JPH03150353A - Reactive ion plating method - Google Patents

Reactive ion plating method

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JPH03150353A
JPH03150353A JP28743489A JP28743489A JPH03150353A JP H03150353 A JPH03150353 A JP H03150353A JP 28743489 A JP28743489 A JP 28743489A JP 28743489 A JP28743489 A JP 28743489A JP H03150353 A JPH03150353 A JP H03150353A
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修一 渡部
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敏博 中島
Yasushi Kawashita
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Abstract

PURPOSE:To generate high-density plasma and to easily form a uniform cubic boron nitride (cBN) film on a substrate surface at a high speed by forming parallel magnetic fields between B of an evaporating source and the substrate at the time of forming the cBN film by a reactive ion plating method on the substrate. CONSTITUTION:A crucible 20 contg. the B is placed in a vacuum chamber 1 and the substrate 3 is mounted in the upper direction opposite thereto. The substrate 3 is heated by a heater 31 and a gaseous mixture composed of N and Ar is supplied from a nozzle 4 into the vacuum chamber 1. The B in the crucible 20 is heated and evaporated by the electron beam 21 and a voltage is impressed between a cathode 6 and auxiliary anode 9 provided in the intermediate position of the crucible 20 and the substrate 3 to form the increased density plasma 5 by the parallel magnetic fields generated by magnets 8a, 8b provided behind the two electrodes 6 and 9. The vapor of the B passing in this plasma and the ionized gaseous N rapidly and stably form the uniform film of the high-hardness cBN on the substrate 3.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は反応性イオンプレーティング方法とりわけ磁界
を利用した熱陰極放電形イオンプレーティング方法に関
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a reactive ion plating method, and particularly to a hot cathode discharge type ion plating method using a magnetic field.

〔従来の技術及びその技術的課題〕[Conventional technology and its technical issues]

ワークの表面に金属の窒化物、酸化物、炭化物の薄膜を
形成する方法のひとつに反応性イオンプレーティング法
がある。
Reactive ion plating is one of the methods for forming a thin film of metal nitride, oxide, or carbide on the surface of a workpiece.

この反応性イオンプレーティング法については従来下記
のような提案がなされている。
Regarding this reactive ion plating method, the following proposals have been made in the past.

■蒸発源の上方にガスを導入する一方、蒸発源の近傍に
イオン化電極を配して正電圧を与えることによりアーク
放電を行せ、蒸発源からの蒸発粒子をイオン化する方法
(特公昭5フー57553号公報参照) ■アーク放電形イオンプレーティング法すなわち。
■Method of introducing gas above the evaporation source and ionizing the evaporated particles from the evaporation source by arranging an ionizing electrode near the evaporation source and applying a positive voltage to cause arc discharge. (Refer to Publication No. 57553) ■ Arc discharge type ion plating method, ie.

蒸発源の近傍にイオン化電極を配し、さらにそれら蒸発
源とイオン化電極との間に熱電子放射フィラメントを配
置し、この熱電子放射フィラメントから熱電子を放射さ
せる方法(実公昭59−4045号公報参照) ■蒸発源の近傍に熱電子放射フィラメントを配置して熱
電子を放射すると共に、これと反対側位置に正電圧を印
加した活性化ノズルを配してイオン化ガスを導入する方
法(活性化ノズルを用いた反応性蒸着法) ■蒸発源の近傍上方に熱電子放射フィラメントとイオン
化電極を対向状に配し、これと別位置からガスを導入す
る方法(アークライクプラズマイオンプレーティング方
法) しかしながらーこれらの先行技術はいずれもプラズマ発
生機構を蒸発源近傍に設け、かつ蒸発とプラズマ形成が
連動関係にある。このため、イオンプラズマの任意の制
御が困難であるばかりか、イオンと電子による再結合に
よりイオンが消失したり、電子ビームの偏向磁界により
プラズマが封じ込められてワークに入射するイオンが減
少し。
A method of arranging an ionization electrode near an evaporation source, further arranging a thermionic emission filament between the evaporation source and the ionization electrode, and emitting thermoelectrons from this thermionic emission filament (Japanese Utility Model Publication No. 59-4045) (Reference) ■ A method in which a thermionic emission filament is placed near the evaporation source to emit thermionic electrons, and an activation nozzle to which a positive voltage is applied is placed on the opposite side to introduce ionized gas (activation method). (Reactive evaporation method using a nozzle) ■A method in which a thermionic emitting filament and an ionization electrode are placed facing each other near and above the evaporation source, and gas is introduced from a separate position (arc-like plasma ion plating method) However, - In all of these prior art techniques, a plasma generation mechanism is provided near the evaporation source, and evaporation and plasma formation are linked. For this reason, not only is it difficult to arbitrarily control the ion plasma, but the ions may disappear due to recombination between ions and electrons, or the plasma may be confined by the deflection magnetic field of the electron beam, reducing the number of ions that enter the workpiece.

高いイオン密度が得られないという問題があった。There was a problem that high ion density could not be obtained.

また、導入ガスのみの放電ではI X 10−sTor
r程度以上の圧力にしないとプラズマを安定して形成す
ることができず、放電電流もせいぜいIOA程度しか流
れなかったり、−プラズマが局所的になるという問題が
あった。
In addition, when discharging only the introduced gas, I
Unless the pressure is about r or higher, plasma cannot be stably formed, and there are problems in that the discharge current only flows at most about IOA, and -plasma becomes localized.

ところで、薄膜としてcBN(立方晶系窒化はう素)が
最近注目されている。これはcBNがダイヤモンドに次
ぐ硬度を有し、しかもダイヤモンドと違って鉄と反応性
のない安定した性質であり。
Incidentally, cBN (cubic boron nitride) has recently attracted attention as a thin film. This is because cBN has a hardness second only to diamond, and unlike diamond, it has stable properties that do not react with iron.

また。熱伝導率が良く、絶縁性、化学的安定性も良好で
あるなどの特性を備えているからである。
Also. This is because it has properties such as good thermal conductivity, good insulation properties, and good chemical stability.

ところがこのcBNは、ダイヤモンドと同様に高温高圧
相であり、イオン化が困難な材料である。
However, like diamond, cBN is a high-temperature, high-pressure phase, and is a material that is difficult to ionize.

このため、先行技術ではかかるcBNの薄膜を工業的に
作成することが実際上困難であった。この対策としては
、蒸発源と基板間距離を接近させて基板に入射するイオ
ンの減少を防止したり、熱電子放射フィラメントとイオ
ン化電極を蒸発源から離したり、プラズマ空間を広くす
るため電極間距離を広げる方法が考えられる。
For this reason, it has been practically difficult to industrially produce such cBN thin films using the prior art. Countermeasures for this include reducing the distance between the evaporation source and the substrate to prevent a decrease in the number of ions incident on the substrate, moving the thermionic emission filament and ionization electrode away from the evaporation source, and increasing the distance between the electrodes to widen the plasma space. There are ways to expand this.

しかしこのような方法をとっても、磁界がないため数ア
ンペアの放電電流を得るには、圧力をlX 10  T
orr以上の低真空としなければならない。
However, even with this method, since there is no magnetic field, in order to obtain a discharge current of several amperes, the pressure must be increased to lX 10 T.
The vacuum must be as low as orr or higher.

だが、IXIO−Torr以上の圧力で成膜を行う場合
、排気系と蒸発源に特別な配慮が必要となる。
However, when forming a film at a pressure higher than IXIO-Torr, special consideration must be given to the exhaust system and evaporation source.

すなわち、前者は、油拡散ポンプをこのような高圧で作
動させることができないため、途中にコンダクタンスバ
ルブを入れてコンダクタンスを小さくしなければならな
いということである。後者は。
That is, in the former case, since the oil diffusion pump cannot be operated at such high pressure, a conductance valve must be inserted in the middle to reduce the conductance. The latter is.

高圧下で蒸発源として電子銃を使用すると異常放電が生
じやすくなり、また。ガスの拡散により原発速度が低下
し、ことにほう素は絶縁物であるから蒸発レートを上げ
るため大パワーを投入すると突沸を起こすということで
ある。
When an electron gun is used as an evaporation source under high pressure, abnormal discharge is likely to occur. Gas diffusion slows down the nuclear power plant, and since boron is an insulator, it causes bumping when large amounts of power are applied to increase the evaporation rate.

本発明は前記のような問題点を解消するために創案され
たもので、その目的とするところは、排気系や蒸発源に
特別な配慮を要さず、高真空中において容易に高密度プ
ラズマを形成することができ、cBNで代表される高性
能薄膜を容易にかつ比較的高速で得ることができる反応
性イオンプレーティング方法を提供することにある。
The present invention was devised to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to easily generate high-density plasma in a high vacuum without requiring special consideration for the exhaust system or evaporation source. The object of the present invention is to provide a reactive ion plating method that can form a high-performance thin film represented by cBN easily and at a relatively high speed.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記目的を達成するため本発明は、単純な熱陰極放電で
なく、これによる電界に平行磁界を重畳させてプラズマ
形成を行うようにしたものである。
In order to achieve the above object, the present invention creates plasma not by a simple hot cathode discharge, but by superimposing a parallel magnetic field on the electric field generated by the hot cathode discharge.

すなわち、本発明の特徴とするところは、反応性イオン
プレーティング方法において、真空槽内にガスを導入し
、蒸発源と基板を結ぶ距離の中間又は基板寄りの領域で
、熱電子放射用のカソードとこれと対峙され正の電圧を
印加したアノード間に平行な磁界を利用してプラズマを
形成し、このプラズマ中に蒸発源から蒸発した材料粒子
を通過させると共に、基板に負の電圧または高周波を与
えてプラズマ中で生成したイオンを引出し、ワーク上に
衝突させることにある。
That is, the feature of the present invention is that in a reactive ion plating method, a gas is introduced into a vacuum chamber, and a cathode for thermionic emission is placed in a region between the evaporation source and the substrate or in a region near the substrate. A parallel magnetic field is used between the anode and the anode to which a positive voltage is applied, and the material particles evaporated from the evaporation source are passed through this plasma, while a negative voltage or high frequency is applied to the substrate. The purpose is to extract the ions generated in the plasma and cause them to collide with the workpiece.

本発明は、cBNで代表される高温高圧相の化合物膜の
作成に効果的であるほか、AfiN、TiN、Ticな
どの各種高性能薄膜の作成に適用し得る。
The present invention is effective in creating a high-temperature, high-pressure phase compound film represented by cBN, and can also be applied to creating various high-performance thin films such as AfiN, TiN, and Tic.

以下本発明を添付図面に基いて詳細に説明する。The present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

第1図は本発明の実施のための装置の一例とこれによる
イオンプレーティング法の概要を示している。
FIG. 1 shows an example of an apparatus for implementing the present invention and an overview of the ion plating method using the apparatus.

1 は真空槽であり、底部に排気通路IOが設けられ図
示しない真空ポンプにより排気され、高真空にされるよ
うになっている。
Reference numeral 1 denotes a vacuum chamber, which is provided with an exhaust passage IO at its bottom and is evacuated by a vacuum pump (not shown) to create a high vacuum.

2は真空槽1の内部下方に設けられた蒸発源であり、金
属等の蒸発材料Tを収容するるつぼ20と、これを加熱
して蒸発させる手段たとえば電子銃や抵抗加熱ヒータ2
1を備えている。前記蒸発源は必ずしも単数でなく、た
とえば複数ポイント式電子銃や単ポイント電子銃を複数
使用した多元蒸発機構としてもよい。
Reference numeral 2 denotes an evaporation source provided below inside the vacuum chamber 1, which includes a crucible 20 containing an evaporation material T such as a metal, and a means for heating and evaporating it, such as an electron gun or a resistance heater 2.
1. The evaporation source is not necessarily single, and may be a multi-source evaporation mechanism using, for example, a plurality of multi-point electron guns or single-point electron guns.

3はワークを取付ける基板であり、真空槽l内の上方に
前記蒸発源2(るつぼ部分)と対面するように配置され
ている。この基板3と前記蒸発源2との間隔悲、は、は
う素を安定に0.2〜1゜5 nu/seeの成膜速度
で蒸発させるために、一般に250〜600n−とすべ
きである。基板3は卦部のバイアス電源30に接続され
、負の直流電圧または高周波電圧が印加される。前記基
板3は加熱用ヒータ31により加熱され、また、必要に
応じアクチュエータにつながる回転軸により回転される
Reference numeral 3 denotes a substrate on which a workpiece is attached, and is arranged above the vacuum chamber 1 so as to face the evaporation source 2 (crucible portion). The distance between the substrate 3 and the evaporation source 2 should generally be 250 to 600 n- in order to stably evaporate boron at a film formation rate of 0.2 to 1.5 nu/see. be. The substrate 3 is connected to a bias power supply 30 in the square section, and a negative DC voltage or high frequency voltage is applied thereto. The substrate 3 is heated by a heater 31 and rotated by a rotating shaft connected to an actuator as necessary.

4はガスノズルであり、真空槽1内の所望部位たとえば
蒸発源2の側方に配され、真空槽1外に伸びる導入管4
0に設けた流量調整弁41によりアルゴン、窒素ガス、
水素ガス、酸素あるいはそれら2種以上の混合ガスを真
空槽1内に導入する。
Reference numeral 4 denotes a gas nozzle, which is arranged at a desired location within the vacuum chamber 1, for example, on the side of the evaporation source 2, and has an introduction pipe 4 extending outside the vacuum chamber 1.
Argon, nitrogen gas,
Hydrogen gas, oxygen, or a mixture of two or more thereof is introduced into the vacuum chamber 1.

5は本発明で特徴とするプラズマ発生機構である。該プ
ラズマ発生機構は、熱電子放射用のカソード6と、これ
に対向するアノードフと、これらカソード6とアノード
フと同一水平面内の位置にしかもカソード6とアノード
フが形成する電界の方向と同じ向きに水平磁界が形成さ
れるように配置された一対の磁石8a、8bとからなり
、好ましくはアノード側に補助アノード9が配される。
5 is a plasma generation mechanism that is a feature of the present invention. The plasma generation mechanism consists of a cathode 6 for emitting thermionic electrons, an anode facing the cathode 6, and a cathode 6 placed horizontally in the same horizontal plane as the cathode 6 and the anode, and in the same direction as the direction of the electric field formed by the cathode 6 and the anode. It consists of a pair of magnets 8a and 8b arranged so as to form a magnetic field, and preferably an auxiliary anode 9 is arranged on the anode side.

前記プラズマ発生機構5の全体は、真空槽1内に、蒸発
源2と基板間の中間すなわち少なくとも蒸発源2から1
50mm以上離間した位置に設けら九る。好適には基板
3の近傍部位、具体的には第1図において、基板3の下
面から垂直距!II n xで5〜150mmの位置と
する。これは電子銃を使用した場合に電子ビームの偏向
磁界の影響を避けることと、cBNのような高温高圧相
の薄膜形成においてはできるだけ基板3への入射イオン
量を多くするためである。ただ、基板3に近すぎること
はかえって好ましくないため、上記範囲とすべきである
。また。カソード6とアノードフの間隔はプラズマ空間
を広くするため広げることが好ましく、その例としては
200m−〜500論−である。
The entire plasma generation mechanism 5 is placed in a vacuum chamber 1 between the evaporation source 2 and the substrate, that is, at least between the evaporation source 2 and the substrate.
Installed at a distance of 50 mm or more. Preferably, the vicinity of the substrate 3, specifically, the perpendicular distance from the bottom surface of the substrate 3 in FIG. II n x at a position of 5 to 150 mm. This is to avoid the influence of the deflection magnetic field of the electron beam when an electron gun is used, and to increase the amount of ions incident on the substrate 3 as much as possible when forming a thin film of a high-temperature, high-pressure phase such as cBN. However, since being too close to the substrate 3 is rather undesirable, it should be within the above range. Also. The distance between the cathode 6 and the anode 6 is preferably widened in order to widen the plasma space, and is, for example, 200 m to 500 m.

カソード6はW、Ta、W/Thなどの熱陰極材料で作
られたフィラメントからなり、電源60により通電加熱
されることで熱電子を放出する。アノードフは、第1図
のようにカソード6と対向する側の磁石8bに結線して
磁石そのものを電極としてもよいし、第1a図のように
磁石8bの前面側に電極70を別に設置することで構成
してもよい。
The cathode 6 is made of a filament made of a hot cathode material such as W, Ta, or W/Th, and emits thermoelectrons when heated by a power supply 60. The anode may be wired to the magnet 8b on the side facing the cathode 6 as shown in Fig. 1, and the magnet itself may be used as an electrode, or an electrode 70 may be separately installed on the front side of the magnet 8b as shown in Fig. 1a. It may be composed of

いずれの場合も、アノードフには接地電位に対して正の
直流又は交流の電圧たとえば40〜70Vの直流電圧が
電源71によって印加される。
In either case, a positive DC or AC voltage with respect to the ground potential, for example, a DC voltage of 40 to 70 V, is applied to the anode by the power source 71.

磁石8a、8bは正対しており、その磁界の強さは、高
密度のプラズマを形成させるため、両磁石の中間地点で
20〜400eとすることが好ましい、下限を2000
としたのは、これより磁界が弱いと熱電子を十分に加速
することができないからであり、上限を400aとした
のは電子銃への影響を避けるためである。
The magnets 8a and 8b face each other directly, and in order to form high-density plasma, the strength of the magnetic field is preferably 20 to 400e at the midpoint between both magnets, with a lower limit of 2000e.
This is because if the magnetic field is weaker than this, the thermoelectrons cannot be sufficiently accelerated, and the upper limit is set to 400a to avoid any influence on the electron gun.

本発明はカソード6とアノード7間を結ぶ線分上に平行
(水平)磁界を形成するものであり、カソード6とアノ
ード7間を結ぶ線分に対し直角な方向に磁界を発生させ
るのではない、後者の方法ではガスによるイオンボンバ
ードは可能でも、磁界発生装置が蒸発源と基板をつなぐ
線分に位置するため蒸発粒子の拡散が妨げられ、成膜を
行えない。
The present invention forms a parallel (horizontal) magnetic field on a line segment connecting the cathode 6 and anode 7, and does not generate a magnetic field in a direction perpendicular to the line segment connecting the cathode 6 and anode 7. In the latter method, although ion bombardment using gas is possible, the magnetic field generator is located on the line connecting the evaporation source and the substrate, which prevents the diffusion of evaporated particles and prevents film formation.

なお、磁石8a、8bの磁界をより確実に平行化する方
法として、第4図のように、マグネツトケース80a、
80bの前面に鉄板、軟質鋼板。
In addition, as a method of parallelizing the magnetic fields of the magnets 8a and 8b more reliably, as shown in FIG.
Iron plate and soft steel plate on the front of 80b.

けい素鋼板などの磁性体81a、81bを配置してもよ
く、これも本発明に含まれる。
Magnetic bodies 81a and 81b such as silicon steel plates may be arranged, and this is also included in the present invention.

補助アノード9は放電の安定化(プラズマの着火)を図
るために使用され、電源90によりアノードの5倍程度
の電圧が印加さ九る。この補助アノード9はプラズマの
形成に伴い電圧が低下するような回路が組まれることが
望ましい。
The auxiliary anode 9 is used for stabilizing the discharge (ignition of plasma), and a voltage approximately five times that of the anode is applied by a power source 90. It is desirable that this auxiliary anode 9 be constructed with a circuit such that the voltage decreases as plasma is formed.

次にこの装置により化合物薄膜を形成する工程を説明す
る。
Next, the process of forming a compound thin film using this apparatus will be explained.

まず基板3にワークを取付け、加熱ヒータ31によりワ
ークを所要温度に加熱しながら、真空ポンプを作動しつ
つ排気通路10により真空槽l内を真空排気する。その
後、加熱ヒータ31を止め、真空槽1内にガスノズル4
からアルゴン等のガスを導入し、前処理としてイオンボ
ンバードを所要時間行った後、成膜を行う。
First, a workpiece is attached to the substrate 3, and while the workpiece is heated to a required temperature by the heater 31, the inside of the vacuum chamber l is evacuated through the exhaust passage 10 while operating the vacuum pump. After that, the heater 31 is stopped, and the gas nozzle 4 is inserted into the vacuum chamber 1.
After introducing a gas such as argon and performing ion bombardment for a required period of time as a pretreatment, film formation is performed.

この成膜工程は、ガスノズル4により真空槽1内に所定
成分のガスを導入し、補助フッ−r9に高い正電圧を印
加し、カソード6を通電すると共に、アノードフに正電
圧を印加する。これにより磁石8a、8bの平行磁界と
あいまってプラズマPaが形成される。この状態で蒸発
源2の加熱手段21を作動して蒸発材料Tを蒸発させる
In this film-forming step, a gas of a predetermined component is introduced into the vacuum chamber 1 through the gas nozzle 4, a high positive voltage is applied to the auxiliary tube r9, the cathode 6 is energized, and a positive voltage is applied to the anode. This, together with the parallel magnetic fields of the magnets 8a and 8b, forms plasma Pa. In this state, the heating means 21 of the evaporation source 2 is operated to evaporate the evaporation material T.

この蒸発粒子は上昇し、プラズマP慮を通過してワーク
に付着させられる一方、基板2に印加した負の電圧又は
高周波により生ずるセルフバイアス電圧によりプラズマ
内で生成したガスイオンが引付けられ、ワーク上に衝突
される。これによりワークに反応生成膜が付着堆積され
る。
These evaporated particles rise, pass through the plasma P, and are attached to the workpiece. On the other hand, gas ions generated in the plasma are attracted by the negative voltage applied to the substrate 2 or the self-bias voltage generated by the high frequency, and the workpiece is collided with the top. As a result, a reaction product film is deposited on the workpiece.

本発明においては、プラズマ発生機構5としてカソード
6と7ノ一ドフに加え一対の磁石8a。
In the present invention, the plasma generation mechanism 5 includes a pair of magnets 8a in addition to the cathodes 6 and 7.

8bを同一平面内に配しており、これにより第2図(a
) (b)のような平行磁界が形成される。カソード6
とアノードフは平行磁界に設置されているため、その磁
界と電界により、カソード6から放出された熱電子eは
第3図(a) (b)のように磁界の方向とは別方向の
速度成分によりサイクロトロン運動をしながら電界の方
向すなわちアノードフに向かって加速される。真空槽1
内には予めガスが導入されており、そのガスの分子が上
記のように加速された電子と衝突することにより電離が
起り。
8b are placed in the same plane, which results in the
) A parallel magnetic field as shown in (b) is formed. cathode 6
Since the anode and the anode are placed in a parallel magnetic field, the thermionic electron e emitted from the cathode 6 due to the magnetic field and electric field has a velocity component in a direction different from the direction of the magnetic field, as shown in Figure 3 (a) and (b). It is accelerated in the direction of the electric field, that is, toward the anode, while performing cyclotron motion. Vacuum chamber 1
A gas is introduced into the chamber in advance, and ionization occurs when the gas molecules collide with the accelerated electrons as described above.

ガス分子がイオン化されプラズマが形成される。The gas molecules are ionized and a plasma is formed.

このプラズマは第2図CB> (b)のような平行磁界
により高密度化され、これにより熱電子放出によるカソ
ード付近の負の空間電荷を打消し、はぼ熱陰極(フィラ
メント)の飽和電流値I = A T”exp(−eψ
八T)(但し、 [I ]= Amp/ai、 A :
物質によって異なる常数、T:絶対温度、e:電子の負
荷、に:ボルツマン定数、φ:仕事関数)の電流がカソ
ードからアノードに流れる。放熱電流はカソードの温度
に比例するため、容易に20A程度流すことができ、こ
の時の電子の流れは熱電子の初速度が磁界及び電界に比
べ充分に小さいため、第3図(a)(b)のようにほぼ
シートビーム状となり、従って。
This plasma is densified by a parallel magnetic field as shown in Figure 2 CB> (b), which cancels out the negative space charge near the cathode due to thermionic emission, which increases the saturation current value of the hot cathode (filament). I = A T”exp(-eψ
8T) (However, [I] = Amp/ai, A:
A current flows from the cathode to the anode with a constant that varies depending on the material: T: absolute temperature, e: electron load, Φ: Boltzmann's constant, and φ: work function. Since the heat dissipation current is proportional to the cathode temperature, it is possible to easily flow about 20 A, and the initial velocity of the thermoelectrons at this time is sufficiently small compared to the magnetic and electric fields, so the flow is as shown in Figure 3 (a). As shown in b), it becomes almost a sheet beam shape, and therefore.

磁石8a、8b間に高密度のプラズマ空間を安定的に形
成することができるのである。
A high-density plasma space can be stably formed between the magnets 8a and 8b.

前記プラズマ発生機構は蒸発源2の蒸発手段等と独立し
ているため、プラズマの制御を任意かつ容易に行うこと
ができる。しかもプラズマ発生領域が蒸発源2から十分
に離間した位置にあるため、イオンと電子による再結合
の問題が生じず、軽イオンでも電子ビームの磁界に影響
を受けない。さらに平行磁界を利用するため広い空間に
導入ガスによる高密度プラズマを形成することができ、
イオン化しにくい蒸発物との化合物を容易に形成するこ
とができる。また、本発明は放電電流が増加してもセル
フバイアス電圧が低下しないため、イオンを引付ける加
速電圧を100v以下とすることができる。二bは活性
化ノズルを用いた方法の300v前後に比べ著しく小さ
く、経済的である。
Since the plasma generation mechanism is independent of the evaporation means of the evaporation source 2, etc., plasma can be controlled arbitrarily and easily. Moreover, since the plasma generation region is located at a sufficient distance from the evaporation source 2, there is no problem of recombination between ions and electrons, and even light ions are not affected by the magnetic field of the electron beam. Furthermore, by using a parallel magnetic field, it is possible to form high-density plasma with the introduced gas in a wide space.
Compounds with vapors that are difficult to ionize can be easily formed. Further, in the present invention, since the self-bias voltage does not decrease even if the discharge current increases, the acceleration voltage for attracting ions can be set to 100 V or less. 2b is significantly smaller than the approximately 300 V of the method using an activated nozzle, and is economical.

なお、第4図のような磁界機構とした場合には磁界のミ
ラー状化が抑制され、より良好な平行磁界が創生される
ため、プラズマ密度が平均化する。
In addition, when the magnetic field mechanism is used as shown in FIG. 4, the mirror-like formation of the magnetic field is suppressed and a better parallel magnetic field is created, so that the plasma density is averaged.

これにより膜の均一度が向上さ九、かつ化合物の含有率
も高くすることができる。
This improves the uniformity of the film and also increases the compound content.

また、補助アノード9を用い、アノードフの5倍程度の
電圧を印加した場合には、放電開始圧力を、使用しない
場合の約2.5X10−丁orrに対し約1xlO″T
orrに下げることができるため、より高真空中での成
膜が可能となる。
In addition, when using the auxiliary anode 9 and applying a voltage approximately 5 times that of the anode, the discharge starting pressure is approximately 1xlO''T compared to approximately 2.5x10-tonorr when not used.
Since the temperature can be lowered to 0.05 to 10.0 m, it is possible to form a film in a higher vacuum.

なお前記成膜工程においては、母材との密着性を高める
ため、ワークと化合物薄膜との中間層として蒸発成分リ
ッチの膜を形成することなども適宜行われることは言う
までもない。
It goes without saying that in the film forming step, a film rich in evaporated components may be formed as an intermediate layer between the workpiece and the compound thin film, as appropriate, in order to improve adhesion to the base material.

成膜条件は膜材質等にもよるが、一般に下記条件から適
宜選択すればよい。
Although the film forming conditions depend on the film material, etc., they may generally be appropriately selected from the following conditions.

圧   カニ 2〜8 X 10− Torr基板温度
=250℃以上 アノード電圧:40〜70V アノード電流:2〜20A カソード加熱電流:30〜50A バイアス電源パワー:soow以下 電子銃電カニ1.7〜2.3KW 〔実 施 例〕 本発明によりcBN薄膜を作成した。
Pressure Crab 2-8 X 10- Torr Substrate temperature = 250℃ or more Anode voltage: 40-70V Anode current: 2-20A Cathode heating current: 30-50A Bias power supply power: Soow or less Electron gun electric crab 1.7-2. 3KW [Example] A cBN thin film was created according to the present invention.

1、装置として第1図に示すものを用いた。プラズマ発
生機構は基板から10論の位置、蒸発源から400■の
位置に設けた。
1. The apparatus shown in FIG. 1 was used. The plasma generation mechanism was installed at a position of 10 mm from the substrate and 400 mm from the evaporation source.

磁石は1対のフェライト磁石を用いた。磁石間間隔は2
20■とした。磁石間中間地点での磁界強さは400e
である。アノードは磁石の前面に配置した。カソードは
直径1m、全長15G−程度のタングステン線フィラメ
ントを用いた。蒸発材料として純度99.部のほう素を
用いた。
A pair of ferrite magnets were used as the magnets. The spacing between magnets is 2
It was set to 20■. The magnetic field strength at the midpoint between the magnets is 400e.
It is. The anode was placed in front of the magnet. A tungsten wire filament with a diameter of 1 m and a total length of about 15 G was used as the cathode. Purity of evaporation material is 99. Part of boron was used.

■、まず基板に治具によりシリコンウェハを取付け、加
熱ヒータで300℃に加熱しながら、槽内をl X 1
0 ” Torrの圧力まで真空排気し、その後加熱ヒ
ータを止め、アルゴンイオンボンバードを5分間行った
。ボンバード条件は、圧カニ5 X 101Torr、
基板高周波電力=300W、アノード電圧・電流=60
v・5Aとした。
■First, attach a silicon wafer to the substrate using a jig, and while heating it to 300°C with a heater, heat the inside of the tank to 1 x 1.
The chamber was evacuated to a pressure of 0'' Torr, then the heater was stopped, and argon ion bombardment was performed for 5 minutes.The bombardment conditions were: pressure crab 5 x 101 Torr;
Substrate high frequency power = 300W, anode voltage/current = 60
v・5A.

■、ボンバード終了後、Ar/Nzの混合ガスを導入し
てプラズマを形成させた後、電子銃によりほう素を蒸発
させた。膜の密着性をよくするためガス流量を変化させ
、B膜、Bリッチ膜、CBN膜と成長させた。このとき
の成膜条件を下記第1表に示す。
(2) After bombardment, a mixed gas of Ar/Nz was introduced to form plasma, and then boron was evaporated with an electron gun. In order to improve the adhesion of the films, the gas flow rate was changed to grow a B film, a B-rich film, and a CBN film. The film forming conditions at this time are shown in Table 1 below.

第1表 経過時間  圧 力   Ar jl   Nz量 R
F向−(sin)       (Torr)    
   (seem)     (sccs+)    
(W)10〜4  13X10−旧 56  1 0 
1200134〜J1.30 j5xlO−382〜8
111〜91350118.30〜11 l 5xlO
l  81  l  9  l 3501111〜20
 15xlo−l  81  1 9 13001そし
て−アノード電圧・電流:60V−14A、電子銃ニー
8.5KV、270mA、カソード加熱電流:44Aと
した。これらパラメータは成膜中一定とした。はう素の
蒸発速度は0.5〜0.6 n@/seeであり、槽内
温度は成膜初期で300℃で、成膜中はこれよりも昇温
したものの全体として低温域で実施できた。
Table 1 Elapsed time Pressure Ar jl Nz amount R
F direction - (sin) (Torr)
(seem) (sccs+)
(W) 10~4 13X10-old 56 1 0
1200134~J1.30 j5xlO-382~8
111~91350118.30~11 l 5xlO
l 81 l 9 l 3501111~20
15xlo-l 81 1 9 13001 and - anode voltage/current: 60V-14A, electron gun knee 8.5KV, 270mA, cathode heating current: 44A. These parameters were kept constant during film formation. The evaporation rate of boron is 0.5 to 0.6 n@/see, and the temperature inside the tank is 300°C at the beginning of film formation, and although the temperature rose above this during film formation, the process was generally carried out in a low temperature range. did it.

■、得られた薄膜を赤外吸収分光法により分析した結果
を第5図に、またX線回折法により分析した結果を第6
図に示す、第5図から1100Qll−1に吸収帯が見
られることがらcBNと同定される。また、第6図から
明らがなようにcBNの111に相当するピークが出現
している。
■The results of analyzing the obtained thin film by infrared absorption spectroscopy are shown in Figure 5, and the results of analyzing it by X-ray diffraction are shown in Figure 6.
As shown in FIG. 5, an absorption band can be seen at 1100Qll-1, so it is identified as cBN. Furthermore, as is clear from FIG. 6, a peak corresponding to cBN 111 appears.

得られた薄膜は硬度Hv4000以上であり。The obtained thin film has a hardness of Hv4000 or more.

かつ中間にBリッチの膜を形成しているため密着性がよ
く、30Wの超音波振動を5時間与えても剥離は生じな
かった。
In addition, since a B-rich film was formed in the middle, adhesion was good, and no peeling occurred even when 30 W of ultrasonic vibration was applied for 5 hours.

■、なお、マグネットケース前面に軟鋼板を置いて成膜
を行ってみた。その結果、膜の厚さの均一度が向上し、
かっcBN含有率(Re)も基板のRFパフ−350W
で72%と大きく増加することができた。
②Furthermore, the film was formed by placing a mild steel plate on the front of the magnet case. As a result, the uniformity of the film thickness is improved,
The cBN content (Re) is also the RF puff of the substrate - 350W
This resulted in a significant increase of 72%.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明した本発明によれば、熱陰極放電の両電極を蒸
発源から離し、かつ電極間距離も十分にとった条件下で
かつ1.5XIO″Torr以上の高真空においても容
易に20A程度の放電電流が流れ、高密度のプラズマを
形成でき、その高密度プラズマを広い空間に形成できる
。このため、イオン化しにくい物質との化合物を容易に
作成することができ、たとえば作成の困難な高温高圧相
であるcBNを容易にかつ比較的高速で得ることができ
る。また、高真空においても高密度プラズマを形成でき
るため、排気系や蒸発源に特別な配慮を必要とせず、装
置構成も比較的簡単で済むなどのすぐれた効果が得られ
る。
According to the present invention described above, even under conditions where both electrodes of the hot cathode discharge are separated from the evaporation source and a sufficient distance between the electrodes is provided, and in a high vacuum of 1.5 A discharge current flows, forming a high-density plasma, and this high-density plasma can be formed in a wide space.For this reason, it is possible to easily create compounds with substances that are difficult to ionize, for example, to create high-temperature, high-pressure compounds that are difficult to create. The cBN phase can be obtained easily and at a relatively high speed.Also, since high-density plasma can be formed even in high vacuum, special consideration is not required for the exhaust system or evaporation source, and the equipment configuration is relatively simple. It is simple and provides excellent results.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明のイオンプレーティング法とその実施に
用いる装置の概略構成図、第1a図はアノードの他の例
を示す部分的説明図、第2図(a)はプラズマ発生部の
磁界分布を示す平面図、第2図(b)は同じくその側面
図、第3図(a)はプラズマ発生部の電子の流れを模式
的に示す平面図、第3図(b)は同じくその側面図、第
4図はプラズマ発生機構の他の実施例を示す平面図、第
5図は本発明により得られた薄膜の赤外吸収分光線図、
第6図は同じくX線回折図である。 ■・−・真空槽、2・−・蒸発源、3−・・基板、4・
・−ガスノズル、5−・・プラズマ発生機構、6・・・
カソード、7・・−アノード、8a、8b・・−磁石、
9・・・補助アノード、W−・ワーク、PR・−プラズ
マ特許出願人  神港精機株式会社 代 理 人   弁理士 黒 1)泰 弘第1図 苧1 戸   。 第1a図 第5図 波!!メ 1CP540F\>、 lz     回折角2θ (
Cu九l 手続補正書 平成1年12月7日 特許庁長官 吉 田 文 殼 殿 特許庁審査官         殿 1、事件の表示 平成1年特許願第287434号 2、発明の名称 反応性イオンプレーティング方法 3、補正をする者 事件との関係  特許出願人 神港精機株式会社 4、代理人〒104 東京都中央区京橋1丁目14番5号 土星ビル 電話564−5948  イ貧ぺ5、拒絶理
由通知の日付   自  発1 1.12゜了1 補正内容 1、本願明細書中、第8頁第6行目にr n m Jと
あるのをlr m m Jと訂正する。 2、本願明細書中、第14頁第12行目〜第16行目を
以下のように訂正する。 『ることができる。1 以上
Figure 1 is a schematic configuration diagram of the ion plating method of the present invention and the apparatus used for its implementation, Figure 1a is a partial explanatory diagram showing another example of the anode, and Figure 2 (a) is the magnetic field of the plasma generation part. A plan view showing the distribution, FIG. 2(b) is a side view of the same, FIG. 3(a) is a plan view schematically showing the flow of electrons in the plasma generation part, and FIG. 3(b) is a side view of the same. 4 is a plan view showing another embodiment of the plasma generation mechanism, and FIG. 5 is an infrared absorption spectrogram of the thin film obtained by the present invention.
FIG. 6 is also an X-ray diffraction diagram. ■・−・Vacuum chamber, 2・−・Evaporation source, 3−・・Substrate, 4・
- Gas nozzle, 5- Plasma generation mechanism, 6...
Cathode, 7...-Anode, 8a, 8b...-Magnet,
9...Auxiliary anode, W-Work, PR-Plasma Patent applicant Shinko Seiki Co., Ltd. Agent Patent attorney Kuro 1) Hiroshi Yasushi Figure 1. Figure 1a Figure 5 Wave! ! Me1CP540F\>, lz Diffraction angle 2θ (
Cu9 Procedural amendment December 7, 1999 Commissioner of the Patent Office Fumiyoshi Yoshida Examiner of the Patent Office 1, Indication of the case 1999 Patent Application No. 287434 2, Name of the invention Reactive ion plating method 3. Relationship with the case of the person making the amendment Patent applicant Shinko Seiki Co., Ltd. 4, Agent Saturn Building, 1-14-5 Kyobashi, Chuo-ku, Tokyo 104 Tel: 564-5948 Ibanpe 5, Notification of reasons for refusal Date Initiation 1 1.12゜Completion 1 Amendment 1: In the specification of the present application, in the 6th line of page 8, r n m J is corrected to lr m m J. 2. In the specification of the present application, lines 12 to 16 on page 14 are corrected as follows. ``I can. 1 or more

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)真空槽内に蒸発材の蒸発源とこれと対面する基板
を配置し、反応性ガスの存在下で前記蒸発源から蒸発し
た材料粒子を熱陰極放電を利用してイオン化しワークに
反応生成膜を付着させる形式のイオンプレーティング方
法において、真空槽内にガスを導入し、蒸発源と基板を
結ぶ距離の中間又は基板寄りの領域で、熱電子放射用の
カソードとこれと対峙され正の電圧を印加したアノード
間に平行な磁界を利用してプラズマを形成し、このプラ
ズマ中に蒸発源から蒸発した材料粒子を通過させると共
に、基板に負の電圧または高周波を与えてプラズマ中で
生成したイオンを引出し、ワーク上に衝突させることを
特徴とする反応性イオンプレーティング方法。
(1) Place an evaporation source of evaporation material and a substrate facing it in a vacuum chamber, and in the presence of a reactive gas, the material particles evaporated from the evaporation source are ionized using hot cathode discharge and react with the workpiece. In the ion plating method that attaches a produced film, a gas is introduced into a vacuum chamber, and a cathode for thermionic emission is opposed to and placed in a region near the substrate or in the middle of the distance between the evaporation source and the substrate. Plasma is formed using a parallel magnetic field between the anodes to which a voltage of A reactive ion plating method characterized by extracting ions and colliding them onto a workpiece.
(2)熱電子放射用カソードとこれと対峙するアノード
間に平行な磁界を形成する手段として、それら電極が形
成する電界の方向と同じ向きに磁界が形成されるように
配置された一対の磁石を用いる特許請求の範囲第1項記
載の反応性イオンプレーティング方法。
(2) A pair of magnets arranged so that the magnetic field is formed in the same direction as the electric field formed by these electrodes, as a means for forming a parallel magnetic field between the thermionic emission cathode and the anode facing it. The reactive ion plating method according to claim 1, which uses the following.
(3)アノードの近くに正電圧を印加した補助アノード
を配してプラズマの着火を行うことを含む特許請求の範
囲第1項記載の反応性イオンプレーティング方法。
(3) The reactive ion plating method according to claim 1, which includes igniting the plasma by arranging an auxiliary anode to which a positive voltage is applied near the anode.
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KR100356564B1 (en) * 1996-12-17 2002-12-18 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤 Ion Plating Apparatus and Method Preventing Wasted Evaporation of Evaporation Materials
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