JP2004143529A - 薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中空部を有する複数の基体に対して、各基体の中空部の内壁全体に均一性良く薄膜を形成することのできる装置を提供する。
【解決手段】この薄膜形成装置は、真空容器２と、蒸発物質６を発生させる蒸発源４と、中空部１２を有する基体１０をその中空部が蒸発源４に向く方向にそれぞれ保持する複数の基体保持具３４とを備えている。更に、各基体保持具３４を、それに保持した基体１０の中空部１２が蒸発源４の前方に順次位置するように移動（旋回）させる移動機構５０と、各基体保持具３４を、それに保持した基体１０の中空部１２を貫く中心軸４４を中心にして回転させる回転機構３０とを備えている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば金型、工具、筒状部材等の、中空部を有する基体の中空部の内壁に、耐摩耗性等を向上させるための薄膜を形成する薄膜形成装置に関し、より具体的には、基体の中空部の内壁全体に均一性良く薄膜を形成する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
成膜すべき複数の基体を、回転テーブルに乗せて各基体を水平方向に回転させると共に、往復直線運動をさせながら、各基体の側面に薄膜を形成する技術は既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、成膜すべき複数の基体を、回転テーブルおよびその上の回転テーブル部材に乗せて各基体を水平方向に自公転させながら、各基体の側面に薄膜を形成する技術も既に提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１９９５１６号公報（段落番号００１６、図１、図２）
【特許文献２】
特開昭５９−１９０３５９号公報（第１０頁左下欄、第１３頁右上欄、第１図、第２図）
【０００４】
上記特許文献２に記載の技術と同様の思想に基づく従来の薄膜形成装置の一例を、図９および図１０を参照して説明する。
【０００５】
この薄膜形成装置は、真空に排気される真空容器２と、この真空容器２に取り付けられていて、後述する基体保持具１４上の基体１０に向けて蒸発物質６を発生させる複数台（図示例では２台）の蒸発源４とを備えている。
【０００６】
真空容器２内には、モータ２４によって回転軸２０を介して矢印Ａ（またはその逆）に示す方向（具体的には水平方向）に回転させられる回転テーブル１８が設けられている。２２は軸受である。
【０００７】
回転テーブル１８上には、中空部１２を有する基体１０を、その中空部１２が蒸発源４に向く方向にそれぞれ保持するものであって、図示しない回転機構によって矢印Ｂ（またはその逆）に示す方向（具体的には水平方向）に回転させられる複数の基体保持具１４が設けられている。この各基体１０を矢印Ｂ方向に回転させる場合の中心軸２６（図１０参照）は、上記回転軸２０に平行である。１６は軸受である。
【０００８】
各基体１０は、例えば、金型（より具体的には雌型）、工具、筒状部材等であり、凹部、筒状部等の中空部１２をそれぞれ有している。
【０００９】
この薄膜形成装置によれば、上記矢印Ａ方向の回転によって複数の基体１０を蒸発源４の前方に順次位置するように水平方向に回転（公転）させると共に、上記矢印Ｂ方向の回転によって各基体１０を水平方向に回転（自転）させながら、蒸発源４から発生させた蒸発物質６を各基体１０の中空部１２の内壁に入射堆積させて、当該内壁に薄膜を形成することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記薄膜形成装置では、基体１０を自公転させるようにしているけれども、両回転はどちらも水平方向の回転であるので、各基体１０の中空部１２の水平方向に位置する左右の側面や奥に位置する底面に入射する蒸発物質６の角度を変化させて、そこに形成される薄膜の均一化（より具体的には、当該薄膜の膜厚、硬度、密着性等の膜質の均一化。以下同じ）を図ることはできるけれども、各基体１０の中空部１２の上下に位置する面に入射する蒸発物質６の角度は変化せず一定のままであるので、各基体１０の中空部１２の上下に位置する面に形成される薄膜の均一化を図ることはできない。従って、各基体１０の中空部１２の内壁全体で見れば、その上下に位置する面と、それ以外の面とで薄膜の膜質が異なることになり、各基体１０の中空部１２の内壁に形成される薄膜の膜質が不均一になる。
【００１１】
前記特許文献１に記載の技術は、複数の基体１０を、上記矢印Ａのように公転させる代わりに、往復直線運動させるものであり、この場合も、上記と同様の課題が存在する。
【００１２】
そこでこの発明は、中空部を有する複数の基体に対して、各基体の中空部の内壁全体に均一性良く薄膜を形成することのできる薄膜形成装置を提供することを主たる目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る薄膜形成装置は、真空に排気される真空容器と、蒸発物質を発生させる蒸発源と、前記真空容器内に設けられていて、中空部を有する基体をその中空部が前記蒸発源に向く方向にそれぞれ保持する複数の基体保持具とを備えていて、各基体保持具に保持した各基体の中空部の内壁に前記蒸発物質を入射させて薄膜を形成する薄膜形成装置において、前記各基体保持具を、それに保持した基体の中空部が前記蒸発源の前方に順次位置するように移動させる移動機構と、前記各基体保持具を、それに保持した基体の中空部を貫く中心軸を中心にして回転させる回転機構とを備えることを特徴としている。
【００１４】
この薄膜形成装置においては、中空部を有する基体は、各基体保持具に、各基体の中空部が蒸発源に向く方向にそれぞれ保持される。
【００１５】
そして、上記移動機構によって、各基体保持具に保持された基体を、その中空部が蒸発源の前方に順次位置するように移動させることができる。この移動は、旋回運動でも良いし、往復直線運動でも良い。この移動によって、蒸発源から発生する蒸発物質が各基体の中空部の内壁に入射する際の角度が、当該移動方向において変化するので、当該移動方向において、基体の中空部の内壁に形成される薄膜の均一化を図ることができる。これを第１の均一化作用と呼ぶことにする。
【００１６】
更に、上記回転機構によって、各基体保持具に保持された基体を、その中空部を貫く中心軸を中心にして回転させることができる。この回転方向は、前述した従来技術の回転方向（例えば図１０に示す矢印Ｂ方向）とは全く（例えば９０度）異なるものである。この発明において各基体は、上述したように、その中空部が蒸発源に向く方向に保持されているので、各基体が蒸発源の前方に位置してその中空部が蒸発源に向いたときには、当該中空部を貫く中心軸は蒸発源の蒸発面に立てた垂線にほぼ平行（平行を含む。以下同じ）な状態になる。そのような中心軸を中心にして回転した状態になるように、上記回転機構によって各基体を回転させることができる。
【００１７】
この回転によって、蒸発源から発生する蒸発物質が各基体の中空部の内壁に入射する状態が、当該回転方向において変化するので、当該回転方向において、基体の中空部の内壁に形成される薄膜の均一化を図ることができる。これを第２の均一化作用と呼ぶことにする。
【００１８】
上記第１の均一化作用と第２の均一化作用とは、基体の中空部の内壁に形成される薄膜の均一化を図る方向が異なる。この薄膜形成装置によれば、このような均一化方向の異なる二つの均一化作用を併用することができるので、各基体の中空部の内壁全体に均一性良く薄膜を形成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る薄膜形成装置の一実施形態を示す横断面図である。図２は、図１中の移動機構および回転機構周りを矢印Ｐ方向に見て拡大して部分的に示す側面図である。図３は、図１中の回転機構周りを矢印Ｑ方向に見て拡大して部分的に示す正面図である。図９および図１０に示した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。
【００２０】
この薄膜形成装置は、前述したような真空容器２およびそれに取り付けられた前述したような蒸発源４を備えている。
【００２１】
蒸発源４の数は１台以上で任意である。例えばこの実施形態のように、２台の蒸発源４を、後述する保持具５２等を挟んで相対向するように配置しても良いし、必要に応じて、真空容器２の残りの２面にも蒸発源４を配置して合計４台にしても良い。蒸発源４を、真空容器２の同一面の上下方向に複数台（即ち複数段に）配置しても良い。蒸発源４を多くする方が、成膜のスループットや成膜の均一性等がより向上する。後述する他の実施形態においても同様である。
【００２２】
各蒸発源４は、この実施形態では、アーク放電によって陰極５を加熱して陰極物質を蒸発物質６として蒸発させるアーク式蒸発源である。各陰極５と陽極兼用の真空容器２との間にはアーク電源８が接続されている。７は絶縁物である。但し各蒸発源４は、イオン等によってターゲットをスパッタしてスパッタ粒子を蒸発物質６として発生させるスパッタ式蒸発源等でも良い。後述する他の実施形態においても同様である。
【００２３】
このような蒸発源４を用いて、各基体１０の中空部１２の内壁に、例えばＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等の薄膜を形成することができる。これによって、各基体１０の耐摩耗性、摺動性等を向上させることができる。なお、上記のような化合物薄膜を形成するときは、蒸発物質６と反応する反応性ガスを真空容器２内に導入すれば良い。
【００２４】
真空容器２内には、前述したような中空部１２を有する基体１０を、その中空部１２が蒸発源４に向く方向にそれぞれ保持する複数の基体保持具３４が設けられている。各基体保持具３４は、より具体的には、この実施形態では、各基体１０の中空部１２が水平外向きに向くように、各基体１０をそれぞれ保持する。
【００２５】
この薄膜形成装置は、上記基体保持具３４を、それに保持した基体１０の中空部１２が各蒸発源４の前方に順次位置するように移動させる（この実施形態では旋回運動させる）移動機構５０を備えている。
【００２６】
移動機構５０は、この例では、上記各基体保持具３４を保持する円形の保持具５２と、それの中心部に接続された回転軸５４と、この回転軸５４を介して保持具５２を矢印Ａ（またはその逆でも良い）に示す方向（この実施形態では水平方向）に回転させるモータ５８とを備えている。モータ５８は真空容器２外に設けられており、回転軸５４が真空容器２を貫通する部分には真空シール機能を有する軸受５６が設けられている。
【００２７】
この薄膜形成装置は、更に、各基体保持具３４を、それに保持した基体１０の中空部１２を貫く中心軸４４を中心にして矢印Ｃ（またはその逆でも良い）に示す方向に回転させる回転機構３０を備えている。
【００２８】
回転機構３０は、この実施形態では、各基体保持具３４をその軸３５の部分で上記保持具５２から回転自在に支持する軸受３６と、各基体保持具３４の外部に放射状に張り出した複数本のアーム３８と、支柱４２に固定されていてこのアーム３８に当接する当接部材４０とを備えている。当接部材４０およびその支柱４２は、この実施形態では図１に示すように、保持具５２を挟んで相対向する２箇所に設けているが、それに限られるものではなく、１箇所でも、３箇所以上でも良い。多くする方が、各基体保持具３４をより頻繁に回転させることができるので、成膜の均一性向上の観点からは好ましい。後述する他の実施形態においても同様である。
【００２９】
移動機構５０によって保持具５２およびそれに取り付けた基体保持具３４を矢印Ａに示すように回転させると、図２および図３に示すように、当接部材４０の上方に来た基体保持具３４のアーム３８が当接部材４０に当接して、当該基体保持具３４は矢印Ｃに示すように、保持している基体１０と共にその中心軸４４を中心にして回転させられる。この例では当接部材４０を２箇所に設けているので、各基体保持具３４は円周上の２箇所で上記のようにそれぞれ回転させられる。
【００３０】
回転機構３０に、上記のようなアーム３８および当接部材４０を用いると、構造を簡略化することができる。但し、モータ等を用いて各基体保持具３４を上記のように回転させるようにしても良い。後述する他の実施形態においても同様である。
【００３１】
この薄膜形成装置においては、前述したように、中空部１２を有する基体１０は、各基体保持具３４に、各基体１０の中空部１２が蒸発源４に向く方向にそれぞれ保持される。
【００３２】
そして、上記移動機構５０によって、各基体保持具３４に保持された基体１０を、矢印Ａに示すように、その中空部１２が各蒸発源４の前方に順次位置するように旋回させることができる。この旋回によって、蒸発源４から発生する蒸発物質６が各基体１０の中空部１２の内壁に入射する際の角度が、当該旋回方向において変化するので、当該旋回方向において、基体１０の中空部１２の内壁に形成される薄膜の均一化を図ることができる。即ち、各基体保持具３４の矢印Ａ方向の旋回に伴って、基体１０の中空部１２の水平方向に位置する左右の面に入射する蒸発物質６の角度が、負の角度から角度０を経て正の角度へと連続的に変化することになるので、中空部１２の内壁に形成される薄膜の膜質の均一化を図ることができる。これが第１の均一化作用である。もっともこの第１の均一化作用と同様の作用は、前述した従来技術でも奏することができる。
【００３３】
この薄膜形成装置においては、更に、上記回転機構３０によって、各基体保持具３４に保持された基体１０を、矢印Ｃに示すように、その中空部１２を貫く中心軸４４を中心にして回転させることができる。この回転方向は、前述した従来技術の回転方向（例えば図１０に示す矢印Ｂ方向）とは全く（この例では９０度）異なるものである。この実施形態の装置において各基体１０は、上述したように、その中空部１２が蒸発源４に向く方向に保持されているので、各基体１０が蒸発源４の前方に位置してその中空部１２が蒸発源４に向いたときには、当該中空部１２を貫く中心軸４４は蒸発源４の蒸発面に立てた垂線にほぼ平行な状態になる。そのような中心軸４４を中心にして回転した状態になるように、上記回転機構３０によって各基体１０を矢印Ｃに示すように回転させることができる。この回転は、必ずしも蒸発源４の前方で行う必要はない。各基体保持具３４が矢印Ａのように旋回させられる間のどこかで回転させれば良い。
【００３４】
この矢印Ｃに示すような回転によって、蒸発源４から発生する蒸発物質６が各基体１０の中空部１２の内壁に入射する状態が、当該回転方向において変化するので、当該回転方向において、基体１０の中空部１２の内壁に形成される薄膜の均一化を図ることができる。即ち、各基体保持具３４の矢印Ｃ方向の回転に伴って、基体１０の中空部１２の内壁の面は、水平方向に対して上下にも左右にも位置するようになり、その様々な位置をとる面に対して蒸発物質６が入射することになるので、中空部１２の内壁に形成される薄膜の膜質の均一化を図ることができる。これが第２の均一化作用である。
【００３５】
上記第１の均一化作用と第２の均一化作用とは、基体１０の中空部１２の内壁に形成される薄膜の均一化を図る方向が異なる。ほぼ９０度異なる。この点で、前述した従来技術とは全く異なる。この薄膜形成装置によれば、このような均一化方向の異なる二つの均一化作用を併用することができるので、各基体１０の中空部１２の内壁全体に均一性良く薄膜を形成することができる。
【００３６】
上記第２の均一化作用を更に説明すると、図１０等に示した従来技術では、基体１０を矢印Ｂのように回転させても、中空部１２の内壁の上面または下面に蒸発源４から入射する蒸発物質６の入射角度は変わらない。例えば、中空部１２の中心よりも蒸発源４の中心が下方にずれて位置していると、中空部１２の上面への入射角度は大きく、下面への入射角度は小さい（あるいは陰になって成膜されない）ままである。中空部１２の中心よりも蒸発源４の中心が上方にずれて位置していると、上記と逆になる。従って、当該上面または下面に対しては、基体１０を矢印Ｂのように回転させても効果はない。基体１０を上下に複数段積んで配置することもあり、その場合も、中空部１２の中心と蒸発源４の中心とが上下方向にずれることになるので、上記のような問題が生じる。
【００３７】
これに対して、この実施形態の薄膜形成装置では、上記のように、各基体保持具３４の矢印Ｃ方向の回転に伴って、基体１０の中空部１２の面は、水平方向に対して上下にも左右にも位置するようになるので、中空部１２の中心と蒸発源４の中心とが上下方向にずれていても、基体１０の矢印Ｃ方向の回転によって、中空部１２のどの面にも蒸発物質が万遍なく入射するようになり、中空部１２の内壁に形成される膜質の均一化を図ることができる。従って、この薄膜形成装置では、上下方向に積むことのできる基体１０の段数の自由度が従来技術に比べて遙かに高い。
【００３８】
上記回転機構３０には、例えば図４に示す例のように、基体保持具３４の外周部に形成された歯車６０と、支柱６４に固定されていてこの歯車６０と噛み合うラック６２との組み合わせを用いても良い。ラック６２の平面形状は、基体保持具３４の矢印Ａ方向の旋回に対応した円弧状をしている。基体保持具３４が前述したように矢印Ａ方向に移動（旋回）すると、ラック６２の部分で、各基体保持具３４は前記と同様に矢印Ｃ方向に回転させられる。ラック６２は、保持具５２の周囲の全周に設けても良い。そのようにすると、各基体保持具３４を矢印Ａ方向に旋回させているときに各基体保持具３４を常に矢印Ｃ方向に回転させることができるので、成膜の均一性をより高めることができる。
【００３９】
各基体保持具３４を、それに保持した基体１０の中空部１２が蒸発源４の前方に順次位置するように移動させる移動機構５０は、上記実施形態のように各基体保持具３４を旋回運動させるものの他に、各基体保持具３４を往復直線運動させるものでも良い。その場合の実施形態を次に説明する。
【００４０】
図５は、この発明に係る薄膜形成装置の他の実施形態を示す横断面図である。図６は、図５中の移動機構および回転機構周りを横から見て拡大して部分的に示す縦断面図であり、図５のＨ−Ｈ断面に概ね相当する。図７は、図５中の回転機構周りを拡大して部分的に示す正面図である。以下においては、図１〜図４に示した実施形態との相違点を主体に説明する。
【００４１】
この薄膜形成装置は、真空弁６６によって仕切られた複数の真空容器２を備えており、この実施形態ではその内の一つに、上記蒸発源４を取り付けている。この蒸発源４は、図示例では１台であるけれども、それに限られるものではなく、１台以上で任意である。このような薄膜形成装置は、基体１０を一方から他方へと直線状に搬送して連続的に処理するのに適している。
【００４２】
移動機構５０は、この実施形態では、枠状の保持具５２を有しており、その上下の辺間をつなぐ複数の支柱部５３に、前記基体保持具３４が軸受３６を介して矢印Ｃ方向に回転自在に取り付けられている。但し、保持具５２は枠状以外のもの、例えば平板状のものでも良い。
【００４３】
この保持具５２の例えば下端部には動力伝達部６８が連結されており、この動力伝達部６８を回転軸５４およびモータ５８を介して矢印Ｄ（図６参照）に示すように往復回転させることによって、保持具５２を真空容器２内で矢印Ｅに示すように往復直線運動させることができる。５６は真空シール機能を有する軸受である。保持具５２のこの直線運動は、ガイド７０によってガイドされる。動力伝達部６８は、例えば、保持具５２と接して動力を伝達するローラでも良いし、保持具５２に設けたラックと噛み合う歯車でも良い。
【００４４】
各基体保持具３４を回転させる回転機構３０は、前記実施形態と同様、各基体保持具３４から張り出した複数本のアーム３８およびそれに当接する当接部材４０を有している。当接部材４０は支柱４２によって支えられている。この当接部材４０および支柱４２を設ける箇所は、１箇所に限られるものではない。
【００４５】
上記移動機構５０によって、保持具５２およびそれに取り付けた基体保持具３４を矢印Ｅに示すように往復直線運動させると、図６および図７に示すように、当接部材４０の上方に来た基体保持具３４のアーム３８が当接部材４０に当接して、各基体保持具３４は矢印Ｃに示すように、基体１０の中空部１２を貫く中心軸４４を中心にして回転（この実施形態では往復回転）させられる。
【００４６】
この薄膜形成装置においても、前記図１等に示した実施形態の場合と同様の作用効果を奏する。即ち、上記矢印Ｅに示すような移動によって、蒸発源４から発生する蒸発物質６が各基体１０の中空部１２の内壁に入射する際の角度が、当該移動方向において変化するので、当該移動方向において、基体１０の中空部１２の内壁に形成される薄膜の均一化を図ることができる。これが第１の均一化作用である。
【００４７】
しかも上記矢印Ｃに示すような回転によって、蒸発源４から発生する蒸発物質６が各基体１０の中空部１２の内壁に入射する状態が、当該回転方向において変化するので、当該回転方向において、基体１０の中空部１２の内壁に形成される薄膜の均一化を図ることができる。これが第２の均一化作用である。
【００４８】
上記第１の均一化作用と第２の均一化作用とは、前記実施形態の場合と同様、基体１０の中空部１２の内壁に形成される薄膜の均一化を図る方向が異なる。この薄膜形成装置によれば、このような均一化方向の異なる二つの均一化作用を併用することができるので、各基体１０の中空部１２の内壁全体に均一性良く薄膜を形成することができる。
【００４９】
回転機構３０には、図４に示した例の場合と同様、図８に示す例のように、基体保持具３４の外周部に設けた歯車６０と、それに噛み合うラック６２との組み合わせを用いても良い。ラック６２は、この例では直線状をしている。その他は、図４の所で説明したのと同様である。
【００５０】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、移動機構による上記第１の均一化作用と回転機構による上記第２の均一化作用とは、基体の中空部の内壁に形成される薄膜の均一化を図る方向が異なり、このような均一化方向の異なる二つの均一化作用を併用することができるので、各基体の中空部の内壁全体に均一性良く薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る薄膜形成装置の一実施形態を示す横断面図である。
【図２】図１中の移動機構および回転機構周りを矢印Ｐ方向に見て拡大して部分的に示す側面図である。
【図３】図１中の回転機構周りを矢印Ｑ方向に見て拡大して部分的に示す正面図である。
【図４】図１の装置に適用する回転機構の他の例を示す正面図であり、図３の例に対応している。
【図５】この発明に係る薄膜形成装置の他の実施形態を示す横断面図である。
【図６】図５中の移動機構および回転機構周りを横から見て拡大して部分的に示す縦断面図であり、図５のＨ−Ｈ断面に概ね相当する。
【図７】図５中の回転機構周りを拡大して部分的に示す正面図である。
【図８】図５の装置に適用する回転機構の他の例を示す正面図であり、図７の例に対応している。
【図９】従来の薄膜形成装置の一例を示す横断面図である。
【図１０】図９中の回転テーブル周りを示す縦断面図である。
【符号の説明】
２　真空容器
４　蒸発源
６　蒸発物質
１０　基体
１２　中空部
３０　回転機構
３４　基体保持具
４４　中心軸
５０　移動機構
５８　モータ

Claims (1)

1. 真空に排気される真空容器と、蒸発物質を発生させる蒸発源と、前記真空容器内に設けられていて、中空部を有する基体をその中空部が前記蒸発源に向く方向にそれぞれ保持する複数の基体保持具とを備えていて、各基体保持具に保持した各基体の中空部の内壁に前記蒸発物質を入射させて薄膜を形成する薄膜形成装置において、前記各基体保持具を、それに保持した基体の中空部が前記蒸発源の前方に順次位置するように移動させる移動機構と、前記各基体保持具を、それに保持した基体の中空部を貫く中心軸を中心にして回転させる回転機構とを備えることを特徴とする薄膜形成装置。

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