JP2005264255A - カソーディックアーク成膜方法および成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質のカーボン膜を得ること。
【解決手段】 カーボン膜の成膜には、陰極アーク放電によりカーボンターゲットを衝撃してカーボンイオンを含むプラズマビームを生成し、プラズマビームを走査しつつ基板Ｓへ照射して成膜するカソーディックアーク成膜方法が用いられる。基板Ｓおよびその仮想延長平面に照射されるプラズマビームは、Ｃ字形状磁気コア４１〜４４により、最大で照射領域Ｂ１〜Ｂ５（Ｇ＝１）まで走査され、この走査範囲は、成膜中に変更可能であり、成膜中の少なくとも所定時間帯では、基板Ｓの径よりも広い範囲をとる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、磁気ヘッドやハードディスクメディアなどの保護膜、金型や工具などの硬質コーティング膜としてカーボン膜を成膜するカソーディックアーク成膜方法およびカソーディックアーク成膜装置に関する。

近年、磁気ヘッドの保護膜や金型、工具などの硬質コーティング膜として、カソーディックアーク法により成膜される緻密で硬いｔａ−Ｃ（tetrahedral amorphous carbon）膜が注目されている。ｔａ−Ｃ膜は、緻密、高硬度であるから、薄く形成しても防湿性、耐磨耗性に十分な機能を発揮する。しかし、その一方で、高い内部応力を有しているために剥離や亀裂が生じ易いという欠点がある。そこで、プラズマビームを基板に照射して成膜を行う際に、成膜チャンバ内に水素ガスを供給し、ｔａ−Ｃ膜を水素化することにより、内部応力の低減を図る技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２３９０６２号公報（第２頁、図１）

特許文献１に記載されている保護膜は、ｔａ−Ｃ膜を水素化することにより、ｔａ−Ｃ膜に靭性を付与して内部応力の低減を図っている。しかし、ｔａ−Ｃ膜の水素化は、水素ガスを導入するため、膜質の細やかな制御ができないという問題がある。

（１）請求項１のカソーディックアーク成膜方法は、陰極アーク放電によりカーボンターゲットを衝撃してカーボン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走査しつつ被処理基板へ照射してカーボン膜を成膜する成膜方法であり、プラズマビームの走査範囲を成膜中に変更する工程を有し、成膜中の少なくとも所定時間帯では、プラズマビームの走査範囲を被処理基板の径よりも広い範囲に変更することを特徴とする。
（２）請求項１のカソーディックアーク成膜方法において、プラズマビームの走査範囲を、少なくとも成膜の前期には広い走査範囲とし、成膜の後期には狭い走査範囲に変更することが好ましい。また、プラズマビームの走査範囲は、その最大走査範囲を１、走査を行わない場合を０としてその間を比例配分するスキャンゲインを用いると、スキャンゲインが０．２〜１の範囲をとることが好ましい。

（３）請求項４のカソーディックアーク成膜方法は、請求項１〜３のいずれかのカソーディックアーク成膜方法で被処理基板上にカーボン膜を成膜するカソーディックアーク成膜装置であって、カーボンイオンを含むプラズマビームを走査するためのビーム走査手段と、成膜中、磁界または電界を可変に制御することにより、プラズマビームの走査範囲を変更する走査範囲変更手段とを備えることを特徴とする。

（４）請求項５の金型は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のカソーディックアーク成膜方法によりカーボン膜が成膜されていることを特徴とする。

本発明によれば、成膜中にプラズマビームの走査範囲を変更して、成膜速度や膜質を自由に変えることができるので、目的に合った高品質のカーボン膜を成膜することができる。

以下、本発明の実施の形態によるカソーディックアーク成膜装置とこれを用いた成膜方法について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態によるカソーディックアーク成膜装置の概略構成を示す全体構成図であり、三次元直交座標で方向を表わす。このカソーディックアーク成膜装置は、ＦＣＶＡ（Filtered Cathodic Vacuum Arc）法でｔａ−Ｃ膜等の成膜を行うＦＣＶＡ成膜装置である。ＦＣＶＡ成膜装置１００は、プラズマ発生部１，プラズマ移送部２，成膜チャンバ３，ビームスキャン装置４および装置全体を制御する制御装置５を備えている。また、ＦＣＶＡ成膜装置１００は、プラズマ発生部１、プラズマ移送部２および成膜チャンバ３の内部を真空排気するための真空排気装置３１を備えている。

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。ｔａ−Ｃ膜を成膜する場合には、ターゲット１１の材料としてグラファイトが用いられる。陰極部１０は、アーク電源（定電流源）１３のマイナス端子に接続されている。陽極チャンバ１２およびトリガ１４は、アーク電源１３のプラス端子に接続され、それぞれ接地されてアース電位となっている。トリガ１４は、その先端部にグラファイト製のトリガチップ１４ａを有し、ステップモータ等の駆動部１５により回転軸１４ｂ廻りに回転駆動される。トリガ１４の回転角度は図示しない角度センサで検出される。

陰極部１０と陽極チャンバ１２とは、絶縁部材１８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、チャンバ内にアキシャル磁場を形成するための磁気コイル１６が設けられており、電源１７から磁気コイル１６へ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。

プラズマ移送部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には、電源１７から励磁電流が供給される。プラズマ移送部２と陽極チャンバ１２とは絶縁部材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。

成膜チャンバ３は、基板ステージ３０を収納し、真空排気装置３１に配管接続されている。基板ステージ３１は、成膜対象物である基板Ｓを保持し、矢印Ｒで示すようにＺ軸廻りに回転できるように構成されている。すなわち、基板Ｓ表面は、ＸＹ平面に平行であり、その平面内で回転できる。真空排気装置３１は、例えば、高速で高真空に排気することができるターボ分子ポンプが用いられる。成膜チャンバ３とプラズマ移送部２とは絶縁部材３２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。成膜チャンバ３のビーム導入ダクト部３３の周囲には、ビームスキャン装置４が設けられている。

ビームスキャン装置４は、例えば、二対のＣ字形状磁気コアから成る。一方の磁気コア４３，４４の磁極は、ビーム導入ダクト部３３を挟んで図示上下に配設され、他方の磁気コア（不図示）の磁極は、ビーム導入ダクト部３３を挟んで紙面に直交する方向に配設される。ビームスキャン装置４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４０により励磁電流が供給される。

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２０５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Ｙ軸に沿って配設され、直管部２０５はＺ軸に沿って配設されている。

次に、図１のＦＣＶＡ成膜装置１００を参照しながら、ｔａ−Ｃ膜の成膜について説明する。アーク放電を生じさせる際には、陽極チャンバ１２内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１００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をターゲット１１の表面に接触させるとアーク放電が発生する。

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から放出されたターゲットイオン（正イオン）が含まれている。ターゲット１１がグラファイト製であるので、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、グラファイト製ターゲット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。

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ときに駆動部１５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１４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１４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。

陽極チャンバ１２内には上述したように磁気コイル１６によるアキシャル磁場が形成されており、アーク放電により生成されたカーボンイオンや電子を含むプラズマは、このアキシャル磁場により集束されてビーム状となるとともに、プラズマ移送部２のトロイダルダクト２０へ導かれる。プラズマ移送部２においても、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が形成されており、プラズマビームＢは、この磁場に沿って成膜チャンバ３へ移送される。

プラズマビームＢには、カーボンイオンや中性のカーボンパーティクル等が含まれている。プラズマビームＢのプラズマ密度は、プラズマビームＢの断面中心から周辺へと低くなっており、図１の符号Ｂで示した領域は、所定密度以上の範囲を表している。

プラズマビームＢがトロイダルダクト２０の屈曲部２０２，２０４（図２参照）で曲げられた際に、電気的に中性のカーボンパーティクルは、そのまま直進してトロイダルダクト２０の内壁にトラップされる。このように、プラズマビームＢの移送経路を曲線的にすることにより、カーボンパーティクルをプラズマビームＢから除去することができる。つまり、プラズマ移送部２は、膜質低下の原因となるカーボンパーティクルをプラズマビームＢから除去し、成膜に必要なカーボンイオンのみを成膜チャンバ３へ通過させるフィルタとして機能している。

成膜チャンバ３に導かれたプラズマビームＢは、基板ステージ３０に装着された基板Ｓに照射される。基板Ｓ上の照射面では、プラズマビームＢ中のカーボンイオンが堆積して薄膜となる。この成膜中に、プラズマビームＢは、ビームスキャン装置４によりビーム軸と直交方向に偏向走査される。この走査により、ビーム径が基板Ｓの被処理面積より小さくとも、被処理面の全域に均一にプラズマビームＢを照射することができる。

以下、図３，４を参照しながら、ビームスキャン装置４によるプラズマビームＢの偏向走査について説明する。図３は、図１の部分拡大図であり、プラズマビームＢの偏向走査状態を示す図である。図４は、図１のＩ−Ｉ線に沿ってプラズマビームＢの照射方向（Ｚ方向）を見た図である。

図３には、ビーム導入ダクト部３３まで移送されたプラズマビームＢが、ビームスキャン装置４のＹ方向に配設された一対のＣ字形状磁気コア４３，４４によりＹ方向に走査される様子が示されている。Ｙ方向に走査するためには、磁気コア４３，４４のそれぞれのソレノイドコイルに流す電流の大きさと向きを所定の周期で変化させる。電流変化を大きくすれば、プラズマビームＢの偏向角度がθ１と大きくなり、電流変化を小さくすれば、プラズマビームＢの偏向角度がθ２と小さくなる。

図４に示されるように、本実施の形態によるＦＣＶＡ成膜装置１００では、Ｘ方向にも一対のＣ字形状磁気コア４１，４２が配設されており、これら二対のＣ字形状磁気コア４１〜４４のソレノイドコイルに流す電流の大きさと向きをそれぞれ時間をずらせて変えることにより、ＸＹ面上のすべての方向にプラズマビームＢを偏向走査することができる。この時間的な電流変化は、制御装置５により制御される。なお、プラズマビームＢの偏向走査方向が一次元であっても、基板ステージ３０をＺ軸周りに回転させることにより、基板Ｓ上でプラズマビームＢの照射領域が基板Ｓの全面をカバーするようにできるので、基板Ｓの全面に均一厚さのｔａ−Ｃ膜を成膜することができる。

今、基板Ｓの中心ＯがＺ軸上にあり、プラズマビームＢを偏向走査していない状態での照射領域（図中，Ｂ１）の中心もＺ軸上にあるとする。Ｂ１〜Ｂ５は、基板Ｓの表面上またはその仮想延長平面上におけるプラズマビームＢの照射領域を示す。

照射領域Ｂ１を中央としてＸＹ面上の所定方向にプラズマビームＢを振る往復運動（ビームスキャン）について説明する。本実施の形態では、装置で決まるプラズマビームＢの最大振り幅を基準とするスキャンゲインＧという概念を用いる。最大振り幅（図中、照射領域Ｂ５）のとき、スキャンゲインＧ＝１であり、偏向走査していない（図中、照射領域Ｂ１）とき、Ｇ＝０であると定義する。スキャンゲインＧは、０〜１までの値をとり、０〜１の間は、基板Ｓの表面上またはその仮想延長平面上において比例配分された中心Ｏからの距離で表す。なお、中心Ｏからの距離と偏向角度とは、平面と曲面の違いに基づく僅かな誤差があるが、スキャンゲインＧを偏向角度により表示することも可能である。

ところで、プラズマビームＢ中には正の荷電粒子であるカーボンイオンが含まれており、カーボンイオンは電子に比べてはるかに重いので、ビームのスキャン速度を制御することは非常に難しく、スキャン速度としては適正な値が用いられる。スキャンゲインＧに依らずスキャン速度を一定とすると、スキャンゲインＧ（振り幅）が大きい程スキャン周期は長くなり、スキャンゲインＧが小さい程スキャン周期は短くなる。また、プラズマ密度（プラズマ中のカーボンイオン密度）もスキャンゲインＧに依らず一定であるから、一般に、ｔａ−Ｃ膜の膜厚は、基板Ｓに対するプラズマビームＢの照射時間に比例する。

図５は、スキャン周期を説明するためのグラフである。縦軸にプラズマビームＢの中心Ｏからの位置、横軸に時間をとると、基本的なスキャン周期としては、サインカーブで表わされるＴおよびＴ´の２つの場合がある。図４を用いて説明すると、スキャン周期Ｔは、プラズマビームＢが照射領域Ｂ１から走査を開始し、一端の照射領域Ｂ５で折り返した後に照射領域Ｂ１へ戻り、さらに他端の照射領域Ｂ５で折り返し、再び照射領域Ｂ１へ戻るまでの往復時間である。スキャン周期Ｔ´は、プラズマビームＢが照射領域Ｂ１から走査を開始し、一端の照射領域Ｂ５で折り返し、照射領域Ｂ１へ戻るまでの往復時間である。従って、スキャン周期Ｔは、Ｔ´の２倍となっている。

図６は、スキャンゲインＧが異なる２つの場合について、プラズマビームＢの基板Ｓへの照射量（イオン密度×照射時間）を比較するグラフである。縦軸にイオン密度、横軸に時間をとり、スキャン周期は、上記のＴを選ぶ。図６（ａ）にはスキャンゲインＧ＝１の場合、図６（ｂ）にはＧ＝０．５の場合を示すが、この例では、スキャン周期Ｔは、Ｔ１＝２×Ｔ２となる。基板Ｓの径がＧ＝０．５の振り幅に等しいとすると、プラズマビームＢの基板Ｓへの照射時間は、斜線部分で表わされる。図６（ｂ）では、プラズマビームＢが常に基板Ｓを照射するが、図６（ａ）では、スキャン周期Ｔ１のある時間帯（図中、白抜き部分）で、プラズマビームＢは基板Ｓを照射していない。つまり、この時間帯では、プラズマビームＢは基板Ｓの外側を照射しており、成膜に関与していない。従って、図６（ａ）では、図６（ｂ）に比べて平均成膜速度は１／２となる。もちろん、基板Ｓの径が変われば、基板Ｓを照射する時間帯の長さも変わるが、同様に説明することができる。

図７は、スキャンゲインＧと成膜速度の関係、および、スキャンゲインＧと膜の内部応力の関係を実測値で示すグラフである。左縦軸で示される成膜速度は、スキャンゲインＧにほぼ反比例する。また、右縦軸で示される膜の内部応力は、スキャンゲインＧの増加につれて減少する。このことから、膜の内部応力を低下させるには、スキャンゲインＧを大きくし、成膜速度を大きくするには、スキャンゲインＧを小さくすればよいことが分かる。

上記の知見を踏まえると、成膜の前期では、スキャンゲインＧを大きくして膜の内部応力を低下させ、成膜の後期では、スキャンゲインＧを小さくして成膜速度を高めることが品質上も生産上も適切である。なお、スキャンゲインＧを小さくした場合は、膜の内部応力が増加するとともに膜の硬さも増加するので、膜の表面層を形成するときに用いると、膜全体として耐磨耗性の向上に寄与する。

図８は、本実施の形態による成膜方法の一例を示すチャート図である。縦軸にスキャンゲインＧ、横軸に成膜時間ｔをとり、成膜の前期（時間ｔ１）では、スキャンゲインＧ＝０．８とし、成膜の後期（時間ｔ２）では、Ｇ＝０．３とする。全成膜時間は、ｔ１＋ｔ２である。このような成膜方法を用いると、上述したように、膜の下層では内部応力が小さいので、基板Ｓからの剥離や亀裂が発生し難く、膜の表面層では高硬度となるので、防湿性や耐磨耗性に富むｔａ−Ｃ膜を成膜することができる。成膜中のスキャンゲインＧの変更は、図中、破線Ａで示すように連続的に行ってもよい。なお、スキャンゲインＧは、０．２〜１の範囲をとるのが実用的である。

図９は、本実施の形態による成膜方法でｔａ−Ｃ膜を成膜した金型の部分断面図である。金型６の母材７は、合金工具鋼であり、その被処理面を研削、研磨後に、ｔａ−Ｃ膜８を０．２μｍの厚さで形成する。ｔａ−Ｃ膜８の成膜の前期は、スキャンゲインＧ＝０．８とし、成膜の後期は、Ｇ＝０．３とする。これにより、剥離や亀裂が発生し難く、高硬度で耐磨耗性に富むｔａ−Ｃ膜を成膜することができるので、金型寿命が長くなる。

以上説明したように、本実施の形態の成膜方法によれば、成膜中にプラズマビームＢの走査範囲を変更して、成膜速度や膜質を変えることができるので、膜の内部応力や硬さを自由に調整して高品質のカーボン膜を得ることができる。また、成膜中に電気的な制御を行うので、膜厚方向に連続的に膜質を変えることができる。特に、走査範囲を広い範囲から狭い範囲に変えることにより、内部応力が低減し、且つ表面が硬いｔａ−Ｃ膜を成膜することができる。また、前述した従来技術では、水素ガスを成膜チャンバ３内に導入するが、本実施の形態ではその必要はない。さらに、本実施の形態では、プラズマビームＢの走査範囲の設定値のみ、つまりビームの軌跡のみを変更すればよいので、特別の装置、回路などを追加する必要もない。

本実施の形態の変形例を述べる。本実施の形態では、プラズマビームＢを一次元走査するものとして説明したが、二次元走査、例えば、渦巻状の軌跡をもつように走査してもよい。また、成膜中のプラズマビームＢの走査範囲の変更については、広い範囲から狭い範囲に変えるだけではなく、狭い範囲から広い範囲に変えてもよいし、これらの変更動作を交互に行ってもよい。本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。

本発明の実施の形態に係るＦＣＶＡ成膜装置１００の概略構成を示す全体構成図である。 本発明の実施の形態に係るＦＣＶＡ成膜装置１００のトロイダルダクト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１の部分拡大図であり、プラズマビームＢの偏向走査状態を示す。 図１のＩ−Ｉ線に沿ってプラズマビームＢの照射方向（Ｚ方向）を見た図である。 本発明の実施の形態に係るカソーディックアーク成膜方法において、スキャン周期を説明するためのグラフである。 本発明の実施の形態に係るカソーディックアーク成膜方法において、スキャンゲインＧが異なる２つの場合について、プラズマビームＢの基板Ｓへの照射量を比較するグラフである。 本発明の実施の形態に係るカソーディックアーク成膜方法において、スキャンゲインＧと成膜速度の関係、および、スキャンゲインＧと膜の内部応力の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係るカソーディックアーク成膜方法の一例を示すチャート図である。 本発明の実施の形態に係るカソーディックアーク成膜方法によりｔａ−Ｃ膜を成膜した金型の部分断面図である。

符号の説明

１：プラズマ発生部
２：プラズマ移送部
３：成膜チャンバ
４：ビームスキャン装置
５：制御装置
６：金型
８：ｔａ−Ｃ膜
２０：トロイダルダクト
３０：基板ステージ
４０：電源
４１〜４４：Ｃ字形状磁気コア
１００：ＦＣＶＡ成膜装置
Ｂ：プラズマビーム
Ｂ１〜Ｂ５：照射領域
Ｇ：スキャンゲイン
Ｓ：基板

Claims (5)

1. 陰極アーク放電によりカーボンターゲットを衝撃してカーボン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走査しつつ被処理基板へ照射してカーボン膜を成膜するカソーディックアーク成膜方法において、
   前記プラズマビームの走査範囲を成膜中に変更する工程を有し、
   前記成膜中の少なくとも所定時間帯では、前記プラズマビームの走査範囲を前記被処理基板の径よりも広い範囲に変更することを特徴とするカソーディックアーク成膜方法。
2. 請求項１に記載のカソーディックアーク成膜方法において、
   前記プラズマビームの走査範囲を、少なくとも前記成膜の前期には広い走査範囲とし、前記成膜の後期には狭い走査範囲に変更することを特徴とするカソーディックアーク成膜方法。
3. 請求項１または２に記載のカソーディックアーク成膜方法において、
   前記プラズマビームの走査範囲は、その最大走査範囲を１、走査を行わない場合を０としてその間を比例配分するスキャンゲインを用いると、前記スキャンゲインが０．２〜１の範囲であることを特徴とするカソーディックアーク成膜方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のカソーディックアーク成膜方法で被処理基板上にカーボン膜を成膜するカソーディックアーク成膜装置であって、
   カーボンイオンを含むプラズマビームを走査するためのビーム走査手段と、
   前記成膜中、磁界または電界を可変に制御することにより、前記プラズマビームの走査範囲を変更する走査範囲変更手段とを備えることを特徴とするカソーディックアーク成膜装置。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のカソーディックアーク成膜方法によりカーボン膜が成膜された金型。

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