WO2014122876A1

WO2014122876A1 - イオンボンバードメント装置及びこの装置を用いた基材の表面のクリーニング方法

Info

Publication number: WO2014122876A1
Application number: PCT/JP2014/000047
Authority: WO
Inventors: 悟史廣田; 誉野村
Original assignee: 株式会社神戸製鋼所
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2014-08-14
Also published as: JP6076112B2; EP2955244A1; JP2014152356A; BR112015019027A2; BR112015019027A8; KR20150104149A; CN104968826B; MX368879B; EP2955244A4; IL239072A0; KR20170045397A; KR101935090B1; CN104968826A; TWI489513B; TW201438053A; CA2893118A1; MX2015008261A; US20150299847A1; RU2015137774A; IL239072B

Abstract

　基材の表面を安定してクリーニングするためのイオンボンバードメント装置（１）が提供される。この装置は、真空チャンバ（２）と、その内壁面に設けられ、電子を放出する少なくとも一つの電極（３）と、前記電極（３）からの電子を受ける複数のアノード（４）であって、前記基材を挟んで前記電極と対向するように対向するように配置されたものと、各アノード（４）に対応する複数の放電電源（５）と、を備える。各放電電源（５）は、前記真空チャンバ（２）から絶縁され、当該放電電源（５）に対応するアノード（４）に対して相互独立して設定可能な電流または電圧を供給することにより当該アノード（４）と前記電極（３）との間にグロー放電を発生させる。

Description

イオンボンバードメント装置及びこの装置を用いた基材の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ためのイオンボンバードメント装置及びこの装置を用いた基材の表面のクリーニング方法に関する。

　一般に、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）の表面に対して、ＰＶＤ法やＣＶＤ法による硬質皮膜の成膜が行われる。このような硬質皮膜の成膜に用いられる装置としては、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や、プラズマＣＶＤ装置などの化学的蒸着装置がある。

　このような物理的蒸着装置及び化学的蒸着装置を用いて密着性の高い硬質皮膜を成膜するための手段として、成膜処理を行う前に基材の表面をクリーニングすることが知られている。このクリーニングの方法としては、電子衝撃による加熱によりクリーニングを行う方法や、イオンボンバードメント法が知られている。イオンボンバートメント法では、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が生成され、このイオンが基材に照射されることにより当該基材の表面が加熱される。この加熱により当該表面のクリーニングが達成される。

　特許文献１には、上下方向の中心軸をもつ円筒形状の真空チャンバ内で、基材表面をクリーニングする技術が開示されている。この技術では、前記真空チャンバの前記中心軸の周りに複数の基材が配置される。これらの基材の内周側又は外周側で、当該基材の処理高さと同じ又はこの処理高さ以上の上下に亘る空間で、プラズマ供給源であるアーク放電が形成される。このアーク放電により生成されるアルゴンイオンが、負のバイアス電圧が与えられた基材に照射されることにより、基材の表面がクリーニングされる。

　前記特許文献１に記載された装置を用いて基材の表面をクリーニングする場合、真空チャンバ内に搭載された基材の大きさや配置によって、基材に有効なクリーニングを施すことができなくなることが懸念される。具体的に、不活性ガス下の真空チャンバ内では、電子を放出するカソード（陰極）とその電子を受けるアノード（陽極）との間に電位差を与えることにより放電が生じ、この放電はカソードから放出された電子をアノードの方向に移動させるが、真空チャンバ内に搭載された基材が大きい場合や複数の基材が密に配置されている場合には前記カソードと前記アノードとの間の前記電子の移動が阻害されることがある。そのため、放出された電子の多くが、小さい基材の近傍に偏って通過したり、基材が粗に配置された領域または基材が配置されていない領域を偏って通過したりするおそれがある。

　つまり、真空チャンバ内での基材の大きさや配置によって、電子が多数存在する領域と少なく存在する領域が発生すると、電子が多数存在する領域に生成されるプラズマは濃くなり、一方で、電子の少ない領域に生成されるプラズマは薄くなるおそれがある。このようにプラズマ濃度が不均一となった真空チャンバ内で基材のクリーニングを行うと、基材の表面のクリーニング状況、すなわちイオン衝突による基材の表面の削り量（エッチング量）に、ばらつきが発生する。具体的に、プラズマの密度が濃い領域で基材の表面に対してエッチングが行われると、基材の表面が必要以上に削られるおそれがある。逆に、プラズマの密度が薄い領域で基材のエッチングが行われると、基材の表面のエッチング量が要求されるエッチング量に満たなくなるおそれがある。

　このような基材のエッチング量のばらつきは、基材の表面に対する硬質皮膜の均一な蒸着を阻み、基材の耐摩耗性などの向上を妨げる虞がある。

特許第４２０８２５８号公報

　本発明は、基材の表面をクリーニングするためのイオンボンバードメント装置であって前記基材の大きさや配置のばらつきにかかわらず安定したクリーニングが可能なイオンボンバードメント装置及びこの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を目的とする。

　本発明が提供するのは、基材の表面をクリーニングするためのイオンボンバードメント装置であって、前記基材を収容する空間を囲む内壁面を有する真空チャンバと、前記真空チャンバの内壁面に設けられ、電子を放出する少なくとも一つの電極と、前記電極からの電子を受ける複数のアノードであって、各アノードが前記基材を挟んで前記電極と対向するように対向するように配置されたものと、前記各アノードに対応する複数の放電電源と、を備え、前記各放電電源は、前記真空チャンバから絶縁され、当該放電電源に対応するアノードに対して相互独立して設定可能な電流または電圧を供給することにより当該アノードと前記電極との間にグロー放電を発生させる。

　本発明に係る基材の表面のクリーニング方法は、上述したイオンボンバードメント装置を用いて、成膜前の基材であって長手方向を有する基材の表面をクリーニングする方法であって、前記基材が前記イオンボンバードメント装置の前記少なくとも一つの電極と各アノードとの間に位置するように前記真空チャンバ内の空間に前記基材を配置することと、当該基材が配置された状態で前記アノードと前記電極との間にグロー放電を発生させてプラズマを生成することと、生成されるプラズマの密度を前記基材の長手方向について均一化するように前記各放電電源の放電電流及び放電電圧の少なくとも一方を制御することと、を含む。

本発明の第１実施形態に係るイオンボンバードメント装置の断面正面図である。前記第１実施形態に係るイオンボンバードメント装置の断面平面図である。前記イオンボンバードメント装置における放電電源の動作領域を示すグラフである。前記イオンボンバードメント装置における第１の基材の搭載状況とこれに対応する放電電流の設定例と示す図である。前記イオンボンバードメント装置における第２の基材の搭載状況とこれに対応する放電電流の設定例と示す図である。前記放電電流を制御する場合と制御しない場合とにおける基材のエッチング量の分布を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係るイオンボンバードメント装置の断面正面図である。本発明の第３実施形態に係るイオンボンバードメント装置の断面平面図である。本発明の第４実施形態に係るイオンボンバードメント装置の断面平面図である。

　以下、本発明の実施形態を、図に基づき説明する。

　図１及び図２は、本発明の第１実施形態に係るイオンボンバードメント装置１を示す。このイオンボンバードメント装置１は、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）や化学的蒸着法（ＣＶＤ法）により皮膜が成膜される前の基材Ｗの表面をクリーニングするためのものである。当該イオンボンバードメント装置１は、前記基材Ｗを収容する真空チャンバ２を備え、この真空チャンバ２内に搭載される前記基材Ｗに対して当該真空チャンバ２内で発生したガスイオンを照射することにより前記クリーニングを行う機能を有する。

　イオンボンバードメント装置１でクリーニングされる基材Ｗとしては、様々なものが考えられるが、例えば、切削工具や、プレス加工のときに用いられる金型などがある。これら切削工具や金型には、その削り出し加工時やプレス加工時に大きな負荷がかかるため、高い耐摩耗性や摺動特性が求められている。斯かる特性を実現するために、ＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いて、基材Ｗの表面に硬質皮膜（ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、等）の成膜が行われる。しかし、このような物理的蒸着法又は化学的蒸着法を用いて密着性の高い硬質皮膜を成膜するには、成膜処理を行う前に基材Ｗの表面をクリーニングする必要がある。イオンボンバードメント装置１では、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が生成され、当該イオンが基材Ｗに照射されることにより当該基材Ｗの表面が加熱される。この加熱により当該基材Ｗの表面がクリーニングされる。

　以下、第１実施形態に係るイオンボンバードメント装置１の詳細を説明する。なお、以降の説明において、図１の上下方向を説明における上下方向とし、図１の左右方向を説明における幅方向とする。

　図１、図２に示すように、第１実施形態のイオンボンバードメント装置１は、電子を放出するカソードである電極３と、この電極３からの電子を受ける複数のアノード４と、回転式のワークテーブル１１と、を備える。ワークテーブル１１は、これにクリーニングの対象である複数の基材Ｗを搭載することが可能な基材保持具に相当する。

　前記イオンボンバードメント装置１は、さらに、放電電源５と、加熱電源６と、バイアス電源１０と、を備える。前記放電電源５は、前記電極３と前記アノード４との間に電位差を与えてプラズマ放電を発生させる。前記加熱電源６は、電極３を加熱するための電源である。前記バイアス電源１０は、前記ワークテーブル１１に接続され、当該ワークテーブル１１に搭載された基材Ｗに負の電圧を印加する。

　図２に示す如く、この実施形態に係る真空チャンバ２は、平面視で八角形の形状をした空洞の筺体であり、前記複数の基材Ｗを収容する空間を囲む複数の内壁面を有する。前記真空チャンバ２の内部は真空状態まで減圧することが可能であり、前記真空チャンバ２は前記真空状態の内部を気密に保持する機能を有する。当該真空チャンバ２には、図示されていないが、当該真空チャンバ２の内部にアルゴンなどの不活性ガスを導入するためのガス導入口と、真空チャンバ２の内部から不活性ガスを排出するためのガス排気口とが設けられている。

　ワークテーブル１１は、平面視で円形の板状の台である。このワークテーブル１１は、前記真空チャンバ２の底部の略中心に設定された上下軸心回りに回転可能となるように当該真空チャンバ２の底部に設けられている。当該ワークテーブル１１の上には、前記複数の基材Ｗが起立状態で搭載される。具体的に、各基材Ｗは長手方向を有する形状、すなわち、特定方向に延びる形状、を有し、その長手方向が上下方向となる姿勢で前記ワークテーブル１１上に搭載される。前記電極３及び前記アノード４は、前記ワークテーブル１１の幅方向両側に配置されている。

　前記電極３（カソード、陰電極）は、電子を放出するものであり、真空チャンバ２の内壁面の一方の側の部分に配置されている。具体的に、前記電極３は、前記基材Ｗを挟んで前記各アノード４と対向するように配置されている。前記電極３は、特定方向に延びる形状を有し、その長手方向が前記基材Ｗの長手方向と合致する姿勢、すなわち上下方向に延びる姿勢、で配置されている。

　第１実施形態に係る電極３は、細長いフィラメント体、詳しくはタングステン（Ｗ）等の金属によって形成された線条材、である。第１実施形態のイオンボンバードメント装置１では、前記基材Ｗが上下方向に延びる姿勢でワークテーブル１１に搭載されるため、前記の細長いフィラメント体からなる電極３は、その長手方向が上下方向となるように真空チャンバ２の内壁面の一方の側の部分に絶縁体を介して取り付けられている。前記電極３は、ワークテーブル１１に搭載されている基材Ｗの全高、すなわち、基材Ｗの処理高さ、と同じかあるいはそれよりも若干大きい長さを有する。

　図１に示すように、前記電極３は、側面視で基材Ｗと重複する位置に配設されている。具体的に、電極３の上端部は基材Ｗの上端より上方に突出し、電極３の下端部は基材Ｗの下端より下方に突出している。電極３は、上下方向にわたって均一な太さ及び組成を有する。

　図２に示すように、電極３は、平面視で八角形である真空チャンバ２の内壁面のうち当該八角形の一つの辺に対応する単位面であって図２では上側の辺に対応する面２ｃ、に設けられている。図示はしないが、基材Ｗのクリーニングを繰り返し行うことで電極３が消耗して切れたときのために、予備の電極が真空チャンバ２に設けられてもよい。

　前記加熱電源６は、前記電極３の両端部に接続されている。加熱電源６は、前記電極３に電流を供給して電極３を加熱し、これにより当該電極が電子を放出する。電極３から放出された電子は、基材Ｗに対して処理高さ方向にわたってほぼ均一に照射される。基材Ｗ側へ放出される電子の量は、電極３におけるその地点の電位によってコントロールできる。放出された電子は、真空チャンバ２の内部に導入されるアルゴンガスに衝突してアルゴンイオンを生成する。

　本発明に係る電極の形態は、前記電極３のようなフィラメント体に限定されない。例えば、電極は矩形状乃至は針状のものでもよい。かかる形状の電極は、前記フィラメント体からなる電極３のように細長くないため、電子は広い範囲に広がり、生成されるプラズマも広範囲に亘るものとなる。また、本発明に係る電極は電子放出プラズマ源などの電子源でもよい。このような電子源はフィラメント体からなる前記電極３に比べて小さく、プラズマを満遍なく広げることが可能である。

　前記各アノード４（陽電極）は、正の電位（電極３より相対的に高い電位）の印加を受ける。各アノード４は、前記真空チャンバ２の内壁面のうちの他方の単位面であって前記ワークテーブル１１を挟んで前記電極３と対向する面２ｃに設けられている。前記各アノード４は、搭載されている基材Ｗの長手方向と同じ方向、すなわち上下方向に並ぶように配設されている。第１実施形態のイオンボンバードメント装置１では、基材Ｗの長手方向が上下方向となる姿勢で当該基材Ｗがワークテーブル１１上に搭載されるため、上下方向に並ぶ複数（図１では３つ）の位置にそれぞれ前記アノード４が互いに離れた状態で配設されている。

　前記複数のアノード４が配設される領域は、側面視で、ワークテーブル１１に配置された状態の基材Ｗの全高さ（基材Ｗのクリーニング高さ）に相当する領域の上端及び下端からそれぞれ上下方向に若干突出している。詳しくは、前記複数のアノード４のうち前記真空チャンバ２の内壁面の上部に配設されるアノード４は、基材Ｗの上端より上方に若干突出し、真空チャンバ２の内壁面下部に配設されるアノード４は、基材Ｗの下端より下方に若干突出する。真空チャンバ２の内壁面中央に配設されるアノード４は、真空チャンバ２の内壁面上部に配設されたアノード４と真空チャンバ２の内壁面下部に配設されたアノード４との間にあって、基材Ｗ方向に沿って等間隔（等ピッチ）で配置されている。

　このように、複数のアノード４が基材Ｗの長手方向と同じ方向、この実施形態では上下方向、に配列された上で、各アノード４にそれぞれ個別に接続された放電電源５から当該アノードに電力が供給され、かつ、その供給電流または供給電圧の少なくとも一方がアノード４ごとに個々に調整されることで、各アノード４に流入する電子をコントロールしてプラズマの上下方向分布が略均一になるように制御することが可能となる。なお、処理する基材Ｗにおいて、大きさ、形状によっては、クリーニング量（プラズマによる基材Ｗの表面の削り量、すなわちエッチング量）を意図的に多く乃至は少なくすることが好ましいケースもある。この場合、プラズマを不均一な分布とするように放電電源５を制御するとよい。

　ところで、ＰＶＤ装置をイオンボンバードメント装置１として使用する場合や、ＰＶＤ装置においてＰＶＤ処理の前にイオンボンバードメント処理を行うことがある（ＰＶＤ装置とイオンボンバードメント装置１との兼用化）。その際には、ＰＶＤ装置でのカソード、つまり皮膜を成膜する際に使用される蒸発源、がイオンボンバードメント装置１のアノード４として兼用される。

　この兼用は、真空チャンバ２内に新たにアノード４を設ける必要をなくし、これにより製作コストを抑えながら、簡易的な回路切替スイッチのみの設置で運転を可能にする利点がある。この場合、アノード４に流入する電子による加熱によって当該アノード４は非常に高温となるが、ＰＶＤ装置の蒸発源にはプラズマを発生させた際の温度上昇対策として、冷却機構が設けられている。イオンボンバードメント装置１の場合も、この冷却機構を有効に利用できるので、新たに高温対策を講じる必要をなくすことが可能である。

　さらに、ＰＶＤ装置の蒸発源が、磁界を発生させて放電を制御する機構である磁界発生装置を備える場合、この磁界発生装置を用いて、イオンボンバード時に電極３から放出される電子を制御することが可能である。つまり、磁界発生装置の磁界によりアノード４に流入する電子を効率良くトラップすることにより、電極３とアノード４との間の放電を安定させることができる。アノード４の面積が大きい場合、プラズマをチャンバ内に均一に発生させることも可能となる。

　加熱電源６は、電極３に電流を流して当該電極３を加熱することにより電子を基材Ｗへ照射させるための交流電源である。この加熱電源６と電極３とは、直接接続されているのではなく、電気的に絶縁された状態で絶縁トランス７を介して接続されている。前記絶縁トランス７は、入力側（加熱電源６側）の１次コイル８と、出力側（電極３側）の２次コイル９と、を有し、両コイル８，９の巻き数の比は１対１である。

　このような構成により、加熱電源６から出力された交流電流は、絶縁トランス７を介し、電極３に流れる。そうすると、電極３は加熱されて、この電極３から電子が飛び出す。なお、絶縁トランス７の１次コイル８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。

　図１に示すように、放電電源５は、当該放電電極５に対応するアノード４と電極３との間に電位差を与えて放電を生じさせる直流電源である。放電電源５の正極はアノード４に接続されており、放電電源５の負極は絶縁トランス７を介して電極３に接続されている。具体的には、放電電源５の負極は、２次コイル９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９を通じて、電極３へ接続されている。

　各放電電源５について、電極３と各アノード４との間の放電電流、あるいは電極３と各アノード４との間の放電電圧は、当該放電電源５ごとに個別に制御することが可能である。基材Ｗ及びその搭載状態に応じて電極３と各アノード４との間の放電電流または放電電圧を個別に調整することにより、各アノード４と電極３との間にそれぞれ生成されるプラズマの密度を当該密度が基材Ｗの長手方向について略均一になるように調整することができる。このようにして、基材Ｗに有効なクリーニングを施すことができる。

　前記各放電電源５は、その放電電流及び放電電圧の少なくとも一方が制御可能なものであればよい。好ましくは、放電電源５として、定格出力電力以内で広範囲な電圧・電流設定の組み合わせが可能な「自動移行型直流安定化電源」を採用するとよい。このようなワイドレンジ（通常の電源の２～１０倍の可変域）を有する放電電源５を用いることで、放電状態に合った複数の電源を準備する必要がなくなる。また、基材Ｗの量や配置の変更により電極３とアノード４との間でのグロー放電状態が変化しても、当該変化に確実に対応できるようになる。

　図３は、上述した自動移行型直流安定化電源の動作領域を示している。この図に示す如く、例えば、出力電流が５Ａ以内の電流に制御される場合は、出力電圧は一定の８０Ｖに制御される。一方、出力電流が５Ａを超える電流に制御される場合は、出力電圧が８０Ｖより低い値に制御される。例えば、出力電流が２５Ａのとき、出力電圧は１６Ｖに制御される。このように、放電電流を制御すると放電電圧が大きく変化する。これにより、電極３とアノード４との間でのグロー放電の変化に対応することができる。

　バイアス電源１０は、真空チャンバ２に対して負となる電荷を基材Ｗに印加する直流電源であって、当該バイアス電源１０の正極が真空チャンバ２に接続され、負極がワークテーブル１１を介して前記基材Ｗに接続されている。このバイアス電源１０は、前記基材Ｗに１０～１０００Ｖの負電圧を印加できるように設定されている。

　以下、第１実施形態に係る前記イオンボンバードメント装置１を用いて、基材Ｗの表面をクリーニングする方法について、図を参照して説明する。

　図１、図２に示すように、まず、前記真空チャンバ２内に配置された回転式の前記ワークテーブル１１（例えば、直径１３０ｍｍ、高さ６００ｍｍ）に、クリーニング対象となる複数の基材Ｗが搭載され、その後にチャンバ２内部が排気されてほぼ真空の状態が形成される。この真空チャンバ２の内部にアルゴンガスなどの不活性ガスが導入される。その導入の速度は、例えば３６０ｍｌ／ｍｉｎ程度である。その後、真空チャンバ２の内部に配設された図示されないヒータが作動して基材Ｗの表面をそのクリーニングに適した温度に加熱する。前記アルゴンガスの導入は、前記真空チャンバ２の内部の排気と同時に行われてもよい。

　次に、導入されたアルゴンガスの雰囲気に満たされた真空チャンバ２において、各放電電源５から制御された電流がそれぞれに対応するアノード４に供給される。そして、電極３と前記各アノード４との間にそれぞれ電位差が与えられた状態で、加熱電源６から絶縁トランス７を介して電極３に交流電流が供給される。この交流電流の供給は電極３から電子を放出させる。このようにして放出された電子は、相対的に正の電位にある各アノード４に向かって移動し、電極３と各アノード４との間にグロー放電状態を形成する。これにより基材Ｗの近傍のアルゴンガスを電離させてプラズマ状態にし、基材Ｗの近傍に正の電荷をもつアルゴンイオンを生成する。

　前記グロー放電の発生時に、電極３に供給される加熱電流が増加される。これにより、真空チャンバ２内のアルゴンガスが昇圧する。この昇圧は電極３と各アノード４との間のグロー放電を起こりやすくする。グロー放電が開始されると、真空チャンバ２内のガス圧が、グロー放電の維持を可能とする設定値まで下げられるとともに、放電電圧が適正な値となるように、電極３を構成するフィラメントを加熱するための電流が調整される。

　前記プラズマ状態の真空チャンバ２にワークテーブル１１を介して接続されたバイアス電源１０がＯＮに切換えられ、これにより、真空チャンバ２に対して負となるバイアス電圧を前記ワークテーブル１１に搭載された各基材Ｗに印加する。各基材Ｗに負のバイアス電圧が印加されると、アルゴンイオンが各基材Ｗの表面に照射され、これにより基材Ｗの表面がクリーニングされる。当該クリーニングが進み、基材Ｗの表面に所定のエッチングが行われたと判断されると、基材Ｗの表面のクリーニングを終了させるために、イオンボンバード装置１の各電源がＯＦＦに切換えられる。

　上記した処理は、イオンボンバードメント装置１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行される。この制御部は、予め用意されたプログラムに従い各電源及びアルゴンガス圧を制御する。

　以上述べたように、第１実施形態のイオンボンバードメント装置１を採用することで、基材Ｗに対して高さ方向均一に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。

　次に、上述した第１実施形態のイオンボンバードメント装置１を用いて、基材Ｗの表面をクリーニングする方法について、具体例を挙げて説明する。

　図４Ａ及び図４Ｂは、第１実施形態のイオンボンバードメント装置１において、基材Ｗのエッチング量を略均一にするための放電電源５の制御の例を示す。

　図４Ａに示す例では、真空チャンバ２内に配設されたワークテーブル１１の上に複数の細長い脚をもつ載置台１２が搭載され、この載置台１２の上にクリーニングの対象となる基材Ｗが搭載されている。この基材Ｗは、前記の長い脚をもつ載置台１２に搭載されることにより、真空チャンバ２の上下方向の略中央の高さに位置することができる。

　すなわち、図４Ａに示される真空チャンバ２内の基材Ｗの搭載状況では、上下方向で基材Ｗが存在する量及び搭載位置が異なる。ワークテーブル１１の周辺に対応する真空チャンバ２の下部では、載置台１２の脚のみが存在し、それ以外の物体は存在しない。真空チャンバ２の上下方向中央の領域では、載置台１２に搭載された基材Ｗが存在し、この基材Ｗは、前記複数のアノード４のうち前記真空チャンバ２の内壁面の上下方向の中央の部位に配設されたアノード４と対向する。基材Ｗの上方の領域すなわち真空チャンバ２の上部の領域では、基材Ｗを含めて物体が存在いない。つまり、この領域では基材Ｗが搭載されていない。

　上述したような基材Ｗの搭載状況において基材Ｗの表面をクリーニングするにあたり、本発明のイオンボンバード装置の各放電電源５を制御することにより、基材Ｗの表面のエッチング量を略一定にすることができる。例えば、上方側の放電電源５の放電電流を２Ａに制御し、中央の放電電源５の放電電流を４Ａに制御し、下方側の放電電源５の放電電流を２Ａに制御するのが、好ましい。つまり、物体（基材Ｗ）が存在する領域に対応する電流を強くし、物体が存在しない領域に対応する電流を弱くするとよい。

　このように、放電電源５の放電電流を基材Ｗの搭載状況に応じて制御すると、真空チャンバ２内のプラズマ濃度が略均一となり、基材Ｗの表面にイオンガスを略一定に照射することができる。図４Ａの左右方向の中央部位には、基材Ｗの表面のエッチング量の分布を模式的に示す曲線が示されているが、この曲線が上下方向の直線に近似していることから、基材Ｗの表面のエッチング量が当該方向について略一定であることが確認できる。

　一方、図４Ｂに示す例では、前記真空チャンバ２内に配設された前記ワークテーブル１１に、複数の細長い脚を有する載置台１２が搭載されている。この載置台１２は、図４Ａに示された載置台１２よりもさらに長い脚を有する。そのため、この載置台１２に搭載される基材Ｗであって、例えば切削工具のような小型の基材は、真空チャンバ２の上方に配置されることが可能である。この載置台１２の下端側にあるワークテーブル１１には別の基材Ｗであって例えば金型のような大型の基材が搭載される。この基材Ｗは、載置台１２の各脚に囲まれるようにワークテーブル１１に搭載される。

　この図４Ｂに示す真空チャンバ２内の基材Ｗの搭載状況においても、上下方向で基材Ｗが存在する量及び搭載位置が異なる。ワークテーブル１１の周辺に相当する真空チャンバ２の下部では、大型の基材Ｗが存在していて当該基材Ｗが密に存在する。真空チャンバ２の中央の領域では、載置台１２の脚のみが存在していて基材Ｗは存在しない。真空チャンバ２の上部では、載置台１２に搭載された小型の基材Ｗが粗に配置されている。

　上述したような基材Ｗの搭載状況において基材Ｗの表面をクリーニングするにあたり、本発明のイオンボンバード装置の放電電源５を制御することにより、基材Ｗの表面のエッチング量を略一定にすることができる。例えば、上側の放電電源５の放電電流を３Ａに制御し、中央の放電電源５の放電電流を２Ａに制御し、下側の放電電源５の放電電流を４Ａに制御する、つまり、物体（基材Ｗ）が存在する領域に対応する電流を強くし、物体が存在しない領域に対応する電流を弱く制御を行う、のがよい。物体が粗の状態に存在する領域では、中間程度の電流とするとよい。このように、放電電源５の放電電流を基材Ｗの搭載状況に応じて制御することにより、真空チャンバ２内の基材Ｗ（成膜対象物）が存在する領域においてプラズマ濃度が略均一となり、基材Ｗの表面にイオンガスを略一定に照射することができる。また、図４Ｂの左右方向の中央部位には基材Ｗの表面のエッチング量の分布を模式的に示す曲線が示されているが、この曲線が上下方向の直線に近似していることから、基材Ｗの表面のエッチング量が当該方向について略一定であることが確認できる。

　図５は、真空チャンバ２の上部に基材Ｗが存在しないような配置状態でのエッチング量の分布を示したものである。図５に示される黒い正方形からなる印の群から、放電電流制御を行って基材Ｗのクリーニングを行う場合には、コーティングゾーンの基材Ｗ物量は略全ての領域（基材Ｗの搭載方向、約１２０ｍｍ～約５３０ｍｍ）において、基材Ｗの表面のエッチング量が当該基材Ｗの長手方向について略一定（ほぼ０．２０μｍ）であることが認められる。

　これは、放出された電子が電極３とアノード４との間で基材Ｗの形状や配置などの影響を受けずに略均一に存在することを意味する。つまり、真空チャンバ２内での基材Ｗの大きさや配置によらず、電子の存在する領域が一定となり、真空チャンバ２内で生成されるプラズマの密度が略均一となり、機材の表面のエッチング量が略一定となることを示している。図５に示される黒い正方形からなる印の群から、エッチング量のばらつきがσ±２３％以内（σは標準偏差）に収まることが、わかる。

　一方、図５には、従来のクリーニング方法のように各放電電源５の個別制御を行わない場合のエッチング量の分布も黒い三角形からなる印によって示されている。例えば、前記複数の放電電源５のうちの１つの放電電圧が８０Ｖに設定され、他の複数の放電電源５はその放電電圧が前記の放電電圧である８０Ｖに追従するようなマスタ・スレーブ状態とされる。このような状態で、基材Ｗの表面にクリーニングが行われる。

　図５に示される黒い三角印の群から、放電電流制御を行わずに基材Ｗのクリーニングを行うと基材Ｗの上方の領域（基材Ｗの長手方向について３５０ｍｍ～５００ｍｍの領域）での基材Ｗの表面のエッチング量が他の領域でのエッチング量に比べて著しく大きくなることが認められる。例えば、基材Ｗの下部に対応する高さ２００ｍｍの位置では、基材Ｗの表面のエッチング量（深さ）が０．２０μｍであるのに対して、基材Ｗの上部に対応する高さ５００ｍｍの位置では、基材Ｗの表面のエッチング量（深さ）が０．４５μｍとなっている。

　これは、放出された電子の多くが、基材Ｗが粗に配置された領域または基材Ｗが配置されていない領域をそのまま通過したり、基材Ｗの影響が少ない領域をそのまま通過したりするためである。前記のように、真空チャンバ２内での基材Ｗの大きさや配置によって、電子が多数存在する領域と少なく存在する領域が発生する。これにより、真空チャンバ２内で生成されるプラズマの密度が不均一となり、基材Ｗの表面のエッチング量にばらつきが生じる。図５に示される黒三角印の群によれば、エッチング量のばらつきはσ±４２％の程度まで大きくなる。

　さて、上記した結果を測定する手法であるが、本実験例の場合、基材Ｗの表面のエッチング量を測定するには、ワークテーブル１１に搭載された複数の基材Ｗの中から１本の基材Ｗを選び出し、この基材Ｗの表面にステンレス製の板を並べてマスキングを行う。そして、基材Ｗの表面のマスキングを基材Ｗのクリーニング終了後に除去すると、基材Ｗの表面が削られたエッチング部と基材Ｗの表面が削られていない非エッチング部とが形成される。エッチング部と非エッチング部とが形成されることで、基材Ｗの表面に段差が生じる。この段差を計測すると、基材Ｗの表面のエッチング量が確認できる。

　以上述べたように、第１実施形態に係るイオンボンバードメント装置１を用いることで、真空チャンバ２内に搭載された基材Ｗの大きさや配置にばらつきがあっても、真空チャンバ２内のプラズマ密度を略均一にし、基材Ｗの表面のエッチング量を略一定にすることが可能となる。

　次に、本発明の第２実施形態について、図６を参照しながら説明する。

　図６は、前記第２実施形態に係るイオンボンバードメント装置１を示す。この第２実施形態のイオンボンバードメント装置１は、第１実施形態に係る装置と同様に、電子を放出する電極手段と、この電極手段から放出された電子を受ける複数のアノード４と、クリーニングを施す対象物である複数の基材Ｗを搭載することができる回転式の基材保持具であるワークテーブル１１と、前記電極手段と前記各アノード４との間にそれぞれ電位差を与えてプラズマ放電を発生させる複数の放電電源５と、前記電極手段を加熱するための加熱電源６と、前記ワークテーブル１１に搭載された基材Ｗに負の電圧を印加するバイアス電源１０と、を備える。

　しかしながら、第２実施形態に係る装置は、前記電極手段が、前記第１実施形態のように細長いフィラメント体で構成された単一の電極３ではなく、複数の電極３を含む点で、相違する。これらの電極３は、搭載される前記基材Ｗの長手方向である上下方向に並ぶ複数（３つ）の位置に、同方向に互いに連なるように配設されている。前記各電極３は、真空チャンバ２の一方側の内壁面に配置されていて、真空チャンバ２の他方側の内壁面に設けられた３つのアノード４にそれぞれ対面する位置に設けられている。前記加熱電源６は、前記各電極３の両端部に接続され、当該電極３に電流を供給して当該電極３を加熱することにより、当該電極３に電子を放出させる。

　このように、複数の電極３を上下方向に連なるように配設することにより、基材Ｗの表面に対しての処理高さの範囲を広げることができ、基材Ｗの表面のクリーニングをその長手方向にわたって一定に近づけることができる。また、この実施の形態に係るそれぞれの電極３は、第１実施形態に係る１本の細長い前記電極３よりも小さい電気抵抗を有するから、断線しにくく、長時間の使用が可能である。仮にいずれかの電極３が断線しても、その交換作業は容易である。

　なお、第２実施形態におけるその他の構成、他の作用効果は第１実施形態と略同じであるため、その説明は省略する。

　次に、本発明の第３実施形態について、図７を参照しながら説明する。

　図７は、前記第３実施形態に係るイオンボンバードメント装置１を示す。この装置１は、前記第１実施形態に係る装置と同じく複数のアノード４を備えるが、これらのアノード４の配置が第１実施形態と大きく異なっている。具体的に、図７に示される前記各アノード４は、平面視で八角形をなす真空チャンバ２の内壁面を構成する複数の単位面のうちの２つの面（図７では左下の面２ａと右下の面２ｂ）にそれぞれ配備されている。つまり、搭載される基材Ｗの幅方向に沿って並ぶ複数の位置にそれぞれ前記各アノード４が配設されている。この第３実施形態に係る装置も電極３を備えるが、この電極３は、前記真空チャンバ２の内壁面を構成する複数の単位面のうちの一つ、具体的には前記各アノード４が配設される面２ａ，２ｂとワークテーブル１１を挟んで対向する面２ｃ（図では上側の内壁面）に配備されている。つまり、この実施の形態に係る電極３及び２つのアノード４は、平面視で三角形の頂点にそれぞれ対応する位置に配設されている。

　このように前記複数のアノード４を基材Ｗの幅方向に並ぶ複数の位置にそれぞれ配設することで、真空チャンバ２内のプラズマの範囲を広げることができ、基材Ｗの表面をクリーニングすることができる。

　なお、第３実施形態におけるその他の構成、奏する作用効果は第１実施形態と略同じであるため、その説明は省略する。

　本発明の第４実施形態を、図８を参照しながら説明する。

　図８は、前記第４実施形態に係るイオンボンバード装置１を示す。この装置１も、真空チャンバ２と、電極３と、複数のアノード４を備える。しかし、前記各アノード４は、前記真空チャンバ２の内壁面を構成する複数の単位面のうち、前記電極３とワークテーブル１１を挟んで対向する複数の面であって当該真空チャンバ２の周方向に並ぶ３つの面２ａ，２ｄ，２ｂにそれぞれ配設されている。しかも、前記各アノード４は、これらのアノード４が横一列とならないように、つまり、基材Ｗの長手方向である上下方向に互いに位置をずらして、配置されている。例えば、電極３が設けられる面２ｃと反対側の面２ｄの上下方向の中央に前記複数のアノード４のうちの一つが配設され、その左側に隣接する面２ａの上部及び右側に隣接する面２ｂの下部にそれぞれ、他の２つのアノード４が配設されている。つまり、この例では、前記複数のアノード４が真空チャンバ２の周方向に沿って螺旋状に配置される。これらのアノード４は、あるいは、千鳥配列で配置されていてもよい。すなわち、真空チャンバ２において、その内壁面を構成する複数の単位面のうち互いに隣接する第１、第２及び第３の面のうちの第１の面の上下方向中央、第２の面の上部、及び第３の面の下部にそれぞれ、前記アノード４が配備される構成が採用可能である。

　このように、一つの単位面に対して一つのアノード４を配置することは、側面視で大きなアノード４を使用することを可能にする。前記各アノード４は、絶縁体を介して前記各面に取付けられることにより、前記真空チャンバ２に対して電気的に独立することが可能である。そして、このように電気的に独立した各アノード４にそれぞれ放電電源５の陽極が接続される。

　以上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。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

　以上のように、本発明によれば、基材の表面をクリーニングするためのイオンボンバードメント装置であって前記基材の大きさや配置のばらつきにかかわらず安定したクリーニングが可能なイオンボンバードメント装置及びこの装置を用いた基材表面のクリーニング方法が、提供される。

　前記イオンボンバードメント装置は、基材を収容する空間を囲む内壁面を有する真空チャンバと、前記真空チャンバの内壁面に設けられ、電子を放出する少なくとも一つの電極と、前記電極からの電子を受ける複数のアノードであって、各アノードが前記基材を挟んで前記電極と対向するように対向するように配置されたものと、前記各アノードに対応する複数の放電電源と、を備える。前記各放電電源は、前記真空チャンバから絶縁され、当該放電電源に対応するアノードに対して相互独立して設定可能な電流または電圧を供給することにより当該アノードと前記電極との間にグロー放電を発生させる。

　この装置によれば、前記各放電電源による放電電流、放電電圧の少なくとも一方を当該放電電源ごとに調整することにより、基材に対して安定したクリーニングを施すことができる。

　前記少なくとも一つの電極は、前記各アノードにそれぞれ対応する位置に設けられる複数の電極を含むことが、好ましい。このような複数の電極の配設は、基材の表面に対する処理範囲を広げ、基材Ｗの表面のクリーニングをより安定させることができる。

　前記少なくとも一つの電極は、例えば、細長いフィラメント体で構成されてもよい。

　前記各アノードは、前記基材の表面に物理的蒸着法又は化学的蒸着法により皮膜を成膜するための蒸発源を含み、前記蒸発源は、磁界を発生させて放電を制御する機構を備えることが、好ましい。当該蒸発源によれば、これに含まれる前記機構を利用してイオンボンバード時に前記電極から放出される電子を制御することが可能である。

　前記各カソードは、前記真空チャンバの内壁面のうち前記電極と対向する面に設けられ、かつ、前記真空チャンバに搭載される前記基材の長手方向に沿う複数の位置にそれぞれ配設されていることが、より好ましい。このようなカソードの配置は、前記基材の長手方向について当該基材のクリーニングの均一化をより容易にすることができる。

　また、本発明に係る基材の表面のクリーニング方法は、上述したイオンボンバードメント装置を用いて、成膜前の基材であって長手方向を有する基材の表面をクリーニングする方法であって、前記基材が前記イオンボンバードメント装置の前記少なくとも一つの電極と各アノードとの間に位置するように前記真空チャンバ内の空間に前記基材を配置することと、当該基材が配置された状態で前記アノードと前記電極との間にグロー放電を発生させてプラズマを生成することと、生成されるプラズマの密度を前記基材の長手方向について均一化するように前記各放電電源の放電電流及び放電電圧の少なくとも一方を制御することと、を含む。

Claims

　基材の表面をクリーニングするためのイオンボンバードメント装置であって、
　前記基材を収容する空間を囲む内壁面を有する真空チャンバと、
　前記真空チャンバの内壁面に設けられ、電子を放出する少なくとも一つの電極と、
　前記電極からの電子を受ける複数のアノードであって、各アノードが前記基材を挟んで前記電極と対向するように対向するように配置されたものと、
　前記各アノードに対応する複数の放電電源と、を備え、前記各放電電源は、前記真空チャンバから絶縁され、当該放電電源に対応するアノードに対して相互独立して設定可能な電流または電圧を供給することにより当該アノードと前記電極との間にグロー放電を発生させる、イオンボンバードメント装置。
　前記少なくとも一つの電極は、前記各アノードにそれぞれ対応する位置に設けられる複数の電極を含む、請求項１に記載のイオンボンバードメント装置。
　前記少なくとも一つの電極は、細長いフィラメント体で構成されている、請求項１記載のイオンボンバードメント装置。
　前記各アノードは、前記基材の表面に物理的蒸着法又は化学的蒸着法により皮膜を成膜するための蒸発源を含み、前記蒸発源は、磁界を発生させて放電を制御する機構を備える、請求項１記載のイオンボンバードメント装置。
　前記各カソードは、前記真空チャンバの内壁面のうち前記電極と対向する面に設けられ、かつ、前記真空チャンバに搭載される前記基材の長手方向に沿う複数の位置にそれぞれ配設されている、請求項１に記載のイオンボンバードメント装置。
　請求項１～５のいずれかに記載のイオンボンバードメント装置を用いて、成膜前の基材であって長手方向を有する基材の表面をクリーニングする方法であって、
　前記基材が前記イオンボンバードメント装置の前記少なくとも一つの電極と各アノードとの間に位置するように前記真空チャンバ内の空間に前記基材を配置することと、
　当該基材が配置された状態で前記アノードと前記電極との間にグロー放電を発生させてプラズマを生成することと、
　生成されるプラズマの密度を前記基材の長手方向について均一化するように前記各放電電源の放電電流及び放電電圧の少なくとも一方を制御することと、を含む、基材の表面のクリーニング方法。