(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ばら物（１）を収容するための回転バスケット（１０）と、該回転バスケット（１０）の内部に配置されたプラズマ成膜源（２０）とを備え、回転バスケット（１０）の回転速度が、該回転バスケットの内壁にばら物（１）を固着させる遠心力を発生するのに必要な速度よりも低く、それに基づいて前記ばら物が、重力の作用下で前記回転バスケット（１０）の下部区分の空間的に小さな領域に位置している形式の、ばら物（１）の真空成膜装置において、回転バスケット（１０）の内部に、前記ばら物（１）のプラズマ式クリーニング装置（１６，２４）が配置されており、かつ該プラズマ式クリーニング装置（１６，２４）が、プラズマ成膜源（２０）の作用域とプラズマ式クリーニング装置（１６，２４）の作用域とをオーバーラップさせるように、前記回転バスケット（１０）の回転軸線（２７）を基準として前記ばら物（１）の位置の方へ向かって方位づけ可能であることを特徴とする、ばら物の真空成膜装置。
【請求項２】
クリーニングプラズマを発生する装置（１６，２４）が、ＥＣＲプラズマ（２４）を形成するように協働するマイクロ波導入装置（２２）と磁石ユニット（１６）とから成っている、請求項１記載の真空成膜装置。
【請求項３】
回転バスケット（１０）の外側にヒータ（２９）が配置されている、請求項１記載の真空成膜装置。
【請求項４】
回転バスケット（１０）に、成膜処理すべきばら物（１）を負の電位にする電圧が印加されている、請求項１記載の真空成膜装置。
【請求項５】
回転バスケット（１０）の内室へ反応ガスを導入させるガス流入口（２５）が回転バスケット（１０）の内部に位置している、請求項１記載の真空成膜装置。
【請求項６】
回転バスケット（１０）が、プラズマ成膜源（２０）及びプラズマ式クリーニング装置（１６，２４）から分離可能である、請求項１記載の真空成膜装置。
【請求項７】
回転バスケット（１０）の内部に、異種の成膜材料を析出するために構成された少なくとも２つのプラズマ成膜源（２０）が配置されている、請求項１記載の真空成膜装置。
【請求項８】
回転バスケット（１０）の内部に少なくとも２つのプラズマ成膜源（２０）が配置されており、該プラズマ成膜源が、その作用域をオーバーラップさせないように相互に離反傾斜されている、請求項１記載の真空成膜装置。
【請求項９】
ばら物（１）を金属含有又は金属炭化物含有のカーボン層で成膜するために使用される、請求項１記載の真空成膜装置。
【請求項１０】
その都度元素Ｎ，Ｓｉ，Ｏ，Ｂ，Ｓｉの１つ又は前記元素相互の化合物又は前記元素と炭素との化合物を含有する無金属質の無定形カーボン層でばら物（１）を成膜するために使用される、請求項１記載の真空成膜装置。
【請求項１１】
元素Ｃ，Ｎ，Ｓｉ，Ｏ，Ｂの１つ又は前記元素の混合物を含有する硬質材料層でばら物（１）を成膜するために使用される、請求項１記載の真空成膜装置。
【請求項１２】
０〜５０容量％の比率で炭化物、酸化物、硼化物、硫化物、珪化物又は前記化合物の混合物を添加したプラズマ重合層でばら物（１）を成膜するために使用される、請求項１記載の真空成膜装置。
【請求項１３】
成膜すべきばら物（１）を、所望の膜を被着する前にクリーニングプラズマに曝して、スパッタエッチングプロセスによって前記ばら物（１）に精密クリーニングを施すことを特徴とする、請求項１記載の真空成膜装置を運転する方法。
【請求項１４】
成膜すべきばら物（１）を、所望の膜を被着する前に、現存の障害物質を気化して除去するためにヒータ（２９）の作用によって加熱する、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
成膜すべきばら物（１）を、精密クリーニング中及び／又は成膜中の電圧の印加によって負に荷電する、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
複数のプラズマ成膜源（２０）を順次相前後して成膜のために使用する、請求項７記載の真空成膜装置を運転する方法。
【発明の詳細な説明】
背景技術
本発明は、請求項１に発明の上位概念として規定した形式のばら物の真空成膜装置に関する。前記形式の真空成膜装置は、例えばドイツ民主共和国特許第２５７５５４号明細書に基づいて公知である。当該特許明細書に基づいて公知になっているばら物成膜装置は、成膜すべきばら物を収容するための回転バスケット並びに、該回転バスケットの内部に配置されたプラズマトロンスパッタリング源から成っている。該プラズマトロンスパッタリング源は、成膜すべきばら物を、前記回転バスケットの回転運動中に絶えず前記スパッタリング源の作用範囲内に滞在させるように下向きに方位づけられている。前記回転バスケットの内壁には、回転運動中にばら物の良好な混和を保証するガイド装置が設けられている。この公知のばら物成膜装置は、平均的な付着強度をもった単層金属膜の製作を可能にする。しかし該ばら物成膜装置には、予め規定された特定の特性をもった皮膜を製作するための手段は設けられていない。例えば特に、被着された皮膜の付着強度を高めるためのプロセス工程或いは多層皮膜系の製作は開示されていない。
成膜すべきばら物を回転バスケット内で成膜源を中心として運動させるようにした、別のばら物真空成膜装置がドイツ連邦共和国特許第４２０９３８４号明細書に基づいて公知である。この場合、成膜源としては、原理的には上方へ向かって作用する電子線式蒸発器が使用される。高品質の膜を生成するために回転バスケットの内室には更にプラズマ源又はイオン源が設けられており、該プラズマ／イオン源の作用方向は、電子線式蒸発器の作用方向に対して約１２０°回動されている。成膜時に回転バスケットは高速回転させられる。それに伴って発生する遠心力によって、成膜すべきばら物は回転バスケット内壁に、維持される。こうして回転バスケット内壁に固着されたばら物は順次、電子線式蒸発器の作用域及びプラズマ／イオン源の作用域を通過させられる。回転バスケットの上部域で作用するスクレーパ装置が回転バスケット内壁からばら物を剥離し、これによって、成膜すべきばら物の姿勢を絶えず変化させる。この公知のばら物真空成膜装置によって、その課題に即して、種々異なった特性をもった膜が製作される。回転バスケットが高速回転を必要とし、これによってスクレーパによる掻取りプロセスがぞれ相応にハードに作用することと相俟って、成膜すべき部品素子が容易に損傷を受けるのは勿論のことである。それ故に特に部品素子が多数のエッジを有している場合には高い不良品発生率が当然予測されねばならない。
膜に特定の物理的特性を与えるために更に又、反応ガスを可変濃度で添加しつつ成膜プロセスを実施することはドイツ連邦共和国特許出願公開第４２３９８４３号明細書並びにドイツ連邦共和国特許出願公開第４３４３３５４号明細書に基づいて公知である。この形式の公知の成膜装置は、固定的に安定した物品の成膜に限られているのは勿論であり、ばら荷に成膜を施すことはできない。
本発明の課題は、ばら荷としての小物部品素子の全面に、広い範囲で設定可能な物理的特性をもった膜で成膜処理を施すことのできる成膜装置を提供することである。
前記課題は、請求項１の特徴部に記載した構成手段を有する装置によって解決される。本発明の装置によって、部品素子の成膜処理の経済性が著しく改善される。特にこれは、複数のプロセス工程で被着すべき膜を成膜する場合、及び多層の膜を製作する場合に当て嵌まる。本発明の装置は、ただ１基の装置でもって多数の異種の膜を製作することを可能にする。回転バスケットの低速回転速度に基づいて、成膜すべき部品素子を転動時に損傷するリスクは低くなる。高い成膜品質を得るためには、クリーニングプラズマを発生させる装置を回転バスケット内に組込むのが有利である。本来の成膜処理前に異物を除去することによって、前記クリーニングプラズマ発生装置は、被着された膜の高い付着強度を保証する。
本発明の真空成膜装置の更なる有利な構成は、請求項２以降に記載した手段から明らかである。
クリーニングプラズマとしてはＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマが使用される。該ＥＣＲプラズマを発生させるために回転バスケットの内部には、磁石ユニットとマイクロ波導入装置が設けられている。マイクロ波導入装置から発するマイクロ波は磁界内で、マイクロ波周波数に合致する旋回周波数を有する電子と協働して共鳴する。更に回転バスケットの外部で、しかも真空装置の内部にはヒータが設けられているのが有利であり、該ヒータによって、成膜すべきばら物（つまり部品素子）の異物が、成膜プロセスの開始前に、気化・除去される。また回転バスケットは、成膜処理すべきばら物を負の電位にする電圧で印加されているのが有利である。こうして正イオンの流れがばら物の方へ向かって増大され、ひいては生成された膜の品質並びにクリーニング速度及び成膜速度に所期のように影響を及ぼすことが可能になる。適当なスクリーンによって、成膜処理を施すべき部品素子の表面に対する成膜域を制限することが可能であると共に、回転バスケット内表面の不都合な成膜作用が阻止される。
特に硬質の膜を得るために、同時にＥＣＲプラズマを燃焼させつつ成膜処理を施すのが有利と判った。
次に図面に基づいて本発明の１実施例を詳説する。
図面
第１図はばら物として存在する部品素子に成膜を施すための真空成膜装置の概略図である。
第１図に示した成膜装置はコンテナ１４を有し、該コンテナの内部には、殊に有利には円錐形にテーパを成す両端面を有する円筒形ドラムの形の、左回り及び右回りに回転可能な回転バスケット１０が配置されている。該回転バスケット１０の内室には、それ自体公知の２つのプラズマ成膜源２０、磁石ユニット１６並びにマイクロ波導入装置２２が内蔵されている。前記の全ての内設エレメント１６，２０，２２は共通のホルダー上に装着されており、かつ全体として、中心に位置する回転軸線２７を中心として回動可能である。更にまた全ての内設エレメントは回転バスケット１０と一緒にコンテナ１４から取り外し可能、もしくは回転バスケット１０は前記内設エレメントから引き出し可能である。コンテナ１４はこのために一方の側面寄りに真空フランジ１１を有し、該真空フランジを通して回転バスケット１０をコンテナ１４から移動させることが可能である。回転バスケット１０はその内壁に複数のバッフル部材１９を有し、該バッフル部材は、成膜すべきばら物１を転動させるために役立つ。
回転バスケット１０は、コンテナ１４の内部に配置された回転バスケット支承装置３１上で運動し、該回転バスケット支承装置自体は支持ユニット１８を介してコンテナ１４に固定されている。回転バスケット支承装置３１は、ベースプレート１５と、該ベースプレート上に配置された複数本の支承ローラ３２とから成っており、該支承ローラが回転バスケット１０を支持している。この場合、ベースプレート１５、支承ローラ３２及び回転バスケット１０は、コンテナ１４及び支持ユニット１８に対して、並びに回転バスケット１０の内室に位置している成膜装置１６，２０，２２に対して電気的に絶縁されている。またコンテナ内室には、矢張りベースプレート１５に対して電気的に絶縁された駆動装置１３が配置されており、該駆動装置は、回転バスケット１０を回転運動させるために、動力伝達装置（図示せず）を介して回転バスケット１０に作用する。駆動装置１３は、コンテナ１４から導出されて、該コンテナ１４の外部に配置されたモータ（矢張り図示せず）に作用する。導電可能に構成された支承ローラ３２と矢張り導電可能なベースプレート１５とを介して回転バスケット１０は回路網部分２８と接続されており、該回路網部分は殊に有利にはコンテナの外部に位置している。該回路網部分２８によって、回転バスケット１０を使用に応じて印加することが可能である。回路網部分２８は、０〜１２００Ｖの直流電圧電位の印加、−１０ｋＶ〜＋５００Ｖの脈動単極もしくは双極の直流電圧電位の印加並びに、−３０００Ｖ〜＋３０００Ｖを有するＫＨｚ〜ＭＨｚ帯域の高周波電圧の印加を可能にするのが有利である。
更にコンテナ１４の内部、しかも回転バスケット１０の外部には、ばら物１を加熱するためのヒータ２９が設けられている。該ヒータは、回転バスケット１０の回転速度並びに成膜処理を施すべき部品素子の幾何学形状に調和して、回転バスケットの運動並びに部品素子の幾何学形状に基づいて回転運動の方向に変位するばら物１の下位に位置するように配置されている。回転バスケット１０が両回転方向に運動する場合には、第１図に示唆したように、第１のヒータに対称的に別のヒータが、向き合った回転バスケット半部の下位に設けられているのが有利である。
両プラズマ成膜源２０の開放側には夫々、可動のシールドプレート１７が配設されており、該シールドプレートは、必要に応じてプラズマ成膜源２０の前へ旋回可能であるので、成膜原料がプラズマ成膜源２０から、成膜処理すべきばら物１へ到達することはない。
プラズマ成膜源２０としては、ポリビニリデン（PVD）成膜のために慣用されているような、それ自体公知のプラズマトロンスパッタリング源を使用するのが有利である。該プラズマトロンスパッタリング源はその出口側で陰極プラズマ２３を発生し、該陰極プラズマは、ターゲット２６からはじき出された原料のイオンを含んでいる。イオン流の方向及び強度を制御するためにプラズマ成膜源２０は、アンバランス磁界を発生させる例えばコイルのような、適当な制御装置を有しているのが有利である。また正の電圧によってイオン流に影響を及ぼすことのできる補助陽極を設けておくことも可能である。プラズマトロン陰極及びターゲット２６をめぐって各プラズマ成膜源２０にはガス流入口２５が構成されており、該ガス流入口を通して反応ガスが回転バスケット１０の内室へ供給される。プラズマトロンスパッタリング源２０によって発生した陰極プラズマ２３のほぼ高さレベルに磁石ユニット１６とマイクロ波導入装置２２が配置されている。磁石ユニット１６とマイクロ波導入装置２２とは両者相俟ってＥＣＲプラズマ２４を発生するためのＥＣＲ装置を形成し、前記ＥＣＲプラズマ２４は磁石ユニット１６をめぐって生成される。ばら物１とＥＣＲ装置を備えたプラズマ成膜源２０との間には、内室に均等に分布する成膜原料による回転バスケット全体の成膜を避けるために、適当なスクリーン１２が配置されている。
以上説明した装置は、ばら物のように取り扱われる大量生産部品素子の全面に均等な膜を生成する三次元的な成膜を可能にする。
次に成膜工程の原理的なプロセス例を説明する。
成膜すべき部品素子（以下簡略にばら物と呼ぶ）が成膜処理のために回転バスケット１０内に装填され、コンテナ１４が約１０-5ミリバールの圧力に排気される。
第１の処理段階において、場合によって存在する蒸発可能な異物を気化排出するためにヒータ２９によってばら物１が加熱される。
これに続いて特定の流れでプロセスガス（大抵はアルゴンガス）の供給が開始されるので、１０-3ミリバールの典型的な使用圧が生じる。次いで回転バスケット１０が回転運動させられる。この回転中にバッフル部材１９がばら物１の層を連続的に変換するので、充分な滞在時間で、ばら物を形成する部品素子の全ての面側は均等な長さ時間にわたって回転バスケット内室の方に向く。
熱的なプレクリーニングの段階には、スパッタリングによってターゲット２６をクリーニングする段階が続く。このためにプラズマ成膜源２０は、差し当たってシールドプレート１７を前旋回させた状態で稼働されるので、プラズマ成膜源２０の上又は内部に存在する異物がばら物の上に沈降することはできない。異物はプロセスガスの分解によってほぼターゲット２６上に生成し、これによって該ターゲット２６はプロセス終期には例えばカーボンで被覆されている。成膜の施されたばら物１を取出すためにコンテナ１４を開放する場合、空気酸素と相侯って、次の成膜にとって望ましくない酸化物層が生成する。場合によって存在する異物は、こうして第１の運転段階においてシールドプレート１７上に沈着する。
次のプロセス段階においてばら物１のプラズマ式精密クリーニングが、このために発生されたＥＣＲプラズマ２４内で行われる。その場合ＥＣＲ装置１６，２４は、良好な効率を得るために、回転バスケット１０の回転運動に応じて生じるばら物１の位置へ向かって回転軸線２７を中心として方位づけられる。次いでマイクロ波導入装置２２を介してマイクロ波が、回転バスケット１０の内室へ導入され、該マイクロ波は、磁石ユニット１６の磁界内で運動するイオン及び電子と相互作用する。その際、マイクロ波磁界の周波数に合致する旋回（gyration）周波数を有する電子との共鳴相互作用が生じる。この共鳴相互作用によって、磁石ユニット１６を中心としてＥＣＲプラズマ２４が生成する。該ＥＣＲプラズマ内に含まれたイオンが、衝突時に生じるスパッタリング作用によってばら物１をクリーニングする。クリーニング効果を高めるため、並びにクリーニング速度を改善するために、回転バスケット１０には、ばら物１の負の電荷を惹起する電位が印加される。ばら物が導電性部品素子から成っている場合は、回転バスケット１０に、例えば−１０００Ｖオーダーの負の電圧が印加される。或いは−１０ＫＶまでの比較的高い脈動直流電圧を印加することも可能である。ばら物１が絶縁材料から成る部品素子である場合は、殊に最大３０００Ｖの振幅を有する、ＫＨｚ乃至ＭＨｚ範囲の高周波数の交流電圧を印加することが可能である。
ばら物クリーニングの終了後にＥＣＲ装置１６，２４はオフにされ、プラズマ成膜源２０によって、ばら物１における膜析出が開始される。このために、クリーニングされたプラズマ成膜源２０がオンに接続され、かつシールドプレート１７が、プラズマ成膜源２０の出口開口から離反旋回される。
成膜効率を高めるために、成膜処理を施すべきばら物１は、矢張り回転バスケット１０に適当な電位を印加することによって、負に荷電される。ばら物においてスパッタリング作用を得るためにプラズマイオンを使用した、先行のクリーニング段階とは相違して、勿論ここではばら物１におけるプラズマイオンの蓄積が行われ、同時にイオンの運動エネルギの導入によってばら物表面の化学的な活性化が生ぜしめられ、更にまた該ばら物表面が圧縮される。回転バスケット１０に印加すべき電圧は、これに適合されねばならず、概ねクリーニング期よりも小さな振幅が設定されねばならない。例えばクリーニング期のためにに−１０００Ｖの負の電圧が印加されるとすれば、成膜処理のためには−５００Ｖの負の直流電圧で充分である。ところでガス流入口２５を介してＡｒ，Ｎ，Ｃ2Ｈ2，ＣＨ4，Ｏ2，Ｈ2，等のような、夫々適当なプロセスガスを自由な順序で変換・添加して、ばら物１の面に、種々異なった物理的特性を有する膜が所望の膜厚及び回数で被着される。その場合ヒータ２９を用いて、（殊に有利には２００℃よりも低い）プロセス温度が必要に応じて変化され、特に一時的に高めることができる。
複数のプラズマ成膜源２０を使用する場合、ターゲット２６は種々異なった原料から成ることができ、これによってばら物１には、適当に可変の膜構造が得られる。例えば第１のプラズマ成膜源２０には、ばら物１の面に粘着膜を発生させるターゲット２６を対応配設し、第２のプラズマ成膜源２０には、機能膜を発生させるターゲット２６を対応配設することが可能である。この場合第１と第２のプラズマ成膜源２０は合目的的に相互に離反傾斜されて、成膜が順次に相前後して行われるようにするのが殊に有利である。その場合回転バスケット１０は、その都度作用するプラズマ成膜源２０に相応して左回り又は右回りで回転されるので、ばら物１はその都度、丁度作用するプラズマ成膜源２０の前に位置することになる。膜の被着は、例えばＥＣＲ装置１６，２２によるＥＣＲプラズマ２４の印加によって中間クリーニング処理段階を間挿するために、いつでも中断することができる。ばら物１を形成する部品素子間の衝突運動又は摩擦運動に起因した汚染を避けるために、回転バスケット１０の回転運動をスタートーストップ運転動作の形で行うのが有利であり、その場合回転バスケット１０は規則的な間隔で停止される。
前記の真空成膜装置によって、ばら物の形で存在する部品素子には多層膜を設けることが可能である。このような多層膜の原理的構造は例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第４３４３３５４号明細書において、窒化チタンをベースと、する膜システムについて記載されている。該多層膜構造は、特別所望される特性、例えば大きな硬度を有する機能膜を含み、該機能膜は単数の膜又は複数の中間膜を介して部品素子と接合されている。その場合、前記中間膜は適用例に応じて、部品素子と機能膜との間の粘着を媒介するため、支持作用を惹起するため、平滑にするため、拡散防止のため、或いは部品素子と機能膜との（例えば熱膨張、内部応力又は弾性率のような）機械的特性を適合させるために役立てられる。各中間膜はそれと同時に別の機能を満たすこともできる。
第１図に示した真空成膜装置によって多種多様の機能膜が実現される。機能膜の若干例を以下に説明する。
本発明の真空成膜装置によって、金属含有カーボン膜でばら物に特に経済的に成膜処理を施すことが可能であることが判った。
殊に化学量論的及び非化学量論的な炭化物、窒化物、酸化物、硼化物、硫化物、珪化物又は前記化合物の混合物（例えばＭｅxＣy，ＭｅxＣyＮz，ＭｅxＯy，ＭｅxＯyＮz，ＭｅxＳｉy，ＳｉxＮy，ＳｉxＯy）から成る機能膜が実現された。このような機能膜は金属含有又は金属炭化物含有の炭化水素ｉ−Ｃ（Ｍｅ）又はｉ−Ｃ（ＭｅＣ）から成っており、その場合、金属炭化物結晶は炭素マトリックス内もしくは炭化水素マトリックス内に存在し、該マトリックス内には付加的に０〜６０容量％の比率で窒素、酸素、硼素、珪素のような別の元素、又は該元素から派生された窒化物、酸化物、硼化物、硫化物、珪化物或いは前記化合物の混合物が組込まれた。
更に機能膜は金属含有又は金属珪化物含有のシリコン膜ｉ−Ｓｉ（Ｍｅ）もしくはｉ−Ｓｉ（ＭｅＳｉ）の形で実現された。この場合金属珪化物結晶は珪素マトリックス内もしくは珪化水素マトリックス内に存在し、前記マトリックス内には付加的に０〜６０容量％の比率で、窒素、酸素、硼素、炭素ような別の元素又は前記元素から派生された窒化物、酸化物、硼化物、硫化物、炭化物或いは前記化合物の混合物が組込まれた。
別の機能膜は、０〜６０容量％の比率で元素Ｎ，Ｏ，Ｂ，Ｓｉ，Ｆ，Ｇｅを添加した炭素（ａ−Ｃ）又は炭化水素（ａ−Ｃ：Ｈ）から成る無定形成層系として実現された。
類似の方式で１機能膜は、珪素（ａ−Ｓｉ）又は珪化水素（ａ−Ｓｉ：Ｈ）をベースとする無定形成層系の形で実現された。
更に金属含有炭素膜以外に１機能膜は、０〜５０容量％の比率で炭化物、窒化物、酸化物、硼化物、硫化物、珪化物又は前記化合物の混合物を添加したプラズマ重合層の形で実現された。
更にＭｏＳ2をベースとして、安定添加物を添加した硫化物成膜系の形の機能膜が実現された。
前記の機能膜は１つの多層成膜系内で互いに組合わせることができる。更に又、プラズマ成膜源２０によるばら物１における膜析出を、ＥＣＲプラズマ２４を同時燃焼させて行なった場合には、達成可能な膜硬度に関して特に良好な成績が得られた。
発明の基本思想を維持した上で、前記真空成膜装置の多数の変化実施形態が考えられる。例えばプラズマ成膜源２０は円弧陰極又は中空陰極として実現することもでき、或いは２つのプラズマ成膜源を使用してマグネトロン磁界を逆方向又は同方向に方位づけることも可能である。図示したように両ターゲット２６を平行に方位づける以外に更に、両ターゲットを互いに離反するように、或いは互いに対面するように方位づけることも可能である。更に又、ばら物１のプラズマ式精密クリーニングのために、ＥＣＲ装置に代えて例えば中空陰極アークによって発生されるアークプラズマを使用することも可能である。またＥＣＲ装置１６，２４の使用に代えて、プラズマ式精密クリーニングのためにプラズマ成膜源２０を同じく使用することも可能であるが、この場合該プラズマ成膜源は、本来の成膜工程に対比して低下された出力で稼働される。
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