JP3140636B2 - Plasma generator - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、イオンプレーティング
やプラズマＣＶＤ装置などに用いて最適なプラズマ発生
装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma generator most suitable for use in ion plating and plasma CVD.
【０００２】[0002]
【従来の技術】イオンプレーティング装置などのプラズ
マ発生装置では、真空チャンバー内にプラズマを形成
し、このプラズマによって成膜材料をイオン化し、チャ
ンバー内の基板にイオン化材料を付着させるようにして
いる。このチャンバー内でプラズマを発生させるため、
チャンバーに電子源を備え、電子源からの電子をチャン
バー内に導入するようにしている。最近、この電子源と
してプラズマ源が用いられている。2. Description of the Related Art In a plasma generating apparatus such as an ion plating apparatus, a plasma is formed in a vacuum chamber, a film forming material is ionized by the plasma, and the ionized material is attached to a substrate in the chamber. To generate plasma in this chamber,
An electron source is provided in the chamber, and electrons from the electron source are introduced into the chamber. Recently, a plasma source has been used as this electron source.
【０００３】図２は電子源としてプラズマ源を用いたプ
ラズマ発生装置を示している。図中１はプラズマ源であ
り、プラズマ源１はカソード２、アノード３、磁場発生
用コイル４、カソード２を包むように配置された円筒状
のケース５、ケース５の端部に設けられたガス導入口６
で構成されている。プラズマ源１は真空チャンバー７に
内蔵された形で取り付けられている。カソード２はタン
グステンなどの熱電子放出材料の線材で形成されてい
る。このカソード２は加熱電源８に接続されており、熱
電子が放出可能な温度にまで加熱できるように構成され
ている。なお、アノード３はケース５に対し碍子９によ
って電気的に絶縁されている。FIG. 2 shows a plasma generator using a plasma source as an electron source. In the figure, reference numeral 1 denotes a plasma source. The plasma source 1 is a cathode 2, an anode 3, a magnetic field generating coil 4, a cylindrical case 5 arranged so as to surround the cathode 2, and a gas introduction provided at an end of the case 5. Mouth 6
It is composed of The plasma source 1 is mounted in the vacuum chamber 7 in a built-in manner. The cathode 2 is formed of a wire made of a thermionic emission material such as tungsten. The cathode 2 is connected to a heating power supply 8 so that the cathode 2 can be heated to a temperature at which thermoelectrons can be emitted. The anode 3 is electrically insulated from the case 5 by an insulator 9.
【０００４】アノード３は、カソード２と放電用直流電
源１０、低抵抗Ｒ1を介して接続されており、アノード
３にはカソード２に対して＋５０Ｖ〜＋１５０Ｖの電圧
が印加されており、ケース５内で発生したプラズマ中の
電子を引き出して加速させ、真空チャンバー７内に導く
役割をする。ケース５はカソード２とアノード３との間
で安定な放電を維持させるための放電室となっている。
また、ケース５は数１００Ωの抵抗Ｒ3を介して放電電
源１０に接続されている。その結果、ケース５はカソー
ド２の平均電位に対してアルゴンガスの電離電圧以上の
電圧が印加されており、放電トリガの役割を果たすよう
に構成されている。なお、カソード２、アノード３、放
電用直流電源１０で構成される放電回路は、真空チャン
バー７と高抵抗Ｒ3で接続されている。The anode 3 is connected to the cathode 2 via a DC power source 10 for discharging and a low resistance R 1. It plays a role of extracting and accelerating the electrons in the plasma generated in the vacuum chamber and guiding them into the vacuum chamber 7. The case 5 is a discharge chamber for maintaining a stable discharge between the cathode 2 and the anode 3.
The case 5 is connected to a discharge power supply 10 via the resistor R 3 having 100 [Omega. As a result, the case 5 is applied with a voltage higher than the ionization voltage of the argon gas with respect to the average potential of the cathode 2, and is configured to function as a discharge trigger. The discharge circuit composed of a cathode 2, an anode 3, the discharging DC power supply 10 is connected to the vacuum chamber 7 at a high resistance R 3.
【０００５】コイル４は、ケース５内で発生したプラズ
マ中から電子が引き出される方向と平行な磁場を形成す
る電磁石であり、この磁場により、ケース５内の放電プ
ラズマを集束させ、電子ビームをアノード３から通過さ
せる助けをすると共に、アノード３から真空チャンバー
６へ引き出された電子ビームをアノード３から遠方に導
く役割も有している。なお、ケース５やアノード３は詳
細に図示していないが、冷却水が循環できる構造となっ
ている。次にこのような構成の動作を説明する。[0005] The coil 4 is an electromagnet that forms a magnetic field parallel to the direction in which electrons are extracted from the plasma generated in the case 5. This magnetic field focuses the discharge plasma in the case 5 and converts the electron beam into an anode. In addition to assisting the passage of the electron beam from the anode 3, the electron beam also serves to guide the electron beam extracted from the anode 3 to the vacuum chamber 6 away from the anode 3. Although not shown in detail, the case 5 and the anode 3 have a structure in which cooling water can circulate. Next, the operation of such a configuration will be described.
【０００６】まず、ケース５内を図示していない真空排
気系により高真空に排気し、その後、ケース５内にガス
導入口６からアルゴンガスなどの不活性ガスを導入す
る。この場合、ケース５内の圧力を１０−2Ｔｏｒｒよ
りも高く設定する。ケース５内が所定の圧力に設定され
た後、カソード２に加熱電源８より電流を供給して通電
加熱し、カソードを熱電子放出可能な温度にまで加熱す
る。この結果、カソード２から熱電子が放出され、カソ
ード２とアノード３との間、および、カソード２とケー
ス５との間で放電が発生する。この放電によりケース５
内部のアルゴンガスはイオン化され、ケース５内にはプ
ラズマが発生する。First, the inside of the case 5 is evacuated to a high vacuum by a vacuum evacuation system (not shown). Thereafter, an inert gas such as an argon gas is introduced into the case 5 from a gas inlet 6. In this case, the pressure in the case 5 is set higher than 10 −2 Torr. After the inside of the case 5 is set to a predetermined pressure, a current is supplied from the heating power supply 8 to the cathode 2 to conduct and heat the cathode 2, thereby heating the cathode to a temperature at which thermionic electrons can be emitted. As a result, thermoelectrons are emitted from the cathode 2, and discharge occurs between the cathode 2 and the anode 3 and between the cathode 2 and the case 5. This discharge causes case 5
The argon gas inside is ionized, and plasma is generated in the case 5.
【０００７】このようにして発生したプラズマは、コイ
ル４が作る磁場の影響でカソード２からの電子ビームの
軸方向に集束され、更に、アノード３の加速電界により
加速された電子は、真空チャンバー７へと引き出され
る。真空チャンバー７内に引き出された電子は、真空チ
ャンバー７内に導入された活性ガス、または反応ガスな
どを励起してプラズマ化し、真空チャンバー７内に濃い
プラズマを形成する。[0007] The plasma generated in this manner is focused in the axial direction of the electron beam from the cathode 2 under the influence of the magnetic field generated by the coil 4, and the electrons accelerated by the accelerating electric field of the anode 3 pass through the vacuum chamber 7. Drawn to. The electrons drawn into the vacuum chamber 7 excite an active gas, a reaction gas, or the like introduced into the vacuum chamber 7 to be turned into plasma, thereby forming a dense plasma in the vacuum chamber 7.
【０００８】なお、プラズマ源１の放電回路と真空チャ
ンバー７とが高抵抗により接続されていることから、ア
ノード３から真空チャンバー７に引き出された放電電流
は真空チャンバー７へは流れにくくなり、ほとんどがア
ノード３方向に戻ることになる。つまり、プラズマ源１
はアノード２から引き出された電子ビームがＵターンし
てアノード３に戻されるような振る舞いをする。Since the discharge circuit of the plasma source 1 and the vacuum chamber 7 are connected by a high resistance, the discharge current drawn from the anode 3 to the vacuum chamber 7 hardly flows to the vacuum chamber 7, and almost no discharge current flows. Will return to the anode 3 direction. That is, the plasma source 1
Operates such that the electron beam extracted from the anode 2 makes a U-turn and returns to the anode 3.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】上記した構成のプラズ
マ発生装置において、真空チャンバー７内でイオンプレ
ーティングにより成膜を行う場合、成膜材料としてＳｉ
Ｏ2などの絶縁材料を使用すると、アノード３の真空チ
ャンバー７内のプラズマに対向する面に絶縁材料の蒸気
が付着する。この結果、アノード３の表面の導電性が低
下し、真空チャンバー７内で発生したプラズマから戻っ
てくる電子がアノード３に入り込むことが困難となり、
放電電流が時間の経過と共に減少し、極端な場合には放
電維持が困難となってしまう。このため、図２に示した
ようなプラズマ発生装置を酸化物などの絶縁材料の成膜
に用いることは実用上困難となる。In the plasma generator having the above structure, when a film is formed by ion plating in the vacuum chamber 7, Si is used as a film forming material.
When an insulating material such as O2 is used, vapor of the insulating material adheres to the surface of the anode 3 facing the plasma in the vacuum chamber 7. As a result, the conductivity of the surface of the anode 3 decreases, and it becomes difficult for electrons returning from the plasma generated in the vacuum chamber 7 to enter the anode 3.
The discharge current decreases with the passage of time. In an extreme case, it becomes difficult to maintain the discharge. For this reason, it is practically difficult to use the plasma generator shown in FIG. 2 for forming an insulating material such as an oxide.
【００１０】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、絶縁材料の成膜にも用いることが
できるプラズマ発生装置を実現するにある。[0010] The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to realize a plasma generator which can be used for forming an insulating material.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明に基づくプラズマ
発生装置は、内部にプラズマガスが供給されるケース
と、カソードとアノードを備えており、カソードを加熱
することによって発生した熱電子によってケース内にプ
ラズマを形成するように構成されたプラズマ源と、プラ
ズマ源のケース内で発生したプラズマからアノードによ
って引き出され加速された電子が導入される真空チャン
バーとを備えたプラズマ発生装置において、前記真空チ
ャンバー内に形成されたプラズマに面したアノードの前
面に、高融点材料で形成され、前記アノードとの間の熱
抵抗が大きくなるように該アノードに接続された補助ア
ノードを設けたことを特徴としている。A plasma generating apparatus according to the present invention includes a case to which a plasma gas is supplied, a cathode and an anode, and the inside of the case is generated by thermionic electrons generated by heating the cathode. A plasma source configured to form a plasma in a plasma source, and a vacuum chamber into which accelerated electrons are extracted by an anode from plasma generated in a case of the plasma source and into which accelerated electrons are introduced. On the front surface of the anode facing the plasma formed therein, an auxiliary anode formed of a high melting point material and connected to the anode so as to increase the thermal resistance between the anode and the anode is provided. .
【００１２】[0012]
【作用】本発明に基づくプラズマ装置は、真空チャンバ
ー内に形成されたプラズマに面したアノードの前面に、
高融点材料で形成されアノードへ熱伝導が充分行われな
いようにした補助アノードを設け、真空チャンバー内の
絶縁材料の蒸気が補助アノードに付着しても、補助アノ
ードの自己加熱効果により再蒸発させる。The plasma device according to the present invention has a front surface of an anode facing a plasma formed in a vacuum chamber,
An auxiliary anode made of a high melting point material is provided to prevent heat from being sufficiently conducted to the anode. Even if the vapor of the insulating material in the vacuum chamber adheres to the auxiliary anode, it is re-evaporated by the self-heating effect of the auxiliary anode. .
【００１３】[0013]
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１は本発明の一実施例を示しているが、
図２の従来装置と同一ないしは類似構成要素には同一番
号を付しその詳細な説明は省略する。この実施例では、
アノード３の真空チャンバーに対向した側に補助アノー
ド板１２が配置されている点が図２の従来装置と異なっ
ている。この補助アノード板１２は、例えば、モリブデ
ンなどの高融点金属により形成されており、その厚さは
薄くされている。また、補助アノード板１２はアノード
３との間に熱抵抗を大きくもたせるように接続され（例
えば、アノード３に対する接触面積が小さくなるように
接続される）、アノード３と同電位にされている。この
ような構成の動作を次に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention,
The same or similar components as those in the conventional device of FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In this example,
That an auxiliary anode plate 12 on the side facing the vacuum chamber of the anode 3 is arranged is different from the conventional apparatus of FIG. The auxiliary anode plate 12 is formed of, for example, a high melting point metal such as molybdenum, and has a small thickness. The auxiliary anode plate 12 is connected to the anode 3 so as to have a large thermal resistance (for example, connected so as to reduce the contact area with the anode 3), and is set to the same potential as the anode 3. The operation of such a configuration will now be described.
【００１４】まず、図２の従来装置と同様に、ケース５
内を図示していない真空排気系により高真空に排気し、
その後、ケース５内にガス導入口６からアルゴンガスな
どの不活性ガスを導入する。この場合、ケース５内の圧
力を１０−2Ｔｏｒｒよりも高く設定する。ケース５内
が所定の圧力に設定された後、カソード２に加熱電源８
より電流を供給して通電加熱し、カソードを熱電子放出
可能な温度にまで加熱する。この結果、カソード２から
熱電子が放出され、カソード２とアノード３との間、お
よび、カソード２とケース５との間で放電が発生する。
この放電によりケース５内部のアルゴンガスはイオン化
され、ケース５内にはプラズマが発生する。[0014] First, as in the conventional apparatus of FIG. 2, Case 5
The inside is evacuated to a high vacuum by a vacuum exhaust system not shown,
Thereafter, an inert gas such as an argon gas is introduced into the case 5 from the gas inlet 6. In this case, the pressure in case 5 is set higher than 10 -2 Torr. After the inside of the case 5 is set to a predetermined pressure, the heating power supply 8 is connected to the cathode 2.
More current is supplied to heat the current, and the cathode is heated to a temperature at which thermionic electrons can be emitted. As a result, thermoelectrons are emitted from the cathode 2, and discharge occurs between the cathode 2 and the anode 3 and between the cathode 2 and the case 5.
This discharge ionizes the argon gas in the case 5 and generates plasma in the case 5.
【００１５】このようにして発生したプラズマは、コイ
ル４が作る磁場の影響でカソード２からの電子ビームの
軸方向に集束され、更に、アノード３の加速電界により
加速された電子は、真空チャンバー７へと引き出され
る。真空チャンバー７内に引き出された電子は、真空チ
ャンバー７内に導入された活性ガス、または反応ガスな
どを励起してプラズマ化し、真空チャンバー７内に濃い
プラズマを形成する。なお、プラズマ源１の放電回路と
真空チャンバー７とが高抵抗により接続されていること
から、アノード３から真空チャンバー７に引き出された
放電電流は真空チャンバー７へは流れにくくなり、ほと
んどがアノード３方向に戻ることになる。つまり、プラ
ズマ源１はアノード３から引き出された電子ビームがＵ
ターンしてアノード３に戻されるような振る舞いをす
る。The plasma generated in this manner is focused in the axial direction of the electron beam from the cathode 2 under the influence of the magnetic field created by the coil 4, and the electrons accelerated by the accelerating electric field of the anode 3 pass through the vacuum chamber 7. Drawn to. The electrons drawn into the vacuum chamber 7 excite an active gas, a reaction gas, or the like introduced into the vacuum chamber 7 to be turned into plasma, thereby forming a dense plasma in the vacuum chamber 7. Since the discharge circuit of the plasma source 1 and the vacuum chamber 7 are connected by a high resistance, the discharge current drawn from the anode 3 to the vacuum chamber 7 hardly flows to the vacuum chamber 7 and almost all of the anode 3 Will return to the direction. That is, the plasma source 1 emits the electron beam
It behaves like turning and returning to the anode 3.
【００１６】さて、本実施例では、アノード３の真空チ
ャンバー７内に発生したプラズマに対向する面の前に
は、アノード３と同電位でアノードへ熱伝導が充分行わ
れないようにした補助アノード１２が配置されている。
したがって、アノード３に戻される電子は、補助アノー
ド１２に衝突し補助アノード板１２を極めて高い温度に
まで加熱する。このため、例えば、真空チャンバー７内
で絶縁材料を蒸発させ、チャンバー内のプラズマでイオ
ン化する場合、絶縁材料の蒸気が補助アノード板１２の
前面に付着することになるが、補助アノード板１２は前
記したように電子の衝突によって高温に加熱されている
ため、絶縁材料はすぐさま再蒸発される。この結果、真
空チャンバー７内のプラズマから戻される電子は継続し
てアノードに入り込み、長時間に渡って安定に高い放電
出力を維持することができる。In this embodiment, before the surface of the anode 3 facing the plasma generated in the vacuum chamber 7, an auxiliary anode which has the same potential as the anode 3 and does not conduct heat sufficiently to the anode. 12 are arranged.
Therefore, the electrons returned to the anode 3 collide with the auxiliary anode 12 and heat the auxiliary anode plate 12 to an extremely high temperature. For this reason, for example, when the insulating material is evaporated in the vacuum chamber 7 and ionized by the plasma in the chamber, the vapor of the insulating material adheres to the front surface of the auxiliary anode plate 12. As described above, since the insulating material is heated to a high temperature by the collision of electrons, the insulating material is immediately re-evaporated. As a result, the electrons returned from the plasma in the vacuum chamber 7 continuously enter the anode, and can stably maintain a high discharge output for a long time.
【００１７】尚、プラズマ源を真空チャンバー内に内蔵
する構成に限らず、真空チャンバーの壁部にプラズマ源
を外付けする構成であっても良い。The configuration is not limited to the configuration in which the plasma source is built in the vacuum chamber, but may be a configuration in which the plasma source is externally mounted on the wall of the vacuum chamber.
【００１８】[0018]
【発明の効果】以上説明したように、本発明に基づくプ
ラズマ発生装置は、真空チャンバー内に形成されたプラ
ズマに面したアノードの前面に、高融点材料で形成され
アノードへ熱伝導が充分行われないようにした補助アノ
ードを設け、真空チャンバー内の絶縁材料の蒸気が補助
アノードに付着しても、補助アノードの自己加熱効果に
より再蒸発させるように構成した。この結果、アノード
表面に絶縁材料が付着しないので、真空チャンバー内の
プラズマから戻る電子は効率良くアノード（補助アノー
ド）に入り込み、高い放電電流を長時間に渡って維持す
ることができる。As described above, the plasma generating apparatus according to the present invention is formed of a high melting point material on the front surface of the anode facing the plasma formed in the vacuum chamber and has sufficient heat conduction to the anode. An auxiliary anode is provided so that even if vapor of the insulating material in the vacuum chamber adheres to the auxiliary anode, it is re-evaporated by the self-heating effect of the auxiliary anode. As a result, since the insulating material does not adhere to the anode surface, electrons returning from the plasma in the vacuum chamber efficiently enter the anode (auxiliary anode), and a high discharge current can be maintained for a long time.
【図１】本発明に基づくプラズマ発生装置の一実施例を
示す図である。FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of a plasma generator according to the present invention .
【図２】従来のプラズマ発生装置を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a conventional plasma generator .
１ プラズマ源 ２ カソード ３ アノード ４ 磁場発生用コイル ５ ケース ６ ガス導入口 ７ 真空チャンバー ８ 加熱電源 ９ 碍子 １０ 放電電源 １１ ガス導入口 １２ 補助アノード DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma source 2 Cathode 3 Anode 4 Magnetic field generating coil 5 Case 6 Gas inlet 7 Vacuum chamber 8 Heating power supply 9 Insulator 10 Discharge power supply 11 Gas inlet 12 Auxiliary anode
Claims (1)
と、カソードとアノードを備えており、カソードを加熱
することによって発生した熱電子によってケース内にプ
ラズマを形成するように構成されたプラズマ源と、プラ
ズマ源のケース内で発生したプラズマからアノードによ
って引き出され加速された電子が導入される真空チャン
バーとを備えたプラズマ発生装置において、前記真空チ
ャンバー内に形成されたプラズマに面したアノードの前
面に、高融点材料で形成され、前記アノードとの間の熱
抵抗が大きくなるように該アノードに接続した補助アノ
ードを設けたことを特徴とするプラズマ発生装置。A plasma source provided therein, a cathode and an anode, and a plasma source configured to form plasma in the case by thermoelectrons generated by heating the cathode. A vacuum chamber into which electrons extracted by the anode from the plasma generated in the case of the plasma source and accelerated are introduced, and wherein a front face of the anode facing the plasma formed in the vacuum chamber is provided. And a supplementary anode formed of a high melting point material and connected to the anode so as to increase the thermal resistance between the anode and the anode.
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| JP06173938A JP3140636B2 (en) | 1994-07-26 | 1994-07-26 | Plasma generator |
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| JPH0837099A JPH0837099A (en) | 1996-02-06 |
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Cited By (1)
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