JP2010150596A - イオンプレーティング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜材の物性との違いに関わらずドーピング材を自由に選択可能なイオンプレーティング装置を提供すること。
【解決手段】真空チャンバ３と、プラズマガン４と、プラズマビームＰが照射されるハース５とを備え、ハース５は、タブレット２１を真空チャンバ３の内部に露出するように配置する凹部２４ａと、真空チャンバ３の内部における露出面において成膜時にドーピングされるドーピング材２２を支持する環状溝２３ｂとを有し、ハース５の露出面のうちプラズマビームＰが照射される被照射面の面積により、ハース５の被照射面における電流密度を調整することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、イオンプレーティング装置に関し、特に、成膜時にドーピング材をドーピングするイオンプレーティング装置に関する。

従来、プラズマビームを利用したイオンプレーティング装置として、坩堝式のイオンプレーティング装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このイオンプレーティング装置においては、ワークに対向して陽極としての坩堝が配置され、この坩堝に成膜材の粉末を焼結して形成されたタブレットが収容されている。そして、チャンバ内に発生したプラズマビームが坩堝の周囲に配置された磁石等により坩堝に向かって誘導され、タブレットの上面を照射することにより、照射により発生したタブレットの気体がプラズマビームを通過してイオン化し、基板の表面に付着して成膜している。
特開２０００−２８２２２６号公報

しかしながら、上記したイオンプレーティング装置において、タブレットの成膜と同時にドーピング材をドーピングする場合、成膜材の粉末とドーピング材の粉末とを焼結してタブレットを成形することになるが、成膜材およびドーピング材の焼結温度や固溶限界等の違いにより、適切にタブレットを成形するのが困難であった。また、タブレットが成形されたとしても、成膜材およびドーピング材が一体としてプラズマビームに照射されるため、成膜材およびドーピング材の蒸気圧や昇華点等の違いによっては、不均一に成膜されるおそれがあった。したがって、上記したイオンプレーティング装置では、成膜材およびドーピング材の物性の違いを考慮して材料を選択しなければならず、使用可能な材料の選択幅が限定されてしまうという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、成膜材の物性との違いに関わらずドーピング材を自由に選択可能なイオンプレーティング装置を提供することを目的とする。

本発明のイオンプレーティング装置は、チャンバと、陰極として機能し、前記チャンバ内にプラズマビームを発生するプラズマビーム発生源と、陽極として機能し、前記チャンバ内においてプラズマビームが照射されるハースとを備え、前記ハースは、成膜材を前記チャンバ内に露出するように配置する成膜材配置部と、前記チャンバ内における露出面において成膜時にドーピングされるドーピング材を支持するドーピング材支持部とを有し、前記ハースの露出面のうち前記プラズマビームが照射される被照射面の面積により、前記ハースの前記被照射面における電流密度を調整することを特徴とする。

この構成によれば、ハースおよび成膜材がプラズマビームに照射され、プラズマビームの照射により発生したドーピング材および成膜材の気体がプラズマビームを通過してワークに付着して被膜が成膜される。よって、焼結温度や固溶限界を考慮して成膜材とドーピング材とを一体に成形することなく、成膜材およびドーピング材を別々に気化させることができる。また、ハースの被照射面の面積によりハースの被照射面における電流密度を調整することで、ハースの温度を調整することができる。よって、成膜材とドーピング材とを異なる温度条件で気化させることができるため、蒸気圧や昇華点に関わらず均一に成膜することができる。したがって、ドーピング材の種類に応じてハースを交換し、被照射面における電流密度を適切に調整することで、成膜材の物性との違いに関わらずドーピング材を自由に選択することができる。

また本発明は、上記イオンプレーティング装置において、前記ドーピング材支持部は、前記ハースの露出面に形成された窪みから成ることを特徴とする。

この構成によれば、ドーピング材が粉状や顆粒状であっても、ドーピング材を窪みに収容した状態で支持することによりハースから脱落するのを防止することができる。

また本発明は、上記イオンプレーティング装置において、前記成膜材配置部は、前記ハースの露出面の中央部分に形成され、前記ドーピング材支持部は、前記成膜材支持部に配置された成膜材を中心として対称に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、ワークに対して成膜材とドーピング材とを均一分布させて成膜することができる。

また本発明は、上記イオンプレーティング装置において、前記成膜材配置部は、前記ハースの露出面に凹状に形成されたことを特徴とする。

この構成によれば、凹状に形成された成膜配置部を有した坩堝状のハースを有するイオンプレーティング装置においても、成膜材の物性との違いに関わらずドーピング材を自由に選択することができる。

また本発明は、上記イオンプレーティング装置において、前記成膜材を前記ハースの成膜配置部に供給する成膜材供給部を備え、前記成膜材配置部は、前記ハースに貫通形成された貫通孔を有し、前記成膜材供給部は、前記貫通孔を介して前記チャンバ内に前記成膜材を供給することを特徴とする。

この構成によれば、貫通孔を介して成膜材をチャンバ内に供給する突き出し式のイオンプレーティング装置においても、成膜材の物性との違いに関わらずドーピング材を自由に選択することができる。

本発明の他のイオンプレーティング装置は、チャンバと、陰極として機能し、前記チャンバ内にプラズマビームを発生するプラズマビーム発生源と、陽極として機能し、前記チャンバ内においてプラズマビームが照射されるハースとを備え、前記ハースは、成膜材を前記チャンバ内に露出するように配置する成膜材配置部を有し、前記チャンバ内における露出面を有する少なくとも一部が成膜時にドーピングされる導電性のドーピング材で形成され、前記ハースの前記チャンバ内における露出面の面積により、前記ハースの前記露出面における電流密度を調整することを特徴とする。

この構成によれば、ハースの他にドーピング材を設けることなく、導電性材料をドーピングすることができ、部品点数を削減することができる。また、ハースの露出面の面積によりハースの露出面における電流密度を調整することで、ハースの温度を調整することができる。

本発明によれば、成膜材の物性との違いに関わらずドーピング材を自由に選択してワークに成膜することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態に係るイオンプレーティング装置は、単一のハースに配置された成膜材とドーピング材とに別々にプラズマビームを照射し、成膜材とドーピング材とを異なる温度条件で気化させることにより、成膜材とドーピング材との物性の違いに関わらずワークに対して同時かつ均一に成膜するようにしたものである。

図１および図２を参照して、イオンプレーティング装置の全体構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るイオンプレーティング装置の模式図である。図２は、本発明の実施の形態に係るハースの上面模式図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るイオンプレーティング装置１は、気密性の真空チャンバ３を備えており、真空チャンバ３の一の側壁３ａには陰極として機能するプラズマビーム発生源としてのプラズマガン４が設けられ、真空チャンバ３の底壁３ｂには陽極として機能するハース５が設けられている。また、真空チャンバ３の上壁３ｃには成膜対象のワークＷを搬送する搬送部６が設けられ、真空チャンバ３のプラズマガン４が設けられた側壁３ａに対向する側壁３ｄには酸素ガスおよびアルゴンガス等のキャリアガスを導入するガス導入口８が形成されている。

プラズマガン４は、ハース５に対してプラズマビームＰを照射するものであり、プラズマビームＰを発生させるプラズマガン本体１１と、プラズマガン本体１１の真空チャンバ３側においてプラズマガン本体１１と同軸上に配置された第１の中間電極１２および第２の中間電極１３とを有して構成されている。プラズマガン本体１１は、導体板１４を介して直流電源１６のマイナス端子に接続されており、導体板１４とハース５との間で放電を生じさせることによりプラズマビームＰを発生させている。第１の中間電極１２および第２の中間電極１３には、それぞれ永久磁石が内蔵されており、この永久磁石によりプラズマガン４により発生されたプラズマビームＰが収束される。

また、プラズマガン４の真空チャンバ３の外部に突出した部分には、周囲を取り囲むように第１のコイル１５が設けられており、この第１のコイル１５により第１の中間電極１２および第２の中間電極１３まで引き出されたプラズマビームＰが真空チャンバ３の内部に誘導される。

ハース５は、プラズマガン４から出射されたプラズマビームＰを下方に吸引するものであり、プラズマビームＰが照射されるハース電極２３と、ハース電極２３の下方に設けられたハース本体２４とから坩堝状に構成されている。ハース電極２３は、モリブデン等により形成されており、上面視中央部分には貫通孔２３ａが形成されている。ハース本体２４は、導電性材料により形成されており、上面視中央部分にはハース電極２３の貫通孔２３ａの内周面と面一となるように凹部２４ａが形成されている。ハース本体２４の凹部２４ａには、円柱状のタブレット２１が充填され、タブレット２１の上面がハース電極２３の貫通孔２３ａを介して真空チャンバ３の内部に露出される。

また、ハース電極２３の上面には、貫通孔２３ａと同心円状に環状溝２３ｂが形成され、この環状溝２３ｂに顆粒状のドーピング材２２が充填されている。なお、環状溝２３ｂの大きさは、ドーピング量がハース電極２３上面に対するドーピング材２２の割合で調整されるため、ドーピング量を考慮して形成されている。また、ハース本体２４は、上端面がハース電極２３に導通し、下端面が直流電源１６のプラス端子に接続されている。

ハース５の真空チャンバ３の外部に突出した部分には、周囲を取り囲むように第２のコイル２６が設けられており、この第２のコイル２６によりハース５に入射されるプラズマビームＰの向き等が修正される。

タブレット２１は、成膜用のＧＺＯタブレットであり、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の粉末と酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）の粉末とにより円柱状に焼結成形されている。タブレット２１の上面にプラズマビームＰが照射されると、プラズマビームＰにより加熱されて気化し、タブレット２１の上方に位置するワークＷの表面に被膜が形成される。

ドーピング材２２は、絶縁性を有する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）であり、顆粒状に成形されている。なお、以下の説明においては、顆粒状に成形したドーピング材２２を例示して説明するが、この構成に限定されるものではない。ドーピング材２２はどのように成形されていてもよく、例えば、粉状に成形されてもよいし、環状溝２３ｂに収まる環状に焼結成形されていてもよい。また、本実施の形態においては、ドーピング材として絶縁性材料を例示して説明するが、ドーピング材として導電性材料を使用してもよい。

搬送部６は、真空チャンバ３の内部においてハース５の上方にワークＷを支持している。また、直流電源１６は、可変直流電源であり、直流電源１６のマイナス端子に接続された電源ラインはプラズマガン４に直接接続され、直流電源１６のプラス端子に接続された電源ラインはハース５に直接接続されている。

このように構成されたイオンプレーティング装置１において、直流電源１６がハース５とプラズマガン４との間に直流電圧を印加すると、真空チャンバ３の内部にプラズマビームＰが発生し、ワークＷに成膜処理が行われる。

具体的には、直流電源１６によりハース５とプラズマガン４との間に直流電圧が印加されると、プラズマビームＰが発生される。このプラズマビームＰは、第１のコイル１５および第２のコイル２６等により形成される磁界に誘導されてハース５に照射される。ハース本体２４の凹部２４ａに支持されたタブレット２１はプラズマビームＰの照射により上面が加熱されて昇華される。

また、ハース電極２３に対してもプラズマビームＰが照射されるが、ドーピング材２２が絶縁性を有するため、ハース電極２３にはドーピング材２２が収容された環状溝２３ｂを除く上面にプラズマビームＰが照射される。ハース電極２３は、このプラズマビームＰが照射された被照射面における単位面積当たりのプラズマビームＰの照射量、すなわち被照射面における電流密度に応じて加熱される。ドーピング材２２は、プラズマビームＰの照射によるハース電極２３の温度上昇により加熱されて昇華される。タブレット２１およびドーピング材２２の気体は、プラズマビームＰを通過中にイオン化してワークＷの表面に付着して被膜を形成する。

ここで、図３を参照してイオンプレーティング装置におけるハース電極の電流密度の調整方法について説明する。図３は、イオンプレーティング装置におけるハース電極の電流密度の調整方法の説明図である。図３（ａ）は、被照射面の面積が大きなハース電極を使用した場合、図３（ｂ）は、被照射面の面積の小さなハース電極を使用した場合をそれぞれ示している。

なお、本実施の形態のタブレットに使用されるＧＺＯの昇華点は約１４００［℃］〜１５００［℃］であり、ドーピング材に使用されるＭｇＯの昇華点は約２８００［℃］である。また、タブレットに対するドーピング量を１０［％］として成膜するものとする。さらに、直流電源１６によりタブレット２１が昇華可能な通電量となるようにガン電流が一定に調整されているものとする。

図３（ａ）に示すように、ハース電極２３上面のプラズマビームＰが照射される被照射面の面積が大きい場合、ハース電極２３に照射されるプラズマビームＰの照射範囲が広がるため、ハース電極２３に対するプラズマビームＰの単位面積当たりの照射量、すなわち電流密度が減少する。よって、ハース電極２３の温度が低くなり、ドーピング材２２の昇華量が減少する。

一方、図３（ｂ）に示すように、ハース電極２３上面のプラズマビームＰが照射される被照射面の面積が小さい場合、ハース電極２３に照射されるプラズマビームＰの照射範囲が狭まるため、ハース電極２３に対するプラズマビームＰの単位面積当たりの照射量、すなわち電流密度が増加する。よって、ハース電極２３の温度が高くなり、ドーピング材２２の昇華量が増加する。

このように、ガン電流を一定とした場合、ハース電極２３の被照射面の面積の大きさに応じて、プラズマビームＰの単位面積当たりの照射量を調整し、ドーピング材２２の昇華量を調整することが可能となる。よって、ガン電流をタブレット２１の昇華可能な通電量に調整し、所望のドーピング材およびドーピング量に応じて異なる被照射面積を有するハース電極２３を用意しておくことで適切なドーピングが可能となる。

また、タブレット２１とドーピング材２２とを単一のハース５に配置して別々の温度条件で気化させることができるため、装置構成を単純化することができコスト低減を図ることが可能となる。さらに、ハース５においてタブレット２１を中心として対称な同心円状にドーピング材２２が配置されるため、ワークＷに対して均一に成膜することが可能となる。

以上のように、本実施の形態に係るイオンプレーティング装置１によれば、ハース５およびタブレット２１がプラズマビームＰに照射され、プラズマビームＰの照射により発生したドーピング材２２およびタブレット２１の気体がプラズマビームＰを通過してワークＷに付着して被膜が成膜される。よって、焼結温度や固溶限界を考慮してタブレット２１とドーピング材２２とを一体に成形することなく、タブレット２１およびドーピング材２２を別々の温度条件で気化させることが可能となる。また、ハース電極２３の被照射面の面積によりハース電極２３に対するプラズマビームＰの単位面積当たりの照射量を調整することで、ハースの温度を調整することができる。よって、タブレット２１とドーピング材２２とを異なる温度条件で気化させることができるため、蒸気圧や昇華点に関わらず均一に成膜することが可能となる。したがって、ドーピング材２２に応じてハース電極２３を交換して被照射面における電流密度を調整することで、タブレット２１の物性との違いに関わらずドーピング材２２を自由に選択することができる。

なお、上記した実施の形態においては、タブレット２１としてＧＺＯタブレット、ドーピング材２２として酸化マグネシウムを使用したが、この構成に限定されるものではない。例えば、プラズマビームＰの単位面積当たりの照射量を減少させて、ドーピング材２２としてマグネシウムを使用する構成としてもよい。

また、上記した実施の形態においては、タブレット２１およびドーピング材２２を昇華点まで加熱する構成としたが、この構成に限定されるものではない。タブレット２１およびドーピング材２２として使用される材料に適したエネルギー状態で気化させればよく、材料によっては、蒸発、スパッタリング等が発生するように電流密度を調整する構成としてもよい。

また、上記した実施の形態においては、ハース５の上面に環状溝２３ｂを形成して、この環状溝２３ｂに顆粒状のドーピング材２２を収容する構成としたが、この構成に限定されるものではない。ドーピング材２２がハース５に支持されていればよく、ハース５の上面にドーピング材２２を収容可能な窪みが形成されていればよい。また、例えば、ドーピング材２２が一塊で形成されていれば、環状溝２３ｂを形成することなく、単にハース５の上面に載置する構成としてもよい。

また、上記した実施の形態においては、ハース電極２３の被照射面の面積を変えることで、ドーピング材２２のドーピング量を調整する構成としたが、さらにハース電極２３とドーピング材２２との接触面積を変えることにより、ドーピング材２２のドーピング量を調整する構成としてもよい。この場合、環状溝２３ｂの深さや溝幅を変えることでドーピング量を調整することが可能となる。

また、上記した実施の形態においては、ハース電極２３の環状溝２３ｂに収容されたドーピング材２２をドーピングする構成としたが、導電性材料をドーピングする場合には、ハース電極２３またはハース電極２３を含んだハース５全体をドーピング材としてドーピングする構成としてもよい。この場合、ハース電極２３の上面全体がプラズマビームＰに照射されるため、ハース電極２３の上面の面積に応じてプラズマビームＰの単位面積当たりの照射量を調整し、ドーピング材のドーピング量を調整することが可能となる。これにより、ハース５の他にドーピング材２２を設けることなく、導電性材料をドーピングすることができ、部品点数を削減することが可能となる。

また、上記した実施の形態においては、坩堝状のハース５を使用したイオンプレーティング装置１を例に挙げて説明したが、図４に示すような環状のハース３３を使用した突き上げ式のイオンプレーティング装置３１に適用することも可能である。すなわち、ハース本体３７に上面視中央部分に貫通孔３７ａを形成し、この貫通孔３７ａに対して下方から絶縁性の突き上げ棒３９によりタブレット３４を連続供給するように構成する。

このように構成された突き上げ式のイオンプレーティング装置３１においても、ハース電極３６の被照射面の面積の大きさに応じて、プラズマビームＰの単位面積当たりの照射量を調整し、ドーピング材３５の昇華量を調整することが可能となる。

また、この突き上げ式のイオンプレーティング装置３１においては、６０［ｍｍ］以上のロングサイズのタブレットを使用する構成としてもよい。これにより、２０［ｍｍ］程度のスモールサイズのタブレットを縦一列に重ねた状態と異なり、タブレット間の合わせ目を少なくし、タブレット間の合わせ目で生じる異常放電を抑制することが可能となる。また、タブレットが消費されて細かい破片だけが、残った場合には、破片が真空チャンバ３２の内部に飛び散って汚染の原因となるが、タブレット間の合わせ目が少ないため、真空チャンバ３２の内部の汚染を抑制することも可能となる。

また、上記した実施の形態においては、ハース５を真空チャンバ３の底壁３ｂに設け、下方からワークＷの表面に成膜する構成としたが、図５に示すように、複数のハース４５を真空チャンバ４３の側壁４３ｄに設け、側方からワークＷの表面に成膜する構成としてもよい。この構成により、ワークＷを立てた状態でワークＷの表面に成膜することができ、ワークＷを水平した状態のように自重により撓むことがないため、大面積の大型ワークに成膜することが可能となる。

また、上記した実施の形態においては、成膜材して酸化亜鉛および酸化ガリウムの粉末により焼結成形したタブレットを使用したが、ワークＷを成膜するものであればこれに限定されるもではない。

また、上記した実施の形態においては、ハース５の中央にタブレット２１を収容して、ハース５とタブレット２１とを近接配置した例を示して説明したが、タブレット２１がハース５に近接配置されていれば、ハース５の中央にタブレット２１を収容する構成に限定されない。

また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

以上説明したように、本発明は、成膜材の物性との違いに関わらずドーピング材を自由に選択できるという効果を有し、特に成膜時にドーピング材をドーピングするイオンプレーティング装置に有用である。

本発明に係るイオンプレーティング装置の実施の形態を示す図であり、イオンプレーティング装置の模式図である。 本発明に係るイオンプレーティング装置の実施の形態を示す図であり、ハースの上面模式図である。 本発明に係るイオンプレーティング装置の実施の形態を示す図であり、イオンプレーティング装置によるハース電極の電流密度の調整方法の説明図である。 本発明に係るイオンプレーティング装置の第１の変形例を示す図である。 本発明に係るイオンプレーティング装置の第２の変形例を示す図である。

符号の説明

１ イオンプレーティング装置
３ 真空チャンバ（チャンバ）
４ プラズマガン（プラズマビーム発生源）
５ ハース
２１ タブレット（成膜材）
２２ ドーピング材
２３ ハース電極
２３ａ 貫通孔（成膜材配置部）
２３ｂ 環状溝（ドーピング材支持部）
２４ ハース本体
２４ａ 凹部（成膜材配置部）
２６ 第２のコイル
Ｐ プラズマビーム
Ｗ ワーク

Claims (6)

1. チャンバと、陰極として機能し、前記チャンバ内にプラズマビームを発生するプラズマビーム発生源と、陽極として機能し、前記チャンバ内においてプラズマビームが照射されるハースとを備え、
   前記ハースは、成膜材を前記チャンバ内に露出するように配置する成膜材配置部と、前記チャンバ内における露出面において成膜時にドーピングされるドーピング材を支持するドーピング材支持部とを有し、
   前記ハースの露出面のうち前記プラズマビームが照射される被照射面の面積により、前記ハースの前記被照射面における電流密度を調整することを特徴とするイオンプレーティング装置。
2. 前記ドーピング材支持部は、前記ハースの露出面に形成された窪みから成ることを特徴とする請求項１に記載のイオンプレーティング装置。
3. 前記成膜材配置部は、前記ハースの露出面の中央部分に形成され、
   前記ドーピング材支持部は、前記成膜材支持部に配置された成膜材を中心として対称に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオンプレーティング装置。
4. 前記成膜材配置部は、前記ハースの露出面に凹状に形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のイオンプレーティング装置。
5. 前記成膜材を前記ハースの成膜配置部に供給する成膜材供給部を備え、
   前記成膜材配置部は、前記ハースに貫通形成された貫通孔を有し、
   前記成膜材供給部は、前記貫通孔を介して前記チャンバ内に前記成膜材を供給することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のイオンプレーティング装置。
6. チャンバと、陰極として機能し、前記チャンバ内にプラズマビームを発生するプラズマビーム発生源と、陽極として機能し、前記チャンバ内においてプラズマビームが照射されるハースとを備え、
   前記ハースは、成膜材を前記チャンバ内に露出するように配置する成膜材配置部を有し、前記チャンバ内における露出面を有する少なくとも一部が成膜時にドーピングされる導電性のドーピング材で形成され、
   前記ハースの前記チャンバ内における露出面の面積により、前記ハースの前記露出面における電流密度を調整することを特徴とするイオンプレーティング装置。
   

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