JPH04224677A - 陰極スパッタにより基板を被覆するための装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、陰極スパッタにより基
板を被覆するための装置において、 （ａ）方形のマグネトロンカソードが設けられており、
マグネトロンカソードが縦縁を有するターゲットを備え
ていて被覆領域を規定しており、 （ｂ）上記の縦縁に平行な回転軸を中心にして回転可能
である、基板のための基板ホルダが設けられており、基
板の表面エレメントが被覆領域内を円軌道上で移動可能
であり、 （ｃ）非磁性材料から成る、平面的な、縦縁を有する壁
が設けられており、縦縁が同様にして基板ホルダの回転
軸に平行に延びており、少なくとも１つの長く伸びた磁
気トンネルを発生するために磁石ユニットが壁の後方に
配置されており、該トンネルが基板ホルダへ向いた壁の
表面にわたって広がっており、マグネトロンカソードお
よび壁が互いに回転軸をはさんで両側に位置しており、
かつ磁気トンネルの長手側が同様にしてターゲットの縦
縁に平行に延びており、並びに （ｄ）平面状のアノードが設けられている形式のものに
関する。

【０００２】

【従来の技術】基板は専らではないが、特に大きな寸法
および（または）複雑な、３次元の形状を持つものであ
る。少なくとも１つのマグネトロンカソードを備えた従
来の装置をもってしてはこのような基板を全面的に、か
つ一様に被覆するのは困難であり、またこのような基板
のすべての表面エレメントを被覆の前に一様にエッチン
グし、ないしは清浄にすること（これは全面にわたる一
様なイオン衝突を前提とする過程である）も困難である
。

【０００３】マグネトロンカソード使用の際には２つの
反対の要求が対立している、すなわち１つはマグネトロ
ンスパッタカソードが、ターゲット（これは被覆材料か
ら成るかまたは被覆材料の成分の少なくとも１つから成
る）へ磁石機構を全く専用に配属させることによってい
わゆる高出力被覆源、すなわち表面単位当り高いスパッ
タ率を有した被覆源であることであり、他方では特定の
手段を講じない場合プラズマもしくはグロー放電が磁界
によって基板から十分に遠去けられることである。しか
しこれらは時にはきわめて複雑であり、これについては
下記で詳述される。磁界とターゲットとの協働は“磁気
トラップ”とも呼ばれる。

【０００４】高出力スパッタの特性はまさに基板表面に
おけるプラズマの著しい濃度によって達成され、精確に
はこのことはプラズマの小さな立体的な広がりの原因と
なり、これは基板をプラズマ内で“洗う”という要求に
対立するものである。

【０００５】マグネトロンスパッタカソードは周知のも
のである。例えばＤＥ−ＰＳ２４６３４３１が挙げられ
るが、これはいわゆる“プレーナマグネトロン”を開示
している。

【０００６】このようなマグネトロンカソードは別の手
段なくしては３次元基板の全面的な被覆には適さず、し
かもこの基板を基板ホルダの多軸の３次元運動により複
雑な、合成運動を行なわせた場合にもそのようなのであ
る。

【０００７】３次元の基板を回転運動ではなく２つの鏡
像対称に向合ったマグネトロンカソードの中空間を通過
案内し、かつ配置全体のジオメトリ、マグネトロンカソ
ードの設計データ、基板における負のバイアス電圧を含
む操作パラメータを、基板が全面的にプラズマに曝され
るように選択することによって３次元の基板を全面的に
被覆することがＤＥ−ＰＳ３１０７９１４から既に公知
である。この手段は、ターゲットまでの距離約１２０ｍ
ｍが設定される、ある大きさまでの基板では卓越してい
ることが証明された。この場合基板の突出部分もターゲ
ット表面からのある最小距離を下回ってはいけないこと
を配慮しなければならないので、ターゲット表面に対す
る垂直方向でみた基板の最大寸法は最大でも約３０〜４
０ｍｍに制限される。

【０００８】国際特許出願ＷＯ８６／０４６１６には請
求項１の上位概念による装置が記載されており、更に全
く特定な目的（いわゆる硬質物質での被覆）のためとし
て、異なる寸法の３次元基板を全面的に硬質物質から成
る付着性の膜で被覆することができる処置と手段とが挙
げられている。これは一方における基板の回転により、
他方におけるマグネトロンカソードの被覆領域内への付
加的な電子の混入によって行なわれる。そのためには電
子エミッタおよび逆電極の付加的な配置が配慮され、こ
れは付加的な電子流を発生する。この装置では基板はエ
ミッタの放射による付加的な温度負荷に曝される。２０
０℃の温度（これは特定の材料、例えば鋼には有害であ
る）は既に短時間の後に越えられる。プラズマはこの従
来技術でも立体的には狭く制限される。したがって基板
は周期的にプラズマとプラズマを含まないゾーンとを通
過し、基板の軌道の大ていの部分範囲はプラズマゾーン
の外部にある。この公知の装置でも基板の最大寸法は比
較的狭い範囲に限られる。

【０００９】磁石機構に関して平衡状態にあるとは示す
ことができない操作状態でマグネトロンカソードを操作
することによってマグネトロンカソードでプラズマの立
体的な広がりを拡大することも既に公知である。磁石機
構の異なる大きさの磁極面によっておよび（または）付
加的な磁石コイルによって、磁力線の著しい部分がもは
や比較的短いアーチ状の軌道上をターゲット表面まで戻
されずに、空間内に深く逆電極まで延びることが達成さ
れる。逆電極は通常基板ホルダとして構成されていて基
板を支持している。この作用形式のためにかかるマグネ
トロンカソードは“不釣合マグネトロン”とも示される
。このような装置は例えばウインドウ（Ｂ．Ｗｉｎｄｏ
ｗ）とサビデス（Ｎ．Ｓａｖｖｉｄｅｓ）の２人によっ
て記載されている。

【００１０】１．“チャージド・パーティクル・フラッ
クシーズ・フローム・プレーナ・マグネトロン・スパッ
タリング・ソーシーズ（Ｃｈａｒｇｅｄ　　ｐａｒｔｉ
ｃｌｅｆｌｕｘｅｓ　　ｆｒｏｍ　　ｐｌａｎａｒ　　
ｍａｇｎｅｔｒｏｎ　　ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ　　ｓｏ
ｕｒｃｅｓ）”、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ
．Ａ４（２）所収、１９８６年３月／４月、１９６〜２
０２頁、 ２．“アンバランスド・デーシー・マグネトロンズ・ア
ンド・ソーシーズ・オブ・ハイ・イオン・フラックシー
ズ（Ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ　　ｄｃ　　ｍａｇｒｅｔｒ
ｏｎｓ　　ａｎｄ　　ｓｏｕｒｃｅｓ　　ｏｆ　　ｈｉ
ｇｈ　　ｉｏｎ　　ｆｌｕｘｅｓ）”、Ｉ．Ｖａｃ．Ｓ
ｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ４（３）所収、１９８６年５
月／６月、４５３〜４５６頁。

【００１１】この装置では高い平均基板電流密度を発生
するには成功したが、基板へのプラズマの十分に一様な
作用は得られず、特にエッチングもしくは清浄化処理で
は得られない。

【００１２】硬質物質層を効果的に使用するのに重要な
条件は、皮膜の大きな密度の他に、基板と皮膜との十分
な付着である。そのためにはエッチングまたは清浄化工
程で成形部材の全表面において基板材料の除去を行うこ
とが必要である。ジオメトリの複雑な、大きな成形部材
では単に高い負の電圧を基板で使用することだけで一様
な除去を達成しようとするのは問題がある。すなわち基
板で圧力１００分の数ミリバール（アルゴン）で高い負
の基板電位を適用する場合、エッチング過程で基板にイ
オン衝突を行うためには基板表面積１ｃｍ２当り０．２
ミリアンペアを下回るきわめて小さな電流密度を使用す
ることが可能であるにすぎない。

【００１３】この結果得られる小さな除去率は、一方で
表面に配置された接近容易な平面エレメントがより顕著
に除去され、かつ他方で縁部においてエッチングのいき
すぎが起る事態を招く。しかし成形部材の奥まった内面
では除去がきわめて僅かであるにすぎないかまたはそも
そも除去など生じず、したがってこの箇所では付着強度
の劣悪さが既に予め与えられているのである。

【００１４】その他に、エッチング過程で必要な相対的
に高い工程圧力のために、露出された表面部分の領域か
ら除去された材料がエッチングの弱い、あるいはエッチ
ングの全く行われなかった表面部分上へ再拡散すること
が観察された。これによって基板表面の大部分でエッチ
ング過程が可能ではなくなる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、大き
な横断寸法と不規則な形状とを持った基板をも選択的に
著しい一様性でもってエッチング（清浄化）することが
でき、また施された膜が大きな付着強度を持つように被
覆することができるように、冒頭に記載の形式の装置を
改善することである。

【００１６】基板の“横断寸法”とはターゲット表面お
よび基板ホルダの回転軸に対して垂直に延びた各横断面
平面内の２点間の最大距離を意味する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明による手段は、冒頭に記載の形式の装置にお
いて、 （ｅ）ターゲットの縦縁とこれらに平行な、壁の縦縁と
の間の距離が基板の軌道の周囲に少なくとももう１つの
、後方に磁石ユニットを備えた壁を配置したことによっ
て短縮せしめられており、少なくとももう１つの磁石ユ
ニットが最初の磁石ユニットとの間に角度を形成してお
り、かつ （ｆ）すべての磁石ユニットの磁極が、基板ホルダ全体
が中断なく続く磁気トンネルによって包囲されるように
基板ホルダの周囲に交互になっていることである。

【００１８】

【発明の効果】特徴（ｅ）および（ｆ）による構造的な
記載の重要性は、下記で公知技術との比較対照によりよ
り詳細に説明される。重要なことは第１に、基板の軌道
の循環路全体がプラズマ内に延びていることであり、こ
れは基板の軌道が中断なく続く磁気トンネルによって包
囲されることによって実施される。

【００１９】本発明による手段を用いた場合には圧力１
．８×１０−２ミリバール（アルゴン）、基板電位−１
７５０ボルトおよびアノード電位＋４０ボルトでエッチ
ング処理に際して基板表面積１ｃｍ２当り１ミリアンペ
アを明らかに上回る電流密度を基板で発生させることが
できる。これによって基板の表面エレメント全体がエッ
チング処理され、しかも内面、例えば支承リングの内面
に位置する表面部分もエッチング処理された。

【００２０】これらの基板の被覆では圧力６×１０−３
ミリバール（アルゴン）、カソード電位−５５０ボルト
および基板電位−６０ボルトで、ターゲットにおける磁
界の強さに依存して基板面積１ｃｍ２当り１．０〜１．
５ミリアンペアの電流密度値が達成された。得られた膜
は下記で詳述される試験方法で基板への良好な付着、低
い摩擦係数および僅かな損耗度に優れていた。

【００２１】更に本発明によれば磁石ユニットの壁が多
角形の周面内に位置しており、壁が少なくともマグネト
ロンカソードからの視野の外にある、基板の軌道の部分
範囲を包囲している。

【００２２】

【実施例】図１には従来技術による片側で作業する装置
が示されている。真空室１の壁内に従来の構造のマグネ
トロンカソード２が挿入されている。そのために真空室
１は直方体形の、中空のケーシング付加部３を備えてい
る。ケーシング付加部はマグネトロンカソード２をきわ
めて僅かな間隔を置いて取巻いているので、これによっ
て形成されたギャップ４，５がグロー放電を発生するこ
とはない。

【００２３】マグネトロンカソード２はいわゆる方形カ
ソードであり、その主要伸長方向（長軸）は図平面に対
して垂直に延びている。マグネトロンカソード２には中
空間７を有する槽状の基体６が含まれ、基体はカバー８
によって閉鎖されている。基体６の前面にはプレート状
のターゲット９が伝熱性の良好な結合形式で配置されて
おり、ターゲットは被覆材料または被覆材料の少なくと
も１つの成分から成っている。

【００２４】中空間７内には磁石機構１０が配置されて
おり、磁石機構は磁力線から成る閉じられたトンネルを
形成し、このトンネルはターゲット９上に投影されると
“レース走路”の形を呈する。磁力機構１０には直線形
に配置された永久磁石の中央の列が含まれ、この列はマ
グネトロンカソードの長軸の方向に延びている。この列
はＮ極“Ｎ”でもってターゲット９に向けられている。 基体６の外周壁の近傍には逆の磁極位置を持つ別の永久
磁石が周囲で閉じられて中断されずに列を成して配置さ
れている、すなわちこの場合にはＳ極“Ｓ”でもってタ
ーゲット９に向けられている。

【００２５】図１から判るように方形の形の永久磁石の
外側の列が間隔を置いて内側の、条板状の永久磁石列を
包囲している。永久磁石の対向した側面は詳しく示され
ていないヨークプレートによって互いに結合されている
。マグネトロンカソード２の構成については従来技術な
のでこれ以上の詳述は必要なかろう。磁石機構１０の調
節装置１１も従来技術に含まれる。この調節装置はねじ
スピンドルを備え、このねじスピンドルでもって永久磁
石の磁極面と基体６の前面との間の距離が変更可能であ
る。調節装置によってターゲット材料の消費量の増加の
影響を補償することができる。

【００２６】ターゲット９は２つの直線形の縦縁１２，
１３を有し、これらの縦縁も同様に図平面に対して垂直
の方向に延びている。これらの縦縁に平行に２つのガス
分配装置１４，１５が延びており、ガス分配装置を用い
てスパッタ工程に反応性のガスを、例えばクロム製のタ
ーゲット９から基板に窒化クロムを沈着させたい場合に
は窒素を供給することができる。

【００２７】図１には基板ホルダ１６が方形のものとし
て示されている。基板ホルダは回転軸１７を備え、回転
軸は図平面に垂直に、したがって縦縁１２，１３に平行
に、同様にガス分配装置１４，１５に平行に延びている
。回転軸には図３に示されているように例えば支承リン
グを配置することができる。

【００２８】磁石機構１０を適切に設計し、併せて基板
ホルダ１６における十分な負のバイアス電圧を含む作業
パラメータを適切に選択することにより基板ホルダ１６
まで広がるプラズマ（図１に網かけで示されている）を
達成することができる。しかしこの方法では例えば、プ
ラズマ１８が基板ホルダ１６の、ターゲット９側ではな
い後方側まで広がることは達成されない。基板ホルダ１
６もしくは基板の全面的な負荷は、この基板ホルダを連
続的に矢印１９によって示される方向へ回転させた場合
にのみ可能である。しかしこれではターゲット９とは反
対側の基板の表面エレメントは、基板の軌道のある部分
範囲では、すなわち時間によってはプラズマの影響を受
けない。

【００２９】このような装置では平均基板電流は他のす
べての方法パラメータが最適である場合にも０．５ｍＡ
／ｃｍ２を下回る。その結果が導入部に記載されている
。回転軸１７がマグネトロンカソード２の長い方の対称
平面内に位置していて、試験により最適になったターゲ
ット表面からの距離を有していることは自明である。 図２によるマグネトロンカソード２はケーシング付加部
３内に取付けられることを含めて第１図によるものと同
一である。

【００３０】ただし図１に示された装置とは異なり図２
による装置は付加的に非磁性材料のから成る平らな壁２
０を備えており、この壁は基板ホルダ１６の、ターゲッ
ト９とは反対の側に配置されている。壁は縦縁２１，２
２を有しており、縦縁は同様にして基板ホルダ１６の回
転軸１７に平行に延びている。この壁の後方には別の磁
石ユニット２３が配置され、この磁石ユニットは中央の
条板状に並んだ永久磁石２３ａと２つの、外側の側面の
条板状に並んだ永久磁石２３ｂと２３ｃから構成されて
いる。外側の永久磁石２３ｂ，２３ｃは中央の永久磁石
２３ａとは反対の磁極位置を有している。

【００３１】このようにして磁力線は点線で示されてい
るように中央の列の永久磁石２３ａから両外側の列の永
久磁石２３ｂ，２３ｃへのアーチ状の軌道上に延びてい
る。永久磁石２３ａ，２３ｂ，２３ｃは壁２０とは反対
の側においてヨークプレート２４によって互いに磁気的
に結合されている。両外側の列の永久磁石２３ｂ，２３
ｃが縦縁２１，２２の若干外側に位置していることは問
題ではない、それというのも平らな壁２０には縦縁２１
，２２の両側で非磁性材料から成る別の壁２５，２６が
続いており、これらの壁は壁２０との間にターゲット９
に対して例えば１３５°の鈍角を形成しているからであ
る。図２による装置は永久磁石２３ａ，２３ｂおよび２
３ｃを含めて縦縁２１，２２までは公知技術である（Ｗ
Ｏ８６／０４６１６、ただしエミッタなし）。

【００３２】ただしこの公知技術とは異なり２つの別の
壁２５，２６が直接続いて設けられていて、これらの壁
の後方にそれぞれ別の磁石ユニット２７，２８があり、
これらの磁石ユニットにはそれぞれ直線の列を成した永
久磁石２７ａもしくは２８ａが配属されている。作用的
には磁石ユニット２７に更に永久磁石２３ｂの列が配属
され、かつ磁石ユニット２８には永久磁石２３ｃの列が
配属されていることは自明である。更に永久磁石２７ａ
，２８ａの磁石の位置が永久磁石２３ｂ，２３ｃの磁極
の位置とは逆向きであり、そのためこれらの磁極間にも
アーチ状に延びた磁力線が形成される。

【００３３】壁２５，２６および別の磁石ユニット２７
，２８によって（回転軸１７に対する周方向でみて）タ
ーゲット９の縦縁１２，１３への距離が明らかに短縮さ
れることが判る。更に磁石機構１０の磁極位置および永
久磁石２７ａ，２８ａの磁極位置については、この場合
にも最短の相互間隔を有する磁石同士が互いに逆向きの
磁極位置を有するように設けられている。図示の実施例
では永久磁石２７ａ，２８ａの開放磁極面はＮ極として
形成され、かつ磁石機構１０の外側の永久磁石の開放磁
極面はＳ極として形成されている。その結果磁力線は永
久磁石２７ａ，２８ａの磁極面からそれぞれ一番近くに
位置する、マグネトロンカソード２の磁石機構１０の磁
極面へも延びている。

【００３４】これにより基板ホルダ１６の回転軸１７の
囲りにすべての磁石ユニット２３，２７，２８の磁石お
よびマグネトロンカソード２の磁石機構１０の磁極が互
い違いに位置した状態が得られる。これにより発生せし
められた磁力線の経過は、プラズマ２９が明らかにより
大きな体積にわたって広がり、特に基板ホルダ１６を全
方面から洗うことをもたらし、このことは上記の利点を
もたらす。

【００３５】壁２０，２５，２６は台形の短い方の辺上
に位置し、したがって台形状の中空間を形成しており、
この中空間はマグネトロンカソード２へ向かって開かれ
ている。この中空間内には更にアノード３０が存在し、
アノードは薄肉の中空シリンダのセクタを形成しており
、このセクタの縦縁３１，３２は壁２５，２６の最も外
側の縦縁３３，３４の近くにある。このアノードももち
ろんプラズマ２９の形成のために働く。必然的にこのプ
ラズマ２９はアノード３０に対して距離を有する、それ
というのもアノードはこの処理を実行する電子のための
凹地をなしており、そのためにイオン化の確率がアノー
ド３０の直近部において明らかに低下せしめられるから
である。したがってこの側でも公知の闇空間が生じる。

【００３６】基板ホルダ１６もしくは基板の考えられる
全表面エレメントがプラズマ２９中に位置する基板の軌
道上を移動することが重要であり、これによりこの装置
は明らかに図１による装置とは異なっている。

【００３７】更にマグネトロンカソード２、ガス分配装
置１４，１５、壁２０，２５，２６、永久磁石の列、ア
ノード３０がすべて図平面に対して垂直にみて基板ホル
ダ１６もしくはその回転軸１７とほぼ同じ長さを有して
おり、回転軸がほぼ鉛直方向に向けられているので上記
の基板の軌道が水平平面内に延びていることを強調しな
ければならない。

【００３８】壁２０，２５，２６、アノード３０の図２
の図平面内に位置する横断寸法については更に以下のよ
うに実施することができる、すなわち非磁性材料から成
る薄板を適宜曲げることによって得られる縦縁２１，２
２間の距離は少なくともターゲット９の幅、すなわちそ
の縦縁１２と１３間の距離にほぼ等しい。一方の縦縁２
１，３３間の距離および他方の縦縁２２，３４間の距離
は少なくとも縦縁２１，２２間の距離のほぼ半分に等し
い。アーチ形アノード３０の縦縁３１と３２との間のア
ーチの長さは最適化試験によって決めることができる。 すなわちこの長さを変えていって、基板電流密度が最大
可能な値を有する場合に最適な状態が得られることが確
認された。

【００３９】寸法設定のために図表に基板電流密度がア
ーチ形アノードの長さに関してプロットされる。当該長
さを約２ｃｍ幅の狭幅の薄板条片からアノードが回転軸
１７の殆ど半周を取巻く状態のときの数値まで変え、か
つこれらの数値を基板電流密度に関して図表に書込んで
いくと曲線の両端に２つの最大値が得られる。１つの最
大値は、寸法的には図２による装置にほぼ等しい構成に
相当する、すなわちアノードは回転軸１７を約１２０°
の範囲にわたって取巻く。この場合装置はきわめて万能
であり大小の基板に使用することができる。

【００４０】図３には４つの保持リング３５を備えた基
板ホルダ１６が示されており、保持リングは基板３６を
受容するために設けられ、支承リングとして構成され、
かつ軸方向の長さ約２５ｍｍで外径６５ｍｍを有してい
る。保持リング３５は互いに溶接され、かつ図示のよう
な直線形の整列で回転軸１７に固定されており、基板ホ
ルダ１６の一部分である。固定部材と回転駆動部材の詳
細は簡明にするために省略されている。支承リングは内
面をエッチングされ、かつ被覆されなければならない。

【００４１】１つの保持リング３５内には片側に直径３
０ｍｍ、厚さ５ｍｍの試料基板３７が、その一端面３７
ａがリング平面に対して垂直になるように配置されてい
る。別の保持リング３５には中央にもう１つの試料基板
３８が配置され、これは両端面がリング平面に平行に向
いている。これらの試料基板は代表的な製品特性の試験
のために用いられる、それというのも通常の試験装置は
支承リングの内面に問題なく接近可能である訳ではない
からである。

【００４２】例　　１（比較例）タイプＺ７００Ｐ２／
２（ライボルト　　アクチエンゲゼルシャフト社製）の
装置にタイプＰＫ５００Ｌのマグネトロンカソードを装
着した。ターゲット９はクロム製であった。基板ホルダ
と基板は図３による装置に相当するものであった。ガス
分配装置１４，１５から選択的に純粋なアルゴン（エッ
チング用）またはアルゴンと窒素の混合物（窒化クロム
層の沈着のため）を導入することができた。装置の装備
は最初は図１に一致しており、基板ホルダと真空室の壁
はアノードの機能を果した。

【００４３】基板は負荷可能な最高温度２００℃である
材料１００Ｃｒ６から製作されていた。

【００４４】エッチング清浄化のためには純粋なアルゴ
ンの作用によって工程圧力１．８×１０−２ミリバール
が生ぜしめられ、基板には−１７５０ボルトが適用され
た。マグネトロンカソード２は電位−２８０ボルトでカ
ソード電流０．７アンペアで操作される。これで最大基
板電流８０ミリアンペアが達成される。しかしこの電流
の経時的な経過は回転軸１７の回転にしたがって基板電
流の著しい変化を示し、しかも５０％までの減少を認め
ることができた。したがってこの電流の変動は、基板が
マグネトロンカソード２に対して相対的な角度位置に応
じて異なる強さでプラズマ１８内へ突入せしめられ、か
つ再びプラズマ外へ移動せしめられることをもたらす。 これによって基板の特に有利な表面範囲でしかエッチン
グ作用が発揮されないことは自明である。

【００４５】エッチング清浄化の終了後基板ホルダとマ
グネトロンカソードの電位の変更が行われた。被覆のた
めにはカソードは電位−５６０ボルトで操作され、カソ
ード電流７．２アンペアが得られた。アルゴン流に窒素
２７ｓｃｃｍが加えられた。図４は微小硬度ＨＶ０．０
１がこの窒素流に依存することを示す。この低いと示す
べき窒素流では化学量論比を下回るＣｒＮｘの皮膜が生
じるのであるが、窒素流の著しい上昇も微小硬度をこれ
以上改善しないことが認められる。上記の条件は本来予
想では硬質物質材料の更に十分な金属的な性質とともに
良好な付着を生じる筈であった。

【００４６】このようにして被覆された試料基板は引続
きいわゆる“トリボメータ（Ｔｒｉｂｏｍｅｔｅｒ）”
で試験された。被覆はＣｒＮｘ２．０μｍの唯一の皮膜
から成っていた。

【００４７】トリボメータはＣＳＥＭ社［Ｆｉｒｍａ　
　ＣＳＥＭ、ＣＨ−２０００ノイヒアーテル７／ワイス
（ＣＨ−２０００　　Ｎｅｕｃｈａｔｅｒ７／Ｓｃｈｗ
ｅｉｚ）］のタイプＳＩＮの“ピン−オン−ディスク機
（Ｐｉｎ−ｏｎ−Ｄｉｓｃ−Ｍａｓｃｈｉｎｅ）”であ
る。対向体は載置荷重２．５Ｎの硬質金属球であった。 相対速度は０．６ｍ／分、温度は室温、相対的な大気湿
度は３０％であった。これにより次の数値が測定された
、すなわち摩擦係数はμ＝０．８で、したがって比較的
かなり高く、硬質金属球の皮膜上の所定の走行距離５０
ｍは達成されなかった、それというのも既にそれ以前に
接触箇所において皮膜の分離が起ったからである。上記
の“走行距離”は以下の通りである、すなわち硬質金属
球がディスク状の試料基板上を中心が半径８ｍｍの円軌
道上を動くように滑動し、その結果これから得られる円
周を多数回循環走行する。更に達成されない目標は計約
１１００回の全回転であった。

【００４８】同じＣＳＥＭ社のタイプＡ１５０引掻硬度
試験の引掻硬度試験装置でも他の試験によれば皮膜上に
明らかに見ることのできる掻き傷痕が生じた。掻き傷痕
の両側には大きな長さで皮膜の表面部分に規則的に割れ
が生じていた。フリッチ社［Ｆｉｒｍａ　　Ｆｒｉｔｓ
ｃｈｉ　　ＧｍｂＨ、Ｄ−８５００ニュールンベルクー
４０］の手動硬度試験機を用いたロックウェル式の侵入
試験によれば試験球の明らかに見るこことのできる圧入
のみならず、試験球の圧痕の直径の約２〜３倍である平
均直径を持つ円環形のゾーン内の皮膜に半径方向の亀裂
も認められた。

【００４９】例　　２（比較例）これらの性質の改良を
達成するためには、基板にエッチング工程とＣｒＮｘで
の被覆との間に厚さ０．５μｍの純粋なクロムの中間層
が設けられた。そのためには上記の中間層の厚さが所定
値に達して初めて窒素の導入が開始された。エッチング
およびＣｒＮ皮膜の被覆における他の方法パラメータは
変えなかった。しかし基板−クロム−ＣｒＮｘの層順序
はトリボメータ試験では同じく劣悪な性質を示した、す
なわち走行距離数メートル後に既に層の分離が起り、か
つ明らかに見ることのできる摩擦痕が生じた。ロックウ
ェル試験でも既に述べた半径方向に走る亀裂が球圧痕の
周囲の円環ゾーンに示された。

【００５０】例　　３（比較例）他は同じ被覆条件の下
でエッチング時間を、詳しくは２倍よりも大きな値に延
長することが試られた。これによっても被覆の付着強度
を改良することはできなかった。その上に既にエッチン
グ過程の後に基礎材料（材料１００Ｃｒ６）の硬度損失
による付加的な欠点が生じた。

【００５１】比較例１〜３の評価 図１による装置を使用した場合にはきわめて長いエッチ
ング時間および（または）エッチングにおける高めた温
度の使用によってもイオンエッチングによる表面不純物
の十分に許容し得る除去は保証することができなかった
。

【００５２】この装置を用いた場合は被覆過程の間基板
で基板表面積１ｃｍ２当り０．５ミリアンペアを下回る
最大電流密度しか達成することができなかった。このよ
うに僅かな基板における電流密度が、最適ではない成長
と僅かな厚さの皮膜の沈着をもたらすことは明らかであ
る。このことは特に、凝縮する粒子の移動速度の上昇も
十分な程度には可能ではないことを意味し、そのために
基板上に凝縮せしめられた被覆材料の厚さも高いものは
達成されなかった。これは特に当該皮膜が割れのある不
規則な表面を持つ柱状のマイクロ構造を持っていること
に現われている。　　この急激な柱状のマイクロ構造に
よって工業用構造部材、工具そしてもちろん装飾品上の
皮膜の応力については不利な、摩擦特性および摩耗に関
する状態が形成される。

【００５３】例　　４ 今度は図１による装置に、磁石ユニット２３，２７，２
８を備えた壁２０，２５，２６を組込みかつアノード３
０を組込むことにより、図２に相当する装置が得られる
ようにして装備した。

【００５４】イオンエッチングではアルゴン圧１．８×
１０−２ミリバール、基板電位−１７５０ボルトおよび
アノード電位＋４０ボルトが調整された。基板表面積１
ｃｍ２当り１ミリアンペアを明らかに上回る電流密度が
基板において得られた。

【００５５】被覆においてもきわめて高い基板における
電流密度を達成することができた。電流値はカソード電
流７．２アンペアに対して同じ＋４０ボルトのアノード
電位、カソード電位−５６０ボルトおよび基板電位−６
０ボルトで測定された。ターゲット磁界強度に依存して
（第６図も参照のこと）基板において基板表面積１ｃｍ
２当り１．０〜１．５ミリアンペアの代表的な電流密度
値が得られた。被覆に際してはアルゴン圧６×１０−３
ミリバール並びに窒素流２７ｓｃｃｍで処理され、窒素
流はアルゴン流に混合された。

【００５６】図５には基板における電流密度Ａｓに対す
るアノード電圧の変化の影響が示されている。アノード
電位の調節により基板電流を制御することも可能である
。

【００５７】図５によればアノード電圧０ボルトおよび
基板表面積１ｃｍ２当り０．０３ミリアンペアの僅かな
電流密度から始めてアノード電圧を６０ボルトまで上昇
させると電流密度１．１ミリアンペア／ｃｍ２が、かつ
アノード電圧１００ボルトでは１．３５ミリアンペア／
ｃｍ２の電流密度すらも得られることが示されている。 電流密度１．１ミリアンペア／ｃｍ２でエッチングし、
かつ基板表面積１ｃｍ２当り１．５ミリアンペアの電流
密度でＣｒＮｘで被覆すると、皮膜の十分に良好な付着
の他にμ＝０．３の低い摩擦係数（例１のμ＝０．８に
比べて）が示された。上述のトリボメータを用いての摩
擦試験では５５ｍを上回る走行距離が得られ、しかも挙
げるに足る摩擦痕は見られなかった。

【００５８】引掻硬度試験により生じた掻き傷痕は長い
距離区間にわたって滑らかに延びていて掻き傷痕の側縁
において皮膜の挙げるに足る破れはなかった。上述の手
動硬度試験装置を用いてのロックウェル試験では球圧痕
の縁にそりが認められ、同様にしてもちろん皮膜の相応
する変形が認められたが、比較試験で観察された、球圧
痕から離れた所の皮膜における半径方向の亀裂の形成は
なかった。

【００５９】電子顕微鏡下での皮膜の検査は、皮膜内の
裂け目の多い柱構造による顕微鏡による粗面のない平滑
な表面が形成されたことを示し、μ＝０．３の小さな摩
擦係数はこれに帰せられよう。

【００６０】図６には本発明の対象の装置の電流密度Ａ
ｓに対する影響、しかも基板ホルダにおける負のバイア
ス電圧に依存した影響が説得力ある仕方で示されている
。曲線４１，４２はターゲット表面における磁界強度の
２つの異なる最大水平成分（２３キロアンペア／ｍもし
くは２４キロアンペア／ｍ）に関する基板における電流
密度の増大を示す。これらの数値ではターゲット表面に
おける磁界強度の低下は基板における電流密度に対して
積極的な影響を持たない。約４０ボルトを越えてからの
負のバイアス電圧の上昇も、基板における電流密度が基
板表面１ｃｍ２当り０．５ミリアンペアを上回る上昇を
もたらすことはない。

【００６１】曲線４３，４４，４５はターゲット表面に
おける等しい磁界強度（２３キロアンペア／ｍ）の場合
の本発明の対象の装置に該当する。既に基板におけるバ
イアス電圧Ｖｓ＝０ボルトにおいて基板電流密度はきわ
めて高く、すなわち約０．８〜１．３ミリアンペア／ｃ
ｍ２にある。負の基板バイアス電圧の上昇は基板電流密
度の連続的な上昇をもたらすが、とりわけ正のアノード
電圧ＵＡの４０から１００ボルトへの上昇は基板におけ
る電流密度の明らかな更なる増加をもたらす。 例　　５（比較例） この例では体積の大きな成形部材、すなわち辺の長さ１
００ｍｍ×１００ｍｍの正方形横断面を有し、かつ長さ
３００ｍｍの直方体を窒化チタン（ＴｉＮｘ）で被覆す
ることに関する。

【００６２】これに使用された図７による装置は、基板
が横断面でみて明らかにより大きな寸法を持っていると
いう点でのみ図２による装置とは異なっている。

【００６３】当該装置は先ず図１に示されたのと同様の
状態、すなわち特別なアノードと後側に磁石ユニットを
備えた壁２０，２５，２６の設けられていない状態で操
作された。

【００６４】この例でそもそも検査可能な被覆を実施し
得るためには、調整される電流密度が基板表面積１ｃｍ
２当り最高０．５ミリアンペアの場合に金色のＴｉＮｘ
−皮膜を形成するためには−１５０〜−２５０ボルトの
基板バイアス電圧を選択しなければならない。周知のよ
うにこれらの皮膜は金に似た特性を有しているが、しか
し次に上述する、色と光沢に関する指標は限界的である
。

【００６５】このことはカソードについては以下のこと
を意味する、すなわちここでターゲット表面積１ｃｍ２
当り約８〜１０ワットの出力密度が調整されなければな
らなず、かつ化学量論比の窒化チタンの形成のためには
３５〜４０ｓｃｃｍの窒素流が必要とされる。

【００６６】先行のエッチング清浄化の工程については
ＣｒＮｘの皮膜の形成と同様の配慮が該当する。

【００６７】しかしエッチング工程の付加的な強化を行
わずに大寸法の成形部材で付着性の皮膜を形成するのは
きわめて困難である。装飾の目的のために厚さ０．２５
〜０．５μｍの薄い窒化チタン膜を沈着せしめるのは可
能ではあるが、図１による公知の装置と方法により工業
用に（いわゆる機能的な膜）より厚い、膜厚２μｍの皮
膜を製作するのは不可能であった。すなわち膜厚の増大
とともに皮膜に生じる固有応力が増大し、これは最終的
には比較的厚い皮膜の分離を招く。

【００６８】更に装飾用の皮膜は機能的な皮膜のような
機械的な負荷に曝されないこともある。

【００６９】上記の基板に基板バイアス電圧−２００ボ
ルト、基板表面積１ｃｍ２当り０．３ミリアンペアの電
流密度で金色のＴｉＮｘ皮膜を被覆した。当該皮膜は僅
かな明度値および著しいグリップ敏感性を示した。著し
いグリップ敏感性とは、不十分な厚さの皮膜が手で触れ
られた際に皮膚の脂や湿気を吸い、かつ指の圧痕または
グリップ痕を可視状態にするものと述べることができる
。このような箇所は乾いた布でこすり取ろうとしても皮
膜の毛管作用があるために手や指の圧痕はもはや取除く
ことができない。更に金色の色印象を与えるのに必要な
特性上の色価は達成されない。

【００７０】装飾表面の光学的性質の特性表示に関して
重要なのはいわゆるＣＩＥＬＡＢ−単位系であり、これ
については測定方法、装置が文献に載せられている。こ
の例では測定のために“カラーアイ１５００Ｓ（Ｃｏｌ
ｏｒ−ＥＹＥ１５００Ｓ）”という型式のマクベス社（
Ｆｉｒｍａ　　Ｍａｃｂｅｔｈ）の色測定装置が使用さ
れた。測定の評価はいわゆるＬ＊単位、ａ＊単位、ｂ＊
単位で行われた。ここで単位Ｌ＊は皮膜の明度を表わし
、他方正のａ＊値は色調のうちの赤色値を、かつ負のａ
＊値は緑色値を示す。ｂ＊値については正の数値は黄色
の色調を表し、かつ負のｂ＊値は青色の色調を表わす。 上記の測定装置で光源Ｃ（カタログ表示）を使用した場
合に金色の色調についての一般的な数値はＬ＊＝８９、
ａ＊は１．２、ｂ＊は２８である。

【００７１】上記の従来技術による方法では次の数値が
達成された。

【００７２】Ｌ＊＝６７ ａ＊＝３ ｂ＊＝２８ これらの数値は、濃い赤色の色調が得られることを表す
が、ただしこの色調は皮膜の明度（Ｌ＊）がきわめて低
いためにきわめて不自然な色に見える。換言すれば、こ
の例では赤っぽい、光沢のない、“金色の色調”が形成
され、これは金色基準に該当しない。かかる皮膜は装飾
膜として使用できない。

【００７３】例　　６ 図７による装置と構成を用いてＴｉＮｘでの被覆過程を
実施するに際してマグネトロンカソードはカソード電位
−５００ボルトおよびカソード電流１０アンペアで操作
された。被覆処理の基板では−１２０ボルトのバイアス
電圧がかけられ、アノードでは同時に＋４０ボルトの電
位が調整された。これらの操作パラメータでは基板にお
いて基板電流２．６アンペアが測定され、これから上記
の基板寸法の場合には基板表面積１ｃｍ２当り２．２ミ
リアンペアの基板電流密度が算出される。

【００７４】きわめて大きな成形部材に関しては動的な
凝縮度０．６μｍ／秒が測定され、これにより基板上に
は被覆時間１０分後に膜厚０．３５μｍが沈着せしめら
れた。アルゴン導入によって調整された工程圧力は５×
１０−３ミリバールであり、他方窒素流３５ｓｃｃｍの
調整後ガス雰囲気内の窒素の分圧５×１０−４ミリバー
ルを測定することができた。光学値として上記のマクベ
ス社の色測定装置を用いて次のＣＩＥＬＡＢ−値が測定
された。

【００７５】明度値Ｌ＊＝７７ 赤色値ａ＊＝０ 黄色値ｂ＊＝２８ この特性値を持った皮膜は装飾用金色皮膜として完全に
許容し得る、それというのもこれではスイス金色基準２
Ｎ１８（Ｓｃｈｗｅｉｚｅｒ　　ＧｏｌｄｓＴａｎｄａ
ｒｏｌ２Ｎ１８）による着色が達成されたからである。

【００７６】グリップ敏感性については皮膜に手で触れ
た後に表面上に皮膜脂と湿気がかすかにつくにすぎず、
これは乾いた布で容易に拭き取ることができた。これら
の特性値は基板の表面全体にわたってきわめて一様であ
った。

【００７７】例４〜例６の評価 本発明による装置を用いて形成されるクロム膜およびＣ
ｒＮｘ膜は、潤滑工学的な操作条件下で工業的な構成部
材に対して使用し得る厚い皮膜が既に数十ボルトの極め
て低い基板電位で高い電流密度で得られるという利点を
有している。このことは、このような構成部材はジオメ
トリがたいてい複雑であるばかりか高温による負荷可能
性が小さいことを考慮しなければならないので特に重要
である。この場合にもまた正反対の要求が成立する、す
なわち形成される皮膜の大きな付着強度を得るためには
イオンプレーティング効果に基く方法によって処理され
なければならなず、他方この方法に付随する基板の高い
温度負荷は回避されなければならない。

【００７８】この関連では既に、基板電位を従来の装置
で大てい使用された−２００ボルトから本発明による装
置で高い電流密度で可能な−５０ボルトへ引下げる方法
が決定的な役割を果している、それというのもこの手段
は基板の熱的な負荷を著しく減少させるが、全体の構成
が皮膜成長に理想的な前提を可能にするからである。

【００７９】したがって本発明による装置を用いて形成
される皮膜は全体的な機械構造の中の複雑な成形部材お
よび構成部材（玉軸受鋼、冷間加工鋼、低合金鋼から工
具鋼および硬質金属まで）に対して好適である。

【００８０】本発明による装置を用いて形成されたＴｉ
Ｎｘから成る皮膜（装飾用としても工業目的にも好適で
ある）では次のことが示された、すなわち当該皮膜はグ
リップ敏感性ないしは皮膚の脂と湿気に対する安定性に
関してきわめて良好と等級づけることができる。このよ
うな皮膜はまた例えばライタスリーブ、筆記装置、時計
ケーシング、腕バンドのような使用対象物にも使用する
ことができ、しかも皮膜への接触を防止するために付加
的なラッカー塗りまたはこれに類する過程を必要としな
い。付加的に被覆された成形部材の外面全体にわたって
著しくより高い色の一様性が示され、しかも成形部材は
従来の装置で被覆される成形部材よりも明らかに大きな
寸法を持つことができる。

【００８１】工業用構成部材にもまた装飾品にも使用が
可能であるが、冷間加工鋼、超高速度鋼および硬質金属
製の工具の被覆の分野にも該当する。

【００８２】最初の付加的な試験はまた、ＴｉＮｘでの
基板の被覆で得られた経験がＴｉＡｌ−Ｎｘから成る皮
膜での被覆に有意義に伝えることができることを示した
。この場合にも本発明による装置は方法の実施と製品の
性質に関して重要な利点をもたらす。

【図面の簡単な説明】

【図１】公知技術による基板ホルダとマグネトロンカソ
ードの装置を示した図である。

【図２】複数の磁石ユニットと湾曲した扁平なアノード
とを備えた本発明の装置を示した図である。

【図３】回転可能な基板の代表的な配置を示した図であ
る。

【図４】装置へ供給される窒素流に対する微小硬度ＨＶ
０．０１の依存性を示した図表である。

【図５】アノード電位ＶＡに対する基板電流密度の依存
性を示した図表である。

【図６】本発明による機構を備えた装置と、備えていな
い装置に関して基板電流密度Ａｓの基板電位への依存性
を比較して示した図表である。

【図７】図２による装置に相当するが、より大きな基板
ないしは基板ホルダを備えた本発明による装置を示した
図である。

【符号の説明】

１　　　　真空室 ２　　　　マグネトロンカソード ３　　　　ケーシング付加部 ４，５　　　　ギャップ ６　　　　基体 ７　　　　中空間 ８　　　　カバー ９　　　　ターゲット １０　　　　磁石機構 １１　　　　調節装置 １２，１３，２１，２２，３１，３２，３３，３４　　
　　縦縁 １４，１５　　　　ガス分配装置 １６　　　　基板ホルダ １７　　　　回転軸 １８，２９　　　　プラズマ １９　　　　矢印 ２０，２５，２６　　　　壁 ２３，２７，２８　　　　磁石ユニット２３ａ，２３ｂ
，２３ｃ，２７ａ，２８ａ　　　　永久磁石２４　　　
　ヨークプレート ３０　　　　アノード ３５　　　　保持リング ３６　　　　基板 ３７，３８　　　　試料基板 ３７ａ　　　　端面

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　陰極スパッタにより基板を被覆するた
   めの装置において、 （ａ）方形のマグネトロンカソードが設けられており、
   マグネトロンカソードが縦縁を有するターゲットを備え
   ていて被覆領域を規定しており、 （ｂ）上記の縦縁に平行な回転軸を中心にして回転可能
   である、基板のための基板ホルダが設けられており、基
   板の表面エレメントが被覆領域内を円軌道上で移動可能
   であり、 （ｃ）非磁性材料から成る、平面的な、縦縁を有する壁
   が設けられており、縦縁が同様にして基板ホルダの回転
   軸に平行に延びており、少なくとも１つの長く伸びた磁
   気トンネルを発生するために磁石ユニットが壁の後方に
   配置されており、該トンネルが基板ホルダへ向いた壁の
   表面にわたって広がっており、マグネトロンカソードお
   よび壁が互いに回転軸をはさんで両側に位置しており、
   かつ磁気トンネルの長手側が同様にしてターゲットの縦
   縁に平行に延びており、並びに （ｄ）平面状のアノードが設けられている、形式のもの
   において、 （ｅ）ターゲット（９）の縦縁（１２，１３）とこれら
   に平行な、壁（２０）の縦縁（２１，２２）との間の距
   離が基板の軌道の周囲に少なくとももう１つの、後方に
   磁石ユニット（２７，２８）を備えた壁（２５，２６）
   を配置したことによって短縮せしめられており、少なく
   とももう１つの磁石ユニット（２７，２８）が最初の磁
   石ユニット（２３）との間に角度を形成しており、かつ
   （ｆ）すべての磁石ユニット（２３，２７，２８）の磁
   極が、基板ホルダ（１６）全体が中断なく続く磁気トン
   ネルによって包囲されるように基板ホルダ（１６）の周
   囲に交互に配置されていることを特徴とする、陰極スパ
   ッタにより基板を被覆するための装置。
2. 【請求項２】　　磁石ユニット（２３，２７，２８）の
   壁（２０，２５，２６）が多角形の周面内に位置してお
   り、壁が少なくともマグネトロンカソード（２）からの
   視野の外にある、基板の軌道の部分範囲を包囲している
   、請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】　　マグネトロンカソード（２）の磁石機
   構（１０）の、ターゲット（９）の縦縁（１２，１３）
   に隣接する磁極が磁石ユニット（２７，２８）の、マグ
   ネトロンカソードに一番近い各磁極とはそれぞれ逆の極
   性を持つ、請求項１記載の装置。
4. 【請求項４】　　マグネトロンカソード（２）の外側に
   位置した磁極から磁石ユニット（２７，２８）の一番近
   い磁極へ延びた、磁界が最大の強さの所の磁力線が基板
   の軌道と交差しないようになっている、請求項３記載の
   装置。
5. 【請求項５】　　磁界が最大の強さの所の磁力線と基板
   の軌道との間の最小距離が、プラズマが基板の循環路全
   体を取囲むように設定されている、請求項４記載の装置
   。
6. 【請求項６】　　偏平なアノード（３０）が湾曲せしめ
   られた電極として、マグネトロンカソード（２）からの
   視野の外にある基板の軌道の部分範囲と磁石ユニット（
   ２３，２７，２８）との間に配置されている、請求項１
   記載の装置。