JP2002212713A - 陰極アーク放電を用いた成膜装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 陰極アーク放電を利用して成膜を行う成膜装
置において、内部応力の小さな薄膜を形成することがで
きる成膜装置の提供。 【解決手段】 陰極アーク放電によりターゲットから発
生したプラズマビームＰＢを基板４１上に照射して薄膜
を成膜する際に、基板面の法線をプラズマビームＰＢの
ビーム方向に対して角度αだけ傾けるようにした。その
結果、成膜時のマイグレーションが促進されて、内部応
力の小さな膜が形成される。また、基板４１をその面内
で回転させることにより、膜の均一性を向上させること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、陰極アーク放電を
用いて基板上に薄膜を成膜する成膜装置、特に、磁気記
録装置の磁気ディスクや磁気ヘッドに形成されるカーボ
ン膜の成膜に使用される成膜装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】陰極アーク放電を利用して成膜を行う成
膜装置では、陰極に設けられたターゲット材料に対して
アーク放電を発生させる。ターゲット材料のアーク放電
が生じた部分においては、ターゲット材料のイオンを含
むプラズマが生成され、そのプラズマ中のターゲットイ
オンを基板に堆積することによって所望の薄膜が成膜さ
れる。例えば、ハードディスク装置の磁気ヘッドにカー
ボン膜の保護膜を形成する場合には、グラファイトのタ
ーゲット材料が用いられる。このカーボン膜は硬質で摩
擦係数が小さいという特性を有しており、磁気ヘッドの
保護膜として優れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
陰極アーク放電を用いる成膜装置で形成した薄膜は内部
応力が比較的大きく、基板に対する密着力が良くないと
いう欠点があった。

【０００４】本発明の目的は、陰極アーク放電を利用し
て成膜を行う成膜装置において、内部応力の小さな薄膜
を形成することができる成膜装置を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】発明の実施の形態を示す
図１〜図３に対応付けて説明する。 （１）請求項１の発明は、陰極アーク放電によりターゲ
ット１１の正イオンを含むプラズマビームＰＢを生成
し、そのプラズマビームＰＢを基板４１上に照射して薄
膜を成膜する成膜装置に適用され、プラズマビームＰＢ
のビーム方向に対して基板４１の法線方向を傾けて配設
する基板ステージ４２を備えて上述の目的を達成する。 （２）請求項２の発明は、陰極アーク放電によりターゲ
ット１１の正イオンを含むプラズマビームＰＢを生成す
るプラズマ生成装置１と、基板４１が装填されるチャン
バ４と、入口にプラズマ生成装置１が連結されるととも
に出口にチャンバ４が連結され、かつ、入口から入射し
たマクロパーティクルが出口に達するまでに内壁と衝突
するように屈曲させたダクトと２０、プラズマビームＰ
Ｂをダクト２０に沿って入口から出口へと移送するプラ
ズマ移送装置１７，２１，２２とを備え、プラズマビー
ムＰＢを基板４１上に照射して薄膜を成膜する成膜装置
に適用され、プラズマビームＰＢのビーム方向に対して
基板４１の法線方向を傾けて配設する基板ステージ４２
を設けたことにより上述の目的を達成する。 （３）請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記
載の成膜装置において、基板４１を基板面内において回
転駆動する回転装置４２をさらに設けたものである。

【０００６】なお、上記課題を解決するための手段の項
では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態
の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態
に限定されるものではない。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図３を参照して本発
明の実施の形態を説明する。図１は本発明による成膜装
置の一実施の形態を示す図であり、陰極アーク放電を利
用して成膜を行う成膜装置の概略構成を示す図である。
図１に示すように、成膜装置はプラズマ発生部１，フィ
ルタ部２，ビームスキャン装置３，成膜チャンバ４およ
び装置全体を制御する制御装置５で構成されている。

【０００８】プラズマ発生部１は、ターゲット１１が装
着される陰極部１０と、陰極部１０が固定される陽極チ
ャンバ１２と、アーク放電のきっかけを作るためのトリ
ガ１４とを備えている。陰極部１０はアーク電源（定電
流源）１３の負端子に接続されており、一方、トリガ１
４およびアーク電源１３の正端子に接続されている陽極
チャンバ１２はそれぞれ接地されていてアース電位とな
っている。トリガ１４は、軸１４０を回転軸としてステ
ップモータ等の駆動部１５により回転駆動される。トリ
ガ１４の角度は図示しない角度センサで検出される。

【０００９】陰極部１０と陽極チャンバ１２とは、絶縁
部材６によって電気的に絶縁されている。陽極チャンバ
１２の外周には陽極チャンバ１２内にアキシャル磁場を
形成する磁気コイル１６が設けられており、電源１７か
ら励磁電流が供給される。なお、図示していないが、陰
極部１０には水冷ジャケットのような冷却手段が設けら
れている。

【００１０】フィルタ部２は、屈曲したトロイダルダク
ト２０とその周囲に設けられた磁気コイル２１とを有し
ている。磁気コイル２１にも電源１７から励磁電流が供
給される。フィルタ部２と陽極チャンバ１２とは絶縁材
２３を介して互いに固定されていて、両者は電気的に絶
縁されている。トロイダルダクト２０にはバイアス電源
２２により正のバイアス電圧が印加されている。

【００１１】成膜チャンバ４内には基板ステージ４２が
設けられており、この基板ステージ４２に成膜対象物で
ある基板４１が装着される。基板ステージ４２は駆動装
置４６により駆動される。なお、駆動装置４６の駆動形
態については後述する。成膜チャンバ４とフィルタ部２
とは絶縁部材４０を介して固定されていて、互いに電気
的に絶縁されている。成膜チャンバ４のビーム導入ダク
ト部４３の周囲にはビームスキャン装置３が設けられて
おり、フィルタ部２から出射されたプラズマビームをビ
ームに直交する方向に偏向走査する。

【００１２】ビームスキャン装置３は、例えば、一対の
Ｃ字形状磁気コア（不図示）から成る。一方の磁気コア
の磁極はダクト部４３を挟んで図示上下に配設され、他
方の磁気コアの磁極はダクト部４３を挟んで紙面に直交
する方向に配設される。この場合、プラズマビームは図
示上下方向および紙面に直交する方向に偏向走査され
る。ビームスキャン装置３の磁気コアにはソレノイドコ
イル（不図示）が巻き付けられており、そのソレノイド
コイルには電源３１により励磁電流が供給される。

【００１３】図２はトロイダルダクト２０の形状の一例
を示す図であり、（ａ）はダクト上方から見た平面図、
（ｂ）は正面図である。トロイダルダクト２０は３つの
直管部２０１，２０３，２０５と、それらを繋ぐ２つの
屈曲部２０２，２０４とを有している。直管部２０１お
よび２０５の開口部にはフランジ２０６，２０７がそれ
ぞれ設けられている。直管部２０１の軸方向と直管部２
０５の軸方向とは互いに９０度の角度を成しており、直
管部２０１はｚ軸に沿って配設され、直管部２０５はｘ
軸に沿って配設されている。

【００１４】次に、成膜の際の動作について説明する。
アーク放電を生じさせる際には、図１の破線で示す位置
に退避していたトリガ１４を駆動部１５により回転駆動
してターゲット１１側に倒す。陰極部１０と陽極チャン
バ１２との電位差はアーク電源１３により数１０〜数１
００ボルトに設定されており、トリガ１４の先端に設け
られたトリガチップ１４ａがターゲット１１の表面に接
触するとアーク放電が発生する。

【００１５】アーク放電が発生するとプラズマが生成さ
れ、このプラズマにはターゲット１１から生じた正イオ
ンが含まれている。例えば、カーボン膜を成膜する場合
にはターゲット１１としてグラファイトが用いられ、ア
ーク放電によりカーボンイオンを含むプラズマが生成さ
れる。このとき、グラファイトターゲット１１からはカ
ーボンイオンの他にマクロパーティクルと呼ばれる多数
のカーボン原子から成るクラスターが放出される。

【００１６】制御装置５はアーク電源１３の状態を常時
モニタし、アーク放電の発生を検出したならば駆動部１
５へ指令を送り、ターゲット１１の表面からトリガ１４
を引き上げる。このとき、アーク放電発生時のトリガ１
４の角度位置が上述した角度センサにより検出され、検
出された角度位置は制御装置５に設けられた記憶部（不
図示）に記憶される。アーク放電発生後、放電状態は時
間が経過するにつれて弱まってくるので、再びトリガ１
４を記憶された位置まで駆動部１５により移動させて、
安定したアーク放電が維持されるように制御する。

【００１７】上述したように、陽極チャンバ１２内には
磁気コイル１６によりアキシャル磁場が形成されてい
る。そのため、アーク放電により生成されたプラズマビ
ーム、すなわち、ターゲット１１から放出されたカーボ
ンイオンや電子を含むプラズマビームは、このアキシャ
ル磁場により集束されるとともにフィルタ部２のトロイ
ダルダクト２０へと導かれる。

【００１８】トロイダルダクト２０にはバイアス電源２
２により正のバイアス電圧が印加されているため、トロ
イダルダクト２０内にはラジアル電場が形成されてい
る。さらに、トロイダルダクト２０の周囲に設けられた
磁気コイル２１によりトロイダルダクト２０の軸に沿っ
たアキシャル磁場も形成されている。そのため、正のカ
ーボンイオンを含むプラズマビームは、これらの電場お
よび磁場によりトロイダルダクト２０内を成膜チャンバ
４へと導かれる。

【００１９】ところで、トロイダルダクト２０は図２に
示したように屈曲しているため、プラズマ発生部１で発
生した中性のマクロパーティクルはフランジ２０６から
ｚ軸方向に入射した後にダクト内壁に衝突する。このと
き、運動エネルギーの小さなマクロパーティクルはダク
ト内壁に付着し、運動エネルギーの大きなものは壁面で
反射される。図２のように屈曲しているトロイダルダク
ト２０の場合には、反射されたマクロパーティクルは再
びトロイダルダクト２０の内壁に衝突し、一回の反射で
フランジ２０７から出射されることがない。

【００２０】壁面に衝突した際に、マクロパーティクル
は運動エネルギーの一部が奪われるので、一回目の衝突
で反射されたマクロパーティクルは二回目の衝突の際に
ほとんどダクト内壁に付着してしまう。その結果、成膜
の際に汚染源となるマクロパーティクルを、フィルタ部
２によりほぼ完全に除去することができる。

【００２１】成膜チャンバ４に導かれたプラズマビーム
は、基板ステージ４２に装着された基板４１に照射され
る。このとき、ビームスキャン装置３を用いてプラズマ
ビームをその直交する方向に偏向走査することにより、
基板４１の広い領域に均一にプラズマビームを照射する
ことができる。

【００２２】図３は成膜時の基板配置を説明する図であ
り、（ａ）は本実施の形態における基板配置を示し、
（ｂ）は従来の装置の基板配置を示す。従来の成膜装置
では、図３（ｂ）のようにプラズマビームＰＢの方向に
対して基板４１を垂直に配設して成膜を行っていた。そ
して、プラズマビームＰＢをビームスキャン装置３で偏
向走査することにより、基板４１に均一に成膜されるよ
うにしていた。一方、本実施の形態では、基板４１の法
線方向をプラズマビームＰＢの方向に対して傾けて配設
するとともに、Ｒ１のように基板４１を回転させるよう
にした。

【００２３】薄膜形成プロセスでは、基板に付着した原
子は互いに合体して核を形成し、それらの核が合体して
島を形成し、さらに島が合体して連続的な膜が形成され
る。このように形成された薄膜には内部応力が残留し、
ほとんどの場合、この残留応力は膜が縮もうとする引張
応力を示す。基板４１に付着した原子は、マイグレーシ
ョンにより基板表面上を移動しエネルギー的安定点に落
ち着く。そのため、マイグレーションが促進されるよう
な条件で成膜することによって、残留応力の小さな膜を
形成することができる。

【００２４】図３（ａ）に示すように基板面に対してプ
ラズマビームＰＢを斜めに照射した場合には、図３
（ｂ）のように垂直に照射した場合に比べて上述したマ
イグレーションがより活発に行われる。その結果、残留
応力の小さな膜が基板４１に形成される。実際、基板４
１としてシリコン基板を使用し、傾斜角度α＝４５（de
g）、回転速度＝１６（rpm）でｔａ−Ｃ（tetrahedral
amorphous carbon）を成膜したところ、応力１．４（GP
a）のｔａ−Ｃ膜が得られた。参考として、図３（ｂ）
の従来の方法で成膜したｔａ−Ｃ膜の応力は２．４（GP
a）であった。

【００２５】また、基板４１を回転させることにより、
基板４１上における膜の均一性をより向上させることが
できた。なお、傾斜角度αとしては１０(deg)≦α≦８
０(deg)が好ましく、回転速度は１(rpm)以上で１００(r
pm)以下とするのが好ましい。

【００２６】上述した実施の形態では、ターゲット１１
にグラファイト用いてｔａ−Ｃ膜を成膜した場合を例に
説明したが、本発明の成膜装置はｔａ−Ｃ膜に限らず種
々の膜の成膜に用いることができ、同様に内部応力を低
減することができる。なお、本実施の形態の成膜装置で
は、プラズマ発生部１と成膜チャンバ４との間にトロイ
ダルダクト２０を具備するフィルタ部２を設けたが、本
発明はフィルタ部２を備えていない成膜装置にも適用す
ることができる。

【００２７】以上説明した実施の形態と特許請求の範囲
の要素との対応において、プラズマ発生部１はプラズマ
生成装置を、トロイダルダクト２０はダクトを、電源１
７，磁気コイル２１およびバイアス電源２２はプラズマ
移送装置を、駆動装置４６は回転装置をそれぞれ構成す
る。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板面の法線をプラズマビームの方向に対して傾けたの
で、成膜時のマイグレーションが促進されて内部応力の
小さな膜を形成することができる。また、請求項３の発
明のように基板をその平面内で回転させることにより、
膜の均一性を向上させることができる。特に、請求項２
の発明では、アーク放電時に発生するマクロパーティク
ルがダクトによって除去されるため、汚染物質の少ない
高純度な薄膜を成膜することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による成膜装置の一実施の形態を示す図
であり、成膜装置の概略構成を示す図である。

【図２】トロイダルダクト２０の形状の一例を示す図で
あり、（ａ）はダクト上方から見た平面図、（ｂ）は正
面図である。

【図３】成膜時の基板配置を説明する図であり、（ａ）
は本実施の形態における基板配置を示し、（ｂ）は従来
の装置の基板配置を示す。

【符号の説明】

１ プラズマ発生部 ２ フィルタ部 ３ ビームスキャン装置 ４ 成膜チャンバ ５ 制御装置 １０ 陰極部 １１ ターゲット １２ 陽極チャンバ １３ アーク電源 １４ トリガ １５ 駆動部 ２０ トロイダルダクト ４１ 基板 ４２ 基板ステージ ４６ 駆動装置 ＰＢ プラズマビーム

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 陰極アーク放電によりターゲットの正イ
   オンを含むプラズマビームを生成し、そのプラズマビー
   ムを基板上に照射して薄膜を成膜する成膜装置におい
   て、 前記プラズマビームのビーム方向に対して前記基板の法
   線方向を傾けて配設する基板ステージを備えたことを特
   徴とする成膜装置。
2. 【請求項２】 陰極アーク放電によりターゲットの正イ
   オンを含むプラズマビームを生成するプラズマ生成装置
   と、 基板が装填されるチャンバと、 入口に前記プラズマ生成装置が連結されるとともに出口
   に前記チャンバが連結され、かつ、入口から入射したマ
   クロパーティクルが出口に達するまでに内壁と衝突する
   ように屈曲させたダクトと、 前記プラズマビームを前記ダクトに沿って前記入口から
   前記出口へと移送するプラズマ移送装置とを備え、前記
   プラズマビームを前記基板上に照射して薄膜を成膜する
   成膜装置において、 前記プラズマビームのビーム方向に対して前記基板の法
   線方向を傾けて配設する基板ステージを設けたことを特
   徴とする成膜装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の成膜装
   置において、 前記基板を基板面内において回転駆動する回転装置をさ
   らに設けたことを特徴とする成膜装置。