JP6016753B2 - 成膜装置 - Google Patents
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Description
詳しくは、複数の成膜用蒸発源がワークテーブルに設置した基材に対向し、真空チャンバの高さ方向に重なり合うことなくほぼ一定間隔で並べて配置されている。この成膜装置では、成膜用蒸発源に真空アーク放電を生じさせて、蒸発源に取り付けた蒸発材料を蒸発させ、金属イオンを基材の表面に照射して成膜処理を行っている。
通常、窒素や炭化水素系のガス(メタンやアセチレンなど)の反応ガス下の真空チャンバ内において、真空チャンバに配置された複数の蒸発源に真空アーク放電を生じさせて、蒸発源に取り付けた蒸発材料を蒸発させ、発生した金属イオンを基材の表面に照射して窒化膜や炭化膜などの硬質皮膜を形成する。通常、このような成膜装置を用いて基材の表面に硬質皮膜を形成すると、基材の長手方向(ワークテーブルの回転軸心に沿った方向、すなわち上下軸心方向)において、皮膜の厚みにばらつきが生じてしまう。
本発明に係る成膜装置は、基材が収容される真空チャンバと、前記真空チャンバの内壁面に設けられた蒸発源と、前記基材が配置され且つ配置された基材を保持する基材保持部と、を備え、前記基材の表面に対してPVD処理を行う成膜装置において、前記蒸発源は、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向に沿って複数配置されており、当該複数配置された前記蒸発源のうち、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向における両端の少なくとも一方側の第1蒸発源が、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向において当該第1蒸発源に隣接する第2蒸発源よりも前記基材側に突出して配置されていることを特徴とする。
前記第1蒸発源は、当該複数配置された前記蒸発源のうち、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向における両端に配置されていると好ましい。
前記第1蒸発源は、前記基材のうち、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向の両端側に対向する位置に配置されていると好ましい。
また、本発明に係る成膜装置の最も好ましい形態は、複数の基材が収容される真空チャンバと、前記真空チャンバの高さ方向に沿って前記真空チャンバの内壁面に設けられた蒸発源と、前記複数の基材が前記真空チャンバの高さ方向に沿って配置され且つ当該基材を保持する基材保持部と、を備え、前記複数の基材の表面に対してPVD処理を行う成膜装置において、前記蒸発源は、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向に沿って複数配置されており、当該複数配置された前記蒸発源のうち、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向における両端の少なくとも一方側の第1蒸発源が、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向において当該第1蒸発源に隣接する第2蒸発源よりも前記基材側に突出して配置されていて、前記複数の基材のうち前記基材保持部の移動方向に垂直な方向の少なくとも一端側にある基材の端部に対して、前記第1蒸発源は、前記垂直な方向において少なくとも前記基材の端部よりも突出するとともに当該基材端部に対向する位置に配置されることを特徴とする。
また、本発明に係る成膜装置の最も好ましい他の形態は、複数の基材が収容される真空チャンバと、前記真空チャンバの高さ方向に沿って前記真空チャンバの内壁面に設けられた蒸発源と、前記複数の基材が前記真空チャンバの高さ方向に沿って配置され且つ当該基材を保持する基材保持部と、を備え、前記複数の基材の表面に対してPVD処理を行う成膜装置において、前記蒸発源は、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向に沿って複数配置されており、当該複数配置された前記蒸発源のうち、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向における両端の少なくとも一方側の第1蒸発源が、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向において当該第1蒸発源に隣接する第2蒸発源よりも前記基材側に突出して配置されていて、前記複数の基材のうち前記基材保持部の移動方向に垂直な方向の少なくとも一端側にある基材の端部に対して、前記第1蒸発源は、前記垂直な方向において前記基材の端部に対向する位置よりも突出する位置に配置される、ことを特徴とする。
[第1実施形態]
図1には、本発明の第1実施形態に係る成膜装置1(PVD処理装置)が示されている。
この成膜装置1は、物理的蒸着法(PVD法)を利用して、真空チャンバ2内に配置された基材W(ワーク)の表面に硬質皮膜を成膜する装置である。この成膜装置1には、アークイオンプレーティング法を用いて成膜を行うAIP装置や、スパッタ法を用いて成膜を行うスパッタ装置などがある。
以下、第1実施形態の成膜装置1の詳細を説明する。
に設けられた蒸発源4と、真空チャンバ2内に収容された基材セットSが配置され且つ配置された基材セットSを回転軸回りに回転駆動するワークテーブル3を有している。加えて、この成膜装置1は、真空チャンバ2に配置された複数の蒸発源4に真空アーク放電を生じさせる放電電源を有している。さらに、配置された基材Wに負の電圧を印可させるバイアス電源がワークテーブル3に接続されている(放電電源、バイアス電源ともに図示せず)。
図1に示す如く、成膜装置1に備えられた真空チャンバ2は、例えば立方体や直方体などの六面体形状をした空洞の筺体である。真空チャンバ2は、内部が真空状態に減圧することが可能であり、真空状態の内部を気密に保持できる容器である。真空チャンバ2の側壁には、成膜前の基材Wを真空チャンバ2内に搬入したり、成膜後の基材Wを真空チャンバ2から外部に搬出したりするための扉が開閉自在に備えられている。真空チャンバ2には、真空チャンバ2内部へ窒素などの反応ガスを導入するガス導入口と、真空チャンバ2内部から反応ガスを排出するガス排気口とが設けられている(扉、ガス導入口、排気口ともに図示せず)。
このワークテーブル3は、真空チャンバ2の底部の略中心に設けられた回転支持体5によって支持されている。回転支持体5は、上下軸心回りに回転可能とされており、モータなどで回転駆動されるようになっている。この回転支持体5は、自身の回転軸がワークテーブル3の中心を通る上下軸心とほぼ一致して同心状となるようにワークテーブル3を支持しているので、回転支持体5が上下軸心を中心に回転することによって、ワークテーブル3も回転支持体5と同じ軸心を中心に回転する。
蒸発源4は、この蒸発源4に取り付けられた蒸発材料を蒸発させて、そのとき発生した金属イオンを基材Wの表面に照射するものである。
第1実施形態の場合、図1に示すように、蒸発源4は、正面視で基材セットSと対向する領域に4つ設けられ、基材セットSの両端側に対向して設けられた蒸発源4はワークテーブル3に配置された状態の基材セットSの全高さ(基材セットSの処理高さ)と同じ高さか、あるいは基材セットSより上下方向に若干突出するように配置されている。なお、第1実施形態の成膜装置1に配置されている4つの蒸発源4を、上から蒸発源4a(#A)、蒸発源4b(#B)、蒸発源4c(#C)、蒸発源4d(#D)とする。これら4つの蒸発源4は略同じ大きさ(上下高さ)とされている(例えば、φ100mm)。
また、蒸発源4dは、蒸発源4aと同様に、蒸発源4cに対して基材セットS側に突出するように配置されている。言い換えれば、蒸発源4dは、蒸発源4cよりも基材セットS側に近接するように配置されている。すなわち、これら4つの蒸発源4は、正面視で回転軸方向に沿って、Cの字状を反転した形で配置されている。
このように蒸発源4を配置することで、基材Wの膜厚分布(膜厚のばらつき)を改善することができる。
図3(a)は、基材セットSと基材セットSの両端側に対向する位置に配置された蒸発源4a(第1蒸発源)とが近い位置にあるとき、蒸発源4aの上下方向の位置を示している。図3(b)は、基材セットSと基材セットSの両端側に対向する位置に配置された蒸発源4a(第1蒸発源)とが図3(a)に示す位置より少し離れた位置にあるとき、蒸発源4aの回転軸方向の位置を示している。図3(c)は、基材セットSと基材セットSの両端側に対向する位置に配置された蒸発源4a(第1蒸発源)とが遠く離れた位置にあるとき、蒸発源A4aの回転軸方向の位置を示している。
このように蒸発源4を配置することで、真空チャンバ2の構造上における制約や基材Wの制約(材質・大きさ等)によって、基材セットSと蒸発源4との距離を大きく離す場合であっても、基材セットSの処理範囲を広く確保することができる。
[実験例]
以下、第1実施形態に係る成膜装置1を用いて、基材Wの表面に硬質皮膜を形成した実験例について、図を参照して述べる。
とする。そして、基材Wの表面に硬質皮膜を成膜する時間は2時間とする。
なお、基材Wを成膜処理する範囲(処理空間)は、基材セットSの回転軸方向の全長とされる。また、基材セットSの処理中心の位置(処理高さの中心)は、基材セットSの下端から300mm上方とする。つまり、処理高さの中心は、基材セットSの回転軸方向(上下方向)の中間位置とされる。
図4は、第1実施形態に係る成膜装置1を用い、基材Wの表面に硬質皮膜を形成した実験例の結果をまとめたものである。図5及び図6は、これら実験例の結果をグラフ化したものである。
その結果、基材Wの膜厚の最大値は、3.0μmとなった。そして、図5(a)に示すように、膜厚分布を示す曲線は、膜厚が蒸発源4bに対応する位置を膜厚のピーク(硬質皮膜が最も厚いことを示す)とし、基材Wの上下に向かって徐々に硬質皮膜が薄くなるような山型の曲線となっている(比較例)。
その結果、基材Wの膜厚の最大値は、3.3μmとなった。そして、図5(b)に示すように、膜厚分布を示す曲線は、膜厚が蒸発源4bに対応する位置を膜厚のピーク(硬質皮膜が最も厚いことを示す)とし、基材Wの上下に向かって硬質皮膜が薄くなるような山型の曲線となり、図5(a)の条件1よりも鋭く突出するような曲線となっている(比較例)。ゆえに、蒸発源4を基材セットS側に近接させると、基材Wに形成される硬質皮膜の膜厚は、蒸発源の中心軸高さ付近で厚くなり、そこから上下方向に約100mm以上離れた位置では薄くなることが確認できる。
その結果、基材Wの膜厚は、最大値が3.44μmとなり、最小値は2.88μmとなった。また、基材Wの膜厚の中心値(平均値)は、3.16μmとなり、基材Wにおける膜厚分布のばらつきは、±8.9%となった。そして、図6(c)に示すように、膜厚分布を示す曲線が処理空間の上端部及び下端部において曲線の落ち込みが大きくなっており(膜厚:2.88μm)、基材Wの上下方向の両端側に形成される硬質皮膜の厚みが薄くなっていることが確認できる(比較例)。
った。また、基材Wの膜厚の中心値(平均値)は、3.35μmとなり、基材Wにおける膜厚分布のばらつきは、±6.6%となり、条件3より良好な結果となった。そして、図6(d)に示すように、膜厚分布を示す曲線が処理空間の上端部及び下端部において曲線の落ち込みが小さくなっている(膜厚:3.13μm)。また、蒸発源4b及び蒸発源4cは比較的なだらかな曲線となっており、蒸発源4a及び蒸発源4dは比較的鋭い曲線となっていることも確認できる。
[第2実施形態]
次に、本発明の成膜装置1の第2実施形態について、図を参照して説明する。
すなわち、第2実施形態の成膜装置1は、基材Wが収容される真空チャンバ2と、この真空チャンバ2の内壁面に設けられた蒸発源4と、真空チャンバ2内に収容された基材Wが配置される基材セットSと、この基材セットSを回転軸回りに回転駆動するワークテーブル3を有している。加えて、この成膜装置1は、真空チャンバ2に配置された複数の蒸発源4に真空アーク放電を生じさせる放電電源と、配置された基材Wに負の電圧を印可させるバイアス電源を有している点も同じである(放電電源、バイアス電源ともに図示せず)。
なお、第2実施形態の成膜装置1に配置されている5つの蒸発源4を、上から蒸発源4a(#A)、蒸発源4b(#B)、蒸発源4e(#E)、蒸発源4c(#C)、蒸発源4d(#D)とする。これら5つの蒸発源4は略同じ大きさ(上下高さ)を有している(例えば、φ100mm)。
蒸発源4aは、蒸発源4bに対して基材W側に突出するように配置されている。言い換えれば、蒸発源4aは、蒸発源4bよりも基材セットS側に近接するように配置されている。つまり、基材セットSと蒸発源4aとの距離(X5)は、基材セットSと蒸発源4bとの距離(X6)よりも狭くなっている(X5<X6)。
これら5つの蒸発源4は、側面視でワークテーブル3の回転軸方向(すなわち、上下軸方向)に沿って非直線状に配置されてもよいし、直線状に配置されていてもよい。例えば、千鳥配列に配置されていてもよいし、螺旋状に配置されていてもよい。
[実験例]
以下、第2実施形態に係る成膜装置1を用いて、基材Wの表面に硬質皮膜を形成した実験例について、図を参照して述べる。
なお、基材Wを成膜処理する範囲(処理空間)は、基材セットSの上下方向の全長とされる。また、基材セットSの処理中心の位置(処理高さの中心)は、基材セットSの下端から300mm上方とする。つまり、処理高さの中心は、基材セットSの上下方向の中間位置とされる。
図8は、第2実施形態に係る成膜装置1を用い、基材Wの表面に硬質皮膜を形成した実験例の結果をまとめたものである。図9及び図10は、これら実験例の結果をグラフ化したものである。
その結果、基材Wの膜厚は、最大値が3.92μmとなり、最小値は3.46μmとなった。また、基材Wの膜厚の中心値(平均値)は、3.69μmとなり、基材Wにおける膜厚分布のばらつきは、±6.3%となった。そして、図9(e)に示すように、膜厚分布を示す曲線が処理空間の上端部及び下端部において曲線の落ち込みが大きくなっており(膜厚:3.46μm)、基材Wの長手方向の両端側に形成される皮膜の厚みが薄くなっていることが確認できる(比較例)。
蒸発源4aと基材セットSとの距離(X5)及び蒸発源4dと基材セットSとの距離(X5)を140mmとする。また、蒸発源4bと基材セットSとの距離(X6)、蒸発源4eと基材セットSとの距離(X6)及び蒸発源4cと基材セットSとの距離(X6)を160mmとする。すなわち、基材セットSの両端側に対向する位置に配置された蒸発源4a及び蒸発源4d(すなわち、第1蒸発源)が、蒸発源4aと蒸発源4dとの間に配置されている蒸発源4b、蒸発源4c(すなわち、第2蒸発源)及び蒸発源4eよりも基材セットS側に突出するように配置されている。また、蒸発源4a〜蒸発源4eのいずれも、蒸発源4同士のピッチ(P1〜P4)を150mmとする。
蒸発源4aと基材セットSとの距離(TS距離:X5)及び蒸発源4dと基材セットSとの距離(X5)を145mmとする。また、蒸発源4bと基材セットSとの距離(X6)、蒸発源4cと基材セットSとの距離(X6)及び蒸発源4eと基材セットSとの距離(X6)を160mmとする。すなわち、基材セットSの両端側に対向する位置に配置された蒸発源4a及び蒸発源4d(すなわち、第1蒸発源)が、蒸発源4aと蒸発源4dとの間に配置されている蒸発源4b、蒸発源4c(すなわち、第2蒸発源)及び蒸発源4eよりも基材セットS側に突出するように配置されている。また、蒸発源4aと蒸発源4bとのピッチ(P1)及び蒸発源4cと蒸発源4dとのピッチ(P4)を148mmとし、蒸発源4bと蒸発源4eとのピッチ(P2)及び蒸発源4cと蒸発源4eとのピッチ(P3)を152mmとする。
上記した第2実施形態では、「蒸発源4bと基材セットSとの距離」、「蒸発源4eと基材セットSとの距離」、「蒸発源4cと基材セットSとの距離」は同じであったが、「蒸発源4bと基材セットSとの距離」を、「蒸発源4eと基材セットSとの距離」より縮め、「蒸発源4aと基材セットSとの距離」よりも大きくしてもよい。同様に、「蒸発源4cと基材セットSとの距離」を、「蒸発源4eと基材セットSとの距離」より縮め、「蒸発源4dと基材セットSとの距離」よりも大きくするようにしてもよい。
つまり、蒸発源4b、蒸発源4e、及び蒸発源4cは、図7に示すように上下方向で直線状に並んでいなくてもよい。
配置してもよい。
[第3実施形態]
次に、本発明の成膜装置の第3実施形態について、図11を参照して説明する。
すなわち、第3実施形態の成膜装置1においては、蒸発源4は、基材保持部6の移動方向に垂直な方向に沿って複数配置されており、当該複数配置された蒸発源4のうち、基材保持部6の移動方向に垂直な方向における両端の少なくとも一方側の第1蒸発源が、基材保持部6の移動方向に垂直な方向において当該第1蒸発源に隣接する第2蒸発源よりも前記基材W側に突出して配置されていることを特徴とする。
蒸発源4a、蒸発源4dは、移動垂直方向Lにおける両端に位置する第1蒸発源であり、蒸発源4b、蒸発源4cは、第1蒸発源に隣接するように配備された第2蒸発源である。蒸発源4b〜4dの3つの蒸発源4は、移動垂直方向Lに沿って略一直線上に並んでいるが、第1蒸発源である蒸発源4aは、蒸発源4b〜4dよりも基材W側に突出して配置されるものとなっている。
また、移動垂直方向Lに沿った、蒸発源4aと蒸発源4bとの間隔P1は、蒸発源4bと蒸発源4cの間隔P2よりも小さい間隔(P1<P2)とされている。同様に、蒸発源4cと蒸発源4dとの間隔P1は、蒸発源4bと蒸発源4cとの間隔P2よりも小さい間隔(P1<P2)とされている。
[第4実施形態]
次に、本発明の成膜装置の第4実施形態について、図12を参照して説明する。
第4実施形態の装置は、インライン方式の成膜装置であり、第1実施形態〜第3実施形態で説明した回転方式の成膜装置とは異なっている。図12(a)は、第4実施形態の成膜装置1を上方から見た断面図であり、図12(b)は、図12(a)に示したA’−A’矢視図である。
。すなわち、真空チャンバ2及び搬送路の底壁には複数の搬送ローラ7を並設してなるローラコンベアが敷設され、このローラコンベア上を基材Wが保持された基材保持部6が通過するようになっている。これにより、基材Wはこの真空チャンバ2内を直線状に搬送される。
上記した真空チャンバ2における蒸発源4の配置位置について、図12(b)を基に説明する。
図12(b)に示すように、本実施形態の蒸発源4は、真空チャンバ2の幅方向一方側の内壁面に、移動垂直方向Lに沿うように複数(図例では4つ)配置されている。なお、これら複数の蒸発源4は、移動垂直方向Lに沿って直線状に配置されていてもよいし、非直線状に配置されていてもよい。例えば、蒸発源4は千鳥配列で配置されていてもよい。
蒸発源4a、蒸発源4dは、移動垂直方向Lにおける両端に位置する第1蒸発源であり、蒸発源4b、蒸発源4cは、第1蒸発源に隣接するように配備された第2蒸発源である。蒸発源4b、4cの2つの蒸発源4は、移動垂直方向Lに沿って略一直線上に並んでいるが、第1蒸発源である蒸発源4a、4dは、蒸発源4b〜4dよりも基材W側に突出して配置されるものとなっている。
また、移動垂直方向Lに沿った、蒸発源4aと蒸発源4bとの間隔P1は、蒸発源4bと蒸発源4cの間隔P2よりも小さい間隔(P1<P2)とされている。同様に、蒸発源4cと蒸発源4dとの間隔P1は、蒸発源4bと蒸発源4cとの間隔P2よりも小さい間隔(P1<P2)とされている。
なお、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。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
2 真空チャンバ
3 ワークテーブル
4 蒸発源
4a 蒸発源(#A、第1蒸発源)
4b 蒸発源(#B、第2蒸発源)
4c 蒸発源(#C、第2蒸発源)
4d 蒸発源(#D、第1蒸発源)
4e 蒸発源(#E)
5 回転支持体
6 基材保持部
7 搬送ローラ
S 基材セット
W 基材
Claims (4)
- 複数の基材が収容される真空チャンバと、前記真空チャンバの高さ方向に沿って前記真空チャンバの内壁面に設けられた蒸発源と、前記複数の基材が前記真空チャンバの高さ方向に沿って配置され且つ当該基材を保持する基材保持部と、を備え、前記複数の基材の表面に対してPVD処理を行う成膜装置において、
前記蒸発源は、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向に沿って複数配置されており、当該複数配置された前記蒸発源のうち、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向における両端の少なくとも一方側の第1蒸発源が、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向において当該第1蒸発源に隣接する第2蒸発源よりも前記基材側に突出して配置されていて、
前記複数の基材のうち前記基材保持部の移動方向に垂直な方向の少なくとも一端側にある基材の端部に対して、前記第1蒸発源は、前記垂直な方向において少なくとも前記基材の端部よりも突出するとともに当該基材端部に対向する位置に配置される、
ことを特徴とする成膜装置。 - 複数の基材が収容される真空チャンバと、前記真空チャンバの高さ方向に沿って前記真空チャンバの内壁面に設けられた蒸発源と、前記複数の基材が前記真空チャンバの高さ方向に沿って配置され且つ当該基材を保持する基材保持部と、を備え、前記複数の基材の表面に対してPVD処理を行う成膜装置において、
前記蒸発源は、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向に沿って複数配置されており、当該複数配置された前記蒸発源のうち、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向における両端の少なくとも一方側の第1蒸発源が、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向において当該第1蒸発源に隣接する第2蒸発源よりも前記基材側に突出して配置されていて、
前記複数の基材のうち前記基材保持部の移動方向に垂直な方向の少なくとも一端側にある基材の端部に対して、前記第1蒸発源は、前記垂直な方向において前記基材の端部に対向する位置よりも突出する位置に配置される、
ことを特徴とする成膜装置。 - 前記第1蒸発源は、当該複数配置された前記蒸発源のうち、前記基材保持部の移動方向に垂直な方向における両端に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の成膜装置。
- 前記第1蒸発源と第2蒸発源との前記基材保持部の移動方向に垂直な方向に沿った間隔は、前記第2蒸発源に隣接し且つ第1蒸発源側とは反対側に位置する第3蒸発源と第2蒸発源との前記基材保持部の移動方向に垂直な方向に沿った間隔よりも小さい間隔であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の成膜装置。
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