JPH04503535A - サブストレートを被覆する方法及び装置 - Google Patents

サブストレートを被覆する方法及び装置

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JPH04503535A
JPH04503535A JP2-509035A JP50903590A JPH04503535A JP H04503535 A JPH04503535 A JP H04503535A JP 50903590 A JP50903590 A JP 50903590A JP H04503535 A JPH04503535 A JP H04503535A
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ヴェッセマイエル ハラルド
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ハウゼル ホールディング ベスローテン フェンノート シャップ
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(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。

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【発明の詳細な説明】 (翻訳文) サブストレートを被覆する方法及び装置本発明はサブストレートを被覆する方法 に関し、特に、設けられるべき層が、ガス放電により発生したプラズマの凝縮粒 子を適当なサブストレートに入射することによって、生成される方法に関する。
本発明は、さらに、かかる方法を実施する装置に関する。
表面実用技術、特に薄膜生成は、産業応用に関して近年、非常に重要なものにな っている。薄膜の生成または材料表面の処理だめの公知真空方法の数々には、当 初、炉、舟容器及びるつぼ内の蒸発に関する方法が含まれている。これらの方法 においては、蒸発は特に、電気加熱を通じてアノードあるいはカソードのアーク による電子衝撃によって、または誘導AC電界における導電性材料の渦巻電流加 熱によって起こっている。さらに、カソードの大面積スパッタリングは、DCあ るいはACグロー放電におけるイオン化の磁気エンハンスメントによっても、あ るいはよらなくともカソードスパッタリングの種々の具体例において知られてい る。
公知かつ通例のイオン補助蒸発方法においては、サブストレート上に入射される 原子及びイオンすなわちサブストレート上に入射される粒子の運動エネルギーが 分布されて、高エネルギー粒子が凝縮層の結晶格子内に欠陥を引き起こし圧力応 力及び脆弱化を導き、または好ましくない凝縮層の逆スパツタリングあるいは再 スパツタリングを導く誘引効果を引き起こす。一方、低エネルギーの入射粒子は 、均質な層形成を保証するために必要な運動エネルギーをその表面でほとんど得 ることができないことがしばしばある。特に、サブストレート上に入射される原 子及びイオンの運動エネルギーの広く従って好ましくない分布は、アーク蒸発器 において現れる。さらに、小滴と呼ばれる大きい粒子がアーク蒸発器の種々の形 態でしばしば発生し、これは例えば腐食耐性材料被覆が必要な場合、あるいは層 材料の摩擦係数が特に低くなることが期待できる場合には非常に不安になる。
アーク蒸発と比較するときカソードスパッタリングによるイオン化粒子の低集中 は好ましくはない、特に被覆されるべきサブストレートの直接環境においては好 ましくはない。これは十分な密度を有していない凝縮層をしばしば導き、特に、 例えば堅い材料の被覆の場合のような高い融点の層を析出するときに導く。
さらに、カソードスパッタリングにより析出された層の結合強度は、アーク蒸発 によって析出された層の結合強度より劣っている。一方、カソードスパッタリン グでは、適当な負のサブストレートバイアスの選択を通じて例えば10eVから °l 000eVまで及びそれ以上の数エレクトロンボルトの範囲内で入射イオ ン化粒子の運動エネルギーの正確な設定が不可能であり、また、運動エネルギー を有していない典型滴には10eVより低い非イオン化原子の大部分を設定でき ない。
本発明の目的は、欠陥ができるだけなく同時によく結合された、すなわち高品質 な層の析出、沈着を保証し、さらに、析出パラメータの適当な選択を通じて層を 所望の環境に理想的にかつ正確に適合させる十分な可能性を提供する方法を開発 することにある。
かかる目的は、アーク放電蒸発工程及びカソードスパッタリング工程の両者が遂 行される本発明により満たされ、アーク放電蒸発はカソードスパッタリングの前 に実行され、すなわち第1相においてアーク蒸発の種類の被覆工程ステップが用 いられ、被覆は継続されまたは、カソードスパッタリングニよって終了する。
カソードスパッタリングに先立つアーク放電蒸発の結果、移行層はサブストレー ト表面に高エネルギーイオンで生成され、サブストレート上に設けられた層の良 好な結合を確保し、一方、カソードスパッタリングの進行中、所望の結晶成長及 び所望の形成すべき層の結晶構造に対応する広い範囲に亘る低粒子エネルギーの 凝縮スピード並びにサブストレートのバイアス電圧の両者を高感度に制御できる 。蒸発された粒子の短い中間自由経路の結果、層の均一厚分布が角部の回りでさ えも達成される。
カソードスパッタリングはそこで実行され、カソードスパッタリングに関係する カソード材料の蒸気およびガス原子は、磁界の下でサブストレート及びカソード 間の空間において実質的に高い程度までイオン化され得、DCスパッタリングあ るいはマグネトロンスパッタリングのような通例の公知カソードスパッタリング 方法と比較したときかかる原子などが付加的に提供されて、これによって、密度 の高い層の析出が可能となる。これは、特定のコイルからなる特別の磁気回路配 置の散乱場であって磁界補助スパッタリング及び不均衡マグネトロン(文献1. 2.3.4.5.6参照)の公知の原理に従って形成される散乱場によって、達 成される。
サブストレート上に凝縮する粒子の大部分はイオン化されるので、運動エネルギ ーは例えばサブストレートの負のバイアスによって問題なく好ましく制御され得 る。アーク放電蒸発及びカソードスパッタリングの本発明による組み合わせでは 、特に、不均衡マグネトロンによるカソードスパッタリングでは、2つの被覆方 法の利点はすなわち良好な結合強度と高品質層が達成でき、これらは、個別では 当初不都合と呼ばれたがこれにかかわらす理想的な方法で利用できる。
サブストレートは、最適なエネルギーでイオン電流密度のTiイオンによるアー ク放電蒸発中にまず衝撃されることが好ましく、サブストレートの表面はイオン エツチングにより清浄化され、すなわち公知の方法で部分的に除去される。この 表面清浄のため所望の高イオンエネルギーは例えば、1500Vから2000V までの範囲内の負のサブストレートバイアスの印加によって比較的容易に発生で きる。
アーク放電蒸発及びカソードスパッタリングの本発明の組み合わせのために重要 である移行領域はアーク放電蒸発の下でサブストレートの直接的下の領域におい て連続的に形成される。このためには、例えばアーク放電蒸発中に生成された多 数のイオン化されたTi原子が所定の条件の下でサブストレートの表面に注入さ れ得ることが利用される。この目的のためには、Tiイオンのエネルギーは、− 力において十分高くする必要があり、他方、初めになされる上記したエツチング 工程を避けるために高過ぎてはならない。これは例えば、負のさぶ電位が100 0Vから1500v好ましく411100Vから1200V(7)範囲内にある とき、異なって合金化された鉄鋼材のサブストレートによって達成される。
イオン含有サブストレートの場合においては、Ti−Fe混合結晶が形成され、 例えば被覆中に成長するTiN層の特に好ましい係留を確保する。これに類似す る好ましい結果は、Zr、Hf%Cr、Ta、NbまたはVのイオンをTiイオ ンの代わりに前処理として用いれば達成できる。これらの場合、例えば200か ら400オングストロームの厚さで混合した結晶の豊富な領域は初めにサブスト レート表面の下に直接形成し、一方外来のイオンが注入された拡散断面がその下 において1500から2000オングストロームの深さまでサブストレートの厚 さ内に伸長して生じる。この移行層はそこで、例えばTi蒸気のイオンエネルギ ーが対応して最適化されたとき、機械的負荷が加わった間に非常に堅くかつ比較 的脆いTiN被覆を保持する機能を生ぜしめる。
被覆工程の継続は2つの方法によって実効され得る。
一方においては、サブストレートにおける負のバイアスは、窒素原子及びイオン の存在下において金属原子及び金属イオンの多数がサブストレートに到着して凝 縮するまで、アーク放電蒸発を保持しつつ、減少され得る。これは例えば、負の サブストレートバイアスが10から200V好ましくは50から100Vの範囲 内にあるときである。例えばTiNの所望の層の厚さが20%まで毛達成された とき、被覆は遮断される。工程は切り替えられて、カソードスパッタリングに設 定される。
他方において、サブストレートからその層までの移行層をより均一に設計方法は 、アーク放電蒸気によって移行層を製造するすぐ後にイオン注入を越え切り替え て、カソードスパッタリングニよって被覆して、ここで原理的には不均衡マグネ トロンを用いる場合に、実行できる。例えば、TiNの析出の場合においては、 負のサブストレートバイアス電圧がカソードスパッタリングの間中40Vから2 00V好ましくは50±25Vの範囲にて印加されることが好ましい。そうする 場合には、イオン衝撃は適当な層の厚さを得るためにイオン電流密度を2mA/ am″より大きくして実行されることを確保すべきである(文献7.8参照)。
アーク放電蒸発の工程及びカソードスパッタリングの工程は、1つの及び同一の カソード化ら実行され得る。しかしながら、この2つの工程ステップのために分 離した個別のカソードを用いるこができる。このことは、一方においてより高価 となるシステム概念を導くが、他方実際の被覆と異なる材料で移行層を構成でき る可能性を開くものである。
本発明による方法を実行する装置は個別の作動ガスを収容するチャンバを含み、 さらに、チャンバ内に配置されたサブストレートホルダを含み、異なる方法ステ ップを実行するに必要な種々の電気回路を含む。かかる配置において用いられる チャンバは、10−5mba rまで吸引される通例の真空ホンプが用いられる 。
チャンバは電気的に接地されている。
本発明は、図面を参照しつつ以下に詳細に説明される。
図1は、通例のアーク放電蒸発方法によりサブストレートを被覆するとき、サブ ストレート上に入射される粒子の運動エネルギーの典型的な分布の線図である。
図2は、アーク放電蒸発及びカソードスパッタリング工程を説明する基本電気回 路図である。
図3は、本発明の方法を実行するための装置の概略図である。
[!14は、マグネトロンカソードの代表例を示す概略図である。
図5は、マルチカソードシステムの代表例の断面図である。
第6図は、不均衡マグネトロンの代表例の概略断面図である。
図7及び図8は、積層された層及び共同工程ステップの例を示す概略図である。
図9及び図1Oは、好ましい層順序及び共同工程ステップの時間進行または時間 順序の代表例を示す概略図である。
図1の線図は、通例のアーク放電蒸発方法によりサブストレートを被覆た結果と して、サブストレート上に入射される粒子の運動エネルギーの典型的な分布を示 す。運動エネルギーは横軸に記録され、凝縮粒子の入射周波数は縦軸に記録され ている。
この線図から明らかなように、理想的エネルギー範囲は、経験によると、約40 から80eVにある。より小さいあるいはより大きいエネルギーは線図に記載さ れている機構の欠陥を導く。
アーク放電蒸発及びカソードスパッタリング工程の基本的回路図は図2に示され ている。
カソード2は容器l内に配置されている。アーク放電蒸発の場合においては、こ のカソードは、−20Vから一50Vの電位にある。アーク電流はカソード2と アノード3との間に形成する。
アノードは、0から+50V間の範囲内の典型的な電位にある。アーク電流は総 計数百アンペアとなる。電流の一部分はサブストレート4へ向かう方向へ空間内 に伝搬する。これらのサブストレートは、必要があれば、エツチング工程の場合 において2000Vまでの負のバイアスにあり、さらに、例えば移行層形成の場 合には1100及び1200V間にあり、あるいは、被覆中ではca、において 100Vにある。
サブストレートは固定的にサブストレートホルダ5に接続されており、後者はチ ャンバlに装着されていて電気的に絶縁されており、適当な電源に接続され得る 。
従来のカソードスパッタリングの場合においては、負のバイアスは3000から 4000Vにある。マグネトロンスパッタリングの為の典型的な値は400から 700Vの間にある。従来のカソードスパッタリング工程の空間充填プラズマは 、参照符号6で全体が示されている。アーク放電蒸発と同一の条件はサブストレ ート4及びサブストレートホルダ5に印加される。
第3図は1本発明による方法を実行する装置の一例のブロック図を示す。この配 置においては、共通なカソード2はアーク放電蒸発及びカソードスパッタリング のために設けられている。
カソード2は接地電位もしくは浮動電位にある暗場スクリーンによって、または 絶縁材料7によって囲まれている。カソード2及びアノード3は回路8において 共に接続されている。アーク放電を維持する電源9及びアーク放電蒸発を選択的 に駆動させるスイッチ10はこの電力回路にある。
電力回路8に並列にある電力回路11は電力回路12をカソード2へ、カソード スパッタリング放電の選択的維持のためのスイッチ13を介して、接続している 。電力回路12の正の出力は公知の方法で接地されている。最後に回路14はサ ブストレートホルダ5を電源16の負の出力にスイッチ15を介して接続してい る。正の出力はこの場合、接地電位あるいはチャンバの電位にある。プラズマの ための磁化装置の2つの可能な実施例(図2の参照符号6参照)は参照符号17 及び18によって示されいる。技術的具現化によれば1分散場コイルからなるこ れらの磁化装置17及び18は各々DC電源19及び20に電気的に接続されて いる。コイル電流のレベルはこの配置において選択され、サブストレート4にお けるイオン電流密度は、電源16から由来する負のバイアスの作用の下で約2m 人/cm”にある。
図4はマグネトロンカソードのそれ自体公知の実施例を示す。参照符号2は従来 のマグネトロンカソードのターゲットを示す。参照符号21は特別な磁石配置を 示す。すでに図3で示されているような分散場コイル17はターゲット2の領域 における配置を囲んでいる。引かれている二重矢印は、磁界がターゲット2に関 して置換可能である異を示している。これは実務上重要であり、なぜならば、ア ーク放電蒸発が磁界の影響を受けるか否かにかかわらすそれ自体選択的に進行し 得ることが有利となるからであり、一方、カソードスパッタリングの間、磁界が カソードのマグネトロン動作のために重要である。
図5はマルチカソードシステムの断面を示す、ここで2つの従来カソード及びマ グネトロンカソードはチャンバ1内に配置されている。一方の従来カソードはこ の場合アーク放電蒸発器として用いられ、一方、他方はスパッタリング源として 働く。最後に図6は、適切な専門家による文献にもっともよく表されたマグネト ロンの形状の断面を示す。この配置においては、コイル17は空間のイオン化を 増大させる働きをなし、さらに永久磁石好ましくはSmCoもしくはNdFeB からなる磁石配置と協働する不均衡マグネトロンとしての作用をなす。
図7及び8は層積層及び個別の工程ステップを全体的に再生する。
図7は、鋼鉄サブストレートの典型的態様を示し、その表面は、係留領域として 準じて動作する移行層によって特徴付けられる。Tiを被覆材料として用いたと き、例えばTiFeからなる金属開祖(中間相)がこの領域に生じる。TiN成 分の第1層は、そこでこの移行層の上に置かれ、アーク放電蒸発によって反応性 の蒸気沈着(蒸着)を通じて生じる。この層は、カソードスパッタリング工程の 下で沈著したTiN層によって従われる。
図8は概略的代表例における特徴的電気的方法パラメータの時間順序を示す。
エツチング工程中において、サブストレートにおけるバイアス電位はその一番高 い値(典型的には一1600V)にあり段々と減少されて、電源16の援助の下 で被覆中に移行領域(典型的には一1100V)を形成する。サブストレートに おける電流は当初非常に高く移行層の形成中は減少される。
アーク放電蒸発による被覆中においては、カソードスパッタリング中と同様に、 負のサブストレートバイアスは一定レベルに保持され、すなわち典型的には5゜ ±25Vである。
サブストレートにおいて適当なイオン電流を達成するために、アーク電流(電源 9)は増加せしめられる。
カソード電位は、電源9により第1工程ステツプ中にはほとんど一定(典型的に は一20V)であり、カソードスパッタリング例えばマグネトロンカソードを用 いるときの間には典型的に一500Vへ増加せしめられ設定される。
カソードスパッタリング中のカソード電流は、電流制御され(電源12)、さら に被覆工程の間には一定に保たれる。
サブストレートへのイオン電流(バイアス電流)は、付加的磁気イオン化の使用 を通じて対応して高く(例えば磁気装置17.18)、約2mへ/cm’にある 。
図9及び10は、TiN被覆の例を参照した好適な方法を示す。図9は層の順序 を示す。TiN層は係留領域の上に直接位置する。
図10は工程ステップの時間順序を再現している。図8と比較して、第1TiN 層の生成のためのアーク放電蒸発の相がない。
本発明の方法のための最も重要な工程パラメータは、請求項の10.12.14 .15.16の特別な統計をとった以下の表に記載されている。
文献: ■、エル、マイセル゛′薄膜技術ハンドブック”マグロウヒルブックカンパニー 、 +970. ニスイーアイティイー4. 82、ティ、ハタ、アール、ノダ 、オー、モリモト、ティ、ハダ ニービービーエル ビーエッチワイエスエルテ ィーティ−37(3)1980、 633 3、ビ、ウィンドウ、エフ、シャープルス、エヌ、サバイダス ブイニジ−ニス シーアイ ティイシーエッチオーエル、A 3 (6) 1985.23684 、ビ、ウィンドウ、エヌ、サバイダス、 ブイニジ−エスシーアイティイシーエ ッチオーエル、A4 (2) 1986.1965、ビ、ウィンドウ、エヌ、サ バイダス、 ブイエ シー ニスシーアイ ティイシーエッチオーエル、A4  (3) 1986.4536、ニス、カドレック、ブイ、ムサイル、ダブルデ、 ミュンッ、ジ。
ハカンソン イ、サンジレン、16テイエツチアイシーエムシー。
シンジエゴ、 アメリカ合衆国1989 (印刷される)7、エイチ、フレラー 、エイチビ、ローレンツ ブイニジ−ニスシーアイ ティイシーエッチオーエル 、 A4 (+986)、 26918、エイチ、フレラー ビーアールオーシ ー エスユアールティイーシー ベルリン、89.カール ハンザ−バーラグ、  ミュンヘン。
イi〜>[ut^”狂イ(〕Cl<− Fig、1 Fig、8 酊1っJりエキIハ時帳j埼t1....lOpml TiN I sPUTTERINGI国際調査報告 一一内1−−−^−mkGll”T/PDC1n/IIIM’)国際調査報告 EP 9001032 S^ 37820

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.設けられるべき層が、ガス放電により発生したプラズマの凝縮粒子を適当な サブストレートに入射することによって、生成され方法であって、アーク放電蒸 発工程及びカソードスパッタリング工程がなされ、アーク放電蒸発工程はカソー ドスパッタリング工程の前に実行されることを特徴とするサブストレートを被覆 する方法。 2.サブストレートは、最適な高いエネルギー及びイオン電流密度のイオンによ ってアーク放電蒸発中にまず衝撃され、サブストレートの表面はイオンエッチン グにより清浄化され、かつ部分的に除去されることを特徴とする請求項1による 方法。 3.衝撃はカソードからまたはその混合物から生じる内部ガスイオンまたは金属 イオンによって生じることを特徴とする請求項2による方法。 4.アーク放電蒸発中のイオンを伴ったサブストレートの衝撃は高いイオンエネ ルギーで実行されかつイオン流動密度が最適化されて積層すべき層のサブストレ ート材料における係留を生ぜしめることを特徴とする請求項1による方法。 5.サブストレートの衝撃は金属イオンで生じることを特徴とする請求項4によ る方法。 6.サブストレートのイオン衝撃は、イオン注入、特に金属イオン注入がいくつ かの原子網平面の深さまでサブストレート内へ進入することを起こさせるように 、さらに、係留層を積層するためにサブストレート結晶格子内への原子の内部分 散が、微結晶内の進入原子の金属または金属間化合物との固溶体化、混合結晶化 を生ぜしめる局部加熱の結果として刺激されるように、適当に最適化されたイオ ンエネルギー及びイオン電流で実行されることを特徴とする先行する請求項のい ずれか1による方法。 7.チタンイオンは係留を形成するために用いられ、エッチング工程中において サブストレートの表面において金属間層が直接該表面の下に形成され、例えば1 0から100nm特に20から40nmの厚さのFeTi、または、例えばジル コニウムもしくはハフニウムのような融合するのが難しい他の金属との金属間層 であることを特徴とする請求項6による方法。 8.アーク放電中に選択されるパラメータが層、例えば、TiN(層I)の沈着 を導き、この被覆は遮断され、カソードスパッタリングまたはマグネトロンスパ ッタリングによって所望の層(層II)の厚さまで継続されることを特徴とする 先行する請求項のいずれか1による方法。 9.アーク放電によって生成された層の成分は、層I及び層IIによって形成さ れた全層の厚さの総計で約20%までであることを特徴とする請求項8による方 法。 10.係留の被覆の形成直後において例えばTiNの被覆をカソードまたはマグ ネトロンスパツタリングによって直接被覆がなされることを特徴とする先行する 請求項のいずれか1による方法。 11.境界の結合層の生成のため、特にTi,Crの純粋金属で被覆するとき、 サブストレートうえに向かう電界はバイアス電位の減少によってゆっくりとかつ 連続的に、アーク放電蒸発による被覆中、弱められ、アークの消滅後カソードス パッタリングがマグネトロンスパッタリング工程の形態で連続的に増加せしめら れることを特徴とする先行する請求項のいずれか1による方法。 12.1つ及び同一のカソードがアーク放電蒸発及びカソードスパッタリングを 生成するために用いられることを特徴とする先行する請求項のいずれか1による 方法。 13.互いに異なり別個に接続されたカソードがそれぞれアーク放電蒸発及びカ ソードスパッタリングを生成するために用いられることを特徴とする先行する請 求項のいずれか1による方法。 14.磁石カソードが不均衡マグネトロンとして動作することを特徴とする先行 する請求項のいずれか1による方法。 15.同心外部磁気コイルを伴った従来配置のマグネトロンが不均衡マグネトロ ンとして用いられることを特徴とする先行する請求項のいずれか1による方法。 16.被覆中サブストレートに衝突するイオンのエネルギーが50±25Vの範 囲でサブストレートまたはサブストレートホルダの負の電位の対応する選択によ って制御されることを特徴とする先行する請求項のいずれか1による方法。 17.バイアス電流密度が、アーク放電による被覆中アーク電流密度及びバイア ス電圧で、カソードスパッタリングまたはマグネトロンスパッタリング中マグネ トロンに協働する磁気コイルの下で、2mA/cm2より大なる値に設定される ことを特徴とする先行する請求項のいずれか1による方法。 18.アーク放電蒸発が連続的にカソードスパッタリングへそれぞれが重なるよ うに移行することを特徴とする先行する請求項のいずれか1による方法。 19.混合層(層III)が係留層の形成に続いて沈着し、混合層はアーク蒸気 及び同時のカソードスパッタリングによって形成されることを特徴とする先行す る請求項のいずれか1またはそれ以上による方法。 20.適当な工程ガスが満たされた真空チャンバ(1),真空チャンバから電気 的に絶縁されたサブストレートホルダ(5)、被覆材料が設けられかつ真空チャ ンバから電気的に絶縁されたカソード(2)、並びにアノード(3)からなり、 電気回路で互いに結合された電極(1、2、3、5)として作用する部分を伴っ た請求項1から19の1つまたはそれ以上の方法を実行する装置であって、カソ ード(2)は、アーク放電がカソード(2)及びアノード(3)間の第1回路( 8)に発生するように、またはカソードスパッタリング放電が第2回路(11) に生じるように、アーク放電電源(9)またはカソードスパッタリング電源(1 2)と選択的に消極的に接続され得る装置。 21.サブストレートホルダに担持される部材すなわちサブストレートは、回路 (14)における補助電源(16)からの負のバイアス電圧の印加によって、エ ッチング工程、請求項6もしくは7による注入工程、または被覆中に起こるイオ ン衝撃に選択的にさらされることを特徴とする請求項20の装置。
JP2-509035A 1989-06-27 1990-06-27 サブストレートを被覆する方法及び装置 Pending JPH04503535A (ja)

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