(57)【要約】【課題】真空容器内部がマイクロ波の波長に比べて十分に広い空間になっていたとしても、そのマイクロ波を用いて、その真空容器内部でプラズマを効率良くかつ容易に発生できる装置、或いは、その真空容器内部で効率良くかつ容易にプラズマを発生させて高品質な薄膜の形成ができる装置を提供する。【解決手段】マイクロ波を発生する発振器（６）と、マイクロ波を伝播させる導波管（１）と、マイクロ波のインピーダンスを調整する整合器（７）と、真空容器（８）と、前記導波管（１）と前記真空容器（８）とを分離する誘電体（２）と、前記誘電体（２）に接しているアース電極（３）と、前記アース電極（３）と垂直に設置され前記真空容器（８）にガスを導入するガスパイプ（４）とを備えることを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を発生する発振器と、マイクロ波を伝播させる導波管と、マイクロ波のインピーダンスを調整する整合器と、真空容器と、前記導波管と前記真空容器とを分離する誘電体と、前記誘電体に接しているアース電極と、前記アース電極と垂直に設置され前記真空容器にガスを導入するガスパイプとを備えることを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項２】
前記マイクロ波の波長をλとしたとき、前記ガスパイプのガス導入口が、前記誘電体からλ／２、前記アース電極からλ／４離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項３】
前記マイクロ波の波長をλとしたとき、前記アース電極が、少なくともλ以上の長さの辺を持つ長方形もしくは正方形、またはλ以上の半径を持つ円形であることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ発生装置を備えることを特徴とするプラズマアシスト蒸着装置。
【請求項５】
蒸着材料にＡｌ金属を用いることを特徴とする請求項４に記載のプラズマアシスト蒸着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを安定的に真空容器内で発生させる技術に関する。また、本発明は、真空で薄膜を形成する技術にも関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸着やＣＶＤ（化学的気相堆積法）による真空薄膜形成で、膜の硬度を向上させることや密着性を向上させるためにプラズマアシスト、プラズマ処理、もしくはプラズマＣＶＤプロセスなどが有効とされている。プラズマを発生させるためには、放電や熱、光などを電離エネルギーとして利用しイオンや電子を生成し維持することで得られる。放電によるプラズマは、電界によるイオン・電子の加速、衝突、電離を減圧化において容易に行えるため、利便性の高い方法として知られている。電界の発生には、直流（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ，ＤＣ）方式、交流（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｃｕｒｒｅｎｔ，ＡＣ）方式、高周波（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＲＦ）方式、マイクロ波（Ｍｉｃｒｏ  Ｗａｖｅ，ＭＷ）方式などが代表例として挙げられる。電界の中でプラズマを維持することから、陽極と陰極の間にプラズマが発生できるが、ＭＷ方式では電極を必要としない無極放電が可能となる。具体的には導波管または空洞共振器内の強い電界を使うことでプラズマ密度の高い放電が得られる。
【０００３】
特許文献１によると、マイクロ波プラズマ方式を利用したものとして、蒸着材料を収容する容器と、該容器に配置された蒸発材料を蒸発させるための蒸発機構と、蒸発材料から離れた位置に配置された被蒸着物質と、蒸発材料と被蒸着物質との間の空間にマイクロ波を伝達するためのマイクロ波発生器とを具備する真空塗布装置がある。この真空塗布装置は、蒸発された原子または分子がマイクロ波でイオン化され、あるいは励起され、そのため合成樹脂フィルムに向上した特性を有するコーティング層を形成する。しかし、マイクロ波をプラズマ化するためには、真空容器内に対して同等に近い幅のホーンアンテナが必要であることと、ホーンアンテナに無数の孔を形成しおき、その孔と空間の数を調整し整合範囲を狭めているため、大きな圧力変動に対して効率よくマイクロ波がプラズマにエネルギーが伝達しないという問題点があった。
【０００４】
また、特許文献２に代表されるようにＥＣＲプラズマは、マイクロ波の２．４５ＧＨｚと磁場による共鳴作用によって低圧力での高密度プラズマが比較的簡単に得られることは良く知られているが、磁石が必要であるのと電子ビームの軌道に対して干渉してしまう問題点があった。
【０００５】
ところで、電磁波の波長に比べて十分に広い空間では、電界強度の分布が一定とならずに放電プラズマが発生しないという問題がある。特にマイクロ波のような波長の短い電磁波を用いたときにプラズマが発生しないときは、電磁波のエネルギーが金属メッシュ（電磁波漏洩防止シールド）などを加熱することでエネルギーを消費したりする。また、プラズマが発生してもプロセスに必要な部分ではなく例えば配管の裏側や覗き窓近傍など目的の場所以外でプラズマが発生することがあり、熱に弱い場所を破損する問題があった。
【特許文献１】特許第３３６０８４８号公報
【特許文献２】特開平８−６０３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は斯かる背景技術に鑑みてなされたもので、真空容器内部がマイクロ波の波長に比べて十分に広い空間になっていたとしても、そのマイクロ波を用いて、その真空容器内部でプラズマを効率良くかつ容易に発生できる装置、或いは、その真空容器内部で効率良くかつ容易にプラズマを発生させて高品質な薄膜の形成ができる装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明において上記課題を達成するために、まず請求項１の発明では、マイクロ波を発生する発振器と、マイクロ波を伝播させる導波管と、マイクロ波のインピーダンスを調整する整合器と、真空容器と、前記導波管と前記真空容器とを分離する誘電体と、前記誘電体に接しているアース電極と、前記アース電極と垂直に設置され前記真空容器にガスを導入するガスパイプとを備えることを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置としたものである。
【０００８】
また請求項２の発明では、前記マイクロ波の波長をλとしたとき、前記ガスパイプのガス導入口が、前記誘電体からλ／２、前記アース電極からλ／４離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマ発生装置としたものである。
【０００９】
また請求項３の発明では、前記マイクロ波の波長をλとしたとき、前記アース電極が、少なくともλ以上の長さの辺を持つ長方形もしくは正方形、またはλ以上の半径を持つ円形であることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波プラズマ発生装置としたものである。
【００１０】
また請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ発生装置を備えることを特徴とするプラズマアシスト蒸着装置としたものである。
【００１１】
また請求項５の発明では、蒸着材料にＡｌ金属を用いることを特徴とする請求項４に記載のプラズマアシスト蒸着装置としたものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係る発明の装置は、真空容器内部がマイクロ波の波長に比べて十分に広い空間になっていたとしても、ガスパイプがアンテナとなり、そのマイクロ波を用いて、ガス導入口のみに集中してプラズマを発生させることができる。よって、大掛かりな装備なしに、蒸着やＣＶＤ等の成膜プロセスに利用するプラズマを効率良くかつ容易に発生することができる。
【００１３】
請求項２に係る発明の装置は、圧力の変化があっても圧力が低い領域でも十分に安定してプラズマを発生させることができる。特にアシスト蒸着では、低圧で行うことで蒸発レートが高いまま反応性アシスト蒸着が可能となるので、生産性が高く高品質な蒸着膜を提供することができる。
【００１４】
請求項３に係る発明の装置は、アース電極が確実に基準電位０となり、マイクロ波の電界エネルギーが効率良くプラズマに伝達できる。
【００１５】
請求項４に係る発明の装置は、真空容器内部で効率良くかつ容易にプラズマを発生させて高品質な薄膜の形成ができる。
【００１６】
請求項５に係る発明の装置は、ガスバリア性の高い高品質なＡｌＯｘ膜を形成できる。
【００１７】
以上、本発明は、真空容器内部がマイクロ波の波長に比べて十分に広い空間になってい
たとしても、そのマイクロ波を用いて、その真空容器内部でプラズマを効率良くかつ容易に発生できる装置、或いは、その真空容器内部で効率良くかつ容易にプラズマを発生させて高品質な薄膜の形成ができる装置を提供するという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
【００１９】
図１に、本発明のマイクロ波プラズマ発生装置の全体を表す側面図を示す。図２に、本発明のマイクロ波プラズマ発生装置の一部を拡大して表す側面図を示す。図３に、本発明のマイクロ波プラズマ発生装置の一部を拡大して表す正面図を示す。
【００２０】
本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、マイクロ波を発生する発振器６と、マイクロ波を伝播させる導波管１と、マイクロ波のインピーダンスを調整する整合器７と、真空容器８と、真空容器８と導波管１内を分離させる誘電体２と、誘電体２の長辺側に接するアース電極３と、アース電極３と垂直に設置され、ガス導入口５から真空容器８内にガスを導入するガスパイプ４とを備える。
【００２１】
本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、マイクロ波を発生する発振器６、マイクロ波を伝播させる導波管１、マイクロ波のインピーダンスを調整する整合器７、真空容器８と導波管１内を分離させる誘電体２によって、マイクロ波を真空容器８に導入する。
【００２２】
発振器６は、マグネトロンを代表とする一般的なマイクロ波管を使用することができ、発振させるマイクロ波の周波数としては、工業用割り当て周波数の２．４５ＧＨｚが最もよく使われている。
【００２３】
導波管１は、発振周波数によって形状が決まり、電磁界の進行方向によって各種モードが選べるがＴＥ波の基本モードの利用を考慮し、ＥＩＡＪ形名ＷＲＪ−２（内径寸法１０９．２２×５４．６１ｍｍ）が多く使われている。
【００２４】
マイクロ波のインピーダンスを調整する整合器７は、Ｅ−Ｈチューナー、スタブチューナー、４Ｅチューナーなどが挙げられるがどれを用いても構わない。
【００２５】
誘電体２は、導波管１と真空容器８との圧力差をつけるために必要である。プラズマを発生しやすい圧力は、０．１［Ｐａ］〜１０［Ｐａ］程度であるので、それよりおおよそ２桁圧力を高くするか低くするかすることで、導波管１ではなく真空容器８側でプラズマが発生することができる。もし、導波管１内が０．１［Ｐａ］〜１０［Ｐａ］の圧力範囲であるならば、導波管１内でもプラズマが発生してしまい余分なエネルギーを消費するばかりか、希望する場所にプラズマが発生しないなどが考えられ、不都合である。誘電体２はマイクロ波の誘電損失が低くかつ圧力差があっても変形しないものが好ましく、単結晶の誘電体材料は誘電損失が低くなるためより好ましい。
【００２６】
アース電極３とガスパイプ４との組み合わせは、マイクロ波によって生ずる電界エネルギーを受けるアンテナ系として重要な役割を果たす。アース電極３とガスパイプ４とがあることで、ガスパイプ４のガス導入口５からガスを導入したときに、電界エネルギーを受けて、ガス導入口５よりプラズマを発生する。特に誘電体２とガス導入口５との間の距離１０をマイクロ波の波長λの１／２の長さとし、アース電極３とガス導入口５との間の距離１１をマイクロ波の波長λの１／４の長さにすると、インピーダンスが大きくなることで電界強度が最大となるためより好ましい。
【００２７】
アース電極３は接地されており、基準電位０としてガスパイプ４への最大電界を決める
上で必要であるため最低でもマイクロ波の波長λの以上の辺を持つ長方形もしくは正方形もしくは波長λの以上の半径をもつ円形となる大きさが好ましい。また、基準となる電極であるため大きい形状がより好ましい。
【００２８】
本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、真空蒸着による成膜中の真空容器内でプラズマを発生させ、プラズマアシスト蒸着法として用いることができる。その場合の基材は、金属、ガラス、プラスチックなど選ばず、基材の厚さはフィルム、シート、パネルなど特に制限はない。蒸着では１０-3［Ｐａ］から１０-2［Ｐａ］の圧力帯で行うことが多いが、ガスパイプをアンテナとして用いたプラズマ発生装置はそれらの圧力帯でもプラズマを発生することが可能である。よって、蒸着材料がプラズマにより活性化され基材への着力向上や膜の緻密化が実現できる。また、酸素やアンモニアなどの反応性ガスをプラズマ化して金属蒸気から酸化物や窒化物の膜を作成することができる。具体的な例を挙げれば、金属Ａｌを電子ビーム加熱法によってＡｌ蒸気を発生させ酸素プラズマを同時に発生させることで、アシストによって高品質なＡｌＯｘ膜を作成することができる。ここで言う高品質は、ガスバリア性の高いということである。
【００２９】
また本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、巻取り蒸着装置のアシスト源として利用することができる。巻取をおこなうためフレキシブルな基材が用いられ、ロール・トゥ・ロールによって大量生産に適するため、好ましい。その場合、公知の数あるフレキシブル基材として特に制限はない。基材の透明性を重視する場合でも、高分子透明プラスチック基材は、特に限定されるものではなく公知のものを使用することができる。例えばポリオレフィン系（ポリエチレン、ポリプロピレン等）、ポリエステル系（ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等）、ポリアミド系（ナイロン−６、ナイロン−６６等）、ポリスチレン、エチレンビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエーテルスルホン、アクリル、セルロース系（トリアセチルセルロース、ジアセチルセルロース等）などが挙げられるが特に限定されない。また、基材フィルム厚みは限定するものではないが、用途に応じて、６μｍから２００μｍ程度が使用しやすい。
【実施例】
【００３０】
以下に、本発明の実施例を具体的に説明する。
【００３１】
＜実施例１＞
マイクロ波は２．４５ＧＨｚの周波数を用い、導波管１はＥＩＡＪ形名ＷＲＪ−２（内径寸法１０９．２２×５４．６１ｍｍ）、整合器７は４Ｅチューナーを使用した。誘電体２は石英ガラス（１２０ｍｍ×９５ｍｍ厚さ３ｍｍ）を使用して、導波管１内の圧力を真空容器８よりも低くするためにターボポンプ（図示せず）によって導波管１内の圧力を１０-4［Ｐａ］付近とした。図３に示すように、アース電極３として大きさ５００ｍｍ×２００ｍｍの厚さ１．５ｍｍの銅板を誘電体２の長辺側と接するように取り付け、ガスパイプ４はＳＵＳ３１６製の３／８インチのパイプを用いて先端部分はＬ字となるように９０度曲げ加工をした。２．４５ＧＨｚの波長λは１２２ｍｍであるので、誘電体２の石英ガラスからガス導入口５が６１ｍｍ離れるよう、アース電極３の銅板に穴を開け、アース電極３とガス導入口５との間の距離が３１ｍｍとなるようにガスパイプ４を固定した。ガスパイプ４からＡｒガスを導入し流量を変化させ、圧力を１．８×１０-2［Ｐａ］、５．６×１０-2［Ｐａ］、１．２×１０-1［Ｐａ］としマイクロ波の電力を１．０［ｋＷ］としてプラズマが発生するか調べた。
＜実施例２＞
誘電体２の石英ガラスとガス導入口５との間の距離３／４λ、すなわち９１．５ｍｍの、アース電極３とガス導入口５との間の距離も３／４λ、９１．５ｍｍとなるようにガスパイプ４を配置したこと以外、実施例１と同様の条件で、圧力を３水準変化させて、プラズマが発生するか調べた。
【００３２】
＜比較例１＞
アース電極３、ガスパイプ４をともに無くしたこと以外、実施例１と同様の条件で、圧力を３水準変化させ、マイクロ波を入れただけでプラズマが発生するかどうかを調べた。
【００３３】
＜比較例２＞
比較例１で、ガス導入口５と誘電体２の石英ガラスとの間の距離が１／４λ（３１ｍｍ）となるようにガスパイプ４を固定したこと以外、比較例１と同様の条件で、圧力を３水準変化させ、マイクロ波を入れただけでプラズマが発生するかどうかを調べた。
【００３４】
以上実施例１、２、及び比較例１、２の結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
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○…プラズマが発生し維持する。
×…プラズマは発生しない。
【００３６】
これらの結果から、実施例１、２はプラズマが発生したが、比較例１、２は、整合器を調整してもプラズマは発生しなかった。実施例１は圧力の変化に対してプラズマを安定して維持することができたが、実施例２では低い圧力ではプラズマが発生しなかった。実施例１は、実施例２に比べ圧力変化によるインピーダンスの変化が少ないため安定してプラズマが維持できると考えられる。
【００３７】
＜実施例３＞
電子ビーム加熱式巻取り式蒸着装置に実施例１と同様なマイクロ波発生装置を設置し、Ａｌ蒸発に対して酸素プラスマによる反応性アシスト蒸着を行った。基材はＰＥＴフィルム（東レ社製Ｔ６０、２５μ厚）を用いた。電子ビームの条件は、ビーム加速電圧４０ｋＶ、ビーム電流０．３Ａとした。Ａｌインゴット（純度９９．９％）に電子ビームを照射ぢ、Ａｌ蒸気を発生させた。このときにＡｌ蒸着を行い、ＰＥＴフィルムと膜の光線透過率が波長３６６ｎｍで４０％となる様にして、ガスパイプより酸素ガスを３００［ｓｃｃｍ］導入し、圧力は４．６×１０-2［Ｐａ］であった。マイクロ波電力を１．０［ｋＷ］にすることでＡｌＯｘ成膜を行った。ＰＥＴフィルムと膜の光線透過率が波長３６６ｎｍで８０％となり、ＡｌＯｘ膜厚が２０ｎｍとなるように巻取り速度を変化させた。作成したＡｌＯｘ付きフィルムは酸素透過率（ＭＯＣＯＮ製、ＯＸ−ＴＲＡＮ２／２０による酸素透過率測定。測定条件３０℃７０％ＲＨ）、光線透過率（分光器使用、島津製作所製ＵＶ−３１００）、ＡｌＯｘ膜厚（Ｘ線反射率法、リガク製ＡＴＸ−Ｇ）を測定した。
＜比較例３＞
マイクロ波の電力を０［ｋＷ］に変更しプラズマを消滅させたこと以外、実施例３と同様に電子ビーム加熱式蒸着を行ってＡｌＯｘの反応性蒸着を行った。また実施例３同様に酸素透過率と光線透過率とＡｌＯｘ膜厚とを測定した。
【００３８】
以上実施例３、比較例３の結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】
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比較例３に比べて、実施例３では酸素透過率が低くなったことから、ＡｌＯｘ膜のバリアが向上した結果となった。プラズマを利用しなかった比較例３よりもバリア性の差は明らかである。このことはプラズマアシストによって膜質が密に変化したことと、電子ビームによるバリア性の劣化要因である帯電障害を緩和したとの２つの要因が考えられるため、一意的に決まるものではないがマイクロ波プラズマの効果を示すことができた。
【００４０】
本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、アース電極と適切な長さのアンテナ兼ガスパイプを使うことで、マイクロ波の波長に対して、広い空間があった場合に圧力変化があっても十分に安定したマイクロ波プラズマを発生させることができるため、磁場を発生させるなどの大掛かりな装備を必要とせず、真空容器の大きさが制限されることもなく比較的低い圧力でのプラズマプロセスに応用できる。特にアシスト蒸着では、低圧で行うことで蒸発レートが高いまま反応性アシスト蒸着が可能となるので、生産性が高く高品質な蒸着膜を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のマイクロ波プラズマ発生装置の全体側面図。
【図２】本発明のマイクロ波プラズマ発生装置の一部拡大側面図。
【図３】本発明のマイクロ波プラズマ発生装置の一部拡大正面図。
【符号の説明】
【００４２】
１…導波管
２…誘電体
３…アース電極
４…ガスパイプ
５…ガス導入口
６…発振器
７…整合器
８…真空容器
１０…誘電体２とガス導入口５との間の距離
１１…アース電極３とガス導入口５との間の距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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