JP6986674B2

JP6986674B2 - Plasma sputtering film forming equipment

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。 The present invention mainly relates to a film forming apparatus for forming a hard film on a steel substrate.

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。 Normally, in order to coat the surface of a steel base material (substrate) with a TiN (titanium nitride) film or a diamond film, it is formed from the components of the film to be coated in a space (deposition chamber) in a reduced pressure atmosphere. The surface of the base material is coated with a film by evaporating and ionizing the vaporized material. An apparatus (deposition apparatus) provided with such a film formation chamber is also called an ion plating apparatus because it forms a film by ionizing a vapor deposition material to be coated.

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。 The ion plating apparatus may be, for example, a method of forming a film by using an arc discharge (arc method) or a method of forming a film by a sputtering phenomenon (sputtering method) as disclosed in Patent Documents 1 and 2. Each device exists.

特開昭６３−２１３６６４号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-213664 特開平６−２５８４６号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-25846

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。 However, the arc-based film forming apparatus disclosed in Patent Documents 1 and 2 has a problem that molten particles called droplets adhere to a member covering the film. This droplet is generated due to a film forming method called an arc method regardless of the physical properties of the vapor deposition material.

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。 Since the arc method is a method in which an arc discharge is generated on the surface of the target by using an electrode to instantaneously heat and evaporate the target, the portion of the target to be heated is local. Therefore, the uniformly heated target portion evaporates, but the heated state of the peripheral portion evaporates the evaporating region, and as a result, a liquid lump is generated, and the lump becomes a droplet. Further, in the film formation by the arc method, it is difficult to form a film using a high melting point metal such as W, Mo or Ta or an insulating vapor deposition material (target) such as _{Si, SiO 2} or Al ₂ O _3.

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。 On the other hand, the film formation by the sputtering method can be relatively easily performed by using the above-mentioned high melting point metal or the insulating vapor deposition material. However, since the sputtering method has a lower ionization rate of the vapor-filmed material than the arc method, it is difficult to obtain a good film quality and the film forming speed is slow. As a means to solve these problems, measures have been taken to install magnets and coils around the vapor-deposited material (so-called magnetron sputtering method).

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。 However, by installing a magnet or coil around the vapor-deposited material, a specific magnetic field is generated around the vapor-deposited material, and the electrons attracted from the surroundings by the magnetic field are concentrated in the same place on the vapor-deposited material. As a result of evaporating only from the portion, there is a problem that the yield of the vapor-deposited material is lowered.

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。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a plasma sputtering film forming apparatus capable of improving the ionization rate even in a vapor deposition material formed of a metal having a high melting point or an insulating material.

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。 To solve the above-mentioned problems
The present invention has a film forming chamber for forming a film on a substrate and a film forming chamber.
Multiple hollow-cathode plasma guns installed adjacent to the top outside the film formation room,
Multiple hollow cathode plasma gun anodes installed on the bottom of the film formation chamber,
Multiple vapor deposition materials installed on opposite sides of the film formation chamber,
Multiple first coils installed between multiple hollow cathode plasma guns and the film formation chamber,
A plasma sputtering film forming apparatus including a plurality of second coils installed vertically below the anodes for a plurality of hollow cathode plasma guns below the outside of the film forming chamber.

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。 Further, in this film forming apparatus, the distance between the center of the plasma generated from the plurality of hollow cathode plasma guns and the surface of the vapor-deposited material can be in the range of 5 to 15 mm. Further, the film formation chamber can be formed into an octagonal shape in a cross-sectional view.

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。 By using the plasma sputtering film forming apparatus according to the present invention, even a vapor deposition material formed of a metal having a high melting point or an insulating material can be deposited with one film forming apparatus, and the vapor deposition material can be ionized. It has the effect of improving the rate.

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。It is a front view of the plasma sputtering film formation apparatus 10 which is an example of embodiment of this invention. 同成膜装置１０の平面図である。It is a top view of the film forming apparatus 10. 図１に示すＸ−Ｘ断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line XX shown in FIG. 図２に示すＹ−Ｙ断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along the line YY shown in FIG. 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。It is a schematic cross-sectional view which shows the arrangement relationship between the plasma 20 generated in the film forming apparatus 10 and the vapor deposition material 4B.

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。 An example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a front view of the plasma sputtering film forming apparatus 10 showing an example of the embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view (top view) of the plasma forming film forming apparatus 10 shown in FIG. Further, FIG. 3 shows an XX sectional view of the plasma sputtering film forming apparatus 10 shown in FIG. 1, and FIG. 4 shows a YY sectional view of the plasma sputtering film forming apparatus 10 shown in FIG.

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。 As shown in FIG. 1, the plasma sputtering film forming apparatus 10 according to the present invention has a configuration in which a film forming chamber (chamber) 1 for forming a film under a reduced pressure atmosphere is arranged above a gantry G. Then, the hatch 8 is opened and closed by using the two levers 7 and 17 provided on the side surface of the film forming chamber 1, and the work W is placed on the table T installed in the center of the film forming chamber 1 described later. To form a film.

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。 In this film forming chamber 1, as shown in FIGS. 1 and 2, two hollow cathode plasma guns (HCD guns) 2 and 12 are symmetrical above the outside of the film forming chamber 1 with the center position of the film forming chamber 1 as symmetry. They are placed on both the left and right sides (when viewed from the front). Similarly, above the outside of the film forming chamber 1, two first coils 5 and 15 are provided so as to surround the boundary between the two hollow cathode plasma guns (HCD guns) 2 and 12 and the film forming chamber 1. It is attached.

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。 The two hollow cathode plasma guns 2 and 12 mounted above the outside of the film forming chamber 1 are attached to the dedicated anodes 3 and 13 installed at the bottom inside the film forming chamber 1 as shown in FIGS. 3 and 4. It is possible to generate plasma toward it. Further, below the outside of the film forming chamber 1, the second coils 6 and 16 are installed in the gantry G at positions directly below the dedicated anodes 3 and 13. By energizing these second coils 6 and 16, a magnetic field is generated around the anodes 3 and 13, and the plasma generated from the two hollow cathode plasma guns 2 and 12 is used as a dedicated anode (anode for the hollow cathode plasma gun). ) 3 and 13 can be converged.

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。 The plasma generated from the two hollow cathode plasma guns 2 and 12 is a vapor deposition material (target) 4A, 4B, 14A installed on the side surface of the film forming chamber 1 so as to face each other as shown in FIGS. 3 and 4. By sputtering 14B, the film can be formed on the work W on the table T installed in the center of the film forming chamber 1.

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）。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view (around the vapor deposition material 4B) showing the positional relationship between the plasma 20 generated from the hollow cathode plasma gun 12 and the vapor deposition material 4B installed in the film forming chamber 1. The distance d between the center 20C of the plasma 20 and the surface 4S of the vapor deposition material 4B at the time of film formation is preferably in the range of d = 5 mm to 15 mm as shown in FIG. 5 (note that the center of the plasma 20 shown in FIG. 4). 20C is shown as a virtual line).

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。 When this distance d is less than 5 mm, it becomes difficult to control the film forming speed because the vaporized material 4 is excessively vaporized by the heat of the plasma 20. Further, when the distance d exceeds 15 mm, the ions of the plasma 20 are difficult to reach the surface 4S of the vapor-deposited material 4B, the evaporation amount of the vapor-deposited material is reduced, and the film-forming rate is lowered.

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。 By establishing the positional relationship between the plasma 20 and the thin-film deposition material 4B as described above, high-density plasma exists on the surface 4S of the vapor-film deposition material 4B, and the ionization rate of particles evaporated by sputtering is improved. Further, since the film formation is performed by the sputtering method, it is possible to form a film even if the vapor deposition material is formed of a metal having a high melting point or an insulator.

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。 As shown in FIGS. 1 and 3, four thin-film deposition materials (targets) 4A, 4B, 14A, and 14B used in the HCD method are contained in the film-forming chamber 1 of the film-forming apparatus 10 shown in the present embodiment. Separately, four more thin-film deposition materials for arc method 50, 51, 60, 61 can also be installed so as to face each other. Further, an arc discharge electrode (not shown) may be provided adjacent to the thin-film deposition material for the arc method. With such a configuration, the film forming apparatus 10 can also perform film forming by an arc method separately from the film forming method using the hollow cathode plasma guns 2 and 12.

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 1 Formation chamber 2, 12 Hollow-cathode plasma gun 3, 13 Hollow-cathode plasma gun anode 4A, 4B Vapor deposition material 4S Surface of vapor deposition material 4B 5, 15 First coil 6, 16 Second coil 10 Plasma sputtering film deposition equipment 14A , 14B Vapor deposition material 20 Plasma 20C Center of plasma 20 d Distance from center 20C of plasma 20 to surface 4S of vapor deposition material 4B

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。
A film forming chamber for forming a film on a substrate installed in the center, a plurality of hollow cathode plasma guns installed adjacent to the outside of the film forming chamber, and a bottom surface of the film forming chamber. A plurality of hollow cathode plasma gun anodes, a plurality of vapor deposition materials installed on opposite side surfaces in the film forming chamber, and a plurality of firsts installed between the plurality of hollow cathode plasma guns and the film forming chamber. A coil and a plurality of second coils installed below the outside of the film forming chamber and directly below the anodes for the plurality of hollow cathode plasma guns are provided, and the plasma generated from the hollow cathode plasma gun is described above. A plasma sputtering film forming apparatus that converges vertically downward toward an anode for a hollow cathode plasma gun and is located outside the base material installed in the center of the film forming chamber.

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。 The plasma sputtering film forming apparatus according to claim 1, wherein the distance between the center of the plasma generated from the plurality of hollow cathode plasma guns and the surface of the vapor-deposited material is in the range of 5 to 15 mm.

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。 The plasma sputtering film forming apparatus according to claim 1 or 2, wherein the film forming chamber has an octagonal shape in a cross-sectional view.

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。 In the film forming chamber, a plurality of arc discharge electrodes installed on opposite side surfaces of the film forming chamber and a plurality of second vapor deposition materials installed adjacent to the plurality of arc discharge electrodes are provided. The plasma sputtering film forming apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising.