JPH04289164A - イオンプレーティングによる成膜方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオンプレーティング
による成膜方法に関する

【０００２】

【従来の技術】一般にイオンプレーティングによる成膜
方法は、通常のＣＶＤ法、スパッタ法に比べて基材表面
に密着性の高い被膜を形成できるという特徴を有する。 かかる特徴を持つイオンプレーティングによる成膜方法
を基材である構造材に適用した場合、生産性の向上や構
造材の表面粗度に影響されずに表面が平滑な厚い被膜を
成膜する観点から、高速度で成膜することが要望されて
いる。

【０００３】ところで、従来のイオンプレーティングに
よる成膜方法としては、特開昭６３−６２８７２号に開
示された方法が知られている。かかる成膜方法は、真空
チャンバ内に配置したルツボ中の成膜材料に電子ビーム
を照射して蒸発させ、前記チャンバ側壁に設けたプラズ
マ銃からのプラズマを前記チャンバ内上部の基材ホルダ
の上面に配置した永久磁石により前記ホルダ下面に保持
した基材に絞り込み、前記蒸発した成膜材料を前記プラ
ズマでイオン化して前記基材表面に成膜するものである
。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た成膜方法ではプラズマ電流が基材に流れるため、基材
温度はプラズマ電流に従属される。このため、プラズマ
中に導入された蒸発物質のイオン化率を上げる目的で、
前記プラズマ電流を上げると、基材温度が上昇する。一
方、成膜速度を高める目的でプラズマ電流と永久磁石の
磁場を上げると、基材表面付近のプラズマ密度が高くな
るため、前記基材表面に成膜された薄膜がスパッタされ
て成膜速度が低下する。その結果、基材温度と成膜速度
を独立して制御できず、基板温度を一定にして成膜速度
を上げることができないという問題があった。なお、成
膜中での基材温度の上昇は耐熱性の低い材料からなる基
材への成膜が困難となり、基材の材質が制約されるとい
う問題を生じる。

【０００５】本発明は、前記従来の問題点を解決するた
めになされたもので、基材温度の上昇を抑制しつつ、前
記基材表面への高速成膜を達成したイオンプレーティン
グによる成膜方法を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、真空チャンバ
内の上部付近に基材を保持し、前記チャンバ内の底部付
近に電子銃で蒸着物質を蒸発する蒸着源を配置し、前記
チャンバの側壁に設けられたプラズマ銃からのプラズマ
を永久磁石を有する対向電極で前記チャンバ内に引き出
し、少なくとも前記蒸発された蒸着物質を前記プラズマ
でイオン化して負電位が印加された前記基材表面に成膜
するに際し、前記基材中心と前記蒸着源中心を結ぶ直線
と前記プラズマ銃および前記対向電極が位置する平面と
の交点またはその近傍における磁束密度を最小とし、そ
の最小磁束密度を１８ガウス以上に設定することを特徴
とするイオンプレーティングによる成膜方法である。前
記交点の近傍とは、前記基材から投影され、前記基材の
中心からその周縁までの距離の半分に長さに亘る領域内
を意味するものである。

【０００７】前記最小磁束密度を限定した理由は、１８
ガウス未満にすると高速成膜、つまり５０オングストロ
ーム（以下、Ａと称する）／秒以上の高速成膜を達成す
ることができなくなるからである。より好ましい最小磁
束密度は、２５〜１００ガウスの範囲である。

【０００８】前記基材表面に成膜される被膜は、前記蒸
着物質からなるものの他に、前記チャンバ内に反応ガス
を導入して前記蒸着物質と前記プラズマ中で反応させる
ことにより所望の化合物被膜を前記基材表面に形成する
ことが可能となる。

【０００９】

【作用】本発明によれば、真空チャンバ内の上部付近に
基材を保持し、前記チャンバ内の底部付近に電子銃で蒸
着物質を蒸発する蒸着源を配置し、前記チャンバの側壁
に設けられたプラズマ銃からのプラズマを永久磁石を有
する対向電極で前記チャンバ内に引き出し、少なくとも
前記蒸発された蒸着物質を前記プラズマでイオン化して
負電位が印加された前記基材表面に成膜するに際し、前
記基材中心と前記蒸着源中心を結ぶ直線と前記プラズマ
銃および前記対向電極が位置する平面との交点またはそ
の近傍における磁束密度を最小とし、その最小磁束密度
を１８ガウス以上に設定することによって、前記基材の
下方近傍にシート状で高密度のプラズマを発生できる。 その結果、前記基材に負電位を印加することによって、
前記高密度プラズマ中でイオン化された正イオンの蒸着
物質の大部分を前記基材表面に成膜できる。従って、基
材温度の上昇を抑制しつつ、前記基材表面への高速成膜
を達成できる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図３を参照し
て詳細に説明する。

【００１１】図１は、実施例で使用したイオンプレーテ
ィング装置を示す概略横断面図、図２は図１のＩＩ−Ｉ
Ｉ線に沿う断面図、図３は前記装置によるプラズマの生
成を説明するための斜視図である。図中の１は、正方形
筒状の真空チャンバであり、このチャンバ１の上部側壁
には該チャンバ１内を所定の真空度に維持するための真
空ポンプと連通する排気管２が設けられている。また、
図中の３は蒸着源である。この蒸着源３は、前記チャン
バ１の底部に設置されたルツボ４と、前記チャンバ１の
側壁下部に設けられ、前記ルツボ４に電子ビームを照射
するための電子銃５と、前記ルツボ４の上方付近に配置
され、前記電子銃５からの電子ビームを偏向させて前記
ルツボ４内の蒸着材料に照射するための一対の偏向磁石
６とから構成されている。

【００１２】前記チャンバ１の一側壁外面には、プラズ
マ発生源としてのプラズマ銃７が設けられており、前記
プラズマ銃７の後部にはアルゴン（Ａｒ）等の所定のガ
スを導入するための導入管（図示せず）が設けられてい
る。前記プラズマ銃７が設けられた前記チャンバ１の側
壁外面には、絞りコイル８が設けられ、かつ同側壁には
プラズマの絞り部９が設けられている。前記プラズマ銃
７が設けられた前記チャンバ１の一側壁を除く他の３つ
の側壁には、３つの支持軸１０１　、１０２　、１０３
　が前記プラズマ銃７と同一平面内に位置するように貫
通して挿入されている。前記各支持軸１０１　、１０２
　、１０３　の前記チャンバ１内に位置する先端には、
矩形状をなす対向電極１１１　、１１２　、１１３　が
それぞれ固定されている。前記各対向電極１１１　、１
１２　、１１３　のうち対向電極１１１　は、前記プラ
ズマ銃７が設けられた側壁に対向されている。残りの２
つの対向電極１１２　、１１３　は互いに平行となるよ
うに対向して配置され、かつ前記対向電極１１２　は前
記電子銃５が設けられた前記チャンバ１の側壁の内面近
傍に配置されている。前記各対向電極１１１　、１１２
　、１１３　は、互いに対向する面がＳ極となるように
矩形状の永久磁石１２１　、１２２　、１２３　が内蔵
されている。前記各支持軸１０１　、１０２　、１０３
　は、前記プラズマ銃７と電気的に接続され、かつ前記
各部材を接続する配線には前記プラズマ銃７に負電位を
印加するための直流電源１３が介装され、プラズマの精
製に際して前記プラズマ銃７と前記各対向電極１１１　
、１１２、１１３　との間で電位勾配を付与できるよう
になっている。前記プラズマ銃７が設けられた前記チャ
ンバ１の一側壁を除く他の３つの側壁の外面近傍には、
３つの空心コイル１４１　、１４２　、１４３　が前記
各対向電極１１１　、１１２　、１１３と対応して配置
されている。

【００１３】前記チャンバ１内のシート状プラズマ生成
領域の上方近傍には、基材を保持するためのホルダ１５
が配設されており、かつ該ホルダ１５は回転軸１６によ
り支持、吊下されている。前記回転軸１６は、可変電源
１７に接続され、前記回転軸１６を通して前記ホルダ１
５に負電圧が印加されるようになっている。前記チャン
バ１の側壁下部には、反応ガスの導入管１８が連結され
ている。次に、前述したイオンプレーティング装置を用
いてＴｉＮ被膜を成膜する方法を説明する。

【００１４】まず、ホルダ１５にＳＵＳ３０４からなる
基材１９を保持し、蒸着源３のルツボ４内にＴｉを収容
した後、図示しない真空ポンプを作動して真空チャンバ
１内のガスを排気管２を通して排気してチャンバ１内の
圧力を１×１０−５ｔｏｒｒ第に廃棄した後、ガス導入
管１８からＮ２　ガスを真空チャンバ１内に供給してＮ
２　分圧を３×１０−３〜５×１０−３ｔｏｒｒとする
。つづいて、可変電源１７から回転軸１６及びホルダ１
５を通して基材１９に負電圧を印加しながら、電子銃５
から電子ビームを放出し、一対の偏向磁石６により前記
電子ビームを前記ルツボ４内に収容したＴｉに照射して
溶融、蒸発させる。 同時に、プラズマ銃７にアルゴンガスを供給し、前記プ
ラズマ銃７よりプラズマを生成すると、前記プラズマ銃
７に対向して配置され、電源１３により前記プラズマ銃
７との間で電位勾配を持たせた３つの対向電極１１１　
、１１２　、１１３　によりプラズマ２０がチャンバ１
内に絞り部９を通して引き出される。この時、前記各対
向電極１１１　、１１２　、１１３　は、互いに対向す
る面がＳ極となるように矩形状の永久磁石１２１　、１
２２　、１２３　が内蔵され、かつ前記対向電極１１１
　、１１２　、１１３　の背面（チャンバ１の側壁外面
近傍）に空心コイル１４１　、１４２　、１４３　が配
置されているため、図３に示すようにホルダ１５の下方
近傍に前記各磁石１２１　、１２２　、１２３　の背面
のＮ極から対向面のＳ極に向かう強力な磁場（磁束密度
）Ｂ１　、Ｂ２　、Ｂ３　が発生する。このような磁場
が発生すると、前記プラズマ銃７から引き出されたプラ
ズマ２０は前記各磁束密度Ｂ１　、Ｂ２　、Ｂ３　に絡
まって前記各磁石１２１　、１２２　、１２３　に引き
込まれるため、前記ホルダ１５の下方近傍においてシー
ト状となり、高密度化される。また、前記空心コイル１
４１　、１４２　、１４３　への供給電流量を調節する
ことにより、さらに強力な磁束が発生され、一層高密度
化されたシート状プラズマが形成される。しかも、前記
空心コイル１４１　、１４２　、１４３　への供給電流
量を調節により前記シート状プラズマ２０の平面形状が
制御される。 なお、前記シート状プラズマ２０の生成に際し、磁束密
度は前記ルツボ４の中心と前記ホルダ１５中心とを結ぶ
線と前記プラズマ銃７および各対向電極１１１　、１１
２　、１１３　で形成される面との交点が最小となり、
前記交点から前記磁石１２１　、１２２　、１２３　に
向かうに従って磁束密度が増大する。つまり、前記シー
ト状プラズマ２０の密度は前記交点で最小となり、前記
交点から前記磁石１２１　、１２２　、１２３　に向か
うに従って増大する。

【００１５】このようなプラズマ密度の高いシート状プ
ラズマ２０を前記ホルダ１５（基材１９）の下方近傍に
生成すると、前記蒸着源３により蒸気化されたＴｉが前
記プラズマ２０内に上昇する過程で効率よくイオン化さ
れると共に、前記供給されたＮ２　ガスも前記プラズマ
２０内で活性化される。イオン化されたＴｉ（正イオン
のＴｉ）は、前記負電圧が印加された基材１９側に加速
、衝突されると共に前記活性化されたＮ２　と反応する
ことにより前記基材１９表面にＴｉＮ被膜が高速成膜さ
れる。

【００１６】上述した成膜に際し、前記ルツボ４の中心
と前記ホルダ１５中心とを結ぶ線と前記プラズマ銃７お
よび各対向電極１１１　、１１２　、１１３　で形成さ
れる面との交点での磁束密度およびプラズマ電流を下記
表１に示す条件に設定し、ＴｉＮ被膜の成膜速度および
基材温度を測定した。その結果を同表１に併記した。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　表１　　　　　　　　Ｎｏ　　　　
　　磁束密度　　　　プラズマ電流　　成膜速度　　　
　基板温度　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ガ
ウス）　　（アンペア）　　（Ａ／秒）　　　　（℃）
　　　　　　　　　　１　　　　　　　　１５　　　　
　　　　　　６０　　　　　　　　３０　　　　　　　
　３００　　　　　　　　　　２　　　　　　　　１９
　　　　　　　　　　７０　　　　　　　　５０　　　
　　　　　４００　　　　　　　　　　３　　　　　　
　　２５　　　　　　　　２２０　　　　　　２１０　
　　　　　　　５００　　　　　　　　　　４　　　　
　　　　２６　　　　　　　　２５０　　　　　　２８
０　　　　　　　　５００

【００１７】前記表１から明
らかなように前記ルツボ４の中心と前記ホルダ１５中心
とを結ぶ線と前記プラズマ銃７および各対向電極１１１
　、１１２　、１１３　で形成される面との交点での磁
束密度を１８ガウス以上にすることによって、５０Ａ／
秒以上の高速でＴｉＮ被膜を成膜でき、しかも基材温度
の上昇を抑制できることがわかる。

【００１８】また、前記Ｎｏ２〜Ｎｏ４の条件で成膜さ
れたＴｉＮ被膜について、臨界荷重、硬度およびＥＰＭ
ＡによるＮ／Ｔｉの比率をそれぞれ測定した。その結果
、スクラッチ臨界荷重は３０〜４０Ｎ、ビッカース硬度
（１０ｇ）は２２００〜２７００、Ｎ／Ｔｉの比率は８
０％以上で、通常のイオンプレーティングにより成膜さ
れたＴｉＮ被膜と遜色のない特性を有することが確認さ
れた。なお、前記実施例ではＴｉＮ被膜の成膜について
説明したが、以外の金属被膜、合金被膜、または化合物
被膜の成膜にも同様に適用できる。

【００１９】

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明によれば基材
温度の上昇を抑制しつつ、前記基材表面に所望の被膜を
高速成膜でき、さらに基材の材料の制約を受けることな
く、生産性の向上や構造材の表面粗度に影響されずに表
面が平滑な厚い被膜を形成できる等顕著な効果を奏する
イオンプレーティングによる成膜方法を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で使用したイオンプレーティング装置を
示す概略横断面図。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。

【図３】図１のイオンプレーティング装置によるプラズ
マの生成を説明するための斜視図。

【符号の説明】

１…真空チャンバ、３…蒸着源、４…ルツボ、５…電子
銃、７…プラズマ銃、１１１　、１１２　、１１３　…
対向電極、１２１、１２２　、１２３　…永久磁石、１
４１　、１４２　、１４３　…空心コイル、１５…ホル
ダ、１７…可変電源、１８…ガス導入管、１９…基材、
２０…プラズマ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　真空チャンバ内の上部付近に基材を保
   持し、前記チャンバ内の底部付近に電子銃で蒸着物質を
   蒸発する蒸着源を配置し、前記チャンバの側壁に設けら
   れたプラズマ銃からのプラズマを永久磁石を有する対向
   電極で前記チャンバ内に引き出し、少なくとも前記蒸発
   された蒸着物質を前記プラズマでイオン化して負電位が
   印加された前記基材表面に成膜するに際し、前記基材中
   心と前記蒸着源中心を結ぶ直線と前記プラズマ銃および
   前記対向電極が位置する平面との交点またはその近傍に
   おける磁束密度を最小とし、その最小磁束密度を１８ガ
   ウス以上に設定することを特徴とするイオンプレーティ
   ングによる成膜方法。