JP2002249871A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 膜質に影響する他のパラメータを変更するこ
となく、成膜粒子のエネルギのみを変更することができ
る成膜装置を提供すること。 【解決手段】 陽極部材５０及び基板支持部材６０を一
体として真空容器１０に対して昇降移動させるととも
に、プラズマガン３０の放電電流を一定に保ってプラズ
マビームＰＢの密度等をほぼ一定に保つ。ここで、真空
容器１０内のガス圧やプラズマガン３０の陰極３１の電
位（カソード電位）を一定に保っておけば、接地された
真空容器１０に対するハース５１の電位（アノード電
位）は放電電圧の変化分だけ上下することになる。つま
り、プラズマガン３０に対するハース５１の電位のみを
独立して変化させることができ、結果的に基板ＷＡに入
射する蒸発粒子の入射エネルギのみをほぼ独立して制御
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマを用いて
イオンプレーティングを行う成膜装置に関し、特に、成
膜粒子のエネルギのみを選択的に適宜変更することがで
きる成膜装置に関する。

【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
ス上に配置した坩堝中の蒸着物質を蒸発・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に対向
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】上記のようなイオンプレーティング装置に
おいて、基板に入射する成膜粒子のエネルギを変更しよ
うとする場合、実用的には、放電電流を変更する、
雰囲気ガス圧を変更する、或いは、基板にバイアス電
圧を印加するという３つの手法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上の手法のうち、第
１の手法は、アノード電位が変わるだけでなく、坩堝へ
の投入パワーが変わるため成膜レートも変わる、坩堝へ
の入射電流密度が変わるためにイオン化率が変わるとい
うという問題がある。また、第２の手法は、アノード電
位が変わるだけでなく、成膜粒子の平均自由行程が変わ
るために成膜レートが変わるという問題がある。さら
に、第３の手法は、基板がプラズマに曝されているため
に、実際にはマイナスのバイアスしかかけられない（つ
まり、プラスを印加するとプラズマ中の電子電流の過大
な流入のため基板が焼損する）という問題がある。以上
のように、いずれの手法も、成膜粒子のエネルギばかり
でなく、膜質に影響する他のパラメータも連動して変わ
ってしまうため、成膜条件と膜質を目標値に一意的に設
定するのが困難であった。

【０００５】そこで、本発明は、膜質に影響する他のパ
ラメータを変更することなく、成膜粒子のエネルギのみ
を適宜変更することができる成膜装置を提供することを
目的とする。

【０００６】

【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、成膜室にプラズマビームを供
給する圧力勾配型のプラズマガンと、材料蒸発源を備え
るとともに、成膜室中に配置されてアノードとして材料
蒸発源にプラズマビームを導くハースと、成膜の対象で
ある基板を成膜室中にハースに対向して支持する基板支
持部材と、ハース及び基板支持部材間の距離を一定に保
ったままで、ハース及びプラズマガン間の距離を変化さ
せる間隔変更手段とを備える。

【０００７】上記成膜装置では、間隔変更手段が、ハー
ス及び基板支持部材間の距離を一定に保ったままで、ハ
ース及びプラズマガン間の距離を変化させるので、プラ
ズマガンに対するハースの電位のみを独立して変化させ
ることができる。すなわち、上記成膜装置では、プラズ
マガンからの放電電流をほとんど変化させることなくハ
ースのみの電位を変化させることができるので、成膜レ
ートに影響する蒸発粒子の発生率や蒸発粒子のイオン化
率をほとんど変化させることなく、基板に入射するイオ
ン化した蒸発粒子のエネルギのみを適宜変化させること
ができる。また、ハースの電位変更に際して成膜室中の
真空度をほとんど変化させる必要がなく、ハース及び基
板支持部材間の距離が変化しないので、成膜レートに影
響する蒸発粒子の平均衝突回数が変化しない。よって、
膜質に影響する他のパラメータを変更することなく、基
板に入射する成膜粒子のエネルギのみを適宜変更するこ
とができる。

【０００８】また、上記成膜装置の具体的な態様では、
間隔変更手段が、ハース及び基板支持部材を相互の間隔
を保ちつつ成膜室中で移動させる。この場合、プラズマ
ガンを移動させることなく成膜粒子のエネルギを変更す
ることができる。

【０００９】また、上記成膜装置の別の具体的な態様で
は、間隔変更手段が、プラズマガンを成膜室に対して移
動させる。この場合、ハースや基板支持部材を移動させ
ることなく成膜粒子のエネルギを変更することができ
る。

【００１０】なお、上記成膜装置において、ハースの周
囲に環状に配置された磁石、又は磁石及びコイルからな
りハースの近接した上方の磁界を制御する磁場制御部材
と、磁場制御部材の上方に配置されてハースの近接した
上方の電界を制御する補助陽極とをさらに備えるものと
することができる。この場合、磁場制御部材や補助陽極
は、ハースと一体的なものとして移動させ或いは成膜室
中に固定する。

【００１１】

【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕図１は、本発明
に係る第１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の側壁に固定されて真空容器１
０中にプラズマビームＰＢを供給するプラズマガン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ＷＡを保持する基板支持部材６０
と、陽極部材５０のプラズマガン３０に対する変位を可
能にする第１スライド機構７２と、基板支持部材６０の
プラズマガン３０に対する変位を可能にする第２スライ
ド機構７６と、これらの動作を統括的に制御する主制御
装置８０とを備える。

【００１２】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
に固定されて同心状に配置されており、この円筒３３内
には、ＬａＢ_６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３
２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。両中間電極４１、４２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及び電磁石コイルがそれ
ぞれ内蔵されている。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
導く環状のステアリングコイル４７が設けられている。

【００１３】このプラズマガン３０は、駆動電源装置９
０に駆動されて動作する。この駆動電源装置９０は、陰
極３１に適当な負電圧を印加したり、これへの電圧の印
加を遮断する。また、駆動電源装置９０は、第１及び第
２中間電極４１、４２、ステアリングコイル４７等に適
当な電圧・電力を供給したり、これらへの電圧・電力の
供給を遮断する。

【００１４】なお、プラズマガン３０の最も内心側に配
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、図示を省略する流量計及び流量調節
弁を介してガス源に接続されている。プラズマガン３０
から真空容器１０中にプラズマビームＰＢを導入する際
には、真空容器１０に接続された真空ポンプ１４を適宜
動作させて、真空容器１０中の真空度を目標値に保持す
ることができる。

【００１５】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を下方に導くアノード
（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とからなり、第１スライド機構７２
の可動フランジ７２ａに固定されている。

【００１６】前者のハース５１は、例えばＣｕ等の熱伝
導率の良い導電性材料で形成されるとともに適当な絶縁
物を介して第１スライド機構７２の可動フランジ７２ａ
上に固定されている。このハース５１は、図示を省略す
る冷却装置からの冷却水によって所望の温度に冷却され
るとともに、駆動電源装置９０によって接地された真空
容器１０に対して適当な正電位に保持されており、プラ
ズマガン３０から出射したプラズマビームＰＢを下方に
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形成された
凹部に、坩堝状の材料蒸発源であるハースライナ５３を
有している。

【００１７】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
カスプ状磁場を形成する。これにより、ハース５１に入
射するプラズマビームＰＢの向き等を修正することがで
きる。

【００１８】コイル５６は電磁石を構成し、駆動電源装
置９０から給電される。この場合、励磁されたコイル５
６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。駆動電源装置９０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。

【００１９】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。この補助陽
極５２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。駆動電源装置９０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
スライナ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。すなわち、補助陽極５２の電位をハース５
１と同じにすると、プラズマビームＰＢもこれに引き寄
せられてハース５１へのプラズマビームＰＢの供給が減
少する。一方、補助陽極５２の電位を接地された真空容
器１０と同じ程度に下げると、プラズマビームＰＢがハ
ース５１に引き寄せられてハースライナ５３中の膜材料
が加熱される。

【００２０】真空容器１０中の上部に配置される基板支
持部材６０は、第２スライド機構７６の可動フランジ７
６ａに固定されており、ハース５１の上方において成膜
面を下側にして基板ＷＡを保持する。この基板支持部材
６０は、真空容器１０外に設けた温度調節装置（図示を
省略）から冷却水等の供給を受けて基板ＷＡを裏面側か
ら温度調節する。なお、基板支持部材６０上の基板ＷＡ
には、駆動電源装置９０によって、接地された真空容器
１０に対しゼロ又は負の適当な電圧が印加されており、
ハースライナ５３から出射した蒸発粒子が適当なエネル
ギで入射する。

【００２１】陽極部材５０を上下方向に変位させる第１
スライド機構７２は、ハース５１及び補助陽極５２から
なる陽極部材５０が固定されておりこれとともに移動す
る可動フランジ７２ａと、一端が真空容器１０に固定さ
れ他端が可動フランジ７２ａに固定されて伸縮可能なベ
ローズ７２ｂと、可動フランジ７２ａの変位を上下方向
に案内するガイド部材（図示を省略）とを備える。第１
スライド機構７２の可動フランジ７２ａは、昇降駆動機
構７３に駆動されて昇降移動する。これにより、陽極部
材５０のプラズマガン３０に対する上下方向の変位が可
能になり、プラズマガン３０を固定したままで、プラズ
マガン３０及び陽極部材５０間の距離を変化させること
ができる。これにより、プラズマガン３０からの放電電
流をほとんど変化させることなく、プラズマガン３０に
対するハース５１の電位のみを簡易に変化させることが
できる。

【００２２】基板支持部材６０を上下方向に変位させる
第２スライド機構７６は、基板支持部材６０が固定され
ておりこれとともに移動する可動フランジ７６ａと、一
端が真空容器１０に固定され他端が可動フランジ７６ａ
に固定されて伸縮可能なベローズ７６ｂと、可動フラン
ジ７６ａの変位を上下方向に案内するガイド部材（図示
を省略）とを備える。第２スライド機構７６の可動フラ
ンジ７６ａは、昇降駆動機構７７に駆動されて昇降移動
する。これにより、基板支持部材６０すなわち基板ＷＡ
のプラズマガン３０に対する上下方向の変位が可能にな
り、陽極部材５０の変位によってハース５１の電位を変
化させる際に、基板支持部材６０及び陽極部材５０間の
距離を一定に保つことができる。このことは、真空容器
１０の真空度を一定に保てば、蒸発粒子の平均自由行程
が変化しないことを意味する。

【００２３】主制御装置８０は、コンピュータ等からな
り、昇降駆動機構７３を介して第１スライド機構７２を
適当なタイミングで適当な変位量だけ動作させ、さら
に、昇降駆動機構７７を介して第２スライド機構７６を
適当なタイミングで適当な変位量だけ動作させる。これ
により、陽極部材５０及び基板支持部材６０の間隔を保
ったままで、これら陽極部材５０及び基板支持部材６０
を一体として真空容器１０に対して昇降移動させること
ができる。さらに、主制御装置８０は、駆動電源装置９
０を制御してプラズマガン３０から真空容器１０中に供
給されるプラズマビームＰＢの状態を制御する。例え
ば、陽極部材５０を変位させてプラズマガン３０と陽極
部材５０の距離が変化しても、フィードバック制御によ
りプラズマガン３０の放電電流を一定に保ち、プラズマ
ビームＰＢの密度等をほぼ一定に保つことができる。さ
らに、主制御装置８０は、真空ポンプ１４等の動作を適
宜調整して、真空容器１０中の圧力を一定に保つことが
できる。

【００２４】なお、上記第１及び第２スライド機構７
２、７６、昇降駆動機構７３、７７、及び主制御装置８
０は、ハース５１及び基板支持部材６０間の距離を一定
に保ったままでハース５１及びプラズマガン３０間の距
離を変化させるための間隔変更手段を構成する。

【００２５】以下、図１に示す第１実施形態の成膜装置
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５
１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等とによ
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５１上部のハースライナ５３は、プラズマビーム
ＰＢにより加熱され、ハースライナ５３に収容された金
属等の膜材料が溶融して、その表面から膜材料の蒸発粒
子が出射する。この蒸発粒子は、プラズマビームＰＢに
よりイオン化され、例えば負電圧が印加された基板ＷＡ
の表面に付着して被膜が形成される。このような成膜
中、或いは成膜の合間に、陽極部材５０及び基板支持部
材６０を一体として真空容器１０に対して昇降移動させ
る。この際、プラズマガン３０の放電電流を一定に保
ち、プラズマビームＰＢの密度等をほぼ一定に保つ。さ
らに、真空容器１０内のガス圧やプラズマガン３０の陰
極３１の電位（カソード電位）を一定に保っておけば、
接地された真空容器１０に対するハース５１の電位（ア
ノード電位）は放電電圧の変化分だけ上下することにな
る。つまり、プラズマガン３０に対するハース５１の電
位のみを独立して変化させることができ、結果的に基板
ＷＡに入射する蒸発粒子の入射エネルギのみをほぼ独立
して制御することができる。

【００２６】ここで、ハース５１の電位の調節について
さらに具体的に説明する。ハース５１の電位は、真空容
器１０内のガス圧、プラズマガン３０の放電電流、真空
容器１０の大きさ等のバランスによって定まる。この場
合、ハース５１の電位、すなわちプラズマガン３０とハ
ース５１との電位差である放電電圧に大きく効くのは、
プラズマガン３０とハース５１の間隔である。したがっ
て、放電電流や真空容器１０内のガス圧を維持すること
を前提として、プラズマガン３０とハース５１を離せ
ば、プラズマガン３０とハース５１の間の電位差が増大
し、逆にプラズマガン３０とハース５１を近づければ、
プラズマガン３０とハース５１の間の電位差が減少す
る。よって、真空容器１０に対するアノード電位を上昇
させるにためには、放電電流やガス圧を保持したままで
昇降駆動機構７３によって陽極部材５０を降下させれば
よく、逆にアノード電位を降下させるにためには、放電
電流やガス圧を保持したままで昇降駆動機構７３によっ
て陽極部材５０を上昇させさせればよい。さらに、陽極
部材５０の変位に際して基板支持部材６０を同期して変
位させ、陽極部材５０と基板支持部材６０の間隔を一定
に保つ。以上により、プラズマガン３０の放電電流や、
プラズマビームＰＢの密度だけでなく、ハースライナ５
３から出射して基板ＷＡに単位時間当たりに到達する蒸
発粒子の量等の膜質に影響する各種条件を保持しつつ、
イオン化した蒸発粒子の入射速度のみを適宜変更するこ
とができる。

【００２７】〔第２実施形態〕以下、本発明の第２実施
形態について説明する。なお、第２実施形態の成膜装置
は、第１実施形態の装置を変形したものであり、同一部
分については重複説明を省略する。

【００２８】図２は、第２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。この場合、陽極部材５
０や基板支持部材６０は真空容器１０に固定されてお
り、プラズマガン３０が真空容器１０すなわち陽極部材
５０等に対して変位するようになっている。

【００２９】第３スライド機構７８は、プラズマガン３
０の変位を可能にするためのものであり、プラズマガン
３０を固定してプラズマガン３０とともに変位する可動
フランジ７８ａと、一端が真空容器１０に固定され他端
が可動フランジ７８ａに固定されて伸縮可能なベローズ
７８ｂと、可動フランジ７８ａの変位を水平方向に案内
するガイド部材（図示を省略）とを備える。第３スライ
ド機構７８は、横駆動機構７９とともに間隔変更手段を
構成し、第３スライド機構７８に設けた可動フランジ７
８ａは、横駆動機構７９に駆動されて水平移動する。こ
れにより、プラズマガン３０の陽極部材５０及び基板支
持部材６０に対する左右方向の変位が可能になり、陽極
部材５０及び基板支持部材６０を固定したままで、プラ
ズマガン３０及び陽極部材５０間の距離を変化させるこ
とができる。これにより、プラズマガン３０からの放電
電流をほとんど変化させることなく、プラズマガン３０
に対するハース５１の電位のみを簡易に変化させること
ができる。

【００３０】以上実施形態に即して本発明を説明した
が、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば成膜材料は、ハースライナ５３中で溶融するもの
に限らず、プラズマビームＰＢによって昇華するととも
にハース５１に連続的に供給されるロッド状の材料（例
えばＩＴＯ）とすることができる。

【００３１】また、基板に入射する蒸発粒子のエネルギ
調節は、単一の基板の成膜中において適当な履歴を持た
せて適宜変更することができる。これにより、成膜の進
行中にイオンミキシング効果を制御した多様な成膜が可
能になる。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の成膜装置によれば、プラズマガンからの放電電流をほ
とんど変化させることなくハースのみの電位を変化させ
ることができるので、成膜レートに影響する蒸発粒子の
発生率や蒸発粒子のイオン化率をほとんど変化させるこ
となく、基板に入射するイオン化した蒸発粒子のエネル
ギのみを適宜変化させることができる。また、ハースの
電位変更に際して成膜室中の真空度をほとんど変化させ
る必要がなく、ハース及び基板支持部材間の距離が変化
しないので、成膜レートに影響する蒸発粒子の平均自由
行程が変化しない。よって、膜質に影響する他のパラメ
ータを変更することなく、基板に入射する成膜粒子のエ
ネルギのみを適宜変更することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の成膜装置の構造を説明する図で
ある。

【図２】第２実施形態の成膜装置の構造を説明する図で
ある。

【符号の説明】

１０ 真空容器 ３０ プラズマガン ４７ ステアリングコイル ５０ 陽極部材 ５１ ハース ５２ 補助陽極 ５３ ハースライナ ６０ 基板支持部材 ７２ 第１スライド機構 ７６ 第２スライド機構 ７２ａ,７６ａ 可動フランジ ７２ｂ,７６ｂ ベローズ ７３,７７ 昇降駆動機構 ８０ 主制御装置 ９０ 駆動電源装置 ＰＢ プラズマビーム Ｔａ タンタル ＷＡ 基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成膜室にプラズマビームを供給する圧力
   勾配型のプラズマガンと、 材料蒸発源を備えるとともに、前記成膜室中に配置され
   てアノードとして前記材料蒸発源にプラズマビームを導
   くハースと、 成膜の対象である基板を前記成膜室中に前記ハースに対
   向して支持する基板支持部材と、 前記ハース及び前記基板支持部材間の距離を一定に保っ
   たままで、前記ハース及び前記プラズマガン間の距離を
   変化させる間隔変更手段とを備える成膜装置。
2. 【請求項２】 前記間隔変更手段は、前記ハース及び前
   記基板支持部材を、相互の間隔を保ちつつ前記成膜室中
   で移動させることを特徴とする請求項１記載の成膜装
   置。
3. 【請求項３】 前記間隔変更手段は、前記プラズマガン
   を前記成膜室に対して移動させることを特徴とする請求
   項１記載の成膜装置。