JPH02101160A - イオンプレーティング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、複合陰極型プラズマガンから発生したプラズ
マを用いて、効率的に高品質の薄膜を、均一に大面積で
形成するのに有効なイオンプレーティング方法に関する
ものである。

［従来の技術］ 従来より、光学薄膜、装飾用等に真空蒸着は広く使われ
ている。さらに、真空蒸着内にホローカソード、高周波
励起を導入してグロー放電を起こし、膜質の改善を行な
うイオンプレーティングという技術も知られている。し
かしながら、これらの方法で、建築用ビルの窓ガラス、
自動車用ガラス等の大面積基板に効率よく、高品質の膜
を蒸着するには問題があった。例えば、ホローカソード
法では、カソード部がプラズマにさらされるため、溶解
したり変形等により、安定した連続蒸着が難しかった。

また、イオンがカソード側に逆流する可能性もあり、長
時間大電力放電を行なうには難点があった。高周波法で
は放電を起こすのにリング状のアンテナ等を用い、かつ
、バイアスをかけるために基板側に金属板等を配置する
必要もあり、大面積に−様な放電領域を作るのが難しく
、しかも、放電は真空槽内のガス圧力に影響されるため
に、放電が不安定であり、大面積基板に均一に連続して
安定な蒸着を高速で行なうことは難しかった。

［発明の解決しようとする課題］ 上述のように、従来のホローカソードや、高周波励起を
導入したイオンプレーティング法では、大面積で均一な
薄膜を形成することは極めて難しいという問題を有して
いた。

Ｅ問題点を解決するための手段］ 本発明は上述の欠点を解消することを目的としてなされ
たものであって、アーク放電によって発生したアーク放
電プラズマ流を磁界を加えてシート状に変形し、該シー
ト状プラズマの下方に置かれた蒸発原料ハースの下に上
記シート状プラズマの幅方向に細長い永久磁石を置き、
かかる永久磁石による磁界によって上記シート状プラズ
マを曲げて上記蒸発原料に導き、蒸発原料を蒸発させ、
該蒸発原料の上方に置かれた基体上に被膜を形成するこ
とを特徴とするイオンプレーティング方法を提供するも
のである。

以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の方法によってイオンプレーティングを
行なうために用いる装置の一例の基本的構成を示す模式
図である。第１図は、被膜が形成される基体を固定した
場合の例である。

第２図は第１図のアーア断面図である。

本発明においては、アーク放電によるプラズマ流を用い
る。かかるアーク放電プラズマ流は、アーク放電プラズ
マ流発生源１とアノード（ハース）２の間で、プラズマ
発生用直流電源４を印加してアーク放電を行うことで生
成される。

かかるアーク放電プラズマ流発生源１としては、複合陰
極型プラズマ発生装置、又は、圧力勾配型プラズマ発生
装置、又は両者を組み合わせたプラズマ発生装置が好ま
しい。このようなプラズマ発生装置については、真空第
２５巻第１Ｏ号（１９８２年発行）に記載されている。

複合陰極型プラズマ発生装置とは、熱容量の小さい補助
陰極と、ＬａＢ６からなる主陰極とを有し、該補助陰極
に初期放電を集中させ、それを利用して主陰極ＬａＢ、
を加熱し、主陰極ＬａＢ５が最終陰極としてアーク放電
を行うようにしたプラズマ発生装置である。例えば第３
図のような装置が挙げられる。補助陰極としてはＷ、Ｔ
ａ、Ｍｏなどの高融点金属のコイル又はパイプ状のもの
が挙げられる。

このような複合陰極型プラズマ発生装置においては、熱
容量の小さな補助陰極５２を集中的に初期放電で加熱し
、初期陰極として動作させ、間接的にＬａＢ６の主陰極
５１を加熱し、最終的にはＬａＢｅの主陰極５１による
アーク放電へと移行させる方式であるので、補助陰極５
２が２５００℃以上の高温になって寿命に影響する以前
にＬａＢａの主陰極５１カ月５００℃〜１８００℃に加
熱され、大電子流放出可能になり、補助陰極５２のそれ
以上の温度上昇が避けられるという点が大きな利点であ
る。

又、圧力勾配型プラズマ発生装置とは、陰極と陽極の間
に中間電極を介在させ、陰極領域をＩ　Ｔｏｒｒ程度に
、そして陽極領域を１Ｏ−３Ｔｏｒｒ程度に保って放電
を行うものであり、陽極領域からのイオン逆流による陰
極の損傷がない上に、中間電極のない放電形式のものと
比較して、放電電子流をつくりだすためのキャリアガス
のガス効率が飛躍的に高く、大電流放電が可能であると
いう利点を有している。

複合陰極型プラズマ発生装置と、圧力勾配型プラズマ発
生装置とは、それぞれ上記のような利点を有しており、
両者を組み合わせたプラズマ発生装置、即ち、陰極とし
て複合陰極を用いると共に中間電極も配したプラズマ発
生装置は、上記利点を同時に得ることができるので本発
明のアーク放電プラズマ流発生源１として大変好ましい
。

第１図にはアーク放電プラズマ発生源１として、第３図
に示したような複合陰極２１と、環状永久磁石を含む第
１中間電極２２、空芯コイルを含む第２中間電極を有す
る第２中間電極２３を有するものを用いた場合を示した
。

本発明においては、アノード（ハース）２をプラズマ発
生源１の下方に位置するように配置し、空芯コイル６に
よって妾牛番キキ÷プラズマ発生源１から発生したアー
ク放電による高密度のプラズマ流を真空室３に引き出す
。さらに、引き出したプラズマをシート状にするために
、一対の永久磁石５をＮ極面を対向させてプラズマをハ
ース２と基体７方向から挟み、かつ、永久磁石のＮ極、
あるいは、Ｓ極面をハース２面、あるいは、被膜を形成
する基体７面と平行になるように配置し、プラズマをハ
ース２、あるいは基板７と平行な方向におしつぶし、シ
ートプラズマ８を形成する。

第１図において、一対の永久磁石５によってシート状に
変形されたシートプラズマ８は、第１図の上から下方向
の厚さ及び第１図に垂直な方向に第２図に示したような
幅を有している。

かかるシートプラズマ８はハース２の下に置かれた永久
磁石９のつくる磁場によって約９０＠で曲げられ、ハー
ス２に集束し、ハース２内の蒸発原料ｌＯを蒸発させ、
蒸発した粒子がハース２の上方に置かれた基体７上に付
着して被膜が形成される。

本発明においては、永久磁石９は第２図に示したように
、シートプラズマ８の幅方向において、ハース２と少な
（とも同じ長さを有していることが好ましい。ハース２
内の蒸発原料上にまんべんなくシートプラズマ８が入射
し、蒸発原料を有効に用いることができるからである。

又、本発明においては、永久磁石９及びハース２は、第
２図に示したようにシートプラズマ８の幅方向において
、基体７と少な（とも同じ長さを有していることが好ま
しい。ハース２から蒸発した蒸発原料が、シートプラズ
マの幅方向で、基体７上にまんべな（、可及的に均一に
付着できるからである。

又、本発明において、ハース２及び永久磁石９は第１図
の矢印Ａ方向、即ち、基体７と平行な面内で並進運動を
させるとシートプラズマの幅と垂直な方向において、基
体７にハース２から蒸発した蒸発原料が均一に付着し、
基体７のハース２の真上の部分と、離れた部分とで膜厚
が不均一になることを可及的に防止できるので、大変好
ましい。

又、本発明において、例えば第５図のように、ハース２
より細い永久磁石９を用い、第５図矢印Ｂのようにハー
ス２に対して相対的に永久磁石９を移動させハース２に
均一にプラズマが入射するように操作することもできる
。こうすることによって、蒸発原料の使用効率が増大す
る。特に蒸発原料が金属酸化物等の高価な材料の場合は
、特に有効である。この操作は、上記第１図の矢印Ａの
並進運動と組み合わせて行なうこともできる。

又、第７図のように、蒸発原料ハース２及びと 被膜を形成する基体７七真空室３内に配置し、細長い矩
形状の永久磁石９を真空室３の外側かつ蒸発原料ハース
２の下方に配置してイオンプレーティングを行なうこと
もできる。この場合、真空室３の底面の蒸発原料ハース
２と永久磁石９の間に挟まれた部分は、磁界を遮蔽しな
い材質で構成されていることが必要である。以上のよう
にすることによって、真空室３の底面を介して、シート
プラズマ８の幅、厚さ、プラズマ密度等を、永久磁石９
を変えることによって、所望に応じ、真空室外でコント
ロールすることができる。シートプラズマの幅、長さ、
プラズマ密度は、蒸発原料２、永久磁石９、アーク放電
プラズマ流発生源ｌに印加されるパワー等によって変化
するが、このうち、永久磁石９の形状、磁力の強度を自
由に変化させることができれば、十分なシートプラズマ
のコントロールが可能となる。上述したように、永久磁
石９を真空室３外に配置するようにすれば、真空室３内
を変えずに、永久磁石９の種類、形状を変えたり、永久
磁石９と蒸発原料ハース２との距離を変化させたりする
ことが可能となる。これは、異種材料の膜の多層化、及
び、連続生産のための安定化に大きく寄与する。

又、放電用ガス導入口１１からは、放電用ガスが導入さ
れる。又、真空室３は、排気手段によって１Ｏ−３Ｔｏ
ｒｒ程度又はそれ以下に保たれることが望ましい。

本発明において用いられる蒸発原料１０としては、金属
、合金、これらの酸化物、硼化物、炭化物、珪化物、窒
化物あるいはこれらのうち１又は２種類以上を含む混合
物からなるタブレットが使用でき、特に限定されるもの
ではないが、金属酸化物膜を形成する場合には、金属酸
化物タブレットを用いると、製膜条件の制御が容易で良
質の膜が得られるので好ましい。特に、錫を含む酸化イ
ンジウム膜を形成する場合には、非常に低抵抗の膜が得
られるという理由から錫を５〜１０重量％含む酸化イン
ジウムのタブレットが好ましい。

又、本発明においては、ガス導入口１１から真空室３へ
導入される放電用ガスとしては、特に限定されないが、
Ａｒ、　Ｈｅなどの不活性ガスが好ましい。又、真空室
３内のガス雰囲気は、かかるＡｒなどの不活性ガスの他
に、真空室３に設けられたガス導入手段１２により、反
応ガスとして０□、　Ｎ２などを、０〜５０体積％添加
してもよい。

本発明において薄膜を形成する基体７としては、ガラス
、プラスチック、金属からなる基体やフィルムなどが使
用でき、特に限定されるものではないが、本発明の方法
では、特に基体を加熱しなくても高品質の膜が得られる
ので、耐熱性の低いもの、例えば、プラスチックからな
る基板又はフィルムあるいはあらがしめ有機高分子膜を
有するガラス板、例えば、カラーフィルター膜を有する
液晶カラーデイスプレー用ガラス基板などにも十分に適
用できる。

又、本発明において基体７上に形成される薄膜としては
、金属膜、合金膜、金属の酸化物、窒化物、硼化物、珪
化物、炭化物あるいはこれらのうち１又は２種類以上を
含む混合物からなる薄膜等が形成でき、特に限定される
ものではないが、本発明の方法は、低抵抗で高透過率の
透明導電膜を得るのに最適である。かかる透明導電膜と
しては、錫を含む酸化インジウム膜、アンチモンを含む
酸化錫膜、アルミニウムを含む酸化亜鉛膜等が好適な例
として挙げられる。

本発明の方法は、液晶表示素子等のデイスプレー用の透
明電極、太陽電池等の電極、熱線反射ガラス、電磁遮蔽
ガラス、低放射率（１（＋ｗ−Ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ）
ガラス等の製造にも適用できる。本発明において、製膜
中、基体７は静止していても良いし、搬送されても良い
。特に、第１図において左から右、または右から左、即
ち、第２図において紙面の手前から裏側へ垂直に向かう
方向、又は、裏側から手前へ垂直に向かう方向に搬送し
ながら、被膜形成を行なうと、シ一トブラズマの幅方向
に均一な膜を連続して形成することができるので好まし
い。

本発明においては、アーク放電プラズマ流発生源１に印
加する直流電源４や、プラズマ流をシート状に変形する
永久磁石５の長さ、磁力の強度等を調整すれば、厚さ０
゜５〜３ｃｍ、幅１０〜５０ｃｍ程度のシートプラズマ
を容易に形成でき、又、永久磁石９の長さ、磁力の強度
等を変えることにより、ハース２上へのシートプラズマ
の幅、及びプラズマの形状、密度を変えることができる
。

さらに、第４図のように、２以上のプラズマ発生源１か
ら発生したプラズマを磁場手段（具体的には、第４図に
おいては永久磁石５）によってシート状に変形したシー
トプラズマを同一平面内に隣接させて大面積のシートプ
ラズマを形成し、その下方に置かれたハース２上へ曲げ
て蒸発させるようにすることもできる。第４図は、第１
図のような装置を３つ隣接させた場合を第１図の上から
下へ向かって見た所を示す図である。このように複数の
シートプラズマを隣接させる場合、永久磁石５による、
シートプラズマの幅方向の磁場成分Ｂ８の対称性を保つ
ために、複数の永久磁石５を結ぶ線の延長線上、かつシ
ートプラズマの両端の外側には、もう−組ずつの永久磁
石１５を配する必要がある。

ハース２は、第４図のように細長いもの一個でもよいし
、異なる蒸発材料を有する複数の比較的短いハースから
なるものであっても良い。

どちらの場合も、薄膜が形成される基体は静止していて
もよいし、搬送してもよい。この場合矢印Ｃ方向に基体
を搬送すると、大面積の薄膜が非常に均一に高速で製膜
できる。

また、第１図のような成膜装置をインライン型成膜装置
の一部に組み込むことにより、スパッタ膜、蒸着膜等の
他の成膜装置との組み合わせによって多層膜を連続生産
することも可能である。多層膜を形成する場合に、多層
の材料を最も適した方法により、成膜することが重要に
なっており、特に大面積の場合に蒸着法では膜厚分布が
問題となっていたが、本発明のようにシートプラズマを
用いることにより、大きく改善される。

又、第６図のように、複数のハースを設け、異なる蒸発
原料１０Ａ、　ＩＯＢ、　ＩＯＣを入れてイオンプレー
ティングを行なうこともできる。第６図において、各ハ
ース２Ａ、　２Ｂ、　２Ｃ，及び永久磁石９Ａ。

９Ｂ、　９Ｇはそれぞれ、第２図のように基体７と少な
（とも同じ幅を有していることが望ましい。

スイッチ１３Ａ、　１３Ｂ、　１３Ｇを所望により選択
して１種または２種以上の組成からなる膜を基体７上形
成することができる。第６図はスイッチ１３ＢのみをＯ
Ｎにし、蒸発原料１０Ｂ上に集中的にシートプラズマ８
を収束させて、蒸発原料１０Ｂを蒸発させて被膜形成を
行なう場合を示している。

特にインライン型の装置においては、蒸発原料の種類を
変えるためのジョブチェンジが不要となり、大幅なコス
トダウンが可能となる。又、スイッチのうち２つ以上を
ＯＮにし、直流電源４Ａ、　４Ｂ、　４Ｇに所望のパワ
ーを投入することによす、対応する蒸発原料に入射する
シートプラズマの密度を調整し、蒸発速度を制御し、多
成分の膜の組成を制御して形成することもできる。

ハース２Ａ、　２Ｂ、　２Ｇの厚み（第６図の左右方向
の長さ）を小さくして多種類のハースを互いに近接させ
れば、特定の組成の多成分からなる膜を均一に形成でき
る。特に、基体７を矢印りまたはＤ′力方向搬送すると
、より好ましい。

本発明においては、３０００〜１００００人／ｍｉｎ程
度の成膜速度が得られ、従来のイオンプレーティング法
に比べ非常に高速で良質の膜が成膜できる。

例えば、錫を含む酸化インジウムの蒸発原料として１．
　Ｔ　Ｏ膜を成膜する場合、５０００人／ｍｉｎ程度の
成膜速度で比抵抗３　Ｘ　１０−’Ω・ｃｍ以下の低抵
抗のＩＴＯ膜が得られる。

［作用］ 本発明において、使用されるシートプラズマは、アーク
放電を利用しているため、従来のマグネトロンスパッタ
やイオンプレーティングに利用されているグロー放電型
プラズマに比べて、プラズマの密度が５０〜１００倍高
く、ガスの電離度は数十％となり、イオン密度、電子密
度、中性活性種密度も非常に高い。このような高密度の
プラズマを蒸発原料上に収束させることで、蒸発原料か
ら非常に多数の粒子を取り出すことが可能となり、従来
のイオンプレーティング法に比較して３〜ｌＯ倍の高速
成膜を実現できる。更に、酸素、アルゴンなどの雰囲気
ガスの多くは、反応性の高いイオンや中性の活性状態を
取り、加えて蒸発した粒子も基板に到達する前に、高密
度のシートプラズマの中を通り、反応性の高い中性の活
性種となる。その結果、基板上での反応性が高まり、基
板加熱がなくとも、比抵抗の低い透明導電膜が従来より
も高速の成膜速度で実現できる。

［実施例］ 基板７として、ガラス板を用い、蒸着物としては導電性
酸化物のＩＴＯ膜を以下の方法で蒸着した。先ず真空室
３の真空度を２　Ｘ　１Ｏ−５Ｔｏｒｒまで引き、その
後０□ガスを導入して４．ＯＸｌ０−’Ｔｏｒｒにし、
第３図に示したような複合陰極を有する第１図のような
プラズマ発生装置を用いて、直流電源４を２５０Ａ、　
７０Ｖに設定しアーク放電を行なった。ハース２と基板
７間距離的６０ｃｍとし、基板固定で行なった。膜厚１
４８００人、比抵抗３．０５Ｘ　１０−’Ω・ｃｍ　、
可視光透過率７０％（基板ガラス９２％）の膜を得た。

これは成膜速度５０００人／ｍｉｎであり、ＥＢガンな
どによる方法に比べて極めて早い。基板無加熱で行なっ
た蒸着としては比抵抗もかなり低いものが得られた。

［発明の効果］ 本発明は、種々の化合物の薄膜を基板加熱することなく
、高速で、しかも高品質のものを成膜することが可能で
ある。又、薄膜の種類に応じて最適なプラズマ流を発生
させることが可能なので、最適の膜を形成することがで
きる。即ち、シートプラズマの幅を広げることにより、
大面積基板のものに対しては、基体７上の膜厚分布を小
さくすることができ、逆に永久磁石９として小さなもの
を用いてシートプラズマを小さく点状にすることにより
ハース２上での集中度を増し、蒸発しに（い材料を容易
に蒸発できるようにすることもできる。

又、本発明においては、ハース２および磁石９を並進移
動することにより、更に大面積における膜厚分布を向上
させることが可能となり、ハース２を複数設けて大面積
で多層膜への応用も可能となる。

さらに、ハース２と永久磁石９を相対的に移動すること
によって、ハース内の蒸発物質１０の利用効率を非常に
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によってイオンプレーティングを行なう
ために用いる装置の一例の基本的構成を示す模式図、第
２図は第１図のアーア断面図、第３図は本発明において
用いるアーク放電プラズマ発生装置の陰極としての複合
陰極の一例の断面図、第４図はシートプラズマを隣接さ
せた大面積シートプラズマを用いる場合の模式図、第５
図はハースと永久磁石を相対的に移動させる場合の模式
的説明図、第６図は、複数のハースを設けた場合の模式
的説明図である。 １：アーク放電プラズマ流発生源 ２：ハース（アノード） ３：真空室 ４：プラズマ発生用直流電源 ５：永久磁石 ６：空芯コイル ７：基　体 ８：シートプラズマ ９：永久磁石 １０：蒸発原料 ｌｌ：放電用ガス導入口 １２：反応ガス導入口 １３：スイッチ ２１：複合陰極 ２２：環状永久磁石内蔵第１中間電極 ２３：空芯コイル内蔵第２中間電極 ５１　：　ＬａＢ、主陰極 ５２： ５３　＝ ５４＝ ５６： ５７： ５８： Ｔａパイプの補助陰極 陰極を保護するためのＷからなる円板 Ｍｏからなる円筒 Ｍｏからなる円板状の熱シールド 冷却水 ステンレスからなる陰極支持台 ガス導入口 第５図 第 図 手続ネ甫正書（方式） 平成１年２月２８日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アーク放電によって発生したアーク放電プラズマ流
   を磁界を加えてシート状に変形し、該シート状プラズマ
   の下方に置かれた蒸発原料ハースの下に上記シート状プ
   ラズマの幅方向に細長い永久磁石を置き、かかる永久磁
   石による磁界によって上記シート状プラズマを曲げて上
   記蒸発原料ハース上に導き、蒸発原料を蒸発させ、該蒸
   発原料の上方に置かれた基体上に被膜を形成することを
   特徴とするイオンプレーティング方法。 ２、蒸発原料ハースが単一または複数のハースから構成
   され、全体としてシートプラズマの幅方向に細長い形状
   を有し、該蒸発原料ハースの下の永久磁石が、シートプ
   ラズマの幅方向において、該蒸発原料ハースと少なくと
   も同じ長さを有することを特徴とする請求項１記載のイ
   オンプレーティング方法。 ３、蒸発原料ハース及びその下の永久磁石が、被膜が形
   成される基体のシートプラズマの幅方向の長さと少なく
   とも同じ長さを有していることを特徴とする請求項１記
   載のイオンプレーティング法。 ４、蒸発原料ハース及びその下の永久磁石を、基体と平
   行な面内で基体と相対的に移動させて、被処理物に均一
   な薄膜を形成することを特徴とする請求項１〜３いずれ
   か１項記載のイオンプレーティング方法。 ５、蒸発原料ハース及びその下の永久磁石を互いに相対
   的に移動させることを特徴とする請求項１〜４いずれか
   １項記載のイオンプレーティング方法。 ６、蒸発原料ハース及び被膜を形成する基体を真空室内
   に配置し、細長い永久磁石を真空室の外側で上記蒸発原
   料ハースの下方に配置してイオンプレーティングを行な
   うことにより、上記永久磁石の種類を真空室外で所望に
   応じ交換できるようにしたことを特徴とする請求項１〜
   ５いずれか１項記載のイオンプレーティング方法。