KR102332902B1 - 성막 방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

기재의 표면에 당해 기재의 경도보다도 높은 고도를 갖는 피막을 형성하여 양호하게 밀착시킬 수 있는 성막 방법이, 제공된다. 당해 성막 방법은, 기재를 수용하는 챔버 내에 불활성 가스를 도입하면서 방전함으로써 생성되는 불활성 가스 이온을 기재의 표면에 충돌시킴으로써 기재의 표면을 에칭하는 에칭 공정과, 불활성 가스 이온을 금속 타깃에 충돌시킴으로써 금속 타깃으로부터 금속 입자를 튀어나가게 해, 에칭 공정에서 에칭된 기재의 표면에 당해 금속 입자를 퇴적시키면서, 불활성 가스 이온을 기재의 표면에 퇴적되어 있는 금속 입자에 충돌시킴으로써 당해 금속 입자를 기재의 표면에 타입하는 타입 공정과, 타입 공정에서 금속 입자가 타입된 기재의 표면에 피막을 형성하는 피막 형성 공정을 구비한다.

Description

성막 방법
본 발명은 기재의 표면에 당해 기재의 경도보다도 높은 경도를 갖는 피막을 형성하는 성막 방법에 관한 것이다.
종래부터, 기재의 경도를 향상시키기 위해서, 기재의 표면에 당해 기재의 경도보다도 높은 경도를 갖는 피막을 형성하는 일이 행하여지고 있다. 그러나, 피막이 기재의 경도보다도 높은 경도를 갖기 위해서, 기재의 내부 응력과 그 표면에 형성된 피막의 내부 응력의 차가 커져버려, 기재에 대한 피막의 밀착성이 저하된다는 문제가 있다.
상기 문제를 해결하기 위해서, 하기 특허문헌 1에서는, 불활성 가스 이온에 의한 이온 충격 처리를 기재의 표면에 행한 후에, 피막을 형성하는 기술이 제안되어 있다. 구체적으로는, 하기 특허문헌 1에 기재된 기술은, 불활성 가스 이온을 기재의 표면에 충돌시킴으로써, 기재의 표면에 형성되어 있는 산화막을 제거한 후, 기재의 표면에 피막을 형성하는 것을 포함한다.
또한, 하기 특허문헌 2에서는, 티타늄 금속 이온을 충돌시킴으로써 표면의 산화막이 제거된 기재와, 피막으로서의 다이아몬드 라이크 카본 피막 사이에, 중간층으로서의 티타늄 금속 피막을 개재시키는 것이 개시되어 있다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 바와 같이, 기재의 표면에 형성되어 있는 산화막을 제거하는 것만으로는, 기재에 대한 피막의 밀착성의 한층 더한 향상을 실현하는 것은 어렵다.
또한, 특허문헌 2에 기재된 바와 같이, 기재와 피막 사이에 중간층을 개재시킬 경우에는, 기재에 대한 중간층의 밀착성뿐만 아니라, 중간층에 대한 피막의 밀착성도 요구된다. 그 때문에, 단지 단순히 중간층을 기재와 피막 사이에 개재시키는 것만으로는, 기재에 대한 피막의 밀착성을 향상시키는 것은 곤란하다.
일본 특허 공개 제2005-68499호 공보 일본 특허 제5682560호 공보
본 발명의 목적은, 기재의 표면에 당해 기재의 경도보다도 높은 고도를 갖는 피막을 양호하게 밀착시킬 수 있는 성막 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본원의 발명자는, 피막에 대한 기재 표면의 친화성에 착안하였다. 이에 의해 제공되는 것은, 기재의 표면에 당해 기재의 경도보다도 높은 경도를 갖는 피막을 형성하는 성막 방법이며, 상기 기재를 수용하는 챔버 내에 불활성 가스를 도입하면서 방전함으로써 생성되는 불활성 가스 이온을 상기 기재의 표면에 충돌시킴으로써 상기 기재의 표면을 에칭하는 에칭 공정과, 상기 불활성 가스 이온을 금속 타깃에 충돌시킴으로써 상기 금속 타깃으로부터 금속 입자를 튀어나가게 해, 상기 에칭 공정에서 에칭된 상기 기재의 표면에 상기 금속 입자를 퇴적시키면서, 상기 불활성 가스 이온을 상기 기재의 표면에 퇴적되어 있는 상기 금속 입자에 충돌시킴으로써 상기 금속 입자를 상기 기재의 표면에 타입하는 타입 공정과, 상기 타입 공정에서 상기 금속 입자가 타입된 상기 기재의 표면에 상기 피막을 형성하는 피막 형성 공정을 구비한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법의 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 행하기 위한 성막 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 성막 장치가 구비하는 복수의 기재 홀더 및 증발원을 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 2에 나타내는 성막 장치가 구비하는 복수의 기재 홀더 및 증발원을 나타내는 정면도이다.
도 5는 상기 복수의 기재 홀더 각각에 인가되는 바이어스 전압의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 6은 필라멘트로의 통전에 기초하는 글로우 방전에 의해 발생하는 플라스마를 나타내는 모식도이다.
도 7은 증발원으로의 통전에 기초하는 글로우 방전에 의해 발생하는 플라스마를 나타내는 모식도이다.
도 8은 제1 변형예에 따른 성막 장치의 증발원 및 기재 홀더를 나타내는 정면도이다.
도 9는 제2 변형예에 따른 성막 장치의 복수의 기재 홀더 및 증발원을 나타내는 평면도이다.
도 10은 상기 제2 변형예에 따른 성막 장치의 복수의 기재 홀더 및 증발원을 나타내는 정면도이다.
도 11은 도 10의 일부를 확대하여 나타내는 확대 정면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 있어서 기재의 표면에 피막이 형성된 상태를 나타내는 SEM 사진이다.
도 13은 비교예에 있어서 기재의 표면에 피막이 형성된 상태를 나타내는 SEM 사진이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법에 대하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법의 공정을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법은, 기재의 표면에 당해 기재보다도 높은 경도를 갖는 피막을 형성하는 방법이다. 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법은, 준비 공정(스텝 S10)과, 진공 공정(스텝 S11)과, 가열 공정(스텝 S12)과, 에칭 공정(스텝 S13)과, 타입 공정(스텝 S14)과, 피막 형성 공정(스텝 S15)과, 냉각 공정(스텝 S16)을 구비한다.
상기 준비 공정은, 상기 기재를 도 2에 나타낸 성막 장치(10)에 세트하는 공정이다. 상기 성막 장치(10)는 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하기 위하여 사용된다. 이 성막 장치(10)는 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하기 위한 성막 장치의 일례이다. 따라서, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시하기 위한 성막 장치는, 도 2에 나타내는 성막 장치(10)에 한정되지 않는다.
상기 성막 장치(10)는 진공 챔버(12)와, 회전 테이블(14)과, 복수의 기재 홀더(16)와, 바이어스 전원(18)과, 플라스마 발생 장치(19)와, 스퍼터링 장치(23)를 구비한다.
상기 진공 챔버(12)는 상기 회전 테이블(14) 및 상기 복수의 기재 홀더(16)를 수용하고, 당해 복수의 기재 홀더(16)는 당해 회전 테이블(14) 상에 배치된다. 진공 챔버(12)의 내부(즉, 회전 테이블(14) 및 복수의 기재 홀더(16)가 수용되어 있는 공간)는 상기 진공 공정, 상기 가열 공정, 상기 에칭 공정, 상기 타입 공정 및 상기 피막 형성 공정의 각각에 있어서, 도시되지 않은 진공 펌프에 의해 진공 또는 그에 가까운 상태로 유지된다. 진공 챔버(12)는 도시되지 않은 인렛 및 아웃렛을 갖는다. 상기 인렛은, 상기 에칭 공정, 상기 타입 공정 및 상기 피막 형성 공정의 각각에 사용되는 불활성 가스인 아르곤 가스가 상기 인렛을 통과하여 상기 진공 챔버(12) 내에 도입되는 것을 허용한다. 상기 아웃렛은, 당해 아웃렛을 통과하여 상기 아르곤 가스가 상기 진공 챔버(12) 내로부터 외부로 배출되는 것을 허용한다.
상기 회전 테이블(14)은 상기 에칭 공정, 상기 타입 공정 및 상기 피막 형성 공정의 각각에 있어서, 당해 회전 테이블(14) 상에 상기 복수의 기재 홀더(16)를 지지하면서, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같은 당해 회전 테이블(14)의 중심 축선(CL1)(도 3 및 도 4 참조)을 중심으로 상기 진공 챔버(12) 내에서 회전한다. 상기 회전 테이블(14)은 상기 복수의 기재 홀더(16) 각각의 자전이 가능하도록, 복수의 기재 홀더(16)가 개별로 각각 배치되는 복수의 회전대를 더 구비하여도 된다.
도 3 및 도 4를 참조하면서, 상기 복수의 기재 홀더(16)에 대하여 설명한다. 도 3 및 도 4는, 각각, 상기 복수의 기재 홀더(16)와 증발원(24)의 상대 위치 관계를 나타내는 평면도 및 정면도이다.
상기 복수의 기재 홀더(16)는 각각, 복수의 기재(17)를 지지한다. 복수의 기재 홀더(16) 각각에 있어서, 상기 복수의 기재(17)는 기재 홀더(16)의 외주면 상에 배치되어 있다.
상기 복수의 기재(17)는 복수의 기재 열로 나뉜 상태로, 당해 기재 홀더(16)에 지지되어 있다. 상기 복수의 기재 열 각각에 있어서, 상기 복수의 기재(17) 중 몇몇 기재(17)가 기재 홀더(16)의 중심 축선(CL2)에 따라 배열되어 있다. 상기 복수의 기재 열은, 기재 홀더(16)의 중심 축선(CL2) 둘레에, 즉 기재 홀더(16)의 둘레 방향으로, 적당한 간격을 두고 배열되어 있다. 즉, 복수의 기재(17)는 기재 홀더(16)의 중심 축선(CL2)이 연장되는 방향 및 기재 홀더(16)의 중심 축선(CL2) 둘레의 둘레 방향 각각에 있어서, 적당한 간격으로 배치되어 있다. 따라서, 상기 기재 홀더(16)의 외주면은 상기 복수의 기재(17)가 배치되지 않은 영역, 즉 상기 복수의 기재(17) 각각의 주위의 영역에 있어서 노출되어 있다.
상기 복수의 기재(17)는 각각, 절연성 재료로 형성되어 있다. 절연성 재료는, 예를 들어 세라믹이다.
상기 복수의 기재 홀더(16)는 각각, 도전성 재료로 형성되어 있다. 도전성 재료는, 예를 들어 스테인리스강이다.
도 3에 나타낸 양태에서는, 네 기재 홀더(16)가 회전 테이블(14)의 회전 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 그러나, 본 발명에 따른 복수의 기재 홀더의 수는, 다섯 이상이어도 되고, 셋 이하이어도 된다. 도 4는, 상기 복수의 기재 홀더(16) 중 증발원(24)에 가장 가까운 기재 홀더(16)와, 당해 기재 홀더(16)에 형성된 상기 복수의 기재 열 중 하나의 기재 열만을 나타내고 있다.
상기 복수의 기재 홀더(16)는 도 2에 나타낸 회전 테이블(14)(도 2 참조)의 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 상기 복수의 기재 홀더(16)는 각각의 중심 축선(CL2)이 상기 회전 테이블(14)의 중심 축선(CL1)에 평행인 자세로 당해 회전 테이블(14) 상에 배치되어 있다.
도 2에 나타낸 상기 바이어스 전원(18)은 상기 회전 테이블(14)을 통하여, 복수의 기재 홀더(16) 각각에 부의 바이어스 전압을 인가한다. 부의 바이어스 전압은, 상기 에칭 공정, 상기 타입 공정 및 상기 피막 형성 공정의 각각에 있어서 인가된다. 부의 바이어스 전압의 절댓값은, 에칭 공정, 타입 공정 및 피막 형성 공정의 각각에서 다르다.
도 5를 참조하면서, 바이어스 전원(18)이 복수의 기재 홀더(16) 각각에 인가하는 바이어스 전압에 대하여 설명한다. 도 5는, 당해 바이어스 전압의 파형을 나타내는 그래프이다.
상기 바이어스 전원(18)은 상기 복수의 기재 홀더(16) 각각에 대하여 부의 바이어스 전압을 단속적으로 인가한다. 당해 바이어스 전원(18)은 이 실시 형태에서는 펄스 전원이다.
바이어스 전원(18)은 에칭 공정, 타입 공정 및 피막 형성 공정의 각각에 있어서, 부의 바이어스 전압을 인가하지 않았을 때에는, 정의 바이어스 전압을 인가한다. 즉, 바이어스 전원(18)은 복수의 기재 홀더(16) 각각에 대하여 부의 바이어스 전압과 정의 바이어스 전압을 교대로 인가한다. 부의 바이어스 전압의 절댓값은, 정의 바이어스 전압의 절댓값보다도 크다.
상기 바이어스 전원(18)은 상기와 같이 부의 바이어스 전압과 정의 바이어스 전압을 교대로 인가하는 경우, 예를 들어 교류 전원(AC 전원)이어도 되고, 고주파 전원(RF 전원)이어도 된다.
도 2에 나타낸 상기 플라스마 발생 장치(19)는 필라멘트(20)와, 방전 전원(22)을 구비한다. 상기 방전 전원(22)은 상기 필라멘트(20)에 고전압을 인가함으로써 글로우 방전을 발생시킨다. 당해 글로우 방전에 의해, 도 6에 나타내는 바와 같이, 진공 챔버(12) 내에 도입된 아르곤 가스의 플라스마(P1)가 필라멘트(20)의 전방에 발생한다. 당해 플라스마(P1)는 아르곤 이온(불활성 가스 이온)을 포함하고, 상기 복수의 기재 홀더(16) 각각에 인가되는 상기 부의 바이어스 전압은 상기 필라멘트(20)의 정면에 위치하고 있는 기재 홀더(16)를 향하여 상기 아르곤 이온을 가속시킨다. 이와 같이 하여, 당해 기재 홀더(16)가 지지하는 복수의 기재(17) 각각에 대하여 아르곤 이온을 충돌시킬 수 있다. 도 6에서는, 스퍼터링 장치(23)(증발원(24) 및 스퍼터 전원(26))의 도시는 생략하였다.
도 2에 나타낸 상기 스퍼터링 장치(23)는 증발원(24)과, 스퍼터 전원(26)을 구비한다.
상기 증발원(24)은 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 금속 타깃(25)과, 이것을 지지하는 부재를 갖는다. 상기 증발원(24)은 상기 금속 타깃(25)의 전방에 고밀도인 플라스마를 생성할 수 있는 마그네트론 스퍼터원이다. 특히 본 실시 형태에서는, 마그네트론 스퍼터원으로서, 외측 자극의 자장을 내측 자극의 자장보다도 강하게 함으로써, 이들의 자장의 밸런스를 의도적으로 무너뜨린 비평형 자장을 형성할 수 있는 것이 채용되어 있다. 즉, 본 실시 형태에서는, 상기 스퍼터링 장치(23)에 의해, 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링법에 의한 스퍼터링이 행하여진다.
상기 스퍼터링 장치(23)에서는, 상기 스퍼터 전원(26)이 상기 증발원(24)에 고전압을 인가함으로써, 글로우 방전을 발생시킨다. 당해 글로우 방전에 의해, 도 7에 나타내는 바와 같이, 상기 진공 챔버(12) 내에 도입된 아르곤 가스의 플라스마(P2)가 발생한다. 도 7에서는, 상기 방전 전원(22)의 도시는 생략하였다.
상기 플라스마(P2)는 아르곤 이온(불활성 가스 이온)을 포함하고, 당해 아르곤 이온의 일부는, 상기 증발원(24)이 발생시키는 자장의 영향에 의해, 상기 금속 타깃(25)을 향하여 가속되어, 당해 금속 타깃(25)에 충돌한다. 이에 의해, 당해 금속 타깃(25)으로부터 금속 입자(즉, 스퍼터 입자)가 튀어나온다. 당해 금속 입자는, 증발원(24)의 정면에 위치하고 있는 기재 홀더(16)가 지지하는 복수의 기재(17) 각각의 표면에 퇴적된다.
상기 플라스마(P2) 중의 상기 아르곤 이온의 다른 일부는, 상기 복수의 기재 홀더(16) 각각에 인가되는 부의 바이어스 전압에 의해, 증발원(24)의 정면에 위치하고 있는 기재 홀더(16)를 향하여 가속된다. 이렇게 가속되는 아르곤 이온은, 상기와 같이 상기 금속 타깃(25)로부터 튀어나와서 상기 복수의 기재(17) 각각의 표면에 퇴적되어 있는 금속 입자에 충돌함으로써, 당해 복수의 기재(17) 각각의 표면에 금속 입자를 타입한다.
상기 성막 장치(10)는 도시되지 않은 피막 형성 장치를 더 구비한다. 당해 피막 형성 장치는, 상기 복수의 기재(17) 각각의 표면에 피막을 형성한다. 피막 형성 장치의 구체적인 구성이나 피막 형성을 위한 구체적 방법은 한정되지는 않는다. 피막 형성 방법은, 예를 들어 아크 이온 플레이팅법(AIP법)이나 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링법(UBMS법)이다.
상기 준비 공정(스텝 S10)에서는, 이상 설명한 성막 장치(10)에 상기 복수의 기재(17)가 세트된다. 구체적으로, 당해 준비 공정은, 상기 복수의 기재 홀더(16) 각각에 상기 복수의 기재(17)를 지지시키는 것과, 당해 복수의 기재(17)를 지지하는 당해 복수의 기재 홀더(16) 각각을 상기 진공 챔버(12) 내의 소정의 위치에 배치하는 것을 포함한다.
도 1을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법 중 상기 준비 공정(스텝 S10) 이후의 공정에 대하여 설명한다.
준비 공정(스텝 S10)의 종료 후, 진공 공정(스텝 S11)이 실시된다. 이 진공 공정은, 도시되지 않은 진공 펌프에 의해, 진공 챔버(12) 내를 진공 또는 그에 가까운 상태로 유지하는 공정이다. 진공 공정에서의 진공 챔버(12) 내의 압력은, 예를 들어 0.0001 내지 0.01Pa이다.
진공 공정의 종료 후, 상기 가열 공정(스텝 S12)이 실시된다. 이 가열 공정은, 상기 복수의 기재 홀더(16) 각각이 지지하는 상기 복수의 기재(17) 각각을 소정의 온도로 소정의 시간 가열하는 공정이다. 가열 공정에서의 복수의 기재(17) 각각의 온도는, 예를 들어 50 내지 300℃이다. 가열 공정에서의 복수의 기재(17) 각각의 가열 시간은, 예를 들어 0.5 내지 2시간이다. 상기 복수의 기재(17) 각각의 가열은, 예를 들어 상기 바이어스 전원(18)에 의한 상기 복수의 기재 홀더(16)로의 바이어스 전압의 인가에 의해 행하는 것도 가능하다.
가열 공정의 종료 후, 상기 에칭 공정(스텝 S13)이 실시된다. 이 에칭 공정은, 상기 복수의 기재 홀더(16) 각각이 지지하는 상기 복수의 기재(17) 각각의 표면을 에칭하는 공정이다. 구체적으로는, 이하와 같이 하여 실시된다.
우선, 아르곤 가스가 진공 챔버(12) 내에 도입된다. 당해 진공 챔버(12) 내로의 아르곤 가스의 도입량은, 예를 들어 50 내지 200ml/min이다. 이때의 진공 챔버(12) 내의 압력은, 예를 들어 0.5 내지 2.0Pa이다.
아르곤 가스가 상기 진공 챔버(12) 내에 도입되면서, 상기 방전 전원(22)이 상기 필라멘트(20)에 고전압을 인가함으로써, 글로우 방전이 발생한다. 상기 필라멘트(20)에 인가되는 고전압은, 예를 들어 40 내지 100V이다. 상기 글로우 방전에 의해, 아르곤 가스의 플라스마(P1)가 상기 필라멘트(20)의 전방에 발생한다. 당해 플라스마(P1)는, 아르곤 이온을 포함한다.
한편, 상기 바이어스 전원(18)에 의해, 복수의 기재 홀더(16) 각각에 부의 바이어스 전압과 정의 바이어스 전압이 교대로 인가된다. 각 기재 홀더(16)로의 정의 바이어스 전압의 인가는, 당해 기재 홀더(16)로의 부의 바이어스 전압의 인가에 기인하여 축적되는 양전하를 기재(17)로부터 제거하는 것을 가능하게 한다. 또한, 부의 바이어스 전압 및 정의 바이어스 전압 교대 인가는, 부의 바이어스 전압의 인가에 기인하는 양전하의 축적을 억제하면서, 불활성 가스 이온의 기재(17)로의 충돌을 안정적으로 행하는 것을 가능하게 한다.
정의 바이어스 전압을 인가하는 시간은, 부의 바이어스 전압을 인가하는 시간과 같아도 되고, 달라도 된다. 부의 바이어스 전압을 인가하는 시간은, 예를 들어 20 내지 100μs이다. 정의 바이어스 전압을 인가하는 시간은, 예를 들어 5 내지 50μs이다.
부의 바이어스 전압의 절댓값은, 단계적으로 크게 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 급격한 전압의 인가에 기인하는 이상 방전(아킹)의 발생을 억제할 수 있다. 예를 들어, 최초의 단계에서는 -100V의 바이어스 전압이 인가되고, 그 다음의 단계에서는 -200V의 바이어스 전압이 인가되고, 그 다음의 단계(마지막 단계)에서는 -300V의 바이어스 전압이 인가되는 것이 바람직하다.
상기 복수의 단계 각각에 있어서 부의 바이어스 전압을 인가하는 시간은, 서로 같아도 되고, 서로 달라도 된다.
정의 바이어스 전압의 절댓값은, 부의 바이어스 전압의 절댓값보다도 작은 것이 바람직하다. 이것은, 큰 절댓값을 가지는 부의 바이어스 전압의 인가에 의해 불활성 가스 이온을 기재(17)에 효과적으로 충돌시키면서, 양전하의 제거를 행하면 충분한 정의 바이어스 전압의 절댓값을 작게 억제하여 정부의 바이어스 전압 차를 작게 함으로써, 바이어스 전압 전환시의 전압 변화를 억제할 수 있다. 정의 바이어스 전압의 절댓값은, 예를 들어 5 내지 100V이다.
부의 바이어스 전압의 절댓값을 단계적으로 크게 할 경우에 있어서, 정의 바이어스 전압의 절댓값을 변화시킬 필요는 특별히 없다.
부의 바이어스 전압의 절댓값을 단계적으로 크게 하는 경우에 있어서, 각각의 단계에 있어서 정의 바이어스 전압을 인가하는 시간은, 서로 같아도 되고, 서로 달라도 된다.
상기와 같은 부의 바이어스 전압의 인가에 의해, 상기 플라스마(P1) 중의 아르곤 이온은, 필라멘트(20)의 정면에 위치하고 있는 기재 홀더(16)를 향하여 가속되어, 당해 기재 홀더(16)가 지지하는 복수의 기재(17) 각각에 대하여 충돌할 수 있다. 이와 같이 하여, 복수의 기재(17) 각각의 표면을 에칭하는 것이 가능하다.
상기 에칭 공정이 실시되는 시간은, 예를 들어 10 내지 30분이다. 부의 바이어스 전압의 절댓값을 단계적으로 크게 하는 경우, 각 단계의 실시 시간은, 예를 들어 3 내지 10분이다. 각 단계에 있어서의 실시 시간은, 서로 같아도 되고, 서로 달라도 된다.
상기 에칭 공정의 종료 후, 상기 타입 공정(스텝 S14)이 실시된다. 이 타입 공정은, 금속 입자(스퍼터 입자)를 복수의 기재(17) 각각의 표면에 타입하는 공정이다. 구체적으로는, 이하와 같이 하여 실시된다.
우선, 상기 필라멘트(20)로의 전압의 인가에 의한 글로우 방전의 생성을 종료한 후, 아르곤 가스를 진공 챔버(12) 내에 도입하면서, 스퍼터 전원(26)에 의해 증발원(24)에 고전압을 인가함으로써, 글로우 방전을 발생시킨다. 상기 증발원(24)에 인가되는 고전압은, 예를 들어 400 내지 700V이다.
상기 진공 챔버(12) 내로의 아르곤 가스의 도입은, 앞서의 에칭 공정으로부터 연속하여 행하여져도 되고, 당해 에칭 공정이 종료된 시점에서 일단 중지되어도 된다. 진공 챔버(12) 내로의 아르곤 가스의 도입량은, 에칭 공정에서의 도입량과 같아도 되고, 달라도 된다. 아르곤 가스가 도입되어 있을 때의 진공 챔버(12) 내의 압력은, 에칭 공정에서의 압력과 같아도 되고, 달라도 된다.
상기 글로우 방전에 의해, 상기 금속 타깃(25)의 전방에 아르곤 가스의 플라스마(P2)가 발생한다. 당해 플라스마(P2)는, 아르곤 이온을 포함한다.
상기 플라스마(P2) 중의 아르곤 이온의 일부는, 상기 증발원(24)이 발생시키는 자장의 영향에 의해, 상기 금속 타깃(25)을 향하여 가속되어, 당해 금속 타깃(25)에 충돌한다. 이에 의해, 당해 금속 타깃(25)으로부터 금속 입자(스퍼터 입자)가 튀어나온다. 당해 금속 입자는, 상기 증발원(24)의 정면에 위치하고 있는 기재 홀더(16)가 지지하는 복수의 기재(17) 각각의 표면에 퇴적된다.
한편, 상기 바이어스 전원(18)에 의해, 복수의 기재 홀더(16) 각각에 부의 바이어스 전압과 정의 바이어스 전압이 교대로 인가된다. 상기 기재 홀더(16)로의 정의 바이어스 전압의 인가에 의해, 당해 기재 홀더(16)로의 부의 바이어스 전압의 인가에 기인하여 축적되는 양전하를 기재(17)로부터 제거할 수 있다. 또한, 부의 바이어스 전압과 정의 바이어스 전압의 교대 인가는, 부의 바이어스 전압의 인가에 기인하는 양전하의 축적을 억제하면서, 기재(17)로의 불활성 가스 이온의 충돌을 안정적으로 행하게 하는 것을 가능하게 한다.
정의 바이어스 전압을 인가하는 시간은, 부의 바이어스 전압을 인가하는 시간과 같아도 되고, 달라도 된다. 부의 바이어스 전압을 인가하는 시간은, 예를 들어 20 내지 100μs이다. 정의 바이어스 전압을 인가하는 시간은, 예를 들어 5 내지 50μs이다.
정의 바이어스 전압의 절댓값은, 부의 바이어스 전압의 절댓값보다도 작은 것이 바람직하다. 이것은, 큰 절댓값을 가지는 부의 바이어스 전압의 인가에 의해 기재(17)에 불활성 가스 이온을 효과적으로 충돌시키면서, 양전하의 제거를 행하면 충분한 정의 바이어스 전압의 절댓값을 작게 억제하여 정부의 바이어스 전압 차를 작게 함으로써, 바이어스 전압 전환시의 전압 변화를 억제할 수 있다. 부의 바이어스 전압의 절댓값은, 예를 들어 80 내지 1000V이다. 정의 바이어스 전압의 절댓값은, 예를 들어 5 내지 100V이다.
타입 공정에서는, 부의 바이어스 전압 및 정의 바이어스 전압은, 각각, 일정한 크기로 설정된다.
타입 공정(특히, 그 종반)에 있어서의 부의 바이어스 전압의 절댓값은, 에칭 공정에서의 부의 바이어스 전압보다도 작은 것이 바람직하다. 이것은, 에칭 공정에 있어서 큰 절댓값을 가지는 부의 바이어스 전압을 인가함으로써 기재 표면의 효과적인 에칭을 실현하면서, 타입 공정에서의 부의 바이어스 전압의 절댓값을 에칭 공정보다도 작게 함으로써, 금속 입자가 타입된 기재 표면이 취성이 되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같은 부의 바이어스 전압의 인가에 의해, 플라스마(P2) 중의 아르곤 이온의 다른 일부는, 증발원(24)의 정면에 위치하고 있는 기재 홀더(16)를 향하여 가속되어, 상기와 같이 상기 금속 타깃(25)으로부터 튀어나와서 상기 기재 홀더(16)가 지지하는 복수의 기재(17) 각각의 표면에 퇴적되어 있는 금속 입자에 충돌함으로써, 당해 금속 입자를 상기 복수의 기재(17) 각각의 표면에 타입한다.
이러한 타입 공정이 실시되는 시간은, 예를 들어 3 내지 30분이다.
상기 타입 공정의 종료 후, 피막 형성 공정(스텝 S15)을 실시한다. 이 피막 형성 공정은, 상기 복수의 기재(17) 각각의 표면에 피막을 형성하는 공정이다. 당해 피막은, 중간층과, 주층을 포함한다. 이하, 이들에 대하여 설명한다.
상기 중간층은, 상기와 같이 하여 상기 복수의 기재(17) 각각의 표면에 타입된 금속 입자로 이루어지는 하지층의 표면을 덮도록 형성된다. 상기 중간층은, 상기 기재(17)를 구성하는 재료의 경도보다도 높은 경도를 갖는다. 상기 중간층은, 상기 주층과, 상기 기재(17)의 표면에 타입되어 있는 상기 금속 입자로 이루어지는 하지층의 양쪽에 양호하게 밀착하는 것이 가능하면 된다. 중간층은, 예를 들어 하지층과 양호하게 밀착하는 것이 가능한 층과, 주층과 양호하게 밀착하는 것이 가능한 층을 병유하는 것이어도 된다.
상기 주층은, 상기 중간층의 표면을 덮도록 형성된다. 상기 주층은, 상기 중간층의 경도보다도 높은 경도를 갖는다.
이러한 중간층 및 주층을 포함함으로써, 상기 피막은, 상기 기재(17)로부터 이격됨에 따라 단계적으로 높아지는 경도를 가질 수 있다. 그 결과, 경도 차(즉, 내부 응력 차)에 기인하는, 상기 기재(17)에 대한 상기 피막의 밀착성의 저하를 억제할 수 있다.
상기 중간층 및 상기 주층을 상기 피막에 포함시키기 위해서, 상기 피막 형성 공정은, 중간층을 형성하는 중간층 형성 공정(스텝 S151)과, 주층을 형성하는 주층 형성 공정(스텝 S152)을 포함한다.
상기 중간층 형성 공정은, 상기 기재(17)의 표면에 타입된 상기 금속 입자로 이루어지는 하지층의 표면을 상기 중간층이 덮도록 당해 중간층을 형성하는 공정이다. 상기 주층 형성 공정은, 상기 주층이 상기 중간층의 표면을 덮도록 당해 주층을 형성하는 공정이다.
중간층 및 주층은, 예를 들어 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링법(UBMS법)에 의해, 아르곤 가스 분위기 중에서, 순차 형성된다. 상기 진공 챔버(12) 내로의 아르곤 가스의 도입량은, 에칭 공정에서의 도입량과 같아도 되고, 달라도 된다. 상기 중간층 및 상기 주층을 형성하기 위해서, 상기 복수의 기재(17) 각각에 펄스형 바이어스 전압이 인가된다. 구체적으로는, 부의 바이어스 전압과 정의 바이어스 전압이 교대로 인가된다. 부의 바이어스 전압의 절댓값은, 예를 들어 50 내지 150V이다. 정의 바이어스 전압의 절댓값은, 예를 들어 5 내지 20V이다. 부의 바이어스 전압 및 정의 바이어스 전압 각각의 크기는 일정하게 설정된다.
상기 중간층에 복수의 층을 포함시키는 경우, 상기 중간층 형성 공정에서는 당해 복수의 층이 순차 형성된다. 상기 하지층이 Cr로 이루어질 경우, 상기 중간층은, 예를 들어 당해 하지층에 가까운 측으로부터 차례로 Cr층과, Cr/WC 경사층과, WC층과, WC/C 경사층을 포함하는 것이, 바람직하다. 상기 Cr층은, 예를 들어 Cr의 타깃을 사용함으로써 형성된다. 상기 Cr/WC 경사층은, 예를 들어 Cr의 타깃과, W의 타깃과, C의 타깃을 사용함으로써 형성된다. WC층은, 예를 들어 W의 타깃과, C의 타깃을 사용함으로써 형성된다. WC/C 경사층은, 예를 들어 W의 타깃과, C의 타깃을 사용함으로써 형성된다. 상기 중간층은, C층과, Al층과, Mo층과, Ta층과, V층을 더 포함하고 있어도 된다. 혹는, 중간층은, 이것들 중 적어도 하나를 포함하는 것이어도 된다.
상기 피막 형성 공정의 종료 후, 냉각 공정(스텝 S16)이 실시된다. 이 냉각 공정은, 상기 복수의 기재 홀더(16) 각각이 지지하는 상기 복수의 기재(17) 각각을 냉각하는 공정이다. 당해 냉각 공정은, 예를 들어 진공 챔버(12) 내로의 냉각용 가스의 도입이나, 진공 챔버(12)의 개방에 의해, 실시되는 것이 가능하다.
상기 냉각 공정의 종료 후, 상기 복수의 기재 홀더(16) 각각에 지지되는 상기 복수의 기재(17)가 상기 성막 장치(10)로부터 취출된다. 이에 의해, 이 실시 형태에 따른 성막 방법이 종료된다.
상기 성막 방법에 의하면, 상기 기재(17)에 대한 피막의 밀착성을 더욱 향상시킬 수 있다. 그 이유는, 이하와 같다.
상기 성막 방법은, 기재(17)의 표면에 퇴적된 금속 입자에 불활성 가스 이온을 충돌시킴으로써 당해 금속 입자를 당해 기재(17)의 표면에 타입하는 것을 포함한다. 당해 기재(17)의 표면으로의 당해 금속 입자의 타입은, 기재(17)와 그 표면에 형성되는 피막의 계면(경계선)을 가능한 한 없애는 것을 가능하게 한다. 또한, 상기 기재(17)와 상기 피막의 친화성보다도 상기 금속 입자와 상기 피막의 친화성이 높다. 따라서, 상기 기재(17)의 표면에 타입된 금속 입자 상에 상기 기재(17)를 형성함으로써, 당해 기재(17)에 대한 당해 피막의 밀착력을 향상시킬 수 있다.
도 8은, 상기 성막 장치의 제1 변형예에 따른 스퍼터링 장치(231)를 나타낸다. 이 제1 변형예에 따른 스퍼터링 장치(231)는 복수의 증발원(241)을 구비한다. 상기 복수의 증발원(241)은 복수의 기재 홀더(16) 각각이 갖는 중심 축선(CL2)이 연장되는 방향(도 8 중 상하 방향)으로 배열되어 있다. 상기 복수의 증발원(241)은, 예를 들어 중심 축선(CL2)이 연장되는 방향으로 등간격으로 배치된다. 상기 복수의 증발원(241) 각각은, 금속 타깃(251)과, 이것을 보유 지지하는 부재를 포함한다.
이렇게 복수의 증발원(241)을 구비하는 스퍼터링 장치(231)를 사용해도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 복수의 기재 홀더(16) 각각이 지지하는 복수의 기재(17) 각각의 표면에 금속 입자를 타입할 수 있다.
본 발명에 따른 복수의 기재 홀더 각각의 형상은, 각 기재 홀더가 지지하는 복수의 기재 각각의 형상을 고려하여, 적절히, 변경되는 것이 가능하다. 도 9, 도 10 및 도 11은, 상기 성막 장치의 제2 변형예를 나타낸다. 이 제2 변형예에서는, 상기 복수의 기재(17) 각각이 관통 구멍을 갖고, 상기 복수의 기재 홀더(16) 각각은, 도시되지 않는 베이스와 복수의 로드(161)를 갖는다. 상기 복수의 로드(161) 각각은, 도전성 재료로 형성되어, 상기 베이스에 의해 지지되는 하단 부분을 갖는다. 상기 복수의 로드(161)는 상기 베이스의 중심 축선(CL3) 둘레의 둘레 방향으로 등간격으로 배치된다. 상기 복수의 로드(161) 각각은, 상기 중심 축선(CL3)에 대하여 평행하게 배치되어 있다. 상기 중심 축선(CL3)은, 중심 축선(CL1)에 대하여 평행하게 연장되어 있다. 상기 복수의 로드(161) 각각은, 상기 복수의 기재(17)를 관통하도록 당해 복수의 기재(17) 각각의 관통 구멍에 삽입되어 있다. 상기 복수의 기재(17) 중, 상기 로드(161)가 연장되는 방향(로드(161)의 축방향)으로 서로 인접하는 두 기재(17)의 사이에 각각 스페이서(19)가 배치되어 있다. 당해 스페이서(19)는 상기 로드(161)와 마찬가지로, 도전성 재료로 형성되어 있다. 당해 스페이서(19)는 상기 로드(161)가 연장되는 방향(로드(161)의 축방향)으로 인접하는 두 기재(17)끼리의 접촉을 방지하고 있다.
이 제2 변형예에 있어서도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 상기 복수의 로드(161) 각각이 지지하는 복수의 기재(171) 각각의 표면에 금속 입자를 타입할 수 있다.
실시예
상기 실시 형태에 따른 성막 방법에 의해 형성된 피막에 대하여 로크웰 압흔 시험을 행했다(실시예). 구체적으로는, 상기 성막 방법에 의해 피막이 형성된 기재의 표면에 대하여 원추상의 압자를 눌러, 이것에 의해 형성되는 압흔의 상태를 조사하는 일이 행하여졌다. 도 12는, 당해 시험 후의 기재 표면의 SEM 사진이다. 또한, 당해 실시예와의 비교를 위해서, 상기 타입 공정을 포함하지 않는 성막 방법에 의해 형성된 피막에 대해서도 마찬가지인 시험이 행하여졌다(비교예). 도 13은, 당해 시험 후의 기재 표면 SEM 사진이다.
도 12에 나타낸 실시예에 따른 피막은, 도 13에 나타낸 비교예에 따른 피막에 비하여, 기재로부터 박리하기 어렵다. 이것은, 상기 비교예에 비하여 상기 실시예에 있어서의 피막의 밀착력이 대폭 향상되었음을 교시하고 있다.
이상 상술한 실시 형태는 어디까지나 예시이며, 본 발명은 상술한 실시 형태의 기재에 의해, 전혀, 한정적으로 해석되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 기재는, 절연 재료로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 도전성 재료로 이루어지는 것이어도 된다.
본 발명에 있어서, 부의 바이어스 전압과 정의 바이어스 전압을 교대로 인가하는 양태는, 상기와 같은 펄스상 전압의 인가에 한정되지 않는다. 예를 들어, 사인파상으로 변화하는 전압이 인가되어도 된다.
본 발명에 따른 타입 공정은, 에칭 공정이 종료되기 전에 개시되어도 된다. 이 경우, 부의 바이어스 전압은, 스퍼터 전원이 ON으로 된 시점으로부터 점차 변경되면 된다.
이상과 같이, 기재의 표면에 당해 기재의 경도보다도 높은 고도를 갖는 피막을 양호하게 밀착시킬 수 있는 성막 방법이 제공된다. 이 성막 방법은, 상기 기재를 수용하는 챔버 내에 불활성 가스를 도입하면서 방전함으로써 생성되는 불활성 가스 이온을 상기 기재의 표면에 충돌시킴으로써 상기 기재의 표면을 에칭하는 에칭 공정과, 상기 불활성 가스 이온을 금속 타깃에 충돌시킴으로써 상기 금속 타깃으로부터 금속 입자를 튀어나가게 해, 상기 에칭 공정에서 에칭된 상기 기재의 표면에 상기 금속 입자를 퇴적시키면서, 상기 불활성 가스 이온을 상기 기재의 표면에 퇴적되어 있는 상기 금속 입자에 충돌시킴으로써 상기 금속 입자를 상기 기재의 표면에 타입하는 타입 공정과, 상기 타입 공정에서 상기 금속 입자가 타입된 상기 기재의 표면에 상기 피막을 형성하는 피막 형성 공정을 구비한다.
상기 성막 방법에서는, 에칭 공정을 거쳐서 기재의 표면에 퇴적된 금속 입자에 불활성 가스 이온을 충돌시킴으로써, 당해 금속 입자를 기재 표면에 타입할 수 있어, 이에 의해 기재와 피막의 계면(경계선)을 가능한 한 없앨 수 있다. 게다가, 금속 입자와 피막의 친화성은 기재와 피막의 친화성보다도 높기 때문에, 상기와 같이 기재 표면에 타입된 금속 입자 상에 피막을 형성함으로써, 기재와 피막의 밀착성을 높일 수 있다.
상기 성막 방법에 있어서, 상기 기재가 절연성을 갖고서 상기 기재 홀더가 도전성을 갖고 있으며, 상기 에칭 공정 및 상기 타입 공정의 각각에서는, 상기 기재 홀더의 표면의 일부가 노출된 상태로 상기 기재를 지지하고 있는 상기 기재 홀더에 부의 바이어스 전압이 인가되는 것이, 바람직하다.
상기 기재 홀더에 대한 부의 바이어스 전압의 인가는, 불활성 가스 이온을 기재 홀더를 향하여 가속시켜서 당해 불활성 가스 이온의 일부를 기재 홀더가 지지하는 기재에 충돌시키는 것을 가능하게 한다. 이것은, 기재가 절연성을 가짐에도 불구하고 당해 기재의 표면에 불활성 가스 이온을 충돌시키는 것을 가능하게 한다.
상기 성막 방법에 있어서, 바람직하게는 상기 에칭 공정 및 상기 타입 공정의 각각은, 상기 기재 홀더로의 상기 부의 바이어스 전압의 인가를 정지하여 정의 바이어스 전압을 인가하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기재 홀더에 대한 상기 정의 바이어스 전압의 인가는, 당해 기재 홀더에 대한 상기 부의 바이어스 전압의 인가에 기인하여 축적되는 양전하를 기재로부터 제거하는 것을 가능하게 한다. 또한, 정의 바이어스 전압의 인가(예를 들어 정의 바이어스 전압과 부의 바이어스 전압의 교대의 인가, 혹는, 정의 바이어스 전압의 정기적인 인가)는 상기 부의 바이어스 전압의 인가에 기인하는 양전하의 축적을 억제하면서, 불활성 가스 이온의 기재로의 충돌을 안정적으로 행하게 하는 것을 가능하게 한다.
상기 성막 방법에 있어서, 바람직하게는 상기 정의 바이어스 전압의 절댓값이 상기 부의 바이어스 전압의 절댓값보다도 작다.
이것은, 큰 절댓값을 가지는 부의 바이어스 전압의 인가에 의해 불활성 가스 이온을 기재에 효과적으로 충돌시키면서, 양전하의 제거를 행하면 충분한 정의 바이어스 전압의 절댓값을 작게 억제하여 정부의 바이어스 전압 차를 작게 함으로써, 바이어스 전압 전환시의 전압 변화를 억제할 수 있다.
상기 성막 방법에 있어서, 바람직하게는 상기 타입 공정에서 인가되는 상기 부의 바이어스 전압의 절댓값이 상기 에칭 공정에서 인가되는 상기 부의 바이어스 전압의 절댓값보다도 작다.
이것은, 에칭 공정에서는 큰 절댓값을 가지는 부의 바이어스 전압의 인가에 의해 기재 표면의 효과적인 에칭을 실현하면서, 타입 공정에서는 부의 바이어스 전압의 절댓값을 에칭 공정보다도 작게 함으로써, 금속 입자가 타입된 기재 표면이 취성이 되는 것을 방지할 수 있다.
상기 성막 방법에 있어서, 바람직하게는 상기 피막 형성 공정은, 상기 타입 공정이 행하여진 후에, 상기 피막을 구성하는 중간층을 형성하는 중간층 형성 공정과, 상기 중간층 형성 공정이 행하여진 후에, 상기 중간층과 함께 상기 피막을 구성하는 주층이며 상기 중간층의 경도보다도 높은 경도를 갖는 주층을 형성하는 주층 형성 공정을 포함한다.
이와 같이 하여 형성된 피막, 즉, 상기 중간층 형성 공정에 의해 형성된 중간층과 상기 주층 형성 공정에 의해 형성된 주층을 포함하는 피막은, 상기 기재로부터 이격됨에 따라 단계적으로 높아지는 경도를 가지므로, 기재와 그 표면에 형성되는 피막 사이의 경도 차 및 이것에 대응하는 내부 응력 차를 억제하여 당해 내부 응력 차에 기인하는 상기 피막의 상기 기재에 대한 밀착성의 저하를 억제할 수 있다.

Claims (6)

  1. 기재의 표면에 당해 기재의 경도보다도 높은 경도를 갖는 피막을 형성하는 성막 방법이며,
    상기 기재를 수용하는 챔버 내에 불활성 가스를 도입하면서 방전함으로써 생성되는 불활성 가스 이온을 상기 기재의 표면에 충돌시킴으로써 상기 기재의 표면을 에칭하는 에칭 공정과,
    상기 불활성 가스 이온을 금속 타깃에 충돌시킴으로써 상기 금속 타깃으로부터 금속 입자를 튀어나가게 해, 상기 에칭 공정에서 에칭된 상기 기재의 표면에 상기 금속 입자를 퇴적시키면서, 상기 불활성 가스 이온을 상기 기재의 표면에 퇴적되어 있는 상기 금속 입자에 충돌시킴으로써 상기 금속 입자를 상기 기재의 표면에 타입하는 타입 공정과,
    상기 타입 공정에서 상기 금속 입자가 타입된 상기 기재의 표면에 상기 피막을 형성하는 피막 형성 공정을 구비하는, 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기재가 절연성을 갖고 상기 기재 홀더가 도전성을 갖고 있으며, 상기 에칭 공정 및 상기 타입 공정의 각각에서는, 상기 기재 홀더의 표면의 일부가 노출된 상태로 상기 기재를 지지하고 있는 상기 기재 홀더에 부의 바이어스 전압이 인가되는, 성막 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 에칭 공정 및 상기 타입 공정의 각각은, 상기 기재 홀더로의 상기 부의 바이어스 전압의 인가를 정지하고 당해 기재 홀더에 정의 바이어스 전압을 인가하는 것을 포함하는, 성막 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 정의 바이어스 전압의 절댓값이 상기 부의 바이어스 전압의 절댓값보다도 작은, 성막 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 타입 공정에서 인가되는 상기 부의 바이어스 전압의 절댓값이, 상기 에칭 공정에서 인가되는 상기 부의 바이어스 전압의 절댓값보다도 작은, 성막 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피막 형성 공정은, 상기 타입 공정이 행하여진 후에, 상기 피막을 구성하는 중간층을 형성하는 중간층 형성 공정과, 상기 중간층 형성 공정이 행하여진 후에, 상기 중간층과 함께 상기 피막을 구성하는 주층이며 상기 중간층의 경도보다도 높은 경도를 갖는 주층을 형성하는 주층 형성 공정을 포함하는, 성막 방법.
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