JP4774322B2

JP4774322B2 - 表面処理装置

Info

Publication number: JP4774322B2
Application number: JP2006096264A
Authority: JP
Inventors: 征史五十川
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007270230A

Description

本発明は、表面処理装置に関する。

ターゲットを含む固体アークプラズマ源を有する表面処理装置において被処理体の表面処理を行う場合、アーク放電によってプラズマとともに磁場の影響を受けずに直進する電気的に中性なドロップレットや飛散粒子が発生する。これらが被処理体の表面まで飛散した場合には，被処理体表面の欠陥原因となる。

そこで、ドロップレットや飛散粒子の被処理体面への到達を規制するため、真空容器中にリング状又はコイル状の磁石を配し、固体アークプラズマ源と被処理体との間に偏向磁場をかける装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この装置では、偏向磁場によって、プラズマのみを被処理体へ誘導する一方、ドロップレットや飛散粒子をプラズマの輸送経路から除外して被処理体への到達を阻止することができる。
特開２００４−２２５１０７号公報

しかしながら、上記従来の技術では、高融点金属のドロップレットの場合、発生及び飛散した瞬間から表面の固化が始まり、真空容器の内壁や磁場誘導用磁石と衝突するときには既に表面が固化しているため、付着せずに容器内に再び反射してしまう。この際、反射した飛散粒子が、被処理体の方向に経路を変えるものもあって、これらが被処理体表面に付着する可能性がある。その場合、被処理体表面に成膜された膜にミクロ的な欠陥が生じてしまい、特に、耐熱膜、耐腐食膜、光学鏡面膜の場合には、機能低下をもたらす可能性がある。また、プラズマの輸送経路以外に被処理体を載置した場合、上述のように飛散粒子が表面に衝突する可能性があるため、真空容器内には処理を行う被処理体しか投入できない。そのため、表面処理を連続的に行うことができず、生産効率の向上が図れない。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、被処理体の表面を高精度かつ確実に処理することができ、処理能力を高め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。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る表面処理装置は、絶縁物を介してトリガー電極と接続されたターゲットと、該ターゲットの周囲にアーク放電を誘起させるアーク電極とを有し、前記アーク放電によって生じるターゲットイオンを含むプラズマを前記ターゲットの先端方向に放出する蒸着源と、前記ターゲットイオンが到達する被処理体を載置する表面の法線が、前記蒸着源近傍における前記プラズマの放出方向に対して傾いて配された支持台と、前記蒸着源から放出された前記プラズマの進行方向が、前記支持台の近傍にて該支持台表面の略法線方向となるように偏向させる偏向部と、前記蒸着源と前記支持台との間に配され、前記偏向部によって偏向されたプラズマの輸送経路上のみに開口部が形成された遮蔽板とを真空容器内に備えていることを特徴とする。

この発明は、遮蔽板の開口部にプラズマを挿通させる一方、プラズマの輸送経路から外れて飛散するドロップレット等の飛散粒子は反射させることができ、飛散粒子が被処理体に到達するのを好適に規制することができる。また、プラズマの輸送経路が不安定になっても、プラズマの多くが真空容器ではなく遮蔽板に当たるので、真空容器の汚れを削減することができる。

また、本発明に係る表面処理装置は、前記表面処理装置であって、表面処理後の前記被処理体を前記プラズマの輸送経路上から退避させ、前記蒸着源に対し前記遮蔽板よりも遠位側、かつ、前記プラズマの輸送経路から外れた位置に配された表面処理前の前記被処理体を、前記プラズマの輸送経路上に移動する入れ替え装置を備えていることを特徴とする。

この発明は、蒸着源に対し遮蔽板よりも遠位側のプラズマの輸送経路から外れた位置に処理前の被処理体を配置しても、遮蔽板がプラズマやドロップレット等の飛散粒子の飛来を抑えることができる。従って、処理前の被処理体がプラズマやドロップレット等の飛散粒子によって汚染されるのを抑えることができる。

また、本発明に係る表面処理装置は、前記表面処理装置であって、前記入れ替え装置が、前記真空容器内の圧力を維持するための調圧部を介して前記真空容器に隣接して配され、処理前の前記被処理体を待機させておく第一保管室と、前記真空容器内の圧力を維持するための調圧部を介して前記真空容器に隣接して配され、処理後の前記被処理体を保管する第二保管室とを備えていることを特徴とする。

この発明は、処理を行う被処理体を真空容器とは別の第一保管室内に保管した状態でも、第一保管室、真空容器、及び第二保管室の間で被処理体を移動させることにより、真空容器そのものを大気開放しなくても、複数の被処理体に対して連続的な処理を行うことができる。従って、プラズマの輸送経路から外れて飛散するドロップレット等の飛散粒子が処理前の被処理体に到達するのをより好適に抑えることができる。

また、本発明に係る表面処理装置は、前記表面処理装置であって、前記被処理体にバイアス電圧を付加するバイアス電源部を備えている。この発明は、プラズマに含まれる帯電したターゲットイオンを被処理体の表面から内部に注入させることができ、密着強度を向上することができる。

本発明によれば、被処理体の表面を高精度かつ確実に処理することができ、処理能力を高めることができる。

本発明に係る第１の実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
本実施形態に係る表面処理装置１は、図１及び図２に示すように、真空チャンバ（真空容器）２と、筒状の絶縁物３を介してトリガー電極５と接続されたターゲット６と、ターゲット６の周囲にアーク放電を誘起させるアーク電極７とを有し、アーク放電によって生じるターゲットイオンを含むプラズマ８をターゲット６の先端６ａ方向に放出する蒸着源１０と、光学素子成形用型母材（被処理体）１１を載置する支持台１２と、蒸着源１０から放出されるプラズマ８の進行方向が、支持台１２の近傍にて中心軸線Ｃ方向となるように偏向させる偏向部１３とを備えている。

真空チャンバ２の外部には、内部を大気圧から所定の圧力まで調整する図示しない真空排気系、トリガー電源１５、及びアーク電源１６がそれぞれ接続されている。

ターゲット６は、例えば、棒状のイリジウムから構成されている。
トリガー電極５及びアーク電極７はそれぞれトリガー電源１５及びアーク電源１６の陽極側に接続されており、ターゲット６がトリガー電源１５及びアーク電源１６の陰極側に接続されている。また、アーク電源１６には、図示しないコンデンサが、電気が貯められた状態で配線されている。なお、アーク電極７とターゲット６とは電気的に接続されていない。

アーク電極７は、円筒形状のステンレス部材とされ、内部にターゲット６が挿通されている。アーク電極７は、支持台１２に載置した光学素子成形用型母材１１に対してターゲット６を遮蔽可能な長さに形成されている。アーク電極７の先端７ａ側は、ターゲット６の先端６ａよりも突出する一方、支持台１２の遠位側が半円筒状に切り欠かれて開口している。

偏向部１３は、リング状の磁石１７と、磁石１７から生じる磁力線の方向を調整する鉄製のＬ字状ヨーク１８とを備えている。磁石１７は、Ｌ字状ヨーク１８の一方の側部１８Ａに、磁極がターゲット６の軸線方向となるように配されている。蒸着源１０は、この一方の側部１８Ａの磁石１７の径方向内方に配されている。

支持台１２は、略円板状に形成され、蒸着源１０近傍におけるプラズマ８の放出方向Ｐに対して中心軸線Ｃが傾くように、Ｌ字状ヨーク１８によって形成される磁力線の経路上となる位置の他方の側部１８Ｂに配されている。本実施形態においては、プラズマ８の蒸着源１０からの放出方向Ｐと中心軸線Ｃとは略直交している。支持台１２の蒸着源１０側の表面には、中心軸線Ｃの周りの同心円上に所定の間隔で、かつ、中心軸線Ｃから所定の距離で径方向外方に離間した位置に、光学素子成形用型母材１１が複数載置可能となっている（図では二つ）。

蒸着源１０と支持台１２との間には、偏向部１３によって偏向されたプラズマ８の輸送経路上のみに開口部２０Ａが形成された遮蔽板２０が、真空チャンバ２の壁面からＬ字状ヨーク１８の一方の側部１８Ｂに沿って、他方の側部１８Ａの近傍まで延設されている。開口部２０Ａの大きさは、遮蔽板２０が配された位置におけるプラズマ８の直径と略同一の大きさとなっている。従って、処理対象となる光学素子成形用型母材１１以外のものは、蒸着源１０に対し遮蔽板２０よりも遠位側のプラズマ８の輸送経路から外れた位置に配置される。この遮蔽板２０は、非磁性体からなり、偏向部１３の磁力の影響を受けないように構成されている。

支持台１２には、軸２１を介して中心軸線Ｃ回りに支持台１２を回転させて、プラズマ８の輸送経路上から表面処理後の光学素子成形用型母材１１を退避させ、表面処理前の光学素子成形用型母材１１をプラズマ８の輸送経路上に移動する移動部（入れ替え装置）２２が接続されている。この移動部２２はまた、処理中においては、支持台１２をターゲット６に対して支持台１２の中心軸線Ｃ方向に直交する二軸方向に揺動させるように構成されている。移動部２２は、図示しない支持台揺動用駆動系及び支持台回転用のステッピングモータ等を備えている。

次に、本実施形態に係る表面処理装置１の作用について説明する。
まず、支持台１２に表面処理を行う光学素子成形用型母材１１を複数装着する。真空チャンバ２内を真空排気系にて真空引きした後、移動部２２のステッピングモータ等を駆動して軸２１とともに支持台１２を中心軸線Ｃ回りに回転する。そして、処理を行う光学素子成形用型母材１１を遮蔽板２０の開口部２０Ａの位置に移動する。なお、真空引きと支持台１２の回転とを行う順番は逆でも構わない。

この状態で、トリガー電源１５によりトリガー電極５とターゲット６との間に高圧パルス電圧を印加する。このとき、絶縁物３の先端に瞬間的に沿面放電が発生し、トリガー電極５と絶縁物３から突出したターゲット６との間に電流が流れて、ターゲット６の表面にアークスポットＡが発生する。

アークスポットＡからターゲット６のプラズマが僅かに発生することによって、ターゲット６とアーク電極７との間に電気回路が形成され、アーク電極７とターゲット６との間でアーク放電が生じる。そして、アーク電源１６に配線されている図示しないコンデンサに貯められた電気が一瞬でアーク電極７からターゲット６へ放電されてターゲット６の軸方向にアーク電流が流れ、プラズマ８が発生する。この際、アーク電極７がターゲット６の略全周面を覆っているので、アーク放電がターゲット６の全周面から均等に生じやすい。従って、ターゲット６から均一にプラズマ８が発生する。

発生したプラズマ８は、ターゲット６を流れる電流によって生じる磁場によってターゲット６の先端６ａ側に電磁力を受け、プラズマ８が速度を持って移動して蒸着源１０からＰ方向に放出され、偏向部１３の磁場によってプラズマ８の輸送経路が、放出方向Ｐから支持台１２の中心軸線Ｃ方向に偏向される。そして、遮蔽板２０の開口部２０Ａを通過して光学素子成形用型母材１１へと誘導される。

一方、アーク放電によって、ドロップレットもターゲット６から直線運動的に飛散する。このうち、支持台１２方向に飛散するものはアーク電極７に遮られてこれに付着又はアーク電極７の開口方向に反射してしまう。これらは電気的に中性であるので、偏向部１３による磁場の影響を受けない。従って、プラズマ８の輸送経路から外れて真空チャンバ２の内壁面等に衝突して付着する。

ここで、飛散中に固化したドロップレットやターゲット６の破片等からなる飛散粒子の一部は、真空チャンバ２の壁面に付着せずに反射する。この際、その反射方向によっては支持台１２に向かって進行する。しかし、このような飛散粒子は、遮蔽板２０の開口部２０Ａ以外の領域に衝突して、再び真空チャンバ２の壁面方向に反射される。

こうして、清浄なプラズマ８のみが遮蔽板２０の開口部２０Ａを通過して光学素子成形用型母材１１に到達する。ここで、例えば、光学素子成形用型母材１１を直径２０ｍｍとしたとき、光学素子成形用型母材１１上のプラズマ８が直径１０ｍｍ程度と光学素子成形用型母材１１の直径の半分程度となるように調整されている。従って、プラズマ８が到達している間、移動部２２の支持台揺動用駆動系を駆動して支持台１２を平面方向に二軸揺動させ、プラズマ８が光学素子成形用型母材１１の表面全体に均一に到達するように調整する。一方、支持台１２に装着された他の光学素子成形用型母材１１には、遮蔽板２０によってプラズマ８や飛散粒子等の飛来が規制されるので、支持台１２に装着したときの表面状態が維持される。

次に、移動部２２の支持台回転用のステッピングモータを駆動して、支持台１２を軸２１回りに回転する。そして、プラズマ８の輸送経路上から処理後の光学素子成形用型母材１１を退避させ、支持台１２に装着された別の光学素子成形用型母材１１をプラズマ８の輸送経路上に移動する。こうして、上述した処置を繰り返して、支持台１２に装着された光学素子成形用型母材１１を連続的に処理する。支持台１２に装着したすべての光学素子成形用型母材１１の処理が終了した後、真空チャンバ２を大気開放して支持台１２から処理後の光学素子成形用型母材１１を取り出す。こうして、図３に示すように、膜体２３Ａが形成された光学素子成形用型２３が製造される。

この表面処理装置１によれば、プラズマ８に含まれるドロップレットや飛散粒子のうち、支持台１２の方向に飛散したものをアーク電極７に衝突させて支持台１２と異なる方向に反射させることができる。また、遮蔽板２０により、遮蔽板２０の開口部２０Ａにプラズマ８を挿通させる一方、真空チャンバ２の壁面に反射してプラズマ８の輸送経路から外れて支持台１２の方向に飛散するドロップレット等の飛散粒子は遮蔽板２０で再び反射させることができ、飛散粒子が光学素子成形用型母材１１に到達するのを好適に規制することができる。

さらに、プラズマ８の輸送経路が不安定になっても、プラズマ８の多くが真空チャンバ２ではなく遮蔽板２０に当たるので、真空チャンバ２の汚れを削減することができる。従って、光学素子成形用型母材１１の表面におけるドロップレットや飛散粒子によるミクロ的な表面欠陥が好適に抑えられ、高密度、高密着強度、かつ、欠陥の極めて少ない表面を得て高精度かつ確実に処理することができる。

また、蒸着源１０に対し遮蔽板２０よりも遠位側のプラズマ８の輸送経路から外れた位置に、処理前の光学素子成形用型母材１１を配置しても、これらの表面がプラズマ８やドロップレット等の飛散粒子によって汚染されるのを抑えることができる。従って、真空チャンバ２内の真空を維持した状態で、複数の光学素子成形用型母材１１の処理を連続的に行うことができる。

また、この結果得られた光学素子成形用型２３によれば、ドロップレットや飛散粒子によるミクロ的な表面欠陥が好適に抑えられているので、高精度、高耐久の成形を行うことができる。

次に、第２の実施形態について図４を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る表面処理装置２４が、入れ替え装置２５として、真空チャンバ２６内の圧力を維持するためのゲートバルブ（調圧部）２７Ａを介して真空チャンバ２６に隣接して配され、処理前の光学素子成形用型母材１１を待機させておく第一保管室２８と、ゲートバルブ（調圧部）２７Ｂを介して真空チャンバ２６に隣接して配され、処理後の光学素子成形用型母材１１を保管する第二保管室３０とをさらに備えているとした点である。

第一保管室２８には、真空チャンバ２６内に光学素子成形用型母材１１を送り出して支持台１２に装着する第一移動機構３１と、第一保管室２８内を真空排気可能な真空排気装置３２とが接続されている。第二保管室３０には、支持台１２から処理後の光学素子成形用型母材１１を受け取って真空チャンバ２６から取り出す第二移動機構３３と、第一保管室２８と同様の真空排気装置３２とが接続されている。

次に、本実施形態に係る表面処理装置２４の作用について説明する。
まず、第一保管室２８内が大気圧の状態でゲートバルブ２７Ａを閉として、処理前の光学素子成形用型母材１１を第一移動機構３１に装着する。次に、真空チャンバ２６内を真空排気系にて真空引きし、第一保管室２８内も、真空排気装置３２により略同圧になるまで真空引きする。

続いて、第一移動機構３１を駆動し、ゲートバルブ２７Ａを開として、ゲートバルブ２７Ａを介して処理前の光学素子成形用型母材１１を真空チャンバ２６内に送り出して、支持台１２に装着する。装着後、第一移動機構３１を停止してゲートバルブ２７Ａを閉とする。その後は、第１の実施形態と同様の処置を行い、同様の作用にて表面処理を行う。

処理終了後、真空チャンバ２６を大気開放する代わりに、第二保管室３０内を真空排気装置３２にて真空チャンバ２６内と略同圧になるまで真空引きする。そして、第二移動機構３３を駆動し、ゲートバルブ２７Ｂを開として、支持台１２から処理後の光学素子成形用型母材１１を取外す。その後、第二保管室３０内に光学素子成形用型母材１１を移動して、ゲートバルブ２７Ｂを閉とし、第二移動機構３３を停止する。こうして、処理後の光学素子成形用型母材１１が第二保管室３０に保管される。取り出す際には、第二保管室３０を大気開放する。

この表面処理装置２４によれば、第一保管室２８、真空チャンバ２６、及び第二保管室３０の間で光学素子成形用型母材１１を移動させるので、真空チャンバ２６そのものを大気開放する必要がなく、複数の光学素子成形用型母材１１に対して連続的な処理を行うことができる。

次に、第３の実施形態について図５及び図６を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第３の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る表面処理装置３５が、図５に示すように、フィードスルー３６を介して支持台１２に接続されて光学素子成形用型母材１１に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源部３７を備えているとした点である。

バイアス電源部３７は、図示しないコンピュータによってターゲット６とアーク電極７との間にアーク放電が起こったことを検知して光学素子成形用型母材１１にバイアス電圧を印加するように制御されている。このバイアス電圧はパルス状とされている。

次に、本実施形態に係る表面処理装置３５の作用について説明する。
第１の実施形態と同様の操作によって、ターゲット６とアーク電極７との間にアーク放電を起こさせ、蒸着源１０からプラズマ８を発生させる。そして、プラズマ８が発生する度にパルス状のバイアス電圧をバイアス電源部３７から印加する。このとき、プラズマイオンが正に帯電しているので、プラズマ８からイリジウムイオンが容易に取り出され、光学素子成形用型母材１１内に注入される。

この際、バイアス電圧を漸次変化することによって、イリジウム濃度が漸次変化する傾斜組成とすることができる。こうして、図６に示すように、イリジウムよりなる傾斜層３８の上にイリジウム合金よりなる保護膜４０が形成された光学素子成形用型４１を得る。

この表面処理装置３５によれば、負のバイアス電圧を印加することによって、飛散粒子等を含まない清浄なプラズマ８粒子を光学素子成形用型母材１１の表面のみならずその内部に注入させることができる。この際、バイアス電源部３７からのバイアス電圧がパルス状なので、プラズマ８の粒子をより加速して光学素子成形用型母材１１に衝突させて所望の表面処理を行うことができる。

また、この結果得られた光学素子成形用型４１によれば、より高精度、高耐久の成形を行うことができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態では、ターゲット６の形状を棒状としているが、ペレット状、線状、円筒状であっても構わない。また、ターゲットはイリジウムのみならず、金や白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム等の貴金属類、又は炭素であってもよい。また、アーク電極の形状は円筒状に限らず、楕円形状や多角形状であっても構わない。

さらに、偏向部１３が磁石１７とＬ字状ヨーク１８とを備えて磁場によりプラズマ８の輸送経路を偏向させるものとしているが、９０度以外の角度のヨークや電磁石であっても構わない。また、磁場でなく電場を発生させてこの電磁力によってプラズマの経路を偏向させても構わない。

また、上記第１の実施形態では、支持台１２が処理前の光学素子成形用型母材１１を装着可能なものとされているが、図７に示すように、処理前の光学素子成形用型母材１１が開口部２０Ａから離間した位置、かつ、蒸着源１０に対して遮蔽板２０よりも遠位側の位置に複数配され、処理を行う光学素子成形用型母材１１のみが支持台４５に装着されている表面処理装置４６としても構わない。この場合、処理後の光学素子成形用型母材１１と処理前の光学素子成形用型母材１１とを真空チャンバ内で順次交換可能とすれば、連続的な処理を行うことができる。

また、上記第２の実施形態では、複数の処理前の光学素子成形用型母材１１を真空チャンバ２６内の支持台１２に装着しているが、処理を行う光学素子成形用型母材１１のみを支持台に装着させて処理を行ってもよい。

また、上記第３の実施形態において、バイアス電圧の波形等の条件は処理の目的に合わせて自由に設定してもよく、例えば、正電圧と負電圧とを交互に混ぜ合わせた波形や、定常電圧を正の低電圧として引き寄せられるプラズマイオンの速度を低下させてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る表面処理装置を示す概略構成図である。本発明の第１の実施形態に係る表面処理装置の蒸着源を示す概略構成図である。本発明の第１の実施形態に係る表面処理装置により得られる光学素子成形用型を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る表面処理装置を示す概略構成図である。本発明の第３の実施形態に係る表面処理装置を示す概略構成図である。本発明の第３の実施形態に係る表面処理装置により得られる光学素子成形用型を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係る表面処理装置の変形例を示す概略構成図である。

符号の説明

１，２４，３５，４６表面処理装置
２，２６真空チャンバ（真空容器）
３絶縁物
５トリガー電極
６ターゲット
７アーク電極
８プラズマ
１０蒸着源
１１光学素子成形用型母材（被処理体）
１２，４５支持台
１３偏向部
２０遮蔽板
２２移動部（入れ替え装置）
２３，４１光学素子成形用型
２５入れ替え装置
２７ゲートバルブ（調圧部）
２８第一保管室
３０第二保管室
３７バイアス電源部

Claims

絶縁物を介してトリガー電極と接続されたターゲットと、該ターゲットの周囲にアーク放電を誘起させるアーク電極とを有し、前記アーク放電によって生じるターゲットイオンを含むプラズマを前記ターゲットの先端方向に放出する蒸着源と、
前記ターゲットイオンが到達する被処理体を載置する表面の法線が、前記蒸着源近傍における前記プラズマの放出方向に対して傾いて配された支持台と、
前記蒸着源から放出された前記プラズマの進行方向が、前記支持台の近傍にて該支持台表面の略法線方向となるように偏向させる偏向部と、
前記蒸着源と前記支持台との間に配され、前記偏向部によって偏向されたプラズマの輸送経路上のみに開口部が形成された遮蔽板とを真空容器内に備えていることを特徴とする表面処理装置。
表面処理後の前記被処理体を前記プラズマの輸送経路上から退避させ、前記蒸着源に対し前記遮蔽板よりも遠位側、かつ、前記プラズマの輸送経路から外れた位置に配された表面処理前の前記被処理体を、前記プラズマの輸送経路上に移動する入れ替え装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載の表面処理装置。
前記入れ替え装置が、
前記真空容器内の圧力を維持するための調圧部を介して前記真空容器に隣接して配され、処理前の前記被処理体を待機させておく第一保管室と、
前記真空容器内の圧力を維持するための調圧部を介して前記真空容器に隣接して配され、処理後の前記被処理体を保管する第二保管室とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の表面処理装置。
前記被処理体にバイアス電圧を付加するバイアス電源部を備えていることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の表面処理装置。