JP2013218881A - プラズマ発生装置並びに蒸着装置および蒸着方法 - Google Patents

プラズマ発生装置並びに蒸着装置および蒸着方法 Download PDF

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Abstract

【課題】プラズマアシスト法によって膜に欠陥を生じず高品質の成膜が可能な蒸着装置や蒸着方法を提供する。
【解決手段】チャンバ2と、チャンバ2の内部に臨むように配設され、電子を放出するカソード7、第1電極8、第2電極9および収束コイル11とを備える圧力勾配型のプラズマガン3と、磁束をチャンバ2内に形成する補助磁石4とを有する蒸着装置を使用し、収束コイル11に磁束の向きが変動する励磁電流を印加し、第2電極9内の極内コイル13に励磁電流と同期して変動する電流を印加することで、プラズマを形成するための電子を案内する磁束の経路を変化させながら蒸着を行う。
【選択図】図1

Description

本発明は、プラズマ発生装置並びに蒸着装置および蒸着方法に関する。
プラズマを形成して蒸着を促進するプラズマアシスト法を行う蒸着装置が知られている。プラズマアシスト法を行う場合、ガラス基板等の被蒸着体をプラズマの近くに配置すると、被蒸着体が過熱されてその表面にイオンスパッタが発生し、蒸着により形成した膜に欠陥を生じ得る。
プラズマガンは、一般に、放出した電子を案内する磁束を形成するために収束コイルを備える。そこで、特許文献1および特許文献2に記載された蒸着装置では、磁石を用いて、収束コイルが形成した磁束を屈曲させ、或いは、屈曲した合成磁場を形成し、蒸着原料のるつぼの近くにプラズマが形成されるようにしている。しかしながら、被蒸着体とプラズマとの距離が遠くなると、蒸発した原料の活性が低下して膜質が悪くなるという問題がある。
特開平7−76770号公報 特開2001−295031号公報
前記問題点に鑑みて、本発明は、プラズマアシスト法に適したプラズマを形成できるプラズマ発生装置、並びに、プラズマアシスト法によって蒸着膜に欠陥を生じさせず高品質の成膜が可能な蒸着装置および蒸着方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明によるプラズマ発生装置は、チャンバと、前記チャンバの内部に臨むように配設され、電子を放出するカソードおよび前記カソードが放出した電子を案内する磁束を形成する収束コイルを備えるプラズマガンと、磁束を前記チャンバ内に形成する補助磁石とを有し、前記収束コイルに磁束の向きが変動する励磁電流を印加するものとする。
この構成によれば、励磁電流の電流変化にともなって、収束コイルが形成する磁束と補助磁石が形成する磁束との合成磁束の経路が変化する。これにより、プラズマが形成される範囲が移動、典型的には、補助磁石に接近または離間するように、プラズマが形成される範囲が屈曲または伸長する。これにより、プラズマを移動させて、プラズマの範囲が固定されることにより生じる被蒸着体の過熱等の不具合を回避できる。
また、本発明のプラズマ発生装置において、前記プラズマガンは、前記カソードと前記収束コイルとの間に、第1電極および第2電極を備える圧力勾配型プラズマガンであり、前記第2電極は、内部に電極内コイルが配設されており、当該プラズマ発生装置は、前記電極内コイルに前記励磁電流と同期して変動する極内電流を印加してもよい。
この構成によれば、電極内コイルが形成する磁束の向きと、収束コイルが形成する磁束の向きとが同調するので、カソードから放出された電子を収束コイルが形成した磁束に捕捉させやすく、電子の移動が安定する。このため、プラズマを安定して発生させられる励磁電流の変化の許容度が高く、電流変動に対するプラズマ発生範囲の移動の追従が早い。
また、本発明のプラズマ発生装置において、前記励磁電流と前記極内電流とは、同位相の相似な周期的波形を有し、前記励磁コイルと前記電極内コイルとに同じ極性の磁束を形成させてもよい。
この構成によれば、励磁コイルと電極内コイルの極性を完全に一致させることで、電子の移動が安定するとともに、励磁電流および極内電流を同一の電源または同じ制御信号によって制御される回路を用いて発生させられるので、構成が簡単である。
また、本発明のプラズマ発生装置において、前記補助磁石は、前記プラズマガンと反対側の前記チャンバの外側に、磁極の向きが前記プラズマガンの軸と交差するように配設されてもよい。
この構成によれば、補助磁石は、合成磁束をプラズマガンの軸から外れるように屈曲させ得るので、プラズマ発生範囲を容易に揺動できる。
また、本発明による蒸着装置の第1の態様は、前記プラズマ発生装置のいずれかを備えるものとする。
また、本発明による蒸着装置の第2の態様は、被蒸着体を保持するチャンバ内に電子を放出することによりプラズマを形成して蒸着を行う蒸着装置であって、前記チャンバ内に放出した電子を案内する磁束の経路を変化させながら蒸着を行うものとする。
また、本発明による蒸着方法は、被蒸着体を保持するチャンバ内に電子を放出することによりプラズマを形成し、前記チャンバ内に放出した電子を案内する磁束の経路を変化させながら蒸着を行うものとする。
これらの蒸着装置や蒸着方法によれば、被蒸着体の過熱による蒸着被膜の欠陥の発生を防止しながら、蒸発した原料の活性を高めて蒸着被膜の品質を向上させられる。
以上のように、本発明によれば、電子を案内する磁束の経路を変化させることにより、プラズマの発生範囲を移動させられ、プラズマの作用を調節できる。
本発明の第1実施形態の蒸着装置の概略構成図である。 本発明の第2実施形態の蒸着装置の概略構成図である。
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1実施形態である蒸着装置1の構成を示す。蒸着装置1は、内部を真空排気可能なチャンバ2と、チャンバ2の側壁に設けた開口からチャンバ2の内部を望むように配設された圧力勾配型プラズマガン3と、チャンバ2のプラズマガン3と反対側の側壁の外側に配設された永久磁石からなる補助磁石4とを有する。
チャンバ2は、内部空間の上部に、表面に金属を蒸着すべき被蒸着体であるガラス基板5を保持でき、底部に蒸着原料を溶解するためのるつぼ6が配設されている。
プラズマガン3は、電子を放出するカソード7と、電子の軌道に沿って電位勾配を形成する第1電極8および第2電極9と、カソード7が放出した電子を回収する帰還電極10と、カソード7が放出した電子を案内する磁束を形成する収束コイル11とを有する。第1電極8は、内部に永久磁石12を収容した中空環状の電極である。第2電極9は、内部に空芯コイルからなる極内コイル13を収容した中空環状の電極である。プラズマガン3は、例えばアルゴンのような電離してプラズマ化するガスを、カソード7,第1電極8、第2電極9、帰還電極10および収束コイル11の中心を貫通して噴射するようになっている。
また、プラズマガン3は、インバータからなり、第2電極9の極内コイル13に交流電流である極内電流を印加するための極内励磁電源14と、インバータからなり、収束コイル11に交流電流である励磁電流を印加するための収束励磁電源15と、極内励磁電源14および収束励磁電源15を制御する制御装置16とを有する。極内励磁電源14と収束励磁電源15とは、巻線方向が同じ、つまり、印加される電流に対して発生する磁束の向きが同じである。また、本実施形態において、制御装置16は、極内励磁電源14と収束励磁電源15とに、同一周波数で同位相の同期した正弦波電流を出力させるようになっている。
補助磁石4は、プラズマガン3の中心軸からずらして、両極間の向きがプラズマガン3の中心軸と直交するように、具体的には、S極がプラズマガン3の中心軸の方向を向いて配置されている。
収束コイル11が、チャンバ2側がN極になるような磁束を形成すると、収束コイル11が形成した磁束は、補助磁石4に引き寄せられる。つまり、収束コイル11が形成した磁束と補助磁石4が形成した磁束との合成磁場は、プラズマガン3の中心軸から補助磁石4に向かって逸れるように湾曲する。プラズマガン3から放出された電子は、磁束にからみつくように移動するので、プラズマガン3から噴射されたガスを電離してプラズマを形成する範囲も、一点鎖線で図示する範囲A1のように、補助磁石4側に湾曲する。
収束コイル11が、チャンバ2側がS極になるような磁束を形成すると、収束コイル11が形成した磁束と補助磁石4が形成した磁束とが反発しあうので、プラズマガン3から放出された電子を案内する連続した磁束を形成できない。このため、電子は、磁束に案内されることなく、略プラズマガン3の中心軸に沿って直進し、二点鎖線で図示する範囲A2のように、略プラズマガン3の中心軸に沿う領域にプラズマを形成する。尚、収束コイル11が形成する磁束と補助磁石4が形成する磁束とのバランスによっては、プラズマが形成される範囲が補助磁石4から離間する場合もある。
したがって、収束励磁電源15によって、収束コイル11に交流の励磁電流を印加すると、プラズマが形成される範囲が、励磁電流に同期して揺動する。つまり、チャンバ2内のプラズマは、収束コイル11に印加される励磁電流と同じ周期で、ガラス基板5に対して接近および離間を繰り返す。
このように、蒸着装置1は、プラズマをガラス基板5から周期的に離間させることで、ガラス基板5がプラズマから受ける熱量を低減する。これにより、ガラス基板5の温度が過度に上昇することによって生じ得る蒸着被膜の欠陥が防止される。同時に、蒸発した蒸着原料分子を活性化するプラズマをガラス基板5に周期的に接近させることで、膜質や成膜効率を向上させ得る。
また、プラズマガン3は、第2電極9の極内コイル13に励磁電流と同期した極内電流を印加しているので、極内コイル13が形成する磁束と、収束コイル11が形成する磁束とが一体となり、プラズマガン3の内部を貫通する合成磁束が形成される。このため、カソード7から放射された電子は、プラズマガン3の内部において、収束コイル11および極内コイル13が形成する磁束に捕らえられ、チャンバ2内に放出された後も、収束コイル11の磁束に沿って進む。これにより、収束コイル11の磁束の変化に対して、電子の移動経路を応答よく追従させることができ、プラズマの形成範囲を安定して揺動させられる。
尚、プラズマガン3の起動直後は、カソード7の温度が低く、電子が不安定であるため、励磁電流および極内電流を直流電流とし、カソード7の温度が上昇して安定した熱電子の放出状態となってから、励磁電流を変動させることが望ましい。
本実施形態において、制御装置16は、蒸着のコンディションを調整するために、極内励磁電源14および収束励磁電源15の出力波形を変化させたり、周波数を変化させたりすることによって、プラズマの揺動範囲や揺動周期を調節してもよい。尚、極内電流および励磁電流の周波数が高いと、表皮効果によって収束コイル11や極内コイル13での損失が大きくなるので、それらの周波数の上限を数百Hz程度とすることが好ましい。
また、外部の磁界の影響等を考慮して、極内コイル13に印加する極内電流の位相と、収束コイル11に印加する励磁電流の位相とを若干ずらしてもよい。また、簡素化のために、収束コイル11と極内コイル13には、同一の電源によって電流を印加するように構成してもよい。また、補助磁石4は、キュリー温度以上に熱せられると磁力を失うため、チャンバの外部に配置することが好ましいが、チャンバの内部に配置してもよく、補助磁石4を冷却するようにしてもよい。
続いて、図2に、本発明の第2実施形態の蒸着装置1aを示す。本実施形態において、第1実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
本実施形態のプラズマガン3aは、従来どおり、収束コイル11および極内コイル13に直流電流のみが印加されるものである。本実施形態では、収束コイル11が発生する磁束を変化させる代わりに、プラズマガン3と反対側のチャンバ2の外側に配設した2つの補助磁石4a,4bによって、収束コイル11が放出した電子を案内するために発生させた磁束の経路を移動させるようになっている。
補助磁石4a,4bは、電磁石からなり、プラズマガン3aの中心軸を挟んで、ガラス基板5と反対側およびガラス基板5に近い側に配設されている。補助磁石4a,4bには、不図示の電源によって、周期的に変動し、例えば90°位相が異なる補助電流が印加されるようになっている。つまり、本実施形態では、2つの補助磁石4a,4bが発生する磁束を周期的に変化させることにより、収束コイル11と補助磁石4a,4bとの合成磁束を揺動させる。
本実施形態においても、チャンバ2内において、プラズマガン3aが放出した電子を案内する磁束の経路が揺動するので、ガラス基板5の過熱防止や、蒸発した金属分子の活性化が可能である。
尚、補助磁石4a,4bのいずれか一方だけでも、磁束を揺動させられ、さらに多数の補助磁石を用いてもよい。補助磁石4a,4bに印加する補助電流の位相差や、波形等は、蒸着のコンディション調整のために変更してもよい。また、永久磁石からなる補助磁石を機械的に移動させるようにしてもよい。
さらに、本発明によれば、第1実施形態に係る収束コイル11が形成する磁束を変化させる方法と、第2実施形態に係る補助磁石4a,4bが形成する磁束を変化させる方法とを組み合わせることもできる。
加えて、本発明は、蒸着条件の調整のために、カソード出力のアップスロープおよびダウンスロープによるプラズマ密度制御等と組み合わせることもできるため、より広範な条件設定により、高品質の蒸着を可能とする。
また、本発明は、蒸着だけでなく、プラズマを用いてプロセスを促進する装置や方法に広く適用できる。
1,1a…蒸着装置
2…チャンバ
3,3a…プラズマガン
4,4a,4b…補助磁石
5…ガラス基板(被蒸着体)
6…るつぼ
7…カソード
8…第1電極
9…第2電極
10…帰還電極
11…収束コイル
12…永久磁石
13…極内コイル
14…極内励磁電源
15…収束励磁電源
16…制御装置
A1,A2…プラズマ形成範囲

Claims (7)

  1. チャンバと、
    前記チャンバの内部に臨むように配設され、電子を放出するカソードおよび前記カソードが放出した電子を案内する磁束を形成する収束コイルを備えるプラズマガンと、
    磁束を前記チャンバ内に形成する補助磁石とを有し、
    前記収束コイルに磁束の向きが変動する励磁電流を印加することを特徴とするプラズマ発生装置。
  2. 前記プラズマガンは、前記カソードと前記収束コイルとの間に、第1電極および第2電極を備える圧力勾配型プラズマガンであり、
    前記第2電極は、内部に電極内コイルが配設されており、
    前記電極内コイルに前記励磁電流と同期して変動する極内電流を印加することを特徴とする請求項1に記載のプラズマ発生装置。
  3. 前記励磁電流と前記極内電流とは、同位相の相似な周期的波形を有し、前記励磁コイルと前記電極内コイルとに同じ極性の磁束を形成させることを特徴とする請求項2に記載のプラズマ発生装置。
  4. 前記補助磁石は、前記プラズマガンと反対側の前記チャンバの外側に、磁極の向きが前記プラズマガンの軸と交差するように配設されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
  5. 請求項1から4のいずれかに記載のプラズマ発生装置を備えることを特徴とする蒸着装置。
  6. 被蒸着体を保持するチャンバ内に電子を放出することによりプラズマを形成して蒸着を行う蒸着装置であって、
    前記チャンバ内に放出した電子を案内する磁束の経路を変化させながら蒸着を行うことを特徴とする蒸着装置。
  7. 被蒸着体を保持するチャンバ内に電子を放出することによりプラズマを形成し、前記チャンバ内に放出した電子を案内する磁束の経路を変化させながら蒸着を行うことを特徴とする蒸着方法。
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