JP2000514950A

JP2000514950A - カソードアークソースおよびグラファイトターゲット

Info

Publication number: JP2000514950A
Application number: JP10506712A
Authority: JP
Inventors: シ，ズ; カンテイ，ベン; シアンタン，ホン; イアンフリン，デイビッド
Original assignee: フィルプラスバキュームテクノロジープライベートリミテッド
Priority date: 1996-07-24
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 2000-11-07
Also published as: WO1998003988A2; CN1132219C; GB9615548D0; CN1235695A; AU3630397A; EP1267384A3; DE69718794D1; EP1267384A2; EP0914670A2; ATE232013T1; US6761805B1; EP0914670B1; WO1998003988A3

Abstract

(57)【要約】カソードアークソースは、互いに反対のまたは逆の方向を有する第１および第２の磁場を発生する手段を有する。合成磁場は、ターゲットと基板との間で、ターゲットに近い位置にゼロポイントを含む。ターゲットに垂直の磁場強度は、ゼロポイントではゼロであり、ターゲットに対して横方向の磁場は、ゼロポイントで強度が高い。ターゲットは、結合材料の非存在下で高い温度および圧力でグラファイトパウダーを押圧することによって作製される。ソースおよびターゲットの両方が、堆積された膜内のマクロ粒子の減少に貢献する。

Description

【発明の詳細な説明】カソードアークソースおよびグラファイトターゲット本発明は、カソードアークソース、特に、フィルタリングされたカソードアークソースに関する。本発明はさらに、グラファイトターゲット、およびグラファイトターゲット、特にフィルタリングされたカソードアークソースに用いるためのグラファイトターゲットを生成する方法に関する。本発明のソースは、フィルタリング装置、特に、本発明者らにより既に開発されており、WO-A-96/26531として公開されている国際特許出願PCT/GB96/00389に記載されている二重ベンドフィルタダクトと共に、又はフィルタリング装置がない状態で用いるのに適している。フィルタリングされたカソードアークソースは、特に、グラファイトターゲットから得られる薄いダイヤモンド状フィルムを基板上で生成するために用いられる。従来技術のソースにおいて認識されている問題ポイントは、強力なアークスポットが、ターゲットおよび堆積されたフィルムから生成されるプラズマを汚染する大量のマクロ粒子を生成することである。フィルム中のマクロ粒子の数を減少させるという課題は、従来、プラズマビームからマクロ粒子をフィルタリングする手段をターゲットと基板との間に設けることに着目して解決しようとされている。公知の市販の装置は、ビームからマクロ粒子をフィルタリングするために４５度のベンドを組み込む。本発明者らにより国際特許出願PCT/GB96/00389に記載されている装置は、同一の目的のための二重ベンドフィルタダクトを記載している。後者の装置は特に効率的であるが、堆積されたフィルム中のマクロ粒子を減少させる別の手段を提供することが望ましい。歴青などの結合材料でグラファイトパウダーを接着し、次いで高温および高圧下で熱押圧して、ターゲットをグラファイト化し硬化させることにより、市販のグラファイトターゲットを調製することが公知である。公知のグラファイトターゲットは、PURE TECH INC.からのものであり、約１．８ｇ／ｃｍ³の密度を有する。この公知のグラファイトターゲットを用いることは、典型的にはスポット状であって高電流密度を用いるカソードアークを生成する。公知のグラファイトターゲットを用いると、カソードアークスポットは通常、約１〜１０μｍの直径を有する。このタイプのアークスポットは、公知のフィルタリングされたカソードアークソースを用いて生成されるテトラヘドラルアモルファス炭素（ｔａ−Ｃ）フィルムを汚染する大量のマクロ粒子を生成する。別のグラファイトターゲットが、ケンブリッジ（Cambridge）大学により作製されており、約１ミクロン（１０^-6ｍ）の粒子サイズを有するグラファイトを用いて室温で約２００〜２５０ＭＰａの圧力で押圧された場合に約１．６ｇ／ｃｍ³ の密度を有する。使用中、このターゲットは、ほとんどプラズマを生成せず、その結果、フィルタ部を通過した後の堆積率は非常に低いか又はゼロである。さらに、公知のグラファイトターゲットを用いた場合、アークスポットが不安定にターゲットの表面を移動すると、ターゲットの表面は不均一な様式で消費されることが観察されている。アークの、ターゲットの表面上の移動は、制御不能であり、スポットがターゲットの端部に近づくと堆積率は低下する。本発明は、カソードおよびアノードの新しい設計と、従来技術で特定された問題ポイントのいくつかを、単独に又は組み合わされた状態で、排除するか又は少なくとも緩和する新しいカソードターゲットを提供することを意図する。従って、本発明の目的は、使用中に従来技術に比べてマクロ粒子をほとんど発射しないカソードターゲットからアークを生成する方法および装置を提供することである。本発明の第１の局面によると、グラファイトカソードターゲットと、ターゲット表面の上方においてゼロ磁場強度ポイントを有する、ターゲットに実質的に直交する磁場を発生させる手段とを含むカソードアークソースが提供される。本発明の一実施形態において、カソードターゲットから炭素陽イオンを生成するカソードアークソースは、真空チャンバと真空チャンバ内で磁場を発生させる手段とを含む。上記イオンは、カソードターゲットの前表面に実質的に直交する方向に発射される。磁場は、ターゲットの前表面に実質的に直交する方向を有し、ターゲット上方で且つ真空チャンバ内の位置におけるゼロ磁場強度とを有する。カソードアークソースは好適には、ターゲットに対して近位であり第１の磁場方向を有する第１の磁場を発生させる手段と、ターゲットに対して遠位であり第１の磁場方向とは逆の第１の磁場方向を有する第２の磁場を発生させる手段とを含む。真空チャンバ内で得られる磁場は、磁場強度が、カソードターゲットの前表面に実質的に直交する方向においてゼロであるポイントを含む。あるいは、第１および第２の磁場は、横方向磁場がターゲットと基板との間の領域において増強されるように、ターゲットに対して位置づけられている。ゼロポイントがターゲットと基板との間にあることが好適であるが、必ずしも必要ではない。使用中、本発明のカソードアークソースは、減少した数のマクロ粒子を有する炭素陽イオンのビームを生成する。従って本発明は、最初に生成されるマクロ粒子の数を減少させるために、ソースの真空チャンバ内において、磁場、あるいは２以上の磁場から得られる磁場の制御によって、いかにして、陽イオンのプラズマからマクロ粒子を除去するかという課題に着目する。さらにマクロ粒子を減少させるためにプラズマビームのフィルタリングを行うことは、オプションであり、本発明の好適な実施形態の特徴である。従って、本発明は、一旦生成されたマクロ粒子を除去することによってではなく、いかにして、マクロ粒子生成の時ポイントでマクロ粒子のカウントを減少させるかに着目する。本発明の特定の実施形態において、グラファイトカソードターゲットから陽イオンを生成するカソードアークソースは、磁場を発生させる手段を含む。上記カソードアークソースにおいて、（１）ターゲットの前表面において、前表面に実質的に直交する磁場方向が、前表面に向かい、（２）前表面に実質的に直交する方向における磁場強度が、ターゲットからゼロ磁場強度のポイントまたは領域までの距離が増加するにつれて減少し、（３）ゼロ法線方向（normal）磁場強度のポイントまたは領域から、ターゲットからの距離が増加するにつれて、磁場方向はターゲットの前表面から遠ざかる。この構造において、ターゲットの前表面から発射される陽イオンは、まず第１に、その方向が陽イオンの方向とは実質的に逆である磁場を通過し、第２に、その方向における磁場強度がゼロであるポイントまたは領域を通過し、第３に、その方向が実質的に陽イオンのそれと同一である磁場を通過する。後者の磁場は、例えばフィルタリング装置を介して陽イオンを基板方向に向けるために好適に用いられる。あるいは、ターゲットの前表面における磁場は、ターゲットから遠ざかり基板に向かう。その後、ゼロ法線方向磁場のポイントまたは領域があり、その後前表面から遠ざかるにつれて磁場方向は反転する、すなわちターゲット方向に向かう。以下において、ターゲットの前表面に実質的に直交する方向におけるゼロ磁場強度のポイントまたは領域もまた、ゼロポイントと呼ぶ。本発明の好適な実施形態において、冷却されたグラファイトカソードターゲットと、冷却されたアノードと、アークパワーサプライと、基板と、カソードとアノードとの間でアーク内に陽イオンを生成する手段と、カソードターゲットに実質的に直交する方向において磁場を発生させる手段とを含む、カソードアークソースが提供される。カソードターゲットに実質的に直交する方向において発生する磁場は、ターゲットに近接しており且つカソードターゲットと基板との間にあるポイントにおいてゼロ磁場強度を有する。必要に応じて、ゼロ磁場強度の位置と基板との間において、磁場方向は基板に向かい、ゼロ磁場強度の位置とターゲットとの間において、磁場方向はターゲットの方向である。所望の磁場は好適には、２つの別々の磁場から得られる。一方は、ターゲットにおいて又はターゲット近傍において発生し、他方は、ターゲットと基板との間のポイント又はその近傍において発生する。２つの磁場を重複させることは、陽イオンが基板に至るために通過するゼロポイントを生成する。本発明の実施形態を用いる場合、第１および第２の磁場発生手段が動作している間に、アークはグラファイトターゲットに衝突させられる。合成された磁場内のアークは、従来技術のソースにおけるほど強力ではなく拡散しており、公知のカソードアークソースの特性であるいわゆる「レッドフライ」を生成したとしてもその数は非常に少ない。本発明の別の特定の実施形態において、ゼロ法線方向磁場強度の位置を変化させるために、それぞれの磁場の一方または両方の強度を変化させる手段もまた提供される。このような構造は、ターゲットの前表面とゼロポイントとの間の距離を調整するために好適である。好適な実施形態のカソードアークソースは、２つの磁場発生コイルを含む。第１のコイルは、ターゲット上方に位置し、使用中はターゲットと基板との間にある。このような磁場コイルは、好適にはフィルタリングされたカソードアークソース内に見い出される。なぜなら、ターゲットから生成されるプラズマがフィルタリング装置を通過するように方向付ける磁場を提供するからである。フィルタリング装置は、例えば、一重または二重ベンドおよびバッフルなどの他のフィルタリング構造を含み得、基板に向いている。コイルにより発生した、カソードターゲットに実質的に直交する磁場は、その方向をターゲットから遠ざけ、基板方向に向ける。カソードアークソースはさらに、ターゲット下方、すなわち、ターゲットの、基板から遠位にあるもう一方の側に位置する第２の磁場コイルを含む。この第２のコイルは、第１のコイルにより発生する磁場と実質的に同軸状であるが逆方向である磁場を発生させる。効果は、第２のコイルにより発生する磁場が、第１のコイルにより発生する磁場と部分的に相殺し、その結果、相対的磁場強度の調整により、ターゲット上方のポイントにおいて、法線方向磁場がゼロポイントを有することである。それぞれのコイルにおける電流が変化するにつれて、ゼロポイント、すなわち、ターゲットの前表面に実質的に直交する方向におけるゼロ磁場のポイントは、さらにターゲットの表面から遠ざかるか又はさらにターゲットの表面に近づくように移動する。それぞれのコイル電流が変化してカソードターゲット上方の法線方向磁場内におけるゼロポイントを動かす間、ターゲット表面上方の横方向磁場、すなわち、ターゲットの前表面に対して実質的に横方向または平行な方向における磁場の強度は、受容可能な範囲内にとどまることが見い出された。典型的には、第１のコイルは、約５０ｍＴの一定の強度を有する磁場を発生させる。第２のコイル内の電流は、５Ａと２０Ａとの間で変化する。合成磁場の強度は横方向において測定され、約１５ｍＴと３５ｍＴとの間であることが判明している。この特定の観察にもかかわらず、本発明は、従来のアークパワーサプライでの使用のためであり、特定の磁場強度に限定されないが、概して、クロスした又は反転した磁場を有するか又はターゲットと基板との間にゼロポイントを有する磁場を提供するカソードアークソースに適用される。さらに、相殺される磁場の強度を変化させることにより発生される合成磁場の強度は、アークの挙動と堆積速度との両方に影響を与えることが観察される。ゼロポイントがターゲットに近づくと、アークはより強力になりターゲットにより近く位置する。強力なブループラズマが見られ、堆積速度が低下する。ゼロポイントがターゲットから遠くに移動すると、ターゲット表面における磁場の強度は増加して、アークを維持すること及びアークを衝突させることが問題になる。さらに、堆積速度の低下も見られる。さらに、ｔａ−Ｃフィルムがターゲット上および真空チャンバの壁上に堆積することが観察される。これが一旦起こると、ターゲットの再衝突は実質的に不可能である。なぜなら、ターゲットはｔａ−Ｃフィルムで覆われており、そのことがターゲットをアーク電流から絶縁するからである。そのため、ゼロポイントは、中間位置において、拡散アーク炎と減少したアークスポット強度とを有するアークを生成するように選択される。異なるアークソース設定のために適切な動作パラメータを見つけることは、いくつかの試行錯誤または較正を必要とする。直径６０ｍｍのグラファイトターゲットと直径１２ｃｍ（６インチ）のトロイダルダクト、およびターゲット上方で約５０ｍＴおよびターゲット下方で逆方向の６０ｍＴの磁場を用いると、ゼロポイントはターゲットの前表面の上方約５ｃｍであり、有用な堆積速度を与えるプラズマが得られる。このアークにおいては「レッドフライ（red flies）」はほとんど見られず、ターゲットは均一に浸食される。アーク電流が流れている間、陽イオン内に集中する領域である「ハンプ」がターゲット表面上に形成される。ほとんどの陽イオンは、ターゲット表面に向けて加速する。ターゲット表面は、典型的には約−３０ボルトの負電位にあり、ターゲット表面に高エネルギーを付与しアークを永続化する。ターゲットの表面上の原子がイオンと電子とに分離する際に電流が流れる。電子は、接地され従ってゼロボルトであるアノードに流れる。典型的なアーク電流は、約１００Ａであり、この電流において、プラズマ電流、すなわち、プラズマビームを形成する陽イオンは、約１Ａの電流を有し得る。従って、陽イオンのプラズマビームを形成する電流が総アーク電流に対して占める割合は、非常に低い。ターゲット下の底部磁場の強度の変更は、ゼロポイントの、それに対応する位置の変化を引き起こす。ゼロポイントがターゲット表面に近づきすぎると、ゼロポイントと同一レベルの位置において、より多くの電子がカソードからアノードに直接流れる。そのため、プラズマ出力ははるかに少ない。ゼロポイントが正しく選択されると、プラズマのカラムが生成されて、実質的にマクロ粒子を含まないコーティングの良好な堆積速度を提供する。このカソードアークソースによって生成されるプラズマビームは、その後、従来の一重または二重ベンドダクトを用いてフィルタリングされ得る。プラズマビームは当該分野で周知であるように磁場の磁場ラインに従うため、プラズマビームの磁場による方向付けが達成される。ゼロポイントにおいて、ターゲットに実質的に直交する磁場強度はゼロであり、強力な横方向磁場がある。法線方向磁場強度は、プラズマビームの中央で測定される。横方向磁場強度は、アノードの円筒状壁に沿って測定される。使用中、カソードアークソースが位置するチャンバの壁は、典型的には、カーボンフレークでコーティングされる。カーボンフレークは、強力な横方向磁場と関連するポイントで光る。従って、ゼロ法線方向磁場の位置、すなわちゼロポイントの目視的観察は、容易に観測ポートを介してなされ得る。本発明の一実施形態において、アークソースは、真空チャンバの実質的に中央に位置するカソードを含む。チャンバの内表面は、アノードとして接地される。従ってアノードはカソードを取り囲み、チャンバの内壁に沿ってカソードから遠ざかる。グラファイトターゲットは、カソードと電気的に接触しており、カソード（ターゲットではなく）とアノードとの間のアーク発生を防止するために、電気的絶縁性の囲い（shroud）がカソードを取り囲む。ターゲットの外端からアノードまでの距離は、ターゲット周囲において実質的に同一である。例えば、このことは、円筒状のアノード内の中央に位置する実質的に円形のターゲットを提供することにより達成される。さらに、ターゲットの端部（単数または複数）は、アークがアノードとターゲットの前表面との間にのみ形成されるように、必要に応じて包まれる（shrouded）。オーバーヒートによる装置への如何なるダメージをも防止するために、冷却が典型的に、アノード周囲の水により冷却されたジャケットにより提供される。ジャケットにおいて、冷水の流入は、ゼロポイントに隣接して起こり、それによりアノードが最も加熱される位置で最大冷却を提供する。水はほぼゼロポイントと同一レベルで冷却ジャケットに流入し、内部スパイラルを上昇する。その後、ジャケットの外部を下降し、内部スパイラルを上昇し、最終的には出口パイプから流出する。水により冷却されたアノードは、当該分野で公知であるが、これらのアノードは典型的にはターゲット直径に類似の直径を有する。ターゲットの上方および下方の磁場コイル内の電流は、ゼロポイントと水流入口との両方がターゲット表面の上方においてターゲット表面からほぼ同一の距離にあるように調整される。流出するフィルタリングされたカソードアークソースは、本発明により、ターゲットにおいて又はターゲット下方に、既に存在する方向付け磁場コイルの方向とは逆の方向を有する第２の磁場コイルを追加することにより改変され得る。現在のソースにおいて、ターゲットは、アークのストライキングおよび維持が達成するようにするために、方向付け磁場のコイルから有意な距離に位置することが必要である。本発明は、ターゲット周囲に反転磁場を用いることにより、アーク生成をプラズマの方向づけから分離する。ターゲットは、方向付け磁場コイルに近づき得、強力な方向付け磁場はアーク生成に影響を与えることなく用いられ得る。本発明の第１の局面はさらに、グラファイトカソードターゲットにアークを衝突させる方法を提供する。方法は、（ｉ）（ａ）第１の磁場方向を有する第１の磁場と、（２）第１の方向とは逆の第２の磁場方向を有する第２の磁場とを発生させて、第１および第２の磁場から得られる磁場を発生させる工程と、（ii）合成磁場において、アークを衝突させる工程と、を含む。第１および第２の磁場は、それぞれターゲットの上方および下方に位置するコイルから発生し得る。第１のコイルは必要に応じて、一重または二重ベンドダクトを介してプラズマを方向づけることにより、アークによって生成されたプラズマからマクロ粒子をフィルタリングする手段の一部を形成する。上述したように、得られた磁場は、ターゲット上方のゼロポイントを含み、このポイントにおいて、ターゲットに直交する磁場強度はゼロであり、コイル電流の変化はゼロポイントのターゲットからの距離を変更する。本発明の第２の局面は、単独で、又は本発明の第１の局面のアークソースと共に用いるのに適しており、グラファイトターゲットに関する。従って、本発明の第２の局面は、上昇した温度および圧力で押圧された場合に２ミクロンを越える平均サイズを有するグラファイトパウダーを含むターゲットを提供する。その典型的な密度は、１．７〜２．０ｇ／ｃｍ³の範囲内であり、このターゲットはカソードアークソース内で用いるためのものである。好適には、ターゲットの密度は、１．８〜１．９５ｇ／ｃｍ³の範囲内である。本発明のグラファイトターゲットは、典型的には、約５〜２０ミクロンの平均粒子サイズを有するグラファイトを用いて、グラファイトパウダーを４００〜６２０ＭＰａで少なくとも１５０℃、好適には２３０℃＋／−３０℃で押圧することにより生成される。好適には、ターゲットは、４５０〜６００ＭＰａ、最も好適には５００〜６００ＭＰａで押圧される。グラファイトパウダーは、得られるターゲットが孔またはセル内に気体を捕獲する多孔性構造を有するように、実質的に結合材料がない状態で押圧される。従来のカソードアークソース、または本発明の第１の局面によるアークソースにおいて用いられた場合、陽イオンのプラズマビームは、汚染マクロ粒子の発射が減少した状態で得られ得る。この特性は、ターゲットの孔内からの少量の気体がアークに放出され、気体がアークスポット内のイオン化を補助することによると考えられる。しかし、本発明者らは、この理論に縛られることを望まない。フィルム内の少量の気体が許容され得るコーティングに適用するために、ターゲットは、フィルム内のマクロ粒子を減少させるというポイントで有利である。本発明の特定の実施形態において、ターゲットは、約５５０ＭＰａで押圧され、約１．９ｇ／ｃｍ³のターゲット密度を提供する。このターゲットは、約２３０℃で空気中で押圧される。比較試験において、類似のサイズを有するグラファイト粒子を用いて同一の圧力で、しかし室温で押圧されたターゲットは、より柔らかいターゲットを生成する。より柔らかいターゲットは、より多くのマクロ粒子を有するプラズマビームを生成する。従って本発明はさらに、本発明の方法によって生成されるグラファイトターゲットに関する。ターゲットのサイズおよび形状は、任意のフィルタリングされたカソードアークソースに適合するように調整され得るが、典型的なサイズのターゲットは、断面が円形であり、２０ｍｍ〜１００ｍｍ、好適には４０ｍｍ〜８０ｍｍの直径を有する。後述する本発明の特定の実施形態において、カソードターゲットは、約１０ミクロン(３２５メッシュ）の平均粒子サイズを有するグラファイトパウダーから調製され、１．８〜１．９ｇ／ｃｍ³の密度を有する。本発明のグラファイトターゲットを用いると、ターゲット表面に生成されるカソードスポットが、従来のターゲットを用いる場合に比べてより拡散していることが観察される。また、本発明のグラファイトターゲット上のカソードスポットは、従来のターゲットを用いる場合に比べて、サイズが大きく、典型的には直径約１〜５ｍｍ、より厳密には直径約３ｍｍであることが観察される。本発明の１つの利点として、グラファイトターゲットを用いると、フィルタリングされたカソードアークソースを用いて堆積された膜を汚染し得るマクロ粒子の放射がより少ないカソードスポットが生成される。従って、グラファイトターゲットの使用により、より汚染の少ない膜が得られる。また、本発明のグラファイトターゲットを用いると、フィルタリングされたカソードアークソースは、より低い電流密度で動作し得ること、さらに、フィルタリングされたカソードアークチャンバー内で高真空圧力下で、グラファイトターゲットからダイアモンド状の膜が効率的に堆積され得ることが観察される。さらに、本発明のカソードターゲットは均一に消費されることが観察されている。本発明はまた、カソードアークソースで使用するためのグラファイトターゲットを製造する方法を提供する。この方法は、４００〜６２０ＭＰａの圧力および１３０〜３３０℃の温度で、結合材料の非存在下で、グラファイトパウダーを押圧して、固形ターゲットを形成することを包含する。グラファイトパウダーは、好ましくは４５０〜６２０ＭＰａ、より好ましくは５２０〜６００ＭＰａの圧力で押圧される。さらに、押圧温度は、好ましくは１８０〜２８０℃、より好ましくは２００〜２６０℃である。本発明の１つの実施形態では、グラファイトターゲットを製造する方法が提供される。この方法は、ターゲットを形成するための型を提供すること、型内に結合材料を含まないグラファイトパウダーを入れること、約５５０ＭＰａの圧力および約２３０℃の温度でパウダーを型内で押圧して、ターゲットを形成すること、およびターゲットを型から離すこと、を包含する。典型的な型は、典型的には４０〜１００ｍｍの範囲の直径を有する円筒形状のターゲットを製造するものであるが、方形、三角形などの他のターゲット形状も、それらの提案された使用によっては適切である。本発明の別の実施形態では、グラファイトターゲットを製造する方法は、オーブン内で１００〜４００℃の温度でグラファイトパウダーを予熱することをさらに包含する。加熱期間は、場合によっては１／２〜１０時間の間であり、後述の本発明の特定の実施形態では、グラファイトパウダーはオーブン内で約３００℃ で約６時間予熱される。ケンブリッジ大学によって開発された従来の柔らかいターゲットを用いると、アークスポットがターゲット表面に穴を開けることが観察されている。穴は典型的には直径約１ｍｍであり、１〜２回の使用後ターゲットにひび割れをもたらす。従来のPURE TECH INCのターゲットを用いると、アークがターゲット表面に小さなアークスポットを形成し、これが表面を素早く移動して不均一な摩耗をもたらすことが観察されている。本発明のターゲットを用いると、アークスポットは、ターゲット表面をもっとゆっくりと移動し、ターゲット表面に穴を形成はしないが、ターゲット表面をもっと均一に摩耗させることが観察される。本発明の利点は、カソードアークソースが、マクロ粒子レベルが顕著に減少したプラズマビームを生成することである。本発明のさらなる利点は、本発明のカソードアークソースと組み合わせて用いると、ターゲット自体が発光プラズマ内のマクロ粒子の数をさらに減少させることである。本発明を以下に示す特定の実施例の形で説明する。これらの実施例は、本発明の範囲を制限するものとして解釈されない。これらの実施例はまた以下の図面によって示される。図１および図２はそれぞれ、本発明のカソードアークソースの前面および側面部分切取図である。図３は、堆積装置の一部であり、堆積チャンバーに接続される、本発明のカソードアークソースの側面図を示す。図４は、図１のカソードアークソース内のターゲットに実質的に垂直な方向の磁場強度であって、ターゲットから発せられるイオンビームの中心で測定される磁場強度のグラフである。図５は、図１のカソードアークソース内のターゲットに対して実質的に横向きの方向の磁場強度であって、アノードの円筒壁で測定される磁場強度のグラフである。図６は、グラファイトパウダーを押圧してターゲットとする圧力に対するｔａ −Ｃ膜の堆積速度を示すグラフである。図７は、グラファイトパウダーを押圧してターゲットとする圧力に対するターゲット密度を示すグラフである。図８は、市販のグラファイトターゲットを用いて生成されるアークの写真である。図９は、本発明のグラファイトターゲットを用いて生成されるアークの写真である。図１０は、市販のグラファイトターゲットを用いて堆積されるｔａ−Ｃ膜の写真である（倍率×５００）。図１１は、本発明のグラファイトターゲットを用いて堆積されるｔａ−Ｃ膜の写真である（倍率×５００）。図１、図２および図３において、カソードアークソース（１０）は一般的に図１および図２に示され、図３の堆積チャンバー（３６）に接続される。ソース（１０）は、非絶縁性囲い（１３）によって取り囲まれるカソード（１２）と、真空チャンバー（１１）の内壁によって形成されるアノード（１４）とを備えている。ターゲット（１６）はカソード（１２）に電気的に接触している。絶縁性囲い（１７）がターゲットを取り囲んで、ターゲット（１６）の側部とアノード（１４）との間のアーク発生を防止する。カソード（１２）およびアノード（１４）はアークパワーサプライ（図示せず）に接続される。カソードの冷却は、水入口（２０）および水出口（２２）を介する冷却水の供給により実現される。同様に、アノードの冷却は、水入口（２４）および水出口（２６）を介する冷却水の供給により実現される。アノードを冷却する水は、３層冷却ジャケット（２７）を通り、冷却水は図２の矢印によって示される方向に流れる。回転可能ストライカ（２８）が真空チャンバーの壁に取り付けられ、ターゲット（１６）の方向に回転してターゲットに接触し、これによりカソードアークの点火を実現するようにされる。ガス入口（３１）に対するスウェジロック取付具を含む観測ポート（３０）が、動作中にアークを目視検査するために、ソースの側面に取り付けられる。ターゲット１６の下方には第１の磁気コイル（３２、図１に示すが図２には示していない）があり、ターゲット（１６）の上方のチャンバーの円筒壁の周りには第２の磁気コイル（３４、図１に示すが図２には示していない）がある。カソードアークソース（１０）の動作において、各コイル（３２、３４）によって磁場が発生され、合成磁場は、真空チャンバー（１１）内に、ターゲットの上方約２〜４ｃｍに、ターゲット（１６）に実質的に垂直な方向のゼロ磁場強度ポイントが存在するように、発生される。ゼロ磁場強度ポイント、すなわち「ゼロポイント」は、真空チャンバー（１１）内の、ターゲット（１６）の上方のターゲットから短距離の位置にある。各コイル（３2、３４）の電流の変動により、ターゲット（１６）の表面とゼロポイント間の距離が変動し得る。図３では、第２のコイル（３４）の巻線は、支持構造体（３８）上に取り付けられる堆積チャンバー（３６）に通じるトロイダルダクト（４２）の壁（４０）を延びる。操作磁場の増大が必要な場合は、磁場コイル（３４）は、ベンドの外側に永久磁石（図示せず）を取り付けることによって補充され得る。このカソードアークソースを用いると、第１および第２のコイル（３２、３４）の各電流は、ゼロポイント、すなわちターゲットに実質的に垂直な方向の磁場がゼロ強度であるポイントが、ターゲット（１６）から０．５ｃｍから約６ｃｍ離れた位置であるように、変動される。カソードアークソースの動作中、ターゲットの上方に位置するコイル（３４）によって発生される磁場は一定に保たれ、約５０ｍＴの強度を有する磁場を提供し、また、ターゲットの下方に位置するコイル（３２）の電流は５Ａから２０Ａの間で変動し、垂直および横方向の合成磁場が測定された。結果を図４および図５に示す。図４では、ターゲットの下方のコイルの電流が５Ａから２．５Ａの増分で２０Ａまで上昇するとき、垂直磁場がゼロ強度である位置が、ターゲット表面の上方約０．５ｃｍからターゲット表面の上方約６ｃｍまで上昇することが分かる。図５は、ソースのアノード壁（１４）で測定された、ターゲットに対して横向きの方向の磁場強度の測定結果を示す。図５の結果は、横方向の磁場強度が、ターゲットの下方のコイルの電流が５Ａで、ゼロポイントがターゲット表面の上方約０．５ｃｍであるときの約１５ｍＴと、ターゲットの下方のコイルの電流が２０Ａで、ゼロポイントがターゲット表面の上方約６ｃｍであるときの約２５ｍＴとの間で変動することを示す。図４および図５は、ターゲットの下方のコイルに対して特定されたコイル電流を用いた磁場強度の測定結果を示すが、図４および図５を参照すれば、真空チャンバー内でターゲット上方の垂直磁場でのゼロポイントを維持しつつ、コイル電流をさらに変動させることが、カソードアークソースの使用中に採用され得ることは、当業者であれば理解され得る。実施例１グラファイトターゲットを調製するのに適したグラファイトパウダーをオーブンに入れ、２５０度Ｃで約５時間加熱した。パウダーをオーブンから取り出して、約２３０℃の温度および約５５０ＭＰａの圧力で、歴青またはタールなどの結合材料を用いずに型に押し込み、この圧力を約３０分間維持した。得られるグラファイトターゲットは、約１．９ｇ／ｃｍ³の密度を有し、直径６０ｍｍの円筒であった。このグラファイトターゲットをフィルタリングされたカソードアークソース内で用いて、ターゲット表面のカソードスポットの直径が約５ｍｍであることを観察した。一方、従来のグラファイトターゲットを用いると、カソードには輝度の高いスポットおよび「レッドフライ」が典型的にみられる。新しいターゲットを用いると「レッドフライ」はほとんど観察されなかった。代わりに、スポットは青みがかり、プラズマは同様の青色を有する。従って、本発明者らは、当時の当該分野においてそれほど極端ではない条件下で圧力をかけられると、多孔性グラファイトターゲットは、典型的には約１０ｍｍの大きさに拡散するアークを生じさせることを見いだした。この拡散したアークにより、はるかに低い電流密度の使用が可能となり、発光プラズマビーム内で生成されるマクロ粒子が顕著に減少する。実施例２粒子サイズ直径約１０ミクロンのグラファイトパウダーを、この場合も結合材料を用いずに、約２３０℃の温度および約８０、１２０、２５０、３１０、４２０および５２０ＭＰａの圧力で押圧して、グラファイトターゲットを得た。二重ベンドフィルタダクトを有するフィルタリングされたカソードアークソースで、実質的にPCT/GB96/00389に記載されているように、堆積速度を試験した。結果を図６に示す。パウダーサイズ直径約１０ミクロンのグラファイトパウダーを、２３０℃の温度および約８０、１８０、２５０、３１０、４２０および５２０ＭＰａの圧縮圧力で押圧することによって、別のターゲットを製造した。これらのターゲットの密度を測定した。結果を図７に示す。図６は、約２５０ＭＰａ以上の圧縮圧力を用いて得られたターゲットが、最高の堆積速度を与えることを示す。図７に示すように、この圧力範囲で作成されるグラファイトターゲットの密度は約１．７〜１．９ｇ／ｃｍ³である。従って、本発明により製造されるグラファイトターゲットは、マクロ粒子数が少ない一方で、堆積速度を犠牲にしないという有利な結果を与える。実施例３本発明のカソードアークソースを用いて、市販のターゲットを用いる場合と、本発明のターゲットを用いる場合に生成されるアークの特性を調査した。観測ポイントを介して生成されたアークの写真を撮った。結果を図８および図９に示す。図８は、市販のグラファイトターゲットから生成されるアークである。写真には多数のレッドフライが明るいストリークとして見られる。これらのレッドフライはアーク内に形成されるマクロ粒子を示す。図９では、アークにはレッドフライは見られず、アークが市販のターゲットから生成される場合よりはるかに均一な概観を有する。市販のターゲットおよび実施例１のターゲットの両方を用いてｔａ−Ｃ膜を堆積した。図１０は、市販のターゲットを用いて製造した膜の５００倍拡大写真を示す。多くの汚点(blemishes)が見られ、膜内にマクロ粒子が存在することを示す。ｔａ−Ｃ膜を市販のターゲットを用いて、市販のカソードアークソース内で製造する場合より、見られるマクロ粒子数は顕著に減少する。図１１は、本発明のターゲットを用いて、本発明のカソードアークソース内で製造したｔａ−Ｃ膜の５００倍拡大写真を示す。膜にはマクロ粒子が存在しない。本発明は、マクロ粒子が少ない、ダイアモンド状の膜などの薄膜の製造を可能にし、例えばハードディスクドライブおよび半導体の製造および光学素子のコーティングなどの幅広い産業上の適応を有する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者タン，ホンシアンマレイシアセランゴー，ペタリンジャヤ 46400，ジャラン 17／１ 24 (72)発明者フリン，デイビッドイアンシンガポール共和国 640726 シンガポール，ゲポービル，ビーエルケイ 726 ナンバー08―244（番地なし)

Claims

【特許請求の範囲】１．カソードターゲットから炭素陽イオンを発生するカソードアークソースであって、該イオンは、該ターゲットの前表面に実質的に垂直の方向に発せられるカソードアークソースにおいて、カソードと、アノードと、真空チャンバーと、該チャンバー内で磁場を発生する手段とを備え、該磁場は該ターゲットの該前表面に実質的に垂直の方向を有し、また該ターゲットの上方の該チャンバー内の位置でゼロ磁場強度を有し、該磁場は、該ターゲットの上方に位置する第１の磁場発生手段、および該ターゲットの下方に位置する第２の磁場発生手段によって発生される合成磁場である、カソードアークソース。２．前記チャンバーの内表面がアノードである、請求項１に記載のソース。３．前記ターゲットの近くに第１の磁場方向を有する第１の磁場を発生する手段と、該ターゲットから離れて該第１の磁場方向とは実質的に反対方向の磁場方向を有する第２の磁場を発生する手段とを備えている、請求項１または２に記載のソース。４．グラファイトターゲットから陽イオンを発生するソースであって、磁場を発生する手段を備え、（１）該ターゲットの前表面において、該前表面に実質的に垂直の磁場方向は該前表面に向かう方向であり、（２）該方向の磁場強度は、該ターゲットからゼロ磁場強度ポイントまでの該前表面に実質的に垂直な方向の距離が増大するに従って減少し、（３）該ゼロ磁場強度ポイントからは、該ターゲットからの距離が増大するに従って磁場方向が該ターゲットの該前表面から離れる、前記請求項のいずれかに記載のソース。５．グラファイトターゲットから陽イオンを発生するソースであって、磁場を発生する手段を備え、（１）該ターゲットの前表面において、該前表面に実質的に垂直の磁場方向は該前表面から離れ基板に向かう方向であり、（２）該方向の磁場強度は、該ターゲットからゼロ磁場強度ポイントまでの該前表面に実質的に垂直な方向の距離が増大するに従って減少し、（３）該ゼロ磁場強度ポイントからは、該ターゲットからの距離が増大するに従って磁場方向が該ターゲットの該前表面に向かう、請求項１から３のいずれかに記載のソース。６．前記ターゲットに実質的に垂直の方向にゼロ磁場強度を有し、１５ｍＴから３５ｍＴの横方向磁場強度を有する磁場を発生する手段を備えている、前記請求項のいずれかに記載のソース。７．前記ターゲットに実質的に垂直な方向の前記ゼロ磁場強度ポイントにおいて、該ターゲットに対して実質的に横方向の磁場強度が少なくとも１０ｍＴである、前記請求項のいずれかに記載のソース。８．前記垂直方向のゼロ磁場強度ポイントが、前記ターゲットの前記表面の上方２から６ｃｍの間に位置する、請求項７に記載のソース。９．前記垂直方向のゼロ磁場強度ポイントが、前記ターゲットの前記表面の上方約５ｃｍに位置する、請求項８に記載のソース。１０．前記ソースから発生される陽イオンを集中させて、ビームとする半径方向の電界を発生する手段をさらに備えた、前記請求項のいずれかに記載のソース。１１．真空チャンバー内のグラファイトカソードターゲットにアークを衝突させる方法であって、（ｉ）（ａ）該ターゲットの下方に第１の磁場方向を有する第１の磁場と、（ｂ）該ターゲットの上方に該第１の磁場方向とは反対の第２の磁場方向を有する第２の磁場とを発生して、該第１および第２の磁場から合成磁場を発生する工程、および（ｉｉ）該合成磁場内で該アークを衝突させる工程、を包含する方法。１２．カソードと真空チャンバーの内表面によって形成されるアノードとの間でアークを衝突させる、請求項１１に記載の方法。１３．前記第１および第２の磁場を発生して、合成磁場を変動させアークの衝突を最適化するために、コイル電流を変化させる工程を包含する、請求項１１または１２に記載の方法。１４．前記第１の磁場を用いて、前記アークからのプラズマをマクロ粒子フィルタを介して操作する工程を包含する、請求項１１から１３のいずれかに記載の方法。１５．前記第１および第２の磁場が実質的に同軸状である、請求項１１から１４のいずれかに記載の方法。１６．前記第１および第２の磁場が、前記アークから発せられるプラズマと実質的に同軸状である、請求項１５に記載の方法。