(57)【要約】【課題】所定の組成比の膜を成膜して高靱性、耐摩耗性と密着力向上とを両立させる。【解決手段】Ｎ2 ガスの導入手段を有する真空槽１１と、Ｍ（Ｍは、Ｔi またはＣr ）用、Ａl 用のハース３１、３１と、ホローカソード形の電子銃２０、２０と、電子ビーム電源と、ワークＷ、Ｗ…用のバイアス電源と、質量分析計５０と、組成比制御系とを設ける。【選択図】図１
2008202087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍ（ただし、Ｍは、Ｔi またはＣr ）、Ａl 、Ｎの金属化合物膜であって、全膜厚について組成比率ｒ＝Ａl ／（Ｍ＋Ａl ）≦０．７であり、Ｍ、Ａl の各組成比が膜表面側に向けてそれぞれ連続的に減少し、増加する組成傾斜層を膜厚の中間部に含むことを特徴とする金属化合物膜。
【請求項２】
０．３５≦ｒ≦０．７の範囲内でＭ、Ａl の各組成比が一定であり、しかも、内部応力が膜表面側に向けて連続的に増加して減少する応力傾斜層を膜厚の表面部に含むことを特徴とする請求項１記載の金属化合物膜。
【請求項３】
ワークの表面に金属化合物膜を成膜するに際し、真空槽内にＮ2 ガスを導入しながら、ホローカソード形の電子銃をパルス駆動することによりＭ（ただし、Ｍは、Ｔi またはＣr ）用、Ａl 用の各ハースに電子ビームを投射し、Ｍ、Ａl を同時に蒸発させてイオン化させ、真空槽内のワークの表面に成膜するとともに、ワークの周辺のＭイオン量、Ａl イオン量の比に基づいて各電子銃からの電子ビームのデューティ比を制御し、膜内のＭ、Ａl の各組成比を制御することを特徴とする成膜方法。
【請求項４】
真空槽内のＮ2 ガスの分圧に基づいてＮ2 ガスの流量を制御するとともに、Ｎ2 ガスの流量に基づいて各電子銃からの電子ビーム電流を制御することを特徴とする請求項３記載の成膜方法。
【請求項５】
Ｎ2 ガスの導入手段を有する真空槽と、該真空槽内に設けるＭ（ただし、Ｍは、Ｔi またはＣr ）用、Ａl 用のハースと、該ハースにそれぞれ対向するホローカソード形の電子銃と、スイッチング回路を介して前記電子銃に接続する電子ビーム電源と、前記真空槽内のワークにバイアス電圧を与えるワーク用のバイアス電源と、ワークの周辺のＭイオン量、Ａl イオン量を検知する質量分析計と、組成比制御系とを備えてなり、該組成比制御系は、前記質量分析計からのＭイオン量、Ａl イオン量の比に基づき、前記スイッチング回路を介して前記各電子銃からの電子ビームのデューティ比を制御してＭ、Ａl の蒸発量を制御することを特徴とする成膜装置。
【請求項６】
成膜レート制御系を付設し、該成膜レート制御系は、前記真空槽内のＮ2 ガスの分圧に基づき、Ｎ2 ガス用のマスフローコントローラを介してＮ2 ガスの流量を制御するとともに、Ｎ2 ガスの流量に基づいて前記電子ビーム電源の出力電流を制御することを特徴とする請求項５記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高性能な切削加工工具や成形金型などを作る際に有用な金属化合物膜と、その成膜方法、成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削加工工具や成形金型などの一層の性能向上のために、ＴiＡlＮ、ＣrＡlＮなどの金属化合物膜の成膜技術が研究されている。
【０００３】
これらの金属化合物膜は、アークイオンプレーティング法により、所定の組成比のターゲット材料をアーク放電によって蒸発（昇華を含む、以下同じ）させてイオン化し、外部から導入するＮ2 ガスと反応させてワークの表面に付着堆積させて成膜するのが一般的である。なお、ＴiＡlＮ膜やＣrＡlＮ膜は、Ａl を含むことにより、耐酸化性に優れているとともに、内部応力が高められることにより、靱性（耐クラック性）、耐摩耗性にも優れている反面、ワークとの密着力が不足する傾向がある。そこで、成膜中のワークに印加するバイアス電圧を適切に変化させることにより、膜の内部応力を緩和して密着力を向上することが見出され、このような応力緩和層を多層に配置することが提案されている（特許文献１〜３）。
【０００４】
一方、アークイオンプレーティング法では、ワーク上に形成される薄膜中に塊状粒子（いわゆるドロップレット）が混入したり、クラスタ粒子が発生したりすることにより、膜表面の面粗さが悪くなったり膜質の均一性が損なわれたりする上、微量成分を添加するときは、それをあらかじめターゲット材料に所定の組成比で添加しておかなければならず、ターゲット材料の準備コストが過大になるなどの問題がある。そこで、アーク放電に代えて、ホローカソード形の電子銃からの電子ビームを使用するホローカソードイオンプレーティング法が注目されている（たとえば特許文献４）。
【特許文献１】特開平１１−６１３８０号公報
【特許文献２】特開２００３−１１３４６３号公報
【特許文献３】特開２００６−２８１３６３号公報
【特許文献４】特開２００５−２９８８６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる従来技術の前者（特許文献１〜３）によるときは、ワークに飛来する金属イオンの比率は、ターゲットの組成に従う一方、ワークに印加するバイアス電圧により各イオンが選択的にスパッタされるため、所定の組成比の膜が形成されないという問題がある。一方、後者（特許文献４）によるときは、Ｔi またはＣr 用のハースと、Ａl 用のハースとに向けてホローカソード形の電子銃からの電子ビームを投射し、各ハースに対する投入エネルギを制御して所定の組成比の膜を成膜するが、投入エネルギと膜の組成比との相関性にばらつきを生じ易く、組成比の再現性が不十分であることが分かった。また、ワークにバイアス電圧を印加して内部応力を制御するときは、各イオンが選択的にスパッタされることによる組成比の誤差も併せて問題となる。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、ホローカソードイオンプレーティング法において、質量分析計によるイオン量の計測結果に基づいて各ハースに対する投入エネルギを制御することによって、ワークにバイアス電圧を印加しても、所定の組成比の膜を確実に成膜することができ、高靱性、耐摩耗性と密着力向上とを適切に両立させることができる金属化合物膜と、その成膜方法、成膜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】
かかる目的を達成するためのこの出願に係る第１発明（請求項１に係る発明をいう、以下同じ）の構成は、Ｍ（ただし、Ｍは、Ｔi またはＣr ）、Ａl 、Ｎの金属化合物膜であって、全膜厚について組成比率ｒ＝Ａl ／（Ｍ＋Ａl ）≦０．７であり、Ｍ、Ａl の各組成比が膜表面側に向けてそれぞれ連続的に減少し、増加する組成傾斜層を膜厚の中間部に含むことをその要旨とする。ただし、組成比率ｒの算出式中のＭ、Ａl は、それぞれＭ、Ａl の原子数を示すものとし、Ｍ、Ａl の各組成比は、Ｍ、Ａl 、Ｎの原子数の合計に対するＭ、Ａl の原子数の比によって表すものとする。
【０００８】
なお、０．３５≦ｒ≦０．７の範囲内でＭ、Ａl の各組成比が一定であり、しかも、内部応力が膜表面側に向けて連続的に増加して減少する応力傾斜層を膜厚の表面部に含むことができる。
【０００９】
第２発明（請求項３に係る発明をいう、以下同じ）の構成は、ワークの表面に金属化合物膜を成膜するに際し、真空槽内にＮ2 ガスを導入しながら、ホローカソード形の電子銃をパルス駆動することによりＭ（ただし、Ｍは、Ｔi またはＣr ）用、Ａl 用の各ハースに電子ビームを投射し、Ｍ、Ａl を同時に蒸発させてイオン化させ、真空槽内のワークの表面に成膜するとともに、ワークの周辺のＭイオン量、Ａl イオン量の比に基づいて各電子銃からの電子ビームのデューティ比を制御し、膜内のＭ、Ａl の各組成比を制御することをその要旨とする。
【００１０】
なお、真空槽内のＮ2 ガスの分圧に基づいてＮ2 ガスの流量を制御するとともに、Ｎ2 ガスの流量に基づいて各電子銃からの電子ビーム電流を制御することができる。
【００１１】
第３発明（請求項５に係る発明をいう、以下同じ）の構成は、Ｎ2 ガスの導入手段を有する真空槽と、真空槽内に設けるＭ（ただし、Ｍは、Ｔi またはＣr ）用、Ａl 用のハースと、ハースにそれぞれ対向するホローカソード形の電子銃と、スイッチング回路を介して電子銃に接続する電子ビーム電源と、真空槽内のワークにバイアス電圧を与えるワーク用のバイアス電源と、ワークの周辺のＭイオン量、Ａl イオン量を検知する質量分析計と、組成比制御系とを備えてなり、組成比制御系は、質量分析計からのＭイオン量、Ａl イオン量の比に基づき、スイッチング回路を介して各電子銃からの電子ビームのデューティ比を制御してＭ、Ａl の蒸発量を制御することをその要旨とする。
【００１２】
なお、成膜レート制御系を付設し、成膜レート制御系は、真空槽内のＮ2 ガスの分圧に基づき、Ｎ2 ガス用のマスフローコントローラを介してＮ2 ガスの流量を制御するとともに、Ｎ2 ガスの流量に基づいて電子ビーム電源の出力電流を制御することができる。
【発明の効果】
【００１３】
かかる第１発明の構成によるときは、組成傾斜層は、Ｍの組成比が連続的に減少し、Ａl の組成比が連続的に増加することにより、内部応力が連続的に高くなり、密着力の向上を図ることができる上、急激な膜質の変化がなく、膜内において剪断剥離を引き起こす界面が発生しないため、耐摩耗性も向上する。ただし、組成傾斜層におけるＮの組成比は、一定に保つものとし、Ｍの組成比は、組成傾斜層の内層のＭＮ膜のＭの組成比に連続させ、Ａl の組成比は、ゼロからスタートさせるものとする。なお、組成傾斜層におけるＭ、Ａl の組成比は、膜表面側に向けてそれぞれ同時に単調減少、単調増加させればよく、特に、直線的に減少させ、直線的に増加させることが好ましい。一方、膜の組成比率ｒ＝Ａl ／（Ｍ＋Ａl ）は、０≦ｒ≦０．７とするのがよく、ｒ＞０．７では、有害な相分離を生じるおそれがある。
【００１４】
応力傾斜層は、膜表面に向けて内部応力を連続的に増加させることにより、靱性（耐クラック性）を高くすることができ、さらに内部応力を連続的に減少させることにより、摩耗し易くし、膜表面に接触する相手部材とのなじみ性を向上させることができる。膜の内部応力を変動させるには、ワークに印加するバイアス電圧を変動させるが、このとき、バイアス電圧に従ってワークの周辺のＡl イオン量、Ｍイオン量の比を適切に変動させることにより、Ａl イオンの選択的スパッタリングを補完して膜内のＭ、Ａl の各組成比を一定に保つことができる。なお、膜の組成比率ｒ＜０．３５では、Ａl が少な過ぎて耐酸化性が低下し、特に好ましくは０．４≦ｒ≦０．６とするのがよい。
【００１５】
第２発明によるときは、各電子銃からの電子ビームは、それぞれＭ用、Ａl 用のハースに投射され、各ハース内に収容されているＭ、Ａl を蒸発させ、イオン化することができる。そこで、Ｍイオン、Ａl イオンは、反応ガスのＮ2 ガスとともにそれぞれの蒸発量に従って化合し、ワークの表面に付着堆積して金属化合物膜を形成する。一方、ワークの周辺のＭイオン量、Ａl イオン量の比に基づいて各電子銃からの電子ビームのデューティ比を制御すれば、各ハースからのＭ、Ａl の蒸発量を適切に制御し、膜内のＭ、Ａl の各組成比を任意に制御することができる。ワークの周辺のＭイオン量、Ａl イオン量は、膜内のＭ、Ａl の各組成比と正確に相関するからである。
【００１６】
ただし、Ｍ、Ａl の総蒸発量は、所定の成膜レートを維持するように、たとえば電子ビーム電流を供給する電子ビーム電源の出力電流を一定に制御すればよい。また、膜の内部応力を高めるためにワークにバイアス電圧を印加するときは、Ａl の選択的スパッタリングを補完するために、バイアス電圧を大きくするに従ってＡl イオン量を相対的に増加させるように、ワークの周辺のＭイオン量、Ａl イオン量の比を修正することが必要である。
【００１７】
ホローカソード形の電子銃は、パルス駆動させると、連続駆動するときに比べて放電維持電圧が高くなり、各ハースに所定のエネルギを投入するための電子ビーム電流を小さく抑えることができる。そこで、電子銃をパルス駆動すれば、電子ビーム中のＡr ガス等の不活性ガスのイオン量を減少させることができ、不活性ガスのイオン照射によるワークの温度上昇を低く抑え、膜質劣化や密着力低下を防止することができる。ただし、パルス駆動の周期は、ハース内のＭ、Ａl の溶融スポットに過大な温度変化を生じたり、電子ビームが照射されていない間に溶融金属と反応ガスとが化合して高融点の化合物を生じたりすることがないように、少なくとも１ｍＳ以下、好ましくは７５０μＳ以下に短く設定するのがよい。
【００１８】
第２発明において、Ｎ2 ガスの分圧に基づいてＮ2 ガスの流量を制御するとともに、Ｎ2 ガスの流量に基づいて各電子銃からの電子ビーム電流を制御することにより、ワークの表面に形成される膜の成膜レートを適切に制御し、膜特性を一層向上させることができる。成膜レートは、Ｍ、Ａl の総蒸発量に依存し、Ｎ2 ガスの消費量によって示され、Ｎ2 ガスの消費量の変動は、Ｎ2 ガスの分圧変動によって示されるからである。また、Ｍ、Ａl の蒸発量は、基本的に各電子銃からの電子ビーム電流の実効値に支配されるからである。ただし、Ｍ、Ａl の蒸発量は、ハース内のＭ、Ａl の溶融スポットの位置変動などにより突発的に変動することがあり、これによってＮ2 ガスの消費量も急変するから、Ｎ2 ガスの流量、電子ビーム電流は、それぞれＮ2 ガスの消費量の急変を補正する方向に修正制御を加えることが好ましい。
【００１９】
第３発明の構成によるときは、電子ビーム電源は、スイッチング回路を介して電子銃に接続され、電子銃をパルス駆動して電子ビームを発生させ、各ハース内のＭ、Ａl を同時に加熱して蒸発させ、イオン化することができる。一方、組成比制御系は、質量分析計からのＭイオン量、Ａl イオン量の比に基づいて各電子銃からの電子ビームのデューティ比を制御してＭ、Ａl の蒸発量を制御し、膜内のＭ、Ａl の各組成比を制御することができる。すなわち、第３発明は、全体として第２発明を円滑に実施し、第１発明の金属化合物膜を成膜することができる。ただし、ワーク用のバイアス電源は、ワークに適切なバイアス電圧を印加することにより、膜の内部応力を設定するために使用する。また、電子ビーム電源は、各電子銃に共通に設けてもよく、各電子銃ごとに個別に設けてもよい。
【００２０】
質量分析計は、ワークの周辺のＭイオン量、Ａl イオン量を検知するために、イオン取込用のオリフィスをワークの近傍に開口する４重極形質量分析計を使用するのがよい。すなわち、オリフィスは、真空槽の側壁から内向きに突出させてワークの近傍に設置し、真空槽に対してＭ用、Ａl 用のハースを正電位にバイアスすることにより、Ｍイオン、Ａl イオンを効率よく取り込んで検出感度を向上させることができる。なお、オリフィスの前方には、不要な電子の進入を防止するために、適当なサイズの遮蔽板を設けることが好ましい。ただし、市販の４重極形質量分析計には、試料をイオン化するイオン化部が組み込まれているが、これは使用しない方がよい。検知すべきＭ、Ａl は、オリフィスに進入する時点で既にイオン化されており、イオン化部を使用すると、不要な雑音成分が増加するからである。
【００２１】
成膜レート制御系を付設すれば、Ｎ2 ガスの分圧によるＮ2 ガスの流量制御、Ｎ2 ガスの流量による電子ビーム電源の出力電流制御を実現し、適切な成膜レートを実現することができる。電子ビーム電源の出力電流は、電子銃からの電子ビーム電流に一致しているからである。なお、成膜レートは、Ｎ2 ガスの消費量によって決まるから、成膜レート制御系に与えるＮ2 ガスの流量の目標値によって設定することができ、Ｎ2 ガスの流量は、基本的にＮ2 ガスの分圧を目標値に維持するように制御すればよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
成膜装置は、真空槽１１と、真空槽１１の上部に下向きに配置するホローカソード形の電子銃２０、２０と、真空槽１１の下部に上向きに配置するＭ用、Ａl 用のハース３１、３１とを主要部材としてなる（図１）。
【００２４】
真空槽１１は、たとえば縦形の円筒形に形成され、真空バルブ１２、真空ポンプ１３を含む排気系が付設されている。また、真空槽１１の外周の上部、下部には、電子銃２０、２０からの電子ビームを集束する集束コイル１４、１４が配設されている。真空槽１１には、たとえばキャパシタンスセンサ形の絶対圧力真空計１５が付設されている。
【００２５】
真空槽１１の上部には、反応ガスとしてのＮ2 ガス用のシャワリングノズル１６が配設されている。シャワリングノズル１６は、導入管１６ａ、マスフローコントローラ１６ｂを介して図示しないＮ2 ガス源に接続されており、全体としてＮ2 ガスの導入手段を構成している。
【００２６】
各電子銃２０は、真空槽１１の天面に対し、真空槽１１内に向けて下向きに装着されている。各電子銃２０は、外筒２１にヒータ２２を内装して構成されている。外筒２１の閉じた上端部には、作動ガスとしてのＡr ガスの導入管２３が接続されており、導入管２３、２３は、流量分配弁２３ａ、２３ａ、共通のマスフローコントローラ２３ｂを介し、図示しないＡr ガス源に接続されている。なお、各電子銃２０には、絶縁性のシール２４ａ付きのカバー２４が付設されている。
【００２７】
ハース３１、３１は、真空槽１１の底部に上向きに並置されている（図１、図２）。ハース３１、３１は、それぞれハースライナ３１ａを介して金属材料Ｍ、Ａl を収納することができ、絶縁性のスペーサ３１ｂ、３１ｂを介して共通の円板状の支持板３２上に設置されている。なお、ハース３１、３１には、絶縁性のスペーサ３３ａを介して支持する共通のカバー３３が設けられており、カバー３３は、上向きに開口している。
【００２８】
各ハース３１は、熱伝導が良好な銅製であり、底面には、スペーサ３１ｂ、支持板３２を貫通する電極棒３１ｃが垂設されている。また、各ハース３１は、共通の支持板３２とともに、水管３１ｄを介して冷却水を連続通水する水冷式となっている。各ハース３１には、電子銃２０からの電子ビームをハースライナ３１ａの中心部に集束させるために、鉄心３４が装着されている。また、Ａl 用のハースライナ３１ａは、カバー３３の上方の開口部から放出されるＭイオン、Ａl イオンの濃度分布を均一にするために、スペーサ３５を介し、Ｍ用のハースライナ３１ａより高く支持されている。ハース３１、３１は、真空槽１１の外部に設置する図示しない駆動機構を介して支持板３２を上下に駆動することにより、真空槽１１内の真空を維持しながら、真空槽１１内を上下に往復駆動することができる（図２の矢印方向）。
【００２９】
ハース３１、３１の周囲には、ワークＷ、Ｗ…を装着するワークスタンド４１、４１…が立設されている（図１）。ワークスタンド４１、４１…は、リング状の公転テーブル４２を介してハース３１、３１のまわりに円形に立設されており、公転テーブル４２は、絶縁リング４２ａ上のリングベアリング４２ｂを介して支持されている。また、公転テーブル４２は、外周のリングギヤ４２ｃ、ギヤ４３ａを介して真空槽１１の外部のモータ４３に連結されており、モータ４３の軸は、絶縁フランジ４３ｂを介して真空槽１１の底部を貫通している。ただし、モータ４３の軸は、ベアリング４４ａを介し、絶縁フランジ４３ｂに固定する導電ジャケット４４を回転自在に貫通している。そこで、ワークスタンド４１、４１…は、モータ４３、公転テーブル４２を介してハース３１、３１のまわりに公転させることができ、各ワークスタンド４１は、遊星歯車形のベアリング４１ａを介し、公転テーブル４２の公転とともに自転することができる。
【００３０】
各電子銃２０の外筒２１、ヒータ２２間には、図示しないフィラメント電源が接続されている。また、電子銃２０、２０には、それぞれスイッチング回路３６を介して電子ビーム電源Ｂa の負極が接続され（図３）、電子ビーム電源Ｂa の正極は、スイッチＳＷ1 、ＳＷ2 を介してＭ用、Ａl 用の各ハース３１に分岐接続され、ハース３１、３１用のバイアス電源Ｂb を介し、接地レベルにある真空槽１１に接続されている。一方、電子ビーム電源Ｂa の正極とワークスタンド４１、４１…との間には、抵抗Ｒを介し、ワークスタンド４１、４１…側を負極とするワークＷ、Ｗ…用のバイアス電源Ｂc が接続されており、抵抗Ｒ、バイアス電源Ｂc には、スイッチＳＷ3 が並列接続されている。ただし、バイアス電源Ｂc の負極は、導電ジャケット４４を介してワークスタンド４１、４１…に電気的に接続されている。
【００３１】
なお、電子ビーム電源Ｂa の定格は、たとえば１００Ｖ／３００Ａのオーダである。また、バイアス電源Ｂb 、Ｂc の定格は、それぞれ６０Ｖ／８０Ａ、３００Ｖ／３０Ａのオーダである。
【００３２】
真空槽１１には、質量分析計５０が付設されている（図１、図４）。
【００３３】
質量分析計５０は、エンベロープ５２に本体部５１を収納する４重極形質量分析計である。本体部５１には、イオン化部５１ａ、イオン引出部５１ｂ、４重極形の質量分離部５１ｃ、二次電子増倍管を使用する検出部５１ｄが内蔵されている。ただし、イオン化部５１ａは、使用しないものとする。また、エンベロープ５２には、真空槽１１内に開口するオリフィス５３が形成され、真空槽１１内より高真空を実現し得る排気ポンプ５４が接続されている。また、エンベロープ５２には、真空計５５が付設されている。
【００３４】
オリフィス５３は、真空槽１１内のワークＷ、Ｗ…とほぼ同一高さにおいて、ワークＷ、Ｗ…の近傍に突出するようにして開口されている。また、オリフィス５３の前方には、不要な電子の進入を阻止する円板状の遮蔽板５３ａが配設されている。そこで、質量分析計５０は、ワークＷ、Ｗ…の周辺のＭイオン量Ｅm 、Ａl イオン量Ｅa を個別に検出し、電気信号として外部に送出することができる。なお、真空槽１１と同一の接地レベルにあるオリフィス５３に対し、ハース３１、３１は、バイアス電源Ｂb を介して正側にバイアスされているから、質量分析計５０は、オリフィス５３を介してＭイオン、Ａl イオンを効率よく取り込み、必要十分な検出感度を実現することができる。
【００３５】
質量分析計５０の出力は、組成比制御系６０に導かれている（図３）。また、組成比制御系６０の出力は、スイッチング回路３６、３６に個別に接続されている。
【００３６】
質量分析計５０の出力は、組成比制御系６０内のマススペクトル解析器６１に入力されている（図５）。マススペクトル解析器６１の出力は、ディジタル演算形の演算器６２に接続され、演算器６２の出力は、ゲート信号発生回路６３を介してスイッチングドライバ６４、６４に個別に接続されている。また、演算器６２には、膜の組成比率Ｒ＝Ａl ／Ｍ（ただし、Ａl 、Ｍは、それぞれの原子数を示す）の目標値Ｒo が与えられている。スイッチングドライバ６４、６４の出力は、スイッチング回路３６、３６に個別に接続されている（図３）。
【００３７】
図５において、マススペクトル解析器６１は、質量分析計５０の出力信号を解析し、質量分析計５０が検出するＭイオン量Ｅm 、Ａl イオン量Ｅa の比Ｒ1 ＝Ｅa／Ｅm を算出して演算器６２に送出する。そこで、演算器６２は、Ｒ1 ＝Ｒo となるように、Ｍ用、Ａl 用の各ハース３１に対する電子銃２０、２０からの電子ビームのデューティ比を算出し、ゲート信号発生回路６３、スイッチングドライバ６４、６４を介してスイッチング回路３６、３６を開閉制御することにより、電子銃２０、２０をパルス駆動することができる（図６）。
【００３８】
ただし、図６において、スイッチング回路３６、３６の導通周期Ｔ、導通期間Ｔ1 、Ｔ2 として、Ｔ≦Ｔ1 ＋Ｔ2 であり、導通期間Ｔ1 、Ｔ2 のオーバラップ期間Ｔ12を設けてもよい。なお、各スイッチング回路３６は、スイッチング素子として、適切なノイズキラー回路付きの高速ＩＧＢＴ素子が使用されている。また、導通周期Ｔは、Ｔ＝５０〜７５０μＳ程度にとるのがよく、Ｔ＜５０μＳでは、スイッチング回路３６、３６におけるスイッチングロスが過大になりがちである。
【００３９】
電子銃２０、２０からの電子ビーム電流、すなわち電子ビーム電源Ｂa の出力電流Ｉa は、成膜レート制御系７０を介して制御されている（図７）。
【００４０】
成膜レート制御系７０のディジタル演算形の演算器７１には、絶対圧力真空計１５、Ｎ2 ガス用のマスフローコントローラ１６ｂの各出力が入力されている。また、演算器７１の出力は、ＰＩＤ制御形の調節器７２、７３に個別に接続され、一方の調節器７２の出力は、マスフローコントローラ１６ｂに接続され、他方の調節器７３の出力は、電子ビーム電源Ｂa に接続されている。また、演算器７１には、真空槽１１内のＮ2 ガスの分圧Ｐの目標値Ｐo 、Ｎ2 ガスの流量Ｑの目標値Ｑo が与えられている。
【００４１】
そこで、演算器７１は、絶対圧力真空計１５が検出するＮ2 ガスの分圧Ｐ＝Ｐo となるように、調節器７２を介してマスフローコントローラ１６ｂを制御してＮ2 ガスの流量Ｑを制御するとともに、流量Ｑ＝Ｑo となるように、電子ビーム電源Ｂa の出力電流Ｉa を制御し、電子銃２０、２０からの電子ビーム電流を制御することができる。なお、演算器７１は、次のような修正制御を併せて実行する。すなわち、Ｍ、Ａl の蒸発量が急増し、Ｎ2 ガスの消費量が急増してＮ2 ガスの分圧Ｐが急減すると、調節器７３を介して電子ビーム電源Ｂa の出力電流Ｉa を減少させるとともに、調節器７２、マスフローコントローラ１６ｂを介してＮ2 ガスの流量Ｑを増加させる。逆に、Ｎ2 ガスの消費量が急減して分圧Ｐが急増すると、電子ビーム電源Ｂa の出力電流Ｉa を増加させるとともに、Ｎ2 ガスの流量Ｑを減少させる。
【００４２】
成膜装置の動作パターンの一例を図８に示す。
【００４３】
各ワークスタンド４１にワークＷ、Ｗ…を装着し、真空槽１１内、質量分析計５０のエンベロープ５２内を排気して所定の真空度に到達させ、各ワークスタンド４１を公転させるとともに自転させる。その後、スイッチＳＷ3 を投入し（図８の時刻ｔ＝ｔo 、以下、単に（ｔ＝ｔo ）のように記す）、マスフローコントローラ２３ｂを介して作動用のＡr ガスを電子銃２０、２０に流入させ、フィラメント電源を起動して各電子銃２０内のヒータ２２を加熱すると、各電子銃２０内の外筒２１、ヒータ２２間にグロー放電を経てアーク放電が発生し、Ａr ガスのプラズマが着火する。
【００４４】
そこで、電子ビーム電源Ｂa を起動して所定の出力電流Ｉa を出力させるとともに、電子銃２０、２０をほぼ均等の導通期間Ｔ1 、Ｔ2 のデューティ比にパルス駆動すると（ｔ≧ｔo ）、電子ビーム電源Ｂa の出力電流Ｉa 相当の電子ビームが電子銃２０、２０から出力され、ワークスタンド４１、４１…上のワークＷ、Ｗ…に到達させることができる。すなわち、ワークＷ、Ｗ…を電子ビームによって加熱し、脱ガスすることができる（ｔ＝ｔo 〜ｔ1a）。
【００４５】
時刻ｔ＝ｔ1aにおいて、スイッチＳＷ1 を投入するとともに、ワークＷ、Ｗ…用のバイアス電源Ｂc を起動してバイアス電圧Ｖc を発生させる。また、電子銃２０、２０は、Ｍ用のハース３１側の導通期間Ｔ1 を最大にし、Ａl 用のハース３１側の導通期間Ｔ2 を最小に絞る。同時に、マスフローコントローラ２３ｂを介してＡr ガスの流量を絞るとともに、電子ビーム電源Ｂa の出力電流Ｉa を絞り（ｔ＝ｔ1a〜ｔ1b）、スイッチＳＷ3 を開く（ｔ＝ｔ1b）。これによって、Ｍ用のハース３１側の電子銃２０からの電子ビームがＭ用のハース３１に到達し、ハース３１内のＭを十分に予備加熱してＭの脱ガスをすることができる。一方、バイアス電源Ｂc からのバイアス電圧Ｖc を漸増させると（ｔ＝ｔ1a〜ｔ1c）、電子銃２０、２０からのＡr イオンは、ワークスタンド４１、４１…上のワークＷ、Ｗ…に到達し、イオンボンバードによるワークＷ、Ｗ…のイオン洗浄を実施することができる（ｔ＝ｔ1c〜ｔ2a）。
【００４６】
つづいて、ハース３１、３１用のバイアス電源Ｂb を起動してバイアス電圧Ｖb を発生させ（ｔ＝t2a）、バイアス電源Ｂc によるバイアス電圧Ｖc を適切な一定値に設定するとともに、マスフローコントローラ２３ｂを介してＡr ガスの流量を成膜用の一定値に設定する。また、マスフローコントローラ１６ｂを介してＮ2 ガスの流量Ｑを増加させるとともに、電子ビーム電源Ｂa の出力電流Ｉa を増加させてＭを蒸発させると（ｔ＝ｔ2a〜ｔ2b）、時刻ｔ＝ｔ2aにおいて、Ｍの組成比Ｒm ＝１００at％の膜がワークＷ、Ｗ…上に成膜され始め、その後、Ｎ2 ガスの流量Ｑの増加とともに、膜内のＭの組成比Ｒm が減少してＮの組成比Ｒn が増加する（図９の膜厚ｄ＝０〜ｄ1 ）。すなわち、時刻ｔ2a〜ｔ2bにおいて、Ｍ、Ｎによる組成傾斜中間層を成膜することができる。
【００４７】
ただし、図９において、膜厚ｄ＝０は、ワークＷの表面に相当し、ｄ＝ｄ6 は、ワークＷ上に成膜される膜の表面に相当している。また、図９には、膜内のＭ、Ａl 、Ｎの組成比Ｒi （ｉ＝ｍ、ａ、ｎ）の他、ワークＷ、Ｗ…用のバイアス電源Ｂc によるバイアス電圧Ｖc 、組成比制御系６０のマススペクトル解析器６１からのＭイオン量Ｅm 、Ａl イオン量Ｅa の比Ｒ1 ＝Ｅa ／Ｅm 、膜内の内部応力Ｓf が併せて図示されている。なお、図８の時刻ｔ＝ｔ2a〜ｔ2bにおいて、Ｎ2 ガスの流量Ｑ、電子ビーム電源Ｂa の出力電流Ｉa は、膜の組成比Ｒm 、Ｒn がそれぞれほぼ直線的に減少し、増加するように、時間の経過とともにマスフローコントローラ１６ｂ、電子ビーム電源Ｂa を適切に手動制御するものとする。
【００４８】
時刻ｔ＝ｔ2bにおいて、成膜レート制御系７０を起動させ、Ｎ2 ガス用のマスフローコントローラ１６ｂ、電子ビーム電源Ｂa の自動制御を開始する。また、バイアス電源Ｂc のバイアス電圧Ｖc を調整して、Ｍ、Ｎの組成比Ｒm 、Ｒn が一定の組成一定中間膜を成膜する（ｔ＝ｔ2b〜ｔ3 、図９の膜厚ｄ＝ｄ1 〜ｄ2 ）。
【００４９】
その後、スイッチＳＷ2 を投入するとともに（ｔ＝ｔ3 ）、バイアス電圧Ｖc を低下させ、組成比制御系６０を起動させて電子銃２０、２０からの電子ビームのデューティ比制御を開始して、Ａl の蒸発を開始させる（ｔ≧ｔ3 ）。また、成膜レート制御系７０に与える目標値Ｑo を増加させることにより、マスフローコントローラ１６ｂを介してＮ2 ガスの流量Ｑを増加させ、電子ビーム電源Ｂa の出力電流Ｉa を増加させる（ｔ＝ｔ3 〜ｔ4a）。そこで、時刻ｔ＝ｔ3 〜ｔ4aにおいて、Ｍの組成比Ｒm 、Ａl の組成比Ｒa が膜の表面側に向けてそれぞれ直線的に減少し、直線的に増加するとともに、Ｎの組成比Ｒn が膜厚方向に一定の組成傾斜層を成膜することができる（図９の膜厚ｄ＝ｄ2 〜ｄ3 ）。ただし、このとき、組成比制御系６０の演算器６２には、質量分析計５０が検出するＭイオン量Ｅm 、Ａl イオン量Ｅa の比Ｒ1 が時間の経過とともに直線的に増加するように、目標値Ｒo を時間の関数として与えるものとする。
【００５０】
つづいて、Ｎ2 ガスの流量Ｑ、電子ビーム電源Ｂa の出力電流Ｉa 、バイアス電圧Ｖc を一定に維持して（ｔ＝ｔ4a〜ｔ4b）、Ｍ、Ａl 、Ｎの組成一定膜を成膜する（図９の膜厚ｄ＝ｄ3 〜ｄ4 ）。その後、バイアス電圧Ｖc を漸増させて（ｔ＝ｔ4b〜ｔ4c）、漸減させると（ｔ＝ｔ4c〜ｔ5 ）、内部応力Ｓf が膜表面側に向けて直線的に増加し、直線的に減少する応力傾斜層を成膜することができる（図９の膜厚ｄ＝ｄ4 〜ｄ5 〜ｄ6 ）。なお、時刻ｔ＝ｔ4b〜ｔ4cにおいて、バイアス電圧Ｖc を増加させると、Ａl の選択的スパッタリングに起因して膜内のＡl の組成比Ｒa が減少する傾向があるから、これを補完させるために、組成比制御系６０の演算器６２に与える目標値Ｒo を介して、質量分析計５０が検出するＭイオン量Ｅm 、Ａl イオン量Ｅa の比Ｒ1 を増加させている。時刻ｔ＝ｔ4c〜ｔ5 においては、バイアス電圧Ｖc を減少させるため、比Ｒ1 を逆に減少させている。
【００５１】
図９において、膜厚ｄ＝０〜ｄ1 の組成傾斜中間層は、Ｍの組成比Ｒm ＝１００at％、Ｎの組成比Ｒn ＝０at％からスタートさせ、その後、Ｎの組成比Ｒn を徐々に高めてワークＷに対する膜の密着力を向上させる。また、このとき、バイアス電圧Ｖc を十分大きくしてイオンミキシング効果を高めるとともに、軟質なＭリッチ膜から硬質のＭＮ膜に移行させ、内部応力Ｓf を傾斜させている。組成傾斜中間層の厚さｄ1 ≒０．０５〜０．２μｍが好適である。膜厚ｄ＝ｄ1 〜ｄ2 の組成一定中間層は、応力緩和層であり、厚さｄ2 −ｄ1 ≒０．１〜０．３μｍ程度とすれば十分である。
【００５２】
膜厚ｄ＝ｄ2 〜ｄ3 の組成傾斜層は、膜表面側に向けてＡl の組成比Ｒa を直線的に増加させるとともにＭの組成比Ｒm を直線的に減少させることにより、ＭＮ膜からＭＡl Ｎ膜へと連続的に移行させ、密着力を向上させることができる。このとき、Ａl の組成比Ｒa の増加とともに内部応力Ｓf も増加するが、内部応力Ｓf の変化が連続的であり、急激な膜質変化がなく、剪断剥離を伴う界面を生じないため、耐摩耗性の向上に貢献する。その後、膜厚ｄ＝ｄ3 〜ｄ4 において、Ｍ、Ａl 、Ｎによる膜質が一定の組成一定層を成膜する。
【００５３】
膜厚ｄ＝ｄ4 〜ｄ5 において、靱性（耐クラック性）を高めるために、バイアス電圧Ｖc を増加させて内部応力Ｓf を増加させる。質量分析計５０、組成比制御系６０によるフィードバック自動制御を導入することにより、バイアス電圧Ｖc を高めてもＡl の組成比Ｒa が低下することがなく、膜の理想的な組成比率Ｒ＝Ａl ／Ｍ、ｒ＝Ａl ／（Ｍ＋Ａl ）を維持することができる。最後に、膜厚ｄ＝ｄ5 〜ｄ6 において、膜表面と接触する相手部材とのなじみ性を付与するために、バイアス電圧Ｖc を漸減させて内部応力Ｓf を減少させ、比較的摩耗し易い層を成膜する。このときも、膜の組成比率Ｒ、ｒを正しく維持することができる。膜厚ｄ＝ｄ4 〜ｄ5 は、内部応力Ｓf が増加する応力傾斜層の内層となっており、膜厚ｄ＝ｄ5 〜ｄ6 は、内部応力Ｓf が減少する応力傾斜層の外層となっている。
【００５４】
なお、膜の全体厚さｄ6 ≒１．５〜２．０μｍ程度が好適であり、好ましくはｄ6 ≒１．７μｍのオーダとして、用途によって使い分ければよい。このようにして形成される金属化合物膜は、実質的にドロップレットを含まず、表面粗さ０．０１〜０．０５μｍ（ＲＭＳ）を安定に実現することができる。また、膜の組成比率ｒ＝Ａl ／（Ｍ＋Ａl ）は、全膜厚について０≦ｒ≦０．７にするのがよく、膜厚ｄ＝ｄ4 〜ｄ6 の応力傾斜層について、０．３５≦ｒ≦０．７とし、特に好ましくは０．４≦ｒ≦０．６とするのがよい。
【００５５】
図９の膜厚ｄ＝ｄ4 〜ｄ6 の応力傾斜層を成膜する際に、組成比制御系６０によって成膜データが著るしく改善されることを図１０に示す。ただし、図１０は、ＭとしてＴi を使用した場合の実測データの一例である。
【００５６】
図１０（Ａ）は、組成比制御系６０を使用せず、質量分析計５０が検出するＡl イオン量Ｅa 、Ｔi イオン量Ｅt の比Ｒ1 ＝Ｅa  ／Ｅt が一定となるようにＴi 、Ａl の蒸発比率を一定制御した場合のデータである。ワークＷのバイアス電圧Ｖc ＝１０〜３５Ｖでは、膜の組成比率Ｒ＝Ａl ／Ｔi が低下して膜の内部応力Ｓf も下がる傾向があるが、バイアス電圧Ｖc ＝３５〜７５Ｖでは、組成比率Ｒが低下するにも拘らず、内部応力Ｓf が増加する傾向がある。また、このとき、内部応力Ｓf に寄与する膜の結晶配向性のうち、（１１１）面配向強度が支配的になっている。そこで、バイアス電圧Ｖc を高くして靱性（耐クラック性）を向上させるべく内部応力Ｓf を増加させようとしても、Ａl の選択的スパッタリングにより最適な組成比率Ｒ＝Ａl ／Ｔi が得られず、膜の耐酸化性が劣化するという問題がある。
【００５７】
これに対し、図１０（Ｂ）は、組成比制御系６０を使用し、膜中の組成比率Ｒ＝Ａ1 ／Ｔi が一定となるように、Ｔi 、Ａl の蒸発比率をフィードバック制御した場合を示す。このときは、Ａl の選択的スパッタリングを補完するために、バイアス電圧Ｖc を高くするに従って、Ａl イオン量Ｅa 、Ｔi イオン量Ｅt の比Ｒ1 ＝Ｅa ／Ｅt を積極的に増加させるので、膜内の組成比率Ｒ＝Ａl ／Ｔi をほぼ一定に保つことができ、靱性（耐クラック性）の向上と耐酸化性の両立を図ることが可能である。
【００５８】
なお、図１０において、膜の内部応力Ｓf は、微小部Ｘ線応力測定装置により計測し、膜の組成比Ｒ＝Ａl ／Ｔi は、波長分散型電子線プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により測定した。また、膜の結晶配向性は、Ｘ線回析装置（ＸＲＤ）により評価した。
【００５９】
以上の説明において、Ｍは、Ｔi またはＣr のいずれであってもよい。また、成膜レート制御系７０は、必ずしも必須ではなく、Ｎ2 ガスの分圧Ｐのみに基づき、または単純な手動制御により、電子ビーム電源Ｂa の出力電流Ｉa をオープンループ制御することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】全体構成模式図
【図２】要部構成拡大断面模式図（１）
【図３】全体電気系統図
【図４】要部構成拡大断面模式図（２）
【図５】要部ブロック系統図（１）
【図６】動作説明線図（１）
【図７】要部ブロック系統図（２）
【図８】動作説明線図（２）
【図９】動作説明線図（３）
【図１０】成膜データ比較説明図表
【符号の説明】
【００６１】
Ｗ…ワーク
Ｂa …電子ビーム電源
Ｂc …バイアス電源
Ｐ…分圧
Ｑ…流量
ｄ…膜厚
Ｒi （ｉ＝ｍ、ａ、ｎ）…組成比
ｒ…組成比率
Ｅm …Ｍイオン量
Ｅa …Ａl イオン量
Ｒ1 …比
Ｖc …バイアス電圧
Ｉa …出力電流
１１…真空槽
１６ｂ…マスフローコントローラ
２０…電子銃
３１…ハース
３６…スイッチング回路
５０…質量分析計
６０…組成比制御系
７０…成膜レート制御系
特許出願人          株式会社  オンワード技研
代理人  弁理士                松  田  忠  秋
【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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【図９】
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【図１０】
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