成膜装置及び成膜方法
【課題】成膜装置において、成膜中に基板へのイオン照射を十分に行うと共に、良好なイオン化率を得る。
【解決手段】本発明の成膜装置１は、内側に配備された内極磁石９と、この内極磁石９の外側に配備され且つ内極磁石９より磁力線密度が大きな外極磁石１０とで形成された非平衡磁場形成手段６と、非平衡磁場形成手段６の前面に配備されたターゲット５とからなるスパッタリング蒸発源４を２基有し、２基のスパッタリング蒸発源４を１組として１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流すことにより、両スパッタリング蒸発源４の間に放電を起こして成膜を行う交流電源８が設けられている。
【解決手段】本発明の成膜装置１は、内側に配備された内極磁石９と、この内極磁石９の外側に配備され且つ内極磁石９より磁力線密度が大きな外極磁石１０とで形成された非平衡磁場形成手段６と、非平衡磁場形成手段６の前面に配備されたターゲット５とからなるスパッタリング蒸発源４を２基有し、２基のスパッタリング蒸発源４を１組として１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流すことにより、両スパッタリング蒸発源４の間に放電を起こして成膜を行う交流電源８が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材の表面にスパッタ、ＣＶＤなどを用いて真空成膜を行う成膜装置及び成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、切削工具の耐磨耗性の向上や、機械部品の摺動面の摺動特性の向上を目的として、基材（成膜対象物）に対して、物理的蒸着（ＰＶＤ）法による硬質皮膜（ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等）の成膜が行われてきた。このような硬質皮膜の成膜に用いられる装置としては、アークイオンプレーティング装置やスパッタリング装置などの成膜装置がある。
【０００３】
ところで、このような成膜装置のなかでもスパッタリングを行う装置は、平滑な表面を有する皮膜の形成手段として好適に用いられてきた。しかし、その反面で、成膜中に基板へイオン照射が満足に行われないことが多く、良好な生産性を発揮させるためにはイオン化率を高めて成膜速度を上げることが必要不可欠とされてきた。このようなイオン化率を高める手段の１つが、マグネトロンスパッタ源の磁場を意図的に非平衡とするＵＢＭＳ（Unbalanced Magnetron Sputter）を採用することである。
【０００４】
特許文献１や特許文献２に示すように、ＵＢＭＳは、ＢＭＳ（Balanced Magnetron Sputter）と同様に、ターゲットの背面側に磁場形成手段（マグネトロン）を有するものであり、この磁場形成手段の作用でターゲットの正面に磁場を形成し、形成された磁場に沿ってイオンを指向的に照射させるものである。このＵＢＭＳがＢＭＳと異なっているのは、磁場形成手段を構成する内極磁石とこの内極磁石の外側に配備された外極磁石とが互いに異なる磁極がワーク側に向くように配備されていて、内極磁石より外極磁石の磁力密度の方が高くなるように磁場形成手段が構成されている点である。
【０００５】
このように内極磁石より外極磁石の磁力密度を高くすれば、ターゲットの正面側、言い換えればワーク側に向かって伸びる磁場を形成することができ、内極磁石と外極磁石との磁力密度に差がないＢＭＳの磁場形成手段を用いた場合に比べて基板へのイオン照射量を高めることができ、基板へのイオン照射量を高めることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２８２２３５号公報
【特許文献２】特開２０００−１１９８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述したＵＢＭＳはターゲットの正面に強い磁場をワーク側に向かって伸びるように形成するものであり、基板へのイオン照射量を高める手段として有効なものである。
しかし、ＵＢＭＳを用いた場合であっても、例えば上述したような硬質皮膜などの成膜を行うに際しては、イオン化が十分に為されているとは言い難い状況が発生しており、良好な膜質の成膜が行えないことがあった。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、成膜中に基板へのイオン照射が十分に行えて、良好なイオン化率を得ることができる成膜装置及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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の成膜装置は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の成膜装置は、内側に配備された内極磁石と、この内極磁石の外側に配備され且つ内極磁石より磁力線密度が大きな外極磁石とで形成された非平衡磁場形成手段と、前記非平衡磁場形成手段の前面に配備されたターゲットとからなるスパッタリング蒸発源を少なくとも２基有し、前記２基のスパッタリング蒸発源を１組として、少なくとも１組のスパッタリング蒸発源に対して１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流すことにより、両スパッタリング蒸発源の間に放電を起こして成膜を行う交流電源が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記１組のスパッタリング蒸発源は、真空チャンバ内において隣接配備され、且つ隣り合うスパッタリング蒸発源の内極磁石同士と外極磁石同士とが互いに同極とされているとよい。
好ましくは、前記スパッタリング蒸発源の前面には、ターゲットの正面をカバーするシャッターが開閉自在に設けられており、前記交流電源により交流が印加されたスパッタリング蒸発源のシャッターは、全開時の開き角が９０°以上とされているとよい。
【００１１】
好ましくは、前記スパッタリング蒸発源に加えて、カソード放電型のアーク式蒸発源が前記真空チャンバ内に１基以上設けられているとよい。
好ましくは、前記真空チャンバ内に反応ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給して、この混合ガスを前記放電を用いてイオン化することによりターゲット材と反応ガスの加工物の皮膜を成膜するガス供給手段が設けられているとよい。
【００１２】
好ましくは、前記反応ガスが窒素ガスであるとよい。
一方、本発明の成膜方法は、内側に配備された内極磁石と、この内極磁石の外側に配備され且つ内極磁石より磁力線密度が大きな外極磁石とで形成された非平衡磁場形成手段と、前記非平衡磁場形成手段の前面に配備されたターゲットとからなるスパッタリング蒸発源を、このスパッタリング蒸発源が成膜を行う真空チャンバ内に少なくとも２基配備しておき、前記２基のスパッタリング蒸発源を１組として、少なくとも１組のスパッタリング蒸発源に対して１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流して、両スパッタリング蒸発源の間に放電を起こして成膜を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の成膜装置及び成膜方法を用いることで、成膜中に基板へのイオン照射が十分に行えて、良好なイオン化率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の成膜装置を示す図である。
【図２】本実施形態の成膜装置に発生する磁力線の分布を示す図である。
【図３】本実施形態の変形例の成膜装置に発生する磁力線の分布を示す図である。
【図４】本実施形態の変形例の成膜装置に発生する磁力線の分布を示す図である。
【図５】本実施形態の変形例の成膜装置に発生する磁力線の分布を示す図である。
【図６】従来例の成膜装置に発生する磁力線の分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る成膜装置を、図面に基づき詳しく説明する。
本実施形態の成膜装置１は、断面八角形の真空チャンバ２内に設置された基材Ｗの表面に物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により皮膜を被覆する装置であって、真空チャンバ２内の底面の略中央には、処理物である複数の基材Ｗを載置した回転式のワークテーブル３が設けられている。真空チャンバ２の複数の内周面のうち、２つ以上の内周面にはスパッタリング蒸発源４がそれぞれ配置されている。
【００１６】
なお、本実施形態の真空チャンバ２は断面八角形であるため、その内周面は全部で８面設けられている。そして、これら８面の内周面のうち、１つおきに隣り合う２つの内周面にスパッタリング蒸発源４が配備されている。つまり、図１の配置であれば、８面の内周面のうち、左上、右上、の２つの内周面にスパッタリング蒸発源４が全部で２基配備されている。
【００１７】
それぞれのスパッタリング蒸発源４は、基材Ｗに向かって正対するように配備された板状のターゲット５と、非平衡磁場形成手段６とを有している。この非平衡磁場形成手段６は、ターゲット５の背面側（基材Ｗに向かない側）に配備されており、ターゲットの正面側（基材Ｗに向かって正対する側）に指向的に磁場を形成する。
また、スパッタリング蒸発源４の外側には、ターゲット５の正面をカバーするシャッター７が開閉自在に設けられている。このシャッター７は、ターゲット５に正対する側から見て左右に観音開き状に開閉可能となっている。そして、全開時のシャッター７の開き角はターゲット５の表面に対して９０°以上に設定されており、全開時にはターゲット５から基材Ｗに向かうにつれて徐々に広がるようにシャッター７は外側に向かって開かれるようになっている。また、図１に示すようにシャッター７を全閉にしたときに、ターゲット７が全面に亘って隠れるようになっている。
【００１８】
上述したようにスパッタリング蒸発源４は真空チャンバ２に全部で２基配備されており、本実施形態では真空チャンバ２の左上及び右上にスパッタリング蒸発源４がそれぞれ配備されており、スパッタリング蒸発源４間に後述する交流電源８が接続されている。また、スパッタリング蒸発源は２台以上配備し、複数組に対して交流、あるいはバイポーラ電源を接続することも出来る。
【００１９】
ターゲット５は、基材Ｗに成膜しようとする皮膜の原料となる金属を板状に加工したものである。例えば、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等の硬質皮膜を成膜する場合であれば、Ｔｉ、ＴｉＡｌ合金、Ｃｒなどの金属板が用いられる。また、このターゲット５には、交流電源８の一方の極が接続されている。
非平衡磁場形成手段６は、内側に配備された内極磁石９と、この内極磁石９の外側に配備され且つ内極磁石９より磁力線密度（磁束密度）が大きな外極磁石１０とで形成されているものであり、ＵＢＭＳ用の磁場形成手段となっている。これらの内極磁石９及び外極磁石１０は、いずれもネオジム磁石のような永久磁石または電磁石であり、基材Ｗに向かっていずれかの磁極を向けて配備されている。外極磁石は、磁力線密度を上げるために内極磁石よりも大きな断面積の磁石を使用しており、その断面積の比率により非平衡磁場の度合いが決まる。通常断面積の比率は外極磁石が内極磁石の１．５〜２倍程度である。
【００２０】
このように非平衡磁場形成手段６を備えたＵＢＭＳのスパッタリング蒸発源４を用いれば、ターゲット５の正面側の磁力線を背面側に比べて強くすることができ、ターゲット５の正面側に対して磁力線を優先的に指向させることが可能となる。
ところで、本発明の成膜装置１は、上述した２基のスパッタリング蒸発源４のうち、１組のスパッタリング蒸発源４に交流電源８を用いて１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流すことを特徴としている。
【００２１】
この交流電源８には、バイポーラ電源のような極性が反転する電流を発生できる装置を用いることができる。また、交流電流には、正弦波形で極性が反転するものだけでなく、矩形波形で極性が反転するパルス電流などを用いることもできる。この交流電源８からは、１０ｋＨｚ以上の高周波の交流電流、より好ましくは２０ｋＨｚ以上の高周波の交流電流が与えられる。
【００２２】
上述した成膜装置１を用いて基材Ｗの表面に成膜を行う場合は、次のような手順で成膜を実施する。
上述したように、内側に配備された内極磁石９と、この内極磁石９の外側に配備され且つ内極磁石９より磁力線密度が大きな外極磁石１０とで形成された非平衡磁場形成手段６を、ターゲット５の背面側に有するスパッタリング蒸発源４を２基用意する。そして、このスパッタリング蒸発源４を成膜を行う真空チャンバ２内の複数の内周面にそれぞれ配備する。図例では、左上、右上、２箇所の内周面に、スパッタリング蒸発源４を取り付けている。その上で、２基のスパッタリング蒸発源４に対して、１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流す。
【００２３】
このようにすると、２基のスパッタリング蒸発源４の間に交流電源８の作用で電位差が生じ、一方のスパッタリング蒸発源４のターゲット５から他方のスパッタリング蒸発源４のターゲット５に向かって放電が発生する。このとき、放電された電子はそれぞれの非平衡磁場形成手段６間に生じた磁力線（図２に示すような磁力線）に沿って活発に移動することになる。その結果、蒸発源４間に存在するスパッタガスのイオン化が促進されて、基板Ｗへのイオン照射量が増加し、基材Ｗの表面に緻密な皮膜を形成することが可能となる。このイオン照射量の増加はスパッタリング蒸発源４が１基の場合より大きく、また交互に放電させる周波数を１０ｋＨｚ以上、より好ましくは２０ｋＨｚ以上にすることでイオン照射量をさらに大きくすることができる。
【００２４】
ところで、上述したような基板Ｗへのイオン照射量の増加は、図２のようなスパッタリング蒸発源４の配置だけでなく、図３〜図８に示すようなスパッタリング蒸発源４の配置でも確認される。これらに図示した配置のスパッタリング蒸発源間に１０ｋＨｚ以上の交流を流した場合にも、図９の従来例（スパッタリング蒸発源４が１基のもの）に比べて、イオン照射を増加させる効果を発揮することができる。
【００２５】
具体的には、図２及び図４は８つの内周面のうち、１つの内周面を挟んでその左右の内周面にスパッタリング蒸発源４が全部で２基設けられたものである。また、図３及び図５は、８つの内周面のうち、互いに対面し合う内周面にスパッタリング蒸発源４が全部で２基設けられたものである。
そして、図４及び図５に比べて、図２及び図３は、非平衡磁場形成手段６の内極磁石９及び外極磁石１０の磁極の向きが互いに同極のもの、つまり一方の非平衡磁場形成手段６の内極磁石９や外極磁石１０から出た磁力線が他方の非平衡磁場形成手段６の内極磁石９や外極磁石１０に直接入らない（斥け合う）配置となったものである。図示された磁力線の分布から明らかなように、図２及び図３のように磁力線同士が斥け合う配置の方が、図４及び図５よりイオン照射を増加させる効果が大きいと判断される。
【００２６】
なお、上述したスパッタリング蒸発源４に加えて、カソード放電型のアーク式蒸発源（図示省略）を真空チャンバ２内に１基以上設けることもできる。このようにすれば成膜装置１を用いて基材Ｗの表面にアークイオンプレーティング法を用いた成膜を行うことが可能となる。
また、真空チャンバ２内にガスを供給したり排出したりするガス供給手段（図示省略）を設けておけば、反応ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給して、この混合ガスを放電を用いてイオン化することによりターゲット材と反応ガスが反応した化合物皮膜を成膜することも可能となる。このとき、反応ガスを窒素ガスとすれば窒化物の反応性皮膜（ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等の皮膜）を成膜することができ、反応ガスをメタンガスとすれば炭化物の反応性皮膜（ＴｉＣ，ＣｒＣ）を成膜することができる。このように不活性ガスに加えて窒素、炭化水素あるいは酸素などの反応ガスを供給することで、これらの反応ガスのイオン化が促進され、より量論組成に近い緻密な化合物皮膜を形成することができる。
【実施例】
【００２７】
次に、実施例を用いて本発明の成膜装置１の作用効果をさらに詳しく説明する。
断面が八角形の真空チャンバ２の内周面に２基のスパッタリング蒸発源４を取り付けた成膜装置１を使用して成膜を行った。なお、２基のスパッタリング蒸発源４については、真空チャンバ２の左上に位置するものが表１の「蒸発源１」に対応し、真空チャンバ２の右上に位置するものが表１の「蒸発源２」、右下に位置するものが「蒸発源３」に対応する。
【００２８】
スパッタリング蒸発源４には、表１に示す種類（Ｔｉ＋Ａｌ）のターゲット５を取り付け、成膜を行った。ターゲット５のサイズは１２７×５０８ｍｍであり、背面にはネオジム磁石からなる平衡磁場（ＢＭ）あるいは非平衡磁場（ＵＢＭ）を発生する磁場形成手段が備えられている。このスパッタリング蒸発源４が設けられた成膜装置１にはφ１３０×６００ｍｍのＳＵＳ３０４製のパイプ（基材Ｗ）が６本搭載されたワークテーブル３が設けられており、成膜中にこのワークテーブル３は３ｒｐｍで回転するようになっている。
【００２９】
そして、成膜時にスパッタガスであるアルゴンガスを標準状態に換算して１２０cc/min（ｓｃｃｍ）投入すると共に、反応ガスとなる窒素を放電電力に合わせた量だけ供給した。なお、成膜時の真空チャンバ２内の圧力は約０．６Ｐａであり、また温度は４００℃であった。
以上のような成膜条件で従来例の成膜装置及び実施例の成膜装置１を用いて基材Ｗに成膜を行い、成膜時に流れる基板電流値を測定して、イオン化度合いを判断した。なお、従来例としては、平衡磁場（ＢＭ）を発生する磁場形成手段に直流電源（ＤＣ）を接続した装置で成膜を行った例（従来例１、２）、非平衡磁場（ＵＢＭ）を発生する磁場形成手段に直流電源を接続した装置で成膜を行った例（従来例３、４）、平衡磁場（ＢＭ）を発生する磁場形成手段に交流電源を接続した装置で成膜を行った例（従来例５、６）を実施した。
表１に示す条件で、従来例（１〜４）の装置で成膜を行った場合には、投入電力の上限が蒸発源１基当たり２．５ｋＷまでは安定した放電が可能であるが、この２．５ｋＷを越える場合にはターゲット５の表面でアーキング（正常なグロー放電ではなく、異常なアーク放電が起きる現象）が発生した。従来例５、６では交流電源を接続していることから安定した放電は可能であるが、スパッタ蒸発源が非平衡磁場でないことから、イオン化が不十分であり、基板に流れる電流値は低い。このように従来例では、表１から明らかなように、安定した放電が可能な条件での基板電流値は低いものとなっており、スパッタリング条件としては好ましくない。
ところが、非平衡磁場（ＵＢＭ）を発生する磁場形成手段６を具備するスパッタ蒸発源４に交流電流を流した実施例１〜９の場合には、投入電力が蒸発源１基当たり８ｋＷになっても、アーキングのない安定した放電が可能であった。表１から明らかなように、安定した放電が可能な条件での基板電流値は比較例より十分に高い値となり、スパッタリング条件としては好ましい。このことから、非平衡磁場（ＵＢＭ）を発生する磁場形成手段６に交流電流を流すことにより、成膜中に基板へのアーキングのない安定した放電（イオン照射）が可能となり、良好なイオン化率が得られていることがわかる。
【００３０】
【表１】
【００３１】
一方、表１の実施例１と同じ成膜条件に設定した上で、シャッター７の開き角度を８０°、９０°、１２０°、１３５°、１８０°として、放電時に基板Ｗに流れる電流値を表１の場合と同じく計測した。結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】
【００３３】
表２から、シャッター７の開き角度を９０°以上とすることで、成膜中に基板Ｗへ大きなイオン電流を安定して発生させることが可能となり、良好なイオン化率が得られていることがわかる。このようにイオン電流が大きくなった理由としては、シャッター７の開き角度を９０°以上とした場合、ターゲット５の正面の漏れ磁束に乗った電子がアノードとして作用するシャッター７にブロックされなくなり（入射せず）、その結果、スパッタリング蒸発源４間を移動する電子が増えたためと考えられる。
【００３４】
以上述べたことより明らかなように、内側に配備された内極磁石９と、この内極磁石９の外側に配備され且つ内極磁石９より磁力線密度が大きな外極磁石１０とで形成された非平衡磁場形成手段６と、非平衡磁場形成手段６の前面に配備されたターゲット５とからなるスパッタリング蒸発源４を、このスパッタリング蒸発源４が成膜を行う真空チャンバ２内に２基以上配備しておき、２基以上のスパッタリング蒸発源の内、１組以上のスパッタリング蒸発源に対して、１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流して、両スパッタリング蒸発源４の間に放電を起こして成膜を行うことにより、基板Ｗへのイオン照射が十分に行えて、良好なイオン化率を得ることができ、成膜を確実に行えるようになる。
【００３５】
ところで、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材の形状、構造、材質、組み合わせなどを適宜変更可能である。また、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。
【符号の説明】
【００３６】
１ 成膜装置
２ 真空チャンバ
３ ワークテーブル
４ スパッタリング蒸発源
５ ターゲット
６ 非平衡磁場形成手段
７ シャッター
８ 交流電源
９ 内極磁石
１０ 外極磁石
Ｗ 基材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材の表面にスパッタ、ＣＶＤなどを用いて真空成膜を行う成膜装置及び成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、切削工具の耐磨耗性の向上や、機械部品の摺動面の摺動特性の向上を目的として、基材（成膜対象物）に対して、物理的蒸着（ＰＶＤ）法による硬質皮膜（ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等）の成膜が行われてきた。このような硬質皮膜の成膜に用いられる装置としては、アークイオンプレーティング装置やスパッタリング装置などの成膜装置がある。
【０００３】
ところで、このような成膜装置のなかでもスパッタリングを行う装置は、平滑な表面を有する皮膜の形成手段として好適に用いられてきた。しかし、その反面で、成膜中に基板へイオン照射が満足に行われないことが多く、良好な生産性を発揮させるためにはイオン化率を高めて成膜速度を上げることが必要不可欠とされてきた。このようなイオン化率を高める手段の１つが、マグネトロンスパッタ源の磁場を意図的に非平衡とするＵＢＭＳ（Unbalanced Magnetron Sputter）を採用することである。
【０００４】
特許文献１や特許文献２に示すように、ＵＢＭＳは、ＢＭＳ（Balanced Magnetron Sputter）と同様に、ターゲットの背面側に磁場形成手段（マグネトロン）を有するものであり、この磁場形成手段の作用でターゲットの正面に磁場を形成し、形成された磁場に沿ってイオンを指向的に照射させるものである。このＵＢＭＳがＢＭＳと異なっているのは、磁場形成手段を構成する内極磁石とこの内極磁石の外側に配備された外極磁石とが互いに異なる磁極がワーク側に向くように配備されていて、内極磁石より外極磁石の磁力密度の方が高くなるように磁場形成手段が構成されている点である。
【０００５】
このように内極磁石より外極磁石の磁力密度を高くすれば、ターゲットの正面側、言い換えればワーク側に向かって伸びる磁場を形成することができ、内極磁石と外極磁石との磁力密度に差がないＢＭＳの磁場形成手段を用いた場合に比べて基板へのイオン照射量を高めることができ、基板へのイオン照射量を高めることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２８２２３５号公報
【特許文献２】特開２０００−１１９８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述したＵＢＭＳはターゲットの正面に強い磁場をワーク側に向かって伸びるように形成するものであり、基板へのイオン照射量を高める手段として有効なものである。
しかし、ＵＢＭＳを用いた場合であっても、例えば上述したような硬質皮膜などの成膜を行うに際しては、イオン化が十分に為されているとは言い難い状況が発生しており、良好な膜質の成膜が行えないことがあった。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、成膜中に基板へのイオン照射が十分に行えて、良好なイオン化率を得ることができる成膜装置及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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の成膜装置は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の成膜装置は、内側に配備された内極磁石と、この内極磁石の外側に配備され且つ内極磁石より磁力線密度が大きな外極磁石とで形成された非平衡磁場形成手段と、前記非平衡磁場形成手段の前面に配備されたターゲットとからなるスパッタリング蒸発源を少なくとも２基有し、前記２基のスパッタリング蒸発源を１組として、少なくとも１組のスパッタリング蒸発源に対して１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流すことにより、両スパッタリング蒸発源の間に放電を起こして成膜を行う交流電源が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記１組のスパッタリング蒸発源は、真空チャンバ内において隣接配備され、且つ隣り合うスパッタリング蒸発源の内極磁石同士と外極磁石同士とが互いに同極とされているとよい。
好ましくは、前記スパッタリング蒸発源の前面には、ターゲットの正面をカバーするシャッターが開閉自在に設けられており、前記交流電源により交流が印加されたスパッタリング蒸発源のシャッターは、全開時の開き角が９０°以上とされているとよい。
【００１１】
好ましくは、前記スパッタリング蒸発源に加えて、カソード放電型のアーク式蒸発源が前記真空チャンバ内に１基以上設けられているとよい。
好ましくは、前記真空チャンバ内に反応ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給して、この混合ガスを前記放電を用いてイオン化することによりターゲット材と反応ガスの加工物の皮膜を成膜するガス供給手段が設けられているとよい。
【００１２】
好ましくは、前記反応ガスが窒素ガスであるとよい。
一方、本発明の成膜方法は、内側に配備された内極磁石と、この内極磁石の外側に配備され且つ内極磁石より磁力線密度が大きな外極磁石とで形成された非平衡磁場形成手段と、前記非平衡磁場形成手段の前面に配備されたターゲットとからなるスパッタリング蒸発源を、このスパッタリング蒸発源が成膜を行う真空チャンバ内に少なくとも２基配備しておき、前記２基のスパッタリング蒸発源を１組として、少なくとも１組のスパッタリング蒸発源に対して１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流して、両スパッタリング蒸発源の間に放電を起こして成膜を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の成膜装置及び成膜方法を用いることで、成膜中に基板へのイオン照射が十分に行えて、良好なイオン化率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の成膜装置を示す図である。
【図２】本実施形態の成膜装置に発生する磁力線の分布を示す図である。
【図３】本実施形態の変形例の成膜装置に発生する磁力線の分布を示す図である。
【図４】本実施形態の変形例の成膜装置に発生する磁力線の分布を示す図である。
【図５】本実施形態の変形例の成膜装置に発生する磁力線の分布を示す図である。
【図６】従来例の成膜装置に発生する磁力線の分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る成膜装置を、図面に基づき詳しく説明する。
本実施形態の成膜装置１は、断面八角形の真空チャンバ２内に設置された基材Ｗの表面に物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により皮膜を被覆する装置であって、真空チャンバ２内の底面の略中央には、処理物である複数の基材Ｗを載置した回転式のワークテーブル３が設けられている。真空チャンバ２の複数の内周面のうち、２つ以上の内周面にはスパッタリング蒸発源４がそれぞれ配置されている。
【００１６】
なお、本実施形態の真空チャンバ２は断面八角形であるため、その内周面は全部で８面設けられている。そして、これら８面の内周面のうち、１つおきに隣り合う２つの内周面にスパッタリング蒸発源４が配備されている。つまり、図１の配置であれば、８面の内周面のうち、左上、右上、の２つの内周面にスパッタリング蒸発源４が全部で２基配備されている。
【００１７】
それぞれのスパッタリング蒸発源４は、基材Ｗに向かって正対するように配備された板状のターゲット５と、非平衡磁場形成手段６とを有している。この非平衡磁場形成手段６は、ターゲット５の背面側（基材Ｗに向かない側）に配備されており、ターゲットの正面側（基材Ｗに向かって正対する側）に指向的に磁場を形成する。
また、スパッタリング蒸発源４の外側には、ターゲット５の正面をカバーするシャッター７が開閉自在に設けられている。このシャッター７は、ターゲット５に正対する側から見て左右に観音開き状に開閉可能となっている。そして、全開時のシャッター７の開き角はターゲット５の表面に対して９０°以上に設定されており、全開時にはターゲット５から基材Ｗに向かうにつれて徐々に広がるようにシャッター７は外側に向かって開かれるようになっている。また、図１に示すようにシャッター７を全閉にしたときに、ターゲット７が全面に亘って隠れるようになっている。
【００１８】
上述したようにスパッタリング蒸発源４は真空チャンバ２に全部で２基配備されており、本実施形態では真空チャンバ２の左上及び右上にスパッタリング蒸発源４がそれぞれ配備されており、スパッタリング蒸発源４間に後述する交流電源８が接続されている。また、スパッタリング蒸発源は２台以上配備し、複数組に対して交流、あるいはバイポーラ電源を接続することも出来る。
【００１９】
ターゲット５は、基材Ｗに成膜しようとする皮膜の原料となる金属を板状に加工したものである。例えば、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等の硬質皮膜を成膜する場合であれば、Ｔｉ、ＴｉＡｌ合金、Ｃｒなどの金属板が用いられる。また、このターゲット５には、交流電源８の一方の極が接続されている。
非平衡磁場形成手段６は、内側に配備された内極磁石９と、この内極磁石９の外側に配備され且つ内極磁石９より磁力線密度（磁束密度）が大きな外極磁石１０とで形成されているものであり、ＵＢＭＳ用の磁場形成手段となっている。これらの内極磁石９及び外極磁石１０は、いずれもネオジム磁石のような永久磁石または電磁石であり、基材Ｗに向かっていずれかの磁極を向けて配備されている。外極磁石は、磁力線密度を上げるために内極磁石よりも大きな断面積の磁石を使用しており、その断面積の比率により非平衡磁場の度合いが決まる。通常断面積の比率は外極磁石が内極磁石の１．５〜２倍程度である。
【００２０】
このように非平衡磁場形成手段６を備えたＵＢＭＳのスパッタリング蒸発源４を用いれば、ターゲット５の正面側の磁力線を背面側に比べて強くすることができ、ターゲット５の正面側に対して磁力線を優先的に指向させることが可能となる。
ところで、本発明の成膜装置１は、上述した２基のスパッタリング蒸発源４のうち、１組のスパッタリング蒸発源４に交流電源８を用いて１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流すことを特徴としている。
【００２１】
この交流電源８には、バイポーラ電源のような極性が反転する電流を発生できる装置を用いることができる。また、交流電流には、正弦波形で極性が反転するものだけでなく、矩形波形で極性が反転するパルス電流などを用いることもできる。この交流電源８からは、１０ｋＨｚ以上の高周波の交流電流、より好ましくは２０ｋＨｚ以上の高周波の交流電流が与えられる。
【００２２】
上述した成膜装置１を用いて基材Ｗの表面に成膜を行う場合は、次のような手順で成膜を実施する。
上述したように、内側に配備された内極磁石９と、この内極磁石９の外側に配備され且つ内極磁石９より磁力線密度が大きな外極磁石１０とで形成された非平衡磁場形成手段６を、ターゲット５の背面側に有するスパッタリング蒸発源４を２基用意する。そして、このスパッタリング蒸発源４を成膜を行う真空チャンバ２内の複数の内周面にそれぞれ配備する。図例では、左上、右上、２箇所の内周面に、スパッタリング蒸発源４を取り付けている。その上で、２基のスパッタリング蒸発源４に対して、１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流す。
【００２３】
このようにすると、２基のスパッタリング蒸発源４の間に交流電源８の作用で電位差が生じ、一方のスパッタリング蒸発源４のターゲット５から他方のスパッタリング蒸発源４のターゲット５に向かって放電が発生する。このとき、放電された電子はそれぞれの非平衡磁場形成手段６間に生じた磁力線（図２に示すような磁力線）に沿って活発に移動することになる。その結果、蒸発源４間に存在するスパッタガスのイオン化が促進されて、基板Ｗへのイオン照射量が増加し、基材Ｗの表面に緻密な皮膜を形成することが可能となる。このイオン照射量の増加はスパッタリング蒸発源４が１基の場合より大きく、また交互に放電させる周波数を１０ｋＨｚ以上、より好ましくは２０ｋＨｚ以上にすることでイオン照射量をさらに大きくすることができる。
【００２４】
ところで、上述したような基板Ｗへのイオン照射量の増加は、図２のようなスパッタリング蒸発源４の配置だけでなく、図３〜図８に示すようなスパッタリング蒸発源４の配置でも確認される。これらに図示した配置のスパッタリング蒸発源間に１０ｋＨｚ以上の交流を流した場合にも、図９の従来例（スパッタリング蒸発源４が１基のもの）に比べて、イオン照射を増加させる効果を発揮することができる。
【００２５】
具体的には、図２及び図４は８つの内周面のうち、１つの内周面を挟んでその左右の内周面にスパッタリング蒸発源４が全部で２基設けられたものである。また、図３及び図５は、８つの内周面のうち、互いに対面し合う内周面にスパッタリング蒸発源４が全部で２基設けられたものである。
そして、図４及び図５に比べて、図２及び図３は、非平衡磁場形成手段６の内極磁石９及び外極磁石１０の磁極の向きが互いに同極のもの、つまり一方の非平衡磁場形成手段６の内極磁石９や外極磁石１０から出た磁力線が他方の非平衡磁場形成手段６の内極磁石９や外極磁石１０に直接入らない（斥け合う）配置となったものである。図示された磁力線の分布から明らかなように、図２及び図３のように磁力線同士が斥け合う配置の方が、図４及び図５よりイオン照射を増加させる効果が大きいと判断される。
【００２６】
なお、上述したスパッタリング蒸発源４に加えて、カソード放電型のアーク式蒸発源（図示省略）を真空チャンバ２内に１基以上設けることもできる。このようにすれば成膜装置１を用いて基材Ｗの表面にアークイオンプレーティング法を用いた成膜を行うことが可能となる。
また、真空チャンバ２内にガスを供給したり排出したりするガス供給手段（図示省略）を設けておけば、反応ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給して、この混合ガスを放電を用いてイオン化することによりターゲット材と反応ガスが反応した化合物皮膜を成膜することも可能となる。このとき、反応ガスを窒素ガスとすれば窒化物の反応性皮膜（ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等の皮膜）を成膜することができ、反応ガスをメタンガスとすれば炭化物の反応性皮膜（ＴｉＣ，ＣｒＣ）を成膜することができる。このように不活性ガスに加えて窒素、炭化水素あるいは酸素などの反応ガスを供給することで、これらの反応ガスのイオン化が促進され、より量論組成に近い緻密な化合物皮膜を形成することができる。
【実施例】
【００２７】
次に、実施例を用いて本発明の成膜装置１の作用効果をさらに詳しく説明する。
断面が八角形の真空チャンバ２の内周面に２基のスパッタリング蒸発源４を取り付けた成膜装置１を使用して成膜を行った。なお、２基のスパッタリング蒸発源４については、真空チャンバ２の左上に位置するものが表１の「蒸発源１」に対応し、真空チャンバ２の右上に位置するものが表１の「蒸発源２」、右下に位置するものが「蒸発源３」に対応する。
【００２８】
スパッタリング蒸発源４には、表１に示す種類（Ｔｉ＋Ａｌ）のターゲット５を取り付け、成膜を行った。ターゲット５のサイズは１２７×５０８ｍｍであり、背面にはネオジム磁石からなる平衡磁場（ＢＭ）あるいは非平衡磁場（ＵＢＭ）を発生する磁場形成手段が備えられている。このスパッタリング蒸発源４が設けられた成膜装置１にはφ１３０×６００ｍｍのＳＵＳ３０４製のパイプ（基材Ｗ）が６本搭載されたワークテーブル３が設けられており、成膜中にこのワークテーブル３は３ｒｐｍで回転するようになっている。
【００２９】
そして、成膜時にスパッタガスであるアルゴンガスを標準状態に換算して１２０cc/min（ｓｃｃｍ）投入すると共に、反応ガスとなる窒素を放電電力に合わせた量だけ供給した。なお、成膜時の真空チャンバ２内の圧力は約０．６Ｐａであり、また温度は４００℃であった。
以上のような成膜条件で従来例の成膜装置及び実施例の成膜装置１を用いて基材Ｗに成膜を行い、成膜時に流れる基板電流値を測定して、イオン化度合いを判断した。なお、従来例としては、平衡磁場（ＢＭ）を発生する磁場形成手段に直流電源（ＤＣ）を接続した装置で成膜を行った例（従来例１、２）、非平衡磁場（ＵＢＭ）を発生する磁場形成手段に直流電源を接続した装置で成膜を行った例（従来例３、４）、平衡磁場（ＢＭ）を発生する磁場形成手段に交流電源を接続した装置で成膜を行った例（従来例５、６）を実施した。
表１に示す条件で、従来例（１〜４）の装置で成膜を行った場合には、投入電力の上限が蒸発源１基当たり２．５ｋＷまでは安定した放電が可能であるが、この２．５ｋＷを越える場合にはターゲット５の表面でアーキング（正常なグロー放電ではなく、異常なアーク放電が起きる現象）が発生した。従来例５、６では交流電源を接続していることから安定した放電は可能であるが、スパッタ蒸発源が非平衡磁場でないことから、イオン化が不十分であり、基板に流れる電流値は低い。このように従来例では、表１から明らかなように、安定した放電が可能な条件での基板電流値は低いものとなっており、スパッタリング条件としては好ましくない。
ところが、非平衡磁場（ＵＢＭ）を発生する磁場形成手段６を具備するスパッタ蒸発源４に交流電流を流した実施例１〜９の場合には、投入電力が蒸発源１基当たり８ｋＷになっても、アーキングのない安定した放電が可能であった。表１から明らかなように、安定した放電が可能な条件での基板電流値は比較例より十分に高い値となり、スパッタリング条件としては好ましい。このことから、非平衡磁場（ＵＢＭ）を発生する磁場形成手段６に交流電流を流すことにより、成膜中に基板へのアーキングのない安定した放電（イオン照射）が可能となり、良好なイオン化率が得られていることがわかる。
【００３０】
【表１】
【００３１】
一方、表１の実施例１と同じ成膜条件に設定した上で、シャッター７の開き角度を８０°、９０°、１２０°、１３５°、１８０°として、放電時に基板Ｗに流れる電流値を表１の場合と同じく計測した。結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】
【００３３】
表２から、シャッター７の開き角度を９０°以上とすることで、成膜中に基板Ｗへ大きなイオン電流を安定して発生させることが可能となり、良好なイオン化率が得られていることがわかる。このようにイオン電流が大きくなった理由としては、シャッター７の開き角度を９０°以上とした場合、ターゲット５の正面の漏れ磁束に乗った電子がアノードとして作用するシャッター７にブロックされなくなり（入射せず）、その結果、スパッタリング蒸発源４間を移動する電子が増えたためと考えられる。
【００３４】
以上述べたことより明らかなように、内側に配備された内極磁石９と、この内極磁石９の外側に配備され且つ内極磁石９より磁力線密度が大きな外極磁石１０とで形成された非平衡磁場形成手段６と、非平衡磁場形成手段６の前面に配備されたターゲット５とからなるスパッタリング蒸発源４を、このスパッタリング蒸発源４が成膜を行う真空チャンバ２内に２基以上配備しておき、２基以上のスパッタリング蒸発源の内、１組以上のスパッタリング蒸発源に対して、１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流して、両スパッタリング蒸発源４の間に放電を起こして成膜を行うことにより、基板Ｗへのイオン照射が十分に行えて、良好なイオン化率を得ることができ、成膜を確実に行えるようになる。
【００３５】
ところで、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材の形状、構造、材質、組み合わせなどを適宜変更可能である。また、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。
【符号の説明】
【００３６】
１ 成膜装置
２ 真空チャンバ
３ ワークテーブル
４ スパッタリング蒸発源
５ ターゲット
６ 非平衡磁場形成手段
７ シャッター
８ 交流電源
９ 内極磁石
１０ 外極磁石
Ｗ 基材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側に配備された内極磁石と、この内極磁石の外側に配備され且つ内極磁石より磁力線密度が大きな外極磁石とで形成された非平衡磁場形成手段と、前記非平衡磁場形成手段の前面に配備されたターゲットとからなるスパッタリング蒸発源を少なくとも２基有し、
前記２基のスパッタリング蒸発源を１組として、少なくとも１組のスパッタリング蒸発源に対して１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流すことにより、両スパッタリング蒸発源の間に放電を起こして成膜を行う交流電源が設けられている
ことを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記１組のスパッタリング蒸発源は、真空チャンバ内において隣接配備され、且つ隣り合うスパッタリング蒸発源の内極磁石同士と外極磁石同士とが互いに同極とされていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記スパッタリング蒸発源の前面には、ターゲットの正面をカバーするシャッターが開閉自在に設けられており、
前記交流電源により交流が印加されたスパッタリング蒸発源のシャッターは、全開時の開き角が９０°以上とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記スパッタリング蒸発源に加えて、カソード放電型のアーク式蒸発源が前記真空チャンバ内に１基以上設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項５】
前記真空チャンバ内に反応ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給して、この混合ガスを前記放電を用いてイオン化することによりＣＶＤ皮膜を成膜するガス供給手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項６】
前記反応ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
【請求項７】
内側に配備された内極磁石と、この内極磁石の外側に配備され且つ内極磁石より磁力線密度が大きな外極磁石とで形成された非平衡磁場形成手段と、前記非平衡磁場形成手段の前面に配備されたターゲットとからなるスパッタリング蒸発源を、このスパッタリング蒸発源が成膜を行う真空チャンバ内に少なくとも２基配備しておき、
前記２基のスパッタリング蒸発源を１組として、少なくとも１組のスパッタリング蒸発源に対して１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流して、両スパッタリング蒸発源の間に放電を起こして成膜を行うことを特徴とする成膜方法。
【請求項１】
内側に配備された内極磁石と、この内極磁石の外側に配備され且つ内極磁石より磁力線密度が大きな外極磁石とで形成された非平衡磁場形成手段と、前記非平衡磁場形成手段の前面に配備されたターゲットとからなるスパッタリング蒸発源を少なくとも２基有し、
前記２基のスパッタリング蒸発源を１組として、少なくとも１組のスパッタリング蒸発源に対して１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流すことにより、両スパッタリング蒸発源の間に放電を起こして成膜を行う交流電源が設けられている
ことを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記１組のスパッタリング蒸発源は、真空チャンバ内において隣接配備され、且つ隣り合うスパッタリング蒸発源の内極磁石同士と外極磁石同士とが互いに同極とされていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記スパッタリング蒸発源の前面には、ターゲットの正面をカバーするシャッターが開閉自在に設けられており、
前記交流電源により交流が印加されたスパッタリング蒸発源のシャッターは、全開時の開き角が９０°以上とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記スパッタリング蒸発源に加えて、カソード放電型のアーク式蒸発源が前記真空チャンバ内に１基以上設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項５】
前記真空チャンバ内に反応ガスと不活性ガスとの混合ガスを供給して、この混合ガスを前記放電を用いてイオン化することによりＣＶＤ皮膜を成膜するガス供給手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項６】
前記反応ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項５に記載の成膜装置。
【請求項７】
内側に配備された内極磁石と、この内極磁石の外側に配備され且つ内極磁石より磁力線密度が大きな外極磁石とで形成された非平衡磁場形成手段と、前記非平衡磁場形成手段の前面に配備されたターゲットとからなるスパッタリング蒸発源を、このスパッタリング蒸発源が成膜を行う真空チャンバ内に少なくとも２基配備しておき、
前記２基のスパッタリング蒸発源を１組として、少なくとも１組のスパッタリング蒸発源に対して１０ｋＨｚ以上の周波数で極性が切り替わる交流電流を流して、両スパッタリング蒸発源の間に放電を起こして成膜を行うことを特徴とする成膜方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−９５９３７（Ｐ２０１３−９５９３７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３７３１１（Ｐ２０１１−２３７３１１）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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