【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応性雰囲気中で成膜するＨＣＤ法、ＵＢＭＳ法、スパッタ法およびＰＶＤ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＰＶＤ装置としては、反応性ガス中で、ＨＣＤ法、スパッタ（含むＵＢＭＳ）法、カソードアーク（マルチアーク）法等が知られているが、これらのプラズマ発生電源やバイアス印加電源は、主として直流電源が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＰＶＤ成膜法は、現在、ＨＣＤ法、カソードアーク法（マルチアーク法）、スパッタ法（含ＵＢＭＳ法）が主に用いられている。しかし、カソードアーク法（マルチアーク法）はカソード上で真空アーク放電によりプラズマを発生するシステムであるため、プラズマ発生と同じに金属の溶融した液滴いわゆるドロップレット（マクロパーティクル＝直径１〜３μｍ前後の金属粒）の発生が伴う。そのため、カソードアーク法（マルチアーク法）による成膜では、鏡面仕上げされたワークがドロップレットに汚損され、その防止は困難である。
【０００４】
ＵＢＭＳ法を含めたスパッタリングにおいて、従来の直流ドライブ方式では、反応性雰囲気中での成膜時にターゲット表面に絶縁物や高抵抗物が堆積し、そこに電荷の集中が起こるため異常放電（アーキング）が発生し、アーキングによるドロップレット（金属液滴）や飛散粒子がワークに付着し、鏡面仕上げされたワーク等は致命的欠陥となる。
【０００５】
また、耐久性をもった被膜を形成させるためには成膜プロセス上、Ａｒガス中でワークに直流高圧（−５００〜−１０００Ｖ）を印加し、ワーク表面をスパッタクリーニング（ボンバードメント）する工程は不可欠である。しかし、その際ワーク形状やワークからのアウトガス又は、ワーク上の高抵抗物質を起点とした異常放電（アーキング）が発生し、ワークに致命的な損傷を与える場合がある。
【０００６】
ＨＣＤ法は、ドロップレット等の無い平滑な被膜を得られる成膜法であるが、成膜金属を水冷ハース中で溶融し、プラズマを発生するシステムであるため、そのハースは成膜室の底面にしか配置できない。そのためプラズマ発生面から外れた部分への被覆性が劣る。さらに、放電システム的に融点が２３００℃以下の金属しか使用できない。
【０００７】
本発明は、かかる課題を解決するためのＰＶＤ法とその装置開発を目的としたものである。すなわち、装置の真空成膜室底面にはＨＣＤカソードを、側面には高密度プラズマの発生可能なＵＢＭＳカソードを配置し、さらにワークを自公転させることにより被覆性の格段な向上を図り、また、ワークおよびＵＢＭＳカソードは、負電位に正電位を５〜５０ＫＨｚでパルス状に印加することより異常放電（アーキング）を発生させずにイオンエネルギーを制御する方式を採用した。このことにより３次元形状の鏡面仕上げされた金型等のワークに高速で均一、かつ高品位、耐久性に優れたセラミックス被膜の成膜が可能である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
１． ドロップレットによるワーク汚損の解決手段
現在、ＰＶＤ成膜法としては、カソードアーク法（マルチアーク法）、ＨＣＤ法、スパッタ法（含ＵＢＭＳ法）が主に用いられている。カソードアーク法は、カソードの真空アーク放電で、プラズマを発生させるため、ドロップレットの発生を防止することは困難である。そこで、本発明のＰＶＤ装置は、ドロップレットが生じないＨＣＤ法とＵＢＭＳ法を併用することによりワーク汚損を解決した。
【０００９】
２． ＵＢＭＳカソードの異常放電による被膜欠陥の解決手段
本発明のＵＢＭＳカソードスパッタ法は、反応ガス雰囲気中で、負電位の導電性ターゲットに正電位を５〜５０ＫＨｚでパルス状に印加する。このことにより、カソードターゲット上に形成される絶縁物や高抵抗物質が誘電体として作用し、寄生コンデンサを形成し、電荷の集中・蓄積による異常放電に進行する前に、電荷の蓄積を正電位パルスで開放できるため、異常放電による被膜欠陥の発生を防止できる。なお、導電性ターゲットはＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｃ、Ｗ、Ｎｂ又はこれらの合金とし、反応ガスは、Ｎ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｏ２、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒのいずれか１つ又は２つ以上の混合ガスとしても良い。
【００１０】
３． ワーク上での異常放電による損傷発生の解決手段
従来のＰＶＤ成膜におけるワークバイアスは、一般に直流負電位を印加する方式である。ボンバードメント（逆スパッタによるワーク表面のエッチング）あるいは、界面とのミキシングやアンカー効果による被膜の高い密着力を得るため、成膜初期に直流高圧（−４００〜−１０００Ｖ）を印加する。その際、ワーク形状効果やアウトガス又は、ワーク表面の高抵抗物質が寄生コンデンサを形成したりして、電荷の集中・蓄積による異常放電を発生し、ワークに致命的な損傷を与える場合がある。本発明は、負電位のワークに正電位を５〜５０ＫＨｚでパルス状に印加することにより、上記課題を解決するものである。さらに異常放電が発生しないため、印加負電圧（イオン加速電圧）を従来手法より高くでき、高エネルギーイオンによるアンカー効果やミキシング作用を積極的に用い、２００Ｎ以上の高い密着力を有する成膜が可能である。
【００１１】
４． ３次元形状ワークに対する被覆性の解決手段
従来のＨＣＤ法は、ドロップレットのない高速成膜が可能な優れた成膜法である。しかし、成膜原料をホロカソード放電を用い、溶融し、蒸発物質を放電エネルギーでイオン化するシステムであるため、成膜原料を入れる水冷ハースの配置は真空成膜室底面に限定され、その結果、蒸発源（ハース）に正対した面に対する被覆性は優れるが、側面や面取部、段差部に対しての被覆性は劣る。本発明のハイブリットＰＶＤ装置は、固体導電性ターゲットから直接高密度プラズマの発生が可能なＵＢＭＳカソードを真空成膜室側面に、さらにＨＣＤカソードを底面に配置し、負電位のワークおよびＵＢＭＳカソードに正電位を５〜５０ＫＨｚでパルス状に印加し、ワークを自公転させることにより、上記課題を解決した装置である。
【００１２】
５． 高融点成膜素材を用いた成膜の解決手段
従来のＨＣＤ法では、ホロカソード放電により水冷ハース中の成膜素材を溶融し、プラズマを発生させるシステムであるため、溶融可能な成膜素材は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ等の融点が２３００℃以下の素材に限られていた。本発明のハイブリットＰＶＤ装置は、ＵＢＭＳカソードを併用することにより、スパッタ作用により、Ｃ、Ｗ、のような融点が３０００℃以上の素材も用いることが可能である。これらの単一組成、複合組成の成膜はもとより、両カソードの印加電力のコントロールにより、その組成比率も任意に調整可能である。なお、導電性ターゲットはＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｓｉ、Ｃ、Ｗ、Ｎｂ又はこれらの合金とし、反応ガスは、Ｎ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒのいずれか１つ又は２つ以上の混合ガスとしても良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明のＨＣＤ・ＵＢＭＳハイブリットＰＶＤ装置の概要を示す。
真空成膜室１を外部のクライオポンプ又は、ターボポンプ等の真空排気系２にバルブ３を介して接続し、真空成膜室１内の真空度調節を自在任意とするとともに、真空成膜室１内にワーク４（金型等）を自公転ワークホルダー５に取り付け、ＵＢＭＳカソード６を真空成膜室１の側面に、ＨＣＤカソード７を真空成膜室１の底面に配置した。ＵＢＭＳカソード６には、導電性ターゲットをクランプし、真空成膜室１内のターゲット１９直近に、ガスボンベ等のガス供給源１０よりスパッタガスをガス圧調節弁１０ａおよびガス導入管８を介して供給し、反応ガス９をガス圧調節弁９ａを介して供給するように接続した。
【００１４】
ＨＣＤカソード７には、カソード放電用Ａｒガスをガス供給源１１よりガス圧調節弁１１ａを介して供給するようにした。ＵＢＭＳカソード６には、直流パルス電源１２を接続し、負電位のＵＢＭＳカソード６に正電位を所定の周波数で、パルス状に印加できるようにした。また、ＨＣＤカソード７には、ＨＣＤ電源１７を接続し、負電位を印加するようにし、水冷ハース１４には、ＨＣＤ電源より正電位を印加し、水冷ハース中の蒸着原料金属とホロカソード放電ができるようにした。
【００１５】
ＵＢＭＳカソード６の背面に、非平衡磁場マグネトロンスパッタのためのマクネット１８を取り付け、外周側をＳｍＣｏ系強磁場、内周側をフェライト系弱磁場とし、アンバランスマグネトロンスパッタによる高密度プラズマを発生せるようにした。なお、ＵＢＭＳカソード６は水冷とし、真空成膜室１は、シースヒータ１６により、３００℃までのベーキング処理をできるようにした。
【００１６】
【実施例１】
初めに、真空成膜室１内のＵＢＭＳカソード６に導電性ターゲット１９として、Ｔｉ製ターゲットをクランプした。次に、水冷ハース１４にＴｉインゴットを入れ、自公転ワークホルダー５に洗浄済のワークを取り付けた。
続いて、真空成膜室１内を真空排気系２によりシースヒータで加熱しながら３００℃、１．８×１０−５Ｔｏｒｒまで排気した後、真空成膜室１内のガス圧力が１．５×１０−２Ｔｏｒｒになるまで、Ａｒガスをガス供給源１１、ガス圧調節弁１１ａを介して導入した。
【００１７】
次に自公転ワークホルダー５を介し、ワーク４に直流パルス電源１３より、−３０００Ｖを印加し、２０分間Ａｒボンバードを行い、ワーク４の表面汚れを除去した。その際、負電位のワーク４にパルス状に印加する正電位の印加時間は、５μｓｅｃとした。図２に、その時の波形モデルを示す。また、図３に負電位のワーク４に印加する正電位の周波数毎に異常放電の回数を測定した結果を示す。図３から明らかのように、周波数５ＫＨｚで、異常放電回数がほぼ０となり、周波数を５ＫＨｚ以上にすると異常放電が発生しないことが判明した。
【００１８】
【実施例２】
真空成膜室１内を２×１０−３Ｔｏｒｒの一定とし、ワーク４のバイアス電圧を成膜条件まで下げ、ＵＢＭＳカソード６に導入管８を介してスパッタガス（Ａｒ：Ｎ２＝１：１）を導入し、出力を１ＫＷの一定とした。この状態でＵＢＭＳカソード６に、パルス電源から周波数を変化させて、図２に示すパルス状に負電位に正電位を印加し、ＵＢＭＳスパッタを行った。さらに、ＨＣＤカソード７よりホローカソード放電し、反応ガス調圧弁９ａを介してＮ２ガスを導入しながらワーク４に窒化チタン（ＴｉＮ）膜を形成した。なお、パルス状に印加する正電位の時間は、５μｓｅｃとした。その際のＵＢＭＳカソード６における異常放電回数をＵＢＭＳカソード６に印加する周波数毎に測定した結果を図４に示す。
図４から明らかのように、負電位に印加する正電位の周波数の増加に伴い，異常放電回数は減少し，周波数５ＫＨｚ以上では、その回数は０となった。
【００１９】
低圧力（１０−２Ｔｏｒｒ前後）や反応性雰囲気中において、直流高電圧ボンバード（スパッタクリーニング）あるいは直流スパッタを行なう際、ワーク形状、ワークからのアウトガス、高抵抗物質の存在、高抵抗堆積物に起因する寄生コンデンサ形成による電荷の集中・蓄積からアーク放電による急激な電荷の放出と言う異常放電（アーキング）が発生する。その結果、ワークの損傷・汚損が生じることがある。しかし、本発明では、図３、４に示すように負電位に正電位をパルス状に印加するすることにより前記の電荷の集中・蓄積をパルス状（５μｓｅｃ以下）に中和・開放することにより異常放電の発生を防止している。なお、異常放電は、ワーク形状、成膜装置、処理条件により変化するため、正電位のパルス幅、電圧などは、任意設定が可能で本実施例の条件に限定されない。
【００２０】
また、ＵＢＭＳカソードのターゲット金属は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃ又は、これらの合金等で、さらにＨＣＤハース投入物質は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ，Ａｌ，Ｂ、Ｚｒ等で、反応ガスはＮ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｏ２、Ａｒ、Ｈｅもしくはこれらの混合ガスとすることにより、セラミックス被膜は、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ｃ−ＢＮ等の窒化物系、ＴｉＣＮ、ＣｒＣＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＣＮ等の炭窒化物系、ＴｉＣ，ＣｒＣ、ＳｉＣ、ＤＬＣ等の炭化物系まで、原料金属、反応ガスの組み合わせにより、耐摩耗性、耐食性、固体潤滑性等のトライボロジー特性に優れた被膜形成が可能である。
【００２１】
図１では、ＵＢＭＳカソード１８に直流パルス電源から、負電位に一定の周波数で、正電位をパルス状に印加する電源の組み合わせとしたが、これに限定されるものではなく、１３．５６ＭＨＺの高周波パルス電源とすることにより、高密度パルス高周波プラズマによる成膜も可能である。この際、直流パルス電源１３（バイアス側電源）には、ワークと電源の間にチョークコイル（Ｌ．Ｐ．Ｆ；ローパスフィルタ）を設け、直流電源の高周波からの保護を必要とする。
【００２２】
【実施例３】
洗浄、乾燥済みのワーク４を真空成膜室１のワークホルダー５に取り付け、３００℃、１．８×１０−５Ｔｏｒｒまでに脱ガス処理し、所定の条件にてＡｒイオンボンバードを行った。その後、ＵＢＭＳカソード６の電力を１ＫＷ、パルス正電位を５ＫＨｚ、５μｓｅｃ、ＨＣＤカソード７の放電条件を１４０Ａ、２５Ｖの一定とし、各々の成膜原料はＴｉ、反応ガス９はＮ２、スパッタガス１０は、Ｎ２とＡｒの混合ガス（１：１）とし、ワーク４は自公転させ、ガス圧力２×１０−３Ｔｏｒｒ、２５分の条件で成膜を行なった。その際、ＨＣＤカソード７のみで成膜した場合と、ＨＣＤカソード７とＵＢＭＳカソード６を併用した場合のワーク４の側面部４ｂと正面部４ａの膜厚測定結果を図５．図６に示す。
【００２３】
ＨＣＤカソード７のみで成膜した場合、図５、図６に示すように、正面部４ａの膜厚は２．６μｍであるが、側面部は１．２μｍと正面部４ａの１／２以下であった。また、側面部の膜厚は、正面部に比較して１／２弱であり、側面部位、立ち上り部位、面取り部位を有する３次元形状の金型および部品の寿命に与える影響は大きいと考えられる。
【００２４】
ＨＣＤカソード７とＵＢＭＳカソード６を併用し、前記条件にて成膜した場合、図５．図６から明らかのように、側面部４ｂの膜圧は２．７μｍで、正面部４ａとほぼ同様であった。このように本発明のＨＣＤ・ＵＢＭＳハイブリッドＰＶＤ法（装置）は、優れた被覆性を有することが確認できた。また、得られた被膜の密着強度は、母材が超硬合金（Ｖ３０）の場合２００Ｎ、ＳＫＤ１１相当のダイス鋼の場合９０Ｎ、平滑性は、２１ｎｍ（Ｒａ）と優れた値を示した。
【００２５】
【発明の効果】
本発明のＨＣＤ・ＵＢＭＳハイブリット法によるときは、反応性雰囲気中で、負電位のワークおよびＵＢＭＳカソードに正電位を一定の周波数でパルス状に印加しながら成膜を行うようにした。そのため、成膜プロセス中にワークおよびＵＢＭＳカソードでの電荷の集中・蓄積をパルス的に中和・開放し、異常放電（アーキング）を未然に防止することにより、ドロップレットや欠陥・損傷がなく、３次元的に均一な膜厚の被膜が高速に成膜できる効果がある。
【００２６】
また、異常放電（アーキング）を積極的に防止できるため、逆スパッタによるワーク表面のクリーニング（ボンバードメント）の際の、印加電圧や初期成膜時の印加電圧を従来の−５００〜−１０００Ｖから−２０００〜−４０００Ｖまで上げることが可能である。そのため、入射するイオンエネルギーを５００〜１０００ｅＶから２〜４倍の２０００〜４０００ｅＶまで利用できることから、ワークと被膜界面でのイオンミキシング効果や、イオンアンカー効果を高め、従来のＰＶＤ被膜の密着強度７０〜１４０Ｎレベルを大幅に上回る２００Ｎ強の強固な被膜が得られる。
【００２７】
さらに本発明のＨＣＤ・ＵＢＭＳハイブリットＰＶＤ装置によるとき、３次元形状の精密・鏡面金型および機械部品等に、異常放電（アーキング）による汚損・損傷の無い、極めて平滑で被覆性に優れたセラミックス被膜を形成できるＰＶＤ装置を提供する効果がある。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＰＶＤ法を実施するためのＨＣＤ・ＵＢＭＳハイブリットＰＶＤ装置の概略図
【図２】図１の装置のＵＢＭＳカソードおよびワーク（金型、機械部品）に印加される電位のモデル図
【図３】本発明ＰＶＤ法の実施例１におけるワークの逆スパッタによるクリーニング（Ａｒイオンボンバード）時の周波数と異常放電回数の関係
【図４】本発明ＰＶＤ法の実施例２におけるＵＢＭＳカソードによるスパッタ成膜時の周波数と異常放電回数の関係
【図５】本発明ＰＶＤ法の実施例３における成膜条件とワーク側面部の膜厚の関係
【図６】本発明ＰＶＤ法の実施例３における成膜条件とワーク正面部の膜厚の関係
【００２９】
【符号の説明】
１． 真空成膜室
２． 真空排気系
３． 真空排気調圧弁
４． ワーク（金型、機械部品）
５． 自公転式ワークホルダー
６． ＵＢＭＳカソード（スパッタ源）
７． ＨＣＤカソード
８． ＵＢＭＳカソード放電ガス導入管
９． 反応ガスボンベ ９ａ反応ガス調圧弁
１０．ＵＢＭＳカソード放電用（Ａｒ＋Ｎ２）混合ガス
１０ａ．ＵＢＭＳカソード放電用（Ａｒ＋Ｎ２）混合ガス調圧弁
１１．ＨＣＤカソード用およびボンバード用Ａｒガス
１１ａ．ＨＣＤカソード用およびボンバード用Ａｒガス調圧弁
１２．ＵＢＭＳカソード放電用直流パルス電源
１３．ワークボンバード、バイアス用直流パルス電源
１４．ＨＣＤカソード用水冷ハース（蒸発プラズマ源）
１５．シャッター
１６．真空成膜室加熱用シースヒータ
１７．ＨＣＤ放電用直流電源
１８．非平衡磁場マグネット
１９．ＵＢＭＳスパッタ用導電性ターゲット[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an HCD method, a UBMS method, a sputtering method, and a PVD apparatus for forming a film in a reactive atmosphere.
[0002]
[Prior art]
As a conventional PVD apparatus, an HCD method, a sputtering (including UBMS) method, a cathode arc (multi-arc) method, and the like in a reactive gas are known. DC power supply is used.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As the PVD film forming method, HCD method, cathode arc method (multi-arc method), and sputtering method (including UBMS method) are mainly used at present. However, the cathode arc method (multi-arc method) is a system in which plasma is generated by vacuum arc discharge on the cathode, and therefore, in the same manner as the plasma generation, molten metal droplets, so-called droplets (macro particles = about 1-3 μm in diameter) Metal particles). Therefore, in the film formation by the cathode arc method (multi-arc method), the mirror-finished work is contaminated by the droplet, and it is difficult to prevent the work.
[0004]
In sputtering including the UBMS method, in the conventional DC drive method, an insulator or a high-resistance substance is deposited on a target surface during film formation in a reactive atmosphere, and charges are concentrated on the target surface, resulting in abnormal discharge (arcing). Is generated, droplets (metal droplets) and scattered particles due to arcing adhere to the work, and a mirror-finished work or the like becomes a fatal defect.
[0005]
Further, in order to form a film having durability, a step of applying a DC high voltage (−500 to −1000 V) to a work in an Ar gas and performing sputter cleaning (bombardment) on the work surface in the Ar gas in the film forming process is performed. It is essential. However, at that time, outgassing from the work or the work, or abnormal discharge (arcing) starting from a high-resistance substance on the work occurs, which may cause fatal damage to the work.
[0006]
The HCD method is a film forming method capable of obtaining a smooth film without droplets and the like. However, since the film forming metal is melted in a water-cooled hearth to generate plasma, the hearth is formed on the bottom of the film forming chamber. Can only be placed in For this reason, the coatability on the portion deviating from the plasma generation surface is poor. Further, only metals having a melting point of 2300 ° C. or less can be used in a discharge system.
[0007]
An object of the present invention is to develop a PVD method and an apparatus for solving the problem. That is, an HCD cathode is provided on the bottom surface of the vacuum deposition chamber of the apparatus, and a UBMS cathode capable of generating high-density plasma is provided on the side surface. For the work and the UBMS cathode, a method of controlling ion energy without generating abnormal discharge (arcing) by applying a positive potential as a negative potential in a pulse form at 5 to 50 KHz was adopted. As a result, it is possible to form a ceramic film with high speed, uniformity, high quality, and excellent durability on a three-dimensionally shaped workpiece such as a mirror-finished mold.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
1. Solution to Workpiece Contamination by Droplets At present, as a PVD film forming method, a cathode arc method (multi-arc method), an HCD method, and a sputtering method (including a UBMS method) are mainly used. In the cathodic arc method, plasma is generated by vacuum arc discharge of the cathode, so that it is difficult to prevent the generation of droplets. Therefore, the PVD apparatus of the present invention solves the contamination of the work by using both the HCD method and the UBMS method that do not generate droplets.
[0009]
2. Means for Solving Coating Defects Due to Abnormal Discharge of UBMS Cathode In the UBMS cathode sputtering method of the present invention, a positive potential is pulsed at 5 to 50 KHz to a negative potential conductive target in a reaction gas atmosphere. This allows the insulator or high-resistance material formed on the cathode target to act as a dielectric, form a parasitic capacitor, and charge accumulation to a positive potential before proceeding to abnormal discharge due to concentration and accumulation of charge. Since it can be opened by a pulse, it is possible to prevent the occurrence of film defects due to abnormal discharge. The conductive target is Ti, Cr, Al, Si, Zr, Hf, Mo, C, W, Nb or an alloy thereof, and the reaction gas is N2, CH4, C2H2, O2, H2, He, or Ar. Alternatively, one or a mixture of two or more gases may be used.
[0010]
3. Means for Solving Damage Caused by Abnormal Discharge on Work The work bias in the conventional PVD film formation is generally a method of applying a DC negative potential. In order to obtain high adhesion of the coating by bombardment (etching of the work surface by reverse sputtering) or mixing with the interface or an anchor effect, a DC high voltage (-400 to -1000 V) is applied at the initial stage of film formation. At that time, the workpiece shape effect, outgassing, or a high-resistance substance on the surface of the workpiece may form a parasitic capacitor, causing an abnormal discharge due to concentration and accumulation of electric charges, causing fatal damage to the workpiece. The present invention solves the above-mentioned problem by applying a positive potential to a work having a negative potential in a pulse form at 5 to 50 KHz. Furthermore, since abnormal discharge does not occur, the applied negative voltage (ion acceleration voltage) can be higher than that of the conventional method, and the film can be formed with a high adhesion force of 200 N or more by positively using the anchor effect and mixing action by high energy ions. It is.
[0011]
4. Means for Solving Coverability of Three-Dimensional Workpiece The conventional HCD method is an excellent film forming method capable of high-speed film formation without droplets. However, since the system uses a holo-cathode discharge to melt the film-forming material and ionize the evaporating substance with the discharge energy, the arrangement of the water-cooled hearth for the film-forming material is limited to the bottom of the vacuum film-forming chamber. The coverage on the surface directly facing the source (hearth) is excellent, but the coverage on the side surfaces, chamfered portions, and step portions is poor. In the hybrid PVD apparatus of the present invention, a UBMS cathode capable of generating high-density plasma directly from a solid conductive target is disposed on the side of a vacuum film forming chamber, and an HCD cathode is disposed on a bottom. This is an apparatus that solves the above-described problem by applying a potential in the form of a pulse at 5 to 50 KHz and revolving the work on its own axis.
[0012]
5. Solution method of film formation using high melting point film formation method In the conventional HCD method, a film formation material in a water-cooled hearth is melted by holocathode discharge to generate plasma. Materials such as Ti, Cr, Al, and Si are limited to materials having a melting point of 2300 ° C. or less. By using the UBMS cathode together with the hybrid PVD apparatus of the present invention, it is possible to use a material having a melting point of 3000 ° C. or more, such as C or W, by a sputtering action. The composition ratio can be arbitrarily adjusted by controlling the electric power applied to both cathodes, as well as forming the single composition and the composite composition. The conductive target is Ti, Cr, Al, B, Zr, Hf, Mo, Si, C, W, Nb, or an alloy thereof, and the reaction gas is N2, CH4, C2H2, H2, He, or Ar. Alternatively, one or a mixture of two or more gases may be used.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows an outline of an HCD / UBMS hybrid PVD apparatus of the present invention.
The vacuum film forming chamber 1 is connected to an external vacuum evacuation system 2 such as a cryopump or a turbo pump via a valve 3 so that the degree of vacuum in the vacuum film forming chamber 1 can be freely adjusted. A work 4 (a mold or the like) was mounted on a rotation-revolving work holder 5 in the inside 1, and a UBMS cathode 6 was arranged on a side surface of the vacuum film formation chamber 1, and an HCD cathode 7 was arranged on a bottom surface of the vacuum film formation chamber 1. A conductive target is clamped to the UBMS cathode 6, and a sputtering gas is supplied from a gas supply source 10 such as a gas cylinder via a gas pressure control valve 10 a and a gas introduction pipe 8 to a position near the target 19 in the vacuum film formation chamber 1. Then, the reaction gas 9 was connected so as to be supplied via a gas pressure control valve 9a.
[0014]
Argon gas for cathode discharge was supplied to the HCD cathode 7 from a gas supply source 11 via a gas pressure control valve 11a. A DC pulse power supply 12 is connected to the UBMS cathode 6, so that a positive potential can be applied to the negative potential UBMS cathode 6 in a pulsed manner at a predetermined frequency. An HCD power supply 17 is connected to the HCD cathode 7 so that a negative potential is applied. A positive potential is applied to the water-cooled hearth 14 from the HCD power supply, so that the vapor source metal in the water-cooled hearth and the hollow cathode can be discharged. I did it.
[0015]
A magnet 18 for non-equilibrium magnetic field magnetron sputtering is attached to the back of the UBMS cathode 6, the outer peripheral side is a strong SmCo magnetic field, the inner peripheral side is a ferrite weak magnetic field, and high-density plasma is generated by unbalanced magnetron sputtering. I did it. The UBMS cathode 6 was water-cooled, and the vacuum deposition chamber 1 was baked up to 300 ° C. by the sheath heater 16.
[0016]
Embodiment 1
First, a Ti target as a conductive target 19 was clamped to the UBMS cathode 6 in the vacuum film forming chamber 1. Next, the Ti ingot was put into the water-cooled hearth 14, and the cleaned work was attached to the rotation and revolution work holder 5.
Subsequently, the inside of the vacuum film formation chamber 1 was evacuated to 300 ° C. and 1.8 × 10 −5 Torr while being heated by a vacuum heater 2 using a sheath heater. Until -2 Torr, Ar gas was introduced through the gas supply source 11 and the gas pressure control valve 11a.
[0017]
Next, -3000 V was applied from the DC pulse power supply 13 to the work 4 via the rotation and revolution work holder 5 and Ar bombardment was performed for 20 minutes to remove surface dirt on the work 4. At this time, the application time of the positive potential applied in a pulse shape to the negative potential work 4 was set to 5 μsec. FIG. 2 shows a waveform model at that time. FIG. 3 shows the result of measuring the number of abnormal discharges for each frequency of the positive potential applied to the work 4 having the negative potential. As is clear from FIG. 3, it was found that the abnormal discharge frequency was almost 0 at a frequency of 5 KHz, and that no abnormal discharge occurred when the frequency was 5 KHz or more.
[0018]
Embodiment 2
The inside of the vacuum film forming chamber 1 is kept constant at 2 × 10 −3 Torr, the bias voltage of the work 4 is lowered to the film forming condition, and the sputtering gas (Ar: N 2 = 1: 1) is supplied to the UBMS cathode 6 through the introduction pipe 8. And the output was kept constant at 1 KW. In this state, the UBMS cathode 6 was subjected to UBMS sputtering by changing the frequency from a pulse power source and applying a positive potential to a negative potential in a pulsed manner as shown in FIG. Further, hollow cathode discharge was performed from the HCD cathode 7, and a titanium nitride (TiN) film was formed on the work 4 while introducing N2 gas through the reaction gas pressure regulating valve 9a. The time of the positive potential applied in a pulsed manner was 5 μsec. FIG. 4 shows the result of measuring the number of abnormal discharges in the UBMS cathode 6 at each frequency applied to the UBMS cathode 6 at that time.
As is apparent from FIG. 4, the number of abnormal discharges decreased with an increase in the frequency of the positive potential applied to the negative potential, and became zero at a frequency of 5 KHz or more.
[0019]
When performing DC high-voltage bombardment (sputter cleaning) or DC sputtering in a low pressure (around 10-2 Torr) or reactive atmosphere, it is caused by the workpiece shape, outgas from the workpiece, the presence of a high-resistance substance, and a high-resistance deposit. Abnormal discharge (arcing) called rapid discharge of electric charge due to arc discharge occurs from concentration and accumulation of electric charge due to formation of a parasitic capacitor. As a result, the work may be damaged or stained. However, in the present invention, as shown in FIGS. 3 and 4, by applying a positive potential to a negative potential in a pulse form, the concentration and accumulation of the charges are neutralized and released in a pulse form (5 μsec or less). Abnormal discharge is prevented. Since the abnormal discharge changes depending on the shape of the workpiece, the film forming apparatus, and the processing conditions, the pulse width and voltage of the positive potential can be arbitrarily set, and are not limited to the conditions of the present embodiment.
[0020]
The target metal of the UBMS cathode is Ti, Cr, Al, B, Zr, Hf, Mo, Si, W, Nb, C or an alloy thereof, and the HCD hearth input material is Ti, Cr, Si. , Al, B, Zr, etc., and the reaction gas is N2, CH4, C2H2, O2, Ar, He or a mixed gas thereof, and the ceramic film is made of TiN, CrN, TiAlN, TiSiN, AlCrN, c-BN. Abrasion resistance, corrosion resistance, etc., depending on the combination of raw material metals and reaction gas, from nitrides such as TiCN, CrCN, TiAlCN, TiSiCN, carbonitrides such as AlCrCN, and carbides such as TiC, CrC, SiC and DLC. A film having excellent tribological properties such as solid lubricity can be formed.
[0021]
In FIG. 1, a combination of a DC pulse power supply to the UBMS cathode 18 and a power supply for applying a positive potential in a pulsed manner to a negative potential at a constant frequency is used. However, the present invention is not limited to this, and a high frequency of 13.56 MHZ is used. By using a pulse power supply, film formation by high-density pulse high-frequency plasma is also possible. At this time, a choke coil (LPF; low-pass filter) is provided between the work and the power supply in the DC pulse power supply 13 (bias-side power supply), and the DC power supply needs to be protected from high frequencies.
[0022]
Embodiment 3
The washed and dried work 4 was mounted on the work holder 5 in the vacuum film forming chamber 1, degassed at 300 ° C. and 1.8 × 10 −5 Torr, and subjected to Ar ion bombardment under predetermined conditions. Thereafter, the power of the UBMS cathode 6 was 1 KW, the pulse positive potential was 5 KHz, 5 μsec, the discharge conditions of the HCD cathode 7 were constant at 140 A and 25 V, the respective film forming materials were Ti, the reaction gas 9 was N 2, and the sputtering gas 10 was , A mixed gas of N2 and Ar (1: 1), the work 4 was revolved around itself, and a film was formed under the conditions of a gas pressure of 2 × 10 −3 Torr and 25 minutes. FIG. 5 shows the results of measuring the film thickness of the side surface 4b and the front surface 4a of the work 4 when the film is formed only with the HCD cathode 7 and when the HCD cathode 7 and the UBMS cathode 6 are used together. As shown in FIG.
[0023]
When the film is formed only with the HCD cathode 7, as shown in FIGS. 5 and 6, the thickness of the front part 4a is 2.6 μm, but the side part is 1.2 μm, which is less than half of the front part 4a. there were. In addition, the thickness of the side portion is less than half of that of the front portion, and it is considered that the influence on the life of the three-dimensional mold and the component having the side portion, the rising portion, and the chamfered portion is large. .
[0024]
When the HCD cathode 7 and the UBMS cathode 6 are used in combination and a film is formed under the above conditions, FIG. As is clear from FIG. 6, the film pressure of the side portion 4b was 2.7 μm, which was almost the same as that of the front portion 4a. Thus, it was confirmed that the HCD / UBMS hybrid PVD method (apparatus) of the present invention had excellent covering properties. The adhesion strength of the obtained coating film was 200 N when the base material was a cemented carbide (V30), 90 N when the die steel was equivalent to SKD11, and the smoothness was 21 nm (Ra), which was an excellent value.
[0025]
【The invention's effect】
When the HCD / UBMS hybrid method of the present invention is used, film formation is performed in a reactive atmosphere while a positive potential is applied in a pulsed manner at a constant frequency to a negative potential workpiece and a UBMS cathode. Therefore, during the film formation process, the concentration and accumulation of electric charges at the work and the UBMS cathode are neutralized and released in a pulsed manner, and abnormal discharge (arcing) is prevented beforehand. There is an effect that a film having a three-dimensionally uniform film thickness can be formed at a high speed.
[0026]
In addition, since abnormal discharge (arcing) can be positively prevented, the applied voltage at the time of cleaning (bombardment) of the work surface by reverse sputtering and the applied voltage at the time of initial film formation are reduced from the conventional -500 to -1000 V to- It is possible to increase to 2000-4000V. Therefore, since the incident ion energy can be used from 500 to 1000 eV to 2000 to 4000 eV, which is 2 to 4 times, the ion mixing effect and the ion anchoring effect at the interface between the work and the coating are enhanced, and the adhesion strength of the conventional PVD coating is 70 to A strong film of 200N or more, which greatly exceeds the 140N level, can be obtained.
[0027]
Furthermore, according to the HCD / UBMS hybrid PVD apparatus of the present invention, a very smooth and excellently coatable ceramic coating on three-dimensional precision / mirror molds and machine parts without contamination / damage due to abnormal discharge (arcing). There is an effect of providing a PVD device capable of forming the above.
[0028]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an HCD / UBMS hybrid PVD apparatus for performing the PVD method of the present invention. FIG. 2 is a model of a potential applied to a UBMS cathode and a work (die, mechanical part) of the apparatus of FIG. FIG. 3 shows the relationship between the frequency and the number of abnormal discharges when cleaning the workpiece by reverse sputtering (Ar ion bombardment) in Example 1 of the PVD method of the present invention. FIG. 4 shows the UBMS cathode in Example 2 of the PVD method of the present invention. Relationship between frequency during sputter film formation and number of abnormal discharges. FIG. 5 Relationship between film formation conditions and film thickness on the side surface of the work in Example 3 of the present invention PVD method. FIG. Relationship between film forming conditions and film thickness at front of work
[Explanation of symbols]
1. 1. Vacuum deposition chamber 2. Vacuum exhaust system 3. Evacuation pressure regulating valve Work (mold, machine parts)
5. Self-revolving work holder 6. UBMS cathode (sputter source)
7. HCD cathode8. UBMS cathode discharge gas inlet tube 9. 9. Reaction gas cylinder 9a Reaction gas pressure regulating valve (Ar + N2) mixed gas for UBMS cathode discharge 10a. 10. UBMS cathode discharge (Ar + N2) mixed gas pressure regulating valve Ar gas for HCD cathode and bombardment 11a. 11. Ar gas pressure regulating valve for HCD cathode and bombardment 12. DC pulse power supply for UBMS cathode discharge 13. DC pulse power supply for work bombardment and bias Water-cooled hearth for HCD cathode (evaporation plasma source)
15. Shutter 16. Sheath heater for heating a vacuum film forming chamber 17. DC power supply for HCD discharge 18. Non-equilibrium magnetic field magnet 19. Conductive target for UBMS sputtering
