JP3318960B2 - 成膜方法および成膜用表面処理基体 - Google Patents

成膜方法および成膜用表面処理基体

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、表面に成膜が行われ
る基体の機械的特性や化学的安定性を向上させるため、
あるいは基体上に各種半導体特性を有する膜を形成さ
せ、半導体素子として利用するため等を目的として、基
体の表面に膜を形成するための成膜方法および膜を形成
するのに適した表面処理を行った成膜用表面処理基体に
関するものである。なお、本明細書において、「成膜用
表面処理基体」という表現は、膜形成面に所望の膜を形
成する直前における所定の表面処理が済んだ後の基体を
意味し、単なる「基体」という表現は最初に準備された
基体を意味する。
【0002】
【従来の技術】従来より、基体の表面に膜を形成する手
法として、各種PVD法やCVD法がいくつも提案され
ている。なかでも、真空蒸着またはスパッタリング等の
蒸着とイオン照射とを併用して基体の表面に膜を形成す
るIVD法は、基体と膜との界面に混合層が形成される
ので、優れた密着性を有する膜が低温処理で基体の表面
に形成できる利点を有していることで注目を浴びてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】IVD法が優れた密着
性を有するのは、照射されるイオンによって基体と膜と
の界面に両者の構成原子よりなる混合層が形成されるた
めである。しかしながら、例えば、基体と膜とが金属と
窒化物セラミックとのような濡れ性の悪い組み合わせか
らなる材質の場合は、前記混合層の形成だけでは充分な
密着性を得ることが困難な場合もある。
【0004】この発明の目的は、基体に対する膜の密着
性を優れたものとすることができる成膜方法を提供する
ことである。この発明の他の目的は、膜の密着性を優れ
たものとすることができる成膜用表面処理基体を提供す
ることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】この発明は、基体の表面
に蒸着単独もしくは蒸着とイオン照射とを併用して所望
の膜を形成するときに、基体の膜形成面に窒素イオン,
酸素イオンあるいは各種金属イオン等を注入し、基体の
膜形成面に窒素,酸素あるいは各種金属を分布させ、こ
の状態で膜形成面にIVA族元素よりなる下地膜を蒸着と
イオン照射とを併用して形成し、この下地膜の上に所望
の膜を形成すると、基体の所望の膜に対する密着性が一
層向上することを発見してなされたものである。これは
IVA族元素を含む下地膜が基体表面の窒素,酸素あるい
は各種金属と化学的に結合し、これに混合層の形成が加
えられることで、基体とIVA族元素を含む下地膜とが強
固な密着性を有し、さらに目的とする所望の膜がIVA族
元素よりなる下地膜の化学的活性度の高さによって優れ
た密着力を有するという機構が発現するためである
【0006】請求項1記載の成膜方法は、基体の膜形成
面にイオンを予め注入することにより基体の膜形成面に
イオン注入層を形成する。ついで、基体の膜形成面への
蒸着と窒素のイオン照射とを併用して基体の膜形成面に
IVA族元素と窒素との組成比が3以上である下地膜を形
成するとともに基体と下地膜との界面に混合層を形成す
る。その後、下地膜の上に所望の膜を形成する。請求項
2記載の成膜方法は、請求項1記載の成膜方法におい
て、下地膜におけるIVA族元素と窒素との組成比が5以
上である。
【0007】請求項3記載の成膜用表面処理基体は、表
面に所望の膜を形成する成膜方法に用いるもので、膜形
成面にイオンを注入した基体と、この基体の膜形成面に
蒸着と窒素のイオン照射とを併用して形成したIVA族元
素と窒素との組成比が3以上である下地膜および基体と
下地膜との界面に形成した混合層とを備えている。請求
項4記載の成膜用表面処理基体は、請求項3記載の成膜
用表面処理基体において、下地膜におけるIVA族元素と
窒素との組成比が5以上である。
【0008】
【作用】この発明の構成によれば、基体の膜形成面にイ
オン注入層を形成した後、蒸着と窒素のイオン照射とを
併用して基体の膜形成面にIVA族元素と窒素との組成比
が3以上である下地膜を形成するとともに、基体と下地
膜との間に混合層を形成するので、基体に対して下地膜
が強固に密着する。また、IVA族元素と窒素との組成比
が3以上である下地膜は、化学的活性度が高いので、そ
の上に形成される所望の膜は下地膜に対する密着性が優
れたものとなる。この所望の膜の形成の際にもイオン照
射とを併用すると密着性が一層優れたものとなる。
【0009】
【実施例】以下、この発明の一実施例を図1および図2
に基づいて説明する。図2はこの発明の成膜方法を実施
するための成膜装置の概略図を示すものである。図2に
おいて、1は真空容器、2は基体、3は基体2を保持す
る基体ホルダである。4は蒸発源であり、5は蒸発物質
を示している。6はイオン源、7はイオン源6から基体
2へ照射されるイオンビームである。
【0010】8は蒸着物質の基体2へ蒸着される個数や
形成される膜の膜厚を測定する膜厚モニタであり、例え
ば水晶振動子からなる。9は照射されるイオンの個数を
測定するイオン電流測定器で、例えばファラディカップ
からなる。以上のような成膜装置を使用して、成膜を行
う方法について以下に説明する。まず、図2に示すよう
に、基体2をホルダ3に固定して真空容器1に納め、所
定の真空度に保つ。その後、イオン源6よりイオンが基
体2の膜形成面に注入される。この際、イオンの加速エ
ネルギー,注入量は基体2の耐熱性に応じて適宜決めら
れる。
【0011】また、このとき用いられるイオン種は、窒
素,酸素,炭素、あるいは各種金属例えばIVA族元素よ
りなる金属,Cr,Ni等、IVA族元素と結びつきやす
い元素が好ましい。イオン源の方式は特に限定されな
い。その後、蒸発源4から蒸発したIVA族元素からなる
蒸発物質5を基体2の膜形成面上に蒸着させる。このと
き、同時にまたは交互にあるいは蒸着後にイオン源6か
らのイオン照射が行われる。これによって、基体1の膜
形成面にIVA族元素からなる下地膜が形成される。この
結果、基体2とその上に形成された下地膜との界面に基
体材料と下地膜材料との混合層が形成される。なお、IV
A族元素からなる下地膜を形成するための蒸着はスパッ
タリングによって行うことも可能であり、また下地膜の
膜厚は特に限定されず、またIVA族元素を含む下地膜を
形成する際に、下地膜に含まれるIVA族元素以外の元素
についても、窒素,炭素等種々のものが考えられ、特に
限定されるものではない。
【0012】この蒸着とイオン照射とを併用して下地膜
を形成するときに、膜厚モニタ8およびイオン電流測定
器9を用いて基体2へ到達する蒸着物の膜厚とイオンの
個数とを計測でき、その値を任意に設定することで、所
望の組成比をもった下地膜を所定の膜厚に形成すること
ができる。つぎに、下地膜の上に蒸着単独あるいは蒸着
とイオン照射とを併用して所望の膜を形成する。
【0013】この場合には、膜厚モニタ8およびイオン
電流測定器9を用いることで、膜厚および膜の組成を制
御することができる。つぎに、図1を参照して成膜の過
程について説明する。まず、図1(a)に示すように、
各種合金,セラミック等の基体11の膜形成面にイオン
照射A1 によって例えば窒素,酸素,炭素、あるいは各
種金属例えばIVA族元素よりなる金属,Cr,Ni等、
IVA族元素と結びつきやすい元素のイオン12を予め注
入することにより基体11の膜形成面にイオン注入層1
3を形成する。
【0014】ついで、図1(b)に示すように、基体1
1の膜形成面へのTi,Zr等のIVA族元素の蒸着を行
うとともに、基体11の膜形成面への窒素イオン等のイ
オン照射A2 を併せて行うことにより、基体11の膜形
成面に下地膜15を形成するとともに、基体11と下地
膜15との界面に基体材料および下地膜材料からなる混
合層16を形成する。この図1(b)の状態のものが成
膜用表面処理基体14である
【0015】基体11に形成される下地膜15は、蒸発
材料のみからなる場合もあり、蒸発材料とイオン源から
照射されたイオンの両者の原子の混合したものからなる
場合もある。その後、図1(c)に示すように、下地膜
15の上に所望の膜17を蒸着単独あるいは蒸着とイオ
ン照射との併用によって形成する。下地膜15の上に形
成する所望の膜17としては、例えばTiN,BN,A
lN等の窒化膜、TiC,SiC等の炭化膜あるいはダ
イヤモンド膜等がある。
【0016】このように、基体11の膜形成面にIVA族
元素と結びつきやすい元素のイオン12を予め注入して
イオン注入層13を形成した後、蒸着とイオン照射とを
併用して基体11の膜形成面にIVA族元素を含む下地膜
15を形成するとともに、基体11と下地膜15との間
に混合層16を形成するので、基体11に対して下地膜
15が強固に密着し、また、IVA族元素を含む下地膜1
5は、化学的活性度が高いので、その上に形成される所
望の膜17は下地膜15に対する密着性が優れたものと
なり、所望の膜17は基体11から剥離しにくくなる。
【0017】ここで、具体的な実施例およびそれに対応
した比較例を示す。 (実施例1)超硬合金(K10種)よりなる基体を図2
に示す成膜装置で上記したような処理を施した。具体的
には、まず真空容器を5×10-7torr以下の真空度に保
ち、イオン源に純度5N(99.999%)の窒素ガス
を導入し、窒素イオンを加速エネルギー1keV,10
×1016個/cm2 の条件で基体の膜形成面に注入した。
【0018】ついで、純度99.9%のチタン(Ti)
を電子ビームを用いた蒸発源を用いて蒸発させ、基体の
膜形成面にチタン膜を蒸着させると同時に、イオン源よ
り窒素イオンを10keVの条件で照射した。なお、こ
の際、膜中のTiと窒素原子の個数比(Ti/N組成
比)が3になるように、Ti/N輸送比を調整し、基体
の表面に膜厚50nmに窒化チタン膜からなる下地膜を
形成した。
【0019】その後、窒化チタン膜からなる下地膜の上
に、真空蒸着によってNi膜を1μmの膜厚に形成し
た。 (実施例2)実施例1と同じ基体に対し、実施例1と同
じくイオン注入処理をした後、純度99.9%のジルコ
ニウム(Zr)を真空蒸着させると同時に、イオン源よ
り窒素イオンを照射した。なお、この際、膜中のZrと
窒素原子の個数比(Zr/N組成比)が5になるよう
に、Zr/N輸送比を調整し、基体の表面に膜厚50n
mに窒化ジルコニウム膜からなる下地膜を形成した。
【0020】その後、窒化ジルコニウム膜からなる下地
膜の上に、真空蒸着によってNi膜を1μmの膜厚に形
成した。 (比較例1)実施例1と同じ基体に対し窒素イオンの前
注入処理を行わずに、基体に窒化チタン膜とNi膜とを
形成した。
【0021】(比較例1)実施例2と同じ基体に対し窒
素イオンの前注入処理を行わずに、基体に窒化ジルコニ
ウム膜とNi膜とを形成した。上記実施例1,2と比較
例1,2における基体上の膜の密着性をAEセンサ付自
動スクラッチ試験機によって測定したところ、実施例
1,2の膜が30N,28Nで剥離したのに対し、比較
例1,2の膜は18N,15Nで剥離した。
【0022】したがって、この発明による成膜方法の方
が基体に対する膜の密着性が優れていることが明らかで
ある。なお、基体としては、上記実施例1に示した超硬
合金(K10種)の他に各種金属、合金あるいはセラミ
ック(例えばAlN,BN等の窒化物セラミック)が考
えられる。
【0023】
【発明の効果】この発明の成膜方法および成膜用表面処
理基体によれば、基体の膜形成面にイオン注入層を形成
した後、蒸着と窒素のイオン照射とを併用して基体の膜
形成面にIVA族元素と窒素との組成比が3以上である下
地膜を形成するとともに、基体と下地膜との間に混合層
を形成するので、基体に対して下地膜が強固に密着し、
IVA族元素と窒素との組成比が3以上である下地膜は、
化学的活性度が高いので、その上に形成される所望の膜
は下地膜に対する密着性が優れたものとなり、基体に対
する所望の膜の密着性は優れたものとなり、所望の膜が
基体から剥離しにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の成膜方法による成膜過程を示す断面
図である。
【図2】この発明の成膜方法において使用する成膜装置
の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
11 基体 12 イオン 13 イオン注入層 14 成膜用表面処理基体 15 下地膜 16 混合層 17 膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江部 明憲 京都市右京区梅津高畝町47番地 日新電 機株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−236268(JP,A) 特開 平2−129359(JP,A) 特開 平4−57605(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 14/00 - 14/58

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基体の表面に所望の膜を形成する成膜方
    法であって、 前記基体の膜形成面にイオンを予め注入することにより
    前記基体の膜形成面にイオン注入層を形成し、ついで前
    記基体の膜形成面への蒸着と窒素のイオン照射とを併用
    して基体の膜形成面にIVA族元素と窒素との組成比が3
    以上の下地膜を形成するとともに前記基体と前記下地膜
    との界面に混合層を形成し、その後前記下地膜の上に前
    記所望の膜を形成することを特徴とする成膜方法。
  2. 【請求項2】 下地膜におけるIVA族元素と窒素との組
    成比が5以上である請求項1記載の成膜方法。
  3. 【請求項3】 表面に所望の膜を形成する成膜方法に用
    いる成膜用表面処理基体であって、 膜形成面にイオンを注入してイオン注入層を形成した基
    体と、この基体の膜形成面に蒸着と窒素のイオン照射と
    を併用して形成したIVA族元素と窒素との組成比が3以
    上の下地膜および前記基体と前記下地膜との界面に形成
    した混合層とを備えた成膜用表面処理基体。
  4. 【請求項4】 下地膜におけるIVA族元素と窒素との組
    成比が5以上である請求項3記載の成膜用表面処理基
    体。
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