JP4378022B2 - アモルファス炭素成膜装置及び成膜方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、アモルファス炭素成膜装置及び成膜方法に関し、特に、磁気記録媒体及び磁気ヘッド他、機械的摺動部や、切削工具等の保護膜として利用されるアモルファス炭素の成膜装置及び成膜方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のアモルファス炭素薄膜は、主としてメタン(CH4)、アセチレン(C2H2)等の炭化水素ガスを原料とし、時には硬度の向上のために窒素を混入させたCVD法により製造されている。このため、膜中の炭素原子には一部のsp3及びsp2軌道の先端に水素原子や窒素原子が残留しており、炭素原子同士の結合はこれら気体原子により終端され、欠陥を生じ、これが膜を軟質化し、膜硬度に限界を与えると考えられている。また、ビッカース硬度等の塑性変形硬度の評価を行う場合、この空乏部分が収縮するために実際より見かけの硬度が大きく見積もられ、結果が不正確となる。更に、基板以外に基板等のホルダー、電極、内壁のような真空槽内の多くの部分に炭素膜が付着し、これが剥離すると大量のダストが発生する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、CVD法の代替技術として従来技術の問題点を解決するものであり、炭素原子以外の気体原子が混入されることなく基板に対して効率よく成膜を行い、且つ、通常のスパッタ法より炭素イオン化率が高くなるようにして成膜を行う、硬質・高密度なアモルファス炭素薄膜を得るための成膜装置及び成膜方法を提供することを課題とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明のアモルファス炭素成膜装置は、一端が開口し他端が閉じた中空部を有する円筒状炭素ターゲットが配置され、該中空部にプラズマが発生するように構成されているマグネトロン放電型スパッタ装置であって、該ターゲットの開口部と基板との間の距離が、Hv=1500kgf/mm2以上の膜硬度を有するアモルファス炭素膜が形成されるように離してある。ターゲットにより得られる中性炭素原子及び炭素イオンは、ターゲットの円筒形状の中空部に放電が発生し、この放電にて励起されるプラズマの衝撃により円筒形状の内のり及び内底より反跳せられ、開口部より引き出される。この装置を用いた場合、ターゲット開口部から放出される中性炭素原子と炭素イオンとによる膜形成への寄与割合が、該炭素イオンの寄与の方が中性炭素原子の寄与割合よりも相対的に大きくなるように設定できるため、得られる炭素膜の硬度が増加するようになる。通常、炭素膜の実用硬度はHv=1500kgf/mm2以上あれば十分である。
【0005】
前記装置において、更に、円筒状炭素ターゲットの開口部近傍で、且つ、該ターゲットの外側に、ターゲット開口部よりプラズマが発散することを抑制するための磁場を形成する磁気回路、すなわちターゲットから放出されたプラズマが基板上へ収束するような磁場を形成するための磁気回路を設ける構成とする。この磁気回路による磁場によって炭素イオンが基板上に収束するため、相対的に成膜に寄与する炭素イオンの数が増加し、この装置を用いた場合に得られる炭素膜の成膜速度や硬度が増大するようになる。
【0006】
更に、該円筒状炭素ターゲット開口部と基板との間にイオン通過路を有するイオン加速電極を設け、該加速電極に対してエッチングが優勢とならない範囲の電圧を印加するように構成する。この構成により、さらに有効に炭素イオンを基板上に導くことが可能となり、膜硬度の制御も可能となる。
【0007】
本発明のアモルファス炭素成膜方法は、一端が開口し他端が閉じた中空部を有する円筒状炭素ターゲットが配置され、該中空部にプラズマが発生するように構成されているマグネトロン放電型スパッタ装置を用いて、該ターゲットの開口部と基板との間の距離を、Hv=1500kgf/mm2以上の膜硬度を有するアモルファス炭素膜が形成されるように離して成膜することからなる。この装置を用いた場合には、前記したように、ターゲット開口部から放出される中性炭素原子と炭素イオンとによる膜形成への寄与割合に関していえば、該炭素イオンの寄与の方が中性炭素原子の寄与割合よりも相対的に大きくなり、膜硬度の増加した炭素膜が得られる。
【0008】
前記アモルファス炭素成膜方法を、マグネトロン放電型スパッタ装置にさらに該炭素ターゲットの開口部近傍で、且つ、該炭素ターゲットの外側に、該ターゲットから放出されたプラズマが基板上へ収束するような磁場を形成するための磁気回路を設けた装置を用いて行い、Hv=1500kgf/mm2以上の膜硬度を有するアモルファス炭素膜を形成する。前記したように、この磁気回路による磁場によって炭素イオンが基板上に収束するため、相対的に成膜に寄与する炭素イオンの数が増加し、この装置を用いて行う成膜方法により膜硬度が増大した炭素膜が得られる。
【0009】
更に、前記成膜方法を、該マグネトロン放電型スパッタ装置に該円筒状炭素ターゲット開口部と基板との間にイオン通過路を有するイオン加速電極が設けられた装置を用いて行い、該加速電極に対してエッチングが優勢とならない範囲の電圧を印加して、Hv=1500kgf/mm2以上の膜硬度を有するアモルファス炭素膜を形成する。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0011】
本発明のアモルファス炭素成膜方法は、グラファイトターゲットのような固体炭素ターゲットを用い、その形状を中空円筒状として、Arのみの雰囲気中でRF又はDCを印加することで中空部分にホロー陰極放電を発生させ、通常のスパッタより高い放電電流密度を得、CVDのような気相反応を用いずに高効率で炭素粒子をイオン化し、基板にアモルファス炭素を堆積させるものである。このように炭素原子、炭素イオンを炭素膜の材料とするため、得られるアモルファス炭素膜中には水素、窒素その他の気体原子は含まれていない。
【0012】
図1に本発明による成膜装置の構成例の概要を示す。図1に示したように、本発明の成膜装置は、成膜室内に設けられた一端が開口し他端が閉じたグラファイト製中空円筒状ターゲット1と、このターゲットに接続されたスパッタ用直流電源又はRF電源2と、ターゲットと対向して設けられる基板3と、ターゲットの底部でプラズマ放電を起こさせ、ターゲットから放出されるプラズマが基板上へ収束するようにする磁場を形成するために、該底部の外側に設けられた磁石(すなわち、ターゲット底部でのプラズマ放電励起用磁気回路)4と、ターゲット開口部よりプラズマを引き出し且つ放電の発散を抑制するための磁石(すなわち、プラズマ、炭素イオンを基板上に有効に収束させるための磁気回路)5と、イオン化された炭素粒子を加速し、効率良く基板上に導くための、ターゲット開口部と基板との間に設けられたバイアス電極6と、このバイアス電極用の電源7とを有する。磁気回路4は、図1に示すように、ターゲットの閉じた一端の下方に設けられ、ターゲットの軸線に平行な磁場を誘起する磁石と、ターゲットの底部近傍でその周囲の外側に設けられ、ターゲットと同軸の円筒形状をなした磁石とからなる。また、バイアス電極6は、ターゲット開口部と基板の被成膜面とを結ぶ線上で、開口部と被成膜面の間に配置され、例えばメッシュ状又はリング状等の炭素イオン通過路を有している電極である。
【0013】
図1に示す装置を用い、Si又はガラス基板上に、表1に示す条件にてアモルファス炭素を成膜した。ターゲットとして、本発明による中空円筒状ターゲット(φ60mm×h140mm×t10mm)と、比較のために従来の平板ターゲット(φ150mm×t5mm)とを用いた。バイアス電極としてメッシュ状の電極を用いた。
【0014】
得られた炭素膜の評価には、膜硬度についてビッカース硬度測定、膜構成についてラマン分光分析を用い、また、膜表面をSEMで観察した。膜厚は200nm一定とした。
【0015】
図2に、本発明による中空円筒状ターゲットと従来の平板ターゲットとを用いて、直流電源を用いて成膜した場合の、成膜時の電流(I)−電圧(DCV)特性を示す。図中、曲線(a)は中空円筒状ターゲットについて、曲線(b)は平板ターゲットについての結果をプロットしたものである。図2から、中空円筒状ターゲットの場合、平板ターゲットと比して優れた電流−電圧特性を示し、成膜中に高い炭素イオン化率が得られていると考えられる。
【0016】
直流(DC)及びRF電源の各々を用い、放電電力を600Wに固定し、中空円筒状ターゲット開口部−基板間距離(T/S)を変化させた場合の膜硬度(ビッカース硬度)変化を図3に示す。図3中、曲線(a)はRF電源を用いた場合、曲線(b)はDC電源を用いた場合のビッカース硬度(Hv:kgf/mm2)変化を示す。図3から明らかなように、ターゲット開口部付近のプラズマ中には中性の炭素粒子が含まれているが、開口部から一定の距離以上の位置では磁場に沿って発散する炭素イオンのみが膜形成に寄与することになる。実際、RF電源を用いた場合、T/S=10mm〜20mmの範囲においてはT/S間距離の増加に伴って硬さは増大し、硬度2500kgf/mm2付近で飽和する挙動をみせているのに対し、DC電源を用いた場合は、T/S=10〜20mmの範囲では硬度は上がらず、20mmを超えた時点で上がり始めるが、いずれにしろ、T/S間距離を大きくすると硬度の増大が見られることが分かる。このため、T/S間距離に依存して膜硬度を制御することが可能となる。
【0017】
ターゲット開口部−基板間距離に対する膜のラマンスペクトル変化を図4に示す。図4中、曲線(a)、(b)及び(c)は、それぞれT/S間距離が10mm、20mm及び40mmの場合のラマンスペクトル変化を示す。図4から、距離が減少するに従って波数1560cm-1付近のGバンドと、波数1380cm-1付近のDバンドとにおけるピークが急峻になることが分かる。これは、膜がグラファイト状の結晶性を持つようになるためと考えられる。このため、T/S間距離に依存して膜の状態(アモルファス性)を制御することが可能となる。
【0018】
図5に、RF電源の放電電力600W、ターゲット開口部−基板間距離20mm、ターゲット−メッシュ状電極間距離10mmに固定し、メッシュ状電極に印加する加速電圧を0〜−100Vの範囲で変化させた場合の膜硬度(Hv:kgf/mm2)の挙動を示す。加速電圧の増加に伴い膜硬度は向上し、−100Vで膜硬度3000kgf/mm2を超える値に達する。
【0019】
更に、図6にバイアス電圧(加速電圧)(−V)と成膜速度(mm/min)との関係を示す。−130V付近から基板に対するエッチング効果が成膜速度を凌駕するようになり、効率の良い成膜が不可能となることが分かる。
【0020】
【発明の効果】
本発明の成膜装置及び成膜方法によれば、スパッタ成膜用の炭素ターゲットを中空円筒形状とすることにより、ホロー陰極放電に近い低電圧・高電流の放電を励起し、スパッタされた炭素粒子をイオン化させ、且つ磁気回路により炭素イオンを効率的に引き出し、バイアス電極で加速させて基板に堆積させるため、気相合成法を用いずに高硬度のアモルファス炭素薄膜を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による成膜装置の構成例の概要を示す。
【図2】 本発明による中空円筒状ターゲット及び従来の平板ターゲットを用いた場合の、成膜時の電流(I)−電圧(DCV)特性を示すグラフ。
【図3】 直流又はRF電源を用い、中空円筒状ターゲットを用い、T/S間距離を変化させて成膜した場合のビッカース硬度変化を示すグラフ。
【図4】 T/S間距離を変化させて成膜した場合のアモルファス炭素膜のラマンスペクトル変化を示すグラフ。
【図5】 RF電源の放電電力、T/S間距離、ターゲット開口部−メッシュ状電極間距離を固定し、メッシュ状電極に印加する加速電圧を変化させて成膜した場合の膜硬度(Hv:kgf/mm2)の挙動を示すグラフ。
【図6】 加速電圧(−V)と成膜速度(mm/min)との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
1 中空円筒状ターゲット 2 スパッタ用電源
3 基板 4 磁気回路
5 磁気回路 6 バイアス電極
7 バイアス電極用電源
Claims (6)
- 一端が開口し他端が閉じた中空部を有する円筒状炭素ターゲットが配置され、該中空部にプラズマが発生するように構成されているマグネトロン放電型スパッタ装置であって、該ターゲットの開口部と基板との間の距離が、Hv=1500kgf/mm2以上の膜硬度を有するアモルファス炭素膜が形成され得るように離してあることを特徴とするアモルファス炭素成膜装置。
- 前記円筒状炭素ターゲットの開口部近傍で、且つ、該ターゲットの外側に、該ターゲットから放出されたプラズマが基板上へ収束するような磁場を形成するための磁気回路を設けたことを特徴とする請求項1記載のアモルファス炭素成膜装置。
- 前記円筒状炭素ターゲット開口部と基板との間に炭素イオン通過路を有するイオン加速電極を設け、該加速電極に対してエッチングが優勢とならない範囲の電圧を印加するように構成されていることを特徴とする請求項1又は2記載のアモルファス炭素成膜装置。
- 一端が開口し他端が閉じた中空部を有する円筒状炭素ターゲットが配置され、該中空部にプラズマが発生するように構成されているマグネトロン放電型スパッタ装置を用いて、該ターゲットの開口部と基板との間の距離を、Hv=1500kgf/mm2以上の膜硬度を有するアモルファス炭素膜が形成されるように離して成膜することを特徴とするアモルファス炭素成膜方法。
- 請求項4記載のアモルファス炭素成膜方法において、該マグネトロン放電型スパッタ装置にさらに該円筒状炭素ターゲットの開口部近傍で、且つ、該炭素ターゲットの外側に、該ターゲットから放出されたプラズマが基板上へ収束するような磁場を形成するための磁気回路が設けられた装置を用いて、Hv=1500kgf/mm2以上の膜硬度を有するアモルファス炭素膜を形成することを特徴とする成膜方法。
- 請求項4又は5記載のアモルファス炭素成膜方法において、該マグネトロン放電型スパッタ装置にさらに該円筒状炭素ターゲット開口部と基板との間にイオン通過路を有するイオン加速電極が設けられた装置を用いて、該加速電極に対してエッチングが優勢とならない範囲の電圧を印加し、Hv=1500kgf/mm2以上の膜硬度を有するアモルファス炭素膜を形成することを特徴とする成膜方法。
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