JP2014518941A - 横回転アーク陰極を備えるグロー放電装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドアと、ターゲットを伴う少なくとも２つの横回転陰極とを含む物理気相成長（ＰＶＤ）コーティング装置において実行される、グロー放電プロセスの結果を改善する。
【解決手段】本装置は、回転シールド又はチューブシャッタ４が設けられる。本方法は、第２の電極２のアークが上記ドアに対して直接燃焼するように装置を動作させるステップを含む。第１の電極１上の回転シールド又はチューブシャッタが開き、第２の電極２上の上記回転シールド又はチューブシャッタ４が閉じられる。そして、上記第１の電極１上に正の電位が印加されることにより、上記第２の電極２と上記第１の電極１との間に電位が印加される。上記第１の電極１に対する電位が高いほど電子に影響が及ぶので、上記第１の電極１上に印加される正の電位は、電子流がドアに対してのみ燃焼しないように選択される。
【選択図】図１

Description

本発明はＬＡＲＣ（商標）として知られる、横回転アーク陰極（Lateral Rotating Arc cathode）を備える特定の物理気相成長（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）コーティング装置において用いることができる、特定のグロー放電装置及び対応する方法に関連する。

その陰極は、シャッタとして、回転シールドを備えるべきである。

電気グロー放電は、アルゴン又は別の希ガス等の、低圧のガスに１００Ｖ〜数ｋＶで電流を流すことによって形成されるプラズマプロセスである。

いわゆるアンテナ効果のために、従来のグロー放電は鋭い縁の周囲において優先的に燃焼するが、穴の内部においても燃焼する場合がある。それらの条件は圧力、基板バイアス、チャンバ容積、負荷等によって大きく左右される。それゆえ、従来のグロー放電を用いて基板表面を均一に浄化することは実際には不可能である。従来のグロー放電の最適化は難しく、多くの場合に不可能でさえある。

これらの困難は、特許文献１及び非特許文献１によって開示された「アーク増強グロー放電」方法によって軽減することができる。しかしながら、特許文献１のデバイスは、更なるイオン化陽極を必要とし、イオン化陽極は清浄にしておかなければならず、２つのプロセス間でメンテナンスを必要とする。基板上でハードアークによる燃焼の危険性もある。

横回転アーク陰極（ＬＡＲＣ）による更なる背景情報が、特許文献２〜６において開示されている。

特許文献７では、反応性ガス及び不活性ガスの注入口を備えるコーティング装置の真空チャンバと、コーティング装置の残りの部分から直流電気的に分離され（galvanically separated）、電流供給源（１１）の正極に接続される２つの回転電極とを備える、サンプル又は基板上にコーティングを堆積する装置が開示されている。

特許文献８では、真空チャンバ内に、少なくとも２つの円筒形ターゲットと、ターゲットの外面付近に磁界を生成するようにターゲットのうちの１つにそれぞれ並置される少なくとも２つの磁石とを含む、基板に薄膜コーティングを塗布するスパッタリング装置が開示されている。

特許文献９では、真空アーク蒸着源材料からなる２つ以上の電極と、真空アーク蒸着によってそこに膜が形成される基板とを備える電極切替手段を有する真空アーク堆積デバイスが開示され、各電極及び基板は反応性ガスを導入することができる真空チャンバ内に収容され、各電極が陰極及び陽極としての役割を交互に果たすように、電極は極性切替手段によってアーク放電ＤＣ電源に接続される。

米国特許第５，２９４，３２２号 欧州特許出願公開第１１７３６２９号 欧州特許出願公開第１３５６４９６号 欧州特許出願公開第１３５７５７７号 欧州特許出願公開第１５２４３２９号 欧州特許出願公開第１６７３４８８号 国際公開第２００５／１００６３５号 米国特許出願公開第２００５／０１０９６１６号 欧州特許第０４６２３０３号

J. Vetter他「Arc-enhanced glow discharge in vacuum machines」Surface and Coating Technology No. 59 (1993), pages 152 to 155

本発明の１つの目的は、陽極として機能する横回転アーク陰極（ＬＡＲＣ）を用いて上記のプロセスを改善する装置を提供し、横回転アーク陰極は、シャッタ後方でその場で燃焼して、アーク増強グロー放電直後に浄化することがきる。本発明のこの目的は、請求項１に記載の本発明の方法によって解決される。本発明の別の目的は、対応するプロセスを改善することである。本発明のかかる目的は、請求項１０による本発明の方法によって解決される。本発明の方策は、従来のＡｒグロー放電プロセスに対する代替の方法としてアーク増強グロー放電プロセスによってＡｒ^＋イオンを生成する場合に、アーク内に生成される電子及びガス原子の非弾性衝突によってイオンが生成されるという効果を主に有する。

電子を生成するために、そのシステムは、回転シールドを備える２つの回転円筒電極を用いる。２つの陰極のうちの一方が、低電圧アーク供給源の負極、すなわち、層を堆積するのに用いられる構成から、電流供給源の正極に切り替えられ、それとともに、イオン化陽極を生成する。第２の陰極がサンプルからシールドされるように、閉じた回転シールドを併用しながら、このイオン化陽極は、低電圧アーク供給源の負極に接続される第２の円筒回転陰極と組み合わせて、実効的なイオン化供給源を形成する。そのイオン化供給源は、イオン化陽極に接続される電流供給源がパルス方式において動作する場合に好都合である。そのイオン化供給源は、アーク増強グロー放電プロセスの安定性を大幅に改善し、基板上にアーク放電が形成されないようにする。

より高い電子流によって、より高いイオン化度が達成される。アーク増強グロー放電プロセスにおいて、チャンバ内の種々の位置において、イオンエッチングのより良好な均質性を達成することができ、それゆえ、複雑な基板形状の場合のエッチング効果の能力が高められる。イオン化陽極への電流供給源としてパルス電流源を使用することによって、マイクロアークのリスクが低減される。アーク増強グロー放電プロセス後に、イオン化陽極として機能していた円筒形回転電極から、その場で汚れを除去するのが非常に容易である。リスパッタリングプロセスによって引き起こされた汚れは、電極を陽極モードから陰極モードに、すなわち、コーティング堆積モードに戻すときに除去される。この陰極浄化ステップ中にシャッタを閉じることによって、工具がコーティングされるのを避ける。

本発明の方法の更なる有利な細部は従属請求項において規定される。

上記の要素、及び本発明に従って使用され、特許請求され、以下の例示的な実施形態において記述される要素も、特許請求の範囲の明示的な定義を越え、そのサイズ、形状、材料の使用及び技術的設計に関して特に例外を受けないので、それぞれの使用分野において既知である選択基準を無制限に用いることができる。

本発明の例示的な実施形態が、図面を参照しながら以下に更に詳細に説明される。

アーク増強グロー放電プロセスに対して用いられるような、本発明の好ましい実施形態による要素の概略的な配置を示す図である。 薄膜コーティングステップに対して用いられるような、本発明の好ましい実施形態による要素の概略的な配置を示す図である。 図１の配置による陰極構成の写真である。 異なるグロー放電方法間の比較を示す図であり、図４ａは従来技術によるプロセスを示し、図４ｂは本発明によるプロセスを示す。 ＬＡＲＣグロー放電の助けによるコーティングの接着改善、それゆえ、挿入物を粉砕する工具寿命の改善を示す図であり、図５ａは工具の写真を用いてこれを示し、図５ｂは改善の定量的な図を用いてこれを示す。 ＬＡＲＣグロー放電の助けによる、ガラスビードブラストによる予備処理後の残留物の除去、それゆえ、ＨＳＳエンドミルの接着及び工具寿命の改善を示す図であり、図６ａは工具の写真を用いてこれを示し、図６ｂは改善の定量的な図を用いてこれを示す。

図１に示される物理気相成長（ＰＶＤ）装置のチャンバ６内に２つの電極（陰極）１及び２がある。第２の陰極２はＴｉ、代替的には、Ｃｒ、ＴｉＡｌ又はＴｉＳｉ−ターゲットによって実装される一方、第１の電極１はアルミニウムターゲット、代替的にはＡｌＳｉ、ＡｌＴｉ、ＡｌＣｒによって準備される。陰極１は、ＬＡＲＣグロー放電プロセスの場合には陽極として、コーティング堆積の場合には陰極として択一的に用いられる電極として設計される。

陰極は、シャッタとして回転可能シールド４を有するように設計される。シャッタは陰極と基板との間にある回転可能シート、すなわち、シールドである。シャッタの目的は、陰極のＡＲＣを点火しながら、基板を汚す汚染を回避することである。シャッタは、気化したターゲット汚染物質が基板上に堆積するのを防ぐ。

チャンバは排出口８を介してターボポンプに接続される。

陰極（ターゲット）１及び２は、標準的なアーク源９及び１０によって供給される。電極１はパルス電流源１１によって更に供給される。標準的なアーク源１０及びパルス電流源１１は、電極１に選択的に切り替えることができる。

バイアス１２がチャンバ壁と基板３との間に接続される。

好ましい実施形態では、本発明は以下のステップによって実行される。第２の陰極２上のシールドが閉じられる。それぞれのアークがドアに向かって（後方に）直接燃焼する。このプロセスは、説明される例では、アーク電流１００Ａ及び−２０Ｖで実行される。この実施形態によるプロセス内のガスは、Ａｒ又はＡｒＨの組み合わせである。第１の電極１上の回転シールドが開けられる。第１の電極１に正の電位が印加される。説明される例では、正の電位は＋０Ｖ〜＋５０Ｖの範囲にある。このモードでは、第１の電極１はプロセスの陽極である。したがって、電極間に２０Ｖ〜７０Ｖの電位が印加される。

ドアに対する電位は２０Ｖにすぎないので、電子流はドアに対して燃焼するだけではない。電子は、更に高い電位によって第１の電極１に引き寄せられる。引き寄せられた電子は第２の陰極２から電極１まで進むにつれて、その経路上でチャンバ内のガスをイオン化する。このプロセスステップの概略図が図１において例示されている。電極１の磁界はＡｒガスをイオン化するのを支援する。イオン化レベルは、低い圧力及び低い基板バイアスが加えられる限り、作動圧及び基板バイアスによって大きく左右されないので、従来のグロー放電は燃焼しない。低い圧力、説明される例では、約１Ｐａ及び低いバイアス、説明されるプロセスでは約３００Ａが、イオン化されたＡｒガスが、基板表面全体に均一に衝撃を与えるのを確実にする。Ａｒガスイオン化は負荷、チャンバ容積、工具形状等によって決まるので、従来のグロー放電はこれらの条件において燃焼しない。

堆積ステップが行われるとき、電極１は低電圧アーク源１０に接続され、両方のシャッタが開けられる。両方の電極１及び２が基板３に向かって蒸着し、必要とされるコーティングを形成することができる。このプロセスステップの概略図が図２において例示されている。

本実施形態による方法の利点が図４において例示されている。図４ａでは、金属イオンエッチングを用いて、従来のＡｒエッチングが示されている。図４ｂでは、回転陰極及びシールドを備えるグロー放電が示されている（Ｕ_ｂｉａｓ＝３００Ｖ）。図４ａでは、参照符号１は正の電位にある陽極である。図４ｂでは、更なる固定シャッタ（シールド）１４及びドア５が示されている。従来技術の結果の状態の写真が、約０．４５ｍｍ^２のプラーク（剥離）を示しているのに対して、本発明の実施形態によれば、そのような剥離は存在しない。図４ａ及び図４ｂは、本発明によるＬＡＲＣグロー放電方法を用いるとき、コーティングの接着及び切断工具の工具寿命を改善できることを明らかに実証する。

以下のプロセスパラメータを用いて、図５ａ及び図５ｂ（その工具の写真及び改善を定量的に示す図）に示されるようなＬＡＲＣグロー放電の助けをかりて、コーティングの接着を改善し、それゆえ挿入物を粉砕する工具寿命を改善する。
工具−挿入物ＡＤＭＸ１１Ｔ３０８ＳＲ
速度−８０ｍ／分
工作物材料−Ｃ４５
供給−０．１ｍｍ
深さ−８ｍｍ
ａｅ−２２ｍｍ
ミルの直径−２５ｍｍ
冷却−エマルジョン
ＴｉＡｌＮ＋従来のグロー放電−９１分
ＴｉＡｌＮ＋ＬＡＲＣグロー放電−１６０分

陽極がチャンバ内でＡＲＣ陰極とは反対側に配置される場合には、陽極はカルーセルによって陰にされ、エッチング効率はカルーセルの装填によって大きく左右される。

重要な特徴として、ＬＡＲＣグロー放電プロセスは、従来のグロー放電の場合に必要とされたような、任意の更なる浄化ステップ（化学的又は手作業）を適用することなく、ガラスビードブラスト後に表面上に付着しているガラス、ダイヤモンドペースト等の残留物を基板の表面上から除去することができる。

図６には、ＬＡＲＣグロー放電の助けによる、ガラスビードブラストによる予備処理後の残留物の除去、それゆえ、ＨＳＳエンドミルの接着及び工具寿命の改善が示されており、図６ａは工具の写真であり、図６ｂは改善を定量的に示す図であり、以下のプロセスパラメータを用いている。
工具 タイプＮ３００
直径 １６ｍｍ
切断エッチング回数 ４
材料 １．２３１２
強度 １０００Ｎ／ｍｍ^２
装置 Ｄｅｃｋｅｌ／Ｍａｈｏ
切断値 ｖｃ＝１００ｍ／分
ｎ＝１９９０Ｕ／分
ｆｚ＝０．０８ｍｍ
ｖｆ＝６３６ｍｍ／分
ａｅ＝０．２ｍｍ
ａｐ＝２４ｍｍ
Ｖｂ；クリアランス上の摩耗

１ ＬＡＲＣグロー放電プロセスの場合に陽極として、コーティング堆積の場合に陰極として交互に用いられる第１の電極（Ａｌ）
２ 第２の陰極（Ｔｉ又はＣｒ）
３ 基板
４ 回転シールド
４ａ 開いた回転シールド
４ｂ 閉じた回転シールド
５ ドア
６ 真空チャンバ
８ ターボポンプによる排出口
９ 低電圧アーク源
１０ 低電圧アーク源
１１ パルス電流源
１２ バイアス
１４ 固定シャッタ

Claims (14)

1. 物理気相成長法によってサンプル又は基板上にコーティングを堆積する装置であって、
   反応性ガス及び不活性ガスの注入口を備えるコーティング装置の真空チャンバと、
   前記コーティング装置の残りの部分から直流電気的に分離され、電流供給源（１１）の正極に接続される第１の回転電極（１）と、
   前記コーティング装置の残りの部分から直流電気的に分離される第２の回転電極（２）と
   を含んでなり、
   前記第１の回転電極（１）及び前記第２の回転電極（２）のそれぞれは回転シールド（４）を備え、
   前記装置は高電圧供給源（１２）を更に含み、該高電圧供給源の負極は前記サンプル又は前記基板に接続され、前記第２の回転電極（２）の負極は低電圧アーク供給源（９）に接続され、前記第２の電極はアークによって消費されることを特徴とする、装置。
2. 前記電流供給源（１１）の負極は、前記コーティング装置の前記真空チャンバに接続されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記低電圧アーク供給源（９）の正極は、前記コーティング装置の前記真空チャンバに接続されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記高電圧供給源（１２）の正極は、前記コーティング装置の前記真空チャンバに接続されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記電流供給源（１１）はパルス供給源であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 前記第２の回転電極（２）の前記回転シールドは、前記電極上でアーク燃焼中に前記サンプル又は前記基板に対して前記電極をシールドするように設けられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記第１の電極（１）の前記回転シールドは、アーク燃焼中に前記サンプル又は前記基板に対して前記電極をシールドしないように設けられ、前記サンプル又は前記基板上にコーティングを堆積するのに使用可能であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記電流供給源の前記正極に接続される前記第１の回転電極（１）は、別の低電圧アーク供給源（１０）の負極に択一的に再接続可能であり、前記サンプル又は前記基板上にコーティングを堆積するのに使用可能であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記パルス電流供給源（１１）は、０．１秒〜０．０００００１秒の長さ及び１０Ｈｚ〜１０^６Ｈｚの切替周波数を有するパルスを生成するように設けられていることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の物理気相成長コーティング装置におけるグロー放電方法であって、前記装置はドアを有しており、
    仮想シャッタモードにおいて前記第２の電極（２）のアークが前記ドアに対して直接燃焼するように前記装置を動作させるステップであって、前記モードでは、第１の電極（１）上のシールド又はチューブシャッタが開き、第２の電極（２）上の前記シールド又は前記チューブシャッタ（４）が閉じられる、動作させるステップと、
    前記第２の電極（２）と前記第１の電極（１）との間に電位を印加するように、前記第１の電極（１）上に正の電位を印加するステップと
    を含んでなり、
    前記第１の電極（１）への電位が高いほど電子に影響が及ぶため、前記第１の電極（１）上に印加される前記正の電位は、電子流がもはやドアに対して燃焼しないように選択されるものである、請求項１〜９のいずれか一項に記載の物理気相成長コーティング装置におけるグロー放電方法。
11. 前記仮想シャッタモードにおいて前記第２の電極の前記アークが前記ドアに対して直接燃焼する前記装置の前記動作は、−２０Ｖ及び１００Ａで実行されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第２の電極（２）と前記第１の電極（１）との間の前記電位が２０Ｖ〜５０Ｖとなるように、前記第１の電極（１）上に印加される前記正の電位は１Ｖ〜５０Ｖであることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 前記第１の電極（１）はアルミニウムターゲットであり、前記第２の電極（２）はチタンターゲットであり、前記装置内のガスはアルゴンであることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記第２の回転電極（２）の前記回転シールドは、前記電極上でアーク燃焼中に前記サンプル又は前記基板に対して前記電極をシールドするように向くように配置されること特徴とし、前記第１の回転電極（１）の前記回転シールドは、前記アーク燃焼中に前記サンプル又は前記基板に対して前記電極をシールドしないように向くように配置されることにより、前記サンプル又は前記基板上にコーティングを堆積することを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の方法。