JP4511629B2 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Description

技術分野
［０００１］
本発明は成膜対象物に薄膜を形成する成膜装置及び成膜方法に関するものである。
背景技術
［０００２］
成膜装置は、真空蒸着法、スパッタリング法、物理蒸着法、化学蒸着法等の成膜法によって成膜対象物に薄膜を形成する。
［０００３］
例えば、物理蒸着法の一つであるイオンプレーティング法を用いた成膜装置は、プラズマ発生器（プラズマ源）を備えており、減圧されたチャンバー内に設けられているハース（陽極）とプラズマ発生器との間でプラズマビームを発生させる。発生したプラズマビームは、ハース上に載置された成膜材料に照射され、成膜材料を加熱する。プラズマビームの照射によって成膜材料が加熱されると、成膜材料の粒子（以下「材料粒子」という。）が蒸発する（分離する）。
［０００４］
ここで、本明細書、請求の範囲及び図面を通して、「材料粒子」といえば、材料粒子の塊（クラスター）に加え、気体状又はプラズマ状の、即ち分子状、原子団状、原子状又はこれらの電荷を帯びた粒子を含むものとする。材料粒子は、プラズマビームによってイオン化されているので、負電圧が印加されている成膜対象物に引き寄せられて成膜対象物の表面に付着する。このようにして、成膜対象物の表面に材料粒子が堆積し、薄膜が形成される。
［０００５］
しかし、成膜材料から分離した材料粒子は、成膜対象物以外のチャンバー内壁面やハース近傍に設置されている部材等に付着し、それらの表面にも薄膜を形成する。以下の説明では、装置内部の成膜対象物以外の箇所に付着した材料粒子によって形成される薄膜を「付着膜」と呼んで、成膜対象物に形成される薄膜と区別する。
［０００６］
付着膜は、装置の稼働時間が増加するにつれて、厚く成長する。成長した付着膜は遂には剥離・脱落する。脱落した付着膜がハース上に載置されている成膜材料の上に落下し、堆積すると、成膜材料の表面が盛り上がって隆起する。成膜材料の表面が隆起すると、プラズマビームが成膜材料の表面に対して均等に照射されなくなる。成膜材料の表面に均等にプラズマビームが照射されないと、材料粒子の成膜材料からの飛び出し方向にバラツキが大きくなる。結果、成膜対象物に対して均等に薄膜が形成されず、膜質に悪影響が及び、製品の歩留まりを悪化させる要因となる。
【０００７】
一般的に、成膜装置の稼働時間が２００時間を越えると、付着膜の剥離・脱落が発生しやすいと言われている。しかし、稼働時間が２００時間に達する前であっても、プラズマ発生器を停止させてしまうと、装置内部に堆積した付着膜が剥離・脱落することを本願発明者らは経験している。この原因として、装置内部の温度変化が考えられる。プラズマ発生器が作動するとチャンバーの内部温度が上昇し、発生器が停止するとチャンバーの内部温度は低下する。この内部温度の変化に伴い、チャンバー内壁面やハース近傍の部材等が熱膨張・熱収縮する。この熱膨張・熱収縮が付着膜に作用することにより、付着膜の剥離・脱落が発生すると考えられる。
【０００８】
要するに、付着膜の脱落を回避するためには、成膜装置を連続して稼動させる必要がある一方、その連続稼動時間は約２００時間に制限される。そこで現在は、連続稼動時間２００時間を目処に、プラズマ発生器の交換や装置内部の清掃等のメンテナンスを行っている。
【０００９】
しかし、成膜装置を用いた成膜では、成膜装置の連続稼働時間を延ばすことが、膜質の安定化と成膜対象物（製品）の生産性向上につながる。また、プラズマ発生器の寿命は一般的に３００時間と言われている。
【００１０】
従って、付着膜の脱落をより長時間にわたって抑制し、成膜装置の連続稼動時間を３００時間程度にまで延長することが望まれる。
【００１１】
そこで特許文献１には、付着膜の剥離を抑制するために、真空成膜装置内の部品表面に金属溶射膜を形成する技術が開示されている。特許文献１によれば、溶射膜は一般的に表面が粗いので、付着膜と溶射膜との間で機械的結合が生じやすく、また、溶射膜と付着膜との接触面積が大となることから付着膜が剥離しにくくなり、付着膜の剥離が防止される。
【００１２】
また、特許文献２には、蒸着源に相対する面に有機材料の付着を防ぐ発明が開示されている。
【特許文献１】
特開２００３−３４２７１２号公報
特許文献２：特開２００６−２７４３９８号公報
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［００１３］
しかしながら、本願発明者らの行った実験によれば成膜装置内の部品に金属溶射膜を形成しても、付着膜の剥離は十分に抑制されなかった。また、連続稼働時間が２００時間を超える前においても、付着膜の剥離・脱落が認められる場合もあった。
［００１４］
また、成膜材料が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である場合、金属溶射膜上に形成された付着膜は金属溶射膜ごと剥離・脱落してしまう。従って、稼動時間が２００時間を超える前に付着膜が剥離・脱落する蓋然性が極めて高い。
［００１５］
尚、付着膜の剥離・脱落は、上述したイオンプレーティング法を用いた成膜装置に限らず、種々の成膜装置において発生する共通の問題である。
［００１６］
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、付着膜の原因となる材料粒子の少なくとも一部を捕捉し、かつ、捕捉した材料粒子の剥離・脱落を長時間にわたって防止することを可能にする成膜装置を提供することである。
課題を解決するための手段
［００１７］
上記の目的を達成するべく、本発明にかかる成膜装置は、プラズマ発生手段からチャンバー内に導入されるプラズマビームを成膜材料に入射させることにより、前記成膜材料から分離された材料粒子を成膜対象物に付着させて膜を形成する成膜装置であって、
前記チャンバー内に配置される前記成膜材料を収納する成膜材料収納手段と、
前記チャンバー内に設けられた板部材に、前記プラズマビームの入射側に所定の隙間を介して配されたメッシュ部材により前記材料粒子を捕捉する捕捉手段と、を有し、
前記捕捉手段の前記メッシュ部材の前面は、前記成膜材料収納手段に収納されている前記成膜材料が配置されている領域の上方であり、当該領域の内側に立って、かつ、前記プラズマビームの下流側に対応する当該領域内の位置で、前記プラズマビームと相対して配置されることを特徴とする。
発明の効果
［００１８］
本発明によれば、付着膜の原因となる材料粒子の少なくとも一部を捕捉し、かつ、捕捉した材料粒子の剥離・脱落を長時間にわたって防止することが可能な成膜装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
【図１】本発明の実施形態にかかる成膜装置の概略構造を示す模式的断面図である。
【図２Ａ】図１に示す捕捉機構の分解斜視図である。
【図２Ｂ】捕捉機構を取り付けた状態を示す側面図である。
【図２Ｃ】捕捉機構を取り付けた状態を示す斜視図である。
【図３】ハースの周囲を取り囲むように捕捉機構を配置した状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の成膜装置の実施形態について詳細に説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術的範囲は、請求の範囲によって確定されるのであって、以下の個別の実施形態によって限定されるわけではない。
【００２１】
以下の説明では、成膜材料から蒸発する材料粒子を特に「金属材料粒子」という。尚、本発明の成膜装置は、金属を成膜材料とする成膜装置に限られるものではない。
【００２２】
本実施形態で対象とする金属膜は特許文献２では、隣接する原子同士が強く結びついており、下地から剥がれ難く、問題とされていなかった材料である。
【００２３】
図１は、本実施形態の成膜装置の概略構造を示す模式的断面図である。本実施形態における成膜装置は、成膜法としてイオンプレーティング法によって成膜を行うものとする。尚、本発明の趣旨は、成膜法としてイオンプレーティング法に限定されるものではなく、他の成膜法を適用することが可能である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の成膜装置は、チャンバー１及びプラズマ発生器２を有する。チャンバー１は、一対の前面部及び背面部と、一対の側面部と、一対の天面部及び底面部と、から構成される箱状の容器である。成膜装置の稼動時には、不図示の排気装置によってチャンバー１内が排気され、高真空状態に保たれる。尚、図１には、一対の前面部１Ａ及び背面部１Ｃと、側面部１Ｅと、一対の天面部１Ｂ及び底面部１Ｄとが図示され、側面部１Ｅと対をなす一方の側面部は図示されていない。
【００２５】
チャンバー１の底面部１Ｄには、成膜材料４が載置される載置台を有するハース３が設けられている。ハース３内に成膜材料４が収納されている。説明をわかりやすくするために、図１において、成膜材料４はハース３上で盛り上がったように記載されているが、通常、成膜材料４はハース３内に完全に納まるように収納されている。
【００２６】
プラズマ発生器２は背面部１Ｃの下部に設けられている。プラズマ発生器２は、ハース３に収納されている成膜材料４を照射するプラズマＰを発生させる。成膜材料４は、プラズマＰの照射によって加熱され、加熱された成膜材料４から金属材料粒子が蒸発する（金属材料粒子が成膜材料から分離する）。
【００２７】
ここで、プラズマ発生器２はシート状のプラズマＰを発生させて、成膜材料４にプラズマＰを照射する。成膜材料４は円形形状を有しており、シート状のプラズマＰが成膜材料４に照射されると、成膜材料４のある直径方向に対応する部分が加熱され、金属の材料粒子（金属材料粒子）が成膜材料４から分離する。
【００２８】
ここで、プラズマＰが成膜材料４に入射する入射方向の幅をＷとする。この入射方向の幅Ｗと、成膜対象物１０の幅（両端）と、を結ぶことにより定められる領域を材料粒子の移動領域Ｘを呼ぶこととする。図示しない回転機構によりハース３内の成膜材料４は回転しており、シート状のプラズマＰが成膜材料４に照射されると、金属材料粒子は成膜材料４から均一に分離する。分離した金属材料粒子はプラズマビームの照射によってイオン化されている。
【００２９】
チャンバー１の天面部１Ｂには、成膜対象物１０を把持する把持装置１１が設けられている。成膜装置が稼動時には、把持装置１１によって把持されている成膜対象物１０に負電圧が印加される。よって、成膜材料４から分離した金属材料粒子の多くは、負電圧が印加されている成膜対象物１０に引き寄せられて上昇し、成膜対象物１０の表面に付着し、堆積する。以上によって、成膜対象物１０の表面に所望の薄膜が形成される。
【００３０】
一方で、成膜材料４から分離した金属材料粒子の一部は、成膜対象物１０に向かって移動領域Ｘ内を上昇することなく、金属材料粒子の移動領域Ｘの範囲外となる他の方向に向かう。そこで、本実施形態の成膜装置には、チャンバー１内に、移動領域Ｘの範囲外の方向に向かう金属材料粒子を捕捉する捕捉機構１５が設けられている。捕捉機構１５は、チャンバー１の前面部１Ａからハース３に近接する方向に延在するブラケット８と、ブラケット８の先に装着された捕捉板６と、捕捉板６の表面（捕捉面６Ａ（図２Ａを参照））に装着された多孔質部材としてのメッシュ部材５とから構成されている。捕捉板６の表面（捕捉面６Ａ）にメッシュ部材５が保持される。この場合、捕捉板６は、メッシュ部材５を保持するための保持部材として機能する。
【００３１】
図２Ａは、捕捉機構１５の構造を示す分解斜視図である。ブラケット８は、平面形状が略長方形の板材であり、ブラケット曲部８Ａ、８Ｂは、それぞれ反対方向に折り曲げられた曲部部材として構成されている。ブラケット曲部８Ｂには、穴部８Ｃ、８Ｄが設けられている。ブラケット８は、これら穴部８Ｃ、８Ｄに挿入されたネジ１２Ａ、１２Ｂをチャンバー１の前面部１Ａに設けられているネジ穴（不図示）に螺合させることによって、チャンバー１に着脱可能に固定されている（図１参照）。
【００３２】
再び図２Ａを参照する。ブラケット曲部８Ａには、捕捉板６が着脱可能に固定されている。具体的には、捕捉板６の裏面（ブラケット曲部８Ａと対向する面）には捕捉板６とブラケット８のブラケット曲部８Ａとを装着、固定するためのインサートナット７（図１を参照）が設けられており、ブラケット曲部８Ａに設けられた穴部８Ｅ、８Ｆに挿入されたネジ９Ａ、９Ｂをインサートナット７に螺合させることによって、捕捉板６がブラケット曲部８Ａに着脱可能に固定されている。
【００３３】
ここで、図１に示されているように、ブラケット８のブラケット曲部８Ａに装着、固定された捕捉板６は、ハース３近傍の材料粒子の移動領域Ｘの範囲外に配置されている。換言すれば、捕捉板６はブラケット８によって支持され、上記位置に配置されている。より具体的には、捕捉板６は、ハース３の上方であって、かつ、ハース３の上方の材料粒子の移動領域Ｘと重複しない領域に保持されている。ブラケット８の長さや角度などが捕捉板６を上記位置に保持可能なるように設定されていることは勿論である。
【００３４】
再び図２Ａを参照すると、捕捉板６の表面（捕捉面６Ａ）には、メッシュ部材５が、溶接又はネジにより取付けられている。図２Ｂに於いて、メッシュ部材５はネジ１２Ｃ、１２Ｄにより捕捉板６と隙間を設けて取り付けられている。メッシュ部材５の具体的な構成としては、例えば、直径1.21mmの金属製又は樹脂製の繊維や線材を格子状に編んで、一辺が1.33mmの正方形の網目を多数形成したメッシュ部材５が取り付けられている。もっとも、メッシュ部材５の形状や寸法等は上記に限定されない。例えば、網目の一辺を0.5mm〜3.0mmとしても同様の効果が得られる。また、メッシュ部材５を構成する繊維や線材の直径を0.3mm〜2.0mmとしても同様の効果が得られる。さらには、パンチングメタルのように、薄板に複数の穴が設けられたものも本発明の実施形態におけるメッシュ部材に含まれる。
【００３５】
いずれの場合も、メッシュ部材５と捕捉板６の捕捉面６Ａとの間には、材料粒子を捕捉するために予め定められた距離の隙間が設けられている。メッシュ部材５は、捕捉面６Ａよりも若干面積が大きく、メッシュ部材５を適宜弛ませて捕捉面６Ａに溶接することによって、またはネジ１２Ｃ、１２Ｄにより捕捉面６Ａとの間に所定の隙間を設けてある。もっとも、メッシュ部材５と捕捉板６との固定方法は、リベット等でもよい。
【００３６】
以上の構造を備えた本実施形態の成膜装置では、シート状のプラズマＰの照射による加熱によって成膜材料４から蒸発した金属材料粒子のうち、成膜対象物１０の方向とは異なる方向に向かう金属材料粒子の大部分がメッシュ部材５に付着し、捕捉される。さらに、単に付着するだけではなく、金属材料粒子はメッシュ部材５に絡みつくように付着する。加えて、捕捉面６Ａとメッシュ部材５との間には隙間が設けられているので、その隙間に金属材料粒子が入り込み、さらにメッシュ部材５に絡みつく。互いに絡みついた金属材料粒子は、分子間結合力により、平坦面に付着した金属材料粒子に比べて剥離し難くなる。
【００３７】
以上のように、成膜対象物１０の方向とは異なる方向に向かう金属材料粒子の大部分が捕捉板６（メッシュ部材５）によって捕捉され、かつ、捕捉された金属材料粒子はメッシュ部材５から剥離・脱落し難い。よって、従来の成膜装置に比べて、付着膜の剥離・脱落が発生する連続稼動時間限界が長くなる。さらに、捕捉機構１５を構成しているブラケット８はチャンバー１に対して着脱可能であり、捕捉板６はブラケット８に対して着脱可能なので、メンテナンス性にも優れている。
【００３８】
次に、上記の捕捉機構１５を備えた成膜装置における成膜手順を図１の参照により説明する。プラズマ発生器２によりシート状のプラズマＰが成膜材料４に照射されると、成膜材料４から材料粒子が分離して、成膜材料４と対向する位置に配された成膜対象物１０の表面に分離した材料粒子が付着し、堆積する。 図１に示した成膜装置のチャンバー1が不図示の排気手段によって排気された後、チャンバー１に内に不図示の搬送手段により、成膜対象物１０が把持装置１１上に搬送されて来て、把持装置１１上に配置される。
【００３９】
成膜対象物１０に対向する位置には、成膜材料４を納めたハース３が配置されている。
【００４０】
次に、プラズマ発生器２はプラズマＰを発生する。そして、プラズマＰは、プラズマ発生器２から出力されるプラズマＰの出口部の近傍に配置されている不図示のプラズマ収束手段の磁場と、成膜材料４が収容されているハース３の収容面に対して底面部１Ｄ側に配置されている不図示の磁場発生手段により形成される磁場と、により導かれ、ハース３内の成膜材料４に入射する。尚、ハース３は通常浮動電位に維持されているが、プラズマ発生器２は負電位に維持されており、プラズマ発生器２からハース３に向かうプラズマは高エネルギーに状態になっている。
【００４１】
ハース３に高エネルギー状態のプラズマが入射すると、成膜材料４から材料粒子が分離され、分離した材料粒子が移動領域Ｘを上昇して成膜対象物１０に堆積し、成膜される。
【００４２】
膜厚は、例えば、不図示の膜厚検知手段により検知することが可能である。あるいは、プラズマＰを照射するタイミングにより、膜厚を制御することが可能である。所望の膜厚が成膜されたことを見計らって、プラズマ発生器２でのプラズマ発生を停止する。成膜装置は、不図示の制御部を備え、制御部は、成膜対象物１０に成膜する膜厚を制御することことが可能である。
【００４３】
本実施形態においては、図２Ｃに示すように、捕捉板６に装着、固定されたメッシュ部材５は成膜材料４が収納されているハース３の上方であり、かつ高エネルギー状態のプラズマがプラズマ発生器２からチャンバー１内に導入される方向の下流側に、プラズマの導入方向に相対するように配置されている。メッシュ部材５を配置した部分に最も激しく付着膜が成膜するため、図２Ｃに示すメッシュ部材５の配置は、付着膜の成膜を効果的に除去することが可能になる。ここで、参照番号１３は成膜領域の周囲に配置されたシールドである。
【００４４】
次いで、不図示の搬送手段で把持装置１１から成膜対象物１０を受け取りチャンバー１の外に出す。
【００４５】
上記に於いては、高エネルギー状態の粒子としてはプラズマを使ったが、電子よりなる電子ビームを使ってもよい。
【００４６】
尚、捕捉機構１５を使用することにより、ＭｇＯに成膜において、捕捉板６上に８０ｍｍの付着膜の堆積があった状態でも、付着膜の剥離・脱落の伴う生産性の悪化は生じなかった。これは、当業者の予測を超えた顕著な効果である。
【００４７】
上述の実施形態では、メッシュ部材５を備えた捕捉機構１５が１つの場合について説明した。しかし、捕捉機構１５の数は、１つの場合に限定されず、複数の捕捉機構１５を設けることもできる。例えば、図３に示すように、成膜材料４を収容するハース３の周囲の領域（この領域を「成膜材料の載置エリア」ともいう）に、ハース３を取り囲むようにメッシュ部材５が取り付けられている複数の捕捉機構を配置することもできる。ここで、メッシュ部材５は成膜材料の載置エリアを囲むシールドを兼ねており、メッシュ部材５は成膜材料の載置エリアを囲む面に取り付けられている。または、ブラケット８と同様に、折り曲げられた単一のまたは複数の捕捉機構によって、成膜材料の載置エリアをメッシュ部材５が取り囲むようにしてもよい。もっとも、載置される成膜材料へのプラズマビームの照射や成膜対象物への材料粒子の付着が妨げられることのないように、捕捉板の形状、位置および寸法などを最適化することが望ましい。
【００４８】
また、本実施形態では、イオンプレーティング法を用いた成膜装置を例として説明したが、成膜方法としては、この例に限定されず、例えば、スパッタ法、真空蒸着法等の成膜方法にも適用可能である。先に説明したイオンプレーティング法では、下向きに向いた成膜対象物１０の面に下方に載置された成膜材料が堆積するいわゆるデポアップの場合について説明した。しかし、本発明の趣旨は、このケースに限定される訳ではない。スパッタ法においては、上方を向いた成膜対象物１０の面に上方から飛来する成膜材料粒子が堆積するデポダウンでの成膜も可能であるし、垂直方向に配設された成膜対象物１０の一面に水平方向から飛来する成膜材料粒子が堆積する態様の成膜も可能である。このような場合には、捕捉板及びメッシュ部材は、ターゲット近傍の且つ材料粒子の移動領域の範囲外に配置すると良い。
【００４９】
チャンバー１の内面にメッシュ部材５を貼りめぐらさなくとも、上記のように材料粒子が分離して来る部分の近傍で且つ材料粒子の移動領域外に、捕捉機構１５を配置することにより、付着膜に係わる問題を実用上解決できるとともに、交換する部分が小型で且つ軽量であるので、メンテナンスの負担が減少するといる効果がある。
【００５０】
本実施形態に拠れば、付着膜の原因となる材料粒子の少なくとも一部を捕捉し、かつ、捕捉した材料粒子の剥離・脱落を長時間にわたって防止することが可能な成膜装置を提供することが可能になる。
【００５１】
以上、本発明の好ましい実施形態を添付図面の参照により説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々な形態に変更可能である。
【００５２】
本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
【００５３】
本願は、２００７年５月３０日提出の日本国特許出願特願２００７ー１４３４０８を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

Claims (2)

1. プラズマ発生手段からチャンバー内に導入されるプラズマビームを成膜材料に入射させることにより、前記成膜材料から分離された材料粒子を成膜対象物に付着させて膜を形成する成膜装置であって、
   前記チャンバー内に配置される前記成膜材料を収納する成膜材料収納手段と、
   前記チャンバー内に設けられた板部材に、前記プラズマビームの入射側に所定の隙間を介して配されたメッシュ部材により前記材料粒子を捕捉する捕捉手段と、を有し、
   前記捕捉手段の前記メッシュ部材の前面は、前記成膜材料収納手段に収納されている前記成膜材料が配置されている領域の上方であり、当該領域の内側に立って、かつ、前記プラズマビームの下流側に対応する当該領域内の位置で、前記プラズマビームと相対して配置されることを特徴とする成膜装置。
2. 請求項１に記載の成膜装置を使用して、ＭｇＯ膜を成膜する工程を有することを特徴とする成膜方法。

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