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技術 アーク蒸着式成膜装置

出願人 トヨタ自動車株式会社アリオス株式会社
発明者 余合清嗣佐藤羊治橘和孝有屋田修小島芳恭
出願日 2017年10月12日 (1年10ヶ月経過) 出願番号 2017-198689
公開日 2019年5月16日 (3ヶ月経過) 公開番号 2019-073745
状態 未査定
技術分野 物理蒸着 プラズマの発生及び取扱い
主要キーワード 電流検知器 アーク放電発生 稼働停止 ターゲットカソード アーク蒸着 判定値β 判定値α 低圧電源
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年5月16日)のものです。
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図面 (4)

課題

アーク放電の発生に要する電力消費を抑制できるアーク蒸着式成膜装置を提供する。

解決手段

真空チャンバ10内に設置されたターゲットカソード11に電圧印加する電源として、電源電圧は高いが電流容量は小さい高圧電源14と、電源電圧は低いが電流容量は大きい低圧電源15と、の2つの電源を備え、アーク放電の発生に際してターゲットカソード11に電圧を印加する電源を、グロー放電の発生が確認された時点で高圧電源14から低圧電源15に切り替えるようにした。

概要

背景

一般に、上記のようなアーク蒸着式成膜装置では、放電発生用の電極ストライカ)をターゲットカソードに接触させた状態で、それらの間に電流を流した上で、ストライカを徐々にターゲットカソードから引き離すことで、アーク放電を発生させている。こうした場合、真空チャンバ内でストライカを駆動する機構が必要となって、成膜装置の構成が複雑となる。また、アーク放電の発生に際してターゲットカソードにストライカが溶着してアーク放電を発生できない虞がある、アーク放電の発生を繰り返すことでストライカが摩耗するため、定期的なストライカの交換が必要となる、などの問題がある。

これに対して、ストライカを用いずにアーク放電を発生させるアーク蒸着式成膜装置として、特許文献1に記載の装置が提案されている。同文献の成膜装置は、ターゲットカソードに電圧印加する電源として、火花放電の発生に必要な高電圧を印加する高電圧発生装置と、アーク放電の維持できるだけの低電圧を印加する直流電源と、を備えている。そして、高電圧発生装置、及び直流電源の双方をターゲットカソードに接続して高電圧を印加することで、ターゲットカソードに火花放電を発生させる。そして、火花放電がアーク放電に遷移するまで高電圧の印加を継続することで、アーク放電を発生させている。なお、同文献の成膜装置では、アーク放電への遷移前は、真空チャンバ内に設置されたシールド板とターゲットカソードの間に放電を発生させ、アーク放電への遷移後はシールド板を絶縁して、ターゲットカソードと真空チャンバとの間に放電を発生させている。

概要

アーク放電の発生に要する電力消費を抑制できるアーク蒸着式成膜装置を提供する。真空チャンバ10内に設置されたターゲットカソード11に電圧を印加する電源として、電源電圧は高いが電流容量は小さい高圧電源14と、電源電圧は低いが電流容量は大きい低圧電源15と、の2つの電源を備え、アーク放電の発生に際してターゲットカソード11に電圧を印加する電源を、グロー放電の発生が確認された時点で高圧電源14から低圧電源15に切り替えるようにした。

目的

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、アーク放電の発生に要する電力消費を抑制できるアーク蒸着式成膜装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

成膜対象となる基材が内部に設置される真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設置されたターゲットカソードと、前記ターゲットカソードに電圧印加する電源である高圧電源と、前記ターゲットカソードに電圧を印加するもう一つの電源であって、前記高圧電源よりも電源電圧が低く、且つ前記高圧電源よりも電流容量が大きい低圧電源と、前記ターゲットカソードにアーク放電を発生させる際の同ターゲットカソードに電圧を印加する電源を、グロー放電の発生が確認されるまでの期間は前記高圧電源とし、同グロー放電の発生が確認されて以降の期間は前記低圧電源とする給電制御部と、を備えるアーク蒸着式成膜装置

技術分野

0001

本発明は、真空チャンバ内に設置されたターゲットカソードアーク放電を発生させて基材への成膜を行うアーク蒸着式成膜装置に関する。

背景技術

0002

一般に、上記のようなアーク蒸着式成膜装置では、放電発生用の電極ストライカ)をターゲットカソードに接触させた状態で、それらの間に電流を流した上で、ストライカを徐々にターゲットカソードから引き離すことで、アーク放電を発生させている。こうした場合、真空チャンバ内でストライカを駆動する機構が必要となって、成膜装置の構成が複雑となる。また、アーク放電の発生に際してターゲットカソードにストライカが溶着してアーク放電を発生できない虞がある、アーク放電の発生を繰り返すことでストライカが摩耗するため、定期的なストライカの交換が必要となる、などの問題がある。

0003

これに対して、ストライカを用いずにアーク放電を発生させるアーク蒸着式成膜装置として、特許文献1に記載の装置が提案されている。同文献の成膜装置は、ターゲットカソードに電圧印加する電源として、火花放電の発生に必要な高電圧を印加する高電圧発生装置と、アーク放電の維持できるだけの低電圧を印加する直流電源と、を備えている。そして、高電圧発生装置、及び直流電源の双方をターゲットカソードに接続して高電圧を印加することで、ターゲットカソードに火花放電を発生させる。そして、火花放電がアーク放電に遷移するまで高電圧の印加を継続することで、アーク放電を発生させている。なお、同文献の成膜装置では、アーク放電への遷移前は、真空チャンバ内に設置されたシールド板とターゲットカソードの間に放電を発生させ、アーク放電への遷移後はシールド板を絶縁して、ターゲットカソードと真空チャンバとの間に放電を発生させている。

先行技術

0004

特開2004−300552号公報

発明が解決しようとする課題

0005

火花放電の発生には、絶縁破壊のための非常に高い電圧が必要となる。一方、ターゲットカソードへの電圧印加の開始から火花放電が発生し、更に放電がアーク放電に遷移するまでにはある程度の時間がかかる。上記文献の成膜装置では、アーク放電が発生するまで、絶縁破壊に必要な高電圧の印加が継続されるため、アーク放電の発生までの電力消費が多いという問題があった。

0006

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、アーク放電の発生に要する電力消費を抑制できるアーク蒸着式成膜装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

上記課題を解決するアーク蒸着式成膜装置は、成膜対象となる基材が内部に設置される真空チャンバと、真空チャンバ内に設置されたターゲットカソードと、ターゲットカソードに電圧を印加する高圧電源と、ターゲットカソードに電圧を印加するもう一つの電源であって、高圧電源よりも電源電圧が低く、且つ高圧電源よりも電流容量が大きい低圧電源と、ターゲットカソードにアーク放電を発生させる際の同ターゲットカソードに電圧を印加する電源を、グロー放電の発生が確認されるまでの期間は高圧電源とし、同グロー放電の発生が確認されて以降の期間は低圧電源とする給電制御部と、を備えている。

0008

上記のように構成されたアーク蒸着式成膜装置では、ターゲットカソードにアーク放電を発生させた状態で基材への成膜を行う。ターゲットカソードの放電は、火花放電により開始され、その後、グロー放電、アーク放電へと順に遷移する。不連続な放電である火花放電の発生には、絶縁破壊のための高い電圧が必要となるが、連続的な放電であるグロー放電やアーク放電の維持には、火花放電の発生時ほどの高い電圧は必要ない。なお、ターゲットカソードの放電電流は、火花放電からグロー放電、そのグロー放電からアーク放電に放電が遷移する都度増大するようになる。

0009

これに対して、上記アーク蒸着式成膜装置では、アーク放電を発生させる際のターゲットカソードの電圧印加を行う電源が、グロー放電の発生が確認された時点で高圧電源から低圧電源に切り替えられる。そのため、上記アーク蒸着式成膜装置では、ターゲットカソードへの電圧印加の開始からアーク放電が発生するまでの期間のうち、グロー放電の発生が確認されるまでの期間に限り、高電圧の印加が行われることになる。したがって、上記アーク蒸着式成膜装置によれば、アーク放電の発生に要する電力消費を抑制できる。

0010

なお、こうした場合の高圧電源には、絶縁破壊による放電の開始に必要な高い電源電圧が必要であるが、低圧電源の電源電圧は、グロー放電やアーク放電を維持できるだけの電圧であればよい。また、アーク放電に遷移すると放電電流が増大するため、こうした場合の低圧電源には、アーク放電を維持できるだけの大きい電流容量が必要であるが、高圧電源に必要な電流容量はそれよりも小さいものとなる。

図面の簡単な説明

0011

アーク蒸着式成膜装置の一実施形態の構成を模式的に示す略図。
同実施形態のアーク蒸着式成膜装置に設けられた給電制御部が実行するアーク放電発生制御のフローチャート
同実施形態のアーク蒸着式成膜装置におけるアーク放電発生制御の実施態様を示すタイムチャート

実施例

0012

以下、アーク蒸着式成膜装置の一実施形態を、図1図3を参照して詳細に説明する。
図1に示すように、本実施形態のアーク蒸着式成膜装置は、真空引きにより内部を減圧可能な密閉容器である真空チャンバ10を備える。真空チャンバ10の内部には、成膜対象となる基材12を支持する支持台13が設けられている。また、真空チャンバ10の内部には、膜の原料物質により形成され、且つアーク放電のカソード(負極)となるターゲットカソード11が設置されている。本実施形態のターゲットカソード11は、円筒形とされており、支持台13に基材12が支持された状態において、同基材12を囲むかたちとなるように真空チャンバ10の内部に設置されている。

0013

なお、本実施形態では、真空チャンバ10は、導電性の材料により形成され、且つ接地されていて、アーク放電のアノード(正極)となるよう構成されている。なお、真空チャンバ10をアノードとして利用しない場合には、真空チャンバ10とは別にアノードを用意して、真空チャンバ10の内部に設置するようにすればよい。

0014

ターゲットカソード11は、真空チャンバ10の外部に設置された高圧電源14、低圧電源15の2つの電源の負極端子(−)にそれぞれ接続されている。また、高圧電源14及び低圧電源15の正極端子(+)はそれぞれ接地されている。高圧電源14及び低圧電源15の負極端子とターゲットカソード11との間には、ターゲットカソード11の印加電圧を安定化するためのチョークコイル16が設けられている。さらに、高圧電源14及び低圧電源15とターゲットカソード11との間には、電流の逆流を防止するためのダイオード17,18がそれぞれ設けられている。

0015

なお、高圧電源14の電源電圧は、ターゲットカソード11、真空チャンバ10間の放電開始に必要な高電圧とされている。これに対して、低圧電源15の電源電圧は、ターゲットカソード11、真空チャンバ10間のグロー放電、及びアーク放電の維持に必要な電圧とされており、その値は、高圧電源14の電源電圧に比べて低い電圧となっている。また、低圧電源15の電流容量は、アーク放電の維持に必要な電流を流せるだけの大きい値とされている。これに対して高圧電源14の電流容量は、低圧電源15よりも小さい値とされている。

0016

高圧電源14及び低圧電源15の稼働オン)/停止(オフ)は、給電制御部19により制御されている。給電制御部19には、高圧電源14及び低圧電源15とターゲットカソード11との間を流れる電流を、ひいてはターゲットカソード11、真空チャンバ10間の放電電流を検知する電流検知器20が接続されている。

0017

以上のような本実施形態のアーク蒸着式成膜装置では、ターゲットカソード11、真空チャンバ10間にアーク放電を発生させ、そのアーク放電によりターゲットカソード11を構成する原料物質を蒸発させることで、基材12の表面の膜形成を行う。本実施形態のアーク蒸着式成膜装置において給電制御部19は、成膜の開始にあたり、アーク放電を発生させるためのアーク放電発生制御を実施する。以下、こうしたアーク放電発生制御の詳細を説明する。

0018

図2に、アーク放電発生制御にかかる給電制御部19の処理手順を示す。同図に示すように、給電制御部19は、本制御を開始すると、まずステップS100において、高圧電源14及び低圧電源15の双方の稼働(オン)を開始する。

0019

その後、給電制御部19は、グロー放電の発生が確認されるまで(S110:YES)、高圧電源14及び低圧電源15の稼働を継続する。そして、グロー放電の発生が確認されると給電制御部19は、ステップS120において、低圧電源15の稼働を継続(オン)したまま、高圧電源14の稼働を停止(オフ)する。なお、給電制御部19は、電流検知器20により検知された放電電流の値が、既定判定値α以上となることをもって、グロー放電の発生を確認している。

0020

その後、給電制御部19は、アーク放電の発生が確認された時点で(S130:YES)、本制御を終了する。そして、その後、発生したアーク放電による基材12の成膜が開始される。なお、給電制御部19は、電流検知器20により検知された放電電流の値が、既定の判定値β(>α)以上となることをもって、アーク放電の発生を確認している。

0021

(本実施形態の作用)
図3に、上記アーク放電発生制御の実施態様の一例を示す。時刻t0に、アーク放電発生制御が開始されると、高圧電源14及び低圧電源15の双方が稼働(オン)される。このときのターゲットカソード11には、より電源電圧の高い高圧電源14により電圧印加が行われる。

0022

高圧電源14によって高電圧が印加されると、ターゲットカソード11、真空チャンバ10間に絶縁破壊が生じて、断続的な放電である火花放電が発生する。やがて、ターゲットカソード11、真空チャンバ10間の放電は、連続的な放電であるグロー放電に遷移する。このときのグロー放電への遷移に際しては、ターゲットカソード11、真空チャンバ10間の放電電流が急激に増大する。

0023

同図の時刻t1に放電電流が既定値α以上となると、給電制御部19は、グロー放電が発生したと判定し、低圧電源15の稼働を継続(オン)したまま、高圧電源14の稼働を停止(オフ)する。これにより、ターゲットカソード11への電圧印加は低圧電源15により行われるようになる。こうして電圧を印加する電源が高圧電源14から低圧電源15に切り替わると、ターゲットカソード11の印加電圧は低下するが、低圧電源15により、グロー放電を継続できるだけの電圧の印加は続けられる。

0024

グロー放電が続くとやがて、ターゲットカソード11、真空チャンバ10間の放電はアーク放電に遷移する。このときのアーク放電への遷移に際しては、ターゲットカソード11、真空チャンバ10間の放電電流が再び急激に増大する。

0025

同図の時刻t2に放電電流が既定値β以上となると、給電制御部19は、アーク放電が発生したと判定して、アーク放電発生制御を終了する。なお、成膜のためのアーク放電を続けるため、低圧電源15の稼働はその後も継続される。

0026

(本実施形態の効果)
以上説明した本実施形態のアーク蒸着式成膜装置によれば、以下の効果を奏することができる。

0027

(1)本実施形態では、ターゲットカソード11への高電圧の印加により放電(火花放電)を開始するとともに、その放電を、グロー放電を経てアーク放電に遷移させることで、アーク放電を発生させている。こうした本実施形態では、ストライカを用いずにアーク放電を発生することができるため、ストライカの駆動のための機構が不要な分、成膜装置の構成を簡単にできる。また、ストライカの溶着や摩耗が生じないため、メンテナンスも容易となる。

0028

(2)本実施形態では、アーク放電を発生させる際のターゲットカソード11への電圧印加を、グロー放電の発生が確認されるまでは高圧電源14により行い、グロー放電の発生が確認された後は低圧電源15により行うようにしている。すなわち、ターゲットカソード11に電圧を印加する電源を、グロー放電の発生が確認された時点で、高圧電源14から低圧電源15に切り替えている。そのため、ターゲットカソード11への電圧印加の開始からアーク放電が発生するまでの期間のうち、高電圧の印加が行われる期間は、電圧印加の開始からグロー放電の発生が確認されるまでの期間に限られる。したがって、上記アーク蒸着式成膜装置によれば、アーク放電の発生に要する電力消費を抑制できる。

0029

(3)ターゲットカソード11に電圧を印加する電源を高圧電源14から低圧電源15に切り替える際に、僅かな時間であっても電圧の印加が途絶えると、放電が途切れて、アーク放電発生制御を始めからやり直さなければならなくなる。ダイオード17、18が設けられていない場合、高圧電源14及び低圧電源15を同時に稼働すると、高圧電源14から低圧電源15に電流が流入してしまう。そのため、この場合の高圧電源14から低圧電源15へのターゲットカソード11に電圧を印加する電源の切り替えは、高圧電源14のみを稼働した状態から低圧電源15のみを稼働した状態とすることで行うことになる。こうした場合、切り替えに際してターゲットカソード11への電圧印加を途絶えさせないため、高圧電源14の稼働停止のタイミングと低圧電源15の稼働開始のタイミングを合わせる精密な制御が必要となる。これに対して、本実施形態では、高圧電源14及び低圧電源15をそれぞれ、ダイオード17、18を介してターゲットカソード11に接続している。そして、これらのダイオード17、18により、高圧電源14から低圧電源15への電流の流入が防止されるため、高圧電源14及び低圧電源15の同時稼働が可能とされている。そのため、高圧電源14及び低圧電源15の双方を稼働(オン)した状態から低圧電源15を稼働したまま、高圧電源14の稼働を停止(オフ)することで、ターゲットカソード11に電圧を印加する電源を高圧電源14から低圧電源15に切り替えている。そのため、高圧電源14及び低圧電源15の稼働、停止の切り替えタイミング細密に制御せずとも、電圧の印加を途絶えさせずに電源を切り替えることができ、電源の切り替えに際して放電が途切れないようにすることができる。

0030

(4)特許文献1に記載の成膜装置は、シールド板をアノード電極として火花放電を開始し、アーク放電への遷移後は真空チャンバをアノード電極として放電を行うように構成されていた。すなわち、成膜中のアーク放電用のアノード電極となる真空チャンバとは別に、アーク放電を発生するための点火用のアノード電極を備える構成となっている。これに対して本実施形態では、火花放電の開始時から真空チャンバ10をアノード電極として放電を行うようにしているため、点火用のアノード電極が不要な分、成膜装置の構成を簡易化できる。

0031

なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、円筒形のターゲットカソード11を採用していたが、平板形等の他の形状のものを採用してもよい。なお、こうした場合にも、火花放電の開始時から真空チャンバ10をアノード電極として放電を行うようにすれば、成膜中のアーク放電用とは別の点火用のアノード電極が不要となり、成膜装置を簡易化できる。

0032

・上記実施形態の成膜装置の電気回路の構成は、ターゲットカソード11の電圧印加を維持したまま、ターゲットカソード11に電圧を印加する電源を高圧電源14から低圧電源15へと切り替えられるものであれば、適宜変更してもよい。

0033

・上記実施形態では、放電電流の検出値に基づき、グロー放電の発生を確認していたが、それ以外の方法でその確認を行うようにしてもよい。
・上記実施形態では、アーク放電が発生して以降も、低圧電源15により電圧印加を継続してアーク放電を維持するようにしていた。これに対して、アーク放電維持用の電源を更に追加するとともに、アーク放電の発生を確認した時点で低圧電源15の稼働を停止(オフ)してその追加した電源によりターゲットカソード11に電圧を印加することで、成膜中にアーク放電を維持するようにしてもよい。

0034

10…真空チャンバ、11…ターゲットカソード、12…基材、13…支持台、14…高圧電源、15…低圧電源、16…チョークコイル、17,18…ダイオード、19…給電制御部、20…電流検知器。

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