KR20020077216A - 진공아크 증착장치 및 진공아크 증착방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 진공아크 증착장치는 진공아크 증발원에 의해 생성된 플라즈마를 편향 또는 집속시키는 자장을 발생시켜 이 자장에 의해 상기 플라즈마를 성막실 내의 기본체의 근방으로 인도하는 자기코일과, 이 자기코일에 자장을 발생시키는 코일전류를 공급하는 한편, 자기코일에 공급되는 코일전류의 흐름방향을 역전시키는 코일전원과, 자기코일에 공급되는 코일전류의 흐름방향을 역전시키기 위해 상기 코일전원을 제어하는 제어기를 구비한다.

Description

진공아크 증착장치 및 진공아크 증착방법{VACUUM ARC VAPOR DEPOSITION APPARATUS AND VACUUM ARC VAPOR DEPOSITION METHOD}
본 발명은 예를들면 자동차부품, 기계부품, 공구, 금형 등의 기본체(substrate) 표면에 예를들면 윤활성이나 경도 등에서 우수한 성막을 형성하는 것 등에 사용되고, 진공아크증발원에 의해 생성된 플라즈마를 기본체 근방에 도입하고 자기코일을 구비하는 진공아크 증착장치 및 진공아크 증착방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 자기코일이 작용하는 자장 속에서 플라즈마의 드리프트에 의해 기본체 표면에서의 막두께분포의 균일성이 악화되는 것을 억제하기 위한 진공아크 증착장치에 관한 것이다.
진공 아크방전에 의해 음극을 증발시켜 음극물질을 포함한 플라즈마를 생성하는 진공아크 증발원을 이용하여 기본체로 성막(박막형성)하는 진공아크 증착장치는 성막속도가 커서 생산성이 우수한 특별한 장점을 가지고 있다.
그러나, 진공아크 증발원의 음극으로부터 증발하는 음극물질에는 성막에 바람직한 미소입자 외에 예를들면 직경이 수 ㎛ 정도 또는 그 이상이 되는 매크로입자(이것을 소위 "드롭렛-droplet"이라고도 한다)가 포함되어 있다. 이 매크로 입자가 기본체로 날려와 그 표면에 부착하면 막의 밀착성이나 평활성(면조도-面粗度)이 낮아지는 결점이 있다.
이 결점을 해소하기 위해 (1) 편향자장에 의해 매크로입자를 제거하여 플라즈마를 기본체로 수송하는 기술(예를들면 일본특허공개2001-3160호 공보참조)이나, (2) 자장으로 플라즈마를 집속시켜 플라즈마를 고밀도화 함으로써 매크로 입자를 미세화하는 기술(예를들면 일본특허공개2000-34561호공보참조)이 이미 제안되어 있다.
도 10은 상기 (1)의 기술을 채용한 진공아크 증착장치이고, 이 장치는 도시하지 않은 진공배기장치에 의해 진공배기되는 성막실(환언하면 진공용기)(2)을 구비하고, 그 속에 성막되는 기본체(6)를 유지하는 홀더(8)가 설치되어 있다.
성막실(2) 내에는 그 예로서 도시하지 않은 가스원(source)으로부터 불활성가스, 반응성가스 등의 가스(4)가 도입된다.
홀더(8) 및 그것에 유지되는 기본체(6)에는 이 예로서는 바이어스전원(10)으로부터 예를들면 -50V ∼ -500V 정도의 마이너스 바이어스전압VB이 인가된다.
성막실(2)에는 이 예로서 90도 정도 구부러진 덕트(편향덕트)(28)를 통해 진공아크 증발원(12)이 접속되어 있다.
진공아크 증발원(12)은 덕트(28)의 단부판(29)에 절연물(20)을 개재하여 장착되는 음극(14)을 가지고 있고, 이 음극(14)과 양극 겸용의 덕트(28)(단 양극전극을 별도설치하는 경우도 있다. 이하 동일)과의 사이의 진공아크방전에 의해 음극(14)을 증발시키고, 음극물질(즉 음극14을 구성하는 물질, 이하 동일)(16)을 포함하는 플라즈마(18)를 생성하는 것이다. 음극(14)과 덕트(28)와의 사이에는 아크전원(22)으로부터 상기 아크방전용의 전압이 인가된다. 진공아크증발원(12)은 공지의 트리거기구, 수냉가구 등을 가지고 있지만 본 명세서에서는 그들의 도시를 생략하고 있다.
덕트(28)의 외주에는 진공아크 증발원(12)에 의해 생성된 플라즈마(18)를 편향시킨 자장을 발생시키고, 해당 편향자장에 의해 플라즈마(18)를 성막실(2) 내의 기본체(6)의 근방에 도입하는(수송하는) 복수의 자기코일(24)이 설치되어 있다. 이들 자기코일(24)이 발생하는 자력선(26)의 일부를 도면 중에 개략적으로 나타냈지만 덕트(28)의 내면을 따라 뻗어있다. 각 자기코일(24)은 상호 직렬접속되고, 이들에는 직류의 코일전원(30)으로부터 상기 자장발생용 코일전류IC가 공급된다.
진공아크 증발원(12)에 의해 생성된 플라즈마(18)는 자력선(26)을 따라서 구부러져 기본체(6) 쪽으로 수송된다. 그 때, 음극(14)으로부터 날아온 매크로 입자는 전기적으로 중성이거나 플라즈마(18) 중에서 마이너스로 대전된다. 어느 경우이든지 매크로입자는 질량이 상당히 크기 때문에 자장에 관계없이 직진하고 구부러진 덕트(28)의 내벽으로 출돌하며, 기본체(6)에는 도달하지 않는다. 그 결과 기본체(6)의 근반에는 매크로입자를 거의 포함하지 않는 플라즈마(18)가 인도된다. 따라서 매크로입자가 기본체(6)에 부착하는 것을 방지할 수가 있다. 상기와 같은 자기코일(24), 덕트(28) 및 코일전원(30)(도 1의 예에서는 코일전원(40))을 구비하는 구성을 그 매크로입자 제거작용에 착안하여 자기 필터라 칭하는 경우도 있다.
이와같이 하여 기본체(6)의 근방에 수송된 플라즈마 속의 이온( 즉, 이온화된 음극물질(16) )은 바이어스전압VB 등에 의해 기본체(6)로 끌리고, 기본체의 표면에 퇴적하여 박막을 형성한다. 이때, 가스(4)로서 음극물질(16)과 반응하여 화합물을 생성하는 반응성가스를 도입해 두면 화합물박막을 형성할 수 있다.
균일한 자장 속에서 전자가 수송되는 상태를 고려하면, 이미 잘 알려진 바와같이, 전자는 다음식으로 표시되는 로렌츠힘(Lorentz force)을 받고, 자력선의 둘레에 감기면서 선회운동을 행한다. 여기서 q는 전하, v는 전자의 속도, B는 자속밀도이다(이하도 같다).
(1) F = qvB
따라서, 균일한 자장이면 예를들면 도 11에 나타낸 2개의 위치P,Q로부터 날아온 전자(32)는 균일한 자력선(26)을 따라서 진행하여 기본체(6)에 도달하고, 위치P,Q에 각각 대응하는 위치P1, Q1 부근에 각각 입사한다.
그러나, 현실의 자기코일(24)에 의해 형성된 자장은 균일한 자장은 아니며, 필연적으로 자장의 구배를 가지고 있다. 자장의 구배가 있는 경우, 전자와 같은 전하입자의 드리프트에 대해서는 예를들면 책 "최신 플라즈마 발생기술"(요시노부 카와이 저서, 1991년 8월 5일 IPC 사 발행)의 12 페이지 내지 21페이지에도 기재되어 있는 바와같이, 해당 전하입자는 다음식으로 표시되는 드리프트 속도VD로 드리프트 한다. 여기서 μ는 투자율, ∇B는 자장의 구배(벡터), BV는 자장(벡터), 그 외에는 상기와 같다.
(2) VD로 = - μ(∇B ×BV)/(qB2)
이것를 도 10(또는 후술하는 도 1)에 나타낸 바와같이 편향자장으로 플라즈마(18)를 수송하는 장치의 경우에 적용하여 설명한다.
먼저, 자기코일(24) 및 덕트(28)가 단면원형인 경우의 예를 도 12 내지 도 18에 나타냈다. 도 12 내지 도 15는 2개의 음극(14a, 14b)를 2개의 위치P,Q로 간략화한 것이고(후술하는 도 19 내지 도 21도 같다), 도 16 내지 도 18은 해당 음극(14a, 14b)을 구체적으로 나타낸 것이다(후술하는 도 22, 도 23 및 도 2 내지 도 7도 같다).
이 경우는 도 14에 도시한 바와같이, 원형의 자기코일(24)의 성질때문에 덕트(28) 내에는 그 중심부(28a)가 가장 약하고 그곳으로부터 외측으로 향하면서 점차 강해지는 형태의 자장 구배∇B가 존재하게 된다. 또, 복수의 자기코일(24)을 도10 등에 나타낸 바와같이 구부러져 배치하게 되는 경우, 자장이 가장 약한 부분이 실제는 덕트(28)의 중심부(28a) 에서 외측으로 다소 벗어난 부분이 된다.
따라서, 도 12 및 도 13에 나타낸 바와같이, 2개의 위치P, Q로부터 나온 전자(32a)(32b)는 도 14에 나타낸 바와같이 자장의 구배∇B에 의해 상기 식(2)에 따라서 도 15에 나타낸 바와같이 원주방향의 드리프트 속도VD로 드리프트 된다. 따라서, 기본체(6)에는 원주방향에서 변위된 위치에 도달한다. 이온의 경우도 같으며, 결국 플라즈마는 원주방향에서 변위된 형태로 드리프트 한다.
따라서, 도 16 및 도 17에 나타낸 예와 같이 2개의 진공아크 증발원(12)을 상호 z축을 따라 상하로 분리하여 설치한 경우, 각 음극(14a)(14b)에서 각각 생성된 플라즈마(18)는 원주방향으로 드리프트 되면서 기본체(6)에 도달하게 된다. 각 음극(14a)(14b)에서 생성되는 플라즈마(18)는 통상 중심부가 농밀하고 둘레부가 옅은 산형의 밀도분포를 가지고 있다. 따라서 기본체(6)의 표면에는 도 18에 나타낸 예와 같이 각 음극(14a)(14b)에 대응하는 위치(34a)(34b)로부터 원주방향으로 변위된 위치에 막두께분포(환언하면 성막속도분포)의 피크부(36a)(36b) 및 그 주변부(38a)(38b)가 표시되어 있다.
다음에, 자기코일(24) 및 덕트(28)가 단면 직사각형의 경우의 예를 도 19 - 도 23에 나타냈다.
이 경우는 도 20에 나타낸 바와같이, 직각형의 자기코일(24)의 성질 때문에또, 복수의 자기코일(24)을 도 10 등에 나타낸 바와같이 구부려 배치한 것 때문에덕트(28) 내에는 그 중심부(28a) 보다도 다소 벗어난 외측 부분(28b)아 가장 약하고, 그 곳으로부터 외측으로 향하면서 점차 강해지는 자장구배∇B가 존재하게 된다.
따라서, 도 12 및 도 19에 나타낸 바와같이 2개의 위치P,Q로부터 나온 전자(32a)(32b)는 도 20에 나타낸 자장구배∇B에 의해 상기 수학식(2)에 따라서 도 21에 나타낸 바와같이 하방향과 횡방향을 합성하여 이루어지는 경사하방향의 드리프트 속도VD로 드리프트 한다.
따라서, 도 16 및 도 22의 예와같이 2개의 진공아크 증발원(12)을 상호 z축을 따라서 상하로 분리하여 설치한 경우, 각 음극(14a)(14)에 각각 생성된 플라즈마(18)는 경사 하방향이 되면서 기본체(6)에 도달하게 되고, 기본체(6)의 표면에는 도 23에 나타낸 바와같이 각 음극(14a)(14b)에 대응하는 위치(34a)(34b)로부터 경사 하방향으로 변위된 위치에 막두께의 피크부(36a)(36b) 및 그 주변부(38a)(38b)가 나타난다.
이 양 피크부(36a)(36b) 등의 변위에는 서로가 차이가 있으며, 상측의(상하는 z축방향에 있어서의 것, 이하동일) 피크부(36a) 보다도 피크부(36b) 쪽이 횡방향 및 하방향의 변위가 크다는 실험결과를 얻었다. 따라서, 양 피크(36a)(36b)는 상호 분리된 방향으로 변위된다. 도 23은 그 일예를 나타낸 것으로서 이와같은 변위가 발생하면 기본체(6)의 중심부근에는 거의 성막이 이루어지지 않는다. 더욱이 이 변위는 기본체(6)가 진공아크 증발원(12)으로부터 멀어지면서 점차 커지게된다.
상기와 같이 자장의 구배∇B에 의해 기본체(6)의 표면에서의 막두께분포의 피크부(36a)(36b) 및 그 주변부(38a)(38b)가 각각 변위되는 것 때문에 기본체(6)에 대하여 목표 성막을 행하는 것을 곤란하게 하고, 기본체(6)의 표면에서의 막두께분포의 균일성을 악화시키는 원인이 된다. 자기코일(24)) 및 덕트(28)가 단면원형인 경우에 비하면 자기코일(24) 및 덕트(28)가 단면 직사각형인 경우는 특히 상술한 바와같이 막두께분포의 피크부(36a)(36b)가 상호 떨어진 방향으로 변위되고, 더욱이 기본체(6)가 진공아크 증발원(12)으로부터 멀어지면서 점차 그 변위가 커지므로 기본체(6)의 표면에서의 막두께분포의 균일성을 악화시키는 정도가 커진다.
이러한 점을 근간으로 본 발명은 상술한 바와같은 자기코일이 생성하는 자장 속에서의 플라즈마의 드리프트에 의해 기본체표면에서의 막두께분포의 균일성이 악화하는 것을 억제하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 관한 진공아크증착장치의 일예를 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1 중에서 2개의 진공아크 증발원의 각 음극의 배치를 도 1의 C-C방향으로 볼 때를 나타낸 것으로서, 자기코일 및 덕트가 단면 사각형인 경우의 예를 도시한 도면.
도 3은 코일전류를 반전시키기 전에 도 1 에서의 자기코일의 자장에 의한 전자 드리프트 방향을 도 1의 D-D방향으로 볼 때를 나타낸 것으로서, 자기코일 및 덕트가 단면 사각형인 경우의 예를 도시한 도면.
도 4는 코일 전류를 반전시킨 후에 도 1에서의 자기코일의 자장에 의한 전자 드리프트 방향을 도 1의 D-D방향으로 볼 때를 나타낸 것으로서, 자기코일 및 덕트가 단면 사각형인 경우의 예를 도시한 도면.
도 5는 코일 전류를 반전시키기 전에 도 2의 각 음극에 의한 성막의 기본체표면에 있어서의 막두께분포의 일예를 나타낸 도면.
도 6은 코일 전류를 반전시킨 후에 도 2의 각 음극에 의한 성막의 기본체 표면에서의 막두께분포의 일예를 나타낸 도면.
도 7은 도 5와 도 6의 막두께분포를 중합시킨 도면.
도 8은 기본체의 주변근방에 2개의 막두께 미터기를 설치한 예를 나타내는 도면.
도 9는 기본체의 주변근방에 2개의 이온전류 프로그램을 설치한 예를 나타내는 도면.
도 10은 종래의 진공아크 증착장치의 일예를 나타내는 개략단면도.
도 11은 균일한 자장 속에서 전자의 운동을 나타내는 개략도.
도 12는 도 1 및 도 10의 장치의 자기코일 일부를 나타내는 도면.
도 13은 도 12의 C-C방향으로 본 단면의 일예를 나타낸 것으로서, 자기코일 및 덕트가 단면원형인 경우의 예를 나타내는 도면.
도 14는 도 12의 D-D방향으로 본 단면에 있어서의 자장구배를 나타낸 것으로서, 자기코일 및 덕트가 단면원형인 경우의 예를 나타내는 도면.
도 15는 도 14의 자기코일의 자장에 의한 전자 드리프트 방향을 나타내는 도면.
도 16은 도 1 및 도 10의 장치의 음극으로부터 기본체에 걸쳐진 부분을 발취하여 나타낸 도면.
도 17은 도 16의 각 음극배치를 도 16의 C-C방향에서 본 것으로서, 자기코일 및 덕트가 단면원형인 경우의 예를 나타낸 도면.
도 18은 도 17의 각 음극에 의한 성막 기본체 표면에서의 막두께분포의 일예를 나타낸 도면.
도 19는 도 12의 C-C방향에서 본 단면의 일예로서, 자기 코일 및 덕트가 단면 사각형인 경우의 예를 나타낸 도면.
도 20은 도 12의 D-D방향에서 본 단면에서의 자기구배로서, 자기코일 및 덕트가 단면 사각형인 경우의 예.
도 21은 도 20의 자기코일의 자장에 의한 전자드리프트방향을 나타낸 도면.
도 22는 도 16의 각 음극의 배치를 도 16의 C-C방향에서 본 것으로서, 자기코일 및 덕트가 단면 사각형인 경우의 예.
도 23은 각 음극에 의한 성막 기본체 표면에서의 막두께분포의 일예를 나타낸 도면.
이러한 목적을 실현하기 위해 본 발명에 따른 진공아크 증착장치는 기본체를 수납하여 진공배기되는 성막실과; 진공아크방전에 의해 음극을 증발시켜 음극물질을 포함하는 플라즈마를 생성하는 진공아크 증발원과; 이 진공아크 증발원에 의해 생성된 플라즈마를 편향 또는 집속시키는 자장을 발생시켜 이 자장에 의해 상기 플라즈마를 상기 성막실 내의 기본체의 근방으로 인도하는 자기코일과; 이 자기코일에 상기 자장을 발생시키는 코일전류를 공급하는 한편, 이 자기코일에 공급되는 코일전류의 흐름방향을 역전시키는 코일전원과; 상기 자기코일에 공급되는 코일전류의 흐름방향을 역전시키기 위해 상기 코일전원을 제어하는 제어기를; 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 자기 코일이 생성하는 자장에 의해 플라즈마를 기본체의 근방에 인도하는 작용은 자기코일로 흐르는 코일전류를 반전시키기 전과 반전시킨 후 모두에 이루어진다. 이것은 자장이 발생하는 한 그 자장에 의해 플라즈마를 인도하는 것이 가능하기 때문이다.
그러나, 자기코일로 흐르는 코일전류를 반전시키면 전술한 자장의 구배∇B의 방향은 변하지 않게 되지만 베터자장Bv의 방향은 반전한다. 따라서 상기 수학식(2)로부터도 알 수 있는 바와같이, 수송하는 플라즈마로 작용하는 드리프트속도VD도 반전한다.
그 결과 수송 중의 플라즈마의 드리프트에 의해 기본체 표면에서의 막두께분포의 피크부가 변위된다고 하는 전술한바 있는 현상이 코일전류를 반전시킴으로써 기체표면에서 반전하여 나타나게 된다. 이 반전에 의해 막두께분포의 불균일성이 완화되므로 기체표면에서의 막두께분포의 균일성이 악화되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과 기본체에 대해 보다 넓은 면적에 걸쳐 균일한 성막이 가능하게 된다.
다음에, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 관한 진공아크 증착장치의 일예를 나타내는 개략도이다.도 2는 도 1에서의 2개의 진공아크 증발원의 각 음극의 배치를 도 1의 C-C 방향으로 볼 때의 도면으로서 자기코일 및 덕트가 단면 직사각형인 경우의 예이다. 도 2와 전술한 도 22와는 동일한 것이다. 도 10 내지 도 23에 나타낸 예와 동일 또는 상당하는 부분에는 동일부호를 병기하고 이하에 있어서는 종래예와 상이한 점을 위주로 설명한다.
도 1에 나타낸 바와같이, 진공아크 증발장치는 종래의 직류의 코일전원(30) 대신에 상기 복수의 각 자기코일(24)에 흐르는 코일전류IC를 정역반전 시키는 것이 가능한 코일전원(40)을 구비하고, 또, 이 코일전원(40)을 제어하여 각 자기코일(24)로 흐르는 코일전류IC의 방향을 반전시키는 제어기(42)를 구비한다.
코일전원(40)은 예를들면 정역의 양 극성의 전류를 흐르게 할 수 있는 양극성(바이폴라) 전원인 것도 좋고, 정방향의 전류를 흐르는 직류전원과 그 역방향의 전류를 흐르는 직류전원을 조합시킨 전원 등도 좋다.
이 진공아크 증착장치는 전술한 바 있는 2개의 진공아크 증발원(12)을 상호 z축을 따라 상하로 분리하여 설치하고 있다.
각 자기코일(24) 및 덕트(28)의 단면형상은 전술한 바와같이 원형인 경우도 있고, 도 2 내지 도 7과 같이 직사각형인 경우도 있다.
각 자기코일(24)이 발생하는 자장에 의해 각 진공아크 증발원(12)이 생성된 플라즈마(18)를 성막실(2) 내의 기본체(6)의 근방으로 인도하는 작용 자체는 각 자기코일(24)로 흐르는 코일전류IC를 반전시키기 전도 반전시킨 후도 모두 이루어진다. 이것은 자장이 발생하는 한 그 자장에 의해 플라즈마(18)를 인도할 수가 있기 때문이다.
그러나, 각 자기코일(24)에 진공아크 증발원(12) 측으로부터 볼 때 시계회전방향으로 코일전류IC를 흐르게 하면 각 진공아크 증발원(12)의 각 음극(14a)(14b)으로부터 나온 전자(32a)(32b)는 도 3에 나타낸 바와같이 경사하방향의 드리프트 속도VD로 드리프트하고, 그것에 대응하여 각 음극(14a)(14b)의 근방으로 생성되고, 또한 자장에 의해 수송되는 플라즈마(18)도 이 방향으로 드리프트하며, 기본체(6)의 표면으로 형성되는 박막의 막두께분포의 피크부(36a)(36b) 및 그 주변부(38a)(38b)는 도 5에 나타낸 바와같이 경사하방향으로 변위된 위치에 나타난다. 도 3 및 도 5는 전술한 도 21 및 도 23에 각각 상당하고, 이와같은 드리프트속도VD나 막두께분포의 변위가 발생하는 것에 관해서는 앞서 상세히 설명한 바 있다.
한편, 각 자기코일(24)로 흐르는 코일전류IC를 상기와는 반대로 반전시키고, 도 4에 나타낸 바와같이 반시계방향으로 하면 각 자기코일(24)이 생성하는 자장의 구배∇B 방향은 변하지 않지만 벡터자장Bv의 방향은 반전하므로 상기 수학식(2)로부터도 분명한 바와같이, 전술한 각 전자(32a)(32b)에 작용하는 드리프트 속도VD는 도 4에 나타낸 바와같이 도 3의 경우와는 반대방향으로 향한다. 즉, 경사상방향으로 향한다. 그에 따라 각 음극(14a)(14b)의 근방에서 생성되고, 또한 자장에 의해 수송되는 플라즈마(18)도 이 드리프트 속도VD의 방향으로 드리프트하게 된다.
그 결과, 수송 중의 플라즈마(18)의 드리프트에 의해 기본체(6)의 표면에 있어서의 막두께분포의 피크부(36a)(36b) 및 그 주변부(38a)(38b)가 변위되는 현상(앞서 설명한 바 있음)이 반전된 상태로, 즉, 도 3 및 도 5의 경우와는 반전된 상태로 나타나게 된다. 그 모양을 도 6에 나타냈다. 즉, 각 음극(14a)(14b)에 의한 막두께분포의 피크(36a)(36b) 등은 음극(14a)(14b)에 대응하는 위치(34a)(34b)로부터 경사상방향으로 더욱 상호 떨어져 변위된다.
따라서, 코일전류IC를 상기와 같이 반전시킴으로써 기본체(6)의 표면에서의 막두께분포는 도 5의 것과 도 6의 것을 상호 중첩시키는 것이 되고, 도 7에 나타낸 바와같은 결과가 얻어진다. 즉, 막두께분포의 피크부(36a)(36b) 및 그 주변부(38a)(38b)가 기본체(6)의 표면에 분산하여 표시되는 것이 된다. 예를들면, 코일전류IC를 시계방향으로 흐르는 시간t1과 반시계방향으로 흐르는 시간t2을 상호 동일하게 하면 같은 정도의 강도(막두께)의 피크부가 4개부위로 분산하여 발생하게 된다. 상기와 같은 피크부의 분산에 의해 기본체(6)의 표면에서의 막두께분포의 불균일성이 완화된다. 즉, 자기코일(24)이 생성하는 자장 속에서의 플라즈마(18)의 드리프트에 의해 기본체(6)의 표면에서의 막두께분포의 균일성이 악하되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 기본체(6)의 보다 넓은 면적에 대해 균일하게 성막하는 것이 가능하게 된다.
기본체(6) 및 그것을 유지하는 홀더(8)를 도 1 및 도 7에 나타내 바와같이 기본체(6)의 중심부를 중심으로 하여 예를들면 화살표 R방향(또는 그 반대방향)으로 회전시키도록 할 수도 있다. 그와같이 하면 기본체(6)의 회전에 의해서도 막두께분포의 균일성을 완화시킬 수 있으므로 기본체(6)의 표면에서의 막두께분포의 균일성을 보다 높다 높일 수 있다.
제어기(42)는 예를들면 소정시간 경과 후에 상기 코일전류IC의 방향을 반전시킨다 이 반전은 1회에 할 수도 있지만 소정시간 간격으로 반복하여 반전시키는 것이 바람직하다. 이와같이 하면 코일전류IC의 반전에 의한 막두께분포의 불균일성 완환작용을 반복하여 행할 수 있으므로 막두께분포의 균일성을 보다 높일 수 있다.
코일전류IC를 소정방향으로 흐르는 시간t1과 그 반대방향으로 흐르는 시간t2은 상호 동일하게 하여도 되고, 막두께분포의 변위방향에 따라서 막두께분포의 불균일성을 보다 정밀하게 완화시켜 균일성을 보다 높일 수 있도록 상호 다르게 할 수도 있다.
코일전류IC를 반복하여 반전시키는 경우는 짧은 시간간격으로 반전시키는 것이 플라즈마(18) 속의 이온입사에 의해 기본체(6)에 가해지는 열입력의 집중을 보다 완화하고, 기본체(6)의 열응력집중을 보다 낮게한다는 관점에서 볼 때 바람직하다. 예를들면 기본체(6)가 1회전하는 것에 필요한 시간의 정수배에 해당하는 시간간격으로 코일전류IC를 반전시키는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 예를들면 기본체(6)를 5초 마다 1회전시키면서 코일전류IC를 10초 간격으로 반전시키는 것이 바람직하다.
또, 기본체(6)의 표면에서의 막두께분포의 균일성을 보다 높이기 위해 다음과 같은 수단을 채용할 수도 있다.
도 8의 예에서는 기본체(6)의 주변부 근방에 상기 플라즈마(18)에 의한 성막의 막두께를 계측하는 복수의 막두께 미터기(44)를 설치하고 있다. 보다 구체적으로는 본 예에서는 기본체(6)의 상하 근방에 2개의 막두께 미터기(44)를 설치하고 있다. 그리고, 상기 제어기(42)에 의해 이 2개의 막두께 미터기(44)로 계측하는 막두께의 상호간 차가 소정값 이상이 되는 때에 상기 코일전류IC를 반전시키는 제어를 행하도록 되어 있다.
이와 같은 수단을 채용함으로써 기본체(6)의 표면에 성막되는 막두께를 기본체(6)의 주변근방의 복수의 부위에서 감시 하면서 막두께의 불균일성을 해소하도록 코일전류IC의 반전제어를 행할 수 있으므로 기본체(6)의 표면에서의 막두께분포의 균일성을 보다 높일 수 있다.
도 9의 예에서는 기본체(6)의 주변부 근방에서 상기 플라즈마(18) 속의 이온이 입사 함으로써 흐르는 이온전류II를 계측하는 복수의 이온전류 프로브(46)를 설치하고 있다. 보다 구체적으로는 본 실시예에서는 기본체(6)의 상하 근방에 2개의 이온전류 프로브(46)를 설치하고 있다. 또, 이 각 이온전류 프로브(46)에 흐르는 이온전류II를 각각 적산하는 2개의 전류적산기(50)를 설치하고 있다. 각 이온전류 프로브(46)는 접지전위로 하여도 되지만 이온전류II를 보다 정확히 계측하기 위해서는 본 실시예와 같이 바이어스 전원(48)을 설치하여 마이너스 전위로 바이어스하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제어기(42)에 의해 상기 2개의 전류적산기(50)로 적산한 전류값의 상호 간의 차가 소정값 이상이 될 때에 상기 코일전류IC를 반전시키는 제어를 행하도록 되어 있다.
플라즈마(18)를 기본체(6)의 근방으로 인도 함으로써 기본체(6)에 성막이 이루어지는 것은 전술한 바와같이, 프라즈마(18) 속의 이온(구체적으로는 이온화된 음극물질16)이 기본체(6)로 입사하기 때문이며, 그 이온의 입사량과 성막의 막두께에는 상관관계가 있다. 이 이온의 입사량은 상기 이온전류II의 적산값에 의해 계측할 수 있다.
따라서, 상기와 같은 수단을 채용 함으로써 기본체(6)로 입사하는 이온의 양을 기본체(6)의 주변근방의 복수의 부위에서 감시하면서 이온입사량의 불균일성이 해소하도록 코일전류IC의 반전제어를 행할 수 있으므로 기본체(6)의 표면에서의 막두께분포의 불균일성을 보다 높일 수 있다.
각 자기코일(24) 및 덕트(28)의 단면형상이 원형인 경우도 먼저 도 13 내지 도 15, 도 17 및 도 18을 참조하여 설명한 바와같이, 자장의 구배∇B에 의해 플라즈마(18)가 드리프트하고, 기본체(6)의 표면에서의 막두께분포의 균일성을 악화시킨다 하여도 이 경우 역시 상기와 같이 코일전류IC를 반전시킴으로써 플라즈마(18)의 드리프트 방향을 반전시킬 수 있으므로 그것에 의해 막두께분포의 불균일성을 완화시킬 수 있다. 즉, 자기코일(24)이 생성하는 자장 속에서의 플라즈마(18)의 드리프트에 의해 기본체(6)의 표면에서의 막두께분포의 균일성이 악화한 것을 억제할 수 있다.
또, 상기 각 예는 복수의 자기코일(24)에 의해 편향자장을 형성하여 플라즈마(18)를 편향시키면서 수송하는 경우의 예이지만 , 본 발명은 플라즈마(18)를 자장에 의해 편향시키지 않고 기본체(6)의 근방으로 인도하는 경우에도 적용 가능하다. 즉, 전술한 바와같이, 1개 또는 복수의 자기코일로 플라즈마(18)를 집속시켜 플라즈마(18)를 고밀도화 함으로써 매크로 입자를 미세화하는 경우를 들 수 있다. 이 경우도 자기코일이 발생시키는 자장을 이용하여 플라즈마(18)를 수송하는 한 전술한 바와같은 자장의 구배∇B가 존재하고, 그것에 의해 플라즈마(18)가 소정의 방향으로 드리프트되며, 이것이 기본체(6)의 표면에 형성되는 막두께분포의 균일성을 악화시키지만 이 경우도 상기와 같이 코일전류IC를 반전시킴으로써 플라즈마(18)의 드리프트 방향을 반전시킬 수 있으므로 그것에 의해 막두께분포의 불균성을 완화시킬 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 구성으로 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 진공아크 증작장치는 코일전원 및 제어기를 구비하므로, 자기코일로 흐르는 코일전류를 반전시킬 수 있다. 그 결과 자기코일에 흐르는 전류를 반전시킴으로써 수송 중의 플라즈마의 드리프트에 의해 기본체 표면에서의 막두께분포의 피크부분이 변위되는 현상이 기본체 표면에서 반전되어 나타나게 된다. 이 반전에 의해 막두께분포의 불균일성이 완화되므로 기본체 표면에서의 막두께분포의 균일성이 악화하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 기본체에서 보다 넓은 면적에 걸쳐 균일한 성막이 가능하게 된다.
또, 본 발명에서 진공아크 증착원을 복수로 가지고, 또 자기코일이 편향자장을 발생시키는 경우는 플라즈마의 드리프트에 의한 막두께분포의 불균일성이 특히 발생하기 쉬어진다. 이와 같은 경우에 상기와 같은 코일전원 및 제어기를 설치하여 자기코일에 흐르는 코일전류를 반전시킴으로써 막두께분포의 불균일성을 개선하는 효과가 보다 현저해 진다.
또, 본 발명에 의하면, 코일전류의 반전에 의한 막두께분포의 불균일성 완화작용을 박복하여 행할 수 있으므로 막두께분포의 균일성을 보다 높일 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 기본체 표면에 성막되는 막두께를 기본체의 주변근방의 복수 부위에서 감시하면서 막두께분포의 불균일성이 해소되도록 코일전류의 반전제어를 행하는 것이 가능하므로 기본체 표면에서의 막두께분포의 균일성을 보다 높일 수 있다.
또, 본 발명에 의하면 기본체에 입사하는 이온량을 기본체의 주변근방의 복수 부위에서 감시하면서 이온입사량의 불균일성이 해소하도록 코일전류의 반전제어를 행할 수 있으므로 기본체표면에서의 막두께분포의 균일성을 보다 높일 수 있다.

Claims (12)

  1. 기본체를 수납하여 진공배기되는 성막실과;
    진공아크방전에 의해 음극을 증발시켜 음극물질을 포함하는 플라즈마를 생성하는 진공아크 증발원과;
    이 진공아크 증발원에 의해 생성된 플라즈마를 편향 또는 집속시키는 자장을 발생시켜 이 자장에 의해 상기 플라즈마를 상기 성막실 내의 기본체의 근방으로 인도하는 자기코일과;
    이 자기코일에 상기 자장을 발생시키는 코일전류를 공급하는 한편, 이 자기코일에 공급되는 코일전류의 흐름방향을 역전시키는 코일전원과;
    상기 자기코일에 공급되는 코일전류의 흐름방향을 역전시키기 위해 상기 코일전원을 제어하는 제어기를; 구비하는 것을 특징으로 하는 진공아크 증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진공아크 증착원을 복수로 가지고 있고, 상기 자기코일은 상기 플라즈마를 편향시키는 자장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 진공아크 증착장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 코일전류의 흐름방향을 소정시간마다 반복하여 반전시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 진공아크 증착장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기본체 주변부 근방에 상기 플라즈마에 의한 성막의 막두께를 계측하는 복수의 막두께 미터기를 설치하고,
    상기 제어기는 이 복수의 막두께 미터기로 계측하는 막두께의 상호간의 차가 소정값 이상이 될 때에 상기 코일전류의 방향을 반전시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 진공아크 증착장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기본체 주변부 근방에 상기 플라즈마 내의 이온이 입사할 때 흐르는 이온전류를 계측하는 복수의 이온전류 프로브를 설치하고,
    이 각 이온전류 프로브에 흐르는 이온전류를 적산하는 복수의 전류적산기를 설치하며,
    상기 제어기는 이 복수의 전류적산기로 적산한 전류값의 상호간의 차가 소정값 이상이 되는 때에 상기 코일전류의 흐름방향을 반전시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 진공아크 증착장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기본체는 그 중앙을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 진공아크 증착장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 코일전류의 흐름방향은 기본체의 일회전에 필요한 시간이 정수배에 해당하는 시간간격마다 역전되는 것을 특징으로 하는 진공아크 증착장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 소정방향에서의 코일전류의 흐름시간과 그 역방향에서의 코일전류의 흐름시간을 상호 동일하게 제어하는 것을 특징으로 하는 진공아크 증착장치.
  9. 진공아크방전에 의해 음극을 증발시켜 음극물질을 포함하는 플라즈마를 생성하는 단계와;
    코일전류를 자기코일에 공급하여 상기 생성된 플라즈마를 편향 또는 집속시키는 자장을 발생시키고, 상기 플라즈마를 기본체의 근방으로 인도하는 단계와;
    이 자기코일에 공급되는 코일전류의 흐름방향을 역전시키는 단계를; 구비하는 것을 특징으로 진공아크 증착방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 코일전류의 흐름방향은 소정의 시간간격마다 반복적으로 역전되는 것을 특징으로 하는 진공아크 증착방법.
  11. 제9항에 있어서,
    기본체 근방의 다수의 부위에서 상기 플라즈마에 의해 형성된 박막의 두께를 측정하는 단계를 더 포함하고,
    이와같이 측정된 박막두께 값들 사이의 차가 소정의 값을 초과할 때 상기 코일전류의 흐름방향이 역전되는 것을 특징으로 하는 진공아크 증착방법.
  12. 제9항에 있어서,
    기본체 근방의 다수의 부위에서 이온전류를 측정하는 단계를 더 포함하고,
    이와같이 측정된 전류값들 사이의 차가 소정의 값을 초과할 때 상기 코일전류의 흐름방향이 역전되는 것을 특징으로 하는 진공아크 증착방법.
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