JP2017066483A - Film deposition apparatus and method using magnetron sputtering technique - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetron sputtering apparatus which forms a coating having higher hardness than that of the conventional apparatus.SOLUTION: In a magnetron sputtering apparatus 10, when sputtering particles struck out from a surface to be sputtered of a target 162 of a magnetron cathode 16 pass through plasma 300 by arc discharge generated by thermoelectrons discharged from a filament 22 provided between the surface to be sputtered of the target 162 and a surface to be treated of an object to be treated 100, the sputtering particles are activated and ionized to adhere to the surface to be treated of the object to be treated 100 at high energy.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、マグネトロンスパッタ法による成膜装置および成膜方法に関する。   The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method using a magnetron sputtering method.

マグネトロンスパッタ法による成膜装置および成膜方法においては、ターゲットの被スパッタ面と被処理物の被処理面とが互いに対向するように、当該ターゲットを有するマグネトロンカソードと当該被処理物とが真空槽内に設けられる。そして、真空槽内に放電用ガス導入される。その上で、真空槽を陽極とし、マグネトロンカソードを陰極として、これら両者にスパッタ電力(またはターゲット電力とも言う。)が供給される。すると、放電用ガスが放電して、ターゲットの表面、詳しくは露出した状態にある被スパッタ面、の近傍に、プラズマが発生する。このプラズマの放電態様は、高電圧小電流のグロー放電である。そして、このプラズマ中のイオンがターゲットの被スパッタ面に衝突して、当該被スパッタ面からターゲットの粒子が叩き出される。このターゲットの被スパッタ面から叩き出されたスパッタ粒子は、被処理物の被処理面に向かって飛翔して、当該被処理面に付着し、堆積する。この結果、被処理物の被処理面にスパッタ粒子を成分として含む被膜が形成される。なお、上述の如くターゲットの被スパッタ面の近傍にプラズマが発生するのは、マグネトロンカソードに組み込まれた磁界形成手段としての例えば永久磁石によって形成される磁界の作用による。このようにターゲットの被スパッタ面の近傍にプラズマが集中することによって、当該被スパッタ面のスパッタ効率の向上が図られ、ひいては成膜速度の向上が図られる。また、スパッタ粒子と反応する性質を持つ反応性ガスが真空槽内に導入されることによって、これらの化合物である化合物膜の形成が実現される。   In the film forming apparatus and the film forming method by the magnetron sputtering method, the magnetron cathode having the target and the object to be processed are in a vacuum chamber so that the surface to be sputtered of the target and the surface to be processed of the object are opposed to each other. It is provided in the inside. Then, a discharge gas is introduced into the vacuum chamber. Then, using the vacuum chamber as the anode and the magnetron cathode as the cathode, sputtering power (also referred to as target power) is supplied to both of them. Then, the discharge gas is discharged, and plasma is generated in the vicinity of the surface of the target, specifically, the exposed surface to be sputtered. This plasma discharge mode is a high voltage, small current glow discharge. Then, ions in the plasma collide with the surface to be sputtered of the target, and target particles are knocked out from the surface to be sputtered. The sputtered particles knocked out from the target surface of the target fly toward the surface to be processed of the object to be processed, and adhere to and accumulate on the surface to be processed. As a result, a film containing sputtered particles as a component is formed on the surface to be processed of the object to be processed. As described above, the generation of plasma near the surface to be sputtered of the target is caused by the action of a magnetic field formed by, for example, a permanent magnet as a magnetic field forming unit incorporated in the magnetron cathode. By concentrating the plasma in the vicinity of the target surface to be sputtered in this way, the sputtering efficiency of the surface to be sputtered can be improved, and the film formation rate can be improved. Further, by introducing a reactive gas having a property of reacting with the sputtered particles into the vacuum chamber, formation of a compound film that is these compounds is realized.

このようなマグネトロンスパッタ法による成膜技術として、従来、例えば特許文献1に開示されたものがある。この従来技術によれば、ITO(Indium Tin Oxide:酸化インジウムスズ)から成る透明電極を形成することができる、とされているが、当然に、当該ITO以外の被膜をも形成することができる、と解される。また、この従来技術によれば、ターゲットの表裏方向に対して垂直な面である水平面内で磁界形成手段としての磁場発生部を駆動することで、当該ターゲットの消費を均一化することができる、とされている。さらに、この従来技術によれば、磁場発生部の駆動領域を適宜に制限することで、シース電圧の絶対値および変動を小さくすることが可能になり、従って、ダメージが少なく均質な被膜を形成することが可能になる、とされている。   As a film forming technique by such a magnetron sputtering method, there has been conventionally disclosed, for example, in Patent Document 1. According to this prior art, it is said that a transparent electrode made of ITO (Indium Tin Oxide: indium tin oxide) can be formed, but naturally, a film other than the ITO can also be formed. It is understood. Further, according to this conventional technique, by driving the magnetic field generation unit as the magnetic field forming means in a horizontal plane that is a plane perpendicular to the front and back direction of the target, the consumption of the target can be made uniform. It is said that. Furthermore, according to this conventional technique, it is possible to reduce the absolute value and fluctuation of the sheath voltage by appropriately limiting the drive region of the magnetic field generator, and thus form a uniform film with less damage. It is supposed to be possible.

特開2012−251233号公報JP 2012-251233 A

しかしながら、従来技術では、スパッタ粒子の殆どが比較的にエネルギの小さい中性であるため、高硬度な被膜を形成することができない。例えば、金型や切削工具用の被膜として知られている窒化チタン(TiN)膜および窒化クロム(CrN)膜については、400HK〜700HK程度の硬度(ヌープ硬度)のものしか形成することができず、このような軟らかい被膜は、当該金型や切削工具用として不十分である。   However, in the prior art, since most of the sputtered particles are neutral with relatively low energy, it is not possible to form a highly hard coating. For example, a titanium nitride (TiN) film and a chromium nitride (CrN) film known as coatings for molds and cutting tools can only be formed with a hardness of about 400HK to 700HK (Knoop hardness). Such a soft coating is insufficient for the mold and the cutting tool.

そこで、本発明は、従来よりも高硬度な被膜を形成することができるマグネトロンスパッタ法による成膜装置および成膜方法を提供することを、目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a film forming apparatus and a film forming method by a magnetron sputtering method capable of forming a film having a higher hardness than conventional ones.

この目的を達成するために、本発明は、マグネトロンスパッタ法による成膜装置に係る第1発明と、当該マグネトロンスパッタ法による成膜方法に係る第2発明と、を含む。   In order to achieve this object, the present invention includes a first invention related to a film forming apparatus using a magnetron sputtering method and a second invention related to a film forming method using the magnetron sputtering method.

このうちの第1発明は、内部に被処理物が収容される真空槽を備えている。また、真空槽内には、マグネトロンカソードが設けられている。このマグネトロンカソードは、ターゲットを有しており、このターゲットの被スパッタ面が被処理物の被処理面と対向するように、当該真空槽内に設けられている。そして、真空槽内に放電用ガスを導入する放電用ガス導入手段も、設けられている。併せて、真空槽を陽極とし、マグネトロンカソードを陰極として、これら両者にスパッタ電力を供給するスパッタ電力供給手段も、設けられている。このスパッタ電力が供給されると、放電用ガスが放電して、ターゲットの被スパッタ面の近傍にプラズマが発生する。このプラズマの放電態様は、グロー放電である。そして、このプラズマ中のイオンがターゲットの被スパッタ面に衝突して、当該被スパッタ面からターゲットの粒子が叩き出される。このターゲットの被スパッタ面から叩き出されたスパッタ粒子は、被処理物の被処理面に向かって飛翔して、当該被処理面に付着し、堆積する。この結果、被処理物の被処理面にスパッタ粒子を成分として含む被膜が形成される。その上で、本第1発明は、フィラメントと、放電用電力供給手段と、をさらに具備する。このうちのフィラメントは、ターゲットの被スパッタ面と被処理物の被処理面との間に設けられており、熱電子放出用電力の供給を受けることによって加熱されて熱電子を放出する。そして、放電用電力供給手段は、真空槽を陽極とし、フィラメントを陰極として、これら両者に放電用電力を供給する。これにより、フィラメントから放出された熱電子が加速されて、当該フィラメントの周囲にアーク放電が誘起される。   Among these, the 1st invention is equipped with the vacuum chamber in which a to-be-processed object is accommodated. A magnetron cathode is provided in the vacuum chamber. The magnetron cathode has a target, and is provided in the vacuum chamber so that the surface to be sputtered of the target faces the surface to be processed of the object to be processed. Discharge gas introduction means for introducing the discharge gas into the vacuum chamber is also provided. In addition, there is also provided a sputtering power supply means for supplying sputtering power to both the vacuum chamber as an anode and the magnetron cathode as a cathode. When this sputtering power is supplied, the discharge gas is discharged, and plasma is generated in the vicinity of the surface to be sputtered of the target. The plasma discharge mode is glow discharge. Then, ions in the plasma collide with the surface to be sputtered of the target, and target particles are knocked out from the surface to be sputtered. The sputtered particles knocked out from the target surface of the target fly toward the surface to be processed of the object to be processed, and adhere to and accumulate on the surface to be processed. As a result, a film containing sputtered particles as a component is formed on the surface to be processed of the object to be processed. In addition, the first invention further includes a filament and a discharge power supply means. Of these, the filament is provided between the surface to be sputtered of the target and the surface to be processed of the object, and is heated by receiving the supply of thermionic emission power to emit thermoelectrons. Then, the discharge power supply means supplies the discharge power to both the vacuum chamber as an anode and the filament as a cathode. Thereby, the thermoelectrons emitted from the filament are accelerated, and arc discharge is induced around the filament.

即ち、本第1発明によれば、ターゲットの被スパッタ面と被処理物の被処理面との間にフィラメントが設けられている。そして、このフィラメントの周囲にアーク放電が誘起されている。要するに、上述のグロー放電によるプラズマに加えて、低電圧大電流のアーク放電による極めて高密度なプラズマが、ターゲットの被スパッタ面と被処理物の被処理面との間に発生している。従って、ターゲットの被スパッタ面から叩き出されたスパッタ粒子は、被処理物の被処理面に向かって飛翔する途中で、このアーク放電による極めて高密度なプラズマ中を通過する。これにより、スパッタ粒子が活性化され、さらにはイオン化されて、少なくとも中性の状態よりは高いエネルギを持つようになる。そして、この高いエネルギを持つスパッタ粒子が被処理物の被処理面に付着して堆積することで、当該被処理面に高硬度な被膜が形成される。   That is, according to the first aspect of the invention, the filament is provided between the target surface to be sputtered and the target surface to be processed. An arc discharge is induced around the filament. In short, in addition to the plasma due to the glow discharge described above, extremely high density plasma due to the arc discharge with a low voltage and large current is generated between the target surface to be processed and the target surface to be processed. Accordingly, the sputtered particles struck out from the target sputtering surface pass through the extremely high-density plasma generated by this arc discharge while flying toward the processing surface of the workpiece. As a result, the sputtered particles are activated and further ionized to have energy higher than at least the neutral state. The sputtered particles having high energy adhere to and accumulate on the surface to be processed of the object to be processed, so that a high hardness film is formed on the surface to be processed.

なお、フィラメントは、ターゲットの被スパッタ面との間に適当な距離を置いた状態で、当該被スパッタ面に沿うように設けられるのが、望ましい。この構成によれば、ターゲットの被スパッタ面に沿って一様な強さのアーク放電が形成される。これは特に、被膜の性質(膜質)および厚さ(膜厚)の均一化に大きく貢献する。   Note that the filament is desirably provided along the surface to be sputtered with an appropriate distance from the surface to be sputtered of the target. According to this configuration, arc discharge having a uniform intensity is formed along the surface to be sputtered of the target. In particular, this greatly contributes to uniforming the properties (film quality) and thickness (film thickness) of the coating.

また、フィラメントとターゲットの被スパッタ面との間の距離は、5mm〜50mmであるのが、望ましい。例えば、この距離が過度に小さいと、フィラメントとターゲットの被スパッタ面とが互いに接触する虞があり、甚だ不都合である。とりわけ、フィラメントが熱変形した場合には、その虞が顕著になる。このことから、フィラメントとターゲットの被スパッタ面との間の距離は、5mm以上であるのが、望ましい。一方、当該距離が過度に大きいと、フィラメントの周囲の磁界が弱くなり、アーク放電の誘起が困難になる。このことから、当該距離は、50mm以下であるのが、望ましい。   The distance between the filament and the target surface to be sputtered is preferably 5 mm to 50 mm. For example, if this distance is excessively small, the filament and the surface to be sputtered of the target may come into contact with each other, which is extremely inconvenient. In particular, when the filament is thermally deformed, the fear becomes remarkable. Therefore, it is desirable that the distance between the filament and the surface to be sputtered of the target is 5 mm or more. On the other hand, if the distance is excessively large, the magnetic field around the filament becomes weak and it is difficult to induce arc discharge. Therefore, the distance is desirably 50 mm or less.

併せて、複数のフィラメントが設けられてもよい。このように複数のフィラメントが設けられることによって、アーク放電の増強が図られ、つまり当該アーク放電によるプラズマのさらなる高密度化が図られ、ひいてはスパッタ粒子の活性化およびイオン化が促進される。   In addition, a plurality of filaments may be provided. By providing a plurality of filaments in this way, the arc discharge is enhanced, that is, the plasma density is further increased by the arc discharge, and the activation and ionization of the sputtered particles are promoted.

加えて、真空槽を陽極とし、被処理物を陰極として、これら両者にバイアス電力を供給するバイアス電力供給手段が、さらに備えられてもよい。この構成によれば、被処理物の被処理面に向かって飛翔するスパッタ粒子、特にイオン化されたスパッタ粒子が、加速され、被膜のさらなる高硬度化が図られる。このことは、次に説明する化合物膜の形成において、特に有益である。   In addition, bias power supply means for supplying a bias power to both the vacuum chamber as the anode and the workpiece as the cathode may be further provided. According to this configuration, the sputtered particles flying toward the surface to be processed of the object to be processed, particularly the ionized sputtered particles, are accelerated, and the coating film is further increased in hardness. This is particularly useful in the formation of the compound film described below.

化合物膜の形成においては、スパッタ粒子と反応する性質を持つ反応性ガスを真空槽内に導入する反応性ガス導入手段が、さらに備えられる。この構成によれば、真空槽内に導入された反応性ガスは、プラズマによってイオン化される。そして、このイオン化された反応性ガスの粒子と、イオン化されたスパッタ粒子とが、互いに反応して、これらの化合物である化合物膜が被膜として形成される。このような化合物膜の形成において、上述のバイアス電力供給手段が備えられる構成、つまりイオン化されたスパッタ粒子が被処理物の被処理面に向かって加速される構成は、極めて有益である。また、本第1発明によれば、上述の如くスパッタ粒子のイオン化が促進されるので、このことも、化合物膜の形成において、極めて有益である。   In the formation of the compound film, a reactive gas introducing means for introducing a reactive gas having a property of reacting with the sputtered particles into the vacuum chamber is further provided. According to this configuration, the reactive gas introduced into the vacuum chamber is ionized by the plasma. The ionized reactive gas particles and the ionized sputtered particles react with each other to form a compound film of these compounds as a coating. In the formation of such a compound film, a configuration provided with the above-described bias power supply means, that is, a configuration in which ionized sputtered particles are accelerated toward the surface to be processed is extremely useful. In addition, according to the first invention, since ionization of sputtered particles is promoted as described above, this is also extremely useful in forming a compound film.

また、スパッタ力としては、直流電力,高周波電力,パルス電力または高出力ハイインパルス電力がある。例えば、ターゲットが金属等の導電性物質である場合には、当該スパッタ電力として、直流電力が採用される。また、ターゲットが導電性物質であるとしても、形成しようとする被膜が上述の化合物膜であって絶縁性被膜である場合には、高周波電力,パルス電力または高出力ハイインパルス電力が採用される。これは、ターゲットの被スパッタ面のエロージョン領域以外の部分に絶縁性被膜が形成されることによる異常放電の発生を防止するためである。ここで、高周波電力とは、周波数が13.56MHの正弦波電力である。そして、パルス電力とは、例えば(常套的には真空槽が接続される)接地電位を基準としてその電圧成分が正電位と負電位とに交互に遷移するバイポーラパルス電力、或いは、当該電圧成分が接地電位と負電位とに交互に遷移するユニポーラパルス電力であり、当該電圧成分の波形としては、矩形波のものが一般的であるが、それ以外の例えば三角波のものや鋸歯状波のものであってもよい。そして、高出力ハイインパルス電力とは、瞬間的(数μs〜数十μs程度の時間にわたって)かつ周期的に(数十Hz〜数百Hzの周波数で)極めて大きな電力値(数十kW〜数百kW程度の電力値)を示すものであり、近年殊に注目されている。この高出力ハイインパルス電力によれば、例えば上述のアーク放電が誘起されなくても、スパッタ粒子のイオン化が促進されることが知られている。従って、この高出力ハイインパルス電力と上述のアーク放電との組合せ、言わばハイブリッド化、によって、スパッタ粒子のイオン化のさらなる促進が期待され、ひいては被膜のさらなる高硬度化が期待され、加えて、成膜処理時の温度の低減や成膜速度の向上等が期待される。なお、被処理物が導電性物質である場合には、高周波電力が採用される。   Further, the sputtering force includes DC power, high frequency power, pulse power, or high output high impulse power. For example, when the target is a conductive material such as metal, DC power is employed as the sputtering power. Even if the target is a conductive substance, when the film to be formed is the above-described compound film and an insulating film, high frequency power, pulse power, or high output high impulse power is employed. This is to prevent the occurrence of abnormal discharge due to the formation of the insulating coating on the portion other than the erosion region of the surface to be sputtered of the target. Here, the high frequency power is sine wave power having a frequency of 13.56 MH. The pulse power is, for example, a bipolar pulse power in which the voltage component alternates between a positive potential and a negative potential with reference to the ground potential (usually connected to a vacuum chamber), or the voltage component is This is a unipolar pulse power that alternates between a ground potential and a negative potential, and the waveform of the voltage component is generally a rectangular wave, but other than that, for example, a triangular wave or a sawtooth wave There may be. The high output high impulse power is an extremely large power value (several tens of kW to several tens of Hz) instantaneously (over a period of several μs to several tens μs) and periodically (with a frequency of several tens to several hundreds of Hz). In recent years, it has attracted particular attention. According to this high output high impulse power, for example, it is known that ionization of sputtered particles is promoted even if the above-described arc discharge is not induced. Therefore, further acceleration of ionization of the sputtered particles is expected by combining the high output high impulse power with the above-mentioned arc discharge, that is, hybridization, and further increase in hardness of the coating is expected. It is expected to reduce the temperature during processing and improve the deposition rate. Note that when the object to be processed is a conductive substance, high-frequency power is employed.

第2発明は、上述の如くマグネトロンスパッタ法による成膜方法に係るものであり、第1発明に対応する方法の発明である。即ち、本第2発明は、ターゲットの被スパッタ面と被処理物の被処理面とが互いに対向するように当該ターゲットを有するマグネトロンカソードと当該被処理物とが設けられた真空槽の内部に放電用ガスを導入する放電用ガス導入過程を、具備する。併せて、真空槽を陽極とし、マグネトロンカソードを陰極として、これら両者にスパッタ電力を供給するスパッタ電力供給過程をも、具備する。このスパッタ電力が供給されると、放電用ガスが放電して、ターゲットの被スパッタ面の近傍にグロー放電によるプラズマが発生する。そして、このプラズマ中のイオンがターゲットの被スパッタ面に衝突して、当該被スパッタ面からターゲットの粒子が叩き出される。このターゲットの被スパッタ面から叩き出されたスパッタ粒子は、被処理物の被処理面に向かって飛翔して、当該被処理面に付着し、堆積する。この結果、被処理物の被処理面にスパッタ粒子を成分として含む被膜が形成される。その上で、本第2発明は、熱電子放出過程と、アーク放電誘起過程と、をさらに具備する。このうちの熱電子放出過程では、ターゲットの被スパッタ面と被処理物の被処理面との間に設けられたフィラメントに熱電子放出用電力が供給される。これにより、フィラメントが加熱されて、当該フィラメントから熱電子が放出される。そして、熱電子放出過程では、真空槽を陽極とし、フィラメントを陰極として、これら両者に放電用電力が供給される。これにより、フィラメントから放出された熱電子が加速されて、当該フィラメントの周囲にアーク放電が誘起される。   The second invention relates to the film forming method by the magnetron sputtering method as described above, and is a method invention corresponding to the first invention. That is, according to the second aspect of the present invention, the discharge is performed inside the vacuum chamber provided with the magnetron cathode having the target and the target object so that the target surface to be processed and the target surface of the target object face each other. A discharge gas introduction process for introducing a working gas is provided. In addition, a sputtering power supply process for supplying sputtering power to both the vacuum chamber as the anode and the magnetron cathode as the cathode is also provided. When this sputtering power is supplied, the discharge gas is discharged, and plasma due to glow discharge is generated in the vicinity of the surface to be sputtered of the target. Then, ions in the plasma collide with the surface to be sputtered of the target, and target particles are knocked out from the surface to be sputtered. The sputtered particles knocked out from the target surface of the target fly toward the surface to be processed of the object to be processed, and adhere to and accumulate on the surface to be processed. As a result, a film containing sputtered particles as a component is formed on the surface to be processed of the object to be processed. In addition, the second invention further includes a thermal electron emission process and an arc discharge induction process. In the thermal electron emission process, thermionic emission power is supplied to the filament provided between the target surface to be sputtered and the surface to be processed. As a result, the filament is heated and thermoelectrons are emitted from the filament. In the thermal electron emission process, the vacuum chamber is used as an anode and the filament is used as a cathode, and electric power for discharge is supplied to both of them. Thereby, the thermoelectrons emitted from the filament are accelerated, and arc discharge is induced around the filament.

このような第2発明によれば、第1発明と同様、ターゲットの被スパッタ面から叩き出されたスパッタ粒子は、被処理物の被処理面に向かって飛翔する途中で、アーク放電による極めて高密度なプラズマ中を通過する。これにより、スパッタ粒子が活性化され、さらにはイオン化されて、少なくとも中性の状態よりは高いエネルギを持つようになる。そして、この高いエネルギを持つスパッタ粒子が被処理物の被処理面に付着して堆積することで、当該被処理面に高硬度な被膜が形成される。   According to such a second invention, as in the first invention, the sputtered particles struck from the target surface to be sputtered are extremely high due to arc discharge while flying toward the surface to be processed. Passes through a dense plasma. As a result, the sputtered particles are activated and further ionized to have energy higher than at least the neutral state. The sputtered particles having high energy adhere to and accumulate on the surface to be processed of the object to be processed, so that a high hardness film is formed on the surface to be processed.

上述したように、本発明によれば、高硬度な被膜を形成することができ、詳しくは従来よりも高硬度な被膜を形成することができる。このことは、後述する如く実験によっても確認された。   As described above, according to the present invention, it is possible to form a highly hard film, and more specifically, it is possible to form a film having a higher hardness than in the past. This was confirmed by experiments as described later.

本発明の一実施形態に係るマグネトロンスパッタ装置の概略構成を示す図解図である。It is an illustration figure which shows schematic structure of the magnetron sputtering device which concerns on one Embodiment of this invention. 同マグネトロンスパッタ装置の内部を上方から見た図解図である。It is the illustration figure which looked at the inside of the same magnetron sputtering device from the upper part. 同実施形態におけるマグネトロンカソードの概略構成を示す図解図である。It is an illustration figure which shows schematic structure of the magnetron cathode in the same embodiment. 同マグネトロンカソードとフィラメントとの相互の位置関係を示す図解図である。It is an illustration figure which shows the mutual positional relationship of the same magnetron cathode and a filament. 同実施形態における真空槽内圧力と基板バイアス電流と放電電流との関係を比較対象のものと並べて示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the pressure in a vacuum chamber in the same embodiment, a substrate bias current, and a discharge current side by side with a comparison object. 同実施形態における実験の詳細を示す図である。It is a figure which shows the detail of the experiment in the same embodiment. 同実施形態における別の実験によって形成された窒化チタン膜の断面の走査型電子顕微鏡による観察画像を示す図である。It is a figure which shows the observation image by the scanning electron microscope of the cross section of the titanium nitride film formed by another experiment in the embodiment. 同実施形態におけるさらに別の実験の詳細を示す図である。It is a figure which shows the detail of another experiment in the same embodiment. 同実施形態における真空槽内圧力の範囲を比較対象と並べて示す図解図である。It is an illustration figure which shows the range of the pressure in a vacuum chamber in the embodiment side by side with a comparison object. 同実施形態における放電電流に対するスパッタ電圧およびスパッタ電流それぞれの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of each of the sputtering voltage and the sputtering current with respect to the discharge current in the same embodiment.

本発明の一実施形態について、以下に詳しく説明する。   An embodiment of the present invention will be described in detail below.

図1および図2に示すように、本実施形態に係るマグネトロンスパッタ装置10は、両端が閉鎖された概略円筒形の真空槽12を備えている。この真空槽12は、当該円筒形の両端に当たる部分を上下に向けた状態で、つまり当該円筒形の中心軸Xaを垂直方向に延伸させた状態で、設置されている。この真空槽12の内径は、例えば約1100mmであり、当該真空槽12内の高さ寸法は、例えば約800mmである。なお、この真空槽12の形状および寸法は、飽くまでも一例であり、後述する被処理物100の大きさや個数等の諸状況に応じて適宜に定められる。また、真空槽12自体は、耐食性および耐熱性の高い金属製、例えばSUS304等のステンレス鋼製、であり、その壁部は、基準電位としての接地電位に接続されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the magnetron sputtering apparatus 10 according to the present embodiment includes a substantially cylindrical vacuum chamber 12 whose both ends are closed. The vacuum chamber 12 is installed in a state where the portions corresponding to both ends of the cylindrical shape are directed up and down, that is, in a state where the central axis Xa of the cylindrical shape is extended in the vertical direction. The inner diameter of the vacuum chamber 12 is about 1100 mm, for example, and the height dimension in the vacuum chamber 12 is about 800 mm, for example. The shape and dimensions of the vacuum chamber 12 are merely examples, and are appropriately determined according to various situations such as the size and number of objects to be processed 100 described later. The vacuum chamber 12 itself is made of a metal having high corrosion resistance and high heat resistance, for example, stainless steel such as SUS304, and its wall portion is connected to a ground potential as a reference potential.

この真空槽12の壁部の適宜位置、例えば下面を成す壁部の中央よりも僅かに外方寄り(図1における左寄り)の位置には、排気口14が設けられている。そして、この排気口14には、真空槽12の外部において、図示しない排気管を介して図示しない排気手段としての真空ポンプが結合されている。なお、真空ポンプは、真空槽12内の圧力Pを制御する圧力制御手段としても機能する。加えて、排気管の途中には、図示しない自動圧力制御装置が設けられており、この自動圧力制御装置もまた、圧力制御手段として機能する。   An exhaust port 14 is provided at an appropriate position of the wall of the vacuum chamber 12, for example, a position slightly outward (leftward in FIG. 1) from the center of the wall forming the lower surface. The exhaust port 14 is connected to a vacuum pump as an exhaust means (not shown) via an exhaust pipe (not shown) outside the vacuum chamber 12. The vacuum pump also functions as a pressure control unit that controls the pressure P in the vacuum chamber 12. In addition, an automatic pressure control device (not shown) is provided in the middle of the exhaust pipe, and this automatic pressure control device also functions as a pressure control means.

さらに、真空槽12の側面を成す壁部の内側の適宜位置(図1および図2における右側の位置)に、当該真空槽12とは電気的に絶縁された状態で、マグネトロンカソード16が配置されている。図3を併せて参照して、このマグネトロンカソード16は、概略矩形平板状のターゲット162と、このターゲット162の一方主面である背面側に設けられた磁石ユニット164と、を有している。そして、磁石ユニット164は、磁界形成手段としての永久磁石166と、この永久磁石166を収容する筐体168と、を有している。さらに、永久磁石166は、ターゲット162の背面に密着しつつ当該ターゲット162の周縁に沿うように設けられた概略矩形枠状の一方磁極としての例えばN極166aと、このN極166aの内側においてターゲット162の背面に密着しつつ当該ターゲット162の長手方向に沿って延伸するように設けられた概略角棒状の他方磁極としてのS極166bと、を有している。なお、ターゲット162の寸法は、例えばその長手方向(長さ寸法)が457mmであり、短手方向(幅寸法)が127mmであり、厚さ方向(厚さ寸法)が8mmである)。また、永久磁石166のN極166aとS極166bとの間には、概略矩形溝状の間隙166cが設けられている。そして、筐体168には、当該筐体168を含むマグネトロンカソード16全体を冷却するための図示しない冷却手段としての例えば水冷機構が付属されている。   Further, a magnetron cathode 16 is disposed at an appropriate position inside the wall portion that forms the side surface of the vacuum chamber 12 (a position on the right side in FIGS. 1 and 2) while being electrically insulated from the vacuum chamber 12. ing. Referring also to FIG. 3, the magnetron cathode 16 includes a target 162 having a substantially rectangular flat plate shape, and a magnet unit 164 provided on the back side which is one main surface of the target 162. The magnet unit 164 includes a permanent magnet 166 as a magnetic field forming unit, and a housing 168 that houses the permanent magnet 166. Further, the permanent magnet 166 is, for example, an N pole 166a as a substantially rectangular frame-shaped one magnetic pole provided so as to be along the periphery of the target 162 while being in close contact with the back surface of the target 162, and a target inside the N pole 166a. And an S pole 166b as the other magnetic pole having a substantially rectangular bar shape provided so as to extend along the longitudinal direction of the target 162 while being in close contact with the back surface of the target 162. The dimensions of the target 162 are, for example, a longitudinal direction (length dimension) of 457 mm, a short side direction (width dimension) of 127 mm, and a thickness direction (thickness dimension) of 8 mm. A gap 166c having a substantially rectangular groove shape is provided between the N pole 166a and the S pole 166b of the permanent magnet 166. The housing 168 is attached with, for example, a water cooling mechanism as a cooling means (not shown) for cooling the entire magnetron cathode 16 including the housing 168.

このマグネトロンカソード16は、ターゲット162の他方主面(前面)である被スパッタ面を真空槽12の中心軸Xaに向け、かつ、当該ターゲット162の長手方向が真空槽12の中心軸Xaに沿って、つまり垂直方向に沿って、延伸するように、配置されている。そして、このマグネトロンカソード16は、ターゲット162の被スパッタ面を除いて、換言すれば当該被スパッタ面を露出させた状態で、アースシールド18によって覆われている。このアースシールド18は、耐食性および耐熱性の高い金属製、例えばSUS304等のステンレス鋼製、である。そして、このアースシールド18は、マグネトロンカソード16とは電気的に絶縁されており、かつ、真空槽12と電気的に接続されている。なお、図2に示すように、真空槽12の壁部のうちマグネトロンカソード16およびアースシールド18が設けられている部分12aについては、当該マグネトロンカソード16およびアースシールド18が設けられるのに適当な構造とされるのが、望ましい。とりわけ、当該部分12aについては、ターゲット162の交換を含むマグネトロンカソード16のメンテナンス時の作業性等を考慮して、引き戸や開き戸の如く開閉可能とされるのが、望ましい。   In the magnetron cathode 16, the surface to be sputtered which is the other main surface (front surface) of the target 162 is directed to the central axis Xa of the vacuum chamber 12, and the longitudinal direction of the target 162 is along the central axis Xa of the vacuum chamber 12. That is, they are arranged so as to extend along the vertical direction. The magnetron cathode 16 is covered with the earth shield 18 except for the surface to be sputtered of the target 162, in other words, with the surface to be sputtered exposed. The earth shield 18 is made of a metal having high corrosion resistance and high heat resistance, for example, stainless steel such as SUS304. The earth shield 18 is electrically insulated from the magnetron cathode 16 and is electrically connected to the vacuum chamber 12. As shown in FIG. 2, the portion 12 a of the wall portion of the vacuum chamber 12 where the magnetron cathode 16 and the earth shield 18 are provided has a structure suitable for providing the magnetron cathode 16 and the earth shield 18. It is desirable that In particular, it is desirable that the portion 12a can be opened and closed like a sliding door or a hinged door in consideration of workability during maintenance of the magnetron cathode 16 including replacement of the target 162.

また、図1に示すように、マグネトロンカソード16は、真空槽12の外部において、スパッタ電力供給手段としての直流電源装置20に接続されている。そして、当該マグネトロンカソード16は、この直流電源装置20からスパッタ電力Esとして接地電位を基準とする負電位の直流電力の供給を受ける。言い換えれば、真空槽12を陽極とし、マグネトロンカソード16を陰極として、これら両者にスパッタ電力Esが供給される。なお、このスパッタ電力Esの供給源である直流電源装置20は、当該スパッタ電力Esの電力値が一定となるように動作する定電力モードと、当該スパッタ電力Esの電圧成分である言わばスパッタ電圧(またはターゲット電圧とも言う。)Vsが一定となるように動作する定電圧モードと、当該スパッタ電力Esの電流成分である言わばスパッタ電流(またはターゲット電流とも言う。)Isが一定となるように動作する定電流モードと、の3つの動作モードを備えており、ここでは、定電力モードで動作するように設定されている。   As shown in FIG. 1, the magnetron cathode 16 is connected to a DC power supply device 20 as a sputtering power supply means outside the vacuum chamber 12. The magnetron cathode 16 is supplied with DC power having a negative potential with respect to the ground potential as the sputtering power Es from the DC power supply device 20. In other words, with the vacuum chamber 12 as the anode and the magnetron cathode 16 as the cathode, the sputtering power Es is supplied to both of them. Note that the DC power supply device 20 that is a supply source of the sputtering power Es has a constant power mode that operates so that the power value of the sputtering power Es is constant, and a so-called sputtering voltage that is a voltage component of the sputtering power Es. Alternatively, it is also referred to as a target voltage.) A constant voltage mode that operates so that Vs is constant, and a current component of the sputtering power Es, that is, a sputtering current (also referred to as target current) Is, is operated so as to be constant. There are three operation modes, the constant current mode, and here, the operation is set to operate in the constant power mode.

加えて、マグネトロンカソード16の前方、詳しくはターゲット162の被スパッタ面の前方に、熱電子放出手段としてのフィラメント22が設けられている。このフィラメント22は、例えば直径が約1mmの直線状の線状体であり、その素材としては、高融点金属製、例えばタングステン(W)製、である。ここで、図4を併せて参照して、特に図4(a)を参照して、このフィラメント22は、これをマグネトロンカソード16が配置されている方向とは反対の方向から、例えば真空槽12の中心軸Xa上から、見たときに、ターゲット162の被スパッタ面の中央を垂直方向に沿って、つまり当該ターゲット162の長手方向に沿って、延伸するように、設けられている。また特に、図4(b)に示すように、このフィラメント22は、ターゲット162の被スパッタ面との間に所定の距離Dを置いている。この距離Dは、後述する如く5mm〜50mmが適当であり、例えば10mmである。なお、フィラメント22の長さ寸法は、ターゲット162の長さ寸法と同等かそれ以上であり、厳密には当該ターゲット162の後述するエロージョン領域162aの長さ寸法と同等かそれ以上であり、例えば500mmである。   In addition, a filament 22 as a thermal electron emission means is provided in front of the magnetron cathode 16, specifically in front of the surface to be sputtered of the target 162. The filament 22 is a linear linear body having a diameter of about 1 mm, for example, and the material thereof is made of a refractory metal such as tungsten (W). Here, referring also to FIG. 4 and particularly referring to FIG. 4 (a), the filament 22 is separated from the direction opposite to the direction in which the magnetron cathode 16 is disposed, for example, the vacuum chamber 12. When viewed from above the central axis Xa, the center of the sputtering target surface of the target 162 is provided so as to extend along the vertical direction, that is, along the longitudinal direction of the target 162. In particular, as shown in FIG. 4B, the filament 22 has a predetermined distance D between the target 162 and the surface to be sputtered. As will be described later, this distance D is suitably 5 mm to 50 mm, for example 10 mm. The length dimension of the filament 22 is equal to or greater than the length dimension of the target 162, strictly speaking, is equal to or greater than the length dimension of an erosion region 162a described later of the target 162, for example, 500 mm. It is.

改めて図1を参照して、フィラメント22は、真空槽12の外部において、熱電子放出用電力供給手段としての例えば交流電源装置24に接続されている。そして、フィラメント22は、この交流電源装置24から熱電子放出用電力としてのカソード電力Ecの供給を受けて2000℃以上に加熱されることで、熱電子を放出する。なお、カソード電力Ecは、交流電力に限らず、直流電力であってもよい。   Referring again to FIG. 1, the filament 22 is connected outside the vacuum chamber 12 to, for example, an AC power supply device 24 as thermionic emission power supply means. The filament 22 receives the supply of the cathode power Ec as the thermoelectron emission power from the AC power supply device 24 and is heated to 2000 ° C. or more to emit thermoelectrons. The cathode power Ec is not limited to AC power but may be DC power.

さらに、フィラメント22は、真空槽12の外部において、放電用電力供給手段としての上述とは別の直流電源装置26に接続されている。そして、フィラメント22は、この直流電源装置26から放電用電力Edとして接地電位を基準とする負電位の直流電力の供給を受ける。言い換えれば、真空槽12を陽極とし、フィラメント22を陰極として、これら両者に放電用電力Edが供給される。なお、この放電用電力Edの供給源である直流電源装置26もまた、上述のスパッタ電力供給手段としての直流電源装置20と同様、当該放電用電力Edの電力値が一定となるように動作する定電力モードと、当該放電用電力Edの電圧成分である言わば放電電圧Vdが一定となるように動作する定電圧モードと、当該放電用電力Edの電流成分である言わば放電電流Idが一定となるように動作する定電流モードと、の3つの動作モードを備えている。ただし、この放電用電力供給手段としての直流電源装置26は、定電圧モードで動作するように設定されている。   Furthermore, the filament 22 is connected to a DC power supply 26 different from the above as a discharge power supply means outside the vacuum chamber 12. The filament 22 is supplied with DC power having a negative potential with respect to the ground potential as the discharge power Ed from the DC power supply device 26. In other words, with the vacuum chamber 12 as the anode and the filament 22 as the cathode, the electric power Ed for discharge is supplied to both of them. Note that the DC power supply device 26 that is a supply source of the discharge power Ed also operates so that the power value of the discharge power Ed is constant, like the DC power supply device 20 as the above-described sputtering power supply means. The constant power mode, the constant voltage mode that operates so that the discharge voltage Vd that is the voltage component of the discharge power Ed is constant, and the discharge current Id that is the current component of the discharge power Ed are constant. There are three operation modes: a constant current mode that operates as described above. However, the DC power supply device 26 as the discharging power supply means is set to operate in the constant voltage mode.

そして、真空槽12内のフィラメント22が設けられている位置よりも内側に注目すると、当該真空槽12内には、複数の被処理物100,100,…が配置される。具体的には、各被処理物100,100,…は、真空槽12の中心軸Xaを中心とする円の円周方向に沿って等間隔に配置されている。それぞれの被処理物100は、例えばドリル刃等のような細長い円柱状のものであり、垂直方向に沿って延伸するように、つまり真空槽12の中心軸Xaに沿う方向に延伸するように、保持手段としてのホルダ28によって保持されている。そして、それぞれのホルダ28は、ギア機構30を介して、円盤状の公転台32の周縁近傍に結合されている。この公転台32の中心は、真空槽12の中心軸Xa上に位置しており、当該公転台32の中心には、真空槽12の中心軸Xaに沿って延伸する回転軸34の一方端が固定されている。そして、回転軸34の他方端は、真空槽12の外部において、回転駆動手段としてのモータ36のシャフト36aに結合されている。   When attention is paid to the inside of the vacuum chamber 12 from the position where the filament 22 is provided, a plurality of objects to be processed 100, 100,. Specifically, the objects to be processed 100, 100,... Are arranged at equal intervals along the circumferential direction of a circle centered on the central axis Xa of the vacuum chamber 12. Each object to be processed 100 is an elongated cylindrical shape such as a drill blade, for example, and extends along the vertical direction, that is, extends along the central axis Xa of the vacuum chamber 12. It is held by a holder 28 as holding means. Each holder 28 is coupled to the vicinity of the periphery of the disk-shaped revolving table 32 via a gear mechanism 30. The center of the revolving table 32 is located on the central axis Xa of the vacuum chamber 12, and one end of a rotating shaft 34 extending along the central axis Xa of the vacuum chamber 12 is at the center of the revolving table 32. It is fixed. The other end of the rotating shaft 34 is coupled to a shaft 36a of a motor 36 as a rotation driving means outside the vacuum chamber 12.

即ち、モータ36が駆動して、当該モータ36のシャフト36aが例えば図1に矢印200で示す方向に回転すると、公転台32が同方向に回転し、つまり図2においても矢印200で示す方向に回転する。これに伴って、それぞれの被処理物100が真空槽12の中心軸Xaを中心として回転し、言わば公転する。併せて、それぞれのギア機構30による回転駆動力伝達作用によって、それぞれのホルダ28が、自身を通る鉛直線Xbを中心として例えば図1および図2のそれぞれに矢印202で示す方向に回転する。そして、このホルダ28自身の回転に伴って、被処理物100もまた、同じ方向に回転し、言わば自転する。なお、被処理物100の公転経路の直径(PCD;Pitch Circle Diameter)は、例えば約600mmである。そして、被処理物100の公転速度(公転台32の回転速度)は、例えば0.5rpm〜1rpmである。これに対して、被処理物100の自転速度(ホルダ28自身の回転速度)は、例えば30rpm〜60rpmであり、つまり公転速度の60倍である。なお、図1および図2においては、12個の被処理物100,100,…(ホルダ28,28,…およびギア機構30,30,…)が設けられているが、この個数は一例であり、これ以外の個数であってもよい。   That is, when the motor 36 is driven and the shaft 36a of the motor 36 rotates in the direction indicated by the arrow 200 in FIG. 1, for example, the revolving table 32 rotates in the same direction, that is, in the direction indicated by the arrow 200 in FIG. Rotate. In connection with this, each to-be-processed object 100 rotates centering on the central axis Xa of the vacuum chamber 12, and, in other words, revolves. In addition, due to the rotational driving force transmission action by each gear mechanism 30, each holder 28 rotates about the vertical line Xb passing through it in the direction indicated by the arrow 202 in each of FIGS. As the holder 28 itself rotates, the workpiece 100 also rotates in the same direction, that is, rotates. In addition, the diameter (PCD; Pitch Circle Diameter) of the revolution path | route of the to-be-processed object 100 is about 600 mm, for example. And the revolution speed (the rotational speed of the revolution base 32) of the to-be-processed object 100 is 0.5 rpm-1 rpm, for example. On the other hand, the rotation speed of the workpiece 100 (the rotation speed of the holder 28 itself) is, for example, 30 rpm to 60 rpm, that is, 60 times the revolution speed. In FIG. 1 and FIG. 2, twelve workpieces 100, 100,... (Holders 28, 28,... And gear mechanisms 30, 30,...) Are provided, but this number is an example. Other numbers may be used.

併せて、それぞれの被処理物100には、ホルダ28,ギア機構30,公転台32および回転軸34を介して、真空槽12の外部にあるバイアス電力供給手段としてのパルス電源装置38から基板バイアス電力Ebが供給される。この基板バイアス電力Ebは、その電圧成分である言わば基板バイアス電圧Vbが、接地電位を基準とする正電位のハイレベル電圧と、当該接地電位を基準とする負電位のローレベル電圧と、に交互に遷移する、いわゆるバイポーラパルス電力である。この基板バイアス電圧Vbのハイレベル電圧は、一定であり、例えば接地電位を基準として+37Vである。一方、基板バイアス電圧Vbのローレベル電圧は、任意に調整可能とされており、このローレベル電圧によって、当該基板バイアス電圧Vbの平均値(直流換算値)が任意に設定可能とされている。さらに、この基板バイアス電力Ebの周波数もまた、例えば50kH〜250kHの範囲内で任意に設定可能とされている。そして、当該基板バイアス電力Ebのデューティ比(基板バイアス電圧Vbの1周期において当該基板バイアス電圧Vbがハイレベル電圧となる期間の比率)もまた、任意に設定可能とされている。なお、ここでは、当該基板バイアス電力Edの周波数については、例えば100kHzとされ、デューティ比については、例えば30%とされる。   In addition, each workpiece 100 is supplied with a substrate bias from a pulse power supply 38 as a bias power supply means outside the vacuum chamber 12 via a holder 28, a gear mechanism 30, a revolving table 32, and a rotating shaft 34. Electric power Eb is supplied. The substrate bias power Eb is a voltage component, that is, the substrate bias voltage Vb is alternately switched between a positive high potential voltage with reference to the ground potential and a negative low potential voltage with respect to the ground potential. This is so-called bipolar pulse power that transitions to. The high level voltage of the substrate bias voltage Vb is constant, for example, +37 V with respect to the ground potential. On the other hand, the low level voltage of the substrate bias voltage Vb can be arbitrarily adjusted, and the average value (DC converted value) of the substrate bias voltage Vb can be arbitrarily set by the low level voltage. Furthermore, the frequency of the substrate bias power Eb can also be arbitrarily set within a range of 50 kH to 250 kH, for example. The duty ratio of the substrate bias power Eb (the ratio of the period during which the substrate bias voltage Vb becomes a high level voltage in one cycle of the substrate bias voltage Vb) can also be arbitrarily set. Here, the frequency of the substrate bias power Ed is, for example, 100 kHz, and the duty ratio is, for example, 30%.

さらに、真空槽12の側面を成す壁部の内側の適宜位置であって、被処理物100,100,…の公転経路よりも外方の位置(図1および図2において左側の位置)に、温度制御手段としての例えばカーボンヒータ40が設けられている。このカーボンヒータ40は、真空槽12の外部において、図示しないヒータ加熱用電源装置に接続されている。そして、当該カーボンヒータ40は、このヒータ加熱用電源装置から直流または交流のヒータ加熱用電力の供給を受けて発熱し、とりわけ、被処理物100,100,…を加熱する。なお、図2に示すように、真空槽12の壁部のうちカーボンヒータ40が設けられている部分12bについても、上述のマグネトロンカソード16およびアースシールド18が設けられている部分12aと同様、当該カーボンヒータ40が設けられるのに適当な構造とされるのが、望ましい。   Furthermore, it is an appropriate position inside the wall portion that forms the side surface of the vacuum chamber 12, and a position outside the revolving path of the workpieces 100, 100,... (The left position in FIGS. 1 and 2), For example, a carbon heater 40 is provided as temperature control means. The carbon heater 40 is connected to a heater heating power source (not shown) outside the vacuum chamber 12. The carbon heater 40 receives heat from the heater heating power supply to supply DC or AC heater heating power, and heats the workpieces 100, 100,. As shown in FIG. 2, the portion 12b of the wall portion of the vacuum chamber 12 where the carbon heater 40 is provided is also similar to the portion 12a where the magnetron cathode 16 and the earth shield 18 are provided. It is desirable to have a structure suitable for providing the carbon heater 40.

また、図1に示すように、真空槽12の壁部の適宜位置、好ましくはフィラメント22の近傍の位置に、放電用ガス導入手段,洗浄用ガス導入手段および反応性ガス導入手段として兼用されるガス導入管42が設けられている。即ち、このガス導入管42は、真空槽12内に放電用ガスとしての例えばアルゴン(Ar)ガスと、洗浄用ガスとしての例えば水素(H)ガスと、反応性ガスとしての例えば窒素(N)ガスと、を導入するためのものである。なお、図示は省略するが、このガス導入管42には、真空槽12の外部において、各ガスの流通を個別に開閉するための開閉手段としての開閉バルブと、当該各ガスの流量を個別に制御するための流量制御手段としてのマスフローコントローラと、が設けられている。 Further, as shown in FIG. 1, it is also used as a discharge gas introduction means, a cleaning gas introduction means, and a reactive gas introduction means at an appropriate position on the wall of the vacuum chamber 12, preferably in the vicinity of the filament 22. A gas introduction pipe 42 is provided. That is, the gas introduction tube 42 is provided in the vacuum chamber 12 with, for example, argon (Ar) gas as a discharge gas, hydrogen (H 2 ) gas as a cleaning gas, and nitrogen (N) as a reactive gas. 2 ) For introducing gas. Although not shown in the figure, the gas introduction pipe 42 has an open / close valve as an open / close means for individually opening and closing the flow of each gas outside the vacuum chamber 12, and a flow rate of each gas individually. And a mass flow controller as a flow rate control means for controlling.

このような構成のマグネトロンスパッタ装置10によれば、従来よりも高硬度な被膜を形成することができる。例えば、当該被膜として窒化チタン膜を形成する場合について、説明する。この場合、ターゲット162としてチタン製のものが採用される。   According to the magnetron sputtering apparatus 10 having such a configuration, it is possible to form a coating film having a higher hardness than the conventional one. For example, the case where a titanium nitride film is formed as the coating will be described. In this case, the target 162 is made of titanium.

まず、真空槽12内(ホルダ28,28,…)に被処理物100,100,…が設置される。その上で、真空槽12内が真空ポンプによって排気され、例えば2×10−3Pa程度の圧力Pになるまで排気される。このいわゆる真空引きの後、モータ36が駆動され、被処理物100,100,…の自公転が開始される。そして、カーボンヒータ40にヒータ加熱用電力が供給され、被処理物100,100,…が例えば150℃程度にまで加熱される。これにより、被処理物100,100,…に含まれている不純物ガスが排出され、いわゆる脱ガス処理が行われる。 First, the workpieces 100, 100,... Are installed in the vacuum chamber 12 (holders 28, 28,...). Then, the inside of the vacuum chamber 12 is evacuated by a vacuum pump, and is evacuated until the pressure P becomes about 2 × 10 −3 Pa, for example. After this so-called evacuation, the motor 36 is driven and the workpieces 100, 100,. Then, heater heating power is supplied to the carbon heater 40, and the workpieces 100, 100,... Are heated to, for example, about 150 ° C. Thereby, the impurity gas contained in the workpieces 100, 100,... Is discharged, and so-called degassing processing is performed.

この脱ガス処理が所定時間にわたって行われた後、カーボンヒータ40へのヒータ加熱電力の供給が停止され、続いて、放電洗浄処理が行われる。この放電洗浄処理においては、フィラメント22にカソード電力Ecが供給される。これにより、フィラメント22が加熱されて、当該フィラメント22から熱電子が放出される。併せて、フィラメント22に放電用電力Edが供給される。即ち、真空槽12を陽極とし、フィラメント22を陰極として、これら両者に当該放電用電力Edが供給される。これにより、陰極であるフィラメント22から放出された熱電子が、陽極である真空槽12の壁部に向かって、特に当該フィラメント22に近い位置にあって真空槽12と同電位であるアースシールド18に向かって、加速される。この状態で、ガス導入管42を介して真空槽12内に放電用ガスとしてのアルゴンガスが導入されると、加速された電子がアルゴンガスの粒子に衝突して、その衝撃により、当該アルゴンガス粒子が電離して、プラズマ300が発生する。ここで、フィラメント22の周囲を含むターゲット162の被スパッタ面の近傍には、上述した永久磁石166による磁界が形成されているので、当該フィラメント22から放出された熱電子は、この磁界の作用を受けて螺旋運動(サイクロイド運動またはトロコイド運動)する。これにより、熱電子がアルゴンガス粒子に衝突する頻度が増大して、プラズマ300が高密度化される。このようなプラズマ300の放電態様は、低電圧大電流のアーク放電である。さらに、ガス導入管42を介して真空槽12内に洗浄用ガスとしての水素ガスが導入される。すると、この水素ガスの粒子もまた電離して、プラズマ300を形成する。なお、真空槽12内へのアルゴンガスの導入と、当該真空槽12内への水素ガスの導入とは、同時に開始されてもよい。   After the degassing process is performed for a predetermined time, the supply of the heater heating power to the carbon heater 40 is stopped, and then the discharge cleaning process is performed. In this discharge cleaning process, the cathode power Ec is supplied to the filament 22. Thereby, the filament 22 is heated and thermoelectrons are emitted from the filament 22. At the same time, the discharge power Ed is supplied to the filament 22. That is, using the vacuum chamber 12 as an anode and the filament 22 as a cathode, the discharge power Ed is supplied to both of them. Thereby, the thermoelectrons emitted from the filament 22 serving as the cathode are directed toward the wall of the vacuum chamber 12 serving as the anode, particularly at a position close to the filament 22 and having the same potential as the vacuum chamber 12. To be accelerated. In this state, when an argon gas as a discharge gas is introduced into the vacuum chamber 12 through the gas introduction tube 42, the accelerated electrons collide with the argon gas particles, and the impact causes the argon gas. The particles are ionized and a plasma 300 is generated. Here, since the magnetic field by the permanent magnet 166 described above is formed in the vicinity of the surface to be sputtered of the target 162 including the periphery of the filament 22, the thermoelectrons emitted from the filament 22 cause the action of this magnetic field. In response to the spiral movement (cycloid movement or trochoidal movement). Thereby, the frequency with which a thermal electron collides with argon gas particles increases, and the plasma 300 is densified. Such a discharge mode of the plasma 300 is a low-voltage high-current arc discharge. Further, hydrogen gas as a cleaning gas is introduced into the vacuum chamber 12 through the gas introduction pipe 42. Then, the hydrogen gas particles are also ionized to form a plasma 300. The introduction of argon gas into the vacuum chamber 12 and the introduction of hydrogen gas into the vacuum chamber 12 may be started simultaneously.

このようにアーク放電によるプラズマ300が発生している状態で、それぞれの被処理物100に基板バイアス電力Ebが供給されると、当該プラズマ300中のアルゴンイオンと水素イオンとがそれぞれの被処理物100の表面、厳密には露出した状態にある被処理面に、積極的に入射される。この結果、アルゴンイオンによるスパッタ作用と、水素イオンによる化学反応作用と、によって、それぞれの被処理物100の被処理面から不純物が取り除かれ、つまり放電洗浄処理が行われる。なお、それぞれの被処理物100は、上述の如く自公転しているので、この自公転の過程でプラズマ300に晒される状態にあるときに、当該放電洗浄処理を施される。このことは、後述する成膜処理においても、同様である。   When the substrate bias power Eb is supplied to each object to be processed 100 in a state where the plasma 300 is generated by the arc discharge in this way, argon ions and hydrogen ions in the plasma 300 are converted into each object to be processed. It is positively incident on the surface of 100, strictly, the surface to be processed that is exposed. As a result, impurities are removed from the surface to be processed 100 of each object to be processed 100 by the sputtering action by argon ions and the chemical reaction action by hydrogen ions, that is, a discharge cleaning process is performed. Since each object 100 revolves and revolves as described above, the discharge cleaning process is performed when the object 100 is exposed to the plasma 300 during the revolving and revolving process. The same applies to the film forming process described later.

この洗浄処理においては、アルゴンガスの流量は、例えば50mL/minとされ、水素ガスの流量もまた、例えば50mL/minとされる。そして、真空槽12内の圧力Pは、例えば0.2Paに維持される。さらに、放電用電力Edは、例えば1000Wとされる。具体的には、この放電用電力Edの電圧成分である放電電圧Vdが50Vとなるように、当該放電用電力Edの供給源である直流電源装置26が上述の如く定電圧モードで動作しており、この状態で、当該放電用電力Edの電流成分である放電電流Idが20Aになるように、カソード電力Ecによってフィラメント22の加熱温度が制御され、つまりフィラメント22からの熱電子の放出量が制御される。加えて、基板バイアス電力Ebについては、その電圧成分である基板バイアス電圧(平均電圧値)Vbが−600Vとされる。   In this cleaning process, the flow rate of argon gas is, for example, 50 mL / min, and the flow rate of hydrogen gas is also, for example, 50 mL / min. And the pressure P in the vacuum chamber 12 is maintained at 0.2 Pa, for example. Further, the discharge power Ed is set to 1000 W, for example. Specifically, the DC power supply 26 that is the supply source of the discharge power Ed operates in the constant voltage mode as described above so that the discharge voltage Vd that is a voltage component of the discharge power Ed becomes 50V. In this state, the heating temperature of the filament 22 is controlled by the cathode power Ec so that the discharge current Id, which is the current component of the discharge power Ed, becomes 20 A, that is, the amount of thermoelectrons emitted from the filament 22 is reduced. Be controlled. In addition, for the substrate bias power Eb, the substrate bias voltage (average voltage value) Vb, which is the voltage component, is set to −600V.

この放電洗浄処理が所定時間にわたって行われた後、真空槽12内への水素ガスの導入が停止される。そして、窒化チタン膜を形成するための成膜処理が行われる。そのためにまず、マグネトロンカソード16にスパッタ電力Esが供給される。即ち、真空槽12を陽極とし、マグネトロンカソード16を陰極として、これら両者にスパッタ電力Esが供給される。なお、このスパッタ電力Esの供給源である直流電源装置20は、上述の如く当該スパッタ電力Esが一定となるように定電力モードで動作する。すると、マグネトロンカソード16のターゲット162の被スパッタ面にプラズマ300中のアルゴンイオンが衝突して、その衝撃によって、当該ターゲット162の被スパッタ面からチタン粒子が叩き出される(スパッタされる)。そして、このターゲット162の被スパッタ面から叩き出されたチタン粒子は、被処理物100に向かって飛翔し、当該被処理物100の被処理面に入射する。この被処理物100の被処理面に入射したチタン粒子は徐々に堆積して、この結果、当該被処理物100の被処理面にチタン膜が形成される。また、各図からは分からないが、スパッタ電力Esが供給されることによって、ターゲット162の被スパッタ面の近傍にグロー放電が誘起される。即ち、プラズマ300は、上述のアーク放電による成分と、当該グロー放電による成分とを、含んだものとなる。   After this discharge cleaning process is performed for a predetermined time, the introduction of hydrogen gas into the vacuum chamber 12 is stopped. Then, a film forming process for forming a titanium nitride film is performed. For this purpose, first, the sputtering power Es is supplied to the magnetron cathode 16. That is, using the vacuum chamber 12 as an anode and the magnetron cathode 16 as a cathode, a sputtering power Es is supplied to both of them. Note that the DC power supply device 20 serving as a supply source of the sputtering power Es operates in the constant power mode so that the sputtering power Es is constant as described above. Then, argon ions in the plasma 300 collide with the surface to be sputtered of the target 162 of the magnetron cathode 16, and titanium particles are knocked out (sputtered) from the surface to be sputtered of the target 162 by the impact. Then, the titanium particles knocked out from the surface to be sputtered of the target 162 fly toward the object to be processed 100 and enter the surface to be processed of the object to be processed 100. The titanium particles incident on the surface to be processed 100 are gradually deposited, and as a result, a titanium film is formed on the surface to be processed 100. Moreover, although not understood from each figure, glow discharge is induced in the vicinity of the surface to be sputtered of the target 162 by supplying the sputtering power Es. That is, the plasma 300 includes a component due to the arc discharge described above and a component due to the glow discharge.

さらに、ガス導入管42を介して真空槽12内に反応性ガスとしての窒素ガスが導入される。すると、この窒素ガスもまた電離して、プラズマ300を形成する。そして、このプラズマ300中の窒素イオンは、被処理物100の被処理面に入射する。この被処理物100の被処理面に入射した窒素イオンは、当該被処理物100の被処理面に入射するチタン粒子、特にチタンイオン、と反応する。この結果、被処理物100の被処理面にチタンイオンと窒素イオンとの化合物である窒化チタン膜が形成される。   Further, nitrogen gas as a reactive gas is introduced into the vacuum chamber 12 through the gas introduction pipe 42. Then, this nitrogen gas is also ionized to form plasma 300. The nitrogen ions in the plasma 300 are incident on the surface to be processed 100 of the object 100 to be processed. Nitrogen ions incident on the surface to be processed 100 of the object to be processed 100 react with titanium particles, particularly titanium ions, incident on the surface to be processed of the object 100 to be processed. As a result, a titanium nitride film that is a compound of titanium ions and nitrogen ions is formed on the surface to be processed 100 of the object to be processed 100.

なお、真空槽12内への窒素ガスの流量は、適当な時間(数分間程度)を掛けて徐々に(連続的または段階的に)増大される。これにより、被処理物100の被処理面には、チタン膜が形成された後、窒素の含有量(含有率)が徐々に増大する窒化チタン膜の傾斜層が形成され、その上で、当該窒素の含有量が一定の窒化チタン膜が形成される。このようにチタン膜と傾斜層と窒化チタン膜とがこの順番で形成されることで、当該窒化チタン膜の密着力の向上が図られる。勿論、チタン膜および傾斜層の一方または両方の形成が省略されてもよいが、窒化チタン膜の密着力の向上を図るのであれば、これらチタン膜および傾斜層が形成されるのが、望ましい。また、この成膜処理における真空槽12内の圧力P等の成膜条件については、後で詳しく説明する。   The flow rate of nitrogen gas into the vacuum chamber 12 is gradually increased (continuously or stepwise) over an appropriate time (about several minutes). Thereby, after the titanium film is formed on the surface to be processed 100, an inclined layer of the titanium nitride film in which the content (content ratio) of nitrogen gradually increases is formed. A titanium nitride film having a constant nitrogen content is formed. Thus, by forming the titanium film, the inclined layer, and the titanium nitride film in this order, the adhesion of the titanium nitride film can be improved. Of course, formation of one or both of the titanium film and the gradient layer may be omitted, but it is desirable to form the titanium film and the gradient layer in order to improve the adhesion of the titanium nitride film. The film forming conditions such as the pressure P in the vacuum chamber 12 in this film forming process will be described in detail later.

この成膜処理が所定時間にわたって行われた後、真空槽12内へのアルゴンガスおよび窒素ガスの導入が停止される。併せて、マグネトロンカソード16へのスパッタ電力Esの供給が停止されると共に、被処理物100,100,…への基板バイアス電力Ebの供給が停止される。さらに、フィラメント22へのカソード電力Ecの供給が停止されると共に、当該フィラメント22への放電用電力Edの供給が停止される。これにより、プラズマ300が消失する。そして、真空槽12内の圧力が大気圧付近にまで徐々に戻されながら、一定の冷却期間が置かれる。その後、モータ36の駆動が停止されて、被処理物100,100,…の自公転が停止される。その上で、真空槽12内が外部に開放されて、当該真空槽12内から被処理物100,100,…が外部に取り出され、これをもって、一連の表面処理が完了する。   After this film forming process is performed for a predetermined time, the introduction of argon gas and nitrogen gas into the vacuum chamber 12 is stopped. At the same time, the supply of the sputtering power Es to the magnetron cathode 16 is stopped, and the supply of the substrate bias power Eb to the workpieces 100, 100,. Further, the supply of the cathode power Ec to the filament 22 is stopped, and the supply of the discharge power Ed to the filament 22 is stopped. Thereby, the plasma 300 disappears. Then, a constant cooling period is set while the pressure in the vacuum chamber 12 is gradually returned to near atmospheric pressure. Then, the drive of the motor 36 is stopped and the self-revolution of the workpieces 100, 100,. Then, the inside of the vacuum chamber 12 is opened to the outside, and the workpieces 100, 100,... Are taken out of the vacuum chamber 12 to complete a series of surface treatments.

なお、上述のようないわゆるマグネトロンスパッタ法による成膜処理が行われることによって、ターゲット162の被スパッタ面にスパッタ痕であるエロージョン領域162aが形成される。このエロージョン領域162aは、図4に示したように、概ね永久磁石166の間隙166cに倣うように概略矩形ループ状(または長円ループ状)に形成される。このエロージョン領域162aは、大きいほど経済的であり、そのために例えば、上述の従来技術の如く永久磁石166がターゲット162の背面に沿って駆動するように構成されてもよい。ただし、このことは本発明の本旨に直接関係しないので、これ以上の説明は省略する。また、このエロージョン領域162aとフィラメント22との関係では、フィラメント22は、当該エロージョン領域162aの長さ寸法(ターゲット162の長手方向に沿う方向の寸法)と同等かそれ以上とされることは、上述した通りである。   Note that, by performing the film forming process by the so-called magnetron sputtering method as described above, an erosion region 162 a that is a sputter mark is formed on the surface to be sputtered of the target 162. As shown in FIG. 4, the erosion region 162 a is formed in a substantially rectangular loop shape (or an oval loop shape) so as to substantially follow the gap 166 c of the permanent magnet 166. The larger the erosion region 162a is, the more economical it is. For this purpose, for example, the permanent magnet 166 may be driven along the back surface of the target 162 as in the above-described prior art. However, since this is not directly related to the gist of the present invention, further explanation is omitted. Further, in the relationship between the erosion region 162a and the filament 22, the filament 22 is equal to or longer than the length of the erosion region 162a (the dimension along the longitudinal direction of the target 162). That's right.

ところで、本実施形態によれば、ターゲット162の被ターゲット面から叩き出されたスパッタ粒子としてのチタン粒子は、被処理物100に向かって飛翔する途中で、アーク放電による(成分を含む)極めて高密度なプラズマ300中を通過する。これにより、チタン粒子が活性化され、さらにはイオン化されて、少なくとも中性の状態よりは高いエネルギを持つようになる。そして、この高いエネルギを持つチタン粒子が被処理物100の被処理面に入射することで、当該被処理物100の被処理面に形成される窒化チタン膜の高硬度化が図られる。とりわけ、窒化チタン膜という化合物膜の形成においては、被処理物100の被処理面に入射されるイオンの量が多いほど好都合であり、スパッタ粒子のイオン化が促進される本実施形態は、極めて有益である。   By the way, according to the present embodiment, titanium particles as sputtered particles struck out from the target surface of the target 162 are extremely high (including components) due to arc discharge while flying toward the workpiece 100. Passes through the dense plasma 300. As a result, the titanium particles are activated and further ionized to have energy higher than at least the neutral state. Then, when the titanium particles having high energy are incident on the surface to be processed 100, the hardness of the titanium nitride film formed on the surface to be processed 100 is increased. In particular, in the formation of a compound film such as a titanium nitride film, it is more advantageous that the amount of ions incident on the surface to be processed 100 is larger, and this embodiment in which ionization of sputtered particles is promoted is extremely useful. It is.

このことを確認するために、次のような実験を行った。   In order to confirm this, the following experiment was conducted.

まず、真空槽12内に被処理物100,100,…が設置された上で、当該真空槽12内が真空引きされる。そして、この真空引き後、真空槽12内にアルゴンガスが導入される。併せて、フィラメント22にカソード電力Ecが供給されると共に、当該フィラメント22に放電用電力Edが供給されることによって、当該フィラメント22とアースシールド18との間に、つまり当該フィラメント22の周囲に、上述したアーク放電によるプラズマ300が発生する。さらに、マグネトロンカソード16にスパッタ電力Esが供給され、詳しくは当該スパッタ電力Esが4kWとされる。加えて、被処理物100,100,…に基板バイアス電力Ebが供給され、詳しくは基板バイアス電圧(平均電圧値)Vbが−100Vとされる。なお、上述したように、この基板バイアス電力Ebの周波数は100kHzであり、デューティは30%である。ここで、放電電圧Vdが50Vとされる。そして、カソード電力Ecによって、放電電流Idが10Aとされる。この状態で、真空槽12内の圧力Pが0.1Pa〜1.0Paの範囲内で適宜に設定され、このときに被処理物100,100,…に流れる電流、厳密にはパルス電源装置38に流れる言わば基板バイアス電流Ib、を観測する。これと同様に、放電電流Idが20Aとされ、この状態にあるときの基板バイアス電流Ibについても、観測する。さらに、比較対象として、フィラメント22へのカソード電力Ecおよび放電用電力Edの供給が停止されることによって、放電電流Idが0Aとなる状態が形成され、つまり上述したグロー放電のみによってプラズマ300が発生する状態が形成され、この状態にあるときの基板バイアス電流Ibについても、観測する。   First, after the workpieces 100, 100,... Are installed in the vacuum chamber 12, the vacuum chamber 12 is evacuated. Then, after this evacuation, argon gas is introduced into the vacuum chamber 12. In addition, the cathode power Ec is supplied to the filament 22 and the discharge power Ed is supplied to the filament 22, so that the filament 22 and the ground shield 18, that is, around the filament 22, Plasma 300 is generated by the arc discharge described above. Further, the sputtering power Es is supplied to the magnetron cathode 16, and specifically, the sputtering power Es is set to 4 kW. In addition, the substrate bias power Eb is supplied to the objects to be processed 100, 100,... More specifically, the substrate bias voltage (average voltage value) Vb is set to −100V. As described above, the frequency of the substrate bias power Eb is 100 kHz, and the duty is 30%. Here, the discharge voltage Vd is 50V. The discharge current Id is set to 10 A by the cathode power Ec. In this state, the pressure P in the vacuum chamber 12 is appropriately set within a range of 0.1 Pa to 1.0 Pa. At this time, the current flowing through the workpieces 100, 100,. In other words, the substrate bias current Ib flowing through the substrate is observed. Similarly, the discharge current Id is 20 A, and the substrate bias current Ib in this state is also observed. Further, as a comparison object, the supply of the cathode power Ec and the discharge power Ed to the filament 22 is stopped, whereby a state in which the discharge current Id becomes 0 A is formed, that is, the plasma 300 is generated only by the glow discharge described above. The substrate bias current Ib in this state is also observed.

この結果を、図5に示す。この図5に示すように、例えば放電電流Idが0Aである比較対象(△印が付された短破線)の場合には、真空槽12内の圧力Pに拘らず、基板バイアス電流Ibは約0.3Aという略一定の値になる。そして、この約0.3Aという基板バイアス電流Ibに見合う量のイオンが被処理物100,100,…の被処理面に入射されることになる。なお、ここで言うイオンには、アルゴンイオンとチタンイオンとの両方が含まれる。これに対して、例えば放電電流Idが10A(□印が付された長破線)である場合には、当該放電電流Idが0Aである比較対象に比べて、基板バイアス電流Ibは遥かに大きく、また、真空槽12内の圧力Pが高いほど、当該基板バイアス電流Ibは大きくなる。例えば、真空槽12内の圧力Pが0.5Paであるときに注目すると、放電電流Idが10Aである場合の基板バイアス電流Ibは約2.5Aであり、つまり比較対象の8倍強であり、それだけ大量のイオンが被処理物100,100,…の被処理面に入射していることを示す。さらに、放電電流Idが20A(○印が付された実線)である場合には、基板バイアス電流Ibはより一層大きくなり、この場合も、真空槽12内の圧力Pが高いほど、当該基板バイアス電流Ibは大きくなる。例えば、真空槽12内の圧力が0.5Paであるときに注目すると、放電電流Idが20Aである場合の基板バイアス電流Ibは約4.1Aであり、つまり比較対象の13倍強であり、より大量のイオンが被処理物100,100,…の被処理面に入射していることを示す。   The result is shown in FIG. As shown in FIG. 5, for example, in the case of a comparison target (short broken line with a Δ mark) where the discharge current Id is 0 A, the substrate bias current Ib is approximately equal to the pressure P in the vacuum chamber 12. It becomes a substantially constant value of 0.3A. Then, an amount of ions corresponding to the substrate bias current Ib of about 0.3 A is incident on the surface to be processed of the objects 100, 100,. The ions referred to here include both argon ions and titanium ions. On the other hand, for example, when the discharge current Id is 10 A (long broken line with a □ mark), the substrate bias current Ib is much larger than the comparison target in which the discharge current Id is 0 A, Further, the higher the pressure P in the vacuum chamber 12, the larger the substrate bias current Ib becomes. For example, when attention is paid when the pressure P in the vacuum chamber 12 is 0.5 Pa, the substrate bias current Ib when the discharge current Id is 10 A is about 2.5 A, that is, slightly more than eight times the comparison target. This shows that a large amount of ions are incident on the surface to be processed 100, 100,. Further, when the discharge current Id is 20 A (solid line marked with a circle), the substrate bias current Ib is further increased. In this case, the higher the pressure P in the vacuum chamber 12 is, the higher the substrate bias is. The current Ib increases. For example, when attention is paid when the pressure in the vacuum chamber 12 is 0.5 Pa, the substrate bias current Ib when the discharge current Id is 20 A is about 4.1 A, that is, 13 times more than the comparison target. It shows that a larger amount of ions are incident on the surfaces to be processed 100, 100,.

このようなことを確認した上で、続いて、実際に窒化チタン膜を形成して、特にその硬度を調べた。具体的には、被処理物100として、鏡面研磨された直径が31mmであり、厚さが3mmであるSCM415浸炭鋼(クロムモリブデン鋼)を用いる。そして、図6(a)に示す条件で、この被処理物100に成膜処理を施す。なお、この成膜処理に先立って、上述した要領による脱ガス処理を約30分間にわたって行った後、上述した要領による放電洗浄処理を約20分間にわたって行い、その上で、当該成膜処理を行う。また、放電用電力Edについては、その電圧成分である放電電圧Vdを50Vとし、カソード電力Ecの調整によって放電電流Idを10Aとすることで、放電用電力Edを500Wとする。そして、比較対象として、放電電流Idが0Aである場合についても、実際に窒化チタン膜を形成して、特にその硬度を調べた。   After confirming this, subsequently, a titanium nitride film was actually formed, and its hardness was particularly examined. Specifically, SCM415 carburized steel (chromium molybdenum steel) having a mirror-polished diameter of 31 mm and a thickness of 3 mm is used as the workpiece 100. Then, a film forming process is performed on the workpiece 100 under the conditions shown in FIG. Prior to the film formation process, the degassing process according to the above-described procedure is performed for about 30 minutes, and then the discharge cleaning process according to the above-described process is performed for about 20 minutes, and then the film formation process is performed. . Further, regarding the discharge power Ed, the discharge voltage Vd, which is the voltage component, is set to 50 V, and the discharge current Id is set to 10 A by adjusting the cathode power Ec, so that the discharge power Ed is set to 500 W. As a comparison object, even when the discharge current Id was 0 A, a titanium nitride film was actually formed, and its hardness was particularly examined.

その結果、本実施形態によれば、2280HKというヌープ硬度が得られ、これに対して、比較対象によるヌープ硬度は400HKであった。即ち、この結果をグラフで示す図6(b)からも分かるように、アーク放電を誘起させる本実施形態によれば、当該アーク放電を誘起させない比較対象に比べて、極めて高硬度な窒化チタン膜を形成し得ること、言い換えれば当該窒化チタン膜の高硬度化を実現し得ることが、確認された。なお、図6(a)の膜厚に注目すると、本実施形態の膜厚は、3.7μmであり、これに対して、比較対象の膜厚は、5.1μmである。即ち、本実施形態の膜厚は、比較対象の膜厚に比べて、小さい。このことからも、本実施形態によれば、比較対象に比べて、緻密な窒化チタン膜を形成し得ること、つまりそれだけ高硬度な窒化チタン膜を形成し得ることが、分かる。そして、2280HKというヌープ硬度を持つ本実施形態の窒化チタン膜であれば、上述した金型や切削工具用として十分に実用に対応し得る。   As a result, according to this embodiment, a Knoop hardness of 2280HK was obtained, whereas the Knoop hardness according to the comparison object was 400HK. That is, as can be seen from FIG. 6B showing this result in a graph, according to the present embodiment in which the arc discharge is induced, the titanium nitride film having extremely high hardness as compared with the comparative object in which the arc discharge is not induced. In other words, it was confirmed that high hardness of the titanium nitride film can be realized. When attention is paid to the film thickness of FIG. 6A, the film thickness of the present embodiment is 3.7 μm, whereas the film thickness of the comparison object is 5.1 μm. That is, the film thickness of the present embodiment is smaller than the film thickness to be compared. From this, it can be seen that according to the present embodiment, a dense titanium nitride film can be formed as compared with the comparative object, that is, a titanium nitride film having a higher hardness can be formed. The titanium nitride film of this embodiment having a Knoop hardness of 2280HK can be sufficiently practically used for the above-described molds and cutting tools.

また、被処理物100として、シリコン(Si)ウェハを用いて、これに窒化チタン膜を形成する実験をも行った。図7(a)に、比較対象の窒化チタン膜の断面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)で観察した画像を示す。そして、図7(b)に、本実施形態の窒化チタン膜の断面を同走査型電子顕微鏡で観察した画像を示す。図7(a)に示す比較対象の窒化チタン膜は、細長い繊維状の物質が密集したような粗い構造であるが、図7(b)に示す本実施形態の窒化チタン膜は、極めて緻密な構造であることが、明らかに見て取れる。このことからも、本実施形態によれば、比較対象に比べて、緻密な窒化チタン膜を形成し得ること、つまりそれだけ高硬度な窒化チタン膜を形成し得ることが、分かる。   In addition, an experiment was performed in which a silicon (Si) wafer was used as the object to be processed 100 and a titanium nitride film was formed thereon. FIG. 7A shows an image obtained by observing a cross section of a titanium nitride film to be compared with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 7B shows an image obtained by observing the cross section of the titanium nitride film of the present embodiment with the same scanning electron microscope. The comparative titanium nitride film shown in FIG. 7A has a rough structure in which elongated fibrous substances are densely packed. However, the titanium nitride film of this embodiment shown in FIG. 7B is extremely dense. It can be clearly seen that it is a structure. From this, it can be seen that according to the present embodiment, a dense titanium nitride film can be formed as compared with the comparative object, that is, a titanium nitride film having a higher hardness can be formed.

さらに、窒化チタン膜以外の被膜として、例えば窒化クロム膜を形成して、特にその硬度を調べる実験を行った。具体的には、図7を参照しながら説明した窒化チタン膜を形成する場合と同様、被処理物100として、鏡面研磨された直径31mm×厚さ3mmのSCM415浸炭鋼を用いる。そして、図8(a)に示す条件で、この被処理物100に窒化クロム膜を形成するための成膜処理を施す。なお、この成膜処理に先立って、上述した要領による脱ガス処理を約30分間にわたって行った後、上述した要領による放電洗浄処理を約20分間にわたって行い、その上で、当該成膜処理を行う。また、この成膜処理においては、クロム製のターゲット162を用いる。さらに、放電用電力Edについては、放電電圧Vdを50Vとし、カソード電力Ecの調整によって放電電流Idを20Aとすることで、放電用電力Edを1kWとする。そして、比較対象として、放電電流Idが0Aである場合についても、実際に窒化チタン膜を形成して、特にその硬度を調べた。   Further, as a coating other than the titanium nitride film, for example, a chromium nitride film was formed, and an experiment was conducted in particular to examine its hardness. Specifically, as in the case of forming the titanium nitride film described with reference to FIG. 7, mirror-polished SCM415 carburized steel having a diameter of 31 mm and a thickness of 3 mm is used as the workpiece 100. Then, a film forming process for forming a chromium nitride film is performed on the workpiece 100 under the conditions shown in FIG. Prior to the film formation process, the degassing process according to the above-described procedure is performed for about 30 minutes, and then the discharge cleaning process according to the above-described process is performed for about 20 minutes, and then the film formation process is performed. . In this film forming process, a chromium target 162 is used. Further, for the discharge power Ed, the discharge voltage Vd is 50 V, and the discharge current Id is 20 A by adjusting the cathode power Ec, so that the discharge power Ed is 1 kW. As a comparison object, even when the discharge current Id was 0 A, a titanium nitride film was actually formed, and its hardness was particularly examined.

その結果、本実施形態によれば、1600HKというヌープ硬度が得られ、これに対して、比較対象によるヌープ硬度は、700HKであった。即ち、この結果をグラフで示した図8(b)からも分かるように、本実施形態によれば、比較対象に比べて、極めて高硬度な窒化クロム膜を形成し得ることが、確認された。なお、図8(a)の膜厚に注目すると、本実施形態の膜厚は、5.6μmであり、これに対して、比較対象の膜厚は、7.8μmである。即ち、窒化クロム膜についても、上述の窒化クロム膜と同様、本実施形態の膜厚は、比較対象の膜厚に比べて、小さい。このことからも、本実施形態によれば、比較対象に比べて、緻密な窒化クロム膜を形成し得ること、つまりそれだけ高硬度な窒化クロム膜を形成し得ることが、分かる。そして、1600HKというヌープ硬度を持つ本実施形態の窒化クロム膜もまた、金型や切削工具用として十分に実用に対応し得る。   As a result, according to the present embodiment, a Knoop hardness of 1600HK was obtained, whereas the Knoop hardness according to the comparison object was 700HK. That is, as can be seen from FIG. 8B showing the result in a graph, it was confirmed that according to the present embodiment, a chromium nitride film having extremely high hardness can be formed as compared with the comparative object. . When attention is paid to the film thickness of FIG. 8A, the film thickness of the present embodiment is 5.6 μm, whereas the film thickness of the comparison object is 7.8 μm. That is, regarding the chromium nitride film as well, the film thickness of the present embodiment is smaller than the film thickness of the comparison object as in the above-described chromium nitride film. From this, it can be seen that according to the present embodiment, a dense chromium nitride film can be formed as compared with the comparative object, that is, a chromium nitride film having a higher hardness can be formed. The chromium nitride film of this embodiment having a Knoop hardness of 1600 HK can also be sufficiently practical for use in dies and cutting tools.

以上のように、本実施形態によれば、つまり(主に)アーク放電によってプラズマ300が発生される言わばアーク放電式のマグネトロンスパッタ装置10によれば、窒化チタン膜および窒化クロム膜の形成において、それらの高硬度化を図ることができる。このことは、窒化チタン膜および窒化クロム膜以外の化合物膜についても、同様である。また、化合物膜に限らず、1つの元素のみによって形成されるいわゆる単元被膜についても、同様であることが、確認された。   As described above, according to the present embodiment, that is, according to the arc discharge type magnetron sputtering apparatus 10 in which the plasma 300 is generated by arc discharge (mainly), in the formation of the titanium nitride film and the chromium nitride film, Their hardness can be increased. The same applies to compound films other than titanium nitride films and chromium nitride films. Moreover, it was confirmed that the same applies not only to the compound film but also to a so-called unit film formed by only one element.

さらに、本実施形態によれば、アーク放電によってプラズマ300が発生されるので、上述の比較対象の如く当該アーク放電が誘起されない構成に比べて、真空槽12内の圧力Pの低減を図ることができる。具体的には、図9を参照して、例えば比較対象については、真空槽12内の圧力Pの下限値が約0.1Paであり、これに対して、本実施形態によれば、当該真空槽12内の圧力Pの下限値が0.015Paである。このように真空槽12内の圧力の低減が可能となることは、イオンの直進性の向上に大きく貢献し、とりわけ、当該イオンの直進性の向上が要求されるコリメートスパッタに好適である。   Furthermore, according to this embodiment, since the plasma 300 is generated by arc discharge, the pressure P in the vacuum chamber 12 can be reduced as compared with the configuration in which the arc discharge is not induced as in the above-described comparison object. it can. Specifically, referring to FIG. 9, for example, for the comparison object, the lower limit value of the pressure P in the vacuum chamber 12 is about 0.1 Pa. On the other hand, according to this embodiment, the vacuum The lower limit value of the pressure P in the tank 12 is 0.015 Pa. Thus, the reduction of the pressure in the vacuum chamber 12 greatly contributes to the improvement of the straightness of ions, and is particularly suitable for collimated sputtering that requires improvement of the straightness of ions.

加えて、本実施形態によれば、上述の如くアーク放電によってプラズマ300が発生されるので、スパッタ電圧Vsを低減させることができる。即ち、上述の比較対象の如くアーク放電が誘起されない構成においては、スパッタ電力Esの供給によってグロー放電によるプラズマ300が発生されるので、当該プラズマ300の密度を向上させるために、高いスパッタ電圧Vsが掛けられる。これに対して、本実施形態によれば、(主に)アーク放電によってプラズマ300が発生されるので、高いスパッタ電圧Vsを掛ける必要はない。その分、本実施形態によれば、スパッタ電圧Vsを低減させることができる。   In addition, according to this embodiment, since the plasma 300 is generated by arc discharge as described above, the sputtering voltage Vs can be reduced. That is, in the configuration in which arc discharge is not induced as in the above-described comparison object, the plasma 300 is generated by glow discharge by supplying the sputtering power Es. Therefore, in order to improve the density of the plasma 300, a high sputtering voltage Vs is required. It is hung. On the other hand, according to the present embodiment, since the plasma 300 is generated (mainly) by arc discharge, it is not necessary to apply a high sputtering voltage Vs. Accordingly, according to the present embodiment, the sputtering voltage Vs can be reduced.

ここで、図10に、スパッタ電力Esが4kWに設定されているときの放電電流Idに対するスパッタ電圧Vsおよびスパッタ電流Isそれぞれの関係を示す。この図10に示すように、放電電流Idが大きいほど、スパッタ電流Isが増大する。これは、グロー放電のみならずアーク放電による成分をも含むプラズマ300中のイオンの一部がターゲット162(マグネトロンカソード16)に流れ込むためである。そして、放電電流Idが大きいほど、つまりスパッタ電流Isが大きいほど、スパッタ電圧Vsが低下する。これは、スパッタ電力Esの供給源である直流電源装置20が上述の如く定電力モードで動作しているためである。このことからも、アーク放電の誘起に伴って適当な放電電流Idが流れる本実施形態によれば、スパッタ電圧Vsを低減し得ることが分かる。   Here, FIG. 10 shows the relationship between the sputtering voltage Vs and the sputtering current Is with respect to the discharge current Id when the sputtering power Es is set to 4 kW. As shown in FIG. 10, the sputtering current Is increases as the discharge current Id increases. This is because a part of ions in the plasma 300 including not only glow discharge but also components caused by arc discharge flows into the target 162 (magnetron cathode 16). As the discharge current Id increases, that is, as the sputtering current Is increases, the sputtering voltage Vs decreases. This is because the DC power supply device 20 that is the supply source of the sputtering power Es operates in the constant power mode as described above. This also shows that the sputtering voltage Vs can be reduced according to the present embodiment in which an appropriate discharge current Id flows as the arc discharge is induced.

スパッタ電圧Vsが低減されると、その分、被処理物100,100,…の被処理面に入射される電子のエネルギが低減される。即ち、ターゲット162の被スパッタ面がスパッタされると、当該スパッタ面からターゲット162のスパッタ粒子のみならず2次電子も叩き出される。そして、この2次電子もまた、被処理物100,100,…に向かって飛翔し、当該被処理物100,100,…の被処理面に入射する。この2次電子は、スパッタ電圧Vsに応じた大きさのエネルギを持ち、つまり当該スパッタ電圧Vsが高いほど大きなエネルギを持つ。そして、この2次電子のエネルギが大きいほど、被処理物100,100,…の温度が上昇することが、懸念される。本実施形態によれば、スパッタ電圧Vsが低減されるので、被処理物100,100,…に入射される2次電子のエネルギも低減され、ひいては当該被処理物100,100,…の温度上昇が抑制される。この点でも、本実施形態は、極めて有益である。   When the sputtering voltage Vs is reduced, the energy of electrons incident on the surface to be processed 100, 100,. That is, when the surface to be sputtered of the target 162 is sputtered, not only sputtered particles of the target 162 but also secondary electrons are sputtered from the sputter surface. The secondary electrons also fly toward the workpieces 100, 100,... And enter the processing surfaces of the workpieces 100, 100,. The secondary electrons have an energy corresponding to the sputtering voltage Vs, that is, the higher the sputtering voltage Vs, the larger the energy. Further, there is a concern that the temperature of the workpieces 100, 100,... Increases as the energy of the secondary electrons increases. According to this embodiment, since the sputtering voltage Vs is reduced, the energy of secondary electrons incident on the workpieces 100, 100,... Is also reduced, and as a result, the temperature of the workpieces 100, 100,. Is suppressed. In this respect, the present embodiment is extremely useful.

なお、本実施形態は、本発明の1つの具体例であり、本発明の範囲を限定するものではない。   Note that this embodiment is one specific example of the present invention and does not limit the scope of the present invention.

例えば、本実施形態においては、マグネトロンカソード16に供給されるスパッタ電力Esとして、直流電力が採用されたが、これに限らない。具体的には、ターゲット162が金属等の導電性物質である場合には、当該直流電力が採用される。また、ターゲット162が導電性物質であるとしても、形成しようとする被膜が絶縁性被膜である場合には、高周波電力,パルス電力または高出力ハイインパルス電力が採用される。これは、ターゲット162の被スパッタ面のエロージョン領域162a以外の部分に絶縁性被膜が形成されることによる異常放電の発生を防止するためである。ここで、高周波電力とは、周波数が13.56MHの正弦波電力である。そして、パルス電力とは、例えば接地電位を基準としてその電圧成分が正電位と負電位とに交互に遷移するバイポーラパルス電力、或いは、当該電圧成分が接地電位と負電位とに交互に遷移するユニポーラパルス電力であり、当該電圧成分の波形としては、矩形波のものが一般的であるが、それ以外の例えば三角波のものや鋸歯状波のものであってもよい。そして、高出力ハイインパルス電力とは、瞬間的(数μs〜数十μs程度の時間にわたって)かつ周期的に(数十Hz〜数百Hzの周波数で)極めて大きな電力値(数十kW〜数百kW程度の電力値)を示すものであり、近年殊に注目されている。この高出力ハイインパルス電力によれば、アーク放電が誘起されなくても、スパッタ粒子のイオン化が促進されることが知られている。従って、この高出力ハイインパルス電力とアーク放電とを組み合わせた言わばハイブリッド化によって、スパッタ粒子のイオン化のさらなる促進が期待され、ひいては被膜のさらなる高硬度化が期待され、加えて、成膜処理時の温度の低減や成膜速度の向上等が期待される。なお、被処理物100が導電性物質である場合には、高周波電力が採用される。   For example, in the present embodiment, DC power is used as the sputtering power Es supplied to the magnetron cathode 16, but is not limited thereto. Specifically, when the target 162 is a conductive material such as metal, the DC power is used. Further, even if the target 162 is a conductive material, when the film to be formed is an insulating film, high frequency power, pulse power, or high output high impulse power is employed. This is to prevent the occurrence of abnormal discharge due to the formation of an insulating film on a portion other than the erosion region 162a of the surface to be sputtered of the target 162. Here, the high frequency power is sine wave power having a frequency of 13.56 MH. The pulse power is, for example, bipolar pulse power in which the voltage component alternately changes between a positive potential and a negative potential with reference to the ground potential, or a unipolar in which the voltage component alternately changes between the ground potential and the negative potential. Although it is pulse power and the waveform of the voltage component is generally a rectangular wave, other waveforms such as a triangular wave or a sawtooth wave may be used. The high output high impulse power is an extremely large power value (several tens of kW to several tens of Hz) instantaneously (over a period of several μs to several tens μs) and periodically (with a frequency of several tens to several hundreds of Hz). In recent years, it has attracted particular attention. According to this high output high impulse power, it is known that ionization of sputtered particles is promoted even if arc discharge is not induced. Therefore, further acceleration of ionization of the sputtered particles is expected by so-called hybrid combining this high output high impulse power and arc discharge, and further increase in hardness of the coating is expected. A reduction in temperature and an improvement in film formation rate are expected. In addition, when the to-be-processed object 100 is an electroconductive substance, high frequency electric power is employ | adopted.

そして、被処理物100,100,…に供給される基板バイアス電力Ebとして、バイポーラパルス電力が採用されたが、これに限らない。例えば、被処理物100,100,…が導電性物質であり、かつ、形成しようとする被膜もまた導電性被膜である場合には、直流電力が採用されてもよい。また、被処理物100,100,…が導電性物質であるとしても、形成しようとする被膜が絶縁性被膜である場合には、上述の高周波電力またはパルス電力が採用されるのが、適当である。なお、被処理物100,100,…が絶縁性物質である場合には、高周波電力が採用される。さらに極端には、この基板バイアス電力Ebが非供給とされてもよい。   And although the bipolar pulse electric power was employ | adopted as the substrate bias electric power Eb supplied to to-be-processed object 100,100, ..., it is not restricted to this. For example, when the workpieces 100, 100,... Are conductive materials and the film to be formed is also a conductive film, DC power may be employed. Further, even if the workpieces 100, 100,... Are conductive materials, when the coating film to be formed is an insulating coating, it is appropriate that the above-described high frequency power or pulse power is employed. is there. In addition, when the to-be-processed object 100,100, ... is an insulating substance, high frequency electric power is employ | adopted. In an extreme case, the substrate bias power Eb may not be supplied.

加えて、フィラメント22については、垂直方向に延伸するように設けられたが、これに限らない。例えば、当該フィラメント22は、水平方向に延伸するように設けられてもよい。ただし、被処理物100,100,…が上述の如く直線状に延伸する細長いものである場合には、これらの延伸方向に沿って一様な膜質分布および膜質分布が得られるようにするためにも、フィラメント22は、当該被処理物100,100,…に沿って延伸するように設けられるのが、望ましい。   In addition, the filament 22 is provided to extend in the vertical direction, but is not limited thereto. For example, the filament 22 may be provided so as to extend in the horizontal direction. However, when the workpieces 100, 100,... Are elongated as described above, in order to obtain a uniform film quality distribution and film quality distribution along these extending directions. However, it is desirable that the filament 22 is provided so as to extend along the workpieces 100, 100,.

そして、フィラメント22とターゲット162の被スパッタ面との間の距離Dは、上述の如く5mm〜50mmとされるのが、適当である。例えば、この距離Dが過度に小さいと、フィラメント22とターゲット162の被スパッタ面とが互いに接触する虞があり、甚だ不都合である。とりわけ、フィラメント22が熱変形した場合には、その虞が顕著になる。このことから、フィラメント22とターゲット162の被スパッタ面との間の距離Dは、5mm以上であるのが、適当である。一方、当該距離Dが過度に大きいと、フィラメント22の周囲の磁界が弱くなり、アーク放電の誘起が困難になる。このことから、当該距離Dは、50mm以下であるのが、適当である。   The distance D between the filament 22 and the surface to be sputtered of the target 162 is suitably 5 mm to 50 mm as described above. For example, if the distance D is excessively small, the filament 22 and the surface to be sputtered of the target 162 may come into contact with each other, which is extremely inconvenient. In particular, when the filament 22 is thermally deformed, the fear becomes remarkable. Therefore, it is appropriate that the distance D between the filament 22 and the surface to be sputtered of the target 162 is 5 mm or more. On the other hand, if the distance D is excessively large, the magnetic field around the filament 22 becomes weak, and it is difficult to induce arc discharge. Therefore, it is appropriate that the distance D is 50 mm or less.

さらに、複数のフィラメント22が設けられてもよい。複数のフィラメント22が設けられることによって、アーク放電の増強が図られ、つまりプラズマ300のさらなる高密度化が図られ、ひいてはスパッタ粒子の活性化およびイオン化が促進される。なお、この場合も、それぞれのフィラメント22とターゲット162の被スパッタ面との間の距離Dは、上述の如く5mm〜50mmとされるのが、肝要である。また、当該距離Dは、一様に揃えられることも、肝要である。   Furthermore, a plurality of filaments 22 may be provided. By providing the plurality of filaments 22, the arc discharge is enhanced, that is, the plasma 300 is further densified, and the activation and ionization of the sputtered particles are promoted. In this case, it is important that the distance D between each filament 22 and the surface to be sputtered of the target 162 is 5 mm to 50 mm as described above. In addition, it is important that the distance D is uniform.

さらにまた、ターゲット162は、概略矩形平板状のものに限らず、例えば概略円板状のものであってもよく、極端には、その被スパッタ面が曲面状のものであってもよい。いずれにしても、このターゲット162の被スパッタ面と成膜対象となる被処理物100の被処理面との間に、フィラメント22が設けられることが、肝要である。そして、ターゲット16(被スパッタ面)の形状に応じて、フィラメント22もまた適宜の形状とされるのが、望ましい。   Furthermore, the target 162 is not limited to a substantially rectangular flat plate, but may be, for example, a substantially circular plate. In an extreme case, the surface to be sputtered may be a curved surface. In any case, it is important that the filament 22 is provided between the surface to be sputtered of the target 162 and the surface to be processed of the object 100 to be formed. Then, it is desirable that the filament 22 also has an appropriate shape according to the shape of the target 16 (surface to be sputtered).

加えて、被処理物100,100,…については、自公転する必要はなく、適当に固定される構成とされてもよい。   In addition, the objects to be processed 100, 100,... Do not need to revolve and may be appropriately fixed.

そして例えば、特開2006−169562号公報や特開2010−209446号公報には、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)装置にマグネトロンスパッタ装置が組み合わされた構成が開示されているが、本発明もまた、このような構成に適用することができる。   For example, JP 2006-169562 A and JP 2010-209446 A disclose a configuration in which a magnetron sputtering apparatus is combined with a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus. It can be applied to such a configuration.

10 マグネトロンスパッタ装置
12 真空槽
16 マグネトロンカソード
20 直流電源装置(ターゲット電力供給手段)
22 フィラメント
24 交流電源装置(熱電子放出用電力供給手段)
26 直流電源装置(放電用電力供給手段)
100 被処理物
162 ターゲット
164 磁石ユニット
300 プラズマ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Magnetron sputter apparatus 12 Vacuum chamber 16 Magnetron cathode 20 DC power supply device (target power supply means)
22 Filament 24 AC power supply (power supply means for thermionic emission)
26 DC power supply (discharge power supply means)
100 Workpiece 162 Target 164 Magnet unit 300 Plasma

Claims (8)

内部に被処理物が収容される真空槽と、
ターゲットを有しており該ターゲットの被スパッタ面が上記被処理物の被処理面と対向するように上記真空槽の内部に設けられたマグネトロンカソードと、
上記真空槽の内部に放電用ガスを導入する放電用ガス導入手段と、
上記真空槽を陽極とし上記マグネトロンカソードを陰極としてこれら両者にスパッタ電力を供給することによって上記放電用ガスを放電させて上記被スパッタ面の近傍にプラズマを発生させるスパッタ電力供給手段と、
を具備し、
上記プラズマ中のイオンが上記被スパッタ面に衝突することによって該スパッタ面から叩き出されたスパッタ粒子を上記被処理面に付着させて該スパッタ粒子を成分として含む被膜を該被処理面に形成する、マグネトロンスパッタ法による成膜装置において、
上記被スパッタ面と上記被処理面との間に設けられており熱電子放出用電力の供給を受けることによって加熱されて熱電子を放出するフィラメントと、
上記真空槽を陽極とし上記フィラメントを陰極としてこれら両者に放電用電力を供給することによって上記熱電子を加速させて該フィラメントの周囲にアーク放電を誘起させる放電用電力供給手段と、
をさらに具備することを特徴とする、成膜装置。
A vacuum chamber in which an object to be processed is stored;
A magnetron cathode provided in the vacuum chamber so as to have a target and a surface to be sputtered of the target is opposed to a surface to be processed of the object to be processed;
A discharge gas introduction means for introducing a discharge gas into the vacuum chamber;
Sputter power supply means for generating plasma near the surface to be sputtered by discharging the discharge gas by supplying the sputter power to both the vacuum chamber as an anode and the magnetron cathode as a cathode;
Comprising
When the ions in the plasma collide with the surface to be sputtered, the sputtered particles knocked out from the sputtered surface are attached to the surface to be processed, and a coating containing the sputtered particles as a component is formed on the surface to be processed. In the film forming apparatus by the magnetron sputtering method,
A filament that is provided between the surface to be sputtered and the surface to be processed and is heated by receiving a supply of thermoelectron emission power to emit thermoelectrons;
Discharge power supply means for accelerating the thermoelectrons by inducing the arc discharge around the filament by supplying the discharge power to both the vacuum chamber as an anode and the filament as a cathode;
The film forming apparatus further comprising:
上記フィラメントは上記被スパッタ面との間に距離を置いて該被スパッタ面に沿うように設けられた、
請求項1に記載の成膜装置。
The filament is provided along the sputtered surface at a distance from the sputtered surface,
The film forming apparatus according to claim 1.
上記フィラメントと上記被スパッタ面との間の上記距離は5mm〜50mmである、
請求項2に記載の成膜装置。
The distance between the filament and the surface to be sputtered is 5 mm to 50 mm.
The film forming apparatus according to claim 2.
複数の上記フィラメントが設けられた、
請求項1ないし3のいずれかに記載の成膜装置。
Provided with a plurality of the filaments,
The film forming apparatus according to claim 1.
上記真空槽を陽極とし上記被処理物を陰極としてこれら両者にバイアス電力を供給するバイアス電力供給手段を、さらに備える、
請求項1ないし4のいずれかに記載の成膜装置。
Bias power supply means for supplying a bias power to both of the vacuum chamber as an anode and the workpiece as a cathode is further provided,
The film forming apparatus according to claim 1.
上記スパッタ粒子と反応する性質を持つ反応性ガスを上記真空槽内に導入する反応性ガス導入手段を、さらに備える、
請求項1ないし5のいずれかに記載の成膜装置。
Reactive gas introduction means for introducing a reactive gas having a property of reacting with the sputtered particles into the vacuum chamber,
The film forming apparatus according to claim 1.
上記スパッタ電力は直流電力,高周波電力,パルス電力および高出力ハイインパルス電力のいずれかである、
請求項1ないし6のいずれかに記載の成膜装置。
The sputter power is one of DC power, high frequency power, pulse power and high output high impulse power.
The film forming apparatus according to claim 1.
ターゲットの被スパッタ面と被処理物の被処理面とが互いに対向するように該ターゲットを有するマグネトロンカソードと該被処理物とが設けられた真空槽の内部に放電用ガスを導入する放電用ガス導入過程と、
上記真空槽を陽極とし上記マグネトロンカソードを陰極としてこれら両者にスパッタ電力を供給することによって上記放電用ガスを放電させて上記被スパッタ面の近傍にプラズマを発生させるスパッタ電力供給過程と、
を具備し、
上記プラズマ中のイオンが上記被スパッタ面に衝突することによって該スパッタ面から叩き出されたスパッタ粒子を上記被処理面に付着させて該スパッタ粒子を成分として含む被膜を該被処理面に形成する、マグネトロンスパッタ法による成膜方法において、
上記被スパッタ面と上記被処理面との間に設けられたフィラメントに熱電子放出用電力を供給することによって該フィラメントを加熱させて熱電子を放出させる熱電子放出過程と、
上記真空槽を陽極とし上記フィラメントを陰極としてこれら両者に放電用電力を供給することによって上記熱電子を加速させて該フィラメントの周囲にアーク放電を誘起させるアーク放電誘起過程と、
をさらに具備することを特徴とする、成膜方法。
A discharge gas for introducing a discharge gas into a vacuum chamber provided with the magnetron cathode having the target and the object to be processed so that the target surface to be processed and the surface to be processed of the object face each other Introduction process,
Sputter power supply process of generating plasma in the vicinity of the surface to be sputtered by discharging the discharge gas by supplying sputter power to the vacuum chamber as an anode and the magnetron cathode as a cathode;
Comprising
When the ions in the plasma collide with the surface to be sputtered, the sputtered particles knocked out from the sputtered surface are attached to the surface to be processed, and a coating containing the sputtered particles as a component is formed on the surface to be processed. In the film forming method by the magnetron sputtering method,
A thermoelectron emission process for emitting thermoelectrons by heating the filament by supplying thermoelectron emission power to the filament provided between the surface to be sputtered and the surface to be processed;
Arc discharge inducing process in which the thermoelectrons are accelerated by supplying electric power for discharge to both of them using the vacuum chamber as an anode and the filament as a cathode to induce arc discharge around the filament;
The film-forming method characterized by further comprising.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018070977A (en) * 2016-11-02 2018-05-10 神港精機株式会社 Method of forming carbon nitride film
JP2020117787A (en) * 2019-01-25 2020-08-06 神港精機株式会社 Film deposition apparatus by magnetron sputtering method and film deposition method
JP7445071B1 (en) 2023-10-10 2024-03-06 神港精機株式会社 Film forming equipment and film forming method using magnetron sputtering method

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61292817A (en) * 1985-06-21 1986-12-23 旭硝子株式会社 Formation of transparent conducting metal oxide film
JP2001152330A (en) * 1999-11-30 2001-06-05 Canon Inc Film deposition method and film deposition apparatus
JP2002220654A (en) * 2001-01-30 2002-08-09 Japan Science & Technology Corp Method for manufacturing carbon nano-fiber and equipment therefor
JP2014181406A (en) * 2013-03-15 2014-09-29 Vapor Technol Inc Low pressure arc plasma immersion coating deposition and ion processing

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61292817A (en) * 1985-06-21 1986-12-23 旭硝子株式会社 Formation of transparent conducting metal oxide film
JP2001152330A (en) * 1999-11-30 2001-06-05 Canon Inc Film deposition method and film deposition apparatus
JP2002220654A (en) * 2001-01-30 2002-08-09 Japan Science & Technology Corp Method for manufacturing carbon nano-fiber and equipment therefor
JP2014181406A (en) * 2013-03-15 2014-09-29 Vapor Technol Inc Low pressure arc plasma immersion coating deposition and ion processing

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KAMIMURA K, MATSUMOTO Y, OO M T, NAKAO M, ONUMA Y: "SEM and TEM Observation of Carbon Nano-Fibers Prepared by Hot Filament Assisted Sputtering", MOL CRYST LIQ CRYST, vol. 340, JPN4007008074, March 2000 (2000-03-01), pages 713 - 717, ISSN: 0004088536 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018070977A (en) * 2016-11-02 2018-05-10 神港精機株式会社 Method of forming carbon nitride film
JP2020117787A (en) * 2019-01-25 2020-08-06 神港精機株式会社 Film deposition apparatus by magnetron sputtering method and film deposition method
JP7299028B2 (en) 2019-01-25 2023-06-27 神港精機株式会社 Film forming apparatus and film forming method by magnetron sputtering
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