JP5436143B2 - 膜形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、膜形成装置に関し、更に詳しくは成膜用途における膜質を向上させることができる膜形成装置に関する。

プラズマ発生装置は、基板上に光学薄膜を堆積させるイオンプレーティング装置において、ガス分子・蒸発粒子の励起、イオン化に利用される補助装置である。プラズマ発生装置は、一般に成膜室（以下真空室と略す）に設置されており、プラズマ発生装置内で生成されたプラズマ中の電子を真空室に引き出し、真空室中のプロセスガス、成膜粒子等にこの電子を照射し、それらを励起、イオン化させるのに利用される。

プラズマ発生装置は、特に薄膜形成用途の膜形成装置の中に搭載され、主に薄膜の高品質化、高機能化に利用される場合が多い。図３は従来装置の構成例を示す図である。図において、カソード１はタングステンの熱電子放出材料からなり、カソード加熱電源１０に接続されている。ケース３（以下放電室と称す）は、ガス導入口８から導入されたアルゴン（Ａｒ）ガスで真空室圧力より圧力を高めた空間となっている。

アノード２は水冷され、放電電源１１に抵抗Ｒ２を介して接続されている。シールド４は放電室３に固定されており、ビームが通過するオリフィスを有している。コイル５は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なり、放電室３内で生成されたプラズマ１３（第１プラズマ）をビームの軸方向に集束させる。カソード１，アノード２，放電室３，抵抗Ｒ２，カソード加熱電源１０及び放電電源１１で構成される放電回路は、真空室９と抵抗Ｒ１を介して接続されている。真空室９は接地されている。

この様な膜形成装置において、先ず、ガス導入口８から放電室３内にアルゴン（Ａｒ）ガスを所定の流量導入し、放電室３内の圧力を高め、カソード１を熱電子放出可能な温度まで加熱する。次に、コイル５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かける。この状態で、アノード２に所定の電圧、例えば１００Ｖを印加させると、シールド４のオリフィス上部に発生する加速電界１４によって、放電室３内で発生した熱電子がアノード２の電位に導かれて加速を始め、アルゴンガスとの衝突を繰り返し、放電室３内に第１プラズマ１３が生成される。

放電室３の第１プラズマ１３中の電子は、コイル５が作る磁場の影響で、ビームの軸方向に集束を受けながら、シールド４のオリフィス上部に発生する加速電界１４で加速され、真空室９へと引き出される。真空室９に引き出された電子は、真空室中９中のプロセスガス、成膜粒子等を励起、イオン化させ、真空室９内にプラズマ１５（第２プラズマ）が形成される。

真空室９に引き出された電子及び第２プラズマ１５中の電子は、真空室９若しくはアノード２に流れ込み安定な放電が維持される。抵抗Ｒ１，Ｒ２は、Ｒ１＜Ｒ２若しくはＲ１＞Ｒ２とすることで、真空室９とアノード２に流す放電電流量を制御することができる。

一方、前記真空室９内の床面には電子銃７とるつぼ１２が設置され、るつぼ１２には蒸着させたい蒸着材料１６が充填されており、電子銃７から電子ビーム１７を引き出し、蒸着材料１６に照射し、蒸着材料１６を加熱、溶融させ、蒸気を発生させている。発生した蒸気は、基板ドーム２０に予めセットした基板２３の電子銃７側の面に蒸着膜として堆積され、薄膜となる。

蒸着材料１６がもし、薄膜過程において酸化不足のために透明とならないことが想定される場合は、プロセスガス導入口１８から酸素ガスを導入し、基板ヒータなどにより基板ドーム２０を加熱し、基板２３を熱酸化させることがある。基板ドーム２０は回転軸２１により所定の速度で回転させられる。

ここで、真空蒸着中に第２プラズマ１５により、蒸着材料１６からの蒸気やプロセスガス導入口１８からの酸素ガス等がエネルギーを与えられ、それらの一部が励起、イオン化する。また、第２プラズマ１５に爆された基板ドーム２０表面には電子が蓄積され、基板ドーム２０表面上に負の電圧が印加された状態になる。

また、第２プラズマ１５はアース若しくは正のポテンシャルを持っており、基板ドーム２０の表面近傍では、第２プラズマ１５の持つポテンシャルと基板ドーム２０の持つポテンシャルの差が生じ、基板ドーム２０付近の第２プラズマ１５中のイオンは、基板２３にむけて加速し、基板２３を叩く効果が生じる。先の蒸気、プロセスガスの励起、イオン化と基板ドーム２０の付近のイオンが基板２３に照射される効果が合わさって、真空蒸着で得られる以上の膜質向上（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６−１５８２９３号公報（段落００１２〜００１８、図３）

膜形成装置において、近年、膜質を限りなく高めたい要求がある。その対応策として、プラズマ発生装置の出力を更に高める用途があるが、プラズマ出力を高めると基板温度上昇も高くなる傾向にあり、基板温度を高く設定したくない用途には不向きとなる。また、出力向上のために構造を大幅に変更する必要があり、サイズアップした場合、膜形成装置に搭載できない場合も考えられ、容易に対応ができない。

そこで、プラズマ発生装置の出力を変更せず、膜質の向上を図る対策として、プラズマ発生装置を蒸発源の方向に向け、エネルギーの高い電子を蒸気発生部に照射し、蒸気のイオン化効率を高めるようにすると膜質が更に向上する傾向があることが確認されている。

しかし、プラズマ発生装置を蒸発源の方向に向けると、プラズマ発生装置のアノード部に蒸気が付着し、プラズマ発生装置の安定動作ができないなどの問題が出る可能性があり、また、導電性を持たない蒸気を扱う場合、絶縁物の蒸気がプラズマ発生装置のアノード部に付着すると、プラズマ発生装置が動作しないなどの問題もあり、実用的ではなくなってしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、成膜用途における膜質の向上を図ることができる機能を付加した膜形成装置を提供することを目的としている。

上記の問題点を解決するため、本発明は以下に示すような構成をとっている。
（１）請求項１記載の発明は、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、前記カソードと前記アノードとの間に放電電圧を印加するための放電電源と、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アノードの開口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されたプラズマ発生装置を備え、前記真空室内に設けられた成膜用粒子源から発生された粒子に前記プラズマ発生装置からの電子を照射して成膜対象の基板と前記粒子源との間の空間に第２プラズマを発生させて前記基板の成膜を行う様に成した膜形成装置において、前記粒子源に隣接させて電極を配置し、該電極に正の電圧を印加して、前記第１プラズマ中の電子を該電極に引きつけることにより、前記第２プラズマと前記粒子源の間に第３プラズマを形成する様に成したことを特徴とする。

（２）請求項２記載の発明は、前記粒子源の真横であって、前記第１プラズマからの電子が該粒子源からの粒子を横切る位置に前記電極を配置することを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、前記電極は、前記第２プラズマ側から見て該電極の一部以外は見えない様に遮蔽体で覆われており、前記粒子源の中心軸に平行な軸を中心軸として間欠的に又は連続的に回転する円板状に形成されていることを特徴とする。

（４）請求項４記載の発明は、前記電極は、前記第２プラズマ側から見て該電極の一部以外は見えない様に遮蔽体で覆われており、長手方向に沿って間欠的に又は連続的に移動する帯状に形成されていることを特徴とする。

（５）請求項５記載の発明は、前記成膜用粒子源は、固体物質を溶融して蒸発させる蒸発源であることを特徴とする。
（６）請求項６記載の発明は、前記成膜用粒子源は、プロセスガス源であることを特徴とする。

（７）請求項７記載の発明は、前記電極は、前記プラズマ発生装置の放電電源から電圧が印加されていることを特徴とする。
（８）請求項８記載の発明は、前記電極と前記放電電源の間に電流量調整機を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果が得られる。
（１）請求項１記載の発明によれば、第１プラズマ中の電子を電極に引きつけることにより、第２プラズマと粒子源の間に第３プラズマを形成するように構成したので、該第１プラズマを形成するプラズマ発生装置のアノード部を汚染（蒸気の付着）させることなく、粒子源上の粒子のイオン化率を高めて成膜用途における膜質の向上を図ることができる。

（２）請求項２記載の発明によれば、プラズマ発生装置からの電子が粒子源からの粒子を横切るようにしたので、粒子のイオン化を促進することができ、膜質の向上を図ることができる。

（３）請求項３記載の発明によれば、電極を、前記第２プラズマ側から見て該電極の一部以外は見えない様に遮蔽体で覆い、該電極を円板状に形成し、該円板状電極を間欠的若しくは連続的に回転するようにしたので、電極に付着する粒子等の影響による電極の寿命（電極の交換時期）を長くすることが出来ると同時に、粒子源上のプラズマを安定化させ、膜質の向上に寄与する。

（４）請求項４記載の発明によれば、電極を、前記第２プラズマ側から見て該電極の一部以外は見えない様に遮蔽体で覆い、該電極を帯状に形成し、該電極を長手方向に沿って間欠的に移動するようにしたので、電極に付着する粒子等の影響による電極の寿命（電極の交換時期）を長くすることが出来ると同時に、粒子源上のプラズマを安定化させ、膜質の向上に寄与する。

（５）請求項７記載の発明によれば、電極に放電電源から電圧を印加することにより、プラズマ発生装置から出射された電子を電極に引き込むことができ、プラズマのイオン化密度を高めて安定な膜質向上を図ることができる。

（６）請求項８記載の発明によれば、電極とプラズマ発生装置の放電電源の間に電流量調整機を設けたことにより、粒子源上で発生するプラズマの密度を間接的に調整することができ、安定な膜質の形成に寄与することができる。

本発明の膜形成装置の一構成例を示す図である。 電極及び該電極が設けられたボックスの構成例を示す図である。 従来装置の膜形成装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の膜形成装置の一構成例を示す図である。図３と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、カソード１はタングステンの熱電子放出材料からなり、カソード加熱電源１０に接続されている。放電室３は、ガス導入口８から導入されたアルゴンガスで真空室圧力より圧力を高めた空間となっている。

アノード２は水冷され、放電電源１１に抵抗Ｒ２を介して接続されている。シールド４は放電室３に固定されており、ビームが通過するオリフィスを有している。コイル５は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なり、放電室３内で生成された第１プラズマ１３をビームの軸方向に集束させる。カソード１，アノード２，放電室３，抵抗Ｒ２，カソード加熱電源１０及び放電電源１１で構成される放電回路は、真空室９と抵抗Ｒ１を介して接続されている。真空室９は接地されている。

本発明では、るつぼ１２側に電流量調整機６を介して前記放電電源１１に繋がった電極１９を設けている。該電極１９は、上面の中央部が吹きふけのボックス３１内に配置されており、該ボックスの下面にはオリフィス３２が設けられており、このオリフィス３２を介して放電ガス３３が流入するようになっている。この結果、前記電極１９に前記第１プラズマ１３からの電子が加速されて引き込まれ、途中で蒸発物質の蒸気及び／又は放電ガスに衝突してそれらをイオン化し、第３プラズマ３４が発生する。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

先ず、ガス導入口８から放電室３内にアルゴン（Ａｒ）ガスを所定の流量導入し、放電室３内の圧力を高め、カソード１を熱電子放出可能な温度まで加熱する。次に、コイル５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かける。この状態で、アノード２に所定の電圧、例えば１００Ｖを印加させると、シールド４のオリフィス上部に発生する加速電界１４によって、放電室３内で発生した熱電子がアノード２の電位に導かれて加速を始め、アルゴンガスとの衝突を繰り返し、放電室３内に第１プラズマ１３が生成される。

放電室３の第１プラズマ１３中の電子は、コイル５が作る磁場の影響で、ビームの軸方向に集束を受けながら、シールド４のオリフィス上部に発生する加速電界１４で加速され、真空室９へと引き出される。真空室９に引き出された電子は、真空室９中のプロセスガス、成膜粒子等を励起、イオン化させ、真空室９内に第２プラズマ１５が形成される。

真空室９に引き出された電子及び第２プラズマ１５中の電子は、真空室９若しくはアノード２に流れ込み安定な放電が維持される。従来では、抵抗Ｒ１，Ｒ２をＲ１＞Ｒ２とすることで真空室９に引き出された電子及び第２プラズマ１５中の電子は、アノード２に流れ込むようになっている。

ここで、本発明の特徴を説明する。
本発明では、抵抗Ｒ１，Ｒ２をＲ１＞Ｒ２として、真空室９に引き出された電子及び第２プラズマ１５中の電子をアノード電極２に流す方式、つまり第２プラズマ１５中に引き出された電子をアノード２で再度取り込む方式を採用している。放電電源１１のプラス極に電流量調整機６を介して前記電極１９を接続し、前記プラズマ発生装置の出力の一部を前記電極１９側に流すようにしている。電流量調整機６は、該電極に流れるプラズマビームの電流量を調整する役割を持たせたものであり、るつぼ１２上で発生させる第３プラズマ３４の密度を間接的に制御することを目的としている。放電ガス３３は、るつぼ１２上の圧力を高める目的と、蒸気が積極的に前記電極１９に飛来しないようにする目的のために用いられ、例えばアルゴンガス等が使用される。

従来の膜形成装置では、真空室９の上方の真空空間に対してプラズマビームを出力し、真空室９内に第２プラズマ１５を拡散させている。従って、るつぼ１２真上のプラズマは、その上方で生成されたプラズマが拡散し、到達したものであり、るつぼ１２真上で積極的にプラズマ密度を高めるような作用はなされていない。

本発明では、前記電極１９がるつぼ１２の周囲にレイアウトされ、前記プラズマ発生装置で形成された第１プラズマ１３からのプラズマ中の電子の一部が前記電極１９に流れるようになるため、るつぼ１２の真上にエネルギーを持った電子が照射される結果、るつぼ１２の真上でのプラズマ密度が高まり、蒸着材料のイオン化率を高めることが可能となる。なお、電流量調整機６により前記電極１９に流れる電子量を調整できるため、るつぼ真上に供給する電子量を制御してプラズマ密度を増減させ、蒸着材料のイオン化率を変化させることも可能である。

ここで、電流量調整機６としては、流れる電流を調整する回路や、印加する電圧を変化させて流れる電流を調整する回路等が用いられている。なお、本発明では電流量調整機６と電極とで一対としたが、複数の電極をプラズマ密度を高めたい箇所にレイアウトとし、電流量調整機６で電流調整することも可能である。例えば、複数の蒸発源が一つの膜形成装置に存在する場合、個々のるつぼに対して、前記プラズマ発生装置の放電電源１１に繋がった電極を各るつぼに隣接させて配置させることも可能である。

以上より、蒸発源真上にプラズマビームを輸送させる手段を設けることにより、蒸発源真上のプラズマ密度を増大させた結果、蒸発粒子のイオン化率を高めて膜質の向上という効果が期待できる。

また、本発明によれば、プラズマ発生装置からの電子が蒸発源からの蒸発粒子を横切るようにしたので、蒸発粒子のイオン化率を促進することができ、膜質の向上を図ることができる。

また、電極に放電電極から電圧を印加することにより、プラズマ発生装置から出射された電子を電極に引き込むことができ、プラズマのイオン化密度を高めて安定な膜質向上を図ることができる。

更に、電極とプラズマ発生装置の放電電源の間に電流量調整機を設けたことにより、るつぼ上で発生するプラズマの密度を間接的に調整することができ、安定な膜質の形成に寄与することができる。

尚、前述した様に、前記放電室３内の第１プラズマ１３中の電子の一部が前記電極１９に引き寄せられ、途中での衝突により蒸発物質の蒸気及び／又は放電ガスがイオン化し、前記るつぼ１２上に第３プラズマ３４が出来るのであるが、この様なプラズマ形成において、前記電極１９が時間が経つにつれて蒸発粒子の付着によって汚染される。特に、前記基板２３に絶縁膜を付着させる場合（例えば、前記蒸着材料１６自身が絶縁物質の場合、或いは、該蒸着材料が導電物質でプロセスガスが酸素の場合）には、前記電極１９の表面に絶縁物質の膜が付着してしまい、該電極の導電性が劣化し、第３プラズマ３４の形成に支障を来す。

この様な問題を解決するために、前記図１のボックス３１として、例えば、図２に示す様に、上面の一部に孔４１が開けられ、該孔に対向する下面に放電ガス流入用オリフィス４２が設けられた円筒状のボックス４３を使用し、該ボックスの内部に、該ボックスの中心軸Ｏを軸として回転する円板状のアノード４４を設け、駆動機構（図示せず）により該円板状アノード４４の回転軸４５を所定時間毎（間歇的）或いは連続的に回転させている。

この様に成せば、前記電極４４を著しい長時間、前記第３プラズマ３４の形成に支障なく使用することが可能になる。そして、前記孔４１の部分を通過する前記電極４４部分全体が許容汚染レベル近くに達したら、新しい円板状電極に交換すれば良い。

前記例は電極を回転させる構造のものであったが、前記図１のボックスとして、上面の一部に孔が開けられ、該孔に対向する下面に放電ガス流入用オリフィスが設けられた直方体状のボックスを使用し、該ボックスの内部に、該ボックスの長辺方向に沿って移動する長方形状（或いは帯状）の電極を設け、駆動機構（図示せず）により長方形状電極を所定時間毎（間歇的）に移動させる様に成しても良い。

又、前記例では、図２に詳細を示した前記電極１９，ボックス３１及びオリフィス３２を蒸発源の主構成要素であるるつぼ１２に隣接して設ける様にしたが、他の成膜用粒子源であるプロセスガス源の構成要素であるプロセスガス導入管（前記プロセスガス導入口１８に繋がった真空室９内の管）に隣接して設ける様にしても良いし、或いは、前記るつぼ１２と該プロセスガス導入管の両方に隣接して設ける様にしても良い。

１ カソード
２ アノード
３ ケース（放電室）
４ シールド
５ コイル
６ 電流量調整機
７ 電子銃
８ ガス導入口
９ 真空室
１０ カソード加熱電源
１１ 放電電源
１２ るつぼ
１３ 第１プラズマ
１４ 電界
１５ 第２プラズマ
１６ 蒸着材料
１７ 電子ビーム
１８ プロセスガス導入口
１９，４４ 電極
３２，４２ オリフィス
２０ 基板ドーム
２１ 回転軸
２３ 基板
３１，４３ ボックス
４０ 放電ガス
４１ 孔
４５ 回転軸

Claims (8)

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、前記カソードと前記アノードとの間に放電電圧を印加するための放電電源と、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アノードの開口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されたプラズマ発生装置を備え、前記真空室内に設けられた成膜用粒子源から発生された粒子に前記プラズマ発生装置からの電子を照射して成膜対象の基板と前記粒子源との間の空間に第２プラズマを発生させて前記基板の成膜を行う様に成した膜形成装置において、前記粒子源に隣接させて電極を配置し、該電極に正の電圧を印加して、前記第１プラズマ中の電子を該電極に引きつけることにより、前記第２プラズマと前記粒子源の間に第３プラズマを形成する様に成したことを特徴とする膜形成装置。
2. 前記粒子源の真横であって、前記第１プラズマからの電子が該粒子源からの粒子を横切る位置に前記電極を配置することを特徴とする請求項１記載の膜形成装置。
3. 前記電極は、前記第２プラズマ側から見て該電極の一部以外は見えない様に遮蔽体で覆われており、前記粒子源の中心軸に平行な軸を中心軸として間欠的に又は連続的に回転する円板状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の膜形成装置。
4. 前記電極は、前記第２プラズマ側から見て該電極の一部以外は見えない様に遮蔽体で覆われており、長手方向に沿って間欠的に又は連続的に移動する帯状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の膜形成装置。
5. 前記成膜用粒子源は、固体物質を溶融して蒸発させる蒸発源である請求項１記載の膜形成装置。
6. 前記成膜用粒子源は、プロセスガス源である請求項１記載の膜形成装置。
7. 前記電極は、前記プラズマ発生装置の放電電源から電圧が印加されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の膜形成装置。
8. 前記電極と前記放電電源の間に電流量調整機を設けたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の膜形成装置。

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