JP4146555B2

JP4146555B2 - 成膜方法

Info

Publication number: JP4146555B2
Application number: JP32332998A
Authority: JP
Inventors: 勝田中
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2018-11-13
Also published as: JP2000144414A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中にて、プラズマ源が発生するプラズマビームをハースに導き、絶縁物から成る膜材料を蒸発または蒸気化させ、被処理物体表面上に膜を形成する成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の成膜方法に用いるプラズマ成膜装置としては、イオンプレーティング装置およびプラズマＣＶＤ装置等がある。イオンプレーティング装置としては、アーク放電を利用したプラズマ源である圧力勾配型プラズマ源またはＨＣＤプラズマ源等を用いた装置が知られている。
【０００３】
このイオンプレーティング装置は、真空容器中に配置された電気的には陽極として機能するハースと、プラズマ源との間で、プラズマビームを発生させ、ハース上に載置された膜材料をオーミック加熱して蒸発させている。そして、蒸発した膜材料の粒子はイオン化され、このイオン化された粒子が、負電圧が印加されている被処理物体表面上に付着し、被処理物体表面上に膜が形成される。
【０００４】
膜材料の蒸発メカニズムは、次の通りである。ハースに導かれたプラズマビームは、ハースおよび／または膜材料に対して放電する。放電によって、膜材料に電流が流れる。膜材料は、その内部抵抗により、オーミック加熱される。この作用は、仕事をＷ、電流をＩ、ならびに内部抵抗をＲとすると、Ｗ＝Ｉ²・Ｒで表される。そして、オーミック加熱された膜材料は、蒸発する。
【０００５】
従来のプラズマ成膜装置において、絶縁物（例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＳｉＯ、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＴｉＯ₂、ＴｉＮ、ＴａＮ、あるいは、ＺｎＯ等）から成る膜材料は、基本的に電流を流さないので、オーミック加熱されない。つまり、絶縁物から成る膜材料を用いて成膜することは、非常に困難である。
【０００６】
これに対し、絶縁物から成る膜材料を用いた成膜を実現するための技術が幾つか提案されている。
【０００７】
ここで、絶縁物は通常の状態では電流を通さないが、所定の温度以上に加熱されて所謂赤熱状態になると、電流を流す特性を有している。これら提案は、いずれも、絶縁物を赤熱状態にして電流が流れるようにするものである。
【０００８】
第１の例として、プラズマのエネルギを通常よりも増加させ、プラズマからの輻射熱により絶縁物を赤熱状態にする技術が提案されている。
【０００９】
第２の例として、特願平９−１１８９５５号では、ハース上にカーボン等からなるライナーを介して絶縁性の膜材料を収容する技術が提案されている。この技術においては、ハースに導かれたプラズマビームは、ハースおよび／またはライナーに対して放電する。ライナーは、放電によって高温に加熱される。この後、膜材料は、ライナーからの輻射熱ならびに接触による熱伝導によって加熱されると共に、オーミック加熱され、蒸発する。ライナー内に収容された膜材料が減少したときは、ライナーへの放電に移行するので、膜材料の加熱が途切れることはない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第１の例では、絶縁物が赤熱状態になるまでの間に、電子が絶縁物表面にチャージアップを引き起こし、この結果、スプラッシュや放電異常が起こるという問題点がある。
【００１１】
また、第２の例は、プラズマ成膜装置の構造が従来の装置に比べて複雑であるという問題点がある。加えて、第２の例では、成膜時に真空室内のガス圧が高真空領域であったり、ライナーの温度が過剰に高い場合には、ライナーの材料であるカーボンが蒸発し、被処理物表面上に本来の膜材料に混入する形で付着する虞がある。
【００１２】
それ故、本発明の課題は、一般的なプラズマ成膜装置を用いて、電気的絶縁性の膜材料を不純物を混入させることなく被処理物表面上に確実に成膜できる成膜方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、真空室内にてハースに収容した膜材料をプラズマビームによって蒸発させることによって絶縁性膜を被処理物体に付着させる成膜方法において、絶縁物から成る絶縁物粒間に導電性物質を介在させたものを前記膜材料として用いることを特徴とする成膜方法が得られる。
【００１４】
本発明によればまた、前記導電性物質は、遅くともプラズマビームによる放電開始後には前記絶縁物粒の表面上に形成されている前記成膜方法が得られる。
【００１５】
本発明によればさらに、前記導電性物質から成る導電性粉を前記絶縁物粒に混合した混合物を膜材料として用いる前記成膜方法が得られる。
【００１６】
本発明によればまた、前記導電性物質から成る導電性被膜を前記絶縁物粒の表面上に形成したものを膜材料として用いる前記成膜方法が得られる。
【００１７】
本発明によればまた、前記絶縁物は、金属または半導体の酸化物あるいは窒化物であり、前記導電性物質は、当該金属元素または当該半導体元素のものである前記成膜方法が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による成膜方法を説明する。
【００１９】
本発明の実施の形態による成膜方法においては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＳｉＯ、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＴｉＯ₂、ＴｉＮ、ＴａＮ、あるいは、ＺｎＯ等の絶縁物、特に粒状の絶縁物から成る膜材料を用いる場合に、当該絶縁物の化学構成元素のうちの電流が流れ得る導電性物質を、絶縁物粒に予め混合するか、絶縁物粒表面上に薄いコーティングを予め施す。そして、導電性物質が所謂火種となり、絶縁物粒を加熱することが可能になる。
【００２０】
図１を参照して、本発明の実施の形態による成膜方法に用いるプラズマ成膜装置としてのイオンプレーティング装置は、気密性の真空容器１０を有している。真空容器１０には、ガイド部１２を介してプラズマ源（例えば、圧力勾配型プラズマ銃）２０が取り付けられている。ガイド部１２の外側には、プラズマビーム３００をガイドするためのステアリングコイル３１が配設されている。プラズマ源２０には、プラズマビーム３００を収束するための第１および第２の中間電極２７および２８が同心的に配置されている。第１の中間電極２７には磁極軸がプラズマ発生源２０の中心軸と平行になるようにして永久磁石２７ａが内蔵されており、第２の中間電極２８にはコイル２８ａが内蔵されている。
【００２１】
プラズマ源２０には、第１および第２の中間電極２７および２８で規定される通路に繋がる絶縁管（例えば、ガラス管）２１が備えられている。絶縁管２１内には、Ｍｏ筒２２が配置されている。Ｍｏ筒２２内には、Ｔａパイプ２３が配置されている。Ｍｏ筒２２とＴａパイプ２３とで規定される空間は、ＬａＢ₆製の環状板２４で隔離されている。絶縁管２１、Ｍｏ筒２２、およびＴａパイプ２３の一端には、導体板部２５が取り付けられている。導体板部２５に形成されたキャリアガス導入口２６からキャリアガス（Ａｒ等の不活性ガス）が導入され、キャリアガスは、Ｔａパイプ２３を通過する。
【００２２】
真空容器１０内には、被処理物体としての基板１００が搬送装置６１に支持されることによって配置されている。基板１００には、負バイアス用の直流電源が接続される。真空容器１０の底面には、基板１００に対向するように、電気的には陽極として機能するハース４１が配置されている。ハース４１の外周には、環状の補助陽極４２が配置されている。
【００２３】
図２を参照して、ハース４１および補助陽極４２は、真空容器内の底部に設けられた支持部材５０によって支持されている。ハース４１と支持部材５０との間は、絶縁部材８２により電気的に絶縁されている。補助陽極４２と支持部材５０との間は、絶縁部材８１により電気的に絶縁されている。ハース４１は、膜材料を収容可能な収容凹部４１ｃと、ハース４１内に設けられた中空部４１ｄとを備えている。中空部４１ｄには、冷媒としての冷却水を循環させるために、冷媒管７１ｃおよび７１ｂが接続されている。
【００２４】
補助陽極４２は、永久磁石４２１と、電磁石４２２と、これら磁石を収容する上ケース４２３ａおよび下ケース４２３ｂからなる中空、円柱状の磁石ケースとから構成されている。磁石ケースは、その中に、冷媒を流通できるようになっている。ハース４１ならびに補助陽極４２を冷却する冷媒を流通する冷媒管７１ａ、７１ｂ、および７１ｃとを有している。冷媒は、真空容器外から冷媒管７１ａ、磁石ケース内、冷媒管７１ｃ、中空部４１ｄ、および冷媒管７１ｂの順に流通して、ハース４１および補助陽極４２を冷却する。
【００２５】
再び図１を参照して、導体板部２５には、可変電源９０のマイナス端が接続されている。可変電源９０のプラス端は、それぞれ抵抗器Ｒ１およびＲ２を介して、第１および第２の中間電極２７および２８に接続されている。一方、ハース４１は、可変電源９０ならびに抵抗器Ｒ１およびＲ２に接続される。また、真空容器１０の側壁には、キャリアガス（ＡｒやＨｅ等の不活性ガス）を導入するためのガス導入口１０ａと、真空容器１０内を排気するための排気口１０ｂとが形成されている。
【００２６】
このイオンプレーティング装置では、キャリアガス導入口２６からキャリアガスが導入されると、第１の中間電極２７とＭｏ筒２２との間で放電が始まる。これによって、プラズマビーム３００が発生する。プラズマビーム３００は、ステアリングコイル３１と補助陽極４２の磁石にガイドされて、電気的には陽極として機能するハース４１および補助陽極４２に到達する。
【００２７】
以上説明した従来同様の一般的な成膜装置を用いて、本発明による成膜方法は、以下の様に実施される。
【００２８】
真空室内に被処理物体を用意すると共に、ハース４１内に膜材料２００として、例えばＳｉＯ₂粒に導電性物質Ｓｉの粉末を予め混合した混合物を収容する。プラズマ源からプラズマビームを発生させる。プラズマビームをハース４１に導く。膜材料２００をプラズマビームによって蒸発させることによって膜を被処理物体に付着させる。
【００２９】
尚、ＳｉＯ₂粒とＳｉ粉との混合比は、ハースのサイズおよび形状（例えば、深さや大きさ）によって適宜設定されるが、Ｓｉ粉が過多の場合、ＳｉＯ₂とＳｉとを足し合わせたときの、ＳｉとＯとの比が大きく違わない程度である必要がある。例えば、ＳｉＯ₂＋Ｓｉで、ＳｉＯ_0.5〜ＳｉＯ_2.0程度となる混合比とする。ただし、Ｏ₂については、成膜時に反応ガスとして導入し、最終的な組成比を制御する。
【００３０】
放電が開始すると、Ｓｉ粉末は、プラズマの輻射により容易に溶融する。溶融したＳｉは、ＳｉＯ₂粒の表面上を伝わって流れる。このときに、ＳｉＯ₂粒の表面上にＳｉ被膜が形成される。Ｓｉ被膜は、電流を流し、オーミック加熱される。その熱は、ＳｉＯ₂粒に伝導する。ＳｉＯ₂粒は、十分に加熱されて赤熱状態になり、電流を流す。以後、非絶縁物から成る膜材料の場合と同様に、膜材料の蒸発が起こり、所望の絶縁性膜が被処理物表面上に成膜される。尚、ＳｉＯ₂粒が加熱される時点では、Ｓｉ被膜またはＳｉ粉末は蒸発あるいはＳｉＯ_2-x化し、不純物化することなく、蒸発する。
【００３１】
以上の説明から明らかなように、絶縁物粒表面上に導電性の薄いコーティングを予め施しても、同様の効果が得られる。コーティング方法としては、例えば、ＳｉＯ₂の場合、ＳｉＯ₂表面上にＳｉを蒸着する方法、あるいは、Ｓｉの溶融物内にｉＯ₂を浸漬させる方法がある。
【００３２】
また、導電性物質は、膜材料が金属または半導体の酸化物あるいは窒化物であるならば、当該金属元素または半導体元素から成るものが好ましい。即ち、絶縁物がＡｌ₂Ｏ₃であれば導電性物質としてＡｌを用い、絶縁物がＭｇＯであれば導電性物質としてＭｇを用い、絶縁物がＳｉＯ、ＳｉＯ₂、ＳｉＮであれば導電性物質としてＳｉを用い、絶縁物がＴｉＯ₂、ＴｉＮであれば導電性物質としてＴｉを用い、絶縁物がＴａＮであれば導電性物質としてＴａを用い、絶縁物がＺｎＯであれば導電性物質としてＺｎを用いることが好ましい。ただし、成膜すべき膜中に、ある程度の不純物が含有することが許される場合には、導電性物質として、絶縁物の構成物質以外の元素のものを用いてもよい。
【００３３】
本成膜装置によれば、カーボンライナーを用いなくとも絶縁性の膜材料を成膜できるため、ライナー使用時に起こる虞のある被処理物体に形成される膜中にカーボンが混入する問題を回避できる。
【００３４】
本例において、放電が開始する電圧、放電が維持され得る電流は、低い電圧であっても、より多くの電流が流れ、１２０Ｖ／５Ａ、１００Ａ／８０Ｖであった。一方、比較例として、ＳｉＯ₂粒のみを膜材料とした例では、放電が開始する電圧、放電が維持され得る電流は、２００Ｖ／５Ａ、１００Ａ／１５０Ｖであった。この結果からも明らかなように、本発明によれば、電源回路にかかる負荷が従来よりも小さく、よって、ＳｉＯ₂等を容易に蒸気化できる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明による成膜方法は、絶縁物から成る絶縁物粒間に導電性物質を介在させたものを膜材料として用いるため、一般的なプラズマ成膜装置を用いて、電気的絶縁性の膜材料を被処理物表面上に不純物を混入させることなく確実に成膜できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる一般的なプラズマ成膜装置の概略図である。
【図２】図１に示すプラズマ成膜装置の要部を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０真空容器
２０プラズマ源
４１ハース
４１ｃ収容凹部
４１ｄ中空部
４２補助陽極
７１ａ、７１ｃ、７１ｂ冷媒管
９０可変電源
１００基板
２００膜材料
３００プラズマビーム

Claims

真空室内にてハースに収容した膜材料をプラズマビームによって蒸発させることによって絶縁性膜を被処理物体に付着させる成膜方法において、絶縁物から成る絶縁物粒間に導電性物質を介在させたものを前記膜材料として用いることを特徴とする成膜方法。
前記導電性物質は、遅くともプラズマビームによる放電開始後には前記絶縁物粒の表面上に形成されている請求項１に記載の成膜方法。
前記導電性物質から成る導電性粉を前記絶縁物粒に混合した混合物を膜材料として用いる請求項１または２に記載の成膜方法。
前記導電性物質から成る導電性被膜を前記絶縁物粒の表面上に形成したものを膜材料として用いる請求項１または２に記載の成膜方法。
前記絶縁物は、金属または半導体の酸化物あるいは窒化物であり、前記導電性物質は、当該金属元素または当該半導体元素のものである請求項１乃至４のいずれかに記載の成膜方法。