JP3296368B2 - プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents
プラズマｃｖｄ装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、プラズマＣＶＤ法によ
り被処理物である基板上に反応膜を生成するための装置
に関するものであり、特に基板を例えば２００℃以下の
低温に保ちつつ反応膜を形成するプラズマＣＶＤ装置に
関するものである。
り被処理物である基板上に反応膜を生成するための装置
に関するものであり、特に基板を例えば２００℃以下の
低温に保ちつつ反応膜を形成するプラズマＣＶＤ装置に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図２は従来のプラズマＣＶＤ装置の主要
部の構造を示す図である。同図で、３１はプラズマ源、
３２は該プラズマ源に結合された真空槽である。プラズ
マ源３１には熱陰極フィラメント（以下では熱陰極と称
す）３３、陽極３４、およびガスノズル３５が設けられ
ている。熱陰極３３はＴａ、Ｍｏ、Ｗ等の高融点材料で
作られ、例えば２０Ｖ、５０Ａ程度の電力容量をもった
熱陰極加熱電源３６により赤熱される。陽極３４には陽
極電源３７により、熱陰極３３の電位を基準として０Ｖ
〜＋１００Ｖ、通常＋５０Ｖの電圧が印加される。ま
た、熱陰極３３にはバイアス電源３８によりアース電位
を基準として０Ｖ〜−１００Ｖ、通常は−４５Ｖ程度の
バイアス電圧が印加されている。
部の構造を示す図である。同図で、３１はプラズマ源、
３２は該プラズマ源に結合された真空槽である。プラズ
マ源３１には熱陰極フィラメント（以下では熱陰極と称
す）３３、陽極３４、およびガスノズル３５が設けられ
ている。熱陰極３３はＴａ、Ｍｏ、Ｗ等の高融点材料で
作られ、例えば２０Ｖ、５０Ａ程度の電力容量をもった
熱陰極加熱電源３６により赤熱される。陽極３４には陽
極電源３７により、熱陰極３３の電位を基準として０Ｖ
〜＋１００Ｖ、通常＋５０Ｖの電圧が印加される。ま
た、熱陰極３３にはバイアス電源３８によりアース電位
を基準として０Ｖ〜−１００Ｖ、通常は−４５Ｖ程度の
バイアス電圧が印加されている。
【０００３】真空槽３２は排気管３９を通して真空ポン
プ（図示せず）に結合されている。また、真空槽３２は
接地されている。真空槽３２内には、プラズマ源３１と
対向して放電領域内に基板支持台４０が設けられてお
り、該基板支持台上に被処理物である基板４１が配置さ
れている。基板４１は、基板電源４２により基板支持台
４０を介して０〜−１０００Ｖ、通常は−１００Ｖ程度
にバイアスされている。４３は加熱ヒータで、基板４１
を所定の温度に加熱する。
プ（図示せず）に結合されている。また、真空槽３２は
接地されている。真空槽３２内には、プラズマ源３１と
対向して放電領域内に基板支持台４０が設けられてお
り、該基板支持台上に被処理物である基板４１が配置さ
れている。基板４１は、基板電源４２により基板支持台
４０を介して０〜−１０００Ｖ、通常は−１００Ｖ程度
にバイアスされている。４３は加熱ヒータで、基板４１
を所定の温度に加熱する。
【０００４】図２の従来のプラズマＣＶＤ装置におい
て、ガスノズル３５からＡｒ、Ｎ2 、Ｈ2 、Ｈe 等の放
電用ガスと所定の材料ガス、例えばシランガス（ＳｉＨ
4 ）を導入する。また、真空ポンプを動作させて真空槽
内の圧力を１０-3〜１０-5Ｔｏｒｒ台、例えば７×１０
-4Ｔｏｒｒに維持する。さらに、プラズマ源３１の周囲
に配置された磁場発生コイル４４に通電してプラズマ源
内部に磁束密度が５０〜３００ガウスの磁界を発生させ
る。
て、ガスノズル３５からＡｒ、Ｎ2 、Ｈ2 、Ｈe 等の放
電用ガスと所定の材料ガス、例えばシランガス（ＳｉＨ
4 ）を導入する。また、真空ポンプを動作させて真空槽
内の圧力を１０-3〜１０-5Ｔｏｒｒ台、例えば７×１０
-4Ｔｏｒｒに維持する。さらに、プラズマ源３１の周囲
に配置された磁場発生コイル４４に通電してプラズマ源
内部に磁束密度が５０〜３００ガウスの磁界を発生させ
る。
【０００５】プラズマ源３１で生成されたプラズマは、
コイル４４によって発生された磁界によって真空槽３２
に向けてφ方向に流出する。ガスノズル３５から導入さ
れた材料ガスはプラズマにより分解、解離されて、基板
４１上に反応膜が堆積される。
コイル４４によって発生された磁界によって真空槽３２
に向けてφ方向に流出する。ガスノズル３５から導入さ
れた材料ガスはプラズマにより分解、解離されて、基板
４１上に反応膜が堆積される。
【０００６】上記のような従来のプラズマＣＶＤ装置で
は、基板４１をプラズマ源３１と対向して放電領域内に
配置して反応膜を堆積しているため、基板４１は常に直
接プラズマにさらされている。このため、プラズマ内に
存在する高エネルギー電子の衝撃により、基板４１の温
度上昇は避けられず、基板４１として例えばアルミ板を
使用した場合、数分で溶融温度（約６６０℃）以上にな
る。このような理由から、図２に示すような従来のプラ
ズマＣＶＤ装置では高温に耐えられる基板に対してしか
反応膜を形成することができなかった。
は、基板４１をプラズマ源３１と対向して放電領域内に
配置して反応膜を堆積しているため、基板４１は常に直
接プラズマにさらされている。このため、プラズマ内に
存在する高エネルギー電子の衝撃により、基板４１の温
度上昇は避けられず、基板４１として例えばアルミ板を
使用した場合、数分で溶融温度（約６６０℃）以上にな
る。このような理由から、図２に示すような従来のプラ
ズマＣＶＤ装置では高温に耐えられる基板に対してしか
反応膜を形成することができなかった。
【０００７】成膜中、基板温度が上昇する主たる原因が
プラズマ内に存在する高エネルギー電子の衝撃によるも
のであることを見極めるために、ファラデーカップ（荷
電粒子を捕集する検知器）を基板４１の近くに設置し、
基板に入射するプラズマ電子のエネルギーを測定した。
測定は次の条件で実施した。
プラズマ内に存在する高エネルギー電子の衝撃によるも
のであることを見極めるために、ファラデーカップ（荷
電粒子を捕集する検知器）を基板４１の近くに設置し、
基板に入射するプラズマ電子のエネルギーを測定した。
測定は次の条件で実施した。
【０００８】ファラデーカップの荷電粒子が通過する穴
の直径Ｄ＝５．０ｍｍ（従って、穴の面積Ｓ≒０．２ｃ
ｍ2 ）、真空槽３２中のＮ2 のガス圧ＰN2＝７×１０-4
Ｔｏｒｒ、陽極電圧ＶA ＝５５Ｖ、放電電流Ｉd ＝５０
Ａ、コイル４４の電流Ｉ44＝１．４Ａ、バイアス電圧−
５０Ｖ。測定の結果、図２の従来のプラズマＣＶＤ装置
では、図３の曲線Ａに示すように、基板４１には最大４
８ｅＶもの高エネルギーの電子が入射していることが判
った。因みに後程詳細に説明する本発明の装置では、曲
線Ｂに示すように、基板に入射する電子のエネルギーは
２ｅＶである。この測定結果から、成膜中に基板の温度
を上昇させる主な要因はプラズマ中の高エネルギー電子
の衝撃によるものであることが判明した。
の直径Ｄ＝５．０ｍｍ（従って、穴の面積Ｓ≒０．２ｃ
ｍ2 ）、真空槽３２中のＮ2 のガス圧ＰN2＝７×１０-4
Ｔｏｒｒ、陽極電圧ＶA ＝５５Ｖ、放電電流Ｉd ＝５０
Ａ、コイル４４の電流Ｉ44＝１．４Ａ、バイアス電圧−
５０Ｖ。測定の結果、図２の従来のプラズマＣＶＤ装置
では、図３の曲線Ａに示すように、基板４１には最大４
８ｅＶもの高エネルギーの電子が入射していることが判
った。因みに後程詳細に説明する本発明の装置では、曲
線Ｂに示すように、基板に入射する電子のエネルギーは
２ｅＶである。この測定結果から、成膜中に基板の温度
を上昇させる主な要因はプラズマ中の高エネルギー電子
の衝撃によるものであることが判明した。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のプ
ラズマＣＶＤ装置では、プラズマ中の高エネルギー電子
の衝撃による基板温度の上昇がはなはだしく、成膜すべ
き基板材料が著しく制限されるという点である。
ラズマＣＶＤ装置では、プラズマ中の高エネルギー電子
の衝撃による基板温度の上昇がはなはだしく、成膜すべ
き基板材料が著しく制限されるという点である。
【００１０】本発明は、収束用磁場発生コイルによりプ
ラズマを収束してビーム状に閉じ込め、成膜される基板
をビーム状プラズマの径方向の外周部で放電領域外に配
置することにより、上記基板がプラズマ中に存在する高
エネルギー電子で衝撃されるのを抑え、基板の温度が上
昇するのを防止して、従来は、成膜が殆ど不可能であっ
た２００℃前後でなまるＳＫ材や樹脂のような耐熱性の
低い材質の基板に対しても成膜できるプラズマＣＶＤ装
置を得ることを目的とする。
ラズマを収束してビーム状に閉じ込め、成膜される基板
をビーム状プラズマの径方向の外周部で放電領域外に配
置することにより、上記基板がプラズマ中に存在する高
エネルギー電子で衝撃されるのを抑え、基板の温度が上
昇するのを防止して、従来は、成膜が殆ど不可能であっ
た２００℃前後でなまるＳＫ材や樹脂のような耐熱性の
低い材質の基板に対しても成膜できるプラズマＣＶＤ装
置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によるプラズマＣ
ＶＤ装置は、減圧され且つ接地された真空槽と、該真空
槽に結合され、熱電子を放出する熱陰極と、該熱陰極の
電極を基準として正電圧が印加される陽極とを含むプラ
ズマ源と、上記真空槽内の端部に上記プラズマ源と対向
して配置され、前記熱陰極の電位若しくはフローティン
グ電位（絶縁電位）のいずれかに維持されたプラズマ反
射電極と、少なくとも上記プラズマ源の周囲に配置され
て該プラズマ源内にアーク放電を助長する磁場を発生す
る第１のコイルおよび上記プラズマ反射電極の周囲近く
に配置されて上記プラズマ源と反射電極との間でプラズ
マをビーム状に閉じ込める磁場を発生する第２のコイル
とを具備している。基板は上記ビーム状プラズマの径方
向の外周部で且つ放電領域外に配置される。
ＶＤ装置は、減圧され且つ接地された真空槽と、該真空
槽に結合され、熱電子を放出する熱陰極と、該熱陰極の
電極を基準として正電圧が印加される陽極とを含むプラ
ズマ源と、上記真空槽内の端部に上記プラズマ源と対向
して配置され、前記熱陰極の電位若しくはフローティン
グ電位（絶縁電位）のいずれかに維持されたプラズマ反
射電極と、少なくとも上記プラズマ源の周囲に配置され
て該プラズマ源内にアーク放電を助長する磁場を発生す
る第１のコイルおよび上記プラズマ反射電極の周囲近く
に配置されて上記プラズマ源と反射電極との間でプラズ
マをビーム状に閉じ込める磁場を発生する第２のコイル
とを具備している。基板は上記ビーム状プラズマの径方
向の外周部で且つ放電領域外に配置される。
【００１２】
【作用】本発明のプラズマＣＶＤ装置では、第２のコイ
ルが発生する磁場の作用により、プラズマはプラズマ源
と反射電極との間でビーム状に閉じ込められ、基板はビ
ーム状プラズマの径方向の外周部で且つ放電領域外に配
置されるから、該基板がプラズマ中の高エネルギーの電
子で衝撃されるのが抑えられ、成膜中に基板の温度が上
昇するのが防止される。更に、反射電極が熱陰極の電位
若しくはフローティング電位のいずれかに維持されてい
るので、プラズマ源からの熱電子が、プラズマ源と反射
電極との間で往復し、電界振動するので、大きなプラズ
マ密度が得られ、皮膜の堆積速度を向上させることがで
きる。
ルが発生する磁場の作用により、プラズマはプラズマ源
と反射電極との間でビーム状に閉じ込められ、基板はビ
ーム状プラズマの径方向の外周部で且つ放電領域外に配
置されるから、該基板がプラズマ中の高エネルギーの電
子で衝撃されるのが抑えられ、成膜中に基板の温度が上
昇するのが防止される。更に、反射電極が熱陰極の電位
若しくはフローティング電位のいずれかに維持されてい
るので、プラズマ源からの熱電子が、プラズマ源と反射
電極との間で往復し、電界振動するので、大きなプラズ
マ密度が得られ、皮膜の堆積速度を向上させることがで
きる。
【００１３】
【実施例】以下、図を参照しつつ本発明のプラズマＣＶ
Ｄ装置を説明する。図１は本発明のプラズマＣＶＤ装置
の一実施例の主要部の構造を示す図で、１はプラズマ
源、２は真空槽で、両者は絶縁物１５を介して電気的に
絶縁された状態で結合されている。プラズマ源１には熱
陰極３、陽極４、減速電極１６、およびＡｒ、Ｎ2 、Ｈ
2 、Ｈe 等の放電用ガスをプラズマ源１に導入するため
のガスノズル５が設けられている。
Ｄ装置を説明する。図１は本発明のプラズマＣＶＤ装置
の一実施例の主要部の構造を示す図で、１はプラズマ
源、２は真空槽で、両者は絶縁物１５を介して電気的に
絶縁された状態で結合されている。プラズマ源１には熱
陰極３、陽極４、減速電極１６、およびＡｒ、Ｎ2 、Ｈ
2 、Ｈe 等の放電用ガスをプラズマ源１に導入するため
のガスノズル５が設けられている。
【００１４】熱陰極３はＴａ、Ｍｏ、Ｗ等の高融点材料
で作られ、熱陰極加熱電源６により赤熱される。熱陰極
加熱電源６としては、２０Ｖ、１００Ａ程度の電力容量
をもったものが使用される。熱陰極加熱電源６は直流電
源、交流電源のいずれでもよいが、図示の実施例では直
流電源が使用される。陽極４は熱陰極３と同様にＴａ、
Ｍｏ、Ｗ等の高融点材料で作られ、陽極電源７により、
熱陰極３の電位を基とし０〜＋１００Ｖ、好ましくは＋
５０Ｖの電圧が印加される。減速電極１６は同様にＴ
ａ、Ｍｏ、Ｗ等の高融点材料で作られ、接地されてい
る。また、減速電極１６は減速電源８により熱陰極３の
電位を基準として０〜＋１００Ｖ、好ましくは＋４５Ｖ
の正電圧にバイアスされる。ガスノズル５からは前述の
ようにプラズマ源１にＡｒ、Ｎ2 、Ｈ2 、Ｈe 等の放電
用ガスのみが供給される。
で作られ、熱陰極加熱電源６により赤熱される。熱陰極
加熱電源６としては、２０Ｖ、１００Ａ程度の電力容量
をもったものが使用される。熱陰極加熱電源６は直流電
源、交流電源のいずれでもよいが、図示の実施例では直
流電源が使用される。陽極４は熱陰極３と同様にＴａ、
Ｍｏ、Ｗ等の高融点材料で作られ、陽極電源７により、
熱陰極３の電位を基とし０〜＋１００Ｖ、好ましくは＋
５０Ｖの電圧が印加される。減速電極１６は同様にＴ
ａ、Ｍｏ、Ｗ等の高融点材料で作られ、接地されてい
る。また、減速電極１６は減速電源８により熱陰極３の
電位を基準として０〜＋１００Ｖ、好ましくは＋４５Ｖ
の正電圧にバイアスされる。ガスノズル５からは前述の
ようにプラズマ源１にＡｒ、Ｎ2 、Ｈ2 、Ｈe 等の放電
用ガスのみが供給される。
【００１５】真空槽２は排気管９を通して真空ポンプ
（図示せず）に結合されている。また真空槽２は通常接
地されている。真空槽２内にはプラズマ源１と対向して
反射電極１７が設置されており、該反射電極１７は熱陰
極３と同電位か、あるいは絶縁電位（フローティング電
位）に保たれている。１０は基板支持台、１１は該基板
支持台上に取付けられた被処理物である基板である。基
板支持台１０は、基板１１がプラズマ源１と反射電極１
７との間に形成されるビーム状プラズマの径方向の外周
部で、放電領域外に配置されるような位置に設置されて
いる。基板１１には基板電源１８により基板支持台１０
を介して０〜−１０００Ｖ、好ましくは−１００Ｖの負
電圧が印加される。基板１１を０〜負電圧にバイアスす
ると、基板に到着するイオンエネルギーが制御され、密
着性、緻密性の高い被膜が形成される。
（図示せず）に結合されている。また真空槽２は通常接
地されている。真空槽２内にはプラズマ源１と対向して
反射電極１７が設置されており、該反射電極１７は熱陰
極３と同電位か、あるいは絶縁電位（フローティング電
位）に保たれている。１０は基板支持台、１１は該基板
支持台上に取付けられた被処理物である基板である。基
板支持台１０は、基板１１がプラズマ源１と反射電極１
７との間に形成されるビーム状プラズマの径方向の外周
部で、放電領域外に配置されるような位置に設置されて
いる。基板１１には基板電源１８により基板支持台１０
を介して０〜−１０００Ｖ、好ましくは−１００Ｖの負
電圧が印加される。基板１１を０〜負電圧にバイアスす
ると、基板に到着するイオンエネルギーが制御され、密
着性、緻密性の高い被膜が形成される。
【００１６】基板１１に形成される被膜が導電性である
場合は、基板１１は図示の実施例のように直流電源によ
り負のバイアスが与えられるが、基板１１に絶縁性被膜
を形成する場合は、工業上の使用条件に適合した例えば
１３．５６ＭＨｚの高周波を印加するのが望ましい。基
板１１に高周波を印加すると、周知のようにプラズマの
作用により基板１１に負の自己バイアス電圧が生じるこ
とから、基板１１の電位はこの負の自己バイアス電圧を
中心として１３．５６ＭＨｚで振動し、チャージアップ
を防いで絶縁性被膜を形成することができる。
場合は、基板１１は図示の実施例のように直流電源によ
り負のバイアスが与えられるが、基板１１に絶縁性被膜
を形成する場合は、工業上の使用条件に適合した例えば
１３．５６ＭＨｚの高周波を印加するのが望ましい。基
板１１に高周波を印加すると、周知のようにプラズマの
作用により基板１１に負の自己バイアス電圧が生じるこ
とから、基板１１の電位はこの負の自己バイアス電圧を
中心として１３．５６ＭＨｚで振動し、チャージアップ
を防いで絶縁性被膜を形成することができる。
【００１７】１２は加熱用ヒータで、基板１１を所定の
温度に維持するために使用される。１３は材料ガスを導
入するガスノズルで、該ガスノズル１３は材料ガスの有
効消費効率を向上させるために基板１１の近傍に直接材
料ガスを供給するような位置に配置されている。
温度に維持するために使用される。１３は材料ガスを導
入するガスノズルで、該ガスノズル１３は材料ガスの有
効消費効率を向上させるために基板１１の近傍に直接材
料ガスを供給するような位置に配置されている。
【００１８】プラズマ源１の周囲には放電を助長する磁
場発生用の主コイル１４が配置されており、該主コイル
１４には５Ａ以下、通常２Ａ程度の電流が供給され、プ
ラズマ源１中にφ方向に磁束密度が５０〜３００ガウス
の磁界を発生する。この磁界の存在により熱陰極３から
放出された熱電子は上記磁界にまとわりつくように螺旋
運動を行い、これによって実効飛行距離が伸びて、動作
圧力の１０-3〜10-5Ｔｏｒｒの低圧（分子流領域）にお
いても安定した放電を維持することができる。
場発生用の主コイル１４が配置されており、該主コイル
１４には５Ａ以下、通常２Ａ程度の電流が供給され、プ
ラズマ源１中にφ方向に磁束密度が５０〜３００ガウス
の磁界を発生する。この磁界の存在により熱陰極３から
放出された熱電子は上記磁界にまとわりつくように螺旋
運動を行い、これによって実効飛行距離が伸びて、動作
圧力の１０-3〜10-5Ｔｏｒｒの低圧（分子流領域）にお
いても安定した放電を維持することができる。
【００１９】主コイル１４だけでは、プラズマ源１から
真空槽２に流出するプラズマは図４に示すように主コイ
ル１４の磁界分布に従ってプラズマ流２１で示すように
発散する。発散したプラズマは基板１１に直接ふりそそ
ぐため、図２に示す従来の装置と同様に基板１１は高エ
ネルギー電子の衝撃を受けて、基板温度が上昇する。本
発明の装置では、反射電極１７の周囲に収束用磁場を発
生する補助コイル２０が設けられている。補助コイル２
０には主コイルと同様に５Ａ以下、通常２Ａ以下の電流
が供給されて、例えば１００〜２００ガウスの磁束密度
の磁界を発生する。この磁界によりプラズマは図５の２
２で示すように収束されてプラズマ源１と反射電極１７
との間でビーム状に閉じ込められる。この場合、電子は
収束用磁場の影響を強く受けて収束されるが、電子の数
千倍も重いイオンは収束用磁場の影響を殆ど受けず、拡
散によって基板１１に向かう。
真空槽２に流出するプラズマは図４に示すように主コイ
ル１４の磁界分布に従ってプラズマ流２１で示すように
発散する。発散したプラズマは基板１１に直接ふりそそ
ぐため、図２に示す従来の装置と同様に基板１１は高エ
ネルギー電子の衝撃を受けて、基板温度が上昇する。本
発明の装置では、反射電極１７の周囲に収束用磁場を発
生する補助コイル２０が設けられている。補助コイル２
０には主コイルと同様に５Ａ以下、通常２Ａ以下の電流
が供給されて、例えば１００〜２００ガウスの磁束密度
の磁界を発生する。この磁界によりプラズマは図５の２
２で示すように収束されてプラズマ源１と反射電極１７
との間でビーム状に閉じ込められる。この場合、電子は
収束用磁場の影響を強く受けて収束されるが、電子の数
千倍も重いイオンは収束用磁場の影響を殆ど受けず、拡
散によって基板１１に向かう。
【００２０】上記の本発明のプラズマＣＶＤ装置におい
て、基板１１に窒化ケイ素膜を形成する例について説明
する。熱陰極３として直径が０．８ｍｍのタングステン
線を使用し、これに熱陰極加熱電源６により１６Ｖ、４
５Ａの電力を供給して、該熱陰極３を２０００℃以上に
赤熱させる。また、陽極電源７により陽極４に熱陰極３
の電位を基準として＋５０Ｖの電圧を印加し、減速電源
８により減速電極１６に熱陰極３の電位を基準として＋
４５Ｖの電圧を印加する。さらに、主コイル１４に１．
４Ａ、補助コイル２０に１．０Ａの電流を流して、それ
ぞれ約１５０ガウス、約１００ガウスの磁界を発生させ
る。基板１１として、ＳＫ−３を１０ｍｍ×１０ｍｍ×
４０ｍｍに切断した角材を使用した。
て、基板１１に窒化ケイ素膜を形成する例について説明
する。熱陰極３として直径が０．８ｍｍのタングステン
線を使用し、これに熱陰極加熱電源６により１６Ｖ、４
５Ａの電力を供給して、該熱陰極３を２０００℃以上に
赤熱させる。また、陽極電源７により陽極４に熱陰極３
の電位を基準として＋５０Ｖの電圧を印加し、減速電源
８により減速電極１６に熱陰極３の電位を基準として＋
４５Ｖの電圧を印加する。さらに、主コイル１４に１．
４Ａ、補助コイル２０に１．０Ａの電流を流して、それ
ぞれ約１５０ガウス、約１００ガウスの磁界を発生させ
る。基板１１として、ＳＫ−３を１０ｍｍ×１０ｍｍ×
４０ｍｍに切断した角材を使用した。
【００２１】放電用ガスノズル５から窒素ガスを５０ｓ
ｃｃ／分、材料ガスノズル１３からシランガス（ＳｉＨ
４）を４０ｓｃｃ／分の割合で供給する。このときの真
空槽２内の圧力は７×１０−４Ｔｏｒｒである。以上の
条件で、陽極４により０．５〜１ｍＡ程度の熱電子電流
のエミッションが得られ、このエミッションによりプラ
ズマ源１内に導入された窒素ガスを電離して、１〜１０
０Ａのアーク放電電流、好ましくは５０Ａ程度のビーム
状プラズマがプラズマ源１と反射電極１７との間の軸上
に形成される。約１時間の成膜作業により、基板１１上
に約３μｍの窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）膜が形成され
た。成膜作業中、基板１１の温度は１８０℃以下に維持
され、高温による母材硬度の低下といったような基板の
熱的損傷は全く見られなかった。供給されるガスの種類
を適宜変更することにより、Ｓｉ３Ｎ４被膜の他にＳｉ
Ｃ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＢＮ、カーボン等の被膜を形成す
ることができる。
ｃｃ／分、材料ガスノズル１３からシランガス（ＳｉＨ
４）を４０ｓｃｃ／分の割合で供給する。このときの真
空槽２内の圧力は７×１０−４Ｔｏｒｒである。以上の
条件で、陽極４により０．５〜１ｍＡ程度の熱電子電流
のエミッションが得られ、このエミッションによりプラ
ズマ源１内に導入された窒素ガスを電離して、１〜１０
０Ａのアーク放電電流、好ましくは５０Ａ程度のビーム
状プラズマがプラズマ源１と反射電極１７との間の軸上
に形成される。約１時間の成膜作業により、基板１１上
に約３μｍの窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）膜が形成され
た。成膜作業中、基板１１の温度は１８０℃以下に維持
され、高温による母材硬度の低下といったような基板の
熱的損傷は全く見られなかった。供給されるガスの種類
を適宜変更することにより、Ｓｉ３Ｎ４被膜の他にＳｉ
Ｃ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＢＮ、カーボン等の被膜を形成す
ることができる。
【００２２】本発明のプラズマＣＶＤ装置で、従来の装
置と同様に基板１１の近傍にファラデーカップを設置
し、基板１１に入射するプラズマ電子のエネルギーを測
定した。測定は、図２に示す従来の装置に関する測定条
件と同じ条件で行った。但し、減速電極１６の電圧Ｖ
DEC ＝５０Ｖ、主コイル１４の電流Ｉ14＝１．４Ａ、補
助コイル２０の電流Ｉ20＝１．０Ａとした。その結果、
図３の曲線Ｂに示すように、基板１１に入射する電子の
エネルギーは２ｅＶで、従来装置に比して１／２０以下
に減少することが確かめられた。なお、基板１１に入射
するイオンエネルギーは、図示していないが、図１の本
発明の装置、図２の従来装置とも数ｅＶで大差はなかっ
た。このことから、本発明のプラズマＣＶＤ装置によれ
ば、基板を１８０〜２００℃以下の低温に維持しつつこ
れに成膜することができる。
置と同様に基板１１の近傍にファラデーカップを設置
し、基板１１に入射するプラズマ電子のエネルギーを測
定した。測定は、図２に示す従来の装置に関する測定条
件と同じ条件で行った。但し、減速電極１６の電圧Ｖ
DEC ＝５０Ｖ、主コイル１４の電流Ｉ14＝１．４Ａ、補
助コイル２０の電流Ｉ20＝１．０Ａとした。その結果、
図３の曲線Ｂに示すように、基板１１に入射する電子の
エネルギーは２ｅＶで、従来装置に比して１／２０以下
に減少することが確かめられた。なお、基板１１に入射
するイオンエネルギーは、図示していないが、図１の本
発明の装置、図２の従来装置とも数ｅＶで大差はなかっ
た。このことから、本発明のプラズマＣＶＤ装置によれ
ば、基板を１８０〜２００℃以下の低温に維持しつつこ
れに成膜することができる。
【００２３】本発明のプラズマＣＶＤ装置で使用される
減速電極１６は接地電位に維持され、従って熱陰極３は
接地電位を基準として−４５Ｖの負電圧が印加されてい
るから、熱陰極３から放出された熱電子の一部は該減速
電極１６に流入して接地点に流れる。これによってアー
ク放電によるプラズマ内に電子が注入され、プラズマ電
位を引下げてイオンを減速させることができる。また、
反射電極１７の存在により、熱電子をプラズマ源１と反
射電極１７との間で往復させて電界振動させることによ
り、効率良く密度の高いプラズマを生成することができ
る。
減速電極１６は接地電位に維持され、従って熱陰極３は
接地電位を基準として−４５Ｖの負電圧が印加されてい
るから、熱陰極３から放出された熱電子の一部は該減速
電極１６に流入して接地点に流れる。これによってアー
ク放電によるプラズマ内に電子が注入され、プラズマ電
位を引下げてイオンを減速させることができる。また、
反射電極１７の存在により、熱電子をプラズマ源１と反
射電極１７との間で往復させて電界振動させることによ
り、効率良く密度の高いプラズマを生成することができ
る。
【００２４】図６は放電電流に対するイオン電流密度
を、反射電極の有無について測定した結果を示す。測定
条件は、放電用ガスとしてＡｒを導入し、ガス圧ＰAr＝
４．５×１０-4Ｔｏｒｒ、陽極電圧ＶA ＝６０Ｖ、減速
電極電圧ＶDEC ＝５０Ｖ、反射電極１７の電位は熱陰極
３と同電位とした。同図から明らかなように、同じ大き
さの放電電流であっても、反射電極が存在すれば濃いプ
ラズマが得られ、多量のイオンが被処理物である基板に
入射することが判る。これは、前述のように、熱電子を
プラズマ源と反射電極との間で往復運動させ、熱電子を
電界振動させることにより高密度のプラズマを生成でき
ることによる。
を、反射電極の有無について測定した結果を示す。測定
条件は、放電用ガスとしてＡｒを導入し、ガス圧ＰAr＝
４．５×１０-4Ｔｏｒｒ、陽極電圧ＶA ＝６０Ｖ、減速
電極電圧ＶDEC ＝５０Ｖ、反射電極１７の電位は熱陰極
３と同電位とした。同図から明らかなように、同じ大き
さの放電電流であっても、反射電極が存在すれば濃いプ
ラズマが得られ、多量のイオンが被処理物である基板に
入射することが判る。これは、前述のように、熱電子を
プラズマ源と反射電極との間で往復運動させ、熱電子を
電界振動させることにより高密度のプラズマを生成でき
ることによる。
【００２５】図７はイオン電流密度と補助コイル２０に
供給される電流Ｉ20との関係を示す図である。測定条件
は、放電用ガスとしてＮ2 を導入し、ガス圧ＰN2＝７×
１０-4Ｔｏｒｒ、陽極電圧ＶA ＝６０Ｖ、放電電流Ｉｄ
＝８Ａ、減速電極電圧ＶDEC＝５５Ｖ、主コイル電流Ｉ
14＝４．０Ａとした。同図から明らかなように、補助コ
イル２０の電流Ｉ20を増大させることによりプラズマは
収束されて高密度プラズマが得られ、イオン電流密度が
大きくなることが判る。しかし、補助コイル電流密度Ｉ
20を１．５Ａ以上に増大させてもイオン電流密度はそれ
程増大しないことから、補助コイル２０の電流Ｉ20は１
〜２Ａが適当である。
供給される電流Ｉ20との関係を示す図である。測定条件
は、放電用ガスとしてＮ2 を導入し、ガス圧ＰN2＝７×
１０-4Ｔｏｒｒ、陽極電圧ＶA ＝６０Ｖ、放電電流Ｉｄ
＝８Ａ、減速電極電圧ＶDEC＝５５Ｖ、主コイル電流Ｉ
14＝４．０Ａとした。同図から明らかなように、補助コ
イル２０の電流Ｉ20を増大させることによりプラズマは
収束されて高密度プラズマが得られ、イオン電流密度が
大きくなることが判る。しかし、補助コイル電流密度Ｉ
20を１．５Ａ以上に増大させてもイオン電流密度はそれ
程増大しないことから、補助コイル２０の電流Ｉ20は１
〜２Ａが適当である。
【００２６】補助コイル２０は上記のようにプラズマを
収束してビーム状に閉じ込める作用を有するものであ
り、図８のように、主コイル１４と補助コイル２０との
間に第２の補助コイル２４を設けてもよい。また、図９
に示すように、大形の１個のコイル２５で主コイルと補
助コイルの作用を持たせるようにしてもよい。
収束してビーム状に閉じ込める作用を有するものであ
り、図８のように、主コイル１４と補助コイル２０との
間に第２の補助コイル２４を設けてもよい。また、図９
に示すように、大形の１個のコイル２５で主コイルと補
助コイルの作用を持たせるようにしてもよい。
【００２７】本願発明の装置では、材料ガスはガスノズ
ル１３を通して直接基板１１の近傍に供給されるが、動
作中に陽極４、減速電極１６にも被膜が付着する。形成
される被膜が例えばＳｉ３Ｎ４のような絶縁物である場
合は、陽極および減速電極に被膜が付着するにつれて放
電電流が減少し、ついには放電が停止してしまう。この
ような事態の発生を防止するために、これらの電極とし
て図１０あるいは図１１に示す構造のものを使用するの
が望ましい。図１０、図１１で、（ａ）は断面図、
（ｂ）は正面図を示す。陽極４について言えば、図１０
では陽極４それ自体を加熱用電源２８で通電加熱し、陽
極４を１８００℃以上の高温に加熱するようにしたもの
である。図１１は、陽極４のプラズマ２２が通過する部
分に高融点材料で作られた熱容量が小さい線材２９を張
り、この線材２９をプラズマ２２で叩いて加熱し、線材
２９を１８００℃以上に加熱するようにしたものであ
る。いずれの例も陽極４および線材２９に付着する被膜
を再蒸発させることにより陽極面および線材面を露出さ
せることができ、放電電流を安定化することができる。
減速電極１６についても図１０または図１１に示す構造
のものを使用するのが望ましい。
ル１３を通して直接基板１１の近傍に供給されるが、動
作中に陽極４、減速電極１６にも被膜が付着する。形成
される被膜が例えばＳｉ３Ｎ４のような絶縁物である場
合は、陽極および減速電極に被膜が付着するにつれて放
電電流が減少し、ついには放電が停止してしまう。この
ような事態の発生を防止するために、これらの電極とし
て図１０あるいは図１１に示す構造のものを使用するの
が望ましい。図１０、図１１で、（ａ）は断面図、
（ｂ）は正面図を示す。陽極４について言えば、図１０
では陽極４それ自体を加熱用電源２８で通電加熱し、陽
極４を１８００℃以上の高温に加熱するようにしたもの
である。図１１は、陽極４のプラズマ２２が通過する部
分に高融点材料で作られた熱容量が小さい線材２９を張
り、この線材２９をプラズマ２２で叩いて加熱し、線材
２９を１８００℃以上に加熱するようにしたものであ
る。いずれの例も陽極４および線材２９に付着する被膜
を再蒸発させることにより陽極面および線材面を露出さ
せることができ、放電電流を安定化することができる。
減速電極１６についても図１０または図１１に示す構造
のものを使用するのが望ましい。
【００２８】
【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、被処理物である基板は、上記プラズマの径方向外
周部で放電領域外に配置されていることにより、基板が
高エネルギーの電子で衝撃されるのが防止され、例えば
基板を１８０°Ｃ〜２００°Ｃの低温に保ったままでこ
れに反応膜を形成することができる。更に、反射電極
が、熱陰極と同電位または絶縁電位とされているので、
プラズマ源からの電子及びプラズマ電子を反射させ、プ
ラズマ源と反射電極との間で往復させて、電界振動させ
るので、大きなプラズマ密度が得られ、被膜の堆積速度
を向上させることができる。また、請求項２記載の発明
によれば、プラズマ源の内部に、減速電極を有している
ので、例えば絶縁被膜を形成する際に、減速電極への絶
縁被膜堆積を極力抑えることができ、しかも減速電極は
接地電位であるので、真空槽内壁に絶縁膜が堆積されて
も、プラズマ源の内部に接地電位である減速電極が存在
するので、プラズマは、この減速電極の電位を基準とし
て常に安定に、形状を維持することができ、安定な成膜
が得られる。また、プラズマ源は、絶縁電位に維持さ
れ、その内部に陽極を有しているので、放電経路を維持
することができ、プラズマ源そのものの熱衝撃を和らげ
る効果があり、陰極から放出された熱電子はプラズマ源
内で消滅することがなく、熱電子の走行距離を長くで
き、効率よくイオン化することができる。請求項３記載
の発明によれば、請求項１、２記載の発明を併せた効果
を生じる。請求項４、５記載の発明によれば、例えば形
成される被膜が絶縁物である場合でも、放電電流の減少
を防止し、放電を維持することができる。
れば、被処理物である基板は、上記プラズマの径方向外
周部で放電領域外に配置されていることにより、基板が
高エネルギーの電子で衝撃されるのが防止され、例えば
基板を１８０°Ｃ〜２００°Ｃの低温に保ったままでこ
れに反応膜を形成することができる。更に、反射電極
が、熱陰極と同電位または絶縁電位とされているので、
プラズマ源からの電子及びプラズマ電子を反射させ、プ
ラズマ源と反射電極との間で往復させて、電界振動させ
るので、大きなプラズマ密度が得られ、被膜の堆積速度
を向上させることができる。また、請求項２記載の発明
によれば、プラズマ源の内部に、減速電極を有している
ので、例えば絶縁被膜を形成する際に、減速電極への絶
縁被膜堆積を極力抑えることができ、しかも減速電極は
接地電位であるので、真空槽内壁に絶縁膜が堆積されて
も、プラズマ源の内部に接地電位である減速電極が存在
するので、プラズマは、この減速電極の電位を基準とし
て常に安定に、形状を維持することができ、安定な成膜
が得られる。また、プラズマ源は、絶縁電位に維持さ
れ、その内部に陽極を有しているので、放電経路を維持
することができ、プラズマ源そのものの熱衝撃を和らげ
る効果があり、陰極から放出された熱電子はプラズマ源
内で消滅することがなく、熱電子の走行距離を長くで
き、効率よくイオン化することができる。請求項３記載
の発明によれば、請求項１、２記載の発明を併せた効果
を生じる。請求項４、５記載の発明によれば、例えば形
成される被膜が絶縁物である場合でも、放電電流の減少
を防止し、放電を維持することができる。
【図１】本発明のプラズマＣＶＤ装置の一実施例の主要
部の構造を示す図である。
部の構造を示す図である。
【図２】従来のプラズマＣＶＤ装置の構造を示す図であ
る。
る。
【図３】従来のプラズマＣＶＤ装置において基板に入射
する電子のエネルギーの大きさと、本発明のプラズマＣ
ＶＤ装置において基板に入射する電子のエネルギーの大
きさを比較して示した図である。
する電子のエネルギーの大きさと、本発明のプラズマＣ
ＶＤ装置において基板に入射する電子のエネルギーの大
きさを比較して示した図である。
【図４】従来のプラズマＣＶＤ装置におけるプラズマ流
の状態を示す図である。
の状態を示す図である。
【図５】本発明のプラズマＣＶＤ装置におけるプラズマ
流の状態を示す図である。
流の状態を示す図である。
【図６】反射電極１７が有る場合と無い場合の放電電流
とイオン電流密度との関係を示した図である。
とイオン電流密度との関係を示した図である。
【図７】本発明のプラズマＣＶＤ装置で補助コイル２０
に供給する電流とイオン電流密度との関係を示す図であ
る。
に供給する電流とイオン電流密度との関係を示す図であ
る。
【図８】本発明のプラズマＣＶＤ装置の他の実施例の概
略構成図である。
略構成図である。
【図９】本発明のプラズマＣＶＤ装置のさらに他の実施
例の概略構成図である。
例の概略構成図である。
【図１０】本発明のプラズマＣＶＤ装置で使用される陽
極および減速電極の一例を示す概略図である。
極および減速電極の一例を示す概略図である。
【図１１】本発明のプラズマＣＶＤ装置で使用される陽
極および減速電極の他の例を示す概略図である。
極および減速電極の他の例を示す概略図である。
１ プラズマ源 ２ 真空槽 ３ 熱陰極 ４ 陽極 ５ 放電用ガスノズル ６ 熱陰極加熱電源 ７ 陽極電源 ８ 減速電源 ９ 排気管 １０ 基板支持台 １１ 基板 １２ 加熱用ヒータ １３ 材料ガスノズル １４ 主コイル １５ 絶縁物 １６ 減速電極 １７ 反射電極 １８ 基板電源 ２０ 補助コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 14/00 - 16/56 H01L 21/205 H01L 21/31 H05H 1/46
Claims (5)
- 【請求項１】 減圧され且つ接地された真空槽と、 該真空槽に結合され、熱電子を放出する熱陰極と、該熱
陰極の電極を基準として正電圧が印加される陽極とを含
むプラズマ源と、 上記真空槽内の端部に上記プラズマ源と対向して配置さ
れ、前記熱陰極の電位若しくはフローティング電位（絶
縁電位）のいずれかに維持されたプラズマ反射電極と、 少なくとも上記プラズマ源の周囲に配置されて該プラズ
マ源内にアーク放電を助長する磁場を発生する第１のコ
イルおよび上記プラズマ反射電極の周囲近くに配置され
て上記プラズマ源と反射電極との間でプラズマをビーム
状に閉じ込める磁場を発生する第２のコイルとを 具備し、 基板は上記ビーム状プラズマの径方向の外周部で且つ放
電領域外に配置されるプラズマＣＶＤ装置。 - 【請求項２】 減圧され且つ接地された真空槽と、 該真空槽に結合され、熱電子を放出する熱陰極と、該熱
陰極の電極を基準として正電圧が印加される陽極とを含
むプラズマ源と、 上記真空槽内の端部に上記プラズマ源と対向して配置さ
れたプラズマ反射電極と、 少なくとも上記プラズマ源の周囲に配置されて該プラズ
マ源内にアーク放電を助長する磁場を発生する第１のコ
イルおよび上記プラズマ反射電極の周囲近くに配置され
て上記プラズマ源と反射電極との間でプラズマをビーム
状に閉じ込める磁場を発生する第２のコイルとを 具備し、 基板は上記ビーム状プラズマの径方向の外周部で且つ放
電領域外に配置され、上記プラズマ源が絶縁電位に維持
され、かつ上記プラズマ源は上記熱陰極の電位を基準と
して正電圧が印加され且つ接地電位に維持された減速電
極を、有していることを特徴とする請求項１記載のプラ
ズマＣＶＤ装置。 - 【請求項３】 減圧され且つ接地された真空槽と、 該真空槽に結合されたプラズマ源と、 上記真空槽内の端部に上記プラズマ源と対向して配置さ
れたプラズマ反射電極と、 少なくとも上記プラズマ源の周囲に配置されて該プラズ
マ源内にアーク放電を助長する磁場を発生する第１のコ
イルおよび上記プラズマ反射電極の周囲近くに配置され
て上記プラズマ源と反射電極との間でプラズマをビーム
状に閉じ込める磁場を発生する第２のコイルとを、 具備し、基板は上記ビーム状プラズマの径方向の外周部
で且つ放電領域外に配置され、プラズマ源と反射電極は
上記プラズマ源が有する熱陰極の電位もしくはフローテ
ィング電位（絶縁電位）のいずれかに維持され、基板に
は接地電位を基準として０乃至負電圧が印加されるプラ
ズマＣＶＤ装置。 - 【請求項４】 減圧され且つ接地された真空槽と、 該真空槽に結合されたプラズマ源と、 上記真空槽内の端部に上記プラズマ源と対向して配置さ
れたプラズマ反射電極と、 少なくとも上記プラズマ源の周囲に配置されて該プラズ
マ源内にアーク放電を助長する磁場を発生する第１のコ
イルおよび上記プラズマ反射電極の周囲近くに配置され
て上記プラズマ源と反射電極との間でプラズマをビーム
状に閉じ込める磁場を発生する第２のコイルとを、 具備し、基板は上記ビーム状プラズマの径方向の外周部
で且つ放電領域外に配置され、前記プラズマ源は、 熱電子を放出する熱陰極と、該熱陰極の電位を基準とし
て正電圧が印加される陽極と、上記熱陰極の電位を基準
として正電圧が印加され、かつ接地電位に維持された減
速電極とを、有し、 上記陽極及び減速電極には、これ自体を通電加熱する電
源が設けられており、該電源により各電極を高温に加熱
することでこれらの各電極に付着する被膜を再蒸発させ
てその表面を露出させ、これによって放電を維持するよ
うにしたことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。 - 【請求項５】 減圧され且つ接地された真空槽と、 該真空槽に結合されたプラズマ源と、 上記真空槽内の端部に上記プラズマ源と対向して配置さ
れたプラズマ反射電極と、 少なくとも上記プラズマ源の周囲に配置されて該プラズ
マ源内にアーク放電を助長する磁場を発生する第１のコ
イルおよび上記プラズマ反射電極の周囲近くに配置され
て上記プラズマ源と反射電極との間でプラズマをビーム
状に閉じ込める磁場を発生する第２のコイルとを、 具備し、基板は上記ビーム状プラズマの径方向の外周部
で且つ放電領域外に配置され、前記プラズマ源は、 熱電子を放出する熱陰極と、該熱陰極の電位を基準とし
て正電圧が印加される陽極と、上記熱陰極の電位を基準
として正電圧が印加された、かつ接地電位に維持された
減速電極とを、有し、 前記陽極および減速電極のプラズマが通過する部分に高
融点材料で作られ且つ熱容量の小さい線材が張られてお
り、該線材をプラズマで叩いて加熱することによりこれ
らの各電極を加熱して、これらの各電極に付着する被膜
を再蒸発させてその電極の表面を露出させ、これによっ
て放電を維持するようにしたことを特徴とするプラズマ
ＣＶＤ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23776592A JP3296368B2 (ja) | 1992-08-12 | 1992-08-12 | プラズマｃｖｄ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23776592A JP3296368B2 (ja) | 1992-08-12 | 1992-08-12 | プラズマｃｖｄ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0657435A JPH0657435A (ja) | 1994-03-01 |
| JP3296368B2 true JP3296368B2 (ja) | 2002-06-24 |
Family
ID=17020118
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23776592A Expired - Fee Related JP3296368B2 (ja) | 1992-08-12 | 1992-08-12 | プラズマｃｖｄ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3296368B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
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|---|---|---|---|---|
| KR20020080954A (ko) * | 2001-04-18 | 2002-10-26 | 주성엔지니어링(주) | 냉벽 화학기상증착 방법 및 장치 |
| US6835414B2 (en) * | 2001-07-27 | 2004-12-28 | Unaxis Balzers Aktiengesellschaft | Method for producing coated substrates |
| JP2003073806A (ja) * | 2001-09-07 | 2003-03-12 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | ＳｉＣ薄膜の形成方法 |
| JP5606707B2 (ja) * | 2009-09-04 | 2014-10-15 | 学校法人 名城大学 | 窒化処理装置及び窒化処理方法 |
| JP6344639B2 (ja) * | 2011-05-09 | 2018-06-20 | 学校法人トヨタ学園 | 窒化処理方法及び窒化処理装置 |
-
1992
- 1992-08-12 JP JP23776592A patent/JP3296368B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH0657435A (ja) | 1994-03-01 |
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