JP2000282224A - 成膜装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 断続的な成膜を迅速に行うことができる成膜
装置及び方法。 【解決手段】 基板Ｗの表面に断続的に成膜する場合、
成膜を一時的に中断することになる。この際、プラズマ
ガン３０の動作を停止させないで、圧力調整装置７０の
給気部７１から真空容器１０中に不活性ガスを供給して
真空容器１０内のガス圧を所定圧力以上に上昇させる。
成膜の中断を解除する場合、主制御装置８０からの指示
に基づいて、排気ポンプ７７を動作させ、真空容器１０
中を元の減圧状態に復帰させる。こうして、真空容器１
０中のガス圧が低下すると、ハース本体５３の溶融した
膜材料から蒸気化し易くなり、発生した蒸気のミーンフ
リーパスが増大し、基板Ｗ上における膜の形成が再開さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術の分野】本発明は、プラズマを用い
てイオンプレーティングを行う成膜装置及び方法に関
し、特にハース直上の磁界を制御しつつハースにプラズ
マを導くタイプの成膜装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の成膜装置として、圧力勾配型のプ
ラズマガンからのプラズマビームをハースに導き、ハー
ス上の蒸着物質を蒸発・イオン化し、このように蒸発・
イオン化した蒸着物質をハースと対向して配置された基
板の表面に付着させるイオンプレーティング装置が知ら
れている。

【０００３】特開平７−１３８７４３号公報には、この
種のイオンプレーティング装置において、ハース内に配
置された棒磁石とハースの周囲に同心に配置された永久
磁石とからなる入射ビーム方向調整手段を組み込むこと
によってハースの入射面上方にカプス磁場を形成するも
のが開示されている。このイオンプレーティング装置で
は、ハース上方のカプス磁場によってハースに入射する
プラズマビームを修正し、プラズマビームをハースの真
上から直線的に入射させるので、基板の表面に形成され
る膜の厚みを均一にすることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の成膜装置におい
て、断続的に成膜を行う必要が生じる場合がある。この
ような場合、まずプラズマガンに供給する放電電流を一
旦低下させて成膜を完全に中止することが考えられる。
この方法では、再度着火シーケンスを行って陰極材料を
暖めた後に成膜を再開することになるので、成膜の再開
に時間を要し、結果的に成膜工程のスループットが低下
する。

【０００５】その他、ハースと基板との間に配置したシ
ャッタを利用して成膜を一時的に中断することが考えら
れるが、機械的機構が複雑となり、枚様型の成膜装置に
は組み込めないという問題がある。また、ハースの周囲
に補助陽極を設けてここにプラズマビームを逃がすこと
によって成膜を一時的に中断することが考えられるが、
ハースに電流が流れなくなってハースの温度が低下し、
特に溶融金属には不向きであり、蒸気の発生を完全に停
止させることができない。

【０００６】そこで、本発明は、簡易な機構で断続的な
成膜を迅速かつ確実に行うことができる成膜装置及び方
法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の成膜装置は、成膜室中にプラズマビームを
供給するプラズマ源と、成膜室中に配置されて膜材料を
収容する材料蒸発源を備えるとともにこの材料蒸発源に
プラズマビームを導くハースと、材料収容部の上方の近
接した領域の磁界を制御する磁場制御部材と、成膜室中
を所定圧力以上に上昇させて成膜を中断させる圧力調整
装置とを備える。

【０００８】上記成膜装置では、圧力調整装置が成膜室
中を所定圧力以上に上昇させて成膜を中断させる、つま
り材料蒸発源からの膜材料の蒸発や基板への到達を雰囲
気圧によって制限するので、成膜の中断が比較的迅速な
ものなる。この際、プラズマ源の動作を停止させる必要
がないので、プラズマ源を安定的に動作させたままでの
断続的な成膜が可能となる。なお、中断した成膜を再開
させるためには、圧力調整装置が成膜室中を減圧し、材
料蒸発源から膜材料が蒸発するようにする。

【０００９】また、上記成膜装置の好ましい態様では、
所定圧力が膜材料の温度に対する蒸気圧に略等しい。こ
の場合、所定圧力が膜材料の温度に対する蒸気圧に略等
しいので、材料蒸発源からの膜材料の蒸発を雰囲気圧力
によって効果的に停止させることができる。

【００１０】また、上記成膜装置の好ましい態様では、
膜材料が銅である。この場合、所定圧力を膜材料である
銅の蒸気圧に略等しくして、材料蒸発源からの膜材料の
蒸発を雰囲気圧力によって効果的に停止させることがで
きる。

【００１１】また、上記成膜装置の好ましい態様では、
材料収容部の周囲の近接した上方に補助陽極をさらに備
え、磁場制御部材がハースの周囲に環状に配置された磁
石、或いは磁石及びコイルである。

【００１２】上記成膜装置では、材料収容部の周囲の近
接した上方に補助陽極をさらに備えるので、この補助陽
極に適当な電位を与えてこれを適当なタイミングで動作
させることにより、プラズマビームの供給をハース本体
から補助陽極に切り換える補助的な切換制御が可能にな
り、成膜の断続がさらに容易になる。

【００１３】また、上記成膜装置の好ましい態様では、
プラズマ源が圧力勾配型のプラズマガンである。

【００１４】また、本発明の成膜方法は、成膜室中に陽
極として配置されて膜材料を収容する材料蒸発源に向け
てプラズマビームを供給する工程と、材料蒸発源の上方
に近接した領域の磁界を制御することによってプラズマ
ビームを制御する工程と、成膜室中を所定圧力以上に上
昇させて成膜を中断する工程とを備える。

【００１５】上記成膜方法では、成膜室中を所定圧力以
上に上昇させて成膜を中断させる、つまり材料蒸発源か
らの膜材料の蒸発や基板への到達を雰囲気圧によって制
限するので、成膜の中断が比較的迅速なものになる。こ
の際、プラズマ源の動作を停止させる必要がないので、
プラズマ源を安定的に動作させたままでの断続的な成膜
が可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
成膜装置について説明する。

【００１７】図１は、実施形態の成膜装置の全体構造を
概略的に説明する図である。この成膜装置は、成膜室で
ある真空容器１０と、真空容器１０中にプラズマビーム
ＰＢを供給するプラズマ源であるプラズマガン３０と、
真空容器１０内の底部に配置されてプラズマビームＰＢ
の流れを制御する陽極部材５０と、真空容器１０上部に
配置されて基板Ｗを保持する保持機構６０と、真空容器
１０内を所定圧力或いはそれ以上に昇圧したり、減圧す
るための圧力調整装置７０と、これらの動作を統括制御
する主制御装置８０とを備える。

【００１８】プラズマガン３０は、プラズマビームＰＢ
を発生する圧力勾配型のプラズマガン（所謂「浦本ガ
ン」）であり、その本体部分は、真空容器１０の側壁に
設けられた筒状部１２に装着されている。この本体部分
は、陰極３１によって一端が閉塞されたガラス管３２か
らなる。ガラス管３２内には、モリブデンＭｏで形成さ
れた円筒３３が陰極３１に固定されて配置されており、
この円筒３３内には、ＬａＢ₆で形成された円盤３４と
タンタルＴａで形成されたパイプ３５とが内蔵されてい
る。ガラス管３２の両端部のうち陰極３１とは反対側の
端部と、真空容器１０に設けた筒状部１２の端部との間
には、第１及び第２中間電極４１、４２が同心状に直列
に配置されている。一方の第１中間電極４１内には、プ
ラズマビームＰＢを収束するための環状永久磁石４４が
内蔵されている。第２中間電極４２内にも、プラズマビ
ームＰＢを収束するための電磁石コイル４５が内蔵され
ている。なお、筒状部１２の周囲には、陰極３１側で発
生して第１及び第２中間電極４１、４２まで引き出され
たプラズマビームＰＢを真空容器１０内に導くステアリ
ングコイル４７が設けられている。

【００１９】プラズマガン３０の動作は、ガン駆動装置
４８によって制御されている。ガン駆動装置４８は、陰
極３１への給電をオン・オフしたりこれへの供給電圧等
を調整することができ、さらに第１及び第２中間電極４
１、４２、電磁石コイル４５、及びステアリングコイル
４７への給電を調整する。

【００２０】なお、最も内心側に配置されるパイプ３５
は、プラズマビームＰＢのもととなるＡｒ等のキャリア
ガスをプラズマガン３０中に導入するためものであり、
流量計３７及び流量調節弁３８を介してキャリアガス供
給源３９に接続されている。流量計３７によって検出さ
れたキャリアガスの流量は主制御装置８０で監視されて
おり、流量調節弁３８によるキャリアガスの流量調整等
に利用される。

【００２１】真空容器１０中の下部に配置された陽極部
材５０は、プラズマビームＰＢを下方に導く主陽極であ
るハース５１と、その周囲に配置された環状の補助陽極
５２とからなる。前者のハース５１は、熱伝導率の良い
導電性材料で形成されるとともに接地された真空容器１
０に図示を省略する絶縁物を介して支持されている。こ
のハース５１は、陽極電源装置５８によって適当な正電
位に制御されており、プラズマガン３０から出射したプ
ラズマビームＰＢを吸引する。なお、ハース５１は、プ
ラズマガン３０からのプラズマビームＰＢが入射する中
央上部にルツボ状の材料蒸発源であるハース本体５３を
有している。ハース本体５３の凹部には、膜材料である
銅等の金属が融液状となって溜まっている。

【００２２】後者の補助陽極５２は、ハース５１の周囲
にこれと同心に配置された環状の容器により構成されて
いる。この環状容器内には、フェライト等で形成された
環状の永久磁石５５と、これと同心的に積層されたコイ
ル５６とが収納されている。これら永久磁石５５及びコ
イル５６は、磁場制御部材であり、ハース５１の直上方
にカプス状磁場を形成する。これにより、ハース５１に
入射するプラズマビームＰＢの向きを修正することがで
きる。

【００２３】補助陽極５２内のコイル５６は電磁石を構
成し、陽極電源装置５８から給電される。この場合、励
磁されたコイル５６における中心側の磁界の向きは、永
久磁石５５により発生する中心側の磁界と同じ向きにな
るように構成される。陽極電源装置５８は、コイル５６
に供給する電流を変化させることができ、ハース５１に
入射するプラズマビームＰＢの向きの微調整が可能にな
る。

【００２４】補助陽極５２の容器も、ハース５１と同様
に熱伝導率の良い導電性材料で形成される。補助陽極５
２は、ハース５１に対して図示を省略する絶縁物を介し
て取り付けられている。さらに、陽極電源装置５８は、
補助陽極５２に印加する電圧を変化させることによって
ハース本体５３の上方の電界を補助的に制御できるよう
になっている。つまり、この補助陽極５２に適当なタイ
ミングで適当な電位を与えることにより、プラズマビー
ムＰＢの供給をハース本体５３から補助陽極５２に切り
換えたり、或いは逆に補助陽極５２からハース本体５３
に切り換える切換制御が任意のタイミングで可能にな
る。

【００２５】真空容器１０中の上部に配置される保持機
構６０は、ハース５１の上方において成膜面を下側にし
て基板Ｗを保持するための基板ホルダ６１と、この基板
ホルダ６１上部に固定されて基板Ｗを裏面側から温度調
節する温度調節装置６２とを備える。基板ホルダ６１
は、真空容器１０に対して絶縁された状態で基板電源装
置６８から給電されており、ゼロ電位の真空容器１０に
対して負電位にバイアスされている。温度調節装置６２
は、温調制御装置６９によって制御されており、温調制
御装置６９は、温度調節装置６２に内蔵したヒータに給
電し、或いは内蔵した配管に冷却媒体を供給して、温度
調節装置６２更には基板ホルダ６１を所望の温度に保持
する。

【００２６】真空容器１０の内圧を調整する圧力調整装
置７０は、真空容器１０内を昇圧する給気部７１と、真
空容器１０内を減圧するため排気部７２と、真空容器１
０内の圧力を計測する圧力センサ７８とからなる。給気
部７１は、Ａｒ等の不活性ガスを供給する反応ガス供給
源７３と、反応ガス供給源７３から真空容器１０中に導
入する不活性ガスの量を調整する流量調節弁７４と、真
空容器１０中に導入される不活性ガスの量を監視する流
量計７５とを備える。一方、排気部７２は、真空容器１
０中のガスを外部に排出するための排気ポンプ７７から
なり、排気ポンプ７７と真空容器１０との間には、真空
ゲート７６を設けてある。

【００２７】以下、図１の成膜装置の動作について説明
する。この成膜装置においては、プラズマガン３０の陰
極３１と真空容器１０内のハース５１との間で放電が生
じ、これによりプラズマビームＰＢが生成される。この
プラズマビームＰＢは、ステアリングコイル４７と補助
陽極５２内の永久磁石５５とにより決定される磁界に案
内されてハース５１に到達する。ハース本体５３に収納
された蒸発物質（膜材料）は、プラズマビームＰＢによ
り加熱されて蒸発する。この蒸発粒子は、プラズマビー
ムによりイオン化され、負電圧が印加された基板Ｗの表
面に付着し被膜が形成される。

【００２８】基板Ｗの表面に断続的に成膜する場合、成
膜の工程を一時的に中断することになる。この際、プラ
ズマガン３０の動作を停止させないで、圧力調整装置７
０の給気部７１から真空容器１０中に不活性ガスを迅速
に供給するか、またはコンダクタンスバルブＣＶの開閉
角を変化させて排気速度を落とすことにより真空容器１
０内のガス圧を所定圧力以上に上昇させる。具体的に説
明すると、主制御装置８０が流量調節弁７４を制御して
反応ガス供給源７３から真空容器１０中にＡｒガスを適
宜リークさせ、圧力センサ７８の検出値が所定圧力に達
した段階で、真空容器１０中へのＡｒガスのリークを停
止する。こうして、真空容器１０中のガス圧が高まる
と、溶融した膜材料が溜まっているハース本体５３から
発生した蒸気のミーンフリーパスが低下する。つまり、
膜材料の蒸発粒子が基板Ｗまで到達しなくなって、基板
Ｗ上における膜の形成が停止する。また、蒸気のミーン
フリーパスが低下するとハース本体５３周辺の膜材料の
蒸気圧が高まり、溶融した膜材料から蒸気化しにくくな
る。特に、真空容器１０中のガス圧が溶融した膜材料の
蒸気圧と等しくなると、ハース本体５３の溶融した膜材
料からの蒸気化がほとんどなくなるので、膜の形成が停
止するとともに膜材料の不要な気化がなくなる。

【００２９】成膜の中断を解除する場合、主制御装置８
０からの指示に基づいて、排気ポンプ７７を動作させ、
真空容器１０中を元の減圧状態に復帰させる。こうし
て、真空容器１０中のガス圧が低下すると、ハース本体
５５の溶融した膜材料が蒸気化し易くなり、発生した蒸
気のミーンフリーパスが増大し、基板Ｗ上における膜の
形成が再開される。

【００３０】例えば、膜材料が銅である場合について考
えてみる。銅を蒸発させる際の雰囲気圧は、１０^-2Ｐａ
程度である。このときの蒸気化温度は１２９０゜Ｋとな
る。ここで、雰囲気圧を１Ｐａ程度に上昇させると、蒸
気化温度は１５３７゜Ｋとなる。つまり、ハース本体５
３に溜まっている溶融した膜材料の温度が１２９０゜〜
１５３７゜Ｋであるとすれば、真空容器１０中を１０^-2
Ｐａ程度にして成膜を行い、真空容器１０中を１Ｐａ程
度にして成膜を中断することができる。また、銅蒸気の
ミーンフリーパスは、１０^-2Ｐａでは、３００ｍｍ以上
であり、ハース本体５３から基板Ｗまでの距離をこの程
度に設定すれば、銅の蒸発粒子は雰囲気に妨げられるこ
となく基板Ｗに到達する。一方、銅蒸気のミーンフリー
パスは、１Ｐａでは、１０ｍｍ以下となり、ハース本体
５３からの銅の蒸発粒子は雰囲気に妨げられて基板Ｗに
到達しなくなる。つまり、真空容器１０中を１０^-2Ｐａ
程度と１Ｐａ程度との間で切り換えれば、断続的な成膜
を実施することができる。なお、具体的な実施例では、
ハース本体５３に溜まっている銅の温度を１７００Ｋ程
度とし、成膜時のガス圧を０．１３Ｐａ程度とした。こ
の場合、真空容器１０中を銅の蒸気化温度にほぼ対応す
る１Ｐａ程度以上にすれば銅の成膜が中断し、０．１３
Ｐａ程度に戻せば銅の成膜が再開し、所望のタイミング
で断続的な銅の膜形成が可能になる。

【００３１】以上、実施形態に即してこの発明を説明し
たが、この発明は上記実施形態に限定されるものではな
い。例えば、上記実施形態では、圧力調整装置７０の給
気部７１から真空容器１０中に不活性ガスを供給してい
るが、不活性ガスはＡｒに限られるものではなく、Ｈ
ｅ、Ｘｅ等のガスを真空容器１０中に供給することによ
って成膜を一時的に中断させることもできる。さらに、
成膜を中断させるためのガス種は、膜質に影響を与える
ものでなければ、Ｈ₂、Ｏ₂、Ｎ₂、ＣＨ₄等の各種ガスや
反応ガスを利用できる。

【００３２】また、上記実施形態では、膜材料の一例と
して銅を挙げているが、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｎ
ｂ、Ｗ等の各種金属材料やその他の材料を断続的に成膜
する際にも、Ａｒ等の不活性ガスやＯ₂、Ｎ₂等のガスを
適当な圧力で真空容器１０中に導入して成膜を中断させ
ることができ、これらのガスを排気して適当なレベルに
減圧することで成膜を再開させることができる。

【００３３】また、上記実施形態では、真空容器１０中
の雰囲気圧のみを調節して成膜の中断・再開を行ってい
るが、従来行われていた手法を併用することもできる。
例えば、補助陽極５２の容器の電圧を調節して、プラズ
マビームＰＢをハース本体５３に主に入射させる動作状
態と、プラズマビームＰＢを補助陽極５２に主に入射さ
せる準備状態との間で切り換え、ハース本体５３周囲の
電界状態を制御することも可能である。このことを利用
すると、つまり真空容器１０中を昇圧する際にプラズマ
ビームＰＢを補助陽極５２に入射させて成膜を完全に中
断し、真空容器１０中を減圧する際にプラズマビームＰ
Ｂをハース本体５３に入射させて成膜を完全に再開する
ことにより、成膜の断続をより効果的に達成することが
できる。また、ハース本体５３と基板ホルダ６１との間
にシャッタを設け、真空容器１０中を昇圧する際にシャ
ッタを閉じ、真空容器１０中を減圧する際にシャッタを
開くといった処理も可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る成膜装置によれば、圧力調整装置が成膜室中を所
定圧力以上に上昇させて成膜を中断させる、つまり材料
蒸発源からの膜材料の蒸発を雰囲気圧力によって停止さ
せるので、成膜の中断が比較的迅速なものなる。この
際、プラズマ源の動作を停止させる必要がないので、プ
ラズマ源を安定的に動作させたままでの断続的な成膜が
可能となる。

【００３５】また、本発明に係る成膜方法によれば、成
膜室中を所定圧力以上に上昇させて成膜を中断させる、
つまり材料蒸発源からの膜材料の蒸発を雰囲気圧力によ
って停止させるので、成膜の中断が比較的迅速なものな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る成膜装置の構造を示す図である。

【符号の説明】

１０ 真空容器 ３０ プラズマガン ３１ 陰極 ３７ 流量計 ３８ 流量調節弁 ３９ キャリアガス供給源 ４１,４２ 第２中間電極 ４７ ステアリングコイル ４８ ガン駆動装置 ５０ 陽極部材 ５１ ハース ５２ 補助陽極 ５３ ハース本体 ５８ 陽極電源装置 ６０ 保持機構 ７０ 圧力調整装置 ７１ 給気部 ７２ 排気部 ７３ 反応ガス供給源 ７４ 流量調節弁 ７５ 流量計 ７６ 真空ゲート ７７ 排気ポンプ Ｗ 基板

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成膜室中にプラズマビームを供給するプ
   ラズマ源と、 前記成膜室中に配置されて膜材料を収容する材料蒸発源
   を備えるとともに、当該材料蒸発源に前記プラズマビー
   ムを導くハースと、 前記材料収容部の上方の近接した領域の磁界を制御する
   磁場制御部材と、 前記成膜室中を所定圧力以上に上昇させて成膜を中断さ
   せる圧力調整装置とを備える成膜装置。
2. 【請求項２】 前記所定圧力は、前記膜材料の温度に対
   する蒸気圧に略等しいことを特徴とする請求項１記載の
   成膜装置。
3. 【請求項３】 前記膜材料は、銅であることを特徴とす
   る請求項２記載の成膜装置。
4. 【請求項４】 前記材料収容部の周囲の近接した上方に
   補助陽極をさらに備え、前記磁場制御部材は、前記ハー
   スの周囲に環状に配置された磁石、或いは磁石及びコイ
   ルであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記
   載の成膜装置。
5. 【請求項５】 前記プラズマ源は、圧力勾配型のプラズ
   マガンであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
   か記載の成膜装置。
6. 【請求項６】 成膜室中に陽極として配置されて膜材料
   を収容する材料蒸発源に向けてプラズマビームを供給す
   る工程と、 前記材料蒸発源の上方に近接した領域の磁界を制御する
   ことによって前記プラズマビームを制御する工程と、 前記成膜室中を所定圧力以上に上昇させて成膜を中断す
   る工程とを備える成膜方法。