JP3260103B2

JP3260103B2 - 電子ビーム励起プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP3260103B2
Application number: JP17285597A
Authority: JP
Inventors: 真龍治; 幸隆森; 正國東海
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 2002-02-25
Anticipated expiration: 2017-06-13
Also published as: JPH117900A

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
ラズマ発生装置の電子ビーム発生部の構造に関し、特に
放電室からの電子引き出し隘路の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】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
装置等に用いるプラズマガンとして各種の電子ビーム励
起プラズマ発生装置が開発されている。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
と放電陽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、中間電極と放電陽極の間の放電室
に充満する。放電陽極と加速電極の間に加速電圧を印加
すると、放電陽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】従来は、カソードと中間電極と放電陽極と
加速電極は同軸上に一直線に配設され、導電性物質で形
成した電子引き出し口を放電陽極として用い、電子ビー
ムが各電極の中心位置に形成された連通孔を通り直線的
にプラズマプロセス室に貫入して内部のガスと反応する
ようにされていた。このような直線配置は、形成された
プラズマから電子ビームを引き出してこれを加速する過
程を考えるとごく自然である。しかし、プラズマを生成
するための放電陽極に直接孔を開けてそこから電子ビー
ムを取り出すため、プラズマ中のイオンが高速で放電陽
極の表面に衝突する。

【０００５】また、電子ビーム励起プラズマ発生装置に
おいて電子ビームで生成されるプロセス用プラズマ内は
ほぼ等電位であり、この等電位範囲はプロセス室から加
速電極、さらに引き出し隘路を通って僅かに放電室内部
に侵入した外殻形状を有し、その電位は加速電極の電位
とほぼ等しい。従来のプラズマ装置では引き出し隘路部
分の電位が放電陽極と同じ値になっており、引き出し隘
路内のプラズマの外殻と引き出し隘路の間の極めて短い
距離で大きな電位差を発生するため、例えば１００Ｖの
加速電圧を与えた場合には引き出し隘路内プラズマ中の
イオンが約１００ｅＶの大きなエネルギで引き出し隘路
部分に衝突していた。このような衝突により陽極の損耗
が生ずるばかりでなく、膜生成プロセスに使用する場合
などには衝突で囓り取られた陽極物質が不純物となって
生成膜に混入するため、良質な膜を生成することが難し
かった。また、絶縁を必要とする箇所に堆積し、絶縁不
良を引き起こし、放電が不安定になる問題があった。

【０００６】なお、特開平４−５８４４５号公報には、
放電陽極に対応する加速陰極の貫通孔の加速電極に対応
する加速陽極に対向する側の周囲に絶縁体で被覆した例
が開示されているが、貫通孔の壁は金属電極が露出した
状態であり、しかもカソードから放電陽極、さらに加速
電極まで同軸上に並んでいる。したがって、カソードか
らの電子が貫通孔付近に直接衝突、流入して電極を痛め
る上に、プラズマ体中のイオンが貫通孔の電極面を直接
アタックして損耗させ、囓り取られた電極物質が形成す
る薄膜の不純物になることは変わらない。

【０００７】

【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、中間電極と放電陽極の間に形成さ
れる放電部から電子を引き出す開口部における損耗を防
止し、開口部を構成する物質が反応室に混入してプラズ
マプロセスに悪影響を及ぼすことを防止するようにした
電子ビーム励起プラズマ発生装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、カソードと中間電極と放電陽極と加速電極の順に配
置された本発明の電子ビーム励起プラズマ発生装置は、
中間電極と放電陽極の間に形成される放電部から電子ビ
ームを引き出す引き出し隘路であってプロセス室内のプ
ラズマの外殻が近接して対向する引き出し隘路が各電極
と電気的に絶縁されていることを特徴とする。本発明の
プラズマ発生装置では、引き出し隘路が放電陽極と絶縁
されているため、引き出し隘路を通って放電部まで頭を
出すようにして形成されるプラズマの等電位外殻と引き
出し隘路表面との電位差が緩和されて、プラズマ中のイ
オンが引き出し隘路に高速で衝突することがなくなり、
囓り取られた隘路部材がプロセス室中に混入して生ずる
コンタミネーションを抑制することができる。

【０００９】なお、引き出し隘路は他の電極と絶縁され
た金属板であってもよいが、絶縁材で形成することもで
きる。また、引き出し隘路に用いる絶縁材をアルミナで
形成することが好ましい。さらに窒化アルミもしくは石
英で形成することがより好ましい。絶縁体で引き出し隘
路を形成した場合は、放電陽極との絶縁が容易であるか
ら放電室の構造が簡単になり、特にアルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）で形成した場合は耐熱性、脱ガス特性に優れ、ま
た窒化アルミ（ＡｌＮ）で形成した場合はさらに熱伝導
性、耐熱衝撃性がより良好になり、また石英（Ｓｉ
Ｏ₂）で形成した場合はイオンによるスパッタリング率
が小さいため寿命が長く保全が容易な電子ビーム励起プ
ラズマ発生装置とすることができる。

【００１０】上記課題を解決するため、カソードと中間
電極と放電陽極と加速電極の順に配置された本発明の電
子ビーム励起プラズマ発生装置は、中間電極と放電陽極
の間に形成される放電部からの電子引き出し隘路が中間
電極と放電陽極を結ぶ方向に対して例えば９０度など角
度を持った方向に設けられていることを特徴とする。引
き出し隘路が放電による電子の軌跡とずれた位置に配置
されていれば、引き出し隘路部分に電子が直接流入しな
いので、隘路を形成する材料がプロセス用プラズマ近く
に遊離して存在する事態が発生しない。従って、プラズ
マプロセス室内に混入する不純物が減少する効果があ
る。

【００１１】なお、引き出し隘路を放電陽極等と電気的
に絶縁させることが好ましい。放電陽極等と絶縁させる
ことにより、プラズマ中のイオンが引き出し隘路に衝突
しにくくなり、プラズマ中に混入する隘路形成材料がさ
らに抑制されて、良好なプラズマプロセスを行わせるこ
とができる。通常は、放電室における真空度が０．０５
Torrから０．５Torr、加速室で０．１ｍTorrから１ｍTo
rr程度で運転されるが、この範囲では引き出し隘路の内
径は４ｍｍ以上８ｍｍ以下、また長さは１ｍｍ以上２０
ｍｍ以下とすることが好ましい。

【００１２】引き出し隘路の開口面積が大きすぎると、
電子ビームを取り出すための放電室内のプラズマの密度
が不足して電子引き出し効率が低下する。一方開口面積
が小さすぎると、放電室とプラズマプロセス室の圧力差
が大きくなって引き出し隘路部分で発生するプラズマの
ため放電室内のプラズマとプラズマプロセス室内のプラ
ズマとがつながって電子の加速が困難になったり、放電
室のガス圧力が高すぎて加速後の電子ビームエネルギー
がプロセス室内に入る前に引き出し隘路でロスしてしま
いプラズマ反応室のプラズマ密度が低くなり、同じ害が
生ずる。また、熱集中が生じるため、隘路に絶縁材を使
用した場合はその絶縁スリーブの内面が剥離を起こした
り、隘路に金属を使用した場合は赤熱してベーパライズ
を引き起こし損耗したり反応室内でのコンタミネーショ
ンを引き起こし、プロセスへ悪影響を及ぼす。なお、引
き出し隘路が長すぎると電子の引き出しおよび加速が困
難になり、短かすぎると隘路部分の厚さが不足して強度
的に圧力差に耐えられなくなる。上記の寸法範囲内であ
れば、このような事態が発生しない。

【００１３】また、本発明の電子ビーム励起プラズマ発
生装置は、放電部に磁場印加機構を設けて、放電陽極と
平行に磁力線を形成させることができる。放電部に注入
される電子が吸収される放電陽極面に平行な磁力線内で
電子が螺旋運動を起こすので、放電部中の滞留時間が増
加してアルゴン等の不活性ガス分子との衝突確率が増大
して効率が向上する効果がある。

【００１４】

【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を、図面を用い実施例に基づいて詳
細に説明する。

【００１５】

【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実施例の原理を説明するブロック図であ
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１と中間電極２と放電陽極３と加速電極４と試料
台５がこの順に配置されている。電子ビーム励起プラズ
マ発生装置は、中間電極２により仕切られるカソード室
６、中間電極２と放電陽極３の間の放電室７、放電陽極
３と加速電極４の間の加速室８、加速電極４で仕切られ
るプラズマ処理室９に分けられる。中間電極２と加速電
極４は、それぞれ中心に貫通孔が設けられている。ま
た、放電陽極３の中心部には中心に貫通孔が設けられた
アルミナあるいは窒化アルミあるいは石英等のセラミッ
クでできた絶縁体円盤１０がはめ込まれている。

【００１６】カソード室６にはガスノズル１１が設けら
れアルゴンガスＡｒ等の不活性ガスが供給され、加速室
８には真空装置に接続された排気口１２が設けられてい
る。カソード１にはフィラメントが内蔵され加熱用電源
１３が接続されている。カソード１は６硼化ランタンＬ
ａＢ₆やタングステンＷなど適当な材料からなるディス
クを備え、放電用の直流電源１４の陰極に接続されてい
る。また、中間電極２は抵抗器１５を介し、放電陽極３
は直接的に、放電用電源１４の陽極に接続されている。
また、放電陽極３と加速電極４の間には加速電位を与え
るための加速電源１６が接続されている。

【００１７】カソード室６にはプラズマ種となるアルゴ
ンガスが１Torr弱の圧力になるように供給される。カソ
ード１に加熱用電源１３からの電流が流れると周囲に熱
電子が放出され、放電陽極３に放電用電源１４の電圧が
かかると中間電極２の間に生じる初期放電を仲介として
カソード１と放電陽極３の間に放電が生じる。この放電
により不活性ガスがプラズマ化されてアルゴンプラズマ
１７が放電室７に充満する。放電室７における真空度は
０．０５Torrから０．５Torrの範囲の適当な値に保持す
る。

【００１８】なお、加速室８における真空度は０．１ｍ
Torrから１ｍTorr程度で運転されることから、放電室７
の真空度を所定の値に維持するためには、引き出し隘路
３の内径は４ｍｍ以上８ｍｍ以下、また長さは１ｍｍ以
上２０ｍｍ以下とすることが好ましい。本実施例の放電
陽極３は引き出し隘路を有する絶縁体円盤１０の周囲に
配設されるので、放電電流は引き出し隘路の部分を避け
て流れる。このため、大電流の電子が流入して電極表面
から何かが飛び出たとしても、後工程に混入する心配が
少ない。反応ガスはプラズマプロセス室９に設けられた
反応ガス供給口２９から供給され、その大部分は排気口
３０から排出される。プラズマプロセス室９内の圧力は
図示しない圧力調整機構により成膜中一定に保たれる。

【００１９】放電陽極３と加速電極４の間に加速用電源
１６の電圧を印加すると、放電室７内のプラズマ１７か
ら電子流が引き出されて、加速されて高速化し加速室８
を通ってプラズマプロセス室９に到達して室内のガス分
子を電離・解離しプラズマ状にして反応ガスプラズマ１
８を生成する。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５に搭載された試料１９と反応
して製品を形成する。なお、加速室８は排気口１２から
真空排気されて、放電室７の不活性ガスとプラズマプロ
セス室９内の反応ガスが混合しないようにしている。反
応ガスプラズマ１８内はほぼ等電位であり、この等電位
範囲はプロセス室９から加速電極４，さらに引き出し隘
路を通って僅かに放電室７の内部に進入した外殻形状を
有しており、その電位は加速電極４の電位とほぼ等し
い。

【００２０】引き出し隘路が放電陽極３と同じ電位であ
ると、約１ｍｍ厚さの非常に薄い境界膜を挟んで高電圧
差が生ずるのでプラズマ中の高いエネルギを持った陽イ
オンが高速で引き出し隘路に衝突して損傷を与えること
になるが、本実施例の構成では引き出し隘路が絶縁体に
なっているので、電圧勾配が急峻でなく高速の高エネル
ギイオンの衝突を有効に避けることができる。なお、引
き出し隘路が他の電極から電気的に絶縁されて浮動電位
におかれた導体である場合も同じような効果が得られ
る。

【００２１】引き出し隘路の表面がアルミナや窒化アル
ミあるいは石英でできていると、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。

【００２２】なお本実施例では、引き出し隘路部材１０
を放電陽極３にはめ込んだものとしたが、隘路より大き
な孔を有する放電陽極３を引き出し隘路部材１０の上流
側の面に同心に貼り合わせるようにしてもよい。このよ
うな構成でも引き出し隘路部分に電子が流入することが
なく、また発生するプラズマ中のイオンが高速で衝突す
ることもない。なお、中間電極２の貫通口、引き出し隘
路、加速電極４における電子の通過を容易にするために
空芯コイルまたは永久磁石等からなる磁場印加機構を設
けることも可能である。

【００２３】

【実施例２】図２は、本発明の電子ビーム励起プラズ
マ発生装置の第２実施例の原理を説明するブロック図で
ある。本実施例の電子ビーム励起プラズマ発生装置は、
放電室７のすぐ後方にプロセス室９を配置しプロセス室
壁面３１を加速用電源１６に接続して加速電極としてい
ることが実施例１と異なる。この余の事項は実施例１の
対応要素と同じ作用効果を生じる。特に引き出し隘路１
０の役割は実施例１のものと異なることはない。このよ
うな配置により装置の設置スペースが小さくなり、かつ
プロセス室内のプラズマの分布が均等化して試料台５上
の試料１９との反応が均質化する効果がある。

【００２４】

【実施例３】図３は、本発明の電子ビーム励起プラズマ
発生装置の第３実施例の原理を説明するブロック図であ
る。本実施例の電子ビーム励起プラズマ発生装置は、放
電室の側壁を放電陽極とすることにより、放電による電
子の軌跡とずれた位置に引き出し隘路を配置した点が第
１実施例と異なる。そこで、図３に図１のものと異なる
部分だけ表して説明する。

【００２５】図３を参照すると、絶縁体で形成される引
き出し隘路２０がカソード１と中間電極２を結ぶ直線の
延長上に配置されている。一方、放電室７の側壁が中間
電極２と絶縁された金属で形成され、放電電源に接続さ
れて放電陽極２１となる。なお本実施例では、放電陽極
２１の外側に電磁コイル２２を設けて放電陽極２１に平
行な磁力線を形成させるようにした。

【００２６】本実施例の電子ビーム励起プラズマ発生装
置によれば、放電電流がカソード１と放電室７の側壁で
ある放電陽極２１の間に流れて、引き出し隘路部分に電
子が直接流入しない。なお、放電陽極２１の表面に平行
な磁力線が存在するため放電陽極２１に向かって来る電
子が磁力線にまとわりつき螺旋運動を起こすので、放電
部７中の電子の滞留時間が増加し不活性ガス分子との衝
突確率が増大して、プラズマ化の効率が向上する効果が
ある。

【００２７】このようにして形成された電子ビーム取り
出し用プラズマ２３は放電室７に充満し、図外の加速電
極の働きにより引き出し隘路２０から電子ビームが取り
出されて加速されプロセス室に供給される反応ガスをプ
ラズマ化して反応ガスプラズマ２４を形成する。反応ガ
スプラズマ２４の外殻は引き出し隘路２０に近接する
が、引き出し隘路２０の電位は反応ガスプラズマ２４の
電位に引きずられて大きな電位差が生じないので、反応
ガスプラズマ２４中のイオンが引き出し隘路２０の表面
に激突して囓り取った隘路形成物質がプラズマ中に不純
物として含まれることを抑制することができる。

【００２８】

【実施例４】図４は、本発明の電子ビーム励起プラズマ
発生装置の第４実施例の原理を説明するブロック図であ
る。本実施例の電子ビーム励起プラズマ発生装置は、放
電室の側壁に引き出し隘路を設けることにより、放電電
子の軌跡とずれた位置に引き出し隘路を配置した点が第
１実施例と異なる。そこで、図４には図１のものと異な
る部分だけ表して説明する。

【００２９】図４を参照すると、大きな面積を有する放
電陽極２５がカソード１と中間電極２を結ぶ直線の延長
上に配置されている。中間電極２と放電陽極２５に挟ま
れて放電室７が形成されるが、放電陽極２５には貫通孔
がない。一方、絶縁体で形成される引き出し隘路２６が
カソード１から中間電極２の貫通孔を通って放電陽極２
５に達する直線に対して垂直の方向に配置されている。
引き出し隘路２６より下流の構成は第１実施例と同じで
ある。

【００３０】本実施例の電子ビーム励起プラズマ発生装
置によれば、放電電流がカソード１と対向する放電陽極
２５の間に流れて、引き出し隘路２６に電子が直接流入
しない。電子ビームにより形成された電子ビーム取り出
し用プラズマ２７は放電室７に充満し、加速電極４の働
きにより電子ビーム取り出し用プラズマ２７から電子ビ
ームが引き出し隘路２６を通って加速室８に取り出され
て加速され、プロセス室で反応ガスをプラズマ化して反
応ガスプラズマ２８を形成する。本実施例の装置におい
ても、放電陽極２５の損耗が防止でき、また反応ガスプ
ラズマ２８中のイオンが引き出し隘路２６の表面を囓り
取っってプラズマ中に不純物として含まれることを抑制
することができる。

【００３１】

【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、放電陽極の損耗が少な
く、開口部を構成する物質が反応室に混入してプラズマ
プロセスに悪影響を及ぼすことを防止して、質のよいプ
ラズマプロセスを行うことができる。

【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実施例のブロック図である。

【図２】本発明の第２実施例を表すブロック図である。

【図３】本発明の第３実施例の要部を表すブロック図で
ある。

【図４】本発明の第４実施例の要部を表すブロック図で
ある。

【符号の説明】

１カソード２中間電極３、２１、２５放電陽極４、３１加速電極５試料台６カソード室７放電室８加速室９プラズマプロセス室１０引き出し隘路を備える絶縁体円盤１１ガス供給口１２排気口１３加熱用電源１４放電用電源１５抵抗器１６加速用電源１７、２３、２７電流引き出し用プラズマ１８、２４、２８反応ガスプラズマ１９試料２０、２６引き出し隘路２２電磁コイル２９反応ガス供給口３０排気口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−168541（ＪＰ，Ａ) 特開平２−216814（ＪＰ，Ａ) 特開平６−302291（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−221540（ＪＰ，Ａ) 特開平３−210743（ＪＰ，Ａ) 特開平３−219540（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 27/00 - 27/26 H01J 37/08 H05H 1/46

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】カソードと中間電極と放電陽極と加速電
極の順に配置され、中間電極と放電陽極の間に放電部を
形成し、該放電部と仕切りをなす壁の下流に加速電極を
備えた加速部を形成し、前記仕切りをなす壁に前記放電
部と前記加速部を連通させる引き出し隘路を設けて、該
引き出し隘路を介して前記放電部から前記加速部に電子
を引き出し、放電陽極と加速電極の間に印加した加速電
圧によって電子を加速してプロセス室に電子流を流入さ
せプロセス室中のガスをプラズマ化する電子ビーム励起
プラズマ装置であって、前記プロセス室内のプラズマの
外殻が近接して対向する前記引き出し隘路の表面全体が
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
電子ビーム励起プラズマ発生装置。
【請求項２】前記引き出し隘路が絶縁材で形成されて
いることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム励起プ
ラズマ発生装置。
【請求項３】前記絶縁材の材質がアルミナ、窒化アル
ミまたは石英のいずれかであ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。
【請求項４】前記引き出し隘路が中間電極と放電陽極
を結ぶ方向と角度を持った方向に設けられていることを
特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電子ビー
ム励起プラズマ発生装置。
【請求項５】前記引き出し隘路が４ｍｍ以上８ｍｍ以
下の径を有することを特徴とする請求項１から４のいず
れかに記載の電子ビーム励起プラズマ発生装置。
【請求項６】前記引き出し隘路が１ｍｍ以上２０ｍｍ
以下の長さを有することを特徴とする請求項１から５の
いずれかに記載の電子ビーム励起プラズマ発生装置。
【請求項７】前記放電部に磁場印加機構が設けられ、
前記放電陽極と平行に磁力線が形成されるようにしたこ
とを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電子
ビーム励起プラズマ発生装置。