JP2002220657A

JP2002220657A - 薄膜形成装置および薄膜形成方法

Info

Publication number: JP2002220657A
Application number: JP2001016711A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Okura; 貴博大蔵
Original assignee: KIYOUSERA OPT KK
Current assignee: KIYOUSERA OPT KK
Priority date: 2001-01-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2002-08-09

Abstract

(57)【要約】【課題】基材に対する密着性に優れた薄膜を形成するこ
とができる薄膜形成装置および薄膜形成方法を提供す
る。【解決手段】チャンバ１１内の上部において、基材１０
が基材保持部２に保持されており、その下部に蒸発源２
０が配置されている。基材保持部材２には高周波電圧が
印加されており、基材保持部材２と蒸発源２０のボート
１との間には、ボート１側を陽極として直流電圧が印加
されている。チャンバ１１には、不活性ガスまたは反応
性ガスが流量制御装置２４を介して供給される。このガ
ス供給量は、チャンバ１１内の真空度が一定値に保持さ
れるように、制御装置３０によって制御される。薄膜形
成の初期段階には、蒸発源２０からの蒸発物が少ないの
で、ガス供給量が多いが、蒸発源２０からの蒸発物がチ
ャンバ１１内に充満するに従って、ガス供給量は少なく
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、チャンバ内にプ
ラズマを形成し、このプラズマの作用下で基材表面に薄
膜を形成するための薄膜形成装置および薄膜形成方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】基材の表面に薄膜をコーティングするた
めの薄膜形成方法の１つに、イオンプレーティング法が
ある。典型的なイオンプレーティング法では、薄膜材料
を蒸発させるための蒸発源と、表面に薄膜を形成すべき
基材とが配置されたチャンバ内にアルゴン等の不活性ガ
スが導入される。そして、高周波電界によってチャンバ
内でプラズマを生成することにより、蒸発源から蒸発し
た材料をイオン化し、このイオン化した蒸発材料を基材
に衝突させることによって、薄膜の形成が行われる。

【０００３】しかし、基材へのアルゴン粒子の衝突のた
めに、基材の温度が上昇するという欠点がある。そのた
め、低融点の基材に対するコーティングには適用できな
い。この問題を解決するために、特公平１−４８３４７
号公報などには、チャンバ内に不活性ガス等を導入する
ことなくイオンプレーティングを行う無ガスイオンプレ
ーティング蒸着装置が提案されている。この無ガスイオ
ンプレーティング蒸着装置では、基材とチャンバとの間
に高周波電圧を印加することにより、蒸発源から蒸発し
た薄膜材料を電離させてプラズマが形成される。そし
て、基材とチャンバとの間に直流電圧を印加することに
より、プラズマ中の薄膜材料イオンを基材に導き、これ
によって、基材表面に薄膜が形成される。

【０００４】これによれば、基材の温度上昇がほとんど
ないから、プラスチックのような熱に弱い基材の表面に
金属をコーティングするといったことを容易に実現でき
るというものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この無ガスイ
オンプレーティング蒸着装置においては、薄膜形成の初
期の段階には、チャンバ内に良好なプラズマを生成する
ことができない。すなわち、初期段階には、薄膜材料の
蒸発物が少ないので、膜形成メカニズムは、プラズマに
よる作用のない単純な蒸着にすぎない。したがって、基
材に対する薄膜の密着性が必ずしも良くないという問題
がある。

【０００６】また、蒸発源からの薄膜材料の蒸発が専ら
材料の加熱のみによって行われているため、実際にコー
ティングを行うと、熱源からの輻射熱による基材の加熱
により、必ずしも基材を所望の低温状態に保持すること
ができない。したがって、基材および薄膜材料の選択に
制限がある。そこで、この発明の目的は、基材に対する
密着性に優れた薄膜を形成することができる薄膜形成装
置および薄膜形成方法を提供することである。

【０００７】また、この発明の他の目的は、基材を低温
に保持して、その表面に薄膜を形成することができる薄
膜形成装置および薄膜形成方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段および発明の効果】上記の
目的を達成するための請求項１記載の発明は、薄膜形成
処理が行われるチャンバ（１１）と、導電性部材からな
り、上記チャンバ内において表面に薄膜を形成すべき基
材を保持する基材保持手段（２，２Ａ）と、この基材保
持手段に高周波電力を供給する高周波電力供給電源
（５）と、上記チャンバ内に配置され、薄膜の原料とな
る蒸発材料を保持するボート（１）、およびこのボート
を加熱する加熱手段（１，３）を備えた蒸発源と、プラ
ズマを生成させるためのガスを上記チャンバ内に供給す
るガス供給手段（２１，２３，２１ａ，２３ａ）と、上
記ガス供給手段による上記チャンバへのガスの供給量
を、上記基材に薄膜を形成する薄膜形成処理の初期より
も、その後の期間の方が少なくなるように制御するガス
供給量制御手段（２４，３０）とを含むことを特徴とす
る薄膜形成装置である。なお、括弧内の英数字は後述の
実施形態の説明における対応構成要素等を表す。以下、
この項において同じ。

【０００９】この発明の構成によれば、チャンバ内にプ
ラズマを形成させるためのガスが供給されるので、特に
薄膜形成の初期段階においてチャンバ内に速やかにプラ
ズマを生成することができる。これによって、薄膜形成
の初期段階から、プラズマの作用を利用した薄膜形成が
可能となるから、基材に良好に密着した薄膜を形成する
ことができる。しかも、チャンバ内へのガス供給量は、
薄膜形成開始初期には多く、その後の期間には少なくな
るから、ガス供給手段によって供給されるガスの原子ま
たは分子が基材に衝突することに起因する基材の温度上
昇を抑制することができる。これにより、低融点や低軟
化点の基材表面に薄膜を形成することができるから、基
材および薄膜の組合せに関する選択の自由度が大きくな
る。

【００１０】薄膜形成の初期においてガス供給手段によ
るガス供給量を多くし、その後にガス供給量を減少させ
るのは、蒸発源からの蒸発材料の蒸発を考慮したもので
ある。すなわち、薄膜形成の初期段階においてはチャン
バ内に薄膜原料の蒸発物が少ないが、その後の期間には
ボートによる材料の加熱に伴って、チャンバ内は薄膜原
料の蒸発物で充満し、プラズマを維持するのに充分な量
の蒸発材料の蒸発物が存在する状態に至ることになる。

【００１１】したがって、薄膜形成の初期段階に生成さ
れるプラズマの組成は、ガス供給手段によって供給され
るガスが支配的であるけれども、その後の期間には、薄
膜原料の組成が支配的になる。こうして、薄膜形成の初
期段階と、その後の期間とでプラズマの組成を変化させ
つつ、薄膜形成初期段階から良好なプラズマを速やかに
生成して、その後にも良好なプラズマをチャンバ内に維
持することができる。上記ガス供給手段によって供給さ
れるガスは、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスで
あってもよいし、薄膜を形成する原料を含む反応性ガス
（原料ガス）であってもよい。このような反応性ガス
は、たとえば、窒化物膜を形成するときには窒素ガスで
あってもよいし、フッ化物膜を形成するときにはＣＦ₄
ガス、ＳＦ₆ガスまたはＣｌＦ₃ガスであってもよい。さ
らに、酸化物膜を形成するときには、酸素ガスであって
もよい。有機物薄膜や金属薄膜を形成するときには、ア
ルゴンガスまたは窒素ガスに代表される不活性ガスを用
いることが好ましい。

【００１２】薄膜形成時における高周波電力供給電源か
らの高周波出力は、たとえば金属薄膜を形成する場合に
は、放電電極となる基材保持手段の単位面積（cm²）当
たり５０〜５００ｍＷとすることが好ましく、１００〜
２００ｍＷとすることがさらに好ましい。特に、アルミ
ニウム薄膜または銅薄膜を形成するときには、約１５０
ｍＷの出力の高周波電力を基材保持手段に与えることが
好ましい。ボートを加熱するための加熱手段は、たとえ
ば、ボート自体を電気抵抗体で構成するとともに、この
ボート自体に電流を流してジュール熱を発生させる構成
としてもよい。また、ボート内に埋め込まれた発熱体ま
たはボート裏面に密着配置された発熱体によって加熱手
段を構成し、これらの発熱体からの伝熱によりボートを
加熱する構成を採用してもよい。

【００１３】基材を保持するための基材保持手段は、チ
ャンバからは絶縁されて、チャンバの上部のほぼ中央に
支持されることが好ましい。基材保持手段と高周波電力
供給電源との間には、インピーダンスマッチングのため
のマッチング装置（４）および直流遮蔽フィルタ（たと
えばコンデンサ（７））が介挿されていることが好まし
い。なお、コンデンサ（７）は、可変コンデンサを用い
てマッチング回路の一部として機能させてもよい。これ
によって、基材保持手段に保持された基材に直接高周波
電力を供給することができ、チャンバ内の所望部分に安
定なプラズマを形成させることができる。高周波電力供
給電源は、高周波出力が可変なものであることが好まし
く、所望の薄膜形成条件を設定できるようにすることが
好ましい。また、マッチング装置は、インダクタンスお
よびコンダクタンスを組み合わせた周知の同調回路であ
ってもよく、その他の等価回路であっても差し支えな
い。

【００１４】高周波電力供給電源が出力する高周波電力
の周波数は、１３．５６ＭＨｚの近辺が一般的である。
しかし、この高周波電力の周波数は特に限定されるもの
ではなく、基材の材質、蒸発材料の物質、形成すべき薄
膜の設定仕様、必要な被膜形成速度などに応じて、適当
な周波数が選択されればよい。また、高周波電力の出力
は、放電電極の単位面積（cm²）当たり５０〜８００ｍ
Ｗ（好ましくは、１５０〜２００ｍＷ）が一般的である
が、上記と同様の観点からこの範囲外の値をとっても差
し支えない。

【００１５】請求項２記載の発明は、上記チャンバ内の
真空度を計測する真空度計測手段（１５）をさらに含
み、上記ガス供給量制御手段は、上記真空度計測手段に
より計測される上記チャンバ内の真空度が所定値に保持
されるように上記ガス供給手段によるガス供給量を制御
するものであることを特徴とする請求項１記載の薄膜形
成装置である。この構成によれば、チャンバ内の真空度
が所定値に保持されるから、チャンバ内において良好な
プラズマを維持することができる。ボートからの蒸発材
料の蒸発に伴って、ガス供給量制御手段は、チャンバ内
の真空度を維持するために、ガス供給手段によるガス供
給量を減少させる。これによって、薄膜形成の初期段階
には比較的大きな流量でガス供給手段からのガスが供給
され、その後の期間には、そのガス供給量が減少させら
れることになる。こうして、チャンバ内におけるプラズ
マを良好に維持し、プラズマの作用を利用した良好な薄
膜形成を初期段階から行えるとともに、基材の温度上昇
を効果的に抑制することができる。

【００１６】チャンバ内に良好なプラズマを維持するた
めには、請求項３に記載のように、上記所定値は、１．
０×１０^-2Ｐａ〜５．０×１０^-2Ｐａの範囲内の値とす
ることが好ましい。この範囲を越えた場合には、プラズ
マを生成するための放電が安定しなくなる傾向がある。
さらに好ましい真空度の値の範囲は、２．０×１０^-2Ｐ
ａ〜３．０×１０^-2Ｐａである。より具体的には、ガス
供給手段からのガスを導入する以前において、チャンバ
内を１０^-3Ｐａ程度（好ましくは、１．５×１０^-3Ｐａ
〜２．０×１０^-3Ｐａ）の真空度としておくとともに、
ガス供給手段からのガス供給開始後には、チャンバ内の
真空度を２．０×１０^-2Ｐａ〜３×１０^-2Ｐａ程度の真
空度に保持することが好ましい。

【００１７】薄膜形成処理の初期段階よりもその後の期
間においてガス供給量を減少するための他の手段とし
て、薄膜形成処理の初期には所定の第１ガス供給量でチ
ャンバにガスを供給し、一定時間経過後の期間には上記
第１ガス供給量よりも少ない所定の第２ガス供給量でチ
ャンバへのガス供給を行うようにしてもよい。第１ガス
供給量から第２ガス供給量への遷移は、一気に行われて
もよいが、連続的または段階的に第１ガス供給量から第
２ガス供給量へとガス供給量を徐々に減少させることが
好ましい。

【００１８】請求項４記載の発明は、上記基材保持手段
と上記ボートとの間に、上記ボート側を陽極側として接
続された直流電圧印加電源（６）をさらに含むことを特
徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜形成
装置である。この構成によれば、直流電圧印加電源から
印加される直流電界により、プラズマ中のプラスに帯電
した粒子または陽イオン化した粒子は、基材方向へと加
速されて飛来し、基材と衝突し、基材表面に堆積する。
これによって、被膜の形成がなされることになる。負の
電荷を持つ電子は、陽極側となるボートへと加速され
て、ボート上の蒸発材料に集中的に衝突して、蒸発材料
に蒸発のためのエネルギーを与える。こうして、熱エネ
ルギーに代わる高いエネルギーを得た蒸発材料は、低温
でも容易に蒸発して、チャンバ内のプラズマ形成領域へ
と蒸発していく。

【００１９】すなわち、チャンバ内に形成されたプラズ
マ中の電子が蒸発材料へと導かれ、これによって材料の
蒸発を促進する効果（以下、これを「デポジションアシ
スト効果」という。）が得られる。その結果、たとえば
抵抗加熱等による蒸発材料の加熱エネルギーを格段に低
減することができる。その結果、蒸発源からの熱輻射に
よる基材の温度上昇を抑制することができるので、より
低温状態での薄膜形成が可能になる。

【００２０】たとえば、金属薄膜または酸化物薄膜を基
材の表面に形成する場合には、０．１μｍ厚の薄膜を約
１５分で形成できる。この場合に、基材の温度は約３０
℃以下に抑えることができる。また、０．２μｍ厚の薄
膜を基材表面に形成するのには、たとえば、約３０分を
要する。この薄膜形成期間中における基材の温度は、約
８０℃以下に抑えることができる。これに対して、従来
のイオンプレーティング蒸着装置で同様な処理を行う
と、基材の温度が約１２０℃を超えてしまう。

【００２１】直流電圧印加電源の出力は、可変としてお
いて、粒子の飛来エネルギーを調節できるようにしてい
ることが好ましい。さらには、基材保持手段の近傍に、
膜形成の速度を検出するための膜形成速度検出手段とし
て膜厚モニタ等（１７）を配置しておき、この膜厚モニ
タ等の出力に応じて、ボートの加熱手段に与えるエネル
ギーをフィードバック制御することが好ましい。これに
よって、プラズマからの電子の供給によるエネルギー供
給に応じて、蒸発材料に与える熱エネルギーを低くし
て、輻射熱による基材の温度上昇を抑制できる。

【００２２】蒸発材料からの蒸発量は、加熱手段に与え
るエネルギーおよび直流電圧印加電源の出力を制御する
ことによって調整することができる。また、蒸発材料の
粒子の基材への衝突エネルギーは、直流電圧印加電源の
出力を制御することによって調整することができる。こ
れにより、蒸発物質の基材表面上への単なる堆積だけで
なく、蒸発材料の粒子に、基材表面に形成された蒸着物
質層の分子または原子配列を安定な状態に再配列できる
だけのエネルギーを与えることもできる。さらには、蒸
着物質の粒子に、基材内に浸透して順応させるのに十分
なエネルギーを与えることもできる。これにより、基材
表面に、緻密でかつ密着性に優れた良質の薄膜を形成す
ることができる。

【００２３】ボートの加熱手段には温度調節手段（３
０）を備えることが好ましい。この場合、温度調節手段
は、ボートまたはボートに関連して設けられる発熱体に
供給する電流または電圧を調整する手段であってもよ
い。これにより、基材の耐熱性等を考慮した薄膜形成条
件を設定することができる。また、ボートに関連して、
プラズマから蒸発材料への電子集中を調節するための電
子集中調節手段を備えることが好ましい。この電子集中
調節手段は、ボートの平面面積（蒸発面積）を調節し
て、蒸発源に対する電子線照射面積を調節することによ
って実現されてもよい。また、電子集中調節手段は、ボ
ートの上方（プラズマと蒸発源との間）に配置された絞
り、スリットまたはシャッター等によって実現されても
よい。また、電子集中調節手段は、電場および磁場を組
み合わせた電子レンズまたは行路変更手段によって実現
することもできる。

【００２４】加熱手段に温度調節手段を備えるととも
に、ボートに関連して電子集中調節手段を備えることに
より、蒸発源に対する加熱エネルギーと電子照射エネル
ギーの組み合わせを自在に設定することができる。これ
により、広範な材質の基板に対して、広範な材質の蒸発
材料を蒸着することができる。これによって、各種材料
の基材に各種薄膜を形成した部材を提供することがで
き、工業的利用価値の高い部材の製造が可能になる。

【００２５】蒸発源への電子照射量の調整は、形成する
薄膜の種類に応じて調整することが好ましい。たとえ
ば、フッ化マグネシウム、二酸化珪素などの低融点蒸発
材料による薄膜形成の場合には、蒸発源の面積を広くす
ることが好ましい。これに対して、アルミナ、酸化チタ
ン、ジルコニアなどの高融点蒸発材料による薄膜形成を
行う場合には、蒸発源の面積を狭くして、電子によるデ
ポジションアシストの度合いを抑制することが好まし
い。

【００２６】基材保持手段とボートとの間に直流電圧を
印加する直流電圧印加電源と基材保持手段との間には、
高周波成分を除去するための高周波遮蔽フィルタ（８）
が介挿されることが好ましい。直流電圧印加電源により
印加される直流電圧は、たとえば、０より大きく５００
Ｖ以下の範囲内で設定することが好ましく、対象となる
基材の材質、蒸発材料の物質、形成すべき薄膜の設定仕
様、必要な被膜形成速度、および他の薄膜形成条件に応
じて選択すればよい。たとえば、アルミニウム薄膜を形
成する場合には、１００Ｖ程度とすればよく、銅薄膜を
形成する場合には、３００Ｖ程度とすればよい。

【００２７】この発明による薄膜の形成は、基材の温度
を低温に保持して行うことができ、たとえば、基材の温
度を１００℃以下、好ましくは８０℃以下、さらに好ま
しくは４０℃以下に抑制して、薄膜を形成することがで
きる。これにより、プラスチック製の光学部材の表面コ
ート、たとえばカメラ用レンズ、眼鏡用レンズへの反射
防止用コーティングや、ハードコーティングなどの実用
的用途に使用することができる。

【００２８】請求項５記載の発明は、上記チャンバが、
電気的に浮遊状態とされていることを特徴とする請求項
１ないし４のいずれかに記載の薄膜形成装置である。こ
の構成では、チャンバが電気的に浮遊状態となってい
て、接地されていないので、基材とチャンバ内壁との間
での放電が生じることがなく、プラズマ中の原子がチャ
ンバの内壁に導かれることもない。したがって、チャン
バ内壁の汚染を抑制することができるとともに、蒸発材
料の消費量も少なくすることができる。

【００２９】ボートを直流電圧印加電源の陽極側に接続
し、かつチャンバを電気的に浮遊状態とすることによ
り、プラズマからの電子をボートに配置された蒸発材料
へと集中させることができる。これによって、少ない加
熱エネルギーで薄膜原料を良好に蒸発させることができ
る。チャンバを電気的に浮遊状態としておくことによ
り、チャンバ内の電子はチャンバ内壁に分散して飛来
し、中和されて消滅することがない。すなわち、実質的
にほとんどの電子が蒸発源へと集中して、高密度な電子
ビームが蒸発源に注がれることになる。

【００３０】また、本発明では、別途電子ビーム発生装
置をチャンバ内に付加する必要もないので、電子ビーム
発生装置のフィラメントがアルゴンイオン等の衝突によ
り断線するという問題も発生しない。請求項６記載の発
明は、上記チャンバが導体材料からなっていることを特
徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の薄膜形成
装置である。この構成では、チャンバが導体材料からな
っているので、チャンバがノイズ遮蔽効果を有すること
ができる。そのため、マイクロコンピュータ等からなる
制御装置をチャンバの近傍に配置したとしても、チャン
バ内に形成される高周波電界に起因する電磁ノイズの影
響を受けることなく良好な制御処理を行うことができ
る。

【００３１】また、チャンバのシールド効果により高周
波電界が外部に漏洩するのを防ぐことができるため、高
周波電力の損失を抑えることができる。請求項７記載の
発明は、チャンバ内において、表面に薄膜を形成すべき
基材を保持するステップと、プラズマを生成させるため
のガスを上記チャンバ内に供給するステップと、上記チ
ャンバ内の空間に高周波電界を印加するステップと、上
記チャンバ内で、薄膜の原料となる蒸発材料を加熱して
蒸発させるステップと、上記チャンバへのガスの供給量
を、上記基材に薄膜を形成する薄膜形成処理の初期より
も、その後の期間の方が少なくなるように制御するガス
供給量制御ステップとを含むことを特徴とする薄膜形成
方法である。

【００３２】この方法により、請求項１記載の発明に関
連して説明した効果を達成できる。請求項８記載の発明
は、上記ガス供給量制御ステップは、上記チャンバ内の
真空度が所定値に保持されるようにガス供給量を制御す
るステップを含むことを特徴とする請求項７記載の薄膜
形成方法である。この方法により、請求項２記載の発明
に関連して説明した効果を達成できる。この場合に、上
記所定値は、請求項９に記載のように、１．０×１０^-2
Ｐａ〜５．０×１０^-2Ｐａの範囲内の値とすることが好
ましい。

【００３３】請求項１０記載の発明は、上記基材と蒸発
材料を保持するボートとの間に、上記ボート側を陽極側
として直流電圧を印加するステップをさらに含むことを
特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の薄膜形
成方法である。この方法により、請求項４記載の発明に
関連して説明した効果を達成できる。請求項１１記載の
発明は、上記チャンバが、電気的に浮遊状態とされてい
ることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記
載の薄膜形成方法である。

【００３４】この方法により、請求項５記載の発明に関
連して説明した効果を達成できる。請求項１２記載の発
明は、上記チャンバが導体材料からなっていることを特
徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載の薄膜形
成方法である。この方法により、請求項６記載の発明に
関連して説明した効果を達成できる。請求項１３記載の
発明は、上記基材の温度を１００℃以下に保持して、上
記基材の表面に薄膜を形成することを特徴とする請求項
７ないし１２のいずれかに記載の薄膜形成方法である。

【００３５】これにより、低融点の基材の表面に薄膜を
形成することができる。請求項１４記載の発明は、上記
基材がプラスチック材料からなっていることを特徴とす
る請求項７ないし１３のいずれかに記載の薄膜形成方法
である。この発明の薄膜形成では、基材の温度を低温に
保持することができるので、プラスチック材料からなる
基材の表面への薄膜の形成が可能である。基材の表面に
形成される薄膜の原料となる蒸発材料は、たとえば、請
求項１５に記載のように、金属、金属酸化物、金属塩類
または高分子化合物のいずれかからなっていてもよい。

【００３６】請求項１６記載の発明は、電気的に浮遊状
態とされ、薄膜形成処理が行われる導電性のチャンバ
と、導電性部材からなり、上記チャンバ内において表面
に薄膜を形成すべき基材を保持する基材保持手段と、こ
の基材保持手段に高周波電力を供給する高周波電力供給
電源と、上記チャンバ内に配置され、薄膜の原料となる
蒸発材料を保持するボート、およびこのボートを加熱す
る加熱手段を備えた蒸発源と、プラズマを生成させるた
めのガスを上記チャンバ内に供給するガス供給手段と、
上記基材保持手段と上記ボートとの間に、上記ボート側
を陽極側として接続された直流電圧印加電源とを含むこ
とを特徴とする薄膜形成装置である。

【００３７】この構成により、プラズマからの電子の供
給によって蒸発材料を蒸発させることができるので、基
材温度を低温に保持して薄膜の形成を行える。それとと
もに、チャンバが電気的に浮遊状態となっているので、
プラズマからの電子を蒸発源へと効果的に集中させるこ
とができる。さらに、チャンバが導電性であることか
ら、チャンバがノイズシールド機能を有することがで
き、外部への電磁ノイズの漏洩を防止できる。

【００３８】請求項１７記載の発明は、電気的に浮遊状
態とされた導電性のチャンバ内において、導電性部材か
らなる基材保持手段に基材を保持させるステップと、こ
の基材保持手段に高周波電力を供給するステップと、上
記チャンバ内において、薄膜の原料となる蒸発材料を保
持するボートを加熱するステップと、プラズマを生成す
るためのガスを上記チャンバ内に供給するステップと、
上記基材保持手段と上記ボートとの間に、上記ボート側
を陽極側として直流電圧を印加するステップとを含むこ
とを特徴とする薄膜形成方法である。

【００３９】この方法により、請求項１６記載の発明に
関連して説明した効果を達成できる。上述の各請求項に
係る薄膜形成装置または薄膜形成方法が適用可能な基材
には、光学ガラス（Ｓ−ＢＳＬ７，Ｓ−ＦＳＬ５，Ｓ−
ＴＩＨ５３等）や工業ガラス（白板ガラス、青板ガラ
ス）をはじめとするガラス、アルミナやジルコニウム等
をはじめとするセラミックス、金属およびＰＣ（ポリカ
ーボネート）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレー
ト）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の樹脂
材料をはじめとするプラスチック材料が含まれる。ま
た、この発明の薄膜形成を適用可能な蒸発材料には、ア
ルミ、金、銀、銅、チタン、クロム、シリコン等の金
属、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化クロム、酸化
珪素等の金属酸化物、金属塩類等に代表される無機化合
物、およびオルガノポリシロキサン等の有機金属化合物
やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等を含む高
分子化合物が含まれる。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下では、この発明の実施の形態
を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、この
発明の一実施形態に係る薄膜形成装置の構成を示す概念
図である。真空にすることが可能なチャンバ１１の下部
には、蒸発材料９をボート１に収容保持した蒸発源２０
が配置されている。この蒸発源２０に対向するように、
チャンバ１１内の上部には、基材１０を保持するための
基材保持部２が設けられている。

【００４１】基材保持部２は、導電性材料からなってい
て、高周波電力供給電源（ＲＦ）５からの高周波電力
が、マッチング装置（ＭＮ）４および直流遮蔽フィルタ
としてのコンデンサ７を介して印加されるようになって
いる。なお、このコンデンサ７は、可変コンデンサを用
いてマッチング回路の一部として機能させてもよい。さ
らに、基材保持部２には、直流電圧印加電源（ＤＣ）６
の陰極側が、高周波遮蔽フィルタとしてのコイル８を介
して接続されている。高周波電力供給電源５の基材保持
部２とは反対側の端子は、直流電圧印加電源６の陽極側
と接続されていて、これらは接地されている。

【００４２】ボート１は、たとえば、それ自身が電気抵
抗体からなっていて、たとえば交流電源からなる加熱電
源３からの電力供給を受けて、蒸発材料９を蒸発させる
ための熱を発生する。ボート１には、さらに、直流電圧
印加電源６の陽極側が接続されている。チャンバ１１内
の空間は、排気ダクト１２および排気バルブ１３を介し
て真空ポンプ１４によって排気され、薄膜形成処理期間
中において、所定の真空状態とされる。

【００４３】チャンバ１１内に、不活性ガス（たとえば
アルゴンガスまたは窒素ガス）や、反応性ガス（たとえ
ば窒素ガスまたは酸素ガスなど）を供給するために、チ
ャンバ１１には、流量制御装置（ＭＦＣ）２４およびガ
ス供給配管２５を介して、不活性ガス供給源２１または
反応性ガス供給源２３が接続されている。不活性ガス供
給源２１および反応性ガス供給源２３からのガスの供給
／停止は、弁２１ａおよび２３ａをそれぞれ開閉するこ
とによって行われる。

【００４４】チャンバ１１内の真空度は、真空度計１５
によって計測され、この真空度計１５の出力に基づき、
流量制御装置２４は、マイクロコンピュータなどからな
る制御装置３０によって制御されるようになっている。
これにより、不活性ガス供給源２１または反応性ガス供
給源２３からのガス供給量は、チャンバ１１内の真空度
が所定値に保持されるように制御される。基材１０の表
面における薄膜の形成速度を計測するために、基材保持
部２に関連して膜厚モニタ１７が設けられている。この
膜厚モニタ１７の出力信号は、制御装置３０に入力され
ていて、この制御装置３０は、膜厚モニタ１７の出力に
基づいて加熱電源３の出力を制御するようになってい
る。こうして、薄膜の形成速度が所望の値となるよう
に、ボート１への通電量が制御され、蒸発材料９の蒸発
量が調整される。

【００４５】高周波電力供給電源５は、たとえば、周波
数１３．５６ＭＨｚ、放電電極としての基材保持部２の
単位面積（cm²）当たりの出力５０〜８００ｍＷの高周
波電力を基材保持部２に印加する。これに応じた高周波
電界がチャンバ１１内で形成されることによって、チャ
ンバ１１内ではガス供給配管２５から供給されるガスお
よび蒸発材料９から蒸発した蒸発物からなるプラズマが
生成することになる。このプラズマ中のイオン化された
粒子のうち、正に帯電したものは、直流電圧印加電源６
から基材保持部２に印加された直流バイアスによって、
基材１０の表面へと引き寄せられる。

【００４６】一方、プラズマ中の解離した電子は、直流
電圧印加電源６の陽極側に接続されたボート１へと引き
寄せられることになる。このとき、蒸発源２０からは蒸
発材料９が継続的に蒸発しているので、蒸発粒子と電子
との衝突により、プラズマの足が蒸発源２０に下りたよ
うな形状の発光体が蒸発源２０の近傍に見られる。そし
て、蒸発源２０の近傍に集まった電子は、接地され陽極
側に接続されているボート１に吸い込まれ、ボート１上
の蒸発材料９に衝突する。これによって、蒸発材料９
は、ボート１による加熱と、電子の衝突とによってその
蒸発が促進されることになる。すなわち、デポジション
アシスト効果が得られる。

【００４７】図１に明らかに示されている通り、チャン
バ１１は、直流電圧印加電源６および高周波電力供給電
源５のいずれにも接続されておらず、また接地されても
いない。すなわち、チャンバ１１は、電気的に浮遊状態
となっている。そのため、基材保持部２とチャンバ１１
との間での高周波放電が起こることもなく、チャンバ１
１内のプラズマ中の荷電粒子がチャンバ１１の内壁に引
き寄せられることもない。そのため、プラズマ中の陽イ
オン化した粒子またはプラスに帯電した粒子は、基材１
０の表面へと効率的に導かれ、プラズマ中の負の荷電粒
子である電子は、ボート１上の蒸発材料９へと集中的に
導かれることになる。これにより、良好な薄膜形成効率
を実現できるとともに、電子ビームによる蒸発材料９の
蒸発促進を効率的に行える。さらには、チャンバ１１の
内壁に蒸発材料が付着することを抑制できる。

【００４８】チャンバ１１内においてプラズマが安定す
ると、蒸発材料９へのプラズマからの電子ビームの照射
によって、蒸発材料９はプラズマに吸い上げられるよう
に蒸発する。そこで、基材１０に付着する蒸発材料９の
付着速度を一定に保持するために、膜厚モニタ１７の出
力に基づき、制御装置３０は、加熱電源３の出力を下げ
る。すなわち、ボート１への通電電流または通電電圧を
下げる。これにより、蒸発速度が調節される。

【００４９】プラズマから供給される電子ビームにより
蒸発材料９の蒸発が促進されるので、ボート１の加熱電
流値は低く抑えることができるから、比較的低い加熱温
度で蒸発材料９の蒸発を継続して維持することができ、
プラズマの作用を利用した蒸着による薄膜形成を行え
る。この実施形態における薄膜形成の特徴は、不活性ガ
スまたは反応性ガスのチャンバ１１への供給にある。す
なわち、この実施形態では、薄膜形成の初期段階におい
ては、ガス供給配管２５から比較的大きな流量でチャン
バ１１へガスが供給され、蒸発材料９からの蒸発が活発
になると、ガス供給配管２５からのガス供給量が減少さ
せられる。これにより、蒸発材料９からの蒸発が活発で
ない薄膜形成の初期段階においては、ガス供給配管２５
から供給される不活性ガスまたは反応性ガスのプラズマ
がチャンバ１１内に形成される。蒸発材料９からの蒸発
が活発になると、ガス供給配管２５からのガス供給量が
減少し、蒸発材料９からの蒸発粒子が支配的となった組
成のプラズマがチャンバ１１内に形成されるに至る。

【００５０】このようにして、薄膜形成の初期段階に不
活性ガスまたは反応性ガスをチャンバ１１に導入するこ
とにより、チャンバ１１内に安定したプラズマを速やか
に形成することができる。これによって、プラズマの作
用を利用した薄膜形成を初期段階から行うことができる
ので、良好な密着性の薄膜を基材１０の表面に形成する
ことができる。図２は、薄膜形成のより具体的なプロセ
スを説明するための図である。この図２には、たとえば
金属薄膜を基材１０の表面に形成する場合のように、不
活性ガス供給源２１からの不活性ガスをチャンバ１１に
供給しながら薄膜形成を行うプロセスの例が示されてい
る。具体的には、図２(a)は、不活性ガス供給量の時間
変化を示し、図２(b)はチャンバ１１内の真空度の時間
変化を示し、図２(c)はボート１の加熱電流値の時間変
化を示している。

【００５１】薄膜形成処理の開始前の期間Ｔ１には、制
御装置３０は、排気バルブ１３を開き、真空ポンプ１４
によりチャンバ１１内の雰囲気が排気されて、チャンバ
１１内の真空度が約１０^-3Ｐａに保持される。この状態
から、制御装置３０は、時刻ｔ１０に弁２１ａを開い
て、不活性ガス供給源２１からのガスの供給を開始させ
る。このガス供給が開始された後には、制御装置３０
は、真空度計１５の出力信号をモニタすることによっ
て、チャンバ１１内の真空度を、たとえば２×１０^-2Ｐ
ａに保持するように流量制御装置２４を制御する。

【００５２】これによって、ボート１への通電が開始さ
れて蒸発材料９が加熱される期間Ｔ２には、高周波電力
供給電源５から印加される高周波電界によって、チャン
バ１１内でプラズマが生成される。このプラズマ中のア
ルゴンは、直流電圧印加電源６から基材保持部２に与え
られている直流バイアスによって、基材１０へと導かれ
る。このアルゴンが基材１０に衝突することによって、
期間Ｔ２中に基材１０の不所望な昇温が生じる場合に
は、基材１０のやや下方にシャッタ１８（図１参照）を
設けて、基材１０に向かうアルゴンを阻止すればよい。

【００５３】期間Ｔ２には、制御装置３０は加熱電源３
を制御して、ボート１への通電を開始する。これに伴っ
て、ボート１への加熱電流値が上昇し、期間Ｔ２の末期
にはたとえば１５０Ａに達する。チャンバ１１内におけ
るプラズマが安定する時刻ｔ１１において、制御装置３
０の制御下にある駆動機構（図示せず）によってシャッ
タ１８が開かれ、これにより、薄膜の形成が開始され
る。蒸発材料９の蒸発により、蒸発粒子がプラズマ中へ
と導かれることになるから、一定の流量でガス供給配管
２５からチャンバ１１内にガスを供給すれば、チャンバ
１１内の真空度が下がる。

【００５４】ところが、制御装置３０は、チャンバ１１
内の真空度が約２×１０^-2Ｐａに保持されるように流量
制御装置２４を制御して、ガス供給配管２５を介するガ
ス供給量を調整する。その結果、蒸発材料９からの蒸発
量の増大に伴って、参照符号Ａで示すように、チャンバ
１１への不活性ガス導入量が減少していく。したがっ
て、薄膜形成処理が行われる期間Ｔ３の初期において
は、プラズマの組成は、不活性ガスに支配されている
が、このプラズマの組成は、速やかに蒸発材料９の蒸発
物によって支配された組成へと変化していく。

【００５５】一方、プラズマからの電子の供給によっ
て、蒸発材料９の蒸発が促進されるので、膜厚モニタ１
７の出力に基づくフィードバック制御によって、加熱電
源３からボート１に供給される電流が参照符号Ｂで示す
ように減少することになる。たとえば、約２〜３秒の期
間を経て、電流値は１５０Ａから８０Ａへと低下する。
よって、蒸発材料９は、通常の蒸着やイオンプレーティ
ングにおけるよりも低温状態でその蒸発が進行すること
になるから、蒸発源２０からの輻射熱によって基材１０
が過度に昇温されることがない。

【００５６】以上のように、この実施形態によれば、チ
ャンバ１１に不活性ガスを導入した状態で薄膜形成処理
を開始することにより、薄膜形成処理の初期段階からチ
ャンバ１１内に良好なプラズマを生成することができ
る。これによって、蒸発材料は、初期段階からプラズマ
の作用を受けながら基材１０に効率的に導かれる。その
結果、密着性の良好な薄膜を基材１０の表面に効率的に
形成することができる。この実施形態の方法は、ガラ
ス、ポリカーボネート、またはＰＭＭＡ（ポリメチルメ
タクリレート）等の基材の表面に薄膜を形成するために
用いることができる。この実施形態の薄膜形成では、基
材１０の温度は８０℃以下（４０〜８０℃の範囲）に保
持される。したがって、たとえば、ポリカーボネートの
耐熱温度は１２０〜１３０℃であり、ＰＭＭＡの耐熱温
度は８０℃程度であるが、これらの基材に対して、金属
薄膜、窒化物薄膜または酸化物薄膜等を形成することが
できる。

【００５７】図３は、この発明の他の実施形態に係る薄
膜形成装置の構成を示す概念図である。この図３におい
て、上述の図１に示された各部に対応する部分には同一
の参照符号を付して示し、図１に示された実施形態との
相違点を中心に説明する。この実施形態では、チャンバ
１１内に帯状のフィルム基材１０Ａ（樹脂フィルム等の
シート状材料）を巻回した素材ローラ３１と、この素材
ローラ３１から繰り出されたフィルム基材１０Ａを巻き
取る巻き取りローラ３２とが配置されている。素材ロー
ラ３１と巻き取りローラ３２との間には、基材保持部と
しての高周波シャフト電極２Ａが配置されている。

【００５８】素材ローラ３１から繰り出されたフィルム
基材１０Ａは、補助シャフト３３の上面側に案内されて
高周波シャフト２Ａの下面側（蒸発源２０に対向する
側）に導かれ、さらにもう一つの補助シャフト３４の上
面側に案内されて巻き取りローラ３２に巻き取られるよ
うになっている。巻き取りローラ３２には、図示しない
回転駆動手段から、巻き取り方向（図３において矢印で
示す方向）への回転駆動力が与えられている。

【００５９】高周波シャフト電極２Ａは、素材ローラ３
１および巻き取りローラ３２と平行に延びる丸棒状の導
電部材からなっていて、高周波電力供給電源５からの高
周波電力および直流電圧印加電源６からの直流バイアス
が印加されるようになっている。この高周波シャフト電
極２Ａは、図示しない回転駆動手段によって、矢印方向
に回転駆動されている。素材ローラ３１および巻き取り
ローラ３２の下方には、高周波シャフト電極２Ａの下面
側においてのみフィルム基材１０Ａを露出させる開口３
５ａを有し、素材ローラ３１、巻き取りローラ３２およ
び補助ローラ３３，３４への膜材料の付着を防ぐための
防着板３５が配置されている。これにより、フィルム基
材１０Ａには、高周波シャフト電極２Ａの下面側に位置
する部分に対してのみコーティングが施されることにな
る。

【００６０】また、蒸発源２０に関連して、ボート１へ
と蒸発材料９を供給するためのコート材料供給器３６が
配置されている。このような構成により、巻き取りロー
ラ３２によってフィルム基材１０を巻き取りながら薄膜
形成処理を行うことによって、素材ローラ３１から繰り
出されるフィルム基材１０の表面へのコーティングを連
続して行うことができる。また、コート材料供給器３６
によって蒸発材料９をボート１へ適宜補充することがで
きるので、長時間の連続処理が可能である。

【００６１】チャンバ１１への不活性ガス等の供給の制
御や、高周波シャフト電極２Ａへの高周波電力および直
流バイアス電圧の印加などに関しては、図１に示された
実施形態の場合と同様に行われる。以上、この発明の２
つの実施形態について説明したが、この発明は他の形態
で実施することもできる。たとえば、上述の実施形態で
は、チャンバ１１に不活性ガスが導入される場合のプロ
セスについて説明したが、基材１０の表面に酸化膜を形
成する場合には、反応性ガス供給源２３から、流量制御
装置２４を介して酸素ガスをチャンバ１１に供給すれば
よい。この場合、プラズマ中に必要量の酸素を供給する
ために、ガス供給量は、図２において参照符号Ｃで示す
ような時間変化を示すように制御される。

【００６２】また、上記の実施形態では、チャンバ１１
を電気的に浮遊状態として、ボート１の蒸発材料９にプ
ラズマからの電子ビームを集中させ、かつ、チャンバ１
１の内壁への薄膜形成を抑制することとしている。しか
し、多少の効率低下が問題とならないのであれば、チャ
ンバ１１を接地電位とすることとしてもよい。また、上
記の実施形態では、基材保持部２または高周波シャフト
電極２Ａとボート１との間に直流電圧印加電源６から直
流バイアスを印加しているが、チャンバ１１と基材保持
部材２または高周波シャフト電極２Ａとの間に直流バイ
アスを印加することとしてもよい。ただし、この場合に
は、ボート１に保持された蒸発材料９への電子ビームの
供給効率が悪くなるので、上記の実施形態の場合ほど基
材１０またはフィルム基材１０Ａの温度を低温に保持す
ることができない。

【００６３】その他、「課題を解決するための手段およ
び発明の効果」の項で説明した通りの設計変更が可能で
あり、さらには特許請求の範囲に記載された事項の範囲
で種々の設計変更を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態に係る薄膜形成装置の構
成を示す概念図である。

【図２】薄膜形成プロセスを説明するための図である。

【図３】この発明の他の実施形態に係る薄膜形成装置の
構成を示す概念図である。

【符号の説明】

１ボート２基材保持部２Ａ高周波シャフト電極３加熱電源４マッチング装置５高周波電力供給電源６直流電圧印加電源７コンデンサ８コイル９蒸発材料１０基材１０Ａフィルム基材１１チャンバ１２排気ダクト１３排気バルブ１４真空ポンプ１５真空度計１７膜厚モニタ１８シャッタ２０蒸発源２１不活性ガス供給源２３反応性ガス供給源２４流量制御装置２５ガス供給配管３０制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄膜形成処理が行われるチャンバと、導電性部材からなり、上記チャンバ内において表面に薄
膜を形成すべき基材を保持する基材保持手段と、この基材保持手段に高周波電力を供給する高周波電力供
給電源と、上記チャンバ内に配置され、薄膜の原料となる蒸発材料
を保持するボート、およびこのボートを加熱する加熱手
段を備えた蒸発源と、プラズマを生成させるためのガスを上記チャンバ内に供
給するガス供給手段と、上記ガス供給手段による上記チャンバへのガスの供給量
を、上記基材に薄膜を形成する薄膜形成処理の初期より
も、その後の期間の方が少なくなるように制御するガス
供給量制御手段とを含むことを特徴とする薄膜形成装
置。
【請求項２】上記チャンバ内の真空度を計測する真空度
計測手段をさらに含み、上記ガス供給量制御手段は、上記真空度計測手段により
計測される上記チャンバ内の真空度が所定値に保持され
るように上記ガス供給手段によるガス供給量を制御する
ものであることを特徴とする請求項１記載の薄膜形成装
置。
【請求項３】上記所定値が１．０×１０^-2Ｐａ〜５．０
×１０^-2Ｐａの範囲内の値であることを特徴とする請求
項２記載の薄膜形成装置。
【請求項４】上記基材保持手段と上記ボートとの間に、
上記ボート側を陽極側として接続された直流電圧印加電
源をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし３のい
ずれかに記載の薄膜形成装置。
【請求項５】上記チャンバが、電気的に浮遊状態とされ
ていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに
記載の薄膜形成装置。
【請求項６】上記チャンバが導体材料からなっているこ
とを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の薄
膜形成装置。
【請求項７】チャンバ内において、表面に薄膜を形成す
べき基材を保持するステップと、プラズマを生成させるためのガスを上記チャンバ内に供
給するステップと、上記チャンバ内の空間に高周波電界を印加するステップ
と、上記チャンバ内で、薄膜の原料となる蒸発材料を加熱し
て蒸発させるステップと、上記チャンバへのガスの供給量を、上記基材に薄膜を形
成する薄膜形成処理の初期よりも、その後の期間の方が
少なくなるように制御するガス供給量制御ステップとを
含むことを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項８】上記ガス供給量制御ステップは、上記チャ
ンバ内の真空度が所定値に保持されるようにガス供給量
を制御するステップを含むことを特徴とする請求項７記
載の薄膜形成方法。
【請求項９】上記所定値が１．０×１０^-2Ｐａ〜５．０
×１０^-2Ｐａの範囲内の値であることを特徴とする請求
項８記載の薄膜形成方法。
【請求項１０】上記基材と蒸発材料を保持するボートと
の間に、上記ボート側を陽極側として直流電圧を印加す
るステップをさらに含むことを特徴とする請求項７ない
し９のいずれかに記載の薄膜形成方法。
【請求項１１】上記チャンバが、電気的に浮遊状態とさ
れていることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれ
かに記載の薄膜形成方法。
【請求項１２】上記チャンバが導体材料からなっている
ことを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載
の薄膜形成方法。
【請求項１３】上記基材の温度を１００℃以下に保持し
て、上記基材の表面に薄膜を形成することを特徴とする
請求項７ないし１２のいずれかに記載の薄膜形成方法。
【請求項１４】上記基材がプラスチック材料からなって
いることを特徴とする請求項７ないし１３のいずれかに
記載の薄膜形成方法。
【請求項１５】上記蒸発材料が、金属、金属酸化物、金
属塩類または高分子化合物のいずれかからなっているこ
とを特徴とする請求項７ないし１４のいずれかに記載の
薄膜形成方法。
【請求項１６】電気的に浮遊状態とされ、薄膜形成処理
が行われる導電性のチャンバと、導電性部材からなり、上記チャンバ内において表面に薄
膜を形成すべき基材を保持する基材保持手段と、この基材保持手段に高周波電力を供給する高周波電力供
給電源と、上記チャンバ内に配置され、薄膜の原料となる蒸発材料
を保持するボート、およびこのボートを加熱する加熱手
段を備えた蒸発源と、プラズマを生成させるためのガスを上記チャンバ内に供
給するガス供給手段と、上記基材保持手段と上記ボートとの間に、上記ボート側
を陽極側として接続された直流電圧印加電源とを含むこ
とを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項１７】電気的に浮遊状態とされた導電性のチャ
ンバ内において、導電性部材からなる基材保持手段に基
材を保持させるステップと、この基材保持手段に高周波電力を供給するステップと、上記チャンバ内において、薄膜の原料となる蒸発材料を
保持するボートを加熱するステップと、プラズマを生成するためのガスを上記チャンバ内に供給
するステップと、上記基材保持手段と上記ボートとの間に、上記ボート側
を陽極側として直流電圧を印加するステップとを含むこ
とを特徴とする薄膜形成方法。