電子ビームスパッタリング装置
【課題】蒸着（スパッタリング）金属による形成成膜の接着力が強く、形成速度の速い電子ビーム蒸着装置を提供する。
【解決手段】プラズマ電子銃から発射される電子ビームパルスは、大きい断面積であってエネルギ密度が低いと言う特徴がある。スパッタリングに利用する場合には面積の大きなターゲットを使用できることと、スパッタ粒子が微細であるという利点がある反面、ターゲットと基板は近接しなければならないと言う制約がある。そこで、基板の周囲にターゲットを配置し、プラズマ電子銃からの電子ビームをターゲットに照射してスパッタ粒子を発生させるとき、基板表面に並行する磁力線を作っておくと、電荷を持つ金属イオンの運動との相互作用（ローレンツの力）により方向が偏向させられ、基板面に誘導されて薄膜が堆積される。
【解決手段】プラズマ電子銃から発射される電子ビームパルスは、大きい断面積であってエネルギ密度が低いと言う特徴がある。スパッタリングに利用する場合には面積の大きなターゲットを使用できることと、スパッタ粒子が微細であるという利点がある反面、ターゲットと基板は近接しなければならないと言う制約がある。そこで、基板の周囲にターゲットを配置し、プラズマ電子銃からの電子ビームをターゲットに照射してスパッタ粒子を発生させるとき、基板表面に並行する磁力線を作っておくと、電荷を持つ金属イオンの運動との相互作用（ローレンツの力）により方向が偏向させられ、基板面に誘導されて薄膜が堆積される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、セラミックスまたは金属の基板の表面に、各種金属の薄膜を生成する技術であり、詳しくは、プラズマ電子銃によるエネルギ密度が低く、断面積の大きい電子ビームパルスを、ターゲットに照射し、表面の材料から飛散するスパッタ粒子を基板に堆積させて膜を作る技術である。
【背景技術】
【０００２】
この発明の基本となるものは、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法であって、ターゲットの加熱源を電子ビームとし原材料を蒸気化して蒸着するもので、銅製のルツボを連続して用いるものが多く実施されている。本発明の技術は、電子ビームのパルスを用いたスパッタリング現象を利用する接着力の強い蒸着であるので、電子ビームスパッタリングと称する。
【０００３】
このスパッタ粒子は、スパッタリング現象により放出される粒子であり、帯電した金属イオン、金属蒸気を含む称呼である。一般に真空室内でルツボの中の金属を加熱して金属蒸気を作り、基板に堆積させる真空蒸着法で作られる薄膜は、基板との接着力が弱いと言われ、またスパッタ現象によるスパッタ粒子を基板に衝突させるスパッタリング法では、スパッタ粒子が付着力を強める大きい運動エネルギを持つ利点と、粒状化し易いという欠点があるといわれている。
【０００４】
金属薄膜を生成する蒸着法またはスパッタリング法のうち、電子ビームを用いる方式は多種にわたり実用に供されている。本発明は、大きな断面積の電子ビームのパルスを発生することができるプラズマ電子銃を用いたスパッタリング装置に関するもので、断面積１０ｃｍ２以上、エネルギ密度１０Ｊ／ｃｍ２、パルス巾数マイクロ秒程度の電子ビームパルスが利用される。この電子ビームパルスを金属に照射すると、金属表面は瞬間的に高温となりスパッタ現象を起こし、二次電子、金属イオン、金属原子、または分子などが気化状になって飛散する。
【０００５】
このプラズマ電子銃装置は、電離気体plasmaが封入されて電子ビームの断面内密度を均一に保っているので、ＰＦＤ（Plasma Filled Diode）電子銃と呼び特徴づけることもある。また、plasma生成のグロー放電を安定に発生させるため、環状の放電電極が用いられ、電子銃外部には銃内に磁場を形成するソレノイドが設けられる。このように従来の真空電子銃による高いエネルギ密度の電子ビームではなく、プラズマ化した電離ガスの中を通過する低いエネルギ密度の電子ビームのパルスが用いられ、照射されるターゲットの表面から放出されたスパッタ粒子である金属イオンを、基板に衝突堆積させるから、付着力の強い薄膜の生成が可能である。
【０００６】
前記ＰＦＤ電子銃は、金属表面の清浄化、平滑化、鏡面化、アモルファス化の手段として用いられ、金属部品、医療用金属部品、電気部品、金型などの分野で利用されているものであるが、これらの表面処理の次の工程で、しかも同一の装置により表面被覆が行なえれば利便が大きい。基板材料の表面に異なる機能金属材料を被覆すること、たとえば軟質の銅基板上に硬質の材料を被覆したり、セラッミックス材料に金属薄膜を被覆したりして機能性を高めることなどであるが、予め前処理としてＰＦＤ電子銃により複合面を清浄化、活性化しておき、その表面にスパッタリングを施せば、付着力の強い薄膜形成が可能になる。特に基板材料がセラミックスである場合の処理法としては新規な事例に属する（例えば、非特許文献１−２、または特許文献１−２参照。）。
【０００７】
他方、前記のスパッタリング技術には、二極スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、対向ターゲットスパッタリング法、電子サイクロトロンスパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、反応性スパッタリング法など多数の方式が実用されている。
【０００８】
そして、電子ビームを用いる従来の方法の一例としては、図４のような電子ビーム蒸着法がある。
この図示のものは電子ビームスポットを、ルツボの中の蒸着材に照射し、溶解・気化した材料を基板に蒸着させるもので、付着力は弱く気化金属が飛散中に結合して粒子化され易いと言われている。
【０００９】
本発明の方式は、プラズマ電子銃を用いるもので、ターゲットの表層のみが短時間の電子ビームパルスで気化されるので、粒子化、装置の温度上昇がなく、強い付着力を持った成膜工程を実現することができる。
【００１０】
また、近年セラミックスは機能部品として重要な役割を果たしているが、セラミックス部品同士の接合や部分的な通電機能を持たせるために、セラミックス部品の一部分に金属皮膜を強固に付着させる技術が必要になっているが、皮膜生成の前段階に表面を、非化学的にまた分子レベルで清浄化しておかないと、強力な付着力で皮膜生成が出来ない。この発明のプロセスによれば同一の装置で表面改質と皮膜生成が、制御装置に予めプログラム設定しておくことにより可能となる。
【００１１】
本発明の方式は、特開２００５−２９０５１０号公報記載の発明の改良に属するものであり、プラズマ電子銃の、大きい断面積を持ち、低エネルギ密度の電子ビームパルスの特性を利用し、また、前記電子銃、ターゲット、基板および磁石の配置を適正にすることにより良質な薄膜を生成することを可能にした。（例えば、非特許文献３、または特許文献３参照。）。
【００１２】
【非特許文献１】PROSKUROVSKY、D.I.外３、Use of Low-energy, High-currentelectron beam of surface treatment of metals,;surface and Coatings Technology 96(1997)、117-122
【非特許文献２】G.E.OZUR 外３、Production and application of low-energy 、high-current election beams ;Laser and Paricle Beams(2003)、21、157-174 Cambridge University Press
【非特許文献３】編者、（社）表面技術協会、「表面技術便覧」初版第１刷、日刊工業新聞社、1998年2月27日、785‐788、
【特許文献１】特開２００３−１１１７７８号公報
【特許文献２】特開２００６−１８７７９９号公報
【特許文献３】特開２００５−２９０５１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
この発明は、大きい断面積の電子ビームパルスをもってターゲット金属の薄い表層のみを気化させ、基板上に輸送して薄膜を堆積することを課題としている。特にセラミックスの機構部品の表面を金属の薄膜によって強固に被覆することを目的としている。
【００１４】
この発明は、大きい断面積をもった低エネルギ密度の電子ビームを発射できるプラズマ電子銃を用いてスパッタリングを行うものである。プラズマ電子銃が発する電子ビームパルスをターゲットに照射すると、表面が短時間に蒸発して多量の金属イオンが発生する。これが基板に堆積すると、薄膜が強固にセラミックスや金属の基板上に密着生成される。
【００１５】
金属のターゲットにプラズマ電子銃からの電子ビームパルスが照射されると、照射エネルギの大部分はターゲット内部に吸収されるが、ターゲットから二次電子、電荷をもつ金属イオン、中性の金属原子、または分子などが外部に放出される。金属イオンのスパッタ粒子は、電界効果によりカソードの方向に引き付けられるが、近くにある基板に沿って磁力線があると、ローレンツの力の作用により金属イオンの一部は、運動エネルギを失うことなく基板に引き付けられ基板表面に堆積する。この発明は、プラズマ電子銃の特徴を利用して、ターゲットと基板と磁石の磁力線の配置を考案し目的を達成しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明で用いるプラズマ電子銃は、真空室ではなく、０．１Ｐａ以下の低圧電離ガスを充填し、プラズマ化しており、プラズマを安定に保つために反射放電（Reflected Discharge）方式という円環状のプラズマ陽極が設けられ、さらに外部にソレノイドが設けられ、電子銃内空間に磁場を作り電子ビームの収縮（pinch）を防いでいる。
【００１７】
また、この発明のプラズマ発生回路は、前記の環状陽極と電子銃ハウジングとの間にコンデンサ充放電によるグロー放電を作り、電離ガスをプラズマ化する。プラズマ保持時間は１００〜数１００μｓでその時間内に前記の電子ビーム放射が行われる。プラズマ保持時間の前後を通じ電子銃内に磁場をつくるための前記ソレノイドに励磁する電源として別のコンデンサ充放電回路が備えられている。
【００１８】
この発明の電子ビーム発射機構は、電界放射カソードとして金属または黒鉛の陰極が用いられ、ターゲットを陽極とし両極間に１０〜４０ｋＶの高圧コンデンサ放電を発生させ、数μｓ程度の電子ビームパルスを前記プラズマ中に放射し、ターゲットに達する。ターゲットは、カソードと数１０ｃｍの距離に対向させて配置され、電子ビームの照射を受けスパッタ粒子を放出し、内部に絶縁隔離して収容した基板にスパッタ粒子を供給する。
【００１９】
そして、この発明は、発生したスパッタ粒子に磁気的作用を加え、飛行方向を偏向させ、基板に向かわせて堆積させ、薄膜を生成させることを特徴としている。
【００２０】
ターゲットは一体の筒状であって、任意の肉厚と円または任意形状の内断面であり、カソードに対向する端面部には傾斜面を設けている。筒の端面を傾斜面にする目的は、電子ビームが照射されるターゲット面としてスパッタ粒子が筒の内部の基板に向かうようにするためである。傾斜面の電子ビーム軸となす角度は任意であり、照射エネルギ密度（Ｊ／ｃｍ２）は９０度で最大となり、０度（電子ビーム軸と平行）のとき最小となる。一方、筒の内部の基板に向かうスパッタ粒子の数は、０度と９０度で最小値となり、その中間域に薄膜生成が適切に行なわれる傾斜角度がある。
【００２１】
個々のスパッタ粒子の運動方向は初め乱雑自由であり、やがて、カソードの電界に引き寄せられる。プラズマ電子銃では、カソードとターゲット間の距離を長くとっているので、基板近辺に磁界を設けると電界よりも磁力線の影響を与えることができる。この発明では、具体的な手段として磁石（永久磁石もしくは電磁石）を基板面の背面に配置し、磁力線が基板表面に沿って走るようにする。前記磁力線の近くに来たスパッタ粒子を、ローレンツの力の効果により飛行方向を偏向させ基板に衝突させる。
【００２２】
図２は、金属イオンＭ＋ （・印）が、基板６の表面空間を基板６と平行に飛行しているときに、磁石７の磁力線７１と直角交差しようとして、ローレンツの力の作用を受けて、図２のＢのように基板６の表面に衝突することを説明する図である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、使用するプラズマ電子銃の特徴とする低いエネルギ密度の電子ビームパルスにより、ターゲットから放出されたスパッタ粒子が、磁力線の作用を受けて基板に堆積して薄膜を形成するとき、スパッタ粒子自体が活性化されているので強い付着力を示す。
【００２４】
この発明の方式により密着力の強い薄膜を基板上に生成させられるので、セラッミクス材料を摺動部品として使用したり、セラミックスの気孔を塞いで気密室材料として用いることを可能にする。
【００２５】
また、本発明によれば、磁力線の及ぶ範囲を広げるために磁力線を旋回させる手段を設けたので、広い範囲の薄膜が形成できることになり、機械・電気部品などの機能部品への適用が可能になり、環境問題に適応したプロセスとして化学メッキに代替することを可能にする。さらに、セラミックス材料の表面に金属被覆を施して放電加工を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
この発明の方式は、スパッタリング方式による薄膜生成に属するものであり、その目的は機能性部品の比較的に大きな面積に薄膜を生成することである。従って対象とする基板は必ずしも一平面に限られないが、説明のために以下には平面基板６について記述する。
【００２７】
図１及び図２のＡ、Ｂにおいて、基板６の基板面はカソード２に対向し、基板６の背面に磁石７が置かれ、基板面に沿った磁力線７１をつくる。カソード２から発射される電子ビームパルス２２は、環状陽極３を通過してターゲット５の傾斜面５１に射突する。ターゲット傾斜面５１から発する金属イオンＭ＋ （・）は、基板上面において前記磁力線７１によりローレンツの力を受けて基板に向かうものがあり、基板６に堆積する。
【００２８】
一回の電子ビームパルスの照射で生成される薄膜の範囲は、ローレンツの力が基板に向かうものばかりではないため基板６の一部分に限られる。磁石７として永久磁石を使う場合には、前記永久磁石と基板６との相対位置を変えるように永久磁石のみを旋回させる手段７００を設け、堆積位置を変えることにより広い面積に均一な薄膜が得られる。電磁石を使う場合には、コイルの励磁極性を反転させることにより磁力線を旋回させることが出来る。この旋回は数回の照射ごとに行う。また、基板の面積が充分に大きいときは、永久磁石を複数にすることにより一回の着膜部分の面積を増やすことができる。
【００２９】
プラズマ電子銃の発射する電子ビームパルスは、大きい断面積であるから、ターゲットの傾斜面５１ばかりでなく、内部に収容した基板面にも照射することになる。基板６は絶縁隔離されているから、電子が基板の内部にまで侵入することはないが、基板の表層に射突するエネルギによる表面改質作用が避けられない。表面改質は、薄膜の堆積とは反対の作用であるので、基板と同形、さらには薄膜形成よりも小形の遮蔽マスク６１を前記傾斜面の上方に設け、電子ビームが基板面に直射することを防ぐ。
【００３０】
また、プラズマ電子銃を用いることによる特徴は、ターゲットからスパッタ粒子を発射させるばかりではなく、スパッタリングの前処理として、予め基板面に照射することによって基板表面を清浄化し活性化する作用があることから、これを制御装置１００にプログラム設定して実行させることができる。とくに、セラミックス材の表面にスパッタリングを行なうときは、表面の気孔が清浄されスパッタ粒子が侵入して付着力を強化する効果がある。
【００３１】
そこで、この発明は基板にスパッタリングによりターゲットの金属の薄膜を堆積する装置を提供するもので、図１はそのための主要な要素と構造の説明図である。
【００３２】
図において、低圧の電離気体を収容するハウジング１内に環状のプラズマ陽極３とカソード２を備え、プラズマを維持する磁界を作るソレノイド４を有し、ソレノイド４とプラズマ陽極３とカソード２を順次駆動させる電源及び制御装置１００を備えるプラズマら電子銃であって、ターゲット５がカソード２に対向して置かれている。
【００３３】
筒状であり、カソードに対向する開口端に傾斜面蒸着材５１を設けたターゲット５と、その内部に配置された電気的に浮いた基板６と、電子ビーム遮蔽マスク６１及び基板６の背面に設けられる磁石７がセットをなしている。
【００３４】
基板６の背面に配置される磁石７は、磁力線７１を基板６の表面に並行して作る永久磁石または電磁石であり、基板６の表面上で磁力線７１が旋回移動する手段７００を備えている。
【００３５】
前記図１は、基本的な構成の装置実施例のカソード軸中心断面図である。プラズマ電子銃は、ハウジング１、カソ−ド２、プラズマ環状電極３、外部ソレノイド４、及びターゲット５をもって構成される。基板６は、ターゲット５の内部に収容され、カソード２に対面し背面に磁石７が配置され、旋回手段７００の旋回軸７０１により基板６に対して相対旋回自由である。
【００３６】
プラズマ回路は、詳細は図示しない充電電源３００により充電されるコンデンサ３０１と、放電制御素子ＳＣＲ３０２よりなり、詳細は図示しない制御装置１００により制御され、環状電極３とハウジング１との空間にグロー放電を発生させ、ハウジング１の内部において気体給排準備装置１１により充填された低圧の電離気体（Ａｒ）をプラズマ化する。
【００３７】
電子ビーム発生回路は、詳細は図示しない充電回路２００により充電されるコンデンサ２０１と、放電制御スイッチ素子ＧＳ２０２よりなり、制御装置１００によりカソード２とターゲット５の間に高電圧パルスを印加して電子ビームパルスを照射する。
【００３８】
カソード２は、電子ビーム発射面が束状のＴｉ線であり、中心部にはセラミックス板２１が埋め込まれているので、照射電子ビームはリング状となり、遮蔽マスク６１と併せて基板６に対する直射を防止している。絶縁ブッシュ２３はハウジング１からの絶縁をはかる。遮蔽マスク６１は、ターゲット５の上方空間に基板６を覆うようにして細いステム６２により支えられる。
【００３９】
基板６は、箱状の絶縁ケース６３に収められ、ターゲット５の開口部に取り付けられ、背面の空間に配置された磁石７の磁力線７１が基板６の表面に沿うように通る。磁石７が永久磁石である場合には、ターゲット５及び基板と分離して置かれ、気密軸受け７０２に支承される旋回軸７０１により自由に旋回できる構造である。モータ７０３は歯車セット７０４，７０５を介して旋回軸７０１を旋回させる。
【００４０】
磁石７に電磁石を用いるときは、後述する図３のように複数の電磁石を用い、励磁するコイルを切り替え、また励磁極性を反転するなどにより磁力線の方向を変えるようにする。
【００４１】
ターゲット５は、充分な肉厚の筒状であり、筒内に基板６を収容する空間形状を持ち、開口端部は電子ビームを受ける擂り鉢状の傾斜面とし、蒸着材５１が貼り付けられている。ターゲット５は取り付け具１０に固定され、カソード回路の陽極電位（接地）にされる。
【００４２】
前述図３のＡ、Ｂは、電磁石部分Ａと励磁回路部分Ｂの一実施例を示しており、Ｕ字形のヨーク７２と７３とに夫々励磁コイル７２１と７３１とが設けられ、磁力線７２２と７３３による磁場が造られる。夫々の励磁電源７５は、コンデンサ７６を充電させる電源７７と抵抗７８及び開閉スイッチ７５ａと放電スイッチ素子７９で構成され、切換器８０により励磁極性が変換できるように構成されている。
【００４３】
前記Ｕ字形のヨーク７２と７３の開放端は、軌跡円７４１の上に位置させて、必要に応じ、中心軸７４を中心に旋回させることができる。なお、点７４０は、前記軌跡円７４１の中心点である。
【００４４】
上述の実施例装置の使用手順はつぎの通りである。
ターゲット５、基板６、及び磁石７の組み立てセットを、ハウジング１内に冶具１１により取り付け、磁石７と軸７０１を接続する。
図示しない気圧調整装置１１により電子銃内の電離気体を所定の低気圧に保つ。
次に、ソレノイド４を作動して電子銃内に磁界を作り、続いてプラズマ発生回路の素子ＳＣＲ３０２を作動させて、電子銃内の低圧気体をプラズマ化する。プラズマ化される部分は、アノード３の環内から下の部分であり、ターゲット５にまで達する。コンデンサ３０１の放電電流がピークに達したときに、電子ビーム発生回路のスイッチ素子ＧＳ ２０２を作動させてコンデンサ２０１を放電させると、カソード２から電子ビームパルス２２がターゲット５に向けて発射され、電子雪崩現象をなしてターゲット５に到達する。
【００４５】
ターゲット５傾斜面の蒸着材５１は、電子ビームパルス照射を受けて表面からスパッタ粒子を飛び出させる。
スパッタ粒子は射出直後は放射状に飛び出すが、やがてカソード２の電界と磁力線７１の影響を受けることになる。そのうち基板６の表面付近において基板６と平行に飛行するスパッタ粒子は、磁力線７１と交差するときてローレンツの作用力を受けて基板６に堆積する
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例装置全体の構成を説明する正面図を、カソード中心軸において横に切断した断面図である。
【図２】Ａ及びＢは、図１の要部を拡大した作用説明図。
【図３】Ａ及びＢは、磁石として電磁石を用いた場合の一実施例の電磁石部分と励磁回路部分の説明図。
【図４】従来例の電子ビーム蒸着装置の姿図。
【符号の説明】
【００４７】
１ ハウジング
２ カソード
３ 環状陽極電極
４ 外部ソレノイド
５ ターゲット
５１ ターゲットの傾斜面（蒸発材）
６ 基板
６１ 遮蔽マスク
６３ 絶縁ケース
７ 磁石
７１ 磁力線
１０ 取り付け具
１１ 気圧調整装置
２１ セラミックス板
２２ 電子ビームパルス
２３、３１ 絶縁ブッシュ
１００ 制御装置
２００ 電子ビーム発生回路充電電源
３００ プラズマ発生回路充電電源
７００ 旋回手段
【技術分野】
【０００１】
この発明は、セラミックスまたは金属の基板の表面に、各種金属の薄膜を生成する技術であり、詳しくは、プラズマ電子銃によるエネルギ密度が低く、断面積の大きい電子ビームパルスを、ターゲットに照射し、表面の材料から飛散するスパッタ粒子を基板に堆積させて膜を作る技術である。
【背景技術】
【０００２】
この発明の基本となるものは、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法であって、ターゲットの加熱源を電子ビームとし原材料を蒸気化して蒸着するもので、銅製のルツボを連続して用いるものが多く実施されている。本発明の技術は、電子ビームのパルスを用いたスパッタリング現象を利用する接着力の強い蒸着であるので、電子ビームスパッタリングと称する。
【０００３】
このスパッタ粒子は、スパッタリング現象により放出される粒子であり、帯電した金属イオン、金属蒸気を含む称呼である。一般に真空室内でルツボの中の金属を加熱して金属蒸気を作り、基板に堆積させる真空蒸着法で作られる薄膜は、基板との接着力が弱いと言われ、またスパッタ現象によるスパッタ粒子を基板に衝突させるスパッタリング法では、スパッタ粒子が付着力を強める大きい運動エネルギを持つ利点と、粒状化し易いという欠点があるといわれている。
【０００４】
金属薄膜を生成する蒸着法またはスパッタリング法のうち、電子ビームを用いる方式は多種にわたり実用に供されている。本発明は、大きな断面積の電子ビームのパルスを発生することができるプラズマ電子銃を用いたスパッタリング装置に関するもので、断面積１０ｃｍ２以上、エネルギ密度１０Ｊ／ｃｍ２、パルス巾数マイクロ秒程度の電子ビームパルスが利用される。この電子ビームパルスを金属に照射すると、金属表面は瞬間的に高温となりスパッタ現象を起こし、二次電子、金属イオン、金属原子、または分子などが気化状になって飛散する。
【０００５】
このプラズマ電子銃装置は、電離気体plasmaが封入されて電子ビームの断面内密度を均一に保っているので、ＰＦＤ（Plasma Filled Diode）電子銃と呼び特徴づけることもある。また、plasma生成のグロー放電を安定に発生させるため、環状の放電電極が用いられ、電子銃外部には銃内に磁場を形成するソレノイドが設けられる。このように従来の真空電子銃による高いエネルギ密度の電子ビームではなく、プラズマ化した電離ガスの中を通過する低いエネルギ密度の電子ビームのパルスが用いられ、照射されるターゲットの表面から放出されたスパッタ粒子である金属イオンを、基板に衝突堆積させるから、付着力の強い薄膜の生成が可能である。
【０００６】
前記ＰＦＤ電子銃は、金属表面の清浄化、平滑化、鏡面化、アモルファス化の手段として用いられ、金属部品、医療用金属部品、電気部品、金型などの分野で利用されているものであるが、これらの表面処理の次の工程で、しかも同一の装置により表面被覆が行なえれば利便が大きい。基板材料の表面に異なる機能金属材料を被覆すること、たとえば軟質の銅基板上に硬質の材料を被覆したり、セラッミックス材料に金属薄膜を被覆したりして機能性を高めることなどであるが、予め前処理としてＰＦＤ電子銃により複合面を清浄化、活性化しておき、その表面にスパッタリングを施せば、付着力の強い薄膜形成が可能になる。特に基板材料がセラミックスである場合の処理法としては新規な事例に属する（例えば、非特許文献１−２、または特許文献１−２参照。）。
【０００７】
他方、前記のスパッタリング技術には、二極スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、対向ターゲットスパッタリング法、電子サイクロトロンスパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、反応性スパッタリング法など多数の方式が実用されている。
【０００８】
そして、電子ビームを用いる従来の方法の一例としては、図４のような電子ビーム蒸着法がある。
この図示のものは電子ビームスポットを、ルツボの中の蒸着材に照射し、溶解・気化した材料を基板に蒸着させるもので、付着力は弱く気化金属が飛散中に結合して粒子化され易いと言われている。
【０００９】
本発明の方式は、プラズマ電子銃を用いるもので、ターゲットの表層のみが短時間の電子ビームパルスで気化されるので、粒子化、装置の温度上昇がなく、強い付着力を持った成膜工程を実現することができる。
【００１０】
また、近年セラミックスは機能部品として重要な役割を果たしているが、セラミックス部品同士の接合や部分的な通電機能を持たせるために、セラミックス部品の一部分に金属皮膜を強固に付着させる技術が必要になっているが、皮膜生成の前段階に表面を、非化学的にまた分子レベルで清浄化しておかないと、強力な付着力で皮膜生成が出来ない。この発明のプロセスによれば同一の装置で表面改質と皮膜生成が、制御装置に予めプログラム設定しておくことにより可能となる。
【００１１】
本発明の方式は、特開２００５−２９０５１０号公報記載の発明の改良に属するものであり、プラズマ電子銃の、大きい断面積を持ち、低エネルギ密度の電子ビームパルスの特性を利用し、また、前記電子銃、ターゲット、基板および磁石の配置を適正にすることにより良質な薄膜を生成することを可能にした。（例えば、非特許文献３、または特許文献３参照。）。
【００１２】
【非特許文献１】PROSKUROVSKY、D.I.外３、Use of Low-energy, High-currentelectron beam of surface treatment of metals,;surface and Coatings Technology 96(1997)、117-122
【非特許文献２】G.E.OZUR 外３、Production and application of low-energy 、high-current election beams ;Laser and Paricle Beams(2003)、21、157-174 Cambridge University Press
【非特許文献３】編者、（社）表面技術協会、「表面技術便覧」初版第１刷、日刊工業新聞社、1998年2月27日、785‐788、
【特許文献１】特開２００３−１１１７７８号公報
【特許文献２】特開２００６−１８７７９９号公報
【特許文献３】特開２００５−２９０５１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
この発明は、大きい断面積の電子ビームパルスをもってターゲット金属の薄い表層のみを気化させ、基板上に輸送して薄膜を堆積することを課題としている。特にセラミックスの機構部品の表面を金属の薄膜によって強固に被覆することを目的としている。
【００１４】
この発明は、大きい断面積をもった低エネルギ密度の電子ビームを発射できるプラズマ電子銃を用いてスパッタリングを行うものである。プラズマ電子銃が発する電子ビームパルスをターゲットに照射すると、表面が短時間に蒸発して多量の金属イオンが発生する。これが基板に堆積すると、薄膜が強固にセラミックスや金属の基板上に密着生成される。
【００１５】
金属のターゲットにプラズマ電子銃からの電子ビームパルスが照射されると、照射エネルギの大部分はターゲット内部に吸収されるが、ターゲットから二次電子、電荷をもつ金属イオン、中性の金属原子、または分子などが外部に放出される。金属イオンのスパッタ粒子は、電界効果によりカソードの方向に引き付けられるが、近くにある基板に沿って磁力線があると、ローレンツの力の作用により金属イオンの一部は、運動エネルギを失うことなく基板に引き付けられ基板表面に堆積する。この発明は、プラズマ電子銃の特徴を利用して、ターゲットと基板と磁石の磁力線の配置を考案し目的を達成しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明で用いるプラズマ電子銃は、真空室ではなく、０．１Ｐａ以下の低圧電離ガスを充填し、プラズマ化しており、プラズマを安定に保つために反射放電（Reflected Discharge）方式という円環状のプラズマ陽極が設けられ、さらに外部にソレノイドが設けられ、電子銃内空間に磁場を作り電子ビームの収縮（pinch）を防いでいる。
【００１７】
また、この発明のプラズマ発生回路は、前記の環状陽極と電子銃ハウジングとの間にコンデンサ充放電によるグロー放電を作り、電離ガスをプラズマ化する。プラズマ保持時間は１００〜数１００μｓでその時間内に前記の電子ビーム放射が行われる。プラズマ保持時間の前後を通じ電子銃内に磁場をつくるための前記ソレノイドに励磁する電源として別のコンデンサ充放電回路が備えられている。
【００１８】
この発明の電子ビーム発射機構は、電界放射カソードとして金属または黒鉛の陰極が用いられ、ターゲットを陽極とし両極間に１０〜４０ｋＶの高圧コンデンサ放電を発生させ、数μｓ程度の電子ビームパルスを前記プラズマ中に放射し、ターゲットに達する。ターゲットは、カソードと数１０ｃｍの距離に対向させて配置され、電子ビームの照射を受けスパッタ粒子を放出し、内部に絶縁隔離して収容した基板にスパッタ粒子を供給する。
【００１９】
そして、この発明は、発生したスパッタ粒子に磁気的作用を加え、飛行方向を偏向させ、基板に向かわせて堆積させ、薄膜を生成させることを特徴としている。
【００２０】
ターゲットは一体の筒状であって、任意の肉厚と円または任意形状の内断面であり、カソードに対向する端面部には傾斜面を設けている。筒の端面を傾斜面にする目的は、電子ビームが照射されるターゲット面としてスパッタ粒子が筒の内部の基板に向かうようにするためである。傾斜面の電子ビーム軸となす角度は任意であり、照射エネルギ密度（Ｊ／ｃｍ２）は９０度で最大となり、０度（電子ビーム軸と平行）のとき最小となる。一方、筒の内部の基板に向かうスパッタ粒子の数は、０度と９０度で最小値となり、その中間域に薄膜生成が適切に行なわれる傾斜角度がある。
【００２１】
個々のスパッタ粒子の運動方向は初め乱雑自由であり、やがて、カソードの電界に引き寄せられる。プラズマ電子銃では、カソードとターゲット間の距離を長くとっているので、基板近辺に磁界を設けると電界よりも磁力線の影響を与えることができる。この発明では、具体的な手段として磁石（永久磁石もしくは電磁石）を基板面の背面に配置し、磁力線が基板表面に沿って走るようにする。前記磁力線の近くに来たスパッタ粒子を、ローレンツの力の効果により飛行方向を偏向させ基板に衝突させる。
【００２２】
図２は、金属イオンＭ＋ （・印）が、基板６の表面空間を基板６と平行に飛行しているときに、磁石７の磁力線７１と直角交差しようとして、ローレンツの力の作用を受けて、図２のＢのように基板６の表面に衝突することを説明する図である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、使用するプラズマ電子銃の特徴とする低いエネルギ密度の電子ビームパルスにより、ターゲットから放出されたスパッタ粒子が、磁力線の作用を受けて基板に堆積して薄膜を形成するとき、スパッタ粒子自体が活性化されているので強い付着力を示す。
【００２４】
この発明の方式により密着力の強い薄膜を基板上に生成させられるので、セラッミクス材料を摺動部品として使用したり、セラミックスの気孔を塞いで気密室材料として用いることを可能にする。
【００２５】
また、本発明によれば、磁力線の及ぶ範囲を広げるために磁力線を旋回させる手段を設けたので、広い範囲の薄膜が形成できることになり、機械・電気部品などの機能部品への適用が可能になり、環境問題に適応したプロセスとして化学メッキに代替することを可能にする。さらに、セラミックス材料の表面に金属被覆を施して放電加工を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
この発明の方式は、スパッタリング方式による薄膜生成に属するものであり、その目的は機能性部品の比較的に大きな面積に薄膜を生成することである。従って対象とする基板は必ずしも一平面に限られないが、説明のために以下には平面基板６について記述する。
【００２７】
図１及び図２のＡ、Ｂにおいて、基板６の基板面はカソード２に対向し、基板６の背面に磁石７が置かれ、基板面に沿った磁力線７１をつくる。カソード２から発射される電子ビームパルス２２は、環状陽極３を通過してターゲット５の傾斜面５１に射突する。ターゲット傾斜面５１から発する金属イオンＭ＋ （・）は、基板上面において前記磁力線７１によりローレンツの力を受けて基板に向かうものがあり、基板６に堆積する。
【００２８】
一回の電子ビームパルスの照射で生成される薄膜の範囲は、ローレンツの力が基板に向かうものばかりではないため基板６の一部分に限られる。磁石７として永久磁石を使う場合には、前記永久磁石と基板６との相対位置を変えるように永久磁石のみを旋回させる手段７００を設け、堆積位置を変えることにより広い面積に均一な薄膜が得られる。電磁石を使う場合には、コイルの励磁極性を反転させることにより磁力線を旋回させることが出来る。この旋回は数回の照射ごとに行う。また、基板の面積が充分に大きいときは、永久磁石を複数にすることにより一回の着膜部分の面積を増やすことができる。
【００２９】
プラズマ電子銃の発射する電子ビームパルスは、大きい断面積であるから、ターゲットの傾斜面５１ばかりでなく、内部に収容した基板面にも照射することになる。基板６は絶縁隔離されているから、電子が基板の内部にまで侵入することはないが、基板の表層に射突するエネルギによる表面改質作用が避けられない。表面改質は、薄膜の堆積とは反対の作用であるので、基板と同形、さらには薄膜形成よりも小形の遮蔽マスク６１を前記傾斜面の上方に設け、電子ビームが基板面に直射することを防ぐ。
【００３０】
また、プラズマ電子銃を用いることによる特徴は、ターゲットからスパッタ粒子を発射させるばかりではなく、スパッタリングの前処理として、予め基板面に照射することによって基板表面を清浄化し活性化する作用があることから、これを制御装置１００にプログラム設定して実行させることができる。とくに、セラミックス材の表面にスパッタリングを行なうときは、表面の気孔が清浄されスパッタ粒子が侵入して付着力を強化する効果がある。
【００３１】
そこで、この発明は基板にスパッタリングによりターゲットの金属の薄膜を堆積する装置を提供するもので、図１はそのための主要な要素と構造の説明図である。
【００３２】
図において、低圧の電離気体を収容するハウジング１内に環状のプラズマ陽極３とカソード２を備え、プラズマを維持する磁界を作るソレノイド４を有し、ソレノイド４とプラズマ陽極３とカソード２を順次駆動させる電源及び制御装置１００を備えるプラズマら電子銃であって、ターゲット５がカソード２に対向して置かれている。
【００３３】
筒状であり、カソードに対向する開口端に傾斜面蒸着材５１を設けたターゲット５と、その内部に配置された電気的に浮いた基板６と、電子ビーム遮蔽マスク６１及び基板６の背面に設けられる磁石７がセットをなしている。
【００３４】
基板６の背面に配置される磁石７は、磁力線７１を基板６の表面に並行して作る永久磁石または電磁石であり、基板６の表面上で磁力線７１が旋回移動する手段７００を備えている。
【００３５】
前記図１は、基本的な構成の装置実施例のカソード軸中心断面図である。プラズマ電子銃は、ハウジング１、カソ−ド２、プラズマ環状電極３、外部ソレノイド４、及びターゲット５をもって構成される。基板６は、ターゲット５の内部に収容され、カソード２に対面し背面に磁石７が配置され、旋回手段７００の旋回軸７０１により基板６に対して相対旋回自由である。
【００３６】
プラズマ回路は、詳細は図示しない充電電源３００により充電されるコンデンサ３０１と、放電制御素子ＳＣＲ３０２よりなり、詳細は図示しない制御装置１００により制御され、環状電極３とハウジング１との空間にグロー放電を発生させ、ハウジング１の内部において気体給排準備装置１１により充填された低圧の電離気体（Ａｒ）をプラズマ化する。
【００３７】
電子ビーム発生回路は、詳細は図示しない充電回路２００により充電されるコンデンサ２０１と、放電制御スイッチ素子ＧＳ２０２よりなり、制御装置１００によりカソード２とターゲット５の間に高電圧パルスを印加して電子ビームパルスを照射する。
【００３８】
カソード２は、電子ビーム発射面が束状のＴｉ線であり、中心部にはセラミックス板２１が埋め込まれているので、照射電子ビームはリング状となり、遮蔽マスク６１と併せて基板６に対する直射を防止している。絶縁ブッシュ２３はハウジング１からの絶縁をはかる。遮蔽マスク６１は、ターゲット５の上方空間に基板６を覆うようにして細いステム６２により支えられる。
【００３９】
基板６は、箱状の絶縁ケース６３に収められ、ターゲット５の開口部に取り付けられ、背面の空間に配置された磁石７の磁力線７１が基板６の表面に沿うように通る。磁石７が永久磁石である場合には、ターゲット５及び基板と分離して置かれ、気密軸受け７０２に支承される旋回軸７０１により自由に旋回できる構造である。モータ７０３は歯車セット７０４，７０５を介して旋回軸７０１を旋回させる。
【００４０】
磁石７に電磁石を用いるときは、後述する図３のように複数の電磁石を用い、励磁するコイルを切り替え、また励磁極性を反転するなどにより磁力線の方向を変えるようにする。
【００４１】
ターゲット５は、充分な肉厚の筒状であり、筒内に基板６を収容する空間形状を持ち、開口端部は電子ビームを受ける擂り鉢状の傾斜面とし、蒸着材５１が貼り付けられている。ターゲット５は取り付け具１０に固定され、カソード回路の陽極電位（接地）にされる。
【００４２】
前述図３のＡ、Ｂは、電磁石部分Ａと励磁回路部分Ｂの一実施例を示しており、Ｕ字形のヨーク７２と７３とに夫々励磁コイル７２１と７３１とが設けられ、磁力線７２２と７３３による磁場が造られる。夫々の励磁電源７５は、コンデンサ７６を充電させる電源７７と抵抗７８及び開閉スイッチ７５ａと放電スイッチ素子７９で構成され、切換器８０により励磁極性が変換できるように構成されている。
【００４３】
前記Ｕ字形のヨーク７２と７３の開放端は、軌跡円７４１の上に位置させて、必要に応じ、中心軸７４を中心に旋回させることができる。なお、点７４０は、前記軌跡円７４１の中心点である。
【００４４】
上述の実施例装置の使用手順はつぎの通りである。
ターゲット５、基板６、及び磁石７の組み立てセットを、ハウジング１内に冶具１１により取り付け、磁石７と軸７０１を接続する。
図示しない気圧調整装置１１により電子銃内の電離気体を所定の低気圧に保つ。
次に、ソレノイド４を作動して電子銃内に磁界を作り、続いてプラズマ発生回路の素子ＳＣＲ３０２を作動させて、電子銃内の低圧気体をプラズマ化する。プラズマ化される部分は、アノード３の環内から下の部分であり、ターゲット５にまで達する。コンデンサ３０１の放電電流がピークに達したときに、電子ビーム発生回路のスイッチ素子ＧＳ ２０２を作動させてコンデンサ２０１を放電させると、カソード２から電子ビームパルス２２がターゲット５に向けて発射され、電子雪崩現象をなしてターゲット５に到達する。
【００４５】
ターゲット５傾斜面の蒸着材５１は、電子ビームパルス照射を受けて表面からスパッタ粒子を飛び出させる。
スパッタ粒子は射出直後は放射状に飛び出すが、やがてカソード２の電界と磁力線７１の影響を受けることになる。そのうち基板６の表面付近において基板６と平行に飛行するスパッタ粒子は、磁力線７１と交差するときてローレンツの作用力を受けて基板６に堆積する
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例装置全体の構成を説明する正面図を、カソード中心軸において横に切断した断面図である。
【図２】Ａ及びＢは、図１の要部を拡大した作用説明図。
【図３】Ａ及びＢは、磁石として電磁石を用いた場合の一実施例の電磁石部分と励磁回路部分の説明図。
【図４】従来例の電子ビーム蒸着装置の姿図。
【符号の説明】
【００４７】
１ ハウジング
２ カソード
３ 環状陽極電極
４ 外部ソレノイド
５ ターゲット
５１ ターゲットの傾斜面（蒸発材）
６ 基板
６１ 遮蔽マスク
６３ 絶縁ケース
７ 磁石
７１ 磁力線
１０ 取り付け具
１１ 気圧調整装置
２１ セラミックス板
２２ 電子ビームパルス
２３、３１ 絶縁ブッシュ
１００ 制御装置
２００ 電子ビーム発生回路充電電源
３００ プラズマ発生回路充電電源
７００ 旋回手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧電離気体を収容しプラズマ化する手段とプラズマを維持するソレノイドと、高電圧パルスが印加されて大きい断面積で低エネルギ密度の電子ビームパルスを発射する円板状のカソードとを有するプラズマ電子銃を備え、筒状のターゲットの内面の斜面部を照射して筒の内部に収容した基板上に前記ターゲット金属の薄膜を生成させるスパッタリング装置において、前記基板の表面は前記ターゲットの傾斜面に囲まれ背面に磁石が備えられて表面上に磁力線を走らせる手段が設けられるとともに、前記磁力線が基板表面を旋回する手段を有することを特徴とする電子ビームスパッタリング装置。
【請求項２】
前記基板がセラミックスであって、前記筒体ターゲットの内部に該基板の取付け保持手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームスパッタリング装置。
【請求項３】
前記基板が金属であって、該金属を周囲から絶縁して取付け保持する基板取付け手段が前記筒体ターゲットの内部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームスパッタリング装置。
【請求項４】
前記円板状のカソードよりも基板の側に設けられる陽極電極と基板との間に、薄膜形成部よりも小形の電子ビーム遮蔽板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームスパッタリング装置。
【請求項５】
前記低圧電離気体をプラズマ化する手段が、コンデンサ充放電による励起電源と環状に形成された陽極電極とを備え、生成電子ビームが前記環状電極内を通過する構成であることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームスパッタリング装置。
【請求項６】
予め基板面にプラズマ電子銃により電子ビーム照射を行って前記薄膜を生成させる部分の清浄化、活性化を行い、続いて電子ビーム照射スパッタリングを行なうプロセスを実行する制御装置を備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームスパッタリング装置。
【請求項１】
低圧電離気体を収容しプラズマ化する手段とプラズマを維持するソレノイドと、高電圧パルスが印加されて大きい断面積で低エネルギ密度の電子ビームパルスを発射する円板状のカソードとを有するプラズマ電子銃を備え、筒状のターゲットの内面の斜面部を照射して筒の内部に収容した基板上に前記ターゲット金属の薄膜を生成させるスパッタリング装置において、前記基板の表面は前記ターゲットの傾斜面に囲まれ背面に磁石が備えられて表面上に磁力線を走らせる手段が設けられるとともに、前記磁力線が基板表面を旋回する手段を有することを特徴とする電子ビームスパッタリング装置。
【請求項２】
前記基板がセラミックスであって、前記筒体ターゲットの内部に該基板の取付け保持手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームスパッタリング装置。
【請求項３】
前記基板が金属であって、該金属を周囲から絶縁して取付け保持する基板取付け手段が前記筒体ターゲットの内部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームスパッタリング装置。
【請求項４】
前記円板状のカソードよりも基板の側に設けられる陽極電極と基板との間に、薄膜形成部よりも小形の電子ビーム遮蔽板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームスパッタリング装置。
【請求項５】
前記低圧電離気体をプラズマ化する手段が、コンデンサ充放電による励起電源と環状に形成された陽極電極とを備え、生成電子ビームが前記環状電極内を通過する構成であることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームスパッタリング装置。
【請求項６】
予め基板面にプラズマ電子銃により電子ビーム照射を行って前記薄膜を生成させる部分の清浄化、活性化を行い、続いて電子ビーム照射スパッタリングを行なうプロセスを実行する制御装置を備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の電子ビームスパッタリング装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−２８０５７９（Ｐ２００８−２８０５７９Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２５８０１（Ｐ２００７−１２５８０１）
【出願日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【出願人】（０００１３２７２５）株式会社ソディック (197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【出願人】（０００１３２７２５）株式会社ソディック (197)
【Ｆターム（参考）】
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