[发明专利]成膜速度快的电弧式蒸发源、使用该电弧式蒸发源的皮膜的制造方法及成膜装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种形成用于提高机械零件等的耐磨损性等的氮化物及氧化物等的陶瓷膜、非晶质碳膜等薄膜的成膜装置。另外，本发明涉及一种用于所述成膜装置的电弧式蒸发源、使用该电弧式蒸发源的皮膜的制造方法。

背景技术

目前，出于提高耐磨损性、滑动特性及保护功能等的目的，作为在机械零件、切削工具、滑动零件等的基材的表面涂覆薄膜的技术，广泛公知的是电弧离子镀膜法、溅射法等物理蒸镀法。在所述电弧离子镀膜法中，使用阴极放电型电弧式蒸发源。

阴极放电型电弧式蒸发源在作为阴极的标靶的表面产生电弧放电。由此，构成标靶的物质瞬间被熔化而离子化。然后，通过将离子化了的该物质引入作为处理物的基材的表面而形成薄膜。该电弧式蒸发源的蒸发速度快，蒸发了的构成标靶的物质的离子化率高。因此，在成膜时通过对基材施加偏压，可以形成致密的皮膜。因此，在工业中使用电弧式蒸发源以形成切削工具等的耐磨损性皮膜。

但是，通过在阴极(标靶)和阳极之间产生电弧放电，产生以阴极侧的电子放出点(电弧点)为中心的标靶的蒸发。此时，从电弧点附近将熔融的标靶放出，附着在被处理体上，这成为表面粗糙度恶化的原因。

从电弧点放出的熔融标靶物质(宏观粒子)的量在电弧点高速移动的情况下存在被抑制的倾向。在此，公知的是电弧点的移动速度受施加给标靶的磁场影响。

另外，公知的是通过电弧放电而蒸发的标靶原子在电弧等离子体中高度电离、离子化。在此，从标靶朝向基材的离子的轨迹有受到标靶和基材之间的磁场影响等的问题。

进而，在通过基于阴极放电型电弧式蒸发源的成膜那样的PVD成膜而得到的皮膜上，理论上残留压缩应力。该压缩应力有皮膜越厚而越变大倾向。另外，当压缩应力变得大于-2GPa(压缩应力＜-2GPa)，皮膜与工具的密接性下降，容易剥离。如果可以增厚在切削工具上被覆的皮膜，则能够延长切削工具的寿命。但是，由于前述的理由，难以增厚皮膜。

为了解决这样的问题，提出了对标靶施加磁场，控制电弧点的移动的以下的尝试。例如，在专利文献1记载了一种电弧蒸发源，其具有在标靶的周围配置的环状的磁力产生机构(永磁铁、电磁线圈)，对标靶表面施加垂直磁场。在专利文献2记载了一种离子镀膜装置，其具有在标靶的前方配置的磁力产生机构(电磁线圈)，以使离子化了的构成标靶的物质有效地向基材方向收敛。在专利文献3记载了一种电弧式离子镀膜装置用蒸发源，其具备：在标靶的背面的中心位置设置的永磁铁；以卷上该永磁铁的方式在标靶的背面配置并且极性与所述永磁铁不同的环磁铁；以及形成将电弧放电关在里面那样的磁场分量且具有与所述环磁铁大致相同的直径的电磁线圈。在专利文献4记载了一种电弧蒸镀装置，其具有在标靶的周围配置的环状磁铁和在标靶的背面配置的电磁线圈，通过所述电磁线圈形成与标靶表面平行的磁场。

但是，根据专利文献1记载的磁力产生机构，来自标靶表面的磁力线朝向标靶的侧方的磁铁延伸。因此，大多数离子被引导向朝向磁铁的方向。进而，在标靶的前方朝向基材方向延伸的磁力线朝向从基材较大偏离的方向。因此，蒸发而离子化的标靶的物质无法有效到达基材。

另外，在专利文献2记载的技术中，磁力线虽然朝向基材方向延伸，但是在标靶和基材之间需要配置大型的电磁线圈。因此，标靶和基材之间的距离必然变长，结果是成膜速度下降。

进而，在专利文献3公开的配置中，在磁场的垂直分量(磁场相对于标靶表面的垂直方向的分量)为0的点有优先产生电弧放电的倾向。因此，即使使用电磁线圈，产生电弧放电的位置也被封在永磁铁和环磁铁的大致中间部分，在其内周的部分难以控制。因此，标靶的利用效率不高。另外，在专利文献3记载的配置中，不存在从标靶朝向前方延伸的磁力线的分量。因此，从标靶放出的离子不会朝向基材有效收敛。

而且，在专利文献4中只记载了电磁线圈的内径小于标靶的直径的实施方式。在该情况下，磁力线有从标靶朝向外侧发散的倾向，认为无法实现有效的离子的收敛。另外，在专利文献4记载的电弧蒸镀装置中，为了得到与标靶表面平行的磁场所需要的强度使电弧等离子体的放电高速移动。因此，在与电磁线圈(或者磁性体轭)的组合中需要向大型的电磁线圈供给大电流，蒸发源大型化，结果是在工业上并不优选。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000-328236号公报

专利文献2：日本特开平07-180043号公报

专利文献3：日本特开2007-056347号公报

专利文献4：日本特表2004-523658号公报

发明内容