CN105659708A - 等离子体电极、等离子体处理电极、cvd电极、等离子体cvd装置及带薄膜的基材的制造方法 - Google Patents

等离子体电极、等离子体处理电极、cvd电极、等离子体cvd装置及带薄膜的基材的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种等离子体电极，所述等离子体电极具有：电极主体，其在外周面具有放电面，并在内部设置有用于在所述放电面形成隧道状磁场的磁铁；和接地部件，其与放电面的至少一部分隔开间隔地对置，并隔着电极主体相对，放电面以不设间隔或设置间隔的方式包围电极主体的外周。根据本发明，可提供一种能够同时实现等离子体处理速度的提高和稳定放电的等离子体电极。

Description

等离子体电极、等离子体处理电极、CVD电极、等离子体CVD装置及带薄膜的基材的制造方法
技术领域
本技术涉及用于基材的表面处理、成膜的等离子体电极、等离子体处理电极及CVD电极。
背景技术
通过等离子体对各种基材进行表面改性的技术、通过使用了等离子体的成膜装置在各种基材的表面形成功能膜的技术通常为人们所熟知。作为该技术所用的等离子体源，各种等离子体电极的开发、实用化正在发展。而且，从效率化的观点考虑，还开发了使用一个电极在两个面上生成等离子体那样的电极技术。
专利文献1中公开了一种电极，所述电极通过将两个磁路背靠背地配置、在电极两面生成等离子体，从而能够使两面同时进行溅射成膜。根据该发明，能够在通过将两个阴极背靠背地配置而成为一体的阴极的两面进行溅射成膜，通过使基材行走于各成膜区而能够有效地进行成膜。
另外，专利文献2中公开了一种电极结构，所述电极结构通过利用不使用磁轭的结构来构成磁路，从而在电极两面生成能够进行磁控管(magnetron)放电的磁场。通过使用该电极，能够利用阴极两面进行溅射成膜。在该技术中，通过利用不使用磁轭的结构，从而使以往使用磁轭而感应产生的放电面的相反侧的磁通量成为与放电面侧同样的磁通量密度分布。通过与放电面侧同样地也在放电面的相反侧配置标靶面，从而能够在两面进行溅射成膜，因此，能够用一个电极进行双流程(two-pass)的溅射成膜。
另外，专利文献3中公开了一种电极结构，所述电极结构通过使用一个磁铁单元在两个面生成能够进行磁控管放电的磁场，从而能够在阴极两面进行溅射成膜。与专利文献2同样地，该技术为能够在阴极两面进行溅射成膜的电极，但磁路为使用磁轭来积极地感应磁通量的结构，认为能够实现磁通量密度分布的最佳化。
专利文献1：日本特开2004－27272
专利文献2：日本特开2006－233240
专利文献3：日本特开2009－127109
发明内容
作为溅射电极，如专利文献1～3的技术那样，提出了在阴极两面生成等离子体从而能够高效地进行溅射成膜那样的电极结构。然而，尚没有提出能够适用于除溅射成膜以外的用途(例如等离子体处理、等离子体CVD)的、效率高的等离子体源。在将如专利文献1～3所示那样的溅射电极用于等离子体处理、等离子体CVD的情况下，会在阴极的两面生成强度各不相同的等离子体，或者仅在一面生成等离子体，难以稳定地使两面均等地放电。该问题在利用一个放电面进行1层成膜的溅射装置中不会成为大问题，但作为将两个等离子体组合而进行一个处理的等离子体处理或者等离子体CVD电极，由于控制性恶化，故而成为问题。
解决上述课题的本发明的等离子体电极具有：
电极主体，其在外周面具有放电面，并在内部设置有用于在所述放电面形成隧道状磁场的磁铁；和
接地部件，其与所述放电面的至少一部分隔开间隔地对置，并以隔着所述电极主体的方式相对，
所述放电面以不设间隔或设置间隔的方式包围所述电极主体的外周。
另外，解决上述课题的本发明的等离子体处理电极具有：
本发明的等离子体电极；和
喷气嘴，其用于从与所述放电面平行的方向，向所述接地部件和与所述接地部件对置的所述放电面之间的放电空间导入气体。
另外，本发明的CVD电极是下述电极，即，具有：本发明的等离子体处理电极；和用于向所述电极主体附近导入CVD原料的原料气体喷嘴，
并用于在基材上进行成膜，所述基材设置于从所述喷气嘴排出的气体的流向的下游侧、与电极主体分离的部位。
另外，本发明的等离子体CVD装置包括真空容器、所述真空容器内的基材的支承机构和本发明的CVD电极。
另外，解决上述课题的本发明的带薄膜的基材的制造方法为：
使用本发明的CVD电极，用等离子体电极生成等离子体，通过所述等离子体将从喷气嘴导入的气体分解成自由基并供给至基材上，并且将从原料气体喷嘴导入的CVD原料供给至基材上，由此在所述基材上形成薄膜。
根据本发明，能够提供一种节省设置空间、或者从生产效率的观点考虑效率高的等离子体源，由此，与现有技术相比，能够高速地进行等离子体处理或者等离子体CVD成膜。
附图说明
图1是表示本发明的等离子体电极的一例的截面简图(未图示接地部件)。
图2是表示本发明的等离子体电极的另一例的截面简图(未图示接地部件)。
图3是表示本发明的等离子体电极的另一例的截面简图(未图示接地部件)。
图4a是表示使用了本发明的等离子体电极的等离子体处理电极的一例的截面简图。
图4b是表示使用了本发明的等离子体电极的等离子体处理电极的另一例的截面简图。
图5是图4a所示的等离子体处理电极的I－I向视截面的示意图。
图6a是表示使用了本发明的等离子体处理电极的等离子体CVD电极的一例的截面简图。
图6b是表示使用了本发明的等离子体处理电极的等离子体CVD电极的另一例的截面简图。
图7是用于本发明的等离子体电极的阴极主体的磁场解析模型的立体图。
图8是使用了图7的解析模型的磁场解析结果的侧视截面图。
图9是使用了图7的解析模型的磁场解析结果的主视图。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边说明本发明的实施方式的例子。但是，本发明并不限定于这些实施方式。
图1是表示本发明的等离子体电极的一例的截面简图。对于本发明的等离子体电极，由磁铁101、磁轭102及阴极103构成电极主体。通过利用磁轭102感应由磁铁101产生的磁通量，并释放到阴极103上，从而使阴极103表面成为放电面，在该放电面上形成磁控管用磁场。阴极103以下述方式进行配置：以其表面朝向外侧的状态包围磁铁101。此时，(i)可以用一个阴极103包围磁铁101，(ii)可以用多个阴极103、以彼此不隔开间隔的方式包围磁铁101，或(iii)可以用多个阴极103、以彼此隔开间隔的方式包围磁铁101。也将(i)的形态视为将阴极103以不隔开间隔的方式配置在磁铁103的周围的形态之一。如上所述，由于阴极103以包围磁铁101的方式进行配置，所以形成于阴极103表面的放电面的磁控管用磁场以包围电极主体的方式连接。
等离子体电极包括与阴极103隔开间隔地对置的接地部件(未图示)。通过在阴极103与接地部件之间施加电场，从而在阴极103表面生成高密度等离子体。如上所述，由于形成于阴极103表面的放电面的磁控管用磁场以包围电极主体的方式连接，所以等离子体也以包围电极主体的方式生成。如上所述，由于等离子体不间断地连接从而稳定，所以能够防止下述故障：隔着电极主体而在两侧产生的等离子体的强度产生差异从而使平衡破坏，或者一方的等离子体未点亮。接地部件不必以与全部阴极103对置的方式进行设置，只要有隔着电极主体而相对的部分即可，可以以与阴极103的一部分对置的方式进行设置。但是，接地部件以包围电极主体的方式进行设置时，包围电极主体而生成的等离子体更稳定，所以优选。
对于等离子体电极，可以使由磁场生成装置101、磁轭102及阴极103包围的空间为制冷剂流路104。可以在制冷剂流路104中流过制冷剂而进行冷却，以使磁铁101、阴极103不因由等离子体放电产生的热而受到损伤。
对于磁铁101，可适当选择种类、形状等，以使得在阴极103表面能够以充分的强度呈现出隧道状的磁通量。作为磁铁101的种类，可适当地使用铁素体磁铁、钐钴磁铁、钕磁铁等。磁铁101的形状根据电极形状适当确定即可。为小型的圆形电极时，可以适当地使用形状也为圆形的磁铁。为矩形电极时，通常使用矩形的磁铁。为了用于宽的电极，磁铁本身是大型的，但由于大的磁铁的磁力也强，所以组装操作等处理变得困难。在这样的情况下，通常是将在一列上并列有多个矩形磁铁的磁铁组作为一个磁铁而进行操作。
另外，磁铁101及磁轭102的配置可根据磁路的构成而适当确定。如图1的截面简图所示，在以使用磁轭102在两侧的各阴极103表面感应从一个磁铁101释放出的磁通量的方式构成磁路的情况下，可优选使用如图示那样在其中央部配置一个磁铁101的结构。图2及图3是分别表示本发明的等离子体电极的另一例的截面简图。如图2的截面简图所示那样，在以使用磁轭102在一侧的阴极103表面感应从一个磁铁101释放出的磁通量的方式构成两系统的磁路的情况下，可优选使用如图示那样在各系统的磁路中各配置一个磁铁101的结构。如图3的截面简图所示，在以使用一对磁铁101在一侧的阴极103表面释放出磁通量的方式构成两系统的磁路的情况下，可优选使用如图示那样在各系统的磁路中各配置一对磁铁101、并使用磁轭102将磁路构成两系统的方法。
阴极103的材质可根据电极的用途适当确定。例如，在将本发明的等离子体电极作为溅射装置使用的情况下，优选以至少在放电面侧最表层具有用作溅射靶(sputteringtarget)的材质的方式构成阴极103。另外，在将本发明的等离子体电极作为离子源用途等的等离子体产生源使用的情况下，优选阴极103由溅射速率低的材料(例如铝、钛等材料)构成，以使其不易受到由等离子体导致的腐蚀。在任意情况下，优选将阴极103在任何冷却装置中冷却，更优选将阴极103本身直接用制冷剂冷却。
如图1及图2的截面简图所示，可以通过将磁轭102的外侧端部比阴极103表面、即电极主体的放电面更向外侧突出的方式形成辅助磁极。通过使用这样的辅助磁极，能够提高阴极103上的磁场的控制性，故而更优选。例如，如果以在磁极间的狭窄范围生成急剧竖立那样的磁场的方式设计辅助磁极，则可得到集中于狭窄区域的高密度等离子体。另外，如果以在磁极间的整个宽范围生成磁场强度变化小的磁场的方式设计辅助磁极，则能够得到宽范围的等离子体。如上所述，优选根据电极的使用目的适当设计磁场。另外，使用辅助磁极时，优选以使图1中所示的极间距离A比制冷剂流路宽度B窄的方式进行设计。这是为了将由磁轭感应的磁通量尽可能从辅助磁极集中释放出来。
图4a是表示使用了本发明的等离子体电极的等离子体处理电极的一例的截面简图。图5是图4a的等离子体处理电极的I－I向视截面的示意图。所述等离子体处理电极使用图1的截面简图中例示的等离子体电极结构，将其作为电极201，并以隔开一定间隙地夹着电极201的方式配置有接地部件202。进而，在阴极103表面的放电面与接地部件202之间，配置有从与放电面平行的方向导入气体的喷气嘴204。在通过喷气嘴204导入的气体的导入方向的延长线(气体流向的下游侧)上，在与电极201分离的位置处配置有由未图示的支承机构支承的基材203，对基材203的表面进行等离子体处理。需要说明的是，基材的支承机构可以为固定而无法移动的形态，还可以为以搬送基材203的方式进行移动的圆筒滚筒(drum)状的形态。
喷气嘴204以能够将气体直接导入通过电极201产生的电离空间的方式配置，因此，能够高效地将导入的气体电离。另外，由于能够对气体的导入赋予方向性，所以能够高效地利用在电离空间中生成的离子、自由基等。从这样的特征考虑，优选用作离子源、自由基源等等离子体处理装置，另外，可更优选用作等离子体CVD电极。
另外，图4b是表示使用了本发明的等离子体电极的等离子体处理电极的另一例的截面简图。所述等离子体电极单元以图1的截面简图所示的等离子体电极构成的电极201为基本单元，并将两个基本单元沿着从喷气嘴204导入的气体的流动方向并列配置。如上所述，通过将两个基本单元并列配置，从而使导入的气体更长时间地暴露于强等离子体，促进分解。因此，离子、自由基的生成量变多，对等离子体处理装置的处理能力提高、等离子体CVD装置的成膜速度提高是有效的。需要说明的是，图4b的等离子体处理电极以将2个基本单元并列的方式构成，但还可以以将3个以上的基本单元并列的方式构成。
图6a是表示使用了本发明的等离子体处理电极的等离子体CVD电极的一例的截面简图。使用图4a的截面简图所例示的等离子体处理电极的结构，并在隔着放电空间与喷气嘴204相反的一侧设置有用于导入CVD原料的原料气体喷嘴205。使用所述等离子体处理电极，利用等离子体电极在放电空间中生成等离子体。并且，从喷气嘴204向放电空间导入气体，使该气体电离。将所述电离后的气体供给至基材203上，并且从原料气体喷嘴205将CVD原料供给至基材203上，由此将CVD原料气体分解，在基材203上形成薄膜。
图6b是表示使用了本发明的等离子体处理电极的等离子体CVD电极的另一例的截面简图。使用图4a的截面简图所例示的等离子体处理电极的结构，并在电极主体201与基材203之间的空间设置有用于导入CVD原料的原料气体喷嘴205。使用所述等离子体处理电极，利用等离子体电极在放电空间中生成等离子体。并且，从喷气嘴204向放电空间导入气体，使该气体电离。将所述电离后的气体供给至电极主体201与基材203之间的空间，并且从原料气体喷嘴205将CVD原料供给至同一空间，由此将CVD原料气体分解，在基材203上形成薄膜。
图6a和图6b的等离子体CVD电极均具有下述特征，即，由于原料气体喷嘴205相对于基本的气流位于放电空间的下游侧，所以成膜种不易发生逆流，电极201不易被污染。另外，能够使基材203远离放电空间，抑制由等离子体导致的热损害、离子冲击，由此能够以较低的损害进行成膜。考虑到原料气体喷嘴205等结构体的操作容易性，放电空间的中心与基材203之间的间隙的最短距离优选为30mm以上。如果将放电空间的中心与基材203之间的间隙以长于300mm的方式空出，则成膜速率降低，或占有空间变大、效率下降，因此，间隙优选为300mm以下。
另外，通过在电极201与设置有基材203的位置之间设置电气上已接地的导体网状物，能够除去对基材、所形成的膜造成损害的荷电粒子，故而优选。通过使网状物的开口率为50％以上，能够防止因妨碍荷电粒子以外的生成物的通过而导致的成膜能力降低，故而更优选。
实施例
对以上说明的等离子体电极的磁路解析结果进行说明。
电极主体为图1所示的结构。对于磁铁101，设想并列使用磁化方向(高度方向)20mm、宽10mm、长40mm的钕磁铁，磁铁表面磁通量密度为300mT。设想磁轭102使用铁素体系不锈钢SUS430，将相对磁导率设定为500(磁导率为1.26×10-6×500H/m)。设想阴极103使用纯钛，并在制冷剂流路104中流过冷却水。按照以上条件设定图7所示的解析模型，使用STAR-CCM+Ver.7.04.011进行解析。由解析的结果可知，以包围阴极的周围的方式形成有隧道状的磁通量。作为参考，用图8的侧视截面图及图9的主视图来表示磁通量密度分布的形态。使用所述阴极时，能够生成两直线部处的等离子体强度相差不太大、稳定的等离子体。
产业上的可利用性
本发明不限于等离子体CVD电极，还可应用于等离子体处理电极、作为离子源、自由基源的等离子体电极等，但其应用范围并不限定于此。
符号说明
101磁铁
102磁轭
103阴极
104制冷剂流路
105外壳(casing)
201电极
202接地部件
203基材
204喷气嘴
205原料气体喷嘴
A极间距离
B制冷剂流路宽度

Claims (12)

1.一种等离子体电极，具有：
电极主体，其在外周面具有放电面，并在内部设置有用于在所述放电面形成隧道状磁场的磁铁；和
接地部件，其与所述放电面的至少一部分隔开间隔地对置，并以隔着所述电极主体的方式相对，
所述放电面以不设间隔或设置间隔的方式包围所述电极主体的外周。
2.如权利要求1所述的等离子体电极，其中，所述电极主体具有辅助磁极，所述辅助磁极的外侧端部比电极主体的所述放电面更向外侧突出。
3.如权利要求1或2所述的等离子体电极，其中，所述接地部件包围所述电极主体。
4.一种等离子体处理电极，具有：
权利要求1～3中任一项所述的等离子体电极；和
喷气嘴，其用于从与放电面平行的方向，向所述接地部件和与所述接地部件对置的所述放电面之间的放电空间导入气体。
5.如权利要求4所述的等离子体处理电极，其中，具有多个所述电极主体，这些多个电极主体以沿着从所述喷气嘴导入的气体的流向排列的方式配置。
6.一种CVD电极，具有：权利要求4或5所述的等离子体处理电极；和用于向所述电极主体附近导入CVD原料的原料气体喷嘴，
所述CVD电极用于在基材上进行成膜，所述基材设置于从所述喷气嘴排出的气体的流向的下游侧、与所述电极主体分离的部位。
7.如权利要求6所述的CVD电极，其中，所述原料气体喷嘴设置于隔着所述放电空间与所述喷气嘴相反的一侧。
8.如权利要求6所述的CVD电极，其中，所述原料气体喷嘴设置于所述电极主体与设置有所述基材的位置之间的空间内。
9.如权利要求6～8中任一项所述的CVD电极，其中，从设置有所述基材的位置到所述电极主体为止的最短距离为30mm以上且300mm以下。
10.如权利要求6～9中任一项所述的CVD电极，其中，在所述电极主体与设置有所述基材的位置之间，设置有开口率为50％以上的已接地的网状物。
11.一种等离子体CVD装置，包括真空容器、所述真空容器内的基材的支承机构和权利要求6～10中任一项所述的CVD电极。
12.一种带薄膜的基材的制造方法，使用权利要求6～10中任一项所述的CVD电极，用所述等离子体电极生成等离子体，通过所述等离子体将从所述喷气嘴导入的气体分解成自由基并供给至基材上，并且将从所述原料气体喷嘴导入的CVD原料供给至所述基材上，由此在所述基材上形成薄膜。
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