JP5700695B2 - プラズマ発生装置および蒸着装置並びにプラズマ発生方法 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ発生装置および蒸着装置並びにプラズマ発生方法に関する。
蒸着を行う際に、チャンバ内にプラズマを発生させることで蒸着材料の化学反応を促進するプラズマアシスト法が知られている。プラズマアシスト法において、通常、プラズマは、プラズマ化する放電ガスを噴射しながら、放電ガスを電離させる電子を放射するプラズマガンによって形成される。
プラズマガンは、一般に、放出した電子を案内する磁束を形成する収束コイルを備える。プラズマガンから放出された電子は、収束コイルが形成した磁界に絡み付くように移動するため、収束コイルを備えることによって、プラズマガンからより遠い位置にまでプラズマを発生させられる。
しかしながら、収束コイルを使用しても、プラズマガンによって形成できるプラズマの範囲は限られている。このため、蒸着被膜を形成すべき被蒸着体が大きくなると、例えば特許文献１に記載されているように、２つのプラズマガンを対向して配置して、広範囲にプラズマを形成する必要がある。
図３に、チャンバ２１の両側に、プラズマガン２２を対向して配置した蒸着装置を示す。このプラズマガン２２は、圧力勾配型プラズマガンであって、電子を射出するカソード２３と、電圧勾配を形成する第１電極２４および第２電極２５と、電子を回収する帰還電極２６と、電子を案内する磁束を形成する収束コイル２７とを有し、それらの中心を貫通して放電ガスを噴射する。
この蒸着装置において、対向し合うプラズマガン２２の収束コイル２７によって形成された磁束は、互いに反発し合う。プラズマガン２２から放出された電子は、収束コイル２７が形成した磁束に絡み付くように進むため、破線で図示するように、排斥し合う磁束に沿って折り返されて帰還電極２６に環流する。したがって、対向し合うプラズマガン２２の中間位置には電子が十分に供給されず、プラズマが希薄になり、図示するような不均一な放電領域Ｐを形成する。
このため、大型のパネルに蒸着する場合、プラズマ密度の低い中央部の化学反応が不十分となり、蒸着被膜の密着性が低くなる等、被膜の均一性が得られないという問題がある。
特開平７−２５４３１５号公報
前記問題点に鑑みて、本発明は、広範囲に均一なプラズマを発生できるプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法、並びに、均一な蒸着被膜を形成できる蒸着装置を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明によるプラズマ発生装置は、電子を放射するカソードと放射された電子を案内する磁束を形成する収束コイルとをそれぞれ備えており、電離する放電ガスを噴射する、２つのプラズマガンを、対向して配置し、前記２つのプラズマガンは、前記カソードに対する前記収束コイルの極性が互いに反対向きであるものとする。
この構成によれば、対向するプラズマガンの収束コイルが形成する磁束が一体となり、両方のプラズマガンを貫通するような磁束が形成される。これにより、プラズマガンから放射された電子の直進性が高くなり、中央部のプラズマ密度が低下しないようにできる。また、蒸着に用いる場合には、蒸着の化学反応を広範囲に均一化できる。
また、本発明のプラズマ発生装置において、前記プラズマガンは、前記カソードと前記収束コイルとの間に、第１電極および第２電極を備える圧力勾配型プラズマガンであり、前記第２電極は、内部に、前記収束コイルが形成する磁束と同じ向きの磁束を形成する極内磁石が配設されていてもよい。
この構成によれば、極内磁石が形成する磁束と収束コイルが形成する磁束とが一体化するので、プラズマガンの内部で磁束に電子を捕捉させて、安定した放電ができる。
また、本発明のプラズマ発生装置において、前記２つのプラズマガンは、互いに絶縁された駆動回路によって駆動されてもよい。
この構成によれば、プラズマガンの放電量を個別に調整できるので、空間の非対称性等に起因して、一方のプラズマガンの放電量が多くなり、プラズマが不均衡になることを防止できる。
また、本発明のプラズマ発生装置において、前記収束コイルは、位置および角度の少なくともいずれかを個別に調節可能であってもよい。
この構成によれば、空間の非対称性等に起因するプラズマ流の不均衡を、収束コイルの位置および角度を調整することによって矯正でき、均一なプラズマを発生させられる。
また、本発明のプラズマ発生装置において、前記プラズマガンは、前記カソードが放射した電子を回収する帰還電極を備え、前記帰還電極は、対向する前記プラズマガンの回路に接続されていてもよい。
この構成によれば、一方のプラズマガンが放射した電子を他方のプラズマガンにおいて回収するので、電子の直進性が高くなり、プラズマ密度を均一にできる。
また、本発明による蒸着装置は、前記プラズマ発生装置のいずれかを有するものとする。
以上のように、本発明によれば、均一なプラズマを広範囲に発生させることができる。このため、蒸着時には、蒸着材料に均一な化学反応を生じさせて、大きな被蒸着体にも均一な蒸着被膜を形成することができる。
本発明の第１実施形態の蒸着装置の概略構成図である。 本発明の第２実施形態の蒸着装置の概略構成図である。 従来の蒸着装置の概略構成図である。
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態である蒸着装置１の構成を示す。蒸着装置１は、内部を真空排気可能なチャンバ２と、チャンバ２の両側の側壁に設けた開口からチャンバ２の内部を望むように配設された一対の圧力勾配型プラズマガン３とを有する。
チャンバ２は、内部空間の上部に、表面に金属を蒸着すべき被蒸着体であるガラス基板４を保持でき、底部に蒸着材料を溶解するためのるつぼ５が配設されている。るつぼ５は蒸着材料を加熱するためのヒータ５ａを備える。ヒータ５ａは、直流または交流の抵抗加熱方式の他、電子ビームを用いる方式のものが採用できる。
プラズマガン３は、電子を放出するカソード６と、電子の軌道に沿って電位勾配を形成する第１電極７および第２電極８と、カソード６が放出した電子を回収する帰還電極９と、カソード６が放出した電子を案内する磁束を形成する収束コイル１０とを有する。第１電極７は、内部に永久磁石からなる第１極内磁石１１を収容した中空環状の電極である。第２電極は、内部に空芯コイルからなる第２極内磁石１２を収容した中空環状の電極である。プラズマガン３の構成要素間およびプラズマガン３とチャンバ２とは、気密性を確保するために、金属製や硝子製の管等で接続されている。
また、２つのプラズマガン３は、カソード６、第１電極７、第２電極８および帰還電極９に放電電圧を印加するための駆動回路１３を有する。２つの駆動回路１３は、互いに電気的に絶縁されており、個別に調整可能である。さらに、プラズマガン３は、例えばアルゴンのような電離してプラズマ化する放電ガスを、カソード６，第１電極７、第２電極８、帰還電極９および収束コイル１０の中心を貫通して噴射するようになっており、噴射する放電ガスの流量を個別に調節するための調節弁１４をそれぞれ有する。
収束コイル１０および第２極内磁石１２には、両者の極性が同じ向きになるように、不図示の電源から直流電圧が印加される。収束コイル１０および第２極内磁石１２は、プラズマガン３の中心軸回りに電流を周回させるように巻回されており、コイルの内部を貫通するような磁束を形成する。よって、図示した極性は、単に磁極の向きを示すだけであり、図示した極から磁束が延伸することを意味しない。
ここで、左右のプラズマガン３は、それぞれのカソード６に対して、収束コイル１０および極内磁石１２の極性が反対向きになっていることに注意が必要である。つまり、すべての収束コイル１０および極内磁石１２は、絶対的な極性が一致している。具体的には、図において、すべて左側がＳ極、右側がＮ極となっている。このため、両側の収束コイル１０および極内磁石１２が形成した磁束が一体化し、左右のプラズマガン３の中心軸に沿って左右のプラズマガン３を直線的に貫通するような磁束が形成される。
カソード６から放射された電子は、左右のプラズマガン３の間を直進する磁束に絡み付くように進行する。よって、破線で図示するように、両側のプラズマガン３から放出された電子は、チャンバ２の中央部においてクーロン力により互いに反発し合うことにより、磁束から離脱して、それぞれの帰還電極９に環流する。２つのプラズマガン３の駆動回路１３が互いに絶縁されているため、各帰還電極９には、同じプラズマガン３のカソード６から放出された電子と等しい数の電子が環流する。これにより、一方の帰還電極９に多くの電子が環流することがなく、チャンバ２内の電子の流れに不均衡が生じない。
チャンバ２の内部を真空状態とし、プラズマガン３から放電ガスを供給しながら電子を放出することで、放電ガスを電離させてプラズマを発生、または、プラズマ領域Ｐを形成できる。本実施形態では、チャンバ２の中央部まで磁束によって電子を案内することで、チャンバ２の中央部の放電ガスまでプラズマ化し、発生するプラズマの密度を均一にできる。また、左右のプラズマガン３が放出する電子の流れが対称になるため、チャンバ２内に形成されるプラズマ領域Ｐも左右対称になる。
蒸着装置１において蒸着を行うには、チャンバ２内にプラズマ領域Ｐを形成した状態で、るつぼ５の蒸着材料をヒータ５ａによって溶解し、チャンバ２内に蒸着材料と化学反応を起こさせるための反応ガスを導入する。これにより、蒸着材料が反応ガスとの化学反応しながら、ガラス基板４に到達し、ガラス基板４の表面に被膜を形成する。プラズマ領域Ｐの内部では、プラズマによってこの蒸着材料と反応ガスとの化学反応が促進される。蒸着装置１では、上述のように均一な密度のプラズマ領域Ｐを形成するので、均一で高品質の蒸着被膜を形成できる。尚、反応ガスは、ＴＥＯＳ等のプラズマＣＶＤガスであってもよい。基板は、ガラス基板以外に金属やプラスチックでもよい。また、基板の形状は、板材でもロール・トゥー・ロール機構から供出されるフープ材でもよい。
また、実際の蒸着装置１では、チャンバ２の形状や真空排気による非対称性、プラズマガン３の構造の誤差、外部の磁界や電界の影響等によっても、左右のプラズマガン３の作用が不均衡になり得る。そこで、本実施形態では、調整弁１４によって、それぞれのプラズマガン３の放電ガス流量を個別に調節可能とすることによって、左右のプラズマガン３のプラズマ形成能力を均衡させられるようにしてある。
それぞれのプラズマガン３が形成するプラズマのエネルギーは、各プラズマガン３の放電電力、つまり、放電電圧と放電電流の積に依存する。このため、蒸着装置１では、左右のプラズマを対称に形成するため、各駆動回路の出力電力を等しくすることが望まれる。表１に、蒸着装置１におけるラズマ放電の対称化の実験例を示す。
Figure 0005700695
表は、左右のプラズマガン３（プラズマガン１，２）の放電ガスの流量を等しくし、放電電圧の調整によって放電電力を等しくした場合と、左右のプラズマガン３の放電電圧を等しくし、調整弁１４による放電ガスの流量の調整によって放電電力を等しくした場合とを示す。
放電電圧によって放電電力を均衡させた場合、放電電圧の違いにより放出した電子の運動エネルギーが異なるとともに、放電電流の値、つまり、放出する電子の数が不均衡になり、放電ガスの電離状態も異なるものとなった。一方、放電ガスの流量によって放電電力を均衡させた場合、放電ガスの量は異なるものの、プラズマガン３の放電電圧および放電電流、つまり、放出される電子の量および運動エネルギーが同じであるため、左右のプラズマ（電離した放電ガス）の状態に違いは認められなかった。
このように、蒸着装置１では、左右のプラズマガン３の放電電圧を等しく設定し、放電ガスの流量を調整することによって、放電電流が等しくなるようにすれば、左右のプラズマガン３のプラズマ形成能力を均衡させられる。加えて、蒸着装置１では、収束コイル１０の位置や角度を個別に調節可能とし、左右のプラズマガン３の作用をバランスさせられるように構成することが好ましい。
続いて、図２に、本発明の第２実施形態の蒸着装置１ａを示す。本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
本実施形態のプラズマガン３ａは、収束コイル１０の前方、つまり、チャンバ２側に、上下一対のシート化磁石１５を有する。シート化磁石１５は、収束コイル１０の出口側の極と同じ磁極が対向し合うように配置された磁石であり、収束コイル１０が形成した磁束を排斥する磁界を形成し、収束コイル１０が発生した磁束を上下に圧縮する。これにより、チャンバ内に形成する磁束が、水平方向に広がって分布し、これに合わせてプラズマの形成範囲を上下に圧縮して、水平に拡げることができる。
また本実施形態の蒸着装置１ａでは、帰還電極９が対向するプラズマガン３の駆動回路１３ａに接続されている。つまり、本実施形態では、それぞれの帰還電極９が、対向するプラズマガン３の駆動回路１３の電源のみから給電されるようになっている。このため、一方のプラズマガン３から放出された電子は、破線で図示するように、チャンバ２の中央で折り返すことなく、他方のプラズマガン３の帰還電極９に環流する。これにより、発生するプラズマの密度をより均一にできる。
１，１ａ…蒸着装置
２…チャンバ
３…プラズマガン
４…ガラス基板（被蒸着体）
５…るつぼ
５ａ…ヒータ
６…カソード
７…第１電極
８…第２電極
９…帰還電極
１０…収束コイル
１１…第１極内磁石
１２…第２極内磁石
１３，１３ａ…駆動回路
１４…調整弁
１５…シート化磁石
Ｐ…プラズマ領域

Claims (7)

  1. 電子を放射するカソードと放射された電子を案内する磁束を形成する収束コイルとをそれぞれ備えており、電離する放電ガスを噴射する、２つのプラズマガンを、対向して配置し、
    前記２つのプラズマガンは、前記カソードに対する前記収束コイルの極性が互いに反対向きであることを特徴とするプラズマ発生装置。
  2. 前記プラズマガンは、前記カソードと前記収束コイルとの間に、第１電極および第２電極を備える圧力勾配型プラズマガンであり、
    前記第２電極は、内部に、前記収束コイルが形成する磁束と同じ向きの磁束を形成する極内磁石が配設されてい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。
  3. 前記２つのプラズマガンは、互いに絶縁された駆動回路によって駆動され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。
  4. 前記収束コイルは、位置および角度の少なくともいずれかを個別に調節可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
  5. 前記プラズマガンは、前記カソードが放射した電子を回収する帰還電極を備え、前記帰還電極は、対向する前記プラズマガンの回路に接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
  6. 請求項１から５のいずれかに記載のプラズマ発生装置を有することを特徴とする蒸着装置。
  7. 電子を放射するカソードと放射された電子を案内する磁束を形成する収束コイルとをそれぞれ備えており、電離する放電ガスを噴射する、２つのプラズマガンを、対向して配置し、
    前記２つのプラズマガンの、前記カソードに対する前記収束コイルの極性を互いに反対向きにし、
    前記２つのプラズマガンの放電電圧を等しくし、前記２つのプラズマガンの少なくともいずれかの前記放電ガスの噴射量を、前記２つのプラズマガンの放電電流が等しくなるように調整することを特徴とするプラズマ発生方法。
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