JP2014012885A - 真空アーク蒸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発源の材質や放電電流などの成膜条件の変更により、マクロパーティクルの発生量が変化し、また基材の材質の変更により、マクロパーティクルの基材への付着量が変化する為、真空アーク放電のＯＮ，ＯＦＦ切り替えや前記２枚のシャッターの開閉タイミングを変更する必要がある。また、前記移動経路の分だけ装置が大型化する。そのため、成膜後の基材を交換する際に真空チャンバーを大気開放後に基材交換し、再び真空排気した後に成膜処理が開始出来るまでに時間がかかり、生産性が低下するといったことも考えられる。
【解決手段】本発明は、真空アーク蒸着装置の内部を監視できる撮像装置（例えば光検知機や赤外線カメラなど）、マクロパーティクルの飛散防止機構（例えばシャッターなど）、及び前記の光検知機や赤外線カメラからの信号を処理し前記の飛散防止機構を制御するための制御装置、を備えたことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空アーク蒸着装置に関するものである。

真空アーク放電によって、陰極を蒸発させて陰極物質を含むプラズマを生成する真空アーク蒸着源を用いて、この真空アーク蒸着源で発生させたプラズマ中のイオンを負バイアス電圧等によって基体に引き込んで基体の表面に薄膜を形成する手法は、真空アーク蒸発法とも呼ばれており、成膜速度が大きい、薄膜の密着性が高い等の特徴を有している。

しかし、真空アーク蒸着法から蒸発する陰極物質には、成膜に好ましい微小粒子の他に、例えば直径が数μｍ程度またはそれ以上という粗大粒子（パーティクル、あるいはドロップレットとも呼ばれている）が含まれており、この粗大粒子が基材に飛来して付着してしまい、これが原因で基材に対する薄膜の密着性や薄膜表面の平滑性が低下するという問題がある。

特許文献１には、プラズマ生成部と成膜室、プラズマ生成部において生成されるプラズマを成膜室内に移動させるための移動経路で構成される成膜装置が記載されている。この成膜装置において、成膜原料から飛散するパーティクルは前記移動経路のプラズマ生成部近傍および成膜室近傍に設けられた２枚のシャッターにより遮断しつつ、プラズマを基板上に到達させる機構が設けられている。

特開２００７−２７０２７３号公報

しかし、特許文献１に記載されている前記２枚のシャッターは、真空アーク放電を行う時間及びプラズマ生成室から成膜室へ移動するプラズマとパーティクルの移動速度の差を考慮し、開閉の制御が行われている。

従って、蒸発源の材質や放電電流などの成膜条件の変更により、マクロパーティクルの発生量が変化し、また基材の材質の変更により、マクロパーティクルの基材への付着量が変化する為、真空アーク放電のＯＮ，ＯＦＦ切り替えや前記２枚のシャッターの開閉タイミングを変更する必要がある。また、マクロパーティクルが発生、飛来しない場合にも、真空アーク放電のＯＮ，ＯＦＦ切り替えや前記２枚のシャッターの開閉が行われるため、成膜の生産性が低下する。

また、前記移動経路の分だけ装置が大型化する。そのため、成膜後の基材を交換する際に真空チャンバーを大気開放後に基材交換し、再び真空排気した後に成膜処理が開始出来るまでに時間がかかり、生産性が低下するといったことも考えられる。

本発明は、真空アーク蒸着装置の内部を監視できる撮像装置（例えば光検知機や赤外線カメラなど）、マクロパーティクルの飛散防止機構（例えばシャッターなど）、及び前記の光検知機や赤外線カメラからの信号を処理し前記の飛散防止機構を制御するための制御装置、を備えたことを特徴としている。

本真空アーク蒸着装置はマクロパーティクルを監視し、基材への飛来を極力押さえることにより、表面粗度の良い薄膜を成膜することができる。

図１は本発明の実施形態に係る真空アーク蒸着装置の構成を示す図である。 図２は黒体の波長と放射輝度の関係を温度別に示す図である。 図３は図２の波長２０００ｎｍ以下の部分を示す図である。

以下、本発明に係る真空アーク蒸着装置の一実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１に本件発明における一例を示す。真空チャンバー１は図示していないターボ分子ポンプ、ロータリーポンプなどの排気系によって、所定の真空度まで真空排気される。その後、バッキングプレート６に保持、固定され、層状構造カーボン材料で構成された陰極２との間に、図示しない直流電源によって真空アーク放電を開始させ、プラズマ５を生成し、陰極２から蒸発材料を蒸発させ、電源４によって負電位が印加された基材３に成膜を行う。

層状構造カーボン材料で構成された陰極材料で成膜した場合、その放電状態は２種類あり、火花状のマクロパーティクル１２が発生する状態と火花状のマクロパーティクル１２が発生しない状態が存在する。火花状のマクロパーティクル１２が発生する状態で成膜した場合は、通常の焼結構造カーボン材料で構成した陰極材料で成膜した場合と同様に、膜の表面粗度は非常に悪いが、火花状のマクロパーティクル１２が発生しない状態で成膜した場合は、膜の表面粗度が非常に平滑で良くなることがわかっている。

焼結構造カーボンやタングステンなどの材料で構成された陰極材料で成膜した場合、陰極２からは火花が発生することが観測されるが、この火花が多い場合は成膜した膜の表面粗度が悪いことから、この火花は火花状のマクロパーティクル１２であると考えられる。

従って、真空チャンバー１の一部に設置された窓１１を通して、外部に設置した撮像装置９によって真空チャンバー１内を監視することができるようにして、火花状のマクロパーティクル１２が発生した場合にはその画像信号を制御装置１０によって認識し、シャッター駆動部８を制御してシャッター７を閉じるようにすれば、火花状のマクロパーティクル１２の基材への飛散は極力防止することができる。そして再び火花状のマクロパーティクル１２が発生しない状態になれば、シャッター７を開けて成膜を再開すれば、極めて表面粗度の良い薄膜を成膜することができる。

本実施形態では、火花状のマクロパーティクル１２を撮像装置９にて撮像しているが、撮像装置９は、例えばフォトトランジスターのような光信号を電気信号に変換する撮像素子を具備したＣＣＤやＣＭＯＳなどのカメラでも良く、要は光信号を検知できるようなものであれば何でも良い。

一方、チタンやクロムなどの材料で構成された陰極材料で成膜した場合、陰極２からはほとんど火花が発生することは観測されない。しかし、アーク放電における放電電流を大きくすると成膜した膜の表面粗度が悪くなることから、この場合でも火花が発生しないマクロパーティクル１３が発生しているものと考えられる。このような場合、火花状のマクロパーティクル１２が発する可視光を計測できる撮像装置を用いても、火花が発生しないマクロパーティクル１３を計測することができない。従って、火花が発生しないマクロパーティクル１３の基材への飛散を防止できず、基材上に表面粗度の悪い薄膜を形成してしまうことになる。

火花が発生しないマクロパーティクル１３からは可視光は輻射されていないが、赤外線は輻射されている。理想的な黒体、すなわち完全黒体から輻射される電磁波の強度はプランクの法則で与えられ、電磁波の波長および黒体の温度の関数として、分光放射輝度分布あるいはエネルギー密度分布として表すことができる。プランクの法則において、単位立体角あたりの分光放射輝度は次式のようになる。

ここで、ｈはプランク定数、ｃは光速度、λは電磁波の波長、ｋはボルツマン係数、Ｔは黒体の温度である。数１の式を温度４００、６００、８００℃で計算すると図２および図３のようになる。図２を見ると、放射光のほとんどは赤外線であることがわかる。更に図３を見ると、８００℃では可視光（３８０〜７８０ｎｍ）も輻射されており、金属物などが６００℃になると可視光の輻射がほとんどなくなり、４００℃では可視光の輻射は完全になくなることがわかる。実際に、金属物などが６００℃程度の温度になると微かに光っており、４００℃程度になると完全に光らなくなることから、４００℃程度以下の温度では可視光を検知することは不可能となる。しかし図２あるいは図３より、逆に赤外線の輻射が増加することから、赤外線を検知することができる撮像装置を使用すれば、火花が発生しないマクロパーティクル１３を計測することができる。

すなわち、真空チャンバー１の一部に設置された窓１１を通して、外部に設置した撮像装置９によって真空チャンバー１内を監視することができるようにして、火花が発生しないマクロパーティクル１３が発生した場合にはその画像信号を制御装置１０によって認識し、シャッター駆動部８を制御してシャッター７を閉じるようにすれば、火花が発生しないマクロパーティクル１３の基材への飛散は極力防止することができる。そして再び火花が発生しないマクロパーティクル１３が発生しない状態になれば、シャッター７を開けて成膜を再開すれば、極めて表面粗度の良い薄膜を成膜することができる。

さらに、図２あるいは図３より、火花状のマクロパーティクル１２が発生した場合でも赤外線を輻射していることから、赤外線を検知する撮像装置を使用すれば、火花状のマクロパーティクル１２を計測することができる。

すなわち、赤外線を検知する撮像装置を使用すれば、火花状のマクロパーティクル１２と火花が発生しないマクロパーティクル１３の両方、つまり全てのマクロパーティクルを計測することが可能となる。全てのマクロパーティクル、すなわち、火花状のマクロパーティクル１２と火花が発生しないマクロパーティクル１３が発生した場合には、赤外線によって得られるマクロパーティクルの画像信号を制御装置１０によって認識し、シャッター駆動部８を制御してシャッター７を閉じるようにすれば、全てのマクロパーティクルの基材への飛散は極力防止することができる。そして再び火花状のマクロパーティクル１２と火花が発生しないマクロパーティクル１３が発生しない状態になれば、シャッター７を開けて成膜を再開すれば、極めて表面粗度の良い薄膜を成膜することができる。

火花状のマクロパーティクル１２と火花が発生しないマクロパーティクル１３は撮像装置９で検知することができるので、レーザーなどの光源を別途準備することが不要となり、簡易で安価なシステムを構成することができる。また撮像装置９で撮像した画像信号を制御装置１０によって火花状のマクロパーティクル１２と火花が発生しないマクロパーティクル１３の発生を認識する方法については、赤外線を検知することができる撮像装置からの各画素の出力電圧を積算して、一定の閾値よりも大きくなった場合に火花状のマクロパーティクル１２と火花が発生しないマクロパーティクル１３が発生していると認識すれば良い。その閾値は小さくすればするほどマクロパーティクルの基材への飛散を防止し、極めて表面粗度の良い薄膜を形成することができるが、あまり小さくしすぎると成膜速度が遅くなりすぎ、生産性が悪くなる。また閾値を大きくすると、表面粗度の悪い薄膜を形成することになるので、必要とされる表面粗度になるような閾値に設定する。

本実施形態では、火花状のマクロパーティクル１２と火花が発生しないマクロパーティクル１３を撮像装置９にて撮像している。撮像装置９は、例えばフォトトランジスターのような赤外線信号を電気信号に変換する撮像素子を具備したＣＣＤやＣＭＯＳなどのカメラでも良く、要は赤外線信号を検知できるようなものであれば何でも良い。またシャッター７は陰極２の近傍に設置しているが、これは基材３の近傍に設置するようにしても良い。

また本実施形態では、シャッター７を開閉することによって火花状のマクロパーティクル１２と火花が発生しないマクロパーティクル１３の飛散を防止しているが、基材３を火花状のマクロパーティクル１２と火花が発生しないマクロパーティクル１３が飛散しない位置に移動することによって火花状のマクロパーティクル１２と火花が発生しないマクロパーティクル１３の飛来を防止するようにしても良いし、あるいはアーク放電を遮断して、再度放電を開始するようにしてもよく、要は火花状のマクロパーティクル１２と火花が発生しないマクロパーティクル１３が極力基材へ飛来することを防止するように制御すればどのような方法であってもかまわない。

１ 真空チャンバー
２ 陰極
３ 基材
４ 電源
５ プラズマ
６ バッキングプレート
７ シャッター
８ シャッター駆動部
９ 撮像装置
１０ 制御装置
１１ 窓
１２ 火花状のマクロパーティクル
１３ 火花が発生しないマクロパーティクル

Claims (10)

1. 放電によって陰極材料を蒸発させ、基材に成膜を行う真空アーク蒸着法において、放電時に発生するマクロパーティクルを検知する撮像装置と、マクロパーティクルが基材に飛来することを防止する機能を備え、前記撮像装置がマクロパーティクルを検知した時には、マクロパーティクルが基材に飛来することを防止することによって成膜することを特徴とする真空アーク蒸着法。
2. 請求項１において、前記撮像装置は、光信号を検知できる撮像素子を具備したカメラであることを特徴とする真空アーク蒸着法。
3. 請求項１において、前記撮像装置は、赤外線を検知できる撮像素子を具備したカメラであることを特徴とする真空アーク蒸着法。
4. 請求項１〜３において、マクロパーティクルが基材に飛来することを防止する機能とは、陰極材料と基材の間に配置されたシャッターであることを特徴とする真空アーク蒸着法。
5. 請求項１〜４において、陰極材料とは、焼結構造カーボン、層状構造カーボン、タングステン、チタン、クロムであることを特徴とする真空アーク蒸着法。
6. 放電によって陰極材料を蒸発させ、基材に成膜を行う真空アーク蒸着装置において、放電時に発生するマクロパーティクルを検知する撮像装置と、マクロパーティクルが基材に飛来することを防止する機能を備え、前記撮像装置がマクロパーティクルを検知した時には、マクロパーティクルが基材に飛来することを防止することによって成膜することを特徴とする真空アーク蒸着装置。
7. 請求項６において、前記撮像装置は、赤外線を検知できる撮像素子を具備したカメラであることを特徴とする真空アーク蒸着装置。
8. 請求項６において、前記撮像装置は、赤外線を検知できる撮像素子を具備したカメラであることを特徴とする真空アーク蒸着装置。
9. 請求項６〜８において、マクロパーティクルが基材に飛来することを防止する機能とは、陰極材料と基材の間に配置されたシャッターであることを特徴とする真空アーク蒸着装置。
10. 請求項６〜９において、陰極材料とは、焼結構造カーボン、層状構造カーボン、タングステン、チタン、クロムであることを特徴とする真空アーク蒸着装置。