JPH0361363A - イオンプレーティング装置 - 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］ 本発明は、イオンプレーティング装置に関し、特に複雑
形状の基材表面に薄膜を形成するためのイオンプレーテ
ィング装置に係わる。

［従来の技術及び課８］ 例えば各種の金属、セラミックス等からなる構造材料に
おいては、その基材表面を硬質化したり、光沢性等を付
与する目的で各種の金属薄膜を成膜することが行なわれ
ている。かかる基＋４上への成膜に際しては、従来より
次のような膜厚制御方法が採用されている。

■膜厚センサ方式 真空チャンバ内に配置したルツボ中の蒸着材料に電子ビ
ーム等を照射して蒸発させ、その蒸発量を膜厚センサで
検出し、前記電子ビームの出力を調節して前記チャンバ
内に配置した基材全体に均一な薄膜を形成する。

■真空チャンバ内に配置したルツボの上方に配置した基
材ホルダを自転又は自公転させることにより基材の中心
部と周辺部との蒸着量の差を小さくして基材全体に均一
な薄膜を形成する。

しかしながら、前記■の膜厚センサ方式や■の基材の回
転方式では全体の平均膜厚を制御できるものの、任意個
所での膜厚制御を行うことができない。このため、複雑
形状の基材表面に均一な膜厚の薄膜を形成することが困
難となる。

このようなことから、複雑形状の基材表面に薄膜を形成
する方法として、ホロカソード方式、反応性イオンプレ
ーティング方式、プラズマ銃方式が知られている。しか
しながら、各方式には次のような問題があった。

前記ホロカソード方式では、放電部分の負電圧が高いた
め、穴が開口されたり、コ字型状の基材ではホロカソー
ド現象により基材電圧が所定の７０％程度に低下するた
め、成膜できたとしても付着力が非常に低くなる。しか
し、かかる方式では前記形状の基伺に対して膜厚の均一
化はもとより部分的な膜厚制御も行うことができない。

前記反応性イオンプレーティング方式では、イオン化電
極（＋）が下方にあるため、穴が開口されたり、コ字型
状の基材ではホロカソード現象により基材電圧が大幅に
低下し、成膜しても良好な膜質にならない。

前記プラズマ銃方式では、プラズマ銃より真空チャンバ
圧力を低くできるため、ホロカソード現象による基材電
圧の低下を抑制できるものの、チャンバ内においてプラ
ズマが一定の横方向に形成されるため、基材に形成され
た穴やコ字状部では影を生じ、内側深くまでプラズマが
導入されず、前記穴等が浅い形状の基材しか成膜できな
い。

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、穴が開口されたり、コ字型等の複雑形状の基材表
面に薄膜を均一に成膜し得るイオンプレーティング装置
を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係わるイオンプレーティング装置は、真空チャ
ンバと、このチャンバ内に配置された基材ホルダと、前
記チャンバ内の底部付近に配置された蒸着源と、前記チ
ャンバ内にプラズマを導入するためのプラズマ発生源と
、前記チャンノくの中心に対して同心円状に配置され、
前記プラズマ発生源から前記チャンバ内に引き出された
プラズマを前記ホルダに保持された基材表面に集束させ
るための磁石を内蔵した複数の対向電極と、これら対向
電極をそれぞれ回転揺動させると共に、内部に前記各対
向電極の磁石を冷却するための冷却水流路が形成された
管部材を有する駆動機構とを具備したことを特徴とする
ものである。

また、本発明に係わるイオンプレーティング装置は前記
真空チャンバ内に磁石を前記基材ホルダに保持された基
材周囲を囲むように配置したことを特徴とするものであ
る。

更に、本発明に係わるイオンプレーティング装置は前記
基材ホルダは、回転自在な構造になっており、かつ前記
駆動機構は前記ホルダの回転に同期して前記対向電極の
回転揺動させる構造を有することを特徴とするものであ
る。

［作用］ 本発明によれば、真空チャンバの中心に対して同心円状
に配置された複数の対向電極を駆動機構により回転揺動
させて、基材ホルダに保持された基材に対して所望の位
置関係及び所望角度で傾斜対向させ、かつ各対向電極に
内蔵した磁石から磁界を発生させることによって、プラ
ズマ発生源から該チャンバ内に導入されたプラズマを前
記各対向電極により前記基材表面に高密度で集束させる
ことができ、同時にプラズマを基材表面に対して多方向
から照射できる。このため、チャンバ内に配置された蒸
着源から蒸発された蒸着材料を前記プラズマにより効率
よくイオン化できると共に、該イオン化された蒸着材料
を基材に対して多方向から導入できる。また、前記駆動
機構の管部材内部に冷却水流路を形成することによって
、該流路を通して高温のプラズマに曝される対向電極内
部の磁石を冷却できるため、該磁石の磁力を長期間に亘
って安定的に維持できる。従って、ホルダに保持された
複雑形状の基材に対してイオン化された蒸着材料の廻り
込み性が良好となるため、基材表面全体に均一な厚さの
薄膜を効率よくかつ長期間に亘って安定的に成膜できる
イオンプレーティング装置を得ることができる。

また、前記真空チャンバ内に磁石を前記基材ホルダに保
持された基材を周囲を囲むように配置することによって
、ホルダに例えば穴が開口された複雑形状の基材を保持
した場合、前記対向電極及びプラズマによりイオン化さ
れた蒸着材料を前記磁石の磁界により前記基材の穴内面
に効率よく絞り込むことができるため、基材の表面のみ
ならず穴内面にも均一な厚さの薄膜を成膜できる。

更に、前記基材ホルダを回転自在な構造とし、かつ前記
駆動機構を該ホルダの回転に同期して前記対向電極の回
転揺動させる構造とすることによって、チャンバ内にプ
ラズマ発生源から引き出されたプラズマの密度及び形状
を前記ホルダに保持された基材の形状（外面形状）に即
応して制御できるため、複雑形状の基材表面全体により
一層均−な厚さの薄膜を効率よく成膜できる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を第１図〜第３図を参照して説明
する。

第１図は、本発明の一実施例を示すイオンプレーティン
グ装置の概略断面図、第２図は第１図の概略横断面図、
第３図は第１図の対向電極及びその駆動機構を示す断面
図である。図中のｉは、真空チャンバであり、このチャ
ンバｌの下部側壁には該チャンバｌ内を所定の真空度に
維持するための図示しない真空ポンプと連通ずるυ１：
気管２が設けられている。また、図中の３は蒸着源であ
る。

この蒸着源３は、前記チャンバ　ｌの底部に設置された
ルツボ４と、前記チャンバｌの下部側壁に設けられ、前
記ルツボ４に電子ビームを照射するための電子銃５と、
前記ルツボ４の上方付近に配置され、前記電子銃５から
の電子ビームを偏向させて前記ルツボ４内の蒸着材料に
照射するための偏向コイル６とから構成されている。

また、前記チャンバｌ内の外側壁にはプラズマ発生源と
してのプラズマ銃７が設けられており、該プラズマ銃７
の後部は窒素（Ｎ２）等の所定のガス８を導入するため
の導入管（図示せず）が設けられている。なお、プラズ
マ銃７が設けられた前記チャンバ１の側壁にはプラズマ
の絞り部９が設けられている。前記プラズマ銃７の前記
チャンバｌとの連結付近及び該プラズマ銃７と対向する
チャンバｌの外側壁部分には、プラズマ銃７から引出さ
れたプラズマの拡散を防ぐための円筒状磁石１０ａ　、
　ｌＯｂが夫々設けられている。そして、前記チャンバ
１の側壁には対向電極を回転揺動させるための複数台（
例えば５台）の駆動機横置が前記プラズマ銃７の設置箇
所とほぼ同一平面上に位置する貫通して設けられている
。

前記駆動機構１１は、第３図に示すように前記チャンバ
ｌの側壁１ａに取着された環状支持板１２を備えている
。この支持板１２のチャンバｉ外側の面には筒状支持部
材１３が図示１７ないネジにより固定されている。この
支持部材１３には、水平方向駆動管１４がＯリング１５
及びこれを保持（７たフランジ１６を介して軸支されて
いる。前記駆動管１４の前記チャンバ側壁１ａと反対側
の端部付近には、ネジ１７が切り込まれており、かつ前
記前記筒状支持部材１３から挿着された止めビン１８が
嵌合される満１９が形成されている。前記駆動管１４の
ネジ１７には、移動ハンドル２０のネジ部２１が螺合さ
れ、かつ該ハンドル２０の前面は前記筒状支持部材１３
の後端面に当接されている。つまり、前記ハンドル２０
を回転させることによってこのネジ部２１とネジ１７を
介して螺合され、溝１９に止めピン１８が押入された前
記駆動管Ｉ４が筒状支持部材１３に沿って水平方向に移
動されるようになっている。

前記水平方向駆動管１４内には、回転管２２が軸受２３
を介して回転自在に軸支されている。なお、前記駆動管
１４の両端側の前記回転管２２の外周面には該駆動管１
４の水平方向への駆動に伴って前記回転管２２を同方向
に駆動させるための止め輪２４が設けられている。前記
回転管２２の先端側（チャンバｌの内部側）は、屈曲さ
れ、その先端には対向電極２５が固定されている。この
対向電極２５は、円板形状をなし、かつリング状の永久
磁石２６が内蔵されている。前記回転管２２の後端側の
外周面には、キー溝２７が形成されており、かつ該回転
管２２には該＃２７に係合される歯車２８が取り付けら
れている。

この歯車２８には、パルスモータ２９、軸３０により回
転される歯車３Ｉが噛合されている。なお、前記パルス
モータ２９は後述するホルダに保持、回転される基材の
表面形状に沿うように該基材の回転に同期して駆動する
ようになっている。

前記回転管２２）中心には、該回転管２２の両端に設け
た環状支持具３２で支持された冷却水の往路となる円筒
３３が挿入され、かつ該円８３３外周面と前記回転管２
２の内面との間に復路となる筒状空間３４を形成してい
る。前記円筒３３の先端側は、前記対向電極２５内に形
成された永久磁石の冷却用流路（図示せず）の人口側と
連通され、かつ前記筒状空間３４は前記冷却用流路の出
口側と連通されている。また、前記回転管２２の後端面
及び後端近傍の外周面にはそれぞれ回転ジヨイント３５
．３６が連結されている。一方のジヨイント３５には、
冷却水供給管３７が、他方のジヨイント３６には冷却水
排出管３８が連結されている。

また、前記チャンバ１内のプラズマ生成領域近傍には基
材を保持するためのホルダ３９が配設されており、かつ
該ホルダ３９は回転軸４ｏにより支持、吊下されている
。前記ホルダ３９は、前記可変電源４１に接続されて負
電圧が印加されるようになっている。

次に、本発明のイオンプレーティング装置による薄膜形
成について説明する。

■第４図に示す複雑形状を有する８０８３０４製の基材
４２を用意した。この基材４２は、中心のリング部４３
の左右に平板部４４ａ　、　４４ｂが取り付けられ、か
つ一方の平板部４４ａの下面にはコ字型ブロック部４５
の背面が接合された構造になっている。つづいて、前記
複雑形状の基材４２を真空チャンバ１内のホルダ３９に
保持し、一方ルツボ４内に所定の蒸着材料４Ｂを収容す
る。

■各部動機構１１のハンドル２０を回転させる。これに
より、該ハンドル２０のネジ部２１とネジ１７を介して
螺合され、溝１９に止めピンＩ８が挿入された水平方向
駆動管１４は筒状支持部材１３に沿って水平方向に前進
（又は後退）する。前記駆動管１４の前進に伴って止め
輪２４を介して該駆動管１４に係合されたその内側の回
転管２２も同方向に移動し、該回転管２２先端の対向電
極２５はチャンバｌ内の所定位置まで移動する。この後
、冷却水供給管３７から冷却水の往路である円筒３３を
通して対向電極２５内の冷却用流路（図示せず）に供給
して内蔵した永久磁石２６を冷却し、冷却後の水は復路
としての筒状空間３４及び排出管３８を通して排出する
。

■真空ポンプ（図示せず）を作動してチャンバｌ内のガ
スを排気管２を通して排気して所定の真空度とする。つ
づいて、電子銃５から電子ビームを放出し、偏向コイル
６により該電子ビームをルツボ４内に収容した蒸着材料
４６に照射して溶融、蒸発させる。

■プラズマ銃７にプラズマ発生ガスとしてのＮ２８を供
給することにより、絞り部９を通してチャンバｌ内にプ
ラズマ４７を引き出すと共に、円筒状磁石１（ｌａ　、
　Ｉ［ｌｂの磁界によりチャンバｌ内の所定領域に集束
させる。同時に、回転軸４ｏによりホルダ３９及びこれ
に保持された基材４２を回転させ、かつ可変電源４１か
ら基材４２に負電圧が印加しながら、各制御機構１１の
パルスモータ２９を前記基材４２の回転に同期して回転
させる。これにより、パルスモータ２９に軸着された情
３０の歯車３１が回転し、これに噛合された歯車２８が
回転管２２を回転し、その先端の屈曲部に固定された各
対向電極２５の位置と向きを前記基材４２の表面形状に
沿うようにその回転に同期して回転揺動する。

このようなチャンバ　ｌ内へのプラズマ４７の生成、可
変電源４１から基材４２への負電圧の印加により、前記
プラズマ４７中のプラスイオンが負電圧のホルダ３９に
保持された基材４２に引っ張られ、そのイオンは基材４
２に加速、衝突される。この時、前述した駆動機構１１
により回転揺動する対向電極２５内の永久磁石２６の磁
界によって前記プラズマ４７が基材４２の表面形状に即
応して集束される。つまり、第４図に示す基材４２にお
いて平板部４４ｂに対してはプラズマ密度を弱めるよう
に対向電極２５を下方へ向け、コ字型ブロック部４５に
対してはコ字部内面にプラズマが入るように対向電極２
５の面を該ブロック部４５と対峙させる。こうした基材
４２の各部材形状に即応して密度が制御されたプラズマ
４７鎮域に前述したルツボ３により蒸発された蒸着材料
が到達すると、イオン化される。プラズマ４７中のプラ
スイオン化された蒸着材料は、前記各対向電極２５の永
久磁石２６からの磁界と負電圧が印加されたホルダ３９
の吸引ハこより前記基材４２の全体に亘って均一かつ効
率よく加速、衝突される。その結果、平板部４４ｂ１コ
字型ブロック部４５を含む基材４２全体に均一膜厚の薄
膜を効率よく成膜することができる。

また、上記構造のイオンプレーティング装置において対
向電極２５を回転揺動するための駆動機構ＩＩの回転管
２２内に冷却水の往路及び復路を形成することによって
、高温のプラズマ中に曝される対向電極２５内の永久磁
石２６を極めて簡単な構造で冷却でき、前記永久磁石２
６からプラズマを集束するための磁界を長期間に亘って
安定的に発生することができる。

次に、本発明の別の実施例を第５図を参照して説明する
。

第５図に示すイオンプレーティング装置は、基材ホルダ
３９′で保持された基材（例えば円筒状基材）４２°を
囲むように円筒状の電磁石４８を配置した構造になって
いる。

かかる構成によれば、チャンバｌ内に引き出したプラズ
マ４７を対向電極２５内の永久磁石２６により基材４２
′側に集束できると共に、基材４２′周囲の円筒状の電
磁石４８により円筒状基材４２′　内に棒状に絞り込む
ことができる。その結果、円筒状基材４２゛　の外周面
のみならず、内周面にもイオン化された蒸着材料を導入
できるため、基材４２′　全体に均一な膜厚の薄膜を成
膜できる。

また、前述した第５図に示すイオンプレーティング装置
により曲目筒の内面に薄膜を成膜する場合は円筒状の電
磁石４８の形状をそれに合った曲内筒形にすることによ
って均一な薄膜を形成するできる。

なお、上記実施例では対向電極に永久磁石を内蔵したが
、永久磁石に代えて電磁石を用いてもよい。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば穴が開口されたり、
コ字型等の複雑形状の基材表面に薄膜を長期間に亘って
安定的に、かつ均一に成膜し得るイオンプレーティング
装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すイオンプレーティング
装置の概略断面図、第２図は第１図の概略横断面図、第
３図は第１図のイオンプレーティング装置の要部断面図
、第４図は本実施例で用いた基材を示す斜視図、第５図
は本発明の他の実施例を示すイオンプレーティング装置
の概略断面図である。 ｌ・・・真空チャンバ、３・・・蒸着源、４・・・ルツ
ボ、７・・・プラズマ銃、貝・・・駆動機構、１４・・
・水平方向駆動管、２０・・・ハンドル、２２・・・回
転管、２５・・・対向電極、２６・・・永久磁石、２９
・・・パルスモータ、３３・・・円筒（冷却水の往路）
、３４・・・筒状空間（冷却水の復路）、３７・・・供
給管、３８・・・排出管、３９．３９′　・・・ボルダ
、４２．４２゛　・・・基材、４４ａ　、　４４ｂ・・
・平板部、４５・・・コ字型ブロック部、４６・・・蒸
着材料、４７・・・プラズマ、４８・・・円筒状の電磁
石。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空チャンバと、このチャンバ内に配置された基
   材ホルダと、前記チャンバ内の底部付近に配置された蒸
   着源と、前記チャンバ内にプラズマを導入するためのプ
   ラズマ発生源と、前記チャンバの中心に対して同心円状
   に配置され、前記プラズマ発生源から前記チャンバ内に
   引き出されたプラズマを前記ホルダに保持された基材表
   面に集束させるための磁石を内蔵した複数の対向電極と
   、これら対向電極をそれぞれ回転揺動させると共に、内
   部に前記各対向電極の磁石を冷却するための冷却水流路
   が形成された管部材を有する駆動機構とを具備したこと
   を特徴とするイオンプレーティング装置。
2. （２）前記真空チャンバ内に磁石を前記基材ホルダに保
   持された基材周囲を囲むように配置したことを特徴とす
   る請求項１記載のイオンプレーティング装置。
3. （３）前記基材ホルダは、回転自在な構造になっており
   、かつ前記駆動機構は前記ホルダの回転に同期して前記
   対向電極を回転揺動させる構造を有することを特徴とす
   る請求項１又は２記載のイオンプレーティング装置。