(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させる蒸発源と、該蒸発源が連通接続され、内部に被成膜物品支持装置が設けられた真空容器と、該真空容器内を排気減圧する排気装置と、該被成膜物品支持装置を介して該支持装置に支持される被成膜物品に前記イオン化されたカソード材料を引き寄せるバイアスを印加するバイアス印加電源とを含むアーク式イオンプレーティングによる成膜装置であり、
該真空容器内の水分を冷却捕捉するための冷却器部分が該真空容器内に設置されたコールドトラップ装置と、
前記カソードのカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線からなる磁場を前記プラズマの生成領域に印加する磁場形成手段と、
前記カソード材料蒸発面上のいずれの位置からも前記コールドトラップ装置の冷却器を見通せなくするとともに前記磁場形成手段が発する磁力線に沿ってプラズマが該冷却器へ達することを遮る遮蔽部材とを備えていることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記コールドトラップ装置は前記冷却器に捕捉した水分を加熱蒸発させるための加熱手段を有している請求項１記載の成膜装置。
【請求項３】
前記コールドトラップ装置の冷却器は環状冷媒流通管を含んでおり、該コールドトラップ装置は、該環状冷媒流通管を含む冷凍回路を提供するものであり、
前記遮蔽部材は、該遮蔽部材を間にして前記コールドトラップ装置の冷却器のある真空容器内領域と前記被成膜物品支持装置のある真空容器内領域との間を、該環状冷媒流通管の内側領域に臨んで連通させる開口部を有している請求項１又は２記載の成膜装置。
【請求項４】
前記遮蔽部材と前記真空容器内壁との間に、該遮蔽部材を間にして前記コールドトラップ装置の冷却器のある真空容器内領域と前記被成膜物品支持装置のある真空容器内領域とを連通させる間隙が残されている請求項３記載の成膜装置。
【請求項５】
前記コールドトラップ装置は、前記冷却器を放熱器に切り換え使用できるヒートポンプ回路も提供可能なヒートポンプ式空気調和回路を提供するものであり、前記の冷却器に捕捉された水分を加熱蒸発させる加熱手段は該放熱器を含むヒートポンプ回路である請求項３又は４記載の成膜装置。
【請求項６】
前記カソード材料は炭素であり、前記被成膜物品にダイアモンドライクカーボン膜を形成する請求項１から５のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項７】
前記磁場形成手段により形成される磁場における磁力線は、前記カソードのカソード材料蒸発面位置で該蒸発面に立てた法線となす角度が０°以上３０°以下の磁力線である請求項１から６のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項８】
前記磁場形成手段により形成される磁場は、前記カソードのカソード材料蒸発面での磁束密度が５０ガウス以上１８００ガウス以下の磁場である請求項１から７のいずれかに記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車部品、各種機械の部品、各種工具や、自動車部品、機械部品等の成形に用いる金型等の成形用型等の物品に膜形成する成膜装置、特に、アーク式イオンプレーティングによる成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物品の表面に膜を形成することにより、該物品の耐摩耗性、他物品等との摺動性、化学的安定性、光学特性等の性質を改善し、物品に求められる性能をより優れたものにすることが、自動車部品、各種機械の部品（例えば摺動部品）、各種工具や、金型等の成形用型、さらには医療用物品や部材等について広く行われている。
【０００３】
このような表面処理の方法の一つとして、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させ、該イオン化したカソード材料を、それを引き寄せるバイアスが印加された被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成するアーク式イオンプレーティングが知られている。
【０００４】
このようなアーク式イオンプレーティングによる膜形成は、膜の被成膜物品への密着性が良好である、膜形成速度が高く、膜生産性が高いといった利点があり、工具等の表面処理に用いられている。
【０００５】
ところで、アーク式イオンプレーティングにおいては、カソード材料が真空アーク放電により蒸発するとき、ドロップレットと呼ばれる巨大溶融粒子が発生することがあり、このドロップレットが被成膜物品や該物品上に形成されつつある膜に付着することをできるだけ抑制することが課題となる。ドロップレットが過度に付着すると、膜の表面は粗いものとなり、膜の摺動特性や耐摩耗性などの膜性能の低下が生じるため、かかるドロップレットを低減させる試みがなされてきた。
【０００６】
例えば、特開平１１−３６０６３号公報には、カソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線からなる磁場を形成することが記載されている。
【０００７】
このような磁場の形成により次のような利点がある。
(1) 磁場形成手段により形成される磁場のもとで高密度のプラズマを形成することができ、カソード材料のイオン化率が高く、また、カソード材料によってはドロップレットが低減されるため、それだけ高品質の膜形成が可能である。
例えばカーボンカソード材料を用いダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を形成する場合、該カーボンカソード材料のイオン化率が高く、ｓｐ３成分の多い硬質のＤＬＣ膜を得ることができる。
(2) カソード材料の蒸発面におけるアークスポットは該蒸発面に立てた法線に対し磁力線が鋭角に傾く方向に移動し易いところ、磁場形成手段はカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、アークスポットが蒸発面の中心部に集中せず、蒸発面に全体的に移動し、それだけカソード材料蒸発面の消耗が各部で均一化するため、アーク放電の持続性が向上するとともに、カソード材料を交換頻度を減らして長く使用できる( カソード材料の寿命がながくなる) 。
(3) 磁場形成手段はカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、イオン化カソード材料が磁力線に沿って広い範囲にわたり飛翔し、それだけ真空容器内の広い範囲に被成膜物品を配置して膜厚均一性良好に生産性よく膜形成できる。
【０００８】
ところで、アーク式イオンプレーティングによる被成膜物品への膜形成においては、通常、真空容器内を膜形成に先立って高真空まで排気した後に成膜処理を行う。排気が不十分な場合は、残留ガス成分が膜中に取り込まれ、高品位な皮膜が得られない。特に水分子が排気されにくいため、水分に起因する酸素や水素が膜中に取り込まれ膜品質が悪化することがある。
【０００９】
ＤＬＣ膜の形成において、膜中に水素が取り込まれると、膜の硬度や耐熱性が低下することが知られている。
アーク式イオンプレーティングによる成膜法によりＤＬＣ膜を形成する場合、通常、カソード材料としてカーボンカソード材料を用いるので、膜中の水素濃度の低い硬質なＤＬＣ膜が得られるが、それでも、真空容器内の残留水分からの水素が膜中に取り込まれ、それだけ膜の硬度や耐熱性が低下する場合がある。
【００１０】
一般的に言えば、真空容器内の成膜等の目的とする処理前の残留水分を少なくする方法としては、
(1) 排気を長時間行うこと、
(2) 真空容器内を加熱し吸着水分を放出させること、
(3) 例えば−１００℃以下に冷却した壁面等の冷却器に水分子を吸着させる、いわゆるコールドトラップを採用すること等が知られている。
【００１１】
ここで、長時間の排気は成膜物品の生産性を著しく低下させる。
また、ＤＬＣ膜の形成を例にとると、ＤＬＣ膜の硬度低下を防ぐためは、被成膜物品の温度を低く保つことが好ましいところ、真空容器内を加熱し吸着水分を放出させる方法は、被成膜物品の温度を高くしてしまうので好ましくない。低温焼き戻しの被成膜物品など、耐熱性が低い被成膜物品にもこの加熱方法は適用し難い。
【００１２】
一方、コールドトラップは、成膜物品の生産性を著しく低下させることなく、また、真空容器内の被成膜物品を水分放出のために加熱することなく、真空容器内の残留水分を低減することができる。
このようなことから、アーク式イオンプレーティングによる成膜においても、被成膜物品への膜形成に先立つ真空容器内の残留水分の除去にあたってはコールドトラップが好ましい、と言える。
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−３６０６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、アーク式イオンプレーティングによる成膜においては、被成膜物品への膜形成における蒸発源からの輻射熱によりコールドトラップ装置の冷却器部分が温められ、そこに冷却吸着された水分が再蒸発してしまうことがある。
【００１５】
また、特開平１１−３６０６３号公報に記載されているように、カソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線からなる磁場を形成する場合には、該磁場のもとで形成される高密度プラズマが磁力線に沿ってビーム状に冷却器部分にまで達し、冷却器部分を局所的に加熱することがあり、それにより冷却器に冷却吸着された水分が再蒸発してしまうことがある。
【００１６】
このように再蒸発した水分に起因して、形成膜中に酸素や水素が取り込まれてしまうと、やはり膜質が硬度や耐熱性等の点で悪化する。
【００１７】
そこで本発明は、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させる蒸発源と、該蒸発源が連通接続され、内部に被成膜物品支持装置が設けられた真空容器と、該真空容器内を排気減圧する排気装置と、該被成膜物品支持装置を介して該支持装置に支持される被成膜物品に前記イオン化されたカソード材料を引き寄せるバイアスを印加するバイアス印加電源とを含むアーク式イオンプレーティングによる成膜装置であって、真空容器内残留水分に起因する膜中への酸素及び（又は）水素の取り込みを低減してそれだけ高品質の膜を形成できる成膜装置を提供することを第１の課題とする。
【００１８】
本発明は、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカーボンカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカーボンカソード材料を含むプラズマを発生させる蒸発源と、該蒸発源が連通接続され、内部に被成膜物品支持装置が設けられた真空容器と、該真空容器内を排気減圧する排気装置と、該被成膜物品支持装置を介して該支持装置に支持される被成膜物品に前記イオン化されたカーボンカソード材料を引き寄せるバイアスを印加するバイアス印加電源とを含むアーク式イオンプレーティングによる成膜装置であって、膜中水素濃度の低い硬質なダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を形成できる成膜装置を提供することを第２の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は前記第１の課題を解決するため、
カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させる蒸発源と、該蒸発源が連通接続され、内部に被成膜物品支持装置が設けられた真空容器と、該真空容器内を排気減圧する排気装置と、該被成膜物品支持装置を介して該支持装置に支持される被成膜物品に前記イオン化されたカソード材料を引き寄せるバイアスを印加するバイアス印加電源とを含むアーク式イオンプレーティングによる成膜装置であり、
該真空容器内の水分を冷却捕捉するための冷却器部分が該真空容器内に設置されたコールドトラップ装置と、
前記カソードのカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線からなる磁場を前記プラズマの生成領域に印加する磁場形成手段と、
前記カソード材料蒸発面上のいずれの位置からも前記コールドトラップ装置の冷却器を見通せなくするとともに前記磁場形成手段が発する磁力線に沿ってプラズマが該冷却器へ達することを遮る遮蔽部材とを備えている成膜装置を提供する。
【００２０】
本発明に係るこの成膜装置によると、真空容器内の水分を冷却捕捉するためのコールドトラップ装置の冷却器が該真空容器内に設置されているので、膜形成物品の生産性を著しく低下させることなく、また、真空容器内の被成膜物品を水分放出のために加熱することなく、被成膜物品への膜形成に先立って真空容器内の残留水分を該冷却器に十分冷却捕捉することができ、それだけ、水分に起因する酸素及び( 又は) 水素の膜中濃度の低い膜を形成できる。
【００２１】
さらに注目すべきことに、前記カソード材料蒸発面上のいずれの位置からも前記コールドトラップ装置の冷却器を見通せなくするとともに前記磁場形成手段が発する磁力線に沿ってプラズマが該冷却器へ達することを遮るための遮蔽部材が設けられているので、被成膜物品への膜形成において、蒸発源からの輻射熱が冷却器に到達することや、磁場形成手段が発する磁力線に沿ってプラズマが冷却器に到達することが抑制され、かくして蒸発源からの輻射熱やプラズマによる冷却器の加熱が抑制され、ひいては冷却器に既に冷却捕捉されている水分の再蒸発が抑制され、それだけ残留水分に起因する酸素及び( 又は) 水素の膜中濃度の低い膜を形成できる。
【００２２】
また、本発明に係る成膜装置によると、次の利点もある。
(1) 磁場形成手段により形成される磁場はプラズマ生成領域に印加されるため、それだけ高密度のプラズマを形成することができ、カソード材料のイオン化率が高く、またカソード材料によってはドロップレットが低減され、それだけ高品質の膜形成が可能である。
(2) 磁場形成手段はカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、アークスポットが蒸発面の中心部に集中せず、蒸発面に全体的に移動し、それだけカソード材料蒸発面の消耗が各部で均一化するため、アーク放電の持続性が向上するとともにカソード材料を交換頻度を減らして長く使用できる( カソード材料の寿命がながくなる) 。
(3) 磁場形成手段はカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、イオン化カソード材料がそれだけ広い範囲にわたり飛翔でき、それによりそれだけ真空容器内の広い範囲に被成膜物品を配置して膜厚均一性良好に生産性よく膜形成できる。
【００２３】
本発明の第１の課題を解決する成膜装置において前記カソード材料を炭素として、被成膜物品上にダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を形成する成膜装置を提供することができ、このＤＬＣ膜を形成する成膜装置においても、コールドトラップ装置により、真空容器内の被成膜物品を水分放出のために加熱することなく、被成膜物品へのＤＬＣ膜形成に先立って真空容器内の残留水分を該コールドトラップ装置の冷却器に十分冷却捕捉することができ、それだけ、水分に起因する酸素及び（又は）水素の膜中濃度の低いＤＬＣ膜を形成できる。
さらに注目すべきことには、被成膜物品へのＤＬＣ膜形成において蒸発源からの輻射熱が冷却器に到達することや、磁場形成手段が発する磁力線に沿ってプラズマが冷却器に到達することを遮断する遮蔽部材が設けてあることで、残留水分に起因する膜中水素濃度の低い硬質なＤＬＣ膜を形成できる。
すなわち、このＤＬＣ膜を形成する成膜装置は本発明に係る第２の課題を解決する成膜装置である。
【００２４】
このＤＬＣ膜を形成する成膜装置においても、
(1) 磁場形成手段により形成される磁場はプラズマ生成領域に印加されるため、それだけ高密度のプラズマを形成することができ、カーボンカソード材料のイオン化率が高く、それだけ高品質のＤＬＣ膜形成が可能である。
(2) 磁場形成手段はカーボンカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、アークスポットが蒸発面の中心部に集中せず、蒸発面に全体的に移動し、それだけカソード材料蒸発面の消耗が各部で均一化するため、アーク放電の持続性が向上するとともにカソード材料を交換頻度を減らして長く使用できる( カソード材料の寿命がながくなる) 。
(3) 磁場形成手段はカーボンカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、イオン化カソード材料がそれだけ広い範囲にわたり飛翔でき、それによりそれだけ真空容器内の広い範囲に被成膜物品を配置して膜厚均一性良好に生産性よくＤＬＣ膜を形成できる。
【００２５】
いずれにしても、前記磁場形成手段により形成される磁力線は、カソード材料蒸発面位置で該蒸発面に立てた法線となす角度が０°以上３０°以下であることが好ましい。
磁力線のカソード材料蒸発面位置で該蒸発面に立てた法線となす角度が３０°を超えてくると、アークスポットのカソード材料蒸発面の外周部への移動が頻繁となり、カソード材料蒸発面が全体的に均一に消耗し難くなってくるので、その角度は３０°以下が好ましい。
【００２６】
また、前記磁場形成手段により形成される磁場の強さについては、カソード材料蒸発面での磁束密度が５０ガウス以上１８００ガウス以下程度が好ましい。
カソード材料蒸発面での磁束密度が５０ガウスを下回ると、高密度のプラズマを形成し難くなってくる。１８００ガウスを上回ってくると、アーク放電の持続性が低下し、それだけ膜形成物品の生産性が低下する。そのため、該磁束密度は５０ガウス以上１８００ガウス以下程度がよい。
いずれにしても、前記磁場形成手段は、永久磁石からなるものでも、電磁コイルからなるものでもよく、これらを組み合わせたものでもよい。
【００２７】
また、いずれにしても、前記コールドトラップ装置としては、冷却器を真空容器内で吸熱する蒸発器とする冷凍回路を提供するもの、冷却器として液体窒素が滴下されるものなど、真空容器内水分を冷却器において冷却捕捉できるものであればよい。冷凍回路の場合、冷媒としては、代替フロン溶媒、ヘリウムなどを例示できる。
【００２８】
前記コールドトラップ装置のより具体例として、前記冷却器が環状冷媒流通管を含んでおり、該環状冷媒流通管を含む冷凍回路を提供するものを挙げることができる。
このようなコールドトラップ装置を採用する場合、前記遮蔽部材は、該遮蔽部材を間にして前記コールドトラップ装置の冷却器のある真空容器内領域と前記被成膜物品支持装置のある真空容器内領域との間を、該環状冷媒流通管の内側領域に臨んで連通させる開口部を有していることが望ましい。
【００２９】
前記遮蔽部材と前記真空容器内壁との間に、該遮蔽部材を間にして前記コールドトラップ装置の冷却器のある真空容器内領域と前記被成膜物品支持装置のある真空容器内領域とを連通させる間隙が残されていてもよい。
遮蔽部材がこのような開口部を有していることで、或いはさらにこのような間隙が残されていることで、真空容器内の全体から円滑に水分を冷却器に冷却捕捉することができ、また、真空容器内の全体から円滑に前記排気装置にて排気できる。
【００３０】
いずれにしても、コールドトラップ装置は前記冷却器に捕捉された水分を加熱蒸発させるために該冷却器を加熱する加熱手段を有していてもよい。
かかる加熱手段としては、冷却器に臨設した電気ヒータ等のヒータでもよいが、前記冷凍回路の冷却器を放熱器に切り換え使用できるヒートポンプ回路でもよい。
【００３１】
コールドトラップ装置は、冷凍回路を提供できるだけでなく、該冷凍回路の前記冷却器を放熱器に切り換え使用できるヒートポンプ回路（例えば、所謂デフロスト回路）も提供可能なヒートポンプ式空気調和回路を提供するものであってもよい。
【００３２】
遮蔽部材は板状のものであってもよく、いずれにしても遮蔽部材の材質としては、減圧下で使用でき、耐熱性の高い金属、例えばステンレス鋼（例えばＪＩＳ  ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス鋼、ＪＩＳ  ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４２０Ｊ２等のマルテンサイト系ステンレス鋼）、熱間加工用合金工具鋼（例えばＳＫＤ６１）等の耐熱鋼、ハステロイ、インコネル等の耐熱合金、モリブデン・タングステン等の高融点金属を挙げることができる。これらのなかでも、磁力線の遮断の確実性の高い磁性金属（コスト面も考慮すると例えば、ステンレス鋼ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＫＤ６１）が好ましい。
遮蔽部材は、耐熱性を高めるために二重構造のものでもよい。
【００３３】
本発明に係る成膜装置は前記アーク式の蒸発源を一つ備えているだけでもよく、２以上備えていてもよい。また、アーク式蒸発源以外の蒸発源を備えていてもよい。
【００３４】
また、前記バイアス印加電源を出力可変のものとし、大きい出力のもとで、膜密着性の向上等の目的でイオンボンバード処理等を施すことも可能である。
成膜に先立って、又は成膜と同時或いは交互等に被成膜物品へイオン照射を行えるイオン源を備えていてもよい。
前記排気装置は、真空容器内で所望の成膜を行えるように該容器内を（例えば１０-3Ｐａ程度まで）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例示できる。
【００３５】
なお、本発明に係る成膜装置においては、成膜処理において真空容器（成膜室）内へ酸素又は水素又はそれらのうちいずれかを含むガス（例えば炭酸ガス、炭化水素ガス）を制御された微量導入可能のガス供給装置を設けること等により、形成される膜中の酸素濃度や水素濃度を微量に制御することも可能である。
【発明の効果】
【００３６】
以上説明したように本発明によると、
カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させる蒸発源と、該蒸発源が連通接続され、内部に被成膜物品支持装置が設けられた真空容器と、該真空容器内を排気減圧する排気装置と、該被成膜物品支持装置を介して該支持装置に支持される被成膜物品に前記イオン化されたカソード材料を引き寄せるバイアスを印加するバイアス印加電源とを含むアーク式イオンプレーティングによる成膜装置であって、真空容器内残留水分に起因する膜中への酸素及び（又は）水素の取り込みを低減してそれだけ高品質の膜を形成できる成膜装置を提供することができる。
【００３７】
また本発明によると、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカーボンカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカーボンカソード材料を含むプラズマを発生させる蒸発源と、該蒸発源が連通接続され、内部に被成膜物品支持装置が設けられた真空容器と、該真空容器内を排気減圧する排気装置と、該被成膜物品支持装置を介して該支持装置に支持される被成膜物品に前記イオン化されたカーボンカソード材料を引き寄せるバイアスを印加するバイアス印加電源とを含むアーク式イオンプレーティングによる成膜装置であって、膜中水素濃度の低い硬質なダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を形成できる成膜装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明に係るアーク式イオンプレーティングによる成膜装置（真空アーク蒸着装置）の１例Ａの概略構成を示す図である。
【００３９】
成膜装置Ａは、左右各一つずつ、合計二つの蒸発源１、各蒸発源に対し設けられた磁場形成装置３００、真空容器２、各蒸発源１と容器２とを接続するダクト３、容器２内に設置された被成膜物品Ｗの支持装置４及び容器内を排気減圧する排気装置７を備えている。      
【００４０】
真空容器２は成膜室として用いられるので、以下の説明では「容器２」は「成膜室２」という。
蒸発源１は、カソード１１、トリガー電極１２、アーク放電用電源１３等を備えている。ダクト３の後部にはカソード装着部３０が形成されており、カソード１１は該装着部３０に絶縁部材１４を介して装着されている。
【００４１】
カソード１１は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。このカソードに対するアノードはここでは接地された成膜室２がこれを兼ねている。なお、アノードについては、例えば図１に鎖線で示すようにダクト３内においてカソード１１の端部を囲むアノードＡＮを設ける等してもよい。
【００４２】
トリガー電極１２はダクト３内においてカソード１１の成膜室２内へ向けられた端面（カソード材料蒸発面）１１１に臨んでおり、図示を省略した往復駆動装置によりカソード材料蒸発面１１１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１２はカソード１１を貫通しているかの如く示されているが、カソード１１を貫通しているのではなく、図１には現れていないカソード周囲の壁体に往復動可能に通されている。
【００４３】
アーク放電用電源１３はカソード１１とアノードとの間にアーク放電用電圧を印加できるように、また、カソード１１とアノード間のアーク放電を誘発するためにカソード１１とトリガー電極１２との間にトリガー用電圧を印加できるように、カソード１１等に配線接続されている。トリガー電極１２はアーク電流が流れないように抵抗１５を介して接地されている。
【００４４】
ダクト３は一方では既述のように絶縁部材１４を介してカソード１１が装着されており、他方では絶縁部材２１を介して成膜室２に接続されている。ダクト３には磁場形成用コイル３１が周設されており、該コイルは出力可変電源３２に接続されている。該電源からコイルへ通電することで、後述する磁場を形成できる。ここでコイル３１及びこれを周設したダクト３の部分及び電源３２等は磁場形成装置３００を構成している。
【００４５】
成膜室２には、排気装置７が接続されており、これにより成膜室２内及びこれに連通する前記ダクト３内を所定圧に減圧維持することができる。
排気装置７は、成膜室２内で所望の成膜を行えるように成膜室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。
成膜室２には、成膜用のガス等を必要に応じて導入するガス導入部２２（例えば蒸発源カソード材料がクロムで窒化クロム膜を形成するときに成膜室２内へ窒素ガスを導入する部分として、また、例えば被成膜物品を膜形成に先立ってグロー放電等で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）も設けられている。
【００４６】
被成膜物品支持装置４は、それには限定されないが、図１に示す例では、室外から電動モータ４０で回転駆動可能の縦軸４１と、これに支持された水平回転台４２と、回転台４２上に立設され、連動機構４３により回転台４２の回転に連動して公転しつつ自転する複数本の被成膜物品支持軸４４を備えたものである。縦軸４１は定位置にあり、従って支持装置４は全体として縦軸４１の上下方向の定位置回転中心軸線のまわりに回転でき、該支持装置４の物品支持軸４４に搭載された物品Ｗのそれそれは、回転台４２の回転により支持軸４４とともに公転しつつ自転する。
【００４７】
回転台４２の中央部にはヒータＨが立設されており、このヒータにより、必要に応じ、支持軸４４上の被成膜物品Ｗを所定の成膜温度へ加熱できる。
また、支持装置４にはバイアス印加電源Ｐ１が接続されている。この出力可変の電源Ｐ１は、支持軸４４に支持される物品Ｗに、イオン化カソード材料を引き寄せる等のために、バイアスを印加する電源である。
【００４８】
磁場形成装置３００についてさらに説明する。
装置３００は、電源３２からコイル３１へ通電することでカソード材料蒸発面１１１前方のプラズマ生成領域に磁場を形成できる。その磁場は、図１及び図３に例示するように、カソード材料蒸発面１１１の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線ｍＬからなり、磁力線ｍＬは、該蒸発面１１１において該蒸発面に立てた法線ｎとなす角度αが０°以上３０°以下である。そして、この磁場は、蒸発面１１１での磁束密度が５０ガウス以上１８００ガウス以下の磁場である。
なお、図１及び図３での磁力線ｍＬは、理解を容易にするため、磁性材料等の影響の無い本来の磁力線の状態で模式的に描いてある。
【００４９】
成膜装置Ａは、上記のほかにも、次に説明するコールドトラップ装置５及び遮蔽部材６を備えている。
コールドトラップ装置はデフロスト機能を備えていることが望ましい。そこで、本例のコールドトラップ装置５は、成膜室２内において天井壁２０１に沿って配置された冷却器５１を含み、該冷却器を蒸発器とする冷凍回路及び該冷却器５１を放熱器として使用するヒートポンプ回路を冷媒流れ方向切り換え弁により切り換えて択一的に提供できる、空気熱源ヒートポンプ式空気調和機乃至空気熱源ヒートポンプ式空気調和回路を提供するものである。このようにして、コールドトラップ装置５はデフロスト機能を備えている。
【００５０】
冷却器５１は、冷媒を流せる板状形態のもの等であってもよいが、ここでは、冷媒流通管を、図２に示すように平面から見ると環状に巻き、且つ、図１に示すように巻き重ねたものであり、圧縮機等を含む室外部分５２に配管接続されている。
【００５１】
遮蔽部材６は、図２にも示すように、中央部に、冷却器５１を構成している環状冷媒流通管の内側に臨む開口部６１を形成した板状部材である。ここでは、耐熱性に優れるステンレス鋼ＳＵＳ３０４で形成されている。
【００５２】
遮蔽部材６はその開口部６１周囲の、天井２０１と平行な水平板部分６２及び開口部６１周縁から上方へ短筒状に立ち上がる部分６３を有しており、さらに、開口部６１の中央で手前から奥側へ渡した縦板部分６４を有している。水平板部分６２の外周縁と成膜室２の側周壁２０２との間にはガスが流通できる隙間ｇが残されている。
【００５３】
この遮蔽部材６は、左右それぞれの蒸発源のカソード材料蒸発面１１１におけるいずれの位置からも冷却器５１の全体は勿論のこと、一部でさえも直線的には見通せないように配置されている。
【００５４】
これを図１を参照して、左側の蒸発源１の蒸発面１１１について説明すると、遮断部材６は、その蒸発面１１１上の任意の位置と冷却器５１上の任意の位置とを結ぶ全ての或いは略全ての直線（例えば蒸発面の最上端位置ａ１を出発点とする直線ｂ１、蒸発面の最下端位置ａ２を出発点とする直線ｂ２、ｂ３、蒸発面の最上下端間の位置ａ３を出発点とする直線ｂ４）を途中で遮断してしまうように配置されている。図１中右側の蒸発源１の蒸発面１１１についても、その蒸発面１１１上の任意の位置と冷却器５１上の任意の位置とを結ぶ全ての或いは略全ての直線を途中で遮断してしまうように配置されている。
【００５５】
また、遮断部材６は、左右それぞれの磁場形成装置３００にて発生し、冷却器５１へ向かう磁力線ｍＬに沿って冷却器５１へ到達しようとするプラズマを遮るように配置されている。さらに言えば、遮蔽部材６は、それが無いとすれば磁場形成装置３００にて発せられる磁力線に沿って冷却器５１へ到達する全て或いは略全てのプラズマを途中で遮断するように配置されている。
【００５６】
なお、遮断部材６の配置等にあたって把握すべき実際の磁力線の状態は、例えば、ガウスメータ等で実際に調べることや、市販の磁力線解析ソフト等を用いることで求めることができる。
コールドトラップ装置５の冷却器５１の位置は天井２０１に沿った部位に限定される必要はなく、成膜に支障の無い範囲で任意の位置に、任意の形状等に設けることができる。冷却器５１の位置によっては、成膜室２壁、物品支持装置４等の一部などを遮蔽部材の一部又は全部として利用することも許される。
【００５７】
以上説明したアーク式イオンプレーティングによる成膜装置（真空アーク蒸着装置）Ａによると、次のようにして被成膜物品Ｗ上にカソード構成材料元素を含む薄膜を形成することができる。
まず、被成膜物品支持装置４の物品支持軸４４に被成膜物品Ｗを搭載する。次いで排気装置７を運転して成膜室２及びダクト３内から排気し、それらを成膜圧力まで減圧する。  さらに成膜開始に先立って装置５を冷凍回路として運転し、成膜室２内の残留水分を冷却器５１に冷却捕捉する。冷却器５１による水分の冷却捕捉は成膜中も続行する。
【００５８】
また、本例では、物品支持軸４４上の被成膜物品Ｗには、膜密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Ｐ１から印加する。
成膜中、物体Ｗは回転台４２をモータ４０で回転させることで、公転させつつ自転させる。また、成膜中は、必要に応じヒータＨで物品Ｗを所定の成膜温度に加熱維持する。
【００５９】
成膜開始にあたっては、少なくとも一方の蒸発源１において、トリガー電極１２をカソード１１の蒸発面１１１に接触させ、引き続き引き離す。これにより電極１２とカソード１１間に火花が発生し、これが引き金となってアノード（成膜室２）とカソード１１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カソード材料が加熱され、カソード材料が蒸発し、さらにカソード１１前方にイオン化カソード材料を含むプラズマが形成され始める。
【００６０】
一方、遅くともプラズマ形成開始のときには、使用している蒸発源１に対応する磁場形成装置３００において、磁場形成コイル３１へ電源３２から通電して磁場が形成されているようにする。すなわち、電源３２からコイル３１へ通電することでカソード材料蒸発面１１１前方のプラズマ生成領域に、収束せず平行進行又は発散する磁力線であって蒸発面１１１において該蒸発面に立てた法線ｎとなす角度αが０°以上３０°以下である磁力線ｍＬからなる、蒸発面１１１での磁束密度が５０ガウス以上１８００ガウス以下の磁場を形成しておく。
【００６１】
かくして、被成膜物品Ｗにカソード材料の構成元素を含む膜が形成される。
この膜形成処理では、
成膜室２内の水分を冷却捕捉するためのコールドトラップ装置５の冷却器５１が成膜室２内に設置されているので、膜形成物品の生産性を著しく低下させることなく、また、成膜室内の被成膜物品Ｗを水分放出のために加熱することなく、被成膜物品Ｗへの膜形成に先立って、さらには膜形成中も、成膜室内の残留水分を冷却器５１に十分冷却捕捉することができ、それだけ、水分に起因する酸素及び( 又は) 水素の膜中濃度の低い膜を形成できる。
【００６２】
さらに注目すべきことに、成膜装置Ａでは、カソード材料蒸発面１１１上のいずれの位置からもコールドトラップ装置５の冷却器５１を見通せなくするとともに磁場形成装置３００が発する磁力線ｍＬに沿ってプラズマが冷却器５１へ達することを遮るための遮蔽部材６が設けられているので、被成膜物品Ｗへの膜形成において、蒸発源１からの輻射熱（主にアークスポット位置から発せられる熱）が冷却器５１に到達することや、磁場形成装置３００が発する磁力線ｍＬに沿ってプラズマが冷却器５１に到達することが抑制され、かくして蒸発源１からの輻射熱やプラズマによる冷却器５１の加熱が抑制され、ひいては冷却器５１に既に冷却捕捉されている水分の再蒸発が抑制され、それだけ残留水分に起因する酸素及び( 又は) 水素の膜中濃度の低い膜を形成できる。
【００６３】
成膜装置Ａには次の利点もある。
(1) 磁場形成装置３００により形成される磁場、すなわち、カソード材料蒸発面１１１の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線にして該蒸発面位置で該蒸発面に立てた法線ｎとなす角度αが０°以上３０°以下である磁力線ｍＬからなり、該蒸発面での磁束密度が５０ガウス以上１８００ガウス以下の磁場のもとで高密度のプラズマを形成することができ、カソード材料のイオン化率が高く、またカソード材料によってはドロップレットが低減され、物品Ｗにそれだけ高品質の膜が形成される。
(2) 磁場形成装置３００はカソード材料蒸発面１１１の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、アークスポットが蒸発面１１１の中心部に集中せず、蒸発面１１１に全体的に移動し、それだけカソード材料蒸発面１１１の消耗が各部で均一化するため、アーク放電の持続性が向上するとともにカソード１１を交換頻度を減らして長く使用できる( カソード材料の寿命がながくなる) 。
(3) 磁場形成装置３００はカソード材料蒸発面１１１の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線にして該蒸発面位置で該蒸発面に立てた法線となす角度が０°以上３０°以下である磁力線ｍＬを発生させるので、イオン化カソード材料が磁力線に沿って広い範囲にわたり、しかし発散しすぎない広い範囲にわたり飛翔し、それだけ成膜室２内の広い範囲に被成膜物品Ｗを配置して膜厚均一性良好に生産性よく膜形成できる。
【００６４】
膜形成後には、コールトトラップ装置５をヒートポンプ回路に切り換えて運転し、冷却器５１を放熱器として動作させることで、そこに吸着された水分を十分蒸発させ、排気装置５に排気させ、次の膜形成に備える。
【００６５】
以上説明した装置Ａでは蒸発源１は二つ設けられているが、一つでもよく、三つ以上であってもよい。
また、被成膜物品支持装置４は、回転台４２上の物品支持軸４４を２本有しているだけであるが、より多数本有していてもよい。
冷却器５１及びこれに対する遮蔽部材６は天井２０１近くに配置されているが、それらの位置は、成膜に支障が無いのであれば、成膜室側壁、底壁等に臨む位置のような他の位置に配置することもできる。
【００６６】
蒸発源１が図１に例示するように二つ以上設けられている場合、それら蒸発源１の動作順序は形成しようとする膜種等に応じて任意に決定できる。また、各蒸発源１におけるカソード１１の材料もその材料を用いた膜形成が可能であれば任意である。
【００６７】
例えば、各蒸発源１におけるカソード１１の材料を炭素として、被成膜物品ＷにＤＬＣ膜を形成することができる。
しかも、磁場形成装置３００の採用により高密度のプラズマを形成することができ、カーボンカソード材料のイオン化率が高く、それだけ高品質のダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を形成でき、また、カソード材料蒸発面の消耗が各部で均一化するため、アーク放電の持続性が向上するとともにカソード材料を交換頻度を減らして長く使用でき、さらに成膜室内の広い範囲に被成膜物品Ｗを配置して膜厚均一性良好に生産性よくＤＬＣ膜を形成できる。しかも、被成膜物品ＷへのＤＬＣ膜形成において蒸発源１からの輻射熱が冷却器５１に到達することや、磁場形成装置３００が発する磁力線に沿ってプラズマが冷却器５１に到達することを遮断する遮蔽部材６を設けてあることで、残留水分に起因する膜中水素濃度の低い硬質なＤＬＣ膜を形成できる。
【００６８】
次に、以下の実施例、比較例について説明する。
(1)図１に示す装置Ａにおいて、各蒸発源１のカソード材料として炭素を採用し、コールドトラップ装置５及び熱遮蔽部材６を用いてリング状の被成膜物品ＷにＤＬＣ膜を形成することを５回実施し、得られた各ＤＬＣ膜について膜中水素濃度を測定した実施例。
(2) 図１に示す装置Ａにおいて、各蒸発源１のカソード材料として炭素を採用し、しかし、コールドトラップ装置５も熱遮蔽部材６も採用しないでリング状の被成膜物品ＷにＤＬＣ膜を形成することを５回実施し、得られた各ＤＬＣ膜について膜中水素濃度を測定した比較例１。
(3) 図１に示す装置Ａにおいて、各蒸発源１のカソード材料として炭素を採用し、コールドトラップ装置５を使用したが、熱遮蔽部材６は採用せずにリング状の被成膜物品ＷにＤＬＣ膜を形成することを５回実施し、得られた各ＤＬＣ膜について膜中水素濃度を測定した比較例２。
【００６９】
実施例、比較例のいずれの膜形成においても、被成膜物品Ｗとして、シリコンウエハを採用した。各シリコンウエハには次のようにしてＤＬＣ膜を形成した。
先ず、実施例、比較例のいずれにおいても、膜形成に先立ったアルゴンガスによるグロー放電処理を行った。すなわち、成膜室２内の物品支持装置４の物品支持軸４４にシリコンウエハを取り付け、室２内を排気装置７で５×１０-3Ｐａまで排気減圧し（但し、実施例及び比較例２ではコールドトラップ装置５を運転して成膜室２内の水分を冷却器５１に冷却捕捉するとともに室２内を５×１０-3Ｐａまで排気減圧し）、次いでガス導入部２３から室内へアルゴンガスを２００ｃｃｍ導入して室内圧力を３Ｐａとし、その状態でバイアス電源Ｐ１からシリコンウエハに−５００Ｖの電圧を１０分間印加し、その間、シリコンウエハと成膜室壁との間にグロー放電を発生させ、シリコンウエハを前処理した。
【００７０】
その後、実施例、比較例のいずれの場合も、カーボンカソード１１にアーク放電を点弧し、シリコンウエハへのＤＬＣの成膜処理を行った。この成膜処理においては、シリコンウエハの温度を略１００℃とし、成膜室２内へアルゴンガスを５０ｃｃｍ導入し、室内圧力を１×１０-1Ｐａに調整し、電源Ｐ１からシリコンウエハに−５０Ｖのバイアスを印加し、磁場発生装置３００に、カソード材料蒸発面１１１において５０ガウスの磁場を発生させ、その状態でカーボンカソード１１にアーク放電を点弧するとともに電源１３の出力の制御によりアーク電流が５０アンペアとなるように調整し、シリコンウエハ上に膜厚１μｍのＤＬＣ膜を形成した。
【００７１】
実施例、比較例の各回の膜形成で得られたＤＬＣ膜の膜中水素濃度は、ＲＢＳ−ＨＦＳ法（Rutherford Back Scattering-Hydrogen Forward Scattering Spectroscopy ) による膜組成の測定結果から算出した。その結果を次の表に示す。
【００７２】
コールドトラ    熱遮蔽部材６  ５回のDLC 膜中水素濃度  ５回の水素濃度平均値      ップ装置５
実施例    使用          使用        0.4atm％〜2.8atm％          1.2 atm ％
比較例１  不採用        不採用      0.6atm％〜10.1atm ％        5.3 atm ％
比較例２  使用          不採用      0.6atm％〜 8.5atm ％        3.5 atm ％
【００７３】
上表に示すように、実施例においては膜中水素濃度が低い値になっているが、比較例１、２では膜中水素濃度が高い膜が確認された。このように、本発明を適用した実施例によれば、膜中水素濃度が低い膜が、再現性よく得られることがわかる。
【００７４】
比較例１では、コールドトラップ装置５を採用しなかったので成膜室２内の残留水分が多くなったため、比較例２では、熱遮蔽部材６を採用しなかったので冷却器５１に一旦捕捉された（吸着された）水分が蒸発源１からの輻射熱や磁力線にそって冷却器５１へ到達したプラズマにより加熱されて再蒸発し、再蒸発した水分の水素が膜中へ取り込まれたために、膜中水素濃度が高くなったと考えられる。
【００７５】
また、コールドトラップ装置５を使用した実施例１および比較例２では、当初に成膜室内圧力を排気装置５で５×１０-3Ｐａまで排気減圧するに要した時間は略３０分であったが、コールドトラップ装置５を採用しなかった比較例１では、当初に成膜室内圧力を排気装置５で５×１０-3Ｐａまで排気減圧するに要した時間は８０分であった。このことから、本発明に係る成膜装置は膜形成物品の生産性の点でも優れていることが分かる。
【００７６】
なお、成膜装置Ａにおいては、例えば、成膜処理において成膜室２内へ酸素又は水素又はそれらのうちいずれかを含むガス（例えば炭酸ガス、炭化水素ガス）を供給できるガス供給装置（図示省略）から所定の微量ガスを導入して、形成される膜中の酸素濃度や水素濃度を微量に制御することも可能である。
【００７７】
成膜に係る各種条件は以上説明したものに限定される必要はなく、減圧排気処理、グロー放電処理、成膜処理等の条件は本発明に係る成膜装置の形状、成膜対象物品の形状、材質及び用途等により適宜調整すればよい。密着性を高めるためのボンバード処理や被成膜物品と膜との間の膜密着性向上等のための中間層の形成などの工程を追加しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、例えば自動車部品、各種機械の部品、各種工具や、自動車部品、機械部品等の成形に用いる金型等の成形用型等の物品に膜形成することに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明に係るアーク式イオンプレーティングによる成膜装置の１例の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１の成膜装置におけるコールドトラップ装置の冷却器、遮蔽部材及び成膜室の相互配置関係を平面から見て示す図である。
【図３】カソード材料蒸発面と磁場形成装置による磁力線との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
Ａ  成膜装置
１  蒸発源
１１  カソード
１１１  カソード材料蒸発面
ｎ  蒸発面に立てた法線
α  磁力線ｍＬが法線ｎとなす角度
１２  トリガー電極
１３  アーク放電用電源
１４  絶縁部材
１５  抵抗
２  真空容器（成膜室）
２０１  室２の天井
２０２  室２の側周壁
２１  絶縁部材
２３  ガス導入部
３  ダクト
３０  カソード装着部
３００  磁場形成装置
３１  磁場形成用コイル
３２  電源
ｍＬ  磁力線
４  被成膜物品支持装置
４１  縦軸
４２  回転台
４３  連動機構
４４  物品支持軸
４０  電動モータ
Ｈ  ヒータ
５  コールドトラップ装置
５１  冷却器
５２  圧縮機等の部分
６  遮蔽部材
６１  開口部
６２  水平板部分
６３  短筒部分
６４  縦板部分
７  排気装置
ＡＮ  アノード
Ｗ  被成膜物品
【図１】
0004985490.tif 000002
【図２】
0004985490.tif 000003
【図３】
0004985490.tif 000004