JP3652702B2 - プラズマ処理用線形アーク放電発生装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、プラズマ処理、特に固体基板の表面処理のための線形アーク放電発生装置に関するものである。
発明の背景
発生プラズマの高イオン密度のために、アーク放電はプラズマ処理技術において非常に強力な手段である。アーク発生源は、作用ガスにおける反応プラズマの発生のために使用され、スパッタ電極及び／又は蒸着電極の粒子、あるいはこれらの粒子と作用ガスとの化学化合物を含むプラズマを発生できる。アーク放電の特性は、作用ガスの圧力によって影響を及ぼされる発生イオン及び電子のエネルギー及び密度によって決まる。様々なガス・プラズマトロンが、真空ポンプのない簡単な装置であるため、大気圧でのアーク放電を使用する。しかしながら、制御可能なイオンエネルギーを有する非等温プラズマに基づくアークの発生は低いガス圧力を必要とする。様々な種類のアーク放電がこの目的のために使用される。これらの大部分は直流（DC）の高電力発電機によって発生される。プラズマ処理のための典型的な低圧源は、作用ガスにおける作用プラズマの流れを発生するカスケードアーク（ヨーロッパ特許0297637号）である。プラズマにおける金属イオンは、アーク放電によってスパッタ及び／又は蒸着電極から通常発生される（デー・エム・サンダース（D.M.Sanders）他著の［IEEEトランザクション・プラズマサイエンス18、第883ページ〜第894ページ（1990）」を参照）。腐食電極は、通常、電気的にアークされた陽極を有する直流アーク回路におけるプレーナ陰極である。この陰極は水冷され、望ましくない微小滴、すなわち、蒸着陰極材料に存在する「巨大粒子」の量は陰極表面上の陰極スポット移動を制御することによって減少される。最新の陰極アーク発生源では、巨大粒子は、補助磁界フィルタによってろ過される（米国特許第5,279,723号）。消耗電極が溶融温度まで加熱されるまでは、巨大粒子の含有量は通常より低い。陰極の代わりに消耗陽極を有するアーク装置を利用することもできる（例えば、エム・マウスバッハ（M.Mausbach）他著の「Vacuum 41、第1393ページ〜第1395ページ（1990）」を参照）。冷たい消耗陰極は、大きさが限られており、これらの発生源をスケールアップする可能性を制限する磁気フィルタリングを必要とする。液体金属るつぼを含有する消耗電極は限られた位置のみにしか設置することができない。大部分のアーク発生源は放電を開始させる付加スイッチを必要とする。
アーク放電の発生はホロー陰極で非常に有効である。直流で発生されるホロー陰極ガス放電の原理は、エフ・パッシェン（F.Paschen）著の「Ann.Physik 50、第901ページ〜第940ページ（1916）」によって報告されている。その時から、この放電についての多数の調査が報告されている（例えば、ジェー−エル・デルクロワ（Ｊ−L.Delcroix）及びエ−・アール・トリンダード（A.R.Trindade）著の「Advances in Electonics and Electron Phys.35、第87ページ〜第190ページ（1974）」、エム・イー・ピロー（M.E.Pillow）著の「Spectrochimica Acta 36B、no.8、第821ページ〜第843ページ（1981）、及びアール・マブロディニーニュ（R.Mavrodineanu）著の「J.Res.Nat.Bureau of Standards 89、no.2、第143ページ〜第185ページ（1984）」のレビューを参照）。直流ホロー陰極では、アーク放電を高直流電力で発生することができる。ホロー陰極の壁は、電子の熱放出を強力に高める高温まで加熱されねばならない。さらに、イオンのかなりの部分はホロー陰極表面の腐食によって発生される。これらの条件でアーク回路における直流電流は急速に増すのに対して、陰極での電圧は、ガスあるいは金属蒸気の最小電離電位あるいは最小励起電位の値まで下がる。アークは、それ自身負電極からの電子放出の機構を備えることによって大きな電流を提供できる自続放電である（1990年にノイズ（Noyes）出版社で発行されたエス・ロスナーゲール（S.Rossnagel）他編の「プラズマ処理技術のハンドブック（Handbook of Plasma Processing Technology）、ディー・サンダース（D.Sanders）著の第18章」を参照）。この条件が満たされなければ、ホロー陰極における放電をアークと考えることはできない。たとえ陰極壁のある部分が、特に薄い金属シートから製造される陰極において、高温であるとしても、それはむしろ正常あるいは変則的なグローである。
グロー状況においてさえ電子の高発生のために、ホロー陰極は、プラズマ支援陽極蒸着のためのプラズマ処理装置における電子源及び作用ガス電離源の両方として1971年以来使用されている（例えば、米国特許第3,562,141号を参照）。1983年以来、交流（AC）発電機によって発生されたホロー陰極グロー放電が開発されている。この目的のための典型的な交流発電機の周波数は、100kHzと100MHzとの間である。特に、無線周波数発生器（無線周波数−13.56MHz及びその高調波）は、しばしばプラズマ処理に使用されている（例えば、シー・エム・ホーウィッツ（C.M.Horwitz）著の「Appl.Phys.Lett.,第43巻、1983年、第977ページ」及び米国特許第4,521,286号を参照）。様々なホロー陰極装置がこの原理を使用して開発されている。ホロー陰極方式は、主に、電極の配置、作用ガスの流入等で相違している。ホロー陰極原理を陰極電位にある処理済プレーナ基板の平面平行配置におけるプラズマ化学蒸着処理の向上のために使用することができる（ヨーロッパ特許第0 478 984 A1号）。円筒状無線周波数ホロー陰極は、プラズマ化学蒸着処理（チェコ特許第246,982/PV4407−85号）と陰極のスパッタリング及び中空基板とチューブの内部へのフィルムの付着（チェコ特許出願第PV3925−90号）のために使用された。無線周波数発生ホロー陰極では、陽極は、無線周波数発生器に接続された実際の対向電極と接触している無線周波数プラズマそのものである（仮想陽極）（バルドー（Bardo）他著の「J.Non Cryst.Solids 97/98,第281ページ（1987）」）。複数の尖頭磁界における閉じられた底部を有する複数の円筒状無線周波数ホロー陰極（全部で19のチューブ）は、有効な175mmの直径のイオンビーム発生器（シー・ルジューン（C.Lejeune）他著の「Vacuum 36,第837ページ（1985）」及びフランス特許出願第85 06 492号（1985）を参照）として使用されている。線形分散における複数の無線周波数ホロー陰極（５ホール）は、エー・エム・バークランド（A.M.Barklund）他著の「J.Vac.Sci.Technol.A9,第1055ページ（1991）」（チェコ特許第246,982号も参照）によって報告されている。約40cmの長さの分散放電を提供する軸方向の磁界での64の直流あるいは交流をもつ円筒状ホロー陰極の線形配列が、エー・ベルカインド（A.Belkind）著の「ICMCTF'94,poster session,サンディエゴ、1994」によって最近報告されている（「Proceedings in Surface Coat.Technol.（1994）」に発表予定）。この論文では、軸方向の0.025テスラの磁界はホロー陰極の制限の及ばないプラズマを取り出すために使用された。異なる誘導磁界の効果はホロー陰極においてしばしば報告されている（例えば、ケイ・エイチ・ショーエンバッハ（K.H.Schoenbach）著の1993年ボーフム市で開催されたICPIG 21の招待論文「Proc.III、第287ページ〜第296ページ」のレビューを参照）。磁気制限効果のために、磁界はホロー陰極における低圧放電状況のためにしばしば使用されている。上記の方式の大部分は円筒状ホロー陰極におけるグロー放電を使用する。アーク状況における十分な高電力でのホロー陰極壁からの金属イオンの発生はいかなる他の作用ガスがなくても自続放電に対して十分である（エル・バルドー（Bardo）他、スウェーデン特許出願第9303426−２号、国際特許出願第PCT/SE9/00959号）。反応成分を含むガスにおけるアークホロー陰極状況を、高められた陰極金属粒子の発生に基づいた非常に高速のフィルムの反応付着のために使用することができる。この付着は純金属フィルムの対応する非反応付着よりもさらに高速であり得る（1994年サンフランシスコ市で開催された電気化学学会のプラズマ処理に関する第10回春季会議会報のH.Barankova他著の「G.S.Mathad及びD.W.Hess編のProc.Vol.94−20,第580ページ〜第591ページ」を参照）。ホロー陰極配置の大部分は、円筒状陰極の周りに円筒状陽極を有する円筒状陰極あるいは小さい平面平行陰極ディスクを利用する。一般に、ホロー陰極方式は寸法が非常に制限されている。これは、内部チューブプラズマ処理において利点となり得る（エイチ・カワサキ他著の「材料科学エンジニア.A140,第682ページ（1991）」）。ろ過されたアーク放電と同様に、小型のホロー陰極によって発生された個別アークはスケールアップの可能性が限られている。複数の陰極の線形配列は、均一の線形放電を発生することができず、各特定の放電の機能に依存する。
発明の概要
したがって、本発明の目的は、上記の従来の技術の開示及び欠点を解決し、プラズマ処理用線形アーク放電発生装置を提供することにある。
本発明による第１の態様では、５×10⁴Pa以下のガス圧で反応装置の中に設置され、交流発電機及び／又はパルス電源によって駆動されるプラズマ処理、特に固体基板の表面処理用線形アーク放電発生装置は、0.4mmを超える距離で互いに対向して置かれ、かつ対向電極に接続された逆極性を有する発電機の同極性に接続された少なくとも一対の第１の電極板及び第２の電極板と、電極板間のスリットの両端間に少なくとも10^-3テスラの成分を有する第１の電極板上の線形ホットゾーンと第２の電極板上の線形ホットゾーンの発生のための磁石によって発生された磁界と、電極板間で必要とされる作用ガスを含み、かつアーク放電が発生される電極板及び対向電極と電気的接触を有する電離環境とからなる。
本発明による第２の態様では、電極板は、横調整素子による電極板間の距離の調整及び角のある調整素子による電極板の傾斜の調整の両方を可能にする調整システムと接続された主電極本体上に固定されている。
本発明による第３の態様では、外部カートリッジは、主電極本体の側面部及び調整システムでの作用ガスの流出を保護し、それによって作用ガスは電極板間のスリットにおける作用ガスの最適な分配のためのガス流分配器を通って入れられる。
本発明による第４の態様では、対向電極は、反応装置チャンバ壁の一部及び／又はアーク放電によって処理される基板を有する基板保持器で示されている。
本発明による第５の態様では、磁石の位置は調整器によって電極板に対して調整され、電極板に沿った及び電極の両端間の磁界の分配は、磁石及び／又は付加磁石によって調整される。
本発明による第６の態様では、第１の電極板及び／又は第２の電極板は側面部によって装備されている。
本発明による第７の態様では、第１の電極板及び第２の電極板が異なる材料から製造されている。
【図面の簡単な説明】
前述されたような本発明の目的、特徴及び利点は下記の図面とともに示される本発明の説明から明らかになる。
図１は、プラズマ処理、特に固体基板の表面処理用線形アーク放電発生装置の主な例を示す本発明の第１の実施例の概略図である。
図２は、図１のようにプラズマ処理用線形アーク放電発生装置の例を示す本発明による第２の実施例の概略図である。
図３は、本発明による複数の線形アーク放電発生のための複数のシステムの中に互いに関連した幾つかの対の電極板を含む図１に示されるような装置の３つの異なる配置例を示す本発明による第３の実施例の概略断面図である。
詳細な説明
図１を参照するに、本発明によるプラズマ処理用線形アーク放電発生装置の第１の実施例が示されている。まず第一に、電極板１及び第２の電極板２は、0.4mmを超える距離で互いに対向して配置されている。これはこの装置の動作中の電極板の高温表面の望ましくない機械的接触を避けるために重要である。両方の電極板は交流及び／又はパルス出力の発電機10の同極側に接続され、この 発電機10は対極３に接続された対極側を有する。非熱プラズマの発生のために、電極は５×10⁴Pa以下のガス圧で反応装置の中に設置されている。電極板間のスリットの両端間に少なくとも10^-3テスラの成分を有する磁界は、磁石４によって発生され、第１の電極板上の線形ホットゾーン５及び第２の電極板上の線形ホットゾーン６の発生のために使用される。これらのホットゾーンは、作用ガス８を含むとともに電極板、特に対向するその表面及び対極と電気的接触を有する電離環境７中の、電極板間に現れるホローカソード放電のイオンボンバードメ ントにより形成される。この電離環境は、本発明による装置におけるアーク放電９の開始に必要な初期グロー放電を示している。両電極板上のホットゾーンは、電極板のサイズ、ガス圧、電極板の材料等によって決まる電力レベルによって発生される。ホットゾーンはイオン電流 の多くの部分が磁界によって集束される選択された領域 で発生される。対向極板での反発電位間で振動する電子 の消失も、磁気の制御によって減少することができ、こ れが局部的なイオン化を高める。ホットゾーンは電極板からの熱イオン電子放出も高め、線形アーク放電の開始を可能にする。アークの開始は、初期ホローカソードグローからの特定のしきい値電力で、外部の点火工具なしに始まる。アーク放電の線形均一性は、電極板でのホッ トゾーンに沿っての均一温度によって決まり、これは極 板材料の熱伝導率によって決まり、磁界によってバランスをとることができる。
実施例
図２を参照するに、本発明によるプラズマ処理用線形アーク放電の発生のための図１に示されるような装置の好ましい実施例が概略図で示されている。電極板は、横調整素子13による電極板との間の距離の調整及び角度調整素子14による電極板の傾斜の調整の両方を可能にする調整システム12と接続された主電極本体11上に固定されている。極板間の距離の調整は、異なるパラメータ、例えば、ガス圧、電力、電極板の材料、磁気誘導、基板の幾何学的形状等での線形アーク放電９の最適化を可能にする。電極板の角度位置の調整はホットゾーンによる電極板の最終的な熱変形を補償することができる。例えば、チタン電極板上のホットゾーンにおける典型的な温度は1350℃を超える。ホットゾーンで高温を達成するために、電極板はいかなる意図的な冷却も装備されていない。主電極本体との機械的接触の熱伝導による電極板冷却は極板材料及びその線形寸法によって決まる。電極板の長さＬに関連した寸法の例は、L/15≦幅（高さ）≦Ｌ及びL/200≦厚さ≪Ｌである。外部カートリッジ15は主電極本体及び調整システムの両方の側面部での作用ガスの流出を保護するために使用されている。使用される構造及び材料により外部冷却を外部カートリッジ、主電極本体、調整システム、あるいは全てのこれらの部品に加えることができる。永久磁石が使用される場合、その減磁を避けるために磁石の冷却を装備することも必要である。作用ガスは、電極板間のスリットにおけるガスの最適の分配を実現できるガス流分配器16を通して入れられる。図２に示された実例における対極３はアーク放電で処理される基板に相当する。磁石の位置及び磁気誘導の両方は、電極板でのホットゾーンの位置及び温度に影響を及ぼし、それによって線形アーク放電のための条件に影響を及ぼす。磁石の位置は調整器17によって電極板に対して調整され、磁界の分配は、磁石４の誘導値の適正な選択及び付加磁石18によって調整されている。付加磁石は磁界を“開放”することができ、それによって電極板間のスリットから基板の方へのプラズマの抽出を高める。電極板の両端での線形アーク放電のパラメータの不均等性を抑圧するために、第１の電極板及び／又は第２の電極板は付加側面部（19）によって装備されている。この不均等性は、電極板の両端での磁界を適正に形作ることによっても減少することができる。
図３を参照するに、プラズマ処理用線形アーク放電の発生のための図１に示されるような装置の本発明による実施例は、本発明による複数の線形アーク放電の発生のための複数のシステムの中で一緒に組み立てられた幾つかの対の電極板の配置例のうち３つの例で示されている。
図３（ａ）は、磁石４及び付加磁石18によって発生された独立した磁界の中に並んで配置された３対の第１の電極板１及び第２の電極板２の概略断面図を示している。電離環境５、例えば無線周波数プラズマは各対の電極板によって共有される。対極３、例えば、処理される基板も、全ての３つのシステムに対して共通であり、処理速度の増加を可能にする。作用ガス８は、全ての３つのシステムに対して同一であることがあるが、しかしながら、異なるガスを各特定システムで使用することができる。その場合には、それぞれの電極板１及び２に対応する線形ホットゾーン５及び６は、組み立てられたシステムのそれぞれの部分に異なる形状及び異なる温度の両方を表すことができる。これはそれぞれのシステムで発生される線形アーク放電９の異なる特性を引き起こし、用 途によっては望ましいことがある。さらに、互いに対して補助電気バイアスを供給する個別対の電極板を電力供 給することができる。この場合、それぞれの線形アーク放電９の幾何学的形状及びプラズマパラメータの両方に影響を及ぼすことができる。
図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるように並んで配置された３対の第１の電極板１及び第２の電極板２の概略断面図を示すが、最初の対の電極板の第２の電極板は次の対の極板における第１の電極板と同一である。この配置では、磁石４によって発生された磁界は全てのシステムによって共有される。隣接するシステムによって共有される個別電極板上のホットゾーン５及び６のパラメータはアセンブリの外側でのパラメータと異なる。有利なことは、内側の極板における線形ホットゾーンの高められた温度は異なる材料の電極板を有するシステムにおいて高溶融温度を有する材料の場合に利用できることである。
図３（ｃ）は、主電極本体11で配置された２対の電極板の概略断面図を示している。この配置では、第１の電極板１及び第２の電極板２との間のスリットは、最下部側で閉じられ、作用ガス８は電離環境７からスリットの中に導かれる。この場合、電極板は、例えば、円筒形あるいはレーストラック形の中空ターゲットの中に形成することができ、プレーナーマグネトロンと同様な幾何学的形状の装置で設置することができる。作用ガスを主電極本体11に設置されたチャネルを使用して最下部側からも導入することができる。
本発明による装置は、線形ホットゾーン及び対極の位置に対する電極板の相対的位置の変化によってプラズマ処理用電極板から消費される材料の連続供給を可能にする。
本発明による装置における線形アーク放電は交流電力の代わりに直流によっても発生することができる。しかしながら、直流生成は誘電体フィルムの付着の場合に限られた使用のものであることがある。直流生成では、陰極の密集した周辺における対応する陽極が配置されねばならない。交流生成では、陽極の役割は交流プラズマそのものによって果たされる。
本発明による装置における線形アーク放電は、５×10⁴Paを超えるガス圧でも発生することができる。しかしながら、高圧でプラズマ処理はイオン及び電子の非常に短い平均自由経路によって制限され、均一線形放電の維持はより複雑である。
本発明による装置では、線形アーク放電の維持のために使用される電極板での線形ホットゾーンの高表面温度は、付着フィルムにおける陰極材料からの小滴の形成を減少させたアーク状況を可能にすることができる。
本発明による装置では、電極板は分割することができるか、あるいは異なる平らでない輪郭に成形することができる。個別極板は異なる材料からも組み立てることができる。
本発明による装置は、線形アーク放電でなく、通常のホローカソード方式でプラズマ処理をするためにも使用することができる。

Claims (7)

1. ５×10⁴Pa以下のガス圧で反応装置に設置され、かつ交流の発電機及び／又はパルス電源（10）によって電力供給される、特に固体基板の表面処理用プラ ズマ処理のための、線形ホロー陰極を有する線形アーク放電発生装置であって、
   0.4mmを超える距離で互いに対向して配置され、かつ対 極（３）に接続された対極側を有する前記発電機の同極 側に接続された少なくとも一対の第１の電極板（１）及び第２の電極板（２）と、
   前記電極板間のスリットの両端間に少なくとも10^-3テスラの成分を有する前記第１の電極板上の線形ホットゾーン（５）及び前記第２の電極板上の線形ホットゾーン（６）の発生のための磁石（４）によって発生された磁界と、
   前記電極板間に作用する作用ガス（８）を含み、かつアーク放電（９）が発生される前記電極板及び前記対極 （３）と電気的接触をもつ電離環境（７）と、
   を有することを特徴とする線形アーク放電発生装置。
2. 前記電極板が、横調整素子（13）による前記電極板間の距離の調整及び角度調整素子（14）による前記電極板の傾斜の調整の両方を可能にする調整システム（12）に接続された主電極本体（11）上に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記作用ガスがガス流分配装置（16）を通 って入るようにして、前記作用ガスが前記電極板間のス リットに最適に分配されるように、前記電極本体及び前記調整システムの側面部での前記作用ガスの流出を保護する外部カートリッジ（15）を有することを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の装置。
4. 前記対極が、反応装置のチャンバ壁の一部及び／又は前記アーク放電によって処理される基板を有する基板保持器に相当することを特徴とする請求項１〜 ３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記磁石の位置が調整装置（17）によって前記電極板に対して調整され、かつ前記電極板に沿った及び前記電極板の両端間を横切る磁界の分配が前記磁石及び／又は付加磁石（18）によって調整されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記第１の電極板及び／又は前記第２の電極板が付加側面部（19）によって装備されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記第１の電極板及び第２の電極板が異なる材料から製造されていることを特徴とする請求項１〜 ６のいずれか１項に記載の装置。

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