JP2001181829A - アーク式蒸発源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 陰極冷却機構等を有するアーク式蒸発源にお
いて、アークスポットが陰極の蒸発面外へ移動すること
を抑制することができるようにする。 【解決手段】 このアーク式蒸発源３０ａは、陰極３２
の蒸発面３３の周りを囲むものであって、少なくとも前
部に円錐状の斜面７６を有しており、かつ陰極冷却機構
３６の先端部に固定された先細リング７４を備えてい
る。この先細リング７４の斜面７６では、磁気コイル５
２の作る磁力線５４との成す角が蒸発面３３に向かって
鋭角となるので、アークスポットが斜面７６に移行して
もすぐに元の蒸発面３３に戻される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば工具、機
械部品、金型、外装部品等の基体の表面に、陰極物質ま
たは当該陰極物質の窒化物、酸化物等から成る薄膜を形
成して、当該基体の耐摩耗性、摺動性、耐焼き付き性、
装飾性等を向上させること等に用いられるものであっ
て、アーク放電によって陰極を溶解させて陰極物質を蒸
発させるアーク式蒸発源に関し、より具体的には、アー
ク放電のアークスポット（陰極点）が陰極の蒸発面外へ
移動することを抑制する手段に関する。

【０００２】

【先行技術】陰極の有効利用および交換頻度の低減が可
能であり、かつ長時間に亘って成膜速度を一定に保つこ
とのできるアーク式蒸発源が同一出願人によって先に提
案されている（特願平１１−２３１３８４号）。これを
図４を参照して説明する。

【０００３】このアーク式蒸発源３０は、例えばこの例
のように、アーク式イオンプレーティング装置を構成す
るものであって陽極を兼ねる真空容器２の壁面に、基体
６に向けて取り付けて使用される。２２は絶縁物であ
る。

【０００４】このアーク式蒸発源３０は、軸方向の長さ
が直径よりも大きい（例えば２倍以上の）円柱状の陰極
３２と、この陰極３２を、矢印Ａに示すように、当該陰
極３２の軸に沿って前方に（即ち基体６側に）送り出す
陰極送り機構４８と、陰極３２の少なくとも側面を冷媒
（例えば冷却水）４０によって直接冷却する陰極冷却機
構３６と、陰極３２の先端の蒸発面３３付近に、当該陰
極３２の軸に沿う方向の磁力線５４を発生させる磁気コ
イル５２とを備えている。５３はコイル励磁電源であ
る。

【０００５】磁気コイル５２の近くの部材は、当該磁気
コイル５２が作る磁力線５４を乱さないために、非磁性
材から成る。

【０００６】陰極３２は、成膜しようとする膜の種類に
応じた所望の材料（例えば金属、合金、カーボン等）か
ら成る。

【０００７】陰極３２は、この例では支持軸４６の先端
部に支持されており、この支持軸４６を介して、陰極送
り機構４８によって前方に送り出される。陰極送り機構
４８は、手動式でも動力式でも良い。アーク放電用のア
ーク電源２４からの陰極３２への給電は、この例では支
持軸４６を経由して行われる。アーク起動用のトリガ電
極は図示を省略している（図１においても同様）。

【０００８】陰極冷却機構３６は、この例では、上記陰
極３２をその蒸発面３３を外に出した状態で収納する陰
極収納容器３８を備えており、その中に冷媒４０が流さ
れる。この冷媒４０によって、この例では、陰極３２の
側面および底面（蒸発面３３と反対側の面）を直接冷却
することができる。４２、４４はＯリングシール、３９
はフランジ、５６は絶縁物である。

【０００９】磁気コイル５２は、陰極３２の周囲に巻か
れており、この例では、コイル収納容器５０内に収納さ
れている。抵抗器７０は、アーク放電が陰極３２とコイ
ル収納容器５０との間で起こることを防止して、アーク
を広げる働きをする。

【００１０】ガス吹付け機構５８については後述する。

【００１１】このアーク式蒸発源３０によれば、陰極３
２の蒸発面３３と真空容器２との間にアーク放電を生じ
させて、このアーク放電によって蒸発面３３を局所的に
溶解させて、蒸発面３３から一部イオン化された陰極物
質３４を蒸発させることができる。それによって、蒸発
面３３の前方に配置した基体６の表面に、陰極物質３４
から成る薄膜、または陰極物質３４と反応性ガス（例え
ば後述する反応性ガス６２）とが反応してできる化合物
から成る薄膜を形成することができる。

【００１２】しかもこのアーク式蒸発源３０によれば、
磁気コイル５２によって、陰極３２の蒸発面３３に上記
のような磁力線５４を発生させることによって、アーク
放電のアークスポット７２の位置を陰極３２の蒸発面３
３内に制限することができ、しかも当該蒸発面３３内で
アークスポット７２が万遍無く移動するようになるの
で、蒸発面３３を片寄ることなく一様に消耗させること
ができる。

【００１３】更に、陰極３２の消耗に応じて、陰極送り
機構４８によって陰極３２を前方に送り出すことができ
るので、陰極３２が消耗してもその蒸発面３３における
磁力線５４の状態を、当初と同じ状態にほぼ一定に保つ
ことができ、これも蒸発面３３を一様に消耗させること
に寄与する。

【００１４】このアーク式蒸発源３０によれば、軸方向
に長い円柱状の陰極３２を、上記のような作用によって
一様に消耗させることができるので、陰極３２の大部分
を、従来例よりも大きな割合で、有効に利用することが
できる。従って、陰極３２の有効利用および交換頻度の
低減が可能である。

【００１５】しかも、陰極３２の消耗に応じて、陰極送
り機構４８によって陰極３２を前方に送り出すことがで
きるので、蒸発面３３と基体６との間の距離を一定に保
つことが可能になる。従って、長時間に亘って成膜速度
を一定に保つことができる。

【００１６】更に、陰極３２の少なくとも側面を冷媒４
０によって直接冷却する陰極冷却機構３６を備えている
ので、軸方向に長い円柱状の陰極３２であっても、しか
もその消耗状況に影響されることなく安定して、陰極３
２の蒸発面３３を効果的に冷却することができる。その
結果、蒸発面３３の温度上昇を抑制して、アークスポッ
ト７２の溶融プールを浅くすることができるので、蒸発
面３３から粗大粒子（ドロップレット）が発生すること
を防止して、平滑性の良好な薄膜を基体６の表面に形成
することが可能になる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記アーク式蒸発源３
０は、基本的には、磁力線５４によってアークスポット
７２を陰極３２の蒸発面３３内に制限することが可能で
あるけれども、何らかの原因で、希に、アークスポット
７２が、例えば矢印Ｂに示すように、陰極３２の蒸発面
３３から外れて、陰極３２と同電位の陰極収納容器３８
側へ移動することのあることが分かった。移動したアー
クスポット７２は、自然に元の蒸発面３３へ戻ることも
あるし、更に陰極収納容器３８の奥へ移動することもあ
る。いずれにしても、アークスポット７２が蒸発面３３
外へ移動すると、その間は、陰極３２から目的とする陰
極物質３４が蒸発しなくなる。

【００１８】そこでこの発明は、上記のようなアーク式
蒸発源を更に改善して、アークスポットが陰極の蒸発面
外へ移動することを抑制することができるようにするこ
とを主たる目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】この発明のアーク式蒸発
源は、前記陰極の蒸発面の周りを囲むものであって、少
なくとも前部に円錐状の斜面を有しており、かつ前記陰
極冷却機構の先端部に固定された先細リングを備えてい
ることを特徴としている。

【００２０】磁力線中におけるアークスポットは、磁力
線との成す角が鋭角の方向に進む性質を有していること
が、この技術分野において知られている。この発明は、
この性質を利用するものである。

【００２１】即ち、前記磁気コイルは陰極の蒸発面にほ
ぼ垂直な磁力線を発生させるので、この蒸発面の周りを
囲む上記先細リングの斜面では、当該磁力線が当該斜面
と成す角は、陰極の蒸発面側において鋭角となる。従っ
て、何らかの原因でアークスポットが陰極の蒸発面から
外れてその周りを囲む先細リングの斜面へ移動したとし
ても、当該斜面ではアークスポットは、磁力線に対して
鋭角の方向に、即ち陰極の蒸発面の方向に移動する性質
を有しているので、アークスポットはすぐに元の蒸発面
に戻る。このような作用によって、アークスポットが陰
極の蒸発面外へ移動することを抑制することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係るアーク式
蒸発源の一例を示す断面図である。図２は、図１中の先
細リング周りを拡大して示す斜視図であり、図３はその
拡大断面図である。図４に示した先行例と同一または相
当する部分には同一符号を付し、以下においては当該先
行例との相違点を主に説明する。

【００２３】このアーク式蒸発源３０ａは、前記陰極３
２の蒸発面３３の周りを囲む先細リング７４を備えてい
る。この先細リング７４は、その少なくとも前部に（蒸
発物質３４の蒸発方向側に）、先細となった円錐状の斜
面７６を有しており、前記陰極冷却機構３６の（より具
体的にはその陰極収納容器３８の）先端部に固定されて
いる。

【００２４】より具体的にはこの例では、陰極収納容器
３８の先端の開口部をこの先細リング７４で蓋をする構
造を採用しており、これによって、先細リング７４の後
面７８を、陰極収納容器３８内に供給される前記冷媒４
０によって直接冷却するようにしている。陰極３２は、
この先細リング７４の穴を貫通しており、その状態で陰
極送り機構４８によって前述した矢印Ａ方向に直進可能
である。陰極３２が、先細リング７４を貫通する部分、
および、先細リング７４と陰極収納容器３８との間の部
分には、冷媒４０の漏れを防止するパッキン８０および
８２が設けられている。

【００２５】先細リング７４の斜面７６は、先細リング
７４の大部分を占めるものが好ましい。そのようにする
方が、アークスポット７２が当該斜面７６に移行して来
ても、斜面７６の領域が広いのでアークスポット７２が
斜面７６から外れることはなく、従ってより確実にアー
クスポット７２を蒸発面３３へ戻すことができるからで
ある。

【００２６】先細リング７４の斜面７６は、この例のよ
うに直線的なテーパー状（換言すれば完全な円錐状）で
なくても良く、凹または凸の曲線状でも良いし、若干凹
凸があっても良く、その効果は大きくは変わらない。

【００２７】先細リング７４の材質は、金属、カーボン
等の導電物であることが好ましく、陰極３２と同材質の
導電物であることがより好ましい。その理由は後述す
る。これらの場合、先細リング７４は陰極３２と同電位
に保つものとする。この例では、前述したように先細リ
ング７４を陰極収納容器３８の先端部に固定することに
よって、陰極収納容器３８ひいては陰極３２と同電位に
保っている。

【００２８】先細リング７４は、絶縁物製でも良い。そ
の場合、初めは（即ち下記のようにして表面が導電性に
なる前は）当該先細リング７４には電流が流れないか
ら、その斜面７６にアークスポット７２は移動して来な
い。但し、先細リング７４の代わりに単なる絶縁物リン
グを設ければ良いかと言うと、それではうまく行かな
い。

【００２９】なぜなら、当該アーク式蒸発源３０ａの運
転に伴って、蒸発面３３の近傍にある先細リング７４あ
るいは絶縁物リングの表面にも陰極物質３４が不可避的
に付着して導電膜が形成され、これらの表面は導電性と
なる。そうなると、これらの表面は陰極３２と同電位に
なり、これらの表面へアークスポット７２が移行して来
ることがある。その場合、単なる絶縁物リングでは、そ
の表面へ移行して来たアークスポット７２を元の蒸発面
３３へ戻す作用は奏しない。これに対して、この先細リ
ング７４の場合は、表面が導電性となったときは、先細
リング７４が導電物製の場合と同様の作用を奏する。

【００３０】この作用を図３を参照して説明する。一般
的に磁力線中におけるアークスポットは、磁力線との成
す角が鋭角の方向に進む性質を有していることが、この
技術分野において知られている。この発明は、この性質
を利用するものである。

【００３１】即ち、前記磁気コイル５２は陰極３２の蒸
発面３３付近に、当該陰極３２の軸３５に沿う方向の磁
力線５４を発生させるので、この蒸発面３３の周りを囲
む上記先細リング７４の斜面７６では、当該磁力線５４
が当該斜面７６と成す角αは、図示のように、陰極３２
の蒸発面３３側において鋭角となる。なお、上記磁力線
５４の軸３５に沿う方向とは、例えば、蒸発面３３付近
において陰極３２の軸３５に平行またはほぼ平行な方向
であるけれども、必ずしもそれでなくても良い。例え
ば、陰極３２の蒸発面３３付近において集束または発散
する方向のものでも良い。要は、上記角αが鋭角となる
ものであれば良い。

【００３２】従って、何らかの原因でアークスポット７
２が陰極３２の蒸発面３３から外れてその周りを囲む先
細リング７４の斜面７６へ移動したとしても、当該斜面
７６ではアークスポット７２は、磁力線５４に対して鋭
角αの方向に、即ち陰極３２の蒸発面３３の方向に移動
する性質を有しているので、矢印Ｃに示すようにアーク
スポット７２はすぐに元の蒸発面３３に戻る。このよう
な作用によって、アークスポット７２が陰極３２の蒸発
面３３外へ移動することを抑制することができる。

【００３３】磁気コイル５２による磁界の強さは、陰極
３２の蒸発面３３付近で、例えば、数エルステッド〜数
千エルステッドで良く、この程度あれば、アークスポッ
ト７２を陰極３３へ戻す作用をさせることができる。

【００３４】このアークスポット７２を元に戻す作用
は、先細リング７４が導電物製の場合も、絶縁物製の先
細リング７４の表面が上記のようにして導電性になった
場合も、いずれの場合も同様に奏する。

【００３５】但し、アークスポット７２が先細リング７
４の斜面７６に移行して来るとアークスポット７２によ
って先細リング７４は加熱されるので、一般的に熱的に
破損しやすい絶縁物で先細リング７４を形成するより
も、一般的に熱伝導率が高くて熱的に破損されにくい金
属、カーボン等の導電物で先細リング７４を形成する方
が好ましい。

【００３６】また、先細リング７４を陰極３２と同材質
の導電物で形成しておくと、仮にアークスポット７２に
よってその表面が蒸発させられたとしても、それは陰極
３２から蒸発する陰極物質３４と同材質であるから、異
物が蒸発しないことになる。従って、基体６の表面に形
成する膜に異物が混入することを防止することができ
る。この理由から、先細リング７４を陰極３２と同材質
の導電物で形成するのがより好ましい。

【００３７】但し、基体６の表面に形成する膜に多少の
異物が混入しても良い場合もあり、その場合は、先細リ
ング７４を例えばステンレス鋼のような安価な金属で形
成しても良い。

【００３８】先細リング７４の斜面７６は蒸発面３３に
近いために加熱されやすく、アークスポット７２が移行
して来ると更に加熱されるため、先細リング７４の少な
くとも一部を冷媒によって直接冷却する構造を採用する
のが好ましい。例えばこの例のように、先細リング７４
の少なくとも後面７８を陰極冷却機構３６の冷媒４０に
よって直接冷却する構造を採用しても良い。これは先細
リング７４が導電物製の場合も絶縁物製の場合も同様で
ある。このようにすれば、先細リング７４の過熱による
変形や破損を防止することができるので、当該アーク式
蒸発源３０ａのより長時間の安定運転が可能になる。

【００３９】先細リング７４にアークスポット７２が滞
在するのは、アークスポット７２が陰極３２の蒸発面３
３から外れたときのみであり、アークスポット７２はす
ぐさま蒸発面３３に戻されるので、先細リング７４のア
ークスポット７２による消耗速度は陰極３２に比べて遙
かに遅い。従って、先細リング７４を頻繁に交換する必
要はない。

【００４０】なお、この例のように、陰極３２を構成す
る物質と反応して化合物を作る反応性ガス６２を陰極３
２の蒸発面３３付近に吹き付けるガス吹付け機構５８を
設けても良い。

【００４１】このガス吹付け機構５８は、この例では、
上記反応性ガス６２を供給するガス源６０と、この反応
性ガス６２を導くガス配管６４とを備えている。反応性
ガス６２は、例えば、窒素、炭素、酸素等を含むガスで
ある。より具体例を挙げれば、窒素ガスである。

【００４２】このようなガス吹付け機構５８を設けてお
くことによって、陰極３２の蒸発面３３付近に反応性ガ
ス６２を吹き付けながらアーク放電を生じさせることが
できる。その結果、反応性ガス６２と陰極３２を構成す
る物質とが化合して元の陰極物質よりも融点の高い化合
物が蒸発面３３に形成されること等によって、蒸発面３
３にアークスポット７２が多数できてアーク電流が多く
のアークスポット７２に分散される。それによって、個
々のアークスポット７２から蒸発する陰極物質３４は細
かなものとなるので、粗大粒子（ドロップレット）の発
生を一層効果的に抑制することができる。従って、平滑
性の一層良好な薄膜形成が可能になる。

【００４３】

【実施例】直径５０ｍｍ、長さ１２０ｍｍのＣr 製（純
度９９．９％）の陰極３２と、内径５０ｍｍ、外径９０
ｍｍ、斜面７６の角度が４５度のＣr 製（純度９９．９
％）の先細リング７４とを有する上記構造のアーク式蒸
発源３０ａを、アーク式イオンプレーティング装置に取
り付けて、成膜処理を行った。基体６には高速度工具鋼
を用いた。即ち、アーク式イオンプレーティング装置の
真空容器２内を５×１０^-3Ｐａ程度まで真空排気した
後、ガス吹付け機構５８から反応性ガス６２として窒素
ガスを４００ｓｃｃｍ流し、真空容器２内を約２．６Ｐ
ａに維持し、アーク式蒸発源３０ａにおいてアーク放電
を生じさせて約１００Ａのアーク電流を維持しながら２
０時間の成膜処理を行った。

【００４４】そして上記の成膜処理を複数回繰り返して
試験を行ったが、蒸発面３３のアークスポット７２が陰
極冷却機構３６の陰極収納容器３８へ移行するようなト
ラブルは全く起こらず、安定して成膜を行うことができ
た。

【００４５】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、上記の
ような先細リングを設けたことによって、何らかの原因
でアークスポットが陰極の蒸発面から外れてその周りを
囲む先細リングの斜面へ移行したとしても、当該斜面を
通る磁力線との関係で、アークスポットはすぐに元の蒸
発面に戻るので、アークスポットが陰極の蒸発面外へ移
動することを抑制することができる。従って、より安定
した蒸発動作を実現することができ、ひいてはこのよう
なアーク式蒸発源を用いた成膜作用をより安定させるこ
とができる。

【００４６】しかも、このアーク式蒸発源は、先行例と
同様、軸方向の長さが直径よりも大きい円柱状の陰極を
備えており、しかも陰極を単に軸方向に長い円柱状にし
ただけではなく、当該陰極を前方に送り出す陰極送り機
構と、当該陰極の少なくとも側面を冷却する陰極冷却機
構と、当該陰極の蒸発面に上記のような磁力線を発生さ
せる磁気コイルとを備えているので、従来のアーク式蒸
発源に比べて、陰極の有効利用および交換頻度の低減が
可能であり、かつ長時間に亘って成膜速度を一定に保つ
ことができる。

【００４７】その結果、陰極の交換頻度を少なくするこ
とができるので、陰極交換の手間を省くことができる。
また、このアーク式蒸発源を用いた成膜装置の休止頻度
が少なくなるので、生産性も向上する。更に、陰極の無
駄が少なくなるので、陰極に要するコストを低減するこ
とができる。しかも、長時間に亘って成膜速度を一定に
保つことができるので、成膜速度の再現性が向上すると
共に、基体に形成する膜厚の均一性も向上する。

【００４８】更に、陰極の少なくとも側面を冷媒によっ
て直接冷却する陰極冷却機構を備えているので、軸方向
に長い円柱状の陰極であっても、しかもその消耗状況に
影響されることなく安定して、陰極の蒸発面を効果的に
冷却することができる。その結果、蒸発面の温度上昇を
抑制して、アークスポットの溶融プールを浅くすること
ができるので、蒸発面から粗大粒子が発生することを防
止して、平滑性の良好な薄膜形成が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るアーク式蒸発源の一例を示す断
面図である。

【図２】図１中の先細リング周りを拡大して示す斜視図
である。

【図３】図１中の先細リング周りを拡大して示す断面図
である。

【図４】アーク式蒸発源の先行例を示す断面図である。

【符号の説明】

３０ａ アーク式蒸発源 ３２ 陰極 ３３ 蒸発面 ３６ 陰極冷却機構 ４０ 冷媒 ４８ 陰極送り機構 ５２ 磁気コイル ５４ 磁力線 ７４ 先細リング ７６ 斜面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アーク放電によって陰極を溶解させて陰
   極物質を蒸発させるアーク式蒸発源であって、軸方向の
   長さが直径よりも大きい円柱状の陰極と、当該陰極をそ
   の軸に沿って前方に送り出す陰極送り機構と、前記陰極
   の少なくとも側面を冷媒によって直接冷却する陰極冷却
   機構と、前記陰極の先端の蒸発面付近に当該陰極の軸に
   沿う方向の磁力線を発生させる磁気コイルとを備えるア
   ーク式蒸発源において、前記陰極の蒸発面の周りを囲む
   ものであって、少なくとも前部に円錐状の斜面を有して
   おり、かつ前記陰極冷却機構の先端部に固定された先細
   リングを備えていることを特徴とするアーク式蒸発源。
2. 【請求項２】 前記先細リングは、導電物から成り、前
   記陰極と同電位に保たれている請求項１記載のアーク式
   蒸発源。
3. 【請求項３】 前記先細リングの少なくとも一部を前記
   陰極冷却機構の冷媒によって直接冷却する構造を有して
   いる請求項１または２記載のアーク式蒸発源。