WO2015076162A1 - プラズマ電極、プラズマ処理電極、ｃｖｄ電極、プラズマｃｖｄ装置及び薄膜付基材の製造方法 - Google Patents

プラズマ電極、プラズマ処理電極、ｃｖｄ電極、プラズマｃｖｄ装置及び薄膜付基材の製造方法 Download PDF

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川下守
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32532—Electrodes
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • This technology relates to a plasma electrode, a plasma processing electrode, and a CVD electrode used for surface treatment and film formation of a substrate.
  • Patent Document 1 discloses an electrode in which two magnetic circuits are arranged back to back, and plasma can be generated on both surfaces of the electrodes, whereby two surfaces can be sputtered simultaneously. According to the present invention, it is possible to perform sputtering film formation on both surfaces of the integrated cathode by arranging the two cathodes back to back, and efficiently form the film by running the substrate in each film formation zone. be able to.
  • Patent Document 2 discloses an electrode structure that generates a magnetic field capable of performing magnetron discharge on both surfaces of an electrode by configuring a magnetic circuit without using a yoke.
  • a magnetic circuit without using a yoke.
  • the magnetic flux density on the opposite side of the discharge surface that has been conventionally induced by using the yoke is made to have the same magnetic flux density distribution as that on the discharge surface side by using a configuration that does not use the yoke.
  • the target surface on the opposite side of the discharge surface it is possible to perform the sputter film formation on both surfaces, so that one electrode can perform the sputter film formation for two passes.
  • Patent Document 3 discloses an electrode structure capable of performing sputter film formation on both sides of a cathode by generating a magnetic field capable of performing magnetron discharge on two surfaces using one magnet unit.
  • This technology is an electrode that can be formed by sputtering on both sides of the cathode as in Patent Document 2, but the magnetic circuit is configured to actively induce magnetic flux using a yoke and to optimize the magnetic flux density distribution. it is conceivable that.
  • JP 2004-27272 A JP 2006-233240 A JP2009-127109A
  • the sputter electrode As the sputter electrode, an electrode structure has been proposed in which plasma is generated on both sides of the cathode so that sputtering can be efficiently formed as in the techniques of Patent Documents 1 to 3.
  • an efficient plasma source that can be suitably used for applications other than sputtering film formation, such as plasma processing and plasma CVD, has not yet been proposed.
  • plasmas with different intensities are generated on both sides of the cathode, or plasma is generated only on one side, It is difficult to discharge stably and evenly on both sides.
  • This problem is not a big problem in a sputtering apparatus that forms a single layer on one discharge surface, but the controllability deteriorates as a plasma process or a plasma CVD electrode that performs one process by combining two plasmas. Therefore, it becomes a problem.
  • the plasma electrode of the present invention that solves the above problems is An electrode body having a discharge surface on the outer peripheral surface, and a magnet for forming a tunnel-like magnetic field on the discharge surface;
  • the discharge surface surrounds the outer periphery of the electrode body without or with a gap;
  • a grounding member facing at least a part of the discharge surface with a gap and facing the electrode body.
  • the plasma-treated electrode of the present invention that solves the above problems is as follows.
  • the CVD electrode of the present invention includes the plasma processing electrode of the present invention, A source gas nozzle for introducing a CVD source in the vicinity of the electrode body, It is an electrode for film-forming on the base material installed in the place downstream from the electrode main body in the flow direction downstream of the gas discharge
  • the plasma CVD apparatus of the present invention includes a vacuum vessel, a support mechanism for the base material, and the CVD electrode of the present invention in the vacuum vessel.
  • the manufacturing method of the base material with a thin film of this invention which solves the said subject is as follows.
  • the CVD electrode of the present invention plasma is generated by the plasma electrode, the gas introduced from the gas nozzle is decomposed into radicals through this plasma and supplied onto the substrate, and the CVD source introduced from the source gas nozzle is supplied onto the substrate. To form a thin film on the substrate.
  • an efficient plasma source can be provided in terms of installation space or from the viewpoint of production efficiency, whereby plasma processing or plasma CVD film formation can be performed at a higher speed than in the past.
  • FIG. 4b is a schematic diagram of a cross section taken along the arrow II of the plasma processing electrode shown in FIG. 4a.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the plasma electrode of the present invention.
  • a magnet 101, a yoke 102 and a cathode 103 constitute an electrode body.
  • the magnetic flux generated by the magnet 101 is induced by the yoke 102 and emitted onto the cathode 103, whereby the surface of the cathode 103 becomes a discharge surface, and a magnetron magnetic field is formed on this discharge surface.
  • the cathode 103 is disposed so as to surround the magnet 101 with its surface facing outward.
  • the magnet 101 may be surrounded by one cathode 103, (ii) the plurality of cathodes 103 may surround the magnet 101 without being spaced from each other, or (iii) the plurality of cathodes 103 may be surrounded.
  • the magnets 101 may be surrounded at intervals.
  • the form (i) is also one of the forms in which the cathode 103 is arranged around the magnet 103 without any interval. Since the cathode 103 is arranged so as to surround the magnet 101 as described above, the magnetron magnetic field formed on the discharge surface of the cathode 103 is connected to surround the electrode body.
  • the plasma electrode includes a grounding member (not shown) facing the cathode 103 with a space therebetween.
  • a grounding member (not shown) facing the cathode 103 with a space therebetween.
  • the ground member does not need to be installed facing all of the cathodes 103, and may be installed facing a part of the cathode 103 if there is a part facing the electrode body. However, it is preferable that the ground member is installed so as to surround the electrode body because plasma generated by surrounding the electrode body is more stable.
  • a space surrounded by the magnetic field generating means 101, the yoke 102, and the cathode 103 may be used as the refrigerant flow path 104.
  • the coolant can be flowed through the coolant channel 104 to be cooled.
  • the type and shape of the magnet 101 are appropriately selected so that a tunnel-like magnetic flux can be expressed with sufficient strength on the surface of the cathode 103.
  • a ferrite magnet, a samarium cobalt magnet, a neodymium magnet or the like is preferably used as the type of the magnet 101.
  • the shape of the magnet 101 may be appropriately determined according to the electrode shape. If it is a small circular electrode, a circular magnet can be preferably used.
  • a rectangular magnet is generally used for the rectangular electrode. The magnet itself increases in size to be used for a wide electrode, but a large magnet has a strong magnetic force, so that handling such as assembly work becomes difficult. In such a case, a magnet group in which a plurality of rectangular magnets are arranged in a row is generally handled as one magnet.
  • the arrangement of the magnet 101 and the yoke 102 can be appropriately determined depending on the configuration of the magnetic circuit. As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 1, when the magnetic circuit is configured to guide the magnetic flux emitted from one magnet 101 to the surfaces of the cathodes 103 on both sides using the yoke 102, as shown in the figure. In addition, a configuration in which one magnet 101 is arranged at the center is preferably used. 2 and 3 are schematic cross-sectional views showing another example of the plasma electrode of the present invention. As shown in the schematic cross-sectional view of FIG.
  • the material of the cathode 103 can be appropriately determined depending on the use of the electrode.
  • the cathode 103 is preferably configured so that the material used as a sputtering target is at least on the outermost surface on the discharge surface side.
  • the cathode 103 is made of a material having a low sputtering rate, for example, a material such as aluminum or titanium so that the cathode 103 is less susceptible to erosion due to plasma. preferable.
  • the cathode 103 is preferably cooled by some cooling means, and more preferably the cathode 103 itself is directly cooled by the refrigerant.
  • an auxiliary magnetic pole can be formed by projecting the outer end of the yoke 102 outward from the surface of the cathode 103, that is, from the discharge surface of the electrode body.
  • Use of such an auxiliary magnetic pole is more preferable because the controllability of the magnetic field on the cathode 103 can be improved.
  • the auxiliary magnetic pole is designed so as to generate a magnetic field that rises sharply in a narrow range between the magnetic poles, high-density plasma concentrated in a narrow area can be obtained.
  • the auxiliary magnetic pole is designed so as to generate a magnetic field with little fluctuation in the magnetic field strength over a wide range between the magnetic poles, a wide range of plasma can be obtained.
  • FIG. 4 a is a schematic cross-sectional view showing an example of a plasma processing electrode using the plasma electrode of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a cross section taken along the line II of the plasma processing electrode of FIG. 4a.
  • This plasma processing electrode uses the plasma electrode configuration illustrated in the schematic cross-sectional view of FIG. 1 as an electrode 201, and an earth member 202 is disposed so as to be sandwiched with a certain gap with respect to the electrode 201. Further, a gas nozzle 204 for introducing gas from a direction parallel to the discharge surface is disposed between the discharge surface on the surface of the cathode 103 and the ground member 202.
  • a base material 203 supported by a support mechanism (not shown) is arranged at a position distant from the electrode 201 on an extension line in the gas introduction direction (downstream in the gas flow direction) introduced by the gas nozzle 204, and the surface of the base material 203 Is plasma treated.
  • the support mechanism for the base material may be in a form that is fixed and does not move, or may be in the form of a cylindrical drum that moves so as to convey the base material 203.
  • the gas nozzle 204 is arranged so that the gas can be directly introduced into the ionization space generated by the electrode 201, the introduced gas can be efficiently ionized. Moreover, since directionality can be imparted to the introduction of gas, ions, radicals, and the like generated in the ionization space can be used efficiently. From such characteristics, it is preferably used as a plasma processing apparatus such as an ion source or a radical source, and more preferably used as a plasma CVD electrode.
  • FIG. 4b is a schematic sectional view showing another example of the plasma processing electrode using the plasma electrode of the present invention.
  • the electrode 201 having the plasma electrode configuration shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 1 is used as a basic unit, and two basic units are arranged side by side in the gas flow direction introduced from the gas nozzle 204.
  • the two basic units side by side By arranging the two basic units side by side in this way, the introduced gas is exposed to a longer and stronger plasma to promote decomposition. Therefore, the amount of ions and radicals generated is increased, which is effective for improving the processing capability of the plasma processing apparatus and improving the film forming speed of the plasma CVD apparatus.
  • the plasma processing electrode of FIG. 4 b is configured by arranging two basic units, it may be configured by arranging three or more.
  • FIG. 6a is a schematic sectional view showing an example of a plasma CVD electrode using the plasma processing electrode of the present invention.
  • a source gas nozzle 205 for introducing a CVD source is disposed on the opposite side of the gas nozzle 204 across the discharge space.
  • plasma is generated in the discharge space by the plasma electrode.
  • gas is introduce
  • FIG. 6 b is a schematic cross-sectional view showing another example of a plasma CVD electrode using the plasma processing electrode of the present invention.
  • a source gas nozzle 205 for introducing a CVD source is installed in the space between the electrode body 201 and the base 203 using the structure of the plasma processing electrode exemplified in the schematic cross-sectional view of FIG. Using this plasma processing electrode, plasma is generated in the discharge space by the plasma electrode. And gas is introduce
  • the ionized gas is supplied to the space between the electrode body 201 and the base material 203, and the CVD source gas is supplied from the source gas nozzle 205 to the same space, whereby the CVD source gas is decomposed and a thin film is formed on the base material 203.
  • Both the plasma CVD electrodes of FIGS. 6a and 6b are characterized in that the source gas nozzle 205 is located downstream of the discharge space with respect to the basic gas flow, so that the film-forming species are less likely to flow backward and the electrode 201 is less likely to be contaminated. There is. Further, the base material 203 can be moved away from the discharge space, and film formation can be performed with low damage by suppressing thermal damage and ion bombardment caused by plasma.
  • the shortest distance between the center of the discharge space and the substrate 203 is preferably 30 mm or more in consideration of the ease of handling of the structure such as the source gas nozzle 205. If the gap between the center of the discharge space and the substrate 203 is longer than 300 mm, the film formation rate decreases, the occupied space becomes larger, and the efficiency is lowered. Therefore, the gap is preferably 300 mm or less.
  • the mesh has an aperture ratio of 50% or more because it is possible to prevent the film forming ability from being lowered due to hindering the passage of products other than charged particles.
  • the electrode body has the structure shown in FIG.
  • As the magnet 101 it is assumed that a neodymium magnet having a magnetization direction (height direction) of 20 mm, a width of 10 mm, and a length of 40 mm is used side by side, and the magnet surface magnetic flux density is 300 mT.
  • ferritic stainless steel SUS430 is used for the yoke 102
  • the relative magnetic permeability was set to 500 (magnetic permeability 1.26 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ 500 H / m). It was assumed that pure titanium was used for the cathode 103 and cooling water was allowed to flow through the coolant channel 104.
  • the present invention can be applied not only to a plasma CVD electrode but also to a plasma processing electrode, a plasma electrode as an ion source or a radical source, etc., but the application range is not limited thereto.

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Abstract

　本発明は、外周面に放電面を有し、この放電面にトンネル状の磁場を形成するためのマグネットが内部に設けられた電極本体と、放電面の少なくとも一部と間隔を空けて対向し、電極本体を挟んで向かい合うアース部材とを有し、放電面が電極本体の外周を、間隔を置かずまたは間隔を置いて囲んでいるプラズマ電極である。　本発明により、プラズマ処理速度の向上と安定放電の両立が可能なプラズマ電極が提供される。

Description

[規則37.2に基づきISAが決定した発明の名称]　プラズマ電極、プラズマ処理電極、ＣＶＤ電極、プラズマＣＶＤ装置及び薄膜付基材の製造方法
　本技術は、基材の表面処理や成膜に用いられるプラズマ電極、プラズマ処理電極およびＣＶＤ電極に関する。
　各種基材をプラズマによって表面改質することや、各種基材の表面にプラズマを用いた成膜手段により機能膜を成膜する技術は一般的によく知られている。この技術に用いられるプラズマ源として、さまざまなプラズマ電極の開発や実用化が進められている。そして効率化の観点から、１つの電極を用いて２つの面にプラズマを生成するような電極技術も開発されている。
　特許文献１には２つの磁気回路を背中合わせに配置し、電極両面にプラズマを生成させることにより２面同時にスパッタ成膜ができる電極が開示されている。この発明によれば、２つのカソードを背中合わせに配置することにより一体となったカソードの両面でスパッタ成膜することができ、各成膜ゾーンに基材を走らせることで効率的に成膜することができる。
　また特許文献２にはヨークを用いない構成にて磁気回路を構成することにより、電極両面にマグネトロン放電を行える磁場を生成する電極構造が開示されている。この電極を用いることで、カソード両面でスパッタ成膜ができる。この技術では、従来はヨークを用いて誘導していた放電面の反対側の磁束を、ヨークを使用しない構成にすることで放電面側と同様の磁束密度分布になるようにする。放電面側と同様に、放電面の反対側にもターゲット面を配置することにより両面でスパッタ成膜ができるため、電極１台で２パス分のスパッタ成膜ができる。
　また特許文献３には１つの磁石ユニットを用いて２つの面にマグネトロン放電を行える磁場を生成することにより、カソード両面でスパッタ成膜ができる電極構造が開示されている。この技術は特許文献２と同様にカソード両面でスパッタ成膜ができる電極であるが、磁気回路はヨークを用いて積極的に磁束を誘導する構成としており、磁束密度分布の最適化を図ったものと考えられる。
特開２００４－２７２７２ 特開２００６－２３３２４０ 特開２００９－１２７１０９
　スパッタ電極としては、特許文献１～３の技術のようにカソード両面にプラズマを生成して効率よくスパッタ成膜できるような電極構造が提案されている。しかしながら、スパッタ成膜以外の用途、たとえばプラズマ処理やプラズマＣＶＤに好適に用いることができる効率のよいプラズマソースはいまだ提案されていない。特許文献１～３に示されているようなスパッタ電極をプラズマ処理やプラズマＣＶＤに用いた場合、カソードの両面でそれぞれ強度の違うプラズマが生成されたり、片面しかプラズマが生成されなかったりして、安定して両面均等に放電させることが困難である。この問題は１つの放電面で１層の成膜を行うスパッタ装置においては大きな問題にならないが、２つのプラズマをあわせて１つの処理を行うプラズマ処理あるいはプラズマＣＶＤ電極としては、コントロール性が悪化するため問題となる。
　上記課題を解決する本発明のプラズマ電極は、
外周面に放電面を有し、この放電面にトンネル状の磁場を形成するためのマグネットが内部に設けられた電極本体と、
前記放電面は前記電極本体の外周を、間隔を置かずまたは間隔を置いて囲んでおり、
前記放電面の少なくとも一部と間隔を空けて対向し、前記電極本体を挟んで向かい合うアース部材と、を有している。
　また上記課題を解決する本発明のプラズマ処理電極は、
本発明のプラズマ電極と、
前記アース部材とこのアース部材に対向する前記放電面との間の放電空間へ、前記放電面と平行な方向からガスを導入するためのガスノズルと、を有している。
　また本発明のＣＶＤ電極は、本発明のプラズマ処理電極と、
電極本体近傍にＣＶＤ原料を導入するための原料ガスノズルと、を有しており、
前記ガスノズルから放出されるガスの流れ方向下流側で、電極本体から離れたところに設置される基材に成膜するための電極である。
　また本発明のプラズマＣＶＤ装置は、真空容器と、この真空容器内に基材の支持機構と本発明のＣＶＤ電極とを備えている。
　また上記課題を解決する本発明の薄膜付基材の製造方法は、
本発明のＣＶＤ電極を用い、プラズマ電極でプラズマ生成し、ガスノズルから導入されたガスをこのプラズマを通してラジカルに分解して基材上に供給すると共に、原料ガスノズルから導入されたＣＶＤ原料を基材上に供給することでこの基材に薄膜を形成する。
　本発明によれば、設置スペース的に、あるいは生産効率の観点から効率のよいプラズマソースが提供でき、これにより従来比高速でプラズマ処理あるいはプラズマＣＶＤ成膜ができる。
本発明のプラズマ電極の一例を示す概略断面図である（アース部材は図示せず）。 本発明のプラズマ電極の別の一例を示す概略断面図である（アース部材は図示せず）。 本発明のプラズマ電極の別の一例を示す概略断面図である（アース部材は図示せず）。 本発明のプラズマ電極を用いたプラズマ処理電極の一例を示す概略断面図である。 本発明のプラズマ電極を用いたプラズマ処理電極の別の一例を示す概略断面図である。 図４ａに示すプラズマ処理電極のＩ－Ｉ矢視断面の模式図である。 本発明のプラズマ処理電極を用いたプラズマＣＶＤ電極の一例を示す概略断面図である。 本発明のプラズマ処理電極を用いたプラズマＣＶＤ電極の別の一例を示す概略断面図である。 本発明のプラズマ電極に用いるカソード本体の磁場解析モデルの斜視図である。 図７の解析モデルを用いた磁場解析結果の側面断面図である。 図７の解析モデルを用いた磁場解析結果の正面図である。
　以下、本発明の実施形態の例を、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明はこれら実施形態には限定されない。
　図１は、本発明のプラズマ電極の一例を示す概略断面図である。本発明のプラズマ電極は、マグネット１０１、ヨーク１０２およびカソード１０３で電極本体を構成している。マグネット１０１で発生した磁束をヨーク１０２にて誘導し、カソード１０３上に放出することにより、カソード１０３表面が放電面となり、この放電面にマグネトロン用磁場を形成する。カソード１０３は、その表面が外側に向いた状態でマグネット１０１を囲むように配置されている。この際、（ｉ）１つのカソード１０３でマグネット１０１を囲んでもよく、（ii）複数のカソード１０３で、それぞれの間隔を置かずにマグネット１０１を囲んでもよく、または（iii）複数のカソード１０３で、それぞれの間隔を置いてマグネット１０１を囲んでもよい。（ｉ）の形態も、カソード１０３を、間隔を置かずにマグネット１０３の周りに配置した形態の１つとする。このようにカソード１０３がマグネット１０１を囲むように配置されているので、カソード１０３表面の放電面に形成されるマグネトロン用磁場は、電極本体を取り囲むようにつながる。
　プラズマ電極は、カソード１０３と間隔を空けて対向するアース部材（図示せず）を備えている。カソード１０３とアース部材との間に電界を印加することにより、カソード１０３表面に高密度プラズマが生成される。上述したように、カソード１０３表面の放電面に形成されるマグネトロン用磁場は、電極本体を取り囲むようにつながるので、プラズマも電極本体を取り囲むように生成される。このようにプラズマは途切れなく連結して安定しているので、電極本体を挟んで両側に発生しているプラズマの強度に差が生じてバランスが崩れたり、一方のプラズマが点灯しないというトラブルを防止できる。アース部材はカソード１０３の全てと対向して設置する必要はなく、電極本体を挟んで向かい合う部分があれば、カソード１０３の一部分と対向して設置すればよい。ただし、アース部材が電極本体を取り囲むように設置されていた方が、電極本体を取り囲んで生成するプラズマがより安定するので好ましい。
　プラズマ電極は、磁場生成手段１０１、ヨーク１０２およびカソード１０３で囲まれた空間を冷媒流路１０４としてもよい。プラズマ放電による熱でマグネット１０１やカソード１０３が損傷を受けないよう、冷媒流路１０４に冷媒を流して冷却することができる。
　マグネット１０１は、カソード１０３表面にトンネル状の磁束が充分な強さで発現できるように、種類や形状などが適宜選定される。マグネット１０１の種類としてはフェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、ネオジウム磁石などが好適に用いられる。マグネット１０１の形状は電極形状にあわせて適宜決定すればよい。小型の円形電極であれば磁石形状も円形のものを好適に用いることができる。矩形電極では矩形の磁石が一般的に用いられている。広幅の電極に用いるには磁石自体が大型化するが、大きな磁石は磁力も強力なため組立作業等ハンドリングが困難になる。このような場合では複数の矩形磁石を一列に並べた磁石群を１つの磁石として取り扱うことが一般的に行われている。
　またマグネット１０１およびヨーク１０２の配置は磁気回路の構成によって適宜決定できる。図１の概略断面図に示すように１つのマグネット１０１から放出される磁束を、ヨーク１０２を用いて両側の各カソード１０３表面に誘導するように磁気回路が構成されている場合は、図示するようにその中央部に１つマグネット１０１を配置する構成が好適に用いられる。図２および図３は、それぞれ本発明のプラズマ電極の別の一例を示す概略断面図である。図２の概略断面図に示すように１つのマグネット１０１から放出される磁束を、ヨーク１０２を用いて片側のカソード１０３表面に誘導するように２系統の磁気回路を構成する場合は、図示するように各系統の磁気回路に１つずつマグネット１０１を配置する構成が好適に用いられる。図３の概略断面図に示すように１対のマグネット１０１を用いて片側のカソード１０３表面に磁束を放出するように２系統の磁気回路を構成する場合は、図示するように各系統の磁気回路に１対ずつマグネット１０１を配置し、ヨーク１０２を用いて磁気回路を２系統構成する方法が好適に用いられる。
　カソード１０３の材質は、電極の用途により適宜決定できる。例えば本発明のプラズマ電極をスパッタ装置として使用する場合、スパッタリングターゲットとして用いる材質を少なくとも放電面側最表層に有するようにカソード１０３を構成するのが好ましい。また本発明のプラズマ電極をイオンソース用途などのプラズマ発生源として用いる場合は、カソード１０３がプラズマによるエロージョンを受けにくくなるようにスパッタレートの低い材料、例えばアルミやチタン等の材料で構成するのが好ましい。いずれの場合においてもカソード１０３は何らかの冷却手段に冷却されているのが好ましく、カソード１０３自体が直接冷媒で冷却されるのがより好ましい。
　図１および図２の概略断面図に示すように、ヨーク１０２の外側端部をカソード１０３表面、つまり電極本体の放電面より外側に突き出すことにより補助磁極とすることができる。このような補助磁極を用いることにより、カソード１０３上の磁場の制御性を向上させることができるのでより好ましい。例えば、磁極間の狭い範囲で急峻に立ち上がるような磁場を生成するように補助磁極を設計すれば、狭いエリアに集中した高密度プラズマが得られる。また、磁極間いっぱいに広い範囲で磁場強度の変動が少ない磁場を生成するように補助磁極を設計すれば、広範囲のプラズマを得ることができる。このように電極の使用目的に応じて適宜磁場設計することが好ましい。また補助磁極を用いる場合、図１中に示す極間距離Ａを冷媒流路幅Ｂよりも狭く設計するのが好ましい。これはヨークで誘導する磁束をできるだけ補助磁極から集中して放出させるためである。
　図４ａは、本発明のプラズマ電極を用いたプラズマ処理電極の一例を示す概略断面図である。図５は、図４ａのプラズマ処理電極のＩ－Ｉ矢視断面の模式図である。このプラズマ処理電極は、図１の概略断面図で例示したプラズマ電極構成を用いてこれを電極２０１とし、電極２０１に対して一定の間隙を持って挟み込むようにアース部材２０２を配置している。さらに、カソード１０３表面の放電面とアース部材２０２との間に、放電面に平行な方向からガスを導入するガスノズル２０４を配置している。ガスノズル２０４により導入されるガスの導入方向の延長線上（ガスの流れ方向下流側）で、電極２０１から離れた位置に図示しない支持機構で支持された基材２０３が配置され、基材２０３の表面をプラズマ処理する。なお、基材の支持機構は固定されて動かない形態であっても、基材２０３を搬送するように動く円筒ドラム状の形態であってもよい。
　ガスノズル２０４は、電極２０１によって生じる電離空間に直接ガスを導入できるように配置されるため、導入されるガスを効率良く電離することができる。またガスの導入に方向性を付与できるため、電離空間で生成されたイオンやラジカルなどを効率良く利用することができる。このような特徴から、イオンソースやラジカルソースなどのプラズマ処理装置として利用するのが好ましく、またプラズマＣＶＤ電極としてより好ましく用いることができる。
　また図４ｂは、本発明のプラズマ電極を用いたプラズマ処理電極の別の一例を示す概略断面図である。このプラズマ電極ユニットは、図１の概略断面図で示したプラズマ電極構成の電極２０１を基本ユニットとし、２つの基本ユニットを、ガスノズル２０４から導入されるガス流れ方向に並べて配置している。このように２つの基本ユニットを並べて配置することにより、導入したガスがより長く強いプラズマに曝され分解が促進される。このためイオンやラジカルの生成量が多くなり、プラズマ処理装置の処理能力向上や、プラズマＣＶＤ装置の成膜速度向上に効果的である。なお、図４ｂのプラズマ処理電極は、基本ユニットを２つ並べて構成されているが、３つ以上を並べて構成してもよい。
　図６ａは、本発明のプラズマ処理電極を用いたプラズマＣＶＤ電極の一例を示す概略断面図である。図４ａの概略断面図にて例示したプラズマ処理電極の構造を用いて、ガスノズル２０４に対して放電空間を挟んで反対側にＣＶＤ原料を導入するための原料ガスノズル２０５が設置されている。このプラズマ処理電極を用いて、プラズマ電極で放電空間にプラズマを生成する。そして、ガスノズル２０４から放電空間に向かってガスを導入し、このガスを電離させる。この電離したガスを基材２０３上に供給すると共に、原料ガスノズル２０５からＣＶＤ原料を基材２０３上に供給することで、ＣＶＤ原料ガスが分解され基材２０３に薄膜が形成される。
　図６ｂは、本発明のプラズマ処理電極を用いたプラズマＣＶＤ電極の別の一例を示す概略断面図である。図４ａの概略断面図にて例示したプラズマ処理電極の構造を用いて、電極本体２０１と基材２０３の間の空間にＣＶＤ原料を導入するための原料ガスノズル２０５が設置されている。このプラズマ処理電極を用いて、プラズマ電極で放電空間にプラズマを生成する。そして、ガスノズル２０４から放電空間に向かってガスを導入し、このガスを電離させる。この電離したガスを電極本体２０１と基材２０３の間の空間に供給すると共に、原料ガスノズル２０５からＣＶＤ原料を同空間に供給することで、ＣＶＤ原料ガスが分解され基材２０３に薄膜が形成される。
　図６ａと図６ｂのプラズマＣＶＤ電極はともに、原料ガスノズル２０５が基本的なガス流れに対して放電空間の下流側にあることから、成膜種が逆流しにくくなり、電極２０１が汚染されにくい特徴がある。また放電空間から基材２０３を遠ざけることができ、プラズマによる熱ダメージやイオン衝撃を抑制することで低いダメージで成膜ができる。放電空間の中心と基材２０３との間隙の最短距離は、原料ガスノズル２０５などの構造物のハンドリング容易性を考慮して３０ｍｍ以上とすることが好ましい。放電空間の中心と基材２０３との間隙を３００ｍｍより長く空けると、成膜レートが低下したり、占有空間が大きくなり効率が下がるため、間隙は３００ｍｍ以下とするのが好ましい。
　また電極２０１と基材２０３が設置される位置との間に電気的にアース接続された導体メッシュを設置することにより、基材や成膜された膜にダメージを与える荷電粒子を取り除くことができるため好ましい。メッシュは開口率を５０％以上とすることで、荷電粒子以外の生成物の通過を妨げることによる成膜能力低下を防止できるのでより好ましい。
　以上説明したプラズマ電極の磁気回路解析結果を説明する。
電極本体は図１に示す構造とした。マグネット１０１には着磁方向（高さ方向）２０ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ４０ｍｍのネオジウム磁石を並べて用いる想定とし、磁石表面磁束密度を３００ｍＴとした。ヨーク１０２にはフェライト系ステンレスＳＵＳ４３０を用いることと想定し、比透磁率を５００（透磁率１．２６×１０－６×５００Ｈ／ｍ）と設定した。カソード１０３には純チタンを用い、冷媒流路１０４には冷却水を流す想定とした。以上の条件で図７に示す解析モデルを設定し、STAR-CCM+Ver.7.04.011を用いて解析を行った。解析の結果、カソードの周囲を取り囲むようにトンネル状の磁束が形成されることが分かった。参考までに、磁束密度分布の様子を図８の側面断面図および図９の正面図で示す。このカソードを用いれば、両直線部でのプラズマ強度が極端に違ったりしない、安定的なプラズマを生成することが出来る。
　本発明は、プラズマＣＶＤ電極に限らず、プラズマ処理電極や、イオン源やラジカル源としてのプラズマ電極などにも応用することができるが、その応用範囲は、これらに限られるものではない。
　１０１    マグネット
　１０２    ヨーク
　１０３    カソード
　１０４    冷媒流路
　１０５    ケーシング
　２０１    電極
　２０２    アース部材
　２０３    基材
　２０４    ガスノズル
　２０５    原料ガスノズル
　Ａ　　　　極間距離
　Ｂ　　　　冷媒流路幅

Claims (12)

  1. 　外周面に放電面を有し、この放電面にトンネル状の磁場を形成するためのマグネットが内部に設けられた電極本体と、
    前記放電面は前記電極本体の外周を、間隔を置かずまたは間隔を置いて囲んでおり、
    　前記放電面の少なくとも一部と間隔を空けて対向し、前記電極本体を挟んで向かい合うアース部材と、を有するプラズマ電極。
  2. 　前記電極本体が補助磁極を有し、この補助磁極の外側端部は電極本体の前記放電面より外側に出ている、請求項１のプラズマ電極。
  3. 　前記アース部材が前記電極本体を囲んでいる、請求項１または２のプラズマ電極。
  4. 　請求項１～３のいずれかのプラズマ電極と、
    　前記アース部材とこのアース部材に対向する前記放電面との間の放電空間へ、放電面と平行な方向からガスを導入するためのガスノズルと、を有するプラズマ処理電極。
  5. 　前記電極本体を複数有し、これら複数の電極本体が前記ガスノズルから導入されるガスの流れ方向に並べて配置された、請求項４のプラズマ処理電極。
  6. 　請求項４または５のプラズマ処理電極と、
    　前記電極本体近傍にＣＶＤ原料を導入するための原料ガスノズルと、を有し、
    　前記ガスノズルから放出されるガスの流れ方向下流側で、前記電極本体から離れたところに設置される基材に成膜するためのＣＶＤ電極。
  7. 　前記原料ガスノズルが、前記ガスノズルに対して前記放電空間を挟んだ反対側に設けられた、請求項６のＣＶＤ電極。
  8. 　前記原料ガスノズルが、前記電極本体と前記基材が設置される位置との間の空間に設けられた、請求項６のＣＶＤ電極。
  9. 　前記基材が設置される位置から前記電極本体までの最短距離が３０ｍｍ以上３００ｍｍ以下である、請求項６～８のいずれかのＣＶＤ電極。
  10. 　前記電極本体と前記基材が設置される位置との間に、開口率５０％以上のアース接続されたメッシュが設けられた、請求項６～９のいずれかのＣＶＤ電極。
  11. 　真空容器と、この真空容器内に基材の支持機構と請求項６～１０のいずれかのＣＶＤ電極とを備えたプラズマＣＶＤ装置。
  12. 　請求項６～１０のいずれかのＣＶＤ電極を用い、前記プラズマ電極でプラズマを生成し、前記ガスノズルから導入されたガスをこのプラズマを通してラジカルに分解して基材上に供給すると共に、前記原料ガスノズルから導入されたＣＶＤ原料を前記基材上に供給することでこの基材に薄膜を形成する、薄膜付基材の製造方法。
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