(57)【要約】【課題】プラズマガンと電子銃を備えたイオンプレーティング装置を用いて、異常放電を防止しながら成膜を行い、膜素子を製造する方法を提供することにある。【解決手段】プラズマガンに第１の放電ガスを供給して放電を生じさせた後、第１の放電ガスに代えて、第１の放電ガスより放電を生じにくい第２の放電ガスを供給して放電を継続させることによりプラズマを発生させ、電子銃から電子ビームを蒸発源に照射して蒸発させ、プラズマを通過した蒸気を基板上に堆積させ、薄膜を形成する。これにより、放電しにくい第２の放電ガスで安定にプラズマを発生させ、電子銃周辺での異常放電を防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に薄膜を備えた薄膜素子の製造方法であって、
電子銃とプラズマガンとを備えたイオンプレーティング装置を用い、プラズマガンに第１の放電ガスを供給して放電を生じさせた後、前記第１の放電ガスに代えて、該第１の放電ガスより放電を生じにくい第２の放電ガスを供給して前記放電を継続させることによりプラズマを発生させ、
前記電子銃から蒸発源に電子ビームを照射して蒸発させ、前記プラズマを通過した蒸気を前記基板上に堆積させ、薄膜を形成することを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜素子の製造方法において、前記第１の放電ガスから第２の放電ガスへの切り替えは、前記プラズマガンの放電がアーク放電に移行した後に行うことを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の薄膜素子の製造方法において、前記第２の放電ガスは、前記第１の放電ガスよりも電離断面積が小さい、または、電離能率が低いガスであることを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の薄膜素子の製造方法において、前記第１の放電ガスは、ArおよびXeのうち少なくとも一方を含むガスであり、前記第２の放電ガスは、HeおよびH２のうち少なくとも一方を含むガスであることを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の薄膜素子の製造方法において、前記第２の放電ガスは、ArおよびXeのうち少なくとも一方を所定値以下の割合で含むことを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の薄膜素子の製造方法において、前記所定値は、５％であることを特徴とする薄膜素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高密度プラズマを用いてイオンプレーティング法により成膜を行う薄膜素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高密度プラズマを用いてイオン化した材料を蒸着するイオンプレーティング装置が特許文献１等により知られている。特許文献１では、圧力勾配型アーク放電プラズマガンを用いることにより、高密度プラズマを生成している。
【０００３】
一方、特許文献２および３に記載のイオンプレーティング装置では、成膜材料の蒸発源を加熱するための電子銃と、蒸発した成膜材料のイオン化を行うプラズマを発生するためのプラズマガンとを別々に備えたイオンプレーティング装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２３４３３１号公報
【特許文献２】特開平１−９６３７２号公報
【特許文献３】特許第３４０６７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２または３に記載の装置のように通常のプラズマガンは、放電を生じさせるためにArガスを放電ガスとして供給している。しかしながら、Ar等の一般的な放電ガスは放電しやすい物質であるため、電子銃の近傍において異常放電を生じさせてしまうという問題がある。電子銃が異常放電すると、成膜源を十分に加熱することができない。
【０００６】
本発明の目的は、プラズマガンと電子銃を備えたイオンプレーティング装置を用いて、異常放電を防止しながら成膜を行い、薄膜素子を製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によれば、基板上に薄膜を備えた薄膜素子の製造方法であって、電子銃とプラズマガンとを備えたイオンプレーティング装置を用い、プラズマガンに第１の放電ガスを供給して放電を生じさせた後、第１の放電ガスに代えて、第１の放電ガスより放電を生じにくい第２の放電ガスを供給して放電を継続させることによりプラズマを発生させ、
電子銃から電子ビームを蒸発源に照射して蒸発させ、プラズマを通過した蒸気を基板上に堆積させ、薄膜を形成する薄膜素子の製造方法が提供される。
【０００８】
第１の放電ガスから第２の放電ガスへの切り替えは、例えば、プラズマガンの放電がアーク放電に移行した後に行う。これにより、第２の放電ガスによってアーク放電を容易に生じさせることができる。
【０００９】
第２の放電ガスは、例えば、第１の放電ガスよりも電離断面積が小さい、または、電離能率が低いガスを用いる。一例としては、第１の放電ガスは、ArおよびXeのうち少なくとも一方を含むガスであり、第２の放電ガスは、HeおよびH２のうち少なくとも一方を含むガスである。
【００１０】
第２の放電ガスには、ArおよびXeのうち少なくとも一方を所定値以下の割合で混合させることができる。これにより、放電ガス切り替え時にも放電を安定させることができる。所定値は例えば５％以下とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、プラズマガンと電子銃を備えたイオンプレーティング装置を用いて成膜を行う場合に、電子銃周辺で異常放電を防止することができるため、電子ビームを安定に蒸発源に照射することができ、蒸発源を十分に加熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
【００１３】
本実施形態のアーク放電イオンプレーティング装置について図１を用いて説明する。図１に示した装置は、連結されたプラズマチャンバー１と成膜チャンバー７とを有している。プラズマチャンバー１には、陰極２および第１および第２の中間電極３がプラズマ引き出し軸に沿って順に配置されている。陰極２は、グロー放電（プラズマ）からアーク放電（直流高密度プラズマ１１）に移行させるのに適した公知の複合陰極構造である。第１および第２の中間電極３は、プラズマ１１を通過させるための貫通孔をその中心に有する。プラズマチャンバー１には、放電ガス４を導入するための放電ガス導入口４ａが備えられている。
【００１４】
放電ガス導入口４ａには、放電ガスとして第１の放電ガス（一般的な放電ガス、例えばArおよび／またはXe）の供給源と、第１の放電ガスよりも放電しにくい第２の放電ガスの供給源が接続されている。ここでいう第１の放電ガスよりも放電しにくい第２の放電ガスとは、第１の放電ガスよりも電離能率が低い、すなわち電離断面積が小さいガスをいう。例えば、第２の放電ガスとしてHeやH２を用いることができる。Heの電離断面積の最大値は０．４πａ２程度、H２の電離断面積の最大値は１πａ２程度であるのに対し、一般的な放電ガスであるArの電離断面積の最大値は３．３πａ２程度、Xeの電離断面積の最大値は６πａ２程度である（ただしａはボーア半径である。）よって、HeおよびH２は、ArおよびXeと比較して電離断面積の最大値が小さく、放電しにくいガスである。
【００１５】
ここで電離断面積σとは、下式１のように電離能率Seに比例するパラメータであり、中性子（放電ガス）の密度ｎ０がほぼ一定であれば、電離断面積σが小さいほど電離能率Seは低くなる。つまり、電離断面積が大きいガスほど、電離しやすく、おのずと放電もしやすい。
Se＝σｎ０    ・・・・（式１）
ただし、電離断面積σの単位はπａ２であり、πａ２＝０．８８×１０−２０ｍ２であり、ａはボーア半径である。Seの単位はｍ−１、ｎ０の単位はｍ−３である。
【００１６】
上式によれば、電離能率Seは、放電ガス（中性子）の密度ｎ０に比例するため、チャンバーに導入される放電ガスの圧力を低減すれば、どんなガスでも電離能率は低くなり、放電ガスは電離しにくくなることになる。しかし、放電ガスの圧力が低すぎると放電を安定継続させることが困難になる。つまり、放電を継続させてプラズマを安定に形成しつつ異常放電を防止するために、電離能率を制御する方法として、本実施形態ではガス種を変更する。
【００１７】
第１および第２の中間電極３の貫通孔は、オリフィスとしても作用し、プラズマチャンバー１の圧力を成膜チャンバー７の圧力よりも高く維持し、圧力勾配を形成する。
【００１８】
成膜チャンバー７には、プラズマ引き出し軸上に陽極５が配置されている。成膜チャンバー７には、陽極５とプラズマチャンバー１との間の空間に、原料ガス８を導入するための原料ガス導入管８ａと、基板６を保持する基板ホルダー１６が備えられている。成膜チャンバー７に設けられた排気口９は、不図示の真空排気装置に接続されている。
【００１９】
成膜チャンバー７内のプラズマ１１を挟んで基板６と対向する位置には、固体原料の蒸発源が充填された坩堝２１と、坩堝２１に電子ビームを照射する電子銃２２が配置されている。
【００２０】
陰極２、第１および第２の中間電極３、および陽極５には、電源１０が接続されている。第１および第２の中間電極３には、陰極２の電位と陽極５の電位の間の中間電位が印加され、プラズマ１１に電位勾配を与えて陰極２から陽極５へスムーズに導く作用をする。
【００２１】
プラズマチャンバー１の外側、ならびに、成膜チャンバー７の外側にはそれぞれ、中心軸がプラズマ引き出し軸に一致するように電磁石１２が配置されている。電磁石１２は、プラズマ引き出し軸方向の磁場を形成することにより、陰極２から生じたプラズマ１１をプラズマ引き出し軸を中心にビーム状に収束させる。これにより、プラズマ１１は、第１および第２中間電極３の中央の穴を通過し、陽極５方向に引き出される。
【００２２】
図１のイオンプレーティング装置を用いて、基板６上にSiまたはTiの酸化物膜を備えた素子を製造する方法について説明する。
【００２３】
坩堝２１には蒸発源としてSiまたはTiを充填しておく。成膜チャンバー７の基板ホルダー１６に基板６を設置し、成膜チャンバー７およびプラズマチャンバー１を真空排気する。十分に排気した後、プラズマチャンバー１の陰極２の大気側から放電ガス４として第１の放電ガス（ArまたはXe、もしくはこれらの混合ガス）を導入する。
【００２４】
電源１０にて陰極２と陽極５との間に電圧を印加し、グロー放電によるプラズマ１１を生じさせる。中間電極３には、陰極２の電位と陽極５の電位の間の中間電位を印加し、プラズマ１１に電位勾配を与えてプラズマを陰極２から陽極５へに導く。３〜５分ほどグロー放電を続けると、陰極が加熱され熱電子を放出するようになる。このようになるとグロー放電は電離度を上げ、高密度放電すなわちアーク放電に移行する。
【００２５】
アーク放電に移行したならば、放電ガス４を、第１の放電ガス（ArまたはXe、もしくはこれらの混合ガス）に代えて、第２の放電ガス（HeまたはH２、もしくはこれらの混合ガス）を導入する。この際、放電を安定に保つために、第２の放電ガス（HeまたはH２、もしくはこれらの混合ガス）に、所定の流量のArおよび／またはXeガスを混合してもよい。その場合、第２の放電ガスのArおよび／またはXeの含有割合は、５％以下であることが望ましい。また、ArおよびXeの流量としては、１０SCCM以下であることが望ましい。
【００２６】
放電ガス４を第１の放電ガスから第２の放電ガスに切り替えた後も、アーク放電は継続する。
【００２７】
原料ガス導入管８ａより原料ガス８としてO２ガスを導入する。成膜チャンバー内には、放電ガス４とO２ガスの混合プラズマが形成される。
【００２８】
電子銃２２から電子ビームを坩堝２１内の蒸発源SiまたはTiに照射し、蒸発源を加熱、蒸発させる。蒸発した材料は、混合プラズマを通過することにより酸素ラジカルと反応し、酸化されながら基板６上に堆積し、SiまたはTiの酸化物膜を形成する。
【００２９】
酸化物膜が所定の膜厚に達したならば、プラズマ、電子ビームを停止させ、成膜チャンバー７を大気圧まで戻し、基板６を取り出す。
【００３０】
本実施の形態では、第２の放電ガスとしてHeまたはH２もしくはこれらの混合ガスを用いている。これらは、一般的に使用されるArと比較して放電しにくいため、電子銃２２が異常放電しにくい。
【００３１】
比較例としてArを放電ガス４に用いた場合には、電子銃２２が異常放電を起こし、蒸発源の加熱が十分に行えなかったが、本実施形態では異常放電が生じないため、蒸発源の加熱蒸発を十分に行うことが可能になった。
【００３２】
また、本実施形態の製造方法では、グロー放電からアーク放電を生じさせる段階では、放電ガス４として第１の放電ガス（一般的な放電ガス（ArやXe））を用いているため、当初から放電しにくい第２の放電ガス（HeまたはH２もしくはこれらの混合ガス）を放電ガス４として用いる場合と比較して、アーク放電を容易に生じさせることができる。アーク放電移行後に、放電ガス４を一般的な放電ガスよりも放電しにくいガス（HeまたはH２もしくはこれらの混合ガス）に入れ替えることにより、放電しにくいガス（HeやH２）で安定したアーク放電を生じさせることができる。このとき、HeやH２に、所定流量以下のArやXeを混合することにより、さらに放電を安定させることができる。
【００３３】
本実施形態では放電ガスとしてHeガスを用いた場合、Heガスは、電離電圧が24.6Vであり、原料ガスである酸素（O2）ガスの電離電圧12.2 Vの約２倍であるため、酸素ガスにHeガスの約2倍のエネルギーを供給できる。このため、放電ガスとしてAr（15.8 V）を用いた場合よりも高密度の酸素プラズマが得られるという効果もある。
【００３４】
さらに、Heガスの電離断面積の最大値は０．４πａ２程度、O2ガスでは最大３πａ２程度であり、HeガスはO2ガスの約１／８の電離能率しかない。このため、HeガスとO2ガスが同程度の圧力ならば、Heガスの電離作用はO2ガスの約１／８となるので、混合プラズマ中におけるO2プラズマ密度をHeプラズマ密度よりも著しく高くすることが容易である。また、H2の電離断面積の最大値は１πａ２程度であり、H2ガスの電離作用はO2ガスの約１／３となるので、この場合も混合プラズマ中におけるO2プラズマ密度をH2プラズマ密度よりも著しく高くすることが容易である。これに対し、放電ガスとしてArガスを用いた場合は、Aｒガスの電離断面積が最大３．３πａ２程度であるので、O2ガスの電離断面積（最大３πａ２程度）と同等以上であり、混合プラズマ中におけるO2プラズマ密度はArプラズマ密度の同等以下にしかできない。
【００３５】
すなわち、放電ガスとしてHeガスを用いることにより、Arガスを用いた場合と比較して、電離断面積、または電離能率の作用により、Arガスを用いた場合よりも著しく高密度の酸素プラズマを期待することができる。よって、Heを用いることにより、Arを用いた場合と比較して著しく高密度の酸素プラズマが得られるため、高濃度の酸素ラジカル濃度が必要な膜を形成することが可能である。
【００３６】
さらに、第２の放電ガスに放電しやすいＡｒガスおよび／またはＸｅガスを所定量混合することで、放電しにくい第２の放電ガスの電離作用が促進され、成膜時の放電をさらに安定に保つことが可能となる。
【００３７】
本実施形態の薄膜素子は、基板上に薄膜を備えた素子であればどのような構成であってもよい。一例としては、LEDやLD等の各種の発光素子、液晶ディスプレイ等の各種の表示装置、誘電体膜や圧電膜を備えたスキャナー等の駆動素子があげられる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施形態のイオンプレーティング装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００３９】
１…プラズマ室、２…陰極、３…第１および第２の中間電極、４…放電ガス、４ａ…放電ガス導入管、５…陽極、６…基板、７…成膜室、８…原料ガス、８ａ…原料ガス導入管、９…排気口、１０…電源、１１…プラズマ、１２…電磁石、１３…永久磁石、１６…基板ホルダー、２１…坩堝、２２…電子銃
【図１】
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