JP2004285440A

JP2004285440A - Ｈｃｄ・ｕｂｍｓハイブリッドｐｖｄ法およびその装置

Info

Publication number: JP2004285440A
Application number: JP2003080560A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Miura; 弘幸三浦; Ryoetsu Shindo; 亮悦進藤
Original assignee: Daiwa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Daiwa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】３次元形状の鏡面仕上げされた金型や機械構造部品等のワークにドロップレットや異常放電による汚染や損傷がなく、平滑で被覆性、密着性に優れたＰＶＤ被膜を形成する方法およびその装置を提供すること。
【解決手段】図１に示すように、同一真空室１にＨＣＤカソードとＵＢＭＳカソード６を立体的に配置し、３次元形状のワークに平滑で、被覆性に優れた被膜を形成できるようにした。
また、負電位の導電性ターゲットおよびワークに正電位を５〜５０ＫＨＺでパルス状に印加することにより、異常放電を防止し、ドロップレット等の飛散粒子よる被膜の汚染やワークの損傷発生を防止できるようにした。
さらに、異常放電を防止しつつ、入射イオンエネルギーを任意に制御できるようにした。このことよりイオンミキシング効果やイオンアンカー効果の積極的利用が可能となり、密着強度に優れた成膜を得られる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応性雰囲気中で成膜するＨＣＤ法、ＵＢＭＳ法、スパッタ法およびＰＶＤ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＰＶＤ装置としては、反応性ガス中で、ＨＣＤ法、スパッタ（含むＵＢＭＳ）法、カソードアーク（マルチアーク）法等が知られているが、これらのプラズマ発生電源やバイアス印加電源は、主として直流電源が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＰＶＤ成膜法は、現在、ＨＣＤ法、カソードアーク法（マルチアーク法）、スパッタ法（含ＵＢＭＳ法）が主に用いられている。しかし、カソードアーク法（マルチアーク法）はカソード上で真空アーク放電によりプラズマを発生するシステムであるため、プラズマ発生と同じに金属の溶融した液滴いわゆるドロップレット（マクロパーティクル＝直径１〜３μｍ前後の金属粒）の発生が伴う。そのため、カソードアーク法（マルチアーク法）による成膜では、鏡面仕上げされたワークがドロップレットに汚損され、その防止は困難である。
【０００４】
ＵＢＭＳ法を含めたスパッタリングにおいて、従来の直流ドライブ方式では、反応性雰囲気中での成膜時にターゲット表面に絶縁物や高抵抗物が堆積し、そこに電荷の集中が起こるため異常放電（アーキング）が発生し、アーキングによるドロップレット（金属液滴）や飛散粒子がワークに付着し、鏡面仕上げされたワーク等は致命的欠陥となる。
【０００５】
また、耐久性をもった被膜を形成させるためには成膜プロセス上、Ａｒガス中でワークに直流高圧（−５００〜−１０００Ｖ）を印加し、ワーク表面をスパッタクリーニング（ボンバードメント）する工程は不可欠である。しかし、その際ワーク形状やワークからのアウトガス又は、ワーク上の高抵抗物質を起点とした異常放電（アーキング）が発生し、ワークに致命的な損傷を与える場合がある。
【０００６】
ＨＣＤ法は、ドロップレット等の無い平滑な被膜を得られる成膜法であるが、成膜金属を水冷ハース中で溶融し、プラズマを発生するシステムであるため、そのハースは成膜室の底面にしか配置できない。そのためプラズマ発生面から外れた部分への被覆性が劣る。さらに、放電システム的に融点が２３００℃以下の金属しか使用できない。
【０００７】
本発明は、かかる課題を解決するためのＰＶＤ法とその装置開発を目的としたものである。すなわち、装置の真空成膜室底面にはＨＣＤカソードを、側面には高密度プラズマの発生可能なＵＢＭＳカソードを配置し、さらにワークを自公転させることにより被覆性の格段な向上を図り、また、ワークおよびＵＢＭＳカソードは、負電位に正電位を５〜５０ＫＨｚでパルス状に印加することより異常放電（アーキング）を発生させずにイオンエネルギーを制御する方式を採用した。このことにより３次元形状の鏡面仕上げされた金型等のワークに高速で均一、かつ高品位、耐久性に優れたセラミックス被膜の成膜が可能である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
１．ドロップレットによるワーク汚損の解決手段
現在、ＰＶＤ成膜法としては、カソードアーク法（マルチアーク法）、ＨＣＤ法、スパッタ法（含ＵＢＭＳ法）が主に用いられている。カソードアーク法は、カソードの真空アーク放電で、プラズマを発生させるため、ドロップレットの発生を防止することは困難である。そこで、本発明のＰＶＤ装置は、ドロップレットが生じないＨＣＤ法とＵＢＭＳ法を併用することによりワーク汚損を解決した。
【０００９】
２．ＵＢＭＳカソードの異常放電による被膜欠陥の解決手段
本発明のＵＢＭＳカソードスパッタ法は、反応ガス雰囲気中で、負電位の導電性ターゲットに正電位を５〜５０ＫＨｚでパルス状に印加する。このことにより、カソードターゲット上に形成される絶縁物や高抵抗物質が誘電体として作用し、寄生コンデンサを形成し、電荷の集中・蓄積による異常放電に進行する前に、電荷の蓄積を正電位パルスで開放できるため、異常放電による被膜欠陥の発生を防止できる。なお、導電性ターゲットはＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｃ、Ｗ、Ｎｂ又はこれらの合金とし、反応ガスは、Ｎ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｏ２、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒのいずれか１つ又は２つ以上の混合ガスとしても良い。
【００１０】
３．ワーク上での異常放電による損傷発生の解決手段
従来のＰＶＤ成膜におけるワークバイアスは、一般に直流負電位を印加する方式である。ボンバードメント（逆スパッタによるワーク表面のエッチング）あるいは、界面とのミキシングやアンカー効果による被膜の高い密着力を得るため、成膜初期に直流高圧（−４００〜−１０００Ｖ）を印加する。その際、ワーク形状効果やアウトガス又は、ワーク表面の高抵抗物質が寄生コンデンサを形成したりして、電荷の集中・蓄積による異常放電を発生し、ワークに致命的な損傷を与える場合がある。本発明は、負電位のワークに正電位を５〜５０ＫＨｚでパルス状に印加することにより、上記課題を解決するものである。さらに異常放電が発生しないため、印加負電圧（イオン加速電圧）を従来手法より高くでき、高エネルギーイオンによるアンカー効果やミキシング作用を積極的に用い、２００Ｎ以上の高い密着力を有する成膜が可能である。
【００１１】
４．３次元形状ワークに対する被覆性の解決手段
従来のＨＣＤ法は、ドロップレットのない高速成膜が可能な優れた成膜法である。しかし、成膜原料をホロカソード放電を用い、溶融し、蒸発物質を放電エネルギーでイオン化するシステムであるため、成膜原料を入れる水冷ハースの配置は真空成膜室底面に限定され、その結果、蒸発源（ハース）に正対した面に対する被覆性は優れるが、側面や面取部、段差部に対しての被覆性は劣る。本発明のハイブリットＰＶＤ装置は、固体導電性ターゲットから直接高密度プラズマの発生が可能なＵＢＭＳカソードを真空成膜室側面に、さらにＨＣＤカソードを底面に配置し、負電位のワークおよびＵＢＭＳカソードに正電位を５〜５０ＫＨｚでパルス状に印加し、ワークを自公転させることにより、上記課題を解決した装置である。
【００１２】
５．高融点成膜素材を用いた成膜の解決手段
従来のＨＣＤ法では、ホロカソード放電により水冷ハース中の成膜素材を溶融し、プラズマを発生させるシステムであるため、溶融可能な成膜素材は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ等の融点が２３００℃以下の素材に限られていた。本発明のハイブリットＰＶＤ装置は、ＵＢＭＳカソードを併用することにより、スパッタ作用により、Ｃ、Ｗ、のような融点が３０００℃以上の素材も用いることが可能である。これらの単一組成、複合組成の成膜はもとより、両カソードの印加電力のコントロールにより、その組成比率も任意に調整可能である。なお、導電性ターゲットはＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｓｉ、Ｃ、Ｗ、Ｎｂ又はこれらの合金とし、反応ガスは、Ｎ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｈ２、Ｈｅ、Ａｒのいずれか１つ又は２つ以上の混合ガスとしても良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明のＨＣＤ・ＵＢＭＳハイブリットＰＶＤ装置の概要を示す。
真空成膜室１を外部のクライオポンプ又は、ターボポンプ等の真空排気系２にバルブ３を介して接続し、真空成膜室１内の真空度調節を自在任意とするとともに、真空成膜室１内にワーク４（金型等）を自公転ワークホルダー５に取り付け、ＵＢＭＳカソード６を真空成膜室１の側面に、ＨＣＤカソード７を真空成膜室１の底面に配置した。ＵＢＭＳカソード６には、導電性ターゲットをクランプし、真空成膜室１内のターゲット１９直近に、ガスボンベ等のガス供給源１０よりスパッタガスをガス圧調節弁１０ａおよびガス導入管８を介して供給し、反応ガス９をガス圧調節弁９ａを介して供給するように接続した。
【００１４】
ＨＣＤカソード７には、カソード放電用Ａｒガスをガス供給源１１よりガス圧調節弁１１ａを介して供給するようにした。ＵＢＭＳカソード６には、直流パルス電源１２を接続し、負電位のＵＢＭＳカソード６に正電位を所定の周波数で、パルス状に印加できるようにした。また、ＨＣＤカソード７には、ＨＣＤ電源１７を接続し、負電位を印加するようにし、水冷ハース１４には、ＨＣＤ電源より正電位を印加し、水冷ハース中の蒸着原料金属とホロカソード放電ができるようにした。
【００１５】
ＵＢＭＳカソード６の背面に、非平衡磁場マグネトロンスパッタのためのマクネット１８を取り付け、外周側をＳｍＣｏ系強磁場、内周側をフェライト系弱磁場とし、アンバランスマグネトロンスパッタによる高密度プラズマを発生せるようにした。なお、ＵＢＭＳカソード６は水冷とし、真空成膜室１は、シースヒータ１６により、３００℃までのベーキング処理をできるようにした。
【００１６】
【実施例１】
初めに、真空成膜室１内のＵＢＭＳカソード６に導電性ターゲット１９として、Ｔｉ製ターゲットをクランプした。次に、水冷ハース１４にＴｉインゴットを入れ、自公転ワークホルダー５に洗浄済のワークを取り付けた。
続いて、真空成膜室１内を真空排気系２によりシースヒータで加熱しながら３００℃、１．８×１０−５Ｔｏｒｒまで排気した後、真空成膜室１内のガス圧力が１．５×１０−２Ｔｏｒｒになるまで、Ａｒガスをガス供給源１１、ガス圧調節弁１１ａを介して導入した。
【００１７】
次に自公転ワークホルダー５を介し、ワーク４に直流パルス電源１３より、−３０００Ｖを印加し、２０分間Ａｒボンバードを行い、ワーク４の表面汚れを除去した。その際、負電位のワーク４にパルス状に印加する正電位の印加時間は、５μｓｅｃとした。図２に、その時の波形モデルを示す。また、図３に負電位のワーク４に印加する正電位の周波数毎に異常放電の回数を測定した結果を示す。図３から明らかのように、周波数５ＫＨｚで、異常放電回数がほぼ０となり、周波数を５ＫＨｚ以上にすると異常放電が発生しないことが判明した。
【００１８】
【実施例２】
真空成膜室１内を２×１０−３Ｔｏｒｒの一定とし、ワーク４のバイアス電圧を成膜条件まで下げ、ＵＢＭＳカソード６に導入管８を介してスパッタガス（Ａｒ：Ｎ２＝１：１）を導入し、出力を１ＫＷの一定とした。この状態でＵＢＭＳカソード６に、パルス電源から周波数を変化させて、図２に示すパルス状に負電位に正電位を印加し、ＵＢＭＳスパッタを行った。さらに、ＨＣＤカソード７よりホローカソード放電し、反応ガス調圧弁９ａを介してＮ２ガスを導入しながらワーク４に窒化チタン（ＴｉＮ）膜を形成した。なお、パルス状に印加する正電位の時間は、５μｓｅｃとした。その際のＵＢＭＳカソード６における異常放電回数をＵＢＭＳカソード６に印加する周波数毎に測定した結果を図４に示す。
図４から明らかのように、負電位に印加する正電位の周波数の増加に伴い，異常放電回数は減少し，周波数５ＫＨｚ以上では、その回数は０となった。
【００１９】
低圧力（１０−２Ｔｏｒｒ前後）や反応性雰囲気中において、直流高電圧ボンバード（スパッタクリーニング）あるいは直流スパッタを行なう際、ワーク形状、ワークからのアウトガス、高抵抗物質の存在、高抵抗堆積物に起因する寄生コンデンサ形成による電荷の集中・蓄積からアーク放電による急激な電荷の放出と言う異常放電（アーキング）が発生する。その結果、ワークの損傷・汚損が生じることがある。しかし、本発明では、図３、４に示すように負電位に正電位をパルス状に印加するすることにより前記の電荷の集中・蓄積をパルス状（５μｓｅｃ以下）に中和・開放することにより異常放電の発生を防止している。なお、異常放電は、ワーク形状、成膜装置、処理条件により変化するため、正電位のパルス幅、電圧などは、任意設定が可能で本実施例の条件に限定されない。
【００２０】
また、ＵＢＭＳカソードのターゲット金属は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃ又は、これらの合金等で、さらにＨＣＤハース投入物質は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ，Ａｌ，Ｂ、Ｚｒ等で、反応ガスはＮ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｏ２、Ａｒ、Ｈｅもしくはこれらの混合ガスとすることにより、セラミックス被膜は、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ｃ−ＢＮ等の窒化物系、ＴｉＣＮ、ＣｒＣＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＣｒＣＮ等の炭窒化物系、ＴｉＣ，ＣｒＣ、ＳｉＣ、ＤＬＣ等の炭化物系まで、原料金属、反応ガスの組み合わせにより、耐摩耗性、耐食性、固体潤滑性等のトライボロジー特性に優れた被膜形成が可能である。
【００２１】
図１では、ＵＢＭＳカソード１８に直流パルス電源から、負電位に一定の周波数で、正電位をパルス状に印加する電源の組み合わせとしたが、これに限定されるものではなく、１３．５６ＭＨＺの高周波パルス電源とすることにより、高密度パルス高周波プラズマによる成膜も可能である。この際、直流パルス電源１３（バイアス側電源）には、ワークと電源の間にチョークコイル（Ｌ．Ｐ．Ｆ；ローパスフィルタ）を設け、直流電源の高周波からの保護を必要とする。
【００２２】
【実施例３】
洗浄、乾燥済みのワーク４を真空成膜室１のワークホルダー５に取り付け、３００℃、１．８×１０−５Ｔｏｒｒまでに脱ガス処理し、所定の条件にてＡｒイオンボンバードを行った。その後、ＵＢＭＳカソード６の電力を１ＫＷ、パルス正電位を５ＫＨｚ、５μｓｅｃ、ＨＣＤカソード７の放電条件を１４０Ａ、２５Ｖの一定とし、各々の成膜原料はＴｉ、反応ガス９はＮ２、スパッタガス１０は、Ｎ２とＡｒの混合ガス（１：１）とし、ワーク４は自公転させ、ガス圧力２×１０−３Ｔｏｒｒ、２５分の条件で成膜を行なった。その際、ＨＣＤカソード７のみで成膜した場合と、ＨＣＤカソード７とＵＢＭＳカソード６を併用した場合のワーク４の側面部４ｂと正面部４ａの膜厚測定結果を図５．図６に示す。
【００２３】
ＨＣＤカソード７のみで成膜した場合、図５、図６に示すように、正面部４ａの膜厚は２．６μｍであるが、側面部は１．２μｍと正面部４ａの１／２以下であった。また、側面部の膜厚は、正面部に比較して１／２弱であり、側面部位、立ち上り部位、面取り部位を有する３次元形状の金型および部品の寿命に与える影響は大きいと考えられる。
【００２４】
ＨＣＤカソード７とＵＢＭＳカソード６を併用し、前記条件にて成膜した場合、図５．図６から明らかのように、側面部４ｂの膜圧は２．７μｍで、正面部４ａとほぼ同様であった。このように本発明のＨＣＤ・ＵＢＭＳハイブリッドＰＶＤ法（装置）は、優れた被覆性を有することが確認できた。また、得られた被膜の密着強度は、母材が超硬合金（Ｖ３０）の場合２００Ｎ、ＳＫＤ１１相当のダイス鋼の場合９０Ｎ、平滑性は、２１ｎｍ（Ｒａ）と優れた値を示した。
【００２５】
【発明の効果】
本発明のＨＣＤ・ＵＢＭＳハイブリット法によるときは、反応性雰囲気中で、負電位のワークおよびＵＢＭＳカソードに正電位を一定の周波数でパルス状に印加しながら成膜を行うようにした。そのため、成膜プロセス中にワークおよびＵＢＭＳカソードでの電荷の集中・蓄積をパルス的に中和・開放し、異常放電（アーキング）を未然に防止することにより、ドロップレットや欠陥・損傷がなく、３次元的に均一な膜厚の被膜が高速に成膜できる効果がある。
【００２６】
また、異常放電（アーキング）を積極的に防止できるため、逆スパッタによるワーク表面のクリーニング（ボンバードメント）の際の、印加電圧や初期成膜時の印加電圧を従来の−５００〜−１０００Ｖから−２０００〜−４０００Ｖまで上げることが可能である。そのため、入射するイオンエネルギーを５００〜１０００ｅＶから２〜４倍の２０００〜４０００ｅＶまで利用できることから、ワークと被膜界面でのイオンミキシング効果や、イオンアンカー効果を高め、従来のＰＶＤ被膜の密着強度７０〜１４０Ｎレベルを大幅に上回る２００Ｎ強の強固な被膜が得られる。
【００２７】
さらに本発明のＨＣＤ・ＵＢＭＳハイブリットＰＶＤ装置によるとき、３次元形状の精密・鏡面金型および機械部品等に、異常放電（アーキング）による汚損・損傷の無い、極めて平滑で被覆性に優れたセラミックス被膜を形成できるＰＶＤ装置を提供する効果がある。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＰＶＤ法を実施するためのＨＣＤ・ＵＢＭＳハイブリットＰＶＤ装置の概略図
【図２】図１の装置のＵＢＭＳカソードおよびワーク（金型、機械部品）に印加される電位のモデル図
【図３】本発明ＰＶＤ法の実施例１におけるワークの逆スパッタによるクリーニング（Ａｒイオンボンバード）時の周波数と異常放電回数の関係
【図４】本発明ＰＶＤ法の実施例２におけるＵＢＭＳカソードによるスパッタ成膜時の周波数と異常放電回数の関係
【図５】本発明ＰＶＤ法の実施例３における成膜条件とワーク側面部の膜厚の関係
【図６】本発明ＰＶＤ法の実施例３における成膜条件とワーク正面部の膜厚の関係
【００２９】
【符号の説明】
１．真空成膜室
２．真空排気系
３．真空排気調圧弁
４．ワーク（金型、機械部品）
５．自公転式ワークホルダー
６．ＵＢＭＳカソード（スパッタ源）
７．ＨＣＤカソード
８．ＵＢＭＳカソード放電ガス導入管
９．反応ガスボンベ９ａ反応ガス調圧弁
１０．ＵＢＭＳカソード放電用（Ａｒ＋Ｎ２）混合ガス
１０ａ．ＵＢＭＳカソード放電用（Ａｒ＋Ｎ２）混合ガス調圧弁
１１．ＨＣＤカソード用およびボンバード用Ａｒガス
１１ａ．ＨＣＤカソード用およびボンバード用Ａｒガス調圧弁
１２．ＵＢＭＳカソード放電用直流パルス電源
１３．ワークボンバード、バイアス用直流パルス電源
１４．ＨＣＤカソード用水冷ハース（蒸発プラズマ源）
１５．シャッター
１６．真空成膜室加熱用シースヒータ
１７．ＨＣＤ放電用直流電源
１８．非平衡磁場マグネット
１９．ＵＢＭＳスパッタ用導電性ターゲット

Claims

反応性雰囲気中で、ＰＶＤ（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）にて成膜する際、同一真空成膜室内にＨＣＤ（ＨｏｌｌｏｗＣａｔｈｏｄｅＤｉｓｃｈａｒｇｅ）カソードおよびＵＢＭＳ（ＵｎｂａｌａｃｅｄＭａｇｎｅｔｒｏｎＳｐｕｔｔｅｒ）カソードを有する成膜方法。
前記蒸着物質は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｃ、Ｗ、Ｎｂ又はこれらの合金であり、また反応ガスは、Ｎ２、ＮＨ３、Ｈ２、Ｏ２、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２およびＡｒ、Ｈｅのいずれか１つ又は２つ以上の混合ガスであることを特徴とする請求事項１項に記載する方法。
真空成膜室にワークを取り付け、反応性雰囲気中でＨＣＤカソードおよびＵＢＭＳカソードにより、ワーク上に被膜を形成する装置において、ＵＢＭＳカソードおよびワークに対し、負電位に正電位を周波数５〜５０ＫＨｚでパルス状に印加する電源を接続したことを特長とするＰＶＤ装置。
真空成膜にワークを取り付け、反応性雰囲気中でＨＣＤカソードおよびＵＢＭＳカソードによりワーク上に被膜を形成する装置において、ＵＢＭＳカソードに１３．５６ＭＨｚの高周波又は、１〜５ＫＨｚの高周波パルス電源を接続したことを特長とするＰＶＤ装置。