JP3311387B2

JP3311387B2 - 複合スパッタリング装置

Info

Publication number: JP3311387B2
Application number: JP20428392A
Authority: JP
Inventors: 学安岡
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 1992-07-09
Filing date: 1992-07-09
Publication date: 2002-08-05
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JPH0625846A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はイオンプレーティング及
びスパッタリングにより複合硬質薄膜を形成する装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からＴｉＮなどの硬質材料のコーテ
ィング技術として、イオンプレーティングやスパッタリ
ングが用いられている。コーティング技術の発展に伴
い、例えば半導体製造分野や切削工具製造分野における
種々の要求に応じる必要が生じてきた。例えば近時ＮＣ
制御工作機械の普及に伴い、切削工具の切削能率の向上
と長寿命化が大きな課題となり、かかる要求に応じるべ
く上記のコーティング技術が利用されて来た。切削工具
においてはスローアウエイチップや金型などに代表され
る膜厚が１０μｍ程度の公差をもつものからエンドミル
やホブなどの精密工具への応用が進展し、それらの要求
精度も高められている。これらの処理にはＨＣＤ法やア
ーク法に代表されるイオンプレーティング装置が用いら
れてきているが、操業上の安定性を得るための蒸発源の
安定性は従来、μｍオーダのものであった。

【０００３】さらに、反応性を高め安定した複合物、例
えばＴｉＮやＴｉＡｌＮに代表される周期律表の４ａ、
５ａ、６ａ族の炭化物、窒化物、酸化物などを得ること
や３元系の膜を得るための開発も進められている。例え
ば母材の表面に異種の硬質材料を複層状態にコーティン
グすることによりかかる要求に応じるようにした切削工
具（例えば特公平１−３４７３８号公報参照）が発明さ
れており、かかる切削工具の製造には複数の蒸発源を具
えた複合スパッタリング装置を用いることができる。例
えば「Ｒ＆Ｄ神戸製鋼技報」Ｖｏｌ．３９、Ｎｏ．１、
１９８９年１月発行、第３７頁に開示されるように、真
空容器の上下２個所に硬質材料の蒸発源を設け、基板を
両蒸発源の中間に配置すると共に、上方に位置する蒸発
源をアーク法により蒸発を行い、下方に位置する蒸発源
にはＨＣＤ（中空陰極放電）法による電子銃により硬質
被覆合金によって蒸発させるものが用いられている。該
電子銃からアルゴンガスを噴出させて、これによって蒸
発原子を電離させている。これは蒸着前のイオンボンバ
ードにアーク法における金属ボンバードを行うものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き、従来から
用いられているイオンプレーティング装置は、膜厚の制
御や安定性に欠けるものが多い。一方スパッタリング装
置は小規模なものが多く、特に平坦な形状の基板が対象
となっており、円筒形その他複雑な形状のものへの成膜
形成には不向きである。他方、イオンプレーティングに
用いられるアーク法やＨＣＤ法は複合化合物を容易に成
膜することが可能であるが、より複雑な複合物質や高融
点物質を安定して得るには不向きである。またアーク法
による場合には膜質は必ずしも良好とは言えない。ま
た、成膜速度の安定性が高く比較的膜質の良いものが得
られることが知られているが、密着性や操作性に難点が
あった。本発明は、かかる従来品の課題を解決して試
料、例えば高速度鋼や超硬合金工具などの表面に安定し
た成膜をうることを可能とし、反応ガスや金属蒸気のイ
オン化を促進するためプラズマ電子銃によりプラズマを
形成する複合スパッタリング装置を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために、反応ガスを導入した真空容器の上部に
プラズマ発生用電子銃、真空容器内の底部近傍におかれ
た電子銃により蒸発される硬質被膜形成用物質の蒸発
源、電子銃と蒸発源間の周囲に配置された硬質被膜が蒸
着される基板（試料）などの反応性イオンプレーティン
グ装置としての構成要素を具備し、さらに蒸発源として
マグネトロンスパッタリングターゲットを真空容器の側
面に併設すると共に、マグネトロンスパッタリングター
ゲットの周囲にプラズマ制御用コイルを配置し、マグネ
トロンスパッタリングターゲットの側方にアノードを設
け、さらに電子銃により発生するプラズマとマグネトロ
ンスパッタリングターゲットとアノードとにより発生す
るプラズマとを一つのプラズマ領域として拡大可能とな
るようにしたので、スパッタリング時に電子銃によるプ
ラズマを利用してプラズマ領域を拡大してスパッタリン
グ装置の不具合いを解消し、高速度工具鋼や超硬合金な
どの表面に安定化した成膜を得るようにしたものであ
る。また、マグネトロンスパッタリングターゲットを複
数設けるのがよい。また、マグネトロンスパッタリング
ターゲットと試料との間に開閉可能のシャッタを設ける
のがよい。さらに成膜中の金属、ガス原子のイオン化を
促進するために圧力勾配型のプラズマ電子銃を用いたの
である。

【０００６】

【作用】本発明に係る複合スパッタリング装置は、真空
容器内に反応ガスを導入し、さらにプラズマ発生用電子
銃、該電子銃により蒸発される硬質被膜形成用物質を容
れる坩堝、該硬質被膜が蒸着される基板などの反応性イ
オンプレーティング装置としての構成要素を具備し、さ
らに蒸発源としてマグネトロンスパッタリングターゲッ
トを併設すると共に該マグネトロンスパッタリングター
ゲットの周囲にプラズマ制御用コイルを配置し、さらに
電子銃により発生するプラズマとマグネトロンスパッタ
リングターゲットとアノードとにより発生するプラズマ
とを一つのプラズマ領域として拡大可能としたので、ス
パッタリング時に電子銃によるプラズマとマグネトロン
スパッタリングターゲットとアノードとにより発生する
プラズマの両方を利用してプラズマ領域を拡大させて、
通常のスパッタリング装置における電極間の距離の制限
を無くして良質の被膜の形成が行われる。また、電子銃
を用いたために反応ガスのイオン化が一層促進される。
さらに、シャッタの開閉を行うことにより多層のコーテ
ィング層や単層のコーティング層が任意に形成される。

【０００７】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面について説明す
る。円筒状の真空容器１には一側に図示しない真空ポン
プに連通する排気穴２が開口している。さらに真空容器
１の頂上には負に印加したプラズマ電子銃３が載置さ
れ、該電子銃から電子ビーム１４が坩堝５内の硬質被覆
用硬質物質に向けて発射される。これに対応して真空容
器１の底部４の近傍に坩堝５あるいは坩堝の周囲に設け
られたアノード１１が位置する。反応ガスであるアルゴ
ンは、電子銃３の直下から導入される。圧力勾配型のプ
ラズマ電子銃３を使用するためのコイル８が真空容器１
の上下に設けられている。プラズマ電子銃に圧力勾配型
を用いると、反応ガスのイオン化が一層促進してプラズ
マ領域が拡大して膜質の向上が図られる。真空容器１の
側面には３個のマグネトロンスパッタリングターゲット
（以下マグネトロンターゲットという）６が等配されて
おり、その外周にターゲット用コイル７が配置されてい
る。マグネトロンターゲット６の側方の両側にアノード
９，９が設けられ、マグネトロンターゲットと硬質被膜
が蒸着される試料（基板）１２との間に開閉可能のシャ
ッタ１０が設けられている。

【０００８】なお、前記のアノード９、シャッタ１０、
及び坩堝５の周囲に設けられたアノード１１は、いずれ
も真空容器１の底部４に固定される。電子銃３と坩堝５
及び坩堝の周囲に設けられたアノード１１間の周囲に、
硬質被膜をコーティングされる切削工具などの基板（試
料）１２を取り付けた支持台１５が設けられている。支
持台１５は、坩堝５の下方に設けられた回転板１３に立
設され、かつ自転可能に配置されているので、コーティ
ング中には回転板１３の回転によって公転に伴って自転
する。

【０００９】この発明に係る複合スパッタリング装置を
用いて基板１２に硬質被膜を形成するに際し、まず真空
容器１内を１０^-4Ｔｏｒｒ以上になるまで排気する。坩
堝５にＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣなどの硬質被膜形成
物を用意する。次にＡｒ、もしくはＨｅ、またはこれら
の混合ガスをプラズマ電子銃３の直下から真空容器内に
導入する。プラズマ発生用の負に印加した圧力勾配型電
子銃３により正に印加した坩堝５内の硬質物質を加熱し
て、イオンボンバードを行いながら硬質被覆物を基板１
２に蒸着させる。次に電子銃３を作動させたままプラズ
マ状態を保持しつつ、マグネトロンターゲット６及びタ
ーゲット用コイル７を作動させてプラズマを発生させ電
子銃で発生したプラズマと合わせ、プラズマ領域を拡大
し、反応ガスを導入し、負に印加した基板１２に１０Ｖ
〜１０００Ｖの範囲でバイアス電圧を印加することによ
り硬質膜を形成する。このとき、平板型マグネトロンタ
ーゲット６は、上記の坩堝５に収容された硬質被覆材料
とは別の材料を用いることにより、その広い面積から蒸
発する硬質被膜形成物が電子銃３と坩堝５とで蒸着され
た基板１２の硬質被膜の表面に満遍なく蒸着され、例え
ば回転切削工具の複合硬質膜のコーティングがなされ
る。この複合被膜はプラズマ電子銃３と坩堝５内の硬質
物による成膜に続いてプラズマ電子銃３を併用したマグ
ネトロンターゲットによる多層成膜の例である。

【００１０】さらに、プラズマ電子銃３と坩堝５内の硬
質物での成膜及びマグネトロンターゲットによる成膜も
同時に可能である。例えばＴｉＡｌＮの成膜ではターゲ
ットにＴｉＡｌを用いても、ターゲットにＡｌを用い坩
堝５にＴｉを用いることもできる。まず基板１２の加熱
はプラズマ電子銃３を用いてプラズマを発生させ、電子
照射により行う。さらに、電子銃によるプラズマによ
り、イオンボンバードを行い、次に、プラズマ電子銃と
磁界強化型マグネトロンターゲット６を作動させ、Ｔｉ
ＡｌＮ膜を生成する。ターゲット６にＡｌを用いた場合
には坩堝５にＴｉを蒸発源として用いる。この方式によ
る全システムの動作範囲は１０^-3〜１０^-4Ｔｏｒｒの領
域であり、従来のスパッタリングの動作範囲である１０
^-2とは異なる。これにより蒸発速度を安定化できると同
時に安定した金属ガスの反応性が得られる。

【００１１】前述のような複層コーティングを実施する
場合には、マグネトロンターゲット６の遮蔽を行わず
に、坩堝５とマグネトロンターゲット６の両方から硬質
被膜形成物が蒸発して基板の表面に複合膜を形成する。
電子銃での坩堝５の硬質物の蒸着とマグネトロンターゲ
ットでのスパッタリングを別々に行い多層成膜する場合
には、シャッタ１０を移動させてマグネトロンターゲッ
ト６を遮蔽して、例えば坩堝５にＴｉを収容しておき、
まずこれを電子銃３により超硬合金工具母材の表面にＴ
ｉＮのコーティングした後に、例えばＴｉＣからなるマ
グネトロンターゲット６を遮蔽するシャッタ１０を開
き、該マグネトロンターゲット６から基板１２にＴｉＣ
を蒸着させ、ＴｉＮ−ＴｉＣの多層被膜を形成する。ま
た、シャッタ１０でマグネトロンターゲット６を遮蔽す
ることにより、電子銃により蒸発した硬質膜材料による
マグネトロンターゲットの汚れが防止される。このため
に正確な薄膜が形成される。このように電子銃３とマグ
ネトロンターゲット６からの複合スパッタが可能とな
る。さらに、坩堝５の蒸発源を用いずに、マグネトロン
ターゲット６からの照射のみによることもできる。この
場合は、坩堝の５の蒸発源を用いずに坩堝５の周囲に設
けられたアノード１１に電子銃３からのビームを照射し
プラズマを拡大して、シャッタ１０を開いてマグネトロ
ンターゲット６から基板１２に蒸着する事も出来る。

【００１２】図３に斜線でもって示すように、電子銃３
と坩堝５又は坩堝の周囲に設けられたアノード１１とで
発生するプラズマＡにより反応ガスのイオン化を促進さ
せる。また、複数配置されたマグネトロンターゲット６
とアノード９とで発生するプラズマにより同様に反応ガ
スのイオン化が促進される。それぞれのプラズマの拡が
りは互いにＢ，Ｃで示す部分で重畳されている。電子銃
３とマグネトロンターゲット６とを同時に作動させた場
合は、この重畳部を介してプラズマ領域が拡がる。従っ
て、マグネトロンターゲット６のプラズマはアノード９
で収束するばかりでなく重畳部を超えて電子銃により発
生したプラズマ領域まで拡がる。従って、マグネトロン
ターゲット６と基板１２との間で安定したプラズマが成
立するために、従来のスパッタリング装置の欠点である
電極間距離の制限がなくなり、スパッタリング領域も拡
がり高速度工具鋼や超硬合金などの材料からなる回転切
削工具に代表される基板（試料）１２の形状の如何を問
わずに満遍なく硬質被膜の形成が可能となった。

【００１３】

【発明の効果】本発明は、上記のように反応ガスを導入
した真空容器にプラズマ発生用電子銃、電子銃により蒸
発される蒸発源、硬質被膜が蒸着される基板（試料）な
どの反応性イオンプレーティング装置としての構成要素
を具備し、さらに蒸発源としてマグネトロンスパッタリ
ングターゲット及びマグネトロンスパッタターゲット用
のプラズマ制御用コイルを配置し、さらに電子銃により
発生するプラズマとマグネトロンスパッタリングターゲ
ットとアノードとにより発生するプラズマとを一つのプ
ラズマ領域として拡大可能とし、スパッタリング時に電
子銃によるプラズマを利用してプラズマ領域を拡大する
ことができるために安定した成膜をうることが可能とな
った。従来のスパッタリング装置の欠点である電極間距
離の制限がある為に、平坦な試料にしか蒸着できないと
いう制約を克服し試料の形状の如何を問わずコーティン
グが可能となった。さらに、シャッタの開閉によりコー
ティング膜の複層化、換言すれば多元系の蒸着が極めて
容易に実施できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る複合スパッタリング装置の実施例
の底部の俯瞰図である。

【図２】図１の装置の内部を説明する概略図である。

【図３】本発明によるプラズマの拡がりと重畳部を示す
説明図である。

【符号の説明】

１真空容器３プラズマ電子銃５坩堝６マグネトロンスパッタリングターゲット（マグネト
ロンターゲット）７（マグネトロン）ターゲット用コイル８プラズマ電子銃用コイル９アノード１０シャッタ１１坩堝の周囲に設けられたアノード１２試料（基板）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内に反応ガスを導入し、さらに
前記真空容器の上部にプラズマ発生用電子銃、前記真空
容器内の底部近傍に前記電子銃により蒸発される硬質被
膜形成用物質を容れる坩堝、前記プラズマ発生用電子銃
と前記坩堝間の周囲に硬質被膜が蒸着される試料などの
反応性イオンプレーティング装置としての構成要素を具
備し、さらに蒸発源としてマグネトロンスパッタリング
ターゲットを前記真空容器の側面に併設すると共に前記
マグネトロンスパッタリングターゲットの周囲にマグネ
トロンスパッタリングターゲットのプラズマを制御する
ターゲット用コイルを配置し、前記マグネトロンスパッ
タリングターゲットの側方にアノードを設け、さらに前
記電子銃により発生するプラズマと前記マグネトロンス
パッタリングターゲットと前記アノードとにより発生す
るプラズマとを一つのプラズマ領域として拡大可能にさ
れていることを特徴とする複合スパッタリング装置。
【請求項２】前記マグネトロンスパッタリングターゲ
ットを複数個設けた請求項１記載の複合スパッタリング
装置。
【請求項３】前記マグネトロンスパッタリングターゲ
ットと前記試料との間に開閉可能のシャッタが設けられ
ていることを特徴とする請求項１または２記載の複合ス
パッタリング装置。
【請求項４】前記電子銃は圧力勾配型である請求項１
記載の複合スパッタリング装置。