JPH08505437A - 下地の真空プラズマ処理のための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 下地の真空プラズマ処理のための装置は、真空チャンバ１と、該チャンバ内に配置された真空アーク放電の延長されたアノード２とカソード３と、アノード２とカソード３との間に配置された処理されるべき少なくとも１つの下地６のホルダー５とを備える。チャンバ１には、カソード３とホルダー５との間に配置され、金属イオンに対して不透過性のスクリーン７が与えられる。ホルダー５は、処理されるべき下地６の両方の端部８、９を固定するように調節され、かつ下地６の両方の端部８、９上に２つの電流リード１０を有する。アノード２は、下地６の端部８、９の方向に延長され、その両方の端部上に２つの電流リードを有する。電流リード１０、１１の２つの対は、スイッチ１２によって放電電源ユニット４の正極に交互に接続可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 下地の真空プラズマ処理のための装置発明の分野 本発明の分野は下地の真空プラズマ処理のための装置に関するものである。従来技術 下地（substrate）の真空プラズマ処理のための装置は、真空チャンバ内の減 少された圧力でのワーキング・ガス（working gas）の媒体の中に配置された真 空アーク放電のカソード及びアノードに電気的に接続された直流電源ユニットと 、前記カソードとアノードとの間に配置され処理されるべき下地のホルダーと、 を備える装置として知られている（ＵＳ，Ａ，４，７３４，１７８）。 上記の装置では、下地の真空プラズマ処理は、カソードから蒸発した金属のイ オンを用いて行われ、その結果、下地の表面にオーバーエッチング（overetchin g）することとなり、下地の表面の仕上げのクラスを低下させる結果となる。 また、下地の中央部と端部との間でプラズマの密度の分布が一様ではないとい う点からも、上記の装置を用いて長いサイズの下地の高い質の複雑な処理を行う ことが不可能であり、このことによって、この装置の技術的能力は実質的に制限 されている。 下地の真空プラズマ処理のための別の公知の装置は、真空チャンバ内に配置さ れた真空アーク放電のカソードに及び放電のアノードとして働く真空チャンバに 電気的に接続された直流電源ユニットと、真空チャンバ内に配置された処理され るべき下地のホルダーと、を備える（ＦＲ，Ａ，２１８２７４７）。 上記の装置では、下地の真空プラズマ処理は、カソードから蒸発した金属のイ オンを用いて行われ、その結果、下地の表面にオーバーエッチングすることとな り、下地の表面の仕上げのクラスを低下させる結果となる。 また、上記の装置を用いて長いサイズの下地の高い質の複雑な処理を行うこと は、下地に沿ってのプラズマの流れの分布が一様ではないという点からみても、 一様でない処理が行われる結果となるため、不可能であり、このことによって、 この装置の技術的能力は実質的に制限されている。 下地の真空プラズマ処理のための更に別の公知の装置は、放電電源ユニットの 正極及び負極にそれぞれに電気的に接続されて真空チャンバ内に配置された真空 アーク放電のための延長されたアノード及び延長されたカソードをもつ該真空チ ャンバと、前記アノードとカソードの間に配置され処理されるべき少なくとも１ つの下地のホルダーと、を備える（ＦＲ，Ａ，２１４７８８０）。 この装置の、処理されるべき少なくとも１つの下地のホルダーは、処理される べき下地の一端のみを固着するように調節され、電流リードを有していない。ア ノードは延長されており、１つの電流リードを有する。 上記の装置では、下地の真空プラズマ処理は、カソードから蒸発した金属のイ オンを用いて行われ、その結果、下地の表面にオーバーエッチングすることとな り、下地の表面の仕上げのクラスを低下させる結果となる。 また、この装置を用いて長いサイズの下地の高質な複雑な処理を行うことは不 可能である。なぜならば、一端の電流リードのアノードがあり、処理されるべき 下地のホルダーに電流リードがないので、結果として下地に沿ってのプラズマの 流れの分布が一様でなくなり、一様の処理ができなくなり、これによって、この 装置の技術的能力が制限される。発明の概要 本発明は、処理されるべき下地の表面のオーバーエッチングを防ぐ手段と、そ のようなアノードと、処理されるべき少なくとも１つの下地のホルダーとをもち 、処理されるべき下地の最初の表面仕上げのクラスを維持し、長いサイズの下地 の高質の複雑な処理を行うことを可能にし、結果として装置の技術的能力を実質 的に向上させる、下地の真空プラズマ処理のための装置を作る目的を基にする。 本発明は、真空チャンバと、放電電源ユニットの正極及び負極にそれぞれ電気 的に接続され、真空チャンバ内に位置した真空アーク放電の、延長されたアノー ド及びカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された処理される べき少なくとも１つの下地のホルダーと、前記カソードと処理されるべき少なく とも１つの下地の前記ホルダーとの間に配置された金属イオンに対して不透過性 のスクリーンを備え、処理されるべき少なくとも１つの下地のホルダー自身は、 処理されるべき下地の両方の端部を固着するように調節されかつ処理されるべき 下地のすべての端部上に電流リードを有しており、両方の電流リードは互いに電 気的に接続されており、アノードは処理されるべき下地の端部の方向に延長され ておりかつすべてのその端部上に電流リードを有し、両方の電流リードは互いに 電気的に接続され、処理されるべき少なくとも１つの下地のホルダーの電流リー ドの対とアノードの電流リードの対とは、スイッチを通じて放電電源ユニットの 正極に交互に接続可能である、下地の真空プラズマ処理のための装置を提供する ことによって達成される。 処理されるべき１つの下地のホルダーは、真空アーク放電電流の方向に垂直な 面に配置された処理されるべき下地の両方の端部に対する２つの別個のクランプ を備え得る。 処理されるべき複雑の下地のホルダーは、更に、処理されるべきすべての下地 の両側に配置されかつクランプに接続された２つの別個のディスクを備え得、ホ ルダーのそれら電流リードは２つのピボットの回転可能な組み立てでありかつそ れらの間にアイソレータ（isolator、絶縁部）があり、両方のピボットはディス クを通過しかつディスクに接続されており、処理されるべき下地の一側において それらの端部のクランプは遊星的（planetarally）に移動可能であり、処理され るべき下地の反対側のクランプは回転可能かつそれらのディスクと相対的に往復 運動的に移動可能である。 この装置には、処理される下地の軸に垂直な力の線の磁界を誘導する手段であ って、処理される下地のホルダーに近接しかつカソードに面するホルダー側の上 に配置される手段が与えられ得る。 磁界を誘導する手段はソレノイドであり得る。 本装置のこのような構成は、処理されるべき下地の最初の表面の仕上げのクラ スを維持し、長いサイズの下地の一様の複雑な処理を行うことを可能とし、結果 としてこの装置の技術的能力を増加させる。図面の簡単な説明 以下のテキストは、特定の実施例及び添付の図面を用いて本発明を説明する。 図１は、下地の真空プラズマ処理のための装置を示す図であり、真空チャンバ はその長手方向の断面が示されている。 図２は、本装置の変更された構成を示す図であり、真空チャンバはその長手方 向の断面が示されている。 図３は、本装置の更に別の変更された構成を示す図であり、真空チャンバはそ の長手方向の断面が示されている。 図４は、図１に示された図と同じものであるが、処理されるべき下地に沿って 接線の方向の磁界強度の分布が与えられている。本発明の詳細な説明 本発明に従う下地の真空プラズマ処理のための装置は、真空チャンバ（図１） と、チャンバ１内に配置され、放電電源ユニット４の正極に及び負極にそれぞれ に電気的に接続された真空アーク放電のための延長されたアノード２及び延長さ れたカソード３と、アノード２とカソード３との間に配置された処理されるべき 少なくとも１つの下地６のホルダー５と、を有する。 金属イオンに対して不透過性のスクリーン７が、カソード３とホルダー５との 間に配置されている。ホルダー５は、処理されるべき１つの長いサイズの下地６ のために用いられる。このホルダー５は、処理されるべき下地６の２つの端部８ 及び９を固着するように調節され、かつ、処理されるべき下地６の両方の端部８ 及び９のすべての側の上に、互いに電気的に接続された２つの電流リード１０を 有する。アノード２は、処理されるべき下地６の端部８及び９の方向に延び、か つ、その両方の端部に、アノード２は、互いに電気的に接続された２つの電流リ ード１１を有する。ホルダー５の一対の電流リード１０と、アノード２の一対の 電流リード１１とは、スイッチ１２によって、放電電源ユニット４の正極に交互 に接続可能である。カソード３は、放電電源ユニット４の負極に、その一対の電 流リード１３とそれらに直列に接続されたスイッチ１４とによって接続され、そ して、比較ユニット１６の出力に接続された２つの別個の活性化メンバ（activa ting member）１５で制御される。 処理されるべき下地６のホルダー５は、処理されるべき下地６の両方の端部８ 及び９のそれぞれに対する２つの別個のクランプ１７及び１８を備え、それらは 、真空アーク放電電流の方向に垂直な面に配置されている。 カソード３の作業面１９の近くに、真空アーク放電のカソード・スポット２１ の電流位置のワイヤ検出器２０が、配置されている。それは、抵抗２２を通じて 放電電源ユニット４の正極に接続されている。検出器２０はまた比較ユニット１ ６の入力に接続され、それの別の入力は、時間において変化する電気的制御信号 を発生するプログラミング・ユニット２３に接続されている。 カソード３の非作業面の近傍のスクリーン２４は、カソード・スポット２１が この面に通過するのを防ぐ。 ホルダー５、アノード２、カソード３のそれぞれの電流リード１０、１１、１ ３及び検出器２０の電流リードは、チャンバ１の壁に配置されたアイソレータ２ ５を通って真空チャンバ１から外部に出ている。 金属ガス・プラズマの流れは、図１において、参照番号２６で示され、純粋な ガス・プラズマの範囲はここでは線影で示されかつ参照番号２７で示されている 。 上記で説明した実施例は、長いサイズの下地の処理に、特に、カソードに向い た下地面の一側のみの処理が要求されるとき、例えば、平らな下地面のときに、 好適に用いられ得る。 図２に示す装置の構成の変更は、処理されるべき下地の配置される範囲におけ るプラズマの流れの集中によって、装置の生産性及び効率を向上させることがで きる。 この実施例は図１に示した実施例と類似である。 差異は、図２に示す装置に、その力の線が、処理されるべき下地６の軸に垂直 である磁界を誘導する手段２８が、与えられていることである。この手段は、ホ ルダー５に近接しかつカソード３に面するホルダー側に配置される。 ソレノイド２９が、手段２８として用いられる。 図３に示す変更された装置の構成は、主に同じタイプの多数の下地６の処理に 用いられると好適である。 この場合、処理されるべき複数の下地６のホルダー５は、更に、それぞれが処 理されるべきすべての下地の両側に配置された２つの別個のディスク３０及び３ １であって、該ディスク３０及び３１上のガイド３４及び３５をそれぞれ通過す る軸３２及び３３によってクランプ１７及び１８と接続された、該ディスク３０ 及び３１を備える。各軸３２及び３３の一端部は、それぞれ、対応するクランプ １７及び１８に接続されている。軸３２のその反対側の端部にはギヤ３６が与え られ、軸３３のその反対側の端部には負荷３７が与えられている。 ホルダー５の電流リード１０は、単一の全体として作られ、アイソレータ４０ によって互いに接続された２つのピボット３８及び３９を備える。ピボット３８ 及び３９は、それぞれディスク３０及び３１を通過し、それらと堅固に結合され 、矢印Ａで示された方向に回転可能である。 ピボット３８及び３９の端部は真空チャンバ１の外へ出て、電流リード１０と して働き、電流リード１０はブラシ・コレクタ（brush collector）４１及び４ ２に接続されている。ピボット３８は、ブラシ・コレクタ４１を通じて回転駆動 装置４３の出力シャフトに運動学的に接続される。 下地６の端部８のクランプ１７は、矢印Ｂに示す方向に、遊星的に動くことが 可能である。このようにするために、アイソレータ４４が真空チャンバ１内に取 り付けられている。ディスク３０が回転すると、ギヤ３６が、アイソレータ４４ に取り付けられたストップ４５に接触し、そしてまた、ディスク３０と相対的に 回転する。下地６の端部９のクランプ１８もまた、ディスク３１に相対的に回転 可能であるので、遊星的に動くことが可能である。それらは、矢印Ｃ及びＤによ って示される方向にディスク３１と相対的に往復的に動くことができ、かつ負荷 ３７によって端部９に押し付けられる。 即ち、ガイド３４は軸３２の回転のためにのみ働くが、ガイド３５は軸３３の 回転及び往復のために働く。 装置の最後の変更された構成において、磁界を誘導する手段２８は、カソード ３及びアノード２に面するホルダー５の両方の側に配置され、かつ２つのソレノ イド２９及び４６を備える。これによって、電源ユニット４の正極がアノード２ に接続されたときにおもにソレノイド２９と４６との間のスペースにおいて一様 のプラズマの流れを集中できるようにする。これは、複数の下地のホルダー５が 用いられかつホルダー５に固着された下地６が互いに距離をあけられたときに、 利益が多い。 本発明に従う下地の真空プラズマ処理のための装置の動作の原理は、以下のよ うである。 真空チャンバ１（図１）は、約０．００１Ｐａの圧力にポンプ・ダウンされ、 次に、ガス・インプット・システム（図には示さず）を用いてワーキング・ガス （圧力範囲が０．１−１０Ｐａの窒素、アルゴン、酸素）が満たされる。放電電 源ユニット４がターン・オンされると、カソード３の作業面１９において真空ア ーク放電が開始される。真空アーク放電のカソード・スポット２１は、常に、タ ーン・オンされた電流リード１３の方にカソード面に沿って移動する。スイッチ １４のターン・オンは、検出器２０、抵抗２２、比較ユニット１６、プログラミ ング・ユニット２３、及びスイッチ１４の活性化メンバ１５を用いて行われる。 検出器２０と抵抗２２とはホイートストン・ブリッジの対角線を形成し、抵抗２ ２の抵抗値は検出器２０の抵抗値よりも１オーダーの大きさ以上高い。検出器２ ０の端部での電圧は、 Ｕ＝ｉ（ｒ_x−Ｒ／２） であり、ｉは検出器２０の回路の電流であり、ｒ_xは、検出器の端部と金属ガス ・プラズマの流れ２６の横切るセクションの中央との間の、検出器の一部の抵抗 値であり、Ｒは検出器２０の抵抗値である。 即ち、検出器２０の電圧Ｕは、カソード３でのカソード・スポット２１の電流 位置を明瞭に決定する。 この電圧は、比較ユニット（ＯＰアンプ）１６の第１の入力に供給される。第 ２の入力には、プログラミング・ユニット２３から電圧が供給される。もし、比 較ユニット１６の両方の入力電圧の間の差が零であるならば、両方のスイッチ１ ４はターン・オンされ、カソード・スポットは無秩序にカソード３に沿って動く 。カソード・スポット２１がカソード３に沿ってシフトすると、検出器２０の電 圧Ｕは変化し、そして、検出器２０の電圧とプログラミング・ユニット２３から の電圧との間の差は零と異なるようになり、そして、比較ユニット１６の出力で 、活性化メンバ１５を用いてスイッチ１４のうちの１つをターン・オフする信号 が発生され、そして、カソード・スポット２１が、入力電圧の差を減少させる方 向に移動を開始する。プログラミング・ユニット２３からの電圧が一定のとき、 カソード・スポットはカソード軸の或る点の近くを往復運動する。プログラミン グ・ ユニット２３からの電圧が変化すると、カソード・スポットの往復運動ゾーンが 動かされる。従って、プログラミング・ユニット２３からの電圧がプリセットさ れたプログラムに従って変化するならば、カソード・スポット２１の位置も同プ ログラムに従って変化する。 カソード・スポット２１から伝搬する金属ガス・プラズマの流れ２６は、金属 イオンに対して不透過性であるスクリーン７に到達する。金属イオンは直線的に 動き、それらは中性にされてスクリーン７の表面に堆積される。従って、金属は スクリーンの向こう側のスペースに貫通することができない。しかし、金属ガス ・プラズマからの電子は、アノードの電界（それは、下地６−スイッチ１２の位 置Ｉ、またはアノード２−スイッチ１２の位置IIであり得る）の影響のもとにこ のスペースに貫通し、そして、それらはワーキング・ガスをイオン化し、ガス・ プラズマ２７の正のカラムを形成する。 ホルダー５が図４に示すように２つの電流リード１０を有するとき、反対の方 向の２つの電流Ｉの磁界Ｈの重ね合わせは、正のカラムから電子の流れを受ける アノード表面の近くの磁界強度が零の値になるようにし、そして、そこには正の カラムを妨害しかつそれをアノードに沿っていずれかの方向に移動させる力はな い。 カソード・スポット２１が、任意のプリセットされたプログラムに従ってカソ ード３に沿って移動すると、下地６またはアノード２（スイッチ１２の位置に依 存する）の表面の電子の流れは、従って、シフトし、そして、下地６の真空プラ ズマ処理が、プログラミング・ユニット２３によってプリセットされたプログラ ムに厳密に従って行われる。 ワーキング・ガスが窒素の場合、下地６は電子の流れによって作業温度に熱せ られ（スイッチ１２は位置Ｉにある）、次に、温度制御システム（図面には示さ ず）がスイッチ１２を位置IIにターンし、そして、熱せられた下地６がプラズマ ・カラムに突っ込まれ、往復的に動きそしてプリセットされたプログラムに従っ て下地６を窒化する。 ガス・イオンを用いての下地の表面の処理が必要とされるとき、放電はまたア ノード２とカソード３との間で開始され、そして高い負のバイアス電圧が下地６ に与えられる。 図２による変更の装置は、図１による装置と類似に動作する。 その差は、図２による装置において、カソード３のカソード・スポット２１位 置への正のカラムの電子の流れに突っ込まれた下地部分の対応が、下地６の軸に 垂直な力の線をもつ磁界によって強化されているところである。 磁界を誘導するソレノイド２９は部分的にカソード３に面する側の下地６のホ ルダー５を包みこむ。 磁界において、ガス・プラズマの電子は磁化され、磁界の力の線に沿って移動 する。それらは下地６の軸に垂直な方向に動く。なぜならば、力の線もまたこの 軸に垂直だからである。 図３による変更の装置は、図２による装置と類似に動作する。 その差は、電源ユニット４（図３）の回路の電流が、ブラシ・コレクタ４１及 び４２を経て、及びアイソレータ４０によって分離されたピボット３８及び３９ の端部を経て流れることである。アイソレータ４０はピボット３９が回転するよ うにするが、電流がピボット３８からピボット３９に流れるのを妨げる。下地６ はホルダー５に固着される。ホルダー５のクランプ１７は、ディスク３０が回転 してギヤ３６が、チャンバ１から絶縁されたストップ４５に接触したとき、それ らの軸の回りを回転する。 即ち、下地６は、ディスク３０が回転すると遊星的に動く。 クランプ１８は、ディスク３１と相対的に往復的に動くことができる。これは 、下地６の端部９を、それらの寸法にかかわりなく電気的に接続することを可能 にする。クランプ１８は、負荷３７によって下地６の端部９に押し付けられ、結 果として信頼性の高い電気的接続が得られる。 ソレノイド４６は、処理されるべき複数の下地６で満たされたスペース全体内 のプラズマの流れを安定させること及び集中させることを可能とする。 即ち、本発明に従う装置は、下地を、それらの最初の表面の仕上げのクラスを 維持するように処理することを可能とし（例えば、電子の流れで真空において加 熱する）、そして、これはまた、１つのかつ同じ真空チャンバにおいてプリセッ トされた作業温度の範囲に下地を予め加熱（preheat）し保持した直後に（例え ば、窒化処理）、真空におけるカソード材質の蒸着（スクリーンは除去される） またはガス・イオンを用いるターゲット材質のスパッタリング（スクリーンは作 業位置にある）の広く知られた方法のコーティングのために用いる研削（grind ）や磨き（polish）なしに、下地をコートすることを可能とし、これは、この装 置の技術的能力を実質的に増加させる。 また、この装置は、処理の間に下地に沿って一様に分配可能なプラズマの電子 の流れを用いて、長いサイズの下地を含む大量の下地を同時に加熱する処理の生 産性の向上を可能とする。工業的適応性 処理が、プラズマを用いての下地の加熱、ガス・イオンを用いての下地の表面 のクリーニング、下地の化学的加熱処理、及びコーティングの堆積を含む、下地 の真空プラズマ処理のための装置は、シャフト、チューブ、長いサイズの工具（ ブローチ）、ギヤの組、ホブ、その他、のような主に長いサイズの下地の真空プ ラズマ処理のために用いられ得る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 下地の真空プラズマ処理のための装置において、放電電源ユニット（４ ）の正極に及び負極にそれぞれに電気的に接続された真空アーク放電のための延 長されたアノード（２）とカソード（３）と、前記アノード（２）とカソード（ ３）との間に配置された処理されるべき少なくとも１つの下地（６）のホルダー （５）とが内部に配置された真空チャンバ（１）を備え、前記カソード（３）と 処理されるべき少なくとも１つの前記下地（６）の前記ホルダー（５）との間に 配置された金属イオンに対して不透過性のスクリーン（７）が与えられ、処理さ れるべき少なくとも１つの下地の前記ホルダー（５）自身が処理されるべき前記 下地の両方の端部（８、９）を固定するように調節され且つ処理されるべき前記 下地（６）のすべての端部（８、９）上に電流リード（１０）を有し、両方の電 流リード（１０）は互いに電気的に接続され、前記アノード（２）は処理される べき前記下地（６）の前記端部（８、９）の方向に延長され且つすべてのその端 部上に電流リード（１１）を有し、両方の電流リード（１１）は互いに電気的に 接続され、処理されるべき少なくとも１つの下地（６）の前記ホルダー（５）の 電流リード（１０）の対と前記アノード（２）の電流リード（１１）の対とはス イッチ（１２）によって前記放電電源ユニット（４）の正極に交互に接続可能で ある、ことを特徴とする装置。 ２． 処理されるべき１つの下地（６）の前記ホルダー（５）は、真空アーク 放電電流の方向に垂直な面に配置された処理されるべき前記下地（６）の両方の 端部（８、９）に対する２つの別個のクランプ（１７、１８）を備える、請求の 範囲第１項に記載の装置。 ３． 処理されるべき複数の下地（６）の前記ホルダー（５）は、処理される べきすべての下地（６）の両方の側に配置され且つ前記クランプ（１７、１８） に接続された２つの別個のディスクを備え、前記ホルダー（５）の前記電流リー ド（１０）は２つのピボット（３８、３９）とそれらの間に置かれたアイソレー タ（４０）との回転可能な組み立て体であり、両方のピボット（３８、３９）は 前記ディスク（３０、３１）を貫通し且つそれらに接続され、処理されるべき前 記下地（６）の少なくとも一側上のクランプ（１７）は遊星的に動くことができ 且つ処理されるべき前記下地（６）の反対側端部（９）のクランプ（１８）は前 記ディスク（３１）と相対的に回転すること及び往復的に動くことができる、請 求の範囲第２項に記載の装置。 ４． 処理されるべき少なくとも１つの下地（６）の軸に垂直な力の線をもつ 磁界を誘導する手段（２８）が与えられ、該手段（２８）は処理されるべき少な くとも１つの下地（６）の前記ホルダー（５）のすぐ近傍且つ少なくとも前記カ ソード（３）に面するホルダー側上に配置される、請求の範囲第１項、第２項、 又は第３項に記載の装置。 ５． 磁界を誘導する前記手段（２８）はソレノイドである、請求の範囲第４ 項に記載の装置。