JP5689051B2 - イオンボンバードメント装置 - Google Patents
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Description
本発明は、成膜の前処理として基材の表面をクリーニングすることができるイオンボンバードメント装置に関するものである。
従来、切削工具の耐磨耗性の向上や、機械部品の摺動面の摺動特性の向上を目的として、基材（成膜対象物）に対して、物理的蒸着（ＰＶＤ）法による硬質皮膜（ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等）の成膜が行われてきた。このような硬質皮膜の成膜に用いられる装置としては、アークイオンプレーティング装置やスパッタリング装置などの物理的蒸着装置がある。
このような物理的蒸着装置において、成膜する皮膜の密着性を向上させるために、成膜を行う前に基材表面を浄化（クリーニング）することが知られている。この前処理としては、電子衝撃による加熱クリーニングや、プラズマ放電によってアルゴンイオンのような重い不活性気体イオンを発生させ、このプラズマからのイオンを基材に照射して表面を加熱、クリーニングする方法（イオンボンバードメント法）がある。
上述した成膜の前処理を行う技術として、特許文献１には、成膜前の基材を表面クリーニング又は加熱する装置が記載されている。
この装置は、チャンバ内に基材と開閉自在のシャッターを備えたアーク蒸発源とこのアーク蒸発源とは独立したアノードとを設けていて、チャンバ内にアルゴンガスなどの不活性ガスを導入し、前面をシャッターで覆ったアーク蒸発源とチャンバとの間で起こるアーク放電を利用してアルゴンイオンを発生させ、アノードと基材との間に電位をかけることでアルゴンイオンを負電位とされた基材表面に照射して基材表面をクリーニングしている。
この装置は、チャンバ内に基材と開閉自在のシャッターを備えたアーク蒸発源とこのアーク蒸発源とは独立したアノードとを設けていて、チャンバ内にアルゴンガスなどの不活性ガスを導入し、前面をシャッターで覆ったアーク蒸発源とチャンバとの間で起こるアーク放電を利用してアルゴンイオンを発生させ、アノードと基材との間に電位をかけることでアルゴンイオンを負電位とされた基材表面に照射して基材表面をクリーニングしている。
また、特許文献２には、真空チャンバ内で、垂直中央軸周りに配置された基材の内周側又は外周側で、基材の処理高さと同じ又はこの処理高さ以上の上下に亘る空間でアーク放電（プラズマ供給源）を形成し、そこで生成されるアルゴンイオンを、負のバイアス電圧をかけた基材に照射して、基材表面をクリーニングする技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１、２に記載された基材表面をクリーニングする装置には、以下の問題がある。
特許文献１の装置では、アーク蒸発源の前面を覆うシャッターが高温になり、その輻射熱を受けて基材も高温となるため、低温での処理が必要とされる焼入れ材などの基材への適用が難しい。また、シャッターにアーク蒸発源からのドロップレットが付着するため、メンテナンスが頻繁に必要となるほか、シャッターで蒸発源を完全に覆えず、若干のドロップレットが基材に付着するという問題がある。
特許文献１の装置では、アーク蒸発源の前面を覆うシャッターが高温になり、その輻射熱を受けて基材も高温となるため、低温での処理が必要とされる焼入れ材などの基材への適用が難しい。また、シャッターにアーク蒸発源からのドロップレットが付着するため、メンテナンスが頻繁に必要となるほか、シャッターで蒸発源を完全に覆えず、若干のドロップレットが基材に付着するという問題がある。
さらに、特許文献１は、実質的にチタンターゲットを用いる技術となっているが、イオンボンバードによりクリーニングするだけの機構としては大きな空間を要するため、コスト高となる。
一方、特許文献２の装置では、真空チャンバ上部に別途設けた陰極室内へガスを注入して、陰極室内圧と真空チャンバ内圧との差（圧力勾配）を生じさせ、この圧力勾配を利用して、陰極室内のガスを小さな開口から真空チャンバ内へ勢いよく噴出させて垂直中央軸に沿ってプラズマを発生させている。
一方、特許文献２の装置では、真空チャンバ上部に別途設けた陰極室内へガスを注入して、陰極室内圧と真空チャンバ内圧との差（圧力勾配）を生じさせ、この圧力勾配を利用して、陰極室内のガスを小さな開口から真空チャンバ内へ勢いよく噴出させて垂直中央軸に沿ってプラズマを発生させている。
しかし、圧力勾配を生じさせるためには、陰極室へ所定圧でガスを注入することが必須であり、ガスを真空チャンバ内へ勢いよく噴出させるには、小さな開口径のシビアな調整が必要となる。高価なモリブデン等で形成された小さな開口の周辺部は、常時ガス噴出にさらされて摩耗が激しいため、経済的負担が大きくなる。
また、基材表面をムラなくクリーニングするために、装置の大型化が避けられず、陽極を複数配置するなどシステムが複雑になり、基材表面とプラズマとの距離（つまり、クリーニング効果）を一定に保つことが難しい。
また、基材表面をムラなくクリーニングするために、装置の大型化が避けられず、陽極を複数配置するなどシステムが複雑になり、基材表面とプラズマとの距離（つまり、クリーニング効果）を一定に保つことが難しい。
さらに、このような装置を用いて基材表面をクリーニングする場合、プロセスガスの圧力が高いと、基材の周囲に発生する電位差勾配（シース、鞘）の距離が長くなる。このため、複雑な形状を有する基材（溝部を有する等）の場合、シースが、複雑な形状部分に沿って発生しないで基材全体を包むように発生して、複雑な形状部分にＡｒイオンなどのガスイオンが到達できない。その結果、複雑な形状を有する基材に対して均一なクリーニングができない。逆に、プロセスガスの圧力が低いと、プラズマ状態（イオンと電子とが電離した状態）を維持しにくいという問題がある。
一方、上述したクリーニングの問題のみならず、これらの装置（特に、特許文献１に記載の装置）には、回路上においても問題となる点が存在する。すなわち、特許文献１に記載の装置は、真空チャンバを介して全ての電源を接続しているため、電源同士がチャンバを介してループを形成するものとなり、このようなループが形成されると、各ＧＮＤの電位が実際には異なる場合などに電流制御が不安定になるといった問題が発生する。
そこで、上述した問題に鑑み、本発明は、複雑な形状を有する基材であっても当該基材に対するクリーニング効果を高めることができるとともに電源の制御を安定化させたイオンボンバードメント装置を提供することを目的とする。
前記課題を達成するために、本発明は、以下の技術的手段を採用した。
本発明に係るイオンボンバードメント装置は、真空チャンバ内に配置された基材の表面を、前記真空チャンバ内で発生したガスイオンを照射することによってクリーニングする。このイオンボンバードメント装置において、前記真空チャンバの一の内側面に、フィラメントで構成した加熱式の熱電子放出電極が配置されており、前記真空チャンバの他の内側面に、前記熱電子放出電極からの熱電子を受けるアノードが配置されている。このイオンボンバードメント装置は、前記熱電子放出電極及び前記アノード間に電位差を与えてグロー放電を発生させる放電電源と、前記熱電子放出電極を加熱して熱電子を放出させる加熱電源と、前記基材に前記真空チャンバに対して負の電位を与えるバイアス電源とを有する。前記放電電源が真空チャンバから絶縁されている。前記放電電源、前記加熱電源及び前記バイアス電源により、前記基材の近傍に発生したガスイオンを前記基材の表面に照射可能とされ、前記バイアス電源がパルス電源とされていることを特徴とする。
本発明に係るイオンボンバードメント装置は、真空チャンバ内に配置された基材の表面を、前記真空チャンバ内で発生したガスイオンを照射することによってクリーニングする。このイオンボンバードメント装置において、前記真空チャンバの一の内側面に、フィラメントで構成した加熱式の熱電子放出電極が配置されており、前記真空チャンバの他の内側面に、前記熱電子放出電極からの熱電子を受けるアノードが配置されている。このイオンボンバードメント装置は、前記熱電子放出電極及び前記アノード間に電位差を与えてグロー放電を発生させる放電電源と、前記熱電子放出電極を加熱して熱電子を放出させる加熱電源と、前記基材に前記真空チャンバに対して負の電位を与えるバイアス電源とを有する。前記放電電源が真空チャンバから絶縁されている。前記放電電源、前記加熱電源及び前記バイアス電源により、前記基材の近傍に発生したガスイオンを前記基材の表面に照射可能とされ、前記バイアス電源がパルス電源とされていることを特徴とする。
本発明に別の局面に係るイオンボンバードメント装置は、前記放電電源が真空チャンバから絶縁されているか否かを問わず、前記バイアス電源が、真空チャンバ内のガス圧が低い状況下においてもプラズマ状態を維持可能とするパルス電位を前記基材に印加可能な電源であることを特徴とする。
さらに、前記パルス電源は、前記基材に２０ｋＨｚ以上のパルス電位を与えるように構成することもできる。さらに、前記パルス電源は、前記基材に２００ｋＨｚ以上のパルス電位を与えるように構成することもできる。
さらに、前記パルス電源は、前記基材に２０ｋＨｚ以上のパルス電位を与えるように構成することもできる。さらに、前記パルス電源は、前記基材に２００ｋＨｚ以上のパルス電位を与えるように構成することもできる。
さらに、前記熱電子放出電極を、複数のフィラメントで構成することもできる。さらに、前記熱電子放出電極の長さを、基材処理空間と同等又はそれ以上の長さで構成することもできる。
さらに、前記熱電子放出電極と前記アノードとの間に基材が配置されるように構成することもできる。
さらに、前記熱電子放出電極と前記アノードとの間に基材が配置されるように構成することもできる。
さらに、前記アノードをアーク蒸発源又は複数のアーク蒸発源で構成することもできる。
さらに、前記熱電子放出電極の電源をアーク蒸発源の電源で構成することもできる。
さらに、前記放電電源の正極側出力を前記アノードと前記基材とに選択的に接続可能とする切換回路を備えるように構成することもできる。
さらに、前記熱電子放出電極の電源をアーク蒸発源の電源で構成することもできる。
さらに、前記放電電源の正極側出力を前記アノードと前記基材とに選択的に接続可能とする切換回路を備えるように構成することもできる。
また、本発明に係るイオンボンバードメント装置の最も好ましい形態は、真空チャンバ内に配置された基材の表面を、前記真空チャンバ内で発生したガスイオンを照射することによってクリーニングするイオンボンバードメント装置において、前記真空チャンバの一の内側面に、フィラメントで構成した加熱式の熱電子放出電極が配置されており、前記真空チャンバの他の内側面に、前記熱電子放出電極からの熱電子を受けるアノードが配置されており、前記熱電子放出電極及び前記アノード間に電位差を与えてグロー放電を発生させる放電電源と、前記熱電子放出電極を加熱して熱電子を放出させる加熱電源と、前記基材に前記真空チャンバに対して負の電位を与えるバイアス電源とを有しており、前記放電電源が真空チャンバから絶縁されており、前記放電電源、前記加熱電源及び前記バイアス電源により、前記基材の近傍に発生したガスイオンを前記基材の表面に照射可能とされ、前記バイアス電源がパルス電源とされており、前記熱電子放出電極と前記アノードとの間に基材が配置されるように構成され、前記アノードが複数のアーク蒸発源で構成されている。
さらに、本発明に係るイオンボンバードメント装置の最も好ましい形態は、真空チャンバ内に配置された基材の表面を、前記真空チャンバ内で発生したガスイオンを照射することによってクリーニングするイオンボンバードメント装置において、前記真空チャンバの一の内側面に、フィラメントで構成した加熱式の熱電子放出電極が配置されており、前記真空チャンバの他の内側面に、前記熱電子放出電極からの熱電子を受けるアノードが配置されており、前記熱電子放出電極及び前記アノード間に電位差を与えてグロー放電を発生させる放電電源と、前記熱電子放出電極を加熱して熱電子を放出させる加熱電源と、前記基材に前記真空チャンバに対して負の電位を与えるバイアス電源とを有しており、前記放電電源、前記加熱電源及び前記バイアス電源により、前記基材の近傍に発生したガスイオンを前記基材の表面に照射可能とされ、前記バイアス電源が、真空チャンバ内のガス圧が低い状況下においてもプラズマ状態を維持可能とするパルス電位を前記基材に印加可能なパルス電源であり、前記アノードが複数のアーク蒸発源で構成されている。
さらに、本発明に係るイオンボンバードメント装置の最も好ましい形態は、真空チャンバ内に配置された基材の表面を、前記真空チャンバ内で発生したガスイオンを照射することによってクリーニングするイオンボンバードメント装置において、前記真空チャンバの一の内側面に、フィラメントで構成した加熱式の熱電子放出電極が配置されており、前記真空チャンバの他の内側面に、前記熱電子放出電極からの熱電子を受けるアノードが配置されており、前記熱電子放出電極及び前記アノード間に電位差を与えてグロー放電を発生させる放電電源と、前記熱電子放出電極を加熱して熱電子を放出させる加熱電源と、前記基材に前記真空チャンバに対して負の電位を与えるバイアス電源とを有しており、前記放電電源、前記加熱電源及び前記バイアス電源により、前記基材の近傍に発生したガスイオンを前記基材の表面に照射可能とされ、前記バイアス電源が、真空チャンバ内のガス圧が低い状況下においてもプラズマ状態を維持可能とするパルス電位を前記基材に印加可能なパルス電源であり、前記アノードが複数のアーク蒸発源で構成されている。
本発明によると、複雑な形状を有する基材であっても当該基材に対する基材のクリーニング効果を高めることができるとともに電源の制御を安定化することができる。
以下、本発明の実施形態を、図に基づき説明する。
［第１実施形態］
図１、図２には、本発明の第１実施形態に係るイオンボンバードメント装置１が示されている。
このイオンボンバードメント装置１は、断面八角形の真空チャンバ２内に設置された基材Ｗの表面に物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により皮膜を被覆する装置であって、真空チャンバ２内の底面の略中央には、処理物である複数の基材Ｗを載置した回転式の基材保持具（ワークテーブル）１１が設けられている。真空チャンバ２は、その内部の一の側面に配置された加熱式の熱電子放出電極３（フィラメント３）と、内部の他の側面に配置されたアノード４とを有している。
［第１実施形態］
図１、図２には、本発明の第１実施形態に係るイオンボンバードメント装置１が示されている。
このイオンボンバードメント装置１は、断面八角形の真空チャンバ２内に設置された基材Ｗの表面に物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により皮膜を被覆する装置であって、真空チャンバ２内の底面の略中央には、処理物である複数の基材Ｗを載置した回転式の基材保持具（ワークテーブル）１１が設けられている。真空チャンバ２は、その内部の一の側面に配置された加熱式の熱電子放出電極３（フィラメント３）と、内部の他の側面に配置されたアノード４とを有している。
なお、図１、２に示す如く、基材Ｗ及びこれを支持するワークテーブル１１は、フィラメント３とアノード４との間に位置している。また、基材Ｗは、ワークテーブル１１によって起立状態（基材Ｗの長手方向を上下に向けて）で支持されている。
加えて、イオンボンバードメント装置１は、フィラメント３とアノード４との間に電位差を与えてプラズマ放電を発生させる放電電源５と、フィラメント３を加熱させる加熱電源６とを有している。さらに、ワークテーブル１１に接続されて、基材Ｗに負の電圧を印加させるバイアス電源１２も有している。
加えて、イオンボンバードメント装置１は、フィラメント３とアノード４との間に電位差を与えてプラズマ放電を発生させる放電電源５と、フィラメント３を加熱させる加熱電源６とを有している。さらに、ワークテーブル１１に接続されて、基材Ｗに負の電圧を印加させるバイアス電源１２も有している。
真空チャンバ２には、当該真空チャンバ２内へアルゴンなどの不活性ガスを導入するガス導入口と、真空チャンバ２内から不活性ガスを排出するガス排気口とが設けられている（ガス導入口、排気口ともに図示省略）。
熱電子放出電極であるフィラメント３は、加熱することで熱電子を照射する線条材であって、タングステン（Ｗ）等の金属によって形成されている。フィラメント３は、基材Ｗを挟んで前記アノード４のほぼ反対側に位置し（図２参照）、フィラメント３及びアノード４間で起こる放電が基材Ｗを挟むように配置されている。この実施形態の場合は、八角形の一の側面と、その対面の隣の面に配置されている。
熱電子放出電極であるフィラメント３は、加熱することで熱電子を照射する線条材であって、タングステン（Ｗ）等の金属によって形成されている。フィラメント３は、基材Ｗを挟んで前記アノード４のほぼ反対側に位置し（図２参照）、フィラメント３及びアノード４間で起こる放電が基材Ｗを挟むように配置されている。この実施形態の場合は、八角形の一の側面と、その対面の隣の面に配置されている。
図１に示すように、フィラメント３は、高さ方向（上下方向）に沿って真空チャンバ２の内壁に絶縁体（図１、図２では、真空チャンバ２との間に隙間を設けることで絶縁状態を表現している）を介して配設されており、後述する加熱電源６にその両端部が接続されている。
ただし、この加熱電源６とフィラメント３とは、直接接続されているのではなく、入力側（加熱電源６側）の１次コイル１４の巻き数と出力側（フィラメント３側）の２次コイル１５の巻き数とが１対１である絶縁トランス１３を介して、電気的に絶縁された状態で接続されている。
ただし、この加熱電源６とフィラメント３とは、直接接続されているのではなく、入力側（加熱電源６側）の１次コイル１４の巻き数と出力側（フィラメント３側）の２次コイル１５の巻き数とが１対１である絶縁トランス１３を介して、電気的に絶縁された状態で接続されている。
この構成により、加熱電源６から出力された交流電流は、絶縁トランス１３を介し、フィラメント３に流れる。フィラメント３は電流が流れることによって加熱され、フィラメント３から熱電子が飛び出すこととなる。
なお、絶縁トランス１３の１次コイル１４側には、加熱電源６からの交流電流の位相をコントロールする電力調整器等（図示省略）が組み込まれている。
なお、絶縁トランス１３の１次コイル１４側には、加熱電源６からの交流電流の位相をコントロールする電力調整器等（図示省略）が組み込まれている。
フィラメント３の長さは、起立した基材Ｗの高さ（以下、基材Ｗの処理高さとする）と同じか若干長く設定されていて、フィラメント３は、側面視で基材Ｗと重複する位置に配置されている。フィラメント３の太さや組成は、長さ方向にわたって均一である。
それ故に、このフィラメント３から飛び出る熱電子は、基材Ｗに対して処理高さ方向にわたってほぼ均一となり、基材Ｗ側へ放出される熱電子の量は、フィラメント３におけるその地点の電位によってコントロールできる。
それ故に、このフィラメント３から飛び出る熱電子は、基材Ｗに対して処理高さ方向にわたってほぼ均一となり、基材Ｗ側へ放出される熱電子の量は、フィラメント３におけるその地点の電位によってコントロールできる。
なお、飛び出した熱電子は、真空チャンバ２の内部に導入されたアルゴンガスに衝突してアルゴンイオンを生成したり、又は後述する切換回路１６によって直接基材Ｗに照射されたりする。
アノード４（陽電極）は、正の電位（フィラメント３より相対的に高い電位）が印加され、基材Ｗを挟んでフィラメント３と相対する位置の真空チャンバ２の内壁面に配置されている。アノード４も真空チャンバ２に電気的に接続されることなく絶縁体を介して取り付けられている。なお、図１に示すように、アノード４は、複数（ここでは３個）の小型の陽電極を基材Ｗ及びフィラメント３の長手方向に沿って配備している。アノード４が複数ある場合、それぞれに流入する電子を制御することで、プラズマの上下方向分布をさらに制御することが可能となる。しかしながら、アノード４は、基材Ｗ及びフィラメント３の長手方向に長い１個の陽電極であっても構わない。
アノード４（陽電極）は、正の電位（フィラメント３より相対的に高い電位）が印加され、基材Ｗを挟んでフィラメント３と相対する位置の真空チャンバ２の内壁面に配置されている。アノード４も真空チャンバ２に電気的に接続されることなく絶縁体を介して取り付けられている。なお、図１に示すように、アノード４は、複数（ここでは３個）の小型の陽電極を基材Ｗ及びフィラメント３の長手方向に沿って配備している。アノード４が複数ある場合、それぞれに流入する電子を制御することで、プラズマの上下方向分布をさらに制御することが可能となる。しかしながら、アノード４は、基材Ｗ及びフィラメント３の長手方向に長い１個の陽電極であっても構わない。
さらに、アノード４として、アーク蒸発源（カソード）を用いるようにしても構わない。すなわち、真空チャンバ２内に基材Ｗに向けて取り付けられたアーク蒸発源をアノード４として用いることにより、同一真空チャンバ２内でイオンボンバードに加えて物理的蒸着による成膜もできることになる。この場合、アーク蒸発源は、基材Ｗ及びフィラメント３の長手方向と平行するカソード又は小型のカソードを同じく長手方向に複数積んだものを使用する。アノードにカソードを用いることで、簡易的な回路切替スイッチのみで新たにアノードを設ける必要がなく、製作コストを抑えられる。また、アノードは電子が流入するため、電子過熱によって非常に高温となるが、カソードにはプラズマを発生させた際の温度上昇対策として既に冷却水が流れる構造となっているため、新たな高温対策は必要ない。さらに、カソードには、放電を制御するための強力な磁界を発生させる機構が付いているが、その磁界によりアノードに流入する電子を効率良くトラップできるため、カソード、アノード間の放電を安定させることができる。 アノード面積がフィラメント３と平行する状態で広い場合、プラズマを真空チャンバ２内に均一に発生させることが可能となる。
また、このようにアーク蒸発源（カソード）を設けた場合、フィラメント３を放電させる電源として、アーク蒸発源（カソード）放電電源を用いることも好ましい。このようにすると、新たな追加電源やケーブル類が不要となり、コストを抑えることができる。アーク蒸発源（カソード）放電電源はクリーニング（エッチング）工程では使用しないため、クリーニング処理と成膜処理とを実施できる。
図１に示したように、放電電源５は、フィラメント３及びアノード４間に電位差をかけて放電を生じさせる直流電源であって、正極側出力をアノード４へ接続されており、負極側出力を絶縁トランス１３を介してフィラメント３へ接続されている。
具体的には、放電電源５の負極側出力は、２次コイル１５の巻芯方向中途部に設けられた中間タップに接続されており、２次コイル１５を通じて、フィラメント３へ接続されている（図１参照）。
具体的には、放電電源５の負極側出力は、２次コイル１５の巻芯方向中途部に設けられた中間タップに接続されており、２次コイル１５を通じて、フィラメント３へ接続されている（図１参照）。
一方、上述した如く、加熱電源６は、フィラメント３に電流を流して加熱させ、熱電子を基材Ｗへ照射させるための交流電源であって、各端子からの出力が、絶縁トランス１３を介してフィラメント３の両端に接続されている。
このような構成により、放電電源５及び加熱電源６は、互いに接続されていない（例えば、同一のＧＮＤに接続されていない等）と同時に、真空チャンバ２にも繋がっておらず、放電電源５と加熱電源６と間の電気的な独立と、放電電源５及び加熱電源６の真空チャンバ２に対する電気的な独立とを保っている。
このような構成により、放電電源５及び加熱電源６は、互いに接続されていない（例えば、同一のＧＮＤに接続されていない等）と同時に、真空チャンバ２にも繋がっておらず、放電電源５と加熱電源６と間の電気的な独立と、放電電源５及び加熱電源６の真空チャンバ２に対する電気的な独立とを保っている。
一方、バイアス電源１２は、真空チャンバ２に対する負の電荷を基材Ｗに印加するパルス電源であって、正極側出力が真空チャンバ２に接続され、負極側出力がワークテーブル１１を介して基材Ｗに接続されている。基材Ｗに対するバイアス電圧として直流電流を流すと、帯電した基材Ｗが、フィラメント３とアノード４との間のグロー放電の電位的な障壁となり、異常放電を引き起こすが、本実施形態のようにバイアス電源１２にパルス電源を用いることで異常放電を抑え、イオンボンバードによる基材Ｗのエッチング量の分布を改善できる。
さらに、このような効果に加えて、バイアス電源１２は、基材Ｗに２０ｋＨｚ以上好ましくは２００ｋＨｚ以上の高周波のパルス電位を与えることにより、以下のような効果が発現する。
（１）高周波パルスバイアスの周波数を２０ｋＨｚ以上とすることで、イオンボンバードによる異常放電を防止することができる。パルスバイアスではないいわゆる直流ＤＣバイアスの場合、基材に異物（酸化物などの絶縁物）が堆積している際の絶縁破壊による局所的な放電や、基材からのアウトガスによる部分的な圧力上昇による放電、または突起物などの形状に起因する電解集中による放電といった異常放電が発生し、基材に放電痕（アーク痕）を残してしまう問題がある。一方、パルスバイアスを採用した場合、例えば２０ｋＨｚの場合は５０μｓの時間に負の電位差を基材に印加することを意味するが、印加時間が短いため、上記のような異常放電の時間を短時間で収束させることが可能となり、結果的に異常放電を抑制する効果がある。
（２）更に、２００ＫＨｚ以上の高周波パルス電圧をバイアス電圧に用いることにより、上記異常放電防止の効果に加えてプロセスガスのイオンと電子との質量の差異から、電子の移動速度がイオンより遥かに速くなり、結果的に、イオンと電子とが電離したプラズマ状態を維持することができる。
（３）プラズマ状態が確実に維持されるため、プラズマ発生に必要な電子及びイオンの数を少なくすることができる。これはプロセスガスの圧力を低くすることが可能であることを示す。すなわち、通常、このようなイオンと電子との分離には、新たな電子の衝突エネルギーが必要であり、電子はガス分子の電離により発生することから、更なるプロセスガス、即ちプロセスガスの圧力を高める必要がある。しかしながら、電離が維持しているため、プロセスガスを追加する必要がなくなり、結果的にプロセスガスの圧力を低くすることができる。
（４）プロセスガスの圧力が低い場合、基材の周囲に発生する電位差勾配（シース）の距離が短くなり、複雑形状の基材（溝部を有する等）であってもその複雑な形状部分に沿ってシースが発生するので、複雑な形状部分にＡｒイオンなどのガスイオンが到達できる。その結果、複雑形状の基材に対しての均一なクリーニングが可能となる。
（５）プラズマ状態が維持されるため、基材Ｗに流れるイオン電流（バイアス電流）を高めることができる。その結果、クリーニングの強さを増すことができる。
（６）電離しやすい高周波パルス電圧放電は、外部プラズマ源が存在しない状態（フィラメント３の放電がない状態）であっても放電が可能なため、例えばＡｒイオンの基材への照射を極力抑えながら複雑形状の基材を均一にクリーニングする必要がある場合は、外部プラズマ源を用いずバイアス電圧を放電が維持する範囲で極力低く保つことで繊細なクリーニングを行うことが可能である。
（１）高周波パルスバイアスの周波数を２０ｋＨｚ以上とすることで、イオンボンバードによる異常放電を防止することができる。パルスバイアスではないいわゆる直流ＤＣバイアスの場合、基材に異物（酸化物などの絶縁物）が堆積している際の絶縁破壊による局所的な放電や、基材からのアウトガスによる部分的な圧力上昇による放電、または突起物などの形状に起因する電解集中による放電といった異常放電が発生し、基材に放電痕（アーク痕）を残してしまう問題がある。一方、パルスバイアスを採用した場合、例えば２０ｋＨｚの場合は５０μｓの時間に負の電位差を基材に印加することを意味するが、印加時間が短いため、上記のような異常放電の時間を短時間で収束させることが可能となり、結果的に異常放電を抑制する効果がある。
（２）更に、２００ＫＨｚ以上の高周波パルス電圧をバイアス電圧に用いることにより、上記異常放電防止の効果に加えてプロセスガスのイオンと電子との質量の差異から、電子の移動速度がイオンより遥かに速くなり、結果的に、イオンと電子とが電離したプラズマ状態を維持することができる。
（３）プラズマ状態が確実に維持されるため、プラズマ発生に必要な電子及びイオンの数を少なくすることができる。これはプロセスガスの圧力を低くすることが可能であることを示す。すなわち、通常、このようなイオンと電子との分離には、新たな電子の衝突エネルギーが必要であり、電子はガス分子の電離により発生することから、更なるプロセスガス、即ちプロセスガスの圧力を高める必要がある。しかしながら、電離が維持しているため、プロセスガスを追加する必要がなくなり、結果的にプロセスガスの圧力を低くすることができる。
（４）プロセスガスの圧力が低い場合、基材の周囲に発生する電位差勾配（シース）の距離が短くなり、複雑形状の基材（溝部を有する等）であってもその複雑な形状部分に沿ってシースが発生するので、複雑な形状部分にＡｒイオンなどのガスイオンが到達できる。その結果、複雑形状の基材に対しての均一なクリーニングが可能となる。
（５）プラズマ状態が維持されるため、基材Ｗに流れるイオン電流（バイアス電流）を高めることができる。その結果、クリーニングの強さを増すことができる。
（６）電離しやすい高周波パルス電圧放電は、外部プラズマ源が存在しない状態（フィラメント３の放電がない状態）であっても放電が可能なため、例えばＡｒイオンの基材への照射を極力抑えながら複雑形状の基材を均一にクリーニングする必要がある場合は、外部プラズマ源を用いずバイアス電圧を放電が維持する範囲で極力低く保つことで繊細なクリーニングを行うことが可能である。
また、放電電源５、加熱電源６及びバイアス電源１２を以上のように接続するように構成したことにより、バイアス電源１２は、上述の放電電源５及び加熱電源６とは接続されないものとなり（例えば、同一のＧＮＤに接続されていない）、３つの電源５、６、１２は、それぞれが電気的に独立することになる。
よって、各電源５、６、１２が真空チャンバ２や共通グランドを介してループを形成することがなく、各ＧＮＤの電位が実際には異なっていたとしても、各電源の電流制御を安定的に行うことができる。
よって、各電源５、６、１２が真空チャンバ２や共通グランドを介してループを形成することがなく、各ＧＮＤの電位が実際には異なっていたとしても、各電源の電流制御を安定的に行うことができる。
また、図１に示すように、第１実施形態に係るイオンボンバードメント装置１には、放電電源５の正極側出力を、アノード４への接続又は基材Ｗへの接続に切り換え可能な切換回路１６が設けられている。したがって、放電電源５の正極側出力と基材Ｗとを接続した場合には、基材Ｗは、放電電源５によってフィラメント３より高い電位（正の電位）となり、フィラメント３から放出される熱電子を基材Ｗに照射して基材Ｗを加熱する電子加熱用途にも使用できる。
以下、第１実施形態に係るイオンボンバードメント装置１の使用態様、すなわち物理的蒸着前の基材Ｗのクリーニング方法について述べる。
まず、真空チャンバ２内のワークテーブル１１に基材Ｗを固定し、真空引きしたチャンバ２内で加熱処理等を施す。そして、基材Ｗの温度をクリーニング用の温度（表面をクリーニングするのに適した温度）に制御した後に、真空チャンバ２内へアルゴンガスを、たとえば１００ｍｌ／ｍｉｎで導入する。アルゴンガスの導入は真空引きと同時でもよい。
まず、真空チャンバ２内のワークテーブル１１に基材Ｗを固定し、真空引きしたチャンバ２内で加熱処理等を施す。そして、基材Ｗの温度をクリーニング用の温度（表面をクリーニングするのに適した温度）に制御した後に、真空チャンバ２内へアルゴンガスを、たとえば１００ｍｌ／ｍｉｎで導入する。アルゴンガスの導入は真空引きと同時でもよい。
アルゴンガス雰囲気下において、約５Ａに制御された電流を放電電源５から流し、フィラメント３とアノード４との間に約１００Ｖ以上の電位差をかけた状態で、加熱電源６から交流電流を流す。これにより、加熱電源６によりフィラメント３から発生された熱電子が、相対的に正の電位にあるアノード４の方向に移動する際に、基材Ｗの近傍のアルゴンガスを電離させてプラズマ状態にすることでグロー放電状態になるとともに、基材Ｗの近傍にアルゴンイオンを発生させる。
このとき、絶縁トランス１３の電力調整器による交流電流の位相と、真空チャンバ２に吸排気されるアルゴンガスを同時にコントロールして、フィラメント３に流す電流値及び、基材Ｗ周辺のアルゴンガス雰囲気のガス圧を、フィラメント３とアノード４との間でグロー放電可能な状態に制御しておく。
この過程を経て、基材Ｗ周辺にプラズマを発生させた状態で、バイアス電源１２を起動させて基材Ｗに負のバイアス電圧をかけ、正の電荷をもつアルゴンイオンを基材Ｗに照射する（ボンバードメント）ことで、基材Ｗ表面のクリーニングが行われる。このとき、基材Ｗには２０ｋＨｚ以上好ましくは２００ｋＨｚ以上のパルス電位が与えられる。
この過程を経て、基材Ｗ周辺にプラズマを発生させた状態で、バイアス電源１２を起動させて基材Ｗに負のバイアス電圧をかけ、正の電荷をもつアルゴンイオンを基材Ｗに照射する（ボンバードメント）ことで、基材Ｗ表面のクリーニングが行われる。このとき、基材Ｗには２０ｋＨｚ以上好ましくは２００ｋＨｚ以上のパルス電位が与えられる。
図３（ａ）に、バイアス電源のパルス周波数と異常放電の発生回数との関係を示す。この図に示すように、バイアス電源のパルス周波数を２０ｋＨｚとすることにより異常放電の発生回数を抑制することができる。
図３（ｂ）に、バイアス電源のパルス周波数とバイアス電流（イオン電流）との関係を示す。この図に示すように、バイアス電源のパルス周波数を高めることにより外部プラズマ源が無い状態でも放電が可能となり、また周波数増加に従いイオン電流が増加する。イオン電流が増加するということは、プラズマ状態が確実に維持されていることを意味する。基材Ｗの周囲に発生するプラズマが確実に維持されているのであれば、プロセスガスの圧力を低くすることができ、それに伴い基材Ｗの周囲に発生する電位差勾配（シース）の距離が短くなる。そのため、複雑形状の基材（溝部を有する等）であっても、その複雑な形状部分に沿ってシースが発生するので、複雑な形状部分にガスイオンが到達できる。その結果、複雑形状の基材に対しての均一なクリーニングが可能となる。
図３（ｂ）に、バイアス電源のパルス周波数とバイアス電流（イオン電流）との関係を示す。この図に示すように、バイアス電源のパルス周波数を高めることにより外部プラズマ源が無い状態でも放電が可能となり、また周波数増加に従いイオン電流が増加する。イオン電流が増加するということは、プラズマ状態が確実に維持されていることを意味する。基材Ｗの周囲に発生するプラズマが確実に維持されているのであれば、プロセスガスの圧力を低くすることができ、それに伴い基材Ｗの周囲に発生する電位差勾配（シース）の距離が短くなる。そのため、複雑形状の基材（溝部を有する等）であっても、その複雑な形状部分に沿ってシースが発生するので、複雑な形状部分にガスイオンが到達できる。その結果、複雑形状の基材に対しての均一なクリーニングが可能となる。
図３（ｂ）から、いずれのバイアス電圧であっても、パルス周波数が２００ｋＨｚ以上で放電が発生しバイアス電流が増加する傾向が現れる。この点で、バイアス電源１２のパルス周波数は、２０ｋＨｚ以上好ましくは２００ｋＨｚ以上であることが好ましい。
このようにバイアス電源１２にパルス電源を用いた場合のクリーニング（エッチング）評価方法を以下に示す。
このようにバイアス電源１２にパルス電源を用いた場合のクリーニング（エッチング）評価方法を以下に示す。
図４に評価方法に用いた試験片フォルダーを示す。この試験片フォルダーは、基材Ｗの溝部におけるクリーニングの有効性を確認するためのものである。この試験片フォルダーにＳＫＨ５１試験片（１２ｍｍ角、厚み６ｍｍ）を３個（手前の正面、溝の側面、奥の正面）取り付けて、クリーニングした後に、成膜処理を行い、各位置における薄膜の密着力を測定した。図４の部位Ａ及び部位Ｂは、試験片フォルダー正面と同じ面に取り付けられた試験片の部位を、部位Ｃ及び部位Ｄは、部位Ａ及び部位Ｂに対して直交する面に取り付けられた試験片の部位を、部位Ｅ及び部位Ｆは、最も深い溝部であって従来のエッチングでは薄膜の密着力が非常に低下する試験片の部位を、それぞれ示すものである。
本実施形態に係る条件（新条件）は、フィラメント３の電流５Ａ、アルゴンガス圧力０．１５〜０．２Ｐａ、バイアス電圧４００Ｖ（３５０ｋＨｚのパルス電圧）で１５分間ボンバードしたものに、ＡＩＰ（アークイオンプレーティング）方式でのＴｉＡｌＮ皮膜を約３μｍを形成した。なお、比較とした従来の条件（標準条件）は、フィラメント３の電流４０Ａ、アルゴンガス圧力２．７Ｐａ、バイアス電圧４００Ｖ（ＤＣ電圧）で１５分間ボンバードしたものに同一の薄膜を形成した。
表１に、ＴｉＡｌＮ薄膜の強度を調べたスクラッチ試験の結果を示す。
このスクラッチ試験は、先端に所定のテーパを備えたダイヤンド圧子により試験片の薄膜を所定の荷重で引っ掻いて、どの程度の荷重（Ｎ）で初期剥離（Ｌｃ１）を起こすか、どの程度の荷重（Ｎ）で完全剥離（Ｌｃ２）を起こすかを試すものである。本評価に用いたスクラッチ試験は、ＪＩＳ Ｒ ３２５５の評価方法に準拠したものである。
表１の結果から明らかなように、従来の標準条件では密着力の弱い部位Ｄ、部位Ｅ及び部位Ｆ（溝部）に関して、新条件では約３０％改善している。
表１の結果から明らかなように、従来の標準条件では密着力の弱い部位Ｄ、部位Ｅ及び部位Ｆ（溝部）に関して、新条件では約３０％改善している。
図５及び図６に密着力評価の結果を示す。この密着力評価は、ロックウェルＣスケール試験機を用いて圧痕を形成して目視で観察するものである。この観察は、ダイヤンド圧子を所定の条件で試験片の薄膜に打ち込んで穴を開けて、その穴の周囲の剥離状態を目視で観察するものである。本評価は、ＪＩＳ Ｇ ０２０２の評価方法に準拠したものである。
図５及び図６に示すように、表１と同様に、溝部（特に部位Ｅ及び部位Ｆ）に関して、密着性が大幅に改善していることが確認できる。なお、図５の部位Ｅ又は部位Ｆに示す白い部分は薄膜が隔離した部分であり、この図に対応する図６の部位Ｅ又は部位Ｆでは、剥離は発生していない。
なお、上述したように、イオンボンバード処理について説明したが、真空チャンバ２内に、基材Ｗに向けて取り付けられたアーク蒸発源も設けておくと（アノード４としてアーク蒸発源を用いることを含む）、同一真空チャンバ２内で物理的蒸着による成膜処理も可能となる。
なお、上述したように、イオンボンバード処理について説明したが、真空チャンバ２内に、基材Ｗに向けて取り付けられたアーク蒸発源も設けておくと（アノード４としてアーク蒸発源を用いることを含む）、同一真空チャンバ２内で物理的蒸着による成膜処理も可能となる。
なお、基材Ｗのクリーニングをする際に、フィラメント３及びアノード４間でグロー放電が始まるまでは、フィラメント３に流す加熱電流と真空チャンバ２内におけるアルゴンガスのガス圧とを上げ、放電開始後は、放電が維持できる値まで加熱電流とガス圧とを下げるようにする。これにより、放電電源５として高電圧電源が不要となり、占有空間やコストを抑えることが可能となる。
上記した処理は、イオンボンバードメント装置１に設けられた制御部（図示せず）内のプログラムによって実現されている。この制御部はプログラムに従い各電源５、６、１２及びアルゴンガス圧を制御する。
以上述べたイオンボンバードメント装置１、及びこの装置１を用いた成膜前のクリーニング方法を採用することで、基材Ｗに対して高さ方向均一に熱電子を照射でき基材Ｗの均一なクリーニングが可能となる。また、放電電源５と加熱電源６とを真空チャンバ２から独立して配線することで各電源の電流制御を安定化させられるようになる。
以上述べたイオンボンバードメント装置１、及びこの装置１を用いた成膜前のクリーニング方法を採用することで、基材Ｗに対して高さ方向均一に熱電子を照射でき基材Ｗの均一なクリーニングが可能となる。また、放電電源５と加熱電源６とを真空チャンバ２から独立して配線することで各電源の電流制御を安定化させられるようになる。
特に、バイアス電源として２００ｋＨｚ以上のパルス周波数を用いるので、イオンと電子とが電離したプラズマ状態を維持することができ、プロセスガスの圧力を低く維持できる。プロセスガスの圧力が低い場合、基材の周囲に発生する電位差勾配（シース）の距離が短くなり、複雑形状の基材（溝部を有する等）であってもその複雑な形状部分に沿ってシースが発生するので、複雑な形状部分にガスイオンが到達でき、複雑形状の基材に対しての均一なクリーニングが可能となる。
［第２実施形態］
図７には、本発明の第２実施形態に係るイオンボンバードメント装置１が示されている。
［第２実施形態］
図７には、本発明の第２実施形態に係るイオンボンバードメント装置１が示されている。
第２実施形態に係るイオンボンバードメント装置１と第１実施形態の装置との違いは、熱電子放出電極を１本のフィラメント３で構成するのではなく、複数のフィラメント３を基材Ｗ処理高さにわたって（基材Ｗ処理高さをカバーして）配置している点である。複数のフィラメント３を使用することで、フィラメント３の断線を抑えることができ、その交換作業も容易になる。
加えて、第２実施形態は、上述のフィラメント３を覆うシャッター３１を備えており、このシャッター３１で、フィラメント３に汚れが付着することを防いでいる。
これによって、汚れが付着することでフィラメント３自体の熱電子の放出効率が下がったり、フィラメント３を加熱した際に、付着した汚れが蒸発して基材Ｗの表面に付着（汚染）することなどが防止できる。
［第３実施形態］
図８には、本発明の第３実施形態に係るイオンボンバードメント装置１が示されている。
これによって、汚れが付着することでフィラメント３自体の熱電子の放出効率が下がったり、フィラメント３を加熱した際に、付着した汚れが蒸発して基材Ｗの表面に付着（汚染）することなどが防止できる。
［第３実施形態］
図８には、本発明の第３実施形態に係るイオンボンバードメント装置１が示されている。
第３実施形態に係るイオンボンバードメント装置１の特徴は、アノード４として使用するカソード（アーク蒸発源）として、1枚のカソード（一位相のカソード）ではなく、複数枚のカソード（複数位相のカソード）を使用している。
具体的には、フィラメント３に対面する位置であって、ワークテーブル１１の周りに2枚のカソードが配備されている。このように配置することで、さらに均一な処理（クリーニング処理、成膜処理）が可能となる。
具体的には、フィラメント３に対面する位置であって、ワークテーブル１１の周りに2枚のカソードが配備されている。このように配置することで、さらに均一な処理（クリーニング処理、成膜処理）が可能となる。
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、イオンボンバードメント装置１は、放電電源５としてクリーニング専用の直流電源を備えていたが、基材Ｗのクリーニング以外の工程で使用する電源（例えば、アーク蒸発源の背後に配置した電磁コイル用の駆動電源や、電子加熱電源等）を、放電電源５と兼用することとしてもよい。
例えば、イオンボンバードメント装置１は、放電電源５としてクリーニング専用の直流電源を備えていたが、基材Ｗのクリーニング以外の工程で使用する電源（例えば、アーク蒸発源の背後に配置した電磁コイル用の駆動電源や、電子加熱電源等）を、放電電源５と兼用することとしてもよい。
加熱電源６から熱電子放出電極３へ流す電流は、上述した電力調整器によって位相を制御されているが、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御等を行ってもよい。この場合、熱電子放出電極３の真空チャンバ２に対する電位変化を平滑化することができる。
また、第１実施形態の項で説明した切換回路１６を、第２実施形態又は第３実施形態に適用することもできる。
また、第１実施形態の項で説明した切換回路１６を、第２実施形態又は第３実施形態に適用することもできる。
１ イオンボンバードメント装置
２ 真空チャンバ
３ 熱電子放出電極（フィラメント）
４ アノード
５ 放電電源
６ 加熱電源
１１ 基材保持具（ワークテーブル）
１２ バイアス電源
１３ 絶縁トランス
１４ １次コイル
１５ ２次コイル
１６ 切換回路
Ｗ 基材
２ 真空チャンバ
３ 熱電子放出電極（フィラメント）
４ アノード
５ 放電電源
６ 加熱電源
１１ 基材保持具（ワークテーブル）
１２ バイアス電源
１３ 絶縁トランス
１４ １次コイル
１５ ２次コイル
１６ 切換回路
Ｗ 基材
Claims (8)
- 真空チャンバ内に配置された基材の表面を、前記真空チャンバ内で発生したガスイオンを照射することによってクリーニングするイオンボンバードメント装置において、
前記真空チャンバの一の内側面に、フィラメントで構成した加熱式の熱電子放出電極が配置されており、前記真空チャンバの他の内側面に、前記熱電子放出電極からの熱電子を受けるアノードが配置されており、
前記熱電子放出電極及び前記アノード間に電位差を与えてグロー放電を発生させる放電電源と、前記熱電子放出電極を加熱して熱電子を放出させる加熱電源と、前記基材に前記真空チャンバに対して負の電位を与えるバイアス電源とを有しており、
前記放電電源が真空チャンバから絶縁されており、
前記放電電源、前記加熱電源及び前記バイアス電源により、前記基材の近傍に発生したガスイオンを前記基材の表面に照射可能とされ、
前記バイアス電源がパルス電源とされており、
前記熱電子放出電極と前記アノードとの間に基材が配置されるように構成され、前記アノードが複数のアーク蒸発源で構成されていることを特徴とするイオンボンバードメント装置。 - 真空チャンバ内に配置された基材の表面を、前記真空チャンバ内で発生したガスイオンを照射することによってクリーニングするイオンボンバードメント装置において、
前記真空チャンバの一の内側面に、フィラメントで構成した加熱式の熱電子放出電極が配置されており、前記真空チャンバの他の内側面に、前記熱電子放出電極からの熱電子を受けるアノードが配置されており、
前記熱電子放出電極及び前記アノード間に電位差を与えてグロー放電を発生させる放電電源と、前記熱電子放出電極を加熱して熱電子を放出させる加熱電源と、前記基材に前記真空チャンバに対して負の電位を与えるバイアス電源とを有しており、
前記放電電源、前記加熱電源及び前記バイアス電源により、前記基材の近傍に発生したガスイオンを前記基材の表面に照射可能とされ、
前記バイアス電源が、真空チャンバ内のガス圧が低い状況下においてもプラズマ状態を維持可能とするパルス電位を前記基材に印加可能なパルス電源であり、
前記熱電子放出電極と前記アノードとの間に基材が配置されるように構成され、前記アノードが複数のアーク蒸発源で構成されていることを特徴とするイオンボンバードメント装置。 - 前記パルス電源は、前記基材に２０ｋＨｚ以上のパルス電位を与えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオンボンバードメント装置。
- 前記パルス電源は、前記基材に２００ｋＨｚ以上のパルス電位を与えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオンボンバードメント装置。
- 前記熱電子放出電極を、複数のフィラメントで構成していることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のイオンボンバードメント装置。
- 前記熱電子放出電極の長さを、基材処理空間と同等又はそれ以上の長さで構成していることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のイオンボンバードメント装置。
- 前記熱電子放出電極の電源をアーク蒸発源の電源で構成していることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のイオンボンバードメント装置。
- 前記放電電源の正極側出力を前記アノードと前記基材とに選択的に接続可能とする切換回路を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のイオンボンバードメント装置。
Priority Applications (6)
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|---|---|---|---|
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