JPH03267366A - 薄膜形成装置ならびにその運転方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、金属材料や非金属材料の表層改質に用いら
れる薄膜形成装置であって、真空チャンバ内に、面に垂
直な軸線まわりに自転可能に配置された母材の表面に真
空蒸着またはスパッタ蒸着により薄膜を形成する装置と
、該母材の同一表面にイオンビームを注入する装置とを
備え、母材表面への蒸着とイオンビーム注入とを同時に
行なって母材表面に新たな’ｆｉｌ膜を形成する薄膜形
成装置の構成と、その運転方法とに関する。

〔従来の技術〕

金属材料や非金属材料の表層を改質する方法には、母材
表面に直接イオンを打ち込むイオン注入法や、母材表面
に予め金属ＹｉＷａを作っておき、それにイオンを打ち
込むミキシング法などがある。

このミキシング法は、一般に膜界面よりも大きい飛程を
もつ高エネルギーイオンを注入し、膜材原子と母材原子
、あるいは金属３ｍ膜が多層に形成されている場合には
各層の原子を互いに混合して、母材表面に化合物や固溶
体などの新たな薄膜を形成しようとするものである。し
かしながら、この方法では、イオンを打ち込んでも、浸
透できる深さはせいぜい０．１〜０．２ｎどまりという
限界があった。

これに対し、本発明が対象とするダイナミックミキシン
グ法は、母材の表面に、蒸着による薄膜形成とイオン注
入とを同時に行うものであり、有効な効果を得ることが
できる０例えば、硬質材料であるチタンナイトライド（
Ｔ、Ｎ）膜を母材表面に作るには、母材にチタンの金属
蒸気を当てながら窒素イオンを同時に注入する。これに
より母材表面にＴ、Ｎ合金層が形成されていくが、この
場合にはＴ、Ｎ合金層が膜として単に母材表面に付着す
るのではなく、母材との混合層を形成しつつこの混合層
を介して母材と合金層とが一体化した。剥離しにくい薄
膜を作ることができる。なお、イオン注入量と、蒸着量
との比を変えることにより、任意の組成比の膜が形成で
きるのも大きな特徴である。

（発明が解決しようとする課題〕 ダイナミックミキシング法による１１Ｎ！形成に際して
は、蒸着＆−ト（単位時間当りの母材表面への蒸着量）
、イオンビームのエネルギ（イオンのもつ運動エネルギ
）、イオン電流、母材表面に対するイオン打込み角度等
の最適条件を見い出して表層改質を行なっているが、形
成される薄膜の柱状結晶は、イオン打込み方向により多
く成長する傾向があり、形成膜が粗なものになり、強固
さに欠ける問題があった。この問題解決のために、成膜
時に母材を自転させる等の対策も講ぜられているが、そ
の効果はまだ不充分なものであった。

この発明の目的は、薄膜形成後の熱処理による再結晶化
など、新たな操作を必要とすることなく強固な膜が形成
される薄膜形成装置の構成と、目的とした膜組成を一定
に維持しつつ薄膜を形成することのできる装置の運転方
法とを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を解決するために、この発明においては、真空
チャンバ内に、面に垂直な軸線まわりに自転可能に配置
された母材の表面に真空蒸着またはスパッタ蒸着により
薄膜を形成する装置と２該母材の同一表面にイオンビー
ムを注入する装置とを備え、母材表面への蒸着とイオン
ビーム注入とを同時に行なって母材表面に新たな薄膜を
形成する。ダイナミックミキシング法によるＩ膜形成装
置を、母材を自転させつつイオンビーム軸と蒸着軸とを
含む面の方向に母材を揺動させることができるように構
成し、薄膜形成時に、イオンビーム軸と蒸着軸との成す
角および母材表面とイオンビーム軸との成す角を検出し
つつイオンビーム量とｉｆｒ量の、少なくともいずれか
一方を制御する運転方法をとるものとする。

〔作用〕

薄膜形成装置をこのように構成すれば、ｆｌ膜形成時に
母材が自転しつつイオンビーム軸と蒸着軸とを含む面の
方向に揺動するから、イオンの打込み角が時間とともに
変化し、薄膜の結晶成長の方向が一方向に片寄ることが
なくなり、均一に分散され得る。これにより、より強固
な薄膜を形成することができる。

一方、母材が揺動することにより、母材表面でのイオン
ビーム密度と蒸着密度との比が変化するので、上述のよ
うにイオンビーム軸と蒸着軸との成す角および母材表面
とイオンビーム軸との成す角を検出しつつイオンビーム
量と蒸着量の、少なくともいずれか一方を制御する運転
方法をとることにより、膜の組成比を一定に保ちつつ薄
膜を形成することができ、形成膜の品質を一定に維持す
ることができる。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図および第２図に示す。

真空チャンバ１内には、表面に薄膜が形成される板状も
しくは膜状の母材２が母材ホールダ３の面に装着され、
この母材２は母材ホールダ３の装着面に垂直な、従って
母材２の表面に垂直なモータ４の回転軸により回転駆動
される。図中の符号５は、この実施例では、電子ビーム
を、薄膜物質を構成する蒸発材に照射して加熱し、蒸発
させる電子ビーム加熱真空蒸着装置（以下、ＥＢガンと
略記する）を示し、蒸発した薄膜物質は真空中を直進し
て母材表面へ向かう。蒸着装置としては、このように、
薄膜物質を構成する蒸発材を真空中で照射加熱５抵抗加
熱、誘導加熱などの手段により加熱、蒸発させる真空蒸
着装置のほか、真空中に放電ガスを導入し、電極間に電
圧を印加してグロー放電を発生させてプラズマを生成し
、プラズマ中の正イオンを陰極上のターゲットに衝突さ
せてターゲット原子をはじき出し、この原子を母材表面
へ向かわせるスパッタ蒸着装置があり、真空蒸着装置と
同様に本発明が対象とする薄膜形成装置を構成させるこ
とができる。また、符号６は、薄膜物質を構成する気体
元素のイオンを生成してビーム化するイオン源であり、
熱陰極アーク放電を利用したイオンＳ（例えば、周壁に
スリットが形成された金属容器内をスリットと平行に金
属容器から絶縁して熱陰極線もしくは熱陰極棒を走らせ
、この熱陰極と金属容器との間に電圧を印加して金属容
器内に対象ガスのプラズマを発生させ、スリット前面に
配設された引出し電極に対熱陰極負電位を与えてスリッ
トからイオンビームを引き出すイオン源）や、マイクロ
波放電を利用したイオン源（例えば、対象ガスが導入さ
れる筒状のマイクロ波共振器を励磁ソレノイドで囲んで
共振器内に磁界を発生させ、この磁界とマイクロ波とに
よる電子サイクロトロン共鳴効果により対象ガスをプラ
ズマ化し、共振器の軸方向端面の孔の前面に配設された
引出し電極によりイオンビームを形成させるイオン源）
が用いられる。また、符号７は、真空チャンバ１内を真
空に保つための真空排気装置である。

ここで母材２．母材ホールダ３およびモータ４は、母材
表面中心を紙面と垂直方向に通る直線を軸線として、イ
オンビーム軸１１（第２図）、蒸着軸１２を含む面の方
向に揺動できるよう、ここには特に図示しないが、真空
チャンバ１の壁面を紙面に垂直方向に両側からそれぞれ
貫通してモータ４のハウジングと一体化された。前記軸
線を軸線とする揺動軸が真空チャンバ壁面に回転自在に
支承され、この画描動軸の一方が適宜の揺動機構２例え
ば別置された回転円板の周縁側に一方端が連結された連
結棒の他方端と、揺動軸に固着されるレバーを介して連
結される。

薄膜形成時には、母材２は回転運動と揺動運動とをしな
がら、下部に設けられているＥＢガン５からの蒸発物９
を表面に受けると同時に、イオン源６からのイオンビー
ム８を受ける。母材表面に対するイオンビーム８の入射
角は、揺動両端でのイオンビーム入射角の間で連続的に
変わるので、結晶成長方向が一定になるのを防ぎ、強固
な薄膜が形成される。

なお、母材を揺動させることにより、母材の受ける蒸着
レートとイオン注入レート、および両者の比が変化する
。いま、第２図において、母材表面とイオンビーム軸１
１との成す角をφ、イオンビーム軸１１と蒸発軸１２と
の成す角をθとすれば、蒸着レートＲ，とイオン注入レ
ートＲ１とはそれぞれ、 Ｒｖ　　Ｗ−Ｒｖ＠　　ｃｏｓ　　（□　−φ−θ）π Ｒ，＝Ｒ，。　ｃｏｓ　　（−φ） となる、ただし、Ｒｖｏ、Ｒｔ。はそれぞれ母材表面に
垂直に入射するときの蒸着レートとイオン注入レートと
である。これらの式から明らかなように、各レートは角
φ、θで変化するが、−船釣にθは一定なので、角φに
よって各レートが変化する。

形成される薄膜の品質を維持するには、各レートおよび
レート比を一定にすることが望ましい。このために角φ
を検知し、この角をもとにして蒸着レートとイオン注入
レートとを制御しつつ薄膜を形成するようにする。ここ
で、角φの検出は、例えば、精密に電圧を分割する目的
で作られた可変抵抗器を備えたポテンショメータを用い
て行う。

この場合は角度の検出が目的であるから、ポテンショメ
ータは可変抵抗器が円弧状もしくは全円状に形成された
回転型のものを用い、その揺動接点を先端に保持するレ
バーを揺動軸で揺動駆動して角度を検出する。また、蒸
着レートの制御は、例えば光学式膜厚モニタを用いて膜
厚を検出しつつ、蒸着装置がＥＢガンである場合には、
前記膜厚信迂 号と角度信号とでＥＢガンの加働電圧あるいは熱フィラ
メントの加熱電流を調整して蒸発量を制御して行う。イ
オン注入レートの制御は、イオン源が熱陰極アーク放電
を利用するものでは、熱陰極とこれを包囲する金属容器
との間の加速電圧や熱陰極の加熱電流を調整することに
よりアーク電流を制御して行い、イオン源がマイクロ波
放電を利用するものでは、共振器に投入するマイクロ波
電力を調整して行う。第３図および第４図にそれぞれ両
イオン源における被調整量と、引き出されるイオンビー
ム電流との関係を示す。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、この発明においては、真空チャン
バ内に、面に垂直な軸線まわりに自転可能に配置された
母材の表面に真空蒸着またはスパッタ蒸着により薄膜を
形成する装置と、該母材の同一表面にイオンビームを注
入する装置とを備え、母材表面への蒸着とイオンビーム
注入とを同時に行なって母材表面に新たな薄膜を形成す
るグイナミソクミキシング法による薄膜形成装置を、母
材を自転させつつイオンビーム軸と蒸着軸とを含む面の
方向に母材を揺動させることができるように構成したの
で、母材表面へのイオン注入角を時間的に連続して変化
させることができ、母材表面に形成される薄膜の結晶成
長方向が一方向に片寄ることなく均一に分散され、膜形
成後の熱処理による再結晶化のような新たな操作を必要
とすることなく強固な薄膜が形成されるようになった。

また、この装置の運転方法として、イオンビーム軸と蒸
着軸との成す角および母材表面とイオンビーム軸との成
す角を検出しつつイオンビーム量と蒸着量の、少なくと
もいずれか一方を制御する運転方法としたので、目的と
した組成成分比率を保ちつつ薄膜を形成することができ
、形成薄膜の品質を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による薄膜形成装置構成の一実施例を示
す説明図、第２図は本発明による薄膜形成装置運転時の
被検出量を示す説明図、第３図および第４図はそれぞれ
熱陰極アーク放電利用のイオン源およびマイクロ波放電
利用のイオン源における。￥ｉｉ膜形成装置運転時の被
検出量検出値に基づく被調整量と引き出されるイオンビ
ーム電流との関係を示す線図である。 １：真空チャンバ、２：母材、４：モータ、５：ＥＢガ
ン（Ｔｉ子ビーム加熱真空蒸着装置）、６：イオン源（
イオンビーム注入装置）、Ｂ：イオンビーム、９：蒸発
物、１０：揺動軸、１１：イオンビーム軸、１２：蒸着
軸、φ、θ：被検出角。 箱動？［１ｌＩＯ−。 ＼ ５ＥＢカン ９１発物 第１図 第２図 第 ３ 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）真空チャンバ内に、面に垂直な軸線まわりに自転可
   能に配置された母材の表面に真空蒸着またはスパッタ蒸
   着により薄膜を形成する装置と、該母材の同一表面にイ
   オンビームを注入する装置とを備え、母材表面への蒸着
   とイオンビーム注入とを同時に行なって母材表面に新た
   な薄膜を形成する薄膜形成装置において、母材を自転さ
   せつつイオンビーム軸と蒸着軸とを含む面の方向に母材
   を揺動させることができるように構成されたことを特徴
   とする薄膜形成装置。 ２）請求項第１項に記載の薄膜形成装置の運転方法であ
   って、薄膜形成時に、イオンビーム軸と蒸着軸との成す
   角および母材表面とイオンビーム軸との成す角を検出し
   つつイオンビーム量と蒸着量の、少なくともいずれか一
   方を制御することを特徴とする薄膜形成装置の運転方法
   。