JP4934830B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを用いる処理装置に関し、特に、直流高密度プラズマを用いる成膜装置に関する。

高密度プラズマを用いて成膜等を行うプラズマ処理装置としては、プラズマによってイオン化した材料を蒸着するイオンプレーティング装置等が知られている。

特許文献１には、圧力勾配型放電により生成されたプラズマ流を、一対の磁石手段によって扁平なシート状のプラズマに変形して、イオンプレーティングを行う方法が開示されている。このようにプラズマをシート状に変形することにより、成膜すべき基板の幅方向にプラズマを大きく広げることができる。原料物質を蒸発させる坩堝も、基板の幅に合わせたものを用いる。蒸発した原料物質は、シート状のプラズマを通過する際にイオン化されて、巻き取り式フィルム状の基板に対して付着する。これにより、幅広の基板に対して効率よくイオンプレーティングすることが可能になる。

特許第２５４５３６９号公報

特許文献１に記載の技術は、プラズマおよび坩堝の幅を基板の幅に合わせて広げることにより、幅広の基板に対して効率よく成膜しようとするものである。しかしながら、この構成では、坩堝の蒸気は、基板の幅方向には均一になるが、基板の長さ方向については均一に分布しない。このため、巻き取り式フィルムではない基板を成膜対象とする場合には、基板の長さ方向について均一な成膜を行うことが困難である。また、坩堝を幅方向のみならず長さ方向についても基板と同等の長さにすることが可能であれば、理論的には均一な蒸気の分布を得られるが、坩堝が大面積になるため、大電力が必要であり、均一加熱は容易ではない。しかも原料物質を大量に用意する必要がある。このため、実現するのは容易ではない。

本発明の目的は、基板の方向にかかわらず、均一に処理することが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のようなプラズマ処理装置が提供される。すなわち、所定の軸に沿って順に配置された、陰極、中間電極および陽極と、中間電極と陽極との間の空間に基板を保持するための基板保持部と、中間電極から所定の軸に沿って引き出されたプラズマを扁平に広げる磁界を印加する第１の磁界発生部とを有し、基板保持部は、基板を保持する面が、所定の軸に対して凹型のドーム状である。基板保持部の外側には、扁平なプラズマを基板保持部に向かって凸型に変形させる磁界を発する第２の磁界発生部が配置されている。これにより、均一な状態の凸型のプラズマを基板に接触させることができるため、基板を均一に処理することができる。

上記第２の磁界発生部としては、例えばソレノイドコイルまたは円環状の磁石を用いることができる。この場合、ソレノイドコイルまたは円環状の磁石の中心軸を基板保持部の中心軸と一致するように配置することが好ましい。これにより、基板保持部の中心軸を中心とする回転体形状のプラズマに変形させることができるからである。

本発明のプラズマ処理装置で成膜を行う場合には、基板保持部に対向する位置に、例えば坩堝を配置する。坩堝の開口径は、基板保持部の径よりも小さくすることが好ましい。また、基板保持部と坩堝は、これらの中点を中心とする仮想球面上に配置され、基板保持部の基板を保持する面は、仮想球面に沿った球面形状であることが好ましい。このような位置関係および基板保持部の形状にすることにより、小さな坩堝で、均一に大面積の成膜を行うことができる。

このように、本発明では、ドーム状の基板保持部を用い、かつ、プラズマを凸型に変形させることにより、プラズマをドーム状の基板保持部の内面に沿うように引き上げることができる。これにより、ドーム上の基板保持部に固定した基板を均一にプラズマ処理することができる。

本発明の一実施の形態の直流高密度プラズマを用いた処理装置について図面を用いて説明する。

第１の実施の形態の直流高密度プラズマを用いた処理装置は、イオンプレーティングにより成膜を行う装置である。この処理装置の構成について図１を用いて説明する。図１の装置は、小面積の面状坩堝８を用い、かつ、基板ホルダー１６をドーム形状とし、内壁側に基板６を支持する。また、基板ホルダー１６の上部に電磁石１４を配置したものである。以下、具体的に説明する。

処理装置は、図１のように連結されたプラズマ室１と成膜室７とを有している。プラズマ室１には、陰極２および第１および第２の中間電極３がプラズマ軸（図１のｚ軸）に沿って順に配置されている。陰極２は、グロー放電（プラズマ）からアーク放電（直流高密度プラズマ１１）に移行させるのに適した公知の複合陰極構造である。第１および第２の中間電極３は、プラズマ１１を通過させるための貫通孔をその中心に有する。プラズマ室１には、放電ガス４を導入するための放電ガス導入口４ａが備えられている。第１および第２の中間電極３の貫通孔は、オリフィスとしても作用し、プラズマ室１の圧力を成膜室７の圧力よりも高く維持し、圧力勾配を形成する。

成膜室７には、ｚ軸上に陽極５が配置されている。成膜室７に設けられた排気口９は、不図示の真空排気装置に接続されている。

プラズマ室１と成膜室７との連結部近傍には、図１に示すようにプラズマ室１を挟んで向かい合う一対の直方体形状の永久磁石１３が配置されている。一対の永久磁石１３の長手方向は、ｘ軸に平行であり、互いに向かい合う面がN極、外側の面がS極となるように着磁されている。これにより、永久磁石１３は、プラズマ軸（ｚ軸）を上下方向（ｙ軸）から挟み込む磁界１１３を生じ、プラズマ１１をｘｙ平面に押し広げシート状にする作用をする。

成膜室７の外側には成膜室７を挟むように、一対の電磁石１２が配置されている。一対の電磁石１２の中心軸は、ｚ軸に一致している。一対の電磁石１２は、図１に示すように、成膜室７の内側に向かう磁界１１２を発生する。一方、成膜室７の上部には、電磁石１４が配置されている。電磁石１４は、図１に示すように、上向き（ｙ軸方向）の磁界１２４を形成する。一対の電磁石１２の磁界１１２および、電磁石１４の磁界１１４は、プラズマ１１を上向きに引き上げる作用をする。一対の電磁石１２および電磁石１４の直径および電流値により磁界１１２、１１４を適切に設定することにより、成膜室７内でのプラズマ１１の上部をドーム形状に変形させることができる。

成膜室７の内部空間の上部には、陽極５とプラズマ室１との間の位置に、ドーム形状の基板ホルダー１６が備えられている。基板ホルダー１６の中心軸２１は、電磁石１４の中心軸と一致し、かつ、プラズマ軸と直交するように位置合わせされている。基板ホルダー１６の内壁面は、プラズマ軸に向けられ、プラズマ軸（ｚ軸）に対して凹型となるように配置されている。基板ホルダー１６には、中心軸２１を中心に基板ホルダー１６を回転させるための回転駆動機構２２が取り付けられている。成膜対象である基板６は、ドーム状の基板ホルダー１６の径よりも小径であり、基板ホルダー１６の内壁面に沿って１枚または複数枚が並べて固定される。

成膜室７の内部空間の下部には、坩堝８が配置されている。基板ホルダー１６と坩堝８は、対向しており、これらの中点２０１を中心とする仮想球２０２の球面上にそれぞれ位置している。基板ホルダー１６の内壁面は、この仮想球２０２の球面に沿う形状である。坩堝８の開口径は、基板ホルダー１６の径よりも小さく、均一成膜の観点からは、坩堝８の開口径はできるだけ小さい方が好ましい。その理由は、坩堝８のような蒸発源からの物質の熱脱離の角度分布は、単純なコサイン則（cos^ｎθ、ｎ＝１）に従うと考えられるため、蒸発源が点の場合には、熱脱離した物質の分布は球状になるからである。そのため、坩堝と基板ホルダー１６とが図１のように同じ仮想球２０２上にあって対向し、基板ホルダー１６の内壁面が仮想球２０２に沿った球面である場合には、球状に分布する物質が一様に基板に到達し、形成される膜の膜厚分布をほぼゼロにすることができる。坩堝８と基板ホルダー１６との距離（仮想球２０２の直径）をLとした場合、坩堝の開口径（開口幅）ａが、Ｌの１０％以内であれば、膜厚分布は、±５％以下にすることができる。

このように、基板ホルダー１６と坩堝８の位置関係を調整し、基板ホルダー１６の内壁面に沿う形にプラズマを引き上げることにより、基板ホルダー１６の内壁面のどの位置に基板６を配置した場合であっても、均一な成膜を行うことができる。

陰極２、第１および第２の中間電極３、および陽極５には、電源１０が接続されている。第１および第２の中間電極３には、陰極２の電位と陽極５の電位の間の中間電位が印加され、プラズマ１１に電位勾配を与えてプラズマを陰極２から陽極５へスムーズに導く作用をする。

つぎに、図１の処理装置を用いて、基板６にイオンプレーティングにより成膜する場合の各部の動作について説明する。

ここでは、複数枚のウエハー状の基板６を成膜対象とする。これらはドーム状の基板ホルダー１６の内壁面に複数枚並べて固定する。基板ホルダー１６は、回転駆動機構２２により回転させることも可能であるし、静止させたまま成膜することも可能である。静止させたまま成膜した場合であっても、本実施の形態の処理装置では、均一に成膜することができる。

成膜室７およびプラズマ室１を排気口９から所定の真空度まで排気する。プラズマ室１にアルゴン、ヘリウム等の放電ガス４を導入し、電源１０から陰極２と陽極５間に直流電圧を印加し、グロー放電によるプラズマを生じさせる。放電開始直後３〜５分程度はグロー放電であるが、グロー放電を続けると、陰極２が加熱され熱電子を放出するようになり、これによりグロー放電の電離度が上昇して高密度放電すなわちアーク放電に移行し、直流高密度プラズマ１１が生じる。電源１０により電圧が印加され、抵抗が接続された第１および第２の中間電極３は、プラズマ１１に電位勾配を与え、陰極２から陽極５にスムーズに導く。また、第１および第２の中間電極３は、オリフィス作用によりプラズマ室１の圧力を成膜室７の圧力よりも高く維持し、その圧力勾配により、成膜室の反応ガスや逆流イオンがプラズマ生成室に逆流するのを防ぐ。

成膜室７の外部に配置された電磁石１２の磁界１１２は、ｚ軸を中心にプラズマ１１を絞り、プラズマ１１をビーム状に収束するとともに、陽極５にプラズマ１１を導く。

一対の永久磁石１３が形成する磁界１１３はプラズマ１１をｙ軸方向に押し縮め、ｘ軸方向に押し広げる作用をする。これにより、プラズマ１１は、ｙ軸方向の厚さが薄く、ｘｚ平面に広がった幅広のシート形状のプラズマ１１になって、成膜室７の内部空間に引き出される。

成膜室７に引き出されたシート状のプラズマ１１には、電磁石１２の磁界１１２および電磁石１４が発生する磁界１１４が作用する。磁界１１２は、電磁石１２の中心において最も強く、プラズマ軸（ｚ軸）に平行であるが、電磁石１２から離れるにつれ、上向きおよび下向きに広がっている。よって、シート状のプラズマ１１は、成膜室の中央で上向きおよび下向きに引っ張られて、上下に膨らんだ形状に変形する。さらに、電磁石１４の磁界１１４は、成膜室７の上部で軸２１を中心にプラズマ１１を引き上げる作用をするため、基板ホルダー１６の方向に引き上げられ、基板ホルダー１６の中心軸を中心とする丸い凸形状に変形する。丸い凸形状となったプラズマ１１は、ドーム型基板ホルダー１６の内壁面全体に接触する。これにより、基板ホルダー１６の内壁面に均一な状態のプラズマが接触する。

このような状態で、坩堝８を抵抗加熱または電子ビーム加熱などの方法で加熱すると、坩堝８の内部の材料物質が加熱され、蒸気となる。蒸気は、プラズマを横切り、イオンとなって基板６に堆積し、薄膜を形成する。上述したように、坩堝８は、開口径が小さいため、坩堝８から熱脱離する物質は球状に分布する。ドーム状基板ホルダー１６と坩堝８とがそれぞれ仮想球２０２の球面上に位置して対向しており、かつ、基板ホルダー１６の内壁面が仮想球２０２に沿った球面形状に形成されているため、基板ホルダー１６上の基板６には、基板６の位置にかかわらず、均一な膜を成膜することができる。

成膜を行った後、プラズマ１１を停止させ、成膜室７およびプラズマ室１を大気圧まで戻し、基板６を取り出す。

このように、本実施の形態の成膜装置は、ドーム状の基板ホルダー１６を用い、開口面積の小さい坩堝８を用いて、基板ホルダー１６の支持する基板６に均一に成膜を行うことができる。よって、成膜速度の分布を低減でき、成膜に要する時間を短縮できるとともに、膜厚ならびに膜組織を均一化することができる。さらに、坩堝８に充填する材料物質の量が少量でよいため、少量多品種の成膜を低コストで行うことができる。

なお、成膜の均一化のためには、ドーム状の基板ホルダー１６の内壁面は、坩堝８との中点２０１を中心とする仮想球２０２に沿った形状であることが望ましいが、必ずしも完全に仮想球２０２に沿っていなくてもよく、基板ホルダー１６が凹形状あれば成膜均一化について一定の効果を得ることができる。

また、坩堝８がボート型等のように一方向に若干長い形状である場合には、仮想球２０２の代わりに、坩堝の長径方向に一致する方向に長軸を向けた楕円球を想定し、これに沿った内壁面形状を有する基板ホルダー１６を用いることができる。

上記実施の形態では、基板ホルダー１６には、これを回転させる駆動機構を備えているが、さらに基板ホルダー１６上で基板６を自転させる回転機構を設けることも可能である。この場合、基板ホルダー１６を固定して、基板６のみを自転させて成膜を行うことも可能である。

プラズマ１１を丸い凸形状に引き上げるためには、電磁石１４を次のように設計する。電磁石は、コイルの中心の磁場が最も強く、電磁石から遠ざかるにつれ減衰する。このため、電磁石１４の径が小さすぎると大きな磁界を形成できず、しかも、電磁石１４から坩堝８の方向に離れるにつれ、磁界が急激に減衰するため、プラズマ１１を基板ホルダー側にうまく引き上げることができない。電磁石１４に流す電流が大きければ、磁界が大きくなるが、電磁石１４の中心における磁界が強すぎて、引き上げたプラズマ１１が細くなり、ドーム状の基板ホルダー１６に沿わず、均一成膜ができない。また、電磁石１４の径が大きく、電流が小さければ、磁界が弱すぎてプラズマを引き上げる力が弱くなり、ドーム状基板ホルダー１６の径よりもプラズマ１１の径が大きくなってしまう。

これらのことを考慮して電磁石１４の径および電流値を決定する。経験的には、電磁石１４の直径ｄが、仮想球２０２の半径と同等程度であるものを用い、その上で実験により、プラズマ１１の形状が基板ホルダー１６の内壁面に沿うような形状となる電流値を求めることにより、比較的に容易に、プラズマ１１を基板ホルダー１１の内壁面に沿う丸い凸型に引き上げることが可能である。また、電磁石１４の中心が、基板ホルダー１６の頂点とほぼ一致する程度に両者を接近させることも、プラズマ１１を丸い凸型に引き上げるためには適している。

また、電磁石１４は、軸２１を中心として外側に広がる磁界を形成できるものであればよく、ソレノイドコイルに限らず他の形状のコイルを用いることも可能である。また、円環状の永久磁石を用いることも可能である。

上記実施の形態では、シート状のプラズマを用いてイオンプレーティングにより成膜を行う装置について説明したが、本発明は、イオンプレーティングによる成膜装置に限られるものではない。坩堝８に代えて、原料ガス供給管を配置することにより、プラズマCVDにより成膜を行う装置や、坩堝８や原料ガス供給管を配置せず、プラズマにより基板６の表面改質処理等の処理を行う装置に本発明を適用することも可能である。

第１の実施の形態の直流高密度プラズマを用いた処理装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１…プラズマ室、２…陰極、３…第１および第２の中間電極、５…陽極、６…基板、７…成膜室、８…坩堝、９…排気口、１０…電源、１１…プラズマ、１２…電磁石、１３…永久磁石、１４…電磁石、１６…基板ホルダ。

Claims (4)

1. 所定の軸に沿って順に配置された、陰極、中間電極および陽極と、前記中間電極と陽極との間の空間に基板を保持するための基板保持部と、前記中間電極から前記所定の軸に沿って引き出されたプラズマを扁平に広げる磁界を印加する第１の磁界発生部とを有し、
   前記基板保持部は、基板を保持する面が、前記所定の軸に対して凹型のドーム状であり、
   前記基板保持部の外側には、前記扁平なプラズマを前記基板保持部に向かって凸型に変形させる磁界を発する第２の磁界発生部が配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、前記第２の磁界発生部は、ソレノイドコイルまたは円環状の磁石であり、中心軸が、前記基板保持部の中心軸と一致するように配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、前記基板保持部に対向する位置に配置された坩堝をさらに有し、前記坩堝の開口径は、前記基板保持部の径よりも小さいことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項３に記載のプラズマ処理装置において、前記基板保持部と坩堝は、これらの中点を中心とする仮想球面上に配置され、前記基板保持部の基板を保持する面は、前記仮想球面に沿った球面形状であることを特徴とするプラズマ処理装置。
   

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