(57)【要約】【課題】  異常放電、膜剥離若しくはそれらに起因して生じるターゲットノジュール成長の抑制又は発塵源の低減を図る成膜装置を提供することを目的とする。また、本発明は、カソード電極近傍の構造物に対する膜堆積速度を抑制することが可能な成膜装置を提供する。【解決手段】  負電位を有するカソード電極の対向側に位置する基板に、放電現象により成膜を行うための成膜装置であって、前記カソード電極の外周側、且つ、前記基板側に、接地電位又は正電位を有するアノード電極として、回転自在に構成された少なくとも１本以上の柱状体を、前記カソード電極の外周方向に沿って軸支して配置したことを特徴とする。【選択図】  図１
2006199989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負電位を有するカソード電極の対向側に位置する基板に、放電現象により成膜を行うための成膜装置であって、前記カソード電極の外周側、且つ、前記基板側に、接地電位又は正電位を有するアノード電極として、回転自在に構成された少なくとも１本以上の柱状体を、前記カソード電極の外周方向に沿って軸支して配置したことを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記カソード電極は、ターゲットを備えることができるように構成され、スパッタリング現象により前記基板に成膜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】
前記成膜装置は、反応性ガスを導入するとともにプラズマＣＶＤ法により前記基板に成膜するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種々の基板に薄膜を形成する成膜装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素や珪素等の薄膜又はこれらに窒素・水素等を含有する化合物薄膜は、高硬度、或いは、優れた工学的・電気的特性を有する等の理由から、各種保護膜や液晶のディスプレイパネルをはじめとして広汎な用途を有する。
これら薄膜を基板表面に被着させる方法として、真空雰囲気下でのスパッタリング法、ＣＶＤ法、レーザーアブレーション法等が挙げられる。これらの中でも、スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法は平板な基板、或いは、フィルム状の基板に対して、簡便、且つ、大面積に成膜する手法として工業的に広く用いられている。
【０００３】
前記スパッタリング法を用いて基板表面に薄膜を被着させる方法の一例としては、固体蒸発源（ターゲット）を有するカソード電極に電圧を印加して放電を行い、ターゲット面と平行に基板を連続的に搬送させて成膜する方法がある。この方法は、一般にインライン式スパッタ装置と称される装置により行われ、ＤＬＣ極薄膜等（膜厚１０ｎｍ程度）を量産する手段として利用されている。
前記スパッタリング法を行う場合には、真空槽内で基板のみならずカソード電極周辺にある防着板等の構造物全てに炭素が被着し、これを繰り返すことにより、炭素薄膜が堆積してしまうことになる。
【０００４】
そして、堆積した薄膜が、絶縁性を有する場合には、薄膜表面に電荷が蓄積され、異常放電の原因となり、更に、絶縁性の薄膜の堆積量が増加するにしたがって、防着板内側に局所的な正電荷の集中蓄積が起こり、アーク放電も発生しやすくなる。このアーク放電により、カソード電極側のグロー放電がアーク放電に遷移し、放電が停止してしまうという問題があった。尚、放電が停止した際、上記絶縁性の薄膜堆積によりカソード電極の近辺に安定したアノード電位が消失した状態では、カソードに電圧を再印加しても放電が再開しないという問題があった。
【０００５】
また、前記異常放電が発生する際、或いは、発生した後、内部構造物から剥離した炭素被膜や飛散炭素粒子の一部がターゲット表面に再付着し、これを核として炭素粒子からなる突起状構造物（ノジュール）が形成され、異常放電を引き起こすという問題があった。また、剥離した炭素被膜が発塵源となって基板に炭素粒子からなるパーティクルが付着したり、或いは、その付着したパーティクルがその後の基板処理工程により積層される被膜のピンホール源となったりして製品の歩留まりが低下するという問題が生じていた。
【０００６】
更に、真空槽内壁や防着板等の構造物が絶縁膜で覆われることにより、これらの構造物表面が、カソード電極に対して、接地電位とならないためアノード電極としての役割を果たさなくなる。その結果、放電の安定性を欠き、成膜速度、膜厚・膜質分布が不均一になるという問題があった。
【０００７】
上記問題に対して、頻繁に真空槽内壁及びアース電位にある内部構造物表面の絶縁膜を除去したり、ターゲット表面の定期的なクリーニングを実施（特許文献１参照）したりすることが考えられるが、装置を停止してメンテナンスを行う頻度が多くなり、生産性が悪いという問題があった。
【０００８】
また、カソード電極周辺の構造物への膜堆積量を抑制することが特許文献２に開示されている。具体的には、カソード電極近傍に設けられたアノード電極を、隙間を存して多層構造となるように構成し、隙間からターゲットの方向へガスを噴出するものであるが、構造が複雑で清掃時の作業にも時間を要するという問題があった。
また、異常放電回数を抑制する他の方法として、カソードのターゲット外周に近接して設けられるアースシールドの先端形状をＲ形状に加工するとともに、Ａｌ溶射されたチムニーと呼ばれる防着板をカソードと基板との間に接地した状態で設けるようにした装置が特許文献３に開示されている。この装置を、生産ラインにおいて使用する場合には、成膜したアースシールドやチムニーは周期的にブラスト洗浄するものの、前記アースシールドの先端形状を初期状態で長期に亘り維持することは困難であり、維持コストが高いという問題があった。
【０００９】
また、ターゲットにおけるノジュールの成長を抑制することを目的として、特許文献４には、２基のスパッタカソードに交互に交流電流を印加し、片方がカソード電位の時は、他方が必ずアノード電位となるようにしたＡＣスパッタ方法が開示されている。しかしながら、ＡＣスパッタ法は、ＤＣスパッタ法と比較して、同じ印加電力に対して成膜速度が約１／２まで低下するため、電源容量を約２倍に増加しなければならないなどのコストがかかるという問題があった。
【００１０】
また、上記スパッタリング法の他に、先に例示したプラズマＣＶＤ法は、ディスプレイパネル用途を中心として、代表的にはアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、窒化珪素（ＳｉＮx）、酸化珪素（ＳｉＯx）、酸化窒化珪素（ＳｉＯxＮy）、ｎ−ドープアモルファスシリコン（ｎ＋ａ−Ｓｉ）の成膜に用いられる。
これらの薄膜を基板上に形成するにあたっては、高周波電力を用い、成膜ガスをプラズマ化することを行うが、上記スパッタリング法と同様に電極部周辺の構造物や真空槽壁から剥離した被膜の一部が異常放電を誘発し、また、発塵源となる問題があった。
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−１１０２５６号公報
【特許文献２】特開平８−２３２０６４号公報
【特許文献３】特開２００１−７３１１５号公報
【特許文献４】特開２００４−１４３５３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記異常放電、膜剥離若しくはそれらに起因して生じるターゲットノジュール成長の抑制又は発塵源の低減を図る成膜装置を提供することを目的とする。また、本発明は、カソード電極近傍の構造物に対する膜堆積速度を抑制することが可能な成膜装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決すべく、本発明者等は鋭意検討の結果、下記の通り、解決手段を見出した。即ち、本発明の成膜装置は、請求項１に記載の通り、負電位を有するカソード電極の対向側に位置する基板に、放電現象により成膜を行うための成膜装置であって、前記カソード電極の外周側、且つ、前記基板側に、接地電位又は正電位を有するアノード電極として、回転自在に構成された少なくとも１本以上の柱状体を、前記カソード電極の外周方向に沿って軸支して配置したことを特徴とする。
また、本発明の成膜装置は、請求項２に記載の通り、請求項１に記載の本発明において、前記カソード電極は、ターゲットを備えることができるように構成され、スパッタリング現象により前記基板に成膜することを特徴とする。
また、請求項３に記載の成膜装置は、請求項１に記載の本発明において、前記成膜装置は、反応性ガスを導入するとともにプラズマＣＶＤ法により前記基板に成膜するように構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、プラズマ安定化に設けられるカソード電極外周のアノードへの絶縁膜堆積速度を低下させることができるので、アノード電極を取り替えることなく長時間の成膜が可能となり、アノード電極の交換頻度も低減させることができる。また、異常放電を生じる頻度が低くなるため、安定した膜厚・膜質の薄膜製品の供給ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態の成膜装置の構成を示すものである。
図示される成膜装置の真空槽１内には、マグネトロンスパッタカソード電極２が設けられている。カソード電極２は、真空槽１の一面に絶縁体５を介して取り付けられたバッキングプレート６とターゲット３とから構成されており、バッキングプレート６の上面には、少なくともターゲット３が機械的に固定、或いは、ボンディングにより固定されるようになっている。カソード電極２及び絶縁体５の外周には、ターゲット３以外の部材がスパッタされないようにするための接地されたシールド８が、バッキングプレート６の真空槽外側には、磁気回路７が設けられ、マグネトロンスパッタカソードが構成されており、バッキングプレート６には電圧を印加するための電源３６が接続されている。尚、シールド８の外周部には、ターゲット３から真空槽１の内壁や図示されないその他の槽内部品表面にターゲットからスパッタされた粒子が付着することがないように、防着板９が設けられている。
カソード電極２と対向する側には、図示しない基板搬送機構が配置され、ターゲット３に対して平行に基板４が搬送できるようになっている。尚、ターゲット３は、矩形状であり、その長手方向が基板４の搬送方向と直交するように配置されている。
前記カソード電極２は、真空槽１底面に絶縁体５を介して取り付けられたバッキングプレート６と、その下方に設けられた磁石７とから構成される。このバッキングプレート６の上面は、少なくともターゲット３が機械的に固定、或いは、ボンディングして固定できるように構成されている。カソード電極２の外周側には、ターゲット３以外の部材がスパッタされないようにするための接地されたシールド８が、バッキングプレート６の上面外縁部を覆うようにして配置されている。更に、シールド８の外周側には、ターゲット３から真空槽１の内壁に粒子が飛散することがないように、カソード電極２の上面外縁部を覆うようにして構成された防着板９が設けられている。
また、真空層１の外側には、開閉弁１０を介して真空ポンプ１１と、導入管１２，１３及びマスフローコントローラ１４，１５を介してガスボンベ１６，１７とが接続されている。
【００１６】
そして、本実施の形態では、シールド８の上方であって、カソード電極２の外周の長辺に沿って、回転自在なアノード電極１８，１９を軸支して配置している。このアノード電極１８，１９は、接地されるか、或いは、正電位となるように電圧が印加される。このアノード電極１８，１９は、回転軸１８ａ，１９ａに、回転軸１８ａ，１９ａを中心として放射状に所定の角度で複数のアノード電極翼１８ｂ，１９ｂが立設され、図示しない駆動機構によって回転することができるように構成されている。尚、アノード電極翼１８ｂ，１９ｂは、それぞれ回転軸１８ａ，１９ａより取り外し可能な構造とすることもできる。
【００１７】
上記構成において、成膜用ガスを導入管１２，１３から真空槽１内へ導入して、バッキングプレート６に負の電圧を印加することにより、ターゲット３の表面にも負電圧が印加され、放電が発生し、ターゲット３に対するスパッタリングが行われる。
この時、アノード電極翼１８ｂ，１９ｂには、ターゲット３から飛来するスパッタ粒子が優先的に付着することになる。そして、アノード電極１８，１９を、所定の間隔で回転させることにより、膜堆積が問題とならない範囲でシールド８に対する防着の役割を果たすことができる。
【００１８】
尚、上記実施の形態において、アノード電極１８，１９は、複数の翼１８ｂ，１９ｂを備える構成のものについて説明したが、アノード電極１８，１９への膜堆積量が問題とならないように、アノード電極１８，１９のカソード電極２側を退避自在にできる構造であれば、特にその形状について制限するものではない。従って、円筒形状、多角柱形状等とすることもできる。また、アノード電極１８，１９は、常時回転してもよいし、所定の間隔をおいて回転と停止を繰り返すようにしてもよい。
【００１９】
また、上記図１に示す実施の形態では、真空槽１内にカソード電極２を１台配置した例について示したものであるが、真空槽１内に、図２に示されるように、複数の各カソード電極２，２を配置する場合には、各カソード電極２，２の外周方向に沿って、複数のアノード電極１８，１９，２０を配置すればよい。尚、図示されるものでは、隣接するカソード電極２，２間に、１本のアノード電極１９を設けて、各カソード電極２，２の共用のものとして構造を簡素化している。
尚、上記図１及び図２に示す実施の形態では、カソード電極２の外周の一方向に沿って、アノード電極１８，１９，２０を配置するようにしたが、カソード電極２の配置する方向は、必ずしも一方向に限られず、例えば、カソード電極２が長方形状であれば、各辺に沿って４本のアノード電極を配置するようにしてもよい。また、一方向へのアノード電極の軸支方法についても、特に制限するものではなく、アノード電極を一方向に複数の軸に分割して配置してもよい。
【００２０】
また、上記図１に示す実施の形態では、防着板９を設けたものを説明したが、防着板９と同様に真空層１内壁や真空層１内の部品表面への防着のために、基板４への成膜や搬送に支障のない位置に、回転自在に構成された柱状体を軸支して配置することも可能であり、また、装置の構造に応じて複数の回転自在に構成された柱状体を軸支して配置することも可能である。
【００２１】
次に、図３を参照して、本発明の他の実施の形態のプラズマＣＶＤ処理を行う成膜装置について説明する。
図示される成膜装置は、真空槽２１の天井に絶縁部材２２を介してカソード電極２３が設けられており、カソード電極２３の外周にはシールド２４が立設されている。カソード電極２３は、給電部材２５、整合器２６を介して高周波電源２７に接続されている。
カソード電極２３と対向する側には、ヒーター２８が内蔵された基板ホルダー２９が設けられ、この基板ホルダー２９上に基板３０が固定される。
また、真空槽２１には、原料ガスを導入するためのガス導入管３３が接続されており、このガス導入管３３から導入された原料ガスが反応した後のガスは、同様に真空槽２１に開閉弁３４を介して接続される真空ポンプ３５により外部へ排気されるように構成されている。
【００２２】
本実施の形態では、シールド２４の両端部の下方近傍に、カソード電極２３の表面に対して平行に軸支され、回転自在に構成されたアノード電極３１，３２を配置し、これらアノード電極３１，３２は、接地電位又は正電位を印加することができるようになっている。尚、アノード電極３１，３２は、図１で説明したアノード電極１８，１９と同様に、回転軸３１ａ，３２ａの周りに複数のアノード電極翼３１ｂ，３２ｂを立設して構成され、図示しない駆動機構によって回転することができるように構成されている。
【００２３】
上記構成において、ガス導入管３３から原料ガスを導入して、高周波電力をカソード電極２３より投入し、基板３０を背後からヒーター２８によって加熱し、電極２３，３１，３２間の放電中の反応により、基板３０に薄膜が形成されることになる。
その際、アノード電極３１，３２を上記図１及び図２で説明した防着板９の代わりとして機能し、特に問題となるシールド２４への膜堆積量を低減することができる。
【００２４】
尚、本実施の形態におけるアノード電極３１，３２も、先の実施の形態で説明したように、円筒形状、多角柱形状等としても同様な効果が得られる。また、アノード電極翼３１ａ，３２ａは、常時回転してもよいし、所定の間隔をおいて回転と停止を繰り返すようにしてもよい。
図３の装置において、電極内部に原料ガスが導入され、基板に対面する電極表面に多孔を設けて原料ガスが基板に向かって吹き出すようにした形態としてもよいことはいうまでもない。
【００２５】
上記した実施の形態では、基板を移動させながら成膜を行う構成について説明したが、本発明は、カソード電極の対面に静止して成膜を行う構成であっても適用することができる。
また、上記した実施の形態に使用することができる電源については、直流電流や、高周波電源で代表される交流電源を用いることができる。
【実施例】
【００２６】
次に、上記図１で説明した成膜装置の具体的な実施例について説明する。
本実施例において、アノード電極１８，１９は、各回転軸１８ａ，１９ａの周方向に放射状に６０°間隔で、それぞれアノード電極翼１８ｂ，１９ｂを６枚ずつ立設することにより構成した。尚、ターゲット３は、炭素から構成し、バッキングプレート６にメタルボンディングにより固定した。
そして、Ｈ2添加量を１０％となるように、ガス導入管１３からＡｒガスを供給するとともに、ガス導入管１２からＨ2ガスを供給し、真空槽１内の圧力を０．２Ｐａに維持するように真空ポンプ１１でガスを排気しながら、ターゲット３に５Ｗ／ｃｍ2の電力密度のＤＣ電力により放電を行った。尚、前記Ｈ2流量は、次式に基づいて算出した。
Ｈ2添加量＝１００×（Ｈ2流量）／（Ｈ2流量＋Ａｒ流量）
【００２７】
アノード電極翼１８ｂ，１９ｂがシールド８に近接する状態で放電を開始し、放電を持続したまま、以後２０時間経過する毎に、アノード電極翼１８ｂ，１９ｂを６０°ずつ回転させ、逐次アノード電極翼１８ｂ，１９ｂがシールド８に近接する状態となるようにして、１２０時間にわたる異常放電発生数の経時変化を計測した。その結果を図４に示す。尚、同図中、横軸は放電時間、縦軸は異常放電の積算回数である。
尚、図４には、本実施例と比較するために比較例として、実施例の成膜装置からアノード電極１８，１９を除去した構成の成膜装置を使用して、実施例と同条件で異常放電発生数の経時変化を測定した結果も示した。
図４から、比較例では、異常放電の積算回数が約２００回となっているのに対して、実施例では、異常放電の積算回数が５０余回と極めて少なかった。尚、比較例の成膜装置では、アーク放電が発生して電源が遮断され、放電が停止するという事態が生じたが、本実施例の成膜装置では、そのようなことはなかった。
このように、実施例の成膜装置は、２０時間に１回のペースでアノード電極１８，１９を６０°ずつ回転させて、アノード電極翼１８ｂ，１９ｂの炭素膜が形成されていない面を、カソード電極２から最短距離の位置に逐次移動させることにより、シールド８への膜堆積量及びアノード電極翼１８ｂ，１９ｂへの膜堆積量を、異常放電が誘発されにくいレベルに抑制することができることがわかった。
【００２８】
次に、上記連続放電後のターゲット３の表面の状態を図５に示す。
同図（ａ）に示すように、実施例の成膜装置で使用したターゲット３の表面には、ノジュールｃはわずかにしか発生していなかった。これに対して、比較例の成膜装置で使用したターゲット３の表面には、多量のノジュールｃ'の発生が見られた。面積計算すると、実施例のノジュールｃの総面積は、２１ｍｍ2であるのに対して、比較例のノジュールｃ'の総面積は、１１６ｍｍ2であった。
【００２９】
尚、本実施例では、ターゲット３として炭素を使用したが、Ｓｉ、Ｂ等の他の元素若しくはこれらを含む炭素化合物、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ若しくはこれらを主成分とする酸化物、又は、これらの合金の酸化物等を利用することができる。
また、成膜時に導入されるガスとして、Ｈ2を使用したが、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｎ2若しくは炭化水素ガス類も利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、スパッタリング装置（ＲＦスパッタリング装置、ＡＣスパッタリング装置、ＥＣＲスパッタリング装置）やプラズマＣＶＤ装置等の電圧を印加して成膜を行う装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施の形態の成膜装置の説明図
【図２】図１の成膜装置の変更例の説明図
【図３】本発明の他の実施の形態の成膜装置の説明図
【図４】実施例の成膜装置において、連続放電させた際の異常放電発生数の経時変化を示すプロット（実施例、比較例）
【図５】実施例の成膜装置におけるターゲット表面のノジュールの状態を示す説明図（（ａ）実施例（ｂ）比較例）
【符号の説明】
【００３２】
１    真空槽
２    カソード電極
３    ターゲット
４    基板
５    絶縁体
６    バッキングプレート
７    磁石
８    シールド
９    防着板
１０    仕切り弁
１１    真空ポンプ
１２    導入管
１３    導入管
１４    マスフローコントローラ
１５    マスフローコントローラ
１６    ガスボンベ
１７    ガスボンベ
１８    アノード電極
１９    アノード電極
２０    アノード電極
２１    真空槽
２２    絶縁部材
２３    カソード電極
２４    シールド
２５    給電部材
２６    整合器
２７    高周波電源
２８    ヒーター
２９    基板ホルダー
３０    基板
３１    アノード電極
３２    アノード電極
３３    ガス導入管
３４    開閉弁
３５    真空ポンプ
３６    電源
【図１】
2006199989.tif 000003
【図２】
2006199989.tif 000004
【図３】
2006199989.tif 000005
【図４】
2006199989.tif 000006
【図５】
2006199989.tif 000007