JP4485831B2 - アーク放電型真空成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、アーク放電によって生成されたプラズマを蒸発材料に照射して加熱し、蒸発材料から蒸発した粒子によって基板表面に薄膜を形成するアーク放電型真空成膜装置および成膜方法に関する。

図３は従来のプラズマ成膜装置の概略構成図である。従来のプラズマ成膜装置３１はプラズマチャンバー３２と成膜チャンバー３３とで構成されている。プラズマチャンバー３２は、円筒状の真空容器３４に陰極３５と、第一の中間電極３６と、第二の中間電極３７が設けられ、陰極部にはプラズマチャンバー３２の真空容器３４内にＡｒ、Ｈｅなどの放電ガス（キャリアガス）を導入するためのガス導入口３８が設けられている。さらに、真空容器３４の外周の成膜チャンバー３３近傍に大口径空芯コイル３９が配置されている。

成膜チャンバー３３は、円筒状の真空容器４０がプラズマチャンバー３２の真空容器３４に対向して配置されており、真空容器４０内に永久磁石４１を内設した坩堝を兼ねた陽極４２と基板４３が配置され、陽極４２には蒸発源４４が配置されている。さらに、真空容器４０には真空容器４０内およびプラズマチャンバー３２の真空容器３４内を一括して所望する圧力まで減圧するための排気口４５が設けられ、排気口４５は外部に配置された真空ポンプ（図示せず）に接続されている。

このような構成のプラズマ成膜装置を使用した成膜方法は、成膜チャンバー３３の真空容器４０に設けられた排気口４５を介して外部に配置された真空ポンプによって成膜チャンバー３３の真空容器４０内とプラズマチャンバー３２の真空容器３４内とに存在する空気を一括排気して所望する圧力に減圧する。その後、陰極部に設けられたガス導入口３８からＡｒ、Ｈｅなどの放電ガスをプラズマチャンバー３２の真空容器３４内に導入する。

そして、直流電源Ｅのマイナス端４６を陰極３５に、プラス端４７を抵抗Ｒ１を介してＧＮＤに接続し、プラス端４７はさらに陽極４２と、抵抗Ｒ２およびＲ３を介して夫々第一の中間電極３６および第二の中間電極３７とに接続する。つまり、陰極３５の電位に対して第一の中間電極３６および第二の中間電極３７の電位を高く、さらにそれよりも陽極４２の電位を高くなるように電圧を印加する。

すると、陰極３５と陽極４２との間の電位差によって放電ガスの雰囲気中でグロー放電が発生し、それによってプラズマ４８が生成される。このときプラズマ４８は第一の中間電極３６および第二の中間電極３７によって電位勾配が与えられ、陽極４２に向かって加速される。加速されたプラズマ４８流は大口径空芯コイル３９で円柱状に収束されて成膜チャンバー３３の真空容器４０内の陽極４２の真上まで導かれ、坩堝を兼ねた陽極４２によって９０°進路を曲げられて陽極４２の方向に向かい、陽極４２に内設した永久磁石４１によって収束されて坩堝に配置された蒸発源４４に集中照射される。

このような状態でグロー放電が３〜５分程度続くと、電流密度が次第に増加して陰極３５に衝突するイオンが増加し、その結果、陰極３５の温度が上昇して熱電子を放出するようになる。すると、電離度が高くなってグロー放電が高密度放電のアーク放電に転移する。アーク放電によって生成されたプラズマは坩堝を兼ねた陽極４２に配置された蒸発源４４に多くの熱量を与えて蒸発を促進する。そして、直流電源Ｅの電圧を所望する電圧まで上昇させることによって基板４３表面に蒸発物質を堆積させて薄膜を形成する。

基板４３表面に所望する膜が成膜されると、直流電源Ｅの電圧を降下させてアーク放電によるプラズマ生成を止め、陰極３５が大気に曝されても酸化しないように１５分程度の自然冷却を行い、プラズマチャンバー３２の真空容器３４および成膜チャンバー３３の真空容器４０を大気圧まで戻して成膜された基板４３を取出して一連の成膜工程を終了する。

また、図４は従来の他のプラズマ成膜装置の概略構成図である。これは、上記従来のプラズマ成膜装置３１を並設して成膜チャンバー３３の真空容器４０のみを一体化した構成となっている。従って、一体化された成膜チャンバー３３の真空容器内４０及び成膜チャンバー３３の真空容器４０に対向して配置された各プラズマチャンバー３２の真空容器３４内の圧力制御以外は、上記プラズマ装置３１の個々の独立した成膜工程によって薄膜を形成するのと同様の働きを為すものである。このような構成のプラズマ成膜装置３１は、一度に複数の基板に薄膜を形成する場合あるいは大面積の基板に薄膜を形成する場合に使用される。
特開平９−３２４２６２号公報

しかしながら、図３及び図４のようなプラズマ成膜装置を使用した成膜方法には以下のような問題点がある。まず、図３のプラズマ成膜装置３１は、プラズマチャンバー３２の真空容器３４内で生成されて成膜チャンバー３３の真空容器４０内に導入されたプラズマ４８の進路を曲げて坩堝に配置された蒸発源４４に集中照射するために設けられた坩堝を兼ねた陽極４２が、グロー放電の発生および生成されたプラズマ４８の加速等を制御する直流電源Ｅのプラス端４７に直接接続されており、陰極３５・陽極４２間の電位差を個別に制御する自由度がない電気回路構成になっている。従って、坩堝に配置された蒸発源４４に照射されるプラズマ４８流の照射開始及び終了の制御、プラズマ４８のエネルギーの制御などが不可能なために、基板４３に形成する薄膜の制御及び再現性が難しく、所望する薄膜を安定して得ることが困難であった。

また、複数の基板あるいは大面積の基板に均一な薄膜を形成する場合、図４に示した構成のプラズマ成膜装置が使用されるが、成膜チャンバー３３の真空容器４０が一体化された以外は複数のプラズマ生成装置３１を平行稼動したのと同様の構成であり、装置の大型化及び複雑化によって設備投資が増大し、製品のコストを上昇させることになる。同時に、装置に付随する電源や回路部品等の機器、部品も増加し、これも製品のコストアップの要因となる。

また、成膜工程においては、複数の成膜装置を操作するのと同様の手間が必要であり、人件費の増加も製品のコストアップに繋がる。さらに、プラズマチャンバー３２の数が増えるために成膜チャンバー３３の真空容器４０とプラズマチャンバー３２の真空容器３４の合算容積が増え、排気・減圧する容積が大きくなるために所望する圧力に至るまでには相応の時間が必要となり、生産効率の良くない要因となっていた。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、所望する厚みの薄膜が安定して得られ、多数の基板あるいは大型の基板であっても一括して所望する膜付けが高効率に再現性良く、且つ低コストで行われる成膜装置および成膜方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、内部に有する陰極と第一の陽極の間のアーク放電によってプラズマを生成するプラズマチャンバーの真空容器と、該真空容器内で形成された前記プラズマを導入して坩堝を兼ねる第二の陽極に配置された蒸発材料に照射することによって該蒸発材料を過熱して蒸発させ、該蒸発粒子によって基板表面に薄膜を形成する成膜チャンバーの真空容器とを具備するアーク放電型真空成膜装置であって、前記第二の陽極は電位制御回路に接続され、前記電位制御回路は前記第二の陽極と前記陰極との間及び前記第一の陽極と前記第二の陽極での電位差を制御することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記成膜チャンバーの真空容器内に前記坩堝を兼ねる第二の陽極を少なくとも１つ以上備え、前記坩堝の少なくとも１つ以上に蒸発源が配置されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、プラズマチャンバーの真空容器内に設けられた陰極と第一の陽極の間のアーク放電で生成されたプラズマを成膜チャンバーの真空容器内に導入して坩堝を兼ねる第二の陽極に配置された蒸発材料に照射することによって該蒸発材料を過熱して蒸発させ、該蒸発粒子によって基板表面に薄膜を形成する成膜方法であって、前記坩堝を兼ねた第二の陽極に接続された電位制御回路を介して前記第二の陽極と前記陰極との間及び前記第一の陽極と前記第二の陽極での電位差を制御し、よって前記蒸発材料に照射されるプラズマのエネルギー及び照射開始・終了の時期を制御することによって前記蒸発材料の蒸発を制御して前記基板表面に所望する厚みの薄膜を形成することを特徴とするものである。

アーク放電によって生成されるプラズマを利用して成膜を行う成膜装置および成膜方法において、基板表面に所望する厚みの薄膜を形成する目的を、基板表面に堆積させる部材に照射するプラズマを制御することによって実現した。

以下、この発明の好適な実施例を図１および図２を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施例は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施例に限られるものではない。

図１は本発明のアーク放電型真空成膜装置の実施例１を示す概略構成図である。本実施例のアーク放電型真空成膜装置１は、プラズマチャンバー２と成膜チャンバー３との２つの部分で構成されている。プラズマチャンバー２は、円筒状の真空容器５に陰極６と、第一の中間電極７と、第二の中間電極８と、第一の陽極９が設けられ、陰極部にはプラズマチャンバー２の真空容器５内にＡｒ、Ｈｅなどの放電ガス（キャリアガス）を導入するためのガス導入口１０が設けられている。また、真空容器５の外周の成膜チャンバー３近傍に大口径空芯コイル１１が配置されている。さらに、真空容器５には真空容器５内の空気を排気して所望する圧力まで減圧するための排気口１２が設けられ、排気口１２は外部に配置された真空ポンプ（図示せず）に接続されている。

成膜チャンバー３は、円筒状の真空容器１３がプラズマチャンバー２の真空容器５に対向して配置されており、真空容器１３内に坩堝を兼ねた第二の陽極１５と基板１６が配置され、第二の陽極１５の周囲には電磁石２２が設けられて坩堝には蒸発源１７が配置されている。さらに、真空容器１３には真空容器１３内の空気を排気して所望する圧力まで減圧するための排気口１８が設けられ、排気口１８は外部に配置された真空ポンプ（図示せず）に接続されている。

なお、第二の陽極１５と後に述べる直流電源Ｅのプラス端２０の間に電位制御回路２３が設けられている。これは、第二の陽極１５の陰極６に対する電位差の制御及び第二の電極１５に対する電気的接続・開放を行うものである。

次に、このような構成のアーク放電型真空成膜装置を使用した成膜方法を以下に順を追って説明する。まず電位制御回路２３で第二の陽極１５を電気的に開放し、成膜チャンバー３の真空容器１３内の坩堝を兼ねた第二の陽極１５に蒸発源１７を配置し、その上方に薄膜を形成する基板１６を配置する。そして、真空容器１３に設けられた排気口１８を介して外部に配置された真空ポンプによって真空容器１３内に存在する空気を排気し、真空容器１３内を所望する圧力に減圧する。同時に、プラズマチャンバー２の真空容器５に設けられた排気口１２を介して外部に配置された真空ポンプによって真空容器５内に存在する空気を排気し、真空容器５内を所望する圧力に減圧する。その後、陰極部に設けられたガス導入口１０からＡｒ、Ｈｅなどの放電ガスをプラズマチャンバー２の真空容器５内に導入する。

そして、直流電源Ｅのマイナス端１９を陰極６に、プラス端２０を抵抗Ｒ１を介してＧＮＤに接続し、プラス端２０はさらに第一の陽極９と電位制御回路２３を介して第二の陽極１５と、抵抗Ｒ２およびＲ３を介して夫々第一の中間電極７および第二の中間電極８とに接続する。つまり、陰極６の電位に対して第一の中間電極７および第二の中間電極８の電位を高く、さらにそれよりも第一の陽極９の電位を高くなるように電圧を印加する。

すると、陰極６と第一の陽極９との間の電位差によって放電ガスの雰囲気中でグロー放電が発生し、それによってプラズマチャンバー２の真空容器５内でプラズマが生成される。
このときプラズマは第一の中間電極７および第二の中間電極８によって電位勾配が与えられ、陰極６から第一の陽極９に至るプラズマの円滑な流れが形成され、大口径空芯コイル１１の磁場の影響を受けて成膜チャンバー３の真空容器１３内に導入される。

このような状態でグロー放電が３〜５分程度続くと、電流密度が次第に増加して陰極６に衝突するイオンが増加し、その結果、陰極６の温度が上昇して熱電子を放出するようになる。すると、電離度が高くなってグロー放電が高密度放電のアーク放電に転移する。そして、直流電源Ｅの電圧を制御してアーク放電の放電電流を１０Ａ程度に維持し、プラズマの安定状態を形成する。

そして、プラズマが安定した時点で電位制御回路２３を作動させて陰極６と第二の陽極１５とに間に設定した電位差を生じさせると、陰極６と第二の陽極１５との間でプラズマが生成されるようになる。このときプラズマ２１は第一の中間電極７および第二の中間電極８によって電位勾配が与えられ、第二の陽極１５に向かって加速される。加速されたプラズマ２１は大口径空芯コイル１１で円柱状に収束されて成膜チャンバー３の真空容器１３内の第二の陽極１５の真上まで導かれ、第二の陽極１５によって９０°進路を曲げられて坩堝を兼ねた第二の陽極１５に向かい、第二の陽極１５周囲に設けられた電磁石２２によって収束されて坩堝に配置された蒸発源１７に集中照射される。

アーク放電によって生成されたプラズマは坩堝を兼ねた第二の陽極１５に配置された蒸発源１７に多くの熱量を与えて蒸発を促進する。そして、直流電源Ｅの電圧を所望する電圧まで上昇させることによって基板１６表面に蒸発粒子を堆積させて薄膜を形成する。

基板１６表面に所望する膜が成膜されると、電位差制御回路２３によって第二の陽極１５を電気的に開放し、直流電源Ｅの電圧を降下させてアーク放電の放電電流を１０Ａ程度に維持し、成膜を終了する。その後、成膜チャンバー３の真空容器１３内とプラズマチャンバー２の真空容器５内とを大気圧まで戻して成膜された基板１６を取出し、一連の成膜工程を終了する。

なお、上述した実施例では、プラズマチャンバー２の真空容器５と成膜チャンバー３の真空容器１３の夫々に排気口を設け、各真空容器内を分担して減圧できるようにしているが、プラズマチャンバー２の真空容器５には排気口は設けず、成膜チャンバー３の真空容器１３だけに排気口を設けることもできる。

図２は本発明のアーク放電型真空成膜装置の実施例２を示す概略構成図である。本実施例のアーク放電型真空成膜装置１は、プラズマチャンバー２と成膜チャンバー３との２つの部分で構成されてい点および成膜工程は上記実施例１と同様であるが、成膜チャンバー２の真空容器５内に２つの坩堝を兼ねた第二の陽極１５を設け、1つの成膜チャンバー２の真空容器５内で生成されたプラズマを分離して夫々独立して制御される２つの坩堝に配置された蒸発源１７を夫々蒸発させて基板１６表面に薄膜を形成するところが異なる。なお、坩堝は２つに限られるものではなく、必要に応じて３つ以上配置されることも可能である。

本実施例の成膜装置は、蒸発源が多いために広範囲に亘って均一な膜を形成することが可能であり、複数の基板あるいは大面積の基板に一括して薄膜を形成する場合には非常に有効な手法である。

ここで、本発明のアーク放電型真空成膜装置を使用した成膜方法の効果について説明する。まず、坩堝を兼ねる第二の電極に電位制御回路を設け、第二の陽極の陰極に対する電位差の制御及び第二の電極に対する電気的接続・開放を行うようにした。その結果、電位制御回路を介して陰極・第二の陽極間のプラズマ流の制御が可能となり、成膜の開始・終了及び成膜状態の制御を第二の陽極側で制御して所望する状態に薄膜を形成することができるようになった。

また、第二の陽極を電気的に開放することにより、成膜チャンバーの真空容器内に導入されたプラズマが第二の陽極に向かわないようにすることができる。このときのプラズマを成膜チャンバーの真空容器内や基板のクリーニングなど成膜処理以外の目的に使用することができる。

更に、複数の基板あるいは大面積の基板に一括して均一に薄膜を形成したい場合、成膜チャンバーの真空容器内に複数の蒸発源を設けるだけで特別な工程を設けることなく目的を達成することができる。従って、成膜装置、電源及び工数に大幅なコストアップの要因がなく、多量の基板あるいは大面積の基板に効率良く低コストで均一性のある薄膜を形成することができる。

本発明の実施例１に係わるアーク放電型真空成膜装置の概略構成図である。 同じく、本発明の実施例２に係わるアーク放電型真空成膜装置の概略構成図である。 従来のアーク放電型真空成膜装置の概略構成図である。 同じく、従来の他のアーク放電型真空成膜装置の概略構成図である。

符号の説明

１ アーク放電型真空成膜装置
２ プラズマチャンバー
３ 成膜チャンバー
５ 真空容器
６ 陰極
７ 第一の中間電極
８ 第二の中間電極
９ 第一の陽極
１０ ガス導入口
１１ 大口径空芯コイル
１２ 排気口
１３ 真空容器
１４ 永久磁石
１５ 第二の陽極
１６ 基板
１７ 蒸発源
１８ 排気口
１９ マイナス端
２０ プラス端
２１ プラズマ
２２ 電磁石
２３ 電位制御回路

Claims (3)

1. 内部に有する陰極と第一の陽極の間のアーク放電によってプラズマを生成するプラズマチャンバーの真空容器と、該真空容器内で形成された前記プラズマを導入して坩堝を兼ねる第二の陽極に配置された蒸発材料に照射することによって該蒸発材料を過熱して蒸発させ、該蒸発粒子によって基板表面に薄膜を形成する成膜チャンバーの真空容器とを具備するアーク放電型真空成膜装置であって、前記第二の陽極は電位制御回路に接続され、前記電位制御回路は前記第二の陽極と前記陰極との間及び前記第一の陽極と前記第二の陽極での電位差を制御することを特徴とするアーク放電型真空成膜装置。
2. 前記成膜チャンバーの真空容器内に前記坩堝を兼ねる第二の陽極を少なくとも１つ以上備え、前記坩堝の少なくとも１つ以上に蒸発源が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアーク放電型真空成膜装置。
3. プラズマチャンバーの真空容器内に設けられた陰極と第一の陽極の間のアーク放電で生成されたプラズマを成膜チャンバーの真空容器内に導入して坩堝を兼ねる第二の陽極に配置された蒸発材料に照射することによって該蒸発材料を過熱して蒸発させ、該蒸発粒子によって基板表面に薄膜を形成する成膜方法であって、前記坩堝を兼ねた第二の陽極に接続された電位制御回路を介して前記第二の陽極と前記陰極との間及び前記第一の陽極と前記第二の陽極での電位差を制御し、よって前記蒸発材料に照射されるプラズマのエネルギー及び照射開始・終了の時期を制御することによって前記蒸発材料の蒸発を制御して前記基板表面に所望する厚みの薄膜を形成することを特徴とする成膜方法。

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