JP3463235B2 - プラズマ成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空容器の成膜室
内にて、プラズマ源（プラズマビーム発生器）が発生す
るプラズマビームをハースに導くことによって膜材料を
蒸発させ、被処理物体表面上に膜を形成するプラズマ成
膜装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のプラズマ成膜装置としては、イ
オンプレーティング装置およびプラズマＣＶＤ装置等が
ある。イオンプレーティング装置としては、アーク放電
型プラズマ源である圧力勾配型プラズマ源またはＨＣＤ
プラズマ源を用いた装置が知られている。

【０００３】このイオンプレーティング装置は、真空容
器中に配置された電気的には陽極として機能するハース
と、プラズマ源との間で、プラズマビームを発生させ、
ハース上に載置された膜材料をジュール加熱して蒸発さ
せている。そして、蒸発した膜材料の粒子はイオン化さ
れ、このイオン化された粒子が、負電圧が印加されてい
る被処理物体表面上に付着し、被処理物体表面上に膜が
形成される。

【０００４】ここで、膜材料は、次のようにして、蒸発
する。ハースに導かれたプラズマビームは、ハースおよ
び／または膜材料に対して放電する。放電によって、膜
材料は、瞬間的に高温に加熱される。瞬間的に加熱され
た膜材料は、蒸発し始める。この後、膜材料は、その中
に電流が流れることによってオーミック加熱されると共
に、蒸発する。

【０００５】ところで、従来のこの種のプラズマ成膜装
置に、膜材料として絶縁物（例えば、ＳｉＯ、ＳｉＯ2
、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＴａＮ、ＴｉＮ、あるいはＡｌ2
Ｏ3 等）を用いる場合には、膜材料には電流を流さない
し、大部分が膜材料で覆われたハースには放電しにくい
ので、膜材料が加熱され始めにくい。また、仮に膜材料
が加熱され始めたとしても、その後のオーミック加熱が
ない。このため、安定して成膜することが困難である。

【０００６】これに対し、特願平９−１１８９５５号で
は、ハース上にカーボン等からなるライナーを介して絶
縁性の膜材料を収容する技術が提案されている。この技
術においては、ハースに導かれたプラズマビームは、ハ
ースおよび／またはライナーに対して放電する。ライナ
ーは、放電によって高温に加熱される。この後、膜材料
は、ライナーからの輻射熱ならびに接触による熱伝導に
よって加熱されると共に、オーミック加熱され、蒸発す
る。

【０００７】図３を参照して、この提案されているプラ
ズマ成膜装置としてのイオンプレーティング装置は、気
密性の真空容器１０を有している。真空容器１０には、
ガイド部１２を介してプラズマ源（例えば、圧力勾配型
プラズマ銃）２０が取り付けられている。ガイド部１２
の外側には、プラズマビーム３００をガイドするための
ステアリングコイル３１が配設されている。プラズマ源
２０には、プラズマビーム３００を収束するための第１
および第２の中間電極２７および２８が同心的に配置さ
れている。第１の中間電極２７には磁極軸がプラズマ発
生源２０の中心軸と平行になるようにして永久磁石２７
ａが内蔵されており、第２の中間電極２８にはコイル２
８ａが内蔵されている。

【０００８】プラズマ源２０には、第１および第２の中
間電極２７および２８で規定される通路に繋がる絶縁管
（例えば、ガラス管）２１が備えられている。絶縁管２
１内には、Ｍｏ筒２２が配置されている。Ｍｏ筒２２内
には、Ｔａパイプ２３が配置されている。Ｍｏ筒２２と
Ｔａパイプ２３とで規定される空間は、ＬａＢ6 製の環
状板２４で隔離されている。絶縁管２１、Ｍｏ筒２２、
およびＴａパイプ２３の一端には、導体板部２５が取り
付けられている。導体板部２５に形成されたキャリアガ
ス導入口２６からキャリアガス（Ａｒ等の不活性ガス）
が導入され、キャリアガスは、Ｔａパイプ２３を通過す
る。

【０００９】真空容器１０内には、被処理物体としての
基板１００が搬送装置６１に支持されることによって配
置されている。基板１００には、負バイアス用の直流電
源が接続される。真空容器１０の底面には、基板１００
に対向するように、電気的には陽極として機能するハー
ス４１が配置されている。ハース４１の外周には、環状
の補助陽極４２が配置されている。

【００１０】図４を参照して、ハース４１および補助陽
極４２は、真空容器内の底部に設けられた支持部材５０
によって支持されている。ハース４１と支持部材５０と
の間は、絶縁部材８２により電気的に絶縁されている。
補助陽極４２と支持部材５０との間は、絶縁部材８１に
より電気的に絶縁されている。ハース４１は、膜材料を
収容可能な収容凹部４１ｃと、ハース４１内に設けられ
た中空部４１ｄとを備えている。中空部４１ｄには、冷
媒としての冷却水を循環させるために、冷媒管７１ｃお
よび７１ｂが接続されている。

【００１１】補助陽極４２は、永久磁石４２１と、電磁
石４２２と、これら磁石を収容する上ケース４２３ａお
よび下ケース４２３ｂからなる中空、円柱状の磁石ケー
スとから構成されている。磁石ケースは、その中に、冷
媒を流通できるようになっている。ハース４１ならびに
補助陽極４２を冷却する冷媒を流通する冷媒管７１ａ、
７１ｂ、および７１ｃとを有している。冷媒は、真空容
器外から冷媒管７１ａ、磁石ケース内、冷媒管７１ｃ、
中空部４１ｄ、および冷媒管７１ｂの順に流通して、ハ
ース４１および補助陽極４２を冷却する。

【００１２】さらに、この装置は、膜材料を収容する容
器形のライナー４３を有している。ライナー４３は、例
えばカーボン（Ｃ）および窒化ホウ素（ＢＮ）のうちの
少くとも一方を含む材料から成り、導電性および耐熱性
を持っている。ライナー４３は、ハース４１に対して電
気的接続を確保する一方、熱伝導性が低い接続関係にな
るように、可及的小さい接触面積でもって取り付けられ
る。具体的には、この例では、ライナー４３は、ハース
４１の収容凹部４１ｃの底面にのみ接して配置され、収
容凹部４１ｃの側面に対しては所定の間隙をおいてい
る。ライナー４３内には、絶縁性でかつ粒状の膜材料２
００（例えば、ＳｉＯ、ＳｉＯ2 、ＭｇＯ、ＺｎＯ、あ
るいはＡｌ2 Ｏ3 等）収容されている。

【００１３】再び図３を参照して、導体板部２５には、
可変電源９０のマイナス端が接続されている。可変電源
９０のプラス端は、それぞれ抵抗器Ｒ１およびＲ２を介
して、第１および第２の中間電極２７および２８に接続
されている。一方、ハース４１は、可変電源９０ならび
に抵抗器Ｒ１およびＲ２に接続される。また、真空容器
１０の側壁には、キャリアガス（ＡｒやＨｅ等の不活性
ガス）を導入するためのガス導入口１０ａと、真空容器
１０内を排気するための排気口１０ｂとが形成されてい
る。

【００１４】このイオンプレーティング装置では、キャ
リアガス導入口２６からキャリアガスが導入されると、
第１の中間電極２７とＭｏ筒２２との間で放電が始ま
る。これによって、プラズマビーム３００が発生する。
プラズマビーム３００は、ステアリングコイル３１と補
助陽極４２の磁石にガイドされて、電気的には陽極とし
て機能するハース４１、補助陽極４２、およびライナー
４３に到達する。ハース４１に取り付けられたライナー
４３は、プラズマビーム３００からの放電によって瞬間
的に加熱された後、オーミック加熱による発熱で膜材料
２００を加熱する。加熱された膜材料は、溶融、蒸発す
る。ライナー４３内に収容された膜材料２００が減少し
たときは、ライナー４３への放電に移行するので、膜材
料２００の加熱が途切れることがない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、成膜時に真空
室内のガス圧が高真空領域であったり、ライナーの温度
が過剰に高い場合には、ライナーの材料であるカーボン
が蒸発し、被処理物表面上に本来の膜材料に混入する形
で付着する虞がある。

【００１６】それ故、本発明の課題は、電気的絶縁性の
膜材料を不純物を混入させることなく被処理物表面上に
確実に成膜できるプラズマ成膜装置を提供することであ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、真空容
器の真空室内にてハースに収容した膜材料を真空容器に
設けられたプラズマ源からのプラズマビームによって蒸
発させることによって膜を被処理物体に付着させるプラ
ズマ成膜装置において、前記ハース下部には、キャリア
ガスまたは反応性ガスを膜材料に向けて放出するための
ガス放出孔が形成されていることを特徴とするプラズマ
成膜装置が得られる。

【００１８】本発明によればまた、前記ハースには、複
数のガス放出孔が形成されている前記プラズマ成膜装置
が得られる。

【００１９】

【００２０】本発明によればまた、真空室内に被処理物
体および被処理物体を臨むようにハースを用意すると共
に、該ハース内に粒状の膜材料を収容する準備工程と、
プラズマ源からプラズマビームを発生させるプラズマビ
ーム発生工程と、プラズマビームを前記ハースに導くプ
ラズマビーム導引工程と、膜材料をプラズマビームによ
って蒸発させることによって膜を被処理物体に付着させ
る成膜工程とを有する成膜方法において、前記成膜工程
では、膜材料に前記ハース下部に形成したガス放出孔か
らキャリアガスまたは反応性ガスを浴びせる成膜方法が
得られる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態によるプラズマ成膜装置を説明する。

【００２２】[実施の形態１]図１を参照して、本発明の
実施の形態１によるプラズマ成膜装置としてのイオンプ
レーティング装置は、図３および図４と同符号で示され
た部分と同様の部分を有している。即ち、本イオンプレ
ーティング装置は、図示しない真空容器と、真空容器に
取り付けられた図示しないプラズマ源と、真空容器内の
底部に配置された電気的には陽極として機能するハース
４１′と、ハース４１′の周囲に配置された環状の補助
陽極４２とを有している。

【００２３】そして、プラズマ源が発生するプラズマビ
ームをハース４１′に導き、ハース４１′に収容した粒
状の膜材料２００をイオン化し、ハース４１′の上方に
て電圧が印加された被処理物体としての基板上に膜材料
２００から成る膜を形成するものである。

【００２４】ハース４１′および補助陽極４２は、真空
容器内の底部に設けられた支持部材５０によって支持さ
れている。ハース４１′と支持部材５０との間は、絶縁
部材８２により電気的に絶縁されている。補助陽極４２
と支持部材５０との間は、絶縁部材８１により電気的に
絶縁されている。

【００２５】ハース４１′は、膜材料２００を収容可能
な収容凹部と、ハース４１′内に設けられた中空部とを
備えている。中空部には、冷媒としての冷却水を循環さ
せるために、冷媒管７１ｃおよび７１ｂが接続されてい
る。補助陽極４２は、永久磁石４２１と、電磁石４２２
と、これら磁石を収容する上ケース４２３ａおよび下ケ
ース４２３ｂからなる中空、円柱状の磁石ケースとから
構成されている。磁石ケースは、その中に、冷媒を流通
できるようになっている。ハース４１′ならびに補助陽
極４２を冷却する冷媒を流通する冷媒管７１ａ、７１
ｂ、および７１ｃとを有している。冷媒は、真空容器外
から冷媒管７１ａ、磁石ケース内、冷媒管７１ｃ、中空
部、および冷媒管７１ｂの順に流通して、ハース４１′
および補助陽極４２を冷却する。

【００２６】さらに、ハース４１′は、ＡｒガスやＨｅ
ガス等のキャリアガスまたは反応性ガスを膜材料２００
に向けて放出するためのガス放出通路４１ｅ′を備えて
いる。ガス放出通路４１ｅ′の一端は収容凹部の側面底
部にて開口しており、他端はハース４１′の下方にてガ
スパイプ７５に接続している。ガスパイプ７５は、図示
しないガス源に接続している。

【００２７】以上説明した本成膜装置を用いて、以下の
うように被処理物体への成膜が行われる。

【００２８】真空室内に被処理物体を用意すると共に、
ハース４１′内に粒状の膜材料２００を収容する。プラ
ズマ源からプラズマビームを発生させる。プラズマビー
ムをハース４１′に導く。膜材料２００をプラズマビー
ムによって蒸発させることによって膜を被処理物体に付
着させる。

【００２９】膜材料２００をプラズマビームによって蒸
発させるときには、ハース４１′の収容凹部内に収容さ
れた膜材料２００に対し、ガス放出通路４１ｅ′を通し
てＡｒガスを流す。

【００３０】詳しくいえば、ガス放出通路４１ｅ′から
収容凹部内に放出されたキャリアガスは、膜材料２００
の各粒間を通って真空室内に進む。このとき、膜材料２
００の各粒間のキャリアガスの濃度が高いので、プラズ
マ源からハース４１′に導かれているプラズマビームか
ら膜材料２００の各粒間に放電し、プラズマビームが各
粒間にまで拡がる。さらに、放電電流が大きくなると、
各粒間のプラズマのエネルギが上昇する。このようにプ
ラズマのエネルギが上昇すると、発光が起こると共に、
放射熱によって膜材料２００が加熱される。そして、加
熱された膜材料は、蒸発する。

【００３１】本成膜装置によれば、カーボンライナーを
用いなくとも絶縁性の膜材料を成膜できるため、ライナ
ー使用時に起こる虞のある被処理物体に形成される膜中
にカーボンが混入する問題を回避できる。

【００３２】粒状の膜材料がハース内に密に収容された
ときは、膜材料のチャージアップが発生し、ハースがス
パッタされる虞がある。この問題を回避するために、ハ
ースへの高周波電圧を抑制するための回路を成膜装置に
設ける。具体的には、例えば、ハースと電源との間に適
当な容量範囲のコンデンサを挿入し、ハースへの印加電
圧を制御する。

【００３３】本例において、放電が開始する電圧、放電
が維持され得る電流は、１２０Ｖ／５Ａ、１００Ａ／８
０Ｖであった。尚、放電が開始するときに、キャリアガ
スとして４０ｓｃｃｍのＡｒガスと１０ｓｃｃｍのＯ2
ガスを導入し、ハース４１′内へのキャリアガスとして
１０ｓｃｃｍのＡｒガスを導入し、真空室内の圧力は
４．０Ｅ４Ｔｏｒｒであった。

【００３４】比較例として、図３および図４に示した例
では、放電が開始する電圧、放電が維持され得る電流
は、２００Ｖ／５Ａ、１００Ａ／１５０Ｖであった。
尚、放電が開始するときに、キャリアガスとして４０ｓ
ｃｃｍのＡｒガスと１０ｓｃｃｍのＯ2ガスを導入し、
真空室内の圧力は４．０Ｅ４Ｔｏｒｒであった。

【００３５】ハース４１′内の膜材料２００に浴びせる
キャリアガスまたは反応性ガスとしては、ＡｒガスやＨ
ｅガスの他に、Ｈ_２ガス、Ｏ_２ガス、Ｎ_２ガス、あるい
はＣＨ_４ガス等がある。

【００３６】[実施の形態２]図２（ａ）および（ｂ）を
参照して、本発明の実施の形態２によるプラズマ成膜装
置としてのイオンプレーティング装置は、実施の形態１
と同様の部分を有している。即ち、本イオンプレーティ
ング装置は、図示しない真空容器と、真空容器に取り付
けられた図示しないプラズマ源と、真空容器内の底部に
配置された電気的には陽極として機能するハース４１″
と、ハース４１″の周囲に配置された図示しない補助陽
極とを有している。

【００３７】そして、プラズマ源が発生するプラズマビ
ームをハース４１″に導き、ハース４１″に収容した粒
状の膜材料をイオン化し、ハース４１″の上方にて電圧
が印加された被処理物体としての基板上に膜材料から成
る膜を形成するものである。

【００３８】ハース４１″は、下ハース４１ａ″と、上
ハース４１ｂ″と、膜材料を収容可能な収容凹部４１
ｃ″と、下ハース４１ａ″内に設けられた中空部とを備
えている。中空部には、冷媒としての冷却水を循環させ
るために、冷媒管７１ｃおよび７１ｂが接続されてい
る。冷媒は、真空容器外から冷媒管、補助陽極内、冷媒
管７１ｃ、中空部、および冷媒管７１ｂの順に流通し
て、ハース４１″および補助陽極を冷却する。

【００３９】さらに、ハース４１″は、ＡｒガスやＨｅ
ガス等のキャリアガスまたは反応性ガスを、収容凹部４
１ｃ″内に収容した膜材料に向けて放出するためのガス
放出通路を備えている。ガス放出通路は、下ハース４１
ａ″の下方にてガスパイプ７５に接続している縦通路４
１ｅ″−１と、縦通路４１ｅ″−１に接続した環状通路
４１ｅ″−３と、環状通路４１ｅ″−３に接続した複数
の横通路４１ｅ″−２とから成る。環状通路４１ｅ″−
３および横通路４１ｅ″−２は、上ハース４１ｂ″に形
成されている。横通路４１ｅ″−２の各端は、収容凹部
４１ｃ″の側面底部にて開口している。ガスパイプ７５
は、図示しないガス源に接続している。

【００４０】本例は、キャリアガスまたは反応性ガスを
実施の形態１よりも均一に粒状の膜材料に浴びせること
ができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によるプラズマ成膜装置は、ハー
スにキャリアガスまたは反応性ガスを膜材料に向けて放
出するためのガス放出孔が形成されているため、膜材料
間に前記ガスが入り込み、放電が容易に行われる。した
がって、ライナーを使用することなく、即ち電気的絶縁
性の膜材料を不純物を混入させることなく、被処理物表
面上に確実に成膜できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１によるプラズマ成膜装置
の要部を示す縦断面図である。

【図２】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態２
によるプラズマ成膜装置の要部を示す横断面図および縦
断面図である。

【図３】従来のプラズマ成膜装置の概略図である。

【図４】図３に示すプラズマ成膜装置の要部を示す縦断
面図である。

【符号の説明】

１０ 真空容器 ２０ プラズマ源 ４１、４１′、４１″ ハース ４１ａ″ 下ハース ４１ｂ″ 上ハース ４１ｃ、４１ｃ″ 収容凹部 ４１ｄ 中空部 ４１ｅ′ ガス放出通路 ４１ｅ″−１ 縦通路 ４１ｅ″−２ 横通路 ４１ｅ″−３ 環状通路 ４２ 補助陽極 ４３ ライナー ７１ａ、７１ｃ、７１ｂ 冷媒管 ７５ ガスパイプ ９０ 可変電源 １００ 基板 ２００ 膜材料 ３００ プラズマビーム

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器の真空室内にてハースに収容し
   た膜材料を真空容器に設けられたプラズマ源からのプラ
   ズマビームによって蒸発させることによって膜を被処理
   物体に付着させるプラズマ成膜装置において、 前記ハース下部には、キャリアガスまたは反応性ガスを
   膜材料に向けて放出するためのガス放出孔が形成されて
   いることを特徴とするプラズマ成膜装置。
2. 【請求項２】 前記ハースには、複数のガス放出孔が形
   成されている請求項１に記載のプラズマ成膜装置。
3. 【請求項３】 真空室内に被処理物体および被処理物体
   を臨むようにハースを用意すると共に、該ハース内に粒
   状の膜材料を収容する準備工程と、 プラズマ源からプラズマビームを発生させるプラズマビ
   ーム発生工程と、 プラズマビームを前記ハースに導くプラズマビーム導引
   工程と、 膜材料をプラズマビームによって蒸発させることによっ
   て膜を被処理物体に付着させる成膜工程とを有する成膜
   方法において、 前記成膜工程では、膜材料に前記ハース下部に形成した
   ガス放出孔からキャリアガスまたは反応性ガスを浴びせ
   る成膜方法。