JP2004238719A

JP2004238719A - 成膜装置

Info

Publication number: JP2004238719A
Application number: JP2003031803A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Oguri; 和幸小栗
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】陰極ロッドの材質によらず一様かつ適正な厚さの薄膜を形成することが可能であり、かつ、航空機のキャノピーのような曲面を有する物体の成膜にも適した成膜装置を提供する。
【解決手段】真空チャンバ１とこのチャンバ１内に配設した陰極ロッド３との間におけるアーク放電によって陰極ロッド３の周囲にリング状のアーク１５を形成するとともに、陰極ロッド３の電気抵抗に基づく電位差によりアーク１５を陰極ロッド３に沿って自己移動させ、この移動アーク１５に基づいて陰極ロッド３の表面から飛び出す原料物質を物体１９の表面に堆積させて薄膜を形成するようにした成膜装置であって、真空チャンバ１と陰極ロッド３間に印加する電圧を制御して、アーク１５の移動速度を変化させる制御手段７を設けている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク放電を利用して原料物質をスパッタリングする成膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
真空チャンバとこのチャンバ内に配設した陰極ロッドとの間におけるアーク放電によって該陰極ロッドの周囲にリング状のアークを形成するとともに、前記陰極ロッドの電気抵抗に基づく電位差により前記アークを該陰極ロッドに沿って自己移動させ、この移動アークに基づいて前記陰極ロッドの表面から飛び出す原料物質を物体の表面に堆積させて薄膜を形成するようにした成膜装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
この成膜装置によれば、簡易かつ安価な手段を用いて大面積の物体に薄膜を効率よく形成することができる。
【０００３】
【非特許文献１】
Ａ．Ｐ．ＳｏｋｏｌｏｖａｎｄＶ．Ｖ．Ｐｅｒｅｋａｔｏｖ．「ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＶａｃｕｕｍＰｌａｎｔｓｆｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＭｅｔａｌ−ＮｉｔｒｉｄｅａｎｄＭｅｔａｌ−ＯｘｉｄｅＦｉｌｍｓ」．ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｃｏｎｏｍｉｃＡｆｆａｉｒｓｏｆｔｈｅＲｕｓｓｉａｎＦｅｄｅｒａｔｉｏｎ．１９９９．ｐ．３−１０
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記成膜装置における上記リング状アークの移動速度は、上記陰極ロッドの電気抵抗に依存する。すなわち、電気抵抗の高い材料からなる陰極ロッドの方が電気抵抗の低い材料からなる陰極ロッドよりも上記アークの移動速度が高くなる。上記陰極ロッドは、コーティング物質（原料物質）の種類に応じてその電気抵抗が変化する。それゆえ、コーティング物質の異なる陰極ロッドが選択的に使用される上記成膜装置においては、陰極ロッドの種類が変化する度に上記リング状アークの移動速度が変化することになる。
【０００５】
アークの１回の移動期間中において物体表面に堆積するコーティング物質の量は、上記アークの移動速度の影響を受け、該移動速度が低いほど多くなる傾向を示す。
このため、上記成膜装置では、電極の選択に伴ってコーティング物質の厚みにバラツキを生じるという問題を生じていた。
【０００６】
一方、上記成膜装置では、上記アークの移動速度が管理されないので、陰極ロッドの材質等によっては、このアークの移動速度が異常になって、以下のような不都合を生じる恐れがある。
すなわち、上記アークの異常高速移動により、放電が不安定になる現象や、陰極ロッドの周囲全体に上記リング状アークが形成されなくなる現象等を生じる恐れがあり、また、上記アークの異常低速移動により、陰極ロッドにおける放電部位が局所的に過熱されて、異常放電や陰極ロッドの部分的損傷を生じる恐れがある。
更に、上記成膜装置は、ガラス板等の平板状物体に対する成膜には適しているものの、航空機のキャノピーのような曲面を有する物体に一様な厚さの薄膜を形成することが困難であるという欠点がある。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、陰極ロッドの材質によらず一様かつ適正な厚さの薄膜を形成することが可能であり、かつ、航空機のキャノピーのような曲面を有する物体の成膜にも適した成膜装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、真空チャンバとこのチャンバ内に配設した陰極ロッドとの間におけるアーク放電によって該陰極ロッドの周囲にリング状のアークを形成するとともに、前記陰極ロッドの電気抵抗に基づく電位差により前記アークを該陰極ロッドに沿って自己移動させ、この移動アークに基づいて前記陰極ロッドの表面から飛び出す原料物質を物体の表面に堆積させて薄膜を形成するようにした成膜装置であって、前記陰極ロッドへの印加電圧を制御して、前記アークの移動速度を変化させる制御手段を設けたことを特徴としている。
【０００９】
この成膜装置によれば、上記アークの移動速度を制御することができるので、コーティング物質の異なる陰極ロッド、つまり、電気抵抗の異なる陰極ロッドが選択的に使用される場合においても、上記リング状アークの移動速度を適正目標速度に設定することが可能になる。つまり、陰極ロッドを構成する原料物質がどのような種類であっても、適正な厚さの薄膜を形成することが可能になる。
また、上記アークの移動速度を適正化して、不安定放電や陰極ロッドの損傷等を回避することも可能になる。
更に、上記成膜装置によれば、上記物体の形状に起因して陰極ロッドと物体の表面との間の距離が該陰極ロッドの長手方向に一定でない場合でも、その距離変化に応じてアークの移動速度を変化させることができるので、航空機のキャノピー等の物体の表面に対しても一様な厚さの薄膜を形成することが可能になる。
【００１０】
前記制御手段は、前記陰極ロッドを構成する原料物質の材質および／または前記物体の表面の形状に適応した前記アークの移動速度変化パターンを予め設定し、このパターンに基づいて前記電圧を変化させるように構成することができる。
【００１１】
また、本発明は、真空チャンバとこのチャンバ内に配設した陰極ロッドとの間におけるアーク放電によって該陰極ロッドの周囲にリング状のアークを形成するとともに、前記陰極ロッドの電気抵抗に基づく電位差により前記アークを該陰極ロッドに沿って自己移動させ、この移動アークに基づいて前記陰極ロッドの表面から飛び出す原料物質を物体の表面に堆積させて薄膜を形成するようにした成膜装置であって、前記陰極ロッドを、成膜すべき前記物体の面に倣うように形成したことを特徴としている。
【００１２】
前記したように、上記薄膜の厚さは、上記陰極ロッドと上記物体の表面との間の距離が大きくなるほど小さくなる傾向を示す。この発明によれば、前記陰極ロッドと前記物体の表面との間の距離が該陰極ロッドの長手方向に沿って一様になるので、成膜すべき上記物体の表面が例えば曲面であっても、該表面に一様な厚さの薄膜を形成することが可能になる。
【００１３】
前記陰極ロッドは、前記物体の面の形状に倣わせるために、例えば、曲げ加工しても良く、あるいは、長手方向に沿ってその径を変化させても良い。
【００１４】
前記陰極ロッドと真空チャンバとの間で初期アーク放電を発生させる放電発生手段を設け設けても良い。上記放電発生手段は、所定の時間間隔で作動するように、あるいは、アーク電流の停止に基づいて作動するように構成することができる。この構成によれば、１つの物体に対して上記アークの移動操作を複数回繰り返して実施する場合に有利となる。
【００１５】
前記陰極ロッドは、その全体を前記原料物質（ターゲット物質）で形成しても良いが、廉価な鋼等の材料からなる芯材の表面を上記原料物質で被覆した構造を持たせても良い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る成膜装置の好ましい実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る成膜装置を概念的に示す縦断面図である。また図２は、図１のＡ−Ａ線による断面図である。
【００１７】
これらの図において、真空チャンバ１は、金属製の円筒体によって形成されている。このチャンバ１の内部には、当初、ターボ分子ポンプ等によって０．０１Ｐａ程度の初期真空度が与えられ、ついで、希薄ガスの雰囲気（例えば、１〜２Ｐａ程度のＡｒガス雰囲気）が形成される。
【００１８】
陰極ロッド（ターゲット電極）３は、例えば、チタン、アルミニウム、タングステン、ＩＴＯ等のスパッタリング用原料物質で形成され、チャンバ１の軸線に沿って配置されている。
可変直流電源５は、正側がチャンバ１に接続されるとともに、負側が陰極ロッド３の一端に接続されている。また、この可変直流電源５には、該電源５の出力電圧の制御等を実行するコントローラ７が接続されている。
【００１９】
上記陰極ロッド３の他端部近傍には初期放電発生機構９が配設されている。この初期放電発生機構９は、昇降用アクチュエータ９ａと、一端がチャンバ１に電気的に接続された電磁コイル９ｂと、この電磁コイル９ｂの他端に電気的に接続され、該電磁コイル９ｂの電磁力によって上方に吸引される可動子９ｃとを備えている。
この初期放電発生装置９において、コントローラ７からの駆動信号によりアクチュエータ９ａが作動すると、電磁コイル９ｂおよび可動子９ｃからなる電磁石が下降されて、該可動子９ｃの先端が陰極ロッド３の他端部周面に接触し、その結果、陰極ロッド３、可動子９ｃおよび電磁コイル９ｂからなる電路が形成される。
【００２０】
チャンバ１と陰極ロッド３との間には、上記直流電源７の出力電圧が印加されているので、上記電路の形成に伴って電磁コイル９ｂが付勢される。その結果、可動子９ｃが吸引されてその先端が陰極ロッド３の他端部周面から離れ、その際、電磁コイル９ｂに蓄えられた電気エネルギーに基づくマイクロアーク放電（初期アーク放電）が両者間に発生する。チャンバ１と陰極ロッド３との間には、上記直流電源７の出力電圧に基づく電界が作用しているので、上記マイクロアーク放電の発生に伴って、陰極ロッド３の他端部周辺にリング状のアーク１５が形成されることになる。
【００２１】
上記陰極ロッド３の下方には、該ロッド３に平行する導電性のワーク置台１７が設けられ、このワーク置台１７上に被処理物体であるワーク１９が配置されている。なお、図示したワーク１９は、曲面を有した航空機の窓（キャノピー）であり、その内面が上に向く態様で配置されている。
【００２２】
ところで、上記リング状のアーク１５が形成されると、陰極ロッド３にアーク電流が流れる。陰極ロッド３は、電気抵抗を持つので、上記アーク電流が流れた場合に電圧降下を生じる。すなわち、図１に示すように、陰極ロッド３の他端部周辺にリング状のアーク１５が形成された時点では、陰極ロッド３の一端からこのアーク１５の形成位置に至る部位において電圧降下を生じる。
【００２３】
このことは、陰極ロッド３におけるアーク１５の形成位置の電圧に比してそれよりも右方の部位の電圧が低いこと、換言すれば、該アーク１５の形成位置における陰極ロッド３とアノード（チャンバ１あるいはワーク置台１７）との間の電界強度に比して、このアーク形成位置よりも右方の部位における同電界強度が高いことを意味している。
【００２４】
上記初期放電に基づいて陰極ロッド３の他端部周辺に形成されたリング状アーク１５は、電界強度の高い方に引かれることから、陰極ロッド３の一端（右端）に向かって移動を開始する。そして、その移動の途中においても、その移動位置より右方の部位の電界強度が高くなるので、その移動が継続されることになる。そして、アーク１５が陰極ロッド３の一端部に被覆された電気絶縁性のキャップ２１に到達する位置まで移動すると、このキャップ２１の電界遮蔽作用によってアーク１５が消失する。
【００２５】
アーク１５の移動に要する時間は、陰極ロッド３の材質、大きさ、電源５の出力電圧等に基づいて予め知られる。そこで、コントローラ７は、上記所用移動時間が十分確保される周期で上記初期放電発生機構９に駆動信号を出力し、その結果、陰極ロッド３に沿ったアーク１５の移動が繰り返されることになる。
なお、前記キャップ２１の電界遮蔽作用によるアーク１５の消失、つまり、アーク電流の消失を検出し、その検出時点で上記初期放電発生機構９に駆動信号を与えるようにしても良い。電流センサ２３は、上記アーク電流を検出するために設けたものである。
上記初期放電発生機構９の駆動回数、つまり、アーク１５の移動回数は、コントローラ７においてカウントされ、そのカウント数が目標値に達した時点で上記初期放電発生機構９の駆動が停止される。
【００２６】
アーク１５は、チャンバ１内の希薄ガスをプラズマ化する。そして、プラズマ化したガスのイオンは、陰極ロッド３とアノード間の電界によって加速されて該陰極ロッド３の周面に衝突する。その結果、ターゲットたる陰極ロッド３がスパッタリングされて、その原料物質の原子がワーク１９の内表面に到達して堆積する。
したがって、上記陰極ロッド３に沿ったアーク１５の移動に伴って、ワーク１９の内表面に陰極ロッド３の原料物質と同一成分の薄膜が形成される。なお、形成される薄膜の厚さは、上記アーク１５の移動の繰り返し数が多いほど大きくなる。
【００２７】
次に、コントローラ７による電源５の制御について説明する。
上記アーク１５の移動速度は、陰極ロッド３の電気抵抗に依存する。すなわち、電気抵抗の高い原料物質からなる陰極ロッドの方が電気抵抗の低い原料物質からなる陰極ロッドよりも上記アークの移動速度が高くなる。
そして、アーク１５の１回の移動期間中においてワーク１９の表面に堆積する原料物質の量は、上記アーク１５の移動速度の影響を受け、該移動速度が低いほど多くなる傾向を示す。すなわち、移動速度が低いほど、スパッタリング時間が長くなって、原料物質の堆積量が多くなる。
それゆえ、上記原料物質の堆積量を該原料物質の種類によらず一定にするためには、上記アーク１５の移動速度を管理する必要がある。
【００２８】
一方、ワーク１９が、例えば、平板状物体（例えば、ガラス板）である場合には、アーク１５を一定な速度で移動させることにより一様な厚みの薄膜を形成することができる。
しかし、ワーク１９が例えば図１に示したような曲面を有する航空機のキャノピーである場合、陰極ロッド３から離れた（アーク１５から離れた）中間部おける原料物質の堆積効率が該ロッド３に近い両端部におけるそれよりも低くなる。
【００２９】
所定の成膜区間を考えると、前述したように、上記アーク１５の移動速度が低いほど、その区間におけるスパッタリング時間が長くなって、該区間での原料物質の堆積量が多くなる。したがって、上記曲面状ワーク１９の長手方向全域にわたって一様な厚みの薄膜を形成するためには、該ワーク１９の中間部区間におけるアーク１５の移動速度が低下されるように上記アーク１５の移動速度を管理する必要がある。
【００３０】
上記アーク１５の移動速度は、電源５の出力電圧の調整によって変化させることができる。例えば、上記出力電圧を上昇させれば、陰極ロッド３による電圧降下が大きくなるのでアーク１５の移動速度が高くなり、逆に、上記出力電圧を下降させれば、陰極ロッド３による電圧降下が小さくなるのでアーク１５の移動速度が低くなる。
【００３１】
そこで、コントローラ７は、陰極ロッド３を構成する原料物質の各材質およびワーク１９の表面の各種形状に適応した複数のアーク移動速度変化パターンを図示していないメモリに格納し、このパターンが実現されるように可変直流電源５の出力電圧を制御する。
上記アーク１５の移動速度変化パターンは、シミュレーションや実験等によって予め得ることができる。なお、この実施の形態の成膜装置を平板状のワークのみに適用する場合には、陰極ロッド３を構成する原料物質の各材質に適応したアーク移動速度変化パターンのみを上記メモリに記憶させておけばよい。
上記コントローラ７には、上記移動速度変化パターンを選択するために、原料物質の各材質を指定する情報（例えば、陰極ロッド３の番号や）、ワーク１９の形状を指定する情報がキーボード等を介して入力される。
【００３２】
このように、この実施の形態によれば、陰極ロッド３を構成する原料物質の材質およびワーク１９の表面形状に適応したアーク１５の移動速度変化パターンが自動的に設定されるので、平板状のワークはもちろん、陰極ロッド３の長手方向に沿う曲面を有した上記キャノピー等のワーク１９に対しても一様かつ適正な厚みの薄膜を形成することができる。
【００３３】
以上においては、ワーク１９の内面に薄膜を形成する場合を説明したが、上記実施の形態の成膜装置は、該ワーク１９の外面に薄膜を形成する場合にも有効である。この場合、ワーク１９を内面が下方に向くようにワーク置台１７に配置すればよい。なお、短手方向の断面が略半円状をなすキャノピー等の外面に薄膜を形成する場合や、平板ガラス等を含む広面積のワークに薄膜を形成する場合等においては、複数本の陰極ロッド３を所定間隔で平行配置するようにしても良い。この場合、個々の陰極ロッド３においてアーク１５を同じ側からスタートさせる必要はない。
【００３４】
図３および図４は、本発明の別の実施の形態において使用する陰極ロッド３を示している。
図３に示す陰極ロッド３は、ワーク１９の曲面に沿わせるために曲げ加工を施してある。また、図４に示す陰極ロッド３は、同様の目的で、中央部の径が両端部の径よりも大きくなるような形状を持たせてある。
これらの陰極ロッド３を使用する場合には、ワーク１９の長手方向全域における原料物質堆積効率がほぼ一定化されるので、直線状の電極ロッドを用いて平板状ワークに成膜を施す場合と同様に、陰極ロッド３を構成する原料物質の各材質に適応したアーク移動速度が得られるように上記電源５の出力電圧を制御すればよい。
【００３５】
なお、ワーク１９の形状が複雑な場合には、陰極ロッド３をワーク１９に充分沿わせるように形成することが困難な場合もあり得る。この場合には、上記原料物質の材質およびワーク１９の表面形状に適応したアーク１５の移動速度変化パターンにしたがって上記電源５の出力電圧を制御すればよい。
【００３６】
上記各実施の形態において使用される陰極ロッド３は、その全体を前記原料物質（ターゲット物質）で形成しても良いが、廉価な鋼等の材料からなる芯材の表面を原料物質で被覆した構造を持たせても良い。また、陰極ロッド３をＩＴＯで形成する場合には、必要に応じて、水冷することができる。その場合、陰極ロッド３の軸線に沿う通水路が貫通形成される。
【００３７】
なお、上記各実施の形態に係る成膜装置は、大形状の曲面を有した物品に薄膜を容易かつ低コストに形成する手段として特に有効であるが、多数の小物物品に対しての薄膜形成手段としても有効に適用することができる。その場合、上記多数の小物物品がアークの移動方向に沿って配列設置される。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、陰極ロッドへの印加電圧を制御して、アークの移動速度を変化させる制御手段を設けているので、コーティング物質（原料物質）の異なる陰極ロッド、つまり、電気抵抗の異なる陰極ロッドが選択的に使用される場合においても、アークの移動速度を適正目標速度に設定することが可能になる。つまり、陰極ロッドを構成する原料物質がどのような種類であっても、適正な厚さの薄膜を形成することが可能になる。
また、上記アークの移動速度を適正化して、不安定放電や陰極ロッドの損傷等を回避することも可能になる。更に、上記物体の形状に起因して陰極ロッドと物体の表面との間の距離が該陰極ロッドの長手方向に一定でない場合でも、その距離変化に応じてアークの移動速度を変化させることができるので、航空機のキャノピー等の物体の表面に対しても一様な厚さの薄膜を形成することが可能になる。
【００３９】
また、本発明によれば、陰極ロッドを成膜すべき物体の面に倣うように形成しているので、該物体の表面が曲面であっても、該表面に一様な厚さの薄膜を形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る成膜装置の実施の形態を示す概略縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】ワークの形状に沿わせるために曲げ加工を施した陰極ロッドの一例を示す概念図である。
【図４】ワークの形状に沿わせるために径を変化させた陰極ロッドの一例を示す概念図である。
【符号の説明】
１チャンバ
３陰極ロッド
５可変直流電源
７コントローラ
９初期放電発生装置
１５アーク放電
１７ワーク置台
１９ワーク

Claims

真空チャンバとこのチャンバ内に配設した陰極ロッドとの間におけるアーク放電によって該陰極ロッドの周囲にリング状のアークを形成するとともに、前記陰極ロッドの電気抵抗に基づく電位差により前記アークを該陰極ロッドに沿って自己移動させ、この移動アークに基づいて前記陰極ロッドの表面から飛び出す原料物質を物体の表面に堆積させて薄膜を形成するようにした成膜装置であって、
前記真空チャンバと陰極ロッド間に印加する電圧を制御して、前記アークの移動速度を変化させる制御手段を設けたことを特徴とする成膜装置。
前記制御手段は、前記陰極ロッドを構成する原料物質の材質および／または前記物体の表面の形状に適応した前記アークの移動速度変化パターンを予め設定し、このパターンに基づいて前記電圧を変化させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
真空チャンバとこのチャンバ内に配設した陰極ロッドとの間におけるアーク放電によって該陰極ロッドの周囲にリング状のアークを形成するとともに、前記陰極ロッドの電気抵抗に基づく電位差により前記アークを該陰極ロッドに沿って自己移動させ、この移動アークに基づいて前記陰極ロッドの表面から飛び出す原料物質を物体の表面に堆積させて薄膜を形成するようにした成膜装置であって、
前記陰極ロッドを、成膜すべき前記物体の面に倣うように形成したことを特徴とする成膜装置。
前記陰極ロッドは、成膜すべき前記物体の面に倣わせるために曲げ加工されていることを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
前記陰極ロッドは、成膜すべき前記物体の面に倣わせるために、長手方向に沿ってその径を変化させたことを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
前記陰極ロッドと真空チャンバとの間で初期アーク放電を発生させる放電発生手段を設けたことを特徴とする請求項１または３に記載の成膜装置。
前記放電発生手段は、所定の時間間隔で作動するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
前記放電発生手段は、アーク電流の停止に基づいて作動するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
前記陰極ロッドが前記原料物質で表面を被覆した構造を有することを特徴とする請求項１または３に記載の成膜装置。