JPH11242944A - 金属イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属イオン源を用い大形あるいは複雑な形状
の被処理物である基体の表面に均一に金属イオンを注入
あるいは硬質膜を成膜し得る金属イオン注入装置を提供
する。 【解決手段】 真空容器１と、この真空容器１内に設け
られ被処理物である基体３を保持するホルダ４と、この
ホルダ４に保持された基体３にバイアス電圧を印加する
バイアス電源６と、真空容器１の壁に設けられた金属イ
オン源７とを備えてなる金属イオン注入装置であって、
前記バイアス電源６として、基体３に負のパルス状バイ
アス電圧を印加するバイアス電源６を用い、更に、金属
イオン源７として、金属イオン８を低加速電圧で引き出
し得る金属イオン源７を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属イオン注入装
置に関し、詳細には、大形あるいは複雑な形状の被処理
物である基体の表面に金属イオンを注入して表面を改質
あるいは表面に硬質膜を成膜するのに適用し得る金属イ
オン注入装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】例え
ば、クランクシャフト等の自動車部品、一般産業部品、
医療材料等の基体の表面に金属イオンを注入する装置と
して、特開平 8−222177号公報に提案されたものがあ
る。

【０００３】上記公報に提案の金属イオン注入装置は、
その公報に記載の図１を引用して示す図６によれば、ガ
ス21が導入される真空容器22と、この真空容器22内に設
けられ基体23を保持するホルダ24と、このホルダ24を回
転させる回転駆動装置25と、ホルダ24に保持される基体
23を囲むように真空容器22に取付けられた複数のアーク
式蒸発源26とを備えており、前記各アーク式蒸発源26
は、金属又は金属化合物からなるカソード27を有してい
てそれとアノードを兼ねる真空容器22との間のアーク放
電によってカソード物質を蒸発させるようになってい
る。また、各アーク式蒸発源26のカソード27と真空容器
22との間には、アーク電源28から、カソード27を負側に
してアーク放電電圧がそれぞれ供給されるようになって
いる。更に、ホルダ24及び基体23には、バイアス電源29
から、真空容器22の電位を基準にして負のパルス状のバ
イアス電圧が印加されるようになっている。

【０００４】上記構成の装置による基体への金属イオン
注入は大要次の如く行われる。すなわち、真空容器22内
を真空排気装置30によって所定の真空度（例えば10^-5〜
10^-6Torr程度）に排気した後、各アーク式蒸発源26に各
アーク電源28からアーク放電電圧をそれぞれ供給して、
各アーク式蒸発源26においてアーク放電を起こす。この
アーク放電によってカソード27の近傍に、カソード物質
を含む金属プラズマ31が生成する。そして、その状態
で、ホルダ24及びそれに保持された基体23に、バイアス
電源29から負のパルス状のバイアス電圧を印加する。そ
のバイアス電圧によって、真空容器22内に生成された金
属プラズマ31から金属イオン32が引き出され、それが基
体23に引き込まれ金属イオンの注入が成される。

【０００５】上記構成の金属イオン注入装置では、複数
のアーク式蒸発源を、ホルダに保持される基体を囲むよ
うに配置しているので、各アーク式蒸発源によって生成
された金属プラズマからバイアス電圧によって引き出さ
れた金属イオンを基体の周りから基体に対して注入する
ことができ、それによって単純な形状はもとより複雑な
形状の基体に対しても均一に金属イオン注入が行えるな
どの利点を有するが、基体の周りに生成される金属プラ
ズマを用いた場合、アーク放電により生成する金属プラ
ズマは、カソードの表面上に形成されたアークスポット
（点源）からカソード物質が瞬時に蒸発すると同時にイ
オン化して真空中に飛び出すことにより生成されるた
め、金属プラズマ自体の指向性が非常に強く、金属プラ
ズマ内に存在する金属イオンの指向性も強い。このた
め、複雑な形状の基体への付き周り性は必ずしも十分な
ものとは言えない上に、金属イオンの輸送効率が低い。
また、金属プラズマ自体が結合（吸着）し易いものであ
るため、注入されずに残った金属イオンが基体表面に膜
となって堆積すると言った不具合も起こる。また更に、
カソード物質の溶融物がパーティクルとなって基体に付
着し、表面粗度を悪くすると言った問題などがある。

【０００６】一方、上記公報の従来技術にも説明（段落
番号

〔０００９〕〜〔００１３〕）されているように、
基体に金属イオンを注入するのには、通常は金属イオン
源が用いられている。この金属イオン源を用いた基体へ
の金属イオンの注入は、アークチャンバの前面に設けら
れている引き出し電極系に数kV〜数十kV程度の高電圧を
印加し、その電圧によって金属イオン源のアークチャン
バ内で生成した金属イオンを引き出し、ホルダに保持さ
れた基体に照射して行われている。

【０００７】しかし、上記金属イオン源を用いた基体へ
の金属イオンの注入では、引き出し電極系から引き出す
金属イオンは直進して指向性が強いため、平面など単純
な形状の基体では均一に金属イオンが注入できるもの
の、複雑な形状の基体では均一に金属イオンを注入する
ことは難しい。

【０００８】そこで、本発明の主たる目的は、金属イオ
ン源を用い大形あるいは複雑な形状の被処理物である基
体の表面に均一に金属イオンを注入あるいは硬質膜を成
膜し得る金属イオン注入装置を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等の調査研究に
よれば、金属イオン源を用いた金属イオン注入装置によ
る基体への金属イオンの注入は、金属イオンを加速させ
て基体の表面に注入するため、一般に引き出し電極系に
高電圧を印加し金属イオン源で生成させた金属イオンを
引き出し且つ加速させることが行われている。従って、
このために金属イオンは直進して指向性の強いものにな
っている。そこで、本発明者等は、金属イオン源で生成
させた金属イオンをそれほど加速させなくても基体に金
属イオンを注入させる手段がないかを調査研究した。そ
の結果、従来、金属イオン源を用いた金属イオン注入装
置では、一般に基体にはバイアス電圧を印加せずに行っ
ていることに着目し、ここに本発明をなしたものであ
る。

【００１０】すなわち、上記の目的を達成するための、
本発明に係る金属イオン注入装置は、真空容器と、この
真空容器内に設けられ被処理物である基体を保持するホ
ルダと、このホルダに保持された基体にバイアス電圧を
印加するバイアス電源と、真空容器壁に設けられた金属
イオン源とを備えてなる金属イオン注入装置であって、
前記バイアス電源として、基体に負のパルス状バイアス
電圧を印加するバイアス電源を用い、更に、金属イオン
源として、金属イオンを低加速電圧で引き出し得る金属
イオン源を用いて成るものである。

【００１１】上記本発明の金属イオン注入装置では、基
体にホルダを介して負のパルス状バイアス電圧を印加す
るバイアス電源を用いているので、金属イオン源で生成
した金属イオンは、金属イオン源から真空容器内に引き
出された後、前記負のパルス状バイアス電圧によって基
体に引き込まれ基体に注入されることになるので、金属
イオン源で生成した金属イオンは、ある程度の加速が与
えられて真空容器内に引き出されればよいので、金属イ
オン源としては金属イオンを低加速電圧で引き出し得る
金属イオン源が採用できる。而して、金属イオン源で生
成した金属イオンは、指向性が弱く広がりのある金属イ
オン流れの状態で真空容器内に低加速で引き出された
後、負のパルス状バイアス電圧によって基体に引き込ま
れて注入することになるので、大形あるいは複雑な形状
の被処理物である基体の表面に均一に金属イオンを注入
あるいは硬質膜を成膜することができる。また、金属イ
オンだけが引き出されるのでパーティクルが基体に付着
することがない。更に、真空容器内にはプラズマがない
ので、基体表面にプラズマが膜となって堆積するような
こともない。

【００１２】上記本発明においては、金属イオン源とし
て、パルス状の金属イオンビームを低加速電圧で引き出
し得る陰極アーク放電式の金属イオン源が採用できる。
この陰極アーク放電式の金属イオン源の場合には、カソ
ードの金属イオン化率が高く、上記作用効果をより効果
的に得ることができる。

【００１３】また、上記本発明においては、金属イオン
源に印加する低加速電圧は 5kV以下、より好ましくは 2
kV以下がよく、このような低加速電圧であれば、金属イ
オンは、指向性が弱く広がりのある金属イオン流れの状
態で金属イオン源から真空容器内に引き出され、上述の
作用効果をより効果的に得ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は、本発明に係る金属イオン注
入装置の縦断面図、図２は、本発明に係る金属イオン源
の要部縦断面図である。

【００１５】図１において、１は真空排気装置２によっ
て真空排気される真空容器であり、この真空容器１内に
は被処理物である基体３を保持するホルダ４が、真空容
器１の外に設けられた回転駆動装置５によって回転可能
に設けられている。ホルダ４は負のパルス状バイアス電
圧を印加するバイアス電源６に接続され、基体３はホル
ダ４を介して負のパルス状バイアス電圧が印加されるよ
うになっている。また、真空容器１には、金属イオン源
７が設けられている。なお、８は金属イオンを示す。

【００１６】この金属イオン源７は、アークチャンバ９
に、アーク電源10とトリガー電源11を備えるアーク電源
系12の陰極に接続された金属イオン源用カソード13と点
弧のためのトリガ電極14とが設けられ、アークチャンバ
９のカソード13に対向する側にはアーク電源10の陽極に
接続されたアノード15と、その後方に引き出し電極系16
がそれぞれ設けられるとともに、引き出し電極系16が真
空容器１側になるように真空容器１の壁に設けられてい
る。なお、17は引き出し電極系15の電圧電源系であって
加速用電源18とサプレッサ電源19を備える。また、20は
絶縁材である。

【００１７】上記構成の金属イオン注入装置による基体
３への金属イオン８の注入は次の如くして行われる。す
なわち、真空容器１内を10^-5〜10^-6Torr程度の真空にし
た後、バイアス電源６により基体３に負のパルス状バイ
アス電圧を印加し、一方、金属イオン源７において、ト
リガ電極14で金属イオン源用カソード13を点弧してアノ
ード15との間でアーク放電を発生させる。すると、アー
クスポットから金属イオン源用カソード13が蒸発且つイ
オン化して金属イオン８が生成し、その金属イオン８
が、電圧電源系17からの低加速電圧が印加された引き出
し電極系16によって低加速で真空容器１内に引き出され
るとともに、基体３に印加されている負のパルス状バイ
アス電圧によって基体に引き込まれ基体３に注入され
る。この場合の基体３への金属イオン注入は、例えば、
図３に示すように、金属イオン源７におけるアーク放電
と基体３に印加する負のパルス状バイアス電圧とを同期
することにより、設定した一定のバイアス電圧にて注入
を行ってもよいし、あるいは同期のタイミングΔｔを適
宜ずらして行うようにしてもよく、後者では、図４に示
すような大面積の基体３への注入が行える。

【００１８】上記基体３への金属イオン８の注入におい
ては、金属イオン源７で生成した金属イオン８は、低加
速電圧が印加された引き出し電極系16によって低加速で
真空容器１内に引き出されるので、指向性が弱く広がり
のある金属イオン流れの状態で真空容器１内に引き出さ
れる。そしてその後、基体３に印加されている負のパル
ス状バイアス電圧によって基体に引き込まれ基体３に注
入されるので、大形あるいは複雑な形状の被処理物であ
る基体３の表面に均一に金属イオンを注入あるいは硬質
膜を成膜することができる。また、金属イオンだけが引
き出されるのでパーティクルが基体３に付着することが
ない。更に、真空容器１内にはプラズマがないので、基
体３表面にプラズマが膜となって堆積するようなことも
ない。

【００１９】なお、上記の例においては、真空容器１に
金属イオン源７を１台設けた例を説明したが、本発明は
これに限定されるものではなく、図５に示すように、複
数台（図では３台）設けてもよく、このように複数の金
属イオン源７を設けることで、複雑な形状の基体３に対
してより均一に金属イオンを注入することができる。ま
た、複数の金属イオン源７を１台のアーク電源系12と電
圧電源系17で駆動できるので装置が安価にできる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る金属
イオン注入装置によれば、金属イオン源を用い、大形あ
るいは複雑な形状の被処理物である基体の表面に均一に
金属イオンを注入あるいは硬質膜を成膜させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る金属イオン注入装置の縦断面図で
ある。

【図２】本発明に係る金属イオン源の要部縦断面図であ
る。

【図３】金属イオン源におけるアーク放電と基体に印加
する負のパルス状バイアス電圧の印加のタイミングの説
明図である。

【図４】本発明に係る金属イオン注入装置による、大面
積基体への金属イオン注入の説明図である。

【図５】本発明に係る金属イオン注入装置の別の実施形
態の概要説明図である。

【図６】従来のアーク式蒸発源を用いた金属イオン注入
装置の縦断面図である。

【符号の説明】

１：真空容器 ２：真空排気装置
３：基体 ４：ホルダ ５：回転駆動装置
６：バイアス電源 ７：金属イオン源 ８：金属イオン
９：アークチャンバ 10：アーク電源 11：トリガー電源 1
2：アーク電源系 13：金属イオン源用カソード 1
4：トリガ電極 15：アノード 16：引き出し電極系 1
7：電圧電源系 18：加速用電源 19：サプレッサ電源 2
0：絶縁材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｊ 37/08 Ｈ０１Ｊ 37/08

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器と、この真空容器内に設けられ
   被処理物である基体を保持するホルダと、このホルダに
   保持された基体にバイアス電圧を印加するバイアス電源
   と、真空容器壁に設けられた金属イオン源とを備えてな
   る金属イオン注入装置であって、前記バイアス電源とし
   て、基体に負のパルス状バイアス電圧を印加するバイア
   ス電源を用い、更に、金属イオン源として、金属イオン
   を低加速電圧で引き出し得る金属イオン源を用いたこと
   を特徴とする金属イオン注入装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の金属イオン注入装置に
   おいて、金属イオン源として、パルス状の金属イオンビ
   ームを低加速電圧で引き出し得る陰極アーク放電式の金
   属イオン源を用いた金属イオン注入装置。
3. 【請求項３】 低加速電圧が 5kV以下である請求項１又
   は２に記載の金属イオン注入装置。