JP4287936B2 - 真空成膜装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気的絶縁性物質からなる薄膜を基板上に形成する真空成膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、導電性物質あるいは絶縁性物質の薄膜を基板上に形成する真空成膜装置は公知であり、図９は、その内のイオンプレーティング装置、図１０はプラズマＣＶＤ装置を示している。
図９に示すイオンプレーティング装置は、圧力勾配型プラズマガン１１（以下、プラズマガンという）により真空チャンバー１２内にプラズマを発生させて真空チャンバー１２内に配置した基板１３上に蒸着により薄膜を形成するものである。
【０００３】
さらに詳説すれば、プラズマガン１１は、放電電源１４のマイナス側に接続された環状の陰極１５と、放電電源１４のプラス側に抵抗を介して接続された環状の第１中間電極１６、第２中間電極１７を備え、陰極１５側から放電ガスの供給を受け、前記放電ガスをプラズマ状態にして第２中間電極１７から真空チャンバー１２内に向けて流出させるように配置されている。真空チャンバー１２は、図示しない真空ポンプに接続され、その内部は所定の減圧状態に保たれている。また、真空チャンバー１２の第２中間電極１７に向けて突出した短管部１２Ａの外側には、この短管部１２Ａを包囲するように収束コイル１８が設けられている。真空チャンバー１２内の下部には、放電電源１４のプラス側に接続された導電性材料からなるハース１９が載置されており、このハース１９上の凹所に薄膜の材料となる導電性あるいは絶縁性の蒸着原料２０が収められている。さらに、ハース１９の内部にはハース用磁石２１が設けられている。
【０００４】
そして、第２中間電極１７から蒸着原料２０に向けてプラズマビーム２２が形成され、蒸着原料２０が蒸発させられ、基板１３の下面に付着し、薄膜が形成される。なお、収束コイル１８はプラズマビーム２２の横断面を収縮させる作用を、またハース用磁石２１はプラズマビーム２２をハース１９に導く作用をしている。
【０００５】
一方、図１０に示すプラズマＣＶＤ装置は、上述した装置のハース１９、蒸着原料２０、ハース用磁石２１に代えて、放電電源１４のプラス側に接続されたアノード３１、このアノード３１の背後、即ちプラズマガン１１とは反対の側に配設したアノード用磁石３２および原料ガス供給管３３を設けたもので、他は図面上、実質的に同一である。
そして、原料ガス供給管３３から真空チャンバー１２内に原料ガスと反応ガスを供給し、これらをプラズマにより分離結合させることにより基板１３に蒸着させて基板１３上に薄膜を形成するようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図９、図１０に示す従来の装置により電気的絶縁性物質からなる薄膜を形成する場合、ハース（アノード部）１９の表面、真空チャンバー１２の内面等に絶縁性物質が付着し、特に、ハース１９の表面が電気的に絶縁された状態となり、真空チャンバー１２内で通電不能となる結果、電極各部がチャージアップする現象が時間経過とともに進行する。このため、プラズマビーム２２に対する連続的な安定制御ができなくなり、成膜の安定性が損なわれるという問題が生じる。なお、このような現象が生じた場合、通電不能となった部分に入射しようとした電子は反射され、イオンとの結合により電気的に中和されるか、最終的に電気的帰還が可能な場所に到達するまで電子の反射は繰り返されることとなる。
【０００７】
また、真空チャンバー１２内には、プラズマビーム２２を制御するための磁場が存在しており、前述した反射された電子、即ち反射電子の動きはこの磁場により制約を受ける。したがって、プラズマガン１１を使用して絶縁性物質からなる薄膜を連続的、かつ安定して形成するためには、磁場分布状態が最適で、絶縁性の膜が付着しにくい位置に適正な反射電子帰還電極を設ける必要がある。
ところで、前記反射電子の大部分は、強制的に反射帰還経路を変更させない限り、照射ビームを制御している磁場の影響を受けて、この磁場に沿って照射ビームの経路を逆流しようとする。換言すれば、照射ビームと反射電子ビームとは、ほぼ同じ経路を往復する状態になるが、照射ビーム中の電子に比して、反射電子の方が反射、散乱により収束度は悪く、加速電圧も小さくなる。
【０００８】
このため、反射電子帰還電極に入射する電子ビームは、プラズマガン１１からの照射ビームであるプラズマビーム２２とは分離される必要がある。この分離がなされなければ、反射電子帰還電極に直接流れ込む照射ビームが発生し、蒸着原料側，或いはアノード側に至る照射ビーム量が減少して、薄膜形成効率が低下するだけでなく、陰極１５と反射電子帰還電極との間に直接放電が生じることにより、放電自体が異常なものとなる。また反射電子帰還電極は、絶縁性物質の付着防止の観点からすれば、真空チャンバー１２内の薄膜材料を発生させる部分（図９：蒸着原料２０の位置、図１０：原料ガス供給管からのガス流出口）からできるだけ離れた位置に設けるのが好ましく、小型化という観点からすれば、できるだけ収束コイル１８に近い位置に設けるのが好ましい。
本発明は、斯る従来の問題点をなくすことを課題として、また前述した考察に基づいてなされたもので、プラズマ放電の連続安定維持時間を長くすること、成膜速度の向上を可能とした真空成膜装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１発明は、
放電電源のマイナス側に接続された陰極と、放電電源のプラス側に接続された中間電極を備え、真空チャンバー内に向けてプラズマビームを生成する圧力勾配型プラズマガンと、
蒸着原料を収容するハースと、
このプラズマガンの出口部に向けて突出させた前記真空チャンバーの短管部を包囲し、前記プラズマビームの横断面を収縮させる収束コイルとを備え、
前記プラズマビームを前記真空チャンバー内の下部に配置した前記ハースの蒸着原料の表面に導き、前記真空チャンバー内の上部の基板上に電気的絶縁性物質からなる薄膜を形成する真空成膜装置において、
前記短管部内に、このプラズマビームの周囲を取囲み、電気的に浮遊状態として突出させた絶縁管と、
前記短管部内にて前記絶縁管の外周側を取巻くとともに、前記出口部よりも高い電位状態とした第１電子帰還電極と、
前記蒸着原料の真上よりも前記プラズマガンから遠のく側の空間部で、前記蒸着原料と前記基板との間のこの蒸着原料よりも基板に近い位置に前記第１電子帰還電極と同電位の第２電子帰還電極と
を設けた構成とした。
【００１０】
また、第２発明は、第１発明の構成に加えて、前記第２電子帰還電極を少なくとも横方向に移動させる駆動部と、前記プラズマビームを発生させるために流した電流を検出するための実放電電流検出器と、第１電子帰還電極および第２電子帰還電極の各々を流れる電流を検出する第１電流検出器および第２電流検出器と、前記各検出器から電流信号を受け、前記第１電子帰還電極および前記第２電子帰還電極の各々に流れる電流の和が最大となる位置に第２電子帰還電極を移動させるように前記駆動部を作動させる制御部とを設けた構成とした。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係るイオンプレーティング方式を採用した真空成膜装置を示し、図９に示す装置と実質的に同一の部分については、同一番号を付して説明を省略する。
この真空成膜装置では、プラズマガン１１の出口部にプラズマビーム２２の周囲を取囲み、電気的に浮遊状態として突設した絶縁管１と、真空チャンバー１２の前記短管部１２Ａ内にて絶縁管１の外周側を取巻くとともに、放電電源１４のプラス側に接続され、プラズマガン１１の出口部よりも高い電位状態とした第１電子帰還電極２Ａとが設けられている。さらに、蒸着原料２０の真上よりもプラズマガン１１から遠のく側の空間部で、蒸着原料２０と基板１３との間のこの蒸着原料２０よりも基板１３に近い位置に第１電子帰還電極２Ａと同電位の第２電子帰還電極２Ｂが設けられている。また、ハース１９内の蒸着原料２０は、絶縁性物質である。なお、前記絶縁管１として、例えば、セラミック製短管が採用される。
【００１２】
このように、この真空成膜装置では、第１電子帰還電極２Ａおよび第２電子帰還電極２Ｂを蒸着原料２０から離れた位置に設けて、絶縁性の蒸着原料２０から蒸発した絶縁性物質が第１電子帰還電極２Ａおよび第２電子帰還電極２Ｂに付着し難くなっている。そして、プラズマガン１１から出たプラズマビーム２２と第１電子帰還電極２Ａとの間に両者を遮る絶縁管１を設けることにより、このプラズマビーム２２が第１電子帰還電極２Ａに入射して、陰極１５と第１電子帰還電極２Ａとの間で異常放電が発生するのを防止するようになっている。このため、プラズマビーム２２の外側の、プラズマビーム２２とは分離した経路に沿って第１電子帰還電極２Ａに至る反射電子流３が形成され、プラズマビーム２２が連続的かつ安定して持続され、この持続時間は絶縁管１、第１電子帰還電極２Ａを設けない場合に比して倍以上となり、飛躍的に向上することが確認されている。
【００１３】
ところで、第２電子帰還電極２Ｂを除外して考えた場合、プラズマビーム２２により蒸着原料２０に流れる実放電電流に対する反射電子流３となって第１電子帰還電極２Ａに流れる電流の比率が１００％になるのが理想的な状態である。しかし、第１電子帰還電極２Ａだけでは、この比率は必ずしも十分な値とはならず、１００％に達するのに不足している分が基板１３上での成膜速度を向上させるうえで障害となる。そこで、この比率を１００％にできる限り近付けるべく第１電子帰還電極２Ａのみの場合における帰還電子の挙動について詳しく調べた。この結果、ハース１９側で反射した電子の一部は第１電子帰還電極２Ａに戻る途中でプラズマビーム２２および蒸発した粒子と衝突し、第１電子帰還電極２Ａに戻らないで収束コイル１８が形成する磁場に沿って真空チャンバー１２内に拡散してしまうことが判明した。さらに、この拡散した電子は蒸着原料２０の真上よりもプラズマガン１１から遠のく側の空間部で、蒸着原料２０と基板１３との間のこの蒸着原料２０よりも基板１３に近い位置に飛散することも見出された。斯かる結果を踏まえて、前述した真空成膜装置では、第１電子帰還電極２Ａに加えて第２電子帰還電極２Ｂを設けてあり、これにより実放電電流に対する第１電子帰還電極２Ａおよび第２電子帰還電極２Ｂの双方に帰還する電流の比率は９０％を超えて１００％に近い値となり、成膜速度も向上した。
【００１４】
また、絶縁管１を設けて、異常放電の発生を防止して、プラズマビーム２２の第１電子帰還電極２Ａへの流れ込みによる電力ロスを減少させるようした結果、プラズマガン１１から照射するプラズマビーム２２が同じ場合において、約２０％の成膜速度（原料蒸発量）の向上も確認された。
さらに、第１電子帰還電極２Ａを収束コイル１８に近い位置に設けてあり、小型化し易いようになっている。
【００１５】
図２は本発明の第２実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極２Ｂを示したもので、この第２電子帰還電極２Ｂを除き、この真空成膜装置における他の構造については図１に示す装置と実質的に同一である。
この実施形態では、第２電子帰還電極２Ｂのプラズマビーム２２側の面を凹凸形状に形成することによりハース１９にて反射した電子が帰還する面の表面積を増大させてある。
そして、斯かる構成により、蒸着原料２０に照射されたプラズマビーム２２からの帰還電流の前記比率が向上するようになっている。
【００１６】
図３は本発明の第３実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極２Ｂおよびその近傍の部分を示したもので、この部分を除き、この真空成膜装置における他の構造については図１に示す装置と実質的に同一である。
この実施形態では、第２電子帰還電極２Ｂのプラズマビーム２２側に、この第２電子帰還電極２Ｂとは離して、多数の貫通孔４Ａを有するバッフルプレート４を並設してある。
そして、斯かる構成により、絶縁性の蒸着原料２０から蒸発して第２電子帰還電極２Ｂに達する絶縁性物質の量を減少させ、この第２電子帰還電極２Ｂの表面への絶縁膜の形成を妨げることにより前記比率を向上させるようになっている。
【００１７】
図４，５は本発明の第４実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極２Ｂおよびその近傍の部分を示したもので、この部分を除き、この真空成膜装置における他の構造については図１に示す装置と実質的に同一である。
この実施形態では、第２電子帰還電極２Ｂのプラズマビーム２２側の面に沿って摺動するワイパー５を設けて前記面への付着物を強制的に掻き取るようにしてある。
そして、斯かる構成により、第２電子帰還電極２Ｂの表面への絶縁膜の形成を妨げることにより前記比率を向上させるようになっている。
【００１８】
図６は本発明の第５実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極２Ｂを示したもので、この部分を除き、この真空成膜装置における他の構造については図１に示す装置と実質的に同一である。
この実施形態では、第２電子帰還電極２Ｂを円柱体とし、横方向に延びた回転軸６を中心としてこれと一体回転可能に形成し、第２電子帰還電極２Ｂの表面全体を有効に利用するようにしてある。
そして、斯かる構成により、蒸着原料２０に照射されたプラズマビーム２２からの帰還電流の前記比率が向上するようになっている。
なお、この円柱形状をした第２電子帰還電極２Ｂのプラズマビーム２２および基板１３のいずれからも遠のいた側の表面に回転軸６と平行に延びる図示しない固定ワイパーを相対的に摺動可能に接触させ、前記表面への付着物をなくすことにより、前記比率をより一層向上させることができる。
【００１９】
図７は本発明の第６実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極２Ｂを示したもので、この部分を除き、この真空成膜装置における他の構造については図１に示す装置と実質的に同一である。
この実施形態では、第２電子帰還電極２Ｂはそのプラズマビーム２２に面する側とは反対側の面に取付けた雌ねじ部Ｆと、雌ねじ部Ｆに直交する２方向に形成した各雌ねじに螺合して横方向および縦方向に延び、モータ７ａ，７ｂにより正逆転させられる二つの雄ねじ部Ｍとからなる、ボールねじ部８により横方向および縦方向に移動可能に支持されている。
そして、斯かる構成により、プラズマビーム２２を制御する磁場の状態を変化させた場合、或いはプロセス条件を変更した場合でも、それに合った位置に第２電子帰還電極２Ｂを移動させ、適正に対応させることにより前記比率の向上させ得るようになっている。
【００２０】
図８は本発明の第７実施形態に係る真空成膜装置を示し、図１に示す真空成膜装置と共通する部分については同一番号を付して説明を省略する。
この実施形態では、第２電子帰還電極２Ｂは前述したボールねじ部８により横方向および縦方向に移動可能に支持されている。
また、第１電子帰還電極２Ａに戻ってきた電子による第１電子帰還電流を検出する第１電流検出器Ｄ１と第２電子帰還電極２Ｂに達した電子による第２電子帰還電流を検出する第２電流検出器Ｄ２とが設けてある。なお、真空チャンバー１２はアースされている。さらに、第１電流検出器Ｄ１および第２電流検出器Ｄ２から電流信号を受け、第１電子帰還電極２Ａおよび第２電子帰還電極２Ｂの各々に流れる電流の和が最大となり、かつアース側に流れる電流が零になる位置に第２電子帰還電極２Ｂを移動させるようにモータ７ａ，７ｂを作動させる制御部９が設けてある。
【００２１】
そして、制御部９により予め定められたプロセス条件にてプラズマビーム２２を発生させた状態下で第２電子帰還電極２Ｂを移動させ、その位置と第１電子帰還電極２Ａおよび第２電子帰還電極２Ｂの各々に流れる電流の和との関係を示すデータを記憶し、この記憶したデータに基づき両電極に流れる電流の和が最大になる位置を求め、その位置に第２電子帰還電極２Ｂを移動させるようにモータ７ａ，７ｂの制御が行われる。
なお、データを記憶せずに、絶えず前記両電極に流れる電流の和が最大になる位置を演算し或いはファジー推論等を用いて求め、第２電子帰還電極２Ｂをその位置に移動させるようにモータ７ａ，７ｂを制御してもよい。
斯かる構成により、この装置では電流検出器を設けることにより帰還電子による電流が最大になる位置が容易にかつ短時間で求められ、前記比率の向上の面で常に最適状態が保たれる。
【００２２】
なお、蒸着原料２０は電気絶縁性物質であるのが一般的であるが、反応ガスと化合して電気絶縁性物質に変化するものであれば、蒸着原料２０は導電性物質であってもよい。ただし、この蒸着原料２０は導電性物質である場合、これが電気絶縁性物質に変化するまではハース１９と放電電源１４とを電気的に遮断しておく必要がある。これに対して、もともと蒸着原料２０が電気絶縁性の物質である場合には、必ずしもハース１９と放電電源１４とを電気的に遮断しておく必要はない。
また、基板１３は、成膜処理の間、静止していても、回転していても、或いは水平移動していてもよく、また真空チャンバー１２内で平板であればよく、ロールに巻取られたフィルム状のもので、一方で巻戻し、他方で巻取られるようにしたものでもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、第１発明によれば、放電電源のマイナス側に接続された陰極と、放電電源のプラス側に接続された中間電極を備え、真空チャンバー内に向けてプラズマビームを生成する圧力勾配型プラズマガンと、蒸着原料を収容するハースと、このプラズマガンの出口部に向けて突出させた前記真空チャンバーの短管部を包囲し、前記プラズマビームの横断面を収縮させる収束コイルとを備え、前記プラズマビームを前記真空チャンバー内の下部に配置した前記ハースの蒸着原料の表面に導き、前記真空チャンバー内の上部の基板上に電気的絶縁性物質からなる薄膜を形成する真空成膜装置において、前記短管部内に、このプラズマビームの周囲を取囲み、電気的に浮遊状態として突出させた絶縁管と、前記短管部内にて前記絶縁管の外周側を取巻くとともに、前記出口部よりも高い電位状態とした第１電子帰還電極と、前記蒸着原料の真上よりも前記プラズマガンから遠のく側の空間部で、前記蒸着原料と前記基板との間のこの蒸着原料よりも基板に近い位置に前記第１電子帰還電極と同電位の第２電子帰還電極とを設けた構成としてある。
【００２４】
このように、第１、第２電子帰還電極を蒸着原料から離した位置に設けているため、絶縁性物質が第１、第２電子帰還電極に付着しにくく、陰極と第１，第２電子帰還電極との間で異常放電が発生するのを防止するようになる。そして、プラズマビームの外側の、プラズマビームとは分離した経路に沿って第１電子帰還電極に至る反射電子流が形成され、プラズマビームが連続的かつ安定して持続され、この持続時間を絶縁管と第１電子帰還電極を設けない場合に比して倍以上となり、飛躍的に向上させることが可能となる。さらに、この反射電子流から外れて飛散した電子を第２電子帰還電極により捕捉するようにしてあるため、蒸着原料への実放電電流に対する第１電子帰還電極および第２電子帰還電極の双方に帰還する電流の比率を１００％に近い値とし、成膜速度の向上が可能となっている。また、絶縁管を設けて、異常放電の発生を防止して、プラズマビームの第１電子帰還電極への流れ込みによる電力ロスを減少させるようした結果、プラズマガンから照射するプラズマビームが同じとして、成膜速度の向上も可能となる。さらに、第１電子帰還電極を収束コイルに近い位置に設けてあり、小型化し易い等種々の効果を奏する。
【００２５】
また、第２発明によれば、第１発明の構成に加えて、前記第２電子帰還電極を少なくとも横方向に移動させる駆動部と、前記プラズマビームを発生させるために流した電流を検出するための実放電電流検出器と、第１電子帰還電極および第２電子帰還電極の各々を流れる電流を検出する第１電流検出器および第２電流検出器と、前記各検出器から電流信号を受け、前記第１電子帰還電極および前記第２電子帰還電極の各々に流れる電流の和が最大となる位置に第２電子帰還電極を移動させるように前記駆動部を作動させる制御部とを設けた構成としてある。
このように、電流検出器を設けることにより帰還電子による電流が最大になる位置が容易にかつ短時間で求められ、前記比率の向上の面で常に最適状態が保たれるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係る真空成膜装置を示す図である。
【図２】 本発明の第２実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極の側面図である。
【図３】 本発明の第３実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極およびバッフルプレートを示す断面図である。
【図４】 本発明の第４実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極およびワイパーを示す側面図である。
【図５】 本発明の第４実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極およびワイパーを示す正面図である。
【図６】 本発明の第５実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極の側面図である。
【図７】 本発明の第６実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極およびその支持部を示す図である。
【図８】 本発明の第７実施形態に係る真空成膜装置を示す図である。
【図９】 従来のイオンプレーティング方式を採用した真空成膜装置を示す図である。
【図１０】 従来のプラズマＣＶＤ方式を採用した真空成膜装置を示す図である。
【符号の説明】
１ 絶縁管 ２Ａ 第１電子帰還電極
２Ｂ 第２電子帰還電極 ３ 反射電子流
４ バッフルプレート ４Ａ 貫通孔
５ ワイパー ６ 回転軸
７ａ，７ｂ モータ ８ ボールねじ部
９ 制御部 １１ プラズマガン
１２ 真空チャンバー １２Ａ 短管部
１３ 基板 １４ 放電電源
１５ 陰極 １６ 第１中間電極
１７ 第２中間電極 １８ 収束コイル
１９ ハース ２０ 蒸着原料
２１ ハース用磁石 ２２ プラズマビーム
Ｄ０ 実放電電流検出器 Ｄ１ 第１電流検出器
Ｄ２ 第２電流検出器
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気的絶縁性物質からなる薄膜を基板上に形成する真空成膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、導電性物質あるいは絶縁性物質の薄膜を基板上に形成する真空成膜装置は公知であり、図９は、その内のイオンプレーティング装置、図１０はプラズマＣＶＤ装置を示している。
図９に示すイオンプレーティング装置は、圧力勾配型プラズマガン１１（以下、プラズマガンという）により真空チャンバー１２内にプラズマを発生させて真空チャンバー１２内に配置した基板１３上に蒸着により薄膜を形成するものである。
【０００３】
さらに詳説すれば、プラズマガン１１は、放電電源１４のマイナス側に接続された環状の陰極１５と、放電電源１４のプラス側に抵抗を介して接続された環状の第１中間電極１６、第２中間電極１７を備え、陰極１５側から放電ガスの供給を受け、前記放電ガスをプラズマ状態にして第２中間電極１７から真空チャンバー１２内に向けて流出させるように配置されている。真空チャンバー１２は、図示しない真空ポンプに接続され、その内部は所定の減圧状態に保たれている。また、真空チャンバー１２の第２中間電極１７に向けて突出した短管部１２Ａの外側には、この短管部１２Ａを包囲するように収束コイル１８が設けられている。真空チャンバー１２内の下部には、放電電源１４のプラス側に接続された導電性材料からなるハース１９が載置されており、このハース１９上の凹所に薄膜の材料となる導電性あるいは絶縁性の蒸着原料２０が収められている。さらに、ハース１９の内部にはハース用磁石２１が設けられている。
【０００４】
そして、第２中間電極１７から蒸着原料２０に向けてプラズマビーム２２が形成され、蒸着原料２０が蒸発させられ、基板１３の下面に付着し、薄膜が形成される。なお、収束コイル１８はプラズマビーム２２の横断面を収縮させる作用を、またハース用磁石２１はプラズマビーム２２をハース１９に導く作用をしている。
【０００５】
一方、図１０に示すプラズマＣＶＤ装置は、上述した装置のハース１９、蒸着原料２０、ハース用磁石２１に代えて、放電電源１４のプラス側に接続されたアノード３１、このアノード３１の背後、即ちプラズマガン１１とは反対の側に配設したアノード用磁石３２および原料ガス供給管３３を設けたもので、他は図面上、実質的に同一である。
そして、原料ガス供給管３３から真空チャンバー１２内に原料ガスと反応ガスを供給し、これらをプラズマにより分離結合させることにより基板１３に蒸着させて基板１３上に薄膜を形成するようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図９、図１０に示す従来の装置により電気的絶縁性物質からなる薄膜を形成する場合、ハース（アノード部）１９の表面、真空チャンバー１２の内面等に絶縁性物質が付着し、特に、ハース１９の表面が電気的に絶縁された状態となり、真空チャンバー１２内で通電不能となる結果、電極各部がチャージアップする現象が時間経過とともに進行する。このため、プラズマビーム２２に対する連続的な安定制御ができなくなり、成膜の安定性が損なわれるという問題が生じる。なお、このような現象が生じた場合、通電不能となった部分に入射しようとした電子は反射され、イオンとの結合により電気的に中和されるか、最終的に電気的帰還が可能な場所に到達するまで電子の反射は繰り返されることとなる。
【０００７】
また、真空チャンバー１２内には、プラズマビーム２２を制御するための磁場が存在しており、前述した反射された電子、即ち反射電子の動きはこの磁場により制約を受ける。したがって、プラズマガン１１を使用して絶縁性物質からなる薄膜を連続的、かつ安定して形成するためには、磁場分布状態が最適で、絶縁性の膜が付着しにくい位置に適正な反射電子帰還電極を設ける必要がある。
ところで、前記反射電子の大部分は、強制的に反射帰還経路を変更させない限り、照射ビームを制御している磁場の影響を受けて、この磁場に沿って照射ビームの経路を逆流しようとする。換言すれば、照射ビームと反射電子ビームとは、ほぼ同じ経路を往復する状態になるが、照射ビーム中の電子に比して、反射電子の方が反射、散乱により収束度は悪く、加速電圧も小さくなる。
【０００８】
このため、反射電子帰還電極に入射する電子ビームは、プラズマガン１１からの照射ビームであるプラズマビーム２２とは分離される必要がある。この分離がなされなければ、反射電子帰還電極に直接流れ込む照射ビームが発生し、蒸着原料側，或いはアノード側に至る照射ビーム量が減少して、薄膜形成効率が低下するだけでなく、陰極１５と反射電子帰還電極との間に直接放電が生じることにより、放電自体が異常なものとなる。また反射電子帰還電極は、絶縁性物質の付着防止の観点からすれば、真空チャンバー１２内の薄膜材料を発生させる部分（図９：蒸着原料２０の位置、図１０：原料ガス供給管からのガス流出口）からできるだけ離れた位置に設けるのが好ましく、小型化という観点からすれば、できるだけ収束コイル１８に近い位置に設けるのが好ましい。
本発明は、斯る従来の問題点をなくすことを課題として、また前述した考察に基づいてなされたもので、プラズマ放電の連続安定維持時間を長くすること、成膜速度の向上を可能とした真空成膜装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１発明は、
放電電源のマイナス側に接続された陰極と、放電電源のプラス側に接続された中間電極を備え、真空チャンバー内に向けてプラズマビームを生成する圧力勾配型プラズマガンと、
蒸着原料を収容するハースと、
このプラズマガンの出口部に向けて突出させた前記真空チャンバーの短管部を包囲し、前記プラズマビームの横断面を収縮させる収束コイルとを備え、
前記プラズマビームを前記真空チャンバー内の下部に配置した前記ハースの蒸着原料の表面に導き、前記真空チャンバー内の上部の基板上に電気的絶縁性物質からなる薄膜を形成する真空成膜装置において、
前記短管部内に、このプラズマビームの周囲を取囲み、電気的に浮遊状態として突出させた絶縁管と、
前記短管部内にて前記絶縁管の外周側を取巻くとともに、前記出口部よりも高い電位状態とした第１電子帰還電極と、
前記蒸着原料の真上よりも前記プラズマガンから遠のく側の空間部で、前記蒸着原料と前記基板との間のこの蒸着原料よりも基板に近い位置に前記第１電子帰還電極と同電位の第２電子帰還電極と
を設けた構成とした。
【００１０】
また、第２発明は、第１発明の構成に加えて、前記第２電子帰還電極を少なくとも横方向に移動させる駆動部と、前記プラズマビームを発生させるために流した電流を検出するための実放電電流検出器と、第１電子帰還電極および第２電子帰還電極の各々を流れる電流を検出する第１電流検出器および第２電流検出器と、前記各検出器から電流信号を受け、前記第１電子帰還電極および前記第２電子帰還電極の各々に流れる電流の和が最大となる位置に第２電子帰還電極を移動させるように前記駆動部を作動させる制御部とを設けた構成とした。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係るイオンプレーティング方式を採用した真空成膜装置を示し、図９に示す装置と実質的に同一の部分については、同一番号を付して説明を省略する。
この真空成膜装置では、プラズマガン１１の出口部にプラズマビーム２２の周囲を取囲み、電気的に浮遊状態として突設した絶縁管１と、真空チャンバー１２の前記短管部１２Ａ内にて絶縁管１の外周側を取巻くとともに、放電電源１４のプラス側に接続され、プラズマガン１１の出口部よりも高い電位状態とした第１電子帰還電極２Ａとが設けられている。さらに、蒸着原料２０の真上よりもプラズマガン１１から遠のく側の空間部で、蒸着原料２０と基板１３との間のこの蒸着原料２０よりも基板１３に近い位置に第１電子帰還電極２Ａと同電位の第２電子帰還電極２Ｂが設けられている。また、ハース１９内の蒸着原料２０は、絶縁性物質である。なお、前記絶縁管１として、例えば、セラミック製短管が採用される。
【００１２】
このように、この真空成膜装置では、第１電子帰還電極２Ａおよび第２電子帰還電極２Ｂを蒸着原料２０から離れた位置に設けて、絶縁性の蒸着原料２０から蒸発した絶縁性物質が第１電子帰還電極２Ａおよび第２電子帰還電極２Ｂに付着し難くなっている。そして、プラズマガン１１から出たプラズマビーム２２と第１電子帰還電極２Ａとの間に両者を遮る絶縁管１を設けることにより、このプラズマビーム２２が第１電子帰還電極２Ａに入射して、陰極１５と第１電子帰還電極２Ａとの間で異常放電が発生するのを防止するようになっている。このため、プラズマビーム２２の外側の、プラズマビーム２２とは分離した経路に沿って第１電子帰還電極２Ａに至る反射電子流３が形成され、プラズマビーム２２が連続的かつ安定して持続され、この持続時間は絶縁管１、第１電子帰還電極２Ａを設けない場合に比して倍以上となり、飛躍的に向上することが確認されている。
【００１３】
ところで、第２電子帰還電極２Ｂを除外して考えた場合、プラズマビーム２２により蒸着原料２０に流れる実放電電流に対する反射電子流３となって第１電子帰還電極２Ａに流れる電流の比率が１００％になるのが理想的な状態である。しかし、第１電子帰還電極２Ａだけでは、この比率は必ずしも十分な値とはならず、１００％に達するのに不足している分が基板１３上での成膜速度を向上させるうえで障害となる。そこで、この比率を１００％にできる限り近付けるべく第１電子帰還電極２Ａのみの場合における帰還電子の挙動について詳しく調べた。この結果、ハース１９側で反射した電子の一部は第１電子帰還電極２Ａに戻る途中でプラズマビーム２２および蒸発した粒子と衝突し、第１電子帰還電極２Ａに戻らないで収束コイル１８が形成する磁場に沿って真空チャンバー１２内に拡散してしまうことが判明した。さらに、この拡散した電子は蒸着原料２０の真上よりもプラズマガン１１から遠のく側の空間部で、蒸着原料２０と基板１３との間のこの蒸着原料２０よりも基板１３に近い位置に飛散することも見出された。斯かる結果を踏まえて、前述した真空成膜装置では、第１電子帰還電極２Ａに加えて第２電子帰還電極２Ｂを設けてあり、これにより実放電電流に対する第１電子帰還電極２Ａおよび第２電子帰還電極２Ｂの双方に帰還する電流の比率は９０％を超えて１００％に近い値となり、成膜速度も向上した。
【００１４】
また、絶縁管１を設けて、異常放電の発生を防止して、プラズマビーム２２の第１電子帰還電極２Ａへの流れ込みによる電力ロスを減少させるようした結果、プラズマガン１１から照射するプラズマビーム２２が同じ場合において、約２０％の成膜速度（原料蒸発量）の向上も確認された。
さらに、第１電子帰還電極２Ａを収束コイル１８に近い位置に設けてあり、小型化し易いようになっている。
【００１５】
図２は本発明の第２実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極２Ｂを示したもので、この第２電子帰還電極２Ｂを除き、この真空成膜装置における他の構造については図１に示す装置と実質的に同一である。
この実施形態では、第２電子帰還電極２Ｂのプラズマビーム２２側の面を凹凸形状に形成することによりハース１９にて反射した電子が帰還する面の表面積を増大させてある。
そして、斯かる構成により、蒸着原料２０に照射されたプラズマビーム２２からの帰還電流の前記比率が向上するようになっている。
【００１６】
図３は本発明の第３実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極２Ｂおよびその近傍の部分を示したもので、この部分を除き、この真空成膜装置における他の構造については図１に示す装置と実質的に同一である。
この実施形態では、第２電子帰還電極２Ｂのプラズマビーム２２側に、この第２電子帰還電極２Ｂとは離して、多数の貫通孔４Ａを有するバッフルプレート４を並設してある。
そして、斯かる構成により、絶縁性の蒸着原料２０から蒸発して第２電子帰還電極２Ｂに達する絶縁性物質の量を減少させ、この第２電子帰還電極２Ｂの表面への絶縁膜の形成を妨げることにより前記比率を向上させるようになっている。
【００１７】
図４，５は本発明の第４実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極２Ｂおよびその近傍の部分を示したもので、この部分を除き、この真空成膜装置における他の構造については図１に示す装置と実質的に同一である。
この実施形態では、第２電子帰還電極２Ｂのプラズマビーム２２側の面に沿って摺動するワイパー５を設けて前記面への付着物を強制的に掻き取るようにしてある。
そして、斯かる構成により、第２電子帰還電極２Ｂの表面への絶縁膜の形成を妨げることにより前記比率を向上させるようになっている。
【００１８】
図６は本発明の第５実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極２Ｂを示したもので、この部分を除き、この真空成膜装置における他の構造については図１に示す装置と実質的に同一である。
この実施形態では、第２電子帰還電極２Ｂを円柱体とし、横方向に延びた回転軸６を中心としてこれと一体回転可能に形成し、第２電子帰還電極２Ｂの表面全体を有効に利用するようにしてある。
そして、斯かる構成により、蒸着原料２０に照射されたプラズマビーム２２からの帰還電流の前記比率が向上するようになっている。
なお、この円柱形状をした第２電子帰還電極２Ｂのプラズマビーム２２および基板１３のいずれからも遠のいた側の表面に回転軸６と平行に延びる図示しない固定ワイパーを相対的に摺動可能に接触させ、前記表面への付着物をなくすことにより、前記比率をより一層向上させることができる。
【００１９】
図７は本発明の第６実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極２Ｂを示したもので、この部分を除き、この真空成膜装置における他の構造については図１に示す装置と実質的に同一である。
この実施形態では、第２電子帰還電極２Ｂはそのプラズマビーム２２に面する側とは反対側の面に取付けた雌ねじ部Ｆと、雌ねじ部Ｆに直交する２方向に形成した各雌ねじに螺合して横方向および縦方向に延び、モータ７ａ，７ｂにより正逆転させられる二つの雄ねじ部Ｍとからなる、ボールねじ部８により横方向および縦方向に移動可能に支持されている。
そして、斯かる構成により、プラズマビーム２２を制御する磁場の状態を変化させた場合、或いはプロセス条件を変更した場合でも、それに合った位置に第２電子帰還電極２Ｂを移動させ、適正に対応させることにより前記比率の向上させ得るようになっている。
【００２０】
図８は本発明の第７実施形態に係る真空成膜装置を示し、図１に示す真空成膜装置と共通する部分については同一番号を付して説明を省略する。
この実施形態では、第２電子帰還電極２Ｂは前述したボールねじ部８により横方向および縦方向に移動可能に支持されている。
また、第１電子帰還電極２Ａに戻ってきた電子による第１電子帰還電流を検出する第１電流検出器Ｄ１と第２電子帰還電極２Ｂに達した電子による第２電子帰還電流を検出する第２電流検出器Ｄ２とが設けてある。なお、真空チャンバー１２はアースされている。さらに、第１電流検出器Ｄ１および第２電流検出器Ｄ２から電流信号を受け、第１電子帰還電極２Ａおよび第２電子帰還電極２Ｂの各々に流れる電流の和が最大となり、かつアース側に流れる電流が零になる位置に第２電子帰還電極２Ｂを移動させるようにモータ７ａ，７ｂを作動させる制御部９が設けてある。
【００２１】
そして、制御部９により予め定められたプロセス条件にてプラズマビーム２２を発生させた状態下で第２電子帰還電極２Ｂを移動させ、その位置と第１電子帰還電極２Ａおよび第２電子帰還電極２Ｂの各々に流れる電流の和との関係を示すデータを記憶し、この記憶したデータに基づき両電極に流れる電流の和が最大になる位置を求め、その位置に第２電子帰還電極２Ｂを移動させるようにモータ７ａ，７ｂの制御が行われる。
なお、データを記憶せずに、絶えず前記両電極に流れる電流の和が最大になる位置を演算し或いはファジー推論等を用いて求め、第２電子帰還電極２Ｂをその位置に移動させるようにモータ７ａ，７ｂを制御してもよい。
斯かる構成により、この装置では電流検出器を設けることにより帰還電子による電流が最大になる位置が容易にかつ短時間で求められ、前記比率の向上の面で常に最適状態が保たれる。
【００２２】
なお、蒸着原料２０は電気絶縁性物質であるのが一般的であるが、反応ガスと化合して電気絶縁性物質に変化するものであれば、蒸着原料２０は導電性物質であってもよい。ただし、この蒸着原料２０は導電性物質である場合、これが電気絶縁性物質に変化するまではハース１９と放電電源１４とを電気的に遮断しておく必要がある。これに対して、もともと蒸着原料２０が電気絶縁性の物質である場合には、必ずしもハース１９と放電電源１４とを電気的に遮断しておく必要はない。
また、基板１３は、成膜処理の間、静止していても、回転していても、或いは水平移動していてもよく、また真空チャンバー１２内で平板であればよく、ロールに巻取られたフィルム状のもので、一方で巻戻し、他方で巻取られるようにしたものでもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、第１発明によれば、放電電源のマイナス側に接続された陰極と、放電電源のプラス側に接続された中間電極を備え、真空チャンバー内に向けてプラズマビームを生成する圧力勾配型プラズマガンと、蒸着原料を収容するハースと、このプラズマガンの出口部に向けて突出させた前記真空チャンバーの短管部を包囲し、前記プラズマビームの横断面を収縮させる収束コイルとを備え、前記プラズマビームを前記真空チャンバー内の下部に配置した前記ハースの蒸着原料の表面に導き、前記真空チャンバー内の上部の基板上に電気的絶縁性物質からなる薄膜を形成する真空成膜装置において、前記短管部内に、このプラズマビームの周囲を取囲み、電気的に浮遊状態として突出させた絶縁管と、前記短管部内にて前記絶縁管の外周側を取巻くとともに、前記出口部よりも高い電位状態とした第１電子帰還電極と、前記蒸着原料の真上よりも前記プラズマガンから遠のく側の空間部で、前記蒸着原料と前記基板との間のこの蒸着原料よりも基板に近い位置に前記第１電子帰還電極と同電位の第２電子帰還電極とを設けた構成としてある。
【００２４】
このように、第１、第２電子帰還電極を蒸着原料から離した位置に設けているため、絶縁性物質が第１、第２電子帰還電極に付着しにくく、陰極と第１，第２電子帰還電極との間で異常放電が発生するのを防止するようになる。そして、プラズマビームの外側の、プラズマビームとは分離した経路に沿って第１電子帰還電極に至る反射電子流が形成され、プラズマビームが連続的かつ安定して持続され、この持続時間を絶縁管と第１電子帰還電極を設けない場合に比して倍以上となり、飛躍的に向上させることが可能となる。さらに、この反射電子流から外れて飛散した電子を第２電子帰還電極により捕捉するようにしてあるため、蒸着原料への実放電電流に対する第１電子帰還電極および第２電子帰還電極の双方に帰還する電流の比率を１００％に近い値とし、成膜速度の向上が可能となっている。また、絶縁管を設けて、異常放電の発生を防止して、プラズマビームの第１電子帰還電極への流れ込みによる電力ロスを減少させるようした結果、プラズマガンから照射するプラズマビームが同じとして、成膜速度の向上も可能となる。さらに、第１電子帰還電極を収束コイルに近い位置に設けてあり、小型化し易い等種々の効果を奏する。
【００２５】
また、第２発明によれば、第１発明の構成に加えて、前記第２電子帰還電極を少なくとも横方向に移動させる駆動部と、前記プラズマビームを発生させるために流した電流を検出するための実放電電流検出器と、第１電子帰還電極および第２電子帰還電極の各々を流れる電流を検出する第１電流検出器および第２電流検出器と、前記各検出器から電流信号を受け、前記第１電子帰還電極および前記第２電子帰還電極の各々に流れる電流の和が最大となる位置に第２電子帰還電極を移動させるように前記駆動部を作動させる制御部とを設けた構成としてある。
このように、電流検出器を設けることにより帰還電子による電流が最大になる位置が容易にかつ短時間で求められ、前記比率の向上の面で常に最適状態が保たれるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係る真空成膜装置を示す図である。
【図２】 本発明の第２実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極の側面図である。
【図３】 本発明の第３実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極およびバッフルプレートを示す断面図である。
【図４】 本発明の第４実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極およびワイパーを示す側面図である。
【図５】 本発明の第４実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極およびワイパーを示す正面図である。
【図６】 本発明の第５実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極の側面図である。
【図７】 本発明の第６実施形態に係る真空成膜装置の第２電子帰還電極およびその支持部を示す図である。
【図８】 本発明の第７実施形態に係る真空成膜装置を示す図である。
【図９】 従来のイオンプレーティング方式を採用した真空成膜装置を示す図である。
【図１０】 従来のプラズマＣＶＤ方式を採用した真空成膜装置を示す図である。
【符号の説明】
１ 絶縁管 ２Ａ 第１電子帰還電極
２Ｂ 第２電子帰還電極 ３ 反射電子流
４ バッフルプレート ４Ａ 貫通孔
５ ワイパー ６ 回転軸
７ａ，７ｂ モータ ８ ボールねじ部
９ 制御部 １１ プラズマガン
１２ 真空チャンバー １２Ａ 短管部
１３ 基板 １４ 放電電源
１５ 陰極 １６ 第１中間電極
１７ 第２中間電極 １８ 収束コイル
１９ ハース ２０ 蒸着原料
２１ ハース用磁石 ２２ プラズマビーム
Ｄ０ 実放電電流検出器 Ｄ１ 第１電流検出器
Ｄ２ 第２電流検出器
Claims (2)
- 放電電源のマイナス側に接続された陰極と、放電電源のプラス側に接続された中間電極を備え、真空チャンバー内に向けてプラズマビームを生成する圧力勾配型プラズマガンと、
蒸着原料を収容するハースと、
このプラズマガンの出口部に向けて突出させた前記真空チャンバーの短管部を包囲し、前記プラズマビームの横断面を収縮させる収束コイルとを備え、
前記プラズマビームを前記真空チャンバー内の下部に配置した前記ハースの蒸着原料の表面に導き、前記真空チャンバー内の上部の基板上に電気的絶縁性物質からなる薄膜を形成する真空成膜装置において、
前記短管部内に、このプラズマビームの周囲を取囲み、電気的に浮遊状態として突出させた絶縁管と、
前記短管部内にて前記絶縁管の外周側を取巻くとともに、前記出口部よりも高い電位状態とした第１電子帰還電極と、
前記蒸着原料の真上よりも前記プラズマガンから遠のく側の空間部で、前記蒸着原料と前記基板との間のこの蒸着原料よりも基板に近い位置に前記第１電子帰還電極と同電位の第２電子帰還電極と
を設けたことを特徴とする真空成膜装置。 - 前記第２電子帰還電極を少なくとも横方向に移動させる駆動部と、
前記プラズマビームを発生させるために流した電流を検出するための実放電電流検出器と、
第１電子帰還電極および第２電子帰還電極の各々を流れる電流を検出する第１電流検出器および第２電流検出器と、
前記各検出器から電流信号を受け、前記第１電子帰還電極および前記第２電子帰還電極の各々に流れる電流の和が最大となる位置に第２電子帰還電極を移動させるように前記駆動部を作動させる制御部と
を設けたことを特徴とする請求項１に記載の真空成膜装置。
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