JP2000038649A - 成膜装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速に且つ品質の良い成膜を行う。成膜材料
の利用率を向上させる。 【解決手段】 成膜物質で作られたワイヤ状電極１３を
プラズマトーチの陰極として用いる。電源によってワイ
ヤ状電極１３とノズル１５間に電圧を印加することでア
ーク３７を発生させ、このアーク３７でプラズマガスを
プラズマ化して、トーチからプラズマジェットを噴出す
る。熱電子放出現象に伴う熱を利用してワイヤ状電極１
３を瞬時に気化させて、プラズマジェットに混入させ、
成膜対象の基板５５に吹き付ける。また、制御装置４１
が、アーク電圧値を常にモニタリングしてそれが設定値
に一致するように電極１３の自動供給を制御する。ノズ
ル１５は、プラズマジェットを超音速で噴出するラバル
ノズルにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、成膜装置に関し、特にプ
ラズマジェットを利用して被処理物(基板)上に膜を形成
するためのの技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属などの膜の成膜方法には、蒸着とス
パッタリングと溶射がある。蒸着は真空中で成膜物質を
蒸発させ、蒸発原子を基板表面に凝固させて成膜する方
法である。スパッタリングは、ガスイオンを負に印加し
た成膜材料のターゲットに衝突させて、飛散したターゲ
ット物質を正に印加した基板表面上に凝固させる方法で
ある。溶射は、アーク熱で溶融状態に加熱した溶射材料
粉末或いは粒子を基板表面に高速度で吹きつけて層を作
り皮膜とする方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】スパッタリングによる
成膜は、装置内の不均等なイオンの流れによりターゲッ
トの片減りが生じ、ターゲットを１００％有効に利用で
きないという欠点がある。更に、ターゲットの飛散する
方向性が一方向でない(異方性に欠ける)ため、例えば基
板表面の幅の狭い溝を埋めるように成膜したい場合、例
えば図１に示すように溝の壁にもターゲット物質がデポ
ジットされ、成膜後も溝内に空洞が残るなどして、成膜
の歩留まりが悪いという欠点もある。一方、溶射による
成膜は、高精度に均一な膜厚及び膜質を持った成膜をす
るのに不向きであるという欠点がある。

【０００４】従って、本発明の目的は、高速に効率良く
成膜することにある。

【０００５】また、本発明の別の目的は、成膜材料を１
００％有効に利用することにある。

【０００６】更に、本発明の別の目的は、精度の高い膜
厚及び膜質の成膜を可能にすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の成膜装置は、成
膜材料を用いたワイヤ状の陰極と、陽極となり、先端が
プラズマジェットの放出口となるノズルと、ノズルの放
出口からプラズマジェットが噴出されるように陰極とノ
ズル間にガスを供給するガス供給部と、陰極とノズルと
の間に電圧を印加してアーク放電を発生させ、ガスをプ
ラズマジェットにする電源を有する。この成膜装置は、
アーク放電時の熱電子放出による高温により陰極を気化
してプラズマジェットに混入させて基板表面に成膜す
る。それにより、ワイヤ状陰極は瞬時に気化し、プラズ
マジェットに混入されて基板表面に吹き付けられるの
で、高速に効率良く陰極物質の膜を成膜することがで
き、また、陰極を構成する成膜材料の利用率を高めるこ
とができる。また、精度の高い膜厚及び膜質の成膜が可
能になる。

【０００８】好適な実施形態では、陰極の消耗度に応じ
て、陰極をノズルに向かって供給する電極供給装置を備
える。

【０００９】好適な実施形態では、陰極の消耗度を常に
監視し、消耗度に応じて電極供給装置の供給速度を制御
する電極供給制御装置を備える。電極供給制御装置は、
陰極とノズル間のアーク電圧が一定となるように、電極
供給装置の供給速度を制御する。それにより、アークの
安定性を確実に維持することができ、再現性の良い成膜
を行うことが可能になる。

【００１０】好適な実施形態では、ノズルをラバルノズ
ルにする。成膜材料蒸気を含むプラズマジェットは、ラ
バルノズルにより超音速で噴出される。それにより、成
膜材料蒸気の流れの方向を一方向にそろえられ、成膜の
異方性を向上できると共に、より低温での成膜が可能に
なる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図２は、本発明の一実施形態に係
るプラズマトーチ（プラズマ発生装置）の構成を示す。

【００１２】陰極となる消耗性のワイヤ状電極１３は、
基板に成膜される膜の物質を用いて作られた導電性のワ
イヤであり、円筒形の電極ベース１７の中心穴に挿通さ
れてトーチ中心部にセンタリングされている。電極ベー
ス１７は、絶縁体で構成された絶縁筒１１を介して電気
的に絶縁された状態で円筒形のトーチボディ２１中に位
置する。トーチボディ２１は、トーチフランジ２７を介
して図示しないチャンバに固定される。電極ベース１７
は、高融点の金属材料又はセラミックなどで構成されて
おり、その先端部は、絶縁物で構成された筒状のガイド
１９を介して、陽極となる管状のノズル１５の基端部に
填め込まれている。この電極ベース１７の先端部は、電
極冷却水用ニップル２９ａ、２９ｂによって電極ベース
１７内部に導入される冷却水によって常時冷却される。
陽極となるノズル１５は、導電性の高融点材料で構成さ
れ、ノズル冷却水用ニップル２３ａ、２３ｂによって導
入された冷却水によって冷却される。ノズル１５の形状
には種々のタイプが採用できるが、同図に示すノズル１
５は後述するガス吹き出し穴４５ｂから吹き出るプラズ
マガスがアーク放電によりプラズマ化する空間を囲むガ
ス導入管４７と、管の途中に内部空間の断面積が最も小
さくなったスロート管４３と、その先端側に内部空間の
断面積が徐々に拡大する末広がりのジェット噴出管４９
を持ち、プラズマジェットを超音速で噴出するラバルノ
ズルである。ワイヤ状電極１３の先端は、電極ベース１
７の先端から突出して、ノズル１５のスロート管４３の
すぐ上流側に位置している。ワイヤ状電極１３とノズル
１５は、図示しない定電流電源に接続されて、相対的に
負及び正となるようにアーク電圧が印加される。

【００１３】ワイヤ状電極１３は上述したように消耗性
であるため、このトーチは、消耗量に応じてワイヤ状電
極１３を供給するワイヤ電極供給装置３９を備える。ま
た、図示しない定電流電源によりワイヤ状電極１３とノ
ズル１５との間に印加されるアーク電圧の値を常にモニ
タリングし、予め設定された電圧値(最も確実に安定し
た成膜を行える値)を維持するようにワイヤ電極供給装
置３９を制御すると共に、電源の制御を行う制御装置４
１も設けられる。

【００１４】プラズマガスはプラズマガス導入ニップル
３３からトーチ内部に導入され、絶縁筒３１とトーチボ
ディ２１の間に設けたプラズマガス導入路３５ａ、およ
びガイド１９とノズル１５の間に設けたプラズマガス導
入路３５ｂを経由して、ガイド１９の先端部に設けたガ
ス吹き出し穴４５からワイヤ状電極１３とノズル１５の
間に吹き出す構成となっている。

【００１５】図３は、円筒状のガイド１９を、ガス吹き
出し穴４５を通るＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面
図である。

【００１６】ガス吹き出し穴４５は、吹き出たガスがワ
イヤ状電極１３を中心に旋回するように設けられてい
る。この構成により、プラズマガスに旋回流が与えら
れ、発生するアークの状態の安定性が向上する。尚、参
照番号５１は、プラズマガス導入路３５ｂからガス吹き
出し穴４５へガスを導くためにガイド１５の先端部の外
周面に設けたガス導入溝である。

【００１７】図示しない定電流電源によってワイヤ状電
極１３とノズル１５間に電圧を印加することにより、ワ
イヤ状電極１３とノズル１５のスロート管４３入口近傍
間にアーク３７を発生する。そして、ガス吹き出し穴４
５から吹き出したプラズマガスが、アーク３７によって
プラズマ化されてノズル１５の先端よりプラズマジェッ
ト５３となって噴出する。このとき、ワイヤ状電極１３
のアーク発生点(陰極点)は熱電子放出現象によって非常
に狭い範囲で約３５００℃という極めて高い温度にな
る。従来のプラズマトーチでは、この高温による陰極の
消耗を防ぐために陰極にはタングステンのような高融点
材料を使用している。これに対し、この実施例では、こ
の高温を利用して陰極を積極的に消耗させる。即ち、こ
の実施形態では、ワイヤ状電極１３の成膜材料には、陰
極点温度よりはるかに低い融点を持つ材料(例えばアル
ミニウムや銅など)を用いる。そのため、ワイヤ状電極
１３は、陰極点において、非常に少量ずつではあるが瞬
時に気化して非常に微細な金属蒸気の状態になり、プラ
ズマジェット５３と共にノズル１５より噴出され、ノズ
ル１５と対向する位置に設けられた基板５５に到達して
基板上に膜を形成する。

【００１８】図４は、上述したトーチの制御装置４１の
動作を示す。

【００１９】まず、制御装置４１に確実に安定した成膜
を行うためのアーク電圧値が入力される（Ｓ１）。そし
て、電源をＯＮにして成膜を開始する（Ｓ２）。する
と、ワイヤ状電極１３とノズル１５との間にアーク放電
が発生し、前述した原理でプラズマジェットによる成膜
が開始される（Ｓ３）。成膜中、制御装置４１は、ワイ
ヤ状電極１３とノズル１５との間に印加されるアーク電
圧値をモニタし（Ｓ４）、アーク電圧の測定値が設定さ
れた値と一致しているかを判断する。アーク電圧の電源
は、アーク電流を一定にするようにアーク電圧を制御す
るので、アーク電圧の測定値は電極１３とノズル１５と
の距離によって変動する。制御装置４１は、測定値が設
定値より高ければ（Ｓ６でＹｅｓ）、電極１３とノズル
１５との間の距離が理想値より広がったと判断して、電
極供給装置３９でワイヤ状電極１３の送りを速め、測定
値が設定値より低ければ（Ｓ６でＮｏ）、電極１３とノ
ズル１５との間の距離が縮まったと判断して電極供給装
置３９でワイヤ状電極１３の送りを遅める(必要があれ
ば後退させる)。こうして、電極１３とノズル１５間の
距離は理想値に維持され、理想的な状態で成膜が行われ
る。成膜が終了したら、トーチは運転を終了し（Ｓ９で
Ｙｅｓ）、電源をＯＦＦにする（Ｓ１０）。

【００２０】上述した実施形態によれば、陰極材料に低
融点の膜材料を使用し、熱電子放出現象に伴う熱を利用
してその材料を気化させることで、膜材料の蒸気を作る
ことができ、精度の良い成膜が可能になる。また、この
とき、膜材料蒸気を含んだ高温のプラズマジェットは方
向性を持って吹き出るので、成膜の異方性を向上させる
ことが出来る。更に、ノズル１５をラバルノズルにする
ことにより、超音速でプラズマジェットに含まれる気体
分子、及び電極材料蒸気分子(膜物質蒸気分子)の流れの
方向を一方向にそろえることが可能になり、成膜の異方
性を更に向上できると共により低温での成膜や広い範囲
への成膜が可能になる。また、成膜材料となる陰極はワ
イヤ状に供給されて先端から気化していくので、成膜材
料の利用率は従来のスパッタリング装置と比較して向上
する。また、常にアーク電圧をモニタリングして陰極の
送りを制御する(陰極の消耗量に合わせて自動供給する)
ことで、安定した運転が可能になり、再現性の良い安定
した成膜が可能になる。

【００２１】以上、本発明の好適な実施形態を説明した
が、これは本発明の説明のための例示であって、本発明
の範囲をこの実施例にのみ限定する趣旨ではない。本発
明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。
例えば、上述した実施形態では、アーク電圧を常にモニ
タリングすることで陰極の自動送りの制御を行ったが、
別の実施形態として、熱電子放出現象により陰極が非常
に高温となっている位置を感知する熱センサーを利用し
て陰極の自動送りの制御を行うこともできる。この場
合、熱センサーは、感知する位置がプラズマの放出方向
と反対の方向に移動していると判断したら、陰極が消耗
されているということなので、電極供給装置３９により
ワイヤ状電極１３をプラズマの放出方向へ送らせる。

【図面の簡単な説明】

【図１】基板１１の成膜状態を示す図。

【図２】本発明の一実施形態に係るプラズマトーチの構
成を示す図。

【図３】円筒状のガイド１９を、Ａ−Ａ線に沿って切断
したときの断面を示す図。

【図４】図３に示したトーチの制御装置４１の動作を示
すフローチャート。

【符号の説明】

１ ターゲット物質 １１ 基板 １３ ワイヤ状電極 １５ ノズル １７ 電極ベース １９ ガイド ２１ トーチボディ ２３ ノズル冷却水用ニップル ２５ ノズル固定用キャップ ２７ トーチフランジ ２９ 電極冷却水用ニップル ３１ 絶縁筒 ３３ プラズマガス導入ニップル ３５ プラズマガス導入路 ３７ アーク ３９ ワイヤ電極供給装置 ４１ 制御装置 ４３ スロート管 ４５ ガス吹き出し穴 ４７ ガス導入管 ４９ ジェット噴出管 ５１ ガス導入溝 ５３ プラズマジェット ５５ 基板

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成膜材料を用いたワイヤ状の陰極と、 陽極となり、先端がプラズマジェットの放出口となるノ
   ズルと、 前記放出口から前記プラズマジェットが噴出されるよう
   に前記陰極と前記ノズル間にガスを供給するガス供給部
   と、 前記陰極と前記ノズルとの間に電圧を印加してアーク放
   電を発生させ、前記ガスを前記プラズマジェットにする
   電源とを有し、前記アーク放電時の熱電子放出による高
   温により前記陰極を気化して前記プラズマジェットに混
   入させる成膜装置。
2. 【請求項２】 前記陰極の消耗度に応じて、前記陰極を
   前記ノズルに向かって供給する電極供給装置を更に備え
   た請求項１記載の成膜装置。
3. 【請求項３】 前記消耗度を常に監視し、前記消耗度に
   応じて前記電極供給装置の供給速度を制御する電極供給
   制御装置を更に備えた請求項１記載の成膜装置。
4. 【請求項４】 前記電極供給制御装置は、前記陰極と前
   記ノズル間のアーク電圧が一定となるように、前記電極
   供給装置の供給速度を制御する請求項１記載の成膜装
   置。
5. 【請求項５】 前記ノズルはラバルノズルである請求項
   １記載の成膜装置。
6. 【請求項６】 成膜材料のワイヤ状陰極を用いた成膜用
   プラズマトーチに対して、陰極の消耗度に応じて前記陰
   極を供給する電極供給装置。
7. 【請求項７】 成膜材料を用いた陰極と、先端がプラズ
   マジェットの放出口となる陽極としてのノズルとの間に
   アーク放電を発生させる過程と、 プラズマガスを前記アーク放電によりプラズマ化して、
   前記ノズルの放出口よりプラズマジェットとして噴出す
   る過程とを有し、前記アーク放電時の熱電子放出による
   高温により前記陰極を気化して前記プラズマジェットに
   混入させる成膜方法。
8. 【請求項８】 前記陰極の消耗度に応じて、前記陰極を
   前記ノズルに向かって供給する過程を更に備えた請求項
   ７記載の成膜方法。
9. 【請求項９】 前記消耗度を常に監視し、前記消耗度に
   応じて前記供給する速度を制御する過程を更に備えた請
   求項７記載の成膜方法。