒子（蒸気）およびイオンを前記材料のマクロ粒子と共に含むプラズマが形成される。アークの照射は、ソース上に電流を放電し、その上でアークを移動させ、それにより、ソースの異なる表面部分を蒸発させることを含む。

【0006】

発生するマクロ粒子のサイズは中性ミクロ粒子およびイオンより大きく、マクロ粒子が基板に到達すれば、プラズマの残りと共に基板上に凝縮し、コーティングの欠陥を生む。

【0007】

特に、要求されるコーティングが薄いほど、プラズマ流中のマクロ粒子はなおさら望ましくない。場合によっては、形成すべきコーティングの厚さはマクロ粒子のサイズと同程度であり、プラズマ流中にいくつかのマクロ粒子が存在するだけでコーティングの品質に悪影響がでる。

【0008】

欠陥のないコーティングを形成する難しさをより理解するには、ソースの浸食による主な生成物がイオンおよびマクロ粒子であることを考慮することで十分である。中性ミクロ粒子（蒸気）は、プラズマの１％のみを構成する。ソースが、熱伝導率および電気伝導率の低い低融点金属（Ｚｎ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｂｉ）である場合、およびグラファイトの場合には、マクロ粒子の割合は特に高く、この場合、ソースから蒸発する質量は、例えば０．１〜１００ミクロンの可変サイズを有するマクロ粒子によって最大９０％が構成される。

【0009】

フィルタリングしなければならないマクロ粒子の移動速度は、約１０^２〜２^＊１０^４センチメートル毎秒（ｃｍ／ｓ）であり、より低い速度で移動するマクロ粒子は、ソースに対向して位置する基板に到達することができない。さらに、陰極から生じるマクロ粒子の数は、陰極材料、アーク電流および熱的条件を含む様々な因子に依存する。

【0010】

したがって、基板上へのマクロ粒子の堆積を低減または防止するためには、上述の因子、すなわちマクロ粒子の速度、マクロ粒子の割合、陰極材料、アーク電流、熱的条件などを考慮して、プラズマからマクロ粒子を除去する必要がある。

【0011】

ソースと基板との間にフィルタを適用するフィルタリングシステムが知られている。マクロ粒子の低減に特に有効なものは、磁気フィルタである。これらのフィルタは、コイルを備えた磁気システムが適用される非線形プラズマチャネルを含む。本質的には、コイルが非線形プラズマチャネルに巻き付けられ、湾曲したチャンネルの軸に沿ってプラズマを案内する電磁場を発生させる。マクロ粒子は、チャンネルの軸方向経路を進まず、フィルタの所定のゾーンに捕集される。換言すれば、マクロ粒子はプラズマとは異なり、直線に移動するようにフィルタリングされ得る。

【0012】

しかしながら、磁気フィルタは、フィルタを横切るプラズマの流れの顕著な低下に主に関連する多くの欠点を有し、その低下によって、基板へのコーティング材の堆積速度が著しく低下し、ひいてはプラント（システム）の効率が低下する。例えば堆積速度は、トロイダルフィルタと比較して７５％よりも大きく低下し、またＳ字フィルタと比較して９０％よりも大きく低下する。

【0013】

したがって、磁気フィルタを使用する場合、特にプラントの電力増加による生産性（効率）の損失を補償する必要がある。さらに、電力増強プラントでの高品質なコーティングを確保するためには、より高性能なフィルタを設ける必要があり、その複雑さおよび必然的にそのコストが高まる。

【0014】

前述の改良を行っても、非線形プラズマチャネルからマクロ粒子を除去することを含む、フィルタの定期的な保守の必要性を含む他の欠点が生じる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

本発明の基礎を形成する技術的課題は、真空中の物理蒸着においてマクロ粒子をフィルタリングする方法および関連するシステムであって、したがって他のフィルタリングシステムとは独立して、またはそれらと組み合わせて、パルスアーク、パルスレーザ、ＨＩＰＩＭＳなどと共に使用することができ、蒸発した材料のイオンおよびミクロ粒子の堆積速度の低下を最小限にして、コーティングすべき基板へのマクロ粒子の堆積を防ぐことができる方法および関連するシステムを考案することと、システムの効率を高めながら、既知のフィルタが必要とする複雑さ、コストおよび保守を低減し、それによって、先行技術のフィルタリング方法およびシステムにこれまで影響を与えているすべての制限を実質的に克服することである。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明の基礎を形成する考えは、アークによってソースの１つの点で発生したプラズマが、ソースの別の点で発生したプラズマ中に存在するマクロ粒子をそらし得るような方法で、陰極アークをソース上で移動させ、それた粒子が、ソースに対向して真空中に位置するコーティングすべき基板に向かって進み続けるのを防ぎ、実質的にミクロ粒子、イオンおよび電子のみがソースに向かって進み、基板上に凝縮するという考えである。

【0017】

特に、上述の考えによれば、ソース上の陰極アークはスポットを生成し、ソース表面上のその伝搬速度は、マクロ粒子をプラズマの外側に押し、かつマクロ粒子が除去されたプラズマのみを、コーティングすべき基板に向かって略直線方向に進ませるように制御される。

【0018】

前述のフィルタリング方法は、１つの点でのプラズマ自体の発生を使用して、別の点で発生したプラズマから、その内部に含まれるマクロ粒子を除去するため、自己浄化である。この自己浄化方法では、プラズマ中のミクロ粒子、イオンおよび電子の自然な斥力を使用して、ソースと基板との間の直線方向からマクロ粒子をそらせ、その代りにミクロ粒子、イオンおよび電子がその直線方向に沿って進み得る。

【0019】

上述の考えによれば、本発明のベースにある技術的問題は、真空中の陰極アーク物理蒸着（ＰＶＤ）においてマクロ粒子をフィルタリングする方法であって、固体ソース（陰極）上にアークを照射することによってソースから材料を蒸発させ、蒸発した材料の電子、中性ミクロ粒子（蒸気）およびイオンをミクロ粒子およびイオンよりサイズの大きいマクロ粒子と共に含むプラズマを形成するステップを含む、方法において、アークが、１つの点Ｐ_２で蒸発によって発生した材料の電子、ミクロ粒子およびイオンが、以前アークが通過した点Ｐ_１で発生したマクロ粒子を、ソースに対向して位置するコーティングすべき基板に向かう経路からそらすことが可能な速度Ｖ_ｃｓにてソース上で移動され、それにより、マクロ粒子に対してプラズマの自己浄化を行い、かつフィルタリングされたプラズマの基板上での凝縮を可能にすることを特徴とする、方法（請求項１）によって解決される。

【0020】

プラズマの中性ミクロ粒子、電子およびイオンの速度は、マクロ粒子の速度と比較して大きいため、前述の自己浄化動作が可能である。目安として、イオンの速度は、マクロ粒子の速度より約１００倍大きく、電子の速度は、マクロ粒子の速度より約１０００倍大きい。

【0021】

換言すれば、本発明によれば、ソース上のアークによって発生する陰極点は速度Ｖ_ｃｓで移動し、前記速度Ｖ_ｃｓにて、点Ｐ２で発生したイオン、電子および中性粒子によって、陰極点が通過した前の点Ｐ_１で発生したマクロ粒子を推進させる。実際、点Ｐ１で発生したマクロ粒子は、次の点Ｐ_２で発生したイオン、電子および中性粒子より低い速度を有し、Ｐ２で発生したイオン、電子および中性粒子によって素早く到達され、それらによって、基板に向かう直線経路からそれ、その結果、マクロ粒子は基板に到達することができない。

【0022】

本発明によれば、アークは、基板に対向して位置していないソース表面上の点で終了し、その点では、発生したマクロ粒子は、プラズマがそれに沿って基板に向かって進み得る直線経路の外側に位置する。

【0023】

アークが終了するソースの点で発生したマクロ粒子を遮断し、マクロ粒子が基板に向かって通過するのを防ぐために、前記点に機械的シールドを適用することが好ましい。このようにすれば、アーク終点では自己浄化動作を備えた他のプラズマが続かないために終点のプラズマが自己浄化方法で浄化されない可能性があっても、この点でアークが発生させたマクロ粒子は、機械的シールドによって遮断されるので、基板に到達することができない。

【0024】

出願人は、ソース上のアークの入射点Ｐ_ｉとアークの終点Ｐ_ｆとの間の距離Ｒ_ａｃｔと、アークの持続時間ｔとの比率以上の速度Ｖ_ｃｓ（Ｖ_ｃｓ≧Ｒ_ａｃｔ／ｔ）で、アークをソース上で移動させることによって、実質的にマクロ粒子のすべてが基板に到達しないことを発見した。

【0025】

本発明の一態様によれば、ソース上のアークの移動速度Ｖ_ｃｓは、アークのパルス（Ｉｍｐ）の電流（Ｃ）を変化させることによって調節される。

【0026】

本発明の別の態様によれば、ソース上のアークの移動距離Ｒ_ａｃｔは、アークの電流（Ｃ）のパルス（Ｉｍｐ）の持続時間を変化させることによって調節される。

【0027】

好ましい実施形態では、アークによって発生したマクロ粒子が基板に到達することができないソースの表面部分上に位置する点Ｐ_ｆで、アークが終了する。アークの終点Ｐ_ｆおよび／または始点Ｐ_ｉは、基板に対向しないことが好ましい。例えば、終点Ｐ_ｆおよび／または前記始点Ｐ_ｉは、基板と一直線にならず、かつ基板に対向しない、ソースの側面上に位置する。

【0028】

また、基板に向かう経路からそれたマクロ粒子を機械的に遮断するように構成され、かつ、浄化されたプラズマを、コーティングすべき基板に向かって通過させる開口部を有するフィルタリング電極を使用することが想定される。フィルタリング電極のこの開口部は、ソースと基板との間の直線上に位置する。

【0029】

本発明の別の態様によれば、静電タイプのさらなるフィルタを適用することが想定される。特に、出願人は、イオン、電子およびミクロ粒子の速度とは異なるマクロ粒子の速度を利用する、特に有利な静電フィルタを考案した。実際、マクロ粒子は、ミクロ粒子およびイオンよりサイズが大きいため、プラズマの電子、ミクロ粒子およびイオンと比較して遅れて移動し、かつプラズマの外側で正電荷を得る。

【0030】

出願人は、マクロ粒子の移動の遅れを考慮して、所定の持続時間（Ｔ）のパルスでソース上にアークを照射することと、パルスアークの前記パルスの照射（Ｔ）の間隔（Ｉ）中にマクロ粒子を基板から遠ざける静電場（Ｅ）を、ソースと基板との間に印加することとを有利に想定している。

【0031】

パルスアークの持続時間Ｔは、
Ｄ／Ｖ_ｍｐ＋Δｔ
以下であることが好ましく、式中、Ｄは、ソースと対向する基板との間の距離であり、Ｖ_ｍｐは、マクロ粒子の速度であり、およびΔｔは、マクロ粒子が正電荷を得る間の時間である。

【0032】

本発明の一態様によれば、静電場（Ｅ）は、
Ｕ≧（ｍＶ^２）／２ｅ
以上の電位差Ｕを有する電極対によって発生し、式中、ｍは、マクロ粒子の質量であり、Ｖは、基板に向かうマクロ粒子の速度であり、およびｅは、マクロ粒子の電荷である。

【0033】

特に、基板は、電極対の静電陽極に関連付けられ、および真空チャンバは、この電極対の静電陰極に関連付けられる。

【0034】

一実施形態では、電極対の陽極はまた、既に上で述べた実施形態による、基板に向かう経路からそれたマクロ粒子を機械的に遮断するように構成されたフィルタリング電極としての役割を果たす。

【0035】

したがって、本発明による方法は、陰極の表面からのプラズマと同時に放出されるミクロ粒子とマクロ粒子との異なる速度に基づく。イオンの速度は約１０^６ｃｍ／ｓｅｃであり、マクロ粒子の速度は約１０^２〜２×１０^４ｃｍ／ｓｅｃである。

【0036】

本方法は、陰極と基板との間の距離を利用し、その距離に沿ってマクロ粒子が、ミクロ粒子、イオンおよび電子から空間的に分離される。特に、イオンおよびミクロ粒子は速度がより大きいため、マクロ粒子より素早く基板に向かって移動する。マクロ粒子の中から、まず、サイズがより小さく、より速いマクロ粒子が、次いで、サイズがより大きく、より遅いマクロ粒子が、基板に向かって移動する。

【0037】

本方法によれば、任意のサイズのマクロ粒子の自己浄化が行われ、すなわちプラズマ中の斥力を使用して、基板に向かう経路の外側にマクロ粒子を推進させる。静電フィルタは、上記手順によって十分に反発されていないマクロ粒子のフィルタリングを行うことを促進する。

【0038】

本発明のさらなる特徴および利点は、単なる非限定例としての添付図面を参照して記す以下の説明から明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0039】

【図1】本発明によるフィルタリングシステムの概略図を示す。

【図2】それぞれの実施形態による、図１に示すフィルタリングシステムの詳細な概略図を示す。

【図3】それぞれの実施形態による、図１に示すフィルタリングシステムの詳細な概略図を示す。

【図4】それぞれの実施形態による、図１に示すフィルタリングシステムの詳細な概略図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0040】

基板をコーティングするためのプラズマを発生させる工程中における、本発明によるフィルタリング方法について、添付図を参照して以下に説明する。

【0041】

陰極ソース１上にアークを照射することによって、プラズマが発生する。例えば、ソース１上へのパルス放電によって、イオン、ミクロ粒子および電子を含むプラズマ中にマクロ粒子が放出される。主放電パルスの発生中、マクロ粒子は負に帯電し、プラズマの残りの成分と比較して速度が低いためにプラズマの外側に残った場合、マクロ粒子は電荷を変化させ、そのため正電荷を帯びる。

【0042】

電荷を変化させた結果、マクロ粒子およびイオンの温度が上昇し、紫外線放射から電子の熱電子放出および光電子放出が起こる。特に、プラズマがない場合、ソースと基板との間の空間に正電荷を帯びたマクロ粒子が過剰に生じる。これは、パルスの持続時間より短い時間間隔で、プラズマのイオン、電子およびミクロ粒子が既にその空間を出て、コーティングすべき基板２に向かって移動しているために起こる。例えば、パルスの持続時間を１００ｍｓとした場合、パルスの時間間隔１００ｍｓ中に、イオン、電子およびミクロ粒子は、マクロ粒子を既に追い越している場合がある。

【0043】

本発明の別の態様によれば、減速場または偏向場とも呼ばれる電場が、ソース１から基板２までのマクロ粒子の経路に沿って印加され、その電場によって、静電的に帯電したマクロ粒子が反発され、またはそれる。特に、陰極１（ソース）から基板２までの空間にプラズマ（イオン、ミクロ粒子および電子）がなく、低密度の帯電マクロ粒子が存在するために、パルス間の時間間隔Ｉ中に（静電場の印加によって）静電分離を行うことができる。

【0044】

実際、これらの条件では、電場のプラズマスクリーニング（ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ）に関連する制限はない。したがって、例えば大きいメッシュ（１０〜５０ｍｍ）格子を使用して、または独立型電極によって、正に帯電したマクロ粒子の経路に沿って遅延静電場を作るために、電極を使用することができる。

【0045】

遅延静電場は、陰極浸食ゾーン（ソース１）と基板２のコーティング面との間に配置される少なくとも２つの電極によって作られる。マクロ粒子と電位が同じ電極、すなわち静電陽極が、基板のコーティングされる面に、例えばそれに近接して関連付けられる。静電陽極が、基板自体、例えば図１の基板２からなってもよい。第２の電極、すなわち静電陰極は、例えば真空チャンバ３に関連付けられてもよい。

【0046】

本発明によれば、値が
Ｕ≧（ｍＶ^２）／２ｅ
の電位を電極間に印加することによって、基板２に向かうプラズマ（イオン、電子およびミクロ粒子）の移動方向と反対方向に、質量ｍおよび電荷ｅの粒子を押すことができる。式中、ｍはマクロ粒子の質量であり、Ｖは基板に向かうマクロ粒子の速度であり、およびｅはマクロ粒子の電荷である。

【0047】

上記条件Ｕが生じているマクロ粒子は、基板２に到達することができずに、静電場によって反発される。

【0048】

上記条件Ｕが生じていないマクロ粒子は、基板２に到達することができる。しかしながら、これらのマクロ粒子は運動エネルギーが著しく小さく、基板２への付着性が乏しい場合がある。上記は特に、例えば炭素、タングステンまたはクロムからなる耐溶融性（ｍｅｌｔｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の高い材料からなる陰極１で生じ、陰極１は、ミクロ液滴でない、固体フラグメントの形態のミクロ粒子を主に発生させる。

【0049】

さらに、基板２上に堆積するマクロ粒子は基板２と同じ極性を有するため、反発される。真空チャンバ３の壁から基板２のコーティングすべき表面上に落ちる低温中性マクロ粒子も、基板２によって同様に反発される。

【0050】

マクロ粒子の速度はサイズのより小さいマクロ粒子の速度より低いにもかかわらず、静電場フィルタリング方法の効率は、マクロ粒子のサイズの増加に比例して低下する。効率のこの損失は、条件Ｕ≧（ｍＶ^２）／２ｅにおいて、サイズのより大きいマクロ粒子の電荷ｅと質量ｍとの比率が、サイズのより小さいマクロ粒子の電荷ｅと質量ｍとの比率より小さいことによる。実際、電荷は、表面積または半径の２乗に比例して増加し、一方、質量は、半径の３乗に比例して増加する。しかしながら、大きいマクロ粒子はまた、より小さい粒子より低い速度を有する。

【0051】

したがって有利には、本発明は、特に、所定の閾値より小さいサイズで、かつ高速のマクロ粒子をフィルタリングする静電場を印加することを想定する。この場合、基板上にプラズマ（イオン、電子、ミクロ粒子）の堆積がない時、マクロ粒子と同じ極性を有する静電陽極内に一定電圧および／またはパルス電圧が印加される。

【0052】

上記のように、陽極は基板２自体であってもよい。しかしながら、静電陽極は、基板２と陰極１との間に位置する別個の構成要素からなってもよい。静電陽極のこの別個の配置は、コーティングすべき表面が導電性でなく、そのため基板が静電陽極としての役割を果たすことができない場合、または基板２に電位を印加することが望ましくない場合に適している。基板２はまた、静電陽極と陰極１との間に位置してもよい。静電陽極のこの別個の配置はまた、非導電性コーティングに、または基板に電位を印加するのが望ましくない場合に適している。例えば、基板２の前後両方に陽極を位置決めすることによって、異なる構成が可能となる。図２〜図４は、陽極４に対する基板２の異なる構成を示し、陰極は、ソース１に関連付けられている。

【0053】

サイズが所定の閾値より大きく、マクロ粒子の電荷と質量との比率がより大きく、そのため基板２に向かう速度がより低いマクロ粒子、すなわち、電子の熱電子放出を生じさせるには不十分な熱さであるそれらのマクロ粒子には、正電位を帯びたフィルタリング電極５を使用することが想定される。フィルタリング電極５（図２〜図４）は、所定の角度ｘを超えて陰極から放出された粒子の機械的フィルタリングを行う。特に、フィルタリング電極５はまた、その正電位のために、静電フィルタ４として使用されてもよい。

【0054】

フィルタリング電極５は、大きい低温マクロ粒子を遮断するのに特に有効であり、実際、高温マクロ粒子は、電荷の符号を変更する時間を有するために静電フィルタ４によって有効に遅れ得るが、大きい低温マクロ粒子は、それらの電荷を逆にすることができず、基板２に向かって進み得る危険がある。この場合、フィルタリング電極５は、負に帯電したマクロ粒子から基板２を保護するシールドを形成する。

【0055】

陰極１と陽極４との間の放電のパラメータは、以下のことが好ましい。

【0056】

電流パルスは３００Ａより大きい。有利には、同じ電流パルスを使用することで、プラズマビームを集束させる磁気システムを不要にする物理現象が生じる。

【0057】

ソース１の表面上における陰極点の移動速度は、プラズマの自己浄化を行うように選択される。

【0058】

この自己浄化モードは、サイズがより大きく、より遅いマクロ粒子と、サイズがより小さく、より速いマクロ粒子との両方に効果があり、主に、本発明によるプラズマのフィルタリングに使用される。

【0059】

例えば、直径３０ｍｍで、入射ゾーンがソースの中心にある、炭素からなる陰極１の場合には、パルスの持続時間は０．８〜１．１ミリ秒に設定される。

【0060】

パルスの最小持続時間は、浸食ゾーンが、視覚ラインが基板の方向を向いていない点に到達するまで陰極１の表面上を移動する間の時間間隔と等しい。

【0061】

パルスアークの持続時間Ｔは、Ｄ／Ｖ_ｍｐ＋Δｔ以下であり、式中、Ｄはソース１と対向する基板２との間の距離であり、Ｖ_ｍｐは、マクロ粒子の速度であり、およびΔｔは、マクロ粒子が正電荷を得る間の時間である。

【0062】

アークは、陰極１の端部かつ側面Ｌ（例えば、図２）上で開始してもよく、基板の可視域の外側に位置するゾーン（例えば、図２のＬ１）の陰極表面１上で終了しなければならない。端部表面は、陰極の側面Ｌ１、またはマクロ粒子の伝搬を阻止および防止する被覆手段６に関連付けられた陰極１の一端部であってもよい。これらの被覆手段は、入射電極に関連付けられてもよい。

【0063】

アークを陰極１と基板２との間のまっすぐな可視線上の点で開始する場合、コンデンサＣ１を設けてもよい（図１）。前記コンデンサは、個々のパルスの吐出条件を安定させ、初期のアーク発生電流を低下させるために使用される。

【0064】

陰極点の移動速度は、陰極上のインダクタンス７によって調節される。

【0065】

複数の陰極点は、放電電流に依存する速度で互いに対して陰極１上を移動する。複数の陰極点は、最初素早く移動し、次いで、陰極１の表面を占有するにつれて減速する。減速は、陰極１の占有表面に比例する。

【0066】

例えば、炭素陰極１内の陰極点は、約１００〜２００ｍｓの動作時間にわたって現われ、徐々に消滅する。この時間の間、速度が２００ｍ／ｓのマクロ粒子は、陰極から２〜４ｃｍのところでプラズマから除去され、速度が５０ｍ／ｓのマクロ粒子は、０．５〜１ｃｍのところで除去される。

【0067】

本発明によれば、陰極点が、以下の考察および分析に基づいて出願人が決定した所定の速度を有する場合、大きいサイズのマクロ粒子をプラズマから除去するのに好ましい条件が生じる。

【0068】

陰極１内のパルス放電の持続時間は、プラズマ流Ｐｌ_ｉの発生にそれぞれ対応する複数の間隔に基本レベルで分割されている。実際には、最後の終了間隔においてプラズマ流Ｐ_ｅｎｄが発生するまで、第１の間隔「１」では第１のプラズマ流Ｐ_１が発生し、第２の間隔「２」では第２のプラズマ流Ｐ_２が発生するなどである。

【0069】

点２で発生し、陰極１上のアークの移動によって引き起こされるプラズマＰｌ_２は、プラズマ流Ｐｌ_１が発生した前の点１で陰極１の表面から放出されているマクロ粒子を推進させ、または押しやる効果がある。

【0070】

アークの移動速度は、特に重要である。

【0071】

実際、陰極点の速度が高すぎる場合、プラズマＰｌ_２は、プラズマＰｌ_１で放出されたマクロ粒子が点１で発生した点から遠くに遠ざかりすぎてしまうため、これらのマクロ粒子を基板２に向かう経路の外側に推進させる（一掃する）ことができない。

【0072】

逆に、陰極点の速度が低すぎる場合、点１で発生したプラズマ流Ｐｌ_１は、点２においてプラズマＰｌ_２で発生したマクロ粒子を基板２に向かって推進させる。

【0073】

出願人は、プラズマからマクロ粒子を除去するのに理想的なソース１上のアークの移動速度Ｖ_ｃｓが、ソース上のアークの入射点Ｐ_ｉとアークの終点Ｐ_ｆとの間の距離（Ｒ_ａｃｔ）と、アークの持続時間ｔとの比率以上である（Ｖ_ｃｓ≧Ｒ_ａｃｔ／ｔ）ことを決定した。

【0074】

速度Ｖ_ｃｓ（表面速度）でソース上を移動するアークは、点Ｐ_２で蒸発した材料の電子、ミクロ粒子およびイオンが、以前アークが通過した点Ｐ_１で形成されたマクロ粒子を、ソース１に対向するコーティングすべき基板２に向かう経路からそらすことで、プラズマの自己浄化を行う。

【0075】

有利には、基板２上へのミクロ粒子およびイオンの堆積は、実質的にマクロ粒子なしで生じ、先行技術によって想定される堆積とは異なり、基板に向かう浄化されたプラズマの流れを減速させるフィルタがないため、高い生産性を有する。

【0076】

異なる材料がソース１上で使用される場合に、特にＤＬＣコーティングでは、堆積するイオンのエネルギーを調節することが重要である。前記調節の結果、ステップｓｐ２とステップｓｐ３との比率を制御し、ひいては広範囲のコーティングを得ることができる。イオンの最大エネルギーは、陰極と陽極との間の電圧によって決定され、１００〜５００ボルトであることが好ましい。

【0077】

プラズマビーム（流）中のイオンのエネルギーは、同じではない。ビームは、その前部で電子を、次に高エネルギーイオンを、続いてその後部で低エネルギーイオンを搬送する。後者は、コーティングの品質を低下させ得る。

【0078】

本発明の一態様によれば、エネルギーが所定の閾値未満のイオンもフィルタリングされ得る。このフィルタリング操作には、特定の電流値が静電フィルタ内に設定される。特に、静電フィルタの影響を受けるイオンの割合が増加するのに伴って、電流が増加する。

【0079】

最後に、イオンの電流を超える電流値を静電フィルタ内に設定することによって、プラズマのイオン成分を完全に遮断し、プラズマ電子により基板の浄化を行うことができる。

【0080】

本発明による方法を実施するフィルタリングシステムの構造部品および電気部品について、図１を参照して以下に説明する。

【0081】

本システムは、真空チャンバ３を含む。ソースまたは陰極１、および陽極４は、互いに対して軸方向に配置される。例えば、陽極４は、リブ付き陽極であり、陰極１とコーティングすべき基板２との間に位置する。あるいは、例えば電源ブロックによって、正極性を有する静電位（パルスまたはＤＣ）が、静電陽極としての役割も果たすコーティングすべき基板２に供給される。アーク放電陽極４は静電陽極に対応せず、かつそれに電気的に接続されない。負極性を有する静電位は、例えばチャンバ３に接続される。

【0082】

陰極１の浸食ゾーン９は、コーティングすべき基板３に対向して位置する。前記基板２は、例えば、回転式または固定式カルーセルに取り付けられてもよい。本システムは、調整可能なインダクタンス７を含む放電回路を含む。

【0083】

入射システム１０は、陰極１の表面上でアークを点火する。プラズマが基板２に向かって素早く移動する間の時間間隔ｔ中に、陽極４と静電陰極３との間で放電が起きる。連続する放電の間隔中に、静電陽極および陰極を使用して、プラズマのマクロ粒子を遅らせ、またはそらせるように構成された場が作られる。

【0084】

プラズマイオンおよびミクロ粒子は、通常の条件下で基板上に堆積し、すなわち、静電場はそれらにいかなる影響も与えない。マクロ粒子は、イオンより遅く移動し、特にまず、より小さく、より速い粒子が移動し、より遅く、より重い粒子が後に続く。

【0085】

パルス放電中、陰極点の速度は加速器によって調節され、その結果、陰極１の浸食は、自己浄化方法で、すなわち基板経路の外側の点で発生したマクロ粒子を、別の点で発生したプラズマの向こうに押し出すことによって行われる。特に、浸食ゾーンにより、基板の視野の外側に位置する陰極の表面が終端する。

【0086】

次いで、この工程が繰り返される。

【0087】

マクロ粒子を機械的にフィルタリングするための正電位を帯びたフィルタリング電極５は、陽極４の出力部に設けることが好ましい。

【0088】

静電陽極４は、静電陰極より低い、少なくとも４０ボルトの正電位に接続される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】