JP2008077857A - イオン銃、イオン銃を備える真空加工装置を利用する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寿命の長いイオン銃を提供する。
【解決手段】プラズマを生成してイオンを発生させるイオン化室と、イオン化室のイオン引き出し口に備えられる複数の電極とを有して成るイオン銃において、複数の電極のうちの少なくとも２つの電極は、その２つの電極と絶縁しつつそれらを結合する軸材と、その軸材に貫通され２つの電極間に挟持されて自身の軸方向寸法によって電極間隔を決定する円筒形のインシュレータとを用いて相互に固定され、円筒形のインシュレータの外周には、インシュレータの軸方向寸法より短い第１の軸方向寸法を有し、内周面に第１の軸方向寸法より短い第２の軸方向寸法を有する凸条が軸廻りに周回して形成された筒型の絶縁体シールドスリーブが嵌められている。
【選択図】図１

Description

本発明はイオン銃乃至このイオン銃を用いて構成する成膜装置、材料加工装置その他の真空加工装置を利用する方法に関する。

イオン銃は、放電によりイオンを発生させ、発生したイオンを引き出して成膜材料や被加工物などの目的物に照射するものであり、イオンビームスパッタリング装置、イオンビームアシスト蒸着成膜装置などの成膜装置、イオンビームエッチング（イオンビームミリング）装置などの材料加工装置、その他成膜装置内での基板或はターゲットの清浄化等、種々の真空加工装置において使用されている。
図３に一般的なフィラメントカソード型ＤＣイオン銃の構造を示す。真空排気系（特に図示せず）により適度の圧力に保持されたイオン化室３内にガス流量調整系１を介してアルゴン等のガス（用途により異なる）を導入し、フィラメント２より熱電子を発生させる。この熱素子はアノードフィラメント５と外部磁界発生器４による直交電磁界によりトロコイド運動を起こし、導入ガスとの電離衝突によりプラズマ１２を発生させる。この状態で、加速電極８に負の電位を印加することにより、プラズマ中のイオンが加速され、引き出されイオンビームとして外部に射出される。加速電極８はイオン化室３と同電位に保たれる遮蔽電極６に対して高い絶縁を保って支持されることが必須である。

一般的な絶縁構造としてはセラミックス等のインシュレータ１１を介して遮蔽電極６と加速電極８との間を絶縁しているが、イオン化のための放電を繰り返すうちに、主に成膜材料粒子や被加工物質のスパッタ粒子などの飛散粒子がインシュレータ１１の表面に付着し、その堆積した粒子の層によって遮蔽電極６と加速電極８との間が短絡してしまう事故が起きる不都合がある。尚、図３に示す９はイオン銃外壁を示し、これは接地電位に維持される。
このようなイオン銃の電極間の絶縁部材に関し、上記飛散粒子による汚染を抑圧し、清掃や部材交換の時期的間隔を伸張することを課題とする先行発明として特許文献１〜４に記載のものがある。
特許第３３５９４４７号公報 特開平９−２２６７５号公報 特開２００６−７９９２４号公報 特開平１０−５０８４２５号公報

特許文献１および特許文献２に記載された発明では、電極間の軸方向に複数の部材を重ねて介在させ、電極間の延面距離を稼ぐ構造であるため、複数の部材の厚みを精度良く管理しなければならない。このため電極間隔を高精度に、しかも再現性良く位置出しすることが困難になる欠点がある。つまり、電極間隔やその平行度は、出射されるイオンビームの強度及びビーム形状に極めて敏感に影響を与える。
一方、特許文献３に記載される絶縁スペーサのように、少なくとも軸方向に関しては単体の部材でスペーシングする構成の絶縁部材もあるが、上記高精度な電極間隔出しを要求される部材が、同時に汚染回避のための深い凹凸を有しているため、加工形成にコストが掛かる欠点がある。

特許文献４の図１に記載されている例のように、電気絶縁スペーサ（１０）には加工容易と認められる単純な形状を採用しながら、その周囲を円筒形シールド（１２、１４）で覆って汚染を防ぐ従来技術もあるが、この技術では、その円筒形シールドを取り付けるために、上記イオンビームに直接的に影響する電極自体に座繰り加工を施す上に、その座繰りに円筒形シールドを圧入する構成となっており、遮蔽電極及び加速電極への加工により残留応力や圧入に起因する変形によって、かえって電極間隔の精度は悪くなり、経時的にも変化し、組立てに係わる再現性もより低いものとなっている。
本発明の目的はこれらの欠点を一掃し、隠蔽電極と加速電極間の電極間隔を高精度に組み立てることができ、更に、簡素な構造でありながら、遮蔽電極と加速電極との間の絶縁を長期にわたって安定に維持することができる構造のイオン銃と、このイオン銃を用いて構成した真空加工装置の利用方法を提案しようとするものである。

本発明によるイオン銃はプラズマを生成してイオンを発生させるイオン化室と、イオン化室のイオン引き出し口に備えられる複数の電極とを有して成るイオン銃において、複数の電極のうちの少なくとも２つの電極は、その２つの電極と絶縁しつつそれらを統合する軸材と、その軸材に貫通され２つの電極間に挟持されて自身の軸方向寸法によって電極間隔を決定する円筒形のインシュレータとを用いて相互に固定され、円筒形のインシュレータの外周には、インシュレータの軸方向寸法より短い第１の軸方向寸法を有し、内周面に前記第１の軸方向寸法より短い第２の軸方向寸法を有する凸条が軸廻りに周回して形成された筒型の絶縁体シールドスリーブが嵌められていることを特徴とする。

本発明によるイオン銃は更に前記記載のイオン銃において、絶縁体シールドスリーブの内周面に形成される凸条の前記第２の軸方向寸法は、インシュレータの軸方向寸法の１／２より大きいことを特徴とする。
本発明によるイオン銃を備える成膜装置を利用する方法は、シールドスリーブを２つの電極の何れか一方に寄せた位置で所定期間成膜装置を稼働した後、シールドスリーブを２つの電極の他方に寄せた位置に配置換えしてから継続して真空加工装置を稼働することを特徴とする。

本発明の電子銃によれば絶縁シールドスリープの軸線方向の寸法は遮蔽電極及び加速電極との間隔より短いから、絶縁シールドスリープをインシュレータの外周に装着しても、電極間の間隔の保持精度に全く影響を与えない。従って、電極間の間隔は元々存在するインシュレータの寸法精度のみで決定され、組立を含めて電極間距離を高精度に維持することができる。
更に、本発明によれば絶縁シールドスリーブは中空孔の内周面に凸条を有し、この凸条によって絶縁シールドスリーブの内周面にハングオーバー面を形成することができる。ハングオーバー面には飛散粒子の付着は全く発生しないから、電極間の絶縁を長期にわたって確保することができる。

更に、本発明によれば凸条が接触している幅の部分は凸条がその位置にあってインシュレータの周面に接触している限り、その接触部分に飛散粒子が付着することはあり得ない。従って請求項２で規定するように、絶縁性シールドスリーブの内周面に形成される凸条の軸方向寸法をインシュレータの軸方向寸法の１／２より大きく選定しておくことにより、絶縁性シールドスリーブがどのような位置に移動しても、インシュレータの表面には決して露出されない部分が存在することになり、電極間の絶縁を確保することができる。
更に、本発明の請求項３の方法によれば、インシュレータの絶縁性シールドスリーブから開放されている端部近傍の部位への回り込み粒子がある程度堆積した後にも、インシュレータを交換したり、クリーニング等することなく、絶縁性シールドスリーブをインシュレータ上で反対側の端部に移動させるだけで、インシュレータの反対側端部の、それまで絶縁性シールドスリーブに覆われていた粒子の付着していない新鮮な表面が替わって開放されていることになり、そのまま継続してその成膜装置やエッチング装置などの真空加工装置を利用することが可能となる。これによって、インシュレータ部材の交換寿命を極く簡単に２倍に延長することができると云う、顕著な効果を得ることができる。

イオン銃に本発明を適用する場合、加速電極を含む少なくとも２つの電極は、その２つの電極を絶縁しつつそれらを結合する軸材と、その軸材に貫通されて２つの電極間に挟持されて自身の軸方向寸法によって電極間隔を決定する円筒形のインシュレータとを用いて相互に固定し、円筒形のインシュレータの外周には、インシュレータの軸方向寸法よりも短い第１の軸方向寸法を有し、内周面に第１軸方向寸法により短かい第２の軸方向寸法を有する凸条が軸廻りに周回して形成された筒型の絶縁性シールドスリーブが嵌められて構成される。

更に、絶縁シールドスリーブの内周面に形成される凸条の軸方向寸法は、インシュレータの軸方向寸法の１／２より大きい寸法に選定する構造とされる。
更に、本発明による真空加工装置を利用する方法を実施する場合、真空加工装置の利用開始時点では絶縁性シールドスリーブを一方の電極に寄せた位置に設置し、その状態で露出しているインシュレータの外周に飛散粒子が付着した時期（例えば数年間程度）の時間の経過を見計らって、絶縁シールドスリーブの位置を他方の電極に近づく方向に移動させる。
絶縁シールドスリーブの移動によりインシュレータの周面には飛散粒子が付着しない新たな面が露出する。この新たな面が露出されることによって飛散粒子による電極間の短絡が回避され、インシュレータに対する洗浄等の保守を施すことなく継続して真空加工装置を運用することができる。

図１に本発明によるイオン銃の要部の実施例を示す。図３と対応する部分には同一符号を付して示す。つまり、６は遮蔽電極、８は加速電極、１１はこれら電極６と８の間の間隙を所定値に保持し、更に、加速電極８を支持するためのインシュレータ、１０は遮蔽電極６と加速電極８との間を絶縁しつつ、かつインシュレータ１１の両端に遮蔽電極６と加速電極８を固定するための軸材を示す。図１に示す側ではインシュレータ１１を筒状とし、筒状のインシュレータ１１の中空孔に軸材１０を貫通させ、軸材１０によって遮蔽電極６と加速電極８をインシュレータ１１の両端に固定する構造とした場合を示す。インシュレータ１１としては例えばセラミックで構成することができる。

本発明の特徴とする構成はインシュレータ１１の外周に被せた絶縁性シールドスリーブ７の構造にある。つまり、絶縁性シールドスリーブ７もインシュレータ１１と同様にセラミックのような筒状の絶縁材によって構成することができる。筒の軸方向寸法はインシュレータ１１の軸方向寸法Ｇより短い第１の軸方向寸法Ｔを有し、内周面に第１の軸方向寸法Ｔより短い第２の軸方向寸法Ｗを有する凸条７Ａが軸回りに周回して形成されている構造を特徴とするものである。
この絶縁性シールドスリーブ７の構造によれば第１の軸方向寸法Ｔがインシュレータ１１の軸方向寸法Ｇより小さいことから、絶縁性シールドスリーブ７をインシュレータ１１の外周に装着しても、遮蔽電極６及び加速電極８との間の間隙寸法に何等影響を与えることはない。つまり、絶縁性シールドスリーブ７の加工精度が仮に緩く、第１の軸方向寸法Ｔに多少のバラツキが生じたとしても、その第１の軸方向寸法Ｔのバラツキによって遮蔽電極６とが加速電極８との間の間隙寸法を狂わせてしまう事故の発生は全くない。従って、絶縁性シールドスリーブ７の加工は容易であり、安価なコストで作ることができる。

特に、凸条７Ａを設けた構造としたことにより、絶縁シールドスリーブ７の内周面にハングオーバー面７Ｂを形成することができる。このハングオーバー面７Ｂに例えば図１に矢印Ｐで示す方向、或いはその他の方向から飛来する粒子が付着し難く、これにより遮蔽電極６と加速電極８との間の電気的な絶縁を確保することができる。ハングオーバー面７Ｂの必要とする奥行き寸法Ｘは絶縁性シールドスリーブ７の肉厚Ａと凸条７Ａの高さＢとの関係に依存し、基本的にはＡが大きくＢが小さい程ハングオーバー面７Ｂの奥行き寸法Ｘは小さくてよい。

絶縁性シールドスリーブ７はインシュレータ１１に対して固定しない。従って、長時間の使用にあたっては意図せざる移動もあり得る。インシュレータ１１の表面の絶縁シールドスリーブ７の凸条７Ａが接触している幅Ｗの部分は、凸条７Ａがその位置にあって接触している限り飛散粒子が付着することはあり得ないが、一般に絶縁性シールドスリーブ７の軸方向の移動があり得るとすると、移動によって凸条７Ａの接触から開放されて露出するインシュレータ１１の表面にはその移動後に飛散粒子が付着する可能性がある。シールドスリーブ７の移動に伴って、インシュレータ１１の表面に付着形成された堆積粒子の層が軸方向の全長にわたって連続するに至ると、電極間の絶縁の劣化ないし導通の可能性が高くなる。

そこで本発明の請求項２では、凸条７Ａの軸方向寸法Ｗが電極間隔Ｇの１／２より大きい、
Ｇ＞Ｔ＞Ｗ＞Ｇ／２
の関係が成り立つものとすれば、絶縁性シールドスリーブ７がどのような位置に移動してもインシュレータ１１の表面には決して露出されない面積が存在することになり、電極間の絶縁を確保することができる。尚、絶縁性シールドスリーブ７の軸方向寸法Ｔが電極間隔Ｇに近づきすぎると、一方の電極と絶縁性シールドスリーブ７との間の間隙が小さくなり、この間隙において堆積粒子が導通を生成してしまう可能性が生じる。このため第１の軸方向寸法Ｔは電極間隔Ｇにあまり近づきすぎず、電極間隔Ｇの２／３程度の寸法とすることが望ましい。

更に本発明によるイオン銃を請求項３で請求する成膜装置、材料加工装置その他の真空加工装置の利用方法に適用した場合には、インシュレータ１１の絶縁性シールドスリーブ７から開放されている端部近傍の部位への回り込み粒子がある程度堆積した後にも、インシュレータ１１を交換したり、クリーニング等することなく、絶縁性シールドスリーブ７をインシュレータ１１の上で反対側の端部に移動させるだけで、インシュレータ１１の反対側端部の、それまで絶縁性シールドスリーブ７に覆われていた粒子の付着していない新鮮な表面が替わって開放されることになり、そのまま継続してその真空加工装置を利用することが可能となる。これによって、インシュレータ１１の部材の交換寿命を極く容易に２倍に延長することができると云う顕著な効果を得ることができる。

更に、請求項３で請求する真空加工装置を利用する方法を活用するためにはインシュレータ１１と絶縁性シールドスリーブ７との嵌めあいは日本工業規格でいう「すきまばめ〜中間ばめ」程度に作成するのが望ましい。
つまり、嵌めあいが緩すぎると、真空加工装置の振動等によって絶縁性シールドスリーブ７が次第に移動してしまう可能性がある一方、あまり嵌めあいがきつくても、低レートとは言え僅かずつ回り込む粒子の堆積によって、いつかはシールドスリーブ７の移動が困難になるため、絶縁性シールドスリーブ７の配置換えを比較的早めに行わなくてはならなくなり、本発明の効果を最大限に奏することが出来なくなる。

図２に本発明の第２の実施例を示す。図１に示した実施例では軸材１０はインシュレータ１１を貫通する構造とした場合を示したが、図２に示す実施例ではインシュレータ１１の軸芯にネジ孔を形成し、このネジ孔に電極６及び８を貫通した軸材１０を構成するボルトをネジ込み、ボルトで構成した軸材１０によって電極６及び８をインシュレータ１１の両端に固定した構造とした場合を示す。この場合も、インシュレータ１１の外周に筒状の絶縁性シールドスリーブ７を被せることにより、図１の実施例と同等の作用効果を得ることができる。
以上説明したように、本発明によれば従来から存在するインシュレータ１１の外周に絶縁性シールドスリーブ７を被せるだけの構造でありながら、その作用効果は顕著であり、実用性の高いイオン銃及びこれを利用した成膜装置、材料加工装置その他の真空加工装置を提供することができる。

本発明によるイオン銃及び真空加工装置を利用する方法は、各種の光学部品の製造分野、半導体素子の製造分野等に広く活用される。

本発明の第１の実施例を説明するための断面図。 本発明の第２の実施例を説明するための断面図。 一般的なイオン銃の構造を説明するための断面図。

符号の説明

１ ガス流量調整系 ７Ａ 凸条
２ フィラメント ７Ｂ ハングオーバー面
３ イオン化室 ８ 加速電極
４ 外部磁界発生器 ９ イオン銃外壁
５ アノードフィラメント １０ 軸材
６ 隠蔽電極 １１ インシュレータ
７ 絶縁性シールドスリーブ １２ プラズマ

Claims (3)

1. プラズマを生成してイオンを発生させるイオン化室と、イオン化室のイオン引き出し口に備えられる複数の電極とを有して成るイオン銃において、
   前記複数の電極のうちの少なくとも２つの電極は、その２つの電極と絶縁しつつそれらを結合する軸材と、その軸材に貫通され２つの電極間に挟持されて自身の軸方向寸法によって電極間隔を決定する円筒形のインシュレータとを用いて相互に固定され、前記円筒形のインシュレータの外周には、前記インシュレータの軸方向寸法より短い第１の軸方向寸法を有し、内周面に前記第１の軸方向寸法より短い第２の軸方向寸法を有する凸条が軸廻りに周回して形成された筒型の絶縁体シールドスリーブが嵌められていることを特徴とするイオン銃。
2. 請求項１記載のイオン銃において、前記絶縁体シールドスリーブの内周面に形成される凸条の前記第２の軸方向寸法は、前記インシュレータの軸方向寸法の１／２より大きいことを特徴とするイオン銃。
3. 請求項１または２のイオン銃を備える真空加工装置を利用する方法であって、
   前記シールドスリーブを前記２つの電極の何れか一方に寄せた位置で真空加工装置を稼働した後、前記シールドスリーブを前記２つの電極の他方に寄せた位置に配置換えしてから継続して真空加工装置を稼働することを特徴とする真空加工装置を利用する方法。

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