KR20130058625A - 이온 봄바드먼트 장치 및 이 장치를 사용한 기재 표면의 클리닝 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이온 봄바드먼트 장치는, 진공 챔버의 하나의 내측면에, 필라멘트로 구성한 가열식의 열전자 방출 전극이 배치되고, 진공 챔버의 다른 내측면에, 열전자 방출 전극으로부터의 열전자를 받는 애노드가 배치되고, 열전자 방출 전극과 애노드 사이에 기재가 배치되어 있다. 또한, 열전자 방출 전극 및 애노드 사이에 전위차를 부여하여 글로우 방전을 발생시키는 방전 전원과, 열전자 방출 전극을 가열하여 열전자를 방출시키는 가열 전원과, 기재에 진공 챔버에 대하여 마이너스의 펄스 형상 바이어스 전위를 부여하는 바이어스 전원을 갖는다.

Description

이온 봄바드먼트 장치 및 이 장치를 사용한 기재 표면의 클리닝 방법 {ION BOMBARDMENT APPARATUS AND METHOD FOR CLEANING OF SURFACE OF BASE MATERIAL USING THE SAME}

본 발명은, 성막의 전처리로서 기재의 표면을 클리닝할 수 있는 이온 봄바드먼트 장치 및 이 장치를 사용한 기재 표면의 클리닝 방법에 관한 것이다.

종래, 절삭 공구의 내마모성의 향상이나, 기계 부품의 미끄럼 이동면의 미끄럼 이동 특성의 향상을 목적으로 하여, 기재(성막 대상물)에 대하여, 물리적 증착(PVD)법에 의한 경질 피막(TiN, TiAlN, CrN 등)의 성막이 행해져 왔다. 이와 같은 경질 피막의 성막에 사용되는 장치로서는, 아크 이온 플레이팅 장치나 스퍼터링 장치 등의 물리적 증착 장치가 있다.

이와 같은 물리적 증착 장치에 있어서, 성막하는 피막의 밀착성을 향상시키기 위해, 성막을 행하기 전에 기재 표면을 정화(클리닝)하는 것이 알려져 있다. 이 전처리로서는, 전자 충격에 의한 가열 클리닝이나, 플라즈마 방전에 의해서 아르곤 이온과 같은 무거운 불활성 기체 이온을 발생시키고, 이 플라즈마로부터의 이온을 기재에 조사하여 표면을 가열, 클리닝하는 방법(이온 봄바드먼트법)이 있다.

상술한 성막의 전처리를 행하는 기술로서, 미국 특허 제5294322호에는 성막 전의 기재를 표면 클리닝 또는 가열하는 장치가 기재되어 있다.

이 장치는, 챔버 내에 기재와 개폐 가능한 셔터를 구비한 아크 증발원과 이 아크 증발원과는 독립된 애노드를 설치하고 있고, 챔버 내에 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 도입하고, 전방면을 셔터로 덮은 아크 증발원과 챔버 사이에서 일어나는 아크 방전을 이용하여 아르곤 이온을 발생시키고, 애노드와 기재 사이에 전위를 가함으로써 아르곤 이온을 부전위로 된 기재 표면에 조사하여 기재 표면을 클리닝하고 있다.

또한, 일본 특허 제4208258호에는, 진공 챔버 내에서, 수직 중앙축 주위에 배치된 기재의 내주측 또는 외주측에서, 기재의 처리 높이와 동일하거나 또는 이 처리 높이 이상의 상하에 걸치는 공간에서 아크 방전(플라즈마 공급원)을 형성하고, 거기서 생성되는 아르곤 이온을, 마이너스의 바이어스 전압을 가한 기재에 조사하여, 기재 표면을 클리닝하는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 상기와 같은 기재 표면을 클리닝하는 장치에는, 이하의 문제가 있다.

미국 특허 제5294322호의 장치에서는, 아크 증발원의 전방면을 덮는 셔터가 고온으로 되고, 그 복사열을 받아서 기재도 고온으로 되기 때문에, 저온에서의 처리가 필요하게 되는 켄칭재 등의 기재로의 적용이 어렵다. 또한, 셔터에 아크 증발원으로부터의 드롭렛이 부착되므로, 메인터넌스가 빈번히 필요해지는 것 외에, 셔터에 의해 증발원을 완전히 덮을 수 없어, 약간의 드롭렛이 기재에 부착된다고 하는 문제가 있다.

또한, 이 선행 기술은, 실질적으로 티탄 타깃을 사용하는 기술로 되어 있지만, 이온 봄바드에 의해 클리닝하는 것만의 기구로서는 큰 공간을 필요로 하기 때문에, 고비용으로 된다.

한편, 일본 특허 제4208258호의 장치에서는, 진공 챔버 상부에 별도 설치한 음극실 내로 가스를 주입하여, 음극실 내압과 진공 챔버 내압의 차(압력 구배)를 발생시키고, 이 압력 구배를 이용하여, 음극실 내의 가스를 작은 개구로부터 진공 챔버 내로 세차게 분출시켜 수직 중앙축을 따라서 플라즈마를 발생시키고 있다.

그러나, 압력 구배를 발생시키기 위해서는, 음극실에 소정압으로 가스를 주입하는 것이 필수이며, 가스를 진공 챔버 내에 세차게 분출시키기 위해서는, 작은 개구 직경의 엄격한 조정이 필요해진다. 고가의 몰리브덴 등으로 형성된 작은 개구의 주변부는, 상시 가스 분출로 노출되어 마모가 심하기 때문에, 경제적 부담이 커진다.

또한, 기재 표면을 균일하게 클리닝하기 위해, 장치의 대형화를 피할 수 없어, 양극을 복수 배치하는 등 시스템이 복잡해져, 기재 표면과 플라즈마의 거리(즉, 클리닝 효과)를 일정하게 유지하는 것이 어렵다.

또한, 이와 같은 장치를 사용하여 기재 표면을 클리닝하는 경우, 프로세스 가스의 압력이 높으면, 기재의 주위에 발생하는 전위차 구배(시스)의 거리가 길어진다. 이로 인해, 복잡한 형상을 갖는 기재(홈부를 갖는 등)의 경우, 시스가, 복잡한 형상 부분을 따라서 발생하지 않고 기재 전체를 둘러싸도록 발생하여, 복잡한 형상 부분에 Ar 이온 등의 가스 이온이 도달할 수 없다. 그 결과, 복잡한 형상을 갖는 기재에 대하여 균일한 클리닝을 할 수 없다. 반대로, 프로세스 가스의 압력이 낮으면, 플라즈마 상태(이온과 전자가 전리된 상태)를 유지하기 어렵다고 하는 문제가 있다.

한편, 상술한 클리닝의 문제뿐만 아니라, 이들의 장치(특히, 미국 특허 제5294322호에 기재의 장치)에는, 회로 상에 있어서도 문제가 되는 점이 존재한다. 즉, 진공 챔버를 통하여 모든 전원을 접속하고 있기 때문에, 전원끼리가 챔버를 통하여 루프를 형성하는 것으로 되고, 이와 같은 루프가 형성되면, 각 GND의 전위가 실제로는 다른 경우 등에 전류 제어가 불안정해진다고 하는 문제가 발생한다.

따라서, 상술한 문제를 감안하여, 본 발명은 복잡한 형상을 갖는 기재라도 당해 기재에 대한 클리닝 효과를 높일 수 있는 동시에 전원의 제어를 안정화시킨 이온 봄바드먼트 장치 및 이 장치를 사용한 기재 표면의 클리닝 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위해, 본 발명은, 이하의 기술적 수단을 채용하였다.

본 발명은, 진공 챔버 내에 배치된 기재의 표면을, 상기 진공 챔버 내에서 발생한 가스 이온을 조사함으로써 클리닝하는 이온 봄바드먼트 장치이며, 상기 진공 챔버의 하나의 내측면에 배치된, 필라멘트로 구성한 가열식의 열전자 방출 전극과, 상기 진공 챔버의 다른 내측면에 배치된, 상기 열전자 방출 전극으로부터의 열전자를 받는 애노드와, 상기 열전자 방출 전극 및 상기 애노드 사이에 전위차를 부여하여 글로우 방전을 발생시키는 방전 전원과, 상기 방전 전원은 상기 진공 챔버로부터 절연되어 있고, 상기 열전자 방출 전극을 가열하여 열전자를 방출시키는 가열 전원과, 상기 기재에 상기 진공 챔버에 대하여 마이너스의 전위를 부여하는 바이어스 전원으로 이루어지고, 상기 바이어스 전원은 펄스 전원이며, 여기서, 상기 방전 전원, 상기 가열 전원 및 상기 바이어스 전원에 의해, 상기 기재의 근방에 발생한 가스 이온을 상기 기재의 표면에 조사 가능하게 되어 있다.

상기의 이온 봄바드먼트 장치에 있어서, 상기 펄스 전원이 상기 기재에 부여하는 마이너스의 전위는 20㎑ 이상의 주파수, 또는 200㎑ 이상의 주파수를 갖는 것이 바람직하다.

상기의 이온 봄바드먼트 장치에 있어서, 상기 열전자 방출 전극을, 복수의 필라멘트로 구성할 수 있다.

상기의 이온 봄바드먼트 장치에 있어서, 상기 열전자 방출 전극의 길이를, 상기 기재가 처리되는 공간과 동등 이상의 길이로 구성할 수 있다.

상기의 이온 봄바드먼트 장치에 있어서, 상기 열전자 방출 전극과 상기 애노드 사이에 기재가 배치되도록 구성할 수 있다.

상기의 이온 봄바드먼트 장치에 있어서, 상기 애노드를 아크 증발원으로 구성할 수 있다. 또는, 상기 열전자 방출 전극의 전원을 아크 증발원의 전원으로 구성할 수 있다.

상기의 이온 봄바드먼트 장치에 있어서, 상기 방전 전원의 정극측 출력을 상기 애노드와 상기 기재에 선택적으로 접속 가능하게 구성할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기의 이온 봄바드먼트 장치를 사용하여, 성막 전의 기재 표면을 클리닝하는 방법이며, 상기 열전자 방출 전극 및 상기 애노드 사이에서 글로우 방전이 시작될 때까지는, 상기 글로우 방전의 개시에 필요한, 상기 열전자 방출 전극에 흘리는 가열 전류와 진공 챔버 내에 있어서의 가스 분위기의 가스압을 유지하고, 상기 방전 개시 후에는, 상기 방전을 유지할 수 있는 값까지 상기 가스압과 상기 가열 전류를 낮추고, 상기 방전 개시 후에는, 상기 바이어스 전원을 작동시켜 펄스 형상의 바이어스 전압을 상기 기재에 부여한다.

본 발명에 따르면, 복잡한 형상을 갖는 기재라도 그 기재에 대한 클리닝 효과를 높일 수 있는 동시에 전원의 제어를 안정화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 이온 봄바드먼트 장치를 도시하는 개요도.
도 2는 제1 실시 형태에 관한 이온 봄바드먼트 장치의 평면 방향을 도시한 개요도.
도 3의 (a)는 바이어스 전원의 펄스 주파수와 이상 방전의 발생 횟수의 관계를 도시하는 도면이고, 도 3의 (b)는 바이어스 전원의 펄스 주파수와 바이어스 전류의 관계를 도시하는 도면.
도 4는 평가 방법에 사용한 시험편 폴더를 도시하는 도면.
도 5는 평가 방법인 밀착력 시험의 결과를 도시하는 도면[종래의 조건(표준 조건)].
도 6은 평가 방법인 밀착력 시험의 결과를 도시하는 도면[본원 발명의 조건(신 조건)].
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 이온 봄바드먼트 장치를 도시하는 개요도.
도 8은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 이온 봄바드먼트 장치의 평면 방향을 도시한 개요도.

이하, 본 발명의 실시 형태를, 도면에 기초하여 설명한다.

[제1 실시 형태]

도 1, 도 2에는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 이온 봄바드먼트 장치(1)가 도시되어 있다.

이 이온 봄바드먼트 장치(1)는, 단면 팔각형의 진공 챔버(2) 내에 설치된 기재(W)의 표면에 물리적 증착법(PVD법)에 의해 피막을 피복하는 장치이며, 진공 챔버(2) 내의 저면의 대략 중앙에는, 처리물인 복수의 기재(W)를 적재한 회전식의 기재 보유 지지구(워크 테이블)(11)가 설치되어 있다. 진공 챔버(2)는, 그 내부의(1)의 측면에 배치된 가열식의 열전자 방출 전극(3)[필라멘트(3)]과, 내부의 다른 측면에 배치된 애노드(4)를 갖고 있다.

또한, 도 1, 도 2에 도시하는 바와 같이, 기재(W) 및 이것을 지지하는 워크 테이블(11)은 필라멘트(3)와 애노드(4) 사이에 위치하고 있다. 또한, 기재(W)는 워크 테이블(11)에 의해 기립 상태[기재(W)의 길이 방향을 상하로 향하여]로 지지되어 있다.

덧붙여, 이온 봄바드먼트 장치(1)는 필라멘트(3)와 애노드(4) 사이에 전위차를 부여하여 플라즈마 방전을 발생시키는 방전 전원(5)과, 필라멘트(3)를 가열시키는 가열 전원(6)을 갖고 있다. 또한, 워크 테이블(11)에 접속되어, 기재(W)에 마이너스의 전압을 인가시키는 바이어스 전원(12)도 갖고 있다.

진공 챔버(2)에는, 당해 진공 챔버(2) 내로 아르곤 등의 불활성 가스를 도입하는 가스 도입구와, 진공 챔버(2) 내로부터 불활성 가스를 배출하는 가스 배기구가 설치되어 있다(가스 도입구, 배기구 모두 도시 생략).

열전자 방출 전극인 필라멘트(3)는, 가열함으로써 열전자를 조사하는 선조재(filamentary material)이며, 텅스텐(W) 등의 금속에 의해 형성되어 있다. 필라멘트(3)는, 기재(W)를 사이에 두고 상기 애노드(4)의 대략 반대측에 위치하고(도 2 참조), 필라멘트(3) 및 애노드(4) 사이에서 일어나는 방전이 기재(W)를 사이에 두도록 배치되어 있다. 이 실시 형태의 경우는, 팔각형의 하나의 측면과, 그 대면의 인접하는 면에 배치되어 있다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 필라멘트(3)는 높이 방향(상하 방향)을 따라서 진공 챔버(2)의 내벽에 절연체[도 1, 도 2에서는, 진공 챔버(2)와의 사이에 간극을 형성함으로써 절연 상태를 표현하고 있음]를 통하여 배치되어 있고, 후술하는 가열 전원(6)에 그 양단부가 접속되어 있다.

단, 이 가열 전원(6)과 필라멘트(3)는, 직접 접속되어 있는 것이 아니라, 입력측[가열 전원(6)측]의 1차 코일(14)의 권취수와 출력측[필라멘트(3)측]의 2차 코일(15)의 권취수가 1대1인 절연 트랜스(13)를 통하여, 전기적으로 절연된 상태로 접속되어 있다.

이 구성에 의해, 가열 전원(6)으로부터 출력된 교류 전류는 절연 트랜스(13)를 통해, 필라멘트(3)로 흐른다. 필라멘트(3)는 전류가 흐름으로써 가열되고, 필라멘트(3)로부터 열전자가 튀어나오게 된다.

또한, 절연 트랜스(13)의 1차 코일(14)측에는, 가열 전원(6)으로부터의 교류 전류의 위상을 컨트롤하는 전력 조정기 등(도시 생략)이 내장되어 있다.

필라멘트(3)의 길이는, 기립한 기재(W)의 높이[이하, 기재(W)의 처리 높이로 함]와 동일하거나 약간 길게 설정되어 있고, 필라멘트(3)는 측면에서 보아 기재(W)와 중복되는 위치에 배치되어 있다. 필라멘트(3)의 굵기나 조성은, 길이 방향에 걸쳐서 균일하다.

그로 인해, 이 필라멘트(3)로부터 튀어나오는 열전자는, 기재(W)에 대하여 처리 높이 방향에 걸쳐서 대략 균일하게 되고, 기재(W)측으로 방출되는 열전자의 양은 필라멘트(3)에 있어서의 그 지점의 전위에 의해 컨트롤할 수 있다.

또한, 튀어나온 열전자는, 진공 챔버(2)의 내부에 도입된 아르곤 가스에 충돌하여 아르곤 이온을 생성하거나, 또는 후술하는 전환 회로(16)에 의해 직접 기재(W)에 조사되거나 한다.

애노드(4)(양전극)는 플러스의 전위[필라멘트(3)보다 상대적으로 높은 전위]가 인가되고, 기재(W)를 사이에 두고 필라멘트(3)와 상대하는 위치의 진공 챔버(2)의 내벽면에 배치되어 있다. 애노드(4)도 진공 챔버(2)에 전기적으로 접속되는 일 없이 절연체를 통해서 장착되어 있다. 또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 애노드(4)는 복수(여기서는 3개)의 소형의 양전극을 기재(W) 및 필라멘트(3)의 길이 방향을 따라서 배치하고 있다. 애노드(4)가 복수 있는 경우, 각각에 유입되는 전자를 제어함으로써, 더욱 플라즈마의 상하 방향 분포를 제어하는 것이 가능해진다. 그러나, 애노드(4)는 기재(W) 및 필라멘트(3)의 길이 방향으로 긴 1개의 양전극이어도 상관없다.

또한, 애노드(4)로서, 아크 증발원(캐소드)을 사용하도록 해도 상관없다. 즉, 진공 챔버(2) 내에 기재(W)를 향하여 장착된 아크 증발원을 애노드(4)로서 사용함으로써, 동일 진공 챔버(2) 내에서 이온 봄바드에 더하여 물리적 증착에 의한 성막도 생기게 된다. 이 경우, 아크 증발원은 기재(W) 및 필라멘트(3)의 길이 방향과 평행한 캐소드 또는 소형의 캐소드를 동일하게 길이 방향으로 복수 적층한 것을 사용한다. 애노드에 캐소드를 사용함으로써, 간이적인 회로 전환 스위치만으로 새롭게 애노드를 설치할 필요가 없어, 제작 비용을 억제할 수 있다. 또한, 애노드는 전자가 유입되기 때문에, 전자 과열에 의해 매우 고온으로 되지만, 캐소드에는 플라즈마를 발생시켰을 때의 온도 상승 대책으로서 이미 냉각수가 흐르는 구조로 되어 있기 때문에, 새로운 고온 대책은 필요없다. 또한, 캐소드에는, 방전을 억제하기 위한 강력한 자계를 발생시키는 기구가 부착되어 있지만, 그 자계에 의해 애노드에 유입되는 전자를 효율적으로 트랩할 수 있기 때문에, 캐소드, 애노드간의 방전을 안정시킬 수 있다. 애노드 면적이 필라멘트(3)와 평행한 상태에서 넓은 경우, 플라즈마를 진공 챔버(2) 내에 균일하게 발생시키는 것이 가능해진다.

또한, 이와 같이 아크 증발원(캐소드)을 설치한 경우, 필라멘트(3)를 방전시키는 전원으로서, 아크 증발원(캐소드) 방전 전원을 사용하는 것도 바람직하다. 이와 같이 하면, 새로운 추가 전원이나 케이블류가 불필요하게 되어, 비용을 억제할 수 있다. 아크 증발원(캐소드) 방전 전원은 클리닝(에칭) 공정에서는 사용하지 않기 때문에, 클리닝 처리와 성막 처리를 실시할 수 있다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 방전 전원(5)은 필라멘트(3) 및 애노드(4) 사이에 전위차를 가하여 방전을 발생시키는 직류 전원이며, 정극측 출력을 애노드(4)에 접속하고 있고, 부극측 출력을 절연 트랜스(13)를 통하여 필라멘트(3)에 접속하고 있다.

구체적으로는, 방전 전원(5)의 부극측 출력은, 2차 코일(15)의 권심 방향 중도부에 설치된 중간 탭에 접속되어 있고, 2차 코일(15)을 통하여, 필라멘트(3)에 접속되어 있다(도 1 참조).

한편, 상술한 바와 같이, 가열 전원(6)은 필라멘트(3)에 전류를 흘려서 가열시키고, 열전자를 기재(W)에 조사시키기 위한 교류 전원이며, 각 단자로부터의 출력이, 절연 트랜스(13)를 통하여 필라멘트(3)의 양단부에 접속되어 있다.

이와 같은 구성에 의해, 방전 전원(5) 및 가열 전원(6)은, 서로 접속되어 있지 않는(예를 들어, 동일한 GND에 접속되어 있지 않는 등) 동시에, 진공 챔버(2)에도 연결되어 있지 않아, 방전 전원(5)과 가열 전원(6) 사이의 전기적인 독립과, 방전 전원(5) 및 가열 전원(6)의 진공 챔버(2)에 대한 전기적인 독립을 유지하고 있다.

한편, 바이어스 전원(12)은 진공 챔버(2)에 대한 마이너스의 전하를 기재(W)에 인가하는 펄스 전원이며, 정극측 출력이 진공 챔버(2)에 접속되고, 부극측 출력이 워크 테이블(11)을 통하여 기재(W)에 접속되어 있다. 기재(W)에 대한 바이어스 전압으로서 직류 전류를 흘리면, 대전한 기재(W)가, 필라멘트(3)와 애노드(4) 사이의 글로우 방전의 전위적인 장벽으로 되어, 이상 방전을 야기하지만, 본 실시 형태와 같이 바이어스 전원(12)에 펄스 전원을 사용함으로써 이상 방전을 억제하여, 이온 봄바드에 의한 기재(W)의 에칭량의 분포를 개선할 수 있다.

또한, 이와 같은 효과에 더하여, 바이어스 전원(12)은 기재(W)에 20㎑ 이상 바람직하게는 200㎑ 이상의 고주파 펄스 형상 파형을 갖는 전압을 부여함으로써, 이하와 같은 효과가 발현한다.

(1) 고주파 펄스 바이어스의 주파수를 20㎑ 이상으로 함으로써, 이온 봄바드에 의한 이상 방전을 방지할 수 있다. 펄스 바이어스가 아닌 소위 직류 DC 바이어스인 경우, 기재에 이물질(산화물 등의 절연물)이 퇴적되어 있을 때의 절연 파괴에 의한 국소적인 방전이나, 기재로부터의 아웃 가스에 의한 부분적인 압력 상승에 의한 방전, 또는 돌기물 등의 형상에 기인하는 전해 집중에 의한 방전 등의 이상 방전이 발생하여, 기재에 방전 자국(아크 자국)을 남기게 되는 문제가 있다. 한편, 펄스 바이어스를 채용한 경우, 예를 들어 20㎑의 경우는 50㎲의 시간에 마이너스의 전위차를 기재에 인가하는 것을 의미하지만, 인가 시간이 짧기 때문에, 상기와 같은 이상 방전을 단시간에 수렴시키는 것이 가능해져, 결과적으로 이상 방전을 억제하는 효과가 있다.

(2) 또한, 200㎑ 이상의 고주파 펄스 전압을 바이어스 전압에 사용함으로써, 상기 이상 방전 방지의 효과에 더하여 프로세스 가스의 이온과 전자의 질량의 차이로부터, 전자의 이동 속도가 이온보다 훨씬 빨라져, 결과적으로, 이온과 전자가 전리된 플라즈마 상태를 유지할 수 있다.

(3) 플라즈마 상태가 확실하게 유지되기 때문에, 플라즈마 발생에 필요한 전자 및 이온의 수를 적게 할 수 있다. 이것은 프로세스 가스의 압력을 낮게 하는 것이 가능한 것을 나타낸다. 즉, 통상, 이와 같은 이온과 전자의 분리에는, 새로운 전자의 충돌 에너지가 필요하고, 전자는 가스 분자의 전리에 의해 발생하므로, 한층 더 프로세스 가스, 즉 프로세스 가스의 압력을 높일 필요가 있다. 그러나, 전리가 유지되고 있기 때문에, 프로세스 가스를 추가할 필요가 없어져, 결과적으로 프로세스 가스의 압력을 낮게 할 수 있다.

(4) 프로세스 가스의 압력이 낮은 경우, 기재의 주위에 발생하는 전위차 구배(시스)의 거리가 짧아져, 복잡 형상의 기재(홈부를 갖는 등)라도 그 복잡한 형상 부분을 따라서 시스가 발생하므로, 복잡한 형상 부분에 Ar 이온 등의 가스 이온이 도달할 수 있다. 그 결과, 복잡 형상의 기재에 대한 균일한 클리닝이 가능해진다.

(5) 플라즈마 상태가 유지되기 때문에, 기재(W)에 흐르는 이온 전류(바이어스 전류)를 높일 수 있다. 그 결과, 클리닝의 강도를 늘릴 수 있다.

(6) 전리되기 쉬운 고주파 펄스 전압 방전은, 외부 플라즈마원이 존재하지 않는 상태[필라멘트(3)의 방전이 없는 상태]라도 방전이 가능하기 때문에, 예를 들어 Ar 이온의 기재로의 조사를 최대한 억제하면서 복잡 형상의 기재를 균일하게 클리닝할 필요가 있는 경우는, 외부 플라즈마원을 사용하지 않고 바이어스 전압을 방전이 유지되는 범위에서 최대한 낮게 유지함으로써 섬세한 클리닝을 행하는 것이 가능하다.

또한, 방전 전원(5), 가열 전원(6) 및 바이어스 전원(12)을 이상과 같이 접속하도록 구성함으로써, 바이어스 전원(12)은, 상술한 방전 전원(5) 및 가열 전원(6)은 접속되지 않는 것으로 되어(예를 들어, 동일한 GND에 접속되어 있지 않음), 3개의 전원(5, 6, 12)은, 각각이 전기적으로 독립하게 된다.

따라서, 각 전원(5, 6, 12)이 진공 챔버(2)나 공통 그라운드를 통해 루프를 형성하는 일 없이, 각 GND의 전위가 실제로는 다르다고 해도, 각 전원의 전류 제어를 안정적으로 행할 수 있다.

또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 제1 실시 형태에 관한 이온 봄바드먼트 장치(1)에는, 방전 전원(5)의 정극측 출력을, 애노드(4)로의 접속 또는 기재(W)로의 접속으로 전환 가능한 전환 회로(16)가 설치되어 있다. 따라서, 방전 전원(5)의 정극측 출력과 기재(W)를 접속한 경우에는, 기재(W)는, 방전 전원(5)에 의해 필라멘트(3)보다 높은 전위(플러스의 전위)로 되고, 필라멘트(3)로부터 방출되는 열전자를 기재(W)에 조사하여 기재(W)를 가열하는 전자 가열 용도에도 사용할 수 있다.

이하, 제1 실시 형태에 관한 이온 봄바드먼트 장치(1)의 사용 형태, 즉 물리적 증착 전의 기재(W)의 클리닝 방법에 대해서 서술한다.

우선, 진공 챔버(2) 내의 워크 테이블(11)에 기재(W)를 고정하고, 진공화한 챔버(2) 내에서 가열 처리 등을 실시한다. 그리고, 기재(W)의 온도를 클리닝용의 온도(표면을 클리닝하는 데에 적합한 온도)로 제어한 후에, 진공 챔버(2) 내로 아르곤 가스를, 예를 들어 100ml/min으로 도입한다. 아르곤 가스의 도입은 진공화와 동시이어도 좋다.

아르곤 가스 분위기 하에 있어서, 약 5A로 제어된 전류를 방전 전원(5)으로부터 흘리고, 필라멘트(3)와 애노드(4) 사이에 약 100V 이상의 전위차를 가한 상태에서, 가열 전원(6)으로부터 교류 전류를 흘린다. 이에 의해, 가열 전원(6)에 의해 필라멘트(3)로부터 발생된 열전자가, 상대적으로 플러스의 전위에 있는 애노드(4)의 방향으로 이동할 때에, 기재(W)의 근방의 아르곤 가스를 전리시켜 플라즈마 상태로 함으로써 글로우 방전 상태로 되는 동시에, 기재(W)의 근방에 아르곤 이온을 발생시킨다.

이때, 절연 트랜스(13)의 전력 조정기에 의한 교류 전류의 위상과, 진공 챔버(2)에 흡배기되는 아르곤 가스를 동시에 컨트롤하여, 필라멘트(3)에 흘리는 전류값 및 기재(W) 주변의 아르곤 가스 분위기의 가스압을, 필라멘트(3)와 애노드(4) 사이에서 글로우 방전 가능한 상태로 제어해 둔다.

이 과정을 거쳐, 기재(W) 주변에 플라즈마를 발생시킨 상태에서, 바이어스 전원(12)을 기동시켜 기재(W)에 마이너스의 바이어스 전압을 가하고, 플러스의 전하를 갖는 아르곤 이온을 기재(W)에 조사함(봄바드먼트)으로써, 기재(W) 표면의 클리닝이 행해진다. 이때, 기재(W)에는 20㎑ 이상 바람직하게는 200㎑ 이상의 주파수를 갖는 펄스 형상으로 전위가 부여된다.

도 3의 (a)에, 바이어스 전원의 펄스 주파수와 이상 방전의 발생 횟수의 관계를 도시한다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, 바이어스 전원의 펄스 주파수를 20㎑로 함으로써 이상 방전의 발생 횟수를 억제할 수 있다.

도 3의 (b)에, 바이어스 전원의 펄스 주파수와 바이어스 전류(이온 전류)의 관계를 도시한다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, 바이어스 전원의 펄스 주파수를 높임으로써 외부 플라즈마원이 없는 상태에서도 방전이 가능해지고, 또한 주파수 증가에 따라 이온 전류가 증가한다. 이온 전류가 증가한다고 하는 것은, 플라즈마 상태가 확실하게 유지되어 있는 것을 의미한다. 기재(W)의 주위에 발생하는 플라즈마가 확실하게 유지되어 있는 것이면, 프로세스 가스의 압력을 낮게 할 수 있어, 그에 수반하여 기재(W)의 주위에 발생하는 전위차 구배(시스)의 거리가 짧아진다. 그로 인해, 복잡 형상의 기재(홈부를 갖는 등)라도, 그 복잡한 형상 부분을 따라서 시스가 발생하므로, 복잡한 형상 부분에 가스 이온이 도달할 수 있다. 그 결과, 복잡 형상의 기재에 대한 균일한 클리닝이 가능해진다.

도 3의 (b)로부터, 어느 바이어스 전압이어도, 펄스 주파수가 200㎑ 이상에서 방전이 발생하여 바이어스 전류가 증가되는 경향이 드러난다. 이 점에서, 바이어스 전원(12)의 펄스 주파수는, 바람직하게는 20㎑ 이상, 보다 바람직하게는 200㎑ 이상이다.

이와 같이 바이어스 전원(12)에 펄스 전원을 사용한 경우의 클리닝(에칭) 평가 방법을 이하에 도시한다.

도 4에 평가 방법에 사용한 시험편 폴더를 도시한다. 이 시험편 폴더는, 기재(W)의 홈부에 있어서의 클리닝의 유효성을 확인하기 위한 것이다. 이 시험편 폴더에 SKH51 시험편(12㎜×12㎜, 두께 6㎜)을 3개(앞의 정면, 홈의 측면, 안쪽의 정면) 장착하여, 클리닝한 후에, 성막 처리를 행하고, 각 위치에 있어서의 박막의 밀착력을 측정하였다. 도 4의 부위 A 및 부위 B는, 시험편 폴더 정면과 동일한 면에 장착된 시험편의 부위를, 부위 C 및 부위 D는, 부위 A 및 부위 B에 대하여 직교하는 면에 장착된 시험편의 부위를, 부위 E 및 부위 F는, 가장 깊은 홈부이며 종래의 에칭에서는 박막의 밀착력이 매우 저하되는 시험편의 부위를, 각각 도시하는 것이다.

본 실시 형태에 관한 조건(신 조건)은, 필라멘트(3)의 전류 5A, 아르곤 가스압력 0.15 내지 0.2㎩, 바이어스 전압 400V(350㎑의 펄스 전압)에서 15분간 봄바드 한 것에, AIP(아크 이온 플레이팅) 방식에 의한 TiAlN 피막을 약 3㎛를 형성하였다. 또한, 비교로 한 종래의 조건(표준 조건)은, 필라멘트(3)의 전류 40A, 아르곤 가스 압력 2.7㎩, 바이어스 전압 400V(DC 전압)에서 15분간 봄바드한 것에 동일한 박막을 형성하였다.

표 1에, TiAlN 박막의 강도를 조사한 스크래치 시험의 결과를 나타낸다.

이 스크래치 시험은, 선단에 소정의 테이퍼를 구비한 다이아몬드 압자에 의해 시험편의 박막을 소정의 하중으로 긁어내어, 어느 정도의 하중(N)에서 초기 박리(Lc1)를 일으키는지, 어느 정도의 하중(N)에서 완전 박리(Lc2)를 일으키는지를 시험한 것이다. 본 평가에 사용한 스크래치 시험은, JIS R 3255의 평가 방법에 준거한 것이다.

표 1의 결과로부터 명백해진 바와 같이, 종래의 표준 조건에서는 밀착력이 약한 부위 D, 부위 E 및 부위 F(홈부)에 관하여, 신 조건에서는 밀착성이 약 30％ 개선되어 있다.

도 5 및 도 6에 밀착력 평가의 결과를 나타낸다. 이 밀착력 평가는, 로크웰 C 스케일 시험기를 사용하여 압흔을 형성하여 육안으로 관찰하는 것이다. 이 관찰은, 다이아몬드 압자를 소정의 조건에서 시험편의 박막에 타입하여 구멍을 뚫고, 그 구멍 주위의 박리 상태를 육안으로 관찰하는 것이다. 본 평가는, JIS G 0202의 평가 방법에 준거한 것이다.

도 5 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 표 1과 마찬가지로, 홈부(특히 부위 E 및 부위 F)에 관하여, 밀착성이 대폭으로 개선되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 5의 부위 E 또는 부위 F에 도시하는 흰 부분은 박막이 격리된 부분이며, 이 도면에 대응하는 도 6의 부위 E 또는 부위 F에서는, 박리는 발생되어 있지 않다.

또한, 상술한 바와 같이, 이온 봄바드 처리에 대해서 설명하였지만, 진공 챔버(2) 내에, 기재(W)를 향하여 장착된 아크 증발원도 설치해 두면[애노드(4)로서 아크 증발원을 사용하는 것을 포함함], 동일 진공 챔버(2) 내에서 물리적 증착에 의한 성막 처리도 가능해진다.

또한, 기재(W)의 클리닝을 할 때에, 필라멘트(3) 및 애노드(4) 사이에서 글로우 방전이 시작될 때까지는, 필라멘트(3)로 흘리는 가열 전류와 진공 챔버(2) 내에 있어서의 아르곤 가스의 가스압을 높이고, 방전 개시 후에는, 방전을 유지할 수 있는 값까지 가열 전류와 가스압을 낮추도록 한다. 이에 의해, 방전 전원(5)으로서 고전압 전원이 불필요하게 되어, 점유 공간이나 비용을 억제하는 것이 가능해진다.

상기한 처리는, 이온 봄바드먼트 장치(1)에 설치된 제어부(도시하지 않음) 내의 프로그램에 의해 실현되어 있다. 이 제어부는 프로그램에 따라 각 전원(5, 6, 12) 및 아르곤 가스압을 제어한다.

이상 서술한 이온 봄바드먼트 장치(1) 및 이 장치(1)를 사용한 성막 전의 클리닝 방법을 채용함으로써, 기재(W)에 대하여 높이 방향 균일하게 열전자를 조사할 수 있어 기재(W)의 균일한 클리닝이 가능해진다. 또한, 방전 전원(5)과 가열 전원(6)을 진공 챔버(2)로부터 독립적으로 배선함으로써 각 전원의 전류 제어를 안정화하게 된다.

특히, 바이어스 전원으로서 200㎑ 이상의 펄스 주파수를 사용하므로, 이온과 전자가 전리된 플라즈마 상태를 유지할 수 있어, 프로세스 가스의 압력을 낮게 유지할 수 있다. 프로세스 가스의 압력이 낮은 경우, 기재의 주위에 발생하는 전위차 구배(시스)의 거리가 짧아져, 복잡 형상의 기재(홈부를 갖는 등)라도 그 복잡한 형상 부분을 따라서 시스가 발생하므로, 복잡한 형상 부분에 가스 이온이 도달할 수 있어, 복잡 형상의 기재에 대한 균일한 클리닝이 가능해진다.

[제2 실시 형태]

도 7에는, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 이온 봄바드먼트 장치(1)가 도시되어 있다.

제2 실시 형태에 관한 이온 봄바드먼트 장치(1)와 제1 실시 형태의 장치의 차이는, 열전자 방출 전극을 1개의 필라멘트(3)로 구성하는 것이 아니라, 복수의 필라멘트(3)를 기재(W) 처리 높이에 걸쳐[기재(W) 처리 높이를 커버하여] 배치하고 있는 점이다. 복수의 필라멘트(3)를 사용함으로써, 필라멘트(3)의 단선을 억제할 수 있어, 그 교환 작업도 용이해진다.

덧붙여, 제2 실시 형태는, 상술한 필라멘트(3)를 덮는 셔터(31)를 구비하고 있고, 이 셔터(31)로, 필라멘트(3)에 오염이 부착되는 것을 방지하고 있다.

이에 의해, 오염이 부착됨으로써 필라멘트(3) 자체의 열전자의 방출 효율이 내려가거나, 필라멘트(3)를 가열하였을 때에, 부착된 오염이 증발하여 기재(W)의 표면에 부착(오염)되는 것 등을 방지할 수 있다.

[제3 실시 형태]

도 8에는, 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 이온 봄바드먼트 장치(1)가 도시되어 있다.

제3 실시 형태에 관한 이온 봄바드먼트 장치(1)의 특징은, 애노드(4)로서 사용하는 캐소드(아크 증발원)로서, 1매의 캐소드(1위상의 캐소드)가 아니라, 복수매의 캐소드(복수 위상의 캐소드)를 사용하고 있다.

구체적으로는, 필라멘트(3)에 대면하는 위치이며, 워크 테이블(11)의 주위에 2매의 캐소드가 배치되어 있다. 이와 같이 배치함으로써, 더 균일한 처리(클리닝 처리, 성막 처리)가 가능해진다.

그런데, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 특허청구의 범위에 의해 기재되고, 특허청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

예를 들어, 이온 봄바드먼트 장치(1)는 방전 전원(5)으로서 클리닝 전용의 직류 전원을 구비하고 있었지만, 기재(W)의 클리닝 이외의 공정에서 사용하는 전원(예를 들어, 아크 증발원의 배후에 배치한 전자기 코일용의 구동 전원이나, 전자 가열 전원 등)을, 방전 전원(5)과 겸용하는 것으로 해도 좋다.

가열 전원(6)으로부터 열전자 방출 전극(3)으로 흘리는 전류는, 상술한 전력 조정기에 의해 위상이 제어되어 있지만, 펄스폭 변조(PWM) 제어 등을 행해도 된다. 이 경우, 열전자 방출 전극(3)의 진공 챔버(2)에 대한 전위 변화를 평활화할 수 있다.

또한, 제1 실시 형태의 항에서 설명한 전환 회로(16)를, 제2 실시 형태 또는 제3 실시 형태에 적용할 수도 있다.

Claims (10)

1. 진공 챔버 내에 배치된 기재의 표면을, 상기 진공 챔버 내에서 발생한 가스 이온을 조사함으로써 클리닝하는 이온 봄바드먼트 장치이며,
   상기 진공 챔버의 하나의 내측면에 배치된, 필라멘트로 구성한 가열식의 열전자 방출 전극과,
   상기 진공 챔버의 다른 내측면에 배치된, 상기 열전자 방출 전극으로부터의 열전자를 받는 애노드와,
   상기 열전자 방출 전극 및 상기 애노드 사이에 전위차를 부여하여 글로우 방전을 발생시키고, 상기 진공 챔버로부터 절연되어 있는 방전 전원과,
   상기 열전자 방출 전극을 가열하여 열전자를 방출시키는 가열 전원과,
   펄스 전원이며, 상기 기재에 상기 진공 챔버에 대하여 마이너스의 전위를 부여하는 바이어스 전원으로 이루어지고,
   여기서, 상기 방전 전원과, 상기 가열 전원 및 상기 바이어스 전원에 의해, 상기 기재의 근방에 발생한 가스 이온을 상기 기재의 표면에 조사 가능하게 되어 있는, 이온 봄바드먼트 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 펄스 전원이 상기 기재에 부여하는 마이너스의 전위는 20㎑ 이상의 주파수를 갖는, 이온 봄바드먼트 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 펄스 전원이 상기 기재에 부여하는 마이너스의 전위는 200㎑ 이상의 주파수를 갖는, 이온 봄바드먼트 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 열전자 방출 전극을, 복수의 필라멘트로 구성하고 있는, 이온 봄바드먼트 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 열전자 방출 전극의 길이를, 상기 기재가 처리되는 공간과 동등 이상의 길이로 구성하고 있는, 이온 봄바드먼트 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 열전자 방출 전극과 상기 애노드 사이에 기재가 배치되도록 구성하고 있는, 이온 봄바드먼트 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 애노드를 아크 증발원으로 구성하고 있는, 이온 봄바드먼트 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 열전자 방출 전극의 전원을 아크 증발원의 전원으로 구성하고 있는, 이온 봄바드먼트 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 방전 전원의 정극측 출력을 상기 애노드와 상기 기재에 선택적으로 접속 가능하게 구성되어 있는, 이온 봄바드먼트 장치.
10. 제1항에 기재된 이온 봄바드먼트 장치를 사용하여, 성막 전의 기재 표면을 클리닝하는 방법이며,
    상기 열전자 방출 전극 및 상기 애노드 사이에서 글로우 방전이 시작될 때까지는, 상기 글로우 방전의 개시에 필요한, 상기 열전자 방출 전극에 흘리는 가열 전류와 진공 챔버 내에 있어서의 가스 분위기의 가스압을 유지하고,
    상기 방전 개시 후에는, 상기 방전을 유지할 수 있는 값까지 상기 가스압과 상기 가열 전류를 낮추고,
    상기 방전 개시 후에는, 상기 바이어스 전원을 작동시켜 펄스 형상의 바이어스 전압을 상기 기재에 부여하는, 기재 표면의 클리닝 방법.

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