JP2003213404A - カソードアークイオン成膜装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 より安定なプラズマ状態を形成することがで
き、プラズマ状態の制御性に優れたカソードアークイオ
ン成膜装置の提供。 【解決手段】 ターゲットであるカソード４に電流を流
して加熱することにより、カソード４から熱電子を強制
的に放出させるようにする。その結果、熱電子の作用に
より起動モード時のアーク放電電圧を従来よりも低くす
ることができ、アーク放電起動のための高電界発生機構
を設ける必要がない。また、電圧印加手段の電圧を制御
することによって、アーク放電状態を容易にかつ素早く
制御することができるので、カーソードアークプラズマ
の制御性および安定性が向上する。

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
利用してプラズマを生成し、プラズマ中の材料元素イオ
ンを基板上に照射して薄膜を成膜するカソードアークイ
オン成膜装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】陰極アーク放電によるプラズマ励起法
は、低圧力域での励起が可能であることや、プラズマ中
でのイオン化率が高いなどの特徴を有している。そのた
め、この励起法は、高真空中で材料元素イオンを試料基
板表面に照射して蒸着するカソードアークイオン成膜装
置のイオン源に利用されている。

【０００３】カソードアークイオン成膜装置では、陰極
に蒸着元素材料であるターゲットが配設され、カソード
とアノードとの間に高電圧を印加してアーク放電を発生
させる。アーク放電の発生により、ターゲット材料が蒸
発するとともにイオン化され、ターゲット表面付近にプ
ラズマが生成される。このプラズマ中のターゲットイオ
ンを試料基板表面に導いて堆積させることにより、ター
ゲット元素を材料とする薄膜が形成される。このような
成膜装置の一例が、特開昭５９−２００７６０号公報に
開示されている。

【０００４】高電界によってアーク放電が起動されプラ
ズマが励起されると、それ以後は励起されたプラズマの
効果によってより低い電界でも放電が持続される。すな
わち、電極間電界の機能はアーク放電起動のための絶縁
破壊から、プラズマへのエネルギー供給へと変化する。

【０００５】カソードアークイオン成膜装置のように常
温かつ高真空中でアーク放電を起動させるためには、上
述したように高電界を必要とする。そのため、放電電極
形状を尖端形状にして電界集中効果を利用したり、アノ
ード−カソード間距離を変えたりして高電界を形成して
いる。また、アーク放電を起動するためのトリガ装置と
呼ばれる起動専用電極や起動用高電圧印加機構が用いら
れたりする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アーク
放電が持続状態となっても、ターゲット材料の蒸発によ
るターゲットの消耗やアノードへの蒸着物の堆積のため
に、電極間の電界状態が刻々と変化し、放電状態が不安
定となる。放電状態が不安定となってアーク電流が小さ
くなった場合には、トリガ装置を再起動することにより
プラズマが消失するのを防止している。すなわち、成膜
プロセス中には、アーク放電を起動する起動モードと、
プラズマの効果によってアーク放電が持続される持続モ
ードとが繰り返される。このとき、各モードにおける電
界の大きさが極端に異なっていて放電状態が急激に変化
するため、イオン源として利用されるプラズマの状態が
不安定になりやすいという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、より安定なプラズマ状態
を形成することができ、プラズマ状態の制御性に優れた
カソードアークイオン成膜装置を提供することにある。

【０００８】

【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に対応付けて説明する。 （１）請求項１の発明は、アーク放電電圧の印加によっ
て生じたアーク放電により陰極ターゲット４の材料元素
イオンを含むカソードアークプラズマ２を生成し、材料
元素イオンを基板５上に導いて薄膜を成膜するカソード
アークイオン成膜装置に適用され、陰極ターゲット４を
熱電子放出温度に加熱する加熱手段９を備えて上述の目
的を達成する。 （２）請求項２の発明は、請求項１に記載のカソードア
ークイオン成膜装置において、加熱手段は、陰極ターゲ
ット４に電流を直接流してジュール熱を発生させるもの
である。 （３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載のカ
ソードアークイオン成膜装置において、アーク放電の状
態を監視するアーク放電監視手段８と、アーク放電監視
手段８の監視情報に基づいて、加熱手段９による加熱お
よび電圧印加手段７によるアーク放電電圧をそれぞれ制
御する制御手段１０を設けたものである。

【０００９】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。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の実施
の形態を説明する。図１は、本発明によるカソードアー
クイオン成膜装置の一実施の形態の概略構成を示す図で
ある。真空チャンバ１内には、カソードアークプラズマ
２を生成するためのアノード３およびカソード４が設け
られている。カソード４は成膜材料であるターゲットで
構成されており、例えば、試料基板５上にＤＬＣ（Diam
ond Like Carbon）等のカーボン膜を成膜する場合に
は、グラファイトターゲットが用いられる。真空チャン
バ１内は、真空ポンプ６によって高真空に排気される。

【００１１】アノード３とカソード４との間にはアーク
放電用電源７によって電圧が印加される。アーク放電時
のアーク電流は電流センサ８により検出される。この電
流センサ８によってアーク電流値をモニタすることによ
り、プラズマ２が生成されているか否かや、プラズマ２
の生成状態を認識することができる。例えば、アーク放
電が停止してカソードアークプラズマ２が消滅すると、
アーク電流がゼロとなる。

【００１２】一方、抵抗体であるカソード４には、加熱
用電源９が接続されている。その結果、カソード４自体
に電流が流れ、ジュール熱によりカソード４が加熱され
る。後述するように、カソード４が数１００℃に加熱さ
れると、カソード４の表面から熱電子が放出される。こ
の電源９の電圧を変えることによって電流値を変化さ
せ、カソード４の温度を調整することができる。カソー
ド４の温度は温度センサ１１によって検出される。

【００１３】試料基板５には、バイアス電源１２により
マイナスのバイアス電圧が印加される。このバイアス電
圧によってカソード４と試料基板５との間にポテンシャ
ル差が生じ、カソードアークプラズマ２から引き出され
た材料元素のイオン流１３をこのポテンシャル差により
基板試料５へと引き込む。電流センサ８および温度セン
サ１１の検出結果はコントローラ１０に入力され、コン
トローラ１０はその結果に基づいて電源７，９を制御す
る。コントローラ１０で電源７，９の電圧を調整して、
カソード４からの熱電子の放出、およびアノード３とカ
ソード４との間の電界状態を調節することにより、アー
ク生成状態すなわちカソードアークプラズマ２の生成状
態をコントロールすることができる。

【００１４】次に、カソードアークプラズマ生成時の動
作について説明する。図２は図１のアノード３の先端部
分とカソード４との拡大図である。図２を参照してアー
ク放電起動時、すなわち起動モードについて説明する。
アーク放電を起動する際には、電源７によりアノード３
にアーク放電電圧を印加するとともに、電源９によりカ
ソード４に電流を流してカソード４を所定温度まで加熱
する。ここで、所定温度とはカソード４から熱電子が放
出される温度であって、例えば、８００℃〜１２００℃
である。一般的に、カソード４からの熱電子放出を利用
しない従来のカソードアークイオン成膜装置の場合に
は、高電界により絶縁破壊を起こさせてアーク放電を起
動する。そのため、従来の装置では１０ｋＶ程度の電圧
をアノード３に印加するが、本実施の形態では２０Ｖ程
度の電圧を印加すれば良い。

【００１５】カソード４を加熱すると、図２に示す様に
カソード４の表面から熱電子２０が放出される。電源７
の電圧によりアノード３とカソード４との間には熱電子
２０をカソード４から放出する方向に電界が形成されて
いるため、単にカソード４を加熱しただけの状態と比べ
て熱電子２０が放出され易くなる。放出された熱電子２
０は電界によってアノード３方向へと移動する。このよ
うな熱電子２０の放出により、アノード３とカソード４
との間にアーク放電２１が発生する。

【００１６】アーク放電２１が発生すると、図３に示す
ように、放電によってカソード４から材料元素２２や材
料元素２２が分解されて生じるイオン２３および電子２
４が放出される。また、放出された材料元素２２も、高
電界によってイオン２３および電子２４に分解される。
例えば、カソード４がグラファイトターゲットであれ
ば、材料元素２２はカーボン原子であり、イオン２３は
カーボンイオンである。その結果、カソードアークプラ
ズマ２がアノード−カソード間に形成される。すなわ
ち、起動モード（図２）から持続モード（図３）へと移
行する。カソードアークプラズマ２中のイオン２３は、
上述したように試料基板５との間のポテンシャル差によ
って基板５方向へと引き出され、基板５上に堆積してカ
ーボン膜を形成する。

【００１７】カソードアークプラズマ２が形成される
と、カソード−アノード間の電気抵抗が小さくなるの
で、アーク放電が継続されてアーク電流が大きくるとと
もにアノード−カソード間の電圧が低下する。すなわ
ち、アーク放電によって生じたイオン２３や電子２４は
アーク電流のキャリヤとして機能する。そして、電源７
によって供給される電子によってプラズマ２に電気エネ
ルギーが供給されることになる。アーク放電が発生する
と、放電に伴ってカソード４の温度が上昇するので、カ
ソード４が所定温度に保たれるように電源９による電流
を制御する。

【００１８】このように、本実施の形態の成膜装置で
は、カソード４から熱電子２０を放出することによりア
ーク放電が発生しやすく、起動時のアーク放電電圧を従
来より低く設定することができる。また、カソード４か
らの熱電子放出をアーク放電に利用しているので、カソ
ード４の温度は上述したように数１００℃となるように
制御される。一方、従来のカソードアークイオン成膜装
置では、熱電子によるアーク放電の制御という発想はな
く、ターゲットであるカソードを冷却して比較的低温に
保つようにしている。

【００１９】図４は、本実施の形態におけるアーク電流
の変化と、従来の装置におけるアーク電流の変化とを定
性的に示したものである。図４において、縦軸はアーク
電流を、横軸は時間ｔを表している。図４の曲線Ｉは本
実施の形態におけるアーク電流を示しており、曲線Ｉ２
は従来の装置におけるアーク電流を示している。曲線Ｉ
に示すように、時刻ａでアーク放電が起動されると、電
流センサ８で検出されるアーク電流は急激に上昇する。
カソードアークプラズマ２が形成されて持続モードに移
行すると、図４の符号ｄ１に示すようにアーク電流は比
較的安定する。符号ｄ２で示すように一旦アーク放電が
弱まりアーク電流が減少すると、従来のカソードアーク
イオン装置では破線Ｉ２に示すようにアーク電流が急激
に減少する。

【００２０】従来の装置では、カソードが比較的低温に
保たれているので熱電子が放出されることはない。すな
わち、カソードアークプラズマ２内のキャリアは、アー
ク放電で生成されたイオン２３と電子２４とで構成され
る。そのため、アーク放電が弱まってプラズマ密度が小
さくなると、（電子２４、イオン２３の減少）→（アー
ク放電の低下）→（電子２４、イオン２３の減少）→
（アーク放電の低下）というプロセスによって、破線Ｉ
２のようにアーク電流が急激に減少する。

【００２１】そのため、アーク電流が減少してアーク放
電が消滅しそうになった場合または消滅してしまった場
合には、メカニカルなトリガ装置を用いて再びアーク起
動動作を行う。図４では符号ｂのところでアーク起動動
作を行う。再度のアーク起動動作により、アーク電流は
急激に上昇して持続モードへと移行する。成膜プロセス
中は、このような起動モードと持続モードとが繰り返さ
れる。その結果、アーク起動動作ｂ２の度にアーク電流
が大きく変化し、イオン源として利用するカソードアー
クプラズマ２の状態が不安定になりやすかった。

【００２２】一方、本実施の形態の装置では加熱用電源
９によってカソード４が高温に維持されるため、熱電子
２０がカソード４から常に放出されている。すなわち、
図３に示すようにカソードアークプラズマ２中のキャリ
アは、アーク放電により材料元素２２が分解されて生じ
たイオン２３および電子２４と、カソード４から放出さ
れる熱電子２０とから構成されている。そのため、アー
ク放電が低下してイオン２３および電子２４が減少して
も、熱電子２０を増やすことによりプラズマ中のキャリ
アの変動を抑えることができる。

【００２３】すなわち、電源７の電圧を大きくして熱電
子放出を促進することにより、カソードアークプラズマ
２中のキャリア（電子）を増加させることができるの
で、電源７を制御することによってアーク電流の制御を
行うことができる。図４のｄ２のようにアーク電流が低
下した場合には、電源７の電圧を大きくしてアーク電流
を増加させ、カソードアークプラズマ２を安定させる。

【００２４】このように、キャリアの一部は放電現象に
関係なく放出される熱電子２０が担っており、キャリア
変動が小さく抑えられるとともに、電源７の電圧を制御
することで容易にアーク電流を安定状態に回復させるこ
とができる。そのため、カソードアークプラズマ２の状
態変動を小さく抑えることができ、安定した成膜を行う
ことができる。

【００２５】本実施の形態のカソードアークイオン成膜
装置の特徴をまとめると、以下のようになる。 （ａ）熱電子２０の存在によってアーク放電の起動に必
要な電界条件を緩和することができ、起動モード時の電
圧を低くできる。その結果、トリガ装置のような起動の
ための高電界発生機構が不要となる。 （ｂ）電源７の電圧を調整することによりアーク電流が
制御できるので、メカニカルなトリガ装置を用いる従来
の装置に比べて、図４に示すようにカソードアークプラ
ズマ２の制御性および安定性が向上する。

【００２６】なお、図４の符号ｄ１で示す状態の場合
に、上述したように電源７の電圧を大きくするだけでな
く、カソード４に流す電流を一時的に大きくして熱電子
放出が生じやすくするようにしても良い。また、カソー
ド４に電流を流して加熱するのではなく、ヒータのよう
な加熱装置を別に設けてカソード４を加熱するようにし
ても良い。

【００２７】上述した実施の形態では、陰極ターゲット
２にグラファイトを用いるＤＬＣ膜成膜用の装置を例に
説明したが、本発明は、グラファイトターゲット以外の
ターゲットを用いた成膜装置にも適用することができ
る。

【００２８】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、電源７は電圧印加手段を、電
源９は加熱手段を、電流センサ８はアーク放電監視手段
をそれぞれ構成される。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
陰極ターゲットから熱電子が強制的に放出されるので、
起動モード時のアーク放電電圧を従来よりも低くするこ
とができ、アーク放電起動のための高電界発生機構を設
ける必要がない。また、アーク放電電圧を調整すること
によってアーク放電状態を容易にかつ素早く制御するこ
とができ、カーソードアークプラズマの制御性および安
定性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるカソードアークイオン成膜装置の
一実施の形態を示す図であり、カソードアークイオン成
膜装置の概略構成を示す図である。

【図２】アノード３の先端部分およびカソード４の拡大
図であり、起動モード時を示したものである。

【図３】アノード３の先端部分およびカソード４の拡大
図であり、持続モード時を示したものである。

【図４】アーク電流の変化を示した図であり、本実施の
形態におけるアーク電流の変化と、従来の装置における
アーク電流の変化とを定性的に示したものである。

【符号の説明】

１ 真空チャンバ ２ カソードアークプラズマ ３ アノード ４ カソード ５ 試料基板 ６ 真空ポンプ ７ アーク放電用電源 ８ 電流センサ ９ 加熱用電源 １０ コントローラ １１ 温度センサ １２ バイアス電源 １３ イオン流 ２０ 熱電子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アーク放電電圧の印加によって生じたア
   ーク放電により陰極ターゲットの材料元素イオンを含む
   カソードアークプラズマを生成し、前記材料元素イオン
   を基板上に導いて薄膜を成膜するカソードアークイオン
   成膜装置において、 前記陰極ターゲットを熱電子放出温度域に加熱する加熱
   手段を備えたことを特徴とするカソードアークイオン成
   膜装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のカソードアークイオン
   成膜装置において、 前記加熱手段は、前記陰極ターゲットに電流を直接流し
   てジュール熱を発生させるものであることを特徴とする
   カソードアークイオン成膜装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のカソードアー
   クイオン成膜装置において、 アーク放電の状態を監視するアーク放電監視手段と、 アーク放電監視手段の監視情報に基づいて、前記加熱手
   段による加熱および前記電圧印加手段によるアーク放電
   電圧をそれぞれ制御する制御手段を設けたことを特徴と
   するカソードアークイオン成膜装置。