(57)【要約】  真空中で、アーク放電によってカソード材料を溶解、蒸発させて、基材表面に成膜させるアーク蒸発源であって、略円板形状に形成されたカソードと、カソードの背面側に配置された磁界発生手段とを備え、磁界発生手段が、カソードの背面にカソードの放電面に対して２０°〜５０°の方向に磁極が向けられて配置された少なくとも一つの永久磁石により、カソードの外周面においては基材方向に対して鋭角な磁力線、カソードの放電面の最外周部においては放電面に対してほぼ垂直な磁力線、カソードの放電面の外周面寄りの部分においてはカソードの中心方向に対して鋭角な磁力線が形成される磁界を発生させるように構成して、カソードを、外周部一杯まで利用可能とし、カソード材料の利用効率を飛躍的に高めることができるアーク蒸発源を提供する。
2014178100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中で、アーク放電によってカソード材料を溶解、蒸発させて、基材表面に成膜させるアーク蒸発源であって、
略円板形状に形成されたカソードと、前記カソードの背面側に配置された磁界発生手段とを備え、
前記磁界発生手段が、前記カソードの背面にカソードの放電面に対して２０°〜５０°の方向に磁極が向けられて配置された少なくとも一つの永久磁石により、前記カソードの外周面においては前記基材方向に対して鋭角な磁力線、前記カソードの放電面の最外周部においては放電面に対してほぼ垂直な磁力線、前記カソードの放電面の外周面寄りの部分においてはカソードの中心方向に対して鋭角な磁力線が形成される磁界を発生させるように構成されている
ことを特徴とするアーク蒸発源。
【請求項２】
前記永久磁石が、前記カソードの放電面に対して４０°〜４５°の方向に磁極が向けられて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアーク蒸発源。
【請求項３】
カソードの裏面に、カソードの放電面と略平行な面で回転する別個の磁界発生手段が少なくとも１つ設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアーク蒸発源。
【請求項４】
カソードの裏面に、カソードとの距離を変化させることの可能な移動手段が設けられた磁界発生手段が、少なくとも１つ設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアーク蒸発源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アークイオンプレーティング装置に用いられるアーク蒸発源に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材上へセラミック硬質膜を成膜するには、従来より、アークイオンプレーティング装置を用い、真空中でアーク放電によってアーク蒸発源のカソード材料を蒸気化、イオン化させて、基材（ワーク）の表面に成膜させるアークイオンプレーティング法が一般に用いられている（例えば、特許文献１、２）。【０００３】
このようなアークイオンプレーティング法に用いられるアーク蒸発源の一例を図２４に示す。図２４においては、円盤形状に加工されたカソード１が固定リング２によって固定され、カソード１の放電面とは反対側の面に磁極の向きがカソード１の軸方向に沿った向きとなるように永久磁石４が配置されて、アーク蒸発源が構成されている。なお、３は永久磁石４より発せられる磁力線の内の１本を示している。【０００４】
アーク放電によって、このカソード１の放電面に順次アークスポットが形成されて、カソード材料が蒸発していくが、このアークスポットは磁界と鋭角をなす方向に移動する性質を有している。【０００５】
そこで、図２４においては、アーク状態を制御するために、カソード１の裏面に磁石４を配置すると共に、カソード１の外周部付近を土手形状に加工している。このようなカソードを用いることにより、磁石４から発せられた磁力線３がカソード半径方向の外側に向けて拡がるように形成されると共に、アークスポットがカソード放電面から外に逃げることが防止される。しかし、放電エリアが主として土手の内側の外周部付近に集中するため、成膜のバッチ数が増えるにつれてカソード１の形状が、図２５に破線で示す形状から実線で示す形状に変化していき、カソード材料を放電面の中央部まで有効に利用することができていなかった。【０００６】
また、図２６に示すように、カソード１の外周部付近を土手形状に加工することに替えて、カソード１の外周部にテーパー状の閉じ込めリング５を設けてアーク蒸発源を構成させることにより、アークスポットの逸脱を防止する技術も提案されている。【０００７】
しかし、この場合には、カソード１の外周部が閉じ込めリング５におおわれてしまうため、放電面の外周部一杯まで使用することができず、カソード材料の有効利用を阻害していた。【０００８】
即ち、図２７（ａ）、（ｂ）に示すように、断面図で見て同じ面積（図のハッチング部分）のカソード材料が利用されたとしても、３次元で考えた場合利用されたカソード材料の体積は、
Ｖ２＝Ｖ１×（Ｄ２÷Ｄ１）
と示すことができ、Ｄ２＞Ｄ１であることから、外周部一杯まで利用することにより、より大きな体積のカソード材料が利用でき、有効利用できることが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許３９２４８３３号公報
【特許文献２】特開２００９−５４３９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、外周面の全体もしくは一部が露出した構造のカソードを、外周部一杯まで利用することにより、カソード材料の利用効率を飛躍的に高めることができるアーク蒸発源を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、
真空中で、アーク放電によってカソード材料を溶解、蒸発させて、基材表面に成膜させるアーク蒸発源であって、
略円板形状に形成されたカソードと、前記カソードの背面側に配置された磁界発生手段とを備え、
前記磁界発生手段が、前記カソードの背面にカソードの放電面に対して２０°〜５０°の方向に磁極が向けられて配置された少なくとも一つの永久磁石により、前記カソードの外周面においては前記基材方向に対して鋭角な磁力線、前記カソードの放電面の最外周部においては放電面に対してほぼ垂直な磁力線、前記カソードの放電面の外周面寄りの部分においてはカソードの中心方向に対して鋭角な磁力線が形成される磁界を発生させるように構成されている
ことを特徴とするアーク蒸発源である。【００１２】
本発明者は、上記課題の解決について、種々の実験と検討を行った結果、磁界が鋭角の方向に移動するアークスポットの性質を利用し、図１に３本の矢印で示すように、カソードの外周面においては基材方向に対して鋭角な磁力線、カソードの放電面の最外周部においては放電面に対してほぼ垂直な磁力線、カソードの放電面の外周面寄りの部分においてはカソードの中心方向に対して鋭角な磁力線が形成されるように磁界を発生させた場合、アークスポットが外周面に移動することなく放電面に留まって放電面の内側を広い範囲で移動するため、カソード材料をより効率的に利用できることに思い至った。【００１３】
具体的には、図２に示すように、放電面と磁界（磁場ベクトル）とのなす角をθとすると、放電面の最外周部ではθがほぼ９０°の磁力線、放電面ではθが９０°未満（鋭角）の磁力線、放電面の外側ではθが９０°超（鈍角）の磁力線の３つの条件が揃った磁界（磁場分布）を形成させる。なお、最外周部において「θがほぼ９０°」とは、±５°程度のばらつきがあってもよいことを指している。【００１４】
次に、本発明者は、上記のような磁界を形成させるための具体的な磁界発生手段について、磁場シミュレーションにより検討した。【００１５】
まず、図３に示すように、リング状の永久磁石を、磁極の向きがカソードの軸方向と平行になるように、カソードの裏面の外周付近に設置した。しかし、この場合には、「カソードの放電面の最外周部に放電面に対してほぼ垂直な磁力線」を発生させることができず、また、「カソードの放電面」の最外周近傍に「カソードの中心方向に対して鋭角な磁力線」を発生させることもできていない。【００１６】
次に、図４に示すように、リング状の永久磁石を、磁極の向きがカソード放電面と平行になるように、カソードの裏面に着磁・設置した。この場合には、永久磁石の配置を適切に行うことにより上記の磁界を発生させることができる。【００１７】
しかし、このような場合には、カソード裏面の空間の大部分をリング状の永久磁石が占める構造となるため、後述する「別個の磁界発生手段」を備える等の更なる改良をすることができず、カソード材料の有効利用には限界がある。あるいは、カソードが必要以上に大きくなる恐れもある。【００１８】
そこで、本発明者は、Ｎ極、Ｓ極が斜め方向となるように永久磁石をカソード外周付近に配置した場合、図５に示すように、３つの磁力線のそれぞれを発生させることができると共に、カソード裏面の空間を大きく確保することができると考えた。そして、この確保された空間にさらに前記した永久磁石とは異なる別の磁界発生手段を配置することにより、カソード材料のさらなる有効利用が図れると考えた。【００１９】
この考えに基づいて、本発明者は、図６〜図１６に示すように、磁極の向きと放電面とのなす角度を０°から９０°まで変化させて、そのとき形成される磁界について検討を行った。その結果、磁極の向きと放電面とのなす角度が２０°〜５０°となるように永久磁石を配置すればよいことが分かった。【００２０】
即ち、磁極の向きと放電面とのなす角度が２０°未満の場合、図６および図７に示すように、３つの磁力線を形成させることができるものの、磁石の配置位置がカソードの中心方向に近いためカソード裏面の空間を充分に確保することができない。一方、５０°を超えた場合には、図１３〜図１６に示すように、磁石の配置位置がカソードの外側近くなるためカソード裏面の空間を確保することができるものの、カソードの放電面の外側にカソードの中心方向に対して鈍角な磁力線を形成させることができない。なお、図６〜図１６においては、Ｎ極とＳ極を入れ替えてもよい。【００２１】
そして、上記の結果より、より好ましい角度は４０°〜４５°であることが分かった。【００２２】
即ち、請求項２に記載の発明は、
前記永久磁石が、前記カソードの放電面に対して４０°〜４５°の方向に磁極が向けられて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアーク蒸発源である。【００２３】
次に、請求項３に記載の発明は、
カソードの裏面に、カソードの放電面と略平行な面で回転する別個の磁界発生手段が少なくとも１つ設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアーク蒸発源である。【００２４】
本発明者は、上記の知見に基づき、次に、カソードの裏面に大きく確保された空間に配置される好ましい磁界発生手段について検討を行った。【００２５】
その結果、この空間に、カソードの放電面に略平行な面で回転する磁界発生手段を設けると、回転する磁界の作用により、図１８に示すように、アークスポットが回転しながらカソードの放電面を移動して放電エリアが広くなるため、より大きな面積にわたってカソード材料を利用することが可能となり、カソード材料の利用効率がより向上することが分かった。このような磁界発生手段としては、例えば、図１７に示すような、リング状の永久磁石を回転台の中心軸とリング状の永久磁石の中心軸をずらすように回転台上に載置して構成された磁界発生手段を挙げることができる。【００２６】
なお、上記の磁界発生手段における回転は、アーク放電のプロセスを中断させることなく行うことが好ましい。【００２７】
そして、請求項４に記載の発明は、
カソードの裏面に、カソードとの距離を変化させることの可能な移動手段が設けられた磁界発生手段が、少なくとも１つ設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアーク蒸発源である。【００２８】
本発明者の検討によれば、この空間にカソードとの距離を変化させることが可能な移動手段が設けられた磁界発生手段、例えば、図１９に示すような、半径方向の内外で逆極性になるようにされたリング状の永久磁石に移動手段が設けられた磁界発生手段を配置しても、カソード材料の利用効率がより向上することが分かった。【００２９】
即ち、永久磁石とカソードとの距離を変化させることによっても、図２０に示すように、カソードの放電面においてアークスポットが移動する放電エリアの直径を変化させることができるため、より大きな面積にわたってカソード材料を利用することが可能となり、カソード材料の利用効率がより向上する。なお、このような磁界発生手段を複数配置した場合には、さらに、カソード材料の利用効率が向上する。【００３０】
なお、上記の磁界発生手段の移動は、前記した磁界発生手段における回転と同様に、アーク放電のプロセスを中断させることなく行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、外周面の全体もしくは一部が露出した構造のカソードを、外周部一杯まで利用することにより、カソード材料の利用効率を飛躍的に高めることができるアーク蒸発源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】アーク蒸発源において形成される磁界を説明する図である。
【図２】アーク蒸発源において形成される放電面と磁界とのなす角を説明する図である。
【図３】リング状の永久磁石を、磁極の向きがカソードの軸方向と平行になるように、カソードの裏面の外周付近に設置した際に形成される磁界を説明する図である。
【図４】リング状の永久磁石を、磁極の向きがカソード放電面と平行になるように、カソードの裏面に設置した際に形成される磁界を説明する図である。
【図５】永久磁石をカソード外周付近に斜め方向に配置した際に形成される磁界を説明する図である。
【図６】磁極の向きと放電面とのなす角度が０°のときに形成される磁界を説明する図である。
【図７】磁極の向きと放電面とのなす角度が１０°のときに形成される磁界を説明する図である。
【図８】磁極の向きと放電面とのなす角度が２０°のときに形成される磁界を説明する図である。
【図９】磁極の向きと放電面とのなす角度が３０°のときに形成される磁界を説明する図である。
【図１０】磁極の向きと放電面とのなす角度が４０°のときに形成される磁界を説明する図である。
【図１１】磁極の向きと放電面とのなす角度が４５°のときに形成される磁界を説明する図である。
【図１２】磁極の向きと放電面とのなす角度が５０°のときに形成される磁界を説明する図である。
【図１３】磁極の向きと放電面とのなす角度が６０°のときに形成される磁界を説明する図である。
【図１４】磁極の向きと放電面とのなす角度が７０°のときに形成される磁界を説明する図である。
【図１５】磁極の向きと放電面とのなす角度が８０°のときに形成される磁界を説明する図である。
【図１６】磁極の向きと放電面とのなす角度が９０°のときに形成される磁界を説明する図である。
【図１７】カソード裏面に確保された空間に回転する磁界発生手段を配置したときに形成される磁界を説明する図である。
【図１８】図１７に示したカソードの放電面に形成されるアークスポットの移動を説明する図である。
【図１９】カソード裏面に確保された空間に移動手段が設けられた磁界発生手段を配置したときに形成される磁界を説明する図である。
【図２０】図１９に示したカソードの放電面に形成されるアークスポットの移動を説明する図である。
【図２１】実施例１において使用したアーク蒸発源の構成を説明する図である。
【図２２】永久磁石の上下移動速度を示す図である。
【図２３】ＴｉＮの成膜バッチ回数と膜厚との関係を示す図である。
【図２４】従来のアーク蒸発源の一例における構成を説明する図である。
【図２５】従来のアーク蒸発源におけるカソード形状の変化を示す図である。
【図２６】従来のアーク蒸発源の他の一例における構成を説明する図である。
【図２７】従来のアーク蒸発源におけるカソードの形状の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を実施例に基づいてより具体的に説明する。
【００３４】
１．アーク蒸発源の作製
（１）実施例１
直径１５０ｍｍ、厚み１５ｍｍの円板形状のＴｉカソード材料から、図２１に示す形状に加工したカソード１の裏面に、永久磁石４（円柱状の等方性フェライト磁石（直径８ｍｍ、厚み２ｍｍ）をカソード１の放電面に対して４５°の方向でリング状に４５個並べて構成されている）を配置し、実施例１のアーク蒸発源を作製した。このとき、カソード外周部付近での磁場は、約２０ガウスであった。
【００３５】
なお、磁石としては、形状がリング状の磁石で斜め方向に着磁をしたものを用いてもよく、また、例えば立方形の磁石を円周上に斜めに並べて配置することもできる。
【００３６】
（２）実施例２
カソード裏面の空間に、リング状の永久磁石（厚み２ｍｍ、外径４６ｍｍ、内径３１ｍｍのネオジム磁石で、外側と内側方向に磁極が向いている）を回転台の中心軸とリング状の永久磁石の中心軸をずらすように回転台上に載置して構成された磁界発生手段を、図１７に示すように配置したこと以外は実施例１と同様にして、実施例２のアーク蒸発源を作製した。そして、リング状の永久磁石を１８〜３４０ｒｐｍの範囲で回転させて皮膜の表面粗さを観察したところ、約６０ｒｐｍの回転速度で最も皮膜の表面粗さが低くなることが分かった。なお、前記リング状の永久磁石によるカソード放電面における磁場は、約１５０ガウスであった。
【００３７】
（３）実施例３
カソード裏面の空間に、実施例２と同じリング状の永久磁石を用いて移動手段が設けられた磁界発生手段を図１９に示すように配置したこと以外は実施例１と同様にして、実施例３のアーク蒸発源を作製した。
【００３８】
移動手段は電動アクチュエータで構成し、図１９で示す上下方向に５０ｍｍの範囲で永久磁石を可動できる様にした。この結果、図２０に示すように、永久磁石を一番上に移動した時に、アークスポットは最もカソード放電面の中心付近を周回し、また永久磁石を一番下に移動した時に、アークスポットは最もカソード放電面の外周部付近を周回した。
【００３９】
カソード放電面の中心付近をアークスポットが周回している際には、円周長が短いため、カソードが早く消耗するので、短時間に留める必要がある。そこで、カソード消耗が中心と外周部とで均一化するように、磁石の移動を一定ではなく、図２２に示すようなパターン化した動きをさせた。なお、ここでは、３４秒で一周期となるように、かつ磁石が上にある時間を短くした。これにより広い面積にわたって、カソードの消耗を一定にすることができた。
【００４０】
（４）比較例１
直径１５０ｍｍ、厚み１５ｍｍの円板形状のＴｉカソード材料から、図２４に示す土手形状に加工したカソード１の裏面に、磁極の向きがカソードの軸方向に沿った向きとなるように、永久磁石４を配置し、比較例１のアーク蒸発源を作製した。
【００４１】
（５）比較例２
直径１５０ｍｍ、厚み１５ｍｍの円板形状のＴｉカソード材料から、図２６に示す形状に加工したカソード１の裏面に、磁極の向きがカソードの軸方向に沿った向きとなるように、永久磁石４を配置し、比較例２のアーク蒸発源を作製した。
【００４２】
（６）実施例４〜６および比較例３、４
カソード材料としてＴｉＡｌ（５０：５０ａｔｍ％）を用いたこと以外は、それぞれ、実施例１〜３、比較例１、２と同様にして、実施例４〜６および比較例３、４のアーク蒸発源を作製した。
【００４３】
（７）実施例７〜９および比較例５、６
カソード材料としてＡｌＣｒ（７０：３０ａｔｍ％）を用いたこと以外は、それぞれ、実施例１〜３、比較例１、２と同様にして、実施例７〜９および比較例５、６のアーク蒸発源を作製した。
【００４４】
（８）実施例１０〜１２および比較例７、８
カソード材料としてＣｒを用いたこと以外は、それぞれ、実施例１〜３、比較例１、２と同様にして、実施例１０〜１２および比較例７、８のアーク蒸発源を作製した。
【００４５】
２．成膜
各アーク蒸発源をイオンプレーティング装置に取り付け、真空引きと、ヒーター加熱による出ガスを充分に行い、窒素ガスを５００ｃｃｍ導入しチャンバー内の圧力を表１に示す各圧力にした。
【００４６】
基材として、高速度工具鋼（ＳＫＨ−５１）のテストピースを用い、表１に示す各バイアス電圧を印加し、その後（図示しない）トリガ構造を使い各カソードのアーク放電を開始、それぞれ表１に示すアーク電流を流し１８０分間のコーティング処理を実施した。得られた各膜の膜種、膜厚、膜硬度、表面粗さＲｚを表１に示す。
【００４７】
その後は、膜厚が１回目の成膜において得られた膜厚の７０％に低下するまで、成膜を繰り返し、そのときまでのバッチ回数を測定した。即ち、膜厚が７０％を下回った場合には、膜厚が不足して、基材（ワーク）である工具・金型の性能が低下する恐れがある。なお、その対策として、膜厚の低下に応じてコーティング時間を延長するなどの措置も考えられるが、管理が難しくなるため好ましくない。よって、７０％になった時点をカソードの寿命とした。結果を表１に示す。
【００４８】
実施例１〜３および比較例１、２における成膜バッチ回数とそのときの膜厚との関係を図２３に示す。
【００４９】
【表１】
2014178100.tif 000003
【００５０】
表１より、いずれのカソード材料においても、比較例に比べて、実施例はバッチ回数が増加しており、本発明を適用することにより、高価なカソード材料を有効に利用できることが分かる。
【００５１】
そして、図２３より、Ｔｉをカソード材料とした成膜においては、実施例１〜３の内でも、実施例２、３は、バッチ回数が増えても膜厚の減少が緩やかであることが分かり、実施例２、３ではさらにカソード材料が有効に利用されていることが分かる。
【００５２】
また、実施例２、３においては、膜の表面粗さも低減されているが、これは磁石の回転や移動により、アークスポットが強制的に移動させられたためと考えられる。
【００５３】
なお、上記のような結果は、カソード材料が異なる他の実施例においても同様である。
【００５４】
以上、本発明を実施の形態に基づき説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１          カソード
２          固定リング
３          磁力線
４          永久磁石
５          閉じ込めリング
【図１】
2014178100.tif 000004
【図２】
2014178100.tif 000005
【図１８】
2014178100.tif 000006
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2014178100.tif 000023
【図１２】
2014178100.tif 000024
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2014178100.tif 000027
【図１６】
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【図１７】
2014178100.tif 000029
【図１９】
2014178100.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月2日(2016.8.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、
真空中で、アーク放電によってカソード材料を溶解、蒸発させて、基材表面に成膜させるアーク蒸発源であって、
略円板形状に形成されたカソードと、前記カソードの背面側に配置された磁界発生手段とを備え、
前記磁界発生手段が、前記カソードの中心側から前記カソードの最外周部側に向かって前記カソードの放電面に近づくように前記カソードの放電面に対して２０°〜５０°の方向に磁極が傾斜して配置された少なくとも一つの永久磁石により、
前記カソードの外周面においては前記基材方向に対して前記カソードの外側方向に鋭角に傾斜した磁力線、前記カソードの放電面の最外周部においては放電面に対してほぼ垂直な磁力線、前記カソードの放電面の外周面寄りの部分においてはカソードの中心方向に対して前記カソードの外側方向に鋭角に傾斜した磁力線が形成される磁界を発生させるように構成されている
ことを特徴とするアーク蒸発源である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
真空中で、アーク放電によってカソード材料を溶解、蒸発させて、基材表面に成膜させるアーク蒸発源であって、
略円板形状に形成されたカソードと、前記カソードの背面側に配置された磁界発生手段とを備え、
前記磁界発生手段が、前記カソードの中心側から前記カソードの最外周部側に向かって前記カソードの放電面に近づくように前記カソードの放電面に対して２０°〜５０°の方向に磁極が傾斜して配置された少なくとも一つの永久磁石により、
前記カソードの外周面においては前記基材方向に対して前記カソードの外側方向に鋭角に傾斜した磁力線、前記カソードの放電面の最外周部においては放電面に対してほぼ垂直な磁力線、前記カソードの放電面の外周面寄りの部分においてはカソードの中心方向に対して前記カソードの外側方向に鋭角に傾斜した磁力線が形成される磁界を発生させるように構成されている
ことを特徴とするアーク蒸発源。
【国際調査報告】
2014178100.tif 000031
2014178100.tif 000032
2014178100.tif 000033
2014178100.tif 000034