JP2004183021A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜レートの向上及び成膜面積の増加が図られた成膜装置及び成膜方法を提供する。
【解決手段】成膜装置は、複数のアーク放電電極対２を含むアーク蒸発源１と、該アーク蒸発源１で得られた蒸発粒子の輸送系たるプラズマダクト３と、該プラズマダクト３を屈曲させて構成される蒸発粒子分離部４と、該分離部４で分離された荷電粒子を均一に混合する粒子混合部５と、該混合された荷電粒子を拡散させる粒子拡散部６と、該荷電粒子のうちのイオン化粒子を、基材ホルダ８に配置された基材９の表面に堆積させて成膜する成膜室７とから構成される。プラズマダクト３、蒸発粒子分離部４、粒子混合部５、粒子拡散部６は、それぞれ磁界発生装置を含み、磁界を利用してそれぞれ機能する。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク蒸発源を用いて基材の表面に薄膜（特に、半導体デバイスの配線を構成する銅薄膜）を形成する成膜装置及び成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンプレーティング装置の一種として、アーク蒸発源を用いて基材の表面に薄膜を形成する成膜装置がある。アーク蒸発源は陰極と陽極とから構成され、成膜時には、該陰極と陽極との間でアーク放電を行って膜形成材料からなるターゲット（通常は、陰極がターゲットに相当する）を蒸発させて蒸発粒子を発生させる。該蒸発粒子は、主に、イオン化した膜形成材料粒子であるイオン化粒子（具体的には、陰極材料がイオン化して電荷を帯びているもの）と、電子と、膜形成材料の中性粒子と、膜形成材料細片等であるドロップレットとを含んでいる。ここでは、前記イオン化粒子と電子とを総称して荷電粒子と呼ぶ。該荷電粒子によってプラズマが形成され、該荷電粒子のうちのイオン化粒子を、アーク蒸発源の下流に配設された成膜室において基材の表面に堆積させて薄膜を形成する（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
アーク蒸発源で発生した前記蒸発粒子のうち、上記のように膜形成に関与する荷電粒子以外の前記ドロップレットや中性粒子は副成物であり、例えば、サブミクロンから数十ミクロンサイズのドロップレットが膜に混入すると、膜の表面が滑らかでなくなるとともに膜厚が不均一となる。そこで、アーク蒸発源から得られた蒸発粒子に含まれる荷電粒子とドロップレット及び中性粒子とを分離し、アーク蒸発源と成膜室との間に設けたドロップレット捕集部に、該分離したドロップレット及び中性粒子を集めることにより、ドロップレットや中性粒子が膜に混入するのを防止する方法がある（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３１６８０１号公報
【特許文献２】
特開２００２−８８９３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
アーク蒸発源を含む上記の成膜装置を用いて半導体デバイスの配線膜を形成すると、成膜レートが小さいために、成膜に時間を要する。したがって、量産のためには、成膜レートを向上させる必要がある。また、この成膜装置では、成膜面積が小さいため、例えば直径が２００〜３００ｍｍ程度の面積の大きなウエハ（基材）への適用が困難である。ここで、近年では、ウエハの面積が増加傾向にあることから、成膜装置の成膜面積の増加を図る必要がある。
【０００６】
一方、アーク蒸発源を利用する以外に、例えば、蒸発源として電子銃を用いて半導体膜を成膜するイオンプレーティング装置がある。しかしながら、該装置では、成膜時に、数千ボルトの高電圧を印加して成膜を行うため、安全上の問題が生じる。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、成膜レートの向上及び成膜面積の増加が図られた成膜装置及び成膜方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る成膜装置及び成膜方法は、陽極と陰極とからなる電極対を複数対含み、各前記電極対の陽極と陰極との間でアーク放電を行うことにより膜形成材料を蒸発させて、イオン化した膜形成材料粒子であるイオン化粒子を少なくとも発生させるアーク蒸発源と、前記アーク蒸発源の各前記電極対で発生した前記イオン化粒子を、前記アーク蒸発源から、基材が配置される成膜室に誘導する輸送手段と、前記輸送の際に、各前記電極対で発生した前記イオン化粒子を混合する混合手段と、前記混合されたイオン化粒子を拡散して前記基材へ堆積させて膜を形成する拡散手段とを備える（請求項１，１１）。
【０００９】
かかる構成によれば、複数の電極対を有するアーク蒸発源を用いるため、成膜レートの向上を図ることが可能となる。また、各電極対において発生したイオン化粒子を混合手段により混合して分布を均一とするとともに、拡散手段によりイオン化粒子を拡散させて成膜を行うため、均一な膜厚を有する膜を形成することができ、かつ、成膜面積の大きな基材にも対応可能となる。さらに、イオン化粒子の拡散状態を調整することにより、装置構成の大きな変更を行うことなく、様々な大きさの基材への成膜を行うことが可能となる。また、かかる装置を半導体デバイスの配線膜の形成に適用した場合には、電子銃等を蒸発源として用いる装置に比べて、低い動作電圧で成膜が可能であり、安全性の向上が図られる。さらに、各電極対において異なる薄膜形成材料を蒸発させることにより、種類の異なる複数の元素を含む膜や、異なる組成の層を複数層有する膜を形成することが可能となる。
【００１０】
前記混合手段は、磁界発生装置を含み、前記磁界発生装置を用いて前記混合を行ってもよい（請求項２，１２）。
【００１１】
かかる構成によれば、磁界を用いて、容易にイオン化粒子を混合することが可能となる。
【００１２】
前記拡散手段は、磁界発生装置を含み、前記磁界発生装置を用いて前記拡散を行ってもよい（請求項３，１３）。
【００１３】
かかる構成によれば、磁界を用いて、容易にイオン化粒子を拡散させることが可能となる。
【００１４】
前記拡散手段の前記磁界発生装置は、磁界を制御する制御装置を含んでもよい（請求項４，１４）。
【００１５】
かかる構成によれば、制御装置によって、例えば、磁界の大きさや方向等を制御することにより、形成される膜の膜厚を調整することが可能となる。また、基材の大きさに応じて該制御を行うことにより、装置構成の大きな変更を行うことなく大きさの異なる基材に対応して適宜成膜することが可能となる。
【００１６】
前記輸送手段は、前記アーク蒸発源における前記膜形成材料の蒸発により前記イオン化粒子以外に副成されるドロップレットから前記イオン化粒子を分離する分離手段を含み、前記分離されたイオン化粒子が前記混合手段により混合されてもよい（請求項５、１５）。
【００１７】
かかる構成によれば、アーク蒸発源において発生するイオン化粒子とドロップレットとを、分離手段により分離することができる。したがって、イオン化粒子を選択的に用いて成膜を行うことができるので、表面が平滑で均一な膜厚の膜を形成することが可能となる。
【００１８】
前記分離手段は、前記イオン化粒子の移動方向を前記ドロップレットの移動方向と異なる方向に偏向する偏向手段を含んでもよい（請求項６，１６）。
【００１９】
かかる構成によれば、イオン化粒子とドロップレットとの移動方向の違いから、イオン化粒子とドロップレットとを分離することができる。ここで、偏向とは、粒子の進行方向を曲げて変化させることである。
【００２０】
前記輸送手段は、前記アーク蒸発源と前記成膜室とを連結するダクトから構成され、前記混合手段の上流に配置された前記ダクトの屈曲部が前記偏向手段に相当してもよい（請求項７）。
【００２１】
かかる構成によれば、ダクトに屈曲部を設けることにより、特別な部材を要することなく容易にイオン化粒子の分離を行うことが可能となる。
【００２２】
前記ダクトは、各前記電極対に対応して配置された支管と、前記支管に対してほぼ垂直に配置され前記支管と連通する主管とから構成され、前記支管と前記主管との連結部が前記屈曲部となってもよい（請求項８）。
【００２３】
かかる構成では、各電極対におけるアーク放電で発生し各支管内を移動してきたイオン化粒子とドロップレットとのうち、イオン化粒子のみが主管に誘導されるため、ドロップレットとイオン化粒子とを分離することができる。
【００２４】
前記分離手段は、前記ドロップレットの捕集構造を含んでもよい（請求項９）。
【００２５】
かかる構成によれば、ドロップレットの捕集構造が設けられているため、分離したドロップレットが膜に混入するのを確実に防止することが可能となる。また、例えば、該捕集構造が、取り外し可能・洗浄可能に構成される場合には、該捕集構造に集められたドロップレットを容易に除去することが可能となる。
【００２６】
前記ドロップレット捕集構造は、前記ダクトの前記支管の延長上に配置され、各前記支管が互いに非対向位置となるように配設されてもよい（請求項１０）。
【００２７】
かかる構成によれば、ダクトの支管を移動してきたドロップレットが、そのまま直進して屈曲部を通過し、ドロップレット捕集構造に集められる。この場合、各支管の配置を互いに非対向位置となるように配置することで、他の支管が存在しない支管の対向部にドロップレット捕集構造を配設することが可能となるため、支管から直線的に移動してきたドロップレットを効率よく集めることが可能となる。
【００２８】
【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ながら説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態の構成に限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であることは勿論である。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る成膜装置の構成を示す模式的な上面図であり、図２は、図１の成膜装置の模式的な側面図である。また、図３は、図１及び図２に示す成膜装置の原理を表す概念図である。
【００２９】
図１〜図３に示すように、成膜装置１００は、アーク蒸発源１と、粒子の輸送系たるプラズマダクト３と、基材９に成膜を行う成膜室７とを主たる要素として構成されている。そして、該プラズマダクト３に、蒸発粒子分離部４と、粒子混合部５と、粒子拡散部６とが形成されている。なお、図２では、実際には手前側に配置されるアーク蒸発源１及びプラズマダクト３の支管３Ｂの図示を省略している。アーク蒸発源１はプラズマダクト３を介して成膜室７に接続されており、これらの主たる構成要素は、真空状態を実現可能であるように組み立てられている。
【００３０】
アーク蒸発源１は、陰極２Ａと、その前方に対向配置された１対または１個の陽極２Ｂとを１組として構成されるアーク放電電極対２（図２）を３つ含んで構成される。ここでは、各アーク放電電極対２の陰極２Ａが、膜形成材料から構成されるターゲットに相当する。
【００３１】
陰極２Ａの構成材料は、基材９上に形成される膜の構成材料からなり、導電性を有する固体なら特に限定されず、金属単体、合金、無機単体、無機化合物等が用いられる。これらは単独で用いられてもよく、２種以上混合して用いてもよい。例えば、半導体デバイスの配線膜を形成する場合には、銅から構成される陰極２Ａを用いる。なお、各アーク放電電極対２において、陰極材料は、同一であってもよく、また、それぞれ異なっていてもよい。それぞれ異なる陰極材料とする場合には、複数の元素を含む膜や、あるいは、異なる組成の層を複数層有する膜を形成することが可能となる。なお、ここでは、陰極２Ａがターゲットを兼ねているが、陰極２Ａの表面に、膜形成材料からなるターゲットが別に配設される構成も可能である。
【００３２】
以下の説明においては、アーク蒸発源１における陰極構成材料（すなわち、膜形成材料）の蒸発により得られる粒子を、蒸発粒子と呼ぶ。該蒸発粒子は、主に、イオン化した陰極構成材料粒子であるイオン化粒子と、電子と、陰極構成材料の中性粒子と、陰極構成材料が細片状になったものや液状となったもの（以下、これをドロップレットと呼ぶ）とを含んでいる。ここでは、従来技術において前述したように、電荷を帯びているイオン化粒子及び電子をまとめて荷電粒子と呼ぶ。該荷電粒子はプラズマを形成しており、該プラズマとなった荷電粒子を用いて成膜が行われる。
【００３３】
陽極２Ｂの構成材料は、陰極２Ａが蒸発する温度でも蒸発せず、かつ、導電性を有する固体ならば特に限定されず、金属単体、合金、無機単体、無機化合物等が用いられる。これらは単独で用いられてもよく、２種以上混合して用いてもよい。例えば、半導体デバイスの配線膜を形成する場合には、タングステン又はニッケルから構成される陽極２Ｂを用いる。
【００３４】
なお、ここでは図示を省略しているが、アーク蒸発源１の各アーク放電電極対２は、別々のアーク電源に接続されている。また、アーク蒸発源１は、アーク放電電極対２以外に、従来の成膜装置のアーク蒸発源が備える構成要素を含んでもよい。
【００３５】
プラズマダクト３は、アーク蒸発源１で発生した粒子を成膜室７に輸送する輸送系を構成するもので、アーク蒸発源１に一端が接続された直線状の支管３Ｂと、成膜室７に一端が接続された直線状の主管３Ａとが、継ぎ手部材３Ｃを介して連結されてなる。後述するように、プラズマダクト３は、アーク蒸発源１で発生した蒸発粒子を、成膜に利用する荷電粒子と、前記荷電粒子以外に副成するドロップレット及び中性粒子とに分離するために、屈曲構造を有する。ここでは、主管３Ａが３つの支管３Ｂに対してほぼ垂直に配置されており、それにより、支管３Ｂから主管３Ａに至る部分が屈曲部４となっている。本実施の形態では、該屈曲部４が、蒸発粒子分離部に相当する。したがって、屈曲部４よりも上流の支管３Ｂが、荷電粒子、ドロップレット及び中性粒子を含む蒸発粒子の輸送路となっており、屈曲部４よりも下流の主管３Ａが、分離された荷電粒子の輸送路となっている。
【００３６】
プラズマダクト３の前記支管３Ｂの外周部には、蒸発粒子の移動を促進するための蒸発粒子誘導手段３ａが配置されている。また、屈曲部４において蒸発粒子中の荷電粒子の進行方向を９０度屈曲させるための荷電粒子誘導手段４ａが、前記継ぎ手部材３Ｃの上面に配設されている。ここでは、該蒸発粒子誘導手段３ａ及び該荷電粒子誘導手段４ａとして、磁界発生装置、例えば、円筒部材の外周にコイルを巻回してなるリング状の電磁石が用いられる。該電磁石にプラズマダクト３の支管３Ｂが嵌め込まれている。なお、図中においては、リング状の電磁石の断面を示している。
【００３７】
屈曲部４より下流の主管３Ａの所定領域には、外周部に、荷電粒子（特にイオン化粒子）を均一に混合するための粒子混合手段５ａが配設されている。したがって、本実施の形態では、該粒子混合手段５ａが配設されたプラズマダクト３の部分が、粒子混合部５に相当する。ここでは、該粒子混合手段５ａとして、磁界発生装置、例えば、円筒部材の外周にコイルを巻回してなるリング状の電磁石が用いられ、該電磁石にプラズマダクト３の主管３Ａが嵌め込まれている。
【００３８】
粒子混合部５より下流の主管３Ａの領域は、成膜室７との接続部に向かってダクトの径が徐々に大きくなっている。そして、主管３Ａの一端が荷電粒子の吹き出し口となっており、該吹き出し口が成膜室７に開口している。粒子混合部５と吹き出し口との間の主管３Ａの所定領域外周部には、荷電粒子を拡散するための粒子拡散手段６ａが配設されている。したがって、本実施の形態では、粒子拡散手段６ａが配設されたプラズマダクト３の部分が、粒子拡散部６に相当する。ここでは、該粒子拡散手段６ａとして、磁界発生装置、例えば、円筒部材の外周にコイルを巻回してなるリング状の電磁石が用いられ、該電磁石にプラズマダクト３の主管３Ａが嵌め込まれている。該磁界発生装置は、例えば、カスプ磁場を発生させてもよく、あるいは、ミラー磁場を発生させてもよい。
【００３９】
成膜室７には、成膜対象たる基材９を支持するための基材ホルダ８が、図示しない支持構造によって回転可能に配設され、かつ、回転駆動装置たるモータ（図示せず）に接続されている。
【００４０】
次に、成膜装置１００の成膜時の動作について説明する。
【００４１】
成膜時には、排気装置（図示せず）を用いて成膜室７及びプラズマダクト３内を所定の真空状態とし、図３に示すように、アーク蒸発源１の各アーク放電電極対２において、アーク放電を行う。それにより、各電極対２において、陰極２Ａの構成材料が蒸発して蒸発粒子が生じる。前述のように、該蒸発粒子は、荷電粒子（イオン化粒子及び電子）と、副生成物たるドロップレット及び中性粒子とを含んでいる。
【００４２】
各電極対２で発生した蒸発粒子は、プラズマダクト３の各支管３Ｂ内を、各支管３Ｂの外周に配設された磁界発生装置３ａにより発生した磁界によって駆動されながら水平方向に移動する。そして、各支管３Ｂから主管３Ａに達する。ここで、プラズマダクト３では、前述のように各支管３Ｂと主管３Ａとが垂直に配置されて屈曲構造となっているため、支管３Ｂを移動してきた蒸発粒子が屈曲部４に達すると、蒸発粒子のうちの荷電粒子が、磁界発生装置４ａにより発生した磁場の影響を受けて該屈曲部４の形状に沿って進行方向をほぼ９０度屈曲させ主管３Ａに入る。詳細には、まず、荷電粒子のうちの電子が磁界に引っ張られるとともに該磁界にとらえられ、続いて、該磁界にとらえられた電子に引っ張られてイオン化粒子が移動する。このような荷電粒子の進行方向の変化を偏向と呼ぶ。一方、ドロップレット及び中性粒子は、該磁場の影響を受けないので、プラズマダクト３の屈曲部４に沿って進行方向を屈曲させることはなく、偏向されずにそのまま直線的に移動して主管３Ａを横切りダクト内壁に衝突して該内壁部分に付着する。このように、蒸発粒子分離部たるプラズマダクト３の屈曲部４において、アーク蒸発源１より得られた蒸発粒子を、荷電粒子とドロップレット及び中性粒子とに分離することができる。このような分離により、後述の膜形成工程において、ドロップレットが膜に混入するのを防止することが可能となり、それによって、平滑な膜表面を実現することが可能となる。
【００４３】
分離された荷電粒子は、プラズマダクト３の主管３Ａ内を鉛直下向きに移動する。そして、３つの支管３Ｂから集まった荷電粒子は、粒子混合部５において、磁界発生装置５ａによって発生した磁界を利用して混合され、分布の均一化が図られる。さらに、該混合された荷電粒子は、粒子拡散部６において、磁界発生装置６ａによって発生した磁界を利用してその進路を曲げることにより、粒子の分散状態を調整しながら拡散される。該拡散においては、前述の屈曲部４における場合と同様、まず、荷電粒子のうちの電子が磁界に引っ張られるとともに該磁界にとらえられ、続いて、該磁界にとらえられた電子に引っ張られてイオン化粒子が移動する。このような拡散により、後述の膜形成工程において、基材９の表面に形成される膜の膜厚の均一化が図られるとともに、平滑な膜表面を実現することが可能となる。
【００４４】
該拡散された荷電粒子は、プラズマダクト３の吹き出し口から成膜室７に導入される。そして、該荷電粒子のうちのイオン化粒子が、基材ホルダ８に配置され該ホルダ８とともに回転している基材９の表面に衝突して付着する。このようにして、基材９の表面に、陰極構成材料からなる膜が形成される。一方、荷電粒子のうちの電子は、前記磁界にとらえられた状態、あるいは、成膜室７内に分散した状態である。
【００４５】
本実施の形態の成膜装置１００では、複数のアーク放電電極対２から構成されるアーク蒸発源１を用いるため、成膜レートの向上を図ることが可能となる。このように複数のアーク放電電極対２を配設しても、アーク蒸発源１はコンパクトであるため、成膜装置全体の小型化を図ることが可能である。また、アーク放電は無指向性であることから、アーク蒸発源１の配置は重力の作用方向の制約を受けることなく、任意であり、よって、成膜装置の装置設計の自由度は高い。また、荷電粒子（特にイオン化粒子）を混合するとともに拡散させて成膜室７に導入するため、形成した膜において、均一な膜厚及び平滑な膜表面を実現することができる。また、成膜面積を大きくすることが可能となり、直径２００ｍｍや３００ｍｍの基材にも対応可能である。
【００４６】
また、粒子拡散手段たる磁界発生装置６ａを制御して磁界の向きや強度を調整することにより、形成される膜の膜厚や、成膜面積を調整することが可能となる。例えば、ここでは磁界発生装置６ａとして電磁石を用いているので、該電磁石に印加する電圧の大きさや供給される電流の向きを調整することにより、発生する磁界の強度や向きを容易に調整することが可能であり、したがって、膜厚や成膜面積を容易に調整することが可能である。
【００４７】
さらに、上記のように磁界発生装置６ａを制御して磁界を調整することにより、基材の成膜面積を調整することが可能であることから、電極対の数等の装置構成をほとんど変更することなく、大きさの異なる複数種類の基材に対応して適宜成膜を行うことが可能となる。
【００４８】
ここで、比較のため、アーク放電を利用した従来のイオンプレーティング装置の構成で、複数の電極対を用いて成膜を行う場合、すなわち、粒子混合部及び粒子拡散部を設けない場合について検討した。しかし、電極対の数を増やすだけでは均一な膜厚の膜を形成することが困難であり、また、成膜面積も小さく成膜レートも十分ではなかった。さらに、かかる構成では、成膜可能な基材の大きさが限定されるため、基材の大きさの変化に対応することができず、基材の大きさが変わると装置の構成を変更する必要があった。
【００４９】
上記効果を奏する本実施の形態の成膜装置１００は、各種の膜の形成に適用可能であるが、従来技術において前述したように半導体デバイスの配線膜の形成においては成膜レート及び成膜面積の改善が望まれていることから、半導体デバイスの配線膜の形成に特に有益である。
【００５０】
本実施の形態の変形例として、アーク放電により生じた蒸発粒子のイオン化率（イオン化粒子の割合）を向上させるために、該蒸発粒子にさらに高周波（ＲＦ）を与える構成としてもよい。この場合、例えば、アーク蒸発源１やプラズマダクト３の各支管３Ｂに、ＲＦコイルを配置して高周波を与えてもよい。また、熱電子放出用フィラメントやサブ陽極を配設することによりイオン化を促進してもよい。
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２に係る成膜装置の構成を示す模式的な上面図であり、図５は、図４の成膜装置の模式的な側面図である。なお、図５では、実際には手前側に配置されるアーク蒸発源１及びプラズマダクト３の支管３Ｂの図示を省略している。本実施の形態の成膜装置は、実施の形態１の成膜装置と同様の構成を有するが、以下の点が、実施の形態１と異なっている。
【００５１】
すなわち、実施の形態２では、図４及び図５に示すように、プラズマダクト３の継ぎ手部材３Ｃの形状が実施の形態１と異なっており、実施の形態１では円筒状であるのに対して、ここでは円錐台に近い形状である。そして、各支管３Ｂと継ぎ手部材３Ｃとの接続部分に、継ぎ手部材３Ｃの傾斜側面に沿うようにさらに磁界発生装置１０が配設されている。ここでは、磁界発生装置１０として、他の磁界発生装置３ａ，４ａ，５ａ，６ａと同様のリング状の電磁石を用いている。この磁界発生装置１０は、支管３Ｂ内を進行してくる蒸発粒子のうちの荷電粒子を鉛直下向きに曲げる（すなわち偏向させる）ものである。
【００５２】
本実施の形態では、プラズマダクト３の継ぎ手部材３Ｃの形状を上記のような形状とするとともに磁界発生装置１０を配設することにより、プラズマダクト３の屈曲部４において、実施の形態１よりもさらに効果的に荷電粒子の進行方向を屈曲させる磁界を発生させることが可能となる。それゆえ、各支管３Ｂにおける蒸発粒子の移動の促進が図られるとともに、屈曲部４において、前述の荷電粒子の分離をより効果的に行うことが可能となる。したがって、ドロップレット及び中性粒子から荷電粒子をより精度良く分離することができるとともに、成膜におけるイオン化粒子の利用率を向上させることが可能となる。
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３に係る成膜装置の構成を示す模式的な上面図であり、図７は、図６の成膜装置の模式的な側面図である。なお、図７では、実際には手前側に配置されるアーク蒸発源１及びプラズマダクト３の支管３Ｂの図示を省略している。本実施の形態の成膜装置は、実施の形態２の成膜装置と同様の構成を有するが、プラズマダクト３の屈曲構造により分離されたドロップレット及び中性粒子を捕集する構造をさらに備える点が、実施の形態２と異なっている。
【００５３】
前述のように、プラズマダクト３を屈曲構造とすることにより荷電粒子とドロップレット及び中性粒子とを分離することが可能となるが、プラズマダクト３の屈曲部４内壁に付着したドロップレット及び中性粒子を除去することは、装置の構造上、容易ではない。また、該内壁部分でのドロップレット及び中性粒子の付着量が多くなると、ドロップレット及び中性粒子がダクト内壁から剥がれて主管３Ａに入ってしまうため、ドロップレット及び中性粒子が不純物として膜に混入するおそれがある。そこで、本実施の形態の成膜装置では、ダクト内壁へドロップレット及び中性粒子を付着させずに、これらをドロップレット捕集部材に集める。
【００５４】
すなわち、図６及び図７に示すように、本実施の形態の成膜装置では、プラズマダクト３の継ぎ手部材３Ｃが、各支管３Ｂの延長部分にドロップレット捕集部材１５を有している。該ドロップレット捕集部材１５の構成は特に限定されるものではないが、清掃（すなわちドロップレット及び中性粒子の除去）が容易であることが好ましい。例えば、ドロップレット及び中性粒子の収容部の容積が大きく、また、装置本体から取り外し可能に構成されていてもよい。
【００５５】
かかる構成では、各支管３Ｂを移動してきた蒸発粒子のうち、磁界の影響を受けないドロップレット及び中性粒子が、そのまま屈曲部４を直進して主管３Ａを横切り、ドロップレット捕集部材１５に収容される。このように、ドロップレット及び中性粒子が、屈曲部４のダクト内壁に付着せずにドロップレット捕集部材１５に収容されるため、ドロップレット及び中性粒子が膜に混入するのを確実に防止することができる。また、ドロップレット捕集部材１５からドロップレット及び中性粒子を外部に除去することにより、簡単なメンテナンスで繰り返し運転することが可能となる。
【００５６】
実施の形態１〜３ではアーク放電電極対２の配設数を３つとしているが、アーク放電電極対２の配設数は、特に限定されるものではない。また、配置位置も特に限定されるものではない。なお、ドロップレット捕集部材１５を配設する実施の形態３では、各アーク放電電極対２で発生しプラズマダクト３の各支管３Ｂに沿って直進してくるドロップレット及び中性粒子をドロップレット捕集部材１５に集めることから、継ぎ手部材３Ｃでは、支管３Ｂの接続部に対向する位置にドロップレット捕集部材１５を配置する必要がある。したがって、アーク放電電極対２の配置数は奇数であることが好ましく、また、支管３Ｂは互いに対向しない非対向位置に配置されることが好ましい。
【００５７】
また、輸送系、蒸発粒子分離部、粒子混合部及び粒子拡散部に配置する磁界発生装置は、電磁石に限定されるものではなく、例えば、永久磁石であってもよい。また、これらの磁界発生装置の形状、配置位置、配置数等は、上記実施の形態１〜３に限定されるものではなく、最適な成膜が実施可能であるように適宜設定される。例えば、実施の形態１では、プラズマダクト３の主管３Ａの外周部に磁界発生装置６ａとして電磁石を配設することにより粒子拡散部６が構成される場合について説明したが、成膜室７内に配設された磁界発生装置により粒子拡散部６が構成されてもよく、基材の裏面側（成膜面と反対側）に複数の磁石を分散配置させることにより磁界を発生させてイオン化粒子の拡散を行ってもよい。
【００５８】
さらに、磁界発生装置ではなく電界発生装置を配置し、上記の磁界の代わりに電界を用いて、蒸発粒子の輸送、蒸発粒子の分離、粒子の混合、粒子の拡散を行ってもよい。
【００５９】
また、上記の実施の形態１〜３においては、成膜時に真空状態とする場合について説明したが、例えば、窒素、酸素、アルゴン等のガスを供給しながら成膜を行ってもよい。
【００６０】
さらに、上記の実施の形態１〜３においては、アーク放電により得られるプラズマ（荷電粒子）のイオン化粒子を被加工物（ここでは基材）の表面に堆積させて蒸着膜を形成する場合について説明したが、アーク蒸発源と、輸送系と、粒子分離部と、粒子混合部と、粒子拡散部とを含む本発明の装置構成は、成膜以外のプラズマ加工にも適用可能である。ここで、プラズマ加工とは、アーク放電によって得られるプラズマのイオン化粒子を被加工物の表面に堆積させて蒸着膜を形成したり、基材表面へ投入することにより表面硬化や構造変化等の表面改質を行ったり、被加工物のエッチングを行ったり、あるいは、それらを組み合わせた表面処理加工のことである。なお、本発明において、粒子分離部は必須要件ではないが、粒子分離部を備えることにより、プラズマ（具体的にはプラズマ中のイオン化粒子）の利用効率の向上が図られるとともに、不純物の影響を除去することが可能となる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明したような形態で実施され、以下のような効果を奏する。
（１）複数の電極対を有するアーク蒸発源を用いるため、成膜レートの向上を図ることが可能となる。また、各電極対で発生したイオン化粒子を混合手段により混合して分布を均一とするとともに、拡散手段により該混合されたイオン化粒子を拡散させて成膜を行うため、均一な膜厚を有する膜を形成することができ、かつ、成膜面積の大きな基材にも対応可能となる。さらに、イオン化粒子の拡散を調整することにより、装置構成の大きな変更を行うことなく、様々な大きさの基材に適用することが可能となる。さらに、各電極対において異なる薄膜形成材料を蒸発させることにより、種類の異なる複数の元素を含む膜を形成することが可能となる。
（２）また、混合手段が、磁界発生装置を含み、該磁界発生装置が前記混合を行うとすると、磁界を用いて、容易にイオン化粒子を混合することが可能となる。
（３）また、拡散手段が、磁界発生装置を含み、該磁界発生装置が拡散を行うとすると、磁界を用いて、容易にイオン化粒子を拡散させることが可能となる。
（４）また、拡散手段の磁界発生装置が、磁界を制御する制御装置を含むとすると、該制御装置によって、例えば、磁界の大きさや方向等を制御することにより、均一な膜厚の膜を形成することが可能となる。また、基材の大きさに応じて該制御を行うことにより、装置構成の大きな変更を行うことなく大きさの異なる基材に適宜対応することが可能となる。
（５）また、輸送手段が、アーク蒸発源における膜形成材料の蒸発によりイオン化粒子以外に副成されるドロップレットからイオン化粒子を分離する分離手段を含み、該分離されたイオン化粒子が混合手段により混合され、例えば、該分離手段が、イオン化粒子の移動方向をドロップレットの移動方向と異なる方向に偏向する偏向手段を含むとすると、分離手段たる偏向手段によって、移動方向の違いから、イオン化粒子とドロップレットとを分離することができる。このため、イオン化粒子を選択的に用いて成膜を行うことが可能となり、表面が平滑で均一な膜厚の膜を形成することが可能となる。
（６）また、輸送手段は、アーク蒸発源と成膜室とを連結するダクトから構成され、混合手段の上流に配置されたダクトの屈曲部が偏向手段に相当する場合には、特別な構造を要することなく容易にイオン化粒子の分離を行うことが可能となる。
（７）また、分離手段が、ドロップレットの捕集構造を含むとすると、分離したドロップレットが成膜室に混入するのを確実に防止することが可能となる。また、例えば、該捕集構造が、取り外し可能・洗浄可能に構成される場合には、該捕集構造に集められたドロップレットを容易に除去することが可能となり、メンテナンスが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る成膜装置の模式的な上面図である。
【図２】図１の成膜装置の模式的な側面図である。
【図３】図１の成膜装置の原理を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る成膜装置の模式的な上面図である。
【図５】図４の成膜装置の模式的な側面図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る成膜装置の模式的な上面図である。
【図７】図６の成膜装置の模式的な側面図である。
【符号の説明】
１ アーク蒸発源
２ アーク放電電極対
２Ａ 陰極
２Ｂ 陽極
３ プラズマダクト
４ 屈曲部（蒸発粒子分離部）
５ 粒子混合部
６ 粒子拡散部
７ 成膜室
８ 基材ホルダ
９ 基材
１５ ドロップレット捕集部材

Claims (16)

1. 陽極と陰極とからなる電極対を複数対含み、各前記電極対の陽極と陰極との間でアーク放電を行うことにより膜形成材料を蒸発させて、イオン化した膜形成材料粒子であるイオン化粒子を少なくとも発生させるアーク蒸発源と、
   前記アーク蒸発源の各前記電極対で発生した前記イオン化粒子を、前記アーク蒸発源から、基材が配置される成膜室に輸送する輸送手段と、
   前記輸送の際に、各前記電極対で発生した前記イオン化粒子を混合する混合手段と、
   前記混合されたイオン化粒子を拡散して前記基材へ堆積させて膜を形成する拡散手段とを備えたことを特徴とする成膜装置。
2. 前記混合手段は、磁界発生装置を含み、前記磁界発生装置を用いて前記混合を行う請求項１記載の成膜装置。
3. 前記拡散手段は、磁界発生装置を含み、前記磁界発生装置を用いて前記拡散を行う請求項１記載の成膜装置。
4. 前記拡散手段の前記磁界発生装置は、磁界を制御する制御装置を含む請求項３記載の成膜装置。
5. 前記輸送手段は、前記アーク蒸発源における前記膜形成材料の蒸発により前記イオン化粒子以外に副成されるドロップレットから前記イオン化粒子を分離する分離手段を含み、前記分離されたイオン化粒子が前記混合手段により混合される請求項１記載の成膜装置。
6. 前記分離手段は、前記イオン化粒子の移動方向を前記ドロップレットの移動方向と異なる方向に偏向する偏向手段を含む請求項５記載の成膜装置。
7. 前記輸送手段は、前記アーク蒸発源と前記成膜室とを連結するダクトから構成され、前記混合手段の上流に配置された前記ダクトの屈曲部が前記偏向手段に相当する請求項６記載の成膜装置。
8. 前記ダクトは、各前記電極対に対応して配置された支管と、前記支管に対してほぼ垂直に配置され前記支管と連通する主管とから構成され、前記支管と前記主管との連結部が前記屈曲部となる請求項７記載の成膜装置。
9. 前記分離手段は、前記ドロップレットの捕集構造を含む請求項８記載の成膜装置。
10. 前記ドロップレット捕集構造は、前記ダクトの前記支管の延長上に配置され、各前記支管は互いに非対向位置となるように配設された請求項９記載の成膜装置。
11. 陽極と陰極とからなる複数の電極対において各前記電極対の陽極と陰極との間でアーク放電を行い膜形成材料を蒸発させ、イオン化した膜形成材料粒子であるイオン化粒子を少なくとも発生させる工程と、
    前記アーク蒸発源の各前記電極対で発生した前記イオン化粒子を、前記アーク蒸発源から、基材が配置される成膜室に輸送する輸送工程と、
    前記輸送の際に、各前記電極対で発生した前記イオン化粒子を混合する混合工程と、
    前記混合されたイオン化粒子を拡散して前記基材へ堆積させて膜を形成する工程とを備えたことを特徴とする成膜方法。
12. 磁界を用いて前記混合を行う請求項１１記載の成膜方法。
13. 磁界を用いて前記拡散を行う請求項１１記載の成膜方法。
14. 前記磁界を制御して前記拡散を制御することにより、前記イオン化粒子の前記基材への堆積状態を調整する請求項１３記載の成膜方法。
15. 前記輸送工程は、前記アーク蒸発源における前記膜形成材料の蒸発により前記イオン化粒子以外に副成されるドロップレットから前記イオン化粒子を分離する工程を含み、前記分離したイオン化粒子を前記混合する請求項１１記載の成膜装置。
16. 前記イオン化粒子の移動方向を前記ドロップレットの移動方向と異なる方向に偏向することにより前記分離を行う請求項１５記載の成膜方法。

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