JP2003213411A - プラズマを用いる成膜装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定なプラズマ状態を形成することができ、
プラズマ状態の制御性に優れた成膜装置の提供。 【解決手段】 陰極ターゲット２に電気的衝撃を与えて
蒸着用プラズマ１０を生成し、蒸着用プラズマ１０中の
ターゲットイオンをバイアス電圧が印加された試料基板
４に導いて薄膜を成膜する成膜装置において、イオン源
３で生成されたイオンビーム９を陰極ターゲット２に照
射して蒸着用プラズマ１０を生成する。イオンビーム９
の照射によって蒸着用プラズマ１０の生成および維持が
行われる。よって、イオンビーム９を制御することによ
り、蒸着用プラズマ１０の状態を安定的に制御すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ターゲットに電気
的衝撃を与えてプラズマを生成し、プラズマ中のターゲ
ットイオンを基板に導いて薄膜を形成する成膜装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】陰極アーク放電によるプラズマ励起法
は、低圧力域での励起が可能であることや、プラズマ中
でのイオン化率が高いなどの特徴を有している。そのた
め、この励起法は、高真空中で材料元素イオンを試料基
板表面に導いて成膜するカソードアークイオン成膜装置
に利用されている。

【０００３】カソードアークイオン成膜装置の一例とし
ては、特開昭５９−２００７６０号公報に開示されてい
るような成膜装置がある。カソードアークイオン成膜装
置では、カソードに蒸着元素材料であるターゲットが配
設され、カソードとアノードとの間に高電圧を印加して
アーク放電を発生させる。アーク放電の衝撃によりター
ゲット材料が蒸発するとともにイオン化され、ターゲッ
ト表面付近にカソードアークプラズマが生成される。こ
のプラズマ中のターゲットイオンを試料基板表面に導い
て堆積させることにより、ターゲット元素を材料とする
薄膜が形成される。

【０００４】高電界によってアーク放電が起動されカソ
ードアークプラズマが励起されると、それ以後は励起さ
れたプラズマの効果によってより低い電界でも放電が持
続される。すなわち、電極間電界の機能はアーク放電起
動のための絶縁破壊から、プラズマへのエネルギー供給
へと変化する。

【０００５】カソードアークイオン成膜装置では放電電
流としてカソードからの放出電子流を利用しているの
で、常温かつ高真空中でアーク放電を起動させるために
は絶縁破壊のための高電界を必要とする。そのため、放
電電極形状を尖端形状にして電界集中効果を利用した
り、アノード−カソード間距離を変えたりして高電界を
形成している。また、アーク放電を起動するためのトリ
ガ装置と呼ばれる起動専用電極や起動用高電圧印加機構
が用いられたりする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アーク
放電が持続状態となっても、ターゲット材料の蒸発によ
るターゲットの消耗やアノードへの蒸着物の堆積のため
に、電極間の電界状態が刻々と変化し、放電状態が不安
定となる。放電状態が不安定となってアーク電流が小さ
くなった場合には、トリガ装置を再起動することにより
プラズマが消失するのを防止している。すなわち、成膜
プロセス中には、アーク放電を起動する起動モードと、
プラズマの効果によってアーク放電が持続される持続モ
ードとが繰り返される。このとき、各モードにおける電
界の大きさが極端に異なっていて放電状態が急激に変化
するため、イオン源として利用されるプラズマの状態が
不安定になりやすいという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、ターゲットに電気的衝撃
を与えて生成したプラズマを利用する成膜装置におい
て、安定なプラズマ状態を形成することができ、プラズ
マ状態の制御性に優れた成膜装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】発明の実施の形態を示す
図１に対応付けて説明する。 （１）請求項１の発明は、アーク放電により陰極ターゲ
ット２を衝撃してカソードアークプラズマ１０を生成
し、カソードアークプラズマ１０中のイオンをバイアス
電圧が印加された基板４に導いて薄膜を成膜するカソー
ドアークイオン成膜装置に適用され、陰極ターゲット２
の材料を蒸発させてイオン化するイオンビーム９を陰極
ターゲット２に照射するイオン照射手段３，８を備えて
上述の目的を達成する。イオンビーム９の照射によて、
カソードアークプラズマ１０が生成される。 （２）請求項２の発明は、請求項１に記載のカソードア
ークイオン成膜装置において、イオン照射手段に、ＥＣ
Ｒ型イオン源を用いたものである。 （３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載のカ
ソードアークイオン成膜装置において、陰極ターゲット
２にグラファイトターゲットを用い、基板４にＤＬＣ膜
を成膜するものである。

【０００９】なお、上記課題を解決するための手段の項
では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態
の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態
に限定されるものではない。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の実施
の形態を説明する。図１は、本発明による成膜装置の一
実施の形態の概略構成を示す図である。メインチャンバ
１内には、成膜材料であって陰極を構成する陰極ターゲ
ット２と、イオン源３と、成膜対象である試料基板４と
が設けられている。イオン源３は従来のカソードアーク
イオン成膜装置のアノードに対応するものであって、本
実施の形態の成膜装置はカソードアークイオン成膜装置
の一種であると見做すことができる。陰極ターゲット２
には、例えば試料基板４上にＤＬＣ（Diamond Like Car
bon）等のカーボン膜を成膜する場合はグラファイトタ
ーゲットが用いられる。メインチャンバ１内は真空ポン
プ５により高真空に排気される。

【００１１】イオン源３はプラズマ生成室３１および差
動排気室３２を備えている。プラズマ生成室３１にはガ
ス供給源６からアルゴン等のガスが供給され、そのガス
をグロー放電により励起してイオン化することによりプ
ラズマが生成される。プラズマを励起する方法には、熱
フィラメントを用いる方法や、高周波やＥＣＲ(Electro
n Cyclotron Resonance)を用いる方法などがある。

【００１２】図２はＥＣＲを利用したイオン源３の概略
構成図である。ＥＣＲイオン源３の場合、プラズマ生成
室３１は空洞共振器構造とされ、プラズマ生成室３１に
は導波管３３および石英窓３４を介して２．４５（ＧＨ
ｚ）のマイクロ波が導入される。プラズマ生成室３１の
周囲には電磁石コイル３５が配設される。電磁石コイル
３５は、プラズマ生成室３１内にＥＣＲ条件を満たす磁
界を発生させるとともに、隔壁３６の開口３７から差動
排気室３２にイオン源プラズマＰを引き出す発散磁界を
形成する。２．４５（ＧＨｚ）のマイクロ波の場合に
は、８７５（Ｇ）の磁場強度の所でＥＣＲ条件が満たさ
れる。ＥＣＲ条件が満たされるとアルゴンが励起されて
イオン化され、プラズマ生成室３１内にアルゴンイオン
を含むイオン源プラズマＰが生成される。

【００１３】差動排気室３２は真空ポンプ７により排気
されており、プラズマ生成室３１から差動排気室３２に
流入したイオン源プラズマＰに含まれる中性粒子は真空
ポンプ７によってメインチャンバ１の外へ排気される。
そのため、差動排気室３２内はプラズマ生成室３１内よ
りも高真空状態となり、低真空のプラズマ生成室３１と
高真空のメインチャンバ１との間のバッファとして機能
している。すなわち、メインチャンバ１の高真空が維持
される。差動排気室３２の開口３８からはアルゴンイオ
ンが引き出され、イオンビーム９として陰極ターゲット
２に照射される。

【００１４】図１に戻って、イオン源３には電源８によ
り正の電圧が印加され、高電位（例えば１Ｍ（Ｖ）程
度）に保たれている。一方、陰極ターゲット２の電位は
接地電位とされている。そのため、差動排気室３２の開
口３８から引き出されたアルゴンイオンは、イオン源３
と陰極ターゲット２との間のポテンシャル差によって陰
極ターゲット２方向へと加速される。アルゴンイオンは
ＭｅＶオーダーのエネルギーを持っているため、イオン
ビーム９が陰極ターゲット２に照射されてエネルギーが
放出されると、ターゲット材料は蒸発しイオン化され
る。その結果、陰極ターゲット２の表面付近には、イオ
ンビームが照射された部分を中心としてプラズマ１０
（以下では、蒸着用プラズマ１０と呼ぶ）が発生する。

【００１５】蒸着用プラズマ１０中には、ターゲット材
料のイオンが含まれている。例えば、ターゲット２とし
てグラファイトを用いる本実施の形態では、カーボンイ
オンが含まれている。試料基板４にはバイアス電源１１
によりマイナスのバイアス電圧が印加されており、この
バイアス電圧による陰極ターゲット２と試料基板４との
間のポテンシャル差によって、蒸着用プラズマ１０中の
カーボンイオンが試料基板４へと引き込まれる。図１に
おいて１２は材料元素のイオン流を示している。

【００１６】１３は、陰極ターゲット２に照射されるイ
オンビーム９の照射位置をターゲット表面上で二次元的
に走査する偏向器である。この偏向器１３によりイオン
ビーム９を偏向することにより、陰極ターゲット２のよ
り広い領域にイオンビーム９を照射させることができ、
陰極ターゲット２の消耗の均一化を図ることができる。
さらに、蒸着用プラズマ１０のプラズマ領域が拡がり、
試料基板４のより広い領域にイオン流１２を照射させる
ことができる。もちろん、偏向器１３を省略しても良
い。

【００１７】ところで、イオンビームスパッタ装置にお
いてもイオンビームをターゲットに照射して成膜を行う
が、本発明の成膜装置とはイオンビームの機能および成
膜のプロセスにおいて本質的に異なっている。スパッタ
リングの場合、１個のイオンの入射によりスパッタされ
る原子の数はスパッタ率と呼ばれ、スパッタ率は入射す
るイオンのエネルギーEiにより変化する。

【００１８】図３はスパッタ率とエネルギーEiとの関係
を定性的に示した図であり、イオンのエネルギーがしき
いエネルギーEitまで増加するとスパッタが認められる
ようになる。エネルギーEiを大きくするとスパッタ率も
増加するが、次第に飽和するようになる。スパッタ率が
飽和した後にさらにエネルギーEiを大きくすると、スパ
ッタ率は減少し始めてターゲット材料の中に侵入してし
まうイオンの方が多くなる。そのため、スパッタ成膜装
置ではスパッタ率が最大となるエネルギーで成膜が行わ
れる。グラファイトターゲットを使用した場合には、約
１（ｋｅＶ）程度でスパッタが行われる。そして、スパ
ッタされた中性粒子（ターゲット粒子）が試料基板上に
堆積することにより薄膜が形成される。

【００１９】一方、本実施の形態では、イオンのエネル
ギーEiはＭｅＶオーダーであってスパッタ成膜の場合に
比べて１０００倍も大きい。そのため、スパッタ現象で
はなくターゲット材料の蒸発およびイオン化が生じる。
その結果、イオン電流によるアーク放電が生じて蒸着用
プラズマ１０が生成される。中性粒子を堆積するスパッ
タと異なりカソードアークイオン成膜装置の場合には、
蒸着用プラズマ１０の材料元素イオンを試料基板４上に
引き込んで薄膜を形成する。そのため、バイアス電圧を
調整することによって膜の性質を調節することができ
る。

【００２０】上述したようにイオン源３をアノードとし
て機能させる本実施の形態の成膜装置は、以下の（ａ）
〜（ｄ）のような利点を有している。 （ａ）従来の装置では、アーク放電を起動するための高
電界を形成するために、アノード−カソード間距離を変
える機構を設けたり、専用のトリガ装置を設けたりする
必要があった。一方、本実施の形態の成膜装置では、イ
オン源３のイオンビーム９を陰極ターゲット２に照射す
ることにより蒸着用プラズマ１０の生成を容易に行うこ
とができる。そのため、従来のようなメカニカルなトリ
ガ機構を設ける必要がない。なお、イオン源プラズマＰ
はガス雰囲気中でのグロー放電により生成されるので、
高真空中での絶縁破壊によるアーク放電に比べて容易に
放電を行わせることができる。

【００２１】（ｂ）プラズマ生成室３１とメインチャン
バ１との間に差動排気室３２を設けたので、ガス雰囲気
中の放電によるプラズマを利用する成膜であるにもかか
わらず、高真空中での高純度成膜を実現することができ
る。

【００２２】（ｃ）陰極ターゲット２に照射するイオン
ビーム９の軌道途中に偏向器１３を配設したことによ
り、イオンビーム９を陰極ターゲット表面の広い領域に
照射することができる。その結果、陰極ターゲット２の
消耗量の偏在を低減することができる。

【００２３】（ｄ）前述したように、従来のカソードア
ークイオン成膜装置では、放電状態が不安定となってア
ーク電流が小さくなった場合には、メカニカルなトリガ
装置を再起動することによりプラズマが消失するのを防
止している。しかし、メカニカルな装置であるためにア
ーク電流の急激な減少に素早く対応することが難しく、
起動モードと持続モードとが繰り返され、プラズマ状態
が大きく変動するという問題があった。一方、本実施の
形態では、イオンビーム９により供給されるエネルギー
によって蒸着用プラズマ１０の状態が積極的に維持され
るので、持続モードを安定的に継続させることができ
る。仮に、プラズマ状態が大きく変動するようなことが
あった場合でも、電源８の電圧を調整してイオン源３と
陰極ターゲット２との間のポテンシャル差を調節するこ
とにより、素早く元の状態に復帰させることができる。
すなわち、蒸着用プラズマ１０の制御性および安定性に
優れた成膜装置を実現することができる。

【００２４】［変形例］図１に示した実施の形態では、
イオン源３に正の電圧を印加し、陰極ターゲット２を接
地電位に設定したが、図４に示すようにイオン源３を接
地電位に接しても良い。この場合、陰極ターゲット２に
電源２０を設けて、陰極ターゲット２の電位を接地電位
より低い−Ｖ２に設定しても良い。ただし、基板４の電
位を−Ｖ４とした場合、−Ｖ２＞−Ｖ４のように設定す
る。図４の装置では、電源２０の電圧を変えることによ
ってイオンビーム９のエネルギーを調整することができ
る。

【００２５】また、他の変形例として、図１または図４
の装置に従来のカソードアークイオン成膜装置に用いら
れているようなアノード電極を別個に設けても良い。こ
の場合、イオン源３のイオンビーム９を陰極ターゲット
２に照射することにより蒸着用プラズマ１０を生成し、
その後はアノード電極と陰極ターゲット２との間でアー
ク放電が持続される。持続モードに移行したならば、イ
オンビーム９の照射をオフする。すなわち、イオン源３
を従来のトリガ装置の代わりに用いる。持続モード中に
アーク電流が減少したならば、再びイオンビーム９を照
射してアーク放電を安定させる。その結果、メカニカル
なトリガ装置を用いる従来のカソードアークイオン成膜
装置に比べ、蒸着用プラズマ１０の変動に素早く対応す
ることができる。

【００２６】上述した実施の形態では、陰極ターゲット
２にグラファイトを用いるＤＬＣ膜成膜用の装置を例に
説明したが、本発明は、グラファイトターゲット以外の
ターゲットを用いた成膜装置にも適用することができ
る。

【００２７】以上説明した実施の形態と特許請求の範囲
の要素との対応において、イオン照射手段は、イオン源
プラズマＰを生成してイオンビーム９を生成するイオン
源３と、イオン源３と陰極ターゲット２との間にポテン
シャル差を形成してイオンビーム９にエネルギーを供給
する電源８とにより構成される。また、蒸着用プラズマ
１０が請求項１のプラズマを構成する。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
イオン照射手段によるイオンビームの照射によりプラズ
マの生成および維持が行われる。プラズマ状態はイオン
ビームによるエネルギー供給量により制御することがで
きるので、安定したイオンビームを照射することによ
り、安定したプラズマを生成することができる。イオン
ビームの制御は電気的行うことができるので、メカニカ
ルなトリガ装置を用いる従来のカソードアークイオン成
膜装置に比べ、プラズマの制御性および安定性が格段に
向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による成膜装置の一実施の形態を示す図
である。

【図２】ＥＣＲを利用したイオン源３の概略構成図であ
る。

【図３】スパッタ率とエネルギーEiとの関係を定性的に
示した図である。

【図４】成膜装置の変形例を示す図である。

【符号の説明】

１ メインチャンバ ２ 陰極ターゲット ３ イオン源 ４ 試料基板 ５，７ 真空ポンプ ８，１１，２０ 電源 ９ イオンビーム １０ 蒸着用プラズマ １３ 偏向器 ３１ プラズマ生成室 ３２ 差動排気室 Ｐ イオン源プラズマ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ターゲットに電気的衝撃を与えてプラズ
   マを生成し、前記プラズマ中のターゲットイオンをバイ
   アス電圧が印加された基板に導いて薄膜を成膜する成膜
   装置において、 前記ターゲットの材料を蒸発させてイオン化するイオン
   ビームを前記ターゲットに照射するイオン照射手段を備
   え、前記イオンビームの照射により前記プラズマを生成
   することを特徴とする成膜装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の成膜装置において、 前記イオン照射手段に、ＥＣＲ型イオン源を用いたこと
   を特徴とする成膜装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の成膜装置にお
   いて、 前記ターゲットにグラファイトターゲットを用い、前記
   基板にＤＬＣ膜を成膜することを特徴とする成膜装置。