JP2017174514A - アーク式蒸発源、成膜装置及び成膜体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドロップレットを除去するフィルターを用いることなく、ドロップレットの発生を抑制してアーク放電することができるアーク式蒸発源、成膜装置及び成膜体の製造方法を提案する。
【解決手段】本発明のアーク式蒸発源２０は、カソード２２を収容し、該カソード２２の先端の蒸発面２３付近にカソード２２の中心軸に平行な方向の磁場を形成する軸対称の筒状の磁場形成機構１１６と、カソード２２をその軸方向に進退させるカソード進退機構３８と、カソード２２にパルス電流を流すパルス放電電流電源１４とを備え、カソード２２は、直径よりも長い軸方向の長さを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アーク式蒸発源、成膜装置及び成膜体の製造方法に関する。

基材の外部表面に成膜体を形成し、耐摩耗性や耐久性の向上、摩擦損失の低減、更には表面形状の保護や色彩の付加を図るために、アーク放電を利用してカソード物質を溶融し蒸発させるアーク式蒸発源が用いられている。

アーク式蒸発源では、アーク放電によってカソード蒸発面前方の空間に形成されるアーク放電プラズマによって、蒸発したカソードを構成する物質の多くはイオン化される。そして、形成されたアーク放電プラズマを利用し、被成膜基材に所定の電圧を印加することによって、イオン化されたカソード物質を基材に引き寄せ、基材表面に成膜体を形成する。

上記アーク式蒸発源を用いた成膜法であるアークイオンプレーティング法（例えば、特許文献１参照）は、成膜速度が高く、成膜体と基材との間の密着性に優れるため、この方法による成膜装置は生産性に優れており、基材部品や切削工具等の表面に金属膜やその炭化物、窒化物等の成膜体を形成する装置として広く用いられている。

成膜体の耐久性を向上させるためには、膜質、特に耐摩耗性を向上させること以外に、膜厚を厚くすることも方法の１つである。しかしながら、アークイオンプレーティング法では、アーク放電に伴ってカソード蒸発面よりカソード構成物質の溶融粒子、いわゆるドロップレットが放出される。このドロップレットは、形成される成膜体に取り込まれ、表面粗さが大きくなったり、成膜体内に空孔（ボイド）等の欠陥が形成され、成膜体の機械的強度が低下する場合がある。

そして、膜厚が厚いほど成膜体に取り込まれるドロップレットの量が多くなり、膜の平滑性が低下するばかりでなく、平滑化加工が容易ではなく、加工によってドロップレットが脱落して凹部を形成したりする。そして、成膜体の外観品質を低下させる要因にもなる。

アークイオンプレーティング法において、成膜体に取り込まれるドロップレットの量や大きさを低減する方法として、フィルタードカソーディックアークイオンプレーティング法が知られている（例えば、特許文献２参照）。フィルタードカソーディックアークイオンプレーティング法は、屈曲した磁気コイルをカソードと被成膜基材との間に配置し、磁気コイルによって形成された磁力線に沿ってアーク放電プラズマ中の電子やイオン等の荷電粒子の軌道を曲げることによって、電荷を持たない又は比電荷が小さい為に磁場の影響をほとんど受けず直進するドロップレットを分離する成膜方法である。

特開平８−１９９３４６号公報 特開平１１-３３５８３７号公報

しかしながら、フィルタードカソーディックアークイオンプレーティング法では、全ての荷電粒子を被成膜基材に輸送することは困難である。これは、アーク放電プラズマ中のイオンは、磁場の影響を受けて円運動するが、その運動の半径（ラーモア半径）が磁気コイルの内部空間より大きくなる運動エネルギーを持つイオンは、輸送途中で内壁に衝突するためである。その結果、こうしたイオンは成膜体形成に寄与できず、成膜速度が遅くなる。

そして、成膜装置には、アーク式蒸発源にフィルターが加わる。このフィルターには、磁気コイルが備えられており、その重量は重い。そして、フィルタードカソーディックアークイオンプレーティング法によって成膜体を形成する成膜装置の蒸発源設置ポートが備わる真空容器壁面は、耐荷重を高くする必要があり、真空容器の重量が重くなる。これらのために、成膜装置のコストが上昇する。

このように、ドロップレットを除去するフィルターを用いることなく、ドロップレットの形成を抑制してアーク放電することができる方途の開発が希求されている。

そこで、本発明の目的は、ドロップレットを除去するフィルターを用いることなく、ドロップレットの発生を抑制してアーク放電することができるアーク式蒸発源、成膜装置及び成膜体の製造方法を提案することにある。

上記課題を解決する本発明によるアーク式蒸発源は、アーク放電によってカソードを加熱して該カソードを構成する物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、前記カソードを収容し、該カソードの先端の蒸発面付近にカソードの中心軸に平行な方向の磁場を形成する軸対称の筒状の磁場形成機構と、前記カソードをその軸方向に送り出すカソード進退機構と、前記カソードにパルス電流を流すパルス放電電流電源とを備え、前記カソードは、直径よりも長い軸方向の長さを有することを特徴とする。

アーク放電は、これが維持されるアークスポットの周辺の磁場の影響を受けて運動するが、アーク放電とともにカソード蒸発面は消耗し、カソード蒸発面が後退する。その結果、時間の経過とともに、磁場形成機構とカソード蒸発面との位置関係が変化するため、アークスポットの運動も変化する。本発明のアーク式蒸発源では、軸対称の筒状の磁場形成機構と、この内部に配置されるカソードと、磁場形成機構の軸方向に進退させるカソード進退機構とが組み合わされている。これにより、カソードの消耗に応じて、カソードを進退させることができ、アークスポットが運動するカソード蒸発面近傍の磁場配位を一定に保つことが可能となり、アーク放電が安定して維持される。

また、カソードは、直径に対して長い軸方向の長さを有しているため、膜厚が５μｍ以上で放電時間が長い成膜においても、成膜体形成物質を供給し続けることができる。勿論、膜厚が５μｍ未満の成膜であっても、本発明のアーク式蒸発源を用いて、成膜体を形成できることは言うまでもない。

磁場形成機構は、回転対称性を有することが好ましい。この磁場形成機構としては、例えば、筒状の永久磁石または軸方向に異なる磁極が配置された永久磁石を筒状に配列したものや、筒状鉄心とコイルとを有する電磁石、例えば、一般構造用圧延鋼材ＳＳ４００等の強磁性体製円筒の外周に磁気コイルを配置した電磁石、コイルを用いることができる。

また、本発明の成膜装置は、上記本発明のアーク式蒸発源を備えることを特徴としている。本発明の成膜装置により、膜中に取り込まれるドロップレットの量を抑制して表面粗さの小さな成膜体を形成することができる。

更に、本発明の成膜体の製造方法は、上記本発明の成膜装置を用いて、基材の表面に成膜体を形成する成膜体の製造方法であり、パルス放電電流電源の周波数が５０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下であることを特徴とする。

アーク放電が安定して維持されるためには、アークスポットにおける熱電子放出が安定して維持される必要がある。このため、アークスポット近傍のカソード蒸発面には、一定の熱負荷が与えられることが必要であり、パルス放電電流電源の周波数を５０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下とすることにより、アーク放電を維持することが可能となる。好ましくは、周波数を１００Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下とする。

本発明の成膜体の製造方法において、パルス放電電流の値を４０Ａ以上３００Ａ以下とすることが好ましく、アーク放電電流のベース電流を８Ａ以上２０Ａ以下、又は８Ａ以上かつパルス放電電流の０．３倍以下とすることが好ましい。

更に、本発明の成膜体の製造方法において、パルス放電電流のパルス幅Ｔ_ONを０．３ｍｓｅｃ以上とすることが好ましく、パルス放電電流の周期Ｔに対する、パルス幅Ｔ_ONの比Ｄ＝Ｔ_ON／Ｔを０．４５以下とすることが好ましい。

更にまた、本発明の成膜体の製造方法において、成膜体を５μｍ以上の厚さで形成することが好ましい。

本発明のアーク式蒸発源によれば、ドロップレットを除去するフィルターを用いることなく、ドロップレットの発生を抑制してアーク放電することができる。

本発明のアーク式蒸発源の一例の模式図である。 本発明のアーク式蒸発源を備える成膜装置の一例の概略図である。 本発明のアーク式蒸発源のカソードに流れるアーク放電電流の時間変化の概要を示す図である。 本発明のアーク式蒸発源の別の例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明のアーク式蒸発源の好適な実施形態について具体的に説明する。図１は、本発明のアーク式蒸発源の一例を示す模式図である。この図に示すアーク式蒸発源２０は、真空チャンバ４（図では、真空チャンバ壁の一部のみ記載）の開口フランジ４ａに絶縁体４６を介して設置され、全体としてアーク式成膜装置を構成している。

アーク式蒸発源２０は、磁場形成機構１１６と、カソード２２を保持するカソード保持フランジ２９と、カソード進退機構３８と、パルス放電電流電源１４とを備える。

磁場形成機構１１６は、カソード２２を収容し、該カソード２２の先端の蒸発面２３付近にカソード２２の中心軸に平行な方向の磁場、又は中心軸から離れる方向に広がる磁場を形成する。なお、本実施形態においては、磁場形成機構１１６を「円筒状」としているが、これに限られることはなく、筒状であれば、例えば磁極の配置の方向を同一とした棒磁石を円筒状に配列したものであってもよい。

また、磁場形成機構１１６は、磁石によって構成されている必要はなく、例えば、ＳＳ４００（ＪＩＳ Ｇ ３１０１：２００４「一般構造用圧延鋼材」）で製作された円筒状の強磁性体を取り囲むようにコイルを配置した電磁石や、コイルであってもよい。更に、磁石と強磁性体の組み合わせによって構成されていてもよい。

カソード２２は、直径よりも長い軸方向長さを有する。これにより、５μｍ以上の厚い成膜体を形成することができる。カソード２２の直径は、例えば２０ｍｍ以上８０ｍｍ以下である。また、カソード２２の長さは、例えば直径の１．５倍以上、又は５０ｍｍ以上のいずれか長い方、且つ４００ｍｍ以下である。

また、カソード２２の材料としては、強磁性体でない導電性材料を用いることができ、例えば、円柱状で中実のものを使用することができる。強磁性体でない材料を用いると、カソード２２の蒸発面２３の位置や長さが変化しても、磁場形成機構１１６による磁場配位に影響を与えない。上記材料としては、Ｆｅなど強磁性体を除く金属や、ＳＵＳ３０４等の強磁性を有しない合金、炭素等の半金属材料、ＩｎＡｓ等の半導体材料を挙げることができる。特に、強磁性体でない金属及び金属炭化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属硫化物の１種以上により構成される材料を用いることが好ましく、このような金属としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔａを挙げることができる。

カソード２２の形状は限定されず、上記した円柱状の他、多角形柱状であってもよい。この場合、カソード２２の直径は、多角形の全ての頂点を通過する円の直径を意味している。又、磁場形成機構１１６の筒の断面形状と、カソード２２の断面形状は相似であっても異なってもよいが、通常、形成される磁場の対称性等の点から両者の断面形状は相似（例えば、磁場形成機構１１６を円筒にする場合は、カソード２２も円柱状とする）であることが好ましい。

カソード２２とカソード保持フランジ２９とは電気的に接続されている。また、カソード保持フランジ２９とアース２との間には、カソード２２にパルス電流を流すパルス放電電流電源１４が接続されている。このパルス放電電流電源１４によるパルス電流の周波数やパルス幅などを調整することにより、アーク放電を維持するアークスポット近傍のカソード蒸発面２３への過剰な加熱を抑制してドロップレットの発生を低減することができる。

パルス放電電流電源１４により、カソード２２と、真空チャンバ４内のアノード（アースになっている）やシールド板１０（抵抗器６０を介してアースになっている）との間でアーク放電を生じさせることにより、イオン化されたカソード構成物質２４が蒸発面２３のアークスポット６２から飛び出し、真空チャンバ４内の図示しない被成膜基材の表面に成膜体が形成される。なお、図１における符号２４は、アーク放電によって蒸発面２３から放出されたイオン等のカソード構成物質２４の流れを示している。

また、カソード２２は、カソード保持フランジ２９を介してカソード進退機構３８に取り付けられており、カソード進退機構３８の進退に応じて、カソード保持フランジ２９及びカソード２２が磁場形成機構１１６内を軸方向に進退する。このカソード進退機構３８は、例えばステッピングモータで構成することができる。

カソード蒸発面２３は、アーク放電の時間経過とともにカソード２２が消耗するため、後退する。このまま放置した状態でアーク放電を継続すると、やがてシールド板１０や真空チャンバ４等が溶損する。これを避けるために、カソード２２の消耗に応じて、カソード２２を送り出す必要がある。カソード２２の消耗状況は、例えば、トリガ１６をカソード蒸発面２３に接触させて、トリガ１６の先端の位置を検出することや、アーク放電電流等の放電条件に対応したカソード２２の消耗量をデータベース化する等、カソード蒸発面２３の位置を検出又は推算し、カソード進退機構３８を動作させてカソード２２を進退させる。これにより、アークスポットが運動するカソード蒸発面２３近傍の磁場配位を一定に保って、アーク放電を安定して維持することができる。

（成膜装置）
次に、本発明の成膜装置について説明する。本発明の成膜装置は、上述の本発明のアーク式蒸発源を備えることを特徴としており、その他の構成は限定されない。図２は、本発明のアーク式蒸発源を備える成膜装置の一例の概略図である。この図に示した成膜装置２００は、真空チャンバ４と、アーク式蒸発源２０と、真空チャンバ４内にプロセスガスを導入するプロセスガス導入系８２と、被成膜基材を回転させるターンテーブル１２０と、被成膜基材を固定する自転軸１１２とを備える。

上記本発明の成膜装置２００により、アーク式蒸発源２０のカソード２０から放出されるドロップレットを抑制することがでるため、成膜体に取り込まれるドロップレットの量を低減して平滑な成膜体を形成することができる。

（成膜体の製造方法）
続いて、本発明の成膜体の製造方法の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。アーク放電を利用するアークイオンプレーティング法による成膜体の製造において、形成される成膜体に取り込まれるドロップレットを低減するためには、アーク放電を維持するアークスポット近傍のカソード蒸発面２３への過剰な加熱を抑制するとともに、アーク放電を開始する際に動作させるトリガ１６の動作頻度を少なくすることが不可欠であり、パルスアーク放電を安定して維持することが必要となる。

アーク放電を行うパルス放電電流電源１４から流れる電流の時間変化の概要を図３に示す。ここで、アーク放電電流はカソード２２からパルス放電電流電源１４を介してアース２に流れる。図３では、この方向に流れる電流値を正の値としている。

アーク放電は、トリガ１６の先端をカソード蒸発面２３に接触させて電流を流して蒸発面２３を局所的に加熱する。そして、トリガ１６を蒸発面２３から素早く離すことによって、加熱部（アークスポット６２）より熱電子が放出され、アーク放電が開始する。上記加熱のためには、一定の電流が流れる必要があり、少なくともトリガ１６と蒸発面２３とは、時間Ｔ_ON以上接触することが必要である。

アーク放電によるカソード構成物質２４の放出は、主にＴ_ONの間の放電電流によってなされる。この放電電流は、アーク放電を維持するために必要となるアークスポット６２における熱電子の放出が安定して維持されるように加熱する役割も果たす。これには、放電電流を４０Ａ以上とすることが好ましい。より好ましくは、６０Ａ以上である。また、放電電流は、３００Ａ以下であることが好ましい。放電電流が３００Ａを上回ると、Ｔ_OFFの間におけるアークスポット６２近傍のカソード蒸発面２３の冷却が十分でなく、ドロップレットの発生を抑制する効果が小さくなる。より好ましくは、２４０Ａ以下の放電電流で成膜体を形成する。

ベース電流は、Ｔ_OFF間におけるアークスポット６２を冷却しつつ、過剰な温度低下を抑制し、熱電子放出が可能な温度以上に維持することが主な役割である。そのためには、ベース電流を８Ａ以上とすることが好ましい。一方、ベース電流は、２０Ａ又は放電電流の０．３倍以下であることが好ましい。この範囲を超えるベース電流で形成された成膜体では、成膜体内に取り込まれるドロップレットの発生量や、その大きさを低減する効果が得られず、成膜体の表面粗さが大きくなる。

パルス放電電流の周波数は、５０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下で成膜体を形成する。周波数が５０Ｈｚより低くなると、時間Ｔ_ONやＴ_OFFが長くなり、アークスポット６２の温度の変化が大きすぎる。これに伴い、熱電子放出が困難となり、アーク放電の開始ができなくなったり、発生するドロップレットの量が多くなったりする。その結果、トリガ１６の動作頻度が増加するなど、成膜体内に取り込まれるドロップレットの発生量も増加し、成膜体の表面粗さが大きくなる。一方、周波数が１０００Ｈｚを超えると、Ｔ_ONやＴ_OFFの時間が短くなり、アークスポット６２近傍におけるカソード蒸発面２３の加熱や冷却の温度変化がほとんど生じなくなる。そのため、放電電流の時間平均値に想到する放電電流で直流放電した場合との差が小さく、パルス放電による成膜体形成に対する優位性が低くなる。パルス放電電流の周波数は、１００Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下であることが好ましい。

パルス放電電流のパルス幅Ｔ_ONは０．３ｍｓｅｃ以上とすることが好ましい。パルス幅Ｔ_ONが０．３ｍｓｅｃを下回ると、アークスポット６２近傍のカソード蒸発面２３が十分に加熱することができないため、アーク放電を維持する熱電子放出が困難となり、アーク放電を開始できなかったり、アーク放電を安定して維持することが困難となったりする。その結果、成膜体の形成自体が困難となったり、トリガ１６の動作頻度が増加し、成膜体内に取り込まれるドロップレットの発生量も増加し、成膜体の表面粗さが大きくなったりする。

また、パルス放電電流の周期Ｔに対する放電電流のパルス幅Ｔ_ONの比率Ｄは
Ｄ＝Ｔ_ON／Ｔ≦０．４５
を満足する放電条件で成膜体を形成することが好ましい。上記比率Ｄが０．４５を上回ると、成膜体内に取り込まれるドロップレットの発生量も増加し、成膜体の表面粗さが大きくなる。

なお、アーク放電電流のパルス電流波形は、図３に示した矩形波に限定されず、正弦波パルスや台形波パルス、三角波パルスであってもよい。この場合、放電電流のパルス幅Ｔ_ONは、ピーク電流値の半値における時間幅とする。また、時間Ｔ_ON間の放電電流が時間的に変化する場合には、この間の放電電流の時間平均値をパルス放電電流の値とする。同様に、時間Ｔ_OFF間の放電電流が時間的に変化している場合には、この間の放電電流の時間平均値をベース電流の値とする。

以下、本発明を以下の実施例において更に詳細に説明するが、本発明は実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１−１）
図１に示したアーク式蒸発源２０を備える図２に示した成膜装置２００を用いて、炭素成膜体を形成した。被成膜基材には、鏡面研磨した高速度工具鋼鋼材（ＳＫＨ５１材、表面粗さＲａ：０．０２５μｍ以下）を用い、これを成膜装置２００のターンテーブル１２０に取り付けられている自転軸１１２の表面に固定した。

カソード２２としては、外径５０ｍｍ、軸方向の長さ２００ｍｍの円柱状のグラファイト製カソード（炭素純度：９８％以上）を使用した。また、磁場形成機構１１６には、直径８ｍｍ、長さ３０ｍｍのネオジム磁石を円筒状に均等に並べたものを使用した。この磁石の内径は６４ｍｍである。

成膜に先立って、真空排気をしてイオンボンバード処理を行った。このイオンボンバード処理では、まず、図示しない真空排気ポンプにより、真空チャンバ４内を１×１０^-3Ｐａ以下に排気した。この時、真空チャンバ４の内壁等からのガス放出を促すために、図示しないヒータを用いて加熱を行った。ただし、被成膜基材が２００℃以上に加熱されないように、温度と処理時間を調整した。

上記真空排気をした後、プロセスガス導入系８２により、Ａｒガスを真空チャンバ４内に導入し、真空チャンバ４内の圧力が２Ｐａとなるように、Ａｒガスの流量を調節して維持した。そして、被成膜基材を取り付けたターンテーブル１２０に接続したパルス放電電流電源１４としてのパルスバイアス電源により、カソード２２にパルスバイアス（方形波−２００Ｖ、周波数２００Ｈｚ）を１０分間印加し、高周波プラズマ放電を行った。その際、放電によって生成されたＡｒイオンが、パルスバイアスの負バイアス印加時に加速されて被成膜基材表面をスパッタし、基材表面が清浄化される。

上記イオンボンバード処理に続いて、中間層形成処理を行った。この中間層形成処理には、Ｃｒカソードを取り付けたプラズマ源１３０（スパッタ源）を用い、スパッタリング法により被成膜基材の表面上にＣｒ中間層を０．２μｍ形成した。

上記中間層形成処理に続いて、炭素成膜体の形成処理を行った。具体的には、まずプロセスガス導入系８２により真空チャンバ４内にＡｒガスを導入し、真空チャンバ４内の圧力が３×１０^-3Ｐａになるように、導入するＡｒガスの流量を調整した。グラファイト製カソード２２は、表１に示す条件でアーク放電を行うと同時に、被成膜基材を固定したターンテーブル１２０に直流電圧−８０Ｖを印加した。この状態を維持し、所定の時間成膜を行い、基材の表面に厚さ６．０μｍの炭素成膜体を形成した。

（実施例１−２〜実施例１−７、比較例１−１、比較例１−２）
実施例１−１と同様に、被成膜基材上に厚さ６．０μｍの炭素成膜体を形成した。ただし、パルス放電電流の周波数を表２に示す条件に変更して行った。その他の条件は、実施例１−１と全て同じである。

（比較例１−３）
成膜装置２００におけるパルス放電電流電源１４としてのパルスバイアス電源を直流電流電源に変更し、６秒毎にトリガを動作させることによって放電電流が１２０Ａで２秒間放電させる制御を行って、厚さ７．０μｍの炭素成膜体の形成を行った。この条件における比率Ｄは０．３３であり、アーク放電は間欠放電となるため、ベース電流は０Ａである。その他の条件は、実施例１−１と全て同じである。

（比較例１−４）
放電電流を５３Ａに変更した以外は、比較例１−３と全て同じ条件で、炭素成膜体の形成を行った。

＜表面粗さの測定＞
触針式表面粗さ測定器（株式会社東京精密製、型番：ＳＵＲＦＣＯＭ １４００Ｄ）を用い、ＪＩＳ−Ｂ０６０１（２００１）に従って、成膜体形成後の成膜体表面の各々について、十点平均粗さＲ_zjisを測定した。この測定をそれぞれ異なる位置で１０回行い、十点平均粗さＲ_zjisの平均値を求めた。得られた平均値を表２に示す。なお、表２における十点平均粗さＲ_zjisの平均値は、比較例１−３の十点平均粗さＲ_zjisの平均値を１とした場合の相対値を示している。

表２から明らかなように、各実施例の場合、パルス放電電流の周波数が低い比較例１−３と比較して、平滑な炭素成膜体が形成されている。特に、放電電流の周波数が１００Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下の条件で成膜体を形成した実施例１−１、実施例１−２、実施例１−４、及び実施例１−５では、十点平均粗さＲ_zjisの平均値が更に小さく、成膜体の平滑性が更に良好であった。

一方、放電電流の周波数が５０Ｈｚを下回る比較例１−１、更に放電電流の周波数が１０００Ｈｚを超える比較例１−２は、比較例１−３を下回る十点平均粗さＲ_zjisの平均値が得られており、比較的平滑な成膜体が形成されたものの、平均放電電流と同じ放電電流値で直流放電して成膜体を形成した比較例１−４と同程度の表面粗さであり、パルス放電による成膜体形成の優位性が認められなかった。

（実施例２−１）
図１に示したアーク式蒸発源２０を備える図２に示した成膜装置２００を用いて、窒化チタン成膜体を製造した。被成膜基材には、鏡面研磨した超硬合金材（表面粗さＲａ：０．０２５μｍ以下）を用い、これを成膜装置２００のターンテーブル１２０に取り付けられている自転軸１１２の表面に固定した。

カソード２２としては、外径５０ｍｍ、軸方向の長さ９０ｍｍの円柱状のチタン製カソード（Ｔｉ純度：９９％以上）を使用した。また、磁場形成機構１１６には、内径６４ｍｍ、外径８６ｍｍ、長さ１５０ｍｍの一般構造用圧延鋼材ＳＳ４００製円筒の外周にコイルを配置した電磁石を使用した。

成膜に先立って、真空排気をしてイオンボンバード処理を行った。このイオンボンバード処理において、まず、図示しない真空排気ポンプにより、真空チャンバ４内を１×１０^-3Ｐａ以下に排気した。この時、真空チャンバ４内壁等からのガス放出を促すために、図示しないヒータを用いて加熱を行った。ただし、被成膜基材が２００℃以上に加熱されないように、温度と処理時間を調整した。

上記真空排気した後、プロセスガス導入系８２により、Ｎ₂ガスを真空チャンバ４内に導入し、真空チャンバ４内の圧力が１．２Ｐａとなるように、Ｎ₂ガスの流量を調節して維持した。そして、チタン製カソード（Ｔｉ純度：９９％以上）を取り付けたプラズマ源１３０（アーク式蒸発源）を用いて、直流電流６０Ａでアーク放電を行うと同時に、被成膜基材を取り付けたターンテーブル１２０に接続したバイアス電源１４によりバイアス電圧−５００Ｖを２分間印加し、イオンボンバード処理を行った。その際、アーク放電によって生成されたＴｉイオンが負バイアス印加によって加速されて被基材表面をスパッタし、基材表面が清浄化される。

上記イオンボンバード処理の後、窒化チタン成膜体の形成処理を行った。具体的には、プロセスガス導入系８２によりＮ₂ガスの流量を増加させることにより、真空チャンバ４内の圧力が２．６Ｐａになるように、導入するＮ₂ガスの流量を調整した。チタン製カソード２２は、表３に示す条件でアーク放電を行うと同時に、被成膜基材を固定したターンテーブル１２０に直流電圧−３０Ｖを印加した。この状態を維持し、所定の時間成膜を行い、基材の表面に厚さ１２．０μｍの窒化チタン成膜体を形成した。こうして形成された成膜体を試料２−１ａとした。

次に、同じ放流電流で形成された場合の粗さの基準となる厚さ１２．０μｍの窒化チタン成膜体の成膜を行った。アーク式蒸発源に接続する放電電流源を直流電流電源に変更し、６秒毎にトリガを動作させることによって、放電電流が２００Ａで１秒間放電させる制御を行った。従って、放電周波数０．１６７Ｈｚ、比率Ｄは０．１６７である。なお、アーク放電は間欠放電となるため、ベース電流は０Ａである。こうして成膜体が形成された被成膜基材を試料２−１ｂとした。

＜表面粗さの測定＞
上述のように得られた試料２−１ａ及び試料２−１ｂについて、触針式表面粗さ測定器（株式会社東京精密製、型番：ＳＵＲＦＣＯＭ １４００Ｄ）を用い、ＪＩＳ−Ｂ０６０１（２００１）に従って、成膜体の表面の各々に対して、十点平均粗さＲ_zjisを測定した。この測定をそれぞれ違う位置で１０回測定し、平均値を求めた。試料２−１ａ及び試料２−１ｂについて得られた十点平均粗さＲ_zjisの平均値をそれぞれＲ_zjis（２−１ａ）及びＲ_zjis（２−１ｂ）とし、Ｒ_zjis（２−１ａ）に対するＲ_zjis（２−１ｂ）の比率Ｒを算出した。この比率Ｒは、パルス放電電流が同じ条件における表面粗さの低減率を表す指標となる。得られた比率Ｒを表４に示す。

＜放電の安定性の判定＞
窒化チタン成膜体形成処理において、パルスアーク放電が停止し、トリガを動作させることによって放電を再開する頻度が１回／分以下である場合には「○」と判定し、頻度が１回／分を上回った場合に「×」と判定した。得られた結果を表４に示す。

（実施例２−２〜実施例２−６、比較例２−１〜比較例２−４）
実施例２−１と同様に、被成膜基材上に厚さ１２．０μｍの窒化チタン成膜体を形成した。ただし、パルス放電電流及びベース電流を表４に示す条件に変更した。その他の条件は実施例２−１と全て同じである。得られた比率Ｒを表４に示す。

表４から明らかなように、各実施例の場合、パルス放電電流が４０Ａ以上３００Ａ以下とすることにより、平滑な窒化チタン成膜体が形成されている。特に、パルス放電電流が４０Ａ以上２４０Ａ以下の条件で成膜体を形成した実施例２−１〜実施例２−３、実施例２−５及び実施例２−６では、成膜体表面の平滑性が更に良好であった。

一方、パルス放電電流が３００Ａを上回る比較例２−１、ベース電流が８Ａを下回る比較例２−３、及びパルス放電電流とベース電流の比率Ｒが０．３５以上となる比較例２−４では、表面粗さの低減率を表す指標となる比率Ｒが１に近く、パルス放電を用いたことによる効果は認められなかった。更に、比較例２−３では、放電中に頻繁に放電が停止した。そして、パルス放電電流が４０Ａを下回る比較例２−２では、放電を開始することができず、窒化クロム成膜体を形成することができなかった。

（実施例３−１）
図２に示した成膜装置２００において、図１に示したアーク式蒸発源２０に代えて図４に示すアーク式蒸発源２１を用いて、窒化クロム成膜体を形成した。被成膜基材には、鏡面研磨した超硬合金材（表面粗さＲａ：０．０２５μｍ以下）を用い、これを成膜装置２００のターンテーブル１２０に取り付けられている自転軸１１２の表面に固定した。

カソード２２としては、外径５０ｍｍ、軸方向の長さ１５０ｍｍの円柱状のクロム製カソード（Ｃｒ純度：９９％以上）を使用した。また、磁場形成機構４２には磁気コイルを用い、磁場形成機構４２に接続された励磁電源４４により、クロム製カソードの蒸発面（成膜室側先端部）中央において６０ｍＴの磁場を形成するように構成した。

成膜に先立って、真空排気をしてイオンボンバード処理を行った。このイオンボンバード処理において、まず、図示しない真空排気ポンプにより、真空チャンバ４内を１×１０^-3Ｐａ以下に排気した。この時、真空チャンバ４内壁等からのガス放出を促すために、図示しないヒータを用いて加熱を行った。ただし、被成膜基材が２００℃以上に加熱されないように、温度と処理時間を調整した。

上記真空排気をした後、プロセスガス導入系８２により、Ｎ₂ガスを真空チャンバ４内に導入し、真空チャンバ４内の圧力を１．２Ｐａとなるように、Ｎ₂ガスの流量を調節して維持した。そして、クロム製カソード（Ｃｒ純度：９９％以上）を取り付けたプラズマ源１３０（アーク式蒸発源）を用いて、直流電流８０Ａでアーク放電を行うと同時に、被成膜基材を取り付けたターンテーブル１２０に接続したバイアス電源１４により、バイアス電圧−６００Ｖを１．７分間印加し、イオンボンバード処理を行った。その際、アーク放電によって生成されたＣｒイオンが負バイアス印加によって加速されて被基材表面をスパッタし、基材表面が清浄化される。

上記イオンボンバード処理に続いて、窒化クロム成膜体の形成処理を行った。具体的には、プロセスガス導入系８２によりＮ₂ガスの流量を増加させることにより、真空チャンバ４内の圧力が２．７Ｐａになるように、導入するＮ₂ガスの流量を調整した。クロム製カソード２２は、表５及び表６に示す条件でアーク放電を行うと同時に、被成膜基材を固定したターンテーブル１２０に直流電圧−３Ｖを印加した。この状態を維持し、所定の時間成膜を行い、基材の表面に厚さ２８．０μｍの窒化クロム成膜体を形成した。

（実施例３−２〜比較例３−７、比較例３−１〜比較例３−３）
実施例３−１と同様に、被成膜基材上に厚さ２８．０μｍの窒化クロム成膜体を形成した。ただし、放電電流の周波数とパルス幅Ｔ_ONを表６に示す条件に変更して行った。その他の条件は、実施例３−１と全て同じである。

＜表面粗さの測定＞
触針式表面粗さ測定器（株式会社東京精密製、型番：ＳＵＲＦＣＯＭ １４００Ｄ）を用い、ＪＩＳ−Ｂ０６０１（２００１）に従って、成膜後の成膜体表面に対して、十点平均粗さＲ_zjisをそれぞれ違う位置で１０回測定し、平均値を求めた。得られた平均値を表６に示す。なお、表６における点平均粗さＲ_zjisの平均値は、比較例３−１の十点平均粗さＲ_zjisの平均値を１とした場合の相対値を示している。

表６から明らかなように、各実施例の場合、パルス幅Ｔ_ONが０．３ｍ秒以上かつ比率Ｄが０．４５以下の条件を満足するパルス幅の条件で平滑な窒化クロム成膜体が形成されている。特に、比率Ｄが０．４１を下回る条件で成膜体を形成した実施例３−１〜実施例３−２、実施例３−４〜実施例３−７では、成膜体の平滑性が更に良好であった。

一方、比率Ｄが０．４５を上回る比較例３−１及び比較例３−２では、十点平均粗さＲ_zjisの値が大きく、パルス放電の効果は認められなかった。そして、比較例３−３では、放電を開始するために用いるトリガが頻繁に動作した。アーク放電電流電源とカソード間とのケーブルに直流電流センサを挿入し、このケーブルに流れる電流の時間変化を観察すると、トリガがカソード蒸発面に接触している間は電流が流れているが、トリガがカソード蒸発面から離れるとすぐに電流が流れなくなっており、放電が開始できていなかった。このため、所定の膜厚の窒化クロム成膜体を形成することができなかった。

本発明によれば、ロップレットを除去するフィルターを用いることなく、ドロップレットの発生を抑制してアーク放電することができる。

２ アース
４ 真空チャンバ
１４ パルス放電電流電源
１６ トリガ
２０，２１ アーク式蒸発源
２２ カソード
２３ 蒸発面
２４ 成膜体形成物質
２９ カソード保持フランジ
３８ カソード進退機構
４２，１１６ 磁場形成機構
４４ 励磁電源
４６ 絶縁体
８２ プロセスガス導入系
１１２ 自転軸
１２０ ターンテーブル
１２４ バイアス電源
１３０ プラズマ源
２００ 成膜装置

Claims (11)

1. アーク放電によってカソードを加熱して該カソードを構成する物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、
   前記カソードを収容し、該カソードの先端の蒸発面付近に前記カソードの中心軸に平行な方向の磁場を形成する軸対称の筒状の磁場形成機構と、
   前記カソードをその軸方向に進退させるカソード進退機構と、
   前記カソードにパルス電流を流すパルス放電電流電源と、
   を備え、
   前記カソードは、直径よりも長い軸方向の長さを有することを特徴とするアーク式蒸発源。
2. 前記磁場形成機構は回転対称性を有する、請求項１に記載のアーク式蒸発源。
3. 前記磁場形成機構が、筒状の永久磁石または筒状に配列した永久磁石、筒状鉄心とコイルとを有する電磁石、コイルのいずれかを含む、請求項１または２に記載のアーク式蒸発源。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のアーク式蒸発源を備える成膜装置。
5. 請求項４に記載の成膜装置を用いて、基材の表面に成膜体を形成する成膜体の製造方法において、
   前記パルス放電電流電源の周波数を５０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下とすることを特徴とする成膜体の製造方法。
6. 前記パルス放電電流電源の周波数を１００Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下とする、請求項５に記載に成膜体の製造方法。
7. 前記パルス放電電流の値を４０Ａ以上３００Ａ以下とする、請求項５または６に記載の成膜体の製造方法。
8. 前記パルス放電電流のベース電流を８Ａ以上とし、かつ２０Ａ以下またはパルス放電電流の０．３倍以下とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の成膜体の製造方法。
9. 前記パルス放電電流のパルス幅Ｔ_ONを０．３ｍｓｅｃ以上とする、請求項５〜８のいずれか１項に記載の成膜体の製造方法。
10. 前記パルス放電電流の周期Ｔに対する、パルス幅Ｔ_ONの比Ｄ＝Ｔ_ON／Ｔを０．４５以下とする、請求項５〜９のいずれか１項に記載の成膜体の製造方法。
11. 前記成膜体を５μｍ以上の厚さで形成する、請求項５〜１０のいずれか１項に記載の成膜体の製造方法。

Images