JPH0361359A - プラズマ蒸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、プラズマを用いて薄膜を作成するプラズマ
蒸着装置に関し、特にプラズマ中に粉末原料を送り込ん
でこれを気化することによって薄膜を形成するプラズマ
蒸着装置に関する。

［従来の技術］ 多元の酸化物で作られる高温超電導体のような複雑な複
合体や、化合物、合金などの薄膜を作る手段として、プ
ラズマ蒸着方法を利用することが知られている。たとえ
ば、次の文献にはプラズマ蒸着によって酸化物高温超電
導体の薄膜を高速で作成することが記載されている。

Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　５２　（１９８
７）　　　ｐ、　　１２７４−１２７６Ｔｅｒａｓｈｌ
ｉ＋ａら、　”Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏ［’　ｓｕ
ｐｅｒｃｏｎ−ｄｕｃＬＩｎｇ　Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏｆ
’１ｌｉｓ　ｂｙ　ａ　ｒｅａｃｔｉｖｅｐｌａｓｍａ
　ｅｖａｐｏｒａｔ、Ｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　”このよ
うな従来のプラズマ蒸着法と、そのいくつかの欠点を改
良したプラズマ蒸着法については、本願出願人の出願に
係る次の特許出願の明細書に詳細に述べられている。

特願平１−５７６９９号 特願平１−６６３３０号 特願平１−６６３３１号 ［発明が解決しようとする課題］ Ｔｅｒａｓｈｌｍａらの前述の従来技術においては、大
気圧プラズマ放電を利用しているので、投入電力効率、
成膜速度、膜の組成と膜質等の点で高精度な制御が困難
であった。そこで、本願発明者らは、各挿の実験をおこ
なった結果、次のような開発成果を得た。

（１）石英ガラス管内で「低圧高温プラズマ」を発生さ
せてこれをプラズマ蒸着に利用することによってプラズ
マ蒸着法を改良した。

（２）石英ガラス管で構成される低圧高温プラズマ室の
内壁の損傷を防止する手段を開発した。

（３）損傷しやすい石英ガラス管を使用せずに金属製真
空容器内に低圧高温プラズマを発生させる手段を開発し
た。

（４）原料粉末が気化しなかった場合に基板の−Ｌに原
料粉末がそのまま落下する危険性のない工夫を開発した
。

これらの成果は、上述の３件の特許出願の明細書に開示
されている（なお、「低圧高温プラズマ」の定義につい
てはこれらの特許出願の明細書に説明されている）。し
かし、ここに述べられているいずれの方法においても、
原料粉末を自動的にかつ連続的に供給する方法について
は十分な考察がなされていなかった。粉末及び粒体原料
の自動供給方法としては例えばフラッシュ蒸着のための
微拉子原料供給機構が、オーム社が昭和５８年１２月１
０日に発行し、日本学術振興会薄膜第１３１委員会の編
集した「薄膜ハンドブック」の１１４頁に掲載の図２・
９０に示されている。また別の例としては、粉末原料を
吹き付けながらこれを部分的に溶解して厚膜を形成する
プラズマスプレのトーチヘキャリアーガスと一賭に粉末
を送る方式が知られている。しかし前者の場合には、使
用する粉末原料の寸法は比較的大きくて、粉末原料は小
さくても０．１ｍｍ程度である。この場合、粉末あるい
はｆＩ′Ｌ子が多数凝集せずに個別に重力に従い白い落
下をする性質を利用できるが、プラズマ蒸着の場合に使
用するのに適した粉末原料の寸法は大きくても１０μｍ
程度であるから、前者の方式では連続して一定量づつ微
小粉末を搬送し供給することが困難である。一方、後者
の場合には、前者のフラッシュ蒸着で使用可能な粒径よ
りは小さな寸法の粉体まで取り扱うことはできるが、実
用的に制御可能な粉末の寸法は小さくても１μｍ程度で
あり、プラズマ蒸着で良好な薄膜を得るのに好ましいと
される原料微粉末の寸法が１μｍ以下であることを考え
ると、後者の方式も十分とはいえない。またプラズマス
プレーは元来高速度で厚い被覆処理をするために、粉末
のキャリアーガス流量が極めて多く、大気圧て使用する
場合には問題とならないが真空中で薄膜を高精度で制御
しながら作製するという目的には適さない。低圧高温プ
ラズマを利用してプラズマ蒸着により良質な薄膜を作成
するためには、粒径１μｍあるいはそれ以下の微粉末を
使うことが望ましいが、このような微粉末を精度よく制
御できる搬送供給手段は従来知られていなかった。また
低圧高温プラズマを発生させるときの真空は０．１〜１
ＱＴｏｒｒ程度の範囲のある一定値の圧力を維持する必
要があるが、所定の圧力を維持するためのガス流量は、
薄膜を作製する真空室の排気口の実効排気コンダクタン
ス及び排気口に接続された真空ポンプの排気速度の大き
さで一義的に決まることになる。したがって、単位時間
当りの微粉末の搬送供給量とガス流量とは、実用的に許
容される範囲内でそれぞれ独立に制御する必要がある。

それにもかかわらず従来このような技術は知られていな
い。

一方、この発明に先行する上述の特願平１−６６３３０
号では、粉末がプラズマ中で気化しない場合に基板上に
粉末がそのまま落下する危険性のないプラズマ蒸着装置
を開示１７ているが、垂直下方から上方に向かって、あ
るいは水平横方向に、微粉末とガスとを充分制御しなが
ら搬送供給する手段については具体的に充分な実用性の
あるものがなかった。

さらにまた、低圧高温プラズマ壁の損傷を防止する手段
は上述の特願平１−６６３：３１号に開示されていて、
それ以前の方式に比べて非常に大きな改善はされている
が、それでも低圧高温プラズマ室の内壁面に蒸着膜が付
着する量を皆無にすることはできず、長時間の使用後の
損傷は避けられなかった。

この発明の第１の目的は、粒径１ｏμｍ以下の微粉末を
自動的、連続的に低圧高温プラズマ室に供給できるプラ
ズマ蒸着装置を提供することである。

第２の目的は、供給する微粉末の量とガス流量とをそれ
ぞれ独立に制御しながらこれらを低圧高温プラズマ室に
供給できるプラズマ蒸着装置を提供することである。

第３の目的は、低圧高温プラズマ室への微粉末の導入方
向を真空容器の」二部からに限定せず、例えば鉛直下方
から、あるいは水平横方向から等々の任意のあらゆる方
向を選ぶことを可能とするプラズマ蒸着装置を提供する
ことである。

第４の目的は、微粉末とガスの低圧高温プラズマ室への
供給量を精密に制御するために微粉末供給フィードバッ
ク制御の可能なプラズマ蒸着装置を提供することである
。

第５の目的は、低圧高温プラズマ室の内壁の損傷を低減
することのできるプラズマ蒸着装置を提供することであ
る。

［課題を解決するための手段と作用〕 上記の目的を達成するために、請求項１の発明に係るプ
ラズマ蒸着装置は、低圧高温プラズマ室と、微粉末を気
体中に浮遊させてこれを気体と共に搬送して前記低圧高
温プラズマ室に供給する微粉末浮遊気体供給機構と、前
記低圧高温プラズマ室に連結して基板上に薄膜を形成す
るための成膜室と、前記成膜室を真空に排気するための
排気系と、前記低圧高温プラズマ室に電力を供給して放
電を発生させるための電力供給系とを備えている。

すなわち、この発明では、低圧高温プラズマ室に微粉末
とガスを供給するにあたり、あらかじめ微粉末を気体中
に浮遊させてこれを気体と共に搬送して供給するように
した。なお、この明細書において「微粉末」とは、低圧
高温プラズマによって気化できるような粒径の小さい粉
末をいい、粒径が１０μｍ以下のものを指す。好ましく
は粒径が１７１ｍ以下の粉末を利用する。

この発明の詳細な説明すると、まず、成膜室と低圧高温
プラズマ室を排気系で真空に排気する。

次に、低圧高温プラズマ室に電力を印加して放電を発生
させ、ここに微粉末浮遊気体を供給する。

原料となる微粉末は低圧高温プラズマによって気化し、
気化した原料の流れが基板に到達して膜が形成される。

微粉末は気体に浮遊して搬送供給されるので、微粉末を
自動的かつ連続的に供給でき、供給量の制御も精度良く
できる。微粉末は気体に浮遊しているので、低圧高温プ
ラズマ室への微粉末供給方向は重力の影響を受けない。

したがって、下方から、上方から、水平方向からなど任
意の方向から微粉末を供給でき、装置設計上の自由度が
高まる。

請求項２の発明は、微粉末浮遊気体供給機構として、重
力によって底部に堆積した微粉末を下方から気体を吹き
出すことにより気体中に浮遊させる形式のホッパーを利
用している。微粉末が浮遊した気体は、循環機構によっ
てホッパーから吸い込み、再びホッパー底部から吹き出
すようにした。

ホッパーから低圧高温プラズマ室へはガス・微粉末供給
系を通して微粉末浮遊気体を送る。この発明の詳細な説
明すると、微粉末は循環機構の働きによって吹き」二げ
られるので、循環機構の流量を制御することによってホ
ッパー内の単位体積当たりの微粉末量を制御することが
できる。ホッパー内の気体は大部分は循環機構を経由し
て、微粉末を含みながら再びホッパーに戻ってくる。気
体に浮遊する微粉末は、粒径が充分小さくて質量が充分
小さいときには長時間ホッパー内に漂い、重力があって
も容易にはホッパー底部に落下しない。

たとえば１０μｍ程度以下の微粉末をｍい、ホッパー内
の圧力が１気圧としたときには、成膜時間１分から１０
分程度の間は、浮遊した微粉末の大部分は空間を浮遊し
続ける。しかし、それ以上経過すると次第に落下してく
る。したがって、成膜している間は循環を継続すること
により微粉末浮遊量を一定に維持できる。一方でガス流
量については、ホッパー内圧力とガス・微粉末供給系の
コンダクタンスとを調整することによってガス流量を所
定の値に保つことが可能である。したがって、この発明
によれば、ガス流量と微粉末流量とを独立して制御する
ことが可能になる。

ホッパーの容積に比べてガス・微粉末供給系の配管のコ
ンダクタンスを充分小さく選ぶことにより、ホッパー内
の微粉末を含む気体の一部分が循環機構へは戻らずに低
圧高温プラズマ室に供給され消費される。ホッパーから
消費される気体を補給するために外部からガス導入系を
経てガスを供給する。このようにしてホッパー内では循
環機構によりガスを吹き出しながら所定の空間密度の微
粉末浮遊気体を作り維持することができ、ここからガス
・微粉末供給系の配管を経由して所定の流量のガスを供
給することができる。

請求項３〜５の発明は、ホッパーと循環機構を備えた微
粉末浮遊気体供給機構を利用するにあたり、粉末供給量
を制御するための制御方式を工夫したものである。請求
項３ではホッパー内部の浮遊微粉末の量を光学的に検出
してこれを循環機構にフィードバックしている。請求項
４ではプラズマの発光強度を検出してこれを循環機構に
フィトバックしている。請求項５ては膜付着速度を検出
してこれを循環機構にフィードバックしている。

これらの３種類の粉末供給制御機構を比較すると、フィ
ードバック系の応答速度は、浮遊微粉末量に基つくもの
が一番速く、膜付着速度に基つくものが一番遅く、発光
強度に基づくものはその中間である。また、基板上での
成膜速度を所望の値にホ制御する観点から比較すれば、
膜付着速度に基づくものが精度が一番優れており、浮遊
微粉末量に基づくものが精度が一番劣っており、発光強
度に基づくものはその中間である。

請求項６の発明は、微粉末浮遊気体を低圧高温プラズマ
室に供給する形式のプラズマ蒸着装置において、低圧高
温プラズマ室を成膜室の下側に設けている。これにより
、万が一１微粉末がプラズマによって気化されない場合
でも、成膜室の基板上に微粉末がそのまま落下する危険
がなくなる。

請求項７の発明は、微粉末浮遊気体を低圧高温プラズマ
室に供給する形式のプラズマ蒸着装置において、低圧高
温プラズマ室の内壁に沿って着脱可能な防着シールドを
設けている。防着シールドは耐熱絶縁材料で作るのが好
ましい。防着シールドに蒸着物質が付着してきたときは
これを新しいものと交換できるので、低圧高温プラズマ
室の汚染と損傷を抑制し長時間使用する上で実用的に有
効である。

請求項８の発明は、低圧高温プラズマ室の形状を工夫し
たものであり、微粉末が導入される側の端部から成膜室
に連結される側の端部に向かって低圧高温プラズマ室の
内部断面積が拡大するような形状としである。このよう
な形状の低圧高温プラズマ室で発生するプラズマは、成
膜室に向かって拡張していくので、プラズマ中で気化し
た原子は成膜室の方に効率良く入射し、気化原子がプラ
ズマ室の内壁に付着する割合を少なくできる。

請求項９の発明は、請求項８のような形状の低圧高温プ
ラズマ室の外側に、プラズマの形状を整えるための磁石
対を設けている。この磁石対は、狭い空間から拡大空間
に向かって拡張発散するような磁力線を発生するもので
、この磁力線により低圧高温プラズマの形状を整えるこ
とができる。

［実施例］ 第１図はこの発明の第〜実施例の正面断面図であり、１
は微粉末浮遊気体供給機構、２は低圧高温プラズマ室、
３は成膜室、４は主排気系、５はＲＦ電力系で゛ある。

微粉末浮遊気体供給機構１は微粉末浮遊機構１０、循環
機構１１、ガス導入系１２、ガス・微粉末供給系１３、
および微粉末補給系１４から構成されている。

低圧高温プラズマ室２は全体として石英ガラスの二重管
でできており、導入管２１、放電管２２、冷却管２３、
冷却水人口２４及び冷却水出口２５、フランジ２９等か
ら構成されている。成膜室３は真空チャンバー３１とそ
の中に収納された基板ホルダー３２、基板交換用ロード
ロック機構３４、ロードロック排気系３５、排気口３６
から構成されている。

ＲＦ電力系はＲＦ電源５１、整合回路５２、コイル５３
から構成されている。

微粉末浮遊気体供給機構１と低圧高温プラズマ室２はガ
ス微粉末供給系１３によって気密連結され、低圧高温プ
ラズマ室２のフランジ２９は成膜室３のボート３７に付
いているフランジ３８とフランジ組立３９との間に接続
することにより低圧高温プラズマ室２と成膜室３もまた
気密連結されている。成膜室３は排気口３６を経由して
主排気系４に接続し排気される。

次に、この発明の主要な特徴の一つである微粉末浮遊気
体供給機構の細部の構成と機能および動作について説明
する。微粉末浮遊機構１０は逆円錐形状底部をもつ筒状
容器ホッパー１０１から成り、その内部に微粉末を放り
込むと重力によって底部に堆積１０２を形成するが、微
粉末が舞い上がるときには上部空間１０３に浮遊して漂
うことができる構造となっている。ホッパー１０１に付
属する循環機構１１は、ホッパーの上部に設けられた吸
口１０５から出た吸込管１１１、ポンプ１１２、および
ホッパー底部に設けられたノズル１０４に接続する吹出
管１１３から構成される。

ポンプ１１２を動作するとホッパー１０１内の気体の大
部分はノズル１０４から吹き出し、矢印１０６．１０７
．１０８に示すようにホッパー内で乱流を生じながら流
れて吸口１０５から吸入されて循環機構１１の中を矢印
１１４．１１５．１１６で示すような順序で送られる。

微粉末堆積１０２の量が充分多く、ノズル１０４の先端
が堆積１０２の下に埋められるような状態のときには、
ノズル１０４から吹田す気体は微粉末を舞いあげるので
ホッパー上部空間１０３には微粉末粒子が浮遊する。単
位体積当りの空間に浮遊する微粉末の量は一般にノズル
１０４から吹き出す気体の速度が大きいほど多いので、
ポンプ１１２の回転速度を変えることにより循環気体流
量を調整してもって空間浮遊微粉末債の制御が可能とな
る。

ガス導入系１２は自動流量制御器１２１とバルブ１２２
から成り、一方の端はパイプ１２３を経山してホッパー
容器−に部のポート１２４に接続され、他の一方の端は
バイブ１２５を経山して図示されていないガスボンベに
接続されている。すぐ後に述べるようにホッパー１０１
内の微粉末浮遊気体の一部は低圧高温プラズマ室２に供
給されてホッパー１０１から消費されていくので、これ
を補給するためにガス導入系１２によりホッパ１０１に
は外部から矢印１２６に示すようにガスを供給すること
が必要である。ガス・微粉末供給系１３は、パイプ１３
１、コンダクタンス調整器１３２、パイプ１３３、およ
びフィッテング１３５から構成され、一方の端はホッパ
ー１０１の上部のボート１３０に接続され、他方の端は
低圧高温プラズマ室２の導入管２１に接続されている。

ホッパー１０１の上部空間１０３を占める微粉末浮遊気
体の一部はボート１３０から出て矢印１０９．１３６．
１３７に示す方向に流れて低圧高温プラズマ室２に供給
される。低圧高温プラズマ室２に供給される気体の流量
はホッパー１−０１の容器内の圧力と低圧高温プラズマ
室２の圧力との差異及びガス・微粉末供給系１３の実効
コンダクタンスによって定まることは、真空工学におけ
る気体運動部と排気技術の分野の専門知識をもっ技術者
にとっては容易に理解できるであろう。通常、低圧高温
プラズマ室２の圧力は１０００Ｐａ（約１ＱＴｏｒｒ）
以下であり、またホッパー１０１の内部圧力は約１気圧
（約１０万Ｐａまたは７６０Ｔｏｒｒ）であるので、流
量に及ぼす低圧高温プラズマ室２の圧力の影響は無視で
きて、ホッパー１０１の圧力とガス・微粉末供給系１３
の実効コンダクタンスとを適切な値に選んで制御するこ
とによって流量を所定の値に設定することができる。流
量制御器１３２は、通常使用するようなガス専用の自動
流量制御器を用いることもできるが、もしホッパー１０
１内の圧力の安定性が極めて良好であれば半固定のコン
ダクタンス調整用バルブを用いてもよい。なお、低圧高
温プラズマ室２を単独に排気する際に閉じることのでき
るカットバルブ１３８がバイブ１３１の途中に設けられ
ている。ホッパー１０１にはまた必要に応じて微粉末補
給系１４を付属することもできる。微粉末補給系１４は
、蓋１４０をもつタンク１４１と、バルブ１４３をはさ
んで配置されるバイブ１４２．１４４から構成される。

微粉末浮遊気体供給機構１を一定時間動作させてホッパ
ー１０１底部の堆積１０２の量が消費されて少なくなっ
た場合にはバルブ１４３を開けてホッパー１０１に微粉
末を補給することができる。

既に述べたようにこの実施例の微粉末浮遊気体供給機構
１は、ホッパー１０１底部のノズル１０４から吹き出す
気体の流速により単位体積空間に浮遊する微粉末の量を
制御して、さらにホッパー１０１内部圧力とガス・微粉
末供給系１３の実効排気コンダクタンスとにより供給ガ
ス量とその中に含まれる供給微粉末搬送量を制御してい
る。

実際の装置の運転にあたっては適切な循環ガス量を与え
るようなポンプ１１２の回転速度と、適切なガス・微粉
末供給量を与えるような流量制御器１３２のコンダクタ
ンスおよびホッパー１０１の内部圧力とを知った上で、
これらをそれぞれ独立して単独に一定値をとるように調
整することができる。もしさらに−層精密な制御を行う
ことが望ましい場合には微粉末の浮遊量あるいは供給量
をモニタリングしながらそれらが一定値を維持するよう
な調整も可能であるが、それについては後に詳細に述べ
る。

次に、この発明の主要な構成要素のひとつである低圧高
温プラズマ室２の構成と構造および機能について述べる
が、これらについては既に本願出願人の出願に係る上述
の３件の特許出願の明細書で述べられているので、ここ
では比較的簡単に述べる。低圧高温プラズマ室２は、導
入管２１につらなる放電管２２とその外周の冷却管２３
とから成る全体として石英ガラス二重管の形状をとって
おり、冷却管２３には人口管２４と出口管２５が付いて
いて矢印２６および２７に示す方向に冷却水を流すこと
ができる。放電管２２の導入管２１とは反対側の管部２
８の端部にはフランジ２９が設けられており、フランジ
３８とフランジ３９を介して成膜室３の上部ボート３７
に気密に封止され連結されている。

後述する主排気系４を動作することによって成膜室３と
これに連結される低圧高温プラズマ室２を真空に排気す
ることができ、さらに同時に前述の微粉末浮遊気体供給
機構１を動作させることによって矢印２０１に示す方向
に微粉末浮遊気体を放電管２２内部に導入してその圧力
をｌ　Ｑ　Ｔｏｒｒ〜０．　　］、Ｔｏｒｒの範囲の所
定の圧力に維持することができる。

成膜室３は、基板ホルダー３２を内部に収容する真空チ
ャンバー３１と、これに付属する基板交換用ロードロッ
ク機構３４、ロードロック排気系３５、チャンバー排気
口３６、およびフランジ３８の設けられた上部ポート３
７から構成される。基板ホルダー３２の一端は基板載置
テーブル３２１を形成し基板３３をその上に取り付ける
ことができ、一方他端は気密を保持したまま真空チャン
バー３１の外部に延び、給電端子３２２につらなる基板
加熱用ヒーターを内蔵している。低圧高温プラズマ室２
の石英フランジ２つは２個のＯリング３８１を介してフ
ランジ３８とフランジ組立３９およびネジ３８２により
成膜室」一部ボート３７に連結され気密に固定される。

第４図（Ａ）にはフランジ組立３つの詳細な平面図が、
第４図（Ｂ）には分割されたフランジ部品の平面図が、
第４図（Ｃ）には第４図（Ｂ）の矢視Ｃ−Ｃからみたフ
ランジ部品側面図が示されている。図において、フラン
ジ組立３つは一対の分割フランジ３９１．３９２から戊
り、それぞれの足３９３．３９４をビン３９５．３９６
でもう一方の分割フランジに固定することにより、円形
領域３９８の中に石英ガラス製の管２８をおさめること
ができ、またネジ孔３９７にネジ３８２（第１図参照）
を通すことができる。足３９４にはビン孔３９１２が設
けられており、分割フランジの足は相互に相手の分割フ
ランジの凹部３９１３（この凹部にもビン孔３９１１が
設けられている。）に入れて一対として円形フランジ組
立となり、またビン３９５あるいはビン３９６をはずす
ことにより分解可能となる。

第１図に戻って、主排気系４はバルブ４１、配管４２、
メカニカルブースターポンプ４３、配管４４、および油
回転ポンプ４５から構成されている。この排気系４を動
作させると矢印３０１の方向に気体を排気でき、低圧高
温プラズマ室２および成膜室３にガスを流入させない場
合は１０−４〜１０　””Ｔｏｒｒの圧力までこれら両
室を排気することができる。また１リツトル／　ｍ　ｉ
　ｎ〜１０ｃｃ／ｍｉｎ程度の適切な流量のガスを導入
する場合には１０　Ｔｏｒｒ　〜０．　　Ｉ　Ｔｏｒｒ
の間のある一定の放電に適した圧力を維持することがで
きる。第１図の例で示した主排気系は限定的なものでは
なく、ここで述べたのとは異なる到達圧力および流量を
朋待する場合には別の真空ポンプの組合わせも使用可能
である。例えば高真空圧力を達成するためには、油拡散
ポンプ、ターボ分子ポンプ、クライオポンプ等のうちい
ずれかを用いることができるし、メカニカルブースター
のかわりにスクロールポンプ等の機械ポンプを使用する
ことができることは真空工業分野の技術者にとっては容
易に理解できるであろう。

基板交換用ロードロック機構３４は、この発明に必須の
構成要件ではないが、効率よく薄膜を形成するために実
用的には有益である。真空チャンバー３１の側部に設け
られたゲートバルブ３１１に連結しかつ蓋３４１をもつ
ロードロック室３４２は、排気管３５１、バルブ３５２
を経てポンプ３５３に連結しており、独立して排気する
ことができる。

ＲＦ電力系５は発振周波数１．３．５６ＭＨｚのＲＦ電
源５１、整合器５２、および低圧高温プラズマ室２を取
り巻くようにして設けられたコイル５３から戊る。図示
してないがコイルには必要に応じて冷却水を流すことも
できる。既に述べた方法に従って低圧高温プラズマ室２
の放電管の内部圧力を１０　Ｔｏｒｒ　−０，Ｉ　Ｔｏ
ｒｒの範囲内のある一定圧力に保つようにして、ＲＦ電
源５１から電力を供給すると放電管内には低圧高温プラ
ズマ２１０を発生させることができる。

これまで説明してきた微粉末浮遊気体供給機構１、低圧
高温プラズマ室２、成膜質３、主排気系４、およびＲＦ
電力系５を組合わせてプラズマ蒸着装置全体を動作する
ことにより次のような手順で薄膜を作製することができ
た。

＜１）ホッパーへの微粉末の供給 粒径約１μｍのＹ２Ｏ３、ＢａＣＯ２、ｃｕ（の微粉末
をそれぞれ重量比でｉ　：　３．６５　：　１．４８の
大会で混合して原料粉末として、タンク１４１に１蔵し
た。バルブ１４３および１２２を閉じて主υ気系４によ
りホッパー１０１を排気した後にバｌｌブ１２２．１３
８を閉じてバルブ１４３を開き思料微粉末をタンク１４
１からホッパー１０１へ材し、ホッパー１０１の底部に
微粉末を約２５０ＣＣ堆積させた。そしてバルブ１４３
を閉じバルブ１２２を開きボンベからガス導入系１２を
経てホッパー１０１の圧力が１気圧になるまで酸素ガス
を供給して、−度バルブ１２２を閉じた。

（２）低圧高温プラズマ室２と成膜室３の排気気密を保
持した状態で主排気系４により成膜室３とこれに連結し
た低圧高温プラズマ室２を排気して１０　’Ｔｏｒｒの
圧力を示す真空にした。

（３）低圧高温プラズマ室２への微粉末とガスの供給 微粉末浮遊機構１０と循環機構１〕を動作させてホッパ
ー１０１内の空間に微粉末を浮遊させた。

ポンプ１１２の回転を開始して約３分間でホッパ１０１
−内空間の微粉末浮遊量が一定値をとる平衡状態となっ
た。その後、バルブ１２２および１３８を同時に開いて
ホッパー１０１に外部から酸素ガスを導入すると共にガ
ス・微粉末供給系１３を経由してホッパー１０１から低
圧高温プラズマ室２に微粉末を含む酸素ガスを流した。

２つの流量調整器１２１および１３２の調整をしてホッ
パー１０１へ導入されるガス流量と低圧高温プラズマ室
２に供給されるガス流量が完全に等しくなり、かつホッ
パー１０１内圧カが約１気圧、低圧高温プラズマ室２の
放電管２２の内部汗カが約ｌ　Ｔｏｒｒになるようにバ
ランスをとった。

（４）放電と微粉末の気化 冷却管２３およびコイル５３に冷却水を流した。

ＲＦ電＃、５１を励起させ整合回路５２を経由してコイ
ル５３にＲＦ電圧を印加した。投入するＲＦ電力を除々
に増加することにより放電管２２の内部に誘導結合によ
るプラズマ２１０が発生した。

投入電力があまり大きくないときには放電の発光スペク
トルは酸素分子の励起に起因するものが主体をなしてお
り、またここに導入されてきた微粉末はそのままの形で
放電管２２を通過して成膜室へ送り込まれた。しかし投
入ＲＦ電力がある一定値以上になった場合には放電の発
光スペクトルは酸素原子の励起に起因するものが主体を
なすようになり、またプラズマが高温になるために放電
管２２を通過する微粉末の大部分は溶融して気化した。

したがって充分な大きなＲＦ電力を投入して放電を行い
微粉末の気化を行うことにした。

（５）基板上への薄膜の形成 基板ホルダー３２の加熱ヒーターに電力を投入し基板載
置テーブル３２１の温度を約４５０”Ｃに設定した。次
にロードロック室３４２の籠３４１を開いて基板をロー
ドロック室３４２に挿入した後、再びＭ３４１を閉じて
排気系３５によりロードロック室３４２を排気した。そ
してゲートバルブ３１１を開いて図示されていない基板
移送機構を用いて基板３３を図示されていないシャッタ
ーにより放電管の方向に対しては覆いが設けられた基板
載置テーブル３２１に移した。このあと短時間の後に基
板３３は基板載置テーブル３２１と同じ温度にまで加熱
された。そして図示されていないシャッターを開き、基
板面を低圧高温プラズマ室２１０に対向させてそこから
発生する微粉末の気化した原子の流れ２０２にさらした
。所定の時間経過の後に、基板３３上にはＹＩＢａ２　
Ｃｕ３０７□の組成をもつ斜方晶高温超電導相の薄膜が
形成された。得られた薄膜は臨界温度７５にの超電導特
性を示した。

以下に、具体的な条件の一例をまとめて示す。

微粉末の粒径：　　　　　　　　約１μｍホッパーの圧
カニ　　　　　　　１気圧ホツパー内の微粉末の空間密
度： １．０８〜１０９個／ｃｃ プラズマ室の圧カニ　　　　　　　１Ｔｏｒｒプラズマ
室に流入する酸素ガス流量： ２００ｃｃ／分 基板上の成膜速度：０．ｉ〜１μｍ／分第２図はこの発
明の別の実施例を示す正面断面図で、微粉末浮遊気体供
給機構は省略されている。

第１図と同じ部品には同じ符号が付けられている。

低圧高温プラズマ室２は第１図の実施例とは異なり成膜
室３の鉛直下方に設けられ、成膜室３の上方にロードロ
ック機構３４が設けられている。基板ホルダー３２はロ
ードロック室３４２から挿入されかつ矢印３４３の方向
に引出し成膜室３から取り去ることができる。ロードロ
ック室３４２にはゲートバルブ３１１が設けられ駆動機
構３１２により図のように開いた状態にしたり、また基
板ホルダー３２を矢印３４３の方向に移動して成膜室３
から取り出したときには駆動機構３１２により矢印３１
３の方向に動かしゲートバルブ３１１を閉じた状態にす
ることができる。第１図の実施例では蒸発気化しない微
粉末が基板上に堆積する危険性があったのに対して、第
２図の実施例では基板面が鉛直下方を向いているのでそ
の危険性が少なくなっている。また低圧高温プラズマ室
２には、放電管２２の内壁に沿って支えられるような形
状の着脱自在の防着シールド２２０が設けられている。

防着シールド２２０は微粉末の蒸発物が石英管内壁へ付
着するのを防止する。この防着シールド２２０は、Ｓｉ
Ｃ等の耐熱絶縁材料で作られている。

第３図はさらに別の実施例の低圧高温プラズマ室を示す
。図において放電管２２は導入管２１につながる側から
フランジ２つにつながる側に向かってその外周が次第に
拡大するような形状をとる。

そして放電管２２の外周に設けられたコイル５３の形状
もまたこれに従って周径が次第に拡大するような形状を
とる。このような放電管２２とコイル５３の組み合わせ
を用いるときに発生するプラズマ２１０は、図に示すよ
うに成膜室（図のＬ方に配置されている。）に向かって
拡張するような形状をとり、したがって低圧高温ブラズ
中で蒸発気化する原子は第１図および第２図の実施例の
場合にくらべてもっと効率よく成膜室の方へ入射して放
電管壁面に付着する分量を少なくすることができる。ま
た一対の磁石組立６１．６２から成る磁石対６０を放電
管２２の外周に設けることにより、下方の狭い空間から
上方の拡大する空間２２１に沿って拡張発散する磁力線
６０１を発生して、低圧高温プラズマ２１０の形状を調
整することをより容易にすることができる。第５図（Ａ
）は磁石組立６２の平面図、第５図（Ｂ）は半円環状の
カバー組立を第５図（Ａ）の矢視Ｂ−Ｂから見た側面図
を、第５図（Ｃ）は半円環状磁石６２１の平面図を示す
。これらの図において一対のカバー組立６２０は足６２
０１をもち相互にその四部６２０３に足を収容しビン６
２０２で固定し円環状の磁石組立とすることができ、ま
た半円環状に分解することもできる。その構造は既に第
４図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）で説明したところとよく似てい
る。第３図において、下側の磁石組立６１は、２個の半
円環状永久磁石６１１を含み、上側の磁極面６１２がＮ
極、下側の磁極面６１３がＳ極となっている。同様に、
−１−側の磁石組立６２は、２個の半円環状永久磁石６
２１を含み、上側の磁極面６２２がＮ極、下側の磁極面
６２３がＳ　Ｆｊとなっている。

ここまで述べてきた第１図、第２図、第３図の実施例に
おいては基板と、蒸発源である低圧高温プラズマとの位
置関係は、いずれかが鉛直−Ｌ方で他方がその下方とな
るような配置について説明してきた。しかし、この発明
のように微粉末を浮遊させた気体を低圧高温プラズマ室
に導入する形式のプラズマ蒸着装置では、基板と低圧高
温プラズマの相対的位置を一定に保ちながら全体を乗直
に配置することも水平に配置することもあるいは水平面
に対して任意の角度で配置することも可能である。とい
うのは、微粉末浮遊気体は低圧高温プラズマに対して任
意の方向から供給できて、がっ、基板は現実的にはプラ
ズマ室の微粉末浮遊気体導入位置とは反対側に設置する
からである。これによって装置の組立配置に白山度が与
えられると共に、基板上へ未蒸発微粉末が堆積するのを
抑制するような配置の選択ができる。

第６図は、この発明の微粉末浮遊機構１０における単位
空間体積内の浮遊微粉末の量を精度良く制御する方式の
例を示す。図においてホッパ１０１には発光源８０とホ
ッパー１０１を通過する光８１１を検出する検出器８１
が設けられている。この方式では、ホッパー１０１．の
上部の空間に浮遊する微粉末の量によって光が散乱され
ることを利用している。検出器８１の出力信号は制御電
源８３に送られ、信号線８４を介してポンプ１１２の回
転速度が制御される。このような粉末供給制御系８を用
いることにより常に所定の微粉末量を浮遊させることが
極めて正確に行われる。

第７図はこの発明の別の高精度粉末供給制御方式の例を
示す。図においてホッパー１０１にはホッパー内圧力自
動制御系７が設けられている。ホッパー１０１の圧力は
圧力センサ７１によって測定されその出力信号は信号線
７２を経て制御電源７３に入れられ信号線７４を経て自
動流量制御器１２１にフィードバックされる。一方、成
膜室３の基板ホルダー３２の傍には膜付着速度モニタ７
５１が設けられ、その出力信号は検出器７５２に送られ
、さらに信号線７５３を経て制御電源７５４に入れられ
、信号線７５５を経てポンプ】１２の回転速度を制御す
る。膜厚モニターによる粉末供給制御系７５は、蒸着速
度が一定になるように微粉末の供給速度を制御してやる
ことができ、系の応答の時定数と回路のフィードバック
時定数とを充分注意して選んで調整することにより冷め
て安全な運転を長時間にわたって可能にするものである
。

第８図はこの発明によるさらに別の高精度粉末供給制御
方式の例を示す。第７図の制御系と異なり、ここではポ
ンプ１１２の回転速度を制御するために低圧高温プラズ
マ２１０から放射される微粉末原子に特有な波長の光２
１１の強度を測定するための検出器９１を用いている。

その出力信号は信号線９２を経由して制御電源９３に入
り所定の設定値と検出器９Ｊの出力とが等しくなるよう
に、信号線９４を経由してポンプ］１２の回転速度を制
御する。この粉末供給制御系９はプラズマ中における原
子の発光強度を一定にすることができ、系の応答速度は
第７図の場合より大きいが第６図の場合よりは小さい。

したがって制御のための調整に要する時間は第６図の場
合と第７図の場合の中間となる。また、センサの寿命の
点では、第６図と第８図の粉末供給制御方式は、第７図
の膜付着速度に基づく粉末供給制御方式よりもセンサの
繰り返し使用寿命が長い。

第９図は、石英管２８とチャンバー３１との接合部の他
の実施例の断面図である。この例では、石英管２８に溶
着されている石英ガラス製のフランジ２９は石英管２８
の二市管の外管に溶着されている構造となっている。二
重管内部が水冷されているので、この構造ではフランジ
２９が加熱されず、ゴム製のＯリング３８１を用いた真
空シルの信頼性が向上する。４０１はゴム製のシートで
、金属製の半円環３９１．３９２をネジで締め付けた場
合に石英ガラス製のフランジ２９に応力が生じて破損し
ないようにするためのクツションとして使用している。

［発明の効果］ 請求項１の発明では、低圧高温プラズマ室に微粉末とガ
スを供給するにあたり、あらかじめ微粉末を気体中に浮
遊させてこれを気体と共に搬送して供給するようにした
ので、微粉末を自動的かつ連続的に供給でき、供給竜の
制御も精度良くできる効果がある。また、微粉末は気体
に浮遊しているので、低圧高温プラズマ室への微粉末供
給方向は重力の影響を受けない。したがって、下方から
、上方から、水平方向からなど任意の方向から微粉末を
供給でき、装置設計４−の自由度が高まる。

請求項２の発明では、微粉末浮遊気体供給機構として、
底部に堆積した微粉末をその下方から気体を吹き出すこ
とにより気体中に浮遊させる形式のホッパーと、ホッパ
ー内の微粉末浮遊気体を循環させる循環機構とを利用し
ているので、循環機構の流量を制御することによってホ
ッパー内の単位体積当たりの微粉末量を制御することが
できる。

これにより、ガス流量と微粉末流量とを独立して制御で
きる効果がある。

請求項３〜５の発明は、ホッパーと循環機構を備えた微
粉末浮遊気体供給機構を利用するにあたり、粉末供給量
を制御するための制御方式を工夫したものであって、請
求項３ではホッパー内部の浮遊微粉末の量を光学的に検
出してこれを循環機構にフィードバックしている。請求
項４ではプラズマの発光強度を検出してこれを循環機構
にフィトバックしている。請求項５では膜付着速度を検
出してこれを循環機構にフィードバックしている。これ
らの３種類の粉末供給制御機構を比較すると、浮遊微粉
末量に基づく制御は、フィードバック系の応答速度が一
番速い利点がある。膜付着速度に基づく制御は、蒸着速
度を一番正確に制御できる利点がある。発光強度に基づ
く制御は、フィードバック系の応答速度がそれほど遅く
もなく、また蒸着速度の制御性もそれほど劣っていない
ので、バランスの取れた制御方法であると言える。

請求項６゛の発明は、低圧高温プラズマ室を成膜室の下
側に設けているので、万が一１微粉末がプラズマによっ
て気化されない場合でも、成膜室の基板」二に微粉末が
そのまま落下する危険がなくなる。

請求項７の発明は、低圧高温プラズマ室の内壁に沿って
着脱可能な防着シールドを設けているので、防着シール
ドを新しいものと交換するだけで、低圧高温プラズマ室
の汚染と損傷を抑制することができる。

請求項８の発明は、低圧高温プラズマ室の形状を、微粉
末が導入される側の端部から成膜室に連結される側の端
部に向かって内部断面積が拡大するような形状としたの
で、プラズマ中で気化した原子は成膜室の方に効率良く
入射し、気化原子がプラズマ室の内壁に付着する割合を
少なくできる。

請求項９の発明は、請求項８のような形状の低圧高温プ
ラズマ室の外側に、プラズマの形状を整えるための磁石
対を設けたので、狭い空間から拡大空間に向かって拡張
発散するような磁力線を発生させて低圧高温プラズマの
形状を整えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第１実施例の正面断面図、第２図
は、第２実施例の一部の正面断面図、第３図は、第３実
施例のプラズマ室の正面断面図、 第４図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、第１実施例のフランジ組
立の平面図、一部平面図、Ｃ−Ｃ矢視側面図、 第５図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、第３実施例の磁石組立の
平面図、Ｂ−Ｂ矢視側面図、一部平面図、第６図は、粉
末供給制御系のブロック図、第７図は、別の粉末供給制
御系のブロック図、第８図は、さらに別の粉末供給制御
系のブロック図、 第９図は、石英管のフランジ部の変更例の正面断面図で
ある。 １・・・微粉末浮遊気体供給機構 １０・・・微粉末浮遊機構 １０１・・・ホッパー １１・・・循環機構 １２・・・ガス導入系 １３・・・ガス・微粉末供給系 ２・・・低圧高温プラズマ室 ２２０・・・防着シールド ２２１・・・プラズマ室の拡大空間 ３・・・成膜室 ４・・・主排気系 ５・・・ＲＦ電力系 ６０・・・磁石対

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）低圧高温プラズマ室と、 微粉末を気体中に浮遊させてこれを気体と共に搬送して
   前記低圧高温プラズマ室に供給する微粉末浮遊気体供給
   機構と、 前記低圧高温プラズマ室に連結して基板上に薄膜を形成
   するための成膜室と、 前記成膜室を真空に排気するための排気系と、前記低圧
   高温プラズマ室に電力を供給して放電を発生させるため
   の電力供給系とを備えたプラズマ蒸着装置。
2. （２）前記微粉末浮遊気体供給機構は、 重力によって底部に堆積した微粉末を下方から気体を吹
   き出すことにより気体中に浮遊させるホッパーと、 前記ホッパー内の気体を微粉末を浮遊させたままの状態
   で吸い込んで連続的にホッパー底部から吹き出す循環機
   構と、 前記ホッパーに外部から気体を供給するガス導入系と、 微粉末を浮遊させた気体を前記ホッパーから前記低圧高
   温プラズマ室に供給するガス・微粉末供給系とを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のプラズマ蒸着装置。
3. （３）前記ホッパーの内部の浮遊微粉末の量を光学的に
   検出しこれに基づいて前記循環機構を制御する粉末供給
   制御系を設けたことを特徴とする請求項２記載のプラズ
   マ蒸着装置。
4. （４）前記低圧高温プラズマ室内のプラズマの発光強度
   を検出しこれに基づいて前記循環機構を制御する粉末供
   給制御系を設けたことを特徴とする請求項２記載のプラ
   ズマ蒸着装置。
5. （５）前記基板の近傍で膜付着速度を検出しこれに基づ
   いて前記循環機構を制御する粉末供給制御系を設けたこ
   とを特徴とする請求項２記載のプラズマ蒸着装置。
6. （６）前記低圧高温プラズマ室は前記成膜室の下側に配
   置されたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ蒸着
   装置。
7. （７）前記低圧高温プラズマ室の内壁に沿って着脱可能
   な防着シールドを備えたことを特徴とする請求項１記載
   のプラズマ蒸着装置。
8. （８）前記低圧高温プラズマ室は、微粉末が導入される
   側の端部から成膜室に連結される側の端部に向かってそ
   の内部断面積が拡大するような形状にされていることを
   特徴とする請求項１記載のプラズマ蒸着装置。
9. （９）低圧高温プラズマ室の外側に、プラズマの形状を
   整えるための磁石対を設けたことを特徴とする請求項８
   記載のプラズマ蒸着装置。