JP2946387B2 - イオンプレーティング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空容器内にて材料の
蒸発，イオン化により生成される成膜材料蒸気粒子を基
板の表面にイオンプレーティングにより付着させて金属
膜や合金膜を成膜するイオンプレーティング装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のイオンプレーティング装
置には、イオンプレーティングを行うために、プラズマ
源としてアーク放電型プラズマ銃を用いたものがある。
このイオンプレーティングにおいては、真空容器内で蒸
気化された材料蒸気をプラズマによりイオン化し、この
成膜材料粒子を真空容器内に設けられた基板の表面に付
着させ、金属膜や合金膜を成膜する。

【０００３】この為、イオンプレーティング装置は、材
料を溶解させるための加熱用電力源とプラズマを生成す
るためのプラズマ生成手段とを備える。例えば、ルツボ
又はハース内の材料に単一の金属を用いれば、基板の表
面には単一の金属膜が成膜される。又、反応ガスのプラ
ズマを用いた反応イオンプレーティング方法によって化
合物の膜が得られ、又幾つかの異なる金属を用いれば、
基板の表面には合金膜が成膜される。しかも、イオンプ
レーティングにより成膜された膜は、通常の真空蒸着に
よって成膜された膜と比べ、緻密で密着性に優れた膜質
を容易に得られるという利点がある。

【０００４】ところで、一般に金属を加熱させる手段と
しては、抵抗加熱，誘導加熱，電子銃（ＥＢ）による加
熱，アーク放電［例えばホローカソード銃による放電，
圧力勾配型プラズマ銃（浦本ガンとも呼ばれる）による
放電，マルチアーク放電］等が挙げられる。又、プラズ
マを生成する手段としては、ＤＣグロー放電，ＲＦ放
電，マイクロ波放電，ＥＣＲ放電，ＤＣアーク放電等が
挙げられる。

【０００５】そこで、イオンプレーティングには、この
ような各加熱手段や各プラズマ生成手段を組み合わせた
種々の方法が提案されている。ここでは工業的利用上の
理由により、ＥＢ＋ＲＦ方式，ＥＢ＋ＤＣアーク方式，
ホローカソード（ＨＣＤ）方式，及び圧力勾配型プラズ
マ銃方式を説明する。

【０００６】ＥＢ＋ＲＦ方式とＥＢ＋ＤＣアーク方式と
は、ＥＢを用いて材料を蒸発させ、更にプラズマ発生源
として、それぞれＲＦ放電やＤＣアーク放電を用いたも
のである。ＨＣＤ方式は、金属パイプを陰極とし、蒸発
化させる材料を載せたルツボ又はハースを陽極としてア
ーク放電を行わせ、このときに生じる熱とプラズマとに
より金属の蒸気化，イオン化を同時に行わせるものであ
る。圧力勾配型プラズマ銃方式は、基本的にＨＣＤ方式
と同様であり、陰極のガンと陽極のルツボ又はハース
（以下は、ルツボのみを用いた場合として説明する）と
の間でアーク放電を行わせ、材料の蒸気化，イオン化を
同時に行わせるものである。

【０００７】このうち、圧力勾配型プラズマ銃方式は、
他のイオンプレーティング方法に比べ、陰極が長寿命と
なる上、プラズマの形状を磁場により調整制御できる長
所がある。又、圧力勾配型プラズマ銃方式は、酸素ガス
のプラズマを使用しても陰極が損傷せず、しかもイオン
化を図るためのプラズマ発生手段として他のイオンプレ
ーティング方法で別途に要する電極を必要としない。

【０００８】このような理由により、圧力勾配型プラズ
マ銃方式によるイオンプレーティングは、装置を構成す
るに際し、他の方法によるイオンプレーティング装置よ
りも生産性や設備設定の都合等で有利になっている。

【０００９】図５は、圧力勾配型プラズマ銃方式による
反応イオンプレーティングを採用したイオンプレーティ
ング装置の基本構成を側断面図により示したものであ
る。このイオンプレーティング装置は、内部が真空雰囲
気に保たれ、反応ガスを供給するガス供給口が設けられ
た真空容器１０を備えている。この真空容器１０内の底
部にはハース１１が設けられ、ハース１１上には材料が
載せられている。このハース１１上の材料（蒸着物質）
は後述するプラズマビームにより溶解，蒸発・イオン化
させられる。また、真空容器１０内のほぼ中央には、基
板１２がハース１１と対向して配置されている。この基
板１２の表面には、後述するようにハース１１上で蒸発
・イオン化した材料蒸気が付着する。

【００１０】又、真空容器１０には装着口Ｆが設けら
れ、この装着口Ｆには圧力勾配型プラズマ銃（ビーム発
生器）２０が装着されている。圧力勾配型プラズマ銃２
０は、所定間隔を有して対向配置された陰極部２１と、
永久磁石２２とリング状の電磁コイル２３を含む中間電
極とを備える。また、真空容器１０外の装着口Ｆの外周
にはステアリングコイル２５が設けられている。陰極部
２１で生成されたビームは永久磁石２２及び電磁コイル
２３により収束され、ステアリングコイル２５によって
ハース１１上に導かれる。この際、真空容器１０内のハ
ース１１との間にプラズマが生成される。

【００１１】尚、ハース１１と圧力勾配型プラズマ銃２
０との間には電源回路（図示せず）が接続され、この電
源回路からハース１１と圧力勾配型プラズマ銃２０とに
電力が供給される。一般に、ハース１１は接地され、ハ
ース１１に対して圧力勾配型プラズマ銃２０の陰極部２
１は負電位にされる。換言すれば、ハース１１は圧力勾
配型プラズマ銃２０に対して電気的に陽極を形成してい
る。ハース１１の内部には、棒磁石１１ａが埋設されて
いる。

【００１２】また、基板１２は真空容器１０の上部に回
転軸１３を介して回転自在に取り付けられ、回転軸１３
は真空容器１０の上面に設置されたモータ１４に結合さ
れている。モータ１４で回転軸１３を回転することによ
り、基板１２を回転することができる。基板１２は図示
しない電源によりハース１１に対して負電位となるよう
に負電圧が印加されている。すなわち、基板１２はハー
ス１１に対して電気的に陰極を形成している。

【００１３】図６をも参照して、このような構成による
イオンプレーティング装置の動作を説明する。電源回路
によりハース１１及び圧力勾配型プラズマ銃２０間に電
力を供給すると、真空容器１０内でプラズマビームＰが
生成さる。この生成されたプラズマＰはステアリングコ
イル２５によってハース１１上に導かれ、ハース１１上
の材料（蒸着物質）がこのプラズマビームＰ中にて蒸発
・イオン化されて成膜材料粒子が生成される。この成膜
材料粒子は、ハース１１に対して負電位の基板４に吸引
され、基板４の表面には成膜材料粒子が付着し、成膜さ
れる。

【００１４】上述した圧力勾配型プラズマ銃２０やＨＣ
Ｄ銃等のアーク放電型プラズマ銃を用いたイオンプレー
ティング装置によってイオンプレーティングを行う場
合、図６に示すように、ハース１１に対してプラズマビ
ームＰが傾いて入射し、ハース１１上の蒸着物質が図６
の矢印Ｇで示すように、ビーム入射方向に飛び出してし
まう。しかも、この飛び出す方向Ｇは、圧力勾配型プラ
ズマ銃２０の陰極部２１に流すビーム電流によって変化
するため、蒸着物質の飛び出す方向Ｇが一定とならな
い。

【００１５】この様子を図７に示す。通常のプラズマビ
ームＰは図７の軌跡Ｂn に沿ってハース１１の入射面上
に入射する。すなわち、軌跡Ｂn に沿う通常のプラズマ
ビームＰはハース１１の入射面の垂線に対して角度θだ
け傾いて入射する。この傾き角度θはハース１１内に埋
め込まれた棒磁石１１ａの磁力線Ｈa の影響を受ける。
軌跡Ｂn に沿う通常のプラズマビームＰよりも弱いプラ
ズマビームＰの軌跡をＢw で示す。この軌跡Ｂw に沿う
弱いプラズマビームＰもハース１１内に埋め込まれた棒
磁石１１ａの磁力線Ｈa の影響を受ける。

【００１６】図８に軌跡Ｂn に沿って通常のプラズマビ
ームＰをハース１１の入射面に入射させた時の基板１２
での膜厚分布の測定例を示す。このときの測定条件は次
の通りである。基板１２として１５０×１５０ｍｍのも
のを使用した。また、上述した蒸着物質の飛び出す方向
Ｇを考慮に入れて、基板１２をハース１１の真上ではな
く、基板中心Ｃs をハース中心Ｃh に対して圧力勾配型
プラズマ銃２０から離れる側および図５の手前側にそれ
ぞれ３０ｍｍづつずらして配置した。基板１２とハース
１１間の距離すなわち基板高さを２５２ｍｍとした。基
板１２を格子状に分割し、各分割した空間の中で外周部
を除いた３６個の空間を１〜３６の番号で区別した。各
空間において、上欄にこの空間の番号Ｎを、中欄に全空
間でのパーセンテージＡ（平均約２．８％）を、下欄に
膜厚の実測値Ｂ（μｍ）を示す。

【００１７】図８から明らかなように、基板１２上での
膜厚の実測値Ｂ（パーセンテージＡ）は、約２．２μｍ
（約２．８％）を平均として０．８〜４．０μｍ（１．
０〜５．１％）の極めて広い範囲で分布している。そし
て、基板中心Ｃs をハース中心Ｃh からずらしているに
も拘らず、最も膜厚の厚い所が、圧力勾配型プラズマ銃
２０側から離れた手前側（空間の番号Ｎが２４と２７）
の部分にある。これは、ハース１１に対するプラズマビ
ームＰの入射角が傾いている為と考えられる。

【００１８】このような欠点に対処するため、従来、次
に述べる２つの方法が行われている。ハース１１の入
射面上部近傍に電磁コイルを設けてプラズマビームＰを
修正する方法（例えば、実願昭４−７０５５２号参
照）。ハース１１内の棒磁石１１ａを傾ける方法。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法では、次に述べるような欠点がある。の方法では、
コイル本体、電流導入系、コイルの冷却系などの設備が
必要で構造が複雑になる。また、プラズマビームＰを所
望の方向に修正するためには、電磁コイルに大電流を流
すことができるコイル用電源を使用しなければならな
い。の方法では、棒磁石１１ａを傾けたとしても磁力
線Ｈa の影響を受ける為、完全には解決されず、しか
も、棒磁石１１ａをビーム電流に対応して傾ける機構が
必要となるため、構造が複雑となる。また、ビーム電流
ごとに棒磁石１１ａの傾き角度を調整しなければならな
いので、制御が困難となる。

【００２０】本発明の技術的課題は、基板の表面上にほ
ぼ一定の膜厚の膜を形成できる、簡単な構造のアーク放
電型プラズマ銃を用いたイオンプレーティング装置を提
供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ビーム
発生器からプラズマビームを発生させ、プラズマビーム
をハースの入射面に導き、ハース上の蒸着物質を蒸発・
イオン化し、蒸発・イオン化した蒸着物質をハースと対
向して配置された基板の表面に付着させてイオンプレー
ティングを行うイオンプレーティング装置において、ハ
ースに対するプラズマビームの入射方向を調整する入射
ビーム方向調整手段を備え、入射ビーム方向調整手段が
ハース内に配置された棒磁石と、中心軸がハースの中心
軸に合うようにハースの上部近傍に設けらた環状永久磁
石とを有することを特徴とする。

【００２２】

【作用】棒磁石による磁力線と環状永久磁石による磁力
線との合成によって、ハースの入射面上方にカスプ磁場
を形成してプラズマビームの修正を行う。

【００２３】

【実施例】以下に実施例を挙げ、本発明のイオンプレー
ティング装置について図面を参照して詳細に説明する。

【００２４】図１は本発明の一実施例によるイオンプレ
ーティング装置の基本構成を示した側断面図である。図
示のイオンプレーティング装置は、図５と同様に、圧力
勾配型プラズマ銃方式による反応イオンプレーティング
を採用している。図５に示したものとの相違点は、環状
永久磁石１５がハース１１の上部近傍に設けられている
ことである。少し詳細に説明すると、環状永久磁石１５
は、その中心軸がハース１１の中心軸に合うように、ハ
ース１１の上部近傍に設けられている。本実施例では、
ハース１１の真上に基板１２がハース１１と対向して配
置されている。

【００２５】このように環状永久磁石１５をハース１１
の上部近傍に配置すると、図２に示すように、棒磁石１
１ａによる磁力線Ｈa と環状永久磁石１５による磁力線
Ｈbとの合成によって、ハース１１の入射面上方にカス
プ磁場Ｈc が出来る。このカスプ磁場Ｈc がプラズマビ
ームＰの軌道を修正し、プラズマビームＰをハース１１
上に載っている蒸着物質の真上よりほぼ直線的に入射さ
せることができる。この結果、基板１２（図１）の表面
に均一な膜厚の薄膜を形成させることができる。

【００２６】図３に本発明によるイオンプレーティング
装置において、プラズマビームＰをハース１１に入射さ
せた時の基板１２上で薄膜の膜厚分布の測定例を示す。
このときの測定条件は次の通りである。基板１２として
１５０×１５０ｍｍのものを使用した。また、基板１２
をハース１１の真上、すなわち、基板中心Ｃs とハース
中心Ｃh とを一致させて配置した。基板１２とハース１
１間の距離、すなわち、基板高さを１２６ｍｍとした。
基板１２の回転は行っていない。基板１２を格子状に分
割し、各分割した空間の中で外周部を除いた３６個の空
間を区別するために、それらに１〜３６の番号を付し
た。各空間において、上欄にこの空間の番号Ｎを、中欄
に全空間でのパーセンテージＡ（平均約２．８％）を、
下欄に膜厚の実測値Ｂ（μｍ）を示す。

【００２７】図３から明らかなように、基板１２上での
膜厚の実測値Ｂ（パーセンテージＡ）は、約２．２μｍ
（約２．８％）を平均として１．４〜３．０μｍ（１．
８〜３．９％）の極めて狭い範囲で分布している。すな
わち、基板１２の高さが図８の場合に比べて低いにも拘
らず、ほぼ一定の膜厚の薄膜が形成され、平均約２．８
％に近い値が多いことが解る。

【００２８】尚、実施例のイオンプレーティング装置
は、圧力勾配型プラズマ銃方式によるものとしたが、こ
れに代えてＨＣＤ方式にしても同等なイオンプレーティ
ング装置が構成される。又、ハース１１に代えてルツボ
を使用することもできる。一体に形成した環状永久磁石
１５の代わりに、図４に示すような、多数の小さい棒状
の永久磁石片を環状に配置したもの１５ａでも良い。こ
の場合、磁力線Ｈb を均一にするために、環状永久磁石
１５ａの上下に鉄心を設けた方が好ましい。また、棒磁
石１１ａに対して環状永久磁石１５を上下動可能に設け
るようにしても良い。その具体例としては、環状永久磁
石１５を支持しているブラケットの下面にライナを介在
させ、周知の駆動装置（例えば、シリンダ）で環状永久
磁石１５を上下方向に駆動させれば良い。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明のイオンプレーテ
ィング装置によれば、ハース内に棒磁石を埋設させると
共にハース上の近傍に中心軸を合わせて環状永久磁石を
配置して、ハースの入射面上方にカスプ磁場を形成する
ことにより、プラズマビームをハース上に載っている蒸
着物質の真上より、ほぼ直線的に入射させることができ
る。入射ビーム方向調整手段として棒磁石と環状永久磁
石との組合わせを使用しているので、従来のものと比較
して、次のような利点がある。構造が単純である。
コイル電源を必要としない。環状永久磁石による磁場
は電磁コイルのそれに比較して強力な為、プラズマビー
ムの修正力が大きい。制御の必要性がない。ビーム
電流に対するビーム入射角の影響が少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるイオンプレーティング
装置の基本構成を示す側断面図である。

【図２】図１に示すイオンプレーティング装置に使用さ
れるハース近傍における磁力線の方向を説明するために
示したものである。

【図３】図１に示すイオンプレーティング装置におい
て、プラズマビームをハースに入射させた時の基板上で
薄膜の膜厚分布の測定例を示す図である。

【図４】本発明のイオンプレーティング装置に使用され
る環状永久磁石の変形例を示す斜視図である。

【図５】従来のイオンプレーティング装置の基本構成を
示す側断面図である。

【図６】図５に示す従来のイオンプレーティング装置の
動作原理とその問題点を説明するための図である。

【図７】図５に示す従来のイオンプレーティング装置に
使用されるハース近傍における磁力線の方向を説明する
ために示したものである。

【図８】図３に示すイオンプレーティング装置におい
て、プラズマビームをハースに入射させた時の基板上で
薄膜の膜厚分布の測定例を示す図である。

【符号の説明】

１１ ハース １１ａ 棒磁石 １２ 基板 １５ 環状永久磁石

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ビーム発生器からプラズマビームを発生
   させ、該プラズマビームをハースの入射面に導き、該ハ
   ース上の蒸着物質を蒸発・イオン化し、該蒸発・イオン
   化した蒸着物質を前記ハースと対向して配置された基板
   の表面に付着させてイオンプレーティングを行うイオン
   プレーティング装置において、 前記ハースに対する前記プラズマビームの入射方向を調
   整する入射ビーム方向調整手段を備え、該入射ビーム方
   向調整手段が前記ハース内に配置された棒磁石と、中心
   軸が前記ハースの中心軸に合うように前記ハースの上部
   近傍に設けらた環状永久磁石とを有し、 前記棒磁石による磁力線と前記環状永久磁石による磁力
   線との合成によって、前記ハースの入射面上方にカスプ
   磁場を形成して前記プラズマビームの修正を行うように
   したことを特徴とするイオンプレーティング装置。