JPS6333585A - イオンボンバ−ド洗浄装置 - 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〕 この発明は、イオンを被加工材の表面に衝突させて被加
工材の表面を洗浄するイオンボンバード洗浄装置に関す
るもので、特にイオンを被加工材の表面に衝突させるた
めのバイアス電源の構成に係る。

〔従来の技術〕

従来から、金属窒化物、金属炭化物等の薄膜を被加工材
の表面に形成することにより被加工材の表面の改質（硬
度向上、耐摩耗性向上、耐食性向上、摩擦係数低減１色
調光沢改善等）が行われている。このための薄膜形成方
法としてＰＶＤ法があり、このＰＶＤ法の中にはアーク
放電を利用した電気アーク蒸着法がある。

この電気アーク蒸着法を使用した薄膜形成装置は、例え
ば第５図に示すように、金属製の真空槽ｌ内の略中火に
被加工材２を算空槽１と電気的に絶縁して配置するとと
もに、真空槽ｌの内壁に例えばチタンからなる蒸発源３
を真空槽１と電気的に絶縁して配置し、さらにトリガ電
極４と真空槽ｌと電気的に絶縁しかつ仄発ｔＡ３と対向
するように配置している。なお、被加工材２は、真空槽
１と電気的に絶縁された金属製の保持台１０に載置され
る。

また、真空槽１には真空ポンプ５と反応ガス供給部６が
接続されている。

さらに、蒸発＃３にアーク電ｔＡ７の負極を接続すると
とにも真空槽１にアーク電源７の正極を接待し、トリガ
電極４に抵抗８を介してアーク電源７の正極を接続し、
真空槽１にバイアス電源９の正極を接続するとともに保
持台１０にバイアス電５つの負極を接続している。

この′ｇｉ、膜形成装置は、蒸発源３と真空［１の内壁
との間でアーク放電を行わせる０通常は、蒸発ａ３と真
空槽１との間で直接放電が開始せず、放電を起動さ−せ
るとともに放電を維持させる機能を果たすトリガ電極４
をトリガ駆動装置（図示せず）によって蒸発源３にいっ
たん接触さセて電流を流し、この後引き離すことにより
、種火となる了−りが蒸発ｔＪ３とトリガ電極４との間
で点弧し、このアークによって医発源３に十分なエネル
ギが与えられ、蒸発源３からチタンなどの金属が蒸発し
てイオン化され、アークが蒸発源３と真空槽１の内壁間
へ移行する。このアークによって定常的に蒸発源３から
金属蒸気が発生してイオン化されてプラズマを形成する
。

この後反応ガス供給部６から窒素ガス等の反応ガスが真
空槽１内へ送り込まれると、窒素ガスもイオン化される
ことになり、金属イオン粒子と反応ガスイオン粒子の混
在したコーティング用のプラズマが形成されることにな
る。

そして、このプラズマ中のイオン粒子が真空槽１と被加
工材２との間に与えられたバイアス電圧によって被加工
材２の方に引きよせられ、被加工材２の表面に例えばチ
タンと窒素との反応物である窒化チタン（ＴｉＮ）ＩＩ
が形成される。

第５図に示したような薄膜形成装置は、被加工材２の表
面に形成する膜の密着性を良好にするために、コーティ
ングの前段階において、イオンボンバード洗浄（スパッ
タクリーニング）を行って被加工材２０表面の汚れ、異
物等を除去する。

このイオンボンバード洗浄は、第５図の薄膜形成装置に
おいて、バイアス電源９の電圧をスパッタリング係数が
１以上になるように設定することにより、第５図の装置
をイオンボンバード洗浄装置として動作させて行う。す
なわち、スパッタリング係数が１以上になるようなバイ
アス電圧を真空槽１および被加工材２間に加えると、真
空槽１内のイオンが被加工材２に引き寄せられて被加工
材２の表面に衝突し、被加工材２の表面の異物。

汚れ等を飛散させ、被加工材２の表面を清浄化する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

被加工材２の表面をイオンボンバード洗浄して表面の異
物、汚れ等を除去するには、前述したとおりスパッタリ
ング係数が１以上になるＩＫＶ程度以上の高電圧を真空
槽１と被加工材２の間に印加する必要がある。

ところが、被加工材２は、洗浄初期においては、表面に
異物、汚れ等が多く付着しており、これらによる凹凸が
表面に多く存在し、真空槽１と被加工材２の間にバイア
ス電圧を印加すると、被加工材２の表面に局部的な電界
の集中が起こり、イオンボンバード洗浄のためにバイア
ス電圧を高くすると真空槽１と被加工材２との間でのア
ーク放電が生じやすい、また、洗浄初期においては、イ
オンボンバード洗浄によって被加工材２０表面の異物、
汚れ等が多く飛散し、この状態が長くなると、真空槽１
内がアーク放電を起こしやすい雰囲気となり、前記の電
界集中と相まって、洗浄初期におけるアーク発生頻度が
きわめて高く、アークによる被加工材２の表面の損傷が
太きいとう欠点がある。また、真空槽ｌと被加工材２の
間にアークが発生するとバイアス電１ｆｆ９に過電流が
流れることになるが、アーク発生頻度が貰いと、バイア
ス電源９に大きな負担がかかるという問題がある。また
、バイアス電圧によって真空槽ｌとの間でアークが発生
するのは、被加工材２だけでな（、保持台１０もあり、
保持台１０のアークが被加工材２へ移って被加工材２の
表面を損傷することもある。

このようなイオンボンバード洗浄のための高いバイアス
電圧の印加に伴うアークの発生を抑え、被加工材２の表
面を損傷させることなく被加工材２の表面を洗浄するに
は、真空槽１および被加工材２間に印加するバイアス電
圧を第６図に示すように、洗浄開始時はスパッタリング
係数が１以下となる例えば２５０ｖ程度にし、この後バ
イアス電圧を徐々に上昇させ、最終的にＩＫＶ程度に達
するようにすることが考えられる。

このようにバイアス電圧を変化させると、洗浄初期には
低いバイアス電圧で洗浄を行い、洗浄が進んで被加工材
２の表面の凹凸が少くなるとともに異物、汚れ等の飛散
量が少くなってアーク放電が発生しにくくなるにつれて
バイアス電圧を高くするので、被加工材２の表面の洗浄
時のアークによる損傷を少くすることができる。

ところが、このようにバイアス電圧をスパッタリング係
数が１より小さくなる低い値から徐々に上昇させる構成
では、バイアス電圧が低い値のときにデポジョンが起こ
って被加工材２の表面の異物、汚れ等が覆われて洗浄を
十分に行えないという問題がある。

この発明の目的は、被加工材の表面の洗浄を十分に行う
ことができ、しかも被加工材の表面のアークによる損傷
を軽減することができるイオンボンバード洗浄装置を提
供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

第１の発明のイオンボンバード洗浄装置は、真空槽と、
この真空槽内にイオンを供給するイオン発生源と、前記
真空槽内に配置された被加工材と前記真空槽との間にス
パッタリング係数が１より大きくなるパルス状のバイア
ス電圧を印加して前記真空槽内のイオンを前記被加工材
の表面に衝突させるバイアス電源とを備えている。

第２の発明のイオンボンバード洗浄装置は、真空槽と、
この真空槽内にイオンを供給するイオン発生源と、前記
真空槽内に配置された被加工材と前記真空槽との間にス
パッタリング係数が１より大きくかつ作動開始後時間の
経過とともに波高値が徐々に増加するパルス状のバイア
ス電圧を印加して前記真空槽内のイオンを前記被加工材
の表面に衝突させるバイアスを源とを備えている。

〔作用〕

第１の発明の構成によれば、スパッタリング係数が１よ
り大きくなるパルス状のバイアス電圧を真空槽および被
加工材間に印加する構成であるため、バイアス電圧の波
高値を被加工材の表面へイオンが付着しない程度にまで
高くしても、バイアス電圧が間欠的に印加され、真空槽
内はアーク放電を起こしやすい雰囲気にはなりに＜＜、
アーク発生頻度を少くでき、被加工材の表面の損傷を軽
減できる。

また、第２の発明の構成によれば、バイアス電源の作動
開始後時間の経過とともにバイアス電圧の波高値を徐々
に増加させるため、洗浄能力が高くなり、被加工材の表
面の洗浄化に要する時間を短縮できる。しかも、徐々に
バイアス電圧を増加させるため、バイアス電圧が高くな
ったときには被加工材の表面がかなり清浄化されている
ため、アーク発生頻度が高くなることはなく、洗浄能力
を高めたことによって被加工材の表面の損傷量が増加す
ることもない。

〔実施例〕

この発明の第１の実施例を第１図ないし第４図に基づい
て説明する。このイオンボンバード洗浄装置は、第１図
に示すように、真空槽１内にイオン発生源１１によって
イオンを供給し、真空槽ｌとの間にバイアス電源１２に
よってスパッタリング係数が１より大きくなるパルス状
のバイアス電圧を印加し、真空槽１内のイオンを被加工
材２の表面へ衝突させ、これによって被加工材２の表面
に付着した異物、ｌηれ等を飛散させて被加工材２の表
面を清浄化するようになっている。この場合、バイアス
電源１２から出力されるパルス状のバイアス電圧のパル
ス幅は、バイアス電源１２の作動開始後時間の経過とと
もに徐々に増加させ、また波高値も時間の経過につれて
徐々に増加させるようにしている。

このイオンボンバード洗浄Ｖｊｌｌは、スパッタリング
係数が１より大きくなるパルス状のバイアス電圧を真空
槽１および被加工材２間に印加する構成であるため、バ
イアス電圧の波高値を被加工材の表面へイオンが付着し
ない程度にまで高くしても、バイアス電圧が間欠的に印
加され、真空槽内はアーク放電を起こしやすい雰囲気に
はなりにくく、アーク発生頻度を少くでき、被加工材２
の表面の損傷を軽減できる。

また、バイアス電圧のパルス幅を徐々に増加させている
ので、洗浄能力が高くなり、被加工材の表面の清浄化に
要する時間を短縮できる。

しかも、徐々にバイアス電圧のパルス幅を増加させるた
め、バイアス電圧のパルス幅が広くなったときには被加
工材２０表面がかなり清浄化されているため、アーク発
生頻度が高くなることはなく、洗浄能力を高めたことに
よって被加工材２の表面の損傷量が増加することはない
。

さらに、バイアス電源１２の作動開始後時間の経過とと
もにバイアス電圧の波高値を徐々に増加させるため、洗
浄能力が高くなり、被加工材２の表面に要する時間を短
縮できる。

しかも、徐々にバイアス電圧の波高値を増加させるため
、波高値が高くなったときには、被加工材２の表面がか
なり清浄化されており、アーク発生頻度が高くなること
はなく、洗浄能力を高めたことによって、被加工材２の
表面の損傷量が増加することはない。

以下、上記イオンボンバード洗浄１５’Ｚとし？利用す
る薄膜形成装置を第２図ないし第４図に基づいて説明す
る。この薄膜形成装置は、第２図に示すような構成で、
第５図の従来例におけるバイアス電源９に代えてバイア
ス電１ｉ１２を用いることにより、イオンボンバード洗
浄装置として動作させることができるようにしたもので
あり、薄膜形成の動作については従来例と同じであるの
で説明は省略する。

つぎに、バイアス電源１２の構成および動作について第
３図および第４図により詳しく説明する。

このバイアス電源は、第３図に示すように、電圧可変型
の可変直流電源２１とパワートランジスタ２２の直列回
路を真空槽１と被加工材２との間、すなわち真空槽１と
保持台１０の間に接続している。

また、上記の可変直流型′ａ２１の出力電圧およびパワ
ートランジスタ２２のオンオフを制御する回路として、
三角波発生器２３．コンパレータ２４゜出力制御パルス
発生器２５．直線減衰電圧発生器２６、ゼロレベル検出
器２７．タイマ回路２８゜リセット回路２９．アーク発
生検出回路３０．電圧制御回路３１を有している。

三角波発生器２３は、直流バイアスのついた周期的な三
角波を発生し、その周波数を変化できるようにしている
。

直線減衰電圧発生器２６は、所定の電圧値から直線的に
減衰する直線減衰電圧を発生し、その減衰速度を変化で
きるようにしている。

コンパレータ２４は三角波発生器２３の出力電圧と直線
減衰電圧発生器２６の出力電圧を比較し、三角波発生器
２３の出力電圧の方が大きいときに出力電圧を高レベル
にし、逆のときに低レベルにする。

出力制御ｌパルス発生器２５は、コンパレータ２４の出
力電圧が高レベルのときパワートランジスタ２２ヘヘー
ス電圧を与え被加工材へバイアス電圧を印加させる。

ゼロレベル検出器２７は、直線減衰電圧発生器２６の出
力電圧がゼロになったときにこれを検出して出力を発生
する。

タイマ回路２Ｂは、ゼロレベル検出器２７の出力によっ
て起動され、一定時間（アーク発生検出時間）出力を高
レベルにする。この時間は任意に変更可能である。

アーク発生検出回路３０は、真空槽１と被加工材２との
間にアークが発生したときにそれを検出してアーク発生
検出信号を発生する。

電圧制御回路３１は、可変直流ＴＬ源２１の出力電圧を
制御するもので、下限出力電圧（初期電圧）。

上限出力電圧および１ステツプの電圧増減量を設定可能
である。

リセット回路２９は、タイマ回路２８の出力電圧が低レ
ベルとなったときに直線減衰電圧発生器２６をリセット
して再度直線減衰電圧を発生させ、かつタイマ回路２８
の出力電圧が高レベルの期間中においてアーク発生検出
回路３０からアーク発生検出信号が加えられた場合に電
圧制御回路３１に対してタイマ回路２８の出力電圧が低
レベルとなったときに電圧減少指令信号を与え、タイマ
回路２Ｂの出力電圧が高レベルの期間中においてアーク
発生回路３０からアーク発生検出信号が加えられなかっ
た場合に電圧制御口８３１に対してタイマ回路２８の出
力電圧が低レベルとなったときに電圧増加指令信号を与
える。

つぎに、このバイアス電源１２の動作を第４ｒｊ！Ｊに
基づいて説明する。

時刻ｔ０において、電源投入すると、三角波発生器２３
から第４図（Ａ）に示すような三角波電圧が発生し、ま
た直線減衰電圧発生器２６から第４図（Ｂ）に示すよう
な直線減衰電圧が発生する。

コンパレータ２４は、上記両型圧を比較し、その比較結
果を出力して出力制御パルス発生器２５がら第４図（Ｃ
）のようなパルス幅が徐々に増加する出力制御パルスが
出力され、これによってパワートランジスタ２２がスイ
ッチングされ、真空槽１および被加工材２間には第４図
（Ｇ）に示すようなパルス幅が徐々に増加するパルス状
のバイアス電圧が加えられることになる。なお、電源投
入直後は可変直流電源２１の電圧は第４図（Ｆ）のよう
に初期電圧（最低電圧）になっている。

時刻ｔ１において、直線減衰電圧発生器２６の出力電圧
がゼロになると、ゼロレベル検出器２７がこれを検出し
てタイマ回路２８を起動させる。

この結果、タイマ回路２８は、時刻ｔ、から時刻ｔ２ま
での時間、出力を高レベルにする。

そして、時刻ｔ２でタイマ回路２８の出力電圧が低レベ
ルとなると、リセット回路２９がこれを検出して直線減
衰電圧発生Ｒ２６をリセットして再度直線減衰する電圧
を発生させる。

第４図（Ｅ）はアーク発生検出回路３０から出力される
アーク発生検出信号を示しているが、タイマ回路２８の
出力電圧が高レベルの期間中には、アーク発生検出回路
３０が出力を発生していないので、リセット回路２９は
、電圧制御回路３１に対し電圧増加指令信号を与えるこ
とになり、可変直流電源２１の電圧は、時刻ｔ２以！ｊ
ｉ１ステップ上昇することになり、したがって、時刻ｔ
２以後真空槽１および被加工材２間に印加されるパルス
状のバイアス電圧の波高値も時刻ｔ。−ｔ１間よりも１
ステツプ上昇することになる。

時刻ｔ３で直線減衰電圧発生器２６の出力電圧が再びゼ
ロになり、ゼロレベル検出器２７がこれを検出してタイ
マ回路２８を起動させ、タイマ回路２８の出力電圧を高
レベルにし、時刻ｔ４でタイマ回路２８がタイムアツプ
して出力電圧が低レベルとなり、直線減衰電圧発生器２
６がリセ７）されるが、時刻ｔ３〜ｔ４間においては真
空槽１と被加工材２間にアークが発生して、アーク横出
回路３０からアーク発生検出信号がリセット回路２９へ
加えられるため、リセット回路２９が電圧制御回路３１
へ電圧減少指令信号を与え、時刻ｔ４以後は、時刻１２
〜１４間よりも可変直流電源２１の電圧が１ステツプ下
がり、したがって、バイアス電圧もｌステップ下がるこ
とになる。

以下、アークの発生の有無に応じてバイアス電圧の波高
値を増減しながら、パルス幅が徐々に増加するパルス状
のバイアス電圧が繰返し発生することになる。なお、被
加工材２の洗浄が進むにつれてアークが発生しにくくな
るので、巨視的に見ればバイアス電圧の波高値は漸次上
昇していき、最終的に上限値に達する。

なお、バイアス電源１２における可変直流電源２１の電
圧を従来例と同様の値に設定し、かつパワートランジス
タ２２を常時オンにすれば、従来例と同様に薄膜形成を
行うことができる。

上記バイアス電源１２は、バイアス電圧のデユーティを
徐々に増加させ、デユーティが１となった後一定時間ア
ークの発生の有無を検出し、その期間にアーク発生がな
ければバイアス電圧の波高値を１ステノプ−上昇させて
」二記の動作を繰返し、アーク発生があったときにはバ
イアス電圧の波高値を１ステップ下げて上記の動作を繰
返すため、被加工材２の洗浄の進み具合に応してバイア
ス電圧の波高値を高めることができ、波高値の上昇速度
が速くなりすぎてアーク発生頻度が増加したり、逆に波
高値の」−昇速度が遅くなりすぎて洗浄に時間がかかっ
たりするのを防止できる。

なお、上記実施例では、バイアス電圧のパルス幅と波高
値の両方を変えるようにしているが、パルス幅のみを変
えるだけでもよい。また、バイアス電圧のパルス幅を変
えなくても、単にバイアス電圧をパルス状にするだけで
も、真空槽１内をアーク放電が発生しにくい雰囲気にな
り、アーク発生頻度を少くして被加工材２の損傷を軽減
しつつ被加工材２を洗浄することができる。

〔発明の効果〕

第１の発明のイオンボンバード洗浄装置によれば、スパ
ッタリング係数が１より大きくなるパルス状のバイアス
電圧を真空槽および被加工材間に印加する構成であるた
め、バイアス電圧の波高値を被加工材の表面へイオンが
付着しない程度にまで高くしても、バイアス電圧が間欠
的に印加され、真空槽内はアーク放電を起こしやすい雰
囲気にはなりにくく、アーク発生頻度を少くでき、被加
工材２の表面の損傷を軽減できる。

第２の発明のイオンボンバード洗浄装置によれば、バイ
アスＴ＝ａの作動開始後時間の経過とともにバイアス電
圧の波高値を徐々に増加させるため、洗浄能力が高くな
り、被加工材の表面の洗浄化に要する時間を短縮できる
。しかも、徐々にバイアス電圧を増加させるため、バイ
アス電圧が高くなったときには被加工材の表面がかなり
清浄化されているため、アーク発生頻度が高くなること
はなく、洗浄能力を高めたことによって被加工材の表面
の損傷量が増加することもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の構成を示す概略図、第２
図はイオンボンバード洗浄装置として使用する薄膜形成
装置の一例の構成を示す概略図、第３図はバイアスを源
の具体的なブロック図、第４図は第３図の各部のタイム
チャーロ第５図は従来の薄膜形成装置の一例の構成を示
す概略図、第６図はイオンボンバード洗浄時におけるバ
イアス電圧の変化を示すタイムチャートである。 ｌ・・・真空槽、２・・・被加工材、１１・・・イオン
発生源、１２・・・バイアス電源 ／１！Ｌ’２Ｎ 第１図 １ｚ 第２図 −Ｉ　　　　　　　　〜Ｉ　　　　　−一　　　　ν　
　　　−Ｉ　　　　−Ｉ　　　　　　ζ−必〜ｊ 派

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空槽と、この真空槽内にイオンを供給するイオ
   ン発生源と、前記真空槽内に配置された被加工材と前記
   真空槽との間にスパッタリング係数が１より大きくなる
   パルス状のバイアス電圧を印加して前記真空槽内のイオ
   ンを前記被加工材の表面に衝突させるバイアス電源とを
   備えたイオンボンバード洗浄装置。
2. （２）前記バイアス電源は、作動開始後時間の経過とと
   もにバイアス電圧のパルス幅を徐々に増加させている特
   許請求の範囲第（１）項記載のイオンボンバード洗浄装
   置。
3. （３）真空槽と、この真空槽内にイオンを供給するイオ
   ン発生源と、前記真空槽内に配置された被加工材と前記
   真空槽との間にスパッタリング係数が１より大きくかつ
   作動開始後時間の経過とともに波高値が徐々に増加する
   パルス状のバイアス電圧を印加して前記真空槽内のイオ
   ンを前記被加工材の表面に衝突させるバイアス電源とを
   備えたイオンボンバード洗浄装置。