(57)【要約】【課題】半導体や各種造形物または各種切削工具等の目的物の表面に薄膜をコーティングする場合、その薄膜の組成比を薄膜の深さ方向に連続的に変化させることはもちろん、その用途によって組成比を選択して薄膜を蒸着させることで、薄膜の蒸着特性を向上させる拡散薄膜蒸着方法及び装置を提供する。【解決手段】  一つ以上の薄膜物質を目的物に誘導及び蒸着するため、バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーの内いずれか１個以上の工程要素の値を、連続的に変化するように印加し、目的物表面のイオン衝突エネルギーを変化させることで拡散薄膜を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つ以上の薄膜物質を目的物に誘導及び蒸着させるために、バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーから選択されるいずれか１個以上の工程要素を適用する工程と、連続的に変化するように印加して、目的物の表面におけるイオン衝突エネルギーを変化させることで、薄膜造成のリスパッタリングによる拡散薄膜を形成する工程とからなる、拡散薄膜蒸着方法。
【請求項２】
前記バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーの内から選択される１個以上の工程要素が、使用者によって設定された時間内に１回以上連続的に増加または減少することを特徴とする、請求項１記載の拡散薄膜蒸着方法。
【請求項３】
前記バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーの内から選択される１個以上の工程要素の値が、使用者によって設定された時間内に、１回以上増加後減少するか、減少後増加することを特徴とする、請求項１記載の拡散薄膜蒸着方法。
【請求項４】
前記目的物の表面に誘導及び蒸着される拡散薄膜が、薄膜の全体または一部の厚さにおいて、一つ以上の組成比が０．２〜３５％以内で、薄膜の深さ方向に１回以上連続的に増加または減少することを特徴とする、請求項１記載の拡散薄膜蒸着方法。
【請求項５】
前記目的物の表面に誘導及び蒸着される拡散薄膜が、薄膜の全体または一部の厚さにおいて、一つ以上の組成比が０．２〜３５％以内で薄膜の深さ方向に１回以上増加後減少するか、減少後増加することを特徴とする、請求項１記載の拡散薄膜蒸着方法。
【請求項６】
前記拡散薄膜が、単層または多層薄膜に形成され、前記多層薄膜の一つ以上の薄膜組成比が、０．２〜３５％以内で薄膜の深さ方向に１回以上連続的に増加または減少することを特徴とする、請求項１記載の拡散薄膜蒸着方法。
【請求項７】
前記多層薄膜が、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏなどのような遷移金属及およびＡｌ、Ｂ、Ｓｉ金属の少なくとも一つ以上を含む合金ターゲットと、窒素（Ｎ２）、メタン（ＣＨ４）もしくはアセチレン（Ｃ２Ｈ２）のようなカーボン基（Ｃ）、または酸素（Ｏ２）中から選択される一つ以上を含む反応ガスとを用いて形成されることを特徴とする、請求項６記載の拡散薄膜蒸着方法。
【請求項８】
様々な薄膜材料を蒸着するために用いられる、イオン化された前記バイアス電圧、アークパワー、及びスパッタリングパワー等のパワーの波形が、直流（ＤＣ）及びパルス波形のいずれかひとつであることを特徴とする、請求項１記載の拡散薄膜蒸着方法。
【請求項９】
前記拡散薄膜の結晶粒が、１１１及び２００面の半値全幅（ＦＷＨＭ）の範囲が０．７〜２．０以内にあることを特徴とする、請求項１ないし８に記載の拡散薄膜蒸着方法。
【請求項１０】
内部に収容される目的物に拡散薄膜を蒸着させるための真空チャンバーと、
前記真空チャンバーの内部に反応ガスを供給するためのガス供給部と、
前記真空チャンバーに電源を供給するための電源供給部と、
前記真空チャンバーの内部を真空状態にするための真空ポンプと、
前記真空チャンバーに供給される電源の大きさを変化するために制御する制御部とから構成されたことを特徴とする拡散薄膜蒸着装置。
【請求項１１】
前記制御部が、バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワー等の既存の条件と、薄膜の蒸着開始等の使用者命令とを入力するためのキー入力部を備えていることを特徴とする、請求項１０記載の拡散薄膜蒸着装置。
【請求項１２】
前記制御部が、さらに前記キー入力部によって入力されたデータ値を貯蔵するメモリー部を備えていることを特徴とする、請求項１１記載の拡散薄膜蒸着装置。
【請求項１３】
前記制御部が、さらに前記キー入力部によって入力された環境設定値と、薄膜蒸着進行度を外部にディスプレイするディスプレイ部とを備えていることを特徴とする、請求項１１記載の拡散薄膜蒸着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の製造及び各種切削工具などの表面コーティングに使われる拡散薄膜蒸着方法及び装置に関するもので、さらに詳しくは化学蒸着法（ＣＶＤ）ではなく物理蒸着法（ＰＶＤ）により、薄膜蒸着時のイオン衝突エネルギーによるリスパッタリングを利用して、薄膜の組成比を薄膜の深さ方向に連続的に変化させることは勿論、その用途によってその組成比を選択して薄膜を蒸着させ、薄膜及び蒸着の特性を向上させることができる薄膜蒸着方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体や各種造形物または工具等の目的物の表面処理に薄膜を蒸着(あるいは、コーティング)するためには、数ないし数十マイクロメートル(μｍ) 厚さの薄膜を蒸着することができるＰＶＤ(Physical Vapor Deposition) 装置が使われており、このような薄膜蒸着装置は、その用途及び周辺環境によって高硬度性、耐磨耗性及び耐衝撃性などの多様な条件を満足する薄膜を製造できることを要求されている。
【０００３】
従って、薄膜蒸着方法、薄膜物質及び投入する反応ガスのような各種蒸着環境を改善し、前述した高硬度性、耐磨耗性、耐衝撃性及び耐熱性などを皆満足する良好な特性の薄膜を提供する努力が成されている。
【０００４】
このような例として、図１に示されるように、目的物をＴｉＡｌＮ薄膜でコーティングする場合、互いに相反する要因(factor)である耐磨耗性および耐衝撃性の両方を向上させるため、耐磨耗性はもちろん耐熱性が優秀なアルミナイトライド薄膜層（アルミ: レイヤー２、レイヤー４）に加え、高硬度であり潤滑性が優秀なチタンナイトライド薄膜層（チタン： レイヤー１、レイヤー３）、またはその他の示していない多様な薄膜層を積層させ、耐磨耗性および耐衝撃性の両方を満足できる多層薄膜１０をコーティングするようにしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、以上のように、アルミナイトライド薄膜層(レイヤー２及びレイヤー４)およびチタンナイトライド薄膜層（レイヤー１及びレイヤー３）を、多層構造（レイヤー１ないしレイヤー４）を形成するため蒸着すると、各層（レイヤー１／レイヤー２／レイヤー３／レイヤー４）自体では前述した耐磨耗性または耐衝撃性のいずれか一つの特性を向上させることができるが、前記各層（レイヤー１／レイヤー２/ レイヤー３／レイヤー４）の間に結合部(あるいは、分層)が形成され、クラック及び分離が発生するという問題点に加え、多層構造全体としての薄膜１０特性を格段には向上させることができないという問題点もあった。
【０００６】
そこで、本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、半導体や各種造形物または各種切削工具等の目的物の表面に薄膜をコーティングする場合、その薄膜の組成比を薄膜の深さ方向に連続的に変化させることはもちろん、その用途によって組成比を選択して薄膜を蒸着させることで、薄膜の蒸着特性を向上させる拡散薄膜蒸着方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及び装置は、一つ以上の薄膜物質を目的物に誘導及び蒸着するため、バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーの内いずれか１個以上の工程要素の値を、連続的に変化するように印加し、目的物表面のイオン衝突エネルギーを変化させることで、薄膜造成のリスパッタリングによる拡散薄膜を形成することを特徴とする。
【０００８】
この時、前記バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーの内いずれか１個以上の工程要素の値が、使用者によって設定された時間内に、１回以上連続的に増加または減少することを特徴とする。
【０００９】
また、前記バイアス電圧 、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーの内いずれか１個以上の工程要素の値が、使用者によって設定された時間内に、１回以上増加後減少するか、減少後増加することを特徴とする。
【００１０】
そして、前記目的物の表面に誘導及び蒸着される拡散薄膜は、薄膜の全体または一部の厚さにおいて、一つ以上の組成比が０．２〜３５％以内で、薄膜の深さ方向に１回以上連続的に増加または減少することを特徴とする。
【００１１】
また、前記目的物の表面に誘導及び蒸着される拡散薄膜は、薄膜の全体または一部の厚さにおいて、一つ以上の組成比が０．２〜３５％以内で、薄膜の深さ方向に１回以上増加後減少するか、減少後増加することを特徴とする。
【００１２】
また、前記拡散薄膜は、単層または多層薄膜に形成するが、前記多層薄膜の構成要素の一つ以上の組成比が、０．２〜３５％以内になるよう、薄膜の深さ方向に１回以上連続的に増加または減少することを特徴とする。
【００１３】
この時、前記複合層の構成要素は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、ＮｂもしくはＭｏと、Ａｌ、Ｂ及びＳｉから選択される少なくとも一つの金属とを含む遷移金属と、窒素（Ｎ２）、メタン（ＣＨ４）もしくはアセチレン（Ｃ２Ｈ２）等のカーボン基（Ｃ）、または酸素（Ｏ２）から選択される一つ以上を含む反応ガスとから成る合金ターゲットを用いて形成することができる。
【００１４】
そして、前記バイアス電圧及びアーク、スパッタあるいはイオン化された各種薄膜物質を蒸着する電源の波形は、直流（ＤＣ）及びパルス波形の内のいずれかひとつであることを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記拡散薄膜の結晶粒は、１１１及び２００面の半値全幅（ＦＷＨＭ）の範囲が０．７〜２．０以内であることを特徴とする。
【００１６】
一方、本発明に係る拡散薄膜蒸着装置は、内部に収容する目的物に拡散薄膜を蒸着させるための真空チャンバーと、前記真空チャンバーの内部に反応ガスを供給するためのガス供給部と、前記真空チャンバーに電源を供給するための電源供給部と、前記真空チャンバーの内部を真空状態にするための真空ポンプと、前記真空チャンバーに供給される電源の大きさを可変的に制御する制御部とから構成されることを特徴とする。
【００１７】
前記制御部は、バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワー等の設定条件をインプットするためのキー入力部と、薄膜の蒸着を開始するためのコマンドを含む利用者のユーザーコマンドとを含んでもよい。
【００１８】
また、前記制御部は、前記キー入力部によって入力されたデータ値を貯蔵するメモリー領域を含んでもよい。
【００１９】
また、前記制御部は、前記キー入力部によって入力された環境設定値および薄膜蒸着進行度を、外部にディスプレイするディスプレイ部を含んでもよい。
【発明の効果】
【００２０】
以上の説明で分かるように、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及び装置によれば、半導体や各種造形物または各種工具などの目的物表面に薄膜をコーティングする場合、バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーのいずれか１個以上の工程要素を、連続的に変化するように調整し、目的物の表面に形成される薄膜の組成比を連続的に変化させることはもちろん、その用途によって組成比を選択して薄膜を蒸着させることで、薄膜の蒸着特性を向上できる効果を有する。
【００２１】
また、本発明によれば、目的物に薄膜を蒸着する時、バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーを連続的に変化させることができ、工程要素の数量を任意に選択することが可能で、同一の薄膜物質を利用してもその用途や材質などに相応しい薄膜を蒸着させることができる効果を更に有する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術に係る薄膜蒸着装置及び方法による薄膜を説明するための例示図である。
【図２】本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及びそれによる薄膜蒸着率の変化を説明するための例示図である。
【図３】本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及びそれによって蒸着された薄膜を説明するための第１例示図である。
【図４】本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及びそれによって蒸着された薄膜を説明するための第２例示図である。
【図５】本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及びそれによって蒸着された薄膜を説明するための第３例示図である。
【図６】本発明に係る拡散薄膜蒸着方法を説明するためのブロック図である。
【図７】本発明に係る拡散薄膜蒸着装置を説明するための概略構成図である。
【図８】本発明に係る拡散薄膜蒸着装置の１実施の形態を説明するための構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法を添付した図面を参照し、以下に詳しく記述される実施の形態によってその特徴を理解することができる。
【００２４】
図２は、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及びそれによる薄膜蒸着率の変化を説明するための例示図であり、図３は、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及びそれによって蒸着された薄膜を説明するための第１例示図である。また図４は、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及びそれによって蒸着された薄膜を説明するための第２例示図であり、図５は、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及びそれによって蒸着された薄膜を説明するための第３例示図である。さらに図６は、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法を説明するためのブロック図である。
【００２５】
本発明は、半導体及び各種切削工具などの目的物の表面に薄膜をコーティングする場合、化学反応によって多数の組成物を拡散させる化学蒸着法（ＣＶＤ）に代わり、物理蒸着法（ＰＶＤ）、すなわち物理的なイオン衝突エネルギーによるリスパッタリング(Resputtering)を利用して拡散薄膜を蒸着させる拡散薄膜蒸着方法及び装置に関する。
【００２６】
また、本発明は、薄膜蒸着時に、その薄膜の組成を深さ方向に連続的に変化させ拡散薄膜を成膜する。この得られた薄膜は、数百層以上のスーパーマルチレイヤー(super multi layer)として機能し、その結果、より高い硬度を示す。
【００２７】
さらに、２つ以上の組成物から成る薄膜を形成するため、薄膜の組成比を連続的に変化させた場合、高硬度に限らず、耐磨耗性のみならず耐衝撃性及び耐熱性を向上させることができる。また、その用途によって、薄膜の組成における増加もしくは減少の開始ポイントを選択することで、希望する形状及び性質を有する薄膜を形成することができる。
【００２８】
このような目的物の表面に形成される薄膜の組成比を可変調整するため、本発明は、薄膜物質を目的物に誘導及び蒸着するのに必要な、バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーのいずれか１個以上の工程要素の値を、使用者によって設定された時間内に、連続的に変化させることができるようにした。
【００２９】
バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーの内いずれか１個以上の工程要素を連続的に変化させると、薄膜組成の変化量を、薄膜の深さ方向に、使用者によって設定された時間内に、少なくとも１回以上増加または減少するように制御される。
【００３０】
また、前記バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーのいずれか１個以上の工程要素の値を、それぞれ独立的及び連続的に、言い換えれば、バイアス電圧のみを調整するか、アークまたはスパッタリングパワーのみを調整するか、ガスの投入量を調整して真空度のコンダクタンス(Conductance)のみを調整したとしても、目的物の表面に形成される薄膜イオンの衝突エネルギーが変化し、イオンの大きさによってリスパッタリング(Resputtering)される量が変わり、多層薄膜のように薄膜の組成比が変化する。このように薄膜造成の変化量を調整することができ、多様な材質からなる目的物の形状及び性質に相応しい最適の薄膜を形成することができる。
【００３１】
先ず、数ないし数十マイクロメートル(μｍ)厚さの範囲内で蒸着可能な薄膜においては、その用途及び周辺環境によって、高硬度、耐磨耗性、高靭性、耐衝撃性及び耐熱性などの多様な特性を有することが要求されている。
【００３２】
すなわち、単一組成の金属ターゲットを利用して数ないし数十マイクロメートルの軽量薄膜をコーティングする場合、同一な厚さの単層薄膜と比べて高硬度になる。硬度は、図示しない多層構造を有する拡散薄膜の組成比の増加もしくは減少周期に比例して増強される。
【００３３】
そして、拡散薄膜の層数は、薄膜コーティング時間のターンテーブルのローテーション回数（ＲＰＭ）に比例して増加する。
【００３４】
図２は、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及びそれによる薄膜蒸着率の変化を説明するための例示図である。
【００３５】
図２に示されるように、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法では、イオン化された各種薄膜物質(ターゲットまたは蒸発源とも言う)を基板及び各種造形物などの目的物に誘導及び蒸着するため、アーク、スパッタリング、あるいはバイアス電圧を、薄膜蒸着の全時間あるいは薄膜蒸着時間の所定時間内で使用者により設定された既定時間中、連続して変化させている。
【００３６】
例えば、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の割合が５：５であるイオン化された薄膜物質と、反応ガスとして窒素ガスが供給されるアークソースとを利用して、各種目的物に薄膜をコーティングする。バイアス電圧が、設定された時間に連続的に変化すると、真空チャンバー５０内に存在する前記イオン状態のチタン及びアルミニウムが目的物に蒸着する蒸着率２１ｂ、２１ｃも変化する。
【００３７】
すなわち、真空チャンバー５０内に、チタンとアルミニウムイオンとが約５：５の割合で存在すると、目的物上にも約５：５の割合で蒸着されなければならない。電圧スロープ２１ａ(Ｖｓｌｏｐｅ)で示されるように、バイアス電圧を高めて高電圧が印加されると、相対的にサイズが小さなアルミニウム粒子がチタン粒子よりさらに速い速度で目的物と衝突して蒸着が起きる。その上に、続いてアルミニウム粒子とチタン粒子とが衝突し、蒸着が起きる。この時蒸着されたアルミニウム粒子は、チタン粒子より相対的により大きく反発するようになる(以下、リスパッタリングという)。バイアス電圧値の大きさによって僅かに差があるが、アルミニウムの蒸着率２１ｂとチタンの蒸着率２１ｃは、約４：６程度になる。
【００３８】
反対に、バイアス電圧を低めて低電圧が印加されると、各粒子の衝突速度も減少し、蒸着されたアルミニウム粒子のリスパッタリングが減少する。アルミニウムの蒸着率は、４０％から５０％に増加し、チタンの蒸着率は、約６０％から５０％に減少し、約５：５のアルミニウム対チタンの割合を成す。
【００３９】
したがって、所定時間の間連続してバイアス電圧を高電圧から低電圧あるいは低電圧から高電圧に変化させれば、上述したような変化が連続的に発生するようになって、アルミニウムとチタンの長所とを全て備えた混合薄膜をコーティングすることができる。同様に、バイアス電圧の変化は、ゆっくり連続的に変化させることによって、薄膜に分層が発生しなくなり、具体的には層間分離した部分を発生させない物理的な方法を用いると、拡散薄膜を形成して、さらに薄膜特性を向上させることができるようになる。
【００４０】
そして、アークパワー及びスパッタリングパワー及び窒素ガス量を変化させて適用する場合にも、バイアス電圧を印加する時と同様に、リスパッタリング効果及び平均自由行路(Mean Free Path)が変わり、薄膜の組成比が薄膜の深さ方向に変化する拡散薄膜を形成することができる。
【００４１】
また、前記バイアス電圧、アークパワー並びにスパッタリングパワー、及びガス量の工程要素の中で、１個以上を連続的に変化させた場合にも、高硬度、耐磨耗性、高靭性、耐衝撃性及び耐熱性に優れた薄膜を製造することができる。
【００４２】
そして、単一もしくは複数組成ターゲット以外に、二つ以上の反応ガスを同時に供給する場合にも、反応ガスの量に依存して組成物のリスパッタリングの程度が変化し、薄膜の深さ方向に薄膜組成の差が現われる。
【００４３】
一方、目的物の表面に誘導及び蒸着された拡散薄膜は、薄膜の全体または一部の厚さにおいて、一つ以上の組成比が０．２％〜３５％以内で、薄膜の深さ方向で１回以上連続的に増加または減少することが望ましい。薄膜の組成比が０．２％未満の場合には、組成に差がない場合と比べると、耐磨耗性及び耐靭性が極めて類似しており、薄膜の組成比が最大３５％を上回るように変化させた場合には、薄膜のストレスが増加し、１０μｍ以上の厚膜をコーティングした時に、一部剥離が発生することがある。
【００４４】
また、前記のように一つ以上の薄膜組成比が０．２％〜３５％以内で形成される場合、薄膜組成比を連続的に増加または減少させず、増加後減少させたり、もしくは減少後増加させることを数百回以上繰り返して厚膜を形成する。この場合、剥離がない高品質の薄膜を形成することができる。組成が多く変化した拡散薄膜は、組成比の変化がない薄膜と比べると、ストレスを受けずに(stress relief)、数十ミクロメータの薄膜の形成を促進する。
【００４５】
この時、好ましくは、組成比が２０%以内で増加あるいは減少する場合に、硬度及び薄膜の物性が改善される。さらに好ましくは、組成比が１０％以内で増加あるいは減少する場合に、硬度及び薄膜の物性が最高値となる。
【００４６】
そして、一般的に切削工具にライトコーティングをする場合、その用途によって、まず成長方向を１１１または２００面で成膜させ、耐磨耗性を向上させるために、既存の数ミクロメータから、さらに数十ミクロメータの厚さでコーティングをする。しかし、このように膜が厚くコーティングされると、一方向に円柱状の結晶構造を有し、その結果、薄膜の残留応力が薄膜の厚さに比例して増加せず、剥離が容易に発生して望ましくない。
【００４７】
反対に、本発明のように拡散薄膜を形成する場合は、薄膜の残留応力を制御することができる。例えば、バイアス電圧を、高電圧から低電圧に連続的に減少させた後、増加することを何度も繰り返した場合には、まず成長方向が電圧に比例して１１１から２００、そして再び１１１面に変わるため、一方向に円柱状の結晶構造が薄膜に形成されることは抑制され、それぞれの層ごとに微細構造が形成される。
【００４８】
また、Ｘ線分析結果のように、拡散薄膜の結晶粒は、１１１、２００面の半値全幅(ＦＷＨＭ)が０．７゜〜２．０゜範囲内で、アモルファス (Amorphous)相(決定性ピークのブロード)化を示している。切断時においては、破断面は抵抗を有する傾斜面の形状で観察されるが、垂直には切れていない。
【００４９】
図３は、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及びそれによって蒸着された薄膜を説明するための第１例示図であり、図４は、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及びそれによって蒸着された薄膜を説明するための第２例示図であり、図５は、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法及びそれによって蒸着された薄膜を説明するための第３例示図である。
【００５０】
図３の（ａ）から明らかなように、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法では、アーク電流スロープ１（Ａｒｃｓｌｏｐｅ-１、２２ａ）及びアーク電流スロープ２（Ａｒｃｓｌｏｐｅ-２、２２b）で示される。薄膜蒸着の全時間もしくはその一部の時間、アーク電流を繰り返し増加及び減少（高電流→低電流→高電流→低電流）させる。
【００５１】
したがって、図３の（ｂ）に示されるように、蒸着薄膜２２ｃは、分層構造を示さないが、拡散構造を有しており、従って薄膜２２ｃの層間分離を防止することは勿論、耐靭性、耐磨耗性、及び耐衝撃性など多様な特性を同時に満足することができる。
【００５２】
同様に、既定時間中、アーク電流を連続的に変化させる。薄膜硬度及び耐磨耗性を向上させるためには、アーク電流スロープ１（２２ａ）に示すように、好ましくは高電流から始めて低電流に変化させる。薄膜２２ｃの耐靭性を向上させるためには、電流スロープ２（２２ｂ）に示すように、好ましくは低電流から始めて高電流に変化させる。
【００５３】
そして、図４(a)から明らかなように、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法において、ガス量スロープ３（Ｇａｓｓｌｏｐ-３、２３ａ） 及びガス量スロープ４（Ｇａｓｓｌｏｐｅ-４、２３ｂ）で示すように、薄膜蒸着時間の全時間もしくはその一部の時間、反応ガス量を繰り返し減少(高→低、高→低) または増加(低→高、低→高)させて、工程(process)途中の真空コンダクタンスを変化させた。
【００５４】
また、図４（ｂ）に示すように、薄膜は多層薄膜の形状で蒸着されている。各層が拡散構造を有し、耐靭性、耐磨耗性及び耐衝撃性など多様な特性を同時に満足することができる。しかしながら、薄膜２３ｃの層間分離の特性は、図３と比較して僅かに低下することもある。
【００５５】
さらに、図５（ａ）に明らかなように、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法においては、電圧スロープ５（Ｖｓｌｏｐｅ-５、２４ａ）及びアーク電流スロープ６（Ａｒｃｓｌｏｐｅ-６、２４ｂ）に示すように、薄膜蒸着の全時間もしくはその一部の時間、バイアス電圧を繰り返し減少し、その後維持(高電圧→低電圧→低電圧)する一方で、アーク電流を繰り返し増加しその後維持(低電流→高電流→高電流)する。
【００５６】
したがって、図５（ｂ）に見られるように、蒸着された薄膜は、分層構造は示さないが、拡散構造を有しており、薄膜２４ｃの層間分離を防止すると同時に、耐靭性、耐磨耗性、及び耐衝撃性など多様な特性を満足する。
【００５７】
特に、バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーのような工程要素は、さらにゆっくり増加あるいは減少させることで、薄膜密着力を向上させることができるようになる。
【００５８】
そして、前述のように、拡散薄膜は、単層または多層薄膜に形成することができる。このような場合、高温硬度値及び耐熱性を向上させるために、ターゲットの組成は、チタン（Ｔｉ）、 バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ (Niobium、Ｎｂ)、モリブデン（Ｍｏ）などの遷移金属と、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）及びシリコーン（Ｓｉ）のような金属とから成る、複数の組成物を有す合金ターゲットを含んでいる。
【００５９】
また、前記合金ターゲットと反応する反応ガスは、通常窒素（Ｎ２）が使われる。尚、メタン（ＣＨ４）またはアセチレン（Ｃ２Ｈ２）のようなカーボン基（Ｃ）、または酸素（Ｏ２）などを含んだ反応ガスも、用途によって前記反応ガスと組み合わせることができる。
【００６０】
すなわち、複数の組成物を有する合金ターゲットと、複数反応ガスからなる軽量の薄膜においては、バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーから選択されるいずれか１個以上の工程要素を連続的に変化させるため、前記組成物中の金属あるいはガスイオンの大きさに依存して、薄膜の深さ方向に組成比が変化し、その結果、変化幅が０．２〜３５％以内で１回以上連続して変化する拡散薄膜が形成される。
【００６１】
このように、バイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーから選択される１個以上の工程要素が、設定された時間中、連続的に変化することで、薄膜の組成比の変化量が、少なくとも１回増加または減少させるか、薄膜の深さ方向において、前記使用者によって設定された時間内に、少なくとも１回増加または減少させることで、拡散薄膜を形成することができ、図示していないが、数百層以上のスーパーマルチレイヤーとして機能し、その結果、高硬度性及び耐磨耗性、耐靭性及び耐衝撃性を向上させる。最終用途により、蒸着する薄膜の組成における増加もしくは減少の開始ポイントを選択し、目的物の形状および特性に合った薄膜の形成が可能である。
【００６２】
以下、図６を参照し、本発明に係る拡散薄膜蒸着方法による薄膜蒸着の過程を説明する。
【００６３】
図６に示されるように、本発明に係る薄膜蒸着は、バイアス電圧、アーク電流、及び反応ガス量の最大値、最小値、及びその変化量などの既存の条件を、当該薄膜蒸着にそのまま使用するかどうかについて判別（Ｓ３１）する。既設定された条件を変更なしに使うことが選択されれば、前記既設定された条件によって薄膜蒸着を開始（Ｓ３５）する。
【００６４】
一方、異なる条件で、薄膜蒸着する場合には、使用者のキー入力によってバイアス電圧、アーク電流、反応ガス量の最大値、最小値及びその変化量などの条件をステップＳ３２ａ、Ｓ３２ｂ、Ｓ３２ｃでそれぞれ設定する。
【００６５】
条件がステップＳ３２ａ、Ｓ３２ｂ、Ｓ３２ｃで設定された後、薄膜の用途によって、バイアス電圧、アーク電流及び反応ガス量の初期開始値をステップＳ３３で選択する。
【００６６】
すなわち、バイアス電圧を低電圧から始めて高電圧に変化させるか、または高電圧から始めて低電圧に変化させるかを選択する。ターゲットに印加されるアーク電流も、低電流から始めて高電流に変化させるか、または高電流から始めて低電流に変化させるかを選択し、また反応ガス量をステップＳ３３で選択する。
【００６７】
初期開始値をステップＳ３３で選択した後、後続条件、例えば電圧スロープ、電流スロープ、反応ガス投入量に対するスロープをステップＳ３４で選択する。例えば、スロープの場合、図３ないし図５に示すように、多様なスロープ（２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ）の中のいずれか一つを選択する。また、スロープは上の例示以外に、多様な傾斜勾配を有し連続的に変化する形態を設定及び選択することが可能であり、当業者水準で自明である。
【００６８】
以上のような条件がステップＳ３４で選択されれば、薄膜蒸着をステップＳ３５で開始する。続いて蒸着が完了したかを判別し、もし蒸着が完了したら終了し、蒸着が完了していなかったら、前述のような一連の工程（ルーチン）が繰り返される。
【００６９】
このように、使用者の選択によって、バイアス電圧、アーク電流、反応ガス量を設定することで、多様な種類の目的物の表面に薄膜を形成することができる。得られた薄膜は、拡散構造を有しているため、薄膜の層間分離を防止することが出来るし、耐靭性、耐磨耗性、及び耐衝撃性など多様な特性を同時に満足することができることは勿論、その用途に相応しい薄膜を製造することができる。
【００７０】
次に、本発明に係る拡散薄膜蒸着装置を、添付された図面を参照し、詳しく説明する。
【００７１】
図７は、本発明に係る拡散薄膜蒸着装置を説明するための概略的な構成図であり、図８は、本発明に係る拡散薄膜蒸着装置の１実施の形態を説明するための構成図である。
【００７２】
図７に示されるように、拡散薄膜蒸着装置は、目的物(あるいは、基板)５６に拡散薄膜を蒸着させるための真空チャンバー(あるいは、システム)５０と、ＭＦＣ(Mass Flow Controller)を利用して前記真空チャンバー５０の内部に反応ガスを供給するためのガス供給部４６と、前記真空チャンバー５０に電源を供給するための電源供給部４１と、前記真空チャンバー５０内部を真空状態にするための真空ポンプ４８と、前記真空チャンバー５０に供給される電源の大きさが変化するように制御する制御部４３とから構成される。
【００７３】
前記拡散薄膜蒸着装置には、イオンプレーティング 、スパッタリング及び混合タイプなどのＰＶＤ法を実施できる多様な薄膜蒸着装置が含まれる。以下で、その中からアークソースを利用したイオンプレーティング装置を例を挙げて説明する。
【００７４】
図８に示すように、前記真空チャンバー５０は、上部に前記ＭＦＣ(図示せず)を利用して、ガス供給部４６から反応ガスを真空チャンバー５０の内部に供給する反応ガス供給口５３が形成されている。前記真空チャンバー５０の下部には、前記真空ポンプ４８によって、反応チャンバー５０の内部を真空状態にしたり、反応ガスを排出するための反応ガス排出口５４が形成されている。
【００７５】
また、前記真空チャンバー５０は、一側に少なくとも一つまたは複数の装着された陰極ターゲットまたは蒸発源５２と、前記ターゲットまたは蒸発源５２をアーク放電によって溶融及び蒸発させるアーク蒸発源５１と、イオン蒸着させようとする基板(あるいは、目的物)５６などを支持し、ターゲットまたは蒸発源５２でイオン化された微細粒子を引き寄せるようにバイアス電圧が印加される基板ホルダー５５とを有している。
【００７６】
勿論、前記真空チャンバー５０の反応ガス排出口５４は、真空ポンプ４８と接続され、真空チャンバー５０内部の真空状態を維持したり、制御したりする。
【００７７】
また、必要によっては前記基板５６に薄膜を蒸着させる前に、前記基板５６の表面をイオン洗浄して薄膜の密着力及び均一度を高めるために、それぞれ陰（−）電位と陽（＋）電位がかかるＨＣＤ(Hollow Cathode Discharge) ガン５７ａ及びハース（hearth）５７ｂを設けることが可能で、ハース５７ｂと基板５６との間に補助陽極(図示せず)を配置することも可能である。
【００７８】
そして、前記電源供給部４１は、設定された環境値によって前記真空チャンバー５０にバイアス電圧、アーク電流のような電源を供給する役目を果たす。
【００７９】
一方、前記制御部４３は、キー入力部４５、メモリー部４２及びディスプレイ部４４を付加設置することもできる。前記キー入力部４５は、前述のバイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーなどの環境設定及び薄膜の蒸着開始などのような使用者命令を入力する役目を果たす。前記メモリー部４２は、前記キー入力部４５によって設定された電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーなどの情報データを貯蔵する役目を果たす。前記ディスプレイ部４４は、前記キー入力部４５を通じて入力された環境設定値と、既設定された環境設定値及び薄膜蒸着進行度などを外部に表示する役目を果たす。
【００８０】
したがって、前記制御部４３は、前記キー入力部４５を通じて入力された環境設定値などをメモリー４２に貯蔵するか、前記メモリー４２から読み出しできるようにデータを処理することはもちろん、設定された環境設定値によって電源供給部４１の出力を制御する役目を果たす。
【００８１】
前述のようなバイアス電圧、ガス量、アークパワー及びスパッタリングパワーのいずれか１個以上の工程要素を、連続的および可変的に調整することで、蒸着された拡散薄膜は分層構造を示さずに拡散構造を有し、従って薄膜の層間分離を防止することができるようになることは勿論、耐靭性、耐磨耗性及び耐衝撃性など多様な特性を同時に満足できるようになる。同様に、開始電圧を選択することが可能なため、その用途に相応しい薄膜の蒸着が可能である。ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＴｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＣｒＮなどのような単一薄膜、またはＴｉＮ／ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ／ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＮ／ＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ／ＴｉＣｒＡｌＮ、ＴｉＡｌＮ／ＴｉＡｌＳｉＮなどのような複合多層薄膜を形成する場合、一つ以上の薄膜を拡散薄膜に蒸着することができ、またその組成比は０．２〜３５％以内で１回以上連続して変化する。
【００８２】
以上で、本発明に係る電圧変化型薄膜蒸着方法及び装置に対して説明した。このような本発明の技術的構成は、本発明が属する技術分野の当業者であれば、本発明のその技術的思想や必須特徴を変更せずとも、他の具体的な形態で実施されることを理解できるはずである。
【００８３】
特に、上記では、各種処理対象物をコーティングするための薄膜蒸着を具体的な例を挙げて説明したが、本発明はここに限定するのではなく、ゲート(gate)、ビットライン(bit line)、絶縁層(あるいは、スペーサー)、及びバイア(via)など薄膜蒸着工程が要求される半導体の製造に対しても、本発明が適用できることは当業者水準で自明である。
【００８４】
また、以上ではアークパワー及びスパッタリングパワーとして直流波形及びパルス波形の電力値のみを例示した。しかしながら、前述したような変化電圧値、最大値、最小値、及び最大値と最小値の差値、週期などの数値限定を除けば、高周波（ＲＦ）を含んだ交流（ＡＣ）タイプの電力値でも所定時間に連続して増加あるいは減少させながら薄膜を蒸着できることは、当業者の水準で自明だろう。
【００８５】
従って、以上に記述した実施の形態はすべての面で例示的であり限定的ではないとして理解されるべきであり、本発明の範囲は、前述の詳細な説明ではなく後述する特許請求範囲によって現わされ、特許請求範囲の意味及び範囲そしてその等価概念から導出されるすべての変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれることと解釈されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、半導体の製造及び各種切削工具などの表面コーティングに使われる拡散薄膜蒸着方法及び装置に関し、さらに詳しくは化学蒸着法（ＣＶＤ）ではない物理蒸着法（ＰＶＤ）で薄膜蒸着の時イオン衝突エネルギーによるリスパッタリングを利用し、薄膜の組成比を薄膜の深さ方向に連続的に変化させることは勿論、その用途によってその組成比を選択して薄膜を蒸着させ、薄膜及び蒸着の特性を向上させることができる薄膜蒸着方法及び装置に関する。
【符号の説明】
【００８７】
４１・・電源供給部、４６・・ガス供給部、５０・・真空チャンバー、５１・・アーク蒸発源、５２・・陰極ターゲット（または蒸発源）、５３・・反応ガス供給口、５４・・反応ガス排出口、５５・・基板ホルダー、５６・・基板、５７ａ・・ＨＣＤガン、５７・・ハース。
【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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【図８】
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【国際調査報告】
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