CN102650041A - 电弧离子镀装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电弧离子镀装置，其可防止电弧斑点进入蒸发源的表面部以外的现象，进行稳定的放电，并且提高表面平滑性，形成残余应力的控制性较高的薄膜。本发明中，蒸发源中不包括从端面向内部预定宽度的端部区域的内侧区域表面的磁通量密度为10～15mT，端部区域表面的磁通量密度比内侧区域表面的磁通量密度大3mT以上，从蒸发源的表面到工件的距离为120～300mm，该距离之间的磁通量密度的绝对值的累计值为260mT·mm以下，蒸发面上的磁力线相对于蒸发面的法线的角度θ为0°＜θ＜20°并在端部区域表面向内侧区域倾斜，内侧区域的磁通量密度的标准偏差为3以下。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过电弧放电使蒸发源离子化并在工件上成膜的电弧离子镀装置。
背景技术
电弧离子镀装置为如下装置，即在真空中将金属材料或陶瓷材料的蒸发源作为阴极(负极)产生电弧放电，由此使蒸发源蒸发的同时作为离子放出，另一方面，对工件(被涂物)外加负偏压，并对该工件表面加速供给离子来进行成膜。作为蒸发源广泛使用钛或铬，并利用于为了提高耐磨性例如在由高速钢或硬质合金、金属陶瓷等构成的切削工具的表面形成Ti、TiAl、CrAl等硬质皮膜的技术中。
这种电弧离子镀装置中，电弧电流集中在蒸发源表面的微小区域，由此该微小区域成为电弧斑点而使蒸发源熔化蒸发。若该电弧斑点滞留，则其滞留部附近的材料不蒸发而熔化并飞散，所以在蒸发源的背部设置磁铁来促进电弧斑点的移动。
在专利文献1中，作为其磁场推荐蒸发源的蒸发面上的磁场强度为5mT(毫特斯拉)以上，电弧电流值为200A以上。并且，推荐磁力线相对于蒸发面上的法线的最大角度θ为60°以下。
另外，专利文献2中，记载有如下内容，即通过形成从蒸发面的中心沿蒸发面的径向的任意线段上的磁通量密度的最小值为4.5mT以上、平均值为8mT以上、标准偏差为3以下的磁场，从而能够提高阴极(负极)的利用效率。
专利文献3中，记载有如下内容，即在靶背面中心配置第1磁铁，在背面的外周部以均等间隔配置磁场为相反极性且具有第1磁铁的磁力的0.5～1倍磁力的6个以上第2磁铁，另外邻接配置与第2磁铁同轴且大致相同外径的环状电磁线圈，控制电弧斑点的可动区域，从而扩大腐蚀区域，并提高靶的寿命。
专利文献1：日本专利第4034563号公报
专利文献2：日本专利公开2009-144236号公报
然而，发现在放电中电弧斑点进入蒸发源表面部以外的现象，由此导致电源停止等，发生无法稳定地放电的问题。
另外，中心部的磁力小于靶的周边部，因此电弧斑点集中在中心部而易产生熔滴，成为损坏薄膜表面的平滑性的原因。
若为了解决这个问题而加大磁力，则存在如下趋势，即工件附近的磁力也变大而来自蒸发源的离子粒子的射程变大，在这期间离子粒子的价数上升，被引入工件的力变大，薄膜的残余应力变大。此时，可以考虑降低施加于工件的偏压即可，但是由于磁力较大，所以即使降低偏压也难以降低残余应力。
发明内容
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种电弧离子镀装置，其可防止电弧斑点进入蒸发源表面部以外的现象，进行稳定的放电，并且提高表面平滑性，形成残余应力的控制性较高的薄膜。
本发明的电弧离子镀装置，其特征在于，蒸发源中不包括从端面向内部预定宽度的端部区域的内侧区域表面的磁通量密度为10～15mT，所述端部区域表面的磁通量密度大于所述内侧区域表面的磁通量密度，并且从所述蒸发源的表面到工件的距离为120～300mm，该距离之间的磁通量密度的绝对值的累计值为260mT·mm以下。
产生于蒸发面的电弧斑点为电子的放出点，所以为了提高蒸发源的利用效率，使电弧斑点在蒸发面的整个区域均衡地来回移动很重要。本发明中，电弧斑点能够在将蒸发面的磁通量密度设为10～15mT的内侧区域表面上高速且任意地来回移动。另外，为了得到将电弧斑点封入其放电区域的效果，作为磁通量密度需在10mT以上。若磁通量密度超过15mT，则有电弧斑点的存在本身明显受限，导致成膜速度明显下降的问题。另外，还产生电弧放电的电压值比通常时上升的问题。
另一方面，由于在蒸发源的端部区域中磁通量密度大于内侧区域表面，所以即使内侧区域表面的电弧斑点欲朝向端部区域，也被端部区域的较强的磁场反弹，返回至内侧区域。因此，能够防止电弧斑点从端部区域进入表面部以外的现象并使其在封入到大致内侧区域内的状态下移动。作为预定宽度优选为距端面1cm的宽度。
由此，能够使蒸发源在面内均匀地蒸发，并提高薄膜表面的平滑性。
另外，由于减小从蒸发源到工件之间的磁通量密度的绝对值的累计值，并使工件附近的磁通量密度变小，所以能够缩短蒸发源的离子粒子的射程。因此，能够抑制离子的价数上升，并降低因对工件的偏压而引起的离子牵制效应，其结果，轻松控制薄膜的残余应力。
在本发明的电弧离子镀装置中，在所述蒸发源的背面以相比于周边部使蒸发源的表面的磁通量密度集中于中央部并变大的方式设置中央磁铁，在蒸发源的半径方向外侧设置极性相反的双层环状磁铁即可。
配置中央磁铁和环状磁铁，通过中央磁铁加大蒸发源中央部的磁通量密度，由此能够使蒸发源表面的磁通量密度在面内均匀，并极性相反且双重地配置环状磁铁，由此能够相互抵消至工件为止的空间的磁场，并减小累计值。
在本发明的电弧离子镀装置中，所述端部区域表面中的磁通量密度比所述内侧区域表面的磁通量密度大3mT以上即可。
为了不使电弧斑点从端部区域向外移动，使端部区域表面的磁通量密度比内侧区域表面的磁通量密度至少大3mT很重要。更优选相对于10～15mT的内侧区域表面的磁通量密度，将端部区域表面的磁通量密度设为18mT以上即可。
在本发明的电弧离子镀装置中，所述蒸发面上的磁力线相对于所述蒸发面的法线的角度θ为0°＜θ＜20°，并在所述端部区域表面向所述内侧区域倾斜即可。
若磁力线相对于蒸发面的法线设定为上述角度，则有将电弧斑点封入蒸发面的效果。
另外，移动电弧斑点的力由磁场中平行于蒸发面的分量与垂直于蒸发面的分量各自的大小决定，其方向成为与平行于蒸发面的分量垂直的方向和与平行的分量相同的方向的合成方向。因此，若使磁场中的与蒸发面平行的分量朝向蒸发面的内侧区域，则即使电弧斑点欲向端部区域表面移动，也会向返回至蒸发面的内侧区域的方向施力，防止从端部区域向外飞出。
在本发明的电弧离子镀装置中，所述内侧区域的磁通量密度的标准偏差为3以下即可。
在蒸发面的内侧区域中，通过消除局部集中而使电弧斑点在整体上均等地移动，从而蒸发源均等地消耗，利用效率变好。
根据本发明的电弧离子镀装置，能够使电弧斑点在蒸发源的表面高速且任意地移动，并且防止电弧斑点进入表面部以外的现象，从而产生稳定的放电，并能够提高薄膜表面的平滑性。另外，由于减小从蒸发源到工件之间的磁通量密度的绝对值的累计值，所以能够降低因对工件的偏压而引起的离子牵制效应，轻松控制薄膜的残余应力。
附图说明
图1是示意地表示本发明的电弧离子镀装置的一实施方式的水平截面图。
图2是图1的纵截面图。
图3是表示蒸发面上的磁力线的矢量的示意图。
图4是说明电弧斑点基于蒸发面上的磁力线的移动原理的示意图。
图5是表示蒸发面上的磁通量密度、磁力线的角度分布的图表。
[符号说明]
1-电弧离子镀装置，2-真空腔室，3-工件，4-工作台，5-蒸发源，6-支承棒，7-气体导入口，8-排气口，9-加热器，11-蒸发面，12-正极电极，13-电弧电源，14-偏压电源，15-中央磁铁，16A、16B-环状磁铁。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的电弧离子镀装置的一实施方式进行说明。
如图1及图2所示，该实施方式的电弧离子镀装置1在真空腔室2内设置保持工件(被涂物)3的工作台4，并且通过该工作台4在两侧分别设置作为负极的蒸发源5。工作台4具有在其上面沿周向隔着间隔立设多条保持多个工件3的支承棒6且如图1的箭头所示水平旋转这些支承棒6的机构，成为本身也通过回转机构(省略图示)水平回转的旋转台。而且为使保持于支承棒6的工件3自转的同时公转的结构。
另外，真空腔室2中设置有向内部导入反应气体的气体导入口7和从内部排出反应气体的排气口8，并且为了加热工作台4上的工件3来提高被膜的粘附力，在工作台4的后方设置有加热器9。
图示例中的蒸发源5形成为圆板状，并使其一个面朝向工作台4上的工件3(与工作台4的半径方向正交)来配置，且配置成朝向工作台4的面成为蒸发面11。而且，朝向该蒸发源5的蒸发面11的适当部位配置正极电极12，将蒸发源5设为负极，正极电极12与蒸发源5之间连接有施加负偏压的电弧电源13。
另外，工作台4上也连接有对保持于该工作台的工件3施加负偏压的偏压电源14。
另外，在蒸发源5的背面中央部设置中央磁铁15，并且在蒸发源5的半径方向外侧位置以围绕蒸发源5的外周面的方式设置有2个环状磁铁16A、16B。这些磁铁15、16A、16B为永久磁铁。
蒸发源5背部的中央磁铁15形成为中央部的厚度大于周边部的圆锥状，并配置成使其圆锥面朝向蒸发源5的状态。换言之，中央磁铁15的极点表面(圆锥面)成为中央部最靠近蒸发源5的背面并随着朝向周边部逐渐远离的配置。因此，相比于周边部使蒸发源5表面的磁通量密度集中于中央部并变大。
另一方面，设置于蒸发源5的外侧的一组环状磁铁16A、16B相对于蒸发源5的中心配置成双层环状，并且成为相互相反的极性。另外，其内侧的磁铁16A为相对于中央磁铁15的极也成为相反极的配置。
图示例中成为如下配置，即中央磁铁15朝向蒸发源5的前方的一侧的极成为N极，环状磁铁中内侧的磁铁16A朝向蒸发源5的前方的一侧的极成为S极，外侧的磁铁16B朝向蒸发源5的前方的一侧的极成为N极。
根据设为这种磁铁配置，磁力线通过中央磁铁15集中在蒸发源5表面的中央，中央的磁通量密度变大，并且各磁铁15、16A、16B的磁场的一部分以相互重叠的方式发挥作用。环状磁铁16A、16B的磁力线均在蒸发源5的外周部集中，而在蒸发源5的中央部变弱，但是由于极性相反并双重地配置，因此这些磁力线成为相反方向，以相互抵消的方式发挥作用。
而且，通过适当地设定这种多个磁铁15、16A、16B的磁通量密度，这些被合成的磁场作用于蒸发源5的表面。该蒸发源5的表面上的磁通量密度在蒸发源5中不包括从外周端面向内部1cm宽度的环状的端部区域E的内侧区域C表面上为10～15mT(毫特斯拉)，标准偏差为3以下，在环状的端部区域E表面上大于内侧区域C表面的磁通量密度，成为15mT以上。
另外，通过蒸发源5的磁力线形成为相对于其蒸发面11的法线的角度θ成为0°＜θ＜20°且在环状的端部区域E表面其角度朝向内侧区域C倾斜。
如图3中示意地示出蒸发面11上的磁力线的矢量，如以虚线所示，在内侧区域C中，相对于蒸发面11的法线的角度成为0°＜θ＜20°，如以实线表示，在端部区域E中，磁通量密度比内侧区域C的磁力线更大的磁力线相对于蒸发面11的法线的角度成为0°＜θ＜20°，但是形成为朝向内侧区域C倾斜的状态。
对利用这样构成的电弧离子镀装置1在工件3上成膜的方法进行说明。
首先，将工件3保持于工作台4的支承棒6上，对真空腔室2内进行真空抽取之后，从气体导入口7导入Ar等，通过溅射来去除蒸发源5和工件3上的氧化物等杂质。而且，再次对真空腔室2内进行真空抽取之后，从气体导入口7导入氮气等反应气体，把朝向蒸发源5的正极电极12作为触发器来产生电弧放电，由此使构成蒸发源5的物质等离子化并与反应气体反应，在工作台4上的工件3表面成膜氮化膜等。
该成膜工序中在蒸发源5的蒸发面11上放电电流集中在微小区域，高温下产生极其活性的直径为数μm的电弧斑点，在蒸发面11上以10m/s以上的速度任意地来回移动的同时，使蒸发源5瞬间熔化蒸发，并且作为离子放出。
此时，蒸发源5的蒸发面11上通过前述的磁铁15、16A、16B产生磁场，通过该磁场的作用控制电弧斑点的移动。
具体而言，在蒸发源5中除了外周的端部区域E之外的内侧区域C的表面，磁通量密度成为10～15mT，因此在该内侧区域C的表面产生的电弧斑点被封入该内侧区域C。另外，通过前述的2个磁铁15、16的相互作用，蒸发面11上的磁力线相对于蒸发面11的法线的角度θ成为0°＜θ＜20°，因此发挥作用以将电弧斑点封入蒸发面11。
另外，将该内侧区域C的磁通量密度的标准偏差设在3以下是为了均等地消耗蒸发源5。
另一方面，在蒸发源5的端部区域E中，磁通量密度设定为大于内侧区域C表面，因此即使内侧区域C表面的电弧斑点欲朝向端部区域E，也被端部区域E的较强的磁场反弹，从而返回至内侧区域C。作为该端部区域E的磁通量密度，设定为比内侧区域C的磁通量密度大3mT以上就能够使其发挥使电弧斑点返回至内侧区域C的效果。
另外，磁力线相对于蒸发面11的法线的角度在端部区域E中形成为朝向内侧区域C倾斜，因此有使电弧斑点朝向内侧区域C返回的效果。根据Robson等(Springer社，Cathodic arcs，p.140)，关于在蒸发面11上产生的磁场作用于电弧斑点的力，若举出图4的B所示的磁场作为例子，则平行于蒸发面11的磁场分量BH成为相对于该磁场分量倾斜90°的方向的力AH，而垂直于蒸发面11的磁场分量BV起到与平行的磁场分量BH相同方向的力AV的作用。而且，电弧斑点A通过从这些磁场起作用的力AH、AV的合成力移动。因此，通过使磁力线相对于蒸发面11的法线的角度θ朝向内侧区域C，能够使从磁场作用于电弧斑点A的力AV的方向朝向内侧区域C。另外，通过增大垂直于蒸发面11的磁场分量BV，能够增大力AV的大小，并能够增大使电弧斑点A返回至内侧区域C的力。
通过增大所述端部区域E的磁通量密度及使其磁力线朝向内侧区域C倾斜，由此如图3中以箭头表示，电弧斑点A欲向端部区域E移动时被返回而返回至内侧区域C。
而且，这样将电弧斑点A封入内侧区域C内，并限制其超过端部区域E，因此可以防止电弧斑点进入蒸发源表面部以外的现象，能够维持稳定的放电。
另外，通过中央磁铁15和一组环状磁铁16A、16B，在蒸发源5的表面设为较大的磁通量密度，且随着远离蒸发源5而磁通量密度变小，因此能够减小从蒸发源5到工件之间的磁通量密度的绝对值的累计值，尤其是工件附近的磁通量密度变小，能够缩短蒸发源5的离子粒子的射程。因此，能够抑制离子价数的上升，并降低因对工件的偏压而引起的离子牵制效应，其结果轻松控制薄膜的残余应力。
[实施例]
对为了确认本发明的效果而进行的实施例进行说明。
使用直径为100mm、厚度为16mm的TiAl(Ti∶Al＝50∶50)作为蒸发源。
并且，蒸发源的外侧的一组环状磁铁及蒸发源背面的中央磁铁均为永久磁铁的钕磁铁，矫顽力设为2000kA/m，表面磁通量密度设为1150mT。作为比较例，在蒸发源的外侧设为1个环状磁铁、钕磁铁，矫顽力设为2000kA/m，表面磁通量密度设为1150mT。蒸发源的背面中央的磁铁为铁氧体磁铁，矫顽力设为250kA/m，表面磁通量密度设为350mT。
在安装有这种磁铁的电弧离子镀装置中配置蒸发源，测定蒸发面的磁场时，呈图5所示的状态。在图5中，虚线为实施例，实线为比较例。所有横轴均将蒸发源的中心设为0，左右表示离中心的距离，左右两端为外周端。
如该图5所示，在实施例中，从蒸发源的中心开始在比较宽的范围存在大致恒定的区域，在外周端部附近变得大于15mT以上。在不包括端部区域的内侧区域部分，磁通量密度的标准偏差为3以下。另外，磁力线与蒸发面的法线所成的角度(倾斜角)在整个面成为0°＜θ＜20°的范围。另外，由于该角度比较小，因此几乎未产生磁通量密度的绝对值与垂直分量之差。
与此相对，比较例中，蒸发源的外周端部也为15mT以上，但是中心部附近的磁场成为7mT以下非常小的值。包括内侧区域在内的整个区域中磁通量密度的偏差也较大。另外，磁力线与蒸发面的法线所成的角度(倾斜角)在蒸发面的中心部附近为0°＜θ＜20°的范围，但在外周端部附近超过了20°。
另外，关于磁通量密度以磁通量计在蒸发源表面中通过蒸发源表面的中心的直线上进行测定。在蒸发源的表面上，以10mm间隔设定测定部位，在各测定点测定蒸发源表面的垂直方向及平行方向的磁通量密度。另外，根据这些测定值计算在各测定点上的磁通量密度及磁力线与蒸发面的法线所成的角度(倾斜角)。另外，关于蒸发源表面上的磁通量密度的标准偏差，根据端部区域中不包括磁通量密度较大的部分的磁通量密度的数值计算标准偏差。
接着，如表1及表2所示，在各种条件下成膜，测定从蒸发源到工件的累计磁力和膜的残余应力。使用氮气作为反应气体。
关于累计磁力，以磁通量计在从蒸发源表面中心到工件的直线上以10mm间隔求出磁通量密度，并从蒸发源到工件为止累计该磁通量密度来求出。
残余应力通过利用X射线衍射的2θ-法求出。
表1表示比较例，表2表示实施例。
[表1]
[表2]
如从该表1及表2的结果可知，在实施例中，通过调整偏压，膜的残余应力也较大地变动，容易进行其控制。
另外，本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内可加以各种变更。
例如，在上述实施方式中，将中央磁铁形成为圆锥形状，但是只要是能够相比于周边部使蒸发源的磁通量密度更加集中于中央部并增大的磁铁即可，可在中央部集中设置多个同一极的磁铁，并在周边部分散配置，从而使磁通量密度具有分布。
另外，将蒸发源形成为圆板状，但是还能够应用于柱状、筒状等形状，此时，也将距端面1cm宽度的范围设为端部区域来设定如前述的磁场即可。
Claims (9)
1.一种电弧离子镀装置，其特征在于，
蒸发源中不包括从端面向内部预定宽度的端部区域的内侧区域表面的磁通量密度为10～15mT，所述端部区域表面的磁通量密度大于所述内侧区域表面的磁通量密度，并且从所述蒸发源的表面到工件的距离为120～300mm，该距离之间的磁通量密度的绝对值的累计值为260mT·mm以下。
2.如权利要求1所述的电弧离子镀装置，其特征在于，
在所述蒸发源的背面以相比于周边部使蒸发源的表面的磁通量密度集中于中央部并变大的方式设置中央磁铁，在蒸发源的半径方向外侧设置极性相反的双层环状磁铁，并且中央磁铁和双层环的内侧的极性相反。
3.如权利要求1或2所述的电弧离子镀装置，其特征在于，
所述端部区域表面的磁通量密度比所述内侧区域表面的磁通量密度大3mT以上。
4.如权利要求1或2所述的电弧离子镀装置，其特征在于，
所述蒸发面上的磁力线相对于所述蒸发面的法线的角度θ为0°＜θ＜20°，在所述端部区域表面朝向所述内侧区域倾斜。
5.如权利要求3所述的电弧离子镀装置，其特征在于，
所述蒸发面上的磁力线相对于所述蒸发面的法线的角度θ为0°＜θ＜20°，在所述端部区域表面朝向所述内侧区域倾斜。
6.如权利要求1或2所述的电弧离子镀装置，其特征在于，
所述内侧区域的磁通量密度的标准偏差为3以下。
7.如权利要求3所述的电弧离子镀装置，其特征在于，
所述内侧区域的磁通量密度的标准偏差为3以下。
8.如权利要求4所述的电弧离子镀装置，其特征在于，
所述内侧区域的磁通量密度的标准偏差为3以下。
9.如权利要求5所述的电弧离子镀装置，其特征在于，
所述内侧区域的磁通量密度的标准偏差为3以下。
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