(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を真空排気されイオンプレーティングに適した真空度の圧力に保持され、かつ反応ガスが内部に導入される真空チャンバーと、
該真空チャンバー内のルツボ内に電子ビームを照射して蒸発材料を溶解・蒸発させ、蒸発した蒸発材料により基板に向かう蒸発流を形成する電子銃と、
前記蒸発流とほぼ直角に交差するプラズマを発生させるプラズマ銃と、
該プラズマ銃にほぼ対向する位置に設置され前記プラズマ内の電子を呼び寄せてプラズマを通過した蒸発流及び反応ガスを正にイオン化する対向電極と、
該対向電極の電極面で前記真空度の圧力より高い１０−３ｔｏｒｒ以上の圧力となるように前記電極面を不活性ガスで覆うガス膜装置とを備え、
該ガス膜装置は、対向電極の電極面に設けられ不活性ガスを対向電極の電極面にシャワー状に吹き出させる複数のガス吹出孔と、前記対向電極の内部を通して前記ガス吹出孔に不活性ガスを供給するガス供給装置とからなり、
これによりイオン化した蒸発流及び反応ガスを負に印加した基板に衝突・凝固させて基板上に絶縁膜を成膜する、ことを特徴とするイオンプレーティング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はイオンプレーティング装置に係わり、更に詳しくは、絶縁膜を成膜するイオンプレーティング装置に用いるプラズマ銃用対向電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンプレーティング（ｉｏｎ  ｐｌａｔｉｎｇ）は、加熱蒸発させた蒸発原子及び／又は反応原子をイオン化し、負に印加した素地基板上に衝突させ凝固させる成膜方法である。かかるイオンプレーティングを行う従来のイオンプレーティング装置は、例えば図３に示すように、ルツボ５を内部に備えた真空チャンバー１、ルツボに電子ビーム４を照射する電子銃３、プラズマ１５を発生するプラズマ銃１４、プラズマ内の電子を呼び寄せる対向電極１６、反応ガス２１を導入する反応ガス導入ノズル１３、等を備え、基板８を負に印加し、電子銃３により電子ビーム４をルツボ５に照射してルツボ内の膜材料６を溶解・蒸発させて膜材料６の蒸発流７を形成し、プラズマ銃１４によりプラズマ１５を発生させ対向電極１６により電子を呼び寄せて蒸発流７及び反応ガス２１を正にイオン化し、イオン化した蒸発流７及び反応ガス２１を負に印加した基板８に衝突させ凝固させて基板上に絶縁膜を成膜していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる従来のイオンプレーティング装置では、基板に成膜される絶縁膜は、基板以外に対向電極１６の表面にも成膜され、これにより対向電極１６の導電性が成膜の進行と共に低下する問題点があった。このため、プラズマ１５が不安定或いは維持できなくなり、プラズマによる蒸発流及び反応ガスのイオン化が極端に低下する問題点があった。この結果、イオンプレーティングが実質的に行われずに単なる蒸着となり、基板に形成される絶縁膜の膜質が悪化し（緻密でなくポーラスとなる、結晶化が不十分となる、硬度が低下する、など）、かつ絶縁膜と基板との密着力が低下する問題点があった。更に、かかる現象が極めて短時間、例えば数分から十数分で生じるため、事実上、プラズマ銃の長時間にわたる安定運転が不可能である問題点があった。
【０００４】
本発明は、上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明は、対向電極の表面に絶縁膜が成膜されにくく、長時間にわたって安定してプラズマ内の電子を呼び寄せることができ、長時間にわたり安定して良質な絶縁膜を基板上に成膜できるイオンプレーティング装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、内部を真空排気されイオンプレーティングに適した真空度の圧力に保持され、かつ反応ガスが内部に導入される真空チャンバーと、該真空チャンバー内のルツボ内に電子ビームを照射して蒸発材料を溶解・蒸発させ、蒸発した蒸発材料により基板に向かう蒸発流を形成する電子銃と、前記蒸発流とほぼ直角に交差するプラズマを発生させるプラズマ銃と、該プラズマ銃にほぼ対向する位置に設置され前記プラズマ内の電子を呼び寄せてプラズマを通過した蒸発流及び反応ガスを正にイオン化する対向電極と、該対向電極の電極面で前記真空度の圧力より高い１０−３ｔｏｒｒ以上の圧力となるように前記電極面を不活性ガスで覆うガス膜装置とを備え、該ガス膜装置は、対向電極の電極面に設けられ不活性ガスを対向電極の電極面にシャワー状に吹き出させる複数のガス吹出孔と、前記対向電極の内部を通して前記ガス吹出孔に不活性ガスを供給するガス供給装置とからなり、これによりイオン化した蒸発流及び反応ガスを負に印加した基板に衝突・凝固させて基板上に絶縁膜を成膜する、ことを特徴とするイオンプレーティング装置が提供される。
【０００７】
【作用】
本発明は真空チャンバー内で前記蒸発流や反応ガスの原子もしくは分子同士が衝突するまでの原子もしくは分子の平均移動距離（平均自由行程）が、通常のイオンプレーティング装置内の圧力（例えば５×１０−４ｔｏｒｒ）では長く（例えば５００ｍｍ）、１０−３ｔｏｒｒ以上の圧力では短い（例えば５０ｍｍ以下）、ことに着眼したものである。
【０００８】
すなわち、本発明の構成によれば、ガス膜装置により対向電極の電極面で真空チャンバー内の真空度の圧力より高い１０−３ｔｏｒｒ以上の圧力となるように前記電極面を不活性ガスで覆っているので、真空に近い圧力（例えば５×１０−４ｔｏｒｒ）を通過して対向電極に近づいた前記蒸発流や反応ガスの原子もしくは分子は、不活性ガス内で直ちに不活性ガスのガス原子（分子）と衝突して跳ね返される。従って、絶縁膜を成膜する蒸発流や反応ガスの原子もしくは分子は対向電極の表面に到達しにくく、絶縁膜は対向電極の表面にほとんど成膜されない。これにより、対向電極の導電性を長時間にわたり維持することができ、プラズマ銃によるプラズマが長時間にわたり安定し、プラズマによる蒸発流及び反応ガスのイオン化も安定して行われ、緻密で結晶化が十分であり、硬度が高く、基板との密着力が高い、良質の絶縁膜を、基板上に長時間にわたり成膜することができる。
【０００９】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明によるイオンプレーティング装置の全体構成図であり、図２は本発明によるイオンプレーティング装置の別の全体構成図である。なお図１ないし図３において、共通する部品には同一の符合を付して使用する。
【００１０】
図１及び図２において、本発明によるイオンプレーティング装置は、真空チャンバー１内で膜材料６を溶解・蒸発させて基板８に向かう蒸発流７を形成し、真空チャンバー１内に反応ガス２１を導入し、プラズマ銃１４により前記蒸発流７と交差するプラズマ１５を発生させ、対向電極１６により前記プラズマ１５内の電子を呼び寄せて前記蒸発流７及び前記反応ガス２１を正にイオン化し、イオン化した蒸発流７及び反応ガス２１を負に印加した基板８に衝突・凝固させて基板８上に絶縁膜を成膜するようになっている。
【００１１】
すなわち、図１及び図２において、真空チャンバー１は、図示しない真空ポンプにより真空排気２され、チャンバー内をイオンプレーティングに適した圧力、例えば５×１０−４ｔｏｒｒに保持されている。
本発明によるイオンプレーティング装置は、電子銃３を備え、この電子銃３は電子ビーム４を発生し、これをルツボ５に照射して蒸発材料６を溶解・蒸発させ、蒸発した蒸発材料６により蒸発流７を形成するようになっている。
【００１２】
更に本発明によるイオンプレーティング装置は、蒸発流７及び反応ガス２１をイオン化する手段として、プラズマ銃１４、収束コイル１７、対向電極１６、収束コイル１８、絶縁部１９、及び対向電極用電源２０を備えている。
プラズマ銃１４は、正イオンと電子の共存したプラズマ１５を発生させる。対向電極１６は、プラズマ銃１４のほぼ対向する位置に設置され、絶縁部１９を介して真空チャンバー１から絶縁されている。又、対向電極１６は、対向電極用電源２０により真空チャンバー１より相対的に正（プラス）の電圧に印加され、プラズマ１５の内の電子を対向電極１６に呼び寄せ、プラズマを通過した蒸発流７及び反応ガス２１を正イオンにイオン化するようになっている。
【００１３】
収束コイル１７、１８はプラズマが広がらないようプラズマを収束させる磁場を発生する。この収束コイル１７、１８は、図示のようにプラズマ銃側と対向電極側の両方に設けるのがよい。なお対向電極側の収束コイル１８は、対向電極の図示しない内部に設けてもよい。
以上の構成によりプラズマ銃１４から出たプラズマ１５を蒸発流７に照射すると、プラズマ１５のうちの主として電子が蒸発流７及び反応ガス２１と衝突する際に蒸発流７及び反応ガス２１を正イオンにイオン化する。
【００１４】
基板８は、高周波電源１１により高周波用整合装置１０を介して高周波（例えば１３．５６ＭＨｚ）が印加されている。基板８自体は絶縁物でも導電体でもよいが、絶縁物が基板８に成膜されるため、絶縁物の表面に負の電圧が印加できるように高周波が印加される。高周波用整合装置１０は、絶縁物の表面に負の電圧を効果的に印加できるように負荷側のインピーダンスを整合させるマッチング装置である。なお、基板８を一定温度に維持し、成膜条件を安定にするためにヒータ１２を設けるのがよい。
【００１５】
真空チャンバー１内には、反応ガス導入ノズル１３を介して反応ガス２１が導入される。反応ガス２１は、例えばアルミナＡｌ２Ｏ３を基板８に成膜する場合には酸素（Ｏ２）である。蒸発材料６はアルミニウム（Ａｌ）もしくはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とし、反応ガス２１として酸素Ｏ２を導入してアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を基板上に成膜する。なお、基板上にできるアルミナのアルミニウムと酸素との比率は必ずしも２：３ではなく、厳密には、ＡｌｘＯｙと表示すべきであるが、ここでは単にＡｌ２Ｏ３と表示する。
【００１６】
本発明のイオンプレーティング装置は、更に、前記対向電極１６の電極面を１０−３ｔｏｒｒ以上の不活性ガス２２で覆うガス膜装置３０を備えている。
図１において、ガス膜装置３０は、対向電極１６の電極面に設けられた複数のガス吹出孔２３と、対向電極１６の内部を通してガス吹出孔２３に不活性ガスを供給するガス供給装置すなわち不活性ガス導入ノズル２４とからなる。これにより不活性ガス２２を対向電極の内部からガス吹出孔２３を通して対向電極１６の前面から電極面にシャワー状に吹き出させることができる。
【００１７】
また図２において、ガス膜装置３０は、対向電極１６の電極面に沿って不活性ガスを流すように設けられたガスノズル２５と、このガスノズル２５に不活性ガス２２を供給するガス供給装置すなわち不活性ガス導入ノズル２４とからなる。これにより不活性ガス２２を対向電極１６の電極面に沿って吹き付けることができる。
【００１８】
不活性ガス２２の圧力は、１０−３ｔｏｒｒ以上であることが好ましく、１０−２ｔｏｒｒ以上であることが特に好ましい。真空チャンバー内でガス分子同士が衝突するまでのガス分子の移動距離は、通常のイオンプレーティング装置内の圧力、すなわち約５×１０−４ｔｏｒｒでは５００ｍｍ前後であり、１０−３ｔｏｒｒでは約５０ｍｍ、１０−２ｔｏｒｒでは約５ｍｍ、１０−１ｔｏｒｒでは約０．５ｍｍである。従って、ガス膜装置３０における不活性ガス２２の圧力を、少なくとも１０−３ｔｏｒｒ以上とすることにより対向電極に近ずいたガス分子を、圧力の高い不活性ガスのガス分子と衝突させて跳ね返すことができる。
【００１９】
不活性ガス２２は、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）等のガスであり、特に分子量が大きく安価なアルゴンガスが好ましい。これにより対向電極に近ずいたガス分子を、分子量の大きい不活性ガスのガス分子との衝突により確実に跳ね返すことができる。
なお、不活性ガス２２の代わりに反応ガス２１を直接用いてもよいが、不活性ガスより効果が弱い。
【００２０】
図１に示す装置を用い、蒸発材料６としてＡｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、反応ガス２１として酸素（Ｏ２）を用いてイオンプレーティング試験を実施した。最初の真空排気のみの時は、１０−６ｔｏｒｒ台まで排気し、その後、蒸発材料６を電子銃３により蒸発させ、反応ガス導入ノズル１３より酸素（Ｏ２）を導入し、５×１０−４ｔｏｒｒの圧力下で成膜させた。プラズマ銃１４の出力は、６０Ｖ×１５０Ａであり、対向電極用電源２０は数Ｖ（ボルト）であった。電子銃３は約６ＫＷ、基板８に印加された電圧は−１００〜−２００Ｖであった。又、ヒーター１２により基板８を５００°Ｃに加熱した。
【００２１】
上記試験の結果、長時間（２時間以上）にわたりプラズマ銃からのプラズマが安定して維持でき、蒸発流７及び反応ガス２１のイオン化も長時間維持でき、膜質が良く基板８との密着力も良いアルミナの絶縁膜を成膜することができた。また、対向電極はプラズマに曝されるために高温になり易いが、上記試験の結果、不活性ガスの吹き出し／吹き付けにより、冷却が併せて行われる付随した効果が得られた。更に、本発明によるイオンプレーティング装置を基板に負の電圧を印加しないで用いても、イオン化した蒸発流や反応ガスが基板上で成膜されるため、イオン化する手段を持たない単なる「蒸着」に較べると、非常に良い膜質が得られた。
【００２２】
【発明の効果】
上述したように本発明は真空チャンバー内でガス分子同士が衝突するまでのガス分子の移動距離が、通常のイオンプレーティング装置内の圧力（例えば５×１０−４ｔｏｒｒ）では長く（例えば５００ｍｍ）、１０−３ｔｏｒｒ以上の圧力では短い（例えば５０ｍｍ）、ことを利用する新規な着眼に基づくものである。
【００２３】
すなわち、本発明によれば、ガス膜装置により対向電極の電極面を１０−３ｔｏｒｒ以上の不活性ガスで覆っているので、真空に近い圧力（例えば５×１０−４ｔｏｒｒ）を通過して対向電極に近ずいた前記蒸発流や反応ガスの原子もしくは分子は、不活性ガス内で直ちに不活性ガスのガス原子（分子）と衝突して跳ね返される。従って、絶縁膜を成膜する蒸発流や反応ガスの原子もしくは分子は対向電極の表面に到達しにくく、絶縁膜は対向電極の表面にほんんど成膜されない。これにより、対向電極の導電性を長時間にわたり維持することができ、プラズマ銃によるプラズマが長時間にわたり安定し、プラズマによる蒸発流及び反応ガスのイオン化も安定して行われ、緻密で結晶化が十分であり、硬度が高く、基板との密着力が高い、良質の絶縁膜を、基板上に長時間にわたり成膜することができる。
【００２４】
従って要約すれば、本発明により、対向電極の表面に絶縁膜が成膜されにくく、長時間にわたって安定してプラズマ内の電子を呼び寄せることができ、長時間にわたり安定して良質な絶縁膜を基板上に成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるイオンプレーティング装置の全体構成図である。
【図２】本発明によるイオンプレーティング装置の別の部分構成図である。
【図３】従来のイオンプレーティング装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１  真空チャンバー
２  真空排気
３  電子銃
４  電子ビーム
５  ルツボ
６  蒸発材料
７  蒸発流
８  基板
９  絶縁部
１０  高周波用整合装置
１１  高周波電源
１２  基板ヒーター
１３  反応ガス導入ノズル
１４  プラズマ銃
１５  プラズマ
１６  対向電極
１７  収束コイル
１８  収束コイル
１９  絶縁部
２０  対向電極用電源
２１  反応ガス
２２  不活性ガス
２３  吹出孔
２４  不活性ガス導入ノズル
２５  ガスノズル
【図１】
0003617056.tif 000002
【図２】
0003617056.tif 000003
【図３】
0003617056.tif 000004