(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内にプラズマを生成し、プラズマ中のイオンによって基体の表面をスパッタクリーニングした後、基体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、スパッタクリーニングする時にスパッタクリーニングで生成される成分をモニタリングし、スパッタクリーニングによって減少した基体の寸法を判断し、減少した基体の寸法を補正する厚みだけ成膜時間を長くすることを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
スパッタクリーニングで生成される成分のモニタリングを発光分光法で行うことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
スパッタクリーニングで生成される成分のモニタリングを質量分析法で行うことを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
【請求項４】
排気系とガス供給系とを備えた真空チャンバと、前記真空チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ源と、前記プラズマ源に接続される高周波電源と、基体を載置する支持台にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、前記支持台に対向して配置されかつ前記基体の表面のスパッタクリーニングで生成される成分をモニタリングするモニタリング手段と、モニタリング手段と接続されかつ前記基体の表面のスパッタクリーニングと前記基体の表面に薄膜を形成する成膜動作を選択的に行うように制御するコントローラとを備え、コントローラは、タイマと酸化膜厚−スパッタ時間テーブルと膜厚−成膜時間テーブルとを有し、モニタリングする手段からの信号と酸化膜厚−スパッタ時間テーブルとから、スパッタクリーニングによって減少した、基体の寸法を判断し、減少した基体の寸法を補正する厚みだけ成膜時間を長くすることを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械部品等の表面に耐摩耗膜等の機能膜を成膜する成膜方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の成膜方法及び装置を、図４を参照して説明する。図４において、２１は真空チャンバであり、排気系２２とガス供給系２３を備えている。２４はプラズマを発生させるプラズマ源であり、図示例では真空チャンバ２１内に配設されたコイルから成り、高周波電源２５に接続されている。２６は成膜用の固体ソースであり、スパッタ又は蒸発により金属原子を真空チャンバ２１内に放出する。本従来例では金属としてＴｉを用いている。固体ソース２６には、電源２７が接続され、スパッタや蒸発に必要なエネルギーが供給される。３０は基体で、支持台２８上に載置されている。支持台２８にはバイアス電源２９が接続されており、基体３０に支持台２８を通じてバイアス電圧をかけられるように構成されている。
【０００３】
次に、動作を説明する。本従来例における基体３０は、摺動部に用いられる鉄系合金から成る機械部品であり、表面処理は基体３０の表面にＴｉＮ膜を成膜することで、耐摩耗性を向上することを目的とするものである。その成膜工程は、基体３０の表面の酸化膜を除去し、膜と基体間の密着性を向上させる第１ステップと、ＴｉＮ膜を成膜する第２ステップから成っている。
【０００４】
まず、第１ステップの動作を説明する。ガス供給系２３よりアルゴンガスを導入し、同時に排気系２２より排気して所定の圧力状態とし、高周波電源２５によりプラズマ源２４に電力を供給するとプラズマＰが発生する。次に、バイアス電源２９により支持台２８及び基体３０にバイアス電圧を印加する。
【０００５】
これにより、プラズマＰ中の荷電粒子が基体３０に印加されたバイアス電圧により加速され、基体３０に衝突する。そのエネルギーによって基体３０の表面の酸化膜はスパッタリングにより排除される。この工程はスパッタクリーニングと呼ばれる。基体３０の表面の酸化膜の厚みの範囲は予め調べられており、基体３０の表面の酸化膜が完全に排除されるのに十分な時間だけ、スパッタクリーニングを行った時点で第１ステップは終了する。
【０００６】
次に、第２ステップの動作を説明する。第１ステップの終了後、ガス供給系２３より窒素を導入し同時に排気系２２より排気して所定の圧力状態とし、高周波電源２５によりプラズマ源２４に電力を供給すると、プラズマＰが発生する。次に、電源２７をオンして固体ソース２６にエネルギーを供給する。すると、Ｔｉ原子が真空チャンバ２１内に放出され、真空チャンバ２１内に放出されたＴｉ原子はプラズマＰによりイオン化される。
【０００７】
次に、バイアス電源２９により支持台２８及び基体３０にバイアス電圧を印加する。イオン化されたＴｉと窒素が基体３０に引き寄せられ、基体３０の表面にＴｉＮ膜が形成される。一定時間成膜すると、第２ステップは終了する。第１ステップで基体３０の表面がクリーニングされているので、形成されたＴｉＮ膜と基体３０は密着性がよい。
【０００８】
以上のようにして基体３０の表面に耐摩耗性をもつ表面処理が施される。成膜を終了した基体３０は取り出され、未成膜の基体３０が真空チャンバ２１内にセットされる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来方法では基体３０の表面の状態によってクリーニングで除去される基体３０の量が異なり、成膜後の寸法が安定しないという問題があった。これは、同時に成膜処理される基体３０の一群をロットと呼ぶと、ロット毎の基体３０の製造条件や保管方法によって、基体３０の表面の酸化状態が異なるとともに、基体３０の材質と酸化膜とでスパッタ率が異なることによる。
【００１０】
例えば、酸化膜が０．２μｍのロットに対して第１ステップで酸化膜を０．５μｍ除去できる条件を用いると、酸化膜０．２μｍと基体０．４μｍが除去され、基体３０に０．６μｍの寸法変化が起きる。すなわち、酸化膜０．２μｍのロットと酸化膜０．５μｍのロットでは０．１μｍの寸法ばらつきを生じることになる。第２ステップでは、一定の膜厚、例えば５μｍの成膜を行うので、このばらつきは処理された部品の寸法ばらつきとして残ることになる。特に、寸法精度を要求される機械部品等の処理においてはこの問題は重要である。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題に鑑み、密着性が良くかつ基体の寸法精度の高い成膜ができる成膜方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の成膜方法は、真空チャンバ内にプラズマを生成し、プラズマ中のイオンによって基体の表面をスパッタクリーニングした後、基体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、スパッタクリーニングする時にスパッタクリーニングで生成される成分をモニタリングし、スパッタクリーニングによって減少した基体の寸法を判断し、減少した基体の寸法を補正する厚みだけ成膜時間を長くするものであり、基体の状態に応じて必要な時間だけスパッタクリーニングするので適正なスパッタクリーニングによって密着性の良い成膜ができ、かつスパッタクリーニングによる寸法変化が異なってもそれを補正する量だけ成膜することにより処理後の部品の寸法精度の高い成膜ができる。
【００１３】
上記スパッタクリーニングで生成される成分のモニタリングは、発光分光法や質量分析法で行うことができる。
【００１４】
また、本発明の成膜装置は、排気系とガス供給系とを備えた真空チャンバと、前記真空チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ源と、前記プラズマ源に接続される高周波電源と、基体を載置する支持台にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、前記支持台に対向して配置されかつ前記基体の表面のスパッタクリーニングで生成される成分をモニタリングするモニタリング手段と、モニタリング手段と接続されかつ前記基体の表面のスパッタクリーニングと前記基体の表面に薄膜を形成する成膜動作を選択的に行うように制御するコントローラとを備え、コントローラは、タイマと酸化膜厚−スパッタ時間テーブルと膜厚−成膜時間テーブルとを有し、モニタリングする手段からの信号と酸化膜厚−スパッタ時間テーブルとから、スパッタクリーニングによって減少した、基体の寸法を判断し、減少した基体の寸法を補正する厚みだけ成膜時間を長くするように構成したものであり、上記成膜方法を実施してその効果を奏することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の成膜方法及び装置の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
【００１６】
図１において、１は真空チャンバであり、排気系２とガス供給系３を備えている。４はプラズマを発生させるプラズマ源であり、図示例では真空チャンバ１内に配設されたコイルから成り、高周波電源５に接続されている。６は成膜用の固体ソースであり、スパッタ又は蒸発により金属原子を真空チャンバ１内に放出する。本実施形態では金属としてＴｉを用いている。固体ソース６には、電源７が接続され、スパッタや蒸発に必要なエネルギーが供給される。１０は基体で、支持台８上に載置されている。支持台８にはバイアス電源９が接続されており、基体１０に支持台８を通じてバイアス電圧をかけられるように構成されている。
【００１７】
１１はスパッタクリーニングで生成される成分をモニタリングするモニタリング手段であり、その検出信号はコントローラ１２に入力されている。モニタリング手段１１は、発光分光法によるものでもよいし、質量分析法によるものでもよい。
【００１８】
コントローラ１２は、図２に示すように、操作部や上位コントローラからの指令やモニタリング手段１１等の検出手段からの検出結果によって、電源７、バイアス電源９等の全体装置の各動作部を制御する制御部１３と、スパッタクリーニング時間を計時するタイマ１４と、酸化膜厚−スパッタ時間テーブル１６を参照してスパッタクリーニングした酸化膜の厚さを演算する酸化膜厚演算手段１５と、制御部１３から与えられる所望の膜厚と演算した酸化膜厚、及び膜厚−成膜時間テーブル１８を参照して成膜時間を演算する成膜時間演算手段１７にて構成されている。酸化膜厚−スパッタ時間テーブル１６や膜厚−成膜時間テーブル１８は予め用意されて格納されている。
【００１９】
かくして、コントローラ１２は、モニタリング手段１１からの信号をもとにスパッタクリーニングで生成される成分の消滅を検出することで、スパッタクリーニングを停止し、またスパッタクリーニング開始から終了までの時間を測定し、クリーニング時間によって減少した基体１０の寸法を判断し、成膜後の寸法が所望の値となるように成膜時間を判断する。
【００２０】
次に、動作を説明する。本実施形態における基体１０は、摺動部に用いられる鉄系合金から成る機械部品であり、表面処理は基体１０の表面にＴｉＮ膜を成膜することで、耐摩耗性を向上することを目的とするものである。その成膜工程は、基体１０の表面の酸化膜を除去し、膜と基体間の密着性を向上させる第１ステップと、ＴｉＮ膜を成膜する第２ステップから成っている。
【００２１】
まず、第１ステップの動作を説明する。ガス供給系３よりアルゴンガスを導入し、同時に排気系２より排気して所定の圧力状態とし、高周波電源５によりプラズマ源４に電力を供給するとプラズマＰが発生する。次に、バイアス電源９により支持台８及び基体１０にバイアス電圧を印加する。
【００２２】
これにより、プラズマＰ中の荷電粒子が基体１０に印加されたバイアス電圧により加速され、基体１０に衝突する。そのエネルギーによって基体１０の表面の酸化膜はスパッタリングにより排除される。スパッタリングによって排除された成分はモニタリング手段１１により観測され、その消滅によって第１ステップのスパッタクリーニングは終了する。
【００２３】
図３に、スパッタリングにより基体１０より叩き出され、プラズマＰにより励起された酸素の発光強度をモニタリングした例を示す。モニタリングしたのは、７７７．１ｎｍ、７７７．４ｎｍ、７７７．５ｎｍの波長での和である。Ａは酸化膜０．２μｍのスパッタリング時のモニタリング曲線、Ｂは酸化膜０．５μｍのスパッタリング時のモニタリング曲線であり、時間Ｔａ及びＴｂで酸素が無くなり、クリーニングが終わったことを判断できる。
【００２４】
次に、第２ステップの動作を説明する。第１ステップの終了後、ガス供給系３より窒素を導入し同時に排気系２より排気して所定の圧力状態とし、高周波電源５によりプラズマ源４に電力を供給すると、プラズマＰが発生する。次に、電源７をオンして固体ソース６にエネルギーを供給する。すると、Ｔｉ原子が真空チャンバ１内に放出され、真空チャンバ１内に放出されたＴｉ原子はプラズマＰによりイオン化される。
【００２５】
次に、バイアス電源９により支持台８及び基体１０にバイアス電圧を印加する。イオン化されたＴｉと窒素が基体１０に引き寄せられ、基体１０の表面にＴｉＮ膜が形成される。ここで、成膜時間は、第１ステップのスパッタクリーニングによって減少した基体１０の寸法を判断し、成膜後の寸法が所望の値となるようにコントローラ１２により調整される。
【００２６】
例えば、スパッタクリーニングにかかった時間がＴａであった場合、酸化膜の厚みは０．２μｍであると判断し、第２ステップで５．２μｍの成膜を行う。また、スパッタクリーニングにかかった時間がＴｂであった場合、酸化膜の厚みは０．５μｍであると判断し、第２ステップで５．５μｍの成膜を行う。スパッタクリーニングに要した時間と酸化膜の厚みの関係は予めデータを取っておく。第２ステップにおける成膜時間と膜厚の関係も同様である。以上のようにして基体１０の表面に耐摩耗性をもつ表面処理が施される。
【００２７】
なお、上記実施形態では、プラズマ源４としてコイルから成る例を示したが、支持台８にバイアスをかける交流または直流のバイアス電源９によりプラズマの発生と維持ができる場合には、これをプラズマ源と見なすことができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の成膜方法及び装置によれば、以上のようにスパッタクリーニングする時にスパッタクリーニングで生成される成分をモニタリングし、その成分の消滅した時点でスパッタクリーニングを停止し、スパッタクリーニングにかけた時間に応じて成膜時間を変化させるので、基体の状態に応じて必要な時間だけ適正にスパッタクリーニングできて密着性の良い成膜ができ、かつスパッタクリーニングによる寸法変化が異なってもそれを補正する量だけ成膜することにより処理後の部品の寸法精度の高い成膜ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の成膜装置の概略構成図である。
【図２】同実施形態におけるコントローラの構成図である。
【図３】同実施形態におけるモニタリング状態の説明図である。
【図４】従来例の成膜装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１  真空チャンバ
２  排気系
３  ガス供給系
４  プラズマ源
９  バイアス電源
１０  基体
１１  モニタリング手段
１２  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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