JP6565502B2

JP6565502B2 - 成膜装置及び成膜方法

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Publication number: JP6565502B2
Application number: JP2015173437A
Authority: JP
Inventors: 佑徳嵩; 悟尾崎; 吉岡　尚規; 尚規吉岡; 優田中; 隆治西原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2019-08-28
Anticipated expiration: 2035-09-03
Also published as: CN106498371A; JP2017048433A

Description

本発明は、チャンバー内に電極が配置された成膜装置及び成膜方法に関する。

処理対象のワークに成膜する成膜装置として、プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置やスパッタ装置などが使用されている。これらの成膜装置では、成膜工程中にチャンバーの内壁面やチャンバー内部に配置された電極の表面にも成膜物が堆積する。これらの成膜物がチャンバーや電極から剥離してワークに付着することによって、ワークに成膜された薄膜の膜質が低下するなどの問題が生じる。このため、例えばチャンバーの内壁面を覆って防着板を配置するなどの対策が検討されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００７−０１２９０７号公報

プラズマＣＶＤ装置のチャンバー内でプラズマに曝されるなどして、一般的にチャンバー内に配置された電極の温度は成膜処理中に上昇する。これにより、電極が膨張する。一方、ワークの交換時では、チャンバーを大気開放することによって、放冷により電極の温度は下降する。これにより、電極が収縮する。このように温度変化によって電極が変形することにより、電極と成膜物との熱膨張率の差に起因して、電極から成膜物が剥離する。その結果、ワークに成膜物が付着するなどの問題が生じる。

上記問題点に鑑み、本発明は、電極からの成膜物の剥離が低減された成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、ワークに成膜する成膜装置であって、（ア）ワークが格納されるチャンバーと、（イ）チャンバーの内部に配置され、ワークに成膜するために電力が供給される電極と、（ウ）電極に堆積した成膜物が電極から剥離しないように、ワークに成膜する一連の成膜処理においてワークに成膜する成膜工程と成膜工程以外とで電極の温度が略一定であるように電極の温度を調整する温度調整装置とを備え、ワークに成膜する一連の成膜処理が、チャンバーを大気圧開放してチャンバーにワークを格納するときから、成膜工程を経て、チャンバーを大気圧開放してワークをチャンバーから搬出するまでの各処理である成膜装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、成膜処理対象のワークをチャンバー内に格納するステップと、所定の電力をチャンバー内に配置された電極に供給してワークに成膜するステップと、ワークを成膜した後、チャンバーを大気開放するステップとを含む一連の成膜処理において、電極に堆積した成膜物が電極から剥離しないようにワークに成膜する成膜工程と成膜工程以外とで電極の温度が略一定であるように、チャンバーを大気圧開放してチャンバーにワークを格納するときから、成膜工程を経て、チャンバーを大気圧開放してワークをチャンバーから搬出するまでの各処理において電極の温度を調整する成膜方法が提供される。

本発明によれば、電極からの成膜物の剥離が低減された成膜装置及び成膜方法を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。本発明の第１の実施形態に係る成膜装置を用いた成膜方法を説明するためのフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係る成膜装置の動作を説明する模式図である。本発明のその他の実施形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る成膜装置１は、図１に示すように、処理対象のワーク１００が格納されるチャンバー１０と、チャンバー１０の内部に配置され、ワーク１００に成膜するために電力が供給される電極２０と、電極２０の温度を調整する温度調整装置３０とを備える。

図１に示した成膜装置１は、プラズマＣＶＤ法によってワーク１００に成膜するプラズマＣＶＤ装置であり、電極２０に電力を供給する電源４０と、ガス供給機構５０及び排気機構６０を備える。電源４０は、例えば高周波電源である。ガス供給機構５０は、ワーク１００上に形成する薄膜の原料ガス５１０をチャンバー１０の内部に供給する。排気機構６０は、チャンバー１０内のガスを外部に排気する。排気機構６０には図示を省略するガス調圧弁が備えられ、チャンバー１０内の圧力を一定に保つ。

成膜装置１では、ワーク１００に対向してチャンバー１０に配置された電極２０とワーク１００が搭載されるワークホルダ７０との間で原料ガス５１０のプラズマが形成される。例えば、電極２０をカソード電極とし、ワークホルダ７０をアノード電極とする。チャンバー１０の内部に形成されたプラズマにワーク１００が曝されることによって、原料ガス５１０に含まれる原料を主成分とする膜がワーク１００に成膜される。

以下に、成膜装置１によって薄膜を形成する方法の例を、図２を参照して説明する。

ステップＳ１１において、温度調整装置３０によって電極２０を所定の温度に調整する。次いで、ステップＳ１２において、電極２０を所定の温度に調整しつつ、成膜処理対象のワーク１００をチャンバー１０内に格納する。その後、排気機構６０によってチャンバー１０内を真空にする。

ステップＳ１３において、ガス供給機構５０によって原料ガス５１０をチャンバー１０内に導入する。次いで、排気機構６０によってチャンバー１０内を減圧し、チャンバー１０内の原料ガス５１０を所定のガス圧に調整する。

成膜工程のステップＳ１４において、電源４０をオンして所定の電力を電極２０に供給する。これにより、チャンバー１０内の原料ガス５１０がプラズマ化される。形成されたプラズマ中の励起種がワーク１００の表面で反応し、ワーク１００の表面に薄膜が形成される。この成膜工程においても、温度調整装置３０によって電極２０の温度が調整される。つまり、電極２０を所定の温度に調整しつつ、ワーク１００の成膜が行われる。

ワーク１００に所定の膜厚の膜が形成された後、ステップＳ１５において電源４０をオフし、成膜工程を終了する。次いで、排気機構６０によって原料ガス５１０をチャンバー１０から排気する。その後、ステップＳ１６において、電極２０を所定の温度に調整しつつチャンバー１０を大気開放して、チャンバー１０から成膜済みのワーク１００を搬出する。

上記の一連の成膜処理によって、ワーク１００に所定の膜が成膜される。なお、成膜装置１を連続運転する場合には、ステップＳ１１に戻って、未処理の新たなワーク１００をチャンバー１０に格納する。

温度調整装置３０は、電極２０に堆積した成膜物が電極２０から剥離しないように、図２を参照して説明した一連の成膜処理において電極２０の温度が一定であるように、電極２０の温度を調整する。即ち、成膜装置１では、ワーク１００に成膜する成膜工程と成膜工程以外の他の工程とで電極２０の温度が一定に保持される。例えば、ワーク１００の交換のためなどでチャンバー１０を大気開放したときと、成膜工程中とで、電極２０の温度は一定である。このため、温度変動による電極２０の変形が抑制される。その結果、電極と成膜物との熱膨張率の差に起因して電極から成膜物が剥離することが抑制される。

図１に示した温度調整装置３０は、電極２０に配置される調整部３１と、調整部３１の温度を設定する設定部３２を有する。例えば、調整部３１として電極２０の内部に温水の流れる循環水路を設ける。そして、設定部３２で温度を調整した温水を調整部３１に供給し、温水を電極２０の内部で循環させて電極２０の温度を調整する。或いは、ヒータなどの加熱素子を調整部３１に使用し、この加熱素子を設定部３２によって制御して電極２０を所定の温度に調整してもよい。

成膜装置１によって、例えば、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ：Ｏ［Ｓｉ（ＣＨ₃）₃］₂）と酸素（Ｏ₂）を含む原料ガス５１０をプラズマ重合して得られるＳｉＯ_XＣ_Y：Ｈ構造を有する薄膜を、バリア膜として樹脂材であるワーク１００に成膜できる。このとき、電極２０の材料に金属材、例えば銅（Ｃｕ）を使用すると、ワーク１００に成膜されるバリア膜と電極２０の熱膨張係数の差が大きい。このため、成膜工程と他の工程との間の温度変化によって電極２０が変形すると、電極２０と電極２０に堆積した成膜物との熱膨張率の差に起因して、電極２０から成膜物が剥離する。

しかし、成膜装置１では、チャンバー１０にワーク１００を格納してから成膜工程を経てワーク１００をチャンバー１０から搬出するまで、電極２０の温度が略一定であるように温度調整装置３０によって電極２０の温度が調整される。したがって電極２０が変形せず、電極２０からの成膜物の剥離が抑制される。電極２０の温度を略一定に維持するとは、電極２０から成膜物が剥離しない程度にしか電極２０が変形しない温度に維持されることを意味し、好ましくは、電極２０が全く変形しないように電極２０の温度が完全に一定に維持される。

電極２０の温度は任意に設定可能である。例えば、チャンバー１０の大気開放時の放熱による電極２０の温度低下を抑制するように、チャンバー１０が大気開放されたときの電極２０の温度を、成膜工程での電極２０の温度と略同じ温度に調整する。或いは、成膜レートが高い場合のチャンバー１０の内部温度に合わせて電極２０の温度を調整してもよい。特に、成膜レートが高く、且つ、所望の膜質の膜がワーク１００に良好に成膜される温度に電極２０の温度を調整することが好ましい。

例えば、以下のように、成膜工程時のワーク１００の温度に合わせて電極２０の温度を設定する。ワーク１００が樹脂である場合には、ワーク１００の温度を室温よりも高く設定することが成膜のために好ましい場合がある。例えばＨＭＤＳＯを用いて成膜する場合には、ワーク１００の温度が６０℃〜８０℃であると膜がワーク１００に良好に着膜する。このように所定の温度に設定したワーク１００がチャンバー１０に格納される場合に、電極２０の温度もワーク１００の温度に合わせて設定しておく。これにより、ワーク１００の温度変化を抑制できる。このため、温度調整装置３０によって電極２０の温度を６０℃〜８０℃に設定する。

なお、温度調整装置３０によって、チャンバー１０を大気開放中の温度に電極２０の温度を設定してもよい。大気開放中の電極２０の温度よりも成膜工程中の電極２０の温度の方が高い場合、例えば調整部３１にペルチェ素子などを使用することによって、成膜工程中の電極２０の温度を低くする。

ただし、電極２０の温度を高くすることによって、大気開放時にチャンバー１０の内壁面などに吸着する水分を、ベーキング効果によって少なくすることができる。これにより、チャンバー１０の内部を排気する時間の増大を抑制できる。したがって、電極２０の温度は室温よりも高いほうが好ましい。このため、チャンバー１０が大気開放されるときの電極２０の温度よりも高い温度で、電極２０の温度を一定に調整する。例えば、電極２０の温度が最も高くなる成膜工程での温度で一定になるように、温度調整装置３０によって電極２０の温度を調整してもよい。

また、成膜工程で上昇する電極２０の温度とチャンバー１０を大気開放したときに下降する電極２０の温度との間の温度変化以外にも、電極２０の温度変化は生じる。例えば、電極２０に供給される電力が変化した場合に電極２０の温度が変化する。また、成膜時間が長い場合や、ワーク１００を交換しながら成膜処理を連続する場合に、電極２０の温度は徐々に上昇する。このように、電極２０の温度を調整しない場合には、様々な要因によって電極２０の温度変化が成膜処理ごとに発生する。

これに対し、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置１では、成膜工程を含む一連の成膜処理において電極２０の温度が一定に調整される。このため、電極２０の温度変化に起因して成膜物が電極２０から剥離することが抑制される。その結果、成膜装置１によれば、ワーク１００に成膜物が付着して膜質が劣化したり膜厚が不均一になったりするなどの問題を防止できる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る成膜装置１は、図３に示すように、チャンバー１０の内部にワーク１００に対する処理がそれぞれ行われる複数の処理領域が設定されている点が、図１に示した成膜装置１と異なる。その他の構成については第１の実施形態と同様である。

図３は、複数の処理領域としてチャンバー１０内に第１の処理領域１０１と第２の処理領域１０２が設定された例を示す。ワークホルダ７０は、第１の処理領域１０１と第２の処理領域１０２に渡って、ワーク１００をチャンバー１０内で移動させる。

図３に示した成膜装置１は、第１の処理領域１０１がスパッタ法によってワーク１００に成膜するスパッタ処理領域であり、第２の処理領域１０２がプラズマＣＶＤ法によってワーク１００に成膜するプラズマＣＶＤ処理領域である例を示している。第１の処理領域１０１では、ターゲット２０１がターゲット電極２０２上に取り付けられている。ターゲット電極２０２は高周波（ＲＦ）電力或いは直流（ＤＣ）電力を供給するスパッタ電源２０３に接続されている。第２の処理領域１０２の構成は図１に示した成膜装置１と同様である。

以下に、スパッタ処理領域における処理とプラズマＣＶＤ処理領域における処理を連続して行う場合について説明する。

まず、温度調整装置３０によって電極２０を所定の温度に調整しつつ、チャンバー１０内にワーク１００を格納し、図３に示すようにワーク１００を第１の処理領域１０１に配置する。そして、ガス供給機構５０の不活性ガス供給源５２からアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガス５２０がチャンバー１０内に導入される。スパッタ電源２０３からターゲット電極２０２に電力を供給して不活性ガス５２０を放電させ、ターゲット２０１の表面近傍の気相中にプラズマを形成する。プラズマ中で加速された不活性ガス５２０の正イオンがターゲット２０１の表面に衝突し、スパッタリングによりターゲット原子が放出される。ターゲット２０１の表面から放出された原子がワーク１００の表面に被着・堆積されて、薄膜が形成される。

第１の処理領域１０１でのスパッタ処理が終了した後、図４に示すように、ワークホルダ７０に搭載されたワーク１００が第１の処理領域１０１から第２の処理領域１０２に移動する。その後、第２の処理領域１０２において、図２を参照して説明した成膜方法によって、電極２０を所定の温度に調整しつつ、ワーク１００についてプラズマＣＶＤ法による成膜処理が行われる。即ち、排気機構６０によって真空に排気されたチャンバー１０の内部に、ガス供給機構５０の原料ガス供給源５１から原料ガス５１０が導入される。そして、チャンバー１０内で原料ガス５１０がプラズマ化され、ワーク１００の表面に薄膜が形成される。その後、チャンバー１０から処理済みのワーク１００が搬出される。

上記に説明した成膜処理に亘って電極２０の温度が一定であるように、電極２０の温度が温度調整装置３０によって調整される。

なお、第１の処理領域１０１には、昇降機２０５によってチャンバー１０内を上下方向に移動するシャッター２０４が配置されている。第２の処理領域１０２での成膜処理の間は、図４に示すように上昇したシャッター２０４によってターゲット２０１の表面が保護されている。また、ワーク１００の交換時などでチャンバー１０を大気開放する間も、シャッター２０４によってターゲット２０１の表面が保護される。一方、スパッタ処理の間は、図３に示すようにシャッター２０４は下降している。

以上に説明したように、本発明の第２の実施形態に係る成膜装置１によれば、第１の処理領域１０１における処理と第２の処理領域１０２における処理を真空連続によって行うことができる。このため、処理ごとにチャンバー内を真空にする場合と比べて、トータルの処理時間を短縮できる。また、ワーク１００を大気に曝すことがないため、例えばワーク１００に形成した膜が変質することや、膜に不純物が付着することを防止できる。

更に、第２の実施形態に係る成膜装置１においても第１の実施形態と同様に、プラズマＣＶＤ法による成膜工程と成膜工程を除いた他の工程とで電極２０の温度が一定であるように電極２０の温度が温度調整装置３０によって調整される。このため、温度変化による電極２０の変形が抑制され、電極２０と成膜物との熱膨張率の差に起因する電極２０からの成膜物の剥離が抑制される。その結果、第２の実施形態に係る成膜装置１においても、ワーク１００に電極２０から剥離した成膜物が付着するなどの問題が防止される。他は、第１の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

なお、第１の処理領域１０１での処理と第２の処理領域での処理の順番は任意である。例えば、上記のように第１の処理領域１０１において処理を行った後に第２の処理領域１０２において処理を行ってもよいし、或いは、第２の処理領域１０２において処理を行った後に第１の処理領域１０１において処理を行ってもよい。

図３に示した成膜装置１は、射出成型プラスチック製品の加飾用途などに使用される。例えば、ドアノブや計器類などの自動車部品に金属質感を出すためにアルミニウム膜、ステンレス鋼（ＳＵＳ）膜、チタン膜などを成膜する場合に好適である。また、家電製品、玩具、化粧品容器、時計の文字板などの加飾用途にも使用可能である。

例えば、スパッタ法によってワーク１００に酸化しやすい第１の膜（例えばアルミニウム膜など）を形成した後、真空連続で、第１の膜の酸化を防止する第２の膜を保護膜として第１の膜を覆ってプラズマＣＶＤ法によって形成する。例えば、自動車ヘッドランプのリフレクターの製造などにおける、樹脂部品の表面にアルミニウム膜を形成する場合などに上記の成膜方法は有効である。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

上記では、ワーク１００が水平にワークホルダ７０に搭載される例を示したが、例えば図５に示すように、ワーク１００がボートタイプのワークホルダ７０に垂直に搭載される成膜装置１にも本発明は適用可能である。図５に示した成膜装置１では、電極２０がワーク１００と対向して垂直方向に延伸する。

また、成膜装置１がプラズマＣＶＤ装置である場合を例示的に説明したが、他の成膜方法を使用する成膜装置であっても、チャンバー内に配置された電極を有する成膜装置に本発明は適用可能である。例えば、スパッタ装置のターゲット電極の温度を温度調整装置３０によって一定に設定することにより、ターゲット電極からの成膜物の剥離を抑制できる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…成膜装置
１０…チャンバー
２０…電極
３０…温度調整装置
４０…電源
５０…ガス供給機構
６０…排気機構
７０…ワークホルダ
１００…ワーク
１０１…第１の処理領域
１０２…第２の処理領域
２０１…ターゲット
２０２…ターゲット電極
２０３…スパッタ電源
２０４…シャッター
５１０…原料ガス

Claims

成膜処理対象のワークをチャンバー内に格納するステップと、
所定の電力を前記チャンバー内に配置された電極に供給して前記ワークに成膜するステップと、
前記ワークを成膜した後、前記チャンバーを大気開放するステップと
を含む一連の成膜処理において、
前記電極に堆積した成膜物が前記電極から剥離しないように前記ワークに成膜する成膜工程と前記成膜工程以外とで前記電極の温度が略一定であるように、前記チャンバーを大気圧開放して前記チャンバーに前記ワークを格納するときから、前記成膜工程を経て、前記チャンバーを大気圧開放して前記ワークを前記チャンバーから搬出するまでの各処理において前記電極の温度を調整することを特徴とする成膜方法。