JP2002212714A - 陰極アーク放電を用いた成膜装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板と成膜された膜との密着性を向上させる
ことができ、かつ、帯電による静電破壊を防止すること
ができる成膜装置の提供。 【解決手段】 プラズマビームが照射される基板４１に
対して、バイアス電圧印加装置４６により負の直流バイ
アス電圧を印加しつつ周期的に正のパルスバイアス電圧
を印加する。基板４１は正のカーボンイオンが堆積する
ことにより正に帯電するが、正のパルスバイアス電圧が
印加されたときにプラズマ中の電子が基板４１に引き込
まれることにより、帯電状態が解消または低減される。
その結果、帯電による静電破壊を防止することができ
る。パルスバイアス電圧が印加されないときには常に負
の直流バイアス電圧が印加されているので、密着性の良
い薄膜が基板４１に形成される。

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】従来、このような電気
絶縁性の保護膜を形成する際には、帯電による静電破壊
を避けるために基板を電気的に浮いた状態にして、すな
わちバイアス電圧を印加しないで成膜が行われている。
しかし、基板と成膜されたカーボン膜との密着性が不十
分であるという欠点があった。一方、基板に負の直流バ
イアス電圧を印加して成膜を行うと膜の密着性が向上す
ることが知られているが、この場合には上述した静電破
壊が発生しやすく、磁気ヘッド素子が静電破壊の影響を
受けてしまうという問題があった。

【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、基板と成膜された膜と
の密着性を向上させることができ、かつ、帯電による静
電破壊を防止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２および図５に対応付けて説明する。 （１）図１および図５に対応付けて説明すると、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を生成し、そのプラズマビ
ームを基板４１上に照射して薄膜を成膜する成膜装置に
適用され、基板４１に対して負の直流バイアス電圧（−
Ｖ０）を印加しつつ前記基板の正の帯電を中和する正の
パルスバイアス電圧Ａを印加するバイアス電圧印加装置
４６を備えて上述の目的を達成する。 （２）図１，図２および図５に対応付けて説明すると、
請求項２の発明は、陰極アーク放電によりターゲット１
１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２０と、プラズマビームをダクト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１
７，２１，２２とを備え、プラズマビームを基板４１上
に照射して薄膜を成膜する成膜装置に適用され、基板４
１に対して負の直流バイアス電圧（−Ｖ０）を印加しつ
つ基板４１の正の帯電を中和する正のパルスバイアス電
圧Ａを印加するバイアス電圧印加装置４６を備えて上述
の目的を達成する。

【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５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には電圧
印加装置４６が接続されており、基板４１には基板ステ
ージ４２を介してバイアス電圧が印加されている。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。電圧印
加装置４６の詳細については後述する。

【００１２】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。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は電圧印加装置４６の一例を示す図で
ある。電圧印加装置４６には、直流電源４６１、パルス
発生回路４６０および乗算器４６２が設けられており、
直流電源４６１からの負の直流電圧−Ｖ０に、乗算器４
６２においてパルス発生回路４６０からの高周波パルス
が乗算されて重畳される。図５（ａ）はパルス発生回路
４６０で発生する高周波パルスを示す図であり、パルス
幅ｂ−ａ(sec)のパルスを周期ｂ(sec)で発生する。

【００２３】このようなパルスを乗算器４６２において
重畳すると、パルス１の状態では直流電圧−Ｖ０が基板
４１に印加され、パルス０のときに０（Ｖ）となる。実
際には、パルス０となったときには、図５（ｂ）のよう
にオーバーシュートにより印加電圧が短時間ではあるが
正電圧（符号Ａで示す部分）となる。すなわち、基板４
１には、正のパルス電圧が周期ｂで印加されることにな
る。例えば、Ｖ０としては数百ボルトの電圧が選ばれ、
図５（ｂ）のパルス幅ａは１０(ns)〜１（μs）で、そ
の周期ｂはｂ／ａが１００〜１０００程度となるように
設定される。

【００２４】なお、ｂ／ａの設定値は、帯電の状況によ
って、すなわち基板４１の大きさやプラズマビームの強
度（ビーム電流）等の条件によって異なる。例えば、図
４のように電流計４６３を設けて、成膜時の電流積算値
に基づいて静電破壊が生じないようなｂ／ａを推定する
ようにしても良い。

【００２５】成膜中において、バイアス電圧が負（−Ｖ
０）の状態では、プラズマ中のカーボンイオンが基板４
１に堆積して基板表面はプラスに帯電することになる。
しかし、図５（ｂ）のＡの様に印加電圧が正となったと
きには、プラズマ中に存在する電子が基板４１に引き込
まれ、電子と基板表面の正電荷とが結合する。その結
果、基板４１がプラスに帯電するのを防止することがで
き、静電破壊を発生を防止できる。

【００２６】また、本実施の形態では、負の直流バイア
ス電圧を印加した状態において、正のパルス電圧を周期
的に印加するような構成となっており、ｂ／ａは１００
〜１０００程度であって負電圧（−Ｖ０）に印加されて
いる時間の方が圧倒的に長い。そのため、負の直流バイ
アス電圧を常時印加した場合と同様に密着性の良い膜を
形成することができる。

【００２７】なお、膜の密着性を向上させる目的で、基
板に負のパルスバイアス電圧を印加することがあるが、
本実施の形態のように負の直流バイアス電圧を印加した
状態で正のパルス電圧を印加する場合に比べ、負のバイ
アス電圧が印加されている時間が短いため密着性に劣
る。また、負のパルスバイアス電圧を印加する場合に
は、印加時間が短い分だけ印加電圧を数ｋＶと大きくす
る必要があり、電源が高価になってコストアップを招く
という欠点がある。

【００２８】上述した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。

【００２９】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
移送装置をそれぞれ構成する。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
正のパルスバイアス電圧が印加されたときにプラズマ中
の電子が基板に引き込まれ、基板に帯電していた正の電
荷と結合して帯電状態が解消または低減される。その結
果、帯電による静電破壊を防止することができる。ま
た、正のパルスバイアス電圧が印加されるとき以外は、
基板には負の直流バイアス電圧が常に印加されているの
で、密着性の良い薄膜が基板に形成される。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】電圧印加装置４６を説明する図である。

【図４】電圧印加装置４６の他の例を示す図である。

【図５】電圧印加装置４６によるバイアス電圧を説明す
る図であり、（ａ）はパルス発生回路４６０による高周
波パルスを示し、（ｂ）はバイアス電圧を示す図であ
る。

【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 電圧印加装置 ４６０ パルス発生回路 ４６１ 直流電源 ４６２ 乗算器

Claims (2)

【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、 前記基板に対して負の直流バイアス電圧を印加しつつ前
   記基板の正の帯電を中和する正のパルスバイアス電圧を
   印加するバイアス電圧印加装置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、 前記基板に対して負の直流バイアス電圧を印加しつつ前
   記基板の正の帯電を中和する正のパルスバイアス電圧を
   印加するバイアス電圧印加装置を備えたことを特徴とす
   る成膜装置。