JP2007314842A

JP2007314842A - プラズマ生成装置およびこれを用いたスパッタ源

Info

Publication number: JP2007314842A
Application number: JP2006146285A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Fukushima; 和宏福島
Original assignee: PROMATIC KK
Current assignee: PROMATIC KK
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】プラズマ生成装置およびこれを用いたスパッタ源は、長尺の棒状あるいは紐状部材の表面全体（端面を除く）にプラズマ処理や被膜形成を施すのに適したプラズマ処理およびスパッタリングに関する方法および装置を提供しようとするものである。具体的には棒状あるいは紐状など細長い部材を取り囲むマグネトロンプラズマやスパッタ源を実現するものである。
【解決手段】非磁性でかつ導電性の部材からなる管状電極と、前記管状電極に接続されたプラズマ生成用電源と、前記管状電極の外周に配置されかつ前記管状電極内部に前記管状電極の軸方向と平行な成分の磁束密度が0.02T以上の静磁場を生成する手段とを備えることを特徴とする、プラズマ生成装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、長尺の棒状あるいは紐状の部材表面にプラズマ処理あるいはスパッタ被膜形成を施すのに適したプラズマ生成装置およびスパッタ源ならびにプラズマ処理方法およびスパッタリング方法に関する。

長尺の棒状あるいは紐状部材の表面全体（一般に端面を除く）にプラズマ処理や被膜形成を施す場合には、処理や被膜が偏らないようにする技術が求められる。しかし、通常のプラズマ源、蒸発源、スパッタ源などは被処理物体に対して一方向に配置されることが多いため、処理の偏りを生じやすい。これを解消するためには被処理物体を回転させる方法が用いられるが、被処理部材が紐状など形状の場合には保持と回転を両立させることは困難である。上記問題の一部を軽減し得る技術として例えば特許文献１の管内大気圧グロープラズマ反応方法が挙げられる。これは、外周部に一対のスパイラル状平行電極対を設けた絶縁体管の一端部から反応性ガスと希ガスとの混合ガスを導入し、大気圧下で管内部にグロー放電プラズマを発生させて、管内面、または管内部の静止、移動あるいは流通物を処理することを特徴とする管内大気圧グロープラズマ反応方法である。しかし、特許文献１の方法では、大気圧グローではプラズマ中のイオンの衝突頻度が高いため運動エネルギーが低下し、スパッタリングに用いることは事実上不可能である。また、プラズマ生成原理としてはマグネトロンプラズマ生成法を用いていないため、仮に大気圧ではなく減圧雰囲気に適用してもプラズマ密度が低くなってしまうため実用性は低下してしまう。
特開平5-202481号公報

そこで、本発明では長尺の棒状あるいは紐状部材の表面全体（端面を除く）にプラズマ処理や被膜形成を施すのに適したプラズマ処理およびスパッタリングに関する方法および装置を提供しようとするものである。具体的には紐状部材を取り囲むマグネトロンプラズマやスパッタ源を実現するものである。

上記課題は、以下に記載する本発明によって解決される。

即ち、本発明に係るプラズマ生成装置は、非磁性でかつ導電性の部材からなる管状電極と、前記管状電極に接続されたプラズマ生成用電源と、前記管状電極の外周に配置されかつ前記管状電極の内部に前記管状電極の軸方向と平行な成分の磁束密度が0.02T以上の静磁場を生成する手段とを備える。電極を管状とし、管内部にプラズマを生成することで紐状部材を取り囲むプラズマを生成可能となる。また電極部材を非磁性とすることにより、電極外部に配置された静磁場を生成する手段による磁界を管電極内部に導入することが可能になる。管状内部に導入された磁界が管状電極と平行な成分を有し、かつその平行成分の磁束密度が0.02T以上あると、管状電極内部にマグネトロンプラズマを生成し易くなる。マグネトロンプラズマを形成する磁場は静磁場であると安定したプラズマを生成し易い。なお、管状電極とは両端が開放された筒状をしており、断面は円に限定されず、軸は直線に限定されないものとする。また、プラズマを安定させるために、管状電極と電位差を持つ導体を対向電極として管状電極端部近傍に配置するなどしてもよい。

また、本発明に係るプラズマ生成装置は、静磁場を生成する手段を永久磁石とすることができる。永久磁石を用いると比較的少ない設備空間で十分な磁束密度を実現できる。磁石の種類としてはフェライト系、サマリウムコバルト系、ネオジウム系などを選択可能であるが、サマリウムコバルト系、ネオジウム系が十分な磁束密度を実現し易い。

また、本発明に係るプラズマ生成装置は、静磁場生成手段を空芯電磁石とすることができる。空芯電磁石とは軸に磁性材料を配していないコイルで構成されるものであり、管状電極の外部にコイルを配置することにより、管状電極内部に該電極の軸と平行した磁束を容易に形成することができる。

また、本発明に係るプラズマ生成装置の管状電極は２つ以上の割管部材から構成することができる。割管部材とは管を軸とほぼ平行な断面で割った形状のものである。管状電極を分割できるようにしておくことにより、管状電極内部に被処理部材などを配置したり、電極内壁を清掃することが容易になる。

また、本発明に係るスパッタ源は、前記の本発明に係るプラズマ生成装置の管状電極内壁に管状被スパッタ部材が接して配置されている。スパッタ源とは被膜を形成する原材料をイオンなどの高速粒子で叩き出すものである。また、被スパッタ部材はターゲットとも呼ばれるもので、被膜を形成する原材料のことである。被スパッタ部材が管状であることによりこの内部に紐状部材などを配置して被膜を形成することができる。また、管状電極内壁に管状被スパッタ部材が接して配置されていると、電極と被スパッタ部材との間の熱や電気的な伝達がよくなるため、不要な発熱や長時間連続運転したときの安定性などを確保し易くなる。電極と被スパッタ材料との間に隙間が空き易い場合は、炭素製のシート7などを間に配置すると、熱的および電気的伝達がよくできる。なお、管状被スパッタ部材が金属や炭素など導電性や熱伝導性が十分高い場合には、管状被スパッタ部材を管状電極として兼ねることも可能である。

また、本発明に係るプラズマ処理方法は、被処理物体を前記の本発明に係るプラズマ生成装置の管状電極内部を移動させながら行う。なお、管状電極内部とは電極で囲まれる空洞部のことである。これにより、短尺の管状の電極を用いて長尺の棒状あるいは紐状部材表面の処理を容易に行うことができる。また、仮に電極内部のプラズマの状態が電極軸方向に不均一であったとしても被処理物体に対しては均一な処理を施すことができる。

また、本発明に係るスパッタリング方法は、基材を本発明に係るスパッタ源の管状被スパッタ部材内部を移動させながら行う。なお、管状被スパッタ部材内部とは被スパッタ部材で囲まれる空洞部のことである。これにより、短尺の管状のスパッタ源を用いて長尺の棒状あるいは紐状部材表面に被膜形成を容易に行うことができる。また、仮に電極内部のプラズマの状態が電極軸方向で不均一であったとしても被処理物体に対しては均一な被膜形成を施すことができる。

また、本発明に係るスパッタリング方法は、本発明に係るプラズマ処理を行った後に連続して行うことができる。これにより前処理用の管状電極と被膜形成用管状スパッタ源を同軸状に配置ことで、両工程を１パスで行うことができる。特に長尺の棒状あるいは紐状部材の処理には有効で、さらには紐状部材がゴムなどの有機物の場合には被膜の密着性を確保し易くなる。

本発明のプラズマ生成装置は管状電極内部にマグネトロンプラズマを形成することが可能であり、管状電極内部で紐状物体などを容易にかつ均一に処理することが可能となる。また、管状電極内部に管状被スパッタ部材を配置することにより、長尺の棒状あるいは紐状物体などの表面に容易にかつ均一に被膜を形成することができる。また、管状電極材質、プラズマの気体の種類、圧力、プラズマ生成電源の周波数、などにより管状電極の内径を適切に設定することにより管状電極内部の電子が増幅するホローカソード効果によりプラズマ密度を高められる。また、管状被スパッタ部材の内部では、被膜形成部材に付着しなかった被膜原料は管状被スパッタ部材内壁に付着し、再びスパッタされるため、一般的なスパッタ装置と比較して材料の使用効率が格段に高く、またスパッタされた材料による汚れの問題も大幅に低減できる。

以下この発明の実施形態について説明する。図１に本発明によるスパッタ源の一例を示す。非磁性でかつ導電性の部材からなる管状電極1と、前記管状電極1に接続されたプラズマ生成用電源2と、前記管状電極の外周に配置されかつ前記管状電極内部に前記管状電極の軸方向と平行な成分の磁束密度が0.02T以上の静磁場4を生成する手段3とを備える。管状電極1と静磁場4を生成する手段3との間には電気絶縁部材5が挿入されている。管状電極1の内側には管状被スパッタ部材6が配置されている。静磁場4を生成する手段3の外側には磁性体のヨーク8が備えられている。管状電極1の端部近傍には接地された管状の電極9が配置されている。

管状電極1の材料としては例えばジュラルミン（JIS A7075）などのアルミ合金を用いると導電性、熱伝導性、機械的強度、耐スパッタ摩耗性の点で好ましい。管状電極1の肉厚は10mm以下と薄い方が管状電極１内部に静磁場4を導入し易いのでよい。また、非磁性のステンレス（JIS SUS304）などを用いてもよい。また必要により外側に水冷機構を付与してもよい。プラズマ生成用電源2は直流でも交流でもよいが、プラズマ生成の目的がスパッタリングの場合でかつ管状被スパッタ部材6が炭素など導電性部材の場合には、直流電源を用いるとスパッタ成膜速度を大きくできるのでよい。一方、プラズマ生成の目的がプラズマ処理の場合には交流電源を用いるのがよい。また、管状被スパッタ部材6が酸化珪素などの電気絶縁性部材の場合には、交流電源を用いるとプラズマを持続的に生成できるのでよい。交流電源の周波数は13.56MHzまたは27MHzとすると高密度のプラズマを生成し易いのでよい。静磁場4を生成する手段3はサマリウムコバルト系やネオジウムコバルト系の永久磁石を用いると、比較適簡易な構造で十分な強度の磁束密度の静磁場4を作れるのでよい。静磁場4は管状電極の軸方向と平行な成分の磁束密度を0.02T以上とすると、管状電極1内壁に垂直な電界との相互作用により、密度の高いマグネトロンプラズマを生成することが容易となるのでよい。好ましくは静磁場4の管状電極の軸方
向と平行な成分の磁束密度は0.03T以上であるとマグネトロンプラズマをより生成し易いのでよい。管状電極1と管状被スパッタ部材6との間には炭素製シート7など導電性と熱伝導性に優れる部材を挿入するとスパッタリングを安定に行い易くなるのでよい。管状電極1と静磁場4を生成する手段3との間に電気絶縁性部材を挿入すると、静磁場4を生成する手段3に不要な電圧が印加されることに関係して管状電極1内部のプラズマが不安定になる現象を抑制し易いのでよい。具体的な絶縁部材として、アルミナセラミックスを用いると機械的特性および熱的特性共に実用的であるのでよい。また、静磁場4を生成する手段3の外側に磁性体のヨーク8を配置すると管状電極１内部の磁束密度を強くでき、マグネトロンプラズマを安定に生成し易くなるのでよい。なお、図1(b)は図1(a)のA-A'断面である。静磁場4を生成する手段3は管状電極１を囲むようにかつできるだけ連続に配置すると、管状電極１内部の磁束密度を強くでき、マグネトロンプラズマを安定に生成し易くなるのでよい。

図２に、静磁場4を生成する手段3として空芯電磁石を用いた例を示す。管状電極１の外周にコイルが巻かれ、直流電源11が接続されている。空芯電磁石を用いると必要に応じて磁束密度を調整することが可能になるのでよい。また、管状電極1の軸方向と平行で内部を通る磁束を比較的広い範囲で形成し易いため、マグネトロンプラズマを比較的広い範囲で生成し易いのでよい。マグネトロンプラズマの生成範囲が広いと被スパッタ部材6を有効に使えるのでよい。なお、図2(b)は図2(a)のA-A'断面である。

図３に、本発明によるプラズマ生成装置とスパッタ源を同軸上に配置し、紐状部材10を移動させながらプラズマ処理を行った後に連続してスパッタリングにより被膜形成する場合の方法の一例を示す。なお、被処理部材が剛直でない場合は必ずしもプラズマ生成装置とスパッタ源を同軸上に配置する必要はない。プラズマ処理直後にスパッタリングを行うことにより、スパッタ被膜の密着力を高め易いのでよい。また、被処理物体を移動させながら処理することにより均一かつ生産性よく処理が行えるのでよい。

図４に、本発明によるプラズマ生成装置とスパッタ源を同軸上に配置し、紐状部材10を巻き取りながらプラズマ処理を行った後に連続してスパッタリングにより被膜形成する場合の方法の一例を示す。プラズマ生成装置、スパッタ源、紐状部材10、繰り出し巻き取り機構12は真空に排気可能な容器13の内部に配置されている。プラズマ生成用気体14が容器13内部に導入されている。繰り出し巻き取り機構12を容器13内部に配置することにより、長尺の紐状部材10を連続して処理可能となるのでよい。

なお、本発明のプラズマ生成装置およびこれを用いたスパッタ源は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。

図1で説明した構造のスパッタ源を真空容器に配置し、被膜の付着状態を調べた。被スパッタ部材としては外形89.1mm、内径83.1mm、肉厚3mm、長さ300mmのアルミ合金（JIS A5052）製の円筒を用い、被膜を形成する部材としては図５に示す断面形状で長さ400mmの黄銅（JIS C3604）製部材を管状電極の中心軸に合わせて両端支持した。スパッタリング用プラズマ電源としては直流電源（アドバンスドエナジー社の"MDX-5K"）を用いた。

先ず、真空容器内を10^-2Paまで排気した後プラズマ生成用ガスとして純度99.999％のアルゴンガスを17cm³/min導入して圧力を2.0Paになるように排気バルブの開口率を調整した。次に、プラズマ電源に1kW投入してプラズマを生成しスパッタリングを開始した。この状態を5分間保持した後プラズマ電源を切り、次にアルゴンを止めて３分後に真空排気バルブを閉めて真空容器内に大気を導入して黄銅部材を取り出した。

黄銅部材には治具で保持された両端部を除いてアルミ被膜が形成されていた。黄銅部材の各凹凸形状部分を確認したが、いずれもアルミ被膜が回り込んで付着していることを確認できた。

本発明のプラズマ生成装置およびこれを用いたスパッタ源は、長尺の棒状あるいは紐状部材の表面全体（端面を除く）にプラズマ処理や被膜形成を施すのに適したプラズマ処理およびスパッタリングに関する方法および装置を提供しようとするものである。具体的には棒状あるいは紐状など細長い部材を取り囲むマグネトロンプラズマやスパッタ源を実現するものである。

本発明のスパッタ源を説明する図。本発明のスパッタ源を説明する図。本発明のスパッタリング方法を説明する図。本発明のスパッタリング方法を説明する図。本発明の実施例を説明する図。

符号の説明

1 : 管状電極2 : プラズマ生成用電源3 : 静磁場4を生成する手段3 4 : 静磁場5 : 電気絶縁部材6 : 管状被スパッタ部材7 : 炭素製シート8 : ヨーク9 : 電極10 : 紐状部材11 : 直流電源12 : 繰り出し巻き取り機構13 : 真空に排気可能な容器14 : プラズマ生成用気体

Claims

非磁性でかつ導電性の部材からなる管状電極と、前記管状電極に接続されたプラズマ生成用電源と、前記管状電極の外周に配置されかつ前記管状電極内部に前記管状電極の軸方向と平行な成分の磁束密度が0.02T以上の静磁場を生成する手段とを備えることを特徴とする、プラズマ生成装置。
静磁場を生成する手段が永久磁石であることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ生成装置。
静磁場を生成する手段が空芯電磁石であることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ生成装置。
管状電極が２つ以上の割管部材からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ生成装置の管状電極内壁に管状被スパッタ部材が接して配置されたことを特徴とする、スパッタ源。
被処理物体を請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ生成装置の管状電極内部を移動させながら行うことを特徴とする、プラズマ処理方法。
基材を請求項５に記載のスパッタ源の管状被スパッタ部材内部を移動させながら行うことを特徴とする、スパッタリング方法。
請求項６に記載のプラズマ処理を行った後に連続して行うことを特徴とする、請求項７に記載のスパッタリング方法。