JP2005005236A

JP2005005236A - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP2005005236A
Application number: JP2003170535A
Authority: JP
Inventors: Toru Takashima; 島徹高; Yoshikazu Honma; 間義和本
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】プラズマ放電の安定化等を実現するプラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】放電室内に、カソード１６、アノード２１Ａ，２１Ｂ、筒状のシールド体２２が設けられている。カソード１６とアノード２１Ａ，２１Ｂとの間に放電電圧を印加するための放電電源１８、放電室内に放電用ガスを供給するための手段を備えており、放電室内で形成されたプラズマ中の電子をアノード２１Ａ，２１Ｂの開口部内側にあるシールド体２２の一部を通して放電室外の真空容器中に照射させるように構成されている。カソード１６に加熱電流を供給する電極棒３１Ａ，３１Ｂは、空間をおいてカバー碍子３４Ａ，３４Ｂで覆われている。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、内部で発生させたプラズマから電子を外部に導くように成したプラズマ発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンプレーティング装置やプラズマＣＶＤ装置等の薄膜形成装置にプラズマ発生装置が利用されている。
【０００３】
図１は、プラズマ発生装置を備えたイオンプレーティング装置の概略を示し、図２はプラズマ発生装置の詳細を示している。図中１はイオンプレーティング装置の真空容器で、この真空容器の底部には、被蒸発材料２を収容した坩堝３、該被蒸発材料に電子ビームを照射するための電子銃４が設けられている。一方、真空容器の上部には、基板電源５から負の電圧が印加されている基板６が取り付けられている。図中７は真空容器の底部に支持台８により支持されたプラズマ発生装置で、その詳細は後述するが、該プラズマ発生装置からの電子ビームが、前記基板６と坩堝３の間に照射されるように成している。図中９は真空ポンプ、１０はバルブ、１１は反応ガスボンベ、１２はバルブ、１３は放電ガスボンベ、１４はバルブである。
【０００４】
図２は前記プラズマ発生装置の概略を示しており、１５は放電室を形成するケースである。該ケース内にはカソード１６が配置されており、該カソードは加熱電源１７に接続されていると共に、放電電源１８にも接続されている。該ケースには放電ガス供給管１９が設けられており、前記放電ガスボンベ１３から該放電ガス供給管１９を介してＡｒガスの如き不活性ガスがケース内に導入される。該ケースの一方の端部には、ケース１５に碍子２０を介してリング状の第１アノード２１Ａが設けられている。この第１アノードは、例えばステンレスなどで形成され、且つ環状に形成されており、第１アノード２１Ａを含め放電室の他の部品の熱に依る損傷を防止する為に、該第１アノード内には冷却水が流されている。又、この第１アノードの反カソード側には高融点材料（例えば、モリブデン）製でリング状の第２アノード２１Ｂが接続されている。この第１カソード２１Ａと第２アノード２１Ｂの接続は、互いの間の熱抵抗が大きくなるように、互いの一部分同士が繋がれることにより行われている。又、各アノードの内側には、前記カソード１６からの電子が該各アノードに直接照射されないようにシールド電極２２が配置されている。尚、このシールド電極２２の先端部は電子ビームを通過させるオリフィスを成している。前記ケース１５は抵抗Ｒ１を介して前記放電電源１８に接続され、前記アノード２１Ａ，２１Ｂは抵抗Ｒ２を介して放電電源１８に接続されている。更に、前記真空容器１は抵抗Ｒ３を介して放電電源１８接続されている。尚、これらの抵抗の抵抗値は、通常、Ｒ１≫Ｒ３＞Ｒ２とされており、前記放電電源１８に流れる電流の大部分は、アノード２１Ａ，２１Ｂとカソード１６との間で放電電流となる。図中２３はケース内の放電電流を整形するための電磁石を構成するコイルで、ケースの外側に設けられている。
【０００５】
この様な構成のイオンプレーティング装置において、先ず、バルブ１０を開き、真空容器１とケース１５内を真空ポンプ９により所定の圧力になるまで排気する。そして、バルブ１４を開き、ケース１５内に放電ガス供給管１９を介して放電ガスボンベ１３から放電ガス（例えば、Ａｒガス）を所定量導入し、ケース１５内の圧力を高め、カソード１６を加熱電源１７により熱電子放出可能な温度にまで加熱する。
【０００６】
次に、コイル２３に所定の電流を流し、プラズマの点火と安定なプラズマを維持するのに必要な磁場を電子ビームの軸方向に発生させる。この状態において、カソード１６と第１及び第２アノード２１Ａ，２１Ｂに放電電源１８から所定の電圧を印加すると、カソード１６とケース１５との間で初期放電が発生する。この初期放電がトリガとなってケース１５内にプラズマが発生する。この放電プラズマ中の電子は、前記コイル２３が形成する磁場の影響で、電子ビームの軸方向に集束を受け、シールド電極２２の第２アノード２１Ｂに近い側の先端近傍に発生する加速電界により真空容器１内へと引き出される。
【０００７】
一方、真空容器１の内部においては、被蒸発材料２に向けて電子銃４からの電子ビームが照射され、該被蒸発材料は加熱されて蒸発させられる。又、真空容器１内には、バルブ１２が開かれることにより、反応ガスボンベ１１から反応ガス（例えば、酸素ガス）が導入される。前記プラズマ発生装置７から引き出された電子ビームは、前記真空容器１内に導入された反応ガスや蒸発粒子と衝突し、それらを励起、イオン化させて真空容器１内にプラズマＰを形成する。該プラズマ中のイオン化された蒸発粒子と反応ガスは、基板６に引き寄せられて付着或いはイオン衝撃を行い、該基板上には蒸発粒子の成膜が成される。
【０００８】
尚、プラズマ発生装置７から真空容器１内に引き出された電子及びプラズマＰ中の電子は、真空容器１や第１及び第２アノード２１Ａ，２１Ｂに流れ込み、安定な放電が維持される。又、プラズマＰの強さは、放電ガスの流量やカソード１６の加熱温度によって制御することが出来る。又、抵抗Ｒ２とＲ３について、これらの抵抗値の関係を、Ｒ３＞Ｒ２としたが、この抵抗値の関係を、Ｒ３＝Ｒ２、Ｒ３＞Ｒ２、Ｒ３＜Ｒ２、Ｒ３≪Ｒ２と任意に変えることにより、アノード２１Ａ，２１Ｂと真空容器１に流れる電流量を自由に選択することが出来る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図３は、前記カソード１６と、該カソードに加熱電源１７からの電流を供給するリード線近傍の概略を示している。
【００１０】
前記カソード１６は、例えば、１ｍｍ径のタングステン線から成り、熱電子を放出するためにその表面温度は、例えば、２２００°Ｃ程度に加熱される。
【００１１】
この様な高い温度に加熱するので、カソード１６へ供給される電流は、例えば、５０Ａ程度の大電流となり、その為に、カソード１６と加熱電源１７を結ぶリード線は、固有抵抗が低く、熱伝導率の高い鋼材を棒状に成したもの３１Ａ，３１Ｂ（以後、電極棒と称す）が使用される。
【００１２】
図中３２Ａ，３２Ｂはカソードを固定している直方体状のカソードホルダーで、例えば、モリブデンなどの高融点金属で作られている。
【００１３】
尚、３３はケース１５と電極棒３１Ａ，３１Ｂとの間を絶縁する環状の碍子である。
【００１４】
さて、前に述べた様に、プラズマ発生装置７から真空容器１内に引き出された電子及びプラズマＰ中の電子は、真空容器１や第１及び第２アノード２１Ａ，２１Ｂに流れ込み、安定な放電が維持される。即ち、カソード１６から熱電子が放出される方向と逆の方向に、プラズマ電流がカソード１６に流れ込む。
【００１５】
この時、カソード１６に電流を供給している電極棒３１Ａ，３１Ｂやカソードホルダー３２Ａ，３２Ｂもプラズマに曝されているため、カソード１６と同電位にある電極棒３１Ａ，３１Ｂやカソードホルダー３２Ａ，３２Ｂにプラズマ中の正イオンが衝突し、電極棒３１Ａ，３１Ｂやカソードホルダー３２Ａ，３２Ｂから二次電子が放出されるようになる。
【００１６】
この二次電子の量に比例して、カソード１６だけではなく、電極棒３１Ａ，３１Ｂやカソードホルダー３２Ａ，３２Ｂにもプラズマ電流が流れるが、特に、銅を使用している電極棒３１は、モリブデンを使用しているカソードホルダー３２Ａ，３２Ｂより二次電子の放出量が多い。
【００１７】
従って、プラズマ中の正イオンは電極棒３１Ａ，３１Ｂに集中し、電極棒３１Ａ，３１Ｂが極めて高温に加熱されてしまうので、電極棒３１Ａ，３１Ｂを、例えば、冷却水で冷却しなければならならず、プラズマ発生装置の構成が複雑となるばかりか、装置全体が大きくなる。
【００１８】
又、プラズマ中の正イオンが電極棒３１に集中することから、電極棒３１Ａ，３１Ｂが正イオンによりスパッタされ、スパッタ粒子が碍子３３に付着してしまう。絶縁性材料で作られている碍子３３にスパッタ粒子（銅粒子）が付着すると、碍子３３の電気的絶縁性が劣化し、プラズマ発生装置の動作に支障を来す。
【００１９】
又、電極棒３１Ａ，３１Ｂが正イオンによりスパッタされたり、電極棒３１Ａ，３１Ｂが高温に加熱されることにより吸着していたガスを盛んに放出することにより、スパッタされた箇所やガス放出した箇所にプラズマ電流が集中して流れ、その箇所が溶断してしまうことがある。
【００２０】
本発明は、この様な問題点を解決する為になされたもので、新規なプラズマ発生装置を提供することを目的とするものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ発生装置は、放電室と、該放電室内に配置されたカソードと、該放電室の端部に配置されたアノードと、前記カソードに対して少なくとも前記アノードを囲うように前記放電室内に取り付けられた筒状のシールド体と、前記カソードに加熱用電源からの電流を送るための電流供給部材と、前記カソードと前記アノードとの間に放電電圧を印加するための放電電源と、前記放電室内に放電用ガスを供給するための手段を備え、前記電流供給部材と放電室壁の間に絶縁部材が設けられており、前記放電室内で形成されたプラズマ中の電子を前記アノードの開口部内側にある前記シールド体の一部を通して前記放電室外の真空容器中に照射させるように構成したプラズマ発生装置において、前記電流供給部材を絶縁性材料で覆ったことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２３】
図４は本発明のプラズマ発生装置の主要部（カソードと、該カソードに加熱電源１７からの電流を供給する電極棒周辺部）の一例を示している。又、図５はその斜視図である（尚、この図ではケース１５を示さなかった）。尚、図中、前記図３にて使用した番号と同一番号の付されたものは同一構成要素である。
【００２４】
図４及び図５に示された装置が、図３で示された装置と構成上で異なるところは次の通りである。
【００２５】
図４及び図５で示された装置においては、直方体状のカソードホルダー３２Ａ′，３２Ｂ′の碍子３３に対向する部分に環状の穴Ｈａ，Ｈｂが形成されており、この穴の中に、カソード１６に繋がるように電極棒３１Ａ，３１Ｂが挿入されている。又、この電極棒３１Ａ，３１Ｂ各々の周囲を、例えば、窒化珪素の如き熱衝撃に強い電気絶縁性材料から形成された環状のカバー碍子３４Ａ，３４Ｂが電極棒３１Ａ，３１Ｂとの間に空間をおいて覆っている。尚、カバー碍子３４Ａ，３４Ｂの先端部は、少なくとも穴Ｈａ，Ｈｂの一部に入り込むように取り付けられている。
【００２６】
この様な構成のプラズマ発生装置を、例えば、図１に示す如きイオンプレーティング装置に応用した場合、次のように動作する。
【００２７】
先ず、バルブ１０を開き、真空容器１とケース１５内を真空ポンプ９により所定の圧力になるまで排気する。そして、バルブ１４を開き、ケース１５内に放電ガス供給管１９を介して放電ガスボンベ１３から放電ガス（例えば、Ａｒガス）を所定量導入し、ケース１５内の圧力を高め、カソード１６を加熱電源１７により熱電子放出可能な温度にまで加熱する。
【００２８】
次に、コイル２３に所定の電流を流し、プラズマの点火と安定なプラズマを維持するのに必要な磁場を電子ビームの軸方向に発生させる。この状態において、カソード１６と第１，第２アノード２１Ａ，２１Ｂに放電電源１８から所定の電圧を印加すると、カソード１６とケース１５との間で初期放電が発生する。この初期放電がトリガとなってケース１５内にプラズマが発生する。この放電プラズマ中の電子は、前記コイル２３が形成する磁場の影響で、電子ビームの軸方向に集束を受け、シールド電極２２の第２アノード２１Ｂに近い側の先端近傍に発生する加速電界により真空容器１内へと引き出される。尚、カソード１６からの熱電子は、シールド電極２２により、直接第１アノード２１Ａに照射されることはない。
【００２９】
一方、真空容器１の内部においては、被蒸発材料２に向けて電子銃４からの電子ビームが照射され、該被蒸発材料は加熱されて蒸発させられる。又、真空容器１内には、バルブ１２が開かれることにより、反応ガスボンベ１１から反応ガス（例えば、酸素ガス）が導入される。前記プラズマ発生装置７から引き出された電子ビームは、前記真空容器１内に導入された反応ガスや蒸発粒子と衝突し、それらを励起、イオン化させて真空容器１内にプラズマＰを形成する。該プラズマ中のイオン化された蒸発粒子と反応ガスは、基板６に引き寄せられて付着或いはイオン衝撃を行い、該基板上には蒸発粒子の成膜が成される。
【００３０】
さて、プラズマ発生装置７から真空容器１内に引き出された電子及びプラズマＰ中の電子は、真空容器１や第１及び第２アノード２１Ａ，２１Ｂに流れ込み、安定な放電が維持される。即ち、カソード１６から熱電子が放出される方向と逆の方向に、プラズマ電流がカソード１６に流れ込む。
【００３１】
この時、電極棒３１Ａ，３１Ｂを空間をおいて覆っているカバー碍子３４Ａ，３４Ｂがプラズマに曝されるが、カバー碍子３４Ａ，３４Ｂは絶縁材料で形成されているため、負のフローテイングバイアスがかかる程度で、カソードの電位より可成り低く、正イオンによるスパッタをあまり受けない。従って、カバー碍子によって電極棒３１Ａ，３１Ｂには殆どプラズマ電流は流れず、電極棒３１Ａ，３１Ｂは高温に加熱されることがないので、積極的に冷却水などによる冷却を行う必要がない。
【００３２】
又、仮に、カバー碍子３４Ａ，３４Ｂが多少正イオンによるスパッタを受けて、少量のスパッタ粒子が碍子３３に付着したとしても、スパッタ粒子は絶縁性物質であるために、碍子３３の電気的絶縁性に何ら影響を与えない。
【００３３】
又、カバー碍子３４Ａ，３４Ｂには殆どプラズマ電流が流れないので、プラズマ電流の集中による溶断等の発生はない。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマ発生装置を備えたイオンプレーティング装置の概略を示している。
【図２】従来のプラズマ発生装置の概略を示している。
【図３】従来のプラズマ発生装置の主要部の一例を示している。
【図４】本発明のプラズマ発生装置の主要部の一例を示している。
【図５】本発明のプラズマ発生装置の主要部の斜視図である。
【符号の説明】
１…真空容器
２…被蒸発材料
３…坩堝
４…電子銃
５…基板電源
６…基板
７…プラズマ発生装置
８…支持台
９…真空ポンプ
１０…バルブ
１１…反応ガスボンベ
１２…バルブ
１３…放電ガスボンベ
１４…バルブ
１５…ケース
１６…カソード
１７…加熱電源
１８…放電電源
１９…放電ガス供給管
２０…碍子
２２…シールド電極
２１Ａ…第１アノード
２１Ｂ…第２アノード
３１Ａ，３１Ｂ…電極棒
３２Ａ，３２Ｂ，３２Ａ′，３２Ｂ′…カソードホルダー
Ｈａ，Ｈｂ…孔
３３…碍子
３４Ａ，３４Ｂ…カバー碍子

Claims

放電室と、該放電室内に配置されたカソードと、該放電室の端部に配置されたアノードと、前記カソードに対して少なくとも前記アノードを囲うように前記放電室内に取り付けられた筒状のシールド体と、前記カソードに加熱用電源からの電流を送るための電流供給部材と、前記カソードと前記アノードとの間に放電電圧を印加するための放電電源と、前記放電室内に放電用ガスを供給するための手段を備え、前記電流供給部材と放電室壁の間に絶縁部材が設けられており、前記放電室内で形成されたプラズマ中の電子を前記アノードの開口部内側にある前記シールド体の一部を通して前記放電室外の真空容器中に照射させるように構成したプラズマ発生装置において、前記電流供給部材を絶縁性材料で覆ったことを特徴とするプラズマ発生装置。
前記電流供給部材を空間をおいて絶縁性材料で覆った請求項１に記載のプラズマ発生装置。
前記カソードをカソードホルダーにて支持するように成し、このカソードホルダー内にて前記電流供給部材とカソードの繋ぎを行うように成した請求項１に記載のプラズマ発生装置。
前記カソードホルダー内部に穴を開け、少なくともその穴の一部まで、前記電流供給部材を覆った絶縁性材料が挿入されるように成した請求項２に記載のプラズマ発生装置。