アークイオンプレーティング装置および成膜方法
【課題】蒸発源の消耗に伴って変化する薄膜表面の平滑性や薄膜の残留応力の変化を低減でき、蒸発源の利用効率を向上させることができるアークイオンプレーティング装置及び成膜方法を提供する。
【解決手段】リング状磁石およびソレノイドコイルの極性の向きは同一に設定され、中央磁石の極性の向きはリング状磁石およびソレノイドコイルの極性の向きと逆に設定され、中央磁石、リング状磁石およびソレノイドコイルとにより蒸発源の表面に生じる磁場の初期設定値は、蒸発源の端面から内方に所定幅の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が７〜１５ｍＴであり、端部領域表面の磁束密度が内側領域表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きく設定されており、ソレノイドコイルに、蒸発源の消耗に伴ってソレノイドコイルに流す電流値を変化させ、初期設定値を保持するためのコイル電源、磁場測定器およびコイル電流制御機構が設けられている。
【解決手段】リング状磁石およびソレノイドコイルの極性の向きは同一に設定され、中央磁石の極性の向きはリング状磁石およびソレノイドコイルの極性の向きと逆に設定され、中央磁石、リング状磁石およびソレノイドコイルとにより蒸発源の表面に生じる磁場の初期設定値は、蒸発源の端面から内方に所定幅の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が７〜１５ｍＴであり、端部領域表面の磁束密度が内側領域表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きく設定されており、ソレノイドコイルに、蒸発源の消耗に伴ってソレノイドコイルに流す電流値を変化させ、初期設定値を保持するためのコイル電源、磁場測定器およびコイル電流制御機構が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク放電によって蒸発源をイオン化させてワークの上に成膜させるアークイオンプレーティング装置および成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アークイオンプレーティング装置は、真空中で金属材料やセラミックス材料の蒸発源を陰極（カソード）としてアーク放電を起こし、それにより蒸発源を蒸発させると同時にイオンとして放出させ、一方、ワーク（被コーティング物）には負のバイアス電圧を印加しておき、そのワーク表面にイオンを加速供給して成膜する装置である。蒸発源としては、チタンやクロムが広く用いられており、例えば、高速度鋼や超硬合金、サーメットなどからなる切削工具の表面に、耐摩耗性向上のためにＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮなどの硬質皮膜を形成する技術に利用されている。
【０００３】
この種のアークイオンプレーティング装置では、蒸発源表面の微小領域にアーク電流が集中することにより、その微小領域がアークスポットとなって蒸発源を溶解蒸発させる。このアークスポットが滞留すると、その滞留部の付近の材料が蒸発せずに溶解して飛散するので、蒸発源の背部に磁石を設置して、アークスポットの移動を促進させることが行われる。
その磁界として、特許文献１には、蒸発源の蒸発面における磁界の強さが５ｍＴ（ミリテスラ）以上で、アーク電流値が２００Ａ以上であることが推奨されている。また、蒸発面における法線に対する磁力線の最大角度θが６０°以下であることが推奨されている。
また、特許文献２には、蒸発面の中心から蒸発面の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４．５ｍＴ以上、平均値が８ｍＴ以上、標準偏差が３以下である磁界を形成することで、陰極（カソード）の蒸発面に対し、磁力線の向きが垂直で、かつ陰極の蒸発面上における磁束密度を均一化することができ、陰極の利用効率を向上させることができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０３４５６３号公報
【特許文献２】特開２００９−１４４２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、蒸発源の消耗に伴い異常放電を引き起こすおそれがある。また、蒸発源の消耗量に応じて、薄膜表面の平滑性や、薄膜の残留応力が変化するという問題がある。そのため、蒸発源は、その消耗量に応じて交換しなければならず、利用効率が低いという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、蒸発源の消耗に伴って変化する薄膜表面の平滑性や薄膜の残留応力の変化を低減でき、蒸発源の利用効率を向上させることができるアークイオンプレーティング装置および成膜方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のアークイオンプレーティング装置は、蒸発源の背面中央に配置された中央磁石およびソレノイドコイルと、前記蒸発源の半径方向外側に配置されたリング状磁石とを備え、前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きは同一に設定され、前記中央磁石の極性の向きは前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きと逆に設定され、前記中央磁石、前記リング状磁石およびソレノイドコイルにより前記蒸発源の表面に生じる磁場の初期設定値は、その蒸発源の端面から内方に所定幅の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が７〜１５ｍＴであり、前記端部領域表面の磁束密度が前記内側領域表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きく設定されており、前記ソレノイドコイルに、前記蒸発源の消耗に伴って前記ソレノイドコイルに流す電流値を変化させ、前記初期設定値を保持する電流制御手段が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
通常、磁場発生源を蒸発源の背面に備えているアークイオンプレーティング装置においては、蒸発源の消耗に伴い、その蒸発源表面の磁束密度が大きくなる。本発明では、蒸発源の消耗に伴ってソレノイドコイルに流す電流値を上昇させることで、ソレノイドコイルによる磁界の一部と中央磁石による磁界の一部とを打ち消し合うように作用させ、磁力が大きくなることを防止できる。これにより、消耗量に拘わらず、消耗していない状態の蒸発源表面の磁束密度（初期設定値）を保持することができる。したがって、蒸発源の消耗に伴う薄膜表面の平滑性や薄膜の残留応力の変化を低減できる。また、消耗し切るまで蒸発源を使用することができるので、蒸発源の利用効率を向上させることができる。なお、初期設定値は、中央磁石、リング状磁石およびソレノイドコイルによって得られるが、ソレノイドコイルへ流す電流値を０にした場合も含む。
【０００９】
この場合、蒸発面に生じるアークスポットは、電子の放出点であるから、蒸発源の利用効率を高めるには、蒸発面の全域で平均的に動き回れるようにすることが重要である。本発明では、蒸発面の磁束密度を７〜１５ｍＴとした内側領域表面においては、アークスポットは高速でランダムに動き回ることができる。また、その放電領域にアークスポットを閉じ込める効果を得るには、磁束密度として７ｍＴ以上必要である。磁束密度が１５ｍＴを超えると、アークスポットの存在自体が著しく制限され、成膜速度が著しく低下してしまう問題がある。また、アーク放電の電圧値が通常時より上昇する問題も発生してしまう。
【００１０】
一方、蒸発源の端部領域においては、内側領域表面よりも磁束密度が大きいので、内側領域表面のアークスポットが端部領域に向かおうとしても、端部領域の強い磁場によって跳ね返されるようにして、内側領域に戻される。したがって、アークスポットを端部領域から表面部以外に入り込む現象を防止して、ほぼ内側領域内に閉じ込めた状態で移動させることができる、所定幅としては端面から１ｃｍの幅が望ましい。
これにより、蒸発源を面内均一に蒸発させて、薄膜表面の平滑性を高めることができる。
【００１１】
また、アークスポットを端部領域から外に移動しないようにするために、端部領域表面の磁束密度を内側領域表面の磁束密度より少なくとも３ｍＴ大きくしておくことが重要である。より好ましくは、内側領域表面の磁束密度が７〜１０ｍＴに対して、端部領域表面の磁束密度を１５ｍＴ以上とするとよい。
【００１２】
本発明のアークイオンプレーティング装置において、前記蒸発面における磁力線は、前記蒸発面の法線に対する角度θが０°≦θ＜２０°であり、前記端部領域表面では前記内側領域に向けて傾いているとよい。
磁力線が蒸発面の法線に対して上記の角度に設定されていると、蒸発面にアークスポットを閉じ込める効果がある。
また、アークスポットを移動させる力は、磁場における蒸発面に平行な成分と、蒸発面に垂直な成分とのそれぞれの大きさにより決まり、その向きは、蒸発面に平行な成分に直角の方向と、平行な成分に同じ方向との合成方向となる。したがって、磁場における蒸発面に平行な成分を蒸発面の内側領域に向けるようにすれば、端部領域表面にアークスポットが移動しようとしても蒸発面の内側領域に戻す方向に力が働き、端部領域から外に飛び出すことが防止される。
【００１３】
本発明のアークイオンプレーティング装置において、前記内側領域の磁束密度は、標準偏差が３以下であるとよい。
蒸発面の内側領域においては、局部的な集中をなくして全体に均等にアークスポットが移動することにより、蒸発源が均等に消耗し、さらに利用効率がよくなる。
【００１４】
本発明のアークイオンプレーティング成膜方法は、蒸発源の背面中央に配置された中央磁石およびソレノイドコイルと、前記蒸発源の半径方向外側に配置されたリング状磁石とにより蒸発源の表面に生じる磁場を設定し、蒸発源を蒸発させて成膜を行う方法であって、前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きを同一に設定し、前記中央磁石の極性の向きを前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きと逆に設定し、前記中央磁石、前記リング状磁石およびソレノイドコイルにより前記蒸発源の表面に生じる磁場の初期設定値を、蒸発源の端面から内方に所定幅の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が７〜１５ｍＴであり、前記端部領域表面の磁束密度が前記内側領域表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きくなるように設定しておき、前記蒸発源の消耗に伴って前記ソレノイドコイルに流す電流値を上昇させ、前記初期設定値を保持することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のアークイオンプレーティング装置によれば、蒸発源の消耗に伴ってソレノイドコイルに流す電流値を上昇させることで、ソレノイドコイルによる磁界の一部と、中央磁石による磁界の一部とを打ち消し合うように作用させて、磁力が大きくなることを防止できるので、薄膜表面の平滑性や薄膜の残留応力の変化を低減でき、蒸発源の利用効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のアークイオンプレーティング装置の一実施形態を模式的に示した平断面図である。
【図２】図１の縦断面図である。
【図３】蒸発面上の磁力線のベクトルを示す模式図である。
【図４】蒸発面上の磁力線によるアークスポットの移動原理を説明する模式図である。
【図５】蒸発面上の磁束密度、磁力線の角度の分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明のアークイオンプレーティング装置の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
この実施形態のアークイオンプレーティング装置１は、図１及び図２に示すように、真空チャンバ２内に、ワーク（被コーティング物）３を保持するテーブル４が設けられるとともに、このテーブル４を介して両側に、カソードとしての蒸発源５がそれぞれ設けられている。テーブル４は、その上面に複数のワーク３を保持する支持棒６が周方向に間隔をおいて複数本立設されるとともに、これら支持棒６を図１の矢印で示すように水平回転する機構を有しており、自身も旋回機構（図示略）により水平に旋回させられるターンテーブルとなっている。そして、支持棒６に保持したワーク３を自転させながら公転させる構成である。
また、真空チャンバ２には、内部に反応ガスを導入するガス導入口７と、内部から反応ガスを排出するガス排出口８とが設けられているとともに、テーブル４の後方に、テーブル４上のワーク３を加熱して被膜の密着力を高めるためにヒータ９が設けられている。
【００１８】
蒸発源５は、図示例のものは、円板状に形成され、その一面をテーブル４上のワーク３に向けて（テーブル４の半径方向と直交させて）配置されており、テーブル４に向けた面が蒸発面１１となる配置とされる。そして、この蒸発源５の表面（蒸発面１１）の適宜箇所を向けてアノード電極１２が配置され、蒸発源５をカソードとし、アノード電極１２と蒸発源５との間に負のバイアス電圧をかけるアーク電源１３が接続されている。
また、テーブル４にも、これに保持されるワーク３に負のバイアス電圧をかけるバイアス電源１４が接続されている。
【００１９】
また、蒸発源５の背面中央部に中央磁石１５が設けられるとともに、蒸発源５の半径方向外側位置に蒸発源５の外周面を囲むようにリング状磁石１６が設けられ、中央磁石１５の背面にソレノイドコイル１７が設けられている。
磁石１５，１６は永久磁石であり、ソレノイドコイル１７は、導線を螺旋状に巻いたリング状のコイルである。ソレノイドコイル１７は、流す電流値を変化させることで、磁束密度を変化させることができる。
リング状磁石１６およびソレノイドコイル１７の極性の向きは同一に設定され、中央磁石１５の極性の向きは、リング状磁石１６およびソレノイドコイル１７の極性の向きと逆に設定され、これら磁石１５，１６およびソレノイドコイル１７によって生じる磁場の一部は、相互に重なり合うように作用している。
蒸発源５の外側に配置されるリング状磁石１６は、例えば、蒸発源５の前方側がＳ極、後方側がＮ極とされ、磁界は、リング状磁石１６のＮ極からＳ極に向かう磁力線が、蒸発源５の後方から蒸発源５を通過して前方に至るように形成され、一方、蒸発源５の背面中央部の中央磁石１５は、蒸発源５に向けた側がＮ極で、反対側がＳ極とされ、その磁界は、蒸発源５の裏面側から蒸発源５を通過して蒸発源５の前方に抜けるように形成される。したがって、蒸発源５の中心部分では、両磁石１５，１６の磁界の一部が相互に重なり合うように作用する。
また、ソレノイドコイル１７は、中央磁石１５に向けた側がＳ極で、反対側がＮ極とされ、その磁界の一部は、中央磁石１５の磁界の一部と打ち消し合うように作用する。
そして、これら磁石１５，１６およびソレノイドコイル１７の磁束密度を適宜に設定することにより、これらの合成された磁場が蒸発源５の蒸発面１１に作用する。
【００２０】
本実施形態のアークイオンプレーティング装置１においては、ソレノイドコイル１７に流す電流値を変化させる電流制御手段であるコイル電源１８が設けられている。また、中央磁石１５とリング状磁石１６とにより蒸発源５の蒸発面１１上に生じる磁場の初期設定値を設定しておく。コイル電源１８は、初期においてはソレノイドコイル１７へ流す電流値を０とし、蒸発源５の消耗に伴ってソレノイドコイル１７に流す電流値を変化させ、磁場の初期設定値を保持する。
磁場の初期設定値は、蒸発源５の外周端面から内方に１ｃｍ幅のリング状の端部領域Ｅを除く内側領域Ｃ表面の磁束密度が７〜１５ｍＴ（ミリテスラ）、標準偏差が３以下とされ、リング状の端部領域Ｅ表面の磁束密度が、内側領域Ｃ表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きく、１５ｍＴ以上とされる。
【００２１】
また、蒸発源５を通過する磁力線は、その蒸発面１１の法線に対する角度θが０°≦θ＜２０°とされ、リング状の端部領域Ｅ表面では、その角度が内側領域Ｃに向けて傾斜するように形成される。
図３に蒸発面１１上の磁力線のベクトルを模式的に示したように、破線で示すように、内側領域Ｃにおいては、蒸発面１１の法線に対する角度が０°≦θ＜２０°とされ、端部領域Ｅにおいては、実線で示すように、内側領域Ｃの磁力線よりも大きい磁束密度の磁力線が蒸発面１１の法線に対する角度は０°≦θ＜２０°とされるが、内側領域Ｃに向けて傾いた状態に形成される。
【００２２】
このように構成したアークイオンプレーティング装置１を用いてワーク３に成膜する方法について説明する。
まず、テーブル４の支持棒６にワーク３を保持して、真空チャンバ２内を真空引きした後、Ａｒ等をガス導入口７より導入して、蒸発源５とワーク３上の酸化物等の不純物をスパッタすることにより除去する。そして、再度真空チャンバ２内を真空引きした後、窒素ガス等の反応ガスをガス導入口７から導入し、蒸発源５に向けたアノード電極１２をトリガとしてアーク放電を発生させることにより、蒸発源５を構成する物質をプラズマ化して反応ガスと反応させ、テーブル４上のワーク３表面に窒化膜等を成膜する。
【００２３】
この成膜工程時に蒸発源５の蒸発面１１上には放電電流が微小領域に集中して、高温で極めて活性な数μｍ径のアークスポットが発生し、蒸発面１１上を１０ｍ／ｓ以上の速さでランダムに動き回りながら、蒸発源５を瞬時に溶解蒸発させるとともに、イオンとして放出する。
消耗していない蒸発源を使用する場合、ソレノイドコイル１７への電流値は０としておく。蒸発源５の蒸発面１１上には、前述した磁石１５，１６によって図５に実線で示す磁束密度ａのように磁界が発生しており、この初期設定値（磁束密度ａ）に設定された磁界の作用によりアークスポットの移動が制御される。
【００２４】
具体的には、蒸発源５の外周の端部領域Ｅを除く内側領域Ｃの表面においては、磁束密度が７〜１５ｍＴとされていることから、その内側領域Ｃの表面で発生したアークスポットは、この内側領域Ｃに閉じ込められる。また、蒸発面１１上の磁力線が前述した二つの磁石１５，１６の相互作用により、蒸発面１１の法線に対する角度θが０°≦θ＜２０°とされているので、アークスポットを蒸発面１１に閉じ込めるように作用する。
なお、この内側領域Ｃの磁束密度の標準偏差が３以下としたのは、蒸発源５を均等に消耗させるためである。
【００２５】
一方、蒸発源５の端部領域Ｅにおいては、内側領域Ｃ表面よりも磁束密度が大きく設定されているので、内側領域Ｃ表面のアークスポットが端部領域Ｅに向かおうとしても、端部領域Ｅの強い磁場によって跳ね返されるようにして、内側領域Ｃに戻される。この端部領域Ｅの磁束密度としては、内側領域Ｃの磁束密度よりも３ｍＴ以上大きくなるように設定しておけば、アークスポットを内側領域Ｃに戻す効果を発揮させることができる。
【００２６】
また、蒸発面１１の法線に対する磁力線の角度が端部領域Ｅにおいては、内側領域Ｃに向けて傾斜するように形成されているので、アークスポットを内側領域Ｃに向けて戻す効果がある。Ｒｏｂｓｏｎら（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ社、Ｃａｔｈｏｄｉｃ ａｒｃｓ， ｐ．１４０）によると、蒸発面１１に生じる磁場がアークスポットに作用する力は、図４のＢで示す磁場を例にとると、蒸発面１１に平行な磁場成分ＢＨは、この磁場成分に対して９０°傾いた方向の力ＡＨとなり、蒸発面１１に垂直な磁場成分ＢＶは、平行な磁場成分ＢＨと同じ方向の力ＡＶを作用する。そして、これら磁場から作用する力ＡＨ，ＡＶの合成力によってアークスポットＡが移動する。したがって、蒸発面１１の法線に対する磁力線の角度θを内側領域Ｃに向けることにより、磁場からアークスポットＡに作用する力ＡＶの方向を内側領域Ｃに向けることができる。また、蒸発面１１に垂直な磁場成分ＢＶを大きくすることにより、力ＡＶの大きさを大きくすることができ、アークスポットＡを内側領域Ｃに戻す力を大きくすることができる。
【００２７】
これら端部領域Ｅの磁束密度を大きくしたこと、及びその磁力線を内側領域Ｃに向けて傾斜させたことにより、図３に矢印で示したようにアークスポットＡは端部領域Ｅに移動しようとすると戻されて内側領域Ｃに戻される。
そして、このようにアークスポットＡを内側領域Ｃ内に閉じ込め、端部領域Ｅを超えることが拘束されるので、アークスポットが蒸発源表面部以外に入り込む現象が防止され、安定した放電を維持することができる。
【００２８】
また、アークイオンプレーティング装置１では、成膜時間の経過とともに蒸発源５の蒸発面１１が消耗するのに伴い、中央磁石１５とリング状磁石１６とにより生じる磁場が、図５に破線で示す磁束密度ｂのように上昇する。このとき、コイル電源１８は、ソレノイドコイル１７に流す電流値を上昇させることで、ソレノイドコイル１７に中央磁石１５の磁力を打ち消すように磁力を作用させ、初期設定値の磁束密度ａを保持する。このように、中央磁石１５とリング状磁石１６だけの磁界であると、蒸発源５の消耗に伴い、その蒸発源５の蒸発面１１上の磁束密度が大きくなるが、蒸発源５の消耗に伴ってソレノイドコイル１７に流す電流値を上昇させることで、ソレノイドコイル１７による磁界の一部と中央磁石１５による磁界の一部とを打ち消し合うように作用させて、蒸発源５の蒸発面１１上の磁力が大きくなることを防止できる。磁束密度ａを保持する方法は、例えば、一定時間蒸発源５を放電後、真空チャンバ２内で磁場測定器及び、コイル電流制御機構１９により磁場を測定し、そのデータを磁束密度ａに一定となるようにフィードバックし、コイル電源１８に流すコイル電流値をコントロールすることにより可能となる。これにより、蒸発源５の消耗量に拘わらず、消耗していない状態の蒸発源５の蒸発面１１上の磁束密度（初期設定値の磁束密度ａ）を保持することができる。したがって、蒸発源５の消耗に伴う薄膜表面の平滑性や薄膜の残留応力の変化を低減できる。また、消耗し切るまで蒸発源５を使用することができるので、蒸発源の利用効率を向上させることができる。
【実施例】
【００２９】
本発明の効果を確認するために行った実施例及び比較例について説明する。実施例を表１、比較例を表２に示す。
実施例のアークイオンプレーティング装置においては、中央磁石およびリング状磁石、中央磁石の背面にソレノイドコイルを備え、比較例のアークイオンプレーティング装置においては、中央磁石およびリング状磁石のみを備える構成とした。また、蒸発源の背面中央に配置された中央磁石及びリング状磁石とも永久磁石のネオジム磁石を用い、保磁力が２０００ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が１１５０ｍＴとした。ただし、以下の表２に示す「比１‐６」の装置においては、リング状磁石は保磁力が２０００ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が１１５０ｍＴのネオジム磁石、中央磁石は保磁力が２５０ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が３５０ｍＴのフェライト磁石を用いた。「比１‐７」の装置においては、リング状磁石は保磁力が１０００ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が１３００ｍＴのネオジム磁石、中央磁石は保磁力が２０００ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が１１５０ｍＴのネオジム磁石を用いた。
また、蒸発源として、直径１００ｍｍ、厚さ１６ｍｍのＴｉまたはＴｉＡｌ（Ｔｉ：Ａｌ＝５０：５０）を用いた。そして、実施例および比較例のアークイオンプレーティング装置に蒸発源を配置し、蒸発面の磁場を測定したところ、表１及び表２に示すものとなった。なお、表中の「サンプルＮｏ．」においては、実施例の装置により成膜したものに「実」を付し、比較例のものに「比」を付した。
なお、磁束密度は、磁束計にて、蒸発源表面において蒸発源表面の中心を通る直線上を測定した。蒸発源の表面では、測定箇所を１０ｍｍ間隔と設定し、各測定点で蒸発源表面の垂直方向及び平行方向の磁束密度を測定した。また、これらの測定値から各測定点での磁束密度及び磁力線と蒸発面の法線とのなす角度（傾斜角）を算出した。また、蒸発源表面での磁束密度の標準偏差は、端部領域の磁束密度が大きい部分を除いた磁束密度の数値から算出した。
このようなアークイオンプレーティング装置を用いて、表１及び表２に示す各種の条件で成膜し、膜の表面粗さと残留応力とを測定した。なお、反応ガスとしては窒素ガスを用いた。表面粗さは、レーザー顕微鏡にて１０μｍ角の範囲を１０回測定し、その平均値を測定値とした。残留応力は、Ｘ線回折を利用した２θ‐ｓｉｎ２φ法により求めた。管球はＣｒを使用し、膜種がＴｉＮ及びＴｉＡｌＮの双方とも（２２０）のピークを用い、ステップ幅０．１°、スキャン速度は、０．１５°／ｍｉｎで測定した。
表１及び表２に結果を示す。なお、比較例である「比１‐５」，「比２‐５」，「比３‐５」，「比４‐５」のサンプルにおいては、蒸発源表面の磁力が１５ｍＴとなりアークスポットが安定に存在できなくなることから、放電ができなかったため成膜ができず、表中の表面粗さＲａおよび圧縮残留応力を「‐」とした。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
表１及び表２の「サンプルＮｏ．」の実または比の次の数字が同一のサンプルは、アーク電流、Ｎ２分圧、バイアス電圧の成膜条件が同一であることを意味する。表１及び表２の結果から明らかなように、アーク電流、Ｎ２分圧、バイアス電源の成膜条件が同一のサンプルを用いて成膜した場合、比較例の装置においては、蒸発源の消耗に伴って磁力が変化することにより、膜の表面粗さ及び残留応力が大きく変化し、さらに消耗が進むと成膜自体ができなくなる。それに対し、実施例の装置においては、蒸発源の消耗に伴ってソレノイドコイルに流す電流を変化させ、磁力を一定に調整することにより、膜の表面粗さ及び残留応力の変化を抑制できることがわかる。なお、「比１‐６」のサンプルは、蒸発源表面の磁力が小さいことにより極端に表面粗さが大きい。「比１‐７」のサンプルは、蒸発源端部領域を除く磁束密度の標準偏差が大きいことにより、蒸発源の利用効率が小さい。
【００３３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、蒸発源を円板状に形成したが、柱状、筒状等のものにも適用することができ、その場合も、端面から１ｃｍ幅の範囲を端部領域として、前述したような磁界を設定すればよい。
また、磁場の初期設定値を中央磁石とリング状磁石とにより設定し、ソレノイドコイルは初期には電流値を０にして作動しないようにしたが、ソレノイドコイルに初期の電流値を設定しておき、この電流値で得られる磁力と、中央磁石およびリング状磁石で得られる磁力との合成により、前述した初期設定値となるようにし、蒸発源の消耗に伴いその電流値を変化させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１ アークイオンプレーティング装置
２ 真空チャンバ
３ ワーク
４ テーブル
５ 蒸発源
６ 支持棒
７ ガス導入口
８ ガス排出口
９ ヒータ
１１ 蒸発面
１２ アノード電極
１３ アーク電源
１４ バイアス電源
１５ 中央磁石
１６ リング状磁石
１７ ソレノイドコイル
１８ コイル電源（電流制御手段）
１９ 磁場測定器及び、コイル電流制御機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク放電によって蒸発源をイオン化させてワークの上に成膜させるアークイオンプレーティング装置および成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アークイオンプレーティング装置は、真空中で金属材料やセラミックス材料の蒸発源を陰極（カソード）としてアーク放電を起こし、それにより蒸発源を蒸発させると同時にイオンとして放出させ、一方、ワーク（被コーティング物）には負のバイアス電圧を印加しておき、そのワーク表面にイオンを加速供給して成膜する装置である。蒸発源としては、チタンやクロムが広く用いられており、例えば、高速度鋼や超硬合金、サーメットなどからなる切削工具の表面に、耐摩耗性向上のためにＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮなどの硬質皮膜を形成する技術に利用されている。
【０００３】
この種のアークイオンプレーティング装置では、蒸発源表面の微小領域にアーク電流が集中することにより、その微小領域がアークスポットとなって蒸発源を溶解蒸発させる。このアークスポットが滞留すると、その滞留部の付近の材料が蒸発せずに溶解して飛散するので、蒸発源の背部に磁石を設置して、アークスポットの移動を促進させることが行われる。
その磁界として、特許文献１には、蒸発源の蒸発面における磁界の強さが５ｍＴ（ミリテスラ）以上で、アーク電流値が２００Ａ以上であることが推奨されている。また、蒸発面における法線に対する磁力線の最大角度θが６０°以下であることが推奨されている。
また、特許文献２には、蒸発面の中心から蒸発面の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４．５ｍＴ以上、平均値が８ｍＴ以上、標準偏差が３以下である磁界を形成することで、陰極（カソード）の蒸発面に対し、磁力線の向きが垂直で、かつ陰極の蒸発面上における磁束密度を均一化することができ、陰極の利用効率を向上させることができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０３４５６３号公報
【特許文献２】特開２００９−１４４２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、蒸発源の消耗に伴い異常放電を引き起こすおそれがある。また、蒸発源の消耗量に応じて、薄膜表面の平滑性や、薄膜の残留応力が変化するという問題がある。そのため、蒸発源は、その消耗量に応じて交換しなければならず、利用効率が低いという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、蒸発源の消耗に伴って変化する薄膜表面の平滑性や薄膜の残留応力の変化を低減でき、蒸発源の利用効率を向上させることができるアークイオンプレーティング装置および成膜方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のアークイオンプレーティング装置は、蒸発源の背面中央に配置された中央磁石およびソレノイドコイルと、前記蒸発源の半径方向外側に配置されたリング状磁石とを備え、前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きは同一に設定され、前記中央磁石の極性の向きは前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きと逆に設定され、前記中央磁石、前記リング状磁石およびソレノイドコイルにより前記蒸発源の表面に生じる磁場の初期設定値は、その蒸発源の端面から内方に所定幅の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が７〜１５ｍＴであり、前記端部領域表面の磁束密度が前記内側領域表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きく設定されており、前記ソレノイドコイルに、前記蒸発源の消耗に伴って前記ソレノイドコイルに流す電流値を変化させ、前記初期設定値を保持する電流制御手段が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
通常、磁場発生源を蒸発源の背面に備えているアークイオンプレーティング装置においては、蒸発源の消耗に伴い、その蒸発源表面の磁束密度が大きくなる。本発明では、蒸発源の消耗に伴ってソレノイドコイルに流す電流値を上昇させることで、ソレノイドコイルによる磁界の一部と中央磁石による磁界の一部とを打ち消し合うように作用させ、磁力が大きくなることを防止できる。これにより、消耗量に拘わらず、消耗していない状態の蒸発源表面の磁束密度（初期設定値）を保持することができる。したがって、蒸発源の消耗に伴う薄膜表面の平滑性や薄膜の残留応力の変化を低減できる。また、消耗し切るまで蒸発源を使用することができるので、蒸発源の利用効率を向上させることができる。なお、初期設定値は、中央磁石、リング状磁石およびソレノイドコイルによって得られるが、ソレノイドコイルへ流す電流値を０にした場合も含む。
【０００９】
この場合、蒸発面に生じるアークスポットは、電子の放出点であるから、蒸発源の利用効率を高めるには、蒸発面の全域で平均的に動き回れるようにすることが重要である。本発明では、蒸発面の磁束密度を７〜１５ｍＴとした内側領域表面においては、アークスポットは高速でランダムに動き回ることができる。また、その放電領域にアークスポットを閉じ込める効果を得るには、磁束密度として７ｍＴ以上必要である。磁束密度が１５ｍＴを超えると、アークスポットの存在自体が著しく制限され、成膜速度が著しく低下してしまう問題がある。また、アーク放電の電圧値が通常時より上昇する問題も発生してしまう。
【００１０】
一方、蒸発源の端部領域においては、内側領域表面よりも磁束密度が大きいので、内側領域表面のアークスポットが端部領域に向かおうとしても、端部領域の強い磁場によって跳ね返されるようにして、内側領域に戻される。したがって、アークスポットを端部領域から表面部以外に入り込む現象を防止して、ほぼ内側領域内に閉じ込めた状態で移動させることができる、所定幅としては端面から１ｃｍの幅が望ましい。
これにより、蒸発源を面内均一に蒸発させて、薄膜表面の平滑性を高めることができる。
【００１１】
また、アークスポットを端部領域から外に移動しないようにするために、端部領域表面の磁束密度を内側領域表面の磁束密度より少なくとも３ｍＴ大きくしておくことが重要である。より好ましくは、内側領域表面の磁束密度が７〜１０ｍＴに対して、端部領域表面の磁束密度を１５ｍＴ以上とするとよい。
【００１２】
本発明のアークイオンプレーティング装置において、前記蒸発面における磁力線は、前記蒸発面の法線に対する角度θが０°≦θ＜２０°であり、前記端部領域表面では前記内側領域に向けて傾いているとよい。
磁力線が蒸発面の法線に対して上記の角度に設定されていると、蒸発面にアークスポットを閉じ込める効果がある。
また、アークスポットを移動させる力は、磁場における蒸発面に平行な成分と、蒸発面に垂直な成分とのそれぞれの大きさにより決まり、その向きは、蒸発面に平行な成分に直角の方向と、平行な成分に同じ方向との合成方向となる。したがって、磁場における蒸発面に平行な成分を蒸発面の内側領域に向けるようにすれば、端部領域表面にアークスポットが移動しようとしても蒸発面の内側領域に戻す方向に力が働き、端部領域から外に飛び出すことが防止される。
【００１３】
本発明のアークイオンプレーティング装置において、前記内側領域の磁束密度は、標準偏差が３以下であるとよい。
蒸発面の内側領域においては、局部的な集中をなくして全体に均等にアークスポットが移動することにより、蒸発源が均等に消耗し、さらに利用効率がよくなる。
【００１４】
本発明のアークイオンプレーティング成膜方法は、蒸発源の背面中央に配置された中央磁石およびソレノイドコイルと、前記蒸発源の半径方向外側に配置されたリング状磁石とにより蒸発源の表面に生じる磁場を設定し、蒸発源を蒸発させて成膜を行う方法であって、前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きを同一に設定し、前記中央磁石の極性の向きを前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きと逆に設定し、前記中央磁石、前記リング状磁石およびソレノイドコイルにより前記蒸発源の表面に生じる磁場の初期設定値を、蒸発源の端面から内方に所定幅の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が７〜１５ｍＴであり、前記端部領域表面の磁束密度が前記内側領域表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きくなるように設定しておき、前記蒸発源の消耗に伴って前記ソレノイドコイルに流す電流値を上昇させ、前記初期設定値を保持することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のアークイオンプレーティング装置によれば、蒸発源の消耗に伴ってソレノイドコイルに流す電流値を上昇させることで、ソレノイドコイルによる磁界の一部と、中央磁石による磁界の一部とを打ち消し合うように作用させて、磁力が大きくなることを防止できるので、薄膜表面の平滑性や薄膜の残留応力の変化を低減でき、蒸発源の利用効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のアークイオンプレーティング装置の一実施形態を模式的に示した平断面図である。
【図２】図１の縦断面図である。
【図３】蒸発面上の磁力線のベクトルを示す模式図である。
【図４】蒸発面上の磁力線によるアークスポットの移動原理を説明する模式図である。
【図５】蒸発面上の磁束密度、磁力線の角度の分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明のアークイオンプレーティング装置の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
この実施形態のアークイオンプレーティング装置１は、図１及び図２に示すように、真空チャンバ２内に、ワーク（被コーティング物）３を保持するテーブル４が設けられるとともに、このテーブル４を介して両側に、カソードとしての蒸発源５がそれぞれ設けられている。テーブル４は、その上面に複数のワーク３を保持する支持棒６が周方向に間隔をおいて複数本立設されるとともに、これら支持棒６を図１の矢印で示すように水平回転する機構を有しており、自身も旋回機構（図示略）により水平に旋回させられるターンテーブルとなっている。そして、支持棒６に保持したワーク３を自転させながら公転させる構成である。
また、真空チャンバ２には、内部に反応ガスを導入するガス導入口７と、内部から反応ガスを排出するガス排出口８とが設けられているとともに、テーブル４の後方に、テーブル４上のワーク３を加熱して被膜の密着力を高めるためにヒータ９が設けられている。
【００１８】
蒸発源５は、図示例のものは、円板状に形成され、その一面をテーブル４上のワーク３に向けて（テーブル４の半径方向と直交させて）配置されており、テーブル４に向けた面が蒸発面１１となる配置とされる。そして、この蒸発源５の表面（蒸発面１１）の適宜箇所を向けてアノード電極１２が配置され、蒸発源５をカソードとし、アノード電極１２と蒸発源５との間に負のバイアス電圧をかけるアーク電源１３が接続されている。
また、テーブル４にも、これに保持されるワーク３に負のバイアス電圧をかけるバイアス電源１４が接続されている。
【００１９】
また、蒸発源５の背面中央部に中央磁石１５が設けられるとともに、蒸発源５の半径方向外側位置に蒸発源５の外周面を囲むようにリング状磁石１６が設けられ、中央磁石１５の背面にソレノイドコイル１７が設けられている。
磁石１５，１６は永久磁石であり、ソレノイドコイル１７は、導線を螺旋状に巻いたリング状のコイルである。ソレノイドコイル１７は、流す電流値を変化させることで、磁束密度を変化させることができる。
リング状磁石１６およびソレノイドコイル１７の極性の向きは同一に設定され、中央磁石１５の極性の向きは、リング状磁石１６およびソレノイドコイル１７の極性の向きと逆に設定され、これら磁石１５，１６およびソレノイドコイル１７によって生じる磁場の一部は、相互に重なり合うように作用している。
蒸発源５の外側に配置されるリング状磁石１６は、例えば、蒸発源５の前方側がＳ極、後方側がＮ極とされ、磁界は、リング状磁石１６のＮ極からＳ極に向かう磁力線が、蒸発源５の後方から蒸発源５を通過して前方に至るように形成され、一方、蒸発源５の背面中央部の中央磁石１５は、蒸発源５に向けた側がＮ極で、反対側がＳ極とされ、その磁界は、蒸発源５の裏面側から蒸発源５を通過して蒸発源５の前方に抜けるように形成される。したがって、蒸発源５の中心部分では、両磁石１５，１６の磁界の一部が相互に重なり合うように作用する。
また、ソレノイドコイル１７は、中央磁石１５に向けた側がＳ極で、反対側がＮ極とされ、その磁界の一部は、中央磁石１５の磁界の一部と打ち消し合うように作用する。
そして、これら磁石１５，１６およびソレノイドコイル１７の磁束密度を適宜に設定することにより、これらの合成された磁場が蒸発源５の蒸発面１１に作用する。
【００２０】
本実施形態のアークイオンプレーティング装置１においては、ソレノイドコイル１７に流す電流値を変化させる電流制御手段であるコイル電源１８が設けられている。また、中央磁石１５とリング状磁石１６とにより蒸発源５の蒸発面１１上に生じる磁場の初期設定値を設定しておく。コイル電源１８は、初期においてはソレノイドコイル１７へ流す電流値を０とし、蒸発源５の消耗に伴ってソレノイドコイル１７に流す電流値を変化させ、磁場の初期設定値を保持する。
磁場の初期設定値は、蒸発源５の外周端面から内方に１ｃｍ幅のリング状の端部領域Ｅを除く内側領域Ｃ表面の磁束密度が７〜１５ｍＴ（ミリテスラ）、標準偏差が３以下とされ、リング状の端部領域Ｅ表面の磁束密度が、内側領域Ｃ表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きく、１５ｍＴ以上とされる。
【００２１】
また、蒸発源５を通過する磁力線は、その蒸発面１１の法線に対する角度θが０°≦θ＜２０°とされ、リング状の端部領域Ｅ表面では、その角度が内側領域Ｃに向けて傾斜するように形成される。
図３に蒸発面１１上の磁力線のベクトルを模式的に示したように、破線で示すように、内側領域Ｃにおいては、蒸発面１１の法線に対する角度が０°≦θ＜２０°とされ、端部領域Ｅにおいては、実線で示すように、内側領域Ｃの磁力線よりも大きい磁束密度の磁力線が蒸発面１１の法線に対する角度は０°≦θ＜２０°とされるが、内側領域Ｃに向けて傾いた状態に形成される。
【００２２】
このように構成したアークイオンプレーティング装置１を用いてワーク３に成膜する方法について説明する。
まず、テーブル４の支持棒６にワーク３を保持して、真空チャンバ２内を真空引きした後、Ａｒ等をガス導入口７より導入して、蒸発源５とワーク３上の酸化物等の不純物をスパッタすることにより除去する。そして、再度真空チャンバ２内を真空引きした後、窒素ガス等の反応ガスをガス導入口７から導入し、蒸発源５に向けたアノード電極１２をトリガとしてアーク放電を発生させることにより、蒸発源５を構成する物質をプラズマ化して反応ガスと反応させ、テーブル４上のワーク３表面に窒化膜等を成膜する。
【００２３】
この成膜工程時に蒸発源５の蒸発面１１上には放電電流が微小領域に集中して、高温で極めて活性な数μｍ径のアークスポットが発生し、蒸発面１１上を１０ｍ／ｓ以上の速さでランダムに動き回りながら、蒸発源５を瞬時に溶解蒸発させるとともに、イオンとして放出する。
消耗していない蒸発源を使用する場合、ソレノイドコイル１７への電流値は０としておく。蒸発源５の蒸発面１１上には、前述した磁石１５，１６によって図５に実線で示す磁束密度ａのように磁界が発生しており、この初期設定値（磁束密度ａ）に設定された磁界の作用によりアークスポットの移動が制御される。
【００２４】
具体的には、蒸発源５の外周の端部領域Ｅを除く内側領域Ｃの表面においては、磁束密度が７〜１５ｍＴとされていることから、その内側領域Ｃの表面で発生したアークスポットは、この内側領域Ｃに閉じ込められる。また、蒸発面１１上の磁力線が前述した二つの磁石１５，１６の相互作用により、蒸発面１１の法線に対する角度θが０°≦θ＜２０°とされているので、アークスポットを蒸発面１１に閉じ込めるように作用する。
なお、この内側領域Ｃの磁束密度の標準偏差が３以下としたのは、蒸発源５を均等に消耗させるためである。
【００２５】
一方、蒸発源５の端部領域Ｅにおいては、内側領域Ｃ表面よりも磁束密度が大きく設定されているので、内側領域Ｃ表面のアークスポットが端部領域Ｅに向かおうとしても、端部領域Ｅの強い磁場によって跳ね返されるようにして、内側領域Ｃに戻される。この端部領域Ｅの磁束密度としては、内側領域Ｃの磁束密度よりも３ｍＴ以上大きくなるように設定しておけば、アークスポットを内側領域Ｃに戻す効果を発揮させることができる。
【００２６】
また、蒸発面１１の法線に対する磁力線の角度が端部領域Ｅにおいては、内側領域Ｃに向けて傾斜するように形成されているので、アークスポットを内側領域Ｃに向けて戻す効果がある。Ｒｏｂｓｏｎら（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ社、Ｃａｔｈｏｄｉｃ ａｒｃｓ， ｐ．１４０）によると、蒸発面１１に生じる磁場がアークスポットに作用する力は、図４のＢで示す磁場を例にとると、蒸発面１１に平行な磁場成分ＢＨは、この磁場成分に対して９０°傾いた方向の力ＡＨとなり、蒸発面１１に垂直な磁場成分ＢＶは、平行な磁場成分ＢＨと同じ方向の力ＡＶを作用する。そして、これら磁場から作用する力ＡＨ，ＡＶの合成力によってアークスポットＡが移動する。したがって、蒸発面１１の法線に対する磁力線の角度θを内側領域Ｃに向けることにより、磁場からアークスポットＡに作用する力ＡＶの方向を内側領域Ｃに向けることができる。また、蒸発面１１に垂直な磁場成分ＢＶを大きくすることにより、力ＡＶの大きさを大きくすることができ、アークスポットＡを内側領域Ｃに戻す力を大きくすることができる。
【００２７】
これら端部領域Ｅの磁束密度を大きくしたこと、及びその磁力線を内側領域Ｃに向けて傾斜させたことにより、図３に矢印で示したようにアークスポットＡは端部領域Ｅに移動しようとすると戻されて内側領域Ｃに戻される。
そして、このようにアークスポットＡを内側領域Ｃ内に閉じ込め、端部領域Ｅを超えることが拘束されるので、アークスポットが蒸発源表面部以外に入り込む現象が防止され、安定した放電を維持することができる。
【００２８】
また、アークイオンプレーティング装置１では、成膜時間の経過とともに蒸発源５の蒸発面１１が消耗するのに伴い、中央磁石１５とリング状磁石１６とにより生じる磁場が、図５に破線で示す磁束密度ｂのように上昇する。このとき、コイル電源１８は、ソレノイドコイル１７に流す電流値を上昇させることで、ソレノイドコイル１７に中央磁石１５の磁力を打ち消すように磁力を作用させ、初期設定値の磁束密度ａを保持する。このように、中央磁石１５とリング状磁石１６だけの磁界であると、蒸発源５の消耗に伴い、その蒸発源５の蒸発面１１上の磁束密度が大きくなるが、蒸発源５の消耗に伴ってソレノイドコイル１７に流す電流値を上昇させることで、ソレノイドコイル１７による磁界の一部と中央磁石１５による磁界の一部とを打ち消し合うように作用させて、蒸発源５の蒸発面１１上の磁力が大きくなることを防止できる。磁束密度ａを保持する方法は、例えば、一定時間蒸発源５を放電後、真空チャンバ２内で磁場測定器及び、コイル電流制御機構１９により磁場を測定し、そのデータを磁束密度ａに一定となるようにフィードバックし、コイル電源１８に流すコイル電流値をコントロールすることにより可能となる。これにより、蒸発源５の消耗量に拘わらず、消耗していない状態の蒸発源５の蒸発面１１上の磁束密度（初期設定値の磁束密度ａ）を保持することができる。したがって、蒸発源５の消耗に伴う薄膜表面の平滑性や薄膜の残留応力の変化を低減できる。また、消耗し切るまで蒸発源５を使用することができるので、蒸発源の利用効率を向上させることができる。
【実施例】
【００２９】
本発明の効果を確認するために行った実施例及び比較例について説明する。実施例を表１、比較例を表２に示す。
実施例のアークイオンプレーティング装置においては、中央磁石およびリング状磁石、中央磁石の背面にソレノイドコイルを備え、比較例のアークイオンプレーティング装置においては、中央磁石およびリング状磁石のみを備える構成とした。また、蒸発源の背面中央に配置された中央磁石及びリング状磁石とも永久磁石のネオジム磁石を用い、保磁力が２０００ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が１１５０ｍＴとした。ただし、以下の表２に示す「比１‐６」の装置においては、リング状磁石は保磁力が２０００ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が１１５０ｍＴのネオジム磁石、中央磁石は保磁力が２５０ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が３５０ｍＴのフェライト磁石を用いた。「比１‐７」の装置においては、リング状磁石は保磁力が１０００ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が１３００ｍＴのネオジム磁石、中央磁石は保磁力が２０００ｋＡ／ｍ、表面磁束密度が１１５０ｍＴのネオジム磁石を用いた。
また、蒸発源として、直径１００ｍｍ、厚さ１６ｍｍのＴｉまたはＴｉＡｌ（Ｔｉ：Ａｌ＝５０：５０）を用いた。そして、実施例および比較例のアークイオンプレーティング装置に蒸発源を配置し、蒸発面の磁場を測定したところ、表１及び表２に示すものとなった。なお、表中の「サンプルＮｏ．」においては、実施例の装置により成膜したものに「実」を付し、比較例のものに「比」を付した。
なお、磁束密度は、磁束計にて、蒸発源表面において蒸発源表面の中心を通る直線上を測定した。蒸発源の表面では、測定箇所を１０ｍｍ間隔と設定し、各測定点で蒸発源表面の垂直方向及び平行方向の磁束密度を測定した。また、これらの測定値から各測定点での磁束密度及び磁力線と蒸発面の法線とのなす角度（傾斜角）を算出した。また、蒸発源表面での磁束密度の標準偏差は、端部領域の磁束密度が大きい部分を除いた磁束密度の数値から算出した。
このようなアークイオンプレーティング装置を用いて、表１及び表２に示す各種の条件で成膜し、膜の表面粗さと残留応力とを測定した。なお、反応ガスとしては窒素ガスを用いた。表面粗さは、レーザー顕微鏡にて１０μｍ角の範囲を１０回測定し、その平均値を測定値とした。残留応力は、Ｘ線回折を利用した２θ‐ｓｉｎ２φ法により求めた。管球はＣｒを使用し、膜種がＴｉＮ及びＴｉＡｌＮの双方とも（２２０）のピークを用い、ステップ幅０．１°、スキャン速度は、０．１５°／ｍｉｎで測定した。
表１及び表２に結果を示す。なお、比較例である「比１‐５」，「比２‐５」，「比３‐５」，「比４‐５」のサンプルにおいては、蒸発源表面の磁力が１５ｍＴとなりアークスポットが安定に存在できなくなることから、放電ができなかったため成膜ができず、表中の表面粗さＲａおよび圧縮残留応力を「‐」とした。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
表１及び表２の「サンプルＮｏ．」の実または比の次の数字が同一のサンプルは、アーク電流、Ｎ２分圧、バイアス電圧の成膜条件が同一であることを意味する。表１及び表２の結果から明らかなように、アーク電流、Ｎ２分圧、バイアス電源の成膜条件が同一のサンプルを用いて成膜した場合、比較例の装置においては、蒸発源の消耗に伴って磁力が変化することにより、膜の表面粗さ及び残留応力が大きく変化し、さらに消耗が進むと成膜自体ができなくなる。それに対し、実施例の装置においては、蒸発源の消耗に伴ってソレノイドコイルに流す電流を変化させ、磁力を一定に調整することにより、膜の表面粗さ及び残留応力の変化を抑制できることがわかる。なお、「比１‐６」のサンプルは、蒸発源表面の磁力が小さいことにより極端に表面粗さが大きい。「比１‐７」のサンプルは、蒸発源端部領域を除く磁束密度の標準偏差が大きいことにより、蒸発源の利用効率が小さい。
【００３３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、蒸発源を円板状に形成したが、柱状、筒状等のものにも適用することができ、その場合も、端面から１ｃｍ幅の範囲を端部領域として、前述したような磁界を設定すればよい。
また、磁場の初期設定値を中央磁石とリング状磁石とにより設定し、ソレノイドコイルは初期には電流値を０にして作動しないようにしたが、ソレノイドコイルに初期の電流値を設定しておき、この電流値で得られる磁力と、中央磁石およびリング状磁石で得られる磁力との合成により、前述した初期設定値となるようにし、蒸発源の消耗に伴いその電流値を変化させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１ アークイオンプレーティング装置
２ 真空チャンバ
３ ワーク
４ テーブル
５ 蒸発源
６ 支持棒
７ ガス導入口
８ ガス排出口
９ ヒータ
１１ 蒸発面
１２ アノード電極
１３ アーク電源
１４ バイアス電源
１５ 中央磁石
１６ リング状磁石
１７ ソレノイドコイル
１８ コイル電源（電流制御手段）
１９ 磁場測定器及び、コイル電流制御機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発源の背面中央に配置された中央磁石およびソレノイドコイルと、前記蒸発源の半径方向外側に配置されたリング状磁石とを備え、前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きは同一に設定され、前記中央磁石の極性の向きは前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きと逆に設定され、前記中央磁石、前記リング状磁石およびソレノイドコイルとにより前記蒸発源の表面に生じる磁場の初期設定値は、その蒸発源の端面から内方に所定幅の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が７〜１５ｍＴであり、前記端部領域表面の磁束密度が前記内側領域表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きく設定されており、前記ソレノイドコイルに、前記蒸発源の消耗に伴って前記ソレノイドコイルに流す電流値を変化させ、前記初期設定値を保持する電流制御手段が設けられていることを特徴とするアークイオンプレーティング装置。
【請求項２】
前記蒸発面における磁力線は、前記蒸発面の法線に対する角度θが０°≦θ＜２０°であり、前記端部領域表面では前記内側領域に向けて傾いていることを特徴とする請求項１記載のアークイオンプレーティング装置。
【請求項３】
前記内側領域の磁束密度は、標準偏差が３以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のアークイオンプレーティング装置。
【請求項４】
蒸発源の背面中央に配置された中央磁石およびソレノイドコイルと、前記蒸発源の半径方向外側に配置されたリング状磁石とにより蒸発源の表面に生じる磁場を設定し、蒸発源を蒸発させて成膜を行う方法であって、前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きを同一に設定し、前記中央磁石の極性の向きを前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きと逆に設定し、前記中央磁石、前記リング状磁石およびソレノイドコイルとにより前記蒸発源の表面に生じる磁場の初期設定値を、蒸発源の端面から内方に所定幅の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が７〜１５ｍＴであり、前記端部領域表面の磁束密度が前記内側領域表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きくなるように設定しておき、前記蒸発源の消耗に伴って前記ソレノイドコイルに流す電流値を上昇させ、前記初期設定値を保持することを特徴とするアークイオンプレーティング成膜方法。
【請求項１】
蒸発源の背面中央に配置された中央磁石およびソレノイドコイルと、前記蒸発源の半径方向外側に配置されたリング状磁石とを備え、前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きは同一に設定され、前記中央磁石の極性の向きは前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きと逆に設定され、前記中央磁石、前記リング状磁石およびソレノイドコイルとにより前記蒸発源の表面に生じる磁場の初期設定値は、その蒸発源の端面から内方に所定幅の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が７〜１５ｍＴであり、前記端部領域表面の磁束密度が前記内側領域表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きく設定されており、前記ソレノイドコイルに、前記蒸発源の消耗に伴って前記ソレノイドコイルに流す電流値を変化させ、前記初期設定値を保持する電流制御手段が設けられていることを特徴とするアークイオンプレーティング装置。
【請求項２】
前記蒸発面における磁力線は、前記蒸発面の法線に対する角度θが０°≦θ＜２０°であり、前記端部領域表面では前記内側領域に向けて傾いていることを特徴とする請求項１記載のアークイオンプレーティング装置。
【請求項３】
前記内側領域の磁束密度は、標準偏差が３以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のアークイオンプレーティング装置。
【請求項４】
蒸発源の背面中央に配置された中央磁石およびソレノイドコイルと、前記蒸発源の半径方向外側に配置されたリング状磁石とにより蒸発源の表面に生じる磁場を設定し、蒸発源を蒸発させて成膜を行う方法であって、前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きを同一に設定し、前記中央磁石の極性の向きを前記リング状磁石および前記ソレノイドコイルの極性の向きと逆に設定し、前記中央磁石、前記リング状磁石およびソレノイドコイルとにより前記蒸発源の表面に生じる磁場の初期設定値を、蒸発源の端面から内方に所定幅の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が７〜１５ｍＴであり、前記端部領域表面の磁束密度が前記内側領域表面の磁束密度よりも３ｍＴ以上大きくなるように設定しておき、前記蒸発源の消耗に伴って前記ソレノイドコイルに流す電流値を上昇させ、前記初期設定値を保持することを特徴とするアークイオンプレーティング成膜方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２４６５２８（Ｐ２０１２−２４６５２８Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１８５１９（Ｐ２０１１−１１８５１９）
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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