JP3038464B2 - イオンプレーティングのプラズマビーム制御方法及び制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマを利用したイオ
ンプレーティングに関し、特にプラズマビームの制御方
法及び制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のイオンプレーティング装置につい
て図８を参照して説明する。このイオンプレーティング
装置は、内部が気密に保たれた真空容器１０１を備えて
いる。この真空容器１０１の側壁に形成された装着口１
０２には圧力勾配型プラズマ銃のようなプラズマビーム
発生器１０３が設けられている。真空容器１０１の装着
口１０２の周囲外側にはプラズマビームガイド用のステ
アリングコイル１０４が設置されている。プラズマビー
ム発生器１０３にはまた、プラズマビーム収束用の第１
中間電極１０５と、コイル１０６ａを内蔵した第２中間
電極１０６とが同心的に配置されている。プラズマビー
ム発生器１０３内には、陰極部を構成するＭｏ（モリブ
デン）筒１０７が設けられ、このＭｏ筒１０７内にはＬ
ａＢ₆ （ランタンヘキサボロナイド）の環状板１０８が
設けられている。

【０００３】プラズマビーム発生器１０３本体と後述す
るハース１１０との間には直流電圧可変型の主電源１０
９が接続され、この主電源１０９にはまた、抵抗器Ｒ１
１、Ｒ１２を介してそれぞれ、第１中間電極１０５、第
２中間電極１０６が接続されている。また、主電源１０
９には、スイッチＳ１１と直流の補助放電用電源１１１
との直列接続部が並列に接続されている。

【０００４】真空容器１０１の底面には、陽極を構成す
るハース１１０が設置されている。このハース１１０
は、その本体内にプラズマビームを吸引するための棒磁
石１１２が埋設されている。ハース１１０の先端部に
は、蒸着用の蒸着物質１１３を収納する凹部が形成され
ている。ハース１１０には主電源１０９からプラズマビ
ーム発生器１０３本体に対して正の電位が与えられてい
る。

【０００５】ハース１１０の先端部に対向する真空容器
１０１内上部には、被処理物体である基板１１４が搬送
装置１１５により保持されている。搬送装置１１５は真
空容器１０１の外部に設けられたモータ１１６により基
板１１４をその面内で回転させる。

【０００６】次に、このイオンプレーティング装置の動
作を図９をも用いて説明する。放電開始に際しては、ス
イッチＳ１１をオンにして放電が安定するまで高電圧、
低電流の補助放電用電源１１１を使用し、放電が安定す
ると低電圧、高電流の主電源１０９を補助放電が安定し
た時以上の電圧にし、電流を増加させつつスイッチＳ１
１をオフにして補助放電用電源１１１の使用を止める。
真空容器１０１内では、プラズマビーム発生器１０３本
体の陰極と陽極を構成するハース１１０との間で放電が
生じ、これによりプラズマビーム１２０が生成される。
このプラズマビーム１２０はステアリングコイル１０４
とハース１１０内の棒磁石１１２とにより決定される磁
力線によりガイドされて、ハース１１０に到達する。こ
れにより、ハース１１０の先端凹部に収納されている蒸
着物質１１３が加熱されて蒸発する。この蒸発金属粒子
はプラズマビーム１２０によりイオン化され、負電圧が
印加された基板１１４の表面に付着し、被膜が形成され
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなイオンプレーティング装置では、図９に白抜きの
矢印で１つの方向を示したように、蒸着物質の粒子の飛
び出す方向が電流値により大きく変化し、基板１１４に
均一な被膜を形成するのが困難であった。このような問
題点の対策として、基板１１４を回転させたり、傾斜あ
るいは平行移動させたりする方法が採られているが、装
置の構造が複雑になるという問題がある。

【０００８】また、ハース、すなわち陽極上に蒸着物質
１１３があると、放電開始時の不安定な状態が長時間
（蒸着物質が溶解するまでの時間）続き、陰極部での放
電が速やかに環状板１０８へ移行しない。これは、陽極
上に塊状の蒸着物質１１３が存在すると、この蒸着物質
１１３とハース１１０との間に隙間が生じて蒸着物質１
１３が完全にハース１１０に接触しないから、プラズマ
が安定しないということに起因している。言い換えれ
ば、蒸着物質１１３が溶解して陽極との間の隙間が無く
なると、放電は安定する。

【０００９】また、放電開始は、スイッチＳ１１を閉じ
て補助放電用電源１１１により行われるが、この放電は
第１中間電極１０５とＭｏ筒１０７との間で行われるの
で、スパッタリング作用により絶縁管（ガラス管）１１
８にモリブデンが付着してしまう。これは、絶縁管１１
８の清掃あるいは交換のためのメンテナンス期間が短く
なることを意味する。

【００１０】更に、放電を安定させるために長時間を要
すると、蒸着物質の種類によっては放電が安定するまで
に蒸着物質が蒸発してしまうという問題点がある。これ
は特に、蒸着物質が昇華性物質、例えばＩＴＯ（酸化イ
ンジウム）のような場合に顕著である。すなわち、放電
が主放電に移行する前の補助放電の間に蒸発が始って、
主放電が始まる時には蒸着物質の大半が消耗してしまっ
ている。これは蒸着物質が無駄に消費されていることに
なる。このような問題点は、高効率のプラズマビームガ
ンや高出力のプラズマビームガンの場合に顕著になる。

【００１１】

【００１２】このような問題点に鑑み、本発明の課題
は、設計を難しくすることなく補助放電から主放電への
移行時間の短縮化を図ることのできるプラズマビーム制
御方法を提供することにある。

【００１３】本発明の他の課題は、上記制御方法を実施
するのに適したプラズマビーム制御装置を提案すること
にある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によるプラズマビ
ーム制御方法は、ビーム発生器からプラズマビームを発
生させ、該プラズマビームをハースの入射面に導き、該
ハース上の蒸着物質を蒸発、イオン化し、該蒸発、イオ
ン化した蒸着物質を前記ハースと対向させて配置された
基板の表面に付着させてイオンプレーティングを行なう
方法において、前記ハースの中心軸に同心で前記ハース
の上部近傍を囲むように環状磁石を含む補助陽極を設
け、前記ビーム発生器から放電を開始する際には、前記
補助陽極側に、主電源に比べて高い電圧及び低い電流の
補助放電用電源を接続することにより、前記補助陽極に
プラズマビームの電流を流し、前記放電が安定したら、
前記補助放電電源はオフとし、前記主電源を前記ハース
側に接続して前記ハースにプラズマビームの電流を流す
ようにしたことを特徴とする。

【００１５】本発明によるプラズマビーム制御装置は、
ビーム発生器からプラズマビームを発生させ、該プラズ
マビームをハースの入射面に導き、該ハース上の蒸着物
質を蒸発、イオン化し、該蒸発、イオン化した蒸着物質
を前記ハースと対向させて配置された基板の表面に付着
させてイオンプレーティングを行なうイオンプレーティ
ング装置において、前記ハースの中心軸に同心で前記ハ
ースの上部近傍を囲むように環状磁石を設け、該環状磁
石の少なくとも上面を覆う様な環状磁石ケースを設け、
該環状磁石ケースと前記ハースとは絶縁物を介して接続
されており、前記環状磁石ケース及び前記ハースのそれ
ぞれを放電用電源に接続手段を介して接続すると共に、
該接続手段の少なくとも一方に電流制御手段を介在させ
たことを特徴とする。

【００１６】

【作用】本発明においては、放電開始時においてプラズ
マビームは、環状磁石の作る磁力線により、環状磁石ケ
ースとハースの両方に接触する。このことは、環状磁石
ケースとハースを両方とも電極とした放電が可能にな
る。この状態において、環状磁石ケースを補助陽極とし
て使用し、その後、電流制御手段を用いてハース側に徐
々に電流を流し、蒸着物質を溶解して蒸気化、イオン化
を行う。更に、環状磁石ケースに流す電流も増加させる
ことにより、蒸気化した物質のイオン化度を制御するこ
とができる。また、プラズマビームが環状磁石のつくる
カスプ状磁場により、ハース真上を完全に覆うため、よ
り効率的にイオン化を行うことができる。

【００１７】

【実施例】以下に、本発明の実施例について図面を参照
して説明する。図１を参照して、本発明を適用したイオ
ンプレーティング装置は、図８に示したイオンプレーテ
ィング装置とは下記の構成において異なり、残りの構成
は基本的に同じである。すなわち、ハース２０の周囲に
補助陽極３０を設け、これらのそれぞれと直流可変型の
主電源１９Ａ及び直流の補助放電用電源１９Ｂとの間に
は、電流制御装置４１，４２を接続した点が図８に示し
た装置と異なる。

【００１８】このイオンプレーティング装置は、真空容
器１１の側壁に形成された装着口１１ｃに、圧力勾配型
のプラズマビーム発生器１３が設けられている。真空容
器１１の外側には、装着口１１ｃを囲むようにプラズマ
ビームガイド用のステアリングコイル１２が設置されて
いる。プラズマビーム発生器１３には、プラズマビーム
収束用の第１中間電極１４、第２中間電極１５が同心的
に配置されている。第１中間電極１４には磁極軸がプラ
ズマビーム発生器１３の中心軸と平行になるように永久
磁石１４−１が内蔵され、第２中間電極１５にはコイル
１５−１が内蔵されている。プラズマビーム発生器１３
の絶縁管（ガラス管）１６内には、ＬａＢ₆ の環状板１
７を内蔵し、かつキャリアガスの導入可能なＭｏ筒１８
とＴａ（タンタル）パイプ５０とが設けられている。真
空容器１１の側壁にはまた、Ａｒ（アルゴン）ガス等の
ガス導入口１１ａと排出口１１ｂとが設けられている。

【００１９】プラズマビーム発生器１３本体と第１中間
電極１４との間には抵抗器Ｒ１を介して主電源１９Ａが
接続されている。主電源１９Ａに並列に、スイッチＳ１
と補助放電用電源１９Ｂとの直列接続部が接続され、主
電源１９Ａと補助放電用電源１９Ｂの正極側の共通接続
点には、抵抗器Ｒ２を介して第２中間電極１５が接続さ
れ、更に、抵抗器Ｒ３を介して接地されると共に、真空
容器１１本体が接続されている。第２中間電極１５内の
コイル１５−１は、ステアリングコイル１２と共に励磁
用の第１の直流電源Ｅ１に接続されている。一方、ハー
ス２０の上部に対向配置させた被処理物体としての基板
４０には負バイアス用の直流電源Ｅ２が接続されてい
る。なお、図１では、基板４０の搬送系については従来
と同様のものを利用するので図示は省略している。

【００２０】ハース２０、補助陽極３０については、図
１では詳細に図示していないが、図２、図３に拡大して
示すように、水冷却系が組合わされる。ハース２０は、
磁極軸を上下方向にした永久磁石２１と上板２２及び下
板２３とを有する。上板２２は、その上部に蒸着物質収
容のための凹部２２−１を、下部には永久磁石２１より
十分大きな収容空間２２−２をそれぞれ有する。下板２
３は上板２２の下面に固着されている。このようにし
て、ハース２０内に水冷空間を形成し、下板２３には水
導入口２３−１と水導出口２３−２とを形成している。

【００２１】補助陽極３０は、ハース２０の中心軸と同
心でハース２０の上部近傍を囲むように、かつ、磁極軸
を上下方向にした環状永久磁石３１と、ハース２０の外
周に、これを囲むように所定の隙間をおいて配置されて
環状永久磁石３１を永久磁石２１よりやや上方の位置で
保持している環状の磁石ケース３２とから成る。磁石ケ
ース３２は、環状永久磁石３１より十分大きな収容空間
３３−１を有する環状の上ケース３３とこの上ケース３
３の下面に固着された環状の下ケース３４とを有する。
このようにして、磁石ケース３２内にも水冷空間を形成
し、下ケース３４にも水導入口３４−１と水導出口３４
−２とを形成している。

【００２２】なお、ここではハース２０と補助陽極３０
の水冷系を共通にするため、冷却水配管３５から水導入
口３４−１を通して補助陽極３０内に導入した冷却水
を、水導出口３４−２と水導入口２３−１とを接続して
いる冷却水配管２４を通してハース２０内に導入し、更
に水導出口２３−２に接続した冷却水配管２５を通して
排出するようにしている。勿論、冷却水の流れは上記と
逆であっても良いし、ハース２０と補助陽極３０とを独
立した水冷却系で冷却するようにしても良い。

【００２３】ハース２０を構成している上板２２及び下
板２３と、磁石ケース３２を構成している上ケース３３
及び下ケース３４の材料としては、いずれもハース２０
と同様に熱伝導率の良い導電性材料、例えば銅が使用さ
れる。また、下板２３と下ケース３４との接合箇所に
は、電気的な絶縁板３６が介在するようにされている。
この例では、ハース２０と補助陽極３０との間の絶縁
は、ハース２０の底部側では絶縁板３６により、ハース
２０の側壁側では補助陽極３０との間に所定の隙間を置
くことによりそれぞれ実現しているが、ハース２０の側
壁側と補助陽極３０との間に絶縁板を介在させるように
しても良いことは言うまでも無い。

【００２４】なお、低電流による運転の場合には、水冷
却は不要であり、特に永久磁石２１、環状永久磁石３１
に耐熱性の高いフェライト系の材料を使用する時も水冷
却は不要である。

【００２５】ハース２０に内蔵されている永久磁石２１
は、プラズマビームガイドのために用いられるが、環状
永久磁石３１と永久磁石２１との距離（環状永久磁石３
１の厚さ方向の距離）が短かい場合は、プラズマビーム
は環状永久磁石３１の磁場によりガイドされるので、永
久磁石２１を省略することができる。

【００２６】図４は補助陽極３０に設けられる磁石の他
の例を示し、環状永久磁石３１に代えて、２つの環状電
磁石３１Ａ，３１Ｂを同心状に組合わせたものを用いる
ことができる。なお、環状電磁石３１Ａ，３１Ｂのそれ
ぞれの磁極軸の方向は中心軸と同じ方向であって、磁極
の向きは互いに逆向きとなるようにする。

【００２７】図５は補助陽極３０に用いられる磁石の更
に他の例を示す。この例では、環状永久磁石を、多数の
棒状永久磁石３１−１を同一円周上に等間隔で配置する
ことにより実現している。これらの棒状永久磁石３１−
１は、磁極軸が上下方向を向き、２枚の環状磁性体（例
えば、ＳＵＳ４３０等）板３１−２でそれらの上下から
挟むようにして一体化される。

【００２８】図６、図７はそれぞれ、補助陽極３０に用
いる磁石として、環状永久磁石３１（図６）、環状電磁
石３１Ａ，３１Ｂ（図７）を用いた場合の磁力線図であ
る。図６の場合、環状永久磁石３１の磁極の向きは上下
逆でも良い。一方、図７においては、環状電磁石３１
Ａ，３１Ｂによる磁力線の方向は図７の方向と逆でも良
いが、環状電磁石３１Ａと３１Ｂの磁力線の方向は常に
互いに逆でなければならない。いずれにしても、蒸着金
属を基板に蒸着させる際、プラズマビームは補助陽極に
おける環状磁石ケースに接触し、かつ、カスプ状磁場に
よりハースを取囲む様に形成されているので、蒸発した
金属粒子は必ずプラズマビーム内を通ることになり、イ
オン化効率が高くなって、励起された状態となる。

【００２９】図１に戻って動作について説明する。スイ
ッチＳ１をオンにして補助放電用電源（４００Ｖ〜６０
０Ｖの高電圧、低電流電源）１９Ｂをオンとし、放電を
開始する。また、補助陽極３０側の電流制御装置４１を
オンにして、ハース２０側の電流制御装置４２はオフの
状態にしておく。この場合、第１中間電極１４とＭｏ筒
１８との間で放電が始まると共に、プラズマビームの電
流は補助陽極３０に流れるのでプラズマが安定しやすい
（従来のように蒸着物質が載っているハース２０側にプ
ラズマビームの電流が流れないのでプラズマの安定が早
い）。この間、ハース２０にはプラズマビームの電流は
流れていないので、ハース２０に載っている蒸着物質は
プラズマビームの輻射熱で多少は加熱されるが、従来の
様に急激に加熱されることはない。プラズマが安定した
時点で主電源（低電圧、高電流電源）１９Ａを電流０の
状態から徐々に増加させてスイッチＳ１をオフとし、補
助陽極３０側の電流制御装置４１をオフ、ハース２０側
の電流制御装置４２をオンにして通常の処理作業を行な
う。

【００３０】上述した補助放電から主放電への切り替え
に際しては、デジタル的にオン、オフするよりは、アナ
ログ的に主放電に移行させる方が好ましい。また、ハー
ス２０側、補助陽極３０側に流れる電流を制御すること
により、イオン化度を制御することができるという特徴
がある。この電流制御方法としては、可変抵抗器やトラ
ンジスタ等の直接制御手段を用いても良いが、発熱や回
路素子の問題があるので、ＳＣＲやＧＴＯあるいはＩＧ
ＢＴ素子を用いてパルス幅制御により電流制御を行う。

【００３１】ところで、上記実施例では、ハース２０、
補助陽極３０のそれぞれに電流制御装置４１、４２を接
続しているが、この電流制御装置はハース２０、補助陽
極３０のいずれか一方に接続されるだけでも良い。例え
ば、放電開始に際して主放電への切り替え時間を短縮す
ることを企図する場合には、電流制御装置はハース２０
側のみに接続される。その理由は、放電開始に際しては
プラズマビームの電流を補助陽極３０側に流す必要があ
り、補助陽極３０側に主電源１９Ａが接続されていても
何等問題は無い。しかし、放電開始に際しては、プラズ
マビームの電流はハース２０側に流れない方が良いの
で、電流制御装置によりハース２０と電源との接続を断
にする必要があるからである。

【００３２】一方、蒸着物質のイオン化制御を重視する
場合、電流制御装置は補助陽極３０側のみに接続され
る。これは、放電が安定した後には、ハース２０側にの
みプラズマビームの電流を定常的に流せば良く、電流制
御装置により補助陽極３０と電源との接続を断にするか
らである。そして、放電が安定した後に蒸着物質のイオ
ン化制御を行う場合には、この電流制御装置により補助
陽極３０に流れる電流を制御する。

【００３３】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば以下のような効果が得られる。

【００３４】１．ハースの周囲に組合わせた環状磁石に
より蒸着物質の粒子の飛び出す方向が一定するから、基
板に成膜される物質を有効に使用できる。したがって、
蒸着物質の無駄な消費が少なくなる。

【００３５】２．補助放電の際、プラズマビームの電流
は、環状磁石側に流れるので、プラズマの安定が早くな
り、蒸着物質の蒸発を極力押えることができると共に、
Ｍｏ筒のスパッタリング作用により絶縁管が汚れること
を極力防止してそのメインテナンスのための間隔を長く
することができる。

【００３６】３．蒸着金属を基板に蒸着させる際、プラ
ズマビームは環状磁石ケースに接触し、かつ、ハースを
取囲む様に形成されているので、蒸発した金属粒子は必
ずプラズマビーム内を通ることになり、イオン化度が高
くなって、反応しやすくなり、励起された状態となる。

【００３７】４．ハースと補助陽極に接続されている各
電流制御装置の電流値を変えることにより、トータル放
電電流と蒸発用放電電流を制御することができ、成膜レ
ートと成膜物質のイオン化率を制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したイオンプレーティング装置の
一実施例の構造と電源の接続関係を示す縦断面図であ
る。

【図２】図１に示されたハース及び補助陽極の水冷却系
の構造を示した縦断面図である。

【図３】図２のＡ−Ａ′線による横断面図である。

【図４】図１の補助陽極に組合わされる磁石の他の例を
示した斜視図である。

【図５】図１の補助陽極に組合わされる磁石の更に他の
例を示した斜視図である。

【図６】図２に示された補助陽極を用いる場合のハース
周辺の磁力線を示した図である。

【図７】図４に示された環状磁石を内蔵した補助陽極を
用いる場合のハース周辺の磁力線を示した図である。

【図８】従来のイオンプレーティング装置の構造と電源
の接続関係を示した縦断面図である。

【図９】図８に示した装置のプラズマビームの形成状態
とし、ハース上の蒸着物質からの金属粒子の飛び出し方
向を説明するための図である。

【符号の説明】

１１ 真空容器 １２ ステアリングコイル １３ プラズマビーム発生器 １４ 第１中間電極 １５ 第２中間電極 １６ 絶縁管 １８ Ｍｏ筒 １９Ａ 主電源 １９Ｂ 補助放電用電源 ２０ ハース ２１ 永久磁石 ３０ 補助陽極 ３１ 環状永久磁石 ３６ 絶縁板 ４０ 基板 ４１、４２ 電流制御装置 ５０ Ｔａパイプ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ビーム発生器からプラズマビームを発生
   させ、該プラズマビームをハースの入射面に導き、該ハ
   ース上の蒸着物質を蒸発、イオン化し、該蒸発、イオン
   化した蒸着物質を前記ハースと対向させて配置された基
   板の表面に付着させてイオンプレーティングを行なう方
   法において、前記ハースの中心軸に同心で前記ハースの上部近傍を囲
   むように環状磁石を含む補助陽極を設け、 前記ビーム発生器から放電を開始する際には、前記補助
   陽極側に、主電源に比べて高い電圧及び低い電流の補助
   放電用電源を接続することにより、前記補助陽極にプラ
   ズマビームの電流を流し、 前記放電が安定したら、前記補助放電電源はオフとし、
   前記主電源を前記ハース側に接続して前記ハースにプラ
   ズマビームの電流を流すようにしたイオンプレーティン
   グのプラズマビーム制御方法。
2. 【請求項２】 ビーム発生器からプラズマビームを発生
   させ、該プラズマビームをハースの入射面に導き、該ハ
   ース上の蒸着物質を蒸発、イオン化し、該蒸発、イオン
   化した蒸着物質を前記ハースと対向させて配置された基
   板の表面に付着させてイオンプレーティングを行なうイ
   オンプレーティング装置において、前記ハースの中心軸
   に同心で前記ハースの上部近傍を囲むように環状磁石を
   設け、該環状磁石の少なくとも上面を覆う様な環状磁石
   ケースを設け、該環状磁石ケースと前記ハースとは絶縁
   物を介して接続されており、前記環状磁石ケース及び前
   記ハースのそれぞれを放電用電源に接続手段を介して接
   続すると共に、該接続手段の少なくとも一方に電流制御
   手段を介在させたことを特徴とするイオンプレーティン
   グのプラズマビーム制御装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載のプラズマビーム制御装置
   において、前記電流制御手段としてパルス幅制御の可能
   な素子を用いることを特徴とするイオンプレーティング
   のプラズマビーム制御装置。