JP2005293866A - プラズマ発生装置及び薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 メンテナンス性の向上と長寿命化を果たす。
【解決手段】 放電室内に、カソード１６、アノード２１Ａ′，２１Ｂ′、筒状のシールド体２２が設けられ、放電室内で形成されたプラズマ中の電子をシールド体２２の孔部を通して放電室外の真空容器中に照射させるように構成されている。第２アノード２１Ｂ′は二段構えの円筒体形状を成し、第１アノード２１Ａ´に差し込まれる小円筒部Ｑの外側面は曲面仕上げのままになっている。円筒形状の第１アノード２１Ａ´の孔部Ｐは、浅い孔部ＰＡと深い孔部ＰＢの二段構えに成っており、深い孔部ＰＢの周面には、軸方向に、等間隔に、半円柱状の溝２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄが形成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内部で発生させたプラズマから電子を外部に導くように成したプラズマ発生装置及びこの様なプラズマ発生装置を用いた薄膜形成装置に関する。

イオンプレーティング装置やプラズマＣＶＤ装置等の薄膜形成装置にプラズマ発生装置が利用されている。

図１は、プラズマ発生装置を備えたイオンプレーティング装置の概略を示し、図２はプラズマ発生装置の詳細を示している。図中１はイオンプレーティング装置の真空容器で、この真空容器の底部には、被蒸発材料２を収容した坩堝３、該被蒸発材料に電子ビームを照射するための電子銃４が設けられている。一方、真空容器の上部には、基板電源５から負の電圧が印加されている基板６が取り付けられている。図中７は真空容器の底部に支持台８により支持されたプラズマ発生装置で、その詳細は後述するが、該プラズマ発生装置からの電子ビームが、前記基板６と坩堝３の間に照射されるように成している。図中９は真空ポンプ、１０はバルブ、１１は反応ガスボンベ、１２はバルブ、１３は放電ガスボンベ、１４はバルブである。

図２は前記プラズマ発生装置の概略を示しており、１５は放電室を形成するケースである。該ケース内にはカソード１６が配置されており、該カソードは加熱電源１７に接続されていると共に、放電電源１８にも接続されている。該ケースには放電ガス供給管１９が設けられており、前記放電ガスボンベ１３から該放電ガス供給管１９を介してＡｒガスの如き不活性ガスがケース内に導入される。該ケースの一方の端部には、ケース１５に碍子２０を介してリング状の第１アノード２１Ａが設けられている。この第１アノードは、例えばステンレスなどで形成され、且つ環状に形成されており、第１アノード２１Ａを含め放電室の他の部品の熱に依る損傷を防止する為に、該第１アノード内に設けられた水路ＷＰに冷却水が流されている。又、この第１アノードの反カソード側には高融点材料（例えば、モリブデン）製でリング状の第２アノード２１Ｂが接続されている。この第１カソード２１Ａと第２アノード２１Ｂの接続は、互いの間の熱抵抗が大きくなるように、互いの一部分同士が繋がれることにより行われている。又、各アノードの内側には、前記カソード１６からの電子が該各アノードに直接照射されないようにシールド電極２２が配置されている。尚、このシールド電極２２の先端部は電子ビームを通過させるオリフィスを成している。前記ケース１５は抵抗Ｒ１を介して前記放電電源１８に接続され、前記アノード２１Ａ，２１Ｂは抵抗Ｒ２を介して放電電源１８に接続されている。更に、前記真空容器１は抵抗Ｒ３を介して放電電源１８接続されている。尚、これらの抵抗の抵抗値は、通常、Ｒ１≫Ｒ３＞Ｒ２とされており、前記放電電源１８に流れる電流の大部分は、アノード２１Ａ，２１Ｂとカソード１６との間の放電電流となる。図中２３はケース内の放電電流を整形するための電磁石を構成するコイルで、ケースの外側に設けられている。

この様な構成のイオンプレーティング装置において、先ず、バルブ１０を開き、真空容器１とケース１５内を真空ポンプ９により所定の圧力になるまで排気する。そして、バルブ１４を開き、ケース１５内に放電ガス供給管１９を介して放電ガスボンベ１３から放電ガス（例えば、Ａｒガス）を所定量導入し、ケース１５内の圧力を高め、カソード１６を加熱電源１７により熱電子放出可能な温度にまで加熱する。

次に、コイル２３に所定の電流を流し、プラズマの点火と安定なプラズマを維持するのに必要な磁場を電子ビームの軸方向に発生させる。この状態において、カソード１６と第１及び第２アノード２１Ａ，２１Ｂに放電電源１８から所定の電圧を印加すると、カソード１６とケース１５との間で初期放電が発生する。この初期放電がトリガとなってケース１５内にプラズマが発生する。この放電プラズマ中の電子は、前記コイル２３が形成する磁場の影響で、電子ビームの軸方向に集束を受け、シールド電極２２の第２アノード２１Ｂに近い側の先端近傍に発生する加速電界により真空容器１内へと引き出される。

一方、真空容器１の内部においては、被蒸発材料２に向けて電子銃４からの電子ビームが照射され、該被蒸発材料は加熱されて蒸発させられる。又、真空容器１内には、バルブ１２が開かれることにより、反応ガスボンベ１１から反応ガス（例えば、酸素ガス）が導入される。前記プラズマ発生装置７から引き出された電子ビームは、前記真空容器１内に導入された反応ガスや蒸発粒子と衝突し、それらを励起、イオン化させて真空容器１内にプラズマＰを形成する。該プラズマ中のイオン化された蒸発粒子と反応ガスは、基板６に引き寄せられて付着或いはイオン衝撃を行い、該基板上には蒸発粒子の成膜が成される。

尚、プラズマ発生装置７から真空容器１内に引き出された電子及びプラズマＰ中の電子は、真空容器１や第１及び第２アノード２１Ａ，２１Ｂに流れ込み、安定な放電が維持される。又、プラズマＰの強さは、放電ガスの流量やカソード１６の加熱温度によって制御することが出来る。又、抵抗Ｒ２とＲ３について、これらの抵抗値の関係を、Ｒ３＞Ｒ２としたが、この抵抗値の関係を、 Ｒ３＝Ｒ２、Ｒ３＞Ｒ２、Ｒ３＜Ｒ２、Ｒ３≪Ｒ２と任意に変えることにより、アノード２１Ａ，２１Ｂと真空容器１に流れる電流量を自由に選択することが出来る。

特開２００１−１４３８９４号公報

さて、この様な構造のイオンプレーティング装置により、例えば、光学薄膜形成を行う場合、一般に酸化物雰囲気中で行う。その場合、抵抗値の関係を、Ｒ３＞Ｒ２として、放電電流の殆どが第２アノード２１Ｂに流れる様にしている。そして、前述した様に、第１アノード２１Ａと第２アノード２１Ｂとの間の熱抵抗が大きく成るようにして、放電電流が第２アノード２１Ｂに流れ込む時に発生する熱で第２アノード２１Ｂが８００℃程度から１２００℃程度に加熱されるように成している。この様に第２アノード２１Ｂは高温に加熱されると、その表面の導電性を維持する働きをするため、酸化物雰囲気中において安定に動作することが可能となる。

所で、前記した様に、第１アノード２１Ａと第２アノード２１Ｂの接続は、互いの間の熱抵抗が大きくなるように、互いの一部分同士が繋がれている。即ち、第１アノード２１Ａの中心軸に平行な側面Ｓ１に雌ねじが、第２アノード２１Ｂの中心軸に平行な外側側面Ｓ２に雄ねじがそれぞれ形成されており、第１アノード２１Ａの雌ねじ部に、第２アノード２１Ｂの雄ねじ部をねじ込むことにより第１アノード２１Ａと第２アノード２１Ｂとが繋がれている。図２では第１アノード２１Ａの上面と第２アノード２１Ｂの下面が繋がれているように見えるが、繋がってはおらず、第１アノード２１Ａの雌ねじ部に第２アノード２１Ｂの雄ねじ部を完全にねじ込んだ時に、ごく僅かな隙間が出来る程度に離れている。

しかし、第２アノード２１Ｂが高温に加熱されると、第１アノード２１Ａの第２アノード２１Ｂとの接触部は高温となり熱膨張し、第２アノード２１Ｂが冷めてくると、第１アノード２１Ａの第２アノード２１Ｂとの接触部は収縮する。従って、第１アノード２１Ａの第２アノード２１Ｂとの接触部は熱膨張と収縮を繰り返すことになり、その結果、第１アノード２１Ａの雌ねじ部に熱的変形が生じ、例えば、メンテナンス時に、第２アノード２１Ｂが第１アノード２１Ａから取り外すことが困難となる。

そこで、第１アノード２１Ａの雌ねじ部の状態を絶えず点検し、必要に応じてタップ処理を行っているが、タップ処理を繰り返すと、第１アノード２１Ａの雌ねじ部が消耗し、ネジとしての機能が劣化し、更には、部品としての寿命を短くしてしまう。

本発明は、この様な問題点を解決する為になされたもので、新規なプラズマ発生装置及び薄膜形成装置を提供することを目的とするものである。

本発明のプラズマ発生装置は、放電室と、該放電室内に配置されたカソードと、該放電室の端部に配置された筒状形状の第１アノード、二段構えの筒状形状を成し、その小径筒状部を前記第１アノードの孔部に挿入することにより該第１アノードと部分的に繋がれる様に成して、該第１アノードの外側に配置された第２アノードと、前記カソードに対して少なくとも前記２つのアノードを囲うように前記放電室内に取り付けられた筒状のシールド体と、前記カソードと前記何れかのアノードとの間に放電電圧を印加するための放電電源と、前記放電室内に放電用ガスを供給するための手段を備えており、前記放電室内で形成されたプラズマ中の電子を前記シールド体の一部を通して前記放電室外の真空容器中に照射させるように構成したプラズマ発生装置において、前記第１アノードの孔を成す周面に、中心軸に平行に、間隔を置いて複数の溝を形成したことを特徴とする。

又、本発明の薄膜形成装置は、放電室と、該放電室内に配置されたカソードと、該放電室の端部に配置された筒状形状の第１アノード、二段構えの筒状形状を成し、その小径筒状部を前記第１アノードの孔部に挿入することにより該第１アノードと部分的に繋がれる様に成して、該第１アノードの外側に配置された第２アノードと、前記カソードに対して少なくとも前記２つのアノードを囲うように前記放電室内に取り付けられた筒状のシールド体と、前記カソードと前記何れかのアノードとの間に放電電圧を印加するための放電電源と、前記放電室内に放電用ガスを供給するための手段を備えており、前記放電室内で形成されたプラズマ中の電子を前記シールド体の一部を通して前記放電室外の真空容器中に照射させるように構成したプラズマ発生装置を備え、前記真空容器内で少なくとも気化状態の蒸着材料に前記プラズマ発生装置からの電子を照射してプラズマを発生させて基板の成膜を行うように成した薄膜形成装置において、前記第１アノードの孔を成す周面に、中心軸に平行に、間隔を置いて複数の溝を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、プラズマ発生装置のメンテナンスがスムーズ（容易）に行われ、その結果、プラズマ発生装置のメンテナンス性が向上し、且つ、プラズマ発生装置の構成要素である第１アノードと第２アノードが長寿命化する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図３は本発明のプラズマ発生装置の一例を示している。尚、図中、前記図２にて使用した番号と同一番号の付されたものは同一構成要素である。

図３に示された装置と、図２で示された装置の構成上の差異を、以下に説明する。

図３で示された装置においては、第１アノード２１Ａ´と第２アノード２１Ｂ´との互いの接続部が図２のものと異なっている。

即ち、図３で示された装置においては、第２アノード２１Ｂ´を第１アノード２１Ａ´にねじ込む構造ではなく、差し込む構造に成っている。

その為に、図４の斜視図に示す様に、二段構えの円筒体形状の第２アノード２１Ｂ´の第１アノード２１Ａ´に差し込まれる小円筒部Ｑの外側面は、捻子が切られずに、曲面仕上げのままになっている。

一方、円筒形状の第１アノード２１Ａ´の第２アノード２１Ｂ´の小円筒部Ｑが差し込まれる孔部Ｐが、斜視図（図５）、上断面図（図６の（ａ））及び上断面図のＡ−Ａ断面図（図６の（ｂ））に示す様に、浅い孔部ＰＡと、深い孔部ＰＢからの二段構えに成っており、深い孔部ＰＢの周面には、軸方向に、等間隔に、半円柱状の溝２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄが形成されている。尚、各半円柱状の溝２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄの両側エッジ部は、図６に示す様に、角張らないように（角張った箇所に熱が集中してしまう）、曲面に仕上げられている。

第１アノード２１Ａ´の孔部ＰＢと第２アノード２１Ｂ´の小円筒部Ｑは、第２アノード２１Ｂ´の小円筒部Ｑが第１アノード２１Ａ´の孔部ＰＢに差し込まれるために、第１アノード２１Ａ´が熱膨張していない時には、当然のことながら、孔部ＰＢの径が小円筒部Ｑの径より大きくせねばならないが、第１アノード２１Ａ´が熱膨張した場合に、例えば、孔部ＰＢの径と小円筒部Ｑの径の差が、０．１５ｍｍ以上で０．５ｍｍ以下に成る様に、孔部ＰＢの径と小円筒部Ｑが形成されている。

又、前記した様に、第１アノード２１Ａ´の深い孔部ＰＢの周面には、軸方向に、等間隔に、半円柱状の溝が４個（２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ）が形成されているが、この溝は、４個に限定されず、それ以上設けらても良い。但し、第１アノード２１Ａ´が熱膨張して第１アノード２１Ｂ´と接触する面積が、例えば、全体の５５％から９０％に成る様に、溝の数とその大きさが設定される。

又、第１アノード２１Ａ´の熱膨張は前記各溝（２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ）で吸収されるが、吸収しきれない第１アノード２１Ａ´の熱膨張に基づく変形が第２アノード２１Ｂ´が持ち上げてしまう。この様に溝（２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ）で吸収しきれない熱膨張を吸収するために、第１アノード２１Ａ´には浅い孔部ＰＡが設けられている。この孔部ＰＡの深さは、前記吸収しきれない熱膨張の最大飽和値より大きな寸法に設定されている（例えば、０．５ｍｍ）。

この様な構成のプラズマ発生装置を、例えば、図１に示す如きイオンプレーティング装置に応用した場合、次のように動作する。

先ず、バルブ１０を開き、真空容器１とケース１５内を真空ポンプ９により所定の圧力になるまで排気する。そして、バルブ１４を開き、ケース１５内に放電ガス供給管１９を介して放電ガスボンベ１３から放電ガス（例えば、Ａｒガス）を所定量導入し、ケース１５内の圧力を高め、カソード１６を加熱電源１７により熱電子放出可能な温度にまで加熱する。

次に、コイル２３に所定の電流を流し、プラズマの点火と安定なプラズマを維持するのに必要な磁場を電子ビームの軸方向に発生させる。この状態において、カソード１６と第１，第２アノード２１Ａ´，２１Ｂ´に放電電源１８から所定の電圧を印加すると、カソード１６とケース１５との間で初期放電が発生する。この初期放電がトリガとなってケース１５内にプラズマが発生する。この放電プラズマ中の電子は、前記コイル２３が形成する磁場の影響で、電子ビームの軸方向に集束を受け、シールド電極２２の第２アノード２１Ｂ´に近い側の先端近傍に発生する加速電界により真空容器１内へと引き出される。尚、カソード１６からの熱電子は、シールド電極２２により、直接第１アノード２１Ａ´に照射されることはない。

一方、真空容器１の内部においては、被蒸発材料２に向けて電子銃４からの電子ビームが照射され、該被蒸発材料は加熱されて蒸発させられる。又、真空容器１内には、バルブ１２が開かれることにより、反応ガスボンベ１１から反応ガス（例えば、酸素ガス）が導入される。前記プラズマ発生装置７から引き出された電子ビームは、前記真空容器１内に導入された反応ガスや蒸発粒子と衝突し、それらを励起、イオン化させて真空容器１内にプラズマＰを形成する。該プラズマ中のイオン化された蒸発粒子と反応ガスは、基板６に引き寄せられて付着或いはイオン衝撃を行い、該基板上には蒸発粒子の成膜が成される。

さて、 さて、この様な構造のイオンプレーティング装置により、例えば、光学薄膜形成等を行う場合、前述した様に、抵抗値の関係を、Ｒ３＞Ｒ２として、放電電流の殆どが第２アノード２１Ｂ´に流れる様にしている。この時、放電電流が第２アノード２１Ｂ´に流れ込む時に発生する熱で第２アノード２１Ｂ´が８００℃程度から１２００℃程度に加熱される。

第２アノード２１Ｂ´がこの様に高温に加熱されると、第１アノード２１Ａ´の第２アノード２１Ｂ´との接触部も高温となり熱膨張する。この際、第１アノード２１Ａ´内には冷却水が流されている水路ＷＰが設けられているので、接触部の熱膨張は中心軸方向に発生する。

この中心軸方向に向かう熱膨張の殆どは、第１アノード２１Ａ´の深い孔部ＰＢの周面に、軸方向に、等間隔に形成された半円柱状の溝２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄで吸収される。又、前記溝で吸収しきれない熱膨張は、第１アノード２１Ａ´の浅い孔部ＰＡにて吸収される。
この結果、メンテナンス時に第２アノード２１Ｂ´を第１アノード２１Ａ´から容易に取り外すことが出来、第２アノード２１Ｂ´や第１アノード２１Ａ´の頻繁な点検が不要となり、メンテナンス性が向上する。

又、第１アノード２１Ａ´等へのタップ処理等の必要性が無くなるので、第１アノード２１Ａ´及び第２アノード２１Ｂ´のネジとしての機能の劣化が避けられ、部品としての寿命が伸びる。

尚、本発明は、図３〜図６の例に限定されるものではない。例えば、第１アノード２１Ａ´の孔部ＰＢの周面に形成される溝は、半円柱状に限定されず、他の曲面柱状若しくは角柱状でも良い。又、前記各溝の間隔は必ずしも等間隔でなくても良い。

プラズマ発生装置を備えたイオンプレーティング装置の概略を示している。 従来のプラズマ発生装置の概略を示している。 本発明のプラズマ発生装置の一例を示している。 図３に示すプラズマ発生装置に使用されている第２アノードの概略を示している。 図３に示すプラズマ発生装置に使用されている第１アノードの概略を示している。 図３に示すプラズマ発生装置に使用されている第１アノードの概略を示している。

符号の説明

１…真空容器
２…被蒸発材料
３…坩堝
４…電子銃
５…基板電源
６…基板
７…プラズマ発生装置
８…支持台
９…真空ポンプ
１０…バルブ
１１…反応ガスボンベ
１２…バルブ
１３…放電ガスボンベ
１４…バルブ
１５…ケース
１６…カソード
１７…加熱電源
１８…放電電源
１９…放電ガス供給管
２０…碍子
２１Ａ，２１Ａ′…第１アノード
２１Ｂ，２１Ｂ′…第２アノード
２２…シールド電極
ＷＰ…水路
Ｑ…小円筒部
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ…溝
Ｐ…孔
ＰＡ…浅い孔部
ＰＢ…深い孔部

Claims (12)

1. 放電室と、該放電室内に配置されたカソードと、該放電室の端部に配置された筒状形状の第１アノード、二段構えの筒状形状を成し、その小径筒状部を前記第１アノードの孔部に挿入することにより該第１アノードと部分的に繋がれる様に成して、該第１アノードの外側に配置された第２アノードと、前記カソードに対して少なくとも前記２つのアノードを囲うように前記放電室内に取り付けられた筒状のシールド体と、前記カソードと前記何れかのアノードとの間に放電電圧を印加するための放電電源と、前記放電室内に放電用ガスを供給するための手段を備えており、前記放電室内で形成されたプラズマ中の電子を前記シールド体の一部を通して前記放電室外の真空容器中に照射させるように構成したプラズマ発生装置において、前記第１アノードの孔を成す周面に、中心軸に平行に、間隔を置いて複数の溝を形成したことを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記第１アノードの孔は、浅く径の大きい孔と深く径の小さい孔の二段構えに形成されており、深く径の小さい孔に第２アノードの小径筒状部が挿入される様に成し、該深く径の小さい孔を成す周面に、中心軸に平行に、間隔を置いて複数の溝が形成されている請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記溝は半円柱形状である請求項１若しくは２に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記溝は４本以上である請求項１若しくは２に記載のプラズマ発生装置。
5. 第１アノードの内部に冷却水が流される水路が設けられている請求項１に記載のプラズマ発生装置。
6. 前記間隔は等間隔である請求項１若しくは２に記載のプラズマ発生装置。
7. 放電室と、該放電室内に配置されたカソードと、該放電室の端部に配置された筒状形状の第１アノード、二段構えの筒状形状を成し、その小径筒状部を前記第１アノードの孔部に挿入することにより該第１アノードと部分的に繋がれる様に成して、該第１アノードの外側に配置された第２アノードと、前記カソードに対して少なくとも前記２つのアノードを囲うように前記放電室内に取り付けられた筒状のシールド体と、前記カソードと前記何れかのアノードとの間に放電電圧を印加するための放電電源と、前記放電室内に放電用ガスを供給するための手段を備えており、前記放電室内で形成されたプラズマ中の電子を前記シールド体の一部を通して前記放電室外の真空容器中に照射させるように構成したプラズマ発生装置を備え、前記真空容器内で少なくとも気化状態の蒸着材料に前記プラズマ発生装置からの電子を照射してプラズマを発生させて基板の成膜を行うように成した薄膜形成装置において、前記第１アノードの孔を成す周面に、中心軸に平行に、間隔を置いて複数の溝を形成したことを特徴とする薄膜作成装置。
8. 前記第１アノードの孔は、浅く径の大きい孔と深く径の小さい孔の二段構えに形成されており、深く径の小さい孔に第２アノードの小径筒状部が挿入される様に成し、該深く径の小さい孔を成す周面に、中心軸に平行に、間隔を置いて複数の溝が形成されている請求項７に記載の薄膜作成装置。
9. 前記溝は判円柱形状である請求項７若しくは８に記載の薄膜作成装置。
10. 前記溝は４本以上である請求項７若しくは８に記載の薄膜作成装置。
11. 第１アノードの内部に冷却水が流される水路が設けられている請求項７に記載の薄膜成装置。
12. 前記間隔は等間隔である請求項７若しくは８に記載のプラズマ発生装置。

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