JP4413042B2

JP4413042B2 - プラズマ生成装置とそれを用いた真空装置

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Publication number: JP4413042B2
Application number: JP2004063369A
Authority: JP
Inventors: 太郎矢島; 稔赤石; 芳邦堀下
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2024-03-08
Also published as: JP2005251658A

Description

本発明は、プラズマ生成装置と真空装置に関し、特に、イオンガンを用いたプラズマ生成装置と真空装置に関する。

イオンガンを用いた成膜プロセスには、イオン源で生成したプラズマを、ターゲットに衝突させて、ターゲット面より飛散させたスパッタリング粒子で膜形成を行うイオンビームスパッタリング法、また電子銃で薄膜材料を蒸発させて、イオンガンを利用して成膜をアシストさせるイオンアシスト蒸着法などが代表的な成膜手法としてある。また、イオンガンは、成膜プロセスだけではなく、イオンビームを持ちいてエッチングするイオンビームエッチング法にも用いられる。

これらのプロセスに利用するイオンガンには、その内部でプラズマを発生させる方法により代表的な３種類の方式がある。それは、交流電力を印加してプラズマを発生させるＲＦイオンガン方式、熱フィラメントによるプラズマを発生させる、フィラメント方式、直流電力をホローカソードに印加するホロカソード方式が代表的なイオンガンの実現方式である。

これらのうち、ＲＦイオンガン方式の大きな利点としては、酸素ガスを使用し、絶縁物を長時間処理することができることがあり、特に通信用の光学用フィルターなどの成膜装置や蒸着装置でなくてはならないものとなってきている。例えば、通信用の狭帯域フィルターでは、ＳｉＯ₂とＴａ₂Ｏ₅の膜を１００層以上に積層させるため、その成膜時間は数十時間以上に渡ることがある。これらの場合に用いられるＲＦイオンガンは、長時間安定な放電ができることが非常に重要な性能の一つとして挙げられる。
ＲＦイオンガンを使用した装置の概要をイオンビームスパッタリングの例で示す。

図８の符号１０１は、ＲＦイオンガンを用いた従来技術の真空装置の一例であり、真空槽１１１を有している。
真空槽１１１の壁面には、ＲＦイオンガン１１２と、電子発生源(ニュートラライザ)１１３とが設けられており、ＲＦイオンガン１１２は、マッチングボックス１０２を介して電源１１９に接続されている。

真空槽１１１内にはターゲット１１５が配置されており、真空槽１１１内を真空排気し、電源１１９を起動し、マッチングボックス１０２を介してＲＦイオンガン１１２にイオン生成用の電力を供給すると、ＲＦイオンガン１１２内部にイオンが生成される。

ＲＦイオンガン１１２には、２枚又は３枚の電極が配置されており、電子発生源１１３を起動し、電子発生源１１３から電子を放出させながら、ＲＦイオンガン１１２内の電極に電圧を印加してイオンビーム１２１を放出させると、イオンビーム１２１中の陽イオンが電子で中和され、中性粒子がターゲット１１５に照射され、ターゲット１１５から、ターゲット１１５を構成する粒子がスパッタリング粒子１２３となって飛び出す。

成膜対象の基板１１７は、ターゲット１１５に対して平行に配置されており、基板１１７にスパッタリング粒子１２３が付着すると、基板１１７表面に薄膜が形成される。

ところが、ＲＦイオンガン１１２を用いたプロセスでは、放電が何らかの原因により停止してしまった場合に、自己復帰して放電が開始する場合と、自己復帰が失敗し、放電が開始できない場合がある。

特にＲＦイオンガン１１２の内部で電子の数が少ない場合には放電が開始しにくい。この場合には引き出し電極の電圧を制御することで放電を開始することができるが、電極容量や配線容量のため、短時間に放電開始することができず、膜質が低下する原因の一つとなっていた。

また、上記のようなＲＦイオンガン１１２は、イオンが生成されるときと、イオンが安定に放出されるときとでは、その内部のインピーダンスが大きく変化する。

そこで従来技術のマッチングボックス１０２は、図９に示すように、可変コンデンサ１３４、１３５を有しており、電源１１９側の入力端子１３１は可変コンデンサ１３５によって接地されると共に、他の可変コンデンサ１３４とコイル１３３の直列接続回路によってＲＦイオンガン１１２側の出力端子１３２に接続されている。

このような構成によると、可変コンデンサ１３４、１３５の容量値を変化させることで、マッチングボックス１０２のインピーダンスを変更することができる。

しかしながら、可変コンデンサ１３４、１３５は、コンデンサを構成する電極を移動させ、電極間距離を変化させることで容量値を変化させている。そのため、ＲＦイオンガン１１２内のインピーダンスに、マッチングボックス１０２のインピーダンスを整合させるための時間に、数百ｍＳ〜数秒を必要とするという欠点がある。

従来では、ＲＦイオンガン１１２を用いた真空装置１０１では、インピーダンスの整合速度はそれほど重要視されていなかったが、最近では、例えば通信用の狭帯域フィルターの成膜プロセスでは、薄膜を１００層以上積層させるため、数十時間の連続成膜が必要となり、さらにその膜厚精度は±０．００１％程度以上の要求になりつつある。

このような場合に、電極の汚れ等からアーク放電等が発生し、交流放電が停止してしまうと、この機械的な可変コンデンサ方式のマッチングボックス１０２では、再起動にインピーダンスを整合させるための時間だけでも数秒以上を要し、そのため、仮にＲＦイオンガン１１２を再起動したとしても、数秒以上の薄膜成長の停止によって不良品になってしまう。
つまり、数十時間の精密な成膜製造作業が、たった１度の数秒の放電途切れで失敗してしまうという問題もある。

放電停止から自己復帰できない場合には、第２の電極に接続された電源の出力電圧を負電圧から０Ｖに変化させ、配線や第２の電極の容量成分の放電電流を電源に流すと共に、電子発生源１１３から電子を放出させ、電子をＲＦイオンガン１１２内に引き込むと、プラズマを再形成することができる。
特開平９−１６１７０４特開平９−９２１９９特開２０００−１６５１７５

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、プラズマ再生成に要する時間が短いプラズマ生成装置とそれを用いた真空装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、気体が導入されるイオン化室と、前記イオン化室内に交流磁界を形成し、前記イオン化室内に前記気体のプラズマを生成する磁界形成手段と、前記イオン化室の開口付近に配置され、前記イオン化室のプラズマに含まれる荷電粒子がこの順序で通過可能な第１、第２の電極と、前記第１の電極に接続されたビーム電源と、前記第２の電極に接続された加速電源とを有し、前記第１の電極に正電圧を印加し、前記第２の電極に負電圧を印加すると、前記イオン化室内に生成されたプラズマから正電荷の荷電粒子が引き出されるように構成されたプラズマ生成装置であって、前記第２の電極を接地電位に接続するスイッチが設けられたプラズマ生成装置である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のプラズマ生成装置と、引き出された前記荷電粒子が放出される真空槽と、前記荷電粒子の流れに電子を照射する電子発生源とを有する真空装置である。
本発明は上記のように構成されており、第２の電極にスイッチが接続されており、スイッチを導通させると第２の電極が接地電位に接続される。第２の電極や配線が有する容量成分の放電電流は、スイッチを通って直接接地電位に流れる。

従って、放電電流が加速電源を通って接地電位に流れる場合に比べ、第２の電極が短時間で負電圧から接地電位に変化する。

電子発生源から電子を放出させると、第２の電極は負電圧ではなく接地電位なので電子がイオン化室内に引き込まれ、電子がプラズマ再生成の種となってプラズマが再生成される。

従来は１度でも放電が途切れた場合にはプロセスが失敗していたが、本発明では短時間でプラズマを再生成できるので、放電が中断してもプロセスが成功するようになり、例えば狭帯域フィルター製造時などの数十時間に渡る成膜の失敗回数を減らすことができる。

図１の符号１は本発明の一例の真空装置であり、真空槽１１を有している。真空槽１１の壁面には、プラズマ生成装置１２と、電子発生源(ニュートラライザ)１３とが設けられており、真空槽１１の外部には、交流電源１９と、直流電圧源５とが配置されている。

プラズマ生成装置１２とマッチングボックス２の内部を図２に示す。
マッチングボックス２は、入力端子５１と、接地端子５４と、接地側出力端子５２と高電圧側出力端子５３とを有している。

マッチングボックス２の接地端子５４は接地されており、接地側出力端子５３は、マッチングボックス２の後記の内部回路によって接地端子５４に接続されている。

マッチングボックス２の入力端子５１は、シールド線によって交流電源１９に接続され、交流電源１９から交流電力が出力されると、内部回路によってインピーダンスと位相が制御され、高電圧側出力端子５３から出力される。

この真空装置１のプラズマ生成装置１２はＲＦイオンガンであり、イオン化室４１と磁界形成手段４２とを有している。
磁界形成手段４２はコイルであり、イオン化室４１の周囲に巻回されている。

磁界形成手段４２の一端は、マッチングボックス２の高電圧側出力端子５３に接続され、他端は接地側出力端子５２に接続されている。接地側出力端子５２は、マッチングボックス２内の後記の第４のコンデンサ３７によって接地電位に接続されている。

従って、高電圧側出力端子５３から交流電圧が出力されると、磁界形成手段４２に交流電流が流れ、イオン化室４１内に交番磁界(交流磁界)が形成される。

プラズマ生成装置１２と電子発生源１３には、それぞれ気体供給系２６、２７が接続されており、真空槽１１には、真空排気系１４が接続されている。

成膜対象の基板１７を真空槽１１内に配置し、真空排気系１４によって真空槽１１内を所定圧力まで真空排気する。又は、予め真空槽１１内を真空排気しておき、真空状態を維持しながら基板１７を真空槽１１内に搬入する。

次いで、イオン化室４１内に気体を導入し、イオン化室４１内部に交流磁界を形成すると、導入した気体がプラズマ化する。図２の符号４３はそのプラズマを示しており、プラズマ４３中には導入気体の電離によって生成された正イオンが含まれている。
イオン化室４１の開口付近には、第１〜第３の電極４５、４６、４７が、イオン化室４１の開口側から放出口４９に向けてこの順序で配置されている。

図４に示すように、直流電圧源５はビーム電源７１と加速電源７２を有しており、第１の電極４５はローパスフィルタ回路７３を介してビーム電源７１に接続されており、第１の電極４５には、所望の極性及び所望の大きさの電圧を印加できるように構成されている。

第２の電極４６はローパスフィルタ回路７４を介して加速電源７２に接続されている。直流電圧源５内にはスイッチ回路６が設けられており、駆動回路７６によって、スイッチ回路６は導通又は遮断するように構成されている。

スイッチ回路６が導通すると、第２の電極７２を接地電位に接続するように構成されている。真空槽１１は接地電位に接続されているため、例えば、スイッチ回路６は第２の電極４６を真空槽１１に接続することで、第２の電極４６を接地電位に接続させることができる。

スイッチ回路６が遮断した状態では第２の電極７２は接地電位から切り離され、加速電源７２によって第２の電極７２の所望の極性及び所望の大きさの電圧を印加できる。

真空槽１１やイオン化室４１は接地電位に接続されており、通常の状態ではスイッチ回路６は遮断し、第１の電極４５には正電圧、第２の電極４６には負電圧が印加される。

例えば、第１の電極４５には＋１．５ｋＶ、第２の電極４６には−１ｋＶの電圧が印加されるが、第１、第２の電極４５、４６に印加される電圧は必ずしも、その大きさに限定されるものではない。
第３の電極４７は真空槽１１に接続されており、真空槽１１と同じ接地電位(ゼロＶ)なるように構成されている。

第１〜第３の電極４５〜４６には、それぞれ多数の孔が形成されており、プラズマ４３中に含まれる正イオンが、孔を通って第１の電極４５と第２の電極４６の間に進入すると、正イオンは第１、第２の電極４５、４６が形成する電界によって第２の電極４６方向に加速され、第３の電極４７によって集束された後、放出口４９から真空槽１１内に放出される。

符号２０は真空槽１１内に放出された正イオンの流れ(正イオン流)を示している。この正イオン流２０はターゲット１５方向に向けて飛行する。
このとき、電子発生源１３には、気体供給系２７から電離用の気体が導入されており、電子発生源１３内に導入された気体を電離させ、生成された電子を正イオン流２０に向けて照射すると、正イオンは電子によって中和される。符号２２は、電子発生源１３から放出される電子を示している。
その中和によって中性粒子が生成され、ターゲット１５に照射されると、基板１７表面に薄膜成長が開始される。

イオン化室４１内のプラズマ４３が生成前と、生成された後では磁界形成手段４２とイオン化室４１とで構成される電気的な回路のインピーダンスが変化する。そのため、プラズマ４３が形成されるとマッチングボックス２内のインピーダンスを変化させ、インピーダンスを整合させる必要がある。

次に、マッチングボックス２の構成とインピーダンスの整合方法について説明する。
マッチングボックス２は、第１、第２の可変インダクタンス素子３１、３５と、第１、第２、第３、第４のコンデンサ３２、３６、３４、３７を有している。

第１の可変インダクタンス素子３１と、第１のコンデンサ３２は直列接続されており、マッチングボックス２の入力端子５１と高電圧側出力端子５３とは、その直列接続回路によって接続されている。

第２の可変インダクタンス素子３５と第２のコンデンサ３６とは直列接続され、その直列接続回路に第３のコンデンサ３４が並列接続されて接地回路３３が構成されており、入力端子５１は、直列接続回路によって高電圧側出力端子５３に接続されると共に接地回路３３によって接地端子５４に接続されている。

従って、第１の可変インダクタンス素子３１のインダクタンスの値が変更されると、入力端子５１と高電圧側出力端子５３の間のインピーダンスが変わり、第２の可変インダクタンス素子３５のインダクタンスの値が変更されると、入力端子５１と接地端子５４の間のインピーダンスが変わる。

図３(ａ)は、可変インダクタンス素子６０の構成を示す回路図である。第１、第２の可変インダクタンス素子３１、３５の構成はこの可変インダクタンス素子６０の構成と同じである。

図３(ａ)の符号６１と符号６２は主巻線と制御巻線であり、コア６３を介して互いに磁気結合されている。制御巻線６２には、制御電源６５が接続されており、制御巻線６２に所望の大きさの直流電流を流せるように構成されている。

図３(ｂ)は、主巻線６１の磁界強度と磁束密度の関係を示すグラフである。
符号Ｐ、Ｑ、Ｒはグラフ上の点であり、点Ｐは補助巻線６２に流れる電流がゼロの場合、点Ｑは補助巻線６２に流れる電流が小さい場合、点Ｒは、点Ｑよりも電流が大きい場合である。

各点Ｐ、Ｑ、Ｒにおける主巻線６１のインダクタンスの大きさは、各点Ｐ、Ｑ、Ｒにおけるグラフの傾きに比例しているから、インダクタンスの大きさは、点Ｐ＞点Ｑ＞点Ｒである。このように、主巻線６１のインダクタンスの値は、補助巻線６２に大きな電流を流すと小さくなり、逆に流す電流を小さくすると大きくなる。

従って、補助巻線６２に流す直流電流の大きさを変更することで、主巻線６１のインダクタンスの大きさを制御することができる。このため、モータ等の機械的手段によらず、イオン化室４１の内部状態に応じ、マッチングボックス２のインピーダンスを電気的に変化させることができる。

具体的に説明すると、イオン化室４１内にプラズマ４３を生成させる際には、大きな投入電力を必要とするため、第２の可変インダクタンス素子３５のインダクタンスの値を大きくし、磁界形成手段４２に大きな電圧が印加されるようにする。

他方、一旦プラズマ４３が形成された後は、第２の可変インダクタンス素子３５のインダクタンスの値を小さくし、プラズマ４３を安定に維持するために電圧の大きさを最適値にする。

このとき、不図示の制御回路が、交流電源１９が出力する電圧と電流の位相を測定し、位相差がゼロになるように第１の可変インダクタンス素子３１のインダクタンスの値を変化させると、投入する電力がプラズマ形成に効率よく使用されるようになる。
一旦プラズマ４３が生成された後、イオン化室４１内のプラズマ４３が消滅し、薄膜成長が中断する場合がある。

本発明では、不図示の制御回路が磁界形成手段４２に流れる電流を測定しており、その電流の測定値からプラズマ４３が消滅したことを検出できるように構成されている。

プラズマ４３の消滅が検出されると、第１、第２のインダクタンス素子３１、３５をプラズマ生成前のインピーダンスに戻し、ビーム電源７１から正電圧を出力させ、第１の電極４５には正電圧を維持した状態で加速電源７２から接地電位と同じ電圧を出力させると共にスイッチ回路６を導通させると、第２の電極４６はスイッチ回路６によって接地電位に接続され、その結果、第２の電極４６は速やかに接地電位になる。

図５の符号６８は配線や第２の電極の容量成分を示しており、符号６９は負荷の容量成分を示している。スイッチ６は、半導体スイッチ６６(ここではｎｐｎトランジスタ)と抵抗素子６７とを有しており、容量成分６８の放電電流の大きさは抵抗素子６７によって制限されている。

第２の電極４６が接地電位になった状態で電子発生源１３から電子が放出されると、電子は第２の電極４６に引き寄せられ、イオン生成室４２の内部に進入する。イオン生成室４２内に電子が存在すると、イオン生成室４２内は放電が生じやすい状態になるため、磁界形成手段４２に交流電圧が印加されると容易にプラズマが再生し、加速電源７２の出力電圧を接地電位から負電圧に戻すと、プラズマが引き出されるようになる。

次に、図６は、スイッチ素子６を導通させず、加速電源７２の出力を接地電位と同じ電圧にすることでプラズマを再生させた場合の電圧波形を示すグラフであり、符号Ａは加速電源７２の出力電圧を示しており、符号Ｂは第２の電極４６が接地電位に切り替わるタイミングを示している。

加速電源７２の出力電圧が接地電位になっても、第２の電極４６の電位が接地電位になるまで６００ｍ秒を要している。
それに対しスイッチ素子６を導通させた場合の波形を図６のグラフに示す。

図７の符号Ｃが加速電源７２の出力が接地電位に切り替わるタイミングを示しており、符号Ｄが第２の電極４６の電位を示している。

第２の電極４６の電位は、１ｍ秒以下の時間で負電位から接地電位に変化している。
この場合、プラズマ４３は直ちに再生成されるから、膜厚精度に影響を与えない。

なお、１００層の薄膜を積層させて膜厚５０００オングストロームの積層膜を形成する場合を例にとると、１層あたり５０オングストロームの厚みになる。１００層の膜厚精度を±０．００１％以下とすれば、各層の膜厚が同じであるとして、１層当たりの許容膜厚誤差は０．５オングストローム以下となる。

成膜速度が毎秒０．１オングストロームであれば５０００オングストローム成膜するためには単純計算で１３．９時間要するが、５秒間停止するだけで許容膜厚誤差の０．５オングストロームに達してしまう。従って、停止時間は５秒が上限となる。

実際には、要求される膜厚は各層等しくはなく、多種多様のプロセス要求を満たすためには、この１０倍以上短い停止時間でないと実用的ではないと考えられる。さらに停止回数も数回以上許すとすれば、本発明のように停止時間を１００ｍＳ以下にできないと、実用的ではない。

なお、上記はスパッタリング装置であったが、本発明はそれに限定されるものではなく、エッチング装置等、プラズマを用いる真空装置を広く含む。

本発明のプラズマ生成装置と真空装置の概略図その詳細図 (ａ)：可変インダクタンス素子の内部回路図 (ｂ)：その動作原理を説明するためのグラフスイッチの動作を説明するための図等価回路図従来技術の第２の電極の電圧変化を説明するための図本発明の第２の電極の電圧変化を説明するための図従来技術の真空装置その真空装置のマッチングボックスの内部回路図

符号の説明

１……真空装置
６……スイッチ
１１……真空槽
１２……プラズマ生成装置
１３……電子発生源
４１……イオン化室
４２……磁界形成手段
４５……第１の電極
４６……第２の電極
７１……ビーム電源
７２……加速電源

Claims

気体が導入されるイオン化室と、
前記イオン化室内に交流磁界を形成し、前記イオン化室内に前記気体のプラズマを生成する磁界形成手段と、
前記イオン化室の開口付近に配置され、前記イオン化室のプラズマに含まれる荷電粒子がこの順序で通過可能な第１、第２の電極と、
前記第１の電極に接続されたビーム電源と、
前記第２の電極に接続された加速電源とを有し、
前記第１の電極に正電圧を印加し、前記第２の電極に負電圧を印加すると、前記イオン化室内に生成されたプラズマから正電荷の荷電粒子が引き出されるように構成されたプラズマ生成装置であって、
前記第２の電極を接地電位に接続するスイッチが設けられたプラズマ生成装置。
請求項１記載のプラズマ生成装置と、
引き出された前記荷電粒子が放出される真空槽と、
前記荷電粒子の流れに電子を照射する電子発生源とを有する真空装置。