JPS5853067B2 - 熱陰極放電型イオンプレ−ティング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱陰極放電型イオンブレーティング装置の改良
に係り、被蒸発物を熱陰極として作動させることによっ
て特別な熱陰極を必要としない量産に適した熱陰極放電
型のイオンブレーティング装置を提供することを目的と
している。

マトリックスにより開発され応用研究の進められていた
イオンブレーティングはパ活性化雰囲気であるガス放電
プラズマ中で真空蒸着物質の１部を活性化又はイオン化
して電界を印加した基板上に密着性などの特性の優れた
物質膜を形成する技術″として更に該技術を発展させた
反応性イオンブレーティングはパ活性化雰囲気であるガ
ス放電プラズマ中で導入ガスと真空蒸着物質とを或いは
真空蒸着物質同志を反応させ硬度などの特性の優れた反
応物質膜を形成する技術″として今日広く知られるに至
っている。

更に活性化雰囲気であるガス放電プラズマの形成方法や
基板への電界の印加方法によって多陰極方式、高周板励
起方式、熱陰極放電方式など種々の方式が考案され、そ
の方式に対応した特異現象や特性の異った膜の形成など
が報告されていることも良く知られている。

イオンブレーティングには広義にはイオンビームデポジ
ョンなどの技術も含まれるが、一般には厚膜形成を目的
とし効率の良い活性化雰囲気であるガス放電プラズマを
形成しうるｌＸｌ０ ’Ｔｏｒｒから真空蒸着の限界
である１０”Ｔｏｒｒ台までの真空度範囲でガス放電プ
ラズマの形成を前提とした上述定義の被膜形成技術を意
味している。

近年無公害プロセスの表面処理技術として上記・ｆオン
ブレーティング、特に反応性イオンブレーティングを装
飾用外装部品や耐食耐摩耗性部品更には光学部品に応用
する試みがなされ、これ等部品を大量にかつ安価に処理
しうる量産的イオンブレーティング装置及び方法の開発
が要望されていた。

しかし従来技術になるイオンブレーティング装置及び方
法は既に確立されている湿式メッキ等の表面処理技術に
較べて、無公害プロセスで硬度などの優れた膜が得られ
る等の長所はあるが、一般に装置が複雑で高価で更に成
膜速度や有効処理面積が小さいために量産処理能力が低
いなどの欠点があった。

従って従来技術になるイオンブレーティングの装置を附
帯設備も含めて単純かつ安価にし、成膜速度や有効処理
面積と直接結びつくガス放電プラズマの強度や分布を増
加さセうる装置や方法の改良が必要であった。

従来の熱陰極放電型のイオンブレーティング装置では１
０〜’ Ｔｏｒｒ以下の低真空下で熱陰極より対極の
陽極へ放出された多量の熱電子によって形成されるガス
放電プラズマ、特にラングミュア−モードで代表される
グローを伴ったプラズマが熱陰極直近から陽極までの広
い領域にわたって比較的均一に分布し、熱陰極と陽極と
の構成や相対配置を工夫することによって量産的方式を
設定できる可能性を持っていた。

しかしながら一般に熱陰極放電型のイオンブレーティン
グ装置では熱電子の放出源である熱陰極や該熱陰極の附
帯機構である作動電源や冷却装置などの設備が不可欠で
この結実装置が複雑かつ高価となる欠点があり、更に量
産的スケールの広い面積を有する基板全体に分布や強度
の優れたガス放電プラズマを形成させるため、熱陰極と
陽極との構成や相対配置を蒸発源などの他の機構を多々
含む真空室内で最適に設定することが困難であるなどの
欠点があった。

本発明は成る種の物質が真空蒸着に適した蒸気圧を与え
る温度に加熱されると充分な強度のあるガス放電プラズ
マを形成するにたるだけの多量の熱電子を放出しうる能
力のある事を発見し、かかる物質からなる被蒸発物を蒸
発粒子源兼熱電子放出源と兼用して作動させ、該被蒸発
物からなる熱陰極を真空室に対して負の電位にシフトさ
せて熱陰極放電を起し強度や分布の優れたガス放電プラ
ズマを真空室全体に形成させることによって上記欠点を
解決し量′産に適した熱陰極放電型のイオンブレーティ
ング装置の提供を可能ならしめたものである。

以下本発明の詳細を図及び実施例に従って説明する。

第１図は本発明になる熱陰極放電型のイオンブレーティ
ング装置の構成図の１例である。

第２図は熱電子放出能のある物質のリチャードソンーダ
ッシュマンの式の放出電子量と該物質の本発明による装
置での放電々流値との対応を示したものである。

本発明になる装置は第１図は示すように真空室１及び該
真空室を真空排気管２を通して真空排気する真空排気系
Ｐ及びキャリヤーガスや活性ガスを導入するガス導入管
３及びガス導入系Ｇ更に蒸発源４と該蒸発源を作動させ
る蒸発源用電源Ｂ及び多数の被処理物と該被処理物の治
具とからなる基板６と該基板に電界を印加する基板用電
源Ｋ及び蒸発源上の被蒸発物５及び該蒸発物を真空室に
対して負の電位にシフトしうる放電用電源Ａの各機構に
よって構成されている。

本発明の装置の各機構において真空室１は金属性が望ま
しく、ガラス製など不導電体からなる場合金属製の内張
り板を施し、該°内張り板を接地させることが必要であ
る。

又蒸発源４は真空蒸着装置で使用さｈ−ｃ−る電子ビー
ム加熱方式や抵抗加熱方式などの任意の方式の蒸発装置
を適用する。

更に被蒸発物５は一般的けま蒸発源の蒸発装置とは電気
的に絶縁された状態に維持して、独立して被蒸発物のみ
に放電用電源Ａによって負電位を印加しうる機構とし、
抵抗加熱方式のタングステンボートを使用した場合のよ
うに前記蒸発装置との電気的絶縁が困難な場合には蒸発
用電源系に放電用電源Ａによって負電位を印加しうる機
構となる。

又被蒸発物５は該被蒸発物と基板中心を結ぶ軸が前記真
空室１の中心軸とほぼ一致する位置に設置されている。

本発明になる装置例の第１図の反射筒７はホッパー型で
真空室の形状に合せて被蒸発物５を中心軸とする中空筒
の導電体からなり、真空室とは電気的絶縁が保たれ、被
蒸発物と同電位にある。

本発明になる装置例には記載しなかったがシャッター、
真空度測定素子など一般的な真空蒸着装置に不可欠な機
構を本発明の装置は有する構成からなっている。

動作例 本発明による装置は第１図に示すように真空室１を真空
排気管２を通して真空排気系Ｐによって１Ｘ１０−５Ｔ
ｏｒｒ以下に排気後ガス導入管３よリガス導入系Ｇによ
って少なくとも１種のガスを導入して真空室１をｌＸｌ
０ ’〜５Ｘ１０−２Ｔｏｒｒの真空度範囲に維持し
、基板６に基板用電源Ｋによって一１０Ｖ−ＩＫＶの電
位を印加し、放電用電源Ａによって被蒸発物に一２０Ｖ
〜−５００Ｖの電位を印加し、しかるのち蒸発源用電源
Ｂ及び蒸発源４を作動させて被蒸発物を加熱蒸発させる
ことによって作動される。

放電用電源Ａの出力を増減させることによって熱陰極放
電々流が増減され、又基板用電源Ｋ及び電極用電源Ａの
各出力を相互変化させることで基板電流を変化できる。

実施例 １ 第１図の装置を動作例に従って作動させ導入ガスとして
窒素を使用して真空度Ｉ Ｘ １０−３Ｔｏｒｒ、被蒸
発物電位−７０Ｖ、基板電位−５００Ｖの条件で抵抗加
熱方式のタングステンボードによってＴｉ （チタン
）を０．２□クロン／分の成膜速度で蒸発させて反応性
イオンブレーティングを行ったところ放電々流１５Ａ、
基板電流密度１．１ｍＡ／ｃｄが確認され、被蒸発物か
らの基板距離の約１．７倍の直径を有する円型基板上で
色調がほぼ均一な黄色のチツ化チタンが得られた。

実施例 ２ 第１図の装置を動作例に従って作動させ導入ガスとして
ヘリウムを使用して真空度ｌＸｌ０ ”Ｔｏｒｒ基板
電位−２０Ｖ、被蒸発物電位−３００Ｖの条件で電子ビ
ーム加熱方式によってｐｄを１μ／ ３ ｍｉｎの成膜
速度で蒸発させてイオンブレーティングを行ったところ
放電電流５８Ａ、基板電流密度２０ ｍＡ／ｃ７７ｆが
確認され、基板上に光沢と密着性の優れたパラジウム膜
が得られた。

本発明は別個に熱陰極を必要としないで被蒸発物を熱陰
極として作動させることを基本原理としているが実施例
１〜３に示された如く、導入ガスと蒸発粒子によるガス
放電プラズマを形成するにあたって、蒸発物蒸気流と熱
電子の放出源が同一場所であるため、蒸発物蒸気流の分
布に対応して広い領域でガス放電プラズマが形成され、
該広い領域にわたってほぼ同質の生成被膜を形成するこ
とができる。

又導入ガスと蒸発蒸気を被蒸発物から放出される熱電子
で効率よく活性化及び励起でき更にガス放電プラズマの
強度が大きいため量産的見地から重要な要素であるとこ
ろの成膜速度を高めることが可能である。

従って本発明になる熱陰極放電型のイオンブレーティン
グ装置は特別な熱雲極を必要としないことから装置が単
純かつ安価にでき、又蒸発蒸気と燃電子が同一場所より
放出されることで強＃や分布の優れたガス放電プラズマ
を形成することができ、その結果成膜速度や有効処理面
積を増加でき量産に適した装置であることは明らかであ
る。

実施例では電子ビーム加熱方式や抵抗加熱方式の蒸発装
置からなる蒸発源を使用していたが本発明の基本原理か
ら被蒸発物を加熱して蒸発させる全ての方式の蒸発装置
からなる蒸発源を本発明の装置に適用できることは明ら
かである。

実施例ではＴｉｔｐｄなどの物質からなる被蒸発物を熱
陰極として作動させたが、イオンブレーティングに適し
たガス放電プラズマを形成しうるだげの熱電子放出能力
を有し、本発明の装置の被蒸発物熱陰極として作動させ
うる物質を確認したところＢｅ 、Ｂ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｆ
ｅ、Ｍｏ、Ｎｉ、ｐｄ）ＰｔｔＲｈｔＲｕｔＴｉｔＶｔ
Ｕ、ＷｔＺｒなどの元素金属−’ＦＨｆ ｔｏｓ ｔＲ
ｅ ｔｓｃ 、ｐｔ 、’ｒｈ ｔｐａｔＲｈなどの合
金、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｅなどの酸化物物質が本発明
の装置に適用できることが判明した。

更に固体物質に適用できるリチャードソン効果になる熱
電子放出能と本発明になる装置の被蒸発物の熱電子放出
能との関連について対応ずげたところ、本発明の装置を
作動させ種々の物質を１０μの蒸気圧を与える温度に加
熱した際の放電々流と、リチャードソン・ダッシュマン
の式の該物質の該温度での放出電子量との間には第２図
に示す一般的な対応傾向が認２．）られた。

従って本発明になる装置で被蒸発物熱陰極として作動さ
せうる可能性のある物質は、リチャードソン・ダッシュ
マンの式で与えられる該物質のｌＸｌ０−２Ｔｏｒｒの
蒸気圧を与える温度で放出電子量が約 ｉ Ｘ １０−５Ａ／ｃｒｒｉ以上であるところの物質
である。

蒸気圧１×１Ｏ−２Ｔｏｒｒを与える温度での放出電子
量がＩ ＸＩ ０−５Ａ／ｃｉである物質は試算による
とＢ ２Ｂｅ）Ｃｏ）Ｆｅ）Ｌａ）Ｍｏ２Ｎｔ 。

Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔｔ Ｒｈｔ Ｒｕｔ Ｓｅ、Ｔ
ｈｔＴｉ。

Ｖ、Ｕ、Ｗ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｄなどの元素金属、Ｂａ、Ｃ
ａｔ Ｓｒなど周期律表１１ａ、Ｉ［Ｉａの元素の酸
化物、上記元素の酸化物、窒化物、ホウ化物、ケイ素物
、炭化物などの化合物質、上記各元素及び化合物を少な
くとも１種含んだ物質などであり、該物質を本発明の装
置に適用することができる。

実施例では真空度は各々ｌＸｌ０ ” ＴｏｒｒＩＸ
ＩＯ” Ｔｏｒｒ であったが本発明はガス放電プラ
ズマを安定して起しうる約ｌＸｌ０ ’Ｔｏｒｒ 以
上の低真空で適用でき、蒸着膜の特性上限度のある５Ｘ
１０ ” Ｔｏｒｒ までの範囲の真空度が望まし
い。

実施例では窒素及びヘリウムを導入ガスとして使用して
いたが、本発明では一般的な反応性イオンブレーティン
グで使用される酸素アセチレンなどの活性ガス、アルゴ
ンなどの不活性ガス、更には無機、有機の巾広いガスを
適用できる。

本発明の装置は基本的には熱雲極放電やイオンブレーテ
ィングの一般的理論が適用され、従って放電々流は安定
してガス放電プラズマを形成しうる０、５Ａ程度から被
蒸発物質の放出しうる電子量までの範囲が可能ではある
が電源の容量や量産性を考慮した場合１〜１００Ａが一
般的に適用しうる値で、基板電位は最小負荷の一５ｖか
らイオンスパッタによるエツチングを考慮した約−ＩＫ
Ｖまでの範囲が好ましい。

更に被蒸発物電位を放電を起しうる最少の一３０Ｖから
電極の破損や放電が不安定とならない約−５００Ｖまで
の範囲が適用できるが量産性−？を源を考慮した場合一
般的には一５０Ｖ〜−２５０Ｖが望ましい。

同様に基板電流密度は量産的な活性化雰囲気を与える０
、０５ｍＡ ／ｃｒｔｖから基板温度上昇やイオンバッ
タリングエツチングが過度とならない２００ ｍＡ ／
ｃｒＡまでの範囲が適用できるが成膜速度や反応の効率
を考えた場合一般的には０．１ ｍＡ ／ｃｒＡ〜１０
０ｍＡ ／ｃｒｒｉが望ましい。

本発明になる装置は特別な熱陰極を必要としないこと装
置を単純かつ安価にでき、量産の規模が大きくなるほど
その効果が著しくなる。

更に量産プロセスに不可欠な分布や強度の優れたガス放
電プラズマが形成されることで、処理能力や処理効率が
従来装置に比較して大巾に向上され又無公害処理プロセ
スであることから今後新しい表面処理技術として多方面
の分野で応用できる可能性がありその効果には甚大なる
ものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による熱雲極放電型イオンブレーティン
グ装置の概略図、第２図はリチャード・ダッシュマン理
論式による放電流量と本発明による実測放電電流値との
関係図である。 １・・・真空室、２・・・排気管、３・・・導入管、４
・・・蒸発源、５・・・被蒸発物、６・・・基板、７・
・・反射筒、Ｐ・・・真空排気系、Ｇ・・・ガス導入系
、Ａ・・・放電用電源、Ｂ・・・蒸発源用電源、Ｋ・・
・基板用電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 接地電位にある真空室と、この真空室内の下部に配
   置された蒸発源と、この蒸発源に対向して前記真空室の
   上部に配置された基板とを有し、前記蒸発源に載置され
   ている被蒸発物の電位を前記真空室の電位に対して負に
   シフトする手段を有することを特徴とする熱陰極放電型
   イオンブレーティング装置。 ２ 接地電位にある真空室と、この真空室内の下部に配
   置された蒸発源と、この蒸発源に対向して前記真空室の
   上部に配置された基板とを有し、前記蒸発源に載置され
   ている被蒸発物の電位を前記真空室の電位に対して負に
   シフトする手段を有し、さらに前記蒸発源の近傍に前記
   被蒸発物σ電位と同電位の上向きに開口したホッパー型
   の反射筒を有することを特徴とする熱陰極放電型イオン
   ブレーティング装置。