JP5946337B2 - アーク式蒸発源 - Google Patents

Description

本発明は、機械部品等の耐摩耗性などの向上のために用いられる、窒化物及び酸化物などのセラミック膜や、非晶質炭素膜等の薄膜を形成する成膜装置のアーク式蒸発源に関するものである。

従来より、機械部品、切削工具、摺動部品などの耐摩耗性、摺動特性及び保護機能を向上させる目的で、該部品及び工具といった基材の表面に薄膜をコーティングする物理蒸着法が広く用いられている。この物理蒸着法としては、アークイオンプレーティング法や、スパッタ法が広く知られており、アークイオンプレーティング法は、カソード放電型アーク式蒸発源を用いる技術である。

カソード放電型アーク式蒸発源（以下、アーク式蒸発源という）は、カソードであるターゲットの表面にアーク放電を発生させ、ターゲットを構成する物質を瞬時に溶解及び蒸発させてイオン化する。アーク式蒸発源は、アーク放電によってイオン化されたその物質を被処理物である基材側に引き込んで、基材表面に薄膜を形成する。このアーク式蒸発源では、ターゲットの蒸発速度が速く、かつ蒸発した物質のイオン化率が高いので、成膜時には基材にバイアスを印加することで緻密な皮膜を形成できる。このため、アーク式蒸発源は、切削工具などの表面に耐摩耗性皮膜を形成する目的で産業的に用いられている。

アーク放電により蒸発するターゲット原子は、アークプラズマ中において高度に電離及びイオン化する。その場合、ターゲットから基材に向かうイオンの輸送は、ターゲットと基材との間の磁界に影響され、その軌跡は、ターゲットから基材に向かう磁力線に沿ったものとなる。
しかし、カソード（ターゲット）とアノードの間で生じるアーク放電において、カソード側の電子放出点（アークスポット）を中心としてターゲットが蒸発する際に、アークスポット近傍から溶融した蒸発前の溶融ターゲット（マクロパーティクル）が放出されることがある。この溶融ターゲットの被処理体への付着は、薄膜の面粗度を低下させる原因となる。

これに関して、アークスポットが高速で移動すると、マクロパーティクルの量は抑制される傾向にあるが、そのアークスポットの移動速度は、ターゲット表面に印加された磁界に影響される。
このような問題を解消するために、ターゲット表面に磁界を印加し、アークスポットの移動を制御する次のような技術が提案されている。

特許文献１には、ターゲットの外周を取り囲み、磁化方向がターゲット表面と直交する方向に沿った外周磁石と、極性が外周磁石と同方向で且つ磁化方向がターゲット表面と直交する方向に沿った背面磁石とを備えたアーク式蒸発源が開示されている。このアーク式蒸発源によれば、磁力線の直進性を向上させることができるとされている。
特許文献２には、ターゲット周囲に配置されたリング状磁石と背面の電磁コイルによりターゲット表面に平行な磁場を形成するアーク蒸発装置が開示されている。このアーク蒸発装置によれば、ターゲットの中心からその外縁部までのあらゆるトラックに従ったアークの誘導が達成されるとされている。

特開２０１０−２７５６２５号公報 特表２００４−５２３６５８号公報

しかしながら、特許文献１に開示のアーク式蒸発源は、ターゲットの背面に間隔を空けて配置された２枚の円板磁石によって、ターゲット表面から基材に向かう方向に磁力線を発生させている。これら２枚の円板磁石は、中央部においては直進性の高い磁力線を発生
させることができるが、中央部よりも外周側から出た磁力線は、円板磁石の軸心に対して外向きに発散する。これは、一般的な磁石の特性として避けがたい現象であり、イオン化されたターゲット物質を効率的に基材方向に誘導するには、特許文献１のアーク式蒸発源において、更なる改良の余地がある。

さらに、特許文献２に開示のアーク蒸発装置によれば、電磁コイルの中央部からは直進性の高い磁力線が発生するが、電磁コイルの中央部よりも外周側から出た磁力線は、電磁コイルの軸芯に対して外向きに発散する。
つまり、特許文献１及び２に開示の技術では、ターゲットの背面に設ける磁石や電磁石の特性上、ターゲットの中央部のみに、ターゲットの前面から基材に向かって直進性の高い磁力線を発生させることができる。そのため、特許文献１及び２に開示の技術によっては、ターゲット全面に直進性の高い磁力線を形成することができないので、成膜速度を十分に向上させることが困難である。

また、特許文献１及び２のように、外周磁石やリング状磁石を、基材方向側の端面がターゲット表面よりも基材に近くなるように配置し、ターゲットの後方（基材の反対方向側）に外周磁石やリング状磁石と磁化方向が同じ背面磁石や電磁コイルを配置した場合、ターゲット表面上の一部にはターゲット表面と平行になる磁力線（平行磁場）が形成される。このような平行磁場がターゲット表面上に形成されていると、この平行磁場にアーク放電がトラップされてアーク放電は安定するが放電位置がターゲット表面上で偏り、その結果ターゲットの偏消耗が起こることがある。

前述の問題に鑑み、本発明は、ターゲット表面から基材方向に伸びる直進性の高い磁力線を、ターゲット表面の広い領域において発生させることができると共に、ターゲットの偏消耗を抑制することのできるアーク式蒸発源を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、以下の技術的手段を採用した。
本発明に係るアーク式蒸発源は、ターゲットと、リング状の磁場誘導磁石と、背面磁場発生源と、を備えたアーク式蒸発源であって、前記磁場誘導磁石は、前記ターゲットの蒸発面と直交する方向に沿うと共に前方又は後方を向く磁化方向となる極性を有し、前記背面磁場発生源は、前記ターゲットの背面側であって前記磁場誘導磁石の後方に配置されると共に、前記磁場誘導磁石の磁化方向に沿って磁力線を形成し、前記ターゲットは、前記蒸発面が前記磁場誘導磁石よりも前方に位置するように配置されていることを特徴とする。

このとき、前記背面磁場発生源の磁化方向が、前記磁場誘導磁石の磁化方向が前方を向く場合は同じく前方を向く、又は前記磁場誘導磁石の磁化方向が後方を向く場合は同じく後方を向くように構成されると好ましい。
ここで、前記磁場誘導磁石の磁化方向における磁場誘導磁石及びターゲットの投影において、前記ターゲットが、前記磁場誘導磁石の径方向における内周面と外周面との中間位置よりも径内側に投影されるように配置されているとよい。

また、前記背面磁場発生源は、前記リング状の磁場誘導磁石の内周面が形成する孔部を前記磁場誘導磁石の磁化方向に沿って通過する磁力線を形成し、前記ターゲットは、前記蒸発面を通過する磁力線が前記リング状の磁場誘導磁石の軸心に対して平行となる又は前記軸心側に傾く位置に配置されているとよい。
ここで、前記背面磁場発生源は、内周面及び外周面に極性を有するリング状の背面磁石で構成され、前記内周面及び外周面の極性による磁化方向は、前記磁場誘導磁石の磁化方向が前方を向く場合はリング径内方向を向く、又は前記磁場誘導磁石の磁化方向が後方を向く場合はリング径外方向を向くとよい。

加えて、前記背面磁場発生源は、複数の前記リング状の背面磁石で構成され、前記複数のリング状の背面磁石は、同じ磁化方向となる極性を有し、同軸状に配置されているとよい。
さらに、前記複数の背面磁石の径内には、各背面磁石を貫通する磁性体が設けられており、前記磁性体の外周が各背面磁石の内周面と接しているとよい。

ここで、前記背面磁場発生源は、互いに間隔を空けて配置された円板状の第１の円板状磁石と第２の円板状磁石で構成され、前記第１の円板状磁石及び第２の円板状磁石のそれぞれは、一方の円板面から他方の円板面に向かう磁化方向を有するように円板面に極性を有すると共に、互いの磁化方向が同じとなるように配置され、前記第１の円板状磁石及び第２の円板状磁石による磁化方向は、前記磁場誘導磁石の磁化方向が前方を向く場合は同じく前方を向く、又は前記磁場誘導磁石の磁化方向が後方を向く場合は同じく後方を向くとよい。

また、前記第１の円板状磁石及び第２の円板状磁石の間には、各円板状磁石と接する磁性体が設けられているとよい。
ここで、前記背面磁場発生源は、空心状のコイル磁石であって、前記コイル磁石の極性は、前記磁場誘導磁石の極性と同方向を向くとよい。
また、前記コイル磁石の空心部分には、磁性体が配置されているとよい。
なお、本発明にかかるアーク式蒸発源の最も好ましい形態は、ターゲットと、リング状の磁場誘導磁石と、背面磁場発生源と、を備えたアーク式蒸発源において、前記磁場誘導磁石は、前記ターゲットの蒸発面と直交する方向に沿うと共に前方又は後方を向く磁化方向となる極性を有し、前記背面磁場発生源は、前記ターゲットの背面側であって前記磁場誘導磁石の後方に配置されると共に、前記磁場誘導磁石の磁化方向に沿って磁力線を形成し、前記ターゲットは、前記蒸発面が前記磁場誘導磁石よりも前方に位置するように配置されており、前記背面磁場発生源は、前記リング状の磁場誘導磁石の内周面が形成する孔部を前記磁場誘導磁石の磁化方向に沿って通過する磁力線を形成し、前記ターゲットは、前記蒸発面を通過する磁力線が前記リング状の磁場誘導磁石の軸心に対して平行となる又は前記軸心側に傾く位置に配置されていることを特徴とする。

本発明のアーク式蒸発源によれば、ターゲット表面から基材方向に伸びる直進性の高い磁力線を、ターゲット表面の広い領域において発生させることができると共に、ターゲットの偏消耗を抑制することができる。

（ａ）は、本発明の第１実施形態によるアーク式蒸発源を備えた成膜装置の概略構成を示す側面図であり、（ｂ）は、成膜装置の概略構成を示す平面図である。 （ａ）は、本発明の第１実施形態によるアーク式蒸発源の基本構成を示す図であり、（ｂ）は、磁場誘導磁石とターゲットとをターゲットの蒸発面と直交する方向に沿って投影したときの投影図である。 本発明の第１実施形態によるアーク式蒸発源の具体的構成を示す概略図である。 第１実施形態によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。 本発明の第２実施形態によるアーク式蒸発源の具体的構成を示す概略図である。 第２実施形態によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。 本発明の第３実施形態によるアーク式蒸発源の具体的構成を示す概略図である。 第３実施形態によるアーク式蒸発源の磁力線分布を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。
［第１実施形態］
図１〜図４を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態によるアーク式蒸発源１（以下、蒸発源１という）を備えた成膜装置６を示しており、図１（ａ）は、成膜装置６の概略構成を示す側面図であり、図１（ｂ）は、成膜装置６の概略構成を示す平面図である。

成膜装置６は、チャンバ１１を備え、チャンバ１１内には被処理物である基材７を支持する回転台１２と、基材７に向けて配置された蒸発源１とが備えられている。チャンバ１１には、チャンバ１１内へ反応ガスを導入するガス導入口１３と、チャンバ１１内から反応ガスを排出するガス排気口１４とが設けられている。
加えて、成膜装置６には、後に詳述する蒸発源１のターゲット２に負のバイアスをかけるアーク電源１５と、基材７に負のバイアスをかけるバイアス電源１６とが設けられている。両電源１５、１６の正極側はグランド１８に接地されている。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、蒸発源１は、蒸発面が基材７に向くように配置された所定の厚みを有する円板状（以下、「円板状」とは所定の高さを有する円柱形状も含む）のターゲット２と、ターゲット２の近傍に配置された磁界形成手段８（磁場誘導磁石３と背面磁場発生源４とから構成される）とを備えている。なお、本実施形態では、チャンバ１１がアノードとして作用する。このような構成によって、蒸発源１は、カソー
ド放電型のアーク式蒸発源として機能する。

図１及び図２（ａ）を参照し、成膜装置６に備えられた蒸発源１の構成について、以下に説明する。図２（ａ）は、本実施形態による蒸発源１の基本構成を示す図である。
蒸発源１は、上述したように、所定の厚みを有する円板状のターゲット２と、ターゲット２の近傍に配備された磁界形成手段８とから構成されている。
なお、以下の説明において、ターゲット２の蒸発面であって基材７側（基材方向）を向く面を「前面（ターゲット前面）」といい、その反対側（基材と反対方向）を向く面を「背面（ターゲット背面）」という（図２（ａ）を参照）。

ターゲット２は、基材７上に形成しようとする薄膜に応じて選択された材料で構成されている。その材料としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、及びチタンアルミ（ＴｉＡｌ）などの金属材料や炭素（Ｃ）などのイオン化可能な材料がある。
磁界形成手段８は、ターゲット２の蒸発面よりも背面側に配置されたリング状（環状乃至はドーナツ状）の磁場誘導磁石３と、ターゲット２の背面側で磁場誘導磁石３と同軸状に配置されたリング状（環状乃至はドーナツ状）又は円柱状の背面磁場発生源４とを有している。これら磁場誘導磁石３及び背面磁場発生源４は、保磁力の高いネオジム磁石により形成された永久磁石などによって構成されている。

つまり、蒸発源１は、ターゲット２、磁場誘導磁石３、及び背面磁場発生源４を、互いの軸心をほぼ一致させるように配置することで構成される。
磁場誘導磁石３は、上述のとおりリング体であって、ターゲット２の径（寸法）よりも若干大きな（１〜２倍程度の）内径（内寸）と軸心方向に沿った所定の高さ（厚み）とを有している。磁場誘導磁石３の高さ（厚み）は、ターゲット２の軸心方向に沿った高さ（厚み）とほぼ同じであるか若干小さい。

このようなリング状の磁場誘導磁石３の外観は、互いに平行でターゲット２の前面又は背面を向く２つの円環状の面（円環面）と、当該２つの円環面を軸心方向につなぐ２つの周面とからなっている。この２つの周面は、円環面の内周側（径内側）に形成される内周面３１と、円環面の外周側（径外側）に形成される外周面３２である。これら内周面３１と外周面３２の幅は、すなわち磁場誘導磁石３の厚み（径方向厚み）である。

ここで、図２（ｂ）を参照しながら、磁場誘導磁石３に対するターゲット２の配置についてさらに説明する。図２（ｂ）は、ターゲット２及び磁場誘導磁石３をターゲット２の蒸発面と直交する方向に沿って投影したときの投影図である。図２（ｂ）は、ターゲット２及び磁場誘導磁石３を、基材７側から見たときの投影図であるともいえる。
図２（ｂ）の投影図において、ターゲット２及び磁場誘導磁石３の形状は、磁場誘導磁石３の径内側の内周面３１の投影形状とターゲット２の投影形状が、互いに相似となるように形成されている。また、ターゲット２は、図２（ｂ）の投影図において、磁場誘導磁石３の径方向における内周面３１と外周面３２との中間位置３３よりも径内側に投影されるように配置されている。

図２（ｂ）に示される投影図は、ターゲット２を前面から見た前面視におけるターゲット２及び磁場誘導磁石３の配置を表わしているといえる。つまり、前面から見て、磁場誘導磁石３の径方向における内周面３１と外周面３２との中間位置３３よりも径内側に、ターゲット２が位置するものとなっている。
図２（ａ）に示すように、磁場誘導磁石３は、基材７側を向く前方の円環面（前端面）がＮ極となり、その反対側を向く後方の円環面（後端面）がＳ極となるように構成されている。図中、磁場誘導磁石３の後方の円環面の磁極（Ｓ極）から前方の円環面の磁極（Ｎ極）に向かう矢印が示されているが、以降、このＳ極からＮ極に向かう矢印の方向を磁化方向とよぶ。本実施形態の磁場誘導磁石３は、この磁化方向がターゲット２の前面（蒸発面）と直交する方向に沿うと共に前方を向くように配置されている。

ここで、再び図２（ｂ）を参照する。図２（ｂ）は、磁場誘導磁石３の磁化方向における磁場誘導磁石３及びターゲット２の投影図であるともいえるので、ターゲット２は、磁場誘導磁石３の磁化方向における磁場誘導磁石３及びターゲット３の投影において、磁場誘導磁石３の径方向における内周面３１と外周面３３との中間位置３３よりも径内側に投
影されるように配置されているともいえる。

上述のように、磁場誘導磁石３は、リング状あるいは環状の一体形状をなすものであるとよい。しかし、円柱状あるいは直方体状の複数の磁石を、それら磁石の磁化方向がターゲット２の前面と直交する方向に沿うと共に前方を向くようにリング状あるいは環状に並べて磁場誘導磁石３を構成してもよい。
磁場誘導磁石３は、ターゲット２の蒸発面よりも後方、つまり背面側に位置するように配置されており、このような配置においてターゲット２と同心軸状となっている。このとき、磁場誘導磁石３の前方の円環面はターゲット２の蒸発面よりも後方に位置しているので、ターゲット２は、磁場誘導磁石３の前方の円環面よりも前方に配置されているといえる。

例えば、図２においてターゲット２は、その蒸発面が磁場誘導磁石３の前端面よりも前方に位置するように配置されている。このように、本実施形態では、ターゲット２は、ターゲット２の径方向から見た投影が磁場誘導磁石３の径方向から見た投影よりも前方の位置となるように配置されて、蒸発源１に備えられている。
次に、図２（ａ）及び図３を参照しながら、背面磁場発生源４の具体的な構成について説明する。図３は、本実施形態による蒸発源１の具体例である蒸発源１ａの構成を示す図である。

図２（ａ）に矢印で示すように、背面磁場発生源４は、磁場誘導磁石３の磁化方向と同じ向きの磁化方向となる磁極を発生させるものである。また、図３に示すように、蒸発源１の具体例である蒸発源１ａは、上述したターゲット２と、磁界形成手段８ａとを備え、磁界形成手段８ａは、磁場誘導磁石３、及び背面磁場発生源４の具体的構成である背面磁場発生源４ａを含んでいる。

背面磁場発生源４ａは、磁場誘導磁石３とほぼ同径のリング状磁石であって、磁場誘導磁石３とほぼ同じ内径（内寸）及び外径（外寸）を有する第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂを、同心軸上に配置している。従って、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂは、ターゲット２の径よりも若干大きな（１〜２倍程度の）内径と軸心方向に沿った所定の高さ（厚み）とを有している。

このようなリング状の第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの外観も、磁場誘導磁石３と同様に、互いに平行な２つの円環状の面（前端面及び後端面）と、該２つの円環面を軸心方向に沿ってつなぐ２つの周面（内周面及び外周面）とからなっている。これら内周面と外周面の幅は、すなわち磁場誘導磁石３の軸心方向に沿った第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの高さ（厚み）である。

図３に示すように、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂは、径内側の内周面がＮ極となり、その反対の径外側の外周面がＳ極となる磁化方向を有するように構成されている。図中、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの外周面（Ｓ極）から内周面（Ｎ極）に向かって磁化方向を表す矢印が示されている。本実施形態の第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂは、それぞれの径内方向を向く磁化方向がターゲット２の前面と平行となるように配置されている。

このように、磁化方向が同じ第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂを並列に配置すると、第１の背面磁石５ａの内側側面から発生した磁力線と第２の背面磁石５ｂの内周面から発生した磁力線は互いに反発し合う。この反発によって、リング状である第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの軸心方向に向かう磁力線を多数発生させることができる。また、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの軸心方向に向かって発生した磁力線は、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの内周面から発生した磁力線同士で反発し合い、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの軸心方向に沿った直進性の高い磁力線を発生することができる。

このような構成の磁場誘導磁石３の磁化方向と第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの磁化方向とは、磁場誘導磁石３の前端面と第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの各内周面とが同じ極性を有した上で、互いに垂直な方向となっている。
上述のように、磁場誘導磁石３の磁化方向と第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５
ｂの磁化方向とを互いに垂直な方向とすれば、磁場誘導磁石３によって形成される磁界と第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂによって形成される磁界とを組み合わせることができ、背面磁場発生源４ａは、図３に示すような磁場誘導磁石３の前方を向く磁化方向と同じく、前方を向く磁化方向を有することとなる。

上述の磁場誘導磁石３、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの構成、さらにはターゲット２を磁場誘導磁石３の前方に配置する構成によって、リング状の磁場誘導磁石３の内周面が形成する孔部を磁場誘導磁石３の磁化方向に沿って通過する磁力線を形成することができる。これによって、ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線は、リング状の磁場誘導磁石３の軸心に対して平行となる、又は該軸心側に傾く。つまり、ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線の方向を蒸発面に対してほぼ垂直とすることができ、且つターゲット２の蒸発面から基材７に向かって伸びる直進性の高い磁力線を蒸発面の広い領域において発生させることができるという効果が得られる。

背面磁場発生源４ａは、上述のような構成の第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂに加えて、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの径内には単一の磁性体９ａを備えている。
磁性体９ａは、非リング状の中実な磁性体であって、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの磁心となるものである。磁性体９ａは、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂを貫通するように設けられており、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの内径と同一の径を有する円板状又は円柱状を有している。ここで、「非リング状」とは、ドーナツ状に径方向内部に孔が空いている環状ではなく、円板状や円柱状等の中実な形状を指す。

言い換えれば、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂは、一つの磁性体９ａの外周を密着（密接）して取り巻くように配置されているとも言える。このような配置において、第１の背面磁石５ａの前端面は、磁性体９ａの前端面とほぼ面一であり、第２の背面磁石５ｂの後端面は、磁性体９ａの後端面とほぼ面一である。
第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの内周面と磁性体９ａを密着させることにより、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの端面から発生した磁力線を第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの軸心方向に誘導することが可能となり、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの軸心近傍での磁力の反発作用を大きくすることが可能となる。その結果、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの軸心方向に沿った直進性の高い磁力線を発生することができ、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの前方に配置されたターゲット２の蒸発面の広い領域において、直進性の高い磁力線を多数発生させることができる。

蒸発源１ａの構成をまとめると、ターゲット２、磁場誘導磁石３、第１の背面磁石５ａ、第２の背面磁石５ｂ、及び磁性体９ａは、それぞれの各軸心が互いに一致するように同軸状に配置されているといえる。
図３に示すように、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの内周面と磁性体９ａの側面を密着させて背面磁場発生源４ａを構成することにより、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの内周面から出た磁力線を、磁性体９ａを通じて第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの軸心方向に直線的に誘導することが可能となる。従って、磁性体９ａにおいて、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの軸心に近い位置での磁力線の反発作用を大きくすることが可能となる。その結果、背面磁場発生源４は、磁性体９ａの前端面の軸心に近い位置から、ターゲット２に向かって直進性の高い磁力線を多数発生させることができる。

さらに、背面磁場発生源４ａが、磁場誘導磁石３の磁化方向と同じ向きの磁化方向となる磁極を発生させることによって、背面磁場発生源４ａからの磁力線のうち基材７から逸れ始める磁力線は、磁場誘導磁石３の磁力線と反発しあって再び基材７方向に伸びる。これによって、ターゲット２の蒸発面の広い領域にわたって直進性の高い磁力線を多数発生することが可能となる。

なお、上述の通り、磁場誘導磁石３の磁化方向と第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁
石５ｂの各磁化方向とは、磁場誘導磁石３の前端面と第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの各内周面が、同じ極性を有した上で互いに垂直な方向となっていればよい。従って、磁場誘導磁石３の極性と第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの極性を、図３に示した上述の構成とは反対にして、磁場誘導磁石３の磁化方向と第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂの各磁化方向をそれぞれ反転させてもよい。

次に、蒸発源１ａを用いた成膜装置６における成膜の方法を説明する。
まず、チャンバ１１を真空引きして真空にした後、アルゴンガス（Ａｒ）等の不活性ガスをガス導入口１３より導入し、ターゲット２及び基材７上の酸化物等の不純物をスパッタによって除去する。不純物の除去後、チャンバ１１内を再び真空にして、真空となったチャンバ１１内にガス導入口１３より反応ガスを導入する。

この状態でチャンバ１１に設置されたターゲット２上でアーク放電を発生させると、ターゲット２を構成する物質がプラズマ化して反応ガスと反応する。これによって、回転台１２に置かれた基材７上に窒化膜、酸化膜、炭化膜、炭窒化膜、或いは非晶質炭素膜等を成膜することができる。
なお、反応ガスとしては、窒素ガス（Ｎ_２）や酸素ガス（Ｏ_２）、またはメタン(ＣＨ_４）などの炭化水素ガスを用途に合わせて選択すればよく、チャンバ１１内の反応ガスの圧力は１〜１０Ｐａ程度とすればよい。また、成膜時、ターゲット２は、１００〜２００Ａのアーク電流を流すことで放電させると共に、１０〜３０Ｖの負電圧をアーク電源１５により印加するとよい。さらに、基材７には１０〜２００Ｖの負電圧をバイアス電源１６により印加するとよい。

また、ターゲット２の前面における磁束密度が５０ガウス以上となるように、磁場誘導磁石３及び背面磁場発生源４ａを構成及び配置すると好ましい。このようにターゲット２の前面における磁束密度の下限を設定することで、成膜を確実に行うことができる。なお、ターゲット２の前面における磁束密度は７５ガウス以上であればより好ましく、１００ガウス以上であればさらに好ましい。

これら磁束密度の下限に加えて、ターゲット２の前面における磁束密度を２５０ガウス以下とすると好ましい。ターゲット２の前面における磁束密度の上限を設定することで、成膜をより確実に行うことができる。なお、ターゲット２の前面における磁束密度は２２５ガウス以下であればより好ましく、２００ガウス以下であればさらに好ましい。
上記のような磁束密度を採用することで、ターゲット２の表面上にアークスポットを閉じこめることができるとともに、アーク放電による成膜を安定して行うことができる。
（実施例１）
図４を参照しながら、第１実施形態による蒸発源１ａで発生する磁力線の分布について説明する。なお、図４で示される磁力線分布図は、背面磁場発生源４ａの後方から基材７の表面までの磁力線分布を示している。図４の磁力線分布図において、右端は基材７の表面の位置を示している。

以下に、各種実験条件を示す。例えば、ターゲット２の寸法は、（１００ｍｍφ×１６ｍｍ厚み）である。磁場誘導磁石３の寸法は、（内径１５０ｍｍ、外径１７０ｍｍ、高さ１０ｍｍ）であり、磁場誘導磁石３の前端面のターゲット２の後面からの距離は２５ｍｍとなっている。
第１の背面磁石５ａの寸法は、（内径１５０ｍｍ、外径１７０ｍｍ、高さ２０ｍｍ）であり、第１の背面磁石５ａの前端面のターゲット２の後面からの距離は１００ｍｍとなっている。第２の背面磁石５ｂの寸法は、（内径１５０ｍｍ、外径１７０ｍｍ、高さ２０ｍｍ）であり、第２の背面磁石５ｂの前端面のターゲット２の後面からの距離は１３０ｍｍとなっている。第１の背面磁石５ａと第２の背面磁石５ｂの間隔は１０ｍｍである。

磁性体９ａの寸法は、（１５０ｍｍφ×高さ５０ｍｍ）である。なお、ターゲット２の蒸発面での磁界強度は、５０ガウス以上である。
図４を参照すると、第１の背面磁石５ａ及び第２の背面磁石５ｂから径内方向へ向かって、直進性の高い磁力線が多数出ている。これら磁力線は、磁性体９ａの軸心近くで、進行方向を該軸心方向に沿うようにほぼ垂直に変化させて、ターゲット２に向かって伸びる
。これら磁力線は、磁場誘導磁石３から出た磁力線と組み合わされてターゲット２の蒸発面を通過する。ターゲット２の蒸発面からは、直進性の高い磁力線がターゲット２の蒸発面のほぼ全面にわたる広い領域において存在し、基材方向に伸びている。言い換えれば、ターゲット２の蒸発面のほぼ全面にわたる広い領域において、垂直の磁力線（垂直成分）が存在している。

ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線の角度の効果について説明する。前述したようにアーク放電中、ターゲット２の蒸発面には陰極点と呼ばれる熱電子放出点（アークスポット）が形成され、陰極点はターゲット２の蒸発面の磁場の影響を強く受ける。ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線が蒸発面の法線に対して傾斜している場合、ターゲット２の蒸発面には水平磁力成分が発生する。ここで、傾斜した磁力線の磁束密度をＢとし、磁力線とターゲット蒸発面との角度を角度θとすると、水平磁力成分は、Ｂｃｏｓθとなる。陰極点は、ｊ×Ｂと反対方向に動くという特性により（ｊはアーク電流）、陰極点には、Ｆ＝−ｊ×Ｂｃｏｓθの力が働く。

つまり、磁力線の角度が外向き（ターゲット２の外周方向）の場合、陰極点はターゲット２の外周方向に向かうような力を受けて移動する。陰極点が外向きの力を受けて外周方向に移動すると、ターゲット表面から陰極点が飛び出し、放電異常が発生する可能性がある。一方、磁力線の角度が内向き（ターゲット中心方向）の場合、陰極点はターゲット２の中心方向に向かうような力を受けて移動する。従って、前述したようなアーク放電異常を抑制するためには、ターゲット２の蒸発面の最外周部においては磁力線の角度を外周方向よりも内向きとなる磁場を形成するのが望ましいといえる。

このように、本実施形態で説明した蒸発源１ａは、磁場誘導磁石３と背面磁場発生源４ａとによって基材方向に向かって伸びる直進性の高い磁力線を形成し、その形成された磁力線の中で、ターゲット２の蒸発面のほぼ全面にわたる広い領域を垂直の磁力線（垂直成分）が通過する位置にターゲット２を配置したものであるといえる。
本実施形態による蒸発源１ａによれば、ターゲット２の蒸発面のほぼ全面にわたる広い領域において垂直の磁力線（垂直成分）が存在することによって、ターゲット２の蒸発面上にアークスポットを閉じこめることができるとともに、ターゲット２の蒸発面の偏消耗を抑制することができ、アーク放電による成膜を安定して行うことができる。

［第２実施形態］
図５及び図６を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。
図５は、本実施形態による成膜装置６に備えられたアーク式蒸発源１の具体的構成であるアーク式蒸発源１ｂ（以下、蒸発源１ｂという）の概略構成を示す図である。本実施形態による成膜装置６において、蒸発源１ｂ以外の構成は第１実施形態で説明した構成と同様であるので、これら同様の構成要素については説明を省略し同じ参照番号を付す。

本実施形態における蒸発源１ｂは、第１実施形態における蒸発源１ａと同様に、所定の厚みを有する円板状のターゲット２と、ターゲット２の近傍に配備された磁界形成手段８ｂとから構成されている。磁界形成手段８ｂは、第１実施形態と同様の磁場誘導磁石３と、背面磁場発生源４ｂとを備えている。
背面磁場発生源４ｂは、磁心となる非リング状の中実な磁性体９ｂと、磁性体９ｂを挟む円板状の第１の円板背面磁石１０ａ及び第２の円板背面磁石１０ｂとから構成されている。第１の円板背面磁石１０ａ及び第２の円板背面磁石１０ｂも、磁性体９ｂと同様に非リング状である。これまでの知見から、基材方向に効率的に磁力線を延ばすためには背面の磁石は厚みが必要であることが分かっている。本実施形態では、その厚みを確保するために２枚の磁石板である第１の円板背面磁石１０ａ及び第２の円板背面磁石１０ｂを並列に離して配置し、かつその間を磁性体９ｂで埋めることで磁力の低下を防いでいる。

図５に示すように、第１の円板背面磁石１０ａ及び第２の円板背面磁石１０ｂでは、それぞれの円板背面磁石の一方の円板面がＮ極となり、他方の円板面がＳ極となるように磁化されている。第１の円板背面磁石１０ａ及び第２の円板背面磁石１０ｂは、第１の円板背面磁石１０ａのＳ極側の円板面と第２の円板背面磁石１０ｂのＮ極側の円板面とで磁性体９ｂを挟んでおり、互いの磁化方向を同じ方向にしてターゲット２に向けている。

磁化方向が同じ２枚の円板背面磁石１０ａ，１０ｂを並列に間隔を空けて配置し、磁性体９ｂを２枚の円板背面磁石１０ａ，１０ｂに密着させて配置したときに得られる効果は、次のとおりである。
第１の円板背面磁石１０ａ及び第２の円板背面磁石１０ｂを並列に間隔を空けて配置することによって、各円板背面磁石から発生する磁力線の直進性が増す。さらに、第１の円板背面磁石１０ａ及び第２の円板背面磁石１０ｂの間に磁性体９ｂを配置することにより、磁性体９ｂが磁気ガイドの役割を果たすので、円板背面磁石から発生する磁力線の直進性をさらに増すことができる。

このように、２枚の円板背面磁石が磁性体９ｂを挟むように構成された背面磁場発生源４ｂをターゲット２の背面に配置することにより、ターゲット２の蒸発面の広い領域にわたって直進性の高い磁力線を多数発生させることができる。
上述のように構成された背面磁場発生源４ｂは、その磁化方向がターゲット２の軸心に沿うものであってターゲット２の蒸発面に対して垂直となるように、且つ第１の円板背面磁石１０ａのＮ極側がターゲット２に向くように、ターゲット２の背面側に配置される。このとき、背面磁場発生源４ｂは、軸心がターゲット２の軸心とほぼ一致するように配置される。

図５に示すように、蒸発源１ｂは、上述のように構成された背面磁場発生源４ｂの前方、つまり磁場誘導磁石３の前方に、背面磁場発生源４ｂ及び磁場誘導磁石３と同軸状にターゲット２を配置することで構成される。このとき、磁場誘導磁石３の磁化方向はターゲット２の蒸発面と垂直となる方向、すなわち基材方向を向くように構成されている。磁場誘導磁石３の円環面である前端面側の磁極はＮ極であり、背面磁場発生源４ｂのターゲット２側の磁極もＮ極であって、磁場誘導磁石３の前端面側の磁極と背面磁場発生源４ｂのターゲット２側の磁極とは互いに同じ極性である。

このように、磁場誘導磁石３と背面磁場発生源４ｂが、ターゲット２に同じ極性を向けることで、磁場誘導磁石３によって形成される磁界と背面磁場発生源４ｂによって形成される磁界とを組み合わせることができる。よって、ターゲット２の蒸発面を通過する磁力線の方向を蒸発面に対してほぼ垂直とすることができ、且つ磁力線を基材７の方向に直線的に誘導することが可能となるという効果が得られる。

なお、上述の通り、磁場誘導磁石３と背面磁場発生源４ｂは同じ磁極をターゲット２に向けていればよいので、蒸発源１ｂは、磁場誘導磁石３と背面磁場発生源４ｂが互いにＳ極をターゲット２に向けるように構成されていてもよい。
（実施例２）
図６を参照しながら、第２実施形態による蒸発源１ｂで発生する磁力線の分布について説明する。なお、図６で示される磁力線分布図は、背面磁場発生源４ｂの後方から基材７の表面までの磁力線分布を示している。図６の磁力線分布図において、右端は基材７の表面の位置を示している。

以下に説明する実施例２での、実験条件を示す。例えば、ターゲット２の寸法は、（１００ｍｍφ×１６ｍｍ厚み）である。第１の円板背面磁石１０ａ及び第２の円板背面磁石１０ｂの寸法は、各々（１００ｍｍφ×４ｍｍ厚み）である。磁性体９ｂの寸法は、（１００ｍｍφ×３０ｍｍ厚み）である。磁場誘導磁石３の寸法は、（内径１５０ｍｍφ、外径１７０ｍｍ、厚み１０ｍｍ）である。ターゲット２の表面での磁束密度は、５０ガウス以上である。

なお、磁場誘導磁石３の前端面からターゲット２の後面までの距離は、２５ｍｍである。また、第１の円板背面磁石１０ａの前端面からからターゲット２の後面までの距離は１００ｍｍである。
図６を参照すると、背面磁場発生源４ｂの第１の円板背面磁石１０ａ及び第２の円板背面磁石１０ｂからターゲット２に向かって、直進性の高い磁力線が多数出ている。これら磁力線は、進行方向を磁性体９ｂの軸心方向に沿うようにターゲット２に向かって伸びている。これら磁力線は、磁場誘導磁石３から出た磁力線と組み合わされてターゲット２の蒸発面を通過する。第１実施形態による蒸発源１ａと同様に、ターゲット２の蒸発面から
は、直進性の高い磁力線がターゲット２の蒸発面のほぼ全面にわたる広い領域において存在し、基材方向に伸びている。言い換えれば、ターゲット２の蒸発面のほぼ全面にわたる広い領域において、垂直の磁力線（垂直成分）が存在している。

このように、本実施形態で説明した蒸発源１ｂは、磁場誘導磁石３と背面磁場発生源４ｂとによって基材方向に向かって伸びる直進性の高い磁力線を形成し、その形成された磁力線の中で、ターゲット２の蒸発面のほぼ全面にわたる広い領域を垂直の磁力線（垂直成分）が通過する位置にターゲット２を配置したものであるといえる。
本実施形態による蒸発源１ｂによれば、ターゲット２の蒸発面のほぼ全面にわたる広い領域において垂直の磁力線（垂直成分）が存在する。これによって、ターゲット２の蒸発面上にアークスポットを閉じこめることができるとともに、ターゲット２の蒸発面の偏消耗を抑制することができ、アーク放電による成膜を安定して行うことができる。

［第３実施形態］
図７及び図８を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。
図７は、本実施形態による成膜装置６に備えられたアーク式蒸発源１の具体的構成であるアーク式蒸発源１ｃ（以下、蒸発源１ｃという）の概略構成を示す図である。本実施形態による成膜装置６において、蒸発源１ｃ以外の構成は第１実施形態で説明した構成と同様であるので、これら同様の構成要素については説明を省略し同じ参照番号を付す。

本実施形態における蒸発源１ｃは、第１実施形態における蒸発源１ａと同様に、所定の厚みを有する円板状のターゲット２と、ターゲット２の近傍に配備された磁界形成手段８ｃとから構成されている。磁界形成手段８ｃは、第１実施形態と同様の磁場誘導磁石３と、背面磁場発生源４ｃとを備えている。
背面磁場発生源４ｃは、導体をほぼ同心のリング状（環状）に巻回して形成された空心状の電磁コイル（コイル磁石）１７と、リング状の電磁コイル１７の径内側に形成された孔である空心部分に挿入された単一の磁性体９ｃを備えている。

電磁コイル１７は、リング状に形成されたソレノイドであり、例えば、巻数が数百回程度（例えば４１０回）となっていて、ターゲット２の径よりも大きな径のコイルとなるように巻回されている。本実施形態では、およそ５０００Ａ・Ｔ程度のアンペア回数で磁場を発生させる。
磁性体９ｃは、非リング状の中実な磁性体９ｃであって、電磁コイル１７の磁心となるものである。磁性体９ｃは、電磁コイル１７を貫通するように電磁コイル１７の空心部分に設けられており、電磁コイル１７の内径とほぼ同一の径を有する円板形状又は円柱形状を有している。

言い換えれば、電磁コイル１７は、一つの磁性体９ｃの外周を密着（密接）して取り巻くように配置されているとも言える。このような配置において、電磁コイル１７の前端面は、磁性体９ｃの前端面とほぼ面一であり、電磁コイル１７の後端面は、磁性体９ｃの後端面とほぼ面一である。
電磁コイル１７を配置したことで得られる効果は、次のとおりである。

電磁コイル１７は、コイル軸心周辺から直進性の高い磁力線を発生することができるので、電磁コイル１７の空心部分に磁性体９ｃを配置することにより、コイル軸心周辺から発生する磁力線の直進性を増すことができる。従って、電磁コイル１７をターゲット２の背面に配置することにより、ターゲット２の中心部から直進性の高い磁力線を多数発生させることができる。

蒸発源１ｃの構成をまとめると、ターゲット２、磁場誘導磁石３、電磁コイル１７、及び磁性体９ｃは、それぞれの各軸心が互いに一致するように同軸状に配置されている。
図７に示すように、電磁コイル１７の内周面と磁性体９ｃの側面を密着させることにより、電磁コイル１７から発生した磁力線の密度を、電磁コイル１７の軸心に近い位置で高めることが可能となる。その結果、磁性体９ｃの前端面の軸心に近い位置から、ターゲット２に向かって直進性の高い磁力線を多数発生させることができる。
（実施例３）
図８を参照しながら、第３実施形態による蒸発源１ｃで発生する磁力線の分布について
説明する。なお、図８で示される磁力線分布図は、背面磁場発生源４ｃの後方から基材７の表面までの磁力線分布を示している。図８の磁力線分布図において、右端は基材７の表面の位置を示している。

以下に説明する実施例３での、実験条件を示す。例えば、磁場誘導磁石３の寸法は、（内径１５０ｍｍφ、外径１７０ｍｍ、厚み１０ｍｍ）である。ターゲット２の寸法は、（１００ｍｍφ×１６ｍｍ厚み）である。ターゲット２の表面での磁束密度は、５０ガウス以上である。電磁コイル１７は、空心部における内径が１００ｍｍφで、外径が１７０ｍｍ、厚み５０ｍｍのリング状に形成されたソレノイドであり、例えば、巻数が４１０回である。電磁コイル１７の空心部に備えられた磁性体９ｃの寸法は、（１００ｍｍφ×３０ｍｍ厚み）である。

磁場誘導磁石３の前端面からターゲット２の後面までの距離は、２５ｍｍである。また、磁性体９ｃの前端面からターゲット２の後面までの距離は１００ｍｍである。
図８を参照すると、背面磁場発生源４ｃの磁性体９ｃからターゲット２に向かって直進性の高い磁力線が多数出ている。これら磁力線は、進行方向が磁性体９ｃの軸心方向に沿うようにターゲット２に向かって伸びている。これら磁力線は、磁場誘導磁石３から出た磁力線と組み合わされてターゲット２の蒸発面を通過する。第１実施形態による蒸発源１ａと同様に、ターゲット２の蒸発面からは、直進性の高い磁力線がターゲット２の蒸発面のほぼ全面にわたる広い領域において存在し、基材方向に伸びている。言い換えれば、ターゲット２の蒸発面のほぼ全面にわたる広い領域において、垂直の磁力線（垂直成分）が存在している。

このように、本実施形態で説明した蒸発源１ｃは、磁場誘導磁石３と背面磁場発生源４ｃとによって基材方向に向かって伸びる直進性の高い磁力線を形成し、その形成された磁力線の中で、ターゲット２の蒸発面のほぼ全面にわたる広い領域を垂直の磁力線（垂直成分）が通過する位置にターゲット２を配置したものであるといえる。
本実施形態による蒸発源１ｂによれば、ターゲット２の蒸発面のほぼ全面にわたる広い領域において垂直の磁力線（垂直成分）が発生する。これによって、ターゲット２の蒸発面上にアークスポットを閉じこめることができるとともに、ターゲット２の蒸発面の偏消耗を抑制することができ、アーク放電による成膜を安定して行うことができる。

上述の第１〜第３実施形態によれば、ターゲット２の蒸発面の法線に対して内向き乃至、ほぼ平行となる磁力線を形成することができる。この磁力線の向きによってアーク放電時の異常放電を抑制できるだけでなく従来よりも安定した放電を得ることができる。この放電の安定化は、ターゲット２の蒸発面全面でのアーク放電を実現することができるので、ターゲット２の使用歩留まり率を高めることができる。

また、本発明の第１〜第３実施形態によれば、ターゲット２の蒸発面全体から基材７の方向に向かって直進性の高い磁力線を多数形成することができるので、アーク放電時、ターゲット２から蒸発した粒子（イオン）のワークへの輸送効率が高められ、成膜速度を向上させることができる。
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

例えば、各実施形態による蒸発源の説明において、各構成要素の形状や寸法に関して、平行、直交、及び同一といった表現、加えて、同軸といった表現を用いているが、これは、数学的な厳密さをもって平行、直交、同一、及び同軸を規定しているのではない。通常の機械部品の工作精度及び組立精度において、平行、直交、同一、及び同軸とみなせる範囲の誤差は、当然に許容される。

また、ターゲット２は、円板形状に限定されず、例えば四角形状などの多角形状を有していてもよい。さらに、磁場誘導磁石３及び背面磁場発生源４ａ〜４ｃは、円環状に限定されず、例えば四角形などの多角形の環状となっていてもよい。

１，１ａ〜１ｃ アーク式蒸発源（蒸発源）
２ ターゲット
３ 磁場誘導磁石３
４，４ａ〜４ｃ 背面磁場発生源４ｃ
５ａ 第１の背面磁石
５ｂ 第２の背面磁石
６ 成膜装置
７ 基材
８ａ〜８ｃ 磁界形成手段
９ａ〜９ｃ 磁性体
１０ａ 第１の円板背面磁石
１０ｂ 第２の円板背面磁石
１１ 真空チャンバ
１２ 回転台
１３ ガス導入口
１４ ガス排気口
１５ アーク電源
１６ バイアス電源
１７ 電磁コイル
１８ グランド

Claims (2)

1. ターゲットと、リング状の磁場誘導磁石と、背面磁場発生源と、を備えたアーク式蒸発源において、
   前記磁場誘導磁石は、前記ターゲットの蒸発面と直交する方向に沿うと共に前方又は後方を向く磁化方向となる極性を有し、
   前記背面磁場発生源は、前記ターゲットの背面側であって前記磁場誘導磁石の後方に配置されると共に、前記磁場誘導磁石の磁化方向に沿って磁力線を形成し、
   前記ターゲットは、前記蒸発面が前記磁場誘導磁石よりも前方に位置するように配置されており、
   前記背面磁場発生源は、前記リング状の磁場誘導磁石の内周面が形成する孔部を前記磁場誘導磁石の磁化方向に沿って通過する磁力線を形成し、前記ターゲットは、前記蒸発面を通過する磁力線が前記リング状の磁場誘導磁石の軸心に対して平行となる又は前記軸心側に傾く位置に配置されている
   ことを特徴とするアーク式蒸発源。
2. 前記磁場誘導磁石の磁化方向における磁場誘導磁石及びターゲットの投影において、前記ターゲットが、前記磁場誘導磁石の径方向における内周面と外周面との中間位置よりも径内側に投影されるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアーク式蒸発源。