JP2020181745A - イオン源及び蒸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン源においてイオンビームの電流量とエネルギーを広範囲で制御可能なイオン源を提供する。【解決手段】イオン源１は、放電室２と、プラズマを生成するプラズマ生成手段と、放電室２からイオンビームを引き出す複数の第１の貫通孔５ａを有する第１電極５と、第１の電極５よりも放電室２から遠い位置に配置された複数の第２の貫通孔６ａを有する第２の電極６と、第２の電極６よりも放電室２から遠い位置に配置された複数の第３の貫通孔７ａを有する第３の電極７を備え、放電室２の内部に、イオンビームの大きさを補正する補正電極１１を有し、補正電極１１に負の電位を制御して印加する電源１０を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、放電室の内部に金属電極を配置したイオン源及びこのイオン源を備える蒸着装置に関する。

光学薄膜の成膜方法において、イオン源を用いるイオンビームアシスト蒸着が用いられてきた。イオンビームアシスト蒸着では、膜の結晶性、配向性、付着強度、膜の緻密性などが向上し、光学薄膜においては光の吸収散乱の少ない高品質な膜が成膜できる。

一般に、光学薄膜は酸化物が多く使用されており、酸素イオンビームを使用するプロセスが多い。この際、酸素イオンビームは、膜の種類や成膜レートに応じて成膜中に基板に照射するイオンビームの電流密度とエネルギーを適切に設定する必要がある。そのため、様々な膜の種類や成膜レートに対応するためにイオン源には、イオンビームの電流量とイオンエネルギーを幅広く操作できることが求められている。

イオン源のイオンビーム電流量を増やすには、グリッドから引き出される単位面積当たりのビーム電流量を増やすために放電室内のプラズマ密度を高める方法がある。また、イオンビーム電流量を増やすには、単位面積当たりのビーム電流量を保ったままビームを引き出すグリッドを大面積化し総電流量を増やす方法が考えられる。この時、プラズマ密度を高める方法では、プラズマ密度が一定以上に増加するとプラズマ生成効率が低下するため、数Ａ程度の大電流のイオンビームが必要な場合はグリッドを大面積化する方法が有効である。また、特にイオンビームのエネルギーが低い場合、イオンの空間電荷効果によりビームが発散してしまうためグリッド単位面積当たりのビーム電流量に制限が発生する。

このように、大電流のイオンビーム、特に低エネルギーの大電流イオンビームを引き出すには、グリッドの大面積化が重要となる。しかし、グリッドを大面積化する方法では逆に数百ｍＡ程度の小電流量のビームが必要な場合にプラズマ密度を極端に低くすることが必要となり、プラズマを安定して生成することが困難となる課題がある。

特許文献１は、プラズマが存在する放電室内に部材を配置し、プラズマに局所的な損失を与えてプラズマ密度を減少させるイオン源を開示している。

特開２００３−２４２８９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のイオン源は、チャンバー内のプラズマ密度を均一化することを目的としていて、チャンバー内に設ける部材でイオンビーム量を制御することを目的にしていない。また、引用文献１に記載のイオン源は、プラズマ密度の減少の程度は部材の形状や配置により決まるため、異なる種類の成膜を行う場合には部材の交換をする必要があるという課題がある。

本発明は、イオン源においてイオンビームの電流量とエネルギーを広範囲で制御可能なイオン源を提供することを目的とする。

本発明のイオン源は、放電室と、プラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記放電室からイオンビームを引き出す複数の第１の貫通孔を有する第１電極と、前記第１の電極よりも前記放電室から遠い位置に配置された複数の第２の貫通孔を有する第２の電極と、前記第２の電極よりも前記放電室から遠い位置に配置された複数の第３の貫通孔を有する第３の電極を備え、前記放電室の内部に、前記イオンビームの大きさを補正する補正電極を有し、前記補正電極に負の電位を制御して印加する電源を有することを特徴とする。

本発明の蒸着装置は、チャンバーと、前記チャンバーの内部に配置され、ワークを保持するホルダと、前記ホルダに対向して配置された蒸着源と、上記のイオン源と、を備えたことを特徴とする蒸着装置。

本発明によれば、部品の交換作業なくイオンビームの電流量とエネルギーを広範囲で制御可能となる。

第１実施形態のイオン源の模式図である。 第１実施形態における電流の関係を示す模式図である。 補正電圧に対する電流の変化の関係を示す模式図である。 実施形態の補正電極の模式図である。 実施形態の第１の電極の開口と補正電極の開口の関係を示す模式図である。 実施形態に係る電流補正電極の開口形状および分布の一例を示す模式図である。 実施形態のイオン源を搭載した成膜装置の模式図である。 第２実施形態のマイクロ波を用いたイオン源の一例を示す模式図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて詳述する。

（第１の実施形態）
図１は、第１実施形態に係るイオン源を示す説明図である。第１実施形態のイオン源１は、プラズマ生成手段として誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を使用する。

イオン源１は、石英からなる放電室２内にガス導入管（不図示）からプラズマ化させるガスを導入し、高周波コイル３に高周波電源（不図示）から電力を投入しプラズ４を生成する。イオンビームの引き出し電極は、放電室２側から第１の電極（スクリーン電極）５を有している。第１の電極５は、複数の第１の貫通孔５ａを有しており、スクリーン電源８により正の電圧を印加される。

引き出し電極は、第１の電極５よりも放電室２よりも遠い位置に配置された第２の電極（アクセル電極）６を有している。第２の電極６は、複数の第２の貫通孔６ａを有しており、アクセル電源９により負の電圧を印加される。引き出し電極は、更に、グランドに接続する第３の電極（ディセル電極）７を有する。第３の電極７は、複数の第３の貫通孔７ａを有している。本明細書において、スクリーン電源８により第１の電極５に印加する電圧をスクリーン電圧、アクセル電源９によりアクセルグリッドに印加する電圧をアクセル電圧と言う。第１の貫通孔５ａと第２の貫通孔６ａと第３の貫通孔７ａは、貫通孔の開口が円形である場合、略同心円の貫通孔であることが好ましい。第１の電極５、第２の電極６および第３の電極７は、ドーム状であっても平板状であっても良いが、イオンビームを広げることが容易なのでドーム状であることが好ましい。

イオン源１は、放電室２の内部に、第１の電極５と対向する位置に電極間距離Ｌだけ離してイオンビームの大きさを補正する補正電極１１が配置される。補正電極１１は、補正電源１０によりスクリーン電圧を基準に負電圧となる電圧を制御して印可することができ、補正電圧Ｖ_ｃが印加される。補正電極１１は、放電室２内の高周波コイル３側で生成されたプラズマ４が第１の電極５側へ拡散できるように複数の開口１１ａが設けられている。開口１１ａを通過して第１の電極５側へ拡散したプラズマ４は、第１の電極（スクリーン電極）５に設けられたビーム引き出し孔５」ａから引き出され放電室２からイオンビーム１２として真空容器内（不図示）に照射される。補正電極１１の貫通孔の平均開口径は、第１の貫通孔５の平均開口径及び第２の貫通孔６の平均開口径よりも大きいことが好ましい。

以下に、プラズマから引き出されるビームの電流量を制御する方法について詳細に説明する。一般にプラズマが固体と接する時、固体とプラズマの界面にはシースと呼ばれるプラズマの特徴である電気的中性が破れた空間電荷層が形成される。この時プラズマ中の電子はイオンより早く拡散するためプラズマは固体に対して正にバイアスされる。このバイアスされる電位をプラズマ電位Ｖ_ｐ、正にバイアスされる際のシースを正イオンシースと呼ぶ。シースはデバイ長の数倍程度の厚さであり、このデバイ長□_Ｄはバルクプラズマのプラズマ密度ｎ_０と電子温度Ｔ_ｅで決まり、次式のようになる。

式（１）について□_０は真空の誘電率、ｋはボルツマン定数である。代表的な値としてプラズマ密度３×１０^１７／ｍ^３、電子温度３ｅＶとすると□_Ｄ＝２．３×１０^−５ｍであり、シースの厚みは平均自由行程に対して十分に短いことからシース内について荷電粒子の無衝突を仮定するができる。このとき、プラズマの電気的中性を保つための条件からプラズマ側のシース端からプラズマと接する個体へ流れ込む電子とイオンの数は同数となり、このシースを通過してプラズマから流れ出るイオンの数がプラズマから引き出すことが可能なイオン電流の量である。このイオン電流の量はイオン飽和電流Ｊ_ｉと呼ばれ下記の式（２）のように表される。

式（２）において、ｅは電気素量、ｎ_ｓはシース端でのプラズマ密度、ｖ_ｉはシース端でのイオン速度である。

実際に第１の電極（スクリーン電極）５から引き出されるイオンビーム１２の電流量は、式（２）のＪ_ｉに貫通孔５ａの開口面積の総和をかけた値で概算することができる。貫通孔５ａの開口面積の総和はプラズマ４と接する第１の電極５の面積Ｓにグリッドの開口率Ａを乗算した値で求めることができ、イオンビーム１２のビーム電流Ｉ_ｂは下記の式（３）のように表される。

また、プラズマ電位によるバイアスはプラズマ４が接する界面、すなわち第１の電極５の電位を基準にバイアスされる。そのためイオンビーム１２のエネルギーについては、プラズマ４はグランドに対してスクリーン電圧とプラズマ電圧を合計した値だけバイアスされることになり、このバイアス分のエネルギーで真空容器内に照射される。

ここで、高周波電源からの投入電力、スクリーン電圧、アクセル電圧を一定とし、補正電極１１に印加する補正Ｖ_ｃを操作したときのイオンビーム１２のビーム電流Ｉ_ｂを考える。ここで、第１の電極（スクリーン電極）５に流れ込む電流量をスクリーン電流Ｉ_ｓｃｒ、補正電極１１流れ込む電流量を補正電流Ｉ_ｃとし、図２の矢印の向きの電流の向きを正とすると系全体での荷電粒子の収支から次式が成り立つ。

なお、式（４）については簡単のためにイオンビーム１２が第２の電極（アクセル電極６や第３の電極（ディセル電極）７に衝突し流れる電流や、放電ガスや残留ガスといった中性粒子との衝突によりビーム電流が減衰する影響は無視している。

まず、補正電極１１の電圧がスクリーン電圧に等しい場合、すなわち補正電圧Ｖ_ｃ ＝０Ｖの場合を考える。この場合、プラズマ４が同電位の電極に挟まれていることと同意であり、補正電極１１にはプラズマ４から電子とイオンが等量流れ込み補正電流Ｉ_ｃはほぼ０Ａとなる。このときのビーム電流、スクリーン電流をそれぞれＩ_ｂ０、Ｉ_ｓｃｒ０とすると、式（４）より式（５）の関係が成立する。

このときビーム電流Ｉ_ｂ０は式（３）に示されるように補正電極１１と第１の電極５間に存在するプラズマ４のプラズマ密度に比例し、ビーム電流とスクリーン電流は一致する。そのためプラズマ４へ供給する電力を制御することで、引き出されるイオンビームの電流量を制御することができる。しかし、供給する電力を減らしプラズマ４のプラズマ密度を減少させていくとやがてプラズマ４の放電が不安定になり、電流量が一定値以下のイオンビーム１１を安定して照射することができない。

一方、補正電極１１にスクリーン電圧を基準に負電圧の補正電圧Ｖ_ｃを印加した場合を考える。この場合、補正電極１１を通過して第１の電極５側に拡散したプラズマ４は、補正電極１１と第１の電極５間Ｖ_ｃにより与えられた電位差の影響を受ける。この電位差の影響によりプラズマ４内で電位勾配が発生するため各電極へ流れる電子とイオンの割合が補正電圧Ｖ_ｃ＝０Ｖの場合から変化する。補正電極１１は補正電圧Ｖ_ｃにより第１の電極５より低電圧となっているので、補正電圧Ｖ_ｃの大きさに応じてイオンが流れ込む量が増加し、補正電流Ｉ_ｃが流れる。またことのきのイオンビーム電流Ｉ_ｂ１は次式のように表される。

式（６）中の□は補正電極１１の形状、第１の電極５との電極間距離Ｌ、補正電圧Ｖ_ｃの値に応じて変化する係数であり、その値の範囲は０＜□□＜Ｉ_ｂ０／Ｉ_ｃである。式（４）、式（６）よりスクリーン電流Ｉ_ｓｃｒ１は次式で表される。

式（５）及び式（７）からＩ_ｓｃｒ１＞Ｉ_ｓｃｒ０であることがわかる。補正電圧Ｖ_ｃを増加させていくときの各電流の関係の模式図を図３に示す。補正電圧Ｖ_ｃが閾値以上になると第１の電極５とプラズマ４の界面で正イオンシースを形成できなくなり、結果イオンビームを引き出せなくなる。この時、式（６）及び式（７）から□□＝Ｉ_ｂ０／Ｉ_ｃ、Ｉ_ｓｃｒ１＝Ｉ_ｃとなる。以上から、補正電圧Ｖ_ｃを制御することによりプラズマ４のプラズマ密度によらずビーム電流Ｉ_ｂを減少させることが可能となる。式（４）から、引き出されるイオンビームは、スクリーン電流から補正電流を減算して求めることができ、スクリーン電源８および電流補正電源１０の電流値を読み取ることでイオンビーム電流量を制御することができる。この時のイオン源１から引き出される最大のイオンビーム電流量は補正電圧Ｖ_ｃ＝０の場合のＩ_ｂ０であり、Ｉ_ｂ０の値は前述の通り第１の電極５の面積および開口率、プラズマ４のプラズマ密度に依存する。

以下に、補正電極１１について詳細に説明する。補正電極１１の外形の例を図４に示す。図５は、図１の点Ａから補正電極１１の１つの開口１１ａを見た場合、第１の電極５の開口５ａと補正電極１１の開口１１ａの関係を示す模式図である。

補正電極１１に設けられた開口１１ａの直径Ｄについての条件を検討する。イオンビーム１１を引き出す条件として第１の電極５とプラズマ４の界面で正イオンシースを形成する必要があることは上で述べた。そのためには高周波コイル３からの電力供給により生成されたプラズマ４が電気的中性を保ったまま補正電極１１に設けられた開口１１ａを通り抜けて第１の電極５側へ拡散しなければならない。その条件として開口１１ａの直径Ｄはデバイ長□_Ｄより十分に長ければ良い。上で述べた通り、デバイ長はミクロンオーダーの値であるから、Ｄ＞＞λ_Ｄを満たすには直径Ｄは１ｍｍ以上であれば十分である。また、プラズマ４内の電子とイオンは補正電極１１の表面に対して両極性拡散して流れていき再結合して消滅する。すなわち、補正電極１１がプラズマ４と接する表面積を小さくすること、つまり補正電極１１の開口率を高めることで第１の電極５側に拡散するプラズマ４のプラズマ密度の低下を軽減することができる。よって、イオン源１の投入電力に対するイオンビーム電流量の効率を高めるには補正電極１１の開口率を高くすることが好適である。図５に示すように、貫通孔５ａに対して開口１１ａの径を２倍から２０倍とすると好適である。また、第１の電極５と補正電極１１の対向する際の電極間距離Ｌについても、プラズマ４が電気的中性を保つための条件は開口１１ａの直径Ｄと同様にＬ＞＞λ_Ｄとなるため、電極間距離Ｌは２ｍｍ以上必要となる。

補正電極１１の開口率と電極間距離Ｌを変更することで補正電圧Ｖ_ｃの変化に対するイオンビーム電流の変化量を調整することができる。開口率を小さくするとプラズマ４と接する補正電極１１の表面積が増えるため補正電圧Ｖ_ｃを与えた際のプラズマ４への影響が大きくなりイオンビーム電流の変化量が増加する。また、電極間距離Ｌを小さくすると補正電圧Ｖ_ｃを変化させた際の第１の電極５と補正電極１１間にかかる電界強度が増加するため、イオンビーム電流の変化量が増加する。そのため補正電極１１の形状や第１の電極５との電極間距離Ｌはイオン源１のグリッドの面積、必要とされるイオンビーム電流量、各電源の出力範囲といった仕様を元に実験的に決定することができる。

補正電極１１の開口形状については図４では同一の円形が均等に分布しているが、開口１１ａの形状は円形に限定されず、開口１１ａの分布も補正電極１１の面内で任意の分布を取ってよい。例えば、図６（ａ）のように格子状に開口１１ｂが並んでも良く、図６（ｂ）のように大きさの異なる円１１ｃが面内に分布しても良い。また、図１では補正電極１１は平行平板で図示されているが、平板に限定されず任意の曲率や傾きおよびそれらの組み合わせで構成された形状でも良い。

次に、本実施形態のイオン源を搭載した成膜装置について説明する。図７は、本実施形態のイオン源を搭載した成膜装置の一例を示す概略図である。

図７において成膜装置２０は、最初に補助排気系３１により、チャンバー２１を大気圧環境下から圧力が１００Ｐａ程度になるまでの排気を行う。

補助排気系３１により１００Ｐａ程度になるまで排気が完了した後に、主排気系３２により成膜可能な圧力までの排気を行う。一般的に、蒸着による成膜プロセスでは、１０^−４Ｐａ〜１０^−２Ｐａで成膜を行う。

所望の圧力になるまで主排気系３２により排気が完了したところで、ヒーター２２を用いてワーク２３の加熱を行う。ワーク２３はワークホルダ２４で保持されている。ワーク２３の加熱は、成膜を行うチャンバー２１で加熱しても良いが、別のチャンバーにてワーク２３を加熱した後に、成膜を行う真空のチャンバー２１に真空搬送しても良い。その場合、チャンバー２１は、ワーク２３の温度が低下しないように保温用にヒーター２２で保温することになる。

ワーク２３が所望の温度となるまで加熱をしたら、ワークホルダ２４に対向して設けられ、金属製のルツボに入れた蒸着材料２５を加熱する。蒸着材料２５の加熱方法として、電子ビームによるものや、ボートと呼ばれる金属容器上に蒸着材料を乗せてボートに直接電流を流すことによりボートを加熱する方法や、シースヒーターまたはカートリッジヒーターによりルツボを加熱する方法を用いることができる。加熱された蒸着材料２５は、真空のチャンバー２１内を蒸気となってワーク２３に堆積する。ワークに堆積した蒸着材料２５の膜厚は、膜厚計２６で計測する。膜厚計２６は、水晶膜厚計等を用いることができる。ワーク２３はワークホルダ２４と共に回転する構造となっていて、ワーク２３の膜厚分布を均一化する装置構成となっている。

加熱された蒸着材料２５はワーク２３に堆積するが、その際に膜質を高めるため上記のイオン源１から放出するイオンビームをワーク２３に対して照射する。イオンビームをワーク２３に対して照射することで、ワーク２３に堆積した蒸着材料２５を緻密で密着性の高い膜にすることができる。イオン源１より照射されるイオンビームは正電荷を帯びているため、ワーク２３に対してイオンビームだけを照射しているとワーク２３が正電荷に帯電してしまう。正電荷に帯電したままであると、静電気による静電破壊やパーティクルの付着による膜品質が低下する。ワーク２３の帯電を除去する目的で、電子を放出して電気的に中和するための電子放出装置２７が用いられる。電子放出装置２７は、電子が放出されればよく、タングステンの線に電流を流して熱電子を放出する方法でも良いし、イオン源と同様にプラズマを生成してプラズマ中から電子を放出させる方法でも良い。

（第２の実施形態）
図８は、第２実施形態に係るイオン源を示す説明図である。第２実施形態では、プラズマ生成手段としてマイクロ波を使用するイオン源１Ａを用いる。

石英からなる放電室２の内部にガス導入管（不図示）からプラズマ化させるガスを導入し、マイクロ波電源（不図示）は導波管８１を通じて放電室１２底面に設けられた誘電体窓８０から放電室２の内部にマイクロ波を供給する。補正電極１１は誘電体窓８０からプラズマが非放電時に空洞共振器を構成する距離Ｌ_ｃの位置に配置されている。上記のように空洞共振器を構成することで放電室２内の電界強度が強まり、初期の放電が立ちやすくなる。

このＬ_ｃは真空中のマイクロ波の波長をλとしたときに、次式のように表される。

式（８）において、ｍは空洞共振器における定在波の腹の数であり、１以上の整数である。代表的なマイクロ波の周波数である２．４５ＧＨｚの場合にｍ＝１の時のＬ_ｃはおよそＬ_ｃ＝６１．２ｍｍである。また、Ｌ_ｃについて補正電極１１の形状が平板以外の形状、例えば曲率を持つ場合などは３次元の電磁界解析シミュレーションで所望の構造を入力し解析を実行することで最適なＬ_ｃの値を決定することができる。３次元の電磁界解析シミュレーションは、例えば、ＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳ（製品名）、もしくはその他の商業的なまたはカスタム開発された電磁的有限要素法コードを用いることができる。また、補正電極１１は空洞共振器を構成するために導入されたマイクロ波を反射することが必要であるから、開口１１ａの直径Ｄは□／４以下であればよい。代表的なマイクロ波の周波数である２．４５ＧＨｚの場合に□／４＝３０．６ｍｍであり、プラズマ４が電気的中性を保ったまま開口１１ａを通り抜けるための条件であるＤ＞＞□_Ｄに対しておよそ１桁余裕がある。よって開口１１ａはＤ＞□／４＞＞□_Ｄの範囲で任意に設計することができる。また、実施例２においても開口１１ａは円形に限定されず、例えば四角径といった多角形やその他の半円、楕円といった図形でもよい。この各図形においても、マイクロ波を反射するために開口１１ａの最長辺がλ／４以上となる条件を満たす必要がある。例えば開口が四角形であれば開口１１ａの最長辺は対角線、楕円であれば長軸の直径が□／４以上であればよい。

１ イオン源
２ 放電室
４ プラズマ
５ 第１の電極（スクリーン電極）
６ 第２の電極（アクセル電極）
７ 第３の電極（ディセル電極）
８ スクリーン電源
９ アクセル電源
１０ 電流補正電源
１１ 補正電極
８０ 誘電体窓
８１ 導波管

Claims (6)

1. 放電室と、
   プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
   前記放電室からイオンビームを引き出す複数の第１の貫通孔を有する第１電極と、前記第１の電極よりも前記放電室から遠い位置に配置された複数の第２の貫通孔を有する第２の電極と、前記第２の電極よりも前記放電室から遠い位置に配置された複数の第３の貫通孔を有する第３の電極を備え、
   前記放電室の内部に、前記イオンビーム電流量の大きさを補正する補正電極を有し、
   前記補正電極に負の電位を制御して印加する電源を有することを特徴とするイオン源。
2. 前記補正電極は、金属で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
3. 前記補正電極は、貫通孔を有しており、
   前記補正電極の貫通孔の平均開口径は、前記第１の貫通孔の平均開口径及び前記第２の貫通孔の平均開口径よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン源。
4. 前記プラズマ生成手段は、誘導結合プラズマであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のイオン源。
5. 前記プラズマ生成手段は、マイクロ波の供給手段であり、
   前記放電室は、誘電体窓を有しており、
   前記補正電極は、真空中で前記誘電体窓と空洞共振器を構成する距離に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のイオン源。
6. チャンバーと、
   前記チャンバーの内部に配置され、ワークを保持するホルダと、
   前記ホルダに対向して配置された蒸着源と、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載のイオン源と、を備えたことを特徴とする蒸着装置。

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