JP4767509B2 - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Description

この発明は、成膜装置および成膜方法に関し、特に例えばイオンプレーティング法によって被処理物の表面に被膜を生成する、成膜装置および成膜方法に関する。

イオンプレーティング法を採用する成膜装置として、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、特にｃＢＮ（Cubic Boron Nitride；立方晶窒化ホウ素）膜を生成するのに適しており、具体的には、同特許文献１の第００３９段落に開示されているように、当該ｃＢＮ膜の生成に先立って、中間層としてのＴｉＮ（窒化チタン）膜が生成される。そして、同特許文献１の第００４０段落に開示されているように、当該ＴｉＮ膜とｃＢＮ膜との密着性を向上させるために、Ｂ（ホウ素）膜が生成され、さらにＢＮ（窒化ホウ素）膜が生成される。そして、このＢＮ膜の生成過程において、放電用ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスに対する材料ガスとしての窒素（Ｎ_２）ガスの流量比が段階的に増やされ、これによってホウ素に対する窒素の組成比率（Ｎ／Ｂ比）が段階的に増大し、最終的にｃＢＮ膜が生成される。このとき、被処理物としての基板には、当該基板の表面に対するイオンの衝突を促進させるために、バイアス電力としての高周波（ＲＦ）電力が供給される。そして、この高周波電力の電力値もまた段階的に増大され、これによってｃＢＮ膜を含むＢＮ膜の密着性が改善し、当該ｃＢＮ膜の生成が実現される。
特開２００２−１０５６２４号公報

しかし、上述のｃＢＮ膜を含むＢＮ膜は、一般に剥離し易い、という性質を有する。この性質は、上述の組成比率が大きいほど、換言すればより硬質なＢＮ膜を生成しようとするほど、顕著になる。このことは、上述の従来技術によって生成されたｃＢＮ膜についても、例外ではない。このため、従来技術では、その第００４１段落に開示されているように、当該ｃＢＮ膜の上に、言わば保護膜としてのＴｉＮ膜が形成される。このようにｃＢＮ膜が別の被膜で覆われると、折角の当該ｃＢＮ膜の特性（高硬度、低摩擦係数および高耐熱性といった特性）が発揮されなくなり、このｃＢＮ膜を生成すること自体が無意味になる。つまり、従来技術では、実用的なｃＢＮ膜を生成することができなかった。

そこで、このたび、ｃＢＮ膜を含む特に硬質なＢＮ膜が剥離する原因（メカニズム）を究明したところ、基板に供給される高周波電力が大きく影響することが、判明した。即ち、高周波電力には直流成分が重畳されており、上述の如く当該高周波電力の電力値が段階的に変えられると、これに伴って当該直流成分も変動する。そして、この直流成分の変動量が大きいと、ＢＮ膜に大きな電界変動が生じ、これによって当該ＢＮ膜が部分的に破壊され、ひいては剥離することが、判明した。

かかる研究成果を基に、この発明は、硬質ＢＮ膜等の絶縁性被膜について剥離を生じない実用的な被膜を生成することができ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。

この目的を達成するために、第１の発明は、イオンプレーティング法により被処理物の表面に被膜を生成する成膜装置において、直流成分が重畳された交流のバイアス電力を被処理物に供給するバイアス供給手段と、当該直流成分を制御する制御手段と、を具備することを特徴とするものである。

即ち、この第１の発明では、イオンプレーティング法によって被処理物の表面に被膜が生成される。このとき、被処理物には、当該被処理物の表面に対するイオンの衝突を促進させるべく、直流成分が重畳された交流のバイアス電力が、バイアス供給手段から供給される。そして、当該直流成分は、制御手段によって制御される。

なお、上述の如くＢＮ膜のような化合物被膜の生成においては、当該被膜の密着性を向上させるべく、被膜材料の組成比率が徐々に変えられることがある。このような場合、制御手段は、当該組成比率の変化に応じて、直流成分を徐々に増大させるのが、望ましい。

さらに、この場合、当該直流成分の１分間の増大量を５Ｖ以下に抑えるのが、望ましい。このように直流成分の増大度合（速度）を抑えることで、被膜の破壊、ひいては剥離を防止できることが、確認された。

なお、ここで言う被膜は、ＢＮ膜等の絶縁性被膜であってもよい。

ただし、絶縁性被膜の生成過程においては、被処理物の表面に逐次生成される当該絶縁性被膜の上面に、イオン照射による電荷が蓄積される。そして、この電荷を相殺するべく電子が放電空間（プラズマ領域）から調達され、これによって当該放電空間において電子が不足し、プラズマが不安定になる。そこで、かかる電子の不足分を補うために、放電空間に電子を追加的に供給する電子供給手段を、さらに設けてもよい。このようにすれば、プラズマを安定化させることができる。

第２の発明は、イオンプレーティング法により被処理物の表面に被膜を生成する成膜方法において、直流成分が重畳された交流のバイアス電力を被処理物に供給するバイアス供給過程と、当該直流成分を制御する制御過程と、を具備することを特徴とするものである。

即ち、第２の発明は、第１の発明に対応する方法発明であり、よって第１の発明と同様の作用を奏する。

この発明によれば、被処理物に供給されるバイアス電力の直流成分が制御されるので、被膜の破壊に大きく影響する当該直流成分の変動が抑制される。従って、直流成分ではなくバイアス電力（電力値）自体が制御されるという上述の従来技術とは異なり、特に硬質ＢＮ膜等の絶縁性被膜を生成する場合にも、当該被膜の破壊、ひいては剥離を防止し、実用的な被膜を生成することができる。

この発明の一実施形態について、図１〜図１３を参照して説明する。

この実施形態に係る成膜装置１０は、イオンプレーティング法を採用するものであり、図１〜図３に示すように、概略円筒形の真空槽１２を有している。なお、図１は、成膜装置１０の内部を正面から見た図であり、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。

真空槽１２は、円筒形の両端に対応する部分を水平方向に向けた状態で配置されており、当該両端に対応する部分は、概略円盤状の前方壁板１４およびこれと略同形状の後方壁板１６によって閉鎖されている。これらの前方壁板１４および後方壁板１６を含む真空槽１２は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）によって形成されており、それ自体は、共通電位としての接地電位（ＧＮＤ）に接続されている。そして、真空槽１２の内部は、排気手段としての図示しない真空ポンプによって排気される。なお、真空槽１２の直径Ｃは、例えば１１４０ｍｍであり、奥行Ｄは、例えば８８５ｍｍである。

そして、真空槽１２内の略中央には、蒸発源１８が配置されている。この蒸発源１８は、蒸発材料２０が収容される坩堝２２と、当該蒸発材料２０を加熱するための材料加熱手段、例えば電子銃２４とを、備えている。さらに、蒸発源１８の下方近傍には、槽内加熱手段としてのヒータ２６が配置されている。なお、図には示さないが、電子銃２４は、真空槽１２の外部に設けられた電子銃用電源装置から所定の直流電力（電子銃パワー）が供給されることで、電子ビームを発射し、蒸発材料２０を加熱する。そして、ヒータ２６は、真空槽１２の外部に設けられたヒータ用電源装置から所定の交流電力が供給されることで、加熱される。

また、真空槽１２内には、自公転機構２８が設けられている。具体的には、自公転機構２８は、真空槽１２の直径Ｃ（厳密には内径）よりも少し、例えば１００ｍｍほど径の小さい円盤状の筐体を有しており、この筐体の中央を真空槽１２（円筒形）の中心軸に一致させた状態で、後方壁板１６の内側面に近接して設けられている。そして、この自公転機構２８の中央には、回転軸３０が設けられており、この回転軸３０は、後方壁板１６を貫通して、真空槽１２の外部に設けられたモータ３２の図示しないシャフトに結合されている。さらに、自公転機構２８の前方側周縁近傍には、当該周縁に沿って等間隔に複数個、例えば７２個の支持手段としてのホルダ３４，３４，…が設けられている。そして、これらのホルダ３４，３４，…のそれぞれに、被処理物３６が取り付けられる。ここでは、被処理物３６として、例えば高速度鋼（ＳＫＨ５１）を母材する直径が約１０ｍｍのドリル（刃）が用いられる。そして、この被処理物３６は、真空槽１２の中心軸に沿う方向に延伸するようにそれぞれのホルダ３４に取り付けられる。なお、各ホルダ３４，３４，…の並びによって描かれる円の直径（真空槽１２の中心軸を間に挟んで互いに対向する２つのホルダ３４および３４間の距離）Ｆは、例えば９２０ｍｍとされている。そして、ホルダ３４を含む被処理物３６の突出寸法Ｇは、例えば３００ｍｍとされている。

かかる自公転機構２８によれば、モータ３２が駆動されて、回転軸３０が回転すると、各ホルダ３４，３４，…に取り付けられた被処理物３６，３６，…が、真空槽１２の中心軸を中心として例えば図１に矢印３８で示す方向（時計方向）に回転する。つまり、各被処理物３６，３６，…は、蒸発源１４の周りを言わば公転する。これと同時に、各被処理物３６，３６，…のそれぞれは、自身を中心として例えば時計方向に回転し、言わば自転する。なお、自転速度は、公転速度よりも速く、例えば公転速度の１０倍とされている。

さらに、真空槽１２内には、互いに距離を置いて対向するようにカソード４０およびアノード４２が設けられている。このうち、カソード４０は、例えば直径が１ｍｍ、長さ寸法が２００ｍｍ〜４００ｍｍほどの概略直線状のタングステン製フィラメント（厳密には複数本（例えば３本）のフィラメントを概略直線状に並べたもの）を備えている。そして、このカソード４０は、蒸発源１８とその真上にある被処理物３２との間の略中間で、かつ真空槽１２を正面から見て（図１において）当該真空槽１２の中央よりも少し右寄りの位置に、当該真空槽１２の中心軸に沿う方向に延伸するように、配置されている。

一方、アノード４２は、例えばモリブデン鋼またはタングステン鋼製であり、長さ寸法が２００ｍｍ〜４００ｍｍ程度の四角柱状に形成されたものである。そして、このアノード４２は、真空槽１２の中心軸を通る垂直面を挟んで、カソード４０と略正反対側の位置に、当該真空槽１２の中心軸に沿う方向に延伸するように、配置されている。なお、アノード４２およびカソード４０間の距離は、例えば２００ｍｍ〜３００ｍｍ程度とされている。

そして、カソード４０には、真空槽１２の外部に設けられたカソード電力供給手段としてのカソード加熱用電源装置４４から、交流のカソード電力Ｅｃが供給される。また、このカソード加熱用電源装置４４の接地用端子には、カソードバイアス供給手段としてのカソードバイアス用電源装置４６から、直流のカソードバイアス電圧Ｖｃｂが印加される。つまり、交流のカソード電力Ｅｃに対して、直流のカソードバイアス電圧Ｖｃｂが重畳されている。なお、カソードバイアス電圧Ｖｃｂは、接地電位を基準とする負電圧とされている。

一方、アノード４２には、真空槽１２の外部に設けられたアノード電力供給手段としてのアノード用電源装置４８から、直流のアノード電圧Ｖａが印加される。なお、このアノード電圧Ｖａは、接地電位を基準とする正電圧とされている。

さらに、真空槽内１２には、カソード４０およびアノード４２を間に挟んで、磁界発生手段としての１対の磁界発生器５０および５２が設けられている。具体的には、各磁界発生器５０および５２のそれぞれは、細長い直方体状の筐体を有している。そして、これらの磁界発生器５０よび５２は、カソード４０およびアノード４２を間に挟んだ状態でそれぞれの一側面を互いに対向させ、厳密には当該一側面を斜め上方に向け、かつカソード４０およびアノード４２と平行を成して延伸するように（つまり真空槽１２の中心軸に沿う方向に延伸するように）、配置されている。なお、各磁界発生器５０および５２の長さ寸法は、例えば２００ｍｍ〜４００ｍｍ程度とされている。また、各磁界発生器５０および５２間の距離は、例えば２５０ｍｍ〜３５０ｍｍ程度とされている。

各磁界発生器５０および５２のそれぞれには、図示しない永久磁石が内蔵されている。詳しくは、各磁界発生器５０および５２の互いに対向する一側面（言わば内側面）が、互いに異なる磁極となるように、当該永久磁石が内蔵されている。なお、ここでは、カソード４０側に配置された磁界発生器５０の内側面がＳ極とされ、アノード４２側に配置された磁界発生器５２の内側面がＮ極とされている。これによって、これらの磁界発生器５０および５２で挟まれた空間に磁界が発生する。

そしてさらに、当該磁界の発生領域を拡張するために、各磁界発生器５０および５２にはヨーク５４および５６が取り付けられている。これらのヨーク５４および５６は、平板状のものであり、その幅寸法は、各磁界発生器５０および５２（筐体）の幅寸法よりも大きく、例えば当該各磁界発生器５０および５２（筐体）の幅寸法の１．５倍〜２倍程度とされている。そして、各ヨーク５４および５６の長さ寸法は、各磁界発生器５０および５２の長さ寸法と略同等とされている。これらのヨーク５４および５６は、各磁界発生器５０および５２の内側面とは反対側の面（言わば外側面）を覆うように、かつ当該外側面の上方縁から上方に突出する（はみ出す）ように、取り付けられている。かかるヨーク５４および５６が取り付けられることで、各磁界発生器５０および５２による磁界の発生領域がより拡張される。

なお、上述したように各磁界発生器５０および５２は互いに対向する一側面を斜め上方に向けた状態で配置されているが、これもまた、磁界の発生領域を拡張させるためであり、詳しくは一定の磁束密度を維持しつつ被処理物３６，３６，…の近傍において広い磁界を形成するためである。これらの磁界発生器５０および５２の傾斜角度は、両者間の距離に応じて変わり、例えば５度〜４５度とされ、ここでは約３０度とされている。そして、言うまでもなく、当該各磁界発生器５０および５２の傾斜に応じて、各ヨーク５４および５６も傾けられている。また、アノード４２についても同様に、当該アノード４２側に配置された磁界発生器５２と同じ方向に傾けられている。かかる構成により、この実施形態においては、各磁界発生器５０および５２間の略中央において、例えば６ｍＴ〜１０ｍＴの磁束密度が得られる。また、各磁界発生器５０および５２の上縁から最上位にある被処理物３６（公転軌道の最上位）までの高さＨは、例えば１０５ｍｍ±６０ｍｍとされている。

そして、真空槽１２内には、ガス導入手段としてのガス管５８を介して、反応性ガスが導入される。なお、ガス管５８は、後述する放電洗浄処理および成膜処理において反応性ガスを効率よく放電（電離）させるために、上述の磁界の近辺、例えばアノード４２の少し下方の位置に、当該反応性ガスを噴出させるように配置されている。また、真空槽１２の外部には、ガス管５８内を流れる反応性ガスの流量を調整するための流量調整手段としてのマスフローコントローラ６０が設けられている。

さらに、各被処理物３６，３６，…には、ホルダ３４，３４，…、自公転機構２８およびマッチングボックス６２を介して、バイアス供給手段としての高周波電源装置６４から、当該被処理物３６，３６，…用のバイアス電力として、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力Ｅｂが供給される。なお、マッチングボックス６２は、高周波電源装置６２と、各被処理物３６，３６，…を含む負荷側と、の間のインピーダンスを整合させるためのものである。

ここで、高周波電力Ｅｂは、図４に示すように、接地電位を基準とする負極の直流成分Ｖｄｃを含んでいる。この直流成分Ｖｄｃの電圧値は、高周波電力Ｅｂに応じて変わる。具体的には、高周波電源装置６４によって高周波電力Ｅｂの電力値が変更されると、これに応じて、直流成分Ｖｄｃの電圧値が例えば０Ｖ〜−２００Ｖの範囲で変化する。勿論、高周波電力Ｅｂの電圧振幅値Ｖｐｐも変化する。

このように各被処理物３６，３６，…には直流成分Ｖｄｃを含む高周波電力Ｅｂが供給されるが、この実施形態では、当該直流成分Ｖｄｃを安定させるべく、制御手段としての電圧制御回路６６が、設けられている。即ち、電圧制御回路６６は、マッチングボックス６２から直流成分Ｖｄｃの電圧値を取得し、取得した電圧値が設定したい任意の値になるように、当該高周波電源装置６４（直流成分Ｖｄｃ）を制御する。このいわゆるフィードバック制御によって、直流成分Ｖｄｃの電圧値は設定したい任意値に対して±１Ｖ以下という精度で安定化する。

かかる構成の成膜装置１０によれば、例えば上述した組成比率（Ｎ／Ｂ比）が０．６〜１．１の硬質ＢＮ膜を生成することができる。具体的には、当該ＢＮ膜の成膜処理に先立って、まず放電洗浄処理が行われる。そして、この放電洗浄処理の後に、中間層としてのＴｉＮ膜の成膜処理が行われ、続いてＢＮ膜の成膜処理が行われる。なお、このようにＴｉＮ膜およびＢＮ膜が生成対象とされるときは、上述の坩堝２２には、蒸発材料２０として固形のチタン材およびホウ素材が個別に収容される。そして、これらチタン材およびホウ素材は、電子銃２４によって選択的に加熱される。また、上述の反応性ガスとしては、放電用ガスとしての例えばアルゴンガスと、材料ガスとしての窒素ガスとが、ガス管５８を介して真空槽１２内に個別に導入される。

まず、放電洗浄処理において、真空ポンプによって真空槽１２内が排気され、１×１０^−４Ｐａほどの高真空状態とされる。そして、ヒータ２６によって被処理物３６，３６，…が約３００℃に加熱された後、ガス管５８を介して真空槽１２内にアルゴンガスが導入される。このアルゴンガスが導入された状態での真空槽１２内の圧力は、例えば６．６７×１０^−２Ｐａ程度とされる。そして、この状態で、カソード４０に対しカソード加熱用電源装置４４からカソード電力Ｅｃが供給される。これによって、カソード４０は加熱されて、熱電子を放出する。そして、アノード４２に対しアノード用電源装置４８からアノード電圧Ｖａが印加されると、当該熱電子は、アノード４２に向かって加速される。この加速過程において、熱電子は、アルゴンガスの粒子に衝突する。これによって、アルゴンガス粒子が放電して、プラズマが発生する。ここで、上述したように、カソード４０に供給される交流のカソード電力Ｅｃには、直流のカソードバイアス電圧Ｖｃｂが重畳される。従って、熱電子は、このカソードバイアス電圧Ｖｃｂと上述のアノード電圧Ｖａとの総和に応じて加速される。このように熱電子を加速させるエネルギ源として、アノード電圧Ｖａの他に、カソードバイアス電圧Ｖｃｂが与えられることで、プラズマが安定する。

また、上述したように、カソード４０およびアノード４２が配置されている空間には、磁界が発生している、従って、これらカソード４０およびアノード４２間に発生したプラズマは、当該磁界内に閉じ込められ、これによって図１〜図３に破線模様６８で示されるように断面が概略扇状のプラズマ領域が形成される。そして、モータ３２が駆動されると、各被処理物３６，３６，…は、自公転機構２８による公転作用によって、当該プラズマ領域６８に順次搬送される。そして、プラズマ領域６８においては、自公転機構２８による自転作用によって、それぞれの被処理物３６の表面が満遍なくプラズマに晒される（プラズマ中心に向けられる）。

ここで、高周波電源装置６４から各被処理物３６，３６，…に高周波電力Ｅｂが供給されると、プラズマ領域６８において、プラズマ中のアルゴンイオンが当該各被処理物３６，３６，…の表面に照射される。そして、このイオン照射による衝撃によって、各被処理物３６，３６，…の表面が洗浄され、つまり放電洗浄処理が行われる。

なお、各被処理物３６，３６，…の公転速度は、例えば１ｒｐｍとされる。また、プラズマ領域６８の広がり角度（磁界発生器５０および５２の開き角）は、真空槽１２の中心軸を中心として例えば６０度とされている。従って、各被処理物３６，３６，…のそれぞれは、１分間につき１０秒間だけ、いわゆる間欠的に放電洗浄処理を施される。また、各被処理物３６，３６，…は、公転速度の１０倍、つまり１０ｒｐｍで自転しているので、それぞれの表面全体に対して一様に放電洗浄処理が施される。

かかる放電洗浄処理の後に、ＴｉＮ膜の成膜処理が行われる。具体的には、次の手順によりＴｉ膜，ＴｉＮ膜およびＴｉ膜が順次生成される。

即ち、上述の如く真空槽１２内がアルゴンガス雰囲気で６．６７×１０^−２Ｐａ程度に保たれている状態において、蒸発材料２０のうちのチタン材のみが、電子銃２４によって加熱される。加熱されたチタン材は、蒸発し、プラズマ領域６８においてイオン化される。そして、このチタンイオンは、プラズマ領域６８にある被処理物３６，３６，…の表面に照射され、これによって、当該被処理物３６，３６，…の表面に、チタンが堆積し、Ｔｉ膜が生成される。このＴｉ膜の成膜処理は、約２分間にわたって行われる。なお、このＴｉ膜を含むこれ以降に説明する各被膜の成膜処理においても、個々の被処理物３６に対して１分間につき１０秒間ずつ（間欠的に）当該成膜処理が施される。

そして、次に、アルゴンガスに加えて、窒素ガスが、真空槽１２内に導入される。このときも、真空槽１２内の圧力は、６．６７×１０^−２Ｐａ程度に保たれる。真空槽１２内に導入された窒素ガスは、プラズマ領域６８においてイオン化される。そして、この窒素イオンは、上述のチタンイオンと共に、プラズマ領域６８にある被処理物３６，３６，…の表面（Ｔｉ膜の上）に照射される。これによって、被処理物３６，３６，…の表面に、窒素およびチタンの化合物である窒化チタンが堆積し、ＴｉＮ膜が生成される。このＴｉＮ膜の成膜処理は、約８０分にわたって行われる。

そして、この８０分間という時間が経過した後、窒素ガスの導入が停止される。これによって、上述と同じ要領で、再度、Ｔｉ膜の成膜処理が行われる。この再度のＴｉ膜の成膜処理もまた、約２分間にわたって行われ、これで、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉという３層構造のＴｉＮ膜の成膜処理が完了する。

このＴｉＮ膜の成膜処理に続いて、ＢＮ膜の成膜処理が行われる。具体的には、ＴｉＮ膜との密着性を向上させるべくＢ膜が生成される。そして、このＢ膜の上に、ＢＮ膜が生成される。さらに、このＢＮ膜の生成過程において、ホウ素に対する窒素の組成比率が段階的に増大され、これによって当該ＢＮ膜の硬度が徐々に上昇し、最終的に当該組成比率が０．６〜１．１の硬質ＢＮ膜が生成される。なお、最下層のＢ膜と最上層の硬質ＢＮ膜との間に生成されるＢＮ膜は、当該Ｂ膜および硬質ＢＮ膜間の密着性を向上させるための言わば中間層として機能する。つまり、ＢＮ膜全体としては、Ｂ／ＢＮ中間層／硬質ＢＮという３層構造の被膜が生成される。

かかるＢＮ膜を生成するために、まず、坩堝２２内のチタン材に代えてホウ素材が、電子銃２４によって加熱される。加熱されたホウ素材は、蒸発し、その一部は、プラズマ領域６８においてイオン化される。このホウ素イオンは、プラズマ領域６８にある被処理物３６，３６，…の表面（ＴｉＮ膜の上）に照射される。これによって、当該被処理物３６，３６，…の表面に、ホウ素が堆積し、Ｂ膜が生成される。

次に、真空槽１２内に窒素ガスが導入される。導入された窒素ガスは、プラズマ領域６８においてイオン化される。そして、この窒素イオンは、ホウ素イオンと共に、プラズマ領域６８内にある被処理物３６，３６，…の表面（Ｂ膜の上）に照射され、これによって、被処理物３６，３６，…の表面に、窒素およびホウ素の化合物である窒化ホウ素が堆積し、ＢＮ膜が生成される。さらに、このＢＮ膜の生成過程においては、窒素ガスの流量が、段階的に増大される。換言すれば、アルゴンガスの流量に対する当該窒素ガスの流量の比率が、段階的に増大される。なお、真空槽１２内の圧力は、上述と同様の６．６７×１０^−２Ｐａ程度に保たれる。そして、このように窒素ガスの流量（アルゴンガスに対する流量比）が段階的に増大されることで、ＢＮ膜を構成するホウ素および窒素の組成比率が段階的に変化し、詳しくはホウ素に対する窒素の組成比率が段階的に増大し、最終的に硬質ＢＮ膜が生成される。また、このＢＮ膜の生成過程においては、その密着性をさらに向上させるべく、高周波電力Ｅｂに含まれる直流成分Ｖｄｃの電圧値が段階的に増大するように、高周波電力Ｅｂが制御される。

これら一連の成膜処理によって、図５に示すように、被処理物３６の表面に、ＴｉＮ膜およびＢＮ膜が、この順番で生成される。さらに、ＢＮ膜については、図６に示すように、ホウ素および窒素の組成比率が互いに異なる複数の層１００，１００，…が積層されたものとなる。

ここで、それぞれの層１００の生成過程において、直流成分Ｖｄｃが変化すると、当該層１００に電界変動が生じ、場合によっては、即ち電界変動が大きい場合には、図７に符号１０２，１０２，…で示すように、当該層１００に破壊が生じる。この破壊の程度は、直流成分Ｖｄｃの変化量が大きいほど顕著になる。そして、図８に誇張して示すように、それぞれの層１００において破壊部分１０２，１０２，…がより顕著になると、各層１００，１００，…間で当該破壊部分１０２，１０２，…が繋がって、当該各層１００，１００，…を貫く亀裂１０４，１０４，…が生じる。このように亀裂１０４，１０４，…の入ったＢＮ膜（被処理物３６，３６，…）が大気に晒されると、これら亀裂１０４，１０４，…の入った部分に水分やガスが吸着し、或いは当該部分が酸化して、図９に符号１０６で示すように、ＢＮ膜が部分的に剥離する。そして、この部分的な剥離は、亀裂１０４，１０４，…の入った箇所で連鎖的に生じる。この結果、ＢＮ膜は、粉砕的に（いわゆる粉々に）剥離する。

上述した従来技術では、このような原因によりＢＮ膜（ｃＢＮ膜）が剥離するものと推測される。即ち、基板に供給される高周波電力の電力値自体が段階的に増大されるとき、これに伴って直流成分（Ｖｄｃ）が大きく変動し、これによってＢＮ膜に亀裂が生じ、当該ＢＮが剥離するものと推測される。その証拠に、従来技術において、保護膜としてのＴｉＮ膜が形成されない場合には、ＢＮ膜が上述の如く粉砕的に剥離することが、確認された。

そこで、この実施形態では、次のような条件によってＢＮ膜の成膜処理が行われる。

即ち、アノード電圧Ｖａが、４０Ｖ一定とされる。また、このアノード電圧Ｖａの印加によってアノード４２にアノード電流Ｉａが流れるが、このアノード電流Ｉａは、７０Ａ一定とされる。なお、このアノード電流Ｉａは、後述するようにカソード４０による熱電子の放出量によって決まり、つまり当該カソード４０に供給されるカソード電力Ｅｃの電力値（カソード４０の加熱温度）によって決まる。さらに、カソードバイアス電圧Ｖｃｂが、−２４Ｖ一定とされる。そして、アルゴンガスの流量が、５５ｍＬ／ｍｉｎ一定とされる。そしてさらに、図１０に示すように、７０分間にわたって成膜処理が行われるが、このとき、窒素ガスの流量、電子銃パワーおよび直流成分が、随時調整される。具体的には、窒素ガスの流量は、０ｍＬ／ｍｉｎ〜４５ｍＬ／ｍｉｎの範囲で段階的に増大される。そして、電子銃パワーは、成膜処理時間が０分〜２１分までの間は４．５ｋＷとされ、当該２１分以降は４．０ｋＷとされる。そして、直流成分Ｖｄｃの電圧値が０Ｖ〜−８０Ｖの範囲で段階的に増大するように、高周波電力Ｅｂが制御される。なお、この直流成分Ｖｄｃの１段階当たりの増大量（電圧上昇値）は、５Ｖとされる（ただし、最初の１段階（処理時間が１分〜２分に移行する段階）を除く）。換言すれば、１分間における当該直流成分Ｖｄｃの増大量は、５Ｖ以下とされる。そして、後述するが、当該直流成分Ｖｄｃに応じて、カソード４０および接地電位間に流れるカソードバイアス電流Ｉｃｂも、増大する。

かかる条件による成膜処理においては、上述した要領でＢＮ膜が生成されるが、その生成過程において、当該ＢＮ膜の上（各被処理物３６，３６，…の表面）にイオン照射による電荷が蓄積される。そして、この電荷を相殺するべく電子が、放電空間（プラズマ領域６８）から調達される。これによって、当該放電空間において電子が不足し、アノード電流Ｉａの電流値が低下する。このようにアノード電流Ｉａが低下すると、プラズマが不安定になるので、この実施形態では、当該アノード電流Ｉａが一定となるように、カソード電力Ｅｃが制御される。即ち、カソード電力Ｅｃが増大され、カソード４０から熱電子が追加的に放出される。これによって、放電空間内の電子の不足分が補われ、プラズマが安定化する。そして、このカソード４０による熱電子放出量の増大に応じて、上述の如くカソードバイアス電流Ｉｃｂも、５０Ａ〜９０Ａまで徐々に増大する。なお、この実施形態においては、カソード電力Ｅｃは、カソード加熱用電源装置４４によって自動的に制御されるが、このカソード電力Ｅｃの制御は、手動により（人為的に）行われてもよい。また、図１０の条件下では、当該カソード電力Ｅｃは、約１１５０Ｗ（９Ｖ／１２５Ａ）〜１５４０Ｗ（１１Ｖ／１４０Ａ）の範囲で変化する。

図１１に、直流成分Ｖｄｃの電圧値と、カソードバイアス電流Ｉｃｂの電流値との推移を、グラフで示す。この図１１から明らかなように、直流成分Ｖｄｃの電圧値に応じて、カソードバイアス電流Ｉｃｂの電流値が増大することが、判る。これは、上述したように放電空間内の電子の不足分がカソード４０から放出される熱電子によって補われていることを、意味する。なお、この成膜処理においては、膜厚が０．９μｍ〜１．１μｍで、最上層の組成比率が０．８以上、詳しくは０．９〜１．０という硬質のＢＮ膜が、生成される。そして、このＢＮ膜に剥離が生じないこと、つまり実用的な硬質ＢＮ膜が生成されることが、確認された。

次に、この実施形態の対照実験として、上述の剥離が生じたときにカソードバイアス電流Ｉｃｂがどのように推移するのかを調べてみた。即ち、上述した図１０に代えて、図１２に示す条件によって、ＢＮ膜の成膜処理を行った。

具体的には、窒素ガスの流量を、０ｍＬ／ｍｉｎ〜４０ｍＬ／ｍｉｎの範囲で段階的に増大させる。そして、電子銃パワーを、成膜処理時間が０分〜２分までの間は５．０ｋＷとし、２分〜２１分までの間は４．５ｋＷとし、それ以降は４．０ｋＷとする。そして、直流成分Ｖｄｃの電圧値を、０Ｖ〜−８０Ｖの範囲で段階的に増大させる。なお、この直流成分Ｖｄｃの１段階当たりの増大量は、図１０の場合（５Ｖ）よりも大きくする。そして、このときの直流成分Ｖｄｃの電圧値と、カソードバイアス電流Ｉｃｂの電流値との推移を、図１３にグラフで示す。

この図１３から判るように、直流成分Ｖｄｃの電圧値が増大されても、カソードバイアス電流Ｉｃｂの電流値は殆ど変化しない。換言すれば、カソード電力Ｅｃも変化しない。これは、ＢＮ膜に上述の図８に示すような亀裂１０４，１０４，…が生じていることを、意味する。即ち、イオン照射によってＢＮ膜の上に蓄積された電荷を相殺するべく電子が、当該亀裂１０４，１０４，…を通じて被処理物３６自体から供給されていることを、意味する。このように被処理物３６自体から電子が供給されるため、カソード４０からの熱電子の放出量が増大せず、ひいてはカソードバイアス電流Ｉｃｂも増大しない。なお、このような状態は、導電性被膜の生成過程と同様である。そして、かかる条件下での成膜処理によって、取り敢えずは膜厚が０．６μｍ〜０．８μｍのＢＮ膜が生成されるが、このＢＮ膜は、大気に晒された途端に粉砕的に剥離することが、確認された。

以上のように、この実施形態によれば、硬質ＢＮ膜を生成する際に当該ＢＮ膜（層１００，１００，…）の破壊を誘発する直流成分Ｖｄｃの変動が抑制される。従って、破壊（剥離）を生じない実用的な硬質ＢＮ膜を生成することができる。また、この実施形態によれば、被処理物３６が刃先等の鋭利な部分を有する場合に、この鋭利な部分にも当該ＢＮ膜を適切に生成することができる、という効果もある。

即ち、被処理物３６が鋭利な部分を有する場合、高周波電力Ｅｂ（直流成分Ｖｄｃ）の供給によって当該被処理物３６に流れる電流は、この鋭利な部分に集中する。また、この鋭利な部分にＢＮ膜が生成されることによって、当該ＢＮ膜が誘電体として作用し、その部分の電圧がさらに上昇する。これによって、鋭利な部分に対するイオンの照射エネルギが増大する。ここで、上述の従来技術の場合、ＢＮ膜の生成（堆積）効果よりも当該イオンの衝突によるエッチング（ボンバード）作用の方が優勢となり、しかも高周波電力（直流成分）の増大度合が比較的に大きいため、当該鋭利な部分に対してＢＮ膜が生成されなくなる。これに対して、この実施形態では、鋭利な部分に集中する電荷がカソード４０から補充される熱電子によって相殺され、さらに直流成分Ｖｄｃの増大度合が１分間につき５Ｖ以下と比較的に小さいため、当該鋭利な部分に対して徐々にかつ確実にＢＮ膜が生成される。このように、この実施形態によれば、鋭利な部分を含む被処理物３６の表面の全体にわたって一様にＢＮ膜を生成することができる。

なお、この実施形態においては、被処理物３６として高速度鋼を母材とするドリルを用いたが、これに限らない。即ち、高速度鋼以外の金属を母材するもの、およびドリル以外のものを、被処理物３６として適用してもよい。

また、被膜としてＢＮ膜、特に硬質ＢＮ膜を生成する場合について説明したが、上述したｃＢＮ膜を生成することもできる。

そして、被処理物３６が取り付けられるホルダ３４の数は、上述した数（７２個）に限らず、例えば単数であってもよい。また、ホルダ３４は、公転させなくても、自転させなくてもよい。

さらに、磁界発生器５０および５２を傾斜させたが、これに限らない。即ち、これらを傾斜させずに、互いに正面を向けて対向させてもよい。アノード４２についても、同様である。

そしてさらに、真空槽１２等のこの実施形態を構成する各要素の形状や寸法は、ここで説明した態様に限らない。例えば、真空槽１２は概略円筒形以外の形状であってもよいし、当該真空槽１２の直径Ｃや奥行Ｄ等も上述した値に限定されるものではない。

また、放電用ガスとして、アルゴンガスを用いたが、これ以外のガス、例えばヘリウム（Ｈｅ）ガスやネオン（Ｎｅ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等のいわゆる希ガスを用いてもよいし、複数種類のガスを併用してもよい。

そして、被処理物３６に供給されるバイアス電力として、高周波電力Ｅｂを用いたが、これに代えてパルス電力を用いてもよい。この場合、デューティ比を任意に変更できるようにしてもよい。

さらに、中間層としてＴｉＮ膜を生成したが、これ以外の中間層を生成してもよい。また、被膜の種類によっては、当該中間層を設けなくてもよい。

そして、直流成分Ｖｄｃの電圧値を段階的に増大させたが、当該直流成分Ｖｄｃの増大度合は、１分間につき５Ｖ以下とするのが、肝要である。

この発明の一実施形態の概略構成を示す内部正面図である。 図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。 図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。 同実施形態において被処理物に供給される高周波電力Ｅｂの電圧波形を示す図解図である。 同実施形態において成膜処理を施された後の被処理物の拡大断面図である。 図４における被膜の部分をさらに拡大して示す図解図である。 図４において被膜に破壊が生じた状態を示す図解図である。 図７の破壊が顕著な状態を示す図解図である。 図８の破壊によって被膜が剥離する状態を示す図解図である。 同実施形態における成膜処理の条件を示す一覧表である。 図１０における直流成分Ｖｄｃおよびカソードバイアス電流Ｉｃｂの推移を示すグラフである。 同実施形態の対照実験における成膜条件を示す一覧表である。 図１２における直流成分Ｖｄｃおよびカソードバイアス電流Ｉｃｂの推移を示すグラフである。

符号の説明

１０ 成膜装置
１２ 真空槽
３４ ホルダ
３６ 被処理物
４０ カソード
４２ アノード
４４ カソード加熱用電源装置
４６ カソードバイアス用電源装置
４８ アノード用電源装置
５０，５２ 磁界発生器
５８ ガス管
６４ 高周波電源装置
６６ 電圧制御回路
６８ プラズマ領域

Claims (4)

1. イオンプレーティング法により被処理物の表面に絶縁性被膜である窒化ホウ素膜を生成する成膜装置において、
   上記被処理物に交流のバイアス電力を供給するバイアス供給手段と、
   上記被処理物に上記バイアス電力が供給されることによって該バイアス電力に重畳される直流成分の電圧値を取得して該電圧値の絶対値が段階的に増大するように上記バイアス供給手段を制御する制御手段と、
   を具備することを特徴とする、成膜装置。
2. 上記絶対値の１段階当たりの増大量は５Ｖであり、かつ、該絶対値の増大度合は１分間につき５Ｖ以下である、請求項１に記載の成膜装置。
3. カソード電力が供給されることによって加熱されて熱電子を放出するカソードと、
   アノード電力が供給されることによって上記熱電子を加速させて上記イオンプレーティング法のためのプラズマを発生させるアノードと、
   上記窒化ホウ素膜の生成過程において上記被処理物の表面に上記プラズマ内のイオンが照射されることによって該表面に蓄積される電荷を相殺するための電子を上記熱電子で補うべく上記アノードに流れるアノード電流が一定となるように上記カソード電力を制御する電子供給手段と、
   をさらに備える、請求項１または２に記載の成膜装置。
4. イオンプレーティング法により被処理物の表面に絶縁性被膜である窒化ホウ素膜を生成する成膜方法において、
   上記被処理物に交流のバイアス電力を供給するバイアス供給過程と、
   上記被処理物に上記バイアス電力が供給されることによって該バイアス電力に重畳される直流成分の電圧値を取得して該電圧値の絶対値が段階的に増大するように上記バイアス電力を制御する制御過程と、
   を具備することを特徴とする、成膜方法。

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