JP6832572B2 - Method of forming a decorative film by the magnetron sputtering method - Google Patents

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Description

本発明は、マグネトロンスパッタ法による装飾被膜の形成方法に関し、特に、当該装飾被膜として窒化チタン(TiN)膜および/または炭窒化チタン(TiCN)膜を形成する方法に関する。 The present invention relates to a method for forming a decorative film by a magnetron sputtering method, and more particularly to a method for forming a titanium nitride (TiN) film and / or a titanium nitride (TiCN) film as the decorative film.

この種の装飾被膜、とりわけ窒化チタン膜、を形成する方法として、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、イオンプレーティング法またはスパッタ法によって色調が金色の当該窒化チタン膜することができる、とされている。例えば、イオンプレーティング法による場合には、蒸発材料としての金属チタン(Ti)の蒸発量が一定とされる。その一方で、反応性ガスとしての窒素(N)ガスの流量が初期設定量から段階的または連続的に減らされる。これにより、色調が自然な金色の窒化チタン膜が形成される、とされている。また、窒素ガスの流量が減らされるのではなく、当該窒素ガスの流量が初期設定量から段階的または連続的に増やされる場合についても、開示されている。この場合は、やや緑色を帯びた窒化チタン膜が形成される、とされている。これは即ち、窒素ガスの流量によって窒化チタン膜の色調が変化すること、つまり当該窒化チタンの色調の制御が可能であること、を意味する。これに対して、スパッタ法による場合には、チタン製のターゲットのスパッタ量が一定とされ、詳しくは当該ターゲットに供給される高周波(RF:Radio frequency)電力が一定とされると共に、スパッタリングガス(スパッタガス)としてのアルゴン(Ar)ガスの流量が一定とされる。そして、反応性ガスとしての窒素ガスの流量が段階的に減らされる。これによっても、色調が自然な金色の窒化チタン膜が形成される、とされている。 As a method for forming this kind of decorative film, particularly a titanium nitride film, there is a method conventionally disclosed in, for example, Patent Document 1. According to this prior art, it is said that the titanium nitride film having a golden color tone can be formed by an ion plating method or a sputtering method. For example, in the case of the ion plating method, the amount of evaporation of metallic titanium (Ti) as an evaporation material is constant. On the other hand, the flow rate of nitrogen (N 2 ) gas as a reactive gas is gradually or continuously reduced from the initial set amount. As a result, it is said that a golden titanium nitride film having a natural color tone is formed. It also discloses a case where the flow rate of nitrogen gas is not decreased but the flow rate of the nitrogen gas is gradually or continuously increased from the initial set amount. In this case, it is said that a slightly greenish titanium nitride film is formed. This means that the color tone of the titanium nitride film changes depending on the flow rate of the nitrogen gas, that is, the color tone of the titanium nitride can be controlled. On the other hand, in the case of the sputtering method, the sputtering amount of the target made of titanium is constant, and more specifically, the radio frequency (RF) power supplied to the target is constant, and the sputtering gas (sputtering gas) The flow rate of argon (Ar) gas as (sputter gas) is constant. Then, the flow rate of nitrogen gas as a reactive gas is gradually reduced. It is said that this also forms a golden titanium nitride film having a natural color tone.

特開平7−243022号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-243022

しかしながら、上述の従来技術では、とりわけイオンプレーティング法による場合には、概ね1回のバッチごとに、電子銃等のイオン化手段およびその周囲の清掃、ならびに、蒸発材料としての金属チタンの供給およびその溶かし込み、といった煩雑な作業が必要であり、そのためにかなりの時間が掛かる、という欠点がある。しかも、蒸発材料としての金属チタンが溶融した状態にあるところに反応性ガスとしての窒素ガスが導入されるので、バッチが重ねられるに連れて、当該溶融した状態にあるチタンに窒素が固溶化し、これにより、当該チタンが蒸発し難くなり、ひいては窒化チタン膜の色調の再現性が得られなくなる、という欠点もある。 However, in the above-mentioned prior art, particularly in the case of the ion plating method, ionization means such as an electron gun and its surroundings are cleaned, and metallic titanium as an evaporation material is supplied and the like, in approximately one batch. There is a drawback that complicated work such as melting is required, which takes a considerable amount of time. Moreover, since nitrogen gas as a reactive gas is introduced in a place where metallic titanium as an evaporation material is in a molten state, nitrogen is solidified in the molten titanium as batches are stacked. As a result, the titanium is less likely to evaporate, and as a result, the reproducibility of the color tone of the titanium nitride film cannot be obtained.

これに対して、スパッタ法による場合には、ターゲットの温度が水冷等によって比較的に低めに抑えられるので、当該ターゲットが溶融することはなく、ゆえに、当該ターゲットに窒素が固溶化することがない。従って、色調の再現性の良い窒化チタン膜が得られる。また、ターゲットは、例えば1回のバッチごとに交換されるのではなく、複数回(概ね数十回〜百数十回)のバッチにわたって使用することができる程度の寿命を持つので、イオンプレーティング法による場合に比べて、事前の作業の簡素化が図られ、ひいては当該作業に要する時間の短縮化が図られる。即ち、スパッタ法によれば、イオンプレーティング法による上述の欠点が全て解消される。 On the other hand, in the case of the sputtering method, the temperature of the target is suppressed to a relatively low level by water cooling or the like, so that the target does not melt, and therefore nitrogen does not dissolve in the target. .. Therefore, a titanium nitride film having good color reproducibility can be obtained. In addition, the target has a life span that can be used over a plurality of batches (generally several tens to one hundred and several tens of times) instead of being replaced for each batch, and thus ion plating. Compared with the case by the law, the work in advance can be simplified, and the time required for the work can be shortened. That is, according to the sputtering method, all the above-mentioned drawbacks of the ion plating method are eliminated.

ところが、従来技術におけるスパッタ法では、プラズマの密度がそれほど高くはない。これは、当該プラズマの態様が、高電圧小電流のグロー放電であることによる。このため、ターゲットの被スパッタ面から叩き出されたスパッタ粒子、つまりチタン粒子、がイオン化される率が低く、このイオン化率は、概ね数%程度である。このため、比較的に硬度の低い窒化チタン膜しか形成することができず、つまり高硬度な窒化チタン膜を形成することができない。また、色調の面でも、鮮やかさに欠けた(言わばどんよりとした)金色の窒化チタン膜しか形成することができず、つまり鮮やかな金色の窒化チタン膜を形成することができない、という問題がある。 However, in the sputtering method in the prior art, the density of plasma is not so high. This is because the mode of the plasma is a high voltage and small current glow discharge. Therefore, the sputtered particles ejected from the surface to be sputtered of the target, that is, the titanium particles, have a low ionization rate, and the ionization rate is about several percent. Therefore, only a titanium nitride film having a relatively low hardness can be formed, that is, a titanium nitride film having a high hardness cannot be formed. Also, in terms of color tone, there is a problem that only a golden titanium nitride film lacking vividness (so to speak, dull) can be formed, that is, a bright golden titanium nitride film cannot be formed. ..

なお、イオンプレーティング法によれば、スパッタ法に比べて、プラズマ密度が高いので、高硬度でありかつ鮮やかな金色の窒化チタン膜を形成することができる。ただし、当該イオンプレーティング法によれば、事前の作業にかなりの時間が掛かり、また、窒化チタン膜の色調の再現性が得られないことは、上述した通りである。 According to the ion plating method, since the plasma density is higher than that of the sputtering method, it is possible to form a bright golden titanium nitride film having high hardness. However, according to the ion plating method, it takes a considerable amount of time for the preliminary work, and the color tone reproducibility of the titanium nitride film cannot be obtained, as described above.

そこで、本発明は、修飾被膜として、従来よりも高硬度でありかつ鮮やかな金色の窒化チタン膜を形成することができる、マグネトロンスパッタ法による当該装飾被膜の形成方法を提供することを、目的とする。また、窒化チタン膜以外にも、当該修飾被膜として、高硬度でありかつ様々な色調の炭窒化チタン膜を形成することも、本発明の目的とするところである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for forming the decorative film by a magnetron sputtering method, which can form a bright golden titanium nitride film having a higher hardness than the conventional one as a modified film. To do. In addition to the titanium nitride film, it is also an object of the present invention to form a titanium nitride film having high hardness and various color tones as the modified film.

この目的を達成するために、本発明は、ガス導入過程と、スパッタ電力供給過程と、バッチ電力供給過程と、を備える。このうちのガス導入過程では、被処理物が収容されると共にマグネトロンカソードが設けられた真空槽の内部に、スパッタガスと反応性ガスとが導入される。そして、スパッタ電力供給過程では、真空槽を陽極とし、マグネトロンカソードを陰極として、これら両者にスパッタ電力が供給される。これにより、スパッタガスの粒子が放電して、真空槽の内部にプラズマが発生し、詳しくはグロー放電による当該プラズマが発生する。さらに、バイアス電力供給過程では、真空槽を陽極とし、被処理物を陰極として、これら両者にバイアス電力が供給される。ここで、マグネトロンカソードは、チタン製のターゲットと、このターゲットの被スパッタ面の近傍に磁界を発生させる磁界発生手段と、を有している。そして、当該マグネトロンカソードは、ターゲットの被スパッタ面が被処理物の被処理面と対向するように、設けられている。従って、プラズマ中の電子(2次電子)は、マグネトロンカソードの磁界発生手段から発生される磁界の作用を受けて螺旋運動(サイクロイド運動および/またはトロコイド運動)する。これにより、当該磁界が作用しているターゲットの被スパッタ面の近傍におけるプラズマの密度が向上する。そして、プラズマ中のイオン、とりわけスパッタガスの粒子のイオン、がターゲットの被スパッタ面に衝突することによって、当該被スパッタ面からターゲットの粒子、つまりチタン粒子、が叩き出される。この叩き出されたいわゆるスパッタ粒子としてのチタン粒子は、被処理物の被処理面に向かって飛翔する。併せて、反応性ガスの粒子がプラズマによって分解される。この分解された反応性ガスの粒子である反応性粒子は、被処理物の被処理面に向かって飛翔するチタン粒子と反応して、当該被処理物の被処理面に付着し、堆積する。この結果、被処理物の被処理面にチタン粒子と反応性粒子とを成分とする反応膜が装飾被膜として形成される。また、上述のバイアス電力の供給によって、チタン粒子のうちのイオン、つまりチタンイオンが、被処理物の被処理面に積極的に引き寄せられる。これと同様に、反応性粒子のうちのイオン、言わば反応性イオンもまた、被処理物の被処理面に積極的に引き寄せられる。これにより、被処理物の被処理面に形成される装飾被膜の高硬度化が図られる。 In order to achieve this object, the present invention includes a gas introduction process, a sputtering power supply process, and a batch power supply process. In the gas introduction process, the sputter gas and the reactive gas are introduced into the vacuum chamber in which the object to be processed is accommodated and the magnetron cathode is provided. Then, in the sputtering power supply process, the vacuum chamber serves as an anode and the magnetron cathode serves as a cathode, and the sputtering power is supplied to both of them. As a result, the particles of the sputter gas are discharged to generate plasma inside the vacuum chamber, and more specifically, the plasma is generated by glow discharge. Further, in the bias power supply process, the vacuum chamber serves as an anode and the object to be processed serves as a cathode, and bias power is supplied to both of them. Here, the magnetron cathode has a target made of titanium and a magnetic field generating means for generating a magnetic field in the vicinity of the surface to be sputtered of the target. The magnetron cathode is provided so that the surface to be sputtered of the target faces the surface to be processed of the object to be processed. Therefore, the electrons (secondary electrons) in the plasma undergo spiral motion (cycloid motion and / or trochoidal motion) under the action of the magnetic field generated from the magnetic field generating means of the magnetron cathode. As a result, the density of plasma in the vicinity of the surface to be sputtered of the target on which the magnetic field acts is improved. Then, the ions in the plasma, particularly the ions of the particles of the sputter gas, collide with the surface to be sputtered of the target, so that the target particles, that is, the titanium particles, are knocked out from the surface to be sputtered. The titanium particles as so-called sputtered particles that have been knocked out fly toward the surface to be processed of the object to be processed. At the same time, the particles of the reactive gas are decomposed by the plasma. The reactive particles, which are the particles of the decomposed reactive gas, react with the titanium particles flying toward the surface to be treated of the object to be treated, and adhere to and deposit on the surface of the object to be treated. As a result, a reaction film containing titanium particles and reactive particles as components is formed as a decorative film on the surface to be treated of the object to be treated. Further, by supplying the bias power described above, ions of the titanium particles, that is, titanium ions are positively attracted to the surface to be treated of the object to be treated. Similarly, the ions of the reactive particles, so to speak, the reactive ions are also positively attracted to the surface to be treated of the object to be treated. As a result, the hardness of the decorative coating formed on the surface to be treated of the object to be treated can be increased.

その上で、本発明は、熱電子放出過程と、アーク放電誘起過程と、をさらに備える。このうちの熱電子放出過程では、ターゲットの被スパッタ面と被処理物の被処理面との間に設けられたフィラメントに熱電子放出用電力が供給される。これにより、フィラメントが加熱されて、当該フィラメントから熱電子が放出される。そして、アーク放電誘起過程では、真空槽を陽極とし、フィラメントを陰極として、これら両者に放電用電力が供給される。これにより、フィラメントから放出された熱電子が加速され、この加速された熱電子がスパッタガスの粒子および反応性ガスの粒子と衝突する頻度が増大して、当該フィラメントの周囲に低電圧大電流のアーク放電が誘起される。この状態で、上述のガス導入過程では、反応性ガスとして、窒素ガスのみが、または、当該窒素ガスと炭化水素系ガスとが、真空槽内に導入される。 On top of that, the present invention further comprises a thermionic emission process and an arc discharge induction process. In the thermionic emission process, electric power for thermionic emission is supplied to the filament provided between the surface to be sputtered of the target and the surface to be processed of the object to be processed. As a result, the filament is heated and thermoelectrons are emitted from the filament. Then, in the arc discharge induction process, the vacuum chamber serves as an anode and the filament serves as a cathode, and discharge power is supplied to both of them. As a result, the thermions emitted from the filament are accelerated, and the frequency of the accelerated thermions colliding with the particles of the sputter gas and the particles of the reactive gas increases, so that a low voltage and a large current are generated around the filament. An arc discharge is induced. In this state, in the above-mentioned gas introduction process, only nitrogen gas or the nitrogen gas and the hydrocarbon gas are introduced into the vacuum chamber as the reactive gas.

即ち、本発明によれば、グロー放電によるプラズマに加えて、アーク放電による極めて高密度なプラズマが、フィラメントの周囲に発生し、つまりターゲットの被スパッタ面と被処理物の被処理面との間に発生する。従って、ターゲットの被スパッタ面から叩き出されたチタン粒子は、被処理物の被処理面に向かって飛翔する途中で、このアーク放電による極めて高密度なプラズマの空間を通過する。これにより、当該チタン粒子は、活性化され、少なくとも基底状態よりは高いエネルギを持つようになり、とりわけ効率的にイオン化される。これと同様に、反応性粒子もまた、より活性化され、より効率的にイオン化される。このイオン化率の向上によって、被処理物の被処理面に積極的に引き寄せられるイオンの量が増えるので、当該被処理面に形成される装飾被膜の高硬度化が図られる。併せて、この装飾被膜を形成するチタン粒子と反応性粒子との相互の結合力が増大するので、当該装飾被膜の緻密化も図られる。 That is, according to the present invention, in addition to the plasma generated by glow discharge, extremely high-density plasma generated by arc discharge is generated around the filament, that is, between the surface to be sputtered of the target and the surface to be processed of the object to be processed. Occurs in. Therefore, the titanium particles ejected from the surface to be sputtered of the target pass through the extremely high-density plasma space due to this arc discharge while flying toward the surface to be processed of the object to be processed. As a result, the titanium particles are activated and have at least higher energy than the ground state, and are ionized particularly efficiently. Similarly, reactive particles are also more activated and more efficiently ionized. By improving the ionization rate, the amount of ions positively attracted to the surface to be treated increases, so that the hardness of the decorative coating formed on the surface to be treated can be increased. At the same time, since the mutual bonding force between the titanium particles forming the decorative film and the reactive particles is increased, the decorative film can be densified.

ここで例えば、反応性ガスとして窒素ガスのみが真空槽内に導入される場合には、装飾被膜として窒化チタン膜が形成される。そして特に、鮮やかな金色の窒化チタン膜を形成することができる。また、窒素ガスの流量によって、窒化チタン膜の色調が変わり、例えば鮮やかさに欠けた金色の窒化チタン膜を形成することもできる。 Here, for example, when only nitrogen gas is introduced into the vacuum chamber as the reactive gas, a titanium nitride film is formed as a decorative film. And in particular, a bright golden titanium nitride film can be formed. Further, the color tone of the titanium nitride film changes depending on the flow rate of the nitrogen gas, and for example, a golden titanium nitride film lacking vividness can be formed.

一方、反応性ガスとして窒素ガスと炭化水素系ガスとが真空槽内に導入される場合には、装飾被膜として炭窒化チタン膜が形成される。そして、窒素ガスと炭化水素系ガスとの流量によって、とりわけ相互の流量比によって、炭窒化チタン膜の色調が変わり、様々な色調の当該炭窒化チタン膜を形成することができる。 On the other hand, when a nitrogen gas and a hydrocarbon-based gas are introduced into the vacuum chamber as the reactive gas, a titanium carbonitride film is formed as a decorative film. Then, the color tone of the titanium nitride film changes depending on the flow rate of the nitrogen gas and the hydrocarbon gas, especially the mutual flow rate ratio, and the titanium nitride film having various color tones can be formed.

なお、窒素ガスに対する炭化水素系ガスの流量比は、0より大きく、50以下であるのが、望ましい。ここで言う流量比が0以外である場合は、反応性ガスとして窒素ガスと炭化水素系ガスとが真空槽内に導入されることになり、装飾被膜として炭窒化チタン膜が形成される。 The flow rate ratio of the hydrocarbon gas to the nitrogen gas is more than 0 and preferably 50 or less. When the flow rate ratio referred to here is other than 0, nitrogen gas and hydrocarbon-based gas are introduced into the vacuum chamber as reactive gases, and a titanium carbonitride film is formed as a decorative film.

また、炭化水素系ガスとしては、アセチレン(C)ガスが好適である。この炭化水素系ガスとしては、アセチレンガス以外にも、メタン(CH)ガス,エチレン(C)ガス,エタン(C)ガス等があるが、これらのガスにおける炭素と水素との組成比の関係から、アセチレンガスが最も好適であり、つまり最も効率的に炭窒化チタン膜を形成することができる。 Further, as the hydrocarbon gas, acetylene (C 2 H 2 ) gas is suitable. In addition to acetylene gas, the hydrocarbon gas includes methane (CH 4 ) gas, ethylene (C 2 H 4 ) gas, ethane (C 2 H 6 ) gas, and the like, and carbon and hydrogen in these gases. From the relationship of the composition ratio with the above, acetylene gas is the most suitable, that is, the titanium carbide film can be formed most efficiently.

上述したように、本発明によれば、マグネトロンスパッタ法による修飾被膜の形成方法であるにも拘らず、当該修飾被膜として、例えば従来よりも高硬度でありかつ鮮やかな金色の窒化チタン膜を形成することができる。また、高硬度でありかつ様々な色調を呈する炭窒化チタン膜を形成することもできる。このことは、修飾被膜の用途や対象の拡大等に大きく貢献する。 As described above, according to the present invention, despite the method of forming a modified film by the magnetron sputtering method, as the modified film, for example, a golden titanium nitride film having a higher hardness than the conventional one is formed. can do. It is also possible to form a titanium carbonitride film having high hardness and exhibiting various color tones. This greatly contributes to the use of the modified coating and the expansion of the target.

本発明の一実施形態に係るマグネトロンスパッタ装置の概略構成を示す図解図である。It is a schematic diagram which shows the schematic structure of the magnetron sputtering apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 同マグネトロンスパッタ装置の内部を上方から見た図解図である。It is a schematic diagram which looked at the inside of the magnetron sputtering apparatus from above. 同実施形態におけるマグネトロンカソードの概略構成を示す図解図である。It is a schematic diagram which shows the schematic structure of the magnetron cathode in the same embodiment. 同実施形態におけるマグネトロンカソードとフィラメントとの相互の位置関係を示す図解図である。It is a schematic diagram which shows the mutual positional relationship between a magnetron cathode and a filament in the same embodiment. 同実施形態における装飾被膜としての窒化チタン膜の成膜条件および性状の一例を従来技術におけるものと比較して示す一覧である。It is a list showing an example of the film formation condition and property of the titanium nitride film as a decorative film in the same embodiment in comparison with the one in the prior art. 同窒化チタン膜が形成された被処理物の外観写真である。It is an external photograph of the object to be treated which formed the titanium nitride film. 同実施形態における装飾被膜としての炭窒化チタン膜の成膜条件および性状の一例を従来技術におけるものと比較して示す一覧である。It is a list showing an example of the film formation condition and property of the titanium nitride film as a decorative film in the same embodiment in comparison with the one in the prior art. 同実施形態における実験の条件および結果を示す一覧である。It is a list which shows the condition and result of the experiment in the same embodiment. 同実験における各試料の外観写真である。It is an appearance photograph of each sample in the same experiment.

本発明の一実施形態について、以下に詳しく説明する。 An embodiment of the present invention will be described in detail below.

本実施形態に係る装飾被膜の形成方法は、例えば図1および図2に示すマグネトロンスパッタ装置10によって形成される。このマグネトロンスパッタ装置10は、中空の概略直方体状の真空槽12を備えている。この真空槽12は、当該直方体の1つの面に当たる部分を上面とし、当該上面と対向する別の1つの面に当たる部分を下面とし、それ以外の4つの面に当たる部分を側面とした状態で、設置されている。この真空槽12の内部は、その水平方向においては、1つの側面の長さ寸法が例えば1100mm程度とされている。そして、当該真空槽12の内部の高さ寸法は、例えば800mm程度とされている。なお、この真空槽12の形状および寸法は、飽くまでも一例であり、後述する被処理物100の大きさや個数等の諸状況に応じて適宜に定められる。また、真空槽12自体は、耐食性および耐熱性の高い金属製、例えばSUS304等のステンレス鋼製、であり、その壁部は、基準電位としての接地電位に接続されている。 The method for forming the decorative coating according to the present embodiment is formed by, for example, the magnetron sputtering apparatus 10 shown in FIGS. 1 and 2. The magnetron sputtering apparatus 10 includes a hollow, roughly rectangular parallelepiped vacuum chamber 12. The vacuum chamber 12 is installed in a state where a portion corresponding to one surface of the rectangular parallelepiped is an upper surface, a portion corresponding to another surface facing the upper surface is a lower surface, and a portion corresponding to the other four surfaces is a side surface. Has been done. In the horizontal direction of the inside of the vacuum chamber 12, the length dimension of one side surface is, for example, about 1100 mm. The height dimension inside the vacuum chamber 12 is, for example, about 800 mm. The shape and dimensions of the vacuum chamber 12 are examples, even if they get tired of it, and are appropriately determined according to various situations such as the size and number of objects 100 to be processed, which will be described later. Further, the vacuum chamber 12 itself is made of a metal having high corrosion resistance and heat resistance, for example, stainless steel such as SUS304, and its wall portion is connected to a ground potential as a reference potential.

この真空槽12の壁部の適宜位置、例えば下面を成す壁部の中央から外れた位置(図1における左寄りの位置)には、排気口14が設けられている。そして、この排気口14には、真空槽12の外部において、図示しない排気管を介して図示しない排気手段としての真空ポンプが結合されている。なお、真空ポンプは、真空槽12内の圧力Pを制御する圧力制御手段としても機能する。加えて、排気管の途中には、図示しない自動圧力制御装置が設けられており、この自動圧力制御装置もまた、圧力制御手段として機能する。 An exhaust port 14 is provided at an appropriate position on the wall portion of the vacuum chamber 12, for example, at a position deviated from the center of the wall portion forming the lower surface (position on the left side in FIG. 1). A vacuum pump as an exhaust means (not shown) is coupled to the exhaust port 14 via an exhaust pipe (not shown) outside the vacuum tank 12. The vacuum pump also functions as a pressure control means for controlling the pressure P in the vacuum chamber 12. In addition, an automatic pressure control device (not shown) is provided in the middle of the exhaust pipe, and this automatic pressure control device also functions as a pressure control means.

さらに、真空槽12の側面を成す壁部の内側の適宜位置(図1および図2における右側の側壁部の適宜位置)に、当該真空槽12とは電気的に絶縁された状態で、マグネトロンカソード16が配置されている。図3を併せて参照して、このマグネトロンカソード16は、概略矩形平板状の純度の高い(例えば99.99%以上の純度の)チタン製のターゲット162と、このターゲット162の一方主面である背面側に設けられた磁石ユニット164と、を有している。そして、磁石ユニット164は、磁界発生手段としての永久磁石166と、この永久磁石166を収容する筐体168と、を有している。さらに、永久磁石166は、ターゲット162の背面に密着しつつ当該ターゲット162の周縁に沿うように設けられた概略矩形枠状の一方磁極としての例えばN極166aと、このN極166aの内側においてターゲット162の背面に密着しつつ当該ターゲット162の長手方向に沿って延伸するように設けられた概略角棒状の他方磁極としてのS極166bと、を有している。なお、ターゲット162の寸法は、例えばその長手方向(長さ寸法)が457mmであり、短手方向(幅寸法)が127mmであり、厚さ方向(厚さ寸法)が8mmである。また、永久磁石166のN極166aとS極166bとの間には、概略矩形溝状の間隙166cが設けられている。さらに、筐体168には、当該筐体168を含むマグネトロンカソード16全体を冷却するための図示しない冷却手段としての例えば水冷機構が付属されている。 Further, at an appropriate position inside the wall portion forming the side surface of the vacuum chamber 12 (appropriate position of the right side wall portion in FIGS. 1 and 2), the magnetron cathode is electrically insulated from the vacuum chamber 12. 16 are arranged. With reference to FIG. 3, the magnetron cathode 16 is a substantially rectangular flat plate-shaped target 162 made of high-purity titanium (for example, a purity of 99.99% or more) and one main surface of the target 162. It has a magnet unit 164 provided on the back side. The magnet unit 164 has a permanent magnet 166 as a magnetic field generating means and a housing 168 for accommodating the permanent magnet 166. Further, the permanent magnet 166 has, for example, an N pole 166a as one magnetic pole having a substantially rectangular frame shape provided along the peripheral edge of the target 162 while being in close contact with the back surface of the target 162, and a target inside the N pole 166a. It has an S pole 166b as a substantially square bar-shaped other magnetic pole provided so as to extend along the longitudinal direction of the target 162 while being in close contact with the back surface of the 162. The dimensions of the target 162 are, for example, 457 mm in the longitudinal direction (length dimension), 127 mm in the lateral direction (width dimension), and 8 mm in the thickness direction (thickness dimension). Further, a substantially rectangular groove-shaped gap 166c is provided between the N pole 166a and the S pole 166b of the permanent magnet 166. Further, the housing 168 is provided with, for example, a water cooling mechanism as a cooling means (not shown) for cooling the entire magnetron cathode 16 including the housing 168.

このマグネトロンカソード16は、ターゲット162の他方主面(前面)である被スパッタ面を真空槽12の中心方向に向け、かつ、当該ターゲット162の長手方向が垂直方向に沿って延伸するように、配置されている。そして、このマグネトロンカソード16は、ターゲット162の被スパッタ面を除いてアースシールド18によって覆われており、換言すれば被スパッタ面を露出させた状態で当該アースシールド18によって覆われている。アースシールド18は、耐食性および耐熱性の高い金属製、例えばSUS304等のステンレス鋼製、である。そして、このアースシールド18は、マグネトロンカソード16とは電気的に絶縁されており、かつ、真空槽12と電気的に接続されている。なお、図示は省略するが、真空槽12の壁部のうちマグネトロンカソード16およびアースシールド18が設けられている部分については、ターゲット162の交換を含む当該マグネトロンカソード16およびアースシールド18のメンテナンス時の作業性等を考慮して、引き戸や開き戸の如く開閉可能とされるのが、望ましい。 The magnetron cathode 16 is arranged so that the surface to be sputtered, which is the other main surface (front surface) of the target 162, is directed toward the center of the vacuum chamber 12, and the longitudinal direction of the target 162 extends along the vertical direction. Has been done. The magnetron cathode 16 is covered with the earth shield 18 except for the surface to be sputtered of the target 162, in other words, the magnetron cathode 16 is covered with the earth shield 18 with the surface to be sputtered exposed. The earth shield 18 is made of a metal having high corrosion resistance and heat resistance, for example, a stainless steel such as SUS304. The earth shield 18 is electrically insulated from the magnetron cathode 16 and is electrically connected to the vacuum chamber 12. Although not shown, the portion of the wall of the vacuum chamber 12 where the magnetron cathode 16 and the earth shield 18 are provided is used during maintenance of the magnetron cathode 16 and the earth shield 18 including replacement of the target 162. In consideration of workability, it is desirable that the door can be opened and closed like a sliding door or a hinged door.

また、図1に示すように、マグネトロンカソード16は、真空槽12の外部において、スパッタ電力供給手段としてのスパッタ電源装置20に接続されている。そして、当該マグネトロンカソード16は、このスパッタ電源装置20からスパッタ電力Esとして接地電位を基準とする負電位の直流電力の供給を受ける。言い換えれば、真空槽12を陽極とし、マグネトロンカソード16を陰極として、これら両者に直流のスパッタ電力Esが供給される。なお、このスパッタ電力Esの供給源であるスパッタ電源装置20は、当該スパッタ電力Esの電力値が一定となるように動作する定電力モードと、当該スパッタ電力Esの電圧成分である言わばスパッタ電圧(またはターゲット電圧とも言う。)Vsが一定となるように動作する定電圧モードと、当該スパッタ電力Esの電流成分である言わばスパッタ電流(またはターゲット電流とも言う。)Isが一定となるように動作する定電流モードと、の3つの動作モードを備えており、ここでは、定電力モードで動作するように設定されている。 Further, as shown in FIG. 1, the magnetron cathode 16 is connected to a sputtering power supply device 20 as a sputtering power supply means outside the vacuum chamber 12. Then, the magnetron cathode 16 is supplied with DC power having a negative potential based on the ground potential as the sputtering power Es from the sputtering power supply device 20. In other words, the vacuum chamber 12 is used as an anode and the magnetron cathode 16 is used as a cathode, and DC sputtering power Es is supplied to both of them. The sputter power supply device 20 that is a supply source of the sputter power Es has a constant power mode that operates so that the power value of the sputter power Es is constant, and a so-called sputter voltage that is a voltage component of the sputter power Es. Alternatively, it is also referred to as a target voltage.) It operates so that the constant voltage mode that operates so that Vs is constant and the sputtering current (also referred to as target current) Is, which is a current component of the sputtering power Es, is constant. It has three operation modes, a constant current mode, and here, it is set to operate in a constant power mode.

加えて、マグネトロンカソード16の前方、詳しくはターゲット162の被スパッタ面の前方に、熱電子放出手段としてのフィラメント22が設けられている。このフィラメント22は、例えば直径が約1mmの直線状の線状体であり、その素材としては、モリブデン(Mo),タングステン(W),タンタル(Ta),炭素(C)等の高融点金属が用いられている。ここで、図4を併せて参照して、とりわけ図4(a)を参照して、このフィラメント22は、これを水平方向におけるマグネトロンカソード16が配置されている方向とは反対側の方向から、例えば真空槽12の中心方向から、見たときに、ターゲット162の被スパッタ面の中央を垂直方向に沿って、つまり当該ターゲット162の長手方向に沿って、さらに換言すれば当該ターゲット162の被スパッタ面と平行を成して、延伸するように、設けられている。また、とりわけ図4(b)に示すように、このフィラメント22は、ターゲット162の被スパッタ面との間に所定の距離Dを置いている。この距離Dは、例えばこれが過度に小さいと、フィラメント22がターゲット162の被スパッタ面またはアースシールド18と接触する虞があり、甚だ不都合である。一方、当該距離Dが過度に大きいと、フィラメント22の周囲における上述の磁石ユニット164(永久磁石166)による磁界の作用が弱くなり、後述するアーク放電の誘起が困難になる。このようなことから、当該距離Dは、5mm〜50mmが適当であり、例えば25mmとされている。そして、フィラメント22の長さ寸法は、ターゲット162の長さ寸法と同等かそれ以上であり、厳密には当該ターゲット162の後述するエロージョン領域162aの長さ寸法と同等かそれ以上であり、例えば500mmである。加えて、図示は省略するが、フィラメント22の両端部またはいずれか一方の端部には、当該フィラメント22の直線状の状態を維持するべく当該フィラメント22に適当な張力を付与するための張力付与手段としての張力付与機構が設けられている。 In addition, a filament 22 as a thermionic emission means is provided in front of the magnetron cathode 16, specifically, in front of the surface to be sputtered of the target 162. The filament 22 is, for example, a linear linear body having a diameter of about 1 mm, and its material is a refractory metal such as molybdenum (Mo), tungsten (W), tantalum (Ta), and carbon (C). It is used. Here, with reference to FIG. 4 as well, particularly with reference to FIG. 4 (a), the filament 22 is viewed from a direction opposite to the direction in which the magnetron cathode 16 is arranged in the horizontal direction. For example, when viewed from the center of the vacuum chamber 12, the center of the surface to be sputtered of the target 162 is along the vertical direction, that is, along the longitudinal direction of the target 162, in other words, the target 162 is sputtered. It is provided so as to extend parallel to the surface. Further, as shown in FIG. 4B in particular, the filament 22 has a predetermined distance D from the surface to be sputtered of the target 162. This distance D is extremely inconvenient, for example, if it is excessively small, the filament 22 may come into contact with the surface to be sputtered of the target 162 or the earth shield 18. On the other hand, if the distance D is excessively large, the action of the magnetic field by the magnet unit 164 (permanent magnet 166) around the filament 22 becomes weak, and it becomes difficult to induce an arc discharge described later. Therefore, the distance D is appropriately 5 mm to 50 mm, for example, 25 mm. The length dimension of the filament 22 is equal to or greater than the length dimension of the target 162, and strictly speaking, is equal to or greater than the length dimension of the erosion region 162a described later of the target 162, for example, 500 mm. Is. In addition, although not shown, tension is applied to both ends or either end of the filament 22 to apply an appropriate tension to the filament 22 in order to maintain the linear state of the filament 22. A tension applying mechanism is provided as a means.

改めて図1を参照して、フィラメント22の両端部は、真空槽12の外部において、熱電子放出用電力供給手段としての例えば交流のカソード電源装置24に接続されている。そして、フィラメント22は、このカソード電源装置24から熱電子放出用電力としてのカソード電力Ecの供給を受けて2000℃以上に加熱されることで、熱電子を放出する。なお、カソード電源装置24は、交流のものに限らず、直流のものであってもよい。 With reference to FIG. 1 again, both ends of the filament 22 are connected to, for example, an AC cathode power supply device 24 as a thermionic emission power supply means outside the vacuum chamber 12. Then, the filament 22 is heated to 2000 ° C. or higher by receiving the cathode power Ec as the thermionic emission power from the cathode power supply device 24 to emit thermions. The cathode power supply device 24 is not limited to an alternating current device, and may be a direct current device.

さらに、フィラメント22は、真空槽12の外部において、放電用電力供給手段としての放電用電源装置26に接続されている。そして、フィラメント22は、この放電用電源装置26から放電用電力Edとして接地電位を基準とする負電位の直流電力の供給を受ける。言い換えれば、真空槽12を陽極とし、フィラメント22を陰極として、これら両者に直流の放電用電力Edが供給される。なお、この放電用電力Edの供給源である放電用電源装置26は、上述のスパッタ電源装置20と同様、当該放電用電力Edの電力値が一定となるように動作する定電力モードと、当該放電用電力Edの電圧成分である言わば放電電圧Vdが一定となるように動作する定電圧モードと、当該放電用電力Edの電流成分である言わば放電電流Idが一定となるように動作する定電流モードと、の3つの動作モードを備えている。ただし、この放電用電源装置26は、定電圧モードで動作するように設定されている。 Further, the filament 22 is connected to a discharge power supply device 26 as a discharge power supply means outside the vacuum chamber 12. Then, the filament 22 receives a negative potential DC power with reference to the ground potential as the discharge power Ed from the discharge power supply device 26. In other words, the vacuum chamber 12 is used as an anode and the filament 22 is used as a cathode, and DC discharge power Ed is supplied to both of them. The discharge power supply device 26, which is the supply source of the discharge power Ed, has a constant power mode that operates so that the power value of the discharge power Ed becomes constant, and the same as the sputter power supply device 20 described above. A constant voltage mode that operates so that the discharge voltage Vd, which is a voltage component of the discharge power Ed, is constant, and a constant current that operates so that the discharge current Id, which is a current component of the discharge power Ed, is constant. It has three operation modes, a mode and. However, the discharge power supply device 26 is set to operate in the constant voltage mode.

そして、真空槽12内のフィラメント22が設けられている位置よりも内側に注目すると、当該真空槽12内には、複数の被処理物100,100,…が配置される。具体的には、真空槽12内の水平方向における略中央には、垂直方向に沿って延伸する中心軸Xaが設定されており、各被処理物100,100,…は、当該中心軸Xaを中心とする円の円周方向に沿って等間隔に配置されている。それぞれの被処理物100は、例えば後述する化粧パイプのような細長い円筒状のものであり、垂直方向に沿って延伸するように、つまり真空槽12の中心軸Xaに沿う方向に延伸するように、保持手段としてのホルダ28によって保持されている。そして、それぞれのホルダ28は、ギア機構30を介して、円盤状の公転台32の周縁近傍に結合されている。この公転台32の中心は、真空槽12の中心軸Xa上に位置しており、当該公転台32の中心には、真空槽12の中心軸Xaに沿って延伸する回転軸34の一方端が固定されている。そして、回転軸34の他方端は、真空槽12の外部において、回転駆動手段としてのモータ36のシャフト36aに結合されている。 Then, paying attention to the inside of the vacuum chamber 12 where the filament 22 is provided, a plurality of objects 100, 100, ... Are arranged in the vacuum chamber 12. Specifically, a central axis Xa extending along the vertical direction is set at substantially the center of the vacuum chamber 12 in the horizontal direction, and the objects to be processed 100, 100, ... Have the central axis Xa. They are arranged at equal intervals along the circumferential direction of the central circle. Each object to be processed 100 is an elongated cylindrical object such as a decorative pipe described later, and extends in the vertical direction, that is, in the direction along the central axis Xa of the vacuum chamber 12. , It is held by a holder 28 as a holding means. Each holder 28 is coupled to the vicinity of the peripheral edge of the disk-shaped revolution table 32 via the gear mechanism 30. The center of the revolution table 32 is located on the central axis Xa of the vacuum chamber 12, and at the center of the revolution table 32, one end of the rotating shaft 34 extending along the central axis Xa of the vacuum tank 12 is located. It is fixed. The other end of the rotary shaft 34 is coupled to the shaft 36a of the motor 36 as a rotary drive means outside the vacuum chamber 12.

即ち、モータ36が駆動して、当該モータ36のシャフト36aが例えば図1に矢印200で示す方向に回転すると、公転台32が同方向に回転し、つまり図2においても矢印200で示す方向に回転する。これに伴って、それぞれの被処理物100が真空槽12の中心軸Xaを中心として回転し、言わば公転する。併せて、それぞれのギア機構30による回転駆動力伝達作用によって、それぞれのホルダ28が、自身を通る垂直軸Xbを中心として例えば図1および図2のそれぞれに矢印202で示す方向に回転する。そして、このホルダ28自身の回転に伴って、当該ホルダ28によって保持されている被処理物100もまた、同じ方向に回転し、言わば自転する。なお、被処理物100の公転経路の直径(PCD;Pitch Circle Diameter)は、例えば約600mmである。そして、この被処理物100の公転速度(公転台32の回転速度)は、例えば0.5rpm〜1rpmである。これに対して、被処理物100の自転速度(垂直軸Xbを中心とするホルダ28自身の回転速度)は、例えば30rpm〜60rpmであり、つまり公転速度の60倍である。なお、図1および図2においては、12個の被処理物100,100,…(ホルダ28,28,…およびギア機構30,30,…)が設けられているが、この個数は一例であり、これ以外の個数であってもよい。 That is, when the motor 36 is driven and the shaft 36a of the motor 36 rotates in the direction indicated by the arrow 200 in FIG. 1, for example, the revolution table 32 rotates in the same direction, that is, in the direction indicated by the arrow 200 in FIG. Rotate. Along with this, each object to be processed 100 rotates about the central axis Xa of the vacuum chamber 12, and revolves, so to speak. At the same time, due to the rotational driving force transmission action of each gear mechanism 30, each holder 28 rotates about the vertical axis Xb passing through itself in the direction indicated by the arrow 202, for example, in FIGS. 1 and 2, respectively. Then, as the holder 28 itself rotates, the object to be processed 100 held by the holder 28 also rotates in the same direction, so to speak, rotates on its axis. The diameter of the revolution path (PCD; Pitch Circle Diameter) of the object to be processed 100 is, for example, about 600 mm. The revolution speed of the object 100 to be processed (rotation speed of the revolution table 32) is, for example, 0.5 rpm to 1 rpm. On the other hand, the rotation speed of the object 100 to be processed (the rotation speed of the holder 28 itself about the vertical axis Xb) is, for example, 30 rpm to 60 rpm, that is, 60 times the revolution speed. In addition, in FIGS. 1 and 2, 12 objects to be processed 100, 100, ... (Holders 28, 28, ... And gear mechanisms 30, 30, ...) are provided, but this number is an example. , Other numbers may be used.

併せて、それぞれの被処理物100には、ホルダ28,ギア機構30,公転台32および回転軸34を介して、真空槽12の外部にあるバイアス電力供給手段としての基板バイアス電源装置38から基板バイアス電力Ebが供給される。この基板バイアス電力Ebは、その電圧成分である言わば基板バイアス電圧Vbの値が、接地電位を基準とする正電位のハイレベル値と、当該接地電位を基準とする負電位のローレベル値と、に交互に遷移する、いわゆるバイポーラパルス電力である。この基板バイアス電圧Vbのハイレベル値は、一定であり、例えば接地電位を基準として+37Vである。一方、基板バイアス電圧Vbのローレベル値は、任意に調整可能とされており、このローレベル値によって、当該基板バイアス電圧Vbの平均値(直流換算値)が任意に設定可能とされている。さらに、この基板バイアス電力Ebの周波数もまた、例えば50kH〜250kHの範囲内で任意に設定可能とされている。そして、当該基板バイアス電力Ebのデューティ比(基板バイアス電圧Vbの1周期において当該基板バイアス電圧Vbの値がハイレベル値となる期間の比率)もまた、任意に設定可能とされている。なお、ここでは、当該基板バイアス電力Edの周波数については、例えば100kHzとされ、デューティ比については、例えば30%とされる。 At the same time, each object to be processed 100 is subjected to a substrate from a substrate bias power supply device 38 as a bias power supply means outside the vacuum chamber 12 via a holder 28, a gear mechanism 30, a revolution table 32 and a rotating shaft 34. Bias power Eb is supplied. In this substrate bias power Eb, the value of the substrate bias voltage Vb, which is a voltage component thereof, is a high level value of a positive potential based on the ground potential, a low level value of a negative potential based on the ground potential, and the like. It is a so-called bipolar pulse power that alternately transitions to. The high level value of the substrate bias voltage Vb is constant, for example, + 37V with respect to the ground potential. On the other hand, the low level value of the substrate bias voltage Vb can be arbitrarily adjusted, and the average value (DC conversion value) of the substrate bias voltage Vb can be arbitrarily set by this low level value. Further, the frequency of the substrate bias power Eb can also be arbitrarily set within the range of, for example, 50 kW to 250 kW. The duty ratio of the substrate bias power Eb (the ratio of the period during which the value of the substrate bias voltage Vb becomes a high level value in one cycle of the substrate bias voltage Vb) can also be arbitrarily set. Here, the frequency of the substrate bias power Ed is set to, for example, 100 kHz, and the duty ratio is set to, for example, 30%.

さらに、真空槽12の側面を成す壁部の内側の適宜位置であって、被処理物100,100,…の公転経路よりも外方の適当な位置、例えば真空槽12の中心軸Xaを挟んで上述のマグネトロンカソード16が設けられている位置とは反対側の位置(図1および図2における左側の位置)に、温度制御手段としての例えばカーボンヒータ40が設けられている。このカーボンヒータ40は、真空槽12の外部において、図示しないヒータ加熱用電源装置に接続されている。そして、当該カーボンヒータ40は、このヒータ加熱用電源装置から直流または交流のヒータ加熱用電力の供給を受けて発熱し、とりわけ、被処理物100,100,…を加熱する。 Further, an appropriate position inside the wall portion forming the side surface of the vacuum chamber 12 and outside the revolution path of the objects to be processed 100, 100, ..., For example, sandwiching the central axis Xa of the vacuum chamber 12. A carbon heater 40 as a temperature control means is provided at a position opposite to the position where the magnetron cathode 16 is provided (the position on the left side in FIGS. 1 and 2). The carbon heater 40 is connected to a heater heating power supply device (not shown) outside the vacuum chamber 12. Then, the carbon heater 40 receives heat from the heater heating power supply device to generate DC or AC heater heating power, and in particular, heats the objects to be processed 100, 100, ....

また、図1に示すように、真空槽12内の適宜位置、好ましくはフィラメント22の近傍の位置に、放電用ガス等の各種ガスを当該真空槽12内に導入するためのガス導入管42が設けられている。そして、このガス導入管42には、真空槽12の外部において、個別の複数の、例えば4本の、支管44,46,48および50が結合されている。これら4本の支管44,46,48および50のうちの1本、例えば支管44は、真空槽12内にスパッタガスとしての希ガス、例えばアルゴンガス、を導入するためのものであり、つまり図示しない当該アルゴンガスの供給源に結合されている。この言わばアルゴンガス用の支管44には、当該アルゴンガスの流通を開閉するための開閉手段としての例えば開閉バルブ44aと、当該アルゴンガスの流量を制御するための流量制御手段としての例えばマスフローコントローラ44bと、が設けられている。そして、他の支管46、48および50のうちの1本、例えば支管46は、真空槽12内に洗浄用ガスとしての例えば水素(H)ガスを導入するためのものであり、つまり図示しない当該水素ガスの供給源に結合されている。この水素ガス用の支管46にも、当該水素ガスの流通を開閉するための開閉バルブ46aと、当該水素ガスの流量を制御するためのマスフローコントローラ46bと、が設けられている。さらに、他の支管48および50のうちの1本、例えば支管48は、真空槽12内に第1の反応性ガスとしての例えば窒素を導入するためのものであり、つまり図示しない当該窒素ガスの供給源に結合されている。この窒素ガス用の支管48にも、当該窒素ガスの流通を開閉するための開閉バルブ48aと、当該窒素ガスの流量を制御するためのマスフローコントローラ48bと、が設けられている。そして、残りの支管50は、真空槽12内に第2の反応性ガスとしての炭化水素系ガス、例えばアセチレンガス、を導入するためのものであり、つまり図示しない当該アセチレンガスの供給源に結合されている。このアセチレンガス用の支管48にも、当該アセチレンガスの流通を開閉するための開閉バルブ50aと、当該アセチレンガスの流量を制御するためのマスフローコントローラ50bと、が設けられている。なお、各開閉バルブ44a,46a,48aおよび50aは、手動のものであるが、各マスフローコントローラ44b,46b,48bおよび50bは、後述する制御手段としてのメインコントローラ52によって制御される。これらのガス導入管42と、各支管44,46,48および50と、各開閉バルブ44a,46a,48aおよび50aと、各マスフローコントローラ44b,46b,48bおよび50bとは、(厳密にはメインコントローラ52を含め)ガス導入手段として機能する。 Further, as shown in FIG. 1, a gas introduction pipe 42 for introducing various gases such as a discharge gas into the vacuum chamber 12 is provided at an appropriate position in the vacuum chamber 12, preferably in the vicinity of the filament 22. It is provided. Then, a plurality of individual, for example, four branch pipes 44, 46, 48 and 50 are coupled to the gas introduction pipe 42 outside the vacuum chamber 12. One of these four branch pipes 44, 46, 48 and 50, for example, the branch pipe 44 is for introducing a rare gas as a sputtering gas, for example, argon gas into the vacuum chamber 12, that is, illustrated. Not coupled to the source of the argon gas. The branch pipe 44 for argon gas has, for example, an opening / closing valve 44a as an opening / closing means for opening / closing the flow of the argon gas, and a mass flow controller 44b as a flow rate controlling means for controlling the flow rate of the argon gas. And are provided. Then, one of the other branch pipes 46, 48 and 50, for example, the branch pipe 46 is for introducing, for example, hydrogen (H 2 ) gas as a cleaning gas into the vacuum chamber 12, that is, not shown. It is coupled to the hydrogen gas source. The branch pipe 46 for hydrogen gas is also provided with an on-off valve 46a for opening and closing the flow of the hydrogen gas and a mass flow controller 46b for controlling the flow rate of the hydrogen gas. Further, one of the other branch pipes 48 and 50, for example the branch pipe 48, is for introducing, for example, nitrogen as a first reactive gas into the vacuum chamber 12, that is, of the nitrogen gas (not shown). It is bound to the source. The branch pipe 48 for nitrogen gas is also provided with an on-off valve 48a for opening and closing the flow of the nitrogen gas and a mass flow controller 48b for controlling the flow rate of the nitrogen gas. The remaining branch pipe 50 is for introducing a hydrocarbon-based gas as a second reactive gas, for example, acetylene gas, into the vacuum chamber 12, that is, it is coupled to a supply source of the acetylene gas (not shown). Has been done. The branch pipe 48 for acetylene gas is also provided with an on-off valve 50a for opening and closing the flow of the acetylene gas and a mass flow controller 50b for controlling the flow rate of the acetylene gas. The on-off valves 44a, 46a, 48a and 50a are manually operated, but the mass flow controllers 44b, 46b, 48b and 50b are controlled by the main controller 52 as a control means described later. These gas introduction pipes 42, branch pipes 44, 46, 48 and 50, on-off valves 44a, 46a, 48a and 50a, and mass flow controllers 44b, 46b, 48b and 50b (strictly speaking, the main controller). It functions as a gas introduction means (including 52).

加えて、マグネトロンカソード16と被処理物100の公転経路との間、詳しくはターゲット162の被スパッタ面(厳密にはアースシールド18の外側面)と当該被スパッタ面に最接近した被処理物100の表面との間、であって、フィラメント22よりも被処理物100に近い位置に、シャッタ手段としてのシャッタ54が設けられている。このシャッタ54は、概略矩形平板状のものであり、その両主面をターゲット162の被スパッタ面に沿う方向に沿わせた状態にある。そして、このシャッタ54は、図示しないシャッタ駆動手段としてのモータによる駆動力によって、図2に矢印204で示す如く水平方向に移動(スライド)する。言い換えれば、シャッタ54は、ターゲット162の被スパッタ面を被処理物100,100,…が置かれた空間に向けて露出させる開状態と、当該ターゲット162の被スパッタ面を被処理物100,100,…が置かれた空間から遮蔽する閉状態と、に遷移可能とされている。なお、このシャッタ54を駆動するためのシャッタ駆動手段としてのモータもまた、メインコントローラ52によって制御される。 In addition, between the magnetron cathode 16 and the revolution path of the object 100 to be processed, in detail, the surface to be sputtered (strictly speaking, the outer surface of the earth shield 18) of the target 162 and the object 100 to be processed closest to the surface to be sputtered. A shutter 54 as a shutter means is provided at a position closer to the object to be processed 100 than the filament 22. The shutter 54 has a substantially rectangular flat plate shape, and both main surfaces thereof are in a state of being aligned with the surface to be sputtered of the target 162. Then, the shutter 54 moves (slides) in the horizontal direction as shown by an arrow 204 in FIG. 2 by a driving force of a motor as a shutter driving means (not shown). In other words, the shutter 54 is in an open state in which the surface to be sputtered of the target 162 is exposed toward the space where the objects to be processed 100, 100, ... Are placed, and the surface to be sputtered of the target 162 is exposed to the objects to be processed 100, 100, 100. It is possible to transition to a closed state that shields from the space where ,… is placed. The motor as a shutter driving means for driving the shutter 54 is also controlled by the main controller 52.

メインコントローラ52は、上述の如く各マスフローコントローラ44b,46b,48bおよび50bと、シャッタ駆動手段としてのモータと、の制御を司る。また、このメインコントローラ52は、上述したスパッタ電源装置20,カソード電源装置24および放電用電源装置26の制御をも司る。さらに、メインコントローラ52は、回転駆動手段としてのモータ36の制御をも司る。このようなメインコントローラ52は、例えばパーソナルコンピュータによって実現される。なお、メインコントローラ52と当該メインコントローラ52による各制御対象とを結ぶ線路については、図面の見易さを考慮して、図示を省略してある。 As described above, the main controller 52 controls the mass flow controllers 44b, 46b, 48b and 50b, and the motor as a shutter driving means. The main controller 52 also controls the sputter power supply device 20, the cathode power supply device 24, and the discharge power supply device 26 described above. Further, the main controller 52 also controls the motor 36 as a rotation driving means. Such a main controller 52 is realized by, for example, a personal computer. The lines connecting the main controller 52 and each control target by the main controller 52 are not shown in consideration of the legibility of the drawings.

さて、本実施形態によれば、このマグネトロンスパッタ装置10を用いて、被処理物100,100,…の表面、言わば被処理面に、装飾被膜としての例えば窒化チタン膜を形成することができる。また、当該装飾被膜として炭窒化チタン膜を形成することもできる。なお厳密には、これらの装飾被膜の形成に先立って、中間層としてのチタン層が形成される。その上で、言わば主層としての当該装飾被膜が形成される。このように中間層としてのチタン層が設けられることによって、成膜対象である被処理物100,100,…の被処理面に対する装飾被膜の密着力の向上が図られる。 According to the present embodiment, the magnetron sputtering apparatus 10 can be used to form, for example, a titanium nitride film as a decorative film on the surface of the objects to be processed 100, 100, ..., So to speak, the surface to be processed. Further, a titanium nitride film can be formed as the decorative film. Strictly speaking, a titanium layer as an intermediate layer is formed prior to the formation of these decorative coatings. On top of that, the decorative coating as a main layer is formed. By providing the titanium layer as the intermediate layer in this way, the adhesion of the decorative coating film to the surface to be processed of the objects to be processed 100, 100, ..., Which is the object of film formation, can be improved.

具体的にはまず、真空槽12内に被処理物100,100,…が設置され、つまり各ホルダ28,28,…に当該被処理物100,100,…が取り付けられる。その上で、真空槽12内が真空ポンプによって排気され、例えば2×10−3Pa程度の圧力Pになるまで排気される。このいわゆる真空引きの後、または、この真空引きと並行して、モータ36が駆動され、被処理物100,100,…の自公転が開始される。そして、カーボンヒータ40によって、被処理物100,100,…が例えば150℃程度にまで加熱される。これにより、被処理物100,100,…に含まれている不純物ガスが排出され、いわゆる脱ガス処理が行われる。なお、この脱ガス処理においては、シャッタ54は、常套的には(ターゲット162の被スパッタ面の汚染を防止するために)閉状態とされるが、(後述するプレスパッタ処理によってターゲット162の被スパッタ面が洗浄されることから)開状態とされてもよい。 Specifically, first, the objects to be processed 100, 100, ... Are installed in the vacuum chamber 12, that is, the objects to be processed 100, 100, ... Are attached to the holders 28, 28, ... Then, the inside of the vacuum chamber 12 is exhausted by the vacuum pump until the pressure P reaches , for example, about 2 × 10 -3 Pa. After this so-called evacuation, or in parallel with this evacuation, the motor 36 is driven and the self-revolution of the objects to be processed 100, 100, ... Is started. Then, the carbon heater 40 heats the objects to be processed 100, 100, ... To, for example, about 150 ° C. As a result, the impurity gas contained in the objects to be treated 100, 100, ... Is discharged, and the so-called degassing treatment is performed. In this degassing treatment, the shutter 54 is conventionally closed (to prevent contamination of the sputtered surface of the target 162), but the target 162 is covered by the pre-sputtering treatment described later. It may be in the open state (because the sputtered surface is cleaned).

この脱ガス処理が所定時間(30分間〜1時間ほど)にわたって行われた後、カーボンヒータによる加熱が停止されて、次に、放電洗浄処理が行われる。この放電洗浄処理においては、シャッタ54は、開状態とされる。そして、フィラメント22にカソード電力Ecが供給される。これにより、フィラメント22が2000℃以上に加熱されて、当該フィラメント22から熱電子が放出される。併せて、フィラメント22に放電用電力Edが供給される。即ち、真空槽12を陽極とし、フィラメント22を陰極として、これら両者に当該放電用電力Edが供給される。これにより、陰極であるフィラメント22から放出された熱電子が、陽極である真空槽12の壁部に向かって、とりわけ当該フィラメント22に近い位置にあって真空槽12と同電位であるアースシールド18に向かって、加速される。この状態で、真空槽12内にアルゴンガスが導入される。すると、加速された熱電子がアルゴンガスの粒子に衝突して、その衝撃により、当該アルゴンガス粒子が電離して、プラズマ300が発生する。ここで、フィラメント22の周囲を含むターゲット162の被スパッタ面の近傍には、上述した永久磁石166による磁界が発生しているので、当該フィラメント22から放出された熱電子は、この磁界の作用を受けて螺旋運動する。これにより、熱電子がアルゴンガス粒子に衝突する頻度が増大して、プラズマ300が高密度化される。このようなプラズマ300の態様は、低電圧大電流のアーク放電である。さらに、真空槽12内に水素ガスが導入される。すると、この水素ガスの粒子もまた電離して、プラズマ300を形成する。なお、真空槽12内へのアルゴンガスの導入と、当該真空槽12内への水素ガスの導入とは、同時に開始されてもよい。 After this degassing treatment is performed for a predetermined time (about 30 minutes to 1 hour), the heating by the carbon heater is stopped, and then the discharge cleaning treatment is performed. In this discharge cleaning process, the shutter 54 is opened. Then, the cathode power Ec is supplied to the filament 22. As a result, the filament 22 is heated to 2000 ° C. or higher, and thermions are emitted from the filament 22. At the same time, the electric power Ed for discharge is supplied to the filament 22. That is, the vacuum chamber 12 is used as an anode and the filament 22 is used as a cathode, and the discharge power Ed is supplied to both of them. As a result, the thermions emitted from the filament 22 as the cathode are directed toward the wall of the vacuum chamber 12 which is the anode, and are particularly close to the filament 22 and have the same potential as the vacuum chamber 12. Accelerate towards. In this state, argon gas is introduced into the vacuum chamber 12. Then, the accelerated thermions collide with the argon gas particles, and the impact causes the argon gas particles to be ionized to generate plasma 300. Here, since the magnetic field generated by the permanent magnet 166 described above is generated in the vicinity of the surface to be sputtered of the target 162 including the periphery of the filament 22, the thermions emitted from the filament 22 exert the action of this magnetic field. Receive and spiral. As a result, the frequency of thermions colliding with the argon gas particles increases, and the plasma 300 becomes denser. Such an aspect of the plasma 300 is an arc discharge with a low voltage and a large current. Further, hydrogen gas is introduced into the vacuum chamber 12. Then, the hydrogen gas particles are also ionized to form the plasma 300. The introduction of the argon gas into the vacuum chamber 12 and the introduction of the hydrogen gas into the vacuum chamber 12 may be started at the same time.

このようにアーク放電によるプラズマ300が発生している状態で、被処理物100,100,…に基板バイアス電力Ebが供給されると、当該プラズマ300中のアルゴンイオンおよび水素イオンがそれぞれの被処理物100の被処理面、とりわけプラズマ300に晒されている状態にある被処理物100の被処理面に、積極的に入射される。この結果、アルゴンイオンがそれぞれの被処理物100の被処理面に衝突することによるスパッタ作用と、水素イオンがそれぞれの被処理物100の被処理面に付着している不純物と化学的に反応することによる化学反応作用と、によって、当該それぞれの被処理物100の被処理面から不純物が取り除かれ、つまり放電洗浄処理が行われる。この放電洗浄処理におけるアルゴンガスは、プラズマ300を発生させるための放電用ガスとして機能すると共に、上述の如くスパッタ作用によって当該放電洗浄処理を実現する洗浄用ガスとしても機能する。一方、水素ガスは、上述の如く化学反応作用によって放電洗浄処理を実現する洗浄用ガスとして機能すると共に、放電用ガスとしても機能する。 When the substrate bias power Eb is supplied to the objects to be processed 100, 100, ... In the state where the plasma 300 is generated by the arc discharge in this way, the argon ions and hydrogen ions in the plasma 300 are respectively processed. It is positively incident on the surface to be treated of the object 100, particularly the surface to be processed of the object 100 to be treated which is exposed to the plasma 300. As a result, the sputtering action caused by the argon ions colliding with the surface to be treated of each object 100 to be treated and the hydrogen ion chemically react with the impurities adhering to the surface to be treated of each object 100 to be treated. By the chemical reaction action, impurities are removed from the surface to be treated of each of the objects to be treated 100, that is, a discharge cleaning treatment is performed. The argon gas in this discharge cleaning process functions as a discharge gas for generating the plasma 300, and also functions as a cleaning gas for realizing the discharge cleaning process by the sputtering action as described above. On the other hand, the hydrogen gas functions as a cleaning gas that realizes a discharge cleaning process by a chemical reaction as described above, and also functions as a discharge gas.

この放電洗浄処理においては、アルゴンガスの流量は、例えば50mL/minとされ、水素ガスの流量は、例えば150mL/minとされる。そして、真空槽12内の圧力Pは、例えば0.2Paとされる。さらに、放電用電力Edは、例えば500Wとされる。具体的には、この放電用電力Edの電圧成分である放電電圧Vdが50Vとなるように、当該放電用電力Edの供給源である放電用電源装置26が上述の如く定電圧モードで動作する。この状態で、放電用電力Edの電流成分である放電電流Idが10Aになるように、カソード電力Ecによってフィラメント22の加熱温度が制御され、つまり当該フィラメント22からの熱電子の放出量が制御される。これにより、放電用電力Edが500W(=50V×10A)とされる。加えて、基板バイアス電力Ebについては、その電圧成分である基板バイアス電圧Vbの平均値が−600Vとされる。因みに、この基板バイアス電圧Vbの平均値が−600Vであるときの当該基板バイアス電圧Vbのローレベル値は、約−873V(=[−600V−{37V×0.3}]/0.7)である。また、このときの基板バイアス電力Ebの電流成分である基板バイアス電流Ibは、約4Aである。これは即ち、この約4Aという比較的に大きな基板バイアス電流Ibが被処理物100,100,…に流れていることを示しており、つまりそれだけ多くのイオンが当該被処理物100,100,…の被処理面に入射されていることを示しており、ひいてはそれだけ大きな放電洗浄処理効果(とりわけアルゴンイオンのスパッタ作用によるボンバードメント効果)が得られることを示している。 In this discharge cleaning process, the flow rate of argon gas is set to, for example, 50 mL / min, and the flow rate of hydrogen gas is set to, for example, 150 mL / min. The pressure P in the vacuum chamber 12 is, for example, 0.2 Pa. Further, the discharge power Ed is set to, for example, 500 W. Specifically, the discharge power supply device 26, which is the supply source of the discharge power Ed, operates in the constant voltage mode as described above so that the discharge voltage Vd, which is a voltage component of the discharge power Ed, becomes 50 V. .. In this state, the heating temperature of the filament 22 is controlled by the cathode power Ec so that the discharge current Id, which is a current component of the discharge power Ed, becomes 10 A, that is, the amount of thermions emitted from the filament 22 is controlled. To. As a result, the discharge power Ed is set to 500 W (= 50 V × 10 A). In addition, for the substrate bias power Eb, the average value of the substrate bias voltage Vb, which is a voltage component thereof, is −600 V. Incidentally, when the average value of the substrate bias voltage Vb is -600V, the low level value of the substrate bias voltage Vb is about -873V (= [-600V- {37V x 0.3}] /0.7). Is. Further, the substrate bias current Ib, which is a current component of the substrate bias power Eb at this time, is about 4A. This means that the relatively large substrate bias current Ib of about 4 A is flowing through the objects to be processed 100, 100, ... That is, so many ions are flowing to the objects 100, 100, ... It is shown that the light is incident on the surface to be treated, and that a larger discharge cleaning treatment effect (particularly, a bombardment effect due to the sputtering action of argon ions) can be obtained.

この放電洗浄処理が所定時間(約30分間)にわたって行われた後、ターゲット162の被スパッタ面を洗浄するためのプレスパッタ処理が行われる。そのために、真空槽12内への水素ガスの導入が停止される。併せて、シャッタ54が閉状態とされる。その上で、マグネトロンカソード16にスパッタ電力Esが供給される。即ち、真空槽12を陽極とし、マグネトロンカソード16を陰極として、これら両者に当該スパッタ電力Esが供給される。すると、プラズマ300中のアルゴンイオンが、陰極であるマグネトロンカソード16に向かって加速され、とりわけターゲット162の被スパッタ面に衝突し、つまりスパッタする。このアルゴンイオンによるスパッタ作用によって、ターゲット162の被スパッタ面に付着している酸化物や有機不純物等の汚れが除去され、当該被スパッタ面が洗浄される。なお、このプレスパッタ処理においては、スパッタ電力Esの供給によっても、アルゴンガス粒子が放電し、高電圧小電流のグロー放電が誘起される。即ち、プラズマ300は、上述のアーク放電に加えて、当該グロー放電を含んだ(合わせた)状態になる。そして、このアーク放電を含む極めて高密度なプラズマ300の作用によって、ターゲット162の被スパッタ面の洗浄が効率的に行われる。また上述したように、ターゲット162の被スパッタ面の近傍には磁界が発生しているので、とりわけ当該ターゲット162の被スパッタ面の近傍におけるプラズマ300の密度が高くなる。これにより、ターゲット162の被スパッタ面の洗浄がより効率的に行われる。特に、上述した永久磁石166の間隙166cに倣う領域におけるプラズマ300の密度が高いので、この領域がより効率的(集中的)にスパッタされる。 After this discharge cleaning process is performed for a predetermined time (about 30 minutes), a pre-sputtering process for cleaning the surface to be sputtered of the target 162 is performed. Therefore, the introduction of hydrogen gas into the vacuum chamber 12 is stopped. At the same time, the shutter 54 is closed. Then, the sputtering power Es is supplied to the magnetron cathode 16. That is, the vacuum chamber 12 is used as an anode and the magnetron cathode 16 is used as a cathode, and the sputtering power Es is supplied to both of them. Then, the argon ions in the plasma 300 are accelerated toward the magnetron cathode 16 which is a cathode, and particularly collide with the surface to be sputtered of the target 162, that is, sputter. By the sputtering action by the argon ion, dirt such as oxides and organic impurities adhering to the surface to be sputtered of the target 162 is removed, and the surface to be sputtered is cleaned. In this pre-sputtering process, the argon gas particles are also discharged by supplying the sputtering power Es, and a high voltage and small current glow discharge is induced. That is, the plasma 300 is in a state that includes (combines) the glow discharge in addition to the above-mentioned arc discharge. Then, the surface to be sputtered of the target 162 is efficiently cleaned by the action of the extremely high-density plasma 300 including the arc discharge. Further, as described above, since the magnetic field is generated in the vicinity of the sputtered surface of the target 162, the density of the plasma 300 in the vicinity of the sputtered surface of the target 162 becomes particularly high. As a result, the surface to be sputtered of the target 162 can be cleaned more efficiently. In particular, since the density of the plasma 300 in the region following the gap 166c of the permanent magnet 166 described above is high, this region is sputtered more efficiently (intensively).

このプレスパッタ処理におけるアルゴンガスの流量は、例えば150mL/minとされる。そして、真空槽12内の圧力Pは、例えば0.5Paとされる。さらに、放電用電力Edは、例えば500W(=50V×10A)とされる。加えて、スパッタ電力Esは、例えば8kWとされる。このスパッタ電力Esの供給源であるスパッタ電源装置20は、上述したように当該スパッタ電力Esが一定となるように定電力モードで動作する。また、基板バイアス電力Ebについては、その電圧成分である基板バイアス電圧Vbの平均値が−100Vとされる。因みに、この基板バイアス電圧Vbの平均値が−100Vであるときの当該基板バイアス電圧Vbのローレベル値は、約−159V(=[−100V−{37V×0.3}]/0.7)である。なお、このプレスパッタ処理においては、シャッタ54が閉状態とされるので、ターゲット162の被スパッタ面から除去された汚れが被処理物100,100,…の被処理面に付着して、当該被処理物100,100,…の被処理面が汚れてしまうようなことはない。 The flow rate of argon gas in this pre-sputtering treatment is, for example, 150 mL / min. The pressure P in the vacuum chamber 12 is, for example, 0.5 Pa. Further, the discharge power Ed is set to, for example, 500 W (= 50 V × 10 A). In addition, the sputtering power Es is set to, for example, 8 kW. The sputtering power supply device 20, which is a supply source of the sputtering power Es, operates in a constant power mode so that the sputtering power Es becomes constant as described above. Further, regarding the substrate bias power Eb, the average value of the substrate bias voltage Vb, which is a voltage component thereof, is set to −100 V. Incidentally, when the average value of the substrate bias voltage Vb is -100V, the low level value of the substrate bias voltage Vb is about -159V (= [-100V- {37V × 0.3}] /0.7). Is. In this pre-sputtering process, the shutter 54 is closed, so that the dirt removed from the surface to be sputtered of the target 162 adheres to the surface to be processed of the objects to be processed 100, 100, ... The surface to be processed of the processed objects 100, 100, ... Will not be soiled.

このプレスパッタ処理が所定時間(3分間〜5分間ほど)にわたって行われた後、中間層としてのチタン層を形成するための成膜処理が行われる。そのために、シャッタ54が開状態とされる。すると、プラズマ300中のアルゴンイオンがプレスパッタ処理後のターゲット162の被スパッタ面に衝突して、当該被スパッタ面からターゲット162の粒子が、つまりチタン粒子が、叩き出される。そして、この叩き出されたいわゆるスパッタ粒子としてのチタン粒子は、被処理物100,100,…の被処理面に向かって、とりわけプラズマ300に晒されている状態にある被処理物100の被処理面に向かって、飛翔して、当該被処理面に付着し、堆積する。この結果、被処理物100,100,…の被処理面にチタン層が形成される。ここで、ターゲット162の被スパッタ面から叩き出されたチタン粒子は、被処理物100,100,…の被処理面に向かって飛翔する途中で、アーク放電を含む極めて高密度なプラズマ300中を通過する。これにより、スパッタ粒子が活性化され、さらにはイオン化されて、少なくとも中性の状態よりは高いエネルギを持つようになる。そうなることで、チタン層の高硬度化および緻密化が図られる。 After this pre-sputtering treatment is performed for a predetermined time (about 3 to 5 minutes), a film forming treatment for forming a titanium layer as an intermediate layer is performed. Therefore, the shutter 54 is opened. Then, the argon ions in the plasma 300 collide with the surface to be sputtered of the target 162 after the pre-sputtering treatment, and the particles of the target 162, that is, the titanium particles are knocked out from the surface to be sputtered. Then, the titanium particles as so-called sputtered particles that have been knocked out are subjected to the treatment of the object 100 to be processed, which is particularly exposed to the plasma 300 toward the surface to be processed of the objects 100, 100, .... It flies toward the surface, adheres to the surface to be treated, and accumulates. As a result, a titanium layer is formed on the surface to be treated of the objects to be treated 100, 100, .... Here, the titanium particles ejected from the surface to be sputtered of the target 162 pass through the extremely high-density plasma 300 including an arc discharge while flying toward the surface to be processed of the objects to be processed 100, 100, ... pass. This activates the sputtered particles and further ionizes them so that they have at least higher energy than in the neutral state. By doing so, the hardness and densification of the titanium layer can be achieved.

このチタン層を形成するための成膜処理におけるアルゴンガスの流量は、例えば150mL/minとされる。そして、真空槽12内の圧力Pは、例えば0.5Paとされる。さらに、放電用電力Edは、例えば1000Wとされる。具体的には、放電用電力Edの電圧成分である放電電圧Vdが50Vとされ、当該放電用電力Edの電流成分である放電電流Idが20Aとなるように、カソード電力Ecによってフィラメント22の加熱温度が制御される。これにより、放電用電力Edが1000W(=50V×20A)とされる。加えて、スパッタ電力Esは、例えば8kWとされる。そして、基板バイアス電力Ebについては、その電圧成分である基板バイアス電圧Vbの平均値が−100Vとされる。このような条件による成膜処理が例えば5分間〜10分間にわたって行われることで、膜厚が0.1μm〜0.3μm程度のチタン層が形成される。なお、このチタン層を形成するための成膜処理においても、上述のプレスパッタ処理時と同様に、永久磁石166の間隙166cに倣う領域がより効率的にスパッタされる。 The flow rate of argon gas in the film forming process for forming the titanium layer is, for example, 150 mL / min. The pressure P in the vacuum chamber 12 is, for example, 0.5 Pa. Further, the discharge power Ed is set to, for example, 1000 W. Specifically, the filament 22 is heated by the cathode power Ec so that the discharge voltage Vd, which is a voltage component of the discharge power Ed, is 50 V, and the discharge current Id, which is a current component of the discharge power Ed, is 20 A. The temperature is controlled. As a result, the discharge power Ed is set to 1000 W (= 50 V × 20 A). In addition, the sputtering power Es is set to, for example, 8 kW. As for the substrate bias power Eb, the average value of the substrate bias voltage Vb, which is a voltage component thereof, is set to −100 V. By performing the film forming process under such conditions for, for example, 5 to 10 minutes, a titanium layer having a film thickness of about 0.1 μm to 0.3 μm is formed. In the film forming process for forming the titanium layer, the region following the gap 166c of the permanent magnet 166 is sputtered more efficiently, as in the case of the above-mentioned pre-sputtering process.

このチタン層を形成するための成膜処理が行われた後、窒化チタン膜を形成するための成膜処理が行われる。そのために、真空槽12内に窒素ガスが導入される。すると、この窒素ガスの粒子がプラズマ300によって分解される。そして、この分解された窒素ガスの粒子、とりわけ窒素イオンは、被処理物100,100,…の被処理面に向かって飛翔するスパッタ粒子、とりわけチタンイオンと、反応して、当該被処理物100,100,…の被処理面に付着し、とりわけプラズマ300に晒されている状態にある被処理物100の被処理面に付着し、堆積する。この結果、被処理物100,100,…の被処理面に窒素とチタンとの反応膜である窒化チタン膜が形成される。 After the film forming process for forming the titanium layer is performed, the film forming process for forming the titanium nitride film is performed. Therefore, nitrogen gas is introduced into the vacuum chamber 12. Then, the particles of the nitrogen gas are decomposed by the plasma 300. Then, the decomposed nitrogen gas particles, particularly nitrogen ions, react with sputtered particles flying toward the surface to be treated, particularly titanium ions, of the object to be treated 100, 100, ..., And the object to be treated 100. , 100, ... Adheres to the surface to be treated, and particularly adheres to and deposits on the surface to be treated of the object 100 to be treated, which is exposed to the plasma 300. As a result, a titanium nitride film, which is a reaction film of nitrogen and titanium, is formed on the surface to be treated of the objects to be treated 100, 100, ....

なお、この窒化チタン膜を形成するための成膜処理においては、アルゴンガスの流量は、例えば150mL/minとされる。そして、窒素ガスの流量は、例えば40mL/minとされる。ただし、この窒素ガスの導入開始直後においては、当該窒素ガスの流量は、直ちに40mL/minという所期の流量とされるのではなく、所定の時間(数分間)を掛けて段階的または連続的に漸増され、最終的に当該40mL/minという所期の流量とされる。これにより、窒化チタン膜のチタン層との境界付近において、当該窒化チタン膜の膜厚方向に沿って窒素とチタンとの組成比が段階的または連続的に変化する言わば傾斜層が形成される。このような傾斜層が形成されることによって、窒化チタン膜の密着力のさらなる向上が図られる。また、この窒化チタン膜を形成するための成膜処理において、真空槽12内の圧力Pは、例えば0.5Paとされる。さらに、放電用電力Edは、例えば1000W(=50V×20A)とされる。加えて、スパッタ電力Esは、例えば8kWとされる。そして、基板バイアス電力Ebについては、その電圧成分である基板バイアス電圧Vbの平均値が−100Vとされる。 In the film forming process for forming the titanium nitride film, the flow rate of argon gas is, for example, 150 mL / min. The flow rate of nitrogen gas is, for example, 40 mL / min. However, immediately after the start of introduction of this nitrogen gas, the flow rate of the nitrogen gas is not immediately set to the expected flow rate of 40 mL / min, but is stepwise or continuous over a predetermined time (several minutes). Is gradually increased to the desired flow rate of 40 mL / min. As a result, a so-called inclined layer is formed in the vicinity of the boundary between the titanium nitride film and the titanium layer, in which the composition ratio of nitrogen and titanium changes stepwise or continuously along the film thickness direction of the titanium nitride film. By forming such an inclined layer, the adhesion of the titanium nitride film can be further improved. Further, in the film forming process for forming the titanium nitride film, the pressure P in the vacuum chamber 12 is set to, for example, 0.5 Pa. Further, the discharge power Ed is set to, for example, 1000 W (= 50 V × 20 A). In addition, the sputtering power Es is set to, for example, 8 kW. As for the substrate bias power Eb, the average value of the substrate bias voltage Vb, which is a voltage component thereof, is set to −100 V.

この窒化チタン膜を形成するための成膜処理においても、ターゲット162の被スパッタ面から叩き出されたチタン粒子は、被処理物100,100,…の被処理面に向かって飛翔する途中で、アーク放電を含む極めて高密度なプラズマ300中を通過することによって活性化され、少なくとも中性の状態よりも高いエネルギを持つようになり、とりわけ効率的にイオン化される。これと同様に、窒素ガスの粒子もまた、当該高密度なプラズマ300によって活性化され、より効率的にイオン化される。このイオン化率の向上によって、被処理物100,100,…の被処理面に入射されるイオンの量が増えるので、当該被処理面に形成される窒化チタン膜のさらなる高硬度化が図られる。併せて、この窒化チタン膜を形成するチタン粒子と窒素粒子との相互の結合力が増大するので、当該窒化チタン膜の緻密化も図られる。なお、この窒化チタン膜を形成するための成膜処理においても、上述のプレスパッタ処理時およびチタン層を形成するための成膜処理時と同様に、永久磁石166の間隙166cに倣う領域がより効率的にスパッタされる。この結果、図4に示した如く当該間隙166cに倣うように概略矩形ループ状(または長円ループ状)のスパッタ痕、いわゆるエロージョンジョン領域162a、が現れる。 In the film forming process for forming the titanium nitride film, the titanium particles knocked out from the surface to be sputtered of the target 162 are in the process of flying toward the surface to be processed of the objects to be processed 100, 100, ... It is activated by passing through an extremely dense plasma 300 containing an arc discharge, which has at least a higher energy than the neutral state, and is particularly efficiently ionized. Similarly, the nitrogen gas particles are also activated by the high density plasma 300 and ionized more efficiently. By improving the ionization rate, the amount of ions incident on the surface to be treated of the objects to be treated 100, 100, ... Is increased, so that the hardness of the titanium nitride film formed on the surface to be treated can be further increased. At the same time, since the mutual bonding force between the titanium particles and the nitrogen particles forming the titanium nitride film is increased, the titanium nitride film can be densified. In the film forming process for forming the titanium nitride film, the region following the gap 166c of the permanent magnet 166 is larger than that in the above-mentioned pre-sputtering process and the film forming process for forming the titanium layer. It is sputtered efficiently. As a result, as shown in FIG. 4, sputter marks having a substantially rectangular loop shape (or oval loop shape), so-called erosion John region 162a, appear so as to follow the gap 166c.

この窒化チタン膜を形成するための成膜処理によって所定の膜厚の当該窒化チタン膜が形成されると(みなされると)、真空槽12内へのアルゴンガスおよび窒素ガスの導入が停止される。併せて、マグネトロンカソード16へのスパッタ電力Esの供給が停止されると共に、フィラメント22へのカソード電力Ecおよび放電用電力Edの供給が停止される。これにより、プラズマ300が消失する。さらに、被処理物100,100,…への基板バイアス電力Ebの供給が停止される。そして、真空槽12内の圧力が大気圧付近にまで徐々に戻されながら、一定の冷却期間が置かれる。その後、モータ36の駆動が停止されることによって、被処理物100,100,…の自公転が停止される。その上で、真空槽12内が外部に開放されて、当該真空槽12内から被処理物100,100,…が外部に取り出される。これをもって、窒化チタン膜を形成するための成膜処理を含む一連の処理が終了する。 When the titanium nitride film having a predetermined film thickness is formed (assumed to be) by the film forming process for forming the titanium nitride film, the introduction of argon gas and nitrogen gas into the vacuum chamber 12 is stopped. .. At the same time, the supply of the sputtering power Es to the magnetron cathode 16 is stopped, and the supply of the cathode power Ec and the discharge power Ed to the filament 22 is stopped. As a result, the plasma 300 disappears. Further, the supply of the substrate bias power Eb to the objects to be processed 100, 100, ... Is stopped. Then, a certain cooling period is set while the pressure in the vacuum chamber 12 is gradually returned to the vicinity of the atmospheric pressure. After that, the drive of the motor 36 is stopped, so that the rotation of the objects to be processed 100, 100, ... Is stopped. Then, the inside of the vacuum chamber 12 is opened to the outside, and the objects to be processed 100, 100, ... Are taken out from the inside of the vacuum chamber 12. This completes a series of processes including the film forming process for forming the titanium nitride film.

このような要領による一連の処理によって、とりわけ窒化チタン膜を形成するための成膜処理が6時間にわたって行われることによって、形成された当該窒化チタン膜の性状を、図5に示す。なお、ここでの被処理物100は、直径が50mm、長さ寸法が300mmの、鏡面加工が施されたSUS304製の円筒形の化粧パイプである。また、比較対象として、フィラメント22へのカソード電力Ecおよび放電用電力Edの供給を停止することによって、プラズマ300の態様を故意にグロー放電のみによるものとし、つまり上述した従来技術におけるスパッタ法と同様の状態を擬似的に構成し、この擬似的に構成された従来技術によっても、窒化チタンを形成するための成膜処理を6時間にわたって行った。この擬似的な従来技術によって形成された窒化チタン膜の性状についても、図5に示す。 FIG. 5 shows the properties of the titanium nitride film formed by a series of treatments in this manner, in particular, a film forming process for forming the titanium nitride film is performed over 6 hours. The object to be processed 100 here is a cylindrical decorative pipe made of SUS304, which has a diameter of 50 mm and a length of 300 mm and is mirror-finished. Further, as a comparison target, by stopping the supply of the cathode power Ec and the discharge power Ed to the filament 22, the mode of the plasma 300 is intentionally made solely by glow discharge, that is, the same as the sputtering method in the prior art described above. The state of the above was simulated, and the film-forming process for forming titanium nitride was also performed for 6 hours by this pseudo-configured conventional technique. The properties of the titanium nitride film formed by this pseudo-conventional technique are also shown in FIG.

この図5に示すように、本実施形態による窒化チタン膜によれば、従来技術による窒化チタン膜に比べて、とりわけヌープ硬度の値が大きい。即ち、本実施形態によれば、従来技術に比べて、高硬度な窒化チタン膜が形成されることが、分かる。これは主に、本実施形態によれば、従来技術に比べて、プラズマ30によるイオン化率が高いこと、つまり被処理物100の被処理面へのイオンの入射量が大きいこと、による。このことは、本実施形態によれば、従来技術に比べて、基板バイアス電流Ibの値が遥かに大きいことからも、分かる。また、本実施形態による窒化チタン膜は、従来技術による窒化チタン膜に比べて、膜厚が小さい。このことから、本実施形態によれば、従来技術に比べて、緻密な窒化チタン膜が形成されることが、分かる。さらに、色調に注目すると、本実施形態による窒化チタン膜は、従来技術による窒化チタン膜に比べて、L値,a値およびb値のいずれも大きい。これは、本実施形態による窒化チタン膜は、従来技術による窒化チタンに比べて、鮮やかな金色の色調を呈することを、意味する。 As shown in FIG. 5, according to the titanium nitride film according to the present embodiment, the value of Knoop hardness is particularly large as compared with the titanium nitride film according to the prior art. That is, according to the present embodiment, it can be seen that a titanium nitride film having a higher hardness than that of the prior art is formed. This is mainly due to the fact that, according to the present embodiment, the ionization rate by the plasma 30 is higher than that of the prior art, that is, the amount of ions incident on the surface to be treated of the object 100 to be treated is large. This can be seen from the fact that the value of the substrate bias current Ib is much larger than that of the prior art according to the present embodiment. Further, the titanium nitride film according to the present embodiment has a smaller film thickness than the titanium nitride film according to the prior art. From this, it can be seen that according to the present embodiment, a denser titanium nitride film is formed as compared with the prior art. Further, paying attention to the color tone, the titanium nitride film according to the present embodiment has a larger L value, a value, and b value than the titanium nitride film according to the prior art. This means that the titanium nitride film according to the present embodiment exhibits a bright golden color tone as compared with the titanium nitride film according to the prior art.

この図5に示される本実施形態による窒化チタン膜が形成された化粧パイプと、当該図5に示される従来技術による窒化チタン膜が形成された化粧パイプと、の外観写真を、図6に示す。この図6から分かるように、本実施形態による窒化チタン膜は、鮮やかな金色の色調を呈する。一方、従来技術による窒化チタン膜は、どんよりとした金色の色調を呈する。このことからも、本実施形態によれば、従来技術に比べて、鮮やかな金色の色調を呈する窒化チタン膜が形成されることが、明らかである。 FIG. 6 shows an external photograph of the decorative pipe on which the titanium nitride film according to the present embodiment shown in FIG. 5 is formed and the decorative pipe on which the titanium nitride film formed by the prior art shown in FIG. 5 is formed. .. As can be seen from FIG. 6, the titanium nitride film according to the present embodiment exhibits a bright golden color tone. On the other hand, the titanium nitride film produced by the prior art exhibits a dull golden color tone. From this as well, it is clear that according to the present embodiment, a titanium nitride film having a bright golden color tone is formed as compared with the prior art.

次に、装飾被膜として炭窒化チタン膜を形成する場合について、説明する。この場合は、上述した一連の処理のうちの窒化チタン膜を形成するための成膜処理に代えて、当該炭窒化チタン膜を形成するための処理が行われる。即ち、中間層としてのチタン層を形成するための成膜処理が行われた後、当該炭窒化チタン膜を形成するための成膜処理が行われる。 Next, a case where a titanium carbonitride film is formed as a decorative film will be described. In this case, instead of the film forming process for forming the titanium nitride film in the series of processes described above, the process for forming the titanium nitride film is performed. That is, after the film forming process for forming the titanium layer as the intermediate layer is performed, the film forming process for forming the titanium nitride film is performed.

具体的には、真空槽12内に窒素ガスが導入されると共に、当該真空槽12内にアセチレンガスが導入される。すると、窒素ガスの粒子がプラズマ300によって分解されると共に、アセチレンガスの粒子もまた当該プラズマ300によって分解される。そして、これらの分解された窒素ガスの粒子、とりわけ窒素イオンと、分解されたアセチレンガスの粒子、とりわけ炭素イオンとが、被処理物100,100,…の被処理面に向かって飛翔するスパッタ粒子、とりわけチタンイオン、と反応して、当該被処理物100,100,…の被処理面に付着し、とりわけプラズマ300に晒されている状態にある被処理物100の被処理面に付着し、堆積する。この結果、被処理物100,100,…の被処理面に窒素と炭素とチタンとの反応膜である炭窒化チタン膜が形成される。 Specifically, nitrogen gas is introduced into the vacuum chamber 12, and acetylene gas is introduced into the vacuum chamber 12. Then, the nitrogen gas particles are decomposed by the plasma 300, and the acetylene gas particles are also decomposed by the plasma 300. Then, these decomposed nitrogen gas particles, particularly nitrogen ions, and the decomposed acetylene gas particles, particularly carbon ions, fly toward the surface to be treated of the objects to be treated 100, 100, ... In particular, it reacts with titanium ions and adheres to the surface to be treated of the objects to be processed 100, 100, ..., And in particular, to the surface to be processed of the object to be processed 100 exposed to the plasma 300. accumulate. As a result, a titanium carbonitride film, which is a reaction film of nitrogen, carbon, and titanium, is formed on the surface to be treated of the objects to be treated 100, 100, ....

なお、この炭窒化チタン膜を形成するための成膜処理においては、アルゴンガスの流量は、例えば150mL/minとされる。そして、窒素ガスの流量は、例えば20mL/minとされ、アセチレンガスの流量もまた、例えば20mL/minとされる。ただし、これら窒素ガスおよびアセチレンガスの導入開始直後においては、当該窒素ガスおよびアセチレンガスそれぞれの流量は、直ちに20mL/minという所期の流量とされるのではなく、所定の時間(数分間)を掛けて段階的または連続的に漸増され、最終的に当該20mL/minという所期の流量とされる。これにより、炭窒化チタン膜のチタン層との境界付近において、当該炭窒化チタン膜の膜厚方向に沿って窒素および炭素のそれぞれとチタンとの組成比が段階的または連続的に変化する傾斜層が形成される。このような傾斜層が形成されることによって、炭窒化チタン膜の密着力のさらなる向上が図られる。これ以外の条件は、窒化チタン膜を形成するための成膜処理におけるのと同様である。即ち、真空槽12内の圧力Pは、0.5Paとされる。そして、放電用電力Edは、1000W(=50V×20A)とされる。さらに、スパッタ電力Esは、8kWとされる。そして、基板バイアス電力Ebについては、その電圧成分である基板バイアス電圧Vbの平均値が−100Vとされる。この炭窒化チタン膜を形成するための成膜処理においても、窒化チタン膜を形成するための成膜処理と同様、永久磁石166の間隙166cに倣う領域がより効率的にスパッタされ、この結果、図4に示した如く当該間隙166cに倣うように概略矩形ループ状のエロージョンジョン領域162aが現れる。 In the film forming process for forming the titanium nitride film, the flow rate of argon gas is, for example, 150 mL / min. The flow rate of nitrogen gas is set to, for example, 20 mL / min, and the flow rate of acetylene gas is also set to, for example, 20 mL / min. However, immediately after the start of introduction of these nitrogen gas and acetylene gas, the flow rate of each of the nitrogen gas and acetylene gas is not immediately set to the expected flow rate of 20 mL / min, but a predetermined time (several minutes) is set. It is multiplied and gradually or continuously gradually increased, and finally the desired flow rate of 20 mL / min is obtained. As a result, in the vicinity of the boundary between the titanium carbonitide film and the titanium layer, the composition ratio of nitrogen and carbon and titanium changes stepwise or continuously along the film thickness direction of the titanium carbonitride film. Is formed. By forming such an inclined layer, the adhesion of the titanium carbonitride film can be further improved. The other conditions are the same as in the film forming process for forming the titanium nitride film. That is, the pressure P in the vacuum chamber 12 is 0.5 Pa. The discharge power Ed is 1000 W (= 50 V × 20 A). Further, the sputtering power Es is set to 8 kW. As for the substrate bias power Eb, the average value of the substrate bias voltage Vb, which is a voltage component thereof, is set to −100 V. In the film forming process for forming the titanium nitride film, the region following the gap 166c of the permanent magnet 166 is sputtered more efficiently as in the film forming process for forming the titanium nitride film. As shown in FIG. 4, a substantially rectangular loop-shaped erosion John region 162a appears so as to follow the gap 166c.

この炭窒化チタン膜を形成するための成膜処理が6時間にわたって行われることによって形成された当該炭窒化チタン膜の性状を、図7に示す。なお、ここでの被処理物100は、一辺の長さ寸法が50mm、厚さ寸法が1mm、の鏡面加工が施されたSUS304製の正方形板である。また、比較対象として、上述の図5および図6におけるのと同様の擬似的な従来技術を構成し、この擬似的な従来技術によっても、炭窒化チタンを形成するための成膜処理を6時間にわたって行った。この擬似的な従来技術によって形成された炭窒化チタン膜の性状についても、図7に示す。 FIG. 7 shows the properties of the titanium nitride film formed by performing the film forming process for forming the titanium nitride film over 6 hours. The object to be processed 100 here is a square plate made of SUS304 that has been mirror-finished with a side length of 50 mm and a thickness of 1 mm. Further, as a comparison target, a pseudo-conventional technique similar to that in FIGS. 5 and 6 described above is configured, and the film-forming process for forming titanium nitride is also performed for 6 hours by this pseudo-conventional technique. Went over. The properties of the titanium nitride film formed by this pseudo-conventional technique are also shown in FIG.

この図7に示すように、本実施形態による炭窒化チタン膜によれば、従来技術による炭窒化チタン膜に比べて、とりわけヌープ硬度の値が大きい。即ち、炭窒化チタン膜についても、窒化チタン膜と同様、本実施形態によれば、従来技術に比べて、高硬度な当該炭窒化チタン膜が形成されることが、分かる。これは上述したように、本実施形態によれば、従来技術に比べて、プラズマ30によるイオン化率が高いこと、つまり被処理物100の被処理面へのイオンの入射量が大きいことが、主な要因である。このことは、本実施形態によれば、従来技術に比べて、基板バイアス電流Ibの値が遥かに大きいことからも、分かる。なお、本実施形態および従来技術のいずれにおいても、この図7に示される炭窒化チタン膜のヌープ硬度の値は、図5に示した窒化チタン膜のヌープ硬度の値に比べて、大きい。これはおそらく、炭窒化チタン膜に炭素が含まれることによって、当該炭窒化チタン膜の方が、窒化チタン膜に比べて、高硬度化されるためであると思われる。そして、膜厚に注目すると、本実施形態による炭窒化チタン膜は、従来技術による炭窒化チタン膜に比べて、当該膜厚が小さい。このことから、窒化チタン膜と同様、本実施形態によれば、従来技術に比べて、緻密な炭窒化チタン膜が形成されることが、分かる。因みに、本実施形態および従来技術のいずれにおいても、この図7に示される炭窒化チタン膜の膜厚は、図5に示した窒化チタン膜の膜厚に比べて、大きい。これはおそらく、炭窒化チタン膜に炭素が含まれることによって、とりわけ炭化チタン(TiC)が形成されることによって、当該炭窒化チタン膜の方が、窒化チタン膜に比べて、厚膜化したことによるものと思われる。色調については、この図7からは、何とも判断し兼ねる。 As shown in FIG. 7, according to the titanium nitride film according to the present embodiment, the value of Knoop hardness is particularly large as compared with the titanium nitride film according to the prior art. That is, it can be seen that, as with the titanium nitride film, the titanium nitride film has a higher hardness than the prior art according to the present embodiment. As described above, according to the present embodiment, the main reason for this is that the ionization rate of the plasma 30 is higher than that of the prior art, that is, the amount of ions incident on the surface of the object 100 to be processed is large. It is a factor. This can be seen from the fact that the value of the substrate bias current Ib is much larger than that of the prior art according to the present embodiment. In both the present embodiment and the prior art, the Knoop hardness value of the titanium nitride film shown in FIG. 7 is larger than the Knoop hardness value of the titanium nitride film shown in FIG. This is probably because the titanium nitride film contains carbon, so that the titanium nitride film has a higher hardness than the titanium nitride film. Focusing on the film thickness, the titanium nitride film according to the present embodiment has a smaller film thickness than the titanium nitride film according to the prior art. From this, it can be seen that, as with the titanium nitride film, according to the present embodiment, a denser titanium nitride film is formed as compared with the prior art. Incidentally, in both the present embodiment and the prior art, the film thickness of the titanium nitride film shown in FIG. 7 is larger than the film thickness of the titanium nitride film shown in FIG. This is probably because the titanium nitride film contains carbon, and in particular, titanium carbide (TiC) is formed, so that the titanium nitride film is thicker than the titanium nitride film. Probably due to. The color tone cannot be judged from FIG. 7 at all.

加えて、次のような実験を行った。 In addition, the following experiments were conducted.

即ち、窒化チタン膜について、スパッタガスとしてのアルゴンガスの流量を一定とする一方、反応性ガスとしての窒素ガスの流量を変えて、当該窒化チタン膜を形成した。そして、この窒素ガスの流量の差異によって、窒化チタン膜の色調がどのように変化するのかを、確認した。また、炭窒化チタン膜について、スパッタガスとしてのアルゴンガスの流量を一定とする一方、反応性ガスとしての窒素ガスおよびアセチレンガスの相互の流量比を変えて、当該炭窒化チタン膜を形成した。なお、窒素ガスおよびアセチレンガスの両方を合わせた反応性ガス全体の流量については、一定とした。そして、この窒素ガスおよびアセチレンガスの相互の流量比の差異によって、炭窒化チタン膜の色調がどのように変化するのかを、確認した。さらに、参考用として、反応性ガスをアセチレンガスのみとすることによって、炭化チタン膜を形成した。そして、この炭化チタン膜の色調についても、確認した。これらの結果を、図8に示す。ここでの被処理物100は、上述の図7におけるものと同様であり、つまり一辺の長さ寸法が50mm、厚さ寸法が1mm、の鏡面加工が施されたSUS304製の正方形板である。 That is, with respect to the titanium nitride film, the titanium nitride film was formed by keeping the flow rate of argon gas as a sputter gas constant and changing the flow rate of nitrogen gas as a reactive gas. Then, it was confirmed how the color tone of the titanium nitride film changes due to the difference in the flow rate of the nitrogen gas. Further, regarding the titanium nitride film, the titanium nitride film was formed by keeping the flow rate of argon gas as a sputter gas constant and changing the mutual flow rate ratio of nitrogen gas and acetylene gas as reactive gases. The flow rate of the entire reactive gas including both nitrogen gas and acetylene gas was kept constant. Then, it was confirmed how the color tone of the titanium nitride film changes due to the difference in the flow rate ratios of the nitrogen gas and the acetylene gas. Further, for reference, a titanium carbide film was formed by using only acetylene gas as the reactive gas. Then, the color tone of this titanium carbide film was also confirmed. These results are shown in FIG. The object to be processed 100 here is the same as that in FIG. 7 described above, that is, it is a square plate made of SUS304 that has been subjected to mirror surface processing having a side length dimension of 50 mm and a thickness dimension of 1 mm.

図8に示すように、7つの試料1〜7について、それぞれの色調を確認した。なお、試料1は、何らの処理も施されていない被処理物100の素材そのものである。また、試料2および3は、窒化チタン膜が形成されたものであり、当該窒化チタン膜を形成するための成膜処理時における窒素ガスの流量が互いに異なるものである。さらに、試料4〜6は、炭窒化チタン膜が形成されたものであり、当該炭窒化チタン膜を形成するための成膜処理時における窒素ガスおよびアセチレンガスの相互の流量比が互いに異なるものである。そして、試料7は、参考用としての炭化チタン膜が形成されたものである。 As shown in FIG. 8, the color tones of each of the seven samples 1 to 7 were confirmed. The sample 1 is the material itself of the object to be treated 100 that has not been subjected to any treatment. Further, the samples 2 and 3 have a titanium nitride film formed therein, and the flow rates of nitrogen gas during the film forming process for forming the titanium nitride film are different from each other. Further, the samples 4 to 6 have a titanium nitride film formed therein, and the flow rate ratios of the nitrogen gas and the acetylene gas at the time of the film forming process for forming the titanium nitride film are different from each other. is there. Then, in the sample 7, a titanium carbide film for reference is formed.

この図8から分かるように、例えば窒化チタン膜が形成された試料2および3については、金色の色調を示すが、窒素ガスの流量の差異によって、当該色調が異なる。具体的には、窒素ガスの流量が小さいほど、薄い金色を呈し、当該窒素ガスの流量が大きいほど、濃い金色を呈する傾向にあるものと、推察される。また、炭窒化チタン膜が形成された試料4〜6については、窒素ガスとアセチレンガスとの相互の流量比の差異によって、当該色調が異なる。概して言えば、窒素ガスに対するアセチレンガスの流量比が小さいほど、ブラウン系の色調を呈するようになり、究極的には窒化チタン膜の性状に近づいて金色の色調を呈するものと、推察される。一方、窒素ガスに対するアセチレンガスの流量比が大きいほど、グレー系の色調を呈するようになり、究極的には試料7の炭化チタン膜の性状に近づいて、ライトグレーの色調を呈するものと、推察される。即ち、窒素ガスに対するアセチレンガスの流量比が適宜に設定されることで、例えば0〜50の範囲で適宜に設定されることで、様々な色調を呈する窒化チタン膜および/または炭窒化チタン膜を形成することができる。なお、試料7の炭化チタン膜は、当該ライトグレー系の色調を呈するが、この色調は、試料1の被処理物100の素材そのもの、つまりSUS304そのもの、と概ね同様の色調であるように、見受けられる。 As can be seen from FIG. 8, for example, the samples 2 and 3 on which the titanium nitride film is formed show a golden color tone, but the color tone differs depending on the difference in the flow rate of nitrogen gas. Specifically, it is presumed that the smaller the flow rate of the nitrogen gas, the lighter the gold color, and the larger the flow rate of the nitrogen gas, the darker the gold color. Further, the colors of the samples 4 to 6 on which the titanium carbonitride film is formed differ depending on the difference in the flow rate ratio between the nitrogen gas and the acetylene gas. Generally speaking, it is presumed that the smaller the flow rate ratio of acetylene gas to nitrogen gas, the more brownish the color tone is exhibited, and ultimately, the closer to the properties of the titanium nitride film, the golden color tone is exhibited. On the other hand, it is presumed that the larger the flow rate ratio of acetylene gas to nitrogen gas, the more grayish the color tone is exhibited, and finally, the property of the titanium carbide film of Sample 7 is approached and the light gray color tone is exhibited. Will be done. That is, by appropriately setting the flow rate ratio of acetylene gas to nitrogen gas, for example, by appropriately setting it in the range of 0 to 50, a titanium nitride film and / or a titanium carbonitride film exhibiting various color tones can be obtained. Can be formed. The titanium carbide film of sample 7 exhibits the light gray color tone, and this color tone seems to be substantially the same as the material itself of the object 100 to be processed of sample 1, that is, SUS304 itself. Be done.

図9に、各試料1〜7の外観写真を示す。なお、これら各試料1〜7については、それぞれの色調の差異を分かり易くするために、それぞれの半面(図9において左側の半面)にブラスト処理を施している。この図9からも分かるように、例えば窒化チタン膜が形成された試料2および3については、窒素ガスの流量の差異によって、金色の色調が異なることが、明らかである。そして、炭窒化チタン膜が形成された試料4〜6については、窒素ガスとアセチレンガスとの相互の流量比の差異によって、それぞれの色調が異なることが、明らかである。 FIG. 9 shows an external photograph of each sample 1 to 7. Each of these samples 1 to 7 is blasted on one half surface (the left half surface in FIG. 9) in order to make it easy to understand the difference in color tone. As can be seen from FIG. 9, for example, with respect to the samples 2 and 3 on which the titanium nitride film is formed, it is clear that the golden color tone differs depending on the difference in the flow rate of the nitrogen gas. Then, it is clear that the colors of the samples 4 to 6 on which the titanium carbonitride film is formed are different due to the difference in the mutual flow rate ratio of the nitrogen gas and the acetylene gas.

なお、これらの結果を得るためには、例えば放電用電力Edの電流成分である放電電流Idについて、これが5A以上であることが、望ましい。これは、この放電電流Idが5Aよりも小さいと、プラズマ300の密度が不十分となり、高硬度な装飾被膜を形成するのに十分な反応が得られなくなり、つまり当該高硬度な装飾被膜を形成することができなくなるからである。従って、放電電流Idは、5A以上であることが、望ましい。 In order to obtain these results, for example, it is desirable that the discharge current Id, which is a current component of the discharge power Ed, is 5 A or more. This is because when the discharge current Id is smaller than 5A, the density of the plasma 300 becomes insufficient, and a sufficient reaction cannot be obtained to form a high-hardness decorative film, that is, the high-hardness decorative film is formed. Because you can't do it. Therefore, it is desirable that the discharge current Id is 5 A or more.

また、基板バイアス電力Ebについて、その電圧成分である基板バイアス電圧Vbの平均値が−50V〜−300Vの範囲内であることが、望ましい。この基板バイアス電圧Vbの平均値の絶対値が過度に小さいと、それぞれの被処理物100の被処理面に入射するイオンの衝撃効果が不十分となり、装飾被膜の密着性および緻密性が十分に得られず、高硬度な当該装飾被膜が形成されない。一方、当該基板バイアス電圧Vbの絶対値が過度に大きいと、それぞれの被処理物100の角(端)部分に放電が集中する、いわゆるエッジ効果、が顕著になり、不都合である。これらのことから、基板バイアス電圧Vbの平均値は、−50V〜−300Vであるのが、望ましく、さらには、−75V〜−150Vであるのが、より望ましい。 Further, it is desirable that the average value of the substrate bias voltage Vb, which is a voltage component of the substrate bias power Eb, is in the range of −50 V to −300 V. If the absolute value of the average value of the substrate bias voltage Vb is excessively small, the impact effect of the ions incident on the surface to be processed of each object to be processed 100 becomes insufficient, and the adhesion and denseness of the decorative film are sufficiently sufficient. It cannot be obtained, and the decorative film having high hardness is not formed. On the other hand, if the absolute value of the substrate bias voltage Vb is excessively large, the so-called edge effect, in which the discharge is concentrated at the corners (edges) of the respective objects to be processed 100, becomes remarkable, which is inconvenient. From these facts, the average value of the substrate bias voltage Vb is preferably −50V to −300V, and more preferably −75V to −150V.

以上のように、本実施形態によれば、マグネトロンスパッタ法による成膜処理であるにも拘らず、アーク放電を用いた言わばアーク放電型の当該マグネトロンスパッタ法とすることによって、修飾被膜として、例えば従来よりも高硬度でありかつ鮮やかな金色の窒化チタン膜を形成することができる。また、高硬度でありかつ様々な色調の炭窒化チタン膜を形成することもできる。このことは、修飾被膜の用途や対象の拡大等に大きく貢献するものと期待される。 As described above, according to the present embodiment, although the film formation treatment is performed by the magnetron sputtering method, the modified film can be formed by using the arc discharge type magnetron sputtering method using arc discharge, for example. It is possible to form a bright golden titanium nitride film having a higher hardness than before. It is also possible to form titanium nitride films having high hardness and various color tones. This is expected to greatly contribute to the use of the modified coating and the expansion of the target.

なお、本実施形態は、本発明の1つの具体例であり、本発明の範囲を限定するものではない。 The present embodiment is a specific example of the present invention, and does not limit the scope of the present invention.

例えば、炭化水素系ガスとしてアセチレンガスが採用されたが、このアセチレンガスに限らず、メタンガス,エチレンガス,エタンガス等の他の炭化水素系ガスが採用されてもよい。ただし、これらの炭化水素系ガスにおける炭素と水素との組成比の関係から、アセチレンガスが最も好適であり、つまり最も効率的に炭窒化チタン膜を形成することができる。 For example, acetylene gas has been adopted as the hydrocarbon gas, but the acetylene gas is not limited to this, and other hydrocarbon gases such as methane gas, ethylene gas, and ethane gas may be adopted. However, from the relationship of the composition ratio of carbon and hydrogen in these hydrocarbon-based gases, acetylene gas is the most suitable, that is, the titanium carbonitride film can be formed most efficiently.

また、マグネトロンカソード16については、永久磁石166が固定された、つまり当該永久磁石166の位置が動かない、磁石固定型のものが採用されたが、これに限らない。例えば、永久磁石166がターゲット162の背面に沿って動くことで当該ターゲット166の被スパッタ面を広域的にスパッタし、ひいては非エロージョン領域の低減を図る、いわゆる広域エロージョン型のものが採用されてもよい。 Further, as the magnetron cathode 16, a magnet-fixed type in which the permanent magnet 166 is fixed, that is, the position of the permanent magnet 166 does not move is adopted, but the present invention is not limited to this. For example, even if a so-called wide area erosion type magnet is adopted in which the permanent magnet 166 moves along the back surface of the target 162 to sputter the surface to be sputtered of the target 166 over a wide area and thus reduce the non-erosion region. Good.

さらに、本実施形態においては、中間層としてのチタン膜が設けられたが、このチタン膜については、設けられなくてもよい。ただし、当該チタン膜が設けられた方が、主層としての装飾被膜の密着力の向上が図られることは、上述した通りである。 Further, in the present embodiment, a titanium film as an intermediate layer is provided, but this titanium film may not be provided. However, as described above, when the titanium film is provided, the adhesion of the decorative film as the main layer can be improved.

加えて、マグネトロンカソード16のターゲット162は、概略矩形平板状のものに限らず、例えば概略円板状のものであってもよく、極端には、その被スパッタ面が曲面状のものであってもよい。また、このターゲット16(被スパッタ面)の形状に応じて、フィラメント22に形状も適宜に定められる。 In addition, the target 162 of the magnetron cathode 16 is not limited to a substantially rectangular flat plate shape, but may be, for example, a substantially disc shape, and in the extreme, the surface to be sputtered is a curved surface. May be good. Further, the shape of the filament 22 is appropriately determined according to the shape of the target 16 (surface to be sputtered).

そして、マグネトロンカソード16は、1つに限らず、複数設けられてもよい。この場合、真空槽12の中心軸Xaの円周方向に沿って当該マグネトロンカソード16が複数設けられるのが、望ましい。併せて、それぞれのマグネトロンカソード16にフィラメント22が付随されるのが、望ましい。この構成によれば、成膜速度の向上が図られ、ひいては生産性の向上が図られる。 The magnetron cathode 16 is not limited to one, and a plurality of magnetron cathodes 16 may be provided. In this case, it is desirable that a plurality of the magnetron cathodes 16 are provided along the circumferential direction of the central axis Xa of the vacuum chamber 12. At the same time, it is desirable that the filament 22 is attached to each magnetron cathode 16. According to this configuration, the film formation speed can be improved, and thus the productivity can be improved.

また、基板バイアス電力Ebとしてバイポーラパルス電力が採用されたが、これに限らない。例えば、被処理物100,100,…が導電性物質である場合には、直流電力が採用されてもよい。ただし、被処理物100,100,…に含まれるガス等によって異常放電が生じる場合があるので、このような異常放電を防止する観点から、バイポーラパルス電力が採用されるのが、望ましい。また、このバイポーラパルス電力以外のパルス電力や高周波電力が採用されてもよい。 Further, bipolar pulse power is adopted as the substrate bias power Eb, but the present invention is not limited to this. For example, when the objects to be processed 100, 100, ... Are conductive substances, DC electric power may be adopted. However, since abnormal discharge may occur due to gas or the like contained in the objects to be processed 100, 100, ..., It is desirable to adopt bipolar pulse power from the viewpoint of preventing such abnormal discharge. Further, pulse power or high frequency power other than this bipolar pulse power may be adopted.

10 マグネトロンスパッタ装置
12 真空槽
16 マグネトロンカソード
20 スパッタ電源装置
22 フィラメント
24 カソード電源装置
26 放電用電源装置
38 基板バイアス電源装置
42 ガス導入管
44,46,48,50 支管
44a,46a,48a,50a 開閉バルブ
44b,46b,48b,50b マスフローコントローラ
50 メインコントローラ
100 被処理物
162 ターゲット
164 磁石ユニット
300 プラズマ
10 Magnetron Sputtering Device 12 Vacuum Tank 16 Magnetron Cathode 20 Sputtering Power Supply Device 22 Filament 24 Cathode Power Supply Device 26 Discharging Power Supply Device 38 Board Bias Power Supply Device 42 Gas Introductory Pipe 44, 46, 48, 50 Branch Pipes 44a, 46a, 48a, 50a Opening and Closing Valves 44b, 46b, 48b, 50b Mass flow controller 50 Main controller 100 Processed object 162 Target 164 Magnet unit 300 Plasma

Claims (3)

被処理物が収容されると共にマグネトロンカソードが設けられた真空槽の内部にスパッタガスと反応性ガスとを導入するガス導入過程と、
上記真空槽を陽極とし上記マグネトロンカソードを陰極としてこれら両者にスパッタ電力を供給することによって上記スパッタガスの粒子を放電させて該真空槽の内部にプラズマを発生させるスパッタ電力供給過程と、
上記真空槽を陽極とし上記被処理物を陰極としてこれら両者にバイアス電力を供給するバイアス電力供給過程と、
を具備し、
上記マグネトロンカソードはチタン製のターゲットと該ターゲットの被スパッタ面の近傍に磁界を発生させる磁界発生手段とを有しており該被スパッタ面が上記被処理物の被処理面と対向するように設けられており、
上記プラズマ中のイオンが上記被スパッタ面に衝突することによって該被スパッタ面から叩き出されたチタン粒子と該プラズマによって分解された上記反応性ガスの粒子である反応性粒子とを成分とする反応膜を装飾被膜として上記被処理面に形成する、
マグネトロンスパッタ法による装飾被膜の形成方法において、
上記被スパッタ面と上記被処理面との間に設けられたフィラメントに熱電子放出用電力を供給することによって該フィラメントを加熱させて熱電子を放出させる熱電子放出過程と、
上記真空槽を陽極とし上記フィラメントを陰極としてこれら両者に放電用電力を供給することによって上記熱電子を加速させて該フィラメントの周囲にアーク放電を誘起させるアーク放電誘起過程と、
をさらに具備し、
上記ガス導入過程では上記反応性ガスとして窒素ガスのみまたは該窒素ガスと炭化水素系ガスとを上記真空槽の内部に導入すること、
を特徴とする、マグネトロンスパッタ法による装飾被膜の形成方法。
A gas introduction process in which a sputter gas and a reactive gas are introduced into a vacuum chamber in which a workpiece is housed and a magnetron cathode is provided.
A sputtering power supply process in which the particles of the sputtering gas are discharged and plasma is generated inside the vacuum chamber by supplying sputtering power to both of them using the vacuum chamber as an anode and the magnetron cathode as a cathode.
A bias power supply process in which the vacuum chamber is used as an anode and the object to be processed is used as a cathode to supply bias power to both of them.
Equipped with
The magnetron cathode has a titanium target and a magnetic field generating means for generating a magnetic field in the vicinity of the surface to be sputtered of the target, and the surface to be sputtered is provided so as to face the surface to be processed of the object to be processed. Has been
A reaction containing titanium particles ejected from the surface to be sputtered by collision of ions in the plasma with the surface to be sputtered and reactive particles which are particles of the reactive gas decomposed by the plasma. A film is formed on the surface to be treated as a decorative film.
In the method of forming a decorative film by the magnetron sputtering method,
A thermoelectron emission process in which the filament is heated by supplying electric power for thermionic emission to a filament provided between the surface to be sputtered and the surface to be processed to emit thermions.
An arc discharge inducing process in which the thermoelectrons are accelerated and an arc discharge is induced around the filament by supplying electric power for discharge to both of them with the vacuum chamber as an anode and the filament as a cathode.
Further equipped,
In the gas introduction process, introducing only nitrogen gas or the nitrogen gas and a hydrocarbon gas as the reactive gas into the inside of the vacuum chamber.
A method for forming a decorative film by a magnetron sputtering method, which comprises.
上記反応性ガスとして窒素ガスと炭化水素系ガスとを上記真空槽の内部に導入し、上記窒素ガスに対する上記炭化水素系ガスの流量比は0より大きく50以下である、
請求項1に記載のマグネトロンスパッタ法による装飾被膜の形成方法。
A nitrogen gas and a hydrocarbon-based gas are introduced into the vacuum chamber as the reactive gas, and the flow rate ratio of the hydrocarbon-based gas to the nitrogen gas is greater than 0 and 50 or less .
The method for forming a decorative film by the magnetron sputtering method according to claim 1.
上記反応性ガスとして窒素ガスと炭化水素系ガスとを上記真空槽の内部に導入し、上記炭化水素系ガスはアセチレンガスである、
請求項1に記載のマグネトロンスパッタ法による装飾被膜の形成方法。
Nitrogen gas and hydrocarbon gas are introduced into the vacuum chamber as the reactive gas, and the hydrocarbon gas is acetylene gas.
The method for forming a decorative film by the magnetron sputtering method according to claim 1.
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