專利名稱：：成膜裝置和成膜方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及在基材的表面采用濺射、CVD等進(jìn)行真空成膜的成膜裝置和成膜方法。
背景技術(shù)：
：以往，以提高切削工具的耐磨損性或提高機(jī)械部件的滑動(dòng)面的滑動(dòng)特性為目的，利用物理氣相沉積(PVD:PhysicalVaporDeposition)法對基材(成膜對象物)進(jìn)行硬質(zhì)皮膜(TiN、TiAlN、CrN等)的成膜。作為在這樣的硬質(zhì)皮膜的成膜中使用的裝置，有電弧離子鍍(arcionplating)裝置或派射(sputtering)裝置等成膜裝置。可是，在這樣的成膜裝置中，進(jìn)行濺射的裝置尤其適合作為具有平滑表面的皮膜的形成單元進(jìn)行使用。但是，在另一方面，在成膜中多有不能滿意地向基板進(jìn)行離子照射的情況，為了發(fā)揮良好的生產(chǎn)率，必不可少地要提高電離率以提升成膜速度。這樣的提高電離率的單元之一就是采用有意地將磁控派射(magnetronsputter)源的磁場做成非平衡的UBMS(UnbalancedMagnetronSputter:非平衡磁控灘射)。如日本特開2000-282235號(hào)、日本特開2000-119843號(hào)所示，UBMS與BMS(BalancedMagnetronSputter:平衡磁控派射)同樣地在祀(target)的背面?zhèn)染哂写艌鲂纬蓡卧?magnetron),通過該磁場形成單元的作用在祀的正面形成磁場,沿著形成的磁場定向地照射離子。該UBMS不同于BMS的點(diǎn)在于，磁場形成單元的構(gòu)成方式為:構(gòu)成磁場形成單元的內(nèi)極磁鐵和配備在該內(nèi)極磁鐵外側(cè)的外極磁鐵以使相互不同的磁極朝向工件(work)側(cè)的方式配備，且外極磁鐵的磁力密度比內(nèi)極磁鐵高。若像這樣使外極磁鐵的磁力密度比內(nèi)極磁鐵高，則能形成向靶的正面?zhèn)?，換言之向工件側(cè)延伸的磁場，相比使用了內(nèi)極磁鐵和外極磁鐵的磁力密度沒有差別的BMS的磁場形成單元的情況，能提高對基板的離子照射量，使提高對基板的離子照射量成為可能。可是，上述的UBMS在靶的正面以朝向工件側(cè)延伸的方式形成強(qiáng)磁場，是提高對基板的離子照射量的有效手段。但是，即使在使用了UBMS的情況下，在進(jìn)行例如像上述那樣的硬質(zhì)皮膜等的成膜時(shí)，會(huì)發(fā)生難以說是電離充分進(jìn)行了的狀況，不能進(jìn)行良好膜質(zhì)的成膜。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是鑒于上述問題而做出的，其目的在于，提供一種在成膜中能充分進(jìn)行對基板的離子照射并能得到良好的電離率的成膜裝置以及成膜方法。為了解決上述課題，本發(fā)明的成膜裝置采用了以下的技術(shù)方案。S卩，本發(fā)明是一種成膜裝置，包括真空腔以及配備在所述真空腔內(nèi)的兩臺(tái)濺射蒸發(fā)源，所述濺射蒸發(fā)源包括下述部件:非平衡磁場形成單元，所述非平衡磁場形成單元由配備在內(nèi)側(cè)的內(nèi)極磁鐵和配備在所述內(nèi)極磁鐵的外側(cè)且磁力線密度比內(nèi)極磁鐵大的外極磁鐵形成；以及配備在所述非平衡磁場形成單元的前方的靶。這里，所述成膜裝置具有交流電源，所述交流電源在兩臺(tái)所述濺射蒸發(fā)源的一方的所述濺射蒸發(fā)源的所述靶和另一方的所述濺射蒸發(fā)源的所述靶之間流過極性以IOkHz以上的頻率切換的交流電流。優(yōu)選是，所述一組濺射蒸發(fā)源在真空腔內(nèi)鄰接配備，而且使相鄰的濺射蒸發(fā)源的內(nèi)極磁鐵彼此互為同極并且外極磁鐵彼此互為同極。優(yōu)選是，在所述濺射蒸發(fā)源的前方以開閉自由的方式設(shè)置有覆蓋靶的前方的開閉器(shutter)，使所述開閉器在全開時(shí)的打開角為90°以上。優(yōu)選是，除所述濺射蒸發(fā)源以外在所述真空腔內(nèi)還設(shè)置有陰極放電型的電弧(arc)式蒸發(fā)源。優(yōu)選是，設(shè)置有對所述真空腔內(nèi)供給反應(yīng)氣體和惰性氣體的混合氣體的氣體供給單元。另一方面，本發(fā)明的成膜方法是使用上述成膜裝置進(jìn)行成膜的成膜方法，通過利用所述交流電源流過交流電流，從而一邊在兩臺(tái)所述濺射蒸發(fā)源的各靶之間引起放電一邊進(jìn)行成膜。在上述成膜方法中，可以通過向所述真空腔內(nèi)供給反應(yīng)氣體和惰性氣體的混合氣體并采用所述放電使所述混合氣體電離，從而使CVD皮膜成膜。這里，所述反應(yīng)氣體可以是氮?dú)?。通過使用本發(fā)明的成膜裝置以及成膜方法，從而能在成膜中充分地進(jìn)行對基板的離子照射，能得到良好的電離率。圖1是表示本實(shí)施方式的成膜裝置的圖。圖2是表示在本實(shí)施方式的成膜裝置中產(chǎn)生的磁力線的分布的圖。圖3是表示在本實(shí)施方式的變形例的成膜裝置中產(chǎn)生的磁力線的分布的圖。圖4是表示在本實(shí)施方式的變形例的成膜裝置中產(chǎn)生的磁力線的分布的圖。圖5是表示在本實(shí)施方式的變形例的成膜裝置中產(chǎn)生的磁力線的分布的圖。圖6是表示在以往例的成膜裝置中產(chǎn)生的磁力線的分布的圖。具體實(shí)施例方式以下，基于附圖對本發(fā)明涉及的成膜裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施方式的成膜裝置I是利用物理氣相沉積法(PVD法)在設(shè)置于截面為八邊形的真空腔2內(nèi)的基材W表面被覆皮膜的裝置，在真空腔2內(nèi)的底面的大致中央設(shè)置有載置了作為處理物的多個(gè)基材W的旋轉(zhuǎn)式工作臺(tái)(worktable)3。在真空腔2的多個(gè)內(nèi)周面中，在兩個(gè)以上的內(nèi)周面分別配置有濺射蒸發(fā)源4。由于本實(shí)施方式的真空腔2的截面為八邊形，所以，其內(nèi)周面共設(shè)置有八面。而且，在這八面的內(nèi)周面中，在隔著一個(gè)內(nèi)周面的兩個(gè)內(nèi)周面配備有濺射蒸發(fā)源4。即，如果是圖1的配置，就是在八面的內(nèi)周面中，在左上、右上的兩個(gè)內(nèi)周面共配置有兩臺(tái)濺射蒸發(fā)源4。各個(gè)濺射蒸發(fā)源4具有以正對向基材W的方式配備的板狀的靶5、和非平衡磁場形成單元6。該非平衡磁場形成單元6配備在靶5的背面?zhèn)?不朝向基材W的一側(cè))，向靶的正面?zhèn)?正對向基材W的一側(cè))定向地形成磁場。在濺射蒸發(fā)源4的外側(cè)以開閉自由的方式設(shè)置有覆蓋靶5的正面的開閉器7。該開閉器7包括左右兩個(gè)部件，通過使各部件轉(zhuǎn)動(dòng)，從而從正對于靶5的一側(cè)看去能向左右進(jìn)行開閉。而且，全開時(shí)的開閉器7的打開角相對于靶5的表面設(shè)定為90°以上。S卩，開閉器7能向外側(cè)打開，以便在全開時(shí)隨著從靶5朝向基材W而使開閉器7的開口漸漸擴(kuò)大。此夕卜，如對圖1的右上的濺射蒸發(fā)源4以虛線所示，在使開閉器7全閉時(shí)靶7將全面被開閉器7覆蓋。如上所述，濺射蒸發(fā)源4在真空腔2共配備有兩臺(tái)。在本實(shí)施方式中在真空腔2的左上以及右上分別配備了濺射蒸發(fā)源4，在這些濺射蒸發(fā)源4之間連接有后述的交流電源8。與本實(shí)施例不同，也可以配備兩臺(tái)以上的濺射蒸發(fā)源4，設(shè)置以兩臺(tái)濺射蒸發(fā)源4為一組的多個(gè)組，并對這多個(gè)組分別連接交流或者雙極(bipolar)電源。靶5是將成為欲在基材W成膜的皮膜的原料的金屬加工成板狀而得到的。例如，若在對TiN、TiAlN,CrN等的硬質(zhì)皮膜進(jìn)行成膜的情況下，則使用T1、TiAl合金、Cr等的金屬板。此外，在該靶5連接有交流電源8的一個(gè)電極。非平衡磁場形成單元6由配備在內(nèi)側(cè)的內(nèi)極磁鐵9和配備在該內(nèi)極磁鐵9的外側(cè)且磁力線密度(磁通密度)比內(nèi)極磁鐵9大的外極磁鐵10形成，成為UBMS用的磁場形成單元。這些內(nèi)極磁鐵9以及外極磁鐵10都是像釹磁鐵這樣的永久磁鐵或者電磁鐵，以使任一個(gè)磁極朝向基材W的方式配備。外極磁鐵為了提高磁力線密度而使用了截面積比內(nèi)極磁鐵大的磁鐵，由其截面積的比率決定非平衡磁場的程度。通常，截面積的比率是外極磁鐵為內(nèi)極磁鐵的1.52倍左右。只要像這樣使用具備非平衡磁場形成單元6的UBMS的濺射蒸發(fā)源4，就能使靶5的正面?zhèn)鹊拇帕€強(qiáng)于背面?zhèn)?，能使磁力線優(yōu)先對靶5的正面?zhèn)冗M(jìn)行定向。本發(fā)明的成膜裝置1，其特征在于，將上述的兩臺(tái)濺射蒸發(fā)源4作為一組，在一方的濺射蒸發(fā)源4的靶5和另一方的濺射蒸發(fā)源4的靶5之間使用交流電源8流過極性以IOkHz以上的頻率切換的交流電流。該交流電源8可以使用像雙極電源這樣的能產(chǎn)生極性反轉(zhuǎn)的電流的裝置。此外，交流電流不僅可以使用極性以正弦波反轉(zhuǎn)的電流，還可以使用極性以矩形波反轉(zhuǎn)的脈沖(pulse)電流等。從該交流電源8給予IOkHz以上的高頻的交流電流,更加優(yōu)選為給予20kHz以上的高頻的交流電流。在使用上述的成膜裝置I在基材W的表面進(jìn)行成膜的情況下，以如下順序?qū)嵤┏赡?。如上所述，?zhǔn)備兩臺(tái)在靶5的背面?zhèn)染哂杏膳鋫湓趦?nèi)側(cè)的內(nèi)極磁鐵9和配備在該內(nèi)極磁鐵9的外側(cè)且磁力線密度比內(nèi)極磁鐵9大的外極磁鐵10形成的非平衡磁場形成單元6的濺射蒸發(fā)源4。然后，將該濺射蒸發(fā)源4分別配備在進(jìn)行成膜的真空腔2內(nèi)的多個(gè)內(nèi)周面。在圖1的例子中，在左上、右上兩處的內(nèi)周面安裝有濺射蒸發(fā)源4。在此基礎(chǔ)上，對兩臺(tái)濺射蒸發(fā)源4在它們的靶5之間流過極性以IOkHz以上的頻率切換的交流電流。這樣，通過交流電源8的作用在兩臺(tái)濺射蒸發(fā)源4的靶5之間產(chǎn)生電勢差，從一方的濺射蒸發(fā)源4的靶5向另一方的濺射蒸發(fā)源4的靶5產(chǎn)生放電。該放電以其方向按與給予的交流電流的頻率相同的頻率交替的方式產(chǎn)生。此時(shí)，放電的電子沿著在各個(gè)非平衡磁場形成單元6之間產(chǎn)生的磁力線(如圖2所示那樣的磁力線)活躍地移動(dòng)。其結(jié)果是，會(huì)促進(jìn)存在于濺射蒸發(fā)源4之間的濺射氣體的電離，增加對基板W的離子照射，能在基材W表面形成致密的皮膜。該離子照射量的增加大于濺射蒸發(fā)源4為I臺(tái)的情況。此外，通過使給予的交流電流的頻率為IOkHz以上，更加優(yōu)選為20kHz以上，從而能進(jìn)一步增大離子照射量。可是，如上所述那樣的對基板W的離子照射量的增加不僅會(huì)在圖2那樣的濺射蒸發(fā)源4的配置中確認(rèn)到，而且還會(huì)在圖3圖5所示那樣的濺射蒸發(fā)源4的配置中確認(rèn)到。在如這些附圖中圖示的配置的濺射蒸發(fā)源之間流過IOkHz以上的交流電的情況下，也能發(fā)揮相比圖6的以往例(濺射蒸發(fā)源4為一臺(tái))增加離子照射的效果。具體來說，圖2以及圖4在八個(gè)內(nèi)周面之中相隔一個(gè)內(nèi)周面在其左右的內(nèi)周面共設(shè)置了兩臺(tái)濺射蒸發(fā)源4。此外，圖3以及圖5在八個(gè)內(nèi)周面之中在相互相對的內(nèi)周面共設(shè)置了兩臺(tái)濺射蒸發(fā)源4。而且，相比圖4以及圖5，圖2以及圖3是非平衡磁場形成單元6的內(nèi)極磁鐵9的磁極方向互為同極以及外極磁鐵10的磁極方向互為同極，即，成為從一方的非平衡磁場形成單元6的內(nèi)極磁鐵9或外極磁鐵10出來的磁力線不直接進(jìn)入(相斥)另一方的非平衡磁場形成單元6的內(nèi)極磁鐵9或外極磁鐵10的配置。從圖示的磁力線的分布可明確判斷出如圖2以及圖3所示磁力線彼此相斥的配置相比圖4以及圖5增加離子照射的效果更大。除上述的濺射蒸發(fā)源4以外，還可以在真空腔2內(nèi)設(shè)置一臺(tái)以上陰極放電型的電弧式蒸發(fā)源(省略圖示)。這樣，能使用成膜裝置I在基材W的表面進(jìn)行使用了電弧離子鍍法的成膜。此外，如果設(shè)置對真空腔2內(nèi)供給或排出氣體的氣體供給單元(省略圖示)，就還可以供給反應(yīng)氣體和惰性氣體的混合氣體,并通過采用放電使該混合氣體電離,從而使靶材和反應(yīng)氣體反應(yīng)后的化合物皮膜成膜。此時(shí)，如果使反應(yīng)氣體為氮?dú)猓湍苁沟锏姆磻?yīng)性皮膜(TiN、TiAlN、CrN等的皮膜)成膜，如果使反應(yīng)氣體為甲烷氣體，就能使碳化物的反應(yīng)性皮膜(TiC、CrC)成膜。像這樣通過除惰性氣體以外還供給氮?dú)?、碳?xì)浠衔锘蜓鯕獾确磻?yīng)氣體，從而能促進(jìn)這些反應(yīng)氣體的電離，能形成更加接近計(jì)量組成的致密的化合物皮膜。[實(shí)施例]接著，使用實(shí)施例對本發(fā)明的成膜裝置I的作用效果進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)說明。使用在截面為八邊形的真空腔2的內(nèi)周面安裝了兩臺(tái)濺射蒸發(fā)源4的成膜裝置I進(jìn)行了成膜。再有，對于兩臺(tái)濺射蒸發(fā)源4，在圖1中位于真空腔2的左上的蒸發(fā)源對應(yīng)于表I的“蒸發(fā)源1”，位于真空腔2的右上的蒸發(fā)源對應(yīng)于表I的“蒸發(fā)源2”，位于右下的蒸發(fā)源對應(yīng)于“蒸發(fā)源3”。在濺射蒸發(fā)源4安裝表I所示的種類(Ti+Al)的靶5，進(jìn)行了成膜。靶5的尺寸為127X508mm,在背面具備由釹磁鐵構(gòu)成的產(chǎn)生平衡磁場(BM)或非平衡磁場(UBM)的磁場形成單元。在設(shè)置有該濺射蒸發(fā)源4的成膜裝置I中，設(shè)置有搭載了6根Φ130Χ600_的SUS304制的管(基材W)的工作臺(tái)3，在成膜中該工作臺(tái)3以3rpm進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。而且，在成膜時(shí)將作為濺射氣體的氬氣換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)接入120CC/min(SCCm)，并且供給了與放電功率相匹配的量的成為反應(yīng)氣體的氮?dú)狻Ｔ儆?，成膜時(shí)的真空腔2內(nèi)的壓強(qiáng)約為0.6Pa，此外，溫度為400°C。按以上那樣的成膜條件，使用以往例的成膜裝置以及實(shí)施例的成膜裝置I對基材W進(jìn)行成膜，并測定成膜時(shí)流過的基板電流值，判斷電離程度。這里，作為以往例，實(shí)施了通過對產(chǎn)生平衡磁場(BM)的磁場形成單元連接了直流電源(DC)的裝置進(jìn)行成膜的例子(以往例1、2)、通過對產(chǎn)生非平衡磁場(UBM)的磁場形成單元連接了直流電源的裝置進(jìn)行成膜的例子(以往例3、4)、通過對產(chǎn)生平衡磁場(BM)的磁場形成單元連接了交流電源的裝置進(jìn)行成膜的例子(以往例5、6)。在按表I所示的條件通過以往例(I4)的裝置進(jìn)行成膜的情況下，直到接入功率的上限為每臺(tái)蒸發(fā)源2.5kW為止都能進(jìn)行穩(wěn)定的放電，但在超過該2.5kW的情況下，在靶5的表面產(chǎn)生了打火(arcing)(不是正常的輝光放電，引起異常的電弧放電的現(xiàn)象)。在以往例5、6中由于連接了交流電源，所以能進(jìn)行穩(wěn)定的放電，但由于濺射蒸發(fā)源不是非平衡磁場，所以電離不充分，流過基板的電流值低。像這樣，從表I中可知，在以往例中在能進(jìn)行穩(wěn)定放電的條件下的基板電流值低，作為濺射條件并不優(yōu)選?？墒?，在向具備產(chǎn)生非平衡磁場(UBM)的磁場形成單元6的濺射蒸發(fā)源4流過交流電流的實(shí)施例18的情況下，即使接入功率達(dá)到每臺(tái)蒸發(fā)源8kW，也能進(jìn)行沒有打火的穩(wěn)定的放電。從表I中可知，在能進(jìn)行穩(wěn)定的放電的條件下的基板電流值成為充分高于以往例的值，優(yōu)選作為濺射條件。由此可知，通過在產(chǎn)生非平衡磁場(UBM)的兩個(gè)磁場形成單元6的祀5之間流過交流電流，從而在成膜中能向基板進(jìn)行沒有打火的穩(wěn)定的放電(離子照射)，能得到良好的電離率。比較例I是連接的交流電源的頻率不足IOkHz的例子。當(dāng)將比較例I與除交流電源的頻率以外的條件相同的實(shí)施例5進(jìn)行比較時(shí),實(shí)施例5的基板電流值更大。在比較例I中只得到了以往例程度的基板電流值。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，示出了使交流電源的頻率為IOkH以上的意義。當(dāng)將實(shí)施例1和實(shí)施例2進(jìn)行比較時(shí)，兩個(gè)濺射蒸發(fā)源的內(nèi)極磁鐵彼此互為同極并且外極磁鐵彼此互為同極的實(shí)施例1比兩個(gè)濺射蒸發(fā)源的內(nèi)極磁鐵彼此互為不同極并且外極磁鐵彼此互為不同極的實(shí)施例2，其基板電流值更大。從這個(gè)結(jié)果可知使兩個(gè)濺射蒸發(fā)源的內(nèi)極磁鐵彼此互為同極并且外極磁鐵彼此互為同極的做法更為優(yōu)選。[表I]權(quán)利要求1.一種成膜裝置，其包括:真空腔；以及兩臺(tái)濺射蒸發(fā)源，配備在所述真空腔內(nèi)，所述濺射蒸發(fā)源包括下述部件:非平衡磁場形成單元，所述非平衡磁場形成單元由配備在內(nèi)側(cè)的內(nèi)極磁鐵和配備在所述內(nèi)極磁鐵的外側(cè)且磁力線密度比內(nèi)極磁鐵大的外極磁鐵形成；以及靶，配備在所述非平衡磁場形成單元的前方，在此，所述成膜裝置具有交流電源，所述交流電源在兩臺(tái)所述濺射蒸發(fā)源的一方的所述濺射蒸發(fā)源的所述靶和另一方的所述濺射蒸發(fā)源的所述靶之間，流過極性以IOkHZ以上的頻率切換的交流電流。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成膜裝置，其中，兩臺(tái)所述濺射蒸發(fā)源的、所述內(nèi)極磁鐵彼此互為同極并且所述外極磁鐵彼此互為同極。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成膜裝置，其中，在所述濺射蒸發(fā)源的前方以開閉自由的方式設(shè)置有覆蓋靶的前方的開閉器，所述開閉器在全開時(shí)的打開角為90°以上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成膜裝置，其中，在所述真空腔內(nèi)還具有陰極放電型的電弧式蒸發(fā)源。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成膜裝置，其中，還具有對所述真空腔內(nèi)供給反應(yīng)氣體和惰性氣體的混合氣體的氣體供給單元。6.一種使用權(quán)利要求1所述的成膜裝置進(jìn)行成膜的成膜方法，其中，通過利用所述交流電源流過交流電流，從而一邊在兩臺(tái)所述濺射蒸發(fā)源的各靶之間引起放電一邊進(jìn)行成膜。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的成膜方法，其中，通過向所述真空腔內(nèi)供給反應(yīng)氣體和惰性氣體的混合氣體并采用所述放電使所述混合氣體電離，從而使CVD薄膜成膜。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的成膜方法，其中，所述反應(yīng)氣體為氮?dú)狻Ｈ恼景l(fā)明涉及一種成膜裝置和成膜方法。本發(fā)明的成膜裝置具有兩臺(tái)濺射蒸發(fā)源，該濺射蒸發(fā)源包括非平衡磁場形成單元，該非平衡磁場形成單元由配備在內(nèi)側(cè)的內(nèi)極磁鐵和配備在該內(nèi)極磁鐵的外側(cè)且磁力線密度比內(nèi)極磁鐵大的外極磁鐵形成；以及靶，配備在非平衡磁場形成單元的前方，進(jìn)而，所述成膜裝置還具有交流電源，該交流電源通過在兩臺(tái)濺射蒸發(fā)源的各靶之間流過極性以10kHz以上的頻率切換的交流電流，從而在兩靶之間引起放電而進(jìn)行成膜。文檔編號(hào)C23C14/22GK103088287SQ201210415298公開日2013年5月8日申請日期2012年10月26日優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日發(fā)明者廣田悟史,山本兼司,玉垣浩申請人:株式會(huì)社神戶制鋼所