JP6298328B2 - 成膜装置、プラズマガン、および、薄膜を備えた物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマガンを用いた成膜装置に関する。

圧力勾配型プラズマガンを用いた強誘電体膜の製造装置が特許文献１に開示されている。圧力勾配型プラズマガンは、チャンバー内部に高密度なアーク放電プラズマを発生・維持することができる。このアーク放電プラズマを用いて雰囲気ガスや材料蒸気を活性化することで、誘電特性に優れたＰｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３（ＰＺＴ）膜などを製造することができることが開示されている。

また、特許文献２には、つば部を有するアノードカバーをアノードに取り付けることにより、アノードの貫通孔の内壁領域に成膜粒子が堆積するのを防ぐ構成が開示されている。

特許第４１３８１９６号公報 特開２０１３−６５４１７号公報

プラズマガンは、アノードが最もチャンバー（成膜室）に近いため、アノードのチャンバー側の面は、チャンバー内の蒸発源等から飛来する材料蒸気に晒され、膜が形成される。特に半導体や絶縁体材料を成膜する場合はアノードに高抵抗な膜が付着する場合が多く、アノードが絶縁化する。これにより放電電流が不安定になり、プラズマ発生中に突然放電が消失したり、プラズマガンの大気側で放電が発生してプラズマガンを損傷するなどの問題が発生する。またプラズマが不安定になると、成膜できた場合でも所望の特性を有する薄膜が出来なかったり、不純物の混入や異相が発生したりする。

また、特許文献２に記載の、つば部を有するアノードカバーは、つば部が成膜粒子を遮蔽することによってアノード貫通孔の内壁領域へ成膜粒子が付着するのを防止する。そのため、つば部には成膜粒子が付着するため、つば部から付着した成膜粒子を定期的に除去するメンテナンスが必要である。

本発明の目的は、電子が流入する電極に成膜粒子が付着しにくく、長期間放電を維持することができるプラズマガンを用いた成膜装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の成膜装置は、成膜室と、成膜室に接続されたプラズマガンとを有する成膜装置が提供される。プラズマガンは、軸方向に沿って順に配置された、カソードと、前記成膜室に向かって突出した部分を含むアノードとを備える。

本発明によれば、アノードの突出した部分に、プラズマ中の電子が流れ込み、突出した部分が高い温度に維持されるため、成膜粒子は付着しにくく、長期間放電を維持することができる。

実施形態の成膜装置の全体構造を示す説明図。 実施形態のプラズマガンの断面構造と電子の軌道を示す説明図。

以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、成膜装置の全体構成の一例を示す説明図であり、図２は、プラズマガンの一例の断面図である。

本実施形態の成膜装置は、図１、図２に示すように、成膜室１１と、成膜室１１に接続されたプラズマガン１０とを有する。プラズマガン１０は、軸方向に沿って配置された、カソード１と、成膜室に向かって突出した部分（６）を含むアノード５０とを含む。

このように、アノード５０は、成膜室１１側に向かって突出した部分（６）を有するため、プラズマガン１０から成膜室１１内に引き出されたプラズマに含まれる電子は、突出した部分（６）に集中して到達して、アノード５０内に流入する。電子の流入により、突出した部分（６）には電流が流れ、突出した部分（６）は加熱される。これにより、突出した部分（６）に成膜粒子が到達しても、高温であるため成膜粒子が付着しにくくなり、突出した部分（６）の全体が成膜粒子で覆われるのを防ぐことができる。よって、成膜粒子が絶縁体や半導体であっても、突出した部分（６）は少なくとも一部が露出された状態に保たれ、放電を維持することができる。また、突出した部分（６）の温度が高くなることにより、突出した部分（６）の電気抵抗が低下し、電子は突出した部分（６）にいっそう多く流入しやすくなり、突出した部分（６）の温度を高温に維持することができる。よって、成膜粒子が、よりいっそう突出した部分（６）に付着しにくくなり、突出した部分（６）が成膜粒子に覆われるのを防ぐことができる。

アノード５０は、成膜室に向かって突出した部分（以下、電極６と呼ぶ）と、電極６よりもカソード１側に配置され、電極６と接触したアノード基部５とを含む構成としてもよい。電極６とアノード基部５との接触面積は、プラズマガンのプラズマ発生中に電極６がアノード基部５よりも高温となるように設定されている。このとき、電極６は、アノード基部５と接触しているため、アノード基部５とほぼ等電位である。よって、電極６は、電気的にはアノード基部５とともにアノード５０を構成する。プラズマガン１０から成膜室１１内に引き出されたプラズマに含まれる電子は、電極６の突出した形状の部分に集中して到達し、電極６内に流入する。電子の流入により、電極６には電流が流れ、電極６は加熱される。このとき、アノード基部５と電極６との接触面積が調整されているため、電極６からアノード基部５への熱伝導量が調整でき、電極６の温度をアノード基部５よりも高くすることができる。これにより、電極６に成膜粒子が到達しても電極６が高温であるため付着しにくくなり、電極６は少なくとも一部が露出された状態に保たれ、放電を維持することができる。また、電極６の温度が高くなることにより、電極６の電気抵抗が低下し、電子は電極６にいっそう多く流入しやすくなる。

本実施形態の成膜装置について具体的に説明する。

図１のように、成膜室（チャンバー）１１内には、成膜すべき基板（成膜対象）１４を支持する基板ホルダー１３と、材料ガスや反応ガスの導入管１７と、１以上の蒸発源１２と、蒸発源１２の加熱装置（不図示）が配置されている。基板ホルダー１３には、基板１４を加熱するためのヒーターが内蔵されている。蒸発源１２は、成膜室１１の底面に配置されている。また、成膜室１１には、内部を排気するための排気装置（真空ポンプ）が接続されている。

成膜室１１の側面にはプラズマガン１０が備えられている。プラズマガン１０からプラズマ軸１０に沿って成膜室１１内にプラズマ１０５が引き出される。プラズマ１０５は、成膜室１１内の雰囲気を活性化する。これにより蒸発源１２を電子ビームにより加熱した場合には、イオンプレーティングにより基板１４上に膜を形成することができる。導入管１７から原料ガスを成膜室１１内に導入した場合には、プラズマＣＶＤにより基板１４上に膜を形成することができる。

プラズマガン１０は、図２のように、筒状のプラズマガン容器１０３に、カソード１、第１中間電極２、第２中間電極３、第３中間電極４、アノード基部５および電極６をプラズマ引き出し軸１０１に沿って順に配置した構造である。アノード基部５と電極６は、アノードを構成している。なお、ここでは、中間電極の数を３としているが、中間電極の数は、放電ガスの種類によって、最も安定して放電が生じる数を選択することができる。カソード１、第１中間電極２、第２中間電極３、第３中間電極４、アノード基部５は、不図示のガイシによって相互に絶縁されている。アノード基部５の外周側には、プラズマ１０５をガイドする磁界を発生する空芯コイル８が配置されている。

アノード基部５には、冷却部５ａが備えられている。例えば、冷却部５ａとしては、アノード基部５内に冷却水を流す水冷構造（空洞）を採用することができる。カソード１、第１、第２および第３中間電極２、３および４にもそれぞれ、水冷等の冷却部１ａ，２ａ，３ａ，４ａが備えられている。

カソード１は、アーク放電に適した公知のカソード構造である。カソード１には放電ガスの導入口１０２が備えられている。

第１、第２および第３中間電極２、３、４ならびに、アノード基部５は、それぞれ円筒形であり、中央に所定の径の貫通孔（オリフィス）を有している。これら貫通孔がプラズマガン容器１０３の圧力を成膜室１１よりも陽圧に維持し、圧力勾配を形成する。これにより、プラズマガン１０は、圧力勾配型のプラズマガンを構成している。

アノード基部５には、上述したように電極６が接続されている。電極６は、図２に示したように、プラズマ軸１０１に軸方向が一致するように配置された円筒６ａと、中央に貫通孔を備えた円盤６ｂとを連結した構造である。円盤６ｂは、円筒６ａのアノード基部５側の端部に連結されている。円盤６ｂのアノード基部５側の表面は、所定の面積でアノード基部５と接触している。よって、電極６は、アノード基部５の成膜室１１側の側面から、成膜室１１に向かって、円筒６ａの端部が突出した形状で設置されている。電極６の端部形状は、成膜室１１に向かって突出する形状であればどのような形状でもよく、先端が針状であってもよい。また、電極６のアノード基部５との接触部は、開口を有する円盤でなくてもよく、アノード基部５と電気的な接触が十分取れる形状であればよい。例えば、棒状の電極６をアノード基部５に挿入してよい。また、外径がアノード基部５の貫通孔の内径とほぼ等しい円筒を電極６として用い、アノード基部５の貫通孔に挿入して、接触させる構成にしてもよい。この場合、円筒状の電極６をアノード基部５に挿入する深さにより、電極６とアノード基部５との接触面積を調整することができる。

電極６には、成膜室１１側の先端(円筒の端部）にプラズマ１０５から電子が集中的に到達し、電子が流れ込む。これにより電極６に電流が流れ、この電流によって電極６は加熱される。電極６は、冷却部５ａにより冷却されたアノード基部５と接触しているため、電極６の熱はアノード基部５に伝導して冷却される。電極６とアノード基部５との接触面積は、プラズマガン１０のプラズマ発生中に電極６がアノード基部５よりも高温となるように設定されている。特に、電極６とアノード基部５との接触面積が、プラズマガン１０のプラズマ発生中の電極６の温度が、成膜室で成膜される材料がプラズマガン内の真空度において蒸発する温度以上となるように設計されていることが好ましい。これによって、電極６の表面に到達した成膜粒子は、電極６の熱により再蒸発するため、プラズマ発生中に着膜して電極６が高抵抗化することを防ぐことができる。具体的には例えば、電極６の温度は、１０００℃以上であることが望ましく、２０００℃以上である場合にはさらに望ましく、２５００℃以上である場合には、特に望ましい。なお、電極６とアノード基部５の接触面積は、実験や計算により、上記温度になるように予め求めて設定しておく。

電極６は、高融点（例えば１０００℃以上）で、導電性のある材料で構成されている。特に、低電気抵抗の金属であることが望ましい。具体的には、例えば、カーボン、タングステン、および、モリブデンのうちの１以上を含む材料によって電極６を形成することができる。電極６を低電気抵抗の金属により形成することにより、電極６がアノード基部５と同電位となり、電気的にはアノード５０として作用する。また、高融点金属で形成されているため、高温になっても溶融や変形を生じない。

本実施形態では、高温に加熱された電極６から熱が放射（輻射）されて、周辺のプラズマガン容器１０３や成膜室（チャンバー）１１を加熱することを防止するために、図２に示すように、アノード５０と成膜室１１との間に、冷却部７を配置している。冷却部７の冷却により、プラズマ容器１０３と成膜室（チャンバー）１１との接続部１２の真空保持部材（Ｏリング等）が加熱により劣化するのを防止することができる。例えば、冷却部７としては、図２のように水冷フランジを用いることができる。特に、冷却部７（水冷フランジ）が、図２のように成膜室１１の内部まで突出する形状にすることにより、成膜室１１の壁面に、電極６からの放射熱が到達するのを遮断することができる。よって、放射熱は真空室１１のプラズマ１０５の軸方向にのみ到達することができる。プラズマ１０５の軸方向は、プラズマ１０５によって高温状態にあるため、電極６からの熱が放射されても問題を生じない。

カソード１とアノード基部５には、図１に示したように、直流電源１６が接続されている。第１、第２および第３中間電極２、３、４は、適切な抵抗値のホーロー抵抗２１、２２、２３を介して直流電源１６の正極と接続されている。ホーロー抵抗２１、２２、２３の値は、第１、第２および第３中間電極２、３、４が、カソード１側からアノード５０側に近づくにつれ高い電位になるように設定されている。これにより、成膜室１１内にプラズマを引き出すことができる。

また、第２中間電極３には、磁石３ｂが内蔵されている。磁石は磁界を発生し、プラズマを収束させる。これにより、プラズマは、第１〜第３中間電極２〜４およびアノード５０の貫通孔（オリフィス）を通過する。

以下、図１の装置を用いて、プラズマを発生させ、基板上に成膜を行う際の各部の動作について説明する。

基板ホルダー１３に基板１４を取り付け、蒸発源１２には、所定の固体原料を配置する。導入管１７に、所定の材料ガスや反応ガスの供給源を接続する。プラズマガン１０の内部および成膜室１１内を所定の圧力まで排気する。プラズマガン１０にＡｒガス、Ｈｅガス等の放電ガスを供給し、直流電源１６からカソード１、第１、第２および第３の中間電極２，３、４ならびにアノード５０に電圧を印加する。この電圧印加によって、プラズマガン１０内の放電ガスが電離し、グロー放電プラズマが発生する。放電電流を徐々に増加させると、カソード１内の陰極が放電電流によって加熱され、熱陰極となって大電流を発生させる状態となり、プラズマガン１０内は、アーク放電プラズマに移行する。

プラズマガン１０のアーク放電プラズマ１０５の電子は、第１、第２および第３中間電極２，３，４、ならびに、アノード５０の電位差によって加速されながら、中間電極２〜４の貫通孔を通過して、さらにアノード５０を通過して成膜室１１内まで到達する。成膜室１１内に到達した電子は、反応ガスや材料ガス、蒸発源１２からの材料蒸気にエネルギーを与え、活性化する。活性化された材料蒸気や材料ガスや反応ガス（成膜粒子）が基板１４上に到達することによって、イオンプレーティングやプラズマＣＶＤにより高品質な膜を成膜することができる。

プラズマ１０５内の電子は、成膜室１１の空間電荷によって反射され、電極６の先端部に集中的に到達する。これにより、放電を維持する。電極６の先端部に集中して到達することにより、電極６に安定して電流が流れやすくなり、放電を安定して維持することができる。また流れ込んだ電流によって電極６が加熱され、例えば１０００℃以上の高温状態に維持される。よって、電極６に到達した材料蒸気は、電極６の表面で再蒸発するため、電極６に着膜せず、電極６が成膜粒子で覆われることがない。よって、電極６が高抵抗化することを防ぐことができる。また、電極６が高温になることにより、低電気抵抗化するため、ますます電子が集中して電極６に到達する。よって、電極６に、さらに安定した電流が流れ、放電が安定して維持される。

また、第１〜第３中間電極２，３，４の貫通孔（オリフィス）は、通過するガスのコンダクタンスを小さくし、カソード１の領域とアノード５０の領域との間に圧力差（圧力勾配）を形成する。これにより、カソード１の領域の圧力を高い圧力、アノード５０の領域を低圧力に保ち、カソード１の領域でのイオンの平均自由行程を短くすることができる。よって、アノード領域からのイオン逆流衝突によるカソード１の損傷を避けることができる。また、カソード１の領域に、成膜室１１側から化学的活性気体が流入するのを防止でき、カソードの化学的損傷が避けられる。

また、空芯コイル８は、プラズマをガイドする磁界を発生する。偏りのない均質なプラズマを、まっすぐに真空容器１１に引き出すことができる。

また、水冷部（水冷フランジ）７は、電極６からの放射熱を遮断し、プラズマガンと成膜室１１との接続部１２の真空保持部材や、成膜室１１自体が熱により損傷を防止することができる。結果として、プラズマの安定的な維持に貢献する。

このように、本実施形態では、アノード基部５に電気的に接続され、かつ、放電電流によって高温に加熱される電極６を設けることにより、絶縁膜の成膜を継続した場合であっても、原材料蒸発源から飛来する蒸気が電極６に着膜を防止できる。また、冷却部（水冷フランジ）７を設けたことにより、電極６からの放射熱を遮断し、成膜室の熱による損傷を防ぐことができる。したがって、成膜中にプラズマを安定的に維持でき、良質な薄膜を再現性よく製造できる。また、放電初期のプラズマを安定させることができるので、プラズマを発生してから所望の放電電流まで到達するまでの時間が短縮できる。

ここで、図１の装置を用いてペロブスカイト型酸化物強誘電体（ＰＺＴ）膜を製造する方法について説明する。蒸発源１２の材料として、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉの各金属を用意する。これらは、別々の電子ビームにより独立に加熱する構造とする。

まず、プラズマガン１０にＨｅガスをキャリアガスとして導入し、直流バイアス電圧を印加することにより、アーク放電を発生させる。アーク放電で生成した高密度プラズマを、成膜室１１内に導く。この状態で、導入管１７よりＯ_２ガスを反応ガスとして導入することにより、成膜室１１内に高密度の酸素プラズマ及び酸素ラジカルを生成する。

ＨｅとＯ_２の混合プラズマの存在下で、蒸発源１２の原料金属の蒸気と混合プラズマ中の酸素ラジカルとを反応させながら基板１４上に堆積させることにより、ＰＺＴの薄膜作製を行うことができる。基板１４は、基板ホルダー１３内の加熱ヒーターにより所定の温度に加熱する。３つの蒸発源１２の出力を制御することにより、ペロブスカイト型酸化物強誘電体（結晶構造単相）のＰＺＴ膜を備えた物品を製造することができる。この薄膜作成方法では、膜成長に効果的な酸素ラジカル量を増大させることができるため、大きな成膜速度で、ＰＺＴ膜を成長させることが可能である。

なお、本実施形態の成膜装置で成膜することのできる膜は、ＰＺＴ膜に限られるものではなく、ＳｉＯ_２膜やＴｉＯ_２膜等の酸化物、Ｓｉおよび透明導電等の所望の膜を成膜することができる。本発明のプラズマガンを用いた成膜方法は、成膜する膜が絶縁膜であっても安定して放電を維持できるため、絶縁性薄膜の成膜であって、特に高い成膜レートが求められる物の製造に好適である。例えば、ヘッドランプのポリカーボネート（ＰＣ）レンズ用ハードコート、窓等のＰＣ透明建材用ハードコート、ならびに、自動車のＰＣ使用窓用ハードコートを備えた物品の製造に好適である。

また、本実施形態では、プラズマガン１０から成膜室１１に引き出されたプラズマが、プラズマガン１０のアノード５０に戻る反射型の成膜装置について説明したが、アノード５０を成膜室１１内に配置する直進型の成膜装置に本発明を適用することができる。直進型の場合、プラズマガン１０が成膜室１１に接続された位置に、向かい合う成膜室１１内の位置にアノード５０を配置する。アノード５０の突出した部分（電極６）は、プラズマガン１０に向かって突出するように配置する。これにより、プラズマガン１０から引き出されたプラズマは、成膜室１１内の対向する位置に配置されたアノード５０の突出した部分（電極６）に到達し、突出した部分（電極６）が加熱される。よって、突出した部分(電極６）には成膜粒子が付着しにくく、放電が維持できる。

１…カソード、２…第1中間電極、３…第２中間電極、４…第３中間電極、５…アノード、６…電極、７…冷却部（水冷フランジ）、８…空芯コイル、１１…成膜室、１２…蒸発源、１３…基板ホルダー、１４…基板、１７…導入管、１６…直流電源、２１，２２、２３…ホーロー抵抗、１０１…プラズマ軸、１０２…放電ガス導入口、１０３…プラズマガン容器

Claims (9)

1. 成膜室と、前記成膜室に接続されたプラズマガンとを有し、
   前記プラズマガンは、軸方向に沿って配置された、カソードと、前記成膜室に向かって突出した部分を含むアノードと、を備え、前記アノードと前記成膜室との間には、冷却部が配置されていることを特徴とする成膜装置。
2. 請求項１に記載の成膜装置において、前記アノードは、前記成膜室に向かって突出した電極と、前記突出した電極よりもカソード側に配置され、前記電極と接触したアノード基部とを含み、
   前記電極と前記アノード基部との接触面積は、前記プラズマガンのプラズマ発生中の前記電極の温度が、前記成膜室で成膜される材料が前記プラズマガン内の真空度において蒸発する温度以上となるように設計されていることを特徴とする成膜装置。
3. 請求項１または２に記載の成膜装置において、前記アノードは、前記成膜室に向かって突出した電極と、前記突出した電極よりもカソード側に配置され、前記電極と接触したアノード基部とを含み、
   前記アノード基部は、円筒状であり、前記電極は、前記成膜室に向かって突出する部分が円筒状であることを特徴とする成膜装置。
4. 成膜室のプラズマガン取付部に対して、接続部を設けて取り付けるプラズマガンであって、
   前記プラズマガンは、筒状のプラズマガン容器に軸方向に沿って順に配置された、カソードと、１以上の中間電極と、アノードとを含み、前記アノードが前記成膜室側となるように配置され、
   前記アノードは、前記中間電極とは逆側に向かって突出した形状であり、前記アノードと前記接続部との間には、冷却部が配置されていることを特徴とするプラズマガン。
5. 請求項４に記載のプラズマガンにおいて、前記アノードは、前記中間電極とは逆側に向かって突出した電極と、前記突出した電極よりも中間電極側に配置され、前記電極と接触したアノード基部とを含み、
   前記電極と前記アノード基部との接触面積は、前記プラズマガンのプラズマ発生中に前記電極が前記アノード基部よりも高温となるように設定されていることを特徴とするプラズマガン。
6. 請求項１に記載の成膜装置を用いて、前記成膜装置内に設けた成膜対象に薄膜を形成し、薄膜を備えた物品を製造する方法であって、
   前記プラズマガンとして、軸方向に沿って順に配置された、カソードと、１以上の中間電極と、前記成膜室に向かって突出した部分を含むアノードとを備えたものを用いて、前記プラズマガンから前記成膜室にプラズマを引き出し、
   前記プラズマ発生中に、前記成膜室のプラズマに含まれる電子の少なくとも一部を前記アノードの突出した部分に流入させ、前記アノードのうち前記突出した部分に生じる電流により前記突出した部分の温度を、前記突出した部分よりも前記中間電極側に位置するアノード基部より高温に維持しながら成膜を行うことを特徴とする薄膜を備えた物品の製造方法。
7. 請求項６に記載の薄膜を備えた物品の製造方法において、前記電子により、前記アノードの前記突出した部分を、前記薄膜の材料が前記突出した部分の少なくとも一部に付着しない温度以上に加熱することを特徴とする薄膜を備えた物品の製造方法。
8. 請求項６または７に記載の薄膜を備えた物品の製造方法において、前記電子により、前記突出した部分を、前記薄膜の材料が前記プラズマガン内の真空度において蒸発する温度以上に加熱することを特徴とする薄膜を備えた物品の製造方法。
9. 請求項６ないし８のいずれか１項に記載の薄膜を備えた物品の製造方法において、前記薄膜は、酸化物薄膜、または、ペロブスカイト型酸化物強誘電体であることを特徴とする薄膜を備えた物品の製造方法。

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