JP2008297587A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜材料を加熱して気化させる際の形状を安定化させ、成膜の効率を向上させることができる成膜装置及び成膜方法を提供する。
【解決手段】プラズマビームＰｂを用いて基板に膜を生成する成膜装置１において、材料ロッドＭを保持するハース２５のガイド部３１は、上端縁部３７の外径が下端部３２側の外径よりも小さく、プラズマビームＰｂの入射範囲Ａは、上端縁部３７の外周内に合わせられている。その結果として、ガイド部３１の上端縁部３７に集中的にプラズマビームＰｂが入射するようになり、ガイド部３１の上端縁部３７の温度を局所的に高めやすくなる。さらに、上端縁部３７から下端部３２にかけての温度勾配が大きくなり、上端縁部３７と下端部３２との間で、成膜材料を溶融させる温度となる範囲が狭くなり、溶融状態の成膜材料が少なくなって形状が安定し、成膜効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマビームを用いて基板上に膜を生成する成膜装置及び成膜方法に関する。

プラズマビームによって成膜材料を加熱し、成膜材料から蒸発または昇華した蒸発粒子をプラズマビームによってイオン化し、イオン化した蒸発粒子を基板に付着させて成膜を行う成膜方法及び成膜装置が知られている（特許文献１参照）。この種の成膜装置は、プラズマガンが固定された真空容器を備える。真空容器の下部には、陽極となるハースが配置されている。プラズマガンの陰極と、ハースとの間で放電が生じ、この放電によってプラズマビームが生成される。ハースには、成膜材料を保持すると共に、プラズマビームが入射するガイド部が設けられている。ガイド部は、プラズマビームの入射によって加温され、成膜材料を加熱する。ガイド部の温度は、先端部が最も高くなる。成膜材料は、この先端部側で沸点に達し、蒸発などで気化してイオン化する。成膜材料の一部が蒸発すると、その蒸発分を補うために、成膜材料は適宜突き上げられて調整される。
特開２００２−２９４４３６号公報

しかしながら、従来の成膜装置では、ガイド部の先端部から基端部にかけて緩やかな温度勾配によって徐々に温度が低下しており、ガイド部の先端部と基端部との間の広い範囲で成膜材料の溶融温度になり易い。その結果として、成膜材料の形状が不安定になり易く、成膜の効率を低下させる虞があって改良の余地があった。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、成膜材料を加熱して気化させる際の形状を安定化させ、成膜の効率を向上させることができる成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。

本発明は、ハースに導かれるプラズマビームによって成膜材料を加熱し、成膜材料から気化した粒子を基板に付着させて膜を生成する成膜装置において、ハースに設けられて成膜材料を保持すると共に、プラズマビームが入射する筒状のガイド部と、ガイド部に入射するプラズマビームの入射範囲を制御する制御手段と、を備え、ガイド部は、基板側を向く先端縁部の外径が基端部側の外径よりも小さく、制御手段は、入射範囲を先端縁部の外周内に合わせることを特徴とする。

この成膜装置によれば、ハースのガイド部に入射するプラズマビームの入射範囲が、制御手段によってガイド部の先端縁部の外周内に合わせられる。その結果として、先端縁部に集中的にプラズマビームが入射するようになり、先端縁部の温度を局所的に高めやすくなる。さらに、局所的に温度が高くなっている先端縁部は、基端部側に比べて外径が小さい。従って、先端縁部から基端部にかけて外径が一定である場合に比べて、先端縁部から基端部にかけての温度勾配が大きくなり易い。その結果として、先端縁部と基端部との間で、成膜材料を溶融させる温度となる範囲が狭くなり、溶融状態の成膜材料が少なくなって形状が安定し、成膜効率を向上させることができる。

さらに、ガイド部の内径は、先端縁部から基端部まで一定であると好適である。ガイド部の内径に沿って成膜材料を移動させて成膜材料の気化分を補う際に、ガイド部の内径が一定であればスムーズに移動させることができる。さらに、ガイド部の内径が一定であれば、ガイド部の内面と成膜材料との間に隙間が生じ難く、その結果として、溶融した成膜材料が隙間に取り残されて固化してしまうことを防止でき、成膜材料の形状を安定化させ易くなる。

さらに、ガイド部は、先端縁部と基端部との間に形成されると共に、先端縁部に対して外径が大きくなる段差部を有すると好適である。段差部では、急激な温度勾配が発生するため、成膜材料を溶融させる温度となる範囲が更に少なくなり、溶融状態の成膜材料が少なくなって形状が安定化し、成膜効率を向上させることができる。

また、本発明は、ハースに導かれるプラズマビームによって成膜材料を加熱し、成膜材料から気化した粒子を基板に付着させて膜を生成する成膜方法において、ハースに形成された筒状のガイド部で成膜材料を保持するステップと、ガイド部に向けてプラズマビームを照射するステップと、ガイド部に入射するプラズマビームの入射範囲を、基板側を向くガイド部の先端縁部の外周内に合わせるステップと、成膜材料の端面の位置を、先端縁部の位置に合わせるように成膜材料を移動させるステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ハースに形成された筒状のガイド部で成膜材料を保持し、そのガイド部に向けてプラズマビームを照射する。さらに、ガイド部に入射するプラズマビームの入射範囲を、ガイド部の先端縁部の外周内に合わせる。従って、ガイド部の先端縁部を集中的に加温でき、先端縁部の温度を局所的に高めることが出来る。さらに、成膜材料の端面の位置を、先端縁部の位置に合わせるように成膜材料を移動させることにより、成膜材料の気化による消耗分を効果的に補うことができ、成膜の効率を向上させることができる。

本発明に係る成膜装置によれば、成膜材料を加熱して気化させる際の形状を安定化させ、成膜の効率を向上させることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について説明する。

図１は、本発明に係る成膜装置１の断面図である。成膜装置１は、イオンプレーティング法に基づく成膜を行う装置であり、ＳｉＯやＳｉＯ_２などからなる材料ロッドＭをプラズマビームＰｂで加熱し、材料ロッドＭから蒸発または昇華して気化した粒子（以下、「昇華粒子」という）を基板Ｗに付着させて膜を生成する。なお、材料ロッドＭは成膜材料に相当する。

成膜装置１は、成膜室である真空容器３と、真空容器３中にプラズマビームＰｂを供給するプラズマガン５と、真空容器３内の下部に配置されてプラズマビームＰｂを導く陽極部７と、陽極部７に印加される電圧を制御する陽極電源装置９と、成膜対象である基板Ｗを適宜移動させる搬送機構１１と、真空容器３中のガス雰囲気を制御する雰囲気制御手段１３と、を備えている。

プラズマガン５は、圧力勾配型のプラズマガンであり、真空容器３の側壁に設けられた筒状部３ａに固定されている。プラズマガン５は、第１中間電極１５及び第２中間電極１６からなる中間電極１７と、陰極管１８が固定されたカソードフランジ１９とを備え、中間電極１７とカソードフランジ１９との間には、陰極管１８を包囲するガラス管２０が配置されている。

第２中間電極１６は環状であり、真空容器３の筒状部３ａにシールカラーを介して固定されている。第２中間電極１６の後側には、シールカラーを介して環状の第１中間電極１５が同心状に重ねて固定されている。第２中間電極１６には、空芯コイル１６ａが内蔵されており、第１中間電極１５には、磁極軸が陰極管１８の中心線に平行になるように永久磁石１５ａが内蔵されている。空芯コイル１６ａや永久磁石１５ａは、プラズマビームＰｂを収束させる。なお、真空容器３の筒状部３ａの周囲には、発生したプラズマビームＰｂを真空容器３内に導くステアリングコイル２１が設けられている。

プラズマガン５の動作は、ガン駆動装置２３によって制御されている。ガン駆動装置２３により、陰極管１８への給電をオン・オフしたり、陰極管１８への印加電圧を調整したりでき、さらに第１中間電極１５、第２中間電極１６、空芯コイル１６ａまたはステアリングコイル２１への給電を調整することができる。ガン駆動装置２３によって、真空容器３内に供給されるプラズマビームＰｂの強度や分布状態が制御されている。

搬送機構１１は、基板Ｗを保持する保持部材１１ａと、保持部材１１ａを定速で水平方向に移動させる駆動装置（図示省略）と、を備えている。

雰囲気制御手段１３は、酸素ガス、窒素ガス及びＡｒガスを真空容器３内に供給したり、プラズマガンにＡｒガスを供給したりする。さらに、雰囲気制御手段１３は、真空容器３内での酸素ガス、窒素ガス及びＡｒガスの分圧を目標値に制御する。

陽極部７は、プラズマビームＰｂを下方に導く主陽極であるハース２５と、ハース２５の周囲に配置された環状の補助陽極２６とを備えている。

ハース２５は、電気的な絶縁物を介して真空容器３の下部に固定されている。ハース２５は、図２に示されるように、冷却用のキャビティＣａを備える第１ベース部２７と、第１ベース部２７の上に固定される円筒状の第２ベース部２９と、第２ベース部２９の上に固定される円筒状のガイド部３１（図３参照）とを備えている。ガイド部３１の下端部３２には、外側に張り出した鍔部３３が形成されており、ガイド部３１は、ボルト締めなどにより、鍔部３３が第２ベース部２９に固定されている。

第１ベース部２７の中央には、上下方向に沿って円形の第１中央孔Ｈａが形成されており、第２ベース部２９の第２中央孔Ｈｂは、第１中央孔Ｈａと同心になるように配置されている。さらに、ガイド部３１の第３中央孔Ｈｃは、第２中央孔Ｈｂと同心になるように配置されている。第１中央孔Ｈａ、第２中央孔Ｈｂ及び第３中央孔Ｈｃの内径ｄ１，ｄ２，ｄ３は一致しており、第１中央孔Ｈａ、第２中央孔Ｈｂ及び第３中央孔Ｈｃによって、材料ロッドＭが装填される直線状の保持孔Ｈが形成される。

第１ベース部２７及び第２ベース部２９は、銅製であり、高い熱伝導度と導電性を有し、第１ベース部２７に設けたキャビティＣａによって適宜冷却される。ガイド部３１は、高い導電性と耐熱性とを有する材料とし、プラズマビームＰｂを引き寄せる。なお、ガイド部３１は、他の好適な材料として高融点金属で形成することもできる。

ガイド部３１は、鍔部３３を除いて外径Ｄ２が一定である胴体部３５と、胴体部３５の上端側、すなわち、基板Ｗ側を向く先端側に形成された上端縁部（先端縁部）３７とを有する。上端縁部３７の肉厚は、胴体部３５の肉厚に比べて１／３〜２／３程度にすることが好ましい。そのため、上端縁部３７の外径Ｄ１は、基端部側の外径に相当する胴体部３５の外径Ｄ２に比べて小さくなっている。なお、上端縁部３７の軸線Ｌ方向長さは、３ｍｍ〜８ｍｍ程度にするのが好ましい。

さらに、ガイド部３１は、上端縁部３７と胴体部３５との間に形成された段差部３９を有する。段差部３９は、上端縁部３７に対して外径が大きくなり、不連続に胴体部３５につながっている。さらに、段差部３９は、上端縁部３７の外周面に滑らかにつながり、胴体部３５の外周面に屈曲してつながる段差面３９ａ（図２及び図３参照）を有する。

図１に示されるように、補助陽極２６は、導電性材料からなる環状容器４１を備えている。環状容器４１内には、フェライト等で形成された環状永久磁石４３と、環状永久磁石４３と同心に積層されたコイル４５とが収容されている。コイル４５は、電磁石を構成し、陽極電源装置９から給電されて、環状永久磁石４３により発生する中心側の磁界と同じ向きになるように付加的磁界を形成する。環状永久磁石４３及びコイル４５は、プラズマビームコントローラ４７として機能し、ハース２５の直上方にカスプ状磁場を形成する。

陽極電源装置９によってコイル４５に印加する電流を変化させることで、ハース２５のガイド部３１に入射するプラズマビームＰｂの位置や入射範囲Ａ（図３参照）の微調整が可能になり、例えば、陽極電源装置９は、コイル４５の電流を７．５Ａ以下に設定する。補助陽極２６及び陽極電源装置９によって制御手段５１が構成される。

真空容器３の下部には、材料ロッドＭを上昇移動させてハース２５内に供給する材料供給装置５３が設けられている。材料ロッドＭは、ハース２５のガイド部３１内で加熱され、沸点以上の温度になると蒸発（または昇華）によって気化して昇華粒子になる。従って、材料ロッドＭは、時間の経過に伴って消耗する。材料供給装置５３は、材料ロッドＭの消耗分を補うために、材料ロッドＭを所定時間ごとに突き上げて上昇させ、材料ロッドＭの上端面（端面）Ｍａが上端縁部３７の位置、例えば、先端から５ｍｍ以内の位置になるように調整している。

（成膜方法）
次に、成膜装置１の動作手順を説明し、本実施形態に係る成膜方法について説明する。成膜装置１の雰囲気制御手段１３は、真空容器３内のガス雰囲気が所定の状態になるようにガス状態を制御する。また、材料供給装置５３は、ハース２５に材料ロッドＭを装填し、ガイド部３１に材料ロッドＭを保持させる（第１のステップ）。

次に、ガン駆動装置２３及び陽極電源装置９によって、プラズマガン５の陰極管１８と真空容器３内のハース２５との間で放電を生じさせ、この放電によって生じるプラズマビームＰｂをハース２５に向けて照射する（第２のステップ）。

制御手段５１の陽極電源装置９は、補助陽極２６に印加する電流を調整し、ハース２５のガイド部３１に入射するプラズマビームＰｂの入射範囲Ａを制御し、上端縁部３７及び材料ロッドＭの先端部分の温度が沸点以上になるように制御する（第３のステップ）。プラズマビームＰｂの入射範囲Ａ（図３参照）の制御について具体的に説明する。

ガイド部３１には、胴体部３５に比べて外径Ｄ１の小さな上端縁部３７が形成されている。陽極電源装置９は、上端縁部３７の外周３７ａ（図３参照）内に収まるように、好ましくは、上端縁部３７の外周３７ａにプラズマビームＰｂの入射範囲が合うように、プラズマビームＰｂの入射範囲Ａを制御している。その結果として、上端縁部３７に集中的にプラズマビームＰｂが入射するようになり、上端縁部３７を局所的に加温することができる。以下、図４〜図６を参照して、上端縁部３７を局所的に加温することによって得られる作用を説明する。

図４は、本実施形態に係るガイド部と温度勾配との関係を示す図であり、（ａ）はガイド部の断面図、（ｂ）はガイド部の上端（先端）から下端（基端）までの位置を縦軸に示し、温度を横軸に示した温度勾配グラフである。また、図５は、従来のガイド部（上述の特許文献１参照）と温度勾配との関係を示す図であり、（ａ）はガイド部の断面図、（ｂ）はガイド部の上端から下端までの位置を縦軸に示し、温度を横軸に示した温度勾配グラフである。また、図６は、気圧と温度とに対応付けて、材料ロッドに含まれるシリコンの三態を示すグラフであり、横軸は温度、縦軸は気圧を示している。

図６に示されるように、大気圧状態（１aｔm）の場合、例えば、材料ロッドＭの温度が１４１０℃であれば材料ロッドＭから分離したシリコンは液相であり、材料ロッドＭの温度が２６８０℃であれば材料ロッドＭから分離したシリコンは気相である。真空容器３内の気圧が、大気圧に比べて極めて低いＰ_０以下でれば、シリコンは、温度Ｔ_０以上で昇華し、液相にはならない。しかしながら、真空容器３内の気圧は実質的にはＰ_０よりも僅かに高いＰ_１となるため、材料ロッドＭの温度がＴ_１で材料ロッドＭから分離したシリコンは融点に達して液相となり、Ｔ_２に達すると沸点に達して気相になる。

図５に示されるように、従来の成膜装置のガイド部１００は、上端１０１から下端１０２にかけて、鍔部１０３を除いて外径Ｄ３が一定であり、ガイド部３１の肉厚に変化は無かった。さらに、プラズマビームＰｂの入射範囲の制御は、ガイド部１００に入射するように制御されているだけであったため、ガイド部１００の上端１０１から下端１０２にかけての温度勾配は非常に緩やかなものになり易かった。従って、材料ロッドＭをＴ_１以上、Ｔ_２以下にしてしまう範囲、すなわち材料ロッドＭから分離したシリコンが溶融状態である溶融範囲Ｓ２が広くなり易く、材料ロッドＭの上端面Ｍａにシリコン溶融状態を作り易くなる。その結果として、材料ロッドＭの上端面Ｍａに方掘れが生じたり、形状が不均一になったりして不安定になり易く、成膜効率が低下する虞があった。

一方で、図４に示されるように、本実施形態に係るガイド部３１は、胴体部３５に比べて外径Ｄ１の小さな上端縁部３７を有しており、プラズマビームＰｂの入射範囲Ａは、上端縁部３７の外周３７ａ内に収まるように制御されている。従って、上端縁部３７が局所的に加温されて温度が高くなり、さらに、胴体部３５の下端部３２側にかけての温度勾配が急勾配になり易い。特に、上端縁部３７と胴体部３５との間には、段差部３９が設けられており、段差部３９での温度勾配は極めて急なものとなる。従って、実質的には、段差部３９が位置する極めて限られた狭い範囲、例えば、軸線Ｌ方向に沿って１ｍｍ程度の範囲しか材料ロッドＭから分離したシリコンの溶融範囲Ｓ１にはならず、材料ロッドＭの上端面Ｍａにシリコン溶融状態を作り難くなり、材料ロッドＭの上端面Ｍａの形状が安定し易くなって、成膜効率の向上が可能になる。なお、段差部３９よりも下方の胴体部３５については、シリコンが固相になる温度に設定される。

以上のように、プラズマビームＰｂの入射範囲Ａを制御し、特に、段差部３９における狭い範囲が材料ロッドＭから分離したシリコンの溶融範囲になるように調整することで、材料ロッドＭの上端部分を効果的に加熱できる。材料ロッドＭが十分に加熱されると、材料ロッドＭが蒸発（または昇華）して気化し、酸化シリコン、シリコンなどの昇華粒子が出現する。そして、昇華粒子をプラズマビームＰｂによってイオン化し、活性度の高い状態で基板Ｗに入射させることで、基板Ｗ上にＳｉＯｘＮｙ膜を形成する（第４のステップ）。

材料供給装置５３は、所定の時間ごとに所定の長さ分だけ材料ロッドＭを突き上げる（第５のステップ）。材料ロッドＭの消耗分（消耗量）は、或る程度予想して求めることができ、その消耗分を補うように材料ロッドＭを上昇させ、特に、材料ロッドＭの上端面（端面）Ｍａの位置が上端縁部３７の位置、例えば、上端から３ｍｍ〜８ｍｍ程度の範囲内に合わせるように制御する。材料ロッドＭの上端面Ｍａの位置が上端縁部３７の位置に合うことで、材料ロッドＭは効率よく蒸発（または昇華）して気化し、材料ロッドＭの上端面Ｍａの形状の安定化に有効である。

以上の成膜装置１では、ハース２５のガイド部３１に入射するプラズマビームＰｂの入射範囲Ａが、制御手段５１によって、ガイド部３１の上端縁部３７の外周３７ａ内に合わせられる。その結果として、ガイド部３１の上端縁部３７に集中的にプラズマビームＰｂが入射するようになり、ガイド部３１の上端縁部３７の温度を局所的に高めやすくなる。さらに、局所的に温度が高くなっている上端縁部３７は、ガイド部３１の下端部３２側、すなわち胴体部３５に比べて外径Ｄ１が小さい。従って、上端から下端にかけて外径が一定である場合に比べて、上端縁部３７から胴体部３５の下端部３２にかけての温度勾配が大きくなり易い。その結果として、上端縁部３７と胴体部３５の下端部３２との間で、成膜材料を溶融させる温度となる範囲が狭くなり、溶融状態の材料ロッドＭが少なくなって形状が安定し、成膜効率を向上させることができる。

さらに、ガイド部３１の内径ｄ３は、上端縁部３７から胴体部３５の下端部３２まで一定である。その結果として、ガイド部３１の内径ｄ３に沿って材料ロッドＭを移動させて材料ロッドＭの蒸発などで気化した分を補う際に、材料ロッドＭをスムーズに移動させることができる。さらに、ガイド部３１の内径ｄ３が一定であれば、ガイド部３１の内面３１ａと材料ロッドＭとの間に隙間が生じ難く、その結果として、溶融した材料ロッドＭが隙間に取り残されて固化してしまうことを防止でき、材料ロッドＭの形状を安定化させ易くなる。

さらに、ガイド部３１は、上端縁部３７と胴体部３５との間に形成されると共に、上端縁部３７に対して外径が大きくなる段差部３９を有する。段差部３９では、急激な温度勾配が発生するため、材料ロッドＭを溶融させる温度となる範囲が更に少なくなり、溶融状態の材料ロッドＭが少なくなって形状が安定化し、成膜効率を向上させることができる。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、先端縁部の外径は、軸線に沿って一定でなくてもよく、その場合には、先端縁部の最大の外径が、基端部側の外径よりも小さければよい。

本発明の第１実施形態に係る成膜装置を示す断面図である。 ハースの断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 本実施形態に係るガイド部と温度勾配との関係を示す図であり、（ａ）はガイド部の断面図、（ｂ）はガイド部の先端から基端までの位置を縦軸に示し、温度を横軸に示した温度勾配グラフである。 従来のガイド部と温度勾配との関係を示す図であり、（ａ）はガイド部の断面図、（ｂ）はガイド部の先端から基端までの位置を縦軸に示し、温度を横軸に示した温度勾配グラフである。 気圧と温度とに対応付けて材料ロッドに含まれるシリコンの三態を示す図である。

符号の説明

１…成膜装置、２５…ハース、３１…ガイド部、３２…胴体部の下端部（基端部）、３７…上端縁部、３９…段差部、５１…制御手段、Ａ…入射範囲、ｄ３…ガイド部の内径、Ｐｂ…プラズマビーム、Ｍ…材料ロッド（成膜材料）、Ｗ…基板。

Claims (4)

1. ハースに導かれるプラズマビームによって成膜材料を加熱し、前記成膜材料から気化した粒子を基板に付着させて膜を生成する成膜装置において、
   前記ハースに設けられて前記成膜材料を保持すると共に、前記プラズマビームが入射する筒状のガイド部と、
   前記ガイド部に入射する前記プラズマビームの入射範囲を制御する制御手段と、を備え、
   前記ガイド部は、前記基板側を向く先端縁部の外径が基端部側の外径よりも小さく、
   前記制御手段は、前記入射範囲を前記先端縁部の外周内に合わせることを特徴とする成膜装置。
2. 前記ガイド部の内径は、前記先端縁部から前記基端部まで一定であることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 前記ガイド部は、前記先端縁部と前記基端部との間に形成されると共に、前記先端縁部に対して外径が大きくなる段差部を有することを特徴とする請求項１または２記載の成膜装置。
4. ハースに導かれるプラズマビームによって成膜材料を加熱し、前記成膜材料から気化した粒子を基板に付着させて膜を生成する成膜方法において、
   前記ハースに形成された筒状のガイド部で前記成膜材料を保持するステップと、
   前記ガイド部に向けて前記プラズマビームを照射するステップと、
   前記ガイド部に入射する前記プラズマビームの入射範囲を、前記基板側を向く前記ガイド部の先端縁部の外周内に合わせるステップと、
   前記成膜材料の端面の位置を、前記先端縁部の位置に合わせるように前記成膜材料を移動させるステップと、
   を含むことを特徴とする成膜方法。

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