(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と、前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードを該磁場形成機構の軸方向に進退させるカソード送出機構とを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長く、前記カソードの蒸発面が前記磁場形成機構の前端より突出し、かつ前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔＬと前記磁場形成機構の内径Ｄとの関係が０．１×Ｄ≦ΔＬ≦２．０×Ｄとなっていることを特徴とするアーク式蒸発源。
【請求項２】
アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と、前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードを該磁場形成機構の軸方向に進退させるカソード送出機構と、前記カソードの蒸発面を前記磁場形成機構の前端より突出させると共に、前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔＬと前記磁場形成機構の内径Ｄとの関係が０．１×Ｄ≦ΔＬ≦２．０×Ｄとなるよう、前記カソード送出機構を制御するための制御情報を出力または表示するカソード位置制御機構とを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長いことを特徴とするアーク式蒸発源。
【請求項３】
アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と、前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードを該磁場形成機構の軸方向に進退させるカソード送出機構と、前記カソードの蒸発面を前記磁場形成機構の前端より突出させると共に、前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔＬと前記磁場形成機構の内径Ｄとの関係が０．１×Ｄ≦ΔＬ≦２．０×Ｄとなるよう、前記カソード送出機構を制御するカソード位置制御機構とを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長いことを特徴とするアーク式蒸発源。
【請求項４】
前記磁場形成機構が筒型の永久磁石を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のアーク式蒸発源。
【請求項５】
前記磁場形成機構が筒型鉄心とコイルとを有する電磁石を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のアーク式蒸発源。
【請求項６】
アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源を用いて基材表面に成膜する成膜体の製造方法であって、前記アーク式蒸発源は、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードとを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長く、前記カソードの蒸発面を前記磁場形成機構の前端より突出させると共に、前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔＬと前記磁場形成機構の内径Ｄとの関係が０．１×Ｄ≦ΔＬ≦２．０×Ｄとなるようにして成膜することを特徴とする成膜体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば工具、金型、装飾品、機械部品等の基材外部表面に、耐摩耗性向上や摩擦損失の低減、或いは色彩を付加するための硬質炭素被膜を形成させるアーク式蒸発源及び成膜体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材の外部表面に被膜を形成し、耐摩耗性や耐久性の向上、摩擦損失の低減、さらには表面形状等の保護を図るため、アーク放電によってカソード物質を溶融し蒸発させるアーク式蒸発源が用いられている。
アーク式蒸発源では、アーク放電によりカソード前方の空間に形成されるアークプラズマによって、蒸発したカソード物質の多くはイオン化される。そして、アークプラズマを利用し、被成膜基材に所定の電圧を印加することによって、イオン化されたカソード物質を基材に引き寄せ、基材表面に被膜を形成する。
【０００３】
アークイオンプレーティング法は成膜速度が速く、被膜と基材間の密着性に優れるため、この方法による成膜装置は生産性に優れ、機械部品や切削工具等の表面に金属膜やその炭化物、窒化物などの被膜形成装置として広く用いられている。アークイオンプレーティング法の成膜速度が速い理由は、アーク放電によってカソード物質が溶融し、カソード物質の蒸気を大量に発生させることができるからであるが、そのためカソード物質の消耗が早く、所定の放電時間経過後にカソードを交換する必要がある。
【０００４】
そこで、直径に比べ軸方向に長いカソードを用い、アーク放電によってカソードを均一に消耗させる技術として特開平５−１７８６６号公報（特許文献１）が開示されている。この技術では、炭素をカソードに用い、カソード送出機構が設けられている。そして、形成膜厚が厚く放電時間が長い場合や、カソード交換周期を長くしたい場合には、カソード消耗量を見越して初期のカソード長を長くして対応する。又、この技術においては、カソードを真空容器内に挿入する穴からの大気リークを防止するため、カソード及びカソード送出機構他すべてを真空カバーで覆っている。
【０００５】
又、直径に対して軸方向の長さが長いカソードを用いると共に、磁気コイルを備えたアーク式蒸発源として、特開２００１−５８２６６号公報（特許文献２）、特開２００１−１８１８２９号公報（特許文献３）が開示されている。
図５は特許文献２、３に記載されているアーク式蒸発源の断面構造を示す。この図において、カソード２２’の外側に配置した磁気コイル４２’により、カソード蒸発面におけるアーク放電の維持に必要な磁場を形成している。そして磁気コイルの電流値を最適化することにより、カソード蒸発面に対してほぼ垂直又は外側に広がる磁場を形成し、上記アーク放電を安定維持することが可能であると同文献には記載されている。
又、特許文献３記載の技術の場合、カソード冷却機構の先端に、導電物から成りカソード２２’と同電位の先細リング６４’を設けることが提案されている。このようにすると、カソード周辺部のアーク放電発生頻度を抑制し、アークスポットの運動をカソード蒸発面内に制限する特性が向上するとされている。
なお、特許文献２、３記載の技術においてもカソード送出機構が設けられ、消耗に応じてカソードを前方に送出し、カソード蒸発面での磁力線の状態や、基材とカソード蒸発面の距離をほぼ一定に保つことが可能である。
【０００６】
一方、カソード送出機構と共に、カソード内に磁場形成機構(磁石又は電磁石)を設けた技術として、特開２００５−１２６７３７号公報（特許文献４）が開示されている。図６は、この技術におけるアーク式蒸発源の断面構造を示す。カソード１２２’中心軸に沿って貫通孔１３２’が設けられ、この中に挿入された磁場形成機構１４２’によって、カソード蒸発面でのアーク放電の維持に必要な磁場が形成される。磁場形成機構１４２’の位置はカソードと独立して決めることができるので、カソードが消耗してもカソード蒸発面における磁場配位や、アークスポットの運動を安定した状態に保つことができ、カソードを均等に消耗させることができる。
【０００７】
カソード蒸発面の磁場配位（アークスポットの運動）を最適にする技術は、他にもある。例えば、カソード軸方向に磁極をもつ磁石（電磁石）を、カソード蒸発面または蒸発面の前方を取り囲むように配置し、カソード蒸発面にほぼ垂直又は外周方向に広がる磁場配位を形成する技術として、特開２００３−７１６１０号公報（特許文献５）が開示されている。
又、内周面側をＳ極、外周面側をＮ極としたリング状の永久磁石を、カソードの外側後方に同軸に配する技術として、特開平１１−２６９６３４号公報（特許文献６）が開示されている。この磁石により、カソード周辺にはカソード蒸発面に平行な成分を持つ磁力線が形成され、カソード蒸発面の外周領域にアークスポットが分布することを抑制するとある。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−１７８６６号公報
【特許文献２】特開２００１−５８２６６号公報
【特許文献３】特開２００１−１８１８２９号公報
【特許文献４】特開２００５−１２６７３７号公報
【特許文献５】特開２００３−７１６１０号公報
【特許文献６】特開平１１−２６９６３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
カソードを交換せずに長時間使用できるようにして使用効率を向上させ、成膜コストを低減するためには、軸方向に長いカソードを用いる必要がある。長いカソードを長時間使用しても、成膜時の再現性（膜質や膜厚分布等）を確保するためには、以下の課題が要求される。
（１）カソードが均等に消耗すること
（２）カソードの蒸発面以外の部分、たとえばカソード側面へのアークスポット移行を抑制すること
なお、（２）によれば、カソード近傍や装置内壁への堆積物の付着も抑制できる。
【００１０】
又、成膜コストを低減するためには、カソード使用効率に加え、装置の使用効率の向上も重要である。アーク式蒸発源はカソードからの蒸発量が多く、蒸発したカソード構成物質がアーク式蒸発源に付着、堆積する。堆積物が剥離して被膜に混入すると被膜品質が低下するので、定期的にブラスト処理などの装置メンテナンスが必要となる。そこで、蒸発源の脱着を容易にして作業性を向上させ、又、堆積物の発生自体を抑制するため、以下の課題が要求される。
（３）蒸発源が小型で軽量であること
（４）カソード蒸発面前方に構造物が存在しない、又はこの部分への堆積を低減すること
（５）カソード近傍に強い磁場を形成すること
カソード蒸発面前方には堆積物が短時間で堆積し、剥離物の被膜への混入、成膜装置駆動部や真空シール部への侵入が生じ、装置停止や真空度低下を招くので、（４）の対策が必要となる。又、（５）によれば、カソード蒸発面後方や、蒸発面と同面の領域への堆積を抑制する。これは次の理由による。通常、蒸発したカソード構成物質は大部分が電離し、プラズマとなり、磁場の影響を受けやすくなる。そこで、プラズマが生成した領域の磁場より強い別の磁場を形成すると、いわゆるミラー効果によりこの強磁場領域への磁力線に沿ったプラズマの移動が抑制される。従って、カソード周辺に強磁場を形成すれば、この部分への堆積を抑制できる。
【００１１】
ところで、目的とする形成皮膜がカソード構成材料と同一組成であれば、装置内に不活性ガスを導入してもよく、またガスを導入せずに装置を高真空としてもよい。皮膜中に不活性ガスが取り込まれることがない点から、後者を採用することがより好ましい。一方、形成皮膜がカソード構成材料と同一でない場合（窒化物や酸化物等）、カソード構成材料と反応する反応性ガスを装置内に導入し、化合物被膜を形成する。
このように、目的とする皮膜に応じて、装置内へのガス導入の有無が異なるが、装置の安定性の点からは、以下の課題が要求される。
（６）ガス導入の有無にかかわらずアーク放電を安定して維持できること
【００１２】
以上のように、アーク式蒸発源には種々の課題が要求されるが、上記特許文献１〜６記載の技術の場合、次の問題がある。
【００１３】
<特許文献１記載の技術>
特許文献１記載の技術の場合、直径５〜２０ｍｍ程度の細長い棒状カソードを用いるが、炭素は脆性材料であるため、カソードが交換作業中に破損等して生産性を低下させる。又、消耗体積が同一の場合、細長いカソードは、直径の大きいカソードと比較してカソード消耗長さが長く、長時間使用するためにはカソード長を長大とする必要がある。そのため、同技術の場合、細長いカソードを真空容器内に挿入する穴からの大気リークを防止するため、カソード長さを含めた大きな真空カバーが必要となり、装置全体が大きくなって上記課題（３）を満足しない。
【００１４】
<特許文献２、３記載の技術>
特許文献２、３記載の技術の場合、磁気コイル径が大きくなる問題がある。これは、カソードの蒸発面より前方にコイルがある場合に、カソードの中心付近と周辺の磁場配位を等しくするには、コイル径に対してコイル長を長くするか、又はカソード外径よりコイル内径を十分大きくする必要があるからである。その結果、コイルを含むアーク式蒸発源全体が長大となる。
又、磁気コイルを設けると、カソード蒸発面近傍に形成される磁力線がカソード中心軸に対してほぼ平行になり、イオン化したカソード構成物質の指向性が高くなるため、蒸発源正面側の膜厚が厚くなる。そのため、膜厚分布を均一にするためには、基材に対向して複数の蒸発源の設置が必要となる。従って、いずれにしても同技術の場合、上記課題（３）を満足しない。
さらに、特許文献２、３記載の技術の場合、カソード近傍に、ほぼ一様な強度の磁場が形成されるため、アーク放電によって蒸発しイオン化されたカソード構成物質の一部は、何ら妨げられることなくカソード後方にも到達することが可能である。しかも、イオン化されたカソード構成物質がカソード蒸発面に近い部分に存在するため、これらが比較的短時間で堆積し、その後剥離し、皮膜への混入、成膜装置駆動部や真空シール部への侵入が生じ、装置の停止や真空度低下を招くため、課題（５）を満足しない。
【００１５】
さらに、特許文献２、３記載の技術の場合、以下の問題が生じることがある。まず、磁気コイルを用いると、カソード蒸発面近傍に強度が一様な磁場が形成され、イオン化されたカソード構成物質がこの磁場に束縛される。このイオンは高密度プラズマとなってカソード周辺の装置内壁等に堆積する。又、同技術の場合、カソード蒸発面が磁気コイル内側に位置するため、磁気コイル内壁への堆積が顕著となる。この堆積物が剥離して成膜中の被膜に混入すると被膜品質を劣化させるので、装置メンテナンスが頻繁に必要となる。このように、同技術の場合、上記課題（４）を満足しない。
なお、磁気コイル内径を、カソード外径より十分大きくしなかった場合（コイル内側とカソード外側の間隔が狭い場合）、次の問題もある。つまり、コイルによる磁場は、コイルの内部中心よりコイル外側の方が強いため、リング状のコイルの内壁の部分に強磁場が形成される。電子やイオン，特に質量が軽い電子は磁場の影響を受けやすく，磁力線に巻き付くように円運動を行いながら磁力線に沿って移動する．円運動の半径（ラーモア半径）は磁場強度に反比例する特性を有することが知られている．したがって，弱い磁場が形成されるコイル内部のカソード蒸発面から飛び出した電子やイオンは、強い磁場が形成されるコイル内壁周辺への到達を妨げられ、アーク放電の安定性が低下するばかりでなく、イオンの指向性が強くなり、蒸発源正面側の膜厚が厚くなる。従って、上記したように複数の蒸発源の設置が必要となり、特許文献２、３記載の技術の場合、課題（３）を満足しなくなる。
又、特許文献３に記載の技術では先細リング６４’を用いるが、カソード蒸発面方向にアークスポットが押し戻される際に、先細リング表面に一時的にアークスポットが生じ、リング先端部がアーク放電によって消耗する。従って、放電時間の増加とともに先細リングの形状が初期の円錐面から変化し、リングによる効果が低下するため、定期的に先細リングを交換する必要が生じる。さらに、先細リングの効果を発揮するためには、リングの斜面と磁力線とのなす角が鋭角である必要があるが、先細リングの先端角が小さくなると、アーク放電による消耗速度が速くなり、先細リングの効果が低下する。このため、同技術の場合、課題（１）、（２）を満足しない。
このような理由から、同技術において、磁力線が外周方向へ大きく広がる磁場配位を取ることは現実には困難であり、カソード構成物質のイオンは磁力線の接線方向に強い指向性を持つようになる。その結果、膜厚分布を均一にするためには、基材に対向して複数の蒸発源の設置が必要となる。
【００１６】
ところで、通常、形成被膜がカソード物質と同一の場合、不活性ガスを導入すると被膜にガス成分が取り込まれ、被膜強度が低下するので、不活性ガスを用いずに高真空下で成膜することが好ましい。しかし、特許文献２、３に記載の技術の場合、装置（真空容器内）にガスを導入しないと、アーク放電が不安定になり、アーク放電の停止頻度が高くなるため、課題（６）を満足しない。この理由について、磁気コイルの中心軸に対して円筒座標系を取り、磁場、アーク放電電流、及びアーク放電電流に働く力の向きの関係から考える。
【００１７】
まず、磁気コイルの長さ(軸)方向の中点（中央部）では、カソード表面の磁場強度が位置によらずほぼ均一であり、又、磁力線の方向は磁気コイルの軸（カソード軸とほぼ一致）にほぼ平行である。真空容器内にガスを導入しない場合、アーク放電によってカソードから放出された熱電子は電場の影響を受けるので、カソードに近いアノード（真空容器壁またはコイル収納容器）、つまり、カソード軸の周りの動径方向にアーク放電電流が流れようとする。しかし、磁気コイルによってカソード中心軸とほぼ平行方向の磁場が形成されているため、電子は電流と磁力線の両方に垂直な方位角方向に力（いわゆる、Ｊ×Ｂ力）を受けて回転運動するため、アーク放電電流が動径方向に流れるのを妨げられる。
【００１８】
そして、カソードを流れる電流は、カソード周辺に上記の方位角方向の成分を持つ磁場Ｂθを形成する。上記と同様、カソード中心軸に対して動径方向に流れようとするアーク放電電流は、磁場Ｂθの影響によって、電流と磁場Ｂθの磁力線との両方に垂直であるカソードの中心軸方向に押し出す力（Ｊ×Ｂθ）も受ける。これら両方の作用により、アーク放電電流は動径方向に流れるのを妨げられる。従って、アーク放電電流は、Ｊ×Ｂ力とＪ×Ｂθ力の影響をほとんど受けない方向、つまり、主にコイルにより形成される磁場Ｂと放電電流により形成されるＢθの両方が合わさった磁力線に沿った方向に流れる。磁気コイルによって形成される磁力線のうち、カソード蒸発面を貫く磁力線は、磁気コイルの外側でアノードとして働く真空容器壁に到達する。この結果、カソード−アノード間の電流経路が長くなるため、アーク放電に維持が困難となり、アーク放電が停止する頻度が高くなる。
そこで、Ｊ×Ｂ力の影響を低減させるため、磁気コイルによってカソード蒸発面近傍に形成される磁場強度を弱めると、カソード蒸発面前方におけるプラズマの保持能力が低下し、カソード蒸発面のアークスポットの運動制御も困難となる。そのため、アーク放電が停止したり、カソード蒸発面以外の場所でのアーク放電の発生頻度が高くなる。又、この場合には、カソード近傍の構成部品が溶融するため、アーク放電を停止せざるを得なくなったり、溶融物が被膜に混入する不具合が生じる。
【００１９】
<特許文献４記載の技術>
一方、特許文献４記載の技術の場合、磁場形成機構がカソード中心軸に対して外側に広がる磁力線を形成し、アーク放電電流がこの磁力線に沿って流れるため、ガスの導入の有無にかかわらず、アーク放電を安定して維持できるので、課題（６）を満足する。
しかしながら、同技術の場合、磁場形成機構を挿入するための貫通孔をカソードに設ける加工が必要であるとともに、貫通孔の分だけカソード構成物質の体積が減少するため、成膜の効率が低下し、成膜コストが高くなる問題がある。
【００２０】
<特許文献５記載の技術>
特許文献５記載の技術の場合、カソード蒸発面より前方外側になるほど磁場が強いため、カソード蒸発面を貫く磁力線が到達するアノード電極や、アノード電極として働く装置壁近傍は、カソード蒸発面より磁場が強い。そのため、ミラー効果により、電子のアノード電極への移動が妨げられ、放電が不安定になったり、その結果として、ドロップレット（粗大粒子）発生量が増加する。
又、この技術の場合、カソード蒸発面前方に位置する磁石（電磁石）へのカソード物質の堆積が顕著となるので、前述と同じ理由により課題（４）を満足しない。
【００２１】
<特許文献６記載の技術>
特許文献６記載の技術の場合、リング状磁石の内周面の磁極が同一極性であるため、カソード蒸発面周辺に円形カスプ磁場が形成される。円形カスプ磁場は、その磁極の周囲では磁場は強いが、対向する磁極の中間領域や磁場の中心では磁場が弱い。アークスポットは、磁場強度が強いほど、特にカソード表面に平行な磁場強度が強いほど高速に運動することが知られている。したがって、磁場強度が弱いカソード中央部ではアークスポットの動きが遅いため、この部分のカソード蒸発面が局部的に温度上昇しドロップレット発生量が増加する。
さらに、この技術の場合、カソード中央領域から離れるほど強い磁場が形成されるため、アークスポットの動きもカソード中央部から離れるにしたがって早くなる。このため、カソード周辺領域におけるアークスポットが位置するカソード蒸発面の温度は、より内周のカソード蒸発面と比較して低温となり、カソード物質の蒸発量が少なくなる。その結果、カソード消耗速度がカソード中央部と周辺部で変化するので、この技術の場合、上記課題（１）を満足しない。
【００２２】
しかも、この技術の場合、円形カスプ磁場が形成されるため、磁力線は一旦中央領域に集まった後、外側に垂直に広がるように形成され、これに沿ってアーク放電電流が流れる。そのため、放電電流が流れる長さが長くなり、ガスを導入しないとアーク放電が不安定になり、アーク放電が停止する頻度が高くなるため、同技術の場合、課題（６）を満足しない。
【００２３】
以上のことから、本発明は、真空容器内へのガス導入の有無に係わらず、アーク放電を安定して維持し、安定して成膜できるとともに、対象物以外へのカソード物質の堆積を低減し、カソードを一様に消耗させて取扱い、メンテナンスが容易なアーク式蒸発源及び成膜体の製造方法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】
【００２４】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と、前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードを該磁場形成機構の軸方向に進退させるカソード送出機構とを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長く、前記カソードの蒸発面が前記磁場形成機構の前端より突出し、かつ前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔＬと前記磁場形成機構の内径Ｄとの関係が０．１×Ｄ≦ΔＬ≦２．０×Ｄとなっていることを特徴とする。
【００２５】
このようにして、磁場形成機構をカソードの蒸発面より後方に配置すると、蒸発面２３の前方（真空チャンバに近い側）では、カソード軸に沿い、かつカソード中心軸から外側に広がる磁力線が形成されるため、磁力線に沿うカソード−アノード間の実効距離が短くなる。そのため、真空容器内にガスを導入しなくても、アーク放電が維持される。又、磁力線がカソード中心軸から外側に広がるので、イオンの指向性が低くなって広範囲に放出される。
又、磁場形成機構をカソードの蒸発面より後方に配置すると、蒸発面近傍に強い磁場を形成し、蒸発面のどの位置でもアーク放電が安定して維持される。
これらの作用は、ΔＬとＤの関係を所定の範囲に規定することにより、顕著になる。
そして、磁場形成機構をカソードの蒸発面より後方に配置すると、蒸発面２３の前方（真空チャンバに近い側）に構造物（例えば、磁場形成機構）が存在しないアーク式蒸発源の構成をとることが可能となり、蒸発面２３の前方の構造物へのカソード物質の堆積や剥離・飛散が抑制される。さらに、異なる極性の磁極を軸方向の両端に配置した磁場形成機構を用いることにより、カソード側面における磁場はカソード側面にほぼ平行となり、又、蒸発面から後方に向かうほど磁場が強くなるので、カソード蒸発面から後方へのアーク放電電流も抑制される。このため、アークスポットがカソード側面に偶発的に移行することが抑制される。
なお、本発明は、磁場中において、プラズマ中を流れる電流は、磁力線を横切る方向に比べ、磁力線に沿った方向に流れやすいという性質を利用する。
【００２６】
又、本発明は、アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と、前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードを該磁場形成機構の軸方向に進退させるカソード送出機構と、前記カソードの蒸発面を前記磁場形成機構の前端より突出させると共に、前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔＬと前記磁場形成機構の内径Ｄとの関係が０．１×Ｄ≦ΔＬ≦２．０×Ｄとなるよう、前記カソード送出機構を制御するための制御情報を出力または表示するカソード位置制御機構とを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長いことを特徴とする。
【００２７】
又、本発明は、アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と、前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードを該磁場形成機構の軸方向に進退させるカソード送出機構と、前記カソードの蒸発面を前記磁場形成機構の前端より突出させると共に、前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔＬと前記磁場形成機構の内径Ｄとの関係が０．１×Ｄ≦ΔＬ≦２．０×Ｄとなるよう、前記カソード送出機構を制御するカソード位置制御機構とを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長いことを特徴とする。
【００２８】
前記磁場形成機構が筒型の永久磁石を含むことが好ましい。前記磁場形成機構が筒型鉄心とコイルとを有する電磁石を含むことが好ましい。
【００２９】
本発明の製造方法は、アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源を用いて基材表面に成膜する成膜体の製造方法であって、前記アーク式蒸発源は、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードとを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長く、前記カソードの蒸発面を前記磁場形成機構の前端より突出させると共に、前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔＬと前記磁場形成機構の内径Ｄとの関係が０．１×Ｄ≦ΔＬ≦２．０×Ｄとなるようにして成膜することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、真空容器内にガスを導入しなくても、アーク放電が維持され、アーク放電の停止頻度の低減、被膜表面の平滑度の向上が可能となる。又、本発明によれば、カソード構成物質からなるイオンの指向性が低くなって広範囲に放出されるので、膜厚分布が均一になる。
又、本発明によれば、アークスポットがカソード側面に偶発的に移行することが抑制され、カソードの周囲の装置への不要な蒸着を防止できる。
そして、本発明によれば、カソード蒸発面より前方に構造物が存在しないアーク式蒸発源を構成することができるので、蒸発面の前方の構造物へカソード物質が堆積したり、その堆積物が剥離・飛散して皮膜中に取りこまれて皮膜強度や皮膜の平滑性が低下することを抑制できる。
さらに、本発明によれば、カソードが一様に消耗するので、カソードの使用効率が高く、カソード交換頻度や成膜コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
<第１の実施形態>
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明のアーク式蒸発源の第１の実施形態の一例を示す断面図である。
アーク式蒸発源２０は、真空チャンバ４（図では、一部の容器壁のみ記載）の開口フランジ４ａに設置され、全体としてアーク式蒸着装置を構成している。アーク式蒸発源２０は、磁場形成機構（円筒型磁石）１１６、カソード保持フランジ２９、カソード送出機構（ステッピングモータ）３８、カソード位置制御機構９２を含んで構成されている。カソード位置制御機構９２は、トリガー先端位置測定器８６、トリガー先端初期設定器８８、及び比較器９０を含む。
カソード位置制御機構９２は、例えば半導体回路から構成されてもよく，または、成膜条件等からカソード消耗量を推定するコンピュータソフトウェアと半導体回路とから構成されてもよい。後者の場合、予め、成膜条件（アーク放電電流や放電時間、雰囲気ガス圧）に応じたカソード消耗量を経験的データとして蓄積しておき、これらの条件を入力すると、カソード消耗量を推定するソフトウェアを構築すればよい。
円筒型磁石は、例えば軸方向に磁化されており，例えば円筒型磁石の軸方向の前端（真空チャンバ４に向く側）にＳ極、後端にＮ極を配置して成る。
【００３２】
アーク式蒸発源２０の真空チャンバ４への固定は、円筒型磁石１１６、及び円筒型磁石１１６内に挿入される円柱状のカソード２２を、真空チャンバ４の開口フランジ４ａ内に嵌め込むことにより行われる。
円筒型磁石１１６から真空チャンバ４内に突出するカソード２２の先端には、真空チャンバ４の内壁を覆うシールド板１０が被せられ、シールド板１０の開口からカソード２２先端の蒸発面２３が表出している。シールド板１０は導電性材料からなり、抵抗器６０を介してアース２と接続されている。加工性やコスト、耐熱性の点から、シールド板１０としては鉄系材料が適する。
【００３３】
開口フランジ４ａの基部側内面とカソード２２の外面との間には、一端にフランジが付いたリング状絶縁体２５がフランジ側を真空チャンバ側に向けて介装され、カソード２２は絶縁体２５に対して摺動するようになっている。絶縁体２５は、カソード２２やシールド板１０から脱落した導電性ダストによって、カソード２２と真空チャンバ（容器壁）４との間、またはシールド板１０と真空チャンバ（容器壁）４との間が電気的に短絡することを防止する。
また、開口フランジ４ａの端縁内面と円筒型磁石１１６の外面との間には、略リング状の絶縁体４６が介装されている。絶縁体４６は、真空チャンバ４（開口フランジ４ａ）と、アーク式蒸発源２０（カソード２２及び円筒型磁石１１６）との間の真空シールも行う。
【００３４】
カソード２２の後端にはカソード保持フランジ２９が同軸に取り付けられ、両者は電気的に接続されている。カソード保持フランジ２９とアース２との間にはアーク放電電流源１４が接続され、カソード２２と、真空チャンバ４内のアノード（アースになっている）やシールド板１０（抵抗器を介してアースになっている）との間でアーク放電が生じることにより、イオン化したカソード物質が蒸発面２３からアノード方向へ飛び出し、真空チャンバ４内の基板表面に被膜が形成される。なお、図１の符号２４は、蒸発したイオンの流れを示し、符号４４は磁力線を示す。
【００３５】
カソード保持フランジ２９は、円柱状のフランジ部２９ａと棒状の軸部２９ｂとを備え、該フランジ部２９ａを先頭（図１の真空チャンバ側）にして、フランジ２９が円筒型磁石１１６に同軸に内挿されている。フランジ部２９ａ側壁の径方向には凹部が形成され、凹部にはめ込まれたＯリングシール７０が円筒型磁石１１６の内壁に当接することにより、フランジ２９と円筒型磁石１１６の間が真空シールされる。
フランジ部２９ａ先端面の中心にはカソード取り付けネジ１８が突出し、カソード２２の後面の中心孔にネジ１８を締めることにより、カソード２２がフランジ２９に取り付けられる。一方、フランジ２９の軸部２９ｂは、送り出し軸３６を介してカソード送出機構３８に取り付けられ、カソード送出機構３８の進退に応じて、フランジ２９及びカソード２２が円筒型磁石１１６内を軸方向に進退する。
【００３６】
カソード保持フランジ２９の内部には冷媒３０の循環流路が形成され、フランジ２９及びカソード２２を冷却する。また、円筒型磁石１１６の外周には冷媒１２２が循環する磁石冷却機構（ジャケット）１２０が設けられ、円筒型磁石１１６を冷却して温度上昇を抑制し、磁場強度の低下を防止する。このようにすると、成膜速度が一定に維持され、さらに被膜の膜厚再現性が向上する。
【００３７】
カソードは、例えば、円柱状で中実な通常の形状のものを使用できる。カソードとして、強磁性体でない導電性材料を用いると、カソードの突出量やカソード長さが変化しても、磁場形成機構による磁場配位に影響を与えないため好ましい。上記材料としては、金属、合金、炭素等の半金属材料、ＩｎＡｓ等の半導体材料を挙げることができる。特に、カソードとして、強磁性体でない金属及び金属炭化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属硫化物の１種以上により構成される材料を用いることが好ましく、このような金属としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔａの群から選ばれる１種以上があげられる。
【００３８】
なお、本発明の各実施形態においては、磁場形成機構を「円筒状」としているが、これに限られることはなく、筒状であれば、例えば多角形の断面を有する筒状のものであってもよい。一方、カソードの形状も限定されず、上記した円柱状の他、多角形柱状であってもよい。又、磁場形成機構の筒の断面形状と、カソードの断面形状は相似であっても異なってもよいが、通常、形成される磁場の対称性等の点から、両者の断面形状は相似（例えば、磁場形成機構を円筒にする場合は、カソードも円柱状とする）であることが好ましい。
さらに、磁場形成機構の軸心と、カソードの軸心とは同軸であっても異なっていてもよいが、形成される磁場の対称性等の点から、両者の軸心が同軸であることが好ましい。
【００３９】
<カソード位置の制御>
長期使用に伴ってカソードは消耗し、蒸発面２３が真空チャンバの外側方向へ後退する。そこで、カソード送出機構３８を用いてカソード２２を前方に送出することにより、カソード２２の蒸発を安定させ、成膜速度や品質を一定に保つ必要がある。カソード位置の制御は、例えば以下のトリガーを用いて行う。
【００４０】
トリガー１６は先端がコの字（鉤）に曲がった棒状を成し、真空チャンバ（容器壁）４の小孔に挿入されている。トリガー１６の先端はカソード２２の蒸発面２３に対向し、トリガー１６の他端は、真空チャンバ４の外部にあるトリガー駆動機構（ステッピングモータ又は空気圧シリンダ）８４に接続されている。そして、トリガー駆動機構８４の進退に応じ、トリガー１６はカソード２２の軸方向に移動する。トリガー１６の先端が蒸発面２３に当接するとトリガー駆動機構８４は停止し、その時の停止位置をトリガー先端位置測定器８６が取得する。停止したトリガー１６の先端位置は消耗したカソード蒸発面２３の位置Ｌ１に一致している。トリガー１６の先端は、カソード蒸発面２３と一定時間接した後、蒸発面２３から離脱する。
比較器９０は、上記の位置情報と、トリガー先端初期設定器８８に予め設定された初期値（成膜開始時のカソード蒸発面２３の位置となるトリガー１６の先端位置）とを比較し、消耗後のカソード蒸発面２３の位置Ｌ１を算定して出力する。カソード送出機構３８は上記出力結果を取得し、出力に応じてカソード２２を前方に送出する。これにより、カソード蒸発面２３の位置は消耗しても、予め設定された初期の位置に戻される。
【００４１】
成膜時間が長い場合や、大きな放電電流で成膜を行う等の場合、カソードの消耗量が多くなり、時間と共に後述するカソード蒸発面と円筒型磁石との位置が所定の関係を満たさなくなるようになる。又、成膜中にアークスポットの動きを一定の状態に制御したい場合もある。これらの場合、成膜処理中にカソードを前方に送り出し、カソード蒸発面位置が定められた条件を満足するよう制御する必要がある。カソード蒸発面位置を制御するには、アーク放電失火時の再点火や、カソードの蒸発面２３以外の部分での放電継続（異常放電）から復帰する際のトリガー動作を利用し、カソード蒸発面の位置を測定してカソード消耗前の初期の位置（又は上記位置関係を満たす範囲内の位置）に戻すことが好ましい。さらに、上記のトリガー動作が生じない場合であっても、所定の時間間隔でトリガーを強制的に作動させ、カソード蒸発面の位置を測定してカソード消耗前の初期の位置に戻すことが好ましい。
【００４２】
なお、トリガー駆動機構８４は、アーク放電開始、アーク放電失火時の再点火、及びカソードの蒸発面２３以外の部分での放電継続（異常放電）からの復帰時に動作し、トリガー１６と蒸発面２３との間でアーク放電を開始させる。上記動作を行う時を除き、トリガー１６へのカソード材料の付着を低減するため、トリガー１６がシールド板または真空容器壁４周辺に収納されることが好ましい。
トリガー駆動機構８４は、上記した往復動するものに限定されない。例えば、トリガー先端が円弧を描くように駆動させるトリガー駆動機構であってもよい。この場合、トリガー先端位置測定器８６は、トリガーの円運動の角度から先端位置を測定する。又、トリガーやトリガー駆動機構を利用せず、カソード２２の後方に超音波発信器と受信機を設け、超音波パルスがカソードを往復する時間からカソード長さ（位置）を算出するようにしてもよい。
又、上記した例では、カソード送出機構３８は比較演算器９０の出力情報に連動して動作したが、比較演算器９０の出力値に基づき、手動でカソード送出機構３８を動作させてもよい。  なお、カソードとして、通常よく使用されるＣｒやＴｉ等を用いる場合は、成膜条件（アーク放電電流や放電時間、雰囲気ガス圧）に応じたカソード消耗量が経験的データとして蓄積されている。そのため、これらの条件がわかれば、カソード消耗量を推定することができる。従って、このような場合は、トリガー等を使用してカソード蒸発面の位置Ｌ１を測定する必要はなく、成膜条件に応じてカソード消耗量（Ｌ１）を推定し、推定されたＬ１に基づき、自動又は手動でカソード送出機構３８を動作させてもよい。
【００４３】
<カソードと円筒型磁石の相対位置の制御>
本発明においては、消耗に応じたカソードの前進だけでなく、後述する磁場を適切に形成させるため、円筒型磁石１１６とカソードの蒸発面２３との相対位置を以下のように制御する。
図１において、カソードの蒸発面２３の位置Ｌ１と、円筒型磁石１１６の前端（真空チャンバに近い側の端）の位置Ｌ２との軸方向の距離をΔＬとする。但し、Ｌ１をＬ２より前方（真空チャンバに近い側）に位置させることが必須である。又、円筒型磁石１１６の内径をＤとする。
【００４４】
この時、式１
０．１×Ｄ≦ΔＬ≦２．０×Ｄ                              （１）
の関係を満たすよう、カソード位置を制御する。この制御は、カソード位置制御機構９２が上記と同様に行う。ここで、トリガー先端初期設定器８８には予めＤ、Ｌ２が設定されている。そして、比較演算器９０は、トリガー先端位置測定器８６が取得したＬ１と、トリガー先端初期設定器８８から取得したＤ、Ｌ２とを比較し、これらが式１の関係を満たすか否かを判断する。０．１×Ｄ>ΔＬである場合、比較演算器９０は、カソードを前方に送出するための値を出力する。２．０×Ｄ<ΔＬである場合、比較演算器９０は、カソードを後方に戻すための値を出力する。カソード送出機構３８は出力結果に基づき、カソード位置を制御する。出力結果に基づき、作業員が手動によりカソード送出機構３８を操作してカソード位置を制御してもよい。後者の場合、カソード位置制御機構９２は、カソード位置の制御量を作業員が認識できるよう、比較演算器９０の出力結果（カソード位置の制御情報）を表示する表示部を備える。
【００４５】
なお、Ｌ２、Ｄは、円筒型磁石１１６のうち、有効に磁力を発生させる部分の位置を示し、例えば円筒型磁石１１６がカバー等で覆われている場合、カバーの位置を含まない。
又、円筒型磁石１１６は、全体が磁石で構成されたものに限定されない。例えば強磁性体から成る円筒をカソードに同軸に配置し、この円筒の後方に同軸にリング状（円筒型）磁石を設けてもよい。この場合、円筒型磁石により強磁性体の端部に生じる磁場は、この強磁性体の他端に磁極を形成する。そして、円筒型磁石の端部と、強磁性体の端部とが全体として円筒型磁石とほぼ等価な働きをする。このとき、Ｌ２は強磁性体の前端（真空チャンバに近い側の端であり、円筒型磁石と接する端部と反対側の端部）となる。
さらに、円筒型磁石１１６の外周および／または後方に図示しない磁石を追加することによって磁場強度を調節してもよい。そして、円筒型磁石は脱着が容易になるように２以上に分割できる構造であってもよく、さらに小径の円柱型や角柱型の棒磁石を円筒状に配置してもよい。
【００４６】
<磁場の形成>
次に、本実施形態のアーク式蒸発源によって形成される磁場について、図２を参照して説明する。図２は、式１において、０．５×Ｄ＝ΔＬの場合の磁力線を磁場解析により求めたものであり、符号４４は磁力線を示す。なお、この解析では、円筒型磁石１１６の内径（Ｄ）を６４ｍｍ、外径を７６ｍｍ、円筒型磁石１１６の軸方向長さを３０ｍｍとし、カソード直径を６０ｍｍとする。
図２において、円筒型磁石１１６は軸方向に磁化されており、前端にＳ極を有し、後端にＮ極を有し、磁石１１６の前端の位置Ｌ２はカソードの蒸発面２３の位置Ｌ１より後方に位置する。
【００４７】
<円筒型磁石を蒸発面より後方に配置する作用>
このように、円筒型磁石を蒸発面２３より後方に配置すると、蒸発面２３の前方（真空チャンバに近い側）では、カソード軸に沿い、かつカソード中心軸から外側に広がる磁力線を形成することができる。カソードの蒸発面２３上のアークスポットから放出された電子は、上記磁力線に捕捉され、当該磁力線に沿って輸送される。さらに、アーク放電によって電離したカソード構成物質のイオンも当該磁力線に沿って広い角度方向に発散する。
そして、アーク放電電流は、上記磁力線に沿ってアノード（シールド板や真空容器内壁）に到達することができるため、磁力線に沿うカソード−アノード間の実効距離が短くなる。このようにして、真空容器内にガスを導入しなくても、アーク放電が維持され、アーク放電の停止頻度やドロップレット発生量を低減することが可能となる。その結果、被膜表面が平滑化し、被膜の機械的強度の低下を抑制できる。なお、蒸発面２３から離れると共に磁場の拘束力が弱くなるため、電子やイオンは自由に運動して成膜されるが、磁力線がカソード中心軸から外側に広がることにより、イオンの指向性が低くなって広範囲に放出されるので、膜厚分布が均一になる。
【００４８】
又、円筒型磁石を蒸発面より後方に配置することにより、カソードの蒸発面２３近傍に強い磁場を形成することができ、蒸発面２３のどの位置でもアーク放電が安定して維持される。既に述べたように、アーク放電によって生成されたプラズマは磁場が強いほど捕捉されるため、蒸発面２３近傍には高密度プラズマが形成される。そして、カソード蒸発面とプラズマ間に形成されるシース（Sheath）は、高密度プラズマになるほど薄くなるので、アーク放電が維持されやすくなる。
しかも、円筒型磁石を蒸発面２３より後方に配置することにより、カソードの蒸発面２３より前方に構成物がなく、被成膜基材以外の真空容器内壁その他の部分に付着するカソード物質の重量を低減することができる。さらに、カソードの蒸発面２３より後方に向かうほど強い磁場が形成されているため、アーク放電によって蒸発しイオン化されたカソード構成物質はミラー効果による磁力線に沿って後方に移動することが抑制されるため、カソード蒸発面より前方に飛散し被膜形成に費やされるカソード構成材料の割合が向上する。
【００４９】
<カソードと円筒型磁石の相対位置を制御する作用>
円筒型磁石を蒸発面より後方に配置する作用は、カソードと円筒型磁石の相対位置を式１の範囲に制御することにより、顕著になる。つまり、０．１×Ｄ>ΔＬであると、円筒型磁石が蒸発面より充分に後方に配置されないため、磁力線の一部がカソード蒸発面に戻り、カソード後方に向かう磁場配位が形成される。つまり、カソード蒸発面内で閉じる磁力線が形成されるため、アノードとなる真空容器壁やシールド板に磁力線が到達し難い。そして、磁力線を横切る方向にはアーク放電電流が流れ難いため、アーク放電が不安定となり、放電が停止する頻度が高くなる。一方、２．０×Ｄ<ΔＬであると、磁石と蒸発面の距離が離れ過ぎるため、カソードの蒸発面２３近傍に強い磁場を形成できず、アークスポットの動きが遅くなり，アークスポット近傍のカソード蒸発面の温度が上昇しドロップレット発生量が増加したり、カソードが均一に消耗しなくなる。
好ましくは、０．３×Ｄ≦ΔＬ≦１．５×Ｄとする。０．３×Ｄ≦ΔＬ≦１．５×Ｄとすると、磁力線がより外側に広がり、アークスポットの動きが早くなるため、アーク式蒸発源をさらに小型化できるので好ましい。
【００５０】
<異なる極性の磁極を軸方向の両端に配置した円筒型磁石を用いる作用>
円筒型磁石として、Ｎ極、Ｓ極を軸方向の両端に配置したものを用いると、図２に示すように、カソード側面における磁場はカソード側面に対して平行又は鋭角となり、カソード側面に平行な成分が強くなる。既に述べたように、アーク放電電流は磁力線に沿って流れ、磁力線を横切るのは困難なため、カソード側面ではアーク放電が維持され難い。又、上記円筒型磁石を用いると、蒸発面２３から後方に向かうほど磁場が強くなるので、ミラー効果により電子が前方に押し戻され、カソード蒸発面から後方へのアーク放電電流も抑制される。以上のように、カソード側面ではアーク放電の維持が困難なため、アークスポットがカソード側面に偶発的に移行することが抑制され、カソードの周囲の装置への不要な蒸着が防止される。
【００５１】
又、上記円筒型磁石をカソード蒸発面２３より後方に配置すると、磁石から離れるに従って円筒型磁石の中心（磁石が存在しない部分）の影響が小さくなり、円盤形磁石が形成する磁力線に近づく。そのため、カソード蒸発面には円盤型磁石に類似した均一な磁場が生じ、カソード蒸発面をまんべんなくアークスポットが運動することができる。この効果は、軸方向に長いカソードを使用した場合でも充分に生じるため、カソードは均一に消耗し、軸方向に長いカソードを好適に使用できる。その結果、カソード交換の休止頻度や休止時間を低減して、生産効率を向上することができる。また、上記構成とすると、円筒型磁石の軸方向の中央部近傍では、軸方向にほぼ平行な磁力線が形成されるため，コイルにより形成される磁場配位に類似する磁場を形成することもできる。
【００５２】
<第２の実施形態>
本発明において、磁場形成機構として電磁石を用いてもよい。図３は本発明のアーク式蒸発源の第２の実施形態を示す断面図である。
図３において、円筒型磁石１１６の代わりに、電磁石１１４を用いたこと以外は第１の実施形態と同様であるので、同一部分の構成の説明を省略する。電磁石１１４は、円筒型鉄心１１２とその外周に設けられるコイルを含み、電磁石励磁電源１０８に接続されている。そして、電磁石１１４に印加する電流を変えることによって、磁場強度を調節することができる。この実施形態においては、鉄心１１２の内径をＤとする。鉄心１１２は、ＮｉやＣｏ、フェライト等の強磁性体材料で構成されたものであってもよい。
【００５３】
なお、第１の実施形態の場合、永久磁石を使用するため、電磁石用電流源が不要で蒸発源の構成を簡略化でき、又、比較的小型の磁石で強い磁場を形成できるので装置がコンパクトになる。一方、第２の実施形態の場合、電磁石の電流を制御すれば、アーク放電が安定するような磁場強度の調整が容易である。
【００５４】
次に、第２の実施形態のアーク式蒸発源２０Ｂによって形成される磁場について、図４を参照して説明する。図４は、式１において、０．５×Ｄ＝ΔＬの場合の磁力線を磁場解析により求めたものであり、符号４４Ｂは磁力線を示す。なお、この解析では、鉄心１１２の内径（Ｄ）を６４ｍｍ、外径を７４ｍｍ、長さを４０ｍｍとし、コイル１１４の内径を７４ｍｍ、外径を７９ｍｍ、長さを４０ｍｍとし、カソード直径を６０ｍｍとする。
図４において、図２の場合と同様、カソード蒸発面２３の前方に、カソード中心軸に対して外方向に広がる磁力線が形成されている。
【００５５】
以下に、実施例によって本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００５６】
<実施例１−１>
図１に示すアーク式蒸発源２０を用いて、硬質窒化クロム被膜を成膜した。これを実施例１−１とする。被成膜基材としては鏡面研磨した浸炭材製シム（外径３０ｍｍ、厚さ２ｍｍ、表面粗さＲa０．０２μm以下）を用い、これをカソード蒸発面の正面に５００mm離して固定した。これを試料１とする。さらに、カソードから蒸発した炭素の広がり状況を調べるため、試料１から横方向（カソード蒸発面の平行な方向）に２００ｍｍ離れた位置に、別の浸炭材製シムを固定した（以下試料２とする）。
カソードは、外径６０ｍｍ、軸方向の長さ２００ｍｍのクロム製カソード（純度９９．９％）を使用した。又、磁場形成機構として、内径６４ｍｍ、外径７８ｍｍの円筒型炭素鋼磁石を使用した。磁石前端とカソード蒸発面の相対位置は、Ｄ＝ΔＬとなるように調整した。
【００５７】
まず、成膜に先立ってイオンボンバード処理工程を実施した。イオンボンバード処理工程は、図示しない真空排気ポンプにより、真空容器内を２．７×１０−３Ｐａ（２×１０−５Torr）以下に排気した後、図示しないガス導入孔からＡｒガスを流量１．７×１０−２Ｐａ ｍ３／ｓ（１０sccm（standard cc/min））で導入し、真空容器内を約１．３Ｐａ（１０ｍTorr）に維持して行った。そして、被成膜基材に、図示しないインピーダンス整合器を介して周波数１３．５６ＭＨｚ、電力１００Ｗの高周波電力を１０ｍｉｎ間印加し、高周波プラズマ放電を行った。被成膜基材は、プラズマからの電子付着により負の自己バイアスが働き、正イオンであるＡｒイオンが加速されて当該基材表面をスパッタし、表面が清浄化される。
【００５８】
イオンボンバード処理工程に続いて、成膜工程を実施した。真空容器内へ窒素ガスを導入し、真空容器内を２．６Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）に維持する。そして、カソードにアーク電流１００Ａを流し、アーク放電を行うと同時に、被成膜基材に直流電圧（−１００Ｖ）を印加した。この状態を維持し、３０ｍｉｎ成膜を行ったところ、基材表面に厚さ約１μｍの硬質窒化クロム被膜が形成された。
【００５９】
<実施例１−２>
図３に示すアーク式蒸発源２０Ｂを用いたこと以外は、実施例１−１とまったく同様にして成膜を行った。これを実施例１−２とする。この例においても、磁石前端とカソード蒸発面の相対位置は、Ｄ＝ΔＬとなるように調整し、Ｄは鉄心内径とした。
【００６０】
<比較例１−１>
特許文献３記載のアーク式蒸発源（本願明細書の図５の構成に相当）を用い、特許文献３の実施例に記載の条件で成膜を行った。これを比較例１−１とする。但し、直径５０ｍｍ、長さ１２０ｍｍのクロム製の陰極３２（純度９９．９％）と、内径５０ｍｍ、外径９０ｍｍ、斜面７６の角度が４５度のクロム製の先細リング７４（純度９９．９％）を適用した。成膜条件は実施例１−１と同じ条件とした。ただし、窒素ガスはガス吹き付け機構を使用し導入した。その結果、基材表面に厚さ約１μｍの硬質クロム被膜が形成された。
【００６１】
<評価>
各実施例、比較例について、以下の評価を行った。
１．電力量
成膜工程を３０回実施し、アーク放電の電力量の総量を、成膜回数で除した値（平均値）を評価した。
２．付着物重量
カソード蒸発面前方に位置する構造物（図１のシールド板、磁石（または電磁石）内壁、真空容器の内壁、内壁に取り付けられた付属物）に付着した蒸着物の合計重量を測定し、成膜回数で除した値を評価した。
３．被膜の平滑性（表面粗さＲａ）
成膜行程を３０回実施したサンプルのうち、最後の３回のサンプルの表面粗さＲａを触針式表面粗さ計を用いて測定した。一サンプル当り５カ所の表面粗さを測定し、その平均値を評価した。
４．膜厚均一性
（試料２の膜厚）／（試料１の膜厚）で表される値を評価した。この値が１に近いほど、機材の位置によらず膜厚が均一であることを示す。
【００６２】
得られた結果を表１に示す。
【００６３】
【表１】
0004827235.tif 000002
【００６４】
表１から明らかなように、実施例１−１および実施例１−２の場合、アーク式蒸発源の動作に費やされる電力量が低くなった。
又、各実施例の場合、カソードの蒸発面が磁石より前方に位置するため、磁石内壁にクロムや窒化クロムが付着することがなく、シールド板表面への付着物の重量が少なかった。そして、各実施例の場合、この被覆が剥離しなかったため、カソード材料を被膜形成に有効に使用できるとともに、付着物の剥離したものが被膜に混入して被膜品質（表面の平滑性）を低下させることがなかった。
さらに、各実施例の場合、膜厚均一性が高く、カソード正面から離れた位置でも成膜厚みがあまり減少しなかった。このことより、各実施例の場合、カソード物質が蒸発面から広い角度に放出されていることがわかる。
【００６５】
一方、比較例１−１の場合、磁場を形成するために電磁石（コイル）を用いたため、アーク式蒸発源の動作に費やされる電力が大きくなった。さらに、比較例１−１の場合、カソード蒸発面より前方に位置する構造物（磁気コイル内壁、真空容器内壁）がクロムや窒化クロムにより被覆され、付着物重量が増大した。
【実施例２】
【００６６】
以下の条件を変更したこと以外は、実施例１とまったく同様にして成膜を行った。但し、カソードとして純度９９．９％以上の炭素を用い、被成膜基材として単結晶ケイ素板（一辺の長さ１５ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を用いた。又、成膜開始前の磁石前端とカソード蒸発面の相対位置は、０．１×Ｄ≦ΔＬ≦２．０×Ｄの間で表２に示すように調整した。成膜中はカソード位置を変えなかった。さらに、成膜行程で、真空容器にはガスを導入せず高真空環境（２．６×１０−３Ｐａ以下）で成膜を行った。
以上のようにして、基材表面に、厚さ約１μｍの硬質炭素被膜を成膜した。成膜にかかる時間は３０ｍｉｎであった。被膜厚さが約１μｍとなった時点で１回の成膜を終了した。
なお、表２に示すように、ΔＬをＤの０．７倍（０．７×Ｄ＝ΔＬ）としたものを実施例２−１とし、以下、ΔＬをＤの０．１倍、０．３倍、１．０倍、１．５倍、２．０倍、０．０５倍、３．０倍とした場合を、それぞれ、実施例２−２、実施例２−３、実施例２−４、実施例２−５、実施例２−６、比較例２−１、比較例２−２とした。
【００６７】
<評価>
５．異常放電発生回数
成膜中のカソード蒸発面におけるアークスポットの動きを評価するため、図１のシールド板１０に設置されている抵抗器の両端の電圧を測定した。その結果、カソード蒸発面で正常にアーク放電が継続する場合、上記電圧は０．１Ｖ〜−１０Ｖの範囲内にあるが、カソード周辺部とシールド板間で異常なアーク放電が発生した場合、上記電圧が−４０Ｖ未満となった。
そこで、１回の成膜中、上記電圧が−４０Ｖ未満となる時間が１ｓｅｃ以上継続した場合を異常放電とみなし、１回の成膜工程で異常放電が発生した回数を評価した。異常放電発生を確認した場合、アーク放電を一旦停止し、トリガーを動作させて正常にアーク放電が継続する状態に復帰させ、成膜を続けた。
３０ｍｉｎ間の放電中、異常放電発生回数が１０回未満であれば、良好といえる。
【００６８】
６．被膜中の不純物量
シールド板の構成材料（Fe）が、硬質炭素被膜中に不純物として混入する量を評価した。得られた被膜をＥＤＸ（蛍光Ｘ線分析装置）で分析し、Fe／Siの信号強度比を求めた。この比が小さいほど、不純物混入が少ない。なお、カソード中のFe含有量は、ＥＤＸの検出限界以下であった。
ここで、ＥＤＸ分析では軽元素である炭素の定量分析精度が低いため、炭素とFeの組成比を直接求めず、Siとの比とした。又、被膜中の不純物量をより正確に求める場合には、破壊分析法であるＳＩＭＳ（二次イオン質量分析装置）を利用するとよいが、ＥＤＸは非破壊分析法であり簡便である。
７．被膜の平滑性（表面粗さRa）
各サンプルの表面粗さＲａを触針式表面粗さ計を用いて測定した。一サンプル当り５カ所の表面粗さを測定し、その平均値を評価した。
【００６９】
得られた結果を表２に示す。
【００７０】
【表２】
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【００７１】
表２から明らかなように、各実施例の場合、異常放電発生回数が少なく、被膜中の不純物量も少ないとともに、被膜の平滑性にも優れたものとなった。特に、実施例２−１、実施例２−３、実施例２−４および実施例２−５の場合、異常放電発生回数がさらに少なく、被膜の平滑性もさらに良好であった。さらに、成膜後のカソード蒸発面は中心部と周辺部がほぼ均一に消耗し、シールド板も溶融しなかった。
【００７２】
一方、０．１×Ｄ>ΔＬである比較例２−１の場合、及び２．０×Ｄ<ΔＬである比較例２−２の場合、異常放電発生回数が１０回を超え、被膜中の不純物量も多いとともに、被膜表面のドロップレット数が多く、被膜の平滑性も劣化した。さらに、各比較例の場合、カソード蒸発面の中心付近より周辺部の消耗量が多く、カソードに隣接するシールド板の一部が溶融した。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１の実施形態のアーク式蒸発源を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態のアーク式蒸発源によって形成される磁場を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態のアーク式蒸発源を示す断面図である。
【図４】第２の実施形態のアーク式蒸発源によって形成される磁場を示す図である。
【図５】従来のアーク式蒸発源の構成例を示す断面図である。
【図６】従来のアーク式蒸発源の他の構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
２      アース
４      真空チャンバ（真空容器壁）
１０    シールド板
１４    アーク放電電流源
１６    トリガー
１８    カソード取り付けネジ
２０    アーク式蒸発源
２２    カソード
２３    蒸発面
２４    被膜形成物質
２５    絶縁体
２９    カソード保持フランジ
３０    冷媒
３６    送り出し軸
３８    カソード送出機構
４４    磁力線
４６    絶縁体
６０    抵抗器
６２    アークスポット
７０    Ｏリングシール
８４    トリガー駆動機構
８６    トリガー先端位置測定器
８８    トリガー先端位置初期設定器
９０    比較演算器
１０８  電磁石励磁電源
１１２  円筒型鉄心
１１４  電磁石
１１６  円筒型磁石
１２０  磁石冷却機構
１２２  冷媒
【図１】
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【図２】
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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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