JP2010084153A - 成膜方法および成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の異なる材料からなる蒸発源に対して複数の圧力勾配型Ａｒプラズマガンからのプラズマビームを照射することにより、所望特性の物理蒸着膜を得る成膜方法および装置を提供する。
【解決手段】複数の異なる材料からなる蒸発源のそれぞれに対して、複数の蒸発用圧力勾配型Ａｒプラズマガンからのプラズマビームを照射して、蒸発源を粒子として蒸発・プラズマ化し、所望の成分組成、均質性、結晶形態、密着性、強度・硬度等を備えた物理蒸着膜を基板表面に成膜する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、プラズマを用いた物理蒸着膜の成膜方法および装置に関し、例えば、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＣｒＡｌＳｉＮ等の硬質膜を物理蒸着で蒸着形成するにあたり、所望の膜特性（成分組成、均質性、結晶形態、密着性、強度・硬度等）を備えた蒸着膜を形成するための成膜方法および装置に関する。

従来、蒸着膜の成膜方法としては、イオンプレーティング法、スパッタリング法等の物理蒸着法、化学蒸着法が良く知られており、物理蒸着法では、蒸発源、成膜条件等を調整することによって、例えば、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＣｒＡｌＳｉＮ等の硬質膜を成膜することができ、そして、これらの物理蒸着膜は、その膜特性を生かし、切削工具材料、耐摩耗構造材料等の幅広い分野で利用されている。

近年、新たな成膜技術として、圧力勾配型プラズマガンからのプラズマビーム照射を利用した成膜が注目されており、例えば、基板に所定のバイアス電圧を印加することによってプラズマ中のイオンを前記基板に入射させて当該基板を表面処理した後に、成膜室中に配置された材料蒸発源に向けて圧力勾配型プラズマガンからプラズマビームを照射し、前記材料蒸発源の膜材料を蒸発させて前記基板の表面に付着させて成膜する技術（特許文献１参照）が知られており、そして、この成膜技術によれば、成膜開始時の基板汚れ等の影響を排除することができ、その結果、結晶配向性の高い蒸着膜を得られることが知られている。
また、成膜室にプラズマビームを供給する圧力勾配型プラズマガンと、材料蒸発源、材料蒸発源にプラズマビームを導くハースとを備え、ハースと基板の距離を一定に保ったままで、ハースとプラズマガン間の距離を変化させて成膜する技術（特許文献２参照）も知られており、そして、この成膜技術によれば、蒸着膜特性に影響する蒸発粒子の発生率や蒸発粒子のイオン化率をほとんど変化させずに、成膜粒子のエネルギーのみを制御できることが知られている。
特開２００１−２４９８７１号公報 特開２００２−２６２３２３号公報

物理蒸着膜は多方面で幅広く利用され、応用分野も広がっているが、応用分野の拡大とともに、蒸着膜に要求される膜特性は益々厳しいものとなってきている。
そこで、本発明は、物理蒸着膜に要求される各種特性（成分組成、均質性、結晶形態、密着性、強度・硬度等）に的確に応えるべく、複数の蒸発源に対して複数の圧力勾配型Ａｒプラズマガンからのプラズマビームを照射することにより、所望特性を備えた物理蒸着膜を簡易に成膜するための成膜方法及び成膜装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、圧力勾配型Ａｒプラズマガンから蒸発源に対してプラズマビームを照射することにより形成される蒸着膜の膜特性について鋭意研究を行った結果、次のような知見を得た。

従来技術においては、基本的には、単一の圧力勾配型プラズマガンから、単一の蒸発源にプラズマビームが照射され、蒸発成分が粒子化・イオン化し、基板表面に付着することにより蒸着膜が形成されていた。しかし、従来技術で成膜された物理蒸着膜は、目標どおりの成分組成を得ることが難しく、膜中の成分分布が不均一であり、結晶配向性等の結晶形態を的確に制御することができず、基板との密着性が不十分であり、さらに、膜の強度・硬度が不十分である等の問題点があった。
しかし、本発明者らは、基体温度、バイアス電圧、プラズマガン放電電力、雰囲気ガス等の諸条件を調整しつつ、複数の異なる材料からなる複数の蒸発源のそれぞれに対して、複数の蒸発用の圧力勾配型Ａｒプラズマガン（以下、蒸発用プラズマガンという）からプラズマビームを照射し、蒸発源を粒子として蒸発・プラズマ化し、基板表面に物理蒸着膜を成膜した場合には、所望の膜特性（成分組成、均質性、結晶形態、密着性、強度・硬度等）を備えた物理蒸着膜が簡易に成膜されることを見出した。

上記の物理蒸着膜を成膜するための成膜装置としては、例えば、図1（ａ）、（ｂ）に示されるような成膜装置を用いることができる。
この成膜装置は、反応ガスの導入口、排出口を備え、基板にバイアスを印加するための直流バイアス電源を備え、成膜装置の内部上方には、基板を加熱するヒーター及び基板を垂直軸周りに回転可能な状態に保持する基板ホルダーを配置し、一方、成膜装置の内部下方には、複数の異なる材料からなる複数の蒸発源を収納した複数の蒸発源収納容器を配置し、該複数の蒸発源のそれぞれにプラズマビームを指向・照射する複数の蒸発用の圧力勾配型Ａｒプラズマガンを配置している。
そして上記成膜装置において、基体温度、バイアス電圧、プラズマガン放電電力、雰囲気ガス等の諸条件を調整しつつ成膜することによって、所望の膜特性（成分組成、均質性、結晶形態、密着性、強度・硬度等）を備えた物理蒸着膜を簡易に成膜することができる。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 物理蒸着膜を基板表面に成膜する方法において、複数の圧力勾配型Ａｒプラズマガンからのプラズマビームを、成膜装置の内部下方に配置され複数の蒸発源収納容器に収納された複数の異なる材料からなる蒸発源に照射し、蒸発源を粒子として蒸発・プラズマ化し、物理蒸着膜を成膜装置上方に設置した基板表面に成膜することを特徴とする成膜方法。
（２） 蒸発用のＡｒプラズマガンからのプラズマビームを蒸発源に照射し、蒸発源を蒸発・プラズマ化し、物理蒸着膜を基板表面に成膜する成膜装置において、
成膜装置は、反応ガスを装置内へ導入する導入口、装置外へ排出する排出口を備え、成膜装置の外部には基板にバイアスを印加するための直流バイアス電源を備え、成膜装置の内部上方には、基板を所定温度に加熱するためのヒーター及び基板を垂直軸周りに回転可能な状態に保持する基板ホルダーを配置し、成膜装置の内部下方には、複数の異なる材料からなる複数の蒸発源を収納した複数の蒸発源収納容器を配置し、成膜装置には、複数の蒸発源収納容器に収納された複数の蒸発源のそれぞれにプラズマビームを指向・照射する複数の蒸発用の圧力勾配型Ａｒプラズマガンを配置したことを特徴とする成膜装置。」
に特徴を有するものである。

この発明の成膜方法および成膜装置について、以下に説明する。
図１（ａ）は、本発明装置の一具体例である成膜装置の正面図、また、図１（ｂ）は、上記本発明装置の一具体例である成膜装置の平面図を示す概略説明図であるが、図１の本発明成膜装置においては、窒素ガス等の反応ガスを装置内へ導入する導入口（図示せず）と反応後の反応ガスを装置外へ排出する排出口（図示せず）を設け、さらに、成膜装置の外部には基板にバイアスを印加するための直流バイアス電源を設け、成膜装置の内部上方には、基板を所定温度に加熱するためのヒーター及び基板を垂直軸周り（あるいは必要によりさらに水平軸周り）に回転可能な状態に保持する基板ホルダーを配置し、成膜装置の内部下方には、複数の異なる材料Ａ，Ｂ（例えば、材料ＡはＴｉ−Ｓｉ合金，材料Ｂは金属Ａｌ）からなる複数の蒸発源（例えば、蒸発源Ａ、蒸発源Ｂ）を収納した複数の蒸発源収納容器（例えば、蒸発源収納容器Ａ、蒸発源収納容器Ｂ）を配置し、成膜装置には、複数の蒸発源収納容器に収納された複数の蒸発源のそれぞれにプラズマビームを指向・照射する複数の蒸発用の圧力勾配型Ａｒプラズマガン（例えば、蒸発用プラズマガンＡ、蒸発用プラズマガンＢ）を配置する。

そして、基体温度、バイアス電圧、プラズマガン放電電力、雰囲気ガスの諸条件を調整しつつ、上記成膜装置を用いて成膜することにより、基板表面には、所望の膜特性（成分組成、均質性、結晶形態、密着性、強度・硬度等）を備えた物理蒸着膜を成膜することができる。

なお、基体温度、バイアス電圧、プラズマガン放電電力、雰囲気ガスの成膜条件ばかりでなく、複数の蒸発源収納容器同士の間隔、蒸発源収納容器（蒸発源）と基板間の距離等によっても形成されるプラズマの形態が変化し、その結果、成膜される物理蒸着膜の膜特性が影響を受けるので、上記の間隔、距離についても、所望の膜特性に応じた設定が必要である。

この発明の成膜方法および成膜装置によれば、基体温度、バイアス電圧、プラズマガン放電電力、雰囲気ガス等の成膜条件を調整しつつ、複数の異なる材料からなる複数の蒸発源のそれぞれに対して、複数の蒸発用圧力勾配型Ａｒプラズマガンからのプラズマビームを照射し、蒸発源を粒子として蒸発・プラズマ化し、成膜を行うことによって、所望の膜特性（成分組成、均質性、結晶形態、密着性、強度・硬度等）を備えた物理蒸着膜を簡易に成膜することができる。

つぎに、この発明を実施例により具体的に説明する。
なお、この発明の実施例としては、基板（工具基体）表面に硬質な物理蒸着膜を成膜することによって、優れた切削性能を備えた表面被覆切削工具を製造する場合について述べるが、本発明は、これに何ら限定されるものではなく、例えば、透明導電膜等の各種の物理蒸着膜の成膜方法および成膜装置としても適用可能なものである。

図１において、表１に示される配合組成のＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットあるいは立方晶窒化ほう素基（ｃＢＮ基）超高圧焼結体から選ばれた基板（寸法：１２×１２×４（ｍｍ））を、垂直軸および水平軸に対して回転可能に基板ホルダーで保持し、成膜装置下方に配置した蒸発源収納容器Ａに、表２に示される材料から選択した蒸発源Ａを収納し、同じく成膜装置下方に蒸発源収納容器Ａと６５０ｍｍの距離（但し、容器Ａと容器Ｂの中心間距離）だけ離間して配置した蒸発源収納容器Ｂに、同じく表２に示される材料から選択した蒸発源Ｂを収納した後、成膜装置内に反応ガスとして窒素ガスを２０〜４０ｓｃｃｍの範囲の流量で導入し、装置内圧力を０．０４〜０．０８Ｐａに保持し、ヒーターで基板を１２０〜１８０℃に加熱し、かつ、基板に蒸着膜が均一に形成されるように、垂直軸および水平軸の周りに基板を回転させつつ、蒸発用プラズマガンＡから蒸発源Ａへプラズマビームを所定条件で照射し、同時に、蒸発用プラズマガンＢから蒸発源Ｂへプラズマビームを所定条件で照射し、蒸発源Ａ、蒸発源Ｂの各成分をそれぞれ蒸発・イオン化し、さらに、基板（工具基体）には−５〜−３０Ｖの範囲内の直流バイアス電圧を印加し、蒸発源収納容器Ａ、Ｂと垂直距離で８００ｍｍ離間して設置した基板（工具基体）表面に、表３に示す１〜１０μｍの膜厚の物理蒸着膜（本発明蒸着膜１〜２０という）を成膜した。

比較例として、表２に示される材料から選択した一種の材料からなる蒸発源Ａを蒸発源収納容器Ａに収納し、成膜装置内に反応ガスとして窒素ガスを２０〜４０ｓｃｃｍの範囲の流量で導入し、装置内圧力を０．０４〜０．０８Ｐａに保持し、ヒーターで基板を１２０〜１８０℃に加熱し、かつ、基板に蒸着膜が均一に形成されるように、垂直軸および水平軸の周りに基板を回転させつつ、蒸発用プラズマガンＡから蒸発源Ａへプラズマビームを照射し、蒸発源Ａの成分を蒸発・イオン化し、さらに、基板（工具基体）には−５〜−３０Ｖの範囲内の直流バイアス電圧を印加し、基板（工具基体）表面に、表４に示す１〜１０μｍの膜厚の物理蒸着膜（比較蒸着膜１〜２０という）を成膜した。

なお、表３、表４に、上記実施例および比較例における成膜の具体的な諸条件、即ち、具体的な窒素ガスの流量、装置内圧力、基板加熱温度、蒸発用プラズマガンの放電電力、直流バイアス電圧、蒸着膜の膜厚等を示す。

上記実施例の成膜法で成膜した本発明蒸着膜１〜２０及び上記比較例における成膜法で成膜した比較蒸着膜１〜２０について、それぞれの蒸着膜の特性（成分組成、均質性、結晶形態）を調査した。
その結果を、表５、表６に示す。

上記蒸着膜の成分組成および蒸着の均質性（蒸着膜中の成分分布の均一性）については、オージェ分光分析装置を用いて測定した。
表５、表６に示される結果から、本発明蒸着膜１〜２０では、ほぼ目標どおりの組成が得られるとともに、比較蒸着膜１〜２０に比して、膜の均質性に優れていることがわかる。

結晶形態については、硬質物理蒸着膜表面を研磨面とした状態で、電子線後方散乱回折装置（ＥＢＳＤ）を用いて個々の結晶粒の結晶方位を解析することにより行った。
即ち、３０×５０μｍの領域を、０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔で、前記研磨面の法線に対して、硬質蒸着膜を構成する結晶粒の結晶面である{１００}、{1１1}面の法線がなす傾斜角を測定し、この測定結果に基づいて、前記測定傾斜角のうち、０〜５５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより、図２に示される傾斜角度数分布グラフを作成し、結晶粒全面積に占める、法線方向に対して０〜１５度の範囲内の傾斜角区分に結晶方位＜１００＞、＜１１１＞が存在する結晶粒の面積割合を求めた。
また、同様の領域において、すべての結晶粒界について、それを構成する隣り合う結晶粒のなす角を測定し、図３に示されるような該なす角とそれぞれの割合を示すグラフを作成し、全結晶粒界に占める、結晶粒界相互の傾斜角度が０〜１５度の範囲内である小角粒界の割合を求めた。
その結果を、表５、表６に示す。

表５によれば、例えば、本発明蒸着膜１では、法線方向に対して０〜１５度の範囲内に、結晶方位＜１００＞が存在する結晶粒の面積割合は結晶粒全面積の７６％であって、特定方位への結晶配向が形成されており、しかも、結晶粒界相互の傾斜角が１５°以下である小角粒界の割合が全結晶粒界の７４％であるように、結晶粒界相互の傾斜角も小さいことから、この発明により成膜された物理蒸着膜は、結晶配向性が非常に高いことがわかる。
また、本発明蒸着膜８についても同様に、法線方向に対して０〜１５度の範囲内に、結晶方位＜１１１＞が存在する結晶粒の面積割合は結晶粒全面積の７３％であり、しかも、結晶粒界相互の傾斜角が１５°以下である小角粒界の割合が全結晶粒界の７２％であって、結晶粒界相互の傾斜角も小さく、結晶配向性が非常に高いことがわかる。

これに対して、単一の蒸発用プラズマガンからのプラズマビームを、単一の蒸発源に照射して成膜した比較蒸着膜１〜１２０、例えば、比較例１，８についての結果からわかるように、法線方向に対して０〜１５度の範囲内に、結晶方位＜１００＞、＜１１１＞が存在する結晶粒の面積割合は結晶粒全面積のそれぞれ３４％、３６％であり、さらに、小角粒界の割合も全結晶粒界の２５％、２８％であることから、比較蒸着膜１〜２０は、本発明に比して、結晶配向性を有さないことがわかる。

以上のとおり、本発明によれば、各蒸発源の種類、各蒸発用プラズマガンの放電電力等の成膜条件を適切に選択し、複数の蒸発源を用い、それぞれに対応させた複数の蒸発用プラズマガンからプラズマビームを照射し、蒸発源を粒子として蒸発・プラズマ化することにより、所望の膜特性（成分組成、均質性、結晶形態）を備えた物理蒸着膜を容易に成膜することができる。

これに対して、単一の蒸発用プラズマガンからのプラズマビームを、単一の蒸発源に照射した比較蒸着膜では、目標どおりの組成を得ることが困難であり、膜中成分の分布が不均一であって均質性に劣り、結晶配向性が低い。

さらに、本発明蒸着膜１〜２０を硬質被覆層として設けたインサート形状の表面被覆切削工具１〜２０（以下、本発明被覆インサート１〜２０という）及び比較蒸着膜１〜２０を硬質被覆層として設けたインサート形状の表面被覆切削工具１〜２０（以下、比較被覆インサート１〜２０という）について、以下の条件で重切削加工試験を行い、切削工具用硬質被覆膜として用いられた場合の高温条件下での本発明蒸着膜１〜２０及び比較蒸着膜１〜２０の性能評価を行った。

本発明被覆インサート１〜２０および比較被覆インサート１〜２０のそれぞれを工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、
本発明被覆インサート１〜８および比較被覆インサート１〜８については、
被削材：ＪＩＳ・ＳＮＣＭ４３９の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ３．０ ｍｍ、
送り： ０．２８ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ３ 分、
の条件（切削条件イという）での合金鋼の乾式断続重切削加工試験（通常の切り込み及び送りは、それぞれ、１．５ｍｍ、０．２ｍｍ／ｒｅｖ．）を行った。
また、本発明被覆インサート９〜１４および比較被覆インサート９〜１４については、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ４５Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ２．０ ｍｍ、
送り： ０．２０ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ３ 分、
の条件（切削条件ロという）での炭素鋼の乾式断続重切削加工試験（通常の切り込み及び送りは、それぞれ、１．５ｍｍ、０．１０ｍｍ／ｒｅｖ．）を行った。
さらに、本発明被覆インサート１５〜２０および比較被覆インサート１５〜２０については、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の浸炭焼入れ鋼（ＨＲＣ ６０）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２２０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１８ ｍｍ、
送り： ０．２３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ３ 分、
の条件（切削条件ハという）での合金鋼の焼入れ材の乾式断続重切削加工試験（通常の切り込み及び送りは、それぞれ、０．１０ｍｍ、０．１０ｍｍ／ｒｅｖ．）を行った。
上記いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
この測定結果を表７に示した。

表７に示される結果から、本発明蒸着膜１〜２０を硬質被覆層として備えた本発明被覆インサート１〜２０は、高温条件下で蒸着膜に高負荷が作用する各種鋼の重切削加工において、蒸着膜がすぐれた密着強度、高温強度、高温硬さを備えるため、剥離、欠損等を生じることなく長期にわたって優れた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較蒸着膜１〜２０を硬質被覆層として備えた比較被覆インサート１〜２０は、蒸着膜の密着強度、高温強度が十分でないため、重切削加工時に剥離、欠損等を発生し、かつ、高温硬さが十分でないため耐摩耗性にも劣ることがわかる。

以上のとおり、本発明の成膜方法及び成膜装置によれば、複数の蒸発用プラズマガンからのプラズマビームを、それぞれ複数の蒸発源に照射し、蒸発源を粒子として蒸発・プラズマ化し、物理蒸着膜を成膜することによって、所望の成分組成、均質性、結晶形態、密着性、強度・硬度等の膜特性を備えた物理蒸着膜を簡易に成膜することができる。

本発明の成膜方法を実施するための成膜装置全体の概略説明図であり、（ａ）は成膜装置の正面図、（ｂ）は成膜装置の平面図である。 本発明蒸着膜１についてＥＢＳＤで測定した、研磨面の法線方向に対する結晶粒の結晶方位＜１００＞がなす測定傾斜角の角度分布グラフである。 本発明蒸着膜１にについてＥＢＳＤで測定した、隣り合う結晶粒の結晶粒界相互の傾斜角の角度分布グラフである。

Claims (2)

1. 物理蒸着膜を基板表面に成膜する方法において、複数の圧力勾配型Ａｒプラズマガンからのプラズマビームを、成膜装置の内部下方に配置され複数の蒸発源収納容器に収納された複数の異なる材料からなる蒸発源に照射し、蒸発源を粒子として蒸発・プラズマ化し、物理蒸着膜を成膜装置上方に設置した基板表面に成膜することを特徴とする成膜方法。
2. 蒸発用のＡｒプラズマガンからのプラズマビームを蒸発源に照射し、蒸発源を蒸発・プラズマ化し、物理蒸着膜を基板表面に成膜する成膜装置において、成膜装置は、反応ガスを装置内へ導入する導入口、装置外へ排出する排出口を備え、成膜装置の外部には基板にバイアスを印加するための直流バイアス電源を備え、成膜装置の内部上方には、基板を所定温度に加熱するためのヒーター及び基板を垂直軸周りに回転可能な状態に保持する基板ホルダーを配置し、成膜装置の内部下方には、複数の異なる材料からなる複数の蒸発源を収納した複数の蒸発源収納容器を配置し、成膜装置には、複数の蒸発源収納容器に収納された複数の蒸発源のそれぞれにプラズマビームを指向・照射する複数の蒸発用の圧力勾配型Ａｒプラズマガンを配置したことを特徴とする成膜装置。

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