JPH07507600A - 層堆積方法および装置 - 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】 層堆積方法および装置 本発明は請求の範囲第１項の前提部分に記載の方法、請求の範囲第２３項の前提 部分に記載のコーティング装置および請求の範囲第２２項ないしは第３９項に記 載の前記方法ないしは前記装置の使用に関するものである。

特に硬質材料層、例えば、チタンおよびＩＶｂ属の他の金属の炭化物および窒化 物の層をイオンブレーティングにより堆積することが知られている。然しなから 、イオンブレーティングプロセスの際にコーティングすべきワークは、概ね３０ ０°Ｃを越える比較的強い温度負荷を受ける。ずっと以前から上述の種類の硬質 材料層を反応性プロセスを用いて、低温にて堆積させることを可能にする方法の 開発が試みられている。それについては原理的にはカソードスパッタリングによ る堆積が提供される。然しなから、現在まで３００°Ｃより低い温度でカソード スパッタリングにより上述の層を、その層に通常求められる要求、特に耐摩耗性 に関する要求を満たすように堆積させることには成功していない。

そのために、例えばいわゆるハイブリッド方法が知られており、この方法では固 体の一部が、同一出願人のＥＰ−Ａ−０３０６６１２号公報およびＥＰ−Ａ−０ ４３２０９０号公報から知られているように、カソードスパッタリングに加えて アーク放電内で蒸発される。然しなから、その場合に必要とされる出力密度では 、ワークを冷却することなく３００°Ｃより低い所望の低温水準に達することは できない。更に、このハイブリッド方法は技術的に比較的複雑であるので、シリ ーズ部品のコーティングの場合に使用することは報われないことが多い。

更にそのために、開放された磁場構成を有するカソードスパッタリング源、いわ ゆる「アンバランスド　マグネトロン」が使用されている。この処理の重要な欠 点として出力収率が小さいことを考慮しなければならない。投入出力の約ｌＯ％ しかスパッタリングには利用されない。残りの９０％は利用されないが、然しな から、コストを生かして冷却水に移行する。開放された磁場構造を有する装置で は、プラズマエネルギの半分以上は固体のスパッタリングにてはなく、ワーク近 傍におけるプラズマの発生に使用され、それにより更に熱的な問題ももたらす。

従って、この方法は現在では低温での反応性コーティングにはまったく使用され ない。

更に、種々の補助イオン化装置をカソードスパッタリング方法と組み合わせるこ とが知られている。ＤＥ−Ａ−３５０３３９７号公報からは、硬質材料層の堆積 のために固体を磁場支援されるカソードスパッタリング源、いわゆるマグネトロ ンを用いてスパッタリングし、その場合にワークをマグネトロンの領域に配置し 、それに対して後方に電子銃を設けることか知られている。ワークとマグネトロ ンの間の領域にはアノードバーか設けられており、このアノードバーは電子銃か らもたらされる電子をマグネトロンプラズマ放電の領域へ引き込む。それにより この領域におけるプラズマ密度か増加する。

ＤＥ−Ａ−３５０３３９８号公報によれば、ワークとマグネトロン間に第１の電 極が設けられ、ワークの他方の側に第２の電極が設けられる。その場合に第２の 電極は、マグネトロン−プラズマ放電の領域でプラズマ密度を増大させるために 、電子放射器として使用上述の２つの方法ではワークが著しく加熱されるので、 ワークまたはその横断面が、カソードスパッタリング源またはマグネトロンのス パッタリング面に比べて小さい場合にしが使用できない。これに関してはＤＥ− Ａ−４０１１５１５号公報にも記載されている。

最後に述べた制限により、この種の装置は経済的に利用することができない。そ れは更にもたらされるコーティングを装置へのワークの装填に依存するようにし 、それはこの種の方法を通常のように使用する場合にはローンコーティングとし てのワークの改良には使用できない。

ＤＥ−Ａ−４０１１５１５号公報によればワークとマグネトロンの間に電極の対 が設けられており、そこにホットカソードとして形成された電極か電子を放出す る。それによりマグネトロン放電プラズマのプラズマ密度が増大される。その場 合に硬質材料層でなく、金属または金属合金層か堆積され、スパッタリング源プ ラズマのプラズマ密度が局所的に増大することによりワークの温度負荷が比較的 大きくなる。

同様にＵＳ−Ａ−４３８９２９９号公報にも、熱的に放出される電子を用いてマ グネトロンプラズマのプラズマ密度を増大させることが提案されている。

従来技術に関する他の文献として、ＥＰ−Ａ−０３２８２５７号公報、ＤＥ−Ａ −３５０３３９７号公韓、ＤＥ−Ａ−４１１５６１６号公報、ＥＰ−Ａ−０２８ ２８３５号公報、ＤＥ−Ａ−３４２６７９５号公報を挙げる。

ＥＰ−Ａ−０３２８２５７号公報からは、層を交互に金属モードと反応モードに おいて、各々カソードスパッタリングにて形成することにより、光学的なワーク に光学層を堆積形成することか知られている。そのために光学的なワークは約５ ０Ｈｚの比較的大きい周波数で上述の層形成源に交互に供給される。その場合に 反応モードと金属モード間で使用される比較的大きいクロック周波数を考慮して 、ワークをそれに従って急速に移動させるために、複雑な手段を講じなければな らない。これはまた、上述の２つの層モードを分離するために各々の源間に任意 に短い間隙を挿入できないことにもよる。加工雰囲気内でワークか移動されるに もかかわらず、かつガス拡散プロセスにもかかわらず、局所的に主として金属モ ード条件と、それから分離された、局所的に主として反応モード条件を保証する ように配慮しなければならない。

本発明の課題は、３００　’Ｃより低い低温においてシリーズ部品上にも硬質材 料を経済的に堆積させることができ、それが化学量論、密度および付着に関して イオンブレーティングにより堆積された層と少なくとも同等であり、かつ上述の 欠点、例えばＥＰ−Ａ−０３２８２５７号公報に記載の処理に関する欠点を克服 した、冒頭で述へた種類の方法を提供することである。

これは、請求の範囲第１幌の特徴部分に記載された上述の方法により解決される 。

それによれば、コーティングすべきワーク表面が交互にカソードスパッタリング と、カソードスパッタリングにほぼ関与しない他のプラズマ放電を受ける。他の プラズマ放電は明らかにその直前にコーティングされた表面を均一化しかつ圧縮 するためであって、かつカソードスパッタリングのプラズマ密度は他のプラズマ 放電により高められたとしても、それほと高められてはいないので、ワークの温 度負荷も必要とされる最大値を超えることはない。他のプラズマ放電では、まず 形成された層成分の本来の後処理が行われ、層材料の著しい変化はもはや行われ ない。

請求の範囲第２項の文言によれば、最も簡単な方法てコーティングすべき表面か ワークの旋回または回転移動によりカソードスパッタリングに、そして他のプラ ズマ放電に交互に向けられる。

請求の範囲第３項に記載の文言によれば、その場合に重要なことは、特に表面が 湾曲している場合に、他のプラズマ放電を最適に利用するために、他のプラズマ 放電に向けられた、コーティングすべき表面に接する接線平面がほぼその中央領 域において、他の放電の放電路に接する接線に対してほぼ平行になることであっ て、その場合に上述の表面に沿って上述の放電のほぼ均一なプラズマ密度分布が 充分に利用される。

特にシリーズ製品をコーティングするために更に、請求の範囲第４項の文言に記 載のように行うことが提案されている。

その場合に好ましい方法は、請求の範囲第５項の文言に示すような特徴を有し、 その場合に「旋回動作」という表現は、ワークに関して変位した回転軸線を中心 とする回転運動であり、「回転動作」というのはワークのそれ自体の回転運動で ある。

請求の範囲第６項の文言によれば、他のプラズマ放電がビーム放電として形成さ れることにより、カソードスパッタリングの他のプラズマ放電の影響領域の分離 が更に形成される。

本発明による方法のきわめて好ましい実施例では、すなわち請求の範囲第７項の 文言によれば、その化学量論を含む堆積された層材料に関して、層は大体におい てカソードスパッタリングで堆積される。その場合に堆積された層材料は他のプ ラズマ放電により後処理され、特に圧縮される。

そのために好ましくは請求の範囲第８項に示すように、他のプラズマ放電はほぼ 不活性ガス内、例えばアルゴン内の放電として行われ、その場合に中性ガス雰囲 気と反応ガス雰囲気との絶対的な分離は必要ない。然しなから、反応ガス雰囲気 をほぼカソードスパッタリング源、好ましくはマグネトロンの領域に設け、かつ 他のブラズマ放電、特にアーク放電は中性ガス雰囲気内で駆動することが推奨さ れる。

その場合に請求の範囲第９項の文言に示すように請求められる層特性を得るため に堆積された層の後処理は、大きな確率で、主として不活性ガスのイオンによる イオンシューテイングにより行われる。

請求の範囲第１θ項の文言によれば、設けられている他のプラズマ放電の作用は 、ワークの電位を他の放電のプラズマポテンシャルに関してネガティブに選択す ること、好ましくは＋ＩＯＶよりも少なく、好ましくは最大で＋５ｖ、特に好ま しくは最大で一５ｖ、好ましくは一５ｖと一３００Ｖの間、代表的には約−１５ ０Ｖに選択することにより、最適化される。これは、アースに対して約＋２０Ｖ の他のプラズマ放電のプラズマポテンシャルに基づいている。

更に、上述の現象により、カソードスパッタリングおよび他のプラズマ放電にお けるワークの急速な交換停止が不要になるので、本発明方法の好ましい実施例に おいて、請求の範囲第１１項の文言によれば、この交換周波数は最大で３０Ｈｚ 、好ましくは最大で１ＯＨｚ、好ましくは更にＩＨｚより低く、代表的には約０ ．１Ｈｚである。それによりワークホルダおよびワーク駆動のための構造的なコ ストの著しい削減が得られ、それはカソードスパッタリングと他のプラズマ放電 区間間のきわめて低速の交換移動が実現できることにより行われる。

特許請求の範囲第１２項に示す方法では、ビームを調節することにより、他のプ ラズマ放電側のワーク表°面か暴露されるプラズマ密度を、後処理プロセスに関 して最適にし、かつまた他のプロセス段階、すなわち加熱またはエツチングのた めに調節することが可能になる。

請求の範囲第１３項の文言によれば、上述の目的のために好ましくはワークにお ける電位も調節可能に形成されているので、異なる表面処理プロセスと後処理プ ロセスを実施すること、および最適化することが可能になる。

請求の範囲第１４項ないし第１５項に記載の閉ループ制御により、この種の制御 を設けない場合には非安定になる作業点においても、すなわちカソードスパッタ リング源のスパッタリングされる表面が公知のように汚染される作業点において も、反応性のカソードスパッタリングプロセスの最適な安定化が達成される。

反応ガス供給ならびに上述の閉ループ制御の好ましい実施例は、２つ或いは多数 のカソードスパッタリング源が設けられている場合に、請求の範囲第１６項ない し第１７項により定義される。

請求の範囲第１８項の文言に示すように、ワークをカソードスパッタリングに対 してシールドすることができることにより、すでに説明したように、更に、他の プラズマ放電によってのみワーク表面を選択的に処理すること、例えばエツチン グすることが可能になる。

その場合に層堆積の例えば前段に設けられたこの種のプロセスステップにおいて 、作動ガスとして例えばアルゴンなどの希ガスのみを導入することができる。同 時に、シールドにより、カソードスパッタリング源を自由にスパッタリングする ことができる。その場合公知のように、層堆積のために後にスパッタリングされ るカソードスパッタリングのターゲットは、例えば標準雰囲気で発生する酸化物 層を清掃される。

請求の範囲第１９項に記載のように、他のプラズマ放電側のワーク表面の所定箇 所における他のプラズマ放電を変化させること、かつ／またはワークの電位を変 化させることにより、該表面をエツチングまたは加熱することができる。その場 合に、例えば放電々流の増大および／またはプラズマビームを変化させることに より、プラズマ密度を変化させることができる。

特に、ワーク表面の領域において他のプラズマ放電のプラズマ密度を選択するこ とにより、既述のように、他のプラズマ放電のビーム制御によっても、かつ／ま たはその出力制御によっても行うことができ、かつ請求の範囲第２０項の文言に よれば、ワークの電位の選択により３００°Ｃより低いワークの温度が得られ、 それにもかかわらず特許請求の範囲第２２項の文言に示すように、少なくともほ ぼ、かつこの種の層に要請される特性、例えば摩耗特性に関して、イオンブレー ティング方法により堆積された層と同様な硬質材料層が堆積される。

本発明によるコーティング装置は、請求の範囲第２３項の文言によれば、請求の 範囲第２４項から第３６項に記載の好ましい実施例を特徴としている。

次に添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

図１は、好ましい構造例を用いて本発明方法の原理または本発明のコーティング 装置の原理を基本的な処理シーケンスの形式て略示する側面図と上面図であり、 図２は、考察するワーク表面を図１に示すカソードスパッタリングモードから他 のプラズマ処理モードへ移動させる好ましい方法、ないしはそれに関して本発明 による装置において実施される好ましい方法を略示するものであり、 図３は、図１と図２の処理において、カソードスパッタリング領域と他のプラズ マ放電の領域をワークに関して、かつカソードスパッタリングに関してワークを 制御してシールドすることにより実施される種々のプロセスモードを原理的に示 すものであり、図４は、本発明による処理装置の概略的な縦断側面図であり、図 ５は、好ましくは更に手段が設けられる、図４の装置を示すものである。

本発明方法の概略および原理を示す図１では、１はカソードスパッタリング源、 特にマグネトロン源のスパッタリングされる面、すなわちターゲットを示してい る。

カソードスパッタリング源ｌから離れて他のプラズマ放電区間３か設けられてい る。他のプラズマ放電区間３は、電源５で略示するように、最も一般的な考察方 法ではＤＣ駆動、マイクロ波領域までのＡＣ駆動、或いはＤＣと重畳されたＡＣ で駆動される。図１には、他のプラズマ放電は２つの電極間で、すなわち容量的 に発生されるものとして図示されているが、この他のプラズマ放電はここで考察 される最も一般的な場合では任意の公知の方法で発生させることができる。

ワーク７は、本発明によれば、そのコーティングすべき表面をカソードスパッタ リング源ｌと、区間３において付加的に設けられたプラズマ放電とに交互に暴露 される。これは図１では両方向矢印Ｓて略示されている。

図１には更に、点線で、真空反応容器９が図示されている。

イオン化すべきガス、例えばアルゴンが、タンク１２から制御弁１１を介して反 応容器９内に導入される。更に、好ましくはカソードスパッタリング源ｌの領域 で、ガス導入装置１３により反応ガスないしは反応混合ガスがタンク装置１５か ら弁装置１７により制御または調節されて導入される。それにより少なくとも主 にカソードスパッタリング源ｌの領域において反応性のコーティングプロセスか 行われ、他のプラズマ放電区間３の領域では堆積された層が「改良」される。

好ましい実施例において、カソードスパッタリングプロセスは閉ループ制御され る。その場合に好ましくは測定される制御量Ｘのセンサとしてプラズマ放出モニ タの検出ヘッドが使用され、特にカソードスパッタリング源ｌの直接の領域に配 置される。その出力信号は、プラズマ放電モニタで解析されて（図示せず）、微 分ユニット２１でガイド信号Ｗと比較される。操作量として好ましくは反応容器 ９に供給される反応性ガスの材料流、ないしはその混合比が、弁装ｆｌ１７によ り調節される。これは場合によっては制御器２３を介して行われる。

然しなから、カソードスパッタリングプロセスは他の方法でも、例えば電気的セ ンサを用いて或いは測定される制御量の記録装置として結晶層厚測定装置を用い て、スパッタリング率を測定することにより制御することができる。反応ガスの 調節の代わりに、或いはそれに加えてスパッタリング源の電気的な駆動電圧、特 にまたマグネトロン源の磁場発生を調節することもてきる。

図１には制御可能なマスクなどのシールド装置２５が一点鎖線で図示されている 。シールド装置により（制御されて）反応容器９内でカソードスパッタリング源 ｌを有する空間領域を、他のプラズマ放電区間３を有する空間領域からシールド するすることかできる。

これは本発明の好ましい実施例に設けられている。

こうして特に図３に示すように、ワーク７が他のプラズマ放電３の領域内で位置 決めされている場合に、シールド２５を閉鎖することかでき、かつ、カソードス パッタリング源１、好ましくはマグネトロンは自由にスパッタリングすることが できる。同時に他のプラズマ放電３に暴露されるワークの表面７をエツチングし 、加熱し或いは原則的にプラズマ表面処理することができる。そのために図１の 電源５により他のプラズマ放電区間の出力、例えば放電々流が調節され、かつ／ または磁場Ｂにより制御された他のプラズマ放電３のビームと、それに伴って制 御された出力密度分布か得られるように、ワーク７のプラズマ放電３側の表面に おけるプラズマ密度が所望に調節される。

その場合に上述の表面において実施される処理プロセスを制御するために、更に 、図１に略示するように、ワーク７における電位φ７が所望に調節され、それに より、当業者に周知のように、イオンシューテイング密度とワーク７におけるイ オンシューテイング強度か調節される。その場合にφ７３は好ましくは他のプラ ズマ族ｔ３のプラズマポテンシャルに比べて負に選択され、好ましくは＋１０Ｖ より低く、好ましくは最大で＋５Ｖ、特に最大で一５Ｖに選択され、その場合に 好ましくは一５■と一３００ｖの間、代表的には約−１５０Ｖに選択される。

特に図３に示すように、例えばアルゴンなど希ガスが反応容器内に、この希ガス が上述の容器内でほぼ均一に分配されるように供線される。特に、反応ガスｒは カソードスパッタリング源ｌの直接の領域に導入される。然しなから、図３に点 線で示すように、他のプラズマ放電３の領域においてシールド２５が好ましい方 法で閉鎖されているときに、反応性プロセスを実施しようとする場合には、そこ に反応ガスを任意に噴射することも可能である。

図から明らかなように、本発明によればコーティングすべきワーク表面は交互に カソードスパッタリング源のターゲット面工ないしは他のプラズマ放電３に暴露 される。これを図１において下方に概略的な上面図で図示されている。その場合 に、カソードスパッタリング源φ７１の領域における電気的なワーク電位φ７を 、φ７３で示される他のプラズマ放電の領域におけるのとは異なるように選択す ることは当然可能である。

ワーク７のコーティングすべき表面を交互に暴露することは、図２に示すように 好ましい方法で旋回動作または回転動作により実施される。そのためにワーク７ は、そのコーティングすべき表面か交互にスパッタリング源ｌと他のプラズマ放 電の放電路Ｐに向くように旋回軸線Ａを中心として旋回される。それがω２で図 示されている。或いは例えばディスク状のワークなど、ワーク７ａはワーク自体 の軸線Ａを中心にω１のように回動されてその両表面がコーティングされる。交 換周波数としては低い周波数が効力を発揮し、それにより著しい簡略化がもたら される。効果的に使用される周波数は最大で３０Ｈｚであり、好ましくは１０Ｈ ｚより低く、更に好ましくは最大てＩ　Ｈｚであり、代表的には約０．１Ｈｚで ある。

コーティングすべき表面が湾曲している場合には、表面において少なくともほぼ 均一なプラズマ密度の分布を保証するために、この面に接する接線面Ｅが、他の プラズマ放電の放電路Ｐへの接線Ｔに対してほぼ平行になるように位置決めしな ければならない。

図４に、本発明による装置の縦断面を略示する。図４において、図１から図３を 参照して説明した機能ユニットと変数には、同一符号か付されている。

中心軸線Ｚを中心にほぼ円筒状に構成された、真空ポンプ用の排気スリーブ２７ を有する真空処理容器９の外側面に、２つ或いはそれ以上のカソードスパッタリ ング源ｌが、電気的に絶縁されて取り付けられている。その場合に、好ましくは 、磁場支援されるスパッタリング源は一般にマグネトロン源の概念で知られてい るものである。同様に公知のようにスパッタリング源はアノードリング２９に包 囲されており、かつ、各々スパッタリングすべき固体のターゲットプレート３１ を育している。

当業者には周知であって、ここでは図示しないか、効果的に使用されるマグネト ロンスパッタリング源においてトンネル状の磁場か静的または動的に、スパッタ リングすべきターゲット表面の上方で発生する。それにより、概略的にＰＬＩで 示すように、カソードスパッタリング源プラズマのプラズマ密度が著しく増大さ れる。反応ガスｒ用のガス導入装置１３が、スパッタリングすべきターゲット表 面の領域に直接設けられている。これは、図４では見やすくするために、マグネ トロン１の右だけに図示されている。好ましくは、これは、ターゲット周辺を一 周する少なくとも１つのバイプルーブ３３により形成され、ターゲット表面側に ガス用の流出開口部を有し、この開口部を通して、好ましくは約４５°の角度に て、反応ガスがターゲット３１の表面へ吹き付けられる。

中心軸線Ｚに対して同軸にイオン化チャンバ３５が設けられており、このイオン 化チャンバは、マスク３７を介して反応容器９の内部空間と連通している。好ま しくは、マスク３７は反応容器９の壁に関しても、イオン化チャンバ３５の壁に 関しても絶縁体３９により電気的に絶縁されている。同様に電気的に絶縁されて 、イオン化チャンバ３５内に電子放出カソードとしてヒータ電流端子４３を存す るホットカソード４１が設けられている。上述の軸線Ｚに対して同軸に、マスク ３７の開口部に対向して、反応容器９内にアノード４５か反応容器９の壁に関し て絶縁されて取り付けられている。公知のようにして、イオン化チャンバ３５と アノード４５間に、他のプラズマ放電３としての低電圧プラズマ放電が、マスク ３７を通してプラズマビームの形状で発生される。

この種の低電圧アーク蒸発区間の構造については、例えばスイス特許公報第６３ １７４３号に詳細に記載されている。

アルゴンなどのイオン化すべきガス用の、他のガス導入口１１がイオン化チャン バ３５に設けられている。更に、軸線Ｚに対して同軸に１つ或いは複数のコイル ４７か設けられており、このコイルにより反応容器９内にほぼ軸方向の磁場が発 生される。コイル４７により結合される磁場を変化させることにより、他の放電 ３のプラズマビームのビームが調節される。

アノード４５の周囲には、ワーク用の支持装置４９が設けられている。支持装置 には支持リング５１が設けられている。この支持リングは中心軸線Ｚを中心とし てローラ５３上を回転する。モータ５４により、リング５１の周面に分配された ローラ５３の少なくとも１つが駆動される。リング５１上には軸線Ｚに対して平 行に立設された複数の回転スタンド５５が、電気的に絶縁されて、回転可能に支 持されている。そのために、駆動ローラ５７が、反応容器９の壁に固定的に取り 付けられ軸線Ｚに対して同軸に設けられた円筒部分５９と係合している。それに より回転スタンド５５は自らの軸を中心としてω５５で示すように回転し、同時 に、リング５１により中心軸線Ｚを中心としての５１で示すように回転する。

ツリー状に形成された回転スタンド５５には、複数の張り出した支持体６１か設 けられており、それにワーク７が吊り下げられ或いは載置されて保持されている 。こうしてワーク７は、回転運動ω５５により、各々のカソードスパッタリング 源ｌの領域と他のプラズマ族に３の領域に交互に旋回され、それと同時に回転運 動ω５１により１つのカソードスパッタリング源１から次のカソードスパッタリ ング源へ移送される。更に、符号６５と６３はカソードスパッタリング源ｌを駆 動する、或いはアノード４５に関する電子放出カソードに電位を印加するための 電源である。

更に調節可能な電源６７か設けられている。電源６７により、例えばモータ５４ の駆動軸と、ローラ５３と、リング５１と、回転スタンド５５どを介してワーク ７の電位が調節される。

図５には、図４に示す装置が再び図示されている。然しなから、図５では図面を 見やすくするために図４には図示されていない、他の好ましい手段が図示されて いる。各カソードスパッタリング源１に対して測定値検出器７０、好ましくはプ ラズマ放出モニタの検出ヘッドか設けられている。これは概略的に符号７２で示 すように、他のプラズマ放電３の放射に対して相当する形状に形成され、かつ配 置されたシールドにより遮閉が行われる。各測定値検出器の出力信号は評価され た後に、所定の目標値またはガイド値、図５によれば同一の値Ｗと比較され、比 較結果が制御偏差Δとして各々カソードスパッタリング源１に対して設けられた アクチュエータ、好ましくは各々反応ガス供給部内に制御弁により形成されたア クチュエータ７４へ供給される。

それにより各カソードスパッタリング源１においてコーティングプロセスが個別 に効果的に制御される。従って、特に電気的に不良の或いは絶縁しない層でワー クをコーティングする場合に、源からスパッタされた固体の反応生成物として反 応ガスを用いて、閉ループ制御なしでは安定化されないであろう作業点、すなわ ちスパッタされたターゲット表面が上述の不良または導電性でない反応生成物に より汚染されて、コーティングプロセスは、完全に中断されない場合には、いわ ゆる［アーキング（ａｒｃｉｎｇ）」により支配できなくなる、その作業点も調 節することが可能になる。

更に好ましくは、各カソードスパッタリング源ｌとワーク支持体装置４９の移動 路との間に制御移動されるシールド７４か、例えば上方と下方のガイド内で走行 するように設けられている。駆動装置７６により各シールド７４は、ターゲット 表面およびガス導入パイプ３３とワーク支持体４９との間に導入され、かつ、こ の領域から引き戻され、そのとき、該当するワークがカソードスパッタリングに 暴露される。

上述の方法と効果的に使用される装置は、特に、工具なとのワークを硬石、特に 窒化チタンから成る、或いはまた硬石として知られる層である窒化物層、炭化物 層または窒素酸化物層もしくはそれとタンタル、チタン、ハフニウム、ジルコン またはアルミニウムとの混合物でコーティングするのに適している。その場合に 固体としては好ましくはチタンなどの金属相がスパッタされ、その場合にサブ窒 化、サブ酸化、或いはサブ炭化化合物をカソードスパッタリングすることは全く 可能である。

次に、ドリルをコーティングすることについて、図４および図５を用いて説明し たような装置における処理を示す。

１、加熱 真空反応容器９は、２　Ｘ　１０−’ｍｂａｒまて排気される。ワーク支持体の 駆動装置か起動し、ホットカソードか１５０Ａの加熱電流で加熱される。スリー ブｌｌを介して、アルゴンが３　Ｘ　Ｉ　Ｏ−３ｍｂａｒの圧力まで導入され、 続いて低電圧アーク放電３が点火される。その放電々流は６０Ａに調節される。

その後、アルゴンの圧力は２５×ｌＯ−’ｍｂａｒに減圧され、回転するワーク が約１２分間プラズマ加熱される。ユニット６７によりワークの電位が例えば接 地された反応容器壁に対して調節される。

２、エツチング 反応容器内のアルゴン圧力は３　Ｘ　Ｉ　Ｏ−２ｍｂａｒに増圧され、コイル４ ７により放ｔ３のプラズマビームか特に収束される。アーク放電３の放電々流か ７０Ａに増加される。電源６７によりワークの電位を約−２００Ｖに低下させる ことにより、ワーク方向へのイオン加速電圧が増加されて、ワーク表面がエツチ ングされる。このエツチングプロセスの間マスク７４は好ましくは閉鎖されてい るので、反応容器９の中央のチャンバ部分内でエツチングプロセスが行われ、同 時にカソードスパッタリング源ｌのターゲット表面は自由にスパッタリングする ことができる。

３、コーティング アルゴン圧力は１８　、　１０　””ｍｂａｒに増圧され、プラズマ放電３の放 電ビームはコイル４７内のコイル電流の減少によりデフォーカスされる。放電３ の放電々流は更に約５０Ａに戻される。カソードスパッタリング源ｌがオンにな っている場合には、シールド７４が引き戻されて、ワークはω５５に示すように 回転することにより交互に各々カソードスパッタリング源１と他の放電３の中央 プラズマビームに暴露される。

本発明方法と本発明装置によれば、硬質材料層が形成され、この硬質材料層はイ オンブレーティングにより形成された層とほぼ同一の要請を満たす。

３、のどころで上述した処理に従って、図５に示す装置を用いて高速度ｗ４Ｈ３ ｓからなる６ｍｍドリルがＴｉＮでコーティングされた。図５に示す装置に設け られている１６のツリーの回転速度ω５５は約０．１Ｈｚであった。

次に示す表に、コーティングプロセスパラメータを変化させて、穴あけテストの 結果が「穴数」にまとめられている。穴あけテストとして品質保証のための標準 テストが使用された。それにより「穴数」の記載はドリルの相対的な品質基準で ある。

表に示す試験についてのコメント 第１番： ９０Ａのアーク電流による低電圧中心放電（ＮＺＥ）によるスパッタリング。基 板電流は第８番の４倍。それによりスパッタリング温度がより高い（３１０℃） 。ワークの中心プラズマ密度が高いことにより金色に輝くコンパクトな層が得ら れる。穴あけテストの際の成績は例えば第８倍の場合よりもずっと良好である。

第２番と第３番： より小さいＮＺＥ−プラズマ流−電流密度によるスパッタリング。

ワークにおけるイオンシューテイングとそれよる基盤温度は小さい。

然しなから、層はなおコンパクトで輝いている。しかも、穴あけテストの際の成 績は第１番よりもよい。

第４番： 基板電流を小さくすることによりコーティング温度を低下、穴あけ成績の目だっ た減少なし。

第５番： より高いコイル電流（ＩＯＡ）でアルゴンのイオン化度が増大し、それにより基 板におけるＮＺＥプラズマ密度（基板電流）が高くなる。穴あけ成績はややよい が、温度は第６番のバッチに比較して著しく高い。

第６番： 最も低いコーティング温度で良好な穴あけ結果。磁場−アーク電流の最適な組合 せ。層はコンパクトでゴールド。

第７番： 実際にはコイル電流なしで試料におけるＮＺＥプラズマ密度は満足のゆくもので はなく、それによってより粗い層構造と穴あけ成績の悪化がもたらされた。

第８番。

純粋に反応性スパッタリング（低電圧中心放電なし）。達成可能な最も低い温度 （３Ｘ８ｋＷによる）、然しなから、穴あけ結果はコーディングされていないド リルと同様である。粗い、茎形状の構造を有するマットでブラウンの層。

第９番。

１２ｋＷのスパッタリング出力により堆積率は著しく増大。然しなから、第６番 のバッチのパラメータでは、Ａｒイオンによる充分な、イオンシューテイングを 保証するためには、ワークにおけるプラズマ密度は小さ過ぎる。層は余りコンパ クトでなく、穴あけ成績は著しく悪化。

第１Ｏ番。

４５ＡのＮＺＥプラズマ流−電流密度で初めて、３Ｘ１２ｋＷスパツタリング出 力においてワークにおけるＡｒイオンシューテイングは、コンパクトな層の堆積 を可能にするために充分になった。穴あけ成績は良好であるが、温度は３００° Ｃを越える。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．固体相が反応ガス雰囲気内にカソードスパッタリング（１）され、ワークに 固体と反応ガスとの反応生成物からなる層が堆積されるワーク上に層を堆積させ る方法において、カソードスパッタリングプラズマ放電（ＰＬ１）に加えて少な くとも１つの他のプラズマ放電（３）が発生されて、ワークのコーティングすべ き表面がカソードスパッタリング（１）と他のプラズマ放電（３）に交互に向け られることを特徴とするワーク上に層を堆積させる方法。 ２．前記交互に向けることが、ワーク（７、７ａ）の旋回動作（ω２）または回 転動作（ω１）により行われることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法 。 ３．他のプラズマ放電に向いた、コーティングすべき表面に接する接線平面（Ｅ ）がその中心領域において、他の放電（３）の放電路（Ｐ）に接する接線に対し てほぼ平行であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の方法 。 ４．少なくとも２つの局所的に分離されたカソードスパッタリングが行われ、か つ、ワークが好ましくは連続的な回転運動において、かつ、好ましくは周期的に カソードスパッタリングに暴露されることを特徴とする請求の範囲第１項から第 ３項の何れか１項に記載の方法。 ５．スパッタリング用の源（１）が円軌跡に沿って配置されており、ワーク（７ ）は円軌跡（ω５１）に沿って源（１）を通過して移動され、他のプラズマ放電 （３）が円軌跡面に対してほぼ垂直の放電路（Ｐ）で、それに関してほぼ中央（ Ｚ）で形成され、かつワーク（７）が交互に向けられるために旋回または回転移 動されることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の方法。 ６．他のプラズマ放電（３）がアーク放電またはビーム放電として、好ましくは 低電圧アーク放電として形成されることを特徴とする請求の範囲第１項から第５ 項の何れか１項に記載の方法。 ７．層が概ねカソードスパッタリングにより堆積され、他のプラズマ放電により 後処理されることを特徴とする請求の範囲第１項から第６項の何れか１項に記載 の方法。 ８．他の放電が、例えばアルゴンなどの概ね不活性ガス内の放電であることを特 徴とする請求の範囲第７項に記載の方法。 ９．後処理が特に不活性ガスのイオンによるイオンシューティングであることを 特徴とする請求の範囲第７項または第８項に記載の方法。 １０．ワークが他のプラズマ放電のプラズマポテンシャルに比べて負である電位 に接続され、好ましくは＋１０Ｖよりネガティブ、好ましくは最大で＋５Ｖ、好 ましくは最大で−５Ｖ、好ましくは−５Ｖと−３００Ｖの間、代表的には約−１ ５０Ｖの電位に接続されることを特徴とする請求の範囲第１項から第９項の何れ か１項に記載の方法。 １１．ワークを交互にプラズマ放電に暴露することが、最大で３０Ｈｚ、好まし くは最大で１０Ｈｚ、好ましくは１Ｈｚより低く、代表的には約０．１Ｈｚの周 波数で行われることを特徴とする請求の範囲第１項から第１０項の何れか１項に 記載の方法。 １２．ビームおよび／または放電出力が調節されることを特徴とする請求の範囲 第６項に記載の方法。 １３．ワーク（７）における電位（φ７）が調節されることを特徴とする請求の 範囲第７項に記載の方法。 １４．供給される反応ガスの質量流が、好ましくは制御量（Ｘ）のセンサとして 少なくとも１つのプラズマ放電モニタを用いて、閉ループ制御される（１９、２ １、１７）ことを特徴とする請求の範囲第１項から第１３項の何れか１項に記載 の方法。 １５．カソードスパッタリング源の好ましくは直接近傍に導入される反応ガスの 質量流が制御され、かつ制御量（Ｘ）のセンサとして、カソードスパッタリング 源（１）の直接近傍に、各々プラズマ放出測定ヘッド（７０）が、特に他のプラ ズマ放電（３）の光線に関してほぼ遮断される（７２）ように、配置されている ことを特徴とする請求項１から１４の何れか１項に記載の方法。 １６．反応ガスがカソードスパッタリング源（１）の直接近傍に導入される（３ ３）ことを特徴とする請求の範囲第１項から第１５項の何れか１項に記載の方法 。 １７．反応ガス質量流が各々のカソードスパッタリング源（１）に対して個別に 制御される（７５）ことを特徴とする請求の範囲第４項および第１６項に記載の 方法。 １８．ワーク（７）がカソードスパッタリング源（１）に対して制御されてシー ルドされている（２５、７４）ことを特徴とする請求の範囲第１項から第１７項 の何れか１項に記載の方法。 １９．他のプラズマ放電（３）側に向けられたワーク（７４）の場所における他 のプラズマ放電のプラズマ密度の変化により、かつ／またはワーク（７）に印加 される電位（φ７）の変化により、ワーク（７）の表面エッチングプロセスまた は加熱プロセスが行われることを特徴とする請求の範囲第１項から第１８項の何 れか１項に記載の方法。 ２０、ワーク温度が３００℃より低く、好ましくは最大で２５０℃に維持される ことを特徴とする請求の範囲第１項から第１９項の何れか１項に記載の方法。 ２１．カソードスパッタリング源としてマグネトロンが使用されることを特徴と する請求の範囲第１項から第１９項の何れか１項に記載の方法。 ２２．請求の範囲第１項から第２１項の何れか１項に記載の方法を硬質材料層の 堆積に、特に螺旋ドリルなどの工具にチタン、タンタル、ジルコン、ハフニウム 、アルミニウムなどの炭化物層、窒化物層および／または窒素酸化物層による堆 積に使用すること。 ２３．真空反応容器と、 プラズマ放電区間を有する少なくとも１つのカソードスパッタリング源と、 反応ガスないしは反応混合ガスを含む、作動ガスを導入する少なくとも１つのガ ス導入装置と、 ワーク支持体装置とを有するコーティング装置において、反応容器（９）内でカ ソードスパッタリング源（１）のプラズマ放電区間（ＰＬ１）と共に、それとは 独立して駆動可能な他のプラズマ放電区間（３）が設けられており、ワーク支持 体装置（４９）の少なくとも一部が源（１）と他のプラズマ放電区間（３）間で 駆動されて移動し、以て、それに保持されているワークの表面がカソードスパッ タリング源（１）と他のプラズマ放電区間（３）に交互に向けられることを特徴 とするコーティング装置。 ２４．少なくとも２つのカソードスパッタリング源（１）が設けられており、ワ ーク支持体（４９）が駆動されて移動可能に形成されており、それにより設けら れているカソードスパッタリング源（１）の近傍を通過することを特徴とする請 求の範囲第２３項に記載の装置。 ２５．カソードスパッタリング源（１）がスパッタリング面（３１）の面法線を ほぼ半径方向に向けて円に沿って配置されており、ワーク支持体装置（４９）が 同心（Ｚ）の軌跡上にスパッタリング源（１）に沿って移動可能に軸承されてお り、かつ、他のプラズマ放電区間（３）が中心（Ｚ）かつ円軌跡により形成され る円形面に対してほぼ垂直に配置されていることを特徴とする請求の範囲第２４ 項に記載の装置。 ２６．ワーク支持体装置（４９）に他の放電区間（３）に対してほぼ平行に立設 されたスタンド（５５）が設けられており、そのスタンドがその軸を中心に（ω ５５）駆動されて移動可能であることを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の 装置。 ２７．ワーク支持体（４９）に少なくとも１つの転向装置（５５、６１）が設け られており、それによりワーク支持体に支承されたワーク（７）の表面が交互に 半径方向外側と半径方向内側へ向けられることを特徴とする請求の範囲第２５項 または第２６項に記載の装置。 ２８．設けられている少なくとも１つのカソードスパッタリング源（１）がマグ ネトロンスパッタリング源であることを特徴とする請求の範囲第２３項から第２ ７項の何れか１項に記載の装置。 ２９．ガス導入装置（１３）を通して導入されるガス量、特に反応ガス重を制御 する制御回路（１９、２１、１７）が設けられており、好ましくはそれに制御量 のセンサとしてプラズマ放出モニタ検出ヘッド（１９）が設けられていることを 特徴とする請求の範囲第２３項から第２８項の何れか１項に記載の装置。 ３０．少なくとも２つのカソードスパッタリング源（１）が設けられており、ガ ス導入装置に端々、特に各カソードスパッタリング源（１）の領域で反応ガスを 導入するための導入装置（３３）が設けられており、かつ好ましくは端カソード スパッタリング源に対して各々、制御回路の操作部材（７５）としてガス導入に おける操作部材を有する制御回路、好ましくは各々制御量のセンサとしてプラズ マ放電モニタの検出ヘッドを有する制御回路が設けられていることを特徴とする 請求の範囲第２３項から第２９項の何れか１項に記載の装置。 ３１．１つ或いは複数のプラズマ放出モニタ検出ヘッド（７０）が他のプラズマ 放電区間（３）の光線に対してほぼシールドされている（７２）ことを特徴とす る請求の範囲第２９項または第３０項に記載の装置。 ３２．他のプラズマ放電区間（３）がプラズマビーム放電区間として、或いはア ーク放電区間として、好ましくは低電圧アーク放電区間として形成されているこ とことを特徴とする請求の範囲第２３項から第３１項の何れか１項に記載の装置 。 ３３．他のプラズマ放電区間（３）にホットカソード（４１）と排出マスク（３ ７）を有するイオン化チャンバ（３５）が設けられていることを特徴とする請求 の範囲第３２項に記載の装置。 ３４．プラズマ光線（３）のビームを制御するために、制御可能な磁場発生手段 （４７）が設けられていることを特徴とする請求の範囲第３２項または第３３項 に記載の装置。 ３５．制御可能なシールド（７４）がカソードスパッタリング源（１）とワーク 支持体（４９）間に設けられていることを特徴とする請求の範囲第２３項から第 ３４項の何れか１項に記載の装置。 ３６．ワーク支持体（４９）に設けられたワーク（７）用の少なくとも支持体部 分（６１）が、その電位の印加を制御するために電源（６７）と接続されている ことを特徴とする請求の範囲第２３項から第３５項の何れか１項に記載の装置。 ３７．他の放電区間とカソードスパッタリング源の領域に、例えばアルゴンタン クなど不活性ガスタンクと接続された不活性ガス供給パイプが連通していること を特徴とする請求の範囲第２３項から第３６項の何れか１項に記載の装置。 ３８．ワーク支持体装置のワークの接触のために設けられている部分がＤＣ電源 と接続されており、そのＤＣ電源が前記部分を＋１０Ｖよりネガティブ、好まし くは最大で＋５Ｖ、好ましくは−５Ｖであって、好ましくは−ｔＶと−３００Ｖ の間、代表的には約−１５０Ｖの電位に接続することを特徴とする請求の範囲第 ２３項から第３７項の何れか１項に記載の装置。 ３９．ワーク、特にドリルなどの工具を好ましくは炭化物層、窒化物層または窒 素酸化物層、もしくはその、特にチタン、タンタル、ハフニウム、ジルコンまた はアルミニウムの混合型の層で硬質材料コーティングするために請求の範囲第２ ３項から第３８項の何れか１項に記載の装置を使用すること。