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JP4827235B2 - Arc type evaporation source and method for manufacturing film-formed body - Google Patents
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JP4827235B2 - Arc type evaporation source and method for manufacturing film-formed body - Google Patents

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JP4827235B2 JP2005258697A JP2005258697A JP4827235B2 JP 4827235 B2 JP4827235 B2 JP 4827235B2 JP 2005258697 A JP2005258697 A JP 2005258697A JP 2005258697 A JP2005258697 A JP 2005258697A JP 4827235 B2 JP4827235 B2 JP 4827235B2
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Description

本発明は、例えば工具、金型、装飾品、機械部品等の基材外部表面に、耐摩耗性向上や摩擦損失の低減、或いは色彩を付加するための硬質炭素被膜を形成させるアーク式蒸発源及び成膜体の製造方法に関する。   The present invention relates to an arc evaporation source for forming a hard carbon coating for improving wear resistance, reducing friction loss, or adding color to the outer surface of a substrate such as a tool, a mold, a decorative article, and a machine part. And a method for manufacturing a film-formed body.

基材の外部表面に被膜を形成し、耐摩耗性や耐久性の向上、摩擦損失の低減、さらには表面形状等の保護を図るため、アーク放電によっ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、アーク放電によりカソード前方の空間に形成されるアークプラズマによって、蒸発したカソード物質の多くはイオン化される。そして、アークプラズマを利用し、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、基材表面に被膜を形成する。
An arc evaporation source that forms a coating on the outer surface of the substrate to melt and evaporate the cathode material by arc discharge to improve wear resistance and durability, reduce friction loss, and protect the surface shape. Is used.
In an arc evaporation source, much of the evaporated cathode material is ionized by arc plasma formed in the space in front of the cathode by arc discharge. Then, by applying a predetermined voltage to the deposition target substrate using arc plasma, the ionized cathode material is attracted to the substrate to form a coating on the substrate surface.

アークイオンプレーティング法は成膜速度が速く、被膜と基材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、機械部品や切削工具等の表面に金属膜やその炭化物、窒化物などの被膜形成装置として広く用いられている。アークイオンプレーティング法の成膜速度が速い理由は、アーク放電によってカソード物質が溶融し、カソード物質の蒸気を大量に発生させることができるからであるが、そのためカソード物質の消耗が早く、所定の放電時間経過後にカソードを交換する必要がある。   Since the arc ion plating method has a high film forming speed and excellent adhesion between the coating and the substrate, the film forming apparatus by this method has excellent productivity, and a metal film or its carbide on the surface of machine parts or cutting tools. It is widely used as a film forming apparatus for nitride and the like. The reason why the film formation rate of the arc ion plating method is high is that the cathode material is melted by arc discharge and a large amount of vapor of the cathode material can be generated. It is necessary to replace the cathode after the discharge time has elapsed.

そこで、直径に比べ軸方向に長いカソードを用い、アーク放電によってカソードを均一に消耗させる技術として特開平5−17866号公報(特許文献1)が開示されている。この技術では、炭素をカソードに用い、カソード送出機構が設けられている。そして、形成膜厚が厚く放電時間が長い場合や、カソード交換周期を長くしたい場合には、カソード消耗量を見越して初期のカソード長を長くして対応する。又、この技術においては、カソードを真空容器内に挿入する穴からの大気リークを防止するため、カソード及びカソード送出機構他すべてを真空カバーで覆っている。   Japanese Patent Laid-Open No. 5-17866 (Patent Document 1) discloses a technique for using a cathode that is longer in the axial direction than the diameter and uniformly consuming the cathode by arc discharge. In this technique, carbon is used for the cathode and a cathode delivery mechanism is provided. When the formed film thickness is large and the discharge time is long, or when it is desired to increase the cathode replacement period, the initial cathode length is increased in anticipation of the cathode consumption. Further, in this technique, in order to prevent atmospheric leakage from a hole through which the cathode is inserted into the vacuum vessel, the cathode and the cathode delivery mechanism are all covered with a vacuum cover.

又、直径に対して軸方向の長さが長いカソードを用いると共に、磁気コイルを備えたアーク式蒸発源として、特開2001−58266号公報(特許文献2)、特開2001−181829号公報(特許文献3)が開示されている。
図5は特許文献2、3に記載されているアーク式蒸発源の断面構造を示す。この図において、カソード22’の外側に配置した磁気コイル42’により、カソード蒸発面におけるアーク放電の維持に必要な磁場を形成している。そして磁気コイルの電流値を最適化することにより、カソード蒸発面に対してほぼ垂直又は外側に広がる磁場を形成し、上記アーク放電を安定維持することが可能であると同文献には記載されている。
又、特許文献3記載の技術の場合、カソード冷却機構の先端に、導電物から成りカソード22’と同電位の先細リング64’を設けることが提案されている。このようにすると、カソード周辺部のアーク放電発生頻度を抑制し、アークスポットの運動をカソード蒸発面内に制限する特性が向上するとされている。
なお、特許文献2、3記載の技術においてもカソード送出機構が設けられ、消耗に応じてカソードを前方に送出し、カソード蒸発面での磁力線の状態や、基材とカソード蒸発面の距離をほぼ一定に保つことが可能である。
In addition, as an arc evaporation source having a cathode having a long axial length with respect to the diameter and having a magnetic coil, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-58266 (Patent Document 2) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-181829 ( Patent Document 3) is disclosed.
FIG. 5 shows a cross-sectional structure of an arc evaporation source described in Patent Documents 2 and 3. In this figure, the magnetic coil 42 'disposed outside the cathode 22' forms a magnetic field necessary for maintaining arc discharge on the cathode evaporation surface. In the same document, it is described that by optimizing the current value of the magnetic coil, it is possible to form a magnetic field that spreads substantially perpendicularly or outwardly with respect to the cathode evaporation surface and stably maintain the arc discharge. Yes.
In the case of the technique described in Patent Document 3, it has been proposed to provide a tapered ring 64 ′ made of a conductive material and having the same potential as the cathode 22 ′ at the tip of the cathode cooling mechanism. In this way, it is said that the arc discharge occurrence frequency in the vicinity of the cathode is suppressed, and the characteristics of limiting the movement of the arc spot within the cathode evaporation surface are improved.
In the techniques described in Patent Documents 2 and 3, a cathode delivery mechanism is also provided, and the cathode is forwarded according to wear, and the state of the magnetic lines of force on the cathode evaporation surface and the distance between the base material and the cathode evaporation surface are almost the same. It is possible to keep it constant.

一方、カソード送出機構と共に、カソード内に磁場形成機構(磁石又は電磁石)を設けた技術として、特開2005−126737号公報(特許文献4)が開示されている。図6は、この技術におけるアーク式蒸発源の断面構造を示す。カソード122’中心軸に沿って貫通孔132’が設けられ、この中に挿入された磁場形成機構142’によって、カソード蒸発面でのアーク放電の維持に必要な磁場が形成される。磁場形成機構142’の位置はカソードと独立して決めることができるので、カソードが消耗してもカソード蒸発面における磁場配位や、アークスポットの運動を安定した状態に保つことができ、カソードを均等に消耗させることができる。   On the other hand, JP 2005-126737 A (Patent Document 4) is disclosed as a technique in which a magnetic field forming mechanism (magnet or electromagnet) is provided in the cathode together with the cathode delivery mechanism. FIG. 6 shows a cross-sectional structure of an arc evaporation source in this technique. A through-hole 132 ′ is provided along the central axis of the cathode 122 ′, and a magnetic field necessary for maintaining arc discharge on the cathode evaporation surface is formed by the magnetic field forming mechanism 142 ′ inserted therein. Since the position of the magnetic field forming mechanism 142 ′ can be determined independently of the cathode, even if the cathode is consumed, the magnetic field configuration on the cathode evaporation surface and the movement of the arc spot can be kept stable. Can be consumed evenly.

カソード蒸発面の磁場配位(アークスポットの運動)を最適にする技術は、他にもある。例えば、カソード軸方向に磁極をもつ磁石(電磁石)を、カソード蒸発面または蒸発面の前方を取り囲むように配置し、カソード蒸発面にほぼ垂直又は外周方向に広がる磁場配位を形成する技術として、特開2003−71610号公報(特許文献5)が開示されている。
又、内周面側をS極、外周面側をN極としたリング状の永久磁石を、カソードの外側後方に同軸に配する技術として、特開平11−269634号公報(特許文献6)が開示されている。この磁石により、カソード周辺にはカソード蒸発面に平行な成分を持つ磁力線が形成され、カソード蒸発面の外周領域にアークスポットが分布することを抑制するとある。
There are other techniques for optimizing the magnetic field configuration (arc spot motion) of the cathode evaporation surface. For example, as a technique of arranging a magnet (electromagnet) having a magnetic pole in the cathode axis direction so as to surround the cathode evaporation surface or the front of the evaporation surface, and forming a magnetic field configuration extending substantially perpendicular to the cathode evaporation surface or in the outer peripheral direction, Japanese Patent Laying-Open No. 2003-71610 (Patent Document 5) is disclosed.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-269634 (Patent Document 6) discloses a technique in which a ring-shaped permanent magnet having an S-pole on the inner peripheral surface side and an N-pole on the outer peripheral surface side is arranged coaxially on the outer rear side of the cathode. It is disclosed. This magnet forms magnetic lines of force having a component parallel to the cathode evaporation surface around the cathode, and suppresses the distribution of arc spots in the outer peripheral region of the cathode evaporation surface.

特開平5−17866号公報JP-A-5-17866 特開2001−58266号公報JP 2001-58266 A 特開2001−181829号公報JP 2001-181829 A 特開2005−126737号公報JP 2005-126737 A 特開2003−71610号公報JP 2003-71610 A 特開平11−269634号公報JP-A-11-269634

カソードを交換せずに長時間使用できるようにして使用効率を向上させ、成膜コストを低減するためには、軸方向に長いカソードを用いる必要がある。長いカソードを長時間使用しても、成膜時の再現性(膜質や膜厚分布等)を確保するためには、以下の課題が要求される。
(1)カソードが均等に消耗すること
(2)カソードの蒸発面以外の部分、たとえばカソード側面へのアークスポット移行を抑制すること
なお、(2)によれば、カソード近傍や装置内壁への堆積物の付着も抑制できる。
In order to improve the use efficiency by reducing the film formation cost by using the cathode for a long time without replacing it, it is necessary to use a cathode that is long in the axial direction. Even if a long cathode is used for a long time, the following problems are required in order to ensure reproducibility (film quality, film thickness distribution, etc.) during film formation.
(1) The cathode is consumed evenly. (2) The arc spot shift to a portion other than the evaporation surface of the cathode, for example, the side surface of the cathode, is suppressed. The adhesion of objects can also be suppressed.

又、成膜コストを低減するためには、カソード使用効率に加え、装置の使用効率の向上も重要である。アーク式蒸発源はカソードからの蒸発量が多く、蒸発したカソード構成物質がアーク式蒸発源に付着、堆積する。堆積物が剥離して被膜に混入すると被膜品質が低下するので、定期的にブラスト処理などの装置メンテナンスが必要となる。そこで、蒸発源の脱着を容易にして作業性を向上させ、又、堆積物の発生自体を抑制するため、以下の課題が要求される。
(3)蒸発源が小型で軽量であること
(4)カソード蒸発面前方に構造物が存在しない、又はこの部分への堆積を低減すること
(5)カソード近傍に強い磁場を形成すること
カソード蒸発面前方には堆積物が短時間で堆積し、剥離物の被膜への混入、成膜装置駆動部や真空シール部への侵入が生じ、装置停止や真空度低下を招くので、(4)の対策が必要となる。又、(5)によれば、カソード蒸発面後方や、蒸発面と同面の領域への堆積を抑制する。これは次の理由による。通常、蒸発したカソード構成物質は大部分が電離し、プラズマとなり、磁場の影響を受けやすくなる。そこで、プラズマが生成した領域の磁場より強い別の磁場を形成すると、いわゆるミラー効果によりこの強磁場領域への磁力線に沿ったプラズマの移動が抑制される。従って、カソード周辺に強磁場を形成すれば、この部分への堆積を抑制できる。
In addition to the cathode usage efficiency, it is important to improve the usage efficiency of the apparatus in order to reduce the film formation cost. The arc evaporation source has a large evaporation amount from the cathode, and the evaporated cathode constituent material adheres to and accumulates on the arc evaporation source. If the deposits are peeled off and mixed into the coating, the coating quality deteriorates. Therefore, equipment maintenance such as blasting is required periodically. Therefore, the following problems are required in order to facilitate the desorption of the evaporation source to improve the workability and to suppress the generation of deposits themselves.
(3) The evaporation source is small and lightweight (4) No structure is present in front of the cathode evaporation surface, or deposition on this part is reduced (5) A strong magnetic field is formed in the vicinity of the cathode Since deposits are deposited in the front of the surface in a short time, and the exfoliated material is mixed into the film and enters the film forming apparatus drive unit and the vacuum seal unit, causing the apparatus to stop and the degree of vacuum to be reduced. Countermeasures are required. Further, according to (5), deposition on the rear side of the cathode evaporation surface or in a region on the same surface as the evaporation surface is suppressed. This is due to the following reason. Normally, most of the evaporated cathode constituent material is ionized to form plasma, which is easily affected by a magnetic field. Therefore, when another magnetic field stronger than the magnetic field in the region where the plasma is generated is formed, the movement of the plasma along the magnetic field lines to the strong magnetic field region is suppressed by the so-called mirror effect. Therefore, if a strong magnetic field is formed around the cathode, deposition on this portion can be suppressed.

ところで、目的とする形成皮膜がカソード構成材料と同一組成であれば、装置内に不活性ガスを導入してもよく、またガスを導入せずに装置を高真空としてもよい。皮膜中に不活性ガスが取り込まれることがない点から、後者を採用することがより好ましい。一方、形成皮膜がカソード構成材料と同一でない場合(窒化物や酸化物等)、カソード構成材料と反応する反応性ガスを装置内に導入し、化合物被膜を形成する。
このように、目的とする皮膜に応じて、装置内へのガス導入の有無が異なるが、装置の安定性の点からは、以下の課題が要求される。
(6)ガス導入の有無にかかわらずアーク放電を安定して維持できること
By the way, if the target formed film has the same composition as the cathode constituent material, an inert gas may be introduced into the apparatus, or the apparatus may be put into a high vacuum without introducing the gas. It is more preferable to employ the latter from the viewpoint that inert gas is not taken into the film. On the other hand, when the formed film is not the same as the cathode constituent material (such as nitride or oxide), a reactive gas that reacts with the cathode constituent material is introduced into the apparatus to form a compound film.
Thus, although the presence or absence of gas introduction into the apparatus differs depending on the target film, the following problems are required from the viewpoint of the stability of the apparatus.
(6) Arc discharge can be stably maintained regardless of the presence or absence of gas introduction.

以上のように、アーク式蒸発源には種々の課題が要求されるが、上記特許文献1〜6記載の技術の場合、次の問題がある。   As described above, various problems are required for the arc evaporation source. However, the techniques described in Patent Documents 1 to 6 have the following problems.

<特許文献1記載の技術>
特許文献1記載の技術の場合、直径5〜20mm程度の細長い棒状カソードを用いるが、炭素は脆性材料であるため、カソードが交換作業中に破損等して生産性を低下させる。又、消耗体積が同一の場合、細長いカソードは、直径の大きいカソードと比較してカソード消耗長さが長く、長時間使用するためにはカソード長を長大とする必要がある。そのため、同技術の場合、細長いカソードを真空容器内に挿入する穴からの大気リークを防止するため、カソード長さを含めた大きな真空カバーが必要となり、装置全体が大きくなって上記課題(3)を満足しない。
<Technique described in Patent Document 1>
In the case of the technique described in Patent Document 1, an elongate rod-like cathode having a diameter of about 5 to 20 mm is used. However, since carbon is a brittle material, the cathode is damaged during the replacement operation and the productivity is lowered. Further, when the consumption volume is the same, the elongated cathode has a longer cathode consumption length than a cathode having a large diameter, and the cathode length needs to be longer in order to use for a long time. Therefore, in the case of this technology, in order to prevent atmospheric leakage from the hole through which the elongated cathode is inserted into the vacuum vessel, a large vacuum cover including the cathode length is required, which increases the size of the entire apparatus and causes the problem (3). Not satisfied.

<特許文献2、3記載の技術>
特許文献2、3記載の技術の場合、磁気コイル径が大きくなる問題がある。これは、カソードの蒸発面より前方にコイルがある場合に、カソードの中心付近と周辺の磁場配位を等しくするには、コイル径に対してコイル長を長くするか、又はカソード外径よりコイル内径を十分大きくする必要があるからである。その結果、コイルを含むアーク式蒸発源全体が長大となる。
又、磁気コイルを設けると、カソード蒸発面近傍に形成される磁力線がカソード中心軸に対してほぼ平行になり、イオン化したカソード構成物質の指向性が高くなるため、蒸発源正面側の膜厚が厚くなる。そのため、膜厚分布を均一にするためには、基材に対向して複数の蒸発源の設置が必要となる。従って、いずれにしても同技術の場合、上記課題(3)を満足しない。
さらに、特許文献2、3記載の技術の場合、カソード近傍に、ほぼ一様な強度の磁場が形成されるため、アーク放電によって蒸発しイオン化されたカソード構成物質の一部は、何ら妨げられることなくカソード後方にも到達することが可能である。しかも、イオン化されたカソード構成物質がカソード蒸発面に近い部分に存在するため、これらが比較的短時間で堆積し、その後剥離し、皮膜への混入、成膜装置駆動部や真空シール部への侵入が生じ、装置の停止や真空度低下を招くため、課題(5)を満足しない。
<Techniques described in Patent Documents 2 and 3>
In the case of the techniques described in Patent Documents 2 and 3, there is a problem that the diameter of the magnetic coil increases. When the coil is in front of the evaporation surface of the cathode, in order to make the magnetic field configuration around the center of the cathode equal to that of the periphery, the coil length is made longer than the coil diameter or the coil is made larger than the cathode outer diameter. This is because the inner diameter needs to be sufficiently large. As a result, the entire arc evaporation source including the coil becomes long.
In addition, when the magnetic coil is provided, the magnetic field lines formed in the vicinity of the cathode evaporation surface are substantially parallel to the cathode central axis, and the directivity of the ionized cathode constituent material is increased. Become thicker. Therefore, in order to make the film thickness distribution uniform, it is necessary to install a plurality of evaporation sources facing the substrate. Therefore, in any case, in the case of the same technology, the above problem (3) is not satisfied.
Furthermore, in the case of the techniques described in Patent Documents 2 and 3, since a magnetic field having a substantially uniform strength is formed in the vicinity of the cathode, a part of the cathode constituent material evaporated and ionized by the arc discharge is hindered at all. It is also possible to reach the rear of the cathode. In addition, since the ionized cathode constituent material is present in a portion close to the cathode evaporation surface, these are deposited in a relatively short time, then peeled off, mixed into the film, and deposited on the film forming apparatus drive unit and vacuum seal unit. Intrusion occurs, leading to the stoppage of the apparatus and a decrease in the degree of vacuum, so the problem (5) is not satisfied.

さらに、特許文献2、3記載の技術の場合、以下の問題が生じることがある。まず、磁気コイルを用いると、カソード蒸発面近傍に強度が一様な磁場が形成され、イオン化されたカソード構成物質がこの磁場に束縛される。このイオンは高密度プラズマとなってカソード周辺の装置内壁等に堆積する。又、同技術の場合、カソード蒸発面が磁気コイル内側に位置するため、磁気コイル内壁への堆積が顕著となる。この堆積物が剥離して成膜中の被膜に混入すると被膜品質を劣化させるので、装置メンテナンスが頻繁に必要となる。このように、同技術の場合、上記課題(4)を満足しない。
なお、磁気コイル内径を、カソード外径より十分大きくしなかった場合(コイル内側とカソード外側の間隔が狭い場合)、次の問題もある。つまり、コイルによる磁場は、コイルの内部中心よりコイル外側の方が強いため、リング状のコイルの内壁の部分に強磁場が形成される。電子やイオン,特に質量が軽い電子は磁場の影響を受けやすく,磁力線に巻き付くように円運動を行いながら磁力線に沿って移動する.円運動の半径(ラーモア半径)は磁場強度に反比例する特性を有することが知られている.したがって,弱い磁場が形成されるコイル内部のカソード蒸発面から飛び出した電子やイオンは、強い磁場が形成されるコイル内壁周辺への到達を妨げられ、アーク放電の安定性が低下するばかりでなく、イオンの指向性が強くなり、蒸発源正面側の膜厚が厚くなる。従って、上記したように複数の蒸発源の設置が必要となり、特許文献2、3記載の技術の場合、課題(3)を満足しなくなる。
又、特許文献3に記載の技術では先細リング64’を用いるが、カソード蒸発面方向にアークスポットが押し戻される際に、先細リング表面に一時的にアークスポットが生じ、リング先端部がアーク放電によって消耗する。従って、放電時間の増加とともに先細リングの形状が初期の円錐面から変化し、リングによる効果が低下するため、定期的に先細リングを交換する必要が生じる。さらに、先細リングの効果を発揮するためには、リングの斜面と磁力線とのなす角が鋭角である必要があるが、先細リングの先端角が小さくなると、アーク放電による消耗速度が速くなり、先細リングの効果が低下する。このため、同技術の場合、課題(1)、(2)を満足しない。
このような理由から、同技術において、磁力線が外周方向へ大きく広がる磁場配位を取ることは現実には困難であり、カソード構成物質のイオンは磁力線の接線方向に強い指向性を持つようになる。その結果、膜厚分布を均一にするためには、基材に対向して複数の蒸発源の設置が必要となる。
Furthermore, in the case of the techniques described in Patent Documents 2 and 3, the following problems may occur. First, when a magnetic coil is used, a magnetic field having a uniform intensity is formed in the vicinity of the cathode evaporation surface, and ionized cathode constituent materials are bound to this magnetic field. These ions become high-density plasma and deposit on the inner wall of the device around the cathode. In the case of this technique, the cathode evaporation surface is located inside the magnetic coil, so that the deposition on the inner wall of the magnetic coil becomes significant. If this deposit is peeled off and mixed in the film being formed, the quality of the film is deteriorated, so that apparatus maintenance is frequently required. Thus, in the case of this technique, the above problem (4) is not satisfied.
If the inner diameter of the magnetic coil is not sufficiently larger than the outer diameter of the cathode (when the distance between the inner side of the coil and the outer side of the cathode is narrow), there are the following problems. That is, the magnetic field generated by the coil is stronger on the outside of the coil than on the inner center of the coil, so that a strong magnetic field is formed on the inner wall portion of the ring-shaped coil. Electrons and ions, especially electrons with a light mass, are easily affected by a magnetic field, and move along the magnetic field lines while performing a circular motion so that they wrap around the magnetic field lines. It is known that the radius of circular motion (Larmor radius) has a characteristic inversely proportional to the magnetic field strength. Therefore, electrons and ions that have jumped out of the cathode evaporation surface inside the coil where a weak magnetic field is formed are prevented from reaching the periphery of the inner wall of the coil where a strong magnetic field is formed. The directivity of ions increases, and the film thickness on the front side of the evaporation source increases. Therefore, as described above, it is necessary to install a plurality of evaporation sources, and the techniques described in Patent Documents 2 and 3 do not satisfy the problem (3).
The technique described in Patent Document 3 uses a tapered ring 64 '. When the arc spot is pushed back in the direction of the cathode evaporation surface, an arc spot is temporarily generated on the surface of the tapered ring, and the tip of the ring is caused by arc discharge. exhaust. Therefore, as the discharge time increases, the shape of the tapered ring changes from the initial conical surface, and the effect of the ring decreases. Therefore, it is necessary to periodically replace the tapered ring. Furthermore, in order to exhibit the effect of the tapered ring, the angle formed by the slope of the ring and the magnetic field lines needs to be an acute angle. However, if the tip angle of the tapered ring is reduced, the consumption rate due to arc discharge is increased, and the taper is reduced. The effect of the ring is reduced. For this reason, in the case of this technology, the problems (1) and (2) are not satisfied.
For these reasons, in this technology, it is actually difficult to adopt a magnetic field configuration in which the magnetic lines of force spread widely in the outer circumferential direction, and the ions of the cathode constituent material have a strong directivity in the tangential direction of the magnetic lines of force. . As a result, in order to make the film thickness distribution uniform, it is necessary to install a plurality of evaporation sources facing the substrate.

ところで、通常、形成被膜がカソード物質と同一の場合、不活性ガスを導入すると被膜にガス成分が取り込まれ、被膜強度が低下するので、不活性ガスを用いずに高真空下で成膜することが好ましい。しかし、特許文献2、3に記載の技術の場合、装置(真空容器内)にガスを導入しないと、アーク放電が不安定になり、アーク放電の停止頻度が高くなるため、課題(6)を満足しない。この理由について、磁気コイルの中心軸に対して円筒座標系を取り、磁場、アーク放電電流、及びアーク放電電流に働く力の向きの関係から考える。   By the way, normally, when the formed film is the same as the cathode material, when an inert gas is introduced, gas components are taken into the film and the film strength is reduced. Therefore, the film is formed under a high vacuum without using an inert gas. Is preferred. However, in the case of the techniques described in Patent Documents 2 and 3, if gas is not introduced into the apparatus (inside the vacuum vessel), arc discharge becomes unstable and the frequency of stopping arc discharge becomes high. I'm not satisfied. For this reason, a cylindrical coordinate system is taken with respect to the central axis of the magnetic coil and considered from the relationship between the magnetic field, the arc discharge current, and the direction of the force acting on the arc discharge current.

まず、磁気コイルの長さ(軸)方向の中点(中央部)では、カソード表面の磁場強度が位置によらずほぼ均一であり、又、磁力線の方向は磁気コイルの軸(カソード軸とほぼ一致)にほぼ平行である。真空容器内にガスを導入しない場合、アーク放電によってカソードから放出された熱電子は電場の影響を受けるので、カソードに近いアノード(真空容器壁またはコイル収納容器)、つまり、カソード軸の周りの動径方向にアーク放電電流が流れようとする。しかし、磁気コイルによってカソード中心軸とほぼ平行方向の磁場が形成されているため、電子は電流と磁力線の両方に垂直な方位角方向に力(いわゆる、J×B力)を受けて回転運動するため、アーク放電電流が動径方向に流れるのを妨げられる。   First, at the midpoint (central part) in the length (axis) direction of the magnetic coil, the magnetic field intensity on the cathode surface is almost uniform regardless of the position, and the direction of the lines of magnetic force is almost the same as that of the magnetic coil (cathode axis). Match). If no gas is introduced into the vacuum vessel, the thermoelectrons emitted from the cathode by the arc discharge are affected by the electric field, so that the anode (vacuum vessel wall or coil storage vessel) close to the cathode, that is, movement around the cathode axis, is not affected. Arc discharge current tends to flow in the radial direction. However, since the magnetic coil forms a magnetic field in a direction substantially parallel to the central axis of the cathode, the electrons rotate in response to a force (so-called J × B force) in an azimuth direction perpendicular to both the current and the magnetic field lines. Therefore, the arc discharge current is prevented from flowing in the radial direction.

そして、カソードを流れる電流は、カソード周辺に上記の方位角方向の成分を持つ磁場Bθを形成する。上記と同様、カソード中心軸に対して動径方向に流れようとするアーク放電電流は、磁場Bθの影響によって、電流と磁場Bθの磁力線との両方に垂直であるカソードの中心軸方向に押し出す力(J×Bθ)も受ける。これら両方の作用により、アーク放電電流は動径方向に流れるのを妨げられる。従って、アーク放電電流は、J×B力とJ×Bθ力の影響をほとんど受けない方向、つまり、主にコイルにより形成される磁場Bと放電電流により形成されるBθの両方が合わさった磁力線に沿った方向に流れる。磁気コイルによって形成される磁力線のうち、カソード蒸発面を貫く磁力線は、磁気コイルの外側でアノードとして働く真空容器壁に到達する。この結果、カソード−アノード間の電流経路が長くなるため、アーク放電に維持が困難となり、アーク放電が停止する頻度が高くなる。
そこで、J×B力の影響を低減させるため、磁気コイルによってカソード蒸発面近傍に形成される磁場強度を弱めると、カソード蒸発面前方におけるプラズマの保持能力が低下し、カソード蒸発面のアークスポットの運動制御も困難となる。そのため、アーク放電が停止したり、カソード蒸発面以外の場所でのアーク放電の発生頻度が高くなる。又、この場合には、カソード近傍の構成部品が溶融するため、アーク放電を停止せざるを得なくなったり、溶融物が被膜に混入する不具合が生じる。
The current flowing through the cathode forms a magnetic field having the above azimuth direction component around the cathode. As described above, arc discharge current tends to flow in the radial direction with respect to the cathode central axis, the influence of the magnetic field B theta, the central axis both to the cathode of which is vertical and the magnetic field lines of the current and the magnetic field B theta The pushing force (J × B θ ) is also received. Both of these actions prevent the arc discharge current from flowing in the radial direction. Therefore, the arc discharge current is almost unaffected by the J × B force and the J × B θ force, that is, both the magnetic field B mainly formed by the coil and B θ formed by the discharge current are combined. It flows in the direction along the magnetic field lines. Of the magnetic field lines formed by the magnetic coil, the magnetic field lines that penetrate the cathode evaporation surface reach the vacuum vessel wall that acts as an anode outside the magnetic coil. As a result, since the current path between the cathode and the anode becomes long, it becomes difficult to maintain the arc discharge, and the frequency at which the arc discharge stops increases.
Therefore, if the magnetic field strength formed near the cathode evaporation surface by the magnetic coil is weakened in order to reduce the influence of the J × B force, the plasma holding capacity in front of the cathode evaporation surface is reduced, and the arc spot on the cathode evaporation surface is reduced. Motion control is also difficult. Therefore, arc discharge stops or the frequency of occurrence of arc discharge at a place other than the cathode evaporation surface increases. In this case, since the components near the cathode are melted, arc discharge must be stopped or the melt is mixed into the coating.

<特許文献4記載の技術>
一方、特許文献4記載の技術の場合、磁場形成機構がカソード中心軸に対して外側に広がる磁力線を形成し、アーク放電電流がこの磁力線に沿って流れるため、ガスの導入の有無にかかわらず、アーク放電を安定して維持できるので、課題(6)を満足する。
しかしながら、同技術の場合、磁場形成機構を挿入するための貫通孔をカソードに設ける加工が必要であるとともに、貫通孔の分だけカソード構成物質の体積が減少するため、成膜の効率が低下し、成膜コストが高くなる問題がある。
<Technique described in Patent Document 4>
On the other hand, in the case of the technique described in Patent Document 4, the magnetic field forming mechanism forms a magnetic force line extending outward with respect to the central axis of the cathode, and the arc discharge current flows along this magnetic force line. Since the arc discharge can be stably maintained, the problem (6) is satisfied.
However, in the case of this technology, it is necessary to provide a through hole for inserting a magnetic field forming mechanism in the cathode, and the volume of the cathode constituent material is reduced by the amount of the through hole, so that the efficiency of film formation is reduced. There is a problem that the film formation cost is increased.

<特許文献5記載の技術>
特許文献5記載の技術の場合、カソード蒸発面より前方外側になるほど磁場が強いため、カソード蒸発面を貫く磁力線が到達するアノード電極や、アノード電極として働く装置壁近傍は、カソード蒸発面より磁場が強い。そのため、ミラー効果により、電子のアノード電極への移動が妨げられ、放電が不安定になったり、その結果として、ドロップレット(粗大粒子)発生量が増加する。
又、この技術の場合、カソード蒸発面前方に位置する磁石(電磁石)へのカソード物質の堆積が顕著となるので、前述と同じ理由により課題(4)を満足しない。
<Technique described in Patent Document 5>
In the case of the technique described in Patent Document 5, the magnetic field is stronger toward the front and outside of the cathode evaporation surface. Therefore, the magnetic field from the cathode evaporation surface is closer to the anode electrode reaching the magnetic field lines penetrating the cathode evaporation surface and the device wall serving as the anode electrode. strong. For this reason, the movement of electrons to the anode electrode is hindered by the mirror effect, and the discharge becomes unstable. As a result, the amount of droplets (coarse particles) generated increases.
Further, in the case of this technique, the deposition of the cathode material on the magnet (electromagnet) located in front of the cathode evaporation surface becomes significant, so the problem (4) is not satisfied for the same reason as described above.

<特許文献6記載の技術>
特許文献6記載の技術の場合、リング状磁石の内周面の磁極が同一極性であるため、カソード蒸発面周辺に円形カスプ磁場が形成される。円形カスプ磁場は、その磁極の周囲では磁場は強いが、対向する磁極の中間領域や磁場の中心では磁場が弱い。アークスポットは、磁場強度が強いほど、特にカソード表面に平行な磁場強度が強いほど高速に運動することが知られている。したがって、磁場強度が弱いカソード中央部ではアークスポットの動きが遅いため、この部分のカソード蒸発面が局部的に温度上昇しドロップレット発生量が増加する。
さらに、この技術の場合、カソード中央領域から離れるほど強い磁場が形成されるため、アークスポットの動きもカソード中央部から離れるにしたがって早くなる。このため、カソード周辺領域におけるアークスポットが位置するカソード蒸発面の温度は、より内周のカソード蒸発面と比較して低温となり、カソード物質の蒸発量が少なくなる。その結果、カソード消耗速度がカソード中央部と周辺部で変化するので、この技術の場合、上記課題(1)を満足しない。
<Technique described in Patent Document 6>
In the case of the technique described in Patent Document 6, since the magnetic poles on the inner peripheral surface of the ring magnet have the same polarity, a circular cusp magnetic field is formed around the cathode evaporation surface. A circular cusp magnetic field has a strong magnetic field around its magnetic pole, but a weak magnetic field in the middle region of the opposite magnetic pole and the center of the magnetic field. It is known that the arc spot moves faster as the magnetic field strength is higher, particularly as the magnetic field strength parallel to the cathode surface is higher. Therefore, since the movement of the arc spot is slow in the central part of the cathode where the magnetic field strength is weak, the temperature of the cathode evaporation surface in this part rises locally and the amount of droplets generated increases.
Furthermore, in the case of this technique, a stronger magnetic field is formed as the distance from the central region of the cathode increases, so that the movement of the arc spot becomes faster as the distance from the central portion of the cathode increases. For this reason, the temperature of the cathode evaporation surface where the arc spot is located in the cathode peripheral region is lower than that of the inner cathode evaporation surface, and the amount of evaporation of the cathode material is reduced. As a result, the cathode consumption rate varies between the central part and the peripheral part of the cathode, and this technique does not satisfy the problem (1).

しかも、この技術の場合、円形カスプ磁場が形成されるため、磁力線は一旦中央領域に集まった後、外側に垂直に広がるように形成され、これに沿ってアーク放電電流が流れる。そのため、放電電流が流れる長さが長くなり、ガスを導入しないとアーク放電が不安定になり、アーク放電が停止する頻度が高くなるため、同技術の場合、課題(6)を満足しない。   In addition, in the case of this technique, since a circular cusp magnetic field is formed, the magnetic field lines are once gathered in the central region and then formed so as to spread vertically outward, and an arc discharge current flows along this. For this reason, the length that the discharge current flows becomes long, and if the gas is not introduced, the arc discharge becomes unstable and the frequency at which the arc discharge stops increases. Therefore, in the case of this technique, the problem (6) is not satisfied.

以上のことから、本発明は、真空容器内へのガス導入の有無に係わらず、アーク放電を安定して維持し、安定して成膜できるとともに、対象物以外へのカソード物質の堆積を低減し、カソードを一様に消耗させて取扱い、メンテナンスが容易なアーク式蒸発源及び成膜体の製造方法を提供することを目的とする。   As described above, the present invention can stably maintain arc discharge regardless of whether or not gas is introduced into the vacuum vessel, can stably form a film, and reduces the deposition of the cathode material other than the object. It is another object of the present invention to provide an arc evaporation source and a method for manufacturing a film-forming body that are easily consumed and maintained while the cathode is uniformly consumed.

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と、前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードを該磁場形成機構の軸方向に進退させるカソード送出機構とを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長く、前記カソードの蒸発面が前記磁場形成機構の前端より突出し、かつ前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔLと前記磁場形成機構の内径Dとの関係が0.1×D≦ΔL≦2.0×Dとなっていることを特徴とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and in an arc evaporation source that evaporates a cathode material by arc discharge, magnetic field formation in which cylindrical magnetic poles having different polarities are arranged at both ends in the axial direction is provided. And a cathode delivery mechanism for moving the cathode disposed inside the magnetic field forming mechanism forward and backward in the axial direction of the magnetic field forming mechanism, the cathode being longer in the axial direction than the diameter, and the evaporation surface of the cathode being The relationship between the axial distance ΔL between the evaporation surface and the front end and the inner diameter D of the magnetic field formation mechanism is 0.1 × D ≦ ΔL ≦ 2.0 × D. It is characterized by.

このようにして、磁場形成機構をカソードの蒸発面より後方に配置すると、蒸発面23の前方(真空チャンバに近い側)では、カソード軸に沿い、かつカソード中心軸から外側に広がる磁力線が形成されるため、磁力線に沿うカソード−アノード間の実効距離が短くなる。そのため、真空容器内にガスを導入しなくても、アーク放電が維持される。又、磁力線がカソード中心軸から外側に広がるので、イオンの指向性が低くなって広範囲に放出される。
又、磁場形成機構をカソードの蒸発面より後方に配置すると、蒸発面近傍に強い磁場を形成し、蒸発面のどの位置でもアーク放電が安定して維持される。
これらの作用は、ΔLとDの関係を所定の範囲に規定することにより、顕著になる。
そして、磁場形成機構をカソードの蒸発面より後方に配置すると、蒸発面23の前方(真空チャンバに近い側)に構造物(例えば、磁場形成機構)が存在しないアーク式蒸発源の構成をとることが可能となり、蒸発面23の前方の構造物へのカソード物質の堆積や剥離・飛散が抑制される。さらに、異なる極性の磁極を軸方向の両端に配置した磁場形成機構を用いることにより、カソード側面における磁場はカソード側面にほぼ平行となり、又、蒸発面から後方に向かうほど磁場が強くなるので、カソード蒸発面から後方へのアーク放電電流も抑制される。このため、アークスポットがカソード側面に偶発的に移行することが抑制される。
なお、本発明は、磁場中において、プラズマ中を流れる電流は、磁力線を横切る方向に比べ、磁力線に沿った方向に流れやすいという性質を利用する。
Thus, when the magnetic field forming mechanism is arranged behind the evaporation surface of the cathode, magnetic lines of force extending along the cathode axis and extending outward from the cathode central axis are formed in front of the evaporation surface 23 (side closer to the vacuum chamber). Therefore, the effective distance between the cathode and the anode along the magnetic field lines is shortened. Therefore, arc discharge is maintained without introducing gas into the vacuum vessel. In addition, since the lines of magnetic force spread outward from the central axis of the cathode, the directivity of ions is reduced and the ions are emitted over a wide range.
If the magnetic field forming mechanism is disposed behind the evaporation surface of the cathode, a strong magnetic field is formed in the vicinity of the evaporation surface, and arc discharge is stably maintained at any position on the evaporation surface.
These effects become remarkable by defining the relationship between ΔL and D within a predetermined range.
When the magnetic field forming mechanism is disposed behind the evaporation surface of the cathode, an arc-type evaporation source having no structure (for example, a magnetic field forming mechanism) in front of the evaporation surface 23 (side close to the vacuum chamber) is taken. Thus, the deposition, separation and scattering of the cathode material on the structure in front of the evaporation surface 23 are suppressed. Furthermore, by using a magnetic field forming mechanism in which magnetic poles of different polarities are arranged at both ends in the axial direction, the magnetic field on the side surface of the cathode is almost parallel to the side surface of the cathode, and the magnetic field becomes stronger toward the rear from the evaporation surface. The arc discharge current from the evaporation surface to the rear is also suppressed. For this reason, the arc spot is prevented from accidentally moving to the side surface of the cathode.
Note that the present invention utilizes the property that in a magnetic field, the current flowing in the plasma tends to flow in a direction along the magnetic field lines as compared to the direction crossing the magnetic field lines.

又、本発明は、アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と、前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードを該磁場形成機構の軸方向に進退させるカソード送出機構と、前記カソードの蒸発面を前記磁場形成機構の前端より突出させると共に、前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔLと前記磁場形成機構の内径Dとの関係が0.1×D≦ΔL≦2.0×Dとなるよう、前記カソード送出機構を制御するための制御情報を出力または表示するカソード位置制御機構とを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長いことを特徴とする。 The present invention also provides a magnetic field forming mechanism in which arc-shaped evaporation sources that evaporate a cathode material by arc discharge have cylindrical and different polarity magnetic poles disposed at both ends in the axial direction, and are disposed inside the magnetic field forming mechanism. A cathode delivery mechanism for advancing and retracting the cathode to be moved in the axial direction of the magnetic field forming mechanism, and causing an evaporation surface of the cathode to protrude from a front end of the magnetic field forming mechanism, and an axial distance ΔL between the evaporation surface and the front end A cathode position control mechanism that outputs or displays control information for controlling the cathode delivery mechanism such that the relationship with the inner diameter D of the magnetic field forming mechanism is 0.1 × D ≦ ΔL ≦ 2.0 × D And the cathode is longer in the axial direction than the diameter .

又、本発明は、アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と、前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードを該磁場形成機構の軸方向に進退させるカソード送出機構と、前記カソードの蒸発面を前記磁場形成機構の前端より突出させると共に、前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔLと前記磁場形成機構の内径Dとの関係が0.1×D≦ΔL≦2.0×Dとなるよう、前記カソード送出機構を制御するカソード位置制御機構とを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長いことを特徴とする。 The present invention also provides a magnetic field forming mechanism in which arc-shaped evaporation sources that evaporate a cathode material by arc discharge have cylindrical and different polarity magnetic poles disposed at both ends in the axial direction, and are disposed inside the magnetic field forming mechanism. A cathode delivery mechanism for advancing and retracting the cathode to be moved in the axial direction of the magnetic field forming mechanism, and causing an evaporation surface of the cathode to protrude from a front end of the magnetic field forming mechanism, and an axial distance ΔL between the evaporation surface and the front end A cathode position control mechanism for controlling the cathode delivery mechanism so that the relationship with the inner diameter D of the magnetic field forming mechanism is 0.1 × D ≦ ΔL ≦ 2.0 × D, and the cathode is smaller than the diameter. It is long in the axial direction .

前記磁場形成機構が筒型の永久磁石を含むことが好ましい。前記磁場形成機構が筒型鉄心とコイルとを有する電磁石を含むことが好ましい。   It is preferable that the magnetic field forming mechanism includes a cylindrical permanent magnet. It is preferable that the magnetic field forming mechanism includes an electromagnet having a cylindrical iron core and a coil.

本発明の製造方法は、アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源を用いて基材表面に成膜する成膜体の製造方法であって、前記アーク式蒸発源は、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードとを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長く、前記カソードの蒸発面を前記磁場形成機構の前端より突出させると共に、前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔLと前記磁場形成機構の内径Dとの関係が0.1×D≦ΔL≦2.0×Dとなるようにして成膜することを特徴とする。


The manufacturing method of the present invention is a manufacturing method of a film-forming body that forms a film on a substrate surface using an arc evaporation source that evaporates a cathode material by arc discharge, wherein the arc evaporation source is cylindrical and A magnetic field forming mechanism in which magnetic poles of different polarities are arranged at both ends in the axial direction, and a cathode arranged inside the magnetic field forming mechanism, the cathode being longer in the axial direction than the diameter , and having an evaporation surface of the cathode Projecting from the front end of the magnetic field forming mechanism, and the relationship between the axial distance ΔL between the evaporation surface and the front end and the inner diameter D of the magnetic field forming mechanism is 0.1 × D ≦ ΔL ≦ 2.0 × D The film is formed as described above.


本発明によれば、真空容器内にガスを導入しなくても、アーク放電が維持され、アーク放電の停止頻度の低減、被膜表面の平滑度の向上が可能となる。又、本発明によれば、カソード構成物質からなるイオンの指向性が低くなって広範囲に放出されるので、膜厚分布が均一になる。
又、本発明によれば、アークスポットがカソード側面に偶発的に移行することが抑制され、カソードの周囲の装置への不要な蒸着を防止できる。
そして、本発明によれば、カソード蒸発面より前方に構造物が存在しないアーク式蒸発源を構成することができるので、蒸発面の前方の構造物へカソード物質が堆積したり、その堆積物が剥離・飛散して皮膜中に取りこまれて皮膜強度や皮膜の平滑性が低下することを抑制できる。
さらに、本発明によれば、カソードが一様に消耗するので、カソードの使用効率が高く、カソード交換頻度や成膜コストを低減することができる。
According to the present invention, arc discharge is maintained without introducing gas into the vacuum vessel, and the frequency of stopping arc discharge can be reduced and the smoothness of the coating surface can be improved. In addition, according to the present invention, the directivity of ions made of the cathode constituting material is lowered and released over a wide range, so that the film thickness distribution becomes uniform.
Further, according to the present invention, accidental migration of the arc spot to the side surface of the cathode is suppressed, and unnecessary vapor deposition on the device around the cathode can be prevented.
According to the present invention, it is possible to configure an arc evaporation source in which no structure exists in front of the cathode evaporation surface, so that the cathode material is deposited on the structure in front of the evaporation surface, or the deposit is It is possible to prevent the film strength and the smoothness of the film from being lowered due to peeling and scattering and being taken into the film.
Furthermore, according to the present invention, since the cathode is consumed uniformly, the usage efficiency of the cathode is high, and the cathode replacement frequency and the film formation cost can be reduced.

<第1の実施形態>
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照しながら具体的に説明する。図1は本発明のアーク式蒸発源の第1の実施形態の一例を示す断面図である。
アーク式蒸発源20は、真空チャンバ4(図では、一部の容器壁のみ記載)の開口フランジ4aに設置され、全体としてアーク式蒸着装置を構成している。アーク式蒸発源20は、磁場形成機構(円筒型磁石)116、カソード保持フランジ29、カソード送出機構(ステッピングモータ)38、カソード位置制御機構92を含んで構成されている。カソード位置制御機構92は、トリガー先端位置測定器86、トリガー先端初期設定器88、及び比較器90を含む。
カソード位置制御機構92は、例えば半導体回路から構成されてもよく,または、成膜条件等からカソード消耗量を推定するコンピュータソフトウェアと半導体回路とから構成されてもよい。後者の場合、予め、成膜条件(アーク放電電流や放電時間、雰囲気ガス圧)に応じたカソード消耗量を経験的データとして蓄積しておき、これらの条件を入力すると、カソード消耗量を推定するソフトウェアを構築すればよい。
円筒型磁石は、例えば軸方向に磁化されており,例えば円筒型磁石の軸方向の前端(真空チャンバ4に向く側)にS極、後端にN極を配置して成る。
<First Embodiment>
Preferred embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a sectional view showing an example of a first embodiment of an arc evaporation source according to the present invention.
The arc evaporation source 20 is installed on the opening flange 4a of the vacuum chamber 4 (only a part of the container wall is shown in the figure), and constitutes an arc evaporation apparatus as a whole. The arc evaporation source 20 includes a magnetic field forming mechanism (cylindrical magnet) 116, a cathode holding flange 29, a cathode delivery mechanism (stepping motor) 38, and a cathode position control mechanism 92. The cathode position control mechanism 92 includes a trigger tip position measuring device 86, a trigger tip initial setting device 88, and a comparator 90.
The cathode position control mechanism 92 may be composed of, for example, a semiconductor circuit, or may be composed of computer software and a semiconductor circuit that estimate the amount of cathode consumption based on film forming conditions. In the latter case, the amount of cathode consumption corresponding to the film formation conditions (arc discharge current, discharge time, and atmospheric gas pressure) is accumulated in advance as empirical data, and the cathode consumption is estimated by inputting these conditions. Build software.
The cylindrical magnet is magnetized, for example, in the axial direction. For example, the cylindrical magnet is configured by arranging an S pole at the axial front end (side facing the vacuum chamber 4) and an N pole at the rear end.

アーク式蒸発源20の真空チャンバ4への固定は、円筒型磁石116、及び円筒型磁石116内に挿入される円柱状のカソード22を、真空チャンバ4の開口フランジ4a内に嵌め込むことにより行われる。
円筒型磁石116から真空チャンバ4内に突出するカソード22の先端には、真空チャンバ4の内壁を覆うシールド板10が被せられ、シールド板10の開口からカソード22先端の蒸発面23が表出している。シールド板10は導電性材料からなり、抵抗器60を介してアース2と接続されている。加工性やコスト、耐熱性の点から、シールド板10としては鉄系材料が適する。
The arc evaporation source 20 is fixed to the vacuum chamber 4 by fitting the cylindrical magnet 116 and the columnar cathode 22 inserted into the cylindrical magnet 116 into the opening flange 4 a of the vacuum chamber 4. Is called.
The tip of the cathode 22 protruding from the cylindrical magnet 116 into the vacuum chamber 4 is covered with a shield plate 10 that covers the inner wall of the vacuum chamber 4, and the evaporation surface 23 at the tip of the cathode 22 is exposed from the opening of the shield plate 10. Yes. The shield plate 10 is made of a conductive material, and is connected to the ground 2 via the resistor 60. From the viewpoint of workability, cost, and heat resistance, an iron-based material is suitable as the shield plate 10.

開口フランジ4aの基部側内面とカソード22の外面との間には、一端にフランジが付いたリング状絶縁体25がフランジ側を真空チャンバ側に向けて介装され、カソード22は絶縁体25に対して摺動するようになっている。絶縁体25は、カソード22やシールド板10から脱落した導電性ダストによって、カソード22と真空チャンバ(容器壁)4との間、またはシールド板10と真空チャンバ(容器壁)4との間が電気的に短絡することを防止する。
また、開口フランジ4aの端縁内面と円筒型磁石116の外面との間には、略リング状の絶縁体46が介装されている。絶縁体46は、真空チャンバ4(開口フランジ4a)と、アーク式蒸発源20(カソード22及び円筒型磁石116)との間の真空シールも行う。
Between the inner surface of the base side of the opening flange 4 a and the outer surface of the cathode 22, a ring-shaped insulator 25 with a flange at one end is interposed with the flange side facing the vacuum chamber side. It comes to slide against. The insulator 25 is electrically connected between the cathode 22 and the vacuum chamber (container wall) 4 or between the shield plate 10 and the vacuum chamber (container wall) 4 due to conductive dust that has fallen from the cathode 22 and the shield plate 10. To prevent short circuit.
A substantially ring-shaped insulator 46 is interposed between the inner surface of the end edge of the opening flange 4 a and the outer surface of the cylindrical magnet 116. The insulator 46 also performs a vacuum seal between the vacuum chamber 4 (opening flange 4a) and the arc evaporation source 20 (cathode 22 and cylindrical magnet 116).

カソード22の後端にはカソード保持フランジ29が同軸に取り付けられ、両者は電気的に接続されている。カソード保持フランジ29とアース2との間にはアーク放電電流源14が接続され、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(抵抗器を介してアースになっている)との間でアーク放電が生じることにより、イオン化したカソード物質が蒸発面23からアノード方向へ飛び出し、真空チャンバ4内の基板表面に被膜が形成される。なお、図1の符号24は、蒸発したイオンの流れを示し、符号44は磁力線を示す。   A cathode holding flange 29 is coaxially attached to the rear end of the cathode 22 and both are electrically connected. An arc discharge current source 14 is connected between the cathode holding flange 29 and the ground 2, and the cathode 22, the anode (which is grounded) in the vacuum chamber 4, and the shield plate 10 (which is grounded via a resistor). The ionized cathode material jumps out from the evaporation surface 23 toward the anode, and a film is formed on the substrate surface in the vacuum chamber 4. In addition, the code | symbol 24 of FIG. 1 shows the flow of the evaporated ion, and the code | symbol 44 shows a magnetic force line.

カソード保持フランジ29は、円柱状のフランジ部29aと棒状の軸部29bとを備え、該フランジ部29aを先頭(図1の真空チャンバ側)にして、フランジ29が円筒型磁石116に同軸に内挿されている。フランジ部29a側壁の径方向には凹部が形成され、凹部にはめ込まれたOリングシール70が円筒型磁石116の内壁に当接することにより、フランジ29と円筒型磁石116の間が真空シールされる。
フランジ部29a先端面の中心にはカソード取り付けネジ18が突出し、カソード22の後面の中心孔にネジ18を締めることにより、カソード22がフランジ29に取り付けられる。一方、フランジ29の軸部29bは、送り出し軸36を介してカソード送出機構38に取り付けられ、カソード送出機構38の進退に応じて、フランジ29及びカソード22が円筒型磁石116内を軸方向に進退する。
The cathode holding flange 29 includes a columnar flange portion 29a and a rod-shaped shaft portion 29b. With the flange portion 29a at the head (on the vacuum chamber side in FIG. 1), the flange 29 is coaxial with the cylindrical magnet 116. It is inserted. A concave portion is formed in the radial direction of the side wall of the flange portion 29a, and the O-ring seal 70 fitted in the concave portion contacts the inner wall of the cylindrical magnet 116, whereby the flange 29 and the cylindrical magnet 116 are vacuum-sealed. .
The cathode mounting screw 18 protrudes from the center of the front end surface of the flange portion 29 a, and the cathode 22 is mounted to the flange 29 by tightening the screw 18 in the center hole on the rear surface of the cathode 22. On the other hand, the shaft portion 29 b of the flange 29 is attached to the cathode delivery mechanism 38 via the delivery shaft 36, and the flange 29 and the cathode 22 advance and retreat in the cylindrical magnet 116 in the axial direction according to the advance and retreat of the cathode delivery mechanism 38. To do.

カソード保持フランジ29の内部には冷媒30の循環流路が形成され、フランジ29及びカソード22を冷却する。また、円筒型磁石116の外周には冷媒122が循環する磁石冷却機構(ジャケット)120が設けられ、円筒型磁石116を冷却して温度上昇を抑制し、磁場強度の低下を防止する。このようにすると、成膜速度が一定に維持され、さらに被膜の膜厚再現性が向上する。   A circulation path for the refrigerant 30 is formed inside the cathode holding flange 29 to cool the flange 29 and the cathode 22. In addition, a magnet cooling mechanism (jacket) 120 through which the refrigerant 122 circulates is provided on the outer periphery of the cylindrical magnet 116 to cool the cylindrical magnet 116 to suppress a temperature rise and prevent a decrease in magnetic field strength. If it does in this way, the film-forming speed | rate will be maintained constant and the film thickness reproducibility of a film will improve further.

カソードは、例えば、円柱状で中実な通常の形状のものを使用できる。カソードとして、強磁性体でない導電性材料を用いると、カソードの突出量やカソード長さが変化しても、磁場形成機構による磁場配位に影響を与えないため好ましい。上記材料としては、金属、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、カソードとして、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の群から選ばれる1種以上があげられる。   As the cathode, for example, a cylindrical and solid normal shape can be used. It is preferable to use a conductive material that is not a ferromagnetic material as the cathode, because even if the protruding amount of the cathode or the cathode length changes, the magnetic field configuration by the magnetic field forming mechanism is not affected. Examples of the material include metals, alloys, metalloid materials such as carbon, and semiconductor materials such as InAs. In particular, it is preferable to use a material composed of at least one of non-ferromagnetic metals and metal carbides, metal nitrides, metal borides, and metal sulfides as the cathode. As such metals, Ti, V , Cr, Al, Nb, Zr, Mo, W, Hf, Ta or more.

なお、本発明の各実施形態においては、磁場形成機構を「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、例えば多角形の断面を有する筒状のものであってもよい。一方、カソードの形状も限定されず、上記した円柱状の他、多角形柱状であってもよい。又、磁場形成機構の筒の断面形状と、カソード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、磁場形成機構を円筒にする場合は、カソードも円柱状とする)であることが好ましい。
さらに、磁場形成機構の軸心と、カソードの軸心とは同軸であっても異なっていてもよいが、形成される磁場の対称性等の点から、両者の軸心が同軸であることが好ましい。
In each embodiment of the present invention, the magnetic field forming mechanism is “cylindrical”. However, the present invention is not limited to this, and a cylindrical shape having, for example, a polygonal cross section is possible. May be. On the other hand, the shape of the cathode is not limited, and may be a polygonal columnar shape in addition to the columnar shape described above. In addition, the cross-sectional shape of the cylinder of the magnetic field forming mechanism and the cross-sectional shape of the cathode may be similar or different, but usually the cross-sectional shapes of both are similar (for example, from the point of symmetry of the formed magnetic field) When the magnetic field forming mechanism is a cylinder, the cathode is also preferably a column).
Furthermore, the axis of the magnetic field forming mechanism and the axis of the cathode may be coaxial or different, but from the viewpoint of the symmetry of the magnetic field to be formed, both axes should be coaxial. preferable.

<カソード位置の制御>
長期使用に伴ってカソードは消耗し、蒸発面23が真空チャンバの外側方向へ後退する。そこで、カソード送出機構38を用いてカソード22を前方に送出することにより、カソード22の蒸発を安定させ、成膜速度や品質を一定に保つ必要がある。カソード位置の制御は、例えば以下のトリガーを用いて行う。
<Cathode position control>
With a long-term use, the cathode is consumed, and the evaporation surface 23 is retracted toward the outside of the vacuum chamber. Therefore, it is necessary to stabilize the evaporation of the cathode 22 and keep the film formation rate and quality constant by sending the cathode 22 forward using the cathode delivery mechanism 38. The cathode position is controlled using, for example, the following trigger.

トリガー16は先端がコの字(鉤)に曲がった棒状を成し、真空チャンバ(容器壁)4の小孔に挿入されている。トリガー16の先端はカソード22の蒸発面23に対向し、トリガー16の他端は、真空チャンバ4の外部にあるトリガー駆動機構(ステッピングモータ又は空気圧シリンダ)84に接続されている。そして、トリガー駆動機構84の進退に応じ、トリガー16はカソード22の軸方向に移動する。トリガー16の先端が蒸発面23に当接するとトリガー駆動機構84は停止し、その時の停止位置をトリガー先端位置測定器86が取得する。停止したトリガー16の先端位置は消耗したカソード蒸発面23の位置L1に一致している。トリガー16の先端は、カソード蒸発面23と一定時間接した後、蒸発面23から離脱する。
比較器90は、上記の位置情報と、トリガー先端初期設定器88に予め設定された初期値(成膜開始時のカソード蒸発面23の位置となるトリガー16の先端位置)とを比較し、消耗後のカソード蒸発面23の位置L1を算定して出力する。カソード送出機構38は上記出力結果を取得し、出力に応じてカソード22を前方に送出する。これにより、カソード蒸発面23の位置は消耗しても、予め設定された初期の位置に戻される。
The trigger 16 has a rod shape whose tip is bent in a U-shape, and is inserted into a small hole in the vacuum chamber (container wall) 4. The tip of the trigger 16 faces the evaporation surface 23 of the cathode 22, and the other end of the trigger 16 is connected to a trigger driving mechanism (stepping motor or pneumatic cylinder) 84 that is outside the vacuum chamber 4. Then, the trigger 16 moves in the axial direction of the cathode 22 in accordance with the advance / retreat of the trigger drive mechanism 84. When the tip of the trigger 16 comes into contact with the evaporation surface 23, the trigger driving mechanism 84 stops, and the trigger tip position measuring device 86 acquires the stop position at that time. The tip position of the stopped trigger 16 coincides with the position L1 of the exhausted cathode evaporation surface 23. The tip of the trigger 16 comes out of the evaporation surface 23 after contacting the cathode evaporation surface 23 for a certain time.
The comparator 90 compares the position information with the initial value preset in the trigger tip initial setting device 88 (tip position of the trigger 16 that is the position of the cathode evaporation surface 23 at the start of film formation), and wears out. The position L1 of the subsequent cathode evaporation surface 23 is calculated and output. The cathode delivery mechanism 38 acquires the output result and sends the cathode 22 forward according to the output. Thereby, even if the position of the cathode evaporation surface 23 is consumed, it is returned to the preset initial position.

成膜時間が長い場合や、大きな放電電流で成膜を行う等の場合、カソードの消耗量が多くなり、時間と共に後述するカソード蒸発面と円筒型磁石との位置が所定の関係を満たさなくなるようになる。又、成膜中にアークスポットの動きを一定の状態に制御したい場合もある。これらの場合、成膜処理中にカソードを前方に送り出し、カソード蒸発面位置が定められた条件を満足するよう制御する必要がある。カソード蒸発面位置を制御するには、アーク放電失火時の再点火や、カソードの蒸発面23以外の部分での放電継続(異常放電)から復帰する際のトリガー動作を利用し、カソード蒸発面の位置を測定してカソード消耗前の初期の位置(又は上記位置関係を満たす範囲内の位置)に戻すことが好ましい。さらに、上記のトリガー動作が生じない場合であっても、所定の時間間隔でトリガーを強制的に作動させ、カソード蒸発面の位置を測定してカソード消耗前の初期の位置に戻すことが好ましい。   When the film formation time is long or when film formation is performed with a large discharge current, the amount of consumption of the cathode increases, so that the position of the cathode evaporation surface and the cylindrical magnet, which will be described later, does not satisfy the predetermined relationship with time. become. In some cases, it is desired to control the movement of the arc spot to a constant state during film formation. In these cases, it is necessary to feed the cathode forward during the film forming process and control the cathode evaporation surface position so as to satisfy a predetermined condition. In order to control the cathode evaporation surface position, re-ignition at the time of arc discharge misfire or trigger operation when returning from discharge continuation (abnormal discharge) at a portion other than the cathode evaporation surface 23 is used. It is preferable to measure the position and return it to the initial position before the cathode is consumed (or a position in a range satisfying the above positional relationship). Furthermore, even when the above-described trigger operation does not occur, it is preferable to force the trigger to operate at a predetermined time interval, measure the position of the cathode evaporation surface, and return to the initial position before the cathode is consumed.

なお、トリガー駆動機構84は、アーク放電開始、アーク放電失火時の再点火、及びカソードの蒸発面23以外の部分での放電継続(異常放電)からの復帰時に動作し、トリガー16と蒸発面23との間でアーク放電を開始させる。上記動作を行う時を除き、トリガー16へのカソード材料の付着を低減するため、トリガー16がシールド板または真空容器壁4周辺に収納されることが好ましい。
トリガー駆動機構84は、上記した往復動するものに限定されない。例えば、トリガー先端が円弧を描くように駆動させるトリガー駆動機構であってもよい。この場合、トリガー先端位置測定器86は、トリガーの円運動の角度から先端位置を測定する。又、トリガーやトリガー駆動機構を利用せず、カソード22の後方に超音波発信器と受信機を設け、超音波パルスがカソードを往復する時間からカソード長さ(位置)を算出するようにしてもよい。
又、上記した例では、カソード送出機構38は比較演算器90の出力情報に連動して動作したが、比較演算器90の出力値に基づき、手動でカソード送出機構38を動作させてもよい。 なお、カソードとして、通常よく使用されるCrやTi等を用いる場合は、成膜条件(アーク放電電流や放電時間、雰囲気ガス圧)に応じたカソード消耗量が経験的データとして蓄積されている。そのため、これらの条件がわかれば、カソード消耗量を推定することができる。従って、このような場合は、トリガー等を使用してカソード蒸発面の位置L1を測定する必要はなく、成膜条件に応じてカソード消耗量(L1)を推定し、推定されたL1に基づき、自動又は手動でカソード送出機構38を動作させてもよい。
The trigger driving mechanism 84 operates at the start of arc discharge, reignition at the time of arc discharge misfire, and at the time of return from continuing discharge (abnormal discharge) at a portion other than the evaporation surface 23 of the cathode. Arc discharge is started between. Except when performing the above operation, the trigger 16 is preferably housed around the shield plate or the vacuum vessel wall 4 in order to reduce the adhesion of the cathode material to the trigger 16.
The trigger drive mechanism 84 is not limited to the one that reciprocates as described above. For example, a trigger drive mechanism that drives the trigger tip to draw an arc may be used. In this case, the trigger tip position measuring device 86 measures the tip position from the angle of the circular motion of the trigger. Further, without using a trigger or a trigger driving mechanism, an ultrasonic transmitter and a receiver are provided behind the cathode 22, and the cathode length (position) is calculated from the time when the ultrasonic pulse reciprocates the cathode. Good.
In the above-described example, the cathode delivery mechanism 38 operates in conjunction with the output information of the comparison calculator 90. However, the cathode delivery mechanism 38 may be manually operated based on the output value of the comparison calculator 90. In the case of using commonly used Cr, Ti, or the like as the cathode, the amount of cathode consumption corresponding to the film forming conditions (arc discharge current, discharge time, atmospheric gas pressure) is accumulated as empirical data. Therefore, if these conditions are known, the amount of cathode consumption can be estimated. Therefore, in such a case, it is not necessary to measure the position L1 of the cathode evaporation surface using a trigger or the like, and the amount of cathode consumption (L1) is estimated according to the film forming conditions. Based on the estimated L1, The cathode delivery mechanism 38 may be operated automatically or manually.

<カソードと円筒型磁石の相対位置の制御>
本発明においては、消耗に応じたカソードの前進だけでなく、後述する磁場を適切に形成させるため、円筒型磁石116とカソードの蒸発面23との相対位置を以下のように制御する。
図1において、カソードの蒸発面23の位置L1と、円筒型磁石116の前端(真空チャンバに近い側の端)の位置L2との軸方向の距離をΔLとする。但し、L1をL2より前方(真空チャンバに近い側)に位置させることが必須である。又、円筒型磁石116の内径をDとする。
<Control of relative position of cathode and cylindrical magnet>
In the present invention, the relative position between the cylindrical magnet 116 and the evaporation surface 23 of the cathode is controlled as follows in order to appropriately form a magnetic field, which will be described later, as well as advancement of the cathode according to wear.
In FIG. 1, the axial distance between the position L1 of the cathode evaporation surface 23 and the position L2 of the front end (end closer to the vacuum chamber) of the cylindrical magnet 116 is denoted by ΔL. However, it is essential to position L1 in front of L2 (side closer to the vacuum chamber). The inner diameter of the cylindrical magnet 116 is D.

この時、式1
0.1×D≦ΔL≦2.0×D (1)
の関係を満たすよう、カソード位置を制御する。この制御は、カソード位置制御機構92が上記と同様に行う。ここで、トリガー先端初期設定器88には予めD、L2が設定されている。そして、比較演算器90は、トリガー先端位置測定器86が取得したL1と、トリガー先端初期設定器88から取得したD、L2とを比較し、これらが式1の関係を満たすか否かを判断する。0.1×D>ΔLである場合、比較演算器90は、カソードを前方に送出するための値を出力する。2.0×D<ΔLである場合、比較演算器90は、カソードを後方に戻すための値を出力する。カソード送出機構38は出力結果に基づき、カソード位置を制御する。出力結果に基づき、作業員が手動によりカソード送出機構38を操作してカソード位置を制御してもよい。後者の場合、カソード位置制御機構92は、カソード位置の制御量を作業員が認識できるよう、比較演算器90の出力結果(カソード位置の制御情報)を表示する表示部を備える。
At this time, Formula 1
0.1 × D ≦ ΔL ≦ 2.0 × D (1)
The cathode position is controlled to satisfy this relationship. This control is performed by the cathode position control mechanism 92 in the same manner as described above. Here, D and L2 are set in the trigger tip initial setting device 88 in advance. The comparison calculator 90 compares L1 acquired by the trigger tip position measuring device 86 with D and L2 acquired from the trigger tip initial setting device 88, and determines whether or not these satisfy the relationship of Expression 1. To do. When 0.1 × D> ΔL, the comparison calculator 90 outputs a value for sending the cathode forward. When 2.0 × D <ΔL, the comparison arithmetic unit 90 outputs a value for returning the cathode backward. The cathode delivery mechanism 38 controls the cathode position based on the output result. Based on the output result, an operator may manually operate the cathode delivery mechanism 38 to control the cathode position. In the latter case, the cathode position control mechanism 92 includes a display unit that displays the output result of the comparator 90 (cathode position control information) so that the operator can recognize the control amount of the cathode position.

なお、L2、Dは、円筒型磁石116のうち、有効に磁力を発生させる部分の位置を示し、例えば円筒型磁石116がカバー等で覆われている場合、カバーの位置を含まない。
又、円筒型磁石116は、全体が磁石で構成されたものに限定されない。例えば強磁性体から成る円筒をカソードに同軸に配置し、この円筒の後方に同軸にリング状(円筒型)磁石を設けてもよい。この場合、円筒型磁石により強磁性体の端部に生じる磁場は、この強磁性体の他端に磁極を形成する。そして、円筒型磁石の端部と、強磁性体の端部とが全体として円筒型磁石とほぼ等価な働きをする。このとき、L2は強磁性体の前端(真空チャンバに近い側の端であり、円筒型磁石と接する端部と反対側の端部)となる。
さらに、円筒型磁石116の外周および/または後方に図示しない磁石を追加することによって磁場強度を調節してもよい。そして、円筒型磁石は脱着が容易になるように2以上に分割できる構造であってもよく、さらに小径の円柱型や角柱型の棒磁石を円筒状に配置してもよい。
L2 and D indicate positions of portions of the cylindrical magnet 116 that effectively generate magnetic force. For example, when the cylindrical magnet 116 is covered with a cover or the like, the position of the cover is not included.
Further, the cylindrical magnet 116 is not limited to the one composed entirely of magnets. For example, a cylinder made of a ferromagnetic material may be arranged coaxially with the cathode, and a ring-shaped (cylindrical) magnet may be provided coaxially behind the cylinder. In this case, the magnetic field generated at the end of the ferromagnetic material by the cylindrical magnet forms a magnetic pole at the other end of the ferromagnetic material. The end portion of the cylindrical magnet and the end portion of the ferromagnetic material as a whole function substantially equivalent to the cylindrical magnet. At this time, L2 is the front end of the ferromagnetic material (the end on the side close to the vacuum chamber and the end opposite to the end in contact with the cylindrical magnet).
Furthermore, the magnetic field strength may be adjusted by adding a magnet (not shown) to the outer periphery and / or rear of the cylindrical magnet 116. The cylindrical magnet may have a structure that can be divided into two or more so as to be easily attached and detached, and a small-diameter columnar or prismatic bar magnet may be arranged in a cylindrical shape.

<磁場の形成>
次に、本実施形態のアーク式蒸発源によって形成される磁場について、図2を参照して説明する。図2は、式1において、0.5×D=ΔLの場合の磁力線を磁場解析により求めたものであり、符号44は磁力線を示す。なお、この解析では、円筒型磁石116の内径(D)を64mm、外径を76mm、円筒型磁石116の軸方向長さを30mmとし、カソード直径を60mmとする。
図2において、円筒型磁石116は軸方向に磁化されており、前端にS極を有し、後端にN極を有し、磁石116の前端の位置L2はカソードの蒸発面23の位置L1より後方に位置する。
<Formation of magnetic field>
Next, the magnetic field formed by the arc evaporation source of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows the lines of magnetic force in Formula 1 obtained by magnetic field analysis when 0.5 × D = ΔL, and reference numeral 44 indicates the lines of magnetic force. In this analysis, the inner diameter (D) of the cylindrical magnet 116 is 64 mm, the outer diameter is 76 mm, the axial length of the cylindrical magnet 116 is 30 mm, and the cathode diameter is 60 mm.
In FIG. 2, the cylindrical magnet 116 is magnetized in the axial direction, has a south pole at the front end, has a north pole at the rear end, and a position L2 of the front end of the magnet 116 is a position L1 of the evaporation surface 23 of the cathode. Located rearward.

<円筒型磁石を蒸発面より後方に配置する作用>
このように、円筒型磁石を蒸発面23より後方に配置すると、蒸発面23の前方(真空チャンバに近い側)では、カソード軸に沿い、かつカソード中心軸から外側に広がる磁力線を形成することができる。カソードの蒸発面23上のアークスポットから放出された電子は、上記磁力線に捕捉され、当該磁力線に沿って輸送される。さらに、アーク放電によって電離したカソード構成物質のイオンも当該磁力線に沿って広い角度方向に発散する。
そして、アーク放電電流は、上記磁力線に沿ってアノード(シールド板や真空容器内壁)に到達することができるため、磁力線に沿うカソード−アノード間の実効距離が短くなる。このようにして、真空容器内にガスを導入しなくても、アーク放電が維持され、アーク放電の停止頻度やドロップレット発生量を低減することが可能となる。その結果、被膜表面が平滑化し、被膜の機械的強度の低下を抑制できる。なお、蒸発面23から離れると共に磁場の拘束力が弱くなるため、電子やイオンは自由に運動して成膜されるが、磁力線がカソード中心軸から外側に広がることにより、イオンの指向性が低くなって広範囲に放出されるので、膜厚分布が均一になる。
<Operation of placing the cylindrical magnet behind the evaporation surface>
As described above, when the cylindrical magnet is disposed behind the evaporation surface 23, magnetic force lines extending along the cathode axis and outward from the cathode central axis can be formed in front of the evaporation surface 23 (side closer to the vacuum chamber). it can. Electrons emitted from the arc spot on the cathode evaporation surface 23 are captured by the magnetic field lines and transported along the magnetic field lines. Furthermore, the ions of the cathode constituent material ionized by arc discharge also diverge in a wide angular direction along the magnetic field lines.
Since the arc discharge current can reach the anode (shield plate or inner wall of the vacuum vessel) along the magnetic field lines, the effective distance between the cathode and the anode along the magnetic field lines is shortened. In this way, even if gas is not introduced into the vacuum vessel, arc discharge is maintained, and it is possible to reduce the frequency of stopping arc discharge and the amount of droplets generated. As a result, the coating surface is smoothed, and a decrease in the mechanical strength of the coating can be suppressed. In addition, since the restraint force of the magnetic field becomes weaker as it moves away from the evaporation surface 23, electrons and ions move freely to form a film. However, since the magnetic field lines spread outward from the cathode central axis, the directivity of ions is low. Since it is released in a wide range, the film thickness distribution becomes uniform.

又、円筒型磁石を蒸発面より後方に配置することにより、カソードの蒸発面23近傍に強い磁場を形成することができ、蒸発面23のどの位置でもアーク放電が安定して維持される。既に述べたように、アーク放電によって生成されたプラズマは磁場が強いほど捕捉されるため、蒸発面23近傍には高密度プラズマが形成される。そして、カソード蒸発面とプラズマ間に形成されるシース(Sheath)は、高密度プラズマになるほど薄くなるので、アーク放電が維持されやすくなる。
しかも、円筒型磁石を蒸発面23より後方に配置することにより、カソードの蒸発面23より前方に構成物がなく、被成膜基材以外の真空容器内壁その他の部分に付着するカソード物質の重量を低減することができる。さらに、カソードの蒸発面23より後方に向かうほど強い磁場が形成されているため、アーク放電によって蒸発しイオン化されたカソード構成物質はミラー効果による磁力線に沿って後方に移動することが抑制されるため、カソード蒸発面より前方に飛散し被膜形成に費やされるカソード構成材料の割合が向上する。
Further, by arranging the cylindrical magnet behind the evaporation surface, a strong magnetic field can be formed in the vicinity of the evaporation surface 23 of the cathode, and arc discharge is stably maintained at any position on the evaporation surface 23. As already described, since the plasma generated by the arc discharge is captured as the magnetic field is stronger, high-density plasma is formed in the vicinity of the evaporation surface 23. And since the sheath (Sheath) formed between a cathode evaporation surface and plasma becomes thin, so that it becomes high density plasma, it becomes easy to maintain arc discharge.
In addition, by arranging the cylindrical magnet behind the evaporation surface 23, the weight of the cathode material which has no components in front of the cathode evaporation surface 23 and adheres to the inner wall of the vacuum vessel other than the film formation substrate and other parts. Can be reduced. Further, since a stronger magnetic field is formed toward the rear of the cathode evaporation surface 23, the cathode constituent material evaporated and ionized by the arc discharge is restrained from moving backward along the magnetic field lines due to the mirror effect. Thus, the proportion of the cathode constituent material that is scattered forward of the cathode evaporation surface and is consumed for forming the coating is improved.

<カソードと円筒型磁石の相対位置を制御する作用>
円筒型磁石を蒸発面より後方に配置する作用は、カソードと円筒型磁石の相対位置を式1の範囲に制御することにより、顕著になる。つまり、0.1×D>ΔLであると、円筒型磁石が蒸発面より充分に後方に配置されないため、磁力線の一部がカソード蒸発面に戻り、カソード後方に向かう磁場配位が形成される。つまり、カソード蒸発面内で閉じる磁力線が形成されるため、アノードとなる真空容器壁やシールド板に磁力線が到達し難い。そして、磁力線を横切る方向にはアーク放電電流が流れ難いため、アーク放電が不安定となり、放電が停止する頻度が高くなる。一方、2.0×D<ΔLであると、磁石と蒸発面の距離が離れ過ぎるため、カソードの蒸発面23近傍に強い磁場を形成できず、アークスポットの動きが遅くなり,アークスポット近傍のカソード蒸発面の温度が上昇しドロップレット発生量が増加したり、カソードが均一に消耗しなくなる。
好ましくは、0.3×D≦ΔL≦1.5×Dとする。0.3×D≦ΔL≦1.5×Dとすると、磁力線がより外側に広がり、アークスポットの動きが早くなるため、アーク式蒸発源をさらに小型化できるので好ましい。
<Action to control relative position of cathode and cylindrical magnet>
The action of disposing the cylindrical magnet behind the evaporation surface becomes remarkable by controlling the relative position of the cathode and the cylindrical magnet within the range of Equation 1. In other words, if 0.1 × D> ΔL, the cylindrical magnet is not arranged sufficiently behind the evaporation surface, so that part of the lines of magnetic force returns to the cathode evaporation surface and a magnetic field configuration is formed toward the cathode rear. . That is, since the magnetic lines of force that close within the cathode evaporation surface are formed, it is difficult for the magnetic lines of force to reach the vacuum vessel wall and the shield plate serving as the anode. And since the arc discharge current hardly flows in the direction crossing the magnetic field lines, the arc discharge becomes unstable, and the frequency at which the discharge stops increases. On the other hand, if 2.0 × D <ΔL, the distance between the magnet and the evaporation surface is too large, so that a strong magnetic field cannot be formed in the vicinity of the evaporation surface 23 of the cathode, and the movement of the arc spot becomes slow. As the temperature of the cathode evaporation surface rises, the amount of droplets generated increases and the cathode is not evenly consumed.
Preferably, 0.3 × D ≦ ΔL ≦ 1.5 × D. It is preferable that 0.3 × D ≦ ΔL ≦ 1.5 × D because the magnetic field lines spread outward and the movement of the arc spot becomes faster, so that the arc evaporation source can be further downsized.

<異なる極性の磁極を軸方向の両端に配置した円筒型磁石を用いる作用>
円筒型磁石として、N極、S極を軸方向の両端に配置したものを用いると、図2に示すように、カソード側面における磁場はカソード側面に対して平行又は鋭角となり、カソード側面に平行な成分が強くなる。既に述べたように、アーク放電電流は磁力線に沿って流れ、磁力線を横切るのは困難なため、カソード側面ではアーク放電が維持され難い。又、上記円筒型磁石を用いると、蒸発面23から後方に向かうほど磁場が強くなるので、ミラー効果により電子が前方に押し戻され、カソード蒸発面から後方へのアーク放電電流も抑制される。以上のように、カソード側面ではアーク放電の維持が困難なため、アークスポットがカソード側面に偶発的に移行することが抑制され、カソードの周囲の装置への不要な蒸着が防止される。
<Operation using cylindrical magnets with magnetic poles with different polarities at both ends in the axial direction>
When cylindrical magnets having N and S poles arranged at both ends in the axial direction are used, as shown in FIG. 2, the magnetic field on the cathode side surface is parallel or acute with respect to the cathode side surface and parallel to the cathode side surface. Ingredients become stronger. As described above, since the arc discharge current flows along the magnetic field lines and it is difficult to cross the magnetic field lines, it is difficult to maintain the arc discharge on the cathode side surface. Further, when the cylindrical magnet is used, the magnetic field becomes stronger toward the rear from the evaporation surface 23, so that the electrons are pushed back by the mirror effect, and the arc discharge current from the cathode evaporation surface to the rear is also suppressed. As described above, since it is difficult to maintain the arc discharge on the cathode side surface, accidental migration of the arc spot to the cathode side surface is suppressed, and unnecessary deposition on the device around the cathode is prevented.

又、上記円筒型磁石をカソード蒸発面23より後方に配置すると、磁石から離れるに従って円筒型磁石の中心(磁石が存在しない部分)の影響が小さくなり、円盤形磁石が形成する磁力線に近づく。そのため、カソード蒸発面には円盤型磁石に類似した均一な磁場が生じ、カソード蒸発面をまんべんなくアークスポットが運動することができる。この効果は、軸方向に長いカソードを使用した場合でも充分に生じるため、カソードは均一に消耗し、軸方向に長いカソードを好適に使用できる。その結果、カソード交換の休止頻度や休止時間を低減して、生産効率を向上することができる。また、上記構成とすると、円筒型磁石の軸方向の中央部近傍では、軸方向にほぼ平行な磁力線が形成されるため,コイルにより形成される磁場配位に類似する磁場を形成することもできる。   If the cylindrical magnet is disposed behind the cathode evaporation surface 23, the influence of the center of the cylindrical magnet (the portion where no magnet is present) decreases as the distance from the magnet evaporates, and the magnetic field line formed by the disc-shaped magnet approaches. Therefore, a uniform magnetic field similar to a disk magnet is generated on the cathode evaporation surface, and the arc spot can move evenly on the cathode evaporation surface. This effect occurs sufficiently even when a long cathode is used in the axial direction, so that the cathode is evenly consumed, and a long cathode in the axial direction can be suitably used. As a result, it is possible to improve the production efficiency by reducing the frequency and time during which the cathode is replaced. Also, with the above configuration, magnetic field lines substantially parallel to the axial direction are formed in the vicinity of the central portion of the cylindrical magnet in the axial direction, so that a magnetic field similar to the magnetic field configuration formed by the coil can be formed. .

<第2の実施形態>
本発明において、磁場形成機構として電磁石を用いてもよい。図3は本発明のアーク式蒸発源の第2の実施形態を示す断面図である。
図3において、円筒型磁石116の代わりに、電磁石114を用いたこと以外は第1の実施形態と同様であるので、同一部分の構成の説明を省略する。電磁石114は、円筒型鉄心112とその外周に設けられるコイルを含み、電磁石励磁電源108に接続されている。そして、電磁石114に印加する電流を変えることによって、磁場強度を調節することができる。この実施形態においては、鉄心112の内径をDとする。鉄心112は、NiやCo、フェライト等の強磁性体材料で構成されたものであってもよい。
<Second Embodiment>
In the present invention, an electromagnet may be used as the magnetic field forming mechanism. FIG. 3 is a sectional view showing a second embodiment of the arc evaporation source of the present invention.
3, since it is the same as that of 1st Embodiment except having used the electromagnet 114 instead of the cylindrical magnet 116, description of the structure of the same part is abbreviate | omitted. The electromagnet 114 includes a cylindrical iron core 112 and a coil provided on the outer periphery thereof, and is connected to an electromagnet excitation power source 108. The magnetic field strength can be adjusted by changing the current applied to the electromagnet 114. In this embodiment, the inner diameter of the iron core 112 is D. The iron core 112 may be made of a ferromagnetic material such as Ni, Co, or ferrite.

なお、第1の実施形態の場合、永久磁石を使用するため、電磁石用電流源が不要で蒸発源の構成を簡略化でき、又、比較的小型の磁石で強い磁場を形成できるので装置がコンパクトになる。一方、第2の実施形態の場合、電磁石の電流を制御すれば、アーク放電が安定するような磁場強度の調整が容易である。   In the case of the first embodiment, since a permanent magnet is used, an electromagnet current source is unnecessary, the configuration of the evaporation source can be simplified, and a strong magnetic field can be formed with a relatively small magnet, so that the apparatus is compact. become. On the other hand, in the case of the second embodiment, if the current of the electromagnet is controlled, it is easy to adjust the magnetic field strength so that arc discharge is stabilized.

次に、第2の実施形態のアーク式蒸発源20Bによって形成される磁場について、図4を参照して説明する。図4は、式1において、0.5×D=ΔLの場合の磁力線を磁場解析により求めたものであり、符号44Bは磁力線を示す。なお、この解析では、鉄心112の内径(D)を64mm、外径を74mm、長さを40mmとし、コイル114の内径を74mm、外径を79mm、長さを40mmとし、カソード直径を60mmとする。
図4において、図2の場合と同様、カソード蒸発面23の前方に、カソード中心軸に対して外方向に広がる磁力線が形成されている。
Next, the magnetic field formed by the arc evaporation source 20B of the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows the lines of magnetic force in Formula 1 obtained by magnetic field analysis when 0.5 × D = ΔL, and reference numeral 44B indicates the lines of magnetic force. In this analysis, the inner diameter (D) of the iron core 112 is 64 mm, the outer diameter is 74 mm, the length is 40 mm, the inner diameter of the coil 114 is 74 mm, the outer diameter is 79 mm, the length is 40 mm, and the cathode diameter is 60 mm. To do.
In FIG. 4, as in FIG. 2, magnetic lines of force extending outward from the cathode central axis are formed in front of the cathode evaporation surface 23.

以下に、実施例によって本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

<実施例1−1>
図1に示すアーク式蒸発源20を用いて、硬質窒化クロム被膜を成膜した。これを実施例1−1とする。被成膜基材としては鏡面研磨した浸炭材製シム(外径30mm、厚さ2mm、表面粗さRa0.02μm以下)を用い、これをカソード蒸発面の正面に500mm離して固定した。これを試料1とする。さらに、カソードから蒸発した炭素の広がり状況を調べるため、試料1から横方向(カソード蒸発面の平行な方向)に200mm離れた位置に、別の浸炭材製シムを固定した(以下試料2とする)。
カソードは、外径60mm、軸方向の長さ200mmのクロム製カソード(純度99.9%)を使用した。又、磁場形成機構として、内径64mm、外径78mmの円筒型炭素鋼磁石を使用した。磁石前端とカソード蒸発面の相対位置は、D=ΔLとなるように調整した。
<Example 1-1>
A hard chromium nitride film was formed using the arc evaporation source 20 shown in FIG. This is Example 1-1. A mirror-polished carburized shim (outer diameter 30 mm, thickness 2 mm, surface roughness Ra 0.02 μm or less) was used as the film-forming substrate, and this was fixed 500 mm away from the front of the cathode evaporation surface. This is designated as Sample 1. Further, in order to investigate the spread state of carbon evaporated from the cathode, another carburized shim shim was fixed at a position 200 mm away from the sample 1 in the lateral direction (the direction parallel to the cathode evaporation surface) (hereinafter referred to as sample 2). ).
As the cathode, a chromium cathode (purity 99.9%) having an outer diameter of 60 mm and an axial length of 200 mm was used. A cylindrical carbon steel magnet having an inner diameter of 64 mm and an outer diameter of 78 mm was used as the magnetic field forming mechanism. The relative position of the front end of the magnet and the cathode evaporation surface was adjusted so that D = ΔL.

まず、成膜に先立ってイオンボンバード処理工程を実施した。イオンボンバード処理工程は、図示しない真空排気ポンプにより、真空容器内を2.7×10−3Pa(2×10−5Torr)以下に排気した後、図示しないガス導入孔からArガスを流量1.7×10−2Pa m/s(10sccm(standard cc/min))で導入し、真空容器内を約1.3Pa(10mTorr)に維持して行った。そして、被成膜基材に、図示しないインピーダンス整合器を介して周波数13.56MHz、電力100Wの高周波電力を10min間印加し、高周波プラズマ放電を行った。被成膜基材は、プラズマからの電子付着により負の自己バイアスが働き、正イオンであるArイオンが加速されて当該基材表面をスパッタし、表面が清浄化される。 First, an ion bombardment process was performed prior to film formation. In the ion bombardment treatment step, the inside of the vacuum vessel is evacuated to 2.7 × 10 −3 Pa (2 × 10 −5 Torr) or less by a vacuum exhaust pump (not shown), and then Ar gas is supplied at a flow rate of 1 from a gas introduction hole (not shown). 7 × 10 −2 Pam 3 / s (10 sccm (standard cc / min)) was introduced, and the inside of the vacuum vessel was maintained at about 1.3 Pa (10 mTorr). Then, high frequency power having a frequency of 13.56 MHz and a power of 100 W was applied to the film formation substrate through an impedance matching device (not shown) for 10 minutes to perform high frequency plasma discharge. The film-deposited substrate is negatively self-biased by electron attachment from plasma, Ar ions that are positive ions are accelerated, the substrate surface is sputtered, and the surface is cleaned.

イオンボンバード処理工程に続いて、成膜工程を実施した。真空容器内へ窒素ガスを導入し、真空容器内を2.6Pa(20mTorr)に維持する。そして、カソードにアーク電流100Aを流し、アーク放電を行うと同時に、被成膜基材に直流電圧(−100V)を印加した。この状態を維持し、30min成膜を行ったところ、基材表面に厚さ約1μmの硬質窒化クロム被膜が形成された。   Subsequent to the ion bombardment process, a film forming process was performed. Nitrogen gas is introduced into the vacuum vessel, and the inside of the vacuum vessel is maintained at 2.6 Pa (20 mTorr). Then, an arc current of 100 A was applied to the cathode to perform arc discharge, and at the same time, a DC voltage (-100 V) was applied to the film formation substrate. When this state was maintained and film formation was performed for 30 minutes, a hard chromium nitride film having a thickness of about 1 μm was formed on the surface of the base material.

<実施例1−2>
図3に示すアーク式蒸発源20Bを用いたこと以外は、実施例1−1とまったく同様にして成膜を行った。これを実施例1−2とする。この例においても、磁石前端とカソード蒸発面の相対位置は、D=ΔLとなるように調整し、Dは鉄心内径とした。
<Example 1-2>
Film formation was performed in exactly the same manner as in Example 1-1 except that the arc evaporation source 20B shown in FIG. 3 was used. This is Example 1-2. Also in this example, the relative position of the front end of the magnet and the cathode evaporation surface was adjusted so that D = ΔL, and D was the inner diameter of the iron core.

<比較例1−1>
特許文献3記載のアーク式蒸発源(本願明細書の図5の構成に相当)を用い、特許文献3の実施例に記載の条件で成膜を行った。これを比較例1−1とする。但し、直径50mm、長さ120mmのクロム製の陰極32(純度99.9%)と、内径50mm、外径90mm、斜面76の角度が45度のクロム製の先細リング74(純度99.9%)を適用した。成膜条件は実施例1−1と同じ条件とした。ただし、窒素ガスはガス吹き付け機構を使用し導入した。その結果、基材表面に厚さ約1μmの硬質クロム被膜が形成された。
<Comparative Example 1-1>
Using an arc evaporation source described in Patent Document 3 (corresponding to the configuration of FIG. 5 of the present specification), film formation was performed under the conditions described in the Example of Patent Document 3. This is designated as Comparative Example 1-1. However, a chromium cathode 32 (purity: 99.9%) having a diameter of 50 mm and a length of 120 mm, and a chromium tapered ring 74 (purity: 99.9%) having an inner diameter of 50 mm, an outer diameter of 90 mm, and an angle of the inclined surface 76 of 45 degrees. ) Was applied. The film forming conditions were the same as those in Example 1-1. However, nitrogen gas was introduced using a gas spray mechanism. As a result, a hard chromium film having a thickness of about 1 μm was formed on the substrate surface.

<評価>
各実施例、比較例について、以下の評価を行った。
1.電力量
成膜工程を30回実施し、アーク放電の電力量の総量を、成膜回数で除した値(平均値)を評価した。
2.付着物重量
カソード蒸発面前方に位置する構造物(図1のシールド板、磁石(または電磁石)内壁、真空容器の内壁、内壁に取り付けられた付属物)に付着した蒸着物の合計重量を測定し、成膜回数で除した値を評価した。
3.被膜の平滑性(表面粗さRa)
成膜行程を30回実施したサンプルのうち、最後の3回のサンプルの表面粗さRaを触針式表面粗さ計を用いて測定した。一サンプル当り5カ所の表面粗さを測定し、その平均値を評価した。
4.膜厚均一性
(試料2の膜厚)/(試料1の膜厚)で表される値を評価した。この値が1に近いほど、機材の位置によらず膜厚が均一であることを示す。
<Evaluation>
The following evaluation was performed about each Example and the comparative example.
1. Electricity amount The film forming process was performed 30 times, and a value (average value) obtained by dividing the total electric energy amount of arc discharge by the number of times of film formation was evaluated.
2. Deposit weight Measure the total weight of the deposit attached to the structure (shield plate, magnet (or electromagnet) inner wall, vacuum vessel inner wall, accessory attached to the inner wall of Fig. 1) located in front of the cathode evaporation surface. The value divided by the number of film formations was evaluated.
3. Smoothness of coating (surface roughness Ra)
Of the samples subjected to the film forming process 30 times, the surface roughness Ra of the last three samples was measured using a stylus type surface roughness meter. The surface roughness was measured at five locations per sample, and the average value was evaluated.
4). Thickness uniformity (film thickness of sample 2) / (film thickness of sample 1) was evaluated. The closer this value is to 1, the more uniform the film thickness is regardless of the position of the equipment.

得られた結果を表1に示す。   The obtained results are shown in Table 1.

表1から明らかなように、実施例1−1および実施例1−2の場合、アーク式蒸発源の動作に費やされる電力量が低くなった。
又、各実施例の場合、カソードの蒸発面が磁石より前方に位置するため、磁石内壁にクロムや窒化クロムが付着することがなく、シールド板表面への付着物の重量が少なかった。そして、各実施例の場合、この被覆が剥離しなかったため、カソード材料を被膜形成に有効に使用できるとともに、付着物の剥離したものが被膜に混入して被膜品質(表面の平滑性)を低下させることがなかった。
さらに、各実施例の場合、膜厚均一性が高く、カソード正面から離れた位置でも成膜厚みがあまり減少しなかった。このことより、各実施例の場合、カソード物質が蒸発面から広い角度に放出されていることがわかる。
As is clear from Table 1, in the case of Example 1-1 and Example 1-2, the amount of power consumed for the operation of the arc evaporation source was low.
In each of the examples, the evaporation surface of the cathode was positioned in front of the magnet, so that chromium and chromium nitride did not adhere to the inner wall of the magnet, and the weight of the deposit on the shield plate surface was small. In each example, since the coating did not peel off, the cathode material can be used effectively for forming the coating, and the peeled off material is mixed into the coating to reduce the coating quality (surface smoothness). I did not let it.
Furthermore, in each example, the film thickness uniformity was high, and the film thickness did not decrease much even at a position away from the front of the cathode. From this, it can be seen that in each example, the cathode material was released from the evaporation surface at a wide angle.

一方、比較例1−1の場合、磁場を形成するために電磁石(コイル)を用いたため、アーク式蒸発源の動作に費やされる電力が大きくなった。さらに、比較例1−1の場合、カソード蒸発面より前方に位置する構造物(磁気コイル内壁、真空容器内壁)がクロムや窒化クロムにより被覆され、付着物重量が増大した。   On the other hand, in the case of Comparative Example 1-1, since an electromagnet (coil) was used to form a magnetic field, the electric power consumed for the operation of the arc evaporation source increased. Furthermore, in the case of Comparative Example 1-1, the structure (magnetic coil inner wall, vacuum vessel inner wall) located in front of the cathode evaporation surface was covered with chromium or chromium nitride, and the weight of the deposit increased.

以下の条件を変更したこと以外は、実施例1とまったく同様にして成膜を行った。但し、カソードとして純度99.9%以上の炭素を用い、被成膜基材として単結晶ケイ素板(一辺の長さ15mm、厚さ1mm)を用いた。又、成膜開始前の磁石前端とカソード蒸発面の相対位置は、0.1×D≦ΔL≦2.0×Dの間で表2に示すように調整した。成膜中はカソード位置を変えなかった。さらに、成膜行程で、真空容器にはガスを導入せず高真空環境(2.6×10−3Pa以下)で成膜を行った。
以上のようにして、基材表面に、厚さ約1μmの硬質炭素被膜を成膜した。成膜にかかる時間は30minであった。被膜厚さが約1μmとなった時点で1回の成膜を終了した。
なお、表2に示すように、ΔLをDの0.7倍(0.7×D=ΔL)としたものを実施例2−1とし、以下、ΔLをDの0.1倍、0.3倍、1.0倍、1.5倍、2.0倍、0.05倍、3.0倍とした場合を、それぞれ、実施例2−2、実施例2−3、実施例2−4、実施例2−5、実施例2−6、比較例2−1、比較例2−2とした。
Film formation was performed in the same manner as in Example 1 except that the following conditions were changed. However, carbon having a purity of 99.9% or more was used as the cathode, and a single crystal silicon plate (a length of 15 mm on one side and a thickness of 1 mm) was used as the film formation substrate. In addition, the relative position between the front end of the magnet and the cathode evaporation surface before the start of film formation was adjusted as shown in Table 2 between 0.1 × D ≦ ΔL ≦ 2.0 × D. The cathode position was not changed during film formation. Further, in the film formation process, the film was formed in a high vacuum environment (2.6 × 10 −3 Pa or less) without introducing gas into the vacuum vessel.
As described above, a hard carbon film having a thickness of about 1 μm was formed on the substrate surface. The time required for film formation was 30 min. One film formation was completed when the film thickness reached about 1 μm.
As shown in Table 2, a case where ΔL is 0.7 times D (0.7 × D = ΔL) is referred to as Example 2-1, and hereinafter, ΔL is 0.1 times D, 0. The cases of 3 times, 1.0 times, 1.5 times, 2.0 times, 0.05 times, and 3.0 times are shown in Example 2-2, Example 2-3, and Example 2-, respectively. 4, Example 2-5, Example 2-6, Comparative Example 2-1, and Comparative Example 2-2.

<評価>
5.異常放電発生回数
成膜中のカソード蒸発面におけるアークスポットの動きを評価するため、図1のシールド板10に設置されている抵抗器の両端の電圧を測定した。その結果、カソード蒸発面で正常にアーク放電が継続する場合、上記電圧は0.1V〜−10Vの範囲内にあるが、カソード周辺部とシールド板間で異常なアーク放電が発生した場合、上記電圧が−40V未満となった。
そこで、1回の成膜中、上記電圧が−40V未満となる時間が1sec以上継続した場合を異常放電とみなし、1回の成膜工程で異常放電が発生した回数を評価した。異常放電発生を確認した場合、アーク放電を一旦停止し、トリガーを動作させて正常にアーク放電が継続する状態に復帰させ、成膜を続けた。
30min間の放電中、異常放電発生回数が10回未満であれば、良好といえる。
<Evaluation>
5). Abnormal discharge occurrence number In order to evaluate the movement of the arc spot on the cathode evaporation surface during film formation, the voltage across the resistor installed on the shield plate 10 of FIG. 1 was measured. As a result, when arc discharge continues normally on the cathode evaporation surface, the voltage is in the range of 0.1V to -10V, but when abnormal arc discharge occurs between the cathode periphery and the shield plate, The voltage was less than -40V.
Therefore, the case where the time during which the voltage is less than −40 V continues for 1 second or more during one film formation is regarded as abnormal discharge, and the number of times abnormal discharge occurred in one film formation process was evaluated. When the occurrence of abnormal discharge was confirmed, arc discharge was temporarily stopped, the trigger was operated to return to a state where arc discharge continued normally, and film formation was continued.
If the number of abnormal discharge occurrences is less than 10 during the discharge for 30 minutes, it can be said to be good.

6.被膜中の不純物量
シールド板の構成材料(Fe)が、硬質炭素被膜中に不純物として混入する量を評価した。得られた被膜をEDX(蛍光X線分析装置)で分析し、Fe/Siの信号強度比を求めた。この比が小さいほど、不純物混入が少ない。なお、カソード中のFe含有量は、EDXの検出限界以下であった。
ここで、EDX分析では軽元素である炭素の定量分析精度が低いため、炭素とFeの組成比を直接求めず、Siとの比とした。又、被膜中の不純物量をより正確に求める場合には、破壊分析法であるSIMS(二次イオン質量分析装置)を利用するとよいが、EDXは非破壊分析法であり簡便である。
7.被膜の平滑性(表面粗さRa)
各サンプルの表面粗さRaを触針式表面粗さ計を用いて測定した。一サンプル当り5カ所の表面粗さを測定し、その平均値を評価した。
6). Impurity amount in the coating The amount of the constituent material (Fe) of the shield plate mixed as an impurity in the hard carbon coating was evaluated. The obtained coating film was analyzed with EDX (fluorescence X-ray analyzer) to determine the Fe / Si signal intensity ratio. The smaller this ratio is, the less impurities are mixed. The Fe content in the cathode was below the EDX detection limit.
Here, since the quantitative analysis accuracy of carbon, which is a light element, is low in EDX analysis, the composition ratio of carbon and Fe is not directly determined, but is set to the ratio of Si. In order to obtain the amount of impurities in the film more accurately, SIMS (secondary ion mass spectrometer), which is a destructive analysis method, may be used. However, EDX is a nondestructive analysis method and is convenient.
7). Coating smoothness (surface roughness Ra)
The surface roughness Ra of each sample was measured using a stylus type surface roughness meter. The surface roughness was measured at five locations per sample, and the average value was evaluated.

得られた結果を表2に示す。   The obtained results are shown in Table 2.

表2から明らかなように、各実施例の場合、異常放電発生回数が少なく、被膜中の不純物量も少ないとともに、被膜の平滑性にも優れたものとなった。特に、実施例2−1、実施例2−3、実施例2−4および実施例2−5の場合、異常放電発生回数がさらに少なく、被膜の平滑性もさらに良好であった。さらに、成膜後のカソード蒸発面は中心部と周辺部がほぼ均一に消耗し、シールド板も溶融しなかった。   As apparent from Table 2, in each of the examples, the number of abnormal discharges was small, the amount of impurities in the film was small, and the smoothness of the film was excellent. In particular, in the case of Example 2-1, Example 2-3, Example 2-4, and Example 2-5, the number of abnormal discharge occurrences was further reduced, and the smoothness of the coating was further improved. Furthermore, the cathode evaporation surface after film formation was consumed almost uniformly at the center and the periphery, and the shield plate did not melt.

一方、0.1×D>ΔLである比較例2−1の場合、及び2.0×D<ΔLである比較例2−2の場合、異常放電発生回数が10回を超え、被膜中の不純物量も多いとともに、被膜表面のドロップレット数が多く、被膜の平滑性も劣化した。さらに、各比較例の場合、カソード蒸発面の中心付近より周辺部の消耗量が多く、カソードに隣接するシールド板の一部が溶融した。   On the other hand, in the case of Comparative Example 2-1 where 0.1 × D> ΔL and the case of Comparative Example 2-2 where 2.0 × D <ΔL, the number of abnormal discharge occurrences exceeded 10 times, The amount of impurities was large, the number of droplets on the surface of the film was large, and the smoothness of the film was also deteriorated. Furthermore, in the case of each comparative example, the amount of consumption at the peripheral portion was larger than that near the center of the cathode evaporation surface, and a part of the shield plate adjacent to the cathode was melted.

本発明の第1の実施形態のアーク式蒸発源を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the arc type evaporation source of the 1st Embodiment of this invention. 第1の実施形態のアーク式蒸発源によって形成される磁場を示す図である。It is a figure which shows the magnetic field formed with the arc type evaporation source of 1st Embodiment. 本発明の第2の実施形態のアーク式蒸発源を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the arc type evaporation source of the 2nd Embodiment of this invention. 第2の実施形態のアーク式蒸発源によって形成される磁場を示す図である。It is a figure which shows the magnetic field formed with the arc type evaporation source of 2nd Embodiment. 従来のアーク式蒸発源の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the conventional arc type evaporation source. 従来のアーク式蒸発源の他の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structural example of the conventional arc type evaporation source.

符号の説明Explanation of symbols

2 アース
4 真空チャンバ(真空容器壁)
10 シールド板
14 アーク放電電流源
16 トリガー
18 カソード取り付けネジ
20 アーク式蒸発源
22 カソード
23 蒸発面
24 被膜形成物質
25 絶縁体
29 カソード保持フランジ
30 冷媒
36 送り出し軸
38 カソード送出機構
44 磁力線
46 絶縁体
60 抵抗器
62 アークスポット
70 Oリングシール
84 トリガー駆動機構
86 トリガー先端位置測定器
88 トリガー先端位置初期設定器
90 比較演算器
108 電磁石励磁電源
112 円筒型鉄心
114 電磁石
116 円筒型磁石
120 磁石冷却機構
122 冷媒
2 Ground 4 Vacuum chamber (vacuum vessel wall)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Shield plate 14 Arc discharge current source 16 Trigger 18 Cathode attachment screw 20 Arc type evaporation source 22 Cathode 23 Evaporation surface 24 Film forming substance 25 Insulator 29 Cathode holding flange 30 Refrigerant 36 Delivery shaft 38 Cathode delivery mechanism 44 Magnetic field line 46 Insulator 60 Resistor 62 Arc spot 70 O-ring seal 84 Trigger drive mechanism 86 Trigger tip position measuring device 88 Trigger tip position initial setting device 90 Comparison calculator 108 Electromagnet excitation power source 112 Cylindrical iron core 114 Electromagnet 116 Cylindrical magnet 120 Magnet cooling mechanism 122 Refrigerant

Claims (6)

アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と、前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードを該磁場形成機構の軸方向に進退させるカソード送出機構とを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長く、前記カソードの蒸発面が前記磁場形成機構の前端より突出し、かつ前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔLと前記磁場形成機構の内径Dとの関係が0.1×D≦ΔL≦2.0×Dとなっていることを特徴とするアーク式蒸発源。 In an arc evaporation source that evaporates a cathode material by arc discharge, a magnetic field forming mechanism in which cylindrical and magnetic poles of different polarities are arranged at both ends in an axial direction, and a cathode arranged inside the magnetic field forming mechanism are connected to the magnetic field. A cathode delivery mechanism that advances and retreats in the axial direction of the forming mechanism, the cathode is longer in the axial direction than the diameter, the evaporation surface of the cathode protrudes from the front end of the magnetic field forming mechanism, and the evaporation surface and the front end An arc evaporation source characterized in that the relationship between the axial distance ΔL and the inner diameter D of the magnetic field forming mechanism is 0.1 × D ≦ ΔL ≦ 2.0 × D. アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と、前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードを該磁場形成機構の軸方向に進退させるカソード送出機構と、前記カソードの蒸発面を前記磁場形成機構の前端より突出させると共に、前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔLと前記磁場形成機構の内径Dとの関係が0.1×D≦ΔL≦2.0×Dとなるよう、前記カソード送出機構を制御するための制御情報を出力または表示するカソード位置制御機構とを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長いことを特徴とするアーク式蒸発源。 In an arc evaporation source that evaporates a cathode material by arc discharge, a magnetic field forming mechanism in which cylindrical and magnetic poles of different polarities are arranged at both ends in an axial direction, and a cathode arranged inside the magnetic field forming mechanism are connected to the magnetic field. A cathode delivery mechanism that advances and retreats in the axial direction of the forming mechanism, and causes the evaporation surface of the cathode to protrude from the front end of the magnetic field forming mechanism, and the axial distance ΔL between the evaporation surface and the front end and the inner diameter of the magnetic field forming mechanism A cathode position control mechanism that outputs or displays control information for controlling the cathode delivery mechanism so that the relationship with D is 0.1 × D ≦ ΔL ≦ 2.0 × D, and the cathode has a diameter of Arc type evaporation source characterized in that it is longer in the axial direction than アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源において、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と、前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードを該磁場形成機構の軸方向に進退させるカソード送出機構と、前記カソードの蒸発面を前記磁場形成機構の前端より突出させると共に、前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔLと前記磁場形成機構の内径Dとの関係が0.1×D≦ΔL≦2.0×Dとなるよう、前記カソード送出機構を制御するカソード位置制御機構とを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長いことを特徴とするアーク式蒸発源。 In an arc evaporation source that evaporates a cathode material by arc discharge, a magnetic field forming mechanism in which cylindrical and magnetic poles of different polarities are arranged at both ends in an axial direction, and a cathode arranged inside the magnetic field forming mechanism are connected to the magnetic field. A cathode delivery mechanism that advances and retreats in the axial direction of the forming mechanism, and causes the evaporation surface of the cathode to protrude from the front end of the magnetic field forming mechanism, and the axial distance ΔL between the evaporation surface and the front end and the inner diameter of the magnetic field forming mechanism A cathode position control mechanism for controlling the cathode delivery mechanism so that the relationship with D is 0.1 × D ≦ ΔL ≦ 2.0 × D, and the cathode is longer in the axial direction than the diameter. A characteristic arc evaporation source. 前記磁場形成機構が筒型の永久磁石を含むことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のアーク式蒸発源。 4. The arc evaporation source according to claim 1, wherein the magnetic field forming mechanism includes a cylindrical permanent magnet. 前記磁場形成機構が筒型鉄心とコイルとを有する電磁石を含むことを特徴とする請求1ないし3のいずれかに記載のアーク式蒸発源。 4. The arc evaporation source according to claim 1, wherein the magnetic field forming mechanism includes an electromagnet having a cylindrical iron core and a coil. アーク放電によってカソード物質を蒸発させるアーク式蒸発源を用いて基材表面に成膜する成膜体の製造方法であって、前記アーク式蒸発源は、筒状で且つ異なる極性の磁極が軸方向の両端に配置された磁場形成機構と前記磁場形成機構の内側に配置されるカソードとを備え、前記カソードは直径に比べて軸方向に長く、前記カソードの蒸発面を前記磁場形成機構の前端より突出させると共に、前記蒸発面と前記前端との軸方向の距離ΔLと前記磁場形成機構の内径Dとの関係が0.1×D≦ΔL≦2.0×Dとなるようにして成膜することを特徴とする成膜体の製造方法。 A method of manufacturing a film-forming body that forms a film on a substrate surface using an arc evaporation source that evaporates a cathode material by arc discharge, wherein the arc evaporation source has a cylindrical shape and magnetic poles of different polarities in an axial direction. And a cathode disposed inside the magnetic field forming mechanism. The cathode is longer in the axial direction than the diameter, and the evaporation surface of the cathode is longer than the front end of the magnetic field forming mechanism. In addition, the film is formed so that the relationship between the axial distance ΔL between the evaporation surface and the front end and the inner diameter D of the magnetic field forming mechanism is 0.1 × D ≦ ΔL ≦ 2.0 × D. A method for producing a film-forming body, comprising:
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