WO2014178100A1 - アーク蒸発源 - Google Patents

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尚登 岡崎
健 吉原
浩 石塚
知保 松野
真司 楢原
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日本アイ・ティ・エフ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an arc evaporation source used in an arc ion plating apparatus.
  • an arc ion plating apparatus In order to form a ceramic hard film on a base material, an arc ion plating apparatus has been conventionally used, and the cathode material of the arc evaporation source is vaporized and ionized by arc discharge in a vacuum to form the base material (workpiece).
  • an arc ion plating method for forming a film on the surface is used (for example, Patent Documents 1 and 2).
  • FIG. 24 An example of an arc evaporation source used in such an arc ion plating method is shown in FIG.
  • the cathode 1 processed into a disk shape is fixed by the fixing ring 2 so that the magnetic pole is oriented along the axial direction of the cathode 1 on the surface opposite to the discharge surface of the cathode 1.
  • a permanent magnet 4 is arranged to constitute an arc evaporation source.
  • Reference numeral 3 denotes one of the lines of magnetic force generated from the permanent magnet 4.
  • the arc discharge sequentially forms arc spots on the discharge surface of the cathode 1 and the cathode material evaporates.
  • This arc spot has a property of moving in a direction that forms an acute angle with the magnetic field.
  • the magnet 4 in order to control the arc state, the magnet 4 is disposed on the back surface of the cathode 1, and the vicinity of the outer peripheral portion of the cathode 1 is processed into a bank shape.
  • the magnetic field lines 3 emitted from the magnet 4 are formed so as to spread outward in the radial direction of the cathode, and the arc spot is prevented from escaping from the cathode discharge surface.
  • the shape of the cathode 1 changes from the shape shown by the broken line in FIG. 25 to the shape shown by the solid line as the number of deposition batches increases.
  • the cathode material could not be used effectively up to the center of the discharge surface.
  • a tapered confinement ring 5 is provided on the outer peripheral portion of the cathode 1 to constitute an arc evaporation source, A technique for preventing the deviation of the arc spot has also been proposed.
  • An arc evaporation source that melts and evaporates the cathode material by arc discharge in vacuum, and forms a film on the surface of the substrate.
  • a cathode formed in a substantially disc shape, and a magnetic field generating means disposed on the back side of the cathode,
  • the magnetic field generating means includes at least one permanent magnet disposed on the back surface of the cathode with a magnetic pole directed in a direction of 20 ° to 50 ° with respect to the discharge surface of the cathode.
  • Magnetic field lines that are acute with respect to the material direction magnetic field lines that are substantially perpendicular to the discharge surface at the outermost peripheral portion of the discharge surface of the cathode, and with respect to the central direction of the cathode at portions near the outer peripheral surface of the discharge surface of the cathode
  • An arc evaporation source configured to generate a magnetic field in which acute magnetic field lines are formed.
  • the present inventor made use of the property of an arc spot in which a magnetic field moves in an acute angle direction, and as shown by three arrows in FIG. Magnetic field lines that are acute with respect to the substrate direction at the outer peripheral surface of the cathode, magnetic field lines that are substantially perpendicular to the discharge surface at the outermost peripheral portion of the cathode discharge surface, and the center of the cathode at the portion near the outer peripheral surface of the cathode discharge surface.
  • the arc spot stays on the discharge surface without moving to the outer peripheral surface and moves inside the discharge surface over a wide range. I came to think that it could be used more efficiently.
  • ⁇ is a magnetic field line having an angle of approximately 90 ° at the outermost peripheral portion of the discharge surface, and ⁇ is 90 at the discharge surface.
  • a magnetic field (magnetic field distribution) in which three conditions of magnetic field lines of less than (acute angle) and magnetic field lines of ⁇ exceeding 90 ° (obtuse angle) are arranged outside the discharge surface is formed.
  • ⁇ is approximately 90 °” indicates that there may be a variation of about ⁇ 5 °.
  • the present inventor examined specific magnetic field generating means for forming the above magnetic field by magnetic field simulation.
  • a ring-shaped permanent magnet was installed near the outer periphery of the back surface of the cathode so that the direction of the magnetic poles was parallel to the axial direction of the cathode.
  • the “magnetic field lines substantially perpendicular to the discharge surface at the outermost peripheral portion of the discharge surface of the cathode” cannot be generated, and the “cathode discharge surface” near the outermost periphery of the “cathode discharge surface”. It is also impossible to generate a magnetic field line having an acute angle with respect to the center direction of the magnetic field.
  • a ring-shaped permanent magnet was magnetized and installed on the back surface of the cathode so that the direction of the magnetic pole was parallel to the cathode discharge surface.
  • the magnetic field can be generated by appropriately arranging the permanent magnets.
  • the ring-shaped permanent magnet occupies most of the space on the backside of the cathode, further improvements such as provision of “separate magnetic field generating means” to be described later can be made.
  • the cathode materials There is a limit to the effective use of cathode materials. Alternatively, the cathode may be larger than necessary.
  • the present inventor can generate each of the three lines of magnetic force as shown in FIG. 5 when the permanent magnet is arranged in the vicinity of the outer periphery of the cathode so that the N pole and the S pole are inclined. We thought that a large space on the backside of the cathode could be secured. Then, it was considered that further effective utilization of the cathode material can be achieved by disposing another magnetic field generating means different from the permanent magnet in the reserved space.
  • the present inventor examined the magnetic field formed at that time by changing the angle between the direction of the magnetic pole and the discharge surface from 0 ° to 90 °, as shown in FIGS. Went. As a result, it was found that the permanent magnets should be arranged so that the angle between the direction of the magnetic pole and the discharge surface is 20 ° to 50 °.
  • the invention described in claim 2 2.
  • the invention according to claim 3 3.
  • the present inventor next examined a preferred magnetic field generating means arranged in a space largely secured on the back surface of the cathode.
  • a magnetic field generating means that rotates in a plane substantially parallel to the discharge surface of the cathode is provided in this space, the discharge surface of the cathode is rotated while the arc spot is rotated by the action of the rotating magnetic field, as shown in FIG. Since the discharge area is widened by moving the cathode, it is possible to use the cathode material over a larger area, and the utilization efficiency of the cathode material is further improved.
  • a magnetic field generating means for example, as shown in FIG. 17, a ring-shaped permanent magnet is placed on the turntable so that the center axis of the turntable is shifted from the center axis of the ring-shaped permanent magnet.
  • a magnetic field generating means configured may be mentioned.
  • the rotation in the magnetic field generating means is preferably performed without interrupting the arc discharge process.
  • Claim 4 is 3. The arc according to claim 1, wherein at least one magnetic field generating means provided with moving means capable of changing a distance from the cathode is provided on a back surface of the cathode. Evaporation source.
  • magnetic field generating means provided with moving means capable of changing the distance from the cathode in this space, for example, as shown in FIG. It has been found that the use efficiency of the cathode material is further improved even if the magnetic field generating means provided with the moving means is arranged on the ring-shaped permanent magnet.
  • the diameter of the discharge area where the arc spot moves on the discharge surface of the cathode can be changed as shown in FIG.
  • the material can be used, and the utilization efficiency of the cathode material is further improved.
  • the utilization efficiency of the cathode material is further improved.
  • the movement of the magnetic field generating means is preferably performed without interrupting the arc discharge process, similarly to the rotation of the magnetic field generating means.
  • an arc evaporation source capable of dramatically improving the utilization efficiency of a cathode material by using a cathode having a structure in which the whole or a part of the outer peripheral surface is exposed to the full outer periphery. Can do.
  • FIG. It is a figure explaining the magnetic field formed when the magnetic field generation means to rotate is arrange
  • Example 1 A permanent magnet 4 (cylindrical isotropic ferrite magnet (diameter 8 mm, thickness 2 mm)) is formed on the back surface of the cathode 1 processed from a disc-shaped Ti cathode material having a diameter of 150 mm and a thickness of 15 mm into the shape shown in FIG.
  • the arc evaporation source of Example 1 was manufactured by arranging 45 pieces in a ring shape in a direction of 45 ° with respect to the discharge surface 1. At this time, the magnetic field in the vicinity of the outer periphery of the cathode was about 20 Gauss.
  • a magnet having a ring shape and magnetized in an oblique direction may be used.
  • cubic magnets may be arranged obliquely on the circumference.
  • Example 2 In the space on the back of the cathode, a ring-shaped permanent magnet (neodymium magnet having a thickness of 2 mm, an outer diameter of 46 mm, an inner diameter of 31 mm, with the magnetic poles facing outward and inward) and the center axis of the turntable and the ring-shaped permanent magnet
  • the arc evaporation source of Example 2 is produced in the same manner as in Example 1 except that the magnetic field generating means configured to be placed on the turntable so as to shift the central axis is arranged as shown in FIG. did.
  • Example 3 In the same manner as in Example 1, except that the magnetic field generating means provided with moving means using the same ring-shaped permanent magnet as in Example 2 is arranged in the space on the back surface of the cathode as shown in FIG. 3 arc evaporation sources were produced.
  • the moving means is constituted by an electric actuator so that the permanent magnet can be moved in the range of 50 mm in the vertical direction shown in FIG.
  • the arc spot circulates most around the center of the cathode discharge surface, and when the permanent magnet is moved to the bottom, the arc spot is It circulated around the outermost part of the cathode discharge surface.
  • the movement of the magnet is not constant, but is patterned as shown in FIG. 22 so that the cathode consumption is uniform between the center and the outer periphery.
  • the time for which the magnet is on was shortened so that one cycle was obtained in 34 seconds. As a result, the consumption of the cathode could be made constant over a wide area.
  • Comparative Example 1 A permanent magnet 4 is formed so that the magnetic poles are oriented along the axial direction of the cathode on the back surface of the cathode 1 processed into a bank shape shown in FIG. 24 from a disc-shaped Ti cathode material having a diameter of 150 mm and a thickness of 15 mm. The arc evaporation source of Comparative Example 1 was produced.
  • Comparative Example 2 The permanent magnet 4 is placed on the back surface of the cathode 1 processed from the disc-shaped Ti cathode material having a diameter of 150 mm and a thickness of 15 mm into the shape shown in FIG. 26 so that the magnetic poles are oriented along the axial direction of the cathode.
  • the arc evaporation source of Comparative Example 2 was prepared.
  • Examples 4 to 6 and Comparative Examples 3 and 4 The arc evaporation sources of Examples 4 to 6 and Comparative Examples 3 and 4 were the same as Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, except that TiAl (50:50 atm%) was used as the cathode material. Was made.
  • Examples 7 to 9 and Comparative Examples 5 and 6 The arc evaporation sources of Examples 7 to 9 and Comparative Examples 5 and 6 were the same as Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, except that AlCr (70:30 atm%) was used as the cathode material. Was made.
  • Examples 10 to 12 and Comparative Examples 7 and 8 Arc evaporation sources of Examples 10 to 12 and Comparative Examples 7 and 8 were produced in the same manner as Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, except that Cr was used as the cathode material.
  • each bias voltage shown in Table 1 was applied, and then arc discharge of each cathode was started using a trigger structure (not shown).
  • Table 1 The arc current shown in FIG. Table 1 shows the film type, film thickness, film hardness, and surface roughness Rz of each film obtained.
  • the film formation was repeated until the film thickness decreased to 70% of the film thickness obtained in the first film formation, and the number of batches until that time was measured. That is, when the film thickness is less than 70%, the film thickness is insufficient, and the performance of the tool / mold as the substrate (workpiece) may be deteriorated.
  • measures such as extending the coating time according to the decrease in the film thickness can be considered, but it is not preferable because management becomes difficult. Therefore, the time when it reached 70% was defined as the life of the cathode. The results are shown in Table 1.
  • FIG. 23 shows the relationship between the number of film forming batches in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 and the film thickness at that time.

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Abstract

　真空中で、アーク放電によってカソード材料を溶解、蒸発させて、基材表面に成膜させるアーク蒸発源であって、略円板形状に形成されたカソードと、カソードの背面側に配置された磁界発生手段とを備え、磁界発生手段が、カソードの背面にカソードの放電面に対して２０°～５０°の方向に磁極が向けられて配置された少なくとも一つの永久磁石により、カソードの外周面においては基材方向に対して鋭角な磁力線、カソードの放電面の最外周部においては放電面に対してほぼ垂直な磁力線、カソードの放電面の外周面寄りの部分においてはカソードの中心方向に対して鋭角な磁力線が形成される磁界を発生させるように構成して、カソードを、外周部一杯まで利用可能とし、カソード材料の利用効率を飛躍的に高めることができるアーク蒸発源を提供する。

Description

アーク蒸発源
　本発明は、アークイオンプレーティング装置に用いられるアーク蒸発源に関する。
　基材上へセラミック硬質膜を成膜するには、従来より、アークイオンプレーティング装置を用い、真空中でアーク放電によってアーク蒸発源のカソード材料を蒸気化、イオン化させて、基材（ワーク）の表面に成膜させるアークイオンプレーティング法が一般に用いられている（例えば、特許文献１、２）。
　このようなアークイオンプレーティング法に用いられるアーク蒸発源の一例を図２４に示す。図２４においては、円盤形状に加工されたカソード１が固定リング２によって固定され、カソード１の放電面とは反対側の面に磁極の向きがカソード１の軸方向に沿った向きとなるように永久磁石４が配置されて、アーク蒸発源が構成されている。なお、３は永久磁石４より発せられる磁力線の内の１本を示している。
　アーク放電によって、このカソード１の放電面に順次アークスポットが形成されて、カソード材料が蒸発していくが、このアークスポットは磁界と鋭角をなす方向に移動する性質を有している。
　そこで、図２４においては、アーク状態を制御するために、カソード１の裏面に磁石４を配置すると共に、カソード１の外周部付近を土手形状に加工している。このようなカソードを用いることにより、磁石４から発せられた磁力線３がカソード半径方向の外側に向けて拡がるように形成されると共に、アークスポットがカソード放電面から外に逃げることが防止される。しかし、放電エリアが主として土手の内側の外周部付近に集中するため、成膜のバッチ数が増えるにつれてカソード１の形状が、図２５に破線で示す形状から実線で示す形状に変化していき、カソード材料を放電面の中央部まで有効に利用することができていなかった。
　また、図２６に示すように、カソード１の外周部付近を土手形状に加工することに替えて、カソード１の外周部にテーパー状の閉じ込めリング５を設けてアーク蒸発源を構成させることにより、アークスポットの逸脱を防止する技術も提案されている。
　しかし、この場合には、カソード１の外周部が閉じ込めリング５におおわれてしまうため、放電面の外周部一杯まで使用することができず、カソード材料の有効利用を阻害していた。
　即ち、図２７（ａ）、（ｂ）に示すように、断面図で見て同じ面積（図のハッチング部分）のカソード材料が利用されたとしても、３次元で考えた場合利用されたカソード材料の体積は、
　　　Ｖ２＝Ｖ１×（Ｄ２÷Ｄ１）
と示すことができ、Ｄ２＞Ｄ１であることから、外周部一杯まで利用することにより、より大きな体積のカソード材料が利用でき、有効利用できることが分かる。
特許３９２４８３３号公報 特開２００９－５４３９５１号公報
　本発明は、外周面の全体もしくは一部が露出した構造のカソードを、外周部一杯まで利用することにより、カソード材料の利用効率を飛躍的に高めることができるアーク蒸発源を提供することを課題とする。
　請求項１に記載の発明は、
　真空中で、アーク放電によってカソード材料を溶解、蒸発させて、基材表面に成膜させるアーク蒸発源であって、
　略円板形状に形成されたカソードと、前記カソードの背面側に配置された磁界発生手段とを備え、
　前記磁界発生手段が、前記カソードの背面にカソードの放電面に対して２０°～５０°の方向に磁極が向けられて配置された少なくとも一つの永久磁石により、前記カソードの外周面においては前記基材方向に対して鋭角な磁力線、前記カソードの放電面の最外周部においては放電面に対してほぼ垂直な磁力線、前記カソードの放電面の外周面寄りの部分においてはカソードの中心方向に対して鋭角な磁力線が形成される磁界を発生させるように構成されている
ことを特徴とするアーク蒸発源である。
　本発明者は、上記課題の解決について、種々の実験と検討を行った結果、磁界が鋭角の方向に移動するアークスポットの性質を利用し、図１に３本の矢印で示すように、カソードの外周面においては基材方向に対して鋭角な磁力線、カソードの放電面の最外周部においては放電面に対してほぼ垂直な磁力線、カソードの放電面の外周面寄りの部分においてはカソードの中心方向に対して鋭角な磁力線が形成されるように磁界を発生させた場合、アークスポットが外周面に移動することなく放電面に留まって放電面の内側を広い範囲で移動するため、カソード材料をより効率的に利用できることに思い至った。
　具体的には、図２に示すように、放電面と磁界（磁場ベクトル）とのなす角をθとすると、放電面の最外周部ではθがほぼ９０°の磁力線、放電面ではθが９０°未満（鋭角）の磁力線、放電面の外側ではθが９０°超（鈍角）の磁力線の３つの条件が揃った磁界（磁場分布）を形成させる。なお、最外周部において「θがほぼ９０°」とは、±５°程度のばらつきがあってもよいことを指している。
　次に、本発明者は、上記のような磁界を形成させるための具体的な磁界発生手段について、磁場シミュレーションにより検討した。
　まず、図３に示すように、リング状の永久磁石を、磁極の向きがカソードの軸方向と平行になるように、カソードの裏面の外周付近に設置した。しかし、この場合には、「カソードの放電面の最外周部に放電面に対してほぼ垂直な磁力線」を発生させることができず、また、「カソードの放電面」の最外周近傍に「カソードの中心方向に対して鋭角な磁力線」を発生させることもできていない。
　次に、図４に示すように、リング状の永久磁石を、磁極の向きがカソード放電面と平行になるように、カソードの裏面に着磁・設置した。この場合には、永久磁石の配置を適切に行うことにより上記の磁界を発生させることができる。
　しかし、このような場合には、カソード裏面の空間の大部分をリング状の永久磁石が占める構造となるため、後述する「別個の磁界発生手段」を備える等の更なる改良をすることができず、カソード材料の有効利用には限界がある。あるいは、カソードが必要以上に大きくなる恐れもある。
　そこで、本発明者は、Ｎ極、Ｓ極が斜め方向となるように永久磁石をカソード外周付近に配置した場合、図５に示すように、３つの磁力線のそれぞれを発生させることができると共に、カソード裏面の空間を大きく確保することができると考えた。そして、この確保された空間にさらに前記した永久磁石とは異なる別の磁界発生手段を配置することにより、カソード材料のさらなる有効利用が図れると考えた。
　この考えに基づいて、本発明者は、図６～図１６に示すように、磁極の向きと放電面とのなす角度を０°から９０°まで変化させて、そのとき形成される磁界について検討を行った。その結果、磁極の向きと放電面とのなす角度が２０°～５０°となるように永久磁石を配置すればよいことが分かった。
　即ち、磁極の向きと放電面とのなす角度が２０°未満の場合、図６および図７に示すように、３つの磁力線を形成させることができるものの、磁石の配置位置がカソードの中心方向に近いためカソード裏面の空間を充分に確保することができない。一方、５０°を超えた場合には、図１３～図１６に示すように、磁石の配置位置がカソードの外側近くなるためカソード裏面の空間を確保することができるものの、カソードの放電面の外側にカソードの中心方向に対して鈍角な磁力線を形成させることができない。なお、図６～図１６においては、Ｎ極とＳ極を入れ替えてもよい。
　そして、上記の結果より、より好ましい角度は４０°～４５°であることが分かった。
　即ち、請求項２に記載の発明は、
　前記永久磁石が、前記カソードの放電面に対して４０°～４５°の方向に磁極が向けられて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアーク蒸発源である。
　次に、請求項３に記載の発明は、
　カソードの裏面に、カソードの放電面と略平行な面で回転する別個の磁界発生手段が少なくとも１つ設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアーク蒸発源である。
　本発明者は、上記の知見に基づき、次に、カソードの裏面に大きく確保された空間に配置される好ましい磁界発生手段について検討を行った。
　その結果、この空間に、カソードの放電面に略平行な面で回転する磁界発生手段を設けると、回転する磁界の作用により、図１８に示すように、アークスポットが回転しながらカソードの放電面を移動して放電エリアが広くなるため、より大きな面積にわたってカソード材料を利用することが可能となり、カソード材料の利用効率がより向上することが分かった。このような磁界発生手段としては、例えば、図１７に示すような、リング状の永久磁石を回転台の中心軸とリング状の永久磁石の中心軸をずらすように回転台上に載置して構成された磁界発生手段を挙げることができる。
　なお、上記の磁界発生手段における回転は、アーク放電のプロセスを中断させることなく行うことが好ましい。
　そして、請求項４に記載の発明は、
　カソードの裏面に、カソードとの距離を変化させることの可能な移動手段が設けられた磁界発生手段が、少なくとも１つ設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアーク蒸発源である。
　本発明者の検討によれば、この空間にカソードとの距離を変化させることが可能な移動手段が設けられた磁界発生手段、例えば、図１９に示すような、半径方向の内外で逆極性になるようにされたリング状の永久磁石に移動手段が設けられた磁界発生手段を配置しても、カソード材料の利用効率がより向上することが分かった。
　即ち、永久磁石とカソードとの距離を変化させることによっても、図２０に示すように、カソードの放電面においてアークスポットが移動する放電エリアの直径を変化させることができるため、より大きな面積にわたってカソード材料を利用することが可能となり、カソード材料の利用効率がより向上する。なお、このような磁界発生手段を複数配置した場合には、さらに、カソード材料の利用効率が向上する。
　なお、上記の磁界発生手段の移動は、前記した磁界発生手段における回転と同様に、アーク放電のプロセスを中断させることなく行うことが好ましい。
　本発明によれば、外周面の全体もしくは一部が露出した構造のカソードを、外周部一杯まで利用することにより、カソード材料の利用効率を飛躍的に高めることができるアーク蒸発源を提供することができる。
アーク蒸発源において形成される磁界を説明する図である。 アーク蒸発源において形成される放電面と磁界とのなす角を説明する図である。 リング状の永久磁石を、磁極の向きがカソードの軸方向と平行になるように、カソードの裏面の外周付近に設置した際に形成される磁界を説明する図である。 リング状の永久磁石を、磁極の向きがカソード放電面と平行になるように、カソードの裏面に設置した際に形成される磁界を説明する図である。 永久磁石をカソード外周付近に斜め方向に配置した際に形成される磁界を説明する図である。 磁極の向きと放電面とのなす角度が０°のときに形成される磁界を説明する図である。 磁極の向きと放電面とのなす角度が１０°のときに形成される磁界を説明する図である。 磁極の向きと放電面とのなす角度が２０°のときに形成される磁界を説明する図である。 磁極の向きと放電面とのなす角度が３０°のときに形成される磁界を説明する図である。 磁極の向きと放電面とのなす角度が４０°のときに形成される磁界を説明する図である。 磁極の向きと放電面とのなす角度が４５°のときに形成される磁界を説明する図である。 磁極の向きと放電面とのなす角度が５０°のときに形成される磁界を説明する図である。 磁極の向きと放電面とのなす角度が６０°のときに形成される磁界を説明する図である。 磁極の向きと放電面とのなす角度が７０°のときに形成される磁界を説明する図である。 磁極の向きと放電面とのなす角度が８０°のときに形成される磁界を説明する図である。 磁極の向きと放電面とのなす角度が９０°のときに形成される磁界を説明する図である。 カソード裏面に確保された空間に回転する磁界発生手段を配置したときに形成される磁界を説明する図である。 図１７に示したカソードの放電面に形成されるアークスポットの移動を説明する図である。 カソード裏面に確保された空間に移動手段が設けられた磁界発生手段を配置したときに形成される磁界を説明する図である。 図１９に示したカソードの放電面に形成されるアークスポットの移動を説明する図である。 実施例１において使用したアーク蒸発源の構成を説明する図である。 永久磁石の上下移動速度を示す図である。 ＴｉＮの成膜バッチ回数と膜厚との関係を示す図である。 従来のアーク蒸発源の一例における構成を説明する図である。 従来のアーク蒸発源におけるカソード形状の変化を示す図である。 従来のアーク蒸発源の他の一例における構成を説明する図である。 従来のアーク蒸発源におけるカソードの形状の変化を示す図である。
　以下、本発明を実施例に基づいてより具体的に説明する。
１．アーク蒸発源の作製
（１）実施例１
　直径１５０ｍｍ、厚み１５ｍｍの円板形状のＴｉカソード材料から、図２１に示す形状に加工したカソード１の裏面に、永久磁石４（円柱状の等方性フェライト磁石（直径８ｍｍ、厚み２ｍｍ）をカソード１の放電面に対して４５°の方向でリング状に４５個並べて構成されている）を配置し、実施例１のアーク蒸発源を作製した。このとき、カソード外周部付近での磁場は、約２０ガウスであった。
　なお、磁石としては、形状がリング状の磁石で斜め方向に着磁をしたものを用いてもよく、また、例えば立方形の磁石を円周上に斜めに並べて配置することもできる。
（２）実施例２
　カソード裏面の空間に、リング状の永久磁石（厚み２ｍｍ、外径４６ｍｍ、内径３１ｍｍのネオジム磁石で、外側と内側方向に磁極が向いている）を回転台の中心軸とリング状の永久磁石の中心軸をずらすように回転台上に載置して構成された磁界発生手段を、図１７に示すように配置したこと以外は実施例１と同様にして、実施例２のアーク蒸発源を作製した。そして、リング状の永久磁石を１８～３４０ｒｐｍの範囲で回転させて皮膜の表面粗さを観察したところ、約６０ｒｐｍの回転速度で最も皮膜の表面粗さが低くなることが分かった。なお、前記リング状の永久磁石によるカソード放電面における磁場は、約１５０ガウスであった。
（３）実施例３
　カソード裏面の空間に、実施例２と同じリング状の永久磁石を用いて移動手段が設けられた磁界発生手段を図１９に示すように配置したこと以外は実施例１と同様にして、実施例３のアーク蒸発源を作製した。
　移動手段は電動アクチュエータで構成し、図１９で示す上下方向に５０ｍｍの範囲で永久磁石を可動できる様にした。この結果、図２０に示すように、永久磁石を一番上に移動した時に、アークスポットは最もカソード放電面の中心付近を周回し、また永久磁石を一番下に移動した時に、アークスポットは最もカソード放電面の外周部付近を周回した。
　カソード放電面の中心付近をアークスポットが周回している際には、円周長が短いため、カソードが早く消耗するので、短時間に留める必要がある。そこで、カソード消耗が中心と外周部とで均一化するように、磁石の移動を一定ではなく、図２２に示すようなパターン化した動きをさせた。なお、ここでは、３４秒で一周期となるように、かつ磁石が上にある時間を短くした。これにより広い面積にわたって、カソードの消耗を一定にすることができた。
（４）比較例１
　直径１５０ｍｍ、厚み１５ｍｍの円板形状のＴｉカソード材料から、図２４に示す土手形状に加工したカソード１の裏面に、磁極の向きがカソードの軸方向に沿った向きとなるように、永久磁石４を配置し、比較例１のアーク蒸発源を作製した。
（５）比較例２
　直径１５０ｍｍ、厚み１５ｍｍの円板形状のＴｉカソード材料から、図２６に示す形状に加工したカソード１の裏面に、磁極の向きがカソードの軸方向に沿った向きとなるように、永久磁石４を配置し、比較例２のアーク蒸発源を作製した。
（６）実施例４～６および比較例３、４
　カソード材料としてＴｉＡｌ（５０：５０ａｔｍ％）を用いたこと以外は、それぞれ、実施例１～３、比較例１、２と同様にして、実施例４～６および比較例３、４のアーク蒸発源を作製した。
（７）実施例７～９および比較例５、６
　カソード材料としてＡｌＣｒ（７０：３０ａｔｍ％）を用いたこと以外は、それぞれ、実施例１～３、比較例１、２と同様にして、実施例７～９および比較例５、６のアーク蒸発源を作製した。
（８）実施例１０～１２および比較例７、８
　カソード材料としてＣｒを用いたこと以外は、それぞれ、実施例１～３、比較例１、２と同様にして、実施例１０～１２および比較例７、８のアーク蒸発源を作製した。
２．成膜
　各アーク蒸発源をイオンプレーティング装置に取り付け、真空引きと、ヒーター加熱による出ガスを充分に行い、窒素ガスを５００ｃｃｍ導入しチャンバー内の圧力を表１に示す各圧力にした。
　基材として、高速度工具鋼（ＳＫＨ－５１）のテストピースを用い、表１に示す各バイアス電圧を印加し、その後（図示しない）トリガ構造を使い各カソードのアーク放電を開始、それぞれ表１に示すアーク電流を流し１８０分間のコーティング処理を実施した。得られた各膜の膜種、膜厚、膜硬度、表面粗さＲｚを表１に示す。
　その後は、膜厚が１回目の成膜において得られた膜厚の７０％に低下するまで、成膜を繰り返し、そのときまでのバッチ回数を測定した。即ち、膜厚が７０％を下回った場合には、膜厚が不足して、基材（ワーク）である工具・金型の性能が低下する恐れがある。なお、その対策として、膜厚の低下に応じてコーティング時間を延長するなどの措置も考えられるが、管理が難しくなるため好ましくない。よって、７０％になった時点をカソードの寿命とした。結果を表１に示す。
　実施例１～３および比較例１、２における成膜バッチ回数とそのときの膜厚との関係を図２３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１より、いずれのカソード材料においても、比較例に比べて、実施例はバッチ回数が増加しており、本発明を適用することにより、高価なカソード材料を有効に利用できることが分かる。
　そして、図２３より、Ｔｉをカソード材料とした成膜においては、実施例１～３の内でも、実施例２、３は、バッチ回数が増えても膜厚の減少が緩やかであることが分かり、実施例２、３ではさらにカソード材料が有効に利用されていることが分かる。
　また、実施例２、３においては、膜の表面粗さも低減されているが、これは磁石の回転や移動により、アークスポットが強制的に移動させられたためと考えられる。
　なお、上記のような結果は、カソード材料が異なる他の実施例においても同様である。
　以上、本発明を実施の形態に基づき説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
１　　　　　カソード
２　　　　　固定リング
３　　　　　磁力線
４　　　　　永久磁石
５　　　　　閉じ込めリング

Claims (4)

  1. 　真空中で、アーク放電によってカソード材料を溶解、蒸発させて、基材表面に成膜させるアーク蒸発源であって、
    　略円板形状に形成されたカソードと、前記カソードの背面側に配置された磁界発生手段とを備え、
    　前記磁界発生手段が、前記カソードの背面にカソードの放電面に対して２０°～５０°の方向に磁極が向けられて配置された少なくとも一つの永久磁石により、前記カソードの外周面においては前記基材方向に対して鋭角な磁力線、前記カソードの放電面の最外周部においては放電面に対してほぼ垂直な磁力線、前記カソードの放電面の外周面寄りの部分においてはカソードの中心方向に対して鋭角な磁力線が形成される磁界を発生させるように構成されている
    ことを特徴とするアーク蒸発源。
  2. 　前記永久磁石が、前記カソードの放電面に対して４０°～４５°の方向に磁極が向けられて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアーク蒸発源。
  3. 　カソードの裏面に、カソードの放電面と略平行な面で回転する別個の磁界発生手段が少なくとも１つ設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアーク蒸発源。
  4. 　カソードの裏面に、カソードとの距離を変化させることの可能な移動手段が設けられた磁界発生手段が、少なくとも１つ設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアーク蒸発源。
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