JPS60121265A - ア−ク放電を用いた真空蒸着装置におけるプラズマパラメ−タの制御方法 - 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】 本発明は、アーク放電、例えばアーク放電蒸発器、プラ
ズマパラメータを決定するためのゾンデ及びアーク放電
路を変化させる装置を用いた真空蒸着装置におけるプラ
ズマパラメータの制御方法に関するものであり、かかる
真空蒸着装置は、プラズマの手助けにより析出する層（
イオンメッキ）を生成するために使用される。

用途の範囲は、とりわけホローカソードアーク放電蒸発
器によりアーク放電が発生される、プラズマの手助けに
よる蒸着プロセスである。

近時、例えば機械的強度の高い物質などの層をプラズマ
の手助けで析出する技術が、長足の進歩をとげた。マト
ツクス（米国特許第４３２９、６０１号明細書）も説明
しているように、この方法に関連する多数の改良案は、
圧力、ガスバーｙ　メ−タ又は電位などの個々のプロセ
スパラメータの制御にも関係するものである。しかし従
来では、プラズマ均一性の意義は明らかに等閑視されて
いた。例えばシラー／ハイジッヒ共著「ペタンプフング
ステヒニークｊＶＥＢ７エアラークテヒニク１９７５年
など重要と思われる刊行物もこの点について触れていな
い。上記のような方法が次第に大規模に採用されるに至
り、層について極度に高い再現可能性及び均一性が要求
されるようになった。それに関連する研究の結果判明し
たことであるが、蒸着室内でのプラズマの均一性が層の
均一性にとって重要である。蒸着室内でプラズマを検出
し特徴付ける従来技術の装置は、もっばら実験室用とし
てのみ知られており、プラズマ自体の制御はしない。

採用されている診断法はいずれも極めて高価であシ、故
障もし易い。それ故これらを産業用設備に使用すること
ははとんど不可能である。

ドイツ連邦共和国特許出願公開公報第２９４７４８２号
には、例えばプラズマプロセスの監視及び制御装置が記
載されており、この装置によれば、質量分析計を使用し
てプラズマプロセスを量的・質的に制御することが可能
となる。

この装置によれば、プラズマ中に存在するすべてのイオ
ン化粒子の証明が可能である。

１、か（−この証明は特定の１個所でのみ行なわれると
いう欠点がある。・蒸着室内の他の個所でプラズマ状態
を同時に検出することは不可能である。それ故上記装置
は、蒸着室全域内におけるプラズマの均一性に関する情
報を伝え、若しくはこれを制御するためには適当とはい
えない。

本発明の目的は、プラズマの手助けによる蒸着プロセス
において、拡大された複雑な基板表面にわたシ再現可能
性の高い層特性の均一性を、安価な費用で保障すること
である。

本発明の基本的課題は、プラズマパラメータの均一性の
制御を実現することのできる方法を提供することである
。

本発明によればこの課題は次のようにして解決される。

即ちプラズマの手助けによる蒸着のためにプラズマが維
持される蒸着室内において、異なる２個所で、各々ラン
グミュアゾンデを使用し７てプラズマパラメータを測定
し、発生するゾンデ電流を互いに比較し、両ラングミュ
アゾンデのゾンデ電流の差が（所定のゾンデ電位のもと
て）最小になるように、アーク放電路の変化を通Ｌ″、
てプラズマを制御するのである。

理論上完全に均一なプラズマでは、差値は零に等しい。

１７かし実際には、唯一のプラズマ放電を利用１．た比
較的大型の製造装置でね、絶対的な均一性は達成できな
いことが判っている。

しかし実際の蒸着プロセスにとっては、ゾンデ電流の差
をできる限り小さくすることを方法技術面で保障するこ
とが極めて有効である。蒸着室内におけるラングミュア
ゾンデの最も有効々位置は、アーク放電の場所に対する
基板の両極端位置である。一般には基板の惑星運動が問
題になる。従ってゾンデの位置は、両ゾンデが相異なる
プラズマ領域を検出するように選定さ・れなければなら
々い。例えば拡大された基板の蒸着の場合には、プラズ
マ発生装置に農も近い領域と、プラズマ発生装置に最も
遠い領域をそれぞれゾンデにより検出することが必要で
ある。

ラングミュアゾンデは第３図に図示した周知の特性曲線
を有する。一般にはプラズマ特性は、イオン温度及びイ
オン濃度と電子温度及び電子濃度により特徴付けられ゛
る。ゾンデ特性曲線は、ゾンデに加わる電位と発生する
ゾンデ電流との間の関数的関係を与える。

プラズマの均一性は、ゾンデ特性曲線がプラズマのすべ
ての個所で一致する場合に保障される。

プラズマの手助けによる蒸着プロセスにおいて層形成に
対し決定的な影響を及ぼすものは、プラズマ中に存する
イオン、とシわけこれらのイオンの濃度及び温度、であ
る。

かようなイオンの濃度及びイオンの温度は、第５図のゾ
ンデ特性曲線の部分Ａによシ特徴付けられる。それ数本
発明によれば、この領域若しくはこの領域の点が両セン
サで互いに比較される。これは、浮動電位、即ぢゾンデ
電流が零になる電位、に対し負性の電位をゾンデに加え
れば、可能である。プラズマパラメータの最大均一性を
達成するためのアーク放電の制御は、本発明によれば、
アーク偏向のためにアーク放電装置で必らず必要となる
磁界を制御することにより行なう。これにより両ゾンデ
の関数■５ｏｎｄｅ　／　Ｕｓｏｎｄｅ　−一定−ｆ（
ｎ）が差動増幅器により比較され、差△Ｉｅｏｎｄｅが
適当々調節機構により最小化される。ゾンデをプラズマ
中に進入させる個所を有利に選定するか若しくはゾンデ
の形状を適合させることにより、両ゾンデの関数］５ｏ
ｎｄｅ　／Ｕｓｏｎ＋ｉｅ　−一定＝　ｆ（Ｈ）が共通
の交点を有せず、関数△工５ｏｎａｅ＝　ｆ　（Ｈ）が
１つの最小値のみをもつように１２なければならない。

唯一の最小値が生ずるととは、制御が働くだめの前提で
ある。複数の最小値が存在する場合には、制御が区別で
きないような複数の等価な目標関数が生じてしまう。

本発明の方法を採用することにより、蒸発装置の上側の
１つの水平面に設けられておらず、蒸発器から相異なる
間隔を置いて立体的に配置される基板の場合にも、均一
な蒸着を実現することができる。拡大されたプラズマ領
域では、本発明の方法を採用しない限り、蒸発速度、ガ
ス圧力などの規制される工学的パラメータを変化するこ
となく均一の類６着を行なうことは不可能である。ゾン
デはその拡大部では極めて小さくおさえることができる
ので、プラズマに対しゾンデが及はす反作用はわずかで
あり、蒸着プロセスに対して影響することもない。

一般にアーク放電装置で使用されるアーク偏向手段若し
くはアーク集束手段（例えば磁界発生装置など）を利用
すれば、技術的な費用・手間は極めてわずかで済む。制
御の質は熱論、アーク放電路を制御する手段が真空室内
全域におけるプラズマ体に対し及ぼす作用に依存する。

しかし一般にアーク放電路をわずかでも変化させれば、
プラズマ体は比較的大きくシフトする。

次に本発明を２つの実施例につき図面を用いて詳細に説
明する。第１図はホローカソードアーク放電蒸発器を具
備する装置６］を示す。第２図は電子ビーム蒸発器を具
備する装置を示す。第３図はラングミュアゾンデの特性
曲線を示す。

第４図は２つのラングミュアゾンデの△工　曲線を示す
。

第１図において、真空皐１内には、ホローカソードアー
ク放電蒸発器２と、基板４を有する基板保持装置５が図
示されている。更に真空室１内にｉ−ｔ　、ガス圧力、
温度、蒸着速度などの必要なセンサのほかに、２つの本
発明のラングミュアゾンデ５，６が収容されている。ゾ
ンデ５は蒸発器の真近にあって、るつは面の上方約５０
団の位置にある。ゾンデ６はゾンデ５の垂直上方に位１
〆（［７、ホローカソードアーク放電蒸発器２の上方に
５００　ｍｍの間隔を置いて設けられている。このよう
に、プラズマ発生装置、ホローカソードアーク放市蒸発
器２からゾンデ５とゾンデ６を相異々る間隔を置いて配
置することによって、基板保持装置６に設けられた上側
の基板４の場所における実際のプラズマ条件及び基板保
持体に設けられた下側の基板の場所におけるプラズマ条
件が、検出される。ゾンデ５，６には電圧源７により所
定の電位が加わる。ゾンデ５，６で発生する電流工。は
差動増幅器８で比較され、差信号は調節装置９を介して
磁界発生装置１０に供給される。磁界発生装置１０はホ
ローカソードアーク放電１１の放電路に影響を及ぼす。

この磁界発生装Ｒ１０は、るつは而の下側に設けた通電
コイルと、るつｔ丁形状に合わせた軟鉄コアとから構成
される。横断方向の磁界の調節は、コイル電流の調節に
より行なう。

両ゾンデ５，６は、直径が０５闇で実効長が５朔である
シリンダゾンデとして構成されている。

両ゾンデ５，６は、適当に遮へいすることにより、金属
蒸気が直接供給されないよう保獲されており、外部の制
御装置と電気的に接続されている。給電線は電気的に絶
縁して配設しである。

ゾンデ６．６の熱的安定性を保障するために、タングス
テン又はモリブデンなどの高融点材料を使用する。

ゾンデ５，６の浮動電位は蒸発器能力により著しい影響
を受けるので、ゾンデ５，６にはアースに対し一１１］
■の一定電位を加え、これによって、動作点が常時第３
図の特性曲線の領域Ａにあるように保障する。

第４図１ｄ、関数’　ｅ　＝　ｆ（”Ｍａｃ）を示す。

第４図から明らかなように、工Ｍａｒ　の変動領域には
差の最小値が生ずる。電子制御の目的は、シ゛ンデ電流
差がこの最小値をとるように′醍流ＩＭａｇ　を調節す
ることである。これにより、ゾンデ５の位１ｔｔにおけ
るイオン濃度及びイオン温度とゾンデ６の位１ｆｆ（に
おけるイオン濃度及びイオン温度との差は最小になり、
最大のプラズマ均一性を蒸発パラメータ及びガス圧力に
無関係に達成できる。

第２図ｔよ、金属蒸気を発生するだめの電子ビーム蒸発
器１２を具備する真空室１と、ゾラズマを発生するため
のイオン化装置を示す。これは、ホローカソード１５と
偏向コイル１４とアノード１５から構成されている。更
に真空室１内には、基板保持体３及び基板４がある。反
応性の蒸着プロセスの場合における付加的な動作ガスの
ガス供給は、弁１６を介して行なう。

ゾンデ１７，１８は互いに相当部れた２つの個所に設け
られている。これらのゾンデ１７゜１８はシリンダゾン
デとして構成されている。

電源装置１９により発生されるゾンデ電位はアースに対
し一１ｖである。発生するゾンデ電流は、差動増幅器２
０、調節装置２１を介して、磁気偏向コイル１４に作用
する。偏向コイル１４は、アノード１５の近傍において
漂遊磁界を発生する。この漂遊磁界は、ホローカソード
１３とアノード１５との間のアークのアーク放電路を変
化させることができる。

与えられる幾伺的及びプラズマ物理的条件のもとで、ゾ
ンデ１７の関数工。−ｒ（Ｈ）とゾンデ１８の関数工。

−ｆ（Ｈ）がＨの変動領域内で交叉し、一義的な最小値
が生じない可能性があるので、ゾンデ表面を相異なる大
きさに選定した。これにより差へ工。がＨの全域で増大
し、制御には安定性が生じ、電子ビーム蒸発器１２に無
関係に蒸着室全域でプラダ１パラメータの均一性が達成
される。

【図面の簡単な説明】

第１図はホローカソードアーク放電蒸発器を具備する蒸
着装置を示す略図、第２図は電子ビーム蒸発器を具備す
る蒸着装置を示す略図、第３図はラングミュアゾンデの
特性曲線を示すダイヤグラム、第４図は２つのラングミ
ュアゾンデのムＩ　曲線のダイヤグラムである。 １・・・Ｊｈ＝　空室、２・・・ホローカソードアーク
放電蒸発器、５・・・基板保持装置、４・・・基板、　
５，６，１７．１８・・・ゾンデ、７・・・電圧源、　
８．２０・・・差動増幅器、９゜２１・・・調節装置、
１０・・・磁界発生装置、１１・・・ホローカソードア
ーク放電、１２・・・電子ビーム蒸発器、１３・・・ホ
ローカソード、１４・・・（ｌコイル、１５・・・アノ
ード、１６・・・弁、１９・・・電源装置。 第１図 第２図 第３図 第４図 第１頁の続き ０発　明　者　リューデイゴル・ライ　ドイツ民主共和
ルベルク　セ、５９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （Ｉ　蒸着室内の異なる２個所の場所で、プラズマパラ
   メータを、それぞれラングミュアゾンデを用いて測定し
   、所定のゾンデ電位のもとで、発生するゾンデ電流の差
   を、ゾンデ電流の差が最小となるように、アーク放電路
   の制御パラメータとして使用することを特徴とする、ア
   ーク放電、プラズマパラメータを決定するためのゾンデ
   及びアーク放電路を変化させる装置を用いた真空蒸着装
   置におけるプラズマパラメータの制御方法。 （２）　プラズマパラメータを、蒸発器源と基板との間
   の最短間隔の近傍にあるラングミュアゾンデと、蒸発器
   源と基板との間の最長間隔の近傍にあるラングミュアゾ
   ンデとを用いて測定する特許請求範囲第（１）項に記載
   の制御方法。 （３）　ゾンデがイオン飽和領域内で動作するように、
   ゾンデ電位を選定する特許請求範囲第（１）項に記載の
   制御方法。 （４）１つのゾンデ表面のみを拡大することにより、ゾ
   ンデ電流の差を増大する特許請求範囲第（１）項に記載
   の制御方法。