JP2005146382A - アーク放電型真空成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、複数の基板に連続して繰返し薄膜を形成するにあたって、１回の成膜工程に費やす時間を短縮し、製造コストを削減できる成膜装置と成膜方法とを提供する。
【解決手段】アーク放電によってプラズマを生成するプラズマチャンバー２の真空容器５と、プラズマチャンバー２で生成されたプラズマを導入して蒸発源１７を照射・加熱し、基板１６表面に蒸発物質による薄膜を形成する成膜チャンバー３の真空容器１３とを開閉自在の仕切バルブ４で連結した。そして、成膜時のみ仕切バルブ４を開放してプラズマチャンバー２の真空容器５内から成膜チャンバー３の真空容器１３内にプラズマ２１を導入し、それ以外の成膜チャンバー３の真空容器１３内で成膜の前工程および後工程が行われている間は仕切バルブ４を閉鎖してプラズマチャンバー２の真空容器５内でアーク放電で生成されるプラズマを維持してプラズマのアイドリング状態を維持する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アーク放電によって生成されたプラズマを蒸発材料に照射して加熱し、蒸発材料から蒸発した粒子によって基板表面に薄膜を形成するアーク放電型真空成膜装置および成膜方法に関する。

従来のプラズマ成膜装置は、プラズマ成膜装置３１がプラズマチャンバー３２と成膜チャンバー３３とで構成されている。プラズマチャンバー３２は、円筒状の真空容器３４に陰極３５と、第一の中間電極３６と、第二の中間電極３７が設けられ、陰極部にはプラズマチャンバー３２の真空容器３４内にＡｒ、Ｈｅなどの放電ガス（キャリアガス）を導入するためのガス導入口３８が設けられている。さらに、真空容器３４の外周の成膜チャンバー３３近傍に大口径空芯コイル３９が配置されている。

成膜チャンバー３３は、円筒状の真空容器４０がプラズマチャンバー３２の真空容器３４に対向して配置されており、真空容器４０内に永久磁石４１を内設した坩堝を兼ねた陽極４２と基板４３が配置され、陽極４２には蒸発源４４が配置されている。さらに、真空容器４０には真空容器４０内およびプラズマチャンバー３２の真空容器３４内を一括して所望する圧力まで減圧するための排気口４５が設けられ、排気口４５は外部に配置された真空ポンプ（図示せず）に接続されている。

このような構成のプラズマ成膜装置を使用した成膜方法は、成膜チャンバー３３の真空容器４０に設けられた排気口４５を介して外部に配置された真空ポンプによって成膜チャンバー３３の真空容器４０内とプラズマチャンバー３２の真空容器３４内とに存在する空気を一括排気して所望する圧力を得る。その後、陰極部に設けられたガス導入口３８からＡｒ、Ｈｅなどの放電ガスをプラズマチャンバー３２の真空容器３４内に導入する。

そして、直流電源Ｅのマイナス端４６を陰極３５に、プラス端４７を抵抗Ｒ１を介してＧＮＤに接続し、プラス端４７はさらに陽極４２と、抵抗Ｒ２およびＲ３を介して夫々第一の中間電極３６および第二の中間電極３７とに接続する。つまり、陰極３５の電位に対して第一の中間電極３６および第二の中間電極３７の電位を高く、さらにそれよりも陽極４２の電位を高くなるように電圧を印加する。

すると、陰極３５と陽極４２との間の電位差によって放電ガスの雰囲気中でグロー放電が発生し、それによってプラズマ４８が生成される。このときプラズマ４８は第一の中間電極３６および第二の中間電極３７によって電位勾配が与えられ、陽極４２に向かって加速される。加速されたプラズマ４８流は大口径空芯コイル３９で円柱状に収束されて成膜チャンバー３３の真空容器４０内の陽極４２の真上まで導かれ、陽極４２に内設した強力な永久磁石４１によって９０°進路を曲げられて坩堝を兼ねた陽極４２に向かい、坩堝に配置された蒸発源４４に集中照射される。

このような状態でグロー放電が３〜５分程度続くと、電流密度が次第に増加して陰極３５に衝突するイオンが増加し、その結果、陰極３５の温度が上昇して熱電子を放出するようになる。すると、電離度が高くなってグロー放電が高密度放電のアーク放電に転移する。アーク放電によって生成されたプラズマは坩堝を兼ねた陽極４２に配置された蒸発源４４に多くの熱量を与えて蒸発を促進する。そして、直流電源Ｅの電圧を所望する電圧まで上昇させることによって基板４３表面に蒸発物質を堆積させて薄膜を形成する。

基板４３表面に所望する膜が成膜されると、直流電源Ｅの電圧を降下させてアーク放電によるプラズマ生成を止め、陰極３５が大気に曝されても酸化しないように１５分程度の自然冷却を行い、プラズマチャンバー３２の真空容器３４および成膜チャンバー３３の真空容器４０を大気圧まで戻して成膜された基板４３を取出して一連の成膜工程を終了する。
特開平９−３２４２６２号公報

しかしながら、このようなプラズマ成膜方法には以下のような問題点がある。まず、成膜工程を連続して繰返し行って多数の基板に膜付けをする場合、上述したような真空容器の排気からアーク放電の開始（３〜５分程度）を経て成膜を行い、成膜完了後の冷却（１５分程度）を経て成膜基板の取出しに至る一連の成膜工程を成膜毎に繰返さなければならず、多数の成膜基板を作製するには効率が良くないために製造コストに転嫁せざるを得ず、最終的には製造コストを上昇させることになる。また、生産効率の良くない分を装置を増設して補うことが求められ、そのための設備投資および人件費の増加が製品コストを上昇させることに繋がる。さらに、成膜基板を作製するプラズマ成膜装置３１を構成するプラズマチャンバー３２の真空容器３４と成膜チャンバー３３の真空容器４０とが一体に形成されており、これを成膜チャンバー３３の真空容器４０に設けられた排気口４５のみを介して一括排気しなければならない。従って、排気・減圧する容積が大きいために所望する圧力に至るまでには相応の時間が必要となり、この点も生産効率の良くない要因となっている。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、多数の基板に膜付けをするために連続して繰返し行われる成膜工程を効率良く行うことができる成膜装置および成膜方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、アーク放電によってプラズマを生成するプラズマチャンバーの真空容器と、該真空容器で形成された前記プラズマを導入して蒸発材料に照射し、該蒸発材料から蒸発した粒子によって基板表面に薄膜を形成する成膜チャンバーの真空容器とを具備し、前記プラズマチャンバーの真空容器と前記成膜チャンバーの真空容器の間に開閉自在な仕切バルブを配置したことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記プラズマチャンバーが、陰極、陽極および少なくとも１つ以上の中間電極を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、プラズマチャンバーの真空容器内でアーク放電によって形成されたプラズマを成膜チャンバーの真空容器内に導入して蒸発材料に照射し、該蒸発材料から蒸発した粒子によって基板表面に薄膜を形成する成膜方法であって、成膜時は前記プラズマチャンバーの真空容器と前記成膜チャンバーの真空容器との間に配置された開閉自在の仕切バルブを開放して前記プラズマチャンバーの真空容器と前記成膜チャンバーの真空容器とを一体化して前記プラズマチャンバーの真空容器内で生成されたプラズマを前記成膜チャンバーの真空容器内に導入し、成膜時以外は前記仕切バルブを閉鎖して前記成膜チャンバーの真空容器と前記プラズマチャンバーの真空容器とを分離し、独立した前記プラズマチャンバーの真空容器内で常時プラズマ生成状態を維持していることを特徴とするものである。

アーク放電によって生成されるプラズマを利用して成膜を行う成膜装置および成膜方法において、多数の基板に膜付けするために連続して繰返し行われる成膜工程の毎回の成膜工程に費やす時間を短縮する目的を、プラズマ生成部と成膜部との間に開閉自在の仕切バルブを設け、成膜時に仕切バルブを開放することによってプラズマ生成部と成膜部を一体化させてプラズマ生成部から成膜部にプラズマを導入し、成膜時以外は仕切バルブを閉鎖することによってプラズマ生成部と成膜部を独立させてプラズマ生成部で常にプラズマ生成状態を維持することによって実現した。

以下、この発明の好適な実施例を図１を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施例は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施例に限られるものではない。

図１は本発明のアーク放電型真空成膜装置の実施例を示す概略構成図である。アーク放電型真空成膜装置１は、プラズマチャンバー２と成膜チャンバー３と仕切バルブ４との３つの部分で構成されている。プラズマチャンバー２は、円筒状の真空容器５に陰極６と、第一の中間電極７と、第二の中間電極８と、第一の陽極９が設けられ、陰極部にはプラズマチャンバー２の真空容器５内にＡｒ、Ｈｅなどの放電ガス（キャリアガス）を導入するためのガス導入口１０が設けられている。また、真空容器５の外周の仕切バルブ４近傍に大口径空芯コイル１１が配置されている。さらに、真空容器５には真空容器５内の空気を排気して所望する圧力まで減圧するための排気口１２が設けられ、排気口１２は外部に配置された真空ポンプ（図示せず）に接続されている。

成膜チャンバー３は、円筒状の真空容器１３が仕切バルブ４を挟んでプラズマチャンバー２の真空容器５に対向して配置されており、真空容器１３内に永久磁石１４を内設した坩堝を兼ねた第二の陽極１５と基板１６が配置され、第二の陽極１５には蒸発源１７が配置されている。さらに、真空容器１３には真空容器１３内の空気を排気して所望する圧力まで減圧するための排気口１８が設けられ、排気口１８は外部に配置された真空ポンプ（図示せず）に接続されている。

仕切バルブ４は開閉自在の機能を有しており、プラズマチャンバー２の真空容器５と成膜チャンバー３の真空容器１３との間に配置されている。

次に、このような構成のアーク放電型真空成膜装置を使用した成膜方法を以下に順を追って説明する。まず1回目の成膜工程では、仕切バルブを閉じた状態にして成膜チャンバー３の真空容器１３内の坩堝を兼ねた第二の陽極１５に蒸発源１７を配置し、その上方に薄膜を形成する基板１６を配置する。そして、真空容器１３に設けられた排気口１８を介して外部に配置された真空ポンプによって真空容器１３内に存在する空気を排気し、真空容器１３内を所望する圧力に減圧する。同時に、プラズマチャンバー２の真空容器５に設けられた排気口１２を介して外部に配置された真空ポンプによって真空容器５内に存在する空気を排気し、真空容器５内を所望する圧力に減圧する。その後、陰極部に設けられたガス導入口１０からＡｒ、Ｈｅなどの放電ガスをプラズマチャンバー２の真空容器５内に導入する。

そして、直流電源Ｅのマイナス端１９を陰極６に、プラス端２０を抵抗Ｒ１を介してＧＮＤに接続し、プラス端２０はさらに第一の陽極９と第二の陽極１５と、抵抗Ｒ２およびＲ３を介して夫々第一の中間電極７および第二の中間電極８とに接続する。つまり、陰極６の電位に対して第一の中間電極７および第二の中間電極８の電位を高く、さらにそれよりも第一の陽極９および第二の陽極１５の電位を高くなるように電圧を印加する。

すると、陰極６と第一の陽極９との間の電位差によって放電ガスの雰囲気中でグロー放電が発生し、それによってプラズマチャンバー２の真空容器５内でプラズマが生成される。
このときプラズマは第一の中間電極７および第二の中間電極８によって電位勾配が与えられ、陰極６から第一の陽極９に至るプラズマの円滑な流れが形成される。このとき、プラズマ流が大口径空芯コイル１１の磁場の影響を受けないように大口径空芯コイル１１の磁力を弱くしておく必要がある。

このような状態でグロー放電が３〜５分程度続くと、電流密度が次第に増加して陰極６に衝突するイオンが増加し、その結果、陰極６の温度が上昇して熱電子を放出するようになる。すると、電離度が高くなってグロー放電が高密度放電のアーク放電に転移する。そして、直流電源Ｅの電圧を制御してアーク放電の放電電流を１０Ａ程度に維持し、プラズマチャンバー２の真空容器５内にアーク放電で生成されるプラズマを維持してプラズマのアイドリング状態を形成する。

次に、仕切バルブ４を開放して所望の圧力に減圧された成膜チャンバー３の真空容器１３と所望の圧力に減圧されてアーク放電によって生成されたプラズマがアイドリング状態にあるプラズマチャンバー２の真空容器５とを一体化し、同時に大口径空芯コイルの磁力を強くする。すると、プラズマチャンバー２の真空容器５内の陰極６と第一の陽極９との間の電位差によって放電ガス雰囲気中でアーク放電によって生成されていたプラズマが、陰極６と第二の陽極１５との間の電位差によって生成されるようになる。このときプラズマ２１は第一の中間電極７および第二の中間電極８によって電位勾配が与えられ、第二の陽極１５に向かって加速される。加速されたプラズマ２１は大口径空芯コイル１１で円柱状に収束されて成膜チャンバー３の真空容器１３内の第二の陽極１５の真上まで導かれ、第二の陽極１５に内設した強力な永久磁石１４によって９０°進路を曲げられて坩堝を兼ねた第二の陽極１５に向かい、坩堝に配置された蒸発源１７に集中照射される。

アーク放電によって生成されたプラズマは坩堝を兼ねた第二の陽極１５に配置された蒸発源１７に多くの熱量を与えて蒸発を促進する。そして、直流電源Ｅの電圧を所望する電圧まで上昇させることによって基板１６表面に蒸発粒子を堆積させて薄膜を形成する。

基板１６表面に所望する膜が成膜されると、直流電源Ｅの電圧を降下させてアーク放電の放電電流を１０Ａ程度に維持し、成膜を終了する。その後、大口径空芯コイル１１の磁力を弱め、仕切バルブを閉鎖してプラズマチャンバー２の真空容器５と成膜チャンバー３の真空容器１３を分離させる。そして、分離された一方の成膜チャンバー３の真空容器１３を大気圧まで戻して成膜された基板１６を取出して一連の成膜工程を終了する。このとき、分離された他方のプラズマチャンバー２の真空容器５内は、そのまま陰極６と第一の陽極９との間のアーク放電で生成されるプラズマを維持してプラズマのアイドリング状態を形成している。

２回目以降の成膜工程は、成膜チャンバー３の真空容器１３内の坩堝を兼ねた第二の陽極１５に蒸発源１７を配置し、その上方に薄膜を形成する基板１６を配置する。そして、真空容器１３に設けられた排気口１８を介して外部に配置された真空ポンプによって真空容器１３内に存在する空気を排気し、真空容器１３内を所望する圧力に減圧する。このとき、プラズマチャンバー２の真空容器５内は常時所望する圧力下で陰極６と第一の陽極９との間のアーク放電で生成されるプラズマを維持してプラズマのアイドリング状態を形成しているため、成膜チャンバー３の真空容器１３内が所望する圧力に至った後に仕切バルブ４を開放すると直ちに膜付けを開始する。仕切バルブ４を開放した後の工程は１回目の成膜工程と同様である。このような工程を繰返すことにより多数の基板に連続して効率の良い成膜をおこなうことができる。

なお、上述した実施例では、プラズマチャンバー２の真空容器５と成膜チャンバー３の真空容器１３の夫々に排気口を設け、各真空容器内を独立して減圧できるようにしているが、図２に示すように、プラズマチャンバー２の真空容器５には排気口は設けず、成膜チャンバー３の真空容器１３だけに排気口を設けることもできる。この場合、１回目の成膜工程においてのみ仕切バルバ４を開放した状態でプラズマチャンバー２の真空容器５内と成膜チャンバー３の真空容器１３内の空気を一括して排気して減圧すれば、２回目以降の成膜工程は上述した実施例と同様の工程で連続して繰返し成膜を行うことができる。

以上説明したように、本発明のアーク放電型真空成膜装置を使用した成膜方法は、低圧雰囲気でアーク放電によってプラズマを生成するプラズマチャンバーの真空容器と、プラズマチャンバーで生成されたプラズマを導入して蒸発源を照射して加熱し、基板表面に蒸発粒子による薄膜を形成する成膜チャンバーの真空容器とを開閉自在の仕切バルブで連結している。そして、成膜チャンバーの真空容器内に蒸発源および基板を配置して真空容器内を所望の圧力に減圧する成膜の前工程および成膜が終了して真空容器内を大気圧まで戻して薄膜が形成された基板を取出す成膜の後工程が行われている間は仕切バルブは閉鎖されており、成膜時のみ仕切バルブが開放されてプラズマチャンバーの真空容器内から成膜チャンバーの真空容器内にプラズマが導入される。仕切バルブが閉鎖されて成膜チャンバーの真空容器内で成膜の前工程および後工程が行われている間はプラズマチャンバーの真空容器内ではアーク放電で生成されるプラズマを維持してプラズマのアイドリング状態が維持されている。

従って、成膜チャンバーの真空容器内の前工程が完了して仕切バルブを開放すると直ちに膜付けを開始することができる。従って、成膜工程を連続して繰返し行う場合、プラズマチャンバーの真空容器内でのアーク放電が開始するまでの時間（３〜５分程度）は1回目の成膜工程のときのみ必要で２回目からの成膜工程では不要である。また、成膜が完了した後の陰極の自然冷却（１５分程度）は一連の成膜工程の最後でのみ必要である。つまり、本発明のアーク放電型真空成膜装置を使用した成膜方法は従来のプラズマ成膜装置を使用した成膜方法に比べて１回の成膜工程に必要な時間を２０分程度短縮できることになり、多数の基板に膜付けをする場合、連続して繰返し行う成膜の回数が多くなるにつれて短縮される時間が累積し、生産時間の大幅な削減となる。このように、成膜装置の生産効率が高まることによって製造コストを下げることが可能になる。また、現有装置の生産性を向上させることによって装置の増設を補完することができるため設備投資および人件費を抑制することができる。

さらに、成膜の前処理において、真空容器の減圧は成膜チャンバーの真空容器だけでよいため、従来の成膜方法に対してプラズマチャンバーの真空容器分は排気容積が少なくなるため、所望する圧力に至る時間が短縮され、この点でも生産効率が高まることになる。などの優れた効果を奏するものである。

本発明の実施例に係わるアーク放電型真空成膜装置の概略構成図である。 本発明の実施例に係わる他のアーク放電型真空成膜装置の概略構成図である。 従来のアーク放電型真空成膜装置の概略構成図である。

符号の説明

１ アーク放電型真空成膜装置
２ プラズマチャンバー
３ 成膜チャンバー
４ 仕切バルブ
５ 真空容器
６ 陰極
７ 第一の中間電極
８ 第二の中間電極
９ 第一の陽極
１０ ガス導入口
１１ 大口径空芯コイル
１２ 排気口
１３ 真空容器
１４ 永久磁石
１５ 第二の陽極
１６ 基板
１７ 蒸発源
１８ 排気口
１９ マイナス端
２０ プラス端
２１ プラズマ

Claims (3)

1. アーク放電によってプラズマを生成するプラズマチャンバーの真空容器と、該真空容器で形成された前記プラズマを導入して蒸発材料に照射し、該蒸発材料から蒸発した粒子によって基板表面に薄膜を形成する成膜チャンバーの真空容器とを具備し、前記プラズマチャンバーの真空容器と前記成膜チャンバーの真空容器の間に開閉自在な仕切バルブを配置したことを特徴とするアーク放電型真空成膜装置。
2. 前記プラズマチャンバーが、陰極、陽極および少なくとも１つ以上の中間電極を有することを特徴とする請求項１に記載のアーク放電型真空成膜装置。
3. プラズマチャンバーの真空容器内でアーク放電によって形成されたプラズマを成膜チャンバーの真空容器内に導入して蒸発材料に照射し、該蒸発材料から蒸発した粒子によって基板表面に薄膜を形成する成膜方法であって、成膜時は前記プラズマチャンバーの真空容器と前記成膜チャンバーの真空容器との間に配置された開閉自在の仕切バルブを開放して前記プラズマチャンバーの真空容器と前記成膜チャンバーの真空容器とを一体化して前記プラズマチャンバーの真空容器内で生成されたプラズマを前記成膜チャンバーの真空容器内に導入し、成膜時以外は前記仕切バルブを閉鎖して前記成膜チャンバーの真空容器と前記プラズマチャンバーの真空容器とを分離し、独立した前記プラズマチャンバーの真空容器内で常時プラズマ生成状態を維持していることを特徴とする成膜方法。

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