(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であって、
軸方向の長さが直径よりも大きい円柱状の陰極と、
当該陰極をその軸に沿って前方に送り出す陰極送り機構と、
前記陰極をその先端の蒸発面を外に出した状態で収納するものであって中に冷媒が流されかつ前記陰極と同電位の陰極収納容器を有していて、前記陰極の少なくとも側面を冷媒によって直接冷却する陰極冷却機構と、
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力線を発生させる磁気コイルとを備えるアーク式蒸発源において、
前記陰極とは別個の先細リングであって、それを前記陰極が直進可能に貫通していて当該先細リングは前記陰極の蒸発面の周りを囲んでおり、かつ少なくとも前部に、前記陰極の蒸発面側が細くなった円錐状の斜面を有しており、かつ前記陰極冷却機構の前記陰極収納容器の先端部に固定された先細リングを備えており、
当該先細リングの斜面においては前記磁気コイルが発生させる磁力線が当該斜面との成す角は前記陰極の蒸発面側において鋭角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】
前記先細リングは、導電物から成り、前記陰極収納容器および前記陰極と同電位に保たれている請求項１記載のアーク式蒸発源。
【請求項３】
前記陰極収納容器はその先端に開口部を有していて当該開口部を前記先細リングで蓋をしていて、前記先細リングの後面を前記陰極収納容器内の冷媒によって直接冷却するよう構成されている請求項１または２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、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、アーク放電のアークスポット（陰極点）が何らかの原因で陰極の蒸発面から外れても当該アークスポットをすぐに陰極の蒸発面に戻すことができる手段に関する。
【０００２】
【先行技術】
陰極の有効利用および交換頻度の低減が可能であり、かつ長時間に亘って成膜速度を一定に保つことのできるアーク式蒸発源が同一出願人によって先に提案されている（特願平１１−２３１３８４号）。これを図４を参照して説明する。
【０００３】
このアーク式蒸発源３０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２の壁面に、基体６に向けて取り付けて使用される。２２は絶縁物である。
【０００４】
このアーク式蒸発源３０は、軸方向の長さが直径よりも大きい（例えば２倍以上の）円柱状の陰極３２と、この陰極３２を、矢印Ａに示すように、当該陰極３２の軸に沿って前方に（即ち基体６側に）送り出す陰極送り機構４８と、陰極３２の少なくとも側面を冷媒（例えば冷却水）４０によって直接冷却する陰極冷却機構３６と、陰極３２の先端の蒸発面３３付近に、当該陰極３２の軸に沿う方向の磁力線５４を発生させる磁気コイル５２とを備えている。５３はコイル励磁電源である。
【０００５】
磁気コイル５２の近くの部材は、当該磁気コイル５２が作る磁力線５４を乱さないために、非磁性材から成る。
【０００６】
陰極３２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。
【０００７】
陰極３２は、この例では支持軸４６の先端部に支持されており、この支持軸４６を介して、陰極送り機構４８によって前方に送り出される。陰極送り機構４８は、手動式でも動力式でも良い。アーク放電用のアーク電源２４からの陰極３２への給電は、この例では支持軸４６を経由して行われる。アーク起動用のトリガ電極は図示を省略している（図１においても同様）。
【０００８】
陰極冷却機構３６は、この例では、上記陰極３２をその蒸発面３３を外に出した状態で収納する陰極収納容器３８を備えており、その中に冷媒４０が流される。この冷媒４０によって、この例では、陰極３２の側面および底面（蒸発面３３と反対側の面）を直接冷却することができる。４２、４４はＯリングシール、３９はフランジ、５６は絶縁物である。
【０００９】
磁気コイル５２は、陰極３２の周囲に巻かれており、この例では、コイル収納容器５０内に収納されている。抵抗器７０は、アーク放電が陰極３２とコイル収納容器５０との間で起こることを防止して、アークを広げる働きをする。
【００１０】
ガス吹付け機構５８については後述する。
【００１１】
このアーク式蒸発源３０によれば、陰極３２の蒸発面３３と真空容器２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３３を局所的に溶解させて、蒸発面３３から一部イオン化された陰極物質３４を蒸発させることができる。それによって、蒸発面３３の前方に配置した基体６の表面に、陰極物質３４から成る薄膜、または陰極物質３４と反応性ガス（例えば後述する反応性ガス６２）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。
【００１２】
しかもこのアーク式蒸発源３０によれば、磁気コイル５２によって、陰極３２の蒸発面３３に上記のような磁力線５４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７２の位置を陰極３２の蒸発面３３内に制限することができ、しかも当該蒸発面３３内でアークスポット７２が万遍無く移動するようになるので、蒸発面３３を片寄ることなく一様に消耗させることができる。
【００１３】
更に、陰極３２の消耗に応じて、陰極送り機構４８によって陰極３２を前方に送り出すことができるので、陰極３２が消耗してもその蒸発面３３における磁力線５４の状態を、当初と同じ状態にほぼ一定に保つことができ、これも蒸発面３３を一様に消耗させることに寄与する。
【００１４】
このアーク式蒸発源３０によれば、軸方向に長い円柱状の陰極３２を、上記のような作用によって一様に消耗させることができるので、陰極３２の大部分を、従来例よりも大きな割合で、有効に利用することができる。従って、陰極３２の有効利用および交換頻度の低減が可能である。
【００１５】
しかも、陰極３２の消耗に応じて、陰極送り機構４８によって陰極３２を前方に送り出すことができるので、蒸発面３３と基体６との間の距離を一定に保つことが可能になる。従って、長時間に亘って成膜速度を一定に保つことができる。
【００１６】
更に、陰極３２の少なくとも側面を冷媒４０によって直接冷却する陰極冷却機構３６を備えているので、軸方向に長い円柱状の陰極３２であっても、しかもその消耗状況に影響されることなく安定して、陰極３２の蒸発面３３を効果的に冷却することができる。その結果、蒸発面３３の温度上昇を抑制して、アークスポット７２の溶融プールを浅くすることができるので、蒸発面３３から粗大粒子（ドロップレット）が発生することを防止して、平滑性の良好な薄膜を基体６の表面に形成することが可能になる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記アーク式蒸発源３０は、基本的には、磁力線５４によってアークスポット７２を陰極３２の蒸発面３３内に制限することが可能であるけれども、何らかの原因で、希に、アークスポット７２が、例えば矢印Ｂに示すように、陰極３２の蒸発面３３から外れて、陰極３２と同電位の陰極収納容器３８側へ移動することのあることが分かった。移動したアークスポット７２は、自然に元の蒸発面３３へ戻ることもあるし、更に陰極収納容器３８の奥へ移動することもある。いずれにしても、アークスポット７２が蒸発面３３外へ移動すると、その間は、陰極３２から目的とする陰極物質３４が蒸発しなくなる。
【００１８】
そこでこの発明は、上記のようなアーク式蒸発源を更に改善して、何らかの原因でアークスポットが陰極の蒸発面から外れても当該アークスポットをすぐに陰極の蒸発面に戻すことができるようにすることを主たる目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明のアーク式蒸発源は、前記陰極とは別個の先細リングであって、それを前記陰極が直進可能に貫通していて当該先細リングは前記陰極の蒸発面の周りを囲んでおり、かつ少なくとも前部に、前記陰極の蒸発面側が細くなった円錐状の斜面を有しており、かつ前記陰極冷却機構の前記陰極収納容器の先端部に固定された先細リングを備えており、当該先細リングの斜面においては前記磁気コイルが発生させる磁力線が当該斜面との成す角は前記陰極の蒸発面側において鋭角となっていることを特徴としている。
【００２０】
磁力線中におけるアークスポットは、磁力線との成す角が鋭角の方向に進む性質を有していることが、この技術分野において知られている。この発明は、この性質を利用するものである。
【００２１】
即ち、前記先細リングの斜面においては、前記磁気コイルが発生させる磁力線が当該斜面と成す角は、陰極の蒸発面側において鋭角となっていて、何らかの原因でアークスポットが陰極の蒸発面から外れてその周りを囲む先細リングの斜面へ移動したとしても、当該斜面ではアークスポットは、磁力線に対して鋭角の方向に、即ち陰極の蒸発面の方向に移動する性質を有しているので、アークスポットはすぐに元の蒸発面に戻る。
【００２２】
【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。図２は、図１中の先細リング周りを拡大して示す斜視図であり、図３はその拡大断面図である。図４に示した先行例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該先行例との相違点を主に説明する。
【００２３】
このアーク式蒸発源３０ａは、前記陰極３２の蒸発面３３の周りを囲む先細リング７４を備えている。この先細リング７４は、その少なくとも前部に（蒸発物質３４の蒸発方向側に）、先細となった円錐状の斜面７６を有しており、前記陰極冷却機構３６の（より具体的にはその陰極収納容器３８の）先端部に固定されている。
【００２４】
より具体的にはこの例では、陰極収納容器３８の先端の開口部をこの先細リング７４で蓋をする構造を採用しており、これによって、先細リング７４の後面７８を、陰極収納容器３８内に供給される前記冷媒４０によって直接冷却するようにしている。陰極３２は、この先細リング７４の穴を貫通しており、その状態で陰極送り機構４８によって前述した矢印Ａ方向に直進可能である。陰極３２が、先細リング７４を貫通する部分、および、先細リング７４と陰極収納容器３８との間の部分には、冷媒４０の漏れを防止するパッキン８０および８２が設けられている。
【００２５】
先細リング７４の斜面７６は、先細リング７４の大部分を占めるものが好ましい。そのようにする方が、アークスポット７２が当該斜面７６に移行して来ても、斜面７６の領域が広いのでアークスポット７２が斜面７６から外れることはなく、従ってより確実にアークスポット７２を蒸発面３３へ戻すことができるからである。
【００２６】
先細リング７４の斜面７６は、この例のように直線的なテーパー状（換言すれば完全な円錐状）でなくても良く、凹または凸の曲線状でも良いし、若干凹凸があっても良く、その効果は大きくは変わらない。
【００２７】
先細リング７４の材質は、金属、カーボン等の導電物であることが好ましく、陰極３２と同材質の導電物であることがより好ましい。その理由は後述する。これらの場合、先細リング７４は陰極３２と同電位に保つものとする。この例では、前述したように先細リング７４を陰極収納容器３８の先端部に固定することによって、陰極収納容器３８ひいては陰極３２と同電位に保っている。
【００２８】
先細リング７４は、絶縁物製でも良い。その場合、初めは（即ち下記のようにして表面が導電性になる前は）当該先細リング７４には電流が流れないから、その斜面７６にアークスポット７２は移動して来ない。但し、先細リング７４の代わりに単なる絶縁物リングを設ければ良いかと言うと、それではうまく行かない。
【００２９】
なぜなら、当該アーク式蒸発源３０ａの運転に伴って、蒸発面３３の近傍にある先細リング７４あるいは絶縁物リングの表面にも陰極物質３４が不可避的に付着して導電膜が形成され、これらの表面は導電性となる。そうなると、これらの表面は陰極３２と同電位になり、これらの表面へアークスポット７２が移行して来ることがある。その場合、単なる絶縁物リングでは、その表面へ移行して来たアークスポット７２を元の蒸発面３３へ戻す作用は奏しない。これに対して、この先細リング７４の場合は、表面が導電性となったときは、先細リング７４が導電物製の場合と同様の作用を奏する。
【００３０】
この作用を図３を参照して説明する。一般的に磁力線中におけるアークスポットは、磁力線との成す角が鋭角の方向に進む性質を有していることが、この技術分野において知られている。この発明は、この性質を利用するものである。
【００３１】
即ち、前記磁気コイル５２は陰極３２の蒸発面３３付近に、当該陰極３２の軸３５に沿う方向の磁力線５４を発生させるので、この蒸発面３３の周りを囲む上記先細リング７４の斜面７６では、当該磁力線５４が当該斜面７６と成す角αは、図示のように、陰極３２の蒸発面３３側において鋭角となる。なお、上記磁力線５４の軸３５に沿う方向とは、例えば、蒸発面３３付近において陰極３２の軸３５に平行またはほぼ平行な方向であるけれども、必ずしもそれでなくても良い。例えば、陰極３２の蒸発面３３付近において集束または発散する方向のものでも良い。要は、上記角αが鋭角となるものであれば良い。
【００３２】
従って、何らかの原因でアークスポット７２が陰極３２の蒸発面３３から外れてその周りを囲む先細リング７４の斜面７６へ移動したとしても、当該斜面７６では、上記のように磁力線５４が斜面７６と成す角αは鋭角となっており、そしてアークスポット７２は、磁力線５４に対して鋭角αの方向に、即ち陰極３２の蒸発面３３の方向に移動する性質を有しているので、この性質によって、矢印Ｃに示すようにアークスポット７２は先細リング７４の斜面７６を上記鋭角αの方向に移動してすぐに元の蒸発面３３に戻る。
【００３３】
磁気コイル５２による磁界の強さは、陰極３２の蒸発面３３付近で、例えば、数エルステッド〜数千エルステッドで良く、この程度あれば、アークスポット７２を陰極３３へ戻す作用をさせることができる。
【００３４】
このアークスポット７２を元に戻す作用は、先細リング７４が導電物製の場合も、絶縁物製の先細リング７４の表面が上記のようにして導電性になった場合も、いずれの場合も同様に奏する。
【００３５】
但し、アークスポット７２が先細リング７４の斜面７６に移行して来るとアークスポット７２によって先細リング７４は加熱されるので、一般的に熱的に破損しやすい絶縁物で先細リング７４を形成するよりも、一般的に熱伝導率が高くて熱的に破損されにくい金属、カーボン等の導電物で先細リング７４を形成する方が好ましい。
【００３６】
また、先細リング７４を陰極３２と同材質の導電物で形成しておくと、仮にアークスポット７２によってその表面が蒸発させられたとしても、それは陰極３２から蒸発する陰極物質３４と同材質であるから、異物が蒸発しないことになる。従って、基体６の表面に形成する膜に異物が混入することを防止することができる。この理由から、先細リング７４を陰極３２と同材質の導電物で形成するのがより好ましい。
【００３７】
但し、基体６の表面に形成する膜に多少の異物が混入しても良い場合もあり、その場合は、先細リング７４を例えばステンレス鋼のような安価な金属で形成しても良い。
【００３８】
先細リング７４の斜面７６は蒸発面３３に近いために加熱されやすく、アークスポット７２が移行して来ると更に加熱されるため、先細リング７４の少なくとも一部を冷媒によって直接冷却する構造を採用するのが好ましい。例えばこの例のように、先細リング７４の少なくとも後面７８を陰極冷却機構３６の冷媒４０によって直接冷却する構造を採用しても良い。これは先細リング７４が導電物製の場合も絶縁物製の場合も同様である。このようにすれば、先細リング７４の過熱による変形や破損を防止することができるので、当該アーク式蒸発源３０ａのより長時間の安定運転が可能になる。
【００３９】
先細リング７４にアークスポット７２が滞在するのは、アークスポット７２が陰極３２の蒸発面３３から外れたときのみであるが、外れたときは前述した作用によってアークスポット７２はすぐさま蒸発面３３に戻されるので、先細リング７４のアークスポット７２による消耗速度は陰極３２に比べて遙かに遅い。従って、先細リング７４を頻繁に交換する必要はない。
【００４０】
なお、この例のように、陰極３２を構成する物質と反応して化合物を作る反応性ガス６２を陰極３２の蒸発面３３付近に吹き付けるガス吹付け機構５８を設けても良い。
【００４１】
このガス吹付け機構５８は、この例では、上記反応性ガス６２を供給するガス源６０と、この反応性ガス６２を導くガス配管６４とを備えている。反応性ガス６２は、例えば、窒素、炭素、酸素等を含むガスである。より具体例を挙げれば、窒素ガスである。
【００４２】
このようなガス吹付け機構５８を設けておくことによって、陰極３２の蒸発面３３付近に反応性ガス６２を吹き付けながらアーク放電を生じさせることができる。その結果、反応性ガス６２と陰極３２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が蒸発面３３に形成されること等によって、蒸発面３３にアークスポット７２が多数できてアーク電流が多くのアークスポット７２に分散される。それによって、個々のアークスポット７２から蒸発する陰極物質３４は細かなものとなるので、粗大粒子（ドロップレット）の発生を一層効果的に抑制することができる。従って、平滑性の一層良好な薄膜形成が可能になる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、上記のような先細リングを設けたことによって、何らかの原因でアークスポットが陰極の蒸発面から外れてその周りを囲む先細リングの斜面へ移行したとしても、当該斜面においては、磁気コイルが発生させる磁力線が当該斜面との成す角は陰極の蒸発面側において鋭角となっていて、当該斜面ではアークスポットは磁力線に対して鋭角の方向に、即ち陰極の蒸発面の方向に移動する性質を有しているので、アークスポットは当該斜面を陰極の蒸発面の方向に移動して、アークスポットはすぐに元の蒸発面に戻る。従って、より安定した蒸発動作（即ち陰極の蒸発面から陰極物質を蒸発させる動作）を実現することができ、ひいてはこのようなアーク式蒸発源を用いた成膜作用をより安定させることができる。
【００４６】
しかも、このアーク式蒸発源は、先行例と同様、軸方向の長さが直径よりも大きい円柱状の陰極を備えており、しかも陰極を単に軸方向に長い円柱状にしただけではなく、当該陰極を前方に送り出す陰極送り機構と、当該陰極の少なくとも側面を冷却する陰極冷却機構と、当該陰極の蒸発面に上記のような磁力線を発生させる磁気コイルとを備えているので、従来のアーク式蒸発源に比べて、陰極の有効利用および交換頻度の低減が可能であり、かつ長時間に亘って成膜速度を一定に保つことができる。
【００４７】
その結果、陰極の交換頻度を少なくすることができるので、陰極交換の手間を省くことができる。また、このアーク式蒸発源を用いた成膜装置の休止頻度が少なくなるので、生産性も向上する。更に、陰極の無駄が少なくなるので、陰極に要するコストを低減することができる。しかも、長時間に亘って成膜速度を一定に保つことができるので、成膜速度の再現性が向上すると共に、基体に形成する膜厚の均一性も向上する。
【００４８】
更に、陰極の少なくとも側面を冷媒によって直接冷却する陰極冷却機構を備えているので、軸方向に長い円柱状の陰極であっても、しかもその消耗状況に影響されることなく安定して、陰極の蒸発面を効果的に冷却することができる。その結果、蒸発面の温度上昇を抑制して、アークスポットの溶融プールを浅くすることができるので、蒸発面から粗大粒子が発生することを防止して、平滑性の良好な薄膜形成が可能になる。
【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中の先細リング周りを拡大して示す斜視図である。
【図３】図１中の先細リング周りを拡大して示す断面図である。
【図４】アーク式蒸発源の先行例を示す断面図である。
【符号の説明】
３０ａ  アーク式蒸発源
３２  陰極
３３  蒸発面
３６  陰極冷却機構
４０  冷媒
４８  陰極送り機構
５２  磁気コイル
５４  磁力線
７４  先細リング
７６  斜面
【図１】
0004356162.tif 000002
【図２】
0004356162.tif 000003
【図３】
0004356162.tif 000004
【図４】
0004356162.tif 000005