JP2019121422A - 表面処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマを用いた成膜処理などの所定の処理の実施において、その初期の段階から安定して当該所定の処理を実施できるようにする。【解決手段】 本発明に係るイオンプレーティング装置１０によれば、接地された蒸発源１６を陽極とし、フィラメント３４を陰極として、これら両者間にプラズマが発生する。そして、シャッタ４４が開放されることで、基板２６の表面に所定の処理としての成膜処理が施される。ここで、シャッタ４４は、絶縁碍子４６の介在により、電気的に浮遊した状態にある。したがって、プラズマ中の電子がシャッタ４４に流れ込むことはない。ゆえに、シャッタ４４が開閉駆動されても、プラズマの密度が変化することはない。この結果、成膜処理の初期の段階から安定して当該成膜処理を実施することができ、良好な品質の被膜を良好な再現性で形成することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、表面処理装置に関し、特に、プラズマを用いて被処理物の表面に成膜処理などの所定の処理を施す、表面処理装置に関する。

この種の表面処理装置として、従来、たとえば特許文献１に開示されたイオンプレーティング装置がある。この特許文献１に開示された従来のイオンプレーティング装置は、内部が排気される真空槽を備えている。この真空槽は、接地（アース）されている。そして、真空槽内には、蒸発源が設けられている。この蒸発源は、被膜の材料である蒸発材料を収容する坩堝と、この坩堝に収容された蒸発材料を加熱して蒸発させる電子銃と、を有している。さらに、真空槽内における蒸発源の上方に、被処理物としての基板が配置される。この基板には、真空槽の外部にある基板バイアス電源装置から、接地電位を基準とする負の直流電力である基板バイアス電力が供給される。加えて、真空槽内における坩堝と基板との間に、シャッタが設けられている。このシャッタは、開閉機構によって開閉駆動される。具体的には、シャッタは、被処理物と坩堝との間に置かれることで、当該被処理物の表面を坩堝の開口部から遮蔽する閉鎖状態と、被処理物と坩堝との間から外れた位置に置かれることで、当該被処理物の表面を坩堝の開口部に向けて露出させる開放状態と、に選択的に遷移する。

そして、坩堝とシャッタとの間に、イオン化機構が設けられている。このイオン化機構は、熱電子放射フィラメントと、イオン化電極と、を有する。このうちの熱電子放射フィラメントの両端部は、真空槽の外部にあるフィラメント加熱電源装置に接続されている。熱電子放射フィラメントは、フィラメント加熱電源装置から交流のフィラメント加熱電力の供給を受けて加熱されて、熱電子を放出する。また、熱電子放射フィラメントの一方端部は、接地されている。イオン化電極は、熱電子放射フィラメントの上方に設けられている。そして、イオン化電極は、真空槽の外部にあるイオン化電源装置に接続されている。イオン化電源装置は、接地電位を基準とする正の直流電力であるイオン化電極電力をイオン化電極に供給する。言い換えれば、イオン化電源装置は、イオン化電極を陽極とし、熱電子放射フィラメントを陰極として、これら両者に直流のイオン化電極電力を供給する。

さらに、イオン化電極に流れる電流であるイオン化電極電流を検出するための電流検出装置が設けられている。この電流検出装置による電流検出値は、熱電子量制御手段としてのフィラメント制御装置に供給される。フィラメント制御装置は、電流検出装置による電流検出値が一定となるように、つまりイオン化電極電流が一定となるように、フィラメント加熱電源装置を制御する。これにより、熱電子放射フィラメントの加熱温度、つまりは当該熱電子放射フィラメントから放出される熱電子の量が、適宜に調整される。

このような構成のイオンプレーティング装置によれば、たとえばステンレス鋼製の基板の表面に銅（Ｃｕ）の被膜を形成することができる。この場合、高純度の銅の蒸発材料が、坩堝に収容される。その上で、真空槽内が排気され、いわゆる真空引きが行われる。この真空引きの後、シャッタが閉鎖された状態で、フィラメント加熱電源装置から熱電子放射フィラメントにフィラメント加熱電力が供給される。これにより、熱電子放射フィラメントが加熱されて、熱電子を放射する。併せて、イオン化電源装置からイオン化電極にイオン化電極電力が供給される。すなわち、イオン化電極を陽極とし、熱電子放射フィラメントを陰極として、これら両者にイオン化電極電力が供給される。すると、陰極としての熱電子放射フィラメントから放射された熱電子が、陽極としてのイオン化電極に向かって加速される。この熱電子がイオン化電極に流入することで、当該イオン化電極に相応の電流が流れ、つまり前述のイオン化電極電流が流れる。

この状態で、坩堝内の蒸発材料が電子銃によって加熱されて、蒸発する。この蒸発材料の蒸発粒子は、上方に向かって流れ、つまり閉鎖状態にあるシャッタに向かって流れる。その途中で、前述の加速された熱電子が、蒸発材料の蒸発粒子に非弾性衝突する。その衝撃によって、蒸発材料の蒸発粒子が電離して、イオン化される。このイオン化によって、蒸発材料の蒸発粒子から電子が弾き飛ばされ、この弾き飛ばされた電子は、イオン化電極に流れ込む。これにより、イオン化電極に流れるイオン化電極電流が増大する。この現象が継続されることで、イオン化された蒸発粒子を含むプラズマが発生する。このプラズマの態様は、低電圧大電流のアーク放電である。

さらに、基板バイアス電源装置から基板に基板バイアス電力が供給される。併せて、シャッタが開放される。これにより、イオン化された蒸発粒子、つまり銅イオンが、基板の表面に入射され、当該基板の表面に銅の被膜が形成される。

なお、イオン化電極に流れるイオン化電極電流は、プラズマの密度に相関（比例）し、つまり熱電子放射フィラメントとイオン化電極との間で生成されるイオンの量に相関する。たとえば、イオン化電極電流が大きいほど、イオンの生成量が大きく、被処理物の表面に入射されるイオンの量も大きくなる。このイオン化電極電流、つまりイオンの生成量は、蒸発材料が蒸発するに連れて当該蒸発材料の溶融面が下がったり、或いは、熱電子放射フィラメントが変形したりすることによって、変動する。このイオンの生成量の変動は、被膜の品質や再現性に大きく影響するため、好ましくない。このため、前述の如く電流検出装置による電流検出値が一定となるように、つまりイオン化電極電流が一定となるように、フィラメント制御装置による制御が行われる。

加えて、この従来のイオンプレーティング装置によれば、基板の表面に形成された被膜の厚さを検出するための膜厚センサが、当該基板の近傍に設けられている。この膜厚センサは、真空槽の外部にある膜厚モニタに接続されている。膜厚モニタは、膜厚センサによる膜厚検出値に基づいて、基板の表面に形成される被膜の形成速度、いわゆる成膜レート、を算出する。そして、成膜レートが一定となるように、電子銃の出力が制御される。この成膜レートを一定にするための制御と、前述のイオンの生成量を一定にするための制御とは、互いに独立して行うことが可能である。したがって、被膜の品質や特性についての様々な要求に柔軟に対応することができる。

また、この従来のイオンプレーティング装置によれば、銅被膜以外の被膜を形成することも可能である。たとえば、銅被膜以外の金属膜や、金属膜以外の導電性被膜、或いは絶縁性被膜を形成することも可能である。また、蒸発材料とは別の被膜の材料である反応性ガスが真空槽内に導入されることによって、当該蒸発材料の粒子と反応性ガスの粒子との化合物である化合物膜を形成することができ、いわゆる反応性イオンプレーティング法による成膜処理を実施することもできる。

特開２０１３−６０６４９号公報

ところで、特許文献１には明記されていないが、前述のシャッタは、成膜処理の初期の段階における当該成膜処理を安定化させるために設けられる。すなわち、電子銃による坩堝内の蒸発材料の加熱が開始された直後は、当該蒸発材料の蒸発量は少なく、かつ、不安定である。この状態では、プラズマが不安定である。このような状態で、基板の表面への成膜処理が実施されるとすると、良好な品質の被膜を形成することができない。たとえば、成膜処理の初期の段階とその後の段階とで、異なる品質の被膜が形成されてしまう。また、前述の反応性イオンプレーティング法による成膜処理においては、当該成膜処理の初期の段階とその後の段階とで、異なる組成の被膜が形成されてしまう。さらに、蒸発材料の加熱が開始された直後は、当該蒸発材料の蒸発粒子に不純物が含まれていることがあり、この不純物が基板の表面に付着すると、被膜の密着力が十分に得られず、当該被膜の剥離を招く。このような不都合を回避するために、プラズマが安定するまで、シャッタが閉鎖される。そして、プラズマが安定した上で、シャッタが開放される。これにより、良好な品質の被膜を形成することができる。

なお、シャッタは、機械的強度が比較的に大きく、耐熱性および耐食性が比較的に高い非磁性の金属、たとえばＳＵＳ３０４などのステンレス鋼、によって形成されている。このシャッタは、前述の開閉機構を介して真空槽（の壁部）に機械的に結合されているが、これと同時に、当該開閉機構を介して真空槽と電気的に導通しており、つまり接地されている。

このようにシャッタは、良好な品質の被膜を形成するのに必要であるが、このシャッタに起因して、被膜の品質に影響する別の問題があることが、このたび判明した。すなわち、プラズマが発生している状態で、シャッタが開閉駆動される、とする。たとえば、シャッタが閉鎖状態にあるときには、プラズマ中の電子は、前述の如くイオン化電極に流れ込むが、併せて、当該イオン化電極と同じ電位（接地電位）であるシャッタにも多少なりとも流れ込む。そして、これらイオン化電極に流れ込む電子と、シャッタに流れ込む電子と、の総和が、前述のイオン化電極電流として現れる。なお、シャッタに流れ込む電子の量は、当該シャッタの位置が熱電子放射フィラメントの位置に近いほど多い。

ここで、シャッタが閉鎖状態から開放状態に遷移すると、当該シャッタの位置が熱電子放射フィラメントの位置から遠ざかる。この結果、シャッタに流れ込む電子の量が減少し、概ねゼロとなる。これに伴って、イオンの生成量が少なくなり、つまりプラズマの密度が低下し、その結果、イオン化電極電流が小さくなる。この状態は、前述のフィラメント制御装置によるイオン化電極電流を一定にするための制御によって解消されるが、それまでには多少の時間が掛かる。これは、フィラメント制御装置によるイオン化電極電流を一定にするための制御が安定的に行われるようにするべく、当該フィラメント制御装置に比較的に緩やかな応答性（時定数）が与えられていることによる。

したがって、成膜処理の実施の際に、前述の如くプラズマが安定するまでシャッタが閉鎖され、当該プラズマが安定した上でシャッタが開放されると、このシャッタが開放された直後の多少の時間にわたって、イオンの生成量が少なくなる。要するに、シャッタが閉鎖状態から開放状態に遷移した直後の成膜処理の初期の段階においては、イオンの生成量が不安定な状態で、当該成膜処理が実施されることになる。このことは、被膜の下層側の界面となる部分について、イオンの生成量が不安定な状態で形成されることを意味し、当該界面となる部分が極めて重要である被膜にとって、好ましくない。特に、前述の反応性イオンプレーティング法による成膜処理においては、イオンの生成量が被膜の品質に大きく影響するため、このことによる当該被膜の品質への影響が顕著である。

すなわち、従来のイオンプレーティング装置では、成膜処理の初期の段階から安定して当該成膜処理を実施することができない、という問題がある。この問題は、成膜処理に限らず、プラズマを用いた窒化処理や浸炭処理などの他の表面処理においても、同様に生ずる。

そこで、本発明は、プラズマを用いた成膜処理などの所定の処理の実施において、その初期の段階から安定して当該所定の処理を実施することができる表面処理装置を提供することを、目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、プラズマを用いて被処理物の表面に所定の処理を施す表面処理装置であって、真空槽、プラズマ発生手段、シャッタ、および防止手段を備える。このうちの真空槽の内部には、被処理物が配置される。また、真空槽の内部は、排気される。プラズマ発生手段は、真空槽の内部においてプラズマを発生させる。シャッタは、真空槽の内部において閉鎖状態と開放状態とに遷移可能である。ここで、閉鎖状態は、被処理物の表面に所定の処理が施されないようにする状態である。一方、開放状態は、被処理物の表面に所定の処理が施されるようにする状態である。そして、防止手段は、プラズマ中の電子がシャッタに流入するのを防止する。

すなわち、本発明によれば、シャッタが閉鎖状態にあるときには、被処理物の表面に所定の処理が施されない。そして、シャッタが開放状態にあるときに、被処理物の表面に所定の処理が施される。さらに、防止手段によって、プラズマ中の電子がシャッタに流入することが防止される。したがってたとえば、シャッタが閉鎖状態から開放状態に遷移しても、このことにより、プラズマの密度が変化することはない。ゆえに、所定の処理の初期の段階から安定して当該所定の処理を実施することができる。

なお、防止手段は、シャッタをプラズマ発生手段との間で電気的に絶縁する絶縁手段を含むものであってもよい。このような絶縁手段を含む防止手段によって、プラズマ中の電子がシャッタに流入することが防止される。

また、防止手段が設けられることに代えて、シャッタが電気的に絶縁性の物質により形成されてもよい。このように、シャッタが電気的に絶縁性の物質により形成されることによっても、プラズマ中の電子がシャッタに流入することが防止される。

ここで言う所定の処理は、被処理物の表面に被膜を形成する成膜処理であってもよい。この場合、成膜処理の初期の段階から安定して当該成膜処理を実施することができる。

さらに、ここで言う成膜処理は、イオンプレーティング法による成膜処理であってもよい。すなわち、本発明によれば、イオンプレーティング法による成膜処理においても、その初期の段階から安定して当該成膜処理を実施することができる。

このイオンプレーティング法による成膜処理を実施するために、たとえば収容手段、蒸発手段、およびバイアス電力供給手段が設けられてもよい。併せて、プラズマ発生手段は、熱陰極、およびイオン化電力供給手段を含むものであってもよい。具体的には、収容手段は、真空槽の内部における被処理物の下方において、被膜の材料である蒸発材料を収容する。蒸発手段は、収容手段に収容されている蒸発材料を蒸発させる。バイアス電力供給手段は、収容手段を陽極とし、被処理物を陰極として、これら両者に所定のバイアス電力を供給する。熱陰極は、真空槽の内部における収容手段と被処理物との間に設けられており、熱電子を放出する。そして、イオン化電力供給手段は、収容手段を陽極とし、熱陰極を陰極として、これら両者に直流のイオン化電力を供給する。

この構成によれば、収容手段に収容されている蒸発材料が、蒸発手段によって蒸発される。そして、熱陰極が、熱電子を放出する。さらに、収容手段を陽極とし、熱陰極を陰極として、これら両者に、イオン化電力供給手段によって直流のイオン化電力が供給される。すると、陰極としての熱陰極から放出された熱電子が、陽極としての収容手段に向かって加速される。そして、加速された熱電子は、蒸着材料の蒸発粒子と非弾性衝突する。その衝撃によって、蒸着材料の蒸発粒子が電離して、イオン化される。このイオン化によって、蒸着材料の蒸発粒子から電子が弾き飛ばされ、この弾き飛ばされた電子は、収容手段に流れ込む。この現象が継続されることで、イオン化された蒸発粒子を含むプラズマが発生する。このプラズマの態様は、前述の従来のイオンプレーティング装置におけるのと同様、低電圧大電流のアーク放電である。この状態で、収容手段を陽極とし、被処理物を陰極として、これら両者に、バイアス電力供給手段によってバイアス電力が供給される。すると、イオン化された蒸着材料の蒸発粒子が、被処理物に向かって加速されて、当該被処理物の表面に入射される。これにより、被処理物の表面に、蒸着材料の蒸発粒子を成分とする被膜が形成され、つまり成膜処理が施される。

すなわち、この構成によれば、収容手段は、プラズマ（アーク放電）を発生させるための陽極として作用する。したがって、従来のイオンプレーティング装置におけるようなイオン化電極は不要である。これにより、従来のイオンプレーティング装置に比べて、装置全体の構成の簡素化および低コスト化が図られる。そして、この構成においても、成膜処理の初期の段階から安定して当該成膜処理を実施することができる。

また、この構成においては、シャッタは、熱陰極と被処理物との間の第１の位置に置かれることで、閉鎖状態となるものであってもよい。そして、当該シャッタは、熱陰極と被処理物との間から外れた第２の位置に置かれることで、開放状態となるものであってもよい。

この構成によれば、シャッタは、熱陰極と被処理物との間の第１の位置に置かれることで、被処理物の表面を収容手段から遮蔽する状態となり、つまり当該被処理物の表面に所定の処理としての成膜処理が施されないようにする閉鎖状態となる。そして、シャッタは、熱陰極と被処理物との間から外れた第２の位置に置かれることで、被処理物の表面を収容手段に向けて露出させる状態となり、つまり当該被処理物の表面に成膜処理が施されるようにする開放状態となる。

さらに、この構成における第１の位置は、熱陰極と被処理物との間における当該熱陰極寄りの位置であるのが、望ましい。

すなわち、第１の位置が熱陰極寄りの位置であることによって、たとえば当該第１の位置が被処理物寄りの位置である構成に比べて、シャッタが第１の位置に置かれたときの当該シャッタの位置と収容手段の位置とが近くなる。これにより、シャッタの小型化が図られる。その一方で、第１の位置が熱陰極寄りの位置であることによって、シャッタが第１の位置に置かれたときの当該シャッタの位置は、プラズマが発生している領域の近くになる。このような構成でも、本発明によれば、プラズマ中の電子がシャッタに流入することが防止され、成膜処理の初期の段階から安定して当該成膜処理を実施することができる。言い換えれば、本発明は、このような構成に特に有益である。

ところで、この構成において、イオン化電力供給手段を介して流れる電流、言わばイオン化電流は、プラズマの密度に相関（比例）し、詳しくは熱陰極と収容手段との間で生成されるイオンの量に相関する。たとえば、イオン化電流が大きいほど、イオンの生成量が大きく、被処理物の表面に入射されるイオンの量も大きくなる。このイオン化電流、つまりイオンの生成量は、蒸発材料が蒸発するに連れて当該蒸発材料の溶融面が下がったり、或いは、熱電子放射フィラメントが変形したりすることによって、変動する。このイオンの生成量の変動は、被膜の品質や再現性に大きく影響する。そこで、イオン化電流検出手段、および熱電子放出量制御手段が、さらに設けられてもよい。

すなわち、イオン化電流検出手段は、イオン化電力供給手段を介して流れるイオン化電流を検出する。そして、熱電子放出量制御手段は、このイオン化電流検出手段によるイオン化電流の検出値が一定となるように、つまりイオンの生成量が一定となるように、熱陰極による熱電子の放出量を制御する。これにより、被膜の品質の均一化および再現性の維持が図られる。

この構成においては、さらに、ガス導入手段が設けられてもよい。このガス導入手段は、真空槽の内部に蒸発材料とは別の被膜の材料である反応性ガスを導入する。これにより、蒸発材料の蒸発粒子と反応性ガスの粒子との化合物である化合物膜を形成することができ、いわゆる反応性イオンプレーティング法による成膜処理の実施が可能となる。この反応性イオンプレーティング法による成膜処理においては、イオンの生成量が被膜の品質に大きく影響するため、本発明は、このような反応性イオンプレーティング法による成膜処理に有益である。

このように、本発明によれば、プラズマを用いた成膜処理などの所定の処理の実施において、その初期の段階から安定して当該所定の処理を実施することができる。

図１は、本発明の第１実施例に係るイオンプレーティング装置の概略構成を示す図である。 図２は、第１実施例におけるシャッタの構成を具体的に示す図である。 図３は、第１実施例におけるシャッタの閉鎖状態および開放状態を示す図である。 図４は、第１実施例におけるイオン化電圧と熱電子電流との関係を比較例のものと併せて示すグラフである。 図５は、第１実施例におけるシャッタが閉鎖状態から開放状態に遷移したときのイオン化電流の推移を比較例のものと併せて示す図である。 図６は、本発明の第２実施例に係るイオンプレーティング装置の概略構成を示す図である。

［第１実施例］
本発明の第１実施例について、図１〜図５を参照して説明する。

本第１実施例は、本発明を図１に示されるイオンプレーティング装置１０に適用した一例である。この図１に示されるように、本第１実施例に係るイオンプレーティング装置１０は、概略円筒形の真空槽１２を備えている。この真空槽１２は、機械的強度が比較的に大きく、耐熱性および耐食性が比較的に高い金属、たとえばＳＵＳ３０４などのステンレス鋼、によって形成されており、その壁部は、接地されている。また、真空槽１２の壁部の適宜位置、たとえば底部には、排気口１４が設けられており、この排気口１４には、不図示の排気管を介して、当該真空槽１２の外部にある不図示の排気手段としての真空ポンプが結合されている。なお、真空槽１２内の直径（内径）は、たとえば約７００ｍｍであり、高さ寸法は、たとえば約１０００ｍｍである。また、真空槽１２の上部は、当該真空槽１２の機械的強度の向上などのために、概略ドーム状に形成されている。

真空槽１２内においては、その底部の近傍に、蒸発源１６が配置されている。この蒸発源１６は、収容手段としての概略カップ形（詳しくは上部が開口された概略円筒形）の銅製の坩堝１８と、蒸発手段としての２７０°偏向型の電子銃２０と、を有している。このうちの坩堝１８は、後述する被膜の材料である蒸発材料２２を収容する。この坩堝１８の開口部の直径は、たとえば６０ｍｍであり、深さ寸法は、たとえば２０ｍｍである。一方、電子銃２０は、坩堝１８に収容された蒸発材料２２を加熱して蒸発させる。この電子銃２０の出力Ｗｇは、真空槽１２の外部にある不図示の専用の電源装置によって制御され、たとえば最大で１０ｋＷである。なお、詳しい図示は省略するが、坩堝１８内には、当該坩堝１８内に合わせた形状および寸法の高融点の金属製、たとえばタンタル（Ｔａ）製、のハースライナーが設けられており、このハースライナー内に蒸発材料２２が収容される。そして、蒸発源１６は、坩堝１８の過熱を防ぐための水冷式の冷却機構を備えている。この蒸発源１６の筐体は、坩堝１８を含め、接地されている。

このような蒸発源１６の上方に、被処理物としてのたとえば基板２６が配置される。この基板２６は、その表面、厳密には被処理面を、蒸発源１６に向けた状態で、とりわけ坩堝１８の開口部に向けた状態で、保持手段としての基板台２８によって保持される。なお、基板２６の表面から蒸発源１６までの距離、たとえば坩堝１８の開口部までの距離は、当該基板２６の形状や寸法などによって変わるが、概ね２５０ｍｍ〜７００ｍｍである。

また、基板台２８は、真空槽１２の外部において、バイアス電力供給手段としての高周波（ＲＦ：Radio Frequency）電源装置３０に接続されている。具体的には、この高周波電源装置３０が持つ２つの出力端子の一方に、基板台２８が接続されている。そして、この高周波電源装置３０の他方の出力端子は、接地されている。また、この高周波電源装置３０と基板台２８との間には、これら両者間のインピーダンスを整合させるための整合手段としてのインピーダンス整合器（ＭＢ：Matching Box）３１が設けられている。なお、高周波電源装置３０は、バイアス電力Ｗｂとして周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力を出力する。また、このバイアス電力Ｗｂとしての高周波電力が基板台２８に供給されると、基準電位としての接地電位を基準とする負電位の直流電圧が当該基板台２８に自然的に誘起され、いわゆる自己バイアス電圧が発生する。言い換えれば、接地電位である坩堝１８を陽極とし、基板台２８に保持されている基板２６を陰極として、これら両者に自己バイアス電圧が重畳されたバイアス電力Ｗｂが供給される状態になる。

さらに、蒸発源１６と基板台２８との間であって当該蒸発源１６寄りの位置に、換言すれば坩堝１８の開口部の少し上方に、熱陰極としての熱電子放出用のフィラメント３４が設けられている。このフィラメント３４は、たとえば直径が１ｍｍのタングステン（Ｗ）製の線状体である。そして、フィラメント３４は、坩堝１８の開口部から上方に１０ｍｍ〜１００ｍｍ、たとえば５０ｍｍ、離れた位置において、水平方向に延伸するように設けられている。また、詳しい図示は省略するが、フィラメント３４は、その表面積を増大させて、後述する熱電子を効率よく放出するべく、螺旋状に形成されている。具体的には、フィラメント３４は、直径が６ｍｍの螺旋状に形成されており、その巻き数は、１０（ターン）であり、当該螺旋状の部分の長さ寸法は、４０ｍｍである。

そして、フィラメント３４の両端部は、真空槽１２の外部において、熱陰極加熱用電力供給手段としてのフィラメント加熱用電源装置３６に接続されている。フィラメント加熱用電源装置３６は、フィラメント加熱電力Ｗｆとしての交流電力をフィラメント３４に供給する。フィラメント３４は、このフィラメント加熱電力Ｗｆの供給を受けて加熱されて、熱電子を放出する。なお、フィラメント加熱用電源装置３６の容量は、たとえば最大で２．４ｋＷ（＝４０Ｖ×６０Ａ）である。また、フィラメント加熱電力Ｗｆは、交流電力ではなく、直流電力であってもよい。いずれにしても、フィラメント加熱用電源装置３６は、フィラメント３４から熱電子を放出させるのに十分な程度に、たとえば２０００℃〜２５００℃程度に、当該フィラメント３４を加熱することができればよい。

加えて、フィラメント３４の一方端部は、真空槽１２の外部において、イオン化電力供給手段としてのイオン化電源装置３８に接続されている。このイオン化電源装置３８は、接地電位を基準とする正の直流電力であるイオン化電力Ｗｄをフィラメント３４に供給する。言い換えれば、イオン化電源装置３８は、接地電位である坩堝１８を陽極とし、フィラメント３４を陰極として、これら両者に直流のイオン化電力Ｗｄを供給する。このイオン化電源装置３８の容量は、たとえば最大で９ｋＷ（＝６０Ｖ×１５０Ａ）である。

また、イオン化電源装置３８と接地との間に、イオン電流検出手段としての電流検出装置４０が設けられている。この電流検出装置４０は、イオン化電力Ｗｄの電流成分、つまりイオン化電源装置３８を介して流れる言わばイオン化電流Ｉｄを、検出する。この電流検出装置４０によるイオン化電流Ｉｄの検出値は、熱電子放出量制御手段としての加熱制御装置４２に供給される。加熱制御装置４２は、電流検出装置４０によるイオン化電流Ｉｄの検出値が一定となるように、つまり当該イオン化電流Ｉｄが一定となるように、フィラメント加熱用電源装置３６を制御する。これにより、フィラメント３４の加熱温度、つまりは当該フィラメント３４から放出される熱電子の量が、適宜に調整される。

そして、真空槽１２内のフィラメント３４と基板台２８との間における当該フィラメント３４寄りの位置に、シャッタ４４が設けられている。厳密に言えば、シャッタ４４は、後述する閉鎖状態にあるときに、フィラメント３４と基板台２８との間における当該フィラメント３４寄りの位置に置かれる。このシャッタ４４は、概略円盤状に形成されており、その一方主面を下面として坩堝１８の開口部に向けるとともに、他方主面を上面として基板台２８に向けた状態で、設けられている。そして、このシャッタ４４は、絶縁手段としての絶縁碍子４６を介して、シャッタ駆動手段としてのシャッタ駆動機構４８に結合されている。

具体的には、図２に示されるように、シャッタ４４は、本体部４４２と、鍔部４４４と、結合突出部４４６と、を有している。本体部４４２は、円盤状に形成され、その直径は、たとえば１５０ｍｍであり、厚さ寸法は、たとえば２ｍｍである。そして、鍔部４４４は、本体部４４２を機械的に補強する補強部材である。この鍔部４４４は、円筒状に形成されており、当該本体部４４２の周縁に沿うとともに、当該本体部４４２の一方主面から離れる方向に突出するように設けられている。この鍔部４４４の（本体部４４２の一方主面からの）突出寸法は、たとえば１０ｍｍであり、当該鍔部４４４の厚さ寸法は、たとえば２ｍｍである。そして、結合突出部４４６は、本体部４４２の周縁部分適当な箇所から当該本体部４４２の半径方向へ直線的に突出するように設けられている。この結合突出部４４６は、概略直線定規状に形成されており、その厚さ寸法は、本体部４４２および鍔部４４４のそれぞれの厚さ寸法よりも大きく、たとえば５ｍｍである。これら本体部４４２と、鍔部４４４と、結合突出部４４６とは、機械的強度が比較的に大きく、耐熱性および耐食性が比較的に高い非磁性の金属、たとえばＳＵＳ３０４などのステンレス鋼、によって一体に形成されている。このシャッタ４４は、鍔部４４４が突出している側の本体部４４２の一方主面を前述の下面とし、当該本体部４４２の他方主面を前述の上面として、設けられる。

そして、シャッタ４４の結合突出部４４６が、前述の如く絶縁碍子４６を介して、シャッタ駆動機構４８に結合されており、詳しくは当該シャッタ駆動機構４８を構成する丸棒状の支持部材４８２の一方端部側に結合されている。絶縁碍子４６は、概略直方体状に形成されており、機械的強度が比較的に大きく、耐熱性および耐食性が比較的に高く、さらに電気的に絶縁性の物質によって形成されており、たとえばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）製である。また、この絶縁碍子４６とシャッタ４４の結合突出部４４６との間には、適当な形状および寸法のカバー５０が設けられている。このカバー５０は、絶縁碍子４６の表面の全体にわたって後述する被膜、とりわけ導電性の被膜、が付着するのを防止するために設けられる。すなわち、絶縁碍子４６の表面の全体にわたって導電性被膜が付着すると、この導電性被膜を介して、シャッタ４４とシャッタ駆動機構４８（支持部材４８２）とが電気的に導通する。そうなると、これらシャッタ４４とシャッタ駆動機構４８との間に絶縁碍子４６が介在する意味がなくなる。これを回避するために、カバー５０が設けられている。このカバー５０は、シャッタ４４と同様、機械的強度が比較的に大きく、耐熱性および耐食性が比較的に高い非磁性の金属製であり、たとえばＳＵＳ３０４などのステンレス鋼製である。さらに、支持部材４８２の一方端部側には、絶縁碍子４６の形状に合わせた切欠き部分４８２ａが設けられており、この切欠き部分４８２ａに、当該絶縁碍子４６を介して、シャッタ４４の結合突出部４４６が結合されている。なお、シャッタ４４の結合突出部４４６と絶縁碍子４６とは、適当な結合手段によって結合されており、たとえば２つのネジ５２、５２によって結合されている。そして、絶縁碍子４６と支持部材４８２とについても同様に、たとえば２つのネジ５４、５４によって結合されている。勿論、これ以外の結合手段が採用されてもよい。

図１に戻って、シャッタ駆動機構４８は、前述の支持部材４８２に加えて、連結部材４８４と、軸部材４８６と、軸受部材４８８と、シャッタ駆動装置４９０と、を有している。支持部材４８２は、水平方向に延伸するように設けられており、その一方端部側に、前述の如く絶縁碍子４６を介して、シャッタ４４が結合されている。そして、支持部材４８２の他方端部は、連結部材４８４を介して、丸棒状の軸部材４８６の一方端部に固定されている。軸部材４８６は、垂直方向に延伸するように設けられており、その他方端部側は、軸受部材４８８を介して、真空槽１２の外部に引き出されている。軸受部材４８８は、真空槽１２の底部を成す壁部に固定されており、当該真空槽１２の気密性を保ちつつ、軸部材４８６を回転可能に保持する。そして、軸部材４８６の他方端部は、真空槽１２の外部において、シャッタ駆動装置４９０に結合されている。シャッタ駆動装置４９０は、モータまたはソレノイドなどのアクチュエータであり、図１に矢印４９０ａで示されるように、軸部材４８６を所定の角度にわたって回転させることで、シャッタ４４を開閉駆動する。なお、シャッタ駆動装置４９０を駆動させるための電源装置については、その図示を省略してある。

ここで、図３に、シャッタ４４を上方から見たときの当該シャッタと坩堝１８との位置関係を示す。たとえば、図３（Ａ）は、シャッタ４４が閉鎖されている状態を示す。この図３（Ａ）に示されるように、シャッタ４４が閉鎖状態にあるときには、当該シャッタ４４（本体部４４２）は、坩堝１８の上方にあり、つまり当該坩堝１８と基板２６との間の位置にあり、言わば第１の位置に置かれる。この結果、基板２６の表面がシャッタ４４によって坩堝１８の開口部から遮蔽された状態になる。そして、図３（Ｂ）は、シャッタ４４が開放されている状態を示す。この図３（Ｂ）に示されるように、シャッタ４４が開放状態にあるときには、当該シャッタ４４は、坩堝１８の上方から外れた位置にあり、つまり当該坩堝１８と基板２６との間から外れた位置にあり、言わば第２の位置に置かれる。この結果、基板２６の表面がシャッタ４４によって遮蔽されることなく坩堝１８の開口部に向かって露出された状態になる。このようにシャッタ４４が開閉駆動されることによって、当該シャッタ４４は、図３（Ａ）に示される如く第１の位置に置かれる閉鎖状態と、図３（Ｂ）に示される如く第２の位置に置かれる開放状態とに、選択的に遷移する。

改めて図１に戻って、真空槽１２の壁部に固定されている軸受部材４８８は、前述したように、真空槽１２の気密性を保ちつつ、軸部材４８６を回転可能に保持する。このような軸受部材４８８の構造上、当該軸受部材４８８を含むシャッタ駆動機構４８は、真空槽１２の壁部と電気的に導通しており、つまり接地されている。ただし、シャッタ４４については、前述の如く当該シャッタ４４とシャッタ駆動機構４８との間に絶縁碍子４６が介在していることから、真空槽１２と、つまり接地と、電気的に絶縁された状態にある。併せて、シャッタ４４は、フィラメント３４などの他の全ての要素とも、電気的に絶縁された状態にある。すなわち、シャッタ４４は、電気的に浮遊した状態（フローティング状態）にある。なお、シャッタ４４（の下面）から坩堝１８の開口部までの距離は、たとえば１００ｍｍである。言い換えれば、シャッタ４４からフィラメント３４までの距離は、５０ｍｍである。

加えて、真空槽１２の壁部の適宜位置、たとえばシャッタ４４よりも上方であって基板台２８よりも下方の位置に、当該真空槽１２内に各種ガスを導入するためのガス導入手段としてのガス導入管５６が設けられている。ここで言う各種ガスとしては、たとえば放電洗浄用ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガス、および反応性ガスとしての酸素（Ｏ_２）ガスがある。なお、図示は省略するが、ガス導入管５６は、真空槽１２の外部において、それぞれのガスの供給源に接続されている。また、それぞれのガスの供給源からの配管には、当該配管内を開閉するための開閉手段としての開閉バルブや、当該配管内のガスの流量を制御するための流量制御手段としてのマスフローコントローラなどが、設けられている。

さらに、図示は省略するが、真空槽１２内の適宜の位置には、基板２６を含む当該真空槽１２内を加熱するための加熱手段、たとえばセラミックヒータが、設けられている。このセラミックヒータは、真空槽１２の外部に設けられているヒータ用加熱電源装置からヒータ加熱電力の供給を受けることで、基板２６を含む真空槽１２内を加熱する。

このような本第１実施例に係るイオンプレーティング装置１０によれば、たとえばアルミナ製の基板２６の表面に絶縁性被膜であるイットリア（酸化イットリウム：Ｙ_２Ｏ_３）膜を形成することができる。

そのためにまず、イットリア膜の材料となる固体の高純度のイットリウム（Ｙ）が坩堝１８に収容される。このイットリウムとしては、直径が３ｍｍ〜５ｍｍ程度の粒状のものが採用される。併せて、基板台２８に基板２６が取り付けられる。そして、真空槽１２内が１０^−３Ｐａ程度にまで排気され、いわゆる真空引きが行われる。また、この真空引きと同時に、前述のセラミックヒータによって、基板２６を含む真空槽１２内が加熱され、たとえば当該基板２６が２００℃程度に加熱される。

この真空引きおよび加熱処理がたとえば２時間にわたって行われた後、基板２６の表面を洗浄するための放電洗浄（イオンボンバード）処理が行われる。具体的には、シャッタ４４が閉鎖された状態で、真空槽１２内にアルゴンガスが導入される。そして、真空槽１２内の圧力が、たとえば７×１０^−２Ｐａに維持される。さらに、フィラメント３４にフィラメント加熱電力Ｗｆが供給される。これにより、フィラメント３４が加熱されて、当該フィラメント３４から熱電子（１次電子）が放出される。併せて、フィラメント３４にイオン化電力Ｗｄが供給される。すなわち、フィラメント３４を陰極とし、坩堝１８を含む蒸発源１６を陽極として、これら両者にイオン化電力Ｗｄが供給される。すると、陰極としてのフィラメント３４から放出された熱電子が、陽極としての蒸発源１６に向かって、とりわけフィラメント３４に近い位置にある坩堝１８に向かって、加速される。そして、加速された熱電子は、アルゴンガスの粒子と非弾性衝突する。これにより、アルゴンガスの粒子が電離して、イオン化される。このイオン化によって、アルゴンガスの粒子（の最外殻）から電子（２次電子）が弾き飛ばされ、この弾き飛ばされた電子は、坩堝１８に流れ込む。この現象が継続されることで、アーク放電によるプラズマが発生する。このとき、イオン化電力Ｗｄの電圧成分であるイオン化電圧Ｖｄは、４０Ｖに設定される。そして、イオン化電力Ｗｄの電流成分であるイオン化電流Ｉｄが３０Ａになるように、フィラメント加熱電力Ｗｆが制御され、つまりフィラメント３４から放出される熱電子の量が制御される。

そして、プラズマが安定したら、詳しくはイオン化電流Ｉｄの変動量が予め定められた範囲内に落ち着いたら、基板台２８にバイアス電力Ｗｂとしての高周波電力が供給される。前述したように、このバイアス電力Ｗｂには、接地電位を基準とする負電位の自己バイアス電圧が重畳されるので、当該バイアス電力Ｗｂは、接地電位である坩堝１８を陽極とし、基板台２８に保持されている基板２６を陰極として、これら両者に供給される状態となる。このとき、自己バイアス電圧が概ね−５００Ｖとなるように、バイアス電力Ｗｂが調整される。その上で、シャッタ４４が開放される。すると、イオン化されたアルゴンガスの粒子、つまりアルゴンイオンが、基板２６の表面に入射される。その衝撃によって、基板２６の表面が洗浄される。

この放電洗浄処理がたとえば１０分間にわたって行われた後、イットリア膜を形成するための成膜処理が行われる。まず、シャッタ４４が閉鎖される。併せて、真空槽１２内へのアルゴンガスの導入が停止される。このアルゴンガスに代えて、酸素ガスが、真空槽１２内に導入される。そして、真空槽１２内の圧力が、たとえば３×１０^−２Ｐａに維持される。さらに、蒸発源１６の電子銃２０が通電される。これにより、電子銃２０から電子ビームが発射される。そして、電子ビームは、坩堝１８内の蒸発材料２２に照射される。この電子ビームの照射を受けて、蒸発材料２２は加熱されて溶融し、蒸発する。この電子銃２０の出力Ｗｇは、たとえば３．６ｋＷ（＝９ｋＶ×４００ｍＡ）まで徐々に上げられる。このとき、フィラメント３４には、フィラメント加熱電力Ｗｆが供給されており、また、イオン化電力Ｗｄが供給されているので、当該フィラメント３４から放出された熱電子は、坩堝１８に向かって加速される。この加速された電子は、蒸発材料２２の蒸発粒子と非弾性衝突する。これにより、蒸発材料２２の蒸発粒子が電離して、イオン化される。このイオン化によって、蒸発材料２２の蒸発粒子から電子が弾き飛ばされ、この弾き飛ばされた電子は、坩堝１８に流れ込む。これと同様に、フィラメント３４から坩堝１８に向かって加速された電子は、酸素ガスの粒子にも非弾性衝突する。これにより、酸素ガスの粒子が電離して、イオン化される。このイオン化によって、酸素ガスの粒子から電子が弾き飛ばされ、この弾き飛ばされた電子は、坩堝１８に流れ込む。この現象が継続されることで、前述の放電洗浄処理時と同様、アーク放電によるプラズマが発生する。なお、イオン化電力Ｗｄの電圧成分であるイオン化電圧Ｖｄは、２５Ｖに設定される。そして、イオン化電力Ｗｄの電流成分であるイオン化電流Ｉｄが８０Ａになるように、フィラメント加熱電力Ｗｆが制御される。さらに、バイアス電力Ｗｂについては、前述の自己バイアス電圧が概ね−４００Ｖとなるように、調整される。

そして、プラズマが安定したら、シャッタ４４が開放される。すると、イオン化された蒸発材料２２の蒸発粒子、つまりイットリウムイオンと、イオン化された酸素ガスの粒子、つまり酸素イオンとが、基板２６の表面に入射される。この結果、基板２６の表面に、イットリウムイオンと酸素イオンとの化合物であるイットリア膜が形成される。要するに、反応性イオンプレーティング法による成膜処理によって、当該イットリア膜という化合物膜が形成される。

この成膜処理は、所望の膜厚のイットリア膜が形成されるまで継続され、その後、シャッタ４４が閉鎖されることで、終了される。さらに、電子銃２０への通電が停止される。併せて、真空槽１２内への酸素ガスの導入が停止される。また、基板２６へのバイアス電力Ｗｂの供給が停止される。そして、フィラメント３４へのフィラメント加熱電力Ｗｆの供給が停止されるとともに、当該フィラメント３４へのイオン化電力Ｗｄの供給が停止される。これにより、プラズマが消失する。そして、改めて真空槽１２内が真空引きされ、この状態で、３０分間程度の適当な冷却期間が置かれた後、当該真空槽１２内の圧力が徐々に大気圧にまで戻される。その上で、真空槽１２内が開放されて、当該真空槽１２内から基板２６が取り出される。これをもって、イットリア膜を形成するための成膜処理を含む一連の表面処理が終了する。

ところで前述したように、本第１実施例におけるシャッタ４４は、電気的に浮遊した状態にある。これは、次のような理由による。

すなわちまず、シャッタ４４が、前述の従来のイオンプレーティング装置におけるのと同様、接地されている構成を仮想する。そして、この仮想の構成において、プラズマが発生している状態で、シャッタ４４が開閉駆動される、とする。この場合、シャッタ４４が閉鎖状態にあるときには、プラズマ中の電子は、前述の如く坩堝１８に流れ込むが、併せて、当該坩堝１８と同じ電位（接地電位）のシャッタ４４にも多少なりとも流れ込む。そして、これら坩堝１８に流れ込む電子の量と、シャッタ４４に流れ込む電子の量と、の総和が、イオン化電流Ｉｄとして現れる。なお、シャッタ４４に流れ込む電子の量は、当該シャッタ４４の位置がフィラメント３４の位置に近いほど多い。

ここで、シャッタ４４が閉鎖状態から開放状態に遷移すると、当該シャッタ４４の位置がフィラメント３４の位置から遠ざかる。この結果、シャッタ４４に流れ込む電子の量が減少し、概ねゼロとなる。これに伴って、イオンの生成量が少なくなり、つまりプラズマの密度が低下し、その結果、イオン化電流Ｉｄが小さくなる。この状態は、加熱制御装置４２によるイオン化電流Ｉｄを一定にするための制御によって解消されるが、それまでには多少の時間が掛かる。これは、加熱制御装置４２によるイオン化電流Ｉｄを一定にするための制御が安定的に行われるようにするべく、当該加熱制御装置４２に比較的に緩やかな応答性が与えられていることによる。

したがって、この仮想の構成において、たとえば成膜処理の実施の際に、前述の如くプラズマが安定するまでシャッタ４４が閉鎖され、当該プラズマが安定してからシャッタ４４が開放されると、このシャッタ４４が開放された直後の多少の時間にわたって、イオンの生成量が少なくなる。要するに、シャッタ４４が閉鎖状態から開放状態に遷移した直後の成膜処理の初期の段階においては、イオンの生成量が不安定な状態で、当該成膜処理が実施されることになる。このことは、被膜の下層側の界面となる部分について、イオンの生成量が不安定な状態で形成されることを意味し、当該界面となる部分が極めて重要である被膜にとって、好ましくない。特に、前述の反応性イオンプレーティング法による成膜処理においては、イオンの生成量が被膜の品質に大きく影響するため、このことによる当該被膜の品質への影響が顕著である。このような不都合が生ずることは、前述の従来のイオンプレーティング装置と同様である。

これに対して、本第１実施例によれば、シャッタ４４が電気的に浮遊した状態にあるので、プラズマ中の電子が当該シャッタ４４に流れ込むことはない。したがってたとえば、プラズマが発生している状態で、シャッタ４４が開閉駆動されても、当該プラズマの密度は変わらず、つまりイオンの生成量は変わらない。ゆえに、本第１実施例によれば、成膜処理の実施において、その初期の段階から安定して当該成膜処理を実施することができる。これにより、良好な品質の被膜を良好な再現性で生成することができる。

このような本第１実施例の有益性を実証するために、いくつかの実験を行った。

まず、真空槽１２内を真空引きした上で、フィラメント３４に一定のフィラメント加熱電力Ｗｆを供給して、当該フィラメント３４から熱電子を放出させる。そして、フィラメント３４にイオン化電力Ｗｄを供給して、当該フィラメント３４から放出された熱電子を加速させる。さらに、イオン化電力Ｗｄの電圧成分であるイオン化電圧Ｖｄの電圧値を適宜に変更する。このようにイオン化電圧Ｖｄの電圧値を適宜に変更したときに、イオン化電力Ｗｄの電流成分であるイオン化電流Ｉｄがどのように推移するのかを、確認した。すなわち、プラズマを発生させないで、フィラメント３４から放出される熱電子のみによるイオン化電流Ｉｄ、言わば熱電子電流と、イオン化電圧Ｖｄと、の関係を確認した。その結果を、図４に示す。

なお、図４において、○印付きの太実線が、本第１実施例についての実験結果を示す。そして、図４において、□印付きの太破線は、本第１実施例の比較例についての実験結果を示す。この比較例とは、前述の仮想の構成、つまりシャッタ４４が接地された構成、のことである。すなわち、この比較例として、シャッタ４４が接地された構成を実際に用意して、この比較例についても、本第１実施例と同様の実験を行った。この実験における真空槽１２内の圧力は、１．２×１０^−４Ｐａである。そして、フィラメント加熱電力Ｗｆは、８４０Ｗ（＝２１Ｖ×４０Ａ）である。なお、シャッタ４４は、閉鎖状態にある。

この図４に示されるように、イオン化電圧Ｖｄの各電圧値において、比較例の方が、本第１実施例よりも、イオン化電流Ｉｄが大きい。たとえば、イオン化電圧Ｖｄが３０Ｖであるときには、比較例の方が、本第１実施例よりも、イオン化電流Ｉｄが０．１ｍＡほど大きい。また、イオン化電圧Ｖｄが６０Ｖであるときには、比較例の方が、本第１実施例よりも、イオン化電流Ｉｄが０．３ｍＡほど大きい。これは、比較例においては、坩堝１８のみならずシャッタ４４にも熱電子が流れ込むことを意味する。言い換えれば、本第１実施例においては、坩堝１８のみに熱電子が流れ込むので、その分、比較例よりも、イオン化電流Ｉｄが小さい。言い換えれば、本第１実施例におけるイオン化電流Ｉｄと、比較例におけるイオン化電流Ｉｄとの差は、シャッタ４４に流れ込む熱電子の量を表す。

そして、図示は省略するが、第１実施例においては、シャッタ４４が開閉駆動されても、イオン化電流Ｉｄが変わらないことを、確認した。すなわち、本第１実施例においては、シャッタ４４が開放状態にあるときにも、図４に○印付きの太実線で示されるイオン化電圧Ｖｄとイオン化電流Ｉｄとの関係が、変わらないことを、確認した。これに対して、比較例においては、シャッタ４４が開閉駆動されることによって、イオン化電流Ｉｄが変わることを、確認した。具体的には、比較例においては、シャッタ４４が開放状態にあるときに、イオン化電圧Ｖｄとイオン化電流Ｉｄとの関係が、本第１実施例におけるのと同様の関係になること、つまり図４に○印付きの太実線で示されるのと同様の関係になることを、確認した。

このように、本第１実施例によれば、比較例とは異なり、シャッタ４４に熱電子が流れないことが、実証された。このことは、プラズマが発生している状態でも同様である。すなわち、本第１実施例によれば、プラズマが発生している状態で、シャッタ４４が開閉駆動されても、当該プラズマの密度が変化することはない。

次に、前述の要領でイットリア膜を形成するための成膜処理を行い、その過程で、シャッタ４４が閉鎖状態から開放状態に遷移したときに、イオン化電流Ｉｄがどのように推移するのかを、確認した。その結果を、図５に示す。なお、図５（Ａ）が、本第１実施例におけるイオン化電流Ｉｄの推移を示す。そして、図５（Ｂ）は、前述の比較例におけるイオン化電流Ｉｄの推移を示す。

図５（Ａ）に示されるように、本第１実施例においては、プラズマが発生した（放電開始）直後から、イオン化電流Ｉｄは、概ね８０Ａという一定の大きさで推移する。そして、シャッタ４４が閉鎖状態から開放状態に遷移したときも、イオン化電流Ｉｄは、概ね８０Ａであり、つまり不変である。これに対して、比較例においては、図５（Ｂ）に示されるように、プラズマが発生した直後から、イオン化電流Ｉｄは、概ね８０Ａという一定の大きさで推移し、この点は、本第１実施例と同様である。ただし、シャッタ４４が閉鎖状態から開放状態に遷移した直後に、イオン化電流Ｉｄが約６０Ａに下がり、つまり約２０Ａ（２５％）も下がる。そして、このイオン化電流Ｉｄは、約１分間の時間を掛けて元の８０Ａという電流値に戻る。このようにイオン化電流Ｉｄが８０Ａという元の電流値に戻るのに約１分間の時間が掛かるのは、前述したように、当該イオン化電流Ｉｄを一定にするための制御を担う加熱制御装置４２に緩やかな応答性が与えられていることによる。

この図５に示される結果から、本第１実施例によれば、比較例とは異なり、シャッタ４４が閉鎖状態から開放状態に遷移しても、イオン化電流Ｉｄが変わらないことが、実証された。そして、本第１実施例によれば、透明なイットリア膜が形成された。これは、良好な品質のイットリア膜が形成されたことを、意味する（一般に、イットリア膜の品質は、当該イットリア膜の透明度合から判断される）。これに対して、比較例では、透明なイットリア膜は形成されず、やや黒ずんだ色のイットリア膜が形成された。すなわち、比較例では、良好な品質のイットリア膜を形成することができない。

以上のように、本第１実施例によれば、プラズマを用いた成膜処理の実施において、その初期の段階から安定して当該成膜処理を実施することができる。これにより、良好な品質の被膜を良好な再現性で形成することができる。特に、被膜の下層側の界面となる部分についても、良好に形成することができる。

なお、本第１実施例においては、シャッタ４４が電気的に浮遊した状態にあることで、当該シャッタ４４にプラズマ中の電子が流入することが防止されたが、さらに、当該シャッタに、接地電位を基準とする負電位の電力が供給されてもよい。この構成によれば、シャッタ４４にプラズマ中の電子が流入することがより確実に防止される。

また、シャッタ４４の形状やシャッタ駆動機構４８の構造については、本第１実施例で説明したものに限らない。これらは、真空槽１２内の形状や寸法などに応じて適宜に定められる。

そして、本第１実施例においては、イットリア膜を形成する場合について説明したが、これに限らない。たとえば、蒸発材料２２として、イットリウムに代えて、珪素（Ｓｉ）が用いられることで、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）膜を形成することができる。また、蒸発材料２２として、アルミニウム（Ａｌ）が用いられることで、アルミナ膜を形成することができる。勿論、これ以外の酸化膜を形成することができる。そして、酸化膜に限らず、炭化膜や窒化膜、炭窒化膜、酸窒化膜などを形成することもできる。この場合、反応ガスとして、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスなどの炭化水素系ガスや窒素（Ｎ_２）ガスなどが、適宜に用いられる。さらに、化合物膜に限らず、単一の元素から成る単元素膜を形成することもできる。この単元素膜を形成する場合は、反応ガスの導入は不要である。いずれの被膜を形成する場合にも、プラズマ中の電子がシャッタ４４に流入することはなく、成膜処理の初期の段階から安定して当該成膜処理を実施することができる。

加えて、バイアス電力供給手段として高周波電源装置３０が採用されたが、これに限らない。基板２６の種類や被膜の種類に応じて、直流電源装置や非対称パルス電源装置などが採用されてもよい。ただし、基板２６が絶縁性物質である場合には、チャージアップの防止のために、高周波電源装置３０が採用されるのが、肝要である。

また、前述の従来のイオンプレーティング装置におけるのと同様の膜厚センサおよび膜厚モニタが、さらに設けられてもよい。そして、これら膜厚センサおよび膜厚モニタによって求められた成膜レートが一定となるように、電子銃２０の出力Ｗｇが制御されてもよい。この構成によれば、成膜レートを一定にするための制御と、前述のイオンの生成量を一定にするための制御とが、互いに独立して行うことが可能であるので、被膜の品質や特性についての様々な要求に柔軟に対応することができる。
［第２実施例］
本発明の第２実施例について、図６を参照して説明する。

本第２実施例は、本発明を図６に示されるイオンプレーティング装置１０ａに適用した一例である。この図６に示されるように、本第２実施例に係るイオンプレーティング装置１０ａにおいては、前述の第１実施例に係るイオンプレーティング装置１０におけるシャッタ４４および絶縁碍子４６に代えて、電気的に絶縁性の物質により形成されたシャッタ４４ａが設けられる。これ以外の構成は、第１実施例と同様であるので、同様の部分には同一符号を付して、その詳しい説明を省略する。

すなわち、本第２実施例におけるシャッタ４４ａは、それ自体が電気的に絶縁性の物質により形成されている。また、この物質としては、機械的強度が比較的に大きく、耐熱性および耐食性が比較的に高く、さらに被膜にとって不純物となるガスを発生しないことが、求められる。このような物質としては、たとえばアルミナがある。

このように本第２実施例によれば、シャッタ４４ａが電気的に絶縁性の物質により形成されているので、プラズマ中の電子が当該シャッタ４４ａに流れ込むことはない。ゆえに、本第２実施例によっても、第１実施例と同様、プラズマを用いた成膜処理の実施において、その初期の段階から安定して当該成膜処理を実施することができる。これにより、良好な品質の被膜を良好な再現性で生成することができる。

なお、シャッタ４４ａの全体が、電気的に絶縁性の物質により形成されるのではなく、当該シャッタ４４ａの表面のみが、電気的に絶縁性の物質により覆われることで、当該シャッタ４４にプラズマ中の電子が流れ込むのが防止されてもよい。

以上の各実施例で説明した内容は、いずれも本発明の具体例であり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。すなわち、これら各実施例以外の局面でも、本発明を適用することができる。

たとえば、前述の従来のイオンプレーティング装置にも、本発明を適用することができる。すなわち、従来のイオンプレーティング装置に、本発明が適用されることによって、プラズマ中の電子がシャッタに流れ込むことが防止される。これにより、成膜処理の初期の段階から安定して当該成膜処理を実施することができ、良好な品質の被膜を良好な再現性で生成することができる。

なお、従来のイオンプレーティング装置においては、プラズマは、熱電子放射フィラメントとイオン化電極との間で発生する。そして、シャッタは、このプラズマを発生させるための陽極としてのイオン化電極に比べて、当該プラズマを発生させるための陰極としての熱電子放射フィラメントから離れた位置にある。これに対して、本発明の各実施例においては、前述したように、閉鎖状態にあるシャッタ４４（または４４ａ）とプラズマを発生させるための陰極としてのフィラメント３４と間の距離は、プラズマを発生させるための陽極としての坩堝１８の開口部と当該フィラメント３４との間の距離と同等（５０ｍｍ）である。すなわち、本発明の各実施例におけるシャッタ４４（または４４ａ）からフィラメント３４までの距離は、従来のイオンプレーティング装置におけるシャッタから熱電子放射フィラメントまでの距離よりも短い。したがって、もし、本発明の各実施例におけるシャッタ４４（または４４ａ）が接地されている、とすると、このシャッタ４４（または４４ａ）に流れ込む熱電子の量は、従来のイオンプレーティング装置におけるそれよりも多い。このような構成において、本発明は極めて有益である。

また、本発明は、プラズマを利用して表面処理を行うとともに、シャッタを備える装置であれば、適用することができる。たとえば、スパッタ装置などにも、本発明を適用することができる。さらに、成膜処理に限らず、プラズマを用いた窒化処理や浸炭処理などの他の表面処理を行う装置にも、本発明を適用することができる。

１０ …イオンプレーティング装置
１２ …真空槽
１６ …蒸発源
１８ …坩堝
２０ …電子銃
２２ …蒸発材料
２６ …基板
３０ …高周波電源装置
３４ …フィラメント
３６ …フィラメント加熱電源装置
３８ …イオン化電源装置
４０ …電流検出装置
４２ …加熱制御装置
４４ …シャッタ
４６ …絶縁碍子
４８ …シャッタ駆動機構
５６ …ガス導入管

Claims (10)

1. プラズマを用いて被処理物の表面に所定の処理を施す表面処理装置であって、
   内部に前記被処理物が配置されるとともに当該内部が排気される真空槽、
   前記真空槽の内部において前記プラズマを発生させるプラズマ発生手段、
   前記真空槽の内部において前記被処理物の表面に前記所定の処理が施されないようにする閉鎖状態と、当該被処理物の表面に当該所定の処理が施されるようにする開放状態と、に遷移可能なシャッタ、および
   前記プラズマ中の電子が前記シャッタに流入するのを防止する防止手段を備える、表面処理装置。
2. 前記防止手段は、前記シャッタを前記プラズマ発生手段との間で電気的に絶縁する絶縁手段を含む、請求項１に記載の表面処理装置。
3. 前記防止手段を備えることに代えて、前記シャッタが電気的に絶縁性の物質により形成された、請求項１に記載の表面処理装置。
4. 前記所定の処理は、前記被処理物の表面に被膜を形成する成膜処理である、請求項１から３のいずれかに記載の表面処理装置。
5. 前記成膜処理は、イオンプレーティング法による成膜処理である、請求項４に記載の表面処理装置。
6. 前記真空槽の内部における前記被処理物の下方において前記被膜の材料である蒸発材料を収容する収容手段、
   前記収容手段に収容されている前記蒸発材料を蒸発させる蒸発手段、および
   前記収容手段を陽極とし前記被処理物を陰極として当該収容手段と当該被処理物とに所定のバイアス電力を供給するバイアス電力供給手段をさらに備え、加えて
   前記プラズマ発生手段は、
   前記真空槽の内部における前記収容手段と前記被処理物との間に設けられており熱電子を放出する熱陰極、および
   前記収容手段を陽極とし前記熱陰極を陰極として当該収容手段と当該熱陰極とに直流のイオン化電力を供給するイオン化電力供給手段を含む、請求項５に記載の表面処理装置。
7. 前記シャッタは、前記熱陰極と前記被処理物との間の第１の位置に置かれることで前記閉鎖状態となり、当該熱陰極と当該被処理物との間から外れた第２の位置に置かれることで前記開放状態となる、請求項６に記載の表面処理装置。
8. 前記第１の位置は、前記熱陰極と前記被処理物との間における当該熱陰極寄りの位置である、請求項７に記載の表面処理装置。
9. 前記イオン化電力供給手段を介して流れる電流を検出するイオン化電流検出手段、および
   前記イオン化電流検出手段による前記電流の検出値が一定となるように前記熱陰極による前記熱電子の放出量を制御する熱電子放出量制御手段をさらに備える、請求項６から８のいずれかに記載のイオンプレーティング装置。
10. 前記真空槽の内部に前記蒸発材料とは別の前記被膜の材料である反応性ガスを導入するガス導入手段をさらに備える、請求項６から９のいずれかに記載の表面処理装置。

Images