JP2001518982A - Ｐｄｖコーティングを行うための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ＰＶＤコーティング方法及びチャンバ（１）を有するＰＶＤコーティング装置に関する。この装置は、少なくとも一つのターゲット・カソード（３）と、少なくとも一つのアノード（２）と、少なくとも一つの基板（１０）を保持するための基板ホルダー（９）が配置されている。更に、制御装置（４，６，７）は、基板が配置された状態でプラズマ（Ｐ）を形成するために、ターゲット・カソード（３）に、アノード（２）に対して負の電位を供給するために、第一の電圧を送ると共に、アノード（２）に、チャンバ壁部（８）に対して正の電位を供給するために、第二の電圧を送る。この様なスパッタコーティング装置で、充分な品質の膜質を得るには、イオン化されるターゲット材料の分量が少な過ぎる。このイオンを増やすために、本発明では、制御装置（４，６，７）が、基板（１０）にアノード（２）の電位よりもっと負の電位を供給するために第三の電圧を送る。

Description

【発明の詳細な説明】 ＰＤＶコーティングを行うための方法および装置 本発明は、真空にすることができるチャンバを含むＰＶＤコーティング装置に 関する。上記装置は、 少なくとも一つのガス供給接続部を備え、 スパッタリング・プロセスを受ける、少なくとも一つのターゲット・カソード と、少なくとも一つのアノードと、少なくとも一つの基板を保持するためのもの であって、保持されている各基板に電気的接続している少なくとも一つの基板ホ ルダーが配置されていて、 基板が配置された状態でプラズマを形成するために、上記ターゲット・カソー ドに、アノードに対して負の電位を供給するために、第一の電圧を送る制御装置 を含み、更に アノードに、チャンバ壁部に対して正の電位を供給するために、第二の電圧を 送る。 本発明はまたコーティング済みの基板を製造するためのＰＶＤコーティング方 法に関する。 周知のＰＶＤコーティング装置は、表面を機能的にし、できれば美しくするた めにあらゆる種類の工具および部品をコーティングするために使用される。工具 の場合には、例えば、ＴｉＡｌＮのような、金属を含む成分を用いたコーティン グが非常に頻繁に行われる。 コーティングを行うための周知技術の一つは、気相から凝収物を堆積する方法 である。この技術の場合には、多様な装置が使用されるが、各装置は特定の方法 に対して最適化される。コーティングが、プラズマから大きな割合で得られるイ オン化された原子で行われる装置は、上記コーティングを行う際に特に有利であ る。 プラズマ内で大きな割合の金属原子が生成されるコーティング装置においては 、通常、金属材料がターゲット・カソードから蒸発し、大きな割合で蒸発した材 料がイオン化される。このタイプの装置においては、ターゲット・カソードの材 料 は、最初融解し、それから気化する。蒸発した原料がイオン化される割合は高い 。 しかし、ターゲット・カソードの材料が融解するこのタイプの周知装置の場合 には、合金が気相で蒸発している間、微粒子が形成され、気相が均質にならない という欠点があることが分かっている。従って、凝縮したコーティング材は、い わゆる微粒子を含み、および／またはコーティングの組成物が均質でなくなる。 他の周知のコーティング装置は、ターゲット・カソード材料を蒸発させるため 、イオン化効率を向上させる目的で、マグネトロンの磁界を使用して、カソード ・スパッタリングを行うように構成される。この場合、原料は、溶融状態を経な いで、固体から蒸気に直接変化する。 しかし、カソード・スパッタリング装置は、蒸発した材料が、少ししかイオン 化しないという欠点がある。プラズマは、非常に大きな割合の蒸発した中性の粒 子（イオン化率約５％）と、ターゲット原子およびイオンをたたき出すため及び プラズマを形成するために用いる、作用ガスからのイオン化ガス粒子や、ターゲ ット・カソード材料と結合する反応性ガスからのイオン化ガス粒子とからなる。 技術的に見て表面が粗面である場合には、特に、研摩または研削された粗面の場 合には、これらプラズマから蒸着したコーティングは、接着性、硬度、構造およ び表面の形状（平滑さおよび色）という特性の面で欠点がある。このような基板 表面の場合には、平滑な面を持ち密度が高く緻密な構造を特徴とする、いわゆる 小さな波模様（ｄｉｍｐｌｅ）を持つ面コーティングを形成することは現在まで 不可能であった。 本発明の目的は、この従来技術に基づいて、ターゲット・カソード材料が、溶 融状態を経ないで、固体からの蒸発を用いる通常のタイプのＰＶＤコーティング 装置をさらに開発することである。この場合には、大きな割合の原料が、高い接 着力で基板上に凝集し、又技術的に見て、特に研削またはジェット研摩により粗 面化した表面を有する基板にも適用できる。 上記目的は、制御装置が、基板に対してアノードの電位よりもっと負の電位を 供給する、第三の電圧を印加する通常タイプの装置により達成される。 そうすることによる効果は、チャンバ内において、ＰＶＤコーティング装置の 動作中、もう一つの電極、すなわち、基板が、プラズマ内において特定の電位に なることである。この電極は、プラズマ内に配置され、チャンバ内に有利な電位 プロファイルを確実に形成する。より詳細に説明すると、第二の電圧、すなわち 、アノード電圧により、基板を流れる電流を設定することができる様になる一方 、第三の電圧、すなわち、基板電圧またはバイアス電圧を一定に維持することが できる。それ故、基板上のコーティング状態を非常に簡単に最適化することがで きる。 この電気接続構成は、チャンバ内の電子密度分布にも決定的な影響を持つ。基 板の電位が、アノードの電位より負であるので、プラズマを維持するために、電 子の軌道がターゲット・カソードからアノードへ延び、またターゲット・カソー ドから放出される金属原子のイオン化を促進するために、ターゲット・カソード から基板に優勢に延びるという結果になる。イオン化が促進されるのは、ターゲ ット・カソードから基板への金属原子の移動経路が上記電子軌道の後の部分と一 致するためである。 チャンバ内において、本発明により設定された電位プロファイルにより、放出 されたターゲット金属原子に対して５０％以上のイオン化効率を達成することが できる。その結果、このコーティング装置を使用したスパッタリング方法により 、例えば、研削またはジェット研摩処理のために基板表面が粗面になっている場 合でも、基板上に小さな波模様の表面を持つ蒸着層の形成に適する程度のイオン 化を行うことができる。ターゲット・カソードのところで、最高４５Ｗ／ｃｍ² の電力密度を達成することができ、従来技術と比較すると、放電電流がかなり増 大する。 チャンバ内の電位プロファイルも、基板周辺のターゲット・カソードとアノー ド間に発生したプラズマの電位が、基本的には、基板の電位より正であるという もう一つの結果をもたらす。この効果は、例えば、チャンバのこの領域内のプラ ズマからのイオンが、基板の方向に高い確率で移動し、そこで蒸着することがで きることである。 チャンバ壁部への電子の到着はさらに阻害され、そのためそこの金属原子をイ オン化する力がなくなる。この目的で、ターゲット材料をイオン化する様に電子 を基板の方向に引き寄せる為に、基板がターゲット・カソードと同じ電位を持つ か、またはターゲット・カソードに対して正にバイアスされることが好ましい。 但し、ターゲット・カソードの電位を基板の電位よりもっと正にすることもでき る。 また、コーティング・プロセス中、基板がプラズマ内に位置するように、対称 的な配置で複数のアノードおよびターゲット・カソードを設定することもできる 。 例えば、基板は切断工具であり、硬質の材料がコーティングされる。 好適には、チャンバ壁部に対するアノードの正の電位が、基板に対するアノー ドの正の電位より少なくして、基板をターゲット・カソードの近傍に配置できる ように、第二および第三の電圧を設定することが好ましい。 本発明の実施形態の場合には、ターゲット・カソードの前面におけるチャンバ 内の電子密度分布の最適化は、特に効率的に行われる。アノードに対する基板の 負バイアス電圧のためと、またターゲット・カソードと基板とが近接しているた めとで、基板に到達する電子軌道の割合はさらに増大し、そのため、ターゲット ・カソードからの金属原子のイオン化が改善される。 好適には、第一、第二および第三の電圧を適切に設定して、基板が置かれた領 域内でターゲット・カソードとアノードとの間にプラズマが発生した時、フロー ティング電位が基板の電位より高い、約４０〜４００ボルト、好適には、１３０ ボルトになることが好ましい。 これにより、確実に、基板領域内のプラズマから非常に大きな割合のイオンが 基板方向に流れ、コーティングを形成するために基板上に堆積することができる 。それ故、チャンバ壁部上でのイオンの再結合によるイオンの損失は最小限です む。 好適な実施形態の場合には、第一の電圧は、アノードが、ターゲット・カソー ドの電位より、最高で約８００ボルトまで高い電位になるように設定される。第 二の電圧は、アノードが、チャンバ壁部の電位より約５０〜２５０ボルトだけ正 になるような電位に設定される。一方、第三の電圧は、アノードが、基板の電位 より８００ボルト以内、特に１００〜２００ボルト正になるように設定すること が好ましい。 アノード、ターゲット・カソード、チャンバ壁部および基板との間における電 位差の上記数値の範囲は、実験的に非常に好ましい数値であることが分かってい る。電位、特にアノードとカソード間の電位を設定する場合には、ターゲット材 料の各特性を考慮に入れなければならない。特に、その磁気特性を考慮に入れな ければならない。 ターゲット・カソードとアノードとの間の距離に対するターゲット・カソード と基板との間の距離の比は、約１：５であることが好ましい。 この距離の比により、電極、ターゲット・カソード、基板、チャンバ壁部およ びアノードの幾何学的関係が決まる。その特徴は、電荷キャリヤの軌道特に電子 密度分布を決定する等電位ラインの特に好ましいプロファイルにある。 例えば、基板ホルダーは、基板がターゲット・カソードからほぼ４０ミリの距 離となる様にに配置され、ターゲット・カソードとアノードとの間の距離が、２ ５０ミリの範囲内にある様に、配置することができる。 この方法により、ＰＶＤコーティング・システムを特に小型にすることができ る。より詳細に説明すると、ターゲット・カソードから基板までの距離が短いの で、基板のコーティング速度が非常に速くなる。このように速度が速くなるので 、コーティング・コストが安くなる。 好適には、制御装置は、三つの各電圧に割り当てられる電圧源を持つ。第一の 電圧源は、アノードとターゲット・カソードとの間に接続され、第二の電圧源は 、アノードとチャンバ壁部との間に接続され、第三の電圧源は、アノードと基板 との間に接続される。この場合、第二の電圧源を使用してプラズマに働きかける ことにより基板の電流が設定される一方、第三の電圧源の設定を保持することに より、第二の電圧源の設定が変化し、且そのため基板電流が変化しても、基板と アノードとの間の電位差は維持される。 この場合、起こる可能性のあるアノード電位のいかなる変動も、アノードとタ ーゲット・カソードとの間の電圧差、アノードと基板との間の電圧差に絶対に影 響を与えないようにすることができ、そのため、ＰＶＤコーティング装置の動作 をより安定なものにすることができる。 なお、三つの電圧源がそれぞれ有する電極の片方をチャンバ壁部上に設置する こともできる。 三つの電圧源を持つ上記実施形態の別の例の場合では、制御装置の電圧源を、 アノードとターゲット・カソードとの間に第一の電荷を供給する一つの電圧源だ けにすることができ、第二および第三の電圧用として、上記電圧源に並列に接続 している各可変抵抗を使用することができる。上記可変抵抗は、アノードおよび 基板に対して必要な電位が、それぞれのタップに表れるように設定される。 それでもやはり、本発明にとって重要なことは、電気接続方法がどうであれ、 チャンバ内の上記電位プロファイルが維持されることである。 上記目的は、同様に、下記のステップを含む、コーティング基板を製造するた めのＰＶＤコーティング方法により達成される。 真空にすることができるチャンバ内に、スパッタリング・プロセスが行われる 少なくとも一つのターゲット・カソードと、少なくとも一つのアノードおよび基 板と、基板に電気的に接続している基板ホルダーとを配置するステップと、 少なくとも一つのガス供給接続部を通して、上記チャンバを作用ガスおよび／ または反応性ガスで充填するステップと、 基板が配置された状態でプラズマを発生するため、ターゲット・カソードに、 アノードに対して負の電位を供給するために、第一の電圧を供給するステップと 、 アノードに、チャンバ壁部に対して正の電位を供給するために、第二の電圧を 供給するステップと、 基板に、アノードよりさらに負かまたはアノードに等しい電位を供給する第三 の電圧を供給するステップと、 予め定めたコーティング時間が経過した後で、チャンバから基板を取り出すス テップ。 このコーティング基板の製造方法の非常に重要なステップは、すでに説明した ように、第三の電圧を供給する手順ステップである。この手順ステップにより、 ターゲット・カソードの前面の電子密度はかなり増大し、そのため、従来技術と 比較すると、品質の向上および生産速度の促進に決定的な意味を持つ。本発明の コーティング装置を使用することにより、この方法をさらに有利に発展させるこ とができる。 図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を以下にさらに詳細に説明する が、これはあくまでも例示としてのものに過ぎない。 図１は、ＰＶＤコーティング装置の電気供給源の模式的な回路図である。 図２は、図１に示した電気供給源の変形を示す模式的な回路図である。 図１は、ＰＶＤコーティング装置の電気供給源を示す模式的な回路図である。 この図に示した実施形態のＰＶＤコーティング装置は、コーティング・チャンバ １を持つ。コーティング・プロセス中、作用ガスは、ガス接続部（図示せず）を 通して、このチャンバ１に供給される。 作用ガスとしては、例えば、アルゴンのような希ガスを使用することができる 。 さらに、反応性ガスが、ガス接続部（図示せず）を通して、チャンバ１内に供 給される。反応性ガスとしては、窒化物、炭化物および炭素窒化物を形成するた めに使用することができる、窒素や、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₂またはＣ₂Ｈ₆のような炭素 を含むガスを使用することができる。 コーティング・プロセスの最初のところで、作用ガス／反応性ガスの混合気体 内でプラズマ（Ｐ）が発生する。そのため、コーティング装置は、二つのアノー ド２および四つのターゲット・カソード３を持ち、ターゲット・カソード３は、 対向するペアの形で配置されていて、アノード２は、本質的には相互に向き合う 形で、相互に対向するターゲット・カソード３間の中間のスペースに対して横向 きに配置されている。 例示としての実施形態の場合には、アノード２は、欧州特許第０ ４３４ ７ ９７号が開示している高イオン化アノードである。イオン化プロセスに効果のあ るアノード領域を設定ターゲット・カソード電力と整合させるために、アノード は部分的にダイヤフラムでカバーされているが、上記ダイヤフラムは導電性のも のである。このダイヤフラムは、チャンバ壁部８と同じ電位を持つ。このような アノード２は、プラズマ（Ｐ）の高いイオン化に特に適している。しかし、基本 的には、アノード内部に能動アノード領域が形成されていれば十分である。 なお、ターゲット・カソードは、いわゆる不平衡マグネトロンであることが好 ましい。 アノード２は、ターゲット・カソード３に対して正のバイアスが印加される。 そのため、各ターゲット・カソード３は、それぞれ、カソード電圧源４に接続し ている。電圧源４は、それぞれ、約５００ボルトの第一の電圧Ｕ_Kを供給する。 この数値は、コーティング・プロセス中、すなわち、プラズマ（Ｐ）の発生後維 持される。 プラズマ（Ｐ）が発生すると、チャンバ１内にプラズマの雲ができる。このプ ラズマの雲は、とりわけ、作用ガスのイオンを含んでいる。これらの作用ガスイ オンは、アノード２とターゲット・カソード３との間の電界により、特にプラズ マの雲とターゲット・カソード３との間の電位勾配によりターゲット・カソード の方向に加速される。 ターゲット・カソード３は、ターゲット材料５を含んでいるが、図の実施形態 の場合には、このターゲット材料は、チタン／アルミニウム混合ターゲット５ａ 、５ｂである。しかし、銅、プラチナ、クローム、ニッケルまたは他の金属を含 むターゲット、およびセラミック材料のような非導体材料も使用することができ る。その場合には、プラズマ（Ｐ）を維持するために、交流電界が必要になる。 このターゲット材料５には、作用ガスイオンが衝突する。すなわち、スパッタ リング・プロセスが行われる。このプロセスにより、ターゲット材料５が、ター ゲット・カソード３から原子の形またはイオンの形で遊離する。その場合、ター ゲット・カソードを離れた直後で、イオン化されているターゲット材料の割合は 約５％になる。 このタイプはイオンの量が少ないので、平滑な表面構造を有する高い密度と緻 密さを特徴とするコーティング構造体を形成することはできない。 イオン化の程度を増大するために、コーティング装置は、最大１２キロワット の電力で、５００ボルトのカソード／アノード電圧で動作するカソード電圧源の 他に、さらに二つの電圧源６、７を持つ。その設定電圧は、ターゲット材料のイ オン化の程度を必要なだけ増大させるのに決定的な影響を持つ。これらの電圧源 ６、７は、最高６キロワットの電力で動作する。すべての電圧源４、６および７ は、コーティング・プロセスを精密に最適化することができるように調整するこ とができる。 電圧源６は、アノード２に特定の電位、すなわち、チャンバ１の壁部８に対し て正のアノード電位を供給する。電圧源６は、５０〜２５０ボルトの第二の電圧 Ｕ_Anを供給する。それ故、アノード２は、第二の電圧Ｕ_Anにより、接地されてい るチャンバ壁部８に対して正にバイアスされる。 電圧源７は、第三の電圧Ｕ_Bi、いわゆるバイアス電圧を供給するが、その正の 電極は、アノード２に接続している。この電圧源７の負の電極は、基板テーブル ９に接続される。基板テーブル９は、一組の基板１０がターゲット材料３から約 ４０ミリ離れた場所に配置されるように、また、ターゲット・カソード３とアノ ード２との間の距離が２５０ミリの範囲内になるように、チャンバ１内に配置さ れる。 基板テーブル９は、基板１０のセットに電気的に接続している。コーティング ・プロセスを行うためには、アノード電位が基板電位に対してより正の電圧にな る必要がある。それ故、負の電圧を供給する電圧源７は、上記一組の基板１０の 電位が、アノード２の電位より、もっと負の最高で８００ボルトとなるように設 定される。 この場合、電圧源６および７の両方を対称的に動作させることができる。その 場合、チャンバ壁部８の電位と上記一組の基板１０の電位とは同じである。これ ら二つの電圧源６、７が非対称的な動作をする場合には、アノード電位は、基板 の電位よりさらに高い正の電位を持つ。そして、基板電位に対してチャンバ電位 をもっと正の電位にすることが好ましい。これにより、ターゲット・イオンは、 基板の方向に引き寄せられ、チャンバ壁部８上で再結合しない。しかし、チャン バの電位を基板の電位に対して負にすることもできる。 それ故、基準電位ゼロに接地されているチャンバ１に対する通常の電位の数値 は、アノード２の場合は、＋５０ボルトから＋２５０ボルトであり、ターゲット ・カソード３の場合には、−３５０ボルトから−７５０ボルトであり、基板テー ブル９／基板１０の電位は、＋２００ボルトから−１，０００ボルトである。こ の場合、満足させなければならない条件は、基板１０の電位がアノード２の電位 より、もっと負の電位でなければならないことと、アノード２とターゲット・カ ソード３との間の電位差を各コーティング・プロセス（材料に依存する）に対し て最適化させなければならないことであり、特に各プラズマを維持するために最 適化させなければならないことである。 電圧源６および７を非対称的に動作させ、且チタン／アルミニウム混合ターゲ ット５ａ、５ｂを含む図示の実施形態の場合には、アノード電位は＋１８０ボル トであり、基板電位は−２０ボルトであり、チャンバ電位は０ボルトであり、カ ソード電位は−３２０ボルトである。 上記一組の基板１０は、ターゲット・カソード３とアノード２との間に形成さ れたプラズマの雲の中に配置される。このプラズマの雲の特徴は、供給電圧Ｕ_K 、Ｕ_AnおよびＵ_Biにより、基板１０に対して約＋１３０ボルトの電位となってい ることである。プラズマの雲のこの電位は、通常、ターゲット材料のイオンが、 蒸着用のプラズマ（Ｐ）から上記一組の基板１０へ移動するような数値でなけれ ばならない。 例示としての実施形態は、０ボルトから１３０ボルトの領域内に、四つのター ゲット・カソード３と、二つのアノード２とを持つ。この場合、全カソードの最 高電力は３２キロワットであり、最高バイアス電流は３０アンペアであり、最高 アンペア電流は４５アンペアに設定される。 基板１０のタイプが何であれ、本発明の電気接続により、大きな割合のターゲ ット材料イオンが発生するように、チャンバ１内に電位降下が起こる。電圧源６ 、７の動作により、そうでない場合には、チャンバ壁部８上で、イオン、プラズ マ（Ｐ）からの準安定粒子および電子を再結合化する大きな割合の電荷キャリヤ が、カソード３から基板１０へ移動中に、ターゲット材料の原子をイオン化する ために供給される。アノード２とターゲット・カソード３との間の上記電気的接 続により、ターゲット・カソード３の前面の電荷キャリヤ密度が濃くなり、上記 一組の基板１０に移動している間に、スパッタリングされたターゲット・カソー ド材料がイオン化される。スパッタリングされたターゲット・カソード材料の大 きな割合のイオンにより、またチャンバ１内の上記電位プロファイルにより、基 板１０が三次元のものであっても、上記一組の基板１０上において、基板１０の ジェット研摩又は研削された面上に、密度が高く緻密な層構造体、いわゆる小さ な波模様の構造体を形成することができる。 上記層構造体は、反応性ガスを使用した場合には、ターゲット材料と反応性ガ スとの間の化学反応による、チャンバ１内の雰囲気に含まれる材料からなる。例 を挙げて説明すると、上記一組の基板１０のＴｉＡｌＮを含むコーティングの場 合には、化学反応が、チャンバ１内で、ターゲット材料であるチタンおよびアル ミニウムと反応性ガスである窒素との間で起こる。 層構造体の特性を最大限度に均一なものにするために、基板１０を、ターゲッ ト・カソード３の間で最大四本の回転軸を中心にして回転することができる。 図２は、図１に示した電源の変形例の模式的な回路図である。 図１と比較すると、図２は、さらに、電圧源７と基板テーブル９との間に接続 しているパルス装置１１を含む。上記パルス装置１１は、例えば、３５０ボルト の最大バイアス電圧が基板テーブル９に供給され、基板テーブル９とプラズマ（ Ｐ）との間の平均電位差が、図１の実施形態の場合のように、約１３０ボルトに なるように設定される。 パルス装置１１を設置することにより、基板１０の縁部に対する平均イオン電 流が大きくなるので、縁部のコーティングを抑制する周知の再スパッタリング効 果を打ち消すことにより、良好なコーティングを行うことができる。 図２の構造の残りの部分は、図１の構造と同じである。より詳細に説明すると 、アノード電位Ｕ_Anも同じである。 パルス装置１１を含むＰＶＤコーティング装置のもう一つの実施形態（図示せ ず）は、アノード２の電位がパルス状に変化するように構成されている。この場 合、パルス装置１１は、図１の電気的接続を維持しながら、電圧源６とアノード ２との間に接続している。上記一組の基板１０上では、電圧Ｕ_Biに対して、図１ の電気的接続に従って選択される数値のオフセット電位が発生する。 パルス装置を含む両方の実施形態の場合、パルス動作の周波数は、０．５〜１ ＭＨｚ、好適には、０．１〜１０Ｈｚの領域である。 上記説明を補足すると、イオン化の程度を増大するために、アーク蒸発装置、 低電圧アーク、中空電極、イオン源等を、ＰＶＤコーティング装置で、蒸発装置 またはイオン源として使用することができる（ハイブリッド方法）。 ＰＶＤコーティング装置用の上記各実施形態を使用すれば、下記のステップを 含むＰＶＤコーティング方法を行うことができる。 真空にすることができるチャンバ内にスパッタリング・プロセスが行われる少 なくとも一つのターゲット・カソードと、少なくとも一つのアノードおよび基板 と、基板に電気的に接続している基板ホルダーとを配置するステップと、 少なくとも一つのガス供給接続部を通して、上記チャンバを作用ガスおよび／ または反応性ガスで充填するステップと、 基板が配置された状態でプラズマを発生するため、ターゲット・カソードに、 アノードに対して負の電位を供給するために、第一の電圧を供給するステップと 、 アノードに、チャンバ壁部に対して正の電位を供給するために、第二の電圧を 供給するステップと、 基板に、アノードよりさらに負の電位を供給する第三の電圧を供給するステッ プと、 予め定めたコーティング時間が経過した後で、チャンバから基板を取り出すス テップ。 この方法は、非常に優れた層特性（小さな波模様の表面）を持つコーティング 基板を製造する為に使用することができる。上記コーティング・プロセスを実行 するには約８時間かかる。８ミリの孔部を有する基板材料を用いて最大８６０個 分を同時にコーティングすることができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年６月２４日（１９９９．６．２４） 【補正内容】 明細書 ＰＤＶコーティングを行うための方法および装置 本発明は、真空にすることができるチャンバを含むＰＶＤコーティング装置に 関する。上記装置は、 少なくとも一つのガス供給接続部を備え、 スパッタリング・プロセスを受ける、少なくとも一つのターゲット・カソード と、少なくとも一つのアノードと、少なくとも一つの基板を保持するためのもの であって、保持されている各基板に電気的接続している少なくとも一つの基板ホ ルダーが配置されていて、 基板が配置された状態でプラズマを形成するために、上記ターゲット・カソー ドに、アノードに対して負の電位を供給するために、第一の電圧を供給するよう に接続している第一の電圧出力を持つ制御装置を含み、更に アノードに、チャンバ壁部に対して正の電位を供給するために、第二の電圧を 供給するように接続している第二の電圧出力を持つ。 本発明はまたコーティング済みの基板を製造するためのＰＶＤコーティング方 法に関する。ＥＰ ０ ４３４ ７９７が上記ＰＶＤコーティング装置を開示し ている。 通常、周知のＰＶＤコーティング装置は、表面を機能的にし、できれば美しく するためにあらゆる種類の工具および部品をコーティングするために使用される 。工具の場合には、例えば、ＴｉＡｌＮのような、金属を含む成分を用いたコー ティングが非常に頻繁に行われる。 コーティングを行うための周知技術の一つは、気相から凝収物を堆積する方法 である。この技術の場合には、多様な装置が使用されるが、各装置は特定の方法 に対して最適化される。コーティングが、プラズマから大きな割合で得られるイ オン化された原子で行われる装置は、上記コーティングを行う際に特に有利であ る。 プラズマ内で大きな割合の金属原子が生成されるコーティング装置においては 、通常、金属材料がターゲット・カソードから蒸発し、大きな割合で蒸発した材 料 がイオン化される。このタイプの装置においては、ターゲット・カソードの材料 は、最初融解し、それから気化する。蒸発した原料がイオン化される割合は高い 。 しかし、ターゲット・カソードの材料が融解するこのタイプの周知装置の場合 には、合金が気相で蒸発している間、微粒子が形成され、気相が均質にならない という欠点があることが分かっている。従って、凝縮したコーティング材は、い わゆる微粒子を含み、および／またはコーティングの組成物が均質でなくなる。 他の周知のコーティング装置は、ターゲット・カソード材料を蒸発させるため 、イオン化効率を向上させる目的で、マグネトロンの磁界を使用して、カソード ・スパッタリングを行うように構成される。この場合、原料は、溶融状態を経な いで、固体から蒸気に直接変化する。 しかし、カソード・スパッタリング装置は、蒸発した材料が、少ししかイオン 化しないという欠点がある。プラズマは、非常に大きな割合の蒸発した中性の粒 子（イオン化率約５％）と、ターゲット原子およびイオンをたたき出すため及び プラズマを形成するために用いる、作用ガスからのイオン化ガス粒子や、ターゲ ット・カソード材料と結合する反応性ガスからのイオン化ガス粒子とからなる。 技術的に見て表面が粗面である場合には、特に、研摩または研削された粗面の場 合には、これらプラズマから蒸着したコーティングは、接着性、硬度、構造およ び表面の形状（平滑さおよび色）という特性の面で欠点がある。このような基板 表面の場合には、平滑な面を持ち密度が高く緻密な構造を特徴とする、いわゆる 小さな波模様（ｄｉｍｐｌｅ）を持つ面コーティングを形成することは現在まで 不可能であった。 ＷＯ９１／００３７４は、アーク放電蒸着およびカソード蒸着の両方を使用し て基板をコーティングするためのプロセスおよび装置を開示している。この場合 、アーク放電蒸着は、カソード蒸着の前に行われる。ＷＯ９１／００３７４の回 路は、カソードとチャンバとの間に接続している電圧源、カソードとアノードと の間に接続している電圧源、および基板にバイアス電圧を供給するための電圧源 を含む。ＥＰ ０ ５５８ ０６１ Ａ１がほぼ同じ装置を開示している。 ＥＰ ０ ６７７ ５９５ Ａ１は、アーク放電蒸着だけを行う装置を開示し ている。この装置は、カソードが持続的に電圧源に接続していて、好ましくは、 アノードおよび基板が、電圧源の残りの電極に接続している一つの電圧源を含む ことができる。 本発明の目的は、この従来技術に基づいて、ターゲット・カソード材料が、溶 融状態を経ないで、固体からの蒸発を用いる通常のタイプのＰＶＤコーティング 装置をさらに開発することである。この場合には、大きな割合の原料が、高い接 着力で基板上に凝集し、又技術的に見て、特に研削またはジェット研摩により粗 面化した表面を有する基板にも適用できる。 上記目的は、制御装置が、基板に対してアノードの電位よりもっと負の電位を 供給する、第三の電圧を印加するために接続している第三の電圧出力を持つ通常 タイプの装置により達成される。 そうすることによる効果は、チャンバ内において、ＰＶＤコーティング装置の 動作中、もう一つの電極、すなわち、基板が、プラズマ内において特定の電位に なることである。この電極は、プラズマ内に配置され、チャンバ内に有利な電位 プロファイルを確実に形成する。より詳細に説明すると、第二の電圧、すなわち 、アノード電圧により、基板を流れる電流を設定することができる様になる一方 、第三の電圧、すなわち、基板電圧またはバイアス電圧を一定に維持することが できる。それ故、基板上のコーティング状態を非常に簡単に最適化することがで きる。 この電気接続構成は、チャンバ内の電子密度分布にも決定的な影響を持つ。基 板の電位が、アノードの電位より負であるので、プラズマを維持するために、電 子の軌道がターゲット・カソードからアノードへ延び、またターゲット・カソー ドから放出される金属原子のイオン化を促進するために、ターゲット・カソード から基板に優勢に延びるという結果になる。イオン化が促進されるのは、ターゲ ット・カソードから基板への金属原子の移動経路が上記電子軌道の後の部分と一 致するためである。 チャンバ内において、本発明により設定された電位プロファイルにより、放出 されたターゲット金属原子に対して５０％以上のイオン化効率を達成することが できる。その結果、このコーティング装置を使用したスパッタリング方法により 、例えば、研削またはジェット研摩処理のために基板表面が粗面になっている場 合 でも、基板上に小さな波模様の表面を持つ蒸着層の形成に適する程度のイオン化 を行うことができる。 （以降、原明細書翻訳文の３頁１９行の「ターゲット・カソードのところで、… …」に続く。） 請求の範囲 １．真空排気可能なチャンバ（１）を含むＰＶＤコーティング装置であって、 少なくとも一つのガス供給接続部を備え、 スパッタリング・プロセスを受ける少なくとも一つのターゲット・カソード（ ３）と、少なくとも一つのアノード（２）と、少なくとも一つの基板（１０）を 保持するためのものであって、保持されている各基板（１０）に電気的に接続し ている少なくとも一つの基板ホルダー（９）が配置されていて、 基板（１０）が配置された状態でプラズマ（Ｐ）を形成するために、前記ター ゲット・カソード（３）に、アノード（２）に対して負の電位を供給するために 、第一の電圧を供給するように接続している、第一の電圧出力を持つ制御装置（ ４、６、７）を含み、 前記アノード（２）に、チャンバ壁部（８）に対して正の電位を供給するため に、第二の電圧を供給するように接続している第二の電圧出力を持ち、 前記制御装置（４、６、７）が、前記基板（１０）に、前記アノード（２）の 電位より負の電位を供給する第三の電圧を供給するために接続している第三の電 圧出力を持つことを特徴とするＰＶＤコーティング装置。 ２．請求項１に記載のＰＶＤコーティング装置において、前記第三の電圧出力 が、前記基板（１０）に前記ターゲット・カソード（３）の電位よりも、もっと 正の電位を供給するように設定されていることを特徴とするＰＶＤコーティング 装置。 ３．請求項１または請求項２に記載のＰＶＤコーティング装置において、前記 ターゲット・カソード（３）と前記基板（１０）との間の距離と、前記ターゲッ ト・カソード（３）と前記アノード（２）との間の距離の比が、約１：５である ことを特徴とするＰＶＤコーティング装置。 ４．請求項３に記載のＰＶＤコーティング装置において、前記基板ホルダー（ ９）を配置することにより、前記基板（１０）が、前記ターゲット・カソード（ ３）からほぼ４０ミリの距離のところに位置し、前記ターゲット・カソード（３ ）と前記アノード（２）との間の距離が、２５０ミリの範囲内にあることを 特徴とするＰＶＤコーティング装置。 ５．請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のＰＶＤコーティング装置にお いて、前記制御装置（４、６、７）が、三つの各電圧に割り当てられた個々の電 圧源を持ち、前記第一の電圧源が、前記アノード（２）と前記ターゲット・カソ ード（３）との間に接続され、前記第二の電圧源（６）が、前記アノード（２） と前記チャンバ壁部（８）との間に接続され、前記第三の電圧源（７）が、前記 アノード（２）と前記基板（１０）との間に接続されていることを特徴とするＰ ＶＤコーティング装置。 ６．請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のＰＶＤコーティング装置にお いて、前記制御装置（４、６、７）が、前記第一の電圧を供給する一つの電圧源 を持ち、第二および第三の電圧用として、前記電圧源に並列に接続している各可 変抵抗を備えることを特徴とするＰＶＤコーティング装置。 ７．少なくとも一つのコーティング基板を製造するためのＰＶＤコーティング 方法であって、下記のステップ、すなわち、 真空にすることができるチャンバ内にスパッタリング・プロセスがに暴露され る少なくとも一つのターゲット・カソードと、少なくとも一つのアノードおよび 基板と、前記基板に電気的に接続している基板ホルダーとを配置するステップと 、 少なくとも一つのガス供給接続部を通して、前記チャンバを作用ガスおよび／ または反応性ガスで充填するステップと、 前記基板が配置された状態でプラズマを発生するため、前記ターゲット・カソ ードに、前記アノードに対して負の電位を供給するために、第一の電圧を供給す るステップと、 前記アノードに、前記チャンバ壁部に対して正の電位を供給するために、第二 の電圧を供給するステップと、 前記基板に、アノードより負の電位を供給する第三の電圧を供給するステップ と、 予め定めたコーティング時間が経過した後で、前記チャンバから基板を取り出 すステップとを含むＰＶＤコーティング方法。 ８．請求項７に記載のＰＶＤコーティング方法において、第二および第三の電 圧を設定することにより、チャンバ壁部（８）に対するアノード（２）の正の電 位が、基板（１０）に対するアノード（２）の正の電位より少なくなることと、 前記基板（１０）が、ターゲット・カソード（３）の近傍に配置されることとを 特徴とするＰＶＤコーティング方法。 ９．請求項７又は請求項８の何れか１項に記載のＰＶＤコーティング方法にお いて、第一、第二および第三の電圧を設定して、前記基板（１０）をはさむ前記 ターゲット・カソード（３）と前記アノード（２）との間にプラズマ（Ｐ）が発 生した時、フローティング電位を前記基板（１０）の電位より高い正の約４０〜 ４００ボルトにすることを特徴とするＰＶＤコーティング方法。 １０．請求項９に記載のＰＶＤコーティング方法において、前記フローティン グ電位が、前記基板（１０）の電位より約１３０ボルト高い正の電位であること を特徴とするＰＶＤコーティング方法。 １１．請求項７乃至請求項１０の何れか１項に記載のＰＶＤコーティング方法 において、前記第一の電圧を設定して、アノード（２）が前記ターゲット・カソ ード（３）の電位より約８００ボルト高い正の電位にすることを特徴とするＰＶ Ｄコーティング方法。 １２．請求項７乃至請求項１１の何れか１項に記載のＰＶＤコーティング方法 において、前記第二の電圧を設定して、アノード（２）が、チャンバ壁部（８） の電位より、約５０〜２５０ボルトだけ正の電位にすることを特徴とするＰＶＤ コーティング方法。 １３．請求項７乃至請求項１２の何れか１項に記載のＰＶＤコーティング方法 において、前記第三の電圧を設定して、前記アノード（２）が前記基板（１０） 電位より、８００ボルト高い正の電位にすることを特徴とするＰＶＤコーティン グ方法。 １４．請求項１３に記載のＰＶＤコーティング方法において、前記第三の電圧 を設定して、前記アノード（２）が前記基板（１０）電位より１００乃至１８０ ボルト高い正の電位にすることを特徴とするＰＶＤコーティング方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＵＳ (72)発明者 エアケンス ゲオルク ドイツ連邦共和国 デー52068 アーヘン ビショッフシュトラーセ ３ (72)発明者 ヘアメラー ベアント ドイツ連邦共和国 デー52074 アーヘン バールサー シュトラーセ 132 (72)発明者 エッサー シュテファン ドイツ連邦共和国 デー52072 アーヘン ロアモンダー シュトラーセ 599 (72)発明者 フス ハンス−ゲアト ドイツ連邦共和国 デー52134 ヘアツオ ーゲンラート アム グート フォレンス ベルグ 20 (72)発明者 ベンケ ライナー ドイツ連邦共和国 デー52068 アーヘン ビショッフシュトラーセ ３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．真空排気可能なチャンバ（１）を含むＰＶＤコーティング装置であって、 少なくとも一つのガス供給接続部を備え、 スパッタリング・プロセスを受ける少なくとも一つのターゲット・カソード（ ３）と、少なくとも一つのアノード（２）と、少なくとも一つの基板（１０）を 保持するためのものであって、保持されている各基板（１０）に電気的に接続し ている少なくとも一つの基板ホルダー（９）が配置されていて、 基板（１０）が配置された状態でプラズマ（Ｐ）を形成するために、前記ター ゲット・カソード（３）に、アノード（２）に対して負の電位を供給するために 、第一の電圧を送る制御装置（４、６、７）を含み、更に、 前記アノード（２）に、チャンバ壁部（８）に対して正の電位を供給するため に、第二の電圧を送り、 前記制御装置（４、６、７）が、前記基板（１０）に、前記アノード（２）の 電位より負の電位を供給する第三の電圧を送ることを特徴とするＰＶＤコーティ ング装置。 ２．請求項１に記載のＰＶＤコーティング装置において、前記第三の電圧出力 が、前記基板（１０）に前記ターゲット・カソード（３）の電位よりも、もっと 正の電位を供給するように設定されていることを特徴とするＰＶＤコーティング 装置。 ３．請求項１又は２に記載のＰＶＤコーティング装置において、第二および第 三の電圧を設定することにより、チャンバ壁部（８）に対するアノード（２）の 正の電位が、基板（１０）に対するアノード（２）の正の電位より少なくなるこ とと、前記基板（１０）が、ターゲット・カソード（３）の近傍に配置されるこ ととを特徴とするＰＶＤコーティング装置。 ４．請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のＰＶＤコーティング装置にお いて、第一、第二および第三の電圧を設定して、前記基板（１０）をはさむ前記 ターゲット・カソード（３）と前記アノード（２）との間にプラズマ（Ｐ）が発 生した時、フローティング電位を前記基板（１０）の電位より高い正の約４０〜 ４００ボルトにすることを特徴とするＰＶＤコーティング装置。 ５．請求項４に記載のＰＶＤコーティング装置において、前記フローティング 電位が、前記基板（１０）の電位より約１３０ボルト高い正の電位であることを 特徴とするＰＶＤコーティング装置。 ６．請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のＰＶＤコーティング装置にお いて、前記第一の電圧を設定して、アノード（２）が前記ターゲット・カソード （３）の電位より約８００ボルト高い正の電位にすることを特徴とするＰＶＤコ ーティング装置。 ７．請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のＰＶＤコーティング装置にお いて、前記第二の電圧を設定して、アノード（２）が、チャンバ壁部（８）の電 位より、約５０〜２５０ボルトだけ正の電位にすることを特徴とするＰＶＤコー ティング装置。 ８．請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のＰＶＤコーティング装置にお いて、前記第三の電圧を設定して、前記アノード（２）が前記基板（１０）電位 より、８００ボルト高い正の電位にすることを特徴とするＰＶＤコーティング装 置。 ９．請求項８に記載のＰＶＤコーティング装置において、前記第三の電圧を設 定して、前記アノード（２）が前記基板（１０）電位より１００乃至１８０ボル ト高い正の電位にすることを特徴とするＰＶＤコーティング装置。 １０．請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載のＰＶＤコーティング装置に おいて、前記ターゲット・カソード（３）と前記基板（１０）との間の距離と、 前記ターゲット・カソード（３）と前記アノード（２）との間の距離の比が、約 １：５であることを特徴とするＰＶＤコーティング装置。 １１．請求項１０に記載のＰＶＤコーティング装置において、前記基板ホルダ ー（９）を配置することにより、前記基板（１０）が、前記ターゲット・カソー ド（３）からほぼ４０ミリの距離のところに位置し、前記ターゲット・カソード （３）と前記アノード（２）との間の距離が、２５０ミリの範囲内にあることを 特徴とするＰＶＤコーティング装置。 １２．請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載のＰＶＤコーティング装置 において、前記制御装置（４、６、７）が、三つの各電圧に割り当てられた個々 の電圧源を持ち、前記第一の電圧源が、前記アノード（２）と前記ターゲット・ カソード（３）との間に接続され、前記第二の電圧源（６）が、前記アノード（ ２）と前記チャンバ壁部（８）との間に接続され、前記第三の電圧源（７）が、 前記アノード（２）と前記基板（１０）との間に接続されていることを特徴とす るＰＶＤコーティング装置。 １３．請求項１乃至請求項１２の何れか１項に記載のＰＶＤコーティング装置 において、前記制御装置（４、６、７）が、前記第一の電圧を供給する一つの電 圧源を持ち、第二および第三の電圧用として、前記電圧源に並列に接続している 各可変抵抗を備えることを特徴とするＰＶＤコーティング装置。 １４．少なくとも一つのコーティング基板を製造するためのＰＶＤコーティン グ方法であって、下記のステップ、すなわち、 真空にすることができるチャンバ内にスパッタリング・プロセスがに暴露され る少なくとも一つのターゲット・カソードと、少なくとも一つのアノードおよび 基板と、前記基板に電気的に接続している基板ホルダーとを配置するステップと 、 少なくとも一つのガス供給接続部を通して、前記チャンバを作用ガスおよび／ または反応性ガスで充填するステップと、 前記基板が配置された状態でプラズマを発生するため、前記ターゲット・カソ ードに、前記アノードに対して負の電位を供給するために、第一の電圧を供給す るステップと、 前記アノードに、前記チャンバ壁部に対して正の電位を供給するために、第二 の電圧を供給するステップと、 前記基板に、アノードより負の電位を供給する第三の電圧を供給するステップ と、 予め定めたコーティング時間が経過した後で、前記チャンバから基板を取り出 すステップとを含むＰＶＤコーティング方法。