(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリアガスを含む雰囲気中で蒸発材料をアーク加熱によって蒸発させる超微粒子生成室で生成された超微粒子を前記キャリアガスとともに搬送管を通して膜形成室に導き、ノズルを通じて前記膜形成室内のステージ上に設置された基板上に膜を形成する、ガスデポジション法を用いた成膜方法であって、
前記蒸発材料および前記キャリアガスに固有の発光スペクトルをモニタしながら、前記蒸発材料に固有の発光スペクトル強度と比較して前記キャリアガスの固有の発光スペクトル強度が無視し得る程度に小さくなるように、アーク電圧を制御することで、前記基板上に形成される膜の膜厚を制御することを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記アーク電圧を制御することに加えて、前記蒸発材料に固有の発光スペクトル強度が、成膜中一定になるように、前記蒸発材料とアーク電極との間隔あるいは直流アーク電源の電流値、またはこれらの両方を制御することを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
前記キャリアガスがヘリウムであり、前記蒸発材料が銀であり、前記アーク電極がタングステンであることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にはガスデポジション法を用いて膜を形成する方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ここでまず、ガスデポジション法を簡単に説明する。図３は、ガスデポジション法を用いた成膜装着の概略構成を示しいる。図において、このガスデポジション法では、超微粒子（粒子）生成室１、膜形成室２、搬送管３等で構成され装置を用いる。超微粒子生成室１において不活性ガス雰囲気中でアーク（アーク電極５）、抵抗加熱、高周波誘導加熱、レーザー等で材料８を加熱する。
【０００３】
そして、溶融、蒸発（気化）し不活性ガスと衝突して生成された金属超微粒子を、超微粒子生成室１と膜形成室２の圧力差により搬送管（搬送系）３を通じて膜形成室２に導く。そして、搬送管３の端部に接続されたノズル４から高速噴射させることにより、直接パターンをステージ９上の基板１０に描画する。なお、図３において、６はポンプ、７はヘリウムガスである。
【０００４】
この種の乾式成膜方法はたとえば、特許第２５２４６２２号、特許第１５９５３９８号、特許第２６３２４０９号あるいは特許第２５９６４３４号などで知られている。
【０００５】
また、超微粒子（粒子）の定義は、光学顕微鏡で見えないような微粒子、つまり１μｍ以下の粒径の粒子とされている（真空ハンドブック、ｐ２８９（日本真空（株））。このようなガスデポジション法において、膜厚制御の方法は、材料の蒸発量、つまり超微粒子（粒子）生成量を安定させ、基板を保持したステージの移動速度を調整する方法が一般的である。この材料蒸発量（生成量）を一定に保つために、高周波誘導加熱方式の場合、るつぼ温度を超微粒子生成室の窓からパイロメータ等でモニタし、これが常に一定になるように電源パワーを制御することが一般に行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特にアーク加熱で材料加熱を行う場合に、パイロメータ等による材料温度のモニタは、材料の場所により極めて敏感で、かつ溶融部は対流を起こしている。このような状態でアーク投入パワーに制御をかけることは、極めて困難である。
【０００７】
また、アーク加熱の場合理論上、電流値、電圧値あるいは材料−アーク電極間距離を一定に保持できれば、一定の蒸発量が得られる。しかし、実際にはアーク電極の溶解等により電極先端部が変形するため、これらを一定に保ち続けることは実質的に不可能である。この点特に、特開平１２−１７４２７号公報に開示されるように、アーク電圧を一定に保つ制御を行い、安定した超微粒子の形成を意図するものがある。しかしながら、前述したようにアーク放電を行うと時間とともにアーク電極の溶解等により、電極と材料の間隔が開き、電圧が上昇してしまう。
【０００８】
そこで、この開いた間隔を縮め、電圧を一定に保とうとしても、電極表面がより丸く変形しているため、当初の間隔と電圧までは戻らない。強引に当初の電圧まで戻そうとしてその間隔を縮めると、両者は接触し放電は終了してしまう。また、電圧を一定に保つように電流を上昇させると、蒸発量は当初よりも多いくなってしまう。このようにアーク加熱では蒸発量を一定にし、あるいは制御することは困難である。
【０００９】
本発明はかかる実情に鑑み、有効かつ適正な膜厚制御を実現する成膜方法、成膜装置および超微粒子膜の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の成膜方法は、キャリアガスを含む雰囲気中で蒸発材料をアーク加熱によって蒸発させる超微粒子生成室で生成された超微粒子を前記キャリアガスとともに搬送管を通して膜形成室に導き、ノズルを通じて前記膜形成室内のステージ上に設置された基板上に膜を形成する、ガスデポジション法を用いた成膜方法であって、前記蒸発材料および前記キャリアガスに固有の発光スペクトルをモニタしながら、前記蒸発材料に固有の発光スペクトル強度と比較して前記キャリアガスの固有の発光スペクトル強度が無視し得る程度に小さくなるように、アーク電圧を制御することで、前記基板上に形成される膜の膜厚を制御することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の成膜方法において、前記アーク電圧を制御することに加えて、前記蒸発材料に固有の発光スペクトル強度が、成膜中一定になるように、前記蒸発材料とアーク電極との間隔あるいは直流アーク電源の電流値、またはこれらの両方を制御することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の成膜方法において、前記キャリアガスがヘリウムであり、前記蒸発材料が銀であり、前記アーク電極がタングステンであることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、アーク加熱時の蒸発材料固有の発光スペクトル強度を用いて、または蒸発材料固有の発光スペクトル強度とキャリアガス固有の発光スペクトル強度を組み合わせて用いて、目的とする材料の蒸発量、生成される膜の膜厚を制御するものである。
また、着目している材料固有の発光スペクトル強度がつねに一定になるように材料−アーク電極間隔、または電流値、またはこれらの両方を調整することで安定した蒸発、膜形成が可能となる。
また、発光強度の相対的な値を調整することで、基板移動速度を一定に保ったまま膜厚を調整することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、本発明による成膜方法、成膜装置および超微粒子膜の製造方法の好適な実施の形態を説明する。
【００１７】
図１に示すようにガスデポジション装置の超微粒子（粒子）生成室チャンバ１の石英窓からなるビューイングポート１１の大気側に、チャンバ１内で発生するアーク光を分光器１４（本実施形態では「瞬間マルチ分光器」（大塚電子（株）製）を用いた）で捕らえるための石英製のファイバ１２が設置される。なお、本発明において用いられる膜形成室は基本的に、図３に示した膜形成室と同様であるのため図示を省略する。
【００１８】
蒸発材料（粒子原材料）８として銀（Ａｇ）、キャリアガスにヘリウム（Ｈｅ）、アーク電極５にタングステン（Ｗ）を用いアーク放電を発生させる。
【００１９】
また、その他の成膜条件は以下に示す通りである。
超微粒子生成室圧力：５００Ｔｏｒｒ
膜形成室圧力：１Ｔｏｒｒ
初期アークパワー：１００Ａ，１５Ｖ
放電終了までのアークパワー：１００Ａ〜１２０Ａ，１５〜１７Ｖ
マルチ分光器条件
ｓａｍｐｌｉｎｇ  ｔｉｍｅ：１０ｍｓｅｃ
ａｃｃｕｍ．ｔｉｍｅ：１０回
Ａｇスペクトルモニタ波長：５４６．５ｎｍ
維持した発光スペクトル強度：０．３
使用ノズル吐出口径：φ１ｍｍ
使用基板：ガラス
【００２０】
以上の成膜条件で、Ａｇ（原材料）を蒸発させ、Ａｇの超微粒子（粒子）を形成する。そして、Ｈｅガスとともに膜形成室に運び、ステージ上に置かれたガラス基板に５００ｍｍのラインを成膜（描画）した。
【００２１】
このＡｇのアーク加熱による蒸発において、５４６．５ｎｍにおけるＡｇ発光強度をつねに０．３に保てるように、分光器１４の信号をパソコン１５に取り込み、これによって直流アーク電源１６の電流値を制御した。
なお、上記成膜条件のうちで電圧値に幅があるのは、放電中に電極や材料が融けて両者間の間隔が増加し、電圧が徐々に増加するためと、発光強度を維持するために電流値を上げると必然的に電圧が下がるためである。
【００２２】
ライン描画後、膜厚の安定度や均一度を評価するため、定速度で移動する基板に描画したラインの膜厚を接触式膜厚計で測定した。その結果を表１に示す。この表１は、Ａｇの発光波長の強度が一定になるように電流値に制御をかけたときの膜厚の時間的変化を示している。
【００２３】
【表１】
0004545902.tif 000002
【００２４】
以上のように蒸発対象物固有の発光強度を一定に保つことで、膜厚が±１０％程度の均一な膜を形成できた。
【００２５】
『比較例１』
上記実施形態と同条件で、発光強度から電源への制御をかけないで成膜を行った。放電開始電圧および電流は、上記実施形態と同じである。放電開始後、徐々に電極や材料が融け、両者間の間隔が増加する。そして、電圧が徐々に増加していき、放電終了直前では２１Ｖであった。電流値は１００Ａで固定である。比較例１において成膜した膜の厚さを、上記実施形態と同様に測定し、その結果を表２に示す。表２は、発光強度による制御をかけないときの膜厚の時間変化を示している。
【００２６】
【表２】
0004545902.tif 000003
【００２７】
表２から分かるように発光強度を一定に保たない成膜では、電流位置を一定にキープしても膜厚は一定に保つことができない。
【００２８】
つぎに、第２の実施形態を説明する。
この実施形態では第１の実施形態と同様の装置で、蒸発材料にＡｇ、キャリアガスにＨｅを使用して成膜を行った。
【００２９】
Ｈｅ固有の５８７．６ｎｍにおける発光スペクトル強度は電流値にもよるが、電圧が１５〜１７Ｖ程度では、Ａｇ発光スペクトルと比較し無視し得る程度に小さくなる。しかし、これ以上では電圧値の増加に伴い増加する。これは、アーク加熱に投入されたエネルギーがＨｅ励起に使われてしまい、効率的に材料が加熱されないことが原因と考えられる。そこで、Ｈｅ固有のピークをモニタし、Ｈｅピークが現れない電圧範囲内においてＡｇの蒸発量と発光強度の関係を確認した。
【００３０】
成膜時のチャンバ圧力条件および分光器の測定条件は、第１の実施形態の場合と同様である。モニタ波長は、Ａｇの発光スペクトル波長５４６．５ｎｍにＨｅの発光波長である５８７．６ｎｍを加えたものである。膜厚の評価は第１の実施形態と同様に、膜形成室上のガラス基板に条件を変えてそれぞれ描画し、後に膜厚の評価を行った。ステージの移動速度は第１の実施形態と同様である。電圧制御は、材料と電極の間隔を変えることで制御した。
【００３１】
表３に成膜条件と膜厚評価の結果を示す。なお、電流値は１００Ａに固定して行なった。表３は、電流が１００ＡのときのＨｅ，Ａｇの発光強度とＡｇ膜の膜厚との関係を示している。
【００３２】
【表３】
0004545902.tif 000004
【００３３】
表４に成膜条件と膜厚評価の結果を示す。なお、電流値は６０Ａに固定して行なった。表４は、電流が６０ＡのときのＨｅ，Ａｇの発光強度とＡｇ膜の膜厚との関係を示している。
【００３４】
【表４】
0004545902.tif 000005
【００３５】
これらの結果から分かるように、Ｈｅの発光強度ピークをモニタし、これが材料発光波長のピークと比較して無視し得る程度の範囲において、材料発光スペクトル波長の強度を制御することで膜厚制御が可能となる。
【００３６】
つぎに、第３の実施形態を説明する。
この実施形態では電流を固定し、蒸発材料の発光スペクトル強度が一定になるように電極−材料間距離にクローズド制御をかけ、膜厚制御を行った（図２）。電極−材料間距離の調整は、電極の移動または材料の移動のどちらで行っても良いが、本実施形態では材料を入れたハースの昇降で行っている。
【００３７】
蒸発材料はＡｇ、キャリアガスはＨｅ、モニタ波長はそれぞれ５４６．５ｎｍと５８７．６ｎｍである。その他条件は、第１および第２の実施形態と同様である。
【００３８】
第２の実施形態の結果を踏まえ、電流値を１００Ａに固定とし、Ｈｅの発光強度がＡｇの発光強度に比べ十分無視し得る小さい範囲において、Ａｇの発光強度を０．０５から０．５まで変えて成膜を行った。膜厚評価は、第２の実施形態と同様に、それぞれの条件で定速度で基板を移動させ、成膜した膜の膜厚を評価した。
【００３９】
第３の実施形態における評価結果を表５に示す。表５は、ハース昇降機構に発光強度による制御をかけたときの発光強度と膜厚との関係を示している。
【００４０】
【表５】
0004545902.tif 000006
【００４１】
以上のようにＨｅの発光強度がＡｇの発光強度に比べ十分無視し得る小さい範囲において、蒸発材料の発光スペクトル強度が一定となるように電極−材料間距離にクローズド制御をかけて蒸発させることで、任意に膜厚を制御することが可能となった。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、アーク加熱時の蒸発材料固有の発光スペクトル強度を用いて、または蒸発材料固有の発光スペクトル強度とキャリアガス固有の発光スペクトル強度を組み合わせて用いることで、目的とする材料の蒸発量、生成される膜の膜厚を制御することができる。また、発光スペクトル強度を用いて電流や材料−アーク電極間の距離に制御をかけることで、より容易に任意に膜厚を制御させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における瞬間マルチ分光器の信号を直流アーク電源にクローズ制御をかけた超微粒子生成室を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態における瞬間マルチ分光器の信号をハース昇降機構にクローズ制御をかけた超微粒子生成室を模式的に示す図である。
【図３】ガスデポジション法を用いた成膜装置の模式図である。
【符号の説明】
１    超微粒子生成室
２    膜形成室
３    搬送管
４    ノズル
５    アーク電極
６    ポンプ
７    ヘリウムガス
８    蒸発材料
９    ステージ
１０    基板
１１    石英窓材
１２    受光部
１３    石英ファイバ
１４    瞬間マルチ分光器
１５    制御用パソコン
１６    直流アーク加熱電源
１７    ハース昇降モータ
【図１】
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【図２】
0004545902.tif 000008
【図３】
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