JPH0297673A - イオンビームスパッタ法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はイオンビームスパッタ装置によって作成する耐
摩耗性向上等を目的とした被膜作成時の、膜の組成制御
に関するものである。

〔発明の背景〕

炭化チタン（Ｔｉｅ）などのセラミックス被膜は、高硬
度であることから耐摩耗性被膜として幅広く利用されて
いる。セラミックス被膜をイオンビームスパッタ法を利
用して作成する際、一般的には反応ガスを真空容器内に
導入し、ターゲットを不活性ガスでスパッタしながら反
応させて作成する方法や、反応ガスをイオン化して基板
に打ち込む方法、また炭化物や合金の被膜作成の場合に
は、複合ターゲットをスパッタして成膜する方法などが
利用されている。しかしながら、反応ガスを利用する方
法においては、活性ガスの取り扱いやガス流量の制御な
どが複雑になり、ガスをイオン化して基板に照射する方
法では、ターゲットをスパッタするためのイオン銃の他
にもう一つのアシスト用イオン銃が必要となる。また、
メタン（ＣＨ４）などの活性ガスをイオン化すると、イ
オン銃内部が黒鉛によって汚染されるなどの問題点も多
い。

一方、複合ターゲットを利用すると、一つのイオン銃で
化合物の成膜が可能であり、ガスも最低限ターゲットを
スパッタするための不活性ガスがあれば成膜が可能であ
るなどの利点がある。

複合ターゲットを利用して成膜を行った膜の組成は、イ
オンが照射される夫々のターゲットの面積とスパッタリ
ング率による。しかし、従来の固定式ターゲットにおい
ては、イオンビームの照射位置のずれなどにより、組成
にばらつきが発生することがあるが、そのばらつきは、
成膜後の元素分析によって明らかになるものであった。

また、可動式ターゲットを利用し、イオン電流量を七二
ターしながら照射面積を調節し１組成を制御する方法も
あるが、装置構造が複雑になるという欠点も有する。

一般的に、金属等の基板上にセラミック被膜を堆積させ
る場合には、界面の凹凸の影響や結晶構造の違いから、
膜の剥離等密着性が問題となる。

従来の固定式複合ターゲットの場合には、ターゲットか
らのスパッタ量を調節することが不可能であり、膜中の
組成に分布を持たせることができなかったので、基板と
膜との間に中間層を設けるなどの方法により、密着性の
向上を図っている。また、薄膜の被覆とは別に、材料に
直接数百ＫｅＶ〜数Ｍ　ｅ　Ｖのイオンを打ち込み表面
近傍に化合物を作成し、表面の改質を行う方法があるが
、改質層が浅いという欠点も持っている。そこで、母材
との密着性が良くある程度の改質層を有し、表面は耐摩
耗性に優れているという性質を有する、組成に傾斜を持
つ、傾斜機能材料が最近注目をあびているが、その製法
はまだ確立されていないのが現状である。

〔発明の目的〕

本発明の第１の目的は、上記した従来技術の欠点をなく
し、イオンビームスパッタ法によって作成される被膜の
元素組成を制御することである。

本発明の第２の目的は、被膜の組成に傾斜を持たせるこ
とにより、密着性が良く、耐摩耗性に優れた傾斜機能材
料を作成することである。

〔発明の概要〕

第一の発明は、絶縁された複数個のターゲットを備えた
イオンビームスパッタ装置において、ターゲットにバイ
アス電位を印加し、イオン照射によって夫々のターゲッ
トに流れ込む電流をモニターしながらバイアス電位を調
節し、被膜の元素組成制御を行う方法である。

第二の発明は、チタンとグラファイトのターゲットを持
つ前記イオンビームスパッタ装置において、被膜の組成
制御を行うことにより１表面は耐摩耗性の高いＴｉＣで
、界面付近は母材と同じ元素から成るという１組成に傾
斜を持たせ、密着性が良く耐摩耗性に優れたＴｉＣを用
いた傾斜機能材料を作成する方法である。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第１図を参照して説明する。成膜を
行う真空チャンバ２０にはイオン銃１、複数のターゲッ
ト４を取り付けることができる回転式ターゲットホルダ
２及び被膜が母材に均一に付着する様に回転機構が付い
た基板ホルダ３が設置されている。成膜の際には、膜中
に混入する不純物の量を減少させるため、真空チャンバ
２０内を１Ｏ−４（Ｐａ）台まで排気し、その後、ガス
導入口６からＡｒなどの不活性ガスをイオン銃１の中へ
導入し、２ＫｅＶ程度のエネルギを持ったＡｒイオンを
ターゲット４に照射する。ターゲット４から叩き出され
た粒子は、基板ホルダに保持された基板５の上に堆積し
薄膜８を形成する。

ターゲット１０．１１は、第２図に示す様に絶縁され、
かつイオンがターゲットホルダ２に直接当たらない様な
構造となっている。また、第３図に示す様に、イオン照
射によりターゲット１０゜１１に流れ込むイオン電流を
測定するための電流計１２．１３及びターゲット１０．
１１にバイアス電位を印加する直流電源１４．１５が接
続されている。

実際に成膜を行う際は、ターゲット１０，１１に流れ込
むイオン電流量１ａ　　　Ｉｓ　と夫々のターゲット１
０．１１のスパッタリング率ＳＡ、　Ｓｓの積を求める
ことにより、膜の組成比Ａ：Ｂを、（１）式によって決
定することができる。

Ａ：　Ｂ：ＩＡ　　ＳＡ　　：　Ｉｓ　　Ｓｓ　−−−
−−−（１）従って１組成比が１：１の膜を得る場合に
は、ＩＡ　／ＩＳ　＝Ｓｓ　／Ｓｓ・・・・・・（２）
となる様に、イオン電流を調節すると良い。

本実施例として、ターゲット１０，１１にチタンとグラ
ファイトを使用して、チタンターゲットにバイアス電位
０〜−５００ｖを印加して成膜を行ったＴｉＣ膜の元素
組成をオージェ電子分光装置で分析した結果を第４図に
示す、バイアス電位をチタンターゲットに印加すること
により、Ｃ／Ｔｉの値が０．８１〜１．４３まで変化し
、バイアス電位の調節により、膜の組成比を制御できる
ことがわかる。

また、チタン基板の上に組成に傾斜に持たせたＴｉＣ膜
を成膜するには、第５図に示す様に、最初チタンターゲ
ット１７に一５００Ｖ、グラファイトターゲット１６に
＋５００Ｖのバイアス電位を印加し、双方共栓々にアー
ス電位に戻して行く、ターゲット１６．１７に照射され
るＡｒイオンは、正に帯電しているため、最初は、負電
位が印加されているチタンターゲット１７に集まり、電
位の変化に伴い、グラファイトターゲット１６にも照射
される様になり、最終的にはＴｉ：Ｃ＝１：１の炭化チ
タンが生成する。

この様に、バイアス電位を変化させることにより、膜の
組成は第６図の様に変化する事が予想され、膜と基板と
の間には明確な界面が存在せず、良い密着性が得られる
。

また、基板にグラファイトを用いた場合には。

チタンターゲットに正、グラファイトターゲットに負の
バイアスを印加し、上記の方法で成膜することにより、
同様の効果が得られる。

第３図に示すターゲットにおいて、チタンの代りにタン
グステンやシリコンなどの金属や半導体をターゲットに
使用し炭化物を作成する場合にも、上記の方法で膜の組
成の制御することが可能である。

更に、基板にグラファイトあるいはターゲットに使用し
ている金属及び半導体を用いることにより、同様に組成
に傾斜を持った密着性の良い膜が得られる。

〔発明の効果〕

第一の発明によれば、夫々が絶縁され、バイアス電位の
印加が可能であり、照射されるイオン電流量が読み取れ
る複数値のターゲットから成るイオンビームスパッタ装
置において、夫々のターゲットへ照射されるイオン電流
量が読み取り、バイアス電位を変えることにより、イオ
ン銃の出力を変えることなく、被膜の組成制御を容易に
行うことができ、膜質の向上及び均一化という効果を奏
することができる。

また第二の発明によれば、ターゲットにチタンとグラフ
ァイトを使用した上記の特徴を持つイオンビームスパッ
タ装置において、チタン及びグラファイト基板上に、界
面付近では基板と同じ元素から成り１組成が徐々に変化
し、表面近傍ではＴｉＣ膜が生成する耐摩耗性及び密着
性の優れた傾斜機能材料を作成することが可能であり、
広範囲にわたる摩耗部品への利用が可能であり１部品の
寿命向上という効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例であるイオンビームスパッタ
装置の縦断面図、第２図はターゲットの詳細を示す平面
図、第３図はターゲットに接続される電気系統回路図、
第４図は異なるバイアス電圧を印加した際のＴｉＣ膜の
元素組成を示すグラフ、第５図（ａ）（ｂ）は成膜中に
バイアス電位を変化させた時のターゲット周りを示す説
明図とバイアス電位変化を示すグラフ、第６図は第５図
に示す方法で成膜した場合の元素組成を示すグラフであ
る。 図において、１はイオン銃、２はターゲットホルダ、３
は基板ホルダ、４．１０．１１はターゲット、５は基板
、６はＡｒガス導入口、７はＡｒイオンビーム、８は被
膜、９はセラミック絶縁物１２．１３は電流計、１４．
１５は直流電源、１６はグラファイトターゲット、１７
はチタンターゲットである。 特許出願人の名称　日立工機株式会社 芽２図 第 茅１０ 第５０（０−） 茅乙口 暮向ｔうの深さ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空容器内に設けた複数個の金属またはセラミック
   から成るターゲットを、少なくとも一つのイオン銃から
   放出される不活性ガスイオンでスパッタし、母材表面に
   被膜を作成するイオンビームスパッタ法であって、少な
   くとも二つのターゲットを互いに絶縁してターゲットホ
   ルダに取り付けると共に夫々のターゲットにバイアス電
   位を印加する可変電源及び夫々のターゲットに照射され
   るイオン量を測定するための電流計を接続し、該電流計
   によってイオン電流を測定しながら前記可変電源を調整
   して夫々のターゲットに印加されるバイアス電位を変え
   、被膜の元素組成を制御することを特徴としたイオンビ
   ームスパッタ法。 ２、前記バイアス電位を時間の経過と共に変え、被膜組
   成比に傾斜をもたせたことを特徴とした請求項１記載の
   イオンビームスパッタ法。 ３、被膜作成初期は一つのターゲットのみがスパッタさ
   れるようなバイアス電位を印加して母材表面にそのター
   ゲットの被膜のみを作成するようにしたことを特徴とす
   る請求項２記載のイオンビームスパッタ法。