(57)【要約】【課題】  真空陰極アーク放電を用いた成膜速度の制御を容易に行うことができるプラズマ成膜装置を提供する。【解決手段】  真空陰極アーク放電により発生したプラズマを真空に保持され状態で被成膜部材上に成膜するプラズマ成膜装置であって、真空アーク放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部に連続して接続され、前記プラズマを電磁場により輸送する輸送管と、前記輸送管に接続され、前記プラズマにより成膜処理される被成膜部材を保持するステージを有する成膜処理室とを備え、前記輸送管の内部に前記プラズマを通過させる中空部を有するオリフィス構造体を有し、且つ前記オリフィス構造体に直流電圧を印加する電圧印加手段を有するプラズマ成膜装置。【選択図】  図２
2015025182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空陰極アーク放電により発生したプラズマを真空に保持され状態で被成膜部材上に成膜するプラズマ成膜装置であって、真空アーク放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部に連続して接続され、前記プラズマを電磁場により輸送する輸送管と、前記輸送管に接続され、前記プラズマにより成膜処理される被成膜部材を保持するステージを有する成膜処理室とを備え、前記輸送管の内部に前記プラズマを通過させる中空部を有するオリフィス構造体を有し、且つ前記オリフィス構造体に直流電圧を印加する電圧印加手段を有することを特徴とするプラズマ成膜装置。
【請求項２】
前記オリフィス構造体は、前記輸送管が長手方向に曲がりが無い直線状であり、輸送管の長さを１とした場合に、前記輸送管の入口から見て０以上０．５以下の範囲に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ成膜装置。
【請求項３】
前記オリフィス構造体は、前記輸送管が長手方向に曲がりが無い直線状であり、輸送管の長さを１とした場合に、前記輸送管の入口から見て０．２５以上０．５以下の範囲に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ成膜装置。
【請求項４】
前記オリフィス構造体は、前記輸送管が長手方向に曲がりがある曲線状である場合、前記輸送管の曲がり部分に配置され、且つ前記輸送管のプラズマの流入口と曲がり部分の間の角度θが２２．５度以上７５度以下であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ成膜装置。
【請求項５】
前記輸送管の断面形状が円形であり、前記オリフィス構造体の中空部の断面形状が前記輸送管の断面形状と同心円形であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載のプラズマ成膜装置。
【請求項６】
前記オリフィス構造体は前記輸送管と絶縁された状態で配置されている請求項１乃至５のいずれかの項に記載のプラズマ成膜装置。
【請求項７】
真空陰極アーク放電により発生したプラズマを真空に保持され状態で被成膜部材上に成膜するプラズマ成膜方法であって、真空アーク放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生工程と、前記プラズマ発生工程で発生したプラズマを輸送管を通して電磁場により輸送する輸送工程と、前記輸送工程により輸送されたプラズマにより被成膜部材上に成膜処理する成膜工程とを有し、前記輸送工程における輸送管の内部には直流電圧が印加されている中空部を有するオリフィス構造体を有し、前記プラズマを前記オリフィス構造体の中空部を通過させて輸送することを特徴とするプラズマ成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマ成膜装置およびプラズマ成膜方法に関連し、特に真空陰極アーク放電を用いた成膜速度の制御を行うことができるプラズマ成膜装置およびプラズマ成膜方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、真空陰極アーク放電を用い、これを応用した薄膜形成技術の産業への応用が進んでいる。例えば、耐酸化性、耐摩耗性に優れた保護膜を微細に成膜する成膜装置が実現している。真空陰極アーク放電では、材料となるターゲットを陰極（カソード）とし、接地電位にした電極を接触させたり、電子ビームのような高エネルギー源による陰極へのエネルギー付与により、数ボルト、数十アンペア程度のアーク放電状態を作り出し、プラズマを発生させる。プラズマにより、陰極材料が電子とイオンのプラズマ状態に相変化し、さらに陰極に発生する負の電位にイオンが引き寄せられ、陰極に衝突することによって、さらに陰極材料からイオンと電子を発生させ、プラズマを持続する。これらの過程により発生した成膜粒子となるイオンと電子を、プラズマビームの形で輸送用ダクトに導き輸送する。
【０００３】
さらにプラズマビームを偏向させ被成膜部材上を走査するための走査用ダクトを用いて、効率よく真空成膜処理室に導く。その結果、真空成膜処理室内の例えばステージに設置された被成膜部材（例えば基板、ウエハー、加工工具）を均一に成膜することができる。また、被成膜部材に対して、外部の電源から前記真空成膜処理室に対して絶縁された状態で電圧を供給し、被成膜部材を成膜し、成膜される膜の性質を制御することが行われている。
【０００４】
一般的に、真空陰極アーク放電を用いた成膜では、成膜されるイオンの輸送は、電場と磁場が作用する空間を利用する。磁化されたプラズマ中の荷電粒子の運動過程はプラズマの両極性拡散現象が支配していると言われている（例えば非特許文献１）。両極性拡散では、イオンと電子が対となり、前記輸送用ダクト内の電場と磁場により先に電子が拡散した後をイオンが引き寄せられるように移動する。従って、輸送されるイオンの量、即ち堆積する物質の輸送過程は複雑であり、電子とイオンを効率よく輸送する必要があり、輸送量の制御を行うことが難しい。一方で、薄膜形成技術においては、形成する膜厚と膜厚を形成するまでの時間、即ち成膜レートがその膜の機能を左右するため、成膜速度の制御は重要である。真空陰極アーク放電は、スパッタなどの成膜手法に比べ、成膜速度が速い。成膜速度をより早くし、成膜時間を短縮することが要求される場合もある。また、高速に成膜すると、成膜されるイオンの運動エネルギーによって堆積する膜がダメージを受け、欠陥となる場合がある。この場合逆に、成膜速度を遅くすることが要求される。よって、真空陰極アーク放電における成膜速度の制御を簡易に行うことが課題となる。
【０００５】
このような問題に対して、ターゲット材料の近傍に、永久磁石を複数配置し、被成膜部材に向かって磁力線を誘導することによって、成膜速度を向上させる手法が知られている（例えば特許文献１）。また、２つの電極に短時間電界を印加し、プラズマから１つ目の電極を使い、電子とイオンを引き出す。その後、２つ目の電極を使いイオンと電子の分離を起こし、イオンのみを被成膜部材の方向に向け、効率よく成膜する手法が知られている（例えば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２６０２６号公報
【特許文献２】特開２０００−１１９０６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“ＰＲＩＮＣＩＰＬＥＳ  ＯＦ  ＰＬＡＳＭＡ  ＤＩＳＣＨＡＲＧＥＳ  ＡＮＤ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ”、２ＮＤ  ＥＤＴＩＯＮ、ｂｙ  Ｍｉｃｈａｅｌ  Ａ．Ｌｉｂｅｒｍａｎ／Ａｌｌａｎ  Ｊ．Ｌｉｃｈｔｅｎｂｒｇ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような従来技術を使う場合、例えば特許文献１の事例では、磁力線によって、被成膜部材方向に効率よくイオンを誘導することが可能である。しかし、永久磁石を使用するため、装置の使用条件やターゲットの形状、材質などが変わるたびに、永久磁石の配置や強さを変更する必要がある。従って、成膜速度の条件出しが煩雑になることが推測できる。また、同じ装置でも成膜速度を制御するためには、同じく磁石の条件を変更しなければならないため、簡易な制御にならない。
【０００９】
また、例えば特許文献２の事例では、２つの電極に与える電圧で電界を発生させている。それぞれの電極による電界により、プラズマからの電子、イオンの引き出しと、イオンの誘導を行い、効率よく成膜できるようにしている。しかし、この手法では電子をプラズマ源側に引き戻してしまい、電子とイオンの間の両極性拡散による輸送関係が成立しなくなる。両極性拡散で被成膜部材まで輸送する真空陰極アーク放電では、イオンだけでは効率よく輸送できないことが予想できる。また、輸送管内の磁場に沿った電子の動きを利用するため、磁場の存在しない特許文献２の事例においては、イオンの軌道制御ができないことが予想できる。
【００１０】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、真空陰極アーク放電を用いた、成膜速度の制御を容易に行うことができるプラズマ成膜装置およびプラズマ成膜方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するプラズマ成膜装置は、真空陰極アーク放電により発生したプラズマを真空に保持され状態で被成膜部材上に成膜するプラズマ成膜装置であって、真空アーク放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部に連続して接続され、前記プラズマを電磁場により輸送する輸送管と、前記輸送管に接続され、前記プラズマにより成膜処理される被成膜部材を保持するステージを有する成膜処理室とを備え、前記輸送管の内部に前記プラズマを通過させる中空部を有するオリフィス構造体を有し、且つ前記オリフィス構造体に直流電圧を印加する電圧印加手段を有することを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決するプラズマ成膜方法は、真空陰極アーク放電により発生したプラズマを真空に保持され状態で被成膜部材上に成膜するプラズマ成膜方法であって、真空アーク放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生工程と、前記プラズマ発生工程で発生したプラズマを輸送管を通して電磁場により輸送する輸送工程と、前記輸送工程により輸送されたプラズマにより被成膜部材上に成膜処理する成膜工程とを有し、前記輸送工程における輸送管の内部には直流電圧が印加されている中空部を有するオリフィス構造体を有し、前記プラズマを前記オリフィス構造体の中空部を通過させて輸送することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、真空陰極アーク放電を用いた、成膜速度の制御を容易に行うことができるプラズマ成膜装置およびプラズマ成膜方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】真空陰極アーク放電を用いたプラズマ成膜装置の概念図である。
【図２】本発明のプラズマ成膜装置の一実施態様を示す概念図である。
【図３】本発明における中空部を有するオリフィス構造体の模式図である。
【図４】本発明の実施例１に対応する電子軌道をシミュレーションした輸送管の計算モデルに関する図である。
【図５】本発明における電子軌道をシミュレーションするフローチャート図である。
【図６】本発明における同心円中空部を有する構造体に対する電圧印加の有無と成膜速度の増加量を比較した図である。
【図７】本発明の実施例１に対応する成膜速度の増加率を同心円中空部を有する構造体の取付位置及び印加電圧に対して評価した図である。
【図８】本発明のプラズマ成膜装置の他の実施態様を示す概念図である。
【図９】本発明の実施例２に対応する電子軌道をシミュレーションした輸送管の計算モデルに関する図である。
【図１０】本発明の実施例２に対応する成膜速度の増加率を同心円中空部を有する構造体の取付角度及び印加電圧に対して評価した図である。
【図１１】本発明の実施例２に対応する成膜速度の増加率を同心円中空部を有する構造体の取付角度及び印加電圧に対して評価した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係るプラズマ成膜装置は、真空陰極アーク放電により発生したプラズマを真空に保持され状態で被成膜部材上に成膜するプラズマ成膜装置であって、真空アーク放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記プラズマ発生部に連続して接続され、前記プラズマを電磁場により輸送する輸送管と、前記輸送管に接続され、前記プラズマにより成膜処理される被成膜部材を保持するステージを有する成膜処理室とを備え、前記輸送管の内部に前記プラズマを通過させる中空部を有するオリフィス構造体を有し、且つ前記オリフィス構造体に直流電圧を印加する電圧印加手段を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るプラズマ成膜方法は、真空陰極アーク放電により発生したプラズマを真空に保持され状態で被成膜部材上に成膜するプラズマ成膜方法であって、真空アーク放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生工程と、前記プラズマ発生工程で発生したプラズマを輸送管を通して電磁場により輸送する輸送工程と、前記輸送工程により輸送されたプラズマにより被成膜部材上に成膜処理する成膜工程とを有し、前記輸送工程における輸送管の内部には直流電圧が印加されている中空部を有するオリフィス構造体を有し、前記プラズマを前記オリフィス構造体の中空部を通過させて輸送することを特徴とする。
【００１７】
本発明のプラズマ成膜装置および成膜方法によれば、プラズマを輸送する輸送管の途中に、前記輸送管に対し絶縁されて設置された同心円状の中空部を持つオリフィス形状を有するオリフィス構造体に直流電圧源からの電圧を印加することで、成膜速度を制御できる。簡単な構造をもつ前記オリフィス構造体を設置するだけであるため、簡易に成膜速度の制御が可能である。加えて電圧の大きさを、直流電圧源の出力電圧を連続的に変化させることで、成膜速度を連続的かつ簡易に制御することができる。そのため、大きな装置変更をすることなく、簡易に成膜速度を制御することを可能にする。また、この電界は両極性拡散現象で結びつくイオンと電子の関係を阻害することが無いため、電子の磁力線に対する運動を妨げることなく成膜が可能である。
【００１８】
本発明においてオリフィス構造体は、前記輸送管が長手方向に曲がりが無い直線状である場合、前記輸送管のプラズマの流入口と流出口の中間部に配置されていることを特徴とする。輸送管のプラズマの流入口と流出口の中間部に、前記輸送管に対し絶縁されて設置された同心円状の中空部を持つオリフィス形状を有するオリフィス構造体を設置することで、最も効率よく成膜速度の制御が可能にすることができる。
【００１９】
本発明において、オリフィス構造体は、前記輸送管が長手方向に曲がりがある曲線状である場合、前記輸送管の曲がり部分に配置され、且つ前記輸送管のプラズマの流入口と曲がり部分の間の角度θが２２．５度以上７５度以下、好ましくは４５度であることを特徴とする。輸送管に曲がり部がある場合、輸送管のプラズマの流入口と流出口の中間部に、前記輸送管に対し絶縁されて設置された同心円状の中空部を持つオリフィス形状を有するオリフィス構造体を設置することで、最も効率よく成膜速度の制御が可能にすることができる。
【００２０】
次に、真空陰極アーク放電を用いたプラズマ成膜装置の成膜原理について説明する。
【００２１】
図１に真空陰極アーク放電を用いたプラズマ成膜装置に関する概念図を示す。真空陰極アーク放電を用いたプラズマ成膜装置では、プラズマ発生部１の内部に、ターゲット４を配置し、カソード用電源８を接続して陰極とする。また、アーク放電着火源３にアノード構成回路９を接続し陽極とする。アーク放電着火源３以外を接地電位とする。ターゲット４とアーク放電着火源３を接触させることにより、絶縁破壊が発生し、アーク放電に至りプラズマ２が発生する。プラズマ２でイオン化したターゲット４は、陰極に印加された電圧による電界で引き寄せられ、陰極材料であるターゲット４をスパッタする。プラズマ２を維持し、プラズマ２による熱でさらにターゲットがイオン化する。
【００２２】
一方で、輸送管７の周囲に配置された電磁コイル１１に電磁コイル用電源１０を接続し電流を流すことで、輸送管内部に輸送管の長さ方向に平行な平行磁場１２を発生させる。プラズマ２の電子６のうち、前記平行磁場１２の方向に向くものが前記プラズマ発生部１から輸送管７に抽出される。一方でイオン５は、両極性拡散の原理により、電子６が作る負の電界に引き寄せられるように、先行する電子６に追随する形で抽出される。その結果、電子６とイオン５はお互いの持つ電界（両極性電界）で引き合い、共に移動する。このような過程を経てプラズマビーム１３として進行し、輸送される。
【００２３】
輸送管７に連続する形でプラズマビーム１３を走査するためのプラズマビーム走査ダクト１４が取り付けられる。さらに、プラズマビーム走査ダクト１４の周囲にプラズマビームの走査コイル１５が配置さる。プラズマビームの走査コイル１５には、プラズマビーム１３を走査するために走査コイル１５に走査コイル用電源１６が配置される。プラズマビームの走査ダクト１４に連続して、真空排気ポンプ２０を有する成膜処理室１９が接続される。プラズマ発生部１、輸送管７、プラズマビーム走査ダクト１４、成膜処理室１９は、真空排気ポンプ２０により所定の圧力に減圧される。成膜処理室１９の内部には、ステージ１８が具備され、被成膜部材１７（例えば基板、ウエハー、加工工具）を設置する。輸送管７及びプラズマビーム走査ダクト１４により輸送されたプラズマビーム１３中のイオン５を照射することにより、被成膜部材１７を成膜することができる。
【実施例】
【００２４】
（実施例１）
図２は、本発明のプラズマ成膜装置の一実施態様を示す概念図である。図３は、本発明における中空部を有するオリフィス構造体の模式図である。本発明のプラズマ成膜装置の成膜原理は、図１に示したプラズマ成膜装置の成膜方法と同様である。
【００２５】
本発明の真空陰極アーク放電を用いたプラズマ成膜装置は、プラズマ発生部と、プラズマを電磁場により輸送する輸送管と、プラズマにより成膜処理される被成膜部材を保持するステージを有する成膜処理室とを備えており、前記輸送管の内部に前記プラズマを通過させる中空部を有するオリフィス構造体を有し、且つ前記オリフィス構造体に直流電圧を印加する電圧印加手段を有することを特徴とする。
【００２６】
図２に示す輸送管７は直線状であり、その内部でかつ途中に、図３に示す中空部２４を有するオリフィス形状の板を有するオリフィス構造体２１が配置されている。前記輸送管の断面形状が円形であり、前記オリフィス構造体２１の中空部２４の断面形状が前記輸送管の断面形状と同心円形であることが好ましい。中空部２４は、穴または開口部からなり、輸送管の断面形状と同じでも異なっていてもよい。
【００２７】
オリフィス構造体２１は、前記輸送管７に対して絶縁された状態で配置されている。このオリフィス構造体２１の材質は、金属で構成される。輸送管７との絶縁には絶縁性のある物質からなる絶縁物２２を使用し、前記輸送管７と接続される。オリフィス構造体２１に直流電圧を印加する電圧印加手段２３を有し、オリフィス構造体２１には直流電圧源を接続できる構成をとる。前記プラズマ２により前記プラズマ発生部１から発生した電子６およびイオン５は、プラズマビーム１３として両極性拡散現象により前記輸送管７の内部を輸送され、被成膜部材１７に到達する。その際、電子６が平行磁場１２の磁力線に補足された運動をするため、平行磁場１２の磁力線に沿ってプラズマは進行する。
【００２８】
前記オリフィス構造体２１は前記輸送管７の内部の前記平行磁界１２に直交する向きで任意の位置に取り付けることができる。本実施例において、電子６およびイオン５の被成膜部材１７への到達率の変化、つまり成膜速度の制御が最も効果的に行えるオリフィス構造体２１の位置は、輸送管の長さを１とした場合に、前記輸送管の入口３５から見て０以上０．５以下の範囲であり、好ましくは０．２５以上０．５以下の範囲である。
【００２９】
次に、図２に示す本発明のプラズマ成膜装置で検証を行った結果について以下に示す。
【００３０】
図４に前記電子６の軌道をシミュレーションした前記輸送管の計算モデルを示す。真空陰極アーク放電では、電子６と成膜されるイオン５が両極性拡散により対となって飛翔する。従って、電子６の軌道がほぼイオン５の軌道と等しく、電子６の到達量はイオンの到達量５に比例するという仮定を導入し、計算・評価を行う。図４に示す計算モデルは、図２で示した前記電子６の軌道をシミュレーションするために簡易に構成したものである。シミュレーションでは、前記電子６の発生場所２６、前記成膜処理室１９を模擬した電子到達評価面２８を用意した。前記輸送管７の途中に、図３に示す同心円状の中空部を持つオリフィス形状の板を有するオリフィス構造体２１に相当するオリフィス付き構造体２７を配置する。電子６は電界および磁場の影響を受けるため、電界及び磁場の解析空間を輸送管の形状を包括する領域２５として用意する。前記オリフィス付き構造体２７に直流電圧源３０を接続し電圧を印加できるようにし電界計算を行う。また磁場解析のために電磁コイル２９と電磁コイル用電源３１をモデル化する。電子６は、前記輸送管７及び前記オリフィス付き構造体２７に到達すると、電流となって空間から消失するため、その場で計算から除外する。複数の電子に関して軌道解析を行い、評価を行う。
【００３１】
図５に電子の軌道をシミュレーションするフローチャートを示す。計算する輸送管の形状を設定した後、輸送管の形状を包括する領域２５において、前記オリフィス構造体に電圧２７を印加し、電界を発生させる条件を設定して電界解析を行う。同じ形状に対して、前記輸送管７の電磁コイル２９に前記電磁コイル用電源３１を介して電流を流し、磁場を発生させる条件を設定して磁場解析を行う。解析は、例えば、株式会社エルフの電磁界解析ソフトＥＬＦ−ｍａｇｉｃ／ＥＬＦＩＮを使用する。これら二つの解析から算出される、電界及び磁場の情報を使用し電子の挙動をシミュレーションする。前記電子の発生場所２６に、前記プラズマ２で発生する荷電粒子相当エネルギーを正規乱数を用いてランダムに与えた仮想粒子を、一様乱数を用いてランダムな場所に配置する。電子６の運動は下記に示すローレンツの式により決定されると仮定する。
【００３２】
【数１】
2015025182.tif 000003
【００３３】
式中、ｍは質量、ｘは位置、ｔは時間、Ｅは電場ベクトル、ｑは電荷、Ｂは磁場ベクトル、ｖは速度ベクトルを示す。
【００３４】
先に計算された、電界及び磁場の情報は、一定の格子上節点に存在する。一方、計算対象の粒子は、格子に依存しない位置に毎時刻存在する。このため、粒子位置が移動するごとに、近傍８点の各格子節点からの位置と、電界、磁場の寄与を直線近似で計算する。直線近似で求めた電界、磁場の寄与をその点における電界、磁場とし、ローレンツの式を解く。
【００３５】
このような環境下で、電子の運動および移動軌跡を一定時刻ごとに追跡し、前記輸送管７の壁面、前記オリフィス付き構造体２７及び前記粒子到達評価面２８に到達した粒子はそこで追跡を終了する。この行程を配置した全電子に対して行い、前記電子到達評価面２８に到達した電子の総数を集計する。前記電子発生場所２６に配置した粒子数により、電子到達評価面２８に到達した数を除することで算出される割合をもとめる。両極性拡散による輸送では、電子の軌道とイオンの軌道はほぼ同じでることが予想できる。従って先に求めた割合をイオンの到達レートとし、これを成膜速度として評価を行う。このシミュレーションを前記オリフィス付き構造体２７の輸送管内における取り付け位置と、前記オリフィス付き構造体２７に印加する電圧を変数として行った。
【００３６】
図６に前記オリフィス付き構造体２７への電圧印加有無に対する成膜速度の増加率を示す。輸送管に磁場のみが印加された場合を１とする。例えば前記構造体に＋５０Ｖの直流電圧を印加する場合、約１．８倍の成膜速度の増加率を達成できることを示唆している。これは、輸送管に散逸していく電子がプラスの電位を与えられた前記オリフィス付き構造体２７に引き寄せられ、前記オリフィス付き構造体２７の中空部２４を通過する確率が増加するためである。
【００３７】
図７に長さ５５０ｍｍの輸送管内部の前記オリフィス付き構造体２７の取り付け位置と、それぞれの位置に対して印加した電圧を変数に取った時の、シミュレーション結果を示す。図７の横軸は前記オリフィス付き構造体２７に前記バイアス電源３０を介して印加した電圧をとる。縦軸には、電圧を印加しない場合のイオンに相当する電子の到達レートに対し、電圧を印加した場合の到達レートを除した時の比をとる。縦軸は、電圧の有無、及び電圧の大きさで、どの程度成膜速度が変化するかを示している。その結果から、前記輸送管７の出口付近に前記オリフィス付き構造体２７を設置した場合、電圧を印加した効果がなく、成膜速度の制御ができないことを示している。
【００３８】
なお、この時の輸送管７の出口付近とは、輸送管７のプラズマ発生部１側の端部から４００ｍｍの位置とした。前記輸送管７の入口付近に前記オリフィス付き構造体２７を設置した場合、電圧の大きさを大きくすれば、到達レートが大きくなった。なお、この時の輸送管７の入口付近とは、輸送管７のプラズマ発生部１側の端部から１４０ｍｍの位置（輸送管の長さを１とした場合に、前記輸送管の入口から見て１４０／５５０＝０．２５）とした。前記輸送管７の入口と出口の中間部分に設置した場合は、電圧の大きさを大きくすれば、到達レートが大きくなった。なおこの時の中間部分とは、輸送管７のプラズマ発生部１側の端部から２７５ｍｍの位置（輸送管の長さを１とした場合に、前記輸送管の入口から見て２７５／５５０＝０．５０）とした。
【００３９】
従って、前記オリフィス付き構造体２７を、前記中間部分よりも入口側に配置すれば、前記オリフィス付き構造体２７に印加する電圧を変えると、成膜速度の制御が可能であることを示している。前記オリフィス付き構造体２７の配置される位置は、輸送管の長さを１とした場合に、前記輸送管の入口から見て０以上０．５以下の範囲であり、好ましくは０．２５以上０．５以下の範囲である。
【００４０】
また、前記輸送管７の入口に前記オリフィス付き構造体２７を設置するよりも、前記輸送管７の入り口と出口に対する中間に設置した方が、成膜レートの変化が大きく、より効果的に成膜速度の制御が可能であることを示している。
【００４１】
（実施例２）
図８は、本発明の真空陰極アーク放電を用いたプラズマ成膜装置の他の実施態様を示す概念図である。図８に示すプラズマ成膜装置では、輸送管７は一つの曲がり部を有し、その内部でかつ途中に、図３で示す同心円状の中空部を有するオリフィス形状の板を有するオリフィス構造体２１を配置する。図８では、輸送管７に曲がり部が１つの場合を示すが、曲がり部を２つ以上有していてもよい。このオリフィス構造体２１は、前記輸送管７に対して、絶縁状態に設置している。この構造体の材質は、金属で構成される。輸送管との絶縁には絶縁性のある物質からなる絶縁物２２を使用し、前記輸送管７と接続される。前記オリフィス構造体２１には直流電圧源を有する電圧印加手段２３を接続できる構成をとる。
【００４２】
前記オリフィス構造体２１は、前記輸送管が長手方向に曲がりがある曲線状である場合、前記輸送管の曲がり部分３４に配置され、且つ前記輸送管のプラズマの流入口３２と曲がり部分３４の間の角度θが２２．５度以上７５度以下、好ましくは４５度であることが好ましい。
【００４３】
前記プラズマ２により前記プラズマ発生部１から発生した電子６およびイオン５は、プラズマビーム１３として両極性拡散現象により前記輸送管７の内部を輸送され、被成膜部材１７に到達する。その際、電子６が磁力線１２に補足された運動をするため、磁力線１２に沿ってプラズマは進行する。
【００４４】
前記オリフィス構造体２１は前記輸送管７の内部でかつ、プラズマ発生部の出口３３となす角３２をもって、任意の角度に設置することができる。本実施例において、電子６およびイオン５の被成膜部材１７への到達率の変化、つまり成膜速度の制御が最も効果的に行えるのは、前記角度θが４５度のときである。
【００４５】
次に、図８に示す本発明のプラズマ成膜装置で検証を行った結果について以下に示す。
【００４６】
図９に前記電子６の軌道をシミュレーションした前記輸送管７の計算モデルを示す。真空陰極アーク放電では、電子６と成膜されるイオン５が両極性拡散により対となって飛翔する。従って、電子６の軌道がほぼイオン５の軌道と等しく、電子６の到達量はイオン５の到達量に比例するという仮定を導入し、計算・評価を行う。図９に示す計算モデルは、図８で示した前記電子６の軌道をシミュレーションするために簡易に構成したものである。シミュレーションでは、前記電子の発生場所２６、前記成膜処理室を模擬した電子到達評価面２８を用意した。前記輸送管７の途中に、図３に示す同心円状の中空部を持つオリフィス形状の板を有するオリフィス構造体２１に相当するオリフィス付き構造体２７を配置する。電子６は電界および磁場の影響を受けるため、電界及び磁場の解析空間を輸送管の形状を包括する領域２５として用意する。電界解析を行うために直流電圧源３０を接続し電圧を印加できるようにする。また磁場解析のために電磁コイル２９と電磁コイルバイアス電源２７をモデル化する。電子６は、前記輸送管７及び前記オリフィス付き構造体２７に到達すると、電流となって空間から消失するため、その場で計算から除外する。複数の電子に関して軌道解析を行い、評価を行う。また、シミュレーションを行う際のフローチャートは図５に示した通りである。
【００４７】
図１０に輸送管のプラズマの流入口３２と曲がり部分３４の間の角度θ（取付角度θとも記す。）と、それぞれの角度θに対して印加した電圧を変数に取った時の、シミュレーション結果を示す。図１０の横軸は前記オリフィス付き構造体２７に前記バイアス電源３０を介して印加した直流電圧をとる。縦軸には、電圧を印加しない場合のイオンに相当する電子の到達レートに対し、電圧を印加した場合の到達レートを除した時の比をとる。縦軸は、電圧の有無、及び電圧の大きさでどの程度成膜速度が変化するかを示している。
【００４８】
図１１に、印加した電圧と、それぞれの角度θに対して輸送管のプラズマの流入口３２と曲がり部分３４の間の取付角度θを変数に取った時の、シミュレーション結果を示す。図１１の横軸はプラズマの流入口３２と曲がり部分３４の間の取付角度θをとる。縦軸には、電圧を印加しない場合のイオンに相当する電子の到達レートに対し、電圧を印加した場合の到達レートを除した時の比をとる。図１１の０，１０、３０、５０、８０、１００は、それぞれの取付角度θに対して印加する直流電圧（Ｖ）を示す。
【００４９】
図１０から、取付角度θが１５度の場合は、電圧を印加しても、電圧を印加しない場合に比べ、ほとんど成膜速度が変化しない。一方で、取付角度θが２２．５度及び７５の場合は、電圧の増加とともに、成膜速度が若干増加していくことがわかる。また取付角度θが４５度の場合は、電圧の増加とともに、成膜速度が大きく増加していくことがわかる。電圧を印加しない場合、輸送される電子の一部は前記輸送管７に衝突し、電流として散逸する。取付角度が入口に近い場合や出口に近い場合は、電子軌道の関係から、前記オリフィス付き構造体２７に印加された電圧に引き寄せられ過ぎて、直接前記オリフィス付き構造体２７に衝突してしまう。そのため、電子軌道への電界による作用が、電子軌道を妨げるように働いてしまう。取付角度θが４５度のときは、その軌道を妨げることなく、電子が前記オリフィス付き構造体２７に引き寄せられる効果で、逆に前記輸送管７の壁面への衝突・散逸効果を低減させ、成膜速度が増加しやすい。電圧を大きくすると、成膜速度の増加が大きくなるのは、電子に作用する電界の効果が電圧の大きさとともに大きくなるためである。従って、実施例２の様に輸送管が曲がりを持つ場合は、輸送管のプラズマの流入口３２と曲がり部分３４の間の角度θが２２．５度以上７５度以下であれば、成膜速度の制御効果があり、４５度のとき、成膜速度の制御効果が最大となる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明のプラズマ成膜装置は、真空陰極アーク放電を用いた成膜速度の制御を容易に行うことができるので、薄膜の微細な厚み制御を必要とする成膜プロセスに利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１  プラズマ発生部
２  プラズマ
３  アーク放電着火源
４  ターゲット
５  イオン
６  電子
７  輸送管
８  カソード用電源
９  アノード構成回路
１０  電磁コイル用電源
１１  電磁コイル
１２  並行磁界
１３  プラズマビーム
１４  走査ダクト
１５  走査コイル
１６  走査コイル用電源
１７  被成膜部材
１８  ステージ
１９  成膜処理室
２０  真空排気ポンプ
２１  オリフィス構造体
２２  絶縁物
２３  電圧印加手段
２４  中空部
２５  輸送管の形状を包括する領域
２６  電子発生場所
２７  シミュレーションにおけるオリフィス付き構造体
２８  電子到達評価面
２９  電磁コイル
３０  直流電源
３１  電磁コイル用電源
３２  プラズマの流入口
３３  プラズマの流出口
３４  曲がり部分
３５  輸送管の入口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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