(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜空間を形成する成膜用容器と、該成膜用容器に設けられた導入口に接続されたプラズマ発生源とを有し、
前記プラズマ発生源は、プラズマ生成室と、プラズマ生成室内に配置された陰極と、前記成膜用容器の内部に配置された陽極と、前記陰極と前記成膜空間との間に順に配置された第１および第２中間電極とを含み、
前記第２中間電極には、前記陽極から前記陰極への電圧降下により前記第２中間電極の位置で生じる電位より該第２中間電極の電位を低くするための電位制御部が接続され、
前記第１中間電極および第２中間電極はそれぞれ、前記陰極から陽極へ引き出されるプラズマの軸が通過する位置に開口部を有し、前記第２中間電極の開口部の径は、前記第１中間電極の開口部の径よりも大きく、
前記第１中間電極および第２中間電極の少なくとも一方は、２以上の部材に分割され、前記開口部の内壁面は、該２以上の部材によって構成され、該２以上の部材のうちの少なくとも一つは、他の部材とは電気的に非導通の非電極部であることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
請求項１に記載の成膜装置において、前記第２中間電極の開口部の形状は、円形、平板状または矩形であり、開口部のプラズマと接する面とプラズマ軸との距離が２５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であることを特徴とする成膜装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の成膜装置において、前記導入口から前記陽極へ向かって複数の成膜手段が並べて配置されていることを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ銃を用いた成膜装置に関し、特に、プラズマ銃の内部空間で生成したプラズマ中の電子を成膜空間中に引き出して成膜に使用する成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ銃を用いた成膜装置としては、プラズマ銃から引き出した電子を蒸発源（例えばAl）に照射し蒸発させ、電子と衝突させてイオン化し、基板に衝突させることにより成膜するイオンプレーティング装置や、プラズマ銃から引き出した電子に成膜原料ガス（例えばヘキサメチルジシロキサン：HMDSO）を供給してプラズマとし、分解または重合させることにより反応物（例えばシリコン酸化物）を基板上に付着させる成膜装置が知られている。例えば特許文献１および特許文献２には、圧力勾配型のイオンプレーティング装置が開示されている。
【０００３】
プラズマ銃は、特許文献１に記載されているように、プラズマ銃の内部空間に陰極が配置され、不活性ガスが導入されるとアーク放電により内部空間にプラズマを生成する。成膜空間側には陽極（蒸着源）が配置されている。プラズマ銃の内部空間と成膜空間との間には、プラズマを安定させるために、開口を絞った円環状の中間電極が配置されている。プラズマ銃の内部空間で形成されたプラズマ中の電子は、中間電極の開口を通って成膜空間側に引き出される。引き出された電子は、陽極の蒸着源に照射される。このようなプラズマ銃は、一般に照射型と呼ばれている。一方、特許文献２のプラズマ銃は、中間電極と成膜空間との間に円環状の陽極を配置し、一旦成膜空間に引き出した電子を円環状の陽極に引き戻す、反射型と呼ばれるプラズマ銃である。
【０００４】
照射型および反射型のいずれにおいても、中間電極は、その絞られた開口がオリフィスとして機能することにより、プラズマ銃の内部空間を成膜空間よりも高い圧力に保ち、圧力勾配を形成する。この圧力勾配により、成膜空間のイオンや反応ガスがプラズマ銃の内部空間に流入するのを防止し、陰極の物理的および化学的損傷から保護することにより、安定した放電を継続させる。
【特許文献１】特開平６−１２８７３０号公報
【特許文献２】特開２００２−１７７７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
プラズマ銃から成膜空間側へ長くプラズマ（電子）を引き出すことができれば、プラズマ引き出し方向に沿って複数箇所に配置した反応ガス供給源や蒸発源でそれぞれ成膜を行うことが可能となり、複数基板や大面積基板への成膜が可能となる。一方、近年、機能性薄膜等の実現するために、成膜空間を高圧雰囲気に設定することが望まれているが、高圧雰囲気では平均自由工程が短くなり、引き出されたプラズマが減衰する。
【０００６】
本発明の目的は、プラズマ銃を備えた成膜装置であって、成膜空間を高圧雰囲気にした場合であっても、成膜空間側に長くプラズマを引き出すことができる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の成膜装置は、成膜空間を形成する成膜用容器と、該成膜用容器に設けられた導入口に接続されたプラズマ発生源とを有し、プラズマ発生源は、プラズマ生成室と、プラズマ生成室内に配置された陰極と、成膜用容器の内部に配置された陽極と、陰極と成膜空間との間に順に配置された第１および第２中間電極とを含み、第２中間電極には、陽極から陰極への電圧降下により第２中間電極の位置で生じる電位より第２中間電極の電位を低くするための電位制御部が接続されている。第１中間電極および第２中間電極はそれぞれ、陰極から陽極へ引き出されるプラズマの軸が通過する位置に開口部を有し、第２中間電極の開口部の径は、第１中間電極の開口部の径よりも大きい。第１中間電極および第２中間電極の少なくとも一方は、２以上の部材に分割され、開口部の内壁面は、２以上の部材の面により構成され、２以上の部材のうちの少なくとも一つは、他の部材とは電気的に非導通の非電極部とする。このような構成により、第２中間電極と陽極との間の電位勾配を、電圧降下による電位勾配より大きくすることができるため、プラズマ発生源から引き出された電子（プラズマ）を加速して、成膜空間に長く引き出すことができる。また、第２中間電極にオリフィスの働きを兼用させることができる。さらに、電極部の形状を任意に形成した場合であっても、非電極部と組み合わせることにより、開口部を形成して、オリフィスとして作用させることができる。
【００１０】
上記第２中間電極の開口部の形状は、円環状、平板状または矩形状等にすることができる。このとき、開口部のプラズマの接する面とプラズマ軸との距離が２５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下にすることが望ましい。
【００１１】
また、成膜容器には、導入口から陽極へ向かって複数の成膜手段を並べて配置した構成にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施の形態の成膜装置について図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態の成膜装置は、成膜空間を構成する成膜真空容器２４と、成膜真空容器２４のプラズマ導入口２４ａに接続されたプラズマ発生源（プラズマ銃）１０とを有する。プラズマ発生源１０は、内部空間がプラズマ生成室となるプラズマ真空容器２１と、その内部に配置された陰極３１と、第１および第２中間電極２２、２３と、成膜真空容器２４内に配置された陽極２６とを備えている。
【００１３】
陰極３１の構造は、アーク放電によってプラズマを生成するのに適した構造であり、公知の陰極構造を用いる。陽極２６は、成膜真空容器２４の内側であって、プラズマ導入口２４ａと向かい合う位置に配置されている。
【００１４】
第１中間電極２２および第２中間電極２３は、プラズマ真空容器２１と成膜真空容器２４との間に順に配置されている。第１および第２中間電極２２、２３は、いずれもプラズマ生成室からひきだされるプラズマ２７の軸２７ａが通過する位置に円形の開口を有する円環形状である。第２中間電極２３は、成膜真空容器２４のプラズマ導入口２４ａに近接して配置され、プラズマ導入口２４ａ付近のプラズマの電位を制御する作用と、成膜空間とプラズマ生成室との圧力差を維持するオリフィスとしての作用を兼用する。
【００１５】
第２中間電極２３の開口径は、第１中間電極２２の開口径よりも５倍以上大きい径に設定することが望ましい。開口径を大きくすることにより、プラズマ２７の電位を維持しながら、プラズマ電流が第２中間電極２３に流れ込む量を抑制することができるため、成膜空間が高圧雰囲気の場合であっても、放電の安定化を図り、かつ、負電位を持ったエネルギーの高いプラズマ２７を成膜室に導入することが可能になる。ただし、開口径が大きすぎるとプラズマ２７が不安定になる傾向があるため、第２中間電極２３の開口径を、第１中間電極２２の開口径の１０倍〜２０倍以下程度に設定することが好適である。開口径が大きすぎるとプラズマ２７が不安定になる理由は、第２中間電極２３の開口内壁とプラズマ軸２７ａとの距離が離れすぎるため、中間電極としての作用ならびにオリフィスとしての作用が弱まり、第２中間電極２３を配置していない構造と等価になるためであると思われる。本実施の形態では、実用的な数値として、第１中間電極２２の開口径を１０ｍｍとし、第２中間電極２３の開口径を５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲に設定している。すなわち、開口の内壁面とプラズマ２７の中心軸２７ａとの距離を２５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下に設定している。
【００１６】
また、プラズマ真空容器２１には、プラズマ生成室に不活性ガス３０を導入するためのガス導入口４１と、不図示の排気装置とが備えられている。なお、図１では、図示を省略しているが、プラズマ真空容器２１と成膜真空容器２４との間には、第１中間電極２２および第２中間電極２３の外側を覆うように筒状フランジが配置されており、プラズマ真空容器２１と成膜真空容器２４とを外部から気密を保った状態で連結している。
【００１７】
成膜真空容器２４には、プラズマ導入口２４ａと陽極２６とを結ぶ空間に原料ガス３３を供給する原料ガス導入管２８が設けられ、原料ガス導入管２８の開口と向き合う位置には、基板３４を支持する基板ホルダー２９が配置されている。
【００１８】
陰極３１と陽極２６は電源２５の負極と正極にそれぞれ接続されている。第１および第２中間電極２２、２３は、電源２５の正極と陽極２６とを結ぶ配線４２に、電源２５と並列に接続されている。このとき、第１および第２中間電極２２、２３と配線４２との間には、それぞれ抵抗４３、３２が配置されている。なお、図示の都合上、図１では配線４２と原料ガス導入管２８とが接しているが、原料ガス導入管２８と配線とは電気的に絶縁されている。
【００１９】
第１中間電極２２の電位は、図２のように電圧降下により陰極３１の電位よりも高くなるため、プラズマ中の電子を引き出す作用をする。一方、第２中間電極２３は、プラズマ導入口２４ａ付近に配置されているため、上述したようにプラズマ導入口２４ａ付近におけるプラズマ電位を負電位を維持する作用とオリフィスとしての作用を兼用する。
【００２０】
また、第２中間電極２３の形状としては、円環状のものに限らず、開口形状が平板状のものや、図３（ａ）のようにプラズマと接する部分が矩形状の電極３２１を用いることができる。また、図３（ｂ）に示した第２中間電極３２２のように、開口部を中心に２つの部材に分割した構成にすることもできる。この場合、１つの部材（平板状部材）３２２ａのみを抵抗３２に接続し、もう一方の部材３２２ｂを平板状部材３２２ａとは電気的に絶縁した構成にする。これにより、平板状部材３２２ａは電極として作用するが、部材３２２ｂは非電極となる。ただし、部材３２２ｂは、平板状部材３２２ａと組み合わされて開口を形成するため、電極となる部材３２２ａの形状に関わらず第２中間電極２３にオリフィス機能を発揮させることが可能となり、部材３２２ａの形状の設計の自由度が高まる。第１中間電極２２の形状を、図３（ａ）、（ｂ）のような形状にすることも可能である。
【００２１】
つぎに、本実施の形態の成膜装置の各部の動作について説明する。
プラズマ発生源１０のプラズマ真空容器２１の内部空間（プラズマ生成室）を排気装置（不図示）で排気した後、Ａｒ等の不活性ガス３０を所定の圧力まで導入する。一方、成膜真空容器２４内の成膜空間は一旦所定圧力まで排気した後、原料ガス導入管２８により原料ガス（ヘキサメチルジシロキサン：HMDSO）を所定の圧力３０Pa程度まで導入する。プラズマ生成室の圧力は、成膜空間よりも高い圧力とし、第１及び第２中間電極２２，２３をオリフィスとして作用させ、圧力勾配を形成する。これにより、成膜空間の原料ガスやイオンがプラズマ生成室に流入するのを防止する。
【００２２】
電源２５によって陰極３１と陽極２６との間に電圧を印加し、プラズマ真空容器２１内の内部空間にアーク放電を生じさせ、不活性ガス３０のプラズマを生成する。このとき、第１中間電極２２の電位は、図２のように電圧降下により陰極３１の電位よりも高いため、プラズマ中の電子は、第１中間電極２２の開口（１０ｍｍφ）を通って陽極２６の方向へ引き出される。引き出されたプラズマ（電子）２７はプラズマ導入口２４aに近接配置された第２中間電極２３の開口を通過する。第２中間電極２３の開口径を第１中間電極２２の開口径の５倍以上（ここでは９０ｍｍφ）に設定しているため、第２中間電極２３は、プラズマ導入口２４ａ付近におけるプラズマを負電位に維持するとともに、プラズマ電流が第２中間電極２３に流れ込む量を制限することができる。これにより、負電位を持ったエネルギーの高いプラズマ２７が安定した放電状態で成膜室に引き出される。
【００２３】
引き出されたプラズマ２７には、成膜空間の位置３６において原料ガス供給管２８より原料ガス（HMDSO）３３が供給され、HMDSOを分解・重合した反応生成物Si系材料の膜を基板３４上に成膜することができる。成膜空間は３０Paに設定された高圧雰囲気であるため、基板上に形成されるSi系材料膜は、優れた特長、例えば超撥水性を示す。なお、第２中間電極２３がオリフィスとして作用するため、成膜空間を高圧雰囲気にした場合でもプラズマ発生源１０の放電状態を安定させることができる。
【００２４】
このように、第２中間電極２３の電位を、電圧降下によるその位置の電位よりも負電位とすることにより、引き出された電子を急な電位勾配により加速することができる。これにより、成膜空間の圧力が３０Pa程度の高圧雰囲気であっても、プラズマ導入口２４ａから陽極２６側に例えば６０ｃｍ以上の位置３７まで到達させることができ、プラズマ導入口２４ａから６０ｃｍの位置３６でも成膜が可能である。
【００２５】
一方、比較例として、図４のように、第２中間電極１２３の配置をプラズマ導入口２４ａから離し、開口径を従来のままにした場合（第１中間電極２２の開口を１０ｍｍφ、第２中間電極１２３の開口を１５〜２０ｍｍφ）、プラズマ２７の電位は、図２に示したようにプラズマ導入口２４ａ付近ですでに０電位となっており、プラズマを成膜空間に長く引き出すことはできなかった。また、高圧雰囲気では放電電圧が著しく高くなってしまい、放電も不安定で持続することができなかった。
【００２６】
このように、本実施の形態では、成膜空間を３０Pa程度の高圧雰囲気にした場合であっても、成膜空間に長くプラズマ２７を引き出すことができるため、引き出し方向に沿って、例えば位置３５から位置３６までの長い区間を成膜に用いることが可能である。これにより、位置３５から位置３６までの径を有する大きな基板３４を配置し、プラズマ２７全体に原料ガスを供給することにより、大面積の成膜を行うことができる。
【００２７】
また、図５に示したように、プラズマ２７の引き出し方向に沿って複数の基板３４を並べ、それぞれの位置へ配置した原料ガス導入管２８により原料ガスを供給する構成にすることにより、複数基板３４に同時に成膜処理を行うことができる。これにより、高圧雰囲気での成膜を量産することが可能になる。
【００２８】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、原料ガスを分解・重合した反応生成物を成膜する装置について説明したが、本発明の成膜装置における成膜方法についてはこれに限られるものではなく、引き出したプラズマ２７を利用して成膜するものであれば種々の成膜方法を用いることができる。例えば、図６に示したようにイオンプレーティング装置を構成することが可能である。
【００２９】
このイオンプレーティング装置は、プラズマ２７の引き出し方向に沿って複数箇所に、内部に蒸発源３０４が充填された蒸発源容器３０３が配置されている。蒸発源３０４および蒸発源容器３０３は導電性であり、電源２５の正極と陽極２６とを結ぶ配線４２に電気的に接続されている。これにより、補助陽極としても作用している。蒸発源容器３０４の近傍には、反応ガス導入管３０１がそれぞれ配置されている。（なお、図６において導入管３０１と配線４２は電気的に絶縁されている。）また、図示していないが基板３４および基板ホルダー２９は、陽極２６より低い電位が印加されている。蒸発源容器３０３の近傍には、プラズマ（電子）２７の一部を９０度偏向させて蒸発源３０４に向かわせるための磁場発生源を配置することも可能である。他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
【００３０】
プラズマ発生源１０から陽極２６に向かって引き出されたプラズマ２７の一部は、補助陽極である蒸発源３０４および蒸発源容器３０３に向かって偏向し、蒸発源３０４に照射される。これにより、蒸発源３０４は蒸発し、反応ガス供給管３０１から供給される反応ガス３０２とともにプラズマ２７と衝突することにより両者がイオン化し、低い電位に保たれた基板３４表面に引き寄せられ、衝突・反応して堆積され、膜を形成する。
【００３１】
これにより、プラズマ２７の引き出し方向にそって複数箇所で、イオンプレーティング法による成膜を行うことができ、量産性に優れたイオンプレーティング装置を提供することができる。
【００３２】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の成膜装置として、図７に示したスパッタリング装置を説明する。この装置は、プラズマ２７の引き出し方向に沿って複数箇所に、スパッタターゲット４０３を保持するターゲット保持部４０４が配置されている。スパッタターゲット４０３およびターゲット保持部４０４は導電性材料によって構成され、電源２５の正極と接地された陽極２６とを結ぶ配線４２に電気的に接続され、負の電位が付与されている。スパッタターゲット４０３の近傍には不活性ガス４０２もしくは、不活性ガスと反応ガスとの混合ガスを導入するガス導入管４０１がそれぞれ配置されている。他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。（なお、図６において導入管３０１と配線４２は電気的に絶縁されている。）
【００３３】
プラズマ発生源１０から陽極２６に向かって引き出されたプラズマ２７に対して、ガス導入管４０１から不活性ガス４０２、もしくは、不活性ガスおよび反応ガスの混合ガスが供給されることにより、これらのガスは電離しプラズマを形成する。不活性ガスイオンは、負の電位のスパッタターゲット４０３に衝突し、飛び出したターゲット材料は、基板３４に到達し堆積する。このとき供給ガスに反応ガスが含まれている場合には、飛び出したターゲット材料と反応ガスイオンとが反応し、基板３４に堆積する。これにより、プラズマ２７の引き出し方向に沿って複数箇所で、ターゲット材料もしくは、ターゲット材料と反応ガスとの反応生成物を成膜することができ、量産に適したスパッタ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１の実施の形態の成膜装置の構成を示すブロック図。
【図２】本実施の形態の成膜装置および比較例の成膜装置の各電極およびプラズマの電位分布を示すグラフ。
【図３】（ａ）開口が矩形の第２中間電極３２１の例を示す斜視図、（ｂ）２分割された第２中間電極３２２の例を示す斜視図。
【図４】比較例の成膜装置の構成を示すブロック図。
【図５】第１の実施の形態において、プラズマ２７の引き出し方向に沿って複数の基板２４および原料ガス供給管２８を配置した構成を示すブロック図。
【図６】第２の実施の形態の、プラズマ２７の引き出し方向に沿って複数の基板３４および蒸発源３０４を配置したイオンプレーティング装置の構成を示すブロック図。
【図７】第３の実施の形態の、プラズマ２７の引き出し方向に沿って複数の基板３４およびスパッタターゲット４０３を配置したスパッタ装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００３５】
１０・・・プラズマ発生源、２１・・・プラズマ真空容器、２２・・・第１中間電極、２３・・・第２中間電極、２４・・・成膜真空容器、２５・・・電源、２６・・・陽極、２７・・・電子（プラズマ）、２８・・・原料ガス導入管、２９・・・基板ホルダー、３０・・・不活性ガス導入口、３１・・・陰極、３２・・・抵抗、３３・・・原料ガス、３４・・・基板、４２・・・配線、４３・・・抵抗、３０１・・・反応ガス導入管、３０２・・・反応ガス、３０３・・・蒸発源容器、３０４・・・蒸発源、４０１・・・ガス導入管、４０２・・・不活性ガス、４０３・・・スパッタターゲット、４０４・・・ターゲット保持部。
【図２】
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【図１】
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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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【図７】
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