JP3574118B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、基板の膜形成面に薄膜を形成する場合、CVD(Chemical Vapour Deposition)法およびPVD(Physical Vapour Deposition)法を用いたプラズマ発生装置が使用されている。
【0003】
このプラズマ発生装置は、真空排気装置を接続した処理室に、中空円筒状体陰極とアノードとが設けられ、両者間にプラズマを発生させ、このプラズマを利用して基板の膜形成面に薄膜を形成するものである。
【0004】
ここでいうプラズマとは、例えば、次のようにして発生する。図5に示すように、通過孔91を設けた中空円筒状体陰極92の後部端から通過孔91に不活性ガス93を注入し、注入した不活性ガス93は通過孔91の前部端まで通過する。この不活性ガス93が通過孔91を通過する時に、フィラメントなど抵抗加熱体により加熱されて放出された熱電子によりイオン化される。このイオン化された不活性ガスが通過孔91の前部端からアノード(図示省略)に向けて放出されて放電することにより、プラズマ94が発生する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この中空円筒状体陰極92を抵抗加熱体により加熱させた場合、中空円筒状体陰極全体を均一に加熱することが難しく、通過孔の配置位置は、加熱される中空円筒状体陰極の位置に限定されてしまう。また、均一に加熱される場所が小規模であり、通過孔の孔径を小さくする必要がある。通過孔の孔径を小さくすると、通過孔の孔内周面の面積が小さくなり、孔内周面から放出される熱電子の量が少なくなる。そのため、イオン化される不活性ガスの量が少なくなってプラズマの発生量が少なくなり、大容量のプラズマを発生させることが難しい。そのため、基板への成膜効率の低下も招く。
【0006】
また、プラズマ発生装置を、例えば、中空円筒状体陰極を抵抗体とし、導線を介して電源に接続した構成とした場合、導線が一部でも切断されると、中空円筒状体陰極を加熱することができない。
【0007】
また、中空円筒状体陰極を抵抗加熱体により加熱させるとサーマルショックが起こり、中空円筒状体陰極の筐体にヒビがはいる場合がある。この時、抵抗加熱体は中空円筒状体陰極の一端から他端に電気を流して中空円筒状体陰極を加熱するので、中空円筒状体陰極にヒビがはいるとヒビがはいった場所でその電気の流れが遮断される。
【0008】
そこで、上記課題を解決するために本発明は、高密度・大容量のプラズマを継続的に発生させることで、大面積の基板に良質の薄膜を形成させるとともに高速で薄膜を形成するプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明に係るプラズマ発生装置は、カソードからアノードに向けてイオン化された不活性ガスを放出して放電させることにより、カソードとアノードとの間にプラズマを発生させるプラズマ発生装置において、前記カソードは、熱電子を放出する材料からなり不活性ガスを通過させる複数の通過孔が貫通形成された中空円筒状体からなり、前記カソードの外周面に沿って、この通過孔を構成する材料を誘導加熱して前記材料から熱電子を放出し通過孔に注入した不活性ガスをイオン化する誘導加熱体が設けられ、前記アノード側の端面からイオン化された不活性ガスを放出することを特徴とする。また、具体的に、熱電子を放出する材料は、LaB6 またはCeB6 からなることが好ましい。
【0010】
この発明によれば、カソードが熱電子を放出する材料からなり不活性ガスを通過させる複数の通過孔が貫通形成された中空円筒状体からなり、カソードの外周面に沿って、この通過孔を構成する材料を誘導加熱して材料から熱電子を放出し通過孔に注入した不活性ガスをイオン化する誘導加熱体が設けられ、アノード側の端面からイオン化された不活性ガスを放出するので、誘導加熱体により通過孔を誘導加熱し、通過孔内周面から熱電子が放出されて、熱電子を安定して放出することが可能となり、この熱電子が放電用作動ガスである不活性ガスをイオン化して、低電圧で高密度のプラズマを発生させることが可能となる。また、このプラズマを用いることで、基板の膜形成面に良質な薄膜を高速で形成することが可能となる。
【0011】
上記した構成において、上記誘導加熱体は、10〜100kHzの誘導加熱電源に接続され、上記誘導加熱体により全ての上記通過孔が均一に加熱されてもよい。
【0012】
この場合、誘導加熱体は、10〜100kHzの誘導加熱電源に接続され、上記誘導加熱体により全ての通過孔が均一に加熱され、全ての通過孔内周面から熱電子が放出されるので、熱電子が放出される面積が大きくなり、熱電子を大量にしかも安定して放出することが可能となる。
【0013】
上記した構成において、上記カソードが、複数設けられてもよい。
【0014】
この場合、大型の基板の膜形成に対応でき、膜形成面に短時間で、しかも良質な膜を形成することが可能となる。
【0015】
上記した構成において、上記誘導加熱体は、IHコイルが前記カソードの外周面に巻かれてなってもよい。
【0016】
この場合、カソードがサーマルショックを起こしても、カソードの外周面からカソードを継続して加熱することが可能となる。
【0017】
上記した構成において、上記カソードとアノードとの間には、発生するプラズマのエネルギーを制御するためのグリッドが設けられてもよい。
【0018】
この場合、グリッドにより放電を制御して、安定したプラズマ状態を発生させることが可能となり、良質な膜を基板の膜形成面に形成することが可能となる。
【0019】
上記構成において、上記イオン化された不活性ガスの放出方向と同一方向であって、かつ、上記カソードの外周面に沿って反応性ガスを放出するキャピラリーが設けられ、このキャピラリーのアスペクト比が100以上であってもよい。
【0020】
この場合、キャピラリーのアスペクト比が100以上であるので、カソードを長時間使用することが可能となる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施の形態では、プラズマ発生装置として、シートプラズマ発生装置に本発明を適用したマルチホロカソードシートプラズマ発生装置の場合を示す。ここでいうマルチホロカソードとは、ホロカソード機構を複数設けたホロカソードをいう。
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1にかかるマルチホロカソードシートプラズマ発生装置(以下、プラズマ発生装置1という)の概略構成図である。図2は、このプラズマ発生装置1に設けられたカソード2の概略斜視図である。図3(a)は、このプラズマ発生装置1の概略斜視図である。
【0022】
図1に示すように、このプラズマ発生装置1は、カソード2とアノード3とが1m以上離れて対向して設けられ、これらカソード2とアノード3とが、加速用電源Aによって接続されてなる。
【0023】
カソード2は、材質がLaB6 である中空円筒状体(径40mm)からなる。このカソード2の前端面21(アノード3側端面)から、下記するイオン化された不活性ガスを放出する、断面が円形状からなる通過孔22が、図2に示すように複数個設けられている。
【0024】
このカソード2の後端面23には、Ar等の不活性ガスCを複数の通過孔22に注入するガス供給管4が接続されている。
【0025】
また、このカソード2の外周面24に沿って絶縁物5が設けられ、この絶縁物5を介して誘導加熱体が巻かれている。この誘導加熱体はIHコイル6からなり、誘導加熱電源B(10〜100kHz)に接続されている。このIHコイル6によって、複数の通過孔22を加熱して多くの熱電子を放出する。この熱電子により、通過孔22に注入した不活性ガスをイオン化する。
【0026】
このIHコイル6の前方の絶縁物5の外方位置に、酸化を促進させるためにO2 からなる反応ガスDを注入するキャビティ7が設けられている。このキャビティ7には、図3(b)に示すように、反応性ガスを放出する複数のキャピラリー71(径d;0.1〜0.3mm)が設けられている。これらキャピラリー71の放出口72は熱電子の放出方向と同一方向に向けられており、アスペクト比L/d(Lはキャピラリーの全長を示す)は300である。
【0027】
アノード3は、高周波コイルからなる第1アノード31と、板状体からなる第2アノード32とから構成されている。第1アノード31は、シートプラズマを発生させるものであり、プラズマの密度・容量を調整するために電流を制限する電流制限抵抗Rを介して加速用電源Aと接続され、キャピラリー71の放出口72近傍のカソード2の前方に設けられている。
【0028】
次に、この実施の形態1におけるプラズマの発生原理および基板の薄膜形成工程について以下に詳説する。
【0029】
加速用電源Aに加速用電圧を印加するとともに、誘導加熱電源Bにより誘導加熱電圧を印加する。誘導加熱電圧を印加することにより、複数の通過孔22が全て均一に加熱される。この時、加熱された複数の通過孔22の孔内周面から熱電子が放出される。
【0030】
両電圧を印加した後、ガス供給管4より不活性ガスCが複数の通過孔22に供給される。通過孔22に供給された不活性ガスCは、熱電子によりイオン化され、通過孔22の前端面21から放出されて、第1アノード31の電界により、カソード2と第2アノード32との間にシートプラズマEが発生する。
【0031】
また、上記した状態で、キャビティ7より反応ガスDが注入され、キャピラリー71の放出口72から放出される。放出された反応ガスDは、プラズマEにより活性化される。このような膜形成環境の下で、成膜材料(図示省略)のプラズマスパッタを行うことにより、基板の膜形成面に成膜材料が付着され、薄膜が形成される。
【0032】
上記したようにこのプラズマ発生装置1によれば、IHコイル6により通過孔22を加熱することで、複数の通過孔が22全て均一に加熱され、全ての通過孔22内周面から熱電子が放出されるので、熱電子が放出される面積が大きくなり、熱電子は大量にしかも安定して放出される。この熱電子が放電用作動ガスである不活性ガスCをイオン化し、このイオン化された不活性ガスに電流が流れて放電する。この放電の形成により、低電圧で高密度のプラズマEを発生させることができる。このプラズマEを用いることで、基板の膜形成面に良質な膜を形成することができ、さらに高速で薄膜を形成することができる。
【0033】
また、カソード2がサーマルショックを起こしても、カソード2の外周面24からカソード2を継続して加熱することができる。
【0034】
また、キャピラリー71のアスペクト比が300であるので、カソード2を長時間使用することができる。なお、アスペクト比が300であれば好ましいが、アスペクト比が100以上であれば構わない。
【0035】
なお、本実施の形態1では、カソード2に複数個の通過孔22を設けてマルチホロカソードを構成しているが、これに限定されるものではなく、1個の通過孔を設けたカソードを複数個設けて構成してもよい。また、カソード2の材質にLaB6 を用いたが、他の導電性材料として、CeB6 、W、Taを用いてもよく、また、カソード2の材質がカーボンからなり、通過孔22の孔内にLaB6 等の中空円筒状体からなる導電性物を挿入して構成されてもよい。また、カソード2は中空円筒状体からなることが好ましいが、通過孔22が設けられていればその形状を限定しなくてもよい。また、通過孔22の断面形状は円形に形成されていることが好ましいが、多角形であってもよい。また、通過孔22は、前端面21から後端面23に貫通して形成され、ガス供給管4がカソード2の後端面23に接続されているが、前端面21から他の任意の面に貫通して形成され、ガス供給管4がその任意の面に接続されていてもよい。また、誘導加熱体はIHコイル6であることが好ましいが、複数の通過孔22が全て均一に加熱することができれば他の形状の誘導加熱体であってもよい。また、反応性ガスEにO2 を用いたが、これは酸化を促進させるために有効である。反応性ガスEは、これに限定されることはなく、N2 、CH4 であってもよい。また、第2アノード32は板状体からなっているが、これに限定されるものではなく、カソード2と加速用電源を介して接続されていれば任意の形状からなってもよい。また、不活性ガスCにArを用いたが、他にHeなどの不活性ガスを用いてもよい。
<実施の形態2>
図4は、本発明の実施の形態2にかかるプラズマ発生装置の概略構成図である。
【0036】
図4に示すように、このプラズマ発生装置8は、上記した実施の形態1にかかるカソード2が複数設けられ、かつ、これらカソード2が直列に接続して設けられたものである。なお、実施の形態1にかかるプラズマ発生装置8と同一の部材には同一符号を付け、その説明を省略する。
【0037】
このプラズマ発生装置8は、カソード2とアノード3とが対向して設けられ、これらカソード2とアノード3とが、加速用電源によって接続されてなる。
【0038】
カソード2には複数の通過孔22が設けられ、このカソード2の外周面24に沿って絶縁物5が設けられ、この絶縁物5を介してカソード2の外周面にIHコイル6が巻かれている。このIHコイル6の前方であって絶縁物5の外方に複数のキャピラリー71が設けられている。
【0039】
アノード3は、高周波コイルからなる第1アノード31と、板状体からなる第2アノード32とから構成されている。
【0040】
また、カソード2とアノード3との間には、発生するプラズマを制御する格子状のグリッド8aが設けられている。
【0041】
次に、この実施の形態2におけるプラズマの発生原理および基板の薄膜形成工程については、上記した実施の形態1に記載されたプラズマの発生原理および基板の薄膜形成工程と同様であり、その説明を省略する。
【0042】
上記したようにこのプラズマ発生装置8を用いることで、実施の形態1に記載された作用効果のほかに、大型の基板の膜形成に対応でき、膜形成面に短時間で、しかも良質な膜を形成することができる。
【0043】
また、グリッド8aにより放電を制御して、安定したプラズマ状態を発生させることができ、良質な膜を基板の膜形成面に形成することができる。
【0044】
なお、図4に示すように、本実施の形態2にかかる第2カソード32は複数個設けられているが、これに限定されるものではなく、夫々のカソード2に対向していれば1枚の板状体からなっていてもよい。
【0045】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明にかかるプラズマ発生装置によれば、高密度・大容量のプラズマを継続的に発生させることで、基板に良質の薄膜を形成させるとともに高速で薄膜を形成することができる。
【0046】
すなわち、カソードが熱電子を放出する材料からなり不活性ガスを通過させる複数の通過孔が貫通形成された中空円筒状体からなり、カソードの外周面に沿って、この通過孔を構成する材料を誘導加熱して材料から熱電子を放出し通過孔に注入した不活性ガスをイオン化する誘導加熱体が設けられ、アノード側の端面からイオン化された不活性ガスを放出するので、誘導加熱体により通過孔を誘導加熱し、通過孔内周面から熱電子が放出されて、熱電子を安定して放出することができ、この熱電子が放電用作動ガスである不活性ガスをイオン化して、低電圧で高密度のプラズマを発生させることができる。また、このプラズマを用いることで、基板の膜形成面に良質な薄膜を高速で形成することができる。
【0047】
また、誘導加熱体は、10〜100kHzの誘導加熱電源に接続され、上記誘導加熱体により全ての通過孔が均一に加熱され、全ての通過孔内周面から熱電子が放出されるので、熱電子が放出される面積が大きくなり、熱電子を大量にしかも安定して放出することができる。
【0048】
さらに、カソードが複数設けられた場合、大型の基板の膜形成に対応でき、膜形成面に短時間で、しかも良質な膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1にかかるプラズマ発生装置の概略構成図である。
【図2】本発明の実施の形態1にかかるプラズマ発生装置に設けたカソードの概略斜視図である。
【図3】(a)は、本発明の実施の形態1にかかるプラズマ発生装置の概略斜視図であり、(b)は、このプラズマ発生装置に設けたキャピラリーの概略斜視図である。
【図4】本発明の実施の形態2にかかるプラズマ発生装置の概略構成図である。
【図5】従来の中空円筒状体陰極の概略斜視図である。
【符号の説明】
1、8 プラズマ発生装置
2 カソード
21 端面(前端面)
22 通過孔
24 外周面
3 アノード
6 誘導加熱体(IHコイル)
71 キャピラリー
8a グリッド
C 不活性ガス
D 反応性ガス
E プラズマ
Claims (7)
- カソードからアノードに向けてイオン化された不活性ガスを放出して放電させることにより、カソードとアノードとの間にプラズマを発生させるプラズマ発生装置において、
前記カソードは、熱電子を放出する材料からなり不活性ガスを通過させる複数の通過孔が貫通形成された中空円筒状体からなり、
前記カソードの外周面に沿って、この通過孔を構成する材料を誘導加熱して前記材料から熱電子を放出し通過孔に注入した不活性ガスをイオン化する誘導加熱体が設けられ、前記カソードのアノード側の端面からイオン化された不活性ガスを放出することを特徴とするプラズマ発生装置。 - 前記誘導加熱体は、10〜100kHzの誘導加熱電源に接続され、
前記誘導加熱体により全ての前記通過孔が均一に加熱されることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ発生装置。 - 前記熱電子を放出する材料は、LaB 6 またはCeB 6 からなることを特徴とする請求項1または2に記載のプラズマ発生装置。
- 前記カソードが、複数設けられたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
- 前記誘導加熱体は、IHコイルが前記カソードの外周面に巻かれてなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
- 前記カソードとアノードとの間には、発生するプラズマのエネルギを制御するためのグリッドが設けられたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
- 前記イオン化された不活性ガスの放出方向と同一方向であって、かつ、前記カソードの外周面に沿って反応性ガスを放出するキャピラリーが設けられ、このキャピラリーのアスペクト比が100以上であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
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