(57)【要約】【課題】絶縁膜を成膜する場合にも、直流高密度プラズマを安定させることが可能な成膜装置を提供する。【解決手段】軸方向に収束しているプラズマを、陽極表面付近において軸に垂直な方向に広げる作用をする磁場を発生させる。すなわち軸上に、一対の筒型の永久磁石を並べて配置し、その内側に陽極を配置する。一対の永久磁石は、磁化の向きが軸方向について互いに逆向きである。この一対の永久磁石により、軸方向の磁場が互いに打ち消し合ってゼロとなる面を形成できるため、プラズマを広げることができる。これにより、陽極の中心領域に絶縁膜が短時間で堆積せず、プラズマを安定させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の軸に沿って順に配置された、陰極と、中間電極と、陽極と、前記陰極と陽極間に生じるプラズマを前記軸を中心に収束させる磁場を発生するプラズマ収束手段とを有するプラズマを用いる成膜装置であって、
前記プラズマ収束手段によって収束しているプラズマを前記陽極表面に広げる磁場を発生するプラズマ拡大手段を備えることを特徴とするプラズマを用いる成膜装置。
【請求項２】
所定の軸に沿って順に配置された、陰極と、中間電極と、陽極と、前記陰極と陽極間に生じるプラズマを前記軸を中心に収束させる磁場を発生するプラズマ収束手段とを有するプラズマを用いる成膜装置であって、
前記軸上には、一対の筒型の永久磁石が並べて配置され、前記陽極は、前記筒型の永久磁石の内側に位置し、
該一対の永久磁石は、磁化の向きが前記軸方向について互いに逆向きであることを特徴とするプラズマを用いる成膜装置。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマを用いる成膜装置において、前記一対の筒型の永久磁石は、それぞれの中心軸が前記軸に一致していることを特徴とするプラズマを用いる成膜装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載のプラズマを用いる成膜装置において、前記一対の永久磁石の間隔の中間位置は、前記陽極の前記中間電極側の表面と一致していることを特徴とするプラズマを用いる成膜装置。
【請求項５】
所定の軸に沿って順に配置された、陰極と、中間電極と、陽極と、前記陰極と陽極間に生じるプラズマを前記軸を中心に収束させる磁場を発生するプラズマ収束手段とを有するプラズマを用いる成膜装置であって、
前記陽極の外周には磁場発生手段が配置され、
該磁場発生手段の形成する磁場は、前記軸方向に垂直な所定の面において、前記軸方向の磁場成分がゼロであることを特徴とするプラズマを用いる成膜装置。
【請求項６】
請求項５に記載のプラズマを用いる成膜装置において、前記所定の面は、前記陽極の前記中間電極側表面と一致していることを特徴とするプラズマを用いる成膜装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載のプラズマを用いる成膜装置において、前記磁場発生手段の形成する磁場は、前記所定の面における磁場の向きが、該所定の面と平行であることを特徴とするプラズマを用いる成膜装置。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれか１項に記載のプラズマを用いる成膜装置において、前記磁場発生手段は、前記軸方向に並べて配置された一対の筒型の永久磁石であり、該一対の永久磁石は、磁化の向きが前記軸方向について互いに逆向きであることを特徴とするプラズマを用いる成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いる成膜装置に関し、特に、直流高密度プラズマを用いる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高密度プラズマを用いる成膜装置としては、特許文献１に記載のように、プラズマ源から引き出した高密度プラズマを蒸発源に照射し蒸発させ、基板に付着させる装置や、非特許文献１に記載のように、プラズマ源から引き出したプラズマに成膜原料ガスを供給し、反応生成物等を基板上に付着させる化学的気相成長（ＣＶＤ）装置等、各種のものが知られている。
【０００３】
非特許文献１等に記載されている直流高密度プラズマを用いたＣＶＤ方法について、図６を用いて説明する。図６に記載した装置は、プラズマ室１と成膜室７とを有し、プラズマ室１には、陰極２および第１および第２の中間電極３が配置されている。成膜室７には、陽極５と基板６が配置されている。成膜室７およびプラズマ室１を排気口９から排気した後、プラズマ室１に、アルゴン、ヘリウム等の放電ガス４を導入し、電源１０から陰極２、第１および第２の中間電極３ならびに陽極５に直流の電圧をかけ、陰極２を放電させる。放電開始直後３〜５分程度はグロー放電（プラズマ）であるが、グロー放電を続けると、陰極２が加熱され熱電子を放出するようになり、これによりグロー放電の電離度が上昇してアーク放電（直流高密度プラズマ１１）が生じる。
【０００４】
抵抗が接続され電位勾配が与えられた第１および第２中間電極３は、プラズマ１１を陰極２から陽極５にスムーズに導いている。プラズマ室１および成膜室７の外部に配置された電磁石１２は、プラズマ１１をビーム状に収束し、第１および第２中間電極３の中央の穴を通過させるようにガイドする。
【０００５】
成膜室７に導かれているプラズマ１１に原料ガス８を供給し、原料ガス８をプラズマ１１に曝すことにより、生じた分解物や反応生成物等を基板６に堆積させ、薄膜を得る。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２８１８２５号公報
【非特許文献１】溶融塩  Vol.31 No.2  別刷  1988年5月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図６のような従来の直流高密度プラズマを用いた成膜装置によって基板上に絶縁膜を成膜した場合、基板の近くに位置する陽極にも絶縁膜が堆積する。しかも、陽極とプラズマとの電気的接点となる陽極の中心領域に絶縁膜が短時間で堆積する傾向にあり、放電が短時間で不安定になるという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、絶縁膜を成膜する場合にも、直流高密度プラズマを安定させることが可能な成膜装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
直流高密度プラズマを用いて絶縁膜を成膜する際に、陽極の中心領域に絶縁膜が短時間で堆積し放電が不安定になる原因は、プラズマが軸方向に絞られているため、陽極の中心部にプラズマが集中していることにある。そこで、本発明では、陽極表面付近において、プラズマを広げる作用をする磁場を発生させることにより、この問題を解決する。
【００１０】
具体的には、上記目的を達成するために、本発明の第１の態様では、以下のような成膜装置を提供する。すなわち、所定の軸に沿って順に配置された、陰極と、中間電極と、陽極と、陰極と陽極間に生じるプラズマを前記軸を中心に収束させる磁場を発生するプラズマ収束手段とを有するプラズマを用いる成膜装置であって、プラズマ収束手段によって収束しているプラズマを陽極表面に広げる磁場を発生するプラズマ拡大手段を備えるものである。プラズマを陽極表面で広げることにより、絶縁物の陽極上への堆積を陽極表面全体に生じさせ、プラズマと陽極の電気的導通がとれる時間を引き延ばすことができる。
【００１１】
本発明の第２の態様では、以下のような成膜装置を提供する。この成膜装置は、所定の軸に沿って順に配置された、陰極と、中間電極と、陽極と、陰極と陽極間に生じるプラズマを軸を中心に収束させる磁場を発生するプラズマ収束手段とを有し、軸上には、一対の筒型の永久磁石が並べて配置され、陽極は、一対の筒型の永久磁石の内側に位置する。一対の永久磁石は、磁化の向きが軸方向について互いに逆向きである。この一対の永久磁石により、軸方向の磁場が互いに打ち消し合ってゼロとなる面を形成できるため、プラズマを広げることができる。
【００１２】
一対の筒型の永久磁石は、それぞれの中心軸が軸に一致している構成にすることができる。これにより、軸方向に収束されているプラズマを効果的に広げることができる。
【００１３】
一対の永久磁石の間隔の中間位置を、陽極の前記中間電極側の表面と一致させる構成にすることができる。これにより、陽極の表面でプラズマを広げることができる。
【００１４】
また、本発明の第３の態様によれば、以下のような成膜装置が提供される。この成膜装置は、所定の軸に沿って順に配置された、陰極と、中間電極と、陽極と、陰極と陽極間に生じるプラズマを軸を中心に収束させる磁場を発生するプラズマ収束手段とを有し、陽極の外周には磁場発生手段が配置されている。磁場発生手段の形成する磁場は、軸方向に垂直な所定の面において、軸方向の磁場成分がゼロである。これにより、この面にそって磁場を広げることができる。
【００１５】
所定の面は、陽極の中間電極側表面と一致する構成にすることができる。これにより、陽極表面で磁場を広げることができる。
【００１６】
磁場発生手段の形成する磁場は、所定の面における磁場の向きが、所定の面と平行にすることができる。これにより、効率よく磁場を広げることができる。
【００１７】
磁場発生手段としては、軸方向に並べて配置された一対の筒型の永久磁石を用いることができる。この場合、一対の永久磁石は、磁化の向きが軸方向について互いに逆向きにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の一実施の形態の直流高密度プラズマを用いる成膜装置について図面を用いて説明する。
【００１９】
まず、本実施の形態の直流高密度プラズマを用いる成膜装置の構成について図１および図２を用いて説明する。図１に示したように、この成膜装置は、連結されたプラズマ室１と成膜室７とを備えている。プラズマ室１には、陰極２および第１および第２の中間電極３がｚ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。
【００２０】
成膜室７には、ｚ軸上に陽極５が配置されている。図２に図１のＡ−Ａ断面図を示したように、陽極５は板状である。また、成膜室７には、陽極５とプラズマ室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１６が備えられている。成膜室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。
【００２１】
プラズマ室１の中間電極３の外側、ならびに、成膜室７の外側にはそれぞれ、中心軸がｚ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、ｚ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ｚ軸を中心にビーム状に収束する。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】
また、本実施の形態では、陽極５の表面でプラズマ１１をｚ軸方向に垂直な面内に広げるために、図１および図２に示したように、成膜室７内の陽極５を取り囲むように、円筒形の永久磁石対１３を配置している。永久磁石対１３を構成する円筒形の永久磁石１３ａと１３ｂは同じ直径であり、ｚ軸に沿って所定の間隔をあけて並べて配置されている。図３に示したように、永久磁石１３ａと１３ｂの間の中間の面１３ｃは、陽極５のプラズマ室１側表面とほぼ一致している。永久磁石１３ａと１３ｂのそれぞれ中心軸はｚ軸に一致している。
【００２３】
永久磁石対１３は、向かい合う面が同じ極性になるように着磁されている。また、永久磁石１３ａと１３ｂの生じる磁場の大きさは、軸方向について等しい。例えば、図１および図３に示したように、円筒形の永久磁石１３ａと１３ｂは、向かい合う面がＮ極になるようにそれぞれ着磁する。なお、図４に示したようにＳ極とＳ極が向かい合わせになるように永久磁石１３ａ、１３ｂを配置することも可能である。
【００２４】
向かい合う面がＮ極になるように着磁された永久磁石対１３の磁力線は、図２および３のような形状である。すなわち、円筒形の永久磁石１３ｂのＮ極から出た磁力線は、陽極５の表面に沿って中心方向（ｚ軸）に向かった後、ｚ軸に平行な方向に向きを変えて、プラズマ室１側に進み、Ｓ極に入る。一方、永久磁石１３ａの磁力線は、中心方向（ｚ軸）に向かった後、プラズマ室１側と逆向きに進みＳ極に入る。したがって、永久磁石１３ａと永久磁石１３ｂの間の中間の面１３ｃでは、永久磁石１３ａの形成する磁場と、永久磁石１３ｂの形成する磁場がｚ軸方向（陽極５表面に対して垂直方向）について互いに打ち消し合ってゼロになる。一方、面１３ｃの面内方向（ｘｙ平面方向）については、中心部では磁場が打ち消し合ってゼロになるが、その周囲では面内方向に沿って磁力線が集中するため、陽極５の表面近傍に表面と平行な大きな磁場が形成される。
【００２５】
このように永久磁石対１３により形成された磁場は、陽極５の表面近傍の面１３ｃにおいて垂直方向（ｚ軸方向）についてはほぼゼロで、面内方向（ｘｙ平面方向）に平行な大きな磁場であるため、プラズマ室１から陽極５の表面まで導かれたプラズマ１１を、図１および図３のように陽極５の表面上に広げる作用をする。これにより、絶縁膜を成膜する場合であっても、プラズマ１１が陽極５の中心部等特定領域に集中しないため、絶縁膜が特定領域に短時間で堆積することが防止できる。よって、長時間にわたってプラズマ１１（アーク放電）を安定して生じさせることができる。
【００２６】
以下、本実施の形態の直流高密度プラズマを用いる成膜装置を用いて、ＣＶＤ法により絶縁膜を成膜する場合の各部の動作について説明する。まず、成膜すべき基板６を基板ホルダー１６に取り付け、成膜室７およびプラズマ室１を排気口９から所定の真空度まで排気する。プラズマ室１にアルゴン、ヘリウム等の放電ガス４を導入し、電源１０から陰極２と陽極５間に直流電圧を印加し、グロー放電によるプラズマを生じさせる。放電開始直後３〜５分程度はグロー放電であるが、グロー放電を続けると、陰極２が加熱され熱電子を放出するようになり、これによりグロー放電の電離度が上昇して高密度放電すなわちアーク放電に移行し、直流高密度プラズマ１１が生じる。電源１０により電圧が印加され、抵抗が接続された第１および第２の中間電極３は、プラズマ１１に電位勾配を与え、陰極２から陽極５にスムーズに導く。プラズマ室１および成膜室７の外部に配置された電磁石１２はｚ軸を中心にプラズマ１１を絞り、プラズマ１１をビーム状に収束することにより、第１および第２中間電極３の中央の穴を通過させるようにガイドするとともに、陽極５にプラズマ１１を導く。
【００２７】
このとき、本実施の形態では陽極５の周囲に永久磁石対１３を配置しているため、陽極５のプラズマ室１側の表面付近ではｚ軸方向について磁場がゼロになり、面内方向に平行な磁場が生じている。このため、プラズマ１１は、陽極５の表面付近で図１および図３のように陽極面の広範囲に渡って広がる。
【００２８】
つぎに、成膜７内に原料ガス導入管８ａから原料ガス８を供給し、成膜室７内に引き出されたプラズマ１１に原料ガス８を曝す。これにより生じた分解物や反応生成物等の絶縁物を基板６に堆積させ、絶縁膜を得る。所定の時間成膜を行った後、プラズマ１１を停止させ、成膜室７およびプラズマ室１を大気圧まで戻し、基板６を取り出す。
【００２９】
成膜時には、陽極５の表面にも絶縁物が付着するが、永久磁石対１３の形成する磁場によりプラズマ１１が陽極５表面の広範囲に広がっているため、絶縁物は陽極５全体に付着する。永久磁石対１３が配置されていない場合には、電磁石１２によりプラズマ１１がｚ軸を中心に絞られているため、陽極５の中心部に短時間に付着しやすい。陽極５の中心部は、陽極５とプラズマの電気的接点であるので、絶縁膜が付着するとプラズマ１１が不安定になる。本実施の形態の装置では、上記のように陽極５全体にプラズマを広げ、絶縁膜の成膜を陽極の広範囲に生じさせることにより、陽極５とプラズマ１１の導電性が保たれる時間をのばすことができ、プラズマ１１を安定させて長時間成膜を行うことができる。
【００３０】
例えば、原料ガス８としてヘキサメチルジシロキサンの蒸気を用い、ＳｉＯｘ膜を得る際のプラズマの安定性を所定の成膜条件下で確認したところ、永久磁石対１３が配置されていない構成ではプラズマ１１は３分で不安定になったが、本実施の形態の永久磁石対１３が配置されている構成では、１０分経過後も安定して成膜が可能であった。
【００３１】
なお、永久磁石対１３は、永久磁石１３ａ、１３ｂがｚ軸方向に互いに逆方向に磁化されていればよく、図４のように永久磁石１３ａ、１３ｂの向かい合う面をそれぞれＳ極に着磁した場合にも、同様の効果が得られる。この場合、図４および図５のように、磁力線の方向は、向かい合う面をＮ極に着磁した場合（図２および図３）とは逆向きになるが、陽極５のプラズマ室側表面では、永久磁石１３ａの形成する磁場と、永久磁石１３ｂの形成する磁場がｚ軸方向（陽極５表面に対して垂直方向）について互いに打ち消し合ってゼロになる。また、陽極５のプラズマ室側表面の面内方向（ｘｙ平面方向）については、面内方向に平行な磁力線が集中するため、陽極５の表面近傍に表面と平行な大きな磁場が形成される。よって、プラズマ１１を陽極面全体に渡って広げることができ、陽極中心部のみに絶縁膜が短時間に堆積するのを防止できる。
【００３２】
本実施の形態では、永久磁石１３ａと永久磁石１３ｂの中間位置が、陽極５のプラズマ室１側表面と一致し、かつ、中心軸がｚ軸に一致するように、永久磁石対１３の位置を定めたが、これに限定されるものではない。必要とするプラズマの形状に合わせて、ｚ軸方向の磁場をゼロにしたい所望の位置に、永久磁石１３ａと永久磁石１３ｂの中間位置および中心軸を一致させることが可能である。
【００３３】
また、本実施の形態では、円筒形の永久磁石対１３を用いたが、垂直方向（ｚ軸方向）については磁場がゼロで、面内方向については磁場が形成される面を形成することができれば、円筒形以外の形状の１以上の永久磁石や、１以上の電磁石を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施の形態の直流高密度プラズマを用いた成膜装置の構成を示すブロック図。
【図２】図１の成膜装置のＡ−Ａ断面図と陽極５の面内方向の磁力線を示す説明図。
【図３】図１の成膜装置の永久磁石対１３の磁力線を示す説明図。
【図４】図１の成膜装置の永久磁石対１３の極性を逆にした場合の磁力線を示す説明図。
【図５】図４の永久磁石対１３の陽極５の面内方向の磁力線を示す説明図。
【図６】従来の直流高密度プラズマを用いた成膜装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００３５】
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、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…永久磁石対、１３ａ、１３ｂ…永久磁石。
【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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