WO2016114072A1

WO2016114072A1 - アーク成膜装置およびアーク成膜方法、ならびに固体蒸発材

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Publication number: WO2016114072A1
Application number: PCT/JP2015/085520
Authority: WO
Inventors: 宮本　僚次; 玉垣　浩
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2015-01-13
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2017-07-13
Also published as: JP2016130330A

Abstract

　正極側蒸発材の設置自由度を向上することが可能なアーク成膜装置およびアーク成膜方法を提供する。アーク成膜装置１００は、真空チャンバ２内部に面する位置に配置され、アーク電源４の負極４ｂ側に接続され、アーク放電により蒸発する負極側蒸発金属１と、真空チャンバ２内部に面する位置に配置され、アーク電源４の正極４ａ側に接続され、負極側蒸発金属１から放出される電子によって蒸発する固体の正極側蒸発金属８とを備える。正極側蒸発金属８は、電子が当たって加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含んでいる。

Description

アーク成膜装置およびアーク成膜方法、ならびに固体蒸発材

　本発明は、アーク成膜装置およびアーク成膜方法、ならびに固体蒸発材に関する。

　従来より、切削工具や自動車部品などの寿命や摩擦摺動特性等を向上させるために、真空アーク成膜方法を用いてワーク（すなわち、成膜対象物である基材）の表面に硬質の膜を形成する成膜技術が種々知られている。

　真空アーク成膜方法では、成膜材料となる蒸発金属がアーク電源の負極側に接続され、真空チャンバなどが当該アーク電源の正極側に接続される。その状態で負極側の蒸発金属と正極側の真空チャンバなどとの間に電圧が印加されることにより、これらの間でアーク放電が発生する。負極側に接続された蒸発金属は、アーク放電によって蒸発する。蒸発によって発生した金属蒸気はワークに付着する。その結果、ワークの表面に成膜が行われる。

　このとき、正極に接続された真空チャンバなどは、負極側の蒸発金属から出る電子が流入することによって加熱される。そこで、この電子による加熱を用いて正極側でも成膜材料を蒸発させて成膜に用いることが考えられる。

　そのような技術として、図１２に示されるように、アーク電源の負極側および正極側の両方において成膜材料となる蒸発金属を蒸発させることが可能な成膜装置が特許文献１に提案されている。この成膜装置は、ワーク３３が収容される空間部３２ａを有する真空チャンバ３２と、アーク電源３４と、当該アーク電源３４の負極側に接続された負極側蒸発金属３１と、当該アーク電源３４の正極側に接続されたるつぼ３７と、るつぼ３７に収容された正極側蒸発金属３８とを備えている。るつぼ３７および正極側蒸発金属３８は、真空チャンバ３２の内部の底面の上面側に配置されている。負極側蒸発金属３１は、真空チャンバ３２の内部の側壁に配置されている。正極側蒸発金属３８としては、負極側蒸発金属３１よりも融点が低い材料が用いられる。正極側蒸発金属３８は、負極側蒸発金属３１から出る電子を受けて加熱されたときにるつぼ３７内で溶融状態を経てから蒸発する。

　上記のように構成された成膜装置では、アーク電源３４の負極側の負極側蒸発金属３１と正極側のるつぼ３７との間に電圧が印加される。これによりアーク放電が発生し、そのアーク放電によって負極側蒸発金属３１が蒸発する。それとともに、負極側蒸発金属３１から放出される電子３９は、矢印Ｅで示されるように、負極側蒸発金属３１およびるつぼ３６の周囲にそれぞれ配置された磁場発生用のコイル３５、３６からそれぞれ発生された磁力線によって、正極側蒸発金属３８へ案内される。そして、正極側蒸発金属３８は、電子３９によって、るつぼ３７内で溶融し、その後、蒸発する。負極側蒸発金属３１および正極側蒸発金属３８の蒸発によって発生した２種の金属蒸気がワーク３２に付着する。これによって、ワーク３２の表面には、負極側蒸発金属３１および正極側蒸発金属３８を用いた成膜が行われる。このように、１台の真空アーク成膜装置において、アーク電源の正極側および負極側の両極において蒸発金属を蒸発させることにより成膜する事が可能である。

　上記のような図１２に示される成膜装置は、アーク電源３４の正極側にるつぼ３７および正極蒸発金属３８が配置された構成を有している。正極蒸発金属３８は、融点が低い材料からなり、るつぼ３７内で溶融状態を経てから蒸発するので、正極側蒸発金属８を溶融状態でるつぼ３７内に保持するためには、るつぼ３７および正極蒸発金属３８は、真空チャンバ３２の底面の上面側に配置されなければならず、位置および構造上の著しい制約を有する。すなわち、正極側蒸発金属３８の設置自由度の向上が難しいという問題がある。

特開平６－２５８３５号公報特開２００１－３１６８０１号公報（図４）

本発明の目的は、正極側蒸発材の設置自由度を向上することが可能なアーク成膜装置およびアーク成膜方法を提供することを目的とする。

　本発明のアーク成膜装置は、アーク放電を用いてワークの表面の成膜を行うアーク成膜装置であって、前記ワークを収容する真空チャンバと、正極および負極を有するアーク電源と、前記真空チャンバ内部に面する位置に配置され、前記アーク電源の前記負極側に接続され、前記アーク放電により蒸発する負極側蒸発材と、前記真空チャンバ内部に面する位置に配置され、前記アーク電源の前記正極側に接続され、前記負極側蒸発材から放出される電子によって蒸発する正極側蒸発材とを備え、前記正極側蒸発材は、固体からなり、かつこの固体が前記電子が当たることにより加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含んでいる、ことを特徴とする。

　本発明のアーク成膜方法は、アーク放電を用いてワークの表面に成膜を行うアーク成膜方法であって、負極側蒸発材を真空チャンバ内部に面する位置に配置し、アーク電源の負極に接続する工程と、電子が当たって加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含む固体の正極側蒸発材を、前記真空チャンバ内部に面する位置に配置し、前記アーク電源の正極に接続する工程と、前記アーク電源によって前記負極と前記正極との間に電圧を印加することによりアーク放電を発生させ、当該アーク放電によって前記負極側蒸発材を蒸発させるとともに、前記負極側蒸発材から放出される電子によって前記正極側蒸発材を昇華させて蒸発させ、前記負極側蒸発材および前記正極側蒸発材から発生した蒸発物質によって前記ワークの成膜を行う工程とを含むことを特徴とする。

本発明の実施形態に係るアーク成膜装置の全体構成を示す断面説明図である。図１の正極蒸発金属の拡大図である。図１の磁場発生コイルから発生した磁力線に沿って電子が負極側蒸発金属から正極側蒸発金属に移動する様子を説明する断面説明図である。本発明の他の実施形態に係る負極側蒸発金属と正極側蒸発金属とが互いに対向して配置された構成を有するアーク成膜装置の全体構成を示す断面説明図である。本発明のさらに他の実施形態に係る外側の負極側蒸発金属と内側の正極側蒸発金属とが互いに同軸上に配置された構成を有するアーク成膜装置の全体構成を示す断面説明図である。本発明のさらに他の実施形態に係る内側の負極側蒸発金属と外側の正極側蒸発金属とが互いに同軸上に配置された構成を有するアーク成膜装置の全体構成を示す断面説明図である。図６の負極側蒸発金属および正極側蒸発金属を中心軸Ｏ_２の延びる方向から見た図である。本発明のさらに他の実施形態に係る正極側蒸発金属を前進させる移動部を備えたアーク成膜装置の全体構成を示す断面説明図である。本発明のさらに他の実施形態に係る正極側蒸発金属とその周面を覆う蒸発防止膜とを有する固定蒸発材を備えたアーク成膜装置の全体構成を示す断面説明図である。図９の固定蒸発材の変形例を示す断面説明図である。図９の固定蒸発材の他の変形例を示す断面説明図である。従来のアーク成膜装置の全体構成を示す概略断面図である。

　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。

　図１に示されるアーク成膜装置（以下、成膜装置という）１００は、アーク放電を用いて負極側蒸発金属１を蒸発させるとともに負極側蒸発金属１から放出される電子９を用いて正極側蒸発金属８を蒸発させることにより、これらの金属１、８からそれぞれ発生する金属蒸気１１、１２によってワーク３（すなわち、成膜対象物である基材）の表面の成膜を行う装置である。

　この成膜装置１００は、ワーク３が収容される空間部２ａを有する真空チャンバ２と、正極４ａおよび負極４ｂを有するアーク電源４と、負極４ｂ側に接続された負極側蒸発金属１と、正極４ａ側に接続された正極側蒸発金属８と、負極４ｂ側の磁場発生用コイル５と、正極４ａ側の磁場発生用コイル６とを備えている。

　真空チャンバ２は、底部２ｄと、当該底部２ｄから上方に延びる側壁２ｆと、当該底部２ｄの上方に位置する天板２ｅとを有している。側壁２ｆは、真空チャンバ２の内部の空間部２ａを側方から囲む形状を有し、異なる方向を向く複数の部分を有し、具体的には少なくとも互いに対向する第１側壁部２ｂおよび第２側壁部２ｃを有する。これら底部２ｄ、側壁２ｆ、および天板２ｅによって前記空間部２ａが画定されている。空間部２ａの気圧は、成膜時には、図示しない真空ポンプによって真空またはそれに近い気圧に調整される。ワーク３は、空間部２ａの内部の任意の位置、例えば、第１側壁部２ｂから所定の距離だけ離れた位置に配置される。

　負極側蒸発金属１は、真空チャンバ２内部に面する位置、例えば、第１側壁部２ｂに配置されている。負極側蒸発金属１の前面１ａは、真空チャンバ２の空間部２ａ内部に露出してワーク３に向いている。一方、後面１ｂは、真空チャンバ２の外部を向き、負極４ｂに接続されている。負極側蒸発金属１は、アーク放電により前面１ａから蒸発する。負極側蒸発金属１の材料は、アーク放電によって蒸発されてワーク３表面に付着する成膜技術であるアーク蒸気プレーティング（Ａｒｃ　Ｉｏｎ　Ｐｌａｔｉｎｇ、以下、ＡＩＰという）に用いられる材料が選択され、例えば、クロムなどの金属が選択される。なお、本実施形態では負極側蒸発材として金属材料からなる負極側蒸発金属１が用いられているが、本発明の負極側蒸発材は、金属材料に限定されるものではなく、金属以外の蒸発材料（例えば炭素など）でもよい。

　正極側蒸発金属８は、真空チャンバ２内部に面する位置、例えば、第１側壁部２ｂにおける負極側蒸発金属１の近傍の位置に配置されている。正極側蒸発金属８の前面８ａは、真空チャンバ２の空間部２ａ内部に露出してワーク３に向いている。一方、後面８ｂは、真空チャンバ２の外部を向き、正極４ａに接続されている。なお、負極側蒸発金属１と正極側蒸発金属８との間は、真空チャンバ２の第１側壁部２ｂによって絶縁されている。

　正極側蒸発金属８は、負極側蒸発金属１から放出される電子９に当たって加熱されることによって蒸発する。

　正極側蒸発金属８は、電子９が当たって加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含んでいる。本実施形態では、正極側蒸発金属８は、真空チャンバ２内部の圧力が真空に近い状態まで減圧した条件下、例えば、０．１～１０Ｐａの条件下において電子９が当たって加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含んでいる。

　具体的には、昇華する材料は、クロム、炭素、マグネシウム、マンガン、モリブデン、ニッケル、コバルト、ケイ素、バナジウム、およびタングステンの群から選ばれた少なくとも１種の材料である。昇華する材料は、クロムなどのような金属材料だけでなく、炭素などの非金属材料も含まれ、導電性を有するのが好ましい。炭素は、黒鉛などの半金属であれば導電性を有するので好ましい。なお、上記の０．１～１０Ｐａの条件下は正極側蒸発金属８の選定条件の一例にすぎないので、正極側蒸発金属８は、上記の０．１～１０Ｐａの条件下でなくても昇華する性質を有していれば、本発明の正極側蒸発材に含まれる。

　固体の正極側蒸発金属８は、図２に示されるような円柱状を有する。しかし、正極側蒸発金属８の断面形状は、円形以外の形状に設定されることも可能である。正極側蒸発金属８は、ワーク３側を向く前面８ａを有している。前面８ａは、成膜時において蒸発金属を発生する蒸発面として機能する。正極側蒸発金属８は、前面８ａから所定の長さ部分を消耗部８ｂとして蒸発する。

　負極４ｂ側の磁場発生用コイル５は、図３に示されるように、負極側蒸発金属１の前面１ａを通過する磁場１０を発生させ、負極側蒸発金属１の前面１ａにおけるアーク放電が当たるスポット（すなわち、アークスポット）の位置を制御する。それととともに、磁場発生用コイル５は、上記の磁場１０によって、成膜時に負極側蒸発金属１の前面１ａから蒸発して放出される金属蒸気１１の拡散方向および拡散範囲を制御する。

　同様に、正極４ａ側の磁場発生用コイル６は、正極側蒸発金属８の前面８ａを通過する磁場１０を発生させ、成膜時に正極側蒸発金属８の前面８ａから蒸発して放出される金属蒸気１２の拡散方向および拡散範囲を制御する。

　それとともに、上記２つの磁場発生用コイル５、６は、負極側蒸発金属１から正極側蒸発金属８へ向かう磁力線１０ａを含む磁場１０を発生させるように、制御される。具体的には、正極４ａ側の磁場発生用コイル６は、負極４ｂ側の磁場発生用コイル５の励磁方向とは逆向きに励磁される。これにより、図３に示されるような負極側蒸発金属１と正極側蒸発金属８との間をつなぐ磁力線１０ａが形成される。この磁力線１０ａは、成膜時に負極側蒸発金属１の前面１ａから放出される電子９を、矢印Ｅに示される経路に沿って、正極側蒸発金属８へ案内する。これにより、電子９は、負極側蒸発金属１から正極側蒸発金属８へ安定して導かれる。

　なお、正極４ａおよび負極４ｂの配置によっては、負極側の磁場発生用コイル５のみで負極側蒸発金属１から正極側蒸発金属８に向かう磁力線１０ａを発生させることができる場合がある。そのような場合は、正極４ａ側の磁場発生用コイル６を省略しても、電子９を負極側蒸発金属１から正極側蒸発金属８へ安定して導くことが可能である。

　なお、これらの磁場発生用コイル５、６の代わりに他の磁場発生手段として永久磁石が用いられてもよい。

　上記のように構成された成膜装置１００を用いてアーク成膜方法を行う場合、以下の手順で行われる。

　まず、負極側蒸発金属１を、真空チャンバ２内部に面するように真空チャンバ２の第１側壁部２ｂの内面上に配置し、アーク電源４の負極４ｂに接続する。

　ついで、上記の真空チャンバ２内部の圧力が真空に近い状態まで減圧した条件下、例えば、０．１～１０Ｐａの条件下において電子９が当たって加熱されたときに昇華する性質を有する材料（クロムなど）を含む固体の正極側蒸発金属８を、真空チャンバ２内部に面する位置として第１側壁部２ｂの負極側蒸発金属１の近傍の位置に配置し、アーク電源４の正極４ａに接続する。

　ついで、真空チャンバ２の空間部２ａにワーク３を収容する。そして、空間部２ａ内部の空気を真空ポンプ（図示せず）によって抜き、空間部２ａ内部の気圧を真空またはそれに近い状態にする。そののち、真空チャンバ２の空間部２ａ内部にアルゴンなどの不活性ガスを導入する。

　ついで、アーク電源４によって負極４ｂと正極４ａとの間に電圧を印加することによりアーク放電を発生させ、当該アーク放電によって負極側蒸発金属１を蒸発させるとともに、負極側蒸発金属１から放出される電子９によって正極側蒸発金属８を昇華させて蒸発させる。この各蒸発金属１、８の蒸発により発生した金属蒸気によってワーク３の成膜が行われる。

　このとき、電子９によって正極側蒸発金属８を加熱させるだけでなく、ヒータ等の加熱手段を用いて正極側蒸発金属８を補助的に加熱してもよい。

　以上のように、本実施形態に係るアーク成膜装置１００およびそれを用いたアーク成膜方法では、正極側蒸発金属８は、固体であって、電子９が当たって加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含んでいる。そのため、正極側蒸発金属８は、アーク成膜時には昇華、すなわち、固体状態から溶融状態を経ずに蒸発するので、溶融状態でるつぼ内に保持する必要がなくなる。そのため、正極側蒸発金属８は、真空チャンバ２の底面の上面以外の場所にも配置することが可能になり、位置および構造上の制約を何ら有しない。その結果、正極側蒸発金属８の設置自由度の向上が可能になる。したがって、正極側蒸発金属８は、真空チャンバ２の底面の上面だけでなく、側壁２ｆ（具体的には、第１側壁部２ｂや第２側壁部２ｃなど）や天板２ｅにも容易に配置することが可能になる。

　一方、上述した従来例として図１２に示される成膜装置では、溶融状態の正極側蒸発金属３８がるつぼ３７からこぼれないようにするためには、るつぼ３７および正極側蒸発金属３８は、真空チャンバ３２の底面に上向きに配置せざるを得ないので、設置自由度が制限される。しかも、このような構成では、成膜処理中にワーク表面や成膜チャンバ内面などにおいて生成された塵（ダスト）などが落下してるつぼ３７内部の溶融した正極側蒸発金属３８に混入して成膜品質に影響を与えるおそれがある。また、塵などがるつぼ３７周辺の機械構造物の隙間に入り込むことでるつぼ３７側で短絡が生じて正極側蒸発金属３８の蒸発に影響を与えるおそれがある。それに対して、本実施形態の成膜装置１００では、正極側蒸発金属８を真空チャンバ２の側壁２ｆ（具体的には、第１側壁部２ｂや第２側壁部２ｃ）や天板２ｅなどに配置することによって、成膜処理中に生成される塵が正極側蒸発金属８に付着するおそれがなくなり、成膜品質やアーク放電に対する影響のおそれが低減する。

　また、本実施形態に係るアーク成膜装置１００では、正極側蒸発金属８に含まれる昇華する材料は、クロム、炭素、マグネシウム、マンガン、モリブデン、ニッケル、コバルト、ケイ素、バナジウム、およびタングステンの群から選ばれた少なくとも１種の材料である。これらの材料は、ワーク３の表面に硬質の膜を形成する材料であり、しかも、アーク成膜時において、本実施形態では、真空チャンバ２内部の圧力が真空に近い状態まで減圧した条件下、例えば０．１～１０Ｐａの条件下において、電子９が当たって加熱されたときに昇華することが可能である。

　さらに、本実施形態に係るアーク成膜装置１００では、正極側蒸発金属８は、真空チャンバ２の第１側壁部２ｂに配置されているので、真空チャンバ２の底部２ｄに正極側蒸発金属８の設置スペースの確保が難しい場合でも、正極側蒸発金属８を真空チャンバ２の内部に容易に設置することが可能である。なお、正極側蒸発金属８が、真空チャンバ２の天板２ｅに配置された場合も、底部２ｄに設置スペースの確保が難しい場合でも、正極側蒸発金属８を容易に設置することが可能である。

　さらに、本実施形態に係るアーク成膜装置１００では、負極側蒸発金属１および正極側蒸発金属８は、真空チャンバ２の側壁２の異なる方向を向く複数の部分（第１側壁部２ａおよび第１側壁部２ｂ）のうちの同じ部分、すなわち第１側壁部２ｂに配置されている。そのため、負極側蒸発金属１および正極側蒸発金属８を互いに近づけて配置することが容易になる。それによって、負極側蒸発金属１から正極側蒸発金属８へ向かう電子９の道のりを短くすることが可能になり、正極側蒸発金属８へ安定して電子９を照射することが可能である。また、負極側蒸発金属１および正極側蒸発金属８とアーク電源４とを接続する配線を短くすることが可能になる。

　なお、上記実施形態の成膜装置１００では、負極側蒸発金属１および正極側蒸発金属８が真空チャンバ２の第１側壁部２ｂにいずれも配置され、かつ、正極側蒸発金属８が負極側蒸発金属１に対して縦方向に並ぶように配置されているが、本発明はこれに限定されるものではない。負極側蒸発金属１に対する正極側蒸発金属８の位置は、自在に変更可能である。例えば、図４に示されるように、正極側蒸発金属８Ａのように、負極側蒸発金属１に対して横方向（例えば水平方向）に並べた配置にしてもよい。また、正極側蒸発金属８Ｂ、８Ｃのように、真空チャンバ２の上面および下面にそれぞれ配置してもよい。

　さらに、正極側蒸発金属８Ｄのように真空チャンバ２におけるワークＷに対する反対側の面に配置することも可能である。この正極側蒸発金属８Ｄのような配置にする場合、ワーク３は成膜処理中に垂直軸回りに自転または公転している必要がある。これにより負極側蒸発金属１および正極側蒸発金属８Ｄ両側から発生する金属蒸気を均等に吸収することが可能である。また、正極側蒸発金属８Ｄのような配置にすることは、負極１と正極側蒸発金属８Ｄとの間にワーク３を挟むので電子９の流れを阻害しやすく、アーク放電がし難くなりやすいという問題を有する。しかし、この問題は、磁力線または磁場の配置、ならびにワーク３、負極側蒸発金属１、および正極側蒸発金属８Ｄの配置等を適宜変えて設計することによって回避することが可能である。

　本発明の成膜装置の他の変形例として、図５～７に示されるように、正極側蒸発金属８および負極側蒸発金属１は、これらのうちの一方が他方の周囲を取り囲むように配置されていてもよい。具体的には、図５に示される成膜装置は、外側の負極側蒸発金属１が内側の正極側蒸発金属８の周囲を取り囲み、当該正極側蒸発金属８の中心軸Ｏ_１に対して等距離に配置された構成を有する。外側の負極側蒸発金属１は、中央に開口を有する板の形状を有する。一方、内側の正極側蒸発金属８は、細長い円柱形状を有し、負極側蒸発金属１の開口に挿入されている。磁場発生用コイル５は、内側の正極側蒸発金属８の周囲を取り囲み、当該正極側蒸発金属８の軸方向に沿って外側の負極側蒸発金属１よりもワーク３から離れた位置に配置されている。成膜時には、外側の負極側蒸発金属１から放出された電子９は、磁場発生用コイル５によって発生された磁力線に沿って矢印Ｅで示される経路を通り、内側の正極側蒸発金属８へ向かうことが可能である。

　または、図６～７に示される成膜装置のように、外側の複数個の正極側蒸発金属８が内側の負極側蒸発金属１の周囲を取り囲み、当該負極側蒸発金属１の中心軸Ｏ_２に対して等距離に配置された構成を有するようにしてもよい。外側の正極側蒸発金属８は、それぞれ円板形状または円柱形状を有する。一方、内側の負極側蒸発金属１は、細長い円柱形状を有し、負極側蒸発金属１の開口に挿入されている。この場合も、磁場発生用コイル５は、図５と同様に、内側の負極側蒸発金属１の周囲を取り囲み、当該負極側蒸発金属１の軸方向に沿って外側の正極側蒸発金属８よりもワーク３から離れた位置に配置されている。成膜時には、内側の負極側蒸発金属１から放出された電子９は、磁場発生用コイル５によって発生された磁力線に沿って矢印Ｅで示される経路を通り、外側の正極側蒸発金属８へ向かうことが可能である。

　このように、図５～６に示されるように、正極側蒸発金属８および負極側蒸発金属１が、これらのうちの一方が他方の周囲を取り囲むように配置されている場合、正極側蒸発金属８および負極側蒸発金属１を限られた設置スペースで有効に配置することが可能である。

また、本発明の成膜装置のさらに他の変形例として、図８に示されるように、成膜装置は、正極側蒸発金属８をワーク３へ近づく方向に向かって移動させる移動部１５をさらに備えていてもよい。移動部１５は、正極側蒸発金属８をワーク３へ向けて矢印Ｂの方向に直線移動する機構を有しており、例えば、モータとピニオンギヤとラックとを組み合わせた機構などを有する機構などを有している。移動部１５を有していることにより、アーク成膜時に正極側蒸発金属８がワーク３に向けられた前面２１ａから蒸発して消耗するのに合わせて、移動部１５が正極側蒸発金属８をワーク３に向かって前進させることが可能である。その結果、成膜処理中は、正極側蒸発金属８の前面８ａを定位置に保つことが可能である。

　正極側蒸発金属８の消耗量は、負極側蒸発金属１の消耗量よりも多く（数倍程度）であるため、長時間放電を行う場合には上記のような長尺の正極側蒸発金属８および移動部１５を備えた成膜装置が有効である。

　さらに、本発明の成膜装置のさらに他の変形例として、図９に示されるように、正極側蒸発金属２１の周面２１ｂを覆い、正極側蒸発金属２１が当該周面２１ｂから蒸発することを防ぐ蒸発防止膜２０をさらに備えているようにしてもよい。

　すなわち、図９に示される成膜装置は、正極側蒸発金属２１および当該正極側蒸発金属２１の周面２１ｂを覆う蒸発防止膜２０を有する固体蒸発金属１４を備えている。

　正極側蒸発金属２１は、上記の正極側蒸発金属８と同様に、真空に近い状態まで減圧した条件下、例えば圧力が０．１～１０Ｐａの条件下において電子９が当たって加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含む固体の蒸発金属である。正極側蒸発金属２１は、ワーク３に向けられる前面２１ａと、当該前面２１ａの周縁に連続し、前面２１ａと異なる方向を向く周面２１ｂとを有する。

　蒸発防止膜２０は、正極側蒸発金属２１の周面２１ｂを覆い、正極側蒸発金属２１が当該周面２１ｂから蒸発することを防ぐ。蒸発防止膜２０は、後述するように融点の高い金属材料やセラミックスなどの材料からなる。

　図９に示されるように、蒸発防止膜２０によって正極側蒸発金属２１の周面２１ｂが覆われることにより、正極側蒸発金属２１が当該周面２１ｂから蒸発することを防ぐことが可能である。これにより、正極側蒸発金属２１の無駄な消耗を抑えることが可能であり、かつ、正極側蒸発金属２１の周面２１ｂから発生した蒸発物質が当該正極側蒸発金属２１の周囲の成膜装置１００の構成部品に付着するおそれを低減することが可能である。

　正極側蒸発金属２１および蒸発防止膜２０を備えた固体蒸発金属１４は、種々の形態を採用すること可能である。例えば図１０に示される固体蒸発金属１４は、蒸発防止膜２０が正極側蒸発金属２１よりも融点が高い導電材料を含み、正極側蒸発金属２１は、前面２１ａと反対側を向く後面２１ｃを有し、蒸発防止膜２０は、後面２１ｃをさらに覆っている構成を有している。

　図１０に示される固体蒸発金属１４を備えた成膜装置では、蒸発防止膜２０は正極側蒸発金属２１よりも融点が高い導電材料を含んでいるので、蒸発防止膜２０を介して正極側蒸発金属２１とアーク電源４との電気的な導通を確保することが可能である。したがって、正極側蒸発金属２１において蒸発が行われる前面２１ａ以外の部分である周面２１ｂおよび後面２１ｃを蒸発防止膜２０で覆うことによって、当該周面２１ｂおよび後面２１ｃからの蒸発を防止することが可能である。

　さらに固体蒸発金属１４の他の形態としては、図１１に示されるように、蒸発防止膜２０は、絶縁物質を含み、正極側蒸発金属２１は、前面２１ａと反対側を向く後面２１ｃを有し、正極側蒸発金属２１の後面２１ｃに接触し、導電性を有する接触部２２と、接触部２２を冷却する冷却部２３とをさらに含むようにしてもよい。このように蒸発防止膜２０が絶縁物質を含む場合には、蒸発防止膜２０を介して正極側蒸発金属２１とアーク電源４との電気的な導通を確保することが困難である。そこで、正極側蒸発金属２１の後面２１ｃに導電性を有する接触部２２が接触することにより、上記の電気的な導通を確保することが可能である。また、接触部２２は冷却部２３によって冷却されるので、当該接触部２２によって正極側蒸発金属２１の後面２１ｃを冷却して蒸発を防ぐことが可能である。その結果、正極側蒸発金属２１の前面２１ａのみから蒸発させることが可能である。

　上記の実施形態では、本発明の固体蒸発材の一例として金属材料を含む正極側蒸発金属２１を有する固体蒸発金属１４が開示されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、非金属材料（例えば炭素など）を含む正極側蒸発材とその周面を覆う蒸発防止膜を備えた固体蒸発材でもよい。

　以上の実施形態で示された成膜装置は、種々の蒸発金属または蒸発金属化合物（窒素,炭素,酸素等と蒸発金属の化合物）からなる硬質の膜をワーク表面に形成することが可能である。そのため、この成膜装置を工具や自動車部品等の寿命および摩耗摺動特性向上のために硬質の膜形成に利用することにより、成膜速度を向上させることができ、経済的なメリットがある。

　なお、上記図９～１１に示される実施形態では、アーク成膜方法に用いられる固体蒸発材を例に挙げて説明しているが、本発明では、他の成膜方法でも利用可能な汎用性の高い固体蒸発材を提案する。すなわち、本発明の固体蒸発材は、成膜されるワークに向けられる前面と、当該前面の周縁に連続し、前記前面と異なる方向を向く周面とを有し、真空中又は減圧下で加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含む固体の蒸発材本体と、前記蒸発材本体の前記周面を覆い、前記蒸発材本体が当該周面から蒸発することを防ぐ蒸発防止膜とを備えているものであればよい。このような構成であれば、蒸発防止膜によって蒸発材本体の周面が覆われているので、蒸発材本体が当該周面から蒸発することを防ぐことが可能である。これにより、蒸発材本体の無駄な消耗を抑えることが可能であり、かつ、蒸発材本体の周面から発生した蒸発物質が当該蒸発材本体の周囲の成膜装置の構成部品に付着するおそれを低減することが可能である。

　なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。

　本実施形態のアーク成膜装置は、アーク放電を用いてワークの表面の成膜を行うアーク成膜装置であって、前記ワークを収容する真空チャンバと、正極および負極を有するアーク電源と、前記真空チャンバ内部に面する位置に配置され、前記アーク電源の前記負極側に接続され、前記アーク放電により蒸発する負極側蒸発材と、前記真空チャンバ内部に面する位置に配置され、前記アーク電源の前記正極側に接続され、前記負極側蒸発材から放出される電子によって蒸発する正極側蒸発材とを備え、前記正極側蒸発材は、固体からなり、かつこの固体が前記電子が当たることにより加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含んでいる、ことを特徴とする。

　本実施形態のアーク成膜方法は、アーク放電を用いてワークの表面に成膜を行うアーク成膜方法であって、負極側蒸発材を真空チャンバ内部に面する位置に配置し、アーク電源の負極に接続する工程と、電子が当たって加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含む固体の正極側蒸発材を、前記真空チャンバ内部に面する位置に配置し、前記アーク電源の正極に接続する工程と、前記アーク電源によって前記負極と前記正極との間に電圧を印加することによりアーク放電を発生させ、当該アーク放電によって前記負極側蒸発材を蒸発させるとともに、前記負極側蒸発材から放出される電子によって前記正極側蒸発材を昇華させて蒸発させ、前記負極側蒸発材および前記正極側蒸発材から発生した蒸発物質によって前記ワークの成膜を行う工程とを含むことを特徴とする。

　本実施形態のアーク成膜装置およびアーク成膜方法によれば、正極側蒸発材は、固体であって、電子が当たって加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含んでいる。そのため、正極側蒸発材は、アーク成膜時には昇華、すなわち、固体状態から溶融状態を経ずに蒸発するので、溶融状態でるつぼ内に保持する必要がなくなる。そのため、正極側蒸発材は、真空チャンバの底面の上面以外の場所にも配置することが可能になり、構造上の制約を何ら有しない。その結果、正極側蒸発材の設置自由度の向上が可能になる。

　また、前記材料は、クロム、炭素、マグネシウム、マンガン、モリブデン、ニッケル、コバルト、ケイ素、バナジウム、およびタングステンの群から選ばれた少なくとも１種の材料であるのが好ましい。

　上記の材料は、ワークの表面に硬質の膜を形成する材料であり、しかも、アーク成膜時において、電子が当たって加熱されたときに昇華することが可能である。

　また、前記真空チャンバは、底部と、当該底部から上方に延びる側壁と、当該底部の上方に位置する天板とを有しており、前記正極側蒸発材は、前記側壁または前記天板に配置されているのが好ましい。

　かかる構成によれば、真空チャンバの底部に正極側蒸発材の設置スペースの確保が難しい場合でも、正極側蒸発材を真空チャンバの内部に容易に設置することが可能である。

　また、前記側壁は、異なる方向を向く複数の部分を有しており、前記負極側蒸発材および前記正極側蒸発材は、前記複数の部分のうちの同じ部分に配置されているのが好ましい。または、前記負極側蒸発材および前記正極側蒸発材は、前記天板に配置されているのが好ましい。これらの構成によれば、負極側蒸発材および正極側蒸発材を互いに近づけて配置することが容易になる。それによって、負極側蒸発材から正極側蒸発材へ向かう電子の道のりを短くすることが可能になり、正極側蒸発材へ安定して電子を照射することが可能である。また、負極側蒸発材および正極側蒸発材とアーク電源とを接続する配線を短くすることが可能になる。

　また、前記側壁は、互いに対向する第１側壁部および第２側壁部を有しており、前記正極側蒸発材は、前記第１側壁部に配置され、前記負極側蒸発材は、前記第２側壁部に配置されているのが好ましい。

　かかる構成によれば、真空チャンバ内部にワークが収容された状態では、負極側蒸発材および正極側蒸発材は、ワークを挟んで向かい合うように配置されるので、これらの蒸発材を用いてワークの両側から同時に成膜を行うことが可能である。

　また、前記正極側蒸発材および前記負極側蒸発材は、これらのうちの一方が他方の周囲を取り囲むように配置されているのが好ましい。

　かかる構成によれば、正極側蒸発材および負極側蒸発材を限られた設置スペースで有効に配置することが可能である。

　また、前記正極側蒸発材は、前記ワークに向けられる前面と、前記前面の周縁に連続し、前記前面と異なる方向を向く周面とを有しており、前記アーク成膜装置は、前記正極側蒸発材の前記周面を覆い、前記正極側蒸発材が当該周面から蒸発することを防ぐ蒸発防止膜をさらに備えているのが好ましい。

　かかる構成によれば、蒸発防止膜によって、正極側蒸発材の周面を覆うことにより、正極側蒸発材が当該周面から蒸発することを防ぐことが可能である。これにより、正極側蒸発材の無駄な消耗を抑えることが可能であり、かつ、正極側蒸発材の周面から発生した蒸発物質が当該正極側蒸発材の周囲の成膜装置の構成部品に付着するおそれを低減することが可能である。

　また、前記正極側蒸発材を前記ワークへ近づく方向に向かって移動させる移動部をさらに備えているのが好ましい。

　かかる構成によれば、アーク成膜時に正極側蒸発材がワークに向けられた前面から蒸発して消耗するのに合わせて、移動部が正極側蒸発材をワークに向かって前進させることにより、正極側蒸発材の前面を定位置に保つことが可能である。

　本発明の固体蒸発材は、成膜されるワークに向けられる前面と、当該前面の周縁に連続し、前記前面と異なる方向を向く周面とを有し、真空中又は減圧下で加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含む固体の蒸発材本体と、前記蒸発材本体の前記周面を覆い、前記蒸発材本体が当該周面から蒸発することを防ぐ蒸発防止膜とを備えていることを特徴とする。

　かかる構成によれば、蒸発防止膜によって蒸発材本体の周面が覆われているので、蒸発材本体が当該周面から蒸発することを防ぐことが可能である。これにより、蒸発材本体の無駄な消耗を抑えることが可能であり、かつ、蒸発材本体の周面から発生した蒸発物質が当該蒸発材本体の周囲の成膜装置の構成部品に付着するおそれを低減することが可能である。

　上記のような本発明の固体蒸発材は、アーク成膜方法における固体蒸発材として用いられる。その場合、本発明の固体蒸発材は、アーク放電を用いたアーク成膜方法によって成膜されるワークに向けられる前面と、当該前面の周縁に連続し、前記前面と異なる方向を向く周面とを有し、電子が当たって加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含む固体の正極側蒸発材と、前記正極側蒸発材の前記周面を覆い、前記正極側蒸発材が当該周面から蒸発することを防ぐ蒸発防止膜とを備えていることを特徴とする。

　かかる構成によれば、蒸発防止膜によって正極側蒸発材の周面が覆われているので、正極側蒸発材が当該周面から蒸発することを防ぐことが可能である。これにより、正極側蒸発材の無駄な消耗を抑えることが可能であり、かつ、正極側蒸発材の周面から発生した蒸発物質が当該正極側蒸発材の周囲の成膜装置の構成部品に付着するおそれを低減することが可能である。

　また、前記蒸発防止膜は、前記正極側蒸発材よりも融点が高い導電材料を含み、前記正極側蒸発材は、前記前面と反対側を向く後面を有し、前記蒸発防止膜は、前記後面をさらに覆っているのが好ましい。

　かかる構成によれば、蒸発防止膜は正極側蒸発材よりも融点が高い導電材料を含んでいるので、蒸発防止膜を介して正極側蒸発材とアーク電源との電気的な導通を確保することが可能である。したがって、正極側蒸発材において蒸発が行われる前面以外の部分である周面および後面を蒸発防止膜で覆うことによって、当該周面および後面からの蒸発を防止することが可能である。

　また、前記蒸発防止膜は、絶縁物質を含み、前記正極側蒸発材は、前記前面と反対側を向く後面を有し、前記正極側蒸発材の前記後面に接触し、導電性を有する接触部と、前記接触部を冷却する冷却部とをさらに含むのが好ましい。

　かかる構成によれば、蒸発防止膜が絶縁物質を含む場合には、蒸発防止膜を介して正極側蒸発材とアーク電源との電気的な導通を確保することが困難であるので、正極側蒸発材の後面に導電性を有する接触部を接触することにより、上記の電気的な導通を確保することが可能である。また、接触部は冷却部によって冷却されるので、当該接触部によって正極側蒸発材の後面を冷却して蒸発を防ぐことが可能である。その結果、正極側蒸発材の前面のみから蒸発させることが可能である。

　以上説明したように、本発明のアーク成膜装置およびアーク成膜方法によれば、正極側蒸発材の設置自由度を向上することができる。そのため、正極側蒸発材を真空チャンバの側壁や天板などに自在に取り付けることができる。

　本発明の固体蒸発材によれば、蒸発材本体（具体的には、アーク成膜方法における正極側蒸発材）がその周面から蒸発することを防ぐことができる。その結果、これにより、蒸発材本体の無駄な消耗を抑えることができ、蒸発材本体の周囲の成膜装置の構成部品に蒸発物質が付着するおそれを低減することができる。

Claims

　アーク放電を用いてワークの表面の成膜を行うアーク成膜装置であって、
　前記ワークを収容する真空チャンバと、
　正極および負極を有するアーク電源と、
　前記真空チャンバ内部に面する位置に配置され、前記アーク電源の前記負極側に接続され、前記アーク放電により蒸発する負極側蒸発材と、
　前記真空チャンバ内部に面する位置に配置され、前記アーク電源の前記正極側に接続され、前記負極側蒸発材から放出される電子によって蒸発する正極側蒸発材とを備え、
　前記正極側蒸発材は、固体からなり、かつこの固体が前記電子が当たることにより加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含んでいる、
アーク成膜装置。
　前記材料は、クロム、炭素、マグネシウム、マンガン、モリブデン、ニッケル、コバルト、ケイ素、バナジウム、およびタングステンの群から選ばれた少なくとも１種の材料である、
請求項１に記載のアーク成膜装置。
　前記真空チャンバは、底部と、当該底部から上方に延びる側壁と、当該底部の上方に位置する天板とを有しており、
　前記正極側蒸発材は、前記側壁または前記天板に配置されている、
請求項１または２に記載のアーク成膜装置。
　前記側壁は、異なる方向を向く複数の部分を有しており、
　前記負極側蒸発材および前記正極側蒸発材は、前記複数の部分のうちの同じ部分に配置されている、
請求項３に記載のアーク成膜装置。
　前記負極側蒸発材および前記正極側蒸発材は、前記天板に配置されている、
請求項３に記載のアーク成膜装置。
　前記側壁は、互いに対向する第１側壁部および第２側壁部を有しており、
　前記正極側蒸発材は、前記第１側壁部に配置され、
　前記負極側蒸発材は、前記第２側壁部に配置されている、
請求項３に記載のアーク成膜装置。
前記正極側蒸発材および前記負極側蒸発材は、これらのうちの一方が他方の周囲を取り囲むように、同軸上に配置されている、
請求項１または２に記載のアーク成膜装置。
　前記正極側蒸発材は、前記ワークに向けられる前面と、前記前面の周縁に連続し、前記前面と異なる方向を向く周面とを有しており、
　前記正極側蒸発材の前記周面を覆い、前記正極側蒸発材が当該周面から蒸発することを防ぐ蒸発防止膜をさらに備えている、
　請求項１または２に記載のアーク成膜装置。
前記正極側蒸発材を前記ワークへ近づく方向に向かって移動させる移動部をさらに備えている、
　請求項１または２に記載のアーク成膜装置。
　アーク放電を用いてワークの表面に成膜を行うアーク成膜方法であって、
　負極側蒸発材を真空チャンバ内部に面する位置に配置し、アーク電源の負極に接続する工程と、
　電子が当たって加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含む固体の正極側蒸発材を、前記真空チャンバ内部に面する位置に配置し、前記アーク電源の正極に接続する工程と、
　前記アーク電源によって前記負極と前記正極との間に電圧を印加することによりアーク放電を発生させ、当該アーク放電によって前記負極側蒸発材を蒸発させるとともに、前記負極側蒸発材から放出される電子によって前記正極側蒸発材を昇華させて蒸発させ、前記負極側蒸発材および前記正極側蒸発材から発生した蒸発物質によって前記ワークの成膜を行う工程と
を含むことを特徴とするアーク成膜方法。
　成膜されるワークに向けられる前面と、当該前面の周縁に連続し、前記前面と異なる方向を向く周面とを有し、真空中又は減圧下で加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含む固体の蒸発材本体と、
　前記蒸発材本体の前記周面を覆い、前記蒸発材本体が当該周面から蒸発することを防ぐ蒸発防止膜と
を備えた固体蒸発材。
　アーク放電を用いたアーク成膜方法によって成膜されるワークに向けられる前面と、当該前面の周縁に連続し、前記前面と異なる方向を向く周面とを有し、電子が当たって加熱されたときに昇華する性質を有する材料を含む固体の正極側蒸発材と、
　前記正極側蒸発材の前記周面を覆い、前記正極側蒸発材が当該周面から蒸発することを防ぐ蒸発防止膜と
を備えた固体蒸発材。
　前記蒸発防止膜は、前記正極側蒸発材よりも融点が高い導電材料を含み、
　前記正極側蒸発材は、前記前面と反対側を向く後面を有し、
　前記蒸発防止膜は、前記後面をさらに覆っている、
請求項１２に記載の固体蒸発材。
　前記蒸発防止膜は、絶縁物質を含み、
　前記正極側蒸発材は、前記前面と反対側を向く後面を有し、
　前記正極側蒸発材の前記後面に接触し、導電性を有する接触部と、
　前記接触部を冷却する冷却部と
をさらに含む請求項１２に記載の固体蒸発材。