JP7185487B2 - 負イオン生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、負イオン生成装置に関する。

プラズマを用いて負イオンを生成する負イオン生成装置として特許文献１に記載されたものが知られている。この負イオン生成装置は、チャンバー内でプラズマを生成し、チャンバー内に負イオンの原料を供給することにより、チャンバー内で負イオンを生成している。

特開２０１７－０２５４０７号公報

ここで、チャンバー内でプラズマを生成すると、負イオンのみならず電子もチャンバー内で生成される。例えば、チャンバー内にて、負イオンの生成が進行しておらず、大量の電子が存在している状態では、対象物に対して負イオンを照射する時に、電子も合わせて対象物に照射されてしまう。対象物に対して大量の電子が照射されると、対象物が高温となる可能性がある。従って、対象物に対して負イオンを照射する時は、大量の電子が対象物に照射されることを回避できる適切なタイミングにて負イオンを照射することが求められている。

そこで本発明は、適切なタイミングで負イオンを対象物に照射できる負イオン生成装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る負イオン生成装置は、プラズマを用いて負イオンを生成して対象物に照射する負イオン生成装置であって、対象物を収納し内部で負イオンの生成が行われるチャンバーと、チャンバー内において、プラズマを生成するプラズマガンと、チャンバー内の電位を測定する電位測定部と、対象物に正の電圧を印加可能な電圧印加部と、負イオン生成装置の制御を行う制御部と、を備え、制御部は、プラズマガンのプラズマの生成を停止した後、電位測定部の測定結果に基づいて、電圧印加部による電圧の印加を制御する。

本発明に係る負イオン生成装置では、プラズマガンがチャンバーの内部でプラズマを生成することにより、チャンバーの内部で負イオンを生成することができる。また、電圧印加部が対象物に正の電圧を印加し、チャンバー内の負イオンが対象物側へ導かれることで、負イオンが対象物に照射される。ここで、プラズマガンのプラズマの生成が停止された後は、電子が負イオンの原料に付着し易くなることで、負イオンの生成が進行する。従って、チャンバー内にて負イオン及び電子が増減するため、チャンバーの内部の電位が変動する。このため、チャンバー内の電位を測定する電位測定部の測定結果により、負イオンを対象物に照射する適切なタイミングを把握することができる。従って、制御部は、プラズマガンのプラズマの生成を停止した後、電位測定部の測定結果に基づいて、電圧印加部による電圧の印加を制御する。これにより、制御部は、大量の電子が対象物に照射されることを回避できるタイミングにて、負イオンを対象物に照射することができる。以上により、適切なタイミングで負イオンを対象物に照射できる。

制御部は、電位測定部の測定結果に基づき、電位が上昇して下降したタイミングにて、電圧印加部による電圧の印加を開始してよい。電位が上昇して下降したタイミングは、プラズマの生成を停止した後、ある程度負イオンの生成が進行したタイミングである。よって、制御部は、当該タイミングで電圧の印加を開始することで、負イオンの生成が進行したタイミングで負イオンを対象物に照射できる。

制御部は、電位測定部の測定結果に基づき、電位が下降し、当該下降のピークを迎えたタイミングにて、電圧印加部による電圧の印加を開始してよい。電位の下降のピークを迎えたタイミングは、プラズマの生成を停止した後、生成された負イオンの量がピークとなるタイミングに近い。よって、制御部は、当該タイミングで電圧の印加を開始することで、多くの負イオンが存在するタイミングで負イオンを対象物に照射できる。

制御部は、電位測定部の測定結果に基づき、電位が上昇したタイミングにて、電圧印加部による電圧の印加を開始してよい。この場合、電位が上昇して下降したタイミング、電位が下降して下降のピークを迎えたタイミングで印加を開始する場合に比して、より多くの負イオンを対象物に照射することが可能である。ただし、電位が上昇して下降したタイミング、電位が下降して下降のピークを迎えたタイミングで印加を開始する場合に比べると、多くの電子が混在した照射になる可能性があるため、電子照射を許容できる対象物であることが望ましい。

電位測定部は、対象物の周辺の空間の電位を測定してよい。この場合、負イオンの照射対象である対象物付近の状況に基づいた制御を行うことが可能となる。

制御部は、プラズマガンのプラズマの生成、及び当該プラズマの生成の停止による負イオンの生成を繰り返し行い、毎回の負イオンの生成において、電位測定部は電位の測定を行い、且つ、制御部は電位測定部の測定結果に基づいて、電圧印加部による電圧の印加を制御してよい。電圧印加部による電圧の印加を行うと、チャンバー内のプラズマの状態へ影響が及ぼされる。例えば、１回目の負イオンの生成と、２回目の負イオンの生成との運転条件が同じであったとしても、両者の間では、プラズマの生成の停止後に負イオンが生成されるタイミングが変化する場合がある。従って、毎回の負イオンの生成において、電位測定部による測定、及び測定結果に基づく電圧の印加の制御が行われることで、適切なタイミングで負イオンを対象物に照射できる。

本発明によれば、適切なタイミングで負イオンを対象物に照射できる負イオン生成装置を提供するができる。

本発明の実施形態に係る成膜・負イオン生成装置の構成を示す概略断面図であって、成膜処理モードにおける動作状態を示す図である。 図１の成膜・負イオン生成装置の構成を示す概略断面図であって、負イオン生成モードにおける動作状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る成膜・負イオン生成装置における制御部の制御内容を示すフローチャートである。 図４（ａ）は、負イオン生成時における真空チャンバーの空間内の所定箇所における浮遊電位を示すグラフであり、図４（ｂ）は、真空チャンバーの空間内の所定箇所における負イオンの単位平方面積あたりの数を示す。 プラズマの生成が停止された直後の浮遊電位の様子を示すグラフである。 電位測定部の電極部の変形例を示す図である。 本発明の実施形態に係る成膜・負イオン生成装置における制御部の制御内容を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態に係る成膜装置について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る成膜・負イオン生成装置の構成について説明する。図１及び図２は、本実施形態に係る成膜・負イオン生成装置の構成を示す概略断面図である。図１は、成膜処理モードにおける動作状態を示し、図２は、負イオン生成モードにおける動作状態を示している。なお、成膜処理モード及び負イオン生成モードの詳細については後述する。

図１及び図２に示すように、本実施形態の成膜・負イオン生成装置１は、いわゆるイオンプレーティング法に用いられるイオンプレーティング装置である。なお、説明の便宜上、図１及び図２には、ＸＹＺ座標系を示す。Ｙ軸方向は、後述する成膜対象物が搬送される方向である。Ｘ軸方向は、成膜対象物と後述するハース機構とが対向する位置である。Ｚ軸方向は、Ｙ軸方向とＸ軸方向とに直交する方向である。

成膜・負イオン生成装置１は、成膜対象物１１の板厚方向が略鉛直方向となるように成膜対象物１１が真空チャンバー１０内に配置されて搬送されるいわゆる横型の成膜・負イオン生成装置であってもよい。この場合には、Ｚ軸及びＹ軸方向は水平方向であり、Ｘ軸方向は鉛直方向且つ板厚方向となる。なお、成膜・負イオン生成装置１は、成膜対象物１１の板厚方向が水平方向（図１及び図２ではＸ軸方向）となるように、成膜対象物１１を直立又は直立させた状態から傾斜した状態で、成膜対象物１１が真空チャンバー１０内に配置されて搬送される、いわゆる縦型の成膜・負イオン生成装置であってもよい。この場合には、Ｘ軸方向は水平方向且つ成膜対象物１１の板厚方向であり、Ｙ軸方向は水平方向であり、Ｚ軸方向は鉛直方向となる。本発明の一実施形態に係る成膜・負イオン生成装置は、以下、横型の成膜・負イオン生成装置を例として説明する。

成膜・負イオン生成装置１は、真空チャンバー１０、搬送機構３、成膜部１４、負イオン生成部２４、電圧印加部９０、電位測定部１１０、及び制御部５０を備えている。

真空チャンバー１０は、成膜対象物１１を収納し成膜処理を行うための部材である。真空チャンバー１０は、成膜材料Ｍａの膜が形成される成膜対象物１１を搬送するための搬送室１０ａと、成膜材料Ｍａを拡散させる成膜室１０ｂと、プラズマガン７からビーム状に照射されるプラズマＰを真空チャンバー１０に受け入れるプラズマ口１０ｃとを有している。搬送室１０ａ、成膜室１０ｂ、及びプラズマ口１０ｃは互いに連通している。搬送室１０ａは、所定の搬送方向（図中の矢印Ａ）に（Ｙ軸に）沿って設定されている。また、真空チャンバー１０は、導電性の材料からなり接地電位に接続されている。

成膜室１０ｂは、壁部１０Ｗとして、搬送方向（矢印Ａ）に沿った一対の側壁と、搬送方向（矢印Ａ）と交差する方向（Ｚ軸方向）に沿った一対の側壁１０ｈ，１０ｉと、Ｘ軸方向と交差して配置された底面壁１０ｊと、を有する。

搬送機構３は、成膜材料Ｍａと対向した状態で成膜対象物１１を保持する成膜対象物保持部材１６を搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。例えば成膜対象物保持部材１６は、成膜対象物１１の外周縁を保持する枠体である。搬送機構３は、搬送室１０ａ内に設置された複数の搬送ローラ１５によって構成されている。搬送ローラ１５は、搬送方向（矢印Ａ）に沿って等間隔に配置され、成膜対象物保持部材１６を支持しつつ搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。なお、成膜対象物１１は、例えばガラス基板やプラスチック基板などの板状部材が用いられる。

続いて、成膜部１４の構成について詳細に説明する。成膜部１４は、イオンプレーティング法により成膜材料Ｍａの粒子を成膜対象物１１に付着させる。成膜部１４は、プラズマガン７と、ステアリングコイル５と、ハース機構２と、輪ハース６とを有している。

プラズマガン７は、例えば圧力勾配型のプラズマガンであり、その本体部分が成膜室１０ｂの側壁に設けられたプラズマ口１０ｃを介して成膜室１０ｂに接続されている。プラズマガン７は、真空チャンバー１０内でプラズマＰを生成する。プラズマガン７において生成されたプラズマＰは、プラズマ口１０ｃから成膜室１０ｂ内へビーム状に出射される。これにより、成膜室１０ｂ内にプラズマＰが生成される。

プラズマガン７は、陰極６０により一端が閉塞されている。陰極６０とプラズマ口１０ｃとの間には、第１の中間電極（グリッド）６１と、第２の中間電極（グリッド）６２とが同心的に配置されている。第１の中間電極６１内にはプラズマＰを収束するための環状永久磁石６１ａが内蔵されている。第２の中間電極６２内にもプラズマＰを収束するため電磁石コイル６２ａが内蔵されている。なお、プラズマガン７は、後述する負イオン生成部２４としての機能も有する。この詳細については、負イオン生成部２４の説明において後述する。

ステアリングコイル５は、プラズマガンが装着されたプラズマ口１０ｃの周囲に設けられている。ステアリングコイル５は、プラズマＰを成膜室１０ｂ内に導く。ステアリングコイル５は、ステアリングコイル用の電源（不図示）により励磁される。

ハース機構２は、成膜材料Ｍａを保持する。ハース機構２は、真空チャンバー１０の成膜室１０ｂ内に設けられ、搬送機構３から見てＸ軸方向の負方向に配置されている。ハース機構２は、プラズマガン７から出射されたプラズマＰを成膜材料Ｍａに導く主陽極又はプラズマガン７から出射されたプラズマＰが導かれる主陽極である主ハース１７を有している。

主ハース１７は、成膜材料Ｍａが充填されたＸ軸方向の正方向に延びた筒状の充填部１７ａと、充填部１７ａから突出したフランジ部１７ｂとを有している。主ハース１７は、真空チャンバー１０が有する接地電位に対して正電位に保たれているため、負電位のプラズマＰを吸引する。このプラズマＰが入射する主ハース１７の充填部１７ａには、成膜材料Ｍａを充填するための貫通孔１７ｃが形成されている。そして、成膜材料Ｍａの先端部分が、この貫通孔１７ｃの一端において成膜室１０ｂに露出している。

成膜材料Ｍａには、ＩＴＯやＺｎＯなどの透明導電材料や、ＳｉＯＮなどの絶縁封止材料が例示される。成膜材料Ｍａが絶縁性物質からなる場合、主ハース１７にプラズマＰが照射されると、プラズマＰからの電流によって主ハース１７が加熱され、成膜材料Ｍａの先端部分が蒸発又は昇華し、プラズマＰによりイオン化された成膜材料粒子（蒸発粒子）Ｍｂが成膜室１０ｂ内に拡散する。また、成膜材料Ｍａが導電性物質からなる場合、主ハース１７にプラズマＰが照射されると、プラズマＰが成膜材料Ｍａに直接入射し、成膜材料Ｍａの先端部分が加熱されて蒸発又は昇華し、プラズマＰによりイオン化された成膜材料粒子Ｍｂが成膜室１０ｂ内に拡散する。成膜室１０ｂ内に拡散した成膜材料粒子Ｍｂは、成膜室１０ｂのＸ軸正方向へ移動し、搬送室１０ａ内において成膜対象物１１の表面に付着する。なお、成膜材料Ｍａは、所定長さの円柱形状に成形された固体物であり、一度に複数の成膜材料Ｍａがハース機構２に充填される。そして、最先端側の成膜材料Ｍａの先端部分が主ハース１７の上端との所定の位置関係を保つように、成膜材料Ｍａの消費に応じて、成膜材料Ｍａがハース機構２のＸ負方向側から順次押し出される。

輪ハース６は、プラズマＰを誘導するための電磁石を有する補助陽極である。輪ハース６は、成膜材料Ｍａを保持する主ハース１７の充填部１７ａの周囲に配置されている。輪ハース６は、環状のコイル９と環状の永久磁石部２０と環状の容器１２とを有し、コイル９及び永久磁石部２０は容器１２に収容されている。本実施形態では、搬送機構３から見てＸ負方向にコイル９、永久磁石部２０の順に設置されているが、Ｘ負方向に永久磁石部２０、コイル９の順に設置されていてもよい。輪ハース６は、コイル９に流れる電流の大きさに応じて、成膜材料Ｍａに入射するプラズマＰの向き、または、主ハース１７に入射するプラズマＰの向きを制御する。

続いて、負イオン生成部２４の構成について詳細に説明する。負イオン生成部２４は、プラズマガン７と、原料ガス供給部４０と、回路部３４とを有している。また、制御部５０の一部の構成要素も負イオン生成部２４として機能する。なお、制御部５０及び回路部３４に含まれる一部の機能は、前述の成膜部１４にも属する。

プラズマガン７は、前述の成膜部１４が有するプラズマガン７と同様のものが用いられる。すなわち、本実施形態において、成膜部１４のプラズマガン７は、負イオン生成部２４のプラズマガン７と兼用されている。プラズマガン７は、成膜部１４として機能すると共に、負イオン生成部２４としても機能する。なお、成膜部１４と負イオン生成部２４とで、互いに異なる別箇のプラズマガンを有していてもよい。

プラズマガン７は、成膜室１０ｂ内において間欠的にプラズマＰを生成する。具体的には、プラズマガン７は、後述の制御部５０によって成膜室１０ｂ内において間欠的にプラズマＰを生成するように制御されている。この制御については、後述の制御部５０の説明において詳述する。

原料ガス供給部４０は、真空チャンバー１０の外部に配置されている。原料ガス供給部４０は、成膜室１０ｂの側壁（例えば、側壁１０ｈ）に設けられたガス供給口４１を通し、真空チャンバー１０内へ原料ガスを供給する。原料ガスとして、例えば、酸素負イオンの原料ガスである酸素ガスなどを採用してよい。原料ガス供給部４０は、例えば成膜処理モードから負イオン生成モードに切り替わると、酸素ガスの供給を開始する。また、原料ガス供給部４０は、成膜処理モード及び負イオン生成モードの両方において酸素ガスの供給を行い続けてもよい。

ガス供給口４１の位置は、成膜室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近の位置が好ましい。この場合、原料ガス供給部４０からの酸素ガスを、成膜室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近に供給することができるので、当該境界付近において後述する負イオンの生成が行われる。よって、生成した負イオンを、搬送室１０ａにおける成膜対象物１１に好適に付着させることができる。なお、ガス供給口４１の位置は、成膜室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近に限られない。

回路部３４は、可変電源８０と、第１の配線７１と、第２の配線７２と、抵抗器Ｒ１～Ｒ４と、短絡スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、を有している。

可変電源８０は、接地電位にある真空チャンバー１０を挟んで、負電圧をプラズマガン７の陰極６０に、正電圧をハース機構２の主ハース１７に印加する。これにより、可変電源８０は、プラズマガン７の陰極６０とハース機構２の主ハース１７との間に電位差を発生させる。

第１の配線７１は、プラズマガン７の陰極６０を、可変電源８０の負電位側と電気的に接続している。第２の配線７２は、ハース機構２の主ハース１７（陽極）を、可変電源８０の正電位側と電気的に接続している。

抵抗器Ｒ１は、一端がプラズマガン７の第１の中間電極６１と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ１は、第１の中間電極６１と可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ２は、一端がプラズマガン７の第２の中間電極６２と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ２は、第２の中間電極６２と可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ３は、一端が成膜室１０ｂの壁部１０Ｗと電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ３は、成膜室１０ｂの壁部１０Ｗと可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ４は、一端が輪ハース６と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ４は、輪ハース６と可変電源８０との間において直列接続されている。

短絡スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、それぞれ前述の制御部５０からの指令信号を受信することにより、ＯＮ／ＯＦＦ状態に切り替えられる切替部である。

短絡スイッチＳＷ１は、抵抗器Ｒ２に並列接続されている。短絡スイッチＳＷ１は、成膜処理モードであるか負イオンモードであるかに応じて、制御部５０によってＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替えられる。ここで、成膜処理モードとは、真空チャンバー１０内で成膜対象物１１に対して成膜処理を行うモードである。負イオン生成モードは、真空チャンバー１０内で成膜対象物１１に形成された膜の表面に付着させるための負イオンの生成を行うモードである。短絡スイッチＳＷ１は、成膜処理モードにおいてはＯＦＦ状態とされる。これにより、成膜処理モードにおいては、第２の中間電極６２と可変電源８０とが抵抗器Ｒ２を介して互いに電気的に接続されるので、第２の中間電極６２と可変電源８０との間には電流が流れにくい。その結果、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内に出射され、成膜材料Ｍａに入射する（図１参照）。なお、プラズマガン７からのプラズマＰを真空チャンバー１０内に出射する場合、第２の中間電極６２への電流を流れにくくする事に代えて、第１の中間電極６１への電流を流れにくくしてもよい。この場合、短絡スイッチＳＷ１は、第２の中間電極６２側に代えて、第１の中間電極６１側に接続される。

一方、短絡スイッチＳＷ１は、負イオン生成モードにおいては、プラズマガン７からのプラズマＰを真空チャンバー１０内で間欠的に生成するため、制御部５０によってＯＮ／ＯＦＦ状態が所定間隔で切り替えられる。短絡スイッチＳＷ１がＯＮ状態に切り替えられると、第２の中間電極６２と可変電源８０との間の電気的な接続が短絡するので、第２の中間電極６２と可変電源８０との間に電流が流れる。すなわち、プラズマガン７に短絡電流が流れる。その結果、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内に出射されなくなる。

短絡スイッチＳＷ１がＯＦＦ状態に切り替えられると、第２の中間電極６２と可変電源８０とが抵抗器Ｒ２を介して互いに電気的に接続されるので、第２の中間電極６２と可変電源８０との間には電流が流れにくい。その結果、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内に出射される。このように、短絡スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態が制御部５０によって所定間隔で切り替えられることにより、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内において間欠的に生成される。すなわち、短絡スイッチＳＷ１は、真空チャンバー１０内へのプラズマＰの供給と遮断とを切り替える切替部である。

短絡スイッチＳＷ２は、抵抗器Ｒ４に並列接続されている。短絡スイッチＳＷ２は、例えば成膜処理モードになる前の成膜対象物１１の搬送前の状態であるスタンバイモードであるか成膜処理モードであるかに応じて、制御部５０によってＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替えられる。短絡スイッチＳＷ２は、スタンバイモードではＯＮ状態とされる。これにより、輪ハース６と可変電源８０との間の電気的な接続が短絡するので、主ハース１７よりも輪ハース６に電流を流しやすくなり、成膜材料Ｍａの無駄な消費を防ぐことができる。

一方、短絡スイッチＳＷ２は、成膜処理モードではＯＦＦ状態とされる。これにより、輪ハース６と可変電源８０が抵抗器Ｒ４を介して電気的に接続されるので、輪ハース６よりも主ハース１７に電流を流しやすくなり、プラズマＰの出射方向を好適に成膜材料Ｍａに向けることができる。なお、短絡スイッチＳＷ２は、負イオン生成モードではＯＮ状態又はＯＦＦ状態のいずれの状態とされてもよい。

電圧印加部９０は、成膜後の成膜対象物（対象物）１１に正の電圧を印加可能である。電圧印加部９０は、バイアス回路３５と、トロリ線１８と、を備える。

バイアス回路３５は、成膜後の成膜対象物１１に正のバイアス電圧を印加するための回路である。バイアス回路３５は、成膜対象物１１に正のバイアス電圧（以下、単に「バイアス電圧」ともいう）を印加するバイアス電源２７と、バイアス電源２７とトロリ線１８とを電気的に接続する第３の配線７３と、第３の配線７３に設けられた短絡スイッチＳＷ３とを有している。バイアス電源２７は、バイアス電圧として、周期的に増減する矩形波である電圧信号（周期的電気信号）を印加する。バイアス電源２７は、印加するバイアス電圧の周波数を制御部５０の制御によって変更可能に構成されている。第３の配線７３は、一端がバイアス電源２７の正電位側に接続されていると共に、他端がトロリ線１８に接続されている。これにより、第３の配線７３は、トロリ線１８とバイアス電源２７とを電気的に接続する。

短絡スイッチＳＷ３は、第３の配線７３によって、トロリ線１８とバイアス電源２７の正電位側との間において直列に接続されている。短絡スイッチＳＷ３は、トロリ線１８へのバイアス電圧の印加の有無を切り替える切替部である。短絡スイッチＳＷ３は、制御部５０によってそのＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替えられる。短絡スイッチＳＷ３は、負イオン生成モードにおける所定のタイミングでＯＮ状態とされる。短絡スイッチＳＷ３がＯＮ状態とされると、トロリ線１８とバイアス電源２７の正電位側とが互いに電気的に接続され、トロリ線１８にバイアス電圧が印加される。

一方、短絡スイッチＳＷ３は、成膜処理モードのとき、及び、負イオン生成モードにおける所定のタイミングにおいてＯＦＦ状態とされる。短絡スイッチＳＷ３がＯＦＦ状態とされると、トロリ線１８とバイアス電源２７とが互いに電気的に切断され、トロリ線１８にはバイアス電圧が印加されない。なお、バイアス電圧を印加するタイミングの詳細は、後述する。

トロリ線１８は、成膜対象物保持部材１６への給電を行う架線である。トロリ線１８は、搬送室１０ａ内に搬送方向（矢印Ｂ）に延伸して設けられている。トロリ線１８は、成膜対象物保持部材１６に設けられた給電ブラシ４２と接触することで、給電ブラシ４２を通して成膜対象物保持部材１６への給電を行う。トロリ線１８は、例えばステンレス製の針金等により構成されている。

電位測定部１１０は、真空チャンバー１０内の電位を測定する。電位測定部１１０は、成膜対象物１１の周辺の空間の電位を測定する。電位測定部１１０は、電位検出部１１１と、電極部１１２と、を備えている。電位検出部１１１は、電極部１１２と電気的に接続されている。電位検出部１１１は、電極部１１２の電位に基づいて、電極部１１２が設置されている位置における浮遊電位の値を検出する。電位検出部１１１は、検出した値を測定値として制御部５０へ送信する。

電極部１１２は、真空チャンバー１０の外部から内部空間へ入り込む部材である。電極部１１２は、移動する成膜対象物保持部材１６と干渉しない位置に配置されている。電極部１１２の先端部１１２ａは、成膜対象物１１の周辺の空間に配置される。電極部１１２の先端部１１２ａは、真空チャンバー１０の搬送室１０ａに配置される。また、先端部１１ａは、搬送室１０ａと成膜室１０ｂとの連通部付近であって、Ｚ軸方向において成膜対象物１１と略同位置に配置されている。

なお、電極部１１２のうち、先端部１１２ａ以外の部分は絶縁部材で覆われていてよい。例えば、図６に示すように、電極部１１２のうち、真空チャンバー１０の壁部よりも内側の領域が絶縁部材１４０で覆われていてよい。また、先端部１１２ａのみが絶縁部材１４０から真空チャンバー１０の空間内へ露出してよい。この場合、先端部１１２ａ以外では浮遊電位の検出が行われないため、所望の箇所の電位を集中的に測定することができる。

制御部５０は、成膜・負イオン生成装置１全体を制御する装置であり、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入出力インターフェース等から構成されている。制御部５０は、真空チャンバー１０の外部に配置されている。また、制御部５０は、成膜処理モードと負イオン生成モードとを切り替えるモード切替部５１と、プラズマガン７によるプラズマＰの生成を制御するプラズマ制御部５２と、電圧印加部９０による電圧の印加を制御する電圧制御部５３と、を備えている。

制御部５０のモード切替部５１が負イオン生成モードに設定しているとき、制御部５０は、原料ガス供給部４０を制御して、成膜室１０ｂ内に酸素ガスを供給する。続いて、制御部５０のプラズマ制御部５２は、プラズマガン７からのプラズマＰを成膜室１０ｂ内で間欠的に生成するようにプラズマガン７を制御する。例えば、制御部５０によって、短絡スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態が所定間隔で切り替えられることにより、プラズマガン７からのプラズマＰが成膜室１０ｂ内で間欠的に生成される。

短絡スイッチＳＷ１がＯＮ状態とされているときは、プラズマガン７からのプラズマＰが成膜室１０ｂ内に出射されないので成膜室１０ｂ内におけるプラズマＰの電子温度が急激に低下する。このため、前述の原料ガス供給工程Ｓ２１において成膜室１０ｂ内に供給された酸素ガスの粒子に、プラズマＰの電子が付着し易くなる。これにより、成膜室１０ｂ内には、負イオンが効率的に生成される。

制御部５０は、プラズマガン７のプラズマＰの生成を停止した後、電位測定部１１０の測定結果に基づいて、電圧印加部９０による電圧の印加を制御する。制御部５０は、電位測定部１１０の測定結果に基づいて、所定のタイミングにて、電圧印加部９０による電圧の印加を開始する。なお、電圧印加部９０による電圧の印加を開始するタイミングは、制御部５０にて予め設定される。

ここで、図４及び図５を参照してプラズマＰの生成と負イオンの生成の関係について説明する。図４（ａ）の実線は負イオン生成時における真空チャンバー１０の空間内の所定箇所における浮遊電位を示すグラフである。真空チャンバー１０内の電子又は負イオンが増加すると浮遊電位は上昇し、減少すると下降する。図４（ｂ）は、真空チャンバー１０の空間内の所定箇所における負イオンの単位平方面積あたりの数を示す。図５は、プラズマの生成が停止された直後の浮遊電位の様子を示すグラフである。図４では、時間が「０」のときにプラズマＰの生成が開始され、時間が「ｔ１」のときにプラズマの生成が停止されたものとする。なお、図４（ａ）に示すように、プラズマＰを停止した瞬間は、浮遊電位が急激に立ち上がっている。図４（ｂ）に示すように、プラズマＰを停止した後、負イオン量が速やかに減少し、その後、時間ｔ３にて大きく増加し、時間ｔ２にて上昇のピークを迎えている。図４（ａ）の時間ｔ３に対応する時間では、浮遊電位が上昇のピークを迎えており、その後下降している。

図５に示すように、プラズマＰの停止後、浮遊電位は区間Ｅ１では急速に上昇し、区間Ｅ２では緩やかに上昇する。浮遊電位は時間ｔ３付近で上昇のピークを迎えた後、区間Ｅ３にて下降する。下降した浮遊電位は、時間ｔ２付近で下降のピークを迎え、その後、区間Ｅ４以降では緩やかに浮遊電位が上昇する。区間Ｅ３は負イオンの量が急激に増加する区間でもある（図４（ｂ）参照）。また、区間Ｅ３は、負イオンの量が増加している一方で、浮遊電位は下降しているため、電子の量が減少している区間であると考えられる。

時間ｔ１から時間ｔ３にかけて、真空チャンバー１０内にはＡｒプラズマ(Ａｒ+，ｅ-)の残留がある。短絡スイッチＳＷ１を短絡したにもかかわらず、主ハース１７と第2の中間電極６２との間の電圧が正であることからそのことが言える。例えば、Ａｒ⁺ ＋ ｅ^- →Ａｒと消滅していくことで真空チャンバー１０および電位測定部１１０に流れ込むｅ- の量が減っていく。それに対して、電子温度が下がった状況だと(Ｏ₂ ^*はＯ２の活性状態)
Ｏ2* + ｅ- → Ｏ- + Ｏ(乖離性電子付着)
Ｏ + ｅ- → Ｏ- （電子付着）
などの反応が進み、電子に比べて速度の遅いＯ-が生成される。ｅ-は速度がＯ-に比べて速いので真空チャンバー１０に流れ込んでしまうが、Ｏ-は速度が遅いのでガス温度の速度で拡散していく。時間t３までは主ハース１７と第２の中間電極６２との間に電位差があるので、ｅ-とＯ-は真空チャンバー１０内でプラズマＰ側に引っ張られ、時間ｔ３以降は引っ張る力が無くなるのでｅ-とＯ-は拡散する。ｅ-とＯ-では速度が大きく異なるので，速度が遅いＯ-が残り、そのＯ-で負に帯電していく。Ｏ-の生成とＡｒ⁺ +ｅ^- → Ａｒ，Ｏ⁺+ ｅ^- → Ｏ，Ｏ₂ ⁺+ ｅ^- → Ｏ₂ などのｅe- の消滅、が同時に進行することで、図4の様な浮遊電位の挙動を示す。プラズマの生成・消滅のバランスを考え、ｅ-の衝突を考えると、Ｏ-とＯ２-のみが負電荷で生き残るものになる。Ｏ-の方が９割以上なので殆どがＯ-になる．よって、プラズマＰのＯＦＦ、すなわち電子供給が無くなったのにも関わらず、負に帯電させるものは上記の事からもＯ-となる。

制御部５０は、電位測定部１１０の測定結果に基づき、電位が上昇して下降したタイミングにて、電圧印加部９０による電圧の印加を開始する。図５に示す例では、電位が上昇する区間は区間Ｅ１及びＥ２である。電位が下降する区間は区間Ｅ３である。制御部５０の電圧制御部５３は、区間Ｅ３（下降のピークとなる時間ｔ３を含む）の何れかのタイミングで、電圧印加部９０による電圧の印加を開始する。制御部５０の電圧制御部５３は、区間Ｅ３のうち、ある程度負イオンの生成が進行する後半側の領域にて、電圧印加部９０による電圧の印加を開始してよい。また、制御部５０の電圧制御部５３は、電位が区間Ｅ３のうちの所定の閾値まで到達するタイミングにて、電圧の印加を開始してよい。

更に、制御部５０は、電位測定部１１０の測定結果に基づき、電位が下降し、当該下降のピークを迎えたタイミングにて、電圧印加部９０による電圧の印加を開始してよい。すなわち、制御部５０の電圧制御部５３は、浮遊電位の下降のピークＰ１に到達するタイミングにて、電圧印加部９０による電圧の印加を開始する。制御部５０は、電位測定部１１０からの測定結果に基づいて電位の変化量を監視することで、電位が下降のピークＰ１を迎えたことを把握する。なお、電圧の印加開始のタイミングは、電位測定部１１０で測定された電位がピークＰ１となるタイミングと完全に一致している必要はなく、ピークＰ１となるタイミングから前後にずれたタイミングであってもよい。

また、制御部５０は、電位測定部１１０の測定結果に基づき、電位が上昇したタイミングにて、電圧印加部９０による電圧の印加を開始してよい。制御部５０の電圧制御部５３は、区間Ｅ１又は区間Ｅ２のタイミングにて、電圧印加部９０による電圧の印加を開始する。制御部５０の電圧制御部５３は、プラズマＰの停止から一定時間経過後の区間Ｅ２のタイミングにて、電圧印加部９０による電圧の印加を開始してよい。

次に、図３に示すフロー図を参照して、制御部５０による負イオン生成時における制御内容の一部について説明する。なお、制御部５０の処理は図３に限定されるものではない。

図３に示すように、制御部５０のプラズマ制御部５２は、プラズマガン７によるプラズマＰの生成を開始する（ステップＳ１０）。一定時間経過後、制御部５０のプラズマ制御部５２は、プラズマガン７によるプラズマＰの生成を停止する（ステップＳ２０）。これにより、真空チャンバー１０内では、図５に示す様な浮遊電位の変化が生じる。制御部５０の電圧制御部５３は、電位測定部１１０からの測定結果を取得する（ステップＳ３０）。次に、制御部５０の電圧制御部５３は、Ｓ３０で取得した電位に基づいて、電圧印加部９０による電圧の印加を開始するタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ４０）。

Ｓ４０にて、電圧印加のタイミングではないと判定された場合、Ｓ３０から処理が再び繰り返される。一方、Ｓ４０にて、電圧印加のタイミングであると判定された場合、制御部５０の電圧制御部５３は、電圧の印加を開始する。これにより、成膜対象物１１に正のバイアス電圧が付与されることで、真空チャンバー１０内の負イオンが成膜対象物１１へ導かれる。

図３では、負イオン生成モードにおける一回分の負イオン生成、すなわち、プラズマガン７のプラズマＰの生成、及び当該プラズマＰの生成の停止の一回分の中での処理について説明した。成膜・負イオン生成装置１は、負イオン生成を複数回行う。すなわち、制御部５０は、プラズマガン７のプラズマＰの生成、及び当該プラズマＰの生成の停止による負イオンの生成を繰り返し行う。従って、図７を参照して、繰り返しの負イオン生成の中での制御部５０の制御内容について説明する。この場合、毎回の負イオンの生成において、電位測定部１１０は電位の測定を行い、且つ、制御部５０は電位測定部１１０の測定結果に基づいて、電圧印加部９０による電圧の印加を制御する。

図７に示すように、Ｓ１０～Ｓ５０までは、図３と同様の処理が行われる。Ｓ５０の後、制御部５０は、所定の時間が経過した後に、電圧印加部９０による電圧の印加を停止する（ステップＳ６０）。次に、制御部５０は、負イオン照射が終了したか否かを判定する（ステップＳ７０）。Ｓ７０において、負イオン照射が終了したと判定された場合、図７に示す処理が終了する。Ｓ７０において、負イオン照射が終了していないと判定された場合、Ｓ１０から再び処理が繰り返される。すなわち、制御部５０は、再びプラズマＰを生成し（ステップＳ１０）、プラズマＰの生成を停止する（ステップＳ２０）。このとき、電位測定部１１０の測定は継続されており、制御部５０は、電位測定部１１０からの測定結果を取得する（ステップＳ３０）。また、制御部５０は、電位測定部１１０の測定結果に基づいて、電圧印加部９０による電圧の印加を再び開始する（ステップＳ４０）。このように、負イオンの生成が行われるときは、電位測定部１１０による測定及び電圧印加部９０による電圧の印加が毎回、繰り返し行われる。

本実施形態に係る成膜・負イオン生成装置１の作用・効果について説明する。

成膜・負イオン生成装置１では、プラズマガン７が真空チャンバー１０の内部でプラズマＰを生成することにより、真空チャンバー１０の内部で負イオンを生成することができる。また、電圧印加部９０が成膜対象物１１に正の電圧を印加し、真空チャンバー１０内の負イオンが成膜対象物１１側へ導かれることで、負イオンが成膜対象物１１に照射される。ここで、プラズマガン７のプラズマＰの生成が停止された後は、電子が負イオンの原料に付着し易くなることで、負イオンの生成が進行する。従って、真空チャンバー１０内にて負イオン及び電子が増減するため、真空チャンバー１０の内部の電位が変動する。このため、真空チャンバー１０内の電位を測定する電位測定部１１０の測定結果により、負イオンを成膜対象物１１に照射する適切なタイミングを把握することができる。従って、制御部５０は、プラズマガン７のプラズマＰの生成を停止した後、電位測定部１１０の測定結果に基づいて、電圧印加部９０による電圧の印加を制御する。これにより、制御部５０は、大量の電子が対象物に照射されることを回避できるタイミングにて、負イオンを成膜対象物１１に照射することができる。以上により、適切なタイミングで負イオンを成膜対象物１１に照射できる。

制御部５０は、電位測定部１１０の測定結果に基づき、電位が上昇して下降したタイミングにて、電圧印加部９０による電圧の印加を開始してよい。電位が上昇して下降したタイミングは、プラズマＰの生成を停止した後、ある程度負イオンの生成が進行したタイミングである。よって、制御部５０は、当該タイミングで電圧の印加を開始することで、負イオンの生成が進行したタイミングで負イオンを成膜対象物１１に照射できる。

制御部５０は、電位測定部１１０の測定結果に基づき、電位が下降し、当該下降のピークを迎えたタイミングにて、電圧印加部９０による電圧の印加を開始してよい。電位の下降のピークを迎えたタイミングは、プラズマＰの生成を停止した後、生成された負イオンの量がピークとなるタイミングに近い。よって、制御部は、当該タイミングで電圧の印加を開始することで、多くの負イオンが存在するタイミングで負イオンを成膜対象物１１に照射できる。

制御部５０は、電位測定部１１０の測定結果に基づき、電位が上昇したタイミングにて、電圧印加部９０による電圧の印加を開始してよい。この場合、電位が上昇して下降したタイミング、電位が下降して下降のピークを迎えたタイミングで印加を開始する場合に比して、より多くの負イオンを対象物に照射することが可能である。ただし、電位が上昇して下降したタイミング、電位が下降して下降のピークを迎えたタイミングで印加を開始する場合に比べると、多くの電子が混在した照射になる可能性があるため、電子照射を許容できる対象物であることが望ましい。

電位測定部１１０は、成膜対象物１１の周辺の空間の電位を測定してよい。この場合、負イオンの照射対象である成膜対象物１１付近の状況に基づいた制御を行うことが可能となる。

制御部５０は、プラズマガン７のプラズマＰの生成、及び当該プラズマＰの生成の停止による負イオンの生成を繰り返し行い、毎回の負イオンの生成において、電位測定部１１０は電位の測定を行い、且つ、制御部５０は電位測定部１１０の測定結果に基づいて、電圧印加部９０による電圧の印加を制御する。電圧印加部９０による電圧の印加を行うと、真空チャンバー１０内のプラズマＰの状態へ影響が及ぼされる。例えば、１回目の負イオンの生成と、２回目の負イオンの生成との運転条件が同じであったとしても、両者の間では、プラズマＰの生成の停止後に負イオンが生成されるタイミングが変化する場合がある。例えば、１回目よりも２回目の方が電子が減る場合がある。１回目の負イオン生成時に電位測定部１１０での測定結果に基づく電圧印加のタイミングを決定した後、同じタイミングにて二回目以降の負イオン生成時に電圧印加を行う場合、適切なタイミングで負イオン照射が行われない可能性がある（ただし、このような制御方法は、請求項１の範囲から除外されるものではない）。従って、図７に示すように、毎回の負イオンの生成において、電位測定部１１０による測定、及び測定結果に基づく電圧の印加の制御が行われることで、適切なタイミングで負イオンを対象物に照射できる。

ここで、負イオン照射中に電圧印加の電圧値を変化させた場合、プラズマＰの状態が変化し、電圧値が高い場合は電子が増加する。毎回の負イオンの生成において、電位測定部１１０が電位の測定を行う場合、このような電圧印加の電圧値を変化させたことによる影響を制御に反映させることができる。これにより、負イオン照射量及び入射エネルギーをプロセス中で変更することに対応することができる。

以上、本実施形態の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

また、上記実施形態では、イオンプレーティング型の成膜装置と負イオン生成装置が組み合わせられた構成であったため、プラズマガンから出射したプラズマＰは、主ハース側に導かれた。しかし、負イオン生成装置は、成膜装置と組み合わせられていなくともよい。従って、プラズマＰは、例えばプラズマガンと対向する壁部の電極などに導かれてよい。

例えば、上記実施形態では、プラズマガン７を圧力勾配型のプラズマガンとしたが、プラズマガン７は、真空チャンバー１０内にプラズマを生成できればよく、圧力勾配型のものには限られない。

また、上記実施形態では、プラズマガン７とハース機構２の組が真空チャンバー１０内に一組だけ設けられていたが、複数組設けてもよい。また、一の材料に対して複数のプラズマガン７からプラズマＰを供給してもよい。上記実施形態では、輪ハース６が設けられていたが、プラズマガン７の向きとハース機構２における材料の位置や向きを工夫することで、輪ハース６を省略してもよい。

１…成膜・負イオン生成装置（負イオン生成装置）、７…プラズマガン、１０…真空チャンバー、１１…成膜対象物、５０…制御部、９０…電圧印加部、１１０…電位測定部、Ｐ…プラズマ。

Claims (9)

1. プラズマを用いて負イオンを生成して対象物に照射する負イオン生成装置であって、
   前記対象物を収納し内部で前記負イオンの生成が行われるチャンバーと、
   前記チャンバー内において、前記プラズマを生成するプラズマガンと、
   前記チャンバー内の電位を測定する電位測定部と、
   前記チャンバー内の前記負イオンを前記対象物側へ導くような電圧を印加する電圧印加部と、
   前記プラズマガン及び前記電位測定部の制御を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記プラズマガンの前記プラズマの生成を停止した後、前記電位測定部の測定結果に基づいて、前記電圧印加部による電圧の印加を制御することで前記負イオンの前記対象物への照射を制御する、負イオン生成装置。
2. 前記制御部は、前記電位測定部の前記測定結果に基づいて、前記負イオンの照射タイミングを判定して前記対象物への照射を制御する、請求項１に記載の負イオン生成装置。
3. 前記制御部は、前記電位測定部により測定された前記電位に基づいて、前記負イオンの量を測定可能であり、該負イオンの量に基づき前記照射タイミングを判定する、請求項２に記載の負イオン生成装置。
4. 前記制御部は、前記電位測定部の測定結果に基づき、前記電位が上昇して下降したタイミングを、前記照射タイミングと判定する、請求項２に記載の負イオン生成装置。
5. 前記制御部は、前記電位測定部の測定結果に基づき、前記電位が上昇して前記電位が下降し、当該下降のピークを迎えたタイミングを、前記照射タイミングと判定する、請求項２に記載の負イオン生成装置。
6. 前記制御部は、前記電位測定部の測定結果に基づき、前記電位が上昇したタイミングを、前記照射タイミングと判定する、請求項２に記載の負イオン生成装置。
7. 前記電位測定部は、前記対象物の周辺の空間の電位を測定する、請求項１～６の何れか一項に記載の負イオン生成装置。
8. 前記制御部は、前記プラズマガンの前記プラズマの生成、及び当該プラズマの生成の停止による前記負イオンの生成を繰り返し行い、
   毎回の前記負イオンの生成において、前記電位測定部は前記電位の測定を行い、且つ、前記制御部は前記電位測定部の測定結果に基づいて、前記負イオンの照射タイミングを判定して前記対象物への照射を制御する、請求項１～７の何れか一項に記載の負イオン生成装置。
9. 前記電圧印加部は、前記対象物に正の電圧を印加可能であり、
   前記制御部は、前記プラズマガンの前記プラズマの生成を停止した後、前記電位測定部の前記測定結果に基づいて、前記電圧印加部による電圧の印加を制御する、請求項１～８の何れか一項に記載の負イオン生成装置。
   

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