JP2001230100A - Negative electrode for arc plasma source - Google Patents

Negative electrode for arc plasma source

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JP2001230100A
JP2001230100A JP2000039548A JP2000039548A JP2001230100A JP 2001230100 A JP2001230100 A JP 2001230100A JP 2000039548 A JP2000039548 A JP 2000039548A JP 2000039548 A JP2000039548 A JP 2000039548A JP 2001230100 A JP2001230100 A JP 2001230100A
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JP
Japan
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gas
arc plasma
cathode
arc
plasma source
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JP2000039548A
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Japanese (ja)
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Yuichi Sakamoto
雄一 坂本
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NICHIMEN DENSHI KOKEN KK
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode for arc plasma source which can make the ionization level of gas material high and enables to form a layer of simple chemical composition when used for a deposition device. SOLUTION: The negative electrode 1 for arc plasma source comprises a negative electrode body 2 having a gas outlet tube 3 which extends concentrically with the electrode. The nitrogen gas guided by this gas outlet tube 3 is emitted from a gas outlet opening 3a toward a positive electrode 5. An arc having a sufficiently long positive column is formed between the thermion radiation surface 2a and the positive electrode 5 and silicon is emitted from the negative electrode body 2. A great part of the emitted nitrogen gas molecules enter this positive column and move for a sufficient distance without deviating from this positive column and are ionized. As a result, an arc plasma containing nitrogen gas ion and silicon ion are generated. This arc plasma passes through the positive electrode 5 and forms a silicon nitric layer after arriving at a deposited material 9.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、アーク・プラズマ
を利用して電子とイオンとの少なくとも一方を供給する
アーク・プラズマ源用陰極に関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a cathode for an arc plasma source for supplying at least one of electrons and ions using an arc plasma.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体、ファイン・セラミックス等を含
む機能性材料の形成においては、表面処理として、耐腐
食性、高強度、低摩擦等の特性をもつ薄膜を、表面に堆
積させる必要が生ずる。また、超集積回路で、0.1ミ
クロン配線を達成するためには、細溝(0.1μm幅の
溝もしくは直径の孔等)金属埋め込みが必要とされてい
る。これらを実行する成膜装置において、成膜の材料と
なるイオンを供給するイオン供給器は、これらの処理を
左右する、欠かせない構成要件である。
2. Description of the Related Art In the formation of functional materials including semiconductors, fine ceramics, and the like, it is necessary to deposit a thin film having characteristics such as corrosion resistance, high strength, and low friction on the surface as a surface treatment. Further, in order to achieve 0.1-micron wiring in a super-integrated circuit, metal embedding of a fine groove (a groove having a width of 0.1 μm or a hole having a diameter) is required. In a film forming apparatus that performs these processes, an ion supplier that supplies ions serving as a material for forming a film is an essential component that influences these processes.

【0003】上記の耐腐食性、高強度、低摩擦等の特性
をもち、高速で緻密な薄膜を堆積するイオン供給器とし
ては、カソーディック・アークが広範な領域で注目され
つつある。このカソーディック・アークについて説明す
る。タングステンやモリブデンのような超高融点金属や
グラファイト等の材料により形成されている陰極を使用
して、高真空(圧力<1×10−5Torr)でアーク
を点火すると、陰極表面にはカソード・スポットと呼ば
れる超高温の点状領域が発生し、このカソード・スポッ
トから熱電子が放射されるとともに、金属やグラファイ
ト等の蒸気が放出され電離されて、純度の高い完全電離
プラズマが発生する。さらに、このカソーディック・ア
ークにより発生されたプラズマ(アーク・プラズマ)
に、例えば、窒素や酸素のようなガス材料を供給して、
これらを電離し、被成膜材料表面上に窒化物や酸化物等
の膜を高速堆積させることができる。
[0003] Cathodic arcs are attracting attention in a wide area as an ion supplier having the above-mentioned characteristics such as corrosion resistance, high strength, and low friction, and for depositing a thin film at high speed. This cathodic arc will be described. When an arc is ignited in a high vacuum (pressure <1 × 10 −5 Torr) using a cathode formed of a material such as ultra-high melting point metal such as tungsten or molybdenum or graphite, the cathode surface is formed. An ultra-high temperature point-like region called a spot is generated, and the cathode spot emits thermoelectrons, and at the same time, vapor such as metal or graphite is released and ionized, thereby generating a highly pure plasma completely ionized. Furthermore, the plasma generated by this cathodic arc (arc plasma)
For example, by supplying a gas material such as nitrogen or oxygen,
These ions are ionized, and a film of a nitride, an oxide, or the like can be deposited on the surface of the deposition target material at a high speed.

【0004】このように被成膜材料表面上に窒化物や酸
化物等の膜を高速堆積させる成膜装置に装備されるイオ
ン供給器としては、例えば、真空容器内にアーク・プラ
ズマ源用の陰極と陽極とを配設し、この容器の壁に窒素
や酸素等のガス材料を導入するためのガス導入口を設
け、真空容器をガス材料で満たし、アーク・プラズマに
ガス材料を混入させるようなイオン供給器がある。
[0004] As an ion supplier provided in a film forming apparatus for depositing a film such as a nitride or an oxide on the surface of a film-forming material at a high speed, for example, an ion supply for an arc plasma source is provided in a vacuum vessel. A cathode and an anode are provided, and a gas inlet for introducing a gas material such as nitrogen or oxygen is provided on a wall of the container, a vacuum container is filled with the gas material, and the gas material is mixed into the arc plasma. There are various ion supply devices.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記のように、真空容
器に設けられたガス導入口を介して、アーク・プラズマ
中にガス材料を供給させるようなイオン供給器の構成で
は、ガス材料を構成するガス分子の大部分は、アーク・
プラズマに入射することができず、これらは電離されな
い。従って、ガスの電離度を高くすることができない。
このような条件下では、薄膜の化学組成は、数種類の化
合物が混合して複雑になり、事実上好ましくない。この
結果、ガス材料の混入に際して、高い電離度を目的とす
るイオン供給器の新規の構成が必要とされる。
As described above, in the configuration of the ion supply device in which the gas material is supplied into the arc plasma through the gas inlet provided in the vacuum vessel, the gas material is used. Most of the gas molecules
They cannot enter the plasma and they are not ionized. Therefore, the degree of ionization of the gas cannot be increased.
Under such conditions, the chemical composition of the thin film becomes complicated due to the mixture of several types of compounds, which is practically undesirable. As a result, when the gas material is mixed, a new configuration of the ion feeder for achieving a high ionization degree is required.

【0006】従って、本発明の目的は、ガス材料の電離
度を高くすることができ、成膜装置に使用した場合に
は、化学組成が単純な膜を生成することができる、アー
ク・プラズマ源用陰極を提供することである。
Accordingly, an object of the present invention is to provide an arc / plasma source capable of increasing the degree of ionization of a gaseous material and producing a film having a simple chemical composition when used in a film forming apparatus. To provide a cathode for use.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項1に係わるアーク・プラズマ源用陰
極は、電子を放射するように、陽極と所定間隔を有して
対向するように配設された熱電子放射面を備え、前記陽
極との間に延びるようにアーク・プラズマを発生させる
ための陰極本体と、この陰極本体の内部で延び、前記熱
電子放射面にガス放出口を有し、このガス放出口からガ
ス材料を前記アーク・プラズマ中に放出して、このアー
ク・プラズマにより電離させるためのガス放出管と、を
有することを特徴としている。
In order to achieve the above object, a cathode for an arc plasma source according to claim 1 of the present invention is opposed to an anode at a predetermined distance so as to emit electrons. A cathode body for generating an arc plasma so as to extend between the anode and the anode, and a gas emission surface extending inside the cathode body and emitting gas to the thermionic emission surface. And a gas discharge tube for discharging a gas material into the arc plasma from the gas discharge port and ionizing by the arc plasma.

【0008】ガス放出口からガス材料をアーク・プラズ
マ中に放出するような構成とすることにより、放出され
たガス材料の大部分が、アーク・プラズマに直接入射す
るようにすることができる。従って、ガス材料の電離度
を高くすることができる。
[0008] By adopting a structure in which the gas material is discharged into the arc plasma from the gas discharge port, most of the released gas material can be directly incident on the arc plasma. Therefore, the degree of ionization of the gas material can be increased.

【0009】本発明の請求項2に係わるアーク・プラズ
マ源用陰極は、前記ガス放出管の内周面の表面積を大き
くするように、このガス放出管の横断面の形状が、多角
形もしくは多角形の角を取った形状であることを特徴と
している。
In the arc plasma source cathode according to a second aspect of the present invention, the cross section of the gas discharge tube has a polygonal or multiple shape so as to increase the surface area of the inner peripheral surface of the gas discharge tube. It is characterized in that it has a square shape.

【0010】上述のように、陰極の表面積に比例して、
陰極表面から放射される2次電子の数が大きくなり、ガ
ス材料がより効率よく電離される。従って、ガス材料の
電離度をより高くすることができる。
As described above, in proportion to the surface area of the cathode,
The number of secondary electrons emitted from the cathode surface increases, and the gas material is more efficiently ionized. Therefore, the degree of ionization of the gas material can be further increased.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】図1の(a)及び(b)を参照し
て、本発明の実施の形態に係わるアーク・プラズマ源用
陰極を説明する。図1の(a)は、アーク・プラズマ源
用陰極の構成を示す縦断面図である。また、図1の
(b)は、図1の(a)のA−A線に沿って切断して示
す横断面図である。図中、符号1は、アーク・プラズマ
源用陰極を示し、この陰極1は、例えば、タングステン
やモリブデンのような超高融点金属やグラファイト等の
材料により形成されている陰極本体2を有する。この陰
極本体2は、内部に、同心的に延びたガス放出管3を形
成するように円筒形を有している。このガス放出管3
は、陰極本体2の一端面であり、熱電子を放出するため
の熱電子放射面2aから他端面に貫通するように陰極本
体2と同心的に延びており、この熱電子放射面2aに開
口であるガス放出口3aを有している。また、このガス
放出管3の断面の形状(ガス流断面形状)は、図1の
(b)に示されているように、円形である。かくして、
陰極本体2の両端面は、円環状に形成されており、ま
た、熱電子放射面2aを規定している前記一端面は、平
坦に形成されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A cathode for an arc plasma source according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b). FIG. 1A is a longitudinal sectional view showing a configuration of a cathode for an arc plasma source. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1A. In the figure, reference numeral 1 denotes a cathode for an arc / plasma source. The cathode 1 has a cathode main body 2 made of a material such as ultra-high melting point metal such as tungsten or molybdenum or graphite. The cathode body 2 has a cylindrical shape so as to form a gas discharge tube 3 extending concentrically therein. This gas discharge pipe 3
Is one end face of the cathode main body 2 and extends concentrically with the cathode main body 2 so as to penetrate from the thermoelectron emission surface 2a for emitting thermoelectrons to the other end surface. Is provided. The cross-sectional shape (gas flow cross-sectional shape) of the gas discharge tube 3 is circular as shown in FIG. Thus,
Both end surfaces of the cathode main body 2 are formed in an annular shape, and the one end surface defining the thermionic emission surface 2a is formed flat.

【0012】上記ガス放出管3の他端側は、図示しない
ガス材料供給源に接続される。本実施の形態では、ガス
放出管3と同軸の供給路を有し、ガス材料供給源から延
びたガス導入管4aに接続される接続部材4により、ガ
ス材料供給源に接続される。
The other end of the gas discharge tube 3 is connected to a gas material supply source (not shown). In the present embodiment, a connection member 4 having a supply path coaxial with the gas discharge pipe 3 and connected to a gas introduction pipe 4a extending from the gas material supply source is connected to the gas material supply source.

【0013】ガス材料供給源により供給されたガス材料
は、ガス導入管4aから導入され、ガス放出管3により
案内され、ガス放出管3が向かう方向に方向性をもって
ガス放出口3aから放出される。また、高真空下でアー
クを点火すると、熱電子放射面2aにはカソード・スポ
ットと呼ばれる超高温の点状領域が発生し、このカソー
ド・スポットから熱電子が放射されるとともに、陰極本
体2を形成する材料の蒸気が放出される。この熱電子に
より、この蒸気は電離され、陰極本体2を構成する材料
のイオンを有するアーク・プラズマが発生する。放出さ
れたガス材料は、アーク・プラズマに入射し、熱電子に
より電離される。
The gas material supplied from the gas material supply source is introduced from the gas introduction pipe 4a, guided by the gas discharge pipe 3, and discharged from the gas discharge port 3a in a direction toward the gas discharge pipe 3. . When the arc is ignited under a high vacuum, an ultra-high temperature spot-like area called a cathode spot is generated on the thermoelectron emission surface 2a, and the cathode spot emits thermoelectrons and causes the cathode body 2 to move. The vapor of the forming material is released. The vapor is ionized by the thermoelectrons, and an arc plasma having ions of the material constituting the cathode main body 2 is generated. The released gas material enters the arc plasma and is ionized by thermionic electrons.

【0014】次に、図1の(c)を参照して、本実施の
形態の第1の変形例を説明する。図1の(c)は、図1
の(b)と同様に切断して示す、アーク・プラズマ源用
陰極の横断面図である。図中、符号2’及び3’は、夫
々陰極本体及びガス放出管を示す。上記実施の形態と異
なる点は、実施の形態においては、ガス流断面形状は、
図1の(b)で示されているように、円形であるけれど
も、本変形例においては、図1の(c)で示されている
ように、星形であることである。円形と星形との違いを
定量的に比較するために、本実施の形態及び本変形例に
おいてガス放出管3,3’を夫々通過するガス材料の流
量が、ほぼ等しくなるように、本変形例のガス放出管
3’は構成されている。即ち、本変形例のガス放出管
3’の内周面と、陰極本体2’の両端面とで囲まれた体
積(ガス流体積)は、本実施の形態のガス流体積に等し
い。即ち、本変形例のガス流断面形状の面積(ガス流断
面積)は、本実施の形態のガス流断面積に等しい。従っ
て、図に従えば、本変形例のガス放出管3’は、図1の
(c)のガス放出管3’を示す星形の面積が、図1の
(b)の円形の面積に等しくなるように構成されてい
る。
Next, a first modification of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1C shows the state of FIG.
It is a cross-sectional view of the cathode for an arc plasma source, cut and shown similarly to (b) of FIG. In the drawing, reference numerals 2 'and 3' indicate a cathode main body and a gas discharge tube, respectively. The difference from the above embodiment is that in the embodiment, the gas flow cross-sectional shape is
Although it is circular as shown in FIG. 1 (b), in the present modification, it is star-shaped as shown in FIG. 1 (c). In order to quantitatively compare the difference between the circular shape and the star shape, in the present embodiment and the present modified example, the present modified example is made such that the flow rates of the gas materials passing through the gas discharge tubes 3 and 3 ′ are substantially equal. The example gas release tube 3 'is configured. That is, the volume (gas flow volume) surrounded by the inner peripheral surface of the gas discharge tube 3 'of the present modification and both end surfaces of the cathode main body 2' is equal to the gas flow volume of the present embodiment. That is, the area (gas flow cross-sectional area) of the gas flow cross-sectional shape of the present modification is equal to the gas flow cross-sectional area of the present embodiment. Therefore, according to the figure, the gas discharge tube 3 'of this modification has a star-shaped area indicating the gas discharge tube 3' of FIG. 1C equal to the circular area of FIG. 1B. It is configured to be.

【0015】次に、ガス流断面形状と、陰極本体2の表
面から放射される2次電子の数(2次電子放射数)との
関係を説明する。最初に、2次電子について説明する。
上述したアーク・プラズマ中の、熱電子により電離され
た蒸気のイオンは、陰極本体2の表面に衝突する。この
衝突の衝撃により、電子が放射される。これが2次電子
である。この2次電子もまた、熱電子と同様に、ガス材
料を電離するのに役立つ。陰極本体2の表面積が大きく
なると、イオンが衝突する表面積が増大し、この結果、
2次電子放射数が大きくなることで、よりガス材料は電
離される。一方、ガス流断面形状について説明すると、
ガス流体積を一定にしてガス流断面形状を変化させる場
合、ガス放出管の内周面の表面積が最小になるのは、ガ
ス流断面形状が円形の時である。これら2つの説明か
ら、本実施の形態のように、ガス流断面形状が円形であ
る場合、2次電子放射数は最小となり、また、本変形例
のように、ガス流断面形状が星形である場合、2次電子
放射数は円形に比較して大きくなるということが推測で
きる。従って、ガス流断面形状を星形にすることによ
り、ガス材料の流量を確保し、かつ、電離度をより高く
することができる。
Next, the relationship between the cross-sectional shape of the gas flow and the number of secondary electrons emitted from the surface of the cathode main body 2 (the number of emitted secondary electrons) will be described. First, secondary electrons will be described.
Vapor ions ionized by thermionic electrons in the above-described arc plasma collide with the surface of the cathode body 2. Electrons are emitted by the impact of this collision. This is a secondary electron. These secondary electrons also help ionize the gaseous material, similar to thermoelectrons. As the surface area of the cathode body 2 increases, the surface area on which ions collide increases, and as a result,
By increasing the number of secondary electron emissions, the gaseous material is more ionized. On the other hand, the gas flow cross-sectional shape will be described.
When changing the gas flow cross-sectional shape while keeping the gas flow volume constant, the surface area of the inner peripheral surface of the gas discharge tube is minimized when the gas flow cross-sectional shape is circular. From these two explanations, when the gas flow cross-sectional shape is circular as in the present embodiment, the number of secondary electron emissions is minimum, and as in this modification, the gas flow cross-sectional shape is star-shaped. In some cases, it can be inferred that the secondary electron emission number is larger than that of a circular shape. Therefore, by forming the gas flow cross section into a star shape, the flow rate of the gas material can be secured and the degree of ionization can be further increased.

【0016】次に、図1の(d)を参照して、第2の変
形例を説明する。図1の(d)は、図1の(b)と同様
に切断して示す、アーク・プラズマ源用陰極の横断面図
である。図中、符号2”及び3”は、夫々陰極本体及び
ガス放出管を示す。本実施の形態と異なる点は、ガス流
断面形状が、図1の(d)で示されているように、星形
の角を取った形(柔星形)であることである。第1の変
形例についての説明における、図1の(b)の円形の面
積と図1の(c)の星形の面積との比較と同様に、本変
形例のガス放出管3”は、図1の(d)のガス放出管
3”を示す柔星形の面積が、図1の(b)の円形の面積
に等しくなるように構成されている。
Next, a second modification will be described with reference to FIG. FIG. 1D is a cross-sectional view of the cathode for the arc plasma source cut and shown in the same manner as FIG. 1B. In the figure, reference numerals 2 "and 3" indicate a cathode main body and a gas discharge tube, respectively. The difference from the present embodiment is that the cross-sectional shape of the gas flow has a star-shaped corner (a star shape) as shown in FIG. Similarly to the comparison between the circular area in FIG. 1B and the star area in FIG. 1C in the description of the first modification, the gas discharge tube 3 ″ of this modification is The star-shaped area indicating the gas discharge tube 3 ″ in FIG. 1D is configured to be equal to the circular area in FIG. 1B.

【0017】ガス流断面形状を柔星形にすることによっ
ても、ガス材料の流量を確保し、かつ、電離度をより高
くすることができる。
By making the gas flow cross section into a star shape, the flow rate of the gas material can be ensured and the degree of ionization can be further increased.

【0018】第1及び第2の変形例において、ガス流断
面形状は、夫々多角形である星形、多角形の角を取った
形である柔星形であるけれども、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、例えば、その他のn角形、もしく
は、n角形の角を取った形であってもよい。この場合、
三角形、矩形、六角形、もしくは、三角形、矩形、六角
形の角を取った形であってもよい。
In the first and second modifications, the gas flow cross-sectional shapes are a polygonal star and a polygonal corner, respectively, but the present invention is not limited to this. However, the shape may be, for example, another n-sided shape or a shape obtained by removing the corner of the n-sided shape. in this case,
The shape may be a triangle, a rectangle, a hexagon, or a shape obtained by removing a corner of a triangle, a rectangle, or a hexagon.

【0019】本実施の形態で、ガス放出管は、陰極本体
の一端面から他端面に貫通するように、陰極本体と同心
的に形成されているけれども、本発明はこれに限定され
るものではなく、例えば、ガス放出管は、陰極本体の中
心軸に平行に延びるように形成されていても、また、陰
極本体の中心軸と非平行に形成されていてもよい。ま
た、ガス放出管は、全長に渡って直線でなくてもよく、
熱電子放射面から、ガス流断面形状の平均半径(ガス流
断面形状の重心から輪郭までの距離の平均)の約1倍以
上、好ましくは、約5倍以上の距離をおいた位置にて屈
曲(約15°以上、好ましくは、約90°)して、陰極
本体の側面を貫通するように形成されていてもよい。
In the present embodiment, the gas discharge tube is formed concentrically with the cathode main body so as to penetrate from one end surface to the other end surface of the cathode main body, but the present invention is not limited to this. For example, the gas discharge tube may be formed so as to extend parallel to the central axis of the cathode main body, or may be formed non-parallel to the central axis of the cathode main body. Also, the gas discharge tube may not be straight over the entire length,
Bending at a position at a distance of about 1 times or more, preferably about 5 times or more, the average radius of the gas flow cross-sectional shape (average distance from the center of gravity of the gas flow cross-sectional shape to the contour) from the thermionic emission surface (About 15 ° or more, preferably about 90 °), and may be formed to penetrate the side surface of the cathode main body.

【0020】本実施の形態で、陰極本体は、円筒形を有
しているけれども、本発明はこれに限定されるものでは
なく、例えば、6角柱の形を有していてもよい。
In the present embodiment, the cathode main body has a cylindrical shape, but the present invention is not limited to this. For example, it may have a hexagonal prism shape.

【0021】本実施の形態で、陰極本体は、タングステ
ンやモリブデンのような超高融点金属やグラファイト等
の材料により形成されているけれども、本発明はこれに
限定されるものではなく、他の材料、例えば、銅、アル
ミニュウムもしくはチタンにより形成されていてもよ
い。
In the present embodiment, the cathode body is formed of a material such as ultra-high melting point metal such as tungsten or molybdenum or graphite, but the present invention is not limited to this. For example, it may be formed of copper, aluminum or titanium.

【0022】次に、図2を参照して、本発明の実施の形
態におけるアーク・プラズマ源用陰極1を用いたイオン
供給器の例を説明する。図2は、このイオン供給器の構
成を示す概略図である。尚、この例において、本実施の
形態を説明した図1の(a)及び(b)と同一の構成部
材は、同じ参照符号を付して説明を省略する。このイオ
ン供給器において、アーク・プラズマ源用陰極1の熱電
子放射面2aに所定間隔を有して対向して、ガス放出管
3が向かう方向に陽極5が配設されている。この両極
1,5には、これらの間に電圧を印可しアークを点火す
る電力を供給するための直流電源6を有する回路が配設
されている。
Next, with reference to FIG. 2, an example of an ion supplier using the arc plasma source cathode 1 according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of the ion supply device. In this example, the same components as those of FIGS. 1A and 1B illustrating the present embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. In this ion supply device, an anode 5 is disposed in a direction toward the gas discharge tube 3 so as to face the thermoelectron emission surface 2a of the cathode 1 for an arc / plasma source at a predetermined interval. A circuit having a DC power supply 6 for applying a voltage between them and supplying electric power for igniting an arc is arranged at the two poles 1 and 5.

【0023】次に、供給されるイオンの材料となるガス
材料の電離過程について説明する。本実施の形態と同様
に、ガス材料供給源により供給されたガス材料(例え
ば、窒素ガスや酸素ガス等である。ここでは、説明の簡
便さのために、以下、アルゴンガスとして説明する。)
は、ガス放出管3により案内され、ガス放出口3aから
陽極5に向かう方向に方向性をもって放出される。この
結果、熱電子放射面2aと陽極5との間に、ガスの流れ
(ガス流)が形成される。直流電源6を動作させてアー
クを点火すると、熱電子放射面2aと陽極5との間に、
長さLの陽光柱7をもつアークが形成され、ガス流の大
部分が、この陽光柱7の陰極側の端面7aからこの陽光
柱7に入射し、この陽光柱7中をこれの長手方向に沿っ
て流れる。ガス放出管3から放出されるガス材料の大部
分は、この陽光柱7において電離される。これにより、
アーク・プラズマが発生する。
Next, the ionization process of the gas material which is the material of the supplied ions will be described. As in the present embodiment, a gas material supplied from a gas material supply source (for example, a nitrogen gas, an oxygen gas, or the like. Here, for simplicity of description, an argon gas will be described below).
Is guided by the gas discharge tube 3 and is discharged in a direction toward the anode 5 from the gas discharge port 3a. As a result, a gas flow (gas flow) is formed between the thermionic emission surface 2a and the anode 5. When the DC power supply 6 is operated to ignite the arc, the space between the thermionic emission surface 2a and the anode 5
An arc having a positive column 7 having a length L is formed, and most of the gas flow enters the positive column 7 from the cathode side end face 7a of the positive column 7, and flows through the positive column 7 in the longitudinal direction. Flows along. Most of the gas material discharged from the gas discharge tube 3 is ionized in the positive column 7. This allows
Arc plasma is generated.

【0024】ここで、ガス材料(1原子分子であるアル
ゴンガス)の完全電離を達成する条件について考える。
今、密度n、温度Tの電子集団を考え、この中に温
度T のガス材料を構成するアルゴンガス分子が入射さ
れたとして、この分子が電子によって電離される平均自
由行程lを求める。電子の平均速度v及びアルゴン
ガス分子の平均速度vは夫々、 v=(8kT/πm1/2=(8kT/πm1/2 である。ここでk,m、及び、mは、夫々ボルツマ
ン定数、電子の質量、及び、ガス分子の質量である。こ
こで、T=2×1050K、及び、T=1×10
30Kとして、速度を求めれば、 v=2.78×10ms−1=2.64×10ms−1 となる。v≪vであるから、電子の衝突によって電
離される平均自由行程l はσを電離断面積として、 l=(nσ−1・v/v で与えられるから、 n=5×1019−3 σ=2×10−20 を与えると、 l=9.5×10−5m=95μm となる。アルゴンガス分子が、この平均自由行程l
95μmより十分長い距離、必ず電子集団中を移動する
ならば、アルゴンガスの電離度を完全電離(約95%)
に近くすることができる。
Here, the gas material (Al which is a monoatomic molecule)
Consider the conditions for achieving complete ionization of (gon gas).
Now, the density ne, Temperature TeGroup of electrons
Degree T gArgon gas molecules that constitute the gas material
Mean that the molecule is ionized by electrons
Free traveliAsk for. Average electron velocity veAnd argon
Average velocity of gas molecules vgAre ve= (8kTe/ Πme)1/2 vg= (8kTg/ Πmg)1/2 It is. Where k, me, And mgIs Boltzma respectively
Parameters, the mass of electrons, and the mass of gas molecules. This
Where Te= 2 × 1050K and Tg= 1 × 10
30Assuming the speed as K, ve= 2.78 × 106ms-1 vg= 2.64 × 102ms-1 Becomes vg≪veTherefore, the collision of electrons
Mean free path l iIs σiIs the ionization cross section, li= (Neσi)-1・ Vg/ Ve Given by ne= 5 × 1019m-3 σi= 2 × 10-20m2 Gives li= 9.5 × 10-5m = 95 μm. Argon gas molecules have this mean free path li=
Always travel in the electron ensemble for a distance sufficiently longer than 95 μm
If the ionization degree of argon gas is completely ionized (about 95%)
Can be close to.

【0025】従って、ガス材料の完全電離を達成する条
件は、ガス材料を構成するガス分子の電離が起こるのに
必要な平均自由行程より十分長い距離、ガス分子が、必
ず陽光柱中を移動することである。
Therefore, the conditions for achieving complete ionization of the gas material are such that the gas molecules always travel in the positive column for a distance sufficiently longer than the mean free path required for ionization of the gas molecules constituting the gas material. That is.

【0026】図2で示されているイオン供給器は、この
条件を満たすように構成されている。即ち、陽光柱7の
長さLが、L>l=95μm、好ましくは、L>3l
=285μm(これは、ガス分子が、3lの距離、
必ず陽光柱中を移動するならば、必ず電離されることに
由来する。)となるように、このイオン供給器は構成さ
れている。
The ion supplier shown in FIG. 2 is configured to satisfy this condition. That is, when the length L of the positive column 7 is L> l i = 95 μm, preferably L> 3l
i = 285 μm (this means that the gas molecules have a distance of 3 l i ,
If you always move in the positive column, this is because it is always ionized. ), The ion supplier is configured.

【0027】上記のように構成されていることにより、
ガス流の大部分が、陽光柱7の陰極側の端面7aから陽
光柱7に入射し、ガス分子の電離が起こるのに必要な平
均自由行程より十分長い距離、ガス分子が陽光柱中を移
動することが可能となる。従って、本発明のアーク・プ
ラズマ源用陰極を用いたイオン供給器において、ガス材
料の電離度を高くすることができる。
With the above configuration,
Most of the gas flow enters the positive column 7 from the cathode side end face 7a of the positive column 7, and the gas molecules travel through the positive column for a distance sufficiently longer than the mean free path required for ionization of the gas molecules to occur. It is possible to do. Therefore, in the ion supplier using the arc plasma source cathode of the present invention, the degree of ionization of the gas material can be increased.

【0028】一般的なガス材料を用いた場合、熱電子放
射面2aと端面7aとの間の長さ、及び、陽極5と陽光
柱7の陽極側の端面7bとの間の長さは、lと同じμ
mオーダーである。両極1,5間の長さ及び熱電子放射
面2aの直径のオーダーが、前記μmオーダーより十分
大きい場合、これらに比べて、前記μmオーダーの長さ
は、無視することができる。この結果、熱電子放射面2
aと端面7a、及び、陽極5と端面7bは、夫々近接し
ているとみなせ、かくして、アーク全体は、ほぼ陽光柱
からなるとみなせる。従って、ガス放出口3aから放出
されたガス流のほぼ全ては、端面7aに入射するとみな
せる。さらに、lの長さは、陽光柱7の長さと幅とに
比べて、無視することができる。この結果、ガスの電離
は、ガス放出口3aの近傍で起こるとみなせる。従っ
て、両極1,5間の長さ及び熱電子放射面2aの直径の
オーダーが、前記μmオーダーより十分大きい場合、放
出されたガス材料のほぼ全ては、電離されると推測され
る。
When a general gas material is used, the length between the thermionic emission surface 2a and the end surface 7a and the length between the anode 5 and the end surface 7b on the anode side of the positive column 7 are: l Same as i
m order. When the length between the poles 1 and 5 and the diameter of the thermionic emission surface 2a are sufficiently larger than the μm order, the length in the μm order can be ignored. As a result, thermionic emission surface 2
a and the end face 7a, and the anode 5 and the end face 7b can be considered to be close to each other, and thus the entire arc can be considered to be substantially composed of a positive column. Therefore, it can be considered that almost all of the gas flow discharged from the gas discharge port 3a is incident on the end face 7a. Furthermore, the length of l i can be ignored compared to the length and width of the positive column 7. As a result, it can be considered that the ionization of the gas occurs in the vicinity of the gas outlet 3a. Therefore, when the length between the poles 1 and 5 and the diameter of the thermionic emission surface 2a are sufficiently larger than the μm order, it is estimated that almost all of the released gas material is ionized.

【0029】次に、図3を参照して、本発明の実施の形
態におけるアーク・プラズマ源用陰極1を用いた成膜装
置の例を説明する。図3は、成膜装置を示す概略図であ
る。尚、この例において、本発明の実施の形態を説明し
た図1と同一の構成部材は、同じ参照符号を付して説明
を省略する。この成膜装置では、堆積薄膜としてシリコ
ン窒化膜を形成するために、陰極本体2は、シリコンに
より形成されている。アーク・プラズマ源用陰極1と陽
極5’との間に描いた線分が、ガス放出管3とともに延
びかつガス放出口3aを一端とする半直線と、ガス放出
口3aにて交点をもち、これらのなす角が、0°でない
ように、好ましくは45°であるように、陽極5’は、
アーク・プラズマ源用陰極1に対して位置されている。
また、両極1,5’間には、これらの間にてアークが円
弧を描いて形成されるように磁場を発生させる湾曲した
コイルであるマクロパーティクル・フィルター8が位置
されている。さらに、アークに沿った曲線と、陽極5’
のリングにより囲まれた円板とが、この円板の中心にて
直交するように、陽極5’とマクロパーティクル・フィ
ルター8とは位置されている。
Next, an example of a film forming apparatus using the arc plasma source cathode 1 in the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing a film forming apparatus. In this example, the same components as those in FIG. 1 illustrating the embodiment of the present invention are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In this film forming apparatus, the cathode main body 2 is formed of silicon in order to form a silicon nitride film as a deposited thin film. A line segment drawn between the arc plasma source cathode 1 and the anode 5 ′ extends with the gas discharge tube 3 and has an intersection at the gas discharge port 3 a with a half line having the gas discharge port 3 a as one end, The anode 5 ′ is such that their angle is not 0 °, preferably 45 °,
It is located with respect to the cathode 1 for the arc plasma source.
Also, between the poles 1 and 5 ', a macroparticle filter 8 which is a curved coil for generating a magnetic field such that an arc is formed in an arc between them is located. In addition, the curve along the arc and the anode 5 '
The anode 5 ′ and the macroparticle filter 8 are positioned so that the disk surrounded by the ring is orthogonal to the center of the disk.

【0030】イオン供給器の例において説明したよう
に、両極1,5’間の長さ及び熱電子放射面2aの直径
のオーダーが、熱電子放射面2aと端面7aとの間の長
さ及び電離に必要な平均自由行程のオーダーより十分大
きいならば、ガス放出口3aから放出されたガス流のほ
ぼ全てが、ガス放出口3aの近傍にて電離される。この
ような条件が満たされるように、アーク・プラズマ源用
陰極1と陽極5’とマクロパーティクル・フィルター8
とは、配設されている。
As described in the example of the ion supply device, the length between the poles 1 and 5 'and the order of the diameter of the thermionic emission surface 2a depend on the length between the thermionic emission surface 2a and the end face 7a. If it is sufficiently larger than the order of the mean free path required for ionization, almost all of the gas flow emitted from the gas outlet 3a is ionized near the gas outlet 3a. In order to satisfy such conditions, the cathode 1 for the arc plasma source, the anode 5 'and the macroparticle filter 8 are used.
And are arranged.

【0031】アーク・プラズマ源用陰極1から陽極5’
に延びるアークの延長線上には、アーク・プラズマ源用
陰極1と反対方向に、陽極5’から所定間隔をおいて、
被成膜材料9が位置されている。さらに、このアークの
延長線と、被成膜材料9の膜が生成する面とが、この面
にて直交するように、被成膜材料9は、配設されてい
る。両極1,5’間には、これらの間に電圧を印可しア
ークを点火するための直流電源10を有する回路が、ま
た、陽極5’と被成膜材料9との間には、これらの間に
陽極5’から被成膜材料9に向かう電界を発生させる電
力を供給するための直流電源11を有する回路が配設さ
れている。
From the cathode 1 for the arc plasma source to the anode 5 '
On the extension of the arc extending in the direction opposite to the arc plasma source cathode 1, at a predetermined distance from the anode 5 ',
The film-forming material 9 is located. Furthermore, the film-forming material 9 is disposed so that an extension of the arc and a surface on which the film of the film-forming material 9 is formed are orthogonal to each other on this surface. A circuit having a DC power supply 10 for applying a voltage between them and igniting an arc is provided between the electrodes 1 and 5 ′, and these circuits are provided between the anode 5 ′ and the film-forming material 9. A circuit having a DC power supply 11 for supplying electric power for generating an electric field from the anode 5 ′ toward the film-forming material 9 is provided therebetween.

【0032】ガス材料(窒素ガス)の電離過程について
説明する。ガス放出管3から窒素ガスを放出し、直流電
源10を動作させて、例えば、点弧子(イグナイター)
等を用いて、アークを点火すると、熱電子放射面2aと
陽極5’との間に湾曲して延びるアークのほぼ全域にわ
たって、陽光柱7’が形成される。陽光柱7’に入射し
た窒素ガス分子は、ガス放出口3a近傍で電離され、窒
素イオンとなる。また、陽光柱7’から陰極に供給され
る窒素イオン等の衝撃により陰極面は高温に加熱され、
熱電子が放射されると同時に、陰極材のシリコンが蒸発
し、陽光柱中で電離されてシリコンイオンとなる。この
ような過程を経て、窒素イオン及びシリコンイオンを有
するアーク・プラズマが発生する。
The ionization process of a gas material (nitrogen gas) will be described. The nitrogen gas is released from the gas discharge tube 3 and the DC power supply 10 is operated, for example, by using an igniter (igniter).
When the arc is ignited using, for example, the positive column 7 'is formed over almost the entire area of the arc that extends curvedly between the thermionic emission surface 2a and the anode 5'. The nitrogen gas molecules incident on the positive column 7 'are ionized in the vicinity of the gas outlet 3a and become nitrogen ions. The cathode surface is heated to a high temperature by the impact of nitrogen ions or the like supplied from the positive column 7 ′ to the cathode,
Simultaneously with the emission of thermoelectrons, the silicon of the cathode material evaporates and is ionized in the positive column to become silicon ions. Through such a process, an arc plasma having nitrogen ions and silicon ions is generated.

【0033】成膜の過程は以下の通りである。陽光柱
7’の電子密度は非常に高いので、陽光柱7’の電気伝
導率は極めて高く、この結果、このシリコンイオンを陰
極に向かって加速するような電界は、陰極表面の極く近
傍を除いては無視でき、アーク・プラズマは容易に陽極
近くまで拡散できる。輪状の陽極を越えてのアーク・プ
ラズマの濠みだしも起こる。
The process of film formation is as follows. Since the electron density of the positive column 7 'is very high, the electric conductivity of the positive column 7' is extremely high. As a result, an electric field which accelerates the silicon ions toward the cathode is very close to the cathode surface. Except negligible, the arc plasma can easily diffuse near the anode. Arc plasma moat over the annular anode also occurs.

【0034】直流電源11を動作させて、陽極5’に対
して被成膜材料9に負の電圧を印可すると、拡散で陽極
を越えたアーク・プラズマ中のイオンが加速されて被成
膜材料9に達する。イオンはシリコンと窒素との2種類
からなっているから、被成膜材料9上で反応して、シリ
コン窒化物の薄膜を形成する。
When the DC power supply 11 is operated and a negative voltage is applied to the film-forming material 9 with respect to the anode 5 ′, ions in the arc plasma that have crossed the anode due to diffusion are accelerated and the film-forming material 9 is accelerated. Reach 9. Since the ions are composed of two types, silicon and nitrogen, they react on the film-forming material 9 to form a silicon nitride thin film.

【0035】マクロパーティクル・フィルター8の役割
について説明する。装置の構成の仕方及び運転の条件に
よっては、原子が数万個以上結合した粒子、いわゆる、
マクロパーティクルが飛散して、膜質を落とす。アーク
・プラズマ中の電荷をもったイオンは、マクロパーティ
クル・フィルター8を用いて発生される磁場により、円
弧状に運動するけれども、電気的に中性なマクロパーテ
ィクルは直進する。従って、マクロパーティクルが被成
膜材料9に達するのを防ぐことができる。
The role of the macro particle filter 8 will be described. Depending on the configuration of the device and operating conditions, particles in which tens of thousands of atoms are bonded, so-called,
Macro particles scatter and degrade the film quality. The charged ions in the arc plasma move in an arc shape due to the magnetic field generated by using the macroparticle filter 8, but the electrically neutral macroparticles travel straight. Therefore, it is possible to prevent the macro particles from reaching the film-forming material 9.

【0036】このような成膜装置においても、ガス流の
大部分が、陽光柱に入射し、ガス材料分子が、十分な距
離、陽光柱を移動することが実現される。従って、本発
明のアーク・プラズマ源用陰極を用いた成膜装置におい
て、ガス材料の電離度を高くすることができる。
Also in such a film forming apparatus, it is realized that most of the gas flow enters the positive column, and gas material molecules move along the positive column for a sufficient distance. Accordingly, in the film forming apparatus using the arc plasma source cathode of the present invention, the degree of ionization of the gas material can be increased.

【0037】尚、本発明は上述した実施の形態と、これ
を応用したイオン供給器及び成膜装置の例とに限定され
るものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内におい
て種々の変形や応用が可能であることは勿論である。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment and the examples of the ion supply device and the film forming apparatus to which the present invention is applied, and various modifications and changes may be made without departing from the spirit of the invention. Of course, the application is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1の(a)は、本発明の実施の形態における
アーク・プラズマ源用陰極の構成を示す縦断面図、
(b)は、図1の(a)のA−A線に沿って切断した横
断面図、そして、(c)並びに(d)は、本発明の実施
の形態の第1並びに第2の変形例におけるアーク・プラ
ズマ源用陰極を夫々示す横断面図である。
FIG. 1A is a longitudinal sectional view showing a configuration of an arc plasma source cathode according to an embodiment of the present invention;
1B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1A, and FIGS. 1C and 1D are first and second modifications of the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cathode for an arc plasma source in an example.

【図2】図2は、実施の形態におけるアーク・プラズマ
源用陰極を用いたイオン供給器の例の構成を示す概略図
である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of an example of an ion supplier using an arc plasma source cathode according to the embodiment.

【図3】図3は、実施の形態におけるアーク・プラズマ
源用陰極を用いた成膜装置の例の構成を示す概略図であ
る。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration of an example of a film forming apparatus using a cathode for an arc / plasma source according to an embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 アーク・プラズマ源用陰極 2 陰極本体 3 ガス放出管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cathode for arc / plasma source 2 Cathode body 3 Gas discharge tube

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電子を放射するように、陽極と所定間隔
を有して対向するように配設された熱電子放射面を備
え、前記陽極との間に延びるようにアーク・プラズマを
発生させるための陰極本体と、 この陰極本体の内部で延び、前記熱電子放射面にガス放
出口を有し、このガス放出口からガス材料を前記アーク
・プラズマ中に放出して、このアーク・プラズマにより
電離させるためのガス放出管と、 を有することを特徴とする、アーク・プラズマ源用陰
極。
1. An arc plasma is provided so as to emit electrons and to extend between the anode and the anode, the thermoelectron emission surface being disposed so as to face the anode at a predetermined interval. A cathode body for extending the inside of the cathode body, having a gas emission port on the thermionic emission surface, emitting a gas material from the gas emission port into the arc plasma, and A gas discharge tube for ionization, comprising: a cathode for an arc plasma source.
【請求項2】 前記ガス放出管の内周面の表面積を大き
くするように、このガス放出管の横断面の形状が、多角
形もしくは多角形の角を取った形状であることを特徴と
する、請求項1のアーク・プラズマ源用陰極。
2. The gas discharge tube according to claim 1, wherein the cross section of the gas discharge tube has a polygonal shape or a shape having corners of a polygon so as to increase a surface area of an inner peripheral surface of the gas discharge tube. The cathode for an arc plasma source of claim 1.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7033462B2 (en) 2001-11-30 2006-04-25 Nissin Electric Co., Ltd. Vacuum arc vapor deposition process and apparatus
KR101326337B1 (en) 2012-08-31 2013-11-11 쌍용자동차 주식회사 Wirehamess flxing a band cable ofr automobile
CN114623060A (en) * 2022-01-28 2022-06-14 北京控制工程研究所 Magnetic plasma power thruster cathode and processing method thereof

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