JPH06145979A - 膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で、基体に照射されるイオンの加
速エネルギーを広範囲に亘って変化させることができる
ようにした膜形成装置を提供する。 【構成】 ホルダ４上の基体６に対して膜を構成する物
質１０を蒸着させる蒸発源８とイオン１４を照射するイ
オン源１２とを有する装置において、ホルダ４上の基体
６またはホルダ４に対して正または負のバイアス電圧を
印加する直流のバイアス電源２０を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば工具、摺動部
品、電気回路基板、電子回路素子等の製造に用いられる
ものであって、蒸着とイオン照射との併用によって基体
の表面に膜を形成する膜形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工具の耐摩耗性や摺動性の改善、電気回
路基板の熱伝導性の改善、あるいは半導体特性を持った
電子回路素子の形成等のために、蒸着とイオン照射との
併用によって基体の表面に各種の膜を形成することが行
われている。

【０００３】そのような膜形成に用いられる膜形成装置
の従来例を図２に示す。この膜形成装置は、図示しない
真空排気装置によって真空排気される真空容器２と、こ
の真空容器２内に設けられていて成膜すべき基体６を保
持するホルダ４と、このホルダ４上の基体６に対して膜
を構成する物質１０を蒸着させる蒸発源８と、同ホルダ
４上の基体６に対してイオン１４を照射するイオン源１
２とを有している。

【０００４】基体６に対して蒸発源８からの膜を構成す
る物質１０を蒸着させると同時、交互または蒸着後に、
イオン源１２からのイオン１４を照射することによっ
て、膜を構成する物質１０から成る、あるいはそれとイ
オン１４との化合物から成る膜を基体６の表面に形成す
ることができる。

【０００５】このような膜形成装置によれば、照射イオ
ン１４が蒸着原子を高励起化状態にし、高温・高圧相で
ある膜構造を低温下で合成することができるという利点
がある。また、照射イオン１４と蒸着原子との衝突によ
って、蒸着原子が基体６の表面部内に押し込まれ、その
結果、基体６とその上の膜との界面に両者の構成物質か
ら成る混合層が形成され、これがあたかも楔のような作
用をするので、膜の基体６に対する密着性が著しく向上
するという利点もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような膜形成装
置による成膜においては、照射されるイオン１４の加速
エネルギーによって、膜の特性が大きく変化し、例え
ば、照射されるイオン１４のエネルギーが大きいほど膜
の密着性が向上し、イオン１４の加速エネルギーが小さ
いほど膜の結晶性が向上するといった現象が生じる。

【０００７】膜の結晶性は、膜の硬度や絶縁性等と相関
があるため、例えば膜の形成初期には基体６に照射する
イオン１４の加速エネルギーを大きくして、まず基体６
と膜との密着性を向上させ、その後、膜が形成されるに
従って、基体６に照射するイオン１４の加速エネルギー
を小さくして膜の結晶性を向上させるといったような成
膜方法が、膜の種類によっては選択される。

【０００８】このような成膜方法を実現するためには、
イオン源１２における加速電圧を単に変化させるだけで
は不十分であり、イオン１４の加速エネルギーを小さい
値から大きい値まで（例えば１００ｅＶ〜４０ＫｅＶ程
度まで）、広い範囲に亘って変化させることができるよ
うな特別な工夫が要求される。

【０００９】即ち、イオン源の引出し電極系におけるプ
ラズマ電極（正電位にされる電極）とその下流側の抑制
電極（負電位にされる電極）あるいはそれがない場合は
接地電極（接地電位にされる電極）との間の間隔をｄ、
プラズマ電極に印加する加速電圧をＶ、引き出されるイ
オンの電流量をＩとすると、 Ｉ＝Ｋ・Ｖ^3/2／ｄ² （Ｋは定数） ・・・（１） が成り立ち、イオンの加速エネルギーを変化させるため
に単に加速電圧Ｖを変化させただけでは、引き出される
イオンの電流量Ｉも変化してしまう。従って、イオンの
加速エネルギーを変化させた場合でもイオンの電流量を
できるだけ一定に保って処理速度を一定にするために
は、イオンの加速エネルギーに見合った電極間隔ｄに調
整する必要がある。

【００１０】ところが、イオン源の電極間隔を真空容器
の外部から調整できるようにすることは、構造が非常に
複雑になる等の困難な点が多く、そのため広範囲にわた
る加速エネルギーが必要な場合は、一般的には、電極間
隔の異なる、即ち加速エネルギーの異なる複数のイオン
源を用いている。例えば図２の装置で言えば、イオン源
１２の他にイオン源１６を更に設けて、一方の例えばイ
オン源１２から例えば２ＫｅＶ以下の低エネルギーのイ
オン１４を引き出し、他方のイオン源１６から例えば２
ＫｅＶ以上の高エネルギーのイオン１８を引き出すよう
にしている。

【００１１】ところがこのように加速エネルギーの異な
る複数のイオン源を設けた装置では、イオン源およびそ
れ用の電源が増えるため装置の構成が非常に複雑にな
り、かつコストも大幅に上昇するという問題がある。

【００１２】そこでこの発明は、簡単な構成で、基体に
照射されるイオンの加速エネルギーを広範囲に亘って変
化させることができるようにした膜形成装置を提供する
ことを主たる目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の膜形成装置は、前述したようなホルダ上
の基体またはホルダに対して正または負のバイアス電圧
を印加する直流のバイアス電源を設けたことを特徴とす
る。

【００１４】

【作用】上記構成によれば、イオン源から引き出すイオ
ンの加速エネルギーを変えなくても、基体またはホルダ
に印加するバイアス電圧を制御することによって、基体
に照射されるイオンのエネルギーを制御することができ
る。より具体的には、上記バイアス電圧を正のバイアス
電圧にすることにより、イオン源から引き出されたイオ
ンはこのバイアス電圧によって減速されるので、そのバ
イアス電圧ぶんだけ、基体に照射されるイオンの加速エ
ネルギーは小さくなる。逆に、上記バイアス電圧を負の
バイアス電圧にすることにより、イオン源から引き出さ
れたイオンはこのバイアス電圧によって更に加速される
ので、そのバイアス電圧ぶんだけ、基体に照射されるイ
オンの加速エネルギーは大きくなる。

【００１５】このようにして、複雑な構造のイオン源を
用いたり複数のイオン源およびそれ用の電源を用いるこ
となく簡単な構成で、基体に照射されるイオンのエネル
ギーを広範囲に亘って変化させることができる。

【００１６】

【実施例】図１は、この発明の一実施例に係る膜形成装
置を示す概略断面図である。図２の従来例と同一または
相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該
従来例との相違点を主に説明する。

【００１７】この実施例においては、前述したようなホ
ルダ４とアース間に、ホルダ４上の基体６に（基体６が
導電性の場合）またはホルダ４に（基体６が非導電性の
場合）対して正または負のバイアス電圧を印加する直流
のバイアス電源２０を接続している。

【００１８】このようなバイアス電源２０を設けること
により、イオン源１２から引き出すイオン１４の加速エ
ネルギーを変えなくても、基体６またはホルダ４に印加
するバイアス電圧を制御することによって、基体６に照
射されるイオン１４のエネルギーを制御することができ
る。より具体的には、バイアス電源２０から出力するバ
イアス電圧を正のバイアス電圧にすることにより、イオ
ン源１２から引き出されたイオン１４はこのバイアス電
圧によって減速されるので、そのバイアス電圧ぶんだ
け、基体６に照射されるイオン１４の加速エネルギーは
小さくなる。逆に、バイアス電源２０から出力するバイ
アス電圧を負のバイアス電圧にすることにより、イオン
源１２から引き出されたイオン１４はこのバイアス電圧
によって更に加速されるので、そのバイアス電圧ぶんだ
け、基体６に照射されるイオン１４の加速エネルギーは
大きくなる。

【００１９】しかも、上記バイアス電圧を広範囲に亘っ
て制御することは簡単であり、従って上記のようにし
て、基体６に照射されるイオン１４の加速エネルギーを
広範囲に亘って制御することができる。

【００２０】従って、基体６に照射されるイオン１４の
加速エネルギーを広範囲に亘って変化させる必要がある
場合でも、広範囲の加速エネルギーに対応した構造の複
雑なイオン源およびそれ用の電源を用いなくて済み、あ
るいは加速エネルギーの異なる複数のイオン源およびそ
れ用の電源を用いなくて済み、バイアス電源２０だけを
追加すれば良いため、装置の構成が非常に簡単なものと
なる。またそれに伴って、装置にかかるコストを大幅に
下げることができる。

【００２１】しかも、基体６等に印加するバイアス電圧
によって、基体６に照射されるイオン１４の加速エネル
ギーを大きなものから小さなものまで自由に変えられる
ため、イオン源１２およびそれ用の電源は、小さな加速
エネルギーに対応したもので済み、この理由からも装置
のコストを大幅に下げることができる。

【００２２】より具体例を説明すると、図１に示すよう
な装置を用いて、ホウ素の蒸着と窒素イオンの照射との
併用によって、超硬合金（ＷＣ）等の金属基体の表面
に、立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）を含む窒化ホウ素膜
を形成する場合、窒化ホウ素膜を金属基体上に密着性良
く形成するためには窒素イオンには１０ＫｅＶ以上の加
速エネルギーが必要であり、膜の結晶性を向上させてｃ
−ＢＮを多く含む高硬度の窒化ホウ素膜を得るためには
１ＫｅＶ以下の加速エネルギーの窒素イオンを用いるの
が好ましい。

【００２３】このような場合、上記膜形成装置によれ
ば、イオン源１２およびそれ用の電源として１ＫｅＶ以
下の加速エネルギーに対応したものを１台だけ用意し、
かつバイアス電源２０として絶対値で９ＫＶ以上の負の
バイアス電圧を出力できるものを用意すれば良い。

【００２４】このような構成によって、窒化ホウ素膜の
形成の初期には、イオン源１２より１ＫｅＶ以下の加速
エネルギーを持ったイオン１４を引き出してそれを基体
６に照射するのと同時に、基体６およびホルダ４にはバ
イアス電源２０から−９ＫＶのバイアス電圧を印加し、
そして成膜の途中から、バイアス電圧の印加を中止し
て、基体６にはイオン源１２から引き出された際の加速
エネルギーのままでイオン１４が照射されるようにする
ことができる。

【００２５】このような場合、従来では、例えば、低エ
ネルギー（例えば２ＫｅＶ以下）に対応したイオン源
と、高エネルギー（例えば２ＫｅＶ以上）に対応したイ
オン源の両方が必要になり、しかもそれらに対応した電
源もそれぞれ必要になるので、構造が複雑になると共に
コストも嵩む。

【００２６】また、基体６に照射されるイオン１４の加
速エネルギーを連続的または断続的に変化させる場合、
イオン源でこれを行えば、前記（１）式で説明したよう
に、引き出されるイオンの電流量が変化するため、一定
のイオン電流で成膜を行う必要がある場合は、その都度
イオン電流の調整が必要になり、多くの時間がかかる。
これに対して、上記膜形成装置によれば、基体６等に印
加するバイアス電圧を変化させても、基体６に照射され
るイオン１４の加速エネルギーが変化するだけであって
イオン１４の電流量自体は変化しないので、その都度イ
オン電流の調整を行う必要がなく、従って成膜の生産性
を向上させることが可能である。

【００２７】なお、この実施例の膜形成装置に用いる蒸
発源８は、特定の方式のものに限定されるものではな
く、例えば、蒸発物質を電子ビーム加熱、抵抗加熱、高
周波加熱等によって加熱・蒸気化させることによって膜
を構成する物質１０を蒸発させるものでも良いし、ある
いはターゲットをスパッタさせることによって膜を構成
する物質１０を蒸着させるものでも良い。

【００２８】また、イオン源１２も特定の方式のものに
限定されるものではなく、例えばフィラメント（カソー
ド）から発生した熱電子をアノードの軸方向の外部磁界
によって閉じ込めるカウフマン型イオン源や、同熱電子
を多極磁界によって閉じ込めるバケット型イオン源等が
適宜用いられる。

【００２９】また、イオン源１２から引き出すイオン１
４は、膜を構成する物質１０と化合して化合物膜を形成
するものであっても良いし、不活性ガスイオンであって
も良い。

【００３０】また、基体６へのイオン１４の入射角度は
特定のものに限定されず、また必要に応じて基体６を回
転させながら成膜を行うようにしても良い。

【００３１】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、ホルダ
上の基体またはホルダに対して正または負のバイアス電
圧を印加する直流のバイアス電源を設けたので、複雑な
構造のイオン源を用いたり複数のイオン源およびそれ用
の電源を用いることなく簡単な構成で、基体に照射され
るイオンの加速エネルギーを広範囲に亘って変化させる
ことができる。従って装置のコストを大幅に下げること
ができる。

【００３２】しかも、基体に照射されるイオンの加速エ
ネルギーを連続的または断続的に変化させても、基体に
照射されるイオンの電流量自体は変化しないので、一定
のイオン電流で成膜を行う場合でも、イオンの加速エネ
ルギーを変化させるたびにイオン電流の調整を行う必要
がなく、従って成膜の生産性を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る膜形成装置を示す概
略断面図である。

【図２】従来の膜形成装置の一例を示す概略断面図であ
る。

【符号の説明】

２ 真空容器 ４ ホルダ ６ 基体 ８ 蒸発源 １０ 膜を構成する物質 １２ イオン源 １４ イオン ２０ バイアス電源

フロントページの続き (72)発明者 江部 明憲 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日 新電機株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器と、この真空容器内に設けられ
   ていて成膜すべき基体を保持するホルダと、このホルダ
   上の基体に対して膜を構成する物質を蒸着させる蒸発源
   と、同ホルダ上の基体に対してイオンを照射するイオン
   源とを備える膜形成装置において、前記ホルダ上の基体
   またはホルダに対して正または負のバイアス電圧を印加
   する直流のバイアス電源を設けたことを特徴とする膜形
   成装置。