JP4603566B2 - プラズマ蒸着装置およびその蒸着法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ蒸着装置およびその蒸着法に関し、特に、大気圧プラズマ蒸着（atmospheric plasma deposition）装置とその装置を用いた蒸着法に関するものである。

蒸着技術は、現在の工業プロセスで重要な役割を果たしている。薄膜蒸着は、湿式、またはドライ式蒸着技術によって行われることができるが、高品質な薄膜蒸着は、ドライ式蒸着技術によってのみ行われることができる。従来のドライ式蒸着技術は、物理気相成長法（ＰＶＤ）、化学気相成長法（ＣＶＤ）、大気圧ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）、プラズマ化学気相成長（plasma-enhanced CVD；ＰＥＣＶＤ）、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ハロゲン系気相線エピタキシー（ＨＶＰＥ）、または蒸発を含む。ＡＰＣＶＤ（thermal CVDとも呼ばれる）を除いて、前述のドライ式蒸着技術は、真空環境を必要とする。大気圧プラズマ化学気相成長（Atmospheric plasma-enhanced CVD；ＡＰ ＰＥＣＶＤ）は、真空環境を必要としないことから、これまで高い関心を集めていた。“大気圧”という言葉は、必要なプロセスの気圧が約７６０トール、または環境圧と同じであることを指している。しかし、従来のＡＰ ＰＥＣＶＤ技術は、平坦な膜面の要求を実現せず、例えば、突起状（hill like）またはピン状の表面問題をしばしば生じる。上述の問題は、例えば、透過率、清浄度、またはその他の表面特性などの膜品質に影響を及ぼす。上述の欠陥の許容範囲は、従来のＡＰ ＰＥＣＶＤ技術が民需産業などの低品質膜の用途に用いられる時は比較的大きいが、従来のＡＰ ＰＥＣＶＤ技術は、例えば、光電半導体装置などの高品質膜を必要とする製品には、深刻な膜問題を生じさせる可能性がある。よって、上述のプロセスの問題を解決できる新しいＡＰ ＰＥＣＶＤ装置とプラズマ薄膜蒸着法が必要とされる。

新しいＡＰ ＰＥＣＶＤ装置とプラズマ薄膜蒸着法を提供する。

粒子と、突起状またはピン状の表面状態をなくすことができる新しいＡＰ ＰＥＣＶＤ装置とプラズマ薄膜蒸着法が提供される。

上述のプロセスの問題を解決できる特別なプラズマ発生器を有するプラズマ薄膜蒸着法も提供される。

プラズマ蒸着装置のいくつかの実施例は、チャンバを含む。台座は、チャンバ内に設置される。プラズマ薄膜蒸着用のプラズマジェットを含むプラズマ発生器は、台座の法線方向とプラズマジェットの放射方向間の０〜９０°の放射方向角度θ₁を有する。ガス抽出器（gas-extracting apparatus）は、チャンバ内の台座の上に設置される。ガス抽出器は、台座の法線方向とガス抽出パイプの抽出方向間の０〜９０°の抽出方向角度θ₂で、粒子と副生成物を抽出するための経路を設けるガス抽出パイプを含む。

プラズマ薄膜蒸着法のいくつかの実施例は、基板を設けるステップ、台座の法線方向とプラズマジェットの放射方向間の０〜９０°の放射方向角度θ₁を有するプラズマジェットを含むプラズマ発生器を用いて基板の上に薄膜を形成する薄膜蒸着のためのプラズマビームを発生するステップ、基板の法線方向とガス抽出パイプの抽出方向間の０〜９０°の抽出方向角度θ₂を有するガス抽出パイプを含むガス抽出器で粒子、または副生成物を抽出するステップを含む。

本発明のプラズマ蒸着装置は、大気圧プラズマ蒸着プロセスに用いられることができる。より低い表面平均粗さＲａ、より高い透過率と付着性を有する薄膜は、傾斜したプラズマ発生器と対応したガス抽出システムを用いて形成されることができる。真空システムを必要とすることをなくすことで、本発明のプラズマ蒸着装置は、従来技術に勝る、簡易化された製造、低コストなどの明確な利点を提供する。

本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。

図１ａ〜図１ｇは、プラズマ蒸着装置の各種の実施例の断面図を表している。本発明の各実施例では、同じ符号が同じ部品に用いられる。

図１ａは、プラズマ蒸着装置１００の実施例１を表す断面図である。プラズマ蒸着装置１００は、チャンバ１１０、台座３、プラズマ発生器１２０と、ガス抽出器（gas-extraction apparatus）１３０を含む。チャンバ１１０は、プラズマ薄膜蒸着のための環境を提供し、チャンバ１１０の気圧は、環境大気（７６０トール）と同じであることができる。台座３は、チャンバ１１０内に設置される。例えば、基板２１が台座３の上に取り付けられる。プラズマジェット１２２を含むプラズマ発生器１２０は、チャンバ１１０内の台座３の上に設置される。例えば、Ｎ₂、Ｈｅ、Ａｒ、または空気などのキャリアガスと、例えば、テトラエトキシシラン（tetraethoxysilane；ＴＥＯＳ）、ヘキサメチルジシロキサン（hexamethyldisiloxane；ＨＭＤＳＯ）、ヘキサメチルジシラザン（hexamethyldisilazane；ＨＭＤＳＮ）、テトラメチルジシロキサン（tetramethyldisiloxane；ＨＭＤＳＯ）、シラン（silane；ＳｉＨ₄）、またはテトラフルオロメタン（tetrafluoromethane；ＣＦ₄）などの前駆物質がプラズマジェット１２２に導入されて混合され、薄膜蒸着プロセスのためのプラズマビーム２０を発生する。薄膜２２は、台座３とプラズマビーム２０の法線方向間の角度θ₁でプラズマビーム２０を用いて基板２１の上に蒸着される。角度θ₁は、約０〜９０°であり、好ましくは、約３０〜６０°であり、より好ましくは、約４０〜５０°である。すなわち、プラズマビーム２０は、入射角度θ₁で基板２０に放射され（すなわち、入社角度θ₁が放射方向角度θ₁である）、傾斜したプラズマビーム２０は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）または窒化ケイ素（ＳｉＮ_X）の機能性薄膜２２を基板２１上に形成する。ガス抽出器１３０は、チャンバ１１０内の台座３の上に設置される。ガス抽出器１３０は、粒子と副生成物３０のための抽出経路（pumping path）２９を設けるガス抽出パイプ１３２を含み、台座３の法線方向とガス抽出パイプ１３２の抽出方向２９間の抽出方向角度θ₂（以下、抽出角度θ₂ともいう）は、約０〜９０°であり、好ましくは、約３０〜６０°であり、より好ましくは、約４０〜５０°である。ガス抽出器１３０は、粒子、または副生成物３０を抽出する抽出経路２９を設ける。よって、粒子、または副生成物３０が膜面上に溜まることなく、基板の汚染が防止される。基板の汚染は、薄膜２２の平均粗さ（Ｒａ）を悪化、または薄膜２２と基板２１間の付着性を弱くさせる。θ₁とθ₂の間の差は、好ましくは２０°より小さく、より好ましくは５°より小さく、さらにより好ましくは０°である。好ましくは、傾斜したプラズマビーム２０が突起状、またはピン状の膜面の欠陥を防ぐことができ、よって、膜の平坦さを得る。傾斜したプラズマビーム２０によって発生された粒子、または副生成物３０は、基板２１から弾かれ、反射方向（抽出経路２９）に位置されたガス抽出パイプ１３２によって排出される。よって、従来のＡＰ ＰＥＣＶＤプロセスで生成された粒子、または副生成物から引き起こされる低品質膜の問題が解決されることができる。

好ましくは、基板２１の材料、または形状は、限定されない。図１ｂに示すように、ボール状の基板２１のような平坦でない基板では、プラズマ蒸着装置１００もまた、薄膜２２を基板２１の上に形成することができる。薄膜２２が基板２１の上に完全に形成されることができるように、ガス抽出器１３０は、図１ｃに示すように、回転軸３３ａとなるプラズマ発生器１２０の回りを回転することができる。図１ｄに示すように、ガス抽出器１３０とプラズマ発生器１２０は、シェル（shell）３４と組み合わされ、モニタなどの電源によって回転軸３３ｂの回りを回転する。薄膜２２が基板２１の上に均一に形成できるように、ガス抽出器１３０とプラズマ発生器１２０は、図１ｅに示すように、台座３に平行した移動方向を有する。図１ｆに示すように、角度θ₁は、任意に調整されることができる。また、異なる噴射経路３５は、プラズマジェット１２２の端に配置され、異なる入射角度θ₁のプラズマジェット１２２を放射することができる。台座３の法線方向とガス抽出パイプ１３２の抽出方向２９間の角度θ₂は、角度θ₂に対応して任意に調整されることができる。ガス抽出パイプ１３２の端は、できるだけ多くの粒子、または副生成物３０を抽出する広口の形状であることができる。図１ｇに示すように、プラズマ蒸着装置１００は、ガス抽出器１３０とプラズマ発生器１２０の間の台座３上に配置される検出器３６をさらに含む。検出器３６は、生成物分析装置、または粒子追跡装置（particle tracker）であることができ、薄膜２２の成分を分析する、または粒子または副生成物３０の反射方向を追跡する。

図２は、プラズマ薄膜蒸着の方法の実施例の工程図である。ステップ２１０に示すように、プラズマ薄膜蒸着のステップは、基板を設けるステップを含む。ステップ２２０に示すように、薄膜は、傾斜したプラズマジェットによって、基板の上に均一な平坦さで形成される。よって、突起状またはピン状の表面欠陥による平坦でない膜が回避される。プラズマジェットは、基板の法線方向とプラズマジェットの放射方向間の０〜９０°の放射方向角度θ₁を有する。ステップ２３０に示すように、粒子、または副生成物は、傾斜したガス抽出器で抽出される。ガス抽出器は、基板の法線方向とガス抽出パイプの抽出方向間の０〜９０°の抽出方向角度θ₂を有する。

従来の大気圧プラズマ蒸着装置と（θ₂＝０°、ガス抽出パイプを有する）プラズマ蒸着装置１００の表面平均粗さ（Ｒａ）の分析が実施され、膜品質を決める。表面平均粗さＲａが大きいほど膜品質、または膜透過率が低い。図３ａと３ｂは、従来の大気圧プラズマ蒸着装置とプラズマ蒸着装置１００によって蒸着された二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像と表面平均粗さ（Ｒａ）を表している。従来の大気圧プラズマ蒸着装置によって蒸着された二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜の表面平均粗さＲａは、約０．６μｍである。プラズマ蒸着装置１００によって形成された二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜の表面平均粗さＲａは、約０．０２μｍである。従来の大気圧プラズマ蒸着装置に比べ、プラズマ蒸着装置１００によって蒸着された二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜は、より低い表面平均粗さＲａを表しており、よって、より良い膜透過率と膜品質を有する。

本発明のプラズマ蒸着装置は、大気圧プラズマ蒸着プロセスに用いられることができる。より低い表面平均粗さＲａ、より高い透過率と付着性を有する薄膜は、傾斜したプラズマ発生器と対応したガス抽出システムを用いて形成されることができる。真空システムを必要とすることをなくすことで、本発明のプラズマ蒸着装置は、従来技術に勝る、簡易化された製造、低コストなどの明確な利点を提供する。

本発明のプラズマ蒸着装置は、大気圧プラズマ蒸着プロセスに限定されるものではなく、低圧プラズマ蒸着プロセス、または表面処理に用いられることもできる。

以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神および範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することは可能である。従って、本発明が保護を請求する範囲は、特許請求の範囲を基準とする。

プラズマ蒸着装置の実施例１を表す断面図である。 プラズマ蒸着装置の実施例２を表す断面図である。 プラズマ蒸着装置の実施例３を表す断面図である。 プラズマ蒸着装置の実施例４を表す断面図である。 プラズマ蒸着装置の実施例５を表す断面図である。 プラズマ蒸着装置の実施例６を表す断面図である。 プラズマ蒸着装置の実施例７を表す断面図である。 プラズマ薄膜蒸着の方法の実施例の工程図である。 従来の大気圧プラズマ蒸着装置のＳＥＭ画像と平均粗さ（Ｒａ）を表している。 プラズマ蒸着装置の実施例のＳＥＭ画像と平均粗さ（Ｒａ）を表している。

符号の説明

３ 台座
２０ プラズマビーム
２１ 基板
２２ 薄膜
２９ 抽出経路
３０ 粒子または副生成物
３３ａ、３３ｂ 回転軸
３４ シェル（shell）
３５ 噴射経路
３６ 検出器
１００ プラズマ蒸着装置
１１０ チャンバ
１２０ プラズマ発生器
１２２ プラズマジェット
１３０ ガス抽出器
１３２ ガス抽出パイプ
θ₁ 放射方向角度
θ₂ 抽出方向角度

Claims (24)

1. チャンバ、
   前記チャンバ内に設置される台座、
   前記チャンバ内の前記台座の上に設置され、
   前記台座の法線方向と前記プラズマジェットの放射方向間の０＜θ ₁ ＜９０°を満たす放射方向角度θ₁を有するプラズマ薄膜蒸着のためのプラズマジェットを含むプラズマ発生器、
   前記チャンバ内の前記台座の上に設置され、前記台座の法線方向と前記ガス抽出パイプの抽出方向間の０＜θ ₂ ＜９０°を満たす抽出方向角度θ₂を有する粒子と副生成物を抽出する抽出経路を設けるガス抽出パイプを含むガス抽出器を含むプラズマ蒸着装置。
2. 前記ガス抽出器は、回転軸となる前記プラズマ発生器の回りを回転する請求項１に記載のプラズマ蒸着装置。
3. 前記プラズマ発生器は、前記ガス抽出器に接続される請求項１に記載のプラズマ蒸着装置。
4. 前記プラズマ発生器と前記ガス抽出器は、電源によって作動され、一緒に回転する請求項３に記載のプラズマ蒸着装置。
5. θ₁は、θ₂に等しい請求項１に記載のプラズマ蒸着装置。
6. θ₁とθ₂間の差は、２０°より小さい請求項１に記載のプラズマ蒸着装置。
7. θ₁とθ₂は、調節可能である請求項１に記載のプラズマ蒸着装置。
8. 前記ガス抽出パイプは、広口の形状の端を有する請求項１に記載のプラズマ蒸着装置。
9. 前記ガス抽出器と前記プラズマ発生器の間の前記台座上に配置される検出器をさらに含む請求項１に記載のプラズマ蒸着装置。
10. 前記検出器は、生成物分析装置である請求項９に記載のプラズマ蒸着装置。
11. 前記検出器は、粒子追跡装置である請求項９に記載のプラズマ蒸着装置。
12. 前記ガス抽出器と前記プラズマ発生器は、前記台座に平行した移動方向を有する請求項１に記載のプラズマ蒸着装置。
13. 前記台座上に配置される薄膜蒸着に用いられる基板をさらに含む請求項１に記載のプラズマ蒸着装置。
14. 前記チャンバの気圧は、環境大気と同じである請求項１に記載のプラズマ蒸着装置。
15. 基板を設けるステップ、
    前記基板の法線方向と前記プラズマジェットの放射方向間の０＜θ ₁ ＜９０°を満たす放射方向角度θ₁を有するプラズマジェットを含むプラズマ発生器を用いて前記基板の上に薄膜を形成する薄膜蒸着のためのプラズマビームを発生するステップ、
    前記基板の法線方向と前記ガス抽出パイプの抽出方向間の０＜θ ₂ ＜９０°を満たす抽出方向角度θ₂を有するガス抽出パイプを含むガス抽出器で粒子、または副生成物を抽出するステップを含むプラズマ薄膜蒸着方法。
16. θ₁は、θ₂に等しい請求項１５に記載のプラズマ薄膜蒸着方法。
17. θ₁とθ₂間の差は、２０°より小さい請求項１５に記載のプラズマ薄膜蒸着方法。
18. 前記ガス抽出器と前記プラズマ発生器の間の前記基板上に配置される検出器をさらに含む請求項１５に記載のプラズマ薄膜蒸着方法。
19. 前記検出器は、生成物分析装置である請求項１５に記載のプラズマ薄膜蒸着方法。
20. 前記検出器は、粒子追跡装置である請求項１５に記載のプラズマ薄膜蒸着方法。
21. 前記チャンバの気圧は、環境大気と同じである請求項１５に記載のプラズマ薄膜蒸着方法。
22. 前記薄膜は、プラズマ化学気相成長（plasma-enhanced CVD；ＰＥＣＶＤ）によって形成される請求項１５に記載のプラズマ薄膜蒸着方法。
23. 前記薄膜は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜、または窒化ケイ素（ＳｉＮ_X）膜である請求項１５に記載のプラズマ薄膜蒸着方法。
24. 前記薄膜は、無機薄膜である請求項１５に記載のプラズマ薄膜蒸着方法。