JP4997596B2 - イオンプレーティグ方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ雰囲気中において真空蒸着を行うイオンプレーティング方法に関するものである。

イオンプレーティング装置は、真空雰囲気における蒸発現象とプラズマ発生技術を組み合わせた被膜形成装置であり、多方面において広く利用されている。そして、これらのイオンプレーティング装置においては、組成が均一で膜厚分布が一定の膜を、短時間に効率良く形成することが要請されており、これに応えるべく、これまでに数多くのイオンプレーティング装置が開発され、実用化されている。

このようなイオンプレーティング装置の一例として、真空室内に、蒸着膜が形成される被処理物と、真空室内の下方に設けられた成膜材料を溶解させるハースと、ガス導入口とを設け、被処理物にはこれに直流バイアスをかける直流バイアス装置を接続し、さらに、ハースに向けて電子ビームを供給する電子ビーム発生装置と、電子ビーム発生装置から供給される電子を効率よく成膜材料へ照射させるとともに、成膜材料の蒸発粒子と導入ガスをイオン化するための磁場を形成する集束コイルを備え、成膜材料へ入射する電子ビームを揺動させると共にハースから蒸発する成膜材料のイオンと導入ガスのイオン及びプラズマを該電子ビームと同期して揺動させながら被処理物へと誘導する第２集束コイルを設けたものがある（特許文献１参照）。

この装置は、成膜材料を加熱蒸発させるための電子ビームや、成膜材料のイオンおよび導入ガスのイオンおよびプラズマを揺動させることによって、蒸着膜の膜厚分布の不均一性を改善しようとするものであるが、複雑な装置制御が必要とされるという問題を生じていた。

また、この装置を含む従来のイオンプレーティング装置では、いずれも、発生せしめられるプラズマの閉じ込めが不十分であり、その結果、プラズマの均一性が悪く、プラズマ密度も低い。このため、成膜材料の蒸発粒子のイオン化を十分に行うには真空室内により多くのガスを導入し高圧力化する必要があり不純物の少ない高品質の膜を得ることができなかった。
さらには、従来のイオンプレーティング装置においては、ハースの加熱に使用される電子源は１つであり、１つの電子源から得られる電流値には限界があることから、成膜材料の蒸発速度が限定され、厚膜を形成することが難しかった。

特開平６−２６４２２５号公報

したがって、本発明の課題は、イオンプレーティングにおいて、プラズマを高密度化、均一化、低圧力化することによって、効率良くかつ均一に成膜することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、内部に真空雰囲気を維持する真空チャンバ中において、成膜材料と、蒸着膜を形成すべき被処理物とを対向配置し、前記成膜材料および前記被処理物の間にプラズマを生成するとともに該プラズマをラインカスプ型磁場によって閉じ込め、さらに、前記成膜材料を前記真空チャンバに対して正電位に保持することによって前記プラズマ中の電子を前記成膜材料に誘導し、前記電子の照射によって前記成膜材料を加熱蒸発させ、その蒸発粒子を前記プラズマによってイオン化し、該プラズマとともに前記被処理物に照射することにより、前記被処理物に前記成膜材料の蒸着膜を形成することを特徴とするイオンプレーティング方法を構成したものである。

上記構成において、前記ラインカスプ型磁場によって閉じ込められたプラズマに電子を供給する複数の電子発生源を備えることが好ましい。
また、上記構成において、前記真空チャンバの形状を長尺の矩形断面を有する箱形とし、複数の前記成膜材料を直列に配置してもよい。

本発明によれば、真空チャンバ内に発生せしめたプラズマをラインカスプ型磁場によって閉じ込めたことにより、真空チャンバの内壁面での電子の損失が強く抑制され、その結果、真空チャンバ中心部のプラズマ密度が上昇し、その分布も均一化される。それによって、被処理物に蒸着膜を効率良くかつ均一に形成することができる。
また、本発明によれば、ラインカスプ型磁場によって閉じ込めたプラズマ中の電子を成膜材料に誘導し、その電子流の照射によって成膜材料を加熱蒸発させるようにしたので、成膜材料を短時間に超高温加熱して蒸発させることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。図１は、本発明の１実施例によるイオンプレーティング装置の概略構成を示す図であり、（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’線に沿った横断面である。
図１（Ａ）を参照して、本発明によれば、真空チャンバ１が備えられる。この実施例では、真空チャンバ１は、実質上両端開口が閉じられた円筒形状を有しているが、真空チャンバ１の形状はこれに限定されるものではなく、例えば中空直方体等の任意の形状とされ得る。

真空チャンバ１の周壁下部には、真空チャンバ１の内部を低圧状態（数Ｔｏｒｒ〜１０^−７Ｔｏｒｒ）に維持するための真空排気系２が接続される。
真空チャンバ１の底部中央には、成膜材料３を保持しつつ加熱蒸発させる蒸発部４が設けられる。蒸発部４は、この実施例では、真空チャンバ１の底壁に突設された導電性の支持脚５と、支持脚５の上端に電気的に接続されたタングステン製のプレート６を有している。プレート６は、中央に、成膜材料３を収容する円形の凹部７を有している。支持脚５は絶縁体８を介して真空チャンバ１の底壁に固定され、プレート６および支持脚５は１つの電気回路を構成する。そして、支持脚５には電源９が接続され、それによってプレート６が発熱し、成膜材料３が加熱されるようになっている。

真空チャンバ１内におけるプレート６の高さ位置には円形の遮蔽板１０が配置され、真空チャンバ１の内部空間が２つに仕切られている。遮蔽板１０は、例えば絶縁体から形成され、プラズマを遮蔽する機能を有する。遮蔽板１０の中央には、プレート６の凹部７に対応する円形の開口１１が形成され、また、遮蔽板１０の周縁の一部と真空チャンバ１との間には通気用間隙１２が形成されている。

真空チャンバ１内であって、蒸発部４のプレート６の凹部７の上方に間隔をあけた位置には、蒸着膜を形成すべき被処理物１３が対向配置される。被処理物１３は、真空チャンバ１の上壁に設けられた導電性の被処理物ホルダー１４によって支持される。被処理物ホルダー１４は、絶縁体１５を介して真空チャンバ１の上壁に固定される。被処理物１３は、通常、導電体からなり、被処理物ホルダー１４に電気的に接続されている。

被処理物ホルダー１４と真空チャンバ１の壁との間には放電用電源１６が接続され、被処理物ホルダー１４、すなわち被処理物１３は、負電位に保持される。こうして、被処理物１３と真空チャンバ１の壁との間にグロー放電が引き起こされ、それによって、真空チャンバ１内における遮蔽板１０の上側の空間にプラズマＰが生成される。このプラズマＰには、真空チャンバ１の周壁に形成されたガス導入口１８を通じて、ガス供給源（図示されない）から反応ガスＧが供給される。反応ガスは、通常、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスと酸素、窒素、メタン等のガスとの混合ガスからなっているが、処理方法に応じて、不活性ガスのみが供給される場合もある。

図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、真空チャンバ１の周壁および上壁の外面には、多数の細長い矩形状の永久磁石１９が、互いに間隔をあけて、かつＮ極とＳ極が交互に並ぶように配置される。このように、真空チャンバ１の壁に沿って多数の永久磁石１９を並べることにより、壁表面に局在するラインカスプ型磁場（多極磁場）を形成することができる。そして、この磁場によってプラズマＰを閉じ込めることで、プラズマの低圧力化、高密度化、均一化を図ることができる。

このプラズマＰの閉じ込めは次のようにしてなされる。図１（Ｂ)中の磁力線２０で示したように、ラインカスプ型磁場（多極磁場）がＮ極とＳ極の対ごとに形成される。この磁場の強さは、磁石の表面から遠ざかると急に弱くなり、磁場は、真空チャンバ１の壁から僅かな距離の範囲に集中し、プラズマＰの内部のほとんどは無磁場と考えてもよい。また、この磁場はプラズマを構成する荷電粒子（電子およびイオン）に作用し、それらを旋回運動させる。

磁場のないプラズマＰの中心部から拡散された荷電粒子が真空チャンバ１の壁付近に到達すると、そこにある多極磁場によって次のような閉じ込め効果が生じる。すなわち、多極磁場に向かって進んだ荷電粒子は、磁気ミラー効果によって反射され中心部へ戻される。一方、中心部から多極磁場を見ると、磁場近傍のみにおいて磁力線は半径方向を向いているが、それ以外の多くの部分は方位角方向を向いている。したがって、半径方向に流出しようとする荷電粒子は磁力線をほぼ垂直に横切らなければならず、荷電粒子の拡散は強く抑制される。
このプラズマＰの閉じ込めによって、真空チャンバ１の内面において荷電粒子の損失が強く抑制され、その結果、中心部のプラズマ密度が上昇し、その分布も均一化される。

こうして、蒸発部４から蒸発した成膜材料３の蒸発粒子Ｓが、ラインカスプ型磁場（多極磁場）によって閉じ込められたプラズマＰ中に導入されてイオン化され、該プラズマＰとともに被処理物１３に照射され、被処理物１３に、膜厚分布が一定で不純物をほとんど含まない高品質の膜が形成される。

図２は、本発明の別の実施例によるイオンプレーティング装置の概略構成を示す縦断面図である。図２の実施例は、図１の実施例と、成膜材料を加熱蒸発させるための構成が相違しているだけである。したがって、図２中、図１中に示したものと同一の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。
図２を参照して、この実施例では、真空チャンバ１の底部中央に、成膜材料３を保持する蒸発用容器２１が設けられる。蒸発用容器２１は、高融点の導体、例えばカーボンから形成される。蒸発用容器２１は、真空チャンバ１の底壁に突設された導電性の容器ホルダー２２の上端に支持、固定され、容器ホルダー２２に電気的に接続される。容器ホルダー２２は、絶縁体２４を介して真空チャンバ１の底壁に固定されている。また、絶縁体からなる円筒状部材２３が真空チャンバ１の底壁に突設され、蒸発用容器２１および容器ホルダー２２を包囲している。

真空チャンバ１の壁と容器ホルダー２２との間に引出電源２５が接続されて、蒸発用容器２１に保持された成膜材料が真空チャンバ１に対して正電位に保持される。
それによって、プラズマ中の電子が成膜材料に誘導され、成膜材料がその電子流の照射を受けて加熱蒸発する。

またこの実施例によれば、真空チャンバ１の上壁に、複数の熱陰極フィラメント２６が取付けられる。これらの熱陰極フィラメント２６は、ラインカスプ型磁場によって閉じ込められたプラズマに電子を供給する電子発生源として機能する。

さらに、各熱陰極フィラメント２６と真空チャンバ１の壁との間には、放電用電源１６が接続される。
こうして、この実施例によれば、熱陰極フィラメント２６と真空チャンバ１の壁との間にグロー放電が引き起こされ、それによって、真空チャンバ１内における遮蔽板１０の上側の空間にプラズマＰが生成される。このプラズマＰには、真空チャンバ１の周壁に形成されたガス導入口１８を通じて、ガス供給源（図示されない）から反応ガスＧが供給される。反応ガスは、通常、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスと酸素、窒素、メタン等のガスとの混合ガスからなっているが、処理方法に応じて、不活性ガスのみが供給される場合もある。
なお、熱陰極フィラメント２６がプラズマＰによるスパッタを受けると、その構成元素が気化して、被処理物１３に形成される膜の不純物となるおそれがある。したがって、熱陰極フィラメント２６は、被処理物１３から直接見込めない位置に配置するのが望ましい。

そして、蒸発用容器２１に保持された成膜材料３は、引出電源２５によって真空チャンバ１に対して正電位に保持されているので、プラズマＰ中の電子が成膜材料３に誘導され、前記成膜材料がこの電子流Ｉの照射を受けて加熱蒸発し、その蒸発粒子ＳがプラズマＰによってイオン化されて、プラズマＰとともに被処理物１３に照射され、被処理物１３に膜が形成される。

この実施例によれば、ラインカスプ型磁場（多極磁場）によって閉じ込めたプラズマＰ中の電子を成膜材料３に誘導し、その電子流Ｉの照射によって成膜材料３を加熱蒸発させるようにしたので、成膜材料３を短時間に超高温加熱して蒸発させることができる。さらに、複数の電子発生源（熱陰極フィラメント２６）を配置してプラズマＰ中に大量の電子を供給するようにしたので、電子発生源１個当たりの負荷を軽減するとともに、蒸発用容器２１に誘導される電子流Ｉの密度を増大させることができ、それによって、成膜材料３を高速で超高温に加熱することができる。さらに、成膜材料３の蒸発粒子Ｓをこの閉じ込められたプラズマＰ中に導入してイオン化し、反応ガスのイオンとともに被処理物１３に照射するようにしたので、膜厚分布が一定で、不純物をほとんど含まない高品質の膜を短時間で被処理物に形成することができる。加えて、大きな厚みの膜も簡単に形成することができる。

本発明の構成は、この実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成の範囲内で種々の変形例を構成することができる。
例えば、上記実施例では、電子発生源として熱陰極フィラメントを使用したが、ホローカソード等の冷陰極を使用してもよい。
また、真空チャンバの形状を長尺の矩形断面を有する箱形とし、複数の蒸発用容器を直列に配置し、あるいは細長い蒸発用容器を使用することによって、ロール状の被処理物を連続的に処理することが可能となる。
上記実施例では、また、被処理物は被処理物ホルダーによって常温で保持されるが、膜質の改善を目的として、被処理物ホルダーにヒータを組み込み、被処理物を加熱するようにしてもよい。

また、プラズマから被処理物に誘導されるイオンの運動エネルギーを制御することにより、膜質を改善することができる場合があり、その場合には、被処理物と真空チャンバとの間にバイアス電源を接続する。
また、プラズマから被処理物へのイオンの導入による膜質の悪化を防ぐ必要がある場合には、被処理物の近傍にプラズマ遮蔽用の磁場を生じさせることが好ましい。

反応ガスとして、酸素等の反応性ガスを用いると、電子発生源の消耗が問題となる。この場合には、グロー放電によるプラズマ生成手段の代わりに、マイクロ波や高周波によるプラズマ生成手段を使用することが好ましい。また、真空チャンバに陰極プラズマ生成室を併設し、陰極プラズマ生成室にマイクロ波等を導入してプラズマを生成し、一次電子を真空チャンバに導入してもよい。
反応ガスに酸素や窒素等を使用すると、成膜材料の表面に絶縁膜が形成され、電子流による加熱が十分に行えない場合がある。その場合には、引出電源を交流電源や高電圧パルス重畳電源に変更することが好ましい。

本発明の１実施例によるイオンプレーティング装置の概略構成を示す図であり、（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’線に沿った横断面図である。 本発明の別の実施例によるイオンプレーティング装置の概略構成を示す図１（Ａ)に類似の断面図である。

符号の説明

１ 真空チャンバ
２ 真空排気系
３ 成膜材料
４ 蒸発部
５ 支持脚
６ プレート
７ 凹部
８ 絶縁体
９ 電源
１０ 遮蔽板
１１ 開口
１２ 通気用間隙
１３ 被処理物
１４ 被処理物ホルダー
１５ 絶縁体
１６ 放電用電源
１８ ガス導入口
１９ 永久磁石
２０ 磁力線
Ｇ 反応ガス
Ｐ プラズマ
Ｓ 成膜材料の蒸発粒子

Claims (3)

1. 内部に真空雰囲気を維持する真空チャンバ中において、成膜材料と、蒸着膜を形成すべき被処理物とを対向配置し、前記成膜材料および前記被処理物の間にプラズマを生成するとともに該プラズマをラインカスプ型磁場によって閉じ込め、さらに、前記成膜材料を前記真空チャンバに対して正電位に保持することによって前記プラズマ中の電子を前記成膜材料に誘導し、前記電子の照射によって前記成膜材料を加熱蒸発させ、その蒸発粒子を前記プラズマによってイオン化し、該プラズマとともに前記被処理物に照射することにより、前記被処理物に前記成膜材料の蒸着膜を形成することを特徴とするイオンプレーティング方法。
2. 前記ラインカスプ型磁場によって閉じ込められたプラズマに電子を供給する複数の電子発生源を備えたことを特徴とする請求項１に記載のイオンプレーティング方法。
3. 前記真空チャンバの形状を長尺の矩形断面を有する箱形とし、複数の前記成膜材料を直列に配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオンプレーティング方法。

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