(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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５】
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６】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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。
0004378022.tif 000002
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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