JP2011003581A - 成膜装置および薄膜素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ電流が真空容器内のグランド電位のものに流れる現象を抑制し、安定して成膜を行うことのできる成膜装置を提供する。
【解決手段】プラズマガンのプラズマ室1は、成膜室10に連結され、連結部側から順に、陽極4、中間電極3および陰極2が配置されている。陽極4と成膜室10との間には、グランド電位のグリッド5が備えられている。これにより、プラズマ電流の一部は、グランド電位のグリッド5に流れるため、成膜室内のグランド電位の物体にプラズマ電流が流れるのを防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高密度プラズマを用いて成膜を行う成膜装置に関する。

プラズマガンによって直流高密度プラズマを生成し、このプラズマを主容器内の空間に引き出して成膜等に利用するプラズマプロセシング装置が特許文献１に開示されている。特許文献１のプラズマガンは、アーク放電を用いる圧力勾配型であり、陰極、中間電極、リング状の陽極を備えている。プラズマ流は、リング状の陽極を抜けて主容器内に入り、主容器内に広がり、空間電荷との多数回の衝突の後リング状陽極に戻ると記載されている。

特許文献１のようにプラズマガンの内部に陽極を設けることにより、陽極表面に材料膜が付着しにくく、プラズマおよび成膜プロセスを安定化することができる。特に成膜物質の電気的絶縁性が高い時に、この成膜方法は有効である。

特開平８−２２８０２号公報

特許文献１のようなプラズマガンを用いてイオンプレーティング等の成膜を行う場合には、例えばルツボに入れた蒸発材料を電子銃等の加熱方法により蒸発させ、プラズマ流を通過した蒸発材料の蒸気を基板に堆積させる。この際、他の成膜方法と同様に、水晶振動子モニタ等により成膜速度をモニタし、必要に応じて電子銃にフィードバックをかけ成膜速度を制御するのが一般的である。

しかしながら、直流高密度プラズマを用いる成膜方法の場合、プラズマ電流の一部がルツボや成膜モニタの水晶振動子等のグランド電位の物体に流れるという問題がある。しかも、これらのグランド電位のものに膜が付着することにより、流れる電流量が変化し、成膜プロセスが安定しないという問題も生じる。

本発明の目的は、プラズマ電流が真空容器内のグランド電位の物体に流れる現象を抑制し、安定して成膜を行うことの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、本発明の第１の態様によれば、以下のような成膜装置が提供される。すなわち、圧力勾配型のプラズマガンと、プラズマガンが形成したプラズマを引き込む成膜室とを有する成膜装置であって、プラズマガンは、成膜室に連結されたプラズマ室と、プラズマ室と成膜室との連結部側から順に配置された、陽極、中間電極および陰極とを備え、陽極と成膜室との間にはグランド電位のグリッドが配置されている。これにより、プラズマ電流の一部は、グランドグリッドに流れるため、成膜室内のグランド電位の物にプラズマ電流が流れる現象を抑制することができる。

グランド電位のグリッドは、プラズマを通過させるための貫通孔を有する構成とすることが望ましい。圧力勾配型のプラズマガンにおいて、貫通孔を備える構成とすることにより、プラズマの近くにグリッドを配置できるからである。

また、本発明の第２の態様によれば、プラズマ軸に沿って順に配置された陽極と中間電極と陰極とを備えたプラズマガンによって形成したプラズマを成膜室に引き込み、基板上に薄膜を形成する薄膜素子の製造方法であって、陽極と成膜室との間に、グランド電位のグリッドを配置した状態で薄膜を形成する方法が提供される。

成膜室内に配置すべきグランド電位の物品は、グランド電位のグリッドとプラズマとの距離よりもプラズマから離れた位置に配置することが望ましい。

本発明によれば、プラズマ電流の一部はグランド電位のグリッドに流れ、真空容器内のグランド電位の物体に流れる現象が抑制されるため、安定して成膜を行うことができる。例えば、真空容器内のグランド電位の機器（成膜モニタ等）の破損やノイズの重畳を防止できる。また、グランド電位の坩堝の成膜速度の制御性も向上させることが可能である。

本実施形態のイオンプレーティング装置の構成を示すブロック図。 比較例のイオンプレーティング装置の構成を示すブロック図。

以下、本発明の一実施の形態について説明する。

本発明は、プラズマ電流が真空容器内のグランド電位の物体に流れる現象を抑制するために、プラズマにより近い位置にグランドグリッドを配置する。

具体的に、本実施形態のイオンプレーティング装置について図１を用いて説明する。図１に示した装置は、連結されたプラズマチャンバー1と成膜チャンバー10とを有している。プラズマチャンバー1には、陰極2、第１および第２の中間電極3、陽極4、グランドグリッド5がプラズマ引き出し軸20に沿って順に配置されている。

陰極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）に移行させるのに適した公知の複合陰極構造である。また、プラズマチャンバー1には、放電ガス4を導入するための放電ガス導入口6が備えられている。

第１および第２の中間電極3、陽極4およびグランドグリッド5は、プラズマ11を通過させるための貫通孔をその中心に有する。これら貫通孔は、オリフィスとしても作用し、プラズマチャンバー1の圧力を成膜チャンバー7の圧力よりも高く維持し、圧力勾配を形成する。

陰極2と陽極4には、電源7が接続され、所定の電圧が印加されている。第１および第２の中間電極3には、陰極2の電位と陽極4の電位の間の中間電位が印加されるように所定の抵抗8を介して電源7に接続されている。これにより、プラズマ11に電位勾配が付与され、陰極2から陽極4へスムーズに導かれる。

グランドグリッド5は接地され、グランド電位である。陽極4の電位は、グランドグリッド5の電位よりも高い。

プラズマチャンバー1の外側には、中心軸がプラズマ引き出し軸20に一致するように電磁石9が配置されている。電磁石9は、プラズマ引き出し軸20方向の磁場を形成する。陰極2から生じたプラズマ11は、電磁石9の磁場により、プラズマ引き出し軸20を中心にビーム状に収束され、電位勾配により陽極4に導かれた後、グランドグリッド5の中央の穴を通過し、成膜チャンバー10内の空間に引き出される。引き出されたプラズマ11は、成膜チャンバー10内の空間に広がり、中性粒子と多数回の衝突の後、陽極4に戻る。

成膜チャンバー10には、基板13を保持する基板ホルダー14と、固体材料の蒸発源17が充填された坩堝12と、坩堝12の固体材料を加熱する電子銃等の加熱手段（不図示）と、原料ガス導入管（不図示）が備えられている。成膜チャンバー10には、成膜速度を計測するための水晶振動子等の成膜モニタ15が配置されている。成膜チャンバー10に設けられた排気口16は、不図示の真空排気装置に接続されている。

成膜モニタ15および坩堝12は接地され、グランド電位である。

図１のイオンプレーティング装置を用いて、基板13上に所定材料を成膜する際の各部の動作を説明する。

坩堝12には蒸発源17の固体材料を充填しておく。成膜チャンバー10内のグランド電位の物品、すなわち成膜モニタ15と坩堝12は、プラズマ11との距離が、プラズマ11とグランドグリッド5との距離（具体的には、プラズマ軸20とグランドグリッド5との距離）よりも大きくなるように配置する。成膜チャンバー10の基板ホルダー14に基板13を設置し、成膜チャンバー10およびプラズマチャンバー1を真空排気する。十分に排気した後、プラズマチャンバー2の放電ガス導入口6から放電ガス４を導入する。

電源7から陰極２と陽極５との間に電圧を印加し、グロー放電によるプラズマを生じさせる。中間電極3には、陰極2の電位と陽極4の電位の間の中間電位を印加し、プラズマに電位勾配を与えてプラズマを陰極2から陽極4へ方向導く。３〜５分ほどグロー放電を続けると、陰極が加熱され熱電子を放出するようになる。このようになるとグロー放電は電離度を上げ、高密度放電すなわちアーク放電に移行する。プラズマ11は、電磁石9の磁場により収束され、陽極4およびグランドグリッド5の貫通孔を通って成膜チャンバー10内に引き出される。

成膜チャンバー内には、必要に応じて原料ガスを導入すると、プラズマ11によって電離され、放電ガスと原料ガスの混合プラズマを形成することが可能である。

坩堝21内の蒸発源を電子銃等で加熱、蒸発させると、蒸発した材料は、プラズマ11を通過して、プラズマ11により活性化され、または原料ガスプラズマと反応しながら基板13上に堆積し、所定の膜を形成する。成膜モニタ15は、成膜速度をモニタする。必要に応じて、モニタ結果により電子銃等の加熱手段にフィードバック制御をかけ、成膜速度を制御する。

成膜チャンバー10内に引き出されたプラズマ11は、チャンバー10内の空間に広がり、中性粒子との多数回の衝突の後、陽極4に戻る。この時、大部分のプラズマ電流は、陽極4に流れるが、一部のプラズマ電流が、グランド電位の物体にも流れる。本実施形態では、グランド電位である坩堝12や成膜モニタ15に、プラズマ電流が流れるのを防止するため、プラズマ11により近い位置にグランドグリッド5を配置している。よって、陽極4に戻らないプラズマ電流のほとんどをグランドグリッド5に流すことができる。

また、グランドグリッド5は、プラズマチャンバー1側にあるため、ほとんど膜付着を生じない。このため、グランドグリッド5に流れるプラズマ電流量が膜付着に伴って変化することがなく、成膜プロセスを安定化することができる。

これに対し、比較例として、図２のようにグランドグリッド5が配置されていない装置の場合には、プラズマ電流の一部は、グランド電位の坩堝12や成膜モニタ15に流れるため、坩堝12や成膜モニタ15に付着する膜厚が変化するのに伴い、流れるプラズマ電流が変化し、成膜プロセスが不安定になる。

また、成膜モニタ15として水晶振動子を用いている場合、比較例のように、水晶振動子にプラズマ電流が多量に流れ込むと、振動子が割れることがあるが、本実施形態の図１の装置ではプラズマ電流が水晶振動子にほとんど流れ込まないため、振動子が割れる現象を防止できる。

また、比較例のように、水晶振動子にプラズマ電流が流れると、検出信号のノイズになるが、本実施形態の図１の装置では水晶振動子にほとんどプラズマ電流が流れ込まないため、ノイズの少ない検出信号を精度よく得ることができる。

さらに、本実施形態の装置では、坩堝12にプラズマ電流が流れないため、成膜速度をフィードバック制御する場合に制御性が向上する。

本実施形態では、一例としてイオンプレーティング装置について説明したが、イオンプレーティング装置に限らず、本発明はプラズマ11を利用する装置であれば適用することが可能である。例えば、CVD装置やスパッタリング装置等の成膜装置や、プラズマ処理装置等に用いることが可能である。

本実施形態の成膜装置を用いることにより、LEDやLD等の各種の発光素子、液晶ディスプレイ等の各種の表示装置、誘電体膜や圧電膜を備えたスキャナー等の駆動素子の成膜を行うことが可能である。

１…プラズマチャンバー、２…陰極、３…第１および第２の中間電極、４…陽極、５…グランドグリッド、６…放電ガス導入口、７…電源、８…抵抗、９…電磁石、１０…成膜チャンバー、１１…プラズマ、１２…坩堝、１３…基板、１４…基板ホルダー、１５…成膜モニタ、１６…排気口、１７…蒸発源。

Claims (4)

1. 圧力勾配型のプラズマガンと、前記プラズマガンが形成したプラズマを引き込む成膜室とを有し、
   前記プラズマガンは、前記成膜室に連結されたプラズマ室と、前記プラズマ室と成膜室との連結部側から順に配置された、陽極、中間電極および陰極とを備え、
   前記陽極と前記成膜室との間にはグランド電位のグリッドが配置されていることを特徴とする成膜装置。
2. 請求項１に記載の成膜装置において、前記グランド電位のグリッドは、前記プラズマを通過させるための貫通孔を有することを特徴とする成膜装置。
3. プラズマ軸に沿って順に配置された陽極と中間電極と陰極とを備えたプラズマガンによって形成したプラズマを成膜室に引き込み、基板上に薄膜を形成する薄膜素子の製造方法であって、
   前記陽極と成膜室との間に、グランド電位のグリッドを配置した状態で前記薄膜を形成することを特徴とする薄膜素子の製造方法。
4. 請求項３に記載の薄膜素子の製造方法において、前記成膜室内のグランド電位の物品を、前記グランド電位のグリッドと前記プラズマとの距離よりも前記プラズマから離れた位置に配置して、前記薄膜を形成することを特徴とする薄膜素子の製造方法。

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