JP2001303248A

JP2001303248A - 膜形成装置の基材温度計測方法

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Publication number: JP2001303248A
Application number: JP2000125625A
Authority: JP
Inventors: Naoto Okazaki; 尚登岡崎; Osamu Miyazaki; 修宮崎; Takeshi Yoshihara; 健吉原
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2001-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】回転しているホルダ上の複数の基材の内の目
的の基材の温度を簡単にかつ正確に計測する方法を提供
する。【解決手段】一定の計測位置に来た基材２の温度を計
測する放射温度計２０と、ホルダ４の回転を検出してホ
ルダ４が１回転するごとに一定のタイミングでトリガ信
号Ｓ₂を出力する回転検出器３０と、放射温度計２０で
計測した温度の経時変化を、回転検出器３０から与えら
れる一つのトリガ信号Ｓ₂とその次のトリガ信号Ｓ₂と
の間を一区切りにして一定の開始時点から表示する表示
装置４０とを用いて、目的の基材２が放射温度計２０の
計測位置に到達した計測タイミングをオペレータが確認
してそれを表示装置４０に設定し、この設定された計測
タイミングの温度を表示装置４０を用いて計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、アーク式イオン
プレーティング法等のＰＶＤ法（物理蒸着法）によって
基材の表面に膜を形成する膜形成装置において、基材の
温度を計測する方法に関し、より具体的には、回転して
いるホルダ上の複数の基材の内の目的の基材の温度を簡
単にかつ正確に計測する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４に、従来の膜形成装置の一例を示
す。この膜形成装置は、真空容器（図示省略）内に設け
られた回転式のホルダ（例えば回転テーブル）４に複数
の基材２を保持して、蒸発源１２から蒸発させた蒸発粒
子１４を各基材２に入射させて、各基材２の表面に膜を
形成するよう構成されている。

【０００３】基材２は、例えば、超硬合金、高速度工具
鋼、ステンレス鋼等の金属や、プラスチック、ガラス等
から成る。このような基材２の表面に形成する膜は、例
えば、ＴiＮ、ＴiＣＮ、ＴiＡlＮ、ＣrＮ、Ｃ等から成
る。これによって、基材２の耐摩耗性、耐腐食性、摺動
性、装飾性等を向上させることができる。

【０００４】ホルダ４は回転軸６に取り付けられてお
り、これらは、真空容器外に設けた回転駆動源１０によ
って、例えば矢印Ａ方向に一定速度で回転させられる。
８は真空シール機能を有する軸受部である。

【０００５】蒸発源１２は、例えば、アーク放電によっ
て陰極を溶解させて陰極物質を蒸発させるアーク式蒸発
源であり、このようなアーク式蒸発源を用いて基材２に
負バイアス電圧を印加して膜形成を行う。このような成
膜方法は、アーク式イオンプレーティング法と呼ばれ
る。蒸発源１２は、他に、るつぼ中の蒸発材料を加熱し
て蒸発させる蒸発源でも良いし、ターゲットをプラズマ
やイオンビーム等によってスパッタするスパッタ式蒸発
源等でも良い。

【０００６】このような膜形成装置における基材２の温
度の計測、例えば成膜前、成膜中または成膜後の基材２
の温度の計測は、従来は、真空容器の壁面に設けた計測
窓１８を通して、基材２からの放射１６を放射温度計２
０で計測することで行っていた。放射温度計２０は、例
えば赤外放射温度計であり、その場合は放射１６は赤外
線である。計測窓１８は、例えば石英ガラス、サファイ
アガラス等の放射１６を吸収しにくい材質から成る。

【０００７】ところで、このような膜形成装置におい
て、互いに大きさの異なる複数種類の基材２をホルダ４
に混載して成膜処理を行う場合がある。図示例は、ドリ
ル、エンドミル等の円柱状の基材２であって、大型の基
材２ａ、中型の基材２ｂおよび小型の基材２ｃを混載し
た例である。

【０００８】このような場合、各基材２ａ〜２ｃの温度
は通常は互いに異なる。例えば、アーク式イオンプレー
ティング法では、通常、成膜直前に、基材２に−１００
０Ｖ程度の比較的大きいバイアス電圧を印加して、アー
ク式の蒸発源１２で発生させた蒸発粒子１４の内でイオ
ン化しているものを各基材２に衝突させるというボンバ
ード処理を行い、これによって基材２の加熱と清浄化を
行って膜の密着性を高めるという処理が採用されるけれ
ども、このボンバード処理の際の各基材２ａ〜２ｃの温
度は互いに異なる。具体的には、大型の基材２ａよりも
小型の基材２ｃの方が温度は高くなる。

【０００９】従ってこのような場合、ホルダ４の回転に
伴って、放射温度計２０で計測する温度は時々刻々に変
化する。そこで従来は、放射温度計２０で計測する温度
の平均化またはピークホールド（最大値保持）というデ
ータ処理を行うことで、基材２の温度計測を行ってい
た。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な平均化またはピークホールドというデータ処理では、
目的の基材２（例えば中型の基材２ｂ）の温度を正確に
計測することはできない。

【００１１】また、放射温度計２０で計測した温度の経
時変化をグラフ化したとしても、図５に示す例のよう
に、温度が時間経過と共に目まぐるしく変化するグラフ
が得られるだけであり、その内のどれが目的の基材２の
温度かの判別は難しい。例えば図５の例では、矢印Ｂで
示される温度が中型の基材２ｂの温度であるけれども、
そのように指摘されなければ分からないほど判別は難し
い。

【００１２】このように従来の計測方法では、回転して
いるホルダ４上の複数の基材２の内の目的の基材２の温
度を正確に計測することが難しく、誤計測が生じやす
い。その結果例えば、前記ボンバード処理時の基材２の
加熱温度が適正でなくなり、基材２の表面に形成する膜
の剥離や基材２の硬度低下等の問題が生じる。これがひ
いては、膜形成の安定性や生産性を低下させる原因にな
る。

【００１３】そこでこの発明は、回転しているホルダ上
の複数の基材の内の目的の基材の温度を簡単にかつ正確
に計測する方法を提供することを主たる目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明の基材温度計測
方法は、真空容器内に設けられた回転式のホルダに複数
の基材を保持して各基材に対して膜形成を行う膜形成装
置において、前記真空容器の壁面に設けた計測窓を通し
て、一定の計測位置に来た前記基材の温度を計測する放
射温度計と、前記ホルダの回転を検出して、当該ホルダ
が１回転するごとに一定のタイミングでトリガ信号を出
力する回転検出器と、前記放射温度計で計測した温度の
経時変化を、前記回転検出器から与えられる一つのトリ
ガ信号とその次のトリガ信号との間を一区切りにして一
定の開始時点から表示する表示装置とを用いて、目的の
基材が前記放射温度計の計測位置に到達した計測タイミ
ングをオペレータが確認してそれを前記表示装置に設定
し、この設定された計測タイミングの温度を前記表示装
置を用いて計測することを特徴としている。

【００１５】上記計測方法によれば、放射温度計で計測
した温度の経時変化が、表示装置に、回転検出器から与
えられる一つのトリガ信号とその次のトリガ信号との間
を一区切りにして、しかも常に一定の開始時点から（簡
単に言えば同じ位置から）表示される。従って、目的の
基材が放射温度計の計測位置に到達した計測タイミング
をオペレータが確認してそれを表示装置に設定すれば、
それ以降は、当該計測タイミングにおける表示温度は、
常に、目的の基材の温度を示していることになる。従っ
て、上記設定作業は何度も行う必要はなく、一度行えば
良い。従って作業が簡単である。

【００１６】上記設定後は、上記計測タイミングの温度
を表示装置を用いて計測することによって、任意の時
に、目的の基材の温度を、他の基材と間違わずに正確に
計測することができる。

【００１７】このようにして、回転しているホルダ上の
複数の基材の内の目的の基材の温度を簡単にかつ正確に
計測することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係る基材温度
計測方法の実施に用いる膜形成装置の一例を示す斜視図
である。図４に示した従来の装置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装置との
相違点を主に説明する。

【００１９】この膜形成装置は、複数の基材２を保持す
る前述したような回転式のホルダ４と、各基材２に膜形
成を行う前述したような蒸発源１２と、一定の計測位置
に来た基材２の温度を計測する前述したような放射温度
計２０と、次のような回転検出器３０および表示装置４
０とを備えている。

【００２０】回転検出器３０は、ホルダ４の矢印Ａに示
すような回転を検出して、当該ホルダ４が１回転するご
とに一定のタイミングでトリガ信号Ｓ₂を出力する。
「一定のタイミングで」とは、ホルダ４および回転軸６
が「ある決まった角度（回転位置）に来た時に」と言い
換えることができる。回転検出器３０は、この例では、
前記回転軸６に取り付けられていて切り欠き３４を一つ
有する円板３２と、当該円板３２の切り欠き３４が通過
するごとにトリガ信号Ｓ₂を一つ出力するフォトセンサ
３６とを備えている。これによって、回転軸６およびホ
ルダ４が１回転してある決まった角度（回転位置）に来
る度にパルス状のトリガ信号Ｓ₂が一つずつ出力され
る。

【００２１】切り欠き３４の位置は、後述する表示装置
４０における温度表示の開始時点ｔ ₀を規定するだけで
あるので、特定の基材２との特定の位置関係にある必要
はない。また、円板３２に切り欠き３４を二つ以上設け
て、トリガ信号Ｓ₂を表示装置４０において間引きして
用いる等しても良いが、切り欠き３４は一つあれば十分
である。

【００２２】回転検出器３０は、上記例以外のものでも
良い。例えば、回転駆動源１０を構成するモータ自体に
その回転角度を検出する機器（例えばエンコーダ等）を
取り付け、当該機器を上記回転検出器３０としても良
い。

【００２３】表示装置４０は、前記放射温度計２０から
与えられる温度信号Ｓ₁と、回転検出器３０から与えら
れるトリガ信号Ｓ₂とを用いて、例えば図２に示す例の
ように、放射温度計２０で計測した温度Ｔの経時変化
（時間的な変化）を、回転検出器３０から与えられる一
つのトリガ信号Ｓ₂とその次のトリガ信号Ｓ₂との間を
一区切りにして、一定の開始時点ｔ₀から表示する。開
始時点ｔ₀は、この例では、一つのトリガ信号Ｓ₂が与
えられた時点であり、この例ではそれを０秒としてい
る。

【００２４】上記のように一定の開始時点ｔ₀から表示
することによって、例えばこの図２の例のように一区切
りにされた温度Ｔの経時変化を複数個（図中のｎ−１、
ｎ、ｎ＋１、ｎ＋２はその番号を示している）積み重ね
て表示する場合、複数の温度変化グラフの上下の位置
（位相）が揃うことになる。この図２の例のように複数
個重ねて表示すると、時間経過と共に基材２の温度が上
昇する場合、同じようなパターンで温度が高くなったグ
ラフが複数個表示されることになる。あるいは、温度Ｔ
の経時変化を１回ごとに更新して、一区切りの温度変化
グラフを一つ表示するようにしても良く、その場合は、
その温度変化グラフが毎回同じ位置に表示されることに
なる。上記表示位置は、ホルダ４の回転速度が１回転内
で変化しない限りずれることはなく、ホルダ４の回転速
度が１回転内で変化することは通常は起こらないので、
即ちホルダ４の回転速度は通常は定速であるので、上記
表示位置はずれない。従って、図２のようなグラフ上で
は、同じ時間には、同じ基材２の温度を計測して表示し
ていることになるので、計測が非常に容易になる。

【００２５】表示装置４０には、例えばパソコンを用い
ることができる。その場合、放射温度計２０からの温度
信号Ｓ₁や回転検出器３０からのトリガ信号Ｓ₂の取り
込みにＡ／Ｄ変換器等の信号処理器が必要であれば、そ
れを適宜設ければ良い。

【００２６】温度計測の際は、ホルダ４上の目的の基材
２が放射温度計２０の計測位置に到達した計測タイミン
グｔ₁（図２参照）をオペレータが目視等によって確認
してそれを表示装置４０に設定する。この計測タイミン
グｔ₁の設定は、例えば、図２に示す例のように、矢印
Ｃ、Ｄ方向に時間軸に沿って移動可能なカーソル４２
を、上記計測タイミングｔ₁の位置に移動させることに
よって行えば良い。

【００２７】より具体例を説明すると、図２の各温度変
化グラフは、時間経過につれて左から順次描画され、ホ
ルダ４が１回転して次のトリガ信号Ｓ₂が与えられる
と、その次の（例えばｎ番目の）温度変化グラフが同様
に左から順次描画され、これが繰り返される。この繰り
返しは、図２の例では６０秒に１回であり、即ちホルダ
４の回転速度は１ｒｐｍであり、ゆっくりしたものであ
る。オペレータは、この表示装置４０の描画と、放射温
度計２０のビューポート（覗き窓）２２内の計測位置と
を見比べて、当該計測位置に目的の基材２が来た時点で
表示装置４０に描画されている温度変化グラフの位置を
確認する。それが目的の基材２の計測タイミングｔ₁で
あり、そこにカーソル４２を移動させれば良い。図２の
例は、中型の基材２ｂに計測タイミングｔ₁、即ちカー
ソル４２を合わせた例である。

【００２８】そして、上記のようにして設定された計測
タイミングｔ₁の、即ちカーソル４２の位置の温度（Ｔ
_n-1、Ｔ_n、Ｔ_n+1、Ｔ_n+2・・・）を表示装置４０を
用いて計測する。この計測は、オペレータの目視による
計測でも良いし、表示装置４０に自動計測機能を持たせ
ておいてそれで行っても良い。この温度Ｔ_n-1、Ｔ_n、
Ｔ_n+1、Ｔ_n+2・・・は、注目している（即ち目的の）
基材２ｂのｎ−１回目、ｎ回目、ｎ＋１回目、ｎ＋２回
目・・・の温度をそれぞれ表している。

【００２９】注目する基材２を変える場合は、例えば大
型の基材２ａや小型の基材２ｃの温度を計測する場合
は、上記と同様にして、その注目する基材２ａまたは２
ｃが放射温度計２０の計測位置に到達した計測タイミン
グｔ₁を確認して表示装置４０に上記と同様にして設定
すれば良い。これは一度行えば良い。その後は上記中型
の基材２ｂの場合と同様である。

【００３０】上記計測方法によれば、放射温度計２０で
計測した温度の経時変化が、表示装置４０に、回転検出
器３０から与えられる一つのトリガ信号Ｓ₂とその次の
トリガ信号Ｓ₂との間を一区切りにして、しかも常に一
定の開始時点ｔ₀から（簡単に言えば同じ位置から）表
示される。従って、目的の基材２が放射温度計２０の計
測位置に到達した計測タイミングｔ₁をオペレータが確
認してそれを表示装置４０に一度設定すれば、それ以降
は、当該計測タイミングｔ₁における表示温度は、常
に、目的の基材２の温度を示していることになる。従っ
て、上記設定作業は何度も行う必要はなく、一度行えば
良い。従って作業が簡単である。

【００３１】上記設定後は、上記計測タイミングｔ₁の
温度を表示装置４０を用いて計測することによって、任
意の時に、目的の基材２の温度を、他の基材２と間違わ
ずに正確に計測することができる。

【００３２】このようにして、回転しているホルダ４上
の複数の基材２の内の目的の基材２の温度を簡単にかつ
正確に計測することができる。その結果例えば、前述し
たイオンボンバード処理時の基材２の加熱温度を適正に
管理することが容易になり、それによって基材２の表面
に形成する膜の剥離や基材２の硬度低下等の問題が発生
することを防止することができるので、膜形成の安定性
が増し、生産性も向上する。

【００３３】なお、表示装置４０に表示する図２のよう
なグラフの時間軸を拡大すれば、横幅が大になるから、
目的の基材２に対する計測タイミングｔ₁の設定および
その時点における温度計測がより容易になる。

【００３４】また、放射温度計２０のビューポート２２
から見た映像（これは計測位置とそこを通る基材２が映
されている）と、図２のような温度変化グラフの両方
を、表示装置４０に同時に表示させても良く、そのよう
にすれば、オペレータは、互いに離れている放射温度計
２０のビューポート２２と表示装置４０の両方を見比べ
る必要はなく、表示装置４０の画面内でビューポート２
２から見た映像と温度変化グラフとを見比べることがで
きるので、上記計測タイミングｔ₁の確認および設定が
より容易になる。

【００３５】表示装置４０には、図２に示した例のよう
に、一区切りにされた温度変化グラフを複数個積み重ね
て表示しても良く、そのようにすれば、目的の基材２の
温度変化の経過をも簡単に計測することができる。

【００３６】表示装置４０に、前記計測タイミングｔ₁
における温度Ｔの経時変化（図２の例の場合はＴ_n-1、
Ｔ_n、Ｔ_n+1、Ｔ_n+2・・・）を表示する機能を持たせ
ても良い。そのようにすれば、目的の基材２の温度変化
の経過をより容易に計測することができる。例えば、図
３中に実線Ｅで示すように、計測タイミングｔ₁ごとに
温度Ｔを更新することによって階段状の温度変化グラフ
を表示させても良いし、図３中に破線Ｆで示すように、
計測タイミングｔ₁とその時の温度Ｔとの交点Ｐ_n-1、
Ｐ_n、Ｐ_n+1、Ｐ_n+2・・・をそれぞれ結ぶ連続した線
状の温度変化グラフを表示させても良い。

【００３７】また、表示装置４０に、前記計測タイミン
グｔ₁の温度Ｔが設定温度に到達したことを判定して到
達信号Ｓ₃（図１参照）を出力する機能を持たせても良
い。そのようにすれば、目的の基材２の温度管理を自動
化することが容易になる。

【００３８】ホルダ４上の基材２は、自転および公転さ
せるようにしても良い。例えば、ホルダ４によって基材
２を矢印Ａに示すように回転（公転）させると共に、各
基材２を支持する台４４を回転式にすること等によって
各基材２を矢印Ｇに示すように回転（自転）させるよう
にしても良い。そのようにすれば、各基材２に対してよ
り均一に成膜を行うことができる。

【００３９】

【実施例】図１に示した膜形成装置を用いて、かつ蒸発
源１２にアーク式蒸発源を用いて、大型の基材２ａとし
て直径２０ｍｍ、長さ２００ｍｍのドリルを６本、中型
の基材２ｂとして直径１０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのドリ
ルを１本、小型の基材２ｃとして直径６ｍｍ、長さ１２
０ｍｍのドリルを５本（全て高速度工具鋼製）をホルダ
４に取り付け、これらを自公転させながら成膜処理を行
った。

【００４０】その場合、まず、洗浄した各基材２ａ〜２
ｃをホルダ４に取り付け、真空容器内を約５×１０^-3Ｐ
ａまで真空排気し、各基材２ａ〜２ｃに−１０００Ｖの
バイアス電圧を印加した状態で、アーク式蒸発源１２に
おいてアーク放電を生じさせてイオン化した蒸発粒子１
４（この実施例ではＴi ）によって各基材２ａ〜２ｃに
ボンバード処理を行った。

【００４１】そしてこのボンバード処理時の基材の温度
を図２に示した例のように表示装置４０に表示させ、中
型（直径１０ｍｍ）の基材２ｂが放射温度計２０の計測
位置に来た計測タイミングｔ₁をオペレータが確認して
その位置にカーソル４２を合わせた。かつ図３中の破線
Ｆで示す温度変化グラフを表示装置４０に表示させた。
そしてこの温度が４５０℃になった時点で（ボンバード
処理開始から約５分１５秒後）、ボンバード処理から成
膜処理に移行した。即ち、各基材２ａ〜２ｃに印加する
バイアス電圧を−２００Ｖに下げ、真空容器内に反応性
ガスとして窒素ガスを２００ｓｃｃｍ導入し、真空容器
内のガス圧を約２．６Ｐａに維持した状態で、６０分間
成膜を行った。これによって、各基材２ａ〜２ｃの表面
にＴiＮ膜を形成した。

【００４２】成膜後、各基材２ａ〜２ｃを取り出して検
査したところ、各基材２ａ〜２ｃの硬度低下や膜の剥離
等は見られず良好であった。これは、ボンバード処理時
の温度計測およびそれに基づく温度管理が正確であった
からである。

【００４３】

【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。

【００４４】請求項１記載の発明によれば、目的の基材
が放射温度計の計測位置に到達した計測タイミングを表
示装置に一度設定すれば良く、それ以降は、当該計測タ
イミングの温度を表示装置を用いて計測することによっ
て、目的の基材の温度を、他の基材と間違わずに正確に
計測することができる。従って、回転式のホルダ上の複
数の基材の内の目的の基材の温度を簡単にかつ正確に計
測することができる。

【００４５】請求項２記載の発明によれば、目的の基材
の温度変化の経過をも簡単に計測することができるとい
う更なる効果を奏する。

【００４６】請求項３記載の発明によれば、目的の基材
の温度変化の経過をより容易に計測することができると
いう更なる効果を奏する。

【００４７】請求項４記載の発明によれば、目的の基材
の温度管理を自動化することが容易になるという更なる
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る基材温度計測方法の実施に用い
る膜形成装置の一例を示す斜視図である。

【図２】図１中の表示装置に表示される温度の経時変化
の一例を示す図である。

【図３】図１中の表示装置に表示される温度の経時変化
の他の例を示す図である。

【図４】従来の膜形成装置の一例を示す斜視図である。

【図５】図４中の放射温度計で計測した温度の経時変化
をグラフ化した図である。

【符号の説明】

２、２ａ、２ｂ、２ｃ基材４ホルダ１２蒸発源２０放射温度計３０回転検出器４０表示装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉原健京都府京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機株式会社内Ｆターム(参考） 2G066 AC16 BC05 BC07 BC15 4K029 CA03 DD06 EA08 JA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内に設けられた回転式のホルダ
に複数の基材を保持して各基材に対して膜形成を行う膜
形成装置において、前記真空容器の壁面に設けた計測窓
を通して、一定の計測位置に来た前記基材の温度を計測
する放射温度計と、前記ホルダの回転を検出して、当該
ホルダが１回転するごとに一定のタイミングでトリガ信
号を出力する回転検出器と、前記放射温度計で計測した
温度の経時変化を、前記回転検出器から与えられる一つ
のトリガ信号とその次のトリガ信号との間を一区切りに
して一定の開始時点から表示する表示装置とを用いて、
目的の基材が前記放射温度計の計測位置に到達した計測
タイミングをオペレータが確認してそれを前記表示装置
に設定し、この設定された計測タイミングの温度を前記
表示装置を用いて計測することを特徴とする膜形成装置
の基材温度計測方法。
【請求項２】前記表示装置に、前記一区切りにされた
温度の経時変化を複数個積み重ねて表示する請求項１記
載の基材温度計測方法。
【請求項３】前記表示装置が、前記計測タイミングに
おける温度の経時変化を表示する機能を更に有している
請求項１または２記載の基材温度計測方法。
【請求項４】前記表示装置が、前記計測タイミングの
温度が設定温度に到達したことを判定して到達信号を出
力する機能を更に有している請求項１、２または３記載
の基材温度計測方法。