(57)【要約】【課題】プラズマ再生成が容易な真空装置を提供する。【解決手段】本発明の真空装置１に用いられているマッチングボックス２は、可変インダクタンス素子３１、３５のインダクタンスの値を変更することで、インピーダンスを変えられるようになっている。可変インダクタンス素子３１、３５のインダクタンス値は直流電源の大きさを制御することで制御できるので、マッチング動作を高速で行うことができる。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ発生装置に接続され、交流電源から出力される交流電力の位相を変化させるマッチングボックスであって、
前記マッチングボックスは、可変インダクタンス素子を有し、
前記可変インダクタンス素子は、該可変インダクタンス素子のインピーダンスを決定する主巻線と、前記主巻線と互いに磁気結合された制御巻線とを有し、前記主巻線のインピーダンスが、前記制御巻線に流れる直流電流の大きさで制御されるように構成されたインダクタンス素子を有するマッチングボックス。
【請求項２】
真空槽と、交流電源と、マッチングボックスと、プラズマ発生装置とを有し、前記プラズマ発生装置は前記マッチングボックスを介して前記交流電源に接続され、前記交流電源が出力する交流電圧によってプラズマを生成し、前記真空槽内に配置された処理対象物を真空処理する真空装置であって、
前記マッチングボックスは、インピーダンスを電気的に制御できる可変インダクタンス素子を有する真空装置。
【請求項３】
前記可変インダクタンス素子は、該可変インダクタンス素子のインピーダンスを決定する主巻線と、前記主巻線と互いに磁気結合された制御巻線とを有し、前記主巻線のインピーダンスが、前記制御巻線に流れる直流電流の大きさで制御されるように構成された請求項２記載の真空装置。
【請求項４】
前記プラズマ発生装置は、コイルで巻回されたイオン化室と、前記イオン化室の開口に位置する第１の電極と、前記第１の電極よりも前記イオン化室から遠い位置にある第２の電極とを有するイオンガンであり、前記コイルに前記交流電圧が印加されるように構成された真空装置であって、
該イオンガンは、前記イオン化室内に供給されたガスを、前記コイルによって前記イオン化室内に形成される交流磁界でプラズマ化し、前記第１、第２の電極によって前記プラズマ中の陽イオンを引き出し、前記真空槽内に放出させる請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の真空装置。
【請求項５】
電子を放出させる電子発生源を有し、
前記プラズマが消滅し、プラズマを再生成するときに、前記第２の電極を前記真空槽の電位以上の電位にし、前記電子発生源から放出される電子を前記イオン化室内に引き込むように構成された請求項４記載の真空装置。
【請求項６】
イオン化室内に導入されたガスに交流磁界を印加してプラズマ化し、前記イオン化室の開口付近に配置された第１の電極に正電圧を印加し、前記第１の電極よりも前記イオン化室から遠い位置にある第２の電極に負電圧を印加し、前記第１、第２の電極が形成する電界によって前記プラズマ中の正イオンを引き出して真空槽内に放出させると共に、電子発生源から前記真空槽内に電子を放出させ、前記正イオンの流れに前記電子を照射して中性化し、前記真空槽内に配置された照射対象物に照射する真空処理方法であって、
前記プラズマの消滅した後、プラズマを再生成するときに、前記第２の電極の電位を前記真空槽の電位以上の電位にし、前記電子発生源から放出された電子を前記イオン化室内に引き込む真空処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空装置に関し、特に、イオンガンを用いた真空装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンガンを用いた成膜プロセスには、イオン源で生成したプラズマを、ターゲットに衝突させて、ターゲット面より飛散させたスパッタリング粒子で膜形成を行うイオンビームスパッタリング法、また電子銃で薄膜材料を蒸発させて、イオンガンを利用して成膜をアシストさせるイオンアシスト蒸着法などが代表的な成膜手法としてある。また、イオンガンは、成膜プロセスだけではなく、イオンビームを持ちいてエッチングするイオンビームエッチング法にも用いられる。
【０００３】
これらのプロセスに利用するイオンガンには、その内部でプラズマを発生させる方法により代表的な３種類の方式がある。それは、交流電力を印加してプラズマを発生させるＲＦイオンガン方式、熱フィラメントによるプラズマを発生させる、フィラメント方式、直流電力をホローカソードに印加するホロカソード方式が代表的なイオンガンの実現方式である。
【０００４】
これらのうち、ＲＦイオンガン方式の大きな利点としては、酸素ガスを使用し、絶縁物を長時間処理することができることがあり、特に通信用の光学用フィルターなどの成膜装置や蒸着装置でなくてはならないものとなってきている。例えば、通信用の狭帯域フィルターでは、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５の膜を１００層以上に積層させるため、その成膜時間は数十時間以上に渡ることがある。これらの場合に用いられるＲＦイオンガンは、長時間安定な放電ができることが非常に重要な性能の一つとして挙げられる。
【０００５】
ＲＦイオンガンを使用した装置の概要をイオンビームスパッタリングの例で示す。
図５の符号１０１は、ＲＦイオンガンを用いた従来技術の成膜装置の一例であり、真空槽１１１を有している。
【０００６】
真空槽１１１の壁面には、ＲＦイオンガン１１２と、電子発生源（ニュートラライザ）１１３とが設けられており、ＲＦイオンガン１１２は、マッチングボックス１０２を介して電源１１９に接続されている。
【０００７】
真空槽１１１内にはターゲット１１５が配置されており、真空槽１１１内を真空排気し、電源１１９を起動し、マッチングボックス１０２を介してＲＦイオンガン１１２にイオン生成用の電力を供給すると、ＲＦイオンガン１１２内部にイオンが生成される。
【０００８】
そして、電子発生源１１３を起動し、電子発生源１１３から電子を放出させながら、ＲＦイオンガン１１２からイオンビーム１２１を放出させると、イオンビーム１２１中の陽イオンが電子で中和され、中性粒子がターゲット１１５に照射され、ターゲット１１５から、ターゲット１１５を構成する粒子がスパッタリング粒子１２３となって飛び出す。
【０００９】
成膜対象の基板１１７は、ターゲット１１５に対して平行に配置されており、基板１１７にスパッタリング粒子１２３が付着すると、基板１１７表面に薄膜が形成される。
ところで、上記のようなＲＦイオンガン１１２は、イオンが生成されるときと、イオンが安定に放出されるときとでは、その内部のインピーダンスが大きく変化する。
【００１０】
そこで従来技術のマッチングボックス１０２は、図６に示すように、可変コンデンサ１３４、１３５を有しており、電源１１９側の入力端子１３１は可変コンデンサ１３５によって接地されると共に、他の可変コンデンサ１３４とコイル１３３の直列接続回路によってＲＦイオンガン１１２側の出力端子１３２に接続されている。
このような構成によると、可変コンデンサ１３４、１３５の容量値を変化させることで、マッチングボックス１０２のインピーダンスを変更することができる。
【００１１】
しかしながら、可変コンデンサ１３４、１３５は、コンデンサを構成する電極を移動させ、電極間距離を変化させることで容量値を変化させている。そのため、ＲＦイオンガン１１２内のインピーダンスに、マッチングボックス１０２のインピーダンスを整合させるための時間に、数百ｍＳ〜数秒を必要とするという欠点がある。
【００１２】
従来では、ＲＦイオンガン１１２を用いた成膜装置１０１では、インピーダンスの整合速度はそれほど重要視されていなかったが、最近では、例えば通信用の狭帯域フィルターの成膜プロセスでは、薄膜を１００層以上積層させるため、数十時間の連続成膜が必要となり、さらにその膜厚精度は±０．００１％程度以上の要求になりつつある。
【００１３】
このような場合に、電極の汚れ等からアーク放電等が発生し、交流放電が停止してしまうと、この機械的な可変コンデンサ方式のマッチングボックス１０２では、再起動にインピーダンスを整合させるための時間だけでも数秒以上を要し、そのため、仮にＲＦイオンガン１１２を再起動したとしても、数秒以上の薄膜成長の停止によって不良品になってしまう。
【００１４】
つまり、数十時間の精密な成膜製造作業が、たった１度の数秒の放電途切れで失敗してしまうという大きな問題がある。
【００１５】
【特許文献１】特開平９−１６１７０４
【特許文献２】特開平９−９２１９９
【特許文献３】特開２０００−１６５１７５
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、高速にインピーダンス制御を行えるマッチングボックスと、そのマッチングボックスを用い、プラズマ再生成に要する時間が短い真空装置を提供することにある。また、他の目的は、プラズマ再生成を容易にする真空処理方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、プラズマ発生装置に接続され、交流電源から出力される交流電力の位相を変化させるマッチングボックスであって、前記マッチングボックスは、可変インダクタンス素子を有し、前記可変インダクタンス素子は、該可変インダクタンス素子のインピーダンスを決定する主巻線と、前記主巻線と互いに磁気結合された制御巻線とを有し、前記主巻線のインピーダンスが、前記制御巻線に流れる直流電流の大きさで制御されるように構成されたインダクタンス素子を有するマッチングボックスである。
請求項２記載の発明は、真空槽と、交流電源と、マッチングボックスと、プラズマ発生装置とを有し、前記プラズマ発生装置は前記マッチングボックスを介して前記交流電源に接続され、前記交流電源が出力する交流電圧によってプラズマを生成し、前記真空槽内に配置された処理対象物を真空処理する真空装置であって、前記マッチングボックスは、インピーダンスを電気的に制御できる可変インダクタンス素子を有する真空装置である。
請求項３記載の発明は、前記可変インダクタンス素子は、該可変インダクタンス素子のインピーダンスを決定する主巻線と、前記主巻線と互いに磁気結合された制御巻線とを有し、前記主巻線のインピーダンスが、前記制御巻線に流れる直流電流の大きさで制御されるように構成された請求項２記載の真空装置である。
請求項４記載の発明は、前記プラズマ発生装置は、コイルで巻回されたイオン化室と、前記イオン化室の開口に位置する第１の電極と、前記第１の電極よりも前記イオン化室から遠い位置にある第２の電極とを有するイオンガンであり、前記コイルに前記交流電圧が印加されるように構成された真空装置であって、該イオンガンは、前記イオン化室内に供給されたガスを、前記コイルによって前記イオン化室内に形成される交流磁界でプラズマ化し、前記第１、第２の電極によって前記プラズマ中の陽イオンを引き出し、前記真空槽内に放出させる請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の真空装置である。
請求項５記載の発明は、電子を放出させる電子発生源を有し、前記プラズマが消滅し、プラズマを再生成するときに、前記第２の電極を前記真空槽の電位以上の電位にし、前記電子発生源から放出される電子を前記イオン化室内に引き込むように構成された請求項４記載の真空装置である。
請求項６記載の発明は、イオン化室内に導入されたガスに交流磁界を印加してプラズマ化し、前記イオン化室の開口付近に配置された第１の電極に正電圧を印加し、前記第１の電極よりも前記イオン化室から遠い位置にある第２の電極に負電圧を印加し、前記第１、第２の電極が形成する電界によって前記プラズマ中の正イオンを引き出して真空槽内に放出させると共に、電子発生源から前記真空槽内に電子を放出させ、前記正イオンの流れに前記電子を照射して中性化し、前記真空槽内に配置された照射対象物に照射する真空処理方法であって、前記プラズマの消滅した後、プラズマを再生成するときに、前記第２の電極の電位を前記真空槽の電位以上の電位にし、前記電子発生源から放出された電子を前記イオン化室内に引き込む真空処理方法である。
【００１８】
本発明は上記のように構成されており、マッチングボックスの可変インダクタンス素子のインピーダンスが電気的に制御できるように構成されている。従って、機械的な制御に比べ、マッチングボックスのインピーダンスを素早く変更できるので、プラズマ再生成に要する時間が非常に短い。
【００１９】
また、プラズマ再生成の際、電子発生源から放出された電子がイオン化室内に引き込まれるので、電子がプラズマ再生成の種となり、プラズマ再生成が容易になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一例の真空装置であり、真空槽１１を有している。真空槽１１の壁面には、プラズマ発生装置１２と、電子発生源（ニュートラライザ）１３とが設けられており、真空槽１１の外部には、交流電源１９と、直流電圧源２９とが配置されている。
【００２１】
プラズマ発生装置１２とマッチングボックス２の内部を図２に示す。
マッチングボックス２は、入力端子５１と、接地端子５４と、接地側出力端子５２と高電圧側出力端子５３とを有している。
【００２２】
マッチングボックス２の接地端子５４は接地されており、接地側出力端子５３は、マッチングボックス２の後記の内部回路によって接地端子５４に接続されている。
【００２３】
マッチングボックス２の入力端子５１は、シールド線によって交流電源１９に接続され、交流電源１９から交流電力が出力されると、内部回路によって大きさと位相が制御され、高電圧側出力端子５３から出力される。
【００２４】
この真空装置１のプラズマ発生装置１２はＲＦイオンガンであり、イオン化室４１を有している。イオン化室４１の周囲には、コイル４２が巻回されており、コイル４２の一端は、マッチングボックス２の高電圧側出力端子５３に接続され、他端は接地側出力端子５２に接続されている。接地側出力端子５２は、マッチングボックス２内の後記の第４のコンデンサ３７によって接地電位に接続されている。
【００２５】
従って、高電圧側出力端子５３から交流電圧が出力されると、コイル４２に交流電流が流れ、イオン化室４１内に交番磁界（交流磁界）が形成される。
プラズマ発生装置１２と電子発生源１３には、それぞれガス供給系２６、２７が接続されており、真空槽１１には、真空排気系１４が接続されている。
【００２６】
成膜対象の基板１７を真空槽１１内に配置し、真空排気系１４によって真空槽１１内を所定圧力まで真空排気する。又は、予め真空槽１１内を真空排気しておき、真空状態を維持しながら基板１７を真空槽１１内に搬入する。
【００２７】
次いで、イオン化室４１内にガスを導入し、イオン化室４１内部に交流磁界を形成すると、導入したガスがプラズマ化する。図２の符号４３はそのプラズマを示しており、プラズマ４３中には導入ガスの電離によって生成された正イオンが含まれている。
【００２８】
イオン化室４１の開口付近には、第１〜第３の電極４５、４６、４７が、イオン化室４１側から放出口４９に向けてこの順序で配置されている。
第１、第２の電極４５、４６は直流電圧源２９にそれぞれ接続され、所望の極性及び所望の大きさの電圧を印加できるように構成されている。ここでは第１、第２の電極４５、４６には、それぞれ、例えば＋１．５ｋＶ、−１ｋＶの電圧が印加されている。この電圧は必ずしも、この値に限定されるものではない。
【００２９】
第３の電極４７は真空槽１１に接続されており、真空槽１１と同じ接地電位（ゼロＶ）なるように構成されている。
第１〜第３の電極４５〜４６には、それぞれ多数の孔が形成されており、プラズマ４３中に含まれる正イオンが、孔を通って第１の電極４５と第２の電極４６の間に進入すると、正イオンは第１、第２の電極４５、４６が形成する電界によって第２の電極４６方向に加速され、第３の電極４７によって集束された後、放出口４９から真空槽１１内に放出される。
【００３０】
符号２０は真空槽１１内に放出された正イオンの流れ（正イオン流）を示している。この正イオン流２０はターゲット１５方向に向けて飛行する。
このとき、電子発生源１３には、ガス導入源２７から電離用のガスが導入されており、電子発生源１３内に導入された電離ガスを電離させ、生成された電子を正イオン流２０に向けて照射すると、正イオンは電子によって中和される。符号２２は、電子発生源１３から放出される電子を示している。
【００３１】
その中和によって中性粒子が生成され、ターゲット１５に照射されると、基板１７表面に薄膜成長が開始される。
イオン化室４１内のプラズマ４３が生成前と、生成された後ではコイル４２とイオン化室４１とで構成される電気的な回路のインピーダンスが変化する。そのため、プラズマ４３が形成されるとマッチングボックス２内のインピーダンスを変化させ、インピーダンスを整合させる必要がある。
【００３２】
次に、マッチングボックス２の構成とインピーダンスの整合方法について説明する。
マッチングボックス２は、第１、第２の可変インダクタンス素子３１、３５と、第１、第２、第３、第４のコンデンサ３２、３６、３４、３７を有している。
【００３３】
第１の可変インダクタンス素子３１と、第１のコンデンサ３２は直列接続されており、マッチングボックス２の入力端子５１と高電圧側出力端子５３とは、その直列接続回路によって接続されている。
【００３４】
第２の可変インダクタンス素子３５と第２のコンデンサ３６とは直列接続され、その直列接続回路に第３のコンデンサ３４が並列接続されて接地回路３３が構成されており、入力端子５１は、直列接続回路によって高電圧側出力端子５３に接続されると共に接地回路３３によって接地端子５４に接続されている。
【００３５】
従って、第１の可変インダクタンス素子３１のインダクタンスの値が変更されると、入力端子５１と高電圧側出力端子５３の間のインピーダンスが変わり、第２の可変インダクタンス素子３５のインダクタンスの値が変更されると、入力端子５１と接地端子５４の間のインピーダンスが変わる。
【００３６】
図３（ａ）は、可変インダクタンス素子６０の構成を示す回路図である。第１、第２の可変インダクタンス素子３１、３５の構成はこの可変インダクタンス素子６０の構成と同じである。
【００３７】
図３（ａ）の符号６１と符号６２は主巻線と制御巻線であり、コア６３を介して互いに磁気結合されている。制御巻線６２には、制御電源６５が接続されており、制御巻線６２に所望の大きさの直流電流を流せるように構成されている。
【００３８】
図３（ｂ）は、主巻線６１の磁界強度と磁束密度の関係を示すグラフである。
符号Ｐ、Ｑ、Ｒはグラフ上の点であり、点Ｐは補助巻線６２に流れる電流がゼロの場合、点Ｑは補助巻線６２に流れる電流が小さい場合、点Ｒは、点Ｑよりも電流が大きい場合である。
【００３９】
各点Ｐ、Ｑ、Ｒにおける主巻線６１のインダクタンスの大きさは、各点Ｐ、Ｑ、Ｒにおけるグラフの傾きに比例しているから、インダクタンスの大きさは、点Ｐ＞点Ｑ＞点Ｒである。このように、主巻線６１のインダクタンスの値は、補助巻線６２に大きな電流を流すと小さくなり、逆に流す電流を小さくすると大きくなる。
【００４０】
従って、補助巻線６２に流す直流電流の大きさを変更することで、主巻線６１のインダクタンスの大きさを制御することができる。このため、モータ等の機械的手段によらず、イオン化室４１の内部状態に応じ、マッチングボックス２のインピーダンスを電気的に変化させることができる。
【００４１】
具体的に説明すると、イオン化室４１内にプラズマ４３を生成させる際には、大きな投入電力を必要とするため、第２の可変インダクタンス素子３５のインダクタンスの値を大きくし、コイル４２に大きな電圧が印加されるようにする。
【００４２】
他方、一旦プラズマ４３が形成された後は、第２の可変インダクタンス素子３５のインダクタンスの値を小さくし、プラズマ４３を安定に維持するために電圧の大きさを最適値にする。
【００４３】
このとき、不図示の制御回路が、交流電源１９が出力する電圧と電流の位相を測定し、位相差がゼロになるように第１の可変インダクタンス素子３１のインダクタンスの値を変化させると、投入する電力がプラズマ形成に効率よく使用されるようになる。
一旦プラズマ４３が生成された後、イオン化室４１内のプラズマ４３が消滅し、薄膜成長が中断する場合がある。
【００４４】
本発明では、不図示の制御回路がコイル４２に流れる電流を測定しており、その電流の測定値からプラズマ４３が消滅したことを検出すると、第１、第２のインダクタンス素子３１、３５をプラズマ生成前のインピーダンスに戻すと共に、第１の電極４５には正電圧を維持した状態で、第２の電極４６の電圧を負電圧からゼロＶ以上且つ第１の電極４５よりも低い電圧に変更する。
【００４５】
その状態で電子発生源１３から電子が放出されると、電子は第２の電極４６に引き寄せられ、イオン生成室４２の内部に進入する。イオン生成室４２内に電子が存在すると、イオン生成室４２内は放電が生じやすい状態になるため、コイル４２に交流電圧が印加されると、容易にプラズマが再生する。
【００４６】
本発明では、プラズマ４３の消滅から再生の間のプラズマ停止時間は１００ｍＳ以下であり、膜厚精度に影響を与えない。
なお、１００層の薄膜を積層させて膜厚５０００オングストロームの積層膜を形成する場合を例にとると、１層あたり５０オングストロームの厚みになる。１００層の膜厚精度を±０．００１％以下とすれば、各層の膜厚が同じであるとして、１層当たりの許容膜厚誤差は０．５オングストローム以下となる。
【００４７】
成膜速度が毎秒０．１オングストロームであれば５０００オングストローム成膜するためには単純計算で１３．９時間要するが、５秒間停止するだけで許容膜厚誤差の０．５オングストロームに達してしまう。従って、停止時間は５秒が上限となる。
【００４８】
実際には、要求される膜厚は各層等しくはなく、多種多様のプロセス要求を満たすためには、この１０倍以上短い停止時間でないと実用的ではないと考えられる。さらに停止回数も数回以上許すとすれば、本願発明のように停止時間を１００ｍＳ以下にできないと、実用的ではない。
【００４９】
以上は、プラズマ発生装置１２がＲＦイオンガンの場合であり、真空装置全体としてはスパッタ装置であったが、本発明の真空装置はそれに限定されるものではない。例えば、図４の符号５は、エッチング装置であり、真空槽５１内にプラズマ生成源６０が配置されている。
【００５０】
このプラズマ生成源６０は、第１、第２の対向電極５３、５３によって構成されており、その第１、第２の対向電極５３、５４のうち、第１の対向電極５３は、上記のマッチングボックス２を介して交流電源１９に接続され、第２の対向電極５４は接地電位に接続されている。
【００５１】
交流電源１９から出力され、マッチングボックス２でマッチングが行われた交流電圧が第１、第２の対向電極５３、５４間に印加されると、プラズマ５８が形成され、そのプラズマ５８によって基板５５がエッチングされるように構成されている。
【００５２】
マッチングボックス２のインピーダンスの制御は、第１、第２の可変インダクタンス素子３１、３５のインダクタンスの値が電気的に変更されることで行われるのは上述した通りである。
【００５３】
【発明の効果】
従来は１度でも放電が途切れた場合には、プロセスを失敗としていたものが、プロセスを成功させることができるようになり、例えば狭帯域フィルター製造時などの数十時間に渡る成膜の失敗回数を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の真空装置の概略図
【図２】そのプラズマ発生装置とマッチングボックスの詳細図
【図３】（ａ）：可変インダクタンス素子の内部回路図　　（ｂ）：その動作原理を説明するためのグラフ
【図４】本発明の真空装置の他の例
【図５】従来技術の真空装置の例
【図６】そのマッチングボックスの内部回路図
【符号の説明】
１、５……真空装置
２……マッチングボックス
１１……真空槽
１３……電子発生源
１２、６０……プラズマ発生源
１９……交流電源
３１、３５……可変インダクタンス素子
【図１】
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【図２】
2004104493.tif 000004
【図３】
2004104493.tif 000005
【図４】
2004104493.tif 000006
【図５】
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【図６】
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