JP4436987B2 - 成膜方法及び装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械部品等の表面に耐摩耗膜等の機能膜を成膜する成膜方法及び装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の成膜方法及び装置を、図4を参照して説明する。図4において、21は真空チャンバであり、排気系22とガス供給系23を備えている。24はプラズマを発生させるプラズマ源であり、図示例では真空チャンバ21内に配設されたコイルから成り、高周波電源25に接続されている。26は成膜用の固体ソースであり、スパッタ又は蒸発により金属原子を真空チャンバ21内に放出する。本従来例では金属としてTiを用いている。固体ソース26には、電源27が接続され、スパッタや蒸発に必要なエネルギーが供給される。30は基体で、支持台28上に載置されている。支持台28にはバイアス電源29が接続されており、基体30に支持台28を通じてバイアス電圧をかけられるように構成されている。
【0003】
次に、動作を説明する。本従来例における基体30は、摺動部に用いられる鉄系合金から成る機械部品であり、表面処理は基体30の表面にTiN膜を成膜することで、耐摩耗性を向上することを目的とするものである。その成膜工程は、基体30の表面の酸化膜を除去し、膜と基体間の密着性を向上させる第1ステップと、TiN膜を成膜する第2ステップから成っている。
【0004】
まず、第1ステップの動作を説明する。ガス供給系23よりアルゴンガスを導入し、同時に排気系22より排気して所定の圧力状態とし、高周波電源25によりプラズマ源24に電力を供給するとプラズマPが発生する。次に、バイアス電源29により支持台28及び基体30にバイアス電圧を印加する。
【0005】
これにより、プラズマP中の荷電粒子が基体30に印加されたバイアス電圧により加速され、基体30に衝突する。そのエネルギーによって基体30の表面の酸化膜はスパッタリングにより排除される。この工程はスパッタクリーニングと呼ばれる。基体30の表面の酸化膜の厚みの範囲は予め調べられており、基体30の表面の酸化膜が完全に排除されるのに十分な時間だけ、スパッタクリーニングを行った時点で第1ステップは終了する。
【0006】
次に、第2ステップの動作を説明する。第1ステップの終了後、ガス供給系23より窒素を導入し同時に排気系22より排気して所定の圧力状態とし、高周波電源25によりプラズマ源24に電力を供給すると、プラズマPが発生する。次に、電源27をオンして固体ソース26にエネルギーを供給する。すると、Ti原子が真空チャンバ21内に放出され、真空チャンバ21内に放出されたTi原子はプラズマPによりイオン化される。
【0007】
次に、バイアス電源29により支持台28及び基体30にバイアス電圧を印加する。イオン化されたTiと窒素が基体30に引き寄せられ、基体30の表面にTiN膜が形成される。一定時間成膜すると、第2ステップは終了する。第1ステップで基体30の表面がクリーニングされているので、形成されたTiN膜と基体30は密着性がよい。
【0008】
以上のようにして基体30の表面に耐摩耗性をもつ表面処理が施される。成膜を終了した基体30は取り出され、未成膜の基体30が真空チャンバ21内にセットされる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来方法では基体30の表面の状態によってクリーニングで除去される基体30の量が異なり、成膜後の寸法が安定しないという問題があった。これは、同時に成膜処理される基体30の一群をロットと呼ぶと、ロット毎の基体30の製造条件や保管方法によって、基体30の表面の酸化状態が異なるとともに、基体30の材質と酸化膜とでスパッタ率が異なることによる。
【0010】
例えば、酸化膜が0.2μmのロットに対して第1ステップで酸化膜を0.5μm除去できる条件を用いると、酸化膜0.2μmと基体0.4μmが除去され、基体30に0.6μmの寸法変化が起きる。すなわち、酸化膜0.2μmのロットと酸化膜0.5μmのロットでは0.1μmの寸法ばらつきを生じることになる。第2ステップでは、一定の膜厚、例えば5μmの成膜を行うので、このばらつきは処理された部品の寸法ばらつきとして残ることになる。特に、寸法精度を要求される機械部品等の処理においてはこの問題は重要である。
【0011】
本発明は、上記従来の問題に鑑み、密着性が良くかつ基体の寸法精度の高い成膜ができる成膜方法及び装置を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の成膜方法は、真空チャンバ内にプラズマを生成し、プラズマ中のイオンによって基体の表面をスパッタクリーニングした後、基体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、スパッタクリーニングする時にスパッタクリーニングで生成される成分をモニタリングし、スパッタクリーニングによって減少した基体の寸法を判断し、減少した基体の寸法を補正する厚みだけ成膜時間を長くするものであり、基体の状態に応じて必要な時間だけスパッタクリーニングするので適正なスパッタクリーニングによって密着性の良い成膜ができ、かつスパッタクリーニングによる寸法変化が異なってもそれを補正する量だけ成膜することにより処理後の部品の寸法精度の高い成膜ができる。
【0013】
上記スパッタクリーニングで生成される成分のモニタリングは、発光分光法や質量分析法で行うことができる。
【0014】
また、本発明の成膜装置は、排気系とガス供給系とを備えた真空チャンバと、前記真空チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ源と、前記プラズマ源に接続される高周波電源と、基体を載置する支持台にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、前記支持台に対向して配置されかつ前記基体の表面のスパッタクリーニングで生成される成分をモニタリングするモニタリング手段と、モニタリング手段と接続されかつ前記基体の表面のスパッタクリーニングと前記基体の表面に薄膜を形成する成膜動作を選択的に行うように制御するコントローラとを備え、コントローラは、タイマと酸化膜厚−スパッタ時間テーブルと膜厚−成膜時間テーブルとを有し、モニタリングする手段からの信号と酸化膜厚−スパッタ時間テーブルとから、スパッタクリーニングによって減少した、基体の寸法を判断し、減少した基体の寸法を補正する厚みだけ成膜時間を長くするように構成したものであり、上記成膜方法を実施してその効果を奏することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の成膜方法及び装置の一実施形態について、図1〜図3を参照して説明する。
【0016】
図1において、1は真空チャンバであり、排気系2とガス供給系3を備えている。4はプラズマを発生させるプラズマ源であり、図示例では真空チャンバ1内に配設されたコイルから成り、高周波電源5に接続されている。6は成膜用の固体ソースであり、スパッタ又は蒸発により金属原子を真空チャンバ1内に放出する。本実施形態では金属としてTiを用いている。固体ソース6には、電源7が接続され、スパッタや蒸発に必要なエネルギーが供給される。10は基体で、支持台8上に載置されている。支持台8にはバイアス電源9が接続されており、基体10に支持台8を通じてバイアス電圧をかけられるように構成されている。
【0017】
11はスパッタクリーニングで生成される成分をモニタリングするモニタリング手段であり、その検出信号はコントローラ12に入力されている。モニタリング手段11は、発光分光法によるものでもよいし、質量分析法によるものでもよい。
【0018】
コントローラ12は、図2に示すように、操作部や上位コントローラからの指令やモニタリング手段11等の検出手段からの検出結果によって、電源7、バイアス電源9等の全体装置の各動作部を制御する制御部13と、スパッタクリーニング時間を計時するタイマ14と、酸化膜厚−スパッタ時間テーブル16を参照してスパッタクリーニングした酸化膜の厚さを演算する酸化膜厚演算手段15と、制御部13から与えられる所望の膜厚と演算した酸化膜厚、及び膜厚−成膜時間テーブル18を参照して成膜時間を演算する成膜時間演算手段17にて構成されている。酸化膜厚−スパッタ時間テーブル16や膜厚−成膜時間テーブル18は予め用意されて格納されている。
【0019】
かくして、コントローラ12は、モニタリング手段11からの信号をもとにスパッタクリーニングで生成される成分の消滅を検出することで、スパッタクリーニングを停止し、またスパッタクリーニング開始から終了までの時間を測定し、クリーニング時間によって減少した基体10の寸法を判断し、成膜後の寸法が所望の値となるように成膜時間を判断する。
【0020】
次に、動作を説明する。本実施形態における基体10は、摺動部に用いられる鉄系合金から成る機械部品であり、表面処理は基体10の表面にTiN膜を成膜することで、耐摩耗性を向上することを目的とするものである。その成膜工程は、基体10の表面の酸化膜を除去し、膜と基体間の密着性を向上させる第1ステップと、TiN膜を成膜する第2ステップから成っている。
【0021】
まず、第1ステップの動作を説明する。ガス供給系3よりアルゴンガスを導入し、同時に排気系2より排気して所定の圧力状態とし、高周波電源5によりプラズマ源4に電力を供給するとプラズマPが発生する。次に、バイアス電源9により支持台8及び基体10にバイアス電圧を印加する。
【0022】
これにより、プラズマP中の荷電粒子が基体10に印加されたバイアス電圧により加速され、基体10に衝突する。そのエネルギーによって基体10の表面の酸化膜はスパッタリングにより排除される。スパッタリングによって排除された成分はモニタリング手段11により観測され、その消滅によって第1ステップのスパッタクリーニングは終了する。
【0023】
図3に、スパッタリングにより基体10より叩き出され、プラズマPにより励起された酸素の発光強度をモニタリングした例を示す。モニタリングしたのは、777.1nm、777.4nm、777.5nmの波長での和である。Aは酸化膜0.2μmのスパッタリング時のモニタリング曲線、Bは酸化膜0.5μmのスパッタリング時のモニタリング曲線であり、時間Ta及びTbで酸素が無くなり、クリーニングが終わったことを判断できる。
【0024】
次に、第2ステップの動作を説明する。第1ステップの終了後、ガス供給系3より窒素を導入し同時に排気系2より排気して所定の圧力状態とし、高周波電源5によりプラズマ源4に電力を供給すると、プラズマPが発生する。次に、電源7をオンして固体ソース6にエネルギーを供給する。すると、Ti原子が真空チャンバ1内に放出され、真空チャンバ1内に放出されたTi原子はプラズマPによりイオン化される。
【0025】
次に、バイアス電源9により支持台8及び基体10にバイアス電圧を印加する。イオン化されたTiと窒素が基体10に引き寄せられ、基体10の表面にTiN膜が形成される。ここで、成膜時間は、第1ステップのスパッタクリーニングによって減少した基体10の寸法を判断し、成膜後の寸法が所望の値となるようにコントローラ12により調整される。
【0026】
例えば、スパッタクリーニングにかかった時間がTaであった場合、酸化膜の厚みは0.2μmであると判断し、第2ステップで5.2μmの成膜を行う。また、スパッタクリーニングにかかった時間がTbであった場合、酸化膜の厚みは0.5μmであると判断し、第2ステップで5.5μmの成膜を行う。スパッタクリーニングに要した時間と酸化膜の厚みの関係は予めデータを取っておく。第2ステップにおける成膜時間と膜厚の関係も同様である。以上のようにして基体10の表面に耐摩耗性をもつ表面処理が施される。
【0027】
なお、上記実施形態では、プラズマ源4としてコイルから成る例を示したが、支持台8にバイアスをかける交流または直流のバイアス電源9によりプラズマの発生と維持ができる場合には、これをプラズマ源と見なすことができる。
【0028】
【発明の効果】
本発明の成膜方法及び装置によれば、以上のようにスパッタクリーニングする時にスパッタクリーニングで生成される成分をモニタリングし、その成分の消滅した時点でスパッタクリーニングを停止し、スパッタクリーニングにかけた時間に応じて成膜時間を変化させるので、基体の状態に応じて必要な時間だけ適正にスパッタクリーニングできて密着性の良い成膜ができ、かつスパッタクリーニングによる寸法変化が異なってもそれを補正する量だけ成膜することにより処理後の部品の寸法精度の高い成膜ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の成膜装置の概略構成図である。
【図2】同実施形態におけるコントローラの構成図である。
【図3】同実施形態におけるモニタリング状態の説明図である。
【図4】従来例の成膜装置の概略構成図である。
【符号の説明】
1 真空チャンバ
2 排気系
3 ガス供給系
4 プラズマ源
9 バイアス電源
10 基体
11 モニタリング手段
12 コントローラ

Claims (4)

  1. 真空チャンバ内にプラズマを生成し、プラズマ中のイオンによって基体の表面をスパッタクリーニングした後、基体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、スパッタクリーニングする時にスパッタクリーニングで生成される成分をモニタリングし、スパッタクリーニングによって減少した基体の寸法を判断し、減少した基体の寸法を補正する厚みだけ成膜時間を長くすることを特徴とする成膜方法。
  2. スパッタクリーニングで生成される成分のモニタリングを発光分光法で行うことを特徴とする請求項1記載の成膜方法。
  3. スパッタクリーニングで生成される成分のモニタリングを質量分析法で行うことを特徴とする請求項1記載の成膜方法。
  4. 排気系とガス供給系とを備えた真空チャンバと、前記真空チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ源と、前記プラズマ源に接続される高周波電源と、基体を載置する支持台にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、前記支持台に対向して配置されかつ前記基体の表面のスパッタクリーニングで生成される成分をモニタリングするモニタリング手段と、モニタリング手段と接続されかつ前記基体の表面のスパッタクリーニングと前記基体の表面に薄膜を形成する成膜動作を選択的に行うように制御するコントローラとを備え、コントローラは、タイマと酸化膜厚−スパッタ時間テーブルと膜厚−成膜時間テーブルとを有し、モニタリングする手段からの信号と酸化膜厚−スパッタ時間テーブルとから、スパッタクリーニングによって減少した、基体の寸法を判断し、減少した基体の寸法を補正する厚みだけ成膜時間を長くすることを特徴とする成膜装置。
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