特開 2024-106833 イオン源、イオン電流密度分布変更方法、及び基材処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024106833

(43)【公開日】2024-08-08

(54)【発明の名称】イオン源、イオン電流密度分布変更方法、及び基材処理装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/48 20060101AFI20240801BHJP

   H01J 27/14 20060101ALI20240801BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20240801BHJP

【ＦＩ】

C23C14/48 D

H01J27/14

H01J37/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023011299

(22)【出願日】2023-01-27

(71)【出願人】

【識別番号】000146009

【氏名又は名称】株式会社昭和真空

(71)【出願人】

【識別番号】000125369

【氏名又は名称】学校法人東海大学

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100132883

【弁理士】

【氏名又は名称】森川 泰司

(74)【代理人】

【識別番号】100100860

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 陽子

(74)【代理人】

【識別番号】100148149

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 幸男

(72)【発明者】

【氏名】中里 隼

(72)【発明者】

【氏名】堀澤 秀之

(72)【発明者】

【氏名】池田 知行

【テーマコード（参考）】

4K029

5C101

【Ｆターム（参考）】

4K029BA03

4K029BA04

4K029BA17

4K029BA44

4K029BA46

4K029CA01

4K029CA09

4K029CA10

4K029DE02

5C101AA36

5C101AA39

5C101BB06

5C101BB07

5C101BB09

5C101CC01

5C101CC04

5C101CC17

5C101DD03

5C101DD17

5C101DD20

5C101DD22

5C101DD23

5C101DD25

5C101DD27

5C101DD33

5C101DD36

5C101EE42

5C101EE45

5C101FF16

5C101FF59

(57)【要約】

【課題】イオン源から照射されるイオンビームのイオン電流密度分布を容易に変更でき、小型で安価である、イオン源、イオン電流密度分布変更方法、及び基材処理装置を提供する。
【解決手段】イオン源６は、イオンを放出する開口を有し絶縁体で形成された放電室６１と、放電室６１内部に磁界を発生させる磁石と、放電室６１の底部に配置されたアノード６５と、磁石の磁力の強さを変更する磁力変更部と、を備え、磁界と電界が発生した放電室６１に、放電室６１の開口に隣接して配置されたニュートラライザ７から電子を挿入して、放電室６１の開口からイオンを放出させ、放電室６１から放出されるイオンの電流密度分布を、処理対象基材に応じて変更させる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料ガスが挿入される挿入口とイオンを放出する開口を有し、絶縁体で形成された放電室と、
前記放電室内部に磁界を発生させる磁石と、
前記放電室に配置され電界を発生させるアノードと、
前記磁界と前記電界が発生した前記放電室の前記開口に電子を挿入するニュートラライザと、
前記放電室から放出されるイオンの電流密度分布の設定を変更させる電流密度分布変更手段と、を備え、
前記イオンは、前記ニュートラライザから挿入された電子と前記原料ガスが衝突することにより生成され、
前記電流密度分布変更手段は、放出された前記イオンにより処理される基材に応じて電流密度分布の設定を変更させる、
イオン源。

【請求項2】

前記電流密度分布変更手段は、前記磁石の磁力の強さを変更する磁力変更部である、
請求項１に記載のイオン源。

【請求項3】

前記磁石は、永久磁石であり、前記放電室の外周を囲んで配置された、
請求項１に記載のイオン源。

【請求項4】

前記磁石は、電磁石であり、前記放電室の外周を囲んで配置された、
請求項１に記載のイオン源。

【請求項5】

前記磁力変更部は、前記放電室の開口の外周に配置される磁性体又は非磁性体で形成された制御板である、
請求項２に記載のイオン源。

【請求項6】

前記電流密度分布変更手段は、前記電磁石に付与する電流の大きさを変更する、
請求項４に記載のイオン源。

【請求項7】

前記電流密度分布変更手段は、複数の前記永久磁石の間隔を変更することにより、電流密度分布を変更する、
請求項３に記載のイオン源。

【請求項8】

前記電流密度分布変更手段は、前記アノードの電圧を変更することにより、電流密度分布を変更する、
請求項１に記載のイオン源。

【請求項9】

前記磁石を冷却する磁石冷却部を、更に備える、
請求項１に記載のイオン源。

【請求項10】

真空チャンバ内で基材を処理する基材処理装置であって、
前記真空チャンバ内で複数の前記基材を保持する基材ホルダと、
前記基材に対してイオンを照射する請求項１から請求項９の何れか１項に記載されたイオン源と、を備える、
基材処理装置。

【請求項11】

前記電流密度分布変更手段は、
前記複数の基材を保持する前記基材ホルダの基材保持面、又は前記基材ホルダに保持された複数の基材の移動軌跡における、膜厚分布、屈折率分布、又は加熱分布に応じて、電流密度分布の設定を変化させる、
請求項１０に記載の基材処理装置。

【請求項12】

前記基材処理装置は、成膜装置であり、
成膜材料の蒸発分布、前記基材ホルダと蒸発源の相対位置、又は前記基材ホルダと前記イオン源の相対位置に応じて、電流密度分布の設定を変更させる、
請求項１０に記載の基材処理装置。

【請求項13】

イオン源から放出されるイオンの電流密度分布を変更する方法であって、
放電室内に原料ガスを供給するステップと、
前記放電室内に磁界と電界を発生させるステップと、
前記放電室に電子を供給し前記原料ガスからイオンを生成し、前記放電室から前記イオンを放出させるステップと、
前記放電室から放出されるイオンの電流密度分布の設定を、前記イオンにより処理される基材に応じて変更するステップと、を備える、
イオン電流密度分布変更方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、処理対象基材にイオンを照射するイオン源、イオン電流密度分布変更方法、及び基材処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

基材処理装置の一つとして基板に薄膜を堆積させる成膜装置がある。成膜装置を使用した成膜方法として、イオン源によりイオン化したガス粒子を基材に照射し、蒸着材料分子を基材へ押し付け、膜質を改善して成膜するイオンアシスト蒸着法が知られている。

【0003】

特許文献１には、高周波電源を用いたイオン源が開示されている。このイオン源は、放電室内に導入されたガスを励起してプラズマ化し、グリッドと呼ばれる引出電極間に電圧を印加してイオンビームを引き出すことを特徴とする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－７３５９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に開示されたイオン源は、高周波電源を使用するために装置が大型化し、設置場所が限定される。また、基材処理装置において、基板の形状が変更されるとイオン源の配置も対応して変更することが望ましいが、イオン源は、マッチング回路を介して高周波電源に接続されているので、配置変更することが難しい。さらに、グリッドは消耗品であるため、定期的に交換する必要がある。加えて、大電流を得るには、装置を大型化する必要があり、電源とグリッドに大きな費用がかかるという問題がある。

【0006】

また、基板に所望の成膜処理をするために、イオン源から照射されるイオンビームの照射範囲を制御する必要がある。特許文献１に開示されたイオン源において、イオンビームの照射範囲を変更する場合には、グリッドの形状を変化させる必要がある。グリッドの成形には、高度な技術が必要であり、コストもかかり、イオンビームの照射範囲を変更することは難しい。また、そもそも、イオンビームの照射範囲の変更のみならず、イオン電流密度分布を変更することは難しい。

【0007】

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、イオン源から照射されるイオンビームのイオン電流密度分布を容易に変更でき、小型で安価である、イオン源、イオン電流密度分布変更方法、及び基材処理装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１の観点に係るイオン源は、
原料ガスが挿入される挿入口とイオンを放出する開口を有し、絶縁体で形成された放電室と、
前記放電室内部に磁界を発生させる磁石と、
前記放電室に配置され電界を発生させるアノードと、
前記磁界と前記電界が発生した前記放電室の前記開口に電子を挿入するニュートラライザと、
前記放電室から放出されるイオンの電流密度分布の設定を変更させる電流密度分布変更手段と、を備え、
前記イオンは、前記ニュートラライザから挿入された電子と前記原料ガスが衝突することにより生成され、
前記電流密度分布変更手段は、放出された前記イオンにより処理される基材に応じて電流密度分布の設定を変更させる。

【0009】

前記電流密度分布変更手段は、前記磁石の磁力の強さを変更する磁力変更部である、
こととしてもよい。

【0010】

前記磁石は、永久磁石であり、前記放電室の外周を囲んで配置された、
こととしてもよい。

【0011】

前記磁石は、電磁石であり、前記放電室の外周を囲んで配置された、
こととしてもよい。

【0012】

前記磁力変更部は、前記放電室の開口の外周に配置される磁性体又は非磁性体で形成された制御板である、
こととしてもよい。

【0013】

前記電流密度分布変更手段は、前記電磁石に付与する電流の大きさを変更する、
こととしてもよい。

【0014】

前記電流密度分布変更手段は、複数の前記永久磁石の間隔を変更することにより、電流密度分布を変更する、
こととしてもよい。

【0015】

前記電流密度分布変更手段は、前記アノードの電圧を変更することにより、電流密度分布を変更する、
こととしてもよい。

【0016】

前記磁石を冷却する磁石冷却部を、更に備える、
こととしてもよい。

【0017】

本発明の第２の観点に係る基材処理装置は、
真空チャンバ内で基材を処理する基材処理装置であって、
前記真空チャンバ内で複数の前記基材を保持する基材ホルダと、
前記基材に対してイオンを照射する本発明の第１の観点に係るイオン源と、を備える。

【0018】

前記電流密度分布変更手段は、
前記複数の基材を保持する前記基材ホルダの基材保持面、又は前記基材ホルダに保持された複数の基材の移動軌跡における、膜厚分布、屈折率分布、又は加熱分布に応じて、電流密度分布の設定を変化させる、
こととしてもよい。

【0019】

前記基材処理装置は、成膜装置であり、
成膜材料の蒸発分布、前記基材ホルダと蒸発源の相対位置、又は前記基材ホルダと前記イオン源の相対位置に応じて、電流密度分布の設定を変更させる、
こととしてもよい。

【0020】

本発明の第３の観点に係るイオン電流密度分布変更方法は、
イオン源から放出されるイオンの電流密度分布を変更する方法であって、
放電室内に原料ガスを供給するステップと、
前記放電室内に磁界と電界を発生させるステップと、
前記放電室に電子を供給し前記原料ガスからイオンを生成し、前記放電室から前記イオンを放出させるステップと、
前記放電室から放出されるイオンの電流密度分布の設定を、前記イオンにより処理される基材に応じて変更するステップと、を備える。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、イオン源から照射されるイオンビームのイオン電流密度分布を容易に変更でき、小型で安価である、イオン源、イオン電流密度分布変更方法、及び基材処理装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施の形態に係るイオン源を備える蒸着装置の概念図である。

【図2】実施の形態１に係るイオン源の斜視図である。

【図3】図２のＡ－Ａ線で切断した断面図である。

【図4】イオン源の動作状態を示す概念図である。

【図5】イオン電流密度の大きさを測定する測定系の概念図である。

【図6】磁力の強さに応じて変化するイオン電流密度をドームの位置との関係で示すグラフである。

【図7】変形例１を示し、磁性体又は非磁性体の制御板を取り付けたイオン源の断面図である。

【図8】制御板の枚数に応じて変化するイオン電流密度とドームの位置との関係を示すグラフである。

【図9】変形例２を示し、アノード電圧を変更したとき発生する電流値が、条件に応じて変化する状態を示すグラフである。

【図10】アノード電圧が変更されることにより膜の応力と屈折率が変化する状態を示すグラフである。

【図11】変形例３を示し、基材ホルダの相違する測定位置におけるイオン電流密度分布が、条件に応じて変化する状態を示すグラフである。

【図12】複数の基材を保持した基材ホルダの一部を下から見た図である。

【図13】変形例４を示し、図１２に示した位置に配置された複数の基材の屈折率を示すグラフであり、（ａ）はヨークがない場合、（ｂ）はヨークを３段使用した場合、（ｃ）はヨークを５段使用した場合のグラフである。

【図14】実施の形態２に係るイオン源の斜視図である。

【図15】図１４のイオン源のＢ－Ｂ線断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明に係るイオン源の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下に説明する実施の形態は説明のためのものであり、本願発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものに置換した実施の形態を採用することが可能であるが、これらの実施の形態も本発明の範囲に含まれる。

【0024】

（実施の形態１）
本発明の一実施の形態であるイオン源を使用した蒸着装置の構造について説明する。図１は、蒸着装置１の概念図である。蒸着装置１は、イオン源６からイオンビームを照射しながら基材に成膜処理が可能なイオンアシスト蒸着装置である。

【0025】

蒸着装置１は、真空チャンバ２と、基材を保持する基材ホルダ３と、ヒータ４と、蒸発源５と、イオン源６と、ニュートラライザ７と、排気手段８と、を備える、基材ホルダ３は、真空チャンバ２内の上部に配置され、蒸発源５と、イオン源６と、ニュートラライザ７は、真空チャンバ２内の下部に配置される。基材ホルダ３が配置される位置を上、蒸発源５、イオン源６、ニュートラライザ７を配置される位置を下として説明するが、これらの用語は、本実施の形態を説明するために使用するものであり、本発明の実施の形態が実際に使用されるときの方向を限定するものではない。また、これらの用語によって特許請求の範囲に記載された技術的範囲を限定的に解釈させるべきでない。

【0026】

真空チャンバ２は、減圧容器であり排気手段８に接続されている。排気手段８は、粗引き排気をする低真空排気ポンプ８ａと、粗引き排気後に本引きをする高真空排気ポンプ８ｂを使用する。真空チャンバ２内部を排気するときは、最初に、バルブ８ｃを開けて低真空排気ポンプ８ａにより粗引きをした後、バルブ８ｄを開け、高真空排気ポンプ８ｂにより本引きをし、真空チャンバ２の内部を１０^－２から１０^－５Ｐａの真空状態とする。なお、排気用の真空ポンプは上述したポンプに限定されず、真空ポンプであればいかなるポンプを使用してもよく、真空ポンプの組合せも真空チャンバ２の真空度に応じて変更することができる。

【0027】

基材ホルダ３は、処理対象である基板を保持するためのドーム状のホルダであり、真空チャンバ２の上部で、垂直軸周りに回転可能である。基材ホルダ３の下面は、基材を保持する保持面であり、保持面に複数の基板３ａが成膜面を下向きにして保持されている。基材ホルダ３は、図示しない駆動手段により、回転軸３ｂを中心に回転する。基板３ａは、レンズ基板等であり、蒸発源５から放出される蒸着材料により、基板３ａの表面に反射防止膜等の薄膜が形成される。成膜対象には、光学製品、自動車部品など様々な基材がある。

【0028】

ヒータ４は、基材ホルダ３の背面に配置され、基材ホルダ３に保持された基板３ａを加熱する。

【0029】

蒸発源５は、蒸着材料を保持する坩堝５ａと、坩堝５ａの蒸着材料に電子ビームを照射して、蒸着材料を加熱して蒸発させる電子銃５ｂを備える。図示はされていないが、蒸発源５の上方には、開閉操作が可能なシャッタが取り付けられており、図示しないコントローラにより開閉制御される。蒸着材料として、酸化物であるＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、金属材料であるＡｌ、Ａｇ、Ｔｉ等が用いられる。電子ビームを蒸着材料に照射して加熱すると、蒸着材料が蒸発し、開かれたシャッタを介して、蒸着材料が基板３ａに向けて移動して基板３ａの表面に付着する。なお、蒸発源５を加熱する方法は、電子ビームを用いる以外に、抵抗加熱を使用してもよい。

【0030】

イオン源６は、蒸発源５から放出される蒸着材料による成膜処理を、イオンにより補助するイオンアシストイオン源である。本実施の形態で使用されるイオン源６は、円筒状の放電室と、放電室内部に磁界を発生させる磁石と、放電室の底部に配置されるアノード電極を備える。イオン源６は、放電室の開口の近傍に、後述するニュートラライザを配置することにより電界を発生させ、磁界と電界を交差させて電子の陽極への拡散を抑制することで発生する局所的な電界でイオンを加速するグリッドレスのイオン源である。イオン源６の詳細な構造は後述する。

【0031】

イオン源６は、反応性ガス（例えば酸素）や希ガス（例えばアルゴン）をプラズマ化し、イオンを引き出して、イオンを基板３ａに照射する。イオン源６に供給されるガスは、ガス供給部１０であるガスボンベから供給され、流量制御装置１１を介してイオン源６に供給される。

【0032】

ニュートラライザ７は、電子を発生させる装置であり、図１、４に示すように、イオン源６の出口側に設置される。本実施の形態では、プラズマブリッジニュートラライザを使用するが、高周波プラズマやホローカソード、フィラメントカソードを用いた電子源であってもよい。ニュートラライザ７の詳細構造は図示しないが、ニュートラライザ７は、フィラメント電源と、放電電源と、バイアス電源を備え、チャンバ内部に設置されたフィラメントをフィラメント電源により加熱して、熱電子を放出させる。チャンバ内に供給されたガスをプラズマ化させ電子を引出し、加速電圧で加速して電子を放出する。

【0033】

ニュートラライザ７に供給されるガスは、図１に示すガスボンベであるガス供給部１２から供給され、流量制御装置１３を介してニュートラライザ７に供給される。

【0034】

（イオン源の全体構成）
イオン源には、背景技術において説明した特許文献１のように、高周波電源を用いてプラズマを発生させ、グリッドからイオンを引き出すグリッド型イオン源と、円筒状の放電室内部に電界と磁界を発生させて、円周方向の電流を発生させてイオンを放出させるグリッドレスイオン源が存在する。本実施の形態で説明するイオン源は、グリッドレスイオン源に分類される。

【0035】

図２、３は、本実施の形態に係るイオン源の全体構成を示す概念図であり、図２は、イオン源６の外観斜視図、図３は、図２に示すイオン源をＡ－Ａ線で切断した断面図である。イオン源６は、放電室６１と、永久磁石６２と、電磁石６４と、アノード６５と、ガス供給管６６と、を備える。

【0036】

放電室６１は、石英やセラミックなどの絶縁体で形成された円筒形状の容器である。円筒の一対の端部のうち、一方の端部は開口し、生成されたイオンが放出される。他方の端部は底部を形成し、底部には、アノード６５が設置される。また、底部には、ガス供給部１０から供給されるガスを放電室６１の内部に挿入する挿入口が形成され、挿入口にガス供給管６６が接続されている。

【0037】

永久磁石６２は、放電室６１の外周を囲んで配置される円環状の永久磁石である。本実施の形態では、３つの永久磁石６２が、同極が対向するように、上下方向に積層されて配置されている。永久磁石６２として、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、フェライト磁石などが用いられる。３つの環状の永久磁石６２が、放電室６１の外周に配置されることにより、放電室６１の内部には、永久磁石６２のＮ極からＳ極に磁界が生じる。

【0038】

３つの永久磁石６２は、内筒６３ａと、外筒６３ｂと、放電室６１の底部側に配置されるリアプレート６３ｃと、放電室６１の開口側に配置されるフロントプレート６３ｄとにより形成される収納空間に収納される。内筒６３ａは、非磁性材料で形成される。永久磁石６２が収納される空間には、永久磁石６２を冷却するための冷却空間が形成される。この冷却空間に水を充填して第１冷却部（磁石冷却部）６７を構成する。また、フロントプレート６３ｄの上面には、セラミック等で形成された板状の第１絶縁部７０が配置される。

【0039】

アノード６５は、導電性の電極であり、ガス供給管６６から供給されるガスを通過させる孔が形成されている。アノード６５の下方には、冷却フランジ６８が配置される。冷却フランジ６８には、アノード６５を冷却する空間が形成され、この空間に水を充填して第２冷却部（磁石冷却部）６９を構成する。リアプレート６３ｃと冷却フランジ６８との間には、アノード６５から絶縁するため、セラミック等で形成された板状の第２絶縁部７１が配置される。

【0040】

電磁石６４は、外筒６３ｂの外周に４つ、所定の間隔を隔てて配置される。電磁石６４は、永久磁石６２とともに放電室６１内に磁界を発生させる。コイルに流れる電流の大きさを変更することにより、磁力を変更することができ、磁力変更部として機能する。磁力を制御することにより、イオン源６から照射されるイオンの照射範囲を制御することができる。

【0041】

ガス供給管６６は、図１に示すガス供給部１０に連結されており、ガス供給部１０から供給するガスを、アノード６５の孔を通過させて放電室６１の内部に供給する。

【0042】

（イオン源を使用した蒸着方法）
次に、上述したイオン源６を用いた蒸着方法について、図１、３、４を参照して説明する。

【0043】

まず、真空チャンバ２のドーム状の基材ホルダ３の内面に複数の基板３ａを装着する。そして、油回転ポンプ等の低真空排気ポンプ８ａにより粗引きをした後、ターボ分子ポンプ、クライオポンプ、油拡散ポンプ等の高真空排気ポンプ８ｂにより排気をして、真空チャンバ２内を所定の圧力まで減圧する。また、ヒータ４を稼働させて、基板３ａの温度を所定の温度とする。

【0044】

そして、坩堝５ａの蒸着材料に電子銃５ｂから電子ビームを照射して蒸着材料を加熱し、図示しないシャッタを開閉制御して、蒸着材料を基板３ａに向けて蒸発させる。

【0045】

一方、アルゴン等のガスが、図３に示すイオン源６のガス供給管６６から、アノード６５を介して、放電室６１内に供給される。アノード６５には、図４に示す電源１００から電荷が加えられる。イオン源６の出口側に設置されたニュートラライザ７から放出された電子は、放電室６１に入り、永久磁石６２及び電磁石６４により発生する磁場とアノードの電場によりトラップされる。そして、電子は、放電室６１内に供給されたガスと衝突し、プラズマを発生させる。そして、アノード６５により生じる電界で、プラズマ内のイオンが放電室６１から放出される。

【0046】

放電室６１から放出されたイオンは、基板３ａに向けて照射され、基板３ａに蒸着された薄膜の緻密性、密着性を高める。また、ニュートラライザ７から放出された電子により、イオンを中和し、基板３ａに到達する。

【0047】

放電室６１から照射されるイオンは、電磁石６４の磁力の大きさを変化させることにより、基材ホルダ３に到達するイオンのイオン電流密度分布が変化する。基材ホルダ３に到達するイオンのイオン電流密度を測定した結果を図６に示す。基材ホルダ３はドーム状に形成されているので、図５に示すように、ドームの基材保持面を模した円弧に形成する。そして、この円弧に１０度おきにプローブを設置した測定系を形成して、イオン電流密度を測定した。

【0048】

図６は、電流の値を変化させて、プローブの位置に基づいて、イオン電流密度を測定したグラフである。電磁石６４のコイルに流れる電流の値は、０．０Ａ、０．５Ａ、１．０Ａ、１．５Ａ、２．０Ａとして、イオン電流密度を測定した。また、アノード６５には、１５０Ｖの電圧と１０００ｍＡの電流を流した。図６に示すグラフのように、電磁石６４に流す電流値を増加すると、イオンの電流密度分布は、直進方向から拡散する方向へと変化することがわかる。

【0049】

電磁石６４の電流値を変化させることにより、様々なイオン電流密度分布を設定することができる。例えば、ドーム状の基材ホルダ３は、外側の基板３ａに蒸着材料が斜めに入射することでポーラスな膜となりやすい。さらにドーム状の基材ホルダ３が回転しイオン源６が基材ホルダ３の回転軸に対して偏心して配置される場合、基板３ａに入射する蒸着材料の入射角は回転位置により異なるが、内周側に比べて外周側に配置される基板３ａほど入射角のばらつき幅が大きく、蒸着材料の入射角に依存して不均質な膜となりやすい。成膜条件が不利な基材ホルダ外周側の膜質を改善するために、電磁石６４に強い電流を流して、外側のイオン電流密度が高くなるように分布を変化させて、外側の基板３ａの膜質を変化させることができる。また、蒸着材料により、蒸発する速度や蒸発分布が異なるため、蒸着材料の分布に応じて、電流を変化させることもできる。このように、真空チャンバ２内の環境に応じて、電磁石６４に流す電流の値を変化させてイオン電流密度分布を変更し、基板３ａの表面に形成される薄膜の膜質を均一にすることができる。

【0050】

（変形例１）
基材ホルダ３のイオン電流密度分布は、実施の形態１では、電磁石６４にかける電流の大きさを変化させることにより変更していた。しかしながら、電磁石６４を使用するのではなく、イオン源６のフロントプレート６３ｄの上に磁性体又は非磁性体で形成された制御板を乗せ、制御板を磁力変更部として機能させることも可能である。なお、フロントプレート６３ｄ自体を磁性体又は非磁性体としてもよい。

【0051】

図７に示すように、イオン源６のフロントプレート６３ｄの上に、磁性体又は非磁性体からなる制御板８０を設置する。制御板８０以外の構造は、実施の形態１に示した構造と同一である。本変形例では、制御板８０の数を変更させることにより、磁力を変化させイオン源６から照射されるイオンの電流密度分布を変更することができる。制御板８０の上面には、絶縁体で形成された板状の第１絶縁部７０を載置してもよい。

【0052】

磁性体からなる制御板８０として、鉄、ニッケル、ＳＵＳ４３０等の磁性体を含む板を使用し、非磁性体からなる制御板８０として、アルミニウム、チタン、ＳＵＳ３１６等の非磁性体を含む板を使用する。制御板８０には、放電室６１の開口に対応する位置に、開口が形成される。

【0053】

また、イオン源６のフロントプレート６３ｄの下に磁性体で形成された制御板９０を配置し、制御板を磁力変更部として機能させることも可能である。制御板９０として、例えば、ヨーク（継鉄）を使用してもよい。

【0054】

図８は、磁性材料からなるフロントプレート６３ｄの下に磁性材料からなる制御板（ヨーク）９０を積層した場合のイオン電流密度分布の相違を、プローブの位置に応じて示すグラフである。イオン電流密度は、ドーム状の基材ホルダ３の中心から異なる複数の位置（ａ～ｆ）に、プローブを置いて測定した。横軸のアルファベットの後ろに記載された数値は、基材ホルダ３の中心からプローブの置かれた位置までの距離を示す。

【0055】

図８のグラフは、制御板（ヨーク）９０がない場合、磁性体で形成されたフロントプレート６３ｄの下に、１段、３段、又は５段積層した場合、及び非磁性体で形成されたフロントプレート６３ｄに積層した場合、のイオンの電流密度分布を示す。磁性体で形成された制御板９０の数が多くなるほど、放電室６１から発生する磁束は弱くなり、基材ホルダ３の内周のイオン電流密度が増加する。また、フロントプレート６３ｄを非磁性体で形成すると、放電室６１から発生する磁束は強くなり、基材ホルダ３の外周のイオン電流密度が増加する。このように、制御板９０を使用することにより、磁力を変更し、実施の形態１と同様に、イオンの電流密度分布を変更して、真空チャンバ２内の様々な環境変化に対応することができる。

【0056】

本変形例におけるイオン源６は、制御板８０のみ、又は制御板９０のみでイオン電流密度分布の変更を行ってもよく、制御板８０及び制御板９０を同時に使用してもよい。

【0057】

（変形例２）
実施の形態１、変形例１で説明した内容は、一例であり、本発明は、イオンの電流密度分布の設定を変更することにより、成膜条件に応じた様々な効果を得ることができる。以下、電流密度分布を変更する手段とそれにより得られる効果について、更に説明する。

【0058】

イオン源６を稼働するにあたり、成膜する条件に応じて予めアノード６５の電圧を設定する必要がある。イオン源６の電圧が異なると、生じる電流値が変化するのでイオン電流密度が変化し、その結果、膜の応力や膜の屈折率が変化する。したがって、所望の応力や所望の屈折率を得られるようにアノード６５の電圧を設定する。アノード電圧の値が不適切である場合、成膜処理に不都合が生じる。例えば樹脂基板を対象としてイオンアシスト蒸着する場合、アノード電圧が高すぎると樹脂基板へのダメージが大きく望ましくない。また、アノード電圧が低すぎるとイオンアシスト効果が十分に得られない。

【0059】

まず、磁力の異なる環境におけるアノード電圧と電流の関係を説明する。アノード６５に電圧をかけ生ずる電流値は、図７に示す永久磁石６２間の距離ａ、フロントプレート６３ｄの材質が磁性体か非磁性体であるか、フロントプレート６３ｄに配置する制御板９０（ヨーク）の数等に応じて、変化する。図９は、永久磁石６２間の距離、フロントプレート６３ｄの材質、ヨークの数に応じたイオン源６の電圧と電流の関係を示すグラフである。

【0060】

図９の長い破線と白丸で示すグラフは、ネオジウム磁石を使用し、フロントプレート６３ｄに非磁性体（ＳＵＳ３１６）、永久磁石６２間の距離が４ｍｍ、ヨークなしの条件における電圧と電流の関係を示し、直線と四角で示すグラフは、ネオジウム磁石を使用し、フロントプレート６３ｄに磁性体（ＳＵＳ４３０）、永久磁石６２間の距離が４ｍｍ、ヨークなしの条件における電圧と電流の関係を示し、短い破線と×で示すグラフは、ネオジウム磁石を使用し、フロントプレート６３ｄに磁性体（ＳＵＳ４３０）、永久磁石６２間の距離が０ｍｍ、ヨークなしの条件における電圧と電流の関係を示し、中長の破線と白抜き四角で示すグラフは、ネオジウム磁石を使用し、フロントプレート６３ｄに磁性体（ＳＵＳ４３０）、永久磁石６２間の距離が０ｍｍ、ヨーク２段の条件における電圧と電流の関係を示す。図９に示すように、磁界の条件に応じて生ずる電流が相違する。成膜条件に応じて、電圧と磁界の条件を適宜選択して設定することで、所望のイオン電流密度分布を得ることができる。所望のエネルギー領域に合わせて磁場を設計し、イオン源６の作動範囲を変更することができる。

【0061】

アノード電圧と磁界条件の設定は、成膜処理の開始前に行うが、成膜処理が開始された後も、適宜、運転状況に応じてアノード電圧と磁界条件の設定を変更することで、適切な成膜環境を生成することができる。

【0062】

さらに、アノード電圧を変更することにより、膜の応力又は屈折率を変更することができる。図１０は、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）の膜を成膜した場合のアノード電圧と応力（残留応力）又は屈折率の関係を示すグラフである。図１０において、応力（Ｓｔｒｅｓｓ）は、棒グラフで示し、屈折率（Ｉｎｄｅｘ）は、点で示す。応力（Ｓｔｒｅｓｓ）の正の値は引張応力であり、負の値は圧縮応力である。グラフに示すように、アノード電圧が変更されると応力も変更される。３００Ｖでは引張応力の値が高くなり、４００Ｖでは応力の値が最小になり、５００Ｖでは圧縮応力の値が高くなる。屈折率もアノード電圧を変更することにより変更される。成膜される膜に応じて所望の応力と屈折率になるようにアノード電圧の設定を変更する。

【0063】

所望の応力と屈折率を得るために、アノード電圧の設定は、成膜処理の開始前に行うが、成膜処理が開始された後も、適宜、運転状況に応じてアノード電圧を変更することが可能である。

【0064】

（変形例３）
電流密度分布変更手段として、実施の形態１及び変形例１で説明した以外にも種々の手段を適用することができる。例えば、図９で説明した磁界条件と同じように、永久磁石６２間の距離、フロントプレート６３ｄの材質、ヨークの数を電流密度分布変更手段として用いた例を、図１１を用いて説明する。永久磁石６２間の距離の変更、フロントプレートの材質の変更、ヨーク段数の変更に応じて、基材ホルダ３の基板３ａが配置された位置により、電流密度分布が変化することがわかる。したがって、条件を変更することにより、膜厚の薄い部分の分布を増加させ、低温領域での分布を増加させ、又は、イオン源６から遠い部分の分布を増加させることができる。それにより、膜厚及び膜質を均一にすることができる。

【0065】

また、図８では永久磁石６２にサマリウムコバルト磁石を用いているのに対し、図１１ではネオジウム磁石を用いている。図８では磁性体で形成された制御板９０の数が多くなるほど基材ホルダ３の内周のイオン電流密度が増加するが、図１１では磁性体で形成された制御板９０の数が多くなるほど基材ホルダ３の外周のイオン電流密度が増加する。磁石の種類を変更することで電流密度変化の傾向を変えることができる。さらに、図１１に示すようにネオジウム磁石を用いて制御板９０の数を調整することにより、膜質が不均質となりやすい基材ホルダ３の外周側のイオンビーム電流密度を増大させることも可能である。

【0066】

（変形例４）
イオン源６を、レンズの成膜に使用する場合には、最適な屈折率をもつ膜を成膜する必要がある。最適な屈折率をもつ膜は、電磁石への電流値の変更、永久磁石６２間の距離の変更、フロントプレートの材質の変更、ヨーク段数の変更等により、生成することができる。その一例として、ヨーク段数を変更した場合の効果を説明する。図１２は、基板３ａを保持する基材ホルダ３の一部を下方向から見た図であり、基材ホルダ３の中心位置から外周に向けて基板３ａを配置した状態を示す。基材ホルダ３の中心に近い位置に配置した基板３ａを「ａ」と示し、外側に向かうにつれて、配置した基板３ａをそれぞれ「ｂ」「ｃ」「ｄ」「ｅ」「ｆ」と示した。図１３は、基板３ａの「ａ」～「ｆ」のそれぞれの位置の基板３ａの屈折率を示したグラフである。図１３（ａ）は、ヨークなし、図１３（ｂ）は、ヨークを３段、図１３（ｃ）は、ヨークを５段使用したイオン源６におけるデータを示すグラフである。図１３（ａ）～（ｃ）に示すように、ヨークの数が増加するほど、屈折率が基材ホルダ３の基材保持面全体で揃ってきていることが確認できる。

【0067】

（実施の形態２）
実施の形態１では、グリッドレスイオン源の一例を説明したが、グリッドレスイオン源には、実施の形態１で示したイオン源の他に、マグネチックレイヤ型、アノードレイヤ型、エンドホール型、シリンドリカル型と呼ばれるイオン源がある。本実施の形態では、放電室６１０が絶縁体で形成されたシリンドリカル型のイオン源を使用した場合の例を説明する。

【0068】

図１４は、本実施の形態のイオン源６００の全体斜視図であり、図１５は、図１４のＢ－Ｂ線で切断した断面図である。イオン源６００は、セラミック等の絶縁材料で形成された円筒状の放電室６１０と、放電室６１０の外周に配置された永久磁石６２０と、放電室６１０の底部に設置されたアノード６３０と、放電室６１０内にガスを供給するガス供給管６６０を備える。放電室６１０と永久磁石６２０は、両端部をフロントディスク６４０とリアディスク６５０とにより挟みこまれて固定される。

【0069】

アノード６３０は、アノード絶縁体６３１を介して、アノード保持部６３２により保持されている。また、放電室６１０の出口側には、ニュートラライザ７００が設置されている。

【0070】

永久磁石６２０は、円筒状の収納筒６２１に収納されている。永久磁石６２０を収納した収納筒６２１は、放電室６１０の周囲に６～８個、その軸を放電室６１０の軸と平行にして配置される。複数の収納筒６２１のそれぞれの一対の端部は、一方がフロントディスク６４０と接触し、他方がリアディスク６５０に接触する。各収納筒６２１の両端部がフロントディスク６４０とリアディスク６５０に接触することで、フロントディスク６４０とリアディスク６５０を磁極として機能させ、放電室６１０内に磁界を発生させる。また、アノード６３０とニュートラライザ７００との間には、電界が発生する。ガス供給管６６０から放電室６１０内の取り込まれたガスは、放電室６１０内部の磁界と電界の作用及びニュートラライザ７００から放出される電子により、プラズマが形成され、イオンが放電室６１０の開口から放出される。機材の損傷を軽減するために、フロントディスク６４０の上面に絶縁体を配置させてもよい。

【0071】

放電室６１０の出口から放出されるイオンの方向を制御するためには、フロントディスク６４０の上面に磁性体又は非磁性体により形成された制御板８０（図示せず）を積層して、磁界の強さを制御する。イオンの方向を制御することにより、イオンの電流密度分布を変更することができる。

【0072】

本実施の形態は、永久磁石６２０を収納した円柱状の収納筒６２１により、放電室６１０を囲む構造を採用した。したがって、永久磁石６２０は、外気により冷却する空冷方式を適用することができ、実施の形態１のような冷却部は存在しない。したがって、イオン源６００の大きさを小さくすることができ、運搬が容易となり、様々な場所に設置することができる。

【0073】

実施の形態１によれば、電磁石６４の電流の値を変化させることで、放電室６１から放出されるイオンの電流密度分布を変更することができるので、基材ホルダ３に保持された基板３ａに形成される薄膜を、所望の膜質に制御することができる。

【0074】

実施の形態１によれば、電磁石６４によりイオンの電流密度分布を変更することができるので、電磁石６４に流す電流を変更すれば、蒸着装置１の運転中にもイオン源を作動させることができる。このような運転は、運転の途中で蒸着材料を変更する、あるいは処理内容が変更した場合に有効である。

【0075】

実施の形態１によれば、高周波電源を用いずに永久磁石６２により、放電室６１内に磁界を発生させているので、装置をコンパクトにすることができる。

【0076】

実施の形態１によれば、複数の円環状の永久磁石６２を、放電室６１の外周に積層して配置させたので、強い磁界を発生させることができ、ニュートラライザ７から放出された電子をトラップさせやすくなる。したがって、高エネルギーのイオンを発生させることができる。

【0077】

実施の形態１によれば、絶縁体を、放電室６１の開口の外周に取り付けたので、放電が安定し、機器の消耗を抑制することができる。

【0078】

実施の形態１によれば、第１冷却部６７と第２冷却部６９とを設けたので、永久磁石６２とアノード６５を冷却することにより、磁場強度の減少を抑止することができる。基材処理装置においては、基材処理の開始から終了までイオン源の出力分布を一定に維持する必要がある。しかし、冷却機構を備えないイオン源では、稼働とともにイオン源が昇温し、磁場強度が変動することにより、基材処理が狙い値で完了しない場合があった。本発明は、冷却機構を設けることで、基材処理の精度を向上させることが可能となった。また、装置の寿命を延ばすことができる。

【0079】

変形例１によれば、所望の磁界を発生させるため、磁性体又は非磁性体で形成された制御板８０、９０を、放電室６１の開口の周囲に取り付けたので、制御板８０、９０により容易に磁界の強さを制御して、イオンの電流密度分布を変更することができる。

【0080】

変形例２によれば、アノード電圧と磁力の変更をすることにより、成膜条件に応じた膜を形成させることができる。

【0081】

変形例２、３によれば、永久磁石６２間の間隔を変更するという簡単な操作でイオンの電流密度分布を変更することができる。

【0082】

変形例３によれば、磁力の強さを複数の条件を組み合わせて、イオンの電流密度分布を変更することができ、成膜対象に応じてより微妙なイオン電流密度分布の調整をすることができる。

【0083】

変形例４によれば、ヨークの段数を増加させることにより、膜の屈折率のばらつきを抑制することができる。

【0084】

実施の形態１、２及び変形例１～４では、放電室６１、６１０は、絶縁体で形成されているので、アノード６５、６３０に、成膜材料又はエッチング材料が付着しづらく、イオン源６、６００の出力を安定させることができる。基材処理装置において導電性の成膜材料を用いる場合、又は導電性の材料をエッチングする場合、放電室に導電性材料が堆積し、放電が不安定となる。放電室が絶縁体で形成されていることで、基材処理を安定して実施することができる。また、機材の摩耗を防止することができる。

【0085】

実施の形態１、２、変形例１～４によれば、基材ホルダ３の形状、蒸発材料の種類、基材ホルダ３と蒸発源５との相対位置、基材ホルダ３とイオン源６との相対位置、基材ホルダ３のドーム面内の膜厚分布・屈折率分布・加熱分布等の種々の成膜条件に合わせて、電流密度分布を設定することにより、適切な成膜処理をすることができる。

【0086】

実施の形態１、変形例１～４では、磁石として、永久磁石６２と電磁石６４を用いた。しかしながら、永久磁石６２のみ又は電磁石６４のみを用いる仕様としてもよい。永久磁石６２のみを使用した場合には、磁力の強さは、制御板８０又は９０を使用して変更する。電磁石６４のみを使用した場合には、電流の強さを変更することにより、磁力の強さを変更する。

【0087】

実施の形態１では、磁界の強さを変更するために、電磁石６４に流す電流の強さを変更していたが、コイルの巻数を増減させた電磁石に置き換えることにより磁場の強さを変更してもよい。

【0088】

実施の形態１では、基材処理装置として蒸着装置を用いたが、スパッタ装置やＣＶＤ装置等の他の成膜装置を用いてもよい。基材処理装置は成膜装置に限らず、処理対象基板にイオンビームを照射して基板の一部をエッチングするエッチング装置や、基板表面を改質する表面処理装置、又は基板表面をクリーニングするクリーニング装置であってもよい。

【0089】

実施の形態１では、ドーム状の基材ホルダ３の内面に複数の基板３ａに装着して成膜することを説明した。しかしながら、基材ホルダ３は、ドーム形状に限定されない。いわゆる遊星歯車の原理を使用したプラネタリ型の基材ホルダ３を使用してもよい。プラネタリ型の基材ホルダは、複数の基板を保持するサセプタと、サセプタを回転させる（公転）機構と、基板自体を回転（自転）させる機構を備える。このような基材ホルダを使用するとき、基材ホルダに保持された基板の自公転の移動軌跡に応じた電流密度分布に変更するように、電流密度変更手段を使用すれば、所望の膜を得ることができる。

【0090】

変形例１では、電磁石６４を備える構造としたが、電磁石６４は備えなくてもよい。

【0091】

実施の形態２では、磁石として永久磁石６２０を使用したが、電磁石を使用してもよい。電磁石を使用した場合には、磁界の制御は、電磁石に印加する電流の強さを制御する。また、永久磁石６２０と電磁石の双方を使用してもよい。

【0092】

実施の形態２では、円筒状の放電室６１０の外周に永久磁石６２０を配置する構造としたが、放電室６１０の底部に永久磁石又は電磁石に配置する構造としてもよい。

【0093】

電流密度分布変更手段として、アノード６５の形状又は設置位置を変更することを採用してもよい。

【0094】

電流密度分布変更手段として、放電室６１に供給される原料ガスの流量、原料ガスの種類、又は、原料ガスの挿入位置を変更することを採用してもよい。

【0095】

実施の形態１、２、変形例１～４において、電流密度分布手段により電流分布密度を変更することにより得られる効果を説明したが、それ以外にも次のような効果がある。例えば、装置側で制御できない輻射熱の影響により基材ホルダ３のドーム面に温度分布の偏りが生じている場合、低温領域において電流密度分布が増加するようにイオン源６の磁場を調整すればよい。また、回転する基材ホルダ３の回転中心に対してイオン源６が偏心して配置される場合は、イオン源６からの距離が遠くなる基材ホルダ３の箇所で、電流密度分布が増加するように、磁場を調整すればよい。更に、成膜材料によって蒸発材料の分布（成膜レート分布）が異なる場合には、成膜材料に固有な蒸発材料分布と一致するようにイオン源６の磁場を調整すればよい。

【0096】

本実施の形態１、２、変形例１～４では、電流密度分布変更手段によりイオン電流密度分布を変更することにより、イオンビームの照射状態を調整することを説明した。しかしながら、グリッドレスのイオン源において、イオン分析器等を用いてイオンのエネルギー分布を変更して、イオンビームの照射状態を調整することもできる。

【産業上の利用可能性】

【0097】

本発明は、基材処理装置で使用されるイオン源に利用することができる。

【符号の説明】

【0098】

１ 蒸着装置
２ 真空チャンバ
３ 基材ホルダ
３ａ 基板
４ ヒータ
５ 蒸発源
５ａ 坩堝
５ｂ 電子銃
６ イオン源
７ ニュートラライザ
８ 排気手段
８ａ 低真空排気ポンプ
８ｂ 高真空排気ポンプ
８ｃ、８ｄ バルブ
１０、１２ ガス供給部
１１、１３ 流量制御装置
６１ 放電室
６２ 永久磁石
６３ａ 内筒
６３ｂ 外筒
６３ｃ リアプレート
６３ｄ フロントプレート
６４ 電磁石
６５ アノード
６６ ガス供給管
６７ 第１冷却部
６８ 冷却フランジ
６９ 第２冷却部
７０ 第１絶縁部
７１ 第２絶縁部
８０ 制御板
９０ 制御板（ヨーク）
１００ 電源
６００ イオン源
６１０ 放電室
６２０ 永久磁石
６２１ 収納筒
６３０ アノード
６３１ アノード絶縁体
６３２ アノード保持部
６４０ フロントディスク
６５０ リアディスク
６６０ ガス供給管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】