JP4918191B2

JP4918191B2 - 成膜方法

Info

Publication number: JP4918191B2
Application number: JP2001045984A
Authority: JP
Inventors: 博早田; 義治竹内
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2021-02-22
Also published as: JP2002249867A

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のに好適に適用できる成膜方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来例の成膜方法について、図１、図５を参照して説明する。まず、成膜装置の概略構成を説明すると、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はアークカソードであり、必要なエネルギーを供給する電源５が接続され、アーク放電によって金属粒子及び金属イオンを発生する。６はスパッタカソードであり、必要なエネルギーを供給する電源７が接続され、グロー放電より金属粒子及び金属イオンを発生する。金属としては、Ｔｉなどが用いられる。８は被処理体である基体１０を載置する支持台であり、バイアス電源９が接続され、支持台８を介して基体１０にバイアス電圧を印加するように構成されている。
【０００３】
次に、成膜動作を説明する。この従来例では、基体１０は摺動部に用いられるステンレス鋼製の機械部品であり、その表面に耐摩耗性を向上するＴｉＮ膜を成膜する。
【０００４】
ＴｉＮ膜の成膜工程は、アークカソード４で傾斜層を形成する第１ステップと、スパッタカソード６で成膜する第２ステップから成る。
【０００５】
第１ステップでは、ガス供給系３から窒素ガスを導入し、同時に排気系２から排気し、電源５よりアークカソード４に電力を供給する。これにより、窒素イオン、Ｔｉイオン、電子からなるプラズマを発生すると同時にＴｉ原子を放出する。次に、バイアス電源９により支持台８及び基体１０に電圧を印加する。このようにアークカソード４から金属イオンを放出させながら基体１０にバイアス電圧をかけて行う処理をアークイオンプレーティングと呼ぶ。
【０００６】
このアークイオンプレーティングでは、プラズマ中のＴｉイオンが基体１０に印加されたバイアス電圧により加速されて基体１０に衝突し、そのエネルギーによって基体１０中に物理的あるいは化学的に挿入され、基体１０の成分とＴｉが混ざった傾斜層を形成する。傾斜層は基体１０と薄膜との境界における成分変化を和らげ、次のステップで形成されるＴｉＮ膜の密着性を向上する。所望の密着性を得るに十分な厚みの傾斜層を作る時間だけ上記処理を行った時点で第１ステップは終了する。
【０００７】
第２ステップでは、ガス供給系３から窒素ガスを導入し、同時に排気系２から排気し、電源７よりスパッタカソード６に電力を供給する。これにより、窒素イオン、Ｔｉイオン、電子からなるプラズマを発生すると同時にＴｉ原子を放出する。放出されたＴｉおよびＴｉイオンと窒素イオンは真空チャンバ１内または基体１０表面で反応し、基体１０上にＴｉＮが形成される。所望の膜厚が得られる時間だけ上記処理を行った時点で第２ステップは終了する。このようにして基体１０の表面に耐摩耗性を持つ表面処理が施される。
【０００８】
図５に、このようにして成膜された機械部品の表面付近の断面を示す。基体１０の素材３１の表面にアークイオンプレーティングで形成された傾斜層３２があり、アークイオンプレーティングの際に放出された原子の塊であるドロップレット３３が多少残っている。その上に厚いスパッタ膜３４が成膜されており、表面は平滑となっている。表面を平滑にするのは、耐摩耗性膜の摩擦係数を下げる上で非常に重要な要件である。
【０００９】
なお、アークイオンプレーティングのみでもＴｉＮの成膜は可能であるが、特開平１０−２６５９５０号公報や特開平９−２１７１６８号公報に開示されているように、従来のプロセスでは上記のようにアークカソードは傾斜層３２の形成時のみ使われていた。それは、アークカソード４は、スパッタカソード６に比べて金属のイオン化率が高いが、それと同時に金属原子の塊のドロップレット３３を放出するという特徴を持っていることによる。そこで、上記のように傾斜層３２を形成する際はイオン化率が高いアークカソード４を用い、薄膜を形成する際は金属原子の塊が放出されないスパッタカソード６を用いて平滑な膜表面を実現していた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スパッタカソード６による成膜速度はアークイオンプレーティングによる成膜速度に対して１／１０程度であり、厚いスパッタ膜３４を成膜するには時間がかかり、生産性が非常に悪いという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題に鑑み、密着性が高くかつ表面が滑らかな膜を生産性良く成膜することができる成膜方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の成膜方法は、真空チャンバ内にガスを供給しつつ排気して所定の圧力に調整し、前記真空チャンバ内に配置された基体の表面にＴｉＮ膜を成膜する方法において、前記真空チャンバ内に配置されたアークカソードに電力を供給することでアーク放電により前記真空チャンバ内にＴｉ原子及びＴｉイオンを発生させる際、前記基体にバイアス電圧を印加してアークイオンプレーティングにより成膜する第１ステップと、前記第１ステップの終了後、前記真空チャンバ内に配置されたスパッタカソードに電力を供給することでグロー放電により前記真空チャンバ内にＴｉ原子及びＴｉイオンを発生させる際、前記基体にバイアス電圧を印加してバイアススパッタにより成膜する第２ステップと、を備え、前記第２ステップの成膜は、成膜するプロセスと前記基体表面をイオンでスパッタするプロセスを同時に進行させながら、前記第１ステップで成膜された膜の表面粗さ分の厚みだけ成膜するステップであり、密着性及び成膜速度で優れるアークイオンプレーティングによる成膜と平滑性に優れるバイアススパッタによる成膜を最適に組み合わせることで、密着性が高く表面が滑らかな膜を生産性良く製造することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の成膜方法の第１の実施形態について、図１、図２を参照して説明する。なお、成膜装置の構成は、図１を参照して説明した従来例と同一であるため、従来例での説明を援用し、ここでの説明は省略する。
【００１９】
基体１０の表面に耐摩耗性を向上するＴｉＮ膜を成膜する際に、次の第１ステップと第２ステップの処理を行う。
【００２０】
第１ステップの動作を説明すると、ガス供給系３より窒素ガスを導入し同時に排気系２より排気し、電源５よりアークカソード４に電力を供給する。すると、窒素イオン、Ｔｉイオン、電子からなるプラズマが発生すると同時にＴｉ原子も放出される。次に、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。
【００２１】
プラズマ中のＴｉイオンは基体１０に印加された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中に物理的あるいは化学的に挿入されたＴｉは基体１０の成分とＴｉが混ざった傾斜層を形成する。同時に、Ｔｉ原子、Ｔｉイオンと窒素イオン、窒素原子の反応によってＴｉＮが基体１０上に成膜される。このとき、ドロップレットも基体１０上で窒素と反応し膜形成に寄与する。従来例と異なり、ほぼ所望の膜厚を得るまでこのステップを行う。例えば、所望の膜厚が５μｍで、表面荒さが１μｍである時には、４μｍまではアークカソード４を用いて成膜する。
【００２２】
次に、第１ステップの終了後、第２ステップの動作を行う。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、電源７よりスパッタカソード６に電力を供給する。すると、窒素イオン、Ｔｉイオン、電子からなるプラズマが発生すると同時にＴｉ原子も放出される。放出されたＴｉと窒素は真空チャンバ１内または基体１０表面で反応し、基体１０上にＴｉＮが形成される。従来例と異なるのは、このステップにおいても基体１０にバイアス電圧をかけ、成膜するプロセスと基体１０表面をイオンでスパッタするプロセスを同時に進行させる点である。
【００２３】
第１ステップでドロップレットによって形成された凹凸は、その上に成膜された膜がイオンによりスパッタされる際、そのスパッタ率がイオンの入射角に比例して大きくなることにより解消される。すなわち、従来例ほど厚くスパッタ膜を堆積せずとも平滑な膜面を得ることができる。所望の膜厚が得られる時間だけ上記処理を行い、第２ステップは終了する。例えば、５μｍの耐摩耗膜を形成したいときは、第１ステップで４μｍ成膜したとすると、残り１μｍを第２ステップで成膜すればよい。以上のようにして基体１０の表面に耐摩耗性を持つ表面処理が施される。
【００２４】
図２にこのようにして成膜された機械部品の表面付近の断面を示す。基体１０の素材２１の表面に、アークイオンプレーティングで形成された傾斜層２２と、ドロップレット２３の寄与も含めて短時間で成膜した層２４があり、それらの上に膜面を滑らかにするバイアススパッタ膜２５が成膜されて表面が平滑になっている。
【００２５】
処理時間を比べると、従来はアークイオンプレーティングが４分、スパッタ成膜が１８５分であったものが、本実施形態ではアークイオンプレーティングが２１分、バイアススパッタ成膜が８０分で処理でき、ほぼ２倍の生産性を実現できた。
【００２６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の成膜方法の第２の実施形態について、図３、図４を参照して説明する。
【００２７】
まず、図３を参照して成膜装置の構成を説明する。なお、図１を参照して説明した従来例及び第１の実施形態で説明したものと同一の構成要素については、同一参照符号を付して説明を省略し、相違点のみを説明する。
【００２８】
図３において、図１と比べてスパッタカソード６及びその電源７が無く、基体１０とアークカソード４の間に、可動式のフィルタ１１が配設されている。フィルタ１１は、図４に示すように、金属板１２と磁石１３にて構成されており、アークカソード４の前面に配置されたときドロップレットが金属板１２に付着し、金属イオンは磁石１３によって形成された磁場１４によって基体１０側に輸送される。図３中、１５はフィルタ１１をアークカソード４の前面に対向した位置と下方に退避した位置との間で移動させる移動手段である。
【００２９】
基体１０の表面に耐摩耗性を向上するＴｉＮ膜を成膜する際には、次の第１ステップと第２ステップの処理を行う。
【００３０】
第１ステップの動作を説明すると、ガス供給系３より窒素ガスを導入し同時に排気系２より排気する。このとき、フィルタ１１は図３（ａ）の如くアークカソード４と基体１０の間から退避させておく。電源５よりアークカソード４に電力を供給すると、窒素イオン、Ｔｉイオン、電子からなるプラズマが発生すると同時にＴｉ原子も放出される。次に、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。
【００３１】
プラズマ中のＴｉイオンは基体１０に印加された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中に物理的あるいは化学的に挿入されたＴｉは基体１０の成分とＴｉが混ざった傾斜層を形成する。同時に、Ｔｉ原子、Ｔｉイオンと窒素イオン、窒素原子の反応によってＴｉＮが基体１０上に成膜される。このとき、ドロップレットも基体１０上で窒素と反応し膜形成に寄与する。従来例と異なり、ほぼ所望の膜厚を得るまでこのステップを行う。例えば、所望の膜厚が５μｍで、表面荒さが１μｍである時には、４μｍまではアークカソード４を用いて成膜する。
【００３２】
次に、第１ステップの終了後、第２ステップの動作を行う。ガス供給系３より窒素を導入し同時に排気系２より排気する。第２ステップでは、フィルタ１１を図３（ｂ）の如く、基体１０とアークカソード４間に配置させる。この状態では上記したようにドロップレットは基体１０に到達せず、成膜速度は低下するが平滑な膜面を実現できる。すなわち、Ｔｉイオンと窒素は真空チャンバ１内または基体表面で反応し、基体１０上にＴｉＮが形成される。
【００３３】
この第２ステップにおいて、基体１０にバイアス電圧をかけ、基体１０表面をイオンでスパッタするプロセスと成膜するプロセスを同時進行させる。第１ステップでドロップレットによって形成された凹凸は、その上に成膜された膜がイオンによりスパッタされる際、そのスパッタ率がイオンの入射角に比例して大きくなることにより解消される。所望の膜厚が得られる時間だけ上記処理を行って、第２ステップは終了する。例えば、５μｍの耐摩耗膜を形成したいとき、第１ステップで４μｍ成膜したとすると、残り１μｍを第２ステップで成膜すればよい。以上のようにして基体１０の表面に耐摩耗性を持つ表面処理が施される。
【００３４】
処理時間を比べると、従来アークイオンプレーティングが４分、スパッタ成膜が１８５分であったものが、本実施形態ではアークイオンプレーティングが２１分、フィルタ付アークイオンプレーティングが１００分で処理でき、ほぼ１．５倍の生産性を実現できた。
【００３５】
なお、フィルタ付アークイオンプレーティングを用いるときは、スパッタ成膜に比べて、基体１０に到達する中性Ｔｉ原子が少なく、基体表面でのスパッタリングが成膜過程に比べて進みすぎることがある。この時は、フィルタ付きアークイオンプレーティングの時間の一部をバイアス電圧０とすれば、短時間で平滑な膜面を得ることができる。
【００３６】
第２の実施形態は第１の実施形態に比べてスパッタカソード６が不要であるという点で有利であり、逆に第１の実施形態は第２の実施形態に比べて可動機構が不要であり、ダストを発生し難いという点で有利である。
【００３７】
また、上記第２の実施形態では金属板１２と磁石１３を備えたフィルタ１１を用いた例を示したが、フィルタ１１を使用せずに、第２ステップにおいて、基体１０とアークカソード４との間の距離を離すことで、重力を用いてドロップレットをフィルタリングするようにしてもよい。その場合、図３（ａ）に仮想線で示すように、支持台８とアークカソード４との間の距離を可変する距離可変手段１６が設けられる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の成膜方法及び装置によれば、以上のように密着性及び成膜速度で優れるアークカードによる成膜と、平滑性に優れるスパッタカソードによる成膜またはフィルタ付きアークイオンプレーティングなどによる成膜とを最適に組み合わせたことにより、密着性が高くかつ表面の滑らかな膜を生産性良く成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の成膜方法に用いる成膜装置の概略構成図である。
【図２】同実施形態における成膜の断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の成膜方法に用いる成膜装置を示し、（ａ）は第１ステップ、（ｂ）は第２ステップにおける状態を示す概略構成図である。
【図４】同実施形態におけるフィルタの構成及び作用説明図である。
【図５】従来例における成膜の断面図である。
【符号の説明】
１真空チャンバ
２排気系
３ガス供給系
４アークカソード
６スパッタカソード
８支持台
９バイアス電源
１０基体
１１フィルタ
１５移動手段
１６距離可変手段

Claims

真空チャンバ内に窒素ガスを供給しつつ排気して所定の圧力に調整し、前記真空チャンバ内に配置された基体の表面にＴｉＮ膜を成膜する方法において、
前記真空チャンバ内に配置されたアークカソードに電力を供給することでアーク放電により前記真空チャンバ内にＴｉ原子及びＴｉイオンを発生させる際、前記基体にバイアス電圧を印加してアークイオンプレーティングにより成膜する第１ステップと、
前記第１ステップの終了後、前記真空チャンバ内に配置されたスパッタカソードに電力を供給することでグロー放電により前記真空チャンバ内にＴｉ原子及びＴｉイオンを発生させる際、前記基体にバイアス電圧をかけ、成膜するプロセスと前記基体表面をイオンでスパッタするプロセスを同時に進行させながら、前記第１ステップで成膜された膜の表面粗さ分の厚みだけ成膜する第２ステップと、を備えることを特徴とする成膜方法。