アーク式蒸発源
【課題】ターゲット表面における磁力線の傾きを、垂直となるように又はカソード表面の外周から中心側（内側）に向かう方向となるように制御されたアーク式蒸発源を提供する。
【解決手段】本発明のアーク式蒸発源１は、ターゲット２の外周を取り囲んでいて磁化方向がターゲット２の前面と平行となる方向に沿うように配置されたリング状の外周磁石３と、磁化方向がターゲット２の前面と直交する方向に沿うようにターゲットの背面側に配置された背面磁石４と、を備え、リング状の外周磁石３の径内側の磁極と背面磁石４のターゲット２側の磁極とが互いに同じ極性であることを特徴とする。
【解決手段】本発明のアーク式蒸発源１は、ターゲット２の外周を取り囲んでいて磁化方向がターゲット２の前面と平行となる方向に沿うように配置されたリング状の外周磁石３と、磁化方向がターゲット２の前面と直交する方向に沿うようにターゲットの背面側に配置された背面磁石４と、を備え、リング状の外周磁石３の径内側の磁極と背面磁石４のターゲット２側の磁極とが互いに同じ極性であることを特徴とする。
【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成膜装置のアーク式蒸発源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、耐摩耗性、摺動特性及び保護機能の向上などの目的で、機械部品、切削工具、摺動部品などの基材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知られており、アークイオンプレーティング法においては、カソード放電型アーク式蒸発源が用いられている。
カソード放電型アーク式蒸発源は、カソードであるターゲットの表面にアーク放電を発生させ、ターゲットを構成する物質を瞬時に溶解して蒸発させ、イオン化されたその物質を被処理物である基材の表面に引き込むことで薄膜を形成している。このアーク式蒸発源は、蒸発速度が速く、蒸発した物質のイオン化率が高いことから、成膜時には基材にバイアスを印加することで緻密な皮膜を形成できる。このため、切削工具などに耐摩耗性皮膜を形成する目的で産業的に用いられている。
【０００３】
しかしながら、カソード（ターゲット）とアノードの間で生じるアーク放電において、カソード側の電子放出点（アークスポット）を中心としてターゲットが蒸発する際に、アークスポット近傍から溶融した蒸発前のターゲットが放出されることがある。この溶融ターゲットの被処理体への付着は、薄膜の面粗度を低下させる原因となる。
アークスポットから放出される溶融ターゲット物質（マクロパーティクル）の量は、アークスポットが高速で移動すると抑制される傾向にあり、アークスポットの移動速度はターゲット表面に印加された磁界に影響されることが知られている。
【０００４】
また、アーク放電により蒸発するターゲット原子はアークプラズマ中において高度に電離、イオン化することが知られており、ターゲットから基材に向かうイオンの軌跡はターゲットと基材との間の磁界に影響されるなどの問題がある。
このような問題を解消するために、ターゲット表面に磁界を印加し、アークスポットの移動を制御する次のような技術が提案されている。
【０００５】
特許文献１には、ターゲットの周囲に、リング状の磁場発生源を設け、ターゲット表面に垂直な磁場を印加する真空アーク蒸発源が開示されている。また、特許文献２には、カソードの背面に磁石を配置したアーク式蒸発源が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２６９６３４号公報
【特許文献２】特開平０８−１９９３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示の真空アーク蒸発源によれば、ターゲット周辺部からのみターゲット表面に磁場を印加しているために、ターゲット表面の中心付近では磁場が弱くなる。このように磁場が弱くなった中心付近で放電する場合に、パーティクルが多く放出される。
また、特許文献２に開示のアーク式蒸発源によれば、カソード背面の磁石によってカソード表面に強い磁場を印加することはできるが、磁力線がカソード表面の中心から外周（
外側）に向かう方向に伸びている（発散している）。カソード表面に垂直磁場が印加された状況では、アークスポットは磁力線が倒れる方向に移動する傾向にあるので、放電時にアークスポットが外周部へと移動して放電が不安定になると共に、当該外周部のみで局所的な放電が生じてしまう。また、ターゲットからの磁力線が基材方向にのびていないことから、イオン化されたターゲット物質を効率的に基材方向に誘導することが出来ない。
【０００８】
前述した問題に鑑み、本発明は、ターゲット表面における磁力線の傾きを、垂直となるように、又はカソード表面の外周から中心（内側）に向かう方向となるように制御可能なアーク式蒸発源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】
【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式蒸発源は、ターゲットの外周を取り囲んでいて磁化方向が前記ターゲットの前面と平行となる方向に沿うように配置されたリング状の外周磁石と、磁化方向が前記ターゲットの前面と直交する方向に沿うように前記ターゲットの背面側に配置された背面磁石と、を備え、前記リング状の外周磁石の径内側の磁極と前記背面磁石の前記ターゲット側の磁極とが互いに同じ極性であることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記外周磁石は、当該外周磁石の径方向から見た投影が、前記ターゲットの径方向から見た投影と重なるように配置されているとよい。
なお好ましくは、前記外周磁石は、前端部と後端部の中間位置が、前記ターゲットの前面と背面の中間位置よりも後方となるように配置されているとよい。
さらに好ましくは、前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石及び前記外周磁石は永久磁石であるとよい。
【００１１】
また好ましくは、前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石は電磁コイルからなり、かつ前記外周磁石は永久磁石であるとよい。
ここで好ましくは、前記ターゲットの前方には、前記背面磁石と同一方向の磁場を発生するリング状の磁場発生機構が備えられ、前記リング状の磁場発生機構は、前記ターゲットの前面を通過した磁力線をリング内に通過させるとよい。
【００１２】
なお好ましくは、前記磁場発生機構は、電磁コイルからなるとよい。また好ましくは、前記ターゲットの前面における磁場が、１００ガウス以上であるとよい。
ここで本発明に係るアーク式蒸発源について、好ましくは、前記ターゲットの前方には、前記背面磁石と同一方向の磁場を発生するリング状の磁場発生機構が備えられ、前記リング状の磁場発生機構は、前記ターゲットの前面を通過した磁力線をリング内に通過させるように配置され、前記外周磁石は、前記ターゲットの背面よりも後方に配置されているとよい。
【００１３】
好ましくは、前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石及び前記外周磁石は永久磁石であるとよい。
また好ましくは、前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石は電磁コイルからなり、かつ前記外周磁石は永久磁石であるとよい。
なお好ましくは、前記磁場発生機構は、電磁コイルからなるとよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、ターゲット表面における磁力線の傾きを、垂直となるように、又はカソード表面の外周から中心側（内側）に向かう方向となるように制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るアーク式蒸発源を備えた成膜装置の概略構成を示す側面図であり、（ｂ）は、成膜装置の概略構成を示す平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るアーク式蒸発源の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るアーク式蒸発源の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係るアーク式蒸発源の概略構成を示す図である。
【図５】従来例によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図６】実施例１によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図７】実施例２によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図８】実施例３によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図９】実施例２の変形例によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図１０】実施例２の他の変形例によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図１１】実施例３の変形例によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図１２】実施例３の他の変形例によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。
［第１実施形態］
図１及び図２を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るアーク式蒸発源１（以下、蒸発源１という）を備えた成膜装置６を示している。
【００１７】
成膜装置６は、チャンバ１１を備え、このチャンバ１１内には被処理物である基材７を支持する回転台１２と、基材７に向けて取り付けられた蒸発源１とが配備されている。チャンバ１１には、当該チャンバ１１内へ反応ガスを導入するガス導入口１３と、チャンバ１１内から反応ガスを排出するガス排気口１４とが設けられている。
加えて、成膜装置６は、後述する蒸発源１のターゲット２に負のバイアスをかけるアーク電源１５と、基材７に負のバイアスをかけるバイアス電源１６とが設けられ、両電源１５、１６の正極側はグランド１８に接地されている。
【００１８】
図１に示すように、蒸発源１は、蒸発面が基材７に向くように配置された所定の厚みを有する円板状（以下、「円板状」とは所定の高さを有する円柱形状も含む）のターゲット２と、ターゲット２の近傍に配備された磁界形成手段８（外周磁石３と背面磁石４から構成される）を備えている。なお、本実施形態の場合には、チャンバ１１がアノードとして作用する。このような構成によって、蒸発源１は、カソード放電型のアーク式蒸発源として機能する。
【００１９】
図１及び図２を参照し、成膜装置６に備えられた蒸発源１の構成について、以下に説明する。図２は、本実施形態による蒸発源１の概略構成を示す図である。
蒸発源１は、上述したように、所定の厚みを有する円板状のターゲット２と、ターゲット２の近傍に配備された磁界形成手段８とから構成されている。
なお、以下の説明において、ターゲット２の蒸発面となる基材７側（基材方向）を向く面を「前面」、その反対側（基材と反対方向）を向く面を「背面」とする（図１及び図２参照）。
【００２０】
ターゲット２は、基材７上に形成しようとする薄膜に応じて選択された材料で構成されている。その材料としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、及びチタンアルミ（ＴｉＡｌ）などの金属材料や炭素（Ｃ）などのイオン化可能な材料がある。
磁界形成手段８は、ターゲット２の外周を取り囲むように配置されたリング状（環状乃至はドーナツ状）の外周磁石３と、ターゲット２の背面側に配置された背面磁石４とを有している。これら外周磁石３及び背面磁石４は、保磁力の高いネオジム磁石により形成された永久磁石によって構成されている。
【００２１】
外周磁石３は、上述のとおりリング体であって軸芯方向に所定の厚みを有している。外周磁石３の厚みは、ターゲット２の厚みとほぼ同じであるか若干小さい。
このようなリング状の外周磁石３の外観は、互いに平行な２つの円環状の面（円環面）と、当該２つの円環面を軸心方向につなぐ２つの周面とからなっている。この２つの周面は、円環面の内周側（径内側）に形成される内周面と、円環面の外周側（径外側）に形成される外周面である。これら内周面と外周面の幅は、すなわち外周磁石３の厚みである。
【００２２】
図２に示すように、外周磁石３は、内周面がＮ極となり、外周面がＳ極となるように磁化されている。なお、図中でＳ極からＮ極に向かう矢印が示されているが、以降、この矢印の方向を磁化方向と呼ぶ。本実施形態の外周磁石３は、この磁化方向がターゲット２の前面と平行となる方向、すなわち磁化方向がターゲット２を向くように配備されている。
外周磁石３は、リング状あるいは環状の一体形状をなすものでも良いし、円柱状あるいは直方体状の磁石をその磁化方向がターゲット２の表面と水平方向になるように、リング状あるいは環状に並べたものでも良い。
【００２３】
外周磁石３は、ターゲット２の外周を取り囲むように配置されており、このような配置においてターゲット２と同心軸状となっている。このとき、外周磁石３は、ターゲット２の厚みの範囲から出ないように配置される。よって、外周磁石３の径方向から見た投影がターゲット２の径方向から見た投影と重なるように配置されている。すなわち、外周磁石３は、ターゲット２の蒸発面と平行な方向に外周磁石３とターゲット２とを投影したときに形成される影が互いに重なると共に、外周磁石３の影がターゲット２の影に完全に含まれるように配置されている。
【００２４】
このように、外周磁石３は、前面側の円環面である前端部及び／又は後面側の円環面である後端部が、ターゲット２の前面より背面側（後方）且つ背面より前面側（前方）に配置されるように、蒸発源１に備えられている。
また、本実施形態において、外周磁石３は、その前端部と後端部の中間位置が、ターゲット２の前面と背面の中間位置と一致するように配置されている。
【００２５】
背面磁石４は、磁心となる非リング状の磁気コア５と、磁気コア５を挟む円板状の円板背面磁石４Ａ、４Ｂとから構成されている。円板背面磁石４Ａ、４Ｂも、磁気コア５と同様に非リング状である。ここで、「非リング状」とは、ドーナツ様に径方向内部に孔が空いている環状ではなく、円板状や円柱状等の中実な形状を指す。すなわち、「非リング状」とは、表面から外方へ向くいずれの法線も互いに交わらない形状をいう。これまでの知見から、基材方向に効率的に磁力線を延ばすためには背面の磁石は厚みが必要であることが分かっており、厚みを稼ぐために２枚の磁石である円板背面磁石４Ａ、４Ｂを離して配置し、かつその間を磁性体である磁気コア５で埋めることで磁力の低下を防いでいる。
【００２６】
図２に示すように、円板背面磁石４Ａ、４Ｂは、一方の円板面がＮ極となり、他方の円板面がＳ極となるように磁化されている。円板背面磁石４Ａ、４Ｂは、円板背面磁石４ＡのＳ極側の面と円板背面磁石４ＢのＮ極側の面とで磁気コア５を挟んでおり、互いの磁化方向を同じ方向に向けている。
このように構成された背面磁石４は、その磁化方向がターゲット２の軸心に沿うものであってターゲット２の蒸発面に対して垂直となるように、且つ円板背面磁石４ＡのＮ極側がターゲット２に向くように、ターゲット２の背面側に配置される。このとき、背面磁石４は、軸心がターゲット２の軸心とほぼ一致するように配置される。
【００２７】
蒸発源１は、ターゲット２に対して、上述のように外周磁石３と背面磁石４を配置することで構成される。このとき、外周磁石３の磁化方向はターゲット２の前面と平行となる方向、すなわちターゲット２を向くようになっている。また、外周磁石３の内周面である径内側の磁極はＮ極であり、背面磁石４のターゲット２側の磁極もＮ極であって、外周磁石３の径内側の磁極と背面磁石４のターゲット２側の磁極とは互いに同じ極性である。
【００２８】
このように、外周磁石３と背面磁石４が、ターゲット２に同じ極性を向けることで、外周磁石３によって形成される磁界と背面磁石４によって形成される磁界とを組合せることができる。これにより、ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線の方向を蒸発面に対してほぼ垂直とすることができ、且つ磁力線を基材７の方向に誘導することが可能となるという効果が得られる。
【００２９】
なお、上述の通り、外周磁石３と背面磁石４は同じ磁極をターゲット２に向けていればよいので、蒸発源１は、外周磁石３と背面磁石４が互いにＳ極をターゲット２に向けるように構成されていてもよい。
次に、蒸発源１を用いた成膜装置６における成膜の方法を説明する。
まず、チャンバ１１を真空引きして真空にした後、アルゴンガス（Ａｒ）等の不活性ガスをガス導入口１３より導入し、ターゲット２及び基材７上の酸化物等の不純物をスパッタによって除去する。不純物の除去後、チャンバ１１内を再び真空にして、真空となったチャンバ１１内にガス導入口１３より反応ガスを導入する。
【００３０】
この状態でチャンバ１１に設置されたターゲット２上でアーク放電を発生させると、ターゲット２を構成する物質がプラズマ化して反応ガスと反応する。これによって、回転台１２に置かれた基材７上に窒化膜、酸化膜、炭化膜、炭窒化膜、或いは非晶質炭素膜等を成膜することができる。
なお、反応ガスとしては、窒素ガス（Ｎ2）や酸素ガス（Ｏ2）、またはメタン(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、チャンバ１１内の反応ガスの圧力は１〜７Ｐａ程度とすればよい。また、成膜時、ターゲット２は、１００〜２００Ａのアーク電流を流すことで放電させると共に、１０〜３０Ｖの負電圧をアーク電源１５により印加するとよい。さらに、基材７には１０〜２００Ｖの負電圧をバイアス電源１６により印加するとよい。
【００３１】
また、ターゲット２の前面における磁場が１００ガウス以上となるように、外周磁石３及び背面磁石４を構成及び配置すると好ましい。これにより、成膜を確実に行うことができる。ターゲット２の前面における磁場が１５０ガウスであれば、より好ましい。
なお、第１実施形態の蒸発源１を用いて成膜を行っている場合における磁力線の分布状況は、後述の実施例で精説する。
［第２実施形態］
図３を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。
【００３２】
図３は、本実施形態による成膜装置６で用いられるアーク式蒸発源１の概略構成を示す図である。
本実施形態におけるアーク式蒸発源１は、第１実施形態におけるアーク式蒸発源１と同様に、所定の厚みを有する円板状のターゲット２と、ターゲット２の近傍に配備された磁界形成手段８とから構成されている。磁界形成手段８は、第１実施形態と同様に、ターゲット２の外周を取り囲むように配置されたリング状（環状）の外周磁石３と、ターゲット２の背面側に配置された背面磁石４とを有している。
【００３３】
このように、本実施形態における蒸発源１は、第１実施形態におけるアーク式蒸発源１と同様の構成を有しているが、外周磁石３の配置だけが異なっている。
以下に、本実施形態における蒸発源１の外周磁石３の配置について説明する。
図３を参照して、ターゲット２に対する外周磁石３の位置に注目すると、外周磁石３が、ターゲット２に対して背面磁石４側（背面側）に位置をずらして配置されていることがわかる。このように外周磁石３の位置がずれることで、外周磁石３の径方向から見た投影の前面側が、ターゲット２の径方向から見た投影の背面側と重なる。すなわち、外周磁石３は、ターゲット２の蒸発面と平行な方向に外周磁石３とターゲット２とを投影したときに形成される影が互いに部分的に重なると共に、外周磁石３の影の前面側がターゲット２の影の背面側に重なるように配置される。
【００３４】
このとき、図３の外周磁石３において矢印が示された外周磁石３の厚み方向の中央位置つまり、外周磁石３の前端部と後端部の中間位置は、ターゲット２の厚み方向に沿った幅の範囲内にあり、ターゲット２の背面よりも前面側（前方）に配置されている。
つまり、本実施形態における外周磁石３は、前端部がターゲット２の背面よりも前方に配置されるように、且つ後端部がターゲット２の背面よりも後方に配置されるように蒸発源１に備えられている。さらに詳しく述べると、本実施形態における外周磁石３は、前端部と後端部の中間位置が、ターゲット２の前面と背面の中間位置よりも後面側（後方）となるように配置され、蒸発源１に備えられている。
【００３５】
このように、外周磁石３をターゲット２に対して背面磁石４側にずらして配置すると、第１実施形態における効果に加えて、ターゲット２の消費によって蒸発面の位置が変化した場合でも、蒸発面での磁場の均一性を良好な状態で保つことができるようになる。
以上に示した外周磁石３の配置以外は、第１実施形態とほぼ同様であるので説明を省略する。
【００３６】
なお、第２実施形態の蒸発源１を用いて成膜を行っている場合における磁力線の分布状況は、後述の実施例で精説する。
［第３実施形態］
図４を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。
図４は、本実施形態による成膜装置６で用いられるアーク式蒸発源１の概略構成を示す図である。
【００３７】
本実施形態におけるアーク式蒸発源１は、第１実施形態におけるアーク式蒸発源１と比較して、磁場発生機構としての電磁コイル９を有している点が異なっている。
他の構成、例えば、所定の厚みを有する円板状のターゲット２、ターゲット２の外周を取り囲むように配置されたリング状の外周磁石３、ターゲット２の背面側に配置された背面磁石４などは、第１実施形態と略同様である。
【００３８】
それ故、ここでは蒸発源１の電磁コイル９の構成及び配置について説明する。
電磁コイル９は、背面磁石４と同一方向の磁場を発生するリング状のソレノイドであり、例えば、巻数が数百回程度（例えば４１０回）となっていて、ターゲット２の径よりも若干大きな径のコイルとなるように巻回されている。本実施形態では、２０００Ａ・Ｔ〜５０００Ａ・Ｔ程度の電流で磁場を発生させる。
【００３９】
図４に示すように、この電磁コイル９はターゲット２の前面側に設けられ、径方向から見た電磁コイル９の投影が、ターゲット２の投影と重ならないものとなっている。このとき、電磁コイル９は、ターゲット２と同心軸状に並ぶように配置される。このように配置されたターゲット２及び電磁コイル９を背面磁石４側から及び基材７側から見ると、円環状の電磁コイル９の内側に、円形のターゲット２がほぼ同心に入り込んだ状態となっている。
【００４０】
このように配置した電磁コイル９に電流を流し、電磁コイル９の内側にターゲット２側から基材７側に向かう磁場を発生させる。このとき、ターゲット２の前面を通過した磁力線を電磁コイル９内に通過させ得るようになっている。
このように、電磁コイル９を設けると、第１実施形態における効果に加えて、ターゲット２の蒸発面を通過した磁力線の拡散を抑制して基材７の表面まで高い磁力線密度を維持することができる。また、上述のように、ターゲット２と基材７の間に電磁コイル９を設けると、ターゲット２から基材７へのイオンの搬送効率を向上させる効果も期待できる。
【００４１】
なお、第３実施形態の蒸発源１を用いて成膜を行っている場合における磁力線の分布状況は、後述の実施例で精説する。
【実施例】
【００４２】
以上、第１実施形態〜第３実施形態に亘って説明したアーク式蒸発源１は、外周磁石３の配置や、電磁コイル９の有無などがそれぞれ異なるので、発生する磁力線の分布もそれぞれ異なっている。
図５〜図８を参照しながら、第１実施形態〜第３実施形態のアーク式蒸発源１が発生する磁力線の分布について、実施例１〜実施例３として説明する。
【００４３】
なお、図５〜図８の上段に符号（ａ）で示される磁力線分布図は、背面磁石４から基材７の表面までの磁力線分布を示している。これら図５（ａ）〜図８（ａ）の磁力線分布図において、右端は基材７の表面の位置を示している。図５〜図８の下段に符号（ｂ）で示される磁力線分布図は、それぞれ、図５（ａ）〜図８（ａ）における、ターゲット２周辺の拡大図である。
【００４４】
以下に説明する従来例及び各実施例での、各種実験条件を示す。例えば、ターゲット２の寸法は、（１００ｍｍφ×１６ｍｍ厚み）である。円板背面磁石４Ａ、４Ｂの寸法は、各々（１００ｍｍφ×４ｍｍ厚み）である。磁気コア５の寸法は、（１００ｍｍφ×３０ｍｍ厚み）である。外周磁石３の寸法は、（内径１５０ｍｍφ、外径１７０ｍｍ、厚み１０ｍｍ）である。ターゲット２の表面での磁界強度は、１５０ガウス以上である。
［従来例］
まず理解を深めるため、図５を参照して、従来例、すなわち背面磁石４だけを用いたときの磁力線分布について説明する。
【００４５】
図５（ａ）を参照すると、背面磁石４から出た磁力線は、背面磁石４の外周方向に傾きながら発散しつつ基材７の表面に向かっている。
図５（ｂ）を参照すると、ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線は、ターゲット２の外周方向に傾いて、ターゲット２の背面から前面に向かって拡散している。
［実施例１］
図６を参照して、第１実施形態によるアーク式蒸発源１を用いたときの磁力線分布について説明する。
【００４６】
図６（ａ）を参照すると、背面磁石４から出た磁力線は、外周磁石３の位置で拡散が抑制され、ターゲット２を通過する磁力線の密度は、特にターゲット２の中心付近において従来例よりも高くなっている。
図６（ｂ）を参照すると、ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線は、ターゲット２の蒸発面に対してほぼ垂直（言い換えれば、ターゲット法線に対して略平行）となっている。
［実施例２］
図７を参照して、第２実施形態によるアーク式蒸発源１を用いたときの磁力線分布について説明する。
【００４７】
図７（ａ）を参照すると、背面磁石４から出た磁力線は、外周磁石３の位置で拡散が抑制され、ターゲット２を通過する磁力線の密度は、特にターゲット２の中心付近において従来例よりも高くなっている。
図７（ｂ）を参照すると、ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線は、ターゲット２の蒸発面に対してほぼ垂直（言い換えれば、ターゲット法線に対してほぼ平行）となっている。また、ターゲット２の厚み方向の中央から背面側について、本実施例における外周部における磁力線を従来例と比べると、本実施例の方がターゲット法線に対して平行に近いと言える。よって、本実施例は、従来例と比べてターゲット２内の磁力線密度がより均一となっていると言える。
【００４８】
図９に、本実施例に対する変形例の磁力線分布を示す。図９に示すアーク式蒸発源は、第２実施形態による図７のアーク式蒸発源１と同様に、ターゲット２、外周磁石３、及び背面磁石４を含んで構成されている。図９のアーク式蒸発源では、図７のアーク式蒸発源１とは異なって、外周磁石３の配置がターゲット２の背面よりも後方となっている。このとき、外周磁石３の前端部はターゲット２の背面よりも５ｍｍ〜１０ｍｍ程度後方である。
【００４９】
図９の磁力線分布図では、図７と比較して、ターゲット２の前面（蒸発面）における磁力線が、当該蒸発面に対してターゲット２の径外方向により傾いて拡散していることが分かる。この場合、アーク放電がターゲット２の外周部に偏ってしまうので好ましくない。
つまり、ターゲット２、外周磁石３、及び背面磁石４を用いたアーク式蒸発源の構成において、外周磁石３の配置がターゲット２の背面よりも後方となっていることは、好ましくないといえる。
【００５０】
図１０に、本実施例に対する他の変形例の磁力線分布を示す。図１０に示すアーク式蒸発源は、第２実施形態による図７のアーク式蒸発源１と同様に、ターゲット２及び外周磁石３を有しているが、永久磁石で構成された背面磁石４の代わりに、電磁コイル９と同様の構成を有するリング状ソレノイドである電磁コイル１０を用いている。図１０のアーク式蒸発源におけるターゲット２に対する外周磁石３の位置は、図７のアーク式蒸発源１における外周磁石３の位置とほぼ同じである。電磁コイル１０は、図７における背面磁石４とほぼ同じ位置で、ターゲット２とほぼ同軸に配置されている。電磁コイル１０の内径は約１００ｍｍ、外径は約２００ｍｍ、厚みは約５０ｍｍである。電磁コイル１０は、ターゲット２から約６４ｍｍ後方に配置されている。なお、電磁コイル１０の磁力は、ターゲット２の前面における磁束密度が、背面磁石４を用いた場合とほぼ同じとなるように調整されている。
【００５１】
図１０の磁力線分布図では、図７の磁力線分布図とほぼ等価な磁場が形成されていることが分かる。つまり、永久磁石で構成された背面磁石４の代わりに電磁コイル１０を用いても、ほぼ等価な磁場を形成することができるといえる。
［実施例３］
図８を参照して、第３実施形態によるアーク式蒸発源１を用いたときの磁力線分布について説明する。
【００５２】
図８（ａ）を参照すると、背面磁石４から出た磁力線は、外周磁石３の位置で拡散が抑制され、ターゲット２を通過する磁力線の密度は、特にターゲット２の中心付近において従来例よりも高くなっている。ターゲット２の蒸発面を通過して拡散しつつあった磁力線は、電磁コイル９の位置で拡散が抑制されて、再びターゲット法線に対して略平行となる。
【００５３】
図８（ｂ）を参照すると、ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線は、ターゲット２の蒸発面に対してほぼ垂直、又はターゲット２の中心方向に向かって傾いている。これによって、ターゲット２の厚み方向の中央から背面側について、本実施例における磁力線は、従来例ならびに実施例１，２と比べて、最もターゲット法線に対して平行に近くなっていると言える。
【００５４】
図１１に、本実施例に対する変形例の磁力線分布を示す。図１１に示すアーク式蒸発源は、第３実施形態による図８のアーク式蒸発源１と同様に、ターゲット２、外周磁石３、背面磁石４、及び電磁コイル９を含んで構成されている。図１１のアーク式蒸発源では、図８のアーク式蒸発源１とは異なって、外周磁石３の配置が、ターゲット２の背面よりも後方となっている。このとき、外周磁石３の前端部はターゲット２の背面よりも５ｍｍ〜１０ｍｍ程度後方である。
【００５５】
図１１の磁力線分布図では、図８の磁力線分布図とほぼ等価な磁場が形成されていることが分かる。本変形例において、外周磁石３の配置がターゲット２の背面よりも５ｍｍ〜１０ｍｍ程度後方となっていても、図８の磁力線分布図とほぼ等価な磁場を形成することができるといえる。つまり、本変形例の構成において、図８の磁力線分布図とほぼ等価な磁場を形成しようとした際に許容される外周磁石３の前端部とターゲット２の背面との間隔には、各構成部材の大きさや発する磁力線密度に応じた許容範囲が存在することが分かる。なお、この許容範囲は、ターゲット２の厚みの２倍程度である。
【００５６】
図１２に、本実施例に対する他の変形例の磁力線分布を示す。図１２に示すアーク式蒸発源は、第３実施形態による図８のアーク式蒸発源１と同様に、ターゲット２、外周磁石３、及び電磁コイル９を含んでいるが、永久磁石で構成された背面磁石４の代わりに電磁コイル１０を用いている。図１２のアーク式蒸発源では、ターゲット２に対する外周磁石３の位置は、図８のアーク式蒸発源１とほぼ同じ位置である。電磁コイル１０は、図１０における電磁コイル１０とほぼ同じ構成を有すると共に、図８の背面磁石４とほぼ同じ位置でターゲット２とほぼ同軸に配置されている。図１２において電磁コイル１０は、ターゲット２から約６４ｍｍ後方に配置されている。
【００５７】
図１２の磁力線分布図では、図８の磁力線分布図とほぼ等価な磁場が形成されていることが分かる。つまり、永久磁石で構成された背面磁石４の代わりに電磁コイル１０を用いても、ほぼ等価な磁場を形成することができるといえる。
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、薄膜を形成する成膜装置のアーク式蒸発源として利用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１ 蒸発源（アーク式蒸発源）
２ ターゲット
３ 外周磁石
４ 背面磁石
４Ａ 第１の永久磁石（円板背面磁石）
４Ｂ 第２の永久磁石（円板背面磁石）
５ 磁気コア
６ 成膜装置
７ 基材
８ 磁界形成手段
９，１０ 電磁コイル
１１ 真空チャンバ
１２ 回転台
１３ ガス導入口
１４ ガス排気口
１５ アーク電源
１６ バイアス電源
１８ グランド
【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成膜装置のアーク式蒸発源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、耐摩耗性、摺動特性及び保護機能の向上などの目的で、機械部品、切削工具、摺動部品などの基材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知られており、アークイオンプレーティング法においては、カソード放電型アーク式蒸発源が用いられている。
カソード放電型アーク式蒸発源は、カソードであるターゲットの表面にアーク放電を発生させ、ターゲットを構成する物質を瞬時に溶解して蒸発させ、イオン化されたその物質を被処理物である基材の表面に引き込むことで薄膜を形成している。このアーク式蒸発源は、蒸発速度が速く、蒸発した物質のイオン化率が高いことから、成膜時には基材にバイアスを印加することで緻密な皮膜を形成できる。このため、切削工具などに耐摩耗性皮膜を形成する目的で産業的に用いられている。
【０００３】
しかしながら、カソード（ターゲット）とアノードの間で生じるアーク放電において、カソード側の電子放出点（アークスポット）を中心としてターゲットが蒸発する際に、アークスポット近傍から溶融した蒸発前のターゲットが放出されることがある。この溶融ターゲットの被処理体への付着は、薄膜の面粗度を低下させる原因となる。
アークスポットから放出される溶融ターゲット物質（マクロパーティクル）の量は、アークスポットが高速で移動すると抑制される傾向にあり、アークスポットの移動速度はターゲット表面に印加された磁界に影響されることが知られている。
【０００４】
また、アーク放電により蒸発するターゲット原子はアークプラズマ中において高度に電離、イオン化することが知られており、ターゲットから基材に向かうイオンの軌跡はターゲットと基材との間の磁界に影響されるなどの問題がある。
このような問題を解消するために、ターゲット表面に磁界を印加し、アークスポットの移動を制御する次のような技術が提案されている。
【０００５】
特許文献１には、ターゲットの周囲に、リング状の磁場発生源を設け、ターゲット表面に垂直な磁場を印加する真空アーク蒸発源が開示されている。また、特許文献２には、カソードの背面に磁石を配置したアーク式蒸発源が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２６９６３４号公報
【特許文献２】特開平０８−１９９３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示の真空アーク蒸発源によれば、ターゲット周辺部からのみターゲット表面に磁場を印加しているために、ターゲット表面の中心付近では磁場が弱くなる。このように磁場が弱くなった中心付近で放電する場合に、パーティクルが多く放出される。
また、特許文献２に開示のアーク式蒸発源によれば、カソード背面の磁石によってカソード表面に強い磁場を印加することはできるが、磁力線がカソード表面の中心から外周（
外側）に向かう方向に伸びている（発散している）。カソード表面に垂直磁場が印加された状況では、アークスポットは磁力線が倒れる方向に移動する傾向にあるので、放電時にアークスポットが外周部へと移動して放電が不安定になると共に、当該外周部のみで局所的な放電が生じてしまう。また、ターゲットからの磁力線が基材方向にのびていないことから、イオン化されたターゲット物質を効率的に基材方向に誘導することが出来ない。
【０００８】
前述した問題に鑑み、本発明は、ターゲット表面における磁力線の傾きを、垂直となるように、又はカソード表面の外周から中心（内側）に向かう方向となるように制御可能なアーク式蒸発源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】
【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式蒸発源は、ターゲットの外周を取り囲んでいて磁化方向が前記ターゲットの前面と平行となる方向に沿うように配置されたリング状の外周磁石と、磁化方向が前記ターゲットの前面と直交する方向に沿うように前記ターゲットの背面側に配置された背面磁石と、を備え、前記リング状の外周磁石の径内側の磁極と前記背面磁石の前記ターゲット側の磁極とが互いに同じ極性であることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記外周磁石は、当該外周磁石の径方向から見た投影が、前記ターゲットの径方向から見た投影と重なるように配置されているとよい。
なお好ましくは、前記外周磁石は、前端部と後端部の中間位置が、前記ターゲットの前面と背面の中間位置よりも後方となるように配置されているとよい。
さらに好ましくは、前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石及び前記外周磁石は永久磁石であるとよい。
【００１１】
また好ましくは、前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石は電磁コイルからなり、かつ前記外周磁石は永久磁石であるとよい。
ここで好ましくは、前記ターゲットの前方には、前記背面磁石と同一方向の磁場を発生するリング状の磁場発生機構が備えられ、前記リング状の磁場発生機構は、前記ターゲットの前面を通過した磁力線をリング内に通過させるとよい。
【００１２】
なお好ましくは、前記磁場発生機構は、電磁コイルからなるとよい。また好ましくは、前記ターゲットの前面における磁場が、１００ガウス以上であるとよい。
ここで本発明に係るアーク式蒸発源について、好ましくは、前記ターゲットの前方には、前記背面磁石と同一方向の磁場を発生するリング状の磁場発生機構が備えられ、前記リング状の磁場発生機構は、前記ターゲットの前面を通過した磁力線をリング内に通過させるように配置され、前記外周磁石は、前記ターゲットの背面よりも後方に配置されているとよい。
【００１３】
好ましくは、前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石及び前記外周磁石は永久磁石であるとよい。
また好ましくは、前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石は電磁コイルからなり、かつ前記外周磁石は永久磁石であるとよい。
なお好ましくは、前記磁場発生機構は、電磁コイルからなるとよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、ターゲット表面における磁力線の傾きを、垂直となるように、又はカソード表面の外周から中心側（内側）に向かう方向となるように制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るアーク式蒸発源を備えた成膜装置の概略構成を示す側面図であり、（ｂ）は、成膜装置の概略構成を示す平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るアーク式蒸発源の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るアーク式蒸発源の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係るアーク式蒸発源の概略構成を示す図である。
【図５】従来例によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図６】実施例１によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図７】実施例２によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図８】実施例３によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図９】実施例２の変形例によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図１０】実施例２の他の変形例によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図１１】実施例３の変形例によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【図１２】実施例３の他の変形例によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。
［第１実施形態］
図１及び図２を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るアーク式蒸発源１（以下、蒸発源１という）を備えた成膜装置６を示している。
【００１７】
成膜装置６は、チャンバ１１を備え、このチャンバ１１内には被処理物である基材７を支持する回転台１２と、基材７に向けて取り付けられた蒸発源１とが配備されている。チャンバ１１には、当該チャンバ１１内へ反応ガスを導入するガス導入口１３と、チャンバ１１内から反応ガスを排出するガス排気口１４とが設けられている。
加えて、成膜装置６は、後述する蒸発源１のターゲット２に負のバイアスをかけるアーク電源１５と、基材７に負のバイアスをかけるバイアス電源１６とが設けられ、両電源１５、１６の正極側はグランド１８に接地されている。
【００１８】
図１に示すように、蒸発源１は、蒸発面が基材７に向くように配置された所定の厚みを有する円板状（以下、「円板状」とは所定の高さを有する円柱形状も含む）のターゲット２と、ターゲット２の近傍に配備された磁界形成手段８（外周磁石３と背面磁石４から構成される）を備えている。なお、本実施形態の場合には、チャンバ１１がアノードとして作用する。このような構成によって、蒸発源１は、カソード放電型のアーク式蒸発源として機能する。
【００１９】
図１及び図２を参照し、成膜装置６に備えられた蒸発源１の構成について、以下に説明する。図２は、本実施形態による蒸発源１の概略構成を示す図である。
蒸発源１は、上述したように、所定の厚みを有する円板状のターゲット２と、ターゲット２の近傍に配備された磁界形成手段８とから構成されている。
なお、以下の説明において、ターゲット２の蒸発面となる基材７側（基材方向）を向く面を「前面」、その反対側（基材と反対方向）を向く面を「背面」とする（図１及び図２参照）。
【００２０】
ターゲット２は、基材７上に形成しようとする薄膜に応じて選択された材料で構成されている。その材料としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、及びチタンアルミ（ＴｉＡｌ）などの金属材料や炭素（Ｃ）などのイオン化可能な材料がある。
磁界形成手段８は、ターゲット２の外周を取り囲むように配置されたリング状（環状乃至はドーナツ状）の外周磁石３と、ターゲット２の背面側に配置された背面磁石４とを有している。これら外周磁石３及び背面磁石４は、保磁力の高いネオジム磁石により形成された永久磁石によって構成されている。
【００２１】
外周磁石３は、上述のとおりリング体であって軸芯方向に所定の厚みを有している。外周磁石３の厚みは、ターゲット２の厚みとほぼ同じであるか若干小さい。
このようなリング状の外周磁石３の外観は、互いに平行な２つの円環状の面（円環面）と、当該２つの円環面を軸心方向につなぐ２つの周面とからなっている。この２つの周面は、円環面の内周側（径内側）に形成される内周面と、円環面の外周側（径外側）に形成される外周面である。これら内周面と外周面の幅は、すなわち外周磁石３の厚みである。
【００２２】
図２に示すように、外周磁石３は、内周面がＮ極となり、外周面がＳ極となるように磁化されている。なお、図中でＳ極からＮ極に向かう矢印が示されているが、以降、この矢印の方向を磁化方向と呼ぶ。本実施形態の外周磁石３は、この磁化方向がターゲット２の前面と平行となる方向、すなわち磁化方向がターゲット２を向くように配備されている。
外周磁石３は、リング状あるいは環状の一体形状をなすものでも良いし、円柱状あるいは直方体状の磁石をその磁化方向がターゲット２の表面と水平方向になるように、リング状あるいは環状に並べたものでも良い。
【００２３】
外周磁石３は、ターゲット２の外周を取り囲むように配置されており、このような配置においてターゲット２と同心軸状となっている。このとき、外周磁石３は、ターゲット２の厚みの範囲から出ないように配置される。よって、外周磁石３の径方向から見た投影がターゲット２の径方向から見た投影と重なるように配置されている。すなわち、外周磁石３は、ターゲット２の蒸発面と平行な方向に外周磁石３とターゲット２とを投影したときに形成される影が互いに重なると共に、外周磁石３の影がターゲット２の影に完全に含まれるように配置されている。
【００２４】
このように、外周磁石３は、前面側の円環面である前端部及び／又は後面側の円環面である後端部が、ターゲット２の前面より背面側（後方）且つ背面より前面側（前方）に配置されるように、蒸発源１に備えられている。
また、本実施形態において、外周磁石３は、その前端部と後端部の中間位置が、ターゲット２の前面と背面の中間位置と一致するように配置されている。
【００２５】
背面磁石４は、磁心となる非リング状の磁気コア５と、磁気コア５を挟む円板状の円板背面磁石４Ａ、４Ｂとから構成されている。円板背面磁石４Ａ、４Ｂも、磁気コア５と同様に非リング状である。ここで、「非リング状」とは、ドーナツ様に径方向内部に孔が空いている環状ではなく、円板状や円柱状等の中実な形状を指す。すなわち、「非リング状」とは、表面から外方へ向くいずれの法線も互いに交わらない形状をいう。これまでの知見から、基材方向に効率的に磁力線を延ばすためには背面の磁石は厚みが必要であることが分かっており、厚みを稼ぐために２枚の磁石である円板背面磁石４Ａ、４Ｂを離して配置し、かつその間を磁性体である磁気コア５で埋めることで磁力の低下を防いでいる。
【００２６】
図２に示すように、円板背面磁石４Ａ、４Ｂは、一方の円板面がＮ極となり、他方の円板面がＳ極となるように磁化されている。円板背面磁石４Ａ、４Ｂは、円板背面磁石４ＡのＳ極側の面と円板背面磁石４ＢのＮ極側の面とで磁気コア５を挟んでおり、互いの磁化方向を同じ方向に向けている。
このように構成された背面磁石４は、その磁化方向がターゲット２の軸心に沿うものであってターゲット２の蒸発面に対して垂直となるように、且つ円板背面磁石４ＡのＮ極側がターゲット２に向くように、ターゲット２の背面側に配置される。このとき、背面磁石４は、軸心がターゲット２の軸心とほぼ一致するように配置される。
【００２７】
蒸発源１は、ターゲット２に対して、上述のように外周磁石３と背面磁石４を配置することで構成される。このとき、外周磁石３の磁化方向はターゲット２の前面と平行となる方向、すなわちターゲット２を向くようになっている。また、外周磁石３の内周面である径内側の磁極はＮ極であり、背面磁石４のターゲット２側の磁極もＮ極であって、外周磁石３の径内側の磁極と背面磁石４のターゲット２側の磁極とは互いに同じ極性である。
【００２８】
このように、外周磁石３と背面磁石４が、ターゲット２に同じ極性を向けることで、外周磁石３によって形成される磁界と背面磁石４によって形成される磁界とを組合せることができる。これにより、ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線の方向を蒸発面に対してほぼ垂直とすることができ、且つ磁力線を基材７の方向に誘導することが可能となるという効果が得られる。
【００２９】
なお、上述の通り、外周磁石３と背面磁石４は同じ磁極をターゲット２に向けていればよいので、蒸発源１は、外周磁石３と背面磁石４が互いにＳ極をターゲット２に向けるように構成されていてもよい。
次に、蒸発源１を用いた成膜装置６における成膜の方法を説明する。
まず、チャンバ１１を真空引きして真空にした後、アルゴンガス（Ａｒ）等の不活性ガスをガス導入口１３より導入し、ターゲット２及び基材７上の酸化物等の不純物をスパッタによって除去する。不純物の除去後、チャンバ１１内を再び真空にして、真空となったチャンバ１１内にガス導入口１３より反応ガスを導入する。
【００３０】
この状態でチャンバ１１に設置されたターゲット２上でアーク放電を発生させると、ターゲット２を構成する物質がプラズマ化して反応ガスと反応する。これによって、回転台１２に置かれた基材７上に窒化膜、酸化膜、炭化膜、炭窒化膜、或いは非晶質炭素膜等を成膜することができる。
なお、反応ガスとしては、窒素ガス（Ｎ2）や酸素ガス（Ｏ2）、またはメタン(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、チャンバ１１内の反応ガスの圧力は１〜７Ｐａ程度とすればよい。また、成膜時、ターゲット２は、１００〜２００Ａのアーク電流を流すことで放電させると共に、１０〜３０Ｖの負電圧をアーク電源１５により印加するとよい。さらに、基材７には１０〜２００Ｖの負電圧をバイアス電源１６により印加するとよい。
【００３１】
また、ターゲット２の前面における磁場が１００ガウス以上となるように、外周磁石３及び背面磁石４を構成及び配置すると好ましい。これにより、成膜を確実に行うことができる。ターゲット２の前面における磁場が１５０ガウスであれば、より好ましい。
なお、第１実施形態の蒸発源１を用いて成膜を行っている場合における磁力線の分布状況は、後述の実施例で精説する。
［第２実施形態］
図３を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。
【００３２】
図３は、本実施形態による成膜装置６で用いられるアーク式蒸発源１の概略構成を示す図である。
本実施形態におけるアーク式蒸発源１は、第１実施形態におけるアーク式蒸発源１と同様に、所定の厚みを有する円板状のターゲット２と、ターゲット２の近傍に配備された磁界形成手段８とから構成されている。磁界形成手段８は、第１実施形態と同様に、ターゲット２の外周を取り囲むように配置されたリング状（環状）の外周磁石３と、ターゲット２の背面側に配置された背面磁石４とを有している。
【００３３】
このように、本実施形態における蒸発源１は、第１実施形態におけるアーク式蒸発源１と同様の構成を有しているが、外周磁石３の配置だけが異なっている。
以下に、本実施形態における蒸発源１の外周磁石３の配置について説明する。
図３を参照して、ターゲット２に対する外周磁石３の位置に注目すると、外周磁石３が、ターゲット２に対して背面磁石４側（背面側）に位置をずらして配置されていることがわかる。このように外周磁石３の位置がずれることで、外周磁石３の径方向から見た投影の前面側が、ターゲット２の径方向から見た投影の背面側と重なる。すなわち、外周磁石３は、ターゲット２の蒸発面と平行な方向に外周磁石３とターゲット２とを投影したときに形成される影が互いに部分的に重なると共に、外周磁石３の影の前面側がターゲット２の影の背面側に重なるように配置される。
【００３４】
このとき、図３の外周磁石３において矢印が示された外周磁石３の厚み方向の中央位置つまり、外周磁石３の前端部と後端部の中間位置は、ターゲット２の厚み方向に沿った幅の範囲内にあり、ターゲット２の背面よりも前面側（前方）に配置されている。
つまり、本実施形態における外周磁石３は、前端部がターゲット２の背面よりも前方に配置されるように、且つ後端部がターゲット２の背面よりも後方に配置されるように蒸発源１に備えられている。さらに詳しく述べると、本実施形態における外周磁石３は、前端部と後端部の中間位置が、ターゲット２の前面と背面の中間位置よりも後面側（後方）となるように配置され、蒸発源１に備えられている。
【００３５】
このように、外周磁石３をターゲット２に対して背面磁石４側にずらして配置すると、第１実施形態における効果に加えて、ターゲット２の消費によって蒸発面の位置が変化した場合でも、蒸発面での磁場の均一性を良好な状態で保つことができるようになる。
以上に示した外周磁石３の配置以外は、第１実施形態とほぼ同様であるので説明を省略する。
【００３６】
なお、第２実施形態の蒸発源１を用いて成膜を行っている場合における磁力線の分布状況は、後述の実施例で精説する。
［第３実施形態］
図４を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。
図４は、本実施形態による成膜装置６で用いられるアーク式蒸発源１の概略構成を示す図である。
【００３７】
本実施形態におけるアーク式蒸発源１は、第１実施形態におけるアーク式蒸発源１と比較して、磁場発生機構としての電磁コイル９を有している点が異なっている。
他の構成、例えば、所定の厚みを有する円板状のターゲット２、ターゲット２の外周を取り囲むように配置されたリング状の外周磁石３、ターゲット２の背面側に配置された背面磁石４などは、第１実施形態と略同様である。
【００３８】
それ故、ここでは蒸発源１の電磁コイル９の構成及び配置について説明する。
電磁コイル９は、背面磁石４と同一方向の磁場を発生するリング状のソレノイドであり、例えば、巻数が数百回程度（例えば４１０回）となっていて、ターゲット２の径よりも若干大きな径のコイルとなるように巻回されている。本実施形態では、２０００Ａ・Ｔ〜５０００Ａ・Ｔ程度の電流で磁場を発生させる。
【００３９】
図４に示すように、この電磁コイル９はターゲット２の前面側に設けられ、径方向から見た電磁コイル９の投影が、ターゲット２の投影と重ならないものとなっている。このとき、電磁コイル９は、ターゲット２と同心軸状に並ぶように配置される。このように配置されたターゲット２及び電磁コイル９を背面磁石４側から及び基材７側から見ると、円環状の電磁コイル９の内側に、円形のターゲット２がほぼ同心に入り込んだ状態となっている。
【００４０】
このように配置した電磁コイル９に電流を流し、電磁コイル９の内側にターゲット２側から基材７側に向かう磁場を発生させる。このとき、ターゲット２の前面を通過した磁力線を電磁コイル９内に通過させ得るようになっている。
このように、電磁コイル９を設けると、第１実施形態における効果に加えて、ターゲット２の蒸発面を通過した磁力線の拡散を抑制して基材７の表面まで高い磁力線密度を維持することができる。また、上述のように、ターゲット２と基材７の間に電磁コイル９を設けると、ターゲット２から基材７へのイオンの搬送効率を向上させる効果も期待できる。
【００４１】
なお、第３実施形態の蒸発源１を用いて成膜を行っている場合における磁力線の分布状況は、後述の実施例で精説する。
【実施例】
【００４２】
以上、第１実施形態〜第３実施形態に亘って説明したアーク式蒸発源１は、外周磁石３の配置や、電磁コイル９の有無などがそれぞれ異なるので、発生する磁力線の分布もそれぞれ異なっている。
図５〜図８を参照しながら、第１実施形態〜第３実施形態のアーク式蒸発源１が発生する磁力線の分布について、実施例１〜実施例３として説明する。
【００４３】
なお、図５〜図８の上段に符号（ａ）で示される磁力線分布図は、背面磁石４から基材７の表面までの磁力線分布を示している。これら図５（ａ）〜図８（ａ）の磁力線分布図において、右端は基材７の表面の位置を示している。図５〜図８の下段に符号（ｂ）で示される磁力線分布図は、それぞれ、図５（ａ）〜図８（ａ）における、ターゲット２周辺の拡大図である。
【００４４】
以下に説明する従来例及び各実施例での、各種実験条件を示す。例えば、ターゲット２の寸法は、（１００ｍｍφ×１６ｍｍ厚み）である。円板背面磁石４Ａ、４Ｂの寸法は、各々（１００ｍｍφ×４ｍｍ厚み）である。磁気コア５の寸法は、（１００ｍｍφ×３０ｍｍ厚み）である。外周磁石３の寸法は、（内径１５０ｍｍφ、外径１７０ｍｍ、厚み１０ｍｍ）である。ターゲット２の表面での磁界強度は、１５０ガウス以上である。
［従来例］
まず理解を深めるため、図５を参照して、従来例、すなわち背面磁石４だけを用いたときの磁力線分布について説明する。
【００４５】
図５（ａ）を参照すると、背面磁石４から出た磁力線は、背面磁石４の外周方向に傾きながら発散しつつ基材７の表面に向かっている。
図５（ｂ）を参照すると、ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線は、ターゲット２の外周方向に傾いて、ターゲット２の背面から前面に向かって拡散している。
［実施例１］
図６を参照して、第１実施形態によるアーク式蒸発源１を用いたときの磁力線分布について説明する。
【００４６】
図６（ａ）を参照すると、背面磁石４から出た磁力線は、外周磁石３の位置で拡散が抑制され、ターゲット２を通過する磁力線の密度は、特にターゲット２の中心付近において従来例よりも高くなっている。
図６（ｂ）を参照すると、ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線は、ターゲット２の蒸発面に対してほぼ垂直（言い換えれば、ターゲット法線に対して略平行）となっている。
［実施例２］
図７を参照して、第２実施形態によるアーク式蒸発源１を用いたときの磁力線分布について説明する。
【００４７】
図７（ａ）を参照すると、背面磁石４から出た磁力線は、外周磁石３の位置で拡散が抑制され、ターゲット２を通過する磁力線の密度は、特にターゲット２の中心付近において従来例よりも高くなっている。
図７（ｂ）を参照すると、ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線は、ターゲット２の蒸発面に対してほぼ垂直（言い換えれば、ターゲット法線に対してほぼ平行）となっている。また、ターゲット２の厚み方向の中央から背面側について、本実施例における外周部における磁力線を従来例と比べると、本実施例の方がターゲット法線に対して平行に近いと言える。よって、本実施例は、従来例と比べてターゲット２内の磁力線密度がより均一となっていると言える。
【００４８】
図９に、本実施例に対する変形例の磁力線分布を示す。図９に示すアーク式蒸発源は、第２実施形態による図７のアーク式蒸発源１と同様に、ターゲット２、外周磁石３、及び背面磁石４を含んで構成されている。図９のアーク式蒸発源では、図７のアーク式蒸発源１とは異なって、外周磁石３の配置がターゲット２の背面よりも後方となっている。このとき、外周磁石３の前端部はターゲット２の背面よりも５ｍｍ〜１０ｍｍ程度後方である。
【００４９】
図９の磁力線分布図では、図７と比較して、ターゲット２の前面（蒸発面）における磁力線が、当該蒸発面に対してターゲット２の径外方向により傾いて拡散していることが分かる。この場合、アーク放電がターゲット２の外周部に偏ってしまうので好ましくない。
つまり、ターゲット２、外周磁石３、及び背面磁石４を用いたアーク式蒸発源の構成において、外周磁石３の配置がターゲット２の背面よりも後方となっていることは、好ましくないといえる。
【００５０】
図１０に、本実施例に対する他の変形例の磁力線分布を示す。図１０に示すアーク式蒸発源は、第２実施形態による図７のアーク式蒸発源１と同様に、ターゲット２及び外周磁石３を有しているが、永久磁石で構成された背面磁石４の代わりに、電磁コイル９と同様の構成を有するリング状ソレノイドである電磁コイル１０を用いている。図１０のアーク式蒸発源におけるターゲット２に対する外周磁石３の位置は、図７のアーク式蒸発源１における外周磁石３の位置とほぼ同じである。電磁コイル１０は、図７における背面磁石４とほぼ同じ位置で、ターゲット２とほぼ同軸に配置されている。電磁コイル１０の内径は約１００ｍｍ、外径は約２００ｍｍ、厚みは約５０ｍｍである。電磁コイル１０は、ターゲット２から約６４ｍｍ後方に配置されている。なお、電磁コイル１０の磁力は、ターゲット２の前面における磁束密度が、背面磁石４を用いた場合とほぼ同じとなるように調整されている。
【００５１】
図１０の磁力線分布図では、図７の磁力線分布図とほぼ等価な磁場が形成されていることが分かる。つまり、永久磁石で構成された背面磁石４の代わりに電磁コイル１０を用いても、ほぼ等価な磁場を形成することができるといえる。
［実施例３］
図８を参照して、第３実施形態によるアーク式蒸発源１を用いたときの磁力線分布について説明する。
【００５２】
図８（ａ）を参照すると、背面磁石４から出た磁力線は、外周磁石３の位置で拡散が抑制され、ターゲット２を通過する磁力線の密度は、特にターゲット２の中心付近において従来例よりも高くなっている。ターゲット２の蒸発面を通過して拡散しつつあった磁力線は、電磁コイル９の位置で拡散が抑制されて、再びターゲット法線に対して略平行となる。
【００５３】
図８（ｂ）を参照すると、ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線は、ターゲット２の蒸発面に対してほぼ垂直、又はターゲット２の中心方向に向かって傾いている。これによって、ターゲット２の厚み方向の中央から背面側について、本実施例における磁力線は、従来例ならびに実施例１，２と比べて、最もターゲット法線に対して平行に近くなっていると言える。
【００５４】
図１１に、本実施例に対する変形例の磁力線分布を示す。図１１に示すアーク式蒸発源は、第３実施形態による図８のアーク式蒸発源１と同様に、ターゲット２、外周磁石３、背面磁石４、及び電磁コイル９を含んで構成されている。図１１のアーク式蒸発源では、図８のアーク式蒸発源１とは異なって、外周磁石３の配置が、ターゲット２の背面よりも後方となっている。このとき、外周磁石３の前端部はターゲット２の背面よりも５ｍｍ〜１０ｍｍ程度後方である。
【００５５】
図１１の磁力線分布図では、図８の磁力線分布図とほぼ等価な磁場が形成されていることが分かる。本変形例において、外周磁石３の配置がターゲット２の背面よりも５ｍｍ〜１０ｍｍ程度後方となっていても、図８の磁力線分布図とほぼ等価な磁場を形成することができるといえる。つまり、本変形例の構成において、図８の磁力線分布図とほぼ等価な磁場を形成しようとした際に許容される外周磁石３の前端部とターゲット２の背面との間隔には、各構成部材の大きさや発する磁力線密度に応じた許容範囲が存在することが分かる。なお、この許容範囲は、ターゲット２の厚みの２倍程度である。
【００５６】
図１２に、本実施例に対する他の変形例の磁力線分布を示す。図１２に示すアーク式蒸発源は、第３実施形態による図８のアーク式蒸発源１と同様に、ターゲット２、外周磁石３、及び電磁コイル９を含んでいるが、永久磁石で構成された背面磁石４の代わりに電磁コイル１０を用いている。図１２のアーク式蒸発源では、ターゲット２に対する外周磁石３の位置は、図８のアーク式蒸発源１とほぼ同じ位置である。電磁コイル１０は、図１０における電磁コイル１０とほぼ同じ構成を有すると共に、図８の背面磁石４とほぼ同じ位置でターゲット２とほぼ同軸に配置されている。図１２において電磁コイル１０は、ターゲット２から約６４ｍｍ後方に配置されている。
【００５７】
図１２の磁力線分布図では、図８の磁力線分布図とほぼ等価な磁場が形成されていることが分かる。つまり、永久磁石で構成された背面磁石４の代わりに電磁コイル１０を用いても、ほぼ等価な磁場を形成することができるといえる。
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、薄膜を形成する成膜装置のアーク式蒸発源として利用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１ 蒸発源（アーク式蒸発源）
２ ターゲット
３ 外周磁石
４ 背面磁石
４Ａ 第１の永久磁石（円板背面磁石）
４Ｂ 第２の永久磁石（円板背面磁石）
５ 磁気コア
６ 成膜装置
７ 基材
８ 磁界形成手段
９，１０ 電磁コイル
１１ 真空チャンバ
１２ 回転台
１３ ガス導入口
１４ ガス排気口
１５ アーク電源
１６ バイアス電源
１８ グランド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットの外周を取り囲んでいて磁化方向が前記ターゲットの前面と平行となる方向に沿うように配置されたリング状の外周磁石と、磁化方向が前記ターゲットの前面と直交する方向に沿うように前記ターゲットの背面側に配置された背面磁石と、を備え、
前記リング状の外周磁石の径内側の磁極と前記背面磁石の前記ターゲット側の磁極とが互いに同じ極性であることを特徴とするアーク式蒸発源。
【請求項２】
前記外周磁石は、当該外周磁石の径方向から見た投影が、前記ターゲットの径方向から見た投影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に記載のアーク式蒸発源。
【請求項３】
前記外周磁石は、前端部と後端部の中間位置が、前記ターゲットの前面と背面の中間位置よりも後方と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に記載のアーク式蒸発源。
【請求項４】
前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石及び前記外周磁石は永久磁石であ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式蒸発源。
【請求項５】
前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石は電磁コイルからなり、かつ前記外周磁石は永久磁石であ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式蒸発源。
【請求項６】
前記ターゲットの前方には、前記背面磁石と同一方向の磁場を発生するリング状の磁場発生機構が備えられ、
前記リング状の磁場発生機構は、前記ターゲットの前面を通過した磁力線をリング内に通過させ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式蒸発源。
【請求項７】
前記磁場発生機構は、電磁コイルからなることを特徴とする請求項６に記載のアーク式蒸発源。
【請求項８】
前記ターゲットの前面における磁場が、１００ガウス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式蒸発源。
【請求項９】
前記ターゲットの前方には、前記背面磁石と同一方向の磁場を発生するリング状の磁場発生機構が備えられ、
前記リング状の磁場発生機構は、前記ターゲットの前面を通過した磁力線をリング内に通過させるように配置され、
前記外周磁石は、前記ターゲットの背面よりも後方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアーク式蒸発源。
【請求項１０】
前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石及び前記外周磁石は永久磁石であることを特徴とする請求項１又は９のいずれかに記載のアーク式蒸発源。
【請求項１１】
前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石は電磁コイルからなり、かつ前記外周磁石は永久磁石であることを特徴とする請求項１又は９のいずれかに記載のアーク式蒸発源。
【請求項１２】
前記磁場発生機構は、電磁コイルからなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載のアーク式蒸発源。
【請求項１】
ターゲットの外周を取り囲んでいて磁化方向が前記ターゲットの前面と平行となる方向に沿うように配置されたリング状の外周磁石と、磁化方向が前記ターゲットの前面と直交する方向に沿うように前記ターゲットの背面側に配置された背面磁石と、を備え、
前記リング状の外周磁石の径内側の磁極と前記背面磁石の前記ターゲット側の磁極とが互いに同じ極性であることを特徴とするアーク式蒸発源。
【請求項２】
前記外周磁石は、当該外周磁石の径方向から見た投影が、前記ターゲットの径方向から見た投影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に記載のアーク式蒸発源。
【請求項３】
前記外周磁石は、前端部と後端部の中間位置が、前記ターゲットの前面と背面の中間位置よりも後方と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に記載のアーク式蒸発源。
【請求項４】
前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石及び前記外周磁石は永久磁石であ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式蒸発源。
【請求項５】
前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石は電磁コイルからなり、かつ前記外周磁石は永久磁石であ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式蒸発源。
【請求項６】
前記ターゲットの前方には、前記背面磁石と同一方向の磁場を発生するリング状の磁場発生機構が備えられ、
前記リング状の磁場発生機構は、前記ターゲットの前面を通過した磁力線をリング内に通過させ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式蒸発源。
【請求項７】
前記磁場発生機構は、電磁コイルからなることを特徴とする請求項６に記載のアーク式蒸発源。
【請求項８】
前記ターゲットの前面における磁場が、１００ガウス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式蒸発源。
【請求項９】
前記ターゲットの前方には、前記背面磁石と同一方向の磁場を発生するリング状の磁場発生機構が備えられ、
前記リング状の磁場発生機構は、前記ターゲットの前面を通過した磁力線をリング内に通過させるように配置され、
前記外周磁石は、前記ターゲットの背面よりも後方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアーク式蒸発源。
【請求項１０】
前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石及び前記外周磁石は永久磁石であることを特徴とする請求項１又は９のいずれかに記載のアーク式蒸発源。
【請求項１１】
前記ターゲットは円板状であり、前記背面磁石は電磁コイルからなり、かつ前記外周磁石は永久磁石であることを特徴とする請求項１又は９のいずれかに記載のアーク式蒸発源。
【請求項１２】
前記磁場発生機構は、電磁コイルからなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載のアーク式蒸発源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１８８７３０（Ｐ２０１２−１８８７３０Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１８２６７（Ｐ２０１１−１１８２６７）
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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