JP2014214322A - 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、且つチャンバー内でターゲットの切削粉塵の蓄積が無いアークプラズマ成膜装置を提供する。【解決手段】基板が設置される試料室及びアークプラズマが形成される放電室を有するチャンバーと、複数のターゲットが格納され、放電室と貫通孔を介して連結する成膜位置が定義されたターゲット保管室と、ターゲットの１つが成膜位置に配置されるようにターゲット保管室内で複数のターゲットを支持するターゲット支持装置と、成膜位置に配置されたターゲットを放電室に搬送するターゲット搬送機構とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、アークプラズマを形成し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提案されている。アークプラズマ成膜装置では、長期間の連続使用の実現が課題の１つである。アークプラズマ成膜装置は固体ターゲットを使用するが、アーク放電中にアークスポットによってターゲットの表面が局所的に溶融される。これにより形成される深い穴（凹部）の中にアーク放電が落ち込むことで、放電が不安定になる。その結果、成膜レートが低下したり、或いはアーク放電が消失し、成膜が途絶したりするという問題があった。

特に、ＤＬＣ膜形成用のアークプラズマ成膜装置では、カーボンターゲット表面でのアーク放電により、アークスポット部に凹状の穴が形成され、放電が不安定になったり、放電が途絶したりするなどの問題が顕著である。

このため、チャンバー内でターゲット表面を切削し、ターゲット表面を平坦に修正加工を行う方法が提案されている。１回の切削量は３ｍｍ程度である。従来の方法では、１００ｍｍから２００ｍｍの長いターゲットを使用し、定期的にチャンバー内でターゲット表面の切削を行い、平坦面を担保する。これにより、同一のターゲットを一定期間使用する。その結果、ターゲット交換時間、真空ベント、排気時間を抑制することで装置の稼働率の向上を図る。また、複数のターゲットを用意し、一方のターゲットで成膜処理を行い、他方のターゲットの表面を切削加工することにより、装置の稼働率を更に改善しようとする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２４０１８２号公報

しかしながら、チャンバー内でターゲット表面の切削加工を行う方法では、チャンバー内にパーティクル源となる粉塵が大量に蓄積し、成膜面に混入してしまうなどの問題が生じる。

上記問題点に鑑み、本発明は、高い稼働率を実現し、且つチャンバー内でターゲットの切削粉塵の蓄積が無い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、成膜用ターゲットの材料元素のイオンを含むアークプラズマを形成して、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アークプラズマ成膜装置であって、（イ）基板が設置される試料室及びアークプラズマが形成される放電室を有するチャンバーと、（ロ）複数のターゲットが格納され、放電室と貫通孔を介して連結する成膜位置が定義されたターゲット保管室と、（ハ）前記複数のターゲットの１つが前記成膜位置に配置されるようにターゲット保管室内で複数のターゲットを支持するターゲット支持装置と、（ニ）成膜位置に配置されたターゲットを放電室に搬送するターゲット搬送機構とを備え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、且つチャンバー内でターゲットの切削粉塵の蓄積が無い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において成膜用ターゲットが成膜位置に配置された例を示す模式図であり、図２（ａ）は成膜用ターゲットが貫通孔に押し込まれる前の状態を示し、図２（ｂ）は成膜用ターゲットが貫通孔に押し込まれた後の状態を示す。 本発明の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置におけるターゲットの配置例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ターゲット搬送機構及びゲートバルブの構成を示す模式図であり、図４（ａ）はゲートバルブにより貫通孔が塞がれた状態を示し、図４（ｂ）はゲートバルブがターゲット保管室に支持される例を示す。 本発明の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置のターゲット搬送機構が有するターゲット回転機構の機能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におけるターゲットの配置の他の例を示す模式図であり、図６（ａ）は垂直方向にターゲットを縦列に配列する例であり、図６（ｂ）は水平方向にターゲットを横列に配列する例である。

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、成膜用ターゲットの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アークプラズマ成膜装置である。「成膜用ターゲット」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が設置されるチャンバー１０と、複数のターゲット４０が格納されるターゲット保管室２０と、複数のターゲット４０の１つが成膜位置２５に配置されるように、ターゲット保管室２０内で複数のターゲット４０を支持するターゲット支持装置３０と、成膜位置２５に配置されたターゲット４０を放電室１２に搬送するターゲット搬送機構５０とを備える。

チャンバー１０は、基板１００が配置される試料室１１とアークプラズマが形成される放電室１２を有する。更にチャンバー１０は、試料室１１と放電室１２を連結し、アークプラズマを放電室１２から試料室１１に誘導する誘導管１３を有する。

基板１００に成膜する材料であるターゲット４０は、ターゲットホルダ４２に装着された状態で支持され、アーク放電によって蒸発する。例えばＤＬＣ膜を基板１００に成膜する場合には、ターゲット４０にカーボンが採用される。

ターゲット４０は例えば円柱形状である。ターゲット４０は、ターゲットホルダ４２の底面にターゲット４０の表面が露出するように、ターゲットホルダ４２に装着されている。ターゲットホルダ４２の底面におけるターゲット４０が露出した領域の残余の領域が貫通孔１２０の周囲で放電室１２の外側に密着することにより、放電室１２とターゲット保管室２０間が気密シールされる。したがって、ターゲット４０の外形の形状と貫通孔１２０の形状は対応している。

ターゲット保管室２０には、放電室１２と貫通孔１２０を介して連結する成膜位置２５が定義されている。図２（ａ）に示すように、ターゲット支持装置３０は、ターゲット４０をそれぞれ装着した複数のターゲットホルダ４２の１つを選択的に成膜位置２５に配置する。そして、ターゲット搬送機構５０は、図２（ｂ）に示すように、成膜位置２５に配置された成膜用ターゲット４０Ｔが放電室１２内に露出するように、ターゲットホルダ４２を貫通孔１２０に押し込む。ターゲット支持装置３０に支持された成膜用ターゲット４０Ｔ及びターゲットホルダ４２は、搬送ロッド５００を伸縮させることによって、放電室１２に搬送される。

また、上記のように成膜用ターゲット４０Ｔを装着したターゲットホルダ４２を貫通孔１２０に押し当てることによって、貫通孔１２０がターゲットホルダ４２によって塞がれて、ターゲット保管室２０に対してチャンバー１０内が気密シールされる。このため、ターゲット保管室２０内の圧力状態に関わりなく、例えばターゲット保管室２０内が大気圧になっても、チャンバー１０内の真空状態が維持される。

図３に、回転軸Ｃを中心にして複数のターゲット４０が円状にターゲット保管室２０に配置された例を示す。図３は、回転軸Ｃの延伸する方向から見た側面図であり、回転軸Ｃに沿って成膜用ターゲット４０Ｔが貫通孔１２０に押し込まれる。図３に示したように、ターゲット支持装置３０がターゲット４０をリボルバー構造で支持しているため、矢印で示したように回転軸Ｃを中心に複数のターゲット４０を回転させることにより、任意のターゲット４０を成膜位置２５に配置することができる。

なお、図３ではターゲット保管室２０に８個のターゲット４０が保管される例を示したが、ターゲット保管室２０に保管されるターゲットの個数は８個に限られない。また、真円状に限らず、楕円状に複数のターゲット４０を配置してもよい。或いは、環状以外の配置形態で複数のターゲット４０をターゲット保管室２０内で保管してもよい。

アークプラズマ成膜装置１では、成膜用ターゲット４０Ｔを陰極として発生させたアーク放電によって、成膜用ターゲット４０Ｔに含まれる原料の正イオンを含むアークプラズマを生成する。このプラズマを誘導管１３を介して放電室１２から試料室１１内の基板１００表面に導いて、基板１００上に薄膜を形成する。例えば誘導管１３の周囲に配置したコイル（図示略）によって形成した磁場により、誘導管１３に沿ってプラズマを輸送する。アーク放電ではプラズマとは別に中性粒子であるドロップレットといわれる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、プラズマはコイル磁場により誘導管１３に沿って屈曲輸送されるの対して、電荷を帯びていない中性粒子は誘導管１３の屈曲部でフィルタリングされ基板１００に到達することはない。

後述するように、成膜工程においてはチャンバー１０内を真空状態にした後、アークプラズマが形成される。一方、ターゲット保管室２０の内部とチャンバー１０の内部とは、貫通孔１２０を塞ぐ成膜用ターゲット４０Ｔのターゲットホルダ４２によって気密シールされている。このため、チャンバー１０内が真空状態にある場合やチャンバー１０内にアークプラズマが形成されている場合においても、ターゲット保管室２０の内部を例えば大気圧にすることができる。つまり、チャンバー１０内部をターゲット保管室２０の内部と分離して真空状態にできる。したがって、基板１００の成膜工程中に、ターゲット保管室２０内に配置されたターゲット４０を、未使用の新たなターゲットと交換できる。

或いは、基板１００の成膜工程中に、ターゲット保管室２０内に配置されたターゲット４０を外に取り出して、ターゲット４０の表面を切削研磨することができる。具体的には、ターゲット支持装置３０によって成膜用ターゲット４０Ｔがターゲット保管室２０内の他のターゲット４０に交換されると同時に、使用済みのターゲット４０が成膜位置２５から移動される。成膜工程を行いながらターゲット保管室２０内を大気圧にすることができるため、ターゲット保管室２０内の使用済みターゲット４０をターゲット保管室２０から取り出せる。このため、使用済みのターゲット４０の表面を研磨装置などによって研磨することができる。

使用済みのターゲット４０の表面を研磨することにより、ターゲット４０の表面の平滑性が回復し、放電の安定性を得ることができる。

なお、図４（ａ）に示すような貫通孔１２０を塞ぐゲートバルブ６０をターゲット保管室２０に用意することにより、ターゲット保管室２０内の圧力状態に関わらずチャンバー１０内の真空状態を維持することができる。つまり、貫通孔１２０をゲートバルブ６０で塞ぐことにより、ターゲット４０が貫通孔１２０に押し込まれていない状態でも、チャンバー１０内の真空状態を維持しつつ、ターゲット保管室２０内を大気圧にすることが可能である。

例えば図４（ｂ）に示すように、ターゲット保管室２０に支点Ｆで支持されて移動可能なゲートバルブ６０を用意する。そして、成膜工程時には貫通孔１２０から離れた位置にゲートバルブ６０を配置する。一方、ターゲット４０のすべてが放電室１２内に露出していない場合に、図４（ｂ）に示すように矢印方向に移動させたゲートバルブ６０によって貫通孔１２０を塞ぐ。これによりチャンバー１０内の真空状態を破ることなく、ターゲット保管室２０内を大気圧にすることができる。このため、チャンバー１０内を真空状態のままで、ターゲット保管室２０から使用済みのターゲット４０取り出したり、新たなターゲット４０をターゲット保管室２０に配置したりすることが可能となる。チャンバー１０内の真空状態は維持されるため、アークプラズマ成膜装置１の稼働率が向上する。

図４（ａ）に示すように、ターゲット搬送機構５０は、ターゲット回転機構５１、ターゲット給電機構５２、及びターゲット冷却機構５３を備える。

ターゲット回転機構５１は、ターゲットホルダ４２の底面の面法線方向を回転軸として、成膜用ターゲット４０Ｔを回転させる。例えば、ターゲットホルダ４２と連結させた搬送ロッド５００を回転させることにより、図５に示すようにターゲットホルダ４２ごと成膜用ターゲット４０Ｔを回転させる。アーク放電中に成膜用ターゲット４０Ｔを回転させることにより、成膜用ターゲット４０Ｔの表面の蒸発量を均等にすることができる。例えば、モータなどを用いて搬送ロッド５００を回転させる。

ターゲット給電機構５２は、アークプラズマを形成するために成膜用ターゲット４０Ｔに給電する。具体的には、成膜用ターゲット４０Ｔが陰極となるように、搬送ロッド５００とターゲットホルダ４２を介して成膜用ターゲット４０Ｔに給電する。これにより、放電室１２内に所望のプラズマが形成される。

ターゲット冷却機構５３は、搬送ロッド５００を介して成膜用ターゲット４０Ｔを冷却する。成膜処理中は、アークプラズマに曝された成膜用ターゲット４０Ｔの温度が上昇する。成膜用ターゲット４０Ｔが高温の状態では、アーク放電の維持が困難になる。また、放電室１２とターゲット保管室２０間の気密シール部の温度が上昇し、シール材料の耐久性を超えてしまうなどの問題が生じる。このため、成膜工程中での成膜用ターゲット４０Ｔの冷却が有効である。ターゲット冷却機構５３には、例えば、搬送ロッド５００内に冷却水を流す水冷方式などを採用可能である。

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説明する。なお、以下の説明では、ターゲット保管室２０に配置されたターゲット４０を、成膜工程で使用される順に第１のターゲット、第２のターゲット、第３のターゲット、・・・とする。

先ず、処理対象の基板１００を試料室１１内に格納し、試料室１１内を真空排気する。試料室１１とターゲット保管室２０間は、ゲートバルブ６０によって気密シールされている。成膜工程で使用される複数のターゲット４０をターゲット保管室２０に配置し、ターゲット保管室２０を真空排気する。ターゲット４０は、基板１００に形成する膜の原料を含む。

次いで、第１のターゲットが成膜用ターゲット４０Ｔとして成膜位置２５に配置されるように、ターゲット支持装置３０がターゲット保管室２０に配置された複数のターゲット４０を移動させる。そして、ゲートバルブ６０を開放し、成膜位置２５に配置された第１のターゲットが貫通孔１２０に押し込まれ、第１のターゲットのターゲット４０が放電室１２内に露出する。

そして、放電室１２内に露出した第１のターゲットの表面上にアークプラズマを形成する。アークプラズマは、例えば高電界によってアーク放電を発生することによって形成される。つまり、アーク放電の発生により、ターゲット４０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４０のイオンを基板１００の表面に導いて堆積させることにより、第１のターゲットを用いた成膜処理が行われる。

所定の放電時間後、アーク放電を停止し、ターゲット支持装置３０によってターゲット保管室２０内のターゲット４０の配置を変更する。具体的には、使用済みの第１のターゲットに代えて第２のターゲットが成膜位置２５に移動する。このターゲット交換時においては、ターゲット保管室２０内もチャンバー１０内と同様に真空状態が維持される。その後、アーク放電が再開され、第２のターゲットを用いた成膜処理が行われる。

更に、所定の放電時間後、アーク放電を停止し、ターゲット支持装置３０によって使用済みの第２のターゲットに代えて第３のターゲットを成膜位置２５に移動する。そして、第３のターゲットを用いた成膜処理が行われる。

その後、所定の放電時間が経過する度に、成膜用ターゲット４０Ｔを交換しながら成膜処理が行われる。

なお、１つのターゲット４０を用いて成膜を行う上記の所定の放電時間は、例えばアークスポットによってターゲット４０の表面に形成される凹部の大きさがアーク放電の生成、維持が著しく劣化しない程度に設定される。一定の頻度で成膜用ターゲット４０Ｔを交換することにより、成膜用ターゲット４０Ｔの表面の平滑性が常に確保され、安定したアーク放電が得られる。

上記のように、アークプラズマ成膜装置１では、チャンバー１０内を高真空状態にしたままで、ターゲット保管室２０内の複数のターゲット４０を用いて成膜用ターゲット４０Ｔを交換しながらの成膜処理が行われる。このため、高い稼働率を維持することができる。

更に、チャンバー１０内での成膜処理を行いつつ、ターゲット保管室２０内の使用済みのターゲット４０を未使用の新たなターゲット４０と交換したり、使用済みのターゲット４０の表面を研磨したりできる。この場合にも、高い稼働率を維持することができる。また、チャンバー１０内でターゲット４０の研磨を行わないため、チャンバー１０内にパーティクル源となる切削粉塵の蓄積がなく、基板面へのパーティクルの混入が低減される。

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によれば、高い稼働率を実現し、且つチャンバー１０内でターゲットの切削粉塵の蓄積が無い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、ターゲット保管室２０に複数のターゲット４０が環状に配置される例を示した。しかし、環状以外にも、例えばターゲット保管室２０に複数のターゲット４０を直線状に配置してもよい。具体的には、図６（ａ）に示すように垂直方向にターゲット４０を配列したり、図６（ｂ）に示すように水平方向にターゲット４０を配列したりしてもよい。ターゲット支持装置３０が直線状に配置された複数のターゲット４０をスライドさせることにより、所望のターゲット４０を成膜位置２５に配置できる。

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…チャンバー
１１…試料室
１２…放電室
１３…誘導管
２０…ターゲット保管室
２５…成膜位置
３０…ターゲット支持装置
４０…ターゲット
４０Ｔ…成膜用ターゲット
４２…ターゲットホルダ
５０…ターゲット搬送機構
５１…ターゲット回転機構
５２…ターゲット給電機構
５３…ターゲット冷却機構
６０…ゲートバルブ
１００…基板
１２０…貫通孔
５００…搬送ロッド

Claims (7)

1. 成膜用ターゲットの材料元素のイオンを含むアークプラズマを形成して、前記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アークプラズマ成膜装置であって、
   前記基板が設置される試料室及び前記アークプラズマが形成される放電室を有するチャンバーと、
   複数のターゲットが格納され、前記放電室と貫通孔を介して連結する成膜位置が定義されたターゲット保管室と、
   前記複数のターゲットの１つが前記成膜位置に配置されるように、前記ターゲット保管室内で前記複数のターゲットを支持するターゲット支持装置と、
   前記成膜位置に配置された前記ターゲットを前記放電室に搬送するターゲット搬送機構と
   を備えることを特徴とするアークプラズマ成膜装置。
2. 前記ターゲット保管室内で前記複数のターゲットが環状に配置され、前記ターゲット支持装置が前記複数のターゲットを回転させ、且つ前記ターゲット搬送装置が前記複数のターゲットの１つを前記放電室に搬送す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. 前記ターゲットが、ターゲットホルダの底面に前記ターゲットの表面が露出するように前記ターゲットホルダに装着された構造を有し、
   前記ターゲットホルダの前記底面の前記ターゲットが露出した領域の残余の領域が、前記貫通孔の周囲で前記放電室の外側に密着することで、前記放電室と前記ターゲット保管室間を気密シール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. 前記ターゲット保管室が前記貫通孔を塞ぐゲートバルブを備え、前記ゲートバルブによって前記貫通孔が塞がれた状態において、前記ターゲット保管室内の圧力状態に関わりなく前記チャンバー内の真空状態を維持することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアークプラズマ成膜装置。
5. 前記ターゲット搬送機構が、前記ターゲットホルダの前記底面の面法線方向を回転軸として前記成膜用ターゲットを回転させるターゲット回転機構を備え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. 前記ターゲット搬送機構が、前記アークプラズマを形成するために前記成膜用ターゲットに給電するターゲット給電機構を備え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。
7. 前記ターゲット搬送機構が、前記成膜用ターゲットを冷却するターゲット冷却機構を備え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。
   

Images