JP4755029B2

JP4755029B2 - 成膜装置

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Publication number: JP4755029B2
Application number: JP2006170676A
Authority: JP
Inventors: 阿川　　義昭; 原　　泰博; 正道松浦; 敦史齋藤
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2026-06-20
Also published as: JP2008001925A

Description

本発明は成膜装置に関する。

図８の符号１０１は従来技術の成膜装置を示している。
この成膜装置１０１は真空槽１０２を有しており、真空槽１０２内部には蒸着源１０３が配置されている。

蒸着源１０３は筒状のアノード電極１３２と、放出部１３０とを有しており、アノード電極１３２と放出部１３０は、該放出部１３０がアノード電極１３２に配置された状態で、取り付け部１２０によって真空槽１０２内部の底壁側にそれぞれ固定されている。

放出部１３０は蒸着材料１３１と、トリガ電極１３４と、棒状電極１３５とを有している。トリガ電極１３４はリング状であって、棒状電極１３５はトリガ電極１３４に挿通された状態で、その下端が取り付け部１２０に取り付けられている。棒状電極１３５の先端はトリガ電極１３４から突き出され、蒸着材料１３１は棒状電極１３５の先端を覆っている。

蒸着材料１３１と棒状電極１３５は電気的に接続され、他方トリガ電極１３４は絶縁部材１３７、１３８によって棒状電極１３５と蒸着材料１３１から絶縁されている。棒状電極１３５とトリガ電極１３４は真空槽１０２外部に配置された電源装置１０４にそれぞれ接続されている。

真空排気系１０８を動作させて真空槽１０２内部に真空雰囲気を形成し、該真空雰囲気を維持しながら電源装置１０４を起動し、アノード電極１３２と真空槽１０２とを接地電位に置いた状態で、トリガ電極１３４に正の電圧を印加すると共に、棒状電極１３５に負の電圧を印加すると、トリガ電極１３４と蒸着材料１３１との間にトリガ放電が起こり、該トリガ放電によって蒸着材料１３１の側面とアノード電極１３２内周面との間でアーク放電が誘起される。

アーク放電が誘起されると、アーク電流が流れ、該アーク電流により蒸着材料１３１の側面から蒸着材料の粒子が放出される。

蒸着材料の粒子のうち、電荷質量比（電荷／質量）の大きい微小な荷電粒子は、アーク電流により発生する磁界によって飛行方向が曲げられ、アノード電極１３２の開口から放出されるが、電荷質量比の小さい巨大な荷電粒子や中性粒子はアーク電流により飛行方向が曲げられる率が少なく、アノード電極１３２の内壁に衝突する。

アノード電極１３２の開口の上方には基板ホルダ１１７が配置されており、予め基板ホルダ１１７のアノード電極１３２開口と対向する面には基板１０７が保持されているので、アノード電極１３２の開口から放出された荷電粒子は基板１０７表面に付着し、薄膜が成長する。このように、基板１０７には反応性が高い荷電粒子のみが到達するので、膜質の良い薄膜を形成することができる。

荷電粒子は通常の蒸着法で発生する蒸気に比べて反応性が高いので、基板１０７表面には緻密な膜が形成される。しかし、この成膜装置１０１では荷電粒子が基板１０７表面に注入されることはなく、この成膜装置１０１を用いて、例えば基板１０７の表面改質を行うことはできなかった。

また、中性粒子や巨大荷電粒子がアノード電極１３２の内周面に付着する際に、一部は衝突の際砕け散り、微小荷電粒子よりも大きな小滴（直径２０μｍ程度）が形成されることがある。

この小滴の飛散方向は特定の方向性が見られず、蒸着材料１３１を中心としてほぼ半球面内に飛散するので、一部はアノード電極１３２の開口から放出されてしまう。開口から放出された小滴が、成膜中の膜に取り込まれると、薄膜の膜質が劣化するという問題もあった。
特開２００６−８３４３１号公報

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は荷電粒子を成膜対象物に注入可能な成膜装置を製造することである。

上記課題を解決するために本発明は、真空槽と、第一の蒸着材料を取り囲む第一のアノード電極の第一の開口から前記真空槽内に前記第一の蒸着材料の蒸気を放出する第一の同軸型蒸着源とを有する成膜装置であって、前記第一の開口は成膜対象物とは離間した位置に向けられ、前記真空槽内に配置され、前記成膜対象物を貫通し、前記成膜対象物上で湾曲した第一の磁力線を形成する磁界形成装置と、前記第一の蒸着材料と前記第一のアノード電極の間に第一のアーク電流を流すアーク電流源と、前記第一のアーク電流が流れている間に、前記成膜対象物に複数回断続して負電圧を印加するバイアス電源と、前記第一の蒸着材料とは異なる材料の第二の蒸着材料を取り囲む第二のアノード電極の第二の開口から前記真空槽内に前記第二の蒸着材料の蒸気を放出する第二の同軸型蒸着源とを有し、前記第二の開口は、前記成膜対象物とは離間した位置に向けられ、前記磁界形成装置は、前記第二の開口と前記成膜対象物の表面との間を湾曲した第二の磁力線で結ぶように構成され、前記第一、第二の開口から放出される前記第一、第二の蒸着材料の蒸気の飛行方向は、９０°未満の角度で交叉された成膜装置である。
本発明は成膜装置であって、湾曲した第一のヨーク部材を有し、前記第一のヨーク部材の一端には第一の凹部が形成され、前記磁界形成装置は前記第一のヨーク部材の他端上に配置され、前記成膜対象物は前記磁界形成装置の前記第一のヨーク部材とは反対側に配置され、前記第一のアノード電極は前記第一の凹部に挿通された成膜装置である。
本発明は成膜装置であって、湾曲した第二のヨーク部材を有し、前記第二のヨーク部材の一端には第二の凹部が形成され、前記第二のヨーク部材の他端は前記磁界形成装置の前記第一のヨーク部材が配置された側に位置し、前記第二のアノード電極は、前記第二の凹部に挿入された成膜装置である。
本発明は成膜装置であって、前記成膜対象物上にはマスクが配置され、前記マスクには前記第一の蒸着材料の蒸気と前記第二の蒸着材料の蒸気とが重なって到達する領域に開口が形成された成膜装置である。
本発明は成膜装置であって、前記アーク電流源は、前記第二の蒸着材料と前記第二のアノード電極の間に、前記第一のアノード電流と同期した第二のアノード電流を流すように構成された成膜装置である。

本発明は上記のように構成されており、蒸着材料とアノード電極の間にアノード放電が発生し、蒸着材料の蒸気と電子から成るプラズマがアノード電極内に形成されると、第一、第二の開口から放出された質量が小さな電子は磁力線に巻き付きながら磁力線に沿って移動し、成膜対象物方向に向かって移動する。

蒸着材料蒸気は正電荷を有しており、第一、第二の開口から成膜対象物とは離間した方向に放出されると、蒸着材料蒸気のうち、質量が小さな微小荷電粒子は電子に引き付けられて移動方向が曲げられ、成膜対象物方向に向かって、磁力線に沿って移動する。これにより、正電荷の蒸気が成膜対象物に入射し、薄膜が形成される。

質量が大きな巨大粒子は直進性が強く、成膜対象物とは離間した方向に飛行し、成膜対象物に入射しない。
成膜対象物に負電圧を印加すると、成膜対象物に入射する微小荷電粒子は加速され、成膜対象物の内部に注入される。成膜対象物に印加された負電圧により、第一、第二の同軸型蒸着源と成膜対象物の間に流れる電流は、徐々に増加し、第一、第二の同軸型蒸着源と成膜対象物の間に放電が生じてしまう。

成膜対象物に負電圧が印加され、成膜対象物と第一、第二の蒸着源の間に電流が流れ始めてから、成膜対象物と第一、第二の蒸着源の間に放電が生じるまでの時間は、第一、第二のアーク電流が流れる時間よりも短い。

本発明では、負電圧印加後、その放電が生じる前に負電圧の印加を停止し、第一、第二の同軸型蒸着源と成膜対象物との間に流れる電流をゼロにするので、放電が生じない。
電流がゼロになった後、負電圧の印加を再開するので、第一、第二のアーク電流が流れている間、複数回断続して負電圧を印加することになる。

また、本発明に設けられた磁界形成装置は、成膜対象物を磁力線が貫通するように構成されているため、成膜対象物の裏面と第一、第二の同軸型蒸着源の間には、磁力線が通る第一、第二のヨークが設けられ、成膜対象物の裏面に形成される磁力線が、成膜対象物の表面に形成される磁力線を乱さないようにされている。

異なる材質の蒸着材料を有する第一、第二の蒸着源から同時に蒸着材料蒸気を放出させる場合、第一の蒸着材料から放出された正の微小荷電粒子は第一の磁力線に巻き付き、拡がりながら成膜対象物に入射し、第二の蒸着材料から放出された正の荷電粒子は第二の磁力線に巻き付き、拡がりながら成膜対象物に入射する。

第一の磁力線と第二の磁力線は交叉しないから、第一の蒸着材料と第二の蒸着材料の微小荷電粒子が入射する領域の重なり合った部分で両方の蒸着材料が入射する。その結果、重なり合った部分では、成膜対象物の内部に第一、第二の蒸着材料物質の両方が注入され、合金が形成される。従って、重なり合った部分に窓を有するマスクを成膜対象物上に配置すれば、成膜対象物の内部に合金を注入することができる。

微小荷電粒子は反応性が高いので、本発明の成膜装置を用いれば、ＲｅとＩｒの合金等、従来の溶融法やスパッタ法では合金を作成することができなかった材料を合金化することが可能であり、ＲｅとＩｒの蒸気を放出する時に成膜対象物に負電圧を印加すればＲｅとＩｒの合金は成膜対象物の内部に注入される。

ＲｅとＩｒの合金の注入は、例えばレンズ等の金型（スタンパ）の表面改質に用いられる。レンズの金型は溶融したガラスを鋳込むため、８００℃近い高温に晒される。そのため、金型の耐久性や離剥性を確保するために、従来はイリジウム(Ｉｒ)、レニウム(Ｒｅ)、白金(Ｐｔ)等の金属材料を金型表面にコーティングするか、又はイオン注入させていた。

金型表面に薄膜を成膜する（コーティング）よりも金属材料を注入する方が金型の耐久性は高く、イリジウム単独、レニウム単独、又は白金単独で金型に注入させるよりも、イリジウムとレニウムの合金を注入する方が金型の耐久性が向上する。

本発明の成膜装置を用いれば蒸着材料を成膜対象物に注入して表面改質を行うことができる。第一、第二の同軸型蒸着源から異なる種類の蒸着材料の蒸気を放出させれば、従来作成が困難であった金属材料の合金ができる。

以下で図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。

図１の符号１は本発明の第一例の成膜装置を示しており、成膜装置１は真空槽２と、同軸型蒸着源３と、磁界形成装置５２と、基板ホルダ１７と、ヨーク部材５５とを有している。
先ず、ヨーク部材５５と同軸型蒸着源３と磁界形成装置５２と基板ホルダ１７の位置関係について説明する。

ヨーク部材５５は真空槽２の内部に配置されている。ここでは、ヨーク部材５５は１８０°以下の角度（ここでは略９０°）に折り曲げられてＬ字形状に湾曲している。

ヨーク部材５５の折り曲げられた側の面を内側の面とすると、磁界形成装置５２はＬ字形状の一方の側壁の内側の面に取り付けられ、他方の側壁には貫通孔からなる凹部５９が形成されている。

ここでは磁界形成装置５２は板状であって、表面５７にＳ極又はＮ極が形成され、裏面５６には表面と反対の極性の磁極が形成されており、磁界形成装置５２は裏面５６がヨーク部材５５に向けられ、表面５７がヨーク部材５５とは反対側に向けられている。

ヨーク部材５５は金属や合金等、後述する真空雰囲気よりも透磁率の高い透磁性材料で構成されており、従って、磁界形成装置５２の表面と裏面とを結ぶ磁力線のうち、ヨーク部材５５に近い部分はヨーク部材５５内を通り、ヨーク部材５５から遠い部分は磁界形成装置５２の表面５７上の空間を通り、ヨーク部材５５内部を通る磁力線は磁界形成装置５２の裏面５６で、ヨーク部材５５が無い場合よりも収束し、表面５７上の空間を通る磁力線は、ヨーク部材５５の凹部５９が形成された側の端部と、凹部５９の内壁面とでヨーク部材５５が無い場合よりも収束する。

磁界形成装置５２の表面５７と裏面５６とを結ぶ磁力線は、磁界形成装置５２の表面５７上では、表面５７と略垂直に伸びており、ヨーク部材５５の凹部５９が形成された側壁の端部近傍では、表面５７上の磁力線とは異なる角度で伸びるように構成されている。

ここでは、凹部５９が形成された側壁の端部近傍では、磁力線が磁界形成装置５２の表面５７と略平行に伸びるようにされており、従って凹部５９が形成された側の側壁の端部と、磁界形成装置５２の表面とを結ぶ磁力線は、該表面５７上で湾曲している。図１符号５はその湾曲した磁力線を示している。

同軸型蒸着源３は筒状のアノード電極３２を有しており、アノード電極３２はヨーク部材５５の凹部５９に挿通され、アノード電極３２の一端部の開口３９が、磁界形成装置５２の外周よりも外側で、磁界形成装置５２の表面５７の上方位置に向けられ、開口３９から放出される蒸気は磁界形成装置５２の表面５７の上方位置に向けて飛行する。

上述したように、凹部５９が形成された側壁の端部と、磁界形成装置５２の表面５７の間には湾曲した磁力線５が形成されており、該側壁の端部に入る又は出る磁力線５は開口３９の近傍を通る。

ヨーク部材５５の凹部５９が形成された側壁の端部は、磁界形成装置５２の表面５７からの高さが、開口３９よりも高い位置にあり、従って、開口３９から放出される蒸気は該側壁の端部と磁界形成装置５２の表面５７とを結ぶ磁力線５に入射する。

磁界形成装置５２の表面５７上には基板ホルダ１７が配置されている。
成膜対象物７は例えば金型であって、表面改質又は薄膜を形成する面を表面、その反対側の面を裏面とすると、成膜対象物７は裏面を磁界形成装置５２の表面５７に向け、表面を磁界形成装置５２とは反対側に向けた状態で、基板ホルダ１７に保持される。

成膜対象物７を基板ホルダ１７に保持させた時には、磁界形成装置５２の表面５７からの高さは、ヨーク部材５５の凹部５９が形成された側壁の端部の高さの方が、成膜対象物７表面よりも高くされており、該側壁の端部と磁界形成装置５２の表面５７とを結ぶ磁力線５は、成膜対象物７の表面を通り、成膜対象物７を貫通する。

ここでは、成膜対象物７の表面は磁界形成装置５２の表面５７と略水平にされており、上述したよう磁力線５は磁界形成装置５２の表面５７に略垂直に入射するから、該磁力線５は成膜対象物７の表面にも略垂直に入射する。

アノード電極３２の中心軸線１３を開口３９の向きとすると、開口３９は中心軸線１３が成膜対象物７表面の法線１２と交差するよう向けられている。例えば、中心軸線１３と法線１２とは直交しており、開口３９の中心から中心軸線１３と法線１２との交点までの距離は、成膜対象物７の半径よりも大きくなっている。従って開口３９は成膜対象物７の斜め上方に位置し、開口３９から直進して飛行する粒子は成膜対象物７には到達しないようになっている。

次に、同軸型蒸着源３の構造についてより詳細に説明する。
アノード電極３２の内部には、トリガ電極３４と蒸着材料３１とを有する放出部３０が配置されている。

真空槽２外部にはアーク電流源１４とトリガ電流源１６とを有する電源装置４が配置されており、蒸着材料３１とアノード電極３２はそれぞれアーク電流源１４に接続され、トリガ電極３４はトリガ電流源１６に接続されている。トリガ電極３４は絶縁部材３７によって蒸着材料３１から絶縁されており、トリガ電流源１６からトリガ電極３４に蒸着材料３１とは異なる大きさの電圧を印加可能になっている。

真空槽２には真空排気系８が接続されており、該真空排気系８を起動し、真空槽２内部に真空雰囲気を形成し、該真空雰囲気を維持しながら、アノード電極３２と真空槽２とを接地電位に置いた状態で、負電圧を蒸着材料３１に印加し、負電圧であって、蒸着材料３１に対して正のパルス状電圧をトリガ電極３４に印加すると、蒸着材料３１とトリガ電極３４の間にトリガ放電が起こる。

トリガ放電が起こると、アノード電極３２と蒸着材料３１の間にアーク放電が発生し、アノード電極３２と蒸着材料３１の間にアーク電流が流れ、蒸着材料３１の側面から蒸着材料の蒸気が放出される。

ここでは、アノード電極３２から蒸着材料３１に流れたアーク電流は、放出部３０の内部をアノード電極３２の中心軸線１３に沿って開口３９から遠ざかる方向に直線状に流れるようになっている。

蒸着材料の蒸気は電荷質量比（電荷／質量）の大きい微小荷電粒子を含み、微小荷電粒子はアーク電流によって生じる磁界によって、アーク電流と平行であって、かつ、アーク電流とは逆向きな方向に飛行方向が曲げられて、開口３９から電子と一緒に放出される。従って、微小荷電粒子が開口３９から放出された直後の飛行方向は、アノード電極３２の中心軸線１３と平行になっている。

開口３９から放出された電子と微小荷電粒子は、上述したように、ヨーク部材５５の凹部５９が形成された側壁の端部と、磁界形成装置５２の表面５７とを結ぶ磁力線５に入射し、電子はその磁力線５に入射すると、磁力線５に巻きつきながら移動して、飛行方向が中心軸線１３に沿った方向から成膜対象物７に向かう方向に変えられる。

開口３９から放出される正の微小荷電粒子は、クーロン力によって電子に引き付けられ、電子と同じ方向に進行方向が曲げられると、磁力線５に巻きつきながら移動する。従って、正の微小荷電粒子の進行方向も中心軸線１３に沿った方向から成膜対象物７に向かう方向に曲げられ、主として湾曲した磁力線５が成膜対象物７表面と交わる領域の周囲（ここでは成膜対象物７表面の全領域）に微小荷電粒子が到達する。

第一例の成膜装置１と、後述する第二、第三例の成膜装置では、放出部３０はアノード電極３２の内部に位置するから、蒸着材料３１はアノード電極３２の内壁面で囲まれており、蒸着材料３１と成膜対象物７の全表面はアノード電極３２又は他の部材によって成膜対象物７から遮られ、成膜対象物７と直接面しないようになっている。

蒸着材料３１からは微小荷電粒子の他に、電荷質量比の小さい巨大荷電粒子や、中性粒子や、蒸着材料の溶融物（液滴）が放出されるが、これらの粒子や液滴はクーロン力で進行方向が曲げられないので、アノード電極３２や他の部材に衝突して成膜対象物７に到達しない。

真空槽２外部にはバイアス電源１２が配置されている。基板ホルダ１７はバイアス電源１２に接続されており、バイアス電源１２を動作すると基板ホルダ１７に保持された成膜対象物７に電圧が印加されるようになっている。

トリガ放電を起こす時に成膜対象物７に電圧を印加しないと、微小荷電粒子は成膜対象物７表面に堆積し、成膜対象物７表面上に蒸着材料の薄膜が形成される。
トリガ放電を起こす時に、真空槽２に対して負電圧を成膜対象物７に印加すると、微小荷電粒子が加速されて成膜対象物７表面に注入され、成膜対象物７表面が改質される。

図２（ａ）はアーク電流の電流量（放電電流量）と時間との関係を示している。ここでは、アーク電流源１４は不図示のコンデンサを有しており、アーク電流が流れ始めてから放電電流量がゼロになるまでの放電時間ｔはコンデンサの容量によって決まっている。

トリガ放電を起こす時にはアノード電極３２は接地電位に置かれているため、アノード電極３２と成膜対象物７との間の電位差によって電流が流れ、成膜対象物７に負電圧を印加し続けると、放電時間ｔが終了する前にアノード電極３２と成膜対象物７との間に異常放電が起こる。

バイアス電源１２には切り替え装置１８が接続されており、該切り替え装置１８によって成膜対象物７は負電位と接地電位に交互に置かれる。図２（ｂ）は成膜対象物７に印加される電圧（バイアス電圧）の波形を示しており、成膜対象物７が１回負電位に置かれる時間と、１回接地電位に置かれる時間の合計をパルス幅とすると、パルス幅は放電時間ｔよりも短く、切り替え装置１８はアノード電極３２と成膜対象物７との間に異常放電が起こる前に成膜対象物７の電位を負電位から接地電位に切り替えるように設定されているから、異常放電は起こらない。

成膜対象物７が接地電位に切り替わると、微小荷電粒子が成膜対象物７表面に注入されなくなるが、放電時間ｔの間に成膜対象物７が複数回負電位に置かれるようにパルス幅を設定すれば、成膜対象物７に微小荷電粒子が連続して注入されない時間が短くなるので、成膜対象物７表面に微小荷電粒子が堆積せずに表面改質が行われる。

以上は、蒸着材料の粒子を成膜対象物７表面に注入する蒸着材料の粒子が１種類の場合について説明したが本発明はこれに限定されるものではない。
図３の符号６と、図４（ａ）、（ｂ）の符号９は複数種類の蒸着材料を成膜対象物に注入可能な第二、第三例の成膜装置を示している。

第二、第三例の成膜装置６、９で共通する部材について説明すると、成膜装置６、９は、真空槽２と、第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂと、円盤部材７９、９９と、第一、第二の同軸型蒸着源３ａ、３ｂ、８３ａ、８３ｂと、磁界形成装置６２、８２とをそれぞれ有している。

第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂはＬ字形状であり、一方の側壁には貫通孔からなる凹部５９ａ、５９ｂ、８６ａ、８６ｂがそれぞれ設けられている。第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂの凹部５９ａ、５９ｂ、８６ａ、８６ｂが設けられた側壁とは反対側の側壁の先端部は、円盤部材７９、９９の外周にそれぞれ接続されており、第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂは円盤部材７９、９９を中心として左右位置に配置されている。

円盤部材７９、９９の片面を表面、他の面を裏面とすると第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂの凹部５９ａ、５９ｂ、８６ａ、８６ｂが形成された側壁は、円盤部材７９、９９の表面側に突き出されている。

磁界形成装置６２、８２は、図１に示した磁界形成装置５２と同様に表面４２、４４と裏面４１、４３に反対の極性の磁極がそれぞれ形成されており、磁界形成装置６２、８２は裏面４１、４３を円盤部材７９、９９側に向けて円盤部材の表面上に配置され（図３、図４（ａ））、表面４２、４４が第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂの円盤部材７９、９９上に突き出された方向に向けられている（図３、図４（ｂ））。

円盤部材７９、９９と第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂは真空雰囲気よりも透磁率が高い透磁性材料でそれぞれ構成されており、従って、第一、第二の磁極を結ぶ磁力線のうち、第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂに近い部分は第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂと円盤部材７９、９９を通り、遠い部分は磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４上の空間を通る。

第一、第二の磁極を結ぶ磁力線は、磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４上では、該表面４２、４４と略垂直に伸びており、第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂの凹部５９ａ、５９ｂ、８６ａ、８６ｂ側の側壁の端部近傍では、磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４上の磁力線とは異なる角度で伸びるように構成されている。

ここでは、第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂの凹部５９ａ、５９ｂ、８６ａ、８６ｂ側の側壁の端部近傍では、磁力線が磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４と略平行に伸びるようにされており、従って第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂの凹部５９ａ、５９ｂ、８６ａ、８６ｂが形成された側の側壁の端部と、磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４とを結ぶ磁力線は、その表面４２、４４上で湾曲している。

第一、第二の磁極を結ぶ磁力線は、円盤部材７９、９９内と第一の腕部材６９ａ、８９ａ内を通るものと、円盤部材７９、９９内と第二の腕部材６９ｂ、８９ｂ内を通るものがあり、磁界形成装置６２、８２の裏面４１、４３と、円盤部材７９、９９の外周側で磁力線が収束され、磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４上の磁力線が第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂの端部でそれぞれ収束されるように構成されている。

第一の腕部材６９ａ、８９ａ内を通る磁力線を第一の磁力線５ａとし、第二の腕部材内を通る磁力線を第二の磁力線５ｂとし、磁力線を収束させる部材をヨークとすると、円盤部材７９、９９の第一の磁力線５ａが通る部分と第一の腕部材６９ａ、８９ａとで第一のヨーク５５ａ、８５ａが構成され、円盤部材７９、９９の第二の磁力線５ｂが通る部分と第二の腕部材６９ｂ、８９ｂとで第二のヨーク５５ｂ、８５ｂが構成されている。

ここでは、第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂは同じ材質同じ形状にされており、磁界形成装置６２、８２は円盤部材７９、９９の略中央に位置し、第一、第二のヨーク５５ａ、５５ｂ、８５ａ、８５ｂは同じ面積が磁界形成装置６２、８２の裏面と面するようになっているから、第一、第二の磁力線５ａ、５ｂの磁束量は略等しくなっている。

第一、第二の同軸型蒸着源３ａ、３ｂ、８３ａ、８３ｂは第一例の成膜装置１の同軸型蒸着源３と同じ構成である。
第一、第二の同軸型蒸着源３ａ、３ｂ、８３ａ、８３ｂのアノード電極（第一、第二のアノード電極）３２ａ、３２ｂ、４６ａ、４６ｂは凹部５９ａ、５９ｂ、８６ａ、８６ｂにそれぞれ挿通され、蒸気を放出する開口（第一、第二の開口）３９ａ、３９ｂ、４９ａ、４９ｂがそれぞれ磁界形成装置６２、８２の外周よりも外側の領域で、磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４の上方位置に向けられており、従って、第一、第二の開口３９ａ、３９ｂ、４９ａ、４９ｂから放出される蒸気は同じ磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４の上方位置に向かってそれぞれ飛行する。

第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂの凹部５９ａ、５９ｂ、８６ａ、８６ｂ側の側壁の端部は、磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４からの高さが第一、第二の開口３９ａ、３９ｂ、４９ａ、４９ｂよりもそれぞれ高くなっている。

第一の腕部材６９ａ、８９ａの凹部５９ａ、８６ａ側の側壁の端部に入る又は出る磁力線５ａは、第一の開口３９ａ、４９ａ近傍を通り、第二の腕部材６９ｂ、８９ｂの凹部５９ｂ、８６ｂ側の側壁の端部に入る又は出る磁力線５ｂは、第二の開口３９ｂ、４９ｂ近傍を通るようになっており、従って第一の開口３９ａ、４９ａから放出される蒸気は、第一の腕部材６９ａ、８９ａの側壁端部と、磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４とを結ぶ第一の磁力線５ａに入射し、第二の開口３９ｂ、４９ｂから放出される蒸気は、第二の腕部材６９ｂ、８９ｂと磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４とを結ぶ第二の磁力線５ｂに入射する。

上述したように、正の微小荷電粒子はクーロン力によって電子に引き付けられて飛行方向が曲げられるから、第一の開口３９ａ、４９ａから放出される正の微小荷電粒子は第一の磁力線５ａに巻きついて移動して磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４に向かい、第二の開口３９ｂ、４９ｂから放出される正の微小荷電粒子は第二の磁力線５ｂに巻きついて移動して磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４に向かう。

磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４上には基板ホルダ６７、８７が配置されている。成膜対象物６８、８８は薄膜が形成される面とは反対側の裏面を磁界形成装置６２、８２の表面４２、４４に向けて基板ホルダ６７、８７に保持され、成膜対象物６８、８８の表面に第一、第二の磁力線５ａ、５ｂの両方が通るようになっている。ここでは、第一、第二の磁力線５ａ、５ｂの成膜対象物６８、８８の表面を通る部分は、成膜対象物６８、８８の表面に対して略垂直になっている。

上述したように、正の微小荷電粒子は磁力線５に巻きついて移動するから、成膜対象物６８、８８の表面には第一の磁力線５ａに巻きついて移動する微小荷電粒子と、第二の磁力線５ｂに巻きついて移動する微小荷電粒子の両方が入射する。

磁力線同士は交わらないから、第一の磁力線５ａに巻きついて移動する微小荷電粒子と、第二の磁力線５ｂに巻きついて移動する微小荷電粒子は、成膜対象物６８、８８表面の別々の領域に入射する。

図５、６の符号Ａ、Ｃは第一の磁力線５ａに巻きついて移動する微小荷電粒子が入射する領域（第一の領域）を示し、同図の符号Ｂ、Ｄは第二の磁力線５ｂに巻きついて移動する微小荷電粒子が入射する領域（第二の領域）を示している。

微小荷電粒子は第一、第二の磁力線５ａ、５ｂに巻き付いて移動する時に拡散するから、第一、第二の磁力線５ａ、５ｂが通る領域の境界近傍で第一、第二の領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは重なり合い、その重なり領域Ｍ、Ｎには第一の磁力線５ａに巻きついて移動する微小荷電粒子と、第二の磁力線５ｂに巻きついて移動する微小荷電粒子の両方が入射する。

第一、第二のアノード電極３２ａ、３２ｂ、４６ａ、４６ｂと蒸着材料（ここでは不図示）との間にそれぞれアノード電圧した状態で、第一、第二の同軸型蒸着源３ａ、３ｂ、８３ａ、８３ｂ内部でトリガ放電をそれぞれ発生させ、第一、第二の同軸型蒸着源３ａ、３ｂ、８３ａ、８３ｂ内でアノード電流を同期して流すと、第一、第二の開口３９ａ、３９ｂ、４９ａ、４９ｂから蒸着材料の微小荷電粒子が放出され、上記重なり領域Ｍ、Ｎには、第一の開口３９ａ、４９ａから放出された正の微小荷電粒子と、第二の開口３９ｂ、４９ｂから放出された正の微小荷電粒子とが一緒に到達する。

第一、第二の同軸型蒸着源３ａ、３ｂ、８３ａ、８３ｂの蒸着材料が互いに異なる金属材料で構成された場合には、重なり領域Ｍ、Ｎに異なる金属材料の正の微小荷電粒子が到達し、合金が生成される。

合金が生成されるときに、成膜対象物６８、８８物に電圧を印加しない場合には、重なり領域Ｍ、Ｎに合金膜が形成され、成膜対象物６８、８８に上述したパルス状の負電圧を印加した場合には、重なり領域Ｍ、Ｎに合金が注入されて、表面が改質される。

このように重なり領域Ｍ、Ｎでは合金の成膜又は注入が行われるが、第一、第二の領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの重なり領域Ｍ、Ｎ以外の部分には第一又は第二の磁力線５ａのいずれか一方に巻きついて移動する微小荷電粒子だけが到達するから、合金が生成されず、１種類の蒸着材料の薄膜が形成されるか、１種類の蒸着材料だけが注入される。

図７は、第二例の成膜装置６において、第一、第二の領域Ａ、Ｂの重なり領域Ｍ、Ｎ以外の部分を成膜対象物６８から遮蔽するために、成膜対象物６８の表面上にマスク６５を配置した場合を示している。

重なり領域Ｍの場所や広さは予め求められており、マスク６５には重なり領域Ｍに応じた形状の開口７４を設けておく。そのマスク６５を開口７４が第一の磁力線５ａが通る領域と第二の磁力線５ｂが通る領域との境界近傍に位置するように配置すると、開口７４内には成膜対象物６８表面の重なり領域Ｍが露出し、第一、第二の領域Ａ、Ｂが重ならない部分は露出せずにマスク６５で覆われる。

従って、第一、第二の開口３９ａ、３９ｂから蒸気を一緒に放出させた場合には、重なり領域Ｍだけに微小荷電粒子が到達して合金膜の形成又は合金の注入が行われ、重なり領域Ｍ以外には微小荷電粒子が到達しない。

平面形状がマスク６５の開口７４よりも広く、外周が開口７４からはみ出すような大型の成膜対象物６８に合金膜の形成又は合金の注入を行う場合、第一、第二の３９ａ、３９ｂから蒸気を一緒に放出しながら、成膜対象物６８を同一平面内で回転させる。具体的には、基板ホルダ６７を回転手段（ここでは不図示）に接続し、該回転手段で基板ホルダ６７を回転させることで、成膜対象物６８を同一平面内で回転させる。

成膜対象物６８を回転させるときに、成膜対象物６８の回転中心がマスク６５の開口７４内に位置し、かつ、該開口７４に成膜対象物６８の縁から回転中心を挟んで反対側の縁までが露出するようにすれば、成膜対象物６８表面の全領域に合金膜の形成又は又は合金の注入が行われる。

次に、微小荷電粒子の飛行方向と、成膜領域との関係を説明すると、図５は第一、第二のアノード電極３２ａ、３２ｂの中心軸線（第一、第二の中心軸線１３ａ、１３ｂ）が互いに平行な場合を示しており、第一、第二の中心軸線１３ａ、１３ｂが互いに平行な場合は、微小荷電粒子の第一、第二の開口３９ａ、３９ｂから放出された直後の飛行方向は互いに平行であり、その飛行方向１８０°の角度で交叉する。

微小荷電粒子の第一、第二の開口３９ａ、３９ｂから放出された直後の飛行方向が互いに平行な場合と、その飛行方向が平行でなく、図６に示したように９０°未満の角度で交叉する場合、即ち、第一、第二の中心軸線１５ａ、１５ｂが９０°未満の角度で交叉する場合との実験結果を比べると、９０°未満の角度で交叉した方が、第一、第二の領域Ｃ、Ｄの重なり領域Ｎの面積が顕著に広くなり、より大面積に合金を注入することができる。

尚、第一、第二の中心軸線１３ａ、１３ｂ、１５ａ、１５ｂが成す角度とは成膜対象物６８、８８表面と平行な平面上の線分、即ち、第一、第二の中心軸線１３ａ、１３ｂ、１５ａ、１５ｂを成膜対象物６８、８８の表面に投影させた線分の成す角度のことである。

微小荷電粒子の第一、第二の開口４９ａ、４９ｂから放出された直後の飛行方向が９０°未満で交叉する場合も、成膜対象物８８の表面上にマスク９５を配置して、開口７５内に重なり領域Ｎを露出させ、第一、第二の領域Ｃ、Ｄの重なり領域Ｎ以外の部分をマスク９５で覆えば、成膜対象物８８の表面には１種類の蒸着材料の膜、又は１種類の蒸着材料だけの注入が行われず、合金の成膜、又は合金の注入だけが行われる。

微小荷電粒子の第一、第二の開口４９ａ、４９ｂから放出された直後の飛行方向が９０°未満で交叉する場合、重なり領域Ｎの面積が顕著に広くなるから、マスク７５の開口を大面積にすることが可能であり、より大型の成膜対象物８８の表面改質を行うことができる。

尚、第二、第三例の成膜装置６、９の運転条件の一例を述べると、第一、第二の同軸型蒸着源３ａ、３ｂ、８３ａ、８３ｂの蒸着材料にそれぞれレニウム（Ｒｅ）とイリジウム（Ｉｒ）を用いる場合、成膜対象物６８、８８に印加する負電圧は約５μｓ（休止期間：５μｓ：デュティ：５０％）で、５ｋＶの負電圧であり、放電時間ｔは１００〜２００μ秒であり、１つの金型（成膜対象物６８、８８）に所定回数（３０〜１００回）のトリガ放電を繰り返す。

レニウム量をイリジウムより多く含有させたい場合は放電パラメータであるアーク電圧（Ｖ）やコンデンサ容量（Ｃ）をイリジウムより高い値に設定すると、放電量が多くなる。即ち、成膜量（Ｓ）はＣＶ²に比例する。

以上は蒸着材料がＲｅとＩｒの場合について説明したが本発明はこれに限定されるものではなく、種々の金属材料の合金の成膜、又は合金の注入に用いることができる。蒸着材料としては、例えば、銅、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン、コバルト、鉄、ニッケル等の金属材料の他にも、グラファイト等金属材料以外の無機材料も用いることができる。

同軸型蒸着源の数は１個又は２個に限定されず、３個以上同じ真空槽２内に設けてもよい。
アノード電極３２の形状も特に限定されず、放出部３０を取り囲む形状のものであれば、円筒状、角筒状等種々の形状のものを用いることができる。

本発明の成膜装置１、６、９は、金型の表面改質だけではなく、ダイヤモンドライクカーボンや半導体の高誘電体膜、絶縁膜、銅薄膜、磁性薄膜、高融点金属膜等の成膜にも用いることができる。アノード電極３２の材質も特に限定されず、ステンレス、インコネル等種々の材質のものを用いることができる。

磁界形成装置５２、６２、８２の形状は板状に限定されず、リング状、柱状等種々の形状のものを用いることができる。磁界形成装置５２、６２、８２の材質も特に限定されず、フェライト製の磁性材料や、サマリウム・コバルト製の磁性材料、それらを複合した永久磁石の他、電磁石を用いることもできる。磁界形成装置５２、６２、８２を１つの永久磁石、又は１つの電磁石で構成してもよいし、２つ以上の永久磁石、又は２つ以上の電磁石で構成してもよい。２つ以上の磁石で磁界形成装置５２、６２、８２を構成する場合には、各磁石の磁極の向きが同じになるように配置する。

ヨーク部材５５や、第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂの形状はＬ字形状に限定されず、内部で磁力線の向きが曲がるように折り曲げられた形状のものであれば、例えば、弧状であってもよいし、直線状のヨークを複数個接続したもので構成してもよい。

ヨーク部材５５や、第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂに形成する凹部５９、５９ａ、５９ｂ、８６ａ、８６ｂは貫通孔からなるものに限定されず、アノード電極３２、３２ａ、３２ｂ、４６ａ、４６ｂを挿通可能なものであれば、ヨーク部材５５や、第一、第二の腕部材６９ａ、６９ｂ、８９ａ、８９ｂをＳ字状又は弧状に湾曲させて凹部を形成してもよい。

以上はトリガ放電を一緒に起こしてアノード電流を同期させ、第一、第二の開口３９ａ、３９ｂ、４９ａ、４９ｂから同時に蒸気を放出させる場合について説明したが本発明はこれに限定されず、トリガ放電を別々に起こし、第一、第二の開口３９ａ、３９ｂ、４９ａ、４９ｂから別々に蒸気を放出させて、成膜対象物６８、８８表面に積層膜を形成することもできる。

また、真空槽２に反応ガス供給系を接続し、真空槽２内部に反応ガスを供給しながら蒸着材料の蒸気の放出を行って、蒸着材料と反応ガスの反応物の膜の形成、又は反応物の注入を行うこともできる。

本発明第一例の成膜装置を説明する断面図（ａ）：アーク放電の放電電流量と放電時間との関係を説明するグラフ、（ｂ）：成膜対象物に印加する負電圧の波形を説明するグラフ本発明第二例の成膜装置を説明する断面図（ａ）、（ｂ）：本発明第三例の成膜装置を説明する斜視図本発明第二例の成膜装置の第一、第二の領域を説明する平面図本発明第三例の成膜装置の第一、第二の領域を説明する平面図本発明第二例の成膜装置にマスクを設けた場合を説明する断面図従来技術の成膜装置を説明する断面図

符号の説明

１……成膜装置２……真空槽３、３ａ、３ｂ、８３ａ、８３ｂ……第同軸型蒸着源（第一、第二の同軸型蒸着源）５、５ａ、５ｂ……磁力線（第一、第二の磁力線）７、６８、８８……成膜対象物１２……バイアス電源３１……蒸着材料３２、３２ａ、３２ｂ、４６ａ、４６ｂ……アノード電極（第一、第二のアノード電極）３９、３９ａ、３９ｂ、４９ａ、４９ｂ……開口（第一、第二の開口）

Claims

真空槽と、
第一の蒸着材料を取り囲む第一のアノード電極の第一の開口から前記真空槽内に前記第一の蒸着材料の蒸気を放出する第一の同軸型蒸着源とを有する成膜装置であって、
前記第一の開口は成膜対象物とは離間した位置に向けられ、
前記真空槽内に配置され、前記成膜対象物を貫通し、前記成膜対象物上で湾曲した第一の磁力線を形成する磁界形成装置と、
前記第一の蒸着材料と前記第一のアノード電極の間に第一のアーク電流を流すアーク電流源と、
前記第一のアーク電流が流れている間に、前記成膜対象物に複数回断続して負電圧を印加するバイアス電源と、
前記第一の蒸着材料とは異なる材料の第二の蒸着材料を取り囲む第二のアノード電極の第二の開口から前記真空槽内に前記第二の蒸着材料の蒸気を放出する第二の同軸型蒸着源とを有し、
前記第二の開口は、前記成膜対象物とは離間した位置に向けられ、
前記磁界形成装置は、前記第二の開口と前記成膜対象物の表面との間を湾曲した第二の磁力線で結ぶように構成され、
前記第一、第二の開口から放出される前記第一、第二の蒸着材料の蒸気の飛行方向は、９０°未満の角度で交叉された成膜装置。
湾曲した第一のヨーク部材を有し、
前記第一のヨーク部材の一端には第一の凹部が形成され、
前記磁界形成装置は前記第一のヨーク部材の他端上に配置され、
前記成膜対象物は前記磁界形成装置の前記第一のヨーク部材とは反対側に配置され、
前記第一のアノード電極は前記第一の凹部に挿通された請求項１記載の成膜装置。
湾曲した第二のヨーク部材を有し、
前記第二のヨーク部材の一端には第二の凹部が形成され、
前記第二のヨーク部材の他端は前記磁界形成装置の前記第一のヨーク部材が配置された側に位置し、
前記第二のアノード電極は、前記第二の凹部に挿入された請求項１又は２のいずれか１項記載の成膜装置。
前記成膜対象物上にはマスクが配置され、前記マスクには前記第一の蒸着材料の蒸気と前記第二の蒸着材料の蒸気とが重なって到達する領域に開口が形成された請求項１乃至請求項３記載のいずれか１項記載の成膜装置。
前記アーク電流源は、前記第二の蒸着材料と前記第二のアノード電極の間に、前記第一のアノード電流と同期した第二のアノード電流を流すように構成された請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の成膜装置。