JP2004011018A

JP2004011018A - 複合成膜装置

Info

Publication number: JP2004011018A
Application number: JP2002170362A
Authority: JP
Inventors: Koji Hanaguri; 花栗　孝次
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-11
Also published as: JP4015883B2

Abstract

【課題】アーク蒸発源とマグネトロンスパッタ蒸発源との磁界の相互干渉を抑制し、それぞれの蒸発源が具備する機能を十分に発揮させることができる複合成膜装置を提供する。
【解決手段】同一の真空チャンバ２内にアーク蒸発源３とスパッタ蒸発源４とが配置され、これら２種の蒸発源を交互、または同時に放電させて前記真空チャンバ２内に配置された基板１０の表面に皮膜を成膜する複合成膜装置１において、前記蒸発源３とスパッタ蒸発源４に磁石を付設すると共に、前記アーク蒸発源３に第１電磁石７を、また前記スパッタ蒸発源４に第２電磁石８を付設して、前記磁石による磁界を弱め、または強める構成とする。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク蒸発源とスパッタ蒸発源とが同一の真空チャンバ内に配置され、これらアーク蒸発源とスパッタ蒸発源とを交互、または同時に放電させて前記真空チャンバ内に配置された基板の表面に薄膜を成膜する複合成膜装置の技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アーク蒸発源とスパッタ蒸発源とが同一の真空チャンバ内に配置されてなる複合成膜氏装置としては、例えば特許第２８３６８７６号に開示されてなるものが公知である。以下、この従来例１に係る複合成膜装置を、その側面断面示概念図の図４を参照しながら説明する。
【０００３】
図４に示す符号５１は、複合成膜装置である。この複合成膜装置５１は真空チャンバ５２を備えており、この真空チャンバ５２内の内壁の内側の一方にアーク蒸発源５３が、また他方の内壁の内側にスパッタ蒸発源５４が設けられている。そして、前記真空チャンバ５２の底部であって、かつこの真空チャンバ５２の径方向の中心位置に、この真空チャンバ５２の外方位置に設けられたバイアス電源５６から電流が供給される基板載置台５５が配設されている。さらに、前記アーク蒸発源５３、および前記スパッタ蒸発源５４には、図示しない主磁場発生手段が設けられている。なお、前記基板載置台５５の上に配設されてなるものは、表面に皮膜が成膜される基板６０である。
【０００４】
上記従来例に係る複合成膜装置５１によれば、日本機械学会講習会教材（Ｎｏ．０１−９６，２００２−１．２２）に記載されているように、基板６０の表面に２層の皮膜を成膜することができる。より詳しくは、前記真空チャンバ５２内を真空に保持して、先ずアーク蒸発源５３の放電により基板６０の表面に、例えばＴｉＡｌＮ皮膜を成膜する。次いで、この真空チャンバ５２内を真空に保持したままスパッタ蒸発源５４の放電により、前記ＴｉＡｌＮ皮膜の表面に皮膜を成膜するものである。勿論、これとは逆に、スパッタ蒸発源５４の放電により基板６０の表面に皮膜を成膜した後に、この皮膜の表面にアーク蒸発源５３の放電によりＴｉＡｌＮ皮膜を成膜することができる。なお、基板６０に皮膜を成膜するに際しては、この基板６０は基板載置台５５の回転により垂直軸心回りに回転されるものである。
【０００５】
さらに、上記のような構成になる複合成膜装置５１によれば、基板６０の表面に下記のような皮膜も成膜することができる。
▲１▼　アーク蒸発源５３とスパッタ蒸発源５４とを同時に放電させて、基板６０の表面にアーク・スパッタ混合皮膜を成膜する。
▲２▼　アーク蒸発源５３の放電により基板６０の表面にアーク皮膜を成膜した後に、アーク蒸発源５３とスパッタ蒸発源５４とを同時に放電させて、アーク皮膜の表面にアーク・スパッタ混合皮膜を成膜する。
▲３▼　スパッタ蒸発源５４の放電により基板６０の表面にスパッタ皮膜を成膜した後に、アーク蒸発源５３とスパッタ蒸発源５４とを同時に放電させて、スパッタ皮膜の表面にアーク・スパッタ混合皮膜を成膜する。
【０００６】
このような複合成膜装置５１の場合、アーク蒸発源では、例えば従来例２に係る複合成膜装置の概念図の図５示すように、ターゲットの裏面、つまりアーク蒸発源５３の真空チャンバ５２の外側方向位置に、主磁場発生主手段である磁石５７を配置する。そして、前記ターゲット表面に磁場５７ａを発生させてアークスポットを制御する方式が一般的である。また、スパッタ蒸発源５４では、このスパッタ蒸発源５４の裏面、つまり真空チャンバ５２の外側方向位置に磁石５８を配置することにより磁場５８ａを発生させる（バランスド）マグネトロン方式が一般的である。
【０００７】
ところで、特開２０００−３２８２３６において、新しいアーク蒸発源（以下、新型アーク蒸発源という）が開示されている。このような新型アーク蒸発源を備えた真空蒸着装置（成膜装置）は、その概略構成図の図６に示すように構成されている。即ち、この従来例３に係る真空蒸着装置６１は、アーク放電の陰極となる蒸発物質ターゲット６３と、この蒸発物質ターゲット６３の蒸発面６３ａとほぼ垂直に交差する磁力線を発生する磁場発生源６７を備えたアーク蒸発源において、リング状の磁性体６８を、前記蒸発物質ターゲット６３を取り囲むように設けたものである。つまり、前記蒸発物質ターゲット６３の蒸発面６３ａの周辺部で磁力線が発散する方向に向くのを防止することにより、アークスポットの飛び出しがより効果的に防止され、この蒸発面６３ａが均一に消耗する。なお、符号６２，６５，６６，７０は、それぞれ真空チャンバ、基板載置台、アーク放電電源、基板である。
【０００８】
前記新型アーク蒸発源は、同公報や神戸製鋼技報（Ｖｏｌ．５０Ｎｏ．２（Ｓｅｐ．２０００）５５頁）に示されているように、従来のアーク蒸発源にない特徴を持っている。
【０００９】
また、スパッタ蒸発源については、従来のマグネトロンスパッタ蒸発源以外に、神戸製鋼技報（Ｖｏｌ．５０Ｎｏ．２（Ｓｅｐ．２０００）５８頁）に示されているような「アンバランスドマグネトロンスパッタ蒸発源（以下、ＵＢＭスパッタ蒸発源という）」も利用されている。これは、神戸製鋼技報（Ｖｏｌ．５０Ｎｏ．２（Ｓｅｐ．２０００）５８頁）や特開２０００−１１９８４３に開示されているように、従来のマグネトロンスパッタ蒸発源にない特徴を持っている。つまり、このＵＢＭスパッタ蒸発源は、従来のマグネトロンスパッタ蒸発源の磁場バランスを意図的に崩すことにより、イオン照射量を増大させて皮膜の特性を改善するようにしたものである。
【００１０】
当然、日本機械学会（Ｎｏ．０１−９６）講習会教材（２００２−１．２２，３６頁）に記載されているように、前記新型アーク蒸発源とＵＢＭスパッタ蒸発源を同一の真空チャンバ内に設けた構成になる複合成膜装置も、高機能皮膜を成膜する手段として期待することができる。この従来例４に係る複合成膜装置は、例えば、その平面断面示概念図の図７（ａ）と、図７（ａ）のＢ−Ｂ線断面図の図７（ｂ）に示すように構成されている。
【００１１】
即ち、この複合成膜装置６１は真空チャンバ６２を備えており、この真空チャンバ６２内の相対する内壁の内側のそれぞれに新型アーク蒸発源６３が配設されている。また、これら新型アーク蒸発源６３，６３と９０°位相を変えた真空チャンバ５２内の相対する内壁の内側のそれぞれにＵＢＭスパッタ蒸発源６４が設けられている。そして、前記真空チャンバ６２の底部であって、かつこの真空チャンバ６２の径方向の中心位置には、この真空チャンバ６２の外方位置に設けられてなるバイアス電源６６から電流が供給される基板載置台６５が配設されている。勿論、前記新型アーク蒸発源６３、ＵＢＭスパッタ蒸発源６４のそれぞれには、図示しない主磁場発生手段が設けられている。なお、前記基板載置台６５の上に配設されてなるものは基板７０である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、アーク蒸発源と、マグネトロンスパッタ蒸発源とを同一の真空チャンバ内に設けた構成になる複合成膜装置では、後述するような問題が生じる。
即ち、アーク蒸発源、マグネトロンスパッタ蒸発源それぞれの磁場が相互干渉する。具体的には、アークプラズマがスパッタ磁場に影響され、例えばアークモードによる成膜中にアークプラズマが偏向する。また、スパッタプラズマがアーク磁場に影響され、例えばスパッタモードによる成膜中にスパッタプラズマが偏向する。特に、新型アーク蒸発源とＵＢＭスパッタ蒸発源とを同一の真空チャンバ内に設けた複合成膜装置の場合に、磁場の相互干渉による影響が著しい。
【００１３】
そのため、アーク蒸発源とマグネトロンスパッタ蒸発源を同一の真空チャンバ内に設けた複合成膜装置の場合には、アーク方式、スパッタ方式による成膜において、下記のような問題が生じている。
▲１▼　所望の膜厚分布の皮膜を形成させることができない。
▲２▼　成膜速度が低下する。
▲３▼　皮膜の膜質が低下する。（皮膜の硬度低下、結晶配向の変化）
【００１４】
従って、本発明の目的は、アーク蒸発源とマグネトロンスパッタ蒸発源との磁界の相互干渉を抑制し、それぞれの蒸発源が具備する機能を十分に発揮させることにより、所望の膜厚分布および膜質の皮膜を高速度で形成させることができる複合成膜装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る複合成膜装置が採用した手段は、同一の真空チャンバ内にアーク蒸発源とスパッタ蒸発源とが配置され、これら２種の蒸発源を交互、または同時に放電させて前記真空チャンバ内に配置された基板の表面に皮膜を成膜する複合成膜装置において、前記アーク蒸発源またはスパッタ蒸発源の少なくとも一方に主磁場発生手段が付設されると共に、この主磁場発生手段が付設された蒸発源を成膜に使用しないときにこの主磁場発生手段が発生する磁場を弱めるための補助磁場発生手段が付設されてなることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の請求項２に係る複合成膜装置が採用した手段は、請求項１に記載の複合成膜装置において、前記補助磁場発生手段は、電磁石であることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の請求項３に係る複合成膜装置が採用した手段は、請求項２に記載の複合成膜装置において、前記補助磁場発生手段は、前記アーク蒸発源またはスパッタ蒸発源の後方にこれら前記アーク蒸発源またはスパッタ蒸発源と同心状に配置されたリング状の電磁石であることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の請求項４に係る複合成膜装置が採用した手段は、請求項３に記載の複合成膜装置において、前記アーク蒸発源またはスパッタ蒸発源は、円板状であることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の請求項５に係る複合成膜装置が採用した手段は、請求項１乃至４のうちの何れか一つの項に記載の複合成膜装置において、前記補助磁場発生手段は、前記主磁場発生手段が発生する磁場と相乗し得るように構成されてなることを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る複合成膜装置を、下記の各添付図面を順次参照しながら説明する。図１（ａ）は複合成膜装置の平面断面示概念図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２（ａ）は新型アーク蒸発源の放電により基板の表面に皮膜を成膜する例を示す複合成膜装置の平面断面示概念図であり、図２（ｂ）はＵＢＭスパッタ蒸発源の放電により基板の表面に皮膜を成膜する例を示す複合成膜装置の平面断面示概念図である。また、図３（ａ）は新型アーク蒸発源の放電により基板の表面に皮膜を成膜する他の例を示す複合成膜装置の平面断面示概念図であり、図３（ｂ）はＵＢＭスパッタ蒸発源の放電により基板の表面に皮膜を成膜する他の例を示す複合成膜装置の平面断面示概念図である。
なお、これら各添付図面において、主磁場発生手段である磁石については図示省略してある。
【００２１】
先ず、図１（ａ），（ｂ）を参照しながら、本実施の形態１に係る複合成膜装置の構成を説明する。図に示す符号１は、複合成膜装置である。この複合成膜装置１は真空チャンバ２を備えており、この真空チャンバ２内の相対する内壁の内側のそれぞれに円板状の新型アーク蒸発源３が配設されている。また、これら新型アーク蒸発源３，３と９０°位相を変えた真空チャンバ２内の相対する内壁の内側のそれぞれに円板状のＵＢＭスパッタ蒸発源４が設けられている。なお、新型アーク蒸発源３とＵＢＭスパッタ蒸発源４とは必ずしも９０°位相でなくてもよい。また、新型アーク蒸発源３とＵＢＭスパッタ蒸発源４は円板状に限定されず、角形であっても良い。
【００２２】
そして、前記真空チャンバ２の底部であって、かつこの真空チャンバ２の径方向の中心位置には、この真空チャンバ２の外方位置に設けられてなるバイアス電源６から電流が供給される基板載置台５が配設されている。勿論、前記新型アーク蒸発源３、ＵＢＭスパッタ蒸発源４のそれぞれには、図示しない主磁場発生手段が設けられている。なお、前記基板載置台５の上に配設されてなるものは基板１０である。
【００２３】
さらに、前記新型アーク蒸発源３それぞれの背面側、つまり前記真空チャンバ２の外側位置に、補助磁場発生手段であるリング状の第１電磁石７が新型アーク蒸発源３と同心状に配設されている。また、前記ＵＢＭスパッタ蒸発源４それぞれの背面側である真空チャンバ２の外側位置に、補助磁場発生手段であるリング状の第２電磁石８がＵＢＭスパッタ蒸発源４と同心状に配設されている。
【００２４】
以下、本実施の形態に係る複合成膜装置１の新型アーク蒸発源３の放電、またはＵＢＭスパッタ蒸発源４の放電によって、基板１０の表面に皮膜を成膜する成膜の仕方を、図２（ａ），（ｂ）、図３（ａ），（ｂ）を順次参照しながら説明する。
【００２５】
先ず、図２（ａ）を参照しながら、本実施の形態に係る複合成膜装置１の新型アーク蒸発源３の放電によって基板１０の表面に皮膜を成膜する場合の例を説明する。この例の場合には、第２電磁石８，８に通電（ＯＮ）して、磁力線の向きがＵＢＭスパッタ蒸発源４，４の電磁場と逆向きの磁場を発生させる。一方、第１電磁石７，７はＯＦＦとし、通電しない。
【００２６】
これにより、ＵＢＭスパッタ蒸発源４，４の電磁場の磁力線が相殺、または微弱化される。つまり、本実施の形態に係る複合成膜装置１によれば、新型アーク蒸発源３の電磁場が、ＵＢＭスパッタ蒸発源４，４の電磁場の影響を受けるようなことがない。従って、新型アーク蒸発源３の放電により基板１０の表面に、所望の膜厚分布で、膜質が優れた皮膜を高速度で成膜することができる。
【００２７】
図２（ｂ）を参照しながら、本実施の形態に係る複合成膜装置１のＵＢＭスパッタ蒸発源４の放電により基板１０の表面に皮膜を成膜する場合の例を説明する。この例の場合には、第１電磁石７，７に通電（ＯＮ）して、磁力線の向きが新型アーク蒸発源３，３の電磁場と逆向きの磁場を発生させる。一方、第２電磁石８，８はＯＦＦとし、通電しない。
【００２８】
これにより、新型アーク蒸発源３，３の電磁場の磁力線が相殺、または微弱化される。つまり、本実施の形態に係る複合成膜装置１によれば、ＵＢＭスパッタ蒸発源４，４の電磁場が、新型アーク蒸発源３，３の電磁場の影響を受けるようなことがない。従って、ＵＢＭスパッタ蒸発源４の放電により基板１０の表面に、所望の膜厚分布で、膜質が優れた皮膜を高速度で成膜することができる。
【００２９】
図３（ａ）を参照しながら、本実施の形態に係る複合成膜装置１の新型アーク蒸発源３の放電により基板１０の表面に皮膜を成膜する場合の他の例を説明する。この例の場合には、第２電磁石８，８に通電（ＯＮ）して、磁力線の向きがＵＢＭスパッタ蒸発源４，４の電磁場と逆向きの磁場を発生させる。また、第１電磁石７，７に通電して、磁力線の向きが新型アーク蒸発源３の電磁場と同方向の磁場を発生させる。
【００３０】
これにより、ＵＢＭスパッタ蒸発源４，４の電磁場の磁力線が相殺、または微弱化され、新型アーク蒸発源３の電磁場が、ＵＢＭスパッタ蒸発源４，４の電磁場の影響を受けるようなことがなくなるだけでなく、新型アーク蒸発源３の磁場が強化される。従って、プラズマ密度が増加するから、新型アーク蒸発源３の放電により特性、機能が優れた皮膜を高速度で成膜することができる。
【００３１】
図３（ｂ）を参照しながら、本実施の形態に係る複合成膜装置１のＵＢＭスパッタ蒸発源４の放電により基板１０の表面に皮膜を成膜する場合の他の例を説明する。この例の場合には、第１電磁石７，７に通電して、磁力線の向きが新型アーク蒸発源３，３の電磁場と逆向きの磁場を発生させる。また、第２電磁石８，８に通電して、磁力線の向きがＵＢＭスパッタ蒸発源４の電磁場と同方向の磁場を発生させる。
【００３２】
これにより、新型アーク蒸発源３，３の電磁場の磁力線が相殺、または微弱化され、ＵＢＭスパッタ蒸発源４，４の電磁場が、新型アーク蒸発源３，３の電磁場の影響を受けるようなことがなくなるばかりでなく、ＵＢＭスパッタ蒸発源４の磁場が強化される。従って、プラズマ密度が増加するから、ＵＢＭスパッタ蒸発源４の放電により、基板１０の表面に特性、機能が優れた皮膜を高速度で成膜することができる。
【００３３】
なお、新型アーク蒸発源３とＵＢＭスパッタ蒸発源４とを同時に放電させて基板１０の表面に皮膜を成膜する場合には、第１電磁石７および第２電磁石に通電する電流の向きと強さとを相互に調整する。そして、所望の皮膜特性を引き出しながら、磁場の相互干渉が最小になるように調整する必要がある。このような調整操作は、その調整モードを予め設定しておき、コンピュータ制御することが可能である。
【００３４】
ところで、以上では、同一の真空チャンバ２内に新型アーク蒸発源３とＵＢＭスパッタ蒸発源４が設けられている複合成膜装置１の場合を説明した。しかしながら、同一の真空チャンバ２内に、一般のアーク蒸発源とマグネトロンスパッタ蒸発源とが設けられている複合成膜装置に対しても、本発明の技術的思想を適用することができる。また、以上では、同一の真空チャンバ２内に一対ずつの新型アーク蒸発源３とＵＢＭスパッタ蒸発源４が設けられている複合成膜装置１の場合を説明したが、これらは各１つずつであっても良く、これらの個数が相違していても構わない。また、新型アーク蒸発源３とＵＢＭスパッタ蒸発源４との背面にリング状の電磁石を同心状に配置したが、永久磁石を設けると共に、開閉式のシールドを設けて、必要に応じて磁力線を遮断する構成にすることもできる。
さらに、新型アーク蒸発源３とＵＢＭスパッタ蒸発源４との背面のそれぞれに電磁石を設けたが、何れか一方にだけ設けることもできる。従って、上記実施の形態によって、本発明の複合成膜装置の構成が限定されるものではない。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項１乃至５に係る複合成膜装置によれば、補助磁場発生手段である電磁石に通電し、また通電を停止することにより主磁場発生手段によるアーク蒸発源、またはスパッタ蒸発源の磁場を相殺または弱めることができる。従って、アーク蒸発源、とスパッタ蒸発源との相互干渉を防止することができるから、アーク蒸発源、またはスパッタ蒸発源の放電により基板の表面に、所望の膜厚分布で、膜質が優れた皮膜を高速度で成膜することができる。
【００３６】
さらに、本発明の請求項５に係る複合成膜装置によれば、補助磁場発生手段である電磁石に通電することによって主磁場発生手段によるアーク蒸発源、またはスパッタ蒸発源の磁場を相殺または弱める一方、スパッタ蒸発源、またはアーク蒸発源の磁場を強めることができる。従って、アーク蒸発源とスパッタ蒸発源との相互干渉を防止することができるのに加えて、プラズマ密度が増大するから、アーク蒸発源またはスパッタ蒸発源の放電により基板の表面に特性、機能が優れた皮膜をより一層高速度で成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係り、図１（ａ）は複合成膜装置の平面断面示概念図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係り、図２（ａ）は新型アーク蒸発源の放電により基板の表面に皮膜を成膜する例を示す複合成膜装置の平面断面示概念図、図２（ｂ）はＵＢＭスパッタ蒸発源の放電により基板の表面に皮膜を成膜する例を示す複合成膜装置の平面断面示概念図である。
【図３】本発明の実施例に係り、図３（ａ）は新型アーク蒸発源の放電により基板の表面に皮膜を成膜する他の例を示す複合成膜装置の平面断面示概念図、図３（ｂ）はＵＢＭスパッタ蒸発源の放電により基板の表面に皮膜を成膜する他の例を示す複合成膜装置の平面断面示概念図である。
【図４】従来例１に係る複合成膜装置の側面断面示概念図である。
【図５】従来例２に係る複合成膜装置の側面断面示概念図である。
【図６】従来例３に係る新型アーク蒸発源を備えた真空蒸着装置の概略構成図である。
【図７】新型アーク蒸発源とＵＢＭスパッタ蒸発源を備えた従来例４に係り、図７（ａ）は複合成膜装置の平面断面示概念図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【符号の説明】
１…複合成膜装置
２…真空チャンバ
３…新型アーク蒸発源
４…ＵＢＭスパッタ蒸発源
５…基板載置台
６…バイアス電源
７…第１電磁石
８…第２電磁石
１０…基板

Claims

同一の真空チャンバ内にアーク蒸発源とスパッタ蒸発源とが配置され、これら２種の蒸発源を交互、または同時に放電させて前記真空チャンバ内に配置された基板の表面に皮膜を成膜する複合成膜装置において、前記アーク蒸発源またはスパッタ蒸発源の少なくとも一方に主磁場発生手段が付設されると共に、この主磁場発生手段が付設された蒸発源を成膜に使用しないときにこの主磁場発生手段が発生する磁場を弱めるための補助磁場発生手段が付設されてなることを特徴とする複合成膜装置。
前記補助磁場発生手段は、電磁石であることを特徴とする請求項１に記載の複合成膜装置。
前記補助磁場発生手段は、前記アーク蒸発源またはスパッタ蒸発源の後方にこれら前記アーク蒸発源またはスパッタ蒸発源と同心状に配置されたリング状の電磁石であることを特徴とする請求項２に記載の複合成膜装置。
前記アーク蒸発源またはスパッタ蒸発源は、円板状であることを特徴とする請求項３に記載の複合成膜装置。
前記補助磁場発生手段は、前記主磁場発生手段が発生する磁場と相乗し得るように構成されてなることを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一つの項に記載の複合成膜装置。