JP2010500470A - Ｅｃｒプラズマ源 - Google Patents

Abstract

本発明は、内部導体（２）と外部導体（３）を備えた同軸型マイクロ波供給部（１）から構成され、アンテナ（７）としての一端を備えた内部導体（２）が、プラズマ室（６）に対する壁面内の開口部を閉鎖する真空フランジ（５）を絶縁された形で貫通するＥＣＲプラズマ源に関する。多極磁石機器（８）が、マイクロ波供給部（１）と同軸に配備されており、その磁場が、真空フランジ（５）を貫通して、プラズマ室（６）内にアンテナ（７）と同軸にリングギャップ状磁場（１２）を形成している。アンテナ（７）が、プラズマ室（６）内に直に突き出るとともに、内部導体（２）に向かって半径方向に拡大して行くアンテナヘッド（１４）を有し、そのアンテナヘッドには、真空フランジ（５）に対して平行な下側（１５）が配設されており、真空フランジ（５）とその下側（１５）の間にリング状の隙間（１６）が形成されるとともに、プラズマ室（６）が、アンテナ（７）と同軸に、かつ半径方向に対してリングギャップ状磁場（１２）の外側において、シールド（１３）によって境界を画定されており、そのシールドの真空フランジと反対の正面側が、プラズマ放射開口部（２５）を規定している。

Description

本発明は、特に、低圧領域での表面処理、例えば、基板の表面活性化、清浄化、浸食又はコーティング用の請求項１の上位概念にもとづくＥＣＲプラズマ源に関する。ＥＣＲプラズマ源は、プラズマ室に対する壁面内の開口部を閉鎖する真空フランジを絶縁された形で貫通する内部導体と外部導体を備えた同軸型マイクロ波供給部から構成されている。更に、ＥＣＲプラズマ源は、真空フランジを絶縁された形で貫通する内部導体の一端としてのアンテナと、磁場が真空フランジを貫通するとともに、プラズマ室内のアンテナの周囲にリング状磁場を形成する、マイクロ波供給部と同軸に配置された多極磁石機器とを有する。

従来技術では、様々なＥＣＲプラズマ源とプラズマ及びイオン放射方法が周知である。例えば、特許文献１は、放電室と、放電室内にマイクロ波を入力結合させる機器と、磁石とから成る、磁場によって支持されたマイクロ波放電を発生させるためのマイクロ波プラズマトロンを提示している。表面導波体上には、一つ以上の中空シリンダ形状の磁石が配置されており、その磁石の開いた側面が表面導波体上に置かれているとともに、マイクロ波を入力結合させる機器が中空シリンダ形状の磁石と同心に設置される形で、強磁性材料から成るＵ字形状に構成された外被によって取り囲まれている。マイクロ波の入力結合地点に対する放電室の真空の隔離は、マイクロ波を透過させる石英ガラス製容器によって保証されている。中空シリンダ形状の磁石は、コイル又は永久磁石とすることができる。

放電と磁場との組合せによって、短縮してＥＣＲ効果と称する電子サイクロトロン共鳴効果を利用している。そのため、特に、動作圧力範囲を約１０^-5ミリバールまでの非常に低い圧力に拡大することが可能となっている。

例えば、マイクロ波プラズマトロンは、４００Ｗのマイクロ波電力において、１０^-2パスカルの圧力範囲で動作し、プラズマを確実に発生させている。ガスの種類に関わらず、３〜１０×１０¹⁰ｃｍ^-3のイオン密度が達成されている。プラズマからは、直径６インチに渡って３ｍＡ／ｃｍ² までの均一な電流密度分布のイオン電流が抽出されている。

そのようなプラズマ源を実際に使用する場合、特に、放電室の過大な保守作業が必要であることが欠点である。即ち、コーティングシステムを頻繁に清掃する必要が有り、それによって、このコーティング法の費用が大幅に上昇している。

特に、プラズマコーティング法では、使用する層材料に応じて、導電性の低い層から導電性の高い層が得られる。その場合、成長する層は、使用しているプローブ本体だけでなく、直ぐ近くの周囲に有るコーティングシステム全体の構成要素の全ての表面も多少とも被覆してしまうこととなる。そのことは、コーティング結果に対して時間に依存した影響を及ぼすか、或いは実現可能なコーティング時間を制限する可能性が有る。

コーティング時間を制限する原因の多くは、電圧又は電流碍子上において短絡を発生させるか、或いは無電極のプラズマ源の入力結合開口部上において電力の一層の入力結合を妨げることとなる導電性の層である。

欧州特許第０４４８０７７号明細書

以上のことから、本発明の課題は、従来技術の欠点を簡単に取り除くとともに、ＥＣＲプラズマ源の問題の無い長い動作時間を可能とするＥＣＲプラズマ源を提供することである。

本課題は、本発明にもとづき、請求項１に記載された特徴によって解決される。本発明の有利な改善構成は、従属請求項に記載されており、以下において、図面を含む本発明の有利な実施形態の記述と共に詳しく説明する。

内部導体と外部導体を備えた同軸型マイクロ波供給部と、そのマイクロ波供給部と同軸に配置された多極磁石機器とから構成され、アンテナとしての一端を備えた内部導体が、プラズマ室に対する壁面内の開口部を閉鎖する真空フランジを絶縁された形で貫通し、多極磁石機器の磁場が、真空フランジを貫通して、プラズマ室内のアンテナの周囲にリングギャップ状磁場を形成する従来技術によるＥＣＲプラズマ源を有利な手法で更に改善構成するものである。

本発明では、アンテナは、プラズマ室内に直に突き出している。そのため、従来技術で配備されていた、アンテナを包むための石英ガラス製容器又はセラミック製容器は存在しない。

本発明の意味におけるプラズマ室は、真空フランジと固定されたシールドによって、アンテナ及びリングギャップ状磁場に対して同軸に境界を画定されている。シールドの真空フランジと反対の正面側は、真空室又はプラズマ処理室に対するプラズマ放射開口部を形成している。

更に、アンテナは、真空フランジに対して平行な下側において、真空フランジとその下側の間にリング状の隙間が形成されるように、内部導体に向かって半径方向に拡大して行くアンテナヘッドを有する。

リング状の隙間の高さと半径方向の長さ及びシールドの幾何学的な配置構成は、リング状の隙間の半径方向に対して内側の面が真空室又はプラズマ処理室に対して光学的な影領域内に有るように設定される。

有利な形態では、リング状の隙間の半径方向の長さは、励起周波数の波長λの１／４よりも大きい。リング状の隙間の高さは、暗部シールドのサイズを決定するための周知の制御手法にもとづき、プラズマの影領域がリング状の隙間内に形成されて、プラズマの発生を確実に排除するように設定される。

アンテナヘッドの下側と対向するアンテナの入力結合面は、有利には、少なくとも部分的に円錐、円錐台又は円錐部分の形状に形成される。そのような表面の形態は、マイクロ波電力が多極磁石機器のリング状磁場の方向に有利に放射されるように作用し、それによって、リング状磁場の領域内でＥＣＲプラズマを確実に発生させて維持することを保証している。その場合リングギャップ状磁場と同軸にシールドを配置することは、プラズマ室の境界の画定にも有利に作用する。

キャリヤーガスと反応ガスは、周知の手法で真空室内に供給することができる。その場合例えば、キャリヤーガスの供給を内部導体内の軸方向の穿孔を介して行うこともできる。そして、供給したガスの排出口をアンテナのマイクロ波電力を放射する領域内に直接配置することができる。

本発明によるＥＣＲプラズマ源は、より大きな面をプラズマ処理するために、多くの個別のＥＣＲプラズマ源を行と列の形の配列として平行に配置することもできる。

以下において、二つの実施例により本発明を詳しく説明する。

本発明による実施例ＩとしてのＥＣＲプラズマ源の断面図 図１のＥＣＲプラズマ源の全体の斜視図 プラズマコーティング装置における図１の変化形態である実施例IIとしてのＥＣＲプラズマ源の図

＜実施例Ｉ＞
図１は、本発明によるＥＣＲプラズマ源の基本構成を図示している。このＥＣＲプラズマ源は、内部導体２及び内部導体２と同軸の外部導体３を備えた同軸型マイクロ波供給部１から構成されている。内部導体２は、誘電体４によって、外部導体３に対して絶縁されている。この場合、誘電体４は、内部導体２が真空フランジ５を絶縁された形で貫通することを同時に保証しており、そのため内部導体２の対応する端部がプラズマ室内に開放された形で突き出ている。

真空フランジ５は、プラズマ室６に対する壁面内の開口部を真空を保持する形で閉鎖する取付けフランジとして構成されている。

真空フランジ５を貫通してプラズマ室６内に突き出ている内部導体２の端部は、マイクロ波供給部１のアンテナ７を構成する。プラズマ室６の外には、永久磁石を備えた、鉄製外被９を有する多極磁石機器８がマイクロ波供給部１と同軸に配置されている。鉄製外被９の磁極片１０と１１の領域には、真空フランジ５を貫通してプラズマ室６内にまで達するリングギャップ状磁場１２が、アンテナ７の周囲に同軸に生成されている。

アンテナ７と同軸に、かつ半径方向に対してリングギャップ状磁場１２の外側には、シールド１３が配置されており、そのシールドの真空フランジと逆側の正面は、プラズマ放射開口部２５を形成している。シールド１３は、プラズマ室６の境界を画定しており、有利には、プラズマ室６内のＥＣＲプラズマの生成に影響を及ぼしている。

本発明では、アンテナ７は、内部導体２に向かって半径方向に拡大して行くアンテナヘッド１４として構成されており、そのアンテナヘッドは、真空フランジ５と平行な下側１５を有し、真空フランジ５とアンテナヘッド１４の下側１５の間にリング状の隙間１６を形成している。アンテナヘッド１４は、その下側１５を底辺とする円錐台の形状に構成されている。そうすることによって、マイクロ波電力をリングギャップ状磁場１２の方向に有利に放射することが実現されている。

実施例Ｉでは、キャリヤーガス又は反応ガスの供給は、真空フランジ５内の穿孔１７を介して行われる。

実施例ＩのＥＣＲプラズマ源の理解を促すために、図２は、ＥＣＲプラズマ源の模式図を示している。図１を補完する形で、方形導波管とマイクロ波供給部１間のマイクロ波変換器としての役割又はここでは図示されていないマイクロ波発振器に対してマイクロ波を大まかに整合する役割を果たすマイクロ波アプリケータ１８が見て取れる。
＜実施例II＞
実施例IIに関する図３は、図１と同様のＥＣＲプラズマ源の実施形態を図示しているが、基本的に、ポンプ支柱２１を備えた真空室２０と、処理すべき基板２３を上に設置することができる基板支持体２２とから構成されるコーティング装置との模式的な概観により図示している。

本発明によるＥＣＲプラズマ源では、シールド１３の真空フランジ５と反対の正面側に相当するプラズマ放射開口部２５は、基板支持体２２に対して平行に配置されている。

実施例Ｉに対応する穿孔１７に追加して、内部導体２内の中心に穿孔２４が有る。二つの穿孔１７と２４を介して、キャリヤーガスと反応ガスを真空室２０内に選択的に供給することができる。

実施例Ｉと同様に、内部導体２とアンテナ７は、マイクロ波供給部１の外部導体３内に絶縁された形で配置されている。そのため、内部導体２との追加の電源２６をアンテナ７と接続することができる。実施例IIでは、更に、シールド１３の内側に絶縁性ライニング２７が配備されている。そうすることによって、接地電位に対して、様々な高さの電位にＥＣＲプラズマを設定することが可能となっている。

電源供給のために、直流電源と交流電源の両方を選択的に採用することができる。例えば、接地電位に対して正の電位をマイクロ波供給部１に印加した場合、例えば、接地電位に有る基板２３の方向へのイオンの抽出が起こる。交流を接続した場合、ＥＣＲプラズマの重畳が起こり、そのため交番する表面電位が形成される。基板電位に対するＥＣＲプラズマの表面電位の瞬間的な極性と大きさに応じて、様々な密度のイオン又は電子が抽出される。その場合、ＥＣＲプラズマ源はプラズマ放射源となる。

本発明による具体的なＥＣＲプラズマ源は、例えば、次の構造サイズを持つことができる。その場合真空フランジ５のサイズは、ＤＮ１６０ＣＦに関するＩＳＯ標準３６６９に準拠する。プラズマ室６は、４５ｍｍの高さと１４５ｍｍの直径の鉢状のシールド１３によって規定される。内側の絶縁性ライニング２７は、それに対応する大きさを有する。このライニングは、任意選択により、交換可能な物とすることもでき、その他の材料、例えば、アルミニウム箔から構成することもできる。

円錐台の形状のアンテナヘッド１４は、２５ｍｍの高さと１５〜８０ｍｍの下側１５の直径とを有し、特殊鋼から製作される。

真空フランジ５と下側１５の間のリング状の隙間１６は、４ｍｍの高さと３０ｍｍの半径方向の長さを有する。そのため、１×１０^-4〜１×１０^-2ミリバールの圧力のＥＣＲプラズマ源の典型的な動作範囲において、プラズマがリング状の隙間１６内に発生することはない。

従って、シールド１３との相互作用により、リング状の隙間１６の半径方向に対して内側の面は、有利には、真空室又はプラズマ処理室に対して光学的な影領域内に有る。更に、リング状の隙間１６の半径方向に対して内側の面は、プラズマの影領域内に有り、そのためリング状の隙間１６は、プラズマ内を動く粒子によってコーティングされることもない。

以下において、プラズマ支援式膜蒸着法に採用されたＥＣＲプラズマ源を詳しく説明する。

プラズマ室６を備えた真空室２０内を所要の雰囲気に設定した後、マイクロ波供給部１のマイクロ波アプリケータ１８を介してマイクロ波電力を供給し、アンテナ７のアンテナヘッド１４からプラズマ室６内に放射する。シールド１３に対するアンテナヘッド１４の特別の形状によって、マイクロ波電力がリングギャップ状磁場１２と重なり合い、プラズマ室６内では、電子サイクロトロン共鳴効果が発生することとなる、即ち、その領域において、ＥＣＲプラズマ１９が発生して、維持されることとなる。

本発明によるアンテナ７のアンテナヘッド１４の構成によって、アンテナの放射器特性を制限する可能性が有る望ましくないプラズマの発生をアンテナ７において容易に起こすこと無く、マイクロ波電力の放射が驚くべき手法で可能となる。それは、基本的に、ＥＣＲプラズマ１９が発生するリングギャップ状磁場１２の場所に関して、アンテナヘッド１４の特別の形状と、プラズマ室６の境界を画定するためのシールド１３の幾何学的な配置構成とによって実現されている。

アンテナヘッド１４の下側１５と真空フランジ５の間におけるリング状の隙間１６の簡単な構造は特に有利である。実施例では、アンテナヘッド１４を円錐台として構成することによって、リング状の隙間１６が簡単に形成されている。アンテナヘッド１４の特別な形状は、有利なマイクロ波放射器のための全ての前提条件をも満たしている。

円錐台の高さと直径を変更することによって、アンテナ７の放射器特性とリング状の隙間１６の半径方向の長さを簡単に変更することができる。隙間の長さが励起周波数の波長λの少なくとも１／４（波長の１／４）に設定されている場合、それは、アンテナ７の放射器特性に有利に作用する。放電を短絡させることとなるアンテナ近傍での望ましくないプラズマの発生が防止されている。

この場合、導電性に蒸着する際に、リング状の隙間１６の半径方向に対して内側の面が、絶縁層と同様にコーティングされず、そのため従来技術による解決策では短い時間間隔で必要であった保守作業が省略されることが特に重要である。

発生するＥＣＲプラズマ１９の形状は、実験にもとづき、シールド１３の高さ及びシールド１３とアンテナ７の間隔によって、容易に適合又は制御することができる。

特殊な用途では、ＥＣＲプラズマ源が固いアモルファス炭素膜を蒸着させるために用いられる。その場合、コーティング室内の反応ガス及び炭素キャリヤーとして、アセチレンを含む雰囲気が用いられる。プロセス圧力は、約５×１０^-4ミリバールである。基板２３とＥＣＲプラズマ源のシールド１３のプラズマ放射開口部２５の間隔が約１００ｍｍである場合、使用するマイクロ波電力に応じて、約２０ｎｍ／分〜約４０ｎｍ／分の平均的な成膜速度を実現することができた。

前述したプロセスパラメータによる４０時間の成膜時間に渡る成膜試験において、マイクロ波の適合とＥＣＲプラズマの安定性における変化は観察することができなかった。その場合、蒸着された炭素膜の膜の厚さは、約１００μｍであった。これらの結果は、導電性の薄膜を蒸着する際の本発明によるＥＣＲプラズマ源の特別な有用性を示している。

１ マイクロ波供給部
２ 内部導体
３ 外部導体
４ 誘電体
５ 真空フランジ
６ プラズマ室
７ アンテナ
８ 多極磁石機器
９ 鉄製外被
１０ 磁極片
１１ 磁極片
１２ リングギャップ状磁場
１３ シールド
１４ アンテナヘッド
１５ 下側
１６ リング状の隙間
１７ 穿孔
１８ マイクロ波アプリケータ
１９ ＥＣＲプラズマ
２０ 真空室
２１ ポンプ支柱
２２ 基板支持体
２３ 基板
２４ 穿孔
２５ プラズマ放射開口部
２６ 電源
２７ 絶縁性ライニング

Claims (7)

1. 内部導体（２）と外部導体（３）を備えた同軸型マイクロ波供給部（１）と、そのマイクロ波供給部（１）と同軸に配置された多極磁石機器（８）とから構成され、アンテナ（７）としての一端を備えた内部導体（２）が、プラズマ室（６）に対する壁面内の開口部を閉鎖する真空フランジ（５）を絶縁された形で貫通し、多極磁石機器の磁場が、真空フランジ（５）を貫通して、プラズマ室（６）内にアンテナ（７）と同軸にリングギャップ状磁場（１２）を形成するＥＣＲプラズマ源において、
   アンテナ（７）が、プラズマ室（６）内に直に突き出るとともに、内部導体（２）に向かって半径方向に拡大して行くアンテナヘッド（１４）を有し、そのアンテナヘッドには、真空フランジ（５）に対して平行な下側（１５）が配設されており、真空フランジ（５）とその下側（１５）の間にリング状の隙間（１６）が形成されていることと、
   プラズマ室（６）が、アンテナ（７）と同軸に、かつ半径方向に対してリングギャップ状磁場（１２）の外側において、シールド（１３）によって境界を画定されており、そのシールドの真空フランジと反対の正面側が、プラズマ放射開口部（２５）を規定していることと、
   を特徴とするＥＣＲプラズマ源。
2. リング状の隙間（１６）の半径方向に対して内側の面が、プラズマ放射開口部（２５）とアンテナヘッド（１４）の下側（１５）の外縁間の光学的な影の中に有ることを特徴とする請求項１に記載のＥＣＲプラズマ源。
3. リング状の隙間（１６）の半径方向の長さは、励起周波数の波長λの１／４よりも大きく、かつリング状の隙間（１６）の高さは、リング状の隙間内において、プラズマの影領域を形成して、プラズマの生成を確実に排除する高さに設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＥＣＲプラズマ源。
4. アンテナヘッド（１４）が、その下側（１５）を底辺とする、少なくとも部分的に円錐、円錐台又は円錐部分の形状に形成された入力結合面を有することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のＥＣＲプラズマ源。
5. 内部導体（２）内の軸方向に、プロセスガスを供給するための穿孔が有ることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載のＥＣＲプラズマ源。
6. 内部導体（２）が、更に、電源（２６）と接続されるとともに、シールド（１３）が、絶縁性のライニング（２７）を有することを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載のＥＣＲプラズマ源。
7. より大きな面をプラズマ処理するために、多くの個別のＥＣＲプラズマ源が、行と列の形の配列として平行に配置されていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載のＥＣＲプラズマ源。
   
   

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