JP2013253266A - アークプラズマ成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲットが削られることによる成膜処理の効率の低下を抑制できるアークプラズマ成膜装置を提供する。
【解決手段】処理対象の基板が格納される格納室と、ターゲットが格納される放電室と、格納室と放電室を連結する誘導管と、ターゲットの表面にアークプラズマを形成する電源と、アークプラズマを誘導管を介して基板の主面に誘導するように磁場を形成する複数の誘導コイルと、ターゲットに最近接の誘導コイルとターゲットの表面を含む平面レベルを挟んで対向して配置され、最近接の誘導コイルと逆方向の磁場を生じさせる調整コイルと、アーク放電によるターゲットの表面の削れ量をリアルタイムで監視する監視装置と、アーク放電中におけるターゲットの表面の磁場が零であるように、調整コイルにより形成される磁場の強度を削れ量に応じて増大させる制御装置とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、アークプラズマを用いて成膜を行うアークプラズマ成膜装置に関する。

ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜の形成などに使用するために、アークプラズマを用いるアークプラズマ成膜装置が使用されている。アークプラズマ成膜装置は、ターゲットに含まれる材料元素のイオンを含むアークプラズマをアーク放電によって形成して、この材料元素を主成分とする薄膜を処理対象の基板上に形成する。

通常、アークプラズマ成膜装置では、複数の誘導コイルによって形成される磁場を制御して、ターゲット上に形成されたアークプラズマを基板の表面に誘導する（例えば、特許文献１参照）。このとき、アークプラズマが形成されるターゲットの表面の磁場を零にすることにより、アーク放電が安定し、効率的な成膜によってアークプラズマによる成膜時間を短縮することができる。

特開２００２−２６６０６６号公報

しかしながら、アークプラズマを使用した成膜処理を長時間続けると、ターゲットが削られていき、アーク放電が起こるターゲット表面の位置が変化する。このため、磁場が零の位置からターゲット表面がずれていく。その結果、アーク放電が安定せず、アークプラズマによる成膜処理の効率がターゲット使用時間と共に減少するという問題があった。

上記問題点に鑑み、本発明は、ターゲットが削られることによる成膜処理の効率の低下を抑制できるアークプラズマ成膜装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）処理対象の基板が格納される格納室と、（ロ）ターゲットが格納される放電室と、（ハ）格納室と放電室を連結する誘導管と、（ニ）放電室内でアーク放電を励起して、ターゲットの表面にアークプラズマを形成する放電用電源と、（ホ）誘導管に沿って配置され、アークプラズマを誘導管を介して放電室から基板の主面に誘導するように磁場を形成する複数の誘導コイルと、（ヘ）複数の誘導コイルのうちのターゲットに最近接の誘導コイルとターゲットの表面を含む平面レベルを挟んで対向して配置され、最近接の誘導コイルと逆方向の磁場を生じさせる調整コイルと、（ト）アーク放電によるターゲットの表面の削れ量をリアルタイムで監視する監視装置と、（チ）アーク放電中におけるターゲットの表面の磁場が零であるように、調整コイルにより形成される磁場の強度を削れ量に応じて増大させる制御装置とを備え、ターゲットに含まれる原料を主成分とする膜を基板の主面に形成するアークプラズマ成膜装置が提供される。

本発明によれば、ターゲットが削られることによる成膜処理の効率の低下を抑制できるアークプラズマ成膜装置を提供できる。

本発明の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置の調整コイルにより形成される磁場を説明するための模式図である。 本発明の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置の他の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置の他の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置により成膜処理を説明するためのフローチャートである。 本発明のその他の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置の構成を示す模式図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置１は、材料元素イオンを含むアークプラズマをアーク放電によって形成して、その材料元素を主成分とする薄膜を処理対象の基板上に形成する。ターゲットは、基板に所望の薄膜を形成するためにアークプラズマに曝される。

アークプラズマ成膜装置１は、図１に示すように、処理対象の基板１００とターゲット２００が格納されるチャンバー１０、アーク放電を励起する電源２０、チャンバー１０の周囲に配置された第１の誘導コイル３１〜第５の誘導コイル３５と調整コイル４０、監視装置５０、制御装置６０、励磁電流源７０、及びアノード電極８０を備える。

チャンバー１０は、基板１００が格納される格納室１１、ターゲット２００が格納され、アークプラズマが形成される放電室１２、及び格納室１１と放電室１２を連結し、アークプラズマを放電室１２から格納室１１に誘導する誘導管１３を有する。例えばＤＬＣ膜を基板１００に成膜する場合には、ターゲット２００にカーボンターゲットが採用される。なお、ターゲット２００の表面２０１がアークプラズマに曝されるように、ターゲット２００が放電管１３の一方の端部に連結する放電室１２内に配置されている。図１に示したチャンバー１０では、放電室１２を分割する隔壁に形成された貫通孔にターゲット２００が押し込まれ、表面２０１を含むターゲット２００の一部がアークプラズマが形成される領域に配置されている。

アークプラズマ成膜装置１では、ターゲット２００を陰極として発生させたアーク放電によって、ターゲット２００に含まれる原料の正イオンを含むアークプラズマを形成する。このために、電源２０は、ターゲット２００の表面２０１の近傍に配置されたアノード電極８０とターゲット２００との間に直流電圧を印加して、放電室１２内でターゲット２００の表面２０１上にアーク放電を励起する。これにより、ターゲット２００の表面２０１にアークプラズマが形成される。

形成されたアークプラズマ中の正イオンが誘導管１３を介して格納室１１内の基板１００の主面１０１に導かれて、基板１００上に薄膜が形成される。具体的には、誘導管１３に沿って配置した第１の誘導コイル３１〜第５の誘導コイル３５によって形成される磁場により、原料の正イオンを含むアークプラズマが、誘導管１３に沿って放電室１２から基板１００の主面１０１に誘導される。アーク放電においては成膜の材料とは別に微粒子が発生するが、図１に示すように湾曲した誘導管１３を用いることにより、アークプラズマ中の電荷を帯びていない微粒子は磁場の影響を受けることなく放電室１２から直進する。このため、不純物の微粒子が基板１００に到達することはない。

なお、図１では誘導管１３に沿って配置される誘導コイルが５個である例を示したが、誘導コイルの個数は５個に限られず、誘導管１３の長さなどに応じて適宜設定される。以下において、誘導管１３に沿って配置される複数の誘導コイルをまとめて「誘導コイル３０」という。

誘導コイル３０は、例えば供給される電流によって励磁される電磁誘導コイルであり、それぞれの中心に誘導管１３が配置された環状コイルである。図示を省略する励磁電流源により供給される電流の大きさに応じて、誘導コイル３０により形成される磁場の強さがそれぞれ制御される。誘導コイル３０に流れる電流を制御することにより中心磁場が制御され、アークプラズマが誘導管１３内を誘導される。

調整コイル４０は、放電室１２の周囲に環状に配置された電磁誘導コイルである。励磁電流源７０により供給される電流の大きさに応じて、調整コイル４０によって形成される磁場の強さが制御される。図１に示すように、調整コイル４０は、アークプラズマが形成されるターゲット２００の表面２０１よりもターゲット２００の厚さ方向に進んだ位置、即ちターゲット２００の裏面２０２側に配置されている。つまり、調整コイル４０は、複数の誘導コイル３０のうちのターゲット２００に最近接の第１の誘導コイル３１と、ターゲット２００の表面２０１を含む平面レベルを挟んで対向して配置されている。

ターゲット２００の近傍に配置された第１の誘導コイル３１と調整コイル４０によって、ターゲット２００の表面２０１の磁場が形成される。図２に示すように、表面２０１側に配置された誘導コイル３０のうちターゲット２００に最近接の第１の誘導コイル３１と、第１の誘導コイル３１に対向して配置された調整コイル４０とは、互いに逆向きの磁場を形成する。図２において、第１の誘導コイル３１によって形成される磁場Ｆ１、及び、調整コイル４０によって形成される磁場Ｆ２を、磁場の方向を表す矢印で示した。調整コイル４０と第１の誘導コイル３１に流れる電流を制御して磁場Ｆ１と磁場Ｆ２の大きさを調整することより、ターゲット２００の表面２０１の磁場が零に設定される。その結果、アーク放電が安定し、アークプラズマによる成膜処理の効率を向上させることができる。

アークプラズマは、アーク放電によってターゲット２００の表面２０１を蒸発させることにより形成される。したがって、アークプラズマを使用した成膜処理が進むにつれてターゲット２００の表面２０１は削られ、ターゲット２００の厚さ方向に表面２０１が徐々に後退する。このため、誘導コイル３０及び調整コイル４０により形成される磁場の強度が固定であると、成膜処理が進むにつれてターゲット２００の表面２０１の位置が、磁場が零の位置からずれていく。

しかし、図１に示したアークプラズマ成膜装置１によれば、成膜処理工程においてターゲット２００の表面２０１の磁場が、以下のようにして常に零に維持される。

即ち、アークプラズマ成膜装置１においては、アーク放電によるターゲット２００の表面２０１の削れ量が、監視装置５０によって成膜処理工程においてリアルタイムで監視される。監視装置５０は、例えば一定時間ごとにターゲット２００の表面２０１の削れ量を制御装置６０に通知する。制御装置６０は、通知された削れ量に応じて、アーク放電中においてターゲット２００の表面２０１の磁場が零になるように、励磁電流源７０を制御して調整コイル４０に流れる電流を変更し、調整コイル４０によって形成される磁場の強度を変化させる。つまり、一定時間ごとに、調整コイル４０に流れる電流が新たに設定され、ターゲット２００の表面２０１の位置の変化に応じて、調整コイル４０により形成される磁場の強度が変更される。

具体的には、制御装置６０は、調整コイル４０により形成される磁場の強度の変化量と調整コイル４０に流れる電流の変化量との関係を用いて、ターゲット２００の表面２０１の削れ量に応じて、調整コイル４０に流れる電流を変更する。なお、調整コイル４０に流れる電流の変化量は、調整コイル４０により形成される磁場の強度の変化量と磁場が零となる位置の移動量との関係を用いて決定される。これらの関係は、実験や計算によって予め取得することができる。以上により、制御装置６０は、ターゲット２００の表面２０１の削れ量に応じて、調整コイル４０に流れる電流の大きさを新たに設定する。

そして、設定された大きさの電流が調整コイル４０に流れるように、調整コイル４０に電流を供給する励磁電流源７０を制御装置６０が制御する。その結果、削れ量に相当する距離だけ、調整コイル４０と第１の誘導コイル３１によって形成される磁場が零である位置がターゲット２００の表面２０１が変化する方向にずれるように、調整コイル４０により形成される磁場の強度が変化する。

具体的には、制御装置６０は、調整コイル４０に流れる電流を増大させる。これにより、調整コイル４０により形成される磁場の強度が増大し、磁場が零となる位置が、ターゲット２００の表面２０１が後退する方向に移動する。磁場が零となる位置の変化量とターゲット２００の削れ量とを一致させることにより、ターゲット２００の表面２０１の磁場を零にすることができる。

上記のように、アークプラズマ成膜装置１では、アーク放電によって削られるターゲット２００の表面２０１の位置の変化に応じて、調整コイル４０により形成される磁場が変化する。これにより、成膜処理工程においてターゲット２００の表面２０１の磁場を零に維持することができる。

監視装置５０が表面２０１の削れ量を制御装置６０に通知する頻度は、任意に設定可能である。通常、アーク放電が不安定になる程度に表面２０１が削られる時間が経過する前に、制御装置６０によって調整コイル４０により形成される磁場を変化させることが好ましい。このため、表面２０１が削られる速度に応じて、例えば１分ごとに、表面２０１の削れ量が制御装置６０に通知される。

監視装置５０は、例えばアーク放電の継続時間を用いて、ターゲット２００の表面２０１の削れ量を算出する。この場合、アーク放電の継続時間と削れ量との関係を予め調査しておく。監視装置５０は、アーク放電の継続時間と削れ量との関係を用いて、アーク放電が開始されてから一定時間ごとにターゲット２００の表面２０１の削れ量を算出する。

或いは、図３に示すように、監視装置５０は、アークプラズマに含まれるイオンが基板１００に達することによって基板１００に流れる電流（以下において「基板電流」という。）ＤＩをモニタしてもよい。監視装置５０は、アーク放電が開始されてからの基板電流ＤＩの積算量を用いて削れ量を算出する。この場合、基板電流の積算量と削れ量との関係を予め調査しておく。監視装置５０は、基板電流ＤＩの積算量と削れ量との関係を用いて、アーク放電が開始されてから一定時間ごとにターゲット２００の表面２０１の削れ量を算出し、この削れ量を制御装置６０に通知する。

以上では、監視装置５０は、アーク放電の継続時間や基板電流ＤＩの積算量を用いて、ターゲット２００の表面２０１の削れ量を間接的に監視する例を説明した。しかし、監視装置５０が、ターゲット２００の表面２０１の削れ量を直接に監視してもよい。例えば、図４に示すように、レーザ光を用いる測長センサなどの測定装置９０を用いてターゲット２００の表面２０１を観察することにより、削れ量ＤＭを測定することができる。

以下に、図１に示したアークプラズマ成膜装置１によって処理対象の基板１００に成膜する方法の例を、図５を参照して説明する。

先ず、図５のステップＳ１０において、処理対象の基板１００とターゲット２００を準備する。即ち、基板１００を格納室１１内に格納し、成膜材料を含むターゲット２００を放電室１２に配置する。その後、図示を省略した排気設備によってチャンバー１０内を真空状態にする。

次いで、ステップＳ２０において、誘導コイル３０に所定の電流を流し、誘導管１３に沿って磁場を形成させる。更に、調整コイル４０に所定の電流を流し、ターゲット２００の表面２０１の磁場を零にする。

その後、ステップＳ３０において、放電室１２に配置したターゲット２００の表面２０１上に、アーク放電によってアークプラズマを形成する。具体的には、電源２０によってカソード電極であるターゲット２００とアノード電極８０間に電圧を印加し、図示を省略するストライカをターゲット２００に接触させることによってアーク放電を開始させる。ターゲット２００とアノード電極８０間に発生するアーク放電によってターゲット２００が蒸発すると共にイオン化され、アークプラズマが形成される。このアークプラズマ中のターゲットイオンを基板１００の主面１０１に導いて堆積させることにより、基板１００の成膜処理が行われる。

ステップＳ４０以降において、基板１００に形成される膜の膜厚が所望の値に達するまで成膜処理が行われる。この成膜処理では、既に説明した方法によって、アーク放電中においてターゲット２００の表面２０１の磁場が常に零であるように、制御装置６０が調整コイル４０の磁場の強度を制御する。

即ち、ステップＳ４０において、監視装置５０がターゲット２００の表面２０１の削れ量を監視する。そして、ステップＳ５０において、制御装置６０が、削れ量に応じて調整コイル４０の磁場の強度を変更する。その後、ステップＳ６０において、基板１００に形成される膜の膜厚が所望値に達した場合には、成膜処理を終了する。膜厚が所望値に達していない場合には、ステップＳ４０に戻り、成膜処理を続ける。

以上に説明したように、本発明の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置１では、成膜処理工程においてターゲット２００の表面２０１の磁場を零に維持することができるため、アーク放電は常に安定する。このため、成膜レートが低下するなどの問題が発生しない。その結果、アークプラズマ成膜装置１によれば、ターゲットが削られることによる成膜処理の効率低下を抑制できるアークプラズマ成膜装置を提供することができる。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた実施形態の説明においては、調整コイル４０に流れる電流の大きさを制御することによって、調整コイル４０により形成される磁場の強度を増大させる例を説明した。しかし、他の方法によって調整コイル４０により形成される磁場の強度を増大させてもよい。例えば、調整コイル４０とターゲット２００間の距離を変更する位置調整装置７５を制御装置６０によって制御してもよい。即ち、ターゲット２００の表面２０１の削れ量に応じて、調整コイル４０とターゲット２００間の距離を変更することにより、表面２０１の磁場を零にする。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…アークプラズマ成膜装置
１０…チャンバー
１１…格納室
１２…放電室
１３…誘導管
２０…電源
３１〜３５…第１〜第５の誘導コイル
４０…調整コイル
５０…監視装置
６０…制御装置
７０…励磁電流源
７５…位置調整装置
８０…アノード電極
９０…測定装置
１００…基板
１０１…主面
２００…ターゲット
２０１…表面
２０２…裏面

Claims (6)

1. 処理対象の基板が格納される格納室と、
   ターゲットが格納される放電室と、
   前記格納室と前記放電室を連結する誘導管と、
   前記放電室内でアーク放電を励起して、前記ターゲットの表面にアークプラズマを形成する電源と、
   前記誘導管に沿って配置され、前記アークプラズマを前記誘導管を介して前記放電室から前記基板の主面に誘導するように磁場を形成する複数の誘導コイルと、
   前記複数の誘導コイルのうちの前記ターゲットに最近接の誘導コイルと前記ターゲットの前記表面を含む平面レベルを挟んで対向して配置され、前記最近接の誘導コイルと逆方向の磁場を生じさせる調整コイルと、
   前記アーク放電による前記ターゲットの前記表面の削れ量をリアルタイムで監視する監視装置と、
   前記アーク放電中における前記ターゲットの前記表面の磁場が零であるように、前記調整コイルにより形成される磁場の強度を前記削れ量に応じて増大させる制御装置と
   を備え、前記ターゲットに含まれる原料を主成分とする膜を前記基板の前記主面に形成することを特徴とするアークプラズマ成膜装置。
2. 前記調整コイルが、前記調整コイルに流れる電流によって励磁される電磁コイルであり、
   前記制御装置が、前記削れ量に応じて前記調整コイルに流れる電流を増大させることを特徴とする請求項１に記載のアークプラズマ成膜装置。
3. 前記監視装置が、前記アーク放電の継続時間を用いて前記削れ量を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載のアークプラズマ成膜装置。
4. 前記監視装置が、前記アークプラズマに含まれるイオンが前記基板に達することによって前記基板に流れる電流の積算量を用いて前記削れ量を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載のアークプラズマ成膜装置。
5. 前記監視装置が、前記ターゲットの前記表面の前記削れ量を測定することを特徴とする請求項１又は２に記載のアークプラズマ成膜装置。
6. 前記電源が、前記ターゲットの表面近傍に配置されるアノード電極と前記ターゲット間に直流電圧を印加してアーク放電を励起することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアークプラズマ成膜装置。

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