JP2013023741A - Arc ion plating apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an arc ion plating apparatus capable of reducing the change in smoothness of a thin film surface which is changed according to the consumption of an evaporation source, and improving the utilization efficiency of the evaporation source.SOLUTION: The direction of the polarity of a back side ring-shaped magnet 17 and that of an outer ring-shaped magnet 16 are set in the same way. The direction of the polarity of a center magnet 15 is set opposite to that of magnets 16, 17. In the back side ring-shaped magnet 17, the center position O of the ring width W is arranged in the range of D/20 from an end face of an evaporation source 5, where D denotes the diameter of the evaporation source 5. The initial set value of the magnetic field generated on a surface of the evaporation source 5 by the magnets 15, 16, 17 is 7-10 mT in terms of the magnetic flux density on a surface of an inner area C except an end area E in the range of D/20 inwardly from the end face of the evaporation surface, while the magnetic flux density on the surface of the end area E is continuously increased from the center part side of the evaporation source to the end of the evaporation source; and the initial set value is 7-10 mT in terms of the magnetic flux density on the surface center side of the end area E, and ≥15 mT at the surface outermost end of the end area E. The standard deviation of the magnetic flux density on the surface of the inner area is set to be ≤0.6.

Description

本発明は、アーク放電によって蒸発源をイオン化させてワークの上に成膜させるアークイオンプレーティング装置に関する。   The present invention relates to an arc ion plating apparatus in which an evaporation source is ionized by arc discharge to form a film on a workpiece.

アークイオンプレーティング装置は、真空中で金属材料やセラミックス材料の蒸発源を陰極(カソード)としてアーク放電を起こし、それにより蒸発源を蒸発させると同時にイオンとして放出させ、一方、ワーク(被コーティング物)には負のバイアス電圧を印加しておき、そのワーク表面にイオンを加速供給して成膜する装置である。蒸発源としては、チタンやクロムが広く用いられており、例えば、高速度鋼や超硬合金、サーメットなどからなる切削工具の表面に、耐摩耗性向上のためにTiN、TiAlN、CrAlNなどの硬質皮膜を形成する技術に利用されている。   An arc ion plating apparatus causes arc discharge in a vacuum using an evaporation source of a metal material or ceramic material as a cathode, thereby evaporating the evaporation source and simultaneously releasing it as ions. ) Is a device for forming a film by applying a negative bias voltage and accelerating and supplying ions to the work surface. As the evaporation source, titanium and chromium are widely used. For example, hard surfaces such as TiN, TiAlN, and CrAlN are used on the surface of cutting tools made of high-speed steel, cemented carbide, cermet, etc. to improve wear resistance. It is used in technology for forming a film.

この種のアークイオンプレーティング装置では、蒸発源表面の微小領域にアーク電流が集中することにより、その微小領域がアークスポットとなって蒸発源を溶解蒸発させる。このアークスポットが滞留すると、その滞留部の付近の材料が蒸発せずに溶解して飛散するので、蒸発源の背部に磁石を設置して、アークスポットの移動を促進させることが行われる。
その磁界として、特許文献1には、蒸発源の蒸発面における磁界の強さが5mT(ミリテスラ)以上で、アーク電流値が200A以上であることが推奨されている。また、蒸発面における法線に対する磁力線の最大角度θが60°以下であることが推奨されている。
また、特許文献2には、蒸発面の中心から蒸発面の径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の最小値が4.5mT以上、平均値が8mT以上、標準偏差が3以下である磁界を形成することで、陰極(カソード)の蒸発面に対し、磁力線の向きが垂直で、かつ陰極の蒸発面上における磁束密度を均一化することができ、陰極の利用効率を向上させることができると記載されている。
In this type of arc ion plating apparatus, when the arc current concentrates on a minute region on the surface of the evaporation source, the minute region becomes an arc spot to dissolve and evaporate the evaporation source. When this arc spot stays, the material in the vicinity of the staying portion melts and scatters without evaporating, so that a magnet is installed behind the evaporation source to promote the movement of the arc spot.
As the magnetic field, Patent Document 1 recommends that the strength of the magnetic field on the evaporation surface of the evaporation source is 5 mT (millitesla) or more and the arc current value is 200 A or more. Further, it is recommended that the maximum angle θ of the magnetic field lines with respect to the normal line on the evaporation surface is 60 ° or less.
Patent Document 2 discloses that the minimum value of the magnetic flux density on an arbitrary line segment from the center of the evaporation surface along the radial direction of the evaporation surface is 4.5 mT or more, the average value is 8 mT or more, and the standard deviation is 3 or less. By forming a certain magnetic field, the direction of the lines of magnetic force is perpendicular to the evaporation surface of the cathode (cathode), and the magnetic flux density on the evaporation surface of the cathode can be made uniform, improving the utilization efficiency of the cathode. It is stated that you can.

特許第4034563号公報Japanese Patent No. 40345563 特開2009−144236号公報JP 2009-144236 A

しかしながら、特許文献2に記載されるように設定された磁界においても、その磁束密度の均一化は十分ではなく、蒸発源の一部が優先的に消耗して偏りが生じることにより、薄膜表面の平滑性が変化するという問題がある。消耗量に偏りが生じた蒸発源は、大部分を残して新しいものに交換しなければならず、利用効率が低いという問題がある。   However, even in the magnetic field set as described in Patent Document 2, the magnetic flux density is not uniform enough, and a part of the evaporation source is preferentially consumed and biased, resulting in a thin film surface. There is a problem that the smoothness changes. The evaporation source in which the consumption amount is biased has to be replaced with a new one, leaving the majority, and there is a problem that the utilization efficiency is low.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、蒸発源の消耗に伴って変化する薄膜表面の平滑性の変化を低減でき、蒸発源の利用効率を向上させることができるアークイオンプレーティング装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to reduce the change in the smoothness of the thin film surface that changes as the evaporation source is consumed, and to improve the utilization efficiency of the evaporation source. It is an object of the present invention to provide a lighting device.

本発明のアークイオンプレーティング装置は、蒸発源が載置される陰極の背面中央に配置された中央磁石と、前記陰極の背面の外周端部に対峙して配置された裏側リング状磁石と、前記蒸発源の半径方向外方に配置された外側リング状磁石とを備え、前記裏側リング状磁石および前記外側リング状磁石の極性の向きは同一に設定され、前記中央磁石の極性の向きは前記裏側リング状磁石および前記外側リング状磁石の極性の向きと逆に設定され、前記蒸発源の直径をDとした場合に、前記裏側リング状磁石は、そのリング幅の中心位置が、該蒸発源の端面からD/20の範囲内に配置されており、前記中央磁石、前記裏側リング状磁石および前記外側リング状磁石により前記蒸発源の表面に生じる磁場の初期設定値は、その蒸発面の端面から内方にD/20の範囲の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が7〜10mT、前記端部領域表面において蒸発源中心部側から蒸発源端部まで連続的に増加し、端部領域表面中心側が7〜10mT、端部領域の最端部が15mT以上、前記内側領域表面の磁束密度の標準偏差が0.6以下となるように設定されていることを特徴とする。   The arc ion plating apparatus of the present invention, a central magnet disposed in the center of the back surface of the cathode on which the evaporation source is placed, a back side ring-shaped magnet disposed to face the outer peripheral end of the back surface of the cathode, An outer ring magnet disposed radially outward of the evaporation source, the polarity of the polarity of the back ring magnet and the outer ring magnet is set to be the same, and the polarity of the center magnet is When the reverse side ring-shaped magnet and the outer ring-shaped magnet are set to have opposite polarities and the diameter of the evaporation source is D, the back-side ring-shaped magnet has a center position of the ring width of the evaporation source. The initial setting value of the magnetic field generated on the surface of the evaporation source by the central magnet, the back ring magnet, and the outer ring magnet is an end surface of the evaporation surface. From On the other hand, the magnetic flux density on the inner region surface excluding the end region in the range of D / 20 is 7 to 10 mT, and continuously increases from the evaporation source center side to the evaporation source end on the end region surface. The center of the surface is set to 7 to 10 mT, the extreme end of the end region is set to 15 mT or more, and the standard deviation of the magnetic flux density on the inner region surface is set to 0.6 or less.

蒸発面に生じるアークスポットは電子の放出点であるから、蒸発源の利用効率を高めるには、蒸発面の全域でアークスポットが平均的に動き回れるようにすることが重要である。
蒸発面の磁束密度を7〜10mTとした内側領域表面においては、アークスポットは高速でランダムに動き回ることができる。また、その内側領域において、局部的な集中をなくすことにより、全体に均一にアークスポットを移動させることができ、均一な膜質に成膜できるとともに、蒸発源を均等に消耗させることができる。
本発明では、裏側リング状磁石を設け、そのリング幅の中心位置を蒸発源の端面からD/20の範囲内に配置し、蒸発源の端部領域において裏側リング状磁石の磁界の一部を、外側リング状磁石の磁界の一部と打ち消し合うように作用させることにより、中央磁石、裏側リング状磁石および外側リング状磁石による蒸発源の表面の磁束密度を、広範囲で7〜10mTとなるように設定するとともに、その磁束密度の標準偏差を0.6以下に抑え、蒸発面の磁場の分布が平滑になるようにしている。したがって、アークスポットの移動速度を一定にでき、薄膜表面の平滑性の変化を低減でき、均一な膜質に成膜できる。また、蒸発源を均等に消耗させることができるので、蒸発源の利用効率を飛躍的に向上させることができる。
なお、放電領域にアークスポットを閉じ込める効果を得るには、磁束密度として7mT以上必要である。磁束密度が15mTを超えると、アークスポットの存在自体が著しく制限され、成膜速度が著しく低下してしまう問題がある。また、アーク放電の電圧値が通常時より上昇する問題も発生してしまう。
一方、蒸発源の端部領域においては、内側領域表面よりも磁束密度が大きいので、内側領域表面のアークスポットが端部領域に向かおうとしても、端部領域の強い磁場によって跳ね返されるようにして、内側領域に戻される。したがって、アークスポットを端部領域から表面部以外に入り込む現象を防止して、ほぼ内側領域内に閉じ込めた状態で移動させることができる。
Since the arc spot generated on the evaporation surface is an electron emission point, it is important to make the arc spot move around on the entire evaporation surface in order to increase the utilization efficiency of the evaporation source.
On the surface of the inner region where the magnetic flux density on the evaporation surface is 7 to 10 mT, the arc spot can move randomly at high speed. Further, by eliminating local concentration in the inner region, the arc spot can be moved uniformly throughout, so that the film can be formed with uniform film quality and the evaporation source can be evenly consumed.
In the present invention, a back side ring-shaped magnet is provided, the center position of the ring width is arranged within the range of D / 20 from the end face of the evaporation source, and a part of the magnetic field of the back side ring-shaped magnet is placed in the end region of the evaporation source. By acting so as to cancel out part of the magnetic field of the outer ring-shaped magnet, the magnetic flux density on the surface of the evaporation source by the central magnet, the back-side ring-shaped magnet and the outer ring-shaped magnet is 7-10 mT in a wide range. In addition, the standard deviation of the magnetic flux density is suppressed to 0.6 or less so that the magnetic field distribution on the evaporation surface becomes smooth. Therefore, the moving speed of the arc spot can be made constant, the change in smoothness of the thin film surface can be reduced, and the film can be formed with a uniform film quality. Moreover, since the evaporation source can be evenly consumed, the utilization efficiency of the evaporation source can be dramatically improved.
In order to obtain the effect of confining the arc spot in the discharge region, the magnetic flux density needs to be 7 mT or more. If the magnetic flux density exceeds 15 mT, the presence of the arc spot itself is remarkably limited, and there is a problem that the film forming speed is remarkably reduced. Moreover, the problem that the voltage value of arc discharge rises from the normal time also occurs.
On the other hand, since the magnetic flux density is larger in the end region of the evaporation source than in the inner region surface, the arc spot on the inner region surface is bounced back by the strong magnetic field in the end region even if it goes to the end region. , Returned to the inner area. Therefore, it is possible to prevent the arc spot from entering the region other than the surface portion from the end region, and to move the arc spot while being confined in the inner region.

本発明のアークイオンプレーティング装置において、前記蒸発面における磁力線は、前記蒸発面の法線に対する角度θが0°≦θ<20°であり、前記端部領域表面では前記内側領域に向けて傾いているとよい。
磁力線が蒸発面の法線に対して上記の角度に設定されていると、蒸発面にアークスポットを閉じ込める効果がある。
また、アークスポットを移動させる力は、磁場における蒸発面に平行な成分と、蒸発面に垂直な成分とのそれぞれの大きさにより決まり、その向きは、蒸発面に平行な成分に直角の方向と、平行な成分に同じ方向との合成方向となる。したがって、磁場における蒸発面に平行な成分を蒸発面の内側領域に向けるようにすれば、端部領域表面にアークスポットが移動しようとしても蒸発面の内側領域に戻す方向に力が働き、端部領域から外に飛び出すことが防止される。
In the arc ion plating apparatus of the present invention, the magnetic force lines on the evaporation surface have an angle θ of 0 ° ≦ θ <20 ° with respect to the normal line of the evaporation surface, and the surface of the end region is inclined toward the inner region. It is good to have.
When the line of magnetic force is set at the above angle with respect to the normal line of the evaporation surface, there is an effect of confining the arc spot on the evaporation surface.
In addition, the force that moves the arc spot is determined by the magnitude of each of the component parallel to the evaporation surface and the component perpendicular to the evaporation surface in the magnetic field, and the direction is a direction perpendicular to the component parallel to the evaporation surface. , The direction of synthesis of the parallel component and the same direction. Therefore, if the component parallel to the evaporation surface in the magnetic field is directed to the inner region of the evaporation surface, a force acts in the direction to return to the inner region of the evaporation surface even if the arc spot moves to the end region surface. Jumping out of the area is prevented.

本発明のアークイオンプレーティング装置によれば、蒸発源表面の磁場の分布を平滑にすることができるので、蒸発源の利用効率を飛躍的に向上させることが可能となる。また、アークスポット発生領域の磁力を一定にすることで、アークスポット速度を一定にでき、均一な膜質に成膜することができる。   According to the arc ion plating apparatus of the present invention, since the distribution of the magnetic field on the surface of the evaporation source can be smoothed, the utilization efficiency of the evaporation source can be dramatically improved. Further, by making the magnetic force in the arc spot generation region constant, the arc spot velocity can be made constant, and a film can be formed with a uniform film quality.

本発明のアークイオンプレーティング装置の一実施形態を模式的に示した平断面図である。It is the plane sectional view showing typically one embodiment of the arc ion plating apparatus of the present invention. 図1の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of FIG. 各磁石が形成する磁力線の模式図であり、(a)が外側リング状磁石、(b)が中央磁石、(c)が裏側リング状磁石の磁力線を示す。It is a schematic diagram of the magnetic force line which each magnet forms, (a) shows an outer ring magnet, (b) shows a center magnet, and (c) shows a magnetic field line of a back ring magnet. 裏側リング状磁石の配置を説明する図である。It is a figure explaining arrangement | positioning of a back side ring-shaped magnet. 各磁石が形成する磁界による磁束密度分布図であり、(a)が外側リング状磁石、(b)が中央磁石、(c)が裏側リング状磁石の分布図を示す。It is a magnetic flux density distribution map by the magnetic field which each magnet forms, (a) shows an outer ring magnet, (b) shows a center magnet, and (c) shows a distribution map of a back ring magnet. 蒸発面上の磁束密度、磁力線の角度の分布を示すグラフである。It is a graph which shows distribution of the magnetic flux density on an evaporation surface, and the angle of a magnetic force line. 蒸発面上の磁力線のベクトルを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the vector of the magnetic force line on an evaporation surface. 蒸発面上の磁力線によるアークスポットの移動原理を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the movement principle of the arc spot by the magnetic force line on an evaporation surface.

以下、本発明のアークイオンプレーティング装置の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
この実施形態のアークイオンプレーティング装置1は、図1及び図2に示すように、真空チャンバ2内に、ワーク(被コーティング物)3を保持するテーブル4が設けられるとともに、このテーブル4を介して両側に、カソードとしての蒸発源5がそれぞれ設けられている。テーブル4は、その上面に複数のワーク3を保持する支持棒6が周方向に間隔をおいて複数本立設されるとともに、これら支持棒6を図1の矢印で示すように水平回転する機構を有しており、自身も旋回機構(図示略)により水平に旋回させられるターンテーブルとなっている。そして、支持棒6に保持したワーク3を自転させながら公転させる構成である。
また、真空チャンバ2には、内部に反応ガスを導入するガス導入口7と、内部から反応ガスを排出するガス排出口8とが設けられているとともに、テーブル4の後方に、テーブル4上のワーク3を加熱して被膜の密着力を高めるためにヒータ9が設けられている。
Hereinafter, an embodiment of an arc ion plating apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIGS. 1 and 2, the arc ion plating apparatus 1 of this embodiment is provided with a table 4 for holding a workpiece (coating object) 3 in a vacuum chamber 2, and through the table 4. On both sides, an evaporation source 5 as a cathode is provided. The table 4 has a mechanism in which a plurality of support bars 6 holding a plurality of workpieces 3 are erected on the upper surface of the table 4 at intervals in the circumferential direction, and the support bars 6 rotate horizontally as indicated by arrows in FIG. The turntable itself is a turntable that can be turned horizontally by a turning mechanism (not shown). And it is the structure which revolves while rotating the workpiece | work 3 hold | maintained at the support rod 6. As shown in FIG.
The vacuum chamber 2 is provided with a gas introduction port 7 for introducing a reaction gas into the interior and a gas discharge port 8 for exhausting the reaction gas from the inside, and on the table 4 behind the table 4. A heater 9 is provided to heat the workpiece 3 and increase the adhesion of the coating.

蒸発源5は、図示例のものは、円板状に形成され、その一面をテーブル4上のワーク3に向けて(テーブル4の半径方向と直交させて)配置されており、テーブル4に向けた面が蒸発面11となる配置とされる。そして、この蒸発源5の表面(蒸発面11)の適宜箇所を向けてアノード電極12が配置され、蒸発源5をカソードとし、アノード電極12と蒸発源5との間に負のバイアス電圧をかけるアーク電源13が接続されている。
また、テーブル4にも、これに保持されるワーク3に負のバイアス電圧をかけるバイアス電源14が接続されている。
In the illustrated example, the evaporation source 5 is formed in a disk shape, and one surface of the evaporation source 5 faces the work 3 on the table 4 (perpendicular to the radial direction of the table 4). The arrangement is such that the evaporated surface 11 becomes the evaporation surface 11. Then, an anode electrode 12 is arranged with an appropriate portion of the surface of the evaporation source 5 (evaporation surface 11), the evaporation source 5 is a cathode, and a negative bias voltage is applied between the anode electrode 12 and the evaporation source 5. An arc power supply 13 is connected.
The table 4 is also connected to a bias power source 14 that applies a negative bias voltage to the work 3 held by the table 4.

また、蒸発源5の背面中央部に中央磁石15が設けられるとともに、蒸発源5の背面の外周端部に裏側リング状磁石17が設けられ、蒸発源5の半径方向外側位置に蒸発源5の外周面を囲むように外側リング状磁石16が設けられている。
各磁石15,16,17は永久磁石である。本実施形態においては、例えば、中央磁石15および外側リング状磁石16がネオジム磁石、裏側リング状磁石17がそれら磁石15,16よりも磁力の弱いフェライト磁石等により形成されている。
裏側リング状磁石17および外側リング状磁石16の極性の向きは同一に設定され、中央磁石15の極性の向きは、裏側リング状磁石17および外側リング状磁石16の極性の向きと逆に設定され、これら磁石15,16,17によって生じる磁場の一部は、相互に重なり合うように作用している。
A central magnet 15 is provided at the center of the back surface of the evaporation source 5, and a back ring magnet 17 is provided at the outer peripheral end of the back surface of the evaporation source 5. An outer ring-shaped magnet 16 is provided so as to surround the outer peripheral surface.
Each magnet 15, 16, and 17 is a permanent magnet. In the present embodiment, for example, the center magnet 15 and the outer ring-shaped magnet 16 are formed of a neodymium magnet, and the back-side ring-shaped magnet 17 is formed of a ferrite magnet having a lower magnetic force than those magnets 15 and 16.
The polarity direction of the back ring magnet 17 and the outer ring magnet 16 is set to be the same, and the polarity direction of the center magnet 15 is set to be opposite to the polarity direction of the back ring magnet 17 and the outer ring magnet 16. Part of the magnetic field generated by these magnets 15, 16, and 17 acts so as to overlap each other.

図3(a)に示すように、蒸発源5の外側に配置される外側リング状磁石16は、例えば、蒸発源5の前方側がS極、後方側がN極とされ、磁界は、外側リング状磁石16のN極からS極に向かう磁力線が、蒸発源5の後方から蒸発源5を通過して前方に至るように形成される。一方、蒸発源5の背面中央部の中央磁石15は、図3(b)に示すように、蒸発源5に向けた側がN極で、反対側がS極とされ、その磁界は、蒸発源5の裏面側から蒸発源5を通過して蒸発源5の前方に抜けるように形成される。したがって、蒸発源5の中心部分では、両磁石15,16の磁界の一部が相互に重なり合うように作用する。
また、裏側リング状磁石17は、図3(c)及び図4に示すように、蒸発源5に向けた側がS極で、反対側がN極とされており、蒸発源5の直径をDとした場合に、裏側リング状磁石17のリング幅Wの中心位置Oが、蒸発源5の端面からD/20の範囲内(蒸発源5の端部領域E)に配置されている。これにより、裏側リング状磁石17による磁界の一部は、蒸発源5の外周端部においては、外側リング状磁石16の磁界の一部と打ち消し合うように作用する。
As shown in FIG. 3A, the outer ring magnet 16 disposed outside the evaporation source 5 has, for example, an S pole on the front side of the evaporation source 5 and an N pole on the rear side, and the magnetic field is in an outer ring shape. Magnetic field lines from the N pole to the S pole of the magnet 16 are formed so as to pass from the rear of the evaporation source 5 to the front through the evaporation source 5. On the other hand, as shown in FIG. 3B, the central magnet 15 at the center of the back surface of the evaporation source 5 has an N pole on the side facing the evaporation source 5 and an S pole on the opposite side. It is formed so as to pass through the evaporation source 5 from the back surface side of the liquid and to come out in front of the evaporation source 5. Therefore, in the central part of the evaporation source 5, a part of the magnetic field of both the magnets 15 and 16 acts so that it may mutually overlap.
Further, as shown in FIGS. 3 (c) and 4, the back-side ring magnet 17 has an S pole on the side facing the evaporation source 5 and an N pole on the opposite side, and the diameter of the evaporation source 5 is D. In this case, the center position O of the ring width W of the back side ring-shaped magnet 17 is arranged within the range of D / 20 from the end surface of the evaporation source 5 (end region E of the evaporation source 5). Thereby, a part of the magnetic field by the back side ring-shaped magnet 17 acts so as to cancel out a part of the magnetic field of the outer ring-shaped magnet 16 at the outer peripheral end of the evaporation source 5.

これら磁石15,16,17が蒸発源5の蒸発面11上に形成する磁界について、図5により具体的に説明する。なお、図5においては、N極からS極に向かう磁束密度を正として表している。
外側リング状磁石16により生じる磁界は、図5(a)に示すように、蒸発面11の端部領域において高い磁束密度で形成され、中央磁石15により生じる磁界は、図5(b)に示すように、外側リング状磁石16と同じ向きに蒸発面の中央部を中心にして形成される。また、裏側リング状磁石17により生じる磁界は、図5(c)に示すように、蒸発面11の端部領域に、外側リング状磁石16及び中央磁石15の磁界と逆向きに形成される。
そして、これら磁石15,16,17の磁束密度を適宜に設定することにより、蒸発源5の蒸発面11上に作用する磁場は、図6に示す磁束密度aのように形成される。なお、磁束密度bは、中央磁石15と外側リング状磁石16とにより形成される磁場を示しており、この磁束密度bに対して、裏側リング状磁石17を作用させることにより、磁束密度aに示すように、蒸発面11の外周端部の磁束密度を中央部の磁束密度に揃えるように全面的にほぼ均等な磁束密度とすることができる。
The magnetic field which these magnets 15, 16, and 17 form on the evaporation surface 11 of the evaporation source 5 will be specifically described with reference to FIG. In FIG. 5, the magnetic flux density from the north pole to the south pole is represented as positive.
As shown in FIG. 5A, the magnetic field generated by the outer ring-shaped magnet 16 is formed with a high magnetic flux density in the end region of the evaporation surface 11, and the magnetic field generated by the central magnet 15 is shown in FIG. Thus, the outer ring-shaped magnet 16 is formed in the same direction with the central portion of the evaporation surface as the center. Further, the magnetic field generated by the back side ring-shaped magnet 17 is formed in the end region of the evaporation surface 11 in the opposite direction to the magnetic fields of the outer ring-shaped magnet 16 and the central magnet 15 as shown in FIG.
And the magnetic field which acts on the evaporation surface 11 of the evaporation source 5 is formed like the magnetic flux density a shown in FIG. 6 by setting the magnetic flux density of these magnets 15, 16, and 17 suitably. The magnetic flux density b indicates a magnetic field formed by the central magnet 15 and the outer ring-shaped magnet 16, and the magnetic flux density a is obtained by causing the back-side ring-shaped magnet 17 to act on the magnetic flux density b. As shown in the figure, the magnetic flux density at the outer peripheral end of the evaporation surface 11 can be made substantially uniform on the entire surface so as to match the magnetic flux density at the center.

本実施形態のアークイオンプレーティング装置1においては、上述したように、裏側リング状磁石17を設け、その磁界の一部を外側リング状磁石16の磁界の一部と打ち消し合うように作用させることによって、図6に示すように、中央磁石15、裏側リング状磁石17および外側リング状磁石16により蒸発源5の表面に生じる磁場の初期設定値(磁束密度a)を、蒸発面11の端面から内方にD/20の範囲のリング状の端部領域Eを除く内側領域Cの磁束密度が7〜10mT、端部領域E表面の磁束密度が蒸発源中心部側から蒸発源端部まで連続的に増加し、端部領域E表面中心側が7〜10mT、端部領域E表面最端部が15mT以上、内側領域C表面の磁束密度の標準偏差が0.6以下となるように設定している。   In the arc ion plating apparatus 1 of the present embodiment, as described above, the back-side ring-shaped magnet 17 is provided, and a part of the magnetic field acts so as to cancel out a part of the magnetic field of the outer ring-shaped magnet 16. 6, the initial setting value (magnetic flux density a) of the magnetic field generated on the surface of the evaporation source 5 by the central magnet 15, the back ring magnet 17, and the outer ring magnet 16 is obtained from the end surface of the evaporation surface 11. The magnetic flux density in the inner region C excluding the ring-shaped end region E in the range of D / 20 is 7 to 10 mT inward, and the magnetic flux density on the surface of the end region E is continuous from the evaporation source center to the evaporation source end. The end region E surface center side is set to 7 to 10 mT, the end region E surface endmost part is set to 15 mT or more, and the standard deviation of the magnetic flux density on the inner region C surface is set to 0.6 or less. Yes.

また、蒸発源5を通過する磁力線は、その蒸発面11の法線に対する角度θが0°≦θ<20°とされ、リング状の端部領域E表面では、その角度が内側領域Cに向けて傾斜するように形成される。
図7に蒸発面11上の磁力線のベクトルを模式的に示したように、内側領域Cにおいては、破線で示すように、蒸発面11の法線に対する角度が0°≦θ<20°とされ、端部領域Eにおいては、実線で示すように、内側領域Cの磁力線よりも大きい磁束密度の磁力線が蒸発面11の法線に対する角度は0°≦θ<20°とされるが、内側領域Cに向けて傾いた状態に形成される。
Further, the magnetic field lines passing through the evaporation source 5 have an angle θ of 0 ° ≦ θ <20 ° with respect to the normal line of the evaporation surface 11, and the angle is directed toward the inner region C on the surface of the ring-shaped end region E. Are formed to be inclined.
As schematically shown in FIG. 7 as a vector of magnetic force lines on the evaporation surface 11, in the inner region C, the angle with respect to the normal line of the evaporation surface 11 is 0 ° ≦ θ <20 ° as indicated by a broken line. In the end region E, as shown by the solid line, the angle of the magnetic force line having a magnetic flux density larger than the magnetic force line of the inner region C with respect to the normal line of the evaporation surface 11 is 0 ° ≦ θ <20 °. It is formed in a state inclined toward C.

このように構成したアークイオンプレーティング装置1を用いてワーク3に成膜する方法について説明する。
まず、テーブル4の支持棒6にワーク3を保持して、真空チャンバ2内を真空引きした後、Ar等をガス導入口7より導入して、蒸発源5とワーク3上の酸化物等の不純物をスパッタすることにより除去する。そして、再度真空チャンバ2内を真空引きした後、窒素ガス等の反応ガスをガス導入口7から導入し、蒸発源5に向けたアノード電極12をトリガとしてアーク放電を発生させることにより、蒸発源5を構成する物質をプラズマ化して反応ガスと反応させ、テーブル4上のワーク3表面に窒化膜等を成膜する。
A method of forming a film on the workpiece 3 using the arc ion plating apparatus 1 configured as described above will be described.
First, the work 3 is held on the support rod 6 of the table 4 and the inside of the vacuum chamber 2 is evacuated. Then, Ar or the like is introduced from the gas introduction port 7, and oxides on the evaporation source 5 and the work 3 are removed. Impurities are removed by sputtering. Then, after evacuating the inside of the vacuum chamber 2 again, a reactive gas such as nitrogen gas is introduced from the gas introduction port 7, and an arc discharge is generated using the anode electrode 12 directed to the evaporation source 5 as a trigger. 5 is converted into plasma and reacted with a reactive gas, and a nitride film or the like is formed on the surface of the work 3 on the table 4.

この成膜工程時に蒸発源5の蒸発面11上には放電電流が微小領域に集中して、高温で極めて活性な数μm径のアークスポットが発生し、蒸発面11上を10m/s以上の速さでランダムに動き回りながら、蒸発源5を瞬時に溶解蒸発させるとともに、イオンとして放出する。
蒸発源5の蒸発面11上には、前述した磁石15,16,17によって図6に実線で示す磁束密度aのように磁界が発生しており、この初期設定値(磁束密度a)に設定された磁界の作用によりアークスポットの移動が制御される。
During this film forming process, the discharge current is concentrated on a minute region on the evaporation surface 11 of the evaporation source 5, and an arc spot having a diameter of several μm that is extremely active at a high temperature is generated. While moving around at random speed, the evaporation source 5 is instantly dissolved and evaporated and released as ions.
On the evaporation surface 11 of the evaporation source 5, a magnetic field is generated as shown by the solid line in FIG. 6 by the magnets 15, 16, and 17 described above, and this initial set value (magnetic flux density a) is set. The movement of the arc spot is controlled by the action of the applied magnetic field.

具体的には、蒸発源5の外周の端部領域Eを除く内側領域Cの表面においては、磁束密度が7〜10mTとされていることから、その内側領域Cの表面で発生したアークスポットは、この内側領域Cに閉じ込められる。また、蒸発面11上の磁力線が前述した磁石15,16,17の相互作用により、蒸発面11の法線に対する角度θが0°≦θ<20°とされているので、アークスポットを蒸発面11に閉じ込めるように作用する。
また、内側領域Cにおいて、磁束密度の標準偏差は0.6以下とされており、局部的な集中がなく、アークスポットの移動速度を一定にすることができる。これにより、蒸発源5を均等に消耗させることができるとともに、薄膜表面の平滑性の変化を低減でき、均一な膜質に成膜できる。
Specifically, since the magnetic flux density is 7 to 10 mT on the surface of the inner region C excluding the end region E on the outer periphery of the evaporation source 5, the arc spot generated on the surface of the inner region C is , And is confined in the inner region C. Further, the magnetic field lines on the evaporation surface 11 are set to 0 ° ≦ θ <20 ° with respect to the normal line of the evaporation surface 11 due to the interaction of the magnets 15, 16, and 17 described above. 11 acts to be confined.
Further, in the inner region C, the standard deviation of the magnetic flux density is 0.6 or less, and there is no local concentration, and the arc spot moving speed can be made constant. As a result, the evaporation source 5 can be consumed evenly, the change in smoothness of the thin film surface can be reduced, and a uniform film quality can be formed.

一方、蒸発源5の端部領域Eにおいては、内側領域C表面よりも磁束密度が大きい15mT以上に設定されているので、内側領域C表面のアークスポットが端部領域Eに向かおうとしても、端部領域Eの強い磁場によって跳ね返されるようにして、内側領域Cに戻される。   On the other hand, in the end region E of the evaporation source 5, the magnetic flux density is set to 15 mT or higher, which is larger than the surface of the inner region C. Therefore, even if the arc spot on the surface of the inner region C tends to go to the end region E, It is bounced back by the strong magnetic field in the end region E and returned to the inner region C.

また、蒸発面11の法線に対する磁力線の角度が端部領域Eにおいては、内側領域Cに向けて傾斜するように形成されているので、アークスポットを内側領域Cに向けて戻す効果がある。Robsonら(Springer社、Cathodic arcs, p.140)によると、蒸発面11に生じる磁場がアークスポットに作用する力は、図8のBで示す磁場を例にとると、蒸発面11に平行な磁場成分BHは、この磁場成分に対して90°傾いた方向の力AHとなり、蒸発面11に垂直な磁場成分BVは、平行な磁場成分BHと同じ方向の力AVを作用する。そして、これら磁場から作用する力AH,AVの合成力によってアークスポットAが移動する。したがって、蒸発面11の法線に対する磁力線の角度θを内側領域Cに向けることにより、磁場からアークスポットAに作用する力AVの方向を内側領域Cに向けることができる。また、蒸発面11に垂直な磁場成分BVを大きくすることにより、力AVの大きさを大きくすることができ、アークスポットAを内側領域Cに戻す力を大きくすることができる。   In addition, since the angle of the magnetic force line with respect to the normal line of the evaporation surface 11 is formed so as to be inclined toward the inner region C in the end region E, there is an effect of returning the arc spot toward the inner region C. According to Robson et al. (Springer, Cathodic arcs, p. 140), the force applied to the arc spot by the magnetic field generated on the evaporation surface 11 is parallel to the evaporation surface 11 when the magnetic field indicated by B in FIG. 8 is taken as an example. The magnetic field component BH becomes a force AH in a direction inclined by 90 ° with respect to the magnetic field component, and the magnetic field component BV perpendicular to the evaporation surface 11 acts on the force AV in the same direction as the parallel magnetic field component BH. The arc spot A is moved by the combined force of the forces AH and AV acting from these magnetic fields. Therefore, the direction of the force AV acting on the arc spot A from the magnetic field can be directed to the inner region C by directing the angle θ of the magnetic force line with respect to the normal line of the evaporation surface 11 to the inner region C. Further, by increasing the magnetic field component BV perpendicular to the evaporation surface 11, the magnitude of the force AV can be increased, and the force for returning the arc spot A to the inner region C can be increased.

これら端部領域Eの磁束密度を大きくしたこと、及びその磁力線を内側領域Cに向けて傾斜させたことにより、図7に矢印で示したようにアークスポットAは端部領域Eに移動しようとすると戻されて内側領域Cに戻される。
そして、このようにアークスポットAを内側領域C内に閉じ込め、端部領域Eを超えることが拘束されるので、アークスポットが蒸発源表面部以外に入り込む現象が防止され、安定した放電を維持することができる。
By increasing the magnetic flux density in these end regions E and inclining the magnetic field lines toward the inner region C, the arc spot A tends to move to the end regions E as indicated by arrows in FIG. Then, it is returned and returned to the inner area C.
Further, since the arc spot A is confined in the inner region C and restricted beyond the end region E in this way, the phenomenon that the arc spot enters other than the evaporation source surface portion is prevented, and stable discharge is maintained. be able to.

以上のように、本実施形態のアークイオンプレーティング装置1においては、裏側リング状磁石17を設け、その磁界の一部を蒸発源5の端部領域Eにおいては外側リング状磁石16の磁界の一部と打ち消し合うように作用させることによって、中央磁石15、裏側リング状磁石17および外側リング状磁石16により蒸発源5の表面に生じる磁場の初期設定値を、蒸発面11の広範囲(内側領域C)で、磁束密度が7〜10mTとなるように設定できるとともに、その磁束密度の標準偏差を0.6以下に抑えることができる。したがって、蒸発面11の内側領域C表面においては、磁場の分布を平滑にでき、蒸発源を均等に消耗させることができるので、蒸発源の利用効率を飛躍的に向上させることが可能となる。また、アークスポットの移動速度を一定にできるので、薄膜表面の平滑性の変化を低減でき、均一な膜質に成膜できる。   As described above, in the arc ion plating apparatus 1 according to the present embodiment, the back side ring-shaped magnet 17 is provided, and a part of the magnetic field of the magnetic field of the outer ring-shaped magnet 16 in the end region E of the evaporation source 5 is provided. By acting so as to cancel each other, the initial setting value of the magnetic field generated on the surface of the evaporation source 5 by the central magnet 15, the back ring-shaped magnet 17, and the outer ring-shaped magnet 16 is changed over a wide range (inner region) of the evaporation surface 11. C), the magnetic flux density can be set to 7 to 10 mT, and the standard deviation of the magnetic flux density can be suppressed to 0.6 or less. Therefore, on the surface of the inner region C of the evaporation surface 11, the distribution of the magnetic field can be smoothed and the evaporation source can be evenly consumed, so that the utilization efficiency of the evaporation source can be dramatically improved. In addition, since the moving speed of the arc spot can be made constant, the change in the smoothness of the thin film surface can be reduced, and the film can be formed with uniform film quality.

本発明の効果を確認するために行った実施例および比較例について説明する。実施例を表1、比較例を表2に示す。
実施例のアークイオンプレーティング装置においては、中央磁石および外側リング状磁石、裏側リング状磁石を備え、中央磁石および外側リング状磁石には永久磁石のネオジム磁石を用い、裏側リング状磁石には永久磁石のフェライト磁石を用いた。ネオジム磁石は、保磁力が2000kA/m、表面磁束密度が1150mTの磁石を用い、フェライト磁石は、保磁力が250kA/m、表面磁束密度が350mTの磁石を用いた。また、比較例のアークイオンプレーティング装置においては、中央磁石および外側リング状磁石のみを備える構成とし、中央磁石および外側リング状磁石には永久磁石のネオジム磁石を用いた。ネオジム磁石は、保磁力が2000kA/m、表面磁束密度が1150mTの磁石を用いた。
また、蒸発源として、直径D=100mm、厚さt=16mmのTiまたはTiAl(Ti:Al=50:50)を用いた。そして、実施例のアークイオンプレーティング装置においては、裏側リング状磁石を、そのリング幅の中心位置が、蒸発源の端面からD/20の範囲内(5mmの範囲内)になるように配置した。
Examples and comparative examples performed for confirming the effects of the present invention will be described. Examples are shown in Table 1, and Comparative Examples are shown in Table 2.
In the arc ion plating apparatus of the embodiment, a central magnet, an outer ring magnet, and a back ring magnet are provided. A permanent magnet neodymium magnet is used for the center magnet and the outer ring magnet, and a permanent magnet is used for the back ring magnet. A magnet ferrite magnet was used. As the neodymium magnet, a magnet having a coercive force of 2000 kA / m and a surface magnetic flux density of 1150 mT was used, and as the ferrite magnet, a magnet having a coercive force of 250 kA / m and a surface magnetic flux density of 350 mT was used. Further, in the arc ion plating apparatus of the comparative example, a configuration including only a central magnet and an outer ring magnet was used, and permanent magnet neodymium magnets were used as the central magnet and the outer ring magnet. As the neodymium magnet, a magnet having a coercive force of 2000 kA / m and a surface magnetic flux density of 1150 mT was used.
Further, Ti or TiAl (Ti: Al = 50: 50) having a diameter D = 100 mm and a thickness t = 16 mm was used as an evaporation source. In the arc ion plating apparatus of the example, the back side ring-shaped magnet was arranged so that the center position of the ring width was within the range of D / 20 (within 5 mm) from the end face of the evaporation source. .

次に、実施例および比較例のアークイオンプレーティング装置に蒸発源を配置し、蒸発面の磁場を測定したところ、表1及び表2に示すものとなった。表中の「サンプルNo.」においては、実施例に「実」を付し、比較例に「比」を付した。
なお、磁束密度は、磁束計にて、蒸発源表面において蒸発源表面の中心を通る直線上を測定した。蒸発源の表面では、測定箇所を5mm間隔と設定し、各測定点で蒸発源表面の垂直方向及び平行方向の磁束密度を測定した。また、これらの測定値から各測定点での磁束密度及び磁力線と蒸発面の法線とのなす角度(傾斜角)を算出した。また、蒸発源表面での磁束密度の標準偏差は、端部領域の磁束密度が大きい部分を除いた磁束密度の数値から算出した。
このようなアークイオンプレーティング装置を用いて、表1及び表2に示す各種の条件で成膜し、膜の表面粗さを測定した。なお、反応ガスとしては窒素ガスを用いた。表面粗さは、レーザー顕微鏡にて10μm角の範囲を10回測定し、その平均値を測定値とした。
表1及び表2に結果を示す。「蒸発源の利用効率」とは、成膜前の蒸発源の厚さtに対する蒸発源を使用できる限界の厚さに達するまでの消耗厚さt1の比率を表し、t1/t×100(%)により算出される。なお、消耗厚さt1は、蒸発源の面内平均値である。消耗厚さt1の算出方法は、例えば実施例と同様の円形の蒸発源である場合、蒸発源表面において中心を通る直線上を5mm間隔にて消耗深さを測定し、その平均値を消耗厚さt1とした。また、表中の「端部領域」とは、蒸発源の端面からD/20の範囲を示す。
Next, when the evaporation source was arranged in the arc ion plating apparatus of the example and the comparative example and the magnetic field on the evaporation surface was measured, the results shown in Table 1 and Table 2 were obtained. In “Sample No.” in the table, “actual” was given to the examples, and “ratio” was given to the comparative examples.
The magnetic flux density was measured on a straight line passing through the center of the evaporation source surface at the evaporation source surface with a magnetometer. On the surface of the evaporation source, the measurement locations were set at 5 mm intervals, and the magnetic flux density in the vertical direction and parallel direction of the evaporation source surface was measured at each measurement point. Further, from these measured values, the magnetic flux density at each measurement point and the angle (tilt angle) formed by the lines of magnetic force and the normal line of the evaporation surface were calculated. Further, the standard deviation of the magnetic flux density on the surface of the evaporation source was calculated from the numerical value of the magnetic flux density excluding the portion where the magnetic flux density in the end region was large.
Using such an arc ion plating apparatus, a film was formed under various conditions shown in Tables 1 and 2, and the surface roughness of the film was measured. Nitrogen gas was used as the reaction gas. The surface roughness was measured 10 times in a 10 μm square range with a laser microscope, and the average value was taken as the measured value.
Tables 1 and 2 show the results. “Evaporation source utilization efficiency” represents the ratio of the consumption thickness t1 until reaching the limit thickness at which the evaporation source can be used with respect to the thickness t of the evaporation source before film formation, and is expressed as t1 / t × 100 (% ). The consumption thickness t1 is an in-plane average value of the evaporation source. For example, when the consumption thickness t1 is a circular evaporation source similar to the embodiment, the consumption depth is measured at intervals of 5 mm on a straight line passing through the center on the surface of the evaporation source, and the average value is calculated as the consumption thickness. T1. Further, “end region” in the table indicates a range of D / 20 from the end face of the evaporation source.

Figure 2013023741
Figure 2013023741

Figure 2013023741
Figure 2013023741

表1及び表2の結果から明らかなように、磁束密度の標準偏差が0.6以下の実施例の装置においては、「蒸発源の利用効率」が70%以上と大きいことがわかる。また、「最大表面粗さRa」の数値に対して、その「表面粗さの標準偏差」の数値が小さく、膜表面での表面粗さのバラツキが小さいことがわかる。
磁束密度の標準偏差が0.6を超える比較例の装置においては、「蒸発源の利用効率」が60%以下と小さいことがわかる。また、「最大表面粗さRa」の数値に対して、その「表面粗さの標準偏差」の数値が大きく、膜表面での表面粗さのバラツキが大きいことがわかる。
As is apparent from the results of Tables 1 and 2, it can be seen that the “evaporation source utilization efficiency” is as high as 70% or more in the apparatus of the example where the standard deviation of the magnetic flux density is 0.6 or less. Further, it can be seen that the value of “standard deviation of surface roughness” is smaller than the value of “maximum surface roughness Ra”, and the variation of the surface roughness on the film surface is small.
It can be seen that in the apparatus of the comparative example in which the standard deviation of the magnetic flux density exceeds 0.6, the “utilization efficiency of the evaporation source” is as small as 60% or less. In addition, the value of “standard deviation of surface roughness” is larger than the value of “maximum surface roughness Ra”, and it can be seen that the variation in surface roughness on the film surface is large.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、蒸発源を円板状に形成したが、柱状、筒状等のものにも適用することができ、その場合も、端面からD/20の範囲内を端部領域として、前述したような磁界を設定すればよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, in the above embodiment, the evaporation source is formed in a disk shape, but it can also be applied to a columnar shape, a cylindrical shape, etc. In this case, the end region is within the range of D / 20 from the end surface. The magnetic field as described above may be set.

1 アークイオンプレーティング装置
2 真空チャンバ
3 ワーク
4 テーブル
5 蒸発源
6 支持棒
7 ガス導入口
8 ガス排出口
9 ヒータ
11 蒸発面
12 アノード電極
13 アーク電源
14 バイアス電源
15 中央磁石
16 外側リング状磁石
17 裏側リング状磁石
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Arc ion plating apparatus 2 Vacuum chamber 3 Work 4 Table 5 Evaporation source 6 Support rod 7 Gas introduction port 8 Gas discharge port 9 Heater 11 Evaporation surface 12 Anode electrode 13 Arc power supply 14 Bias power supply 15 Central magnet 16 Outer ring magnet 17 Back side magnet

Claims (2)

蒸発源が載置される陰極の背面中央に配置された中央磁石と、前記陰極の背面の外周端部に対峙して配置された裏側リング状磁石と、前記蒸発源の半径方向外方に配置された外側リング状磁石とを備え、前記裏側リング状磁石および前記外側リング状磁石の極性の向きは同一に設定され、前記中央磁石の極性の向きは前記裏側リング状磁石および前記外側リング状磁石の極性の向きと逆に設定され、前記蒸発源の直径をDとした場合に、前記裏側リング状磁石は、そのリング幅の中心位置が、該蒸発源の端面からD/20の範囲内に配置されており、前記中央磁石、前記裏側リング状磁石および前記外側リング状磁石により前記蒸発源の表面に生じる磁場の初期設定値は、その蒸発面の端面から内方にD/20の範囲の端部領域を除く内側領域表面の磁束密度が7〜10mT、前記端部領域表面の磁束密度が蒸発源中心部側から蒸発源端部まで連続的に増加し、端部領域表面中心側が7〜10mT、端部領域の最端部が15mT以上、前記内側領域表面の磁束密度の標準偏差が0.6以下となるように設定されていることを特徴とするアークイオンプレーティング装置。   A central magnet disposed in the center of the back surface of the cathode on which the evaporation source is placed, a back side ring-shaped magnet disposed facing the outer peripheral end of the back surface of the cathode, and disposed radially outward of the evaporation source The outer ring-shaped magnet is configured such that the back ring magnet and the outer ring magnet have the same polarity direction, and the central magnet has a polarity direction of the back ring magnet and the outer ring magnet. If the diameter of the evaporation source is set to D and the diameter of the evaporation source is set to D, the center position of the ring width of the back side ring magnet is within the range of D / 20 from the end face of the evaporation source. The initial value of the magnetic field generated on the surface of the evaporation source by the central magnet, the back ring magnet, and the outer ring magnet is in the range of D / 20 inward from the end surface of the evaporation surface. Inner area excluding edge area The magnetic flux density on the surface is 7-10 mT, and the magnetic flux density on the surface of the end region is continuously increased from the evaporation source center side to the evaporation source end side. An arc ion plating apparatus characterized in that the end is set to 15 mT or more and the standard deviation of the magnetic flux density on the inner region surface is set to 0.6 or less. 前記蒸発面における磁力線は、前記蒸発面の法線に対する角度θが0°≦θ<20°であり、前記端部領域表面では前記内側領域に向けて傾いていることを特徴とする請求項1記載のアークイオンプレーティング装置。
The magnetic field lines on the evaporation surface have an angle θ with respect to a normal line of the evaporation surface of 0 ° ≦ θ <20 °, and the end region surface is inclined toward the inner region. The arc ion plating apparatus described.
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