JPH0673154U - イオンプレーティング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高密度プラズマ雰囲気中での高速成膜を長時
間かつ安定に実現するとともに、特に膜質の良好な酸化
物セラミックコーティングをも可能とする、イオンプレ
ーティング装置を提供する。 【構成】 ＨＣＤ法イオンプレーティング装置におい
て、該中空陰極９は、Ta,Ｗ, TaおよびＷの複合物そし
てLaＢ₆ よりなる群のうちから選んだ少なくとも１種よ
りなる内側層およびこの内側層の外周を覆うグラファイ
ト製の外側層を一体に組合せ、さらにこの外側層の外周
に沿って集束コイル13を配置し、この集束コイルをジャ
ケット19で囲み、プラズマビーム射出方向をるつぼ４内
蒸発源５表面に対し平行または斜め下向きに定めて設置
し、るつぼ４の外側に、るつぼ４からサブストレート１
の直近までの蒸気移動径路に沿って集束コイル10,11 を
設置し、この集束コイルをジャケット17,18 で囲み、反
応ガス導入口３をサブストレイト１の近傍まで延ばすと
ともに、サブストレイトの蒸発源と逆側にＲＦ電極14を
設置する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、ＨＣＤ(Hollow Cathode Discharge)法を利用するイオンプレーテ ィング装置、中でも大表面積を有する材料に高プラズマ雰囲気中で長時間の安定 した高速成膜が可能なイオンプレーティング装置に関し、TiN, TiC, Ti(CN),CrN 等の炭・窒化物セラミック被膜は勿論、特にTiO₂, CrO₂等の酸化物セラミック被 膜のコーティングをも実現しようとするものである。

【０００２】

【従来の技術】

プラズマを利用して、例えばTiN,TiC,Ti(CN)またはCrN 等のセラミックスをコ ーティングする技術が著しく進歩し、耐磨耗性、耐食性または装飾性等を付与す るコーティングに広く利用されている。

【０００３】 このプラズマを利用したコーティング法には、ＨＣＤ法、プラズマＣＶＤ法、 マグネトロンスパッタ法およびマルティアーク放電法等が知られているが、中で もＨＣＤ法は、イオン化率が20〜40％と極めて高くかつ成膜速度も0.05〜0.5 μ ｍ／min と比較的速いため、その他の方法に従うイオンプレーティングよりも蒸 着膜質が良好でかつ基板との密着性にもすぐれている。さらにＨＣＤ法では、反 応ガス流量、真空度、バイアス電圧、基板温度、基板の前処理など条件が多少変 動したとしても容易にしかもスムーズな順応がみられるところにも、大きな利点 がある。

【０００４】 このＨＣＤ法によるイオンプレーティングに関しては、金属表面技術35〔１〕 Ｐ.16 〜24(1984)およびプレスクール13(1984),No.3,Ｐ．９に解説されている。

【０００５】 しかしながら、現在のセラミックコーティングの多くは、工具類や装飾品等の 小物に適用され、大表面積を有する材料等には殆ど応用されていない。特に、近 年、構造材料の高機能化に対する要請とともに、表面積の大きな材料にセラミッ クコーティングを施して、その表面を改質することが、益々重要となってきてい る。この種のセラミックコーティングとしては、上記した炭・窒化物セラミック 被膜が知られているが、最近ではTiO₂, CrO₂等の酸化物セラミックコーティング 対する需要が高まってきている。

【０００６】 一方、表面積の大きな材料にセラミックコーティングを施すには、(1) 高密度 プラズマ雰囲気中で高速成膜が可能であること、(2) サブストレイト近傍のごく 僅かの熱むらやプラズマ蒸気流むらが発生しないこと、(3) 長時間の安定したコ ーティングが可能であること、(4) 異常放電時の耐久性、操作性および保守性に 優れた装置構造であること、がそれぞれ重要である。

【０００７】 考案者らは、上記の要請を満足するため、特開平４−218667号公報において、 高密度プラズマ雰囲気中で高速成膜が可能である、横向きまたは斜め下向きに設 置した一体型の大容量ＨＣＤガンをそなえるイオンプレーティング装置について 、提案した。この装置により、従来よりも約10倍の高速成膜が高密度プラズマ雰 囲気中で達成できるようになったが、高速成膜下での大量蒸気流に起因して、長 時間の安定したコーティングが実現できないところに問題を残していた。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】

そこで、この考案の目的は、高密度プラズマ雰囲気中での高速成膜を長時間か つ安定に実現するとともに、特に膜質の良好な酸化物セラミックコーティングを も可能とする、イオンプレーティング装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

この考案は、真空槽内に、蒸発源を収納したるつぼと、るつぼに対応するプラ ズマ発生用の中空陰極、サブストレイトおよび反応ガス導入口とを有する、ＨＣ Ｄ法イオンプレーティング装置において、該中空陰極は、Ta, Ｗ, TaおよびＷの 複合物そしてLaＢ₆ よりなる群のうちから選んだ少なくとも１種よりなる内側層 およびこの内側層の外周を覆うグラファイト製の外側層を一体に組合せ、さらに この外側層の外周に沿って集束コイルを配置し、この集束コイルをジャケットで 囲み、プラズマビーム射出方向をるつぼ内蒸発源表面に対し平行または斜め下向 きに定めて設置し、上記るつぼの外側に、るつぼからサブストレートの直近まで の蒸気移動径路に沿って集束コイルを設置し、この集束コイルをジャケットで囲 み、上記反応ガス導入口をサブストレイトの近傍まで延ばすとともに、サブスト レイトの蒸発源と逆側にＲＦ電極を設置して成るイオンプレーティング装置であ る。

【００１０】

【作用】

考案者らは、先に提案した特開平４−218667号公報を基本にして、長時間の安 定したコーティングを実現し得る、イオンプレーティング装置の構造について、 例えばコンピュータを用いた磁場分布の計算およびそのデータを用いたプラズマ 電子ビーム軌道の推定、それらに基づいた装置の試作および改良に伴ってコーテ ィング実験を繰り返し、さらに個々の部品の耐久試験を積み重ねたところ、以下 の知見を得るに到った。

【００１１】 すなわち、大容量のイオンプレーティング装置においては、ビームパワーが大 きくなり、これに伴ってプラズマ蒸気流が大量に発生するため、サブストレイト 以外の集束コイルや真空槽の内壁にも大量に蒸発物が付着するようになり、例え ば露出したままの水冷銅管製の集束コイルを使用した場合、コーティング中の集 束コイル上に蒸着物が堆積して磁場分布が変化してしまい、プラズマビームを長 時間安定して制御することが不可能になることが判明した。

【００１２】 そこで、この考案においては、プラズマビームおよび蒸気流の制御用の集束コ イルをジャケットで保護して、集束コイルの絶縁耐久性を改善するようにした。 その結果、プラズマ電子ビームは40時間以上の長時間の連続運転においても安定 したコーティングが可能になる。

【００１３】 しかし、この大容量のイオンプレーティング装置は、上述したようにTiN, TiC , Ti(CN), CrN 等の炭・窒化物のセラミックコーティングは可能であるが、酸化 物セラミックコーティングを実現することが難しい。なぜなら、酸化物セラミッ クコーティングを行うにはＯ₂ 反応ガスの導入が不可避であり、この反応ガスに より、プラズマ発生用の中空陰極が酸化されて機能低下を来すからである。

【００１４】 この考案に従うイオンプレーティング装置の中空陰極は、内側層の外周をグラ ファイト製の外側層で覆って成るため、在来のＬ型中空陰極と比較して、プラズ マ雰囲気中へＯ₂ の反応ガスを導入しても、中空陰極の酸化による影響は少ない が、それでも、酸化物セラミックコーティングを安定して長時間行うことは難し い。

【００１５】 そこで、この考案のイオンプレーティング装置においては、Ｏ₂ 反応ガスの導 入口をサブストレイト近傍まで延ばして設置し、かつサブストレイトの反対側に ＲＦ電極を設置して、Ｏ₂ ガスのイオン化( および蒸気流のイオン化）を行うこ とによって、膜質の優れた酸化物セラミックコーティングを長時間安定して行え るようにした。

【００１６】

【実施例】

さて、図１にこの考案に従うバッチ式のＨＣＤ法イオンプレーティング装置を 模式的に示し、１はサブストレイト、２は例えば炭・窒化物セラミックコーティ ングを行う場合にＮ₂ ガス等を供給するための反応ガス導入口および３は酸化物 セラミックコーティングを行う場合にＯ₂ ガスを供給するための反応ガス導入口 、４はるつぼ、５は蒸発源（例えばＴi)、６は高真空引き用の排気口、７は真空 槽、８は中空陰極９をそなえるホローカソードガン（以下ＨＣＤガンと示す）、 10および11はるつぼ４からサブストレイト１までの蒸気移動径路を囲む集束コイ ル、12はプラズマビーム、13はＨＣＤガン７の外周に配設した集束コイル、14は サブストレイト１の裏側に設置したＲＦ電極および15はその電源、そして16はＲ Ｆ電極14を囲む集束コイルである。なお、反応ガス導入口３を、Ｎ₂ ガスの導入 口として兼用することも可能である。

【００１７】 ここで、蒸気移動径路を囲む集束コイル10および11、さらにＨＣＤガン７の中 空陰極９の外周に配設した集束コイル13は、内部が水冷される銅管をらせん状に 成形したもので、蒸発流内に露出されると、コイル上に被着物が堆積して磁場分 布が変化し、プラズマビームを長時間安定して制御することが難しくなるため、 各集束コイルを銅製のジャケット17、18および19で囲むことによって、集束コイ ル10、11および13と蒸発流との間を遮断することが肝要である。これらジャケッ トは、肉厚の円筒の周壁内を中空にし、この中空部内に集束コイルを収容する構 造に成る。なお、集束コイル10、11および13には、ジャケットへの帯電を防ぐた めの絶縁コーティングを施してある。

【００１８】 また、ＨＣＤガン８の中空陰極９は、グラファイトの外側層９−１と、Ta, Ｗ 、LaＢ₆ 又は、TaおよびＷの複合物（高温部はＷ、低温部はTaとしたもの）より なる内側層９−２とを一体に組合せてなり、外側層９−１及び内側層９−２の間 は一定の空隙にて離隔する。さらにこれらの層間での放電も防ぐため、図示を省 略したが、内側層９−２とるつぼ内の蒸発源４とが通電できるようにしてある。 これによってこのＨＣＤガンの異常放電が少なくなり、かつガンの長寿命化が達 成される。

【００１９】 ところで酸化物セラミックコーティングを行う場合、図２に示すような従来の イオンプレーティング装置においては、そのＬ型中空陰極20がＯ₂ の反応ガスに よって酸化され易いのに対し、上記したイオンプレーティング装置の中空陰極９ は、内側層９−２の外周をグラファイト製の外側層９−１で覆って成るため、Ｏ ₂ の反応ガスによる中空陰極の酸化は比較的少ないが、酸化物セラミックコーテ ィングを安定して長時間行うまでには到っていない。

【００２０】 そこで、この考案に従うイオンプレーティング装置においては、図１に示すよ うに、Ｏ₂ の反応ガス導入口２をサブストレイト１の極く近傍に配置することに よって、ＨＣＤガンの酸化による悪影響を防止するとともに、サブストレイト１ の反対側に配置したＲＦ電極14を用いて、Ｏ₂ ガスのイオン化を促進することに よって、上記の酸化による悪影響を完全に回避する構造とした。さらに、サブス トレイト１近傍でのＲＦ電極14の使用は、蒸気流のイオン化も促進するので、極 めて優れた酸化物のセラミック被膜を形成することが可能である。

【００２１】

【考案の効果】

この考案によれば、膜質の優れた酸化物セラミンクコーティングを、高プラズ マ雰囲気中にて高速でしかも長時間にわたり安定して行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案に従うイオンプレーティング装置の模
式図である。

【図２】従来のイオンプレーティング装置の模式図であ
る。

【符号の説明】

１ サブストレイト ２ 反応ガス導入口 ３ 反応ガス導入口 ４ るつぼ ５ 蒸発源 ６ 排気口 ７ 真空槽 ８ ＨＣＤガン ９，20 中空陰極 10，11，13，16 集束コイル 12 プラズマビーム 14 ＲＦ電極 15 ＲＦ電源 17，18，19 ジャケット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 大久保 治 神奈川県茅ヶ崎市萩園2500番地 日本真空 技術株式会社内 (72)考案者 高橋 夏木 神奈川県茅ヶ崎市萩園2500番地 日本真空 技術株式会社内

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】真空槽内に、蒸発源を収納したるつぼと、
   るつぼに対応するプラズマ発生用の中空陰極、サブスト
   レイトおよび反応ガス導入口とを有する、ＨＣＤ法イオ
   ンプレーティング装置において、 該中空陰極は、Ta, Ｗ, TaおよびＷの複合物そしてLaＢ
   ₆ よりなる群のうちから選んだ少なくとも１種よりなる
   内側層およびこの内側層の外周を覆うグラファイト製の
   外側層を一体に組合せ、さらにこの外側層の外周に沿っ
   て集束コイルを配置し、この集束コイルをジャケットで
   囲み、プラズマビーム射出方向をるつぼ内蒸発源表面に
   対し平行または斜め下向きに定めて設置し、 上記るつぼの外側に、るつぼからサブストレートの直近
   までの蒸気移動径路に沿って集束コイルを設置し、この
   集束コイルをジャケットで囲み、 上記反応ガス導入口をサブストレイトの近傍まで延ばす
   とともに、サブストレイトの蒸発源と逆側にＲＦ電極を
   設置して成るイオンプレーティング装置。