JP6076112B2 - イオンボンバードメント装置及びこの装置を用いた基材の表面のクリーニング方法 - 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イオンボンバードメント装置及びこの装置を用いた基材の表面のクリーニング方法に関するものである。
一般に、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）の表面に対して、ＰＶＤ法やＣＶＤ法による硬質皮膜の成膜が行われている。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や、プラズマＣＶＤ装置などの化学的蒸着装置が挙げられる。
このような物理的蒸着装置及び化学的蒸着装置を用いて密着性の高い硬質皮膜を成膜するには、成膜処理を行う前に基材の表面を浄化（クリーニング）することが知られている。この浄化処理としては、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。
上述した浄化処理を行う技術として、特許文献１には、上下方向に円筒形状の真空チャンバ内で、基材表面をクリーニングする技術が開示されている。
詳しくは、真空チャンバの上下方向の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）を形成する。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、基材の表面をクリーニングする。
詳しくは、真空チャンバの上下方向の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）を形成する。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、基材の表面をクリーニングする。
ところで、特許文献１に記載された装置を用いて基材の表面をクリーニングする場合、真空チャンバ内に搭載された基材の大きさや配置によって、基材に有効なクリーニングを施すことができなくなることが懸念される。
具体的には、不活性ガス下の真空チャンバ内において、電子を放出するカソード（陰極）とその電子を受けるアノード（陽極）との間に電位差をかけて放電を生じさせると、カソードから放出された電子はアノードの方向に移動する。このとき、真空チャンバ内に搭載された基材が大きかったり、基材が密に配置されていたりすると、カソードとアノードとの間の電子の移動が阻害されることがある。そのため、放出された電子の多くが、小さい基材の近傍を通過したり、基材が粗に配置された領域乃至は基材が配置されていない領域を通過したりするようになる。
具体的には、不活性ガス下の真空チャンバ内において、電子を放出するカソード（陰極）とその電子を受けるアノード（陽極）との間に電位差をかけて放電を生じさせると、カソードから放出された電子はアノードの方向に移動する。このとき、真空チャンバ内に搭載された基材が大きかったり、基材が密に配置されていたりすると、カソードとアノードとの間の電子の移動が阻害されることがある。そのため、放出された電子の多くが、小さい基材の近傍を通過したり、基材が粗に配置された領域乃至は基材が配置されていない領域を通過したりするようになる。
つまり、真空チャンバ内での基材の大きさや配置によって、電子が多数存在する領域と少なく存在する領域が発生することとなって、電子が多数存在する領域に生成されるプラズマは濃くなり、一方で、電子の少ない領域に生成されるプラズマは薄くなる。
プラズマ濃度が不均一となった真空チャンバ内で基材のクリーニングを行うと、基材の表面のクリーニング状況、すなわちイオン衝突による基材の表面の削り量（エッチング量）に、ばらつきが発生する。プラズマの密度が濃い領域で基材の表面に対してエッチングが行われると、基材の表面が必要以上に削られてしまうことがある。一方、プラズマの密度が薄い領域で基材のエッチングが行われると、基材の表面が所定のエッチング量に削られないことがある。
プラズマ濃度が不均一となった真空チャンバ内で基材のクリーニングを行うと、基材の表面のクリーニング状況、すなわちイオン衝突による基材の表面の削り量（エッチング量）に、ばらつきが発生する。プラズマの密度が濃い領域で基材の表面に対してエッチングが行われると、基材の表面が必要以上に削られてしまうことがある。一方、プラズマの密度が薄い領域で基材のエッチングが行われると、基材の表面が所定のエッチング量に削られないことがある。
このような基材のエッチング量のばらつきは、成膜処理の際に基材の表面に対して硬質皮膜を均一に蒸着させることができなくなり、基材の耐摩耗性などを向上させることができなくなる虞がある。
そこで、上述した問題に鑑み、本発明では、真空チャンバ内に搭載された基材の大きさや配置にばらつきがあっても、真空チャンバ内のプラズマ密度を略均一にし、基材の表面のエッチング量を略一定にすることができるイオンボンバードメント装置及びこの装置を用いた基材表面のクリーニング方法を提供することを目的とする。
そこで、上述した問題に鑑み、本発明では、真空チャンバ内に搭載された基材の大きさや配置にばらつきがあっても、真空チャンバ内のプラズマ密度を略均一にし、基材の表面のエッチング量を略一定にすることができるイオンボンバードメント装置及びこの装置を用いた基材表面のクリーニング方法を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係るイオンボンバードメント装置は、基材の表面に物理的蒸着法又は化学的蒸着法により皮膜を成膜する前に、前記基材を真空チャンバ内に搭載し、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当該基材の表面をクリーニングするイオンボンバードメント装置であって、前記真空チャンバの内壁面には、電子を放出する電極と、前記電極からの電子を受けるアノードと、が対向するように配設され、前記基材が前記電極と前記アノードとの間に搭載されており、前記真空チャンバから絶縁され、且つ前記電極と前記アノードとの間にグロー放電を発生させる放電電源が配設されており、前記アノードは、少なくとも前記基材が上下に搭載された方向と同方向に複数配設されており、前記放電電源は、前記アノードに対応するように複数設けられると共に、前記アノードと前記電極との間に生成されたプラズマの密度が、前記基材が上下に搭載された方向で均一になるように、個々に前記アノードの電流または電圧を設定す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、基材の表面に物理的蒸着法又は化学的蒸着法により皮膜を成膜する前に、前記基材を真空チャンバ内に搭載し、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当該基材の表面をクリーニングするイオンボンバードメント装置であって、前記真空チャンバの内壁面には、電子を放出する電極と、前記電極からの電子を受けるアノードと、が対向するように配設され、前記基材が前記電極と前記アノードとの間に搭載されており、前記真空チャンバから絶縁され、且つ前記電極と前記アノードとの間にグロー放電を発生させる放電電源が配設されており、前記アノードは、少なくとも前記基材が上下に搭載された方向と同方向に複数配設されており、前記放電電源は、前記アノードに対応するように複数設けられると共に、前記アノードと前記電極との間に生成されたプラズマの密度が、前記基材が上下に搭載された方向で均一になるように、個々に前記アノードの電流または電圧を設定することを特徴とする。
好ましくは、前記電極は、前記アノードに対応するように複数配設されているとよい。
好ましくは、前記電極は、長細状のフィラメント体で構成されているとよい。
好ましくは、前記アノードとして、前記基材の表面に物理的蒸着法又は化学的蒸着法により皮膜を成膜する際の蒸発源を用いており、前記蒸発源には、磁界を発生させて放電を制御する機構が備えられているとよい。
好ましくは、前記電極は、長細状のフィラメント体で構成されているとよい。
好ましくは、前記アノードとして、前記基材の表面に物理的蒸着法又は化学的蒸着法により皮膜を成膜する際の蒸発源を用いており、前記蒸発源には、磁界を発生させて放電を制御する機構が備えられているとよい。
好ましくは、前記蒸発源は、前記電極と対面する前記チャンバの内壁面に設けられており、前記蒸発源は、前記基材が上下に搭載された方向に沿って複数配設されているとよい。
本発明に係る基材の表面のクリーニング方法は、上述したイオンボンバードメント装置を用いて、成膜前の基材表面をクリーニングする方法であって、前記アノードと前記電極との間に生成されたプラズマの密度が、前記基材が上下に搭載された方向で均一になるように、放電電源の放電電流及び／又は放電電圧を制御することを特徴とする。
本発明に係る基材の表面のクリーニング方法は、上述したイオンボンバードメント装置を用いて、成膜前の基材表面をクリーニングする方法であって、前記アノードと前記電極との間に生成されたプラズマの密度が、前記基材が上下に搭載された方向で均一になるように、放電電源の放電電流及び／又は放電電圧を制御することを特徴とする。
本発明によると、真空チャンバ内に搭載された基材の大きさや配置にばらつきがあっても、真空チャンバ内のプラズマ密度を略均一し、基材の表面のエッチング量を略一定にすることができる。
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、基材Ｗの表面に物理的蒸着法（ＰＶＤ法）や化学的蒸着法（ＣＶＤ法）により皮膜を成膜する前に、基材Ｗを真空チャンバ２内に搭載し、真空チャンバ２内で発生したガスイオンを照射することによって、基材Ｗの表面をクリーニングする機能を有するものとなっている。
［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、基材Ｗの表面に物理的蒸着法（ＰＶＤ法）や化学的蒸着法（ＣＶＤ法）により皮膜を成膜する前に、基材Ｗを真空チャンバ２内に搭載し、真空チャンバ２内で発生したガスイオンを照射することによって、基材Ｗの表面をクリーニングする機能を有するものとなっている。
イオンボンバードメント装置１でクリーニングされる基材Ｗとしては、様々なものが考えられるが、例えば、切削工具やプレス加工のときに用いられる金型などがある。
これら切削工具や金型には、削り出し加工時やプレス加工時に大きな負荷がかかるため、耐摩耗性や摺動特性などの向上が求められている。斯かる特性を実現するために、ＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いて、基材Ｗの表面に硬質皮膜（ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、等）の成膜が行われるが、このような物理的蒸着法又は化学的蒸着法を用いて密着性の高い硬質皮膜を成膜するには、成膜処理を行う前に基材Ｗの表面を浄化（クリーニング）する必要がある。イオンボンバードメント装置１では、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Ｗに照射して表面を加熱、クリーニングする。
これら切削工具や金型には、削り出し加工時やプレス加工時に大きな負荷がかかるため、耐摩耗性や摺動特性などの向上が求められている。斯かる特性を実現するために、ＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いて、基材Ｗの表面に硬質皮膜（ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、等）の成膜が行われるが、このような物理的蒸着法又は化学的蒸着法を用いて密着性の高い硬質皮膜を成膜するには、成膜処理を行う前に基材Ｗの表面を浄化（クリーニング）する必要がある。イオンボンバードメント装置１では、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Ｗに照射して表面を加熱、クリーニングする。
以下、第１実施形態のイオンボンバードメント装置１の詳細を説明する。
なお、以降の説明において、図１の上下方向を説明における上下方向とし、図１の左右方向を説明における幅方向とする。
図１、図２に示すように、第１実施形態のイオンボンバードメント装置１は、を放出する電極３（カソード）と、この電極３からの電子を受けるアノード４と、クリーニングを施す対象物である複数の基材Ｗを搭載することができる回転式のワークテーブル１１（基材保持具）とで構成されている。
なお、以降の説明において、図１の上下方向を説明における上下方向とし、図１の左右方向を説明における幅方向とする。
図１、図２に示すように、第１実施形態のイオンボンバードメント装置１は、を放出する電極３（カソード）と、この電極３からの電子を受けるアノード４と、クリーニングを施す対象物である複数の基材Ｗを搭載することができる回転式のワークテーブル１１（基材保持具）とで構成されている。
加えて、電極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、電極３を加熱させる加熱電源６と、を有している。さらに、搭載された基材Ｗに負の電圧を印可させるバイアス電源１０がワークテーブル１１に接続されている。
上述の構成を有するイオンボンバードメント装置１は、真空チャンバ２内に収容されている。
上述の構成を有するイオンボンバードメント装置１は、真空チャンバ２内に収容されている。
図２に示す如く、真空チャンバ２は、平面視で八角形の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ものである。真空チャンバ２には、真空チャンバ２内部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内部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、排気口ともに図示せず）。
ワークテーブル１１は、平面視円板状の台であり、真空チャンバ２の底部に設けられている。このワークテーブル１１は、真空チャンバ２の底部の略中心に設けられた上下軸心回りに回転可能とされており、基材Ｗをワークテーブル１１上に起立状態（基材Ｗの長手方向を上下方向に向けて）で複数搭載できるようになっている。また、基材Ｗが搭載されたワークテーブル１１の幅方向両側には、電極３とアノード４とが配置されている。
電極３（カソード、陰電極）は、電子を放出するものであり、真空チャンバ２の一方側の内壁面に配置されている。電極３は、基材Ｗを挟んでアノード４（詳細は後述）と対面するように配置されており、基材Ｗが搭載された方向と同方向に配設されている。
第１実施形態の電極３は、長細状のフィラメント体で構成されており、タングステン（Ｗ）等の金属によって形成された線条材である。第１実施形態のイオンボンバードメント装置１では、ワークテーブル１１に基材Ｗが上下方向に積載されるものとなっているため、この長細状のフィラメント体３を、真空チャンバ２の一方側の内壁面に絶縁体を介して上下方向を向くように取り付けている。フィラメント体３の長さは、積載された状態の基材Ｗの全高さ（基材Ｗの処理高さ）と同じかあるいは若干上下方向に長く配置されている。
第１実施形態の電極３は、長細状のフィラメント体で構成されており、タングステン（Ｗ）等の金属によって形成された線条材である。第１実施形態のイオンボンバードメント装置１では、ワークテーブル１１に基材Ｗが上下方向に積載されるものとなっているため、この長細状のフィラメント体３を、真空チャンバ２の一方側の内壁面に絶縁体を介して上下方向を向くように取り付けている。フィラメント体３の長さは、積載された状態の基材Ｗの全高さ（基材Ｗの処理高さ）と同じかあるいは若干上下方向に長く配置されている。
図１に示すように、フィラメント体３は、側面視で基材Ｗと重複する位置に配設されている。つまり、フィラメント体３の上端部は、基材Ｗの上端より上方に突出するようになっており、フィラメント体３の下端部は、基材Ｗの下端より下方に突出するようになっている。なお、フィラメント体３の太さや組成は、上下方向にわたって均一とされている。
図２に示すように、フィラメント体３は、平面視で八角形の真空チャンバ２内の一つの内壁面（図では上側に位置する内壁面）の配備されている。また、図示はしないが、基材Ｗのクリーニングを繰り返し行うことで、フィラメント体３が消耗して切れたときのために、予備のフィラメント体３を真空チャンバ２に設けておいてもよい。
図２に示すように、フィラメント体３は、平面視で八角形の真空チャンバ２内の一つの内壁面（図では上側に位置する内壁面）の配備されている。また、図示はしないが、基材Ｗのクリーニングを繰り返し行うことで、フィラメント体３が消耗して切れたときのために、予備のフィラメント体３を真空チャンバ２に設けておいてもよい。
このフィラメント体３の両端部には加熱電源６が接続されており、この加熱電源６から電流が供給されてフィラメント体３が加熱することで、電子を放出する。フィラメント体３から放出された電子は、基材Ｗに対して処理高さ方向にわたってほぼ均一に照射される。基材Ｗ側へ放出される電子の量は、フィラメント体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。放出された電子は、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する。
なお、電極３の形態としては、フィラメント体３に限定されるものではない、例えば、矩形状乃至は針状とされた電極であってもよい。この場合、電極がフィラメント体３のように長細状ではないため、電子は広い範囲に広がり、生成されるプラズマも広範囲に亘るものとなる。また、電子放出プラズマ源などの電子源を用いてもよい。このような電子源はフィラメント体３に比べて小型化されており、プラズマが満遍なく広がるようになっている。
一方、アノード４（陽電極）は、正の電位（フィラメント体３より相対的に高い電位）が印可され、フィラメント体３と対面する他方側の真空チャンバ２の内壁面に設けられている。さらに、アノード４は基材Ｗが搭載された方向と同方向に複数配設されている。第１実施形態のイオンボンバードメント装置１では、ワークテーブル１１上に基材Ｗが上下方向に積載されるため、複数（３つ）のアノード４を互いに離れた状態で上下方向に並ぶように配設している。
アノード４は、側面視で、ワークテーブル１１に配置された状態の基材Ｗの全高さ（基材Ｗのクリーニング高さ）より上下方向に若干突出するように配設されている。
詳しくは、真空チャンバ２の内壁面上部に配設されたアノード４は、基材Ｗの上端より上方に若干突出するように配置されており、真空チャンバ２の内壁面下部に配設されたアノード４は、基材Ｗの下端より下方に若干突出するように配置されている。真空チャンバ２の内壁面中央に配設されたアノード４は、真空チャンバ２の内壁面上部に配設されたアノード４と真空チャンバ２の内壁面下部に配設されたアノード４との間にあって、基材Ｗ方向に沿って等間隔（等ピッチ）で配置されている。
詳しくは、真空チャンバ２の内壁面上部に配設されたアノード４は、基材Ｗの上端より上方に若干突出するように配置されており、真空チャンバ２の内壁面下部に配設されたアノード４は、基材Ｗの下端より下方に若干突出するように配置されている。真空チャンバ２の内壁面中央に配設されたアノード４は、真空チャンバ２の内壁面上部に配設されたアノード４と真空チャンバ２の内壁面下部に配設されたアノード４との間にあって、基材Ｗ方向に沿って等間隔（等ピッチ）で配置されている。
アノード４は、フィラメント体３と対面する他方側の真空チャンバ２の内壁面に一つ配設され、そのアノード４が配設された真空チャンバ２の内壁面の両側に隣接する内壁面にそれぞれ一つずつ配設され、各アノード４が横一列とならないように配置されている。例えば、フィラメント体３と対面する他方側の真空チャンバ２の内壁面中央にアノード４が配設されているとすると、その左側の隣接する真空チャンバ２の内壁面上部に別のアノード４が配設され、フィラメント体３と対面する他方側の真空チャンバ２の内壁面の右側の隣接する真空チャンバ２の内壁面下部にまた別のアノード４が配設されている。つまり、真空チャンバ２の内壁面に配設された複数のアノード４は、真空チャンバ２の周方向に沿って螺旋状に配置されているといえる。また、真空チャンバ２の内壁面に配設されたアノード４は、千鳥配列で配置されていてもよい。すなわち、真空チャンバ２において、隣接する３つの内壁面のいずれか一面でその中央にアノード４が配備され、他の面でその下部にアノード４が配備され、さらに他の面でその上部にアノード４が配備される構成が採用可能である。
このように、真空チャンバ２の内壁面にアノード４を一つずつ配置することにより、側面視で、大型のアノード４を配設することができる。
アノード４は、絶縁体を介して真空チャンバ２の他方側の内壁面に取り付けられているため、真空チャンバ２とは電気的に独立している。各アノード４には、後述する放電電源５の陽極が接続されている。
アノード４は、絶縁体を介して真空チャンバ２の他方側の内壁面に取り付けられているため、真空チャンバ２とは電気的に独立している。各アノード４には、後述する放電電源５の陽極が接続されている。
なお、図２に示すように、アノード４は、平面視で八角形の真空チャンバ２内の一つの内壁面（図では左下の内壁面）に配備され、平面視においてもフィラメント体３に略対面するものとなっている。
このように、複数のアノード４を基材Ｗが搭載された方向と同方向に配備した上で、各アノード４に接続された放電電源５を個々に調整することで、各アノード４に流入する電子をコントロールし、プラズマの上下方向分布が略均一になるように制御することが可能となる。なお、処理する基材Ｗにおいて、大きさ、形状によっては、クリーニング量（プラズマによる基材Ｗの表面の削り量、すなわちエッチング量）を意図的に多く乃至は少なくすることが好ましいケースもある。この場合、放電電源５を制御し、プラズマを不均一な分布とするとよい。
このように、複数のアノード４を基材Ｗが搭載された方向と同方向に配備した上で、各アノード４に接続された放電電源５を個々に調整することで、各アノード４に流入する電子をコントロールし、プラズマの上下方向分布が略均一になるように制御することが可能となる。なお、処理する基材Ｗにおいて、大きさ、形状によっては、クリーニング量（プラズマによる基材Ｗの表面の削り量、すなわちエッチング量）を意図的に多く乃至は少なくすることが好ましいケースもある。この場合、放電電源５を制御し、プラズマを不均一な分布とするとよい。
ところで、ＰＶＤ装置をイオンボンバードメント装置１として使用する場合や、ＰＶＤ装置においてＰＶＤ処理の前にイオンボンバードメント処理を行うことがある（ＰＶＤ装置とイオンボンバードメント装置１との兼用化）。その際には、ＰＶＤ装置でのカソード（皮膜を成膜する際に使用される蒸発源）を、イオンボンバードメント装置１のアノード４として使用する。
このような兼用化の利点として、簡易的な回路切替スイッチのみの設置で、真空チャンバ２内に新たにアノード４を設ける必要がなく、製作コストを抑えられることが挙げられる。また、アノード４に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、ＰＶＤ装置の蒸発源にはプラズマを発生させた際の温度上昇対策として、冷却機構が設けられている。イオンボンバードメント装置１の場合も、この冷却機構を有効に利用でき、新たに高温対策を講じる必要はない。
さらには、ＰＶＤ装置の蒸発源に、磁界を発生させて放電を制御する機構（磁界発生装置）が備えられている場合、この磁界発生装置を用いて、イオンボンバード時、フィラメント体３から放出される電子を制御することが可能となる。つまり、磁界発生装置の磁界によりアノード４に流入する電子を効率良くトラップできるため、フィラメント体３とアノード４との間の放電が安定するようになる。アノード４の面積が広い場合、プラズマをチャンバ内に均一に発生させることも可能となる。
加熱電源６は、フィラメント体３に電流を流して加熱させ、電子を基材Ｗへ照射させるための交流電源である。
この加熱電源６とフィラメント体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８の巻き数と出力側（フィラメント体３側）の２次コイル９の巻き数とが１対１である絶縁トランス７を介して、電気的に絶縁された状態で接続されている。
この加熱電源６とフィラメント体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８の巻き数と出力側（フィラメント体３側）の２次コイル９の巻き数とが１対１である絶縁トランス７を介して、電気的に絶縁された状態で接続されている。
このような構成により、加熱電源６から出力された交流電流は、絶縁トランス７を介し、フィラメント体３に流れる。そうすると、フィラメント体３は加熱されて、このフィラメント体３から電子が飛び出すこととなる。
なお、絶縁トランス７の１次コイル８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７の１次コイル８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。
図１に示すように、放電電源５は、フィラメント体３とアノード４との間に電位差をかけて放電を生じさせる直流電源である。放電電源５の正極側出力はアノード４に接続されており、放電電源５の負極側出力は絶縁トランス７を介してフィラメント体３に接続されている。
具体的には、放電電源５の負極側出力は、２次コイル９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９を通じて、フィラメント体３へ接続されている。
各放電電源５は、各アノード４とフィラメント体３（電極３）との間に生成されたプラズマの密度が基材Ｗの搭載方向で均一になるように制御可能とされている。放電電源５を制御するに際しては、フィラメント体３とアノード４との間の放電電流を制御してもよいし、フィラメント体３とアノード４との間の放電電圧を制御してもよい。そうすることで、真空チャンバ２内のプラズマ密度を均一にすることができ、基材Ｗに有効なクリーニングを施すことができる。
具体的には、放電電源５の負極側出力は、２次コイル９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９を通じて、フィラメント体３へ接続されている。
各放電電源５は、各アノード４とフィラメント体３（電極３）との間に生成されたプラズマの密度が基材Ｗの搭載方向で均一になるように制御可能とされている。放電電源５を制御するに際しては、フィラメント体３とアノード４との間の放電電流を制御してもよいし、フィラメント体３とアノード４との間の放電電圧を制御してもよい。そうすることで、真空チャンバ２内のプラズマ密度を均一にすることができ、基材Ｗに有効なクリーニングを施すことができる。
放電電源５としては、放電電流を制御可能なものであってもよく、放電電圧を制御可能なものであってもよい。好ましくは、放電電源５として、定格出力電力以内で広範囲な電圧・電流設定の組み合わせが可能な「自動移行型直流安定化電源」を採用するとよい。このようなワイドレンジ（通常の電源の２〜１０倍の可変域）の放電電源５を用いることで、放電状態に合った電源を複数準備する必要がなくなると共に、基材Ｗの量や配置方法によりフィラメント体３とアノード４との間でのグロー放電状態が変化しても、確実に対応できるようになる。
図３は、上述した自動移行型直流安定化電源の動作領域を示している。この図に示す如く、例えば、出力電流が５Ａ以内で制御される場合は、出力電圧が８０Ｖで一定に制御されている。一方、出力電流が５Ａを超えて制御される場合は、出力電圧が８０Ｖより低く制御されるようになる。出力電流が２５Ａのとき、出力電圧が１６Ｖとなる。このように、放電電流を制御すると放電電圧が大きく変化するようになり、フィラメント体３とアノード４との間でのグロー放電の変化に対応することができる。
バイアス電源１０は、真空チャンバ２に対する負の電荷を基材Ｗに印可する直流電源であって、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。このバイアス電源１０は、基材Ｗに１０〜１０００Ｖの負電圧を印可できるように設定されている。
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を用いて、基材Ｗの表面をクリーニングする方法について、図を参照して説明する。
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を用いて、基材Ｗの表面をクリーニングする方法について、図を参照して説明する。
図１、図２に示すように、まずチャンバ内の回転式のワークテーブル１１（例えば、φ１３０×Ｈ６００）に、クリーニング対象となる基材Ｗを複数搭載する。基材Ｗが搭載されると、チャンバ２内部の空気を排気させてほぼ真空状態にする。そして、真空状態となったチャンバ２、すなわち真空チャンバ２内部にアルゴンガスなどの不活性ガスを導入する。導入速度は、例えば３６０ｍｌ／ｍｉｎ程度である。その後、真空チャンバ２内部に配設されたヒータ（図示せず）で基材Ｗの表面をクリーニングするのに適した温度に加熱する。なお、アルゴンガスの導入は、チャンバ２内部の空気を排気すると同時に行ってもよい。
次に、導入されたアルゴンガスの雰囲気に満たされた真空チャンバ２において、各放電電源５から制御された電流を流す。そして、フィラメント体３とアノード４との間に電位差をかけた状態にしておき、加熱電源６から交流電流を流す。加熱電源６からの交流電流は、絶縁トランス７を介して、フィラメント体３に伝えられる。交流電流がフィラメント体３に流れると、このフィラメント体３から電子が放出される。これにより、放出された電子は、相対的に正の電位にあるアノード４の方向に移動し、フィラメント体３とアノード４との間でグロー放電状態になり、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となって、基材Ｗの近傍に正の電荷をもつアルゴンイオンが生成される。
なお、グロー放電の発生時には、フィラメント体３に流す加熱電流を増加させて、真空チャンバ２内のアルゴンガスのガス圧を昇圧させる。このようにすることで、フィラメント体３とアノード４との間のグロー放電が起こりやすくなる。グロー放電が開始されると、真空チャンバ２内のガス圧をグロー放電が維持できる設定値まで下げると共に、放電電圧が適正な値となるようにフィラメント加熱電流を調整する。
そして、プラズマ状態の真空チャンバ２において、ワークテーブル１１を介して接続されたバイアス電源１０をＯＮにし、真空チャンバ２に対して、負のバイアス電圧をワークテーブル１１に搭載された基材Ｗに印加する。基材Ｗに負のバイアス電圧が印加されると、アルゴンイオンが基材Ｗの表面に照射され、基材Ｗの表面にクリーニングが施される。
基材Ｗの表面に対するクリーニングが進み、基材Ｗの表面に所定のエッチングが行われたと判断されると、基材Ｗの表面のクリーニングを終了させるために、イオンボンバード装置の各電源をＯＦＦにする。
基材Ｗの表面に対するクリーニングが進み、基材Ｗの表面に所定のエッチングが行われたと判断されると、基材Ｗの表面のクリーニングを終了させるために、イオンボンバード装置の各電源をＯＦＦにする。
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及びアルゴンガス圧を制御する。
以上述べたように、第１実施形態のイオンボンバードメント装置１を採用することで、基材Ｗに対して高さ方向均一に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。
以上述べたように、第１実施形態のイオンボンバードメント装置１を採用することで、基材Ｗに対して高さ方向均一に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。
次に、上述した第１実施形態のイオンボンバードメント装置１を用いて、基材Ｗの表面をクリーニングする方法について、具体例を挙げて説明する。
図４は、第１実施形態のイオンボンバードメント装置１において、基材Ｗのエッチング量を略均一にするために放電電源５を制御している状況を示したものである。
図４（ａ）に示すように、真空チャンバ２内に配設されたワークテーブル１１には、複数の細長い脚で形成された載置台１２が積載されている。この載置台１２上にクリーニングの対象となる基材Ｗが搭載されている。この基材Ｗは、脚の長い載置台１２に搭載されているため、真空チャンバ２の上下方向略中央に搭載されている。
図４は、第１実施形態のイオンボンバードメント装置１において、基材Ｗのエッチング量を略均一にするために放電電源５を制御している状況を示したものである。
図４（ａ）に示すように、真空チャンバ２内に配設されたワークテーブル１１には、複数の細長い脚で形成された載置台１２が積載されている。この載置台１２上にクリーニングの対象となる基材Ｗが搭載されている。この基材Ｗは、脚の長い載置台１２に搭載されているため、真空チャンバ２の上下方向略中央に搭載されている。
すなわち、図４（ａ）における真空チャンバ２内の基材Ｗの搭載状況は、上下方向で基材Ｗの物量及び搭載位置が異なるものとなっている。真空チャンバ２の下方側（ワークテーブル１１周辺）は、載置台１２の脚のみが存在するだけで、物体が存在しない領域である。真空チャンバ２の上下方向中央は、載置台１２に搭載された基材Ｗが存在する領域であり、この基材Ｗは、真空チャンバ２の内壁面の中央に配設されたアノード４と対面するようになっている。真空チャンバ２の上方側（基材Ｗの上方）は、基材Ｗなど物体が存在しない領域、基材Ｗが搭載されていない領域である。
上述したような基材Ｗの搭載状況において基材Ｗの表面をクリーニングするには、本発明のイオンボンバード装置の放電電源５を制御すると、基材Ｗの表面のエッチング量を略一定にすることができる。例えば、上方側の放電電源５の放電電流を２Ａに制御し、中央の放電電源５の放電電流を４Ａに制御し、下方側の放電電源５の放電電流を２Ａに制御する。つまり、物体（基材Ｗ）が存在する領域に対応する電流を強くし、物体が存在しない領域に対応する電流を弱くするとよい。
このように、放電電源５の放電電流を基材Ｗの搭載状況に応じて制御すると、真空チャンバ２内のプラズマ濃度が略均一となり、基材Ｗの表面にイオンガスを略一定に照射することができる。また、図４（ａ）の基材Ｗの表面のエッチング量の分布を模式的に示すグラフが、上下方向でほぼ直線上になっていることからわかるように、基材Ｗの表面のエッチング量が略一定であることが確認できる。
次に、図４（ｂ）に示すように、真空チャンバ２内での基材Ｗの搭載状況が異なる例を示す。
図４（ｂ）では、真空チャンバ２内に配設されたワークテーブル１１には、複数の細長い脚で形成された載置台１２が積載されている。この載置台１２は、図４（ａ）に示された載置台１２よりもさらに長い脚で形成されている。そのため、この載置台１２に搭載される基材Ｗ（例えば、切削工具のような小型の基材）は、真空チャンバ２の上方側に配置されるようになっている。この載置台１２の下端側、すなわちワークテーブル１１には別の基材Ｗ（例えば金型のような大型の基材）が搭載されている。この基材Ｗは、載置台１２の脚に挟まれるようにワークテーブル１１に搭載されている。
図４（ｂ）では、真空チャンバ２内に配設されたワークテーブル１１には、複数の細長い脚で形成された載置台１２が積載されている。この載置台１２は、図４（ａ）に示された載置台１２よりもさらに長い脚で形成されている。そのため、この載置台１２に搭載される基材Ｗ（例えば、切削工具のような小型の基材）は、真空チャンバ２の上方側に配置されるようになっている。この載置台１２の下端側、すなわちワークテーブル１１には別の基材Ｗ（例えば金型のような大型の基材）が搭載されている。この基材Ｗは、載置台１２の脚に挟まれるようにワークテーブル１１に搭載されている。
故に、真空チャンバ２内の基材Ｗの搭載状況は、上下方向で基材Ｗの物量及び搭載位置が異なることになる。真空チャンバ２の下方側（ワークテーブル１１周辺）は、大型の基材Ｗが存在する領域であり、基材Ｗが密に配置された領域である。真空チャンバ２の中央は、載置台１２の脚のみが存在する領域、基材Ｗが搭載されていない領域である。真空チャンバ２の上方側は、載置台１２に搭載された小型の基材Ｗが存在する領域であり、小型の基材Ｗが粗の状態に配置された領域である。
上述したような基材Ｗの搭載状況において基材Ｗの表面をクリーニングするには、本発明のイオンボンバード装置の放電電源５を制御すると、基材Ｗの表面のエッチング量を略一定にすることができる。例えば、上方側の放電電源５の放電電流を３Ａに制御し、中央の放電電源５の放電電流を２Ａに制御し、下方側の放電電源５の放電電流を４Ａに制御する。つまり、物体（基材Ｗ）が存在する領域に対応する電流を強くし、物体が存在しない領域に対応する電流を弱くするとよい。物体が粗の状態に存在する領域は、中間程度の電流とするとよい。このように、放電電源５の放電電流を基材Ｗの搭載状況に応じて制御すると、真空チャンバ２内の基材Ｗ（成膜対象物）が存在する領域においてプラズマ濃度が略均一となり、基材Ｗの表面にイオンガスを略一定に照射することができる。また、図４（ｂ）の基材Ｗの表面のエッチング量の分布を模式的に示すグラフが、ほぼ直線上になっていることからわかるように、基材Ｗの表面のエッチング量が略一定であることが確認できる。
図５は、真空チャンバ２の上部に基材Ｗが存在しないような配置状態でのエッチング量分布の結果を示したものである。
図５の■印で示すように、放電電流制御を行って基材Ｗのクリーニングを行う（本発明）と、コーティングゾーンの基材Ｗ物量は略全ての領域（基材Ｗの搭載方向、約１２０ｍｍ〜約５３０ｍｍ）において、基材Ｗの表面のエッチング量が略一定であることが認められる。基材Ｗの表面のエッチング量（深さ）が、基材Ｗの搭載方向において、ほぼ０．２０μｍとなっている。
図５の■印で示すように、放電電流制御を行って基材Ｗのクリーニングを行う（本発明）と、コーティングゾーンの基材Ｗ物量は略全ての領域（基材Ｗの搭載方向、約１２０ｍｍ〜約５３０ｍｍ）において、基材Ｗの表面のエッチング量が略一定であることが認められる。基材Ｗの表面のエッチング量（深さ）が、基材Ｗの搭載方向において、ほぼ０．２０μｍとなっている。
これは、放出された電子がフィラメント体３とアノード４との間で基材Ｗの形状や配置などの影響を受けずに略均一に存在する。
つまり、真空チャンバ２内での基材Ｗの大きさや配置によらず、電子の存在する領域が一定となる。そして、真空チャンバ２内で生成されるプラズマの密度が略均一となり、機材の表面のエッチング量が略一定となることを示している。図５の■印によると、エッチング量のばらつきがσ±２３％以内に収まる。
つまり、真空チャンバ２内での基材Ｗの大きさや配置によらず、電子の存在する領域が一定となる。そして、真空チャンバ２内で生成されるプラズマの密度が略均一となり、機材の表面のエッチング量が略一定となることを示している。図５の■印によると、エッチング量のばらつきがσ±２３％以内に収まる。
一方、図５には、従来の基材Ｗのクリーニング方法（放電電源５を制御しない方法）も示されている。例えば、複数の放電電源５にうち１つの放電電源５の放電電圧を８０Ｖに設定する。他の複数の放電電源５は、放電電圧が８０Ｖに設定された放電電源５と同一の放電電圧となるようなマスタ・スレーブ状態にする。このような状態で、基材Ｗの表面にクリーニングを行う。
図５の▲印で示すように、放電電流制御を行わずに基材Ｗのクリーニングを行うと、基材Ｗの上方の領域（基材Ｗの搭載方向、３５０ｍｍ〜５００ｍｍ）において、基材Ｗの表面のエッチング量が増加していることが認められる。例えば、高さ２００ｍｍ（基材Ｗの下方側）では、基材Ｗの表面のエッチング量（深さ）が０．２０μｍに対して、高さ５００ｍｍ（基材Ｗの上方側）では、基材Ｗの表面のエッチング量（深さ）が０．４５μｍとなっている。
これは、放出された電子の多くが、基材Ｗが粗に配置された領域乃至は基材Ｗが配置されていない領域を通過したり、基材Ｗの影響が少ない領域を通過するようになっているためである。
つまり、真空チャンバ２内での基材Ｗの大きさや配置によって、電子が多数存在する領域と少なく存在する領域が発生する。そして、真空チャンバ２内で生成されるプラズマの密度が不均一となり、基材Ｗの表面のエッチング量にばらつきが生じることが示されている。図５の▲印によると、エッチング量のばらつきがσ±４２％以内と大きくなる。
つまり、真空チャンバ２内での基材Ｗの大きさや配置によって、電子が多数存在する領域と少なく存在する領域が発生する。そして、真空チャンバ２内で生成されるプラズマの密度が不均一となり、基材Ｗの表面のエッチング量にばらつきが生じることが示されている。図５の▲印によると、エッチング量のばらつきがσ±４２％以内と大きくなる。
さて、上記した結果を測定する手法であるが、本実験例の場合、基材Ｗの表面のエッチング量を測定するには、ワークテーブル１１に搭載された複数の基材Ｗの中から１本の基材Ｗを選び出し、この基材Ｗの表面にステンレス製の板を並べてマスキングを行う。そして、基材Ｗの表面のマスキングを基材Ｗのクリーニング終了後に除去すると、基材Ｗの表面が削られたエッチング部と基材Ｗの表面が削られていない非エッチング部とが形成される。エッチング部と非エッチング部とが形成されることで、基材Ｗの表面に段差が生じる。この段差を計測すると、基材Ｗの表面のエッチング量が確認できる。
以上述べたように、第１実施形態に係るイオンボンバードメント装置１を用いることで、真空チャンバ２内に搭載された基材Ｗの大きさや配置にばらつきがあっても、真空チャンバ２内のプラズマ密度を略均一し、基材Ｗの表面のエッチング量を略一定にすることが可能となる。
［第２実施形態］
次に、本発明のイオンボンバードメント装置１の第２実施形態について、図を参照して説明する。
［第２実施形態］
次に、本発明のイオンボンバードメント装置１の第２実施形態について、図を参照して説明する。
図６に示すように、第２実施形態に係る本発明のイオンボンバードメント装置１の構成は、第１実施形態の装置（図１及び図２参照）と、以下の点で略同じである。
すなわち、第２実施形態のイオンボンバードメント装置１は、電子を放出する電極３（カソード）と、この電極３からの電子を受けるアノード４と、クリーニングを施す対象物である複数の基材Ｗを搭載することができる回転式の基材保持具（ワークテーブル１１）とを有している。
すなわち、第２実施形態のイオンボンバードメント装置１は、電子を放出する電極３（カソード）と、この電極３からの電子を受けるアノード４と、クリーニングを施す対象物である複数の基材Ｗを搭載することができる回転式の基材保持具（ワークテーブル１１）とを有している。
加えて、電極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、電極３を加熱させる加熱電源６と、ワークテーブル１１に搭載された基材Ｗに負の電圧を印可させるバイアス電源１０とを有している点も同じである。さらに、上述した構成を有するイオンボンバード装置が、真空チャンバ２内に収容されている点も同じである。
しかしながら、第２実施形態では、電極３が１本の長細状のフィラメント体３で構成されているのではなく、基材Ｗが搭載される上下方向にわたって、複数（３本）のフィラメント体３が連なるように配設されている点が異なっている。
３つのフィラメント体３は、真空チャンバ２の一方側の内壁面に配置されていて、真空チャンバ２の他方側の内壁面に設けられた３つのアノード４にそれぞれ対面する位置に設けられている。各フィラメント体３の両端部には加熱電源６が接続されており、この加熱電源６から電流が供給されてフィラメント体３が加熱することで、電子を放出するようになっている。
３つのフィラメント体３は、真空チャンバ２の一方側の内壁面に配置されていて、真空チャンバ２の他方側の内壁面に設けられた３つのアノード４にそれぞれ対面する位置に設けられている。各フィラメント体３の両端部には加熱電源６が接続されており、この加熱電源６から電流が供給されてフィラメント体３が加熱することで、電子を放出するようになっている。
このように、複数のフィラメント体３を上下方向に連なるように配設することにより、基材Ｗの表面に対しての処理高さの範囲を広げることができ、基材Ｗの表面のクリーニングを一定にすることができる。また、１本の長いフィラメント体３に代えて、短いフィラメント体３とすることで、電気抵抗が短くなり、フィラメント体３の断線を抑えることができ、長時間使用が可能である。仮に、フィラメント体３が断線しても、その交換作業も容易になる。
なお、第２実施形態におけるその他の構成、他の作用効果は第１実施形態と略同じであるため、その説明は省略する。
［第３実施形態］
次に、本発明のイオンボンバードメント装置１の第３実施形態について、図を参照して説明する。
［第３実施形態］
次に、本発明のイオンボンバードメント装置１の第３実施形態について、図を参照して説明する。
第３実施形態のイオンボンバードメント装置１は、アノード４の配置位置が第１実施形態と大きく異なっている。
つまり、図７に示すように、アノード４は、平面視で八角形の真空チャンバ２内の２つの内壁面（図では、左下の内壁面と右下の内壁面）にそれぞれ配備されている。つまり、基材Ｗが搭載される幅方向に沿って、アノード４が複数配設されている。なお、電極３は、平面視で八角形の形状をした真空チャンバ２内の一つの内壁面（図では上側の内壁面）に配備されていて、この電極３、２つのアノード４は、平面視で三角形の頂点位置に対応するような配置となっている。
つまり、図７に示すように、アノード４は、平面視で八角形の真空チャンバ２内の２つの内壁面（図では、左下の内壁面と右下の内壁面）にそれぞれ配備されている。つまり、基材Ｗが搭載される幅方向に沿って、アノード４が複数配設されている。なお、電極３は、平面視で八角形の形状をした真空チャンバ２内の一つの内壁面（図では上側の内壁面）に配備されていて、この電極３、２つのアノード４は、平面視で三角形の頂点位置に対応するような配置となっている。
このように、アノード４を幅方向に複数配設することで、真空チャンバ２内のプラズマの範囲を広げることができ、基材Ｗの表面をクリーニングすることができる。
なお、第３実施形態におけるその他の構成、奏する作用効果は第１実施形態と略同じであるため、その説明は省略する。
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。
なお、第３実施形態におけるその他の構成、奏する作用効果は第１実施形態と略同じであるため、その説明は省略する。
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。
１ イオンボンバードメント装置
２ 真空チャンバ
３ 電極（フィラメント体）
４ アノード
５ 放電電源
６ 加熱電源
７ 絶縁トランス
８ １次コイル
９ ２次コイル
１０ バイアス電源
１１ ワークテーブル（基材保持具）
１２ 載置台
Ｗ 基材
２ 真空チャンバ
３ 電極（フィラメント体）
４ アノード
５ 放電電源
６ 加熱電源
７ 絶縁トランス
８ １次コイル
９ ２次コイル
１０ バイアス電源
１１ ワークテーブル（基材保持具）
１２ 載置台
Ｗ 基材
Claims (6)
- 基材の表面に物理的蒸着法又は化学的蒸着法により皮膜を成膜する前に、前記基材を真空チャンバ内に搭載し、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当該基材の表面をクリーニングするイオンボンバードメント装置であって、
前記真空チャンバの内壁面には、電子を放出する電極と、前記電極からの電子を受けるアノードと、が対向するように配設され、
前記基材が前記電極と前記アノードとの間に搭載されており、
前記真空チャンバから絶縁され、且つ前記電極と前記アノードとの間にグロー放電を発生させる放電電源が配設されており、
前記アノードは、少なくとも前記基材が上下に搭載された方向と同方向に複数配設されており、
前記放電電源は、前記アノードに対応するように複数設けられると共に、前記アノードと前記電極との間に生成されたプラズマの密度が、前記基材が上下に搭載された方向で均一になるように、個々に前記アノードの電流または電圧を設定することを特徴とするイオンボンバードメント装置。 - 前記電極は、前記アノードに対応するように複数配設されていることを特徴とする請求項１に記載のイオンボンバードメント装置。
- 前記電極は、長細状のフィラメント体で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオンボンバードメント装置。
- 前記アノードとして、前記基材の表面に物理的蒸着法又は化学的蒸着法により皮膜を成膜する際の蒸発源を用いており、前記蒸発源には、磁界を発生させて放電を制御する機構が備えられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のイオンボンバードメント装置。
- 前記蒸発源は、前記電極と対面する前記チャンバの内壁面に設けられており、
前記蒸発源は、前記基材が上下に搭載された方向に沿って複数配設されていることを特徴とする請求項４に記載のイオンボンバードメント装置。 - 請求項１〜５のいずれかに記載のイオンボンバードメント装置を用いて、成膜前の基材表面をクリーニングする方法であって、
前記アノードと前記電極との間に生成されたプラズマの密度が、前記基材が上下に搭載された方向で均一になるように、放電電源の放電電流及び／又は放電電圧を制御することを特徴とする基材の表面のクリーニング方法。
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