JP5080977B2 - シートプラズマ成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ成膜装置に関する。より詳しくは、シート状に変形されたプラズマを用いたシートプラズマ成膜装置に関する。

近年、図６に示すように、プラズマ源から発生する円柱状のプラズマ（以下、円柱状プラズマという）に永久磁石による磁界を作用させ、シート状に変形したプラズマ（以下、シート状プラズマという）を用いたシートプラズマ成膜装置が注目されている（特許文献１参照）。具体的には、陰極側５からの円柱状プラズマ流を永久磁石３によりシート状プラズマ６に形成し、該シート状プラズマ６に磁場コイル２を用いて陽極１に導くシートプラズマ成膜装置が開示されている。このシートプラズマ成膜装置では、シート状プラズマ６の移動過程において、ターゲット７からスパッタ粒子を発生させ、基板８に成膜するようにしている。

すなわち、シートプラズマ成膜装置においては、プラズマ源から放出された円柱状プラズマは、まず永久磁石が配設されたシートプラズマ変形室に導かれ、永久磁石による磁界を作用させてシート状プラズマに形成される。そして、該シート状プラズマは、例えば、スパッタリング加工を行うスパッタリング室に導入される。スパッタリング室においては、導入されたシート状プラズマを挟むようにして、ターゲット及び基板が対向して配置される。スパッタリング室には、移動して来るシート状プラズマを受けるための陽極が設けられる。シート状プラズマは、ターゲットと基板との間を通過する際に、ターゲットからターゲット粒子をスパッタする。基板には、ターゲットからスパッタされ、シート状プラズマを通過してイオン化されたターゲット粒子が堆積されて、膜が形成される。そして、ターゲットと基板との間を通過したシート状プラズマが陽極に導かれる。

また、上記シートプラズマ変形室とスパッタリング室との間にスリット状の開口部を備えた中間電極を設けたシートプラズマ成膜装置も提案されている（特許文献２参照）。
特開２００５−１７９７６７号公報 特開平７−２９６９８８号公報

しかしながら、上記各シートプラズマ成膜装置においては、ターゲットや基板の表面が負電荷に覆われてしまい、バイアス電圧が印加できなくなるという問題を有していた。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、ターゲットや基板に安定してバイアス電圧を印加できるシートプラズマ成膜装置を提供することを目的としている。

本件発明者らは、上記課題を鋭意検討した結果、スパッタリング室内に導入されたシート状プラズマは、実際には可視部（高密度部分）の周囲にまで拡がっており、そのような広がったプラズマ（低密度部分）にターゲットや基板の表面がさらされると、ターゲット表面及び基板表面が負電荷に覆われてしまうことを発見した。そして、ターゲット及び基板とプラズマ発生電源とがシート状プラズマを介して短絡し（回路的に導通した状態）、ターゲット及び基板にバイアス電圧を印加することができなくなることを見出した。

そこで、上記課題を解決するために、本発明のシートプラズマ成膜装置は、内部を減圧可能な減圧容器と、前記減圧容器の内部にプラズマを発生させるプラズマガンと、前記減圧容器の内部において前記プラズマを受ける陽極と、前記プラズマガンで発生したプラズマを円柱状に成形し前記陽極の側へ流動させるプラズマ流動手段と、前記減圧容器の一部を成し前記円柱状のプラズマが流動するように形成されたシートプラズマ変形室と、前記シートプラズマ変形室の外側に前記流動するプラズマを挟んで同極同士が対向するように設けられ、前記シートプラズマ変形室の内部において前記円柱状のプラズマをシート状のプラズマに変形する一対の永久磁石と、前記減圧容器の一部を成すように形成され、その内部に、基板を保持する基板ホルダとターゲットとが前記変形されたシート状のプラズマをその厚み方向に挟むように配置された成膜室と、を備え、前記減圧容器は、前記成膜室の開口部を構成する第一、第二のボトルネック部を有し、前記シート状のプラズマが前記シートプラズマ変形室から該第一のボトルネック部を通って前記成膜室に流入し、かつ該流入したシート状のプラズマが該第二のボトルネック部を通って前記陽極へ流出するように形成され、前記シート状のプラズマの厚み方向において前記第一、第二のボトルネック部と前記シート状のプラズマの可視部との間に隙間が形成され、かつ、前記第一、第二のボトルネック部の内部空間の幅が前記シート状プラズマの幅よりも大きい。

このような構成とすると、前記第一、第二のボトルネック部によりシート状プラズマの低密度部分の厚みが規制され、成膜室における前記低密度部分の拡がりが抑制される。その結果、ターゲット表面及び基板表面を適宜配置することにより、ターゲット表面及び基板表面がプラズマにさらされず、ターゲット表面及び基板表面が負電荷で覆われることが防止される。したがって、回路的に導通した状態になることを回避することができ、ターゲット及び基板に安定してバイアス電圧を印加することができる。

前記第一のボトルネック部は、前記変形されたシート状のプラズマがその断面形状を維持したまま通過可能な断面形状を有するように形成されていてもよい。

前記シート状のプラズマの厚み方向において、前記シート状のプラズマの前記流動による輸送中心と前記ターゲット及び前記基板の少なくともいずれかの表面との距離が、前記シート状のプラズマの輸送中心と前記第一のボトルネック部の内壁との距離及び前記シート状のプラズマの輸送中心と前記第二のボトルネック部の内壁との距離よりも大きいことが好ましい。

前記シート状のプラズマの前記輸送中心と前記ターゲット及び前記基板の少なくともいずれかの表面との距離が１０ｍｍ以上でかつ２００ｍｍ以下であることが好ましい。

このような構成とすると、ターゲット表面及び基板表面がシート状プラズマにさらされることが抑制される。

前記シート状のプラズマの厚み方向において、前記第一のボトルネック部の内寸が、前記シート状のプラズマの前記輸送中心と前記ターゲット表面及び前記基板表面との距離の和よりも小さく、かつ１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましい。

前記ターゲット及び前記基板の少なくともいずれかを、前記シート状のプラズマの厚み方向に移動させる移動機構を有していてもよい。

このような構成とすると、ターゲット及び基板とシート状プラズマとの距離を調整することができる。したがって、ターゲット表面及び基板表面がシート状プラズマにさらされるのを的確に防止することができる。したがって、ターゲット及び基板にバイアス電圧を安定して印加することができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明は上記のように構成され、シートプラズマ成膜装置において、ターゲット表面及び基板表面が負電荷で覆われることが抑制され、ターゲット及び基板に安定してバイアス電圧を印加することができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係るシートプラズマ成膜装置の構成の一例を示す概略図である。図２は、図１のシートプラズマ成膜装置における成膜室の構成を示す図であって、図２（ａ）は成膜室の正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の成膜室をIIＢ−IIＢ線に沿って切断した状態を示す断面図である。以下、図１及び図２を参照しながら、本実施形態に係るシートプラズマ成膜装置について説明する。なお、ここでは便宜上、図１に示すように、プラズマ輸送の方向をＺ方向にとり、このＺ方向に直交し、かつ永久磁石２４Ａ、２４Ｂ（後述）の磁化方向をＹ方向にとり、これらのＺ方向及びＹ方向の両方に直交する方向をＸ方向にとって、このシートプラズマ成膜装置の構成を説明する。

本実施形態のシートプラズマ成膜装置１００は、内部を減圧可能な減圧容器を備えている。内部を減圧可能な減圧容器は、後述するシートプラズマ変形室２０と、成膜室３０と、陽極室５０と、第一ボトルネック部２９と、第二ボトルネック部３９とから構成される。

本実施形態のシートプラズマ成膜装置１００は、図１に示すように、ＹＺ平面において略十字形をなしている。本実施形態のシートプラズマ成膜装置１００は、プラズマ輸送の方向（Ｚ方向）から見て順番に、プラズマを高密度に形成するプラズマガン１０と、Ｚ方向の軸を中心とした円筒状のシートプラズマ変形室２０と、Ｙ方向の軸を中心とした円筒状の成膜室３０と、を備えて構成されている。なおこれらの各部１０、２０、３０は、プラズマを輸送する通路を介して互いに気密状態を保って連通されている。

プラズマガン１０は、減圧可能な放電空間１４を有し、このプラズマガン１０のＺ方向の一端は、この放電空間１４を塞ぐようにフランジ１１が配置されている。このフランジ１１には、プラズマ放電誘発用の熱電子を放出する陰極１２が配置されている。そして、フランジ１１には、この放電により電離される放電ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスを、この放電空間１４に導くガス導入手段（不図示）が設けられている。上記陰極１２が抵抗体Ｒ_Ｖを介して主直流電源Ｖ_１の負極端子に接続され、後述する陽極５１が主直流電源Ｖ_１の正極端子に接続されている。プラズマガン１０は、第一中間電極Ｇ_１と第二中間電極Ｇ_２とを備えている。第一中間電極Ｇ_１は、抵抗体Ｒ_１を介して上記主直流電源Ｖ_１の正極端子に接続されている。第二中間電極Ｇ_２は、抵抗体Ｒ_２を介して上記主直流電源Ｖ_１の正極端子に接続されている。そして、陰極１２と陽極５１との間でプラズマ放電（グロー放電）を維持するため、直流の主直流電源Ｖ_１と適宜の抵抗体Ｒ_Ｖ、Ｒ_１、Ｒ_２の組合せにより所定のプラス電圧を印加される。このようなプラズマ放電により、プラズマガン１０の放電空間１４には、荷電粒子（ここではＡｒ^＋と電子）の集合体としてのプラズマが形成される。なお、ここでは、主直流電源Ｖ_１に基づく低電圧かつ大電流の直流アーク放電により、陰極１２と後述する陽極５１との間に高密度のプラズマ放電を可能にする、公知の圧力勾配型のプラズマガン１０が採用されている。

プラズマガン１０の周囲には、該プラズマガン１０の側面周囲を取り囲むように、円環状の第一電磁コイル１３が配設されている。この第一電磁コイル１３の巻線に電流を流すことにより、プラズマガン１０の放電空間にはコイル磁界に基づく磁束密度のＺ方向の勾配が形成される。このような磁束密度のＺ方向の勾配により、プラズマを構成する荷電粒子は、この放電空間からＺ方向（陽極５１に向かう方向）に運動するよう、磁力線の回りを旋回しながらＺ方向に進み、これらの荷電粒子の集合体としてのプラズマが、Ｚ方向の輸送中心Ｐ（図３参照）に対して略等密度分布してなる円柱状のソースプラズマ（以下、「円柱状プラズマ２２」という）として、プラズマガン１０のＺ方向の他端とシートプラズマ変形室２０のＺ方向の一端との間に介在する通路（不図示）を介してシートプラズマ変形室２０に引き出される。

プラズマガン１０のＺ方向の他端には、シートプラズマ変形室２０が配設されている。プラズマガン１０とシートプラズマ変形室２０とは、絶縁物１５を介して接続されている。シートプラズマ変形室２０は、筒状部材１７を備えている。筒状部材１７の内部は、Ｚ方向の軸を中心とした円柱状の輸送空間２１を有する。筒状部材１７は、非磁性体で構成されており、例えば、ガラスやステンレスを用いて構成される。筒状部材１７のＸＹ平面に平行な断面の形状は、例えば、円形又は四角形であり、本実施形態においては円形に構成されている。筒状部材１７の外側には、一対の永久磁石２４Ａ，２４Ｂが配設されている。一対の永久磁石２４Ａ，２４Ｂは、各永久磁石２４Ａ，２４ＢのＮ極を、筒状部材１７をＹ方向において挟んで対向させるように配設されている。筒状部材１７の長さ方向において永久磁石２４Ａ，２４Ｂの両側に、第二電磁コイル（プラズマ流動手段）２３と第三電磁コイル（プラズマ流動手段）２８とが配設されている。第二電磁コイル２３は、プラズマガン１０から筒状部材１７に円柱状プラズマ２２を引き出すために用いられる。第二電磁コイル２３及び第三電磁コイル２８は、後述するシート状プラズマ２７の幅方向（Ｘ方向）の形状を整えるために用いられる。筒状部材１７の適所には、該筒状部材１７内の輸送空間２１を真空引きするための排気口１８が設けられている。排気口１８は、バルブ２６により開閉可能に構成されている。排気口１８には、真空ポンプ２５が接続されている。真空ポンプ２５は、円柱状プラズマ２２が輸送できるレベルにまで、輸送空間２１内を速やかに減圧する。

図１に示すように、プラズマガン１０から放出された円柱状プラズマ２２は、輸送空間２１の永久磁石２４Ａ，２４Ｂが配設された位置にまで進むと、永久磁石２４Ａ，２４Ｂによって形成された磁界により、シート状に変形される（シート状プラズマ２７）。シート状プラズマ２７は、第三電磁コイル２８により、その幅方向（Ｘ方向）の形状が規制される。形成されたシート状プラズマ２７は、後述する陽極５１に導かれる。シート状プラズマ２７を形成する方法については、後に詳しく説明する。

シートプラズマ変形室２０のＺ方向の前端は、成膜室３０と連結される。ここで、成膜室３０としては、例えば、シート状プラズマ２７中のＡｒ^＋（アルゴンイオン）の衝突エネルギーにより、ターゲット３３Ａからスパッタ粒子を叩き出す真空スパッタリング装置が採用されている。

成膜室３０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、円筒状のチャンバ４０を備えている。チャンバ４０は、非磁性の材料、例えば、ステンレスで構成される。チャンバ４０には、その高さ方向（Ｙ方向）のほぼ中間に、第一開口部４２が設けられている。第一開口部４２には、該開口と接合するフランジ４３が配設されている。シートプラズマ変形室２０と成膜室３０とは、チャンバ４０の側壁に形成された第一開口部４２及びフランジ４３を介して連結されている。すなわち、シートプラズマ変形室２０と成膜室３０とは、第一開口部４２と、フランジ４３によって形成されるボトルネック部（第一ボトルネック部）２９とを介して接続されている。なお、第一ボトルネック部２９の内部空間は、Ｘ方向に長い矩形の断面を有し、Ｚ方向に延びる四角柱状に形成されている。第一ボトルネック部２９の内部空間の高さ（Ｙ方向内寸Ｈ_５）及び幅（Ｘ方向内寸）は、シート状プラズマ２７が適切に通過できるように設計されている。例えば、第一ボトルネック部２９の内部空間の高さは、本実施形態では、４０ｍｍになるように形成されている。また、第一ボトルネック部２９の内部空間の幅は、形成されるシート状プラズマ２７の幅よりも大きくなるように形成されている。すなわち、第一ボトルネック部２９の内部空間は、形成されたシート状プラズマ２７が該開口を通り抜けることができる大きさに形成されている。

チャンバ４０は、その内部に成膜空間３１を有する。ここで、以下においては、成膜空間３１は、その機能上、上下方向（Ｙ方向）において、第一ボトルネック部２９の内部空間に対応する水平面（ＸＺ平面）に沿った中央空間を境にして、後述するターゲット３３Ａを格納する囲い部により区画されたターゲット空間３１Ａと、後述する基板３４Ａを格納する囲い部により区画された基板空間３１Ｂと、に区分けして説明する。なお、上記中央空間は、成膜室３０においてシートプラズマ２７の高密度部分が輸送される空間である。

ターゲット空間３１Ａには、ターゲット３３Ａを保持するターゲットホルダ３３が配設されている。ターゲットホルダ３３は、円板状のホルダ３３Ｂを備えている。該ホルダ３３Ｂには、Ｙ方向に延びる円柱状の支軸３３Ｃが接続されている。そして、支軸３３Ｃは、前記チャンバ４０に設けられた貫通穴（図示せず）に挿通されている。支軸３３Ｃは、移動機構３５に接続されており、それによって、ターゲットホルダ３３がＹ方向に移動可能になっている。移動機構３５としては、公知のものを用いることができる。支軸３３Ｃは、成膜室３０内部の成膜空間３１の真空度を保つことができるよう、チャンバ４０に対して気密的に配設されている。また、支軸３３Ｃは、成膜室３０と短絡しないよう、成膜室３０（チャンバ４０）に対して絶縁的に配設されている。ターゲットホルダ３３には、直流電源Ｖ_２が接続されている。この直流電源Ｖ_２によって、ターゲットホルダ３３に負のバイアス電圧が印加される。ターゲット３３Ａは、本実施形態では、銅で構成されている。ここで、ターゲット３３Ａとしては、後述する基板３４Ａに形成される膜に応じてその他の材料で構成することもできる。

また、基板空間３１Ｂには、基板３４Ａを保持する基板ホルダ３４が配設されている。基板ホルダ３４は、円板状のホルダ３４Ｂを備えている。該ホルダ３４Ｂには、Ｙ方向に延びる円柱状の支軸３４Ｃが接続されている。そして、支軸３４Ｃは、前記チャンバ４０に設けられた貫通穴（図示せず）に挿通されている。支軸３４Ｃは、移動機構３６に接続されており、それによって、基板ホルダ３４がＹ方向に移動可能になっている。移動機構３６としては、公知のものを用いることができる。基板ホルダ３４は、形成されたシート状プラズマ２７を挟んで前記ターゲットホルダ３３と対向するよう（ここでは共に水平に）配設されている。支軸３４Ｃは、成膜室３０内部の成膜空間３１の真空度を保つことができるよう、チャンバ４０に対して気密的に配設されている。また、支軸３４Ｃは、成膜室３０と短絡しないよう、成膜室３０（チャンバ４０）に対して絶縁的に配設されている。基板ホルダ３４には、直流電源Ｖ_３が接続されている。この直流電源Ｖ_３によって、基板ホルダ３４に負のバイアス電圧が印加される。

チャンバ４０の適所には、該チャンバ４０内の成膜空間３１を真空引きするための排気口３２が設けられている。排気口３２は、バルブ３７により開閉可能に構成されている。排気口３２には、真空ポンプ３８が接続されている。真空ポンプ３８は、シート状プラズマ２７が輸送できるレベルにまで、成膜空間３１内を速やかに減圧する。

成膜室３０のチャンバ４０の後端（Ｚ方向）には第二開口部４５が形成されている（図２参照）。第二開口部４５には、該開口に接合するフランジ４３が配設されている。成膜室３０と後述する陽極室５０とは、第二開口部４５及びフランジ４３を介して連結されている。すなわち、成膜室３０と陽極室５０とは、第二開口部４５と、フランジ４３によって形成されるボトルネック部（第二ボトルネック部）３９とを介して接続されている。なお、第二ボトルネック部３９の内部空間の高さ（Ｙ方向内寸Ｈ_９）及び幅（Ｘ方向内寸）は、シート状プラズマ２７が適切に通過できるように設計されている。例えば、第二ボトルネック部３９の内部空間の高さは、本実施形態では、４０ｍｍになるように形成されている。また、第二ボトルネック部３９の内部空間の幅は、形成されるシート状プラズマ２７の幅よりも大きくなるよう形成されている。すなわち、第二ボトルネック部３９の内部空間は、形成されたシート状プラズマ２７が該開口を通り抜けることができる大きさに構成されている。第二ボトルネック部３９の周囲には、第四電磁コイル（プラズマ流動手段）４８が配設されている。該第四電磁コイル４８は、形成されたシート状プラズマ２７の幅方向の形状を整えるために用いられる。

陽極室５０は、筒状体を備えている。陽極室５０は、上記フランジ４３に筒状体の一端が接続され、該筒状体の他端が陽極５１で閉鎖されて形成されている。筒状体と陽極５１とは、絶縁物（図示せず）を介して接続されている。陽極５１の裏面には、永久磁石５２が配設されている。永久磁石５２は、そのＳ極が陽極５１と接触するように配設されている。永久磁石５２は、シート状プラズマ２７のＺ方向の末端の形状を整える。

また、本実施形態のシートプラズマ成膜装置１００は、制御装置（図示せず）を備えている。制御装置は、真空ポンプ２５，３８、主直流電源Ｖ_１、直流電源Ｖ_２，Ｖ_３等の動作を制御する。

次に、本発明を特徴付ける、前記第一ボトルネック部２９及び第二ボトルネック部３９のＹ方向内寸と、前記シートプラズマ変形室２０及び前記成膜室３０のＹ方向内寸との関係について説明する。

図１に示すように、本実施形態においては、第一ボトルネック部２９のＹ方向内寸Ｈ_５が、シートプラズマ変形室２０のＹ方向内寸Ｈ_１０よりも小さくなるように構成されている。また、第一ボトルネック部２９のＹ方向内寸Ｈ_５が、成膜室３０のＹ方向内寸Ｈ_６よりも小さくなるように構成されている。このような構成とすると、成膜室３０内に輸送されるシート状プラズマ２７の低密度部分の厚みが第一ボトルネック部２９で規制され、それにより成膜室３０内における前記低密度部分のＹ方向における拡がりが規制される。また、第一ボトルネック部２９のＹ方向内寸Ｈ_５と、シートプラズマ変形室２０のＹ方向内寸Ｈ_１０及び成膜室３０のＹ方向内寸Ｈ_６との差が大きい程、この効果が大きくなるので、当該差が大きいことが好ましい。具体的には、第一ボトルネック部２９のＹ方向内寸Ｈ_５は、前記シート状プラズマ２７の前記輸送中心Ｐと前記ターゲット３３Ａ表面及び前記基板３４Ａ表面との距離の和（Ｈ_１＋Ｈ_２）よりも小さく、かつ１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましい。

また、図１に示すように、本実施形態においては、第二ボトルネック部３９のＹ方向内寸Ｈ_９が、成膜室３０のＹ方向内寸Ｈ_６よりも小さくなるように構成されている。また、第二ボトルネック部３９のＹ方向内寸Ｈ_９と、成膜室３０のＹ方向内寸Ｈ_６との差が大きいことが好ましい。このような構成とすると、成膜室３０内のシート状プラズマ２７の低密度部分のＹ方向における拡がりが規制される。そして、上記第一ボトルネック部２９と第二ボトルネック部３９との効果が相まって、さらに、シート状プラズマ２７の低密度部分のＹ方向における拡がりが規制される。

また、本実施形態のシートプラズマ成膜装置１００においては、経験則上、シート状プラズマ２７の高密度部分（可視部）とターゲット３３Ａ及び基板３４Ａとの距離を２０ｍｍにすることにより、シート状プラズマ２７とターゲット３３Ａ及び基板３４Ａとが回路的に導通しないと判明している。したがって、シート状プラズマ２７の輸送中心Ｐと前記ターゲット３３Ａの表面との距離Ｈ_１は、シート状プラズマ２７の輸送中心Ｐと第一ボトルネック部２９の内壁との距離Ｈ_３よりも大きく、かつ、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることが好ましい。また、シート状プラズマ２７の輸送中心Ｐと前記基板３４Ａの表面との距離Ｈ_２は、シート状プラズマ２７の輸送中心Ｐと第一ボトルネック部２９の内壁との距離Ｈ_４よりも大きく、かつ、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることが好ましい。また、シート状プラズマ２７の輸送中心Ｐと前記ターゲット３３Ａの表面との距離Ｈ_１は、シート状プラズマ２７の輸送中心Ｐと第二ボトルネック部３９の内壁との距離Ｈ_７よりも大きいことが好ましい。また、シート状プラズマ２７の輸送中心Ｐと前記基板３４Ａの表面との距離Ｈ_２は、シート状プラズマ２７の輸送中心Ｐと第二ボトルネック部３９の内壁との距離Ｈ_８よりも大きいことが好ましい。

以下、第二電磁コイル２３及び一対の永久磁石２４Ａ，２４Ｂによる磁界相互作用に基づく、円柱状プラズマ２２からシート状プラズマ２７に変形する方法について、図３を参照しながら詳しく説明する。

図３は、図１に示すシートプラズマ成膜装置１００によって形成されるシート状プラズマ２７の形成法の概略を説明する模式図であって、図３（ａ）は永久磁石２４Ａ，２４ＢのＺ方向中央付近のＸＹ平面に平行な断面の模式図、図３（ｂ）は永久磁石２４Ａ，２４ＢのＸ方向中央付近のＹＺ平面に平行な断面の模式図である。

なお、図３中の符号Ｂｘ、Ｂｙ、及びＢｚは各々、図１中のＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の磁束密度ベクトル成分を表している。

図３（ｂ）に示すように、第二電磁コイル２３の磁界により、永久磁石２４Ａ，２４Ｂに到達する前の円柱状プラズマ２２のＺ方向に作用する初期の磁束密度成分Ｂｚ０が形成されている。このとき、初期の磁束密度成分Ｂｚ０と、一対の永久磁石２４Ａ，２４Ｂが作るＺ方向の磁束密度成分Ｂｚとの間の大小関係を適正に保つように、第二電磁コイル２３の配置や第二電磁コイル２３の巻線に流す電流量を設定する必要がある。両者間の適正な関係を保たなければ、円柱状プラズマ２２をシート状プラズマ２７に変形する際にプラズマの形態が乱れるため（例えば、いわゆる角の発生）、主面Ｓに沿って、円柱状プラズマ２２を均一に拡げにくくなると考えられている。

次に、図３（ａ）に示すように、ＸＹ平面上には、一対の永久磁石２４Ａ，２４ＢのＮ極面から互いに輸送中心Ｐに近づくよう、磁束密度のＹ方向成分Ｂｙの対が形成される。また、これらの永久磁石２４Ａ，２４ＢのＮ極面と平行に輸送中心Ｐから互いに離れるよう、磁束密度のＸ方向成分Ｂｘの対が形成される。

磁束密度のＹ方向成分Ｂｙの対については、永久磁石２４Ａ，２４ＢのＮ極面を互いに対向するよう配置させていることから、これらのＮ極面から輸送中心Ｐに近づくに連れて、そのＹ方向成分に互いに相殺され、これらの磁束密度のＹ成分に適宜のマイナス勾配を持たせることができる。

このような磁束密度のＹ方向成分Ｂｙの勾配は、図３（ａ）の矢印で示すように、輸送中心Ｐに向かってＹ方向に円柱状プラズマ２２を圧縮する方向に荷電粒子を運動させる。これにより、円柱状プラズマ２２中の荷電粒子は、磁力線の回りを旋回しながら輸送中心Ｐの方向に進む。

一方、磁束密度のＸ方向成分Ｂｘの対については、永久磁石２４Ａ，２４Ｂの配置やその磁場強度の適切な設計により、輸送中心ＰからＸ方向に離れるに連れて、これらの磁束密度のＸ成分に適宜のマイナス勾配を持たせるように調整できる。

このような磁束密度のＸ方向成分Ｂｘの勾配は、図３（ａ）の矢印で示すように、円柱状プラズマ２２を主面Ｓ（ＸＺ平面）に沿って拡げる方向に荷電粒子を運動させる。これにより、円柱状プラズマ２２中の荷電粒子は、磁力線の回りを旋回しながら輸送中心Ｐから離れる方向に進む。

こうして、円柱状プラズマ２２は、シートプラズマ変形室２０をＺ方向に移動する間に、第二電磁コイル２３及び永久磁石２４Ａ，２４Ｂによる磁界相互作用に基づいて、主面Ｓに沿ったシート状プラズマ２７に均一に変形される。なお、シート状プラズマ２７の幅、厚み及び荷電粒子密度分布等は、これらの磁束密度Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚ、Ｂｚ０を適宜変更することにより、調整可能である。

このようにして変形されたシート状プラズマ２７は、図１に示すように、シートプラズマ変形室２０のＺ方向の他端と成膜室３０の側壁との間に介在する、シート状プラズマ２７の通過用のスリット状の第一ボトルネック部２９を介して成膜室３０へ引き出される。

上記のようにして形成されたシート状プラズマ２７を、視覚的に説明する。図４は、図１のシートプラズマ成膜装置１００において形成されるシート状プラズマ２７の平面図である。図５は、図１のシートプラズマ成膜装置１００において形成されるシート状プラズマ２７の斜視図である。

図４及び図５に示すように、プラズマガン１０からＺ方向に向かって円柱状プラズマ２２が放出される。該円柱状プラズマ２２は、第一電磁コイル１３及び第二電磁コイル２３により、永久磁石２４Ａ，２４Ｂが配設された位置にまで輸送される。ここで、上述のように、永久磁石２４Ａ，２４Ｂが発生する磁界により、円柱状プラズマ２２が、ＸＺ平面に沿って拡がったシート状プラズマ２７に変形される。該シート状プラズマ２７は、第三電磁コイル２８及び第四電磁コイル４８により、陽極５１に輸送される。

次に、本実施形態のシートプラズマ成膜装置１００の動作について説明する。なお、シートプラズマ成膜装置１００は、前述のとおり制御装置を備えていて、この制御装置により、以下の動作が遂行される。

まず、本実施形態のシートプラズマ成膜装置１００においては、真空ポンプ２５を動作させて、シートプラズマ変形室２０の内部を真空引きする。また、真空ポンプ３８を動作させて、成膜室３０の内部を真空引きする。

次に、陰極１２にアルゴンガスを導入し、陰極１２からアルゴンイオンを含む円柱状プラズマ２２を放出させる。放出された円柱状プラズマ２２は、シートプラズマ変形室２０に導入される。このように導入された円柱状プラズマ２２は、第二電磁コイル２３によって、シートプラズマ変形室２０の永久磁石２４Ａ，２４Ｂが配設された位置にまで輸送される。このように輸送された円柱状プラズマ２２は、一方の永久磁石２４ＡのＮ極と他方の永久磁石２４ＢのＮ極とから発生される磁界により押しつぶされて、シート状プラズマ２７に変形される。このように変形されたシート状プラズマ２７は、シートプラズマ変形室２０から第一ボトルネック部２９を通って成膜室３０に輸送される。

成膜室３０内においては、直流電源Ｖ_２から負のバイアス電圧がターゲットホルダ３３を介してターゲット３３Ａに印加されている。一方、直流電源Ｖ_３から負のバイアス電圧が基板ホルダ３４を介して基板３４Ａに印加されている。そして、ターゲット３３Ａが負バイアスに帯電することにより、シート状プラズマ２７中のアルゴンイオンがターゲット３３Ａに引き付けられる。ターゲット３３Ａに引き付けられたアルゴンイオンは、ターゲット３３Ａ中の銅原子をスパッタする。スパッタされた銅原子は、シート状プラズマ２７中を該厚み方向へ通過して、その際に銅イオンに変換される。銅イオンは、基板３４Ａの表面に堆積することによって膜を形成する。

次に、本実施形態のシートプラズマ成膜装置１００の特徴的な動作について説明する。

本実施形態のシートプラズマ成膜装置１００は、シートプラズマ変形室２０と成膜室３０とを第一ボトルネック部２９を介して接続し、成膜室３０と陽極室５０とを第二ボトルネック部３９を介して接続している。よって、第一ボトルネック部２９及び第二ボトルネック部３９により、シート状プラズマ２７の低密度部分の厚みが規制される。したがって、成膜室３０内における低密度部分の拡がりが抑制され、ターゲット３３Ａ表面及び基板３４Ａ表面がシート状プラズマ２７の低密度部分にさらされなくなり、ターゲット３３Ａ表面及び基板３４Ａ表面が負電荷で覆われなくなる。よって、回路的に導通した状態になることを回避することができ、ターゲット３３Ａ及び基板３４Ａに安定してバイアス電圧を印加することができる。

また、本実施形態のシートプラズマ成膜装置１００は、ターゲットホルダ３３及び基板ホルダ３４を上下移動可能にする移動機構３５，３６を有しているため、シート状プラズマ２７とターゲット３３Ａ及び基板３４Ａとの距離を可変にすることができる。よって、シート状プラズマ２７とターゲット３３Ａ及び基板３４Ａとの距離が近すぎる場合には、これを離すようにして、シート状プラズマ２７の低密度部分の範囲外にターゲット３３Ａ及び基板３４Ａを適切に位置させることができるので、ターゲット３３Ａ及び基板３４Ａがシート状プラズマ２７の低密度部分にさらされなくなる。したがって、回路的に導通した状態になることを的確に回避することができ、ターゲット３３Ａ及び基板３４Ａに安定してバイアス電圧を印加することができる。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明に係るシートプラズマ成膜装置は、ターゲット表面及び基板表面が負電荷で覆われることが抑制され、ターゲット及び基板に安定してバイアス電圧を印加することができるシートプラズマ成膜装置として有用である。

図１は、本発明の実施形態に係るシートプラズマ成膜装置の構成を示す概略図である。 図２は、本実施形態のシートプラズマ成膜装置における成膜室の構成を示す図であって、図２（ａ）は成膜室の正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の成膜室をIIＢ−IIＢ線に沿って切断した状態を示す断面図である。 図３は、シート状プラズマの形成法の概略を説明する模式図であって、図３（ａ）は永久磁石のＺ方向中央付近のＸＹ平面に平行な断面の模式図、図３（ｂ）は永久磁石のＸ方向中央付近のＹＺ平面に平行な断面の模式図である。 図４は、図１のシートプラズマ成膜装置によって形成されたシート状プラズマを示す平面図である。 図５は、図１のシートプラズマ成膜装置によって形成されたシート状プラズマを示す斜視図である。 図６は、従来におけるシートプラズマ成膜装置の構成を示す概略図である。

符号の説明

１０ プラズマガン
１１ フランジ
１２ 陰極
１３ 第一電磁コイル
１４ 放電空間
１５ 絶縁体
１７ 筒状部材
１８，３２ 排気口
２０ シートプラズマ変形室
２１ 輸送空間
２２ 円柱状プラズマ
２３ 第二電磁コイル（プラズマ流動手段）
２４Ａ，２４Ｂ 永久磁石
２５，３８ 真空ポンプ
２６，３７ バルブ
２７（Ｓ） シートプラズマ
２８ 第三電磁コイル（プラズマ流動手段）
２９ 第一ボトルネック部
３０ 成膜室
３１ 成膜空間
３３Ａ ターゲット
３３Ｂ ターゲットホルダ
３３Ｃ，３４Ｃ 円柱状の支軸（支軸）
３４Ａ 基板
３４Ｂ 基板ホルダ
３５，３６ 移動機構
３９ 第二ボトルネック部
４０ チャンバ
４２ 第一開口部
４３ フランジ
４５ 第二開口部
４８ 第四電磁コイル（プラズマ流動手段）
５０ 陽極室
５１ 陽極
５２ 永久磁石
１００ シートプラズマ成膜装置
Ｇ_１ 第一中間電極
Ｇ_２ 第二中間電極
Ｐ 輸送中心
Ｓ 主面
Ｖ_１ 主直流電源
Ｖ_２，Ｖ_３ 直流電源

Claims (6)

1. 内部を減圧可能な減圧容器と、
   前記減圧容器の内部にプラズマを発生させるプラズマガンと、
   前記減圧容器の内部において前記プラズマを受ける陽極と、
   前記プラズマガンで発生したプラズマを円柱状に成形し前記陽極の側へ流動させるプラズマ流動手段と、
   前記減圧容器の一部を成し前記円柱状のプラズマが流動するように形成されたシートプラズマ変形室と、
   前記シートプラズマ変形室の外側に前記流動するプラズマを挟んで同極同士が対向するように設けられ、前記シートプラズマ変形室の内部において前記円柱状のプラズマをシート状のプラズマに変形する一対の永久磁石と、
   前記減圧容器の一部を成すように形成され、その内部に、基板を保持する基板ホルダとターゲットとが前記変形されたシート状のプラズマをその厚み方向に挟むように配置された成膜室と、
   前記減圧容器の一部を成すように形成され、一方の端部が前記陽極で閉鎖された陽極室と、を備え、
   前記減圧容器は、前記成膜室の第一開口部と、該第一開口部と接合する第一フランジとから構成され、シートプラズマ変形室と該成膜室とを連結する第一ボトルネック部、および前記成膜室の第二開口部と、該第二開口部と接合する第ニフランジとから構成され、前記陽極室と該成膜室とを連結する第二ボトルネック部をさらに有し、前記シート状のプラズマが前記シートプラズマ変形室から該第一のボトルネック部を通って前記成膜室に流入し、かつ該流入したシート状のプラズマが該第二のボトルネック部を通って前記陽極へ流出するように形成され、
   前記シート状のプラズマの厚み方向において前記第一、第二のボトルネック部と前記シート状のプラズマの可視部との間に隙間が形成され、かつ、前記第一、第二のボトルネック部の内部空間の幅が前記シート状プラズマの幅よりも大きい、シートプラズマ成膜装置。
2. 前記第一のボトルネック部は、前記変形されたシート状のプラズマがその断面形状を維持したまま通過可能な断面形状を有するように形成されている、請求項１に記載のシートプラズマ成膜装置。
3. 前記シート状のプラズマの厚み方向において、前記シート状のプラズマの前記流動による輸送中心と前記ターゲット及び前記基板の少なくともいずれかの表面との距離が、前記シート状のプラズマの輸送中心と前記第一のボトルネック部の内壁との距離及び前記シート状のプラズマの輸送中心と前記第二のボトルネック部の内壁との距離よりも大きい、請求項１に記載のシートプラズマ成膜装置。
4. 前記シート状のプラズマの前記輸送中心と前記ターゲット及び前記基板の少なくともいずれかの表面との距離が１０ｍｍ以上でかつ２００ｍｍ以下である、請求項３に記載のシートプラズマ成膜装置。
5. 前記シート状のプラズマの厚み方向において、前記第一のボトルネック部の内寸が、前記シート状のプラズマの前記輸送中心と前記ターゲット表面及び前記基板表面との距離の和よりも小さく、かつ１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下である、請求項１に記載のシートプラズマ成膜装置。
6. 前記ターゲット及び前記基板の少なくともいずれかを、前記シート状のプラズマの厚み方向に移動させる移動機構を有する、請求項１に記載のシートプラズマ成膜装置。

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