JPH0344463A - シートプラズマを利用した薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、プラズマガンより射出されたプラズマを磁石
手段によって平板化したシートプラズマを用いた薄膜形
成方法において、磁場手段を用いたプラズマのシート化
と薄膜形成を同一の領域で行うことによってシートプラ
ズマの捻れを抑制し、被膜特性の基板内分布を改善した
ことを特徴とする薄膜形成装置に関するものである。

（従来の技術） プラズマガンとシートプラズマの形成方法の例は、真空
　第２５巻　第１０号６６０頁（１９８２年）や特開昭
５９−２７４９９号にみられ、その薄膜形成方法への応
用例として、シートプラズマを利用した高効率スパッタ
リング（特開昭６３−２２３１７１号）や、シートプラ
ズマを用いた高効率ＣＶＤ　（特開昭６０−１１０８７
６号）や、シートプラズマを用いた高効率蒸着（特開昭
６３−５０４６４号）等がある。これらは、高効率シー
トプラズマの高い反応性を利用したちのであり、高品質
の薄膜が高速で、しかも、高温基板のみならず低温基板
にも成膜できることが利点である。しかし、成膜速度増
加、あるいは、反応の活性化の手段として、プラズマ中
を流れる電流値を増加させていくと、該電流によりプラ
ズマの周囲に発生する磁場の効果がプロセス制御のうえ
で重要になってくる。なぜなら、この磁場が、プラズマ
をカソードからアノード方向へ引き出すための磁場の強
さと同程度となると、シートプラズマをねじり、薄膜形
成領域においてプラズマと基板間の距離、あるいは、プ
ラズマとターゲット間の距離を不均一にしてしまうから
である。

すなわち、従来のシートプラズマによる薄膜形成技術で
は、−様な成膜速度や膜特性を得にくいという欠点を有
していた。

（発明の解決しようとする課題） 本発明の目的は、従来のシートプラズマを用いた薄膜形
成装置が有していた前述の問題点を解決しようとするも
のである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、前述の問題点を解決するべくなされたもので
あり、プラズマガンより射出されたプラズマを磁場手段
によってシート状に平板化したシートプラズマを用いた
薄膜形成方法であって、薄膜形成領域においてシートプ
ラズマの両面から相対向する磁場を与えてシートプラズ
マの捻れを抑制し、薄膜形成領域内に配置された基体上
に、より均一な薄膜を形成できるようにしたことを特徴
とする高効率シートプラズマを利用した薄膜形成方法を
提供するものである。

本発明においては、アーク放電によるプラズマ流を用い
るのが好ましく、かかるアーク放電プラズマ流は、アー
ク放電プラズマ流発生源１とアノード２の間で、プラズ
マ発生用直流電源９によってアーク放電を行うことで生
成される。

かかるアーク放電プラズマ流発生源１としては、複合陰
極型プラズマ発生装置、又は、圧力勾配型プラズマ発生
装置、又は両者を組み合わせたプラズマ発生装置が好ま
しい。このようなプラズマ発生装置については、真空第
２５巻第１Ｏ号（１９８２年発行）に記載されている。

複合陰極型プラズマ発生装置とは、熱容量の小さい補助
陰極と、ＬａＢ　ａからなる主陰極とを有し、該補助陰
極に初期放電を集中させ、それを利用して主陰極ＬａＢ
ａを加熱し、主陰極ＬａＢａが最終陰極としてアーク放
電を行うようにしたプラズマ発生装置である。例えば、
第４図のような装置が挙げられる。補助陰極としてはＷ
、Ｔａ。

Ｍｏ等の高融点金属のコイル又はパイプ状のものが挙げ
られる。

このような複合陰極型プラズマ発生装置においては、熱
容量の小さな補助陰極６２を集中的に初期放電で加熱し
、初期陰極として動作させ、間接的にＬａＢａの主陰極
６１を加熱し、最終的にはＬａＢ５の主陰極６１による
アーク放電へと移行させる方式であるので、補助陰極６
２が２５００℃以上の高温になって寿命に影響する以前
にＬａＢ５の主陰極６１が１５００℃〜１８００℃に加
熱され、大電子流放出可能になるので、補助陰極６２の
それ以上の温度上昇が避けられるという点が大きな利点
である。

又、圧力勾配型プラズマ発生装置とは、陰極と陽極の間
に中間電極を介在させ、陰極領域をＩ　Ｔｏｒｒ程度に
、そして陽極領域を１０−”Ｔｏｒｒ程度に保って放電
を行うものであり、陽極領域からのイオン逆流による陰
極の損傷がない上に、中間電極のない放電形式のものと
比較して、放電電子流をつくりだすためのキャリアガス
のガス効率が飛躍的に高く、大電流放電が可能であると
いう利点を有している。

複合陰極型プラズマ発生装置と、圧力勾配型プラズマ発
生装置とは、それぞれ上記のような利点を有しており、
両者を組み合わせたプラズマ発生装置、即ち、陰極とし
て複合陰極を用いると共に中間電極も配したプラズマ発
生装置は、上記利点を同時に得ることができるので本発
明のプラズマガンとして大変好ましい。

本発明のシートプラズマの形成方法としては、薄膜形成
領域１０の両側に該プラズマガン１とアノード２を配置
し、−個以上の空芯コイル３によって、プラズマガンか
らアノード方向に向かう磁場を形成して、高密度プラズ
マを磁場に沿って薄膜形成領域方向に引き出すものであ
る。さらに、引き出したプラズマのシート化は、特開昭
５９−２７４９９号、あるいは、真空　第２５巻　第１
１号　７１９頁　にみられるように、一対の永久磁石を
該プラズマ電流の流れる方向と垂直方向から挾み込むよ
うにＮ極面を対向させて配置し、該対向永久磁石によっ
て生じる磁場により磁極面と平行な方向にプラズマを押
し潰すことで為される。しかしながら、プラズマガン１
と薄膜形成領域１０との間に該対向永久磁石を配置し、
プラズマをシート化したうえで薄膜形成領域に導入する
方法では、プラズマ中を流れる大電流で生じる磁場の効
果により、薄膜形成領域においてシートプラズマの捻れ
が顕著に生じる。本発明の方法においては、このプラズ
マの捻れを抑制する目的で、図１のように、磁場手段に
よるプラズマのシート化と薄膜形成を同一の領域で行う
ように対向永久磁石を配置してもよいし、もちろん、プ
ラズマガン１と薄膜形成領域１０との間に一対の対向す
る永久磁石を配置してシート化し、かつ薄膜形成領域で
は別の一対以上永久磁石を配置するというようにシート
化用と捻れ防止用それぞれの目的に磁石を配置してもよ
い。

薄膜形成領域の構成は、成膜プロセスによって異なるが
、たとえば、スパッタリング現象によって薄膜を形成す
る場合には、図１に示すように、プラズマのシート面を
平行に挟みこむように設置したターゲット５と基板６の
それぞれの背面に一対の永久磁石４をＮ極面を対向させ
て配置する。さらに、ターゲット電位がプラズマ、すな
わち、アノード２に対して負の電位になるようにスパッ
タリング電圧を印加して薄膜形成を行う、なお、６をタ
ーゲットとし、両方のターゲット５．６にそれぞれシー
トプラズマより負の電位を与え該シートプラズマ中のイ
オンを両ターゲットへ加速してスパッタリングを行い、
上記２つのターゲットの外側でターゲット表面に略垂直
な平面内（第１図においては、紙面と平行な平面内）に
基体を配置し、又はターゲット表面に略垂直な平面内で
基体を搬送し、該２つのターゲットから発生した粒子を
該基体上に付着させて薄膜を形成することもできる。こ
の場合、２つのターゲット間のスパッタリング領域にお
けるシートプラズマの捻れを抑制するために、シートプ
ラズマから見て各ターゲットの裏側に永久磁石を同極面
を対向させて配置する。

化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスによって薄膜を形成する場
合には、基体をプラズマのシート面に対して平行になる
ように配置し、ガス状の原料物質がシートプラズマを横
切って基板上に到達するか、プラズマの中から基体上に
到達できるようにガス状原料物質を供給する。

又、真空蒸着プロセスによって薄膜を形成する場合には
、基体をシートプラズマに面して平行に配置し、蒸発原
料から蒸発した粒子がシートプラズマを通って基体上に
到達できるように蒸発原料を配置する。

（作用） 本発明においては、薄膜形成領域に磁石手段を導入する
ことによって、プラズマのシート化と薄膜形成を同一の
領域で行わせて、プラズマを流れる電流によって生じる
プラズマの捻れを低減できる。その結果、プラズマと基
板間、プラズマとスパッタリングターゲット、蒸着原料
、ガス状原料供給手段等の原料供給源間の距離が均一に
なり、均質な特性をもつ大面積薄膜の形成ができる。

シートプラズマの発生は、空芯コイルによって、プラズ
マガンからアノード方向に向かう第一の静磁場１５を形
成し、さらに、該静磁場の磁力線を挟むようにＮ極とＮ
極とを対向させた一対の永久磁石の第二の磁場によって
、第一の磁場を垂直方向から押しつぶすことによって行
うことができる。すなわち、このときの磁力線分布は、
プラズマガンよりアノードの方向に向かい、該方向に対
して垂直に押しつぶされた形となる。この状態で、プラ
ズマガンよりプラズマが導入されると、プラズマ中の電
子は磁力線に絡みつくためにプラズマ自体の形状もシー
ト状になる。しかし、この場合には、図２に示すように
、プラズマ放電電流１３によってシートプラズマ１２の
周りに第三の磁場１４が生じるため、結局、以上の３種
類の磁場の合成磁力線が、シートプラズマの形状を決定
することになる。

第三の磁場の強さは、プラズマ放電の電流の大きさに密
接な関係にあり、その電流値が、第一、第二の静磁場の
強さと同程度以上の第三の磁場を生じさせるほど大きく
なったときの３種の合成磁力線は、図３のようにアノー
ドからみて右回りに捻れた分布となる。そして、その結
果、シートプラズマも右まわりに捻られる。

そこで本発明は、薄膜形成領域全域において、プラズマ
の進行方向に対して垂直に押しつぶした磁力線を発生さ
せ、その場に高密度プラズマを導入することにより、シ
ートプラズマの捻れを抑制するものである。つまり、Ｎ
極どうしを対向した一対の永久磁石のあいだの対象面の
上側には下向きの磁力線、下側には上向きの磁力線が対
称的に存在することから、対称面から外れたプラズマ（
すなわち、シートプラズマの捻れた部分）は、磁場の方
向にしたがって対称面内に押し戻され、その結果、捻れ
の少ないシートプラズマを発生させることができる。

（実施例１） 図１に示すような装置を用いて、旭硝子社製ノンアルカ
リＡＮガラスに錫を含んだ酸化インジウム薄膜をスパッ
タリングプロセスにより形成した。ターゲットには酸化
錫を７．５重量パーセント含んだ酸化物焼結体を用い、
アルゴンガス圧力を３　ｒｍ　Ｔｏｒｒｓプラズマガン
電流１ＢＯＡ、スパッタリング電圧４００Ｖに設定した
。

永久磁石４　（１２０Ｘ３０Ｘ４３０ｍｍ、表面磁束密
度　３ＫＧ）を薄膜形成領域内に配置した場合［Ａ］と
、永久磁石（４０ｘ５０ｘ１２０　ａｒｍ、表面磁束密
度４．３ＫＧ）をプラズマガンと薄膜形成領域との間の
みに配置した場合［Ｂ］で６０秒間スパッタリングを行
い、膜質の基板内分布を比較した。表１に示すように、
［Ｂ］の場合にはシートプラズマの捻れの角度が　３０
”　、４００Ｘ１００ｍｍ（７）基板内で膜厚分布が１
４％以上、比抵抗分布が３６％以上生じた。これに対し
て、［Ａ］の場合には、シートプラズマの捻れ角度が　
７°に改善され、膜厚分布が８％以内、比抵抗分布が１
０％以内となり、［Ｂ］の場合よりも膜特性のより均一
な膜が得られた。

表１．対向永久磁石の位置の差による膜特性の比較（発
明の効果） 本発明は、シートプラズマを用いた薄膜形成方法におい
て、薄膜形成領域においてシートプラズマの捻れを抑制
するように磁場分布を改良した。その結果、従来装置で
みられた大電流のシートプラズマに発生するプラズマの
捻れを改善することができ、アーク放電型シートプラズ
マの特徴を生かしながら、膜特性の均一な薄膜が、大面
積の基板に容易に形成できるという優れた効果を得るこ
とができる。また、特にスパッタリングプロセスの場合
には、ターゲット表面のプラズマ分布が均一となるため
に、スパッタリングによるターゲットの消耗が一様にな
り、マグネトロンスパッタ法に比べ、ターゲットの利用
効率も上昇するという効果も併せて有する。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の一例のスパッタリング法による薄膜形成
方法を実施する装置の概略図、図２はシートプラズマと
放電電流のつくる磁場の様子を示す図、図３は図２に示
した磁場によって生じた磁束分布の捻れとシートプラズ
マの捻れを示す磁束分布図、第４図はアーク放電プラズ
マ流を発生させるための複合陰極型プラズマガンの一例
の断面図である。 ｌ・・・アーク放電型プラズマガン ２・・・アノード ３・・・空芯コイル ４・・・永久磁石 ５・・・ターゲット ６・・・基　板 ７・・・シートプラズマ ８・・・スパッタリング電源 ９・・・シートプラズマ発生電源 １０・・・薄膜形成領域 １２・・・シートプラズマ １３・・・放電電流 １４・・・放電電流の作る磁場（第３の磁場）１５・・
・ガンからアノード方向に向う磁場１６・・・磁力線 １７・・・捻れたシートプラズマ １８・・・放電電流の小さい場合のシートプラズマ６１
・・・ＬａＢ　ｓ主陰極 ６２・・・Ｔａバイブの補助陰極 ６３・・・陰極を保護するためのＷからなる円板６４・
・・Ｍｏからなる円筒 ６５・・・Ｍｏからなる円板状の熱シールド６６・・・
冷却水 ６７・・・陰極支持台 ６８・・・ガス−導入口 回

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．プラズマガンより射出されたプラズマを磁場手段に
   よってシート状に平板化したシートプラズマを用いた薄
   膜形成方法であって、薄膜形成領域においてシートプラ
   ズマの両面から相対向する磁場を与えてシートプラズマ
   の捻れを抑制し、薄膜形成領域内に配置された基体上に
   、より均一な薄膜を形成できるようにしたことを特徴と
   する高効率シートプラズマを利用した薄膜形成方法。
2. ２．一対の永久磁石をシートプラズマのシート面を挟む
   ように同じ磁極を対向させて配置することにより、上記
   相対向する磁場を形成することを特徴とする請求項１記
   載の高効率シートプラズマを利用した薄膜形成方法。
3. ３．シートプラズマに面してターゲットを平行に配置し
   、該ターゲットにシートプラズマより負の電位を与えて
   シートプラズマ中のイオン化された粒子をターゲット表
   面に入射させてスパッタリングを行ない、シートプラズ
   マを挟んでターゲットの反対側に対向して配置した基体
   上にスパッタリングされた粒子を付着させて薄膜を形成
   する方法であって、該 ターゲットを挟んでシートプラズマの反対 側、及び該基体を挟んでシートプラズマの反対側に一組
   以上の永久磁石を同じ磁極を対向させて設置して、上記
   基体とターゲット間の薄膜形成領域にシートプラズマの
   両面から相対向する磁場を与えることにより、薄膜形成
   領域におけるシートプラズマの捻れを抑制 し、より均一な薄膜を基体上に形成できるようにしたこ
   とを特徴とする請求項１記載の シートプラズマを利用した薄膜形成方法。
4. ４．シートプラズマに面して基体を平行に配置し、シー
   トプラズマを挟んで該基体の反対側からガス状原料を供
   給し、該ガス状原料が シートプラズマを通って該基体上に付着することにより
   薄膜を形成する方法であって、該基体を挟んでシートプ
   ラズマの反対側、及び該ガス状原料を供給する手段を挟
   んでシートプラズマの反対側に一組以上の永久磁石を同
   じ磁極を対向させて設置して、上記基体とガス状原料を
   供給する手段との間の薄膜形成領域にシートプラズマの
   両面から相対向する磁場を与えることにより、薄膜形成
   領域におけるシートプラズマの捻れを抑制し、より均一
   な薄膜を基体上に形成できるようにしたことを特徴とす
   る請求項１記載のシートプラズマを利用した薄膜形成方
   法。
5. ５．シートプラズマに面して基体を平行に配置し、シー
   トプラズマを挟んで該基体の反対側蒸発原料を配置し、
   該蒸発原料から蒸発した粒子がシートプラズマを通って
   該基体上に付着することにより薄膜を形成する方法であ
   って、該基体を挟んでシートプラズマの反対 側、及び上記蒸発原料を挟んでシートプラズマの反対側
   に一組以上の永久磁石を同じ磁極を対向させて設置して
   、上記基体と上記蒸発原料との間の薄膜形成領域にシー
   トプラズマの両面から相対向する磁場を与えることによ
   り、薄膜形成領域におけるシートプラズマの捻れを抑制
   し、より均一な薄膜を基体上に形成できるようにしたこ
   とを特徴とする請求項１記載のシートプラズマを利用し
   た薄膜形成方法。
6. ６．シートプラズマに面して２つのターゲットをシート
   プラズマを挟むように配置し、該 ターゲットにシートプラズマより負の電位を与えてシー
   トプラズマ中のイオン化された粒子をターゲット表面に
   入射させてスパッタリングを行ない、該２つのターゲッ
   トの外側でターゲット表面に略垂直な平面内に位置する
   基体上に該２つのターゲットから発生した 粒子を付着させて薄膜を形成する方法であって、シート
   プラズマから見て各ターゲット の裏側に一組以上の永久磁石を同じ磁極を 対向させて配置して、上記２つのターゲット間のスパッ
   タリング領域にシートプラズマの両面から相対向する磁
   場を与えることによ り、スパッタリング領域におけるシートプラズマの捻れ
   を抑制し、より均一な薄膜を基体上に形成できるように
   したことを特徴とするシートプラズマを利用した薄膜形
   成方法。