JP2020045517A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルに流す電流値を低減させるとともに、磁束密度を調整する。【解決手段】成膜装置１は、減圧チャンバー内においてワーク１１と対面するように配置された蒸発源となるターゲット１２と、ターゲット１２を着火するための着火装置１５と、ターゲット１２の外周側に配置された磁場発生用のコイル１４と、コイル１４に電力を供給するコイル用電源１７と、コイル用電源１７からコイル１４に流れる電流を制御する電流制御器１８と、ワーク１１とターゲット１２の間に電圧を印加する印加用電源１６と、ターゲット１２の外周側に配置され、所定の磁力を発生させる永久磁石１３と、を備え、コイル１４は、永久磁石１３の外周側に配置されているとともに、永久磁石１３により発生する磁場と合わせることで、所定の磁束密度となるように磁場を発生させる。【選択図】図１

Description

本発明は、アーク放電を利用した成膜装置に関する。

部品小型化に寄与できる耐摩耗性に優れたダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜の生成法として、円筒蒸発源を用いたアークイオンプレイティング（ＡＩＰ）法がある。この成膜法において膜を均一に成膜するために、蒸発源表面で発生させた放電を、電磁石の磁場により周方向に移動させている。

従来、このような分野の技術として、特開２０００−０７３１６７号公報がある。この公報に記載された成膜装置では、減圧チャンバー内に載置されたワークの周りに、蒸発源となるターゲットが向かい合うように設置される。ターゲットとワークとの間に電圧を印加する電源装置があり、ターゲットの周りには磁場発生用のマグネットが配置される。

特開２０００−０７３１６７号公報

しかしながら、前述した従来の成膜装置では、カーボンやタングステンなどのアーク放電しにくい材料をターゲットとして用いた場合、強い磁場を発生させないとアーク放電の位置の移動速度、放電位置自体を制御しにくくなるという問題がある。ここで、強い磁場を発生させるために電磁石のコイルに流れる電流を大きくすると、コイルの加熱状態が強くなり、冷却するためにかかるコストが高くなる。
本発明は、コイルに流す電流値を低減させるともに、磁束密度を調整可能である成膜装置を提供するものである。

本発明にかかる成膜装置は、減圧チャンバー内においてワークと対面するように配置された蒸発源となるターゲットと、前記ターゲットを着火するための着火装置と、前記ターゲットの外周側に配置された磁場発生用のコイルと、前記コイルに電力を供給するコイル用電源と、前記コイル用電源から前記コイルに流れる電流を制御する電流制御器と、前記ワークと前記ターゲットの間に電圧を印加する印加用電源と、前記ターゲットの外周側に配置され、所定の磁力を発生させる永久磁石と、を備え、前記コイルは、前記永久磁石の外周側に配置されているとともに、前記永久磁石により発生する磁場と合わせることで、所定の磁束密度となるように磁場を発生させる。
これにより、永久磁石による磁場とコイルによる磁場とを合わせ、磁場の状態を変更することができる。

これにより、コイルに流す電流値を低減させるとともに、磁束密度を調整することができる。

成膜装置の構成を示す図である。 コイルがヨーク内に設けられている状態を示す図である。 永久磁石による磁場とコイルによる磁場により磁束密度が強められる状態を示した図である。 コイル電流の値を変化させた場合の磁束密度のシミュレーション結果を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、成膜装置１は、ワーク１１と、内側にワーク１１が配置される円筒蒸発源（ターゲット）１２と、永久磁石１３と、電磁石として動作するコイル１４と、着荷源であるストライカ１５と、ワーク１１及び円筒蒸発源１２に電圧を印加する印加用電源１６と、コイル１４に電力を供給するコイル用電源１７と、コイル用電源１７からコイル１４に流れる電流を制御する電流制御器１８と、を備える。なお、成膜装置１による成膜は、減圧チャンバー内で行われる。

なお図１では、円筒蒸発源１２の内側に配置されるワーク１１や、永久磁石１３、コイル１４の様子をわかりやすくするため、切断面を記載している。また、図１においてワーク１１や円筒蒸発源１２が延在している上下方向をＺ方向とし、Ｚ方向に対して垂直方向である左右及び奥行き方向を、それぞれＸ方向、Ｙ方向として説明する。

ワーク１１は、薄膜を形成させる対象品である。例えばワーク１１は、Ｚ方向に延在する円柱状であるものとして説明する。ワーク１１は、印加用電源１６のバイアス電源に電気的に接続されている。なお以下では、ワーク１１が配置されている位置をＸＹ方向における中心の位置であるものとして説明する。

円筒蒸発源１２は、Ｚ方向に延在する円筒状である。円筒状である円筒蒸発源１２の内側の中空部には、ワーク１１が配置されている。言い換えると、円筒蒸発源１２の内周面が、ワーク１１の表面と対面するように配置されている。円筒蒸発源１２は、印加用電源１６のカソード電源に電気的に接続されており、減圧容器内で円筒蒸発源１２の内側面でアーク放電させ、放出されたイオンにより、容器内のワーク１１の表面に成膜させる。例えば、円筒である円筒蒸発源１２の壁面までの内径は約１９６ｍｍ、壁面を形成している内外方向の厚さは約１０ｍｍであるが、この値に限られない。

永久磁石１３は、所定の磁力を発生させる磁石である。例えば図１に示すように、永久磁石１３は、Ｚ軸上方にＳ極、下方にＮ極が配置される。また永久磁石１３は、円筒蒸発源１２の外周の近傍において、円筒蒸発源１２を囲う円環状である。

コイル１４は、コイル用電源１７から電力が供給されることにより電磁石として動作し、磁力を発生させる。コイル１４は、永久磁石１３よりＸＹ方向における外周であるおともに、円筒蒸発源１２の外周を囲うように円環状である。

なお例えば、コイル１４の巻数は２１０巻、線径は約２．１ｍｍ、線低効率は１．７７４４Ｅ−８Ωｍ、コイル内径は約２８８．５ｍｍ、コイル線長は約１９０．３ｍｍ、コイル抵抗値は約０．９７５Ωであるが、これらの値に限られない。

ここで図２に示すように、コイル１４は、断面矩形である円環状のヨーク２１内に配置されていても良い。ここでヨーク２１は、中空部２１ａを有する円環状であって、永久磁石１３の外周側に配置されている。ここで、ヨーク２１を構成する壁面のうち、内周側の壁面を内側壁面２１ｂ、外周側の壁面を外側壁面２１ｃとする。内側壁面２１ｂには、壁面を貫通するスリット２１ｄが設けられている。なお、ヨーク２１の各壁面の厚さは夫々約６ｍｍであり、比透磁率は１３００であるが、これに限られない。またスリット２１ｄとして開口しているＺ方向の幅は約６ｍｍであるがこれに限られない。また、スリット２１ｄとして開口している周方向の長さは、所定の距離を設定することができる。

ここで、コイル１４は、ヨーク２１の中空部２１ａにおいて、外側壁面２１ｃに沿うように配置されている。

なお、永久磁石１３は、ヨーク２１の内側壁面２１ｂにおいて、円筒蒸発源１２側の面に当接するように配置されている。また、永久磁石１３は、Ｚ方向においてスリット２１ｄを挟み、互いに異なる極となるように配置されている。言い換えると、永久磁石１３は、スリット２１ｄより上方の位置にＳ極、下方の位置にＮ極を配置する。

ストライカ（着火装置）１５は、少なくとも一部が円筒蒸発源１２の内側に配置されている。ストライカ１５は、アーク放電を行う際に、円筒蒸発源１２で着火する。

印加用電源１６は、ワーク１１に接続されたバイアス電源と、円筒蒸発源１２に対して接続されたカソード電源と、を有する。カソード電源から電流を供給するとともに、バイアス電源からマイナスの電圧付加を行うことにより、印加用電源１６は、ワーク１１と円筒蒸発源１２との間に電圧を印加する。

コイル用電源１７は、電流制御器１８を介してコイル１４に電気的に接続されている。コイル用電源１７から供給される電流の強さを電流制御器１８が制御することにより、コイル１４で発生する磁力を調整することができる。

次に、成膜装置１を用いた成膜のフローを説明する。

最初に、印加用電源１６であるカソード電源、バイアス電源、及び、コイル用電源１７の電源をＯＮ状態とする。

ストライカ１５を着火させ、アーク放電を発生させる。

ワーク１１に、ＤＬＣ層が生成される。例えば、カーボン製である円筒蒸発源１２からイオンが飛び出し、ワーク１１の表面に成膜される。

印加用電源１６であるカソード電源、バイアス電源、及び、コイル用電源１７の電源をＯＦＦ状態にして、動作を終了させる。

ここで図３は、ＤＣＬ層を生成する際に、永久磁石１３により発生している磁場の向きと、電磁石としてのコイル１４により発生している磁場の向きが同方向であることで、磁束密度が強まる様子を模式的に示した図である。

図４に、コイル電流の大きさを変化させた場合の磁束密度の変化のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションでは、コイル電流を０Ａとすることにより、永久磁石１３だけで磁束を発生させた場合、必要となる磁束密度である１００ｍＴを確保することができない状態である。なお、この磁束密度１００ｍＴとは、カーボン素材の蒸発源上のアーク放電の際に、望ましい磁束密度の一例である。

ここで、永久磁石１３を円筒蒸発源１２に近づければ、円筒蒸発源１２の表面における磁束密度は強まる。しかしながら、その場合には円筒蒸発源１２の厚みを薄くする必要があり、放電の熱によって磁束密度が減衰することから、現実的ではない。

また図４では、電磁石として動作させるコイル１４と、永久磁石１３の磁場の向きを同方向とした状態で、コイル１４にコイル電流として約２０Ａを供給した結果が示されている。すなわち、コイル電流として約２０Ａを供給することで、円筒蒸発源１２の表面において、１００ｍＴ以上の磁束密度を達成することができる。なお、この電流値の２０Ａは、コイル１４の発熱を考慮した場合に最大となる、負荷可能な電流値である。

なお図４には、コイル１４に流すコイル電流の向きを逆にして２０Ａ（図４において−２０Ａとして表記）のコイル電流を流すことにより、円筒蒸発源１２の表面における磁束密度を弱めることができる結果も示されている。

このようにして、永久磁石１３の磁場の向きと、電磁石として動作させるコイル１４の磁場の向きを同方向となるように調整することによって、磁束密度を強めることができる。したがって、コイル１４に供給されるコイル電流を低減させ、過熱を抑制することができる。

また、磁場の向きを揃えて磁束密度が１００ｍＴ以上となるように強めるだけでなく、コイル１４に流れる電流の向きや強さを調整することにより、永久磁石１３の磁場と合わせて、円筒蒸発源１２の表面における磁束密度が所定の磁束密度となるように調整することができる。したがって、成膜装置１は、磁束密度を数十ｍＴに抑える必要があるＴｉ等の金属系の膜を成膜する際にも利用することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 成膜装置
１１ ワーク
１２ 円筒蒸発源
１３ 永久磁石
１４ コイル
１５ ストライカ
１６ 印加用電源
１７ コイル用電源
１８ 電流制御器
２１ ヨーク
２１ａ 中空部
２１ｂ 内側壁面
２１ｃ 外側壁面
２１ｄ スリット

Claims (1)

1. 減圧チャンバー内においてワークと対面するように配置された蒸発源となるターゲットと、
   前記ターゲットを着火するための着火装置と、
   前記ターゲットの外周側に配置された磁場発生用のコイルと、
   前記コイルに電力を供給するコイル用電源と、
   前記コイル用電源から前記コイルに流れる電流を制御する電流制御器と、
   前記ワークと前記ターゲットの間に電圧を印加する印加用電源と、
   前記ターゲットの外周側に配置され、所定の磁力を発生させる永久磁石と、を備え、
   前記コイルは、前記永久磁石の外周側に配置されているとともに、前記永久磁石により発生する磁場と合わせることで、所定の磁束密度となるように磁場を発生させる
   成膜装置。

Images