JP6986674B2

JP6986674B2 - プラズマスパッタリング成膜装置

Info

Publication number: JP6986674B2
Application number: JP2017202864A
Authority: JP
Inventors: 健志高井; 淳一山口
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2037-10-19
Also published as: JP2019073788A

Description

本発明は、主に鋼製の基材に対して硬質皮膜の成膜を行う成膜装置に関する。

通常、鋼製の基材（基板）の表面にＴｉＮ（窒化チタン）膜やダイヤモンド膜を被覆するには、減圧雰囲気にした空間（成膜室）にて被覆すべき皮膜の成分から形成される蒸着材料を蒸発、イオン化することで基材の表面に皮膜を被覆する。このような成膜室を備えた装置（成膜装置）は、被覆すべき蒸着材料をイオン化することで成膜することからイオンプレーティング装置とも呼ばれている。

このイオンプレーティング装置としては、例えば、特許文献１および２に開示されているようにアーク放電を利用して成膜する方式（アーク方式）やスパッタリング現象により成膜を行う方式（スパッタ方式）による装置がそれぞれ存在する。

特開昭６３−２１３６６４号公報特開平６−２５８４６号公報

しかし、特許文献１および２に開示されているアーク方式による成膜装置では、ドロップレットと呼ばれる溶融粒子が皮膜を被覆する部材に付着するという問題があった。このドロップレットは、蒸着材料の物性に関わらずアーク方式という成膜方式に起因して発生する。

アーク方式はターゲットの表面に電極を用いてアーク放電を発生させて、ターゲットを瞬間的に加熱、蒸発させる方式であるため、加熱されるターゲットの部位は局所的となる。そのため、均一に加熱されたターゲットの部位は蒸発するが、その周辺部の加熱状態は蒸発される領域が限定されるので、結果として液状の塊が発生し、その塊がドロップレットとなる。また、アーク方式による成膜ではＷ、Ｍｏ、Ｔａ等の高融点の金属やＳｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の絶縁性の蒸着材料（ターゲット）を用いた成膜は困難であった。

一方、スパッタリング方式による成膜は、上述した高融点の金属や絶縁性の蒸着材料を用いた成膜は比較的に容易に行うことができる。しかし、スパッタリング方式はアーク方式に比べて蒸着材料のイオン化率が低いので、良好な膜質が得られ難く、成膜速度も遅かった。それらの問題を解決する手段として、蒸着材料の周辺に磁石やコイルを設置する対策（いわゆるマグネトロンスパッタリング方式）が講じられてきた。

ところが、蒸着材料の周辺に磁石やコイルを設置することで蒸着材料の周辺に特定の磁場が発生し、その磁場によって周囲から引き寄せられる電子は蒸着材料の同じ場所に集中するため、蒸着材料の同じ箇所のみから蒸発する結果、蒸着材料の歩留まりが低下するという問題があった。

そこで、本発明においては高融点の金属や絶縁物から形成された蒸着材料であってもイオン化率を向上できるプラズマスパッタリング成膜装置を提供することを課題とする。

前述した課題を解決するために、
本発明は基材に対して成膜を行う成膜室と、
成膜室外の上方に隣接して設置される複数のホロカソードプラズマガンと、
成膜室内の底面に設置される複数のホロカソードプラズマガン用アノードと、
成膜室内の対向する側面に設置される複数の蒸着材料と、
複数のホロカソードプラズマガンと成膜室の間に設置される複数の第１コイルと、
成膜室外の下方で複数のホロカソードプラズマガン用アノードの鉛直直下に設置される複数の第２コイルと、を備えるプラズマスパッタリング成膜装置とした。

また、この成膜装置は、複数のホロカソードプラズマガンから発生するプラズマの中心と蒸着材料の表面との距離を５〜１５ｍｍの範囲とすることもできる。さらに、成膜室内は横断面視で八角形の形状とすることもできる。

本発明に係るプラズマスパッタリング成膜装置を用いることにより、高融点の金属や絶縁物から形成された蒸着材料であっても１台の成膜装置で成膜が可能であり、かつ蒸着材料のイオン化率を向上できるという効果を奏する。

本発明の実施形態の一例であるプラズマスパッタリング成膜装置１０の正面図である。同成膜装置１０の平面図である。図１に示すＸ−Ｘ断面図である。図２に示すＹ−Ｙ断面図である。同成膜装置１０内にて発生するプラズマ２０と蒸着材料４Ｂの配置関係を表す模式横断面図である。

本発明の実施形態の一例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態の一例を示すプラズマスパッタリング成膜装置１０の正面図、図２は図１に示す同成膜装置１０の平面図（上面図）を示す。また、図３は図１に示すプラズマスパッタリング成膜装置１０のＸ−Ｘ断面図、図４は図２に示すプラズマスパッタリング成膜装置１０のＹ−Ｙ断面図を示す。

本発明に係るプラズマスパッタリング成膜装置１０は、図１に示すように内部を減圧の雰囲気下にして成膜を行う成膜室（チャンバ）１を架台Ｇの上部に配置した構成である。そして、成膜室１の側面に設けられた２ヶ所のレバー７、１７を用いてハッチ８を開閉して、後述する成膜室１内の中央に設置されたテーブルＴにワークＷを置くことで成膜を行う。

この成膜室１は、図１および図２に示すように成膜室１外部の上方には２台のホロカソードプラズマガン（ＨＣＤガン）２、１２が成膜室１の中心位置を対称として（正面視で）左右両側にそれぞれ配置されている。同様に、成膜室１外部の上方には２台のホロカソードプラズマガン（ＨＣＤガン）２、１２と成膜室１の境界部分の周囲を取り囲む様に２個の第１コイル５、１５が取り付けられている。

成膜室１外部の上方に取り付けられた２台のホロカソードプラズマガン２、１２は、図３および図４に示すように成膜室１内部の底部に設置された専用のアノード３、１３に向けてプラズマを発生させることができる。また、成膜室１外部の下方には専用のアノード３、１３の鉛直直下の位置に第２コイル６、１６が架台Ｇ内に設置されている。これらの第２コイル６、１６に通電することでアノード３、１３の周辺に磁場が発生し、２台のホロカソードプラズマガン２、１２から発生するプラズマを専用のアノード（ホロカソードプラズマガン用アノード）３、１３に収束させることができる。

２台のホロカソードプラズマガン２、１２から発生するプラズマは、図３および図４に示すように成膜室１の側面に互いに対向する形態で設置された蒸着材料（ターゲット）４Ａ、４Ｂ、１４Ａ、１４Ｂをスパッタリングすることで、成膜室１内の中央に設置されたテーブルＴ上のワークＷに対して成膜を行うことができる。

図５は、ホロカソードプラズマガン１２から発生するプラズマ２０と成膜室１内に設置された蒸着材料４Ｂの位置関係を示す（蒸着材料４Ｂ周辺の）模式横断面図である。成膜時におけるプラズマ２０の中心２０Ｃと蒸着材料４Ｂの表面４Ｓの距離ｄは、図５に示すようにｄ＝５ｍｍ〜１５ｍｍの範囲とすることが望ましい（なお、図４に示すプラズマ２０の中心２０Ｃは仮想線として図示している）。

この距離ｄが５ｍｍ未満の場合、プラズマ２０の熱により過剰に蒸着材料４が蒸発するので成膜速度を制御することが困難になる。また、距離ｄが１５ｍｍを越えると、プラズマ２０のイオンが蒸着材料４Ｂの表面４Ｓに届き難く、蒸着材料の蒸発量が減少し、成膜速度が低下する。

プラズマ２０と蒸着材料４Ｂを上記のような位置関係とすることで、蒸着材料４Ｂの表面４Ｓには高密度のプラズマが存在し、スパッタリングにより蒸発した粒子のイオン化率が向上する。また、スパッタリング方式による成膜であるため、高融点の金属や絶縁物から形成された蒸着材料であっても成膜が可能である。

なお、本実施形態で示す成膜装置１０の成膜室１内には、図１および図３に示すようにＨＣＤ方式にて使用する４個の蒸着材料（ターゲット）４Ａ、４Ｂ、１４Ａ、１４Ｂとは別個にさらに４個のアーク方式用蒸着材料５０、５１、６０、６１も互いに対向するように設置することができる。また、アーク方式用蒸着材料に隣接して図示しないアーク放電用電極を設けることもできる。そのような構成とすることで、成膜装置１０はホロカソードプラズマガン２、１２を用いる成膜方式とは別個にアーク方式による成膜も行うことができる。

１成膜室
２、１２ホロカソードプラズマガン
３、１３ホロカソードプラズマガン用アノード
４Ａ、４Ｂ蒸着材料
４Ｓ蒸着材料４Ｂの表面
５、１５第１コイル
６、１６第２コイル
１０プラズマスパッタリング成膜装置
１４Ａ、１４Ｂ蒸着材料
２０プラズマ
２０Ｃプラズマ２０の中心
ｄプラズマ２０の中心２０Ｃから蒸着材料４Ｂの表面４Ｓまでの距離

Claims

中央に設置された基材に対して成膜を行う成膜室と、前記成膜室外の上方に隣接して設置される複数のホロカソードプラズマガンと、前記成膜室内の底面に設置される複数のホロカソードプラズマガン用アノードと、前記成膜室内の対向する側面に設置される複数の蒸着材料と、前記複数のホロカソードプラズマガンと前記成膜室の間に設置される複数の第１コイルと、前記成膜室外の下方で前記複数のホロカソードプラズマガン用アノードの鉛直直下に設置される複数の第２コイルと、を備えており、前記ホロカソードプラズマガンから発生するプラズマは、前記ホロカソードプラズマガン用アノードへ向けて鉛直下方に収束し、かつ前記成膜室内の中央に設置された前記基材の外方に位置することを特徴とするプラズマスパッタリング成膜装置。
前記複数のホロカソードプラズマガンから発生するプラズマの中心と前記蒸着材料の表面との距離は５〜１５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマスパッタリング成膜装置。
前記成膜室内は横断面視で八角形の形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマスパッタリング成膜装置。
前記成膜室には、前記成膜室内の対向する側面に設置される複数のアーク放電用電極と、前記複数のアーク放電用電極に隣接して設置される複数の第２蒸着材料と、をさらに備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプラズマスパッタリング成膜装置。