JP2008255419A - 直流プラズマを用いた成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アノードの堆積物除去のためのメンテナンスが不要な程度まで、アノードの周囲の空間と成膜室との圧力差を大きくすることができる成膜装置を提供する。
【解決手段】成膜空間７とプラズマ発生源１とアノード２６とを有し、アノード２６はアノード空間２５に配置され、成膜空間７とアノード空間２５とはフランジ２１，２２により隔絶されている。フランジには、開口１８，１９と、プラズマを収束させる磁場発生手段２３，２４が備えられている。開口２８、２９は、成膜空間からアノード空間に向かって段階的または連続的に狭められている。これにより、成膜室に対するアノード空間の圧力の比を３桁以上大きくすることが可能になり、アノードへのプラズマ生成物の堆積を防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを用いる処理装置に関し、特に、直流プラズマを用いる成膜装置に関する。

高密度プラズマを用いて成膜等を行うプラズマ処理装置としては、プラズマ源から引き出したプラズマに成膜原料ガスを供給し、反応生成物等を基板上に付着させる化学的気相成長（プラズマＣＶＤ）装置や、プラズマによってイオン化した材料を蒸着するイオンプレーティング装置等が知られている。プラズマ生成法としては、プラズマ源内のカソードと、成膜室内に配置されたアノードとの間に直流電圧を印加し、アーク放電を生じさせることにより、高密度の直流放電型プラズマを生成できることが知られている。

直流放電型のプラズマを用いるプラズマＣＶＤ装置では、成膜室の内部にアノードが配置されるため、原料ガスの反応生成物が基板のみならず、アノードの表面にも堆積する。特に、アノードとプラズマとの電気的接点となるアノードの中心領域には反応生成物が堆積しやすい。堆積した反応生成物がアノードから剥離すると、異常放電を誘発することがある。また、反応生成物が絶縁物の場合には、アノードが絶縁物で被覆されるために、安定した放電を維持することができなくなる。

このような問題を解決するために、特許文献１に記載の技術では、アノードの周囲の空間を成膜室から隔てる隔壁を設け、隔壁の一部にスリットを設け、スリットを通ってプラズマがアノードに到達するようにしている。アノード周囲の空間には不活性ガスを供給して、成膜空間よりも陽圧とする。これにより、スリットから成膜室へ向かって不活性ガスが噴出するため、成膜室のプラズマによって生じた反応生成物やイオンは、スリットを通過して侵入してアノードまで到達しにくくなる。よって、アノードに反応生成物が堆積するのを防ぐことができる。

特開平５−３４５９８０号公報

上述の特許文献１の構成では、成膜室のプラズマの形状は、扁平であり、このプラズマを隔壁のスリットの上下に設けた一対の永久磁石の磁界により薄くし、プラズマがスリットを通過するようにしている。このため、スリットの開口面積は、一対の永久磁石の磁界によって低減されるプラズマの断面積に依存し、スリットの開口面積をある程度までしか低減できない。アノード周囲の空間と成膜室との圧力差は、スリットの開口面積によって決まるため、特許文献１の構成では、アノード周囲の空間の圧力を成膜室の圧力の数倍程度までしか高めることができない。この程度の圧力差では成膜室からアノードへの反応生成物の侵入を防ぎきれず、プラズマと共に反応生成物がアノードに到達して堆積する。

本発明の目的は、アノードの堆積物除去のためのメンテナンスが不要な程度まで、アノードの周囲の空間と成膜室との圧力差を大きくすることができる成膜装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のような成膜装置が提供される。すなわち、成膜空間と、直流プラズマを発生するプラズマ発生源と、プラズマが到達するアノードとを有し、アノードは、アノード空間に配置され、成膜空間とアノード空間とはフランジにより隔絶されている。フランジには、プラズマを通過させる開口と、開口を通過するプラズマを収束させる磁場発生手段が備えられている。開口は、成膜空間からアノード空間に向かって段階的または連続的に狭められている。このようにフランジを配置し、その開口径を段階的に狭めることにより、アノードの周囲の空間と成膜室との圧力差を大きくすることができ、かつ、プラズマを安定させ、アノードへのプラズマ生成物の堆積を防ぐことができる。

上述のフランジは、少なくとも開口の内壁部分が、高融点材料によって構成することが好ましい。これにより、プラズマの断面径よりもフランジの開口径を小さくすることが可能になり、アノードの周囲の空間と成膜室との圧力差をさらに大きくすることができる。また、積極的にプラズマに曝されるフランジの開口内壁がプラズマによって劣化するのを防止することができる。

フランジは、プラズマ軸方向に沿って配置された２以上のフランジ部材に分かれ、２以上のフランジ部材には、それぞれ開口が備えられた構成とし、アノード空間側のフランジ部材の開口径を、成膜空間側のフランジ部材の開口径よりも小さくすることができる。これにより、少なくとも２段階に開口径を狭めた構成にすることができる。

フランジの開口は、成膜室の圧力に対するアノード室の圧力を１００倍以上の陽圧に保つことができる大きさに設定することができる。このような圧力差を達成することにより、アノード上の堆積物の除去メンテナンスが不要な成膜装置を提供できる。

本発明によれば、アノードの堆積物除去のためのメンテナンスが不要な程度まで、アノードの周囲の空間と成膜室との圧力差を大きくすることが可能であるため、連続成膜時間が長く、スループットの高い成膜装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態のプラズマを用いた成膜装置について図面を用いて説明する。

本実施の形態の直流プラズマを用いた処理装置は、プラズマＣＶＤ法により成膜を行う装置である。この成膜装置の構成について図１を用いて説明する。図１に示したように、この成膜装置は、成膜室７と、プラズマガン１と、アノード構造体２０とを有している。プラズマガン１とアノード構造体２０は、成膜室７の対向する側面にそれぞれ接続されている。

プラズマガン１は、プラズマ室３５と、プラズマ室３５に配置されたカソード２と、第１および第２の中間電極３３、３４と、プラズマ室３５にキャリアガス４を導入するためのキャリアガス導入口４ａとを備えている。カソード２は、グロー放電（プラズマ）からアーク放電（直流高密度プラズマ１１）に移行させるのに適した公知の複合陰極構造である。第１および第２の中間電極３３、３４は、プラズマ１１を通過させるための開口をその中心に有する。また、第１および第２の中間電極３３、３４には、開口を取り囲むように永久磁石１３と電磁石１４がそれぞれ配置され、プラズマ１１を収束させるための磁界を発生する。

アノード構造体２０は、アノード室２５と、アノード室２５に配置されたアノード２６と、２つのフランジ２１、２２とを備えている。アノード２５は、プラズマ１１の軸上に配置されている。２つのフランジ２１、２２は、アノード室２５と成膜室７の連結部に配置されている。アノード構造体２０には、アノード室２５に不活性ガスを供給するための不活性ガス導入口２７が備えられている。

フランジ２１、２２は、プラズマ軸上に予め定めた形状および大きさの開口（貫通孔）２８，２９をそれぞれ備えている。開口２８，２９は、プラズマ１１を通過させる経路となるとともに、オリフィスとしても作用し、アノード室２５の圧力を成膜室７の圧力に対して所定の圧力比以上の陽圧に保つように構成されている。具体的には、図２に記載したように、フランジ２１の成膜室側の開口径よりもフランジ２２のアノード室２５側の開口径の方が小さくなるように、段階的、もしくは連続的に開口径が狭められている。

ここでは、図２に示すように、フランジ２１の開口２８の径に段差を設けて、成膜室７側よりもアノード室２５側の開口径が小さくなるように構成している。フランジ２２の開口２９の開口径は、フランジ２１のアノード室２５側の開口径よりも、さらに小さく設定されている。よって、図２の例では、フランジ２１、２２によって、開口径は３段階に絞られている。

フランジ２１の開口２８、２９の径は、アノード室２５と成膜室７の所定の圧力比が達成される大きさを予め実験等を行って定める。所定の圧力比は、成膜室７の反応生成物がアノード室２５に侵入できない圧力比であり、例えば、圧力比を１００以上にすることが望ましく、これにより、１００時間程度の成膜を行ってもアノード２６への堆積物の厚さを０．６μｍ以下に抑えることができる。特に、圧力比を１０００以上に設定した場合には、１００時間程度の成膜を行ってもアノード２６への堆積物の厚さを０．０６μｍ以下に抑えることができるため、さらに望ましい。これにより、アノード２６の堆積物を除去するメンテナンスを定期的に行うことなく、連続して成膜を行うことが可能になる。

一例として、フランジ２１の開口２８の径を、図２のように１６ｍｍ、１２ｍｍの２段階とし、フランジ２２の開口２８の径を８ｍｍに設定した場合には、成膜室の圧力が１０^−４ｔｏｒｒ台で、アノード室２５と成膜室７の圧力比を１０^３以上にできることが、実験により確認されている。

フランジ２１の内部には、開口を取り囲むように電磁石２３が配置されている。フランジ２２の内部には、開口を取り囲むように永久磁石２４が配置されている。これらは、フランジ２１、２２の開口を通過するプラズマを収束させる方向の磁界を発生する。磁界発生手段として、同じ構造の物を用いず、電磁石２３と永久磁石２４とを組み合わせて用いている理由は、永久磁石２４が逆磁場を生じることを利用し、逆磁場と電磁石２３の磁場との合成磁場でアノード２６付近にゼロ磁場を形成することが可能であるためである。これによりアノード２６全体を加熱し、被膜を防止する（熱アノード効果）ことができる。

フランジ２１、２２は、フランジ２１、２２の全体、もしくは、少なくとも開口２８，２９の内壁およびその周囲が、高融点金属（例えばＭｏ、Ｗ等）やカーボンによって構成されている。これにより、開口２８、２９がプラズマ１１に曝された場合であっても、フランジ２１，２２は長時間耐久できる。よって、フランジ２１の開口２８、２９の径は、電磁石２３および永久磁石２４により収束されるプラズマ径よりも小さくてもよい。これにより、フランジ２１の開口２８、２９の径を、上述のように所定の圧力比の観点から設定することができ、アノード室２５と成膜室７の所定の圧力比を１００倍以上に高めることができる。なお、プラズマ１１の一部が、開口２８、２９を通過することができれば、アノード２６と導通をとることができる。

成膜室７には、プラズマ１１に原料ガス８を導入するための原料ガス導入管８ａと、基板６を保持する基板ホルダ１６が備えられている。成膜室７に設けられた排気口９は、不図示の真空排気装置に接続されている。

カソード２、第１および第２の中間電極３３、３４、およびアノード２６には、電源１０が電気的に接続されている。第１および第２の中間電極３３、３４には、カソード２の電位とアノード２６の電位の間の中間電位が印加され、プラズマ１１に電位勾配を与えてプラズマをカソード２からアノード２６へスムーズに導く作用をする。プラズマガン１の外側、ならびに、アノード構造体２０の外側にはそれぞれ、中心軸がプラズマ軸に一致するように電磁石１２が配置されている。電磁石１２は、プラズマ軸方向の磁場を形成することにより、カソード２から生じたプラズマ１１をビーム状に収束させ、アノード２６方向に引き出す作用をする。

以下、本実施の形態の直流高密度プラズマを用いた成膜装置を用いて、基板６にＣＶＤ法により成膜する場合の各部の動作について説明する。まず、成膜室７、プラズマガン１のプラズマ室３５およびアノード構造体２０のアノード室２５を排気口９から所定の真空度まで排気する。

排気後、アノード構造体２０の不活性ガス導入口２７から不活性ガス（Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ等）を導入すると、アノード室２５が不活性ガスで満たされる。アノード空間２５内の不活性ガスは、成膜室７内に排気されるがフランジ２１、２２２のオリフィス径に依存して排気のコンダクタンスが決まり、アノード室２５は成膜室７よりも陽圧となり、圧力勾配が生じる。具体的には、成膜室７の圧力に対して、アノード室２５の圧力を２桁以上大きくすることが可能である。このため、アノード室２５から成膜室７へは、大きな圧力勾配で加速された不活性ガスが噴出する。

一方、プラズマガン１には、アルゴン、ヘリウム等のキャリアガス４を導入し、電源１０からカソード２とアノード２６間に直流電圧を印加し、グロー放電によるプラズマを生じさせる。放電開始直後３〜５分程度はグロー放電であるが、グロー放電を続けると、カソード２が加熱され熱電子を放出するようになり、これによりグロー放電の電離度が上昇して高密度放電すなわちアーク放電に移行し、直流高密度プラズマ１１が生じる。第１および第２の中間電極３３、３４には電源１０から中間電位が印加されており、プラズマ１１を成膜室７にスムーズに引き出す。また、第１および第２の中間電極３３、３４は、オリフィス作用によりプラズマガン１の圧力を成膜室７の圧力よりも高く維持し、その圧力勾配により、成膜室の反応ガスや逆流イオンがプラズマ生成室に逆流するのを防ぐ。

電磁石１２の磁界は、プラズマ１１をビーム状に収束させ、アノード２６にプラズマ１１を導く。プラズマ１１は、フランジ２１、２２の電磁石２３、永久磁石２４の磁界により収束され、段階的に径が小さくなる開口２８、２９を通過する。このとき、プラズマ１１の径は、開口２８，２９の径よりも若干大きくても構わない。プラズマ１１の一部が開口２８、２９を通過できれば、アノード２６と十分な導通がとれるためである。また、フランジ２１，２２は、高融点金属で形成されているため、開口がプラズマ１１に長時間曝されても耐えられる。

成膜室７に原料ガス導入管８ａから原料ガス８を供給すると、プラズマ１１に原料ガス８が曝され、分解物や反応生成物等が生じ、基板６に堆積する。

成膜室７において原料ガスの分解や反応により生じた生成物やマイナスイオンは、プラズマ１１とともにフランジ２１、２２の開口２８、２９を通過してアノード２６に到達しようとするが、アノード室２５の圧力が成膜室７の圧力よりも２桁以上高いため、分解・反応生成物がフランジ２１、２２を通過することはできない。よって、分解・反応生成物はアノードに到達できず、アノードへ生成物が堆積するのを防止できる。

なお、分解・反応生成物の一部は、フランジ２１、２２の開口２８、２９には堆積するが、フランジ２１、２２は電源１０と電気的に接続されておらず、電圧を印加されていないため、堆積物が絶縁物であっても放電には影響せず、また、堆積物が剥離しても電界集中等は生じないため放電には影響を与えない。

また、フランジ２１、２２は、少なくとも開口２８、２９が高融点金属やカーボンで形成されているため、プラズマ１１により高温になっても劣化しにくい。

所定の厚さの膜が基板６に形成されたならば、プラズマ１１を停止させ、成膜室７、プラズマ室３５およびアノード室２５を大気圧まで戻し、基板６を取り出す。

このように、本実施の形態の成膜装置では、成膜室７に対するアノード室２５の圧力比を１００以上に設定することができるため、アノード２６には、分解・反応生成物が殆ど付着しない。よって、アノード２６を長寿命化することができ、従来のようにアノードに付着した絶縁物を除去するメンテナンスを行う必要がなく、メンテナンスフリーの成膜が可能となる。

なお、上記実施の形態では、図１のようにアノード構造体２０をプラズマガン１と対向する位置に配置し、直線的なプラズマを引き出して利用する成膜装置について説明したが、本発明はこの構造に限られるものではなく、プラズマを湾曲させる成膜装置についても適用可能である。例えば、図３に示すように、プラズマガン１とアノード構造体２０との向きが９０°になるように配置し、プラズマ１１を９０°湾曲させて、アノード構造体２０に到達させる成膜装置にすることもできる。この場合も、アノード構造体２０として、図１の構造のものを用いることにより、上述の実施の形態と同様に、大きな圧力勾配を実現でき、アノード２６に堆積物が付着しない。

本発明の成膜装置の実施例について説明する。
実施例の成膜装置は、図１および図２の構造である。フランジ２１の開口２８の径は、図２に示したように、成膜室７側の径を１６ｍｍ、アノード室２５側の径を１２ｍｍとした。フランジ２２の開口２９の径は、８ｍｍとした。これにより、成膜室７からアノード室２５に向かって３段階で開口径が狭まる構成とした。

この構成の成膜装置で、表１に示すように、アノード構造体２０の不活性ガス導入口２７からＡｒガスを２０ｓｃｃｍで供給し、プラズマガン１のキャリアガス導入管４ａからＡｒガス４ａを２０ｓｃｃｍで供給し、プラズマ１１を生じさせた。このときの成膜室７およびアノード空間２５の圧力をそれぞれ測定した。測定結果を表１に示す。表１から明らかなように、アノード空間２５の圧力は、成膜室７の圧力より３桁以上大きかった。

また、プラズマに原料ガス８として、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）を供給したところ、有機シリコン膜を基板６上に成膜することができた。また、成膜途中で放電は安定していた。アノード室２５と成膜室７に大きな圧力差があったため、分解・反応生成物は、アノード２６には到達せず、アノード２６には堆積しなかった。

実施の形態の直流高密度プラズマを用いた成膜装置の構成を示すブロック図。 図１の成膜装置のフランジの開口形状を示す断面図。 別の実施の形態の直流高密度プラズマを用いた成膜装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１…プラズマガン、２…カソード、４…キャリアガス、４ａ…キャリアガス導入管、６…基板、７…成膜室、８…原料ガス、８ａ…原料ガス導入口、９…排気口、１０…電源、１１…プラズマ、１２…電磁石、１３…永久磁石、１４…電磁石、１６…基板ホルダ、２０…アノード構造体、２１、２２…フランジ、２３…電磁石、２４…永久磁石、２５…アノード室、２６…アノード、２７…不活性ガス導入口、２８、２９…開口、３３…第１の中間電極、３４…第２の中間電極。

Claims (4)

1. 成膜空間と、直流プラズマを発生するプラズマ発生源と、前記プラズマが到達するアノードとを有し、
   前記アノードは、アノード空間に配置され、前記成膜空間と前記アノード空間とはフランジにより隔絶され、
   該フランジには、前記プラズマを通過させる開口と、該開口を通過するプラズマを収束させる磁場発生手段が備えられ、
   前記開口は、前記成膜空間から前記アノード空間に向かって段階的または連続的に狭められていることを特徴とする直流プラズマを用いた成膜装置。
2. 請求項１に記載の直流プラズマを用いた成膜装置において、前記フランジは、少なくとも前記開口の内壁部分が、高融点材料によって構成されていることを特徴とする直流プラズマを用いた成膜装置。
3. 請求項１または２に記載の直流プラズマを用いた成膜装置において、前記フランジは、前記プラズマ軸方向に沿って配置された２以上のフランジ部材に分かれ、該２以上のフランジ部材には、それぞれ前記開口が備えられ、前記アノード空間側のフランジ部材の開口径を、前記成膜空間側のフランジ部材の開口径よりも小さくすることにより、少なくとも２段階に開口径を狭めていることを特徴とする直流プラズマを用いた成膜装置。
4. 請求項１に記載の直流プラズマを用いた成膜装置において、前記開口は、前記成膜室の圧力に対する前記アノード室の圧力を１００倍以上の陽圧に保つことができる大きさに設定されていることを特徴とする直流プラズマを用いた成膜装置。

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