JP2006111930A

JP2006111930A - 成膜装置

Info

Publication number: JP2006111930A
Application number: JP2004300897A
Authority: JP
Inventors: Masato Takahashi; 正人高橋; Akinobu Shibata; 明宣柴田; Takashi Mikami; 隆司三上
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】比較的面積の大きい膜形成対象面を有する被成膜物品の該膜形成対象面の全体にわたって、或いは、広い範囲にわたって分散配置される複数の被成膜物品のそれぞれの膜形成対象面に、というように広い範囲にわたって、均一にして小さい表面粗度の膜を膜厚均一性良好に形成できるアーク式ＰＶＤによる成膜装置を提供する。
【解決手段】ドロップレットの被成膜物品Ｗへの進行を抑制する一方、イオン化カソード材料の少なくとも一部の物品Ｗへの進行を許すドロップレットの遮蔽部材５１、５２がカソード３１と物品Ｗとの間に位置するように、且つ、膜形成対象面全体にわたりドロップレットの進行を抑制するとともに膜形成対象面全体にわたりイオン化カソード材料が均一状に向かうようにドロップレット進行方向に沿って複数段に順次間隔をおいて設けられているアーク式ＰＶＤによる成膜装置Ａ。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車部品、各種機械の部品、各種工具、さらには、自動車部品、機械部品等の成形に用いる金型等の成形用型などの物品に膜形成する成膜装置、特に、アーク式ＰＶＤによる成膜装置に関する。

物品の表面に膜を形成することにより、該物品の耐摩耗性、他物品等との摺動性、化学的安定性、光学特性等の性質を改善し、物品に求められる性能をより優れたものにすることが、自動車部品、各種機械の部品（例えば摺動部品）、各種工具や、各種成形用型、さらには医療用物品や部材等について広く行われている。

かかる膜形成手法の一つとして、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させ、該イオン化したカソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成するアーク式イオンプレーティング法、真空アーク蒸着法などと称されているアーク式ＰＶＤ法（アーク式物理式気相成長法）が知られている。

かかるアーク式ＰＶＤによる膜形成は、膜の被成膜物品への密着性が良好である、膜形成速度が高く、膜生産性が高いといった利点があり、工具等の表面処理において広く用いられている。

かかるアーク式ＰＶＤによる成膜装置の１例を図９に示す。この成膜装置は、成膜チャンバ１、チャンバ１内に設置された被成膜物品Ｗ’を支持するホルダ２’、チャンバ１に付設された蒸発源３及びチャンバ１内を排気減圧する排気装置４等を含んでいる。

チャンバ１には、必要に応じて所定のガスをチャンバ内へ導入するためのガス導入ポート１１も設けられている。
ホルダ２’には、成膜時に、該ホルダに支持される被成膜物品Ｗ’にバイアス電源ＰＷからバイアス電圧、すなわち、膜形成のためのイオンを引き寄せるためのバイアス電圧を印加できるようにしてある。

蒸発源３は、カソード３１、トリガー電極３２、アーク放電用電源３３、シールドプレート３４、磁場形成部３５等を備えている。
カソード３１は形成しようとする膜に応じて選択した材料で形成される。カソード３１の端面（蒸発面）３１１はホルダ２に向けられている。このカソードに対するアノードはこの例では接地された成膜チャンバ１がこれを兼ねている。なお、アノードは別途設けてもよい。

トリガー電極３２はカソード３１の端面（蒸発面）３１１に臨んでおり、図示を省略した往復駆動装置によりカソード蒸発面に対し接触離反可能である。
アーク放電用電源３３はカソード３１とアノードとの間にアーク放電用電圧を印加できるように、また、カソード３１とアノード間のアーク放電を誘発するためにカソード３１とトリガー電極３２との間にトリガー用電圧を印加できるように、カソード３１等に配線接続されている。

アーク放電用電源３３とカソード３１との間には、アーク放電を安定化するための直流リアクトル３６を接続してあり、トリガー電極３２はアーク電流が流れないように抵抗３７を介して接地されている。

シールドプレート３４は本例では磁性材料からなり、カソード蒸発面３１に近い位置でカソード３１の側周面に対し間隔をあけて臨設されており、トリガー電極３２と同電位となるように該電極に電気的に接続されている。
磁場形成部３５は本例では永久磁石からなっており、カソード３１の背後に設置されている。

蒸発源３には、また、必要に応じて所定のガスを導入するためのガス導入ポート３８が設けられている。
排気装置４は、成膜チャンバ１内及びこれに連通しているカソード３１周囲の領域を所定の成膜圧に減圧維持することができる。

以上説明した図９に示す成膜装置によると次のように被成膜物品Ｗ’に膜形成できる。例えば、カソード３１に高純度アルミニウムからなるカソードを用いて基板タイプの物品Ｗ’上にアルミナ膜を形成する場合について説明すると、まず、ホルダ２’上に被成膜基板Ｗ’を支持させ、次いで排気装置４を運転して成膜チャンバ内及びこれに連通しているカソード３１周囲の領域から排気し、それらを成膜圧力に減圧維持する。

また、ホルダ２’上の基板Ｗ’には、膜形成用イオンを引き寄せるためのバイアス電圧を電源ＰＷから印加する。さらに、チャンバ１内にガス導入ポート１１から酸素含有ガス（ここでは酸素ガス）を導入するとともに蒸発源３におけるガス導入ポート３８からアルミニウムカソード３１の酸化を防止するために、アルゴンガス等の不活性ガスをカソード３１の周囲領域に導入する。

かかる状態で、蒸発源３におけるトリガー電極３２をカソード３１の蒸発面３１１に接触させると、放電用電源３３よって、直流リアクトル３６、カソード３１、トリガー電極３２、抵抗３７を含む閉ループに電流が流れる。ひき続きトリガー電極３２をカソード３１の蒸発面３１１から離すとアーク放電が誘発され、これをトリガーにしてカソード３１とアノード（ここではチャンバー１）の間でアーク放電が開始され、カソード３１が溶融蒸発するとともにカソード前方にイオン化されたカソード材料を含むプラズマが形成される。

トリガー電極３２は、アーク放電誘発後はカソード３１から遠ざけるが、抵抗３７が入っているので、トリガー電極３２を含む、アーク放電（予備アーク放電）を誘発した閉ループにはほとんど電流は流れなくなる。アーク放電は、放電用電源３３によってカソード３１、チャンバー１、直流リアクトル３６を含む閉ループで持続する。直流リアクトル３６は放電を安定化させる。

磁場形成部３５は磁性体で形成されたシールドプレート３４によってカソード３１の蒸発面３１１に沿って磁場を形成し、カソード３１の蒸発面３１１で発生するアークスポットを該面全体にわたり均等状に移動させる。これによりカソード３１の損耗が均等化されるとともにカソード材料の蒸発が効率化される。また、該磁場は、アーク放電によって生成したプラズマを効率的に閉じ込め、プラズマ密度を高める役割も果たす。シールドプレート３４は通常は図示のとおりトリガー電極３２と同じ電位にするので、該プレートには殆ど電流は流れず、またカソード３１の側面にアークスポットが移動するのを抑制する役割も果たす。

アークスポットからは陰極材料であるアルミニウムが溶融蒸発し、既述のとおりイオン化されたカソード材料、すなわち、この例ではアルミニウムイオンを含むプラズマが生成し、該アルニミウムイオンが、電源ＰＷからバイアスを印加された被成膜基板Ｗ’へ向け加速され、さらに、チャンバ１内へ導入された酸素ガスと反応して酸化アルミニウム（アルミナ）となり、基板Ｗ’上に堆積してアルミナ膜を形成する。

ところが、カソード３１上のアークスポットからは原子、分子など以外にもドロップレットと言われる直径０．１μｍ〜数１００μｍ程度の巨大粒子が大量に発生する。このようなドロップレットは、そのまま放置しておくと、形成される膜に付着したり、膜中に混入したりし、膜の表面粗度を悪化させたり、或いは膜硬度を極端に低下させる等の問題を引き起こす。膜の表面粗度の悪化は摺動特性や耐摩耗性などの膜性能の低下をもたらす。

本発明者の実験によると、図９の成膜装置において、酸素導入量：５０sccm、アルゴンガス導入量：３５sccm、チャンバ内ガス圧：７mTorr(約0.93Pa) 、放電電流：１００Ａ、電源ＰＷによるバイアス電圧：−３０Ｖの成膜条件で膜厚１μｍのアルミナ膜を形成すると、アルミナ膜の表面粗度Ｒａは０．５μｍと極めて悪くなった。

なお、アーク式ＰＶＤによる膜形成においては、カソードの材質はアルミニウムに限定されるものではなく、チタン、クロム、グラファイト等々を用いることがあり、アルミニゥム以外のカソードを採用する場合でも、ドロップレットが発生し、同様の問題を引き起こす。

かかる問題解決のために、例えば、米国特許Ｎｏ．４，５１１，５９３、特許第３０２６４２５号公報（特開平１０−２５５６５号公報）、特開２００２−９７５６９号公報は、蒸発源と被成膜物品との間に遮蔽板を挿入することによって、形成される膜中へのドッロプレット混入を防止することを開示している。

これを図１０を参照してもう少し詳しく説明する。
図１０はアーク式ＰＶＤによる成膜装置を示しているが、この装置は基本的には図９の成膜装置と同構成である。図９に示す装置における部品、部分等と同じ部品、部分等には図９と同じ参照符号を付してある。

図１０に示す成膜装置でも、カソード３１から蒸発した原子、分子、クラスター、ドロップレットなどにプラズマ中の電子が衝突することによってアルミニウムイオンが生成するが、実際にイオンとなるのは原子、分子などで、巨大ドロップレットはほとんどイオンにならない。しかしドロップレットは略直進運動のみを行うために、図１０の装置では、蒸発源３と被成膜基板Ｗ’の間に配置された遮蔽板５’によって基板Ｗ’方向へのドロップレット飛翔が阻止され、基板Ｗ’には到達しない。

一方、原子、分子などはイオン化され、イオン化された粒子の運動は直進運動のみならず、電界や磁界からの力を受けて、円運動や螺旋運動などの非直線運動を行う。そのため、イオンの一部は遮蔽板５’で進行を阻止されるが、残りのイオンは遮蔽板５’を迂回して基板Ｗ’へ進行し、酸素ガスと反応して基板Ｗ’表面にアルミナ膜を形成する。このアルミナ膜はドロップレット混入が抑制されており、表面粗度がよく、高硬度である。

本発明者の実験によると、例えば図１０の成膜装置において、基板Ｗ’の膜形成対象面積：２８．３ｃｍ²、遮蔽板５’の面積：３８．５ｃｍ²、遮蔽板５’の位置についてはカソード蒸発面３１１の中心と基板Ｗ’の中心を結ぶ線に中心を一致させて両者の略中間位置とし、さらに、酸素導入量：５０sccm、アルゴンガス導入量：３５sccm、チャンバ内ガス圧：７mTorr(約0.93Pa) 、放電電流：１００Ａ、電源ＰＷによるバイアス電圧：−３０Ｖの成膜条件で膜厚１μｍのアルミナ膜を形成すると、アルミナ膜の表面粗度Ｒａは０．０１μｍとなり、図９の成膜装置による膜形成の場合と比べると、アルミナ膜の表面粗度は改善された。

米国特許Ｎｏ．４，５１１，５９３特許第３０２６４２５号公報特開平１０−２５５６５号公報特開２００２−９７５６９号公報

しかしながら、図１０の装置のように遮蔽板５’を採用する場合でも、図１１に示すように、ホルダ５に支持される、膜形成対象面積の大きい被成膜物品（図示例では基板Ｗ）に膜形成したり、或いは個々の被成膜物品の膜形成対象面積が小さい複数個の被成膜物品をホルダの広い範囲にわたって分散保持させてそれらに膜形成するような場合には、図２に「●」ドットを結ぶラインで示すように、遮蔽板５’のほぼ投影面内についてはドロップレットの付着、混入が抑制された、表面粗度、膜硬度の点で良好なアルミナ膜が形成されるものの、遮蔽板５’のほぼ投影面外においては、多くのドロップレットが混入した、表面粗度が悪くて硬度の低いアルミナ膜が形成される。

また、図３に「●」ドットを結ぶラインで示すように、遮蔽板５’のほぼ投影面内における成膜速度に比べて、遮蔽板５’のほぼ投影面外における成膜速度が著しく高くなり、基板Ｗ全体における膜厚均一性が著しく悪化する。

そこで図１２に示すように、大面積の被成膜基板Ｗに対応させて大きい遮蔽板５”を採用すると、図２に「■」ドットを結ぶラインで示すように、これらの問題は解決する。しかし、図３に「■」ドットを結ぶラインで示すように、基板中央部での成膜速度が基板周縁部の成膜速度に比べて低下し、基板Ｗ全体における膜厚均一性が悪化する。

かかる問題は、カソードの材質がアルミニウムの場合に限らず、チタン、クロム、グラファイト等々である場合でも同様に発生する。

そこで本発明は、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させ、該イオン化したカソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成するアーク式ＰＶＤによる成膜装置であって、比較的面積の大きい膜形成対象面を有する被成膜物品の該膜形成対象面に全体的に、或いは、広い範囲にわたって分散配置される複数の被成膜物品のそれぞれの膜形成対象面に、というように広い範囲にわたって、均一にして小さい表面粗度の膜を膜厚均一性良好に形成できる成膜装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため本発明は、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させ、該イオン化したカソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成するアークＰＶＤによる成膜装置であり、前記カソードから生じるドロップレットの被成膜物品への進行を抑制する一方、イオン化カソード材料の少なくとも一部の被成膜物品への進行を許すドロップレットの遮蔽部材が前記カソードと被成膜物品との間に位置するように設けられており、該遮蔽部材は、被成膜物品の膜形成対象面全体にわたり前記ドロップレットの進行を抑制するとともに該膜形成対象面全体にわたりイオン化カソード材料が向かうようにドロップレット進行方向に沿って複数段に順次間隔をおいて設けられている成膜装置を提供する。

本発明に係る成膜装置によると、カソードから生じるドロップレットの被成膜物品への進行を抑制する一方、イオン化カソード材料の少なくとも一部の被成膜物品への進行を許すドロップレットの遮蔽部材が該カソードと被成膜物品との間に位置するように設けられている。さらに該ドロップレット遮蔽部材は、被成膜物品の膜形成対象面（ホルダに支持される物品が１個のときはその膜形成対象面、ホルダに支持される物品が複数個のときはそれらの膜形成対象面）の全体にわたりドロップレットの進行を抑制するとともに該膜形成対象面全体にわたりイオン化カソード材料が向かうようにドロップレット進行方向に沿って複数段に設けられている。

従って、かかる複数段のドロップレット遮蔽部材により、カソードから生じるドロップレットの被成膜物品への進行を十分抑制でき、形成される膜へのドロップレットの付着、混入を十分抑制できる。それだけ膜表面粗度の小さい膜を形成できる。しかも、被成膜物品の膜形成対象面全体にわたり膜表面粗度が均一で小さく、膜厚均一性の点でも良好な膜を形成することができる。

本発明に係る成膜装置においては、ドロップレットの遮蔽部材は複数段に順次間隔をあけて配置すればよいが、代表例として、簡素化のために２段に設ける場合を挙げることができる。遮蔽部材を２段に設ける場合、カソード側の遮蔽部材は孔無し遮蔽部材とし、被成膜物品支持ホルダ側（被成膜物品側）の遮蔽部材はリング形遮蔽部材とする場合を例示できる。

このように孔無し遮蔽部材とリング形遮蔽部材とを採用する場合、例えば、孔無し遮蔽部材については、カソード側から見ると、リング形遮蔽部材の孔を実質上隠す一方、リング形遮蔽部材の周縁部については見え、リング形遮蔽部材については、カソード側から見ると、孔無し遮蔽部材と共に被成膜物品の膜形成対象面（ホルダに支持される物品が１個のときはその膜形成対象面、ホルダに支持される物品が複数個のときはそれらの膜形成対象面）を実質上隠すように、それぞれの遮蔽部材が形成され（形状、大きさ等を調整して形成され）、その位置が定められている場合を例示できる。なお、ここで「実質上隠す」とは、完全に隠す場合のほか、完全には隠さないがドロップレット進行を阻止できるように殆ど隠していると言える場合も含む。

また、本発明に係る成膜装置は蒸発源を一つ有するものでもよく、複数有するものでもよい。従って、カソードの数としては、一つだけでもよく、複数でもよい。いずれにしても、ドロップレットの遮蔽部材は、個々のカソードについてみれば、複数段に順次間隔をあけて配設されていればよい。

例えばカソードが複数個ある場合、複数のカソードに対し、複数段の遮蔽部材からなる一組の遮蔽部材群が該複数のカソードに対し共通に設けられていてもよいし、個々のカソードに対し複数段の遮蔽部材からなる一組の遮蔽部材群が別々に設けられていてもよい。後者の場合、カソードの数が２個とすると、カソードのそれぞれに対し、該カソード用の一組の遮蔽部材群を設けることになり、合計では、複数段の遮蔽部材からなる二組の遮蔽部材群が設けられることになる。

また、カソードの数が一つであれ、二つ以上であれ、少なくとも一つのカソードについは、複数段の遮蔽部材からなる複数組の遮蔽部材群が設けられてもよい。例えば、カソードが１個の場合、該１個のカソードに対し、複数段の遮蔽部材からなる二組の遮蔽部材群が設けられてもよい。この場合、かかる複数組の遮蔽部材群は、例えば、ドロップレットの進行方向を横切る方向（例えばカソードとホルダ（被成膜物品）とを結ぶ方向に実質上垂直な方向）に並べるとよい。

いずれにしても、ドロップレット進行方向に沿って複数段に配置される遮蔽部材のうち少なくとも１段或いは全段の遮蔽部材に、電源部から、膜形成に供すべきイオン化カソード材料（イオン）の通過を促進するためのバイアス電圧を印加できるようにしてもよい。

また、いずれにしても、前記イオン化カソード材料の前記遮蔽部材の通過を促進する磁場を形成するための磁場形成部を設けてもよい。例えば、ドロップレット進行方向に沿って複数段に配置される遮蔽部材のうち少なくとも１段の遮蔽部材（例えば最もホルダ（被成膜物品）に近い位置にある遮蔽部材）に磁場形成部を併設してもよい。

以上説明したように本発明によると、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させ、該イオン化したカソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成するアーク式ＰＶＤによる成膜装置であって、比較的面積の大きい膜形成対象面を有する被成膜物品の該膜形成対象面に全体的に、或いは、広い範囲にわたって分散配置される複数の被成膜物品のそれぞれの膜形成対象面に、というように広い範囲にわたって、均一にして小さい表面粗度の膜を膜厚均一性良好に形成できる成膜装置を提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る成膜装置の１例の構成の概略を示している。図１に示す成膜装置Ａは、図９に示す従来例の成膜装置において、被成膜物品のホルダ２’を図１１や図１２の成膜装置のように膜形成対象面の面積が大きい被成膜物品Ｗを保持できるホルダ２とし、カソード３１とホルダ２との間にドロップレットの遮蔽部材５１、５２を２段一組に設けたものである。

成膜装置Ａにおいても、基本的には図９に示す成膜装置と同様に被成膜物品（図示例では基板）Ｗに膜形成できる。
例えば、カソード３１として高純度アルミニウムからなるカソードを採用し、被成膜基板Ｗに電源ＰＷからバイアス電圧を印加し、チャンバ１内及びカソード３１周囲領域を排気装置４により所定の成膜圧力に減圧維持しつつ、ガス導入ポート１１から酸素含有ガス（ここでは酸素ガス）をチャンバ１内に導入するとともに蒸発源３におけるガス導入ポート３８からアルゴンガス等の不活性ガスをカソード３１の周囲領域に導入する。

かかる状態で、蒸発源３においてアーク放電を発生させ、カソード３１を溶融蒸発させるとともにカソード前方にイオン化されたカソード材料を含むプラズマ、すなわち、この例ではアルミニウムイオンを含むプラズマを生成させる。該アルニミウムイオンは、バイアス印加された被成膜基板Ｗへ向け加速され、酸素ガスと反応して酸化アルミニウム（アルミナ）となり、基板Ｗ上に堆積してアルミナ膜を形成する。

成膜装置Ａにおいても、カソード３１から蒸発した原子、分子、クラスター、ドロップレットなどにプラズマ中の電子が衝突することによってアルミニウムイオンが生成するが、実際にイオンとなるのは原子、分子などで、巨大ドロップレットはほとんどイオンにならない。しかしドロップレットは略直進運動のみを行うために、成膜装置Ａでは、蒸発源３と被成膜基板Ｗの間に配置された２段式遮蔽部材５１、５２によって基板Ｗ方向へのドロップレット飛翔が阻止される。

一方、原子、分子などはイオン化され、イオン化された粒子の運動は直進運動のみならず、電界や磁界からの力を受けて、円運動や螺旋運動などの非直線運動を行う。そのため、イオンの一部は遮蔽部材５１、５２で進行を阻止されるが、残りのイオンは遮蔽部材５１、５２を通過して基板Ｗへ進行し、酸素ガスと反応して基板Ｗ表面にアルミナ膜を形成する。このアルミナ膜はドロップレット混入が抑制されており、表面粗度が均一化されているとともに小さく、高硬度である。また、膜厚均一性も良好である。

２段式遮蔽部材５１、５２についてさらに説明すると、カソード側の前段遮蔽部材５１は比較的直径の小さな円板形状の板体部材であり、ホルダ２（基板Ｗ）側の後段遮蔽部材５２は、比較的外径の大きい円形リング形状の板体部材である。ここでは後段遮蔽部材５２の孔５２１の内径は前段遮蔽部材５１の外径にほぼ等しいが、必ずしもそれに限定されない。
本例では、遮蔽部材５１、５２はいずれも導電性材料（ステンレススチール、モリブデン等）から形成されており、接地されている。

遮蔽部材５１、５２のそれぞれの外径、遮蔽部材５２の内径及び両者間の間隔、カソード３１と基板Ｗとの間における遮蔽部材５１、５２の位置等は、カソード３１の蒸発面３１１のいずれの部位から生じたドロップレットも、それが被成膜基板Ｗの方へ向け直進するとき、遮蔽部材５１、５２の隙間から遮蔽部材５２の孔へすり抜けたり、遮蔽部材５１、５２の外側を通って基板Ｗへ向かわないように定めてある。

また、遮蔽部材５１、５２のそれぞれの外径、遮蔽部材５２の内径及び両者間の間隔、カソード３１と基板Ｗとの間における遮蔽部材５１、５２の位置等は、膜形成に寄与するイオン化カソード材料（イオン）については、その一部が２段式遮蔽部材５１、５２で進行を遮られたとしても、残りのイオンが遮蔽部材５１、５２を通過して基板Ｗへ向かい、膜形成に供されるようにも定めてある。

図１に示す例では、カソード３１の蒸発面３１１は円形面であり、その直径は６４ｍｍである。また、被成膜基板Ｗは円形であり、その外径は２５０ｍｍである。
前段遮蔽部材５１の外径は７０ｍｍ、後段遮蔽部材５２の外径は１７０ｍｍ、内径は７０ｍｍである。各遮蔽部材の厚みは３ｍｍである。また、カソード蒸発面３１１から前段遮蔽部材までの距離は６０ｍｍ、両遮蔽部材の間隔は２５ｍｍ、カソード蒸発面３１１から基板Ｗまでの距離は１５０ｍｍである。
遮蔽部材５１、５２はいずれもその中心をカソード蒸発面３１１の中心と基板Ｗの中心を結ぶ線に一致させてある。

カソード３１側から見ると、前段遮蔽部材５１が後段遮蔽部材５２の孔を実質上隠しているが、遮蔽部材５２の周縁部については見える。また、カソード３１側から見ると、全段及び後段の遮蔽部材５１、５２に遮られて被成膜基板Ｗが見えない。

従って、この成膜装置Ａにおいては、カソード３１で生じるドロップレットは、前段及び後段の遮蔽部材５１、５２により進行が遮られ、後段遮蔽部材５２の基板Ｗ上の幾何学的投影面の内側には実質上到達しない。
一方、膜形成に供されるべきイオンは、その一部が遮蔽部材５１、５２で進行を阻止されるが、残りのイオンは遮蔽板５１、５２を通過して、さらに言えば、遮蔽部材５１の外側から両遮蔽部材の間へ、さらに遮蔽部材５２の孔５２１から基板Ｗへ進行し、或いはさらに、遮蔽部材５１、５２の外側を通って基板Ｗへ進行し、酸素ガスと反応して基板Ｗ表面にアルミナ膜を形成する。

かくして、基板Ｗの膜形成対象面が比較的大面積であるにも拘らず、膜形成対象面の全体にわたり、形成される膜へのドロップレットの付着や混入が抑制され、該膜は表面粗度が全体に均一化されるとともに小さくなり、高硬度となる。また、図１２に例示するように大きい遮蔽部材５”を１段設置する場合と比べると、膜厚均一性も良好になる。

図１の成膜装置Ａにおいて、酸素導入量：５０sccm、アルゴンガス導入量：３５sccm、チャンバ内ガス圧：７mTorr(約0.93Pa) 、放電電流：１００Ａ、電源ＰＷによるバイアス電圧：−３０Ｖの成膜条件で基板Ｗに膜厚１μｍのアルミナ膜を形成したところ、図２に「◆」ドットを結ぶラインで示すように、基板Ｗ全体にわたり（膜形成対象面全体にわたり）アルミナ膜の表面粗度Ｒａは略０．０１μｍと均一に小さかった。また、図３に「◆」ドットを結ぶラインで示すように、基板Ｗ全体にわたり成膜速度が均一化され、膜厚均一性良好なアルミナ膜を形成できた。

既述のとおり、図１の成膜装置Ａでは２段式遮蔽部材５１、５２のそれぞれは導電性材料（例えばステンレススチール、モリブデン等）で形成され、接地されている。しかし図４の成膜装置Ｂのように、それぞれの遮蔽部材に別々にバイアス電源からバイアスを印加してもよい。装置Ｂでは、遮蔽部材５１に電源ＰＷ１から負のバイアスを、遮蔽部材５２に電源ＰＷ２から負のバイアスを印加できるようにしてある。なお、遮蔽部材５１、５２にバイアスを印加する点を除けば、成膜装置Ｂは成膜装置Ａと同構成である。装置Ａと同じ部品、部分等には装置Ａと同じ参照符号を付してある。

装置Ｂでは、このように膜形成にあたり遮蔽部材５１、５２のそれぞれにバイアスを印加することで、膜形成に供すべきイオンが遮蔽部材５１、５２を通過し易くなり、それだけ成膜速度を上げることができる。
遮蔽部材に印加するバイアス極性は負極性に限定されるものではなく、蒸発源３において形成されるプラズマの状態、蒸発源３と遮蔽部材や被成膜物品との位置関係などによっては正極性であってもよく、遮蔽部材５１、５２のうち一方については正極性、他方は負極性であってもよい。また、両遮蔽部材に共通の電源からバイアスを印加してもよい。

場合によっては、電源からバイアスを印加することに代えて、遮蔽部材を抵抗を介して接地することにより遮蔽部材を一種のフローティング状態におき、それにより遮蔽部材を適当な電位に設定してイオン通過を円滑化することも可能である。
或いは、遮蔽部材を電気的に完全にフローティング状態に設定したり、遮蔽部材を絶縁性材料で形成することによっても、同様の効果が得られることもある。

図５は本発明に係る成膜装置の他の例を示している。図５の成膜装置Ｃは、図１の装置Ａにおいて、磁場形成部の１例として永久磁石であるリング形マグネット６を後段遮蔽部材５２の孔５２１の基板側出口近傍に併設したものである。これ以外の点は装置Ａと同構成であり、装置Ａと同じ部品、部分等には装置Ａと同じ参照符号を付してある。

成膜装置Ｃにおいては、後段遮蔽部材５２を通過しようとするイオン化カソード材料（イオン）がマグネット６の磁界からローレンツ力を受け、磁力線にまとわりつきながら運動するので、それだけイオンの遮蔽部材５１、５２の通過割合が増し、成膜速度が向上する。

なお、磁場形成部は、イオンの遮蔽部材通過を促進する効果が得られるのであれば、遮蔽部材近傍に設ける必要はなく、そのような効果が得られるのであれば設置位置はどこでもよい。また、磁場形成部は装置Ｃにおけるように永久磁石である必要はなく、電磁石でもよい。さらに、遮蔽部材への前記のごときバイアス印加（或いは抵抗挿入等）と磁場形成部による磁界とを併用してもよい。

以上説明した成膜装置Ａ、Ｂ、Ｃでは遮蔽部材を２段に設けているが、遮蔽部材は３段以上に設けてもよい。また、各遮蔽部材の形状も円形に限定されず、成膜装置の形状、被成膜物品の形態、成膜条件等に応じて他の形態、例えば方形、矩形等でもよい。
また、成膜装置Ａ、Ｂ、Ｃでは、小さい遮蔽部材５１を前段に、大きい遮蔽部材５２を後段に配置しているが、支障なければ、大きい遮蔽部材を前段に、小さい遮蔽部材を後段に配置してもよい。

３段以上に遮蔽部材を設ける場合でも、前段から後段にいくにしたがって大きくなる遮蔽部材を採用してもよいし、逆に前段から後段にいくにしたがって小さくなる遮蔽部材を採用してもよい。
遮蔽部材の材質については既述のように通常は導電性材料を採用できるが、蒸発源３からの熱輻射を強く受けるような場合や、熱負荷が大きい場合は、導電性材料を用いる場合はモリブデンやタングステンなどの高融点金属が好ましく、絶縁性材料を用いる場合でもアルミナや窒化ホウ素（ＢＮ）などの高融点材料が好ましい。

成膜装置Ａ、Ｂ、Ｃでは蒸発源の数、従ってカソードの数は一つであり、これに対し遮蔽部材は２段一組で設置されている。しかし、一つの蒸発源（カソード）に対し、それぞれが複数段の遮蔽部材からなる遮蔽部材群を二組設けてもよい。図６は一つのカソード３１に対し、それぞれが前段遮蔽部材５１ａ及び後段遮蔽部材５２ａを一組とする遮蔽部材群を二組設けた例を示している。二組の遮蔽部材群は、図示例ではカソード蒸発面の中心と基板（図６では省略）中心とを結ぶ線に対し垂直方向に並べてある。

また、蒸発源は１台に限定されず、２台以上設けてもよい。２台以上設ける場合、各蒸発源に対し共通の複数段一組の遮蔽部材群を設けてもよいし、各蒸発源に対し別々に複数段一組の遮蔽部材群を設けてもよい。図７は二つの蒸発源（二つのカソード３１、３１’）に共通に、前段遮蔽部材５１ｂと後段遮蔽部材５２ｂからなる一組の遮蔽部材群を設けた例を示している。図８は二つの蒸発源（二つのカソード３１、３１’）のそれぞれに別々に、前段遮蔽部材５１ｃと後段遮蔽部材５２ｃからなる一組の遮蔽部材群を設けた例を示している。

いずれにしても、遮蔽部材はドロップレットの進行阻止だけでなく、被成膜物品側からの放熱を阻止するような、一種のリフレクター効果も発揮し得る。例えば、成膜装置Ａ、Ｂ、Ｃにおいて基板Ｗを図示省略のヒータで所定成膜温度に加熱しながら膜形成する場合、基板Ｗ表面から熱が逃げるため基板Ｗの温度がなかなか高くならないというような場合において、基板温度を高くするためにヒータ自身を相当高温にしようとすると、そのようなヒーターは高価であるし、周囲の防熱対策が大がかりとなる。

しかし、例えば成膜装置Ａ、Ｂ、Ｃの場合、基板Ｗの表面から輻射として逃げる熱が遮蔽部材５１、５２によって反射されるので、熱が逃げにくくなり、その結果、基板Ｗの表面温度はそれだけ速やかに高くなる。またヒーター自身の温度も遮蔽部材５１、５２がないときに比べれば低くて済むので、それだけコスト安に済み、周囲の防熱対策もそれほど大がかりにしなくてもよい。

例えば、図１の装置Ａにおいて、前段の円板状遮蔽部材５１、後段の円形リング板状遮蔽部材５２のそれぞれを２重以上の構成にすると、よりリフレクター効果は高くなる。

本発明は、自動車部品、各種機械の部品、各種工具、さらには、自動車部品、機械部品等の成形に用いる金型等の成形用型などの物品に、膜表面粗度が均一化されているとともに小さい膜を膜厚均一性良好に形成することに利用できる。

本発明に係る成膜装置の１例を示す図である。図１、図１１、図１２の各成膜装置による膜形成実験で得られた膜形成対象面各部での膜表面粗度を示す図である。図１、図１１、図１２の各成膜装置による膜形成実験で得られた膜形成対象面各部での成膜速度を示す図である。本発明に係る成膜装置の他の例を示す図である。本発明に係る成膜装置のさらに他の例を示す図である。遮蔽部材の設置の仕方の他の例を示す図である。遮蔽部材の設置の仕方のさらに他の例を示す図である。遮蔽部材の設置の仕方のさらに他の例を示す図である。成膜装置の従来例を示す図である。成膜装置の他の従来例を示す図である。成膜装置のさらに他の従来例を示す図である。成膜装置のさらに他の従来例を示す図である。

符号の説明

Ａ、Ｂ、Ｃ成膜装置
１成膜チャンバ
１１ガス導入ポート
２、２’ 被成膜物品支持ホルダ
３蒸発源
３１、３１’ カソード
３１１カソド蒸発面
３２トリガー電極
３３アーク放電用電源
３４シールドプレート
３５磁場形成部
３６リアクトル
３７抵抗
３８ガス導入ポート
４排気装置
５１、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ前段遮蔽部材
５２、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ後段遮蔽部材
５２１遮蔽部材の孔
５’、５” 遮蔽部材
Ｗ、Ｗ’被成膜基板（被成膜物品の例）
ＰＷ、ＰＷ１、ＰＷ２バイアス電源
６マグネット（磁場形成部の例）

Claims

カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させ、該イオン化したカソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成するアークＰＶＤによる成膜装置であり、前記カソードから生じるドロップレットの被成膜物品への進行を抑制する一方、イオン化カソード材料の少なくとも一部の被成膜物品への進行を許すドロップレットの遮蔽部材が前記カソードと被成膜物品との間に位置するように設けられており、該遮蔽部材は、被成膜物品の膜形成対象面全体にわたり前記ドロップレットの進行を抑制するとともに該膜形成対象面全体にわたりイオン化カソード材料が向かうようにドロップレット進行方向に沿って複数段に順次間隔をおいて設けられていることを特徴とする成膜装置。
前記遮蔽部材は２段に設けられており、該２段の遮蔽部材のうち前記カソード側に配置される遮蔽部材は孔無し遮蔽部材であり、前記被成膜物品側に配置される遮蔽部材はリング形遮蔽部材であり、該孔無し遮蔽部材及びリング形遮蔽部材は、該孔無し遮蔽部材については、前記カソードから見たとき該リング形遮蔽部材の孔を実質上隠すが周縁部は見えるように、該リング形遮蔽部材については、前記カソードからみたとき該孔無し遮蔽部材とともに前記被成膜物品を実質上隠すように形成され、位置が定められている請求項１記載の成膜装置。
前記複数段の遮蔽部材のうち少なくとも１段の遮蔽部材にイオン化カソード材料通過促進用のバイアス電圧を印加する電源部を有している請求項１又は２記載の成膜装置。
前記イオン化カソード材料の前記遮蔽部材の通過を促進する磁場を形成するための磁場形成部を備えている請求項１、２又は３記載の成膜装置。