JP4126901B2

JP4126901B2 - カソーディックアーク成膜装置

Info

Publication number: JP4126901B2
Application number: JP2001361209A
Authority: JP
Inventors: 典孝秋田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2021-11-27
Also published as: JP2003160858A

Description

【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た薄膜の成膜、特に、磁気記録再生装置の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カソーディックアーク成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気記録再生装置の磁気ヘッドや磁気ディスクには、保護膜としてカボーン薄膜が一般的に用いられている。近年、磁気ヘッド用保護膜の成膜方法として、ＦＣＶＡ（Filtered Cathodic Vacuum Arc）法と呼ばれる陰極アーク放電を利用したｔａ−Ｃ（tetrahedral amorphous carbon）膜成膜技術が使われつつある。陰極アーク放電を用いる成膜装置では、陰極に設けられたグラファイトターゲットに対してアーク放電を発生させ、カーボンイオンを含むプラズマを生成する。そして、生成されたプラズマ中のカーボンイオンを基板に堆積することによって、カーボン膜が基板上に形成される。
【０００３】
生成されたプラズマ中には、カーボンイオンや電子の他に電気的に中性なパーティクルが含まれている。このパーティクルは主にカーボン原子から成るクラスターであって、アーク放電によりターゲットから放出されるだけでなく、高密度プラズマ中でイオン同士が結合することによっても生成される。基板上にカーボンイオンを堆積する際にこのパーティクルが混入すると膜質が低下するので、パーティクルを低減するために次のような対策が採用されている。
【０００４】
第１の方法は、磁場を用いてプラズマビームを基板に移送する間において、プラズマビームの経路を曲げてパーティクルをトラップで捕捉する方法である。第２の方法では、プラズマの輸送行路を長くするなどしてプラズマの密度を下げて低密度プラズマとすることにより、プラズマ移送中におけるパーティクルの発生を押さえている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した第１の方法ではアーク放電により放出されたパーティクルは除去できるが、プラズマがトラップの部分から基板に入射するまでの経路においてパーティクルが生成されてしまうため、パーティクルの低減効果が十分ではなかった。また、第２の方法ではプラズマの密度が低いため、成膜レートが低下してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、成膜レートの低下を防止しつつ基板に入射するパーティクルを低減することができるカソーディックアーク成膜装置を提供することにある。
【０００７】
【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の発明によるカソーディックアーク成膜装置は、陰極アーク放電によりターゲットイオンを含むプラズマビームを生成するプラズマビーム生成装置１と、基板４１が装填されるチャンバ４と、プラズマビーム生成装置１で生成されたプラズマビームＢをチャンバ４内の基板４１へと導くプラズマ移送装置２とを備えたカソーディックアーク成膜装置に適用され、プラズマ移送装置２は、プラズマビーム生成装置１で生成されたプラズマビームＢが入射する屈曲した屈曲ダクト２０と、該屈曲ダクト２０の軸に沿ったアキシャル磁場を形成して、プラズマビームＢの進行経路を屈曲ダクト２０の軸に沿って屈曲させる磁気コイル２１とを有し、基板４１とプラズマ移送装置２との間に配設され、遮蔽部と開口部４４ａとを有する遮蔽板４４と、プラズマ移送装置２から出射されたプラズマビームＢが遮蔽板４４の遮蔽部に入射するようにプラズマ移送装置２とチャンバ４とを接続する接続ダクト４３と、プラズマ移送装置２から出射されたプラズマビームＢに含まれるターゲットイオンＣを偏向して、開口部４４ａを介して基板４１に入射させる偏向装置３と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に記載のカソーディックアーク成膜装置において、屈曲ダクト２０にバイアス電圧を印加するバイアス電源２２を設けたものである。
（４）請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のカソーディックアーク成膜装置において、偏向装置３は、ターゲットイオンＣの偏向を行うとともに、ターゲットイオンＣを基板４１の全域に対して走査することを特徴とするカソーディックアーク成膜装置。
【０００８】
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。
【０００９】
【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ディックアーク成膜装置の一実施の形態を示す図であり、成膜装置の概略構成を示したものである。図１に示すように、成膜装置はプラズマ発生部１，プラズマ移送部２，スキャニング装置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。
【００１０】
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。例えば、カーボン膜を成膜する場合には、ターゲット１１としてカーボングラファイトが用いられる。以下では、カーボン膜成膜を例に説明する。
【００１１】
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１４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。
【００１２】
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。
【００１３】
プラズマ移送部２は、屈曲したダクト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。プラズマ移送部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。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。
【００１４】
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は、矢印Ｒで示すように基板４１をその平面内で回転する。また、基板４１の前方（図示右側）には、開口４４ａが形成された遮蔽板４４が配設されている。成膜チャンバ４とプラズマ移送部２とはチルトダクト４３で連結されており、チルトダクト４３の２つのフランジ４３ａ，４３ｂは互いに角度θを成している。このチルト角度θは、後述するスキャニング装置３の偏向可能角度との兼ね合いもあるが２．５〜１０（deg）程度に設定されるが、好ましくは５．５（deg）が良い。
【００１５】
チルトダクト４３とプラズマ移送部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。チルトダクト４３の周囲にはスキャニング装置３が設けられており、プラズマビームＢ内のカーボンイオンＣをｙｚ方向にスキャンする。スキャニング装置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チルトダクト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チルトダクト４３を挟んで紙面に直交するｙ方向に配設される。スキャニング装置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、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。
【００１６】
図２はダクト２０の形状の一例を示す図であり、（ａ）は図１のｚ方向から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ１矢視図、（ｃ）はＡ２矢視図である。ダクト２０は、３つの直管部２０１，２０３，２０５と２つの屈曲部２０２，２０４とを有するダブルベントタイプのダクトである。すなわち、直管部２０１に設けられたフランジ２０６から入射したプラズマビームは、屈曲部２０２，２０４の部分でそれぞれ曲げられ、直管部２０５に設けられたフランジ２０７から水平方向に対して角度θで出射する。
【００１７】
次に、成膜動作の概略を説明する。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。
【００１８】
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がグラファイトの場合には、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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は、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は、このアキシャル磁場により集束されるとともにプラズマ移送部２のダクト２０へと導かれる。プラズマ移送部２においても、ダクト２０の周囲に設けられた磁気コイル２１によりダクト２０の軸に沿ったアキシャル磁場が形成されており、プラズマはこの磁場に沿って成膜チャンバ４へと移送される。
【００２１】
プラズマビームＢにはカーボンイオンＣおよびパーティクルＰ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。図３は、カーボンイオンＣの分布形状Ｌ１とパーティクルＰの分布形状Ｌ２とを定性的に示したものである。なお、パーティクルＰの密度はカーボンイオンＣの密度に比べて遙かに小さいが、比較しやすいように両者が同程度の密度であるとして分布形状を示した。
【００２２】
カーボンイオンＣは電荷を帯びているため互いに反撥し、分布形状Ｌ２がパーティクルＰの分布形状Ｌ２よりもブロードになっている。そのため、ダクト２０に正のバイアス電圧を印加してダクト２０内にラジアル電場を形成し、ダクト中央に偏在させるようにした。このとき、カーボンイオンＣの分布形状Ｌ１は分布形状Ｌ１０のように変化し、高密度プラズマが得られる。
【００２３】
ところで、パーティクルＰは電気的に中性であるため、プラズマビームがダクト２０の屈曲部２０２，２０４（図２参照）で曲げられた際にパーティクルＰはそのまま直進してダクト２０によりトラップされる。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パーティクルＰをビームＢから除去することができる。しかし、パーティクルＰはプラズマビームＢ内でも生成されるため、ダクト２０から出射されるプラズマビームＢ内にはパーティクルＰが含まれている。
【００２４】
ダクト２０からチルトダクト４３内に入射したプラズマビームＢには、スキャニング装置３によって交流磁場が印加される。その結果、カーボンイオンＣは磁場によって進行方向が曲げられ、例えば、図１に示すようにビームＢからカーボンイオンＣを含むビームＢ１が分離される。図１は、カーボンイオンＣがｚ軸負方向に偏向された瞬間を示したものであり、ビームＢ１は遮蔽板４４に形成された開口４４ａを通過して基板４１上に照射される。一方、ビームＢは直進して遮蔽板４４によって遮られ、基板４１側に達することはない。
【００２５】
図４は遮蔽板４４を図１のｘ軸プラス方向から見た図である。円形の開口４４ａは、基板４１の中心Ｏよりもｚ軸マイナス方向に偏心して形成されている。一方、図１に示すようにダクト２０はチルトダクト４３を介して成膜チャンバ４に接続されているため、パーティクルを含んだビームＢは中心Ｏよりも上方（ｚ位置が正の領域）において遮蔽板４４に衝突し、開口４４ａに入射することはない。図４に示すように、開口４４ａを通して基板４１の中心と下側の縁との間の領域を見通すことができるので、カーボンイオンＣのビームＢ１をｚ軸方向にスキャンすると、中心０および縁を含む領域にカーボンイオンＣが照射される。基板４１は中心Ｏを軸として回転されているので、スキャン運動と回転運動とによりカーボンイオンＣが基板４１の全面に均一に堆積される。
【００２６】
図５は従来のカソーディックアーク成膜装置の成膜方法を説明する図であり、基板４１へのプラズマビームＢの導き方を示したものである。磁気コイル２１によって曲げられたプラズマビームＢはダクト２０から出射され、成膜チャンバ内の基板４１に照射される。プラズマビームＢはスキャニング装置５１によりスキャンされ、プラズマビームＢが基板４１の全成膜領域に照射されるようにしている。前述したように、プラズマビームＢ内のパーティクルＰはダクト２０内で経路が曲げられることにより除去されるが、基板面に対抗しているダクト出口付近から基板４１に入射する間においてもパーティクルＰが生成される。このパーティクルＰはカーボンイオンＣとともに基板４１に入射して、膜質の低下を招く。
【００２７】
一方、本実施の形態の成膜装置では、上述したように基板４１の直前でプラズマビームＢから偏向分離されたカーボンイオンＣが基板４１上に照射される。そのため、ダクト２０の出口付近で形成されたパーティクルＰはビームＢのように直進して遮蔽板４４により捕捉され、基板４１に入射することがない。その結果、以下に述べるように、基板４１に入射するパーティクルＰの数を従来よりも低減することができた。
【００２８】
従来の低密度プラズマによりｔａ−Ｃ膜を成膜した場合には、成膜レートは０．１（Å／sec）程度であった。一方、本実施の形態の成膜装置では高密度プラズマを用いていることから、０．４（Å／sec）とう大きな成膜レートを得ることができた。さらに、パーティクルに関しても、バブルベントタイプのトラップ（ダクト２０）を用いた成膜装置の場合には０．３（μｍ）以上のパーティクルに関して１０（個／ｃｍ^２）以上であったが、本実施の形態の成膜装置では１〜２（個／ｃｍ^２）にまで減少させることができた。
【００２９】
このように、本実施の形態では、アーク生成時に発生するパーティクルのみならず、高密度プラズマ移送時に生成されるパーティクルも高い確率で除去することができる。その結果、高い成膜レートでパーティクル混入の非常に少ない高純度のカーボン膜を成膜することができる。なお、本実施の形態の成膜装置は、カーボン膜の成膜に限らず各種の薄膜の成膜に適用することができる。
【００３０】
上述した実施の形態では、スキャニング装置３で交流磁場を形成してカーボンイオンＣを偏向するようにしたが、永久磁石を用いたり電場を形成してカーボンイオンＣを偏向するようにしても良い。また、ダクト２０はダブルベントタイプとしたが、シングルベントタイプのダクトを用いても良い。
【００３１】
なお、図１では基板４１をｘ軸に対して垂直に配設されているので、ビームＢ１は基板４１に対してほぼ垂直に入射することになる。一方、図６に示すようにビームＢ１に対して基板４１を角度αで配設すると、ビームＢが基板面に対して斜めに入射するために堆積したカーボン原子のマイグレーションが促進され、残留応力の小さなカーボン膜が形成される。例えば、垂直入射で応力が２．４（GPa）であった場合に、角度α＝４５（deg）で入射させると応力が１．４（GPa）に低下した。
【００３２】
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はプラズマビーム生成装置を、遮蔽板４４はトラップを、スキャニング装置３は偏向装置をそれぞれ構成する。また、遮蔽板４４の開口４４ａが形成されていない部分が遮蔽部を構成する。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板にはプラズマビームから偏向分離されたターゲットイオンが入射し、パーティクルを含むプラズマビームはトラップにより捕捉されて基板に入射することがない。そのため、パーティクルの混入の非常に少ない膜が基板上に形成される。また、パーティクルを低減するためにプラズマ密度を低くする必要がないため、成膜レートの低下を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるカソーディックアーク成膜装置の一実施の形態を示す図であり、成膜装置の概略構成を示したものである。
【図２】ダクト２０の形状の一例を示す図であり、（ａ）は図１のｚ方向から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ１矢視図、（ｃ）はＡ２矢視図である。
【図３】カーボンイオンＣの分布形状Ｌ１とパーティクルＰの分布形状Ｌ２とを示す図である。
【図４】遮蔽板４４を図１のｘ軸プラス方向から見た図である。
【図５】従来のカソーディックアーク成膜装置の成膜方法を説明する図であり、基板４１へのプラズマビームＢの導き方を示したものである。
【図６】基板４１を傾けて配設した場合の、基板４１とビームＢ１との関係を示す図である。
【符号の説明】
１プラズマ発生部
２プラズマ移送部
３、５１スキャニング装置
４，５０成膜チャンバ
５制御装置
１１ターゲット
１２，１６磁気コイル
２０ダクト
２２バイアス電源
４１基板
４２基板ステージ
４３チルトダクト
４４遮蔽板
４４ａ開口
Ｃカーボンイオン
Ｐパーティクル

Claims

陰極アーク放電によりターゲットイオンを含むプラズマビームを生成するプラズマビーム生成装置と、
基板が装填されるチャンバと、
前記プラズマビーム生成装置で生成されたプラズマビームを前記チャンバ内の基板へと導くプラズマ移送装置とを備えたカソーディックアーク成膜装置において、
前記プラズマ移送装置は、前記プラズマビーム生成装置で生成されたプラズマビームが入射する屈曲した屈曲ダクトと、該屈曲ダクトの軸に沿ったアキシャル磁場を形成して、前記プラズマビームの進行経路を前記屈曲ダクトの軸に沿って屈曲させる磁気コイルとを有し、
前記基板と前記プラズマ移送装置との間に配設され、遮蔽部と開口部とを有する遮蔽板と、
前記プラズマ移送装置から出射されたプラズマビームが前記遮蔽板の遮蔽部に入射するように前記プラズマ移送装置と前記チャンバとを接続する接続ダクトと、
前記プラズマ移送装置から出射されたプラズマビームに含まれる前記ターゲットイオンを偏向して、前記開口部を介して前記基板に入射させる偏向装置とを備えたことを特徴とするカソーディックアーク成膜装置。
請求項１に記載のカソーディックアーク成膜装置において、前記屈曲ダクトにバイアス電圧を印加するバイアス電源を設けたことを特徴とするカソーディックアーク成膜装置。
請求項１又は２に記載のカソーディックアーク成膜装置において、
前記偏向装置は、前記ターゲットイオンの偏向を行うとともに、前記ターゲットイオンを前記基板の照射領域全域に対して走査することを特徴とするカソーディックアーク成膜装置。