JP5175229B2

JP5175229B2 - 成膜装置及びその運転方法

Info

Publication number: JP5175229B2
Application number: JP2008554954A
Authority: JP
Inventors: 基岡田; 健司山川; 毅士古塚; 善朗村上
Original assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Current assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2028-06-13
Also published as: TW200912020A; WO2009004762A1; JPWO2009004762A1

Description

本発明は、成膜装置及び成膜装置の使用方法、特に、プラズマガンで生成されたプラズマを用いて基板を成膜する成膜装置及びその運転方法に関する。

プラズマ成膜装置は、プラズマガンで生成されたプラズマをイオン源として用いて基板を成膜する装置である。プラズマ成膜装置では、プラズマガンのカソードでプラズマを生成させる工程、発生させたプラズマを用いて基板を成膜する工程、プラズマの発生を停止させ、カソードを自然冷却する工程、装置内を大気開放して成膜された基板を取り出す工程、といった一連の動作を経て、成膜工程が終了する。このため、複数の基板を連続して成膜を行うような場合、１の基板に対して一連の成膜工程を行ってから、次の基板を装置内に配置して成膜を行わなければならず、非常に効率が悪いものであった。

このような問題に関して、成膜時はプラズマチャンバーの真空容器と成膜チャンバーの真空容器との間に配置された仕切りバルブを開放し、成膜時以外は仕切りバルブを閉鎖してプラズマチャンバーの真空容器内でプラズマ生成状態を維持するアーク放電型真空成膜装置および成膜方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されているアーク放電型真空成膜装置および成膜方法では、成膜時以外でもプラズマ生成状態を維持することにより、カソードの冷却工程やプラズマの生成工程を省略することができ、複数の基板を効率よく連続して成膜することができる。
特開２００５−１４６３８２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているアーク放電型真空成膜装置および成膜方法では、成膜装置の更なる低コスト化、成膜装置の製造工程の簡略化の観点から、未だ改善する余地があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、成膜装置の更なる低コスト化、成膜装置の製造工程の簡略化を図ることができ、また、効率よく連続して基板に成膜を繰り返すことができる成膜装置及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するべく、鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得て本発明に到達した。

すなわち、本発明者等は、カソードとアノードとの間に形成される放電空間が遮蔽されるような場合であっても、プラズマガン内の圧力を０．０１〜１．０Ｐａ程度にして、１００Ｖ程度の電圧をカソードと中間電極との間に印加すると、カソードと中間電極との間でグロー放電が生じ、また、このとき、カソードと中間電極との間に流れる電流は、数アンペア（１０Ａ以下）と低いため、アーク放電には到らず、グロー放電の状態が維持されることを見出し、本発明を想到するに到った。

前記課題を解決するために本発明に係る成膜装置は、プラズマ流出口を有する容器と、前記容器の内部に配設され放電によりプラズマを生成するカソードと、前記容器の内部を排気及び封止するための排気バルブと、を有するプラズマガンと、プラズマ流入口を有し、その内部が該プラズマ流入口及びプラズマ流出口を通じて前記容器の内部と連通するように配設され、前記内部を減圧可能な成膜室と、前記容器の前記プラズマ流出口を閉鎖又は開放するシャッタ装置と、前記成膜室の内部に配設されたアノードと、前記カソードに負極が接続され前記アノードに正極が接続され、前記カソードに電圧を印加する直流電源と、制御装置を備え、前記制御装置は、前記シャッタ装置が前記容器のプラズマ流出口を閉鎖し、前記直流電源が前記カソードに電圧を印加して、前記カソードでグロー放電を発生させるように制御し、前記シャッタ装置が前記容器のプラズマ流出口を開放し、前記直流電源が前記カソードに印加する電圧を変更して、前記カソードでアーク放電を発生させることにより前記プラズマが生成されるように制御する。

これにより、上記特許文献１に開示されているアーク放電型真空成膜装置とは異なり、カソードとシャッタ装置の間に別途アノードを設ける必要がないため、成膜装置の更なる低コスト化、成膜装置の製造工程の簡略化を図ることができる。

また、本発明に係る成膜装置の運転方法は、プラズマ流出口を有する容器と、前記容器の内部に配設され放電によりプラズマを生成するカソードと、前記容器の内部を排気及び封止するための排気バルブと、を有するプラズマガンと、プラズマ流入口を有し、その内部が該プラズマ流入口及びプラズマ流出口を通じて前記容器の内部と連通するように配設され、前記内部を減圧可能な成膜室と、前記容器の前記プラズマ流出口を閉鎖又は開放するシャッタ装置と、前記成膜室の内部に配設されたアノードと、前記カソードに負極が接続され前記アノードに正極が接続され、前記カソードに電圧を印加する直流電源と、を備える、成膜装置の運転方法であって、前記シャッタ装置が前記容器のプラズマ流出口を閉鎖し、前記直流電源が前記カソードに電圧を印加して、前記カソードでグロー放電を発生させるステップと、前記シャッタ装置が前記容器のプラズマ流出口を開放し、前記直流電源が前記カソードに印加する電圧を変更して、前記カソードでアーク放電を発生させることにより前記プラズマが生成するステップと、からなる。

また、本発明に係る成膜装置の運転方法では、前記成膜室の内部に基板を配置し、前記生成したプラズマを用いて前記基板を成膜するステップと、前記シャッタ装置が前記容器のプラズマ流出口を閉鎖し、前記直流電源が前記カソードに印加する電圧を変更して、グロー放電を維持するステップと、をさらに備えてもよい。

これにより、効率よく連続して基板に成膜を繰り返すことができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明の成膜装置及びその使用方法によれば、成膜装置の更なる低コスト化、成膜装置の製造工程の簡略化を図ることができ、また、効率よく連続して基板に成膜を繰り返すことができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る成膜装置の構成を示す模式図である。図２は、図１に示す成膜装置のシャッタ装置がプラズマ流出口を開放した状態を示す模式図である。図３は、図１に示す成膜装置における制御装置の図示されない記憶部に格納されたシートプラズマ成膜装置の制御プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。図４は、図１に示す成膜装置における制御装置の図示されない記憶部に格納された成膜装置の繰り返し運転プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。

符号の説明

１プラズマガン
２シートプラズマ変形室
３成膜室
１０第１筒部材
１１放電空間
１２第１蓋部材
１３補助陰極
１４主陰極
１５カソード
１６保護部材
１７窓部材
１８第２蓋部材
１９中間電極
２０中間電極
２１第１排気バルブ
２２真空ポンプ接続口
２３第１電磁コイル
２４電圧検出器
２５容器
２６第１主電源
２７第２主電源
２８第１圧力検出器
２９切り替えスイッチ
３０シャッタ装置
３１開閉部材
３２駆動器
４１第２筒部材
４２第３蓋部材
４３第４蓋部材
４４貫通孔
４５輸送空間
４６第１スリット孔
４７成形電磁コイル
４８永久磁石
５０第１ボトルネック部
５１第３筒部材
５２第４筒部材
５３第５蓋部材
５４第６蓋部材
５５成膜空間
５６第２圧力検出器
５７基板
５８基板ホルダ
５８ａホルダ部
５８ｂ支持部
５９第２駆動機構
６０第２バイアス電源
６１ターゲット
６２ターゲットホルダ
６２ａホルダ部
６２ｂ支持部
６３第１駆動機構
６４第１バイアス電源
６５第２排気バルブ
６６真空ポンプ接続口
６７第２電磁コイル
６８第３電磁コイル
６９第３スリット孔
７０第２ボトルネック部
７１第７蓋部材
７２第４スリット孔
７３第８蓋部材
７４アノード
７５永久磁石
９１プラズマ流出口
９２第２スリット孔（プラズマ流入口）
１００成膜装置
１０１シートプラズマ成膜装置
１０２制御装置
１０３第１真空ポンプ
１０４第２真空ポンプ
ＣＰ円柱プラズマ
Ｒ１抵抗体
Ｒ２抵抗体
Ｒ３抵抗体
ＳＰシートプラズマ

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る成膜装置の構成を示す模式図である。図２は、図１に示す成膜装置のシャッタ装置がプラズマ流出口を開放した状態を示す模式図である。なお、本実施の形態では、成膜装置の構造における方向を、便宜上、図１及び図２に示す、三次元直交座標系のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の方向で表わす。

まず、本実施の形態１に係る成膜装置の構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施の形態１に係る成膜装置１００は、シートプラズマ成膜装置１０１と、制御装置１０２と、を備えている。シートプラズマ成膜装置１０１は、ＹＺ平面において略十字形を成しており、Ｚ軸方向から見て順番に、プラズマを高密度に生成するデュアルタイプのプラズマガン１と、Ｚ軸方向の軸を中心とした円筒状のシートプラズマ変形室２と、Ｙ軸方向の軸を中心とした円筒状の非磁性（例えばステンレス製）の成膜室３と、を有している。なお、プラズマガン１、シートプラズマ変形室２及び成膜室３は、互いに気密状態を保って連通されている。

ここで、シートプラズマ成膜装置１０１について、詳細に説明する。

プラズマガン１は、円筒状の第１筒部材１０を有している。第１筒部材１０の内部空間により、放電空間１１が形成される。第１筒部材１０の一方の端部には、放電空間１１を塞ぐように第１蓋部材１２が配置されている。また、第１筒部材１０の他方の端部には、円環状の第２蓋部材１８が配設されており、第２蓋部材１８の内部空間が、プラズマ流出口９１を構成している。そして、第１筒部材１０と、第１及び第２蓋部材１２、１８から容器２５が構成される。

第１蓋部材１２には、該第１蓋部材１２の中心部を気密的に貫通して、Ｚ軸に沿って延びるように、タンタル（Ｔａ）で構成された円筒状の補助陰極１３が配設されている。補助陰極１３の基端は、図示されないアルゴン（Ａｒ）ガス供給装置と適宜な配管により接続されており、補助陰極１３の先端からＡｒガスが放電空間１１内に供給されるように構成されている。また、補助陰極１３の先端近傍の外周面には、６ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）で構成された円環状の主陰極１４が設けられている。これら補助陰極１３と主陰極１４によって、カソード１５が構成される。

また、第１蓋部材１２には、補助陰極１３よりも径の大きい円筒状の保護部材１６が、補助陰極１３と同軸状に、かつ、Ｚ軸に沿って延びるように配設されている。保護部材１６は、モリブデン（Ｍｏ）、又は、タングステン（Ｗ）で構成されており、保護部材１６の先端には、円環状の窓部材１７が設けられている。窓部材１７は、タングステンで構成され、これら保護部材１６と窓部材１７により、カソード１５が保護される。

カソード１５は、直流電源からなる第１主電源２６の負極と抵抗体Ｒ１を介して電気的に接続されており、また、カソード１５には、第２主電源２７の負極が接続されている。また、第１及び第２主電源２６、２７の出力電圧を検出するための電圧検出器２４が、第１及び第２主電源２６、２７の両端に接続されている。電圧検出器２４で検出する電圧は、後述する制御器１０２の演算処理部に伝達される。なお、第１主電源２６又は第２主電源２７からカソード１５に電圧が印加されることにより、プラズマが形成される。このプラズマの形成については、後述する。

第１筒部材１０の周壁には、一対の円環状の中間電極１９、２０が、該第１筒部材１０を気密的に貫通するように設けられている。中間電極１９、２０は、それぞれ、抵抗体Ｒ２、Ｒ３を介して、切り替えスイッチ２９により、第１主電源２６又は第２主電源２７と選択的に接続され、第１主電源２６又は第２主電源２７から所定のプラス電圧が印加される。なお、第１筒部材１０と、中間電極１９、２０と、カソード１５は、適宜な手段によって、互いに絶縁されている。

また、第１筒部材１０の他方の端部側の周壁には、第１排気バルブ２１により第１筒部材１０の内部を排気及び封止することが可能な真空ポンプ接続口２２が設けられている。真空ポンプ接続口２２には、適宜な配管を介して第１真空ポンプ１０３（例えば、ドライポンプ）が接続されている。第１真空ポンプ１０３により真空引きされると、放電空間１１はプラズマを発生可能なレベルにまで速やかに減圧される。このとき、放電空間１１には、中間電極１９、２０によって空気の流れが妨げられるので、カソード１５側の圧力が高くなるような圧力勾配が生じる。

第１筒部材１０の放電空間１１の適所には、第１圧力検出器２８が気密的に設けられている。第１圧力検出器２８は、放電空間１１の圧力を検出して、制御装置１０２にその検出した圧力を伝達するように構成されている。なお、第１圧力検出器２８は、ここでは、イオンゲージを使用しており、圧力を検出することができれば、例えば、ペニングゲージやピラニゲージを使用してもよい。

第１筒部材１０の径方向の外側には、磁力の強さをコントロールできる環状の第１電磁コイル２３が、該第１筒部材１０周壁を取り囲むように設けられている。より詳しくは、第１電磁コイル２３は、第１筒部材１０と同心に、かつ、Ｚ軸方向において中間電極２０と第２蓋部材１８との間に位置するように設けられている。

そして、この第１電磁コイル２３に電流を流し、中間電極１９、２０に所定のプラス電圧を印加することにより、プラズマガン１の放電空間１１には、第１電磁コイル２３によるコイル磁界及び中間電極１９、２０による電界に基づき、磁束密度のＺ軸方向の勾配が形成される。この磁束密度のＺ軸方向の勾配により、プラズマを構成する荷電粒子は、放電空間１１内をカソード１５からＺ軸方向に運動するよう、磁力線の回りを旋回しながらＺ軸方向に進み、これらの荷電粒子の集合体としてのプラズマが、略等密度分布してなる円柱状のプラズマ（以下、円柱プラズマという）ＣＰとして、シートプラズマ変形室２側へ引き出される（図２参照）。

第２蓋部材１８には、厚み方向（Ｚ軸方向）に貫通する貫通孔が設けられており、該貫通孔がプラズマ流出口９１を構成する。また、第２蓋部材１８には、プラズマ流出口９１からプラズマの流出を阻止又は許容するためのシャッタ装置３０が気密的に設けられている。シャッタ装置３０は、プラズマ流出口９１を開閉する開閉部材３１と、開閉部材３１をプラズマ流出口９１の開口面に平行に移動させる駆動器３２と、を有する。開閉部材３１は、プラズマ流出口９１を閉鎖したときに、放電空間１１内の気密状態を保てるように構成されている。本実施の形態では、シャッタ装置３０は、ゲートバルブで構成され、開閉部材３１がその弁体で構成され、駆動器３２がその弁体駆動装置（電磁駆動機構、エアシリンダ等）で構成されている。

なお、図１及び図２には、駆動器３２を構成する弁体駆動装置のアクテュエータのみが示されている。また、第２蓋部材１８は、シートプラズマ変形室２と気密的に接続されており、プラズマ流出口９１は、その形状や高さ（Ｙ軸方向寸法）及び幅（Ｘ軸方向寸法）は、円柱プラズマＣＰを適切に通過させるように設計されている。

シートプラズマ変形室２は、円筒状の第２筒部材４１を有している。第２筒部材４１の内部空間により、輸送空間４５が形成される。第２筒部材４１の一方（プラズマガン１側）の端部は、第３蓋部材４２により閉鎖されており、他方の端部は、第４蓋部材４３により閉鎖されている。第３蓋部材４２の中心部には、貫通孔４４が設けられ、該貫通孔４４が第２蓋部材１８に設けられたプラズマ流出口９１と連通し、かつ、第１筒部材１０と同軸状（中心軸を共有するように）に、第２筒部材４１が配設されている。また、第４蓋部材４３の中心部には、第１スリット孔４６がＸ軸方向に延びるように形成されている。

第２筒部材４１の外側には、第２筒部材４１（正確には、輸送空間４５）を挟み、互いに同極（ここではＮ極）が対向するようにして、一対の角形の永久磁石４８、４８が設けられている。一対の永久磁石４８、４８は、Ｙ軸方向に磁化されており、Ｘ軸方向に延びるように設けられている。また、永久磁石４８のカソード１５に近い側には、環状の成形電磁コイル４７が、第２筒部材４１の周面を囲むように配設されている。なお、成形電磁コイル４７には、カソード１５側をＳ極、後述するアノード７４側をＮ極とする向きの中心磁界が発生するように電流が通電されている。

そして、成形電磁コイル４７に電流を流すことにより、シートプラズマ変形室２の輸送空間４５に形成されるコイル磁界と、一対の永久磁石４８、４８により、輸送空間４５に形成される磁石磁界との相互作用により、シートプラズマ変形室２の輸送空間４５を円柱プラズマＣＰがＺ軸方向に移動する。この間に、円柱プラズマＣＰは、ＸＺ平面に沿って拡がる、均一なシート状のプラズマ（以下、シートプラズマという）ＳＰに変形される。このようにして変形されたシートプラズマＳＰは、第２筒部材４１の第４蓋部材４３と成膜室３の側壁との間に介在するスリット状の第１ボトルネック部５０を介して成膜室３へ流入する。

なお、第２筒部材４１は、永久磁石４８等の磁力を円柱プラズマに作用させやすい観点から、ガラスやＳＵＳ等の非磁性の材料で構成されている。また、シートプラズマ変形室２は、プラズマガン１と適宜な手段により、電気的に絶縁されている。さらに、第１スリット孔４６の高さ及び幅は、変形されたシートプラズマＳＰの幅よりも大きく形成されていればよく、適宜な大きさに設計される。

成膜室３は、Ｙ軸方向の軸を中心とした円筒状の第３筒部材５１とＺ軸方向の軸を中心とした円筒状の第４筒部材５２を有しており、第３筒部材５１は、非磁性体（例えば、ステンレス）で構成されている。第３筒部材５１の一方の端部は、第５蓋部材５３で閉鎖されており、また、他方の端部は、第６蓋部材５４で閉鎖されている。なお、第３筒部材５１の内部空間により、成膜空間５５が形成される。また、第４筒部材５２については後述する。

第３筒部材５１のシートプラズマ変形室２近傍側の周面の中央部には、Ｘ軸方向に延びる第２スリット孔（プラズマ流入口）９２が形成されている。この第２スリット孔９２には、シートプラズマ変形室２と成膜室３の内部空間が連続するように、筒状の第１ボトルネック部５０が気密的に設けられている。このように、プラズマ流入口９２は、プラズマ流出口９１とシートプラズマ変形室２を介して連通されている。なお、第１ボトルネック部５０の高さ（Ｙ軸方向内寸法）及び長さ（Ｚ軸方向内寸法）並びに幅（Ｘ軸方向内寸法）は、シートプラズマＳＰを適切に通過するように設計されている。また、第２スリット孔９２の高さ及び幅は、上述した第１スリット孔４６と同様に構成されている。これにより、シートプラズマＳＰを構成しない余分なアルゴンイオン（Ａｒ^＋）と電子が、成膜室３に導入されるのを防止することができる。

また、第３筒部材５１の内部には、シートプラズマＳＰを挟んで対抗するように、基板５７と成膜材料としてターゲット６１が配設されている。基板５７は、基板ホルダ５８に保持されており、基板ホルダ５８は、ホルダ部５８ａと支持部５８ｂを有している。支持部５８ｂは、第５蓋部材５３を気密的に、かつ、摺動自在に貫通しており、第２駆動機構５９と接続されている。また、支持部５８ｂは、Ｙ軸方向に移動可能に構成されている。さらに、基板ホルダ５８は、第２バイアス電源６０の負極と適宜な配線により電気的に接続されており、第２バイアス電源６０は、ホルダ部５８ａにシートプラズマＳＰに対して負のバイアス電圧を印加する。なお、基板ホルダ５８の支持部５８ｂと第５蓋部材５３とは、絶縁されている。

一方、ターゲット６１は、ターゲットホルダ６２に保持されており、該ターゲットホルダ６２は、ホルダ部６２ａと支持部６２ｂを有している。支持部６２ｂは、第６蓋部材５４を気密的に、かつ、摺動自在に貫通しており、第１駆動機構６３と接続されている。また、支持部６２ｂは、Ｙ軸方向に移動可能に構成されている。さらに、ターゲットホルダ６２は、第１バイアス電源６４の負極と適宜な配線により電気的に接続されており、第１バイアス電源６４は、ホルダ部６２ａにシートプラズマＳＰに対して負のバイアス電圧を印加する。なお、ターゲットホルダ６２の支持部６２ｂと第６蓋部材５４とは、絶縁されている。また、第１駆動機構６３及び第２駆動機構５９は、公知の駆動機構を使用しており、例えば、エアシリンダ等を使用することができる。

さらに、第３筒部材５１の成膜空間５５の適所には、第２圧力検出器５６が気密的に設けられている。第２圧力検出器５６は、成膜空間５５の圧力を検出して、制御装置１０２にその検出した圧力を伝達するように構成されている。なお、第２圧力検出器５６は、ここでは、イオンゲージを使用しており、圧力を検出することができれば、例えば、ペニングゲージやピラニゲージを使用してもよい。また、ここでは、第２圧力検出器５６は、成膜空間５５に設ける構成としたが、これに限定されず、輸送空間４５の適所に設ける構成としてもよい。

また、第５蓋部材５３の適所には、第２排気バルブ６５により開閉可能な真空ポンプ接続口６６が設けられている。真空ポンプ接続口６６には、適宜な配管を介して第２真空ポンプ１０４が接続されている。第２真空ポンプ１０４（例えばターボポンプ）により真空引きされ、成膜空間５５は、スパッタリングプロセス可能なレベルの真空度にまで速やかに減圧される。

第３筒部材５１の外部には、磁力の強さをコントロールできる第２電磁コイル６７及び第３電磁コイル６８が、互いに対を成して第３筒部材５１の周面を囲むように配設されている。第２電磁コイル６７と第３電磁コイル６８は、互いに異なる極（ここでは、第２電磁コイル６７はＮ極、第３電磁コイル６８はＳ極）が向かい合うように通電されている。この第２電磁コイル６７及び第３電磁コイル６８電流を流すことにより作られるコイル磁界（例えば１０Ｇ〜３００Ｇ程度）は、ミラー磁界として、成膜室３の成膜空間５５をＺ軸方向に移動するシートプラズマＳＰの幅方向の拡散を適切に抑えるようにして、シートプラズマＳＰの形状を整形する。

また、第３筒部材５５のアノード７４側の周面の中央部には、Ｘ軸方向に延びる第３スリット孔６９が形成されている。この第３スリット孔６９には、第３筒部材５１と第４筒部材５２の内部空間が連続するように、筒状の第２ボトルネック部７０が気密的に設けられている。なお、第２ボトルネック部７０の高さ（Ｙ軸方向内寸法）及び長さ（Ｚ軸方向内寸法）並びに幅（Ｘ軸方向内寸法）は、第１ボトルネック部５０と同様にシートプラズマＳＰを適切に通過するように設計されている。また、第３スリット孔６９の高さ及び幅は、上述した第１スリット孔４６と同様に構成されている。

第４筒部材５２は、非磁性体（例えば、ステンレス）で構成されている。第４筒部材５２の一方の（カソード１５側）端部は、第７蓋部材７１により閉鎖されており、該第７蓋部材７１の略中央には、第４スリット孔７２が設けられている。また、第７蓋部材７１には、第４スリット孔７２と連通するように第２ボトルネック部７０が気密的に設けられている。なお、第４スリット孔７２の高さ及び幅は、上述した第１スリット孔４６と同様に構成されている。

また、第４筒部材５２の他方の端部には、その内部空間を塞ぐように第８蓋部材７３が気密的に設けられている。第８蓋部材７３のカソード１５に近い方の主面には、アノード７４が設けられている。アノード７４は、切り替えスイッチ２９によって第１主電源２６又は第２主電源２７と選択的に接続される。

一方、第８蓋部材７３のカソード１５から遠い方の主面には、アノード７４側をＳ極、大気側をＮ極とした永久磁石７５が配置されている。これにより、永久磁石７５のＮ極から出てＳ極に入るＸＺ平面に沿った磁力線により、アノード７４に向かうシートプラズマＳＰが幅方向（Ｘ軸方向）に収束され、シートプラズマＳＰの荷電粒子が、アノード７４に適切に回収される。

なお、本実施の形態では、成膜室３における第３筒部材５１のＸＺ平面の断面を、円形であると説明したが、これに限定されるものではなく、多角形等であってもよく、第４筒部材５２のＸＹ平面の断面を、円形であると説明したが、これに限定されるものではなく、多角形等であってもよい。

次に、制御装置１０２について説明する。
制御装置１０２は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算処理部、メモリ等からなる記憶部、モニター等の表示部、カレンダー機能を有する時計部及びキーボード等の操作入力部（いずれも図示せず）を有している。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、成膜装置１００に関する各種の制御を行う。また、演算処理部は、記憶部に記憶されたデータや操作入力部から入力されたデータを処理する。

次に、本実施の形態１に係る成膜装置１００の動作について、図３及び図４を参照しながら説明する。
図３は、図１に示す成膜装置１００における制御装置１０２の図示されない記憶部に格納された成膜装置１００の運転開始プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。図４は、図１に示す成膜装置１００における制御装置１０２の図示されない記憶部に格納された成膜装置１００の繰り返し運転プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。

まず、成膜装置１００の運転開始動作について、図３を参照しながら説明する。
制御装置１０２の演算処理部は、シャッタ機構３０にプラズマ流出口９１を閉鎖する指令を出す（ステップＳ１）。これにより、シャッタ機構３０の駆動器３２が作動して、プラズマ流出口９１を開閉部材３１が閉鎖する。次に、演算処理部は、第１及び第２排気バルブ２１、６６にそれぞれの弁の開度を１００％にする指令を出し（ステップＳ２）、ついで、第１及び第２真空ポンプ１０３、１０４に作動開始指令を出す（ステップＳ３）。これにより、プラズマガン１、シートプラズマ変形室２及び成膜室３の内部が減圧される。

次に、演算処理部は、第１及び第２圧力検出器２８、５６からプラズマガン１及び成膜室３内の圧力値Ｐ１、Ｐ２情報を取得して（ステップＳ４）、記憶部に記憶されている所定の圧力値と比較する（ステップＳ５）。ここで、プラズマガン１における所定の圧力値とは、プラズマガン１のカソード１５からプラズマを発生させることができるプラズマガン１内の圧力値をいい、また、成膜室３における所定の圧力値は、成膜する材料等により異なるが、予め実験等により求められた値である。ここでは、プラズマガン１における所定の圧力値は、０．０１Ｐａで設定されている。

そして、演算処理部は、ステップＳ４で取得した圧力値Ｐ１、Ｐ２が、所定の圧力値に達していない（所定の圧力値よりも高い）場合、ステップＳ４に戻り、圧力値Ｐ１、Ｐ２が所定の圧力値に達するまで、ステップＳ４及びステップＳ５を繰り返す。一方、圧力値Ｐ１、Ｐ２が、所定の圧力値に達した場合には、ステップＳ６に進む。なお、ここでは、成膜室３の圧力値を検出したが、これに限定されず、シートプラズマ変形室２の圧力値を検出して判定してもよい。

ステップＳ６では、制御装置１０２の演算処理部は、図示されないアルゴンガス供給装置にアルゴンガス供給開始指令を出し、Ａｒガスが、シートプラズマ成膜装置１０１内に供給される。

次に、演算処理部は、切り替えスイッチ２９を第２主電源２７の正極と接続する指令を出し（ステップＳ７）、次いで、第２主電源２７及びシートプラズマ成膜装置１０１に作動指令を出す（ステップＳ８）。これにより、第２主電源２７からプラズマガン１（正確には、カソード１５）に所定のマイナス電圧（例えば、−６００Ｖ）が印加される。このとき、カソード１５とアノード７４との間にある空間（放電空間１１、輸送空間４５及び成膜空間５５）は、開閉部材３１によって遮蔽されているが、補助陰極１３でグロー放電が開始される。これは、本発明者等は、カソード１５と中間電極１９又は中間電極２０との間の電位差によって、グロー放電が生じるものと考えている。

そして、補助陰極１３の先端部分の温度が上昇すると、この熱で主陰極１４が加熱されて高温になる。このとき、第２主電源２７から出力される電圧値は、所定の閾値（例えば、−１００Ｖ）になり、安定した電圧値をとる。このため、演算処理部は、電圧検出器２４から検出した第２主電源２７の出力電圧値を取得し（ステップＳ９）、記憶部に記録されている所定の閾値と比較する（ステップＳ１０）。

ステップＳ９で取得した電圧値が、所定の閾値よりも高い場合には、ステップＳ９に戻り、電圧値が閾値よりも低くなり、安定した電圧値となるまで、ステップＳ９及びステップＳ１０を繰り返す。一方、電圧値が、閾値よりも低くなり安定した電圧値になった場合、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１では、制御装置１０２の演算処理部は、シャッタ機構３０にプラズマ流出口９１を開放する指示を出す。これにより、シャッタ機構３０の駆動器３２が作動して、開閉部材３１がプラズマ流出口９１を開放する。

次に、演算処理部は、切り替えスイッチ２９を第１主電源２６の正極と接続する指令を出し（ステップＳ１２）、次いで、第１主電源２６に作動指令を出す（ステップＳ１３）。これにより、第１主電源２６からプラズマガン１（正確には、カソード１５）に、所定の電流（例えば、５０Ａ）が流れるように−６０〜−８０Ｖの電圧を印加する。ついで、演算処理部は、電圧検出器２４から検出した第１主電源２６の出力電圧値を取得し（ステップＳ１４）、記憶部に記録されている所定の閾値（−６０〜−８０Ｖ）と比較する（ステップＳ１５）。

ステップＳ１４で取得した電圧値が、所定の閾値よりも高い場合には、ステップＳ１４に戻り、電圧値が所定の閾値よりも低くなり、安定した電圧値となるまで、ステップＳ１４及びステップＳ１５を繰り返す。一方、電圧値が、所定の閾値よりも低くなり安定した電圧値になった場合、カソード１５とアノード７４との間でアーク放電が行われていると判断する。

そして、シートプラズマ成膜装置１０１に成膜開始指令を出し（ステップＳ１６）、基板５７に成膜が開始されて、本プラグラムが終了する。

次に、成膜装置１００の繰り返し運転について説明する。
まず、制御装置１０２の演算処理部は、適宜な手段（例えば、操作入力部から成膜動作が終了されたことが入力される等）によって、成膜動作が終了されたことを確認する（ステップＳ２１）。

次に、演算処理部は、切り替えスイッチ２９を第２主電源２７の正極と接続する指令を出し（ステップＳ２２）、次いで、第２主電源２７及びシートプラズマ成膜装置１０１に作動指令を出す（ステップＳ２３）。そして、シャッタ機構３０にプラズマ流出口９１を閉鎖する指令を出す（ステップＳ２４）。これにより、シャッタ機構３０の駆動器３２が作動して、プラズマ流出口９１を開閉部材３１が閉鎖する。

次に、制御装置１０２の演算処理部は、第１排気バルブ２１に弁の開度を１００％にする指令を出し（ステップＳ２５）、プラズマガン１内の放電空間１１をグロー放電が維持できる程度の真空状態にする。すると、プラズマガン１内の圧力は、０．０１〜１．０Ｐａ程度になる。そして、１００Ｖ程度（９０〜１１０Ｖ）の電圧をカソード１５と中間電極１９、２０との間に印加すると、カソード１５と中間電極１９、２０との間に流れる電流は、数アンペア（１０Ａ以下）と低いため、アーク放電には到らず、グロー放電の状態が維持される。

そして、演算処理部は、次の基板５７を成膜するように準備指令を出す（ステップＳ２６）。具体的には、第２真空ポンプ１０４の作動を停止するように指令を出す。その後、作業員が、輸送空間４５及び成膜空間５５を大気開放して、成膜された基板５７を取り出して新たな基板５７を基板ホルダ５８に保持させ、必要に応じてターゲット６１を取り替える。そして、作業員は、適宜準備完了の合図を制御装置１０２に入力する（例えば、準備完了ボタンを押す等）。

これにより、演算処理部は、第１及び第２排気バルブ２１、６６に弁の開度を１００％にする指令を出し（ステップＳ２７）、ついで、第２真空ポンプ１０４に作動開始指令を出す（ステップＳ２８）。これにより、プラズマガン１、シートプラズマ変形室２及び成膜室３の内部が減圧される。

次に、演算処理部は、第１及び第２圧力検出器２８、５６からプラズマガン１及び成膜室３内の圧力値Ｐ１、Ｐ２情報を取得して（ステップＳ２９）、記憶部に記憶されている所定の圧力値と比較する（ステップＳ３０）。そして、演算処理部は、ステップＳ２９で取得した圧力値Ｐ１、Ｐ２が、所定の圧力値に達していない（所定の圧力値よりも高い）場合、ステップＳ２９に戻り、圧力値Ｐ１、Ｐ２が所定の圧力値に達するまで、ステップＳ２９及びステップＳ３０を繰り返す。一方、圧力値Ｐ１、Ｐ２が、所定の圧力値に達した場合には、ステップＳ３１に進む。

ステップＳ３１では、制御装置１０２の演算処理部は、シャッタ機構３０にプラズマ流出口９１を開放する指示を出す。これにより、シャッタ機構３０の駆動器３２が作動して、開閉部材３１がプラズマ流出口９１を開放する。

次に、演算処理部は、切り替えスイッチ２９にその出力端子を第１主電源２６の負極と接続する指令を出し（ステップＳ３２）、次いで、第１主電源２６に作動指令を出す（ステップＳ３３）。これにより、第１主電源２６からプラズマガン１（正確には、カソード１５）に、所定の電流（例えば、５０Ａ）が流れるように、−６０〜−８０Ｖの電圧を印加する。ついで、演算処理部は、電圧検出器２４から検出した第１主電源２６の出力電圧値を取得し（ステップＳ３４）、記憶部に記録されている所定の閾値（−６０〜−８０Ｖ）と比較する（ステップＳ３５）。

ステップＳ３４で取得した電圧値が、所定の閾値よりも高い場合には、ステップＳ３４に戻り、電圧値が所定の閾値よりも低くなり、安定した電圧値となるまで、ステップＳ３４及びステップＳ３５を繰り返す。一方、取得した電圧値が、所定の閾値よりも低くなり安定した電圧値になった場合、カソード１５とアノード７４との間でアーク放電が行われていると判断する。

そして、シートプラズマ成膜装置１０１に成膜開始指令を出し（ステップＳ３６）、本プラグラムが終了する。これにより、シートプラズマ成膜装置１０１内では、基板５７が成膜される。

このように、本実施の形態１に係る成膜装置１００では、開閉部材３０がプラズマ流出口９１を閉鎖することにより、プラズマガン１内（放電空間１１）を他の空間（輸送空間４５及び成膜空間５５）とは独立して真空状態を保つことができ、また、プラズマガン１内の圧力を０．０１〜１．０Ｐａ程度にして、１００Ｖ程度（９０〜１１０Ｖ）の電圧をカソード１５と中間電極１９、２０との間に印加すると、カソード１５と中間電極１９、２０との間でグロー放電が生じ、また、このとき、カソード１５と中間電極１９、２０との間に流れる電流は、数アンペア（１０Ａ以下）と低いため、アーク放電には到らず、グロー放電の状態が維持される。また、アーク放電ではなくグロー放電の状態でプラズマを維持することにより、別途アノードを放電空間１１に設ける必要がないため、成膜装置１００の低コスト化及び成膜装置００の製造工程の簡略化を図ることができる。さらに、アーク放電を維持するような場合では、カソード１５が高温にさらされるため、カソードの寿命が短くなる場合もあり得るが、本実施の形態に係る成膜装置１００では、グロー放電状態を維持するため、カソード１５が高温にさらされることがなく、カソード１５の寿命が長くなり、成膜装置１００のメンテナンスが簡略化され、また、更なる低コスト化が実現される。

なお、本発明の実施の形態では、プラズマ成膜装置内を真空状態にして成膜を行ったが、成膜室に反応性のガスを導入し、このガスと成膜材料の反応物を用いて基材を成膜するような構成としてもよい。また、上記実施の形態では、２つの主電源と切り替えスイッチによって、グロー放電とアーク放電の切り替えを行ったが、これに限定されず、１つの主電源を用いて、グロー放電とアーク放電の切り替えを行ってもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の成膜装置の使用方法は、成膜装置の更なる低コスト化、成膜装置の製造工程の簡略化を図ることができるので有用である。また、効率よく連続して基板に成膜を繰り返すことができるので有用である。

Claims

プラズマ流出口を有する容器と、前記容器の内部に配設され放電によりプラズマを生成するカソードと、前記容器の内部を排気及び封止するための排気バルブと、を有するプラズマガンと、
プラズマ流入口を有し、その内部が該プラズマ流入口及びプラズマ流出口を通じて前記容器の内部と連通するように配設され、前記内部を減圧可能な成膜室と、
前記容器の前記プラズマ流出口を閉鎖又は開放するシャッタ装置と、
前記成膜室の内部に配設されたアノードと、前記カソードに負極が接続され前記アノードに正極が接続され、前記カソードに電圧を印加する直流電源と、
制御装置を備え、
前記制御装置は、前記シャッタ装置が前記容器のプラズマ流出口を閉鎖し、前記直流電源が前記カソードに電圧を印加して、前記カソードでグロー放電を発生させるように制御し、
前記シャッタ装置が前記容器のプラズマ流出口を開放し、前記直流電源が前記カソードに印加する電圧を変更して、前記カソードでアーク放電を発生させることにより前記プラズマが生成されるように制御する、成膜装置。
プラズマ流出口を有する容器と、前記容器の内部に配設され放電によりプラズマを生成するカソードと、前記容器の内部を排気及び封止するための排気バルブと、を有するプラズマガンと、プラズマ流入口を有し、その内部が該プラズマ流入口及びプラズマ流出口を通じて前記容器の内部と連通するように配設され、前記内部を減圧可能な成膜室と、前記容器の前記プラズマ流出口を閉鎖又は開放するシャッタ装置と、前記成膜室の内部に配設されたアノードと、前記カソードに負極が接続され前記アノードに正極が接続され、前記カソードに電圧を印加する直流電源と、を備える、成膜装置の運転方法であって、
前記シャッタ装置が前記容器のプラズマ流出口を閉鎖し、前記直流電源が前記カソードに電圧を印加して、前記カソードでグロー放電を発生させるステップと、
前記シャッタ装置が前記容器のプラズマ流出口を開放し、前記直流電源が前記カソードに印加する電圧を変更して、前記カソードでアーク放電を発生させることにより前記プラズマが生成されるステップと、からなる、成膜装置の運転方法。
前記成膜室の内部に基板を配置し、前記生成したプラズマを用いて前記基板を成膜するステップと、
前記シャッタ装置が前記容器のプラズマ流出口を閉鎖し、前記直流電源が前記カソードに印加する電圧を変更して、グロー放電を維持するステップと、をさらに備える、請求項２に記載の成膜装置の運転方法。