TW201814074A

TW201814074A - 成膜方法及成膜裝置

Info

Publication number: TW201814074A
Application number: TW106123664A
Authority: TW
Inventors: 大澤篤史
Original assignee: 斯庫林集團股份有限公司
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2018-04-16
Also published as: JP2018053270A; WO2018055878A1

Abstract

一種成膜方法及成膜裝置，係能夠穩定地而且以比習知更低成本來形成膜質良好的黑色膜。成膜方法係具備：面對基材之表面而配置標靶材料的步驟(S101、S102)；在基材之表面與標靶材料之間的處理空間供給包含濺鍍氣體及反應性氣體的氣體的步驟(S103)；將處理空間之氣壓控制在預定之成膜壓力的步驟(S104)；以及在處理空間形成電場以產生氣體之電漿的步驟(S105)。標靶材料為鈦，反應性氣體為氮，成膜壓力設為3Pa以上，在基材之表面濺鍍形成氮化鈦的膜。

Description

成膜方法及成膜裝置

本發明係關於一種使用電漿濺鍍(plasma sputtering)技術在基材上成膜的技術。

例如以應用於建材為目的，有需要一種在金屬板等基材之表面形成不透明之黑色膜的製品。作為能夠應用於製造如此製品之目的的技術，例如有專利文獻1(日本特開平02-047253號公報)所記載的技術。在專利文獻1中已有記載一種藉由將包含鈦(titanium)、鋁(aluminum)、氧及氮的固體材料作為標靶材料(target material)的陰極濺鍍法，在基材上形成黑色膜的技術。此外，作為形成黑色膜的材料，已知的有碳氮化鈦鋁(carbonitride titanium aluminum)。

又，作為以高品質且效率佳地進行藉由如此之濺鍍所為的成膜的技術，本案申請人先前已揭示一種專利文獻2(日本特開2015-193863號公報)所記載的技術。在此技術中係在作為成膜對象的基材和標靶材料所鄰近配置的處理空間中，藉由低電感天線(Low Inductance Antenna)和磁控(magnetron)式旋轉陰極來產生感應耦合電漿(Induction Coupled Plasma：ICP)。在此技術中係能夠產生高密度且相對低溫的電漿，且可以一邊抑制帶給基材的損傷(damage)，一邊以較高之成膜速率來形成良質的膜。

上面所述的黑色膜為四元系的化合物。為了將如此的黑色膜藉由電漿濺鍍技術來成膜，就需要以預定之比率來包含四元素的標靶材料、或包含鈦和鋁的標靶材料以及二種類的反應性氣體。因此，在材料的準備上需要花成本。特別是，因鋁和鈦的熔點大為不同故而亦有難以合金化的問題。又，在多元系的成膜製程中係有必要一邊準確地控制各個成分的比率一邊進行成膜，且為此所進行的控制亦會變得複雜。如此，習知的黑色膜之製造方法係製造成本容易變高，且在實用性及穩定性方面餘留改良的餘地。

本發明係有鑑於上述課題而開發完成，其目的在於提供一種可以穩定地而且以比習知更低成本來形成膜質良好的黑色膜的技術。

本發明之一態樣係提供一種成膜方法，其具備：面對基材之表面而配置標靶材料的步驟；在前述基材之表面與前述標靶材料之間的處理空間供給包含濺鍍氣體及反應性氣體的氣體的步驟；將前述處理空間之氣壓控制在預定之成膜壓力的步驟；以及在前述處理空間形成電場以產生前述氣體之電漿的步驟；前述標靶材料為鈦，前述反應性氣體為氮，前述成膜壓力為3Pa以上，在前述基材之表面濺鍍形成氮化鈦的膜。

又，本發明之另一態樣係提供一種成膜裝置，其具備：基材保持手段，用以保持基材；標靶保持手段，係使標靶材料面對前述基材之表面來保持；氣體供給手段，係在前述基材之表面與前述標靶材料之間的處理空間供給包含濺鍍氣體及反應性氣體的氣體；氣壓控制手段，用以將前述處理空間之氣壓控制在預定之成膜壓力；以及電漿產生手段，係在前述處理空間形成電場以產生前述氣體之電漿；前述標靶材料為鈦，前述反應性氣體為氮，前述成膜壓力為3Pa以上，在前述基材之表面濺鍍形成氮化鈦的膜。

以往，在反應性電漿濺鍍技術中，由於當提升成膜壓力時恐有發生異常放電(arcing；電弧作用)之虞，所以已開始檢討大概比1Pa更低的壓力來作為成膜壓力。然而，本案發明人使用即便在更高的氣壓下仍能夠產生穩定之高密度電漿的電漿產生裝置來進行各種實驗，結果發現藉由使用鈦作為標靶材料，使用氮氣作為反應性氣體，且將成膜壓力設為3Pa以上來進行成膜所形成的氮化鈦的膜會成為良質的黑色膜。雖然有關實驗的內容及結果將於後述，但是藉由適當地調整成膜條件就能夠藉由氮化鈦來形成黑色膜一事之知識見解係目前所不為人知的。

如此所形成的膜在本質上係由鈦和氮的二元素所構成，且能夠僅使用單體鈦作為標靶材料，僅使用氮氣作為反應性氣體來成膜。因此，比起多元系的成膜技術還容易進行成膜條件之控制，且能夠進行穩定的成膜。又，只要準備單體鈦和氮氣作為材料物質即可而不需要特殊的標靶材料。因此，比起上面所述的先前技術還能夠進行低成本的成膜。

如上述，依據本發明，由於可以使用單體鈦作為標靶材料，又將氮氣作為反應性氣體來形成黑色膜，所以能夠穩定地而且以比習知更低成本來形成膜質良好的黑色膜。

1‧‧‧成膜裝置

2‧‧‧加熱器

3‧‧‧搬運機構

5‧‧‧濺鍍源

6‧‧‧反應性氣體供給部(氣體供給手段)

7‧‧‧濺鍍氣體供給部(氣體供給手段)

8‧‧‧電源單元

10‧‧‧真空腔室

11‧‧‧煙囪

19‧‧‧控制部

31‧‧‧載具(基材保持手段)

32‧‧‧搬運輥

51、52‧‧‧旋轉陰極(標靶保持手段、磁控式旋轉陰極)

53、54‧‧‧磁鐵單元(磁控式旋轉陰極)

55、56‧‧‧旋轉驅動部(標靶保持手段)

57‧‧‧感應耦合天線(電漿產生手段)

61‧‧‧氮氣供給源

62、72‧‧‧配管

63、73‧‧‧噴嘴

64、74‧‧‧流量調整部

71‧‧‧濺鍍氣體供給源

81‧‧‧直流電源

82‧‧‧高頻電源(電源、電漿產生手段)

83‧‧‧匹配電路

191‧‧‧探針

192‧‧‧分光器

193‧‧‧壓力感測器(氣壓控制手段)

194‧‧‧排氣泵(氣壓控制手段)

511、521‧‧‧基底構件

512、522‧‧‧標靶材料

531、541‧‧‧軛鐵

532、542‧‧‧中央磁鐵

533、543‧‧‧周邊磁鐵

534、544‧‧‧固定構件

535、545‧‧‧支撐構件

571‧‧‧導體

572‧‧‧介電質

B‧‧‧基材

PS‧‧‧處理空間

圖1係顯示本發明的成膜裝置之一實施形態的示意圖。

圖2係顯示已改變成膜條件時的膜色之測定結果的示意圖。

圖3係顯示相對於成膜條件的膜之色度變化的示意圖。

圖4係顯示成膜條件與成膜速率之關係的示意圖。

圖5係顯示該實施形態的成膜處理之流程圖。

圖1係顯示本發明的成膜裝置之一實施形態的示意圖。更具體而言，圖1係顯示適於實施本發明之成膜方法的成膜裝置1之主要構成的示意圖。再者，該成膜裝置1之基本構成係與本案申請人先前所揭示的日本特開2015-189800號公報中所記載的大概相同。於是，有關裝置的整體構成或各部的動作原理等在本說明書中並未言及的事項係參照該公報，在此主要針對本實施形態的裝置之主要構成及其動作加以詳細說明。

該成膜裝置1係指藉由反應性濺鍍在作為處理對象的基材B之表面形成皮膜的裝置。例如有需要黑化處理表面後的金屬板作為建材用的素材，該成膜裝置1係可以適合用於製造相應於如此需求的素材。以下係假定在作為基材B的不鏽鋼板之表面形成藉由氮化鈦(TiNx)所得的黑色膜，並針對成膜裝置1之構成及動作加以說明。

成膜裝置1係具備：真空腔室(vacuum chamber)10；搬運已配置於其內部的基材B的搬運機構3及濺鍍源(sputter source)5；以及整合控制成膜裝置1整體的控制部19。真空腔室10係指具有大致長方體形狀之外形的中空之箱型構件，且以底板之上表面成為水平姿勢的方式所配置。為了統一顯示以下之說明中的方向，如圖1所示地設定XYZ正交座標軸。在此XY平面係表示水平面。又，Z軸係表示鉛直軸，更詳細來說，(-Z)方向係表示鉛直向下方向。

搬運機構3係具備：載具(carrier)31，係在使其下表面呈開放的狀態下來保持基材B；複數個搬運輥32，係抵接於載具31之下表面來支撐載具31；以及搬運驅動部(省略圖示)，係藉由使搬運輥32旋轉來使載具31朝向X方向移動。搬運驅動部係藉由控制部19所控制。如此所構成的搬運機構3係在真空腔室10內將基材B一邊保持於水平姿勢一邊搬運，且使基材B朝向X方向移動。藉由搬運機構3所為的基材B之移動係可如圖1之點線箭頭所示地往復移動，又可朝向(+X)方向或(-X)方向之其中任一方向移動。

在如此搬運於真空腔室10內的基材B之下方設置有濺鍍源5。濺鍍源5係具備：旋轉陰極51、52；磁鐵單元53、54，係分別設置於旋轉陰極51、52之內部；旋轉驅動部55、56，係一邊分別保持旋轉陰極51、52一邊使其旋轉；以及感應耦合天線(induction coupled antenna)57，用以在真空腔室10內產生高頻電場。

旋轉陰極51和磁鐵單元53係作為一體來構成磁控式旋轉陰極。同樣，旋轉陰極52和磁鐵單元54係作為一體來構成磁控式旋轉陰極。如此，本實施形態係具有使位置不同地配置於X方向的一對磁控式旋轉陰極。雖然一對磁控式旋轉陰極係具有相對於YZ平面具有互為對稱的形狀，但基本上的結構係相同。

旋轉陰極51(52)係具備：圓筒狀之基底構件511(521)，係將正交於圖1紙面的Y方向作為軸方向；以及標靶材料512(522)，係被覆基底構件511(521)之外周。基底構件511(521)係導電體，且藉由對應Y方向之兩端部而設置於旋轉驅動部55(56)的軸承部(省略圖示)，來支撐成繞中心軸旋轉自如。旋轉驅動部55(56)係藉由控制部19所控制。

標靶材料512(522)係包含成膜於基材B上的膜之材料，且在形成氮化鈦膜之例中為金屬鈦。如此，在標靶材料具有導電性的情況下係能夠省略基底構件。亦即，亦可藉由使用事先成形為圓筒形狀的標靶材料來省略基底構件。在此情況下，旋轉驅動部55(56)係以一邊直接支撐標靶材料一邊使其旋轉的方式所構成。

在基材B和標靶材料512(522)所對向的處理空間PS產生電漿的製程之進行中，藉由標靶材料512(522)旋轉就能使露出於處理空間PS的標靶材料512(522)之表面恆常地移動。藉此，能夠迴避僅有標靶材料512(522)表面之特定的位置被濺鍍而消耗，故而可以提高標靶材料之利用效率。又，因能抑制因標靶之局部變形所引起的電場集中，故而可以提高相對於電弧作用等之異常放電的耐性。

配置於旋轉陰極51(52)之內部的磁鐵單元53(54)係具備：藉由透磁鋼等之磁性材料所形成的軛鐵(yoke)531(541)；以及設置於軛鐵531(541)上的複數個磁鐵，亦即中央磁鐵532(542)及以包圍該中央磁鐵532(542)的方式所設置的周邊磁鐵533(543)。軛鐵531係指延伸設置於Y方向的平板狀構件，且對向配置於旋轉陰極51之內周面。

在軛鐵531之上表面中之沿著長邊方向(Y方向)的中心線上係配置有延伸於Y方向的中央磁鐵532。又，在軛鐵531之上表面的外緣部係設置有包圍中央磁鐵532之周圍的環狀(無端狀(endless))之周邊磁鐵533。中央磁鐵532及周邊磁鐵533例如係永久磁鐵。與旋轉陰極51之內周面對向之此側的中央磁鐵532及周邊磁鐵533之磁性係互為不同。

在軛鐵531(541)之下表面係可供固定構件534(544)之一端固定，固定構件534(544)之另一端係安裝於棒狀之支撐構件535(545)，該棒狀之支撐構件535(545)係朝向Y方向延伸設置於旋轉陰極51(52)之中心部。支撐構件535(545)並未藉由旋轉陰極51(52)之旋轉而旋轉，從而固定構件534(544)之位置亦被固定。設置於旋轉陰極51的固定構件534係從支撐構件535向上但朝另一個旋轉陰極52側傾斜地配置。另一方面，設置於旋轉陰極52的固定構件544係從支撐構件545向上且朝另一個旋轉陰極51側傾斜地配置。從而，能藉由磁鐵單元53、54而在處理空間PS集中地形成靜磁場。

在真空腔室10之底面係以朝向由一對旋轉陰極51、52所包夾的空間突出的方式設置有感應耦合天線57。感應耦合天線57亦被稱為LIA(Low Inductance Antenna；低電感天線：EMD股份有限公司之註冊商標)，且具有被形成為大致U字型的導體571之表面由例如石英等之介電體572所被覆的結構。感應耦合天線57係在使U字成為上下反向的狀態下，貫通真空腔室10之底面並朝向Y方向延伸設置。感應耦合天線57係在Y方向使位置不同地排列複數個所配置。藉由採取導體571之表面係由介電質572所被覆的結構，就能防止導體571暴露於電漿中。藉此，能迴避導體571之構成元素混入基材B上的膜中。

如此所構成的感應耦合天線57係可以視為將X方向作為捲繞軸方向且捲繞數未滿1的環形天線(loop antenna)。為此，感應耦合天線57為低電感(low inductance)。藉由將如此小型的天線排列複數個配置於與捲繞軸方向正交的方向，就能夠一邊抑制電感之增大，一邊將後面所述的電漿產生用的感應電場形成於較寬的範圍。

成膜裝置1係還具備：煙囪(chimney)11，係以包圍上述濺鍍源5之周圍的方式配置於真空腔室10內。煙囪11係指上部沿著Y方向細長地開口的筒狀或箱狀之遮蔽構件，且具有限制在濺鍍源5中所產生的電漿或從標靶所濺鍍出的濺鍍粒子之飛散範圍之作為擋板(shield)的功能。

旋轉陰極51、52之上表面和藉由載具31所保持的基材B之下表面係透過煙囪11上部之開口而對向著。如後面所述，由此等所包圍的空間PS係成為使電漿產生並濺鍍標靶且對基材B進行成膜的處理空間。

在處理空間PS係從反應性氣體供給部6導入反應性氣體，又從濺鍍氣體供給部7導入作為濺鍍氣體的惰性氣體。具體而言，反應性氣體供給部6係具備：氮氣供給源61；配管62，係連接於氮氣供給源61；噴嘴(nozzle)63、63，係設置於煙囪11之內部；以及流量調整部64，係設置於配管62之中途。氮氣供給源61係將作為形成於基材B的氮化鈦膜之材料之一的氮以氮氣之形態來供給。配管62係將氮氣導引至處理空間PS。噴嘴63、63係透過配管62及流量調整部64來與氮氣供給源61連通。

噴嘴63、63係配置於旋轉陰極51、52之上方，且對在處理空間PS內對向的旋轉陰極51、52與基材B之間吐出作為反應性氣體的氮氣。流量調整部64係具有按照來自控制部19之控制指令，來控制被供給至處理空間PS的氮氣之流量的功能。流量調整部64較佳係可以自動地控制氮氣之流量，且可以具備例如質量流量控制器(mass flow controller)。

另一方面，濺鍍氣體供給部7係具備：濺鍍氣體供給源71；噴嘴73、73，係對真空腔室10內部吐出濺鍍氣體；配管72，將濺鍍氣體供給源71與噴嘴73、73之間連接；以及流量調整部74，係設置於配管72之中途。濺鍍氣體供給源71係供給作為濺鍍氣體被導入於處理空間PS的惰性氣體，例如氬氣(argon gas)或氙氣(xenon gas)。

一對噴嘴73、73係以包夾感應耦合天線57的方式設置於真空腔室10之底面，且對真空腔室10內之處理空間PS吐出作為濺鍍氣體的惰性氣體。流量調整部74係具有按照來自控制部19之控制指令，來控制被供給至處理空間PS的濺鍍氣體之流量的功能。流量調整部74較佳係可以自動地控制濺鍍氣體之流量，且可以具備例如質量流量控制器。

在旋轉陰極51、52與感應耦合天線57之間係從電源單元8施加有適當的電壓。具體而言，在旋轉陰極51、52之基底構件511、521係連接有設置於電源單元8的直流電源81，可從直流電源81提供適當的直流負電位。另一方面，在感應耦合天線57係透過匹配電路(matching circuit)83連接有設置於電源單元8的高頻電源82，可從高頻電源82施加適當的高頻電壓。從直流電源81及高頻電源82之各個所輸出的電壓值或其波形係藉由控制部19所控制。

藉由從直流電源81對旋轉陰極51、52提供適當的直流電位，就能在旋轉陰極51、52之表面，更具體而言在面對處理空間PS的標靶材料512、522之表面近旁形成有電場。藉此能生成濺鍍氣體之電漿(磁控電漿(magnetron plasma))。亦即，直流電源81係藉由磁鐵單元53、54所形成的靜磁場將在處理空間PS產生磁控電漿所需的電壓施加於旋轉陰極51、52。為了此目的，亦可使適當的脈衝電壓或交流電壓重疊於被施加至旋轉陰極51、52的電壓上。

又，藉由從高頻電源82對感應耦合天線57供給有高頻電力(例如頻率13.56MHz之高頻電力)，就會在感應耦合天線57與旋轉陰極51、52之間產生高頻感應電場，且產生被供給至處理空間PS的濺鍍氣體及反應性氣體之感應耦合電漿。如此所生成的電漿亦由形成於處理空間PS的靜磁場所吸引。結果，能在處理空間PS生成高密度的電漿。

如此能藉由生成於處理空間PS的電漿來濺鍍標靶材料512、522的鈦之表面，且藉由鈦粒子與作為反應性氣體種的氮一起附著於基材B之下表面來形成氮化鈦的膜。為了使形成於基材B的膜之品質良好，在真空腔室10內係隔著基材B而在處理空間PS的相反側設置有加熱器(heater)2。加熱器2係具有能藉由控制部19進行溫度控制之例如陶瓷加熱器等的熱源，以面對處理空間PS的方式來加熱被搬運的基材B，藉此能促進膜固定於基材B下表面。

此外，成膜裝置1係具備：用以檢測處理空間PS中之電漿發光的機構；以及用以控制處理空間PS內之氣壓的機構。具體而言，在對處理空間PS供給氮氣的噴嘴63之近旁配置有例如由光纖所構成的探針(probe)191。在處理空間PS所產生的電漿發光之一部分係入射於探針191。探針191係連接於分光器192，而分光器192之輸出信號則輸入至控制部19。

控制部19係基於分光器192之輸出信號，藉由電漿發射法(plasma emission method：PEM)來檢測處理空間PS中的電漿強度。然後，依需要來控制流量調整部64，並控制被供給至處理空間PS的反應性氣體之流量。

在真空腔室10內係設置有將相應於處理空間PS中之氣壓的信號輸出至控制部19的壓力感測器193。又，排氣泵194係按照該信號依照從控制部19所提供的控制指令來動作，且將真空腔室10內的氣壓維持於預定值，該排氣泵194係連接於真空腔室10。藉由此等動作就能將成膜時之處理空間PS中的氣壓，亦即成膜壓力控制在預定值。

控制部19係具備CPU(Central Processing Unit；中央處理單元)、記憶體(memory)及儲存器(storage)以及介面(interface)等，該CPU係進行各種運算處理，該記憶體及儲存器係儲存CPU所執行的程式(program)或各種資料，該介面係負責在與外部裝置及使用者之間的資訊之交換。例如能夠將通用的電腦(computer)裝置作為控制部19來使用。

如上述所構成的成膜裝置1係將作為低電感之小型天線的感應耦合天線57排列複數個於Y方向，且對此等供給高頻電力，藉此形成電漿產生用的高頻感應電場。依據如此的構成，就能夠產生低電位且低溫高密度的電漿。又，藉由適當地設定天線之配置就能夠生成具有任意之形狀、大小的均一之電漿。

進一步地，藉由併用作為磁控式旋轉陰極發揮功能的旋轉陰極51、52，就能夠使特別高密度的電漿集中產生於處理空間PS內所限的區域。

其次，針對使用如上述所構成的成膜裝置1來形成藉由氮化鈦所得的黑色膜的方法加以說明。以往，在反應性電漿濺鍍技術中，當提高成膜壓力時就恐有發生異常放電(電弧作用)之虞，又由於當成膜壓力較高時成膜速率就會降低，所以一般是進行壓力比較低(例如1Pa以下)的成膜。

另一方面，本實施形態的成膜裝置1係藉由具有如上述的構成，就能謀求電漿之高密度化、均一化及低電位化。因此，能夠執行成膜壓力更高的成膜製程。特別是，藉由使用露出於電漿產生空間的旋轉陰極，該旋轉陰極的標靶表面會隨著旋轉而恆常地變化，就能使相對於電弧作用的耐性變高。

本案發明人係藉由上述構成的成膜裝置1，來進行亦包含比習知更高的成膜壓力而一邊將成膜條件做各種變更一邊形成氮化鈦(TiNx)膜的實驗，結果，達到了鎖定用以獲得膜質良好之黑色膜的成膜條件。

在基材之黑化處理中，也就是在基材之表面形成黑色之皮膜的處理中，目前已知有氧氮化鈦鋁(TiAlOxNy)或碳氮化鈦鋁(TiAlCxNy)作為黑色皮膜之材料。因在如此的多元系之材料中需要特別的標靶材料故而成本高。又在使用複數種之反應性氣體的情況下，氣體供給系統及製程控制亦會變得複雜。特別是在碳系之氣體中有較多的可燃性較高之物質，且在使用如此之氣體的情況下亦需要更進一步的安全對策。

只要可以藉由氮化鈦來形成黑色膜，該氮化鈦係能夠藉由單體的標靶材料和單體的反應性氣體進行成膜，就能夠削減比習知技術還大的成本。雖然目前的氮化鈦膜係作為用以獲得金色或青銅色(bronze)等之金屬色的皮膜來利用，但是並未被用作為黑色膜的材料。本案發明人係藉由適當地設定成膜條件，而發現能藉由氮化鈦來獲得良質的黑色不透明膜。

以下，針對藉由本案發明人所為的實驗之結果以及根據該結果所得的知識見解加以說明。在以下說明的實驗中係將標靶材料512、522設為金屬鈦，將反應性氣體設為氮氣，將成膜條件做各種變更以對作為基材B的不鏽鋼板進行成膜。有關所得的膜係使用CIE(Commission Internationale de l'Eclairage；國際照明委員會)所規定的L*a*b*表色系來評估其膜色。再者，由於成膜速率係依成膜條件而異，所以在實驗中係在進行完全地遮蔽作為基材B的不鏽鋼之底色的程度之成膜之後進行了膜色之評估。為此，成膜時間及膜厚會依成膜條件而異。

在此係將作為濺鍍氣體的氬氣與作為反應性氣體的氮氣之合計流量大致固定地維持在約200sccm(standard cubic centimeter per minute；每分鐘標準立方公分)，且一邊改變相對於氣體總量的氮氣之比率，一邊將成膜壓力多階段性地從0.3Pa設定至5Pa，並將以各個成膜壓力分別進行成膜後的情況之實驗結果為中心來加以說明。

圖2係顯示對於成膜壓力與氮氣比率之組合的膜色之測定結果的示意圖。圖2中之(a)欄位所示的曲線圖係將成膜壓力作為參數，在橫軸描繪氮氣(N₂)比率，在縱軸描繪a*值。同樣地，(b)欄位係將縱軸顯示作為b*值，(c)欄位係將縱軸顯示作為L*值。如(a)欄位及(b)欄位所示，表示膜之色度的a*值及b*值係藉由成膜壓力或氮氣比率來呈現各種的變化態樣。

另一方面，如(c)欄位所示，表示膜之亮度的L*值係顯示無論在哪一個成膜壓力中都大概同樣的變化。亦即，在氮比率比較低的區域L*值會比較大，在氮比率較高的區域L*值會較小。然後，能在氮氣比率為10%至30%左右之區域看到L*值之急遽的變化。但是，根據(c)欄位之曲線圖便能明白，在成膜壓力為0.3Pa或1.0Pa時，即便增大氮氣比率仍不太會使L*值降低，最小仍有60左右。

圖3係顯示對於成膜壓力與氮氣比率之組合的膜之色度變化的示意圖。更具體而言，在圖2所示之結果中係顯示表示所形成的膜之色調的a*值及b*值之組合如何藉由成膜壓力及氮氣比率而變化的示意圖。

圖3中之(a)欄位係表示將成膜壓力固定於0.3Pa時之相對於氮氣比率的a*值及b*值之變化的曲線圖。據此能明白，a*值及b*值之組合係藉由氣體中的氮氣比率來描繪較大的環形(loop)並變動。具體而言，隨著增大氮氣比率來描繪順時鐘方向的環形。可明白當將視為無彩色的a*值及b*值之數值範圍分別設為例如5以下時，就會藉由氮氣比率之設定值而大幅地超過該範圍且帶著特有的色彩。

(b)欄位係將成膜壓力固定於1.0Pa並進行了同樣的描繪。同樣地，(c)欄位、(d)欄位及(e)欄位係將成膜壓力分別設為3.0Pa、4.0Pa及5.0Pa時的結果。根據此等能夠明白，成膜壓力越高環形就變越小。特別是在成膜壓力為3Pa以上時和未滿3Pa時，在環形之大小上可看到顯著的差異。進一步在成膜壓力為4Pa以上時，a*值及b*值就不受氮氣比率影響而會成為大概5以下。此時，可謂不受氮氣比率影響而能獲得大致無彩色的膜。

又，在成膜壓力為3.0Pa時，雖然a*值及b*值係相對地低到大概10以下，但是有的情況會依氮氣比率之值而特別使b*值超過10。在此，當將成膜壓力同樣設為3.0Pa並使氣體流量增加至500sccm時，就如圖3中之(f)欄位所示，與(c)欄位之例相較，相對於氮氣比率的色度之變化會變得更小。換句話說，可以藉由氣體流量之調節來緩和色度之變動。

根據此等的結果可謂如下情形。亦即，在成膜壓力未滿3Pa時，所形成的膜係比較明亮又具有特有的色彩。如此的膜係難謂為黑色膜。然後，膜之色度係對成膜條件之變動具有較高的感受性。換句話說，隨著成膜條件之小變動會使膜色大幅地變動。此意味著為了要獲得所要求的色度，或是為了獲得均一的色度而需要嚴密的成膜條件之控制。

相對於此，在成膜壓力為3Pa以上時，能在氣體中的氮氣之比率及氣體流量之比較寬的設定範圍內，獲得無論L*值、a*值及b*值之哪一個都較低，亦即足可謂為黑色的膜。然後，因相對於成膜條件之變化膜之色度及亮度的變化較少，故而對成膜條件之變動的感受性較低。換句話說，即便成膜條件多少有變動在所獲得的膜之色彩中仍沒有較大的變化。因此，能緩和成膜條件之控制中所要求的嚴密度，且即便藉由比較簡單的控制仍能夠穩定地形成顏色不均較少的膜。

特別是在成膜壓力為4Pa以上時，即便成膜壓力或氣體流量、氣體中之氮氣比率等已有多少變動，所形成的膜之L*值、a*值及b*值仍能維持於可謂「黑色」的等級(level)之數值係例如L*值能維持於50以下，a*值及b*值能分別維持於5以下。但是。如圖2中之(c)欄位所示，因在氣體中之氮氣比率比20%更低的區域L*值有變高的傾向，故而氮氣比率更佳為20%以上。此時能獲得顏色不均較少之良質的黑色膜，而且，為了獲得如此之黑色膜所需要的成膜條件之容許範圍比較寬。在成膜壓力為3.0Pa時，雖然成膜條件之容許範圍會成為比上述還稍微窄，但是只要適當地完成條件設定，就能夠充分地獲得良質的黑色膜。

圖4係顯示成膜條件與成膜速率之關係的示意圖。如同圖所示，大致上成膜壓力越低成膜速率就越高，又只要成膜壓力固定則當氣體中之氮氣比率變高時成膜速率就會降低。但是，當氮氣比率變高至某程度以上時成膜速率之變化就會變少。當針對能獲得良質的黑色膜之3Pa以上的成膜壓力來觀察時，在氮氣比率為20%以下時能獲得比較高的成膜速率，另一方面，當氮氣比率超過40%時成膜速率就會大致固定。

在單純需要較高的成膜速率的情況下，只要降低氣體中之氮氣比率，例如設為20%以下即可。但是如上面所述，因在氮氣比率較低的區域膜之L*值會變高，故而在考慮黑色膜之品質方面較佳是將氮氣比率設為20%以上。雖然只要將氮氣比率設為20%以上，成膜速率之數值本身就會變低，但是因對於成膜條件之變動的感受性亦會變低，故而亦能夠藉由成膜時間來精度佳地控制膜厚。

圖5係顯示該實施形態的成膜處理之流程圖。最初，在旋轉陰極51(52)之基底構件511(521)安裝有作為標靶材料512(522)的金屬鈦(步驟S101)。或是，亦可為表面安裝有標靶材料512(522)的基底構件511(521)被安裝於成膜裝置1本體的態樣。

接著，在載具31設置有成為成膜對象的基材B(步驟S102)。在此狀態下真空腔室10之開口部被關閉，且在真空腔室10之內部，分別從濺鍍氣體供給部7供給有作為濺鍍氣體的氬氣，又從反應性氣體供給部6供給有作為反應性氣體的氮氣(步驟S103)。然後，基於藉由壓力感測器193所檢測出的真空腔室10內之壓力值，控制部19會使排氣泵194動作，並以處理空間PS之氣壓成為預定之成膜壓力的方式來控制真空腔室10內之氣壓(步驟S104)。

在此狀態下旋轉陰極51、52會旋轉，並且從電源單元8對各部施加有預定之電壓(步驟S105)。藉此，會在處理空間PS發生電漿產生電場，且產生電漿並開始濺鍍及成膜。藉由使基材B掃描移動並使面對煙囪11之開口的基材B之位置依順序變化(步驟S106)，就能在基材B下表面整體上形成氮化鈦膜。

當基材B之掃描移動結束時(步驟S107)，就會停止成膜用的各個製程，亦即來自電源單元8之電力供給、來自反應性氣體供給部6及濺鍍氣體供給部7之氣體供給等，且停止成膜(步驟S108)。在有作為成膜對象之新的基材B的情況下(步驟S109中的「是」)係回到步驟S102並交換基材B，且對新的基材B進行成膜。只要有關全部之基材的成膜結束(步驟S109中的「否」)，成膜處理就會結束。

如以上，在本實施形態中，藉由在習知的反應性電漿濺鍍處理中未曾被使用的比較高之成膜壓力下的濺鍍成膜，就能夠形成藉由目前未被用作為黑色膜之材料的氮化鈦(TiNx)所得的黑色膜。在該成膜方法中係可以用作為標靶材料之單體鈦和作為反應性氣體之單體氮來形成黑色膜。因此，沒有必要準備由多元系材料所構成的標靶，又氣體供給系統亦可以設為比較單純。因此，能夠以低成本來形成黑色膜。

又，因能獲得黑色膜的成膜條件之範圍較寬，且相對於條件之變動的膜色之感受性較低，故而即便在成膜條件中多少有變動此帶給膜色之影響仍較小。因此，能穩定地獲得顏色不均較少之良質的黑色膜。又由於在成膜條件之控制上不需要較高的精度，所以能夠更減低成膜成本。

雖然作為成膜壓力較佳為3Pa以上，但是從更增寬對於成膜條件之變動的容許範圍的觀點來看，更佳為4Pa以上。在成膜壓力為4Pa以上的情況下，即便有氣體流量或氣體中之氮氣比率的變動，膜色之變動仍極小，且能夠穩定形成顏色不均較少的黑色膜。在成膜壓力為3Pa的情況下，藉由適當地設定氣體流量及氮氣比率(也就是供給至處理空間PS的氮量)，就能夠形成穩定的黑色膜。

作為將作為濺鍍氣體之惰性氣體(氬氣)及作為反應性氣體之氮氣組合在一起的全部氣體之流量，在200sccm至500sccm之範圍內能獲得良質的黑色膜。又，作為全部氣體中的氮氣之比率係在20%至80%之範圍內，能夠在膜質及成膜速率之雙方中進行穩定的成膜。

在藉由低電感天線與磁控式旋轉陰極之組合所為的電漿產生製程中係能夠局部且均一地產生低溫、低電位且高密度的電漿。藉由使電漿集中產生於標靶近旁，就可以以較高之速率來濺鍍標靶，另一方面可以抑制對基材B的損傷。藉此，可以在基材B表面形成均一且良質的氮化鈦膜。

如以上說明，在該實施形態的成膜裝置1中，載具31 係具有作為本發明之「基材保持手段」的功能。另一方面，旋轉驅動部55、56係與旋轉陰極51、52一起具有作為本發明之「標靶保持手段」的功能。又，反應性氣體供給部6及濺鍍氣體供給部7係作為一體，並具有作為本發明之「氣體供給手段」的功能。

又，在上述實施形態中，壓力感測器193及排氣泵194係作為一體並具有作為本發明之「氣壓控制手段」的功能。又，感應耦合天線57和高頻電源82係作為一體並具有作為本發明之「電漿產生手段」的功能。又，旋轉陰極51和磁鐵單元53之群組、以及旋轉陰極52和磁鐵單元54之群組係分別具有作為本發明之「磁控式旋轉陰極」的功能。

再者，本發明並非被限定於上面所述的實施形態，只要在未脫離其趣旨的範圍內仍能夠進行除了上面所述以外的各種變更。例如，在上述實施形態中雖然是面對處理空間PS設置有二組的磁控式旋轉陰極，但是旋轉陰極亦可為一組。又，只要能夠在上述之較佳的成膜壓力下不發生異常放電地進行成膜，亦可非為旋轉陰極而例如是平板陰極。

又，上述實施形態的成膜裝置1係在濺鍍源5之上方具備向上開口的煙囪11，且在通過該開口之上部的基材B之下表面形成氮化鈦膜。然而，濺鍍源5與作為成膜對象的基材B之位置關係並未被限定於此。例如，亦可為在以大致垂直姿勢所搬運的基材之側方配置有濺鍍源的構成。又例如，雖然亦可為對被搬運於濺鍍源之下方的基材之上表面進行成膜的態樣，但是在此情況下，較佳是有對策來防止藉由濺鍍而在標靶表面所發生並游離的小粒子等之汙染物質掉落在基材表面。

又，在上述實施形態中，有關判斷為「黑色」的目標係針對L*值設為50以下，針對a*值及b*值分別設為5以下。然而，此等目標之數值亦可依目的而變更。藉此，需要針對上面所述之較佳的成膜條件進行些許的變更。

又，雖然在上述實施形態中係使用不鏽鋼板作為成膜對象的基材B，但是基材之材料並非被限定於此而係任意的。例如能夠將上述技術應用於在其他的金屬板或玻璃板等形成黑色膜之目的中。特別是在能夠產生低溫電漿的構成中，可以將不具有較高之耐熱性的例如樹脂製之平板或膜(film)等作為成膜對象，並在其表面形成黑色膜。又基材之表面並未被限定於平坦，例如亦可以將表面為曲面的基材作為成膜對象。

以上，如已例示說明具體之實施形態般，在本發明中，成膜壓力亦可為4Pa以上。依據本案發明人之知識見解，在成膜壓力為4Pa以上時，相對於供給至處理空間之氮氣供給量的膜色及成膜速率之感受性會變得極低。換句話說，氮氣供給量之變動帶給膜色及成膜速率的影響較小。藉此，能夠進行品質更穩定的成膜。

又例如，成膜壓力亦可為5Pa以下。如上面所述，只要成膜壓力為4Pa以上，即便更進一步增加氮氣供給量仍不會在膜質或成膜速率上出現較大的變化。從而，即便更進一步增大成膜壓力仍不會特別產生優點，反倒會提高電弧作用等不佳之現象的發生機率。依據本案發明人之知識見解，在成膜壓力為5Pa以下時，不會發生電弧作用等之問題而能夠進行良好的成膜。

又例如，氮氣相對於被供給至處理空間之氣體整體之體積比亦可為20%以上80%以下。藉由在如此之數值範圍內對處理空間供給氮，就能夠進行膜色及成膜速率特別穩定的成膜。

又例如，亦可為在面對處理空間所設置的感應耦合天線與標靶材料之間施加高頻電壓，以使電漿產生的構成。依據如此的構成，就可以在處理空間穩定地產生高密度的電漿，且可以穩定地進行藉由電漿濺鍍所為的成膜。

又例如，亦可為標靶材料與磁控式旋轉陰極一體化的構成。更具體而言，亦可為例如標靶保持手段具有磁控式旋轉陰極，且該旋轉陰極之表面藉由標靶材料所被覆的構成。因藉由使用如此的旋轉陰極，就不會發生電弧作用等之異常放電而能夠比習知更提高成膜壓力，故而適於實現本發明之成膜條件。

(產業可利用性)

本發明係可以利用於在適當的基材之表面形成不透明且均一的黑色膜之各種的目的。雖然得考慮例如建材或光學零件等作為製品之用途，但是並非被限定於此等而係任意的。

Claims

一種成膜方法，係具備：面對基材之表面而配置標靶材料的步驟；在前述基材之表面與前述標靶材料之間的處理空間供給包含濺鍍氣體及反應性氣體的氣體的步驟；將前述處理空間之氣壓控制在預定之成膜壓力的步驟；以及在前述處理空間形成電場以產生前述氣體之電漿的步驟；前述標靶材料為鈦，前述反應性氣體為氮，前述成膜壓力為3Pa以上，在前述基材之表面濺鍍形成氮化鈦的膜。
如請求項1所記載之成膜方法，其中前述成膜壓力為4Pa以上。
如請求項1所記載之成膜方法，其中前述成膜壓力為5Pa以下。
如請求項所1記載之成膜方法，其中氮氣相對於被供給至前述處理空間之前述氣體整體之體積比為20%以上80%以下。
如請求項1至4中任一項所記載之成膜方法，其中在面對前述處理空間所設置的感應耦合天線與前述標靶材料之間施加高頻電源，以產生前述電漿。
如請求項5所記載之成膜方法，其中前述標靶材料係與磁控式旋轉陰極一體化。
一種成膜裝置，係具備：基材保持手段，用以保持基材；標靶保持手段，係使標靶材料面對前述基材之表面來保持；氣體供給手段，係在前述基材之表面與前述標靶材料之間的處理空間供給包含濺鍍氣體及反應性氣體的氣體；氣壓控制手段，用以將前述處理空間之氣壓控制在預定之成膜壓力；以及電漿產生手段，係在前述處理空間形成電場以產生前述氣體之電漿；前述標靶材料為鈦，前述反應性氣體為氮，前述成膜壓力為3Pa以上，在前述基材之表面濺鍍形成氮化鈦的膜。
如請求項7所記載之成膜裝置，其中前述電漿產生手段係具有：感應耦合天線，係面對前述處理空間所設置；以及電源，係在前述感應耦合天線與前述標靶材料之間施加高頻電壓。
如請求項8所記載之成膜裝置，其中前述標靶保持手段係具有磁控式旋轉陰極，前述旋轉陰極之表面係藉由前述標靶材料所被覆。