JP2001181838A

JP2001181838A - 真空成膜装置

Info

Publication number: JP2001181838A
Application number: JP36474699A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Kiyokawa; 和利清川; Takashi Miyamoto; 隆司宮本
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2001-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的高真空領域でもプラズマの発生及び維持
ができる真空成膜装置を提供することを目的とする。【解決手段】真空チャンバ２０１、真空排気系２０２、
下側電極７１、上側電極７２、プラチナ金属からなるタ
ーゲット７３及びガラス基板からなる基材６１からな
り、ターゲット７３と基材６１の間に電子放出材料１１
を２本設け、電子放出材料１１の下側には防着板１２を
設け、真空成膜装置２００を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマを利用し
て薄膜を形成することを目的とした真空成膜装置の構成
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、薄膜形成などを目的とした真空成
膜装置は、きわめて広く用いられてきている。その中で
も、プラズマを利用した成膜装置は、スパッタリング、
プラズマアシスト蒸着、イオンプレーティング、プラズ
マＣＶＤなど様々なものがある。一般に、形成される薄
膜の特性は、いろいろな因子によって影響を受ける。そ
のひとつに真空チャンバ内の圧力（真空度ともいう）を
挙げることができる。この真空チャンバ内の圧力によっ
て、薄膜の諸特性（内部応力、密度など）が大きく変化
する。また、プラズマの状態自体も、電極間距離（空間
の形状）、ガス種、圧力、流量、温度、電極材質、印加
電圧の種類など様々な条件に影響される。良い薄膜を形
成するためのプラズマの最適条件は、上記のような条件
を調整して達成される。しかし、現実にプラズマを発生
できる条件範囲は限られている。

【０００３】また、プラズマの発生・維持に関しては、
プラズマを発生させ易い圧力が存在する。それは、分子
・原子や電子の平均自由行程が大きな影響を及ぼしてい
る。その理由は、プラズマの発生および維持には電子と
分子・原子の衝突により電子が増殖することが必要であ
るからである。平均自由行程が短すぎる（圧力が高すぎ
る）と電子が分子・原子と衝突するまでに十分なエネル
ギーが得られないため、分子・原子を電離させることが
出来ず、プラズマを持続できなくなる。一方、平均自由
行程が長すぎる（圧力が低すぎる）と電離確率が低くな
ってしまうとともに、装置の寸法に近くなってしまうの
で、電子を増殖する機会が少なくなり、プラズマを維持
できなくなる。

【０００４】これらの理由から、プラズマを用いた成膜
方法の場合、最適な薄膜作製条件で成膜出来ないという
ことが起こる。つまり、本来形成される薄膜の特性から
薄膜作製条件が決定されるべきところが、プラズマ状態
が維持できないという理由から、薄膜作製条件が自ずと
制約されてしまうといった大きな問題が生じている。

【０００５】それ故、通常プラズマが発生しにくい、も
しくは維持しにくい圧力帯域、特に高真空（低圧力）領
域での薄膜形成などを可能にするプロセス技術が望まれ
ている。すなわち、プラズマを利用した薄膜形成技術
が、現状よりも広範な圧力帯域で実行可能になることが
望まれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点に鑑み考案されたもので、比較的高真空領域でもプラ
ズマの発生及び維持ができる真空成膜装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に於いて上記問題
を解決するために、まず請求項１においては、少なくと
も真空チャンバと、それに付属した真空排気系と、ガス
導入部と、プラズマ形成のための電極部と、電源とから
構成されるプラズマを利用した真空成膜装置において、
プラズマの発生および維持を補助するための電子放出材
料が、真空チャンバ内のプラズマが発生する空間内に設
置されていることを特徴とする真空成膜装置としたもの
である。

【０００８】また、請求項２においては、前記電子放出
材料の形状が、直径５ｍｍ以下のワイヤー状であること
を特徴とする請求項１記載の真空成膜装置としたもので
ある。

【０００９】さらにまた、請求項３においては、前記電
子放出材料の下側に防着板を設けたことを特徴とする請
求項１又は２に記載の真空成膜装置としたものである。

【００１０】本発明中の真空チャンバとは、真空容器や
真空槽とも表現される。これは、真空技術でごく常識的
に使用される用語である。通常、金属やガラスで構成さ
れる。本発明中の真空排気系とは、前記真空チャンバ内
を真空にするための設備で、真空技術でごく常識的に使
用される真空ポンプ類を指す。たとえば、油回転ポン
プ、メカニカルブースターポンプ、拡散ポンプ、ターボ
ポンプ、クライオポンプなどがあり、必要に応じて適宜
選択、使用される。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の真空成膜装置は、プラズ
マが発生する真空チャンバ内に電子放出材料を配置する
ことにより、電子放出材料からプラズマが発生する空間
内に電子が供給され、電子放出材料が存在しない場合よ
りも高い真空領域でプラズマの発生及び維持がし易くな
るというものである。さらに、電子放出材料は蒸発源
（スパッタリングの場合はターゲット）と基材との間に
設けられるため、成膜をなるべく阻害しないように、直
径５ｍｍ以下のワイヤ状にして、複数本設けられる。さ
らに、成膜中に電子放出材料に薄膜が形成されて電子放
出特性が阻害されないように、電子放出材料の下側に防
着板を設けたものである。

【００１２】電子放出材料が電子を放出しやすいかどう
かは、一般に仕事関数で表すことができる。この仕事関
数はいわば、電子放出材料から電子を放出させるのにど
のくらいのエネルギーが必要なのかを表すもので、その
値が低いほど電子が放出しやすいということになる。電
子放出材料から電子を放出させるための手段としては、
紫外線などの光を照射する方法（光電子放出）、粒子の
衝突より２次的に電子を放出させる方法（２次電子放
出）、材料を加熱する方法（熱電子放出）、電圧を印加
する方法（光電界放出）、もしくはこれらの複合作用が
考えられる。本発明においては、上記の放出電子の発生
方法は特に限定されるものではない。

【００１３】しかし、プラズマ自体の発光によって光電
子が発生し得るし、プラズマ中の粒子の衝突によっても
２次電子が発生する。それ故、故意に電子放出材料に外
部からエネルギーを加えなくても、プラズマ空間内に電
子放出材料が存在するだけで、プラズマに電子が供給さ
れ、プラズマ状態が維持しやすくなる。しかし、さらな
る電子放出が必要な場合、外部から電子放出の為のエネ
ルギーを電子放出材料に供給する必要があり、紫外線ラ
ンプによる紫外線照射や、電子放出材料への電圧の印
加、加熱などがある。

【００１４】それらのうち、紫外線ランプはそのエネル
ギー範囲（波長範囲）や、強度、照射範囲など様々なも
のがある。エネルギーは、電子放出材料の仕事関数より
も高いものが選ばれる。強度は、放出される電子の数と
相関がある。また、照射範囲は電子が放出される領域を
表す。特に、光ファイバーや集光レンズなどを用いると
スポット的に照射することが可能である。また、電圧印
加の際には、電子放出材料を接地電位に対し負の電位に
することも電子放出を増加させるのに有効である。つま
り、電子が負の電位であるので、電子放出材料の負電位
が電子を押し出すことになる。電子放出材料を加熱する
際には、広く用いられているジュール加熱ヒータや、赤
外線ランプなどを利用できる。また、マイクロ波の照射
による誘導加熱によっても加熱が可能である。さらに、
プラズマや紫外線に曝されることでも、温度の上昇が観
測される。また、電子放出材料の表面に微小突起物など
を設けた場合、局所的に電界が強められ、その部分から
の電子放出量が増加させることも可能である。

【００１５】電子放出材料の形状は蒸発源（スパッタリ
ングの場合はターゲット）と基材との間に設けられるた
め、薄膜形成を大きく阻害するような形状でないことが
要求される。例えば、ワイヤー状に加工した電子放出材
料を蒸発源（スパッタリングの場合はターゲット）と基
材との間に設置する。その際、ワイヤーの直径が太すぎ
ると、薄膜の形成を阻害して成膜効率を下げることにな
る。それ故、直径５ｍｍ以下、望ましくは１ｍｍ以下、
さらに望ましくは０．５ｍｍ以下のワイヤ状の電子放出
材料を複数本設けた方がよい。

【００１６】電子放出材料の仕事関数は、電子放出材料
から電子を放出し易くするため、その仕事関数が５ｅＶ
以下がよい。５ｅＶは、紫外線の波長に換算すると約２
５０ｎｍになる。それ以上の仕事関数になると、電子に
エネルギーを与えるのが困難になる。また、仕事関数が
４．５ｅＶ以下になると、効果が顕著になり。４ｅＶ以
下であると、さらに顕著な効果が得られる。仕事関数が
５ｅＶ以下の電子放出材料としては、Ｐｄ（５．０ｅ
Ｖ），Ｗ（４．５ｅＶ），Ｃ（４．５ｅＶ），Ｆｅ
（４．５ｅＶ），Ａｇ（４．４ｅＶ），Ｃｕ（４．４ｅ
Ｖ），Ｃｏ（４．４ｅＶ），Ｓｎ（４．４ｅＶ），Ｎｉ
（４．２ｅＶ），Ｉｎ（４．２ｅＶ），Ｍｏ（４．２ｅ
Ｖ），Ａｌ（４．１ｅＶ），Ｚｒ（４．１ｅＶ），Ｔａ
（４．１ｅＶ），Ｎｂ（４．０ｅＶ），Ｚｎ（３．９ｅ
Ｖ），Ｔｉ（３．８ｅＶ），Ｓｉ（３．６ｅＶ），Ｓｉ
Ｃ（３．５ｅＶ），ＴｉＣ（３．４ｅＶ），ＢａＢ
₆（３．５ｅＶ），ＣａＢ₆（２．９ｅＶ），ＬａＢ
₆（２．７ｅＶ），ＣｅＯ₂（２．３ｅＶ），ＺｒＣ
（２．２ｅＶ）などを挙げることができる。

【００１７】

【実施例】以下実施例により本発明を詳細に説明する。＜実施例１＞プラズマアシスト蒸着でアルミナ（ＡｌＯ
_X）薄膜を、巻き取り成膜方式にて成膜する真空成膜装
置１００にて実施した。真空成膜装置１００は図１に示
すように、成膜チャンバー１０１及び真空チャンバー１
０２からなり、真空チャンバー１０２にはフィルムロー
ル４２から供給された基材４１はローラー５１を経由し
てメインロール３１に圧着した状態で真空チャンバー１
０１に入り、所定の薄膜が成膜されて真空チャンバー１
０２に入りローラー５２を経由してフイルムロール４３
に巻き取られる。真空チャンバー１０１には蒸発源２２
を入れたるつぼ２１、ガス導入口（特に図示せず）、マ
イクロ波放射電極（特に図示せず）、真空排気系１０３
及び１０４を備えており、成膜チャンバー１０１内の基
材４１と蒸発源２２との間にワイヤ状の電子放出材料１
１が４本配置されている。さらに、電子放出材料１１の
下側に防着板１２が設けられている。真空チャンバー１
０１と真空チャンバー１０２は別々の真空排気系１０３
及び真空排気系１０４にて排気され所定の真空度に制御
されている。

【００１８】真空チャンバー１０１内に酸素ガスを導入
し、蒸発源２２としては電子線で加熱溶融した金属アル
ミを使用し、プラズマによる反応性成膜方法にてアルミ
ナ薄膜を形成した。プラズマはマイクロ波照射電極によ
り、成膜チャンバー１０１内の基材４１付近に発生させ
た。基材４１には１２μｍ厚のＰＥＴフィルムを用い
た。１ｍｍφのタンタルワイヤからなる電子放出材料１
１を蒸発源２２と基材４１との間に４本セットした。ま
た、電子放出材料１１の下側には防着板１２を設けて、
電子放出材料１１に蒸着膜が成膜されないようにし、成
膜中に電子放出材料１１の特性が変化しないようにし
た。この電子放出材料１１をセットした状態で真空度を
上げていったが、１．２×１０^-2Ｐａまでプラズマを安
定に維持させることができ、当初予定していた真空度
１．０×１０^-2Ｐａ〜５．０×１０^-2Ｐａでの成膜条件
でアルミナ（ＡｌＯ_X）薄膜を安定して成膜できた。

【００１９】＜比較例１＞実施例１と同じ真空成膜装置
１００を用い、電子放出材料１１及び防着板１２は使用
しないで、蒸発源としては金属アルミを使用し、酸素ガ
スを導入したプラズマアシストによる反応性成膜方法に
て１２μｍのＰＥＴフィルムからなる基材４１上にアル
ミナ（ＡｌＯ_X）薄膜を形成した。ここで、真空度を徐
々に上げていくと、６．７×１０^-2Ｐａまでしか安定に
プラズマを維持させることができず、当初予定していた
真空度１．０×１０^-2Ｐａ〜５．０×１０^-2Ｐａでの酸
素ガスを導入したプラズマアシスト反応性成膜方法によ
るアルミナ（ＡｌＯ_X）薄膜は成膜できなかった。

【００２０】＜実施例２＞図２に示すＤＣマグネトロン
方式の真空成膜装置２００を用いて、プラチナ薄膜を形
成した。真空成膜装置２００は真空チャンバ２０１、真
空排気系２０２、下側電極７１、上側電極７２、プラチ
ナ金属からなるターゲット７３及びガラス基板からなる
基材６１からなり、下側電極７１と上側電極７２との電
極間隔は７０ｍｍとし、放電ガスはアルゴンを用いた。
ターゲット７３と基材６１の間に電子放出材料１１を２
本設け、電子放出材料１１の下側には防着板１２を設け
た。電子放出材料１１は０．５ｍｍφのタングステンワ
イヤを用い、ターゲット７３から２０ｍｍの位置に設
け、電子放出材料１１の長手方向は、真空チャンバ２０
１の手前から奥になるように配置した。真空排気系２０
２はロータリーポンプとクライオポンプを使用した。

【００２１】まず、アルゴンガスを真空チャンバ２０１
に導入した状態で真空度を６．７×１０^-1Ｐａにして、
プラズマを発生させた。そして、徐々にアルゴンガスの
流量を少なくして、真空チャンバ２０１内の真空度を上
げていったところ、真空度９．３×１０^-2Ｐａまでプラ
ズマを安定に維持させることができ、当初予定していた
真空度９．０×１０^-2Ｐａ〜２．０×１０^-1Ｐａでのプ
ラチナ薄膜が基材６１上に安定して成膜できた。

【００２２】＜比較例２＞実施例２と同じ図２に示すＤ
Ｃマグネトロン方式の真空成膜装置２００を用いて、プ
ラチナ薄膜を形成した。ここでは、電子放出材料１１は
使用しなかった。まず、アルゴンガスを真空チャンバ２
０１に導入した状態で真空度を６．７×１０^-1Ｐａにし
て、プラズマを発生させ、ターゲット７３よりプラチナ
のスパッタリング成膜を開始した。そして、徐々にアル
ゴンガスの流量を少なくして、真空チャンバ２０１内の
真空度を上げていったところ、真空度２．０×１０^-1Ｐ
ａまではプラズマが維持され成膜できたが、それ以上の
真空度にするとプラズマが消失してしまい、当初予定し
ていた真空度９．０×１０^-2Ｐａ〜２．０×１０^-1Ｐａ
でのプラチナ薄膜を基材６１上に成膜することができな
かった。

【００２３】

【発明の効果】プラズマを利用した真空成膜装置におい
て、プラズマが発生する真空チャンバ内に電子放出材料
を配置することにより、電子放出材料から供給される電
子にてプラズマ状態がが維持され、電子放出材料が存在
しない場合よりも、容易にプラズマの形成・維持が可能
になった。これにより、広範囲の成膜条件での薄膜の成
膜が可能になり、薄膜特性を重視したプラズマアシスト
による薄膜形成が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の真空成膜装置の一実施例を示す模式断
面図である。

【図２】本発明の真空成膜装置の他の実施例を示す模式
断面図である。

【符号の説明】

１１……電子放出材料１２……防着板２１……るつぼ２２……蒸発源３１……メインロール４１、６１……基材１、４３……フィルムロール５１、５２……ローラ７１……下側電極７２……上側電極７３……ターゲット１００、２００……真空成膜装置１０１、１０２、２０１……真空チャンバ１０３、１０４、２０２……真空排気系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも真空チャンバと、それに付属し
た真空排気系と、ガス導入部と、プラズマ形成のための
電極部と、電源とから構成されるプラズマを利用した真
空成膜装置において、プラズマの発生および維持を補助
するための電子放出材料が、真空チャンバ内のプラズマ
が発生する空間内に設置されていることを特徴とする真
空成膜装置。
【請求項２】前記電子放出材料の形状が、直径５ｍｍ以
下のワイヤー状であることを特徴とする請求項１に記載
の真空成膜装置。
【請求項３】前記電子放出材料の下側に防着板を設けた
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の真空成膜装
置。