JP2014181353A - アークプラズマ成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い稼働率を実現し、且つ装置内部に堆積したカーボン膜及びカーボン粉塵を除去するメンテナンス作業が容易なアークプラズマ成膜装置を提供する。
【解決手段】カーボンイオンを含むアークプラズマを生成して、カーボンを主成分とする薄膜を処理対象の基板上に形成するアークプラズマ成膜装置であって、基板が格納される格納室と、成膜用のカーボンターゲットが配置される放電室と、格納室と放電室とを連結する、屈曲部を有する屈曲管と、格納室内及び屈曲管内の少なくともいずれかにカーボンアッシング用のプラズマを発生するプラズマ発生部とを備え、格納室内及び屈曲管内に堆積したカーボン膜及びカーボン粉塵をカーボンアッシング用のプラズマにより除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アークプラズマを形成してカーボン成膜を行うアークプラズマ成膜装置に関する。

フィルタード・アーク・デポジション（ＦＡＤ）法、フィルタード・カソーディック・バキューム・アーク（ＦＣＶＡ）法と呼ばれる手法を用いたカーボン膜製造装置によれば、カーボンターゲット表面にアーク放電を連続的に励起し、イオン化したカーボン荷電粒子を基板表面に導いて、カーボン膜が形成される（例えば非特許文献１参照）。このカーボン膜は、特にテトラヘドラル・アモルファス・カーボン（ｔａＣ）膜と呼ばれる。

上記方法では、アーク放電時に生成されるドロップレットといわれるカーボンの微細粒子が成膜面に付着するのを抑制するために、アーク放電発生箇所と基板の成膜面が直線的につながらないように配置されている。これにより、カーボンターゲット表面から直線的に放出されるドロップレットの成膜面への入射が抑制される。具体的な例として、カーボンターゲットと成膜面の間を、屈曲部を有する屈曲管でつなぐ構造が採用されている。また、この屈曲管内部に堆積するカーボン薄膜の剥離によって発生するパーティクル（マクロパーティクル）も同様に、成膜面への付着を抑制する必要がある。

屈曲管を用いた構造では、カーボンイオンを効率的に成膜面に導くために磁場を利用している。即ち、屈曲管に沿って磁場を形成して、プラズマ輸送を行う。カーボン膜の成膜は、プラズマ中のカーボンイオンを原料として行われる。ドロップレットやマクロパーティクルは基本的に荷電粒子ではなく、磁場の影響を受けないため、屈曲管に沿ったプラズマ輸送の段階で取り除かれる。つまり、屈曲管はフィルターとして機能する。

滝川 浩志 他、"屈曲管型真空アーク蒸着（ＦＡＤ）装置の開発"、[online]、２００３年、豊橋技術科大学、[平成２４年１１月６日検索]、インターネット＜URL：http://arc.ee.tut.ac.jp/＞

上記のように、多くの１次的ドロップレットやマクロパーティクルは屈曲管によって取り除かれる。しかし、屈曲管の内壁に衝突したドロップレットから２次的に発生するマクロパーティクルは、屈曲管と複数回の衝突の後、成膜面に到達する場合がある。また、電気的に中性であるこれらの粒子はプラズマ中で帯電し、荷電粒子と同様な振る舞いをする場合がある。

２次的に発生するマクロパーティクルを抑制するためには、特に屈曲管の内部を清浄に保つことが効果的である。しかし、そのために頻繁にチャンバーを大気開放して内部をメンテナンスすることは、成膜装置の効率的な運用の妨げとなっていた。

上記問題点に鑑み、本発明は、高い稼働率を実現し、且つドロップレット及びマクロパーティクルを除去するメンテナンス作業が容易な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、カーボンイオンを含むアークプラズマを生成して、カーボンを主成分とする薄膜を処理対象の基板上に形成するアークプラズマ成膜装置であって、（イ）基板が格納される格納室と、（ロ）成膜用のカーボンターゲットが配置される放電室と、（ハ）格納室と放電室とを連結する、屈曲部を有する屈曲管と、（ニ）格納室内及び屈曲管内の少なくともいずれかに、カーボンアッシング用のプラズマを発生するプラズマ発生部とを備え、格納室内及び屈曲管内に発生したカーボン膜及びカーボン粉塵をカーボンアッシング用のプラズマと反応させることにより除去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、高い稼働率を実現し、且つドロップレット及びマクロパーティクルを除去するメンテナンス作業が容易なアークプラズマ成膜装置を提供できる。

本発明の第１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。 本発明の第１の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置によりドロップレット及びマクロパーティクルを除去する方法を説明するための模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置によりドロップレット及びマクロパーティクルを除去する方法を説明するための模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置に使用されるカソード電極の例を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置におけるクリーニング結果を示す表である。 本発明の第１の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置におけるクリーニング結果を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態の変形例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。 本発明の第２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。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る図１に示すアークプラズマ成膜装置１は、カーボンイオンを含むアークプラズマ２００をアーク放電によって生成して、カーボンを主成分とする薄膜を処理対象の基板１００上に形成するＦＡＤ法を採用した成膜装置である。成膜用のカーボンターゲット６００は、基板１００に所望の薄膜を形成するためにアークプラズマ２００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、基板１００が格納される格納室１０と、カーボンターゲット６００が配置される放電室２０と、格納室１０と放電室２０とを連結する、屈曲部を有する屈曲管３０と、屈曲管３０に沿って配置された誘導コイル４０と、格納室１０内及び屈曲管３０内の少なくともいずれかにカーボンアッシング（エッチング）に効果があるガスを主成分とするカーボンアッシング用のプラズマを発生するプラズマ発生部５０とを備える。図１に示した例では、プラズマ発生部５０は屈曲管３０に配置されている。また、格納室１０内で、ステージ１２上に基板１００が配置されている。

誘導コイル４０は、放電室２０内で励起されたアーク放電によってカーボンターゲット６００の表面に生成されたアークプラズマ２００を、屈曲管３０内を通過して放電室２０から基板１００の主面に誘導するように磁場を形成する。

図１に示した例では、複数のカーボンターゲット６００が放電室２０に接続するターゲット保管室６０内に格納されており、そのうちの１つのカーボンターゲット６００が放電室２０内に露出するように配置されている。例えば円柱形状のカーボンターゲット６００が放電室２０内に露出し、これによりカーボンターゲット６００の表面がアークプラズマ２００に曝される。

なお、カーボンターゲット６００は、基板１００に成膜するカーボンの原料であるターゲット材６０１と、このターゲット材６０１が収納されたターゲットホルダー６０２からなる。

アークプラズマ成膜装置１では、放電室２０内に露出されたカーボンターゲット６００を陰極として発生させたアーク放電によって、カーボンイオンを含むアークプラズマ２００を生成する。このカーボンイオンが屈曲管３０内を通って放電室２０から格納室１０内の基板１００表面に導かれ、基板１００上にカーボン膜が形成される。

具体的には、屈曲管３０に沿って配置した一つ以上の誘導コイル４０によって形成される磁場により、正イオンであるカーボンイオンを含むアークプラズマ２００が、図１に示すように、屈曲管３０に沿って放電室２０から基板１００上に誘導される。誘導コイル４０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、それぞれの中心に屈曲管３０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４０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４０に流れる電流を制御することによりプラズマ輸送の軌道を制御し、アークプラズマ２００が屈曲管３０内を屈曲管輸送される。

既に述べたように、アーク放電によりカーボンターゲットからカーボンのドロップレットが発生する。しかし、このドロップレットは荷電粒子ではないので磁場の影響を受けることなく、直線的に飛行する。このため、屈曲部を有する屈曲管３０を通過して格納室１０に到達することができず、屈曲管３０の内部に留まる。このようにして、ドロップレットが除去（フィルター）されて、ドロップレットの無いｔａＣ膜が基板１００上に形成される。

しかしながら、長期の使用においては、格納室１０や屈曲管３０の内壁にはカーボン膜及びカーボンの粉が堆積していき、新たなマクロパーティクルの発生源となる。

これに対し、図１に示したアークプラズマ成膜装置１では、格納室１０や屈曲管３０内に堆積したカーボン膜等を除去するプラズマ発生部５０が屈曲管３０に配置されている。図１に示した例では、屈曲管３０の屈曲部にプラズマ発生部５０が配置されている。

具体的には、酸素を主成分とするプラズマ３００をカーボンアッシングに使用する場合、プラズマ発生部５０は、屈曲管３０内部に配置されたカソード電極５２を用いたグロー放電を屈曲管３０内部に発生させる。このグロー放電によって発生した図２に示すカーボンアッシング用のプラズマ３００により、格納室１０や屈曲管３０の内壁などに堆積したマクロパーティクルを除去する。即ち、カーボン（Ｃ）からなるマクロパーティクルと酸素（Ｏ）を反応させて、二酸化炭素（ＣＯ₂）を生成させる。生成された二酸化炭素は、例えば格納室１０に配置された排気口１１からアークプラズマ成膜装置１の外部に排出される。

窒素（Ｎ₂）を修正分とするプラズマ３００を使用する場合、プラズマ発生部５０で発生した窒素プラズマは、内壁などに体積したマクロパーティクルをエッチング（除去）し、エッチングされたカーボンパーティクルは排気口１１より装置外部に排出される。

プラズマ発生部５０は、アノード電極５１、カソード電極５２、交流電源５３、ガス導入機構５４を備える。アノード電極５１とカソード電極５２は例えば図１、図２に示すように櫛型形状であり、それぞれの櫛の歯部分が互いに対向するように交互に配置されている。

クリーニング時において、図２に示すように、プラズマ発生部５０のガス導入機構５４からアッシング（及びエッチング）に効果のあるガスを含むクリーニング用ガス５００が屈曲管３０内に導入される。クリーニング用ガス５００には、例えば、Ｏ₂＋Ａｒ、Ｏ₂、Ｎ₂＋Ａｒ、Ｎ₂、Ｏ₂＋Ｎ₂＋Ａｒのいずれかを使用する。

そして、交流電源５３によって所定の交流電力をアノード電極５１とカソード電極５２間に供給することでグロー放電を起こす。グロー放電により発生したラジカル、イオンによって屈曲管３０内や格納室１０内に存在するドロップレットやマクロパーティクルの除去（アッシング）を行う。このように、アークプラズマ成膜装置１では、格納室１０の大気開放などを必要としないセルフクリーニングが可能である。

なお、クリーニング時に、誘導コイル４０によって、プラズマ３００を屈曲管３０から格納室１０に誘導する磁場を形成してもよい。これにより、プラズマ３００を屈曲管３０内と格納室１０内に誘導し、格納室１０内のパーティクルの除去を効率的に行うことができる。

また、誘導コイル４０によって、成膜時にアークプラズマ２００を誘導する場合と逆向きの磁場を形成して、図３に示すように、カーボンアッシング用のプラズマ３００を放電室２０方向に誘導してもよい。これにより、カソード電極５２と放電室２０間の屈曲管３０内を効率的にクリーニングできる。

上記のように誘導コイル４０によってプラズマ３００を誘導する磁場を屈曲管３０に形成することにより、屈曲管３０と格納室１０の全体を隈無くクリーニングできると共に、クリーニング時間を短縮できる。

なお、プラズマ発生部５０のカソード電極５２には、アノード電極５１と対向するカソード主面に開口部を有する貫通孔が複数形成されたマルチホローカソード電極を使用することが出来る。例えば、櫛の歯部分に多数の貫通孔が形成された櫛型構造のマルチホローカソード電極を使用する。

マルチホローカソード電極では、貫通孔内部でのプラズマ生成がホローカソード放電であり、このホローカソード放電においては、電子が貫通孔内部に閉じ込められ且つ運動エネルギーを持つことで、高密度電子の空間である高密度プラズマ領域が貫通孔に形成される。マルチホローカソード電極は、図４に示すように、カソード電極５２の主面５２１、５２２に開口部をそれぞれ有する貫通孔５２０が形成されているため、各貫通孔５２０にそれぞれ生じたホローカソード放電が合わさって、カソード電極５２の両面に均一なマルチホロー放電が得られる。高密度プラズマが生成される空間が貫通孔であるため、マルチホローカソード電極では、２つの主面間でプラズマの連続性が確保されている。このため、カソード電極５２の両面に均一の高電子密度電界を容易に発生させることができる。このように、マルチホローカソード電極は容易に高密度プラズマが発生できるため、本用途に適しており、これによりドロップレットやマイクロパーティクルを効果的に除去することができる。

以下に、アークプラズマ成膜装置１においてドロップレットを除去するクリーニングを実施した結果の評価例を示す。評価は以下の手順で行った。

先ず、アークプラズマ成膜装置１により、基板１００上に十分な膜厚のカーボン成膜を行った。次いで、格納室１０を大気開放して、屈曲管３０の屈曲部の中央領域におけるパーティクル量を、気中パーティクルカウンタを用いて計測した。ここでの計測量を「クリーニング前計測量Ｐ１」とする。

その後、格納室１０内を真空状態にし、プラズマ発生部５０を用いてクリーニングを行った。具体的には、Ａｒガスと酸素ガスの混合ガスを使用して屈曲管３０のドロップレットの除去処理を行った。除去処理は、Ａｒガスの流量を４００ｓｃｃｍ、酸素ガスの流量を２００ｓｃｃｍ、圧力を７０Ｐａ、放電パワーを４００Ｗの条件で、１０分間のグロー放電を３回行った。

除去処理後に格納室１０を大気開放し、屈曲管３０の屈曲部の中央領域におけるパーティクル量を計測した。ここでの計測量を「クリーニング後計測量Ｐ２」とする。

図５及び図６に、パーティクルサイズ（粒径）毎のクリーニング前計測量Ｐ１とクリーニング後計測量Ｐ２を示す。図６の符号Ａ〜符号Ｅは、粒径がそれぞれ０．３μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍの場合の計測量を示す。

図５及び図６に示すように、除去処理によって、粒径が０．３μｍ〜５μｍのパーティクルの量を４〜８％に低減することができた。したがって、アークプラズマ成膜装置１による屈曲管３０内のクリーニングの効果が確認された。

以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置１では、格納室１０内と屈曲管３０内にカーボンアッシング用のプラズマを発生させることにより、格納室１０を大気開放することなく、アークプラズマ成膜装置１の内部に堆積されたドロップレット及びパーティクルを容易に除去することができる。その結果、高い稼働率を実現し、且つドロップレットを除去するメンテナンス作業が容易なアークプラズマ成膜装置１を提供することができる。

＜変形例＞
図７に本発明の第１の実施形態の変形例に係るアークプラズマ成膜装置１を示す。図７に示したアークプラズマ成膜装置１では、プラズマ発生部５０が格納室１０に配置されている。つまり、プラズマ発生部５０のカソード電極５２は格納室１０内に配置されており、格納室１０内で形成されたカーボンアッシング用のプラズマ３００によって、格納室１０と屈曲管３０がクリーニングされる。

なお、誘導コイル４０によってアークプラズマ２００を誘導する場合と逆向きの磁場を屈曲管３０に形成して、プラズマ３００を格納室１０から屈曲管３０方向に誘導できる。これにより、屈曲管３０内を効率的にクリーニングできる。

（第２の実施形態）
図１では、格納室１０と屈曲管３０が一体化されている例を示した。しかし、格納室１０と屈曲管３０とが分離可能なアークプラズマ成膜装置１においても、本発明は適用可能である。

図８に、格納室１０が分離された場合のアークプラズマ成膜装置１の例を示す。即ち、遮断機構３１によって、屈曲管３０と格納室１０との連結箇所が遮断されている。更に、屈曲管３０に排出機構３２が配置されている。その他の構成については、図１に示す第１の実施形態と同様である。プラズマ発生部５０は、屈曲管３０に設置されている。

図８に示した第２の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置１では、屈曲管３０内で形成されたプラズマ３００によって、屈曲管３０の内壁に堆積したドロップレットなどが除去される。そして、ドロップレットとプラズマ３００との反応によって屈曲管３０内に発生した生成物は、排出機構３２からアークプラズマ成膜装置１の外部に排出される。他は、第１の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。例えば、図８に示したアークプラズマ成膜装置１においても、クリーニング時にプラズマ３００を誘導する磁場を誘導コイル４０によって形成してもよいことはもちろんである。

（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。

上記では、グロー放電によってプラズマ３００を発生させる例を説明したが、他の方法でプラズマ３００を発生させてもよい。また、ＦＡＤ法以外の成膜方法を採用したアークプラズマ成膜装置１においても、本発明を適用することができる。

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…格納室
１１…排気口
１２…ステージ
２０…放電室
３０…屈曲管
３１…遮断機構
３２…排出機構
４０…誘導コイル
５０…プラズマ発生部
５１…アノード電極
５２…カソード電極
５３…交流電源
５４…ガス導入機構
６０…ターゲット保管室
１００…基板
２００…アークプラズマ
３００…カーボンアッシング用のプラズマ
５００…クリーニング用ガス
６００…カーボンターゲット

Claims (9)

1. カーボンイオンを含むアークプラズマを生成して、カーボンを主成分とする薄膜を処理対象の基板上に形成するアークプラズマ成膜装置であって、
   前記基板が格納される格納室と、
   成膜用のカーボンターゲットが配置される放電室と、
   前記格納室と前記放電室とを連結する、屈曲部を有する屈曲管と、
   前記格納室内及び前記屈曲管内の少なくともいずれかにカーボンアッシング用のプラズマを発生するプラズマ発生部と
   を備え、前記格納室内及び前記屈曲管内に発生したカーボン膜及びカーボン粉塵を前記カーボンアッシング用のプラズマと反応させることにより除去することを特徴とするアークプラズマ成膜装置。
2. 前記プラズマ発生部が、Ｏ₂＋Ａｒ、Ｏ₂、Ｎ₂＋Ａｒ、Ｎ₂、Ｏ₂＋Ｎ₂＋Ａｒのいずれかのガスから前記カーボンアッシング用のプラズマを発生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. 前記プラズマ発生部が、グロー放電により前記カーボンアッシング用のプラズマを発生させ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. 前記プラズマ発生部が、互いに対向する主面にそれぞれ開口部を有する貫通孔が形成されたマルチホローカソード電極により前記グロー放電を発生させることを特徴とする請求項３に記載のアークプラズマ成膜装置。
5. 前記屈曲管に沿って配置された誘導コイルを更に備え、
   前記誘導コイルが、前記カーボンアッシング用のプラズマを誘導する磁場を前記屈曲管に形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアークプラズマ成膜装置。
6. 前記誘導コイルが、前記カーボンターゲットの表面に形成された前記アークプラズマを前記屈曲管を介して前記放電室から前記基板の主面に誘導する場合と逆向きの磁場を形成して、前記カーボンアッシング用のプラズマを誘導することを特徴とする請求項５に記載のアークプラズマ成膜装置。
7. 前記プラズマ発生部が、前記屈曲管に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアークプラズマ成膜装置。
8. 前記屈曲管と前記格納室との連結箇所を遮断する遮断機構と、
   前記屈曲管に設置された排出機構と
   を更に備え、前記カーボン膜及びカーボン粉塵と前記カーボンアッシング用のプラズマとの反応によって前記屈曲管内に発生した生成物が前記排出機構から排出されることを特徴とする請求項７に記載のアークプラズマ成膜装置。
9. 前記プラズマ発生部が、前記格納室に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６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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