(57)【要約】  ワークピース（４０、１２０、１４２）の表面をコーティングする装置（１０）であって、ワークピースを通る内部通路（４４、４６、４８）内に圧力勾配を形成するものであり、これにより内部通路内のコーティングが平滑さや硬度に関連する特徴などの意図する特徴を呈するものである。上記装置は協働するシステムを含んでおり、これにはプラズマ発生システム（１２）、操作可能なワークピース支持システム（３４、９０、１２２）、ワークピース内または周囲のイオン化を増加するイオン化励起システム（６６、１１６）、選択された電圧パターンをワークピースに印加するバイアスシステム（５２）および２房室システム（９６、９８）があり、２房室システムはプラズマ発生を第１の選択された圧力で起こさせかつ第２の選択された圧力で堆積を起こさせるものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個の内部通路を具えたワークピースの表面をコーティングする装置であって、コーティング材料を含んだプラズマを発生するプラズマ源と、該プラズマ源に対して離間関係で上記ワークピースを特定の配列に固定する支持体と、プラズマの制御フローを各前記内部通路内に指向させ、かつ前記ワークピースが前記支持体に固定されたときに前記ワークピースからプラズマを排出するプラズマフローシステムとを有してなるコーティング装置。
【請求項２】
前記支持体が前記ワークピースを堆積房室に配置し、前記プラズマフローシステムが圧力方式を定め、前記ワークピースの少なくとも１個の内部通路開口が前記堆積房室に開いており、前記ワークピースの少なくとも１個の他の内部通路が前記プラズマフローシステムのポンプシステムに開いており、フローが前記堆積房室から前記各内部通路を通って指向していることを特徴とする請求項１に記載のコーティング装置。
【請求項３】
前記各内部通路を通っての流速が前記支持体中の調節可能な開口の前記堆積房室からポンプシステムへの変動により堆積制御されることを特徴とする請求項２に記載のコーティング装置。
【請求項４】
ホロー陰極技術により前記各内部通路内にプラズマを発生する手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のコーティング装置。
【請求項５】
低圧源房室と高圧堆積房室とが設けられており、前記プラズマ源が該低圧源房室内に配置されており、前記ワークピースが該高圧堆積房室内に位置するように前記支持体が配置されており、前記低圧堆積房室が真空源に連結され、該真空源が前記高圧堆積房室内より低い圧力を維持することを特徴とする請求項１に記載のコーティング装置。
【請求項６】
前記低圧源房室と前記高圧堆積房室は結合されて陰極アークシステムを形成することを特徴とする請求項５に記載のコーティング装置。
【請求項７】
前記陰極アークシステムが物理的な蒸着（ＰＶＤ）を与え、前記プラズマフローシステムが磁気操縦領域を有しており、該領域中に磁界が形成されてイオン化プラズマを前記プラズマ源から前記ワークピースへと指向させることを特徴とする請求項６に記載のコーティング装置。
【請求項８】
前記プラズマフローシステムが前記低圧源房室の第１の排出口と前記高圧源房室の第２の排出口とを具えた真空制御装置を有しており、（ａ）前記磁気操縦領域が第１のフロー方式を定め、（ｂ）前記第２の排出口が第２のフロー方式を定めるように、前記第２の排出口が前記ワークピースを通っていることを特徴とする請求項７に記載のコーティング装置。
【請求項９】
高圧源房室から低圧堆積領域への仲介領域が低減する横断面寸法を有していることを特徴とする請求項５に記載のコーティング装置。
【請求項１０】
前記仲介領域がプラズマのイオンを遮断するべくバイアスされていることを特徴とする請求項９に記載のコーティング装置。
【請求項１１】
前記支持体の領域においてプラズマのイオン化を増加する装置が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のコーティング装置。
【請求項１２】
前記増加する装置がマイクロウエーブ源であることを特徴とする請求項１１に記載のコーティング装置。
【請求項１３】
前記増加する装置が無線周波数（ＲＦ）源、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）源または分配ＥＣＲ源のいずれかひとつであることを特徴とする請求項１１に記載のコーティング装置。
【請求項１４】
ワークピースの各前記内部通路の表面にイオンを引き寄せるべくワークピースへのバイアス連結が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のコーティング装置。
【請求項１５】
ワークピースへのバイアス連結のバイアス強度とデューティサイクルを調節するバイアス源が設けられていることを特徴とする請求項１４に記載のコーティング装置。
【請求項１６】
支持体が複数の前記内部通路を具えたワークピースを捕捉すべく形成されており、前記内部通路が異なる横断面寸法を有しており、前記プラズマフローシステムが支持体と協働して前記プラズマが前記各内部通路内に入って、そこを通る連続フローを形成することを特徴とする請求項１に記載のコーティング装置。
【請求項１７】
前記プラズマフローシステムが前記ワークピースの前記内部通路を通る流速を定めることに関して調節可能であることを特徴とする請求項１６に記載のコーティング装置。
【請求項１８】
前記プラズマフローシステムを使って得られる前記内部通路が電子平均自由通路を形成し、該通路が少なくとも１個の前記内部通路の最小内径以下であり、バイアス源により前記ワークピースに負のバイアスが掛かると、ホロー陰極状態が発生されて、バックグラウンドガスのイオン化の発生と維持とを行うことを特徴とする請求項１に記載のコーティング装置。
【請求項１９】
前記バイアス源が調節可能なデューティサイクルと強度を有していて堆積中のコーティング品質の変化を可能とし、負のバイアスが、少なくとも１個の前記内部通路の各上流端において初期に堆積されたコーティング材料の再スパッタリングを起こすように選ばれ、上流端の下流では再堆積が行われ、再スパッタコーティング材料がフローの速度で下流に運ばれることを特徴とする請求項１８に記載のコーティング装置。
【請求項２０】
イオン化プラズマのプラズマ源と、イオン化プラズマが前記ワークピースに印加される堆積房室と、前記イオン化プラズマが前記プラズマ源から前記堆積房室へと移動した後に前記ワークピースに近い前記プラズマのイオン化を増加させ得るイオン化励起システムとを有してなることを特徴とするワークピースの内部通路コーティング装置。
【請求項２１】
前記イオン化励起システムがマイクロウエーブとＥＣＲ技術のいずれかを使用することを特徴とする請求項２０に記載のコーティング装置。
【請求項２２】
前記イオン化励起システムがホロー陰極技術を使い、前記プラズマ源が堆積房室より低圧に維持されることを特徴とする請求項２０に記載のコーティング装置。
【請求項２３】
さらにバイアスシステムが設けられていて前記ワークピースに電圧を印加し、該電圧が前記イオン化プラズマとはイオンについて逆の極性を有していることを特徴とする請求項２０に記載のコーティング装置。
【請求項２４】
前記バイアスシステムが、コーティング状態を定めるべく選ばれたデューティサイクルに基づいて前記電圧を印加するように制御されることを特徴とする請求項２３に記載のコーティング装置。
【請求項２５】
さらに第２のプラズマ源が設けられていて、前記堆積房室と供給関係にあることを特徴とする請求項２０に記載のコーティング装置。
【請求項２６】
陰極アーク技術を使ってイオン化プラズマを供給するプラズマ発生システムと、プラズマフローについて前記プラズマ発生システムの下流側の堆積房室と、該堆積房室内に位置して、前記プラズマフローが必ずかつ連続的に前記ワークピース内の全ての複数の内部通路を通るようにワークピースを位置させるワークピース支持システムとを有してなり、前記内部通路が物理的蒸着（ＰＶＤ）によりコーティングされることを特徴とするコーティング装置。
【請求項２７】
さらにイオン化励起システムが設けられており、前記ワークピースの前記内部通路内のイオン化を増加させることを特徴とする請求項２６に記載のコーティング装置。
【請求項２８】
さらに調節可能なフロー制御システムが設けられており、前記ワークピースの前記内部通路を通るプラズマ流速を設定することを特徴とする請求項２７に記載のコーティング装置。
【請求項２９】
さらにバイアスシステムが設けられており、前記ワークピースにバイアスパターンを印加することを特徴とする請求項２８に記載のコーティング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は堆積システム、より詳しくはワークピースの内部通路をコーティングする装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特定の産業において使われるシステム要素の設計と製造に際して、重要な事項は表面の平滑性、硬度、コストおよび製造技術の周辺効果である。一例を挙げると、半導体製造産業では超高度純粋ガス配送システムがあり、それらの要素がシステム要素の製造のために技術の選択が考慮される。
【０００３】
そのようなシステム要素はマスフロー制御器、弁、圧力調節器、純化器、フィルターおよび配管などである。半導体産業においては、無汚染環境を達成維持するためにガス配送システムにおける腐食抵抗が重要である。平滑性は乱流を制御しかつ含湿状態の最小化のために重要な役割を果たす。ガス配送システムに使用される要素の製造に使われる材料の清浄性、平滑性および硬度については詳細、厳正な仕様があり、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｔｏｒ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（ＳＥＭＩ）などの組織により特定されている。他にも関心の重要な産業としては医薬・宇宙空間分野がある。
【０００４】
多くのガス配送要素は３００のビッカース硬度に適合しなければならない。これは金属表面が相互に接触したときに傷が発生しないことを確実にする標準的な意図である。粒子を発生する元になるので傷は問題である。他の要求を満足するので選ばれた材料はこの標準に合わないこともあり、したがって、硬度を増加すべく設計された苦心した製造後技術に掛けられる。
【０００５】
例えば鉄、クロム、ニッケルおよび他のトレース材料からなるオーステナイト合金である３１６Ｌステンレススチールは、要素が研磨されるまでは、３００ビッカース硬度要求には本来合わない。残念なことに、研磨は時間が掛り、要素の製造バッチの歩留りに顕著に影響する。
【０００６】
集合的に懸念に対処するひとつの試みでは、ある種の性質について基材を選択して、要素の成形後基材をコーティングする。一般にコーティング材料は金属または金属含有化合物（セラミックなど）である。コーティング技術としては化学的蒸着（ＣＶＤ）、物理的蒸着（ＰＶＤ）、プラズマスプレー、電気メッキおよびゾルゲルがある。
【０００７】
ＣＶＤについては、コーティング材料を含んだガス状の種が真空房室に導入される。これによりガスが房室内で分解されると、コーティング材料が要素（つまりワークピース）上に堆積される。
【０００８】
これに比べて、ＰＶＤはガス相中での薄いフィルムの堆積プロセスであり、コーティング材料が化学反応なしに真空中で物理的に移転される。つまり、コーティング材料の化学的組成にはなんらの変化もない。ＰＶＤは加熱、イオンビーム、陰極アークまたは電子ビームを使ってコーティング材料の対象を真空中で蒸発させる。陰極アークプロセスは磁界を採用して、対象の領域に高電流密度を有したアークを集中させる。アークを操作する磁界を使うことにより、対象のより大きな部分が交換が必要となる前に使用できる。
【０００９】
金属または、チタン、窒化チタン、クロムおよび窒化クロムなどの金属を含んだフィルムを堆積する際に、ＣＶＤプロセスに比べて、ＰＶＤプロセスは安全性と環境状態を改善する。ＰＶＤは一般に１〜１０ｍＴｏｒｒの範囲で作用する。これは陰極付近のプラズマ電子を磁気で閉じ込めること（所謂スパッタリングマグネトロン）により達成されるものであって、低圧でプラズマを高める。スパタリングの非マグネトロン形態（例えばダイオードスパッタリング）は高圧で作用でき、１Ｔｏｒｒまで作用できる。
【００１０】
これに比較してＣＶＤ圧力は５０ｍＴｏｒｒ〜大気圧の範囲にあり、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）は一般に１００ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒである。しかし他の圧力理由からＬＰＣＶＤが推奨される。平均自由通路とガスフローの方向性を低減する目的でＰＶＤプロセスよりもＬＰＣＶＤが選択される。コーティングされるワークピースが形状複雑な場合への応用においてはこれは重要である。
【００１１】
弁や圧力調節器や管路など内部通路を含んだワークピースの場合にはワークピースのコーティングは特に問題的である。ワークピースの形状の複雑性が増すにつれて、環境と人間の安全性に基づいてコーティングプロセスを選択する可能性が低減する。アメリカ特許第５，０２６，４６６号（Ｗｅｓｅｎｍｅｙｅｒ他）に開示された溶液は内部通路をコーティングする限られた数の応用において使用できる。
（ここが抜けているようである）
【特許文献１】アメリカ特許第５，０２６，４６６号
【００１２】
前記特許においては、陰極（つまりコーティング材料からなる対象）はワークピースの房室内に配置されている。例えばワークピースが管である場合には、陰極は管を通る内部通路内に配置されている。作用時には、陰極表面からの材料は蒸発されてワークピースの内部表面上に堆積される。選択的にワークピースは陽極として連結される。つまり、負の電圧がワークピースに印加されて、ワークピース内に配置された陰極からの材料の蒸発を誘発する状態を与える。
【００１３】
前記特許とアメリカ特許第５，４３５，９００号および６，６６３，７５５号（Ｇｏｒｏｋｈｏｖｓｋｙ）に開示されたコーティング装置は種々の応用においてよく実行し、コーティング均一性などの実行ファクターは、ワークピースが形状複雑な場合には、顕著に影響される。
【特許文献２】アメリカ特許第５，４３５，９００号
【特許文献３】アメリカ特許第６，６６３，７５５号
【００１４】
少なくとも１個の内部通路を有したワークピースの表面をコーティングする装置はプラズマ源と支持体とプラズマフローシステムとを有しており、プラズマ源はコーティング材料を含んだプラズマを発生し、支持体はプラズマ源に対して離間する位置関係の空間内にワークピースを特定な配置で固定し、プラズマフローシステムは固定されたワークピースの各内部通路を通って制御されたプラズマフローを指向させる。
【００１５】
該装置は、プラズマ発生システム、ワークピース支持システム、プラズマフローシステム、ワークピース内または周囲のイオン化を増大するように形成されたイオン化励起システム、選択された電圧パターンをワークピースに印加するバイアスシステムおよび第１の選択された圧力でプラズマ発生を起こさせてかつ第２の選択された圧力で堆積を起こさせる２房室システム、などの種々のサブシステムの特定な組合せを含むことができる。
【００１６】
内部通路の均一コーティングのためには、分子フロー領域を回避することが重要である。つまり内部通路の内径はイオン（または原子）平均自由通路の長さより大でなければならない。内径が平均自由通路の１００倍を超える場合には、連続フローが望ましい。
【００１７】
ワークピース支持体システムはワークピースの内部通路を通るプラズマフローを与えるように形成される。ワークピース内には圧力勾配が形成される。ワークピースの各開口がプラズマの排出または取込みポートであるようにワークピースは固定される。絞り弁などのフロー制御体は、ワークピースを通っての流速と圧力勾配をバランスするように、調節される。電圧バイアスシステムは特定のデューティサイクルを有した負のパルスバイアスを印加するが、該デューティサイクルはワークピースの表面にイオン化コーティング材料を引き付ける期間にイオンが再補給されように選ばれる。バイアスの強度は、ワークピースの表面に対するイオンの到達角度を制御するように調節され、これにより高いアスペクト比の形状のコーティングが可能となる。
【００１８】
２房室システムを有した一実施例においては、装置は物理的蒸着（ＰＶＤ）を使用し、源房室は比較的低圧に保たれ、堆積房室はより高い圧力に保たれる。安全性および環境的な配慮から、ＣＶＤに比べて、ＰＶＤを金属源に用いるのが望ましい。ダイオードスパッタリングを選択することにより、２房室システムを使うことなしにＰＶＤ技術を採用できる。
【００１９】
低圧源房室に比べて高圧堆積房室は小さいサイズにできる。２個の房室はイオンを遮断しフィルムの滞留を防止する狭窄領域により結合できる。この狭窄は高圧房室から源房室への逆流を防止する助けとなる。アルゴンなどのガスを導入して圧力を増加できる。他の可能性としては、１対の低圧源房室を採用して、２つの源を高圧堆積房室に供給するのに協働させることもできる。
【００２０】
いかなるプラズマも種々のイオン対非イオン化ガス原子または分子の比率を含んでいる。イオン化は０．１〜１００％の範囲である。一般に高いイオン化はコンフォーマルコーティングになる。源房室から堆積房室への圧力増加はイオン化のロスを招く。これを解決するにはイオン化励起システムを採用してワークピース内または近辺のイオン化を増加させる。一例としてマイクロウエーブ源を使って、ワークピースの周囲に高いイオン化を与える。これに代えて、イオン化を増加するには、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、分散ＥＣＲおよび無線周波数（ＲＦ）源などのプラズマ源を採用できる。
【００２１】
増加が望まれるイオン化の対象レベルを達成するには、ワークピースの内部通路をホロー陰極として使って、内部通路それ自身内にプラズマを発生する。プラズマがワークピース外で発生される場合はいつでも、入口から出口へのイオンおよび原子フローとしてイオン化の増加がある。潜在的には、これにより内部通路の長手方向に沿ってのコーティングフィルムが非均一となり、内部通路の長さが増し、かつ内部通路直径が減少して、出口におけるコーティング厚さはゼロに近づく。内部通路（ホロー陰極を介して）の全長に亘ってのプラズマ発生を用いると、非常に長い通路でも均一なコーティングが達成される。
【発明の開示】
【発明の効果】
【００２２】
この発明によれば、最終製品が腐食抵抗や高真空完全性などのメリットを帯び基材は安価でよく（プラスチックなど）、基材に対して金属コーティングが保護バリアとして機能し、コーティングの均一性も向上する。
【実施例】
【００２３】
図１に示すのはこの発明のコーティング装置１０の一実施例であって、プラズマ発生システム、ワークピース支持システム、プラズマフローシステム、イオン化励起システムおよび２房室システムを有している。さらにワークピースバイアスシステムも含まれており、これを図２に示す。しかし他の実施例のコーティング装置は異なるシステムを含んでいる。例えば図６の実施例では、ダイオードスパッタリングを利用しているので２房室システムは含んでない。これら異なる実施例の共通の特徴はイオン化プラズマがコーティングされるワークピースの少なくとも１個の内部通路を流れる点である。
【００２４】
コーティング装置１０はプラズマ源１２を有している。他の技術（例えばＣＶＤ）も使えるが、前記の理由からＰＶＤが望ましい。陰極アーク技術は高いイオン化源プラズマ（ほぼ１００％のイオン化に近い）を提供する一方、導入される低イオン化を有したバックグラウンドガス（反応性または不活性）の量が少ない。これに代えて、多くの周知のスパッタリングアプローチのようにバックグラウンドガスはイオン化でき、かつ中性源原子を含有することができる。異なる操作パラメータの設定の選択は技術の選択に応じて変わるが、またしても共通の特徴は「流れ通る」点である。
【００２５】
プラズマ源１２には比較的低圧の圧力源房室１４が併設されている。該房室中の圧力は高真空ポンプ１６と真空ポンプ（ターボポンプ）１８を使って維持される。例えば、圧力源房室１４中の圧力は１〜１０ｍＴｏｒｒの範囲にあり、プラズマ源としてはＰＶＤ源が望ましい。これと比較して、ＣＶＤ源は５０ｍＴｏｒｒなどの顕著に高い圧力を必要とする。
【００２６】
圧力源房室１４に加えて、高圧堆積房室２０が設けられている。２個の房室間の圧力差は第２の真空ポンプ２６とブロアー３０の組合せにより維持できる。圧力制御弁２２、２４が圧力を調節する。堆積房室２０に関して受容できる圧力範囲は５０ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒである。所望の圧力が範囲の終端の１Ｔｏｒｒに近い場合には、１個の房室、図６のダイオードスパッタリングが特に適している。
【００２７】
堆積房室２０内にはワークピース支持システムが設けられており支持体３４を有している。この一実施例においては、支持システムはまた締結体３６を有しており、その有する４個の垂直突起３８はワークピースを支持体３４に固定する。これに代えて、締結体３６とその垂直突起は図１のワークピースであるとも考えられる。ワークピース支持システムの部分であるかまたはワークピースそのものであっても、この構成要素は通路を有しており、該通路は堆積房室２０とポンプ２６間の流れを可能とする。
【００２８】
図１〜３においてこの発明に重要なのは、ガスフローがワークピース中を流れることを可能とするようにワークピース４０が支持されることである。図２、３において矢印で示されるようにワークピースの少なくとも１個の内部通路が、開口が真空ポンプ２６のフローと一線をなすように配置されており、他の開口はプラズマ環境（図１、３の４２）に開いている。
【００２９】
図示のように外面は内面と同時にコーティングされる。真空ポンプ２６により維持される低圧とガス供給源６２からのバックグラウンドガスにより堆積房室２０中に維持されている高圧の結果、圧力勾配が生成される。該圧力勾配はワークピースの内部通路を通るプラズマフローを指向しており、これにより内面がコーティング可能となる。圧力制御弁２２、２４の調節と真空ポンプ１６、１８、２６の調節および／またはバックグラウンドガス流速の調節により勾配はバランスを保たれる。
【００３０】
図２、３に３個の圧力領域（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）を示す。ここでＰ３＞Ｐ２＞Ｐ１である。Ｐ１は真空ポンプ１６により発生され非常に低圧であり、該真空ポンプは機械的なポンプであり、ほぼ１０ｍＴｏｒｒ（高い真空ポンプを使えばより低い基本圧力も可能である）の基本圧力を発生する。Ｐ１とＰ３の圧力差により矢印４９で示すようにフローは内部通路４４を通って真空ポンプ２６の方に駆動される。Ｐ２とＰ３の圧力差によりフローは矢印５０で示すように内部通路４６、４８を通って真空ポンプ２６の方に駆動される。
【００３１】
この圧力勾配によりワークピース４０の開口の方への内部通路を通ってのフローの流速が制御される。また内部通路の直径も圧力勾配に影響するが、ワークピースのデザインにより選択される一定値である。異なるワークピースの寸法差を補償すべく、絞り弁２４の位置を設定してＰ１および／またはガス流速および絞り弁２２の位置はＰ３に設定するべく調節される。図１〜３のワークピース支持システムに代えて、図２、３の支持体３４はワークピースの頂上に配置できる。これにより全てのフローは圧力Ｐ３でメイン開口に入り、かつ圧力Ｐ１で他の３個の開口を通って出て行く。
【００３２】
図２にワークピース（部分）バイアスシステム５２を示す。該バイアスシステムはプラズマ内のイオンと反対の極性を有した電流を印加する。該バイアスは連続的であるが、好ましくはパルスの形で印加され、該パルスの有するデューティサイクルは調節されて、プラズマ４２、特に内部通路４４、４６、４８のプラズマ内にイオンが再補給され得る。プラズマ内のイオン化のレベルに応じて強度の上限は少なくとも部分的である。コーティング材料の装填が表面より下で行われるような応用では、−２５ｋＶ〜−１００ｋＶなどの高電圧が印加されるべきである。
【００３３】
コーティング材料の装填が表面より下で行われる一例としては鋼鉄のニドリデーション（ｎｉｄｒｉｄａｔｉｏｎ）がある。これに比較して、トップフィルムが堆積されてワークピースの内部通路が高いアスペクト比を有するような応用にあっては、低圧が使用されるべきである。プラズマシースの寸法の増加の結果、低圧強度はワークピース４０内のプラズマのロスの可能性を低減する。
【００３４】
プラズマのロスはコーティングの均一性をネガティブに衝撃する。高アスペクト比応用に関しては、低圧は入射イオンの小到達角度を結果してコーティング挙動を改善する。小内径のコーティングの応用における受容できる電圧は−５０〜−２ｋＶの範囲にある。かくして比較的高いバイアスを印加することによる増加堆積比率と最高の品質ともっとも均一なコーティングを達成することの間には妥協があることになる。
【００３５】
バイアスシステム５２からの電圧バターンのデューティサイクルと強度は再スパッタリングに影響があり、特に高アスペクト比を有した小径筒のコーティングの場合にはそうである。一般に、１〜７５％の間のデューティサイクルがそのような応用に使用されるべきである。この一般的な範囲内では、最適なデューティサイクルはバイアスの強度と房室与圧に応じて変化する。
【００３６】
図２に陽極５４と陰極５６とを示す。陰極アークについての作用と状態、スパッターマグネトロン、他のプラズマ発生器は当業界周知であるので説明を省く。
【００３７】
図１の２房室システムにあっては、プラズマ源１２から堆積房室２０への磁気操縦領域５５がある。該領域はプラズマフロー制御システムの一部と考えてもよい。固定磁気体５７が慎重に配置されるかまたは電磁手段が使用される。磁気操縦領域の利点のひとつはプラズマ源１２において発生された粒子が堆積房室２０に到達するプラズマ流れから濾過されることである。図４に示す磁気操縦領域は異なる配置である。図１、４の同じ構成要素には同じ参照番号を用いる。磁気操縦領域は２房室の実施例について記載したが、図６の１房室実施例や図５の２源実施例にも同じような領域が使用できる。
【００３８】
全体の圧力勾配を定める要因のひとつは「くびれ」（狭窄）ポート５８である。このポートは好ましくは通路バイアスシステム６０を使ってバイアスされている。該バイアスシステムは図２に示された通路バイアスシステム５２と反対の極性の電圧を提供する。ポートをバイアスしてイオンを遮断し、かつ好ましくない場所でのフィルムの構築を防止する。源房室から堆積房室へのこの狭窄は房室間のコンダクタンスを低減し、かつ堆積房室２０に注入されたガスフローと２個の房室のためのポンプ速度の調節可能な差と組み合わされて、堆積房室２０中の圧力をより高くする。
【００３９】
前記したように、ガス供給源６２は堆積房室に連結されて、調節可能なバックグラウンドガス流速を与える。図１において、第２のガス供給源６４は圧力源房室１４に連結されているが、２個の房室間の圧力を等しくはしない。導入されるガスはアルゴンなどの不活性ガスまたは反応性スパッタリングに用いるような反応性ガスでもよい。しかし、源ガスを堆積速度が好ましくないレベルに落ちるほどには希釈しないように注意すべきである。
【００４０】
２個の房室１４、２０の圧力の増加の問題はプラズマがイオン化を失い始めることである。つまり圧力が増加すると、イオン化が低減する。プラズマ浸漬イオン注入堆積（ＰＩＩＩＤ）には高いイオン化が必要である。かくして図１のコーティング装置１０にはイオン励起システム６６が含まれる。一例では、該システムがマイクロ波源であって、ワークピースの周りまたは内部のイオン化を増加させる。
【００４１】
これに代えて、ＲＦ励起またはＥＣＲまたはＤＥＣＲ源などの他のプラズマ源も使用できる。ワークピース内において増加イオン化が起きる場合には、装備は「ホロー陰極」であると考えられる。堆積房室２０内の高圧領域は短い平均自由通路の故にガスフローがより少ない方向性となる。結果として、衝突により増加する。複雑な形状のワークピースの内面をコーティングしたい場合には、前記の圧力勾配を使ってワークピースの内部通路を通るようにガスフローを指向させ得る。ワークピースの寸法に応じてこれは圧力差を生じる。
【００４２】
ワークピース４０を通るに必要とされる流速と圧力を考えると、層流を有する長い円形筒の内部部分に内部部分がほぼ等しい場合にはポアシュイレ（Ｐｏｉｓｕｉｌｌｅ）の等式を使える。
【数１】
2007538158.tif 000003
【００４３】
ここでＱはスループットまたは圧力時間容積流速であり、ｄは内部通路直径であり、Ｐは平均圧力（（Ｐ1＋Ｐ2）／２）であり、ｌは内部通路長であり、ηは速度であり、Ｐ1は堆積房室へのワークピース開口における圧力であり、Ｐ2はポンプへのワークピース開口における圧力である。
【００４４】
真空ポンプ２６への絞り弁を開くことにより圧力勾配が増加されると（Ｐ2を低減する）、Ｑは増加してワークピースの内部通路内の圧力は落ちる。
【００４５】
圧力勾配がさらに増加すると、最大値に達するまでＱは増加を続け、最大値においてガスは音速で流れる。Ｑが最大値に達すると、前記の等式は最早適用されず、この状態を「絞られた」または「臨界」フローと呼ぶ。等式においてｄは第４の力に上がり、Ｑおよび圧力勾配に顕著な影響を有する。この理由から堆積房室に調節可能な代わりのポンプ通路を提供し、代わりのより大きなｄの値を与える。
【００４６】
ワークピース内では、層流を維持して均一なコーティングを達成するのなら分子フローを回避する。典型的な低圧陰極アークまたはスパッタリングの方向性を避けるには、より高い圧力堆積（５０ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ）が使用されるべきである。層流に関しては、クヌドソン（Ｋｎｕｄｓｏｎ）数（Ｋｎ＜０．０１でレイノルズ（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ）数Ｒｎ＜１２００）が使われる。ここでＫｎ＝λ／ｄであり、λ＝イオンまたは原子の平均自由通路であり、Ｒｎ＝４ｍ／（ｋＴπη）Ｘ（Ｑ／ｄ）であり、ＱはＰａ−Ｌ／ｓ内のスループットであり、ｋ＝ボルトマンの定数であり、ηは粘度である。
【００４７】
クヌドソン数は分子フロー方式（Ｋｎ＜１）から粘性または乱流フロー方式への転移を示すものである。１ｃｍ直径の管では、λ＜１ｃｍでフローは分子フローから転移領域フローに動く。Ｎ2については、これは０．８Ｐａ（６ｍＴｏｒｒ）の圧力に相当し、λ＝０．０１ｃｍでフローは完全に粘性（もしＲｎ＜１２００ならば）となり、Ｎ2については６５Ｐａ（４８８ｍＴｏｒｒ）の圧力に相当する。
【００４８】
ワークピース支持システムは堆積房室２０内で静止状で示されているが、水平および／または垂直に移動してコーティングの均一性を促進する支持体３４を提供することも可能である。他の可能性としては、支持体が垂直軸について回転し、複雑な形状のワークピースをコーティングするのに助けとなる。
【００４９】
図５の第２の実施例においては、２個の源房室９６、９８があり、単一の堆積房室１００に供給する。２個の源房室は同じである。各源房室は陽極１０２、陰極１０４、ポンプ装置１０６および「狭窄」領域１０８を有している。
【００５０】
源房室９６、９８から堆積房室１００への通路は絞り弁１１０、１１２により制御される。図示しないが、狭窄領域１０８は好ましくはバイアスされて、コーティング材料の蓄積を防止する。圧力制御システムの他の要素は堆積房室の絞り制御ポンプ装置１１４である。
【００５１】
図５において、堆積房室１００はイオン励起システム１１６とガス源１１８とに連結されている。前記したように、イオン化励起システムは、ＥＣＲ、分散ＥＣＲまたはＲＦ技術などを利用したような、マイクロウエーブ源またはプラズマ源である。ガス源１１８はアルゴンなどの不活性ガスまたは反応性ガスを供給する。
【００５２】
堆積房室１００内にはワークピース１２０があり、ワークピース支持システム１２２により位置固定されている。該支持システムはワークピースの回転を可能とし（曲線１２４で示すように）、ワークピースの上下動を可能とする（線１２６で示す）。好ましくは、ワークピースはまた水平方向にも移動可能である。
【００５３】
作用においては、絞り弁１１０、１１２が２源房室９６、９８から単一堆積房室１００へのプラズマのフローを調節する。ガス供給１１８は房室への第３のガス入口として機能する。房室からの排出は絞り制御ポンプ装置１１４により定められる。ワークピース１２０は、圧力勾配がワークピースの内部通路または通路に形成されるように、固定される。ワークピース支持システム１２２はワークピースを垂直または水平に動かしかつ回転させる。
【００５４】
選択的に、この実施例においては磁気操縦システムが設けられており、該システムでは、ワークピース内および周囲におけるプラズマ内の磁界を連続的に変化させることにより、コーティングプロセスがラスタスキャンされる。コーティングプロセスを局部化させるこの磁界を変化させる考えはワークピースのコーティング内部通路を含まない実施例において使用される。例えば半導体基盤を取り巻くプラズマ内の磁界は操作されて、半導体基盤の表面に沿っての溝において適切にカバーするステップを確実にする。堆積房室内でワークピースを線形および／または回転的に位置変えさせる機能と組み合わせると、磁界操作は特に有効である。
【００５５】
図６に示す第３の実施例においては、ＰＶＤ方法を利用しており、ダイオードスパッタリングなどの高圧（２０ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ）で作用できる。この結果、単一の房室のみが必要であり、前記の実施例よりは簡単になっている。前記と同様に、不活性または反応性バックグラウンドガスがガスマニフォルド入口１３０を経て導入される。バックグラウンドガスの導入は、連続フローおよびフロースルー技術の有効な使用のために、堆積房室１３２を必要な圧力にする。
【００５６】
ワークピース支持体３４と絞り弁２２、２４は図１の実施例のものと機能的に同じであって、同じ参照番号を用いてある。前記支持体は絶縁材料からなり、フローがワークピースを通るような構造になっている。絞り弁２２、２４の調節とバックグラウンドガスの流速の調節とによりワークピースを通っての圧力勾配が決まる。
【００５７】
陰極１３６には負のバイアス１３４が印加されて、陽極１３８はアース電位にされる。負のバイアスは固定電位またはパルス信号である。ダイオードスパッタリングに使用される高圧の故に、３ｋＶを越得るような高いバイアス電圧がしばしば必要とされる。これはプラズマシースを加速しているイオンの平均自由通路がシースの厚さより小さくなるからであり、エネルギーの衝突とロスを結果する。増加した電圧はこのエネルギーロスを補償するが、陰極の水冷が再必要となる。陰極はチタン、クロムなどの金属または合金から構成される。
【００５８】
スパッタリング技術の当業者に周知のように、陽極１３８と陰極１３６を横切る電圧電位はバックグラウンドガスをイオン化してイオンは陰極中に加速する。この結果、金属原子は勢いよくガス流中に移転される。圧力勾配がワークピースを通ってガス流を引き込む。
【００５９】
ガス流はクロムなどのコーティング材料を含んでいる。金属イオンの反応性の故に、コーティング材料は陰極に最も近いワークピースの部分に付着しようとし、一方ポンプに最も近いワークピースの部分にはコーティングの堆積が少なくなる。
【００６０】
図６の実施例はワークピースを負にバイアスする別個のパルス化電源１４０を使って堆積のこの非均一性への傾向をなくする。バックグラウンドガスがＡｒ+だと、このＡｒ+はプラズマシースを横切って加速し、フィルム品質を改善することに加えて、ガス流中へのコーティング材料の再スパッタリングを起こさせる。
【００６１】
圧力勾配の故に、ガス流の速度はワークピースのポンプ端に指向される。この速度はコーティング材料の原子をポンプ端の方に運ぶ。筒の長さの下でこのプロセスが繰り返される。この結果、ワークピースの内部通路の全長に亙ってＡｒ+がイオン化を維持するならば、均一な堆積となる。堆積／再スパッタリングの比は、デューティサイクルと電源１４０により該部に印加される負のバイアスの強度とを制御できる。デューティサイクルと強度の調節も堆積比率を変える。
【００６２】
この発明の他の技術思想においてはホロー陰極を使ってワークピース内のイオン化を維持する。この技術では、電子の平均自由通路がワークピース内部通路の直径より小さいこと、を必要とする。この状態では、電子は電源１４０による負バイアスの印加により内部通路の壁の間で往復動する。この往復動の結果多重イオン化衝突が起きて内部通路内にプラズマを生成する。
【００６３】
種々の内径の多重内部通路を具えたワークピースをコーティングする場合、プロセス圧力は、電子平均自由通路が最少直径内部通路より僅かに小さいように調節される。全ての通路は内部発生されたプラズマを有し、全ての大きな通路がプラズマを維持する。内部ホロー陰極プラズマのために必要なλ／ｄ＝１が設定された場合には（ここでλは電子の平均自由通路であり、ｄは最少内部管形である）、直径が小さくなると圧力が増加（λを低減する）する。
【００６４】
かくして作用圧力はこの最少内部間隔内にプラズマを発生するか、またはワークピースセットがコーティングされる。これを達成するには、絞り弁２２、２４を調節しおよび／または入口１３０を通ってのガスフロー比率を調節する。
【００６５】
内部ホロー陰極の使用とフロースルー技術の使用に必要な作用圧力においては、陰極とコーティングされているワークピース１４２（および陽極１３８）との間の間隔は顕著である。スパッタされた原子の低減された平均自由通路は陰極への原子のバックスパッタリングと堆積房室１３２の壁へのロスを増加させる。これは陰極へのより近い間隔を必要とし、フロースルー圧力勾配がスパッタ原子を失う前にワークピース中に引込む。
【００６６】
実際には、狭い間隔へのこの必要と狭い間隔の結果として起きるアーシング（ａｒｃｉｎｇ）または非均一スパッタリングへの配慮との間にはバランスがある。図４の実施例は垂直方向に調節可能な台１４４を含んでおり、これにより矢印１４５で示すように間隔の調節が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】この発明のコーティング装置の一実施例の機能図である。
【図２】プラズマフローが種々の内部通路を流れる堆積房室内のワークピースの側面図である。
【図３】プラズマ内における図２のワークピースを示す図である。
【図４】この発明の絞り領域の側面図である。
【図５】単一の堆積房室に同時にプラズマを供給する２個の源房室の一実施例の側面図である。
【図６】ダイオードスパッタリングを使用するこの発明の実施例の側面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１２：  プラズマ源
１４：  圧力源房室
１６、１８、２６：  真空ポンプ
２０：  堆積房室
２２、２４：  圧力制御弁
３４：  支持体
４０：  ワークピース
４２：  プラズマ
４４、４６、４８：  内部通路
【図１】
2007538158.tif 000004
【図２】
2007538158.tif 000005
【図３】
2007538158.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2007538158.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成18年12月8日(2006.12.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個の内部通路を具えたワークピースの表面をコーティングする装置であって、コーティング材料を含んだプラズマを発生するプラズマ源と、プラズマ源に対して離間関係で特定の配列にワークピースを固定する構造の支持体と、前記プラズマ源から各内部通路へプラズマの制御されたフローを指向しかつ前記ワークピースが支持体に固定されたときにワークピースからのプラズマを排出するプラズマフローシステムと、ワークピース内においてプラズマのイオン化を増加させる構造を有したイオン化励起システムとを有しており、前記イオン化励起システムが前記ワークピースが支持体に固定されたときにワークピースに印加されるバイアス装置を有しており、イオン化励起システムがワークピース内においてホロー陰極技術を採用する構造を有していることを特徴とするコーティング装置。
【請求項２】
前記支持体がワークピースを堆積房室内に位置させ、前記プラズマフローシステムが圧力方式を定め、そのうちでワークピースに開口する少なくとも１個の内部通路が堆積房室に開口し、少なくとも相互にワークピースに開口する内部通路がプラズマフローシステムのポンプシステムに開口し、フローが各内部通路を通って指向され、フローの出入り口が内部通路開口を通っていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
各前記内部通路が支持体中の調節可能開口によって堆積房室からポンプシステムへ制御可能であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
低圧源房室と高圧堆積房室とが設けられており、前記プラズマ源が低圧源房室内に配置されており、支持体はワークピースが高圧堆積房室内にあるように配置されており、低圧堆積房室が真空源に連結されており、該真空源が高圧堆積房室内より低圧を保持することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記低圧源房室と高圧堆積房室が陰極アークシステムを形成するべく結合していることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記陰極アークシステムが物理的蒸着（ＰＶＤ）を与え、前記プラズマフローシステムが磁気操縦領域を有しており、該領域内において磁界が形成されてイオン化プラズマをプラズマ源からワークピースへ指向させることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記プラズマフローシステムがさらに真空制御装置を有しており、該装置が前記低圧源房室の第１の排出口と高圧源房室の第２の排出口を有しており、第２の排出口がワークピースを通っており、（ａ）前記磁気操縦領域が第１のフロー領域を定め、（ｂ）第２の排出口が第２のフロー領域を定めることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記高圧源房室から低圧堆積領域への仲介領域が低減する横断面寸法を有していることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項９】
前記仲介領域が前記プラズマのイオンを遮断すべくバイアスされていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
支持体の領域においてプラズマのイオン化を増加する装置が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置がマイクロウエーブ源であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記装置が無線周波数（ＲＦ）源、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）源または分布ＥＣＲ源のひとつであることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
ワークピースへのバイアス連結路が設けられていて、前記ワークピースの各内部通路の表面にイオンを引き付けることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
バイアス源が設けられていて、バイアス強度とワークピースへのバイアス連結路のデューティサイクルを調節することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記支持体が複数の内部通路を有するワークピースを捕捉すべく形成されており、該内部通路が異なる横断面寸法を有しており、前記プラズマフローシステムが支持体と協働して、前記プラズマが各内部通路に入ってそこを通る連続フローを形成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記プラズマフローシステムがワークピースの内部通路を通っての流速を定めることに関して調節可能であることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記プラズマフローシステムを使うことにより得られる内部通路内の圧力が電子平均自由流路を結果して、該平均自由流路が少なくとも１個の内部通路の最少内径以下であり、バイアス源によるワークピースへの負のバイアスの印加がホロー陰極状態を発生して、バックグラウンドガスのイオン化を発生・保持することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記バイアス源が調節可能なデューティサイクルと強度とを有していて堆積中のコーティング品質の変化を可能とし、前記負のバイアスが前記少なくとも１個の内部通路の上流端において当初のコーティング材料の再スパッタリングを起こすべく選ばれ、これにより前記上流端の下流で再堆積が行われ、再スパッタリングコーティング材料がフローの速度で下流で行われることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
ワークピースの内部通路をコーティングする装置であって、イオン化プラズマのプラズマ源と、イオン化プラズマがワークピースに印加される堆積房室と、イオン化プラズマがプラズマ源から堆積房室に移動した後でワークピースに近いプラズマのイオン化を活発に増加させるイオン化励起システムとを有してなり、前記イオン化励起システムがホロー陰極技術を使用することを特徴とするコーティング装置。
【請求項２０】
前記プラズマ源が前記堆積房室より低い圧力に保たれることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
さらにバイアスシステムが設けられていてワークピースに電圧を印加し、該電圧がイオン化プラズマ中のイオンと逆の極性を有していることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記バイアスシステムがコーティング状態を定めるべく選択されたデューティサイクルに基づいて該電圧を印加するべく制御されることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
さらに第２のプラズマ源が堆積房室と供給関係にあることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２４】
陰極アーク技術によりイオン化プラズマを供給するプラズマ発生システムと、プラズマフローについてプラズマ発生システムの下流側の堆積房室と、堆積房室内にあり、プラズマフローが必ずかつ連続的にワークピース内の全ての内部通路を通るように、ワークピースを配置するワークピース支持システムと、内部通路を通るプラズマフローのイオン化を増加するイオン化励起システムとを有してなり、イオン化励起システムの有するバイアス装置が各内部通路内においてホロー陰極技術を応用するべく構成されており、内部通路が物理的蒸着（ＰＶＤ）によりコーティングされることを特徴とするコーティング装置。
【請求項２５】
さらに調節可能なフロー制御システムが設けられていてワークピースの内部通路を通るプラズマ流速を定めることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【国際調査報告】
2007538158.tif 000010
2007538158.tif 000011