WO2011151979A1

WO2011151979A1 - イオンボンバードメント処理装置およびこの処理装置を用いた基材表面のクリーニング方法

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Publication number: WO2011151979A1
Application number: PCT/JP2011/002691
Authority: WO
Inventors: 直行後藤; 誉野村; 足立　成人; 輝明藤岡
Original assignee: 株式会社神戸製鋼所
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2011-12-08
Also published as: JP2011252193A; JP5649333B2; EP2578722A1; EP2578722B1; EP2578722A4; ES2527048T3; US20130061872A1; PT2578722E; US9211570B2

Abstract

　本発明にかかるイオンボンバードメント処理装置１Ａおよびクリーニング方法では、真空チャンバ２内であって、フィラメント３とアノード４との間に配置するようにワークテーブル１１によって処理対象の基材Ｗが保持され、フィラメント３およびアノード４間に電位差を与えてグロー放電を発生させる放電電源５が、真空チャンバ２から絶縁されている。このため、本発明にかかるイオンボンバードメント処理装置１Ａおよびクリーニング方法は、基材のクリーニング効果を高めることができるとともに電源の制御を安定化させることができる。

Description

イオンボンバードメント処理装置およびこの処理装置を用いた基材表面のクリーニング方法

　本発明は、成膜の前処理として基材の表面をクリーニングすることができるイオンボンバードメント処理装置およびこの処理装置を用いた基材表面のクリーニング方法に関する。

　従来、切削工具の耐磨耗性の向上や、機械部品の摺動面の摺動特性の向上を目的として、基材（成膜対象物）に対して、物理的蒸着（ＰＶＤ）法による硬質皮膜（例えばＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等）の成膜が行われてきた。このような硬質皮膜の成膜に用いられる装置は、例えば、アークイオンプレーティング装置やスパッタリング装置などの物理的蒸着装置がある。

　このような物理的蒸着装置において、成膜する皮膜の密着性を向上させるために、成膜を行う前に基材表面を浄化（クリーニング）することが知られている。この前処理として、電子衝撃による加熱クリーニングや、プラズマ放電によってアルゴンイオンのような重い不活性気体イオンを発生させ、このプラズマからの不活性気体イオンを基材に照射することで表面を加熱してクリーニングする方法（イオンボンバードメント処理（ｉｏｎ　ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）法）が挙げられる。

　上述した成膜の前処理を行う技術として、特許文献１には、成膜前の基材を表面クリーニングまたは加熱する装置が記載されている。この装置は、チャンバ内に、基材と開閉自在のシャッターを備えたアーク蒸発源とこのアーク蒸発源とは独立したアノードとを設けている。そして、前記チャンバ内にアルゴンガスなどの不活性ガスが導入され、前面をシャッターで覆ったアーク蒸発源とチャンバとの間で起こるアーク放電を利用することによってアルゴンイオンが発生され、アノードと基材との間に電位をかけることによって、アルゴンイオンが、負電位とされた基材表面に照射される。これによって特許文献１に開示の前記装置では、基材表面がクリーニングされる。

　また、特許文献２には、真空チャンバ内で、垂直中央軸周りに配置された基材の内周側または外周側で、基材の処理高さと同じまたはこの処理高さ以上の上下に亘る空間でアーク放電（プラズマ供給源）を形成し、そこで生成されるアルゴンイオンを、負のバイアス電圧をかけた基材に照射することによって、基材表面をクリーニングする技術が開示されている。

　しかしながら、前記特許文献１の装置では、アーク蒸発源の前面を覆うシャッターが高温になり、その輻射熱を受けて基材も高温となるため、この特許文献１に開示の装置は、低温での処理が必要とされる焼入れ材などの基材へ適用し難い。また、シャッターにアーク蒸発源からのドロップレットが付着するため、メンテナンスが頻繁に必要となり、さらに、シャッターで蒸発源を完全に覆えず、若干のドロップレットが基材に付着してしまう虞がある。さらに、この特許文献１に開示の装置は、実質的にチタンターゲットを用いる技術となっているが、イオンボンバードメント処理によりクリーニングするだけの機構としては大きな空間を要するため、コスト高となってしまう。

　一方、特許文献２に開示の装置は、真空チャンバ上部に別途に設けられた陰極室内へガスを注入することによって、陰極室内圧と真空チャンバ内圧との間に圧力差（圧力勾配）を生じさせ、この圧力勾配を利用することによって、陰極室内のガスを小さな開口から真空チャンバ内へ勢いよく噴出させて垂直中央軸に沿ってプラズマを発生させる。

　しかし、前記圧力勾配を生じさせるために、陰極室へ所定圧でガスを注入することが必須であり、そして、ガスを真空チャンバ内へ勢いよく噴出させるために、小さな開口径のシビアな調整が必要となる。高価なモリブデン等で形成された小さな開口の周辺部は、常時ガス噴出にさらされているのでその摩耗が激しいため、経済的負担が大きくなる。また、基材表面をムラなくクリーニングするために、装置の大型化が避けられず、陽極を複数配置するなどシステムが複雑になり、基材表面とプラズマとの距離（つまり、クリーニング効果）を一定に保つことが難しい。

　一方、上述したクリーニング上の不都合な点のみならず、これらの装置（特に、特許文献１に記載の装置）には、回路上においても好ましくない点が存在する。すなわち、特許文献１に記載の装置は、真空チャンバを介して全ての電源を接続しているため、電源同士がチャンバを介してループを形成するものとなる。このようなループが形成されると、各ＧＮＤ（接地）の電位が実際には異なる場合などに電流制御が不安定になってしまう。

米国特許第５２９４３２２号明細書特許第４２０８２５８号公報（ＷＯ１９９７／０３４３１５）

　本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、基材のクリーニング効果を高めることができるとともに電源の制御を安定化させることができるイオンボンバードメント処理装置およびこの処理装置を用いた基材表面のクリーニング方法を提供することである。

　本発明にかかるイオンボンバードメント処理装置およびクリーニング方法では、真空チャンバ内であって、熱電子放出電極とアノードとの間に配置するように基材保持具によって処理対象の基材が保持され、前記熱電子放出電極および前記アノード間に電位差を与えてグロー放電を発生させる放電電源が、前記真空チャンバから絶縁されている。このため、本発明にかかるイオンボンバードメント処理装置およびクリーニング方法は、基材のクリーニング効果を高めることができるとともに電源の制御を安定化させることができる。

　上記並びにその他の本発明の目的、特徴および利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。

第１実施形態にかかるイオンボンバードメント装置を示す概要図である。図１に示すイオンボンバードメント装置の平面方向を示した概要図である。基材高さ方向のエッチング分布を示すグラフである。第２実施形態にかかるイオンボンバードメント装置の平面方向を示した概要図である。第３実施形態にかかるイオンボンバードメント装置を示す概要図である。第４実施形態にかかるイオンボンバードメント装置を示す概要図である。第５実施形態にかかるイオンボンバードメント装置の平面方向を示した概要図である。実施形態にかかるクリーニング方法を示すフローチャートである。

　以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

　（第１実施形態）
　図１および図２には、第１実施形態にかかるイオンボンバードメント装置１Ａが示されている。このイオンボンバードメント処理装置１Ａは、断面八角形の真空チャンバ２内に設置された基材Ｗの表面に物理的蒸着法（ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法）により皮膜を被覆する装置である。このイオンボンバードメント処理装置１Ａにおける真空チャンバ２内の底面の略中央には、処理物である複数の基材Ｗを載置するための回転式の基材保持具（ワークテーブル）１１が設けられている。真空チャンバ２は、その内部の一の側面に配置された加熱式の熱電子放出電極３（フィラメント３）と、内部の他の側面に配置されたアノード４とを有している。

　なお、図１および図２に示す如く、基材Ｗおよびこれを支持するワークテーブル１１は、フィラメント３とアノード４との間に配置されている。また、基材Ｗは、起立状態（基材Ｗの長手方向を上下に向けて）で、ワークテーブル１１によって支持されている。加えて、イオンボンバードメント処理装置１Ａは、フィラメント３とアノード４との間に電位差を与えてプラズマ放電を発生させる放電電源５と、フィラメント３を加熱させる加熱電源６とを有している。さらに、ワークテーブル１１に接続されて、基材Ｗに負の電圧を印可させるバイアス電源１２も有している。

　真空チャンバ２には、当該真空チャンバ２内へアルゴンなどの不活性ガスを導入するガス導入口と、真空チャンバ２内から不活性ガスを排出するガス排気口とが設けられている（ガス導入口、排気口ともに図示省略）。熱電子放出電極であるフィラメント３は、加熱することで熱電子を照射する線条材であって、タングステン（Ｗ）等の金属によって形成されている。フィラメント３は、基材Ｗを挟んで前記アノード４のほぼ反対側に配置されている（図２参照）。この実施形態の場合では、フィラメント３は、八角形の一の側面に配置され、アノード４は、その対面の隣の面に配置されている。

　図１に示すように、フィラメント３は、高さ方向（上下方向、起立状態の基材Ｗの長手方向）に沿って真空チャンバ２の内壁に絶縁体（図１、図２では、真空チャンバ２との間に隙間を設けることで絶縁状態が表現されている。）を介して配設されており、後述するフィラメント加熱電源６にその両端部が接続されている。ただし、このフィラメント加熱電源６とフィラメント３とは、直接接続されているのではなく、絶縁トランス１３を介して、電気的に絶縁された状態で接続されている。

　この構成により、加熱電源６から出力された交流電流は、絶縁トランス１３を介し、フィラメント３に流れる。フィラメント３は、電流が流れることによって加熱され、フィラメント３から熱電子が飛び出すこととなる。なお、絶縁トランス１３の１次コイル１４側には、加熱電源６からの交流電流の位相をコントロールする電力調整器等（図示省略）が組み込まれている。

　フィラメント３の長さは、起立した基材Ｗの高さ（以下、基材Ｗの処理高さとする）と同じか若干長く設定されており、フィラメント３は、側面視で基材Ｗと重複する位置（重なる位置）に配置されている。フィラメント３の太さや組成は、その長さ方向にわたって均一である。このため、このフィラメント３から飛び出る熱電子は、基材Ｗに対して処理高さ方向にわたってほぼ均一となり、したがって、基材Ｗ側へ放出される熱電子の量は、フィラメント３におけるその地点の電位によってコントロールされる。

　なお、飛び出した熱電子は、真空チャンバ２の内部に導入されたアルゴンガスに衝突してアルゴンイオンを生成したり、または後述する切換回路１６によって直接基材Ｗに照射されたりする。アノード（陽電極）４は、正の電位（フィラメント３より相対的に高い電位）が印加され、基材Ｗを挟んでフィラメント３と相対する位置の真空チャンバ２の内壁面に配置されている。アノード４も真空チャンバ２に電気的に接続されることなく絶縁体を介して取り付けられている。

　図１に示したように、放電電源５は、フィラメント３およびアノード４間に電位差をかけて放電を生じさせる直流電源であって、正極側出力をアノード４へ接続されており、負極側出力を絶縁トランス１３を介してフィラメント３へ接続されている。より具体的には、放電電源５の負極側出力は、２次コイル１５の巻芯方向中途部に設けられた中間タップに接続されており、２次コイル１５を通じて、フィラメント３へ接続されている（図１参照）。

　一方、上述した如く、加熱電源６は、フィラメント３に電流を流して加熱させ、熱電子を基材Ｗへ照射させるための交流電源であって、各端子からの出力が、絶縁トランス１３を介してフィラメント３の両端に接続されている。このような構成により、放電電源５および加熱電源６は、互いに接続されていない（例えば、同一のＧＮＤに接続されていない等）と同時に、真空チャンバ２にも繋がっておらず、放電電源５と加熱電源６と間の電気的な独立と、放電電源５および加熱電源６の真空チャンバ２に対する電気的な独立とを保っている。

　一方、バイアス電源１２は、真空チャンバ２に対する負の電荷を基材Ｗに印加する直流電源であって、正極側出力が真空チャンバ２に接続され、負極側出力がワークテーブル１１を介して基材Ｗに接続されている。この構成により、バイアス電源１２は、上述の放電電源５および加熱電源６とは接続されないものとなり（例えば、同一のＧＮＤに接続されていない等）、３つの電源５、６、１２は、それぞれが電気的に独立することになる。

　よって、各電源５、６、１２が真空チャンバ２や共通グランドを介してループを形成することがなく、各ＧＮＤの電位が実際には異なっていたとしても、各電源の電流制御を安定的に行うことができる。なお、バイアス電源１２は、基材Ｗに１０～１０００Ｖの負電圧を印加できるように設定されている。

　また、図１に示すように、第１実施形態にかかるイオンボンバードメント処理装置１Ａには、放電電源５の正極側出力を、アノード４への接続または基材Ｗへの接続に切り換え可能な切換回路１６が設けられている。したがって、放電電源５の正極側出力と基材Ｗとを接続した場合には、基材Ｗは、放電電源５によってフィラメント３より高い電位（正の電位）となり、フィラメント３から放出される熱電子を基材Ｗに照射して基材Ｗを加熱する電子加熱用途にも使用することができる。

　以下、第１実施形態にかかるイオンボンバードメント処理装置１の使用態様、すなわち物理的蒸着前の基材Ｗのクリーニング方法について述べる。まず、真空チャンバ２内のワークテーブル１１に基材Ｗが固定され、真空引きしたチャンバ２内で加熱処理等が施される。そして、基材Ｗの温度が、クリーニング用の温度（表面をクリーニングするために適した温度）に制御された後に、真空チャンバ２内へアルゴンガスが導入される。アルゴンガスの導入は、真空引きと同時でもよい。

　アルゴンガス雰囲気下において、約１０～３０Ａ設定の電流制御にて放電電源５の出力がＯＮとされ、フィラメント３とアノード４との間に約１００Ｖ以上の電位差がかけられた状態で、加熱電源６から交流電流が流される。これによって、加熱電源６によりフィラメント３から発生された熱電子が、相対的に正の電位にあるアノード４の方向に移動する際に、基材Ｗの近傍のアルゴンガスを電離させてプラズマ状態にすることで、グロー放電状態が生じるとともに、基材Ｗの近傍にアルゴンイオンが発生される。

　この場合に、絶縁トランス１３の電力調整器による交流電流の位相と、真空チャンバ２に吸排気されるアルゴンガスとが、同時にコントロールされて、フィラメント３に流す電流値および、基材Ｗ周辺のアルゴンガス雰囲気のガス圧が、フィラメント３とアノード４との間でグロー放電可能な状態に制御される。この過程を経て、基材Ｗ周辺にプラズマを発生させた状態で、バイアス電源１２が起動されて基材Ｗに負のバイアス電圧がかけられ、正の電荷をもつアルゴンイオンを基材Ｗに照射する（ボンバードメント）ことで、基材Ｗ表面のクリーニングが行われる。

　なお、上述した第１実施形態では、イオンボンバードメント処理を行う機構のみを説明したが、真空チャンバ２内に、基材Ｗに向けて取り付けられたアーク蒸発源も設けて、同一真空チャンバ２内で物理的蒸着による成膜もできるようにイオンボンバードメント処理装置１Ａが構成されてもよい。

　次に、このクリーニング方法の詳細を以下に述べる。まず、図８のフローチャートに示した如く、ステップＳ１において、加熱電源６を作動させてフィラメント３の加熱が開始されると同時に、真空チャンバ２内へアルゴンガスが導入される。

　続いて、ステップＳ２において、放電電源５を作動させてフィラメント３とアノード４との間に電圧が印加される。この際、フィラメント３とアノード４との間に流れる電流は、定電流制御される。

　続いて、ステップＳ３において、フィラメント３およびアノード４間でグロー放電が始まるように、フィラメント３に流す加熱電流と、真空チャンバ２内のアルゴンガスのガス圧が上げられる。

　なお、加熱電流とアルゴンガス圧を上げることによって、グロー放電が起こり易くなる。また、この放電により、基材Ｗ周辺でプラズマが発生し、正の電荷をもつアルゴンイオンが生成される。

　続いて、ステップＳ４において、放電開始後、真空チャンバ２内のガス圧が、この放電が維持される設定値まで下げられると同時に、放電電圧が適正な値となるようにフィラメント加熱電流が調整される。

　続いて、ステップＳ５において、グロー放電が開始した後にバイアス電源１２が作動させられ、基材Ｗに負の電位を印可することで、正電荷をもつアルゴンイオンが基材Ｗの表面に照射され、クリーニングが開始される。このクリーニング動作中に放電が途中で途切れないかが監視され、ステップＳ６において、前記放電が途中で途切れた場合（Ｙｅｓ）には、処理がステップＳ３へ戻される。一方、前記放電が持続してクリーニング動作が終了した場合（Ｎｏ）には、ステップＳ７の処理が実行される。

　このステップＳ７において、クリーニング開始から所定時間経過したと判断されると、基材Ｗ表面のクリーニングを終了させるために各電源がＯＦＦされる。上述したように、基材Ｗのクリーニングをする際に、フィラメント３およびアノード４間でグロー放電が始まるまでは、フィラメント３に流す加熱電流と真空チャンバ２内におけるアルゴンガスのガス圧とが上げられ、放電開始後は、放電が維持できる値まで加熱電流とガス圧とが下げられるので、放電電源５として高電圧電源が不要となり、占有空間やコストを抑えることが可能となる。

　上記した処理は、イオンボンバードメント処理装置１Ａに設けられた制御部（図示せず）内のプログラムによって実現されている。この制御部は、プログラムに従い各電源５、６、１２およびアルゴンガス圧を制御する。以上述べたイオンボンバードメント処理装置１Ａ、およびこの装置１Ａを用いた成膜前のクリーニング方法を採用することで、基材Ｗに対して高さ方向均一に熱電子を照射でき基材Ｗの均一なクリーニングが可能となる。また、放電電源５と加熱電源６とを真空チャンバ２から独立して配線することで、各電源の電流制御が安定化させられる。

　ところで、本実施形態にかかるイオンボンバードメント処理装置１Ａにおけるバイアス電源１２は、負の電荷を基材Ｗに印加する直流電源であったが、これに限定されるものではなく、例えば、バイアス電源１２としてパルス電源が採用されてもよい。バイアス電源１２にパルス電源を使用した場合について、以下に述べる。図３には、基材Ｗ（テストピース）のエッチング量（クリーニング量）の測定結果が示されている。パルス電源１２から基材Ｗへパルス波電流を流した場合（パルスモード）の測定結果が◆で示され、比較例としての、直流電源から基材Ｗへ直流電流を流した場合（ＤＣモード）の測定結果が■で示されている。測定条件として、パルスモードの前記パルス波電流は、バイアス電圧が３００Ｖであり、周波数が３０ｋＨｚであり、デューティ比が６２％である。基材Ｗは、ＷＣ（タングステンカーバイト）のテストピースであり、このテストピースが上下方向に８個配置され、真空チャンバ２内のアルゴンガス圧は、０．８Ｐａであり、そして、放電電源５による放電電流は、３０Ａである。

　なお、図３中には、同様の基材Ｗに対して同一のアルゴンガス圧および放電電流下で、バイアス電圧３００Ｖの直流電流を流した場合（ＤＣモード）の比較例の結果も示されている。図３に示すように、パルスモードの場合の測定結果は、ＤＣモードの場合の測定結果と比べて、全体的なエッチング量（クリーニング処理によって除去される汚れの量）は減少しているものの、基材Ｗの処理高さ方向のエッチング分布が約０．１μｍでほぼ均一となっている。

　これは、基材Ｗに対するバイアス電圧として直流電流を流すと、帯電した基材Ｗが、フィラメント３とアノード４との間のグロー放電に対する電位的な障壁となり、異常放電を引き起こすためである。しかし、バイアス電源１２としてパルス電源を用いることによって、この異常放電が抑えられ、イオンボンバードメント処理による基材Ｗのエッチング量の分布が改善される。

　なお、グロー放電の開始後には放電電圧が下がるため、フィラメント３に流れる電流値を調整することによって、適切な放電電圧（フィラメント３の電位が真空チャンバ２に対して常に負電位）になるように自動制御が為されることとなる。この場合に、グロー放電を維持するための放電電圧やアルゴンガス圧は、放電開始時より低くなっている。

　次に、別の実施形態について説明する。

　［第２実施形態］
　図４には、第２実施形態にかかるイオンボンバードメント処理装置１Ｂが示されている。第２実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ｂは、第１実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ａに類似し、次の点が異なっている。すなわち、この第２実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ｂは、第１実施形態のようにフィラメント３とアノード４との間に基材Ｗを配置するのではなく、フィラメント３は、アノード４のより近くに（基材Ｗを挟んでアノード４の反対側の位置よりもアノード４に近づく位置に）配置されている。これによって、第２実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ｂでは、基材Ｗおよびワークテーブル１１によるフィラメント３およびアノード４間の放電への影響が抑えられる（なお、基材Ｗ周辺におけるプラズマが生成される空間は狭くなる）。この場合も、イオンボンバードメント処理できる領域が狭くなるので、第１実施形態と同様にワークテーブル１１による回転が必須となる。

　次に、別の実施形態について説明する。

　［第３実施形態］
　図５には、第３実施形態にかかるイオンボンバードメント装置１Ｃが示されている。第３実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ｃは、第１実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ａに類似し、次の点が異なっている。すなわち、この第３実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ｃでは、フィラメント加熱電源６が直流電源とされ、且つ正極と負極とがそれぞれ上下逆になった２本のフィラメント３が、基材Ｗの処理高さ方向にわたって配置されている。よって、各フィラメント３において、電位の高い側の端部から低い側の端部にかけて、放出される熱電子の量は、減っていくものの、各フィラメント３は、この減っていく放出量を互いに補うこととなるため、実際に基材Ｗに照射される熱電子の量は、基材Ｗの処理高さにわたって均一となる。

　さらに、フィラメント３の真空チャンバ２に対する電位変化がなくなるため、フィラメント３およびアノード４間の放電が安定する。なお、この第３実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ｃは、放電電源５の負極側出力をショートすることなくフィラメント３各端部間の中間電位に接続する回路構成として、負荷抵抗２１を備えている。

　次に、別の実施形態について説明する。

　［第４実施形態］
　図６には、本発明の第４実施形態にかかるイオンボンバードメント処理装置１Ｄが示されている。第４実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ｄは、第１実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ａに類似し、次の点が異なっている。すなわち、この第４実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ｄでは、熱電子放出電極が第１実施形態のように１本のフィラメント３で構成されるのではなく、熱電子放出電極が基材Ｗの処理高さにわたって配置される複数のフィラメント３で構成されている。このように複数のフィラメント３を使用することによって、フィラメント３の断線が抑えられ、その交換作業も容易になる。加えて、第４実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ｄは、上述のフィラメント３を覆うシャッター３１を備えており、このシャッター３１によって、フィラメント３に汚れが付着することが防止されている。

　これによって、第４実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ｄでは、汚れが付着することでフィラメント３自体の熱電子の放出効率が下がったり、フィラメント３を加熱した際に、付着した汚れが蒸発して基材Ｗの表面に付着（汚染）することなどが防止できる。

　次に、別の実施形態について説明する。

　［第５実施形態］
　図７には、第５実施形態にかかるイオンボンバードメント処理装置１Ｅが示されている。第５実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ｅは、第１実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ａに類似し、次の点が異なっている。すなわち、第５実施形態にかかるイオンボンバードメント装置１Ｅでは、真空チャンバ２におけるフィラメント３付近に、フィラメント３から基材Ｗに向かう磁力線を形成する第一磁力発生手段７が配置され、アノード４の付近に、アノード４から基材Ｗに向かう磁力線を形成する第二磁力発生手段８が配置されている。これら第一および第二磁力発生手段７、８は、永久磁石や電磁コイルであって、フィラメント３やアノード４の背後（背面側）における真空チャンバ２の外壁に配置されてもよいし、フィラメント３やアノード４の左右側方で且つ真空チャンバ２の内壁に配置されてもよい（図７中の符号７、８参照）。

　これら第一および第二磁力発生手段７、８におけるフィラメント３やアノード４に対する配置や、発生させる磁力線の強さを調整することで、真空チャンバ２内を移動する熱電子の軌道が制御できるようになっており、放電開始や放電維持を安定的に行うことができる。さらには、放電電流を増加させてクリーニング時間を短縮することができ、また、低圧なガス雰囲気下での放電着火が容易となる。

　なお、上述では、イオンボンバードメント処理装置１Ｅは、第一および第二磁力発生手段７、８のいずれも備えているが、フィラメント３側の第一磁力発生手段７またはアノード４側の第二磁力発生手段８のいずれか一方のみを有していてもよい。

　ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　例えば、イオンボンバードメント処理装置１は、放電電源５としてクリーニング専用の直流電源を備えていたが、基材Ｗのクリーニング以外の工程で使用する電源（例えば、アーク蒸発源の背後に配置した電磁コイル用の駆動電源や、電子加熱電源等）を、放電電源５と兼用することとしてもよい。加熱電源６から熱電子放出電極３へ流す電流は、上述した電力調整器によってその位相が制御されているが、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御等が行われてもよい。この場合、熱電子放出電極３の真空チャンバ２に対する電位変化を平滑化することができる。

　また、第１実施形態の項で説明した切換回路１６が、第２ないし第５実施形態のイオンボンバードメント処理装置１Ｂ～１Ｅに適用することもできる。

　本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。

　一態様にかかるイオンボンバードメント処理装置は、真空チャンバ内に配置された基材の表面を、前記真空チャンバ内で発生したガスイオンを照射することによってクリーニングするイオンボンバードメント処理装置であって、前記真空チャンバの一の内側面に配置され、フィラメントで構成した加熱式の熱電子放出電極と、前記真空チャンバの他の内側面に配置され、前記熱電子放出電極からの熱電子を受けるアノードと、前記熱電子放出電極と前記アノードとの間に基材を配置するように、前記基材を載置する基材保持具と、前記熱電子放出電極および前記アノード間に電位差を与えてグロー放電を発生させる放電電源と、前記熱電子放出電極を加熱して熱電子を放出させる加熱電源と、前記基材に前記真空チャンバに対して負の電位を与えるバイアス電源とを備え、前記放電電源は、前記真空チャンバから絶縁されており、前記放電電源、前記加熱電源および前記バイアス電源によって発生したガスイオンを前記基材の表面に照射するものである。

　熱電子放出電極とアノードとの間に基材保持具によって基材が配置されているので、基材近傍でガスイオンのプラズマを発生することができ、これにより基材のクリーニング効果を高めることができる。また、放電電源を真空チャンバから絶縁して配線することによって各電源の電流制御が安定化させられる。

　また、他の一態様では、上述のイオンボンバードメント処理装置において、前記熱電子放出電極は、複数のフィラメントで構成してもよい。この場合、フィラメントの断線が抑えられ、交換作業も容易である。

　また、他の一態様では、上述のイオンボンバードメント処理装置において、前記加熱電源が直流電源とされ、前記複数のフィラメントが正極と負極とがそれぞれ上下逆になった２本のフィラメントにより構成されてもよい。この場合、放出量を互いに補うこととなるため、実際に基材に照射される熱電子の量が基材の処理高さにわたって均一となる。さらに、フィラメントの真空チャンバに対する電位変化がなくなるため、フィラメントおよびアノード間の放電が安定する。

　また、他の一態様では、これら上述のイオンボンバードメント処理装置において、熱電子放出電極の背後または側方に、熱電子放出電極から基材に向かう磁力線を形成する第一磁力発生部が配置されてもよい。また、他の一態様では、これら上述のイオンボンバードメント処理装置において、アノードの背後または側方に、アノードから基材に向かう磁力線を形成する第二磁力発生部が配置されてもよい。この第二磁力発生部のみが設けられてもよいし、第一磁力発生部と併せて第二磁力発生部が設けられてもよい。これにより、磁力発生部の配置や強さを調整することで、真空チャンバ内を移動する電子の軌道が制御可能となり、放電の開始および維持を安定的に行うことができる。さらに、放電電流を増加させてクリーニング時間が短縮されるとともに、低圧なガス雰囲気下での放電着火が容易となる。

　また、他の一態様では、これら上述のイオンボンバードメント処理装置において、真空チャンバ内に熱電子放出電極を覆うシャッターが配置されてもよい。これにより、熱電子放出電極に汚れが付着しなくなるため、フィラメント加熱時における付着汚れの蒸発による基材汚染や、汚れ付着による熱電子放出効率低下が、防止できる。

　また、他の一態様では、これら上述のイオンボンバードメント処理装置において、バイアス電源がパルス電源であってもよい。基材に負のバイアス電圧をかけると、熱電子放出電極とアノードとの間の異常放電の原因となるが、パルスバイアス電源とすることで異常放電が抑えられ、基材のエッチング分布が改善される。

　また、他の一態様では、これら上述のイオンボンバードメント処理装置において、放電電源の正極側出力をアノードおよび基材のいずれか一方に選択的に接続可能とする切換回路が設けられてもよい。この場合、放電電源の正極側出力と基材とを接続することにより、基材がフィラメントより高い電位（正の電位）となり、フィラメントから放出される熱電子を基材に照射して基材を加熱する電子加熱用途にも使用できる。

　また、他の一態様にかかるクリーニング方法は、これら上述のイオンボンバードメント処理装置を用いて基材表面をクリーニングする方法であって、真空チャンバ内に配置された基材の表面を成膜する前に、熱電子放出電極およびアノード間でグロー放電が始まるまでは、熱電子放出電極に流す加熱電流と真空チャンバ内におけるガス雰囲気のガス圧とを上げ、前記グロー放電が開始した後は、放電が維持できる値までガス圧を下げるとともに加熱電流を調整するものである。

　これにより、放電電源として高電圧電源が不要となり、占有空間やコストを抑えることができる。

　この出願は、２０１０年６月１日に出願された日本国特許出願特願２０１０－１２５８３０を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。

　本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

　本発明によれば、イオンボンバードメント処理装置およびこの処理装置を用いた基材表面のクリーニング方法を提供することができる。

Claims

　真空チャンバ内に配置された基材の表面を、前記真空チャンバ内で発生したガスイオンを照射することによってクリーニングするイオンボンバードメント処理装置において、
　前記真空チャンバの一の内側面に配置され、フィラメントで構成した加熱式の熱電子放出電極と、
　前記真空チャンバの他の内側面に配置され、前記熱電子放出電極からの熱電子を受けるアノードと、
　前記熱電子放出電極と前記アノードとの間に基材を配置するように、前記基材を保持する基材保持具と、
　前記熱電子放出電極および前記アノード間に電位差を与えてグロー放電を発生させる放電電源と、
　前記熱電子放出電極を加熱して熱電子を放出させる加熱電源と、
　前記基材に前記真空チャンバに対して負の電位を与えるバイアス電源とを備え、
　前記放電電源は、前記真空チャンバから絶縁されており、
　前記放電電源、前記加熱電源および前記バイアス電源によって発生したガスイオンを前記基材の表面に照射すること
　を特徴とするイオンボンバードメント処理装置。
　前記熱電子放出電極は、複数のフィラメントを備えて構成されること
　を特徴とする請求項１に記載のイオンボンバードメント処理装置。
　前記加熱電源は、直流電源であり、
　前記複数のフィラメントは、正極と負極とがそれぞれ上下逆になった２本のフィラメントを備えて構成されること
　を特徴とする請求項２に記載のイオンボンバードメント処理装置。
　前記熱電子放出電極の背後または側方に配置され、前記熱電子放出電極から基材に向かう磁力線を形成する第一磁力発生部をさらに備えること
　を特徴とする請求項１に記載のイオンボンバードメント処理装置。
　前記アノードの背後または側方に配置され、前記アノードから基材に向かう磁力線を形成する第二磁力発生部をさらに備えること
　を特徴とする請求項１に記載のイオンボンバードメント処理装置。
　前記真空チャンバ内に配置され、前記熱電子放出電極を覆うシャッターをさらに備えること
　を特徴とする請求項１に記載のイオンボンバードメント処理装置。
　前記バイアス電源は、パルス電源であること
　を特徴とする請求項１に記載のイオンボンバードメント処理装置。
　前記放電電源の正極側出力を前記アノードおよび前記基材のいずれか一方に選択的に接続可能とする切換回路をさらに備えていること
　を特徴とする請求項１に記載のイオンボンバードメント処理装置。
　請求項１に記載のイオンボンバードメント処理装置を用いて、成膜前の基材表面をクリーニングする方法であって、
　前記熱電子放出電極および前記アノード間でグロー放電が始まるまでは、前記熱電子放出電極に流す加熱電流と真空チャンバ内におけるガス雰囲気のガス圧とを上げ、
　前記グロー放電が開始した後は、前記放電が維持できる値までガス圧を下げるとともに前記加熱電流を調整すること
　を特徴とするクリーニング方法。