JP4669472B2 - 高周波プラズマビーム源及び真空室及び表面の照射方法 - Google Patents

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Description

本発明は、高周波プラズマビーム源及び独立請求項上位概念に記載のプラズマビームを表面に照射する方法に関する。
基板の真空コーティング方法では、所謂高周波プラズマビーム源が使用されることがよくある。プラズマは、中性の原子及び/又は分子の他に、電子及び正イオンを荷電粒子として有している。荷電粒子は、電場及び/又は磁場によって所期のように加速され、例えば、表面の切除又は酸素のような反応性成分を、新たに成長されるコーティング内に入れるため等に使用される。材料源、例えば、蒸気源からの材料が蒸着されて、基板上に析出されるイオンサポート方法も知られている。基板上に成長する材料は、プラズマの反応性成分、例えば、酸素と一緒に供給され、例えば、酸化層を形成する。そのような方法は、例えば、光学的な用途用の透明層を製造する場合に通常用いられる。その際、そのような層の光学特性は、一般的に酸素含有量で強く変化するので、プラズマビームを層にどの程度均一に照射するかということが、著しく重要である。
マイクロエレクトロニクスでの薄膜製造又は光学用途の薄膜製造時には、一般的に、層厚、及び、例えば、析出される層の屈折率のような層特性をできる限り均一にするようにされる。その際、産業上の使用の際には、大きな面積及び/又は多数の基板が同時にコーティングされ、従って、層厚の均一性という問題が大きくなる。特に、光学層では、どんな場合でも数パーセントのコーティングチャージ部のある面又は基板に亘っての層厚の変動は、許容可能範囲と見なされる。
ヨーロッパ特許公告第349556号公報からは、平行性の高い原子又は分子ビームを用いて、できる限り大きな面積を均一に確実に照射するための高周波プラズマビーム源が公知である。その際、高周波プラズマビーム源の開口部には、プラズマを妨害しないために小さなメッシュ幅を有するイクストラクション格子(Extraktionsgitter)が設けられている。イクストラクション格子は、高周波が案内される電極として、適切に構成されたワイヤネットの形式又は平行に延びた複数ワイヤの形式で構成される。プラズマと、イクストラクション格子との間には、イオンを加速する電位差が形成され、この電位差により、ビーム方向に対して横方向に完全に均一で、何ら変調構造を有していない中性のプラズマビームが形成可能となる。イクストラクション格子の表面の良好な平坦性を維持して、イクストラクション格子の変形によってプラズマビームが不利に影響されるのを回避するために、公知の高周波プラズマビーム源のイクストラクション格子の格子保持部に当該格子を再度引っ張って緊張させる装置”Nachspannvorrichtung”が設けられている。比較的大きな面積のビームを可能にするために、高周波プラズマビーム源の直径を拡大することが通常行われている。しかし、これにより、コストが大きくなり、しかも、直に構成上の限界に突き当たる。
蒸着過程で、各基板がドーム状部上に配置されるようにして、多数の基板が均一にコーティングされる。
公知の高周波プラズマビーム源が、そのようなドーム状部上又は別の湾曲面上に設けられた基板上の大きな面積に亘って層を析出するのに使われる場合、更に、高周波プラズマビーム源の直径を拡大する際にも、析出された層厚及び層特性の均一度を損なわざるを得ないことが分かっている。この結果、大面積の照射を、所望の品質要求を保って行うことはできない。
本発明の課題は、表面の大面積及び高品質照射を可能にする高周波プラズマ源、そのような高周波プラズマ源を備えた真空室、並びに、プラズマビームで表面を照射する方法を提供することにある。
この課題は、本発明によると、独立請求項記載の各要件により解決される。
本発明の有利なアスペクトにより、従来技術とは異なり、拡散された中性プラズマビームが形成される。
本発明の利点は、高周波プラズマビーム源の本発明の構成により、ドーム状部上に設けられた基板上にも、均一な大面積の層を析出又は大面積をクリーニングすることができるようになる。
本発明の別のアスペクトは、殊に、ドーム状部上に配置された基板の照射を改善するために、プラズマ空間の外側に設けられた少なくとも1つの絞りを有していて、該絞りを用いて、ドーム状部乃至基板上にプラズマビーム密度の不均一な領域が形成されるのが回避される、平行性の高いプラズマビームを照射する高周波プラズマ源である。同様に、このために、プラズマ空間の出口開口部を、部分領域内で絞りを用いて被覆することができる。
以下、本発明について、図示の実施例を用いて詳細に説明する。この説明から、特許請求の範囲とは別に、本発明の別の特徴、詳細及び利点が得られる。その際:
図1は、有利な高周波プラズマビーム源を備えたコーティング室の略図、
図2は、cosビーム特性の分布特性曲線を示す略図、
図3は、基板がドーム状部上に設けられた、図1のコーティング室内の幾何的な状況を示す略図、
図4は、ドーム状部上のTiO層の屈折率の分布を示す略図、
図5は、高周波プラズマビーム源の出口開口部の大きさ及びビーム拡散が、ドーム状部上のプラズマビーム密度の分布に及ぼす影響について示す略図、
図6は、従来技術の高周波プラズマビーム源の略図、
図7は、印加されたイクストラクション(抽出)電圧に依存する空間電荷領域の厚さの略図、
図8は、固定のイクストラクション(抽出)電圧での電流密度に依存する空間電荷領域の厚さの略図、
図9は、イクストラクション格子の有利な構成形態を示す略図、
図10は、イクストラクション格子の別の有利な構成形態を示す略図
である。
図1は、拡散中性プラズマビームIを形成する高周波プラズマビーム源1(以下、Hfプラズマビーム源と呼ぶ)を略示する。Hfプラズマビーム源1は、つぼ状に構成されており、コーティング室7として構成された真空室の領域内に設けられており、この真空室は、ケーシング2によって囲まれている。例えば、通常の真空ポンプ、ガス供給部、基板保持部、解析装置等のコーティング室7の詳細は図示していない。Hfプラズマビーム源1は、プラズマ室3を有しており、このプラズマ室3内では、例えば、高周波照射によって、プラズマが点火される。プラズマの点火及び維持のために、電気手段8,例えば、高周波送信器8及び電気接続部9が設けられている。更に、少なくとも1つのマグネット5が設けられており、このマグネットは、通常のように、プラズマをプラズマ室3内に閉じ込めるのに使われる。Hfプラズマビーム源1のガス供給のために、供給部6が設けられているプラズマ室3内で、プラズマから中性プラズマビームを抽出するために、出口開口部の領域内に、有利には高い透過率のイクストラクション格子4が設けられている。透過のために用いられる、殊に被覆されていない、イクストラクション格子4の面の領域は、ソースサイズ(”Quellengroesse”)と呼ばれる。一般的に、ソースサイズは、出口開口部の大きさによって決められる。平坦なイクストラクション格子を有していて、強く配向されたプラズマビームを形成するようなビーム源は、ヨーロッパ特許公告第349556号公報から公知である。有利には、比較的高い密度のプラズマを形成する、ECWR方式で作動するプラズマ源が用いられる。
本発明の拡散プラズマビームIは、有利には、プラズマとイクストラクション格子4との間の交互作用によって形成される。イクストラクション格子4は、プラズマビームIが、ほぼ拡散するビーム特性を有するように構成されている。相応のイクストラクション格子4のデテールは、図9及び10に詳細に示されている。
拡散プラズマビームとは、主ビーム方向、つまり、最も高いプラズマビーム密度の方向に対して垂直な少なくとも1つの方向にも、かなり放射するプラズマビームのことである。通常、主ビーム方向は、ソースノーマル(”Quellennormale”)と呼ばれる。ビーム拡散は、近似的に、コサイン分布の指数nによって記述することができる。コサイン分布の指数nは、ビーム拡散の程度である。nが大きければ大きいほど、プラズマビームは配向され、nが小さければ小さいほど、プラズマビームは拡散される。そのような分布関数についての詳細な論文は、G.Deppisch:”Schichtdickengleichmaessigkeit von aufgedampften Schichten in Theorie und Praxis”, Vakuum Technik,30巻(1981)第3号に記載されている。図2は、プラズマビームの相対的なイオン流のcos分布曲線を、種々異なる値nでのソースノーマルに対する放射の角度の関数として示す。この分布は、どの程度の強さで、イオンビーム密度が角度に依存するかを示す数学的に算出された量である。強く拡散されたビーム(n=1)では、ソースノーマルに対して例えば40°の角度で、ソースノーマルの方向に求められた値の78%に達する。それに対して、n=8では、この角度で、13%しか求められない。n=16又はn=36のプラズマビームでは、40°の角度で、実際にはプラズマビームは形成されない。
図3には、コーティング室として構成された真空室7内での幾何的な状況が示されている。コーティング室7内には、多数の基板10.1,10.2,10.3,10.4,10.5,10.6が、ほぼ球状のドーム状部11上に設けられている。ドーム状部11は、球状シャーレの一部分の形状に構成されている。基板10.1,10.2,10.3,10.4,10.5,10.6は、各々ドーム状部11上の円上に置かれ、即ち、各参照番号は、ドーム状部11上の各円上に設けられた多数の基板を示す。垂直方向の破線は、ソースノーマルの方向、乃至、ソースノーマルの方向に対して平行な方向に相応する。基板10.1がある最も内側の円は、例えば、9°のドーム角度αに相応し、基板10.2がある直ぐ次の円は、α=14°の角度に相応し、基板10.3がある直ぐ次の円は、α=21°の角度に相応し、基板10.4がある直ぐ次の円は、α=27°に相応し、次は、α=33°の角度に相応し、最も外側の円は、α=39°の角度に相応する。ドーム状部11は、コーティング中、一層良好な層厚均一度を達成するために、回転してもよい。Hfプラズマビーム源1は、この実施例では、ドーム状部11の対称中心に対してずらされており、その際、Rは、ソースと、ドーム状部11の対称軸Kとの半径方向の間隔を示す。Rの他に、殊に、ソースノーマル及び/又は間隔Yを変えて、所望のように、プラズマビームIの強度が、基板10.1,10.2,10.3,10.4,10.5,10.6上に作用することができるようにされる。有利には、別の材料源をコーティング室7内に設けてもよく、殊に、蒸気源を設けてもよい。更に、このソースを、対称軸の方向に対して角度βで傾けてもよい。本発明の別の構成では、基板が設けられる表面を、有利には湾曲した別の形状にしてもよい。
通常、ドーム状部11の、できる限り均一な大きな面を照射することができるようにするために、Hfプラズマビーム源1は、できる限り大きな出口開口部と、配向されたプラズマビームとなるように選定されている。コーティングを実際に行った結果、並びに、シミュレーション計算によると、そのような装置構成に対して、出口開口部の拡大によって、制約されてしか、基板上に析出されるコーティングの層厚の十分な均一度は達成されないことが分かる。しかし、本発明によると、拡散プラズマビームIを用いることによって、コーティングの品質、殊に、層厚の均一度を改善することができる。
図4は、ほぼ球状のドーム状部上でのTiO層の屈折率分布を示す。その際、16≦n≦32及び図1及び図2に示されているようなコーティング室7内の大きな出口開口のHfプラズマビーム源を用いて、二酸化チタンTiOが析出される。TiOは、透明であり、使用されているプラズマビームの強度に依存する屈折率を有している。Hfプラズマビーム源の出口開口部は、18.750mmの面積を有している。ドーム状部11の均一な照射時に、光の屈折率は、ドーム状部11上で均一でなければならない。プラズマ照射しない場合、屈折率は、約2.2であり、プラズマビームの非常に高いビーム密度で、2.4もの屈折率に達する。図4の測定結果から、プラズマビーム密度の変化により、位置1及び6上のコーティング時の屈折率は、位置2〜5上のコーティング時の屈折率よりも約30%だけ小さく、その際、位置は、図2のドーム状部11上の前述の円10.1,.....及びドーム状部11上の対応付けられた角度に相応している。
図5には、Hfプラズマビーム源の出口開口部の大きさの影響、並びに、ドーム状部上のプラズマビーム密度の分布でのビーム拡散についてのシミュレーション計算結果が示されている。n=16及び比較的小さな出口開口部(図4に示されたような面の1/10だけ)のHfプラズマビーム源では、プラズマビーム密度は、ドーム角度に最も強く依存している(最も上の曲線)。n=16の同じ拡散ではあるが、大きな出口開口部のHfプラズマビーム源では、角度依存性は少し小さい。n=8及びn=4の曲線は、同様に小さな出口開口部で算出されている。拡散が増大すると、つまり、指数nが低減すると、プラズマビーム密度は、ドーム角度によってあまり変化しなくなる。従って、プラズマビームの均一度は、ドーム状部上で増大する。
拡散プラズマビームIにより、簡単に、ドーム状部11の均一な大きな面の照射が可能となる。基板上での材料の析出及び/又はプラズマビームでの基板の照射(例えば、基板を変えるため)の際、拡散プラズマビームによると、比較的大きな出口開口部及び平行性の高いプラズマビームのHfプラズマビーム源での通常の解決手段よりもかなり均一な結果が得られる。平坦な表面では、拡散プラズマビームを用いると、照射の比較的小さな均一度を予期することができるが、例えば、表面のクリーニングのような多数の用途のためには、未だ不十分である。
表面の照射用の本発明の方法では、高周波プラズマ源のプラズマビームIは、高いビーム拡散、有利には、高々n=16、殊に、n=4及びn=10の拡散の程度で使用され、その際、nは、ビーム拡散を記述するコサイン分布関数cosの指数である。このようなビーム特性のプラズマビームIにより、例えば、ドーム状部11上の基板10.1,...上を高い均一度のプラズマビーム密度にすることができ、コーティングを変え、及び/又は、各コンポーネント、例えば、酸素を供給することができる。
本発明は、分散ビーム特性を、コサイン分布関数によって特徴付けることができるHfプラズマビーム源に制限されず、所望の適切な、どんな分散特性も有することができる。
所望の分散ビームのビーム分散性は、Hfプラズマビーム源1を所期のように構成的に実施することにより達成することができる。その際、有利には、イクストラクション格子4が、Hfプラズマビーム源1の出口開口部の領域内で、従来技術から公知の構成形態とは異なるように変えられている。3つの手段が有利である。イクストラクション格子4は、大きなメッシュ幅のメッシュを有するか、又は、平坦ではないが、プラズマに対して凹面状又は凸面状に構成されている。更に、イクストラクション格子4は、凹面状又は凸面状の形状、並びに、大きなメッシュ幅のメッシュを有することができる。イクストラクション格子4は、有利には、約0.02−3mmの、有利には、0.1−1mmの太さの線のタングステン網から形成される。有利には、イクストラクション格子の面の少なくとも1つの部分領域が、円筒状の、殊に、円筒形の空間体の外套面の一部分であるようにされる。例えば、イクストラクション格子4は、Hfプラズマビーム源1の相応に構成された出口開口部に相応する矩形の基底面を有するようにしてもよい。円筒形の空間体では、円筒の長手方向軸は、矩形部の各側面の1つに対して平行に設けるとよい。円筒形の外套部を湾曲することによって、プラズマに対して各々凹面状乃至凸面状の形状にすることができる。
比較のために、図6には、出口開口部の領域内に平坦なイクストラクション格子4を有するHfプラズマビーム源1、及び、従来技術の高い平行性のプラズマビームIが略示されている。イクストラクション格子4でのプラズマのエッジの層は、ほぼ平坦である。例えば、ヨーロッパ特許公告第349556号公報から公知の一般的な技術思想によると、イクストラクション格子4は、プラズマが当該のイクストラクション格子4によって影響されないように微細なメッシュ状に構成されている。従って、メッシュ幅は、イクストラクション格子4とプラズマとの間の空間電荷領域の厚みよりも小さく選定される。
空間電荷領域の厚みdは、多くの刊行物から分かる。それによると、この厚みdは、電流密度jと、プラズマのエッジとイクストラクション格子4との間の電圧降下Uとに依存している:
Figure 0004669472
但し、
ε:真空の誘電率、
e:電気素量、
ion:関与イオンの質量、
U:プラズマエッジとイクストラクション格子4との電圧降下(イクストラクション電圧に相応する)
である。
本発明により拡大された、イクストラクション格子4のメッシュ幅を決めるために、以下のように行われる:
そのようなコーティング装置の作動用の通常の値を示す10A/mのイオン電流では、0.1mの出口開口部のHfプラズマビーム源で、空間電荷領域の厚みdが算出される。これは、図7に示されている。それによると、空間電荷領域の厚みdは、電圧降下の増大に連れて大きくなり、約50ボルト〜約370ボルトの電圧降下で、0.5mm〜2.5mm変化する。50〜200ボルトの有利な電圧領域内での厚みdは、明らかに2mmよりも小さい。
空間電荷領域の厚みdと、固定のイクストラクション電圧、例えば、150ボルトで、イオン電流密度との依存性に注目すると、図8に示された曲線が得られる。空間電荷領域(層)の厚みdは、固定のイクストラクション電圧では、電流密度の上昇に連れて減小する。4A/m〜25A/mの有利な領域内では、空間電荷領域の厚みdは、2mmよりも小さい。
図9には、拡大されたメッシュ幅のメッシュを有するイクストラクション格子4が有利に構成された本発明のプラズマビーム源1が略示されている。メッシュ幅が、空間電荷領域の厚みdよりも大きいと、イクストラクション格子4の下側の波状の曲線によって示されているように、この領域内でのプラズマエッジ層が変形する。これにより、プラズマビームIの拡散が大きくなる。有意義にも、メッシュ幅は、まだ十分に小さく、従って、プラズマは、出口開口部を通って、さほど漏出しない。メッシュ幅は、有利には高々30mm、殊に、空間電荷領域の厚みが0.5〜2.5mmの範囲内である場合、特に有利には、高々20mmにすると、目的に適っている。
図10には、平坦ではないが、プラズマ室3から見て凹状に形成されたイクストラクション格子4の有利な構成が略示されている。それにより、湾曲したプラズマエッジ層が形成され、放出されたプラズマビームIは、拡散ビーム特性を示す。ここでは、イクストラクション格子4のメッシュ幅は、比較的小さく、殊に、空間電荷領域の厚みよりも小さく選定することができる。イクストラクション格子4は、凸状に構成してもよい。
別の実施例では、イクストラクション格子4は、その面の少なくとも一部分領域に亘って不均一に構成するとよい。このために、例えば、メッシュ幅を変えることができ、その結果、エッジに向かうに連れて小さくなるメッシュ幅を設けるとよい。更に、プラズマビームの変調のために、プラズマ室3の外側に、1つ又は複数の絞りを設けるとよい。同様に、部分領域内の出口開口部を絞りで被覆し、それにより、表面の、さもないと不均一に照射される領域をマスキングするようにしてもよい。絞りには、プラズマビームを付加的に変調するために、付加的に電位を加えてもよい。
本発明の択一的な実施例では、ヨーロッパ特許公告第349556号公報から公知の、平坦なイクストラクション格子を有するHfプラズマビーム源が、ドーム状部上に設けられた基板の照射のために用いられ、その際、ソースのプラズマ室の外側の所定の空間領域内に、少なくとも1つの絞りが設けられている。この絞りは、さもないと不均一に照射されるドーム状部上の領域が照射されないように、プラズマビームを変調する。これは、同様に、出口開口部の部分領域を被覆することによって行うとよい。使用される絞りの形状は、有利には、達成された照射結果を用いて経験的に決められる。付加的に、絞りに電位を印加して、プラズマビームを変調するようにしてもよい。
有利な高周波プラズマビーム源を備えたコーティング室の略図 cosビーム特性の分布特性曲線を示す略図 基板がドーム状部上に設けられた、図1のコーティング室内の幾何的な状況を示す略図 ドーム状部上のTiO層の屈折率の分布を示す略図 高周波プラズマビーム源の出口開口部の大きさ及びビーム拡散が、ドーム状部上のプラズマビーム密度の分布に及ぼす影響について示す略図 従来技術の高周波プラズマビーム源の略図 印加されたイクストラクション(抽出)電圧に依存する空間電荷領域の厚さの略図 固定のイクストラクション(抽出)電圧での電流密度に依存する空間電荷領域の厚さの略図 イクストラクション格子の有利な構成形態を示す略図 イクストラクション格子の別の有利な構成形態を示す略図
符号の説明
1 高周波プラズマビーム源
2 ケーシング
3 プラズマ室
4 イクストラクション格子
5 マグネット
6 ガス供給部
7 コーティング室
8 高周波送信器
9 電気接続部
10 基板
11 ドーム状部
I プラズマビーム
ドーム対称軸
α ドーム角度
ソース−対称軸の放射方向間隔
ソース−対称中心の垂直方向間隔

Claims (15)

  1. プラズマ用のプラズマ室(3)、前記プラズマの点火及び維持のための電気手段(8,9)、前記プラズマ室(3)から中性プラズマビーム(I)を抽出するためのイクストラクション格子(4)、並びに出口開口部を有する高周波プラズマビーム源であって、前記イクストラクション格子(4)は、前記出口開口部の領域内に設けられている高周波プラズマビーム源において、
    拡散プラズマビーム(I)を得るために、前記イクストラクション格子(4)は、前記プラズマ室(3)から見て凸面状または凹面状に形成されている、ことを特徴とする高周波プラズマビーム源。
  2. プラズマビーム(I)を照射すべき1つ又は複数の基板(10.1,10.2,10.3,10.4,10.5,10.6)を有しているドーム状部(11)の表面の少なくとも一部分領域上にプラズマ流密度の高い均一性を達成するために、プラズマビーム(I)は、前記表面の少なくとも一部分領域の形状に合致されている請求項1記載の高周波プラズマビーム源。
  3. イクストラクション格子(4)の面の少なくとも一部分領域が、円筒状の空間体の外套面の一部分である請求項1または2記載の高周波プラズマビーム源。
  4. 前記イクストラクション格子(4)は、当該イクストラクション格子(4)とプラズマ室(3)内のプラズマとの間の空間電荷領域の厚みよりも小さいメッシュ幅のメッシュを有している請求項1から3迄の何れか1記載の高周波プラズマビーム源。
  5. 前記イクストラクション格子(4)は0.02−3mmの線の太さのタングステンから構成されている請求項1から4迄の何れか1記載の高周波プラズマビーム源。
  6. 前記イクストラクション格子(4)は0.1−1mmの線の太さのタングステンから構成されている請求項5記載の高周波プラズマビーム源。
  7. 少なくとも1つのマグネット(5)が、プラズマ室(3)の領域内にプラズマを閉じ込めるために設けられている請求項1から6迄の何れか1記載の高周波プラズマビーム源。
  8. ケーシング(2)と、高周波プラズマビーム源(1)と、プラズマビームを照射すべき1つ又は複数の基板(10.1,10.2,10.3,10.4,10.5,10.6)を有しているドーム状部(11)とを有する真空室において、
    当該高周波プラズマビーム源(1)は、請求項1から7迄の何れか1項に従って構成されていることを特徴とする真空室。
  9. 前記高周波プラズマビーム源(1)に対して付加的に、蒸発源が設けられている請求項8記載の真空室。
  10. 高周波プラズマビーム源のプラズマビームを用いて、1つ又は複数の基板(10.1,10.2,10.3,10.4,10.5,10.6)の表面を照射する方法において、
    拡散プラズマビーム(I)を使い、前記高周波プラズマビーム源を請求項1から7迄の何れか1項に従って構成することを特徴とする方法。
  11. プラズマビーム(I)は、高々n=16の拡散の程度を有するビーム特性を有しており、nは、コサイン分布関数の指数である請求項10記載の方法。
  12. プラズマビーム(I)はn=4の拡散の程度を有するビーム特性を有している、請求項11記載の方法。
  13. 1つ又は複数の基板(10.1,10.2,10.3,10.4,10.5,10.6)を有しているドーム状部(11)が設けられている請求項10から12迄の何れか1記載の方法。
  14. 1つ又は複数の基板(10.1,10.2,10.3,10.4,10.5,10.6)の表面の照射によって、前記基板の表面をコーティングする請求項10から13迄の何れか1記載の方法。
  15. 1つ又は複数の基板(10.1,10.2,10.3,10.4,10.5,10.6)の表面の照射によって、前記基板の表面を変化及び/又はクリーニングする請求項10から13迄の何れか1記載の方法。
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