(57)【要約】      （修正有）【課題】１０μｍの厚さでより緻密な膜質が得られる成膜方法の提供。【解決手段】被処理物を保持するホルダに一部を１〜５００ｋＨｚで矩形あるいは三角波形状のパルス化した直流バイアスを印加し、厚さ１０ｍｍ以上の厚板である前記被処理物とギャップ長さ０．１〜１．０ｍｍで保持するホルダに−１０００〜２００Ｖのバイアスを印加した静電容量カップリングであり、プラズマ診断、基板温度制御、ループハース監視装置を備えたイオンプレーティング装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽内に、蒸発源の収納部を形成したハースと、ハースに対応する電子ビーム発生装置とを配置し、ハースと被処理物との間に高周波誘導コイルを備え、被処理物を保持するホルダに一部を１〜５００ｋＨｚで矩形あるいは三角波形状のパルス化した直流バイアスを印加したイオンプレーティング装置において、前記一部パルス化した直流バイアスは、厚さ５ｍｍ以上の厚板である前記被処理物とギャップ長さ０．１〜１．０ｍｍで保持するホルダに−１０００〜２００Ｖのバイアスで印加した静電容量カップリングであることを特徴としたイオンプレーティング装置。
【請求項２】
前記被処理物を保持するホルダ中央部の成膜表面に表面電位計測センサを設けることを特徴とする請求項１のイオンプレーティング装置。
【請求項３】
前記被処理物表面近傍にイットリウム系酸化物またはトリウム系酸化物を被覆したプラズマの密度および電子温度を測定するプローブを設け、前記プローブは成膜中に２０００Ｋ以上に加熱することを特徴とする請求項１のイオンプレーティング装置。
【請求項４】
前記バイアスの印加点を導体外部に設置し、前記被処理物を保持するホルダはε＝０．８〜０．９で黒化処理され、ホルダを加熱するヒータおよび冷却する冷媒の流路を設けることを特徴とする請求項１のイオンプレーティング装置。
【請求項５】
前記ハースと被処理物との間に設けた高周波誘導コイルの周波数は１ＭＨｚ〜６０ＭＨｚであり、コイルのターン数は１ターン〜４ターンであり、ハース毎に分割して配置することを特徴とする請求項１のイオンプレーティング装置。
【請求項６】
前記被処理物を保持するホルダの裏面に光ファイバー温度計を設けることを特徴とする請求項１のイオンプレーティング装置。赤外線温度計または
【請求項７】
前記被処理物表面にレーザーを照射する機構と反射光を受ける機構を有し、反射光から成膜中の膜厚を計算により求める演算部を外部に有するエリプソメトリーを前記被処理物近傍に設けることを特徴とする請求項１のイオンプレーティング装置。
【請求項８】
前記ハースは原料を供給する溶融部と成膜用の蒸発源を備えたループハースを原料毎に複数有し、溶融中のスプラッシュ監視モニターと制御機構を有することを特徴とする請求項１のイオンプレーティング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、金属酸化物のイオンプレーティング装置に関し、詳しくは、処理室内に設けた金属蒸発源を電子ビーム照射により気化させた金属蒸気をイオン化させ、被処理体表面をイオンプレーティングにより積層被膜処理を行うイオンプレーティング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来より半導体産業では集積回路の微細化に伴い、ダストおよびコンタミネーション汚染を軽減するため、プラズマを利用する成膜およびエッチング、洗浄プロセスでは、プラズマに曝露される処理室内構成材料の表面をプラズマ浸食されにくい希土類元素酸化物被膜でコートすることが求められている。
【先行技術文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１６−５２５２８７号公報
【特許文献２】特開２０１８−１９０９８３号公報
【発明の開示】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
【０００４】  本発明は、緻密な金属酸化物の積層膜を作成するイオンプレーティング装置およびイオンプレーティング方法を提供することを目的としている。
従来、耐プラズマ特性の高い被膜としてＹ２Ｏ３、ＹＯＦ、ＹＦ３といったイットリウム系酸フッ化物が知られており、溶射、スプレーコーティング、エアロゾルデポディション、スパッタリング、ＣＶＤといった成膜方法で成膜している。しかし、これらの成膜方法においてＹ２Ｏ３、ＹＯＦ、ＹＦ３を成膜すると被膜中に粒径１μｍ以上の粉体が析出するとともに、一定量の空孔率を有し、結晶粒が存在することによりプラズマプロセスにおいて結晶粒界面に起因する腐食が問題視されるようになっている。一方スパッタリング、ＣＶＤは緻密な膜は形成できるが１μｍ以上の厚膜を形成することは不可能です。保護膜としては一般に１０μｍ以上の厚さが必要なため本成膜方法は利用できない。そのため、近年では１０μｍの厚さでより緻密な膜質が得られる成膜方法が必要とされている。
また、膜密度および組成、膜厚といった成膜条件を制御するためには、蒸発源や基板温度の他にも、プラズマ密度および基板表面電位を測定することが必要だが、回転する大型基板に直接センサを取り付けることの困難さや測定方法における誤差、成膜が長時間進むにつれプローブの汚染や劣化といった問題があり、再現性にも問題があった。そのため、簡便で精度の高いプラズマ測定方法が求められている。
また、基板にＤＣバイアス印加する場合には成膜が進むにつれ基板温度が変化するため、基板ホルダを加熱および冷却する必要があるが、基板サイズの大型化および回転機構の複雑さも伴い、急速加熱および急速冷却は困難であった。
また、従来はパラメータを種々変えて成膜条件を決めているが、成膜終了後に基板を大気中にて膜厚測定していたため、条件変更による膜厚変動はすぐには判らないため、近年、緻密な膜質や精密な膜厚制御にはｉｎ−ｓｉｔｕ（その場測定）も求められるようになっている。
【発明の効果】
【０００５】  本発明に係るＤＣバイアス印加イオンプレーティング装置によれば、次の効果を奏することができる。
請求項１の発明は、真空槽内に、蒸発源の収納部を形成したハースと、ハースに対応する電子ビーム発生装置とを配置し、ハースと被処理物との間に高周波誘導コイルを備え、被処理物を保持するホルダに一部を１〜５００ｋＨｚで矩形あるいは三角波形状のパルス化した直流バイアスを印加したイオンプレーティング装置において、前記一部パルス化した直流バイアスは、厚さ５ｍｍ以上の厚板である前記被処理物とギャップ長さ０．１〜１．０ｍｍで保持するホルダに−１０００〜２００Ｖのバイアスで印加した静電容量カップリングであることを特徴としたイオンプレーティング装置により、緻密な金属酸化フッ化物成膜をすることができる。
【０００６】  請求項２の発明は、真空層内に、蒸発源の収納部を形成したハースと、ハースに対応する電子ビーム発生装置とを配置し、ハースと被処理物との間に高周波誘導コイルを備え、被処理物を保持するホルダに一部を１〜５００ｋＨｚで矩形あるいは三角波形状のパルス化した直流バイアスを印加したイオンプレーティング装置において、前記一部パルス化した直流バイアスは、厚さ５ｍｍ以上の厚板である前記被処理物とギャップ長さ０．１〜１．０ｍｍで保持するホルダに−１０００〜２００Ｖのバイアスで印加した静電容量カップリングであることを特徴としたイオンプレーティング装置において、前記被処理物を保持するホルダ中央部の成膜表面に表面電位計測センサを設けることを特徴としたイオンプレーティング装置により、成膜中のプラズマ測定を安定化させることでＲＦ制御によりイオンプレーティング成膜を一定に保つことができる。また、組成の異なる成膜に応じた成膜条件にも精密に温度制御が可能となる。表面電位計はホルダの回転軸に固定されても良く、被処理物の孔に設けて固定位置で測定しても良い。
【０００７】  請求項３の発明は、真空層内に、蒸発源の収納部を形成したハースと、ハースに対応する電子ビーム発生装置とを配置し、ハースと被処理物との間に高周波誘導コイルを備え、被処理物を保持するホルダに一部を１〜５００ｋＨｚで矩形あるいは三角波形状のパルス化した直流バイアスを印加したイオンプレーティング装置において、前記一部パルス化した直流バイアスは、厚さ５ｍｍ以上の厚板である前記被処理物とギャップ長さ０．１〜１．０ｍｍで保持するホルダに−１０００〜２００Ｖのバイアスで印加した静電容量カップリングであることを特徴としたイオンプレーティング装置において、前記被処理物表面近傍にイットリウム系酸化物またはトリウム系酸化物を被覆したプラズマの密度および電子温度を測定するプローブを設け、前記プローブは成膜中に２０００Ｋ以上に加熱することを特徴とし、加熱によってプローブへの原料の着脱を防止し、成膜中のプラズマ測定を安定化させることでＲＦ制御によりイオンプレーティング成膜を一定に保つことができる。また、組成の異なる成膜に応じた成膜条件にも精密に温度制御が可能となる。
【０００８】  請求項４発明は、真空層内に、蒸発源の収納部を形成したハースと、ハースに対応する電子ビーム発生装置とを配置し、ハースと被処理物との間に高周波誘導コイルを備え、被処理物を保持するホルダに一部を１〜５００ｋＨｚで矩形あるいは三角波形状のパルス化した直流バイアスを印加したイオンプレーティング装置において、前記一部パルス化した直流バイアスは、厚さ５ｍｍ以上の厚板である前記被処理物とギャップ長さ０．１〜１．０ｍｍで保持するホルダに−１０００〜２００Ｖのバイアスで印加した静電容量カップリングであることを特徴としたイオンプレーティング装置において、前記バイアスの印加点を導体外部に設置し、前記被処理物を保持するホルダはε＝０．８〜０．９で黒化処理され、、ホルダを加熱するヒータおよび冷却する流路を設けることを特徴としたイオンプレーティング装置により、成膜中における基板温度を制御することができる。また、組成の異なる成膜に応じた成膜条件にも精密に温度制御が可能となる。冷媒として水、窒素、空気の他に気液混合体を用いることができる。
【０００９】  請求項５の発明は、真空層内に、蒸発源の収納部を形成したハースと、ハースに対応する電子ビーム発生装置とを配置し、ハースと被処理物との間に高周波誘導コイルを備え、被処理物を保持するホルダに一部を１〜５００ｋＨｚで矩形あるいは三角波形状のパルス化した直流バイアスを印加したイオンプレーティング装置において、前記一部パルス化した直流バイアスは、厚さ５ｍｍ以上の厚板である前記被処理物とギャップ長さ０．１〜１．０ｍｍで保持するホルダに−１０００〜２００Ｖのバイアスで印加した静電容量カップリングであることを特徴としたイオンプレーティング装置において、前記ハースと被処理物との間に設けた高周波誘導コイルの周波数は１ＭＨｚ〜６０ＭＨｚであり、コイルのターン数は１ターン〜４ターンであり、ハース毎に分割して配置することを特徴としたイオンプレーティング装置により、プラズマ密度を高め、反応速度、成膜速度を高めるとともに、緻密な金属酸化フッ化物成膜をすることができる。
【００１０】  請求項６の発明は、真空層内に、蒸発源の収納部を形成したハースと、ハースに対応する電子ビーム発生装置とを配置し、ハースと被処理物との間に高周波誘導コイルを備え、被処理物を保持するホルダに一部を１〜５００ｋＨｚで矩形あるいは三角波形状のパルス化した直流バイアスを印加したイオンプレーティング装置において、前記一部パルス化した直流バイアスは、厚さ５ｍｍ以上の厚板である前記被処理物とギャップ長さ０．１〜１．０ｍｍで保持するホルダに−１０００〜２００Ｖのバイアスで印加した静電容量カップリングであることを特徴としたイオンプレーティング装置において、前記被処理物を保持するホルダの裏面に赤外線温度計または光ファイバー温度計を設けることを特徴としたイオンプレーティング装置により、基板温度管理を容易とし、再現性の良い成膜をすることができる。赤外線温度計または光ファイバーを使用することでＲＦによる電気的なノイズに影響なく安定して温度測定ができる。またホルダー裏面に置くことで着膜による変動がなく常に安定した測定が可能である。この検出した温度で加熱電力を制御することでイオンプレーティング成膜を一定に保つことができる。また、組成の異なる成膜に応じた成膜条件にも精密に温度制御が可能となる。
【００１１】  請求項７の発明は、真空層内に、蒸発源の収納部を形成したハースと、ハースに対応する電子ビーム発生装置とを配置し、ハースと被処理物との間に高周波誘導コイルを備え、被処理物を保持するホルダに一部を１〜５００ｋＨｚで矩形あるいは三角波形状のパルス化した直流バイアスを印加したイオンプレーティング装置において、前記一部パルス化した直流バイアスは、厚さ５ｍｍ以上の厚板である前記被処理物とギャップ長さ０．１〜１．０ｍｍで保持するホルダに−１０００〜２００Ｖのバイアスで印加した静電容量カップリングであることを特徴としたイオンプレーティング装置において、前記被処理物表面近傍にエリプソメトリーを設けることを特徴としたイオンプレーティング装置により、成膜中のｉｎ−ｓｉｔｕ膜厚測定ができ、精密な膜厚制御ができる。
【００１２】  請求項８の発明は、真空層内に、蒸発源の収納部を形成したハースと、ハースに対応する電子ビーム発生装置とを配置し、ハースと被処理物との間に高周波誘導コイルを備え、被処理物を保持するホルダに一部を１〜５００ｋＨｚで矩形あるいは三角波形状のパルス化した直流バイアスを印加したイオンプレーティング装置において、前記一部パルス化した直流バイアスは、厚さ５ｍｍ以上の厚板である前記被処理物とギャップ長さ０．１〜１．０ｍｍで保持するホルダに−１０００〜２００Ｖのバイアスで印加した静電容量カップリングであることを特徴としたイオンプレーティング装置において、前記ハースは原料を供給する溶融部と成膜用の蒸発源を備えたループハースであることを特徴としたイオンプレーティング装置により、長時間安定した原料供給により均質で緻密な厚膜を成膜をすることができる。またループハースを複数有することで組成の異なる膜を自由に積層することが可能である。複数のループハースは同軸でもよく、異なる回転軸でも良い。
【００１３】  図１は本発明によるＤＣバイアス印加イオンプレーティング装置構成を示す概念図である。
【００１４】  図２は本発明によるＤＣバイアス印加イオンプレーティングと比較例としてエアロゾルデポディション（ＡＤ法）および溶射（スプレーコーティング）によるイットリウム系酸フッ化物の粒径を示したものである。
【００１５】  図３はアルミナ基板上にＹ２Ｏ３を４μｍ成膜し、さらにＹＦ３を４μｍ成膜した２層の積層膜の表面および断面のＳＥＭ像で、膜密度が高く、ボイドやパーティクルの発生が無い膜が得られた。このことから２層構造にすることでイオンプレーティング成膜は溶射、ＡＤ法と比較して緻密であることがわかる。
【００１６】  図４は本発明によるアルミナ基板上にＹ２Ｏ３を４μｍ成膜し、さらにＹＦ３を４μｍ成膜した２層の積層膜のＥＤＸ分析結果で、ＤＣバイアス印加イオンプレーティング成膜は溶射、ＡＤ法と比較して結晶粒に伴う組成分布がないことがわかる。
【００１７】  図５はアルミナ基板上にＤＣバイアス無しでＹ２Ｏ３を５μｍ成膜した後、さらにＤＣバイアス印加してＹＦ３を５μｍ成膜した２層の積層膜の表面および断面のＳＥＭ像で、膜密度がより高く、また、ボイドやパーティクルの発生が無いことがわかる。
【００１８】  図６は本発明によるＤＣバイアス印加成膜後における表面粗さ結果で、セラミック基板にＡｌ２Ｏ３を１μｍ、Ｙ２Ｏ３を８μｍ、ＹＯＦを８μｍを成膜積層した。ＤＣバイアス印加イオンプレーティングによる表面粗さは溶射、ＡＤ法と比較して良好であった。
【００１９】  図７は本発明によるＤＣバイアス印加したＹ２Ｏ３成膜をＣＦ４：Ｏ２＝８：２の割合の混合ガス雰囲気で７２時間のプラズマエッチングを行った前後の表面外観結果である。比較のために基板表面の一部をマスクしているが、７２時間のプラズマ暴露ではＤＣバイアス印加したイオンプレーティングにおいて成膜したものは外観に変化は見られなかった。
【００２０】  図８は本発明によるＤＣバイアス印加したＹ２Ｏ３成膜をＣＦ４：Ｏ２＝８：２の割合の混合ガス雰囲気で１００時間のプラズマエッチングを行った前後の表面写真および表面粗さ結果である。比較例としてサーマルスプレー法、ＣＶＤ法、成膜無しの基板を示す。実施例ＤＣバイアス印加イオンプレーティングではプラズマ照射前Ｒａ＝０．０２９に対し、プラズマ照射後Ｒａ＝０．０２９であった。比較例サーマルスプレー法ではプラズマ照射前Ｒａ＝０．１１７に対し、プラズマ照射後Ｒａ＝０．１２２であった。比較例ＣＶＤ法ではプラズマ照射前Ｒａ＝０．０２２に対し、プラズマ照射後Ｒａ＝０．０２８であった。比較例成膜なしではプラズマ照射前Ｒａ＝０．０２４に対し、プラズマ照射後Ｒａ＝０．０９２であった。これらの結果が示すように、比較例ではいずれもプラズマ曝露後は表面粗さが悪くなっているが、本発明においてはプラズマ曝露前後で表面粗さに変化が無く、この結果からも緻密な膜が形成されていることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のＤＣバイアス印加イオンプレーティング装置
【図２】各種成膜法における粉体の粒径
【図３】Ｙ２Ｏ３＋ＹＦ３の２層積層膜の表面および断面ＳＥＭ
【図４】Ｙ２Ｏ３＋ＹＦ３の２層積層膜のＥＤＸ分析結果
【図５】本発明のＤＣバイアス印加イオンプレーティングによる表面および断面ＳＥＭ
【図６】本発明によるＤＣバイアス印加成膜後における表面粗さ結果
【図７】各種成膜法におけるプラズマ暴露前後の表面外観
【図８】各種成膜法におけるプラズマ暴露前後の表面粗さ
【符号の説明】
【００２２】１：ＤＣバイアス電源、２：光ファイバー温度計、３：表面電位計、４：基板ホルダー、５：加熱ヒーター、６：冷却管、７：厚板基板、８：高周波誘導コイル、９：プローブ、１０：エリプソメトリー、１１：レーザー、１２：イオン化部、１３：監視モニター、１４：シャッター機構、１５：原料供給器、１６：ループハース（溶融）、１７：ループハース（蒸発源）、１８：真空処理室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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