JP5839422B2 - 成膜速度が速いアーク式蒸発源及びこのアーク式蒸発源を用いた皮膜の製造方法 - Google Patents

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成膜装置のアーク式蒸発源、及びこのアーク式蒸発源を用いた皮膜の製造方法に関するものである。

従来、耐摩耗性、摺動特性及び保護機能向上などの目的で、機械部品、切削工具、摺動部品などの基板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知られており、アークイオンプレーティング法においては、カソード放電型アーク式蒸発源が用いられている。
カソード放電型アーク式蒸発源は、カソードであるターゲットの表面にアーク放電を発生させ、ターゲット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板の表面に引き込むことで薄膜を形成している。このアーク式蒸発源は、蒸発速度が速く、蒸発したターゲットを構成する物質のイオン化率が高いことから、成膜時に基板にバイアスを印加することで緻密な皮膜を形成できるため切削工具などの耐摩耗性皮膜を形成するために産業的に用いられている。

しかしながら、カソード（ターゲット）とアノード間で生じるアーク放電のカソード側の電子放出点（アークスポット）を中心としたターゲットの蒸発が生じる時にスポット近傍から溶融したターゲットが放出され、被処理体に付着し、面粗度悪化の原因となる。
アークスポットから放出される溶融ターゲット物質（マクロパーティクル）の量は、アークスポットが高速で移動する場合に抑制される傾向があり、その移動速度はターゲットに印加された磁界に影響されることが知られている。

また、アーク放電により蒸発するターゲット原子はアークプラズマ中において高度に電離、イオン化することが知られており、ターゲットから基板に向かうイオンの軌跡はターゲットと基板との間の磁界に影響されるなどの問題がある。
これらの問題を解消するために、ターゲットに磁界を印加し、アークスポットの移動を制御する下記のような試みが提案されており、ターゲット周囲にリング状の磁力発生機構（永久磁石、電磁コイル）を配置し、ターゲット表面に垂直磁場を印可する技術（特許文献１）、イオン化されたターゲットを構成する物質を効率よく基板方向に収束させるように、ターゲットの前方に収束のための磁力発生機構（電磁コイル）を配置する技術（特許文献２）、アーク式蒸発源のターゲット背面中心に永久磁石を設置し、それを取り巻くようにターゲット背面に極性の異なるリング磁石を配置し、アーク放電を閉じこめるような磁場成分を形成すると共に、リング磁石とほぼ同じ直径の電磁コイルを設ける技術（特許文献３）、ターゲット周囲に配置されたリング状磁石と背面の電磁コイルによりターゲット表面に平行な磁場を形成する技術（特許文献４）が開示されている。

特開２０００−３２８２３６号公報 特開平０７−１８００４３号公報 特開２００７−０５６３４７号公報 特表２００４−５２３６５８号公報

しかしながら、特許文献１の磁力発生機構によれば、ターゲット表面から磁力線がリング側面のマグネットに向かって伸びることから、イオンの多くがマグネット方向に誘導される。さらに、ターゲット前方において基板方向に向かって伸びる磁力線が基板方向から大きくそれるために、蒸発してイオン化されたターゲットの物質が効率的に到達できない。

また、特許文献２に記載の技術では、磁力線は基板方向に向かって伸びるものの、ターゲットと基板との間に大型の電磁コイルを配置する必要があることから、必然的にターゲットと基板との間の距離が長くなり、結果として成膜速度が低下することになる。
さらに、特許文献３に開示された配置では、アーク放電は磁場の垂直成分（ターゲット表面に対する磁場の垂直方向の成分）が０になる点で優先的に放電する傾向があることから、永久磁石とリング磁石のほぼ中間部分にトラップされ、電磁コイルを使用しても、それより内周の部分にアーク放電を制御するのは困難であり、ターゲットの利用効率は高くならない。また、このような配置ではターゲットから前方に向かって伸びる磁力線の成分が無いことから、ターゲットから放出されたイオンは基板に向かって効率的に収束されない。

そして、特許文献４において示された技術では、電磁コイルの内径がターゲットの直径より小さい実施形態しか記載されておらず、その場合には磁力線はターゲットから外側に向けて発散する傾向があり、効率的なイオンの収束はできないと思われる。また、ターゲット表面に平行な磁場に必要な強度を得るためにアークプラズマの放電を高速に移動させており、電磁コイル（あるいは磁性体ヨーク）との組合せにおいて大型の電磁コイルで大電流が必要とされて蒸発源が大型化するため、産業上好ましくない。

なお、図５は、特許文献４に記載された技術（ターゲットの背面にその直径よりも内径が小さい電磁コイルを配置し、この電磁コイルの内径側にコアを配置する技術、以下単に「比較技術」という）の磁力線分布図を示している。
前述した問題に鑑み、本発明は、成膜速度が速いアーク式蒸発源を提供することを目的とする。

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式蒸発源は、ターゲットの外周を取り囲んでいて磁化方向が前記ターゲット表面と直交する方向に沿うように配置された１又は複数の外周磁石と、前記ターゲットの背面側に配置された背面磁石とを備え、前記背面磁石は、極性が前記外周磁石と同方向で且つ磁化方向が前記ターゲット表面と直交する方向に沿うように配置されている非リング状の第１の永久磁石を有していて、前記背面磁石は、前記第１の永久磁石と前記ターゲットの間、もしくは、前記第１の永久磁石の背面側に、前記第１の永久磁石と間隔を空けて配置された非リング状の第２の永久磁石をさらに有し、前記第２の永久磁石は、極性が前記外周磁石と同方向で且つ磁化方向が前記ターゲット表面と直交する方向に沿うように配置されていることを特徴とする。

好ましくは、前記外周磁石及び前記背面磁石が、ターゲット表面に対して垂直な方向の磁力線の成分が０となる点を持つ磁界をターゲット表面上に形成しているとよい。
好ましくは、前記ターゲットは円盤状であり、前記外周磁石はリング状の永久磁石であるとよい。
好ましくは、前記第１の永久磁石は、ターゲットに対向する表面の面積が前記ターゲット表面の面積の４分の１以上であるとよい。

好ましくは、前記第１の永久磁石をその表面と直交する方向に沿って投影した面の形状は、前記ターゲットをその表面と直交する方向に沿って投影した面の形状と相似であるとよい。
本発明に係る皮膜の製造方法は、上記したアーク式蒸発源を用い、２種類以上の元素を含むターゲットから上記２種以上の元素を含む皮膜を形成することを特徴とする。

本発明に係る皮膜の製造方法は、上記したアーク式蒸発源を用いて、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒのうちの少なくとも１種を含む窒化物、炭化物または炭窒化物の皮膜を５μｍ以上の厚さとなるように形成することを特徴とする。
なお、本発明にかかるアーク式蒸発源の最も好ましい形態は、ターゲットの外周を取り囲んでいて磁化方向が前記ターゲット表面と直交する方向に沿うように配置されたリング状の外周磁石と、前記ターゲットの背面側に配置された背面磁石とを備え、前記背面磁石は、極性が前記外周磁石と同方向で且つ磁化方向が前記ターゲット表面と直交する方向に沿うように配置されている非リング状の第１の永久磁石を有していて、前記背面磁石は、前記第１の永久磁石と前記ターゲットの間、もしくは、前記第１の永久磁石の背面側に、前記第１の永久磁石と間隔を空けて配置された非リング状の第２の永久磁石をさらに有し、前記第２の永久磁石は、極性が前記外周磁石と同方向で且つ磁化方向が前記ターゲット表面と直交する方向に沿うように配置されていて、前記外周磁石の径方向における投影面が前記ターゲットの蒸発面と重なるように配置されていて、前記外周磁石及び前記背面磁石が、前記蒸発面に対して垂直な方向の磁力線の成分が０となる点を持つ磁界をターゲット表面上に形成していることを特徴とする。
好ましくは、前記ターゲットは円盤状であり、前記外周磁石は永久磁石であるとよい。

本発明によると、アーク式蒸発源を用いた成膜装置の成膜速度を速くすることができる。

参考実施形態に係るアーク式蒸発源を備えた成膜装置の概要図である。 参考実施例１に係るアーク式蒸発源の概要図である。 参考実施例２に係るアーク式蒸発源の概要図である。 参考実施例３、４に係るアーク式蒸発源の概要図である。 比較技術（比較用の測定例１）のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 比較用の測定例２のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 参考実施例１に係る測定例３のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 測定例４のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 測定例５のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 測定例６のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 測定例７のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 測定例８（本実施形態）のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 比較用の測定例９のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 参考実施例２に係る測定例１０のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 参考実施例３に係る測定例１１のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 測定例１２のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 測定例１３のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 測定例１４のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。 測定例１５のアーク式蒸発源の磁力線分布図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。
図１には、本発明の参考実施形態に係るアーク式蒸発源１（以下、蒸発源１）が備えられた成膜装置５が示されている。
成膜装置５は、真空チャンバ１１を備え、真空チャンバ１１内には処理物である基板６を支持する回転台１２と、基板６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１１には、当該真空チャンバ１１内へ反応ガスを導入するガス導入口１３と、真空チャンバ１１内から反応ガスを排出するガス排気口１４とが設けられている。

加えて、成膜装置５は、ターゲット２に負のバイアスをかけるアーク電源１５と、基板６に負のバイアスをかけるバイアス電源１６とが設けられ、両電源１５、１６の正側はグランド１８に接続されている。
図１に示すように、蒸発源１は、円盤状（以下、「円盤状」とは所定の高さを有した円柱状のものも含む）のターゲット２と、ターゲット２の近傍に配備された磁界形成手段７と、ターゲット２の外周部に配置されたアノード１７とを有している。なお、アノード１７はグランド１８に接続されており、同電位にある真空チャンバ１１もアノード１７として作用することができる。すなわち、蒸発源１は、カソード放電型のアーク式蒸発源である。

ターゲット２は、基板６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）、又は炭素（Ｃ）など）で構成されている。
磁界形成手段７は、ターゲット２の外周に配置された外周磁石３と、ターゲット２の背面側に配置された背面磁石４とを有している。また、磁界形成手段７は、外周磁石３の極性の向きと背面磁石４の極性の向きとが同方向となるように外周磁石３及び背面磁石４が配置されている。

なお、ターゲット２の蒸発面（基板６側の面）を「前面」、その反対側の面を「背面」とする（図２〜図４参照）。
これら外周磁石３及び背面磁石４は、保持力の高いネオジム磁石により形成された永久磁石によって構成されている。
外周磁石３は、リング状であって、ターゲット２と同心軸状となるように配置されている。外周磁石３の磁化方向は、ターゲット２の軸心に沿うように（ターゲット２を構成する物質の蒸発面に対して垂直になるように）、且つ外周磁石３の径方向における投影面が
ターゲット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。すなわち、外周磁石３は、ターゲット２の蒸発面と平行な方向に外周磁石３とターゲット２とを投影することにより形成される影が互いに重なるように配置されている。

なお、外周磁石３は、複数の円柱状等の永久磁石をターゲット２の外周を取り囲むように環状に配置することで形成してもよい（以下、「リング状」又は「環状」とは、複数の磁石をターゲット２の外周に沿って並べた状態も含む）。
背面磁石４は、その磁化方向がターゲット２の軸心に沿うように（ターゲット２を構成する物質の蒸発面に対して垂直になるように）、且つターゲット２の背面側に配置されている。

図２〜図４においては、外周磁石３及び背面磁石４の極性をともに基板６に近い側をＮ極、基板６から遠い側をＳ極としているが、逆に、基板６に近い側をＳ極、基板６から遠い側をＮ極として外周磁石３及び背面磁石４を配置してもよい。
磁界形成手段７が前述した構成であるため、ターゲット２の外周部の外周磁石３によって形成される磁界と、ターゲット２の背面側の背面磁石４によって形成される磁界の組合せにより、磁力線を基板６方向に誘導することが可能となる。

本実施形態及び参考実施形態における背面磁石４は、後述の円盤背面磁石４Ａのように非リング状のものや、後述のリング背面磁石４Ｂのようにリング状のものである。ここで、「非リング状」とは、ドーナツ様に径方向内部に孔が空いているものではなく、中身の詰まった中実であるものを指し、円盤状や円柱状等を含む。
すなわち、「非リング状」とは、表面から外方へ向くいずれの法線も互いに交わらない形状をいう。

なお、図２は背面磁石４を後述する円盤背面磁石４Ａ（第１の永久磁石）とした参考実施例１における磁界形成手段７を示し、図３は背面磁石４を後述するリング背面磁石４Ｂ（リング永久磁石）とした参考実施例２における磁界形成手段７を示している。また、図４は背面磁石４として、円盤背面磁石４Ａとリング背面磁石４Ｂとを同時に用いた参考実施例３における磁界形成手段７を示している。

次に、蒸発源１が備えられた成膜装置５を用いた成膜の方法を説明する。
まず真空チャンバ１１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１３より導入する。そして、ターゲット２及び基板６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１１内を再び真空にした後、反応ガスをガス導入口１３より真空チャンバ１１内に導入する。この状態で真空チャンバ１１に設置されたターゲット２上でアーク放電を発生させることによりターゲット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１２に置かれた基板６上に窒化膜、酸化膜、炭化膜、炭窒化膜、或いは非晶質炭素膜等を成膜する。

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１１内の反応ガスの圧力は１〜７Ｐａ程度とする。また、成膜時、ターゲット２は、１００〜２００Ａのアーク電流を流すことで放電させると共に、１０〜３０Ｖの負電圧をアーク電源１５により印加している。基板６には１０〜２００Ｖの負電圧をバイアス電源１６により印加している。
［参考実施例１］
本発明に係る蒸発源１を用いた参考実施例１について説明する。

参考実施例では、背面磁石４が円盤状（円柱形状）の永久磁石（以下、「円盤背面磁石４Ａ（第１の永久磁石）」という）で形成されている。つまり、円盤背面磁石４Ａをその表面と直交する方向に沿って投影した面の形状（以下、「投影面形状」という）は、ターゲット２の投影面形状と相似となっている。また、円盤背面磁石４Ａは、ターゲット２と同心軸状となるように配置され、保持力の高いネオジム磁石により形成されているため、磁界形成手段７全体をコンパクトにすることができる。

ターゲット２は、その直径を１００ｍｍで、その厚さを１６ｍｍとしており、チタン（Ｔｉ）とアルミ（Ａｌ）の原子比が１：１のチタンアルミ（ＴｉＡｌ）により形成されている。
外周磁石３は、外径が１７０ｍｍ、内径が１５０ｍｍ、厚さが１０ｍｍである。
参考実施例１において、反応ガスとして窒素（Ｎ２）を選択し、その圧力は４Ｐａ、成膜時間は３０分とした。ターゲット２にはアーク電源１５を使用して１５０Ａで放電させ、基板６にはバイアス電源１６を用いて３０Ｖの負電圧を印加している。基板６は、１５ｍｍ×１５ｍｍ×５ｍｍの鏡面研磨した超硬合金のチップを用い、ターゲット２表面から約１８０ｍｍ離れた位置に配置され、基板６の温度を５００℃としている。

また、図５に示した比較技術（比較用の測定例１とする）においても、ターゲット２の背面側に電磁コイル１９を配置している以外は、ターゲット２、外周磁石３、アーク電流値、反応ガス、成膜時間、印加した負電圧及び基板６に関する条件は同様であり、電磁コイル１９に流す電流値と電磁コイル１９の巻き数とを乗じた値は２０００Ａ・Ｔとしている。

測定例２は、背面磁石４を有さない従来技術で比較用の測定例である。
測定例３〜測定例８では、円盤背面磁石４Ａを、異なる形状（直径、厚み）、位置（ターゲット２表面から円盤背面磁石４Ａ表面までの距離）や個数にて形成し、前述した条件下にて成膜を行っている。なお、測定例８は、本発明にかかる実施形態（本実施形態）での測定結果を示したものである。

表１は、比較技術である測定例１及び測定例２と、参考実施例１における測定例３〜本発明にかかる実施形態における測定例８の円盤背面磁石４Ａの直径、厚さ、ターゲット２表面からの距離及び個数と、基板６に流れる電流値と、成膜速度の評価とを示している。

次に、基板６上の成膜速度、残留応力の評価について説明する。
成膜速度は、アーク放電により基板６に流れるイオン電流に比例することから、基板６に流れる電流値が大きいほど成膜速度が速いことがわかる。生産性、作業効率などを鑑みたとき、成膜速度に比例する電流値は１．５Ａ以上であることが望ましいため、１．５Ａ以上で合格とした。

また、薄膜の残留応力については、厚さ１ｍｍのＳｉウェハ上に成膜を行い、成膜後の基板６のたわみの曲率半径を光てこを利用して測定し、式（１）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、その絶対値が２．０ＧＰａ以下で合格とした。

まず、各測定例における磁力線分布図について考察する。
測定例１及び測定例２の磁力線分布図は図５、図６であるが、これらの図に示されたように、測定例１及び測定例２は、ターゲット２から前方に向かって伸びる磁力線がターゲット２の正面方向（すなわち、基板６方向）から大きくそれている。
詳しくは、測定例１においては、ターゲット２の軸心から最も離れた側の磁力線が、ターゲット２表面から基板６方向に約７５ｍｍしか進んでいない地点で、すでにターゲット２の軸心から２００ｍｍも離れている、つまり大きくそれていることがわかる（図５中の矢印Ａ参照）。

測定例２においては、ターゲット２の軸心から最も離れた側の磁力線が、ターゲット２表面から基板６方向に約４５ｍｍしか進んでいない地点で、すでにターゲット２の軸心から２００ｍｍも大きくそれている（図６中の矢印Ｂ参照）。
このように、ターゲット２から前方に向かって伸びる磁力線が基板６方向から大きくそれるために、イオンの軌跡も基板６方向からそれる傾向にある。

その結果、表１に示したように、測定例１、測定例２での基板６に流れる電流値は、それぞれ１．１Ａ、１．０Ａで成膜速度の評価も不合格となっており、効率的な成膜が困難である。また、イオンの軌跡が基板６から大きくそれ、成膜速度が遅いため、表１に示したように、測定例１、測定例２での皮膜残留応力値は、それぞれ−２．１１ＧＰａ、−２．２３ＧＰａを示し、皮膜残留応力の評価も不合格となっており、皮膜残留応力の低い皮膜が形成できない。

測定例３〜測定例８の磁力線分布は図７〜図１２に示す通りである。これらの図から明らかなように、測定例３〜測定例８は磁力線を基板６方向に誘導することが可能となっている。
つまり、測定例３〜測定例８においては、ターゲット２の軸心から最も離れた側の磁力線が、ターゲット２表面から基板６方向に約９０〜約１２０ｍｍまで進んだ地点でなくては、ターゲット２の軸心から２００ｍｍ離れることはなく（例えば、図７中の矢印Ｃ、図８中の矢印Ｄ参照）、より多くの磁力線がターゲット２の基板６方向へ向かって伸びている。

測定例３〜測定例８では、ターゲット２の中心付近から直接基板６に向かう磁力線の成分（例えば、図７中の矢印Ｅ、図８中の矢印Ｆ参照）が存在している。また、測定例３〜測定例８において、ターゲット２の軸心に最も近い側の磁力線が、ターゲット２表面から基板６方向に２００ｍｍ進んだ地点であっても、ターゲット２の軸心から２０ｍｍほどしか離れておらず（例えば、図７中の矢印Ｃ’、図８中の矢印Ｄ’参照）、測定例１及び測定例２は同地点でターゲット２の軸心から約２４ｍｍ以上離れている（図５中の矢印Ａ’、図６中の矢印Ｂ’参照）ことから、基板６にはより多くの磁力線が直接伸びていることがわかる。

その結果、表１に示したように、測定例３〜測定例８における基板６に流れる電流値はいずれも１．５Ａ以上で成膜速度の評価が合格となっており、測定例１及び測定例２よりも成膜速度が速く、効率的な成膜が可能となる。また、皮膜残留応力の絶対値は、いずれも２．０ＧＰａ以下を示し、皮膜残留応力の評価が合格となっており、残留応力の低い皮膜の形成が可能となる。

測定例３と測定例４とを比較すると、測定例３における円盤背面磁石４Ａの直径は４０ｍｍであって、円盤背面磁石４Ａのターゲット２と対向する表面（以下、単に「表面」という）の面積は４００πｍｍ２、つまりターゲット２表面の面積２５００πｍｍ２の０．１６倍（１００分の１６）となる。
測定例４における円盤背面磁石４Ａの直径は８０ｍｍであって、円盤背面磁石４Ａの表面の面積は１６００πｍｍ２、つまりターゲット２表面の面積２５００πｍｍ２の０．６４倍（１００分の６４）となる。

そして、図７、図８及び表１に示されたように、測定例４の磁力線分布図は測定例３の磁力線分布図と比べより多くの磁力線が基板６方向に向かっており、基板６に流れる電流値も測定例４の方が測定例３よりも大きく、測定例４は測定例３よりも成膜速度が速いことがわかる。
したがって、円盤背面磁石４Ａの表面の面積は、ターゲット２表面の面積が０．２５倍（４分の１）以上である場合には、ターゲット２の軸心からそれることなく、より多くの磁力線が基板６へ直接伸びることから、より効率的にターゲット２から蒸発したイオンを基板６に誘導することができる。

なお、円盤背面磁石４Ａの表面の面積は、好ましくはターゲット２表面の面積の０．６４倍（１００分の６４）以上であり、さらに好ましくはターゲット２表面の面積（つまり、ターゲット２表面の面積の１．０倍）以上である。また、好ましい上限としては、円盤背面磁石４Ａの直径は、ターゲット２の直径の１．５倍、つまりターゲット２表面の面積が２．２５倍（４分の９）以下となる。

測定例５〜測定例７を比較すると、円盤背面磁石４Ａの直径と厚さとは同一であるものの、ターゲット２表面から円盤背面磁石４Ａ表面までの距離が異なっている。詳しくは、測定例５におけるターゲット２表面からの距離は４０ｍｍで、測定例６におけるターゲット２表面からの距離は５０ｍｍで、測定例７におけるターゲット２表面からの距離は６０ｍｍである。

この距離の違いは、表１に示されたように、測定例６における基板６に流れる電流値が測定例５及び測定例７よりも大きく、成膜速度が速く、皮膜の残留応力が小さいという結果に結びついている。
これは、アーク放電はターゲット２表面と平行な方向の磁力線の成分（以下、「平行成分」という）に対して直角方向（つまり基板６方向）に移動する力を受けており、アークスポットの移動速度は磁力線の平行成分の強さに比例するためである。なお、磁力線の平行成分は、ターゲット２表面に垂直な磁力線の成分（以下、「垂直成分」という）が０（０近傍の値を含む。以下同じ）となる点で強くなる。また、アーク放電は磁力線の垂直成分が０となる点で優先的におこる傾向がある。この垂直成分が０となる点はターゲット２表面から円盤背面磁石４Ａ表面までの距離で決まるが、距離が近い場合にはアーク放電が外周部で生じる傾向があり、イオンが外側で発生するが、距離を離すと磁力線の垂直成分が０となる点が中央部により、イオンを効率的に基板６へと到達させることができる。しかしながら、距離が遠すぎる場合にはターゲット２表面上の磁力線及び基板６方向に伸びる磁力線が弱くなり、イオンを効率的に運ぶことができないことから、測定例６で最も成膜レートが早く、皮膜残留応力が小さくなったと考えられる。

なお、垂直成分が０で、且つ、平行成分のみを有する磁力線の位置を変化させるために、円盤背面磁石４Ａをターゲット２に対して近接離反するように前後に移動させる機構を組み込むことも可能である。このように、円盤背面磁石４Ａのターゲット２表面からの距離を変化させることで、磁力線の平行成分の強さを調節できると共に、磁力線の垂直成分が０となる点をコントロールすることができる。

測定例８（本実施形態）は、測定例６と同様に、直径１００ｍｍで厚さ３ｍｍの円盤背面磁石４Ａ（第１の永久磁石）をターゲット２表面から５０ｍｍの距離に配置しているが、この円盤背面磁石４Ａの背後で且つ同軸心上に同形状且つ同径の円盤背面磁石４Ａ（第２の永久磁石）をもう１枚配置していることが相違している。
これによって、背面側に配置された円盤背面磁石４Ａ（第１の永久磁石）から生じる磁力線の直進性がいっそう向上し、より多くの磁力線が基板６へ直接伸び、測定例８（本実施形態）の基板６に流れる電流値が測定例６よりも大きくなっており、成膜速度を速くし、皮膜の残留応力を小さくすることが可能となっている。
［参考実施例２］
本発明に係る蒸発源１を用いたその他の参考実施例について説明する。

参考実施例２は、背面磁石４としてリング状の永久磁石（以下、「リング背面磁石４Ｂ（リング永久磁石）」という）を配置し、リング背面磁石４Ｂの内側（リング背面磁石４Ｂの内周面と軸との間）に磁石を有していない例である。リング背面磁石４Ｂの外周及び内周の投影面形状は、ターゲット２の投影面形状と相似である。なお、リング背面磁石４Ｂは、ターゲット２と同心軸状となるように配置され、保持力の高いネオジム磁石により
形成されているため、磁界形成手段７全体のコンパクト化が図れる。

リング状の背面磁石４の外径及び内径は、各測定例ごとに異なっている。なお、リング背面磁石４Ｂの厚みは２０ｍｍ、ターゲット２表面からリング背面磁石４Ｂ表面までの距離は３０ｍｍとして各測定例で同一としている。その他の条件は参考実施例１と同様である。リング背面磁石４Ｂは、測定例９では外径４０ｍｍ、内径２０ｍｍで、測定例１０では外径１７０ｍｍ、内径１５０ｍｍとなっている。なお、測定例１０では、外周磁石３とリング背面磁石４Ｂとが同軸心上に配置され、且つ、同じ内径及び外径を有している。

表２は、比較技術である測定例２、測定例９と、参考実施例２における測定例１０のリング背面磁石４Ｂの外径、内径、厚さ、ターゲット２表面からの距離及び個数と、基板６に流れる電流値と、成膜速度の評価、皮膜の残留応力値及び皮膜の残留応力の評価とを示している。

測定例２は、前述したように、基板６に流れる電流値が１．０Ａで成膜速度の評価が不合格となっており、成膜速度が遅くなっている。また、測定例９は、本発明に対する比較技術を示しており、ターゲット２の蒸発面に垂直な方向に沿ってリング背面磁石４Ｂとターゲット２とを投影した際に、得られる影が互いに重なるようになっている。換言すれば、測定例９では、ターゲット２の背面側に配置されるリング背面磁石４Ｂの内径が小さく、本発明に係る技術的思想の範囲外の構成となっている。そのため、基板６に誘導される磁力線の数が増えないため、イオンを効率的に収束することが出来ないため基板６に流れる電流値は１．５Ａよりも小さく、成膜速度の評価も不合格となっている。

一方、測定例１０では、ターゲット２の蒸発面に垂直な方向に沿ってリング背面磁石４Ｂとターゲット２とを投影した際に、得られる影が互いに重ならないようになっている。換言すれば、測定例１０では、リング背面磁石４Ｂの内径がターゲット２の径よりも大きい。この測定例１０では、磁力線がターゲット２から基板６方向に伸びてイオンを基板６に効率的に到達させることができるため、成膜速度の評価は合格であり、測定例２に比べて成膜速度が速くなっている（表２参照）。また、皮膜残留応力の評価も合格であり、皮膜残留応力の小さい皮膜の成膜が可能となる。

図１３、１４は測定例９、測定例１０の磁力線分布図であるが、これらの図に示されたように、リング背面磁石４Ｂの外径を大きくするにつれて、磁力線は基板６方向に向かう傾向にあることがわかる。
［参考実施例３］
参考実施例３は、背面磁石４として、第１の永久磁石である円盤背面磁石４Ａと、リング状の永久磁石であるリング背面磁石４Ｂ（リング永久磁石）とを同時に用いた場合である。また、円盤背面磁石４Ａとリング背面磁石４Ｂとは、ターゲット２と同心軸状に配置されている。さらに、円盤背面磁石４Ａは、リング背面磁石４Ｂの内側（リング背面磁石４Ｂの内周面から軸方向）に配置されている。そして、外周磁石３、円盤背面磁石４Ａ、リング背面磁石４Ｂの極性は同方向である。

円盤背面磁石４Ａ及びリング背面磁石４Ｂの形状（直径、外径、内径、厚み）や、ターゲット２表面からの距離は、各測定例ごとに異なっている。その他の条件は参考実施例１と同様である。
なお、参考実施例３におけるリング背面磁石４Ｂは、複数の円柱状の永久磁石をターゲット２の背面側で円盤背面磁石４Ａの周囲を取り囲むようにリング状に配置することで形成している。

測定例１１と測定例１２とは、同一形状の円盤背面磁石４Ａを使用しており、リング背
面磁石４Ｂの厚みとターゲット２表面からの距離とに違いがある。
測定例１２と測定例１５とは、同一形状の円盤背面磁石４Ａ及びリング背面磁石４Ｂを使用しており、円盤背面磁石４Ａ及びリング背面磁石４Ｂのターゲット２表面からの距離とに違いがある。

測定例１３と測定例１４とは、同様な配置をしたリング背面磁石４Ｂを使用しており、円盤背面磁石４Ａの直径と厚みとに違いがある。
なお、測定例１１〜１５のいずれにおいても、外周磁石３とリング背面磁石４Ｂとは、同じ内径及び外径を有している。
表３は、参考実施例３における測定例１２〜測定例１６の２つの背面磁石４の形状、ターゲット２表面からの距離及び個数と、基板６に流れる電流値と、成膜速度の評価と、皮膜の残留応力値及び皮膜の残留応力の評価とを示している。

測定例１１〜測定例１５の磁力線分布は図１５〜図１９に示す通りである。これらの図に示したように、ターゲット２中心付近からさらに多くの磁力線が直接基板６方向に伸び、ターゲット２の軸心から最も離れた側の磁力線が基板６方向に収束され、イオンを基板６に効率的に到達させることができており、成膜速度の評価はすべて合格であり、成膜速度をより速くすることができている。また、これらの配置によればターゲット２上に磁力線の垂直成分が０となる点が生じることから、アーク放電をその点で安定させる事が出来るが、アーク放電が外側によりすぎる場合、前述のようにイオンの発生が外側によりすぎ、発生したイオンが中央部にある基板６に向かって伸びる磁力線に沿って進むことが出来ないことから成膜レートは低下する傾向にある。垂直成分が０となる点は背面側に設置する円盤背面磁石４Ａ、リング背面磁石４Ｂの大きさや位置により決まることから、それは設計事項に属し、成膜速度が大きくなるように決めてやればよい。

測定例１１と測定例１２とを比較すると、リング背面磁石４Ｂの厚みを厚くし、ターゲット２表面からの距離を近くするほど、基板６に流れる電流値が増し成膜速度が速くなっている。
測定例１２と測定例１５とを比較すると、円盤背面磁石４Ａ及びリング背面磁石４Ｂの形状は同一であるものの、ターゲット２表面から円盤背面磁石４Ａ表面及びリング背面磁石４Ｂ表面までの距離が異なっている。

測定例１３と測定例１４とを比べて、円盤背面磁石４Ａとリング背面磁石４Ｂとを同時に配置した場合であっても、ターゲット２の直径に対する円盤背面磁石４Ａの直径を大きくした方が成膜速度が速くなることがわかる。
前述のように、アーク放電は磁力線の垂直成分が０となる点で優先的に放電する傾向があるが、そのときのアークスポットの移動速度は基本的にはその点における磁力線の平行成分の強さに比例し、アークスポットが高速で移動する場合にマクロパーティクルの発生が抑制される。

したがって、磁力線の垂直成分が０となる点における磁力線の平行成分は強い方が好適であり、具体的には磁力線の平行成分の強さが５Ｇａｕｓｓ以上であることが好ましく、より好ましくは２０Ｇａｕｓｓ以上、さらに好ましくは５０Ｇａｕｓｓ以上である。
磁力線の平行成分が強すぎる場合には、磁界の拘束が強く放電エリアがきわめて狭くなり、背面磁石４が移動手段を持たない場合にターゲット２が偏消耗することから、磁力線の平行成分の強さは２００Ｇａｕｓｓ以下である必要があり、より好ましくは１００Ｇａ
ｕｓｓ以下である。

また、表３に示したように、測定例１１〜測定例１５における皮膜残留応力の絶対値は、いずれも２．０ＧＰａ以下を示し、皮膜残留応力の評価が合格となっており、残留応力の低い皮膜の形成が可能となる。
なお、背面磁石４の磁束をより効率的に基板６方向に導くために、鉄などの透磁率の高い材料（ヨーク）をターゲット２の背面側に背面磁石４とともに配置することも望ましい。

円盤背面磁石４Ａとリング背面磁石４Ｂとを併用する場合には、円盤背面磁石４Ａのターゲット２の直径に対する大きさには特に制限は無く、磁力線の垂直成分を発生させたい位置により任意に選択可能である。
また、ターゲット２表面における磁力線の平行成分の発生する位置を制御するために、円盤背面磁石４Ａとリング背面磁石４Ｂとともに、これらの同軸心上に電磁コイルを設置してもよい。
［参考実施例４］
次に、本発明に係る蒸発源１を用いた参考実施例４について説明する。

本参考実施例は、より多くの磁力線が基板６方向に向かうことで、基板６上に形成された皮膜の組成とターゲット２の組成との相違が抑えられることを示す。また、本参考実施例における成膜方法（皮膜の製造方法）は、上述した比較用の測定例２と、本発明に係る参考実施例３の測定例１０とに従い、使用するターゲット２の組成のみをそれぞれ変更している。

形成した皮膜の組成分析はＥＤＸ（元素分析装置）で行い、窒素を除いた組成比を表４、表５中に示した。なお、分析条件は、加速電圧２０ｋＶ、作動距離１５ｍｍ、観察倍率１０００倍としている。
また、表４中の使用ターゲット組成比はＡｌ：Ｔｉ＝５０：５０であって、表５中の使用ターゲット組成比はＡｌ：Ｔｉ＝７０：３０である。

表４、表５より、比較用の測定例２では、ターゲット２の組成に比べて、皮膜中のＡｌ組成が小さくなっており、Ａｌの量が多いＡｌ：Ｔｉ＝７０：３０の試験ではその変化が顕著である。
一方、本発明に係る測定例１０では、測定例２に比べて、ターゲット２の組成と皮膜中のＡｌとＴｉの組成比のずれ（相違）が小さくなっていることが分かる。このように、本発明によるアーク式蒸発源１によれば、ターゲット２から基板６方向に磁力線を誘導しているため、ターゲット２から蒸発したイオン粒子を基板６に効率的に到達させることができるため、ターゲット２と形成した皮膜の組成比のずれを小さくすることが出来る。

つまり、参考実施例に係る皮膜の製造方法は、上述したアーク式蒸発源１を用いて基板６上に皮膜を形成することで、２種類以上の元素を含むターゲット２を使用しても、基板６上の皮膜中における各元素の組成比とターゲット２中の各元素の組成比との違いが小さ
くなるので、ターゲット２の組成に基づいて皮膜の組成を精確に制御することができる。
さらに、従来は基板６上で膜厚を厚くすると残留応力により剥離しやすい皮膜しか得られなかったが、上述したアーク式蒸発源１によれば、残留応力の小さい皮膜を形成することができるので、５μｍ以上の厚さでも剥離しにくい実用的な厚膜が得られる。

なお、ターゲット２の組成を、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒのうちの少なくとも１種を含むものとしてもよい。
ところで、本発明は、前述した各実施形態及び実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した本発明の範囲内で適宜変更可能である。
ターゲット２は、円盤状以外の任意の形状であってもよい。

具体的には、ターゲット２の投影面形状が、点対称な図形（正方形、六角形等）であってもよく、その際、ターゲット２に対して外周磁石３及び背面磁石４は同心軸状に配置されていなくてもよい。ただし、外周磁石３及び背面磁石４は、それらの中心軸（外周磁石３及び背面磁石４が回転対称体の場合はその回転軸）がターゲット２を通るように配置されていることが好ましい。

また、ターゲット２は、投影面形状が長手方向を有した図形（楕円、長方形等）であってもよい。このとき、ターゲット２の投影面形状が、楕円の場合には直径を長径、短径と、長方形の場合には直径を長辺、短辺と読み替えればよい。
外周磁石３は、ターゲット２の外周を取り囲むものであればよく、ターゲット２の投影面形状に沿う形で且つリング状の永久磁石（例えば、ターゲット２が楕円であれば、これを取り囲むように形成された楕円形状の永久磁石）でもよい。

例えば、外周磁石３は、ターゲット２の投影面形状に応じて、点対称な図形（正方形、六角形等）、又は長手方向を有した図形（楕円、長方形等）で且つターゲット２を囲うものであってもよい。
背面磁石４は、円盤状や円形のリング状以外の任意の形状でもよく、投影面形状が点対称な図形（正方形、六角形等）や長手方向を有した図形（楕円、長方形等）、又はこれらを外周及び内周の投影面形状とするリング状の永久磁石であってもよい。

なお、背面磁石４の投影面形状は、ターゲット２の投影面形状と相似であることが好ましい。
また、外周磁石３、背面磁石４をそれぞれ複数備えていてもよい。

本発明は、薄膜を形成する成膜装置のアーク式蒸発源として利用することができる。

１ 蒸発源（アーク式蒸発源）
２ ターゲット
３ 外周磁石
４ 背面磁石
４Ａ 円盤背面磁石
４Ｂ リング背面磁石
５ 成膜装置
６ 基板
７ 磁界形成手段
１１ 真空チャンバ
１２ 回転台
１３ ガス導入口
１４ ガス排気口
１５ アーク電源
１６ バイアス電源
１７ アノード
１８ グランド
Ａ 測定例１にてターゲットの軸心から最も離れた側の磁力線を示す矢印
Ｂ 測定例２にてターゲットの軸心から最も離れた側の磁力線を示す矢印
Ｃ 測定例３にてターゲットの軸心から最も離れた側の磁力線を示す矢印
Ｄ 測定例４にてターゲットの軸心から最も離れた側の磁力線を示す矢印
Ａ’ 測定例１にてターゲットの軸心から最も近い側の磁力線を示す矢印
Ｂ’ 測定例２にてターゲットの軸心から最も近い側の磁力線を示す矢印
Ｃ’ 測定例３にてターゲットの軸心から最も近い側の磁力線を示す矢印
Ｄ’ 測定例４にてターゲットの軸心から最も近い側の磁力線を示す矢印
Ｅ 測定例３にてターゲット中心付近から直接基板に向かう磁力線の成分を示す矢印
Ｆ 測定例４にてターゲット中心付近から直接基板に向かう磁力線の成分を示す矢印

Claims (6)

1. ターゲットの外周を取り囲んでいて磁化方向が前記ターゲット表面と直交する方向に沿うように配置されたリング状の外周磁石と、前記ターゲットの背面側に配置された背面磁石とを備え、
   前記背面磁石は、極性が前記外周磁石と同方向で且つ磁化方向が前記ターゲット表面と直交する方向に沿うように配置されている非リング状の第１の永久磁石を有していて、
   前記背面磁石は、前記第１の永久磁石と前記ターゲットの間、もしくは、前記第１の永久磁石の背面側に、前記第１の永久磁石と間隔を空けて配置された非リング状の第２の永久磁石をさらに有し、前記第２の永久磁石は、極性が前記外周磁石と同方向で且つ磁化方向が前記ターゲット表面と直交する方向に沿うように配置されていて、
   前記外周磁石の径方向における投影面が前記ターゲットの蒸発面と重なるように配置されていて、
   前記外周磁石及び前記背面磁石が、前記蒸発面に対して垂直な方向の磁力線の成分が０となる点を持つ磁界をターゲット表面上に形成している
   ことを特徴とするアーク式蒸発源。
2. 前記ターゲットは円盤状であり、前記外周磁石は永久磁石であることを特徴とする請求項１に記載のアーク式蒸発源。
3. 前記第１の永久磁石は、ターゲットに対向する表面の面積が前記ターゲット表面の面積の４分の１以上であることを特徴とする請求項１に記載のアーク式蒸発源。
4. 前記第１の永久磁石をその表面と直交する方向に沿って投影した面の形状は、前記ターゲットをその表面と直交する方向に沿って投影した面の形状と相似であることを特徴とする請求項１に記載のアーク式蒸発源。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のアーク式蒸発源を用い、２種類以上の元素を含むターゲットから上記２種以上の元素を含む皮膜を形成することを特徴とする皮膜の製造方法。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のアーク式蒸発源を用いて、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒのうちの少なくとも１種を含む窒化物、炭化物または炭窒化物の皮膜を５μｍ以上の厚さとなるように形成することを特徴とする皮膜の製造方法。