JP2868120B2 - 電子ビーム励起プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子ビーム励起プ
ラズマ発生装置の構造に関し、特に電子ビーム発生部の
放電室からの電子引き出し隘路部分の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビーム励起プラズマ装置は、プラズ
マプロセシング装置、すなわちプラズマイオンプレーテ
ィング装置、プラズマＣＶＤ装置、プラズマスパッタリ
ング装置、プラズマエッチング装置等として、成膜、エ
ッチング、表面改質等に広く用いられている。電子ビー
ム励起プラズマ装置は、電子ビームを発生する電子ビー
ム発生装置とその電子ビームで励起してプラズマを発生
させ各種の反応を起こさせるプラズマプロセス室とを備
える。

【０００３】電子ビーム発生装置はカソードと中間電極
と放電電極と加速電極の順に配置され、カソードと放電
電極の間に放電用電圧を印加するとカソードで放出され
た熱電子がカソード部に供給される不活性ガスに作用し
てプラズマを発生し、中間電極と放電電極の間の放電室
に充満する。放電電極と加速電極の間に加速電圧を印加
すると、放電電極の中心に開けた引き出し隘路を介して
プラズマから電子が引き出されて加速され大電流の電子
ビームがプラズマプロセス室に供給される。電子ビーム
はプラズマプロセス室に供給される材料ガスをプラズマ
化し、ターゲット基板に対して各種のプロセス処理を行
う。

【０００４】図１９は、従来の電子ビーム励起プラズマ
装置のうちビーム直交打ち込み型の典型例を示すブロッ
ク図である。カソードと中間電極と放電電極が同軸上に
一直線に配設され、放電電極の中心位置に連通孔が形成
されている。カソード室にはアルゴンなど不活性ガスが
プラズマ種として導入され、カソードと放電電極間で放
電される電子ビームによりプラズマ化される。

【０００５】プラズマプロセス室の壁は導電体で形成さ
れていて、これに加速電圧を印加することにより、連通
孔を通して放電室内のプラズマから大電流の電子ビーム
を引き出して、シランガス、メタンガスなど反応プロセ
スの必要に応じてプロセス室内に導入される材料ガスを
プラズマ化し、生成した活性種（ラジカル）を基板に堆
積したりプラズマ電位と試料表面電位の差に応じてプラ
ズマ中のイオンを試料に対して垂直に打ち込むようにな
っている。

【０００６】放電電極の連通孔の周囲には１対の電磁コ
イルが同軸に設置されていて、逆方向に電流を流すこと
によって、中心に近いコイルの働きで連通孔を通過する
電子ビームを細く調整すると共に、２個のコイルの働き
で電極から離れた位置における磁場を相殺しプラズマの
分布範囲を部屋一杯に広げるようにする。プラズマプロ
セス室の側壁は石英ベルジャーにより保護されていて、
壁に対する材料物質の堆積を抑制しかつ堆積した場合の
清掃が容易にできるようになっている。

【０００７】カソード室に供給されるアルゴンガスは圧
力勾配に従ってプラズマプロセス室まで流れて、ここで
材料ガスと共に排気される。加工の対象となる基板試料
は、電子ビームの軸線上に置かれる。基板試料を保持す
る試料台にはＲＦバイアスを印加して、試料表面のイオ
ン照射エネルギーが制御できるようになっている。ま
た、水を循環させて冷却ができる。

【０００８】図２０は操業中のプラズマプロセス室の状
態を表すグラフである。図２０（ａ）は試料表面電位を
表し、横軸は電子ビームの軸中心からの距離、縦軸は表
面電位をそれぞれ任意単位で示している。グラフにはプ
ラズマプロセス室のガス圧が低い場合と高い場合の表面
電位Ｖｆに加えて試料表面近傍のプラズマ電位Ｖｓを表
示している。また、図２０（ｂ）は、試料表面近くのプ
ラズマ密度の分布を示すグラフである。横軸は電子ビー
ムの軸中心からの距離、縦軸はプラズマ密度をそれぞれ
任意単位で示している。

【０００９】上記従来例では、試料面に垂直な方向に電
子ビームを加速しプラズマプロセス室に打ち込むため、
プロセス室内のガス圧が低いと高エネルギービーム成分
が試料に直接入射して試料表面の浮遊電位Ｖｆが深く沈
み、プラズマ電位Ｖｓとの差である試料表面のシース電
圧が大きくなる。このため、プロセスによっては、物理
的エッチング作用が大きくなり表面の損傷を生じたり、
成膜プロセスができなくなる。また、試料表面の浮遊電
位Ｖｆは、図に示したように試料の中央位置を中心とし
て沈み、試料表面全体にわたって分布が生じるため、試
料の表裏面で電位差が生じ、例えばＤＲＡＭエッチング
の場合ゲート酸化膜の劣化あるいは破壊が生じてしま
う。

【００１０】これらの問題を回避するためには、ガス圧
を上げてガス分子との衝突回数を増やしたり、電子ビー
ム入射口と試料間の距離を長くして、高エネルギービー
ム成分を減衰させることが有効である。

【００１１】しかし、図２０（ｂ）に示されたように、
ガス圧を上げた場合には、電子のエネルギーが軸中心か
ら離れると急激に減衰することを反映して、プラズマ密
度が軸中心に近いほど高くなり、試料表面におけるプラ
ズマ反応の均一性が悪化する問題がある。また、距離を
大きくすると装置が大きくなり好ましくない。

【００１２】図２１は、本願発明の出願人の出願に係り
すでに特願平８−６８７１１号で開示されたもので、試
料面に対して平行な方向に電子ビームを加速して高エネ
ルギービーム成分が試料に直接入射しないようにしたビ
ーム平行打ち込み型電子ビーム励起プラズマ装置の例を
示すブロック図である。

【００１３】カソードと補助電極と放電電極と加速電極
が同軸上に一直線に配設され、各電極の中心位置に連通
孔が形成されている。放電領域にはアルゴンガスなどプ
ラズマ種が導入され、カソードから補助電極により引き
出され、さらに放電電極との間でプラズマ化され安定に
放電が持続する。

【００１４】加速電極には加速電源から加速電圧が印加
されて、放電領域のアルゴンプラズマから大電流の電子
ビームが加速領域に引き出される。電子ビームはさらに
加速電極の連通孔を通ってプラズマプロセス室内に導入
され、シランガス、メタンガスなどプロセス室内に導入
される材料ガスをプラズマ化する。

【００１５】図２２は、上記ビーム平行打ち込み型電子
ビーム励起プラズマ装置におけるプラズマプロセス室の
状態を表すグラフである。図２２（ａ）は試料表面電位
を表し、横軸は電子ビームを引き出す加速電極からの距
離、縦軸は表面電位をそれぞれ任意単位で示している。
なお、グラフＢ−Ｂは図２１中の矢印Ｂ−Ｂ位置におけ
る試料表面電位を表す。また、図２２（ｂ）は、電子ビ
ーム軸近くと試料表面近くのプラズマ密度の分布を示す
グラフである。横軸は加速電極からの距離、縦軸はプラ
ズマ密度をそれぞれ任意単位で示している。なお、グラ
フＡ−Ａ、Ｂ−Ｂはそれぞれ図２１中の矢印Ａ−Ａ、矢
印Ｂ−Ｂ位置におけるプラズマ濃度を表す。

【００１６】試料面は上記プロセス室内の電子ビームの
軸と平行に設置されているため、入射したばかりの電子
ビームの方が高エネルギー成分を多く含むことを反映し
て電子ビーム入射口である加速電極に近い方が若干電位
が低いが、高エネルギービーム成分が試料に直接入射し
ないため試料表面の浮遊電位Ｖｆは図２０（ａ）に示す
ような深い沈み込みを持たず、緩やかな分布を有する。

【００１７】しかし、プラズマ密度は加速電極に近い方
が大きく電極から離れるに従って低下して、ビームの進
行方向に沿って図２２（ｂ）に示すような分布を有する
ので、試料面の電子ビーム上流側と下流側で成膜等の速
度が異なり、膜質等が均質にならないという問題があ
り、特に大面積の試料を製作することが困難である。な
お、上記いずれの型式の装置も隘路部分で完全電離する
以上の電子を補給はできず、単数の引き出し隘路を通し
て電子が供給されることによるプラズマ密度の限界があ
る。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の解決
しようとする課題は、電子ビーム励起プラズマ装置にお
けるイオン衝撃作用の適正化を図りより大きな面積の試
料を作成できるようにすることであり、また材料プラズ
マの密度を上げるとともに均一性を向上させて効率良く
試料を作成できるようにすることである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の電子ビーム励起プラズマ発生装置は、中間
電極と放電電極の間に形成される放電部から電子ビーム
を引き出し加速電極により加速してプロセス室内のガス
をプラズマ化して試料面に作用させる装置であって、放
電部からの引き出し隘路が放射状に複数個備えられ、引
き出し隘路からの電子引き出し方向が放電部への電子入
射方向に対してほぼ垂直になることを特徴とする。また
特に、試料面が引き出し隘路からの電子引き出し方向に
対してほぼ平行に設置されることが好ましい。

【００２０】本発明のプラズマ発生装置では、複数の引
き出し隘路が放射状に配置されており放電部への電子入
射方向に対してほぼ垂直に電子を引き出すようにしたの
で、放電部から大電流の電子流を引き出してプラズマプ
ロセス室内のプラズマ密度を高くすることができ効率の
良いプラズマ反応が得られるばかりか、高エネルギービ
ーム成分が直接試料表面に衝突することが少なくなり試
料表面における浮遊電位の沈み込みがなくなって、不均
質な物理的エッチング作用等を排除することができる。
従って、大面積を有する試料についても均質な処理が可
能となる。

【００２１】放電電極の位置について放電部に設ける以
外にも、引き出し隘路部分を放電電極として機能するよ
うに設けることで、プラズマから電子流をより高い効率
で引き出すことようにすることもできる。引き出し隘路
部分を放電電極とした場合、引き出し隘路部分のプロセ
ス室側の面または引き出し隘路の内面、もしくは両方と
もを絶縁材料で被覆するようにしてもよい。この絶縁性
被覆でプラズマプロセス室内のプラズマと放電電極間の
電圧勾配を緩めかつ表面を保護することによって、高エ
ネルギーイオンが放電電極に衝突して損傷を引き起こし
たり電極物質がプラズマに混入して不純物となることを
防止することができる。

【００２２】放電部を放電電極と引き出し隘路の間に設
けることによって、放電空間で発生するプラズマ中のイ
オンによる、放電電極に対するスパッタリングを防ぐこ
とでコンタミネーションの発生を抑え、また放電電極の
摩耗を軽減することもできる。この放電電極の中間電極
側を絶縁物で覆い、カソードから出てくる電子流のうち
放電空間に通り抜けない放電電極に直接流入するロス電
流を抑制することにより、プロセス室への電子引き出し
量を増やすことができる。また、逆に放電電極の引き出
し隘路側を絶縁物で覆い、放電空間で発生するイオンに
よる電極のスパッタリング損耗をよりよく防ぐようにす
ることもできる。なお、中間電極と放電電極の外側から
これら電極を同軸に囲む空芯コイルを設置して、プラズ
マの収束効果をさらに高めることができる。また、コイ
ルを１個にすることでコストの低減を図っても良い。な
お、これら空芯コイルの機能は電子ビームに隘路をスム
ーズに通過させることであり、電極孔径を適正化すれば
空芯コイルを省略することも可能である。

【００２３】また、試料について、特に試料面を引き出
し隘路からの電子引き出し方向に対してほぼ平行に設置
するようにすると、電子引き出し位置付近に生じる電子
流の偏在が緩和されて試料表面におけるプラズマ密度分
布がより均等化するため、大きな領域に亘って均質な製
品を得ることができる。

【００２４】また、本発明の電子ビーム励起プラズマ発
生装置は、放電部をプラズマプロセス室に突出した筒形
状を形成し、外周面に複数の引き出し隘路を設けて、電
子が放射状に噴出するようにしてもよい。あるいは放電
部がプラズマプロセス室の外周に形成された２重壁で構
成され、内周面に複数の引き出し隘路が設けられてい
て、電子がプラズマプロセス室の中心に向かって放射状
に噴出するようにしたものであってもよい。このような
構成では、電子流が試料表面に直接衝突することがな
く、また材料ガスのプラズマが試料面まで到達するまで
にプラズマ密度の偏在も緩和されて、試料表面における
プラズマ作用が極めて均質になる効果がある。

【００２５】なお、プロセス室の壁面を加速電極として
利用するようにしてもよい。このような構成では、材料
ガスのプラズマがプラズマプロセス室内に充満するよう
に広く分布し、試料面におけるプラズマ密度の分布が均
等になるため均質な製品が得られる。また、少なくとも
加速電極の一部を引き出し隘路を挟んで試料面と対向す
る位置に設けるようにしてもよい。こうすると、電子流
が試料面と反対の方向に流れるため、高エネルギービー
ム成分が試料面に激突することが抑制され、試料表面に
おける物理的エッチング作用が無視できるようになる。

【００２６】内壁と別に加速電極を設けることにより、
プロセス室の内壁にプラズマが流入することが少なくな
り、内壁温度の上昇を抑えることもできる。このため、
壁からの不純物の発生やその不純物の成膜中への混入を
防げる。この場合、加速電極は円筒状、トーラス状、ス
パイラル状等の形状で設けることができる。また、プラ
ズマ室の外側に多極電極を設置すればプラズマの閉じ込
めがさらに効果的に行われ、プラズマと内壁との干渉が
少なくなり、内壁の温度上昇に伴い放出される不純物が
減少し成膜中に不純物が混入するのを防ぐことができ
る。

【００２７】また、加速電極を自己発熱することで、メ
タンをプロセスガスとした場合などに成膜として加速電
極に付着する絶縁性のＤＬＣ（ダイヤモンドライクカー
ボン）を変質させ、導電性のグラファイトに変えること
ができる。これによって、安定した放電を長時間にわた
って維持することができる。

【００２８】なお、引き出し隘路を各電極から電気的に
絶縁するようにすることが好ましい。引き出し隘路が他
の電極から絶縁されていれば、プラズマ電位と加速電極
電位の中間的電位を持つようになるので、引き出し隘路
へのエッチング作用は緩和され、コンタミネーションの
危険が減少すると共に装置の寿命が延びる効果がある。

【００２９】なおまた、放電部の引き出し隘路部分を絶
縁材料で形成するようにすることができる。引き出し隘
路部分を絶縁材料で形成すれば、特に電気的な絶縁を施
さなくても、容易に他の電極と電気的絶縁をすることが
でき、装置構造が簡便になる。引き出し隘路部分を形成
する絶縁材料としては、アルミナ、窒化アルミまたは石
英のいずれかあるいはこれらの混合物であることが好ま
しい。これら材料は比較的容易に高性能の成型品として
得ることができ、経済的な装置を形成する上で効果があ
る。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る電子ビーム励
起プラズマ発生装置の実施の形態を、図面を用い実施例
に基づいて詳細に説明する。

【００３１】

【実施例１】図１は本発明の電子ビーム励起プラズマ発
生装置の第１実施例を説明する断面図である。本実施例
の電子ビーム励起プラズマ発生装置は、カソード室１と
放電室２とプラズマプロセス室３が鉛直方向に配置され
ている。カソード室１と放電室２は中間電極１３で隔て
られている。カソード室１には、熱電子を放出するフィ
ラメントを備えたカソード１１が設けられている。また
ガスノズル１２が設けられアルゴンガスＡｒ等の不活性
ガスが供給される。中間電極１３は、中央に連通孔１４
を備えて不活性ガスと電子が放電室２に流入できるよう
になっている。中間電極１３には、１対の空芯コイル１
５、１６が連通孔１４と同軸に仕込まれている。

【００３２】放電室２はプラズマプロセス室３中に突出
する筒状の形状を有し、プラズマプロセス室３と隔てる
壁２１は、石英ガラスで形成されている。石英ガラス製
の隔壁２１の円周部分には多数の連通孔２２が設けられ
電子ビームのための引き出し隘路を形成している。ま
た、放電室２の中間電極１３に対向する位置に放電電極
２３が設けられている。放電電極２３には、衝突する電
子ビームにより発生する熱を除去するための水冷ダクト
を通しても良い。プラズマプロセス室３は、周壁３１が
加速電極を形成し、プロセスガスを導入するガスノズル
３２と、図外の真空装置につながる排気口３３が設けら
れている。また、放電室２に対向する位置に試料ホルダ
３４が設けられている。試料ホルダ３４は試料３５を載
置して回転したり上下方向に動かすことができる構造に
なっている。

【００３３】上記の各電極は、直列に接続された加熱用
電源４１と放電用電源４２と加速用電源４３とから形成
される外部の直流電源と接続されていて、プラズマ形成
とプラズマ反応に必要な電流・電圧が供給されている。
すなわち、加熱用電源４１がカソード１１のフィラメン
トに加熱電流を供給し、カソード１１と放電電極２３の
間に放電用電源４２の両端子が接続されていて両者の間
に放電電圧を供給し、さらに、加速用電源４３の陽極が
接地されて基準電位を確定すると共に加速電極３１と接
続されていて放電室２中のプラズマ体から電子を引き出
す加速電圧を供給する。なお、中間電極１３は放電電極
４２の陽極と抵抗器４５とスイッチ４６を介して接続さ
れている。また、試料ホルダ３４は高周波電源装置４４
に接続されていて、適当なＲＦバイアスを印加すること
により試料表面のイオン照射エネルギーを制御できるよ
うになっている。

【００３４】カソード室１にはプラズマ種となるアルゴ
ンガスが供給される。カソード１１に加熱用電源４１か
らの電流が流れると周囲に熱電子が放出され、アルゴン
ガスの供給下で放電電極２３に放電用電源４２の電圧が
かかると中間電極１３の間に生じる初期放電を仲介とし
てカソード１１と放電電極２３の間に放電が生じる。な
お、中間電極１３に仕込まれた内側コイル１５の働きに
より電子流は十分細くなって連通孔１４を通過する。こ
のとき外側コイル１６に内側コイル１５と逆方向の電流
を流してコイルの軸線延長上の磁場を相殺し、放電室２
内の磁界分布を緩めて、電子が放電室２内一杯に拡散す
るようにする。このためカソード室１から流入する不活
性ガスがプラズマ化されてプラズマ２４が放電室２に充
満する。

【００３５】材料ガスはプラズマプロセス室３に設けら
れたガス供給口３２から供給され排気口３３から排出さ
れる。プラズマプロセス室３内の圧力は図示しない圧力
調整機構によりプラズマ反応中一定に保たれる。放電電
極２３と加速電極を兼ねるプロセス室周壁３１の間に加
速用電源４３の電圧を印加すると、引き出し隘路２２を
介して放電室２内のプラズマ２４からプラズマプロセス
室３に電子流が引き出される。プラズマから引き出され
る電子流の流出方向は放電室内の放電電流の方向に対し
てほぼ垂直である。

【００３６】放電室２内のアルゴンプラズマから引き出
された電子流が、プラズマプロセス室３内のガス分子を
電離・解離しプラズマ状にして材料ガスプラズマを生成
する。引き出し隘路２２は放電室２の周囲に多数設けら
れており、さらにプラズマプロセス室３における電子ビ
ームに占める高エネルギー成分の割合が大きく、プロセ
スガスの電離・解離効率が高いため材料プラズマの密度
が高くなる。プラズマ化したガスはそれぞれの目的に応
じて処理され、試料台３４に搭載された試料３５と反応
して製品を形成する。

【００３７】図２は、上記実施例における稼働中のプラ
ズマ密度分布と試料表面電位を説明するグラフである。
図は、試料ホルダ３４を横断する方向の距離を横軸に、
またプラズマ密度と試料表面電位を縦軸に、それぞれ任
意目盛りで表してある。図１中に示す放電室２の直下に
当たる水平位置Ａ−Ａにおけるプラズマ密度は電子ビー
ムの引き出し直後で高く、そこから離れるにつれて低下
する不均一な分布を示すが、適当な距離を移動する間に
緩和されて、試料表面近くの水平位置Ｂ−Ｂでは極めて
平坦な分布状態になっている。また、放電室２から引き
出された電子流が試料表面に直接的に衝突することがな
いから、試料表面おける浮遊電位は沈み込みがなく平坦
である。従って、大きな面積を有する試料を用いてもプ
ラズマ反応は全面積に亘って均等で、十分均質な製品を
製作することができる。

【００３８】図３から図５は本実施例における構成要素
の別の態様を示す部分図である。本実施例の説明では放
電室２とプラズマプロセス室３に隔壁２１を絶縁体の石
英ガラスで形成するものとしたが、図３に示したように
導電体２５で形成してもよい。隔壁２１のプラズマプロ
セス室３側の表面は絶縁性コーティング２６を施し、胴
部には放射状に多数の連通孔２２を設けて、引き出し隘
路とする。隔壁２１の導電体部分２５を放電用電源４２
に接続して放電電極として使用する。絶縁性コーティン
グ２６はプラズマプロセス室３側表面部分ばかりでな
く、図４に示すように引き出し隘路２２の内壁部分にか
かるように被覆するように構成すれば引き出し隘路２２
の部分が大電流電子ビームにより熱的損傷を受けたりイ
オンのスパッタリング作用により飛び出した金属粒子に
よるコンタミネーションを起こしたりすることもより少
なくなる。

【００３９】また、図５に要部を示すように、プラズマ
プロセス室３内に別途加速電極３６を設けて、周壁３１
との間を電気的に絶縁するようにしても良い。このよう
にするとプロセス室３の壁面に電子ビームが直接流入し
ないため、壁面の温度を適当に保持することができ、壁
に吸着された物質が操業中に再脱離してプラズマに混入
することを抑制することができる。

【００４０】なお、上記実施例では放電室２の引き出し
隘路部分２２を絶縁材料の石英ガラスで形成したが、他
にもアルミナや窒化アルミで形成することもできる。こ
のような材質によれば、プラズマの高温にも耐え、特に
運転時の急激な立ち上がりなど熱履歴に基づく熱衝撃に
もよく耐える上、高真空下で熱を受けても内部から発生
するガスが少ないため、不純物の少ない良質な反応ガス
プラズマを得ることができる。さらに窒化アルミはセラ
ミックでありながら熱伝導性が高く、排熱を促進するの
で装置の変形や熱応力による不具合を避けることができ
る。また、石英はイオンによるスパッタリング率が極め
て小さいため損耗を最小にすることができる。

【００４１】

【実施例２】図６は、本発明の電子ビーム励起プラズマ
発生装置の第２実施例を説明する断面図である。本実施
例の電子ビーム励起プラズマ発生装置は、プラズマプロ
セス室の外壁を２重にして放電室として形成し、内壁面
に複数の引き出し隘路を設けて、電子がプラズマプロセ
ス室の中心に向かって放射状に噴出するようにしたもの
で、実施例１の電子ビーム励起プラズマ発生装置と同様
の機能を有する。そこで、図中、図１と同じ機能を表す
部分に同じ参照番号を付すことにより、理解が容易にで
きるようにした。

【００４２】第２実施例に係る電子ビーム励起プラズマ
発生装置は、カソード室１に続けて配置される放電室２
が２重になったベルジャー形状を有し、この放電室２が
プラズマプロセス室３の上半分を形成している。カソー
ド室１と放電室２を仕切る中間電極１３には連通孔１４
と同軸に１個もしくは１対の空芯コイル１５が埋め込ま
れている。放電室２には、先端部に放電電極２３が円環
状に設けられているほか、中間電極１３の連通孔１４の
軸の延長上に円盤状の補助電極２７が設けられている。
放電室２の内側の壁には内側に向かって多数の連通孔２
２が開けられていて、引き出し隘路を形成している。

【００４３】プラズマプロセス室３には、上記引き出し
隘路２２の引き出し方向に平行に試料３５を載置する面
を有し回転及び昇降が可能な試料ホルダ３４が設けられ
ている。また、下半分の壁面３１が第１の加速電極を形
成するとともに、天井部分に第２の加速電極３７が設け
られている。また、引き出し隘路２２の高さにガスシャ
ワーリング３８が設けられている。ガスシャワーリング
３８は円環状のチューブで外側に向かって多数のガス噴
出口が開けられている。ガスシャワーリング３８にはプ
ロセスガスを供給するパイプ３９が連結している。パイ
プ３９は、プラズマプロセス室３の底面に対して上下方
向に移動できるようになっていて、ガスシャワーリング
３８の高さを調整することができる。

【００４４】加熱用電源４１がカソード１１のフィラメ
ントに加熱電流を供給する。カソード１１には放電用電
源４２の陰極端子が接続され、放電電極２３に放電用電
源４２の陽極端子が接続されている。また、中間電極１
３と補助電極２７がそれぞれスイッチ４６、４８を有す
る抵抗器４５、４７を介して放電用電源４２の陽極端子
に接続されている。さらに、加速用電源４３の接地陽極
がそれぞれ可変抵抗４９、５０を介して加速電極３１お
よび第２加速電極３７と接続されている。また、図示し
ないが試料ホールダ３４は高周波電源装置に接続されて
いる。

【００４５】カソード１１に加熱用電源４１からの電流
を流すと周囲に熱電子が放出され、さらにカソード室１
に不活性ガスを供給すると放電用電源４２によりカソー
ド１１と中間電極１３の間に生じる初期放電を仲介とし
てカソード１１と補助電極２７の間に放電が生じる。こ
こで補助電極２７を放電用電源４２から切断すると、さ
らに放電電極２３までプラズマが生成し、カソード１１
から放電電極２３に至るプラズマが安定に存在すること
になる。

【００４６】なお、中間電極１３に仕込まれた空芯コイ
ル１５の働きにより電子は十分細い流れとなって連通孔
１４を通過する。また、１対の空芯コイル１５、１６を
用いた場合は、放電室２内の磁界分布を緩めるため、プ
ラズマが放電室２内一杯に充満する。ここで、加速用電
源４３からの電圧が加速電極３１や第２加速電極３７に
印加されていると引き出し隘路２２を通って放電室２内
のプラズマから大電流が引き出されてプラズマプロセス
室３内に流入する。電子流はプラズマプロセス室３の周
囲から中心に向かう方向に流れる。

【００４７】一方、プラズマプロセス室３に導入される
プロセスガスはガスシャワーリング３８のガス噴出口を
通り、部屋の周囲から流入してくる電子流の中に噴出さ
れてプラズマ化される。ガス噴出口はプラズマプロセス
室３の外側に向かって開口しているので、電子流中のエ
ネルギーがより大きい引き出し隘路２２の付近に効率良
く供給されるため、プラズマ密度は高く空間的分布状態
は比較的平均化している。プロセスガスのプラズマが試
料ホルダ３４上の試料３５の表面と反応して製品を生成
する。本実施例では、電子流の方向は試料表面に対して
ほぼ平行であるため、高エネルギービーム成分が直接衝
突して表面の浮遊電位分布を乱すことがなく、プラズマ
密度も試料表面付近で平均化しているため、大面積の試
料についても均質な製品が得られる。

【００４８】なお、プラズマプロセス室３の天井に設備
された第２加速電極３７が引き出し隘路２２からの電子
流軌道を挟んで試料ホルダ３４の載置面と対向する位置
に存在することにより、電子流が試料３５の表面に向か
って投射しないようにする効果が生じる。また、加速電
極３１に接続された可変抵抗器５０と第２加速電極３７
と接続された可変抵抗器４９を調整することにより、加
速された電子がプラズマプロセス室３の下部内面の加速
電極３１と第２加速電極３７に流入する割合を変えて、
プラズマの形状を制御することができる。

【００４９】さらに、ガスシャワーリング３８の高さを
変えることによりガスの電離解離の度合いを調整して、
最適な成膜を行うことができる。なお、ガスシャワーリ
ング３８の形状および数さらにガス噴出口の数や向きも
必要とするプラズマ密度分布に従って適宜選択すること
ができる。また、試料ホルダ３４の高さを調節すること
によって試料３５に作用するプラズマ密度やプラズマ密
度分布を調整することができる。また、試料ホルダ３４
を回転することによりプラズマ密度分布にむらがある場
合でも均質な反応を起こさせることが可能となる。

【００５０】なお、図６では放電室２からの電子流の噴
出方向がほぼ水平になっているが、試料３５の表面に対
して適当な角度を有すれば足りることは言うまでもな
い。また、従って放電室２の内壁も垂直である必要はな
い。また、補助電極２７は中間電極１３と対向する位置
に置かれた円盤状電極としたが、中間電極１３と軸を同
じくする円環状電極として電子が円環内を通過するよう
にしても良い。また放電電極２３を円盤状にする代わり
に、複数の扇形電極に分割し各々調整可能な抵抗器を介
して放電用電源４２の陽極側に接続するようにしてもよ
い。

【００５１】

【実施例３】図７は、本発明の第３の実施例を説明する
原理図である。本実施例が上記の実施例１と異なるの
は、放電電極２３の位置を変え、放電部の順序を変更す
るところにあるので、先の実施例と異なる部分だけを説
明する。なお、図中、図１と同じ機能を有する要素につ
いては同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。
放電電極２３の位置以外はほぼ実施例１と同様に配置さ
れ、放電電極２３は中間電極１３の直下、放電室２の直
上に位置する。カソード１１と放電電極２３により供給
される電子流によってプラズマ化された不活性ガスはプ
ラズマ２４として放電室２に充満する。

【００５２】また、放電電極２３の内部には空芯コイル
１７が埋め込まれており、中間電極１３の隘路１４を通
過した電子流の大部分が直接放電電極２３に流入せずに
放電電極２３の隘路を通過して放電室２内に流入するよ
うになっている。なお、中間電極１３と放電電極２３の
内部にそれぞれ空芯コイルを埋め込む代わりに、図８に
拡大して示すように、両電極を包含する領域に１個の大
口径の空芯コイル１８を電極と同軸に設置するようにし
ても同様の効果を得ることができる。このように電極の
外部に空芯コイルを配設する場合は、電極内に埋め込む
のと比較するとより自由な設計ができ製作組立も容易に
なる。

【００５３】図９、図１０は、本実施例中の放電電極２
３について別の様態を説明したものである。図９（ａ）
は放電電極２３の中間電極１３側を絶縁板２８で覆った
ものであり、これによって放電電極を通り抜ける電流が
多くなるため、放電室２における電子流の密度を高くす
ることができる。このため、プラズマ２４の密度も高く
なり、プラズマプロセス室３への電子の供給量も増加す
る。なお、図９（ｂ）あるいは（ｃ）のように放電電極
に設けられた連通孔２９の内部までも絶縁板２８で覆っ
てもよい。

【００５４】図１０（ａ）は放電電極２３の放電室２側
を絶縁板２８で覆ったものである。絶縁板２８を設ける
ことによって、放電室２中のイオンのスパッタリング作
用を受けにくくなり、金属粒子の飛び出しが少なくなる
ので、これによるコンタミネーションも少なくなる。な
お、図１０（ｂ）または（ｃ）のように放電電極に設け
られた連通孔２９の内部までも絶縁板２８で覆ってしま
ってもよい。また、図９（ａ）から（ｃ）で示したもの
のいずれかと、図１０（ａ）から（ｃ）で示したものの
いずれかをそれぞれ組み合わせて使用することもでき
る。

【００５５】図１１の（ａ）から（ｃ）は本実施例の別
の態様を説明する図である。図１１の（ａ）について本
態様が上記の態様と異なるのは、プラズマプロセス室３
内に設置された円筒状の電極３６を加速電極として使用
するところあるので、先の態様と異なる部分だけを説明
する。なお、図中、図７と同じ機能を有する要素につい
ては同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。

【００５６】円筒状の加速電極３６はプラズマプロセス
室３内に設置され、内壁と絶縁されて、加速用電源４３
に接続されている。このため、壁面にプラズマが流入す
ることがないので、壁面温度の上昇が少なく、壁面温度
の調節もしやすいため、壁からの不純物の発生を抑える
ことができ、ひいては試料面への不純物の混入も抑える
ことができる。

【００５７】プロセスガスとしてメタンを供給した場合
には、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜が試料
面上や電極上等に生成され、加速電極３６上に付着した
場合にはＤＬＣ膜の絶縁性のため安定した放電、加速を
長時間維持できなくなる。そこで、加速電極３６自体を
自己加熱するようにして、運転中に４００℃以上になる
ようにすることによって加速電極３６上に付着した絶縁
性のＤＬＣ膜を変質させ導電性のグラファイトに変える
ことで、常に良好な導電性を確保するようにして安定し
た放電を長時間維持することができるようになる。

【００５８】また、加速電極３６は図１１（ｂ）の様に
ステンレスやモリブデン等の耐熱性材料で形成したパイ
プをトーラス状にして使用しても良いし、図１１（ｃ）
の様にスパイラル状に形成して使用しても良い。これら
の場合は、パイプの中空部分に熱媒循環配管を接続し、
シリコンや窒素ガス等の熱媒の流量と温度により電極表
面温度を調節できるようにしておくと、なお良い。

【００５９】図１２は、図１１（ａ）における円筒状の
加速電極３６、また（ｂ）や（ｃ）におけるパイプ加工
加速電極３１に電熱ヒータを付加することにより温度調
整をさらに容易にした形態を表したものである。図１２
（ａ）は円筒状加熱電極３６内部に埋込みヒータ５３を
仕込んで電源５１で温度調整するようにしたものの斜視
図であり、図１２（ｂ）はパイプ加工加熱電極３６の外
側にシースヒータ５２を巻き付けて電源５１で温度調整
するようにしたものを示し、また図１２（ｃ）はパイプ
加工加熱電極３６のパイプ内部にヒータ５３を仕込んだ
ものを示す。

【００６０】これら、温度測定機構のつかない自己加熱
加速電極３６は、プラズマ密度が低く加速電極３６への
プラズマからの電子の流入が少ないため十分に温度が上
昇しない場合に有効である。

【００６１】図１３から図１６は温度制御系を用いて温
度を管理するようにした加速電極３６を表したものであ
る。図１３は、内部にヒータ５２とジャケット５５およ
び温度検出端５８が埋め込まれている円筒状加速電極３
６の概念図を表したものである。ヒータは外部信号によ
り出力調整できる電源装置５１に接続されている。熱電
対や温度抵抗体などからなる温度検出端５８は温度制御
器５７に測定信号を入力し、温度制御器５７は測定温度
に基づいて、電源装置５１の出力を調節する。

【００６２】加速電極３６が加熱すると表面が蒸発し成
膜中に混入して膜質を劣化させるので、必要以上に温度
を上げないようにする必要がある。ジャケット５５には
シリコンオイル等の熱媒体あるいは冷却水などを流すこ
とが可能で、電極３６が過熱したときに冷却することが
できる。

【００６３】図１４は、パイプ加工加速電極３６の温度
を測定する温度検出端５８を備え、温度制御器５７が温
度検出端５８からの測定信号を受けて流量制御装置５９
に制御信号を与えると、加速電極３６の中を流通する熱
媒の流量制御を行って、加速電極３６の温度制御をする
システムを示すものである。流量制御装置５９には各種
の制御弁が用いられる。温度検出端５８は熱電対や抵抗
式温度検出素子などを使用して加速電極３６の管の内側
に設置することもできる。

【００６４】図１５は、加速電極３６の外側に巻き付け
たシースヒータ５２に外部信号により出力調整できる加
熱用電源５１を接続し、温度制御器５７から与えられる
制御信号に従って加速電極３６の温度制御をするシステ
ムを示すものである。電熱ヒータが加速電極３６の管の
中に設置されている場合も同様に温度制御が可能であ
る。

【００６５】図１６は、加速電極３６が過熱する場合
に、余剰の熱を利用するシステムを表した図面である。
トーラス型等のパイプ加工品である加熱電極３６の管中
に窒素ガスやシリコンオイルなどの熱媒体を循環させ
る。気体の熱媒体を循環するためにはファン、また液体
にはポンプ、などの媒体循環機構６０が用いられる。加
速電極３６が受け入れる熱は熱交換器６１を介して外部
の冷熱源と熱交換し、別途有効に再利用する。

【００６６】図１７と図１８は、プラズマ室の外側に多
極磁場発生機構を設置してプラズマの閉じ込めを行うよ
うにした状態を示す図面である。図１７は側面断面図、
図１８は図１７のＣ−Ｃにおける断面図である。プロセ
ス室３の周りを囲むように、多数の永久磁石あるいは電
磁石７０、７１が添設されている。磁石７０、７１は垂
直に長い形状を持ち、磁極がプロセス室３に向くように
配設され、磁石の磁極Ｎ、Ｓの向きは隣同士で交替する
ようになっていて、プロセス室３内に多極磁場が形成さ
れている。このようにして形成された多極磁場の影響で
プラズマ室３内に形成されるプロセスプラズマがより効
果的に閉じ込められて内壁３１との干渉が少なくなる。
したがって、プラズマ粒子の流入によるプラズマ室壁の
温度上昇が小さいため、壁からの不純物放出が少なくな
り、成膜への不純物の混入が減少して良質の製品が得ら
れる。

【００６７】上記各実施例では、説明の容易のため試料
面が上を向く配置としたが、試料面が下を向くように配
置してもまた横方向に向くようにしても発明の作用効果
に変化がないことは言うまでもない。また、プラズマを
閉じこめるために多極磁場発生装置をプロセス室３の周
囲もしくは内部に設けることもできる。また、成膜を均
一にするため、基板を回転させる機構を設けることも有
効である。

【００６８】

【発明の効果】以上詳細に説明した通り、本発明の電子
ビーム励起プラズマ発生装置は、イオン衝撃作用の影響
を緩和してより大きな面積の試料を作成することがで
き、また材料プラズマの密度を上げ均一性を向上させて
効率良く試料を作成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子ビーム励起プラズマ発生装置の第
１実施例の断面図である。

【図２】第１実施例における稼働中のプラズマ密度分布
と試料表面電位を説明するグラフである。

【図３】第１実施例における放電室の隔壁について別の
態様を表す拡大断面図である。

【図４】第１実施例における引き出し隘路について別の
態様を表す拡大断面図である。

【図５】第１実施例におけるプラズマプロセス室につい
て別の態様を表す拡大断面図である。

【図６】本発明の電子ビーム励起プラズマ発生装置の第
２実施例の断面図である。

【図７】本発明の電子ビーム励起プラズマ発生装置の第
３実施例の断面図である。

【図８】第３実施例における空芯コイルの別の様態を表
す拡大断面図である。

【図９】第３実施例における放電電極について別の様態
を表す拡大断面図である。

【図１０】第３実施例における放電電極についてさらに
別の様態を表す拡大断面図である。

【図１１】第３実施例における加速電極について別の様
態を表す断面図である。

【図１２】第３実施例における加速電極について加熱機
構を付属する様態を表す斜視図およびブロック図であ
る。

【図１３】第３実施例における加速電極について温度調
整機構を付属する様態を表すブロック図である。

【図１４】第３実施例における加速電極について温度調
整機構を付属する別の様態を表すブロック図である。

【図１５】第３実施例における加速電極について温度調
整機構を付属するさらに別の様態を表すブロック図であ
る。

【図１６】第３実施例における加速電極について熱の回
収利用を図る様態を表すブロック図である。

【図１７】第３実施例においてプラズマ室の外側に多極
電極を設置してプラズマの閉じ込めを行うようにした状
態を示す側面断面図である。

【図１８】図１７のＣ−Ｃにおける断面図である。

【図１９】従来の電子ビーム励起プラズマ発生装置の典
型例を示すブロック図である。

【図２０】図２１の装置における稼働中のプラズマ密度
分布と試料表面電位を説明するグラフである。

【図２１】本発明者らが先に開示した電子ビーム励起プ
ラズマ発生装置の例を示すブロック図である。

【図２２】図２１の装置における稼働中のプラズマ密度
分布と試料表面電位を説明するグラフである。

【符号の説明】

１ カソード室 １１ カソード １２ ガスノズル １３ 中間電極 １４ 連通孔 １５、１６、１７、１８ 空芯コイル ２ 放電室 ２１ 隔壁 ２２ 連通孔 ２３ 放電電極 ２４ プラズマ ２５ 導電体 ２６ 絶縁性コーティング ２７ 補助電極 ２８ 絶縁板 ２９ 連通孔 ３ プラズマプロセス室 ３１ 周壁 ３２ ガスノズル ３３ 排気口 ３４ 試料ホルダ ３５ 試料 ３６ 加速電極 ３７ 第２加速電極 ３８ ガスシャワーリング ３９ パイプ ４１ 加熱用電源 ４２ 放電用電源 ４３ 加速用電源 ４４ 高周波電源装置 ４５、４７ 抵抗器 ４６、４８ スイッチ ４９、５０ 可変抵抗 ５１ ヒータ加熱用電源 ５２ ヒータ ５３ シースヒータ ５５ ジャケット ５７ 温度制御器 ５８ 温度検出端 ５９ 流量制御装置 ６０ ファン ６１ 熱交換器 ７０、７１ 多極磁石

フロントページの続き (72)発明者 長谷川 猛 千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工 業株式会社 野田工場内 (72)発明者 伴 雅人 千葉県野田市二ツ塚118番地 川崎重工 業株式会社 野田工場内 (56)参考文献 特開 平９−106969（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−142020（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−338481（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H05H 1/24 C23C 14/32 C23F 4/00 H01L 21/205 H01L 21/302

Claims (19)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カソードと中間電極と放電電極と加速電
   極がこの順に配置され、中間電極と放電電極の間に形成
   される放電部から引き出し隘路を介してプロセス室内に
   電子を引き出し、加速電極により加速してプロセス室内
   のガスをプラズマ化して試料面に作用させる電子ビーム
   励起プラズマ装置において、前記引き出し隘路が放射状
   に複数個備えられ、該引き出し隘路からの電子引き出し
   方向が前記放電部への電子入射方向に対してほぼ垂直に
   なることを特徴とする電子ビーム励起プラズマ発生装
   置。
2. 【請求項２】 前記引き出し隘路部分が放電電極を兼ね
   ることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム励起プ
   ラズマ発生装置。
3. 【請求項３】 前記引き出し隘路部分のプロセス室側の
   面が絶縁材料で被覆されていることを特徴とする請求項
   ２記載の電子ビーム励起プラズマ発生装置。
4. 【請求項４】 前記引き出し隘路の内面が絶縁材料で形
   成されていることを特徴とする請求項２または３記載の
   電子ビーム励起プラズマ発生装置。
5. 【請求項５】 カソードと中間電極と放電電極と引き出
   し隘路と加速電極がこの順に配置され、放電電極と引き
   出し隘路の間に形成される放電部から引き出し隘路を介
   してプロセス室内に電子を引き出し、加速電極により加
   速してプロセス室内のガスをプラズマ化して試料面に作
   用させる電子ビーム励起プラズマ装置において、前記引
   き出し隘路が放射状に複数個備えられ、該引き出し隘路
   からの電子引き出し方向が前記放電部への電子入射方向
   に対してほぼ垂直になることを特徴とする電子ビーム励
   起プラズマ発生装置。
6. 【請求項６】 前記放電電極の中間電極側が絶縁物で覆
   われていることを特徴とする請求項５記載の電子ビーム
   励起プラズマ発生装置。
7. 【請求項７】 前記放電電極の引き出し隘路側が絶縁物
   で覆われていることを特徴とする請求項５記載の電子ビ
   ーム励起プラズマ発生装置。
8. 【請求項８】 前記中間電極と放電電極を同軸に囲む空
   芯コイルを設置することを特徴とする請求項１から７の
   いずれかに記載の電子ビーム励起プラズマ発生装置。
9. 【請求項９】 前記試料面が前記引き出し隘路からの電
   子引き出し方向に対してほぼ平行に設置されることを特
   徴とする請求項１から８のいずれかに記載の電子ビーム
   励起プラズマ発生装置。
10. 【請求項１０】 前記放電部が前記プロセス室に突出し
    た筒形状を有し、外周面に前記複数の引き出し隘路が設
    けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれ
    かに記載の電子ビーム励起プラズマ発生装置。
11. 【請求項１１】 前記放電部が前記プロセス室の外周に
    形成された２重壁で構成され、内壁面に前記複数の引き
    出し隘路が設けられていることを特徴とする請求項１か
    ら９のいずれかに記載の電子ビーム励起プラズマ発生装
    置。
12. 【請求項１２】 前記プロセス室の壁面を加速電極とし
    たことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載
    の電子ビーム励起プラズマ装置。
13. 【請求項１３】 前記加速電極の一部または全部が前記
    引き出し隘路を挟んで前記試料面と対向する位置に設け
    られたことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに
    記載の電子ビーム励起プラズマ発生装置。
14. 【請求項１４】 前記加速電極の一部または全部が前記
    引き出し隘路から等間隔となる位置に設けられているこ
    とを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の電
    子ビーム励起プラズマ発生装置。
15. 【請求項１５】 前記加速電極に加熱機構が備えられて
    いることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記
    載の電子ビーム励起プラズマ発生装置。
16. 【請求項１６】 前記引き出し隘路が前記各電極と電気
    的に絶縁されていることを特徴とする請求項１および５
    から１５のいずれかに記載の電子ビーム励起プラズマ発
    生装置。
17. 【請求項１７】 前記放電部の引き出し隘路部分が絶縁
    材料で形成されていることを特徴とする請求項１および
    ５から１６のいずれかに記載の電子ビーム励起プラズマ
    発生装置。
18. 【請求項１８】 前記絶縁材料がアルミナ、窒化アルミ
    または石英のいずれかを含むものであることを特徴とす
    る請求項１７記載の電子ビーム励起プラズマ発生装置。
19. 【請求項１９】 前記プロセス室の外側に多極磁極が設
    置されていることを特徴とする請求項１から１８のいず
    れかに記載の電子ビーム励起プラズマ発生装置。