特開 2024-89821 成膜装置

(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】P2024089821

(43)【公開日】2024-07-04

(54)【発明の名称】成膜装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/32 20060101AFI20240627BHJP

【ＦＩ】

C23C14/32 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022205270

(22)【出願日】2022-12-22

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100162640

【弁理士】

【氏名又は名称】柳 康樹

(72)【発明者】

【氏名】岡田 悠悟

(72)【発明者】

【氏名】木下 公男

【テーマコード（参考）】

4K029

【Ｆターム（参考）】

4K029BA43

4K029BA45

4K029BA46

4K029BA47

4K029CA03

4K029DD02

(57)【要約】

【課題】昇華部の交換頻度を低減できる成膜装置を提供する。
【解決手段】昇華部５０は、タングステン、モリブデン、及びタンタルから選択される少なくとも一つを含む母材７０に対して、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イットリウム、及び酸化トリウムから選択される少なくとも一つの物質７１が含まれている。昇華部５０には、母材７０に対して酸化物である物質７１が含まれるため、当該物質７１が酸化被膜として機能する。そのため、母材７０が酸化して昇華することを抑制できる。また、図３（ｂ）に示すように、昇華部５０は、消耗に伴って次々に新たな物質７１の被膜が出現するので、酸化抑制効果が持続する。図３（ｂ）では、昇華部５０の「Ｅ１」で示す領域が消耗したが、新たな表面にも、物質７１が存在している。そのため、昇華部５０の消耗を抑制することで、昇華部５０の交換頻度を低減することができる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオンプレーティング法により成膜材料を対象物に形成させる成膜装置であって、
前記成膜材料を昇華させる昇華部を備え、
前記昇華部は、タングステン、モリブデン、及びタンタルから選択される少なくとも一つを含む母材に対して、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イットリウム、及び酸化トリウムから選択される少なくとも一つの物質が含まれている、成膜装置。

【請求項2】

前記昇華部は、１ｗｔ％以上の前記物質を含む、請求項１に記載の成膜装置。

【請求項3】

前記昇華部は、前記成膜材料を格納する容器である、請求項１に記載の成膜装置。

【請求項4】

前記昇華部は、プラズマを導く電極である、請求項１に記載の成膜装置。

【請求項5】

プラズマを生成する圧力勾配型プラズマガンを備え、
前記昇華部は、前記プラズマを導く電極機能を有すると共に、前記成膜材料を格納する容器によって構成される、請求項１に記載の成膜装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、成膜装置に関する。

【背景技術】

【0002】

成膜装置として、特許文献１に記載されているように、イオンプレーティング法により成膜材料を対象物形成させる成膜装置が知られている。この成膜装置は、プラズマガンを用いてチャンバー内でプラズマを生成し、チャンバー内で成膜材料を昇華させている。基板に成膜材料が付着し、続けて堆積することにより、当該基板上に膜が成長し、形成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１－２７９７５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、上述の成膜装置は、成膜材料を昇華させる昇華部を備える。絶縁性材料を成膜する場合、このような昇華部は、タングステンなどの高融点金属によって形成されていた。しかしながら、酸素雰囲気下での高温加熱によって酸化タングステン（ＷＯ_３）が発生するが、当該酸化タングステンは昇華性を有するため、成膜に伴って昇華部が消耗していた。従来の成膜装置では、早期に昇華部が消耗されることにより、交換頻度が高くなってしまうという問題がある。

【0005】

そこで本発明は、昇華部の交換頻度を低減できる成膜装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る成膜装置は、イオンプレーティング法により成膜材料を対象物に形成させる成膜装置であって、成膜材料を昇華させる昇華部を備え、昇華部は、タングステン、モリブデン、及びタンタルから選択される少なくとも一つを含む母材に対して、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イットリウム、及び酸化トリウムから選択される少なくとも一つの物質が含まれている。

【0007】

本発明に係る成膜装置において、昇華部は、タングステン、モリブデン、及びタンタルから選択される少なくとも一つを含む母材に対して、酸化ランタン、酸化セリウム、及び酸化イットリウムから選択される少なくとも一つの物質が含まれている。昇華部には、母材に対して酸化物である物質が含まれるため、当該物質が酸化被膜として機能する。そのため、母材が酸化して昇華することを抑制できる。また、昇華部は、消耗に伴って次々に新たな物質の被膜が出現するので、酸化抑制効果が持続する。そのため、昇華部の消耗を抑制することで、昇華部の交換頻度を低減することができる。

【0008】

昇華部は、１ｗｔ％以上の上記物質を含んでよい。この場合、上述の母材の酸化抑制効果を十分に得ることができる。

【0009】

昇華部は、成膜材料を格納する容器であってよい。成膜材料がプラズマによって加熱されることで、容器である昇華部も加熱されるが、当該容器には物質が含まれているため、酸化を抑制することができる。

【0010】

昇華部は、プラズマを導く電極であってよい。プラズマによって電極である昇華部も加熱されるが、当該電極には物質が含まれているため、酸化を抑制することができる。

【0011】

成膜装置は、プラズマを生成する圧力勾配型プラズマガンを備え、昇華部は、プラズマを導く電極機能を有すると共に、成膜材料を格納する容器によって構成される。圧力勾配型プラズマガンで安定的に生成されたプラズマは、電極機能を有する昇華部に導かれる。昇華部は、成膜材料を格納する容器によって構成されるため、プラズマによる加熱に伴い格納された成膜材料を加熱することができる。また、電極及び容器である昇華部には物質が含まれているため、酸化を抑制することができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、昇華部の交換頻度を低減することができる成膜装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係る成膜装置の概略断面図である。

【図2】主ハースの拡大図である。

【図3】主ハースの材料の拡大概念図である。

【図4】比較例及び実施例に係る主ハースの実験結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態に係る成膜方法、及び成膜装置について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0015】

まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る成膜装置の構成について説明する。図１は、成膜装置１の構成を示す概略断面図である。図１に示すように、本実施形態の成膜装置１は、いわゆるイオンプレーティング法の一種であるＲＰＤ（Reactive Plasma Deposition）に用いられるＲＰＤ成膜装置である。ＲＰＤの特徴は、圧力勾配型プラズマガン７を用いて高密度に生成したプラズマをハース機構２によって成膜材料Ｍａに導入することで材料の昇華と昇華した材料粒子のイオン化を同一の機構で行う点である。ＲＰＤでは高密度プラズマを用いるため、材料粒子のイオン化率が高く、一般的なイオンプレーティング法と比較してより緻密で基板に対する密着性の強い薄膜を成膜できる。なお、説明の便宜上、図１には、ＸＹＺ座標系を示す。Ｙ軸方向は、後述する基板が搬送される方向である。Ｚ軸方向は、基板と後述するハース機構とが対向する位置である。Ｘ軸方向は、Ｙ軸方向とＺ軸方向とに直交する方向である。

【0016】

成膜装置１は、基板１１（対象物）の板厚方向が略鉛直方向となるように基板１１が真空チャンバー１０内に配置されて搬送されるいわゆる横型の成膜装置であってもよい。この場合には、Ｘ軸及びＹ軸方向は水平方向であり、Ｚ軸方向は鉛直方向且つ板厚方向となる。なお、成膜装置１は、基板１１の板厚方向が水平方向（図１ではＺ軸方向）となるように、基板１１を直立又は直立させた状態から傾斜した状態で、基板１１が真空チャンバー１０内に配置されて搬送される、いわゆる縦型の成膜装置であってもよい。この場合には、Ｚ軸方向は水平方向且つ基板１１の板厚方向であり、Ｙ軸方向は水平方向であり、Ｘ軸方向は鉛直方向となる。本発明の一実施形態に係る成膜装置は、以下、横型の成膜装置を例として説明する。

【0017】

成膜装置１は、真空チャンバー１０、搬送機構３、成膜機構１４を備えている。

【0018】

真空チャンバー１０は、基板１１を収納し成膜処理を行うための部材である。真空チャンバー１０は、成膜材料Ｍａの膜が形成される基板１１を搬送するための搬送室１０ａと、成膜材料Ｍａを拡散させる成膜室１０ｂと、プラズマガン７からビーム状に照射されるプラズマＰを真空チャンバー１０に受け入れるプラズマ口１０ｃとを有している。搬送室１０ａ、成膜室１０ｂ、及びプラズマ口１０ｃは互いに連通している。搬送室１０ａは、所定の搬送方向（図中の矢印Ａ）に（Ｙ軸に）沿って設定されている。また、真空チャンバー１０は、導電性の材料からなり接地電位に接続されている。

【0019】

成膜室１０ｂは、壁部１０Ｗとして、搬送方向（矢印Ａ）に沿った一対の側壁と、搬送方向（矢印Ａ）と交差する方向（Ｚ軸方向）に沿った一対の側壁１０ｈ，１０ｉと、Ｘ軸方向と交差して配置された底面壁１０ｊと、を有する。

【0020】

搬送機構３は、成膜材料Ｍａと対向した状態で基板１１を保持する基板保持部材１６を搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。例えば基板保持部材１６は、基板１１の外周縁を保持する枠体である。搬送機構３は、搬送室１０ａ内に設置された複数の搬送ローラ１５によって構成されている。搬送ローラ１５は、搬送方向（矢印Ａ）に沿って等間隔に配置され、基板保持部材１６を支持しつつ搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。なお、基板１１は、例えばガラス基板やプラスチック基板などの板状部材が用いられる。

【0021】

続いて、成膜機構１４の構成について詳細に説明する。成膜機構１４は、イオンプレーティング法により成膜材料Ｍａの昇華の結果生成される粒子を基板１１に付着させる。成膜機構１４は、プラズマガン７と、ステアリングコイル５と、ハース機構２と、輪ハース６とを有している。

【0022】

プラズマガン７は、例えば圧力勾配型のプラズマガンであり、その本体部分が成膜室１０ｂの側壁に設けられたプラズマ口１０ｃを介して成膜室１０ｂに接続されている。プラズマガン７は、真空チャンバー１０内でプラズマＰを生成する。プラズマガン７において生成されたプラズマＰは、プラズマ口１０ｃから成膜室１０ｂ内へビーム状に出射される。これにより、成膜室１０ｂ内にプラズマＰが生成される。

【0023】

プラズマガン７は、陰極６０を通して導入されるアルゴンガスへの放電によってプラズマを生成する。陰極６０とプラズマ口１０ｃとの間には、第１の中間電極（グリッド）６１と、第２の中間電極（グリッド）６２とが同心的に配置されている。第１の中間電極６１内にはプラズマＰを収束するための環状永久磁石６１ａが内蔵されている。第２の中間電極６２内にもプラズマＰを収束するため電磁石コイル６２ａが内蔵されている。

【0024】

ステアリングコイル５は、プラズマガンが装着されたプラズマ口１０ｃの周囲に設けられている。ステアリングコイル５は、プラズマＰを成膜室１０ｂ内に導く。ステアリングコイル５は、ステアリングコイル用の電源（不図示）により電流を流すことで励磁される。

【0025】

ハース機構２は、成膜材料Ｍａを保持する。ハース機構２は、真空チャンバー１０の成膜室１０ｂ内に設けられ、搬送機構３から見てＺ軸方向の負方向に配置されている。ハース機構２は、プラズマガン７から出射されたプラズマＰを成膜材料Ｍａに導く主陽極又はプラズマガン７から出射されたプラズマＰが導かれる主陽極である主ハース１７を有している。主ハースの構成については後述する。

【0026】

輪ハース６は、プラズマＰを誘導するための電磁石を有する補助陽極である。輪ハース６は、成膜材料Ｍａを保持する主ハース１７の容器１７ａの周囲に配置されている。輪ハース６は、環状のコイル９と環状の永久磁石部２０と環状の容器１２とを有し、コイル９及び永久磁石部２０は容器１２に収容されている。本実施形態では、搬送機構３から見てＺ負方向にコイル９、永久磁石部２０の順に設置されているが、Ｚ負方向に永久磁石部２０、コイル９の順に設置されていてもよい。輪ハース６は、コイル９に流れる電流の大きさに応じて、成膜材料Ｍａに入射するプラズマＰの向き、または、主ハース１７に入射するプラズマＰの向きを制御する。

【0027】

ガス供給部４０は、真空チャンバー１０内にキャリアガス及び酸素ガスを供給する。キャリアガスに含まれる物質として、例えば、アルゴン、ヘリウムなどの希ガスが採用される。ガス供給部４０は、真空チャンバー１０の外部に配置されており、成膜室１０ｂの側壁（例えば、側壁１０ｈ）に設けられたガス供給口を通し、真空チャンバー１０内へ原料ガスを供給する。ガス供給部４０は、制御部からの制御信号に基づいた流量のキャリアガス及び酸素ガスを供給する。

【0028】

電流供給部８０は、プラズマガン７に電流を供給する。これにより、プラズマガン７は、所定の値の放電電流にて放電を行う。電流供給部８０は、制御部からの制御信号に基づいた電流値の電流を供給する。

【0029】

次に、図２を参照して、主ハース１７の構成について詳細に説明する。主ハース１７は、成膜材料Ｍａを昇華させる昇華部５０として機能する。主ハース１７は、成膜材料Ｍａが充填されたＺ軸方向の正方向に延びた筒状の容器１７ａと、容器１７ａから突出したフランジ部１７ｂとを有している。主ハース１７は、真空チャンバー１０が有する接地電位に対して正電位に保たれているため、主ハース１７は放電における電極（陽極）となりプラズマＰを吸引することができる。このプラズマＰが入射する主ハース１７の容器１７ａには、成膜材料Ｍａを充填するための貫通孔１７ｃが形成されている。そして、成膜材料Ｍａの先端部分が、この貫通孔１７ｃの一端において成膜室１０ｂに露出している。

【0030】

成膜材料Ｍａとして、例えば、ＩＴＯ（酸化錫ドープ酸化インジウム）、ＩＷＯ（酸化タングステンドープ酸化インジウム）などの導電材料が用いられる。図２（ａ）に示すように、成膜材料Ｍａが導電性物質からなるため、主ハース１７にプラズマＰが照射されると、プラズマＰが成膜材料Ｍａに直接入射し、成膜材料Ｍａの先端部分が加熱されて昇華し、プラズマＰによりイオン化された成膜材料粒子Ｍｂが成膜室１０ｂ内に拡散する。成膜室１０ｂ内に拡散した成膜材料粒子Ｍｂは、プラズマＰによってイオン化され、成膜室１０ｂのＺ軸正方向へ移動し、搬送室１０ａ内において基板１１の表面に付着する（図１参照）。なお、成膜材料Ｍａは、所定長さの円柱形状に成形された固体物であり、一度に複数の成膜材料Ｍａがハース機構２に充填される。そして、膜厚方向の原子組成が一定となるように最先端側の成膜材料Ｍａの先端部分が主ハース１７の上端との所定の位置関係を保つように、成膜材料Ｍａの昇華に応じて、成膜材料Ｍａがハース機構２のＺ負方向側から順次押し出される。

【0031】

成膜材料Ｍａは、例えば、酸化シリコン、酸化錫などの絶縁性物質でもよい。図２（ｂ）に示すように、成膜材料Ｍａが絶縁性物質からなるため、プラズマＰは主ハース１７に入射する。これにより、主ハース１７が加熱されることで成膜材料Ｍａが加熱されて昇華する。

【0032】

図３（ａ）に示すように、昇華部５０としての主ハース１７は、タングステン、モリブデン、及びタンタルから選択される少なくとも一つの母材７０に対して、酸化ランタン、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、及び酸化トリウム（ＴｈＯ_２）から選択される少なくとも一つの物質７１が含まれている。なお、図３は、母材７０の中に物質７１が含まれる様子を模式的に記載したものである。また、図３では、主ハース１７の一部を拡大した様子が示されているが、当該状態は、主ハース１７の全域にわたって成り立っている。

【0033】

昇華部５０は、１ｗｔ％以上の酸化ランタンを含んでよく、より好ましくは２ｗｔ％程度の酸化ランタンを含んでよい。なお、酸化ランタンの含有量の上限値は特に限定されないが、３ｗｔ％以下の酸化ランタンを含んでよく、より好ましくは２ｗｔ％以下の酸化ランタンを含んでよい。なお、酸化ランタンなどの添加物質の含有量を示す「ｗｔ％」は、主ハース１７を構成する物質全体の重量を１００％としたときの、添加物質の重量割合を示している。なお、酸化セリウム、酸化イットリウム、及び酸化トリウムの含有量についても同様の数値範囲としてよい。

【0034】

次に、本実施形態に係る成膜装置１の作用・効果について説明する。

【0035】

本実施形態に係る成膜装置１において、昇華部５０は、タングステン、モリブデン、及びタンタルから選択される少なくとも一つを含む母材７０に対して、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イットリウム、及び酸化トリウムから選択される少なくとも一つの物質７１が含まれている。図３（ａ）に示すように、昇華部５０には、母材７０に対して酸化物である物質７１が含まれるため、当該物質７１が酸化被膜として機能する。そのため、母材７０が酸化して昇華することを抑制できる。

【0036】

また、図３（ｂ）に示すように、昇華部５０は、消耗に伴って次々に新たな物質７１の被膜が出現するので、酸化抑制効果が持続する。図３（ｂ）では、昇華部５０の「Ｅ１」で示す領域が消耗したが、新たな表面にも、物質７１が存在している。そのため、昇華部５０の消耗を抑制することで、昇華部５０の交換頻度を低減することができる。

【0037】

ここで、タングステンの母材で構成され、酸化ランタンを含有しない比較例に係る主ハースと、タングステンの母材に酸化ランタンが１ｗｔ％含まれる実施例に係る主ハースを準備した。図４（ａ）は、使用前の主ハースである。比較例に係る主ハースも、実施例に係る主ハースも、使用前の形状は同じである。これらの主ハースを成膜装置にセットして、３５時間の運転を行った。図４（ｂ）は、運転後の比較例に係る主ハースを示す。図４（ｃ）は、運転後の実施例に係る主ハースを示す。図４（ｂ）（ｃ）に示すように、母材に酸化ランタンを含有させることで、消耗量が減っていることが確認できる。これにより、交換頻度を低減できることが確認される。

【0038】

昇華部５０は、１ｗｔ％以上の酸化ランタンを含んでよい。この場合、上述の母材７０の酸化抑制効果を十分に得ることができる。

【0039】

昇華部５０は、成膜材料Ｍａを格納する容器であってよい。成膜材料ＭａがプラズマＰによって加熱されることで、容器である昇華部５０も加熱されるが、当該容器には物質が含まれているため、酸化を抑制することができる。

【0040】

昇華部５０は、プラズマＰを導く電極であってよい。プラズマＰによって電極である昇華部５０も加熱されるが、当該電極には物質が含まれているため、酸化を抑制することができる。

【0041】

成膜装置１は、プラズマＰを生成する圧力勾配型プラズマガンを備え、昇華部５０は、プラズマＰを導く電極機能を有すると共に、成膜材料Ｍａを格納する容器によって構成される。圧力勾配型プラズマガンで安定的に生成されたプラズマＰは、電極機能を有する昇華部５０に導かれる。昇華部５０は、成膜材料Ｍａを格納する容器によって構成されるため、プラズマＰによる加熱に伴い格納された成膜材料Ｍａを加熱することができる。また、電極及び容器である昇華部５０には物質が含まれているため、酸化を抑制することができる。

【0042】

本発明は、上述のＲＰＤ成膜装置の実施形態に限定されるものではなく、イオンプレーティング法全般に適用できる。例えば、上記実施形態における昇華部は、成膜材料を抵抗加熱装置や電子銃を用いて昇華させ、ＲＦコイルで生成したプラズマを用いて成膜が行われる成膜装置に適用されてもよい。

【0043】

上述の実施形態では、昇華部５０は、電極としての機能と容器としての機能を同時に備えていた。これに代えて、昇華部５０は、電極としての機能を有さず、成膜材料Ｍａを格納する容器としての機能だけを有してもよい。この場合、容器とは別の部材として電極が設けられる。あるいは、昇華部５０は、容器としての機能を有さず、電極としての機能だけを有してもよい。

【0044】

［形態１］
イオンプレーティング法により成膜材料を対象物に形成させる成膜装置であって、
前記成膜材料を昇華させる昇華部を備え、
前記昇華部は、タングステン、モリブデン、及びタンタルから選択される少なくとも一つを含む母材に対して、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イットリウム、及び酸化トリウムから選択される少なくとも一つの物質が含まれている、成膜装置。
［形態２］
前記昇華部は、１ｗｔ％以上の前記物質を含む、形態１に記載の成膜装置。
［形態３］
前記昇華部は、前記成膜材料を格納する容器である、形態１又は２に記載の成膜装置。
［形態４］
前記昇華部は、プラズマを導く電極である、形態１～３の何れか一項に記載の成膜装置。
［形態５］
プラズマを生成する圧力勾配型プラズマガンを備え、
前記昇華部は、前記プラズマを導く電極機能を有すると共に、前記成膜材料を格納する容器によって構成される、形態１～４の何れか一項請求項１に記載の成膜装置。

【符号の説明】

【0045】

１…成膜装置、１１…基板（対象物）、５０…昇華部、７０…母材、７１…物質。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】