(57)【要約】【課題】ランニングコストおよびメンテナンス工数の増加を抑制し、高速成膜できる成膜装置を提供することを課題とする。【解決手段】放電陰極２１および電極２２を具備してプラズマを発生するホロカソードガン２と、ホロカソードガン２に隣接して外周に配置された磁石５によりプラズマをシート状に変形するプラズマ変形室４と、プラズマ変形室４に隣接してシート状に変形したプラズマにより成膜を行う成膜室６と、を有して、電極２２と磁石５との間に反応性ガス導入部３を設ける成膜装置１とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電陰極および電極を具備してプラズマを発生させるホロカソードガンと、前記ホロカソードガンに隣接して外周に配置された磁石により前記プラズマをシート状に変形させるプラズマ変形室と、前記プラズマ変形室に隣接して前記シート状に変形したプラズマにより成膜を行う成膜室と、を有する成膜装置であって、前記電極と前記磁石との間に反応性ガス導入部が設けられた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、シート状のプラズマを利用してワーク上に成膜を行う成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シート状のプラズマ（いわゆるシートプラズマ）を利用した成膜装置は、一般的にホロカソードガン（ＨＣＤガン）から発生する円柱状のプラズマを磁石等によってシート状へ変形した状態を利用して、成膜原料となるターゲットにより成膜を行う装置である。このような成膜装置はシート状のプラズマを利用することから、大面積のワーク（基板）に対しても均一な成膜を行うことができる点に特徴がある。このような成膜装置を利用して窒化膜や酸化膜等を成膜する際には、膜成分となる元素、例えば酸素や窒素などを含むガス（反応性ガスまたは反応ガス）を外部から成膜装置内へ導入する場合が多い。この反応性ガスの成膜装置内への流入量等を制御することで膜中の成分が変化するため、用途に応じた種々の膜特性を得ることができる。成膜装置内への反応性ガスの導入に関しては、従来から様々な形態が存在していた。
【０００３】
例えば、特許文献１には反応性ガスを成膜室内へ直接導入し、または不活性ガスの導入部を経由して成膜室内へ導入できる成膜装置が開示されている。具体的には、反応性ガスを成膜室内へ直接導入する場合には、成膜室の外部にある反応性ガスの導入管を介して反応性ガスを成膜室内へ充満させる。また、反応性ガスを不活性ガスと共に成膜室内へ導入する場合には、ＨＣＤガンの後部に設けられているアルゴンなどの不活性ガス導入部を経由して、反応性ガスを不活性ガスと混合して導入している。
【０００４】
また、特許文献２および３には円柱状のプラズマをシート状へ変形するプラズマ変形室と成膜室との間から反応性ガスを導入する成膜装置が開示されている。具体的には、ワークに対して成膜を行う成膜室と上述したプラズマ変形室との間に、陽極と反応性ガス導入部が設けられた空間（室）が存在し、その室内へ反応性ガス導入部を介して反応性ガスを導入している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７７６３８号公報
【特許文献２】特許第３１０６３２７号公報
【特許文献３】特開平７−３１０１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１ないし３に開示された成膜装置では、成膜室内や成膜室とプラズマ変形室との間に反応性ガスを導入すると、成膜室内や成膜室とプラズマ変形室との間ではプラズマがすでにシート状に変形しているので、シート状のプラズマ中に反応性ガスを導入することになる。また、シート状のプラズマはＨＣＤガンから発生した状態である円柱状のプラズマの場合に比べて電流密度が低下しているので、シート状のプラズマ中に反応性ガスを入れて成膜する場合には反応性ガスのイオン化効率が低下し、成膜速度が低下するという問題があった。
【０００７】
また、シート状のプラズマ中における反応性ガスと蒸発した原料との反応性が低下するので意図する目標成分とするためには、反応性ガスの流量を増やす必要があり、コスト増につながるという問題もあった。さらに、反応性ガスをＨＣＤガンの後方に設けられた不活性ガス導入部から導入すると、ＨＣＤガンによるプラズマの放電時（着火時）にＨＣＤガンの放電電圧が上昇する。その結果、ＨＣＤガンの寿命が低下して、ランニングコストがかさみ、メンテナンスの周期も短くなるという問題もあった。
【０００８】
そこで、本発明においては、ランニングコストおよびメンテナンス工数の増加を抑制し、高速成膜が可能である成膜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】
【０００９】
前述した課題を解決するため、本発明においては、放電陰極および電極を具備してプラズマを発生するホロカソードガンと、ホロカソードガンに隣接して外周に配置した磁石によりプラズマをシート状に変形するプラズマ変形室と、プラズマ変形室に隣接してシート状のプラズマにより成膜を行う成膜室と、を有する成膜装置であって、電極と磁石との間に反応性ガス導入部を設ける成膜装置とした。本発明により反応性ガスを円柱状のプラズマ内へ導入できる。以下、本発明に係る成膜装置の主要な構成について詳述する。
【００１０】
本発明に係る成膜装置を構成するホロカソードガンは、圧力勾配型プラズマガンとも呼ばれるものであり、主にプラズマを発生させる役割を果たす放電陰極（ホロカソード）と、放電陰極で発生する円柱状のプラズマの径（大きさ）を絞る（収束する）ことでプラズマのエネルギー密度を高める役割を果たす電極とから構成されている。放電陰極の後部には成膜室内へ充填するアルゴンなどの不活性ガスを外部から導入する不活性ガス導入部（不活性ガス導入管）を設けることができる。この不活性ガス導入部を経由して成膜室内に不活性ガスが充填されると、放電陰極の働きにより不活性ガスに圧力の勾配（圧力勾配）が形成される。この圧力勾配の働きによりプラズマ源から発生するプラズマを長時間にわたり安定させることができる。
【００１１】
本発明に係る成膜装置を構成するプラズマ変形室は、外部に設置された磁石（永久磁石または電磁石）によりプラズマの形状が円柱状からシート状へ変形する部位である。例えば、外部に設置する磁石を上下方向に設置した場合にはプラズマは水平方向に広がる形で扁平されたシート状になり、左右方向（奥行方向）に設置した場合にはプラズマは垂直方向に広がる形で扁平されたシート状になる。磁石の設置位置については、プラズマ変形室の外周に配置される第１のコイルと、後述する成膜室の外周（プラズマ変形室側）に配置される第２のコイルとの間であることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る成膜装置を構成する成膜室は、シート状に変形したプラズマを利用してターゲット（成膜原料）を用いることでワーク（基板）上に成膜を行う部位である。例えば、水平方向に扁平したシート状のプラズマの場合には、シート状のプラズマの上下方向にターゲットとワークとを各々対向するように設置することで成膜を行う。
【００１３】
本発明に係る成膜装置を構成する反応性ガス導入部は、成膜装置の外部から反応性ガスを成膜装置の内部へ導入する部位である。ここで反応性ガスとは、膜成分の一部を構成するガスをいい、反応ガスとも呼ばれるものである。反応性ガスの種類としては、窒素、アンニモニア、酸化窒素、酸素、オゾン、水素、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、シラン系ガス、ハロゲン化物ガスなどのガスが使用できる。また、反応性ガス導入部は本発明に係る成膜装置を構成するホロカソードガンの電極とプラズマ変形室の外周に設けた磁石との間に設置する。さらに、反応性ガス導入部を設ける形態としては、例えば電極とプラズマ変形室との間に別個独立して設けたり、プラズマ変形室の一部に反応性ガスを外部から導入できる配管を接続することで設けることができる。
【００１４】
また、ホロカソードガンを構成する電極が第１の電極と第２の電極という２個の電極から構成される場合には、反応性ガス導入部を第１の電極と第２の電極との間に設けることもできる。その理由は、電極が２個設けられている場合にプラズマの有する電圧はホロカソードガン側に設置された第１の電極を通過した直後に降下するため、第１の電極と第２の電極との間に設けることでより効率的に反応性ガスを円柱状のプラズマ内部へ送り込むことができるためである。すなわち、反応性ガスの導入位置は、放電陰極から発生する円柱状のプラズマ内であり、かつ円柱状のプラズマが電極内を通過することでプラズマの有する電圧が降下する部位であることが好ましい。なお、反応性ガスは上述した箇所に複数個設けることもできる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る成膜装置は、放電陰極および電極を具備してプラズマを発生するホロカソードガンと、ホロカソードガンに隣接して外周に配置された磁石によりプラズマをシート状に変形するプラズマ変形室と、プラズマ変形室に隣接してシート状のプラズマにより成膜を行う成膜室と、を有する成膜装置であって、電極と磁石との間に反応性ガス導入部を設ける成膜装置とすることで反応性ガスを円柱状のプラズマ内へ導入できるため、反応性ガスの成分を含む成膜を高速に行うことができる。また、反応性ガスを効率的にプラズマ内へ導入できるので、反応性ガスの流量を増やすことなく、結果として成膜時のランニングコストやメンテナンスに要する工数の増加を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る成膜装置１の全体図（横断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の成膜装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明に係る成膜装置１の全体図（横断面図）である。図１に示すように、本発明に係る成膜装置１には、図面左側方向に放電陰極２１および電極２２を具備するホロカソードガン２が設けられている。また、ホロカソードガン２の図面右側には隣接して外周に配置した磁石５によりプラズマをシート状に変形するプラズマ変形室４が設けられて、ホロカソードガン２の電極２２とプラズマ変形室４との間には反応性ガス導入部３が設けられている。さらに、プラズマ変形室４の図面右側には隣接してシート状に変形したプラズマにより成膜を行う成膜室６、成膜室６に隣接して成膜室６とアノード８とを絶縁する絶縁管７が設けられている。
【００１８】
プラズマ変形室４は、ホロカソードガン２と成膜室６との間に設けられており、外部には２個のコイル（第１のコイル４１と第２のコイル４２）とこれらのコイル４１および４２の間に磁石５を具備している。この磁石５はホロカソードガン２により発生した円柱状のプラズマをシート状に変形する役割を果たす。第２のコイル４２は２個一組で構成されており、１個目の第２のコイル４２はプラズマ変形室４の外周に、２個目の第２のコイル４２は絶縁管７の外周に各々設置されている。
【００１９】
反応性ガス導入部３は、ホロカソードガン２の電極２２とプラズマ変形室４の外部に設けられた磁石５との間に設置される。この反応性ガス導入部３より膜組成の一部となる反応性ガス（反応ガス）が成膜装置１内へ導入される。
【００２０】
成膜室６は、プラズマ変形室４に隣接してシート状に変形したプラズマを利用した成膜を行う部位である。水平方向に扁平したシート状のプラズマの場合には、シート状のプラズマの上下方向にターゲットとワークとを各々対向するように設置することで成膜を行う。具体的には、上方にターゲット９を設置し、ターゲット９に対向するように下方にワーク１０を設置した状態で、ターゲット９とワーク１０との間をシート状のプラズマを通す（通過させる）ことで成膜を行う。
【００２１】
なお、反応性ガス導入部３の設置位置はホロカソードガン２の電極２２とプラズマ変形室４の外部に設けられた磁石５との間であれば、プラズマ変形室４の一部に取り込んで一体化することもできる。
【実施例】
【００２２】
本発明および本発明外に係る成膜装置（比較装置）における反応性ガスの導入位置の違いにより成膜された膜（皮膜）特性を確認するために成膜試験を行ったので、その結果を表１および表２を用いて説明する。本実施例で用いた成膜装置は、図１に示す成膜装置１のように反応性ガス導入部３をホロカソードガン２の電極２２とプラズマ変形室４の外周にある磁石５との間に設置した。また、本発明外の比較装置は反応性ガスを成膜室内へ直接導入するものであり、その他の構成は本発明に係る成膜装置と同様として。成膜試験は、成膜原料たるターゲットとしてチタン（Ｔｉ）ターゲットを、反応性ガスとして窒素（Ｎ２）ガスを、それぞれ用いて窒化チタン（ＴｉＮ）の皮膜を成膜した。また、ホロカソードガン２の放電陰極２１の後部より不活性ガスとしてアルゴンガスを導入した。
【００２３】
本発明および本発明外に係る成膜装置を用いた成膜試験の共通条件として、反応性ガスとしてＮ２（窒素）ガスを１分間当たり５ｃｃ、２０ｃｃおよび６０ｃｃの３水準として成膜装置内へ導入して行った。また、成膜室の圧力を０．１Ｐａ〜１Ｐａに減圧して、チタンターゲットに対して−５Ｖ〜−１５００Ｖの範囲で負の電圧を印加した条件で成膜試験を行った。なお、成膜時間は３０分間とした。
【００２４】
表１は本発明に係る成膜装置および比較装置にて窒素ガスの導入量を毎分５ｃｃ、２０ｃｃおよび６０ｃｃの各条件で成膜した時の皮膜中の窒素含有量（ａｔｍ％）を示す。
【００２５】
【表１】
2013213258.tif 000003
【００２６】
表１に示すように、本発明に係る成膜装置では１分間当たりの窒素ガスの導入量が５ｃｃ、２０ｃｃおよび６０ｃｃの各場合において皮膜中における窒素含有量がそれぞれ６１．４ａｔｍ％、６７．５ａｔｍ％、および６９．３ａｔｍ％であった。これに対して、比較装置では１分間当たりの窒素ガス導入量が５ｃｃ、２０ｃｃおよび６０ｃｃの各場合には皮膜中における窒素含有量は、それぞれ５５．０ａｔｍ％、６１．６ａｔｍ％、および６５．６ａｔｍ％であった。
【００２７】
以上の結果より、本発明に係る成膜装置のように、ホロカソードガンの構成部品である電極とプラズマ変形室の外周に設置した磁石との間に反応ガス導入部を設けることで比較装置のような反応ガスを成膜室内へ直接導入した場合に比べて、成膜された皮膜中に占める反応性ガスの成分が高くなった。したがって本発明に係る成膜装置は反応性ガスの流量に関わらず皮膜中に反応性ガス成分を効率的に含有させることができた。
【００２８】
表２は、前述の成膜試験において窒素ガスの導入量を毎分２０ｃｃに固定して成膜した時の成膜速度（単位：μｍ／ｍｉｎ）および膜硬さ（単位：Ｈｖビッカース硬さ）を示す。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
表２に示すように本発明に係る成膜装置の場合は成膜速度が０．１μｍ／ｍｉｎであるのに対して、比較装置の場合は０．０７μｍ／ｍｉｎであった。また、膜硬さ（５点測定の平均値）については本発明に係る成膜装置の場合は２５９０Ｈｖであり、比較装置の場合には２５２０Ｈｖであった。以上の結果より、本発明に係る成膜装置は成膜した膜硬さ（膜の表面硬さ）を変えることなく、効率的に高速成膜できるという効果を奏することとなった。
【符号の説明】
【００３１】
１      成膜装置
２      ホロカソードガン
３      反応性ガス導入部
４      プラズマ変形室
５      磁石
６      成膜室
２１    放電陰極
２２    電極
【図１】
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