JP6403269B2 - アーク蒸発源 - Google Patents

Description

本発明は、アーク蒸発源に関する。

従来より、工具や機械部品などの基材の表面に耐摩耗性の向上等の目的のために被膜を形成する方法として、アーク放電を用いて基材の表面に被膜を形成する方法が種々提案されている。そのような被膜の材料としては、例えば、連続的な成膜を可能にするために棒状のターゲットが用いられる場合がある。

特許文献１記載には、棒状のターゲットを有するアーク蒸発源が開示されている。このようなアーク蒸発源では、ＡＩＰなどのアーク放電を利用して成膜を行う場合、棒状のターゲットの先端面は、アーク放電によって溶融される。その溶融した材料は、基材の表面に付着する。

ここで、成膜中には、ターゲットの先端面においてアーク放電が生じる点であるアークスポットは、不安定な動きをするので、ターゲットの先端面の範囲から出てターゲットの側面やターゲット以外の方へ予期せぬ移動や迷走を起こすおそれがある。そのような場合、成膜装置はアーク放電を自動的に停止せざるをえないので、連続的な成膜ができなくなるおそれがある。

そこで、アークスポットをターゲットの先端面の範囲内に維持するために、特許文献１記載のアーク蒸発源では、棒状のターゲットの周囲に磁場発生用のコイルが当該ターゲットと同軸上に配置されている。このコイルで発生した磁場では、ターゲットの先端面からほぼ法線方向にのびる磁力線が形成される。このようなターゲットの先端面からほぼ法線方向にのびる磁力線によって、アークスポットは、ターゲットの先端面の範囲から出ないように維持される。

特開２００７−７０６９０号公報

ここで、ターゲットとして、近年、カーボン製のターゲットを用いて成膜が行われる場合がある。このような場合、アークスポットがより不安定な動きをするので、当該ターゲットの先端面からさらに出やすくなる傾向がある。そのため、アークスポットをターゲットの先端面の範囲内に維持するためには、より強い磁力線が必要になる。

しかし、特許文献１記載のアーク蒸発源のように、棒状のターゲットの周囲に磁場発生用のコイルが配置された構造では、強い磁力線を発生するためには、コイルやその周辺の機器が大型化し、当該アーク蒸発源の製造コストが増大するという問題がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、装置の大型化を抑えながらターゲットの先端面にアークスポットを安定して保持することが可能なアーク蒸発源を提供することを目的とする。

本発明者は、上記の課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、磁石によって形成される磁場は、アークスポットをターゲットの先端面の範囲内に維持するために、ターゲットの側面に対する磁力線の角度が所定の大きさより低く、かつ、磁力線の強度におけるターゲットの軸方向の成分の大きさが所定の大きさ以上の条件を同時に満たせばよいことを発見した。また、発明者は、磁石がこのような条件を満たす磁場を発生するように配置された場合には、装置の大型化を抑えることが可能であることを発見した。

すなわち、本発明のアーク蒸発源は、
アーク放電によって先端面から溶解されて蒸発されるターゲットと、
前記ターゲットの前記先端面の周縁に連続する側面から当該ターゲットの半径方向に離間した位置に配置された磁石と、
を備えており、
前記磁石は、
前記ターゲットの側面において前記先端面に直交する前記ターゲットの軸方向の前記ターゲットの先端面から１０ｍｍまでの範囲において、以下の条件ａ）およびｂ）、すなわち、
ａ）前記磁石により形成された磁場による磁力線が前記先端面に近づきながら前記ターゲットの半径方向の外側に向かう方向に延びるとともに、前記ターゲットの側面に対して磁場による磁力線がなす角度は、４５度以下であり、かつ、
ｂ）当該磁力線の強度における前記ターゲットの軸方向の成分は、２００Ｇ以上である
という条件を満たす磁場を形成するように配置されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、磁石によって発生する磁場は、上記の条件ａ）およびｂ）を満たすことにより、アークスポットは、ターゲットの先端面の範囲から出ようとしても、ターゲットの先端面付近、すなわち先端面から１０ｍｍまでの範囲においてターゲットの側面における磁力線がアークスポットを当該先端面の範囲内へ押し戻すように作用する。これによって、アークスポットは、ターゲットの先端面の範囲内に維持される。

そして、磁石は、上記の条件ａ）およびｂ）を満たす磁場を発生するように配置された場合には、個々の磁石は強力な磁力を発生するために大型にする必要がなくなるので、装置の大型化を抑えることが可能である。

前記ターゲットは、棒状であるのが好ましく、この場合には、棒状のターゲットの長さに応じて長時間にわたって連続的な成膜が可能になる。

前記ターゲットは、カーボン製であってもよい。カーボン製のターゲットは、アークスポットがより不安定な動きをして、アークスポットが先端面から出やすい傾向があるが、上記のように磁石が上記の条件ａ）およびｂ）を満たす磁場を発生することにより、カーボン製のターゲットを用いてもターゲットの先端面にアークスポットを安定して保持することが可能である。

前記ターゲットは、タングステンカーバイド製、タングステン製、モリブデン製、あるいは、ニオブ製であってもよい。これらタングステンカーバイド製などのターゲットについても、上記のカーボン製のターゲットと同様に、アークスポットが不安定な動きをする傾向があるが、上記のように磁石が上記の条件ａ）およびｂ）を満たす磁場を発生することにより、タングステンカーバイド製などのターゲットを用いてもターゲットの先端面にアークスポットを安定して保持することが可能である。タングステンカーバイド製などのターゲットは、高価であるので、とくにターゲットの消耗形態および歩留りも重視される。そのため、上記のアーク蒸発源において棒状のターゲットとしてタングステンカーバイドなどを使用することは、このターゲットの消耗形態の均一化および歩留りの向上の点で有効である。

前記磁石は、互いに異なる磁性の磁極が当該ターゲットの半径方向に並ぶように配置されているのが好ましい。上記の条件ａ）およびｂ）を満たす磁場を発生するための磁石の配置として、磁石は、ターゲットの側方においてそれら磁石が有する互いに異なる磁極がターゲットの半径方向に並ぶように配置されている場合には、個々の磁石における一方の磁極は、ターゲットの側面に対向し、他方の磁極は、ターゲットの半径方向外側を向く。これにより、ターゲットの側面に対向する磁極は、ターゲットの側面に対して、先端面から１０ｍｍまでの範囲において、上記の条件ａ）およびｂ）を満たすような４５度以下の鋭角で且つ強い磁力線を発生することが可能である。言い換えれば、上記のように磁石を配置することによって、ターゲットの側面に対して４５度以下の鋭角で且つ強い磁力線を発生しながらも、個々の磁石は小さくてすむので、アーク蒸発源の装置全体を確実に小型化することが可能である。

なお、前記磁石は、互いに異なる磁性の磁極が当該ターゲットの軸方向に並ぶように配置されていてもよい。この場合も、磁石が上記の条件ａ）およびｂ）を満たす磁場を発生するように配置されていれば、個々の磁石は強力な磁力を発生するために大型にする必要がなくなるので、装置の大型化を抑えることが可能である。

前記磁力線の強度における前記ターゲットの軸方向の成分は、５００Ｇ以上であるのが好ましい。

この磁力線は、アークスポットをターゲットの先端面の範囲内により確実に押し戻すことが可能である。

前記磁力線の強度における前記ターゲットの軸方向の成分は、前記ターゲットの先端面から当該ターゲットの軸方向へ離れるにしたがって増加するのが好ましい。

この構成では、磁力線は、ターゲットの先端面からターゲットの軸方向へ離れるにしたがって強くなっていくので、アークスポットがターゲットの先端面から外れてターゲットの側面へ移動した場合でも当該側面でとどまることなく、アークスポットを磁力の作用で確実にターゲット先端面に押し返すことが可能である。

前記磁場は、前記ターゲットの側面において前記ターゲットの軸方向の前記ターゲットの先端面から２０ｍｍまでの範囲において、前記磁力線の強度における前記ターゲットの軸方向の成分が８００Ｇ以上になる場所を有するのが好ましい。

この構成によって、アークスポットがターゲットの側面でとどまることなく、アークスポットを磁力の作用でより確実にターゲット先端面に押し返すことが可能である。

前記磁石は、永久磁石であるのが好ましい。

この場合、コイルを有する電磁石と比べて磁石を小型にすることが可能になる。そのため、磁石の配置自由度が向上するとともに、アーク蒸発源の小型化をより確実に達成することが可能である。

前記永久磁石は、ネオジムを含んでいるのが好ましい。

ネオジムを含む永久磁石は、小型でありながら、上記の条件ａ）およびｂ）を満足する強い磁力線を発生することが可能である。

前記磁石は、前記ターゲットの周方向において、互いに等間隔に複数配置されているのが好ましい。

これにより、前記ターゲット側面において、磁石によって発生する磁場をターゲットの周方向において均一に分布させることが可能である。そのため、アークスポットがターゲットの側面にとどまるおそれがある局所的に磁力線が弱い部分をなくすことができ、アークスポットを磁力の作用でより確実にターゲット先端面に押し返すことが可能である。

前記磁石は、前記ターゲットの先端面から当該ターゲットの軸方向における後方側に配置されているのが好ましい。

磁石が上記のように配置されていることにより、上記の条件ａ）およびｂ）を満たす磁場を確実に発生することが可能であり、しかも、ターゲットの先端面から飛び出す溶融材料が磁石に付着するおそれを回避することが可能である。

以上説明したように、本発明のアーク蒸発源によれば、ターゲットの先端面にアークスポットを安定して保持することができ、しかも、当該アーク蒸発源の大型化を抑えることができる。

本発明の実施形態に係るアーク蒸発源の斜視図である。 図１のターゲットおよび磁石をターゲットの側面から見た図である。 図１のターゲットおよび磁石をターゲットの先端面から見た図である。 図１の磁石によって発生した磁場を示す図である。 図４の磁場におけるターゲット先端面と磁石との間の部分を拡大した図である。 図１のターゲットの先端面からの距離と水平磁束密度との関係を示すグラフである。 図１のターゲットの先端面からの距離とターゲットの側面に対する磁力線の角度との関係を示すグラフである。 本発明の変形例であって、磁石の磁極がターゲットの軸方向に並ぶように磁石が配置された場合のターゲット先端面と磁石との間の部分を拡大した図である。 本発明の比較例として、ターゲットの軸方向に異なる磁極が並ぶ磁石が本発明の磁場の発生条件をａ）およびｂ）を満足しない磁場を発生した状態を示す図である。 図９のターゲットの先端面からの距離と水平磁束密度との関係を示すグラフである。 図９のターゲットの先端面からの距離とターゲットの側面に対する磁力線の角度との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明のアーク蒸発源の実施形態についてさらに詳細に説明する。

図１〜３に示されるアーク蒸発源１は、本体部２と、棒状のカーボン製のターゲット３と、ターゲット３の周囲に放射状に配置された複数の磁石４と、これら磁石４をアーク放電から保護するシールド板５と、ターゲット３を軸方向Ａに送り出す送出部６と、ターゲット３のアーク放電を開始させる着火装置７とを備えている。

本体部２は、主板部２ａと、筒部２ｂとを有する。主板部２ａは、成膜装置のチャンバ（図示せず）内に配置されている。筒部２ｂは、主板部２ａの背面側においてチャンバの外に配置されている。棒状のターゲット３の先端部は、主板部２ａおよびシールド板５を貫通して、チャンバ内に露出している。ターゲット３の残りの部分は、筒部２ｂ内部に収容されている。なお、シールド板５は、ターゲット３が貫通する貫通孔５ａを有する。

棒状のカーボン製のターゲット３は、円柱状を有しており、具体的には、円形の先端面３ａと、当該先端面３ａの周縁に連続する側面３ｂとを有する。ターゲット３の直径は、１０〜３０ｍｍ程度である。ターゲット３の長さは、当該ターゲット３の直径よりも十分に長い。ここで、カーボン製のターゲット３の場合はアークスポットＳ（図２参照）は、円形の先端面３ａの範囲内で、ゆっくりと回転（数秒で１回転）し、金属製のターゲットの場合のように先端面内でランダムに動かない傾向がある。そのため、カーボン製のターゲットでは、直径が太く、平板に近い形状を有する場合には、成膜時の膜厚分布がばらつき、ターゲット先端面の角部だけ消耗して均一に消耗しないおそれがある。そこで、このような問題を解消するために、カーボン製のターゲットの場合には、ターゲット３の直径は、上記のように１０〜３０ｍｍ程度であるのが好ましい。

なお、ターゲット３は、棒状以外の形状（例えば、平板状などのようにターゲット３の長さが当該ターゲット３の直径と比較して十分に長くない種々の立体形状）であってもよい。

ターゲット３は、カーボン（すなわち炭素）を含む材料からなり、例えば、炭素の純物質、または炭素と他の物質との混合物によって製造される。

ターゲット３は、成膜装置にチャンバ内において、基材の表面に成膜を行うために、アーク放電によって先端面３ａから溶解されて蒸発される。アーク放電は、着火装置７の接触棒７ａがターゲット３に接触したときに開始される。ターゲット３は、送出部６によって、溶融した長さの分だけチャンバ内に突出するように、先端面３ａに直交する軸方向Ａへ自動的に送り出される。そのため、ターゲット３の先端面３ａの位置は、ターゲット３が消耗しても所定の位置に維持される。

なお、本実施形態で用いられるカーボン製のターゲット３は、他の材料（例えば金属）からなるターゲットと比較して、アーク放電によって蒸発されるときに温度が上昇しにくい。そのためアーク蒸発源１は、ターゲット３を冷却するための機構が不要である。なお、ターゲットは、カーボン以外の他の材料（例えば、後述するタングステンカーバイドなどの金属製ターゲットなど）であってもよい。

複数の磁石４は、ターゲット３の側面３ｂから当該ターゲット３の半径方向Ｂに離間した位置において、互いに異なる磁性の磁極４ａ、４ｂが当該ターゲット３の半径方向Ｂに並ぶように配置されている。これらの磁石４は、後述の条件ａ）およびｂ）を満たす磁場ＭＦ１（図４〜５参照）を発生する。ターゲット３の側面３ｂに対向する磁極４ａは、Ｎ極であり、ターゲット３の半径方向Ｂ外側を向く磁極４ｂは、Ｓ極である。

これら複数の磁石４は、ターゲット３の周方向において互いに等間隔に配置されるように、本体部２の主板部２ａに取り付けられている。これにより、ターゲット３の側面３ｂにおいて、磁石４によって発生する磁場ＭＦ１をターゲット３の周方向において均一に分布させることが可能である。

これらの磁石４は、ターゲット３の先端面３ａから当該ターゲット３の軸方向Ａにおける後方側に配置されている。例えば、図４に示されるように、磁石４は、その中心がターゲット３の先端面３ａから２０ｍｍ後方の位置にあるように、配置される。そのため、後述の条件ａ）およびｂ）を満たす磁場ＭＦ１を確実に発生することが可能であり、しかも、ターゲット３の先端面３ａから飛び出す溶融材料が磁石４に付着するおそれを回避することが可能である。磁石４は、条件ａ）およびｂ）を満たす磁場ＭＦ１を形成することができるのであれば、ターゲット３の先端面３ａから当該ターゲット３の軸方向Ａにおける後方側に配置されることに限定されるものではない。例えば、磁石４の一部が、先端面３ａから前方側に突出していてもよい。

ターゲットの先端面３ａと磁石４との間には、図２に示されるように、シールド板５が介在している。

それぞれの磁石４は、強い磁力を発生する永久磁石からなり、例えば、ネオジムを含む合金（例えば、ＮｄＦｅＢなど）によって製造される。ネオジムを含む永久磁石は、小型でありながら、後述する条件ａ）およびｂ）を満足する強い磁力線ＦＬ１を発生することが可能である。また、強い磁力を発生する永久磁石は、サマリウムおよびコバルトを含む合金（ＳｍＣｏ）によっても製造される。

磁石４は、永久磁石からなるので、コイルを有する電磁石と比べて小型化が可能である。したがって、磁石４の配置自由度が向上するとともに、アーク蒸発源１の小型化をより確実に達成することが可能である。

磁石４は、上記のようにターゲット３の側面３ｂから離間して半径方向Ｂに磁極４ａ、４ｂが並ぶように放射状に配置されることにより、磁石４は、ターゲット３の側面３ｂにおいて図４〜５に示される磁場ＭＦ１を形成する。なお、図４では、磁石４は、ターゲット３の先端面３ａから後方側に配置され、具体的には、当該磁石４の中心がターゲット３の先端面３ａから２０ｍｍ後方の位置にあるように配置されている。ただし、先端面３ａに対する磁石４の位置関係については、本発明はこれに限定されるものではない。

この磁場ＭＦ１の磁力線ＦＬ１は、ターゲット３の側面３ｂに対向する磁極４ａから出て、ターゲット３の側面の３ｂにおける先端面３ａ付近（具体的には、ターゲット３の先端面３ａから１０ｍｍまでの範囲）では、ターゲット３の側面３ｂに対して鋭角に延びる。すなわち、磁力線ＦＬ１は、ターゲット３の先端面３ａから１０ｍｍまでの範囲では、ターゲット２の側面３ｂにおいて、先端面３ａへ近づきながら半径方向Ｂの外側に向かう方向へ延びる。しかも、この範囲では、磁力線ＦＬ１は、密集状態を保っている（すなわち、磁束密度が高い）。

この磁場ＭＦ１は、ターゲット３の軸方向Ａのターゲット３の先端面３ａから１０ｍｍまでの範囲において、以下の条件ａ）およびｂ）、すなわち、
ａ）磁石４により形成された磁場ＭＦ１による磁力線ＦＬ１が先端面３ａに近づきながらターゲット３の半径方向の外側に向かう方向に延びるとともに、ターゲット３の側面３ｂに対して磁場ＭＦ１による磁力線ＦＬ１がなす角度θは、４５度以下であり、かつ、
ｂ）当該磁力線ＦＬ１の強度におけるターゲット３の軸方向Ａの成分Ｂｘは、２００Ｇ以上である
という条件を満たす。

上記の条件ａ）およびｂ）を満たすことにより、図２〜３に示されるアークスポットＳは、カーボン製のターゲット３の先端面３ａの範囲から出ようとしても、ターゲット３の先端面３ａ付近、すなわち先端面３ａから１０ｍｍまでの範囲においてターゲット３の側面３ｂにおける磁力線ＦＬ１（図４〜５参照）がアークスポットＳを当該先端面３ａの範囲内へ押し戻すように作用する。これによって、アークスポットＳは、カーボン製のターゲット３の先端面３ａの範囲内に維持され、アークスポットＳがターゲット３の先端面３ａの範囲外へ出ることが防止される。

そして、磁石４は、上記の条件ａ）およびｂ）を満たす磁場を発生するように配置された場合には、個々の磁石４は強力な磁力を発生するために大型にする必要がなくなるので、アーク蒸発源１の大型化を抑えることが可能である。

また、ターゲット３は、棒状であるので、その長さに応じて長時間にわたって連続的な成膜が可能である。

本実施形態では、ターゲット３としてカーボン製のターゲットが採用されているので、アークスポットＳがより不安定な動きをして、アークスポットＳが先端面３ａから出やすい傾向がある。しかし、上記のように磁石４が上記の条件ａ）およびｂ）を満たす磁場を発生することにより、カーボン製のターゲット３を用いてもターゲット３の先端面３ａにアークスポットＳを安定して保持することが可能である。

本実施形態では、上記の条件ａ）およびｂ）を満たす磁場ＭＦ１を発生するための磁石４の配置として、複数の磁石４は、カーボン製のターゲット３の側方においてそれら磁石４が有する互いに異なる磁極４ａ、４ｂがターゲット３の半径方向Ｂに並ぶように配置されている。これによって、ターゲット３の側面３ｂに対して４５度以下の鋭角で且つ強い磁力線ＦＬ１を発生しながらも、個々の磁石４は小さくてすむので、アーク蒸発源１の装置全体を確実に小型化することが可能である。

なお、磁石４は、図８に示されるように、互いに異なる磁性の磁極４ａ（例えばＮ極）および磁極４ｂ（例えばＳ極）が当該ターゲット３の軸方向Ａに並ぶように配置されていてもよい。この場合も、磁石４が上記の条件ａ）およびｂ）を満たす磁場ＭＦ１’を発生するように配置されていれば、カーボン製のターゲット３の先端面３ａの範囲から出ようとしても、ターゲット３の先端面３ａ付近、すなわち先端面３ａから１０ｍｍまでの範囲においてターゲット３の側面３ｂにおける磁力線ＦＬ１’がアークスポットＳを当該先端面３ａの範囲内へ押し戻すことが可能である。しかも、このような図８に示される構成個々の磁石４は強力な磁力を発生するために大型にする必要がなくなるので、アーク蒸発源１の大型化を抑えることが可能である。なお、このように磁極４ａ、４ｂがターゲット３の軸方向に並んで配置された場合、ターゲット３の先端面３ａから放出される電子は磁力線ＦＬ１’に沿って先端面３ａに近い側の磁極４ａに向かって流れるので、磁石４の磁極４ａの部分はアノード（陽極）となって加熱されるので、この磁極４ａの部分を水冷などによる冷却機構によって冷却されるのが好ましい。

なお、上記のように、磁石４が互いに異なる磁性の磁極４ａおよび磁極４ｂが当該ターゲット３の軸方向Ａに並ぶように配置される場合には、 磁石４は、リング状の磁石であってもよいし、図８に示されるようにターゲット３の周囲に複数の磁石４を周方向に配置してもよい。

磁力線ＦＬ１の強度におけるターゲット３の軸方向Ａの成分Ｂｘは、５００Ｇ以上であるのが好ましい。このような磁力線ＦＬ１は、アークスポットＳをカーボン製のターゲット３の先端面３ａの範囲内により確実に押し戻すことが可能である。

上記の条件ａ）およびｂ）に関しては、さらに詳細な説明が行われる。

図６には、磁石４が図４に示されるように放射状に配置された場合において、図１のターゲットの先端面３ａからの距離Ｘ（ｍｍ）と磁石４によって形成される磁場ＭＦ１の水平磁束密度Ｂｘ（単位はＧ（＝×１０^−４Ｔ））との関係を示すグラフが示されている。この図６では、磁力線ＦＬ１の強度におけるターゲット３の軸方向Ａの成分Ｂｘは、水平磁束密度Ｂｘとして示される。

図６のグラフの曲線Ｉは、本実施形態におけるネオジムを含む合金（ＮｄＦｅＢ）で製造された永久磁石からなる磁石４における水平磁束密度Ｂｘが示されている。この曲線Ｉでは、ターゲット３の先端面３ａからの距離Ｘが０〜１０ｍｍの範囲において、２００Ｇ以上の水平磁束密度Ｂｘ、具体的には２３０〜８００Ｇの水平磁束密度Ｂｘが示される。よって、この範囲においてアークスポットＳを先端面３ａに押し戻すことが可能な強い磁力線が発生していることがわかる。また、曲線Ｉでは、距離Ｘが１０〜１６ｍｍの範囲において、８００Ｇ以上の水平磁束密度Ｂｘが示され、この範囲において非常に強い磁力線が発生していることがわかる。この範囲では、磁力線が非常に強いので、アークスポットＳを磁力の作用でアークスポットＳを先端面３ａにより確実に押し戻すことが可能である。

また、図６のグラフの曲線ＩＩは、本実施形態におけるサマリウムおよびコバルトを含む合金（ＳｍＣｏ）で製造された永久磁石からなる磁石４における水平磁束密度Ｂｘが示されている。この曲線ＩＩでは、ターゲット３の先端面３ａからの距離Ｘが０〜１０ｍｍの範囲において、２００Ｇ以上、具体的には、２１０〜６２０Ｇの水平磁束密度Ｂｘが示され、この範囲においてアークスポットＳを先端面３ａに押し戻すことが可能な強い磁力線が発生していることがわかる。また、曲線ＩＩでは、距離Ｘが１３〜１４ｍｍの範囲において、８００Ｇ以上の水平磁束密度Ｂｘが示されている。

また、図６のグラフの曲線Ｉ、ＩＩにおけるターゲット３の先端面３ａからの距離Ｘが０〜１４ｍｍの範囲では、磁力線ＦＬ１の強度におけるターゲット３の軸方向Ａの成分Ｂｘは、ターゲット３の先端面３ａから当該ターゲット３の軸方向Ａへ離れるにしたがって増加する。これにより、磁力線ＦＬ１は、ターゲット３の先端面３ａからターゲット３の軸方向Ａへ離れるにしたがって強くなっていくので、アークスポットＳがターゲット３の先端面３ａから外れてターゲット３の側面３ｂへ移動した場合でも当該側面３ｂでとどまることなく、アークスポットＳを磁力の作用で確実にターゲット３先端面３ａに押し返すことが可能である。

言い換えれば、カーボン製のターゲット３の側面３ｂにおいてアーククスポットＳを押し返す効果は、磁力線ＦＬ１の水平成分強度Ｂｘによるところが大きい。しかし、側面３ｂ上において水平成分強度Ｂｘが局所的に弱い箇所がある場合には、その箇所においてアークスポットＳが意図しない挙動をするおそれが高くなり、アークスポットＳの位置を制御することが難しくなる。そこで、磁力線ＦＬ１の水平成分強度Ｂｘが均一に単調増加するように当該磁力線ＦＬ１が分布していれば、アークスポットＳを確実にターゲット３先端面の３ａへ押し返すことが可能である。

さらに、図６のグラフの曲線ＩＩＩは、参考例として鉄（Ｆｅ）を主原料とする既存の永久磁石からなる磁石における水平磁束密度Ｂｘが示されている。この曲線ＩＩＩでは、上記の曲線Ｉ、ＩＩと比較して、ターゲット３の先端面３ａからの距離Ｘが０〜２０ｍｍの範囲において、水平磁束密度Ｂｘが全体的に低いことが理解される。この距離Ｘが０〜１０ｍｍの範囲の大半の部分では、水平磁束密度Ｂｘが２００Ｇ以下であるので、このような鉄製の既存の永久磁石では、アークスポットＳを先端面３ａに押し戻すことが可能な強さの磁力線を得ることができないことがわかる。

図７には、磁石４が図４に示されるように放射状に配置された場合において、図１のターゲット３の先端面３ａからの距離Ｘ（ｍｍ）とターゲット３の側面３ｂに対する磁力線ＦＬ１の角度θとの関係を示すグラフが示されている。この図７のグラフでは、ターゲット３の先端面３ａからの距離Ｘが０〜１２ｍｍの範囲において、角度θが０〜３０度の鋭角の範囲にあり、磁力線ＦＬ１がアークスポットＳを先端面３ａへ押し戻すこと可能な鋭利な角度を有していることがわかる。

上記のように、ネオジムを含む合金（ＮｄＦｅＢ）またはサマリウムおよびコバルトを含む合金（ＳｍＣｏ）で製造された永久磁石からなる磁石４が、図４〜５に示されるように放射状に配置された構成では、上記の条件ａ）およびｂ）を満たす磁力線ＭＦ１を発生し、それによって、アークスポットＳがターゲット３の先端面３ａの範囲外へ出ることが防止することができることが発明者による実験により確認されている。

一方、本発明の比較例として、図９に示されるように、永久磁石からなる磁石１０４がターゲット３の軸方向Ａに配置された場合に本発明の磁場の発生条件である上記の条件ａ）、ｂ）を満たさない磁場を発生する構成について考察する。

図９に示される構成では、磁石１０４は、ターゲット３の側面３ｂから離間し、磁極１０４ａ、１０４ｂがターゲット３の軸方向Ａに並ぶように配置されている。これにより、磁石１０４は、ターゲット３の側面３ｂにおいて図９に示される磁場ＭＦ２を形成する。なお、図９では、磁石１０４は、磁石１０４の軸方向の中間位置がターゲット３の先端面３ａから２０ｍｍ後方の位置にあるように配置されている。

この磁場ＭＦ２の磁力線ＦＬ２は、ターゲット３の先端面３ａの側を向く磁極１０４ａから出ているが、ターゲット３の側面の３ｂにおける先端面３ａ付近（具体的には、ターゲット３の先端面３ａから６ｍｍ程度までの範囲）では、ターゲット３の側面３ｂからターゲット３の内部に入り込んでいる。すなわち、磁力線ＦＬ２は、ターゲット３の先端面３ａから６ｍｍ程度までの範囲では、ターゲット２の側面３ｂにおいて、先端面３ａへ近づきながら半径方向Ｂの内側に向かう方向へ延びている。しかも、この範囲では、磁力線ＦＬ２は、まばらである（すなわち、磁束密度が低い）。

図１０には、磁石１０４が図９に示されるようにターゲット３の軸方向に配置された場合において、ターゲット３の先端面３ａからの距離Ｘ（ｍｍ）と磁石４によって形成される磁場ＭＦ２の水平磁束密度Ｂｘ（単位はＧ（＝×１０^−４Ｔ））との関係を示すグラフが示されている。

図１０のグラフの曲線ＩＶは、ネオジムを含む合金（ＮｄＦｅＢ）で製造された永久磁石からなる磁石１０４における水平磁束密度Ｂｘが示されている。また、曲線Ｖは、サマリウムおよびコバルトを含む合金（ＳｍＣｏ）で製造された永久磁石からなる磁石１０４における水平磁束密度Ｂｘが示されている。曲線ＶＩは、鉄（Ｆｅ）を主原料とする永久磁石からなる磁石１０４における水平磁束密度Ｂｘが示されている。

これら曲線ＩＶ〜ＶＩでは、ターゲット３の先端面３ａからの距離Ｘが０〜１０ｍｍの範囲において、水平磁束密度Ｂｘが２００Ｇ未満の低い値を維持していることが示されている。したがって、この範囲では、磁力線ＦＬ２の強度が弱いので、ターゲットのアークスポットＳを先端面３ａに押し戻すことが難しいと考えられる。

図１１には、磁石１０４が図９に示されるようにターゲット３の軸方向に配置された場合において、ターゲット３の先端面３ａからの距離Ｘ（ｍｍ）とターゲット３の側面３ｂに対する磁力線ＦＬ２の角度θとの関係を示すグラフが示されている。この図１１のグラフでは、ターゲット３の先端面３ａからの距離Ｘが０〜６ｍｍの範囲において、角度θが０度以下になることが理解される。すなわち、磁力線ＦＬ２は、ターゲット３の先端面３ａから６ｍｍまでの範囲では、ターゲット３の側面３ｂにおいて、先端面３ａへ近づきながら半径方向Ｂの内側に向かう方向へ延び、ターゲット３内部に入り込んでいる。そのため、このようなターゲット３内部に入り込んだ磁力線ＦＬ２は、ターゲット３の側面３ｂにおいてアークスポットＳを先端面３ａに押し戻す作用が弱いと考えられる。

以上のように、図９に示されるように、磁石１０４がターゲット３の軸方向Ａに配置された場合には、当該磁石１０４において形成される磁場ＭＦ２は、ターゲット３の軸方向Ａのターゲット３の先端面３ａから１０ｍｍまでの範囲において、上記の条件ａ）およびｂ）を満足する構成を構築することが難しいことがわかる。そのため、図９〜１１に示されるように上記の条件ａ）およびｂ）を満たさない場合には、ターゲット３の側面３ｂにおける磁力線ＦＬ２によってアークスポットＳをターゲット３の先端面３ａの範囲内へ押し戻すことが難しいと考えられる。

そして、このような磁石１０４がターゲット３の軸方向Ａに配置された構成では、たとえネオジムを含む合金（ＮｄＦｅＢ）またはサマリウムおよびコバルトを含む合金（ＳｍＣｏ）で製造された永久磁石を用いても、上記の本実施形態の図４〜５に示されるように磁石４が放射状に配置された構成のように、アークスポットＳがターゲット３の先端面３ａの範囲外へ出ることが防止することができないことが発明者による実験により確認されている。

したがって、図４〜５に示されるように磁石４が互いに異なる磁性の磁極４ａ、４ｂが当該ターゲット３の半径方向に並ぶように配置されている構成の方が、図９に示されるように磁極１０４ａ、１０４ｂがターゲット３の軸方向に並ぶように磁石１０４が配置されている構成と比較して、上記の磁場の発生条件ａ）およびｂ）を満足する構成を容易に構築することができることがわかる。よって、図４〜５に示される磁石４が放射状に配置された構成の方が、ターゲット３の先端面３ａにアークスポットＳをより安定して保持することができ、しかも、当該アーク蒸発源１の小型化を確実に達成することが可能であることがわかる。

上記の実施形態では、ターゲット３として、カーボン製のターゲットを例に挙げて説明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。ターゲット３は、タングステンカーバイド製、タングステン製、モリブデン製、あるいは、ニオブ製であってもよい。これらタングステンカーバイド製などのターゲット３についても、上記のカーボン製のターゲット３と同様に、アークスポットが不安定な動きをする傾向があるが、上記のように磁石が上記の条件ａ）およびｂ）を満たす磁場を発生することにより、タングステンカーバイド製などのターゲット３を用いてもターゲット３の先端面にアークスポットを安定して保持することが可能である。タングステンカーバイド製などのターゲット３は、高価であるので、とくにターゲット３の消耗形態および歩留りも重視される。そのため、上記のアーク蒸発源１において棒状のターゲット３としてタングステンカーバイドなどを使用することは、このターゲット３の消耗形態の均一化（すなわち、ターゲット３がその先端面全体にわたって均一に消耗すること）および歩留りの向上の点で有効である。

１ アーク蒸発源
２ 本体部
３ カーボンターゲット
３ａ 先端面
３ｂ 側面
４ 磁石
４ａ、４ｂ 磁極
Ａ 軸方向
Ｂ 半径方向
Ｓ アークスポット

Claims (13)

1. アーク放電によって先端面から溶解されて蒸発されるターゲットと、
   前記ターゲットの前記先端面の周縁に連続する側面から当該ターゲットの半径方向に離間した位置に配置された磁石と、
   を備えており、
   前記磁石は、
   前記ターゲットの側面において前記先端面に直交する前記ターゲットの軸方向の前記ターゲットの先端面から１０ｍｍまでの範囲において、以下の条件ａ）およびｂ）、すなわち、
   ａ）前記磁石により形成された磁場による磁力線が前記先端面に近づきながら前記ターゲットの半径方向の外側に向かう方向に延びるとともに、前記ターゲットの側面に対して磁場による磁力線がなす角度は、４５度以下であり、かつ、
   ｂ）当該磁力線の強度における前記ターゲットの軸方向の成分は、２００Ｇ以上である
   という条件を満たす磁場を形成するように配置されていることを特徴とするアーク蒸発源。
2. 前記ターゲットは、棒状である、請求項１に記載のアーク蒸発源。
3. 前記ターゲットは、カーボン製である、請求項１または２に記載のアーク蒸発源。
4. 前記ターゲットは、タングステンカーバイド製、タングステン製、モリブデン製、または、ニオブ製のいずれかである、請求項１または２に記載のアーク蒸発源。
5. 前記磁石は、互いに異なる磁性の磁極が当該ターゲットの半径方向に並ぶように配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載のアーク蒸発源。
6. 前記磁石は、互いに異なる磁性の磁極が当該ターゲットの軸方向に並ぶように配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載のアーク蒸発源。
7. 前記磁力線の強度における前記ターゲットの軸方向の成分は、５００Ｇ以上である
   請求項１〜６のいずれかに記載のアーク蒸発源。
8. 前記磁力線の強度における前記ターゲットの軸方向の成分は、前記ターゲットの先端面から当該ターゲットの軸方向へ離れるにしたがって増加する
   請求項１〜７のいずれかに記載のアーク蒸発源。
9. 前記磁場は、前記ターゲットの側面において前記ターゲットの軸方向の前記ターゲットの先端面から２０ｍｍまでの範囲において、前記磁力線の強度における前記ターゲットの軸方向の成分が８００Ｇ以上になる場所を有する、
   請求項１〜８のいずれかに記載のアーク蒸発源。
10. 前記磁石は、永久磁石である、
    請求項１〜９のいずれかに記載のアーク蒸発源。
11. 前記永久磁石は、ネオジムを含む、
    請求項１０に記載のアーク蒸発源。
12. 前記磁石は、前記ターゲットの周方向において、互いに等間隔に複数配置されている
    請求項１〜１１のいずれかに記載のアーク蒸発源。
13. 前記磁石は、前記ターゲットの先端面から当該ターゲットの軸方向における後方側に配置されている
    請求項１〜１２のいずれかに記載のアーク蒸発源。