(57)【要約】【課題】アークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、陰極の利用効率を飛躍的に向上させ、かつ表面平滑性が高く、残留応力が小さい薄膜を形成する。【解決手段】陰極２の外周に配置されたリング状の磁石３と、陰極２の背面に配置されたソレノイドコイル４とを有する磁界形成手段５を備えたアークイオンプレーティング装置用の蒸発源１において、磁界形成手段５は、リング状の磁石３の極性の向きとソレノイドコイル４の極性の向きとが反対となるように構成され、陰極２を構成する物質を蒸発させる蒸発面の中心部から周縁に向かって延びた任意の線分上における磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ（ガウス）以上、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上である磁界を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極の外周に配置されたリング状の磁石と、前記陰極の背面に配置されたソレノイドコイルとを有する磁界形成手段を備えたアークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、
前記磁界形成手段は、リング状の磁石の極性の向きとソレノイドコイルの極性の向きとが反対となるように構成され、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面の中心部から周縁に向かって延びた任意の線分上における磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ（ガウス）以上、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上である磁界を形成することを特徴とするアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項２】
前記陰極は円盤状であり、
前記蒸発面の中心部から周縁に向かって延びた任意の線分を、前記蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分としたことを特徴とする請求項１に記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項３】
前記磁界形成手段は、陰極の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ以上離れた位置に配置された基材上における磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項４】
前記ソレノイドコイルは、前記リング状の磁石と同軸心状となるように配置され、
前記リング状の磁石は、リング状の磁石の径方向における投影面が陰極の径方向における投影面と重なるように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項５】
円盤状の陰極の外周に同軸心状となるように配置されたリング状の磁石と、陰極の背面に配置されたソレノイドコイルとを有する磁界形成手段を備えたアークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、
前記磁界形成手段は、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ（ガウス）以上、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上、その標準偏差が３０以下である磁界を形成することを特徴とするアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項６】
前記磁界形成手段は、陰極の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ以上離れた位置に配置された基材上における磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成することを特徴とする請求項５に記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項７】
前記磁界形成手段は、リング状の磁石の極性の向きとソレノイドコイルの極性の向きとが反対となるように構成され、
前記リング状の磁石は、リング状の磁石の径方向における投影面が陰極の径方向における投影面と重なるように配置され、前記ソレノイドコイルは、リング状でありかつ陰極に対し同軸心状となるように配置されていることを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項８】
前記磁界形成手段は、陰極の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角が２０度以下である磁界を形成することを特徴とする請求項1〜７のいずれかに記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項９】
前記リング状の磁石は、その内径が陰極の直径の２倍以下であることを特徴とする請求項1〜８のいずれかに記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項１０】
前記ソレノイドコイルは、その内径が陰極の直径の０．２倍以上であって、当該ソレノイドコイルに流す電流値とソレノイドコイルの巻き数とを乗じた値が２５００ＡＴ以上であることを特徴とする請求項1〜９のいずれかに記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源を搭載したことを特徴とするアークイオンプレーティング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械部品等の耐摩耗性などの向上のために用いられる、窒化物及び酸化物などのセラミック膜、非晶質炭素膜等の薄膜を形成するアークイオンプレーティング装置用の蒸発源及びアークイオンプレーティング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、耐摩耗性、摺動特性および保護機能向上などの目的で、機械部品、切削工具、摺動部品などの表面に薄膜をコーティングする技術として、アークイオンプレーティング法、スパッタ法などの物理蒸着法が広く用いられている。
特に、アークイオンプレーティング法は、蒸発源の陰極（ターゲット）表面にアークを発生させ、陰極を構成する物質を瞬時に溶解し、イオン化したその物質を処理物である基材の表面に引き込むことで、薄膜を形成することを特徴とする方法である。また、この方法は、成膜された薄膜の密着性がよいと同時に成膜速度が大きく、耐熱性に優れる窒化チタンアルミ（ＴｉＡｌＮ）などの多元素の成膜が可能であるなどの理由から、最近ではドライの表面処理加工技術として広く普及している。
【０００３】
しかし、一般に、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面上の磁束密度が不十分である場合、一つ一つのアークスポットの電流値が大きくなり、陰極からドロップレットと呼ばれる粗大粒子が発生することが知られている。これが基材の表面に形成された薄膜に付着すると、当該薄膜の平滑性を損ねて、機械部品、切削工具、摺動部品等の寿命を縮め、外観の悪化を招く。
一方、陰極の蒸発面上の磁束密度を高くして成膜した場合は、基材の表面平滑性が向上するものの、陰極の蒸発面上の磁束密度が低い場合に比べて、薄膜の残留応力が大きくなる。その結果、形成された薄膜の割れや剥離が生じやすいという問題がある。
【０００４】
さらに、陰極の蒸発面上の磁束密度の分布が適切でない場合は、陰極の蒸発面上でアーク放電自体が起こらないこともある。また、例えアーク放電が安定して起こったとしてもアークスポットの偏りにより陰極の一部が優先的に消耗し、陰極の利用効率を低下させ、その寿命を著しく悪化させるなどの問題がある。
ドロップレットの発生により基材の表面平滑性を損ねるという欠点を解消するために、陰極前面近傍において多極磁界を形成する技術、ドロップレットを真空槽の内壁にトラップさせ基材に到達させない技術、アークソースとスパッタソースを使い分ける技術、及び陰極の蒸発面に対して略垂直な磁力線からなる磁界をプラズマ生成領域に印加する技術が開示されている（特許文献１、３〜５）。
【０００５】
また、陰極の利用効率を低下させるという欠点を解消するために、陰極の蒸発面に対して略垂直な磁力線を陰極の前方で平行進行又は発散させる技術、及び陰極背面の中心及び外周に配置したマグネットと、陰極背面の外周におけるマグネットとほぼ同外径かつ同軸に配置された電磁コイルとを備え、電磁コイルに流す電流値を変化させることで放電領域を制御する技術が開示されている（特許文献２、６）。
さらに、陰極の周囲に配置された永久磁石の極性の向きと、陰極の後方部分に設置された電磁石の極性の向きが同一であり、永久磁石及び電磁石による磁界を重ね合わせ、電磁石に流す電流値を変化させることで、放電領域を制御する技術が開示されている（特許文献７）。
【特許文献１】特開平０８−２８３９３３号公報
【特許文献２】特開平１１−０３６０６３号公報
【特許文献３】特開２００２−０３０４１３号公報
【特許文献４】特開２００３−１９３２２７号公報
【特許文献５】特開２００６−１０４５１２号公報
【特許文献６】特開２００７−０５６３４７号公報
【特許文献７】特表２００４−５２３６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、いずれの先行技術においても薄膜の残留応力を考慮していないため、基材に形成された薄膜の割れや剥離が生じるおそれがある。
一方、特許文献２の技術では、陰極の直径、磁気コイルの内径、陰極の蒸発面上の磁束密度の平均値及び標準偏差等が開示されていない。また、特許文献６の技術では、陰極の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差や、電磁コイルに流す可変電流値及びそれに対応する磁束密度等が明確に開示されていない。そのため、実際の装置への適用が難しく、陰極の利用効率を飛躍的に向上させることは困難であると考えられる。
【０００７】
さらに、特許文献７の技術では、永久磁石のみによる磁界と電磁石のみによる磁界とを、永久磁石及び電磁石の極性の向きが同一となるように重ね合わせている（特許文献７に記載された比較技術（以下単に「比較技術」という）における重ね合わせた磁界の性状を図５に示す）。
その結果、図５（ａ）の矢印Ｃ及び（ｂ）の矢印Ｄに示すように、陰極近傍におけるそれぞれの磁力線が互いに反発し打ち消し合うため、重ね合わせた磁力線の向きが陰極の蒸発面と平行になる（図５（ｃ）に示す）と同時に、陰極の蒸発面上における磁束密度は非常に小さくなる。したがって、陰極の蒸発面上の磁束密度が不十分となり、陰極からドロップレットが大量に発生するため、基材の表面に形成された薄膜の平滑性を損ねる。
【０００８】
また、図５（ａ）の矢印Ｃ’及び（ｂ）の矢印Ｄ’に示すように、永久磁石及び電磁石の極性の向きを同一とする構成では、陰極２及び基材８間における同一方向に向いたそれぞれの磁力線がつながる。そして、図５（ｃ）が示すように、つながることで互いに強められた磁力線は遠く基材近傍まで延びるため、基材近傍における磁束密度が上昇する。
したがって、薄膜の残留応力が大きくなり、形成された薄膜の割れや剥離が生じやすくなる。
かかる問題に鑑み、本発明は、アークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、陰極の利用効率を飛躍的に向上させ、かつ基材の表面平滑性が高く、残留応力が小さい薄膜を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明は、以下の技術的手段を採用した。
本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源は、陰極の外周に配置されたリング状の磁石と、前記陰極の背面に配置されたソレノイドコイルとを有する磁界形成手段を備えたアークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、前記磁界形成手段は、リング状の磁石の極性の向きとソレノイドコイルの極性の向きとが反対となるように構成され、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面の中心部から周縁に向かって延びた任意の線分上における磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ（ガウス）以上、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上である磁界を形成することを特徴とする。
【００１０】
これにより、陰極の蒸発面上の磁束密度を非常に大きい値に保ちつつ、陰極の蒸発面上の磁束密度の分布を略均一にすることができ、陰極の蒸発面に対して垂直な磁力線を持つ磁界を発生させることで、アークスポットの動きをランダムにすることが可能となる。ゆえに、陰極の片減り等を防止でき利用効率を飛躍的に向上させると共に、薄膜形成後の基材の表面平滑性を高めることが可能となる。
さらに、基材近傍まで磁力線が届くことはほとんどなく、基材上における磁束密度を低く抑えることができるため、薄膜の残留応力が小さくなり、形成された薄膜の割れや剥離の発生が抑えられる。
【００１１】
また、前記陰極は円盤状であり、前記蒸発面の中心部から周縁に向かって延びた任意の線分を、前記蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分としてもよい。
好ましくは、前記磁界形成手段は、陰極の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ以上離れた位置に配置された基材上における磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成することを特徴とする。
これにより、基材の表面に薄膜を形成する際のイオン化した陰極を構成する物質の速度（運動量）を適正なものとできる。そのため、薄膜形成後の基材の表面平滑性をさらに高めることができると共に、残留応力が非常に小さい薄膜を形成することが可能となる。
【００１２】
さらに好ましくは、前記ソレノイドコイルは、前記リング状の磁石と同軸心状となるように配置され、前記リング状の磁石は、リング状の磁石の径方向における投影面が陰極の径方向における投影面と重なるように配置されていることを特徴とする。
このように、陰極の外周部で磁束密度が高く陰極の中心部で磁束密度が低い磁界を発生させるリング状の磁石、及び陰極の外周部で磁束密度が低く陰極の中心部で磁束密度が高い磁界を発生させるソレノイドコイルを配置し、リング状の磁石及びソレノイドコイルによって発生される磁界を重ね合わせることで、陰極の蒸発面に対し磁力線の向きが垂直で且つ陰極の蒸発面上における磁束密度を非常に大きい値で均一化することができる。
【００１３】
また、円盤状の陰極の外周に同軸心状となるように配置されたリング状の磁石と、陰極の背面に配置されたソレノイドコイルとを有する磁界形成手段を備えたアークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、前記磁界形成手段は、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ（ガウス）以上、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上、その標準偏差が３０以下である磁界を形成することを特徴とする。
これにより、陰極の蒸発面上の磁束密度を適正な値に設定できると共に、陰極の蒸発面上の磁束密度の分布を略均一にすることができ、アークスポットの動きをランダムにすることが可能となる。ゆえに、陰極の片減り等を防止でき利用効率を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００１４】
好ましくは、前記磁界形成手段は、陰極の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ以上離れた位置に配置された基材上における磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成することを特徴とする。
これにより、基材の表面に薄膜を形成する際のイオン化した陰極を構成する物質の速度（運動量）を適正なものとできる。そのため、薄膜形成後の基材の表面平滑性を高めることができると共に、残留応力が小さい薄膜を形成することが可能となる。
さらに好ましくは、前記磁界形成手段は、リング状の磁石の極性の向きとソレノイドコイルの極性の向きとが反対となるように構成され、前記リング状の磁石は、リング状の磁石の径方向における投影面が陰極の径方向における投影面と重なるように配置され、前記ソレノイドコイルは、リング状でありかつ陰極に対し同軸心状となるように配置されていることを特徴とする。
【００１５】
このように、陰極の外周部で磁束密度が高く陰極の中心部で磁束密度が低い磁界を発生させるリング状の磁石、及び陰極の外周部で磁束密度が低く陰極の中心部で磁束密度が高い磁界を発生させるソレノイドコイルを配置し、リング状の磁石及びソレノイドコイルによって発生される磁界を重ね合わせることで、陰極の蒸発面上において均一な磁界を形成できる。
また、前記磁界形成手段は、陰極の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角が２０度以下である磁界を形成することとしてもよい。
【００１６】
これにより、陰極の利用効率を飛躍的に向上させ、かつ基材の表面平滑性が高く、残留応力が小さい薄膜を形成することができる。
以上述べた技術的手段を実現するために、前記リング状の磁石は、その内径が陰極の直径の２倍以下とすることが非常に好ましい。
また、前記ソレノイドコイルは、その内径が陰極の直径の０．２倍以上であって、当該ソレノイドコイルに流す電流値とソレノイドコイルの巻き数とを乗じた値が２５００ＡＴ以上とすることも非常に好ましい。
【００１７】
本発明に係るアークイオンプレーティング装置は、上述したアークイオンプレーティング装置用の蒸発源を搭載したことを特徴とする。
このアークイオンプレーティング装置を用いることで、陰極の蒸発面上の磁束密度を適正化し、その分布を均一化することができ、陰極の利用効率を飛躍的に向上させることが可能となる。さらに、基材の表面に薄膜を形成する際のイオン化した陰極を構成する物質の速度（運動量）を適正化することも可能となり、薄膜形成後の基材の表面平滑性を高め、残留応力が小さい薄膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源、またはアークイオンプレーティング装置を用いることで、陰極の利用効率を飛躍的に向上させ、かつ基材の表面平滑性が高く、残留応力が小さい薄膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。
図２には、本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源１（以下、蒸発源１）が備えられたアークイオンプレーティング装置６が示されている。
アークイオンプレーティング装置６は、真空チャンバ７を備え、真空チャンバ７内には処理物である基材８を支持する回転台１０と、基材８に向けて取り付けられた蒸発源１が配備されている。真空チャンバ７には、当該真空チャンバ７内へ反応ガスを導入するガス導入口１１と、真空チャンバ７内から反応ガスを排出するガス排気口１２とが設けられている。
【００２０】
加えて、アークイオンプレーティング装置６は、陰極２に負のバイアスをかける第１バイアス電源１３と、基材８に負のバイアスをかける第２バイアス電源１４とが設けられ、両バイアス電源１３、１４の正側はアース１５に接続されている。
図１に示すように、蒸発源１は、円盤状の陰極２と、陰極２の近傍に配備された磁界形成手段５と、陰極２の外周部でリング状の磁石３よりも基材８寄りに配置されたアノード９とを有している。なお、アノード９はアース１５に接続されている。
陰極２は、基材８上に形成しようとする薄膜に応じて選択された材料（例えば、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、チタンアルミ（ＴｉＡｌ）、タングステン（Ｗ）又は炭素（Ｃ）など）で構成されている。
【００２１】
磁界形成手段５は、陰極２の外周に同軸心状となるように配置されたリング状の磁石３と、陰極２の背面に同軸状となるように配置されたリング状のソレノイドコイル４とを有している。また、磁界形成手段５は、リング状の磁石３の極性の向きとソレノイドコイル４の極性の向きとが反対となるようにリング状の磁石３及びソレノイドコイル４が配置されている。
リング状の磁石３は、その磁化方向が陰極２を構成する物質の蒸発面に対して垂直になるように、かつリング状の磁石３の径方向における投影面が陰極２の径方向における投影面と重なるように配置されている。リング状の磁石３は、ネオジ磁石又はサマリウム−コバルト磁石等により形成された永久磁石である。また、リング状の磁石３の内径ａが大きくなるとリング状の磁石３の体積が増えリング状の磁石３自体の表面磁束密度は高くなるが、陰極２との間隔が広がると陰極２の蒸発面上の磁束密度が十分ではなくなる。そのため、リング状の磁石３の内径ａは、陰極２の直径ｂ以上かつ陰極２の直径ｂの２倍以下に設定されている。
【００２２】
なお、リング状の磁石３は、陰極２の外周に同軸心状となるように配置され、リング状の磁石３の径方向における投影面が陰極２の径方向における投影面と重なるため、リング状の磁石３の内径ａが陰極２の直径ｂよりも小さくなることはない。
ソレノイドコイル４は、導線をらせん状に巻いたリング状のコイルであり、その内径ｃが陰極２の直径ｂの０．２倍（５分の１）以上１．５倍以下に設定することで、陰極２の蒸発面上における磁束密度は均一となる。なお、好ましくは陰極２の直径ｂの３分の１以上１．５倍以下、さらに好ましくは陰極２の直径ｂ以上かつ陰極２の直径ｂの１．５倍以下である。
【００２３】
また、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnが２５００ＡＴ以上１００００ＡＴ以下に設定されている。なお、好ましくは３５００ＡＴ以上１００００ＡＴ以下、さらに好ましくは５０００ＡＴ以上１００００ＡＴ以下である。
磁界形成手段５が上述した構成であるため、陰極２の外周部のリング状の磁石３によって形成される磁界と、陰極２の背面のソレノイドコイル４によって形成される磁界の組み合わせにより、陰極２の蒸発面上の磁束密度のムラを減らし、かつ強い磁界を形成して陰極２の蒸発面全面で均一にアーク放電、アークの分裂を生じさせることができる。
【００２４】
また、リング状の磁石３を陰極２の背面に設置した場合、陰極２の蒸発面上の磁束密度の低下、蒸発面の法線と磁力線とのなす角が大きくなることによるアーク放電の偏りを招き、リング状の磁石３を陰極２の前面に設置した場合、後述する基材８付近の磁界が強くなることによる薄膜の残留応力の増大を招くため、リング状の磁石３は、その径方向における投影面が陰極２の径方向における投影面と重なるように配置されている。
上述した構成や条件を満たす磁界形成手段５を用いることで、陰極２の蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ以上６００Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成でき、磁束密度の上昇によりアークの分裂が起こりドロップレットが低減するため、基材８上の薄膜の表面平滑性が高くなる。なお、前記磁束密度の最小値は、好ましくは１３０Ｇａｕｓｓ以上６００Ｇａｕｓｓ以下、さらに好ましくは３５０Ｇａｕｓｓ以上６００Ｇａｕｓｓ以下である。
【００２５】
さらに、陰極２の蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上７００Ｇａｕｓｓ以下、その標準偏差が３０以下である磁界を形成することで、陰極２の蒸発面全面でアーク放電が起こり陰極２の利用効率が向上する。
また、陰極２の蒸発面上で発生した電子は、基材８付近の磁束密度が高すぎる場合にはアノード９に入射せず真空チャンバ７内の反応ガスに衝突することで、反応ガスのイオン化を引き起こし、反応ガスのイオンが基材８上の薄膜に衝突する。そのため、反応ガスのイオンが基材８上の薄膜を構成する原子を押しのけて潜り込み、さらにその上から薄膜が形成されることで規則的な原子配列に欠陥が生じ、残留応力が増加する。
【００２６】
そこで、基板８上における磁束密度を下げるために、陰極２の蒸発面から基材８までの直線距離を１５０ｍｍ以上とし、基材８上における磁束密度の最大値が０Ｇａｕｓｓ以上５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成することで、基材８付近の磁束密度を適正なものとし、残留応力が小さい薄膜を形成することができる。なお、前記磁束密度の最大値は、好ましくは０Ｇａｕｓｓ以上４Ｇａｕｓｓ以下、さらに好ましくは０Ｇａｕｓｓ以上３Ｇａｕｓｓ以下である。
ただし、陰極２の蒸発面と基材８とがあまりに離れすぎるとプラズマ化した陰極２を構成する物質が基材８に到達しないため、陰極２の蒸発面から基材８までの距離は３００ｍｍ以下とする。
【００２７】
次に、本発明に係るアークイオンプレーティング装置６を用いた成膜の方法を説明する。
まず真空チャンバ７を真空引きにより真空にした後、アルゴンガス（Ａｒ）等をガス導入口１１より導入する。そして、陰極２及び基材８上の酸化物等の不純物をスパッタすることにより除去し、真空チャンバ７内を再び真空にした後、反応ガスをガス導入口１１より真空チャンバ７内に導入する。この状態で真空チャンバ７に設置された陰極２上でアーク放電を発生させることにより陰極２を構成する物質をプラズマ化し反応ガスと反応させることで、回転台１０に置かれた基材８上に窒化膜、酸化膜、或いは非晶質炭素膜を成膜する。
【００２８】
なお、反応ガスとしては窒素ガス（Ｎ2）、酸素ガス（Ｏ2）、メタン(ＣＨ4）などの炭化水素ガスを用途に合わせて選択すればよく、真空チャンバ７内の反応ガスの圧力は１〜７Ｐａ程度とする。また、成膜時、陰極２には１０〜３０Ｖの負電圧を第１バイアス電源１３により印加し、基材８には１０〜５００Ｖの負電圧を第２バイアス電源１４により印加している。
【実施例１】
【００２９】
本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源１を用いた実施例１について説明する。
陰極２は、その直径ｂを１００ｍｍとし、その厚さを１６ｍｍとしている。また、チタン（Ｔｉ）とアルミ（Ａｌ）の比率が１：１のチタンアルミ（ＴｉＡｌ）により形成されている。さらに、陰極２は、第１バイアス電源１３を用いて２０Ｖの負電圧が印加されている。
リング状の磁石３は、その内径ａが１５０ｍｍであり、その体積は１６πｃｍ3である。また、リング状の磁石３は、ネオジ磁石により形成され、その保磁力は１８００ｋＡ／ｍであり、その表面磁束密度は１２．４ｋＧａｕｓｓである。
【００３０】
測定例１〜７は、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを一定値の２５００ＡＴ（５００回巻いた導線に５Ａの電流を流している）とし、ソレノイドコイル４の内径ｃを１５、２０、５０、１００、１２５、１５０、１７５ｍｍとしている。また、測定例１、７を比較用の測定例とし、測定例２〜６を本発明に係る測定例としている。（測定例７は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ以上、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上、その標準偏差が３０以下であるが、基材８上の磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓより大きく、残留応力の評価が不合格となるため、本実施例では測定例７を比較用の測定例とした。）
測定例８〜１４は、ソレノイドコイル４の内径ｃを一定値の１００ｍｍとし、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを５００、１５００、３５００、５０００、７５００、１００００、１２５００ＡＴとしている。また、測定例８、９、１４を比較用の測定例とし、測定例１０〜１３を本発明に係る測定例としている。
【００３１】
また、測定例１５は、リング状の磁石３を有さない従来技術の測定例であり、測定例１６は、ソレノイドコイル４を有さない従来技術の測定例である。
測定例１〜１６の蒸発源１を真空チャンバ７に設置し、基材８に３０Ｖの負電圧を印加し、反応ガスとして窒素（Ｎ2）を選択したアークイオンプレーティング装置６を用いて窒化チタンアルミ（ＴｉＡｌＮ）膜の成膜を行った。なお、反応ガスの圧力は６Ｐａ、成膜時間は２時間とした。
表１は、実施例１における測定例１〜１６の陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差と、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率の結果である。
【００３２】
【表１】
2009144236.tif 000003
【００３３】
なお、陰極２の蒸発面上の磁束密度、及び陰極２の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ離れた位置に配置された基材８上における磁束密度の最大値は、有限要素法の磁界解析ソフトを用いたシミュレーションにより明らかとした。また、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値及び平均値については、上述したシミュレーションにより陰極２の蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分方向に５０分割した各点の磁束密度を測定し算出している。さらに、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差は、上述した各点での磁束密度を測定し、式（１）によって算出している。
【００３４】
【数１】
2009144236.tif 000004
【００３５】
また、基材８上の磁束密度は陰極２の蒸発面から基材８までの直線距離の２乗に反比例する。よって、陰極２の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍよりも遠く離れた位置における磁束密度は、陰極２の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ離れた位置に配置された基材８上における磁束密度の最大値よりも小さくなる。
次に、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率の評価について説明する。
薄膜の表面粗さ測定について、探針型の表面粗さ計を用いて、測定長さ１０ｍｍとしたときの算術平均粗さ（Ｒａ）を任意の５点で測定し、その平均値で評価を行った。自動車用機械部品の摺動特性を鑑みたとき、算術平均粗さは０．１μm以下であることが望ましいため、０．１μm以下で合格とした。
【００３６】
薄膜の残留応力については、厚さ１ｍｍのシリコン（Ｓｉ）ウエハ上に上述した条件で成膜を行い、基材８のたわみの曲率半径を光てこを利用して測定し、式（２）に示すＳｔｏｎｅｙの式により薄膜の残留応力を計算した。薄膜の残留応力については、切削工具用の硬質皮膜の剥離を想定して２．０ＧＰａ以下で合格とした。
【００３７】
【数２】
2009144236.tif 000005
【００３８】
また陰極２の利用効率は、式（３）に示す公式により算出した。即ち、陰極２上の任意の位置における陰極２の厚みが３ｍｍとなったときに使用を止め、当該使用済の陰極２にもとの陰極２の体積と同じになるように水を張り、その水の体積をもとの陰極２の体積で割ることにより使用効率を算出した。例えば後述の実施例１３に記載した従来技術では、陰極２の使用効率は３０％未満となっているが、経済上の理由からその１．５倍あればコストダウンが期待できるため、４５％以上で合格とした。
【００３９】
【数３】
2009144236.tif 000006
【００４０】
まず、各測定例における磁界について考察する。
測定例１、８及び９は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ未満、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ未満、その標準偏差が３０より大きい、又は基材８上の磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓより大きい磁界を形成している。また、ソレノイドコイル４の内径ｃが２０ｍｍ未満、又はソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnが２５００ＡＴ未満である。さらに、測定例１、８及び９は、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率のうち少なくとも１つの評価が不合格である。
【００４１】
測定例７及び１４は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が６００Ｇａｕｓｓ以下より大きい、その平均値が７００Ｇａｕｓｓより大きい、その標準偏差が３０より大きい、又は基材８上の磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓより大きい磁界を形成している。また、ソレノイドコイル４の内径ｃが１５０ｍｍより大きい、又はソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnが１００００ＡＴより大きい。さらに、測定例７及び１４は、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率のうち少なくとも１つの評価が不合格である。
【００４２】
ここで、測定例１、７と測定例２〜６とを、及び測定例８、９、１４と測定例１０〜１３とを比較すると、測定例２〜６及び１０〜１３は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ以上６００Ｇａｕｓｓ以下、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上７００Ｇａｕｓｓ以下、その標準偏差が３０以下、基材８上の磁束密度の最大値が０Ｇａｕｓｓ以上５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成しており、このような磁界を形成できれば、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率の評価すべてが合格となることがわかった。また、リング状の磁石３の内径ａが１５０ｍｍの場合において、測定例２〜６及び１０〜１３のような磁界を形成するためには、ソレノイドコイル４の内径ｃは２０ｍｍ（陰極２の直径ｂの０．２倍）以上１５０ｍｍ（陰極２の直径ｂの１．５倍）以下、かつソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnは２５００ＡＴ以上１００００ＡＴ以下であることが必要である。なお、測定例１５及び１６より、リング状の磁石３又はソレノイドコイル４のいずれかを有さない場合にも測定例２〜６及び１０〜１３のような磁界を形成することはできない。
【００４３】
次に、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率について考察する。
まず、表面粗さについて測定例１〜１６を比較すると、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値及び平均値の増加に伴い、薄膜の表面粗さの値が減少していることが分かった。これは、上述したように陰極２の蒸発面上に強い磁界を形成することでアークスポットの分裂を促し、ドロップレットを低減できたためと考えられる。なお、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを増加させるに従って、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値及び平均値が増加する傾向にある。
【００４４】
また、残留応力について測定例１〜１６を比較すると、陰極２の蒸発面から１５０ｍｍ離れた基材８上の磁束密度の最大値を下げることで、薄膜の残留応力が低減する傾向にあることが分かった。これは、上述したように基材８近傍における磁束密度を下げることで、Ｎ3+イオンの生成を効率よく低減することができたためと考えられる。
なお、基材８上の磁束密度の最大値について、測定例１〜７を比較すると、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを一定値の２５００ＡＴとし、ソレノイドコイル４の内径ｃを変化させた場合、その内径ｃが２０ｍｍのときに、１５０ｍｍ離れた基材８上の磁束密度の最大値が最も小さくなった。また、測定例８〜１４を比較すると、ソレノイドコイル４の内径ｃを一定値の１００ｍｍとし、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを変化させた場合、その値Ｉnが５０００ＡＴのときに、１５０ｍｍ離れた基材８上の磁束密度の最大値が最も小さくなった。これは、ソレノイドコイル４の内径ｃ、及びソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを最適化することで、リング状の磁石３の磁力線を効率よくソレノイドコイル４側に曲げることができるためと考えられる。
【００４５】
さらに、利用効率について測定例１〜１６を比較すると、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差の減少に伴って、陰極２の利用効率が向上する傾向にあることが分かった。これは、上述したように陰極２の蒸発面上における均一な放電によるものと考えられる。
なお、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差について、測定例８〜１６を比較すると、ソレノイドコイル４の内径ｃを一定値の１００ｍｍとし、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを変化させた場合、その値Ｉnが５０００ＡＴのときに、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差が最も小さくなった。これは、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを最適化した条件下において、リング状の磁石３による陰極２の外周部で磁束密度が高く陰極２の中心部で磁束密度が低い磁界と、ソレノイドコイル４による陰極２の外周部で磁束密度が低く陰極２の中心部で磁束密度が高い磁界とを重ね合わせることで、陰極２の蒸発面上における磁束密度の分布がフラットになるためと考えられる。
【００４６】
つまり、図３（ａ）に示すように本発明においては、リング状の磁石３のみによる磁界性状は、陰極２の外周部で磁束密度が高く、陰極２の中心部で磁束密度が低い。また、ソレノイドコイル４のみによる磁界性状は、リング状の磁石３及びソレノイドコイル４の極性の向きが反対となるように重ね合わせているため、磁束密度が正の領域内において、陰極２の外周部で磁束密度が低く陰極２の中心部で磁束密度が高くなっている。よって、これらの重ね合わせた際の磁界性状は、磁束密度が正の高い値を保ったままの状態で、陰極２の蒸発面上における磁束密度の分布がほぼフラットになる。
【００４７】
一方、図３（ｂ）に示すように比較技術においては、永久磁石のみによる磁界性状は、本発明と同様に、陰極２の外周部で磁束密度が高く、陰極２の中心部で磁束密度が低い。しかし、電磁石のみによる磁界性状は、永久磁石及び電磁石の極性の向きが同一となるように重ね合わせているため、磁束密度が負の領域内において、陰極２の外周部で磁束密度が低く陰極２の中心部で磁束密度が高くなる。よって、これらの重ね合わせた際の磁界性状は、磁束密度がほぼ０の状態で、陰極２の蒸発面上における磁束密度の分布がほぼフラットになる。
【００４８】
したがって、リング状の磁石３及びソレノイドコイル４の極性の向きを反対とする本発明の構成は、陰極２の蒸発面上における磁束密度を、永久磁石及び電磁石の極性の向きを同一とする比較技術の構成よりも非常に大きい値で均一化することができる。
これによって、陰極２からのドロップレットの発生が大幅に抑制され、基材８上の薄膜の表面平滑性を非常に高めることができる。
また、本発明では、リング状の磁石３のみによる磁界とソレノイドコイル４のみによる磁界とを、リング状の磁石３及びソレノイドコイル４の極性の向きが反対となるように重ね合わせている（本発明における重ね合わせた磁界の性状を図４に示す）。
【００４９】
その結果、図４（ａ）の矢印Ａ及び（ｂ）の矢印Ｂに示すように、陰極２近傍における同一方向（陰極２の蒸発面に対して垂直な方向）に向いたそれぞれの磁力線がつながるため、重ね合わせることで互いに強められた磁力線の向きは、陰極２の蒸発面と垂直になる（図４（ｃ）に示す）。
これによって、アットランダムにアークスポットが発生するため、アークスポットの偏りがなくなり陰極の利用効率を大幅に向上させることができる。
また、陰極の蒸発面上における磁束密度は大きくなるため、陰極２からのドロップレットの発生が抑制される。
【００５０】
さらに、図４（ａ）の矢印Ａ’及び（ｂ）の矢印Ｂ’に示すように、陰極２及び基材８間におけるそれぞれの磁力線は、互いに反発し打ち消し合う。よって、図４（ｃ）が示すように、基材８近傍まで磁力線はほとんど届かず、基材８上における磁束密度を低く抑えることができる。
したがって、リング状の磁石３及びソレノイドコイル４の極性の向きを反対とする本発明の構成は、基材８上における磁束密度を、永久磁石及び電磁石の極性の向きを同一とする比較技術の構成よりも大幅に低減させることができる。
【００５１】
これによって、薄膜の残留応力が小さくなり、形成された薄膜の割れや剥離の発生が抑えられる。
なお、上述した実施例１の条件について、詳しくは、陰極２及びアノード９間に流すアーク電流の値を１５０Ａ、基材温度を５００℃、陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を４ｍｍとしている。
【実施例２】
【００５２】
本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源１を用いたその他の実施例について説明する。
実施例２は、リング状の磁石３の内径ａを変更した場合である。測定例１７は、リング状の磁石３の内径ａを２００ｍｍとしている。測定例１８は、リング状の磁石３の内径ａを２５０ｍｍとしている。また、測定例１７を本発明に係る測定例とし、測定例１８を比較用の測定例としている。
なお、その他の条件は、陰極２の直径ｂを１００ｍｍ、ソレノイドコイル４の内径ｃを１００ｍｍ、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを５０００ＡＴとしている。
【００５３】
表２は、実施例２における測定例１７、１８の陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差と、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率の結果である。なお、表２は、参考として実施例１における測定例１１の結果も含む。
【００５４】
【表２】
2009144236.tif 000007
【００５５】
まず、各測定例における磁界について考察する。
測定例１８は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が６００Ｇａｕｓｓより大きい、その平均値が７００Ｇａｕｓｓより大きい、その標準偏差が３０より大きい、又は基材８上の磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓより大きい磁界を形成している。また、リング状の磁石３の内径ａが２００ｍｍより大きい。さらに、測定例１８は、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率のうち少なくとも１つの評価が不合格である。
ここで、測定例１８と測定例１１、１７とを比較すると、測定例１１、１７は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ以上６００Ｇａｕｓｓ以下、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上７００Ｇａｕｓｓ以下、その標準偏差が３０以下、基材８上の磁束密度の最大値が０Ｇａｕｓｓ以上５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成しており、このような磁界を形成すれば、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率の評価すべてが合格となることがわかった。また、ソレノイドコイル４の内径ｃが１００ｍｍ、かつソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnが５０００ＡＴの場合において、測定例１１、１７のような磁界を形成するためには、リング状の磁石３の内径ａは、１００ｍｍ（陰極２の直径ｂ）以上かつ２００ｍｍ（陰極２の直径ｂの２倍）以下であることが必要である。
【００５６】
次に、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率について考察する。
陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値及び平均値の増加に伴い表面粗さの値が減少している。また、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差の減少に伴い陰極２の利用効率が向上する傾向にある。さらに、陰極２の蒸発面から１５０ｍｍ離れた基材８上の磁束密度の最大値を下げることで、薄膜の残留応力が低減する傾向にある。
【実施例３】
【００５７】
実施例３は、陰極２を構成する物質と反応ガスとを変更した場合である。測定例１９は、陰極２を構成する物質をクロム（Ｃｒ）とし、反応ガスを窒素ガス（Ｎ2）としている。測定例２０は、陰極２を構成する物質をチタン（Ｔｉ）とし、反応ガスを窒素ガス（Ｎ2）としている。測定例２１は、陰極２を構成する物質を炭素（Ｃ）とし、反応ガスは用いていない。
なお、最適条件とは、実施例１における測定例１１と同様に、陰極２の直径ｂを１００ｍｍ、リング状の磁石３の内径ａを１５０ｍｍ、ソレノイドコイル４の内径ｃを１００ｍｍ、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnが５０００ＡＴの蒸発源１を用いた場合である。また、従来技術とは、実施例１における測定例１５と同様に、リング状の磁石３を有さない蒸発源１を用いた場合である。
【００５８】
表３は、実施例３における測定例１９〜２１の陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差と、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率の結果である。なお、表３は、参考として実施例１における測定例１１、１５の結果も含む。
【００５９】
【表３】
2009144236.tif 000008
【００６０】
表３より、陰極２を構成する物質と反応ガスを変更した場合でも、本発明によれば良好な薄膜が形成できることが分かった。
なお、上述した実施例３の最適条件について、詳しくは、ソレノイドコイル４の外径を１６０ｍｍ、ソレノイドコイル４の巻き数を５００回としている。
【実施例４】
【００６１】
実施例４は、ソレノイドコイル４に流す電流値、陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離、及び陰極２を構成する物質等を変更した場合である。
測定例２２〜２４は、ソレノイドコイル４に流す電流値を３、５、６Ａとすることによってソレノイドコイル４及びリング状の磁石３の極性の向きを反対にし、陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を１４、３８、４８ｍｍとしている。
測定例２５〜２７は、ソレノイドコイル４に流す電流値を−３、−５、−６Ａとすることによってソレノイドコイル４及びリング状の磁石３の極性の向きを同一にし、陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を１４、３８、４８ｍｍとしている。
【００６２】
また、測定例２８及び２９においては、ソレノイドコイル４に流す電流値、及び陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を、測定例２３のおける値と同一としているものの、陰極２を構成する物質を変更している。測定例２８は、陰極２を構成する物質をクロム（Ｃｒ）としている。測定例２９は、陰極２を構成する物質をチタン（Ｔｉ）としている。
さらに、測定例３０においては、ソレノイドコイル４の代わりに、直径１０ｍｍ、厚さ４ｍｍである円盤形のネオジ磁石を、陰極２の背面に同軸状となるように配置している。また、陰極２の背面とネオジ磁石の前面との間の距離を４ｍｍとしている。
【００６３】
なお、測定例２２〜２４、２８及び２９を本発明に係る測定例とし、測定例２５〜２７及び３０を比較用の測定例としている。
また、その他の条件は、反応ガスである窒素（Ｎ2）の圧力を４Ｐａ、基材温度を５５０℃、ソレノイドコイル４の内径ｃを１００ｍｍ、ソレノイドコイル４の外径を２００ｍｍ、ソレノイドコイル４の巻き数を１１４１回としている。
表４は、実施例４における測定例２２〜３０の陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差と、陰極の蒸発面上の任意の点における法線と任意の点を通る磁力線とのなす角と、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率の結果である。
【００６４】
【表４】
2009144236.tif 000009
【００６５】
まず、各測定例における磁界について考察する。
測定例２５〜２７は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が６００Ｇａｕｓｓより大きい、その平均値が７００Ｇａｕｓｓより大きい、又は基材８上の磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓより大きい磁界を形成している。また、測定例３０は、基材８上の磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓより大きい磁界を形成している。さらに、測定例２５〜２７及び３０は、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率のうち少なくとも１つの評価が不合格である。
【００６６】
ここで、測定例２５〜２７及び３０と測定例２２〜２４、２８及び２９とを比較すると、測定例２２〜２４、２８及び２９は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ以上６００Ｇａｕｓｓ以下、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上７００Ｇａｕｓｓ以下、その標準偏差が３０以下、かつ基材８上の磁束密度の最大値が０Ｇａｕｓｓ以上５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成しており、このような磁界を形成すれば、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率の評価すべてが合格となることがわかった。
なお、測定例２２〜２４、２８及び２９では、リング状の磁石３の内径ａが１００ｍｍ（陰極２の直径ｂ）以上かつ２００ｍｍ（陰極２の直径ｂの２倍）以下、ソレノイドコイル４の内径ｃが２０ｍｍ（陰極２の直径ｂの０．２倍）以上１５０ｍｍ（陰極２の直径ｂの１．５倍）以下、かつソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnが２５００ＡＴ以上１００００ＡＴ以下となっている。
【００６７】
また、測定例３０より、ソレノイドコイル４の替わりに円盤形のネオジ磁石を用いた場合には測定例２２〜２４、２８及び２９のような磁界を形成することはできない。
さらに、陰極２を構成する物質等を変更した場合でも、本発明によれば良好な薄膜が形成できることも分かった。
次に、陰極２の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角についても考察する。
測定例２５〜２７及び３０は、陰極２の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角が２０度より大きい磁界を形成している。また、測定例２５〜２７は、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnは２５００ＡＴより小さい。そして、測定例３０は、ソレノイドコイル４すら有していない。さらに、測定例２５〜２７及び３０は、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率のうち少なくとも１つの評価が不合格である。
【００６８】
ここで、測定例２５〜２７及び３０と測定例２２〜２４、２８及び２９とを比較すると、測定例２２〜２４、２８及び２９は、陰極２の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角は２０度以下である磁界を形成しており、少なくともこのような磁界を形成しなければ、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率の評価すべてが合格とはならないこともわかった。
なお、陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を変化させても、ソレノイドコイル４に流す電流が負の値であれば、リング状の磁石３及びソレノイドコイル４の極性の向きが同一となり、陰極２の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角は２０度よりも非常に大きい値となる。
【００６９】
また、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差、及び薄膜の表面粗さについて、測定例２２〜２９を比較すると、ソレノイドコイル４の内径ｃを１００ｍｍと、ソレノイドコイル４の巻き数を１１４１回と一定値とし、ソレノイドコイル４に流す電流値、及び陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を変化させた場合、ソレノイドコイル４に流す電流値が５Ａ、陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離が３８ｍｍのときに、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差、及び薄膜の表面粗さの値が最も小さくなった。
【００７０】
これは、ソレノイドコイル４に流す電流値、及び陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を最適化することで、リング状の磁石３のみによる磁力線と、ソレノイドコイル４のみによる磁力線が、陰極２付近における磁束密度は正の高い値を保ったままの状態でほぼフラットになるように重ね合わされるためと考えられる。
最後に、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率について考察すると、陰極２の蒸発面上の磁束密度において、最小値及び平均値の増加に伴って表面粗さの値の減少し、標準偏差の減少に伴って陰極２の利用効率が向上している。また、陰極２の蒸発面から１５０ｍｍ離れた基材８上の磁束密度の最大値を下げることで、薄膜の残留応力が低減している。
【００７１】
ところで、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、実施形態に応じて適宜変更可能である。
陰極２は、平面視において点対称な形状（正方形、六角形等）であってもよい。その際、陰極２に対してリング状の磁石３及びソレノイドコイル４は同軸心状に配置されていなくてもよい。
また、陰極２は、平面視において長手方向を有した形状（長方形、楕円等）であってもよい。
【００７２】
なお、陰極２の形状にかかわらず、リング状の磁石３及びソレノイドコイル４の極性の向きが反対であれば、陰極２付近において、その磁力線の向きは陰極２の蒸発面と垂直になり、磁束密度は正の高い値を保ったままの状態でほぼフラットになると同時に、基材８上における磁束密度を低く抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、薄膜を形成するアークイオンプレーティング装置用の蒸発源及びアークイオンプレーティング装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源の概要図である。
【図２】本発明に係るアークイオンプレーティング装置の概要図である。
【図３】本発明及び比較技術に係るアークイオンプレーティング装置の、陰極の蒸発面上における磁束密度を対比した図である。
【図４】本発明に係るアークイオンプレーティング装置による磁界性状の概要図である。
【図５】比較技術に係るアークイオンプレーティング装置による磁界性状の概要図である。
【符号の説明】
【００７５】
１    アークイオンプレーティング装置用の蒸発源
２    陰極
３    リング状の磁石
４    ソレノイドコイル
５    磁界形成手段
６    アークイオンプレーティング装置
７    真空チャンバ
８    基材
９    アノード
１０    回転台
１１    ガス導入口
１２    ガス排気口
１３    第１バイアス電源
１４    第２バイアス電源
１５    アース
１６    リング状の磁石のみが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
１７    ソレノイドコイルのみが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
１８    リング状の磁石及びソレノイドコイルが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
１９    永久磁石のみが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
２０    電磁石のみが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
２１    永久磁石及び電磁石が作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
ａ    リング状の磁石の内径
ｂ    陰極の直径
ｃ    ソレノイドコイルの内径
Ｉn   ソレノイドコイルに流す電流値とソレノイドコイルの巻き数とを乗じた値
Ａ    リング状の磁石のみが作り出す磁界における陰極近傍の磁力線の向き
Ｂ    ソレノイドコイルのみが作り出す磁界における陰極近傍の磁力線の向き
Ｃ    永久磁石のみが作り出す磁界における陰極近傍の磁力線の向き
Ｄ    電磁石のみが作り出す磁界における陰極近傍の磁力線の向き
Ａ’  リング状の磁石のみが作り出す磁界における陰極及び基材間の磁力線の向き
Ｂ’  ソレノイドコイルのみが作り出す磁界における陰極及び基材間の磁力線の向き
Ｃ’  永久磁石のみが作り出す磁界における陰極及び基材間の磁力線の向き
Ｄ’  電磁石のみが作り出す磁界における陰極及び基材間の磁力線の向き
【図１】
2009144236.tif 000010
【図２】
2009144236.tif 000011
【図３】
2009144236.tif 000012
【図４】
2009144236.tif 000013
【図５】
2009144236.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成21年3月19日(2009.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極の外周に配置されたリング状の磁石と、前記陰極の背面に配置されたソレノイドコイルとを有する磁界形成手段を備えたアークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、
前記ソレノイドコイルは、その内径が陰極の直径の３分の１以上１．５倍以下であり、
前記磁界形成手段は、リング状の磁石の極性の向きとソレノイドコイルの極性の向きとが反対となるように構成され、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面の中心部から周縁に向かって延びた任意の線分上における磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ（ガウス）以上、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上であるとともに、陰極の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ以上離れた位置に配置された基材上における磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成することを特徴とするアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項２】
前記陰極は円盤状であり、
前記蒸発面の中心部から周縁に向かって延びた任意の線分を、前記蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分としたことを特徴とする請求項１に記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項３】
前記ソレノイドコイルは、前記リング状の磁石と同軸心状となるように配置され、
前記リング状の磁石は、リング状の磁石の径方向における投影面が陰極の径方向における投影面と重なるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項４】
円盤状の陰極の外周に同軸心状となるように配置されたリング状の磁石と、陰極の背面に配置されたソレノイドコイルとを有する磁界形成手段を備えたアークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、
前記ソレノイドコイルは、その内径が陰極の直径の３分の１以上１．５倍以下であり、
前記磁界形成手段は、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ（ガウス）以上、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上、その標準偏差が３０以下であるとともに、陰極の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ以上離れた位置に配置された基材上における磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成することを特徴とするアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項５】
前記磁界形成手段は、リング状の磁石の極性の向きとソレノイドコイルの極性の向きとが反対となるように構成され、
前記リング状の磁石は、リング状の磁石の径方向における投影面が陰極の径方向における投影面と重なるように配置され、前記ソレノイドコイルは、リング状でありかつ陰極に対し同軸心状となるように配置されていることを特徴とする請求項４に記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項６】
前記磁界形成手段は、陰極の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角が２０度以下である磁界を形成することを特徴とする請求項1〜５のいずれかに記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項７】
前記リング状の磁石は、その内径が陰極の直径の２倍以下であることを特徴とする請求項1〜６のいずれかに記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項８】
前記ソレノイドコイルに流す電流値とソレノイドコイルの巻き数とを乗じた値が２５００ＡＴ以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源を搭載したことを特徴とするアークイオンプレーティング装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械部品等の耐摩耗性などの向上のために用いられる、窒化物及び酸化物などのセラミック膜、非晶質炭素膜等の薄膜を形成するアークイオンプレーティング装置用の蒸発源及びアークイオンプレーティング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、耐摩耗性、摺動特性および保護機能向上などの目的で、機械部品、切削工具、摺動部品などの表面に薄膜をコーティングする技術として、アークイオンプレーティング法、スパッタ法などの物理蒸着法が広く用いられている。
特に、アークイオンプレーティング法は、蒸発源の陰極（ターゲット）表面にアークを発生させ、陰極を構成する物質を瞬時に溶解し、イオン化したその物質を処理物である基材の表面に引き込むことで、薄膜を形成することを特徴とする方法である。また、この方法は、成膜された薄膜の密着性がよいと同時に成膜速度が大きく、耐熱性に優れる窒化チタンアルミ（ＴｉＡｌＮ）などの多元素の成膜が可能であるなどの理由から、最近ではドライの表面処理加工技術として広く普及している。
【０００３】
しかし、一般に、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面上の磁束密度が不十分である場合、一つ一つのアークスポットの電流値が大きくなり、陰極からドロップレットと呼ばれる粗大粒子が発生することが知られている。これが基材の表面に形成された薄膜に付着すると、当該薄膜の平滑性を損ねて、機械部品、切削工具、摺動部品等の寿命を縮め、外観の悪化を招く。
一方、陰極の蒸発面上の磁束密度を高くして成膜した場合は、基材の表面平滑性が向上するものの、陰極の蒸発面上の磁束密度が低い場合に比べて、薄膜の残留応力が大きくなる。その結果、形成された薄膜の割れや剥離が生じやすいという問題がある。
【０００４】
さらに、陰極の蒸発面上の磁束密度の分布が適切でない場合は、陰極の蒸発面上でアーク放電自体が起こらないこともある。また、例えアーク放電が安定して起こったとしてもアークスポットの偏りにより陰極の一部が優先的に消耗し、陰極の利用効率を低下させ、その寿命を著しく悪化させるなどの問題がある。
ドロップレットの発生により基材の表面平滑性を損ねるという欠点を解消するために、陰極前面近傍において多極磁界を形成する技術、ドロップレットを真空槽の内壁にトラップさせ基材に到達させない技術、アークソースとスパッタソースを使い分ける技術、及び陰極の蒸発面に対して略垂直な磁力線からなる磁界をプラズマ生成領域に印加する技術が開示されている（特許文献１、３〜５）。
【０００５】
また、陰極の利用効率を低下させるという欠点を解消するために、陰極の蒸発面に対して略垂直な磁力線を陰極の前方で平行進行又は発散させる技術、及び陰極背面の中心及び外周に配置したマグネットと、陰極背面の外周におけるマグネットとほぼ同外径かつ同軸に配置された電磁コイルとを備え、電磁コイルに流す電流値を変化させることで放電領域を制御する技術が開示されている（特許文献２、６）。
さらに、陰極の周囲に配置された永久磁石の極性の向きと、陰極の後方部分に設置された電磁石の極性の向きが同一であり、永久磁石及び電磁石による磁界を重ね合わせ、電磁石に流す電流値を変化させることで、放電領域を制御する技術が開示されている（特許文献７）。
【特許文献１】特開平０８−２８３９３３号公報
【特許文献２】特開平１１−０３６０６３号公報
【特許文献３】特開２００２−０３０４１３号公報
【特許文献４】特開２００３−１９３２２７号公報
【特許文献５】特開２００６−１０４５１２号公報
【特許文献６】特開２００７−０５６３４７号公報
【特許文献７】特表２００４−５２３６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、いずれの先行技術においても薄膜の残留応力を考慮していないため、基材に形成された薄膜の割れや剥離が生じるおそれがある。
一方、特許文献２の技術では、陰極の直径、磁気コイルの内径、陰極の蒸発面上の磁束密度の平均値及び標準偏差等が開示されていない。また、特許文献６の技術では、陰極の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差や、電磁コイルに流す可変電流値及びそれに対応する磁束密度等が明確に開示されていない。そのため、実際の装置への適用が難しく、陰極の利用効率を飛躍的に向上させることは困難であると考えられる。
【０００７】
さらに、特許文献７の技術では、永久磁石のみによる磁界と電磁石のみによる磁界とを、永久磁石及び電磁石の極性の向きが同一となるように重ね合わせている（特許文献７に記載された比較技術（以下単に「比較技術」という）における重ね合わせた磁界の性状を図５に示す）。
その結果、図５（ａ）の矢印Ｃ及び（ｂ）の矢印Ｄに示すように、陰極近傍におけるそれぞれの磁力線が互いに反発し打ち消し合うため、重ね合わせた磁力線の向きが陰極の蒸発面と平行になる（図５（ｃ）に示す）と同時に、陰極の蒸発面上における磁束密度は非常に小さくなる。したがって、陰極の蒸発面上の磁束密度が不十分となり、陰極からドロップレットが大量に発生するため、基材の表面に形成された薄膜の平滑性を損ねる。
【０００８】
また、図５（ａ）の矢印Ｃ’及び（ｂ）の矢印Ｄ’に示すように、永久磁石及び電磁石の極性の向きを同一とする構成では、陰極及び基材間における同一方向に向いたそれぞれの磁力線がつながる。そして、図５（ｃ）が示すように、つながることで互いに強められた磁力線は遠く基材近傍まで延びるため、基材近傍における磁束密度が上昇する。
したがって、薄膜の残留応力が大きくなり、形成された薄膜の割れや剥離が生じやすくなる。
かかる問題に鑑み、本発明は、アークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、陰極の利用効率を飛躍的に向上させ、かつ基材の表面平滑性が高く、残留応力が小さい薄膜を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明は、以下の技術的手段を採用した。
本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源は、陰極の外周に配置されたリング状の磁石と、前記陰極の背面に配置されたソレノイドコイルとを有する磁界形成手段を備えたアークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、前記ソレノイドコイルは、その内径が陰極の直径の３分の１以上１．５倍以下であり、前記磁界形成手段は、リング状の磁石の極性の向きとソレノイドコイルの極性の向きとが反対となるように構成され、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面の中心部から周縁に向かって延びた任意の線分上における磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ（ガウス）以上、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上であるとともに、陰極の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ以上離れた位置に配置された基材上における磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成することを特徴とする。
【００１０】
これにより、陰極の蒸発面上の磁束密度を非常に大きい値に保ちつつ、陰極の蒸発面上の磁束密度の分布を略均一にすることができ、陰極の蒸発面に対して垂直な磁力線を持つ磁界を発生させることで、アークスポットの動きをランダムにすることが可能となる。ゆえに、陰極の片減り等を防止でき利用効率を飛躍的に向上させると共に、薄膜形成後の基材の表面平滑性を高めることが可能となる。
さらに、基材近傍まで磁力線が届くことはほとんどなく、基材上における磁束密度を低く抑えることができるため、薄膜の残留応力が小さくなり、形成された薄膜の割れや剥離の発生が抑えられる。
【００１１】
また、前記陰極は円盤状であり、前記蒸発面の中心部から周縁に向かって延びた任意の線分を、前記蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分としてもよい。
好ましくは、前記磁界形成手段は、陰極の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ以上離れた位置に配置された基材上における磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成することを特徴とする。
これにより、基材の表面に薄膜を形成する際のイオン化した陰極を構成する物質の速度（運動量）を適正なものとできる。そのため、薄膜形成後の基材の表面平滑性をさらに高めることができると共に、残留応力が非常に小さい薄膜を形成することが可能となる。
【００１２】
さらに好ましくは、前記ソレノイドコイルは、前記リング状の磁石と同軸心状となるように配置され、前記リング状の磁石は、リング状の磁石の径方向における投影面が陰極の径方向における投影面と重なるように配置されていることを特徴とする。
このように、陰極の外周部で磁束密度が高く陰極の中心部で磁束密度が低い磁界を発生させるリング状の磁石、及び陰極の外周部で磁束密度が低く陰極の中心部で磁束密度が高い磁界を発生させるソレノイドコイルを配置し、リング状の磁石及びソレノイドコイルによって発生される磁界を重ね合わせることで、陰極の蒸発面に対し磁力線の向きが垂直で且つ陰極の蒸発面上における磁束密度を非常に大きい値で均一化することができる。
【００１３】
また、円盤状の陰極の外周に同軸心状となるように配置されたリング状の磁石と、陰極の背面に配置されたソレノイドコイルとを有する磁界形成手段を備えたアークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、前記ソレノイドコイルは、その内径が陰極の直径の３分の１以上１．５倍以下であり、前記磁界形成手段は、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ（ガウス）以上、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上、その標準偏差が３０以下であるとともに、陰極の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ以上離れた位置に配置された基材上における磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成することを特徴とする。
【００１４】
これにより、陰極の蒸発面上の磁束密度を適正な値に設定できると共に、陰極の蒸発面上の磁束密度の分布を略均一にすることができ、アークスポットの動きをランダムにすることが可能となる。ゆえに、陰極の片減り等を防止でき利用効率を飛躍的に向上させることが可能となる。
好ましくは、前記磁界形成手段は、陰極の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ以上離れた位置に配置された基材上における磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成することを特徴とする。
【００１５】
これにより、基材の表面に薄膜を形成する際のイオン化した陰極を構成する物質の速度（運動量）を適正なものとできる。そのため、薄膜形成後の基材の表面平滑性を高めることができると共に、残留応力が小さい薄膜を形成することが可能となる。
さらに好ましくは、前記磁界形成手段は、リング状の磁石の極性の向きとソレノイドコイルの極性の向きとが反対となるように構成され、前記リング状の磁石は、リング状の磁石の径方向における投影面が陰極の径方向における投影面と重なるように配置され、前記ソレノイドコイルは、リング状でありかつ陰極に対し同軸心状となるように配置されていることを特徴とする。
【００１６】
このように、陰極の外周部で磁束密度が高く陰極の中心部で磁束密度が低い磁界を発生させるリング状の磁石、及び陰極の外周部で磁束密度が低く陰極の中心部で磁束密度が高い磁界を発生させるソレノイドコイルを配置し、リング状の磁石及びソレノイドコイルによって発生される磁界を重ね合わせることで、陰極の蒸発面上において均一な磁界を形成できる。
また、前記磁界形成手段は、陰極の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角が２０度以下である磁界を形成することとしてもよい。
【００１７】
これにより、陰極の利用効率を飛躍的に向上させ、かつ基材の表面平滑性が高く、残留応力が小さい薄膜を形成することができる。
以上述べた技術的手段を実現するために、前記リング状の磁石は、その内径が陰極の直径の２倍以下とすることが非常に好ましい。
また、前記ソレノイドコイルに流す電流値とソレノイドコイルの巻き数とを乗じた値が２５００ＡＴ以上とすることも非常に好ましい。
本発明に係るアークイオンプレーティング装置は、上述したアークイオンプレーティング装置用の蒸発源を搭載したことを特徴とする。
【００１８】
このアークイオンプレーティング装置を用いることで、陰極の蒸発面上の磁束密度を適正化し、その分布を均一化することができ、陰極の利用効率を飛躍的に向上させることが可能となる。さらに、基材の表面に薄膜を形成する際のイオン化した陰極を構成する物質の速度（運動量）を適正化することも可能となり、薄膜形成後の基材の表面平滑性を高め、残留応力が小さい薄膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源、またはアークイオンプレーティング装置を用いることで、陰極の利用効率を飛躍的に向上させ、かつ基材の表面平滑性が高く、残留応力が小さい薄膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。
図２には、本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源１（以下、蒸発源１）が備えられたアークイオンプレーティング装置６が示されている。
アークイオンプレーティング装置６は、真空チャンバ７を備え、真空チャンバ７内には処理物である基材８を支持する回転台１０と、基材８に向けて取り付けられた蒸発源１が配備されている。真空チャンバ７には、当該真空チャンバ７内へ反応ガスを導入するガス導入口１１と、真空チャンバ７内から反応ガスを排出するガス排気口１２とが設けられている。
【００２１】
加えて、アークイオンプレーティング装置６は、陰極２に負のバイアスをかける第１バイアス電源１３と、基材８に負のバイアスをかける第２バイアス電源１４とが設けられ、両バイアス電源１３、１４の正側はアース１５に接続されている。
図１に示すように、蒸発源１は、円盤状の陰極２と、陰極２の近傍に配備された磁界形成手段５と、陰極２の外周部でリング状の磁石３よりも基材８寄りに配置されたアノード９とを有している。なお、アノード９はアース１５に接続されている。
陰極２は、基材８上に形成しようとする薄膜に応じて選択された材料（例えば、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、チタンアルミ（ＴｉＡｌ）、タングステン（Ｗ）又は炭素（Ｃ）など）で構成されている。
【００２２】
磁界形成手段５は、陰極２の外周に同軸心状となるように配置されたリング状の磁石３と、陰極２の背面に同軸状となるように配置されたリング状のソレノイドコイル４とを有している。また、磁界形成手段５は、リング状の磁石３の極性の向きとソレノイドコイル４の極性の向きとが反対となるようにリング状の磁石３及びソレノイドコイル４が配置されている。
リング状の磁石３は、その磁化方向が陰極２を構成する物質の蒸発面に対して垂直になるように、かつリング状の磁石３の径方向における投影面が陰極２の径方向における投影面と重なるように配置されている。リング状の磁石３は、ネオジ磁石又はサマリウム−コバルト磁石等により形成された永久磁石である。また、リング状の磁石３の内径ａが大きくなるとリング状の磁石３の体積が増えリング状の磁石３自体の表面磁束密度は高くなるが、陰極２との間隔が広がると陰極２の蒸発面上の磁束密度が十分ではなくなる。そのため、リング状の磁石３の内径ａは、陰極２の直径ｂ以上かつ陰極２の直径ｂの２倍以下に設定されている。
【００２３】
なお、リング状の磁石３は、陰極２の外周に同軸心状となるように配置され、リング状の磁石３の径方向における投影面が陰極２の径方向における投影面と重なるため、リング状の磁石３の内径ａが陰極２の直径ｂよりも小さくなることはない。
ソレノイドコイル４は、導線をらせん状に巻いたリング状のコイルであり、その内径ｃが陰極２の直径ｂの０．２倍（５分の１）以上１．５倍以下に設定することで、陰極２の蒸発面上における磁束密度は均一となる。なお、好ましくは陰極２の直径ｂの３分の１以上１．５倍以下、さらに好ましくは陰極２の直径ｂ以上かつ陰極２の直径ｂの１．５倍以下である。
【００２４】
また、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnが２５００ＡＴ以上１００００ＡＴ以下に設定されている。なお、好ましくは３５００ＡＴ以上１００００ＡＴ以下、さらに好ましくは５０００ＡＴ以上１００００ＡＴ以下である。
磁界形成手段５が上述した構成であるため、陰極２の外周部のリング状の磁石３によって形成される磁界と、陰極２の背面のソレノイドコイル４によって形成される磁界の組み合わせにより、陰極２の蒸発面上の磁束密度のムラを減らし、かつ強い磁界を形成して陰極２の蒸発面全面で均一にアーク放電、アークの分裂を生じさせることができる。
【００２５】
また、リング状の磁石３を陰極２の背面に設置した場合、陰極２の蒸発面上の磁束密度の低下、蒸発面の法線と磁力線とのなす角が大きくなることによるアーク放電の偏りを招き、リング状の磁石３を陰極２の前面に設置した場合、後述する基材８付近の磁界が強くなることによる薄膜の残留応力の増大を招くため、リング状の磁石３は、その径方向における投影面が陰極２の径方向における投影面と重なるように配置されている。
上述した構成や条件を満たす磁界形成手段５を用いることで、陰極２の蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ以上６００Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成でき、磁束密度の上昇によりアークの分裂が起こりドロップレットが低減するため、基材８上の薄膜の表面平滑性が高くなる。なお、前記磁束密度の最小値は、好ましくは１３０Ｇａｕｓｓ以上６００Ｇａｕｓｓ以下、さらに好ましくは３５０Ｇａｕｓｓ以上６００Ｇａｕｓｓ以下である。
【００２６】
さらに、陰極２の蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上７００Ｇａｕｓｓ以下、その標準偏差が３０以下である磁界を形成することで、陰極２の蒸発面全面でアーク放電が起こり陰極２の利用効率が向上する。
また、陰極２の蒸発面上で発生した電子は、基材８付近の磁束密度が高すぎる場合にはアノード９に入射せず真空チャンバ７内の反応ガスに衝突することで、反応ガスのイオン化を引き起こし、反応ガスのイオンが基材８上の薄膜に衝突する。そのため、反応ガスのイオンが基材８上の薄膜を構成する原子を押しのけて潜り込み、さらにその上から薄膜が形成されることで規則的な原子配列に欠陥が生じ、残留応力が増加する。
【００２７】
そこで、基材８上における磁束密度を下げるために、陰極２の蒸発面から基材８までの直線距離を１５０ｍｍ以上とし、基材８上における磁束密度の最大値が０Ｇａｕｓｓ以上５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成することで、基材８付近の磁束密度を適正なものとし、残留応力が小さい薄膜を形成することができる。なお、前記磁束密度の最大値は、好ましくは０Ｇａｕｓｓ以上４Ｇａｕｓｓ以下、さらに好ましくは０Ｇａｕｓｓ以上３Ｇａｕｓｓ以下である。
ただし、陰極２の蒸発面と基材８とがあまりに離れすぎるとプラズマ化した陰極２を構成する物質が基材８に到達しないため、陰極２の蒸発面から基材８までの距離は３００ｍｍ以下とする。
【００２８】
次に、本発明に係るアークイオンプレーティング装置６を用いた成膜の方法を説明する。
まず真空チャンバ７を真空引きにより真空にした後、アルゴンガス（Ａｒ）等をガス導入口１１より導入する。そして、陰極２及び基材８上の酸化物等の不純物をスパッタすることにより除去し、真空チャンバ７内を再び真空にした後、反応ガスをガス導入口１１より真空チャンバ７内に導入する。この状態で真空チャンバ７に設置された陰極２上でアーク放電を発生させることにより陰極２を構成する物質をプラズマ化し反応ガスと反応させることで、回転台１０に置かれた基材８上に窒化膜、酸化膜、或いは非晶質炭素膜を成膜する。
【００２９】
なお、反応ガスとしては窒素ガス（Ｎ2）、酸素ガス（Ｏ2）、メタン(ＣＨ4）などの炭化水素ガスを用途に合わせて選択すればよく、真空チャンバ７内の反応ガスの圧力は１〜７Ｐａ程度とする。また、成膜時、陰極２には１０〜３０Ｖの負電圧を第１バイアス電源１３により印加し、基材８には１０〜５００Ｖの負電圧を第２バイアス電源１４により印加している。
【実施例１】
【００３０】
本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源１を用いた実施例１について説明する。
陰極２は、その直径ｂを１００ｍｍとし、その厚さを１６ｍｍとしている。また、チタン（Ｔｉ）とアルミ（Ａｌ）の比率が１：１のチタンアルミ（ＴｉＡｌ）により形成されている。さらに、陰極２は、第１バイアス電源１３を用いて２０Ｖの負電圧が印加されている。
リング状の磁石３は、その内径ａが１５０ｍｍであり、その体積は１６πｃｍ3である。また、リング状の磁石３は、ネオジ磁石により形成され、その保磁力は１８００ｋＡ／ｍであり、その表面磁束密度は１２．４ｋＧａｕｓｓである。
【００３１】
測定例１〜７は、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを一定値の２５００ＡＴ（５００回巻いた導線に５Ａの電流を流している）とし、ソレノイドコイル４の内径ｃを１５、２０、５０、１００、１２５、１５０、１７５ｍｍとしている。また、測定例１、７を比較用の測定例とし、測定例２〜６を本発明に係る測定例としている。（測定例７は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ以上、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上、その標準偏差が３０以下であるが、基材８上の磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓより大きく、残留応力の評価が不合格となるため、本実施例では測定例７を比較用の測定例とした。）
測定例８〜１４は、ソレノイドコイル４の内径ｃを一定値の１００ｍｍとし、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを５００、１５００、３５００、５０００、７５００、１００００、１２５００ＡＴとしている。また、測定例８、９、１４を比較用の測定例とし、測定例１０〜１３を本発明に係る測定例としている。
【００３２】
また、測定例１５は、リング状の磁石３を有さない従来技術の測定例であり、測定例１６は、ソレノイドコイル４を有さない従来技術の測定例である。
測定例１〜１６の蒸発源１を真空チャンバ７に設置し、基材８に３０Ｖの負電圧を印加し、反応ガスとして窒素（Ｎ2）を選択したアークイオンプレーティング装置６を用いて窒化チタンアルミ（ＴｉＡｌＮ）膜の成膜を行った。なお、反応ガスの圧力は６Ｐａ、成膜時間は２時間とした。
表１は、実施例１における測定例１〜１６の陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差と、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率の結果である。
【００３３】
【表１】
2009144236.tif 000015
【００３４】
なお、陰極２の蒸発面上の磁束密度、及び陰極２の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ離れた位置に配置された基材８上における磁束密度の最大値は、有限要素法の磁界解析ソフトを用いたシミュレーションにより明らかとした。また、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値及び平均値については、上述したシミュレーションにより陰極２の蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分方向に５０分割した各点の磁束密度を測定し算出している。さらに、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差は、上述した各点での磁束密度を測定し、式（１）によって算出している。
【００３５】
【数１】
2009144236.tif 000016
【００３６】
また、基材８上の磁束密度は陰極２の蒸発面から基材８までの直線距離の２乗に反比例する。よって、陰極２の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍよりも遠く離れた位置における磁束密度は、陰極２の蒸発面から直線距離で１５０ｍｍ離れた位置に配置された基材８上における磁束密度の最大値よりも小さくなる。
次に、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率の評価について説明する。
薄膜の表面粗さ測定について、探針型の表面粗さ計を用いて、測定長さ１０ｍｍとしたときの算術平均粗さ（Ｒａ）を任意の５点で測定し、その平均値で評価を行った。自動車用機械部品の摺動特性を鑑みたとき、算術平均粗さは０．１μm以下であることが望ましいため、０．１μm以下で合格とした。
【００３７】
薄膜の残留応力については、厚さ１ｍｍのシリコン（Ｓｉ）ウエハ上に上述した条件で成膜を行い、基材８のたわみの曲率半径を光てこを利用して測定し、式（２）に示すＳｔｏｎｅｙの式により薄膜の残留応力を計算した。薄膜の残留応力については、切削工具用の硬質皮膜の剥離を想定して２．０ＧＰａ以下で合格とした。
【００３８】
【数２】
2009144236.tif 000017
【００３９】
また陰極２の利用効率は、式（３）に示す公式により算出した。即ち、陰極２上の任意の位置における陰極２の厚みが３ｍｍとなったときに使用を止め、当該使用済の陰極２にもとの陰極２の体積と同じになるように水を張り、その水の体積をもとの陰極２の体積で割ることにより使用効率を算出した。例えば後述の実施例１３に記載した従来技術では、陰極２の使用効率は３０％未満となっているが、経済上の理由からその１．５倍あればコストダウンが期待できるため、４５％以上で合格とした。
【００４０】
【数３】
2009144236.tif 000018
【００４１】
まず、各測定例における磁界について考察する。
測定例１、８及び９は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ未満、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ未満、その標準偏差が３０より大きい、又は基材８上の磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓより大きい磁界を形成している。また、ソレノイドコイル４の内径ｃが２０ｍｍ未満、又はソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnが２５００ＡＴ未満である。さらに、測定例１、８及び９は、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率のうち少なくとも１つの評価が不合格である。
【００４２】
測定例７及び１４は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が６００Ｇａｕｓｓ以下より大きい、その平均値が７００Ｇａｕｓｓより大きい、その標準偏差が３０より大きい、又は基材８上の磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓより大きい磁界を形成している。また、ソレノイドコイル４の内径ｃが１５０ｍｍより大きい、又はソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnが１００００ＡＴより大きい。さらに、測定例７及び１４は、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率のうち少なくとも１つの評価が不合格である。
【００４３】
ここで、測定例１、７と測定例２〜６とを、及び測定例８、９、１４と測定例１０〜１３とを比較すると、測定例２〜６及び１０〜１３は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ以上６００Ｇａｕｓｓ以下、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上７００Ｇａｕｓｓ以下、その標準偏差が３０以下、基材８上の磁束密度の最大値が０Ｇａｕｓｓ以上５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成しており、このような磁界を形成できれば、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率の評価すべてが合格となることがわかった。また、リング状の磁石３の内径ａが１５０ｍｍの場合において、測定例２〜６及び１０〜１３のような磁界を形成するためには、ソレノイドコイル４の内径ｃは２０ｍｍ（陰極２の直径ｂの０．２倍）以上１５０ｍｍ（陰極２の直径ｂの１．５倍）以下、かつソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnは２５００ＡＴ以上１００００ＡＴ以下であることが必要である。なお、測定例１５及び１６より、リング状の磁石３又はソレノイドコイル４のいずれかを有さない場合にも測定例２〜６及び１０〜１３のような磁界を形成することはできない。
【００４４】
次に、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率について考察する。
まず、表面粗さについて測定例１〜１６を比較すると、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値及び平均値の増加に伴い、薄膜の表面粗さの値が減少していることが分かった。これは、上述したように陰極２の蒸発面上に強い磁界を形成することでアークスポットの分裂を促し、ドロップレットを低減できたためと考えられる。なお、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを増加させるに従って、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値及び平均値が増加する傾向にある。
【００４５】
また、残留応力について測定例１〜１６を比較すると、陰極２の蒸発面から１５０ｍｍ離れた基材８上の磁束密度の最大値を下げることで、薄膜の残留応力が低減する傾向にあることが分かった。これは、上述したように基材８近傍における磁束密度を下げることで、Ｎ3+イオンの生成を効率よく低減することができたためと考えられる。
なお、基材８上の磁束密度の最大値について、測定例１〜７を比較すると、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを一定値の２５００ＡＴとし、ソレノイドコイル４の内径ｃを変化させた場合、その内径ｃが２０ｍｍのときに、１５０ｍｍ離れた基材８上の磁束密度の最大値が最も小さくなった。また、測定例８〜１４を比較すると、ソレノイドコイル４の内径ｃを一定値の１００ｍｍとし、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを変化させた場合、その値Ｉnが５０００ＡＴのときに、１５０ｍｍ離れた基材８上の磁束密度の最大値が最も小さくなった。これは、ソレノイドコイル４の内径ｃ、及びソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを最適化することで、リング状の磁石３の磁力線を効率よくソレノイドコイル４側に曲げることができるためと考えられる。
【００４６】
さらに、利用効率について測定例１〜１６を比較すると、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差の減少に伴って、陰極２の利用効率が向上する傾向にあることが分かった。これは、上述したように陰極２の蒸発面上における均一な放電によるものと考えられる。
なお、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差について、測定例８〜１６を比較すると、ソレノイドコイル４の内径ｃを一定値の１００ｍｍとし、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを変化させた場合、その値Ｉnが５０００ＡＴのときに、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差が最も小さくなった。これは、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを最適化した条件下において、リング状の磁石３による陰極２の外周部で磁束密度が高く陰極２の中心部で磁束密度が低い磁界と、ソレノイドコイル４による陰極２の外周部で磁束密度が低く陰極２の中心部で磁束密度が高い磁界とを重ね合わせることで、陰極２の蒸発面上における磁束密度の分布がフラットになるためと考えられる。
【００４７】
つまり、図３（ａ）に示すように本発明においては、リング状の磁石３のみによる磁界性状は、陰極２の外周部で磁束密度が高く、陰極２の中心部で磁束密度が低い。また、ソレノイドコイル４のみによる磁界性状は、リング状の磁石３及びソレノイドコイル４の極性の向きが反対となるように重ね合わせているため、磁束密度が正の領域内において、陰極２の外周部で磁束密度が低く陰極２の中心部で磁束密度が高くなっている。よって、これらの重ね合わせた際の磁界性状は、磁束密度が正の高い値を保ったままの状態で、陰極２の蒸発面上における磁束密度の分布がほぼフラットになる。
【００４８】
一方、図３（ｂ）に示すように比較技術においては、永久磁石のみによる磁界性状は、本発明と同様に、陰極２の外周部で磁束密度が高く、陰極２の中心部で磁束密度が低い。しかし、電磁石のみによる磁界性状は、永久磁石及び電磁石の極性の向きが同一となるように重ね合わせているため、磁束密度が負の領域内において、陰極２の外周部で磁束密度が低く陰極２の中心部で磁束密度が高くなる。よって、これらの重ね合わせた際の磁界性状は、磁束密度がほぼ０の状態で、陰極２の蒸発面上における磁束密度の分布がほぼフラットになる。
【００４９】
したがって、リング状の磁石３及びソレノイドコイル４の極性の向きを反対とする本発明の構成は、陰極２の蒸発面上における磁束密度を、永久磁石及び電磁石の極性の向きを同一とする比較技術の構成よりも非常に大きい値で均一化することができる。
これによって、陰極２からのドロップレットの発生が大幅に抑制され、基材８上の薄膜の表面平滑性を非常に高めることができる。
また、本発明では、リング状の磁石３のみによる磁界とソレノイドコイル４のみによる磁界とを、リング状の磁石３及びソレノイドコイル４の極性の向きが反対となるように重ね合わせている（本発明における重ね合わせた磁界の性状を図４に示す）。
【００５０】
その結果、図４（ａ）の矢印Ａ及び（ｂ）の矢印Ｂに示すように、陰極２近傍における同一方向（陰極２の蒸発面に対して垂直な方向）に向いたそれぞれの磁力線がつながるため、重ね合わせることで互いに強められた磁力線の向きは、陰極２の蒸発面と垂直になる（図４（ｃ）に示す）。
これによって、アットランダムにアークスポットが発生するため、アークスポットの偏りがなくなり陰極２の利用効率を大幅に向上させることができる。
また、陰極２の蒸発面上における磁束密度は大きくなるため、陰極２からのドロップレットの発生が抑制される。
【００５１】
さらに、図４（ａ）の矢印Ａ’及び（ｂ）の矢印Ｂ’に示すように、陰極２及び基材８間におけるそれぞれの磁力線は、互いに反発し打ち消し合う。よって、図４（ｃ）が示すように、基材８近傍まで磁力線はほとんど届かず、基材８上における磁束密度を低く抑えることができる。
したがって、リング状の磁石３及びソレノイドコイル４の極性の向きを反対とする本発明の構成は、基材８上における磁束密度を、永久磁石及び電磁石の極性の向きを同一とする比較技術の構成よりも大幅に低減させることができる。
【００５２】
これによって、薄膜の残留応力が小さくなり、形成された薄膜の割れや剥離の発生が抑えられる。
なお、上述した実施例１の条件について、詳しくは、陰極２及びアノード９間に流すアーク電流の値を１５０Ａ、基材温度を５００℃、陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を４ｍｍとしている。
【実施例２】
【００５３】
本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源１を用いたその他の実施例について説明する。
実施例２は、リング状の磁石３の内径ａを変更した場合である。測定例１７は、リング状の磁石３の内径ａを２００ｍｍとしている。測定例１８は、リング状の磁石３の内径ａを２５０ｍｍとしている。また、測定例１７を本発明に係る測定例とし、測定例１８を比較用の測定例としている。
なお、その他の条件は、陰極２の直径ｂを１００ｍｍ、ソレノイドコイル４の内径ｃを１００ｍｍ、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnを５０００ＡＴとしている。
【００５４】
表２は、実施例２における測定例１７、１８の陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差と、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率の結果である。なお、表２は、参考として実施例１における測定例１１の結果も含む。
【００５５】
【表２】
2009144236.tif 000019
【００５６】
まず、各測定例における磁界について考察する。
測定例１８は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が６００Ｇａｕｓｓより大きい、その平均値が７００Ｇａｕｓｓより大きい、その標準偏差が３０より大きい、又は基材８上の磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓより大きい磁界を形成している。また、リング状の磁石３の内径ａが２００ｍｍより大きい。さらに、測定例１８は、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率のうち少なくとも１つの評価が不合格である。
ここで、測定例１８と測定例１１、１７とを比較すると、測定例１１、１７は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ以上６００Ｇａｕｓｓ以下、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上７００Ｇａｕｓｓ以下、その標準偏差が３０以下、基材８上の磁束密度の最大値が０Ｇａｕｓｓ以上５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成しており、このような磁界を形成すれば、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率の評価すべてが合格となることがわかった。また、ソレノイドコイル４の内径ｃが１００ｍｍ、かつソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnが５０００ＡＴの場合において、測定例１１、１７のような磁界を形成するためには、リング状の磁石３の内径ａは、１００ｍｍ（陰極２の直径ｂ）以上かつ２００ｍｍ（陰極２の直径ｂの２倍）以下であることが必要である。
【００５７】
次に、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率について考察する。
陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値及び平均値の増加に伴い表面粗さの値が減少している。また、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差の減少に伴い陰極２の利用効率が向上する傾向にある。さらに、陰極２の蒸発面から１５０ｍｍ離れた基材８上の磁束密度の最大値を下げることで、薄膜の残留応力が低減する傾向にある。
【実施例３】
【００５８】
実施例３は、陰極２を構成する物質と反応ガスとを変更した場合である。測定例１９は、陰極２を構成する物質をクロム（Ｃｒ）とし、反応ガスを窒素ガス（Ｎ2）としている。測定例２０は、陰極２を構成する物質をチタン（Ｔｉ）とし、反応ガスを窒素ガス（Ｎ2）としている。測定例２１は、陰極２を構成する物質を炭素（Ｃ）とし、反応ガスは用いていない。
なお、最適条件とは、実施例１における測定例１１と同様に、陰極２の直径ｂを１００ｍｍ、リング状の磁石３の内径ａを１５０ｍｍ、ソレノイドコイル４の内径ｃを１００ｍｍ、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnが５０００ＡＴの蒸発源１を用いた場合である。また、従来技術とは、実施例１における測定例１５と同様に、リング状の磁石３を有さない蒸発源１を用いた場合である。
【００５９】
表３は、実施例３における測定例１９〜２１の陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差と、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率の結果である。なお、表３は、参考として実施例１における測定例１１、１５の結果も含む。
【００６０】
【表３】
2009144236.tif 000020
【００６１】
表３より、陰極２を構成する物質と反応ガスを変更した場合でも、本発明によれば良好な薄膜が形成できることが分かった。
なお、上述した実施例３の最適条件について、詳しくは、ソレノイドコイル４の外径を１６０ｍｍ、ソレノイドコイル４の巻き数を５００回としている。
【実施例４】
【００６２】
実施例４は、ソレノイドコイル４に流す電流値、陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離、及び陰極２を構成する物質等を変更した場合である。
測定例２２〜２４は、ソレノイドコイル４に流す電流値を３、５、６Ａとすることによってソレノイドコイル４及びリング状の磁石３の極性の向きを反対にし、陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を１４、３８、４８ｍｍとしている。
測定例２５〜２７は、ソレノイドコイル４に流す電流値を−３、−５、−６Ａとすることによってソレノイドコイル４及びリング状の磁石３の極性の向きを同一にし、陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を１４、３８、４８ｍｍとしている。
【００６３】
また、測定例２８及び２９においては、ソレノイドコイル４に流す電流値、及び陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を、測定例２３のおける値と同一としているものの、陰極２を構成する物質を変更している。測定例２８は、陰極２を構成する物質をクロム（Ｃｒ）としている。測定例２９は、陰極２を構成する物質をチタン（Ｔｉ）としている。
さらに、測定例３０においては、ソレノイドコイル４の代わりに、直径１０ｍｍ、厚さ４ｍｍである円盤形のネオジ磁石を、陰極２の背面に同軸状となるように配置している。また、陰極２の背面とネオジ磁石の前面との間の距離を４ｍｍとしている。
【００６４】
なお、測定例２２〜２４、２８及び２９を本発明に係る測定例とし、測定例２５〜２７及び３０を比較用の測定例としている。
また、その他の条件は、反応ガスである窒素（Ｎ2）の圧力を４Ｐａ、基材温度を５５０℃、ソレノイドコイル４の内径ｃを１００ｍｍ、ソレノイドコイル４の外径を２００ｍｍ、ソレノイドコイル４の巻き数を１１４１回としている。
表４は、実施例４における測定例２２〜３０の陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差と、陰極２の蒸発面上の任意の点における法線と任意の点を通る磁力線とのなす角と、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率の結果である。
【００６５】
【表４】
2009144236.tif 000021
【００６６】
まず、各測定例における磁界について考察する。
測定例２５〜２７は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が６００Ｇａｕｓｓより大きい、その平均値が７００Ｇａｕｓｓより大きい、又は基材８上の磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓより大きい磁界を形成している。また、測定例３０は、基材８上の磁束密度の最大値が５Ｇａｕｓｓより大きい磁界を形成している。さらに、測定例２５〜２７及び３０は、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率のうち少なくとも１つの評価が不合格である。
【００６７】
ここで、測定例２５〜２７及び３０と測定例２２〜２４、２８及び２９とを比較すると、測定例２２〜２４、２８及び２９は、陰極２の蒸発面上の磁束密度の最小値が４５Ｇａｕｓｓ以上６００Ｇａｕｓｓ以下、その平均値が８０Ｇａｕｓｓ以上７００Ｇａｕｓｓ以下、その標準偏差が３０以下、かつ基材８上の磁束密度の最大値が０Ｇａｕｓｓ以上５Ｇａｕｓｓ以下である磁界を形成しており、このような磁界を形成すれば、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率の評価すべてが合格となることがわかった。
なお、測定例２２〜２４、２８及び２９では、リング状の磁石３の内径ａが１００ｍｍ（陰極２の直径ｂ）以上かつ２００ｍｍ（陰極２の直径ｂの２倍）以下、ソレノイドコイル４の内径ｃが２０ｍｍ（陰極２の直径ｂの０．２倍）以上１５０ｍｍ（陰極２の直径ｂの１．５倍）以下、かつソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnが２５００ＡＴ以上１００００ＡＴ以下となっている。
【００６８】
また、測定例３０より、ソレノイドコイル４の替わりに円盤形のネオジ磁石を用いた場合には測定例２２〜２４、２８及び２９のような磁界を形成することはできない。
さらに、陰極２を構成する物質等を変更した場合でも、本発明によれば良好な薄膜が形成できることも分かった。
次に、陰極２の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角についても考察する。
測定例２５〜２７及び３０は、陰極２の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角が２０度より大きい磁界を形成している。また、測定例２５〜２７は、ソレノイドコイル４に流す電流値とソレノイドコイル４の巻き数とを乗じた値Ｉnは２５００ＡＴより小さい。そして、測定例３０は、ソレノイドコイル４すら有していない。さらに、測定例２５〜２７及び３０は、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率のうち少なくとも１つの評価が不合格である。
【００６９】
ここで、測定例２５〜２７及び３０と測定例２２〜２４、２８及び２９とを比較すると、測定例２２〜２４、２８及び２９は、陰極２の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角は２０度以下である磁界を形成しており、少なくともこのような磁界を形成しなければ、表面粗さ、残留応力及び陰極２の利用効率の評価すべてが合格とはならないこともわかった。
なお、陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を変化させても、ソレノイドコイル４に流す電流が負の値であれば、リング状の磁石３及びソレノイドコイル４の極性の向きが同一となり、陰極２の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角は２０度よりも非常に大きい値となる。
【００７０】
また、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差、及び薄膜の表面粗さについて、測定例２２〜２９を比較すると、ソレノイドコイル４の内径ｃを１００ｍｍと、ソレノイドコイル４の巻き数を１１４１回と一定値とし、ソレノイドコイル４に流す電流値、及び陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を変化させた場合、ソレノイドコイル４に流す電流値が５Ａ、陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離が３８ｍｍのときに、陰極２の蒸発面上の磁束密度の標準偏差、及び薄膜の表面粗さの値が最も小さくなった。
【００７１】
これは、ソレノイドコイル４に流す電流値、及び陰極２の背面とソレノイドコイル４の前面との間の距離を最適化することで、リング状の磁石３のみによる磁力線と、ソレノイドコイル４のみによる磁力線が、陰極２付近における磁束密度は正の高い値を保ったままの状態でほぼフラットになるように重ね合わされるためと考えられる。
最後に、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極２の利用効率について考察すると、陰極２の蒸発面上の磁束密度において、最小値及び平均値の増加に伴って表面粗さの値の減少し、標準偏差の減少に伴って陰極２の利用効率が向上している。また、陰極２の蒸発面から１５０ｍｍ離れた基材８上の磁束密度の最大値を下げることで、薄膜の残留応力が低減している。
【００７２】
ところで、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、実施形態に応じて適宜変更可能である。
陰極２は、平面視において点対称な形状（正方形、六角形等）であってもよい。その際、陰極２に対してリング状の磁石３及びソレノイドコイル４は同軸心状に配置されていなくてもよい。
また、陰極２は、平面視において長手方向を有した形状（長方形、楕円等）であってもよい。
【００７３】
なお、陰極２の形状にかかわらず、リング状の磁石３及びソレノイドコイル４の極性の向きが反対であれば、陰極２付近において、その磁力線の向きは陰極２の蒸発面と垂直になり、磁束密度は正の高い値を保ったままの状態でほぼフラットになると同時に、基材８上における磁束密度を低く抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、薄膜を形成するアークイオンプレーティング装置用の蒸発源及びアークイオンプレーティング装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源の概要図である。
【図２】本発明に係るアークイオンプレーティング装置の概要図である。
【図３】本発明及び比較技術に係るアークイオンプレーティング装置の、陰極の蒸発面上における磁束密度を対比した図である。
【図４】本発明に係るアークイオンプレーティング装置による磁界性状の概要図である。
【図５】比較技術に係るアークイオンプレーティング装置による磁界性状の概要図である。
【符号の説明】
【００７６】
１    アークイオンプレーティング装置用の蒸発源
２    陰極
３    リング状の磁石
４    ソレノイドコイル
５    磁界形成手段
６    アークイオンプレーティング装置
７    真空チャンバ
８    基材
９    アノード
１０    回転台
１１    ガス導入口
１２    ガス排気口
１３    第１バイアス電源
１４    第２バイアス電源
１５    アース
１６    リング状の磁石のみが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
１７    ソレノイドコイルのみが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
１８    リング状の磁石及びソレノイドコイルが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
１９    永久磁石のみが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
２０    電磁石のみが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
２１    永久磁石及び電磁石が作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
ａ    リング状の磁石の内径
ｂ    陰極の直径
ｃ    ソレノイドコイルの内径
Ｉn   ソレノイドコイルに流す電流値とソレノイドコイルの巻き数とを乗じた値
Ａ    リング状の磁石のみが作り出す磁界における陰極近傍の磁力線の向き
Ｂ    ソレノイドコイルのみが作り出す磁界における陰極近傍の磁力線の向き
Ｃ    永久磁石のみが作り出す磁界における陰極近傍の磁力線の向き
Ｄ    電磁石のみが作り出す磁界における陰極近傍の磁力線の向き
Ａ’  リング状の磁石のみが作り出す磁界における陰極及び基材間の磁力線の向き
Ｂ’  ソレノイドコイルのみが作り出す磁界における陰極及び基材間の磁力線の向き
Ｃ’  永久磁石のみが作り出す磁界における陰極及び基材間の磁力線の向き
Ｄ’  電磁石のみが作り出す磁界における陰極及び基材間の磁力線の向き