(57)【要約】【課題】  陰極スポットの位置を陰極物質の蒸発面の前面に保つことができ、真空アーク放電の安定性を高める真空アーク蒸着法を提供する。【解決手段】  陰極の背面部の後方であって大気中に配置され、その内径が前記陰極の外径より大きい環状磁石により、陰極物質の外縁部において、磁力線を前記陰極物質の蒸発面に対して陰極の中心軸側に鋭角になるように交差させ、陰極外周端における磁力線と蒸発面の交差角度をθ（度）、磁束密度をB（Gauss）、アーク放電電流をＩ(A）とすると、Ａ＝ＩＢ２sin２θで示されるＡの値を７００００以上とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク放電によって陰極を溶解させて陰極物質を蒸発させる真空アーク蒸着法であって、前記陰極の背面部の後方であって大気中に配置され、その内径が前記陰極の外径より大きい環状磁石により、前記陰極物質の外縁部における磁力線を前記陰極の蒸発面に対して前記陰極の中心軸側に鋭角になるように交差させ、前記陰極の外周端における前記磁力線と蒸発面の交差角度をθ（度）、磁束密度をB（Gauss）とし、アーク放電電流をＩ(A）とすると、Ａ＝ＩＢ２sin２θで示されるＡの値を７００００以上とすることを特徴とする真空アーク蒸着法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機械部品、工具、金型などへの耐摩耗性向上皮膜形成に専ら用いられる真空アーク蒸着法に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空アーク蒸着法は、陽極と陰極の間にアーク放電を生じさせ、陰極材料を蒸発させて基材に蒸着するという薄膜形成方法であり、機械部品や工具などへの耐摩耗性皮膜の被覆法としてよく利用されている。
【０００３】
しかし、陰極材料の陰極スポットから、直径が数μｍ〜数百μｍにもなる大きな塊りの粗大粒子（これはドロップレットとも呼ばれる。）が飛散し、この粗大粒子が基材に付着して被膜特性が劣化することが知られている。
【０００４】
また、陰極スポットが陰極物質中央部や外縁部に停滞したりして陰極物質の均一な消耗を妨げ、陰極物質の利用効率が悪くなったり、陰極物質蒸発面以外の側面に移行して、アーク放電が失弧したりする問題もある。
【０００５】
以上の問題点に対処するための真空アーク蒸着法に用いられる蒸発源が特開平１１−１４２０７３号で開示されている。
この蒸発源では、陰極の蒸発物質の外周部にリング状の磁性体及び磁場発生源を配置しており、陰極物質の外周部において、蒸発面に対して内側に鋭角となるように交差した磁力線を持つ磁場を形成している。
【０００６】
また、陰極の蒸発物質の後方中央部に、磁場発生源と逆向きの極性を持つ磁力線変更手段を配置することで、蒸発物質の蒸発面中央部付近において、蒸発面に対して外側に鋭角となるように交差した磁力線を持つ磁場を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１４２０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
真空アーク放電の陰極スポットは、陰極物質の蒸発面において磁力線が鋭角に傾いている方向に移動しやすいことが知られている。この現象はアーク放電の電流と磁場によるローレンツ力に起因すると考えられ、陰極スポットの移動の程度はアーク電流及び磁場の磁束密度の両方に影響すると考えられる。
【０００９】
真空アーク蒸着法による皮膜の成膜において、成膜速度等を調整するため、アーク電流を変化させた場合、陰極スポットの移動の程度も変化するため、陰極スポットを陰極物質の適正な位置に維持するために必要な磁束密度はアーク電流の大小によって異なると考えられる。
しかし、これらの点については、前記引用文献において述べられていない。
【００１０】
そこで本発明は、陰極スポットを陰極物質の蒸発面に維持できる安定アーク放電領域を求めるために、アーク電流を変化させて、アーク放電電流と磁束密度から導き出せる値を定量的に定め、アーク蒸発源の使用において陰極スポットの陰極側面等への移動を防ぎ、陰極蒸発面で安定したアーク放電が持続できる真空アーク蒸着法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】
本発明は前記課題を解決するため、アーク放電によって陰極を溶解させて陰極物質を蒸発させる真空アーク蒸着法であって、前記陰極の背面部の後方であって大気中に配置され、その内径が前記陰極の外径より大きい環状磁石により、前記陰極物質の外縁部における磁力線を前記陰極物質の蒸発面に対して前記陰極の中心軸側に鋭角になるように交差させ、前記陰極の外周端における前記磁力線と蒸発面の交差角度をθ（度）、磁束密度をB（Gauss）とし、アーク放電電流をＩ(A）とすると、Ａ＝ＩＢ２sin２θで示されるＡの値の絶対値を７００００以上とすることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、アーク蒸発源を用いる際、陰極スポットの位置を陰極物質の蒸発面の前面に保つことができ、真空アーク放電の安定性を高める真空アーク蒸着法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の方法を実現する真空アーク蒸着装置の１例を概略的に示す図である。
【図２】第1図の真空アーク蒸着装置のアーク蒸発源における磁場の状態の概略を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施に係る陰極及び磁力線の配置を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は本発明を実施するためのアーク蒸着装置の一例である。  
【００１５】
図１に示す真空蒸着装置１０１は、膜形成を行うための真空容器１、容器１の外側壁１１に設けられたアーク蒸発源２、容器１内の、蒸発源２に臨む位置に配置された膜形成対象物品Ｗのホルダ３及び真空容器１内を所望の膜形成のための減圧雰囲気に設定する排気装置ＥＸ等を含んでいる。
【００１６】
ホルダ３は支持部４に回転可能に支持され、回転駆動部５により回転させることができる。ホルダ３に支持される膜形成対象物品Ｗには、後述するイオン化された陰極材料をひきつけて円滑な膜形成を行えるように、ホルダ３を介してバイアス電源６からバイアス電圧を印加できる。物品ホルダ３には膜形成にあたり物品を加熱するヒータを設けてあってもよい。
【００１７】
排気装置ＥＸは、容器１内を排気減圧できるものであればよく、例えば、ターボ分子ポンプ、ディフュージョンポンプ、クライオンポンプ等の排気ポンプを含む装置を使用できる。
【００１８】
真空容器１には、必要に応じて予め定めたガスを導入するためのガス導入部７が設けられている。このガス導入部７は、例えば蒸発源陰極材料がクロムで窒化クロム膜を形成するときに容器１内へ窒素ガスを導入する部分として、また、例えば被成膜物品Ｗを膜形成に先立ってグロー放電等による清浄化前処理等の前処理を施すためのガスの導入部として利用できる。
【００１９】
アーク蒸発源２は、陰極２０、トリガー電極２５、アーク放電用電源２４等を備えている。陰極２０は導電性の陰極ホルダ２１に支持されて容器１内に位置し、物品ホルダ３の方に向けられている。
【００２０】
図示例では、陰極ホルダ２１は電気絶縁部材２２を介して容器１の外壁１１に外側からあてがわれ、保持部材２３にて外壁１１の方へ押しつけられるようにして外壁１１に取り付けられている。陰極ホルダ２１のカソード２０背面に臨む部分には空間２１１が形成されている。ここには、所望とあれば、図示省略の水循環装置にて冷却水を通すことができる。
【００２１】
陰極２０は、それとは限定されないが、ここでは短円柱形状を呈しており、形成しようとする膜に応じて選択した材料で形成される。
この陰極に対する陽極はここでは接地された容器１がこれを兼ねている。
なお、陽極については、例えば陰極２０端部を囲むアノードを別途設ける等してもよい。
【００２２】
トリガー電極２５は陰極２０の物品ホルダ３に向けられた端面（陰極蒸発面）２０Ｓに臨んでおり、図示を省略した往復駆動装置により陰極蒸発面２０Ｓに対し接触離反可能である。図１においては、トリガー電極２５は陰極２０を貫通しているかの如く示されているが、陰極２０を貫通しているのではなく、陰極周囲の壁体に往復動可能に通されている（図示省略）。
【００２３】
アーク放電用電源２４は陰極２０と陽極との間にアーク放電用電圧を印加できるように、また、陰極２０と陽極間のアーク放電を誘発するために陰極２０とトリガー電極２５との間にトリガー用電圧を印加できるように、陰極２０等に配線接続されている。トリガー電極２５はアーク電流が流れないように抵抗２６を介して接地されている。
【００２４】
このアーク蒸発源２は次の点に特徴がある。
すなわち、真空容器１の外壁１１の外側において大気中に配置されて該外壁に取り付けられた磁場形成用磁石を備えている点である。この磁場形成用磁石１１は、陰極蒸発面２０Ｓでの真空アーク放電による陰極スポットの位置制御のための、該蒸発面に交差する磁力線を発生させる磁石である。
【００２５】
この磁場形成用磁石は、永久磁石でも、電磁石でも、それらを組み合わせた磁石でもよく、また、複数の磁石を組み合わせた磁石でもよいが、ここでは、環状の永久磁石Ｍである。磁石Ｍについてはさらに後述する。
【００２６】
以上説明した真空蒸着装置１０１によると、次のようにして膜形成対象物品Ｗ上に陰極２０の構成材料元素を含む薄膜を形成することができる。
まず、図示省略の容器扉を開き、物品ホルダ３に膜形成対象物品Ｗを搭載し、該扉を気密に閉じる。次いで排気装置ＥＸを運転して容器１から排気し、容器１内を膜形成圧力まで減圧する。
【００２７】
膜形成開始にあたっては、蒸発源２において、トリガー電極２５をカソード２０の蒸発面２０Ｓに接触させ、ひき続き引き離す。これにより電極２５と陰極２０間に火花が発生し、これが引き金となって陽極（容器１）と陰極２０との間に真空アーク放電が誘発される。このアーク放電により陰極材料が加熱され、陰極材料がα方向に蒸発し、さらに陰極２０前方にイオン化陰極材料を含むプラズマが形成される。
【００２８】
本例では、膜形成中は、膜付着性を良好にする等のために膜形成用イオンを引き寄せるためのバイアス電圧を電源６からホルダ３に印加する。さらに、各物品への均一な膜形成のために、ホルダ３を駆動部５にて回転させる。
ホルダ３に図示省略のヒータを設けてあるときは、必要に応じ、該ヒータで物品を加熱することもできる。
【００２９】
かくして、物品Ｗに陰極材料の構成元素を含む膜が形成されるのであるが、アーク蒸発源２においては、前記磁場形成用の環状磁石Ｍが次のような利点をもたらす。
環状磁石Ｍは、内径が陰極２０の外径より大きく、陰極２０の蒸発面２０Ｓに垂直な方向からみると陰極２０に中心軸線を一致させて外嵌するように配置されている。そして、中心軸線方向において片側に（容器１に臨む側に）第１磁極Ｎを有しているとともに反対側に逆極性の第２磁極12Ｓを有している。
【００３０】
図２はアーク蒸発源２における磁場の状態の概略を模式的に示している。
図２に示すように、磁場形成用磁石Ｍは、陰極２０の蒸発面２０Ｓの周縁部においては蒸発面２０Ｓに対して蒸発面中央部へ鋭角θ１をなして傾く磁力線を発生させるとともに蒸発面中央部においては蒸発面２０Ｓに対して蒸発面周縁部へ鋭角θ２をなして傾く磁力線を発生させる磁場を形成する。
【００３１】
アーク蒸発源２における陰極蒸発面２０Ｓのアーク放電によるアークスポットは、陰極蒸発面２０Ｓにおいて磁力線が傾く方向に移動し易い性質がある。
従って、図２に示すように上記磁力線により、陰極蒸発面２０Ｓの周縁部においては陰極スポットを蒸発面中央部側へ移動させることができる。かくして、陰極スポットの陰極蒸発面２０Ｓからの飛び出しや、陰極蒸発面２０Ｓに続く陰極側面ｓｓへの回り込みを抑制できる。
【００３２】
ここで、本蒸発源によれば、上述したように陰極スポットの陰極蒸発面２０Ｓからの飛び出しを防止するが、陰極スポットを蒸発面に維持するための磁束密度はアーク電流の大きさによって異なると考えられるので、それらの関係について、さらに詳しく説明する。
【００３３】
図３は陰極２０及び磁力線Ｂ等を模式的に表した図である。陰極２０の蒸発面に角度θで磁力線が交わっている状態を考える。陰極スポットの熱によって蒸発・イオン化した金属イオンは、蒸発物質の陰極蒸発面２０Ｓから拡散によって陰極前方に移動する。この時の金属イオンの移動方向はアーク電流の向きと逆方向になる。従って、周囲の磁場によるローレンツ力は、アーク電流から考えられる向きとは逆方向になる。
【００３４】
ｋをイオンの価数、eを電荷素量、イオンの拡散初速度をｖ０、とすると、金属イオンの拡散によるローレンツ力F1は次式（１）のようになる。
【００３５】
【数１】
2012092380.tif 000003
【００３６】
ローレンツ力F1の向きは磁力線及びイオンの拡散方向のどちらとも直角となる。この場合、蒸発物質２の蒸発面と平行になる。この力によってイオンが加速され、その加速度は磁束密度の蒸発面に平行な成分（Bcosθ）及びイオン拡散速度v0によって決まると考えられる。ここでv0の絶対値は蒸発物質の蒸発速度、すなわちアーク電流Iに比例すると考えられる。
ここで接線方向に移動するイオンに対して、再び磁場によるローレンツ力F2が働く。ここで、アーク放電が発生する間隔Δtが一定であるとすれば、次式のイオンの接線成分の速度v1はローレンツ力F1に比例するため、ローレンツ力F2は次式（２）のようになる。
【００３７】
【数２】
2012092380.tif 000004
【００３８】
この力F2は磁束Bに垂直な向きにかかるため、鋭角方向の成分が発生する。これにより蒸発物質２の蒸発面と磁束が鋭角に交わる方向に陰極スポットが移動すると考えられる。この陰極スポットの鋭角方向への移動効果の強度の値をAとすると、Aは次式（３）のようになる。
【００３９】
【数３】
2012092380.tif 000005
【００４０】
アーク蒸発源を用いる際、蒸発物質の外周端における磁力線の向きを前記陰極の蒸発面に対して内側に鋭角となるようにし、かつAの値を一定値以上にすることで、陰極スポットの位置を制御し、陰極スポットを陰極側面に移動することなしに蒸発物質前面に保つことができる。
【００４１】
以上の考えのもとに、図１、図２に示す蒸発源２を用いて、陰極スポットの陰極側面ｓｓへ移動（横落ち）するかどうか、すなわちアーク蒸発面で安定して陰極スポットが保持されるか否かについて、陰極２０に直径８４ｍｍ、厚さ３２ｍｍのTiを、成膜プロセスガスにN2を用いてTiNの成膜を実施して、効果を確認した。
【００４２】
陰極蒸発面２０Sの外周端における磁束密度の強度B[Gauss]、磁力線と蒸発面の成す角の角度をθ[deg.]、アーク電流の値をI[A]および前記式で示されたAの値の組合せ及び横落ちするか否かの結果を表1に示す。なお、横落ちするか否かはアーク放電を1時間継続するかどうかで判定した。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
Aの値が７００００以上の条件で、陰極スポットが横落ち、すなわち陰極側面に移行することなくアーク放電が陰極蒸発面に維持でき、安定して成膜できことが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は陰極スポットの蒸発面以外への移動の防止、それによるアーク放電の失弧を防ぎ、安定して薄膜を形成することのできる真空アーク蒸着法による薄膜形成に利用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１０１  真空蒸着装置
１  真空容器
１１  容器外壁
２  アーク蒸発源
２０  陰極
２０Ｓ  陰極蒸発面
ｓｓ  陰極側面
２１  陰極ホルダ
２１１  空間
２２  絶縁部材
２３  保持部材
２４  アーク放電電源
２５  トリガー電極
２６  抵抗
３  物品ホルダ
Ｗ  膜形成対象物品（成膜物品）
４  支持部
５  駆動部
６  バイアス電源
７  ガス導入部
ＥＸ  排気装置
Ｍ  磁場形成用の環状磁石
ｍ  磁力強化磁石
Ｒ  非磁性高融点金属リング
Ｂ  磁力線
F1  金属イオンの拡散によるローレンツ力
F2  F1によって金属イオン移動することによるローレンツ力
Ｉ  アーク放電電流
θ、θ１、θ２  磁力線と陰極蒸発面の角度
【図１】
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【図２】
2012092380.tif 000008
【図３】
2012092380.tif 000009