JP2007138286A - アークイオンプレーティング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボンバードの際に、基材に過昇温や異常放電が生じ難く、ひいてはプロセス制御性の良好なアークイオンプレーティング装置を提供する。
【解決手段】真空チャンバー１と、基材を真空チャンバー内でその高さ方向に対して垂直方向に移動させる回転テーブル２と、前記基材の表面を金属イオンでクリーニングするボンバード用蒸発源９Ａと、金属イオンを前記基材の表面に成膜する複数の成膜用蒸発源７Ａを備える。前記ボンバード用蒸発源９Ａは、その蒸発面の縦幅あるいは蒸発面面積が前記成膜用蒸発源７Ａよりも大きく形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、メタルイオンボンバードの安定性を改善したアークイオンプレーティング装置に関する。

近年、切削工具の耐磨耗性の向上や、機械部品の摺動面の摺動特性の向上を目的として、基材（成膜対象物）に対して、ＰＶＤ法による硬質皮膜（ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ，ＣｒＮ等）の成膜が行われている。このような硬質皮膜成膜に多用される工業的手法は、真空アーク放電により皮膜材料を蒸発させて基材表面に皮膜を形成するアークイオンプレーティング法（以下、「ＡＩＰ法」という場合がある。）であり、このような成膜を行う装置はアークイオンプレーティング装置（以下、「ＡＩＰ装置」という場合がある。）と呼ばれている。

ＡＩＰ装置は、図１０に示すように、真空チャンバー１を備え、真空チャンバー１の底部にテーブル上面が水平に配置された回転テーブル２が設けられている。この回転テーブル２は回転軸３によって回転されると共に回転テーブル３内に設けられた遊星歯車機構によって回転テーブル２の上面の突出した複数の遊星軸４が自転するようになっている。各遊星軸４には、基材を保持する基材ホルダー５が着脱自在に取り付けられている。このため、回転テーブル２の回転によって各基材ホルダー５は水平方向に移動すると共に自転し、前記基材ホルダー５に保持された工具、機械部品等の基材は、回転テーブル２の回転によって公転しながら、基材ホルダー５の回転によって自転する。前記回転テーブル２は、バイアス電源（図示省略）によって負の電圧が印加され、この負電圧は、基材ホルダー５を介して、これに搭載された基材に印加される。
前記真空チャンバー１の側壁内面側には、真空チャンバー１の高さ方向にほぼ一定間隔で並べて配置された３台の蒸発源７Ａからなる成膜用蒸発源群７が設けられており、前記蒸発源７Ａは、それぞれアーク電源８の負極に接続され、正極は真空チャンバー１に接続される。なお、図１０（Ｂ）中、２１は真空チャンバー内面に開口した排気ポート、２２は窒素、酸素等の成膜用ガスを供給するガス供給管であり（同図（Ａ）では記載省略）、２３は真空チャンバーの開閉扉である。

前記ＡＩＰ装置を用いて、基材の表面に機能性皮膜を成膜する要領を簡単に説明する。まず、基材を基材ホルダー５に搭載し、これを回転テーブル２にセットし、真空チャンバー１内を真空排気し、真空チャンバー１内に設けたヒータ（図示省略）により基材を加熱した後、成膜する皮膜の密着性を向上させるためメタルイオンボンバード（以下、単に「ボンバード」という場合がある。）を行う。ボンバードは、蒸発源７Ａから蒸発させた金属イオンを数１００Ｖ以上（通常６００〜１０００Ｖ）のマイナスの電圧を印加した基材に照射し、高エネルギーのイオン照射により基材の表面層をエッチングしたり、表面層に照射イオンと基材の混合層を形成する工程である。
ボンバード終了後、蒸発源７Ａから金属イオンの蒸気を発生させ、基材に照射すると共に、基材に印加する電圧を０〜−３００Ｖ程度に設定することにより、成膜を開始する。通常ＡＩＰ法で形成する皮膜は、ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＣｒＮ，ＴｉＡｌＮ，ＴｉＣ，ＣｒＯＮ等の金属と窒素、炭素、酸素等の化合物であるので、成膜中に真空チャンバー１内に窒素、酸素、炭化水素等の成膜用ガスを単独あるいは混合して導入する。例えば、Ｔｉを蒸発させながら窒素を導入することによりＴｉＮ（窒化チタン）が成膜される。
前記ボンバード、皮膜の成膜の際、基材ホルダー５に搭載された基材は、回転テーブル２の回転により、公転と自転とを行うので、基材全体に均一なイオン照射が行われる。
成膜後、冷却して、真空チャンバー１を解放して、成膜された基材を基材ホルダー５ごと取り出し、成膜済みの基材を回収する。

上記ＡＩＰ装置は、成膜用蒸発源群７を用いて、ボンバードと機能性皮膜の成膜とを行うものであるが、特許文献１（特開平４−２７６０６２号公報）には、真空チャンバー内に成膜用蒸発源と、これと同形のボンバード用蒸発源とを設けたＡＩＰ装置が開示されている。この装置によると、成膜用蒸発源の蒸発材料として低融点金属（例えば、ＴｉＡｌ合金）を用いた場合でも、ボンバード用蒸発源の蒸発材料として高融点金属、高質量金属を用いることができるため、低融点金属はイオン化率が低くなることから効果的なボンバード処理を行うことができず、ドロップレットが基材表面に付着するという問題を解消することができるという。
特開平４−２７６０６２号公報

成膜用蒸発源及びボンバード用蒸発源を安定動作させるには、蒸発面の大きさに拘わらず、ある一定の電流値以上でなけらばならないことが知られている。この下限の電流値は蒸発源に設けたターゲット（蒸発材料）とガス雰囲気によるが、硬質皮膜成膜に使う、Ｔｉ，ＴｉＡｌ合金等の材料を蒸発材料とする場合、ガスをほとんど導入しない環境下、つまりボンバードを行う環境下では、通常、少なくとも８０Ａ程度は必要で、これより小さい電流値ではアーク放電が不安定になる。ボンバード工程では、基材に数百Ｖ以上の負の電圧（通常は−６００〜−１０００Ｖ程度）を印加した状態で、蒸発源から金属イオンを発生させるが、上記のとおり、安定操業を行うには蒸発源へのアーク電流に下限が存在するため、金属イオンの照射量も不可避的にある程度の量に達する。

このため、ボンバードの際には、以下のような問題がある。アーク放電を安定的に行う場合、最少の電流値でも基材へのエネルギー投入量が大きくなり、特に小径のドリルなど熱容量の小さな基材の場合、基材温度が急激に上昇する。かかる過昇温を防止するには、ボンバード時間を短時間に設定し、冷却しながらボンバードを繰り返すなど、プロセスの制御条件を短時間単位で行う必要があり、制御性が悪く、ひいては生産性が低下する。
また、通常、蒸発源は、平面的には直径５０〜１８０mm程度、代表的には直径１００〜１５０mm程度の比較的小形の蒸発面を備えたものが複数用いられる場合が多い。多数の蒸発源を一斉に動作させると、大容量のバイアス電源が必要となる上、多量の金属イオンが一気に照射されるため、基材の過昇温の問題に加えて、基材で異常放電が多発するという問題がある。異常放電が発生するとバイアス電源は一時的に出力を止めるため、短時間のボンバード中に異常放電が多発すると、正確なボンバードプロセスが実行できなくなる。
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、ボンバードの際に、基材に過昇温や異常放電が生じ難く、ひいてはプロセス制御性の良好なＡＩＰ装置を提供することを目的とする。

本発明のＡＩＰ装置は、真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に設けられ、前記真空チャンバー内で基材を真空チャンバーの高さ方向に対して垂直方向に移動させる移動部材と、アーク放電により蒸発した金属イオンを前記基材の表面に衝突させてクリーニングするボンバード用蒸発源群と、アーク放電により蒸発した金属イオンを前記基材の表面に成膜する成膜用蒸発源群とを備え、前記成膜用蒸発源群は、前記移動部材に設置した基材に対向し、前記真空チャンバーの高さ方向に重なり合うことなく配置された複数の成膜用蒸発源で構成され、前記ボンバード用蒸発源群は、前記基材に対向し、前記真空チャンバーの高さ方向に重なり合うことなく配置された一又は複数のボンバード用蒸発源で構成され、前記高さ方向における前記ボンバード用蒸発源の縦幅が前記成膜用蒸発源の縦幅よりも長く形成されたものである。
また、本発明のＡＩＰ装置は、真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に設けられ、前記真空チャンバー内で基材を真空チャンバーの高さ方向に対して垂直方向に移動させる移動部材と、アーク放電により蒸発した金属イオンを前記基材の表面に衝突させてクリーニングする少なくとも１つのボンバード用蒸発源と、アーク放電により蒸発した金属イオンを前記基材の表面に成膜する複数の成膜用蒸発源とを備える。前記ボンバード用蒸発源は、その蒸発面の真空チャンバーの高さ方向の縦幅が前記複数の成膜用蒸発源の蒸発面の縦幅のうち最大の縦幅よりも大きく形成される。あるいは、前記ボンバード用蒸発源は、ボンバード用蒸発源の蒸発面面積が前記複数の成膜用蒸発源の蒸発面面積のうち最大の蒸発面面積よりも大きく形成される。

これらのＡＩＰ装置によれば、ボンバード用蒸発源は、その蒸発面の縦幅が、あるいはその蒸発面面積が成膜用蒸発源に比して大きく形成されるため、アーク放電の安定化のために要する最低限の電流値に対して、成膜用蒸発源の蒸発面の縦幅の単位長さ当たり、あるいは成膜用蒸発源の蒸発面面積の単位面積当たりの平均の金属イオン照射量に比して、ボンバード用蒸発源の同イオン照射量を減少させることができる。このため、ボンバードの際に、基材への入熱量を抑制することができ、ひいては基材に過昇温や異常放電を抑制することができ、プロセス制御性が向上する。

また、前記ボンバード用蒸発源は、真空チャンバーの高さ方向に重なり合うことなく配置することが好ましい。これにより、移動部材に搭載された基材に対して効率よくボンバードを行うことができる。

また、前記ボンバード用蒸発源はそれぞれ略同等の寸法とし、前記成膜用蒸発源はそれぞれ略同等の寸法とすることができる。これにより、ボンバード用蒸発源あるいは成膜用蒸発源の各々において、蒸発源同士が互換性を有するようになり、蒸発源取り付け部材や予備として保管すべき蒸発源の種類を低減することができる。

また、前記ボンバード用蒸発源は、その蒸発面の縦幅が０．５〜２．０ｍとすることが好ましい。１台のボンバード用蒸発源で処理する空間の長さを４００mm以上、より好ましくは５００mm以上とすることがボンバード中の加熱を防ぐのに有効であることが本発明者らによって見い出された。これを蒸発源の縦幅にすると０．５ｍ以上、好ましくは０．６ｍ以上とすることが望ましい。一方、蒸発源の蒸発面の縦幅が２ｍ以下を超えるようになると、蒸発材料（ターゲット）の製造が困難になるので、蒸発源の縦幅は２ｍ以下に止めることが好ましい。

また、前記ボンバード用蒸発源は、蒸発材料で形成されたターゲットを有し、前記ターゲットの裏面に縦幅方向に長く形成された電磁コイルを付設したものが好ましい。このような電磁コイルを設けることにより、アークスポットを蒸発面の縦幅方向に長いレーストラック状に走査させることができ、ボンバードの際に蒸発面の全面から金属イオンを均一に基材に供給することができる。また、ターゲットの蒸発面を均一に消耗させることができ、経済的である。

また、前記ＡＩＰ装置において、複数の成膜用蒸発源が真空チャンバーの高さ方向に重なり合うことなく設けられた成膜用蒸発源群を複数備え、この複数の成膜用蒸発源群を前記真空チャンバー内に並列に設けることができる。これにより、これらの成膜用蒸発源群を構成する蒸発源の蒸発材料を同材料とすることにより、皮膜の成膜速度を上げることができ、またこれらの蒸発源の蒸発材料を異種材料とすることにより、異種の皮膜を基材に被覆することができる。

本発明のＡＩＰ装置によれば、アーク放電の安定化のために要する最低限の電流値に対して、ボンバード用蒸発源からのイオン照射量を減少させることができ、ひいては基材への入熱量を抑制することができる。このため、ボンバードの際に、基材の過昇温や異常放電を抑制することができ、プロセス制御性が向上する。

以下、本発明のＡＩＰ装置の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は第１実施形態に係るＡＩＰ装置を示しており、図１０に示した従来のＡＩＰ装置と同部材は同符号が付されている。
このＡＩＰ装置は、真空チャンバー１を備え、真空チャンバー１の底部にテーブル上面が水平に配置された回転テーブル２（本発明の「移動部材」に対応）が設けられている。この回転テーブル２は、真空チャンバー１の高さ方向（「縦方向」という場合がある。）に沿ってその中心軸が配置された回転軸３によって回転されると共に回転テーブル２内に設けられた遊星歯車機構によって回転テーブル２の上面の突出した遊星軸４が自転するようになっている。前記遊星軸４の各々には、基材を保持する基材ホルダー５が着脱自在に取り付けられている。このため、回転テーブル２の回転によって各基材ホルダー５は、縦方向対して垂直方向（「横方向」という場合がある。）に回転軸３を中心として円周方向に水平移動すると共に自転する。このため、前記基材ホルダー５に保持された基材は、回転テーブル２の回転によって公転しながら、自転する。前記回転テーブル２は、バイアス電源（図示省略）によって負の電圧が印加され、この負電圧は、基材ホルダー５を介してこれに搭載された基材に印加される。また、真空チャンバー１の側壁内面側には、後述する成膜用蒸発源群７と干渉しない部位に輻射ヒーター（図示省略）が設けられている。なお、前記回転テーブル２は、遊星歯車機構を備えず、基材ホルダーを自転しないようにすることができる。

前記真空チャンバー１の側壁内面側には、真空チャンバー１の高さ方向に成膜用蒸発源群７として複数（図例では３台）の蒸発源７Ａがほぼ一定間隔で並べて配置されている。一方、成膜用蒸発源群７の反対側の側壁内面側には、ボンバード用蒸発源群９として、平面視が長方形の蒸発源９Ａが１台配置されている。それぞれの蒸発源７Ａ，９Ａは、アーク電源８，１０の負極に接続され、正極は真空チャンバー１に接続される。なお、蒸発源７Ａ，９Ａの近傍に正極部材を設け、これにアーク電源の正極を接続するようにしてもよい。

前記成膜用蒸発源７Ａは、代表的には円形の蒸発面を持ち、その直径は、φ５０〜１８０ｍｍ程度であり、一般的にはφ１００〜１５０ｍｍ程度である。蒸発源から蒸発した金属イオン蒸気がやや広がることを考慮して、通常、蒸発源７Ａは蒸発面直径の１．５倍〜２．５倍程度の間隔で配置される。蒸発源７Ａには、通常５０Ａ〜３００Ａ、より一般的には８０Ａ〜１５０Ａ程度のアーク電流、１５Ｖ〜４０Ｖ程度のアーク電圧で真空アーク放電を発生させて、蒸発源７Ａに取り付けたターゲット（蒸発材料）を蒸発させ、金属イオンを基材に照射して成膜を行う。

一方、前記ボンバード用蒸発源９Ａは、図６に示すように、長辺が縦方向に向き、短辺が横方向に配置された平面視長方形をしており、蒸発材料であるターゲットＴの蒸発面も平面視長方形をしている。前記成膜用蒸発源７Ａを含めて、蒸発源及びその蒸発面について、縦方向の長さを縦幅、横方向の長さを横幅という。また、特に断らない場合、「蒸発源の蒸発面の縦幅（横幅）」を単に「蒸発源の縦幅（横幅）」という。なお、蒸発面が円形の場合、その外径は縦幅、横幅を与えるものとする。

前記ボンバード用蒸発源９Ａは、成膜用蒸発源群７の３台の蒸発源７Ａによって縦方向に金属イオンを照射することができる照射領域の縦幅（以下、単に「照射幅」という。）と同等の照射幅を有する照射領域を１台の蒸発源で形成する。前記ボンバード用蒸発源９Ａは、真空チャンバー１内の基材に対向して配置され、その蒸発面の上端位置および下端位置は、成膜用蒸発源群７の最上段の蒸発源７Ａの上端位置と最下段の蒸発源７Ａの下端位置にほぼ対応するよう配置されている。

前記ボンバード用蒸発源９Ａを動作させるアーク電流域は成膜用蒸発源群７の各蒸発源７Ａと同等のレンジとされる。このため、成膜用蒸発源７Ａでボンバードする場合に比して、ボンバード用蒸発源９Ａの蒸発面から基材に照射される金属イオン量を単位面積あたり約１／３に低減することができ、ボンバードの際の基材表面への単位時間・単位面積あたりの入熱を約１／３に抑制することができる。

ボンバード中のアーク放電電流は、ボンバード時の均一性を確保する目的で、ターゲット表面に発生するアークスポットが主として１個になるような設定することが好ましく、通常１５０Ａ以下、より好ましくは１２０Ａ以下に保持するのがよい。一方で、アーク放電の安定性からボンバード中にアークの失火が発生するのは好ましくないので、アーク電流としてはアーク放電が安定化する８０Ａ以上とするのがよい。

前記実施形態のＡＩＰ装置は、前記ボンバード用蒸発源９Ａを用いてボンバードを実施する他は、従来と同様の要領で使用される。すなわち、基材を搭載した基材ホルダー５を回転テーブル２にセットし、真空チャンバー１内を真空排気し、真空チャンバー１内に設けたヒータにより基材を加熱した後、ボンバード用蒸発源９Ａを用いてボンバードを行い、次に成膜用蒸発源群７を用いて基材表面に機能性皮膜を成膜する。

前記実施形態のＡＩＰ装置では、ボンバード用蒸発源９Ａの縦幅が成膜用蒸発源７Ａの縦幅よりも大きく形成され、あるいはボンバード用蒸発源９Ａの蒸発面面積が成膜用蒸発源７Ａの蒸発面面積より大きく形成されているので、ボンバードの際の急激な基材温度の上昇が抑制される。このため、従来問題であった、特に熱容量の小さい基材での過熱等の問題を解消することができる。また、１台の蒸発源９Ａでボンバード処理が可能であるので、バイアス電源の容量も小さくて済む。さらに、基材付近のイオン密度の低下により異常放電発生の頻度が減少する。また、同じボンバード効果を得るのに必要なボンバード時間が数倍に延長されるため、条件設定の時間が延び、制御性が改善されると共に異常放電時におけるバイアス電圧の遮断期間の影響を相対的に減少させることができる。

前記実施形態のように、１台のボンバード用蒸発源で処理をする金属イオンの照射領域幅は４００ｍｍ以上、より好ましくは、５００ｍｍ以上とすることが、ボンバード中の基材の過熱を防止するのに有効である。これは、発明者らの経験的知見に基づくものであるが、次のような考察とも一致する。すなわち、成膜中のバイアス電圧は−３００Ｖまでの値に設定されるが、その理由の一つは、基材の過熱を防ぐためである。φ１００ｍｍの蒸発源での成膜中のアーク電流値は１００〜２００Ａで代表的には１５０Ａである。すなわち、−３００Ｖのバイアス電圧、１５０Ａのアーク電流で運転し、蒸発源３台で照射幅５００ｍｍの照射領域を照射する。ボンバード工程では、アーク電流の下限を考慮して８０〜１２０Ａ、代表的には１００Ａのアーク電流で蒸発源を動作させ、−６００〜−１０００Ｖのバイアス電圧を基材に印加する。成膜時と同じく最大のバイアス電圧（−１０００Ｖ）をかける場合、メタルボンバードでは、代表的には１００Ａのアーク電流で運転される。
ここで、（アーク電流）×（蒸発源の台数）×（バイアス電圧）÷（照射幅）
を瞬間的な入熱量と考えると、この値の成膜時の最大値（１５０Ａ×３台×３００Ｖ／５００mm）がボンバードの際に等しくなるようにボンバードの照射幅を計算すると３７０ｍｍとなる。すなわち、ボンバードの処理領域幅をこの照射幅以上に広げると過熱の危険が下がることになり、大まかな検討であるが、前記の経験的な知見と合致する。

上記の場合、ボンバード用蒸発源９Ａとしては、その縦幅が０．５ｍ以上、より好ましくは０．６ｍ以上のものが好適である。一方、蒸発源は、その縦幅をターゲットが製造できる範囲内にする必要であるため、蒸発源の縦幅の最大長さとしては２ｍ程度以下にすることが妥当である。なお、照射幅が大きくなり過ぎると、ボンバード処理時間が長くなるため、ボンバード用蒸発源群の照射領域幅としては、１．２ｍ程度以下とすることが好ましい。これよれ長い照射領域幅が必要な場合には、ボンバード用蒸発源を縦方向に重なることなく複数台並設するようにすればよい。

次に、本発明の第２実施形態にかかるＡＩＰ装置を図２を参照して簡単に説明する。なお、第２実施形態のほか、以下で説明する他の実施形態において、第１実施形態のＡＩＰ装置と同部材は同符号が付されている。
このＡＩＰ装置は、第１実施形態に係るＡＩＰ装置に対して、上下方向に並設した３台の蒸発源７Ａからなる第１成膜用蒸発源群７１と、同構成の第２成膜用蒸発源群７２を備え、これら２列の成膜用蒸発源群７１，７２が真空チャンバー１の周方向に９０°を隔てて並列に設けられている。この実施形態では、成膜の際には、２列の成膜用蒸発源群７１，７２で成膜を行なうので、成膜用蒸発源７Ａの蒸発材料が同じものであれば、第１実施形態の装置に比べて２倍の成膜速度が実現できる。もっとも、ボンバードは第１実施形態と同様、１台の長方形蒸発源９Ａで行なうため、ボンバード工程での過熱等の問題は発生しない。また、成膜用蒸発源群７１の蒸発源７Ａの蒸発材料と成膜用蒸発源群７２の蒸発源７Ａの蒸発材料を異種材料とすることにより、２種類の皮膜からなる多層構造膜の成膜を行なうことができる。

また、本発明の第３実施形態にかかるＡＩＰ装置を図３を参照して簡単に説明する。上記第１実施形態に係るＡＩＰ装置は、成膜用蒸発源群７の蒸発源７Ａは縦方向に１列に並べて配置したが、蒸発源７Ａは必ずしも１列に並べる必要はなく、このＡＩＰ装置のように、真空チャンバー１の周方向に、かつ縦方向の位置が重ならないように段階的にずらして配置するようにしてもよい。このような成膜用蒸発源群７の配置によっても、真空チャンバー１の中で回転テーブル２の回転、基材ホルダー５の自転により、基材表面への均一な被覆を実現することができる。

また、本発明の第４実施形態にかかるＡＩＰ装置を図４を参照して簡単に説明する。このＡＩＰ装置は、第２実施形態のＡＩＰ装置と同様、縦方向３段の蒸発源７Ａからなる第１成膜用蒸発源群７１と第２成膜用蒸発源群７２をチャンバー周方向に備えるが、一方の蒸発源群７１の蒸発源７Ａは、他方の蒸発源群７２の蒸発源７Ａに対して縦方向の設置位置が蒸発源７Ａの取り付け間隔の１／２倍程度ずれて配置されている。これにより、より均一性の高い被覆を成膜することができる。

また、本発明の第５実施形態にかかるＡＩＰ装置を図５を参照して簡単に説明する。このＡＩＰ装置は、成膜用蒸発源群７、ボンバード用蒸発源群９の真空チャンバー周方向の配置は第１実施形態のＡＩＰ装置と同様であるが、成膜用蒸発源群７は６台の蒸発源７Ａで構成され、ボンバード用蒸発源群９は２台の蒸発源９Ａで構成されている。また、成膜用蒸発源群７、ボンバード用蒸発源群９はそれぞれ同等の照射幅を形成するように、前記蒸発源７Ａ，９Ａは縦方向に等間隔に重なり合うことなく配置されている。この第５実施形態では、多量処理が可能であり、しかもボンバード中の基材への熱負荷は従来の場合の１／３程度にすることができる。

また、図５に示すように、最上段のボンバード用蒸発源の上端位置（ボンバード用蒸発源群の上端位置）を最上段の成膜用蒸発源の上端位置（成膜用蒸発源群の上端位置）に対応させ、最下段のボンバード用蒸発源の下端位置（ボンバード用蒸発源群の下端位置）を最下段の成膜用蒸発源の下端位置（成膜用蒸発源群の下端位置）に対応させるように、複数のボンバード用蒸発源及び成膜用蒸発源を配置することが好ましい。このように配置することにより、複数の成膜用蒸発源と複数のボンバード用蒸発源がそれぞれ形成する照射幅をそれぞれ同等の大きさで、縦方向の同部位に成膜領域を形成することができる。もっとも、ボンバード用蒸発源群の上端位置を成膜用蒸発源群の上端位置より上方に設定してもよく、ボンバード用蒸発源群の下端位置を成膜用蒸発源群の下端位置より下方に設定してもよい。

なお、ボンバード用の蒸発源のターゲットの材料としては、第１から第５の実施形態を通して各種の合金を含む金属を使うことが出来き、好適な材料としては、例えばＴｉ，Ｃｒを用いることができる。

上記の各実施形態において、ボンバード用蒸発源群９の各蒸発源９Ａは、図６に示す長方形の蒸発源（第１形態蒸発源）を用いたが、本発明におけるボンバード用蒸発源はこれに限るものでなく、例えば、図７に示すように、蒸発源９Ｂの外形やターゲットＴの蒸発面を平面視レーストラック状としてもよい。この蒸発源９Ｂもその縦幅が縦方向に沿うように設置される。さらに、図８に示すように、ボンバード用の蒸発源９Ｃとして、ターゲットＴの裏側にレーストラック状の電磁コイルＣを配置したものを用いることができる。このコイルＣによって磁場を発生させることで、蒸発面に発生するアークスポットをターゲットの蒸発面上でレーストラック状に誘導することができる。これにより、ボンバード用蒸発源から基材に照射する蒸気をより均一化することが出来る。

さらに、他の形態のボンバード用の蒸発源９Ｄとして、図９に示すように、ターゲットＴを円筒状とし、その両端部をアーク閉じ込め部材１２によって閉塞し、同図(2) に示すように、円筒状ターゲットＴの内側にレーストラック状の電磁コイルＣを配置したものを用いることができる。この蒸発源９Ｄでは、前記電磁コイルＣにより、レーストラック状の磁場を発生させ、アークスポットをレーストラック状に走査させることができ、基材に蒸気を均一に照射することができる。さらに、前記レーストラック状に配置したコイルＣに対応したアークスポット走査軌道を基材に対向する位置に保持した状態で、円筒状のターゲットを回転自在とすることが好ましい。これにより、ターゲットを均一に消耗させることができる。なお、電磁コイルを用いる蒸発源（例えば上記蒸発源９Ｃ、９Ｄ）の場合、電磁コイルに替えて、ターゲット表面に相当形状の磁場を形成する永久磁石を配するようにしてもよい。

さらにまた、ボンバード用の蒸発源として、中実丸棒状のターゲットを縦方向に配置して用いることができる。この場合、上端部あるいは下端部に別のアーク電源の負極を接続すると共にそれぞれのアーク電源の正極を真空チャンバーに接続して、蒸発源に供給するアーク電流を上端部又は下端部から交互に供給することが好ましい。ターゲット上で蒸気が発生するアークスポットはアーク電流を供給する側の端に向かって走る傾向があるため、蒸発源にアーク電流を交互に上端部又は下端部から供給することで、アークスポットを円筒状ターゲットの蒸発面の全面に渡ってより広く走査させることができるようになり、均一に基材に金属イオン蒸気を供給することができる。

ここで、成膜される基材としては、種々のものを用いることができる。例えば、ドリルを基材とすることができ、その長さ方向が真空チャンバーの高さ方向になるように移動部材に搭載することができる。これによって、ボンバードの際の過昇温によるドリルの刃先の軟化を防止して、刃先に所期の硬質皮膜を成膜することができる。このため、成膜されたドリルは、刃先の軟化が原因と思われる切削不良が生じず、良好な切削性能を得ることができる。

また、基材の回転テーブルへの搭載に際して、基材ホルダーを必ずしも用いる必要はなく、回転テーブルに金型などの被成膜部品を直接載置してもよい。また、回転テーブルを取り付けるための回転軸に保持シャフトを設け、これに大形円板部品を縦方向に一定間隔を置いて保持するようにしてもよい。

次に、上記第１実施形態のＡＩＰ装置を用いた基材の成膜例を具体的に説明するが、本発明はかかる成膜例により限定的に解釈されるものではない。

直径１００ｍｍの蒸発面を有する成膜用蒸発源７Ａを縦方向に等間隔に３台並べて配置した。一方、前記３台の成膜用蒸発源７Ａに対向するように、縦幅（長辺）６００ｍｍ、横幅（短辺）１００ｍｍの１台のボンバード用蒸発源９Ａを長辺が縦方向になるように真空チャンバー１の側壁内面側に設置した。前記３台の成膜用蒸発源７Ａによって、また１台のボンバード用蒸発源９Ａによって、それぞれ基材ホルダー５に向かって、照射幅が５００ｍｍの金属イオンの照射領域が縦方向の同位置に形成された。基材として、ハイス製のテストピース（寸法１２mm×１２mm×５mm）と直径３ｍｍのハイス製ドリルを、回転テーブル２の遊星軸４に付設した基材ホルダー５に搭載した。各蒸発源７Ａ，９ＡにはＴｉのターゲットを取り付けた。ボンバード及び成膜の際の回転テーブルの回転数は２ｒｐｍとした。

先ず、従来法による成膜例（従来例）として、ボンバード用蒸発源を使わず、成膜用蒸発源群のみを用いて、下記の要領でボンバード処理を行なうと共にＴｉＮ皮膜を成膜した。
(1) 真空チャンバー内を真空に排気し、真空チャンバー内に設置した輻射ヒータ（図示省略）により基材温度を４００℃にまで加熱した。
(2) 各成膜用蒸発源を、アーク電流１００Ａで動作させ、バイアス電圧−１０００Ｖで５分間メタルボンバード処理を実施した。
(3) ボンバード処理後、各成膜用蒸発源をアーク電流１５０Ａで動作させ、バイアス電圧−５０Ｖ、窒素ガスを３．９Ｐａの圧力で導入しながら約３μｍのＴｉＮ膜を形成した後、３０分間冷却して処理済みの基材を取出した。
上記従来例では、３μｍのＴｉＮの成膜所要時間は９０分間で、真空引き開始から取出しまでのトータルサイクルタイムは、３時間１５分であった。

次に、比較法による成膜例（比較例）として、ボンバード用蒸発源のみを用いて、以下の要領でボンバード処理及び成膜処理を行った。
(1) 従来例の(1) と同様。
(2) ボンバード用蒸発源をアーク電流１００Ａで動作させ、バイアス電圧−１０００で１５分間メタルボンバード処理を実施した。
(3) ボンバード処理後、ボンバード用蒸発源をアーク電流１５０Ａで動作させ、バイアス電圧−５０Ｖ、窒素ガスを３．９Ｐａの圧力で導入しながら約３μｍのＴｉＮ膜を形成したのち、３０分間冷却して取出した。
上記比較例では、３μｍのＴｉＮの成膜所要時間は約５時間で、真空引き開始から取出しまでのトータルサイクルタイムは、７時間であった。

次に、実施形態のＡＩＰ装置の本来の使用法による成膜例（実施例）として、以下の要領で、ボンバード用蒸発源を用いてボンバード処理を行い、成膜用蒸発源を用いて成膜処理を行った。
(1) 従来例の(1) と同様。
(2) ボンバード用蒸発源をアーク電流１００Ａで動作させ、バイアス電圧−１０００Ｖで１５分間メタルボンバード処理を実施した。
(3) ボンバード処理後、各成膜用蒸発源をアーク電流１５０Ａで動作させ、バイアス電圧−５０Ｖ、窒素ガスを３．９Ｐａの圧力で導入しながら、約３μｍのＴｉＮ膜を形成したのち、３０分間冷却して取出した。
上記実施例では、３μｍのＴｉＮの成膜所要時間は９０分間で、真空引き開始から取出しまでのトータルサイクルタイムは、３時間２５分であった。
また、明らかに生産性に劣る比較例を除き、従来例と実施例の成膜について、表１の各項目について評価を行なった。その結果を表１に併せて示す。

表１より、いずれの成膜でもテストピース上の皮膜では、皮膜の外観及び密着性について、大きな特性の差異は認められないが、小径のドリルの切削試験では、従来例では部分的に刃先の軟化が原因と思われる切削不良が認められたのに対して、実施例ではこのような問題は発生しなかった。
また、バイアス電流は当然実施例では減少しており、より小さな容量のバイアス電源でボンバード処理が可能となった。特に、バイアス電源が感知する異常放電について、従来例ではボンバード処理（全処理時間５分）の前段３分間に渡り異常放電が発生し、異常放電無しで電圧が印加できたのは後段の２分間のみであった。バイアス電源は異常放電を感知すると一旦出力を遮断、休止後に再度印加するため、異常放電の発生期間中は正規のバイアス電圧が印加されていない状態となる。一方、実施例の場合は、異常放電の回数が減少傾向にあることに加えて、ボンバードの処理時間が約３倍となっているため、相対的に正常な電圧が印加された時間が伸びており、成膜プロセスの再現性がより高まった。
さらに、テストピース上の皮膜を顕微鏡で観察した所、皮膜に混入したマクロパーティクルが実施例では減少していた。これはボンバード用の蒸発源の面積が拡大したことにより、単位面積あたりの熱負荷が減少したため、ボンバード中に発生するマクロパーティクル量が減少したものと考えられる。

第１実施形態に係るＡＩＰ装置を示す模式図であり、（Ａ）は真空チャンバーを縦断面した側面図、（Ｂ）は（Ａ）図のＡ矢視から見た平面図である。 第２実施形態に係るＡＩＰ装置を示す模式図であり、（Ａ）は真空チャンバーを縦断面した側面図、（Ｂ）は（Ａ）図のＡ矢視から見た平面図である。 第３実施形態に係るＡＩＰ装置を示す模式図であり、（Ａ）は真空チャンバーを縦断面した側面図、（Ｂ）は（Ａ）図のＡ矢視から見た平面図である。 第４実施形態に係るＡＩＰ装置を示す模式図であり、（Ａ）は真空チャンバーを縦断面した側面図、（Ｂ）は（Ａ）図のＡ矢視から見た平面図である。 第５実施形態に係るＡＩＰ装置を示す模式図であり、真空チャンバーを縦断面した側面図である。 平面視長方形状をしたボンバード用蒸発源の斜視図である。 平面視レーストラック形状をしたボンバード用蒸発源の斜視図である。 電磁コイルを備えたボンバード用蒸発源を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）図のＡ−Ａ線断面図である。 電磁コイル、筒状ターゲットを備えたボンバード用蒸発源を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）図のＡ−Ａ線断面図である。 従来のＡＩＰ装置を示す模式図であり、（Ａ）は真空チャンバーを縦断面した側面図、（Ｂ）は（Ａ）図のＡ矢視から見た平面図である。

符号の説明

１ 真空チャンバー
２ 回転テーブル（移動部材）
７，７１，７２ 成膜用蒸発源群
７Ａ 成膜用蒸発源
９ ボンバード用蒸発源群
９Ａ ボンバード用蒸発源
Ｔ ターゲット
Ｃ 電磁コイル

Claims (8)

1. 真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に設けられ、前記真空チャンバー内で基材を真空チャンバーの高さ方向に対して垂直方向に移動させる移動部材と、アーク放電により蒸発した金属イオンを前記基材の表面に衝突させてクリーニングするボンバード用蒸発源群と、アーク放電により蒸発した金属イオンを前記基材の表面に成膜する成膜用蒸発源群とを備えたアークイオンプレーティング装置であって、
   前記成膜用蒸発源群は、前記移動部材に設置した基材に対向し、前記真空チャンバーの高さ方向に重なり合うことなく配置された複数の成膜用蒸発源で構成され、前記ボンバード用蒸発源群は、前記基材に対向し、前記真空チャンバーの高さ方向に重なり合うことなく配置された一又は複数のボンバード用蒸発源で構成され、前記高さ方向における前記ボンバード用蒸発源の縦幅が前記成膜用蒸発源の縦幅よりも長く形成された、アークイオンプレーティング装置。
2. 真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に設けられ、前記真空チャンバー内で基材を真空チャンバーの高さ方向に対して垂直方向に移動させる移動部材と、アーク放電により蒸発した金属イオンを前記基材の表面に衝突させてクリーニングする少なくとも１つのボンバード用蒸発源と、アーク放電により蒸発した金属イオンを前記基材の表面に成膜する複数の成膜用蒸発源とを備えたアークイオンプレーティング装置であって、
   前記ボンバード用蒸発源は、その蒸発面の真空チャンバーの高さ方向の縦幅が前記複数の成膜用蒸発源の蒸発面の縦幅のうち最大の縦幅よりも大きく形成された、アークイオンプレーティング装置。
3. 真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に設けられ、前記真空チャンバー内で基材を真空チャンバーの高さ方向に対して垂直方向に移動させる移動部材と、アーク放電により蒸発した金属イオンを前記基材の表面に衝突させてクリーニングする少なくとも１つのボンバード用蒸発源と、アーク放電により蒸発した金属イオンを前記基材の表面に成膜する複数の成膜用蒸発源とを備えたアークイオンプレーティング装置であって、
   前記ボンバード用蒸発源は、ボンバード用蒸発源の蒸発面面積が前記複数の成膜用蒸発源の蒸発面面積のうち最大の蒸発面面積よりも大きく形成された、アークイオンプレーティング装置。
4. 前記ボンバード用蒸発源は、真空チャンバーの高さ方向に重なり合うことなく配置された、請求項２又は３に記載されたアークイオンプレーティング装置。
5. 前記ボンバード用蒸発源はそれぞれ略同等の寸法を有し、前記成膜用蒸発源はそれぞれ略同等の寸法を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載されたアークイオンプレーティング装置。
6. 前記ボンバード用蒸発源は、その蒸発面の縦幅が０．５〜２．０ｍとされた、請求項１から５のいずれか１項に記載されたアークイオンプレーティング装置。
7. 前記ボンバード用蒸発源は、蒸発材料で形成されたターゲットを有し、前記ターゲットの裏面に縦幅方向に長く形成された電磁コイルが付設された、請求項１から６のいずれか１項に記載されたアークイオンプレーティング装置。
8. 複数の成膜用蒸発源が真空チャンバーの高さ方向に重なり合うことなく設けられた成膜用蒸発源群を複数備え、当該複数の成膜用蒸発源群が前記真空チャンバー内に並列に設けられた、請求項１から７のいずれか１項に記載されたアークイオンプレーティング装置。

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