JP5016899B2 - イオンビーム源及びこれを備えた成膜装置 - Google Patents
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Description
本発明は、イオンビーム源及びこれを備えた成膜装置に関するものである。
基板上に金属薄膜を形成し、これを酸素プラズマで処理することを繰り返して金属酸化膜を形成する装置は、高品位な光学薄膜を形成することができるため実用化されている。このような装置において、酸化アシスト等のためにイオンビーム源は使用されており、その一例として例えば特許文献１に開示がなされている。
このようなイオンビーム源を用いて、基板上に形成された金属酸化物にイオンビームを照射すると、図４に示すように、基板（図示せず）上の誘電材料３１がエッジングされ、カソード３２の表面に着膜する。
しかしながら、イオンビーム源３０のカソード３２の表面は、真空チャンバー１と導通されて接地電位であるため、カソード３２の表面に着膜した誘電材料３１に蓄積した電荷３４とカソード３２との間の電位差が生じ、局所的にアーク放電（異常放電）が起こり、パーティクルやスプラッシュにより基板を汚染するという問題があった。
このようなイオンビーム源を用いて、基板上に形成された金属酸化物にイオンビームを照射すると、図４に示すように、基板（図示せず）上の誘電材料３１がエッジングされ、カソード３２の表面に着膜する。
しかしながら、イオンビーム源３０のカソード３２の表面は、真空チャンバー１と導通されて接地電位であるため、カソード３２の表面に着膜した誘電材料３１に蓄積した電荷３４とカソード３２との間の電位差が生じ、局所的にアーク放電（異常放電）が起こり、パーティクルやスプラッシュにより基板を汚染するという問題があった。
そこで、本発明は、カソード近傍に発生する異常放電を防止してパーティクルやスプラッシュの発生を抑制するためのイオンビーム源及びこれを備えた成膜装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決すべく、本発明者等は鋭意検討の結果、次の解決手段を見いだした。
即ち、本発明のイオンビーム源は、請求項１に記載の通り、金属製の筐体に、カソードと、磁気ギャップと、前記筐体内に磁場を生じさせる磁場発生手段と、前記筐体内に反応性ガスを導入するための反応性ガス導入手段と、前記磁気ギャップの近傍に配置されるアノードとを備えるイオンビーム源であって、前記カソードを接地電位から電気的に絶縁し、正極に反転する周波数２５０ｋＨｚ以下のパルスを重畳した負電圧を印加することを特徴とする。
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のイオンビーム源において、前記カソード部に印加する負電圧は−１０Ｖから−１００Ｖであることを特徴とする。
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載のイオンビーム源を真空チャンバー内に設け、前記イオンビーム源と前記真空チャンバーとを電気的に絶縁したことを特徴とする。
また、請求項４に記載の本発明は、請求項３に記載の成膜装置において、前記真空チャンバー内に、基板支持手段と、成膜手段と、酸化手段とを備えることを特徴とする。
即ち、本発明のイオンビーム源は、請求項１に記載の通り、金属製の筐体に、カソードと、磁気ギャップと、前記筐体内に磁場を生じさせる磁場発生手段と、前記筐体内に反応性ガスを導入するための反応性ガス導入手段と、前記磁気ギャップの近傍に配置されるアノードとを備えるイオンビーム源であって、前記カソードを接地電位から電気的に絶縁し、正極に反転する周波数２５０ｋＨｚ以下のパルスを重畳した負電圧を印加することを特徴とする。
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のイオンビーム源において、前記カソード部に印加する負電圧は−１０Ｖから−１００Ｖであることを特徴とする。
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載のイオンビーム源を真空チャンバー内に設け、前記イオンビーム源と前記真空チャンバーとを電気的に絶縁したことを特徴とする。
また、請求項４に記載の本発明は、請求項３に記載の成膜装置において、前記真空チャンバー内に、基板支持手段と、成膜手段と、酸化手段とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、成膜の際に、アシスト源やエッチング源等として使用することができるイオンビーム源のカソード近傍における異常放電を防止することができ、この異常放電に起因するパーティクルやスプラッシュの発生を軽減することができる。
次に、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、成膜装置の概略構成図を示す。
真空チャンバー１の略中央部には、基板支持手段を備えた回転ドラム２が配置され、その回転方向に順に、第１成膜ゾーン３、第２成膜ゾーン４及び酸化ゾーン５が配置される。
スパッタリングを行う第１成膜ゾーン３は、電極（２台）からなるスパッタカソード６と、前記スパッタカソード６に隣接して配置されるＴａ、ＮｂやＴｉ等から構成されるターゲット７と、前記スパッタカソード６に交流電圧を印加するためのＡＣ電源８と、第１成膜ゾーン３においてＡｒガス等を導入するためのＡｒガス導入系９から構成される。同様にスパッタリングを行う第２成膜ゾーン４は、電極（２台）からなるスパッタカソード１０と、これに隣接して配置されるＳｉ等から構成されるターゲット１１と、前記スパッタカソード１０に交流電圧を印加するためのＡＣ電源１２と、第２成膜ゾーン４においてＡｒガス等を導入するためのガス導入系１３から構成される。また、酸化ゾーン５には、酸化プラズマ源１４が設置される。
アシスト源又はエッチング源として使用するイオンビーム源１５は、第１成膜ゾーン３と酸化ゾーン５の間に配置され、アースされた真空チャンバー１内に固定される。
イオンビーム源１５は、図２に示すように、軟鉄、ＳＵＳやアルミニウム等の金属により構成された中空の筐体１６内に、その内部に磁場を発生させるための磁場発生手段１７と、磁場発生手段１７を囲むようにして設けられたアノード１８を備える。また、筐体１６の下部（真空チャンバー１側）には、真空チャンバー１内にＯ２等の反応性ガスを導入するための反応性ガス導入手段１９が設けられる。筐体１６の上部（回転ドラム２側）には、磁気ギャップ２０が形成され、その両側の筐体１６の一部がカソード２１として構成されている。そして、筐体１６と真空チャンバー１との間には絶縁体２３が設けられる。
図１は、成膜装置の概略構成図を示す。
真空チャンバー１の略中央部には、基板支持手段を備えた回転ドラム２が配置され、その回転方向に順に、第１成膜ゾーン３、第２成膜ゾーン４及び酸化ゾーン５が配置される。
スパッタリングを行う第１成膜ゾーン３は、電極（２台）からなるスパッタカソード６と、前記スパッタカソード６に隣接して配置されるＴａ、ＮｂやＴｉ等から構成されるターゲット７と、前記スパッタカソード６に交流電圧を印加するためのＡＣ電源８と、第１成膜ゾーン３においてＡｒガス等を導入するためのＡｒガス導入系９から構成される。同様にスパッタリングを行う第２成膜ゾーン４は、電極（２台）からなるスパッタカソード１０と、これに隣接して配置されるＳｉ等から構成されるターゲット１１と、前記スパッタカソード１０に交流電圧を印加するためのＡＣ電源１２と、第２成膜ゾーン４においてＡｒガス等を導入するためのガス導入系１３から構成される。また、酸化ゾーン５には、酸化プラズマ源１４が設置される。
アシスト源又はエッチング源として使用するイオンビーム源１５は、第１成膜ゾーン３と酸化ゾーン５の間に配置され、アースされた真空チャンバー１内に固定される。
イオンビーム源１５は、図２に示すように、軟鉄、ＳＵＳやアルミニウム等の金属により構成された中空の筐体１６内に、その内部に磁場を発生させるための磁場発生手段１７と、磁場発生手段１７を囲むようにして設けられたアノード１８を備える。また、筐体１６の下部（真空チャンバー１側）には、真空チャンバー１内にＯ２等の反応性ガスを導入するための反応性ガス導入手段１９が設けられる。筐体１６の上部（回転ドラム２側）には、磁気ギャップ２０が形成され、その両側の筐体１６の一部がカソード２１として構成されている。そして、筐体１６と真空チャンバー１との間には絶縁体２３が設けられる。
上記構成により、基板を保持した回転ドラム２を回転させ、第１及び第２成膜ゾーン３、４において金属膜を成膜し、その後、酸化ゾーン５を通過させることにより金属膜を酸化し、これらの工程を繰り返すことにより、所望の金属薄膜を基板上に形成する。これらの工程において、イオンビーム源１５は、アノード１８に、例えば、１５００Ｖ〜３０００Ｖ程度の電位を印加してプラズマを発生させてイオンビームを生成し、酸化ゾーン５における酸化のアシストをする。
上記のように、イオンビーム源１５を接地電位としないことにより、カソード２１表面に付着した膜に電荷が蓄積しても、局所的にアーク放電（異常放電）が生じることなく、パーティクルやスプラッシュの発生を抑えることができる。
また、カソード２１には、負電圧を印加することが好ましい。プラズマを発生させ、カソード２１表面に蓄積した電荷を補償することができるからである。尚、前記負電圧は、−１０Ｖから−１００Ｖとすることが好ましい。−１０Ｖ未満であるとプラズマが発生せず、１００Ｖを超えると異常放電が発生することがあるためである。
また、負電圧は、正極に反転するパルスを重畳する。負電圧のみを印加した場合にはイオンによる電荷の蓄積が発生する恐れがあるためである。尚、前記パルスの周波数は２５０ｋＨｚ以下とする。
また、上記説明した成膜装置は、少なくとも、基板支持手段と、成膜手段と、酸化手段とを備えていればよく、説明した回転ドラム２、スパッタカソード６、１０等に限定されるものではない。
次に、比較例とともに本実施例について説明する。
（実施例１）
図１及び図２を使用して説明したように、真空チャンバー１とイオンビーム源１５との間に絶縁性材料のテフロン（登録商標）２３を設けて実施例１の成膜装置とした。
図１及び図２を使用して説明したように、真空チャンバー１とイオンビーム源１５との間に絶縁性材料のテフロン（登録商標）２３を設けて実施例１の成膜装置とした。
（比較例１）
上記実施例１の絶縁性材料を除き、イオンビーム源１５の筐体１６が接地電位となるようにして比較例１の成膜装置とした。
上記実施例１の絶縁性材料を除き、イオンビーム源１５の筐体１６が接地電位となるようにして比較例１の成膜装置とした。
上記実施例１及び比較例１の成膜装置を使用し、カソード２１に特に電圧を印可せず、真空チャンバー１内を常温で０．２Ｐａに減圧して１０分間成膜を行い、Ｓｉ（Ｐ型）製基板上に膜厚５００オングストロームのＳｉＯ２膜を形成した。
上記成膜の過程において、実施例１により生じたアーク放電は０回／秒であった。これに対して、比較例１により生じたアーク放電は２００回／秒であった。
上記結果から、比較例１はイオンビーム源１５のカソード２１の表面に着膜した物質が、異常放電によってパーティクルやスプラッシュの発生原因となるおそれがあるのに対して、実施例１はそのおそれがないことがわかった。
上記結果から、比較例１はイオンビーム源１５のカソード２１の表面に着膜した物質が、異常放電によってパーティクルやスプラッシュの発生原因となるおそれがあるのに対して、実施例１はそのおそれがないことがわかった。
次に、実施例１の成膜装置を使用し、カソード２１に印加する電圧を変更して真空チャンバー１内に発生するパーティクルの密度をパーティクルの粒径毎に測定した。
（実施例３）
カソード２１に特に電圧を印可せず、真空チャンバー１内を常温で０．２Ｐａに減圧して１０分間成膜を行い、Ｓｉ（Ｐ型）製基板上に膜厚５００オングストロームのＳｉＯ２膜を形成した例を実施例３とした。
（実施例４）
カソード２１に−５０Ｖの電圧を印加した例を実施例４とした。
（実施例３）
カソード２１に特に電圧を印可せず、真空チャンバー１内を常温で０．２Ｐａに減圧して１０分間成膜を行い、Ｓｉ（Ｐ型）製基板上に膜厚５００オングストロームのＳｉＯ２膜を形成した例を実施例３とした。
（実施例４）
カソード２１に−５０Ｖの電圧を印加した例を実施例４とした。
（実施例５）
カソード２１に−５０Ｖ、周波数２５０ｋＨｚのパルスを重畳した例を実施例５とした。
カソード２１に−５０Ｖ、周波数２５０ｋＨｚのパルスを重畳した例を実施例５とした。
上記測定結果を図３に示す。
図３から、いずれの粒径に対しても、実施例３、４、５の順に真空チャンバー１内のパーティクル密度が減少していることが分かり、カソード２１に負の電圧を印可すること、更に、パルスを重畳することが異常放電を低減するのに有効であることがわかった。
図３から、いずれの粒径に対しても、実施例３、４、５の順に真空チャンバー１内のパーティクル密度が減少していることが分かり、カソード２１に負の電圧を印可すること、更に、パルスを重畳することが異常放電を低減するのに有効であることがわかった。
１ 真空チャンバー
２ 回転ドラム
３ 第１成膜ゾーン
４ 第２成膜ゾーン
５ 酸化ゾーン
６ スパッタカソード
７ ターゲット
８ ＡＣ電源
９ ガス導入系
１０ スパッタカソード
１１ ターゲット
１２ ＡＣ電源
１３ ガス導入系
１４ 酸化プラズマ源
１５ イオンビーム源
１７ 磁場発生手段
１８ アノード
１９ 反応性ガス導入手段
２０ 磁気ギャップ
２１ カソード
２３ 絶縁体
３０ イオンビーム源
３１ 誘電材料
３２ カソード
３４ 電荷
２ 回転ドラム
３ 第１成膜ゾーン
４ 第２成膜ゾーン
５ 酸化ゾーン
６ スパッタカソード
７ ターゲット
８ ＡＣ電源
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１０ スパッタカソード
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１２ ＡＣ電源
１３ ガス導入系
１４ 酸化プラズマ源
１５ イオンビーム源
１７ 磁場発生手段
１８ アノード
１９ 反応性ガス導入手段
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２１ カソード
２３ 絶縁体
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３１ 誘電材料
３２ カソード
３４ 電荷
Claims (4)
- 金属製の筐体に、カソードと、磁気ギャップと、前記筐体内に磁場を生じさせる磁場発生手段と、前記筐体内に反応性ガスを導入するための反応性ガス導入手段と、前記磁気ギャップの近傍に配置されるアノードとを備えるイオンビーム源であって、前記カソードを接地電位から電気的に絶縁し、正極に反転する周波数２５０ｋＨｚ以下のパルスを重畳した負電圧を印加することを特徴とするイオンビーム源。
- 前記カソード部に印加する負電圧は−１０Ｖから−１００Ｖであることを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム源。
- 請求項１又は２に記載のイオンビーム源を真空チャンバー内に設け、前記イオンビーム源と前記真空チャンバーとを電気的に絶縁したことを特徴とする成膜装置。
- 前記真空チャンバー内に、基板支持手段と、成膜手段と、酸化手段とを備えることを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
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