(57)【要約】【課題】アンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜技術の低温及び高速成膜という利点を生かして軸受け用ボール又はローラのような多数の小さな被成膜体の表面に均一に且つ疵の発生を防止して成膜することができるアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置及び方法を提供する。【解決手段】成膜用原料が設置される１対のカソードに対する位置に、基板が設置されており、この基板は、回転板７に設けた孔８内に被成膜体４１を嵌め込み、回転板７の回転により被成膜体４１を固定板６上で転動させる。このとき、固定板６の上面に、グラファイト部材４０を設け、被成膜体４１をこのグラファイト部材４０上で転動させる。【選択図】図５
2020143331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
このチャンバ内に配置され、固定板とその上方に前記固定板に平行に配置された回転板とを有する基板を支持する基板支持部と、
前記回転板を回転駆動する駆動部と、
成膜用原料が設置される１対のカソードと、
前記基板支持部と前記チャンバとの間にバイアス電圧を印加する電源と、
前記カソード間を結ぶ磁束と共に前記カソードから前記基板に至る磁束を含むアンバランス型磁場を形成する磁場形成手段と、
を有し、
前記基板の前記回転板は、被成膜体を嵌め込む複数個の孔を有し、
前記固定板は、前記回転板に対面する面に形成された炭素膜又は前記回転板に対面する面を含む部分に設けられた炭素部を有し、
前記孔内の被成膜体は前記孔内で拘束された状態で、前記炭素膜又は炭素部上を転動することを特徴とするアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置。
【請求項２】
チャンバと、
このチャンバ内に配置され、固定板とその上方に前記固定板に平行に配置された回転板とを有する基板を支持する基板支持部と、
前記回転板を回転駆動する駆動部と、
成膜用原料が設置される１対のカソードと、
前記基板支持部と前記チャンバとの間にバイアス電圧を印加する電源と、
前記カソード間を結ぶ磁束と共に前記カソードから前記基板に至る磁束を含むアンバランス型磁場を形成する磁場形成手段と、
を有し、
前記基板の前記回転板は、被成膜体を嵌め込む複数個の孔を有し、
前記固定板は、前記回転板に対面する面に形成された転動膜又は前記回転板に対面する面を含む部分に設けられた転動部を有し、
前記転動膜又は前記転動部は、電気抵抗率が２５．０μΩｍ以下であって、摩擦係数が０．２以下の素材により形成され、
前記孔内の被成膜体は前記孔内で拘束された状態で、前記転動膜又は前記転動部上を転動することを特徴とするアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置。
【請求項３】
前記回転体は、炭素部により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置。
【請求項４】
前記チャンバの入口側に設けられた第１ロードロックと、
前記チャンバの出口側に設けられた第２ロードロックと、
前記第１ロードロックを介して前記チャンバに連結された第１予備排気室と、
前記第２ロードロックを介して前記チャンバに連結された第２予備排気室と、
前記チャンバ、前記第１予備排気室及び前記第２予備排気室を個別に真空排気する排気装置と、
を有し、
前記被成膜体は前記第１予備排気室内で真空排気された後、前記第１ロードロックを開にして前記チャンバ内に装入され、成膜後の成膜体は、前記第２ロードロックを開にして前記第２予備排気室に移送された後、前記第２ロードロックを閉にして前記予備排気室内で常圧にされることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置。
【請求項５】
チャンバ内に基板と１対のカソードを配置し、前記チャンバと前記基板との間にバイアス電圧を印加すると共に、前記カソード間を結ぶ磁束と共に前記カソードから前記基板に至る磁束を含むアンバランス型磁場を形成し、
前記基板の回転板に設けた孔内に被成膜体を嵌め込み、前記基板の固定板上で前記回転板を回転駆動して、前記被成膜体を前記孔により拘束しつつ前記固定板上で転動させた状態で、前記被成膜体に前記カソードから蒸発した原料を成膜させるアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜方法であって、
前記固定板の前記被成膜体が転動する面には、炭素膜又は炭素部が形成されていることを特徴とするアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜方法。
【請求項６】
チャンバ内に基板と１対のカソードを配置し、前記チャンバと前記基板との間にバイアス電圧を印加すると共に、前記カソード間を結ぶ磁束と共に前記カソードから前記基板に至る磁束を含むアンバランス型磁場を形成し、
前記基板の回転板に設けた孔内に被成膜体を嵌め込み、前記基板の固定板上で前記回転板を回転駆動して、前記被成膜体を前記孔により拘束しつつ前記固定板上で転動させた状態で、前記被成膜体に前記カソードから蒸発した原料を成膜させるアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜方法であって、
前記固定板の前記被成膜体が転動する面には、電気抵抗率が２５．０μΩｍ以下であって、摩擦係数が０．２以下の素材が形成されていることを特徴とするアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜方法。
【請求項７】
前記被成膜体は、予め第１予備室内で真空排気された後、前記チャンバ内に移送され、成膜後の成膜体は、第２予備室内で常圧に戻された後、外部に移送されることを特徴とする請求項５又は６に記載のアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜方法。
【請求項８】
前記基板に印加される磁場の強さは、０．５ｍＴ以上であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載のアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜方法。
【請求項９】
前記基板の温度は２００℃以下であって、素材の焼戻し温度以下であることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載のアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型の位置決めピン等の金型用部品素材、時計のリューズ等の装飾用部品素材、丸駒インサート等の切削工具素材、並びにベアリングボール及びローラ等の転動体の素材の表面に均一に成膜するアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置及び方法に関し、特に、磁性素材の表面にダイヤモンドカーボン（以下、ＤＬＣ）等の高耐久性又は高潤滑性等の膜を形成するのに好適のアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上述の金型用部品素材、装飾用部品素材、切削工具素材及び転道体素材等を製造する方法として、転動体の素材の表面に、アーク式イオンプレーティング法又はスパッタリングイオンプレーティング法等の乾式メッキ法により素材の表面にメッキ被膜を形成する際に、前記素材は、傾斜した回転軸を有する皿の中に入れられて、前記素材を回転させつつ被膜形成処理を行うものがある（特許文献１）。このように、被膜形成時に、皿を傾斜した回転軸の周りに回転させつつその上で素材を転動させるのは、被膜を均一に形成するためである。
【０００３】
また、垂直軸の周りに回転する第１プレートと、この第１プレートの下方に若干間隔を置いて配置され固定された第２プレートと、を有し、前記第１プレートに転がり軸受けのローラを収納できる多数の孔を設け、この孔内に前記ローラを収納した状態で、前記第１プレートを回転させることにより、ロータは固定された第２プレート上で第１プレートの回転により孔内で転動しつつ回転移動するようにした転がり軸受けのローラへの固体潤滑膜形成装置がある（特許文献２）。この従来技術においては、真空中で、二硫化モリブデンからなるターゲットをスパッタリングすることにより、孔内で転がっているロータの表面に固体潤滑剤を成膜する。
【０００４】
一方、ガラスコーティングの技術分野において、アンバランスドマグネトロンスパッタリング技術が使用されている（特許文献３の請求項２）。このアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置においては、２台のマグネトロンを、その上方に水平に配置された基板の中央に向けて原料蒸気の主たる流れが形成されるように、上方に向けて傾斜して配置し、これらのマグネトロン上に設置した原料ターゲットの近傍にアンバランス型磁束線を形成すると共に、ターゲットの蒸気が基板に向かって進行して基板上に成膜されるようにしたものである。このデュアルマグネトロンスパッタリング装置においては、基板温度が低くても足りる低温成膜と高速成膜を両立させることができるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３３６５３３号公報
【特許文献２】特開２００３−２６９４６２号公報
【特許文献３】特開２００６−５２４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、金型の位置決めピン等の金型用部品素材、時計のリューズ等の装飾用部品素材、丸駒インサート等の切削工具素材、並びにベアリングボール及びローラ等の転動体の素材のように小さな被成膜素材に対し、マグネトロンスパッタリング成膜方法により、例えば、ＤＬＣを成膜しようとすると、特許文献１の成膜装置では、磁気により被成膜素材同士が引き合い、皿の回転時にボールが自由な方向に回転せず、ロールの表面に均一に成膜することが困難である。また、この磁気の影響を低減するために、被成膜素材とターゲットとの間に磁気の影響が少なくなるような距離を保持しようとすると、成膜速度が低下してしまう。
【０００７】
また、特許文献２の装置において、特許文献３のマグネトロンスパッタリング方法によりボールの表面にＤＬＣを成膜しようとすると、回転する第１プレートに設けられた孔内で、ボール又はローラがランダムな方向に回転することが必要であるが、図７に示すように、マグネトロンの磁場が作用してボール又はローラが一定の方向に向いてしまうという問題点がある。このように、被成膜体であるボール又はローラが自由かつランダムな方向に回転せず、一定の方向を向いてしまう。この一定の方向を向いたボール又はローラが第１プレートの回転により強制的に孔の移動と共に回転移動すると、このボール又はローラが固定された第２プレートと擦れてしまい、被膜の品質が低下するという問題点がある。このとき、第１プレートに過負荷加重が印加され、停止してしまうという問題点もある。更に、第１プレートの上面がプラズマにさらされて歪み、第１プレートが第２プレート側に湾曲してしまう。被膜対象のボール又はローラが小さくて、第１プレートと第１プレートとの間の間隔が小さいと、第１プレートの歪みにより、第１プレートと第２プレートとが接触して摺察してしまうという問題点がある。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜技術の低温及び高速成膜という利点を生かして軸受け用ボール又はローラのような多数の小さな被成膜体の表面に均一に且つ疵の発生を防止して成膜することができるアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置は、
チャンバと、
このチャンバ内に配置され、固定板とその上方に前記固定板に平行に配置された回転板とを有する基板を支持する基板支持部と、
前記回転板を回転駆動する駆動部と、
成膜用原料が設置される１対のカソードと、
前記基板支持部と前記チャンバとの間にバイアス電圧を印加する電源と、
前記カソード間を結ぶ磁束と共に前記カソードから前記基板に至る磁束を含むアンバランス型磁場を形成する磁場形成手段と、
を有し、
前記基板の前記回転板は、被成膜体を嵌め込む複数個の孔を有し、
前記固定板は、前記回転板に対面する面に形成された炭素膜又は前記回転板に対面する面を含む部分に設けられた炭素部を有し、
前記孔内の被成膜体は前記孔内で拘束された状態で、前記グラファイト膜又は前記グラファイト部上を転動することを特徴とする。
【００１０】
なお、前記炭素膜又は前記炭素部は、グラファイト若しくはグラッシーカーボン等の膜又は部材である。グラファイトは結晶質であり、グラッシーカーボンは非晶質である。
【００１１】
また、前記回転体は、炭素部により形成することができる。
【００１２】
本発明に係る他のアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置は、
チャンバと、
このチャンバ内に配置され、固定板とその上方に前記固定板に平行に配置された回転板とを有する基板を支持する基板支持部と、
前記回転板を回転駆動する駆動部と、
成膜用原料が設置される１対のカソードと、
前記基板支持部と前記チャンバとの間にバイアス電圧を印加する電源と、
前記カソード間を結ぶ磁束と共に前記カソードから前記基板に至る磁束を含むアンバランス型磁場を形成する磁場形成手段と、
を有し、
前記基板の前記回転板は、被成膜体を嵌め込む複数個の孔を有し、
前記固定板は、前記回転板に対面する面に形成された転動膜又は前記回転板に対面する面を含む部分に設けられた転動部を有し、
前記転動膜又は前記転動部は、電気抵抗率が２５．０μΩｍ以下であって、摩擦係数が０．２以下の素材により形成され、
前記孔内の被成膜体は前記孔内で拘束された状態で、前記転動膜又は前記転動部上を転動することを特徴とする。
【００１３】
これらのアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置において、
前記チャンバの入口側に設けられた第１ロードロックと、
前記チャンバの出口側に設けられた第２ロードロックと、
前記第１ロードロックを介して前記チャンバに連結された第１予備排気室と、
前記第２ロードロックを介して前記チャンバに連結された第２予備排気室と、
前記チャンバ、前記第１予備排気室及び前記第２予備排気室を個別に真空排気する排気装置と、
を設け、
前記被成膜体は前記第１予備排気室内で真空排気された後、前記第１ロードロックを開にして前記チャンバ内に装入され、成膜後の成膜体は、前記第２ロードロックを開にして前記第２予備排気室に移送された後、前記第２ロードロックを閉にして前記予備排気室内で常圧にされるように構成することができる。
【００１４】
本発明に係るアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜方法は、
チャンバ内に基板と１対のカソードを配置し、前記チャンバと前記基板との間にバイアス電圧を印加すると共に、前記カソード間を結ぶ磁束と共に前記カソードから前記基板に至る磁束を含むアンバランス型磁場を形成し、
前記基板の回転板に設けた孔内に被成膜体を嵌め込み、前記基板の固定板上で前記回転板を回転駆動して、前記被成膜体を前記孔により拘束しつつ前記固定板上で転動させた状態で、前記被成膜体に前記カソードから蒸発した原料を成膜させるアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜方法であって、
前記固定板の前記被成膜体が転動する面には、炭素膜又は炭素部が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る他のアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜方法は、
チャンバ内に基板と１対のカソードを配置し、前記チャンバと前記基板との間にバイアス電圧を印加すると共に、前記カソード間を結ぶ磁束と共に前記カソードから前記基板に至る磁束を含むアンバランス型磁場を形成し、
前記基板の回転板に設けた孔内に被成膜体を嵌め込み、前記基板の固定板上で前記回転板を回転駆動して、前記被成膜体を前記孔により拘束しつつ前記固定板上で転動させた状態で、前記被成膜体に前記カソードから蒸発した原料を成膜させるアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜方法であって、
前記固定板の前記被成膜体が転動する面には、電気抵抗率が２５．０μΩｍ以下であって、摩擦係数が０．２以下の素材が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
これらのアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜方法において、
前記被成膜体は、予め第１予備室内で真空排気された後、前記チャンバ内に移送され、成膜後の成膜体は、第２予備室内で常圧に戻された後、外部に移送されるように構成することができる。
【００１７】
また、例えば、前記基板に印加される磁場の強さは、０．５ｍＴ以上であり、前記基板の温度は２００℃以下であって、素材の焼戻し温度以下に制御する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、基板の近傍に一定の方向を向いたアンバランスドマグネトロン磁場が存在していても、固定板上を転動する被成膜体に疵が発生することがなく、均一で膜特性が良好な膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置を示す模式図である。
【図２】同じくその成膜チャンバを示す模式図である。
【図３】同じくその成膜チャンバ内における磁力線の分布を示す図である。
【図４】同じくカソードと基板との間の磁力線の分布を示す図である。
【図５】同じく基板の構成を示す断面図である。
【図６】同じく回転板の構成を示す平面図である。
【図７】従来装置にアンバランスドマグネトロンを適用した場合の問題点を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施形態に係るアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置を示す模式図、図２は同じくその成膜チャンバの構造を示す図、図３は前記チャンバ内の磁力線の状況を示す図、図４は基板上の磁力線の方向を示す図である。図１に示すように、予備排気室１と成膜チャンバ２と予備排気室３とはロードロックを介して連結されており、これらの予備排気室１、成膜チャンバ２及び予備排気室３内には、これらの部屋を貫くレール４が設置されている。そして、基板支持部５がこのレール４上を移動できるようになっており、基板支持部５は、ロードロックを開いて、予備排気室１、成膜チャンバ２又は予備排気室３内に移動することができる。この基板支持部５には、固定板６とその上方の回転板７とが設けられており、回転板７には、複数個の孔８が設けられていて、軸受け用ボール又はローラ等の小さな被成膜体の素材がこの孔８に格納された状態で、その素材の表面にＤＬＣ等の高耐久性膜等が成膜されるようになっている。予備排気室１の外部にて、回転板７の孔８内に被成膜用の素材が設置され、その後、予備排気室１内に基板支持部が収容され、予備排気室１内が真空排気されるようになっている。また、予備排気室２においては、成膜後のボール又はローラ等を格納した基板支持部５が収容され、その後、予備排気室２内が真空を破壊されて常圧になった後、基板支持部５が予備排気室２から外部に取り出され、成膜後のボール又はローラ等が回収される。
【００２１】
図２に示すように、成膜チャンバ２内には、その底部に基板支持部５が配置されており、その天井部に１対のスパッタリングカソード１０，１１が、その表面を水平方向に対して相互に向き合う方向に傾斜させて配置されている。カソード１０には、金属原料３２が設置され、カソード１１には炭素原料３３が設置される。そして、基板３１には、バイアス電源２３が接続されており、基板３１が負に、チャンバ２が正になるようにバイアス電圧が印加されるようになっている。カソード１０には蒸発源用の電源１５が接続されており、カソード１１には蒸発源用の電源１６が接続されている。そして、カソード電源１５，１６は、カソード１０，１１が負に、チャンバ２が正になるように電圧を印加する。また、カソード１０の表面近傍には、シャッタ１２が配置されており、カソード１１の表面近傍には、シャッタ１３が配置されている。これらのシャッタ１２，１３は、夫々その基部１２ａ、１３ａをその中心軸の周りに回転させることにより、カソード１０，１１の表面に平行の位置に位置して蒸発物質が基板３１に到達することを阻止するか、又はカソード１０，１１の表面近傍から退避して蒸発物質が基板３１に到達することができるようにして、成膜を制御する。なお、本実施形態において、シャッタ１２，１３の双方を開にして、後述するカソード１０，１１上のスパッタ原料３２，３３から、例えば、タングステン（Ｗ）と炭素（Ｃ）とを同時に蒸発させると、Ｗがドーピングされた炭素膜が基板３１に設置された被成膜体に成膜される。
【００２２】
基板支持部５は、垂直に設置された回転軸２１の上端に基板保持部２２がその基板保持面を水平にして固定されており、基板保持部２２は回転軸２１の回転により回転駆動される。そしてこの基板保持部２２上に基板３１が設置されるようになっている。基板３１は、図５に示すように、回転軸２１の上端に回転軸２１に垂直に固定されており、回転軸２１の回転により回転駆動される。この回転板７の下方には回転板７から若干間隔をおいて固定板６が配置されており、この固定板６は、回転軸２１には連結されず、基板側のバイアス電圧がチャンバ２に通電してしまわないように、チャンバ２に対して絶縁体を介して固定されている。そして、回転板７には、図６に示すように、多数の円形の孔８が形成されており、この孔８内に夫々被成膜体４０が収納されるようになっている。一方、固定板６は、その上面の回転板７に対面する面に、膜状又は板状のグラファイト部４０が設けられている。そして、回転板７には、被膜対象のボール又はローラよりも若干大きな直径を有する円形の孔８が多数設けられており、この孔８内にボール又はローラ等の被成膜体４１が嵌入され、回転体７の回転により、孔８に規制されて孔８内で自由に回転しつつ、回転体７の回転と共にその回転方向に移動する。このとき、被成膜体４１は、固定板６上のグラファイト部４０の表面を転動する。
【００２３】
図１及び図３に示すように、チャンバ２内の天井部近傍には、アンバランスドマグネトロンスパッタリングの１対のカソード１０，１１が、その原料載置面を相互に若干向かいあわせるように傾斜させて設置されている。カソード１０，１１上には、スパッタリング原料３２，３３が設置される。このスパッタリング原料３２は、例えば、タングステン（Ｗ）であり、スパッタリング原料３３は、例えば、炭素（Ｃ）である。これらのスパッタリング原料から蒸発した材料は、Ｗがドープした炭素となる。このカソード１０，１１と、基板３１との間には、カソード１０，１１が負となる電圧が印加される。これにより、チャンバ２内には、カソード１０，１１と基板３１との間にスパッリング用の電場が形成される。チャンバ２内には、Ａｒガス導入口１７が設置されており、このＡｒガス導入口１７を介して、チャンバ２内にＡｒガスが導入されるようになっている。また、チャンバ２は、真空排気口１８を介して真空吸引され、所定の真空度に保持されるようになっている。そして、図３及び図４に破線で示すように、カソード１０，１１には、夫々、（Ｎ，Ｓ，Ｎ）極及び（Ｓ，Ｎ，Ｓ）極となる磁場が配置されており、カソード１０の近傍にその中央に配置されたＳ極からその両側部に配置されたＮ極に向かう磁力線とこのＳ極からカソード１１及び基板３１に向かう磁力線が形成されると共に、カソード１１の近傍にその中央に配置されたＮ極からその両側部に配置されたＳ極に向かう磁力線とこのＮ極からカソード１０及び基板３１に向かう磁力線が形成される。
【００２４】
このとき、基板３１に印加する磁場の強さは、０．５ｍＴ（テスラ）以上であることが好ましい。また、基板の温度は２００℃以下であって、成膜対象の素材の焼戻し温度以下に制御することが好ましい。アンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜により形成される膜の特性がより好ましいものになる。
【００２５】
次に、上述の如く構成されたアンバランスドマグネトロンスパッタリング成膜装置の動作及びこの成膜装置を使用した成膜方法について説明する。先ず、図１に示す予備排気室１内に、外部から、回転板７の孔８内に軸受けのボール又はローラ等の被成膜体４１を嵌め込んだ基板支持部５を装入し、予備排気室１内を真空排気する。その後、ロードロックを開にして基板支持部５をレール４上で搬送して、チャンバ２内に移動させる。その後、ロードロックを閉にし、チャンバ２内を真空排気し、更に、ガス導入口１７からＡｒガスをチャンバ内に導入し、真空排気を継続しつつＡｒガスを導入することにより、チャンバ２内を所定のＡｒガス雰囲気に保持する。
【００２６】
この状態で、図３及び図４に示すように、チャンバ２と基板３１との間にバイアス電圧を印加して電場を形成し、プラズマを生起する。このとき、カソード１０，１１には、その裏側にＳ極及びＮ極が配置されており、カソード１０の中央に配置されたＳ極からの磁力線はその一部が両端に配置されたＮ極に向かうが、残りの磁力線は基板３１及び相手方のカソード１１の中央に配置されたＮ極に向かう。同様に、カソード１１のＮ極からの磁力線はその一部がカソード１１のＳ極に向かうが、残りの磁力線は、基板３１及び相手方のカソード１０のＳ極に向かう。このように、磁石のＮ極から出た磁束はその全てがＳ極に戻るのではなく、一部の磁束が空間に開放されるような磁束分布を示す。このようにして形成される磁場はアンバランス型磁場というが、本発明においても、このアンバランス型磁場を形成する。これにより、基板３１近傍のプラズマ密度が増大し、基板３１に設置された被成膜体４１における膜特性が向上する。なお、シャッタ１２，１３の開閉により、材料３２，３３に対するスパッタリングを制御する。
【００２７】
そして、カソード１０，１１とチャンバ２との間に形成される電場により、アルゴンガス雰囲気のチャンバ内に、アルゴン分子とプラスに荷電したアルゴン原子（アルゴンイオン）と自由電子とから構成されるプラズマが生起される。この自由電子は、磁場の中に囲い込まれ、この自由電子が衝突して生成するアルゴンイオンもこの自由電子の近傍に多く存在し、スパッタリングターゲットであるカソード１０，１１の近傍に濃いプラズマ領域が形成される。このアルゴンイオンが電場によりカソード１０，１１に引き寄せられて金属原料３２及び炭素原料３３に衝突する結果、原料３２，３３から、例えば、夫々W等の金属分子と炭素分子が蒸発する（放出される）。そして、この蒸発原子が基板３１側に飛来して、基板３１に設置された被成膜体４１の表面に、金属（W）がドープされた炭素膜（ＤＬＣ膜）が形成される。このとき、本実施形態では、磁場によりプラズマがカソード１０，１１の近傍に閉じ込められているので、アルゴンイオンがカソード１０，１１の近傍で多量に発生する結果、高効率で金属分子及び炭素分子が蒸発し、高効率で成膜される。また、本実施形態では、アンバランス型の磁場が形成されているので、基板３１の近傍にも磁力線が存在し、１対のカソード１０，１１から、基板３１の両側部に延びる磁力線により、プラズマがこの磁力線に囲まれて基板３１の近傍に集まる。また、原料３２，３３から蒸発した分子も磁力線に囲まれて基板３１の近傍に集まり、効率的に成膜される。
【００２８】
そして、本発明においては、上述の如く、基板３１の表面近傍に、カソード１０，１１の配置により決まる方向に磁場が形成される結果、図７に示すように、被成膜体４１には、この磁力線の方向に磁力が作用し、回転体７の孔８内で、常に、一定の方向を向こうとする。仮に、基板３１の表面近傍に磁場が存在しなければ、回転体７が回転することにより、被成膜体４１は、孔８内で自由に回転し、基板３１の上方から降り注ぐ原料分子は、被成膜体４１の表面に均一に堆積する。このとき、本発明のように、スパッタリング効率の向上のために、アンバランス型磁場を使用すると、基板３１の表面に、図７に示すような一方向の磁場が形成されて、被成膜体４１は常に一方向を向こうとする。その結果、被成膜体４１は、一方向を向いた状態で回転体６の周方向に移動するので、固定板６に摺動し、こすれた状態で移動することになる。このため、被成膜体４１の表面に形成された膜に疵が付く。
【００２９】
しかし、本発明においては、図５に示すように、固定板６の表面上に、グラファイト部４０が形成されているので、孔８内の被成膜体４１は、回転体７の回転によりその孔８内に拘束されつつ、グラファイト部４０上を転動する。このため、被成膜体４１は磁場を受けてはいるものの、回転体７の回転により孔８が回転体７の周方向に移動することにより、被成膜体４１は孔８内に拘束されて、グラファイト部４０上を滑動して移動する。これにより、成膜中に、被成膜体４１の表面に形成された膜に固定板６との摺動による疵が発生することが防止される。なお、被成膜体４１は、グラファイト部４０上を転動する際に、その円柱中心又は球中心を中心として回転する。このため、上方から降り注がれる炭素分子及び金属分子は均一に成膜される。このようにして、本発明においては、アンバランスドマグネトロンスパッタリングにより高効率で高品質の膜を形成することができる。
【００３０】
成膜後の基板３１及び保持部２２は、レール４上を移動して、真空排気されている第２予備排気室３内に入り、ロードロックを閉にした後、予備排気室３の真空を破壊して、常圧にする。これにより、基板３１の孔８内の被成膜体４１を取り出すことができる。このように、本発明においては、被成膜体４１をチャンバ２内に装入する際、及び被成膜体４１をチャンバ２から取り出す際に、チャンバ２内の真空は破壊させず、真空状態又はアルゴンガス雰囲気状態を維持する。このため、本発明においては、チャンバ２内の大気開放が不要であり、ターゲットクリーニングが不要であるので、成膜時間を短縮し、ターゲット消費量を低減すること等により、その処理コストを低減し、スループットを向上させることができる。
【００３１】
本実施形態においては、固定板６の上にグラファイト部４０を設置したが、このグラファイト部４０は、固体板６の上にグラファイト膜を形成しても良いし、グラファイト製の板を設置しても良く、更には、固定板６自体をグラファイト製にしても良い。
【００３２】
更に、このグラファイト部４０は、固定板６上での被成膜体４１の滑動をもたらすものであるから、その材質はグラファイトに限らない。例えば、摩擦係数が０．２以下の材質のものも使用することができる。このとき、バイアス電圧を印加する必要があるので、電気抵抗率が２５．０μΩｍ以下である導電性を有することが必要である。これらの摩擦係数及び導電性は、被成膜体が転動した状態で、被成膜体に対するバイアス印加及び被成膜体の滑動をもたらすために必要な条件である。
【００３３】
また、本発明においては、固定板６だけでなく、回転板７もグラファイト製の部材とすることができる。例えば、直径が４ｍｍのベアリングボールは、回転体７がステンレス製であっても、回転して均一に成膜することができるが、被成膜体の形状及び大きさによっては、回転体７の孔８内で被成膜体４１がせり上がり、孔８に引っかかりが生じる場合がある。この場合は、回転体７もグラファイトで製造すると、被成膜体４１は孔８内で円滑に回転することができる。
【００３４】
なお、本実施形態の成膜対象である金型の位置決めピン等の金型用部品素材、時計のリューズ等の装飾用部品素材、丸駒インサート等の切削工具素材、並びにベアリングボール及びローラ等の転動体の素材は、一工程における成膜数が３０乃至１０００個であり、ボール直径は例えば２〜１２ｍｍである。しかし、本実施形態においては、本発明を、軸受け用ボール又はロールへのアンバランスドマグネトロンスパッタリングへ適用した例について説明したが、本発明は、これに限らず、種々の部材に対するアンバランスドマグネトロンスパッタリングによる成膜が可能である。例えば、金型の位置決めピン等の金型用部品素材、時計のリューズ等の装飾用部品素材、丸駒インサート等の切削工具素材、並びにベアリングボール及びローラ等の転動体がある。なお、金型ピンは主として円柱状の形状を有し、ピンとして挿入しやすいように通常その両端面は面取りしてある。このような形状の場合も、炭素部を有する固定板を使用することにより、金型ピンが滑るため、成膜過程で疵が発生することが防止される。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明により、軸受け用のボール又はローラ等の小さな精密部品の成膜に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法を適用することが可能となり、このため、迅速に高効率で膜特性が優れた成膜を得ることができるようになる。
【符号の説明】
【００３６】
２：チャンバ
５：基板支持部
６：固定板
７：回転盤
８：孔
１０，１１：カソード
３２，３３：原料
４０：グラファイト部
４１：被成膜体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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