JP2017218606A - アークプラズマ成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パーティクルがワークに付着すること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】ターゲット３０及びワーク１００が格納され、ターゲット３０に含まれる材料元素のイオンを含むプラズマ３００がターゲット３０の表面で励起されるチャンバー１０と、ターゲット３０からワーク１００に輸送されるプラズマ３００の輸送路の周囲を囲んでチャンバー１０の内部に配置され、輸送路に沿って複数の分離部２２が空間的に分離して配置された分離領域２００を含むプラズマ補正管２０とを備え、材料元素を主成分とする薄膜をワーク１００に形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、アークプラズマを用いて成膜処理を行うアークプラズマ成膜装置に関する。

薄膜形成に、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（以下において、単に「プラズマ」という。）をアーク放電によって励起して、この材料元素を主成分とする薄膜を処理対象のワーク上に形成する（例えば、特許文献１参照。）。例えばチャンバーの内部で磁場を制御することにより、薄膜材料のイオン化した荷電粒子を含むプラズマの輸送路（以下において、「プラズマ輸送路」という。）をチャンバーの内部に形成する。

特開２０１４−０４０６２４号公報

チャンバーの内部でプラズマ輸送路の周囲にプラズマ補正管を配置し、プラズマ補正管をプラズマと同種に帯電させることによって、プラズマ補正管の内部を通過するプラズマをプラズマ輸送路の中央に収束させることができる。しかし、アーク放電によってプラズマを励起すると、ターゲットから電気的に中性なドロップレット（粗大粒子）が放出、飛散し、プラズマ補正管の内壁に付着する。この付着物はプラズマ補正管内に堆積し、堆積が進むとプラズマ補正管から剥離し、パーティクルとなってプラズマ補正管の内部に落下する。このため、パーティクルがワークまで移動して、ワークの表面に付着することがある。その結果、ワークに形成される膜の膜質の低下などが生じる。

上記問題点に鑑み、本発明は、パーティクルがワークに付着すること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、ターゲット及びワークが格納され、ターゲットに含まれる材料元素のイオンを含むプラズマがターゲットの表面で励起されるチャンバーと、ターゲットからワークに輸送されるプラズマの輸送路の周囲を囲んでチャンバーの内部に配置され、輸送路に沿って複数の分離部が空間的に分離して配置された分離領域を含むプラズマ補正管とを備え、材料元素を主成分とする薄膜をワーク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、パーティクルがワークに付着すること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のプラズマ補正管と誘導コイルの配置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のプラズマ補正管の分離部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のプラズマ補正管のバッフル構造の例を示す模式的な断面図である。 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のプラズマ補正管のバッフル構造の例を示す模式的な斜視図である。 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のプラズマ補正管の分離部を連結する連結部の例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。また、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の実施形態に係るアークプラズマ成膜装置は、図１に示すように、ターゲット３０及びワーク１００が格納され、ターゲット３０に含まれる材料元素のイオンを含むプラズマ３００がターゲット３０の表面で励起されるチャンバー１０と、ターゲット３０からワーク１００に輸送されるプラズマ３００のプラズマ輸送路の周囲を囲んでチャンバー１０の内部に配置されたプラズマ補正管２０とを備える。

プラズマ補正管２０は、プラズマ輸送路に沿って複数の分離部２２が空間的に分離して配置された分離領域２００を含む。なお、図１に示すように、チャンバー１０の内部に形成されたプラズマ３００のプラズマ輸送路は、屈曲部を有する。プラズマ補正管２０は、ターゲット側から屈曲部まで連続してプラズマ輸送路の周囲を囲む連続部２１と、屈曲部からワーク側までに配置された複数の分離部２２から構成されている。

図１に示すアークプラズマ成膜装置は、ターゲット３０を陰極（カソード）として発生させたアーク放電によって、ターゲット３０に含まれる材料元素のイオンを含むプラズマ３００を励起する。プラズマ３００はワーク１００の表面に輸送され、ターゲット３０の材料元素を主成分とする薄膜がワーク１００上に形成される。例えばターゲット３０にカーボン材を使用して、カーボンイオンを含むプラズマ３００をアーク放電によって生成し、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜などのカーボン膜をワーク１００上に形成する。

チャンバー１０は、ターゲット３０が配置されるターゲット保管室１１、プラズマ３００が生成されるプラズマ室１２、及びワーク１００が格納される格納室１３を備える。なお、プラズマ室１２及び格納室１３には、チャンバー１０の内部を排気する排気機構８０がそれぞれ設置されている。このため、互いに独立して排気が可能である。排気機構８０によって、チャンバー１０内のプラズマ密度などが適宜調整される。

プラズマ室１２に露出したターゲット３０の表面で、プラズマ３００が励起される。チャンバー１０の内部には、プラズマ３００のプラズマ輸送路を形成するプラズマ輸送手段として、第１の誘導コイル５１、第２の誘導コイル５２、第３の誘導コイル５３及び第４の誘導コイル５４が使用されている。以下において、第１の誘導コイル５１〜第４の誘導コイル５４を総称して「誘導コイル５０」という。誘導コイル５０は、連続する磁力線を発生させることにより、プラズマ輸送路をプラズマ室１２の内部に形成する。これにより、アーク放電によってターゲット３０の表面で励起されたプラズマ３００が、ワーク１００上に誘導される。

なお、ターゲット保管室１１の外側に、カスプコイル４０が配置されている。ターゲット３０の近傍に配置された第１の誘導コイル５１とカスプコイル４０とは、カスプ磁界を形成するように設定される。つまり、カスプコイル４０と第１の誘導コイル５１とが互いに逆向きの磁場を形成することで、長寿命のアーク放電が安定的に生成され、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。

また、格納室１３の直前でプラズマ輸送路の周囲に、スキャンコイル６０が配置されている。スキャンコイル６０によって、ワーク１００の上方の磁場がスキャンされる。これにより、格納室１３内でステージ７０上に配置されたワーク１００の主面に、均一な膜が形成される。

プラズマ補正管２０は、誘導コイル５０の内側に配置されている。プラズマ３００は、プラズマ補正管２０の内部を通過して輸送される。図２は、誘導コイル５０の内側に連続部２１が配置されている状態を示す模式図である。

プラズマ補正管２０には、プラズマ３００と同種に帯電するように電圧が印加される。これにより、プラズマ３００をプラズマ輸送路の中央に収束させることができる。例えば、ＤＬＣ膜を成膜するために励起されるカーボンイオンを含むプラズマ３００は、正電位に帯電している。このため、プラズマ補正管２０に正のバイアス電圧を印加することにより、正電位のプラズマ３００をプラズマ輸送路の中央に収束させることができる。

なお、プラズマ補正管２０の材料には、誘導コイル５０によって発生させた磁場を遮断しないために、磁性金属は使用しない。例えば、ステンレス合金、アルミニウム合金、銅合金などの非磁性金属材料が、プラズマ補正管２０に好適に使用される。

プラズマ補正管２０は、プラズマ輸送路の周囲を囲むために管形状であることが好ましく、例えば図２に示すように環形状である。図３に、環形状の分離部２２が配置された分離領域２００を示す。

図１に示したアークプラズマ成膜装置では、チャンバー１０内部に誘導コイル５０を配置することにより、プラズマ輸送に使用するコイルの小型化が可能である。小型の誘導コイル５０を使用することによって、小さい電流量であっても効率的なプラズマ輸送が可能である。また、プラズマ補正管２０によって、プラズマ３００が誘導コイル５０間から発散したり漏れたりするのが防止される。このため、より効率の良いプラズマ輸送が可能である。更に、輸送されるプラズマ３００のプラズマ径を小さくするためにも、プラズマ補正管２０は有効である。プラズマ径を小さくすることにより、装置を小型化できる。

既に述べたように、ターゲット３０の表面でアーク放電によってプラズマ３００を励起すると、ターゲット３０の表面からドロップレットが飛散する。ドロップレットは、プラズマ補正管２０の内壁に衝突し、そこに付着する。アーク放電を続けることにより、プラズマ補正管２０に付着したドロップレットの厚みは増大する。そして、一定の厚みを超えると、膜応力などによってドロップレットはプラズマ補正管２０から剥離し、パーティクルとなってプラズマ補正管２０の内部に落下する。このように、ドロップレットやパーティクルなどの、ワーク１００での成膜に寄与しない物質（以下において、「パーティクル」と総称する）が、プラズマ補正管２０の内部に発生する。パーティクルは、誘導コイル５０によって形成されるプラズマ３００の流れや、排気機構８０の動作によって生じる排気の流れによって、プラズマ補正管２０の内部をワーク１００に向かって移動する。パーティクルがワーク１００の表面に付着すると、ワーク１００に形成される膜に膜厚の不均質や膜質の低下などが生じる。例えば、パーティクルが膜に混入することによって、パーティクルを起点として膜抜けや膜剥がれが生じる。

これに対し、図１に示したアークプラズマ成膜装置では、複数の分離部２２を互いに離間して配置した分離領域２００を含むため、プラズマ補正管２０が、プラズマ輸送路に沿って不連続な部分を有する。パーティクルは電気的に中性であるため、プラズマ輸送路の中央に収束せず、プラズマ補正管２０の内壁に向かって進行する。このため、プラズマ補正管２０の不連続な部分、即ち分離部２２同士の隙間を通って、プラズマ補正管２０の内側からチャンバー１０の内部にパーティクルが放出される。したがって、プラズマ補正管２０の内部に発生したパーティクルが、ワーク１００の表面に付着することが抑制される。このため、ワーク１００に形成される膜の膜質の低下を抑制することができる。

なお、図３に示した分離部２２同士の間隔ｄは、パーティクルが分離部２２の間から放出されやすい間隔を、実験やシミュレーションなどによって設定する。例えば、間隔ｄを２０ｍｍ〜５０ｍｍ程度に設定する。

更に、分離領域２００がバッフル構造を有するように、分離部２２が、プラズマ３００の輸送方向に対して斜めに延在するバッフル面を有することが好ましい。ここで、分離部２２の「バッフル面」は、プラズマ輸送路のターゲット側に向いた面である。

例えば図４に示すように、分離部２２の外壁を傾けることによって、バッフル面２２０を構成する。バッフル面２２０に、プラズマ補正管２０の内部をワーク側に移動するパーティクルが衝突する。このため、パーティクルをバッフル面２２０に付着させたり、プラズマ補正管２０の外側に向けてパーティクルをはじき出したりすることができる。

なお、図４に示すように、プラズマ３００の輸送方向とバッフル面２２０とが鈍角をなすようにすることが好ましい。これにより、パーティクルは、プラズマ補正管２０の外側に向けてはじき出され、バッフル面２２０に衝突したパーティクルがプラズマ輸送路に混入することが抑制される。このため、例えば図５に示すような、切頭円錐体であるコーン形状の分離部２２を使用する。

また、バッフル面２２０に、ブラスト加工処理などによって凹凸構造を形成してもよい。これにより、パーティクルをより多くバッフル面２２０に付着させることができる。

なお、図１に示すように、少なくとも１箇所の屈曲部を有するように、プラズマ輸送路を形成することが好ましい。即ち、誘導コイル５０によって屈曲部に沿った磁場を形成して、プラズマ輸送を行う。これは、パーティクルがワーク１００の成膜面に付着するのを抑制するためである。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、屈曲部に沿ったプラズマ輸送の段階で取り除かれる。つまり、屈曲部はフィルターとして機能する。これにより、パーティクルがワーク１００に形成される膜に混入することが抑制される。なお、１箇所ではなく、複数個所の屈曲部を設けてもよい。

屈曲部を設けるために、誘導コイル５０によって、プラズマ輸送路が屈曲するように連続した磁力線を発生させる。チャンバー１０内で誘導コイル５０の配置を調整することにより、プラズマ輸送路を自在に調整することができる。なお、屈曲部のターゲット３０と対向する領域には、プラズマ補正管２０を配置しないことが好ましい。これは、ターゲット３０と対向する面はドロップレットの衝突頻度が高い部分であり、プラズマ補正管２０のこの部分を開放形状とすることにより、ドロップレットがプラズマ補正管２０に衝突して散乱、拡散することが抑制されるためである。このため、ワーク１００へのパーティクルの付着率を低減できる。

図１では、ワーク１００とプラズマ輸送路の屈曲部との間において、プラズマ補正管２０が分離領域２００を有する。ただし、プラズマ補正管２０の全体を、複数の分離部２２が空間的に分離して配置された構造にしてもよい。これにより、より多くのパーティクルをプラズマ輸送路から除去することができる。しかし、ワーク１００での成膜に寄与する材料元素のイオンの一部も分離部２２の間を通過してプラズマ輸送路から外れてしまう。このため、プラズマ補正管２０の全体を分離することによって、成膜効率は低下する。

したがって、屈曲部によってプラズマ輸送路から除去されるパーティクルが多いことを考慮して、ワーク１００とプラズマ輸送路の屈曲部との間に分離領域２００を配置して、屈曲部を通過したパーティクルを除去する。これにより、成膜効率の低下を抑制しつつ、膜質を向上させることができる。

プラズマ３００をプラズマ輸送路の中央に収束させるために、分離領域２００を含めたプラズマ補正管２０の全体が、プラズマ３００と同種に帯電するように電圧を印加される。このため、例えば図６に示すように、複数の分離部２２の相互間を順に連結する、導電性を有する連結部２３を設ける。図６は、分離部２２の外縁部を貫通する連結部２３によって、分離部２２同士が電気的に接続される。図示を省略するバイアス電源から連結部２３を介して、分離部２２にバイアス電圧を印加する。或いは、分離部２２の個々にバイアス電源からバイアス電圧を印加してもよい。

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では、プラズマ補正管２０の少なくとも一部が、互いに分離した分離部２２によって構成される。このため、プラズマ補正管２０の内側から分離部２２同士の隙間を通ってパーティクルが放出される。その結果、ワーク１００に形成された膜にパーティクルが混入することによる膜質の劣化を抑制することができる。

また、図１に示したアークプラズマ成膜装置によれば、内部に堆積したパーティクルを除去するためにプラズマ補正管２０を洗浄したり、プラズマ補正管２０を交換したりする頻度を少なくできる。このため、成膜工程を停止する期間が短くなり、生産効率を向上させることができる。

（第２の実施形態）
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は、図７に示すように、ターゲット３０からワーク１００までのプラズマ輸送路が直線的である。つまり、プラズマ輸送路が屈曲部を有さないことが図１と異なる点である。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。

図７に示したアークプラズマ成膜装置においても、電気的に中性であるパーティクルは、プラズマ輸送路の中央に収束されない。したがって、プラズマ補正管２０の内壁に向かって進行するパーティクルが、分離部２２同士の隙間を通って、プラズマ補正管２０の内側からチャンバー１０の内部に放出される。このため、ワーク１００に形成される膜にパーティクルが混入することを抑制できる。

なお、プラズマ輸送路が屈曲部を有さない図７に示したアークプラズマ成膜装置では、図１に示したアークプラズマ成膜装置よりもパーティクルがワーク１００に到達しやすい。しかし、屈曲部における材料元素のイオンの減少が抑制されるため、図１に示したアークプラズマ成膜装置よりも成膜効率が高い。

以上に説明したように、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によれば、ワーク１００に形成する膜へのパーティクルの混入を抑制しつつ、効率の高い成膜が可能である。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７では、ワーク１００に近い側のみを分離部２２で構成したが、プラズマ補正管２０の全体を分離部２２で構成してもよい。

（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。

例えば、上記では誘導コイル５０がチャンバー１０の内部に配置された例を説明したが、誘導コイル５０がチャンバー１０の外側に配置された構成であってもよい。また、上記ではプラズマ補正管２０が環形状である例を示したが、プラズマ３００がプラズマ輸送路の中心に収束されるのであれば、この形状に限られることはない。例えば板状電極をプラズマ輸送路の周囲に配置してプラズマ補正管２０を構成してもよい。

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もちろんである。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。

１０…チャンバー
１１…ターゲット保管室
１２…プラズマ室
１３…格納室
２０…プラズマ補正管
２１…連続部
２２…分離部
２３…連結部
３０…ターゲット
５１…第１の誘導コイル
５２…第２の誘導コイル
５３…第３の誘導コイル
５４…第４の誘導コイル
１００…ワーク
２００…分離領域
２２０…バッフル面
３００…プラズマ

Claims (7)

1. ターゲット及びワークが格納され、前記ターゲットに含まれる材料元素のイオンを含むプラズマが前記ターゲットの表面で励起されるチャンバーと、
   前記ターゲットから前記ワークに輸送される前記プラズマの輸送路の周囲を囲んで前記チャンバーの内部に配置され、前記輸送路に沿って複数の分離部が空間的に分離して配置された分離領域を含むプラズマ補正管と
   を備え、前記材料元素を主成分とする薄膜を前記ワーク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. 前記分離部が、前記プラズマの輸送方向に対して斜めに延在するバッフル面を有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. 前記バッフル面と前記プラズマの輸送方向とのなす角が鈍角であることを特徴とする請求項２に記載のアークプラズマ成膜装置。
4. 複数の前記分離部の相互間を順に連結する、導電性を有する連結部を更に備え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. 前記プラズマ補正管が、前記プラズマと同種に帯電してい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. 前記ターゲットと前記チャンバーとの間に少なくとも１箇所の屈曲部を有する前記輸送路を前記チャンバーの内部に形成するプラズマ輸送手段を更に備え、
   少なくとも前記ワークと前記屈曲部との間に、前記プラズマ補正管が前記分離領域を有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。
7. 前記ターゲットの材料がカーボンであ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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