JP5959409B2

JP5959409B2 - 成膜装置及び成膜装置の動作方法

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Publication number: JP5959409B2
Application number: JP2012246104A
Authority: JP
Inventors: 谷口　明; 明谷口
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2032-11-08
Also published as: JP2014095111A

Description

本発明は、成膜処理対象の基板（基材）を収容する真空室内に放電室が設置され、真空室内部で発生するプラズマにより基板に成膜処理を行う成膜装置及び該成膜装置の動作方法に関する。

プラズマにより成膜処理を行う成膜装置においては、成膜処理室である真空室内に放電室が設置されたものがある。この放電室はプラズマ発生装置を構成し、該放電室内ではプラズマ（第１のプラズマ）が生成され、該プラズマ中の電子は真空室内に引き出される。

これにより、引き出された電子は、真空室内のプロセスガスや成膜粒子等に照射され、それらをイオン化するのに利用される。この結果、真空室内において、成膜処理に寄与するプラズマ（第２のプラズマ）が生成される。

このような成膜装置の概略的な構成を図１に示す。同図において、放電室を構成するケース３内に配置されたカソード１は、タングステン等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の電位は、フローティング電位となっている。

第１のアノード２は、碍子７に支持された状態で水冷されており、抵抗Ｒ１を介して放電電源１１に接続されている。

また、この第１のアノード２には、当該アノード２の表面を覆うように第２のアノード６が取り付けられている。この第２のアノード６は、第１のアノード２との熱抵抗が大きい状態で取り付けられており、水冷機構は設けられていない。

ケース３にはシールド４が固定されている。シールド４は、後述する電子ビームが通過するオリフィスを備えている。

ケース３の周囲には、コイル５が取り付けられている。このコイル５は、ケース３内部からビームの状態で電子が引き出される方向と平行な磁場を形成するための電磁石からなり、ケース３内で生成されたプラズマ１４を当該電子ビームの軸方向に集束させる作用を有する。なお、図中の１３は、コイル５に電流を供給するためのコイル電源である。

ここで、カソード１、第１のアノード２、第２のアノード６、ケース３、抵抗Ｒ１、カソード加熱電源１０及び放電電源１１により、放電回路が構成される。この放電回路は、直流電源１２を介して真空室９の側壁と接続されている。真空室９の側壁（内壁面を含む）は、アース電位になっている。

この直流電源１２は、バイアス電源として用いられ、真空室９の側壁の電位であるアース電位に対して正電位とされた一定の直流電圧をアノード２に印加することで、放電回路の基準電位を調整する。なお、ケース３には、ガス導入口８が設けられている。

以上の装置において、当該放電回路、シールド４、コイル５、碍子７及びコイル電源１３により、プラズマ発生装置（直流放電型プラズマ発生装置）が構成される。

次に、このような成膜装置の基本動作について説明する。

まず、真空室９に接続されている図示しない排気手段によって、真空室９内部及びケース３内部がそれぞれ所定の真空度まで真空引きされている状態において、ガス導入口８からケース３内にアルゴンガスを所定流量にて導入し、ケース３内の圧力を高める。また、これと同時にカソード加熱電源１０によりカソード１に電流を流し、カソード１を熱電子放出可能な温度まで加熱する。

次に、コイル電源１３によりコイル５に所定の電流を流して、ケース３内でのプラズマの点火と安定なプラズマの生成が得られるのに必要とされる磁場を発生させる。

この状態で、放電電源１１により、第１のアノード２及び第２のアノード６に所定の放電電圧（例えば、１５０Ｖ）を印加すると、それにより生じる加速電界１５によりケース３内部で電子が加速されて放電が開始され、ケース３内でプラズマ１４が生成される。

これによりケース３内で生成されたプラズマ１４中の電子は、コイル５が形成する磁場の作用によって上記軸方向に集束を受ける。さらに、当該電子は、シールド４のオリフィス上部に発生した加速電界１５により、電子ビームとして、ケース３から真空室９内へと導き出される。

これにより真空室９内に導き出された電子ビーム中の電子は、図示しないガス供給口から真空室９内に導入されたプロセスガスや真空室９内に存在する成膜粒子等をイオン化させる。これにより、真空室９内でプラズマ１６が形成される。

真空室９内における当該電子ビーム中の電子及びプラズマ１６中の電子は、真空室６の内壁（側壁）もしくは第２のアノード６に流れ込むこととなり、これにより真空室９内でのプラズマ放電が維持される。

ここで、バイアス電源（直流電源）１２による印加電圧の電圧値を上げることにより、放電回路全体の基準電位が上昇する。この結果、プラズマ１６中の電子はアノード６に向かって加速するとともに、プラズマ１６中のイオンはアース電位とされた真空室９の内壁面に向かって加速される。

そして、真空室９の内部であってその内壁面側に、成膜処理対象の基板（基材）２０を予め配置しておくことにより、基板２０の表面にイオンが到達して、基板２０への成膜処理が行われる。

特に、電子ビーム蒸着等の真空蒸着による薄膜形成時におけるイオンアシスト源として、このような放電室を用いることにより、緻密で高品質な薄膜を基板表面に形成することができる。

ここで、特許文献１には、真空室内のプラズマ中の電子がプラズマ発生装置（放電室）側に向かうようにアノード電位をコントロールすることにより、当該プラズマ中のイオンが基板に向けて照射されるようにする点が開示されている。

特許第４９８０８６６号公報

従来の直流放電型プラズマ発生装置においては、上述のごとく、直流電源をバイアス電源として放電回路のアノード電位を制御している。

これにより、ある閾値電圧以上のバイアス電圧が印加されると、アース電位面（真空室の内壁面）に形成された薄い酸化膜表面で、プラズマ中の正イオンが蓄積し、異常放電が発生することがあった。

このような場合には、真空室の内壁面側に配置された基板の表面に損傷が生じたり、プラズマ放電そのものが不安定なる。

この閾値電圧は、真空室内の圧力（真空度）や導入ガス種、放電電源からの印加電圧により変化するが、特に酸素ガスをプロセスガスとして真空室内に導入する反応性プロセスにおいては、異常放電が多発する傾向にある。

そのため、真空室内に配置された基板に対するイオン照射効果を高めたい場合であっても、バイアス電圧を異常放電が発生しない程度の低い電圧に抑える必要がある。

このように、バイアス電圧を低い電圧に抑えて成膜を行うと、基板表面に向かうイオンの加速が低下して、基板に対するイオン照射効果が低くなり、強度の高い緻密な膜を基板上に成膜することができないという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、真空室内でのプラズマの異常放電が発生しない状態で、緻密な膜を基板（基材）上に成膜することのできる成膜装置及び成膜装置の動作方法を提供することを目的とする。

本発明における成膜装置は、成膜処理対象の基材を収容し、内部で発生するプラズマにより基材に成膜処理を施す真空室と、真空室内に電子を導入するための放電室と、放電室内に配置されたカソードと、放電室の端部に配置されたアノードと、カソードとアノードとの間に放電電圧を印加するための放電用電源と、放電室内に放電用ガスを供給するための放電用ガス供給手段と、真空室の内壁の電位に対するアノードの電位を制御する制御用電源とを備える成膜装置であって、制御用電源は、アノードに周期的なパルス電圧を印加することを特徴とする。

本発明における成膜装置の動作方法は、成膜処理対象の基材を収容し、内部で発生するプラズマにより基材に成膜処理を施す真空室と、真空室内に電子を導入するための放電室と、放電室内に配置されたカソードと、放電室の端部に配置されたアノードと、カソードとアノードとの間に放電電圧を印加するための放電用電源と、放電室内に放電用ガスを供給するための放電用ガス供給手段と、真空室の内壁の電位に対するアノードの電位を制御する制御用電源とを備える成膜装置の動作方法であって、制御用電源は、アノードに周期的なパルス電圧を印加することを特徴とする。

本発明においては、制御用電源によってアノードにパルス電圧が印加される。これにより、パルス電圧の立ち上がり期間においては、真空室内で生成されたプラズマ中のイオンが、真空室内壁の電位であるアース電位面に向かって加速・照射される。

このとき、当該アース電位面に形成された酸化膜等に蓄積された正電荷は、当該パルス電圧における立ち下り期間中に、プラズマ中の電子により中和される。これにより、真空室内での異常放電の発生を確実に防ぐことができる。

これにより、当該パルス電圧の立ち上がり期間では高電圧が印加されることとなり、膜質の良い緻密な膜を基材上に成膜することができる。

従来技術における成膜装置を示す概略構成図である。本願発明における成膜装置を示す概略構成図である。印加されるパルス電圧の例を示す図である。

以下、図面を参照して、本願発明について説明する。図２は、本願発明に係る成膜装置を示す概略構成図である。

同図において、カソード１は、タングステン等の熱電子放出材料からなり、カソード電源１０に接続されている。ケース３は、放電室を構成し、フローティング電位となっている。

第１のアノード２は、碍子７により支持された状態で水冷され、放電電源１１に抵抗Ｒ１を介して接続されている。抵抗Ｒ１は、抵抗値としては０．２Ω〜０．５Ωの範囲に設定されている。

また、第１のアノード２には、該アノード２の表面を覆うように第２のアノード６が取り付けられている。この第２のアノード６は、第１のアノード２との熱抵抗が大きい状態となっており、水冷機構は設けられていない。シールド４は、ケース３に固定されており、電子ビームが通過するオリフィスを備えている。

ケース３の周囲には、コイル５が取り付けられている。このコイル５は、ケース３内部からビームの状態で電子が引き出される方向と平行な磁場を形成するための電磁石からなり、ケース３内で生成されたプラズマ１４を当該電子ビームの軸方向に集束させる作用を有する。図中の１３は、コイル５に電流を供給するためのコイル電源である。

上記構成において、カソード１、第１のアノード２、第２のアノード６、ケース３、抵抗Ｒ１、カソード加熱電源１０及び放電電源１１により、放電回路が構成される。

本発明においては、この放電回路がパルス電源２１を介して真空室９の側壁と接続されている。真空室９の側壁は、アース電位となっている。パルス電源２１は、アノード６に、当該アース電位に対してパルス状に正電位を印加することで、放電回路の基準電位を調整する。なお、ケース３には、ガス導入口８が設けられている。

以上の装置において、当該放電回路、シールド４、コイル５、碍子７及びコイル電源１３により、プラズマ発生装置が構成される。

次に、本成膜装置の動作について説明する。

この状態で、放電電源１１により、第１のアノード２及び第２のアノード６に所定の放電電圧（例えば、１５０Ｖ）を印加すると、それによる加速電界１５により電子が加速されて、ケース３内で放電が開始され、プラズマ１４が生成される。

これによりケース３内で生成されたプラズマ１４内の電子は、コイル５が形成する磁場の作用によって上記軸方向に集束を受ける。さらに、当該電子は、シールド４のオリフィス上部に発生した加速電界１５により、電子ビームとして、ケース３から真空室９内へと導き出される。

これにより導き出された電子ビーム中の電子は、図示しないガス供給口から真空室９内に導入されたプロセスガスや真空室９内に存在する成膜粒子等をイオン化させる。これにより、真空室９内でプラズマ１６が形成される。ここで、真空室９内には、その内壁面に沿う位置に基板２０が配置されている。

真空室９内に引き出された電子ビームの電子及びプラズマ１６中の電子は、真空室６の内壁（側壁）もしくは第２のアノード６に流れ込むこととなり、これにより真空室９内でのプラズマ放電が維持される。

このとき、本実施例においては、パルス電源２１により、放電回路におけるアノード６にパルス電圧が印加されている。

図３に、印加されるパルス電圧の例を示す。同図に示すパルス電圧においては、立ち上がり時での最大値Ｖ_１は２００Ｖであり、立ち下り時での最小値Ｖ_０は１００Ｖに設定されている。また、この例のパルス電圧の周波数は、１４０ｋＨｚとなっている。

このようなパルス電圧がアノード６に印加された状態において、パルス電圧の１サイクルにおける立ち上がり期間Ｔ_１では、アノード６の電位が正方向に上昇する。これにより、当該期間Ｔ_１においては、プラズマ１６中の電子はアノード６に優先的に流れ、一方、プラズマ１６中のイオンはアース電位面（真空室９の内壁面）に向かって加速されて到達する。

このとき、当該アース電位面に薄い酸化膜等が存在すると、局所的に正電荷が蓄積し、プラズマの異常放電を誘発することがあるが、本実施例においては、パルス電源２１から供給されるパルス電圧のduty比を調整することにより、プラズマポテンシャルをパルス的に変化させることができる。

これにより、プラズマ１６中のイオンと電子を交互に当該内壁面及び基板２０に引き寄せて、電気的な中和を行うことができる。このとき、パルス電圧のduty比の調整を行うことにより、この中和時間を制御することができ、プラズマの異常放電を抑制することが可能となる。

以下に、具体的な成膜条件の例について述べる。

まず、プラズマソースである放電室のケース３内にアルゴンガスを１０ｍＬ／分の流量で導入し、また、成膜処理室となる真空室９内にガス供給口（図示せず）からプロセスガスとして酸素ガスを供給する。このとき、真空室９内は真空引きされており、真空室９内の圧力を１．５×１０^−２Ｐａ程度とする。

さらに、カソード加熱電源１０によりカソード１を流れるフィラメント電流を４０Ａ程度とし、また、コイル電源１３によりコイル５を流れる電流を１６Ａ程度として、放電環境を整える。

この状態で、放電電源１１による放電電圧を１２０Ｖ、放電電流を２０Ａに設定し、放電室（ケース３）内で放電を発生させてプラズマ（第１のプラズマ）１４を生成し、これによる電子ビームを真空室９内に導入することによって、真空室９内でプラズマ（第２のプラズマ）１６を発生させる。

このような成膜条件の下で、パルス電源２１により、最大電圧値（Ｖ_１）２００Ｖ、最小電圧（Ｖ_２）１００Ｖ、duty比１０％〜５０％の条件で、放電回路のアノード６にパルス電圧を印加した場合には、真空室９内において異常放電は発生せず、安定なプラズマ放電の状態を維持することが確認された。

一方、同一の成膜条件の下において、パルス電源を使用せずに、直流電源による一定のバイアス電圧をアノード６に印加した場合には、印加電圧が１１０Ｖ程度で真空室９内のアース電位面での異常放電が多発し、放電発生部の損傷や放電痕が多数確認された。

このように、直流電源を当該バイアス電源として使用したときには、特に、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２及びＳｉＯ_２等の誘電体薄膜を電子ビーム蒸着法により単層又は複数層を蒸着する場合に、真空室９の内壁面に付着した誘電体膜の表面で異常放電が多発することとなる。

従って、直流電源をバイアス電源として使用した場合には、その印加電圧を抑える必要が生じ、プラズマアシスト効果も低減する。

これに対して、本実施例のようにパルス電源をバイアス電源として使用した場合には、出力電圧（アノード６への印加電圧）が立ち下がっている期間Ｔ_２に充電された電荷が、圧縮された状態で数μ秒のパルス立ち上がり時間Ｔ_１に一気に放出されるため、パルスの立ち上がりの間、高いエネルギーがアノード６へ供給されることとなる。

この場合には、異常放電を抑えつつプラズマアシスト効果も維持することができ、誘電体薄膜の成膜においては、バイアス電源に直流電源を使用したときと比較して、成膜される膜の屈折率等の膜質を向上させることが可能となる。

なお、本実施例において、上記パルス電源２１から出力されるパルス電圧の条件は、最大電圧値（Ｖ_１）として１１０Ｖ〜２００Ｖの範囲、最小電圧値（Ｖ_０）として７０Ｖ〜１００Ｖの範囲、周波数として３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲、duty比として１０％〜５０％の範囲での設定が可能である。

本発明の成膜装置は、成膜処理対象の基材２０を収容し、内部で発生するプラズマ１６により基材２０に成膜処理を施す真空室９と、真空室９内に電子を導入するための放電室３と、放電室３内に配置されたカソード１と、放電室３の端部に配置されたアノード６と、カソード１とアノード６との間に放電電圧を印加するための放電用電源１１と、放電室３内に放電用ガスを供給するための放電用ガス供給手段８と、真空室９の内壁の電位（アース電位）に対するアノード６の電位を制御する制御用電源２１とを備え、制御用電源２１は、アノード６にパルス電圧を印加する
本発明においては、真空室９内での成膜処理時に、アノード電極６とアース電位面との間にパルス電圧を印加することにより、アース電位面である真空室９の内側面での異常放電をなくすことができ、安定なプラズマ放電を維持することができる。

また、パルス電圧を出力するパルス電源の持つ放電特性から、プラズマからのイオンアシスト効果を維持もしくは向上させることが可能となる。

１…カソード、２…第１のアノード、３…ケース、４…シールド、５…コイル、６…アノード、７…碍子、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…直流電源、１３…コイル電源、１４…第１のプラズマ、１５…加速電界、１６…第２のプラズマ、２０…基板、２１…パルス電源

Claims

成膜処理対象の基材を収容し、内部で発生するプラズマにより基材に成膜処理を施す真空室と、真空室内に電子を導入するための放電室と、放電室内に配置されたカソードと、放電室の端部に配置されたアノードと、カソードとアノードとの間に放電電圧を印加するための放電用電源と、放電室内に放電用ガスを供給するための放電用ガス供給手段と、真空室の内壁の電位に対するアノードの電位を制御する制御用電源とを備える成膜装置であって、制御用電源は、アノードに周期的なパルス電圧を印加することを特徴とする成膜装置。
前記パルス電圧の最大値は、１１０Ｖ〜２００Ｖの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
前記パルス電圧の最小値は、７０Ｖ〜１００Ｖの範囲にあることを特徴とする請求項２記載の成膜装置。
前記パルス電圧の周波数は、３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項３記載の成膜装置。
前記パルス電圧のduty比は、１０％〜５０％の範囲にあることを特徴とする請求項４記載の成膜装置。
成膜処理対象の基材を収容し、内部で発生するプラズマにより基材に成膜処理を施す真空室と、真空室内に電子を導入するための放電室と、放電室内に配置されたカソードと、放電室の端部に配置されたアノードと、カソードとアノードとの間に放電電圧を印加するための放電用電源と、放電室内に放電用ガスを供給するための放電用ガス供給手段と、真空室の内壁の電位に対するアノードの電位を制御する制御用電源とを備える成膜装置の動作方法であって、制御用電源は、アノードに周期的なパルス電圧を印加することを特徴とする成膜装置の動作方法。
前記パルス電圧の最大値は、１１０Ｖ〜２００Ｖの範囲にあることを特徴とする請求項６記載の成膜装置の動作方法。
前記パルス電圧の最小値は、７０Ｖ〜１００Ｖの範囲にあることを特徴とする請求項７記載の成膜装置の動作方法。
前記パルス電圧の周波数は、３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項８記載の成膜装置の動作方法。
前記パルス電圧のduty比は、１０％〜５０％の範囲にあることを特徴とする請求項９記載の成膜装置の動作方法。