JP5325525B2 - Thin film element manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、高密度プラズマを用いてイオンプレーティング法により成膜を行う薄膜素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a thin film element that forms a film by ion plating using high-density plasma.
高密度プラズマを用い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が特許文献1等により知られている。特許文献1では、圧力勾配型アーク放電プラズマガンを用いることにより、高密度プラズマを生成している。 An ion plating apparatus that deposits an ionized material using high-density plasma is known from Patent Document 1 and the like. In Patent Document 1, high-density plasma is generated by using a pressure gradient arc discharge plasma gun.
一方、特許文献2および3に記載のイオンプレーティング装置では、成膜材料の蒸発源を加熱するための電子銃と、蒸発した成膜材料のイオン化を行うプラズマを発生するためのプラズマガンとを別々に備えたイオンプレーティング装置が開示されている。
On the other hand, in the ion plating apparatuses described in
特許文献2または3に記載の装置のように通常のプラズマガンは、放電を生じさせるためにArガスを放電ガスとして供給している。しかしながら、Ar等の一般的な放電ガスは放電しやすい物質であるため、電子銃の近傍において異常放電を生じさせてしまうという問題がある。電子銃が異常放電すると、成膜源を十分に加熱することができない。
As in the apparatus described in
本発明の目的は、プラズマガンと電子銃を備えたイオンプレーティング装置を用いて、異常放電を防止しながら成膜を行い、薄膜素子を製造する方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a thin film element by performing film formation while preventing abnormal discharge using an ion plating apparatus including a plasma gun and an electron gun.
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様によれば、基板上に薄膜を備えた薄膜素子の製造方法であって、電子銃とプラズマガンとを備えたイオンプレーティング装置を用い、プラズマガンに第1の放電ガスを供給して放電を生じさせた後、第1の放電ガスに代えて、第1の放電ガスより放電を生じにくい第2の放電ガスを供給して放電を継続させることによりプラズマを発生させ、
電子銃から電子ビームを蒸発源に照射して蒸発させ、プラズマを通過した蒸気を基板上に堆積させ、薄膜を形成する薄膜素子の製造方法が提供される。
In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thin film element comprising a thin film on a substrate, wherein an ion plating apparatus comprising an electron gun and a plasma gun is used. After the first discharge gas is supplied to the plasma gun to cause discharge, the second discharge gas, which is less likely to cause the discharge than the first discharge gas, is supplied instead of the first discharge gas. Generate plasma by continuing,
There is provided a method of manufacturing a thin film element in which an electron beam is irradiated from an electron gun to an evaporation source to evaporate, and vapor passing through plasma is deposited on a substrate to form a thin film.
第1の放電ガスから第2の放電ガスへの切り替えは、例えば、プラズマガンの放電がアーク放電に移行した後に行う。これにより、第2の放電ガスによってアーク放電を容易に生じさせることができる。 Switching from the first discharge gas to the second discharge gas is performed, for example, after the discharge of the plasma gun has shifted to arc discharge. Thereby, arc discharge can be easily generated by the second discharge gas.
第2の放電ガスは、例えば、第1の放電ガスよりも電離断面積が小さい、または、電離能率が低いガスを用いる。一例としては、第1の放電ガスは、ArおよびXeのうち少なくとも一方を含むガスであり、第2の放電ガスは、HeおよびH2のうち少なくとも一方を含むガスである。 As the second discharge gas, for example, a gas having a smaller ionization cross-sectional area or lower ionization efficiency than the first discharge gas is used. As an example, the first discharge gas is a gas containing at least one of Ar and Xe, and the second discharge gas is a gas containing at least one of He and H 2 .
第2の放電ガスには、ArおよびXeのうち少なくとも一方を所定値以下の割合で混合させることができる。これにより、放電ガス切り替え時にも放電を安定させることができる。所定値は例えば5%以下とする。 In the second discharge gas, at least one of Ar and Xe can be mixed at a ratio equal to or lower than a predetermined value. Thereby, the discharge can be stabilized even when the discharge gas is switched. The predetermined value is, for example, 5% or less.
本発明によれば、プラズマガンと電子銃を備えたイオンプレーティング装置を用いて成膜を行う場合に、電子銃周辺で異常放電を防止することができるため、電子ビームを安定に蒸発源に照射することができ、蒸発源を十分に加熱することができる。 According to the present invention, when film formation is performed using an ion plating apparatus including a plasma gun and an electron gun, abnormal discharge can be prevented around the electron gun, so that the electron beam can be stably used as an evaporation source. Irradiation can be performed, and the evaporation source can be sufficiently heated.
以下、本発明の一実施の形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
本実施形態のアーク放電イオンプレーティング装置について図1を用いて説明する。図1に示した装置は、連結されたプラズマチャンバー1と成膜チャンバー7とを有している。プラズマチャンバー1には、陰極2および第1および第2の中間電極3がプラズマ引き出し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。プラズマチャンバー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。
An arc discharge ion plating apparatus of this embodiment will be described with reference to FIG. The apparatus shown in FIG. 1 has a plasma chamber 1 and a
放電ガス導入口4aには、放電ガスとして第1の放電ガス(一般的な放電ガス、例えばArおよび/またはXe)の供給源と、第1の放電ガスよりも放電しにくい第2の放電ガスの供給源が接続されている。ここでいう第1の放電ガスよりも放電しにくい第2の放電ガスとは、第1の放電ガスよりも電離能率が低い、すなわち電離断面積が小さいガスをいう。例えば、第2の放電ガスとしてHeやH2を用いることができる。Heの電離断面積の最大値は0.4πa2程度、H2の電離断面積の最大値は1πa2程度であるのに対し、一般的な放電ガスであるArの電離断面積の最大値は3.3πa2程度、Xeの電離断面積の最大値は6πa2程度である(ただしaはボーア半径である。)よって、HeおよびH2は、ArおよびXeと比較して電離断面積の最大値が小さく、放電しにくいガスである。
The
ここで電離断面積σとは、下式1のように電離能率Seに比例するパラメータであり、中性子(放電ガス)の密度n0がほぼ一定であれば、電離断面積σが小さいほど電離能率Seは低くなる。つまり、電離断面積が大きいガスほど、電離しやすく、おのずと放電もしやすい。
Se=σn0 ・・・・(式1)
ただし、電離断面積σの単位はπa2であり、πa2=0.88×10−20m2であり、aはボーア半径である。Seの単位はm−1、n0の単位はm−3である。
Here, the ionization cross section σ is a parameter proportional to the ionization efficiency Se as shown in the following formula 1. If the density n 0 of neutron (discharge gas) is substantially constant, the ionization cross section σ decreases as the ionization cross section σ decreases. Se is low. In other words, the larger the ionization cross section, the easier it is to ionize and naturally discharge.
Se = σn 0 (Equation 1)
However, the unit of the ionization cross section σ is πa 2 , πa 2 = 0.88 × 10 −20 m 2 , and a is the Bohr radius. The unit of Se is m −1 , and the unit of n 0 is m −3 .
上式によれば、電離能率Seは、放電ガス(中性子)の密度n0に比例するため、チャンバーに導入される放電ガスの圧力を低減すれば、どんなガスでも電離能率は低くなり、放電ガスは電離しにくくなることになる。しかし、放電ガスの圧力が低すぎると放電を安定継続させることが困難になる。つまり、放電を継続させてプラズマを安定に形成しつつ異常放電を防止するために、電離能率を制御する方法として、本実施形態ではガス種を変更する。 According to the above equation, the ionization efficiency Se is proportional to the density n 0 of the discharge gas (neutron). Therefore, if the pressure of the discharge gas introduced into the chamber is reduced, the ionization efficiency will be low for any gas. Will become difficult to ionize. However, if the pressure of the discharge gas is too low, it will be difficult to maintain stable discharge. That is, in the present embodiment, the gas type is changed as a method for controlling the ionization efficiency in order to prevent abnormal discharge while continuing discharge and stably forming plasma.
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、プラズマチャンバー1の圧力を成膜チャンバー7の圧力よりも高く維持し、圧力勾配を形成する。
The through holes of the first and second intermediate electrodes 3 also function as orifices, maintain the pressure of the plasma chamber 1 higher than the pressure of the
成膜チャンバー7には、プラズマ引き出し軸上に陽極5が配置されている。成膜チャンバー7には、陽極5とプラズマチャンバー1との間の空間に、原料ガス8を導入するための原料ガス導入管8aと、基板6を保持する基板ホルダー16が備えられている。成膜チャンバー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。
In the
成膜チャンバー7内のプラズマ11を挟んで基板6と対向する位置には、固体原料の蒸発源が充填された坩堝21と、坩堝21に電子ビームを照射する電子銃22が配置されている。
A
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陰極2から陽極5へスムーズに導く作用をする。
A
プラズマチャンバー1の外側、ならびに、成膜チャンバー7の外側にはそれぞれ、中心軸がプラズマ引き出し軸に一致するように電磁石12が配置されている。電磁石12は、プラズマ引き出し軸方向の磁場を形成することにより、陰極2から生じたプラズマ11をプラズマ引き出し軸を中心にビーム状に収束させる。これにより、プラズマ11は、第1および第2中間電極3の中央の穴を通過し、陽極5方向に引き出される。
図1のイオンプレーティング装置を用いて、基板6上にSiまたはTiの酸化物膜を備えた素子を製造する方法について説明する。
A method for manufacturing an element having a Si or Ti oxide film on the
坩堝21には蒸発源としてSiまたはTiを充填しておく。成膜チャンバー7の基板ホルダー16に基板6を設置し、成膜チャンバー7およびプラズマチャンバー1を真空排気する。十分に排気した後、プラズマチャンバー1の陰極2の大気側から放電ガス4として第1の放電ガス(ArまたはXe、もしくはこれらの混合ガス)を導入する。
The
電源10にて陰極2と陽極5との間に電圧を印加し、グロー放電によるプラズマ11を生じさせる。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を印加し、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へに導く。3〜5分ほどグロー放電を続けると、陰極が加熱され熱電子を放出するようになる。このようになるとグロー放電は電離度を上げ、高密度放電すなわちアーク放電に移行する。
A voltage is applied between the
アーク放電に移行したならば、放電ガス4を、第1の放電ガス(ArまたはXe、もしくはこれらの混合ガス)に代えて、第2の放電ガス(HeまたはH2、もしくはこれらの混合ガス)を導入する。この際、放電を安定に保つために、第2の放電ガス(HeまたはH2、もしくはこれらの混合ガス)に、所定の流量のArおよび/またはXeガスを混合してもよい。その場合、第2の放電ガスのArおよび/またはXeの含有割合は、5%以下であることが望ましい。また、ArおよびXeの流量としては、10SCCM以下であることが望ましい。 When the arc discharge is started, the discharge gas 4 is replaced with the first discharge gas (Ar or Xe, or a mixed gas thereof), and the second discharge gas (He or H 2 , or a mixed gas thereof) is used. Is introduced. At this time, in order to keep the discharge stable, Ar and / or Xe gas having a predetermined flow rate may be mixed with the second discharge gas (He or H 2 or a mixed gas thereof). In that case, the content ratio of Ar and / or Xe in the second discharge gas is preferably 5% or less. The flow rate of Ar and Xe is preferably 10 SCCM or less.
放電ガス4を第1の放電ガスから第2の放電ガスに切り替えた後も、アーク放電は継続する。 The arc discharge continues even after the discharge gas 4 is switched from the first discharge gas to the second discharge gas.
原料ガス導入管8aより原料ガス8としてO2ガスを導入する。成膜チャンバー内には、放電ガス4とO2ガスの混合プラズマが形成される。
O 2 gas is introduced as the
電子銃22から電子ビームを坩堝21内の蒸発源SiまたはTiに照射し、蒸発源を加熱、蒸発させる。蒸発した材料は、混合プラズマを通過することにより酸素ラジカルと反応し、酸化されながら基板6上に堆積し、SiまたはTiの酸化物膜を形成する。
An electron beam is irradiated onto the evaporation source Si or Ti in the
酸化物膜が所定の膜厚に達したならば、プラズマ、電子ビームを停止させ、成膜チャンバー7を大気圧まで戻し、基板6を取り出す。
When the oxide film reaches a predetermined thickness, the plasma and the electron beam are stopped, the
本実施の形態では、第2の放電ガスとしてHeまたはH2もしくはこれらの混合ガスを用いている。これらは、一般的に使用されるArと比較して放電しにくいため、電子銃22が異常放電しにくい。
In the present embodiment, He, H 2 or a mixed gas thereof is used as the second discharge gas. Since these are harder to discharge than Ar which is generally used, the
比較例としてArを放電ガス4に用いた場合には、電子銃22が異常放電を起こし、蒸発源の加熱が十分に行えなかったが、本実施形態では異常放電が生じないため、蒸発源の加熱蒸発を十分に行うことが可能になった。
When Ar was used as the discharge gas 4 as a comparative example, the
また、本実施形態の製造方法では、グロー放電からアーク放電を生じさせる段階では、放電ガス4として第1の放電ガス(一般的な放電ガス(ArやXe))を用いているため、当初から放電しにくい第2の放電ガス(HeまたはH2もしくはこれらの混合ガス)を放電ガス4として用いる場合と比較して、アーク放電を容易に生じさせることができる。アーク放電移行後に、放電ガス4を一般的な放電ガスよりも放電しにくいガス(HeまたはH2もしくはこれらの混合ガス)に入れ替えることにより、放電しにくいガス(HeやH2)で安定したアーク放電を生じさせることができる。このとき、HeやH2に、所定流量以下のArやXeを混合することにより、さらに放電を安定させることができる。 Moreover, in the manufacturing method of this embodiment, since the first discharge gas (general discharge gas (Ar or Xe)) is used as the discharge gas 4 at the stage of generating the arc discharge from the glow discharge, from the beginning. Compared with the case where a second discharge gas (He or H 2 or a mixed gas thereof) that is difficult to discharge is used as the discharge gas 4, arc discharge can be easily generated. After transition to arc discharge, by replacing the discharge gas 4 with a gas (He or H 2 or a mixed gas thereof) that is harder to discharge than a general discharge gas, a stable arc with a gas that is difficult to discharge (He or H 2 ) A discharge can be generated. At this time, the discharge can be further stabilized by mixing He or H 2 with Ar or Xe having a predetermined flow rate or less.
本実施形態では放電ガスとしてHeガスを用いた場合、Heガスは、電離電圧が24.6Vであり、原料ガスである酸素(O2)ガスの電離電圧12.2 Vの約2倍であるため、酸素ガスにHeガスの約2倍のエネルギーを供給できる。このため、放電ガスとしてAr(15.8 V)を用いた場合よりも高密度の酸素プラズマが得られるという効果もある。 In this embodiment, when He gas is used as the discharge gas, the He gas has an ionization voltage of 24.6 V, and is approximately twice the ionization voltage of the source gas, oxygen (O 2 ) gas, 12.2 V. It can supply about twice as much energy as He gas. For this reason, there is an effect that oxygen plasma having a higher density can be obtained than when Ar (15.8 V) is used as the discharge gas.
さらに、Heガスの電離断面積の最大値は0.4πa2程度、O2ガスでは最大3πa2程度であり、HeガスはO2ガスの約1/8の電離能率しかない。このため、HeガスとO2ガスが同程度の圧力ならば、Heガスの電離作用はO2ガスの約1/8となるので、混合プラズマ中におけるO2プラズマ密度をHeプラズマ密度よりも著しく高くすることが容易である。また、H2の電離断面積の最大値は1πa2程度であり、H2ガスの電離作用はO2ガスの約1/3となるので、この場合も混合プラズマ中におけるO2プラズマ密度をH2プラズマ密度よりも著しく高くすることが容易である。これに対し、放電ガスとしてArガスを用いた場合は、Arガスの電離断面積が最大3.3πa2程度であるので、O2ガスの電離断面積(最大3πa2程度)と同等以上であり、混合プラズマ中におけるO2プラズマ密度はArプラズマ密度の同等以下にしかできない。 Furthermore, the maximum value of the ionization cross section of He gas is about 0.4πa 2 , and the maximum value of O 2 gas is about 3πa 2. He gas has an ionization efficiency of about 1/8 of O 2 gas. For this reason, if the pressure of He gas and O 2 gas is approximately the same, the ionization effect of He gas is about 1/8 of O 2 gas, so the O 2 plasma density in the mixed plasma is significantly higher than the He plasma density. Easy to raise. The maximum value of the ionization cross section of H 2 is about 2 1Paiei, since the ionization effect of the H 2 gas is about 1/3 of the O 2 gas, an O 2 plasma density at even mixed plasma this case H 2 It is easy to make it significantly higher than the plasma density. On the other hand, when Ar gas is used as the discharge gas, the ionization cross section of Ar gas is about 3.3πa 2 at the maximum, so it is equal to or greater than the ionization cross section of O 2 gas (up to about 3πa 2 ). The O 2 plasma density in the mixed plasma can only be less than or equal to the Ar plasma density.
すなわち、放電ガスとしてHeガスを用いることにより、Arガスを用いた場合と比較して、電離断面積、または電離能率の作用により、Arガスを用いた場合よりも著しく高密度の酸素プラズマを期待することができる。よって、Heを用いることにより、Arを用いた場合と比較して著しく高密度の酸素プラズマが得られるため、高濃度の酸素ラジカル濃度が必要な膜を形成することが可能である。 In other words, by using He gas as the discharge gas, oxygen plasma is expected to be significantly higher in density than in the case of using Ar gas due to the action of ionization cross section or ionization efficiency as compared with the case of using Ar gas. can do. Therefore, by using He, an oxygen plasma having a remarkably high density can be obtained as compared with the case of using Ar, so that a film requiring a high concentration of oxygen radicals can be formed.
さらに、第2の放電ガスに放電しやすいArガスおよび/またはXeガスを所定量混合することで、放電しにくい第2の放電ガスの電離作用が促進され、成膜時の放電をさらに安定に保つことが可能となる。 Furthermore, by mixing a predetermined amount of Ar gas and / or Xe gas that is easily discharged into the second discharge gas, the ionization action of the second discharge gas, which is difficult to discharge, is promoted, and the discharge during film formation is further stabilized. It becomes possible to keep.
本実施形態の薄膜素子は、基板上に薄膜を備えた素子であればどのような構成であってもよい。一例としては、LEDやLD等の各種の発光素子、液晶ディスプレイ等の各種の表示装置、誘電体膜や圧電膜を備えたスキャナー等の駆動素子があげられる。 The thin film element of this embodiment may have any configuration as long as the element includes a thin film on a substrate. Examples include various light emitting elements such as LEDs and LDs, various display devices such as liquid crystal displays, and drive elements such as scanners provided with dielectric films and piezoelectric films.
1…プラズマ室、2…陰極、3…第1および第2の中間電極、4…放電ガス、4a…放電ガス導入管、5…陽極、6…基板、7…成膜室、8…原料ガス、8a…原料ガス導入管、9…排気口、10…電源、11…プラズマ、12…電磁石、13…永久磁石、16…基板ホルダー、21…坩堝、22…電子銃
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Plasma chamber, 2 ... Cathode, 3 ... 1st and 2nd intermediate electrode, 4 ... Discharge gas, 4a ... Discharge gas introduction tube, 5 ... Anode, 6 ... Substrate, 7 ... Deposition chamber, 8 ...
Claims (3)
内部に電子銃が配置された成膜チャンバーと、前記成膜チャンバーに連結され、複合陰極構造の陰極および中間電極がプラズマ引出軸に沿って順に配置されたプラズマチャンバーと、陽極とを備えたイオンプレーティング装置を用い、
前記プラズマチャンバーに放電ガスとして第1の放電ガスを供給し、前記陰極と陽極間にアーク放電を生じさせ、前記アーク放電のプラズマを前記プラズマチャンバーから前記成膜チャンバー内に引き出し、
その後、放電ガスを、前記第1の放電ガスから、前記第1の放電ガスとは異なる種類の、前記第1の放電ガスより放電を生じにくい第2の放電ガスに切り替え、前記アーク放電を継続させることにより、前記第2の放電ガスのアーク放電のプラズマを前記成膜チャンバー内に発生させ、
前記第2の放電ガスの前記アーク放電のプラズマが前記成膜チャンバー内に発生しているときに、前記成膜チャンバー内に原料ガスを導入するとともに、前記電子銃から蒸発源に電子ビームを照射して蒸発させ、前記アーク放電のプラズマを通過した蒸気を前記基板上に堆積させ、薄膜を形成することを特徴とする薄膜素子の製造方法。 A method of manufacturing a thin film element comprising a thin film on a substrate,
An ion provided with a film forming chamber in which an electron gun is disposed, a plasma chamber connected to the film forming chamber, in which a cathode and an intermediate electrode of a composite cathode structure are sequentially disposed along a plasma extraction axis, and an anode Using a plating device,
Supplying a first discharge gas as a discharge gas to the plasma chamber, causing an arc discharge between the cathode and the anode, and drawing the plasma of the arc discharge from the plasma chamber into the deposition chamber;
Thereafter, the discharge gas is switched from the first discharge gas to a second discharge gas of a type different from the first discharge gas, which is less likely to cause a discharge than the first discharge gas , and the arc discharge is continued. Generating plasma of arc discharge of the second discharge gas in the film forming chamber ,
When the arc discharge plasma of the second discharge gas is generated in the film forming chamber, a source gas is introduced into the film forming chamber and an electron beam is irradiated from the electron gun to the evaporation source. And vaporizing the vapor passing through the arc discharge plasma to deposit on the substrate to form a thin film.
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