特許 6233617 アークプラズマ成膜装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6233617

(24)【登録日】2017年11月2日

(45)【発行日】2017年11月22日

(54)【発明の名称】アークプラズマ成膜装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/32 20060101AFI20171113BHJP

   H05H 1/48 20060101ALI20171113BHJP

【ＦＩ】

   C23C14/32 C

   H05H1/48

【請求項の数】11

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-207549(P2016-207549)

(22)【出願日】2016年10月24日

(62)【分割の表示】特願2015-504123(P2015-504123)の分割

【原出願日】2013年10月29日

(65)【公開番号】特開2017-61752(P2017-61752A)

(43)【公開日】2017年3月30日

【審査請求日】2016年10月24日

(31)【優先権主張番号】PCT/JP2013/056420

(32)【優先日】2013年3月8日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100098671

【弁理士】

【氏名又は名称】喜多 俊文

(74)【代理人】

【識別番号】100102037

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 裕之

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 正康

(72)【発明者】

【氏名】森元 陽介

【審査官】 宮崎 園子

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０５４３５９００（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開昭５１−１０３８７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２４４６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０４４２５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−２２３１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３６０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５３８１５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１９７１７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３３５８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５０３６５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ １４／３２

Ｈ０５Ｈ １／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

処理対象の基板が格納される成膜チャンバーと、
ターゲットの少なくとも一部が格納され、前記成膜チャンバーに連結するプラズマチャンバーと、
前記ターゲットと前記成膜チャンバーとの間に少なくとも１箇所の屈曲部を有して連続する磁力線を発生させる、非磁性金属からなる外皮によって被覆されて前記プラズマチャンバーの真空内に配置された複数の中空コイルと、
前記中空コイル間の空間の周囲に配置されたプラズマ電位補正電極と
を備え、
放電により前記プラズマチャンバー内で生成された前記ターゲットの材料に由来するイオンを含むプラズマが、前記複数の中空コイルおよび前記プラズマ電位補正電極の内側を通過して前記ターゲットから前記基板まで輸送されるアークプラズマ成膜装置において、
前記プラズマチャンバーが、前記プラズマ電位補正電極を外部に取り出すための取り出し窓を有することを特徴とするアークプラズマ成膜装置。

【請求項2】

前記中空コイルの前記外皮の材料が、ステンレス合金、アルミニウム合金及び銅合金のいずれかであ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。

【請求項3】

前記プラズマ電位補正電極の材料が、ステンレス合金、アルミニウム合金及び銅合金のいずれかであ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。

【請求項4】

前記ターゲットと対向する領域に前記プラズマ電位補正電極が配置されていない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。

【請求項5】

前記プラズマ電位補正電極の電位が−２０Ｖ以上且つ＋２０Ｖ以下であ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。

【請求項6】

前記プラズマ電位補正電極が、前記中空コイルの内側に配置されたプラズマ電位補正管であ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。

【請求項7】

前記プラズマ電位補正管が、直管又は屈曲管であることを特徴とする請求項６に記載のアークプラズマ成膜装置。

【請求項8】

周囲を前記中空コイルに囲まれた領域において前記プラズマ電位補正管の内部に配置され、中央部に前記プラズマが通過する開口部を有する絞り板を更に備えることを特徴とする請求項６に記載のアークプラズマ成膜装置。

【請求項9】

前記絞り板の材料が、ステンレス合金、アルミニウム合金及び銅合金のいずれかであることを特徴とする請求項８に記載のアークプラズマ成膜装置。

【請求項10】

前記ターゲットと前記成膜チャンバーとの間に配置された前記中空コイルが、ミラー磁場を形成するように設定されてい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。

【請求項11】

処理対象の基板が格納される成膜チャンバーと、
ターゲットの少なくとも一部が格納され、前記成膜チャンバーに連結するプラズマチャンバーと、
前記ターゲットと前記成膜チャンバーとの間に少なくとも１箇所の屈曲部を有して連続する磁力線を発生させる、非磁性金属からなる外皮によって被覆されて前記プラズマチャンバーの真空内に配置された複数の中空コイルと、
前記中空コイル間の空間の周囲に配置されたプラズマ電位補正電極と
を備え、
放電により前記プラズマチャンバー内で生成された前記ターゲットの材料に由来するイオンを含むプラズマが、前記複数の中空コイルおよび前記プラズマ電位補正電極の内側を通過して前記ターゲットから前記基板まで輸送されるアークプラズマ成膜装置において、
前記ターゲットと対向する領域に前記プラズマ電位補正電極が配置されていないことを特徴とするアークプラズマ成膜装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

薄膜形成などに、アークプラズマを用いる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をアーク放電によって形成して、この材料元素を主成分とする薄膜を処理対象の基板上に形成する。

【0003】

アークプラズマ成膜装置では、屈曲部を有する屈曲チャンバーの外側に配置された複数のコイルによって形成される磁場を制御することにより、屈曲チャンバーをプラズマ輸送部として、ターゲット上に形成されたアークプラズマを基板の表面に誘導する。なお、ターゲットから放出、飛散する電気的に中性なドロップレット（粗大粒子）が基板に付着するのを防止するために、屈曲チャンバーが使用される。これにより、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基板の成膜面への入射が抑制される。

【0004】

コイルは屈曲チャンバーの外側に配置されるため、大型である。このため、所定の磁場を得るためにコイルにより多くの電流が必要となり、またはコイルの巻き数を多くしたりする必要がある。例えば磁場発生機構として中空コイルを使用すると、屈曲部に配置される中空コイルは、構造上大型化が避けられない。

【0005】

更に、プラズマ輸送部のみを真空室内に配置し、プラズマ輸送部の外側の大気圧側に中空コイルが設置されると、中空コイルは大型化し、且つ、中空コイルの設置位置の自由度は限られたものとなる。中空コイルの設置位置に自由度がないと、屈曲軌跡や曲率の制御範囲は極めて狭くなってしまい効率的なプラズマ輸送が困難となる。特に屈曲部に配置される中空コイルは屈曲チャンバーのコーナ部に巻きつけるように製作する必要があり、構造上、手巻き作業となってしまう。このため、施工及び形状の均質性を担保することが困難であり、コイル性能である発生磁場の強度及び強度分布は機台ごとにばらつくことは避けられず、物つくりの信頼性を確保するのは難しい。

【0006】

このため、プラズマ輸送経路と磁場発生部を共に真空室内部に設置する方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１２−１２６４１号公報

【特許文献2】米国特許第６５４８８１７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、コイルに冷却水を通すために二重配管が設定されているが、この構造のみではコイルの冷却効率が低い。このため、電流量を増やして磁場強度を増大させることが困難である。このため、効率的なプラズマ輸送ができない。冷却効率を向上させるためには冷却経路を大きくする必要があるが、コイルの断面積が増大して装置全体が大きくなる。その結果、中空コイルの設置位置に自由度が確保できず、効率的なプラズマ輸送が困難である。特に、屈曲部の磁束の調整が困難であり、プラズマの効率的な輸送が難しく、成膜速度の低下やパーティクルの発生の助長が懸念される。また、特許文献１に記載の発明では、磁場発生部は真空室内に配置されているものの、中空コイルは大気圧側に配置されている。これは、中空コイルを真空室内に配置すると、中空コイルにプラズマが直接照射されて、中空コイルの劣化や破損が頻繁に生じるためである。

【0009】

また、特許文献２に記載の発明では、トーラス型のコイルが使用されており、プラズマ輸送のために使用する中空コイルに、給電部などでの放電や発熱によるコイル内部の損傷が懸念される。これは以下の理由による。即ち、コイルで発生させる磁場の強度は基本的に、電流値×巻き数で決定される。トーラス型では一定範囲（輸送方向におけるある範囲）で巻き数を多く確保することが難しいため、所定の磁場強度を得るためには電流値を大きくする必要がある。そのため、大電流によるコイル給電部の異常放電や発熱の懸念が生じる。

【0010】

上記問題点に鑑み、本発明は、基板の成膜面へのドロップレットの入射が抑制でき、且つ効率的なプラズマ輸送が可能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。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様によれば、（ア）処理対象の基板が格納される成膜チャンバーと、（イ）ターゲットの少なくとも一部が格納され、成膜チャンバーに連結するプラズマチャンバーと、（ウ）ターゲットと成膜チャンバーとの間に少なくとも１箇所の屈曲部を有して連続する磁力線を発生させる、非磁性金属からなる外皮によって被覆されてプラズマチャンバー内に配置された複数の中空コイルと、（エ）中空コイルの内側に配置されたプラズマ電位補正管とを備え、アーク放電によりプラズマチャンバー内で生成されたターゲット材料に由来するイオンを含むプラズマが、複数の中空コイルの内側を通過してターゲットから基板まで輸送されるアークプラズマ成膜装置が提供される。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、基板の成膜面へのドロップレットの入射が抑制され、且つ効率的なプラズマ輸送が可能なアークプラズマ成膜装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】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。

【図2】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チャンバーの構成を示す模式的な断面図である。

【図3】プラズマの輸送を説明するための模式図である。

【図4】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中空コイルにより形成される磁場を説明するための模式図である。

【図5】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中空コイルの構成を示す模式図である。

【図6】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中空コイルの他の構成を示す模式図である。

【図7】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における中空コイルの配置の調整方向を示す模式図である。

【図8】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におけるプラズマの輸送路の例を示す模式図である。

【図9】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における中空コイルの配置とプラズマの２次元屈曲輸送路との関係を示す模式図である。（ａ）側面図、（ｂ）平面図。

【図10】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における中空コイルの他の配置とプラズマの３次元屈曲輸送路との関係を示す模式図である。（ａ）側面図、（ｂ）平面図。

【図11】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中空コイルの構造を示す模式的な断面図である。

【図12】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。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

【実施例】

【0015】

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、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の実施形態に係る図１に示すアークプラズマ成膜装置１は、ターゲット６００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６００に含まれる材料元素のイオンを含むプラズマ２００を生成する成膜装置である。アークプラズマ成膜装置１によれば、ターゲット６００の材料元素を主成分とする薄膜が処理対象の基板１００上に形成される。

【0016】

アークプラズマ成膜装置１は、図１に示すように、処理対象の基板１００が格納される成膜チャンバー１０と、ターゲット６００の少なくとも一部が格納され、成膜チャンバー１０に連結するプラズマチャンバー２０と、ターゲット６００と成膜チャンバー１０との間に少なくとも１箇所の屈曲部を有して連続する磁力線を発生させる、プラズマチャンバー２０内に配置された第１中空コイル４０１〜第５中空コイル４０５とを備える。以下において、第１中空コイル４０１〜第５中空コイル４０５を総称して、「中空コイル４０」という。アーク放電によってプラズマチャンバー２０内で生成されたターゲット６００の材料に由来するイオンを含むプラズマ２００は、中空コイル４０の内側を通過してターゲット６００から基板１００まで輸送される。

【0017】

また、プラズマ２００が中空コイル４０間から発散したり漏れたりするのを防止するために、中空コイル４０間の空間の周囲にプラズマ電位補正電極を配置してもよい。プラズマ２００は、プラズマ電位補正電極の内側を通過して輸送される。図１に示した例では、第１中空コイル４０１〜第５中空コイル４０５の内側に配置されたプラズマ電位補正管３０を備える。プラズマ２００は、プラズマ電位補正管３０の内部を通過して輸送される。

【0018】

図１に示した例では、プラズマチャンバー２０がターゲット室２１と放電室２２とを有する。ターゲット室２１にはターゲット６００と第１中空コイル４０１が格納されており、ターゲット６００の一部が放電室２２内に露出するように配置されている。放電室２２内において、アーク放電によるプラズマ２００が生成される。例えば円柱形状のターゲット６００の端部が放電室２２内に露出し、露出したターゲット６００の表面にアーク放電プラズマが形成される。

【0019】

ターゲット６００は、基板１００に成膜する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容器６０２からなる。例えば基板１００の主面上にダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜などのカーボン膜を形成する場合には、カーボンターゲットがターゲット６００に使用される。なお、ターゲット室２１と放電室２２とは分離可能である。放電室２２から分離した状態で、ターゲット室２１に格納するターゲット６００の交換などを容易に行うことができる。

【0020】

図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図を図２に示す。図１及び図２に示すように、中央部にプラズマ２００が通過する開口部を有する絞り板５０が、プラズマ電位補正管３０の内部に配置されている。絞り板５０は、周囲を中空コイル４０に囲まれた領域に配置されている。絞り板５０の詳細は後述する。

【0021】

中空コイル４０は、プラズマチャンバー２０内で励起されたアーク放電によってターゲット６００の表面に生成されたプラズマ２００を、プラズマ電位補正管３０の内部を通過させて、プラズマチャンバー２０から基板１００の主面に誘導するように磁場を形成する。

【0022】

中空コイル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、それぞれの中心にプラズマ電位補正管３０が配置されている。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、中空コイル４０により形成される磁場の強さや向きがそれぞれ制御される。中空コイル４０に流れる電流を制御することにより中心磁場が制御され、プラズマ２００は中空コイル４０の内側を貫通するように誘導される。

【0023】

なお、図１ではプラズマチャンバー２０内に配置される中空コイル４０が５個である例を示したが、中空コイル４０の個数は５個に限られず、プラズマ輸送路の形状や長さなどに応じて適宜設定される。

【0024】

ターゲット室２１に配置された第１中空コイル４０１は、図１に示すように、プラズマ２００が形成されるターゲット６００の表面よりもターゲット６００の厚さ方向に進んだ位置に配置されている。つまり、第１中空コイル４０１は、放電室２２内に配置された複数の中空コイル４０のうちのターゲット６００に最近接の第２中空コイル４０２と、ターゲット６００の表面を含む平面レベルを挟んで対向して配置されている。

【0025】

ターゲット６００の近傍に配置された第１中空コイル４０１と第２中空コイル４０２によって、ターゲット６００の表面の磁場が形成される。第１中空コイル４０１と第２中空コイルは、カスプ磁界を形成するように設定される。つまり、第１中空コイル４０１と第２中空コイル４０２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、アーク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。

【0026】

一方、第２中空コイル４０２〜第５中空コイル４０５は、ミラー磁界を形成するように設定される。図３に示すように、電子ｅは磁力線に巻きつくようにＥＢドリフトしながら、中空コイル４０に流れる電流Ｉによって生じる磁界Ｈの方向（Ｎ極からＳ極）へ輸送される。イオンｉは磁界の影響を受けにくく、双極性拡散により電子の運動方向に引き戻されながら、電子と一体となってプラズマとして輸送される。つまり、電子が磁界によって輸送され、その電子の動きにイオンが追従する、というふうにプラズマ自体が輸送される。輸送されるプラズマは、磁力線に沿って広がった形状又は窄まった形状となる。

【0027】

上記のようにして、第２中空コイル４０２〜第５中空コイル４０５が形成する磁界によって、材料元素のイオンを含むプラズマ２００が成膜チャンバー１０まで輸送される。一方、スキャンコイル６０によって、基板１００の上方の磁場がスキャンされる。これにより、基板１００の主面に均一な膜が形成される。

【0028】

図４に、第２中空コイル４０２と第３中空コイル４０３の周囲における磁場の状態を示す。図４に示すように、ターゲット６００側をＮ極とする磁界が発生するように、中空コイル４０に電流が流される。第２中空コイル４０２と第３中空コイル４０３はミラー磁界を形成し、プラズマ２００は第２中空コイル４０２から第３中空コイル４０３に向かう方向に輸送される。

【0029】

放電室２２内に配置された複数の中空コイル４０のそれぞれの位置及び発生する磁界の大きさや向きを制御することにより、中空コイル４０により形成される磁力線の方向を設定できる。これにより、プラズマ２００は中空コイル４０の内側を貫通するように所望の経路で屈曲輸送される。

【0030】

例えば図１に示すように、成膜チャンバー１０とプラズマチャンバー２０との間に１つの屈曲部を有するＬ字形状にプラズマ輸送路を形成できる。或いは、Ｕ字形状などのように複数の屈曲部を有するプラズマ輸送路を形成してもよい。プラズマ輸送路に屈曲部を設定したりプラズマ輸送路を長くしたりすることによって、ドロップレットやパーティクルが基板１００に達することを抑制できる。

【0031】

上記のように、アークプラズマ成膜装置１によれば、プラズマチャンバー２０の形状に関わらず、複数の屈曲や微小な屈曲を有するプラズマ輸送路を実現可能である。つまり、プラズマチャンバー２０の形状を変更することなく、プラズマチャンバー２０の内部に設置する中空コイル４０の数や位置を調整することにより、複雑なプラズマ屈曲輸送が可能である。このため、効率的なプラズマ輸送やドロップレットの抑制効果が得られる。

【0032】

中空コイル４０の中空部の形状は、円形状或いは楕円形状などを採用可能である。例えば、プラズマ輸送路が直線である領域に配置される第１中空コイル４０１、第２中空コイル４０２、第３中空コイル４０３及び第５中空コイル４０５の中空部の形状は、図５に示すような円形状とする。一方、プラズマ輸送路が屈曲する領域に配置される第４中空コイル４０４の中空部の形状は、図６に示すような楕円形状とする。

【0033】

図５及び図６に示すように、中空コイル４０は環状部分４１と柄部分４２とを有する。中空部を構成する環状部分４１の内側を、プラズマ２００が輸送される。また、柄部分４２によって、中空コイル４０はプラズマチャンバー２０に支持される。プラズマチャンバー２０の中空コイル４０の取り付け部分は、図６に示すように、プラズマチャンバー２０に固定された固定部２０１と、柄部分４２が接続する可動部２０２とにより構成されている。固定部２０１に支持された可動部２０２をスライドさせることにより、中空コイル４０をプラズマチャンバー２０に取り付けた状態で、プラズマチャンバー２０内における中空コイル４０の配置を調整することができる。これにより、プラズマチャンバー２０内の磁場レイアウトを容易に変更できる。

【0034】

例えば、図６に矢印で示すように、プラズマ輸送路と垂直に左右方向（ｘ方向）や上下方向（ｙ方向）に中空コイル４０を移動させたり、プラズマ輸送路に沿った前後方向（ｚ方向）に中空コイル４０を移動させたりできる。また、柄部分４２の延伸方向を回転軸として中空コイル４０をα方向に回転させることができる。図示を省略しているが、第１中空コイル４０１、第２中空コイル４０２、第３中空コイル４０３及び第５中空コイル４０５も、第４中空コイル４０４と同様に、プラズマチャンバー２０に取り付けられている。中空コイル４０の配置の調整範囲は、例えば、前後左右に±１０ｃｍ程度、回転方向に±１５度程度とする。

【0035】

図７に矢印で示すように、プラズマチャンバー２０内で中空コイル４０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。このため、アークプラズマ成膜装置１によれば、プラズマ輸送の効率を向上させることができる。また、例えば図８に示すように、プラズマ輸送路を第４中空コイル４０４の周辺で大きく迂回させることが可能である。これにより、ドロップレットやパーティクルが基板１００に達することをより効果的に抑制できる。

【0036】

具体的には、例えば図９（ａ）、図９（ｂ）に示すような、屈曲部を有し、且つ迂回のないプラズマ輸送路を実現する場合には、中空コイル４０のそれぞれが形成する磁場の中心を通過する中心軸が同一平面で連続するように、中空コイル４０が配置される。このとき、屈曲部を除いて各中心軸は直線的に連続する。これに対し、プラズマ輸送路を迂回させるためには、磁場の中心の位置をずらすように中空コイル４０を上下方向（図６のｙ方向）や左右方向（図６のｘ方向）、或いはプラズマ輸送路に沿った前後方向（図６のｚ方向）に移動させたり、中空コイル４０を回転させたりする。

【0037】

プラズマ輸送路を迂回させる図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示した例では、第３中空コイル４０３と第４中空コイル４０４をそれぞれ移動させ、第３中空コイル４０３を回転させている。例えば、第３中空コイル４０３の移動距離は、前後方向についてプラズマ２００の進行方向に５ｍｍ、下方向に５ｍｍである。更に、磁場の中心を通過する線を中心軸として第３中空コイル４０３を回転させ、その回転角度は３度である。また、第４中空コイル４０４の移動距離は、右方向に１０ｍｍ、進行方向に５ｍｍ、下方向に５ｍｍである。

【0038】

図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示したようにそれぞれ独立した中空コイル４０を複数配置させることにより、３次元の立体的な複数回の連続した屈曲設定が可能であり、基板１００に到達するドロップレットやパーティクルの低減に効果がある。また、屈曲部におけるプラズマ輸送路の曲率を大きくすることが可能であり、電子の消失率が改善されて輸送効率が向上する。このように、アークプラズマ成膜装置１では、効率的なプラズマ輸送が可能であり、且つ、パーティクルの少ないフィルタード陰極真空アーク法（ＦＣＶＡ）が可能である。

【0039】

図５及び図６に示すように、柄部分４２を介してプラズマチャンバー２０の外部から、中空コイル４０に電流を供給するコイル線４１１や冷却水などが流される水冷管４１２、中空コイル４０の内部温度測定用の熱電対４２１が中空コイル４０内に導入されている。

【0040】

図１１に、中空コイル４０の構造例を示す。図１１は、図５のＸＩ−ＸＩ方向に沿った断面図である。

【0041】

中空コイル４０は、非磁性金属からなる外皮４１０によって被覆されている。中空コイル４０によって磁場を発生させるため、磁性金属は磁場を遮断してしまうため外皮４１０には使用不可である。磁性金属以外であれば外皮４１０に使用可能であり、例えば、ステンレス合金、アルミニウム合金、銅合金などが外皮４１０の材料に使用される。ただし、真空内に配置されるため、外皮４１０には一定の強度が必要である。なお、外皮４１０は、プラズマチャンバー２０と同電位に設定される。

【0042】

図１１に示すように、中空コイル４０の内部には、コイル線４１１、水冷管４１２、水冷板４１３、コイル部４１４が配置されている。中空コイル４０の環状部分４１に沿って環状に配置されたコイル部４１４にコイル線４１１を介して電流が供給され、中空コイル４０は磁界を形成する。

【0043】

また、中空コイル４０の内部は、熱伝導性を有する樹脂４１５によって真空脱泡充填されている。樹脂４１５には、例えばエポキシ樹脂などを採用可能である。樹脂４１５の熱伝導性は高いほど好ましい。

【0044】

水冷管４１２には例えば冷却水が流され、水冷管４１２によって水冷板４１３が冷却される。水冷管４１２や水冷板４１３の材料には、例えば銅などが使用される。水冷板４１３によって、水冷板４１３に挟まれたコイル部４１４や樹脂４１５、外皮４１０が冷却される。これにより、中空コイル４０の温度上昇を効率的に抑制することができる。このため、中空コイル４０の電流量を増やして磁場強度を増大させることが容易である。

【0045】

アークプラズマ成膜装置１では、プラズマチャンバー２０内部に中空コイル４０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。形状の小さな中空コイル４０では、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。更に、上記のように中空コイル４０を効率的に冷却することにより、強力なコイル磁場を再現性よく実現できる。

【0046】

図１、図２に示した例では、中空コイル４０の中空部にプラズマ電位補正管３０が配置されている。プラズマ２００が中空コイル４０間から発散したり漏れたりするのがプラズマ電位補正管３０によって防止されるため、より効率の良いプラズマ輸送が可能である。また、輸送されるプラズマ２００のプラズマ径を小さくするためにも、プラズマ電位補正管３０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。

【0047】

プラズマ電位補正管３０の材料には、中空コイル４０によって発生させた磁場を遮断しないために、磁性金属は使用不可である。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を、プラズマ電位補正管３０に使用可能である。

【0048】

なお、図１ではプラズマ電位補正管３０が直管である例を示したが、プラズマ電位補正管３０に屈曲管を使用してもよい。ただし、ターゲット６００と対向する領域には、プラズマ電位補正管３０が配置されていないことが好ましい。つまり、ターゲット６００と対向する面はドロップレットの照射頻度が高い部分であり、プラズマ電位補正管３０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電位補正管３０に衝突して散乱、拡散することが抑制される。このため、基板１００へのパーティクルの付着率を低減できる。

【0049】

プラズマ電位補正管３０は、周囲の構造物から絶縁されている。なお、プラズマ電位補正管３０の電位は、実験的にプラズマの効率的な輸送のために−２０Ｖ〜＋２０Ｖ程度の範囲が好ましい。

【0050】

既に述べたように、プラズマ電位補正管３０の内部には、ドロップレット収集用の絞り板５０が配置されている。高い運動エネルギーのドロップレットが絞り板５０で捕集されることにより、基板１００でのパーティクル付着率を低減できる。絞り板５０の材料には、プラズマ電位補正管３０と同様に、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を採用可能である。絞り板５０の電位は、プラズマ電位補正管３０と同電位である。

【0051】

図４に示したように、中空コイル４０の直下で磁束線Φが窄まるため、プラズマ２００が窄まる。一方、中空コイル４０同士の中間では磁束線Φが広がるため、プラズマ２００が広がる。したがって、中空コイル４０の中間に絞り板５０を配置すると、プラズマ２００が消失してしまう。しかし、絞り板５０を中空コイル４０の直下に配置することにより、絞り板５０によりプラズマ電位補正管３０の口径を実質的に絞っても、プラズマ輸送の効率を低減することはない。

【0052】

また、図１に示すように、プラズマチャンバー２０には、容易に開閉可能な取り出し窓２１０が設置される。取り出し窓２１０を介して、プラズマチャンバー２０内からプラズマ電位補正管３０を外部に取り出せる。このため、プラズマ電位補正管３０のメンテナンスが容易である。取り出し窓２１０は、例えばターゲット６００の対向面に設置される。プラズマチャンバー２０全体が取り出し窓２１０により開放される構造によれば、容易にメンテナンスを行える。

【0053】

なお、プラズマチャンバー２０と成膜チャンバー１０との接続部には、ゲートバルブ１１２が設置されている。成膜処理時には、ゲートバルブ１１２は開放されている。ゲートバルブ１１２を閉じることにより、例えばプラズマチャンバー２０と成膜チャンバー１０の一方を真空状態に保ったまま、他方を大気開放することができる。これにより、メンテナンスが容易である。

【0054】

また、成膜チャンバー１０には、ゲートバルブ１１３を介して、取り込みチャンバー１５が接続されている。取り込みチャンバー１５から、基板１００が成膜チャンバー１０内に格納される。基板１００の取り出しも、取り込みチャンバー１５を経由して行われる。なお、基板１００がワークアダプタ１１に搭載された状態で、成膜チャンバー１０への格納及び取り出しが行われる。成膜チャンバー１０内で、基板１００が搭載されたワークアダプタ１１がワークホルダ１２上に配置される。

【0055】

なお、図示を省略したが、成膜チャンバー１０、プラズマチャンバー２０及び取り込みチャンバー１５にはそれぞれ排気機構が設置されている。このため、互いに独立して排気が可能である。

【0056】

既に述べたように、アーク放電によりターゲット６００からドロップレットが発生する。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、プラズマ輸送路に屈曲部を設けることにより、ドロップレットが基板１００に到達することを防止できる。

【0057】

しかし、屈曲チャンバーを使用した場合には、ドロップレットがチャンバー内壁との衝突と拡散を繰り返して散乱し、基板１００の表面に付着する確立が増大する。このため、良質な薄膜を形成できない。

【0058】

また、屈曲チャンバーの内部は狭く閉塞しているため、チャンバー内部のドロップレットやパーティクルの堆積物や沈殿物を除去することが困難である。これらの堆積物や沈殿物が基板１００の表面に付着することによっても、基板１００に形成される薄膜の質が劣化する。

【0059】

これに対し、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、プラズマチャンバー２０の内部に設置する中空コイル４０の数や位置を調整することにより、複雑なプラズマ屈曲輸送が可能である。また、屈曲チャンバーに制限されることなく中空コイル４０の設置位置の自由度が高いために、より効率的なプラズマ輸送が可能である。更に、効率的な冷却が可能な小型の中空コイル４０を使用することにより、強力なコイル磁場を形成できる。

【0060】

更に、アークプラズマ成膜装置１では取り出し窓２１０からプラズマ電位補正管３０を外部に取り出せる。このため、プラズマ電位補正管３０内部の堆積物や沈殿物を、容易に除去することができる。その結果、基板１００に高品質の薄膜を形成することができる。

【0061】

したがって、アークプラズマ成膜装置１によれば、ドロップレットの入射が抑制され、且つ効率的なプラズマ輸送が可能なアークプラズマ成膜により、基板１００の成膜面へのパーティクルの混入の少ない成膜装置を提供できる。

【0062】

図１では、中空コイル４０間の空間の周囲に配置されたプラズマ電位補正電極が、プラズマ電位補正管３０である例を示した。しかし、プラズマ電位補正電極が管形状に限られることはなく、例えば板状電極を中空コイル４０間の空間の周囲に配置してもよい。プラズマ２００を挟んで板状電極を対向するように配置することにより、プラズマ２００が中空コイル４０間から発散したり漏れたりするのを防止できる。
（第２の実施形態）

【0063】

上記では、アークプラズマ成膜装置１が、中空コイル４０間の空間の周囲に配置されたプラズマ電位補正電極を有する例を示した。しかし、プラズマ２００が安定して流れるなどして中空コイル４０間からのプラズマ２００の発散や漏れを考慮する必要がない場合には、図１２に示すように、プラズマ電位補正電極を配置しなくてもよい。プラズマチャンバー２０内にプラズマ電位補正管３０などのプラズマ電位補正電極を配置しないことにより、装置の小型化やコスト削減などが可能である。

【0064】

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。即ち、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。

【0065】

本発明は、コイルにより発生させる磁界によって材料元素のイオンを含むプラズマを輸送する成膜装置に利用可能である。

【符号の説明】

【0066】

１０・・・成膜チャンバー
１１・・・ワークアダプタ
１２・・・ワークホルダ
２０・・・プラズマチャンバー
２１・・・ターゲット室
３０・・・プラズマ電位補正管
４０・・・中空コイル
４０１・・・第１中空コイル
４０２・・・第２中空コイル
４０３・・・第３中空コイル
４０４・・・第４中空コイル
４０５・・・第５中空コイル
４１・・・環状部分
５０・・・絞り板
６０・・・スキャンコイル
１１２・・・ゲートバルブ
１１３・・・ゲートバルブ
２００・・・プラズマ
２０２・・・可動部
２１０・・・取り出し窓
４１１・・・コイル線
４１２・・・水冷管
４１３・・・水冷板
４１４・・・コイル部
４１５・・・樹脂
４２１・・・熱電対
６００・・・ターゲット
６０１・・・ターゲット材
６０２・・・ターゲット容器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】