(57)【要約】      （修正有）【課題】連続稼動中において、プラズマガンに投入するパワーを経時的に上昇させることなく、均一な膜厚で成膜することができる成膜装置を提供する。【解決手段】真空チャンバ１３と、真空チャンバの内部に備えられた成膜材料２２にプラズマを放出するプラズマガン９と、プラズマガンに放電ガスを供給する放電ガス供給部とを有する成膜装置は、放電ガスの流量を変更することができるマスフローコントローラ２５と、マスフローコントローラに接続された、マスフローコントローラによる流量の変更を予め決められた設定に基づいて制御する制御回路２６と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバと、該真空チャンバの内部に備えられた成膜材料にプラズマを放出するプラズマガンと、該プラズマガンに放電ガスを供給する放電ガス供給手段とを有する成膜装置において、
前記放電ガスの流量を変更することができるマスフローコントローラと、
前記マスフローコントローラに接続された、該マスフローコントローラによる流量の変更を予め決められた設定に基づいて制御する制御回路と、
を有することを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記プラズマガンの放電インピーダンスを測定する放電インピーダンス測定手段をさらに有し、
該放電インピーダンス測定手段は前記制御回路に接続されており、該制御回路は測定された放電インピーダンス測定結果に基づいて前記放電ガスの流量を変更することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
真空チャンバの内部に備えられた成膜材料に、放電ガスを供給されたプラズマガンから放出されたプラズマをあてることによって、基板上に成膜材料が成膜された基板の製造方法であって、
成膜材料を成膜中に、前記プラズマガンに供給される前記放電ガスの流量の大きさを変更する変更工程を有することを特徴とする基板の製造方法。
【請求項４】
前記変更工程は、放電ガスの流量を予め設定した時間毎に段階的に減らすことを特徴とする請求項３に記載の基板の製造方法。
【請求項５】
前記変更工程は、放電ガスの流量を連続的に減らすことを特徴とする請求項３に記載の基板の製造方法。
【請求項６】
前記変更工程は、予め設定した放電インピーダンスの値と、計測した放電インピーダンスの値とを比較して、計測した放電インピーダンスの値が予め設定した放電インピーダンスの値より低ければ放電ガスの流量を減らし、その値より高ければ放電ガスの流量を増やすことを特徴とする請求項３に記載の基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマガンを用いた成膜装置及び基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶表示装置（以下「ＬＣＤ」と略することもある）やプラズマディスプレイ装置（以下「ＰＤＰ」と略することもある）などのディスプレイ用の大型基板を用いたディスプレイ装置の量産が強く求められている。
【０００３】
特に、ディスプレイ装置の生産量増加やパネルの高精細化を目的として、ＰＤＰの構造における前面板電極保護層であるＭｇＯ（酸化マグネシウム）などの薄膜の形成にあたっては、プラズマガンを用いたイオンプレーティング法が注目されている（特許文献１参照）。
【０００４】
このイオンプレーディング法で用いられる従来のプラズマ成膜装置について、図１０を参照しながら以下に説明する。
【０００５】
図１０において、ＵＲ式のプラズマガン９は、ホローカソード１、電位勾配及び圧力勾配を与えるため、例えば２基の中間電極（第一の中間電極２・第二の中間電極３）、陽極である反射電子帰還電極４を含み、Ａｒガスを導入し高密度の円柱状のプラズマを生成する。このとき、反射電子帰還電極４の電位は、ホローカソード１の電位より高い電位で接地されている。また、図１０の例では、中間電極の数は２つであるが、１つでも３つ以上であってもよい。
【０００６】
プラズマガン９で形成された円柱状のプラズマビーム（不図示）は、収束コイル６によって成膜室である排気系を備えた真空チャンバ１３に引き出され、そして、同極を対向させた永久磁石（不図示）でシート状に変形させてもよい。ここで、説明した真空成膜装置の構成要素のうち真空チャンバ１３を除いたものがプラズマ発生装置を構成するとする。
【０００７】
シート状に変形されたプラズマビーム７は、真空チャンバ１３内部の蒸発材料受け皿２３下部に配置した引き込み磁石２１の磁力線に沿って、成膜材料２２の表面に導かれる。
【０００８】
その中心部にプラズマビーム７の貫通孔４ａを有する反射電子帰還電極４は、真空チャンバ１３の一部がプラズマガン９側にせり出した部分である短管部１２内に配置されている。なお、短管部１２は、プラズマガン９の出口部、すなわちプラズマビーム７と同軸に配置されている。さらに、反射電子帰還電極４のプラズマビーム７の貫通孔４ａには、反射電子帰還電極４にプラズマビーム７が直接流入しないように、絶縁を得る目的で消耗部品である絶縁管５が配置されている。
【０００９】
すなわち、プラズマガン９のホローカソード１から真空チャンバ１３に射出されたプラズマビーム７は、反射電子帰還電極４の貫通孔４ａを通り抜け、絶縁管５は、プラズマビーム７の外周を取り囲むように配置されている。
【００１０】
また、プラズマガン９から放出されたプラズマビーム７は、磁場に導かれ成膜材料２２表面を照射し、成膜材料２２から放出された二次電子は、同じ磁場を逆流するように導かれて、陽極である反射電子帰還電極４に入射し、電源に帰還する。
【００１１】
このとき、反射電子帰還電極４に電子が確実に帰還するよう、真空成膜装置１０の内部を覆う防着板１１等は全て電気的に浮遊電位としている。これらの構成から前述の問題点は解決され、材料表面に一方の電荷がたまり続けることはなく、基板２０の表面に成膜を続けることが可能となる。
【００１２】
成膜材料２２の表面から蒸発した粒子は、かなりの確率でイオン化され、その一部は電子同様、真空成膜装置１０の内部に形成されている磁場に導かれ反射電子帰還電極４に入射する。そのため、反射電子帰還電極４の表面に成膜材料を有する絶縁膜が形成されることとなるが、真空成膜装置１０の内部に存在するＡｒ等のイオンがその絶縁膜をスパッタリングすることで、反射電子帰還電極４の表面の帰還経路を確保することを可能としている。
【００１３】
また、プラズマガン９の連続的持続時間を延ばすために、第一中間電極及び第二中間電極の前部に耐スパッタ性を有する材料からなる部材を交換可能に設けた圧力勾配型プラズマガンに関する発明も開示されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１１−２６９６３６号公報
【特許文献２】特開２００１−１４３８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ＰＤＰの生産量を増加させるには、高い成膜レート（単位時間当たりの成膜厚さ）が求められる。しかしながら、前述した従来のプラズマ成膜装置においては、プラズマガンの放電インピーダンスが経時的に低下するため、それにより成膜レートが減少するという問題があった。よって、成膜レートを低下させないためには、プラズマガンに導入する電力を時間とともに大きくする必要がある。ところが、その結果プラズマガンが通過する部位の部材の消耗スピードが加速され、それに伴い放電インピーダンスが低下するという悪循環が繰り返されるという問題が生じた。
【００１６】
そこで、本発明者らは、プラズマガンの放電インピーダンスが経時的に低下するのは、プラズマガンにおいてプラズマが通過する部位の部材の消耗品が消耗することにより、プラズマが通過する電極中心部の内径が広がることに起因すると考えた。ここで、消耗部品とは、第一中間電極、第二中間電極、帰還電極のプラズマが通過する電極中心部に設置する絶縁管などのことである。ところが、特許文献２に記載されているようにプラズマガンの電極の中心部の部材を耐スパッタ性にしたとしても、放電インピーダンスの経時的低下を抑制することは困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、連続稼動中において、プラズマガンに投入するパワーを経時的に上昇させることなく、均一な膜厚で成膜することができる成膜装置及び基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
上記の目的を達成する本発明にかかる成膜装置は、真空チャンバと、該真空チャンバの内部に備えられた成膜材料にプラズマを放出するプラズマガンと、該プラズマガンに放電ガスを供給する放電ガス供給手段とを有する成膜装置において、
前記放電ガスの流量を変更することができるマスフローコントローラと、
前記マスフローコントローラに接続された、該マスフローコントローラによる流量の変更を予め決められた設定に基づいて制御する制御回路と、を有することを特徴とする。
【００１９】
あるいは、本発明にかかる基板の製造方法は、真空チャンバの内部に備えられた成膜材料に、放電ガスを供給されたプラズマガンから放出されたプラズマをあてることによって、基板上に成膜材料が成膜された基板の製造方法であって、
成膜材料を成膜中に、前記プラズマガンに供給される前記放電ガスの流量の大きさを変更する変更工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、プラズマガンに投入するパワーを経時的に上昇させることなく、均一な膜厚で成膜することができる。その結果、プラズマガン内部の消耗部品の消耗も抑制され、ガンの長寿命化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係わる成膜装置であるイオンプレーティング装置の一実施形態の概略縦断面図である。
【図２】本発明に関わる成膜装置であるイオンプレーティング装置の別の実施形態の概略断面図である。
【図３】放電用アルゴンガス流量と放電インピーダンスの関係（パワー一定）を示す。
【図４】放電用アルゴンを所定の稼働時間８０時間毎に２ｓｃｃｍ減少させた場合の放電インピーダンス推移を示す。
【図５】図４と対応する、放電用Ａｒ流量を一定にした場合の比較例を示す。
【図６】放電用アルゴンを所定の稼働時間８０時間毎に２ｓｃｃｍ減少させた場合のパワー推移を示す。
【図７】図６と対応する、放電用Ａｒ流量を一定した場合の比較例を示す。
【図８】連続稼動中における放電用アルゴン流量調整によるインピーダンス制御模式図を示す。
【図９】連続稼動中における放電用アルゴン流量調整によるインピーダンス制御実施時のパワー推移模式図を示す。
【図１０】従来の成膜装置であるイオンプレーティング装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の最良の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
まず、図１を用いて本発明の成膜装置の実施形態を説明する。
【００２４】
本実施形態の構成は、基本的に前述した図１０の成膜装置の構成と同様であるので、ここではその概略のみを記す。真空成膜装置１０は、プラズマガン９と真空チャンバ１３から構成されている。プラズマガン９は、ホローカソード１と、電位勾配及び圧力勾配を与えるための例えば２基の中間電極（第一の中間電極２・第二の中間電極３）と、陽極である反射電子帰還電極４とを有する。ここで、中間電極の数は２つに限られず、１つでも３つ以上であってもよい。真空チャンバ１３は、蒸発材料受け皿２３と、引き込み磁石２１と、成膜がなされる基板２０を備えており、受け皿２３上に成膜材料２２が配置される。
【００２５】
プラズマガン９で形成されたプラズマビームは、収束コイル６によって成膜室である排気系を備えた真空チャンバ１３に引き出される。その中心部にプラズマビーム７の貫通孔４ａを有する反射電子帰還電極４は、真空チャンバ１３の一部がプラズマガン９側にせり出した部分である短管部１２内に配置されている。なお、短管部１２は、プラズマガン９の出口部、すなわちプラズマビーム７と同軸に配置されている。さらに、反射電子帰還電極４のプラズマビーム７の貫通孔４ａには、反射電子帰還電極４にプラズマビーム７が直接流入しないように、絶縁を得る目的で消耗部品である絶縁管５が配置されている。
【００２６】
また、上記以外の構成をしたプラズマガンを使用する成膜装置を用いることも可能である。
【００２７】
本実施形態の特徴的な構成として、図１に示されているように、プラズマガンにガスボンベから放電ガスを供給する放電ガス供給手段、すなわち放電ガス供給経路に、マスフローコントローラ２５が設けられている。マスフローコントローラ２５は供給する放電ガスの流量の大きさを変更することが可能である。さらに、マスフローコントローラ２５には、マスフローコントローラ２５による放電ガスの流量の変更を予め決められた設定に基づいて制御する制御回路２６が接続されている。制御回路２６にはガス流量を変化させるプログラムが組み込まれており、この制御回路２６からの信号にしたがって、マスフローコントローラ２５はガス流量を変化させることができる。なお、放電ガスとしては、Ａｒ（アルゴン）に限られず、Ｈｅ（ヘリウム）などの他の不活性ガスを用いてもよい。
【００２８】
さらに、真空チャンバ１３には、基板２０を連続的に搬送することが可能な手段が設けられており、連続的に成膜を行うことができる。これは、プラズマの照射により蒸発している成膜材料上を基板が連続して通過しながら成膜が行われる移動成膜方式である。これによって、静止した基板を1枚づつ処理する方法と比較して、成膜された基板の大量生産が可能となる。
【００２９】
図２に、本発明の成膜装置のもう１つ別の実施形態を示す。図２の成膜装置においては、図１の成膜装置に加えて、制御回路２６にデータを送るインピーダンス測定装置２７が設けられている。インピーダンス測定装置２７は、プラズマガンに流れる電圧及び電流を測定し、その測定結果により、放電インピーダンスを計算する。インピーダンス測定装置２７で測定した放電インピーダンスのデータは、制御回路２６に送られ、制御回路２６に予め組み込まれたプログラムによりＡｒガスの流量が制御される。
【００３０】
ところで、プラズマガンに導入する放電ガスの流量と放電インピーダンスとの間には相関関係がある。図３では、プラズマガンに供給する電力を一定とした状態での放電用Ａｒガス流量と放電インピーダンスの関係を測定した結果が示されている。プラズマガンに供給する電力量が一定の場合、Ａｒガス流量を減少させると放電インピーダンスが増加することがわかる。これは以下の理由による。
【００３１】
真空下にて気体空間に電圧を印加すると放電が発生する。このときの放電電圧は気体空間のガス圧に依存することが知られている。イオンプレーティング法やスパッタ法のようなプラズマを利用した成膜プロセスの圧力領域では、ガス圧の低下に伴い放電電圧が上昇する。プラズマガンでは、プラズマガン内部のカソード部での放電によりプラズマが発生している。よって、放電用Ａｒ流量を減少させることで、プラズマガン内部圧力が低下し、放電電圧（インピーダンス）が上昇するのである。
【００３２】
よって、例えばＭｇＯ膜を基板上に作成する際に、プラズマガンに導入する放電用Ａｒガスを減らすことで、生成されるプラズマの放電インピーダンスを上昇させることが可能である。なお、Ａｒガスの流量はマスフローコントローラ２５により測定した。放電インピーダンスは、プラズマを発生させる為の直流電源の電流値と電圧値から測定できる。
【００３３】
従来、放電インピーダンスの経時的な低下によって、次の問題が生じていた。放電インピーダンスが低下すると、成膜レートが低下するため、プラズマガンに導入する電力量を多くすることが必要となる。というのも、電力量が一定でインピーダンスが低下すると、電流が増加し、電圧が低下する。プラズマ中に存在する電子は、電圧によって加速されエネルギーが与えられるため、電圧が低下するとプラズマ中に存在する電子のエネルギーが低下する。つまり、放電インピーダンスが低下すると、例えばＭｇＯ材料に照射されるプラズマ中の電子エネルギーが低下し、この材料の蒸発速度が低下すると考えられる。したがって、従来では、放電インピーダンスの経時的な低下を防ぐために、経時的にプラズマガンに導入する電力量を増大させていた。しかし、この方法では、消費される電力量の増大に伴うコスト高が問題となっていた。
【００３４】
これに対して、本発明では、上記で説明したように、プラズマガンに導入する放電ガス量を制御することによって、経時的な放電インピーダンスの低下を防いでいる。すなわち、従来の成膜方法では、プラズマガンに導入する放電ガス量は装置稼動中一定にして、プラズマガンに導入する電力量を大きく増大させることによって前記問題に対処していたのに対して、本発明では、装置稼動中にプラズマガンに導入する放電ガス量を減少させることで、電力量の増大を抑制しつつ、前記問題を解決することが可能である。
【００３５】
本発明の実施形態で、プラズマガンに導入する放電ガス量を減少させる方法としては、以下のような方法がある。
（１）放電ガス量を時間とともに減らす方法
この方法としては、予め設定した時間毎に段階的にガス流量を減らす方法と、連続的にガス流量を減らす方法とがある。マスフローコントローラの制御の点からは、予め設定した時間ごとに減らす方法が簡単に行えるので好ましい。所定の時間間隔としては、８０時間以下毎とすれば、経時的に低下する放電インピーダンスを適切に補正することができる。例えば、放電ガスとしてＡｒを用いた場合には、８０時間毎にＡｒガス流量を２〜３ｓｃｃｍ減少させれば、経時的に低下する放電インピーダンスを適切に補正することができる。
【００３６】
この方法は制御精度が荒いため、膜厚の変動幅は低減するものの、充分均一にはならないことがある。そこで、定期的に膜厚を測定し、それに合わせて電力補正を行うことにより、経時的な膜厚変動をより低減することができる。
（２）放電インピーダンスが一定値に維持されるようにガス流量を減らす場合
これは、予め設定したインピーダンスの値と比較して、計測したインピーダンスの値が下回った場合はガス流量を減らし、上回った場合にはガス流量を増やす制御を行う方法である。以上のようにガス流量を制御するプログラムを組み込んだ制御装置を設置し、マスフローコントローラに信号を送り、制御を行う。制御の応答性は制御装置のプログラムを最適化させ、好ましくは設定インピーダンスに対して±０．０１５Ωの範囲内に収まるように制御を行う。これにより、投入電力を経時的に上昇させることなく、精度の高い膜厚制御が可能となる。
【００３７】
ところで、インピーダンスの低下を防ぐために放電用ガス流量を減らしていくとき、ガス流量が小さくなりすぎると安定した放電ができなくなる。したがって、放電用ガスとしてＡｒを用いた場合、Ａｒ流量は５ｓｃｃｍ以上であることが好ましい。これは以下の理由による。プラズマガン内部（カソード部分）の圧力測定を実施した際に、Ａｒ流量５ｓｃｃｍを境に流量変化に対する圧力変化の特性が変化することがわかった。５ｓｃｃｍ以上では流量変化に対する圧力変化が小さいのに対し、５ｓｃｃｍより小さくなるとその変化が大きい。したがって、５ｓｃｃｍ以上のＡｒ流量であれば、安定した放電が可能であると考えられる。これは、５ｓｃｃｍ以上のＡｒ流量の場合、Ａｒ原子の平均自由行程の長さがＧｕｎ内部の寸法に比べて無視できる粘性流領域とＧｕｎ内部の寸法に対し、Ａｒ原子の平均自由行程が比較的長い分子流領域との境にある中間流領域であるためと考えられる。すなわち、この領域では、気体分子同士が衝突し合うことで、連続的な流速分布をもった排気が支配的であり、内部部品の消耗状態によるプラズマガン内部圧力の変化が少ないと考えられる。
【００３８】
以下、本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の例に限定されはしない。
【００３９】
（実施例１）
本実施例では、図１に記載の実施形態の成膜装置を用いて、ガラス基板上にＭｇＯ膜の成膜を行った。なお、成膜装置には、不図示のガス導入管から、酸素及びアルゴンを導入した。
【００４０】
図４に、本成膜装置を用いての所定の稼働時間毎（ここでは８０時間毎）に放電用Ａｒガス流量を２ｓｃｃｍずつ減少させつつ、連続稼動した場合の稼動時間と放電インピーダンスの関係を示す。また、図６に稼働時間とプラズマガンに供給する電力量の関係を示す。
【００４１】
比較として、放電用Ａｒガスの流量を一定とした場合（従来例）の各関係を、図５及び図７に示す。これらの図より、従来のようにＡｒ流量を制御しない場合、インピーダンスの低下を抑制するために、プラズマガンに供給する電力量を大幅に増大し続けることが必要であることがわかる。しかも、電力量を増大してもインピーダンスの低下を大きく抑えることができないこともわかる。
【００４２】
これに対し、図４及び図６からわかるように、本発明の実施形態のように連続稼動中において放電用アルゴンガス流量を定期的に変更することで、経時的な放電インピーダンスの低下を大幅に抑えることができ、したがって、プラズマガンへの供給電力が上昇することを大きく抑制すること（低パワー化）が可能となる。これにより、プラズマガン内部の消耗部品の消耗も抑制され、ガンの長寿命化も可能となる。
【００４３】
（実施例２）
本実施例では、図２に記載の実施形態の成膜装置を用いて、ガラス基板上にＭｇＯ膜の成膜を行った。なお、成膜装置には、不図示のガス導入管から、酸素及びアルゴンを導入した。
【００４４】
本実施例では、実施例１のように放電用Ａｒ流量を定期的に変更するのではなく、放電インピーダンスが一定となるように導入するＡｒガス流量の制御を行った。すなわち、図２のインピーダンス測定装置２７にて、放電インピーダンスを常時測定し、その測定データを制御回路２６に送り、放電インピーダンスの値が予め設定した値（ここでは１．６Ω）を下回った場合に、制御回路２６からマスフローコントローラに信号を送り、Ａｒガスの流量の値を減少させる。
【００４５】
本実施例では、初期設定の放電インピーダンスの値（ここでは１．６Ω）に対する計測した放電インピーダンスの低下の大きさが０．０１５Ωより小さい場合にはガス流量の変更をせず、計測した放電インピーダンスが０．０１５Ω以上低下した場合に、ガス流量の制御を開始して放電インピーダンスがほぼ一定（±０．０１５Ω）となるように制御した。初期設定の放電インピーダンスは１．５〜２．０Ωであることが好ましい。
【００４６】
上記制御を実施した場合の、放電用アルゴン流量調整による連続稼動中におけるインピーダンス制御を模式的に表したグラフと、パワー推移を模式的に表したグラフを、図８及び図９に示す。連続稼動中におけるインピーダンスの低下を抑え、パワーの上昇が抑制されていることがわかる。これによって、プラズマガン内部の消耗部品の消耗も抑制され、ガンの長寿命化も可能となった。
【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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【図９】
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【図１０】
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