成膜装置および成膜方法
【課題】 期待通りの性能を奏する被膜を形成する。
【解決手段】 この成膜装置１０によれば、真空槽１２内のプラズマ領域６４内でイオン化された材料、例えば窒素イオンおよびホウ素イオンは、当該プラズマ領域６４内にある被処理物３６，３６，…に照射される。これによって、被処理物３６，３６，…の表面に、窒素およびホウ素の化合物であるｃＢＮ膜が形成される。ここで、被処理物３６，３６，…には、バイアス電力Ｅｂとして、周波数ｆが１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］のパルス電力が供給される。従って、例えば当該バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が供給される場合に比べて、表皮効果による影響が抑制され、ひいては被処理物３６，３６，…の変質が防止される。よって、期待通りの高硬度なｃＢＮ膜を形成することができる。
【解決手段】 この成膜装置１０によれば、真空槽１２内のプラズマ領域６４内でイオン化された材料、例えば窒素イオンおよびホウ素イオンは、当該プラズマ領域６４内にある被処理物３６，３６，…に照射される。これによって、被処理物３６，３６，…の表面に、窒素およびホウ素の化合物であるｃＢＮ膜が形成される。ここで、被処理物３６，３６，…には、バイアス電力Ｅｂとして、周波数ｆが１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］のパルス電力が供給される。従って、例えば当該バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が供給される場合に比べて、表皮効果による影響が抑制され、ひいては被処理物３６，３６，…の変質が防止される。よって、期待通りの高硬度なｃＢＮ膜を形成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、成膜装置および成膜方法に関し、特に例えば被処理物の表面に被膜を形成する成膜装置および成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の成膜装置として、従来、例えば特許文献１に開示されたものがある。この従来技術によれば、特にｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）膜を形成するのに適しており、具体的には、まず、当該ｃＢＮ膜の形成に先立って、基板クリーニングとして２種類のボンバード処理（放電洗浄処理）が行われる。そして、このボンバード処理の後に、中間層としてのＴｉＮ（窒化チタン）膜が形成される。さらに、当該ＴｉＮ膜の上に、Ｂ（ホウ素）膜およびＢＮ（窒化ホウ素）膜が、この順番で形成される。そして、ＢＮ膜の形成過程で、放電ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスに対する材料ガスとしての窒素（Ｎ２）ガスの流量比が段階的に増やされ、これによってホウ素に対する窒素の組成比率（Ｎ／Ｂ）が段階的に増大し、最終的にｃＢＮ膜が形成される。
【０００３】
なお、これら一連の表面処理過程において、被処理物としての基板には、当該基板表面へのイオンの衝突を促進させるべく、バイアス電力が供給される。そして、このバイアス電力として、周波数が１３．５６［ＭＨｚ］の高周波（ＲＦ）電力が採用される。このように、バイアス電力として高周波電力が採用されるのは、基板表面におけるチャージアップの発生を防止するためであり、換言すれば、当該バイアス電力の周波数が高いほどチャージアップが発生し難いとされているからである。よって、従来技術に限らず、これまでの他の成膜装置においても、基板用のバイアス電力として常套的に高周波電力が採用されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１０５６２４号公報（第００３８段落〜第００４０段落）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述の如く基板にバイアス電力としての高周波電力が供給されると、表皮効果によって主に当該基板の表面にのみ電流が流れる。すると、基板の表面温度が上昇し、この温度上昇によって基板が変質し、ひいては脆弱化することがある。そして、このように基板が脆弱化すると、ｃＢＮ膜という高硬度被膜が形成されたことによる所期の強度が得られず、そればかりか、却って基板全体としての強度が低下する。これでは、ｃＢＮ膜を形成すること自体が無意味になる。つまり、従来技術では、ｃＢＮ膜を含め、期待通りの被膜を形成することができない、という問題がある。
【０００６】
そこで、この発明は、期待通りの被膜を形成することができる成膜装置および成膜方法を提供することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる目的を達成するために、第１の発明は、被処理物の表面に被膜を形成する成膜装置において、当該被膜の材料をイオン化するイオン化手段と、このイオン化手段によってイオン化された材料を被処理物の表面へ衝突させるためのバイアス電力を当該被処理物に供給するバイアス供給手段と、を具備する。そして、バイアス供給手段は、バイアス電力として周波数が１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］の交流電力を被処理物に供給することを、特徴とするものである。
【０００８】
即ち、この第１の発明では、イオン化手段によって、被膜の材料がイオン化される。そして、イオン化された材料は、バイアス供給手段によってバイアス電力が供給されている被処理物の表面に衝突する。これによって、被処理物の表面に材料が堆積し、当該材料に従う被膜が形成される。ここで、バイアス電力は、上述した従来技術におけるバイアス電力よりも遥かに周波数の低い１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］の交流電力とされている。このため、従来技術に比べて、表皮効果の影響が遥かに小さく、換言すれば被処理物の内部にも電流が流れる（拡散される）。従って、その分、被処理物の温度上昇が抑制され、ひいては変質が防止される。また、かかる１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］という周波数であれば、被処理物の表面にチャージアップが生じないことも、このたび実験によって確認された。
【０００９】
なお、この発明においては、被膜の電気抵抗率（比抵抗）に応じてバイアス電力の周波数が設定されるのが、望ましい。具体的には、被膜の電気抵抗率が高いほどバイアス電力の周波数が高めに設定され、被膜の電気抵抗率が低いほどバイアス電力の周波数が低めに設定されるようにする。このようにすれば、それぞれ電気抵抗率が異なる様々な被膜を、適切に形成することができる。
【００１０】
そして、バイアス電力は、概略矩形波電力であってもよい。この場合、成膜処理の安定化を図るべく、当該概略矩形波電力のデューティ比、ハイレベル時の電圧値、およびローレベル時の電圧値、の一部または全部を、任意に変更可能とするのが、望ましい。このようにすれば、被膜の性質、被処理物の性質に応じて、当該被膜をより適切に形成することができる。
【００１１】
また、被処理物としては、例えばエンドミルやスローアウェイチップ等のような切削工具を含む刃物がある。即ち、特に高硬度（耐摩耗性）が要求される刃物において、かかる要求に対応するべく保護膜（補強膜）としての高硬度被膜を形成するのに、この発明は好適である。
【００１２】
そして、当該高硬度被膜として、例えば上述したｃＢＮ膜が適当である。
【００１３】
第２の発明は、被処理物の表面に被膜を形成する成膜方法において、当該被膜の材料をイオン化するイオン化過程と、このイオン化過程によってイオン化された材料を被処理物の表面へ衝突させるためのバイアス電力を当該被処理物に供給するバイアス供給過程と、
を具備する。そして、バイアス供給過程においては、バイアス電力として周波数が１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］の交流電流が被処理物に供給されることを、特徴とするものである。
【００１４】
即ち、第２の発明は、第１の発明に対応する方法発明であり、よって第１の発明と同様の作用を奏する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、バイアス電力として、上述した従来技術における高周波電力よりも遥かに周波数の低い１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］の交流電力が被処理物に供給されるので、表皮効果に起因する当該被処理物の温度上昇が抑制され、ひいては変質が防止される。従って、被処理物の変質を招くことなく、期待通りの性能を奏する被膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の一実施形態について、図１〜図１４を参照して説明する。
【００１７】
この実施形態に係る成膜装置１０は、イオンプレーティング法を採用するものであり、図１〜図３に示すように、概略円筒形の真空槽１２を有している。なお、図１は、成膜装置１０の内部を正面から見た図であり、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【００１８】
真空槽１２は、円筒形の両端に対応する部分を水平方向に向けた状態で配置されており、当該両端に対応する部分は、概略円盤状の前方壁板１４およびこれと略同形状の後方壁板１６によって閉鎖されている。そして、これらの前方壁板１４および後方壁板１６を含む真空槽１２は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）によって形成されており、それ自体は、共通電位としての接地電位（ＧＮＤ）に接続されている。また、真空槽１２の内部は、排気手段としての図示しない真空ポンプによって排気される。なお、真空槽１２の直径Ｃは、例えば１１４０［ｍｍ］であり、奥行寸法Ｄは、例えば８８５［ｍｍ］である。
【００１９】
そして、真空槽１２内の略中央には、蒸発源１８が配置されている。この蒸発源１８は、蒸発材料２０が収容される坩堝２２と、当該蒸発材料２０を加熱するための材料加熱手段、例えば電子銃２４とを、備えている。さらに、蒸発源１８の下方近傍には、槽内加熱手段としてのヒータ２６が配置されている。なお、電子銃２４は、真空槽１２の外部に設けられた図示しない電子銃用電源装置から所定の直流電力（電子銃パワー）が供給されることによって、電子ビームを発射し、蒸発材料２０を加熱する。そして、ヒータ２６は、真空槽１２の外部に設けられた図示しないヒータ用電源装置から所定の交流電力が供給されることによって、発熱する。
【００２０】
また、真空槽１２内には、自公転機構２８が設けられている。具体的には、自公転機構２８は、真空槽１２の直径Ｃ（厳密には内径）よりも少し、例えば１００［ｍｍ］ほど径の小さい円盤状の筐体を有しており、この筐体の中央を真空槽１２（円筒形）の中心軸に一致させた状態で、後方壁板１６の内側面に近接して設けられている。そして、この自公転機構２８の中央には、回転軸３０が設けられており、この回転軸３０は、後方壁板１６を貫通して、真空槽１２の外部に設けられたモータ３２の図示しないシャフトに結合されている。さらに、自公転機構２８の前方側周縁近傍には、当該周縁に沿って等間隔（５度間隔）に複数個、例えば７２個の支持手段としてのホルダ３４，３４，…が設けられている。そして、これらのホルダ３４，３４，…のそれぞれに、被処理物３６が取り付けられる。なお、図１〜図３は、当該被処理物３６として、例えばマシニングセンタ用のエンドミルが取り付けられている状態を示す。かかるエンドミルのような細長い被処理物３６は、真空槽１２の中心軸に沿う方向に延伸するようにそれぞれのホルダ３４に取り付けられる。そして、各ホルダ３４，３４，…の並びによって描かれる円の直径（真空槽１２の中心軸を間に挟んで互いに対向する２つのホルダ３４および３４間の距離）Ｆは、例えば９２０［ｍｍ］とされている。
【００２１】
かかる自公転機構２８によれば、モータ３２が駆動されて、回転軸３０が回転すると、各ホルダ３４，３４，…に取り付けられた被処理物３６，３６，…が、真空槽１２の中心軸を中心として例えば図１に矢印３８で示す方向（時計方向）に回転する。言い換えれば、各被処理物３６，３６，…は、蒸発源１４の周りを言わば公転する。これと同時に、それぞれの被処理物３６は、自身を中心として例えば時計方向に回転し、言わば自転する。なお、自転速度は、公転速度よりも速く、例えば公転速度の１０倍である。
【００２２】
さらに、真空槽１２内には、互いに距離を置いて対向するように、カソード４０およびアノード４２が設けられている。このうち、カソード４０は、例えば直径が１［ｍｍ］、長さ寸法が２００［ｍｍ］〜４００［ｍｍ］ほどの概略直線状のタングステン製フィラメント（厳密には長さ寸法が数十［ｍｍ］ほどの直線状のフィラメントが複数本（例えば３本）直列に接続されたもの）を備えている。そして、このカソード４０は、蒸発源１８とその真上にある被処理物３２との略中間で、かつ真空槽１２を正面から見て（図１において）当該真空槽１２の中央よりも少し右寄りの位置に、当該真空槽１２の中心軸に沿う方向に延伸するように、配置されている。
【００２３】
一方、アノード４２は、例えばモリブデン製またはタングステン製であり、長さ寸法が２００［ｍｍ］〜４００［ｍｍ］程度の四角柱状に形成されたものである。そして、このアノード４２は、真空槽１２の中心軸を通る垂直面を挟んで、カソード４０と略正反対側の位置に、当該真空槽１２の中心軸に沿う方向に延伸するように、配置されている。なお、これらカソード４０とアノード４２との間の距離は、例えば２００［ｍｍ］〜３００［ｍｍ］程度とされている。
【００２４】
そして、カソード４０には、真空槽１２の外部に設けられたカソード電力供給手段としてのカソード加熱用電源装置４４から、交流のカソード電力Ｅｃが供給される。また、このカソード加熱用電源装置４４の接地用端子には、カソードバイアス供給手段としてのカソードバイアス用電源装置４６から、直流のカソードバイアス電圧Ｖｃｂが印加される。つまり、交流のカソード電力Ｅｃに対して、直流のカソードバイアス電圧Ｖｃｂが重畳される。なお、カソードバイアス電圧Ｖｃｂは、接地電位を基準とする負電圧である。
【００２５】
一方、アノード４２には、真空槽１２の外部に設けられたアノード電力供給手段としてのアノード用電源装置４８から、直流のアノード電圧Ｖａが印加される。なお、このアノード電圧Ｖａは、接地電位を基準とする正電圧である。
【００２６】
さらに、真空槽１２内には、カソード４０およびアノード４２を間に挟んで、磁界発生手段としての１対の磁界発生器５０および５２が設けられている。具体的には、各磁界発生器５０および５２のそれぞれは、細長い直方体状の筐体を有している。そして、これらの磁界発生器５０よび５２は、カソード４０およびアノード４２を間に挟んだ状態でそれぞれの一側面を互いに対向させ、厳密には当該一側面を斜め上方に向け、かつカソード４０およびアノード４２と平行を成して延伸するように（つまり真空槽１２の中心軸に沿う方向に延伸するように）、配置されている。なお、各磁界発生器５０および５２の長さ寸法は、例えば２００［ｍｍ］〜４００［ｍｍ］程度とされている。また、各磁界発生器５０および５２間の距離は、例えば２５０［ｍｍ］〜３５０［ｍｍ］程度とされている。
【００２７】
そして、各磁界発生器５０および５２には、それぞれ図示しない永久磁石が内蔵されている。詳しくは、各磁界発生器５０および５２の互いに対向する一側面（言わば内側面）が、互いに異なる磁極となるように、当該永久磁石が内蔵されている。なお、ここでは、カソード４０側に配置された磁界発生器５０の内側面がＳ極とされ、アノード４２側に配置された磁界発生器５２の内側面がＮ極とされている。これによって、これらの磁界発生器５０および５２で挟まれた空間に磁界が発生する。
【００２８】
さらにまた、当該磁界の発生領域を拡張するために、各磁界発生器５０および５２にはヨーク５４および５６が取り付けられている。これらのヨーク５４および５６は、平板状のものであり、その幅寸法は、各磁界発生器５０および５２（筐体）の幅寸法よりも大きく、例えば当該各磁界発生器５０および５２（筐体）の幅寸法の１．５倍〜２倍程度とされている。そして、各ヨーク５４および５６の長さ寸法は、各磁界発生器５０および５２の長さ寸法と略同等とされている。これらのヨーク５４および５６は、各磁界発生器５０および５２の内側面とは反対側の面（言わば外側面）を覆うように、かつ当該外側面の上方縁から上方に突出する（はみ出す）ように、取り付けられている。かかるヨーク５４および５６が取り付けられることで、各磁界発生器５０および５２による磁界の発生領域がより拡張される。
【００２９】
なお、上述したように各磁界発生器５０および５２は互いに対向する一側面を斜め上方に向けた状態で配置されているが、これもまた、磁界の発生領域を拡張させるためであり、詳しくは一定の磁束密度を維持しつつ被処理物３６，３６，…の近傍において広い磁界を形成するためである。これらの磁界発生器５０および５２の傾斜角度は、両者間の距離に応じて変わり、例えば５度〜４５度とされ、ここでは約３０度とされている。そして、言うまでもなく、当該各磁界発生器５０および５２の傾斜に応じて、各ヨーク５４および５６も傾けられている。また、アノード４２についても同様に、当該アノード４２側に配置された磁界発生器５２と同じ方向に傾けられている。かかる構成により、この実施形態においては、各磁界発生器５０および５２間の略中央において、例えば６［ｍＴ］〜１０［ｍＴ］という比較的に大きい磁束密度が得られる。また、各磁界発生器５０および５２の上縁から最上位にある被処理物３６（公転軌道の最上位）までの高さ寸法Ｈは、例えば１０５［ｍｍ］±６０［ｍｍ］とされている。
【００３０】
そして、真空槽１２内には、ガス導入手段としてのガス管５８を介して、後述するプラズマを発生させるための放電ガス、および被膜の材料となる材料ガスのそれぞれが、適宜導入される。なお、ガス管５８は、これらのガスを効率よく放電（電離）させるべく、上述の磁界の近辺、例えばアノード４２の少し下方に、当該各ガスを噴出させるように配置されている。また、真空槽１２の外部には、当該ガス管５８内を流れるガスの流量を個別に制御するための流量制御手段としてのマスフローコントローラ６０が設けられている。
【００３１】
さらに、各被処理物３６，３６，…には、真空槽１２の外部に設けられたバイアス供給手段としてのパルス電源装置６２から、自公転機構２８およびホルダ３４，３４，…を介して、バイアス電力Ｅｂとしてのパルス電力が供給される。具体的には、当該パルス電力Ｅｂは、図４に示すような矩形波電力であり、その周波数ｆは、１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］の範囲内で任意に設定可能とされている。そして、デューティ比（Ｔ’／Ｔ）は、２０［％］一定とされており、ハイレベル時の電圧値Ｖａは、＋３７［Ｖ］一定とされている。そして、ローレベル時の電圧値Ｖｂによって、平均電圧値Ｖｍが、例えば０［Ｖ］〜−１１０［Ｖ］の範囲内で任意に設定される。
【００３２】
このように構成された成膜装置１０によれば、上述したｃＢＮ膜を形成することができる。具体的には、まず、当該ｃＢＮ膜の形成に先立って、放電洗浄処理が行われる。そして、この放電洗浄処理の後に、中間層としてのＴｉＮ膜が形成され、続いてｃＢＮ膜が形成される。なお、これらＴｉＮ膜およびｃＢＮ膜の形成に際しては、上述した蒸発材料２０として、固形のチタン材およびホウ素材が、個別に坩堝２２内に収容される。そして、上述した放電ガスとして例えばアルゴンガスが用いられ、材料ガスとして窒素ガスが用いられる。
【００３３】
より具体的に説明すると、まず、放電洗浄処理を行うべく、真空ポンプによって真空槽１２内が排気され、例えば１×１０−４［Ｐａ］ほどの高真空状態とされる。そして、ヒータ２６によって被処理物３６，３６，…が例えば３００［℃］〜６００［℃］に加熱された後、ガス管５８を介して真空槽１２内にアルゴンガスが導入される。このアルゴンガスが導入された状態での真空槽１２内の圧力は、例えば４×１０−２［Ｐａ］〜１×１０−１［Ｐａ］程度とされる。
【００３４】
この状態で、カソード４０に対しカソード加熱用電源装置４４からカソード電力Ｅｃが供給される。すると、カソード４０は加熱されて、熱電子を放出する。そして、アノード４２に対しアノード用電源装置４８からアノード電圧Ｖａが印加されると、当該熱電子は、アノード４２に向かって加速される。この加速過程において、熱電子は、アルゴンガスの粒子に衝突し、これによって、アルゴンガス粒子が放電し、プラズマが発生する。ここで、上述したように、カソード４０に供給される交流のカソード電力Ｅｃには、直流のカソードバイアス電圧Ｖｃｂが重畳されている。従って、熱電子は、このカソードバイアス電圧Ｖｃｂとアノード電圧Ｖａとの総和に応じて加速される。このように熱電子を加速させるためのエネルギ源として、アノード電圧Ｖａの他に、カソードバイアス電圧Ｖｃｂが与えられることで、プラズマが安定する。
【００３５】
さらに、上述したように、カソード４０およびアノード４２が配置されている空間には、磁界が発生している、従って、これらカソード４０およびアノード４２間に発生したプラズマは、当該磁界内に閉じ込められ、これによって図１〜図３のそれぞれに破線模様６４で示すように断面が概略扇状のプラズマ領域が形成される。そして、モータ３２が駆動されると、各被処理物３６，３６，…は、自公転機構２８による公転作用によって、当該プラズマ領域６８に順次搬送される。そして、自公転機構２８による自転作用によって、プラズマ領域６８内にある被処理物３６，３６，…の表面に対し均等にプラズマが作用する。
【００３６】
ここで、パルス電源装置６２から各被処理物３６，３６，…に対し上述したバイアス電力としてのパルス電力が供給されると、プラズマ領域６８内のアルゴンイオンが、当該プラズマ領域６８内にある被処理物３６，３６，…の表面に照射される。そして、このイオン照射による衝撃によって、プラズマ領域６８内にある被処理物３６，３６，…の表面が洗浄され、つまり放電洗浄処理が行われる。
【００３７】
なお、各被処理物３６，３６，…の公転速度は、例えば１［ｒｐｍ］とされる。また、プラズマ領域６８の広がり角度（磁界発生器５０および５２の開き角）は、真空槽１２の中心軸を中心として例えば６０度とされている。従って、各被処理物３６，３６，…は、それぞれ１分間につき１０秒間だけ、いわゆる間欠的に放電洗浄処理を施される。また、各被処理物３６，３６，…は、公転速度の１０倍の速度、つまり１０［ｒｐｍ］で自転しているので、それぞれの表面全体に対して一様に放電洗浄処理が施される。このことは、これから説明するＴｉＮ膜の成膜処理およびｃＢＮ膜の成膜処理においても、同様である。
【００３８】
かかる放電洗浄処理に続いて、ＴｉＮ膜を形成するための成膜処理が行われる。具体的には、次の手順に従って、Ｔｉ膜，ＴｉＮ膜およびＴｉ膜が、順次形成される。
【００３９】
即ち、上述の如く真空槽１２内がアルゴンガス雰囲気で４×１０−２［Ｐａ］〜１×１０−１［Ｐａ］程度に保たれている状態において、蒸発材料２０のうちのチタン材のみが、電子銃２４によって加熱される。これによって、チタン材は、蒸発し、プラズマ領域６４においてイオン化される。そして、イオン化されたチタン、つまりチタンイオンは、プラズマ領域６４内にある被処理物３６，３６，…の表面に照射され、これによって、当該被処理物３６，３６，…の表面に、チタンが堆積し、Ｔｉ膜が形成される。このＴｉ膜の成膜処理は、約２分間にわたって行われる。換言すれば、個々の被処理物３６について、１分間につき１０秒間の当該成膜処理が２回ずつ行われる。
【００４０】
そして、次に、アルゴンガスに加えて、窒素ガスが、当該アルゴンガスと混合された状態で真空槽１２内に導入される。このときも、真空槽１２内の圧力は、４×１０−２［Ｐａ］〜１×１０−１［Ｐａ］程度に保たれる。真空槽１２内に導入された窒素ガスは、プラズマ領域６４においてイオン化される。そして、イオン化された窒素、つまり窒素イオンは、上述のチタンイオンと共に、プラズマ領域６４にある被処理物３６，３６，…の表面（Ｔｉ膜の上）に照射される。これによって、被処理物３６，３６，…の表面に、窒素およびチタンの化合物である窒化チタンが堆積し、ＴｉＮ膜が形成される。このＴｉＮ膜の成膜処理は、２０分〜８０分にわたって行われる。
【００４１】
続いて、窒素ガスの導入が停止される。これによって、上述と同じ要領で、再度、Ｔｉ膜の成膜処理が行われる。この再度のＴｉ膜の成膜処理もまた、約２分間にわたって行われる。この結果、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉという３層構造のＴｉＮ膜の成膜処理が完了する。
【００４２】
このＴｉＮ膜の成膜処理の次に、ｃＢＮ膜の成膜処理が行われる。具体的には、まず、ＴｉＮ膜との密着性を向上させるべくＢ膜が形成される。そして、このＢ膜の上に、ｃＢＮ膜が形成される。
【００４３】
即ち、坩堝２２内のチタン材に代えてホウ素材が、電子銃２４によって加熱される。加熱されたホウ素材は、蒸発し、プラズマ領域６４においてイオン化される。そして、イオン化されたホウ素、つまりホウ素イオンは、プラズマ領域６４内にある被処理物３６，３６，…の表面（ＴｉＮ膜の上）に照射される。これによって、当該被処理物３６，３６，…の表面に、ホウ素が堆積し、Ｂ膜が形成される。このＢ膜の成膜処理は、約１分間にわたって行われる。
【００４４】
そして、この約１分間の経過後、真空槽１２内に窒素ガスが導入される。このときも、真空槽１２内の圧力は、４×１０−２［Ｐａ］〜１×１０−１［Ｐａ］程度に保たれる。真空槽１２内に導入された窒素ガスは、プラズマ領域６８においてイオン化される。そして、このイオン化による窒素イオンは、ホウ素イオンと共に、プラズマ領域６４内にある被処理物３６，３６，…の表面（Ｂ膜の上）に照射される。これによって、被処理物３６，３６，…の表面に、窒素およびホウ素の化合物である窒化ホウ素が堆積し、ｃＢＮ膜が形成される。
【００４５】
なお、このｃＢＮ膜の形成過程においては、時間の経過と共に、窒素ガスの流量が段階的に増大される。これによって、当該ｃＢＮ膜を構成するホウ素に対する窒素の組成比率が段階的に増大する。また、この窒素ガスの流量に応じて、被処理物３６，３６，…に供給されるバイアス電力Ｅｂの平均電圧値（絶対値）｜Ｖｍ｜も段階的に増大される。このように窒素ガスの流量およびバイアス電力Ｅｂの平均電圧値｜Ｖｍ｜が段階的に増大されることで、密着性の高いかつ高硬度なｃＢＮ膜が形成される。
【００４６】
このｃＢＮ膜の成膜処理は、約６９分間にわたって行われる。そして、この約６９分間にわたるｃＢＮ膜の成膜処理をもって、一連の表面処理が完了し、図５に示すような被膜構造が完成する。
【００４７】
ところで、この実施形態では、上述したように、各被処理物３６，３６，…に供給されるバイアス電力Ｅｂとして、周波数ｆが１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用される。そして、このようにバイアス電力Ｅｂとしてパルス電力が採用されることで、次のようなメリットがある。
【００４８】
即ち、これまでの成膜装置においては、当該バイアス電力Ｅｂとして、図６に示すような周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力（正弦波電力）が、常套的に採用されていた。これは、被処理物の表面におけるチャージアップの発生を防止するためであり、換言すれば、当該バイアス電力Ｅｂの周波数ｆが高いほどチャージアップが発生し難いとされているからである。
【００４９】
ところが、かかる高周波電力が被処理物に供給されると、表皮効果によって主に当該被処理物の表面にのみ電流が流れる。そして、当該被処理物の表面温度が上昇し、この温度上昇によって被処理物が変質し、ひいては脆弱化することがある。これを証明する一例を、図７に示す。
【００５０】
図７において、（ａ）は、ＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミニウム）膜が形成された超硬合金製のエンドミルの刃先であって、被切削物としての合金工具鋼（ＳＫＤ６１＿ＨＲＣ５３）を０．６［ｍ］にわたって切削した後の当該刃先を拡大して撮影した画像である。この図７（ａ）によれば、刃先の鋭さは保たれており、特段な磨耗は見受けられない。これに対して、図７（ｂ）は、図７（ａ）と同じエンドミルに、バイアス電力Ｅｂとして３００［Ｗ］の高周波電力を供給して放電洗浄処理のみを施し、この放電洗浄処理を施されたエンドミルによって図７（ａ）と同じ条件で切削した後の当該エンドミルの刃先を拡大して撮影した画像である。この図７（ｂ）によれば、刃先部分が約３０［μｍ］の幅で白っぽくなっていることが、分かる。これは、ＴｉＡｌＮ膜が剥離したからであり、かかる膜剥離は、当該刃先部分（母材表面）が脆弱化したために生じたものと、考えられる。よって、この場合、母材自体で切削しているのと同じことになり、切削寿命が短くなる。つまり、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されることで、被処理物（エンドミル）自体が脆弱化し、特にエンドミルという切削工具についてはその寿命が短くなることが、分かる。
【００５１】
ここで、図８に、表皮効果を説明するための図解図として一般に知られている、導線内部の電流分布図を示す。この図８において、横軸（Ｘ軸）は、直径が１［ｍｍ］の導線の中心からの距離ｒを示し、縦軸（Ｙ軸）は、当該導線の表面に流れる電流の密度Ｊ（ａ）に対する任意の距離ｒにおける電流密度Ｊ（ｒ）の比Ｒｊ（＝Ｊ（ｒ）／Ｊ（ａ））を示す。この図８から分かるように、導線を流れる電流の周波数ｆが低いほど、当該電流は導線の断面を略一様（均一）に流れる。一方、周波数ｆが高いほど、電流は導線の表面（｜ｒ｜＝０．５［ｍｍ］）付近に集中して流れる。特に、上述の高周波電力の周波数ｆに近い１０［ＭＨｚ］（二点鎖線の曲線）の場合には、電流は導線の中心（ｒ＝０［ｍｍ］）付近を殆ど流れず、表面から数十［μｍ］ほど離れると、当該電流は表面に流れる電流の３６．８［％］以下となる。この表面に流れる電流の３６．８［％］に対応する当該表面からの深さ寸法は、表皮深さδと呼ばれており、この表皮深さδは、次の式１で表される。
【００５２】
《式１》
δ＝｛２／（ωμσ）｝１／２
【００５３】
なお、この式１において、ωは電流の角周波数であり、ω＝２πｆである。そして、μは、電流が流れる物体の透磁率、σは、当該物体の電気伝導率であり、これら透磁率μおよび電気伝導率σは、物体によって異なる。
【００５４】
この式１からも分かるように、電流の周波数ｆ（角周波数ω）が高いほど、表皮深さδは小さくなり、言わば表皮効果による影響が大きくなる。一方、電流の周波数ｆが低いほど、表皮深さδは大きくなり、言わば表皮効果による影響は小さくなる。そして、この表皮深さδは、物体の透磁率μおよび電気伝導率σによって、変わる。
【００５５】
図９に、例えば代表的な金属である銅（Ｃｕ）および鉄（Ｆｅ）についての周波数ｆに対する表皮深さδの関係を示す。この図９によれば、銅については、周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］であるときに、表皮深さδが約１５［μｍ］であるのに対して、周波数ｆが例えば１００［ｋＨｚ］であるときは、表皮深さδは約２００［μｍ］になる。そして、鉄については、周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］であるときに、表皮深さδが約４０［μｍ］であるのに対して、周波数ｆが１００［ｋＨｚ］であるときは、表皮深さδは約５００［μｍ］になる。これらを総合すると、周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の場合に比べて、その約１／１００である１００［ｋＨｚ］の場合は、表皮深さδが約１０倍となり、言わば表皮効果による影響が小さくなる、と推察される。このことは、上述の式１からも、明らかである。
【００５６】
つまり、例えば、上述したバイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用されることで、当該バイアス電力Ｅｃとして周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力が採用される場合に比べて、表皮効果による影響が小さくなり、その分、被処理物３６，３６，…の温度上昇が抑制され、ひいては当該被処理物３６，３６，…の脆弱化が防止されることが、期待される。これを裏付けるために、次の３つの実験を行った。
【００５７】
まず、第１の実験として、被処理物３６の温度上昇がどれくらい抑制されるのかを検証するための実験を行った。具体的には、被処理物３６として、シリコン（Ｓｉ）ウェハを用いる。そして、当該被処理物３６にバイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力を供給し、図１０に示す条件で、上述した要領に従って、放電洗浄処理、ＴｉＮ膜の成膜処理およびｃＢＮ膜の成膜処理を、行う。なお、ｃＢＮ膜の成膜処理においては、上述したように窒素ガスの流量を段階的に増大させ、具体的には２５［ｍＬ／ｍｉｎ］〜５０［ｍＬ／ｍｉｎ］の範囲で段階的に増大させる。そして、バイアス電力Ｅｂの平均電圧値Ｖｍについても、−１０［Ｖ］〜−７０［Ｖ］の範囲で段階的に変化させる。なお、バイアス電力Ｅｂの電力値は、２０［Ｗ］〜４００［Ｗ］に設定される。この電力値の設定は、ローレベル時の電圧値Ｖｂによって行われる。
【００５８】
これと併せて、対照用に、バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力を被処理物３６に供給し、詳しくはパルス電源装置４８に代えて当該高周波電力を生成可能な高周波電源装置を用いる。そして、上述（図１０）と同じ条件で、放電洗浄処理、ＴｉＮ膜の成膜処理およびｃＢＮ膜の成膜処理を、行う。なお、この高周波電力については、上述の平均電圧値Ｖｍではなく、図６に示すように当該高周波電力に重畳される直流成分（自己バイアス電圧）Ｖｄｃを図１０の条件に合わせる。そして、この高周波電力もまた、上述の平均電圧値Ｖｍと同様に、ｃＢＮ膜の成膜処理において段階的に増大させる。勿論、窒素ガスの流量も、段階的に増大させる。そして、高周波電力の電力値は、３００［Ｗ］〜１６００［Ｗ］に設定され、この電力値の設定は、ピーク・トゥー・ピーク電圧値Ｖｐｐによって行われる。
【００５９】
このようにバイアス電力Ｅｂが互いに異なる条件下で形成された被膜の成分を、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）によって解析した。その結果を、図１１に示す。この図１１において、（ａ）が、バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用された場合の解析結果であり、（ｂ）が、周当該バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力が採用された場合の解析結果である。いずれの場合も、被膜を構成するＴｉＮおよびＴｉのピークが認められる。ところが、図１１（ｂ）においては、被処理物３６そのもの（母材）であるシリコンを含むＴｉＳｉｘというシリコン化合物のピークが認められる。このシリコン化合物の反応温度は、熱平衡状態で１３３０［℃］であることが知られている。従って、かかるシリコン化合物が検出されると言うことは、たとえ真空槽１２内の（真空中という）環境を考慮しても、被処理物３６の温度が相当の（例えば１３３０［℃］に近い）温度にまで上昇したものと、推察される。なお、図１１（ｂ）においては、当該シリコン化合物のピークは認められない。つまり、この第１の実験によれば、バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力が採用された場合には、被処理物３６の温度が変質を招く程度の温度にまで上昇するが、バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用されることによって、当該被処理物３６の温度上昇が抑制されることが、確認された。
【００６０】
次に、第２の実験として、第１の実験と同じ条件で、被処理物３６としてのエンドミルにｃＢＮ膜を形成することによって、当該エンドミルの寿命がどれくらいになるのかを検証するための実験を行った。具体的には、被処理物３６として、上述したＴｉＡｌＮ膜が形成された超硬合金製エンドミルを用いる。そして、このエンドミルに、第１の実験と同じ条件、つまりバイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力を供給する場合と、周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力を供給する場合とで、放電洗浄処理、ＴｉＮ膜の成膜処理およびｃＢＮ膜の成膜処理を、施す。そして、これら一連の処理が施されたエンドミルをマシニングセンタに取り付け、被切削材としての合金工具鋼（ＳＫＤ６１＿ＨＲＣ５３）を切削し、切削距離に対する切削抵抗を測定した。その結果を、図１２に示す。
【００６１】
なお、マシニングセンタによる切削時の切削速度は３０２［ｍ／ｍｉｎ］、送りピッチは０．１［ｍｍ／ｔｏｏｔｈ］、切り込み寸法は半径方向で０．２５［ｍｍ］、軸方向で７．８［ｍｍ］である。また、図１２において、実線の曲線が、バイアス電力Ｅｂとしてパルス電力が採用されたエンドミルの測定結果を示し、破線の曲線が、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたエンドミルの測定結果を示す。そして、一点鎖線の曲線は、未処理のもの、つまりＴｉＡｌＮ膜のみが形成されたエンドミルの測定結果を示す。
【００６２】
この図１２から分かるように、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたエンドミルについては、切削開始直後（切削距離が１０［ｍ］に達するまで）に、切削抵抗が急増する。これは、初期チッピングが生じたためであると、考えられる。そして、この図１２において、切削抵抗が５５０［Ｎ］に達した時点を寿命と見なすと、当該バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたエンドミルの寿命は、概ね６０［ｍ］である。これに対して、未処理のエンドミルについては、初期チッピングが認められず、その寿命は、概ね１２０［ｍ］である。つまり、ｃＢＮ膜という高硬度被膜が形成されているにも拘らず、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたエンドミルの寿命は、未処理のものの略半分である。これでは、ｃＢＮ膜を形成すること自体が無意味になる。一方、バイアス電力Ｅｂとしてパルス電力が採用されたエンドミルについても、未処理のものと同様、所期チッピングは認められない。ただし、寿命は、概ね３３０［ｍ］であり、当該未処理のものの２倍以上である。つまり、この第２の実験によれば、バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力が採用された場合には、被処理物３６としてのエンドミルの寿命が、未処理のものに比べて短くなる。そして、当該バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用された場合には、未処理のものに比べて、２倍以上も寿命を延ばすことができる、という結果が得られた。
【００６３】
そして、第３の実験として、第１および第２の実験と同じ条件で、被処理物３６としての超硬合金製のスローアウェイチップにｃＢＮ膜を形成することによって、当該スローアウェイチップの寿命がどれくらいになるのかを検証するための実験を行った。即ち、第１および第２の実験と同じ条件で、当該スローアウェイチップに放電洗浄処理、ＴｉＮ膜の成膜処理およびｃＢＮ膜の成膜処理を、施す。そして、これら一連の処理が施されたスローアウェイチップを旋盤に取り付け、被旋削材としてのネズミ鋳鉄鋼（ＦＣ２５０）を旋削し、旋削距離に対する当該スローアウェイチップの逃げ面の磨耗幅を測定した。その結果を、図１３に示す。
【００６４】
なお、旋盤による旋削時の旋削速度は１５０［ｍ／ｍｉｎ］、送りピッチは０．２７８［ｍｍ／ｒｅｖ］、切り込み寸法は１．５［ｍｍ］である。また、図１３において、実線の曲線が、バイアス電力Ｅｂとしてパルス電力が採用されたスローアウェイチップの測定結果を示し、破線の曲線が、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたスローアウェイチップの測定結果を示す。そして、一点鎖線の曲線は、参考用としてＴｉＡｌＮ膜のみが形成されたスローアウェイチップの測定結果を示し、短い破線の曲線は、未処理のもの、つまり何らの被膜も形成されていないスローアウェイチップの測定結果を示す。
【００６５】
この図１３において、未処理のスローアウェイチップについては、逃げ面の磨耗よりもいわゆるクレータ磨耗が激しく、旋削距離が約６００［ｍ］の時点で、使用不可となった。そして、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたスローアウェイチップについては、やはり初期チッピングによって、旋削開始直後から逃げ面磨耗幅が急増する。ここで、逃げ面磨耗幅が０．６［ｍｍ］に達した時点を寿命と見なすと、当該バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたスローアウェイチップの寿命は、概ね１０００［ｍ］である。これに対して、ＴｉＡｌＮ膜のみが形成されたスローアウェイチップについては、初期チッピングは認められず、その寿命は、概ね２２００［ｍ］である。つまり、第２の実験の場合と同様、ｃＢＮ膜という高硬度被膜が形成されているにも拘らず、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたスローアウェイチップの寿命は、当該ｃＢＮ膜が形成されていないものの略半分である。一方、バイアス電力Ｅｂとしてパルス電力が採用されたスローアウェイチップについても、所期チッピングは認められず、その寿命は、概ね５３００［ｍ］である。しかも、他のスローアウェイチップについては、クレータ磨耗によって寿命が尽きるが、当該バイアス電力Ｅｂとしてパルス電力が採用されたスローアウェイチップについては、クレータ磨耗は認められず、刃先が均一して磨耗していること、つまり場合によっては未だ旋削可能であることが、確認された。即ち、この第３の実験によれば、バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力が採用された場合には、被処理物３６としてのスローアウェイチップの寿命が、却って短くなる。そして、当該バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用された場合には、スローアウェイチップの寿命を大幅に延ばすことができる、という結果が得られた。
【００６６】
なお、これら第１〜第３の実験においては、いずれも上述したチャージアップは認められなかった。また、当該第１〜第３の実験においては、ＴｉＮ膜を中間層とするｃＢＮ膜を形成する場合について説明したが、これ以外の被膜を形成する場合には、当該被膜の電気抵抗率に応じてバイアス電力Ｅｂとしてのパルス電力の周波数ｆを例えば１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］の範囲内で定めるのが望ましい。具体的には、被膜の電気抵抗率が高いほどバイアス電力Ｅｂの周波数ｆを高めに設定し、被膜の電気抵抗率が低いほどバイアス電力Ｅｂの周波数を低めに設定する。このようにすれば、電気抵抗率が異なる様々な被膜を、チャージアップを誘発させることなく、適切に形成することができる。
【００６７】
以上のように、この実施形態によれば、バイアス電力Ｅｂとして、上述した高周波電力よりも遥かに周波数ｆの低い１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用されることで、表皮効果に起因する被処理物３６の温度上昇が抑制され、ひいては変質が防止される。従って、被処理物３６の変質を招くことなく、期待通りの被膜、例えば期待通りの高硬度なｃＢＮ膜を、形成することができる。
【００６８】
なお、この実施形態においては、バイアス電力Ｅｂとして、図４に示したようないわゆる非対称パルス電力を採用したが、これに限らない。例えば、デューティ比が５０［％］の対称パルス電力を採用してもよいし、方形波以外のパルス電力を採用してもよい。また、かかるパルス電力のような非正弦波電力ではなく、正弦波電力を採用してもよい。ただし、この場合、上述した直流成分Ｖｄｃを任意に調整可能とするのが、望ましい。勿論、図４におけるデューティ比および電圧値Ｖａを、任意に調整可能としてもよい。
【００６９】
そして、この実施形態では、イオンプレーティング法の成膜装置１０にこの発明を適用する場合について説明したが、これに限らない。例えば、スパッタリング法等の他のＰＶＤ（Physical Vapor
Deposition）法の成膜装置や、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法の成膜装置のように、被処理物にバイアス電力が供給される構成の成膜装置であれば、この発明を適用することができる。
【００７０】
また、この実施形態では、ＴｉＮ膜を中間層とするｃＢＮ膜を成膜する場合について説明したが、これ以外の被膜、例えばＣｒＮ（窒化クロム）膜やＡｌＮ（窒化アルミニウム）膜、ＳｉＮ（窒化ケイ素）膜等の様々な被膜を、同様の手順で形成することもできる。この場合、上述したように、被膜の電気抵抗率に応じてバイアス電力Ｅｂの周波数ｆを適宜設定するのが、望ましい。
【００７１】
そして、被処理物３６については、上述したエンドミルやスローアウェイチップ等の切削工具、およびシリコンウェハに限らず、これ以外のものを、採用してもよい。尤も、切削工具を含む刃物等のように高硬度が要求される被処理物３６において、かかる要求に対応するべくｃＢＮ膜等の高硬度被膜を形成するのに、この発明は極めて有効である。また、被処理物３６の材質（電気抵抗率）をも加味して、バイアス電力Ｅｂの周波数ｆを決定してもよい。
【００７２】
さらに、この発明は、放電洗浄処理のみを目的とする装置や、窒化処理等の成膜処理以外の表面処理を目的とする装置にも、適用することができる。
【００７３】
以上、ここで説明した内容は、飽くまでもこの発明を実施するための一例であり、この発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】この発明の一実施形態の概略構成を示す内部正面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図４】同実施形態におけるバイアス電力Ｅｂの電圧波形を示す図解図である。
【図５】同実施形態によって形成される被膜の概略構造を示す図解図である。
【図６】同実施形態における対照用としてのバイアス電力Ｅｂの電圧波形を示す図解図である。
【図７】図６のバイアス電力が採用された場合の不具合を説明するための図解図である。
【図８】表皮効果を説明するための図解図である。
【図９】表皮効果を説明するための図８とは異なる図解図である。
【図１０】同実施形態における第１〜第３の実験時の成膜条件を示す一覧である。
【図１１】同実施形態における第１の実験結果を示す図解図である。
【図１２】同実施形態における第２の実験結果を示す図解図である。
【図１３】同実施形態における第３の実験結果を示す図解図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 成膜装置
１２ 真空槽
３６ 被処理物
４０ カソード
４２ アノード
５０，５２ 磁界発生器
５８ ガス管
６２ パルス電源装置
６４ プラズマ領域
【技術分野】
【０００１】
この発明は、成膜装置および成膜方法に関し、特に例えば被処理物の表面に被膜を形成する成膜装置および成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の成膜装置として、従来、例えば特許文献１に開示されたものがある。この従来技術によれば、特にｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）膜を形成するのに適しており、具体的には、まず、当該ｃＢＮ膜の形成に先立って、基板クリーニングとして２種類のボンバード処理（放電洗浄処理）が行われる。そして、このボンバード処理の後に、中間層としてのＴｉＮ（窒化チタン）膜が形成される。さらに、当該ＴｉＮ膜の上に、Ｂ（ホウ素）膜およびＢＮ（窒化ホウ素）膜が、この順番で形成される。そして、ＢＮ膜の形成過程で、放電ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスに対する材料ガスとしての窒素（Ｎ２）ガスの流量比が段階的に増やされ、これによってホウ素に対する窒素の組成比率（Ｎ／Ｂ）が段階的に増大し、最終的にｃＢＮ膜が形成される。
【０００３】
なお、これら一連の表面処理過程において、被処理物としての基板には、当該基板表面へのイオンの衝突を促進させるべく、バイアス電力が供給される。そして、このバイアス電力として、周波数が１３．５６［ＭＨｚ］の高周波（ＲＦ）電力が採用される。このように、バイアス電力として高周波電力が採用されるのは、基板表面におけるチャージアップの発生を防止するためであり、換言すれば、当該バイアス電力の周波数が高いほどチャージアップが発生し難いとされているからである。よって、従来技術に限らず、これまでの他の成膜装置においても、基板用のバイアス電力として常套的に高周波電力が採用されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１０５６２４号公報（第００３８段落〜第００４０段落）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述の如く基板にバイアス電力としての高周波電力が供給されると、表皮効果によって主に当該基板の表面にのみ電流が流れる。すると、基板の表面温度が上昇し、この温度上昇によって基板が変質し、ひいては脆弱化することがある。そして、このように基板が脆弱化すると、ｃＢＮ膜という高硬度被膜が形成されたことによる所期の強度が得られず、そればかりか、却って基板全体としての強度が低下する。これでは、ｃＢＮ膜を形成すること自体が無意味になる。つまり、従来技術では、ｃＢＮ膜を含め、期待通りの被膜を形成することができない、という問題がある。
【０００６】
そこで、この発明は、期待通りの被膜を形成することができる成膜装置および成膜方法を提供することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる目的を達成するために、第１の発明は、被処理物の表面に被膜を形成する成膜装置において、当該被膜の材料をイオン化するイオン化手段と、このイオン化手段によってイオン化された材料を被処理物の表面へ衝突させるためのバイアス電力を当該被処理物に供給するバイアス供給手段と、を具備する。そして、バイアス供給手段は、バイアス電力として周波数が１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］の交流電力を被処理物に供給することを、特徴とするものである。
【０００８】
即ち、この第１の発明では、イオン化手段によって、被膜の材料がイオン化される。そして、イオン化された材料は、バイアス供給手段によってバイアス電力が供給されている被処理物の表面に衝突する。これによって、被処理物の表面に材料が堆積し、当該材料に従う被膜が形成される。ここで、バイアス電力は、上述した従来技術におけるバイアス電力よりも遥かに周波数の低い１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］の交流電力とされている。このため、従来技術に比べて、表皮効果の影響が遥かに小さく、換言すれば被処理物の内部にも電流が流れる（拡散される）。従って、その分、被処理物の温度上昇が抑制され、ひいては変質が防止される。また、かかる１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］という周波数であれば、被処理物の表面にチャージアップが生じないことも、このたび実験によって確認された。
【０００９】
なお、この発明においては、被膜の電気抵抗率（比抵抗）に応じてバイアス電力の周波数が設定されるのが、望ましい。具体的には、被膜の電気抵抗率が高いほどバイアス電力の周波数が高めに設定され、被膜の電気抵抗率が低いほどバイアス電力の周波数が低めに設定されるようにする。このようにすれば、それぞれ電気抵抗率が異なる様々な被膜を、適切に形成することができる。
【００１０】
そして、バイアス電力は、概略矩形波電力であってもよい。この場合、成膜処理の安定化を図るべく、当該概略矩形波電力のデューティ比、ハイレベル時の電圧値、およびローレベル時の電圧値、の一部または全部を、任意に変更可能とするのが、望ましい。このようにすれば、被膜の性質、被処理物の性質に応じて、当該被膜をより適切に形成することができる。
【００１１】
また、被処理物としては、例えばエンドミルやスローアウェイチップ等のような切削工具を含む刃物がある。即ち、特に高硬度（耐摩耗性）が要求される刃物において、かかる要求に対応するべく保護膜（補強膜）としての高硬度被膜を形成するのに、この発明は好適である。
【００１２】
そして、当該高硬度被膜として、例えば上述したｃＢＮ膜が適当である。
【００１３】
第２の発明は、被処理物の表面に被膜を形成する成膜方法において、当該被膜の材料をイオン化するイオン化過程と、このイオン化過程によってイオン化された材料を被処理物の表面へ衝突させるためのバイアス電力を当該被処理物に供給するバイアス供給過程と、
を具備する。そして、バイアス供給過程においては、バイアス電力として周波数が１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］の交流電流が被処理物に供給されることを、特徴とするものである。
【００１４】
即ち、第２の発明は、第１の発明に対応する方法発明であり、よって第１の発明と同様の作用を奏する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、バイアス電力として、上述した従来技術における高周波電力よりも遥かに周波数の低い１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］の交流電力が被処理物に供給されるので、表皮効果に起因する当該被処理物の温度上昇が抑制され、ひいては変質が防止される。従って、被処理物の変質を招くことなく、期待通りの性能を奏する被膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の一実施形態について、図１〜図１４を参照して説明する。
【００１７】
この実施形態に係る成膜装置１０は、イオンプレーティング法を採用するものであり、図１〜図３に示すように、概略円筒形の真空槽１２を有している。なお、図１は、成膜装置１０の内部を正面から見た図であり、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【００１８】
真空槽１２は、円筒形の両端に対応する部分を水平方向に向けた状態で配置されており、当該両端に対応する部分は、概略円盤状の前方壁板１４およびこれと略同形状の後方壁板１６によって閉鎖されている。そして、これらの前方壁板１４および後方壁板１６を含む真空槽１２は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）によって形成されており、それ自体は、共通電位としての接地電位（ＧＮＤ）に接続されている。また、真空槽１２の内部は、排気手段としての図示しない真空ポンプによって排気される。なお、真空槽１２の直径Ｃは、例えば１１４０［ｍｍ］であり、奥行寸法Ｄは、例えば８８５［ｍｍ］である。
【００１９】
そして、真空槽１２内の略中央には、蒸発源１８が配置されている。この蒸発源１８は、蒸発材料２０が収容される坩堝２２と、当該蒸発材料２０を加熱するための材料加熱手段、例えば電子銃２４とを、備えている。さらに、蒸発源１８の下方近傍には、槽内加熱手段としてのヒータ２６が配置されている。なお、電子銃２４は、真空槽１２の外部に設けられた図示しない電子銃用電源装置から所定の直流電力（電子銃パワー）が供給されることによって、電子ビームを発射し、蒸発材料２０を加熱する。そして、ヒータ２６は、真空槽１２の外部に設けられた図示しないヒータ用電源装置から所定の交流電力が供給されることによって、発熱する。
【００２０】
また、真空槽１２内には、自公転機構２８が設けられている。具体的には、自公転機構２８は、真空槽１２の直径Ｃ（厳密には内径）よりも少し、例えば１００［ｍｍ］ほど径の小さい円盤状の筐体を有しており、この筐体の中央を真空槽１２（円筒形）の中心軸に一致させた状態で、後方壁板１６の内側面に近接して設けられている。そして、この自公転機構２８の中央には、回転軸３０が設けられており、この回転軸３０は、後方壁板１６を貫通して、真空槽１２の外部に設けられたモータ３２の図示しないシャフトに結合されている。さらに、自公転機構２８の前方側周縁近傍には、当該周縁に沿って等間隔（５度間隔）に複数個、例えば７２個の支持手段としてのホルダ３４，３４，…が設けられている。そして、これらのホルダ３４，３４，…のそれぞれに、被処理物３６が取り付けられる。なお、図１〜図３は、当該被処理物３６として、例えばマシニングセンタ用のエンドミルが取り付けられている状態を示す。かかるエンドミルのような細長い被処理物３６は、真空槽１２の中心軸に沿う方向に延伸するようにそれぞれのホルダ３４に取り付けられる。そして、各ホルダ３４，３４，…の並びによって描かれる円の直径（真空槽１２の中心軸を間に挟んで互いに対向する２つのホルダ３４および３４間の距離）Ｆは、例えば９２０［ｍｍ］とされている。
【００２１】
かかる自公転機構２８によれば、モータ３２が駆動されて、回転軸３０が回転すると、各ホルダ３４，３４，…に取り付けられた被処理物３６，３６，…が、真空槽１２の中心軸を中心として例えば図１に矢印３８で示す方向（時計方向）に回転する。言い換えれば、各被処理物３６，３６，…は、蒸発源１４の周りを言わば公転する。これと同時に、それぞれの被処理物３６は、自身を中心として例えば時計方向に回転し、言わば自転する。なお、自転速度は、公転速度よりも速く、例えば公転速度の１０倍である。
【００２２】
さらに、真空槽１２内には、互いに距離を置いて対向するように、カソード４０およびアノード４２が設けられている。このうち、カソード４０は、例えば直径が１［ｍｍ］、長さ寸法が２００［ｍｍ］〜４００［ｍｍ］ほどの概略直線状のタングステン製フィラメント（厳密には長さ寸法が数十［ｍｍ］ほどの直線状のフィラメントが複数本（例えば３本）直列に接続されたもの）を備えている。そして、このカソード４０は、蒸発源１８とその真上にある被処理物３２との略中間で、かつ真空槽１２を正面から見て（図１において）当該真空槽１２の中央よりも少し右寄りの位置に、当該真空槽１２の中心軸に沿う方向に延伸するように、配置されている。
【００２３】
一方、アノード４２は、例えばモリブデン製またはタングステン製であり、長さ寸法が２００［ｍｍ］〜４００［ｍｍ］程度の四角柱状に形成されたものである。そして、このアノード４２は、真空槽１２の中心軸を通る垂直面を挟んで、カソード４０と略正反対側の位置に、当該真空槽１２の中心軸に沿う方向に延伸するように、配置されている。なお、これらカソード４０とアノード４２との間の距離は、例えば２００［ｍｍ］〜３００［ｍｍ］程度とされている。
【００２４】
そして、カソード４０には、真空槽１２の外部に設けられたカソード電力供給手段としてのカソード加熱用電源装置４４から、交流のカソード電力Ｅｃが供給される。また、このカソード加熱用電源装置４４の接地用端子には、カソードバイアス供給手段としてのカソードバイアス用電源装置４６から、直流のカソードバイアス電圧Ｖｃｂが印加される。つまり、交流のカソード電力Ｅｃに対して、直流のカソードバイアス電圧Ｖｃｂが重畳される。なお、カソードバイアス電圧Ｖｃｂは、接地電位を基準とする負電圧である。
【００２５】
一方、アノード４２には、真空槽１２の外部に設けられたアノード電力供給手段としてのアノード用電源装置４８から、直流のアノード電圧Ｖａが印加される。なお、このアノード電圧Ｖａは、接地電位を基準とする正電圧である。
【００２６】
さらに、真空槽１２内には、カソード４０およびアノード４２を間に挟んで、磁界発生手段としての１対の磁界発生器５０および５２が設けられている。具体的には、各磁界発生器５０および５２のそれぞれは、細長い直方体状の筐体を有している。そして、これらの磁界発生器５０よび５２は、カソード４０およびアノード４２を間に挟んだ状態でそれぞれの一側面を互いに対向させ、厳密には当該一側面を斜め上方に向け、かつカソード４０およびアノード４２と平行を成して延伸するように（つまり真空槽１２の中心軸に沿う方向に延伸するように）、配置されている。なお、各磁界発生器５０および５２の長さ寸法は、例えば２００［ｍｍ］〜４００［ｍｍ］程度とされている。また、各磁界発生器５０および５２間の距離は、例えば２５０［ｍｍ］〜３５０［ｍｍ］程度とされている。
【００２７】
そして、各磁界発生器５０および５２には、それぞれ図示しない永久磁石が内蔵されている。詳しくは、各磁界発生器５０および５２の互いに対向する一側面（言わば内側面）が、互いに異なる磁極となるように、当該永久磁石が内蔵されている。なお、ここでは、カソード４０側に配置された磁界発生器５０の内側面がＳ極とされ、アノード４２側に配置された磁界発生器５２の内側面がＮ極とされている。これによって、これらの磁界発生器５０および５２で挟まれた空間に磁界が発生する。
【００２８】
さらにまた、当該磁界の発生領域を拡張するために、各磁界発生器５０および５２にはヨーク５４および５６が取り付けられている。これらのヨーク５４および５６は、平板状のものであり、その幅寸法は、各磁界発生器５０および５２（筐体）の幅寸法よりも大きく、例えば当該各磁界発生器５０および５２（筐体）の幅寸法の１．５倍〜２倍程度とされている。そして、各ヨーク５４および５６の長さ寸法は、各磁界発生器５０および５２の長さ寸法と略同等とされている。これらのヨーク５４および５６は、各磁界発生器５０および５２の内側面とは反対側の面（言わば外側面）を覆うように、かつ当該外側面の上方縁から上方に突出する（はみ出す）ように、取り付けられている。かかるヨーク５４および５６が取り付けられることで、各磁界発生器５０および５２による磁界の発生領域がより拡張される。
【００２９】
なお、上述したように各磁界発生器５０および５２は互いに対向する一側面を斜め上方に向けた状態で配置されているが、これもまた、磁界の発生領域を拡張させるためであり、詳しくは一定の磁束密度を維持しつつ被処理物３６，３６，…の近傍において広い磁界を形成するためである。これらの磁界発生器５０および５２の傾斜角度は、両者間の距離に応じて変わり、例えば５度〜４５度とされ、ここでは約３０度とされている。そして、言うまでもなく、当該各磁界発生器５０および５２の傾斜に応じて、各ヨーク５４および５６も傾けられている。また、アノード４２についても同様に、当該アノード４２側に配置された磁界発生器５２と同じ方向に傾けられている。かかる構成により、この実施形態においては、各磁界発生器５０および５２間の略中央において、例えば６［ｍＴ］〜１０［ｍＴ］という比較的に大きい磁束密度が得られる。また、各磁界発生器５０および５２の上縁から最上位にある被処理物３６（公転軌道の最上位）までの高さ寸法Ｈは、例えば１０５［ｍｍ］±６０［ｍｍ］とされている。
【００３０】
そして、真空槽１２内には、ガス導入手段としてのガス管５８を介して、後述するプラズマを発生させるための放電ガス、および被膜の材料となる材料ガスのそれぞれが、適宜導入される。なお、ガス管５８は、これらのガスを効率よく放電（電離）させるべく、上述の磁界の近辺、例えばアノード４２の少し下方に、当該各ガスを噴出させるように配置されている。また、真空槽１２の外部には、当該ガス管５８内を流れるガスの流量を個別に制御するための流量制御手段としてのマスフローコントローラ６０が設けられている。
【００３１】
さらに、各被処理物３６，３６，…には、真空槽１２の外部に設けられたバイアス供給手段としてのパルス電源装置６２から、自公転機構２８およびホルダ３４，３４，…を介して、バイアス電力Ｅｂとしてのパルス電力が供給される。具体的には、当該パルス電力Ｅｂは、図４に示すような矩形波電力であり、その周波数ｆは、１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］の範囲内で任意に設定可能とされている。そして、デューティ比（Ｔ’／Ｔ）は、２０［％］一定とされており、ハイレベル時の電圧値Ｖａは、＋３７［Ｖ］一定とされている。そして、ローレベル時の電圧値Ｖｂによって、平均電圧値Ｖｍが、例えば０［Ｖ］〜−１１０［Ｖ］の範囲内で任意に設定される。
【００３２】
このように構成された成膜装置１０によれば、上述したｃＢＮ膜を形成することができる。具体的には、まず、当該ｃＢＮ膜の形成に先立って、放電洗浄処理が行われる。そして、この放電洗浄処理の後に、中間層としてのＴｉＮ膜が形成され、続いてｃＢＮ膜が形成される。なお、これらＴｉＮ膜およびｃＢＮ膜の形成に際しては、上述した蒸発材料２０として、固形のチタン材およびホウ素材が、個別に坩堝２２内に収容される。そして、上述した放電ガスとして例えばアルゴンガスが用いられ、材料ガスとして窒素ガスが用いられる。
【００３３】
より具体的に説明すると、まず、放電洗浄処理を行うべく、真空ポンプによって真空槽１２内が排気され、例えば１×１０−４［Ｐａ］ほどの高真空状態とされる。そして、ヒータ２６によって被処理物３６，３６，…が例えば３００［℃］〜６００［℃］に加熱された後、ガス管５８を介して真空槽１２内にアルゴンガスが導入される。このアルゴンガスが導入された状態での真空槽１２内の圧力は、例えば４×１０−２［Ｐａ］〜１×１０−１［Ｐａ］程度とされる。
【００３４】
この状態で、カソード４０に対しカソード加熱用電源装置４４からカソード電力Ｅｃが供給される。すると、カソード４０は加熱されて、熱電子を放出する。そして、アノード４２に対しアノード用電源装置４８からアノード電圧Ｖａが印加されると、当該熱電子は、アノード４２に向かって加速される。この加速過程において、熱電子は、アルゴンガスの粒子に衝突し、これによって、アルゴンガス粒子が放電し、プラズマが発生する。ここで、上述したように、カソード４０に供給される交流のカソード電力Ｅｃには、直流のカソードバイアス電圧Ｖｃｂが重畳されている。従って、熱電子は、このカソードバイアス電圧Ｖｃｂとアノード電圧Ｖａとの総和に応じて加速される。このように熱電子を加速させるためのエネルギ源として、アノード電圧Ｖａの他に、カソードバイアス電圧Ｖｃｂが与えられることで、プラズマが安定する。
【００３５】
さらに、上述したように、カソード４０およびアノード４２が配置されている空間には、磁界が発生している、従って、これらカソード４０およびアノード４２間に発生したプラズマは、当該磁界内に閉じ込められ、これによって図１〜図３のそれぞれに破線模様６４で示すように断面が概略扇状のプラズマ領域が形成される。そして、モータ３２が駆動されると、各被処理物３６，３６，…は、自公転機構２８による公転作用によって、当該プラズマ領域６８に順次搬送される。そして、自公転機構２８による自転作用によって、プラズマ領域６８内にある被処理物３６，３６，…の表面に対し均等にプラズマが作用する。
【００３６】
ここで、パルス電源装置６２から各被処理物３６，３６，…に対し上述したバイアス電力としてのパルス電力が供給されると、プラズマ領域６８内のアルゴンイオンが、当該プラズマ領域６８内にある被処理物３６，３６，…の表面に照射される。そして、このイオン照射による衝撃によって、プラズマ領域６８内にある被処理物３６，３６，…の表面が洗浄され、つまり放電洗浄処理が行われる。
【００３７】
なお、各被処理物３６，３６，…の公転速度は、例えば１［ｒｐｍ］とされる。また、プラズマ領域６８の広がり角度（磁界発生器５０および５２の開き角）は、真空槽１２の中心軸を中心として例えば６０度とされている。従って、各被処理物３６，３６，…は、それぞれ１分間につき１０秒間だけ、いわゆる間欠的に放電洗浄処理を施される。また、各被処理物３６，３６，…は、公転速度の１０倍の速度、つまり１０［ｒｐｍ］で自転しているので、それぞれの表面全体に対して一様に放電洗浄処理が施される。このことは、これから説明するＴｉＮ膜の成膜処理およびｃＢＮ膜の成膜処理においても、同様である。
【００３８】
かかる放電洗浄処理に続いて、ＴｉＮ膜を形成するための成膜処理が行われる。具体的には、次の手順に従って、Ｔｉ膜，ＴｉＮ膜およびＴｉ膜が、順次形成される。
【００３９】
即ち、上述の如く真空槽１２内がアルゴンガス雰囲気で４×１０−２［Ｐａ］〜１×１０−１［Ｐａ］程度に保たれている状態において、蒸発材料２０のうちのチタン材のみが、電子銃２４によって加熱される。これによって、チタン材は、蒸発し、プラズマ領域６４においてイオン化される。そして、イオン化されたチタン、つまりチタンイオンは、プラズマ領域６４内にある被処理物３６，３６，…の表面に照射され、これによって、当該被処理物３６，３６，…の表面に、チタンが堆積し、Ｔｉ膜が形成される。このＴｉ膜の成膜処理は、約２分間にわたって行われる。換言すれば、個々の被処理物３６について、１分間につき１０秒間の当該成膜処理が２回ずつ行われる。
【００４０】
そして、次に、アルゴンガスに加えて、窒素ガスが、当該アルゴンガスと混合された状態で真空槽１２内に導入される。このときも、真空槽１２内の圧力は、４×１０−２［Ｐａ］〜１×１０−１［Ｐａ］程度に保たれる。真空槽１２内に導入された窒素ガスは、プラズマ領域６４においてイオン化される。そして、イオン化された窒素、つまり窒素イオンは、上述のチタンイオンと共に、プラズマ領域６４にある被処理物３６，３６，…の表面（Ｔｉ膜の上）に照射される。これによって、被処理物３６，３６，…の表面に、窒素およびチタンの化合物である窒化チタンが堆積し、ＴｉＮ膜が形成される。このＴｉＮ膜の成膜処理は、２０分〜８０分にわたって行われる。
【００４１】
続いて、窒素ガスの導入が停止される。これによって、上述と同じ要領で、再度、Ｔｉ膜の成膜処理が行われる。この再度のＴｉ膜の成膜処理もまた、約２分間にわたって行われる。この結果、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉという３層構造のＴｉＮ膜の成膜処理が完了する。
【００４２】
このＴｉＮ膜の成膜処理の次に、ｃＢＮ膜の成膜処理が行われる。具体的には、まず、ＴｉＮ膜との密着性を向上させるべくＢ膜が形成される。そして、このＢ膜の上に、ｃＢＮ膜が形成される。
【００４３】
即ち、坩堝２２内のチタン材に代えてホウ素材が、電子銃２４によって加熱される。加熱されたホウ素材は、蒸発し、プラズマ領域６４においてイオン化される。そして、イオン化されたホウ素、つまりホウ素イオンは、プラズマ領域６４内にある被処理物３６，３６，…の表面（ＴｉＮ膜の上）に照射される。これによって、当該被処理物３６，３６，…の表面に、ホウ素が堆積し、Ｂ膜が形成される。このＢ膜の成膜処理は、約１分間にわたって行われる。
【００４４】
そして、この約１分間の経過後、真空槽１２内に窒素ガスが導入される。このときも、真空槽１２内の圧力は、４×１０−２［Ｐａ］〜１×１０−１［Ｐａ］程度に保たれる。真空槽１２内に導入された窒素ガスは、プラズマ領域６８においてイオン化される。そして、このイオン化による窒素イオンは、ホウ素イオンと共に、プラズマ領域６４内にある被処理物３６，３６，…の表面（Ｂ膜の上）に照射される。これによって、被処理物３６，３６，…の表面に、窒素およびホウ素の化合物である窒化ホウ素が堆積し、ｃＢＮ膜が形成される。
【００４５】
なお、このｃＢＮ膜の形成過程においては、時間の経過と共に、窒素ガスの流量が段階的に増大される。これによって、当該ｃＢＮ膜を構成するホウ素に対する窒素の組成比率が段階的に増大する。また、この窒素ガスの流量に応じて、被処理物３６，３６，…に供給されるバイアス電力Ｅｂの平均電圧値（絶対値）｜Ｖｍ｜も段階的に増大される。このように窒素ガスの流量およびバイアス電力Ｅｂの平均電圧値｜Ｖｍ｜が段階的に増大されることで、密着性の高いかつ高硬度なｃＢＮ膜が形成される。
【００４６】
このｃＢＮ膜の成膜処理は、約６９分間にわたって行われる。そして、この約６９分間にわたるｃＢＮ膜の成膜処理をもって、一連の表面処理が完了し、図５に示すような被膜構造が完成する。
【００４７】
ところで、この実施形態では、上述したように、各被処理物３６，３６，…に供給されるバイアス電力Ｅｂとして、周波数ｆが１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用される。そして、このようにバイアス電力Ｅｂとしてパルス電力が採用されることで、次のようなメリットがある。
【００４８】
即ち、これまでの成膜装置においては、当該バイアス電力Ｅｂとして、図６に示すような周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力（正弦波電力）が、常套的に採用されていた。これは、被処理物の表面におけるチャージアップの発生を防止するためであり、換言すれば、当該バイアス電力Ｅｂの周波数ｆが高いほどチャージアップが発生し難いとされているからである。
【００４９】
ところが、かかる高周波電力が被処理物に供給されると、表皮効果によって主に当該被処理物の表面にのみ電流が流れる。そして、当該被処理物の表面温度が上昇し、この温度上昇によって被処理物が変質し、ひいては脆弱化することがある。これを証明する一例を、図７に示す。
【００５０】
図７において、（ａ）は、ＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミニウム）膜が形成された超硬合金製のエンドミルの刃先であって、被切削物としての合金工具鋼（ＳＫＤ６１＿ＨＲＣ５３）を０．６［ｍ］にわたって切削した後の当該刃先を拡大して撮影した画像である。この図７（ａ）によれば、刃先の鋭さは保たれており、特段な磨耗は見受けられない。これに対して、図７（ｂ）は、図７（ａ）と同じエンドミルに、バイアス電力Ｅｂとして３００［Ｗ］の高周波電力を供給して放電洗浄処理のみを施し、この放電洗浄処理を施されたエンドミルによって図７（ａ）と同じ条件で切削した後の当該エンドミルの刃先を拡大して撮影した画像である。この図７（ｂ）によれば、刃先部分が約３０［μｍ］の幅で白っぽくなっていることが、分かる。これは、ＴｉＡｌＮ膜が剥離したからであり、かかる膜剥離は、当該刃先部分（母材表面）が脆弱化したために生じたものと、考えられる。よって、この場合、母材自体で切削しているのと同じことになり、切削寿命が短くなる。つまり、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されることで、被処理物（エンドミル）自体が脆弱化し、特にエンドミルという切削工具についてはその寿命が短くなることが、分かる。
【００５１】
ここで、図８に、表皮効果を説明するための図解図として一般に知られている、導線内部の電流分布図を示す。この図８において、横軸（Ｘ軸）は、直径が１［ｍｍ］の導線の中心からの距離ｒを示し、縦軸（Ｙ軸）は、当該導線の表面に流れる電流の密度Ｊ（ａ）に対する任意の距離ｒにおける電流密度Ｊ（ｒ）の比Ｒｊ（＝Ｊ（ｒ）／Ｊ（ａ））を示す。この図８から分かるように、導線を流れる電流の周波数ｆが低いほど、当該電流は導線の断面を略一様（均一）に流れる。一方、周波数ｆが高いほど、電流は導線の表面（｜ｒ｜＝０．５［ｍｍ］）付近に集中して流れる。特に、上述の高周波電力の周波数ｆに近い１０［ＭＨｚ］（二点鎖線の曲線）の場合には、電流は導線の中心（ｒ＝０［ｍｍ］）付近を殆ど流れず、表面から数十［μｍ］ほど離れると、当該電流は表面に流れる電流の３６．８［％］以下となる。この表面に流れる電流の３６．８［％］に対応する当該表面からの深さ寸法は、表皮深さδと呼ばれており、この表皮深さδは、次の式１で表される。
【００５２】
《式１》
δ＝｛２／（ωμσ）｝１／２
【００５３】
なお、この式１において、ωは電流の角周波数であり、ω＝２πｆである。そして、μは、電流が流れる物体の透磁率、σは、当該物体の電気伝導率であり、これら透磁率μおよび電気伝導率σは、物体によって異なる。
【００５４】
この式１からも分かるように、電流の周波数ｆ（角周波数ω）が高いほど、表皮深さδは小さくなり、言わば表皮効果による影響が大きくなる。一方、電流の周波数ｆが低いほど、表皮深さδは大きくなり、言わば表皮効果による影響は小さくなる。そして、この表皮深さδは、物体の透磁率μおよび電気伝導率σによって、変わる。
【００５５】
図９に、例えば代表的な金属である銅（Ｃｕ）および鉄（Ｆｅ）についての周波数ｆに対する表皮深さδの関係を示す。この図９によれば、銅については、周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］であるときに、表皮深さδが約１５［μｍ］であるのに対して、周波数ｆが例えば１００［ｋＨｚ］であるときは、表皮深さδは約２００［μｍ］になる。そして、鉄については、周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］であるときに、表皮深さδが約４０［μｍ］であるのに対して、周波数ｆが１００［ｋＨｚ］であるときは、表皮深さδは約５００［μｍ］になる。これらを総合すると、周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の場合に比べて、その約１／１００である１００［ｋＨｚ］の場合は、表皮深さδが約１０倍となり、言わば表皮効果による影響が小さくなる、と推察される。このことは、上述の式１からも、明らかである。
【００５６】
つまり、例えば、上述したバイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用されることで、当該バイアス電力Ｅｃとして周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力が採用される場合に比べて、表皮効果による影響が小さくなり、その分、被処理物３６，３６，…の温度上昇が抑制され、ひいては当該被処理物３６，３６，…の脆弱化が防止されることが、期待される。これを裏付けるために、次の３つの実験を行った。
【００５７】
まず、第１の実験として、被処理物３６の温度上昇がどれくらい抑制されるのかを検証するための実験を行った。具体的には、被処理物３６として、シリコン（Ｓｉ）ウェハを用いる。そして、当該被処理物３６にバイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力を供給し、図１０に示す条件で、上述した要領に従って、放電洗浄処理、ＴｉＮ膜の成膜処理およびｃＢＮ膜の成膜処理を、行う。なお、ｃＢＮ膜の成膜処理においては、上述したように窒素ガスの流量を段階的に増大させ、具体的には２５［ｍＬ／ｍｉｎ］〜５０［ｍＬ／ｍｉｎ］の範囲で段階的に増大させる。そして、バイアス電力Ｅｂの平均電圧値Ｖｍについても、−１０［Ｖ］〜−７０［Ｖ］の範囲で段階的に変化させる。なお、バイアス電力Ｅｂの電力値は、２０［Ｗ］〜４００［Ｗ］に設定される。この電力値の設定は、ローレベル時の電圧値Ｖｂによって行われる。
【００５８】
これと併せて、対照用に、バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力を被処理物３６に供給し、詳しくはパルス電源装置４８に代えて当該高周波電力を生成可能な高周波電源装置を用いる。そして、上述（図１０）と同じ条件で、放電洗浄処理、ＴｉＮ膜の成膜処理およびｃＢＮ膜の成膜処理を、行う。なお、この高周波電力については、上述の平均電圧値Ｖｍではなく、図６に示すように当該高周波電力に重畳される直流成分（自己バイアス電圧）Ｖｄｃを図１０の条件に合わせる。そして、この高周波電力もまた、上述の平均電圧値Ｖｍと同様に、ｃＢＮ膜の成膜処理において段階的に増大させる。勿論、窒素ガスの流量も、段階的に増大させる。そして、高周波電力の電力値は、３００［Ｗ］〜１６００［Ｗ］に設定され、この電力値の設定は、ピーク・トゥー・ピーク電圧値Ｖｐｐによって行われる。
【００５９】
このようにバイアス電力Ｅｂが互いに異なる条件下で形成された被膜の成分を、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）によって解析した。その結果を、図１１に示す。この図１１において、（ａ）が、バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用された場合の解析結果であり、（ｂ）が、周当該バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力が採用された場合の解析結果である。いずれの場合も、被膜を構成するＴｉＮおよびＴｉのピークが認められる。ところが、図１１（ｂ）においては、被処理物３６そのもの（母材）であるシリコンを含むＴｉＳｉｘというシリコン化合物のピークが認められる。このシリコン化合物の反応温度は、熱平衡状態で１３３０［℃］であることが知られている。従って、かかるシリコン化合物が検出されると言うことは、たとえ真空槽１２内の（真空中という）環境を考慮しても、被処理物３６の温度が相当の（例えば１３３０［℃］に近い）温度にまで上昇したものと、推察される。なお、図１１（ｂ）においては、当該シリコン化合物のピークは認められない。つまり、この第１の実験によれば、バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力が採用された場合には、被処理物３６の温度が変質を招く程度の温度にまで上昇するが、バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用されることによって、当該被処理物３６の温度上昇が抑制されることが、確認された。
【００６０】
次に、第２の実験として、第１の実験と同じ条件で、被処理物３６としてのエンドミルにｃＢＮ膜を形成することによって、当該エンドミルの寿命がどれくらいになるのかを検証するための実験を行った。具体的には、被処理物３６として、上述したＴｉＡｌＮ膜が形成された超硬合金製エンドミルを用いる。そして、このエンドミルに、第１の実験と同じ条件、つまりバイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力を供給する場合と、周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力を供給する場合とで、放電洗浄処理、ＴｉＮ膜の成膜処理およびｃＢＮ膜の成膜処理を、施す。そして、これら一連の処理が施されたエンドミルをマシニングセンタに取り付け、被切削材としての合金工具鋼（ＳＫＤ６１＿ＨＲＣ５３）を切削し、切削距離に対する切削抵抗を測定した。その結果を、図１２に示す。
【００６１】
なお、マシニングセンタによる切削時の切削速度は３０２［ｍ／ｍｉｎ］、送りピッチは０．１［ｍｍ／ｔｏｏｔｈ］、切り込み寸法は半径方向で０．２５［ｍｍ］、軸方向で７．８［ｍｍ］である。また、図１２において、実線の曲線が、バイアス電力Ｅｂとしてパルス電力が採用されたエンドミルの測定結果を示し、破線の曲線が、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたエンドミルの測定結果を示す。そして、一点鎖線の曲線は、未処理のもの、つまりＴｉＡｌＮ膜のみが形成されたエンドミルの測定結果を示す。
【００６２】
この図１２から分かるように、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたエンドミルについては、切削開始直後（切削距離が１０［ｍ］に達するまで）に、切削抵抗が急増する。これは、初期チッピングが生じたためであると、考えられる。そして、この図１２において、切削抵抗が５５０［Ｎ］に達した時点を寿命と見なすと、当該バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたエンドミルの寿命は、概ね６０［ｍ］である。これに対して、未処理のエンドミルについては、初期チッピングが認められず、その寿命は、概ね１２０［ｍ］である。つまり、ｃＢＮ膜という高硬度被膜が形成されているにも拘らず、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたエンドミルの寿命は、未処理のものの略半分である。これでは、ｃＢＮ膜を形成すること自体が無意味になる。一方、バイアス電力Ｅｂとしてパルス電力が採用されたエンドミルについても、未処理のものと同様、所期チッピングは認められない。ただし、寿命は、概ね３３０［ｍ］であり、当該未処理のものの２倍以上である。つまり、この第２の実験によれば、バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力が採用された場合には、被処理物３６としてのエンドミルの寿命が、未処理のものに比べて短くなる。そして、当該バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用された場合には、未処理のものに比べて、２倍以上も寿命を延ばすことができる、という結果が得られた。
【００６３】
そして、第３の実験として、第１および第２の実験と同じ条件で、被処理物３６としての超硬合金製のスローアウェイチップにｃＢＮ膜を形成することによって、当該スローアウェイチップの寿命がどれくらいになるのかを検証するための実験を行った。即ち、第１および第２の実験と同じ条件で、当該スローアウェイチップに放電洗浄処理、ＴｉＮ膜の成膜処理およびｃＢＮ膜の成膜処理を、施す。そして、これら一連の処理が施されたスローアウェイチップを旋盤に取り付け、被旋削材としてのネズミ鋳鉄鋼（ＦＣ２５０）を旋削し、旋削距離に対する当該スローアウェイチップの逃げ面の磨耗幅を測定した。その結果を、図１３に示す。
【００６４】
なお、旋盤による旋削時の旋削速度は１５０［ｍ／ｍｉｎ］、送りピッチは０．２７８［ｍｍ／ｒｅｖ］、切り込み寸法は１．５［ｍｍ］である。また、図１３において、実線の曲線が、バイアス電力Ｅｂとしてパルス電力が採用されたスローアウェイチップの測定結果を示し、破線の曲線が、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたスローアウェイチップの測定結果を示す。そして、一点鎖線の曲線は、参考用としてＴｉＡｌＮ膜のみが形成されたスローアウェイチップの測定結果を示し、短い破線の曲線は、未処理のもの、つまり何らの被膜も形成されていないスローアウェイチップの測定結果を示す。
【００６５】
この図１３において、未処理のスローアウェイチップについては、逃げ面の磨耗よりもいわゆるクレータ磨耗が激しく、旋削距離が約６００［ｍ］の時点で、使用不可となった。そして、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたスローアウェイチップについては、やはり初期チッピングによって、旋削開始直後から逃げ面磨耗幅が急増する。ここで、逃げ面磨耗幅が０．６［ｍｍ］に達した時点を寿命と見なすと、当該バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたスローアウェイチップの寿命は、概ね１０００［ｍ］である。これに対して、ＴｉＡｌＮ膜のみが形成されたスローアウェイチップについては、初期チッピングは認められず、その寿命は、概ね２２００［ｍ］である。つまり、第２の実験の場合と同様、ｃＢＮ膜という高硬度被膜が形成されているにも拘らず、バイアス電力Ｅｂとして高周波電力が採用されたスローアウェイチップの寿命は、当該ｃＢＮ膜が形成されていないものの略半分である。一方、バイアス電力Ｅｂとしてパルス電力が採用されたスローアウェイチップについても、所期チッピングは認められず、その寿命は、概ね５３００［ｍ］である。しかも、他のスローアウェイチップについては、クレータ磨耗によって寿命が尽きるが、当該バイアス電力Ｅｂとしてパルス電力が採用されたスローアウェイチップについては、クレータ磨耗は認められず、刃先が均一して磨耗していること、つまり場合によっては未だ旋削可能であることが、確認された。即ち、この第３の実験によれば、バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１３．５６［ＭＨｚ］の高周波電力が採用された場合には、被処理物３６としてのスローアウェイチップの寿命が、却って短くなる。そして、当該バイアス電力Ｅｂとして周波数ｆが１００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用された場合には、スローアウェイチップの寿命を大幅に延ばすことができる、という結果が得られた。
【００６６】
なお、これら第１〜第３の実験においては、いずれも上述したチャージアップは認められなかった。また、当該第１〜第３の実験においては、ＴｉＮ膜を中間層とするｃＢＮ膜を形成する場合について説明したが、これ以外の被膜を形成する場合には、当該被膜の電気抵抗率に応じてバイアス電力Ｅｂとしてのパルス電力の周波数ｆを例えば１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］の範囲内で定めるのが望ましい。具体的には、被膜の電気抵抗率が高いほどバイアス電力Ｅｂの周波数ｆを高めに設定し、被膜の電気抵抗率が低いほどバイアス電力Ｅｂの周波数を低めに設定する。このようにすれば、電気抵抗率が異なる様々な被膜を、チャージアップを誘発させることなく、適切に形成することができる。
【００６７】
以上のように、この実施形態によれば、バイアス電力Ｅｂとして、上述した高周波電力よりも遥かに周波数ｆの低い１０［ｋＨｚ］〜３００［ｋＨｚ］のパルス電力が採用されることで、表皮効果に起因する被処理物３６の温度上昇が抑制され、ひいては変質が防止される。従って、被処理物３６の変質を招くことなく、期待通りの被膜、例えば期待通りの高硬度なｃＢＮ膜を、形成することができる。
【００６８】
なお、この実施形態においては、バイアス電力Ｅｂとして、図４に示したようないわゆる非対称パルス電力を採用したが、これに限らない。例えば、デューティ比が５０［％］の対称パルス電力を採用してもよいし、方形波以外のパルス電力を採用してもよい。また、かかるパルス電力のような非正弦波電力ではなく、正弦波電力を採用してもよい。ただし、この場合、上述した直流成分Ｖｄｃを任意に調整可能とするのが、望ましい。勿論、図４におけるデューティ比および電圧値Ｖａを、任意に調整可能としてもよい。
【００６９】
そして、この実施形態では、イオンプレーティング法の成膜装置１０にこの発明を適用する場合について説明したが、これに限らない。例えば、スパッタリング法等の他のＰＶＤ（Physical Vapor
Deposition）法の成膜装置や、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法の成膜装置のように、被処理物にバイアス電力が供給される構成の成膜装置であれば、この発明を適用することができる。
【００７０】
また、この実施形態では、ＴｉＮ膜を中間層とするｃＢＮ膜を成膜する場合について説明したが、これ以外の被膜、例えばＣｒＮ（窒化クロム）膜やＡｌＮ（窒化アルミニウム）膜、ＳｉＮ（窒化ケイ素）膜等の様々な被膜を、同様の手順で形成することもできる。この場合、上述したように、被膜の電気抵抗率に応じてバイアス電力Ｅｂの周波数ｆを適宜設定するのが、望ましい。
【００７１】
そして、被処理物３６については、上述したエンドミルやスローアウェイチップ等の切削工具、およびシリコンウェハに限らず、これ以外のものを、採用してもよい。尤も、切削工具を含む刃物等のように高硬度が要求される被処理物３６において、かかる要求に対応するべくｃＢＮ膜等の高硬度被膜を形成するのに、この発明は極めて有効である。また、被処理物３６の材質（電気抵抗率）をも加味して、バイアス電力Ｅｂの周波数ｆを決定してもよい。
【００７２】
さらに、この発明は、放電洗浄処理のみを目的とする装置や、窒化処理等の成膜処理以外の表面処理を目的とする装置にも、適用することができる。
【００７３】
以上、ここで説明した内容は、飽くまでもこの発明を実施するための一例であり、この発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】この発明の一実施形態の概略構成を示す内部正面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図４】同実施形態におけるバイアス電力Ｅｂの電圧波形を示す図解図である。
【図５】同実施形態によって形成される被膜の概略構造を示す図解図である。
【図６】同実施形態における対照用としてのバイアス電力Ｅｂの電圧波形を示す図解図である。
【図７】図６のバイアス電力が採用された場合の不具合を説明するための図解図である。
【図８】表皮効果を説明するための図解図である。
【図９】表皮効果を説明するための図８とは異なる図解図である。
【図１０】同実施形態における第１〜第３の実験時の成膜条件を示す一覧である。
【図１１】同実施形態における第１の実験結果を示す図解図である。
【図１２】同実施形態における第２の実験結果を示す図解図である。
【図１３】同実施形態における第３の実験結果を示す図解図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 成膜装置
１２ 真空槽
３６ 被処理物
４０ カソード
４２ アノード
５０，５２ 磁界発生器
５８ ガス管
６２ パルス電源装置
６４ プラズマ領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物の表面に被膜を形成する成膜装置において、
上記被膜の材料をイオン化するイオン化手段と、
上記イオン化手段によってイオン化された上記材料を上記被処理物の表面へ衝突させるためのバイアス電力を該被処理物に供給するバイアス供給手段と、
を具備し、
上記バイアス電力は周波数が１０ｋＨｚから３００ｋＨｚまでの交流電力であること、
を特徴とする、成膜装置。
【請求項２】
上記被膜の電気抵抗率に応じて上記バイアス電力の周波数が設定される、請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
上記バイアス電力は概略矩形波電力である、請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
上記被処理物は刃物である、請求項１ないし３のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項５】
上記被膜は立方晶窒化ホウ素膜を含む、請求項１ないし４のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項６】
被処理物の表面に被膜を形成する成膜方法において、
上記被膜の材料をイオン化するイオン化過程と、
上記イオン化過程によってイオン化された上記材料を上記被処理物の表面へ衝突させるためのバイアス電力を該被処理物に供給するバイアス供給過程と、
を具備し、
上記バイアス電力は周波数が１０ｋＨｚから３００ｋＨｚまでの交流電力であること、
を特徴とする、成膜装置。
【請求項１】
被処理物の表面に被膜を形成する成膜装置において、
上記被膜の材料をイオン化するイオン化手段と、
上記イオン化手段によってイオン化された上記材料を上記被処理物の表面へ衝突させるためのバイアス電力を該被処理物に供給するバイアス供給手段と、
を具備し、
上記バイアス電力は周波数が１０ｋＨｚから３００ｋＨｚまでの交流電力であること、
を特徴とする、成膜装置。
【請求項２】
上記被膜の電気抵抗率に応じて上記バイアス電力の周波数が設定される、請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
上記バイアス電力は概略矩形波電力である、請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
上記被処理物は刃物である、請求項１ないし３のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項５】
上記被膜は立方晶窒化ホウ素膜を含む、請求項１ないし４のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項６】
被処理物の表面に被膜を形成する成膜方法において、
上記被膜の材料をイオン化するイオン化過程と、
上記イオン化過程によってイオン化された上記材料を上記被処理物の表面へ衝突させるためのバイアス電力を該被処理物に供給するバイアス供給過程と、
を具備し、
上記バイアス電力は周波数が１０ｋＨｚから３００ｋＨｚまでの交流電力であること、
を特徴とする、成膜装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図７】
【公開番号】特開２００７−１１３０４４（Ｐ２００７−１１３０４４Ａ）
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０４２４０（Ｐ２００５−３０４２４０）
【出願日】平成１７年１０月１９日（２００５．１０．１９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）近畿経済産業局長との間に締結した平成１７年４月１日付け「平成１７年度地域新生コンソーシアム研究開発事業（ｃＢＮコーティングによる超高速・軽切削ドライ加工システム）」に係る委託契約に基づく研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１９２５６７）神港精機株式会社 (54)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月１９日（２００５．１０．１９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）近畿経済産業局長との間に締結した平成１７年４月１日付け「平成１７年度地域新生コンソーシアム研究開発事業（ｃＢＮコーティングによる超高速・軽切削ドライ加工システム）」に係る委託契約に基づく研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１９２５６７）神港精機株式会社 (54)
【Ｆターム（参考）】
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