JP2002266066A - Vacuum arc vapor deposition system - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain excellent film formation performance with a more simple constitution. SOLUTION: The system of forming a film consisting of a vapor deposition raw material 7 mounted on a cathode electrode by generating a plasma 11 from the vapor deposition raw material 7 by arc discharging in vacuum and guiding the plasma to a substrate 2 in a deposition chamber 1 by a curved solenoid coil 4A for plasma induction connects one end of the curved solenoid coil 4A for plasma induction and the cathode electrode 5 by a connecting conductor 12 and impresses the voltage of a DC power source 9A for the arc discharge between the other end of the curved solenoid coil 4A for plasma induction and the cathode electrode 5 to excite the curved solenoid coil 4A for plasma induction by the anode current of the arc discharge.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、真空中でのアーク
放電により生じたプラズマを基板上へと導き、基板上に
蒸着させて膜を形成する真空アーク蒸着装置、例えば、
磁気媒体に保護膜のカーボン薄膜を形成する真空アーク
蒸着装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vacuum arc deposition apparatus for guiding a plasma generated by arc discharge in a vacuum onto a substrate and depositing the film on the substrate to form a film.
The present invention relates to a vacuum arc evaporation apparatus for forming a protective carbon thin film on a magnetic medium.

【０００２】[0002]

【従来の技術】薄膜形成方法には様々な方法があり、そ
れぞれいろいろな分野で用いられている。真空アーク蒸
着法はこの薄膜形成方法の一つで、蒸着する原料をアー
ク放電によって蒸発させ、プラズマ化し、磁場によって
基板上に導いて、膜を形成させる方法であり、真空アー
ク蒸着装置はこの真空アーク蒸着法を用いて膜を形成さ
せる装置である。2. Description of the Related Art There are various thin film forming methods, each of which is used in various fields. Vacuum arc vapor deposition is one of the thin film forming methods, in which a material to be vaporized is vaporized by arc discharge, turned into plasma, and guided on a substrate by a magnetic field to form a film. This is an apparatus for forming a film using an arc deposition method.

【０００３】図２は、従来の真空アーク蒸着装置の基本
構成を示す概念図である。図において、１は成膜室、２
は成膜室に収納された基板、３は湾曲管、４はプラズマ
誘導用湾曲ソレノイドコイルである。また、５は水冷式
のアノード電極、６はカソード電極、７は蒸着原料、８
はストライカーであり、９はアーク放電用直流電源、１
０はコイル励磁用直流電源である。本真空アーク蒸着装
置においては以下のごとき手順により薄膜形成が行われ
る。図のように基板２を成膜室１に設置し、カソード電
極６の上に蒸着原料７を装着したのち、まず、成膜室１
と湾曲管３の内部空間およびこれらに連結された放電室
の内部を図示しない真空排気装置を用いて真空に排気
し、さらに、コイル励磁用直流電源１０を作動させてプ
ラズマ誘導用湾曲ソレノイドコイル４に電流を流し、磁
場を発生させる。次いで、アーク放電用直流電源９によ
ってアノード電極５とカソード電極６との間に電圧を印
加し、ストライカー８を蒸着原料７に接触させることに
よってアーク放電１１を発生させる。アーク放電１１は
蒸着原料７の上の局所領域（カソードスポット）で発生
するので、蒸着原料７は、溶解することなく、局所的に
蒸発してその一部がプラズマ化する。放電に際しては同
時に微粒子が発生するので、微粒子を含んだプラズマが
放電室から取出される。磁場中に荷電粒子を投入すると
磁力線に沿って運動する力が加わるので、放電室から取
出されたプラズマ粒子は、プラズマ誘導用湾曲ソレノイ
ドコイル４の生じる磁場の磁力線に沿って湾曲管３の内
部空間を進行し、成膜室１に設置された基板２の上へと
誘導される。これに対して、不純物としての微粒子は電
荷を帯びていないので、プラズマ誘導用湾曲ソレノイド
コイル４の生じる磁場の影響を受けることなく放電室か
ら直進して散逸することとなり、基板２の上へ到達する
ことはない。したがって、この真空アーク蒸着装置を用
いて薄膜を形成すれば極めて高純度の膜が得られる。FIG. 2 is a conceptual diagram showing a basic configuration of a conventional vacuum arc vapor deposition apparatus. In the figure, 1 is a film forming chamber, 2
Denotes a substrate housed in a film forming chamber, 3 denotes a curved tube, and 4 denotes a curved solenoid coil for plasma induction. 5 is a water-cooled anode electrode, 6 is a cathode electrode, 7 is a deposition material, 8
Is a striker, 9 is a DC power supply for arc discharge, 1
Reference numeral 0 denotes a DC power supply for exciting the coil. In this vacuum arc evaporation apparatus, a thin film is formed by the following procedure. As shown in the figure, the substrate 2 is set in the film forming chamber 1, and the deposition material 7 is mounted on the cathode electrode 6.
And the inside of the curved tube 3 and the inside of the discharge chamber connected to them are evacuated to vacuum using a vacuum exhaust device (not shown). A current to generate a magnetic field. Next, an arc discharge 11 is generated by applying a voltage between the anode electrode 5 and the cathode electrode 6 by the arc discharge DC power supply 9 and bringing the striker 8 into contact with the deposition raw material 7. Since the arc discharge 11 is generated in a local region (cathode spot) on the vapor deposition raw material 7, the vapor deposition raw material 7 evaporates locally without being dissolved, and a part thereof is turned into plasma. At the time of discharge, fine particles are generated at the same time, so that plasma containing the fine particles is extracted from the discharge chamber. When charged particles are injected into the magnetic field, a force that moves along the magnetic field lines is applied. Therefore, the plasma particles extracted from the discharge chamber generate the internal space of the curved tube 3 along the magnetic field lines of the magnetic field generated by the plasma induction curved solenoid coil 4. And is guided onto the substrate 2 installed in the film forming chamber 1. On the other hand, since the fine particles as impurities do not have a charge, they travel straight from the discharge chamber and are dissipated without being affected by the magnetic field generated by the curved plasma induction coil 4, and reach the substrate 2. I will not. Therefore, if a thin film is formed using this vacuum arc evaporation apparatus, a very high-purity film can be obtained.

【０００４】例えば、本真空アーク蒸着装置において蒸
着原料７にカーボンを用いて薄膜を形成すれば、テトラ
ヘドラル・アモルファス・カーボンと呼ばれる膜が得ら
れるが、この膜は非常に硬く、ダイヤモンドライクカー
ボンを越える硬度を備えており、磁気媒体や磁気ヘッド
の保護膜等としての適用が期待されている。[0004] For example, if a thin film is formed by using carbon as the deposition material 7 in the present vacuum arc evaporation apparatus, a film called tetrahedral amorphous carbon can be obtained. This film is very hard and exceeds diamond-like carbon. It has hardness and is expected to be used as a protective film for a magnetic medium or a magnetic head.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記のように真空アー
ク蒸着装置は高純度の薄膜形成装置として優れた特性を
備えており、磁気媒体や磁気ヘッドの保護膜形成装置と
して注目されている。しかしながら、本装置は、成膜室
と放電室に加えてプラズマ誘導用湾曲ソレノイドコイル
を装着した湾曲管を備える必要があり、さらに、アーク
放電用直流電源のほかにコイル励磁用直流電源が必要と
なるので、装置が大型になるという問題点がある。As described above, a vacuum arc vapor deposition apparatus has excellent characteristics as a high-purity thin film forming apparatus, and is attracting attention as a protective film forming apparatus for a magnetic medium or a magnetic head. However, this device needs to have a curved tube equipped with a curved solenoid coil for plasma induction in addition to the deposition chamber and discharge chamber, and further requires a DC power supply for coil excitation in addition to the DC power supply for arc discharge. Therefore, there is a problem that the apparatus becomes large.

【０００６】本発明は上記の問題点を考慮してなされた
もので、本発明の目的は、従来の装置に比べてより簡単
な構成で、かつ、優れた膜形成性能を備える真空アーク
蒸着装置を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in consideration of the above problems, and an object of the present invention is to provide a vacuum arc vapor deposition apparatus having a simpler configuration than conventional apparatuses and having excellent film forming performance. Is to provide.

【０００７】[0007]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、真空中でのアーク放電により
カソード電極に設置したカーボン等の蒸着原料からプラ
ズマを発生させ、生じたプラズマをプラズマ誘導用コイ
ルの生じる磁場によって基板上へと到達させ、前記の蒸
着原料よりなる膜を形成する真空アーク蒸着装置におい
て、アーク放電により流れるアノード電流の少なくとも
一部をプラズマ誘導用コイルの励磁電流として用いるこ
ととする。In order to achieve the above object, in the present invention, plasma is generated from a deposition material such as carbon provided on a cathode electrode by arc discharge in a vacuum, and the generated plasma is generated. In a vacuum arc vapor deposition apparatus that reaches a substrate by a magnetic field generated by a plasma induction coil and forms a film made of the above-described deposition material, at least a part of an anode current flowing by arc discharge is used as an excitation current of the plasma induction coil. Shall be used.

【０００８】従来の真空アーク蒸着装置、例えば図２に
示した装置では、プラズマを得るためのアーク放電を発
生させるために、アーク放電用直流電源によって約100
Ａの直流電流が供給されており、また、プラズマ誘導用
湾曲ソレノイドコイルにはコイル励磁用直流電源より約
35 Ａの直流電流が供給されている。このうち上記のア
ーク放電用電流はプラズマを得るために不可欠である
が、プラズマ誘導用湾曲ソレノイドコイルに流す励磁電
流は上記の値である必要はない。すなわち、プラズマ誘
導用湾曲ソレノイドコイルの磁場強度が高くなるほどプ
ラズマの誘導の効率が上昇するが、磁場強度は所定値以
上であればよく、その絶対値は制限されない。また、励
磁電流の値は所定の磁場強度とコイルの巻線密度により
規定されるものであり、コイルの巻線密度に応じて任意
に選定できる。したがって、上記のごとく、アーク放電
により流れる電流の少なくとも一部をプラズマ誘導用コ
イルの励磁電流として用いることが可能である。このよ
うにすれば、一台の直流電源によってプラズマを得るた
めのアーク放電とプラズマ誘導用コイルの励磁を行うこ
とが可能となるので、所要の電源が削減され、装置が小
型で、かつ簡単な構成となる。In a conventional vacuum arc vapor deposition apparatus, for example, the apparatus shown in FIG. 2, in order to generate an arc discharge for obtaining plasma, an arc discharge DC power supply is used for about 100 hours.
A DC current is supplied, and the curved solenoid coil for plasma induction is approximately
35 A DC current is supplied. Among these, the above-mentioned arc discharge current is indispensable for obtaining plasma, but the exciting current flowing through the curved solenoid coil for plasma induction does not need to have the above value. That is, the higher the magnetic field intensity of the plasma induction curved solenoid coil is, the higher the efficiency of plasma induction is. However, the magnetic field intensity may be a predetermined value or more, and its absolute value is not limited. Further, the value of the exciting current is defined by a predetermined magnetic field strength and a coil winding density, and can be arbitrarily selected according to the coil winding density. Therefore, as described above, it is possible to use at least a part of the current flowing by the arc discharge as the exciting current of the plasma induction coil. This makes it possible to perform arc discharge for obtaining plasma and excitation of the plasma induction coil by one DC power supply, so that the required power supply is reduced, and the apparatus is small and simple. Configuration.

【０００９】[0009]

【発明の実施の形態】図１は、本発明の真空アーク蒸着
装置の実施例の基本構成を示す概念図である。本図にお
いて、図２に示した従来例に用いられているものと同一
機能を有する構成部品には同一符号を付して重複する説
明は省略する。本実施例の構成の従来例との相違点は、
湾曲管に外装されたプラズマ誘導用湾曲ソレノイドコイ
ルの構成とこのコイルの励磁方法にある。FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic configuration of an embodiment of a vacuum arc evaporation apparatus according to the present invention. In this figure, components having the same functions as those used in the conventional example shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. The difference between the configuration of the present embodiment and the conventional example is
The present invention relates to a configuration of a curved solenoid coil for plasma induction mounted on a curved tube and a method of exciting this coil.

【００１０】すなわち、従来例の構成では、巻線密度が
12 ターン／cmのプラズマ誘導用湾曲ソレノイドコイル
４が組み込まれていたが、本実施例の構成では、通電容
量の大きな導体を用いて 4ターン／cmの巻線密度で巻か
れたプラズマ誘導用湾曲ソレノイドコイル４Ａが用いら
れている。また、従来例の構成では専用のコイル励磁用
直流電源１０を用いて約 35 Ａの電流を通電することに
よってプラズマ誘導用湾曲ソレノイドコイル４が励磁さ
れていたが、本実施例の構成では、プラズマ誘導用湾曲
ソレノイドコイル４Ａの導体の一端と放電室のアノード
電極５を接続導体１２によって連結し、プラズマ誘導用
湾曲ソレノイドコイル４Ａの導体の他の一端と放電室の
カソード電極６との間にアーク放電用直流電源９Ａの電
圧を印加して、アーク放電とプラズマ誘導用湾曲ソレノ
イドコイル４Ａの励磁を行っている。すなわち、本構成
ではアーク放電により流れたアノード電流をプラズマ誘
導用湾曲ソレノイドコイル４Ａの励磁電流として用いて
いる。That is, in the configuration of the conventional example, the winding density is
Although the plasma induction bending solenoid coil 4 of 12 turns / cm was incorporated, in the configuration of the present embodiment, the plasma induction bending coil wound at a winding density of 4 turns / cm using a conductor having a large current carrying capacity. The solenoid coil 4A is used. Further, in the configuration of the conventional example, a current of about 35 A is applied by using the dedicated coil excitation DC power supply 10 to excite the curved solenoid coil 4 for plasma induction. One end of the conductor of the induction curved solenoid coil 4A and the anode electrode 5 of the discharge chamber are connected by a connection conductor 12, and an arc is formed between the other end of the conductor of the plasma induction curved solenoid coil 4A and the cathode electrode 6 of the discharge chamber. The arc discharge and the excitation of the plasma induction curved solenoid coil 4A are performed by applying the voltage of the discharge DC power supply 9A. That is, in this configuration, the anode current flowing by the arc discharge is used as the exciting current of the curved solenoid coil 4A for plasma induction.

【００１１】本構成の真空アーク蒸着装置において、成
膜室１に収納する基板２としてSi基板を配置し、カソー
ド電極６に装着する蒸着原料７としてカーボンを用い、
成膜室１の圧力を 5×10^-4 Pa としたのち、カソード電
極６とアノード電極５との間に 25 Ｖの電圧を印加し、
100 Ａのアノード電流を流して成膜運転を行った。な
お、基板２は特に冷却を行わず、かつバイアス電圧も印
加しなかった。その結果、２分間の成膜運転により Si
基板からなる基板２の上に約 120 nm の膜を形成するこ
とができ、アノード電流をプラズマ誘導用湾曲ソレノイ
ドコイル４Ａの励磁電流として用いる構成としても、ア
ーク放電により生じたプラズマがプラズマ誘導用湾曲ソ
レノイドコイル４Ａの磁場により基板２の上へと誘導さ
れることが確認された。なお、このとき巻線密度が 4タ
ーン／cmの湾曲ソレノイドコイル４Ａには 100Ａの励磁
電流が流れるので、コイルの電流密度は 400Ａ／cmとな
る。この値は従来例の構成におけるプラズマ誘導用湾曲
ソレノイドコイル４の電流密度とほぼ同等であり、湾曲
管３の内部には従来例とほぼ同等の磁場が作用している
こととなる。In the vacuum arc vapor deposition apparatus of this configuration, an Si substrate is arranged as the substrate 2 housed in the film forming chamber 1, and carbon is used as the vapor deposition material 7 mounted on the cathode electrode 6.
After the pressure of the film forming chamber 1 was set to 5 × 10 ⁻⁴ Pa, a voltage of 25 V was applied between the cathode electrode 6 and the anode electrode 5,
The film formation operation was performed by passing an anode current of 100 A. The substrate 2 was not particularly cooled and no bias voltage was applied. As a result, the film deposition operation for 2 minutes
A film having a thickness of about 120 nm can be formed on the substrate 2 composed of a substrate, and even if the anode current is used as the exciting current of the curved solenoid coil 4A for plasma induction, the plasma generated by the arc discharge can be used as the plasma induction curved coil. It was confirmed that the magnetic field of the solenoid coil 4A induced the substrate 2 onto the substrate 2. At this time, since an exciting current of 100 A flows through the curved solenoid coil 4A having a winding density of 4 turns / cm, the current density of the coil is 400 A / cm. This value is substantially equal to the current density of the plasma induction bending solenoid coil 4 in the configuration of the conventional example, and a magnetic field substantially equal to that of the conventional example acts inside the bending tube 3.

【００１２】成膜運転により得られた膜の特性試験結果
によれば、光バンドギャップは約 2eV と大きく、密度
は約 2.3 g/cm³であった。これらの値は従来の真空アー
ク蒸着装置で得られた膜の特性とほぼ同等である。ま
た、プラズマ誘導用の湾曲管３およびプラズマ誘導用湾
曲ソレノイドコイル４Ａを組み込まない真空アーク蒸着
装置で得られる膜はステンレス針による引っ掻き試験を
行うと傷を生じるが、本実施例の真空アーク蒸着装置で
得られた膜は引っ掻き試験で傷つかない極めて硬質の膜
であった。ナノインデンターにより測定した結果、この
膜の硬さは60 GPaであった。これはダイヤモンドライク
カーボン膜を大きく上回るものである。According to the characteristic test results of the film obtained by the film forming operation, the optical band gap was as large as about 2 eV, and the density was about 2.3 g / cm ³ . These values are almost equivalent to the characteristics of a film obtained by a conventional vacuum arc evaporation apparatus. Further, a film obtained by a vacuum arc vapor deposition apparatus that does not incorporate the plasma induction bending tube 3 and the plasma induction bending solenoid coil 4A is damaged when a scratch test is performed with a stainless steel needle. Was an extremely hard film that was not damaged in the scratch test. As a result of measurement using a nanoindenter, the hardness of the film was 60 GPa. This greatly exceeds the diamond-like carbon film.

【００１３】なお、図１に示した上記の実施例では、ア
ーク放電で流れたアノード電流のすべてをプラズマ誘導
用湾曲ソレノイドコイル４Ａに通電するよう構成してい
るが、プラズマ誘導用湾曲ソレノイドコイル４Ａと並列
に分流回路を組み込み、アノード電流をプラズマ誘導用
湾曲ソレノイドコイル４Ａと分流回路に分けて流すこと
としてもよく、さらに分流回路のインピーダンスを調整
することによってプラズマ誘導用湾曲ソレノイドコイル
４Ａの励磁電流を適正値に調整することも可能である。In the embodiment shown in FIG. 1, all the anode current flowing by the arc discharge is supplied to the plasma induction curved solenoid coil 4A. However, the plasma induction curved solenoid coil 4A is used. A shunt circuit may be incorporated in parallel with the circuit, and the anode current may be divided and passed to the plasma induction curved solenoid coil 4A and the shunt circuit. Further, the excitation current of the plasma induction curved solenoid coil 4A is adjusted by adjusting the impedance of the shunt circuit. Can be adjusted to an appropriate value.

【００１４】[0014]

【発明の効果】上述のように、本発明においては、真空
中でのアーク放電によりカソード電極に設置したカーボ
ン等の蒸着原料からプラズマを発生させ、生じたプラズ
マをプラズマ誘導用コイルの生じる磁場によって基板上
へと到達させ、前記の蒸着原料よりなる膜を形成する真
空アーク蒸着装置において、アーク放電により流れるア
ノード電流の少なくとも一部をプラズマ誘導用コイルの
励磁電流として用いることとしたので、一台の直流電源
でアーク放電とプラズマ誘導用コイルの励磁が行えるこ
ととなった。したがって、従来の装置に比べて所要の電
源が削減され、より簡単な構成で、かつ、優れた膜形成
性能を備える真空アーク蒸着装置が得られることとなっ
た。As described above, in the present invention, plasma is generated from a deposition material such as carbon provided on a cathode electrode by arc discharge in a vacuum, and the generated plasma is generated by a magnetic field generated by a plasma induction coil. In a vacuum arc vapor deposition apparatus that reaches the substrate and forms a film made of the vapor deposition material, at least a part of the anode current flowing by the arc discharge is used as the excitation current of the plasma induction coil. With this DC power supply, arc discharge and excitation of the plasma induction coil can be performed. Therefore, the required power source is reduced as compared with the conventional apparatus, and a vacuum arc evaporation apparatus having a simpler configuration and excellent film forming performance can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の真空アーク蒸着装置の実施例の基本構
成を示す概念図FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic configuration of an embodiment of a vacuum arc evaporation apparatus of the present invention.

【図２】従来の真空アーク蒸着装置の基本構成を示す概
念図FIG. 2 is a conceptual diagram showing a basic configuration of a conventional vacuum arc evaporation apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 成膜室 ２ 基板 ３ 湾曲管 ４Ａ プラズマ誘導用湾曲ソレノイドコイル ５ アノード電極 ６ カソード電極 ７ 蒸着原料 ８ ストライカー ９Ａ アーク放電用直流電源 １１ プラズマ １２ 接続導体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Film-forming chamber 2 Substrate 3 Curved tube 4A Curved solenoid coil for plasma induction 5 Anode electrode 6 Cathode electrode 7 Deposition material 8 Striker 9A DC power supply for arc discharge 11 Plasma 12 Connection conductor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永山 利枝 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4G046 CA00 CB03 CC06 CC10 4K029 BA34 BC02 BD11 CA03 DD06 EA09 5D112 AA07 BC05 FA10  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Toshie Nagayama 1-1-1, Tanabe-Nitta, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa F-term in Fuji Electric Co., Ltd. (Reference) 4G046 CA00 CB03 CC06 CC10 4K029 BA34 BC02 BD11 CA03 DD06 EA09 5D112 AA07 BC05 FA10

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】真空中でのアーク放電によりカソード電極
に設置した蒸着原料からプラズマを発生させ、生じたプ
ラズマをプラズマ誘導用コイルの生じる磁場によって基
板上へと誘導し、前記の蒸着原料よりなる膜を形成する
真空アーク蒸着装置において、 前記のアーク放電により流れるアノード電流の少なくと
も一部が、前記のプラズマ誘導用コイルの励磁電流とし
て用いられていることを特徴とする真空アーク蒸着装
置。1. A plasma is generated from a vapor deposition material provided on a cathode electrode by arc discharge in a vacuum, and the generated plasma is induced on a substrate by a magnetic field generated by a plasma induction coil, and comprises the vapor deposition material. A vacuum arc evaporation apparatus for forming a film, wherein at least a part of an anode current flowing by the arc discharge is used as an excitation current for the plasma induction coil. 【請求項２】前記の蒸発原料がカーボンであることを特
徴とする請求項１に記載の真空アーク蒸着装置。2. A vacuum arc vapor deposition apparatus according to claim 1, wherein said evaporation source is carbon.