(57)【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アーク式蒸発源において、前記陰極の先端の蒸発面付近に、当該陰極の軸に沿う方向の磁界であって、当該軸に沿う方向上の前方に向かって発散する状態と集束する状態とを交互に繰り返す磁界を発生させる磁界発生手段を備えることを特徴とするアーク式蒸発源。
【請求項２】
前記磁界発生手段が、前記陰極付近の周りに巻かれていて互いに前後に配置された二つの磁気コイルと、この二つの磁気コイルに、脈動する電流であって互いに位相がほぼ１８０度ずれた電流をそれぞれ供給するコイル電源とを備えている請求項１記載のアーク式蒸発源。
【請求項３】
前記磁界発生手段が、前記陰極付近の周りに巻かれていて互いに前後に配置された二つの磁気コイルと、この一方の磁気コイルに一定値の電流を供給し、他方の磁気コイルに前記一定値よりも大きい値と小さい値とが交互に繰り返すように脈動する電流を供給するコイル電源とを備えている請求項１記載のアーク式蒸発源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば工具、機械部品、金型、外装部品等の基体の表面に、陰極物質または当該陰極物質の窒化物、酸化物等から成る薄膜を形成して、当該基体の耐摩耗性、耐食性、摺動性、耐焼き付き性、装飾性等を向上させること等に用いられるものであって、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アーク式蒸発源に関し、より具体的には、陰極から飛散するドロップレット（粗大粒子）を低減させる手段の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−３６０６３号公報には、陰極の蒸発面の前方において集束せずに平行進行ないし発散する磁力線であって当該蒸発面内の任意の点に立てた法線と当該点における磁力線の方向との成す角度が０度以上３０度以下の磁力線を発生させる磁界形成手段を備えるアーク式蒸発源が記載されている。この磁界形成手段は、陰極の蒸発面付近に５５３００Ａ／ｍ（＝７００Ｏｅ）以上の磁界を形成する。
【０００３】
同公報には、上記のような磁力線を発生させることによって、アーク放電のアークスポット（陰極点）が陰極の蒸発面内を動き回るようになり、陰極寿命を長くすることができると共に、陰極から飛散するドロップレットを低減させることができることが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記アーク式蒸発源においては、図５に示すように、当初は破線で示すような台形状をしていた陰極４は、運転時間の経過によって、実線で示すような山状に消耗する。そして陰極４がこの状態まで消耗して来ると、ドロップレットの飛散が増大するという課題がある。
【０００５】
その理由は次のとおりである。即ち、上記のような状態まで消耗すると、陰極４の蒸発面５のほぼ全ての領域で、蒸発面５に対する磁力線８の角度αがほぼ直角（９０度）になり、アークスポット９に作用する電磁力が低下して、アークスポット９の移動活動が低下する。せいぜい、同じ箇所付近をランダムに動くだけになる。その結果、アークスポット９が同じ箇所に停滞する時間が長くなり、蒸発面５のアークスポット９による溶融プールを深め、ドロップレットの飛散が増大する。
【０００６】
そこでこの発明は、陰極が消耗してもアークスポットの活発な動きを維持して、ドロップレットの飛散を長期間に亘って安定して低減させることのできるアーク式蒸発源を提供することを主たる目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るアーク式蒸発源の一つは、前記陰極の先端の蒸発面付近に、当該陰極の軸に沿う方向の磁界であって、当該軸に沿う方向上の前方に向かって発散する状態と集束する状態とを交互に繰り返す磁界を発生させる磁界発生手段を備えることを特徴としている。
【０００８】
上記構成によれば、磁界が発散状態にあるときは、陰極の蒸発面に対して磁界は斜めに印加されるので、しかもアークスポットは蒸発面と磁界との成す角が鋭角の方向に進む性質を有しているので、アークスポットは蒸発面内で旋回運動を行いながら外側へ移動するという活発な運動を行う。磁界が集束状態にあるときは、上記とは反対に、アークスポットは蒸発面内で旋回運動を行いながら内側へ移動するという活発な運動を行う。
【０００９】
従って、磁界が発散、集束のいずれの状態にあっても、アークスポットが蒸発面内で活発に動き回るので、アークスポットが同じ箇所に停滞する時間が短くなり、それによって、蒸発面のアークスポットによる溶融プールが深くなることを防止して、ドロップレットの飛散を低減させることができる。
【００１０】
しかも、磁界の発散状態と集束状態とを交互に繰り返すことによって、上記のようなアークスポットの内外への旋回運動が交互に繰り返されるので、陰極の蒸発面は、従来例と違って、ほぼ平らに消耗されて行く。従って、陰極が消耗しても、アークスポットの上記のような活発な動きを維持することができる。その結果、ドロップレットの飛散を長期間に亘って安定して低減させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るアーク式蒸発源の一例を示す断面図である。
【００１２】
このアーク式蒸発源１０は、例えばこの例のように、アーク式イオンプレーティング装置を構成するものであって陽極を兼ねる真空容器３６の壁面に、成膜しようとする基体４０に向けて取り付けて使用される。３４は絶縁物である。
【００１３】
このアーク式蒸発源１０は、成膜しようとする膜の種類に応じた所望の材料（例えば金属、合金、カーボン等）から成る陰極４を備えている。陰極４の形状は、例えば円柱状をしている。陰極４は、この例では、陰極ホルダ１２に固定されている。陰極ホルダ１２は、絶縁物１６を介して、後述するコイル収納容器１８に取り付けられている。なお、アーク起動用のトリガ電極も通常は設けられているが、ここではその図示を省略している。
【００１４】
陰極ホルダ１２および陰極４と、陽極兼用の真空容器３６との間に、陰極４側を負極にして、アーク電源１４から、例えば数十Ｖ程度のアーク放電電圧が印加される。
【００１５】
それによって、陰極４の先端の蒸発面５と真空容器３６との間にアーク放電を生じさせて、このアーク放電によって蒸発面５を局所的に溶解させて、蒸発面５から一部イオン化された陰極物質６を蒸発させることができる。それによって、蒸発面５の前方に配置した基体４０の表面に、陰極物質６から成る薄膜、または陰極物質６と反応性ガス（例えば後述する反応性ガス３０）とが反応してできる化合物から成る薄膜を形成することができる。
【００１６】
陰極４付近の周りに、前述した磁界発生手段を構成するものとして、二つの磁気コイル２０および２２が巻かれている。両磁気コイル２０、２２は、互いに前後に配置されている。この明細書で「前」とは、陰極４からの陰極物質６の蒸発方向、換言すれば基体４０側の方向を言う。両磁気コイル２０、２２は、例えば円筒状をしている。両磁気コイル２０、２２は、この例では、コイル収納容器１８内に収納されている。コイル収納容器１８は、この例では、上記絶縁物３４を介して、上記真空容器３６に取り付けられている。
【００１７】
コイル収納容器１８と接地された真空容器３６との間に、この例では、抵抗器２８を設けている。この抵抗器２８は、アーク放電が陰極４とコイル収納容器１８との間で起こることを防止して、アークを広げる、即ち陰極４とそれからある程度離れた所の真空容器３６との間でアーク放電を起こさせる働きをする。
【００１８】
なお、磁気コイル２０および２２の近くの部材は、両磁気コイル２０、２２が作る磁界を乱さないために、非磁性材から成る。
【００１９】
両磁気コイル２０および２２には、それらと共に前述した磁界発生手段を構成するものとして、各磁気コイル２０、２２に、次のように変調された電流ＩA 、ＩB をそれぞれ供給するコイル電源２４が接続されている。
【００２０】
このコイル電源２４から各磁気コイル２０、２２に供給する電流ＩA 、ＩB は、例えば、図２に示す例のように、いずれも脈動するものであって、互いに位相がほぼ１８０度（１８０度を含む）ずれた電流である。あるいは、例えば図３に示す例のように、一方の電流（例えば電流ＩA ）は一定値であり、他方の電流（例えば電流ＩB ）は、当該一定値よりも大きい値と小さい値とを交互に繰り返すように脈動する電流でも良い。脈動電流の波形は、例えば方形状であるが、それに限らない。
【００２１】
上記のような磁気コイル２０、２２およびコイル電源２４によって、陰極４の先端の蒸発面５付近に、当該陰極４の軸７（図４参照）に沿う方向の磁界であって、前方（即ち陰極物質６の蒸発方向）に向かって発散する状態と集束する状態とを交互に繰り返す磁界を発生させることができる。この磁界は、変調磁界または脈動磁界と呼ぶこともできる。
【００２２】
例えば、図２に示したような電流ＩA およびＩB を磁気コイル２０および２２にそれぞれ供給した場合、電流ＩA が大電流（例えば８０Ａ）、電流ＩB が小電流（例えば５０Ａ）の期間中は、後方の磁気コイル２０が発生する磁界よりも前方の磁気コイル２２が発生する磁界の方が弱くなるので、陰極４の蒸発面５付近の磁界は図４Ａに示すように発散状態になる。２６はその磁力線（磁界の方向）を示す。電流ＩA が小電流（例えば５０Ａ）、電流ＩB が大電流（例えば８０Ａ）の期間中は、上記と逆の理由から、蒸発面５付近の磁界は図４Ｂに示すように集束状態になる。
【００２３】
図３に示すような電流ＩA およびＩB を磁気コイル２０および２２にそれぞれ供給した場合も同様であり、電流ＩA よりも電流ＩB が小さい期間中は磁界は発散状態になり、電流ＩA よりも電流ＩB が大きい期間中は磁界は集束状態になる。
【００２４】
磁界２６が図４Ａに示すような発散状態にあるときは、陰極４の蒸発面５に対して磁界２６は斜めに印加されるので、しかもアーク放電のアークスポット９は蒸発面５と磁界２６との成す角が鋭角の方向に進む性質を有しているので、アークスポット９は蒸発面５内で旋回運動を行いながら外側へ移動するという活発な運動を行う。磁界２６が図４Ｂに示すような集束状態にあるときは、上記とは反対に、アークスポット９は蒸発面５内で旋回運動を行いながら内側へ移動するという活発な運動を行う。
【００２５】
従って、磁界２６が発散、集束のいずれの状態にあっても、アークスポット９が蒸発面５内で活発に動き回るので、アークスポット９が同じ箇所に停滞する時間が短くなり、それによって、蒸発面５のアークスポット９による溶融プールが深くなることを防止して、ドロップレットの飛散を低減させることができる。
【００２６】
しかも、磁界２６の発散状態と集束状態とを交互に繰り返すことによって、上記のようなアークスポット９の内外への旋回運動が交互に繰り返されるので、陰極４の蒸発面５は、従来例と違って、ほぼ平らに消耗されて行く。従って、陰極４が消耗しても、アークスポット９の上記のような活発な動きを維持することができる。その結果、ドロップレットの飛散を長期間に亘って安定して低減させることができる。
【００２７】
その結果、ドロップレットが少ない平滑な膜を、長期間に亘って安定して、基体４０の表面に形成することができる。従って、製品（成膜品）の品質が向上かつ安定する。
【００２８】
上記磁界２６の変動のサイクル中に、陰極４の蒸発面５での磁界の強さが５５３００Ａ／ｍ（＝７００Ｏｅ）以上の期間を含めるのが好ましい。その期間は長い方がより好ましく、常に上記以上の磁界の強さであるのが最も好ましい。このような期間を含めれば、蒸発面５の前方付近に高密度のプラズマを生成して、この高密度のプラズマによって、陰極４から飛散する陰極物質６に含まれるドロップレットを効率良く分解することができるので、ドロップレットの飛散をより低減させることができる。
【００２９】
また、この例のように、陰極４を構成する物質と反応して化合物を作る反応性ガス（例えば窒素ガス）３０を陰極４の蒸発面５付近に吹き出すガス吹出し機構３２を設けるのが好ましい。そのようにすれば、アーク放電時に、反応性ガス３０と陰極４を構成する物質とが化合して元の陰極物質よりも融点の高い化合物（例えばＴiＮ）が蒸発面５に形成されること等によって、蒸発面５にアークスポットが多数できてアーク電流が分散される。それによって、個々のアークスポットから蒸発する陰極物質６はより細かなものとなるので、ドロップレットの発生を一層低減させることができる。
【００３０】
なお、上記のように磁気コイルを二つ設ける代わりに、一方を永久磁石で形成し、他方を磁気コイルとして、当該磁気コイルに例えば図３に示す電流ＩB のような波形の電流を供給して当該磁気コイルで永久磁石の磁界よりも強い磁界と弱い磁界とを交互に繰り返して発生させ、それによって、上記のように発散状態と集束状態とを交互に繰り返す磁界を発生させても良い。
【００３１】
【実施例】
図１に示した構造のアーク式蒸発源１０を用いて、その陰極４をＴi として、ステンレス鋼製の基体４０に成膜を行った。即ち、前記真空容器３６内を５×１０-3Ｐａ程度まで真空排気した後、ガス吹出し機構３２から反応性ガス３０として窒素ガスを２００ｓｃｃｍ導入し、真空容器３６内を約２．６Ｐａに維持し、アーク式蒸発源１０においてアーク放電を生じさせて約８０Ａのアーク電流を維持しながら、基体４０に−５０Ｖのバイアス電圧を印加して成膜処理を行った。このとき、二つの磁気コイル２０および２２には、図２に示した波形の（即ち、８０Ａと５０Ａとを１Ｈｚの周期で繰り返す）電流ＩA およびＩB をそれぞれ供給した。
【００３２】
この状態で、基体４０に対して２０分間、ＴiＮ膜の成膜処理を行った。成膜処理後にこの基体４０を観察したところ、ドロップレットが非常に少なく平滑な膜が形成されていた。
【００３３】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、上記のように発散状態と集束状態とを繰り返す磁界を発生させる磁界発生手段を備えているので、陰極の蒸発面においてアークスポットが内外方向へ活発に旋回運動を行うようになる。しかもその運動の繰り返しによって、蒸発面がほぼ平らに消耗されて行くので、陰極が消耗してもアークスポットの上記のような活発な動きを維持することができる。その結果、ドロップレットの飛散を長期間に亘って安定して低減させることができる。その結果、ドロップレットが少ない平滑な膜を長期間に亘って安定して形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るアーク式蒸発源の一例を示す断面図である。
【図２】図１中の二つの磁気コイルに供給する電流の波形の一例を示す図である。
【図３】図１中の二つの磁気コイルに供給する電流の波形の他の例を示す図である。
【図４】図１のアーク式蒸発源の陰極付近の磁界の様子を示す概略図であり、Ａは発散状態の一例を示し、Ｂは集束状態の一例を示す。
【図５】従来のアーク式蒸発源における陰極の消耗状態の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
４  陰極
５  蒸発面
６  陰極物質
１０  アーク式蒸発源
２０、２２  磁気コイル
２４  コイル電源
２６  磁力線（磁界）
【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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