JP2009144236A - Evaporation source for arc ion plating device and arc ion plating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、機械部品等の耐摩耗性などの向上のために用いられる、窒化物及び酸化物などのセラミック膜、非晶質炭素膜等の薄膜を形成するアークイオンプレーティング装置用の蒸発源及びアークイオンプレーティング装置に関するものである。 The present invention relates to an evaporation source for an arc ion plating apparatus for forming a thin film such as a ceramic film such as a nitride or an oxide or an amorphous carbon film, which is used for improving wear resistance of a machine part or the like. And an arc ion plating apparatus.
従来、耐摩耗性、摺動特性および保護機能向上などの目的で、機械部品、切削工具、摺動部品などの表面に薄膜をコーティングする技術として、アークイオンプレーティング法、スパッタ法などの物理蒸着法が広く用いられている。
特に、アークイオンプレーティング法は、蒸発源の陰極(ターゲット)表面にアークを発生させ、陰極を構成する物質を瞬時に溶解し、イオン化したその物質を処理物である基材の表面に引き込むことで、薄膜を形成することを特徴とする方法である。また、この方法は、成膜された薄膜の密着性がよいと同時に成膜速度が大きく、耐熱性に優れる窒化チタンアルミ(TiAlN)などの多元素の成膜が可能であるなどの理由から、最近ではドライの表面処理加工技術として広く普及している。
Conventionally, physical vapor deposition such as arc ion plating and sputtering has been used as a technique for coating thin films on the surfaces of mechanical parts, cutting tools, sliding parts, etc., for the purpose of improving wear resistance, sliding characteristics and protection functions. The law is widely used.
In particular, the arc ion plating method generates an arc on the cathode (target) surface of the evaporation source, instantaneously dissolves the material constituting the cathode, and draws the ionized material onto the surface of the substrate that is the processed material. In this method, a thin film is formed. In addition, this method is capable of forming a multi-element film such as titanium nitride aluminum (TiAlN) which has good film adhesion speed and high film formation speed and excellent heat resistance. Recently, it has become widespread as a dry surface treatment technology.
しかし、一般に、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面上の磁束密度が不十分である場合、一つ一つのアークスポットの電流値が大きくなり、陰極からドロップレットと呼ばれる粗大粒子が発生することが知られている。これが基材の表面に形成された薄膜に付着すると、当該薄膜の平滑性を損ねて、機械部品、切削工具、摺動部品等の寿命を縮め、外観の悪化を招く。
一方、陰極の蒸発面上の磁束密度を高くして成膜した場合は、基材の表面平滑性が向上するものの、陰極の蒸発面上の磁束密度が低い場合に比べて、薄膜の残留応力が大きくなる。その結果、形成された薄膜の割れや剥離が生じやすいという問題がある。
However, in general, when the magnetic flux density on the evaporation surface that evaporates the material constituting the cathode is insufficient, the current value of each arc spot increases, and coarse particles called droplets are generated from the cathode. It has been known. If this adheres to the thin film formed on the surface of the base material, the smoothness of the thin film is impaired, the life of machine parts, cutting tools, sliding parts and the like is shortened, and the appearance is deteriorated.
On the other hand, when the film is formed with a high magnetic flux density on the cathode evaporation surface, the surface smoothness of the substrate is improved, but compared with the case where the magnetic flux density on the cathode evaporation surface is low, the residual stress of the thin film is reduced. Becomes larger. As a result, there is a problem that the formed thin film is easily cracked or peeled off.
さらに、陰極の蒸発面上の磁束密度の分布が適切でない場合は、陰極の蒸発面上でアーク放電自体が起こらないこともある。また、例えアーク放電が安定して起こったとしてもアークスポットの偏りにより陰極の一部が優先的に消耗し、陰極の利用効率を低下させ、その寿命を著しく悪化させるなどの問題がある。
ドロップレットの発生により基材の表面平滑性を損ねるという欠点を解消するために、陰極前面近傍において多極磁界を形成する技術、ドロップレットを真空槽の内壁にトラップさせ基材に到達させない技術、アークソースとスパッタソースを使い分ける技術、及び陰極の蒸発面に対して略垂直な磁力線からなる磁界をプラズマ生成領域に印加する技術が開示されている(特許文献1、3〜5)。
Furthermore, if the magnetic flux density distribution on the evaporation surface of the cathode is not appropriate, arc discharge itself may not occur on the evaporation surface of the cathode. Even if the arc discharge occurs stably, there is a problem that a part of the cathode is preferentially consumed due to the deviation of the arc spot, the utilization efficiency of the cathode is lowered, and the life of the cathode is remarkably deteriorated.
In order to eliminate the disadvantage of impairing the surface smoothness of the substrate due to the generation of droplets, a technology that forms a multipolar magnetic field in the vicinity of the cathode front surface, a technology that traps the droplets on the inner wall of the vacuum chamber and does not reach the substrate, A technique for selectively using an arc source and a sputtering source, and a technique for applying a magnetic field composed of magnetic lines substantially perpendicular to the evaporation surface of a cathode to a plasma generation region are disclosed (
また、陰極の利用効率を低下させるという欠点を解消するために、陰極の蒸発面に対して略垂直な磁力線を陰極の前方で平行進行又は発散させる技術、及び陰極背面の中心及び外周に配置したマグネットと、陰極背面の外周におけるマグネットとほぼ同外径かつ同軸に配置された電磁コイルとを備え、電磁コイルに流す電流値を変化させることで放電領域を制御する技術が開示されている(特許文献2、6)。
さらに、陰極の周囲に配置された永久磁石の極性の向きと、陰極の後方部分に設置された電磁石の極性の向きが同一であり、永久磁石及び電磁石による磁界を重ね合わせ、電磁石に流す電流値を変化させることで、放電領域を制御する技術が開示されている(特許文献7)。
Furthermore, the direction of the polarity of the permanent magnets arranged around the cathode is the same as the direction of the polarity of the electromagnets installed in the rear part of the cathode, and the current value that flows through the electromagnets by superimposing the magnetic fields of the permanent magnets and the electromagnets. A technique for controlling the discharge region by changing the voltage is disclosed (Patent Document 7).
しかしながら、いずれの先行技術においても薄膜の残留応力を考慮していないため、基材に形成された薄膜の割れや剥離が生じるおそれがある。
一方、特許文献2の技術では、陰極の直径、磁気コイルの内径、陰極の蒸発面上の磁束密度の平均値及び標準偏差等が開示されていない。また、特許文献6の技術では、陰極の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差や、電磁コイルに流す可変電流値及びそれに対応する磁束密度等が明確に開示されていない。そのため、実際の装置への適用が難しく、陰極の利用効率を飛躍的に向上させることは困難であると考えられる。
However, since none of the prior art considers the residual stress of the thin film, the thin film formed on the substrate may be cracked or peeled off.
On the other hand, in the technique of
さらに、特許文献7の技術では、永久磁石のみによる磁界と電磁石のみによる磁界とを、永久磁石及び電磁石の極性の向きが同一となるように重ね合わせている(特許文献7に記載された比較技術(以下単に「比較技術」という)における重ね合わせた磁界の性状を図5に示す)。
その結果、図5(a)の矢印C及び(b)の矢印Dに示すように、陰極近傍におけるそれぞれの磁力線が互いに反発し打ち消し合うため、重ね合わせた磁力線の向きが陰極の蒸発面と平行になる(図5(c)に示す)と同時に、陰極の蒸発面上における磁束密度は非常に小さくなる。したがって、陰極の蒸発面上の磁束密度が不十分となり、陰極からドロップレットが大量に発生するため、基材の表面に形成された薄膜の平滑性を損ねる。
Furthermore, in the technique of
As a result, as indicated by arrows C in FIG. 5A and arrows D in FIG. 5B, the magnetic field lines in the vicinity of the cathode repel each other and cancel each other, so the direction of the superimposed magnetic field lines is parallel to the evaporation surface of the cathode. (As shown in FIG. 5C), the magnetic flux density on the evaporation surface of the cathode becomes very small. Accordingly, the magnetic flux density on the evaporation surface of the cathode becomes insufficient, and a large amount of droplets are generated from the cathode, thereby impairing the smoothness of the thin film formed on the surface of the substrate.
また、図5(a)の矢印C’及び(b)の矢印D’に示すように、永久磁石及び電磁石の極性の向きを同一とする構成では、陰極2及び基材8間における同一方向に向いたそれぞれの磁力線がつながる。そして、図5(c)が示すように、つながることで互いに強められた磁力線は遠く基材近傍まで延びるため、基材近傍における磁束密度が上昇する。
したがって、薄膜の残留応力が大きくなり、形成された薄膜の割れや剥離が生じやすくなる。
かかる問題に鑑み、本発明は、アークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、陰極の利用効率を飛躍的に向上させ、かつ基材の表面平滑性が高く、残留応力が小さい薄膜を形成することを目的とする。
Moreover, as shown by the arrow C ′ in FIG. 5A and the arrow D ′ in FIG. Each magnetic field line that faces is connected. And as FIG.5 (c) shows, since the magnetic force line mutually strengthened by connecting extends far to the base material vicinity, the magnetic flux density in the base material vicinity rises.
Therefore, the residual stress of the thin film is increased, and the formed thin film is easily cracked or peeled off.
In view of such problems, the present invention dramatically improves the utilization efficiency of the cathode in the evaporation source for the arc ion plating apparatus, and forms a thin film with high surface smoothness and low residual stress. With the goal.
前記目的を達成するため、本発明は、以下の技術的手段を採用した。
本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源は、陰極の外周に配置されたリング状の磁石と、前記陰極の背面に配置されたソレノイドコイルとを有する磁界形成手段を備えたアークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、前記磁界形成手段は、リング状の磁石の極性の向きとソレノイドコイルの極性の向きとが反対となるように構成され、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面の中心部から周縁に向かって延びた任意の線分上における磁束密度の最小値が45Gauss(ガウス)以上、その平均値が80Gauss以上である磁界を形成することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
An evaporation source for an arc ion plating apparatus according to the present invention includes an arc ion plate provided with magnetic field forming means having a ring-shaped magnet disposed on the outer periphery of a cathode and a solenoid coil disposed on the back surface of the cathode. In the evaporation source for the coating apparatus, the magnetic field forming means is configured such that the direction of the polarity of the ring-shaped magnet is opposite to the direction of the polarity of the solenoid coil, and the evaporation surface for evaporating the material constituting the cathode is provided. A magnetic field having a minimum magnetic flux density of 45 Gauss or more and an average value of 80 Gauss or more on an arbitrary line segment extending from the center toward the periphery is formed.
これにより、陰極の蒸発面上の磁束密度を非常に大きい値に保ちつつ、陰極の蒸発面上の磁束密度の分布を略均一にすることができ、陰極の蒸発面に対して垂直な磁力線を持つ磁界を発生させることで、アークスポットの動きをランダムにすることが可能となる。ゆえに、陰極の片減り等を防止でき利用効率を飛躍的に向上させると共に、薄膜形成後の基材の表面平滑性を高めることが可能となる。
さらに、基材近傍まで磁力線が届くことはほとんどなく、基材上における磁束密度を低く抑えることができるため、薄膜の残留応力が小さくなり、形成された薄膜の割れや剥離の発生が抑えられる。
As a result, the magnetic flux density distribution on the cathode evaporation surface can be made substantially uniform while maintaining the magnetic flux density on the cathode evaporation surface at a very large value. By generating a magnetic field, the movement of the arc spot can be made random. Therefore, it is possible to prevent the cathode from being reduced, and to dramatically improve the utilization efficiency and to improve the surface smoothness of the base material after the thin film is formed.
Furthermore, since the magnetic field lines hardly reach the vicinity of the base material and the magnetic flux density on the base material can be kept low, the residual stress of the thin film is reduced, and the occurrence of cracking and peeling of the formed thin film is suppressed.
また、前記陰極は円盤状であり、前記蒸発面の中心部から周縁に向かって延びた任意の線分を、前記蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分としてもよい。
好ましくは、前記磁界形成手段は、陰極の蒸発面から直線距離で150mm以上離れた位置に配置された基材上における磁束密度の最大値が5Gauss以下である磁界を形成することを特徴とする。
これにより、基材の表面に薄膜を形成する際のイオン化した陰極を構成する物質の速度(運動量)を適正なものとできる。そのため、薄膜形成後の基材の表面平滑性をさらに高めることができると共に、残留応力が非常に小さい薄膜を形成することが可能となる。
Moreover, the said cathode is disk shape, It is good also considering the arbitrary line segments extended toward the periphery from the center part of the said evaporation surface as arbitrary line segments along the radial direction from the center of the said evaporation surface.
Preferably, the magnetic field forming means forms a magnetic field having a maximum value of magnetic flux density of 5 Gauss or less on a substrate disposed at a position that is 150 mm or more away from the evaporation surface of the cathode by a linear distance.
Thereby, the speed (momentum) of the substance which comprises the ionized cathode at the time of forming a thin film on the surface of a base material can be made appropriate. Therefore, it is possible to further improve the surface smoothness of the base material after the thin film is formed and to form a thin film having a very small residual stress.
さらに好ましくは、前記ソレノイドコイルは、前記リング状の磁石と同軸心状となるように配置され、前記リング状の磁石は、リング状の磁石の径方向における投影面が陰極の径方向における投影面と重なるように配置されていることを特徴とする。
このように、陰極の外周部で磁束密度が高く陰極の中心部で磁束密度が低い磁界を発生させるリング状の磁石、及び陰極の外周部で磁束密度が低く陰極の中心部で磁束密度が高い磁界を発生させるソレノイドコイルを配置し、リング状の磁石及びソレノイドコイルによって発生される磁界を重ね合わせることで、陰極の蒸発面に対し磁力線の向きが垂直で且つ陰極の蒸発面上における磁束密度を非常に大きい値で均一化することができる。
More preferably, the solenoid coil is arranged so as to be coaxial with the ring-shaped magnet, and the ring-shaped magnet has a projection surface in the radial direction of the ring-shaped magnet that is projected in the radial direction of the cathode. It arrange | positions so that it may overlap with.
In this way, a ring-shaped magnet that generates a magnetic field having a high magnetic flux density at the outer peripheral portion of the cathode and a low magnetic flux density at the central portion of the cathode, and a low magnetic flux density at the outer peripheral portion of the cathode and a high magnetic flux density at the central portion of the cathode. A solenoid coil that generates a magnetic field is arranged, and the magnetic field generated by the ring-shaped magnet and the solenoid coil is superposed so that the direction of the magnetic field is perpendicular to the evaporation surface of the cathode and the magnetic flux density on the evaporation surface of the cathode is increased. Uniformity can be achieved with very large values.
また、円盤状の陰極の外周に同軸心状となるように配置されたリング状の磁石と、陰極の背面に配置されたソレノイドコイルとを有する磁界形成手段を備えたアークイオンプレーティング装置用の蒸発源において、前記磁界形成手段は、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の最小値が45Gauss(ガウス)以上、その平均値が80Gauss以上、その標準偏差が30以下である磁界を形成することを特徴とする。
これにより、陰極の蒸発面上の磁束密度を適正な値に設定できると共に、陰極の蒸発面上の磁束密度の分布を略均一にすることができ、アークスポットの動きをランダムにすることが可能となる。ゆえに、陰極の片減り等を防止でき利用効率を飛躍的に向上させることが可能となる。
Further, for an arc ion plating apparatus provided with a magnetic field forming means having a ring-shaped magnet arranged coaxially on the outer periphery of a disc-shaped cathode and a solenoid coil arranged on the back surface of the cathode. In the evaporation source, the magnetic field forming means has a minimum value of the magnetic flux density of 45 Gauss or more on an arbitrary line segment along the radial direction from the center of the evaporation surface for evaporating the material constituting the cathode, and the average value thereof is A magnetic field having a standard deviation of 80 Gauss or more and a standard deviation of 30 or less is formed.
As a result, the magnetic flux density on the evaporation surface of the cathode can be set to an appropriate value, the distribution of the magnetic flux density on the evaporation surface of the cathode can be made substantially uniform, and the movement of the arc spot can be made random. It becomes. Therefore, it is possible to prevent the cathode from being reduced, and to dramatically improve the utilization efficiency.
好ましくは、前記磁界形成手段は、陰極の蒸発面から直線距離で150mm以上離れた位置に配置された基材上における磁束密度の最大値が5Gauss以下である磁界を形成することを特徴とする。
これにより、基材の表面に薄膜を形成する際のイオン化した陰極を構成する物質の速度(運動量)を適正なものとできる。そのため、薄膜形成後の基材の表面平滑性を高めることができると共に、残留応力が小さい薄膜を形成することが可能となる。
さらに好ましくは、前記磁界形成手段は、リング状の磁石の極性の向きとソレノイドコイルの極性の向きとが反対となるように構成され、前記リング状の磁石は、リング状の磁石の径方向における投影面が陰極の径方向における投影面と重なるように配置され、前記ソレノイドコイルは、リング状でありかつ陰極に対し同軸心状となるように配置されていることを特徴とする。
Preferably, the magnetic field forming means forms a magnetic field having a maximum value of magnetic flux density of 5 Gauss or less on a substrate disposed at a position that is 150 mm or more away from the evaporation surface of the cathode by a linear distance.
Thereby, the speed (momentum) of the substance which comprises the ionized cathode at the time of forming a thin film on the surface of a base material can be made appropriate. Therefore, it is possible to improve the surface smoothness of the base material after the thin film is formed and to form a thin film with a small residual stress.
More preferably, the magnetic field forming means is configured such that the polarity direction of the ring-shaped magnet is opposite to the polarity direction of the solenoid coil, and the ring-shaped magnet is in the radial direction of the ring-shaped magnet. The projection surface is disposed so as to overlap the projection surface in the radial direction of the cathode, and the solenoid coil is disposed in a ring shape and is coaxial with the cathode.
このように、陰極の外周部で磁束密度が高く陰極の中心部で磁束密度が低い磁界を発生させるリング状の磁石、及び陰極の外周部で磁束密度が低く陰極の中心部で磁束密度が高い磁界を発生させるソレノイドコイルを配置し、リング状の磁石及びソレノイドコイルによって発生される磁界を重ね合わせることで、陰極の蒸発面上において均一な磁界を形成できる。
また、前記磁界形成手段は、陰極の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角が20度以下である磁界を形成することとしてもよい。
As described above, a ring-shaped magnet that generates a magnetic field having a high magnetic flux density at the outer peripheral portion of the cathode and a low magnetic flux density at the central portion of the cathode, and a low magnetic flux density at the outer peripheral portion of the cathode and a high magnetic flux density at the central portion of the cathode. A uniform magnetic field can be formed on the evaporation surface of the cathode by disposing a solenoid coil that generates a magnetic field and superimposing the magnetic fields generated by the ring-shaped magnet and the solenoid coil.
In addition, the magnetic field forming means may form a magnetic field in which an angle formed by a normal line to an evaporation surface standing at an arbitrary point on the evaporation surface of the cathode and a magnetic force line passing through the point is 20 degrees or less.
これにより、陰極の利用効率を飛躍的に向上させ、かつ基材の表面平滑性が高く、残留応力が小さい薄膜を形成することができる。
以上述べた技術的手段を実現するために、前記リング状の磁石は、その内径が陰極の直径の2倍以下とすることが非常に好ましい。
また、前記ソレノイドコイルは、その内径が陰極の直径の0.2倍以上であって、当該ソレノイドコイルに流す電流値とソレノイドコイルの巻き数とを乗じた値が2500AT以上とすることも非常に好ましい。
As a result, it is possible to dramatically improve the utilization efficiency of the cathode, and to form a thin film having a high surface smoothness and a small residual stress.
In order to realize the technical means described above, it is very preferable that the inner diameter of the ring-shaped magnet is not more than twice the diameter of the cathode.
The solenoid coil has an inner diameter of 0.2 times or more of the cathode diameter, and a value obtained by multiplying the current value flowing through the solenoid coil and the number of windings of the solenoid coil may be 2500 AT or more. preferable.
本発明に係るアークイオンプレーティング装置は、上述したアークイオンプレーティング装置用の蒸発源を搭載したことを特徴とする。
このアークイオンプレーティング装置を用いることで、陰極の蒸発面上の磁束密度を適正化し、その分布を均一化することができ、陰極の利用効率を飛躍的に向上させることが可能となる。さらに、基材の表面に薄膜を形成する際のイオン化した陰極を構成する物質の速度(運動量)を適正化することも可能となり、薄膜形成後の基材の表面平滑性を高め、残留応力が小さい薄膜を形成することができる。
An arc ion plating apparatus according to the present invention is equipped with the evaporation source for the arc ion plating apparatus described above.
By using this arc ion plating apparatus, the magnetic flux density on the evaporation surface of the cathode can be optimized, the distribution thereof can be made uniform, and the utilization efficiency of the cathode can be dramatically improved. Furthermore, it becomes possible to optimize the speed (momentum) of the material constituting the ionized cathode when forming a thin film on the surface of the base material, increasing the surface smoothness of the base material after forming the thin film, and reducing the residual stress. Small thin films can be formed.
本発明のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源、またはアークイオンプレーティング装置を用いることで、陰極の利用効率を飛躍的に向上させ、かつ基材の表面平滑性が高く、残留応力が小さい薄膜を形成することができる。 By using the evaporation source for the arc ion plating apparatus of the present invention or the arc ion plating apparatus, the utilization efficiency of the cathode is remarkably improved, the surface smoothness of the base material is high, and the residual stress is small. Can be formed.
以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。
図2には、本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源1(以下、蒸発源1)が備えられたアークイオンプレーティング装置6が示されている。
アークイオンプレーティング装置6は、真空チャンバ7を備え、真空チャンバ7内には処理物である基材8を支持する回転台10と、基材8に向けて取り付けられた蒸発源1が配備されている。真空チャンバ7には、当該真空チャンバ7内へ反応ガスを導入するガス導入口11と、真空チャンバ7内から反応ガスを排出するガス排気口12とが設けられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 shows an arc ion plating apparatus 6 provided with an evaporation source 1 (hereinafter referred to as evaporation source 1) for an arc ion plating apparatus according to the present invention.
The arc ion plating apparatus 6 includes a
加えて、アークイオンプレーティング装置6は、陰極2に負のバイアスをかける第1バイアス電源13と、基材8に負のバイアスをかける第2バイアス電源14とが設けられ、両バイアス電源13、14の正側はアース15に接続されている。
図1に示すように、蒸発源1は、円盤状の陰極2と、陰極2の近傍に配備された磁界形成手段5と、陰極2の外周部でリング状の磁石3よりも基材8寄りに配置されたアノード9とを有している。なお、アノード9はアース15に接続されている。
陰極2は、基材8上に形成しようとする薄膜に応じて選択された材料(例えば、クロム(Cr)、チタン(Ti)、チタンアルミ(TiAl)、タングステン(W)又は炭素(C)など)で構成されている。
In addition, the arc ion plating apparatus 6 is provided with a first
As shown in FIG. 1, the
The
磁界形成手段5は、陰極2の外周に同軸心状となるように配置されたリング状の磁石3と、陰極2の背面に同軸状となるように配置されたリング状のソレノイドコイル4とを有している。また、磁界形成手段5は、リング状の磁石3の極性の向きとソレノイドコイル4の極性の向きとが反対となるようにリング状の磁石3及びソレノイドコイル4が配置されている。
リング状の磁石3は、その磁化方向が陰極2を構成する物質の蒸発面に対して垂直になるように、かつリング状の磁石3の径方向における投影面が陰極2の径方向における投影面と重なるように配置されている。リング状の磁石3は、ネオジ磁石又はサマリウム−コバルト磁石等により形成された永久磁石である。また、リング状の磁石3の内径aが大きくなるとリング状の磁石3の体積が増えリング状の磁石3自体の表面磁束密度は高くなるが、陰極2との間隔が広がると陰極2の蒸発面上の磁束密度が十分ではなくなる。そのため、リング状の磁石3の内径aは、陰極2の直径b以上かつ陰極2の直径bの2倍以下に設定されている。
The magnetic
The ring-shaped
なお、リング状の磁石3は、陰極2の外周に同軸心状となるように配置され、リング状の磁石3の径方向における投影面が陰極2の径方向における投影面と重なるため、リング状の磁石3の内径aが陰極2の直径bよりも小さくなることはない。
ソレノイドコイル4は、導線をらせん状に巻いたリング状のコイルであり、その内径cが陰極2の直径bの0.2倍(5分の1)以上1.5倍以下に設定することで、陰極2の蒸発面上における磁束密度は均一となる。なお、好ましくは陰極2の直径bの3分の1以上1.5倍以下、さらに好ましくは陰極2の直径b以上かつ陰極2の直径bの1.5倍以下である。
The ring-shaped
The
また、ソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inが2500AT以上10000AT以下に設定されている。なお、好ましくは3500AT以上10000AT以下、さらに好ましくは5000AT以上10000AT以下である。
磁界形成手段5が上述した構成であるため、陰極2の外周部のリング状の磁石3によって形成される磁界と、陰極2の背面のソレノイドコイル4によって形成される磁界の組み合わせにより、陰極2の蒸発面上の磁束密度のムラを減らし、かつ強い磁界を形成して陰極2の蒸発面全面で均一にアーク放電、アークの分裂を生じさせることができる。
The value I n obtained by multiplying the number of turns of the current value and the
Since the magnetic
また、リング状の磁石3を陰極2の背面に設置した場合、陰極2の蒸発面上の磁束密度の低下、蒸発面の法線と磁力線とのなす角が大きくなることによるアーク放電の偏りを招き、リング状の磁石3を陰極2の前面に設置した場合、後述する基材8付近の磁界が強くなることによる薄膜の残留応力の増大を招くため、リング状の磁石3は、その径方向における投影面が陰極2の径方向における投影面と重なるように配置されている。
上述した構成や条件を満たす磁界形成手段5を用いることで、陰極2の蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の最小値が45Gauss以上600Gauss以下である磁界を形成でき、磁束密度の上昇によりアークの分裂が起こりドロップレットが低減するため、基材8上の薄膜の表面平滑性が高くなる。なお、前記磁束密度の最小値は、好ましくは130Gauss以上600Gauss以下、さらに好ましくは350Gauss以上600Gauss以下である。
Further, when the ring-shaped
By using the magnetic field forming means 5 that satisfies the above-described configuration and conditions, a magnetic field having a minimum magnetic flux density of 45 Gauss or more and 600 Gauss or less on an arbitrary line segment in the radial direction from the center of the evaporation surface of the
さらに、陰極2の蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の平均値が80Gauss以上700Gauss以下、その標準偏差が30以下である磁界を形成することで、陰極2の蒸発面全面でアーク放電が起こり陰極2の利用効率が向上する。
また、陰極2の蒸発面上で発生した電子は、基材8付近の磁束密度が高すぎる場合にはアノード9に入射せず真空チャンバ7内の反応ガスに衝突することで、反応ガスのイオン化を引き起こし、反応ガスのイオンが基材8上の薄膜に衝突する。そのため、反応ガスのイオンが基材8上の薄膜を構成する原子を押しのけて潜り込み、さらにその上から薄膜が形成されることで規則的な原子配列に欠陥が生じ、残留応力が増加する。
Furthermore, by forming a magnetic field in which the average value of the magnetic flux density on an arbitrary line segment along the radial direction from the center of the evaporation surface of the
Further, when the magnetic flux density in the vicinity of the
そこで、基板8上における磁束密度を下げるために、陰極2の蒸発面から基材8までの直線距離を150mm以上とし、基材8上における磁束密度の最大値が0Gauss以上5Gauss以下である磁界を形成することで、基材8付近の磁束密度を適正なものとし、残留応力が小さい薄膜を形成することができる。なお、前記磁束密度の最大値は、好ましくは0Gauss以上4Gauss以下、さらに好ましくは0Gauss以上3Gauss以下である。
ただし、陰極2の蒸発面と基材8とがあまりに離れすぎるとプラズマ化した陰極2を構成する物質が基材8に到達しないため、陰極2の蒸発面から基材8までの距離は300mm以下とする。
Therefore, in order to lower the magnetic flux density on the
However, if the evaporation surface of the
次に、本発明に係るアークイオンプレーティング装置6を用いた成膜の方法を説明する。
まず真空チャンバ7を真空引きにより真空にした後、アルゴンガス(Ar)等をガス導入口11より導入する。そして、陰極2及び基材8上の酸化物等の不純物をスパッタすることにより除去し、真空チャンバ7内を再び真空にした後、反応ガスをガス導入口11より真空チャンバ7内に導入する。この状態で真空チャンバ7に設置された陰極2上でアーク放電を発生させることにより陰極2を構成する物質をプラズマ化し反応ガスと反応させることで、回転台10に置かれた基材8上に窒化膜、酸化膜、或いは非晶質炭素膜を成膜する。
Next, a film forming method using the arc ion plating apparatus 6 according to the present invention will be described.
First, after the
なお、反応ガスとしては窒素ガス(N2)、酸素ガス(O2)、メタン(CH4)などの炭化水素ガスを用途に合わせて選択すればよく、真空チャンバ7内の反応ガスの圧力は1〜7Pa程度とする。また、成膜時、陰極2には10〜30Vの負電圧を第1バイアス電源13により印加し、基材8には10〜500Vの負電圧を第2バイアス電源14により印加している。
The reaction gas may be selected from hydrocarbon gases such as nitrogen gas (N 2 ), oxygen gas (O 2 ), and methane (CH 4 ) according to the application, and the pressure of the reaction gas in the
本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源1を用いた実施例1について説明する。
陰極2は、その直径bを100mmとし、その厚さを16mmとしている。また、チタン(Ti)とアルミ(Al)の比率が1:1のチタンアルミ(TiAl)により形成されている。さらに、陰極2は、第1バイアス電源13を用いて20Vの負電圧が印加されている。
リング状の磁石3は、その内径aが150mmであり、その体積は16πcm3である。また、リング状の磁石3は、ネオジ磁石により形成され、その保磁力は1800kA/mであり、その表面磁束密度は12.4kGaussである。
Example 1 using an
The
The ring-shaped
測定例1〜7は、ソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inを一定値の2500AT(500回巻いた導線に5Aの電流を流している)とし、ソレノイドコイル4の内径cを15、20、50、100、125、150、175mmとしている。また、測定例1、7を比較用の測定例とし、測定例2〜6を本発明に係る測定例としている。(測定例7は、陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値が45Gauss以上、その平均値が80Gauss以上、その標準偏差が30以下であるが、基材8上の磁束密度の最大値が5Gaussより大きく、残留応力の評価が不合格となるため、本実施例では測定例7を比較用の測定例とした。)
測定例8〜14は、ソレノイドコイル4の内径cを一定値の100mmとし、ソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inを500、1500、3500、5000、7500、10000、12500ATとしている。また、測定例8、9、14を比較用の測定例とし、測定例10〜13を本発明に係る測定例としている。
Measurement Example 1-7 (which by applying a current of 5A to 500 times rolled wire) current value and 2500AT number of turns and a constant value the value I n multiplied by the
Measurement example 8-14, the inner diameter c of the
また、測定例15は、リング状の磁石3を有さない従来技術の測定例であり、測定例16は、ソレノイドコイル4を有さない従来技術の測定例である。
測定例1〜16の蒸発源1を真空チャンバ7に設置し、基材8に30Vの負電圧を印加し、反応ガスとして窒素(N2)を選択したアークイオンプレーティング装置6を用いて窒化チタンアルミ(TiAlN)膜の成膜を行った。なお、反応ガスの圧力は6Pa、成膜時間は2時間とした。
表1は、実施例1における測定例1〜16の陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差と、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極2の利用効率の結果である。
The measurement example 15 is a conventional measurement example that does not include the ring-shaped
Nitriding is performed using an arc ion plating apparatus 6 in which the
Table 1 shows the minimum value, average value, and standard deviation of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
なお、陰極2の蒸発面上の磁束密度、及び陰極2の蒸発面から直線距離で150mm離れた位置に配置された基材8上における磁束密度の最大値は、有限要素法の磁界解析ソフトを用いたシミュレーションにより明らかとした。また、陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値及び平均値については、上述したシミュレーションにより陰極2の蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分方向に50分割した各点の磁束密度を測定し算出している。さらに、陰極2の蒸発面上の磁束密度の標準偏差は、上述した各点での磁束密度を測定し、式(1)によって算出している。
Note that the maximum value of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
また、基材8上の磁束密度は陰極2の蒸発面から基材8までの直線距離の2乗に反比例する。よって、陰極2の蒸発面から直線距離で150mmよりも遠く離れた位置における磁束密度は、陰極2の蒸発面から直線距離で150mm離れた位置に配置された基材8上における磁束密度の最大値よりも小さくなる。
次に、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極2の利用効率の評価について説明する。
薄膜の表面粗さ測定について、探針型の表面粗さ計を用いて、測定長さ10mmとしたときの算術平均粗さ(Ra)を任意の5点で測定し、その平均値で評価を行った。自動車用機械部品の摺動特性を鑑みたとき、算術平均粗さは0.1μm以下であることが望ましいため、0.1μm以下で合格とした。
Further, the magnetic flux density on the
Next, evaluation of the surface roughness of the formed thin film, the residual stress of the thin film, and the utilization efficiency of the
For thin film surface roughness measurement, a probe-type surface roughness meter was used to measure the arithmetic average roughness (Ra) at a measurement length of 10 mm at any five points, and the average value was evaluated. went. In view of the sliding characteristics of the machine parts for automobiles, the arithmetic average roughness is desirably 0.1 μm or less.
薄膜の残留応力については、厚さ1mmのシリコン(Si)ウエハ上に上述した条件で成膜を行い、基材8のたわみの曲率半径を光てこを利用して測定し、式(2)に示すStoneyの式により薄膜の残留応力を計算した。薄膜の残留応力については、切削工具用の硬質皮膜の剥離を想定して2.0GPa以下で合格とした。
Regarding the residual stress of the thin film, a film was formed on a silicon (Si) wafer having a thickness of 1 mm under the above-described conditions, and the curvature radius of the deflection of the
また陰極2の利用効率は、式(3)に示す公式により算出した。即ち、陰極2上の任意の位置における陰極2の厚みが3mmとなったときに使用を止め、当該使用済の陰極2にもとの陰極2の体積と同じになるように水を張り、その水の体積をもとの陰極2の体積で割ることにより使用効率を算出した。例えば後述の実施例13に記載した従来技術では、陰極2の使用効率は30%未満となっているが、経済上の理由からその1.5倍あればコストダウンが期待できるため、45%以上で合格とした。
The utilization efficiency of the
まず、各測定例における磁界について考察する。
測定例1、8及び9は、陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値が45Gauss未満、その平均値が80Gauss未満、その標準偏差が30より大きい、又は基材8上の磁束密度の最大値が5Gaussより大きい磁界を形成している。また、ソレノイドコイル4の内径cが20mm未満、又はソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inが2500AT未満である。さらに、測定例1、8及び9は、表面粗さ、残留応力及び陰極2の利用効率のうち少なくとも1つの評価が不合格である。
First, the magnetic field in each measurement example will be considered.
In measurement examples 1, 8 and 9, the minimum value of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
測定例7及び14は、陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値が600Gauss以下より大きい、その平均値が700Gaussより大きい、その標準偏差が30より大きい、又は基材8上の磁束密度の最大値が5Gaussより大きい磁界を形成している。また、ソレノイドコイル4の内径cが150mmより大きい、又はソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inが10000ATより大きい。さらに、測定例7及び14は、表面粗さ、残留応力及び陰極2の利用効率のうち少なくとも1つの評価が不合格である。
In measurement examples 7 and 14, the minimum value of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
ここで、測定例1、7と測定例2〜6とを、及び測定例8、9、14と測定例10〜13とを比較すると、測定例2〜6及び10〜13は、陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値が45Gauss以上600Gauss以下、その平均値が80Gauss以上700Gauss以下、その標準偏差が30以下、基材8上の磁束密度の最大値が0Gauss以上5Gauss以下である磁界を形成しており、このような磁界を形成できれば、表面粗さ、残留応力及び陰極2の利用効率の評価すべてが合格となることがわかった。また、リング状の磁石3の内径aが150mmの場合において、測定例2〜6及び10〜13のような磁界を形成するためには、ソレノイドコイル4の内径cは20mm(陰極2の直径bの0.2倍)以上150mm(陰極2の直径bの1.5倍)以下、かつソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inは2500AT以上10000AT以下であることが必要である。なお、測定例15及び16より、リング状の磁石3又はソレノイドコイル4のいずれかを有さない場合にも測定例2〜6及び10〜13のような磁界を形成することはできない。
Here, when the measurement examples 1 and 7 are compared with the measurement examples 2 to 6 and the measurement examples 8, 9, and 14 are compared with the measurement examples 10 to 13, the measurement examples 2 to 6 and 10 to 13 are A magnetic field having a minimum magnetic flux density on the evaporation surface of 45 Gauss to 600 Gauss, an average value of 80 Gauss to 700 Gauss, a standard deviation of 30 or less, and a maximum magnetic flux density on the
次に、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極2の利用効率について考察する。
まず、表面粗さについて測定例1〜16を比較すると、陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値及び平均値の増加に伴い、薄膜の表面粗さの値が減少していることが分かった。これは、上述したように陰極2の蒸発面上に強い磁界を形成することでアークスポットの分裂を促し、ドロップレットを低減できたためと考えられる。なお、ソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inを増加させるに従って、陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値及び平均値が増加する傾向にある。
Next, the surface roughness of the formed thin film, the residual stress of the thin film, and the utilization efficiency of the
First, when the measurement examples 1 to 16 are compared with respect to the surface roughness, it is found that the surface roughness value of the thin film decreases as the minimum value and average value of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
また、残留応力について測定例1〜16を比較すると、陰極2の蒸発面から150mm離れた基材8上の磁束密度の最大値を下げることで、薄膜の残留応力が低減する傾向にあることが分かった。これは、上述したように基材8近傍における磁束密度を下げることで、N3+イオンの生成を効率よく低減することができたためと考えられる。
なお、基材8上の磁束密度の最大値について、測定例1〜7を比較すると、ソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inを一定値の2500ATとし、ソレノイドコイル4の内径cを変化させた場合、その内径cが20mmのときに、150mm離れた基材8上の磁束密度の最大値が最も小さくなった。また、測定例8〜14を比較すると、ソレノイドコイル4の内径cを一定値の100mmとし、ソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inを変化させた場合、その値Inが5000ATのときに、150mm離れた基材8上の磁束密度の最大値が最も小さくなった。これは、ソレノイドコイル4の内径c、及びソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inを最適化することで、リング状の磁石3の磁力線を効率よくソレノイドコイル4側に曲げることができるためと考えられる。
Further, when the measurement examples 1 to 16 are compared with respect to the residual stress, the residual stress of the thin film tends to be reduced by lowering the maximum value of the magnetic flux density on the
Note that the maximum value of the magnetic flux density on the
さらに、利用効率について測定例1〜16を比較すると、陰極2の蒸発面上の磁束密度の標準偏差の減少に伴って、陰極2の利用効率が向上する傾向にあることが分かった。これは、上述したように陰極2の蒸発面上における均一な放電によるものと考えられる。
なお、陰極2の蒸発面上の磁束密度の標準偏差について、測定例8〜16を比較すると、ソレノイドコイル4の内径cを一定値の100mmとし、ソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inを変化させた場合、その値Inが5000ATのときに、陰極2の蒸発面上の磁束密度の標準偏差が最も小さくなった。これは、ソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inを最適化した条件下において、リング状の磁石3による陰極2の外周部で磁束密度が高く陰極2の中心部で磁束密度が低い磁界と、ソレノイドコイル4による陰極2の外周部で磁束密度が低く陰極2の中心部で磁束密度が高い磁界とを重ね合わせることで、陰極2の蒸発面上における磁束密度の分布がフラットになるためと考えられる。
Further, when the measurement examples 1 to 16 are compared with respect to the utilization efficiency, it has been found that the utilization efficiency of the
When the measurement examples 8 to 16 are compared with respect to the standard deviation of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
つまり、図3(a)に示すように本発明においては、リング状の磁石3のみによる磁界性状は、陰極2の外周部で磁束密度が高く、陰極2の中心部で磁束密度が低い。また、ソレノイドコイル4のみによる磁界性状は、リング状の磁石3及びソレノイドコイル4の極性の向きが反対となるように重ね合わせているため、磁束密度が正の領域内において、陰極2の外周部で磁束密度が低く陰極2の中心部で磁束密度が高くなっている。よって、これらの重ね合わせた際の磁界性状は、磁束密度が正の高い値を保ったままの状態で、陰極2の蒸発面上における磁束密度の分布がほぼフラットになる。
That is, as shown in FIG. 3A, in the present invention, the magnetic field property using only the ring-shaped
一方、図3(b)に示すように比較技術においては、永久磁石のみによる磁界性状は、本発明と同様に、陰極2の外周部で磁束密度が高く、陰極2の中心部で磁束密度が低い。しかし、電磁石のみによる磁界性状は、永久磁石及び電磁石の極性の向きが同一となるように重ね合わせているため、磁束密度が負の領域内において、陰極2の外周部で磁束密度が低く陰極2の中心部で磁束密度が高くなる。よって、これらの重ね合わせた際の磁界性状は、磁束密度がほぼ0の状態で、陰極2の蒸発面上における磁束密度の分布がほぼフラットになる。
On the other hand, as shown in FIG. 3B, in the comparative technique, the magnetic field property using only the permanent magnet has a high magnetic flux density at the outer peripheral portion of the
したがって、リング状の磁石3及びソレノイドコイル4の極性の向きを反対とする本発明の構成は、陰極2の蒸発面上における磁束密度を、永久磁石及び電磁石の極性の向きを同一とする比較技術の構成よりも非常に大きい値で均一化することができる。
これによって、陰極2からのドロップレットの発生が大幅に抑制され、基材8上の薄膜の表面平滑性を非常に高めることができる。
また、本発明では、リング状の磁石3のみによる磁界とソレノイドコイル4のみによる磁界とを、リング状の磁石3及びソレノイドコイル4の極性の向きが反対となるように重ね合わせている(本発明における重ね合わせた磁界の性状を図4に示す)。
Therefore, the configuration of the present invention in which the polar directions of the ring-shaped
Thereby, the generation of droplets from the
Further, in the present invention, the magnetic field by only the ring-shaped
その結果、図4(a)の矢印A及び(b)の矢印Bに示すように、陰極2近傍における同一方向(陰極2の蒸発面に対して垂直な方向)に向いたそれぞれの磁力線がつながるため、重ね合わせることで互いに強められた磁力線の向きは、陰極2の蒸発面と垂直になる(図4(c)に示す)。
これによって、アットランダムにアークスポットが発生するため、アークスポットの偏りがなくなり陰極の利用効率を大幅に向上させることができる。
また、陰極の蒸発面上における磁束密度は大きくなるため、陰極2からのドロップレットの発生が抑制される。
As a result, as shown by the arrow A in FIG. 4A and the arrow B in FIG. 4B, the magnetic lines of force directed in the same direction (direction perpendicular to the evaporation surface of the cathode 2) in the vicinity of the
As a result, arc spots are generated at random, so that there is no bias in the arc spot, and the utilization efficiency of the cathode can be greatly improved.
Further, since the magnetic flux density on the evaporation surface of the cathode is increased, the generation of droplets from the
さらに、図4(a)の矢印A’及び(b)の矢印B’に示すように、陰極2及び基材8間におけるそれぞれの磁力線は、互いに反発し打ち消し合う。よって、図4(c)が示すように、基材8近傍まで磁力線はほとんど届かず、基材8上における磁束密度を低く抑えることができる。
したがって、リング状の磁石3及びソレノイドコイル4の極性の向きを反対とする本発明の構成は、基材8上における磁束密度を、永久磁石及び電磁石の極性の向きを同一とする比較技術の構成よりも大幅に低減させることができる。
Furthermore, as indicated by arrows A ′ in FIG. 4A and arrows B ′ in FIG. 4B, the magnetic lines of force between the
Therefore, the configuration of the present invention in which the polar directions of the ring-shaped
これによって、薄膜の残留応力が小さくなり、形成された薄膜の割れや剥離の発生が抑えられる。
なお、上述した実施例1の条件について、詳しくは、陰極2及びアノード9間に流すアーク電流の値を150A、基材温度を500℃、陰極2の背面とソレノイドコイル4の前面との間の距離を4mmとしている。
Thereby, the residual stress of the thin film is reduced, and the occurrence of cracks and peeling of the formed thin film is suppressed.
In addition, about the conditions of Example 1 mentioned above, in detail, the value of the arc current flowing between the
本発明に係るアークイオンプレーティング装置用の蒸発源1を用いたその他の実施例について説明する。
実施例2は、リング状の磁石3の内径aを変更した場合である。測定例17は、リング状の磁石3の内径aを200mmとしている。測定例18は、リング状の磁石3の内径aを250mmとしている。また、測定例17を本発明に係る測定例とし、測定例18を比較用の測定例としている。
なお、その他の条件は、陰極2の直径bを100mm、ソレノイドコイル4の内径cを100mm、ソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inを5000ATとしている。
Another embodiment using the
In Example 2, the inner diameter a of the ring-shaped
The other conditions are 100mm diameter b of the
表2は、実施例2における測定例17、18の陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差と、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極2の利用効率の結果である。なお、表2は、参考として実施例1における測定例11の結果も含む。
Table 2 shows the minimum value, average value, and standard deviation of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
まず、各測定例における磁界について考察する。
測定例18は、陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値が600Gaussより大きい、その平均値が700Gaussより大きい、その標準偏差が30より大きい、又は基材8上の磁束密度の最大値が5Gaussより大きい磁界を形成している。また、リング状の磁石3の内径aが200mmより大きい。さらに、測定例18は、表面粗さ、残留応力及び陰極2の利用効率のうち少なくとも1つの評価が不合格である。
ここで、測定例18と測定例11、17とを比較すると、測定例11、17は、陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値が45Gauss以上600Gauss以下、その平均値が80Gauss以上700Gauss以下、その標準偏差が30以下、基材8上の磁束密度の最大値が0Gauss以上5Gauss以下である磁界を形成しており、このような磁界を形成すれば、表面粗さ、残留応力及び陰極2の利用効率の評価すべてが合格となることがわかった。また、ソレノイドコイル4の内径cが100mm、かつソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inが5000ATの場合において、測定例11、17のような磁界を形成するためには、リング状の磁石3の内径aは、100mm(陰極2の直径b)以上かつ200mm(陰極2の直径bの2倍)以下であることが必要である。
First, the magnetic field in each measurement example will be considered.
In measurement example 18, the minimum value of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
Here, when the measurement example 18 is compared with the measurement examples 11 and 17, in the measurement examples 11 and 17, the minimum value of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
次に、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極2の利用効率について考察する。
陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値及び平均値の増加に伴い表面粗さの値が減少している。また、陰極2の蒸発面上の磁束密度の標準偏差の減少に伴い陰極2の利用効率が向上する傾向にある。さらに、陰極2の蒸発面から150mm離れた基材8上の磁束密度の最大値を下げることで、薄膜の残留応力が低減する傾向にある。
Next, the surface roughness of the formed thin film, the residual stress of the thin film, and the utilization efficiency of the
As the minimum value and average value of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
実施例3は、陰極2を構成する物質と反応ガスとを変更した場合である。測定例19は、陰極2を構成する物質をクロム(Cr)とし、反応ガスを窒素ガス(N2)としている。測定例20は、陰極2を構成する物質をチタン(Ti)とし、反応ガスを窒素ガス(N2)としている。測定例21は、陰極2を構成する物質を炭素(C)とし、反応ガスは用いていない。
なお、最適条件とは、実施例1における測定例11と同様に、陰極2の直径bを100mm、リング状の磁石3の内径aを150mm、ソレノイドコイル4の内径cを100mm、ソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inが5000ATの蒸発源1を用いた場合である。また、従来技術とは、実施例1における測定例15と同様に、リング状の磁石3を有さない蒸発源1を用いた場合である。
Example 3 is a case in which the material constituting the
The optimum conditions are the same as in measurement example 11 in Example 1, with the diameter b of the
表3は、実施例3における測定例19〜21の陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差と、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極2の利用効率の結果である。なお、表3は、参考として実施例1における測定例11、15の結果も含む。
Table 3 shows the minimum value, average value, and standard deviation of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
表3より、陰極2を構成する物質と反応ガスを変更した場合でも、本発明によれば良好な薄膜が形成できることが分かった。
なお、上述した実施例3の最適条件について、詳しくは、ソレノイドコイル4の外径を160mm、ソレノイドコイル4の巻き数を500回としている。
From Table 3, it was found that a good thin film can be formed according to the present invention even when the material constituting the
In addition, regarding the optimum conditions of the above-described third embodiment, in detail, the outer diameter of the
実施例4は、ソレノイドコイル4に流す電流値、陰極2の背面とソレノイドコイル4の前面との間の距離、及び陰極2を構成する物質等を変更した場合である。
測定例22〜24は、ソレノイドコイル4に流す電流値を3、5、6Aとすることによってソレノイドコイル4及びリング状の磁石3の極性の向きを反対にし、陰極2の背面とソレノイドコイル4の前面との間の距離を14、38、48mmとしている。
測定例25〜27は、ソレノイドコイル4に流す電流値を−3、−5、−6Aとすることによってソレノイドコイル4及びリング状の磁石3の極性の向きを同一にし、陰極2の背面とソレノイドコイル4の前面との間の距離を14、38、48mmとしている。
Example 4 is a case where the value of the current passed through the
In measurement examples 22 to 24, the current values flowing through the
In measurement examples 25 to 27, the values of the currents flowing through the
また、測定例28及び29においては、ソレノイドコイル4に流す電流値、及び陰極2の背面とソレノイドコイル4の前面との間の距離を、測定例23のおける値と同一としているものの、陰極2を構成する物質を変更している。測定例28は、陰極2を構成する物質をクロム(Cr)としている。測定例29は、陰極2を構成する物質をチタン(Ti)としている。
さらに、測定例30においては、ソレノイドコイル4の代わりに、直径10mm、厚さ4mmである円盤形のネオジ磁石を、陰極2の背面に同軸状となるように配置している。また、陰極2の背面とネオジ磁石の前面との間の距離を4mmとしている。
In the measurement examples 28 and 29, the value of the current passed through the
Furthermore, in measurement example 30, instead of the
なお、測定例22〜24、28及び29を本発明に係る測定例とし、測定例25〜27及び30を比較用の測定例としている。
また、その他の条件は、反応ガスである窒素(N2)の圧力を4Pa、基材温度を550℃、ソレノイドコイル4の内径cを100mm、ソレノイドコイル4の外径を200mm、ソレノイドコイル4の巻き数を1141回としている。
表4は、実施例4における測定例22〜30の陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値、平均値及び標準偏差と、陰極の蒸発面上の任意の点における法線と任意の点を通る磁力線とのなす角と、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極2の利用効率の結果である。
Measurement examples 22 to 24, 28 and 29 are measurement examples according to the present invention, and measurement examples 25 to 27 and 30 are measurement examples for comparison.
The other conditions are as follows: the pressure of nitrogen (N 2 ) as a reaction gas is 4 Pa, the substrate temperature is 550 ° C., the inner diameter c of the
Table 4 shows the minimum value, the average value, and the standard deviation of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
まず、各測定例における磁界について考察する。
測定例25〜27は、陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値が600Gaussより大きい、その平均値が700Gaussより大きい、又は基材8上の磁束密度の最大値が5Gaussより大きい磁界を形成している。また、測定例30は、基材8上の磁束密度の最大値が5Gaussより大きい磁界を形成している。さらに、測定例25〜27及び30は、表面粗さ、残留応力及び陰極2の利用効率のうち少なくとも1つの評価が不合格である。
First, the magnetic field in each measurement example will be considered.
In measurement examples 25 to 27, a magnetic field in which the minimum value of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
ここで、測定例25〜27及び30と測定例22〜24、28及び29とを比較すると、測定例22〜24、28及び29は、陰極2の蒸発面上の磁束密度の最小値が45Gauss以上600Gauss以下、その平均値が80Gauss以上700Gauss以下、その標準偏差が30以下、かつ基材8上の磁束密度の最大値が0Gauss以上5Gauss以下である磁界を形成しており、このような磁界を形成すれば、表面粗さ、残留応力及び陰極2の利用効率の評価すべてが合格となることがわかった。
なお、測定例22〜24、28及び29では、リング状の磁石3の内径aが100mm(陰極2の直径b)以上かつ200mm(陰極2の直径bの2倍)以下、ソレノイドコイル4の内径cが20mm(陰極2の直径bの0.2倍)以上150mm(陰極2の直径bの1.5倍)以下、かつソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inが2500AT以上10000AT以下となっている。
Here, when the measurement examples 25 to 27 and 30 are compared with the measurement examples 22 to 24, 28 and 29, the measurement examples 22 to 24, 28 and 29 show that the minimum value of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
In the measurement examples 22 to 24, 28 and 29, the inner diameter a of the ring-shaped
また、測定例30より、ソレノイドコイル4の替わりに円盤形のネオジ磁石を用いた場合には測定例22〜24、28及び29のような磁界を形成することはできない。
さらに、陰極2を構成する物質等を変更した場合でも、本発明によれば良好な薄膜が形成できることも分かった。
次に、陰極2の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角についても考察する。
測定例25〜27及び30は、陰極2の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角が20度より大きい磁界を形成している。また、測定例25〜27は、ソレノイドコイル4に流す電流値とソレノイドコイル4の巻き数とを乗じた値Inは2500ATより小さい。そして、測定例30は、ソレノイドコイル4すら有していない。さらに、測定例25〜27及び30は、表面粗さ、残留応力及び陰極2の利用効率のうち少なくとも1つの評価が不合格である。
Further, from the measurement example 30, when a disc-shaped neodymium magnet is used instead of the
Furthermore, it has been found that even when the material constituting the
Next, the angle between the normal to the evaporation surface set at an arbitrary point on the evaporation surface of the
In measurement examples 25 to 27 and 30, a magnetic field in which an angle formed by a normal line to an evaporation surface set at an arbitrary point on the evaporation surface of the
ここで、測定例25〜27及び30と測定例22〜24、28及び29とを比較すると、測定例22〜24、28及び29は、陰極2の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角は20度以下である磁界を形成しており、少なくともこのような磁界を形成しなければ、表面粗さ、残留応力及び陰極2の利用効率の評価すべてが合格とはならないこともわかった。
なお、陰極2の背面とソレノイドコイル4の前面との間の距離を変化させても、ソレノイドコイル4に流す電流が負の値であれば、リング状の磁石3及びソレノイドコイル4の極性の向きが同一となり、陰極2の蒸発面の任意の点に立てた蒸発面に対する法線とその点を通る磁力線のなす角は20度よりも非常に大きい値となる。
Here, when the measurement examples 25 to 27 and 30 are compared with the measurement examples 22 to 24, 28 and 29, the measurement examples 22 to 24, 28 and 29 are evaporating surfaces set at arbitrary points on the evaporation surface of the
Even if the distance between the back surface of the
また、陰極2の蒸発面上の磁束密度の標準偏差、及び薄膜の表面粗さについて、測定例22〜29を比較すると、ソレノイドコイル4の内径cを100mmと、ソレノイドコイル4の巻き数を1141回と一定値とし、ソレノイドコイル4に流す電流値、及び陰極2の背面とソレノイドコイル4の前面との間の距離を変化させた場合、ソレノイドコイル4に流す電流値が5A、陰極2の背面とソレノイドコイル4の前面との間の距離が38mmのときに、陰極2の蒸発面上の磁束密度の標準偏差、及び薄膜の表面粗さの値が最も小さくなった。
Further, when the measurement examples 22 to 29 are compared with respect to the standard deviation of the magnetic flux density on the evaporation surface of the
これは、ソレノイドコイル4に流す電流値、及び陰極2の背面とソレノイドコイル4の前面との間の距離を最適化することで、リング状の磁石3のみによる磁力線と、ソレノイドコイル4のみによる磁力線が、陰極2付近における磁束密度は正の高い値を保ったままの状態でほぼフラットになるように重ね合わされるためと考えられる。
最後に、形成された薄膜の表面粗さ、薄膜の残留応力及び陰極2の利用効率について考察すると、陰極2の蒸発面上の磁束密度において、最小値及び平均値の増加に伴って表面粗さの値の減少し、標準偏差の減少に伴って陰極2の利用効率が向上している。また、陰極2の蒸発面から150mm離れた基材8上の磁束密度の最大値を下げることで、薄膜の残留応力が低減している。
This is by optimizing the value of the current flowing through the
Finally, the surface roughness of the formed thin film, the residual stress of the thin film, and the utilization efficiency of the
ところで、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、実施形態に応じて適宜変更可能である。
陰極2は、平面視において点対称な形状(正方形、六角形等)であってもよい。その際、陰極2に対してリング状の磁石3及びソレノイドコイル4は同軸心状に配置されていなくてもよい。
また、陰極2は、平面視において長手方向を有した形状(長方形、楕円等)であってもよい。
By the way, this invention is not limited to each embodiment mentioned above, It can change suitably according to embodiment.
The
Further, the
なお、陰極2の形状にかかわらず、リング状の磁石3及びソレノイドコイル4の極性の向きが反対であれば、陰極2付近において、その磁力線の向きは陰極2の蒸発面と垂直になり、磁束密度は正の高い値を保ったままの状態でほぼフラットになると同時に、基材8上における磁束密度を低く抑えることができる。
Regardless of the shape of the
本発明は、薄膜を形成するアークイオンプレーティング装置用の蒸発源及びアークイオンプレーティング装置として利用することができる。 The present invention can be used as an evaporation source and an arc ion plating apparatus for an arc ion plating apparatus for forming a thin film.
1 アークイオンプレーティング装置用の蒸発源
2 陰極
3 リング状の磁石
4 ソレノイドコイル
5 磁界形成手段
6 アークイオンプレーティング装置
7 真空チャンバ
8 基材
9 アノード
10 回転台
11 ガス導入口
12 ガス排気口
13 第1バイアス電源
14 第2バイアス電源
15 アース
16 リング状の磁石のみが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
17 ソレノイドコイルのみが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
18 リング状の磁石及びソレノイドコイルが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
19 永久磁石のみが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
20 電磁石のみが作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
21 永久磁石及び電磁石が作り出す磁界における磁束密度の垂直成分に対応するグラフ
a リング状の磁石の内径
b 陰極の直径
c ソレノイドコイルの内径
In ソレノイドコイルに流す電流値とソレノイドコイルの巻き数とを乗じた値
A リング状の磁石のみが作り出す磁界における陰極近傍の磁力線の向き
B ソレノイドコイルのみが作り出す磁界における陰極近傍の磁力線の向き
C 永久磁石のみが作り出す磁界における陰極近傍の磁力線の向き
D 電磁石のみが作り出す磁界における陰極近傍の磁力線の向き
A’ リング状の磁石のみが作り出す磁界における陰極及び基材間の磁力線の向き
B’ ソレノイドコイルのみが作り出す磁界における陰極及び基材間の磁力線の向き
C’ 永久磁石のみが作り出す磁界における陰極及び基材間の磁力線の向き
D’ 電磁石のみが作り出す磁界における陰極及び基材間の磁力線の向き
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Evaporation source for arc ion plating apparatus 2 Cathode 3 Ring-shaped magnet 4 Solenoid coil 5 Magnetic field formation means 6 Arc ion plating apparatus 7 Vacuum chamber 8 Base material 9 Anode 10 Turntable 11 Gas introduction port 12 Gas exhaust port 13 First bias power supply 14 Second bias power supply 15 Ground 16 Graph corresponding to the vertical component of the magnetic flux density in the magnetic field generated only by the ring-shaped magnet 17 Graph corresponding to the vertical component of the magnetic flux density in the magnetic field generated only by the solenoid coil 18 Ring shape A graph corresponding to the vertical component of the magnetic flux density in the magnetic field generated by the magnet and the solenoid coil 19 A graph corresponding to the vertical component of the magnetic flux density in the magnetic field generated only by the permanent magnet 20 Graph 21 and the number of turns of the current value and the solenoid coil to flow to the inner diameter I n the solenoid coil of the permanent magnets and the diameter c solenoid coil inner diameter b cathode graph a ring-shaped magnet corresponding to the vertical component of the magnetic flux density in the magnetic field electromagnet produces Multiplied value A Direction of magnetic field lines near the cathode in a magnetic field generated only by a ring-shaped magnet B Direction of magnetic field lines near the cathode in a magnetic field generated only by a solenoid coil C Direction of magnetic field lines near the cathode in a magnetic field generated only by a permanent magnet D Electromagnet only Direction of magnetic field lines near the cathode in the magnetic field created by A ′ Direction of magnetic field lines between the cathode and the substrate in the magnetic field created only by the ring-shaped magnet B ′ Direction of magnetic field lines between the cathode and the substrate in the magnetic field created only by the solenoid coil C ′ Magnetic field lines between the cathode and the substrate in a magnetic field created only by permanent magnets Orientation of the magnetic field lines between the cathode and the substrate in the magnetic field only orientation D 'electromagnet produces
Claims (11)
前記磁界形成手段は、リング状の磁石の極性の向きとソレノイドコイルの極性の向きとが反対となるように構成され、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面の中心部から周縁に向かって延びた任意の線分上における磁束密度の最小値が45Gauss(ガウス)以上、その平均値が80Gauss以上である磁界を形成することを特徴とするアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。 In an evaporation source for an arc ion plating apparatus comprising a magnetic field forming means having a ring-shaped magnet disposed on the outer periphery of the cathode and a solenoid coil disposed on the back surface of the cathode,
The magnetic field forming means is configured such that the polarity direction of the ring-shaped magnet and the polarity direction of the solenoid coil are opposite to each other, and extends from the center of the evaporation surface for evaporating the substance constituting the cathode toward the periphery. An evaporation source for an arc ion plating apparatus, wherein a magnetic field having a minimum magnetic flux density on an arbitrary line segment of 45 Gauss or more and an average value of 80 Gauss or more is formed.
前記蒸発面の中心部から周縁に向かって延びた任意の線分を、前記蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分としたことを特徴とする請求項1に記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。 The cathode is disk-shaped,
2. The arc ion plate according to claim 1, wherein an arbitrary line segment extending from a central portion of the evaporation surface toward a peripheral edge is an arbitrary line segment extending in a radial direction from the center of the evaporation surface. Vaporization source for the device.
前記リング状の磁石は、リング状の磁石の径方向における投影面が陰極の径方向における投影面と重なるように配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。 The solenoid coil is arranged so as to be coaxial with the ring-shaped magnet,
The arc according to any one of claims 1 to 3, wherein the ring-shaped magnet is arranged such that a projection surface in the radial direction of the ring-shaped magnet overlaps a projection surface in the radial direction of the cathode. Evaporation source for ion plating equipment.
前記磁界形成手段は、陰極を構成する物質を蒸発させる蒸発面の中心から径方向に沿った任意の線分上における磁束密度の最小値が45Gauss(ガウス)以上、その平均値が80Gauss以上、その標準偏差が30以下である磁界を形成することを特徴とするアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。 An evaporation source for an arc ion plating apparatus provided with a magnetic field forming means having a ring-shaped magnet arranged coaxially on the outer periphery of a disc-shaped cathode and a solenoid coil arranged on the back surface of the cathode In
The magnetic field forming means has a minimum magnetic flux density of 45 Gauss or more on an arbitrary line segment along the radial direction from the center of the evaporation surface for evaporating the material constituting the cathode, an average value of 80 Gauss or more, An evaporation source for an arc ion plating apparatus, wherein a magnetic field having a standard deviation of 30 or less is formed.
前記リング状の磁石は、リング状の磁石の径方向における投影面が陰極の径方向における投影面と重なるように配置され、前記ソレノイドコイルは、リング状でありかつ陰極に対し同軸心状となるように配置されていることを特徴とする請求項5又は6のいずれかに記載のアークイオンプレーティング装置用の蒸発源。 The magnetic field forming means is configured such that the polarity direction of the ring-shaped magnet is opposite to the polarity direction of the solenoid coil,
The ring-shaped magnet is arranged so that a projection surface in the radial direction of the ring-shaped magnet overlaps a projection surface in the radial direction of the cathode, and the solenoid coil is ring-shaped and coaxial with the cathode. The evaporation source for an arc ion plating apparatus according to claim 5, wherein the evaporation source is arranged as described above.
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