JP2016509333A - プラズマ源 - Google Patents

Abstract

本発明は、‐プラズマ源中空体（１）と、自由電子を前記プラズマ源中空体内へ放射することを可能にする電子放射ユニット（５）とを有するプラズマ源であって、前記プラズマ源中空体（１）が、第１のガス吸入口（７ａ）と真空チャンバへの開口部を形成しているプラズマ源開口部（１０）とを有しているプラズマ源、‐アノード中空体（２）を有するアノードであって、前記アノード中空体（２）が、第２のガス吸入口（７ｂ）と前記真空チャンバへの開口部を形成しているアノード開口部（１１）とを有しているアノード、及び、‐その負極が前記電子放射ユニット（５）に接続されており、その正極が前記アノード中空体（２）に接続されている電圧源（８）であって、前記電圧源（８）の前記正極は、追加的に、第１の副抵抗（６ａ）を介して、前記プラズマ源中空体に電気的に接続されている電圧源、を含むプラズマ生成装置に関する。

Description

本発明は、プラズマを生成するためのプラズマ生成装置と、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いた、薄膜のプラズマエッチング、加熱（Ｈｅｉｚｅｎ）、窒化及び堆積のために、真空コーティング装置内でプラズマを生成する方法とに関する。

本発明は、熱電子放射の原理及び加熱されたエミッタへの負電圧の印加（ショットキー効果）、又は、ホローカソードプラズマ源の原理に従って機能するプラズマ源に基づいている。本発明によると、アノードとしてのプラズマ生成装置のために、電気的に区切られた（ａｂｇｅｒｅｎｚｔ）中空空間が用いられる。当該中空空間は、例えば外側へ折り返され（ａｕｓｇｅｓｔｕｅｌｐｔ）、真空チャンバに取り付けられる。当該中空空間は、プラズマを停止した後、シャッター機構によって閉鎖され、それによって、後続のステップに起因する汚染が回避される。好ましくは、プラズマ源のスイッチを入れることは、副抵抗によって確実化される。

本発明を、詳細に、図を用いて例示的に説明する。

プラズマ源、ホローアノード及び点火補助装置を含むプラズマ生成装置の図である。 エッチング速度が基板位置の関数である、エッチング分布の図である。 プラズマ源及びホローアノードの配置の変型例を示す図である。 プラズマ源及びホローアノードの配置の変型例を示す図である。 プラズマ源及びホローアノードの配置の変型例を示す図である。 プラズマ源及びホローアノードの配置の変型例を示す図である。 プラズマ源及びホローアノードの配置の変型例を示す図である。 プラズマ源及びホローアノードの配置の変型例を示す図である。 より負荷容量が大きい設備におけるプラズマ源及びホローアノードの配置を示す図である。 切替ユニットを有する複数のアノード中空体を示す図である。

図１は、例えば真空装置内でのコーティングの前又はコーティングの間にワークピースを処理するための、本発明に係るプラズマ生成装置を示している。示されているのは真空チャンバ３であり、当該真空チャンバは、アイソレータを介して当該真空チャンバに電気的に絶縁されてフランジ取付されており、プラズマ源の一部であるプラズマ源中空体１を有している。当該プラズマ源はさらに、電子放射ユニット５を含んでおり、当該電子放射ユニットは、自由電子を生成するための手段として用いられる。当該手段は、プラズマ源中空体１内へ突出しているので、プラズマ源中空体１内では電子が生成される。例えば、約２７００Ｋから３０００Ｋまでの温度になるタングステンフィラメントは、このような電子放射ユニット５に適している。電圧源８を用いて電子放射ユニット５に負電圧を印加することによって、当該電子放射ユニットは電子エミッタになる。ガス吸入口７ａを通じて、ガスがプラズマ源中空体１に流入する。当該ガスは、電子放射ユニット５によって生成された自由電子によってイオン化される。ガスに適しているのは、例えばアルゴンである。

電圧源８の正極は、プラズマ源副抵抗（ＰＳｓＲ）を通じて、プラズマ源中空体１に電気的に接続される。電圧源のスイッチを入れると、電流が副抵抗６ａを通って流れ、それによって、エネルギーをプラズマ源中空体１内のプラズマに供給することが可能になる。それによってプラズマ源中空体１に生成されたプラズマは、プラズマ源中空体１内に設けられたプラズマ源開口部１０を通って、真空チャンバ３の空間内に伸び、当該空間に充満する。

真空チャンバ３には、アイソレータ４を介して、さらなる中空体が、電気的に絶縁されてフランジ取付されており、当該中空体は以下において、アノード中空体２と表記される。真空チャンバ３及びアノード中空体２は、アノード開口部１１を通じて互いに接続されている。アノード中空体２は、電圧源８の正極と電気的に直接接続されている。アノード中空体２には、ガス吸入口７ｂが設けられており、当該ガス吸入口を通って、ガスがアノード中空体２に流入する。当該ガスは、例えばアルゴンであり得る。

さらに、真空チャンバ３の壁面は、第２の副抵抗６ｂを介して、電圧源８に接続されている。これによって、放電電流も、電子放射ユニット５からチャンバ壁面に流れることが可能になる。アノード中空体２は、電圧源８の正極に直接接続されているので、好ましくは、アノード中空体２を通って放電が行われ、アノード中空体内部にプラズマが発生する。それによって、高電流に適した経路が閉じられる。当該経路は、電圧が低い場合に、極めて高い放電電流を受容することができる。当該電流は、約１６Ｖから１００Ｖの電圧において、数１００Ａにまでなり得る。

このように生成されたプラズマの特性は、プラズマ源開口部１０とアノード開口部１１とに著しく依存する。当該開口部に沿って、電位降下によって電子が加速し、アルゴン等の気体原子の存在によって、その非常に強いイオン化が、開口部の手前及び開口部の内部で生じる。これらの開口部は、好ましくは、４ｍｍから３０ｍｍの間の直径を有する。好ましくは、直径は約１２ｍｍである。プラズマ源とホローアノードとの間の間隔は、２００ｍｍから４００ｍｍの間である。処理されるべき基板の開口部の間隔は、２００ｍｍから４００ｍｍの間である。

当該事例における、さらなる代表的な動作パラメータは以下の通りである。
アルゴンガスの流入：プラズマ源及び／又はホローアノードに５０ｓｃｃｍから２００ｓｃｃｍ
放電電流：２００Ａ
プラズマ源の放電電圧：１６Ｖから３０Ｖ
ホローアノードの放電電圧：１６Ｖから１００Ｖ

プラズマ源及びホローアノード内で変換された出力は、適切な、当業者に知られた手段によって除去されなければならない（図１には示されていない）。

上述したプラズマ生成装置を用いて、安定したプラズマ法を実施することが可能である。

本発明に係るプラズマ生成装置では、特に、アノードがブラインド装置を用いてコーティングから防護され得る場合、プロセスを開始する前にそのつどそれ以外では必要となるメンテナンスを省略することができる。当該ブラインド装置は、エッチングプロセスのために、アノード開口部の手前で開放されるので、ホローアノード内ではプラズマが確立され得る。場合によっては後に続くアーク蒸着又は噴霧（スパッタリング）等のコーティングプロセスのために、当該ブラインド装置を、シャッターを用いて閉めることが可能である。プラズマ源から真空チャンバへの開口部１０についても同様である。

アノード自体がプラズマ源として能動的に動作するので、先行技術に比較して、プラズマの体積は増大する。当該プラズマ生成装置は、例えば有利には、プラズマエッチング、プラズマ加熱、及び、プラズマＣＶＤコーティングにおいて用いられる。

プラズマ加熱では、例えばアルゴン及び水素が用いられ、それによって、原子状水素が生成される。原子状水素は、高い反応性を有しており、例えば有機残渣の除去に適している。

プラズマＣＶＤコーティングの際は、例えばアルゴンが、プラズマ源及びホローアノードのためのパージガスとして用いられ得る。コーティングの際は、例えばＣ_２Ｈ_２及び／又はＣＨ_４又はその他のモノマー若しくはポリマーのガスが真空チャンバ内に入れられるので、基板の負電圧を用いて、プラズマ中に、ＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素）薄膜等の炭素を含有する薄膜が堆積する。プラズマ源の開口部１０とホローアノードの開口部１１とが対応して構成されているので、そこでは、超音速流が形成される。このことは、高いエネルギー密度と共に、プラズマ源及び／又はホローアノードのコーティングが行われないという結果をもたらす。それゆえ、対応する内面は略コーティングされないままになり、したがって導電性を有する。このことは、プロセスの安定性に著しく寄与する。

図３は、本発明に係るプラズマ生成装置が示す、プラズマ源及びホローアノードの配置の変型例を示している。ここで、矢印の先端は常にホローアノードを指示しており、矢印の端部はプラズマ源の近傍に位置している。相互接続は図１に従って行われている。図３ａは、真空チャンバの側壁への単純なフランジ取付を示している。図３ｂ、図３ｃ、図３ｄ及び図３ｆは、２つのプラズマ源及び２つのアノードのフランジ取付を示しており、電流の方向は、様々な空間的方向付けを有している。図３ｅは、真空チャンバの頂部へのプラズマ源のフランジ取付と、真空チャンバの底部へのホローアノードのフランジ取付とを概略的に示している。負荷容量が比較的大きい真空チャンバの場合、本発明に係るプラズマ生成装置を上下に２つ配置することも可能である。このことは、図４に概略的に示されている。

本明細書で言及される副抵抗６ａ及び６ｂは、有利には、１０Ωから１００Ωの間、特に好ましくは２０Ωから５０Ωの間である。

アノード体で生成されたプラズマのみを用いることは有利であり得る。それに応じて、本発明のさらなる好ましい実施形態では、複数のアノード中空体が、少なくとも１つのプラズマ源中空体によって、切替ユニット１２のスイッチを同時に、又は、連続して、又は、部分的に重なって入れることを通じて、電気的に制御される。このことは、図５に示されており、放電の点火のための手段は、図を簡略化するために、ここでは図示されていない。

本発明のさらなる実施形態によると、磁場を用いることによって、アノードにおける放電電圧を増大させることができる。その結果、アノード中空体の吸入穴で生成されたイオン及びそれと結合した高エネルギー粒子の加速が生じる。同じく、プラズマ源中空体でも、磁場を用いることが可能である。

図６ａ及び図６ｂは、磁場生成装置１３ａ及び１３ｂを有するプラズマ中空体及びアノード中空体を示している。
プラズマ中空体の磁場１３ｂが、電子とそれに伴ってイオンとを真空チャンバに誘導する一方で、アノード中空体における磁場１３ａは、電子の偏向と、それに伴って、アノード手前での電圧降下の増大（ホール効果）とを引き起こす。この電位は、イオン化された気体原子を再び加速し、当該気体原子に増大したエネルギーを与える。

１ プラズマ源中空体
２ アノード中空体
３ 真空チャンバ
４ アイソレータ
５ 電子放射ユニット（例えばフィラメント及び給電）
６ａ プラズマ源の副抵抗
６ｂ アノードの副抵抗
７ａ プラズマ源のガス吸入口
７ｂ アノードのガス吸入口
８ 電圧源
９ａ アノード開口部手前のブラインド装置
９ｂ プラズマ源開口部手前のブラインド装置
１０ プラズマ源の開口部
１１ アノードの開口部
１２ 切替ユニット
１３ａ 磁場手段
１３ｂ 磁場手段

プラズマ源、ホローアノード及び点火補助装置を含むプラズマ生成装置の図である。 エッチング速度が基板位置の関数である、エッチング分布の図である。 プラズマ源及びホローアノードの配置の変型例を示す図である。 プラズマ源及びホローアノードの配置の変型例を示す図である。 プラズマ源及びホローアノードの配置の変型例を示す図である。 プラズマ源及びホローアノードの配置の変型例を示す図である。 プラズマ源及びホローアノードの配置の変型例を示す図である。 プラズマ源及びホローアノードの配置の変型例を示す図である。 より負荷容量が大きい設備におけるプラズマ源及びホローアノードの配置を示す図である。 切替ユニットを有する複数のアノード中空体を示す図である。 磁場生成装置１３ａ及び１３ｂを有するプラズマ中空体及びアノード中空体 を示す図である。 磁場生成装置１３ａ及び１３ｂを有するプラズマ中空体及びアノード中空体 を示す図である。

Claims (6)

1. ‐プラズマ源中空体（１）と、自由電子を前記プラズマ源中空体内へ放射することを可能にする電子放射ユニット（５）とを有するプラズマ源であって、前記プラズマ源中空体（１）が、第１のガス吸入口（７ａ）と真空チャンバへの開口部を形成しているプラズマ源開口部（１０）とを有しているプラズマ源、
   ‐アノード中空体（２）を有するアノードであって、前記アノード中空体（２）が、第２のガス吸入口（７ｂ）と前記真空チャンバへの開口部を形成しているアノード開口部（１１）とを有しているアノード、及び、
   ‐その負極が前記電子放射ユニット（５）に接続されており、その正極が前記アノード中空体（２）に接続されている電圧源（８）、を含むプラズマ生成装置において、
   前記電圧源（８）の前記正極は、追加的に、第１の副抵抗（６ａ）を介して、前記プラズマ源中空体に電気的に接続されていることを特徴とするプラズマ生成装置。
2. 前記電圧源（８）の前記正極が、第２の副抵抗（６ｂ）を介して、前記真空チャンバに電気的に接続されてい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。
3. 前記プラズマ源開口部（１０）の近傍にはブラインド装置（９ｐ）が設けられており、前記ブラインド装置を用いて、前記プラズマ源開口部を必要に応じて閉じることができることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ生成装置。
4. 前記アノード開口部（１１）の近傍にはブラインド装置（９ａ）が設けられており、前記ブラインド装置を用いて、前記アノード開口部（１１）を必要に応じて閉じることができることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
5. 前記プラズマ源開口部及び／又は前記アノード開口部が、動作時に１つの前記開口部及び／又は複数の前記開口部を通る超音速流が発生し得るように構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
6. プラズマＣＶＤを用いて基板をコーティングするための方法であって、モノマー及び／又はポリマーのガスが、プラズマ生成装置を含む真空チャンバに流入し、前記真空チャンバ内では、前記プラズマ生成装置を用いてプラズマが生成され、コーティングされるべき前記基板に負電圧が印加される方法において、
   前記プラズマ生成装置が、請求項５に記載のプラズマ生成装置であり、それによって、プラズマ中空体の内部空間も、アノード中空体の内部空間もコーティングされないということを特徴とする方法。

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