JPH04236774A

JPH04236774A - プラズマ源

Info

Publication number: JPH04236774A
Application number: JP3018358A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Terayama; 暢之寺山; Masami Nakasone; 中曾根　正美
Original assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Current assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Priority date: 1991-01-17
Filing date: 1991-01-17
Publication date: 1992-08-25
Anticipated expiration: 2016-07-11
Also published as: JP3186777B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばイオンプレーテ
ィング装置やプラズマＣＶＤ装置等のイオン処理装置に
備えられるプラズマ源に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、上記のようなプラズマ源を備えた
イオン処理装置としては、例えば図３に示すようなもの
があった。このイオン処理装置は、真空槽１を備え、こ
の真空槽１は、排気管２を介して図示しない排気ポンプ
に結合されており、また、この真空槽１の壁部は基準電
位点、例えば接地電位に結合されている。この真空槽１
の下部には蒸発源３が設けられている。この蒸発源３は
、内部に金属または半導体材料４を収容したもので、真
空槽１の外部に設けた抵抗加熱電源５によって、例えば
８Ｖ、４００Ａの交流または直流電力が印加されること
によって加熱され、内部の金属または半導体材料４を、
気化即ち蒸気化させるものである。また真空槽１の下部
には、材料ガス、反応ガス、放電ガス等の気体を、その
供給源から真空槽１内に導入するためのガスノズル６が
設けられている。

【０００３】これら蒸発源３及びガスノズル６の近傍に
筒状の陽極７が配置され、この陽極７の下方に熱電子放
射陰極８が設けられている。陽極７は例えばＤＣ０乃至
＋１００Ｖ、３０Ａの範囲で電圧を可変できる陽極電源
９を介して陰極８に接続されている。また、陰極８には
、例えば１０Ｖ、１００Ａの直流または交流電力が陰極
電源１０によって供給されることによって加熱され、熱
電子を放出する。なお、陽極７及び陰極８は共に、真空
槽１の壁部から浮遊している。

【０００４】また、陽極７の上方にはメッシュ状の加速
電極１１が設けられ、これと真空槽１の壁部との間には
３０Ａ、ＤＣＯ乃至＋５００Ｖの範囲で電圧を可変する
ことができる加速電源１２が設けられている。

【０００５】さらに、陰極８と陽極７との間に発生する
電界に対してほぼ直角な磁界φを発生するように真空槽
１の外部には、磁界発生体としてソレノイドコイル１３
が設けられ、このソレノイドコイル１３は、例えば１２
０Ｖ、１０Ａの直流電力が磁界発生用電源１４によって
供給され、励磁されている。上述した構成によってプラ
ズマ源が構成されている。

【０００６】真空槽１の上部には、被処理物１５、例え
ば基板がホルダー１６によって支持されて、このホルダ
ー１６にはヒータ１７が付設されている。このヒータ１
７は真空槽１の外部に設けた、例えば２０Ｖ、５００Ａ
の基板加熱用電源１８によって加熱されて、被処理物１
５を適当な基板温度としている。さらに、ホルダー１６
と真空槽１の壁部との間には例えばＤＣ０乃至−１００
０Ｖの間で電圧を可変することができる基板電源１９が
設けられている。また、加速電極１１と被処理物１５と
の間には、被処理物１５側に偏ってシャッター２０が設
けられている。このシャッター２０は、真空槽１の外部
からの操作によって、加速電極１１と被処理物１５との
間に開閉可能に構成されている。

【０００７】このようなイオン処理装置では、真空槽１
内を排気ポンプによって適当な圧力まで排気した後、陰
極加熱電源１０によって陰極８を加熱して、陰極８から
陽極７に向かって０．５乃至１ｍＡ程度の熱電子を放出
させる。この状態において、ガスノズル６から気体を供
給するか、蒸発源３から蒸気を供給すると、これら気体
または蒸気の粒子が、陽極７に印加された高電圧に引か
れて陽極７に向かう高エネルギーを有する熱電子と衝突
し、その結果、イオン化され、陽極７と陰極８間にイオ
ンとプラズマ電子とからなるプラズマが発生する。なお
、この場合、磁界φを陽極７と陰極８との間の電界にほ
ぼ直角に印加してあるので、熱電子やプラズマ電子が螺
旋運動して、気体粒子との衝突の機会が増加し、イオン
化が促進される。

【０００８】このようなイオン化によって発生したプラ
ズマ電子や、粒子と衝突せずにエネルギーを失っていな
い熱電子は、数乃至数十Ａの放電電流となって陽極７に
流入し、低電圧大電流のアーク放電となる。プラズマ電
子の一部を加速電極１１に印加した正の電圧によって接
地電位である真空槽１の壁部に逃がすと、プラズマ電位
は上昇し、イオンを被処理物１５の方向へ加速すること
ができる。即ち、プラズマは電子とイオンとが同数で、
全体として電気的に中性であるから、プラズマ電子の数
を上記のようにして減少させると、電気的中性を維持す
るために、瞬時にイオンをプラズマの外側、即ち接地電
位である真空槽１の壁部に吐きだそうとする。そのため
には、プラズマはより高い電位を持たなければならず、
その結果プラズマ電位が上昇し、イオンエネルギーが増
加する。ここで基板電源１９を適当な負の値に調整し、
シャッター２０を開くと、イオンが被処理物１５に到達
し、薄膜が形成される。なお、上記のようなイオン処理
装置において、イオン化させる或いはプラズマ化したい
粒子を蒸気の形で導入するものをイオンプレーティング
装置と称し、ガス状で供給するものをプラズマＣＶＤ装
置と称している。従って、必ずしも、蒸発源３とガスノ
ズル６とを双方真空槽１に設ける必要はなく、いずれか
一方のみを設ければよい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のプラズマ源にお
いて、プラズマ電位の圧力（空間粒子密度）に対する依
存性を図４に示す。図４は、プラズマ化する物質として
、アルゴンガスを用い、陽極７に印加する電圧を６０Ｖ
、放電電流を１Ａ、加速電極１１に印加する電圧を０Ｖ
、磁束密度φを５０ガウスとした状態で、陰極８と陽極
７との間の空間に存在するガス粒子の密度を変化させた
ときのプラズマ電位の変化を示したものである。なお、
プラズマ電位は被処理物１５の前面で探極法により測定
した。図４から、加速電極１１に電圧を印加しなくても
、プラズマを発生している場所、すなわち陰極８と陽極
７との間の空間粒子密度が下がると、プラズマ電位が自
然と上昇することが明らかである。従って、空間粒子密
度が低い条件下では、例えば図４の７×１０−５ｔｏｒ
ｒの圧力では、プラズマ電位は約５０Ｖと高く、低エネ
ルギーイオンによって成膜することは不可能であった。即ち、従来のプラズマ源においては、図４における符号
Ａで示した領域においてプラズマイオンのエネルギー（
プラズマ電位にイオンの電荷を乗算した値）を制御する
ことは可能であったが、符号Ｂで示す領域においてプラ
ズマイオンのエネルギーを制御することは不可能である
という問題点があった。

【００１０】本発明は、上記の問題点を解決したプラズ
マ源を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明は、真空槽を有し、この真空槽は排気手
段によって内部が排気されると共に、壁部が基準電位に
接続されている。この真空槽内には、熱電子放射電極が
設けられ、これは熱電子放出用の電位が印加される。さ
らに、真空槽内には、上記陰極に対して正電位が印加さ
れる陽極が設けられ、上記陰極と上記陽極との間に気体
を供給する気体供給源も設けられ、上記陽極の近傍に配
置されている。そして、上記熱電子放射陰極には、基準
電位に対し０乃至負の電位が印加される。

【００１２】また、本発明では、上記陰極に０乃至負の
電位を可変して印加する電源を設けることができる。さ
らに、陽極の近傍に０乃至正の電圧が印加される加速電
極や、この加速電極に０乃至正の可変直流電位を印加す
る電源を設けることができ、また気体供給源は、真空槽
内にその外部から気体を供給する気体供給通路または上
記真空槽内に設けられた蒸発源とを、具備することがで
き、蒸発源を上記陰極と電気的に結合することもできる
。また、陰極と陽極との間に印加されている電界に対し
てほぼ直角あるいは平行な磁界を印加する磁界発生手段
を設けることもできる。

【００１３】

【作用】本発明によるプラズマ源では、真空槽を排気し
、熱電子放射陰極から熱電子を陽極に向かわせ、気体供
給源から気体を真空槽内に供給すると、この気体と熱電
子が衝突して、イオンとプラズマ電子が発生し、いわゆ
るプラズマが発生する。ここで、陰極には基準電位に対
して０乃至負の電位が印加されている。従って、陰極か
ら放出された熱電子は、陽極へ向かうと同時に、プラズ
マを閉じ込めている壁、すなわち真空槽の槽壁にも入射
する。これによりプラズマ中に電子が注入される。プラ
ズマは本来、電気的中性であるので、プラズマ内に電子
が増えると、これにつれてイオンも増加せねばならず、
その為にプラズマは槽壁に拡散し消失していくイオンの
量を減らそうとする為、プラズマ電位は低下する。また、陰極に印加する電位を可変することによってプラ
ズマ電位を任意の値に下げることができる。また、０乃
至正の電位が印加される加速電極を設ければ、これにプ
ラズマ電子が流れ込み、プラズマ電位を上昇させること
ができるし、加速電極に印加する正の電位を変化させる
ことによってプラズマ電位を任意の値に増加させること
ができる。また気体供給源として蒸発源を用いた場合、
蒸発源を陰極に電気的に結合しておくと、蒸発源は陽極
よりも電位が低くなるので、蒸発源から粒子が蒸発する
際に同時に発生した熱電子も、陰極からの熱電子と共に
陽極に向かい、蒸発粒子のイオン化に貢献する。

【００１４】

【実施例】図１及び図２に、本発明によるプラズマ源を
実施したプラズマ処理装置の１実施例を示す。なお、図
３に示した従来のプラズマ処理装置と同等部分には同一
符号を付して、その説明を省略する。

【００１５】このプラズマ処理装置が図３の従来のプラ
ズマ処理装置と最も異なっているのは、陰極８を浮遊さ
せないで、接地電位、すなわち真空槽１の壁部の電位に
対して０乃至負の電位を印加している点である。そのた
め、陰極８は、例えば３０Ａで０乃至−１００Ｖの範囲
で電位を可変することができる減速電源２１を介して接
地されている。さらに、蒸発源３も陰極８に接続されて
おり、これも図３のイオン処理装置との相違点である。

【００１６】なお、蒸発源３は、タングステン、タンタ
ル、モリブデン等の高融点金属からなる坩堝内に金属ま
たは半導体材料４を収容したものである。陰極８は、タ
ングステン等の高融点材料製のフィラメントであり、例
えば線径が１．０ｍｍ、長さが１００ｍｍのものである
、陰極８と陽極７との間隔は２０乃至２００ｍｍ、望ま
しくは１００ｍｍであり、陽極７と加速電極１１との距
離は３０乃至２００ｍｍ、望ましくは５０ｍｍであり、
ソレノイドコイル１３が発生する磁界φは数十ないし数
百ガウス程度である。

【００１７】この実施例のプラズマ処理装置においても
、図３の従来のプラズマ処理装置と同様にプラズマが発
生し、薄膜を被処理物１５上に形成することができ、陰
極８に０乃至負の電位を減速電源によって印加している
ことによって、イオンを減速することができ、低エネル
ギーイオンによる成膜が可能となった。

【００１８】このプラズマ処理装置において、イオンを
減速させた実験結果を図２に示す。図２は、プラズマ化
させる粒子として、アルゴンガスを用い、圧力を９×１
０−５ｔｏｒｒ、磁界φを５０ガウス、陰極８を加熱す
る電力を８Ｖ、４０Ａとし、陽極電圧を６０Ｖ、放電電
流を１Ａ、加速電極１１の電圧を０Ｖとし、プラズマを
発生させ、陰極８に印加する減速電圧を−２５Ｖから−
５５Ｖへ変化させたときのイオンエネルギーの変化を測
定したものである。なお、イオンエネルギーの分布は、
被処理物１５の前面で４枚グリッドの静電アナライザー
を用いて測定した。図２から明らかなように、陰極８に
印加する減速電圧を−２５Ｖから−５５Ｖへ移動させて
いくと、プラズマ中のアルゴンイオンのピークエネルギ
ーは４０ｅＶ側から１０ｅＶ側へ移動している。イオン
エネルギーは、プラズマ電位にイオンの電荷を乗算した
値であるので、アルゴンイオンのピークエネルギーが小
さくなっていることによって、プラズマ電位が下がって
いることが明らかである。

【００１９】また、従来のものと同様に加速電極に印加
する正の電圧を変化させることによって、プラズマ電位
を高めることができる。

【００２０】また、このプラズマ処理装置では、蒸発源
３も陰極８に接続されているので、蒸発源３の電位は、
陽極７よりも低い。そのため、蒸発源３から金属等が蒸
発する際に、同時に放出された熱電子も、陰極８からの
熱電子と共に陽極７に向かう。従って、蒸発源３から蒸
発した金属等は、陰極８からの熱電子と共に蒸発源３か
ら放出された熱電子との双方によってイオン化されるの
で、イオン化が効率よく、行われる。

【００２１】上記の実施例では、ガスノズル６と蒸発源
３の双方を備えたものとして示したが、いずれか一方の
みを備えることもできる。また、蒸発源３としては、抵
抗加熱方式のものを示したが、電子銃を用いた蒸発源３
とすることもできる。さらに、基板電源１９には、直流
のものを使用したが、高周波電源を使用してもよい。ま
た、上記の実施例では、図１に示すように陽極７に筒状
のものを示したが、図５、図６に示すように板状の陽極
７ａを使用することもできる。この場合、陽極７ａは陰
極８のほぼ真上に位置させる。従って、陰極８と陽極７
ａとの間に印加される電界に対して、ソレノイドコイル
１３が発生する磁界φは、ほぼ平行となる。陰極８から
放出された熱電子は、磁界φの向きに螺旋運動しながら
、気体及び蒸気をイオン化するので、この場合でもプラ
ズマを生成可能である。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明によるプラズマ源
によれば、陰極に基準電位に対し０乃至負の電位を印加
するように構成しているので、プラズマ電位を低下させ
ることができ、低エネルギーの粒子によって成膜するこ
とができる。さらに、本発明によれば、陰極に印加する
０乃至負の電位を任意に変化できるので、成膜するのに
用いるプラズマ電位を任意の値に変化させることができ
る。また、本発明によれば、陰極に基準電位に対し０な
いし負の電位を供給した上に、加速電極を設け、これに
０ないし正の電位を印加しているので、イオンエネルギ
ーを高くすることも低くすることもでき、特に加速電極
の電位を０乃至正の範囲で任意に変更し、陰極の電位を
０乃至負の範囲で変更する場合には、イオンエネルギー
を高くも低くも任意に変更することができる。また、蒸
発源を用いた場合に、この蒸発源を陰極に接続すると、
蒸発源から発生した熱電子もイオン化に貢献するので、
効率よくイオン化が行われる。さらに陰極と陽極との間
の電界にほぼ直角に磁界を磁界発生体によって印加した
場合、熱電子が螺旋運動を行い、粒子との衝突機会が増
加し、イオン化が効率よく行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプラズマ源を具備したプラズマ処
理装置の１実施例の概略を示す図である。

【図２】同実施例において陰極に印加する減速電圧を変
化させたときのイオンエネルギーとイオン量との関係を
示す図である。

【図３】従来のプラズマ源を具備したプラズマ処理装置
の概略を示す図である。

【図４】図３のプラズマ源において圧力を変化させたと
きのプラズマ電位の変化状態を示す図である。

【図５】本発明によるプラズマ源を具備したプラズマ処
理装置の他の実施例の一部の概略を示す図である。

【図６】図５のＡ−Ａ矢視図である。

【符号の説明】

１　　　　真空槽３　　　　蒸発源（蒸気供給源）６　　　　ガスノズル（気体供給源）７　　　　陽極８　　　　陰極９　　　　陽極電源１１　　加速電極１２　　加速電源１３　　ソレノイドコイル（磁界発生体）２１　　減速
電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　排気手段によって内部が排気されると
共に壁部が基準電位に接続されている真空槽と、この真
空槽内に設けられ熱電子放出用の電位が印加されると共
に上記基準電位に対して０乃至負の電位が印加される熱
電子放射陰極と、上記真空槽内に設けられ上記陰極に対
して正電位が印加される陽極と、上記陰極と上記陽極と
の間に気体を供給する気体供給源とを、具備するプラズ
マ源。
【請求項２】　　請求項１記載のプラズマ源において、
上記陰極に０乃至負の可変直流電位を印加する電源を、
具備するプラズマ源。
【請求項３】　　請求項１記載のプラズマ源において、
上記陽極の近傍に配置された加速電極を有するプラズマ
源。
【請求項４】　　請求項３記載のプラズマ源において、
上記加速電極に０乃至正の可変直流電位を印加する電源
を具備するプラズマ源。
【請求項５】　　請求項１、２、３または４記載のプラ
ズマ源において、上記気体供給源が、上記真空槽内にそ
の外部から気体を供給する気体供給通路を具備するプラ
ズマ源。
【請求項６】　　請求項１、２、３または４記載のプラ
ズマ源において、上記気体供給源が、上記真空槽内に蒸
発源を具備するプラズマ源。
【請求項７】請求項６記載のプラズマ源において、上記
蒸発源は上記陰極と電気的に結合されているプラズマ源
。
【請求項８】　　請求項１、２、３、４、５、６または
７記載のプラズマ源において、上記陰極と陽極との間に
印加されている電界に対してほぼ直角あるいは平行な磁
界を印加する磁界発生手段を設けたプラズマ源。