JPH09157837A - Arc type ion plating device - Google Patents

Arc type ion plating device

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JPH09157837A
JPH09157837A JP34647895A JP34647895A JPH09157837A JP H09157837 A JPH09157837 A JP H09157837A JP 34647895 A JP34647895 A JP 34647895A JP 34647895 A JP34647895 A JP 34647895A JP H09157837 A JPH09157837 A JP H09157837A
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JP
Japan
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cathode
arc
intermediate electrode
base material
substrate
Prior art date
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Application number
JP34647895A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akira Doi
陽 土居
Haruo Hiratsuka
治男 平塚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissin Electric Co Ltd
Original Assignee
Nissin Electric Co Ltd
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Publication date
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Priority to JP34647895A priority Critical patent/JPH09157837A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device capable of suppressing an etching phenomenon in the pointed part of a substrate without deteriorating the adhesion of a film to the substrate and moreover capable of preventing droplets from an arc type evaporating source from flying and depositing on the substrate. SOLUTION: An meshy internediate electrode 24 is arranged so as to shield the space between the fron face part of the cathode 16 in an arc type evaporating source 14 and a substrate 8 on a holder 10, and moreover, an intermediate electrode power source 26 holding the potential of the above intermediate electrode 24 to the intermediate one between the potential of the cathode 16 and that of the substrate 8. Moreover, a driving apparatus 28 vibrating the intermediate electrode 24 e,g. to the upper and lower directions in a vacuum vessel 2 is provided.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、アーク式イオン
プレーティング法によって、基材の表面に密着性に優れ
た膜を形成するアーク式イオンプレーティング装置に関
し、より具体的には、基材の尖った部分にイオンが集中
してエッチング現象が生じること、および基材にドロッ
プレットが入射して膜表面の面粗度が悪化することを防
止する手段に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an arc type ion plating apparatus for forming a film having excellent adhesiveness on the surface of a base material by the arc type ion plating method, and more specifically, to an arc type ion plating apparatus. The present invention relates to a means for preventing ions from concentrating on a sharp portion and causing an etching phenomenon, and preventing droplets from being incident on a substrate and deteriorating the surface roughness of the film surface.

【0002】[0002]

【従来の技術】この種のアーク式イオンプレーティング
装置の従来例を図6に示す。
2. Description of the Related Art A conventional example of this type of arc type ion plating apparatus is shown in FIG.

【0003】この装置は、図示しない真空排気装置によ
って真空排気される真空容器2と、この真空容器2内に
設けられていて被処理物である基材8を保持するホルダ
10と、この基材8に向くように真空容器2の壁面に取
り付けられたアーク式蒸発源14とを備えている。真空
容器2内には、ガス導入口4から、不活性ガス、反応性
ガス等のガス6が導入される。
This apparatus comprises a vacuum container 2 which is evacuated by a vacuum exhaust device (not shown), a holder 10 which is provided in the vacuum container 2 and holds a substrate 8 which is an object to be processed, and the substrate 10. And an arc type evaporation source 14 attached to the wall surface of the vacuum container 2 so as to face 8. A gas 6 such as an inert gas or a reactive gas is introduced into the vacuum container 2 through the gas inlet 4.

【0004】アーク式蒸発源14は、所要の金属または
合金から成る陰極16を有していて、それと陽極兼用の
真空容器2との間のアーク放電によって陰極16を局部
的に溶解させて陰極物質を蒸発させるものである。この
とき、陰極16の前面近傍には、イオン化した陰極物質
を含むアーク放電プラズマ18が生成される。この陰極
16と真空容器2との間には、直流のアーク電源20か
ら、前者を負側にしてアーク放電電圧V1 が供給され
る。このアーク放電電圧V1 の大きさは、例えば数十V
〜数百V程度である。なお、アーク起動用のトリガ電極
等は図示を省略している。
The arc evaporation source 14 has a cathode 16 made of a required metal or alloy, and the cathode 16 is locally melted by arc discharge between the cathode 16 and the vacuum container 2 which also serves as an anode. To evaporate. At this time, arc discharge plasma 18 containing ionized cathode material is generated near the front surface of the cathode 16. An arc discharge voltage V 1 is supplied between the cathode 16 and the vacuum container 2 from a DC arc power source 20 with the former as the negative side. The magnitude of this arc discharge voltage V 1 is, for example, several tens of volts.
~ It is about several hundred V. It should be noted that a trigger electrode and the like for starting the arc are not shown.

【0005】ホルダ10およびそれに保持された基材8
には、直流のバイアス電源22から、真空容器2の電位
(この例では接地電位)を基準にして負のバイアス電圧
2が印加される。このバイアス電圧V2 の大きさは、
例えば数百V〜数kV程度である。
Holder 10 and substrate 8 held by it
Is applied with a negative bias voltage V 2 from a DC bias power source 22 with reference to the potential of the vacuum container 2 (ground potential in this example). The magnitude of this bias voltage V 2 is
For example, it is about several hundred V to several kV.

【0006】成膜に際しては、真空容器2内を例えば1
-6Torr程度に排気した後、真空容器2内に所要の
ガス6を導入し、そして基材8に前記のような負のバイ
アス電圧V2 を印加した状態で、アーク式蒸発源14に
おいてアーク放電を行わせる。それによって、陰極16
から陰極物質が蒸発させられると共に、陰極16の前面
近傍にアーク放電プラズマ18が生成される。そしてこ
のアーク放電プラズマ18中のイオンが、負のバイアス
電圧V2 が印加された基材8に引き付けられて入射堆積
し、その表面に陰極物質から成る膜が形成される。ガス
6が反応性ガスの場合は、それと陰極物質とが化合した
化合物膜が形成される。このようにして形成される膜
は、バイアス電圧V2 によるイオンの加速を利用するの
で、基材8に対する密着性が高い。
When forming a film, the inside of the vacuum chamber 2 is
After evacuating to about 0 -6 Torr, the required gas 6 is introduced into the vacuum vessel 2 and the negative bias voltage V 2 is applied to the base material 8 in the arc evaporation source 14. Cause an arc discharge. Thereby, the cathode 16
The cathode material is evaporated from the cathode, and the arc discharge plasma 18 is generated in the vicinity of the front surface of the cathode 16. Then, the ions in the arc discharge plasma 18 are attracted and deposited on the base material 8 to which the negative bias voltage V 2 is applied, and a film made of a cathode material is formed on the surface thereof. When the gas 6 is a reactive gas, a compound film in which it and the cathode substance are combined is formed. The film thus formed utilizes the acceleration of ions by the bias voltage V 2, and therefore has high adhesion to the substrate 8.

【0007】なお、通常は、上記のような成膜の前工程
として、真空容器2内にガス6として不活性ガス、通常
はArガスを導入して、これを用いてアーク放電プラズ
マ18を生成し、その中のArイオンによるイオンボン
バードによって基材表面の清浄化を行うようにしてお
り、そのようにすれば膜の密着性がより向上する。
[0007] Usually, as a pre-process for the film formation as described above, an inert gas, usually Ar gas, is introduced as the gas 6 into the vacuum chamber 2, and the arc discharge plasma 18 is generated using this gas. Then, the substrate surface is cleaned by ion bombardment by Ar ions therein, and the adhesion of the film is further improved by doing so.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上記アーク式イオンプ
レーティング装置は、基材8に印加した負のバイアス電
圧V2 によってアーク放電プラズマ18中のイオンを基
材8に向けて加速して、基材8に対してイオンボンバー
ドや成膜を行うことができるため、密着性の良い膜を形
成することができるという利点を有しているけれども、
基材8に印加したバイアス電圧V2 によって、基材8の
尖った部分に電界が集中し、それによってアーク放電プ
ラズマ18中のイオンが当該尖った部分に集中して入射
するため、この入射イオンによって、基材8の尖った部
分にエッチング現象が生じるという問題がある。このよ
うなエッチング現象によって、例えば、イオンボンバー
ド時には、基材8の尖った部分に小さな(例えば数μm
程度の)凹凸が生じて当該部分の表面が荒れてしまうと
いう問題が生じる。また、成膜時には、基材8の尖った
部分だけ膜が形成されなくなるという問題が生じる。
The above-mentioned arc type ion plating apparatus accelerates the ions in the arc discharge plasma 18 toward the base material 8 by the negative bias voltage V 2 applied to the base material 8, Since ion bombardment and film formation can be performed on the material 8, there is an advantage that a film having good adhesion can be formed.
Due to the bias voltage V 2 applied to the base material 8, an electric field is concentrated on a sharp portion of the base material 8, and thereby ions in the arc discharge plasma 18 are concentrated and incident on the sharp portion. Therefore, there is a problem that an etching phenomenon occurs in a sharp portion of the base material 8. Due to such an etching phenomenon, for example, at the time of ion bombardment, a small portion (for example, several μm) is formed in a sharp portion of the base material 8.
The problem arises that irregularities (to a certain extent) occur and the surface of the relevant portion becomes rough. In addition, there is a problem that the film is not formed only at the pointed portion of the base material 8 during the film formation.

【0009】基材8に印加するバイアス電圧V2 を小さ
くすれば、イオンの加速エネルギーが小さくなる等の理
由によって、上記エッチング現象を緩和することはでき
るけれども、そのようにすれば、イオンの加速エネルギ
ーが小さくなるので、膜の密着性が低下する。イオンボ
ンバードを行う場合はその作用も低下するので、これも
膜の密着性低下につながる。
If the bias voltage V 2 applied to the base material 8 is made small, the above-mentioned etching phenomenon can be alleviated for the reason that the acceleration energy of the ions becomes small. However, by doing so, the acceleration of the ions can be accelerated. Since the energy is small, the adhesion of the film is reduced. When ion bombardment is performed, its action is also reduced, and this also leads to a reduction in film adhesion.

【0010】また、アーク式蒸発源14においては、ア
ーク放電によって陰極16の表面が局所的に高温にな
り、それによって陰極表面が溶融して陰極物質が蒸発す
るのであるが、このとき、陰極16からは細かい陰極物
質と共に、大きな塊状の陰極物質(以下、これをドロッ
プレットと呼ぶ)も同時に蒸発し、このドロップレット
が基材8まで飛来してその表面に付着して、基材や膜の
表面を荒らし、それによって、膜表面の面粗度が悪化し
(即ち面粗度が大きくなり)、平滑な膜の形成が困難に
なるという問題がある。この問題は、イオンボンバード
工程および成膜工程を通じて存在するが、成膜工程の方
が処理時間が長いので、より問題が大きいと言える。
Further, in the arc type evaporation source 14, the surface of the cathode 16 is locally heated to a high temperature by the arc discharge, thereby melting the cathode surface and evaporating the cathode substance. At this time, the cathode 16 is evaporated. Along with the fine cathode material, a large lump of cathode material (hereinafter referred to as droplet) is also vaporized at the same time, and this droplet flies to the base material 8 and adheres to the surface of the base material or film, There is a problem that the surface is roughened, whereby the surface roughness of the film surface deteriorates (that is, the surface roughness increases), and it becomes difficult to form a smooth film. Although this problem exists through the ion bombardment process and the film formation process, it can be said that the film formation process is more problematic because the processing time is longer.

【0011】そこでこの発明は、基材に対する膜の密着
性を低下させることなく、基材の尖った部分でのエッチ
ング現象を抑制することができ、かつアーク式蒸発源か
らのドロップレットが基材に飛来して堆積するのを防止
することができるアーク式イオンプレーティング装置を
提供することを主たる目的とする。
Therefore, according to the present invention, it is possible to suppress the etching phenomenon at the sharp portion of the base material without lowering the adhesion of the film to the base material, and the droplet from the arc evaporation source is used as the base material. The main object of the present invention is to provide an arc-type ion plating device capable of preventing the metal from flying and accumulating.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】この発明のアーク式イオ
ンプレーティング装置は、前記アーク式蒸発源の陰極の
前面部とホルダに保持された基材との間を遮るように配
置されたメッシュ状の中間電極と、この中間電極の電位
を、前記アーク式蒸発源の陰極の電位と基材の電位との
中間電位に保つ中間電極電源と、この中間電極を前記真
空容器内において振動または回転させる駆動装置とを備
えることを特徴とする。
The arc type ion plating apparatus of the present invention is a mesh type electrode arranged so as to block between the front surface of the cathode of the arc type evaporation source and the base material held by the holder. Of the intermediate electrode, an intermediate electrode power supply for maintaining the potential of the intermediate electrode at an intermediate potential between the potential of the cathode of the arc evaporation source and the potential of the base material, and vibrating or rotating the intermediate electrode in the vacuum container. And a driving device.

【0013】上記のような中間電位の中間電極を設けて
も、アーク放電プラズマ中のイオンが基材へ向けて加速
される加速エネルギーは、アーク式蒸発源の陰極と基材
との間の電位差によってほぼ決まるので、当該イオンの
加速エネルギーは低下しない。従って、基材に対する膜
の密着性は低下しない。
Even if the intermediate electrode having the intermediate potential as described above is provided, the acceleration energy for accelerating the ions in the arc discharge plasma toward the base material is the potential difference between the cathode of the arc evaporation source and the base material. The acceleration energy of the ion does not decrease. Therefore, the adhesion of the film to the base material does not decrease.

【0014】一方、中間電極と基材との間の領域での電
界強度は、中間電極と基材との間の電位差を両者間の距
離で割った値で決まるので、上記のような中間電位の中
間電極を設けることによって、基材近傍での電界強度は
小さくなる。従ってその分、基材の尖った部分への電界
集中が緩和されるので、当該尖った部分でのエッチング
現象が抑制される。
On the other hand, the electric field strength in the region between the intermediate electrode and the base material is determined by the value of the potential difference between the intermediate electrode and the base material divided by the distance between the two. By providing the intermediate electrode of, the electric field strength near the base material is reduced. Therefore, the electric field concentration on the sharp portion of the base material is reduced accordingly, and the etching phenomenon at the sharp portion is suppressed.

【0015】また、メッシュ状の中間電極を設けること
によって、アーク式蒸発源からのドロップレットの一部
分が中間電極の部材に衝突するようになり、ドロップレ
ットが基材へ飛来するのを少しは防止することができる
けれども、中間電極を振動または回転させると、アーク
式蒸発源からのドロップレットに対する単位時間当たり
の衝突断面積は、中間電極を静止させている場合に比べ
て大きくなるので、この中間電極がドロップレットの通
過を阻止する作用は顕著になる。従って、ドロップレッ
トが基材へ飛来して堆積するのをより効果的に防止する
ことができる。
Further, by providing the mesh-shaped intermediate electrode, a part of the droplet from the arc evaporation source collides with the member of the intermediate electrode, and the droplet is prevented from flying to the base material a little. However, when the intermediate electrode is vibrated or rotated, the collision cross section per unit time against the droplets from the arc evaporation source becomes larger than that when the intermediate electrode is stationary. The effect of the electrode to prevent passage of the droplet becomes remarkable. Therefore, it is possible to more effectively prevent the droplets from flying and accumulating on the base material.

【0016】なお、中間電極を振動または回転させて
も、アーク放電プラズマ中のイオンは、ドロップレット
に比べて小さくかつ軽くて移動度が遙かに大きいので、
また平均自由工程も小さいので、中間電極の孔を比較的
自由に通過することができる。従って、アーク放電プラ
ズマ中のイオンが基材に飛来することに対して大きな障
害にはならない。
Even when the intermediate electrode is vibrated or rotated, the ions in the arc discharge plasma are smaller and lighter than the droplets and have a much higher mobility.
Further, since the mean free path is small, it is possible to pass through the holes of the intermediate electrode relatively freely. Therefore, it is not a major obstacle to the ions in the arc discharge plasma coming to the substrate.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】図1は、この発明に係るアーク式
イオンプレーティング装置の一例を示す断面図である。
図6の従来例と同一または相当する部分には同一符号を
付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明
する。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of an arc type ion plating apparatus according to the present invention.
The same or corresponding portions as those of the conventional example in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and the differences from the conventional example will be mainly described below.

【0018】この実施例においては、前述したアーク式
蒸発源14の陰極16の前面部とホルダ10に保持され
た基材8との間を遮るように、換言すれば陰極16の前
面部から基材8が直接見通せないように、メッシュ状
(網目状)の中間電極24を配置している。
In this embodiment, the front surface of the cathode 16 of the arc-type evaporation source 14 and the base material 8 held by the holder 10 are shielded from each other, in other words, the base portion of the front surface of the cathode 16 is shielded. A mesh-shaped (mesh-shaped) intermediate electrode 24 is arranged so that the material 8 cannot be directly seen through.

【0019】更に、この中間電極24に中間電圧V3
印加して、この中間電極24の電位を、アーク式蒸発源
14の陰極16の電位と基材8との電位との中間電位に
保つ中間電極電源26を設けている。より具体的にはこ
の例では、中間電極電源26から中間電極24に、基材
8に印加するバイアス電圧V2 よりも絶対値の小さい負
の中間電圧V3 を印加するようにしている。
Further, an intermediate voltage V 3 is applied to the intermediate electrode 24 to keep the potential of the intermediate electrode 24 at an intermediate potential between the potential of the cathode 16 of the arc evaporation source 14 and the potential of the base material 8. An intermediate electrode power supply 26 is provided. More specifically, in this example, a negative intermediate voltage V 3 whose absolute value is smaller than the bias voltage V 2 applied to the base material 8 is applied from the intermediate electrode power source 26 to the intermediate electrode 24.

【0020】更に、この中間電極24を真空容器2内に
おいて振動させる駆動装置28を設けている。30は真
空シール部である。駆動装置28によって中間電極24
を振動させる方向は、例えば、図1中に矢印Bで示すよ
うに上下方向でも良いし、紙面の表裏方向(前後方向)
でも良いし、図2中に矢印Cで示すような傾きを変える
方向でも良いし、これらを合成した方向でも良い。図2
のようにしても、アーク式蒸発源14の陰極16の前面
部に対する中間電極24の角度が変化して、陰極16の
前面部から見た中間電極24の孔の部分の立体角が変化
するので、陰極16からのドロップレットに対する単位
時間当たりの衝突断面積を静止時よりも大きくすること
ができる。
Further, a driving device 28 for vibrating the intermediate electrode 24 in the vacuum container 2 is provided. 30 is a vacuum seal part. The intermediate electrode 24 is driven by the driving device 28.
The direction in which the is vibrated may be, for example, the vertical direction as shown by arrow B in FIG.
However, it may be a direction in which the inclination is changed as shown by an arrow C in FIG. 2, or a direction in which these are combined. FIG.
Even in this case, the angle of the intermediate electrode 24 with respect to the front surface of the cathode 16 of the arc evaporation source 14 changes, and the solid angle of the hole portion of the intermediate electrode 24 viewed from the front surface of the cathode 16 changes. The cross-sectional area of collision of the droplets from the cathode 16 per unit time can be made larger than that at rest.

【0021】中間電極24全体の形状は、図1の例では
平板状であるが、その他の形状、例えば円筒状等の筒
状、更には円筒や球の一部分のような形状等でも良い。
The overall shape of the intermediate electrode 24 is a flat plate in the example of FIG. 1, but may be another shape such as a cylindrical shape such as a cylindrical shape, or a shape such as a cylinder or a part of a sphere.

【0022】また、中間電極24は、例えば図3に示す
例のように、ホルダ10上の基材8の周囲を取り囲む円
筒状にして、それをその軸を中心にして駆動装置28に
よって矢印D方向またはその逆方向に回転させるように
しても良い。
Further, the intermediate electrode 24 is formed in a cylindrical shape surrounding the base material 8 on the holder 10 as shown in, for example, FIG. You may make it rotate to a direction or the reverse direction.

【0023】上記のような中間電位の中間電極24を設
けても、アーク式蒸発源14で生成したアーク放電プラ
ズマ18中のイオンが基材8へ向けて加速される加速エ
ネルギーは、陰極近傍でのアーク放電プラズマ18中の
電圧降下等を無視すれば、アーク式蒸発源14の陰極1
6と基材8との間の電位差|V2 −V1 |によって決ま
るので、当該イオンの加速エネルギーは低下しない。即
ち、中間電極24を設けていない図6に示した従来例の
場合と同じである。従って、基材8に対する膜の密着性
は低下しない。
Even if the intermediate electrode 24 having the intermediate potential as described above is provided, the acceleration energy for accelerating the ions in the arc discharge plasma 18 generated by the arc evaporation source 14 toward the substrate 8 is in the vicinity of the cathode. If the voltage drop in the arc discharge plasma 18 is ignored, the cathode 1 of the arc evaporation source 14
Since it is determined by the potential difference | V 2 −V 1 | between the substrate 6 and the substrate 8, the acceleration energy of the ion does not decrease. That is, this is the same as the case of the conventional example shown in FIG. 6 in which the intermediate electrode 24 is not provided. Therefore, the adhesion of the film to the base material 8 does not decrease.

【0024】一方、中間電極24と基材8との間の領域
での電界強度は、中間電極24と基材8との間の電位差
|V2 −V3 |を両者間の距離で割った値で決まるの
で、上記のような中間電位の中間電極24を設けること
によって、基材近傍の電界強度は小さくなる。これを詳
述すると、図6に示した従来例の場合、その線A−A上
での電位分布は例えば図7に示すようになり、基材8の
近傍での電界強度E1 は、陰極16と基材8との間の電
位差|V2 −V1 |を両者間の距離で割った値となる。
これに対して、この実施例の場合は、その線A−A上で
の電位分布は例えば図4に示すようになり、基材8の近
傍での電界強度E2 は、中間電極24と基材8との間の
電位差|V2 −V3 |を両者間の距離で割った値とな
る。図4中に参照用として、図7の場合の電界強度E1
を2点鎖線で示しているが、中間電極24の電位を上記
のような中間電位にすることによって、必ずE1 >E2
になる。従ってこの実施例では、基材近傍での電界強度
が小さくなる分、基材8の尖った部分への電界集中が緩
和され、それによってアーク放電プラズマ18中のイオ
ンが当該尖った部分に集中して入射することも緩和され
るので、当該尖った部分でのエッチング現象が抑制され
る。
On the other hand, the electric field strength in the region between the intermediate electrode 24 and the substrate 8 is obtained by dividing the potential difference | V 2 -V 3 | between the intermediate electrode 24 and the substrate 8 by the distance between them. Since the value is determined by the value, by providing the intermediate electrode 24 having the intermediate potential as described above, the electric field strength near the base material becomes small. More specifically, in the case of the conventional example shown in FIG. 6, the potential distribution on the line AA is as shown in FIG. 7, for example, and the electric field strength E 1 in the vicinity of the base material 8 is It is a value obtained by dividing the potential difference | V 2 −V 1 | between 16 and the base material 8 by the distance between the two.
On the other hand, in the case of this embodiment, the potential distribution on the line AA is as shown in FIG. 4, for example, and the electric field strength E 2 in the vicinity of the base material 8 is the same as that of the intermediate electrode 24. It is a value obtained by dividing the potential difference | V 2 −V 3 | with the material 8 by the distance between the two. For reference in FIG. 4, the electric field strength E 1 in the case of FIG.
Is indicated by a chain double-dashed line, but by setting the potential of the intermediate electrode 24 to the intermediate potential as described above, E 1 > E 2
become. Therefore, in this embodiment, since the electric field strength near the base material is reduced, the electric field concentration on the sharp portion of the base material 8 is alleviated, so that the ions in the arc discharge plasma 18 are concentrated on the sharp portion. Since the incident light is alleviated, the etching phenomenon at the pointed portion is suppressed.

【0025】以上の結果、この実施例によれば、基材8
に対する膜の密着性を低下させることなく、基材8の尖
った部分でのエッチング現象を抑制することができる。
従って例えば、刃物や工具類の刃先や稜線部にも、他の
部分と同じように、耐摩耗性膜等の所望の膜を被覆す
る、しかも密着性良く被覆することができる。
As a result of the above, according to this embodiment, the substrate 8
It is possible to suppress the etching phenomenon in the pointed portion of the base material 8 without lowering the adhesion of the film to the.
Therefore, for example, the blade edge or the ridgeline portion of a cutting tool or a tool can be coated with a desired film such as a wear-resistant film, and can be coated with good adhesion, like other portions.

【0026】また、メッシュ状の中間電極24を設ける
ことによって、アーク式蒸発源14で発生したドロップ
レットの一部が中間電極24の孔以外の部材に衝突する
ようになり、ドロップレットが基材8へ飛来するのを少
しは防止することができるけれども、それだけでドロッ
プレットの通過を阻止しようとすれば、中間電極24の
孔を非常に小さくしなければならず、それに応じて開口
率も小さくなるので、アーク放電プラズマ18中のイオ
ンが基材8へ飛来する割合(即ちイオンの収率)も大き
く低下してしまい、成膜速度等の処理速度が低下する。
Further, by providing the mesh-shaped intermediate electrode 24, a part of the droplets generated in the arc type evaporation source 14 collides with a member other than the holes of the intermediate electrode 24, and the droplets become the base material. Although it is possible to prevent the droplets from jumping to 8 a little, if it is intended to prevent passage of the droplets by itself, the hole of the intermediate electrode 24 must be made very small, and the aperture ratio is accordingly reduced. Therefore, the ratio of the ions in the arc discharge plasma 18 flying to the base material 8 (that is, the yield of ions) is also greatly reduced, and the processing speed such as the film forming speed is decreased.

【0027】これに対して、この実施例のように中間電
極24を振動、または図3に示す実施例のように中間電
極24を回転させると、アーク式蒸発源14からのドロ
ップレットに対する単位時間当たりの衝突断面積は、中
間電極24を静止させている場合に比べて遙かに大きく
なるので、中間電極の孔の大きさや開口率をあまり小さ
くしなくても、この中間電極24がドロップレットの通
過を阻止する作用は遙かに大きくなる。従って、ドロッ
プレットが基材8へ飛来して堆積するのをより効果的に
防止することができる。その結果、基材8の表面に、面
粗度の良好な、即ち平滑性に優れた膜を形成することが
できる。
On the other hand, when the intermediate electrode 24 is vibrated as in this embodiment or the intermediate electrode 24 is rotated as in the embodiment shown in FIG. 3, the unit time for the droplet from the arc evaporation source 14 is changed. Since the collision cross-sectional area for hitting is much larger than that in the case where the intermediate electrode 24 is stationary, the intermediate electrode 24 does not have to have a very small hole size or aperture ratio, and the intermediate electrode 24 does not drop. The effect of blocking the passage of is much greater. Therefore, it is possible to more effectively prevent the droplets from flying and accumulating on the base material 8. As a result, a film having good surface roughness, that is, excellent smoothness can be formed on the surface of the base material 8.

【0028】なお、中間電極24を振動または回転させ
ても、アーク放電プラズマ18中のイオンは、ドロップ
レットに比べて小さくかつ軽くて移動度が遙かに大きい
ので、また平均自由工程が小さくて衝突をくり返しなが
ら進むことができるので、中間電極24の孔を比較的自
由に通過することができる。従って、アーク放電プラズ
マ18中のイオンが基材8に飛来することに対して大き
な障害にはならない。即ち、イオンの収率はあまり低下
しないので、成膜速度等の処理速度はあまり低下しな
い。
Even if the intermediate electrode 24 is vibrated or rotated, the ions in the arc discharge plasma 18 are smaller and lighter than the droplets and have a much higher mobility, so that the mean free path is small. Since it is possible to proceed while repeating the collision, it is possible to relatively freely pass through the hole of the intermediate electrode 24. Therefore, the ions in the arc discharge plasma 18 do not become a major obstacle to flying to the base material 8. That is, since the yield of ions does not decrease so much, the processing speed such as the film forming speed does not decrease so much.

【0029】以上のようにこの実施例の装置によれば、
基材8に対する膜の密着性を低下させることなく、基材
8の尖った部分でのエッチング現象を抑制することがで
き、かつアーク式蒸発源14からのドロップレットが基
材8に飛来して堆積するのを防止することができるの
で、基材8の尖った部分を含む全体に、密着性が高くか
つ表面の平滑性に優れた膜を形成することができる。従
って例えば、精密切削を要求される工具や刃物類に、そ
の稜線部や刃先を含む全体に、表面平滑度が高くかつ密
着性の高い膜を形成することができる。
As described above, according to the apparatus of this embodiment,
Without lowering the adhesion of the film to the base material 8, the etching phenomenon at the sharp portion of the base material 8 can be suppressed, and the droplets from the arc evaporation source 14 fly to the base material 8. Since deposition can be prevented, a film having high adhesion and excellent surface smoothness can be formed on the entire base material 8 including the pointed portion. Therefore, for example, it is possible to form a film having a high surface smoothness and a high adhesiveness on a tool or a cutting tool which requires precision cutting, including the ridge line portion and the cutting edge thereof.

【0030】なお、上記のような装置において、成膜の
前工程としてイオンボンバード処理を行う場合、このイ
オンボンバード工程は通常は成膜工程に比べて処理時間
が短く、その分、ドロップレットが基材8へ飛来して堆
積する量も少なくなるので、イオンボンバード工程の際
は、中間電極24を静止させておいても良い。
When the ion bombardment process is carried out as a pre-process for film formation in the apparatus as described above, this ion bombardment process is usually shorter in processing time than the film formation process, and droplets are used as a basis. Since the amount of the particles that fly to the material 8 and accumulate is small, the intermediate electrode 24 may be stationary during the ion bombardment step.

【0031】また、アーク式蒸発源14には、例えば図
5に示す例のように、その陰極16を構成する物質と反
応して化合物、より具体的には陰極構成物質よりも高融
点の化合物を作る反応性ガス36を陰極16の前面に吹
き付けるガス吹付け機構34を設けても良い。この反応
性ガス36は、例えば窒素ガス、炭化水素系ガス、酸素
ガス等である。より具体例を示せば、陰極16がチタン
で反応性ガス36が窒素ガスであり、この場合は両者が
化合して窒化チタン(TiN)が形成される。このガス
吹付け機構34を使用する場合は、その反応性ガス36
は通常は、真空容器2内にガス導入口4から導入するガ
ス6と同じ種類のものにする。
Further, in the arc type evaporation source 14, as in the example shown in FIG. 5, for example, a compound reacting with the substance constituting the cathode 16 thereof, more specifically, a compound having a higher melting point than the cathode constituting substance is used. A gas blowing mechanism 34 may be provided to blow a reactive gas 36 for producing a gas onto the front surface of the cathode 16. The reactive gas 36 is, for example, nitrogen gas, hydrocarbon gas, oxygen gas, or the like. More specifically, the cathode 16 is titanium and the reactive gas 36 is nitrogen gas. In this case, both are combined to form titanium nitride (TiN). When using this gas blowing mechanism 34, the reactive gas 36
Is usually of the same type as the gas 6 introduced into the vacuum container 2 through the gas inlet 4.

【0032】アーク式蒸発源14にこのようなガス吹付
け機構34を設けて、その陰極16の前面に反応性ガス
36を吹き付けながら陰極16においてアーク放電を生
じさせると、アーク放電の陰極点が陰極表面に多数生
じて陰極16の前面近傍でアーク分岐が生じる、陰極
16の前面で陰極構成物質と反応性ガス36とが反応し
て陰極前面に元の陰極構成物質よりも高融点の化合物が
形成されてそれが陰極前面での溶融部の広がりを抑え
る、等の作用によって、陰極前面での粗大な溶融部の形
成が抑制され、アーク式蒸発源14からのドロップレッ
トの飛散自体が抑制される。その結果、これと上記のよ
うな振動または回転式の中間電極24を設けたこととが
相俟って、基材8上に面粗度の一層良好な膜を形成する
ことができる。
When the arc type evaporation source 14 is provided with such a gas blowing mechanism 34 and an arc discharge is generated at the cathode 16 while the reactive gas 36 is being blown to the front surface of the cathode 16, the cathode point of the arc discharge is A large number of arcs are generated on the cathode surface and arc branching occurs in the vicinity of the front surface of the cathode 16. The cathode constituent substance and the reactive gas 36 react with each other on the front surface of the cathode 16 to form a compound having a higher melting point than the original cathode constituent substance on the cathode front surface. By the action of being formed and suppressing the spread of the molten portion on the cathode front surface, the formation of a coarse molten portion on the cathode front surface is suppressed, and the scattering of droplets from the arc evaporation source 14 itself is suppressed. It As a result, this is combined with the provision of the vibration or rotary intermediate electrode 24 as described above, so that a film having a better surface roughness can be formed on the base material 8.

【0033】次に、より具体的な実施例を幾つか説明す
る。
Next, some more specific examples will be described.

【0034】〈実施例1〉比較例1として、図6に示し
た従来の装置を用いて、陰極16にTiを用い、これに
アーク放電電圧V1 として−40Vを印加し、イオンボ
ンバード工程ではガス6としてArガスを導入し、超硬
合金から成り稜線部(エッジ部)を有する基材8にバイ
アス電圧V2 として−500Vを印加した。また成膜工
程では、ガス6として初めはCH4 とN2 の混合ガスを
導入し、途中からN2 ガスのみに切り換え、同基材8に
バイアス電圧V2 として−600Vを印加して、TiC
N/TiNの積層膜(膜厚は3μmずつの合計6μm)
を形成した。
Example 1 As Comparative Example 1, the conventional apparatus shown in FIG. 6 was used, Ti was used for the cathode 16, and an arc discharge voltage V 1 of −40 V was applied to the cathode 16 in the ion bombardment step. Ar gas was introduced as the gas 6, and a bias voltage V 2 of −500 V was applied to the base material 8 made of cemented carbide and having a ridge (edge). In the film forming step, a mixed gas of CH 4 and N 2 is initially introduced as the gas 6, and only N 2 gas is switched from the middle, and −600 V as a bias voltage V 2 is applied to the base material 8 to produce TiC.
N / TiN laminated film (thickness of 3 μm, total 6 μm)
Was formed.

【0035】一方、実施例1として、図1に示した装置
であって図3に示したような回転式のメッシュ状の中間
電極24を有するものを用いてそれを回転させながら、
中間電極24に中間電圧V3 としてイオンボンバード時
は−250V、成膜時は−350Vを印加して、上記比
較例と同様にして成膜したところ、以下の結果が得られ
た。なお、表中における面粗度は最大表面粗さ(Rma
x)で表しており、密着力はスクラッチ試験法による臨
界密着強度(N)を表している(他の表においても同
様)。
On the other hand, as Example 1, while using the apparatus shown in FIG. 1 having the rotary mesh-shaped intermediate electrode 24 as shown in FIG.
The following results were obtained when a film was formed in the same manner as in the comparative example by applying −250 V as the intermediate voltage V 3 to the intermediate electrode 24 during ion bombardment and −350 V during film formation. The surface roughness in the table is the maximum surface roughness (Rma
x), and the adhesion represents the critical adhesion strength (N) by the scratch test method (the same applies to other tables).

【0036】[0036]

【表1】 [Table 1]

【0037】このように、実施例1によれば、基材の表
面に、面粗度が良好で、密着力が大きく、かつ稜線部に
エッチングのない膜を形成することができることが分か
る。
As described above, according to Example 1, it can be seen that a film having good surface roughness, high adhesion, and no etching on the ridge can be formed on the surface of the substrate.

【0038】〈実施例2〉比較例2として、図6に示し
た従来の装置を用いて、ガス6にN2 ガスを用い、陰極
16にTiAl合金を用い、これにアーク放電電圧V1
として−40Vを印加し、高速度工具鋼から成り稜線部
を有する基材8にバイアス電圧V2 として−900Vを
印加して、TiAlN膜(膜厚5μm)を形成した。
Example 2 As Comparative Example 2, using the conventional apparatus shown in FIG. 6, N 2 gas was used as gas 6, TiAl alloy was used as cathode 16, and arc discharge voltage V 1
Was applied as a bias voltage V 2 to the base material 8 made of high-speed tool steel and having a ridge portion to form a TiAlN film (film thickness 5 μm).

【0039】一方、実施例2として、図1に示した装置
を用いて、中間電極24を上下に振動させながら、これ
に中間電圧V3 として−500Vを印加して、上記比較
例と同様にして成膜したところ、以下の結果が得られ
た。
On the other hand, as Example 2, by using the apparatus shown in FIG. 1, while vibrating the intermediate electrode 24 up and down, an intermediate voltage V 3 of −500 V was applied to the intermediate electrode 24 in the same manner as in the comparative example. When the film was formed by the following method, the following results were obtained.

【0040】[0040]

【表2】 [Table 2]

【0041】このように、実施例2によれば、基材の表
面に、面粗度が良好で、密着力が大きく、かつ稜線部に
エッチングのない膜を形成することができることが分か
る。
As described above, according to Example 2, it can be seen that a film having good surface roughness, high adhesion, and no etching on the ridge can be formed on the surface of the base material.

【0042】〈実施例3〉比較例3として、図6に示し
た従来の装置を用いて、ガス6にN2 ガスを用い、陰極
16にTiを用いて、これにアーク放電電圧V1 として
−40Vを印加し、基材8として表面にトレンチ構造を
有するSiウェーハを用いてそれを保持するホルダ10
にバイアス電圧V2 として−600Vを印加して成膜し
たところ、Tiの塊状粒子(ドロップレット)がトレン
チ開口に詰まってトレンチ底部に均一な厚さのTiN膜
を形成することはできなかった。
Example 3 As Comparative Example 3, the conventional apparatus shown in FIG. 6 was used, N 2 gas was used as the gas 6, Ti was used as the cathode 16, and the arc discharge voltage V 1 was used as the arc discharge voltage V 1. Holder 10 for applying −40 V and holding it by using a Si wafer having a trench structure on the surface as a base material 8.
When a film was formed by applying a bias voltage V 2 of −600 V, the Ti agglomerated particles (droplets) were blocked in the trench opening, and it was not possible to form a TiN film having a uniform thickness at the bottom of the trench.

【0043】一方、実施例3として、図1に示した装置
であってアーク式蒸発源14が図5に示したようなガス
吹付け機構34を有するものを用いて、陰極16の表面
に反応性ガス36としてN2 ガスを吹き付けながら、か
つ中間電極24を上下に振動させながら、これに中間電
圧V3 として−350Vを印加して、上記比較例と同様
にして成膜したところ、トレンチの側壁および底面にも
平滑かつ均一な膜厚のTiN膜を形成することができ
た。
On the other hand, as Example 3, the apparatus shown in FIG. 1 in which the arc type evaporation source 14 has the gas blowing mechanism 34 as shown in FIG. 5 is used to react on the surface of the cathode 16. While the N 2 gas was blown as the volatile gas 36 and the intermediate electrode 24 was vertically vibrated, an intermediate voltage V 3 of −350 V was applied thereto to form a film in the same manner as in the comparative example. A TiN film having a smooth and uniform thickness could be formed on the side wall and the bottom surface.

【0044】〈実施例4〉比較例4として、アーク式蒸
発源14を2台有する図6に示したような従来の装置を
用いて、一方の陰極16をTiにし他方の陰極16をT
iAl合金にして、これらにアーク放電電圧V1 として
−40Vをそれぞれ印加し、イオンボンバード工程では
ガス6としてArガスを導入し、超硬合金から成り稜線
部を有する基材8にバイアス電圧V2 とし−500Vを
印加した。また成膜工程では、ガス6としてN2 ガスを
導入し、同基材8にバイアス電圧V2 として−600V
を印加して、TiAlN/TiNの積層膜(膜厚は3μ
mずつの合計6μm)を形成した。
Example 4 As Comparative Example 4, using a conventional apparatus having two arc evaporation sources 14 as shown in FIG. 6, one cathode 16 is made Ti and the other cathode 16 is made T.
iAl alloys were applied with −40 V as the arc discharge voltage V 1 , respectively, and Ar gas was introduced as the gas 6 in the ion bombardment step, and the bias voltage V 2 was applied to the base material 8 made of cemented carbide and having a ridge portion. And -500V was applied. In addition, in the film forming step, N 2 gas is introduced as the gas 6, and a bias voltage V 2 of the base material 8 is −600 V.
Is applied to the TiAlN / TiN laminated film (thickness is 3 μm
m total 6 μm) was formed.

【0045】一方、実施例4として、アーク式蒸発源1
4を2台有する図1に示したような装置であって図3に
示したようなメッシュ状で円筒状の中間電極24を有す
るものを用いて、イオンボンバード時は中間電極24を
静止または回転させ、かつこの中間電極24に中間電圧
3 として−250Vを印加し、成膜時は中間電極24
を上下に振動または図3に示したように回転させ、かつ
この中間電極24に中間電圧V3 として−350Vを印
加して、上記比較例と同様にして成膜したところ、以下
の結果が得られた。
On the other hand, as Example 4, the arc type evaporation source 1
Using the device shown in FIG. 1 having two 4 and having the mesh-shaped cylindrical intermediate electrode 24 as shown in FIG. 3, the intermediate electrode 24 is stationary or rotated during ion bombardment. In addition, −250 V is applied as an intermediate voltage V 3 to the intermediate electrode 24, and the intermediate electrode 24 is applied during film formation.
Was vertically vibrated or rotated as shown in FIG. 3, and -350 V was applied as an intermediate voltage V 3 to this intermediate electrode 24 to form a film in the same manner as in the above comparative example, and the following results were obtained. Was given.

【0046】[0046]

【表3】 [Table 3]

【0047】このように、実施例4によれば、基材の表
面に、面粗度が良好で、密着力が大きく、かつ稜線部に
エッチングのない膜を形成することができることが分か
る。また、中間電極24をイオンボンバード時と成膜時
の両方で振動または回転させれば、膜の面粗度が一層良
好になることが分かる。
As described above, according to Example 4, it is understood that it is possible to form a film having good surface roughness, high adhesion, and no etching on the ridge line on the surface of the base material. Further, it is found that when the intermediate electrode 24 is vibrated or rotated during both ion bombardment and film formation, the surface roughness of the film is further improved.

【0048】[0048]

【発明の効果】この発明は、上記のとおり構成されてい
るので、次のような効果を奏する。
Since the present invention is configured as described above, it has the following effects.

【0049】請求項1の発明によれば、上記のような中
間電位の中間電極を設けたことによって、アーク放電プ
ラズマ中のイオンが基材へ向けて加速される加速エネル
ギーを低下させることなく、中間電極と基材との間の領
域での電界強度を小さくして、基材の尖った部分への電
界集中を緩和することができる。その結果、基材に対す
る膜の密着性を低下させることなく、基材の尖った部分
でのエッチング現象を抑制することができる。
According to the first aspect of the present invention, by providing the intermediate electrode having the intermediate potential as described above, the acceleration energy for accelerating the ions in the arc discharge plasma toward the substrate can be reduced. The electric field strength in the region between the intermediate electrode and the base material can be reduced to reduce the electric field concentration on the sharp portion of the base material. As a result, it is possible to suppress the etching phenomenon in the sharp portion of the base material without lowering the adhesion of the film to the base material.

【0050】しかも、中間電極を振動または回転させる
ようにしているので、アーク式蒸発源からのドロップレ
ットに対する単位時間当たりの衝突断面積を、中間電極
を静止させている場合に比べて大きくすることができ、
その結果、この中間電極によって、アーク式蒸発源から
のドロップレットが基材へ飛来して堆積するのを効果的
に防止することができる。従って、基材上に面粗度が良
好で平滑性に優れた膜を形成することができる。
Moreover, since the intermediate electrode is vibrated or rotated, the collision cross-section area per unit time against the droplet from the arc evaporation source should be made larger than that when the intermediate electrode is stationary. Can
As a result, this intermediate electrode can effectively prevent droplets from the arc evaporation source from flying and accumulating on the substrate. Therefore, a film having good surface roughness and excellent smoothness can be formed on the substrate.

【0051】即ちこの発明によれば、基材の尖った部分
を含む全体に、密着性が高くかつ平滑性に優れた膜を形
成することができる。
That is, according to the present invention, a film having high adhesion and excellent smoothness can be formed on the entire surface of the base material including the pointed portion.

【0052】請求項2の発明によれば、アーク式蒸発源
にガス吹付け機構を設けたことによって、アーク式蒸発
源からのドロップレットの飛散自体を抑制することがで
きるので、上記のような振動または回転式の中間電極を
設けたことと相俟って、ドロップレットが基材へ飛来し
て堆積することをより確実に防止することができる。そ
の結果、基材上に面粗度の一層良好な膜を形成すること
ができる。
According to the second aspect of the invention, since the arc type evaporation source is provided with the gas blowing mechanism, it is possible to suppress the scattering of the droplets from the arc type evaporation source. Combined with the provision of the vibration or rotation type intermediate electrode, it is possible to more reliably prevent the droplets from flying and accumulating on the base material. As a result, a film having a better surface roughness can be formed on the base material.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明に係るアーク式イオンプレーティング
装置の一例を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of an arc type ion plating apparatus according to the present invention.

【図2】中間電極を振動させる場合の他の例を示す図で
ある。
FIG. 2 is a diagram showing another example of vibrating the intermediate electrode.

【図3】中間電極を回転させる場合の例を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing an example of rotating an intermediate electrode.

【図4】図1中の線A−A上での電位分布の一例を示す
図である。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a potential distribution on a line AA in FIG.

【図5】ガス吹付け機構を有するアーク式蒸発源の例を
示す概略図である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of an arc evaporation source having a gas blowing mechanism.

【図6】従来のアーク式イオンプレーティング装置の一
例を示す断面図である。
FIG. 6 is a sectional view showing an example of a conventional arc type ion plating apparatus.

【図7】図6中の線A−A上での電位分布の一例を示す
図である。
FIG. 7 is a diagram showing an example of a potential distribution on a line AA in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 真空容器 8 基材 10 ホルダ 14 アーク式蒸発源 16 陰極 18 アーク放電プラズマ 20 アーク電源 22 バイアス電源 24 中間電極 26 中間電極電源 28 駆動装置 34 ガス吹付け機構 36 反応性ガス 2 Vacuum Container 8 Base Material 10 Holder 14 Arc Evaporation Source 16 Cathode 18 Arc Discharge Plasma 20 Arc Power Supply 22 Bias Power Supply 24 Intermediate Electrode 26 Intermediate Electrode Power Supply 28 Drive Device 34 Gas Spraying Mechanism 36 Reactive Gas

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 真空容器と、この真空容器内に設けられ
ていて被処理物である基材を保持するホルダと、前記真
空容器に、その内部のホルダに保持される基材に向けて
取り付けられていて、アーク放電によって陰極を溶解さ
せると共に当該陰極の前面近傍にイオン化した陰極物質
を含むアーク放電プラズマを生成するアーク式蒸発源
と、前記ホルダに保持された基材に負のバイアス電圧を
印加するバイアス電源とを備えるアーク式イオンプレー
ティング装置において、前記アーク式蒸発源の陰極の前
面部とホルダに保持された基材との間を遮るように配置
されたメッシュ状の中間電極と、この中間電極の電位
を、前記アーク式蒸発源の陰極の電位と基材の電位との
中間電位に保つ中間電極電源と、この中間電極を前記真
空容器内において振動または回転させる駆動装置とを備
えることを特徴とするアーク式イオンプレーティング装
置。
1. A vacuum container, a holder provided in the vacuum container for holding a substrate that is an object to be processed, and the holder attached to the vacuum container facing the substrate held by the holder therein. The arc type evaporation source for generating an arc discharge plasma containing ionized cathode material in the vicinity of the front surface of the cathode by melting the cathode by arc discharge, and a negative bias voltage to the substrate held in the holder. In an arc-type ion plating apparatus including a bias power source for applying, a mesh-shaped intermediate electrode arranged so as to block between the front surface of the cathode of the arc-type evaporation source and the base material held in the holder, An intermediate electrode power source that maintains the potential of the intermediate electrode at an intermediate potential between the cathode potential of the arc evaporation source and the substrate potential, and the intermediate electrode is oscillated in the vacuum container. An arc-type ion plating device characterized by comprising a driving device for rotating or rotating.
【請求項2】 前記アーク式蒸発源が、その陰極構成物
質と反応する反応性ガスを陰極前面に吹き付けるガス吹
付け機構を有する請求項1記載のアーク式イオンプレー
ティング装置。
2. The arc-type ion plating apparatus according to claim 1, wherein the arc-type evaporation source has a gas spraying mechanism for spraying a reactive gas that reacts with the cathode constituent material onto the front surface of the cathode.
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