2019 Fiscal Year Annual Research Report
Ultra-high-speed PVD technology based on sputtering for one-by-one processing
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19H02051
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| Research Institution | Gifu University |
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Principal Investigator |
上坂 裕之 岐阜大学, 工学部, 教授 (90362318)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超高速成膜 / スパッタリング / 一個流し / PVD / 小ロット生産 / 硬質膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでの研究で我々は，プラズマCVDによる超高速DLC成膜（～100 μm/h）を実現した．しかし一般に、実用的な硬質膜はPVD工程とプラズマCVD工程による積層膜であるため，超高速成膜技術を完成・実用化するには，同程度のスループットを有するPVD工程が必要である．そこで我々は，スパッタリング技術をベースとして超高速成膜が可能なPVD技術を確立するための基礎研究を開始することとした．
本研究では，MS(Magnetron Sputtering)技術をベースとする新しいMS装置を考案した．具体的には，棒状の基材の全周を包囲する円筒ターゲット内面に沿ったマグネトロン放電を用いた．このような基材包囲型MS装置が硬質膜堆積に応用された例がなく，基材包囲型MSにおける放電・成膜現象を，非常に基礎的な段階から明らかにしていく必要があった．そこで今年度は，新製作装置がMS装置として作動することを確実にするために主として以下の①－③を行った．
①ターゲット面近傍で300G程度の磁束密度を有する磁場を発生するために，一対のリング型永久磁石を設計した．それらを円筒ターゲットの外周に沿ってはめ込み，50-75mm程度の距離を話して位置を固定した．中心の棒状基材を接地電位として典型的なDC電圧をターゲットに印可すると，低圧（1Pa以下のAr雰囲気）でターゲット内面に沿ってマグネトロン放電が生じた．②DC電圧にかえてHi-Power Impulse電圧による駆動を行ったところ，電圧‐電流波形や発光スペクトルから典型的なHiPIMS放電が生じるとが明らかになった．③直径10 mmで被成膜部の有効長さが80mmの鋼材シャフトに対して，円筒ターゲットにTi，作動ガスに窒素を用いてHiPIMS放電モードにより膜堆積を行った．その結果，シャフト全周に典型的な黄金色のTiNが形成された.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究実績の概要に記載した通り，新たに考案した新製作装置（基材包囲型MS装置）が，狙った通りにマグネトロンスパッタリング装置として作動した．また，DC電圧による駆動（DCMSモード）のみならずHi-Power Impulse電圧による駆動（HiPIMSモード）も可能であることが確認された．以上により，本研究の今後の計画を遂行していくために必要な装置・技術面での根本的なハードルがクリアされた．（所望の成膜装置性能を発揮するための改善・改良の余地は残されている。）
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の成果をさらに発展させるために，次年度には，以下の項目②－⑤を実施ることにより基材包囲型MSの基礎特性を明らかにする．（申請書の４頁に①－⑨として記載してあるため，その番号をそのまま用いる）
まず，前年度の未実施項目として，②基材包囲によるホロー陰極効果によるプラズマ密度とスパッタ粒子の中心基材への収束入射効果により，超高速成膜が可能であることを実証する．次に，③Ti円筒ターゲットを用いた基材包囲型MSによるTi膜の超高速成膜：下表の技術目標Ⅰが達成される（研究ポイント：一個流し超高速Si-DLC成膜の前工程で基材包囲MSによるTi中間層成膜を行い，Si-DLCが高密着化することをスクラッチ試験で明らかにする．）また，④Ti円筒ターゲットを用いた基材包囲型MSによるTiN膜の超高速成膜：下表の技術目標Ⅱが達成される（研究ポイント： TiN膜の従来MSレベルの硬度（押込硬度20-25 GPa）を有することを明らかにする．）また，⑤ C円筒ターゲットを用いた基材包囲型MSによるa-C膜の超高速成膜：下表の技術目標Ⅲが達成される（研究ポイント：a-C膜の従来MSレベルの硬質化（押込硬度20 GPa）と摩擦摩耗特性を明らかにする．）
（⑥ 基材包囲型MSのHiPIMS駆動の放電確認 ＊前年度に前倒して実施済み）
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