CN101636519A - 电弧式蒸发源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够抑制电弧点向阴极蒸发面以外的部分移动的电弧式蒸发源。所述电弧式蒸发源通过由磁场控制的电弧放电来使阴极(22)的阴极物质蒸发，其具备：磁场形成机构(42)，其在阴极前端的蒸发面(22a)附近形成与阴极中心轴(Ax)平行的成分强的磁场(M)，且配置在阴极的外侧；支承机构(26)，其支承阴极；冷却机构(61)，其冷却阴极；锥形环(64)，其形成圆锥台状，具有使阴极沿其轴向贯通的贯通孔，且配置成向着阴极的蒸发面逐渐变细，锥形环由强磁性体构成，使用时锥形环的前端(64a)与阴极的蒸发面位于相同的面或位于比蒸发面稍后退的位置。

Description

电弧式蒸发源
技术领域
本发明涉及电弧式蒸发源，其在例如工具、模具、装饰件、机械部件等的基体材料外部表面，形成用于提高耐磨损性和降低摩擦损失、或者附加颜色的硬质碳被膜。
背景技术
为了在基体材料的外部表面形成被膜，提高耐磨损性和耐久性，降低摩擦损失，进而实现表面形状等的保护，使用通过电弧放电使阴极物质熔化而蒸发的电弧式蒸发源。电弧式蒸发源在通过电弧放电而在阴极前方的空间形成的电弧等离子区的作用下，将蒸发后的阴极物质的大部分电离。然后，利用电弧等离子区，对被成膜基体材料施加规定的电压，由此将电离后的阴极物质吸附到基体材料上，从而在基体材料表面形成被膜。
使用了这样的电弧式蒸发源的电弧离子镀法，通过电弧放电而使阴极物质熔化，由此能够大量生成阴极物质的蒸气，因此成膜速度快，且被膜和基体材料之间的密接性优越。因此，使用该方法的成膜装置生产性优越，从而在机械部件或切削工具等的表面广泛地用作金属或其碳化物、氮化物等的被膜形成装置。
电弧式蒸发源利用由磁铁或线圈形成的磁场，以电弧放电的电弧点靠近阴极前方的蒸发面的方式进行控制。然而，存在电弧点偶发性地向偏离阴极蒸发面的部位转移的情况。
因此，作为抑制电弧点的转移的技术，公开了具备包围阴极蒸发面的周围、且至少在前部具有圆锥状的斜面的细头环(先細リング)的电弧式蒸发源(专利文献1的图1～图3)。该技术利用磁力线中的电弧点朝着磁力线与斜面构成的锐角的方向移动的性质。这种情况如图5所示，在线圈的作用下与阴极蒸发面大致垂直地产生的磁力线M’与细头环64’的圆锥状的斜面64’a形成锐角α的角度。因此，通过上述性质，从阴极蒸发面偏离而移动到细头环斜面的电弧点，如图5的轨迹A’所示返回到阴极蒸发面。
另外，公开了在作为成膜材料的材料杆周围设置薄壁环状的内侧层、且由磁性体构成该内侧层的技术(专利文献2的图3)。这样，由于将磁力线从磁性体吸附到内侧层，且扩大等离子束，因此能够比较均匀地加热材料杆的上表面，且能够稳定地成膜。
另外，公开了在阴极的周围设置由强磁性体构成的阴极护罩的技术(专利文献3的第1图)
[专利文献1]日本特开2001-181829号公报(图1～图3、段落0020)；
[专利文献2]日本特开2002-30422号公报(图3、段落0033)；
[专利文献3]日本实开平02-38463号公报(第1图)。
然而，专利文献1记载的技术，由于细头环由与阴极等电位的导电性材料构成，因此若从阴极蒸发面偏离的电弧点向细头环的圆锥状斜面转移，则斜面(特别在靠近阴极蒸发面的斜面前端)在电弧放电的作用下蒸发从而消耗。若细头环的斜面消耗，则斜面和磁力线形成的角不为锐角，使电弧点返回到阴极蒸发面的效果降低，因此需要定期地更换环。
另外，在电弧放电电流大的情况下，或在使用了碳系或Cr系高熔点材料作为阴极的情况下，有时从阴极熔化的高温的微小粒子(熔滴)飞溅。熔滴在通过等离子区中时电子附着而带负电荷，但有时由于质量比较大因此实质上不受磁场的影响而运动，并到达细头环表面。此时，存在以下情况，即，由于熔滴为高温且带负电，因此在细头环表面温度瞬间上升，且带电的电子向细头环侧放电，从而起到与在开始电弧放电时使用的触发电路相同的机能。这种情况下，产生电弧放电不连续地变换地点而运动的现象，即使设置细头环，熔滴也越过细头环而飞溅到与阴极等电位的任意的地点，使电弧放电转移。其结果是，存在以下情况：在阴极构成物质以比较弱的附着力堆积在阴极的侧面或细头环的表面后，再次剥离并飞溅，附着在被膜的表面而形成膜厚过小部，或者进入被膜中而使被膜表面的平滑性和被膜强度降低。进而，剥离、飞溅后的堆积物可能附着在成膜装置的构成部件上而产生各种问题。
专利文献2记载的技术由于采用了将作为阴极的等离子源配置在与蒸发源不同的位置、且将等离子束导入作为阳极的膜材料的方式，因此将等离子束从阴极直接吸附到阳极。从而，与将膜材料施加到阴极侧的专利文献1记载的技术不同，由于本来不会产生电弧点向膜材料的蒸发面之外转移的问题，因此为了改善电弧点的转移而使用专利文献2记载的技术存在困难。
专利文献3公开了在阴极的周围设置由强磁性体构成的阴极护罩的技术。另外，该文献记载了在阴极护罩表面覆盖与阴极相同材质的包覆材料的技术，这是为了防止电弧放电向阴极护罩转移而局部熔化、蒸发。然而，在该技术的情况下，由于阴极护罩与阴极面平行，因此包覆材料在转移的电弧放电的作用下消耗，需要用于定期更换部件和再覆盖的工时及费用，因此存在导致成膜成本增加的问题。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的在于提供一种能够抑制电弧点向阴极蒸发面以外的部分转移的电弧式蒸发源。
本发明是为了解决所述课题而提出的电弧式蒸发源，其通过由磁场控制的电弧放电来使阴极的阴极物质蒸发，所述电弧式蒸发源的特征在于，具备：所述阴极；磁场形成机构，其在所述阴极前端的蒸发面附近形成与阴极中心轴平行的方向的磁场，且配置在所述阴极的外侧；支承机构，其支承所述阴极；冷却机构，其冷却所述阴极；锥形环，其形成圆锥台状，具有使所述阴极沿其轴向贯通的贯通孔，且配置成向着所述阴极的蒸发面逐渐变细，所述锥形环由强磁性体构成，使用时所述锥形环的前端与所述阴极的蒸发面位于相同的面或位于比所述蒸发面靠后方的位置。
这样，由于锥形环是强磁性体，因此使磁力线弯曲，在阴极外周面附近形成向外侧扩展的磁力线，并且锥形环前端的磁通密度变高，提高了电弧点返回到阴极蒸发面的效果，抑制电弧点向锥形环的圆锥面的转移。
优选在所述锥形环的圆锥面的表面具备绝缘体。另外，优选在所述锥形环的圆锥面的前方具备环状的盖，所述环状的盖具有使所述阴极沿其轴向贯通的贯通孔并由顺磁质的金属或合金构成，且与周围电绝缘。
这样，即使高温且带负电的熔滴飞溅，且到达锥形环的圆锥面(斜面)附近，但由于锥形环盖或绝缘体覆盖圆锥面，因此，即使附着在熔滴表面的电子放电，也不会作为触发电路而发挥作用，不会产生电弧放电的转移，且圆锥面不会消耗。
所述磁场形成机构优选由线圈、沿轴向具有磁极的圆筒型的永久磁铁或者具有铁心和线圈的电磁铁中的任意一种构成。进而优选还具备使所述阴极沿其轴向进退的阴极输送机构。
根据本发明，能够可靠地抑制电弧点向阴极蒸发面以外的部分移动。另外，当在锥形环的圆锥面的前方设置盖时，即使电弧点向阴极蒸发面以外的部分移动，部件的消耗也少。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的电弧式蒸发源的剖面图。
图2是表示通过第一实施方式的电弧式蒸发源而形成的磁场以及电弧点的转移的图。
图3是表示本发明的第二实施方式的电弧式蒸发源的剖面图。
图4是表示本发明的第三实施方式的电弧式蒸发源的剖面图。
图5是表示通过现有的电弧式蒸发源而形成的磁场以及电弧点的转移的图。
符号说明：11-真空腔(真空容器壁)，15-电弧点，16-熔滴，17-阴极构成物质的流动，19-电弧放电电流电源，22-阴极，26-支承机构，42、81、93-磁场形成机构(线圈、圆筒形磁铁)，61、99-冷却机构，64-锥形环，64a-锥形环64的圆锥状斜面的前端，65-锥形环盖，66-绝缘体包覆，67-阴极输送机构，101、103、105-电弧式蒸发源，M-磁力线，Ax-阴极中心轴。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行具体说明。图1是表示本发明的电弧式蒸发源的第一实施方式的一个实例的剖面图。
电弧式蒸发源101设置在真空腔11(图中仅示出局部的容器壁)的开口部，作为整体构成电弧式蒸镀装置。电弧式蒸发源101包括：磁场形成机构(线圈)42；支承圆柱状的阴极22的棒状的支承机构26；阴极输送机构(步进电动机)67；冷却阴极的冷却机构61；由强磁性体构成的锥形环64。环状的线圈42收容在比线圈42稍大的环状的线圈收纳容器46中，线圈收纳容器46如后所述也作为中间电位电极起作用。
冷却机构61形成具有比线圈收纳容器46的内径稍小的外径的有底圆筒状，在冷却机构61的开口端侧形成有向外侧扩展的凸缘部61a。而且，在冷却机构61的开口端安装有与冷却机构61相同直径的圆锥台状的锥形环64。这里，锥形环64的底面(平面)侧与冷却机构61的开口端对置，且锥形环64的圆锥面(斜面)从冷却机构61的前端以逐渐变细的方式突出。另一方面，在冷却机构61的底面的中心开口有使支承机构26插通的中心孔，比中心孔靠外侧设有用于使制冷剂49出入冷却机构61的内部空间的入口61b以及出口61c。
制冷剂49与阴极22以及锥形环64直接接触而将它们冷却。若将阴极22以及锥形环64冷却，则能够将它们的温度保持为恒定，将成膜速度维持为恒定，从而使被膜的膜厚再现性提高。特别是，若制冷剂49与阴极22以及锥形环64直接接触，则进一步发挥所述效果。
锥形环64具有使阴极22沿其轴向贯通的贯通孔，从该贯通孔将阴极22插入冷却机构61的内部，从冷却机构61的底面侧插通的支承机构26的前端与阴极22的后端面同轴连接。从而，阴极22被锥形环64的贯通孔的缘部和支承机构26支承。
支承机构26的另一端安装在阴极输送机构67上，根据阴极输送机构67的进退，支承机构26以及阴极22在冷却机构61内沿轴向进退。
另外，为了防止制冷剂49的泄露，在支承机构26和冷却机构61的中心孔之间的滑动部分、冷却机构61的开口端和锥形环64的底面的接合部分以及阴极22和锥形环64的贯通孔之间的滑动部分，分别安装有O形环51、53、55。
需要说明的是，若锥形环64的贯通孔的直径与圆锥台的上表面的直径大致相同，则锥形环64的圆锥状斜面的前端64a尖细地突出，因此对于后述的电弧点转移的控制这一点来说为优选。
进而，在该实施方式中，在锥形环64的锥状的圆锥面的前方配置有伞状的锥形环盖65，其具有与锥形环64大致相同直径的贯通孔，从贯通孔插通阴极22。锥形环盖65经由未图示的陶瓷制衬套安装在锥形环64的圆锥面上，并处于与周围(锥形环64、阴极22以及电弧式蒸发源101的构成部件和真空腔11等)电绝缘的状态。还有，锥形环盖65的贯通孔的直径比锥形环64的贯通孔的直径稍大。
锥形环盖65由顺磁质的SUS304构成，但只要是顺磁质的金属或合金，则均可以使用。另外，作为安装锥形环64和锥形环盖65的绝缘体，可以使用氧化铝、氮化硅、氧化锆等绝缘性高的陶瓷。
另外，在成膜作业时，使阴极22的位置进退，以使锥形环64的前端64a与阴极的蒸发面22a位于相同的面或位于比蒸发面22a稍后退的位置。这是因为，若锥形环64的前端64a位于比阴极的蒸发面22a靠前方(真空腔内部侧)的位置，则不仅通过阴极而且通过锥形环来维持电弧放电，被膜的膜质可能会产生问题。
若锥形环盖65位于比阴极22靠前方的位置，则也存在蒸发物质向盖的堆积以及剥离的问题，因此锥形环64、盖65均位于比阴极蒸发面22a靠后方的位置。
另外，由于随着长期使用阴极有所消耗，蒸发面22a向真空腔的外侧方向后退，因此，优选预测该量而使用阴极输送机构67将阴极22向前方输送，从而使蒸发稳定，且将成膜速度和品质保持为恒定。然而，在成膜处理时间短或者在放电电流小而导致阴极的消耗速度慢的情况下，即使不具备阴极输送机构，也可以在成膜处理时使阴极蒸发面22a位于比锥形环64的前端靠前方的位置。
在电弧式蒸发源101向真空腔11的固定中，例如在如下状态下将线圈收纳容器46嵌入真空腔11，即，首先将绝缘环48外嵌于线圈收纳容器46的轴向的一个端缘，并将绝缘环48安装在线圈收纳容器46的端缘和真空腔11的开口缘之间的状态。
然后，在将绝缘环63外嵌于冷却机构61的凸缘部61a、并将绝缘环63安装在凸缘部61a和线圈收纳容器46的内壁的端缘之间的状态下，将包括所述冷却机构61的组件(组装有阴极22、支承机构26、锥形环64、锥形环盖65以及阴极输送机构67的组件)以冷却机构61的轴向沿着线圈收纳容器46的轴向的方式收容在线圈收纳容器46的内部，从而能够设置电弧式蒸发源101。
还有，绝缘环48、63作为绝缘件以及真空密封件而发挥作用。
在向真空腔11设置的电弧式蒸发源101中，优选阴极的蒸发面22a位于比真空腔11的内壁面和构成电弧式蒸发源101的磁场形成机构等结构物(例如，线圈收纳容器46的前端面)靠前方(真空腔内部侧)的位置。这是因为，若所述壁面和结构物比阴极蒸发面22a靠前方存在，则存在通过电弧放电蒸发的阴极构成物质(图1的符号17表示蒸发或电离后的阴极构成物质的流动)堆积在壁面和结构物的表面的情况。而且，有时堆积的阴极构成物质在其内部应力等的作用下在成膜作业中剥离、飞溅，附着在被成膜物的表面而防止被膜形成，或者混入被膜中使被膜品质降低。
接下来，对使用电弧式蒸发源101进行成膜时的动作进行说明。电弧放电电流电源19的阴极与具有电导电性的支承机构26电连接，且支承机构26与阴极22电连接。另一方面，电弧放电电流电源19的阴极侧以及真空腔11与地线2连接。另外，具有电导电性的线圈收纳容器46经由电阻器21与地线2连接，作为中间电位电极而起作用。这样，在阴极22和真空腔11之间、阴极22和线圈收纳容器46之间产生电弧放电，蒸发、电离后的阴极构成物质从阴极的蒸发面22a向规定的阳极(与地线2连接)方向飞出，从而在真空腔11内的基板表面(未图示)形成被膜。
另一方面，线圈42与励磁电源44连接，并产生与线圈收纳容器46的轴向(＝阴极22的中心轴Ax)平行的磁场，而使电弧点向阴极蒸发面22a转移。
作为阴极22可以优选使用实心的圆柱形状的机构。另外，若使用不为强磁性体的导电性材料作为阴极22，则即使阴极的突出量和阴极的长度变化，也不会对形成在锥形环64前端的磁场配位产生影响，因此优选。作为阴极22的材料，可以举出金属、合金、碳等的半金属材料、InAs等的半导体材料。特别是，在使用不为强磁性体的金属时，优选使用由金属碳化物、金属氮化物、金属硼化物、金属硫化物的一种以上构成的材料，作为这样的金属，可以列举选自Ti、V、Cr、Al、Nb、Zr、Mo、W、Hf、Ta的组中的一种以上。
锥形环64通过例如由铁、镍、钴或者以这些作为主成分的合金构成的强磁性体而构成。从材料取得的容易性和加工成本来说，优选使用具有强磁性的铁系材料作为锥形环64。
需要说明的是，在本发明的实施方式中，磁场形成机构形成“圆筒状”，但并不局限于此，只要为筒状，也可以是例如具有多边形的截面的筒状的机构。另一方面，阴极的形状也没有限定，除上述的圆柱状之外，也可以是多边形柱状。另外，虽然磁场形成机构的筒的截面形状和阴极的截面形状可以相似也可以不同，但通常从所形成的磁场的对称性等方面来说，优选两者的截面形状相似(例如，在磁场形成机构形成圆筒时，阴极也形成圆柱状)。
进而，虽然磁场形成机构的轴心和阴极的轴心可以同轴也可以不同，但从所形成的磁场的对称性等方面来说，优选两者的轴心同轴。
(锥形环的作用)
对本发明中使用强磁性的锥形环而产生的作用进行说明。这里，使用了不为强磁性体而仅为导电性(顺磁性)的锥形环时的作用如图5说明的那样，在上述专利文献1中记载了其作用。
然而，若使用顺磁性的锥形环，则如已经叙述的那样，在从阴极蒸发面偏移的电弧点向细头环的圆锥状斜面转移的情况下，斜面(特别在靠近阴极蒸发面的斜面前端)在电弧放电的作用下蒸发从而消耗。而且，若细头环的斜面消耗，则斜面和磁力线形成的角不为锐角，使电弧点返回到阴极蒸发面的效果降低，因此需要定期地更换环。
因此，在本发明中，通过使用强磁性的锥形环改变磁力线的方向，进而通过提高锥形环前端的磁通密度而使电弧点返回阴极蒸发面的效果大幅地提高，由此对电弧点向锥形环的圆锥面转移的情况本身进行抑制。
若将强磁性材料以充分低于居里点的温度配置在磁场中，则可知与顺磁质材料不同，与磁场强烈地相互作用而具有吸附磁力线的特性。另外，当强磁性体材料在磁力线方向上具有锐角的前端时，其前端部的磁通密度变大。本发明利用这些特性，如图2所示改变磁力线的方向。
图2示出使用了强磁性的锥形环64时的磁力线的方向与电弧点的转移。根据上述特性，与阴极轴Ax平行入射的磁力线在强磁性的锥形环的作用下被弯曲。此时，在阴极外周面形成向阴极前方外周方向扩展的磁力线。而且，在阴极侧面和磁力线构成最锐角的方向、即在阴极前方构成最锐角β，根据电弧点朝着阴极面和磁力线构成角为锐角的方向移动的性质，使电弧点返回到阴极蒸发面的力发挥作用。
另一方面，在现有技术(专利文献1)的情况下，如图5所示，磁力线M’与锥形环表面在前方构成锐角α，由此利用电弧点朝着阴极面和磁力线构成的锐角方向移动的特性而使电弧点返回到蒸发面。另一方面，若着眼于锥形环中与阴极外周邻接(最靠近阴极外周)的部位，则在所述现有技术的情况下，与阴极的轴平行的磁力线M’与阴极外周附近部分基本不能形成角度。因此，在该部分不能发挥使电弧点返回到阴极蒸发面的作用，有助于电弧点朝着锐角方向移动的特性的部分，仅为顺磁质的锥形环的斜面和磁力线M’在前方侧形成的锐角α的部分。
与此相对，在本发明的情况下，通过强磁性的锥形环将磁力线向外侧弯曲，由此在与阴极外周邻接(最靠近阴极外周)的部分，阴极外周和磁力线在前方构成锐角β，在该部分利用电弧点朝着阴极面和磁力线构成的锐角方向移动的特性而使电弧点返回到蒸发面的效果较大。即，在电弧点向斜面转移前在阴极外周附近使电弧点返回到蒸发面，由此与现有的技术相比能够有效地使电弧点返回到蒸发面。当然，在本发明中，也会产生锥形环的斜面的效果。
进而，在本发明的情况下，由于与阴极前端部邻接的强磁性的锥形环的前端尖，因此强磁性锥形环前端部附近的磁通密度增加，形成比离子产生地点的磁场强的磁场强度。电子或离子由于具有抑制沿磁力线向更强的磁场强度的区域移动的性质，因此若锥形环前端部附近的磁场变强，则能够防止电弧点从该部分向外侧的转移。
通过以上所述的协同作用，进一步提高使电弧点返回到蒸发面的效果。即，推回阴极蒸发面22a侧的力与现有的使用了顺磁质的环的情况相比更强地作用，将电弧点在到达锥形环之前推回阴极蒸发面的效果进一步变强。由于越接近锥形环64的前端磁通密度越增加，因此该力变强。
通过上述两个协同作用，能够在电弧点15到达锥形环64之前使其返回阴极蒸发面22a，从而提高了抑制电弧点向阴极侧面的转移的效果。另外，由于这样抑制了电弧点向锥形环表面的移动，因此锥形环前端由于电弧放电而消耗的情况变少，能够长期保持锥形环的形状，从而能够长时间维持抑制电弧点向阴极侧面转移的效果。进而，还能够抑制锥形环的构成材料在电弧放电的作用下蒸发而混入被膜的不良情况。
还有，这些效果不会受到进行电弧放电的真空容器的真空度影响，即使是没有导入载气的环境下的电弧放电，也能够获得与导入气体时相同的效果。
(锥形环盖的作用)
实施方式1中使用锥形环盖65的作用如下所述。即，如图2所示，即使高温且带负电的熔滴16飞溅、到达锥形环64的圆锥面(斜面)附近，由于锥形环盖65覆盖圆锥面，因此熔滴16附着在锥形环盖65表面。由于锥形环盖65与周围绝缘，因此附着在熔滴表面的电子不会放电，不能作为电弧放电开始的触发电路而发挥作用。
另外，假设即使阴极构成物质覆盖了锥形环盖65表面，由于锥形环64和锥形环盖65的电绝缘性不会降低，因此也能够长期地维持锥形环盖65的功能。
进而，由于锥形环盖65与锥形环64之间有间隙，因此能够抑制热从通过电弧放电而形成的高温等离子区传向锥形环64，并能够防止由强磁性体构成的锥形环64的磁导率的降低。
还有，代替锥形环盖65，如后述的实施方式3那样，通过电镀或喷镀将绝缘体覆盖在锥形环64表面、或者利用粘接剂或绝缘性螺钉将绝缘体安装在锥形环64表面时，也能够获得相同的效果。特别是，绝缘体不仅导电差，导热也差，因此抑制热从高温等离子区向锥形环流入的效果好。
(第二实施方式)
图3是表示本发明的电弧式蒸发源的第二实施方式的剖面图。
在图3中，作为磁场形成机构，使用圆筒形电磁铁81代替线圈42，且没有使用锥形环，除此之外与第一实施方式相同，因此对相同部分的结构标注相同的符号而省略其说明。
其中，在第二实施方式的情况下，由于没有使用线圈42因此不需要线圈收纳容器46，这样没有在真空腔11的开口设置电弧式蒸发源103。因此，使用与线圈收纳容器46外径以及内径相同的环状的安装板(中间电位电极)85，分别将绝缘环48、63与该安装板85的外缘以及内缘嵌合，由此进行与第一实施方式相同的设置。
另外，在第二实施方式的情况下，由于没有线圈42，因此不需要励磁电源44。
圆筒形磁铁81并不局限于整体由磁铁构成的结构。例如也可以将由强磁性体构成的圆筒以与阴极22同轴的方式配置在阴极22的外侧，在该圆筒的后方同轴设置环状(圆筒状)磁铁或圆盘状磁铁。这种情况下，在圆筒(圆盘)状磁铁的作用下，在其前方的强磁性体的端部产生磁场，进而在强磁性体的另一端形成磁极。而且，圆筒(圆盘)状磁铁的端部和强磁性体的端部作为整体发挥与圆筒形磁铁大致等价的作用。
另外，也可以通过在圆筒形磁铁81的外周以及/或者后方附加未图示的磁铁来调节磁场强度。而且，圆筒形磁铁既可以是以容易拆装的方式分割成两个以上的构造，也可以是以周状配置小型的圆柱型或棱柱型的条形磁铁而使整体构成圆筒状的磁铁组。
还有，在第二实施方式的情况下，由于使用永久磁铁，因此不需要电磁铁用电流源，能够使蒸发源的结构简单化，另外，由于能够通过比较小型的磁铁形成强磁场，因此装置变得紧凑。另一方面，在第一实施方式的情况下，若控制电磁铁的电流，则使电弧放电稳定的磁场强度的调整变得容易。
(第三实施方式)
图4是表示本发明的电弧式蒸发源的第三实施方式的剖面图。
在图4中，作为磁场形成机构，使用线圈93代替圆筒型电磁铁81，在锥形环64的圆锥面的表面覆盖绝缘体66，除此之外与第二实施方式相同，因此对相同部分的结构标注相同的符号而省略其说明。
还有，与使用线圈93相伴，设有励磁电源91。
作为绝缘体66，优选使用耐热性高的氧化铝或氮化硅等陶瓷。绝缘体66可以通过喷镀等方法覆盖在锥形环64的圆锥面的表面。当覆盖绝缘体66困难时，可以将瓦状的陶瓷与锥形环64的圆锥面的表面粘接，或者通过陶瓷制螺钉卡止。
在锥形环的圆锥面的表面覆盖绝缘体的效果如使用了锥形环盖的第一实施方式所说明的那样。
第三实施方式不像第一实施方式那样仅是线圈发挥作用，其不同点在于冷却机构99作为圆筒形铁心也发挥作用。冷却机构99的结构与冷却机构61相同，但由强磁性体构成。在第三实施方式的情况下，由于将冷却机构作为强磁性体铁心而使用，因此能够获得比第一实施方式强的磁场。
可以使冷却机构99的构成材料不全是强磁性体，可以将冷却机构的局部(例如外表面)做成强磁性体制。另外，冷却机构99自身也可以不是强磁性体，而是将冷却机构99收容在强磁性体制的圆筒内。例如，在使用水作为制冷剂49的情况下，阴极冷却机构自身可以由不易生锈(非磁性)的不锈钢(SUS304)构成，并将阴极冷却机构收容于强磁性体制的圆筒中。
作为所述强磁性体，优选使用铁、镍、钴以及以这些作为主成分的合金。金属材料导热度比较高，对冷却锥形环有效。
还有，磁场强度可以通过改变在线圈93中流动的电流而进行调整。
根据本发明的各实施方式的电弧式蒸发源，由于将电弧放电限制在阴极蒸发面，因此能够抑制电弧放电向阴极蒸发面以外的地点转移。
进而，通过在锥形环的圆锥面上覆盖绝缘体或者设置锥形环盖，能够抑制锥形环与电弧放电所形成的高温的等离子区相接从而温度上升，且能够抑制锥形环的磁导率降低，因此大幅地提高抑制电弧放电的转移的效果。
(实施例)
以下，根据实施例对本发明更加具体地进行说明，但本发明并不局限于以下的实施例。
(实施例1)
使用图1所示的电弧式蒸发源101，安装直径50mm、长度120mm的Cr(纯度99.9％)作为阴极22，在阴极22蒸发面的后方的位置，同轴地设置有内径50.5mm、外径90mm、圆锥面的倾斜角为45度的SS400钢材制(JIS G3101)的锥形环64。使用厚度1.5mm的SUS304制的机构作为锥形环盖65。
将该蒸发源101设置在电弧式离子镀成膜装置上来进行氮化铬被膜的成膜。作为被成膜基体材料，使用研磨成表面粗糙度(算术平均粗糙度)0.02μm以下的高速工具钢(SKH材)。
首先，在成膜之前实施离子轰击处理工序，进行被成膜基体材料表面的清洁化。离子轰击处理工序通过未图示的真空排气泵，将真空容器(成膜装置)内排气为2.7×10-3Pa(2×10-5Torr)以下后，以1.7×10-2Pa m3/s(10sccm(标准单位cc/min))的流量从未图示的气体导入孔导入Ar气体，将真空容器内维持在大约1.3Pa(10mTorr)而进行。然后，在被成膜基体材料上，经由未图示的阻抗匹配器施加10分钟频率13.56MHz、功率100W的高频功率，从而进行高频等离子放电。被成膜基体材料在来自等离子区的电子附着的作用下负的自身偏压起作用，作为正离子的Ar离子被加速而溅射该基体材料表面，从而将表面清洁化。
接着离子轰击处理工序来实施成膜工序。向真空容器内导入氮气体，并将真空容器内维持在2.6Pa。然后，向阴极通电弧电流100A以进行电弧放电，与此同时在被成膜基体材料上施加直流电压(-20V)。维持该状态，进行60分钟成膜。
更换被成膜基体材料，将该工序反复实施20次，对第二十次成膜的被成膜基体材料进行膜质评价以及对锥形环64表面的电弧放电的痕迹进行观察。还有，在20次的成膜实施中，除了设置在电弧蒸发源的阴极22的更换之外不实施成膜装置以及电弧式蒸发源101的维护。
(实施例2)
使用图3所示的电弧式蒸发源103代替电弧式蒸发源101，除此之外与实施例1完全相同地进行成膜，并实施评价。其中，锥形环64的材质使用了S50C钢制(JIS G4051)的机构。
(实施例3)
使用图4所示的电弧式蒸发源105代替电弧式蒸发源101，除此之外与实施例1完全相同地进行成膜，并实施评价。其中，在锥形环64的圆锥面的表面覆盖以厚度0.2mm喷镀氧化铝而成的物质作为绝缘陶瓷。
(实施例4)
代替Cr而使用与其相同尺寸的碳(石墨：纯度99.9％)作为阴极22，进行硬质碳(DLC)被膜的成膜，将锥形环64的材质替换为SS400钢，并且将阴极22收容在未图示的厚度1mm的SUS304制圆筒中，从而使阴极不与冷却水直接接触而进行间接冷却，除此之外与实施例1完全相同地进行成膜，并实施评价。
其中，将成膜工序中的导入气体替换为Ar气体，并且将真空容器内压力变为0.02Pa，且将施加在被成膜基体材料上的直流电压变为-100V。
(实施例5)
使用图3所示的电弧式蒸发源103代替电弧式蒸发源101，除此之外与实施例4完全相同地进行成膜，并实施评价。
其中，在成膜工序中不导入Ar气体。
(实施例6)
使用图4所示的电弧式蒸发源105代替电弧式蒸发源101，除此之外与实施例4完全相同地进行成膜，并实施评价。
其中，不使用锥形环盖65，而是在锥形环64的圆锥面的表面利用陶瓷制螺钉卡止厚度为1.5mm的氮化硅制瓦来作为绝缘体。
另外，在成膜工序中不导入Ar气体。
(比较例1)
将锥形环64的材质替换为顺磁性的Cr(纯度99.9％)，除此之外与实施例2完全相同地进行成膜，并实施评价。
(比较例2)
将锥形环64的材质替换为顺磁性的碳(石墨：纯度99.9％)，除此之外与实施例2完全相同地进行成膜，并实施评价。
(评价)
对形成在被成膜物表面的氮化铬被膜以及硬质碳被膜，如下述所示实施了评价。
1.表面粗糙度(十点平均粗糙度)：Rz(JIS-B0601)
使用触针式粗糙度测量仪，根据JIS-B0601进行被膜表面的表面粗糙度Rz的测定。改变测量位置实施5次，以其平均值进行评价。
2.膜厚均匀性
任意选择5处被膜表面的分别为0.5mm×0.5mm的方形的区域，使用激光干涉式的三维形状测量装置(奥林巴斯株式会社制激光显微镜OLI1100)对表面形状进行观察。在获得的曲线中，统计尺寸(最大长度部)为0.5mm以上的膜厚过小部和膜厚过大部的总数。这里，膜厚过小部(膜厚过大部)是指相对于平均膜厚形成有超过20％的台阶的区域。若尺寸0.05mm以上的膜厚过小部或膜厚过大部产生，则以此为起点发生剥离的可能性变大，或者存在配合部件攻击性增加、配合部件的磨损加剧的可能性。
还有，平均膜厚是对被膜表面的任意10个部位，通过球面研磨法(球研磨法)测量膜厚，将其平均值作为平均膜厚。由于所述膜厚过大部和膜厚过小部与其他部分(平均膜厚部)相比具有明显的台阶，因此通过表面形状的曲线能够进行确认。
3.锥形环表面的电弧放电的痕迹观察
通过肉眼观察锥形环表面，检查电弧放电的痕迹的有无。
将上述的评价结果分别在表1中表示。
[表1]
Figure G2008800067593D00151
从表1明确可知，在各实施例中，被膜的表面粗糙度(Rz)小，且没有看见膜厚过小部以及膜厚过大部，膜厚均匀性良好。
特别是，在锥形环的前方设有锥形环盖的实施例1和实施例4以及用绝缘物覆盖锥形环的圆锥面的表面的实施例3和实施例6中，完全没有看见向锥形环圆锥面的电弧转移。
另外，在实施例2以及实施例5中，虽然在锥形环的圆锥面看见几处电弧放电的痕迹，但这种部位与比较例1、2相比大幅地减少。
另一方面，在使用了顺磁质的锥形环的比较例1以及比较例2中，被膜的表面粗糙度(Rz)增大，另外，在被膜表面看见膜厚过小部和膜厚过大部，向锥形环的圆锥面的电弧放电的痕迹与实施例相比增加数倍。
另外，在各实施例中，在锥形环的圆锥面、特别是在锥形环的前端部的整周上能够确认电弧放电暂时转移的痕迹。进而，即使在远离锥形环的前端部的圆锥面上也看见多个电弧痕。后者的电弧痕不与锥形环前端部的电弧痕相连，因此可以确认二者是分别进行转移的。

Claims (5)

1.一种电弧式蒸发源，其通过由磁场控制的电弧放电来使阴极的阴极物质蒸发，
所述电弧式蒸发源的特征在于，具备：
所述阴极；
磁场形成机构，其在所述阴极前端的蒸发面附近形成与阴极中心轴平行的方向的磁场，且配置在所述阴极的外侧；
支承机构，其支承所述阴极；
冷却机构，其冷却所述阴极；
锥形环，其形成圆锥台状，具有使所述阴极沿其轴向贯通的贯通孔，且配置成向着所述阴极的蒸发面逐渐变细，
所述锥形环由强磁性体构成，使用时所述锥形环的前端与所述阴极的蒸发面位于相同的面或位于比所述蒸发面靠后方的位置。
2.根据权利要求1所述的电弧式蒸发源，其特征在于，
在所述锥形环的圆锥面的表面具备绝缘体。
3.根据权利要求1所述的电弧式蒸发源，其特征在于，
在所述锥形环的圆锥面的前方具备环状的盖，所述环状的盖具有使所述阴极沿其轴向贯通的贯通孔并由顺磁质的金属或合金构成，且与周围电绝缘。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电弧式蒸发源，其特征在于，
所述磁场形成机构由线圈、沿轴向具有磁极的圆筒型的永久磁铁或者具有铁心和线圈的电磁铁中的任意一种构成。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电弧式蒸发源，其特征在于，
还具备使所述阴极沿其轴向进退的阴极输送机构。
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