CN105164305B - 电弧蒸发源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电弧蒸发源，在真空中利用电弧放电使阴极材料熔解、蒸发而在基材表面成膜，包括形成为大致圆板形状的阴极、及配置于阴极的背面侧的磁场产生单元，磁场产生单元构成为如下，即，利用在阴极的背面以磁极朝向相对于阴极的放电面为20°～50°方向配置的至少一个永久磁铁而产生磁场，所述磁场在阴极的外周面形成相对于基材方向为锐角的磁力线、在阴极的放电面的最外周部形成相对于放电面大致垂直的磁力线、在阴极的放电面的靠外周面的部分形成相对于阴极的中心方向为锐角的磁力线，所述电弧蒸发源能够充分利用阴极的外周部，而能够显著提高阴极材料的利用效率。

Description

电弧蒸发源

技术领域

本发明涉及一种电弧离子镀(arc ion plating)装置中使用的电弧蒸发源。

背景技术

为了在基材上成膜陶瓷硬质膜，以前一般使用电弧离子镀法，该电弧离子镀法使用电弧离子镀装置在真空中利用电弧放电使电弧蒸发源的阴极材料蒸气化、离子化，而在基材(工件)的表面上成膜(例如专利文献1、2)。

将此种电弧离子镀法中使用的电弧蒸发源的一例表示于图24。图24中，加工成圆盘形状的阴极1被固定环2固定，在阴极1的与放电面为相反侧的面上以磁极的朝向为沿着阴极1的轴方向的朝向的方式配置着永久磁铁4，从而构成电弧蒸发源。另外，3表示由永久磁铁4发出的磁力线中的1条。

利用电弧放电，在该阴极1的放电面依次形成着电弧斑点(arc spot)，而阴极材料蒸发，但该电弧斑点具有向与磁场成锐角的方向移动的性质。

因此，图24中，为了控制电弧状态，在阴极1的背面配置磁铁4，并且将阴极1的外周部附近加工成堤岸形状。通过使用此种阴极，由磁铁4发出的磁力线3以朝向阴极半径方向的外侧扩展的方式形成，并且防止电弧斑点从阴极放电面向外部散逸。然而，因放电区主要集中于堤岸内侧的外周部附近，所以随着成膜批次(batch)数增加而阴极1的形状从图25中虚线所示的形状变为实线所示的形状，从而无法将阴极材料有效利用到放电面的中央部。

而且，如图26所示，还提出了如下技术，即，代替将阴极1的外周部附近加工成堤岸形状，而是在阴极1的外周部设置锥形状的闭合环5而构成电弧蒸发源，由此防止电弧斑点的脱离。

然而，该情况下，因阴极1的外周部由闭合环5覆盖，所以无法充分利用放电面的外周部，从而妨碍阴极材料的有效利用。

即，如图27(a)、图27(b)所示，即便利用以剖面图观察为相同面积(图的阴影部分)的阴极材料，考虑到三维情况下所利用的阴极材料的体积也能够表示为

V2＝V1×(D2÷D1)

且D2＞D1，因而可知通过充分利用外周部，能够利用更大体积的阴极材料，从而能够得到有效利用。

[现有技术文献]

[专利文献]

专利文献1：日本专利3924833号公报

专利文献2：日本专利特开2009-543951号公报

发明内容

[发明所要解决的问题]

本发明的课题在于提供一种通过充分利用外周面的整体或一部分露出的结构的阴极的外周部，而能够显著提高阴极材料的利用效率的电弧蒸发源。

[解决问题的技术手段]

技术方案1记载的发明为一种电弧蒸发源，在真空中利用电弧放电使阴极材料熔解、蒸发而在基材表面成膜，所述电弧蒸发源：

包括形成为大致圆板形状的阴极、及配置于所述阴极的背面侧的磁场产生单元，

所述磁场产生单元构成为如下，即，利用在所述阴极的背面磁极朝向相对于阴极的放电面为20°～50°的方向配置的至少一个永久磁铁而产生磁场，所述磁场在所述阴极的外周面形成相对于所述基材方向为锐角的磁力线、在所述阴极的放电面的最外周部形成相对于放电面大致垂直的磁力线、在所述阴极的放电面的靠外周面的部分形成相对于阴极的中心方向为锐角的磁力线。

本发明人关于所述课题的解决而进行了各种实验与研究，结果发现，利用磁场沿锐角的方向移动的电弧斑点的性质，如图1中3根箭头所示，在产生磁场的情况下，电弧斑点不向外周面移动而停留于放电面且沿放电面的内侧大范围地移动，因而能够更有效率地利用阴极材料，所述磁场在阴极的外周面形成相对于基材方向为锐角的磁力线、在阴极的放电面的最外周部形成相对于放电面大致垂直的磁力线、在阴极的放电面的靠外周面的部分形成相对于阴极的中心方向为锐角的磁力线。

具体来说，如图2所示，如果将放电面与磁场(磁场矢量)所成的角设为θ，则形成如下三个条件一致的磁场(磁场分布)：在放电面的最外周部形成θ大致为90°磁力线，在放电面形成θ小于90°(锐角)的磁力线，在放电面的外侧形成θ超过90°(钝角)的磁力线。另外，在最外周部“θ大致为90°”是指可存在±5°左右的偏差。

接下来，本发明人利用磁场模拟对用以形成所述磁场的具体的磁场产生单元进行研究。

首先，如图3所示，将环状永久磁铁以磁极的朝向与阴极的轴方向平行的方式设置于阴极的背面的外周附近。然而，该情况下，无法“在阴极的放电面的最外周部”产生“相对于放电面大致垂直的磁力线”，而且，也无法在“阴极的放电面”的最外周附近产生“相对于阴极的中心方向为锐角的磁力线”。

接下来，如图4所示，将环状永久磁铁以磁极的朝向与阴极放电面平行的方式，磁化·设置于阴极的背面。该情况下，通过适当进行永久磁铁的配置而能够产生所述磁场。

然而，该情况下，成为阴极背面的空间的大部分为环状永久磁铁占据的结构，因而无法进行具备后述的“独立的磁场产生单元”等的进一步的改良，阴极材料的有效利用存在极限。或者，也有阴极过分增大的担心。

因此，本发明人认为在以N极、S极为斜向的方式将永久磁铁配置于阴极外周附近的情况下，如图5所示，能够分别产生三条磁力线，并且能够很大程度地确保阴极背面的空间。而且，认为通过在该得到确保的空间内进而配置与所述永久磁铁不同的另一磁场产生单元，能够实现阴极材料的更有效的利用。

基于所述考虑，本发明人如图6～图16所示，使磁极的朝向与放电面所成的角度在0°到90°之间发生变化，并对此时形成的磁场进行了研究。结果可知，以磁极的朝向与放电面所成的角度为20°～50°的方式配置永久磁铁即可。

即，在磁极的朝向与放电面所成的角度小于20°的情况下，如图6及图7所示，虽能够形成三条磁力线，但因磁铁的配置位置靠近阴极的中心方向而无法充分确保阴极背面的空间。另一方面，在超过了50°的情况下，如图13～图16所示，因磁铁的配置位置靠近阴极的外侧所以虽能够确保阴极背面的空间，但无法在阴极的放电面的外侧形成相对于阴极的中心方向为钝角的磁力线。另外，图6～图16中，也可将N极与S极进行更换。

而且，根据所述结果可知更优选的角度为40°～45°。

即，技术方案2记载的发明为技术方案1记载的电弧蒸发源，其中：

所述永久磁铁的磁极朝向相对于所述阴极的放电面为40°～45°的方向而配置。

接下来，技术方案3记载的发明为技术方案1或技术方案2记载的电弧蒸发源，其中：

在阴极的背面设置至少一个独立的磁场产生单元，所述独立的磁场产生单元以与阴极的放电面大致平行的面进行旋转。

本发明人基于所述发现，接下来对在阴极的背面得到大幅确保的空间内配置的优选的磁场产生单元进行研究。

结果可知，如果在该空间内设置以与阴极的放电面大致平行的面进行旋转的磁场产生单元，则利用旋转的磁场的作用，如图18所示，电弧斑点一边旋转一边沿阴极的放电面移动而放电区扩大，因而能够更大面积地利用阴极材料，从而阴极材料的利用效率进一步提高。作为此种磁场产生单元，例如可列举如图17所示的磁场产生单元，该磁场产生单元是将环状永久磁铁以错开旋转台的中心轴与环状永久磁铁的中心轴的方式载置于旋转台上而构成。

另外，优选不中断电弧放电的过程(process)地进行所述磁场产生单元的旋转。

而且，技术方案4记载的发明为技术方案1或技术方案2记载的电弧蒸发源，其中：

在阴极的背面设置着至少一个磁场产生单元，所述磁场产生单元设置着能够使与阴极的距离发生变化的移动单元。

根据本发明人的研究可知，即便在该空间配置设置有能够使与阴极的距离发生变化的移动单元的磁场产生单元，例如，配置着如图19所示的在半径方向的内外为相反极性的环状永久磁铁上设置着移动单元而成的磁场产生单元，阴极材料的利用效率也进一步提高。

即，通过使永久磁铁与阴极的距离发生变化，如图20所示，也能够使在阴极的放电面中电弧斑点移动的放电区的直径发生变化，因而能够更大面积地利用阴极材料，从而阴极材料的利用效率进一步提高。另外，在配置多个此种磁场产生单元的情况下，阴极材料的利用效率进一步提高。

另外，优选与所述磁场产生单元的旋转同样地，不中断电弧放电的过程地进行所述磁场产生单元的移动。

[发明的效果]

根据本发明，能够提供一种电弧蒸发源，其通过充分利用外周面的整体或一部分露出的结构的阴极的外周部，而能够显著提高阴极材料的利用效率。

附图说明

图1是说明电弧蒸发源中形成的磁场的图。

图2是说明电弧蒸发源中形成的放电面与磁场所成的角的图。

图3是说明将环状永久磁铁以磁极的朝向与阴极的轴方向平行的方式设置于阴极的背面的外周附近时形成的磁场的图。

图4是说明将环状永久磁铁以磁极的朝向与阴极放电面平行的方式设置于阴极的背面时形成的磁场的图。

图5是说明将永久磁铁在阴极外周附近配置于斜方向上时形成的磁场的图。

图6是说明磁极的朝向与放电面所成的角度为0°时形成的磁场的图。

图7是说明磁极的朝向与放电面所成的角度为10°时形成的磁场的图。

图8是说明磁极的朝向与放电面所成的角度为20°时形成的磁场的图。

图9是说明磁极的朝向与放电面所成的角度为30°时形成的磁场的图。

图10是说明磁极的朝向与放电面所成的角度为40°时形成的磁场的图。

图11是说明磁极的朝向与放电面所成的角度为45°时形成的磁场的图。

图12是说明磁极的朝向与放电面所成的角度为50°时形成的磁场的图。

图13是说明磁极的朝向与放电面所成的角度为60°时形成的磁场的图。

图14是说明磁极的朝向与放电面所成的角度为70°时形成的磁场的图。

图15是说明磁极的朝向与放电面所成的角度为80°时形成的磁场的图。

图16是说明磁极的朝向与放电面所成的角度为90°时形成的磁场的图。

图17是说明在阴极背面得以确保的空间内配置旋转的磁场产生单元时形成的磁场的图。

图18是说明图17所示的阴极的放电面上形成的电弧斑点的移动的图。

图19是说明在阴极背面得以确保的空间内配置设置着移动单元的磁场产生单元时形成的磁场的图。

图20是说明图19所示的阴极的放电面上形成的电弧斑点的移动的图。

图21是说明实施例1中使用的电弧蒸发源的构成的图。

图22是表示永久磁铁的上下移动速度的图。

图23是表示TiN的成膜批次次数与膜厚的关系的图。

图24是说明现有的电弧蒸发源的一例中的构成的图。

图25是表示现有的电弧蒸发源中的阴极形状的变化的图。

图26是说明现有的电弧蒸发源的另一例中的构成的图。

图27(a)、图27(b)是表示现有的电弧蒸发源中的阴极的形状的变化的图。

[符号的说明]

1：阴极

2：固定环

3：磁力线

4：永久磁铁

5：闭合环

具体实施方式

以下，基于实施例对本发明进行更具体说明。

1.电弧蒸发源的制作

(1)实施例1

在由直径150mm、厚度15mm的圆板形状的Ti阴极材料加工成图21所示的形状的阴极1的背面，配置永久磁铁4(将圆柱状的各向同性铁氧体(ferrite)磁铁(直径8mm、厚度2mm)在相对于阴极1的放电面为45°的方向上呈环状并列45个而构成)，从而制作实施例1的电弧蒸发源。此时，阴极外周部附近的磁场为约20高斯(Gauss)。

另外，关于磁铁，可使用由形状为环状的磁铁在斜向上磁化而成的，而且也可将例如立方形的磁铁在圆周上倾斜地并列配置。

(2)实施例2

在阴极背面的空间内，将磁场产生单元如图17所示般配置，除此以外与实施例1同样地制作实施例2的电弧蒸发源，所述磁场产生单元是将环状永久磁铁(为厚度2mm、外径46mm、内径31mm的钕磁铁，磁极朝向外侧与内侧方向)以旋转台的中心轴与环状永久磁铁的中心轴错开的方式载置于旋转台上而构成。而且，可知在使环状永久磁铁在18rpm～340rpm的范围内旋转而观察皮膜的表面粗糙度后，以约60rpm的旋转速度使皮膜的表面粗糙度降到最低。另外，由所述环状永久磁铁引起的阴极放电面的磁场为约150高斯。

(3)实施例3

在阴极背面的空间内，使用与实施例2相同的环状永久磁铁将设置着移动单元的磁场产生单元如图19所示般进行配置，除此以外与实施例1同样地制作实施例3的电弧蒸发源。

移动单元包含电动致动器，在图19所示的上下方向上在50mm的范围内使永久磁铁可动。结果，如图20所示，在永久磁铁移动到最上方时，电弧斑点环绕在最靠近阴极放电面的中心附近，而且在永久磁铁移动到最下方时，电弧斑点环绕在最靠近阴极放电面的外周部附近。

在电弧斑点环绕在阴极放电面的中心附近时，圆周长短，因而阴极快速消耗，从而需要短时间地停留。因此，为了使阴极消耗在中心与在外周部均匀化，而使磁铁的移动不固定地进行图22所示的图案化的移动。另外，此处，以34秒为一周期，且缩短磁铁位于上方的时间。由此能够大面积地使阴极的消耗为固定。

(4)比较例1

在由直径150mm、厚度15mm的圆板形状的Ti阴极材料加工成图24所示的堤岸形状的阴极1的背面，以磁极的朝向为沿着阴极的轴方向的朝向的方式，配置永久磁铁4，而制作比较例1的电弧蒸发源。

(5)比较例2

在由直径150mm、厚度15mm的圆板形状的Ti阴极材料加工成图26所示的形状的阴极1的背面，以磁极的朝向为沿着阴极的轴方向的朝向的方式，配置永久磁铁4，而制作比较例2的电弧蒸发源。

(6)实施例4～6及比较例3、4

除使用TiAl(50∶50atm％)作为阴极材料以外，分别与实施例1～3、比较例1、2同样地，制作实施例4～6及比较例3、4的电弧蒸发源。

(7)实施例7～9及比较例5、6

除使用AlCr(70∶30atm％)作为阴极材料以外，分别与实施例1～3、比较例1、2同样地制作实施例7～9及比较例5、6的电弧蒸发源。

(8)实施例10～12及比较例7、8

除使用Cr作为阴极材料以外，分别与实施例1～3、比较例1、2同样地制作实施例10～12及比较例7、8的电弧蒸发源。

2.成膜

在将各电弧蒸发源安装于离子镀装置并抽真空后，利用加热器加热充分进行气体抽出，导入氮气500ccm而使腔室内的压力成为表1所示的各压力。

使用高速度工具钢(SKH-51)的试件(test piece)作为基材，施加表1所示的各偏置电压(bias voltage)，然后使用(未图示的)触发器(trigger)结构开始各阴极的电弧放电，分别流动表1所示的电弧电流而实施180分钟的涂布处理。将所获得的各膜的膜种类、膜厚、膜硬度、表面粗糙度Rz表示于表1。

然后，在膜厚降低到第一次成膜中所获得的膜厚的70％之前，重复成膜，并测定至此的批次次数。即，当膜厚低于70％时，膜厚不足，而有作为基材(工件)的工具·模具的性能降低的担心。另外，作为其对策，考虑相应于膜厚的降低而延长涂布时间等措施，但因管理困难而欠佳。由此，将达到70％的时间点设为阴极的寿命。将结果表示于表1。

将实施例1～3及比较例1、2的成膜批次次数与此时的膜厚的关系表示于图23。

[表1]

根据表1可知，任一阴极材料中，相比于比较例，实施例的批次次数增加，通过应用本发明，能够有效利用高价的阴极材料。

而且，根据图23可知，在将Ti作为阴极材料的成膜中，实施例1～3中，实施例2、3的批次次数即便增加，膜厚的减少也减缓，且可知实施例2、3中更有效地利用阴极材料。

而且，实施例2、3中，膜的表面粗糙度也得到降低，但考虑这是因为利用磁铁的旋转或移动，电弧斑点被强制地移动。

另外，所述结果在阴极材料不同的另一实施例中也相同。

以上，根据实施方式对本发明进行了说明，但本发明不限定于所述实施方式。在与本发明相同及均等的范围内，能够对所述实施方式添加各种变更。

Claims (4)

1.一种电弧蒸发源，在真空中利用电弧放电使阴极材料熔解、蒸发而在基材表面成膜，且包括形成为圆板形状的阴极、及配置于所述阴极的背面侧的磁场产生单元，所述电弧蒸发源的特征在于：

所述磁场产生单元构成为：利用在所述阴极的背面磁极朝向相对于所述阴极的放电面为20°～50°的方向配置的至少一个永久磁铁而产生磁场，所述磁场在所述阴极的外周面形成相对于所述基材方向为锐角的磁力线、在所述阴极的放电面的最外周部形成相对于放电面垂直的磁力线、在所述阴极的放电面的靠外周面的部分形成相对于所述阴极的中心方向为锐角的磁力线。

2.根据权利要求1所述的电弧蒸发源，其特征在于：

所述永久磁铁的磁极朝向相对于所述阴极的放电面为40°～45°的方向而配置。

3.根据权利要求1或2所述的电弧蒸发源，其特征在于：

在所述阴极的背面设置至少一个独立的磁场产生单元，所述独立的磁场产生单元以与所述阴极的放电面平行的面进行旋转。

4.根据权利要求1或2所述的电弧蒸发源，其特征在于：

在所述阴极的背面设置着至少一个磁场产生单元，所述磁场产生单元设置着能够使与所述阴极的距离发生变化的移动单元。