JPH0747819B2 - プラズマフラッシュ蒸着方法および装置 - Google Patents

プラズマフラッシュ蒸着方法および装置

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JPH0747819B2
JPH0747819B2 JP22605690A JP22605690A JPH0747819B2 JP H0747819 B2 JPH0747819 B2 JP H0747819B2 JP 22605690 A JP22605690 A JP 22605690A JP 22605690 A JP22605690 A JP 22605690A JP H0747819 B2 JPH0747819 B2 JP H0747819B2
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勝夫 福富
和範 小森
吉秋 田中
稔久 浅野
弘 前田
渡 深川
直吉 細川
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科学技術庁金属材料技術研究所長
日電アネルバ株式会社
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、低圧高温プラズマを利用して、低圧高温プ
ラズマ内に供給した粉末原料の薄膜を基板上に得るよう
にしたプラズマフラッシュ蒸着方法および装置に関す
る。
(従来の技術) 従来この種の技術として、高周波熱プラズマ中で超電導
材料の粉体を気化させ、プラズマフレームのテール部に
対向して設置した基板上に、超電導薄膜を蒸着させる方
法が提案されていた(Appl.Phys.Lett.52、1989年4月1
1日1274頁〜1276頁)。
そして、この方法ではプラズマを大気圧のもとで生成さ
せていたので、(1)大電力を必要とする、(2)導入
気体を多量に必要とする、更には(3)膜の緻密性が劣
るなどの問題点があり、出願人等は、低圧高温プラズマ
を利用するようにした方法および装置を提案していた
(特願平1-57699号)。
この出願人等が提案した方法は、真空容器内に低圧高温
プラズマを作る段階と、前記プラズマ内に粉末原料を所
定量ずつ送り込んで、これを気化する段階とを有し、気
化した原料を基板上に堆積することによって、薄膜を作
成することを特徴としたものであった。
また、このような方法を実施する為の装置は、真空容器
内に低圧高温プラズマを作るプラズマ発生装置と、前記
プラズマ内に粉末原料を所定量ずつ送り込む原料供給装
置と、前記プラズマの近くに基板を保持する基板ホルダ
ーと、前記真空容器を排気する排気装置と、前記真空容
器内に気体を導入して真空容器内を所定の圧力に保つ圧
力調整装置とを有することを特徴とするものであった。
このような方法と装置によって、投入電力、成膜速度、
膜の成分、膜質などを高精度に制御することが可能にな
り、また、薄膜への残留ガスの影響を少なくすることも
可能になっていた。
(発明が解決しようとする課題) 出願人等が提案した前記の方法と装置において、真空容
器へ導入してプラズマを生成させる気体としては、アル
ゴンガスのような不活性ガスの外、蒸着する膜の種類に
応じて、酸素ガスや窒素ガスのような活性ガスを前記不
活性ガスに混合する場合もあった。
然し乍ら、導入気体として、不活性ガスに活性ガスを混
合する場合、真空容器内で生成させた低圧高温プラズマ
が不安定となったり、プラズマ発生の為に印加する高周
波のマッチング不良を起す場合があることが判明した。
このような現象は、次のように説明されるものであっ
た。即ち、例えばアルゴンガスに酸素ガスを混合させた
場合、アルゴンガスのみを導入した時に比べて、酸素ガ
スの解離等によって熱が奪われ、さらに蒸着用粉体の気
化により熱が奪われ、プラズマ温度の低下が大きくなる
ためである。
前記蒸着用の粉体は固体である為、プラズマ中での熱の
授受は断続的となり、これがプラズマの温度を不安定に
し、連鎖的にプラズマの電気的インピーダンスが急変
し、高周波のマッチング不良を起すものと考えられる。
この結果、活性ガスを混合した場合に、安定な成膜が難
しくなることがあった。また、プラズマが不安定となる
為、供給された蒸着用の粉体が完全に気化せず、一部が
粉体のまま薄膜中に混入することもあった。
この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもの
で、低圧高温プラズマを安定に生成させ、マッチング不
良を起さないプラズマフラッシュ蒸着方法および装置を
提供することを目的としたものである。また、この発明
は、未揮発粉体が薄膜中に混入しないプラズマフラッシ
ュ蒸着方法および装置を提供することを別の目的とした
ものである。
(課題を解決する為の手段) 前記の目的を達成するこの発明のプラズマフラッシュ蒸
着方法は、真空容器内で低圧高温プラズマを生成し、該
低圧高温プラズマ内に供給した粉末原料の薄膜を基板上
に得るプラズマフラッシュ蒸着方法において、前記低圧
高温プラズマは不活性ガスのみをプラズマ生成ガスとし
て生成させる一方、低圧高温プラズマのテール部に対し
て活性ガスを供給するようにしたことを特徴としてい
る。
前記不活性ガスとしては、アルゴンガスが主として用い
られるが、ネオンガスその他の不活性ガスでも良い。ま
た、活性ガスとしては、酸素ガス(酸化膜を成膜する場
合)、窒素ガス(窒化膜を成膜する場合)などが用いら
れるが、その他の活性ガスを用いることも可能である。
低圧高温プラズマの生成は、先に出願人等が提案した方
法と同一で良く、0.01〜100Torrの低圧力下で10〜300MH
zの高周波を0.5〜10KWの電力で投入して行なわれる。
また、粉末原料の供給は、原料自体の重力を利用して所
定量ずつ、プラズマ中へ送り込んだり、プラズマ生成の
為に供給されるアルゴンガスに所定量ずつ混入させて送
り込むようにする。
一方、活性ガスの供給は、低圧高温プラズマのテール部
に対して、その周囲全周から供給する場合と、テール部
の外側一側から供給する場合とがある。
次に、前記目的を達成するこの発明のプラズマフラッシ
ュ蒸着装置は、真空容器内に、低圧高温プラズマを生成
させる手段と、該低圧高温プラズマに供給した粉末原料
の薄膜を形成させる基板のホルダーを対向させて備えて
なるプラズマフラッシュ蒸着装置において、前記低圧高
温プラズマを生成させる手段と基板のホルダーの間に、
活性ガスの供給手段が設置してあることを特徴としてい
る。
前記活性ガスの供給手段は、種々のガスノズルを用いて
構成することが可能である。低圧高温プラズマのテール
部に対して、その周囲全周から供給する場合には、例え
ばガス噴出口を全周に亘って均等に設けたリング状のガ
ス噴出ノズルで構成することが可能である。また、低圧
高温プラズマのテール部に対して、その外側一側から供
給する場合には、例えばガス噴出口を一側に偏って設け
たリング状のガス噴出ノズルで構成することができる。
(作用) 前記の如くの、この発明のプラズマフラッシュ蒸着方法
および装置によれば、活性ガスはプラズマフレームのテ
ール部において供給するので、不活性ガスで生成した低
圧高温プラズマは圧縮され、中心温度も高くなる。従っ
て、プラズマフレーム中で蒸着用の粉体が気化しても、
プラズマの温度が低下して不安定となったり、高周波の
マッチングが不良となるのを避けることができる。ま
た、プラズマフレームの中心温度が高く、かつ安定であ
るので、蒸着用の粉体を完全に気化させることができ、
未揮発のまま薄膜中に混入するのを避けることができ
る。
活性ガスの供給を低圧高温プラズマのテール部の外側一
側から供給すると、基板に対する成膜領域と、プラズマ
フレーム中に供給した蒸着用の粉体中、未揮発微粒子の
落下領域を分離することができ、未揮発微粒子の薄膜中
への混入を一層確実に避けることができる。
(実施例) 以下、この発明を実施例に基づいて説明する。
第1図および第2図は、この発明の第1の実施例のプラ
ズマフラッシュ蒸着装置を表わしたもので、成膜チャン
バー1の上側にプラズマトーチ2でなる低圧高温プラズ
マ3を生成させる手段が設置してあると共に、成膜チャ
ンバー1内には、前記プラズマトーチ2と対向させて、
基板4のホルダーとして、基板加熱ホルダー5が設置し
てある。
前記プラズマトーチ2は、窒化ケイ素製の内管6(内径
約2cmφ)と透明石英製の外管7の二重構造として構成
され、内管6の上端部にバルブ8を介して不活性ガスの
導入系9が接続されていると共に、内管6の下端が成膜
チャンバー1内に開口させてある。また、外管7の外側
には高周波コイル10が嵌装してあり、高周波コイル10に
は高周波電源11が接続してある。外管7の上下部外側に
は導入ポート7a、7bが設けられて、矢示12のように冷却
水を流して内管7を冷却できるようになっている。
前記成膜チャンバー1は主バルブ13を介して排気系(図
示していない)が接続されているもので、成膜チャンバ
ー1内および前記内管6の内側を真空排気できるように
なっている。このような成膜チャンバー1の内側には、
シャッター14が前記プラズマトーチ2の下端開口部と基
板加熱ホルダー5の間に開閉可能に設置してある。
そして更に、前記プラズマトーチ2の下端開口部の下方
(約2cm下方)に第2図に示した如くのリング状のガス
噴出ノズル15(直径約5cmとした)が設置してある。こ
のガス噴出ノズル15は管体16をリング状に成形したもの
で、内側壁には、全周に亘って所定の間隔でガス噴出口
17、17が穿設してある。このガス噴出ノズル15にはバル
ブ18を介して活性ガスの導入系19が接続してある。但
し、ガスの噴出口から均等に反応ガスを噴出できれば良
く、形状はリングであることに限定されるものではな
い。
前記不活性ガスの導入系9には、別の導入系20が合流さ
せてあり、この導入系20より、不活性ガス中に、蒸着す
べき粉末原料21を混入できるようになっている。
上記のようなプラズマフラッシュ蒸着装置を用いてYBaC
uO超電導薄膜のプラズマフラッシュ蒸着を行なった。
はじめに主排気系を介して成膜チャンバー1内およびプ
ラズマトーチ2の内管6内を真空(〜10-4Torr)に排気
した後、不活性ガスの導入系9を通してアルゴンガスを
10l/minの流量でプラズマトーチ2へ導入すると共に、
ガス噴出ノズル15を通して活性ガスの導入系19より酸素
ガスを0.5〜10l/minの流量で成膜チャンバー1へ導入し
て、成膜チャンバー1内の圧力を20Torrに調整した。次
に冷却水を矢示12のように流した状態で、高周波電源11
をONにして高周波コイル10に高周波(13.56MHz、10KW)
を印加したところ、内管6の内部に低圧高温プラズマ3
が生成し、プラズマフレームは第1図に図示の如くプラ
ズマトーチ2の下端開口部の直下でピーチし、安定なプ
ラズマ柱(低圧高温プラズマ3と図示した部分)とプラ
ズマテール部22が形成された。
そこで、基板加熱ホルダー5にセットした基板4((10
0)MgO単結晶基板)を750℃に加熱した状態で、前記導
入系20を通して0.5l/minの流量のアルゴンガスで、YBaC
uO超電導粉(粉粒〜1μm)を微量ずつプラズマトーチ
2に供給し、プラズマフレームが安定したところで、シ
ャッター14を開けて、基板4の表面にYBaCuO超電導薄膜
を形成させた。成膜中も、安定なプラズマ柱とプラズマ
テール部22の形成を持続することができた。
成膜時間20分で0.5〜1μmの厚さの光沢のある超電導
薄膜が成膜後に高温熱処理を施すことなく得られた。ま
た、得られた超電導薄膜は臨界温度Tc(ρ=0)が90゜K
であり、C軸強配向膜であった。膜中に未揮発のYBaCuO
超電導粉の混入は認められなかった。
次に、第3図および第4図は、この発明の第2の実施例
のプラズマフラッシュ蒸着装置を表わしたものである。
この第2の実施例は、ガス噴出ノズル23が前記第1の実
施例と異なっており、その他の部分は同様の構成となっ
ているので、同一の符号を付して説明は省略する。
ガス噴出ノズル23は、第4図に示したように管体24はリ
ング状に成形してあり、内側壁には、中央より一側(図
中右半分)に偏ってガス噴出口25、25が穿設してある。
但し、ガス噴出口が片側にあり、その結果プラズマフレ
ームを偏向できれば良いため、管体24の形状がリング状
と限定されるものではない。
この第2の実施例のプラズマフラッシュ蒸着装置を用い
て前記と同様の条件で、YBaCuO超電導薄膜の蒸着を行な
ったところ、プラズマテール部22が第3図に図示したよ
うに、酸素ガスの噴射方向に数度偏向した。そこで、基
板加熱ホルダー5上の基板4を前記偏向方向に偏って配
置したところ、前記と同様に光沢のある超電導薄膜が得
られた。臨界温度Tc(ρ=0)は約90゜Kであり、C軸強
配向膜であった。
この実施例の場合、未揮発の超電導粉が生じたとして
も、その落下位置は基板4の外側にできるので、薄膜中
への混入を避けるのに有効であり、実際に得られた膜中
にも混入は認められなかった。
以上、酸化物超電導薄膜を蒸着した実施例について説明
したが、窒化膜などの硬質膜や絶縁膜の蒸着にも、前記
各装置を使用することができる。
(発明の効果) 請求項1および2に記載した発明によれば、活性ガスを
プラズテール部に供給するようにしたので、低圧高温プ
ラズマの生成を安定に持続させて、所望の薄膜を精度よ
く成膜できる効果があるとともに、供給した粉末原料を
完全に気化でき、未揮発粉末が薄膜中に混入するのを避
けられる効果がある。
請求項4および5に記載した発明は、前記の効果が得ら
れる装置を提供できるものである。
また、請求項3に記載した発明によれば、活性ガスによ
ってプラズテール部を偏向できるので、未揮発粉末が生
じたとしても、該未揮発粉末の落下位置と成膜の位置を
分離し、薄膜中に未揮発粉末が混入するのを、より一層
確実に回避できる効果がある。
請求項6に記載した発明は、このような効果が得られる
装置を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の第1の実施例におけるプラズマフラ
ッシュ蒸着装置の構成図、第2図は同じく第1の実施例
のガス噴出ノズルの拡大横断面図、第3図はこの発明の
第2の実施例におけるプラズマフラッシュ蒸着装置の構
成図、第4図は同じく第2の実施例のガス噴出ノズルの
拡大横断面図である。 1……成膜チャンバー、2……プラズマトーチ 3……低圧高温プラズマ、4……基板 5……基板加熱ホルダー、9……不活性ガスの導入系 14……シャッター 15、23……ガス噴出ノズル 17、25……ガス噴出口 19……活性ガスの導入系、20……導入系 21……粉末原料、22……プラズマテール部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 吉秋 茨城県つくば市千現1丁目2番1号 科学 技術庁金属材料技術研究所筑波支所内 (72)発明者 浅野 稔久 茨城県つくば市千現1丁目2番1号 科学 技術庁金属材料技術研究所筑波支所内 (72)発明者 前田 弘 茨城県つくば市千現1丁目2番1号 科学 技術庁金属材料技術研究所筑波支所内 (72)発明者 深川 渡 東京都府中市四谷5―8―1 日電アネル バ株式会社内 (72)発明者 細川 直吉 東京都府中市四谷5―8―1 日電アネル バ株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−208450(JP,A)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】真空容器内で低圧高温プラズマを生成し、
    該低圧高温プラズマ内に供給した粉末原料の薄膜を基板
    上に得るプラズマフラッシュ蒸着方法において、前記低
    圧高温プラズマは不活性ガスのみをプラズマ生成ガスと
    して生成させる一方、低圧高温プラズマのテール部に対
    して活性ガスを供給するようにしたことを特徴とするプ
    ラズマフラッシュ蒸着方法
  2. 【請求項2】活性ガスの供給は、低圧高温プラズマのテ
    ール部の周囲全周から供給するようにした請求項1記載
    のプラズマフラッシュ蒸着方法
  3. 【請求項3】活性ガスの供給は、低圧高温プラズマのテ
    ール部の外側一側から供給するようにした請求項1記載
    のプラズマフラッシュ蒸着方法
  4. 【請求項4】真空容器内に、低圧高温プラズマを生成さ
    せる手段と、該低圧高温プラズマに供給した粉末原料の
    薄膜を形成させる基板のホルダーを対向させて備えてな
    るプラズマフラッシュ蒸着装置において、前記低圧高温
    プラズマを生成させる手段と基板のホルダーの間に、活
    性ガスの供給手段が設置してあることを特徴としたプラ
    ズマフラッシュ蒸着装置
  5. 【請求項5】活性ガスの供給手段は、ガス噴出口を全周
    に亘って均等に設けたリング状のガス噴出ノズルで構成
    した請求項4記載のプラズマフラッシュ蒸着装置
  6. 【請求項6】活性ガスの供給手段は、ガス噴出口を一側
    に偏って設けたリング状のガス噴出ノズルで構成した請
    求項4記載のプラズマフラッシュ蒸着装置
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DE19742691C1 (de) * 1997-09-26 1999-01-28 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten

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