JP6051983B2 - Arc plasma deposition system - Google Patents
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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。 The present invention relates to an arc plasma film forming apparatus for forming a carbon film by forming an arc plasma.
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。 According to the carbon film manufacturing apparatus using the method called the filtered arc deposition (FAD) method and the filtered cathodic vacuum arc (FCVA) method, the arc discharge is continuously excited on the surface of the carbon target. Then, ionized carbon charged particles are guided to the substrate surface to form a carbon film (see, for example, Non-Patent Document 1). This carbon film is particularly called a tetrahedral amorphous carbon (taC) film.
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。 In the above method, in order to prevent carbon fine particles called droplets generated during arc discharge from adhering to the film formation surface, the arc discharge location and the film formation surface of the substrate are not connected linearly. Has been. Thereby, the incidence to the film-forming surface of the droplet discharge | released linearly from the carbon target surface is suppressed. As a specific example, a structure in which a bent tube having a bent portion is connected between the carbon target and the film formation surface is employed. Similarly, the particles (macroparticles) generated by the peeling of the carbon thin film deposited inside the bent tube must be prevented from adhering to the film formation surface.
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。 In a structure using a bent tube, a magnetic field is used to efficiently guide carbon ions to the film formation surface. In other words, a magnetic field is formed along the bent tube to perform plasma transport. The carbon film is formed using carbon ions in plasma as a raw material. Droplets and macroparticles are basically not charged particles and are not affected by a magnetic field, so they are removed at the stage of plasma transport along the bent tube. That is, the bent tube functions as a filter.
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。 As mentioned above, many primary droplets and macroparticles are removed by the bent tube. However, the macro particles that are secondarily generated from the droplets colliding with the inner wall of the bent tube may reach the film formation surface after a plurality of collisions with the bent tube. In addition, these electrically neutral particles are charged in plasma and may behave similarly to charged particles.
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。 In order to suppress secondary generated macro particles, it is particularly effective to keep the inside of the bent tube clean. However, frequently opening the chamber to the atmosphere and maintaining the inside for that purpose hinders efficient operation of the film forming apparatus.
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。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an arc plasma film forming apparatus that realizes a high operating rate and that can easily perform maintenance work for removing droplets and macro particles.
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)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グロー放電を発生させ、格納室内及び屈曲管内の少なくともいずれかにグロー放電によって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。 According to one aspect of the present invention, there is provided an arc plasma film forming apparatus for generating an arc plasma containing carbon ions and forming a thin film containing carbon as a main component on a substrate to be processed. A storage chamber to be stored; (b) a discharge chamber in which a carbon target for film formation is disposed; (c) a bent tube having a bent portion connecting the storage chamber and the discharge chamber; and (d) facing each other. A plasma generating unit that generates glow discharge by a multi-hollow cathode electrode in which through holes each having an opening are formed in the main surface, and generates plasma for carbon ashing by glow discharge in at least one of the storage chamber and the bent tube An arc for removing carbon film and carbon dust generated in the storage chamber and the bent tube by reacting with plasma for carbon ashing Plasma deposition apparatus is provided.
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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the arc plasma film-forming apparatus which implement | achieves a high operation rate and can perform the maintenance operation | work which removes a droplet and a macro particle easily can be provided.
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。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic. Further, the embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiment of the present invention has the following structure and arrangement of components. It is not something specific. The embodiment of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
(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。
(First embodiment)
The arc plasma
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。
As shown in FIG. 1, the arc plasma
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。
The
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。
In the example shown in FIG. 1, a plurality of
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。
The
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。
In the arc plasma
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。
Specifically, an
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。
As already mentioned, carbon droplets are generated from the carbon target by arc discharge. However, since the droplets are not charged particles, they fly linearly without being affected by the magnetic field. For this reason, it cannot pass through the
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。
However, in the long-term use, the carbon film and the carbon powder are deposited on the inner walls of the
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。
In contrast, in the arc plasma
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。
Specifically, when the
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。
When using the
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。
The
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。
At the time of cleaning, as shown in FIG. 2, a cleaning
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。
Then, glow discharge is caused by supplying predetermined AC power between the
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。
At the time of cleaning, the
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。
Further, the
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。
By forming the magnetic field for inducing the
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。
As the
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。
In the multi-hollow cathode electrode, the plasma generation inside the through hole is a hollow cathode discharge. In this hollow cathode discharge, electrons are confined inside the through hole and have kinetic energy, which is a high-density electron space. A high density plasma region is formed in the through hole. As shown in FIG. 4, the multi-hollow cathode electrode has through
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。
Below, the evaluation example of the result of having implemented the cleaning which removes a droplet in the arc plasma film-forming
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。
First, a carbon film having a sufficient film thickness was formed on the
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。
Thereafter, the inside of the
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。
After the removal process, the
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。 5 and 6 show the measurement amount P1 before cleaning and the measurement amount P2 after cleaning for each particle size (particle diameter). Symbols A to E in FIG. 6 indicate measurement amounts when the particle sizes are 0.3 μm, 0.5 μm, 1 μm, 2 μm, and 5 μm, respectively.
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。
As shown in FIGS. 5 and 6, the amount of particles having a particle size of 0.3 μm to 5 μm could be reduced to 4 to 8% by the removal process. Therefore, the effect of cleaning the
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。
As described above, in the arc plasma film-forming
<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。
<Modification>
FIG. 7 shows an arc plasma
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。
Note that a magnetic field opposite to the direction in which the
(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。
(Second Embodiment)
FIG. 1 shows an example in which the
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。
FIG. 8 shows an example of the arc plasma
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。
In the arc plasma
(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。
(Other embodiments)
As mentioned above, although this invention was described by embodiment, it should not be understood that the description and drawing which form a part of this indication limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
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。
In the above description, the
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。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
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
DESCRIPTION OF
Claims (7)
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、
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グロー放電を発生させ、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前記グロー放電によって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。 An arc plasma film forming apparatus for generating an arc plasma containing carbon ions and forming a thin film mainly composed of carbon on a substrate to be processed,
A storage chamber in which the substrate is stored;
A discharge chamber in which a carbon target for film formation is disposed;
A bent tube having a bent portion connecting the storage chamber and the discharge chamber;
A glow discharge is generated by a multi-hollow cathode electrode in which through holes each having an opening are formed on main surfaces facing each other , and plasma for carbon ashing is generated in at least one of the storage chamber and the bent tube by the glow discharge. An arc plasma film forming apparatus, comprising: a plasma generating unit that generates the carbon film and carbon dust generated in the storage chamber and the bent tube by reacting with the carbon ashing plasma.
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又は2に記載のアークプラズマ成膜装置。 An induction coil disposed along the bent tube;
It said induction coil, arc plasma deposition apparatus according to a magnetic field that induces a plasma for the carbon ashing to claim 1 or 2, characterized in that formed on the bent pipe.
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5に記載のアークプラズマ成膜装置。 A blocking mechanism that blocks a connection point between the bent tube and the storage chamber;
A discharge mechanism installed in the bent pipe, and a product generated in the bent pipe due to a reaction between the carbon film and carbon dust and the plasma for carbon ashing is discharged from the discharge mechanism. An arc plasma film forming apparatus according to claim 5 .
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