JPH0742579B2

JPH0742579B2 - イオン化装置及びイオンプレーティング装置

Info

Publication number: JPH0742579B2
Application number: JP63025464A
Authority: JP
Inventors: 茂次村地; 正博土本; 安司川下
Original assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Current assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Priority date: 1988-02-04
Filing date: 1988-02-04
Publication date: 1995-05-10
Anticipated expiration: 2010-05-10
Also published as: JPH01201470A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞この発明は、蒸発粒子等をイオン化するのに用いるイオ
ン化装置及びこのイオン化装置を備えたイオンプレーテ
ィング装置に関する。

＜従来技術＞従来、イオンプレーティング装置等に用いられるイオン
化装置としては、例えば真空槽と、この真空槽を排気す
る真空ポンプと、真空槽内に設けた蒸発源と、この蒸発
源を加熱して粒子を蒸発させる加熱手段と、蒸発源の近
傍に接近して配置され、蒸発源に対して正の電圧が印加
されたイオン化電極とを有するものがあった。このイオ
ン化装置では、蒸発源を加熱することにより、蒸発源か
ら粒子が蒸発し、この粒子が蒸発源とイオン化電極との
間に形成された電界によってイオン化されるものであ
る。

＜発明が解決しようとする課題＞しかし、上記のイオン化装置によれば、イオン化電極で
の電界の分布が均一にならず、イオン化電極の一部にイ
オン化によって発生した電子が集中し、その点での単位
面積当りの電子密度が多くなり、イオン化電極が溶融し
たり、蒸発したりしていた。そのため、従来はイオン化
電極を水冷したり、イオン化電極での電子の集中しやす
い部分に高融点金属、例えばタンタル、モリブデン等の
薄板を取付けていたが、それでも蒸発源の蒸発面が10cm
²以下で、蒸発源からイオン化電極までの距離が10cm以
下では、高融点の金属を取付けていても、これが溶融し
たり蒸発したりするという問題点があった。

この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、イ
オン化電極が蒸発したり溶融したりするのを防止できる
イオン化装置を提供することを目的とし、併てこのイオ
ン化装置を用いたものであって鉛直方向の膜厚分布を均
一化できるイオンプレーティング装置を提供することを
目的とする。

＜課題を解決するための手段＞上記の目的を達成するため、この発明によるイオン化装
置は、真空槽と、この真空槽を排気する排気手段と、上
記真空槽内の下部に設けられた蒸発源と、上記真空槽内
に設けられ上記蒸発源から粒子を蒸発させるように上記
蒸発源を加熱する加熱手段と、上記蒸発源の近傍に配置
され上記蒸発源に対して正の電圧が印加されている第１
のイオン化電極と、この第１のイオン化電極よりも上記
蒸発源から離れた上記真空槽の上部に上記蒸発源に対向
するように配置され上記蒸発源に対して正の電圧が印加
されている第１のイオン化電極よりも面積が大きい第２
のイオン化電極とを具備するものである。

また、化合物作成の時には真空槽内に蒸発粒子と共にイ
オン化するガスを導入する手段を設けるのが望ましい。

また、真空槽内における第１及び第２のイオン化電極の
外側で、これらに沿って複数の処理物を設けることによ
り、イオンプレーティング装置とすることもできる。

さらに、第１のイオン化電極と第２のイオン化電極とに
沿う方向に複数の被処理物を設けて、イオンプレーティ
ング装置とするのが望ましい。

＜作用＞この発明によれば、排気手段によって真空槽を排気し、
加熱手段によって蒸発源を加熱すると、蒸発源から粒子
が蒸発すると共に、熱電子も放射される。この熱電子が
第１のイオン化電極に印加されている電圧によって第１
のイオン化電極に向かい、この間に蒸発粒子と衝突し、
蒸発粒子はイオン化される。このイオン化によって発生
した電子及び熱電子が第２のイオン化電極に向う際に蒸
発粒子と衝突し、イオン化がおこなわれる。また、第２
のイオン化電極に印加されている電圧によってもイオン
化が行なわれる。電子が第２のイオン化電極に向うの
は、第２のイオン化電極と蒸発源との間の電界強度が、
第１のイオン化電極と蒸発源との間の電界強度よりも大
きくなっているからと考えられるが、何故そうなるのか
は、まだ明確に解明されていない。

また、第１のイオン化電極の他に、これよりも上方に第
２のイオン化電極を設けているので、イオン化粒子の分
布状態が、第１のイオン化電極のみを設けた場合とは異
なり、第１のイオン化電極よりも上方の第２のイオン化
電極に向かうものとなる。従って、第１のイオン化電極
と第２のイオン化電極との外側に、これらに沿って、複
数の被処理物を配置することによって、イオン化粒子が
被処理物に付着し、成膜を施すことができる。さらに、
真空槽内にガスを導入すると、蒸発粒子以外にガスもイ
オン化され、ガスと粒子の化合物を被処理物にイオンプ
レーティングすることができる。

＜実施例＞第１図において、２は真空槽で、この真空槽２は排気手
段である真空ポンプ４によって排気される。

この真空槽２の下部にはルツボ６が配置され、このルツ
ボ６内には蒸発物質８としてチタンが収容されている。
この蒸発物質８としては、チタン以外にもタンタル、タ
ングステン、アルミニウム、ニッケル、モリブデン等の
様々な金属や炭素等も使用することができる。このルツ
ボ６と蒸発物質８とが蒸発源を構成している。なお、ル
ツボ６は接地されている。

ルツボ６の下部には、電子銃10が設けられている。この
電子銃10は、ルツボ６の蒸発物質８に電子ビームを照射
し、これによって蒸発物質８を加熱して蒸発させる加熱
手段として機能する。加熱手段としては、電子銃10以外
に、抵抗加熱方式や誘導加熱方式を使用することもでき
る。

このルツボ６の斜め上方に第１のイオン化電極12が設け
られている。この第１のイオン化電極12は、例えば3cm
×7cmの矩形のもので、ルツボ６から10cm以下、望まし
くは5cm乃至6cmの距離に配置されている。この第１のイ
オン化電極12には、第１のイオン化電極14によって接地
電位に対し25V乃至60V望ましくは35Vの正の電圧が印加
される。この電圧によって蒸発粒子がイオン化される。

第１のイオン化電極12よりもルツボ６から離れた位置に
ルツボ６と対向するように第２のイオン化電極16が配置
されている。この第２のイオン化電極16は、40cm×40cm
乃至50cm×50cmの正方形（第１のイオン化電極の面積の
約80倍乃至125倍）に形成されており、ルツボ６から35c
m乃至1mの距離、望ましくは35cm乃至70cmの距離に配置
されている。この第２のイオン化電極16には、第２のイ
オン化電源18によって接地電位に対し25V乃至60V望まし
くは40Vの正の電圧が印加される。これによって蒸発粒
子がイオン化される。

第１のイオン化電極12と第２のイオン化電極16との間に
は、シャッタ20が設けられている。これは、第１のイオ
ン化電極12によってイオン化が行なわれている間に蒸発
粒子が第２のイオン化電極16側に向うのを阻止するため
に設けられている。

蒸発粒子と共にイオン化されるガス、例えば窒素ガスを
真空槽２内に導入するためのガス導入手段としてガス導
入バルブ22が設けられている。この導入するガスとして
は、窒素の他にアルゴン等の不活性ガスや酸素、水素等
のガスも使用することができる。なお、蒸発粒子のみの
膜を作製する場合には、このガスの導入は不要である。

また、真空槽２内には、その内周面に沿って被処理物24
が真空槽２の高さ方向に間隔を隔てて、第１のイオン化
電極と第２のイオン化電極との間に位置するように複数
個配置されている。この処理物24としては、例えば切削
工具や装飾品や長尺の薄板鋼が使用される。これら被処
理物24には、被処理物電源26によって接地電位に対して
0V乃至負の3KV望ましくは負の400Vの電圧が印加され
る。この処理物24はルツボ６の周囲を回転するように構
成してもよい。

このように構成したイオンプレーティング装置は次のよ
うに使用する。ルツボ６に蒸発物質８として例えばチタ
ンを入れ、真空槽２を真空ポンプで、10^-6乃至10^-3Torr
台望ましくは１×10^-5乃至１×10^-6Torrに排気し、第１
のイオン化電極12に35V、第２のイオン化電極16に40Vの
電圧を印加し、被処理物24に負の400Vを印加する。

この状態において、電子銃10を作動させて、電子ビーム
をチタンの表面に照射し、チタンを蒸発させる。蒸発し
た粒子は第１のイオン化電極12によってイオン化され
る。このイオン化が安定したところで（これは第１のイ
オン化電極12に流れる電流が安定することによって分か
る。）、ガス導入バルブ22を開いて、窒素ガスを真空槽
２内に導入し、真空槽２内の圧力が10^-3乃至10^-4Torr台
望ましくは３×10^-4Torrになるようにする。なお、当初
からガスを導入してもよいが、その場合、イオン化が安
定するまでに時間がかかる。そして、シャッタ20を開
く。シャッタ20を閉じているときには、第１のイオン化
電極12に流れる電流は60Aで、第２のイオン化電極16に
流れる電流は3Aであったが、シャッタ20を開くと、第１
のイオン化電極12に流れる電流はOAとなり、第２のイオ
ン化電極16に流れる電流は70Aとなった。

イオン化電極に電流が流れるということは、イオン化電
極によってガスや粒子がイオン化されて発生した電子と
蒸発源からの熱電子が、イオン化電極が流れていること
を表わしており、イオン化電極を流れる電流の大きさが
イオン化の程度を表わしている。従って、シャッタ20を
開く前には第１のイオン化電極12によってイオン化の大
部分が行なわれており、シャッタ20を開いた後は第１の
イオン化電極12よりも面積の大きい第２のイオン化電極
16によってイオン化が行なわれていることになる。な
お、第２のイオン化電極16のみを設けた場合には、ルツ
ボ６と第２のイオン化電極16との距離がひらいているの
で、イオン化のための電界が小さくなり、充分にイオン
化が行なわれない。イオン化された蒸発粒子やガスは被
処理物24に印加されている負の電圧によって被処理物24
に引っ張られ、被処理物24の表面に窒化チタンの膜を形
成する。なお、シャッタ20を設けなくてもよいが、その
場合、被処理物24に形成された窒化チタンの膜の表面が
荒れたり、密着強度が下がる。

第２のイオン化電極16は、第１のイオン化電極12よりも
ルツボ６から離れて位置しているので、イオン化によっ
て発生した電子は、第１のイオン化電極12よりも面積が
広い第２のイオン化電極16に散乱して入射する。従っ
て、単位面積当りの電子数密度（結局は電流密度）は小
さくなるので、第２のイオン化電極16が溶融したり蒸発
したりすることはない。また、第２のイオン化電極16を
流れる電流が第１のイオン化電極12を流れる電流よりも
多いのは、第２のイオン化電極16が第１のイオン化電極
12よりもルツボ６から離れた位置にルツボ６と対向する
ように位置しているので、第１のイオン化電極12で発生
した電子と蒸発粒子やガスとが第２のイオン化電極16に
向う間に互いに衝突する回数が増加するので、イオン化
が促進されているからである。

また、第２とイオン化電極16のルツボ６に対する距離及
び第２のイオン化電極16に印加する電圧を変化させるこ
とによって真空槽２の高さ方向に配置した各被処理物24
に形成される膜厚をほぼ一定にすることができる。即
ち、第２図は第２のイオン化電極16をルツボ６から70cm
の位置に配置し、第１のイオン化電極12及び第２のイオ
ン化電極16に印加する電圧を変更した場合の膜厚の分布
を示したもので、点線は第１のイオン化電極12に34Vの
電圧を、第２のイオン化電極16に35Vの電圧をそれぞれ
印加し、チタンの蒸発量が24gのときの膜厚分布を示
し、実線は第１のイオン化電極12のみに40Vの電圧を印
加した場合（従来のイオンプレーティング装置に対応す
る。）の膜厚分布を示し、一点鎖線は第１のイオン化電
極12に35Vの電圧を、第２のイオン化電極16に40Vの電圧
をそれぞれ印加した場合の膜厚分布を示している。な
お、他の条件、例えば真空槽２の圧力、窒素ガス導入後
の真空槽２内の圧力、第１のイオン化電極12の位置等
は、上述した場合と同様である。第２図から明らかなよ
うに、第１のイオン化電極12に35Vの電圧を、第２のイ
オン化電極16に40Vの電圧をそれぞれ印加した場合、ル
ツボ６から100mm乃至400mmの位置にある各被処理物24の
膜厚は３乃至４μｍとほぼ一定となる。従って、多数の
被処理物24について同時にイオンプレーティングする場
合に適している。

＜効果＞面積の小さい第１のイオン化電極のみを蒸発源の近傍、
例えば蒸発源から５乃至6cmの位置に設けた場合、蒸発
物のイオン化はアーク放電状態によって行われるが、そ
のアークの大きさは直径２乃至3cmとなり、モリブデン
のような高融点金属板を水冷電極に当てて第１のイオン
化電極として使用しても、第１のイオン化電極に流れる
電流が300A以上では、単位面積当たりの電子数密度が大
きくなり、第１のイオン化電極は溶融する。一般にイオ
ン化電極に印加する電圧が一定の場合、イオン化電極に
流れる電流は、蒸発速度に比例することが知られてい
る。従って、蒸発速度を上げようとすると、例えば、チ
タンの蒸発速度を2g/min以上に上げようとすると、第１
のイオン化電極に流れる電流が300Aを超えるので、蒸発
速度を上げることができない。

しかし、この発明によるイオン化装置では、第１のイオ
ン化電極よりも面積の大きく、蒸発源に対して正の電圧
の印加されている第２のイオン化電極を、第１のイオン
化電極よりも蒸発源から離して設けているので、第１の
イオン化電極から第２のイオン化電極にアークを移動さ
せることができ、第１のイオン化電極に発生していたア
ークをぼかしている。従って、第１のイオン化電極が溶
融することはないし、第２のイオン化電極が面積の大き
いものであるので、単位面積当たりの電子密度数は、第
１のイオン化電極を単独に設けた場合には、第１のイオ
ン化電極の単位面積当たりの電子密度数よりも小さくな
るので、第２のイオン電極も溶融することなく、蒸発速
度が上げることができる。

また、第１のイオン化電極の他に第２のイオン化電極を
蒸発源と対向するように設けたので、第１のイオン化電
極でイオン化した蒸発粒子の分布を、第２のイオン化電
極によって変えることができる。従って、第１のイオン
化電極と第２のイオン化電極との間に外方に、これらに
沿って被処理物を配置することによって、第１及び第２
の電極間の面、即ち鉛直方向の面にも成膜することがで
きる。このように延長方向の面で成膜することができる
ので、被処理物を鉛直方向に沿って配置することがで
き、被処理物の着脱が容易に行えるし、着脱のための治
具も簡単な構成のものを使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるイオン化装置を実施したイオン
プレーティング装置の１実施例の概略の構成を示す図、
第２図は同実施例における第２イオン化電極及び第２イ
オン化電極に印加する電圧を変化させた状態での膜厚分
布を示す図である。２……真空槽、４……真空ポンプ（排気手段）、12……
第１のイオン化電極、16……第２のイオン化電極、24…
…被処理物、６……ルツボ（蒸発源）８……蒸発物質（蒸発源）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空槽と、この真空槽を排気する排気手段
と、上記真空槽内の下部に設けられた蒸発源と、上記真
空槽内に設けられ上記蒸発源から粒子を蒸発させるよう
に上記蒸発源を加熱する加熱手段と、上記蒸発源の近傍
に配置され上記蒸発源に対して正の電圧が印加されてい
る第１のイオン化電極と、この第１のイオン化電極より
も上記蒸発源から離れた上記真空槽の上部に上記蒸発源
に対向するように配置され上記蒸発源に対して正の電圧
が印加されている第１のイオン化電極よりも面積が大き
い第２のイオン化電極とを具備するイオン化装置。
【請求項２】上記第１及び第２のイオン化電極によって
上記蒸発粒子と共にイオン化されるガスを上記真空槽内
に導入するガス導入手段を具備する請求項１記載のイオ
ン化装置。
【請求項３】上記真空槽内における第１及び第２のイオ
ン化電極の外側で、これらに沿って複数の被処理物を設
けた請求項１または２記載のイオンプレーティング装
置。