JP2008050653A - 成膜装置、および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜においてステップカバレージを向上させる。
【解決手段】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方法において、プラズマビームに向けて不活性ガスを導入し、この導入した不活性ガスによりプラズマビームを散乱させ、散乱させたプラズマビームを基板上に照射する。プラズマビームを散乱させることで、プラズマビーム中に含まれる正イオンの進行方向を、基板面に対して一方向（垂直方向）に限らず種々の方向として、基板面に対するイオンの入射角を分散させ、これによって、側壁への膜付着の確率を高め、ステップカバレージを向上させる。
【選択図】図１

Description

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および成膜方法に関し、特に、カーボン膜の成膜に関する。

陰極アーク放電を用いて基板上に薄膜を成膜することが知られており、例えば、磁気記録装置の磁気ディスクや磁気ヘッドでは、陰極アーク放電を用いてカーボンイオンを生成し、このカーボンイオンを用いてカーボン膜を成膜することが行われている。

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では、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。

図５は、従来の陰極アーク放電を用いた成膜装置の一構成例であり、ＦＣＶＡ（Filtered Cathodic Vacuum Arc)の構成例を示している。

図５において、ＦＣＶＡは、陰極アーク放電によってターゲットイオンを生成するアークプラズマ生成部３と、生成したターゲットイオンを導入して基板２０上に成膜を行う成膜チャンバ２を備え、このアークプラズマ生成部３と成膜チャンバ２との間には、成膜の際の汚染源となる微小粒子を除去するフィルタ部４が設けられている。

アークプラズマ生成部３は、アーク電源１１で負電圧が印加されたターゲット３ａにストライカ３ｂによってトリガを加えてアーク放電を発生させることによってアークプラズマ３ｃを生成する。フィルタ部４は、例えば、屈曲したトロイダル状のダクト４ａとその周囲に設けられたコイル４ｂによって構成され、生成されたプラズマ内に含まれる微粒子をダクト４ｂの壁面に衝突させることによって除去する。

ビームスキャン部５は、フィルタ部４から放出されたプラズマビームを広角度に振り、成膜チャンバ２内の基板ステージ２１に載置した基板２０に照射する。基板ステージ２１には基板バイアス電源１３によってバイアス電圧が印加されている。

上記した陰極アーク放電を用いる成膜装置は、例えば、特許文献１に記載されている。なお、この特許文献１では、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の内部応力を低減するために、基板ステージを傾斜させる構成、あるいは基板ステージを回転させることによって、基板の法線方向をプラズマビームのビーム方向に対して傾ける構成が示されている。
特開２００２−２１２７１３号公報

基板上に成膜する薄膜の成膜特性として、成膜の被覆性を表すステップカバレージがある。このステップカバレージは、上面部の膜厚ａに対する側壁部の膜厚ｂの比率（ｂ／ａ）で表すことができる。

図６は、ステップカバレージを説明するための図である。図６において、ＦＣＶＡの成膜では、基板２０の面に入射するＣ^＋のイオン３０は基板に対して垂直成分が多いため、側壁部への膜付着部４１ｂが上面の膜付着部４１ａよりも少ないという問題がある。前記した基板を回転させる構成であっても、その（ｂ／ａ）比は、最大でも例えば０．４５程度であり、ステップカバレージが低いという問題がある。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、成膜においてステップカバレージを向上させることを目的とする。

本発明は、基板表面の近傍において、基板に対して垂直に入射しようとするイオンに対して不活性ガスを導入し、不活性ガスと衝突させることによってイオンを散乱させ、この散乱によって、基板面に対するイオンの入射角を分散させ、側壁への膜付着の確率を高め、ステップカバレージを向上させる。

本発明は、成膜装置と成膜方向の各態様とすることができる。

本発明の成膜装置の態様は、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、プラズマビームに向けて不活性ガスを導入する不活性ガス導入部を備える。

より詳細には、成膜装置の態様は、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アークプラズマ生成部と、基板を装填する成膜チャンバと、このプラズマビームを成膜チャンバに導入するプラズマビーム導入部とを有し、成膜チャンバ内には、導入されるプラズマビームのビーム方向位置に設けられる基板ステージと、プラズマビームに向けて不活性ガスを導入する不活性ガス導入部とを備える。この構成において、導入した不活性ガスによって正イオンを含むプラズマビームを散乱させ、この散乱した正イオンを基板に照射して薄膜を成膜する。

また、本発明が備える不活性ガス導入部の構成は、内周面に不活性ガスを導入する複数の導入口を備えるリング状管体とすることができる。また、不活性ガスは、プラズマビームの全周囲において、前記プラズマビームの外周から内周に向かう方向に照射する。

この構成によれば、リング状管体の内周面に設けた複数の導入口から、リング状管体の内周側にあるプラズマビームに向かって不活性ガスに導入するため、プラズマビームに含まれる正イオンを効率よく散乱させることができる。

また、リング状管体を基板ステージの支持面の近傍に配置する。この、リング状管体の配置によって、リング状管体から導入した不活性ガスは、基板表面の近傍にあるプラズマビーム中に含まれる正イオンを効率よく散乱させることができる。

また、本発明の成膜方法の態様は、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方法において、プラズマビームに向けて不活性ガスを導入し、この導入した不活性ガスによりプラズマビームを散乱させ、散乱させたプラズマビームを基板上に照射する。

プラズマビームを散乱させることで、プラズマビーム中に含まれる正イオンの進行方向を、基板面に対して一方向（垂直方向）に限らず種々の方向として、基板面に対するイオンの入射角を分散させる。これによって、側壁への膜付着の確率を高め、ステップカバレージを向上させる。

本発明によれば、成膜においてステップカバレージを向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明のアーク放電を用いた成膜装置の一構成例であり、ＦＣＶＡ（Filtered Cathodic Vacuum Arc)の構成例を示している。

図１において、成膜装置１は、前記図５で示した構成と同様に、陰極アーク放電によってターゲットイオンを生成するアークプラズマ生成部３と、生成したターゲットイオンを導入して基板２０上に成膜を行う成膜チャンバ２を備え、このアークプラズマ生成部３と成膜チャンバ２との間には、成膜の際の汚染源となる微小粒子を除去するフィルタ部４が設けられ、フィルタ部４から放出されたプラズマビームを広角度に振るビームスキャン部５を備える。

本発明の成膜装置１は、成膜チャンバ２内に、基板２０を支持する基板ホルダ２１とともに、不活性ガス導入部７を備える。この活性ガス導入部７には、成膜チャンバ２の外部に設けた不活性ガス源８が接続される。活性ガス導入部７は、不活性ガス源８から供給された不活性ガスをプラズマビーム３０に向けて導入させ、プラズマビーム３０内に含まれる正イオン（ここではＣ^＋イオン）を散乱させる。散乱された正イオンは、基板バイアス電源１３でバイアスされた基板ホルダ２１上に載置した基板２０に付着し成膜を行う。この活性ガス導入部７の詳細例については、図２を用いて後述する。

アークプラズマ生成部３は、アーク電源１１で負電圧が印加されたターゲット３ａにストライカ３ｂによってトリガを加えてアーク放電を発生させることによってアークプラズマ３ｃを生成する。フィルタ部４は、例えば、屈曲したトロイダル状のダクト４ａとその周囲に設けられたコイル４ｂによって構成され、生成されたプラズマ内に含まれる微粒子をダクト４ｂの壁面に衝突させることによって除去する。

アークプラズマ生成部３は、ターゲット３ａが装着される陰極部と、陰極部が固定される陽極側のチャンバと、アーク放電のきっかけを作るためのトリガとなるストライカ３ｂを備えている。陰極部はアーク電源（定電流源）１１の負端子に接続され、ストライカ３ｂおよびアーク電源１１の正端子に接続されている陽極側のチャンバはそれぞれ接地されていてアース電位となっている。

ストライカ３ｂは、例えば、ステップモータ等の駆動部により回転軸の周りで回転駆動され、先端がターゲット３ａと接触することでアーク放電が発生し、アークプラズマが生成される。なお、ストライカ３ｂ４の角度は図示しない角度センサで検出することができる。

アークプラズマ生成部３において、陰極部と陽極側のチャンバとは、絶縁部材によって電気的に絶縁されている。なお、陽極側のチャンバの外周には、磁気コイル（図示していない）が設けられ、電源（図示していない）から励磁電流の供給を受けて、陽極側のチャンバ内にアキシャル磁場を形成し、生成したアークプラズマをフィルタ部４に向けて送り出す。なお、陰極部には例えば水冷ジャケットのような冷却手段（図示していない）を設けることができる。

フィルタ部４は、アークプラズマ中に含まれる微粒子を除去する。このフィルタ部４は、屈曲したトロイダルダクト４ａとその周囲に設けられたコイル４ｂとを有している。コイル４ｂには電源（図示していない）から励磁電流が供給される。フィルタ部４と、アークプラズマ生成部３の陽極側チャンバとは絶縁材を介して互いに固定されて、電気的に絶縁されている。トロイダルダクト４ａにはダクトバイアス電源１２により正のバイアス電圧が印加されている。

成膜チャンバ２内には基板ステージ２１設けられ、この基板ステージ２１には成膜対象物である基板２０が装着される。成膜チャンバ２とフィルタ部４とは絶縁部材を介してつながれ、互いに電気的に絶縁されている。成膜チャンバ２のビーム導入ダクトの周囲にはビームスキャン部５が設けられる。ビームスキャン部５は、フィルタ部４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。

ビームスキャン部５は、フィルタ部４から放出されたプラズマビームを偏向走査することによって広角度に振り、成膜チャンバ２内の基板ステージ２１に載置した基板２０にプラズマビームを照射して、基板の広い領域に均一にプラズマビームを照射する。基板ステージ２１には基板バイアス電源１３によってバイアス電圧が印加されている。

ビームスキャン部５は、例えば、一対のＣ字形状磁気コア（図示していない）から成る。一方の磁気コアの磁極はビーム導入ダクを挟んで紙面の上下方向に配設され、他方の磁気コアの磁極はビーム導入ダクを挟んで紙面に直交する方向に配設される。これにより、プラズマビームは図において、下方向および紙面に直交する方向に偏向走査され、基板２０に対して広角度で入射する。

ビームスキャン部５の磁気コアにはコイルが巻き付けられており、そのコイルには電源（図示してない）から励磁電流が供給される。

ダクト４ａはトロイダル形状とし、３つの直管部と、それらを繋ぐ２つの屈曲部とによって構成することができ、両端の直管部の軸方向は互いに９０度の角度を成しており、一方の直管部はｚ軸に沿って配設され、他方の直管部はｘ軸に沿って配設される。

また、成膜チャンバ２には、チャンバ内を排気する排気系６が設けられる。排気系６は、例えば、ターボ分子ポンプ６ａ、およびロータリポンプのポンプ系と、排気動作を制御するバルブ６ｃ〜６ｅを備える。なお、バルブ６ｃ〜６ｅは開閉バルブであり、バルブ６ｆは排気量を調整する調整バルブ６ｆである。

活性ガス導入部７は、例えば、リング状の形状であって、内周面に不活性ガスを導入する複数の導入口を備えるリング状管体により構成される。図２は、不活性ガス導入部７の一構成例を説明するための概略斜視図である。図２において、リング状管体７ａは、外形がリング状の中空管であり、その内周側には複数の開口部が内側に向かって形成され導入口７を構成している。中空管には、外部に設けた不活性ガス源８から不活性ガスが供給され、この導入口７を通して成膜チャンバ２内に導入される。不活性ガスとしては、例えば、Ａｒガスとすることができる。

リング状管体７ａが囲む内側の空間部分には、ビームスキャン部５で振られたプラズマビーム３０が通過する。プラズマビーム３０が、リング状管体７ａが囲む内側空間部分を通過するとき、このプラズマビーム３０は、導入口７から噴出される不活性ガス７ｃと交差することになる。このプラズマビーム３０と不活性ガス７ｃとの交差により、プラズマビーム３０内に含まれる正イオン（ここでは、Ｃ^＋イオン）は不活性ガスの原子と衝突して散乱する。散乱した正イオンは、負電圧にバイアスされた基板２０に付着し、膜生成が行われる。

図３は、散乱した正イオンの基板への付着状態を接続するための模式図である。ここでは、プラズマビーム３０は、基板２０の面に対して垂直方向に入射する状態を示している。このプラズマビーム３０に対して不活性ガス７ｃを導入すると、プラズマビーム３０内に含まれる正イオンは不活性ガスの原子と衝突して散乱する。この散乱によって、正イオンの中にはプラズマビーム３０の入射方向と異なる方向の速度成分を持つものが現れる。これによって、基板２０の側壁部に対して垂直方向の速度成分を持つ正イオンの割合が、不活性ガスを導入しないときと比較して増え、側壁部への膜付着の確率が増加する。これによって、ステップカバレージを表す、膜付着部４０ａの膜厚ａに対する膜付着部４０ｂの膜厚ｂの（ｂ／ａ）比が増加する。

以下に、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、ストライカ３ｂを退避位置から回転駆動してターゲット３ａ側に倒す。陰極部と陽極側のチャンバとの電位差はアーク電源１１により数１０〜数１００ボルトに設定されており、ストライカ３ｂの先端に設けられたトリガチップがターゲット３ａの表面に接触することでアーク放電が発生する。

アーク放電の発生によりプラズマが生成される。このプラズマにはターゲッ３ａ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３ａ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（Ｃ^＋）を含むプラズマが生成される。このとき、グラファイトのターゲット３ａからはカーボンイオンの他に多数のカーボン原子から成るクラスターの微粒子が放出される。

アーク放電の発生時には、ストライカ３ｂを引き上げる。このストライカ３ｂの制御は、図示しない制御装置によって行うことができる。制御装置は、アーク電源１１の状態を常時モニタし、アーク放電の発生を検出すると、ターゲット３ａの表面からストライカ３ｂを引き上げる。このとき、アーク放電発生時のストライカ３ｂの角度位置を角度センサにより検出し、検出した角度位置を制御装置に記憶しておき、アーク放電発生後、時間経過とともに減衰する放電状態を、再びストライカ３ｂを記憶された位置まで移動させて、安定したアーク放電が維持されるように制御する。

アークプラズマ生成部３の陽極側のチャンバ内にはコイル（図示していない）によりアキシャル磁場が形成されている。アーク放電により生成されたカーボンイオン等の正イオンを含むプラズマビームは、アキシャル磁場により集束されるとともにフィルタ部４のトロイダル状のダクト４ａに導かれる。

ダクト４ａにはダクトバイアス電源１２により正のバイアス電圧が印加されているため、ダクト４ａ内にはラジアル電場が形成されている。さらに、ダクト４ａの外周に設けられたコイル４ｂによりダルダク４ａの軸に沿ってアキシャル磁場が形成されている。そのため、正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ダクト４ａ内を成膜チャンバ２に導かれる。

なお、トロイダル状のダクト４ａは屈曲した構成としているため、アークプラズマ生成部３で生成された中性の微粒子はダクト４ａのｚ軸方向に入射した後にダクトの内壁に衝突する。このとき、運動エネルギーの小さな微粒子はダクトの内壁に付着し、運動エネルギーの大きな微粒子は壁面で反射される。屈曲しているダクト４ａにおいて、反射された微粒子は再びダクト４ａの内壁に衝突し、一回の反射で成膜チャンバ２側に出射されることはない。

ダクト４ａの壁面に衝突した際に、微粒子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微粒子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、フィルタ部４は、成膜の際に汚染源となる微粒子をほぼ除去することができる。

フィルタ部４から放出されたプラズマビームは、上述したビームスキャン部５によって広角度に振られて成膜チャンバ２内に導入され、基板ステージ２１に載置された基板２０を成膜する。この際、上述した不活性ガス導入部７から導入された不活性ガスによってプラズマビーム３０内に含まれる正イオンが散乱され、基板面に生成される膜のステップカバレージが向上する。

図４は、本発明の成膜装置の別の構成例であり、不活性ガス導入部の別の構成例を示している。図１で示した構成では、成膜チャンバ２内において、フィルタ部４から放出されるプラズマビームの進行方向に対して垂直な状態に基板２０を支持するとともに、リング状管体で形成される不活性ガス導入部７からプラズマビーム対して不活性ガスを導入する構成である。これに対して、図４に示す構成では、成膜チャンバ２内において、フィルタ部４から放出されるプラズマビームの進行方向に対して斜めの状態に基板２０を支持するとともに、プラズマビームが基板２０に入射する付近に向かって不活性ガス導入部７から不活性ガスを導入する構成である。

不活性ガス導入部７は、前記したリング状管体とする他、このリング状管体に限らず、単に不活性ガスをプラズマビームが基板２０に入射する付近に向かって不活性ガスを導入する管体としてもよい。

この構成では、基板２０の法線方向をプラズマビームの方向に対して傾けて配設するとともに、基板２０を回転させてもよい。

なお、傾斜角度は例えば、１０°〜８０°とすることができ、また、回転速度は１(rpm)以上で４０１００(rpm)以下とすることができる。

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、アークプラズマ発生部３と成膜チャンバ２との間にフィルタ部４を設けた構成としているが、本発明はフィルタ部４を備えていない成膜装置にも適用することができる。

本発明の成膜方法は、カーボン膜の成膜に限らず他のターゲットによる成膜にも適用することができる。

本発明のアーク放電を用いた成膜装置の一構成例を説明するための図である。 不活性ガス導入部７の一構成例を説明するための概略斜視図である。 散乱した正イオンの基板への付着状態を接続するための模式図である。 本発明の成膜装置の別の構成例を説明するための図である。 従来の陰極アーク放電を用いた成膜装置の一構成例を説明するための図である。 ステップカバレージを説明するための図である。

符号の説明

１…成膜装置、２…成膜チャンバ、３…アークプラズマ生成部、３ａ…ターゲット、３ｂ…ストライカ、３ｃ…アークプラズマ、４…フィルタ部、４ａ…ダクト、４ｂ…コイル、５…ビームスキャン部、６…排気部、６ａ…ターボ分子ポンプ、６ｂ…ロータリポンプ、６ｃ〜６ｅ…開閉バルブ、６ｆ…調整バルブ、７…不活性ガス導入部、７ａ…リング状管体、７ｂ…導入口、７ｃ…不活性ガス、８…不活性ガス源、１１…アーク電源、１２…ダクトバイアス電源、１３…基板バイアス電源、２０…基板、２１…基板ホルダ、３０…プラズマビーム、３１…散乱イオン、４０ａ，４０ｂ、４１ａ，４１ｂ…膜付着部。

Claims (6)

1. 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に向けて不活性ガスを導入する不活性ガス導入部を備えることを特徴とする成膜装置。
2. 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アークプラズマ生成部と、
   基板を装填する成膜チャンバと、
   前記プラズマビームを成膜チャンバに導入するプラズマビーム導入部と、
   前記成膜チャンバ内に、前記導入されるプラズマビームのビーム方向位置に設けられる基板ステージと、前記プラズマビームに向けて不活性ガスを導入する不活性ガス導入部とを備え、
   前記不活性ガスによって散乱させたプラズマビームを基板に照射して薄膜を成膜することを特徴とする成膜装置。
3. 前記不活性ガス導入部は、内周面に不活性ガスを導入する複数の導入口を備えるリング状管体であることを特徴とする、請求項２に記載の成膜装置。
4. 前記リング状管体を、前記基板ステージの支持面の近傍に配置することを特徴とする、請求項３に記載の成膜装置。
5. 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方法において、
   前記プラズマビームに向けて不活性ガスを導入し、当該不活性ガスにより前記プラズマビームを散乱させ、散乱させたプラズマビームを基板上に照射することを特徴とする成膜方法。
6. 前記不活性ガスは、前記プラズマビームの全周囲において、前記プラズマビームの外周から内周に向かう方向に照射することを特徴とする、請求項５に記載の成膜方法。