JP4985490B2 - Deposition equipment - Google Patents
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Description
本発明は、例えば自動車部品、各種機械の部品、各種工具や、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等の物品に膜形成する成膜装置、特に、アーク式イオンプレーティングによる成膜装置に関する。 The present invention relates to a film forming apparatus for forming a film on an article such as a molding die such as a mold used for molding automobile parts, various machine parts, various tools, automobile parts, machine parts, etc. The present invention relates to a film forming apparatus using plating.
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、金型等の成形用型、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。 By forming a film on the surface of the article, the properties of the article such as wear resistance, slidability with other articles, chemical stability, optical properties, etc. are improved, and the performance required for the article is further improved. It is widely used for automobile parts, various machine parts (for example, sliding parts), various tools, molding dies such as molds, and medical articles and members.
このような表面処理の方法の一つとして、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、それを引き寄せるバイアスが印加された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が知られている。 As one of such surface treatment methods, a vacuum arc discharge between the cathode and the anode causes the cathode material to evaporate and a plasma containing the ionized cathode material is generated, and the ionized cathode material is biased to attract it. There is known an arc type ion plating in which a film is formed on an article to be deposited by flying.
このようなアーク式イオンプレーティングによる膜形成は、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用いられている。 Film formation by such arc type ion plating has advantages such as good adhesion of the film to the film-formed article, high film formation speed, high film productivity, and surface treatment of tools and the like. It is used.
ところで、アーク式イオンプレーティングにおいては、カソード材料が真空アーク放電により蒸発するとき、ドロップレットと呼ばれる巨大溶融粒子が発生することがあり、このドロップレットが被成膜物品や該物品上に形成されつつある膜に付着することをできるだけ抑制することが課題となる。ドロップレットが過度に付着すると、膜の表面は粗いものとなり、膜の摺動特性や耐摩耗性などの膜性能の低下が生じるため、かかるドロップレットを低減させる試みがなされてきた。 By the way, in arc type ion plating, when the cathode material evaporates by vacuum arc discharge, giant molten particles called droplets may be generated, and these droplets are formed on the article to be deposited and the article. The problem is to suppress as much as possible the adhesion to the film being deposited. When the droplets are excessively adhered, the surface of the film becomes rough, and the film performance such as the sliding property and abrasion resistance of the film is deteriorated. Therefore, attempts have been made to reduce such droplets.
例えば、特開平11−36063号公報には、カソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線からなる磁場を形成することが記載されている。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-36063 describes that a magnetic field composed of magnetic force lines that do not converge but travel in parallel or diverge in front of the cathode material evaporation surface is described.
このような磁場の形成により次のような利点がある。
(1) 磁場形成手段により形成される磁場のもとで高密度のプラズマを形成することができ、カソード材料のイオン化率が高く、また、カソード材料によってはドロップレットが低減されるため、それだけ高品質の膜形成が可能である。
例えばカーボンカソード材料を用いダイアモンドライクカーボン(DLC)膜を形成する場合、該カーボンカソード材料のイオン化率が高く、sp3成分の多い硬質のDLC膜を得ることができる。
(2) カソード材料の蒸発面におけるアークスポットは該蒸発面に立てた法線に対し磁力線が鋭角に傾く方向に移動し易いところ、磁場形成手段はカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、アークスポットが蒸発面の中心部に集中せず、蒸発面に全体的に移動し、それだけカソード材料蒸発面の消耗が各部で均一化するため、アーク放電の持続性が向上するとともに、カソード材料を交換頻度を減らして長く使用できる( カソード材料の寿命がながくなる) 。
(3) 磁場形成手段はカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、イオン化カソード材料が磁力線に沿って広い範囲にわたり飛翔し、それだけ真空容器内の広い範囲に被成膜物品を配置して膜厚均一性良好に生産性よく膜形成できる。
The formation of such a magnetic field has the following advantages.
(1) High-density plasma can be formed under the magnetic field generated by the magnetic field forming means, the ionization rate of the cathode material is high, and depending on the cathode material, the droplets are reduced. Quality film formation is possible.
For example, when a diamond like carbon (DLC) film is formed using a carbon cathode material, a hard DLC film having a high ionization rate of the carbon cathode material and a high sp3 component can be obtained.
(2) The arc spot on the evaporation surface of the cathode material is likely to move in a direction in which the magnetic field lines are inclined at an acute angle with respect to the normal line standing on the evaporation surface, but the magnetic field forming means does not converge in front of the evaporation surface of the cathode material and proceeds in parallel. Or, since the magnetic field lines that diverge are generated, the arc spot does not concentrate at the center of the evaporation surface, but moves to the evaporation surface as a whole, and the consumption of the cathode material evaporation surface is made uniform in each part. As a result, the cathode material can be used for a long time with less replacement frequency (the lifetime of the cathode material is shortened).
(3) Since the magnetic field forming means generates magnetic lines of force that travel in parallel or diverge without converging in front of the cathode material evaporation surface, the ionized cathode material flies over a wide range along the lines of magnetic force, and thus in a wide range within the vacuum vessel. An article to be deposited can be arranged to form a film with good film thickness uniformity and good productivity.
ところで、アーク式イオンプレーティングによる被成膜物品への膜形成においては、通常、真空容器内を膜形成に先立って高真空まで排気した後に成膜処理を行う。排気が不十分な場合は、残留ガス成分が膜中に取り込まれ、高品位な皮膜が得られない。特に水分子が排気されにくいため、水分に起因する酸素や水素が膜中に取り込まれ膜品質が悪化することがある。 By the way, in the film formation on the film-formed article by arc type ion plating, the film forming process is usually performed after evacuating the inside of the vacuum vessel to a high vacuum prior to the film formation. When exhaust is insufficient, residual gas components are taken into the film, and a high-quality film cannot be obtained. In particular, since water molecules are difficult to be exhausted, oxygen and hydrogen due to moisture may be taken into the film and the film quality may deteriorate.
DLC膜の形成において、膜中に水素が取り込まれると、膜の硬度や耐熱性が低下することが知られている。
アーク式イオンプレーティングによる成膜法によりDLC膜を形成する場合、通常、カソード材料としてカーボンカソード材料を用いるので、膜中の水素濃度の低い硬質なDLC膜が得られるが、それでも、真空容器内の残留水分からの水素が膜中に取り込まれ、それだけ膜の硬度や耐熱性が低下する場合がある。
In the formation of a DLC film, it is known that when hydrogen is taken into the film, the hardness and heat resistance of the film decrease.
When a DLC film is formed by a film formation method using arc ion plating, a carbon cathode material is usually used as a cathode material, so that a hard DLC film having a low hydrogen concentration in the film can be obtained. In some cases, hydrogen from the residual moisture is taken into the film, and the hardness and heat resistance of the film decrease accordingly.
一般的に言えば、真空容器内の成膜等の目的とする処理前の残留水分を少なくする方法としては、
(1) 排気を長時間行うこと、
(2) 真空容器内を加熱し吸着水分を放出させること、
(3) 例えば−100℃以下に冷却した壁面等の冷却器に水分子を吸着させる、いわゆるコールドトラップを採用すること等が知られている。
Generally speaking, as a method of reducing the residual moisture before processing for the purpose of film formation in a vacuum vessel,
(1) Exhaust for a long time,
(2) Heating the inside of the vacuum vessel to release the adsorbed moisture,
(3) It is known to employ a so-called cold trap that adsorbs water molecules to a cooler such as a wall surface cooled to −100 ° C. or less.
ここで、長時間の排気は成膜物品の生産性を著しく低下させる。
また、DLC膜の形成を例にとると、DLC膜の硬度低下を防ぐためは、被成膜物品の温度を低く保つことが好ましいところ、真空容器内を加熱し吸着水分を放出させる方法は、被成膜物品の温度を高くしてしまうので好ましくない。低温焼き戻しの被成膜物品など、耐熱性が低い被成膜物品にもこの加熱方法は適用し難い。
Here, long-term exhaust significantly reduces the productivity of the film-formed article.
Further, taking the formation of the DLC film as an example, in order to prevent the hardness of the DLC film from being lowered, it is preferable to keep the temperature of the article to be deposited at a low temperature. This is not preferable because the temperature of the article to be deposited is increased. This heating method is difficult to apply to a film-formed article having low heat resistance, such as a film-formed article tempered at a low temperature.
一方、コールドトラップは、成膜物品の生産性を著しく低下させることなく、また、真空容器内の被成膜物品を水分放出のために加熱することなく、真空容器内の残留水分を低減することができる。
このようなことから、アーク式イオンプレーティングによる成膜においても、被成膜物品への膜形成に先立つ真空容器内の残留水分の除去にあたってはコールドトラップが好ましい、と言える。
On the other hand, the cold trap reduces the residual moisture in the vacuum container without significantly reducing the productivity of the film-forming article and without heating the film-forming article in the vacuum container to release moisture. Can do.
For this reason, it can be said that a cold trap is preferable for removing moisture remaining in the vacuum vessel prior to film formation on the film-formed article even in film formation by arc ion plating.
しかしながら、アーク式イオンプレーティングによる成膜においては、被成膜物品への膜形成における蒸発源からの輻射熱によりコールドトラップ装置の冷却器部分が温められ、そこに冷却吸着された水分が再蒸発してしまうことがある。 However, in film formation by arc-type ion plating, the cooler part of the cold trap device is warmed by the radiant heat from the evaporation source during film formation on the article to be deposited, and the moisture that has been cooled and adsorbed there is re-evaporated. May end up.
また、特開平11−36063号公報に記載されているように、カソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線からなる磁場を形成する場合には、該磁場のもとで形成される高密度プラズマが磁力線に沿ってビーム状に冷却器部分にまで達し、冷却器部分を局所的に加熱することがあり、それにより冷却器に冷却吸着された水分が再蒸発してしまうことがある。 Further, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-36063, in the case of forming a magnetic field composed of magnetic lines of force that travel parallel or diverge without converging in front of the cathode material evaporation surface, the magnetic field is formed under the magnetic field. The high-density plasma that is generated reaches the cooler part in the form of a beam along the magnetic field lines, and the cooler part may be locally heated, which causes the water that has been cooled and adsorbed to the cooler to re-evaporate. There is.
このように再蒸発した水分に起因して、形成膜中に酸素や水素が取り込まれてしまうと、やはり膜質が硬度や耐熱性等の点で悪化する。 If oxygen or hydrogen is taken into the formed film due to the re-evaporated moisture, the film quality is deteriorated in terms of hardness and heat resistance.
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る蒸発源と、該蒸発源が連通接続され、内部に被成膜物品支持装置が設けられた真空容器と、該真空容器内を排気減圧する排気装置と、該被成膜物品支持装置を介して該支持装置に支持される被成膜物品に前記イオン化されたカソード材料を引き寄せるバイアスを印加するバイアス印加電源とを含むアーク式イオンプレーティングによる成膜装置であって、真空容器内残留水分に起因する膜中への酸素及び(又は)水素の取り込みを低減してそれだけ高品質の膜を形成できる成膜装置を提供することを第1の課題とする。 Therefore, the present invention relates to an evaporation source that evaporates a cathode material by vacuum arc discharge between the cathode and the anode and generates plasma containing the ionized cathode material, and the evaporation source is connected in communication, and a film-forming article support device is provided inside. A vacuum vessel provided with a vacuum vessel, an exhaust device for exhausting and depressurizing the inside of the vacuum vessel, and drawing the ionized cathode material to the film-formed article supported by the support device via the film-formed article support device A film deposition system using arc ion plating that includes a bias application power source for applying a bias, which reduces the amount of oxygen and / or hydrogen taken into the film due to residual moisture in the vacuum vessel, and thus has high quality. It is a first object to provide a film forming apparatus capable of forming the above film.
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ーボンカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカーボンカソード材料を含むプラズマを発生させる蒸発源と、該蒸発源が連通接続され、内部に被成膜物品支持装置が設けられた真空容器と、該真空容器内を排気減圧する排気装置と、該被成膜物品支持装置を介して該支持装置に支持される被成膜物品に前記イオン化されたカーボンカソード材料を引き寄せるバイアスを印加するバイアス印加電源とを含むアーク式イオンプレーティングによる成膜装置であって、膜中水素濃度の低い硬質なダイアモンドライクカーボン(DLC)膜を形成できる成膜装置を提供することを第2の課題とする。 The present invention relates to an evaporation source that evaporates a carbon cathode material by vacuum arc discharge between a cathode and an anode and generates plasma including an ionized carbon cathode material, and the evaporation source is connected in communication, and supports an article to be deposited inside. A vacuum vessel provided with an apparatus, an exhaust device for exhausting and depressurizing the inside of the vacuum vessel, and the ionized carbon cathode material on the film-formed article supported by the support device via the film-formed article support device A film forming apparatus using an arc type ion plating including a bias applying power source for applying a bias for attracting a film, and capable of forming a hard diamond like carbon (DLC) film having a low hydrogen concentration in the film. Is a second problem.
本発明は前記第1の課題を解決するため、
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る蒸発源と、該蒸発源が連通接続され、内部に被成膜物品支持装置が設けられた真空容器と、該真空容器内を排気減圧する排気装置と、該被成膜物品支持装置を介して該支持装置に支持される被成膜物品に前記イオン化されたカソード材料を引き寄せるバイアスを印加するバイアス印加電源とを含むアーク式イオンプレーティングによる成膜装置であり、
該真空容器内の水分を冷却捕捉するための冷却器部分が該真空容器内に設置されたコールドトラップ装置と、
前記カソードのカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線からなる磁場を前記プラズマの生成領域に印加する磁場形成手段と、
前記カソード材料蒸発面上のいずれの位置からも前記コールドトラップ装置の冷却器を見通せなくするとともに前記磁場形成手段が発する磁力線に沿ってプラズマが該冷却器へ達することを遮る遮蔽部材とを備えている成膜装置を提供する。
In order to solve the first problem, the present invention provides:
A vacuum in which a cathode material is evaporated by vacuum arc discharge between the cathode and the anode and a plasma including ionized cathode material is generated, and the evaporation source is connected in communication, and a film forming article support device is provided inside A container, an exhaust device for exhausting and depressurizing the inside of the vacuum container, and a bias for applying a bias for attracting the ionized cathode material to the film-formed article supported by the support device via the film-formed article support device It is a film forming device by arc type ion plating including an applied power source,
A cold trap device in which a cooler part for cooling and capturing moisture in the vacuum vessel is installed in the vacuum vessel;
Magnetic field forming means for applying a magnetic field composed of magnetic lines of force that travel parallel or diverge without converging in front of the cathode material evaporation surface of the cathode to the plasma generation region;
A shielding member that prevents the cooler of the cold trap device from being seen from any position on the cathode material evaporation surface and blocks plasma from reaching the cooler along the magnetic field lines generated by the magnetic field forming means. A film forming apparatus is provided.
本発明に係るこの成膜装置によると、真空容器内の水分を冷却捕捉するためのコールドトラップ装置の冷却器が該真空容器内に設置されているので、膜形成物品の生産性を著しく低下させることなく、また、真空容器内の被成膜物品を水分放出のために加熱することなく、被成膜物品への膜形成に先立って真空容器内の残留水分を該冷却器に十分冷却捕捉することができ、それだけ、水分に起因する酸素及び( 又は) 水素の膜中濃度の低い膜を形成できる。 According to this film forming apparatus according to the present invention, since the cooler of the cold trap device for cooling and capturing moisture in the vacuum vessel is installed in the vacuum vessel, the productivity of the film-formed article is significantly reduced. Without any heating of the film-forming article in the vacuum container to release moisture, the remaining moisture in the vacuum container is sufficiently cooled and captured in the cooler prior to film formation on the film-forming article. Accordingly, a film having a low concentration of oxygen and / or hydrogen in the film due to moisture can be formed.
さらに注目すべきことに、前記カソード材料蒸発面上のいずれの位置からも前記コールドトラップ装置の冷却器を見通せなくするとともに前記磁場形成手段が発する磁力線に沿ってプラズマが該冷却器へ達することを遮るための遮蔽部材が設けられているので、被成膜物品への膜形成において、蒸発源からの輻射熱が冷却器に到達することや、磁場形成手段が発する磁力線に沿ってプラズマが冷却器に到達することが抑制され、かくして蒸発源からの輻射熱やプラズマによる冷却器の加熱が抑制され、ひいては冷却器に既に冷却捕捉されている水分の再蒸発が抑制され、それだけ残留水分に起因する酸素及び( 又は) 水素の膜中濃度の低い膜を形成できる。 Furthermore, it should be noted that the cooler of the cold trap device cannot be seen from any position on the cathode material evaporation surface, and that the plasma reaches the cooler along the magnetic field lines generated by the magnetic field forming means. Since the shielding member for shielding is provided, in the film formation on the film-formed article, the radiant heat from the evaporation source reaches the cooler, and the plasma is transferred to the cooler along the magnetic field lines generated by the magnetic field forming means. Thus, the radiant heat from the evaporation source and the heating of the cooler by the plasma are suppressed, and the re-evaporation of the water already trapped and captured by the cooler is suppressed. (Or) A film having a low hydrogen concentration in the film can be formed.
また、本発明に係る成膜装置によると、次の利点もある。
(1) 磁場形成手段により形成される磁場はプラズマ生成領域に印加されるため、それだけ高密度のプラズマを形成することができ、カソード材料のイオン化率が高く、またカソード材料によってはドロップレットが低減され、それだけ高品質の膜形成が可能である。
(2) 磁場形成手段はカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、アークスポットが蒸発面の中心部に集中せず、蒸発面に全体的に移動し、それだけカソード材料蒸発面の消耗が各部で均一化するため、アーク放電の持続性が向上するとともにカソード材料を交換頻度を減らして長く使用できる( カソード材料の寿命がながくなる) 。
(3) 磁場形成手段はカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、イオン化カソード材料がそれだけ広い範囲にわたり飛翔でき、それによりそれだけ真空容器内の広い範囲に被成膜物品を配置して膜厚均一性良好に生産性よく膜形成できる。
The film forming apparatus according to the present invention also has the following advantages.
(1) Since the magnetic field generated by the magnetic field forming means is applied to the plasma generation region, it is possible to form high-density plasma, the ionization rate of the cathode material is high, and the droplets are reduced depending on the cathode material. Therefore, it is possible to form a high quality film.
(2) The magnetic field forming means generates magnetic lines of force that travel in parallel or diverge without converging in front of the cathode material evaporation surface, so that the arc spot does not concentrate at the center of the evaporation surface and moves to the evaporation surface as a whole, Therefore, the consumption of the cathode material evaporation surface becomes uniform in each part, so that the sustainability of the arc discharge is improved and the cathode material can be used for a long time by reducing the replacement frequency (the life of the cathode material is shortened).
(3) The magnetic field forming means generates magnetic lines of force that travel in parallel or diverge without converging in front of the cathode material evaporation surface, so that the ionized cathode material can fly over such a wide range, thereby covering the wide range in the vacuum vessel. A film-forming article can be arranged to form a film with good film thickness uniformity and good productivity.
本発明の第1の課題を解決する成膜装置において前記カソード材料を炭素として、被成膜物品上にダイアモンドライクカーボン(DLC)膜を形成する成膜装置を提供することができ、このDLC膜を形成する成膜装置においても、コールドトラップ装置により、真空容器内の被成膜物品を水分放出のために加熱することなく、被成膜物品へのDLC膜形成に先立って真空容器内の残留水分を該コールドトラップ装置の冷却器に十分冷却捕捉することができ、それだけ、水分に起因する酸素及び(又は)水素の膜中濃度の低いDLC膜を形成できる。
さらに注目すべきことには、被成膜物品へのDLC膜形成において蒸発源からの輻射熱が冷却器に到達することや、磁場形成手段が発する磁力線に沿ってプラズマが冷却器に到達することを遮断する遮蔽部材が設けてあることで、残留水分に起因する膜中水素濃度の低い硬質なDLC膜を形成できる。
すなわち、このDLC膜を形成する成膜装置は本発明に係る第2の課題を解決する成膜装置である。
In the film forming apparatus for solving the first problem of the present invention, there can be provided a film forming apparatus for forming a diamond like carbon (DLC) film on an object to be formed using carbon as the cathode material, and this DLC film. Even in the film forming apparatus for forming the film, the cold trap apparatus does not heat the film-formed article in the vacuum container to release moisture, and the residual in the vacuum container is formed before the DLC film is formed on the film-formed article. Moisture can be sufficiently cooled and trapped in the cooler of the cold trap apparatus, and accordingly, a DLC film having a low concentration of oxygen and / or hydrogen in the film due to moisture can be formed.
Further, it should be noted that in the formation of a DLC film on the article to be deposited, the radiant heat from the evaporation source reaches the cooler, and that the plasma reaches the cooler along the magnetic field lines generated by the magnetic field forming means. By providing the shielding member for shielding, a hard DLC film having a low hydrogen concentration in the film due to residual moisture can be formed.
That is, the film forming apparatus for forming the DLC film is a film forming apparatus for solving the second problem according to the present invention.
このDLC膜を形成する成膜装置においても、
(1) 磁場形成手段により形成される磁場はプラズマ生成領域に印加されるため、それだけ高密度のプラズマを形成することができ、カーボンカソード材料のイオン化率が高く、それだけ高品質のDLC膜形成が可能である。
(2) 磁場形成手段はカーボンカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、アークスポットが蒸発面の中心部に集中せず、蒸発面に全体的に移動し、それだけカソード材料蒸発面の消耗が各部で均一化するため、アーク放電の持続性が向上するとともにカソード材料を交換頻度を減らして長く使用できる( カソード材料の寿命がながくなる) 。
(3) 磁場形成手段はカーボンカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、イオン化カソード材料がそれだけ広い範囲にわたり飛翔でき、それによりそれだけ真空容器内の広い範囲に被成膜物品を配置して膜厚均一性良好に生産性よくDLC膜を形成できる。
Also in the film forming apparatus for forming this DLC film,
(1) Since the magnetic field formed by the magnetic field forming means is applied to the plasma generation region, it is possible to form a high-density plasma, and the ionization rate of the carbon cathode material is high, so that a high-quality DLC film can be formed. Is possible.
(2) The magnetic field forming means generates magnetic lines of force that travel in parallel or diverge without converging in front of the evaporation surface of the carbon cathode material, so that the arc spot does not concentrate at the center of the evaporation surface and moves to the evaporation surface as a whole. Therefore, the consumption of the cathode material evaporation surface is made uniform in each part, so that the sustainability of the arc discharge is improved and the cathode material can be used for a long time by reducing the replacement frequency (the life of the cathode material is shortened).
(3) Since the magnetic field forming means generates magnetic lines of force that travel in parallel or diverge without converging in front of the evaporation surface of the carbon cathode material, the ionized cathode material can fly over such a wide range, and accordingly, in a wide range within the vacuum vessel. An article to be deposited can be arranged to form a DLC film with good film thickness uniformity and good productivity.
いずれにしても、前記磁場形成手段により形成される磁力線は、カソード材料蒸発面位置で該蒸発面に立てた法線となす角度が0°以上30°以下であることが好ましい。
磁力線のカソード材料蒸発面位置で該蒸発面に立てた法線となす角度が30°を超えてくると、アークスポットのカソード材料蒸発面の外周部への移動が頻繁となり、カソード材料蒸発面が全体的に均一に消耗し難くなってくるので、その角度は30°以下が好ましい。
In any case, it is preferable that the magnetic field lines formed by the magnetic field forming means have an angle of 0 ° or more and 30 ° or less with a normal line standing on the evaporation surface at the cathode material evaporation surface position.
When the angle between the magnetic material line and the normal line standing on the evaporation surface exceeds 30 °, the arc spot frequently moves to the outer peripheral portion of the cathode material evaporation surface, and the cathode material evaporation surface becomes The angle is preferably 30 ° or less because it becomes difficult to wear out uniformly as a whole.
また、前記磁場形成手段により形成される磁場の強さについては、カソード材料蒸発面での磁束密度が50ガウス以上1800ガウス以下程度が好ましい。
カソード材料蒸発面での磁束密度が50ガウスを下回ると、高密度のプラズマを形成し難くなってくる。1800ガウスを上回ってくると、アーク放電の持続性が低下し、それだけ膜形成物品の生産性が低下する。そのため、該磁束密度は50ガウス以上1800ガウス以下程度がよい。
いずれにしても、前記磁場形成手段は、永久磁石からなるものでも、電磁コイルからなるものでもよく、これらを組み合わせたものでもよい。
As for the strength of the magnetic field formed by the magnetic field forming means, the magnetic flux density on the cathode material evaporation surface is preferably about 50 gauss or more and 1800 gauss or less.
When the magnetic flux density on the cathode material evaporation surface is less than 50 gauss, it becomes difficult to form a high-density plasma. If it exceeds 1800 gauss, the sustainability of the arc discharge decreases, and the productivity of the film-formed article decreases accordingly. Therefore, the magnetic flux density is preferably about 50 gauss to 1800 gauss.
In any case, the magnetic field forming means may be a permanent magnet, an electromagnetic coil, or a combination thereof.
また、いずれにしても、前記コールドトラップ装置としては、冷却器を真空容器内で吸熱する蒸発器とする冷凍回路を提供するもの、冷却器として液体窒素が滴下されるものなど、真空容器内水分を冷却器において冷却捕捉できるものであればよい。冷凍回路の場合、冷媒としては、代替フロン溶媒、ヘリウムなどを例示できる。 In any case, the cold trap device includes a refrigeration circuit using an evaporator that absorbs heat in the vacuum vessel, a device in which liquid nitrogen is dropped as a cooler, and the like. As long as it can be cooled and captured in the cooler. In the case of a refrigeration circuit, examples of the refrigerant include alternative chlorofluorocarbon solvents and helium.
前記コールドトラップ装置のより具体例として、前記冷却器が環状冷媒流通管を含んでおり、該環状冷媒流通管を含む冷凍回路を提供するものを挙げることができる。
このようなコールドトラップ装置を採用する場合、前記遮蔽部材は、該遮蔽部材を間にして前記コールドトラップ装置の冷却器のある真空容器内領域と前記被成膜物品支持装置のある真空容器内領域との間を、該環状冷媒流通管の内側領域に臨んで連通させる開口部を有していることが望ましい。
As a more specific example of the cold trap device, the cooler includes an annular refrigerant circulation pipe, and a refrigeration circuit including the annular refrigerant circulation pipe can be provided.
When such a cold trap apparatus is employed, the shielding member has an area inside the vacuum container where the cooler of the cold trap apparatus is located and an area inside the vacuum container where the film-formed article support device is located, with the shielding member interposed therebetween. It is desirable to have an opening that communicates with the inner surface of the annular refrigerant flow pipe.
前記遮蔽部材と前記真空容器内壁との間に、該遮蔽部材を間にして前記コールドトラップ装置の冷却器のある真空容器内領域と前記被成膜物品支持装置のある真空容器内領域とを連通させる間隙が残されていてもよい。
遮蔽部材がこのような開口部を有していることで、或いはさらにこのような間隙が残されていることで、真空容器内の全体から円滑に水分を冷却器に冷却捕捉することができ、また、真空容器内の全体から円滑に前記排気装置にて排気できる。
Between the shielding member and the inner wall of the vacuum vessel, the vacuum vessel inner region having the cooler of the cold trap device and the inner region of the vacuum container having the film-formed article support device are communicated with the shielding member interposed therebetween. A gap to be left may be left.
By having such an opening in the shielding member or further leaving such a gap, moisture can be smoothly cooled and captured from the entire inside of the vacuum vessel, Further, the exhaust device can smoothly exhaust the entire vacuum chamber.
いずれにしても、コールドトラップ装置は前記冷却器に捕捉された水分を加熱蒸発させるために該冷却器を加熱する加熱手段を有していてもよい。
かかる加熱手段としては、冷却器に臨設した電気ヒータ等のヒータでもよいが、前記冷凍回路の冷却器を放熱器に切り換え使用できるヒートポンプ回路でもよい。
In any case, the cold trap device may have a heating means for heating the cooler in order to heat and evaporate the moisture trapped in the cooler.
The heating means may be a heater such as an electric heater provided on the cooler, but may be a heat pump circuit that can be used by switching the cooler of the refrigeration circuit to a radiator.
コールドトラップ装置は、冷凍回路を提供できるだけでなく、該冷凍回路の前記冷却器を放熱器に切り換え使用できるヒートポンプ回路(例えば、所謂デフロスト回路)も提供可能なヒートポンプ式空気調和回路を提供するものであってもよい。 The cold trap device not only provides a refrigeration circuit, but also provides a heat pump air conditioning circuit that can also provide a heat pump circuit (for example, a so-called defrost circuit) that can be used by switching the cooler of the refrigeration circuit to a radiator. There may be.
遮蔽部材は板状のものであってもよく、いずれにしても遮蔽部材の材質としては、減圧下で使用でき、耐熱性の高い金属、例えばステンレス鋼(例えばJIS SUS304、SUS316等のオーステナイト系ステンレス鋼、JIS SUS403、SUS410、SUS420J2等のマルテンサイト系ステンレス鋼)、熱間加工用合金工具鋼(例えばSKD61)等の耐熱鋼、ハステロイ、インコネル等の耐熱合金、モリブデン・タングステン等の高融点金属を挙げることができる。これらのなかでも、磁力線の遮断の確実性の高い磁性金属(コスト面も考慮すると例えば、ステンレス鋼SUS420J2、SUS403、SUS410、SKD61)が好ましい。
遮蔽部材は、耐熱性を高めるために二重構造のものでもよい。
The shielding member may be in the form of a plate, and in any case, the shielding member can be used under reduced pressure and is a metal having high heat resistance, such as stainless steel (for example, austenitic stainless steel such as JIS SUS304 or SUS316). Steel, martensitic stainless steels such as JIS SUS403, SUS410, and SUS420J2), heat resistant steels such as alloy tool steel for hot working (for example, SKD61), heat resistant alloys such as Hastelloy and Inconel, and high melting point metals such as molybdenum and tungsten. Can be mentioned. Among these, a magnetic metal with high certainty of blocking magnetic field lines (for example, stainless steel SUS420J2, SUS403, SUS410, SKD61) is preferable in consideration of cost.
The shielding member may have a double structure in order to improve heat resistance.
本発明に係る成膜装置は前記アーク式の蒸発源を一つ備えているだけでもよく、2以上備えていてもよい。また、アーク式蒸発源以外の蒸発源を備えていてもよい。 The film forming apparatus according to the present invention may include only one arc type evaporation source or two or more. Further, an evaporation source other than the arc evaporation source may be provided.
また、前記バイアス印加電源を出力可変のものとし、大きい出力のもとで、膜密着性の向上等の目的でイオンボンバード処理等を施すことも可能である。
成膜に先立って、又は成膜と同時或いは交互等に被成膜物品へイオン照射を行えるイオン源を備えていてもよい。
前記排気装置は、真空容器内で所望の成膜を行えるように該容器内を(例えば10-3Pa程度まで)減圧できるものであればよく、例えば、ターボ分子ポンプ、ディフュージョンポンプ、クライオンポンプ等の排気ポンプを含む装置を例示できる。
It is also possible to make the bias application power source variable and perform ion bombardment treatment or the like for the purpose of improving film adhesion under a large output.
Prior to film formation, an ion source that can perform ion irradiation on the film formation article may be provided at the same time or alternately with film formation.
The exhaust device only needs to be able to depressurize the inside of the container (for example, up to about 10 −3 Pa) so that a desired film can be formed in the vacuum container. For example, a turbo molecular pump, a diffusion pump, a claion pump, etc. Examples of the apparatus include an exhaust pump.
なお、本発明に係る成膜装置においては、成膜処理において真空容器(成膜室)内へ酸素又は水素又はそれらのうちいずれかを含むガス(例えば炭酸ガス、炭化水素ガス)を制御された微量導入可能のガス供給装置を設けること等により、形成される膜中の酸素濃度や水素濃度を微量に制御することも可能である。 In the film forming apparatus according to the present invention, oxygen or hydrogen or a gas containing either of them (for example, carbon dioxide gas or hydrocarbon gas) is controlled in the vacuum container (film forming chamber) in the film forming process. It is also possible to control the oxygen concentration and hydrogen concentration in the formed film to a very small amount by providing a gas supply device capable of introducing a small amount.
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る蒸発源と、該蒸発源が連通接続され、内部に被成膜物品支持装置が設けられた真空容器と、該真空容器内を排気減圧する排気装置と、該被成膜物品支持装置を介して該支持装置に支持される被成膜物品に前記イオン化されたカソード材料を引き寄せるバイアスを印加するバイアス印加電源とを含むアーク式イオンプレーティングによる成膜装置であって、真空容器内残留水分に起因する膜中への酸素及び(又は)水素の取り込みを低減してそれだけ高品質の膜を形成できる成膜装置を提供することができる。
As explained above, according to the present invention,
A vacuum in which a cathode material is evaporated by vacuum arc discharge between the cathode and the anode and a plasma including ionized cathode material is generated, and the evaporation source is connected in communication, and a film forming article support device is provided inside A container, an exhaust device for exhausting and depressurizing the inside of the vacuum container, and a bias for applying a bias for attracting the ionized cathode material to the film-formed article supported by the support device via the film-formed article support device An arc type ion plating film forming apparatus including an applied power source, which can reduce the uptake of oxygen and / or hydrogen into the film due to residual moisture in the vacuum vessel and form a high quality film. A film formation apparatus can be provided.
また本発明によると、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカーボンカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカーボンカソード材料を含むプラズマを発生させる蒸発源と、該蒸発源が連通接続され、内部に被成膜物品支持装置が設けられた真空容器と、該真空容器内を排気減圧する排気装置と、該被成膜物品支持装置を介して該支持装置に支持される被成膜物品に前記イオン化されたカーボンカソード材料を引き寄せるバイアスを印加するバイアス印加電源とを含むアーク式イオンプレーティングによる成膜装置であって、膜中水素濃度の低い硬質なダイアモンドライクカーボン(DLC)膜を形成できる成膜装置を提供することができる。 According to the present invention, the carbon cathode material is evaporated by vacuum arc discharge between the cathode and the anode, and the evaporation source that generates plasma containing the ionized carbon cathode material is connected to the evaporation source, and a film is formed inside. A vacuum vessel provided with an article support device, an exhaust device for exhausting and depressurizing the inside of the vacuum vessel, and the ionized carbon on the film formation article supported by the support device via the film formation article support device An arc type ion plating film forming apparatus including a bias applying power source for applying a bias for attracting a cathode material, and capable of forming a hard diamond like carbon (DLC) film having a low hydrogen concentration in the film. can do.
以下図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は本発明に係るアーク式イオンプレーティングによる成膜装置(真空アーク蒸着装置)の1例Aの概略構成を示す図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an example A of a film forming apparatus (vacuum arc deposition apparatus) using arc ion plating according to the present invention.
成膜装置Aは、左右各一つずつ、合計二つの蒸発源1、各蒸発源に対し設けられた磁場形成装置300、真空容器2、各蒸発源1と容器2とを接続するダクト3、容器2内に設置された被成膜物品Wの支持装置4及び容器内を排気減圧する排気装置7を備えている。
The film forming apparatus A includes two evaporation sources 1 on each of the left and right sides, a magnetic
真空容器2は成膜室として用いられるので、以下の説明では「容器2」は「成膜室2」という。
蒸発源1は、カソード11、トリガー電極12、アーク放電用電源13等を備えている。ダクト3の後部にはカソード装着部30が形成されており、カソード11は該装着部30に絶縁部材14を介して装着されている。
Since the
The evaporation source 1 includes a
カソード11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。このカソードに対するアノードはここでは接地された成膜室2がこれを兼ねている。なお、アノードについては、例えば図1に鎖線で示すようにダクト3内においてカソード11の端部を囲むアノードANを設ける等してもよい。
The
トリガー電極12はダクト3内においてカソード11の成膜室2内へ向けられた端面(カソード材料蒸発面)111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材料蒸発面111に対し接触離反可能である。図1においては、トリガー電極12はカソード11を貫通しているかの如く示されているが、カソード11を貫通しているのではなく、図1には現れていないカソード周囲の壁体に往復動可能に通されている。
The
アーク放電用電源13はカソード11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11とアノード間のアーク放電を誘発するためにカソード11とトリガー電極12との間にトリガー用電圧を印加できるように、カソード11等に配線接続されている。トリガー電極12はアーク電流が流れないように抵抗15を介して接地されている。
The arc discharge
ダクト3は一方では既述のように絶縁部材14を介してカソード11が装着されており、他方では絶縁部材21を介して成膜室2に接続されている。ダクト3には磁場形成用コイル31が周設されており、該コイルは出力可変電源32に接続されている。該電源からコイルへ通電することで、後述する磁場を形成できる。ここでコイル31及びこれを周設したダクト3の部分及び電源32等は磁場形成装置300を構成している。
As described above, the
成膜室2には、排気装置7が接続されており、これにより成膜室2内及びこれに連通する前記ダクト3内を所定圧に減圧維持することができる。
排気装置7は、成膜室2内で所望の成膜を行えるように成膜室内を排気減圧できるものであればよく、例えば、ターボ分子ポンプ、ディフュージョンポンプ、クライオンポンプ等の排気ポンプを含む装置を使用できる。
成膜室2には、成膜用のガス等を必要に応じて導入するガス導入部22(例えば蒸発源カソード材料がクロムで窒化クロム膜を形成するときに成膜室2内へ窒素ガスを導入する部分として、また、例えば被成膜物品を膜形成に先立ってグロー放電等で清浄化前処理等の前処理を施すためのガスの導入部として)も設けられている。
An
The
A
被成膜物品支持装置4は、それには限定されないが、図1に示す例では、室外から電動モータ40で回転駆動可能の縦軸41と、これに支持された水平回転台42と、回転台42上に立設され、連動機構43により回転台42の回転に連動して公転しつつ自転する複数本の被成膜物品支持軸44を備えたものである。縦軸41は定位置にあり、従って支持装置4は全体として縦軸41の上下方向の定位置回転中心軸線のまわりに回転でき、該支持装置4の物品支持軸44に搭載された物品Wのそれそれは、回転台42の回転により支持軸44とともに公転しつつ自転する。
Although the film-forming article support device 4 is not limited thereto, in the example shown in FIG. 1, a
回転台42の中央部にはヒータHが立設されており、このヒータにより、必要に応じ、支持軸44上の被成膜物品Wを所定の成膜温度へ加熱できる。
また、支持装置4にはバイアス印加電源P1が接続されている。この出力可変の電源P1は、支持軸44に支持される物品Wに、イオン化カソード材料を引き寄せる等のために、バイアスを印加する電源である。
A heater H is erected at the center of the
The support device 4 is connected to a bias application power source P1. The variable power source P1 is a power source that applies a bias to attract the ionized cathode material to the article W supported by the
磁場形成装置300についてさらに説明する。
装置300は、電源32からコイル31へ通電することでカソード材料蒸発面111前方のプラズマ生成領域に磁場を形成できる。その磁場は、図1及び図3に例示するように、カソード材料蒸発面111の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線mLからなり、磁力線mLは、該蒸発面111において該蒸発面に立てた法線nとなす角度αが0°以上30°以下である。そして、この磁場は、蒸発面111での磁束密度が50ガウス以上1800ガウス以下の磁場である。
なお、図1及び図3での磁力線mLは、理解を容易にするため、磁性材料等の影響の無い本来の磁力線の状態で模式的に描いてある。
The magnetic
The
The magnetic field lines mL in FIGS. 1 and 3 are schematically drawn in the state of original magnetic field lines that are not affected by the magnetic material or the like for easy understanding.
成膜装置Aは、上記のほかにも、次に説明するコールドトラップ装置5及び遮蔽部材6を備えている。
コールドトラップ装置はデフロスト機能を備えていることが望ましい。そこで、本例のコールドトラップ装置5は、成膜室2内において天井壁201に沿って配置された冷却器51を含み、該冷却器を蒸発器とする冷凍回路及び該冷却器51を放熱器として使用するヒートポンプ回路を冷媒流れ方向切り換え弁により切り換えて択一的に提供できる、空気熱源ヒートポンプ式空気調和機乃至空気熱源ヒートポンプ式空気調和回路を提供するものである。このようにして、コールドトラップ装置5はデフロスト機能を備えている。
In addition to the above, the film forming apparatus A includes a cold trap apparatus 5 and a shielding
It is desirable that the cold trap apparatus has a defrost function. Therefore, the cold trap device 5 of the present example includes a cooler 51 disposed along the
冷却器51は、冷媒を流せる板状形態のもの等であってもよいが、ここでは、冷媒流通管を、図2に示すように平面から見ると環状に巻き、且つ、図1に示すように巻き重ねたものであり、圧縮機等を含む室外部分52に配管接続されている。
The cooler 51 may have a plate-like shape or the like through which a refrigerant can flow, but here, the refrigerant circulation pipe is annularly wound when viewed from the plane as shown in FIG. 2, and as shown in FIG. The pipe is connected to an
遮蔽部材6は、図2にも示すように、中央部に、冷却器51を構成している環状冷媒流通管の内側に臨む開口部61を形成した板状部材である。ここでは、耐熱性に優れるステンレス鋼SUS304で形成されている。
As shown in FIG. 2, the shielding
遮蔽部材6はその開口部61周囲の、天井201と平行な水平板部分62及び開口部61周縁から上方へ短筒状に立ち上がる部分63を有しており、さらに、開口部61の中央で手前から奥側へ渡した縦板部分64を有している。水平板部分62の外周縁と成膜室2の側周壁202との間にはガスが流通できる隙間gが残されている。
The shielding
この遮蔽部材6は、左右それぞれの蒸発源のカソード材料蒸発面111におけるいずれの位置からも冷却器51の全体は勿論のこと、一部でさえも直線的には見通せないように配置されている。
The shielding
これを図1を参照して、左側の蒸発源1の蒸発面111について説明すると、遮断部材6は、その蒸発面111上の任意の位置と冷却器51上の任意の位置とを結ぶ全ての或いは略全ての直線(例えば蒸発面の最上端位置a1を出発点とする直線b1、蒸発面の最下端位置a2を出発点とする直線b2、b3、蒸発面の最上下端間の位置a3を出発点とする直線b4)を途中で遮断してしまうように配置されている。図1中右側の蒸発源1の蒸発面111についても、その蒸発面111上の任意の位置と冷却器51上の任意の位置とを結ぶ全ての或いは略全ての直線を途中で遮断してしまうように配置されている。
With reference to FIG. 1, the
また、遮断部材6は、左右それぞれの磁場形成装置300にて発生し、冷却器51へ向かう磁力線mLに沿って冷却器51へ到達しようとするプラズマを遮るように配置されている。さらに言えば、遮蔽部材6は、それが無いとすれば磁場形成装置300にて発せられる磁力線に沿って冷却器51へ到達する全て或いは略全てのプラズマを途中で遮断するように配置されている。
Further, the blocking
なお、遮断部材6の配置等にあたって把握すべき実際の磁力線の状態は、例えば、ガウスメータ等で実際に調べることや、市販の磁力線解析ソフト等を用いることで求めることができる。
コールドトラップ装置5の冷却器51の位置は天井201に沿った部位に限定される必要はなく、成膜に支障の無い範囲で任意の位置に、任意の形状等に設けることができる。冷却器51の位置によっては、成膜室2壁、物品支持装置4等の一部などを遮蔽部材の一部又は全部として利用することも許される。
In addition, the actual state of the magnetic field lines to be grasped when the blocking
The position of the cooler 51 of the cold trap device 5 does not have to be limited to a portion along the
以上説明したアーク式イオンプレーティングによる成膜装置(真空アーク蒸着装置)Aによると、次のようにして被成膜物品W上にカソード構成材料元素を含む薄膜を形成することができる。
まず、被成膜物品支持装置4の物品支持軸44に被成膜物品Wを搭載する。次いで排気装置7を運転して成膜室2及びダクト3内から排気し、それらを成膜圧力まで減圧する。 さらに成膜開始に先立って装置5を冷凍回路として運転し、成膜室2内の残留水分を冷却器51に冷却捕捉する。冷却器51による水分の冷却捕捉は成膜中も続行する。
According to the film deposition apparatus (vacuum arc deposition apparatus) A based on arc ion plating described above, a thin film containing a cathode constituent material element can be formed on the film-formed article W as follows.
First, the film formation article W is mounted on the
また、本例では、物品支持軸44上の被成膜物品Wには、膜密着性を良好にする等のために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P1から印加する。
成膜中、物体Wは回転台42をモータ40で回転させることで、公転させつつ自転させる。また、成膜中は、必要に応じヒータHで物品Wを所定の成膜温度に加熱維持する。
In this example, a bias voltage for attracting film-forming ions is applied from the power source P1 to the film-formed article W on the
During film formation, the object W is rotated while revolving by rotating the
成膜開始にあたっては、少なくとも一方の蒸発源1において、トリガー電極12をカソード11の蒸発面111に接触させ、引き続き引き離す。これにより電極12とカソード11間に火花が発生し、これが引き金となってアノード(成膜室2)とカソード11との間に真空アーク放電が誘発される。このアーク放電によりカソード材料が加熱され、カソード材料が蒸発し、さらにカソード11前方にイオン化カソード材料を含むプラズマが形成され始める。
At the start of film formation, the
一方、遅くともプラズマ形成開始のときには、使用している蒸発源1に対応する磁場形成装置300において、磁場形成コイル31へ電源32から通電して磁場が形成されているようにする。すなわち、電源32からコイル31へ通電することでカソード材料蒸発面111前方のプラズマ生成領域に、収束せず平行進行又は発散する磁力線であって蒸発面111において該蒸発面に立てた法線nとなす角度αが0°以上30°以下である磁力線mLからなる、蒸発面111での磁束密度が50ガウス以上1800ガウス以下の磁場を形成しておく。
On the other hand, when plasma formation starts at the latest, in the magnetic
かくして、被成膜物品Wにカソード材料の構成元素を含む膜が形成される。
この膜形成処理では、
成膜室2内の水分を冷却捕捉するためのコールドトラップ装置5の冷却器51が成膜室2内に設置されているので、膜形成物品の生産性を著しく低下させることなく、また、成膜室内の被成膜物品Wを水分放出のために加熱することなく、被成膜物品Wへの膜形成に先立って、さらには膜形成中も、成膜室内の残留水分を冷却器51に十分冷却捕捉することができ、それだけ、水分に起因する酸素及び( 又は) 水素の膜中濃度の低い膜を形成できる。
Thus, a film containing the constituent element of the cathode material is formed on the film-formed article W.
In this film formation process,
Since the cooler 51 of the cold trap device 5 for cooling and capturing the moisture in the
さらに注目すべきことに、成膜装置Aでは、カソード材料蒸発面111上のいずれの位置からもコールドトラップ装置5の冷却器51を見通せなくするとともに磁場形成装置300が発する磁力線mLに沿ってプラズマが冷却器51へ達することを遮るための遮蔽部材6が設けられているので、被成膜物品Wへの膜形成において、蒸発源1からの輻射熱(主にアークスポット位置から発せられる熱)が冷却器51に到達することや、磁場形成装置300が発する磁力線mLに沿ってプラズマが冷却器51に到達することが抑制され、かくして蒸発源1からの輻射熱やプラズマによる冷却器51の加熱が抑制され、ひいては冷却器51に既に冷却捕捉されている水分の再蒸発が抑制され、それだけ残留水分に起因する酸素及び( 又は) 水素の膜中濃度の低い膜を形成できる。
Furthermore, it should be noted that in the film forming apparatus A, the plasma can be observed along the magnetic field lines mL generated by the magnetic
成膜装置Aには次の利点もある。
(1) 磁場形成装置300により形成される磁場、すなわち、カソード材料蒸発面111の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線にして該蒸発面位置で該蒸発面に立てた法線nとなす角度αが0°以上30°以下である磁力線mLからなり、該蒸発面での磁束密度が50ガウス以上1800ガウス以下の磁場のもとで高密度のプラズマを形成することができ、カソード材料のイオン化率が高く、またカソード材料によってはドロップレットが低減され、物品Wにそれだけ高品質の膜が形成される。
(2) 磁場形成装置300はカソード材料蒸発面111の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線を発生させるので、アークスポットが蒸発面111の中心部に集中せず、蒸発面111に全体的に移動し、それだけカソード材料蒸発面111の消耗が各部で均一化するため、アーク放電の持続性が向上するとともにカソード11を交換頻度を減らして長く使用できる( カソード材料の寿命がながくなる) 。
(3) 磁場形成装置300はカソード材料蒸発面111の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線にして該蒸発面位置で該蒸発面に立てた法線となす角度が0°以上30°以下である磁力線mLを発生させるので、イオン化カソード材料が磁力線に沿って広い範囲にわたり、しかし発散しすぎない広い範囲にわたり飛翔し、それだけ成膜室2内の広い範囲に被成膜物品Wを配置して膜厚均一性良好に生産性よく膜形成できる。
The film forming apparatus A also has the following advantages.
(1) A magnetic field formed by the magnetic
(2) Since the magnetic
(3) The magnetic
膜形成後には、コールトトラップ装置5をヒートポンプ回路に切り換えて運転し、冷却器51を放熱器として動作させることで、そこに吸着された水分を十分蒸発させ、排気装置5に排気させ、次の膜形成に備える。 After the film formation, the cold trap device 5 is operated by switching to the heat pump circuit, and the cooler 51 is operated as a radiator, thereby sufficiently evaporating the water adsorbed there and exhausting it to the exhaust device 5. Preparing for film formation.
以上説明した装置Aでは蒸発源1は二つ設けられているが、一つでもよく、三つ以上であってもよい。
また、被成膜物品支持装置4は、回転台42上の物品支持軸44を2本有しているだけであるが、より多数本有していてもよい。
冷却器51及びこれに対する遮蔽部材6は天井201近くに配置されているが、それらの位置は、成膜に支障が無いのであれば、成膜室側壁、底壁等に臨む位置のような他の位置に配置することもできる。
In the apparatus A described above, two evaporation sources 1 are provided, but may be one or three or more.
In addition, the film-formed article support device 4 has only two
The cooler 51 and the shielding
蒸発源1が図1に例示するように二つ以上設けられている場合、それら蒸発源1の動作順序は形成しようとする膜種等に応じて任意に決定できる。また、各蒸発源1におけるカソード11の材料もその材料を用いた膜形成が可能であれば任意である。
When two or more evaporation sources 1 are provided as illustrated in FIG. 1, the operation order of the evaporation sources 1 can be arbitrarily determined according to the type of film to be formed. Further, the material of the
例えば、各蒸発源1におけるカソード11の材料を炭素として、被成膜物品WにDLC膜を形成することができる。
しかも、磁場形成装置300の採用により高密度のプラズマを形成することができ、カーボンカソード材料のイオン化率が高く、それだけ高品質のダイアモンドライクカーボン(DLC)膜を形成でき、また、カソード材料蒸発面の消耗が各部で均一化するため、アーク放電の持続性が向上するとともにカソード材料を交換頻度を減らして長く使用でき、さらに成膜室内の広い範囲に被成膜物品Wを配置して膜厚均一性良好に生産性よくDLC膜を形成できる。しかも、被成膜物品WへのDLC膜形成において蒸発源1からの輻射熱が冷却器51に到達することや、磁場形成装置300が発する磁力線に沿ってプラズマが冷却器51に到達することを遮断する遮蔽部材6を設けてあることで、残留水分に起因する膜中水素濃度の低い硬質なDLC膜を形成できる。
For example, a DLC film can be formed on the film-formed article W using carbon as the material of the
In addition, the adoption of the magnetic
次に、以下の実施例、比較例について説明する。
(1)図1に示す装置Aにおいて、各蒸発源1のカソード材料として炭素を採用し、コールドトラップ装置5及び熱遮蔽部材6を用いてリング状の被成膜物品WにDLC膜を形成することを5回実施し、得られた各DLC膜について膜中水素濃度を測定した実施例。
(2) 図1に示す装置Aにおいて、各蒸発源1のカソード材料として炭素を採用し、しかし、コールドトラップ装置5も熱遮蔽部材6も採用しないでリング状の被成膜物品WにDLC膜を形成することを5回実施し、得られた各DLC膜について膜中水素濃度を測定した比較例1。
(3) 図1に示す装置Aにおいて、各蒸発源1のカソード材料として炭素を採用し、コールドトラップ装置5を使用したが、熱遮蔽部材6は採用せずにリング状の被成膜物品WにDLC膜を形成することを5回実施し、得られた各DLC膜について膜中水素濃度を測定した比較例2。
Next, the following examples and comparative examples will be described.
(1) In the apparatus A shown in FIG. 1, carbon is used as the cathode material of each evaporation source 1 and a DLC film is formed on the ring-shaped film-formed article W using the cold trap device 5 and the
(2) In the apparatus A shown in FIG. 1, carbon is used as the cathode material of each evaporation source 1, but the DLC film is formed on the ring-shaped film-formed article W without using the cold trap apparatus 5 and the
(3) In the apparatus A shown in FIG. 1, carbon is used as the cathode material of each evaporation source 1 and the cold trap apparatus 5 is used, but the
実施例、比較例のいずれの膜形成においても、被成膜物品Wとして、シリコンウエハを採用した。各シリコンウエハには次のようにしてDLC膜を形成した。
先ず、実施例、比較例のいずれにおいても、膜形成に先立ったアルゴンガスによるグロー放電処理を行った。すなわち、成膜室2内の物品支持装置4の物品支持軸44にシリコンウエハを取り付け、室2内を排気装置7で5×10-3Paまで排気減圧し(但し、実施例及び比較例2ではコールドトラップ装置5を運転して成膜室2内の水分を冷却器51に冷却捕捉するとともに室2内を5×10-3Paまで排気減圧し)、次いでガス導入部23から室内へアルゴンガスを200ccm導入して室内圧力を3Paとし、その状態でバイアス電源P1からシリコンウエハに−500Vの電圧を10分間印加し、その間、シリコンウエハと成膜室壁との間にグロー放電を発生させ、シリコンウエハを前処理した。
In any film formation of the examples and comparative examples, a silicon wafer was employed as the film-formed article W. A DLC film was formed on each silicon wafer as follows.
First, in both the examples and comparative examples, glow discharge treatment with argon gas was performed prior to film formation. That is, a silicon wafer is attached to the
その後、実施例、比較例のいずれの場合も、カーボンカソード11にアーク放電を点弧し、シリコンウエハへのDLCの成膜処理を行った。この成膜処理においては、シリコンウエハの温度を略100℃とし、成膜室2内へアルゴンガスを50ccm導入し、室内圧力を1×10-1Paに調整し、電源P1からシリコンウエハに−50Vのバイアスを印加し、磁場発生装置300に、カソード材料蒸発面111において50ガウスの磁場を発生させ、その状態でカーボンカソード11にアーク放電を点弧するとともに電源13の出力の制御によりアーク電流が50アンペアとなるように調整し、シリコンウエハ上に膜厚1μmのDLC膜を形成した。
Thereafter, in any of the examples and comparative examples, arc discharge was ignited on the
実施例、比較例の各回の膜形成で得られたDLC膜の膜中水素濃度は、RBS−HFS法(Rutherford Back Scattering-Hydrogen Forward Scattering Spectroscopy ) による膜組成の測定結果から算出した。その結果を次の表に示す。 The hydrogen concentration in the film of the DLC film obtained by each film formation in Examples and Comparative Examples was calculated from the measurement result of the film composition by RBS-HFS method (Rutherford Back Scattering-Hydrogen Forward Scattering Spectroscopy). The results are shown in the following table.
コールドトラ 熱遮蔽部材6 5回のDLC 膜中水素濃度 5回の水素濃度平均値 ップ装置5
実施例 使用 使用 0.4atm%〜2.8atm% 1.2 atm %
比較例1 不採用 不採用 0.6atm%〜10.1atm % 5.3 atm %
比較例2 使用 不採用 0.6atm%〜 8.5atm % 3.5 atm %
Cold tiger
Example Use Use 0.4 atm% to 2.8 atm% 1.2 atm%
Comparative Example 1 Not adopted Not adopted 0.6atm% to 10.1 atm% 5.3 atm%
Comparative Example 2 Not used 0.6atm% to 8.5atm% 3.5 atm%
上表に示すように、実施例においては膜中水素濃度が低い値になっているが、比較例1、2では膜中水素濃度が高い膜が確認された。このように、本発明を適用した実施例によれば、膜中水素濃度が低い膜が、再現性よく得られることがわかる。 As shown in the table above, in the examples, the hydrogen concentration in the film was low, but in Comparative Examples 1 and 2, films with a high hydrogen concentration in the film were confirmed. Thus, according to the example to which the present invention is applied, it can be seen that a film having a low hydrogen concentration in the film can be obtained with good reproducibility.
比較例1では、コールドトラップ装置5を採用しなかったので成膜室2内の残留水分が多くなったため、比較例2では、熱遮蔽部材6を採用しなかったので冷却器51に一旦捕捉された(吸着された)水分が蒸発源1からの輻射熱や磁力線にそって冷却器51へ到達したプラズマにより加熱されて再蒸発し、再蒸発した水分の水素が膜中へ取り込まれたために、膜中水素濃度が高くなったと考えられる。
In Comparative Example 1, since the cold trap device 5 was not employed, the residual moisture in the
また、コールドトラップ装置5を使用した実施例1および比較例2では、当初に成膜室内圧力を排気装置5で5×10-3Paまで排気減圧するに要した時間は略30分であったが、コールドトラップ装置5を採用しなかった比較例1では、当初に成膜室内圧力を排気装置5で5×10-3Paまで排気減圧するに要した時間は80分であった。このことから、本発明に係る成膜装置は膜形成物品の生産性の点でも優れていることが分かる。 Further, in Example 1 and Comparative Example 2 using the cold trap apparatus 5, the time required for exhausting and depressurizing the film forming chamber pressure to 5 × 10 −3 Pa by the exhaust apparatus 5 was about 30 minutes. However, in Comparative Example 1 in which the cold trap apparatus 5 was not employed, the time required for exhaust pressure reduction to 5 × 10 −3 Pa by the exhaust apparatus 5 at the beginning was 80 minutes. From this, it can be seen that the film forming apparatus according to the present invention is excellent also in the productivity of the film-formed article.
なお、成膜装置Aにおいては、例えば、成膜処理において成膜室2内へ酸素又は水素又はそれらのうちいずれかを含むガス(例えば炭酸ガス、炭化水素ガス)を供給できるガス供給装置(図示省略)から所定の微量ガスを導入して、形成される膜中の酸素濃度や水素濃度を微量に制御することも可能である。
In the film forming apparatus A, for example, a gas supply apparatus (illustrated) that can supply oxygen, hydrogen, or a gas containing either of them (for example, carbon dioxide gas or hydrocarbon gas) into the
成膜に係る各種条件は以上説明したものに限定される必要はなく、減圧排気処理、グロー放電処理、成膜処理等の条件は本発明に係る成膜装置の形状、成膜対象物品の形状、材質及び用途等により適宜調整すればよい。密着性を高めるためのボンバード処理や被成膜物品と膜との間の膜密着性向上等のための中間層の形成などの工程を追加しても構わない。 The various conditions relating to the film formation need not be limited to those described above, and the conditions such as the vacuum exhaust process, the glow discharge process, and the film formation process are the shape of the film forming apparatus according to the present invention and the shape of the article to be formed It may be adjusted as appropriate depending on the material and application. Steps such as a bombard process for improving adhesion and formation of an intermediate layer for improving film adhesion between the article to be deposited and the film may be added.
本発明は、例えば自動車部品、各種機械の部品、各種工具や、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等の物品に膜形成することに利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for forming a film on an article such as a molding die such as a mold used for molding automobile parts, various machine parts, various tools, automobile parts, machine parts, and the like.
A 成膜装置
1 蒸発源
11 カソード
111 カソード材料蒸発面
n 蒸発面に立てた法線
α 磁力線mLが法線nとなす角度
12 トリガー電極
13 アーク放電用電源
14 絶縁部材
15 抵抗
2 真空容器(成膜室)
201 室2の天井
202 室2の側周壁
21 絶縁部材
23 ガス導入部
3 ダクト
30 カソード装着部
300 磁場形成装置
31 磁場形成用コイル
32 電源
mL 磁力線
4 被成膜物品支持装置
41 縦軸
42 回転台
43 連動機構
44 物品支持軸
40 電動モータ
H ヒータ
5 コールドトラップ装置
51 冷却器
52 圧縮機等の部分
6 遮蔽部材
61 開口部
62 水平板部分
63 短筒部分
64 縦板部分
7 排気装置
AN アノード
W 被成膜物品
A Deposition apparatus 1
201
Claims (8)
該真空容器内の水分を冷却捕捉するための冷却器部分が該真空容器内に設置されたコールドトラップ装置と、
前記カソードのカソード材料蒸発面の前方において収束せず平行進行又は発散する磁力線からなる磁場を前記プラズマの生成領域に印加する磁場形成手段と、
前記カソード材料蒸発面上のいずれの位置からも前記コールドトラップ装置の冷却器を見通せなくするとともに前記磁場形成手段が発する磁力線に沿ってプラズマが該冷却器へ達することを遮る遮蔽部材とを備えていることを特徴とする成膜装置。 A vacuum in which a cathode material is evaporated by vacuum arc discharge between the cathode and the anode and a plasma including ionized cathode material is generated, and the evaporation source is connected in communication, and a film forming article support device is provided inside A container, an exhaust device for exhausting and depressurizing the inside of the vacuum container, and a bias for applying a bias for attracting the ionized cathode material to the film-formed article supported by the support device via the film-formed article support device It is a film forming device by arc type ion plating including an applied power source,
A cold trap device in which a cooler part for cooling and capturing moisture in the vacuum vessel is installed in the vacuum vessel;
Magnetic field forming means for applying a magnetic field composed of magnetic lines of force that travel parallel or diverge without converging in front of the cathode material evaporation surface of the cathode to the plasma generation region;
A shielding member that prevents the cooler of the cold trap device from being seen from any position on the cathode material evaporation surface and blocks plasma from reaching the cooler along the magnetic field lines generated by the magnetic field forming means. A film forming apparatus characterized by comprising:
前記遮蔽部材は、該遮蔽部材を間にして前記コールドトラップ装置の冷却器のある真空容器内領域と前記被成膜物品支持装置のある真空容器内領域との間を、該環状冷媒流通管の内側領域に臨んで連通させる開口部を有している請求項1又は2記載の成膜装置。 The cooler of the cold trap device includes an annular refrigerant circulation pipe, and the cold trap device provides a refrigeration circuit including the annular refrigerant circulation pipe,
The shielding member has a space between the shielding member and a space inside the vacuum container where the cooler of the cold trap device is located and a region inside the vacuum container where the film-formed article support device is located. The film forming apparatus according to claim 1, further comprising an opening that communicates with the inner region.
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