JP4980866B2 - 膜形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空室内にプラズマ発生装置を内蔵した膜形成装置に関する。

プラズマ発生装置は、基板上に薄膜を形成するイオンプレーティング装置の如き膜形成装置において、ガス分子・蒸発粒子の高密度なプラズマ化を行い、該プラズマ中のイオンを基板に照射するのを補助している。

図３はプラズマ発生装置を内蔵した膜形成装置の一概略例を示す。

図中１は真空室で、この真空室の底部には、蒸発材料２を収容した坩堝３、該蒸発材料に電子ビームを照射するための電子銃４が設けられている。

前記真空室１の上部には、複数の基板がセットされた回転可能な基板ドーム５が設けられている。尚、該基板ドームにはヒータ６が取り付けられている。

図中７はプラズマ発生装置で、該プラズマ発生装置からの電子ビームが、前記基板ドーム５と坩堝３の間に照射される様に成っている。

前記プラズマ発生装置７において、８はカソードで、例えば、タングステンの如き熱電子放出材料から成り、加熱電源９に接続されている。

１０は円筒状のケースで、その内部は放電室となっており、該放電室は、ガス導入口１１から導入されたアルゴンガスにより前記真空室１の圧力より高い圧力の空間となっている。

１２は第１アノードで、水冷されており、抵抗Ｒ１を介して放電電源１３に接続されている。該第１アノードには、表面を覆うように第２アノード１４が取り付けられている。該取り付けは、互いの間の熱抵抗が大きく成る様に、互いの一部を繋ぐことによって実現されている。

１５はシールドで、前記ケース１０に固定されており、先端部に電子ビームが通過するオリフィスを有している。

１６はコイルで、電子が引き出される方向と平行な磁場を形成する電磁石から成っており、前記ケース１０内で生成されたプラズマ１７を該ケースの中心軸方向に集束させるものである。

前記カソード８，第１アノード１２，第２アノード１４，ケース１０，抵抗Ｒ１，加熱電源９及び放電電源１３で放電回路を構成しており、該放電回路は、抵抗Ｒ２を介して前記真空室１と接続されている。

前記プラズマ発生装置７において、先ず前記ガス導入口１１からケース１０内にアルゴンガスを所定量導入して該ケース内の圧力を高めると共に、前記加熱電源９により前記カソード８を熱電子放出可能な温度まで加熱する。次に、前記コイル１６に所定の電流を流し、プラズマ点火と安定なプラズマを得るために必要な磁場を発生させる。

この状態で、前記放電電源１３から前記カソード８と前記アノード（１２，１４）間に所定の電圧（例えば１００Ｖ）を印加すると、前記シールド１５のオリフィス上部に電界１８が形成され、該電界によって、前記カソード８からの熱電子は前記アノード（１２，１４）の方向に加速し始める。該熱電子の加速により、該熱電子と前記導入したアルゴンガスとが衝突を繰り返し、前記ケース１０内にプラズマ１７が生成される。

こうして生成されたプラズマ１７中の電子は、前記コイル１６が形成する磁場により前記ケースの中心軸方向に集束を受けながら、前記電界１８により前記真空室１へと引き出される。

一方、前記真空室１の内部においては、蒸発材料２に向けて電子銃４からの電子ビーム１９が照射され、該蒸発材料は加熱されて蒸発している。又、該真空室内には、プロセスガス導入口２０からプロセスガス（例えば、酸素ガス）が導入されている。

前記真空室１に引き出された電子は、該真空室中のプロセスガス及び蒸発粒子に衝突し、それらを励起してイオン化させるので、該真空室内にプラズマ２２が形成される。該プラズマ中のイオン化された蒸発粒子は前記基板ドーム５にセットされた基板に引き寄せられて付着し、該基板上には蒸発粒子の膜が形成される。

前記真空室１に引き出された電子及びプラズマ２２中の電子は、前記真空室１の内壁やアノード（１２，１４）に流れ込み、安定な放電が維持される。

尚、この様な膜形成装置において光学薄膜を形成する場合では、前記真空室１の内壁は光学薄膜材料である導電性のない誘電体材料の蒸発粒子が付着し、高いインピーダンスを持った状態となる。よって、前記プラズマ発生装置７の抵抗Ｒ１，Ｒ２は、Ｒ１＜Ｒ２の関係とすることで、前記真空室１に引き出された電子及び前記プラズマ２２中の電子を前記アノード（１２，１４）に殆どを流すようにしている。

次に、前記基板への膜形成について、もう少し詳細に説明する。

前記プラズマ発生装置７により前記真空室１内に生成されたプラズマ２２により、前記蒸発材料２からの蒸発粒子や前記プロセスガス導入口２０からの酸素ガスがエネルギーを与えられ、それらの一部が励起してイオン化し、前記真空室１内に高密度なプラズマ２２が生成される。又、前記プラズマ２２に晒された前記基板ドーム５の表面には電子が蓄積され、該基板ドーム表面上に負の電圧が印加された状態となる。

一方、前記プラズマ２２はアースもしくは正のポテンシャルを持っているので、前記基板ドーム５の表面近傍においては、前記プラズマ２２が持つポテンシャルと前記基板ドーム５が持つポテンシャルの差が生じ、該基板ドーム付近のプラズマ２２中のイオンは、基板に向けて加速され該基板を照射する（叩く）現象が発生する。

この現象と、前記蒸発粒子とプロセスガスの励起／イオン化とが合わさって、基板上へ形成される膜の品質アップ（膜の充填密度を高め、密着性を向上させる等）を図ることが可能となる。

特開平８−０３７０９８号公報 特開平８−０３７０９９号公報 特開平８−３１９５６２号公報

さて、膜形成装置によって光学薄膜を形成する場合、光学薄膜としては、膜の光学特性が環境変化に対して変化しないものが強く求められている。そのために、膜の充填密度を高めることが重要となり、前記膜形成装置においては、前記基板ドーム５付近のイオンが基板を照射する現象が大きく寄与している。

従って、前記膜形成装置においては、前記プラズマ２２の密度を高めることにより、前記基板ドーム５の持つ負のポテンシャルと前記プラズマ２２の正のポテンシャルの差を大きくし、前記基板ドーム５付近のイオンが基板方向に加速されるエネルギーを高めれば良い。

その結果、膜の充填密度を高めることが出来、耐環境性能の高い光学薄膜の形成を図ることが可能となる。

しかし、前記真空室１中のプラズマ２２の密度を高めると、該プラズマに晒される前記基板ドーム５は時間の経過と共に温度が著しく高くなってしまい、基板の耐熱温度を超えてしまう恐れがある。

尚、前記プラズマ２２の密度を下げて基板の耐熱温度以下でのコーティングを試みると、前記基板方向に加速されるイオンのエネルギーが低くなり、膜の充填密度が高められず、膜の品質が低くなってしまうという問題が発生する。

又、前記基板に照射されるイオンのエネルギーは蒸発材料の種類により自由に変更出来ることが望ましいが、本装置では真空室中のプラズマ２２の密度と前記基板方向に加速されるイオンのエネルギーを独立して制御することが出来ないため、きめ細かな成膜条件の設定が出来ない。

本発明はこの様な問題を解決する新規な膜形成装置を提供することを目的としている。

本発明の膜形成装置は、放電室と、該放電室内に配置されたカソードと、該放電室の端部に配置されたアノードと、前記カソードに対して少なくとも前記アノードを囲うように前記放電室内に取り付けられた筒状のシールド体と、前記カソードと前記アノードとの間に放電電圧を印加するための第１電源と、前記放電室内に放電用ガスを供給するための手段を備えており、前記放電室内で形成された第１プラズマ中の電子を前記放電電圧に基づいて前記シールド体の一部を通して前記放電室外の真空室内に引き出す様に構成したプラズマ発生装置を備え、前記真空室内で少なくとも気化状態の蒸着材料に前記プラズマ発生装置からの電子を照射して第２プラズマを発生させて基板の成膜を行うように成した膜形成装置において、前記第２プラズマ中の電子が前記プラズマ発生装置側に向かう様に前記アノードの電位をコントロールすることにより、前記第２プラズマ中のイオンが前記基板に向けて照射される様にしたアノード電位コントロール手段を設けたことを特徴とする。

本願発明によれば、低密度プラズマで基板温度上昇を抑え、該低密度プラズマ中のイオンによる任意のエネルギービームを基板に照射することが出来るので、低温プロセス環境下での薄膜形成における膜の充填密度を高め、品質の高い薄膜形成が可能になる。

又、真空室内のプラズマ生成と、該プラズマ中のイオンを基板に照射するエネルギーを独立して制御出来るので、蒸発材料の種類によって、最適なエネルギーのイオンビームを基板に照射出来る様になる。その結果、各蒸発材料に対し、細かな蒸着条件の設定が出来る様になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態を示す構成図である。図中、図３で使用した記号と同一記号の付されたものは同一構成要素を示す。

図１に示す装置の構成が、図３に示す装置の構成と異なる点は、カソード８，第１アノード１２，第２アノード１４，ケース１０，抵抗Ｒ１，加熱電源９及び放電電源１３で構成される放電回路が、インピーダンス調整回路２３と直流電源から成るアシスト電源２４とを介してアース電位にある真空室１と接続されていることである。

この様に構成された装置は以下の通り動作する。

先ず、ガス導入口１１からケース１０内にアルゴンガスを所定の流量導入し、該ケース内の圧力を高めると共に、加熱電源９によりカソード８を熱電子放出可能な温度まで加熱する。

次に、コイル１６に所定の電流を流し、プラズマの点火と安定なプラズマを得るのに必要な磁場を発生する。

この状態で、放電電源１３から前記カソード８とアノード（１２，１４）間に所定の電圧（例えば１００Ｖ）を印加すると、シールド１５のオリフィス上部に電界１８が形成され、該電界によって、前記カソード８からの熱電子が前記アノード（１２，１４）の方向に加速し始める。該熱電子の加速により、該熱電子と前記導入したアルゴンガスとが衝突を繰り返し、それによりケース１０内にプラズマ１７が生成される。

こうして生成されたプラズマ１７中の電子は、前記コイル１６が作る磁場により前記ケース１０の中心軸方向に集束を受けながら、前記電界１８により真空室１へと引き出される。

前記真空室１の内部においては、蒸発材料２に向けて電子銃４からの電子ビーム１９が照射され、該蒸発材料は加熱されて蒸発している。又、該真空室内には、プロセスガス道入口２０からプロセスガス（例えば、酸素ガス）が導入されている。

前記真空室１に引き出された電子は、該真空室中のプロセスガス及び蒸発粒子に衝突し、それらを励起してイオン化するので、前記真空室内にプラズマ２２が形成される。

該プラズマ中のイオン化された蒸発粒子は前記基板ドーム５にセットされた基板に引き寄せられて付着し、該基板上には蒸発粒子の膜が形成される。

前記真空室１に引き出された電子及びプラズマ２２中の電子は、前記真空室１やアノード（１２，１４）に流れ込み、安定な放電が維持される。

ここで、本発明の特長を以下に説明する。

低温プロセス環境下（例えば、１５０℃以下）において、本発明の膜形成装置を利用する場合について説明する。

先ず前記プラズマ２２の出力を低く設定する。ここでは、前記放電電源１３のコントロールにより放電電流を１０Ａ程に設定し、基板温度上昇に影響を与えない電流値とする。ここで、放電電圧は放電電流が得られる最低の条件さえあればよく、通常は放電電流を定電流制御で使用するため、圧力条件等にもよるが、７０Ｖ〜１４０Ｖ程度で任意に設定される。

この状態では、前記真空室１内に生成されるプラズマ２２はプラズマ密度が低く、基板の温度上昇への影響が少ない状態にある。この状態では、前述した様に、前記基板ドーム５付近のイオンが基板方向に加速されるエネルギーが低く、形成される膜の充填密度を高めることが出来ない。

そこで、本発明において新たに設けた前記インピーダンス調整回路２３では、アース部（真空室１）から放電電源１３に流れる電子電流Ｉを制限することにより、前記アノード（１２，１４）の電位を高めるための任意の抵抗Ｒ（例えば２０〜６００Ω）が発生出来る様に成っている。その結果、インピーダンス調整回路２３で発生したセルフバイアス電圧（Ｉ×Ｒ）により、アノードの電位は図２のｂに示す様に、ｃに示すアース部（真空室１）の電位に対して正のポテンシャルを持った状態となる。

前記図２は各場所毎の電位を示す図である。縦軸は電位、横軸は場所を表し、ａは前記カソード８の電位を示す。尚、前記アノード（１２，１４）の電位は、抵抗Ｒ１で発生するバイアス電圧（Ｉ×Ｒ１）も影響するが、該Ｒ１の値は１Ω以下にすることにより、該抵抗Ｒ１で発生するバイアス電圧が高くならない様にしている。又、図２において、放電電圧Ａは、プラズマ発生装置７のアノード（１２，１４）とカソード８間の電圧である。

次に、前記アシスト電源２４により、図２のｅに示す様に前記アノード電位を更に高める電圧を発生する。その結果、図２に示す様に、ｅに示すアノードの電位とｃに示すアース部の電位との電位差（＝アシスト電圧）が大きくなり、前記プラズマ２２中の電子が前記アノード（１２，１４）により加速されると同時に、該プラズマ２２中のイオンが該電子と逆向きの方向に加速を受けて基板方向に移動するようになる。そして、アース部（真空室１）に流れる電流が電子に基づくもの（電子電流）からイオンに基づくもの（イオン電流）に切り替わった時に、前記インピーダンス調整回路２３は発生する抵抗Ｒをゼロにし、該インピーダンス調整回路２３に流れるイオン電流に制限をかけない様に作動する。

この様に、前記放電電源１３をコントロールすることにより任意の密度のプラズマ２２を生成させ、それとは別に、前記アシスト電源２４をコントロールすることにより該プラズマ２２中のイオンを任意に加速し、該アシスト電源の発生電圧に応じたイオンエネルギーを基板に掛けることが可能となる。従って、低密度プラズマを生成し、該低密度プラズマ中のイオンによる強力なエネルギービームを基板に照射することが出来、これにより、薄膜形成において、膜の充填密度を高めることが可能となる。

又、前記真空室１にプラズマ２２を生成させる電源である放電電源１３と該プラズマ２２中の電子を前記アノード（１２，１４）に加速させるアシスト電源２４を設けたことで、前記プラズマ２２の生成と該プラズマ中のイオンを基板に照射するエネルギーを独立して制御できる様になったので、蒸発材料の種類によって、最適なイオンエネルギービームを照射することが可能となった。その為、各蒸発材料に対し、細かな蒸着条件の設定が出来る様になる。

本発明の一実施の形態であるプラズマ発生装置を内蔵した膜形成装置の構成例を示す。 各場所毎の電位を示す図である。 プラズマ発生装置を内蔵した膜形成装置の従来構成例を示す。

符号の説明

１ 真空室
２ 蒸発材料
３ 坩堝
４ 電子銃
５ 基板ドーム
６ ヒータ
７ プラズマ発生装置
８ カソード
９ 加熱電源
１０ ケース
１１ ガス導入口
１２ 第１アノード
１３ 放電電源
１４ 第２アノード
１５ シールド
１６ コイル
１７ プラズマ
１８ 電界
１９ 電子ビーム
２０ プロセスガス導入口
２２ プラズマ
２３ インピーダンス調整回路
２４ アシスト電源
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗

Claims (4)

1. 放電室と、該放電室内に配置されたカソードと、該放電室の端部に配置されたアノードと、前記カソードに対して少なくとも前記アノードを囲うように前記放電室内に取り付けられた筒状のシールド体と、前記カソードと前記アノードとの間に放電電圧を印加するための第１電源と、前記放電室内に放電用ガスを供給するための手段を備えており、前記放電室内で形成された第１プラズマ中の電子を前記放電電圧に基づいて前記シールド体の一部を通して前記放電室外の真空室内に引き出す様に構成したプラズマ発生装置を備え、前記真空室内で少なくとも気化状態の蒸着材料に前記プラズマ発生装置からの電子を照射して第２プラズマを発生させて基板の成膜を行うように成した膜形成装置において、前記第２プラズマ中の電子が前記プラズマ発生装置側に向かう様に前記アノードの電位をコントロールすることにより、前記第２プラズマ中のイオンが前記基板に向けて照射される様にしたアノード電位コントロール手段を設けたことを特徴とする膜形成装置。
2. 前記アノード電位コントロール手段は前記基板に照射されるイオンのエネルギーが制御出来る様に成っていることを特徴とする請求項１記載の膜形成装置。
3. 前記アノード電位コントロール手段は、前記アノードの電位をアース電位に対して常に正の電位に保持させることを特徴とする請求項１記載の膜形成装置。
4. 前記アノード電位コントロール手段は、前記アノードとアース間にインピーダンス調整回路とアシスト電源とを直列に接続することにより成されており、前記アノードに常に正のバイアスが印加されるようにすると同時に、前記アースに電子電流が流れた時には、前記インピーダンス調整回路で所定のインピーダンスを発生させて電子電流を制限する調整を行ない、前記アースにイオン電流が流れた時には、インピーダンスをゼロにしてイオン電流を流すようにしたことを特徴とする請求項１記載の膜形成装置。

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