JP3766571B2

JP3766571B2 - 薄膜形成装置及びシャンティングアーク放電電極装置

Info

Publication number: JP3766571B2
Application number: JP26239399A
Authority: JP
Inventors: 建行村; 正熊切
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2019-09-16
Also published as: JP2001081555A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シャンティングアーク放電による薄膜形成装置及びシャンティングアーク放電電極装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シャンティングアーク放電に関する文献としては、電気学会放電研究会ＥＤ−９８−２２７（シャンティングアークによる誘起プラズマの発生：１９９８年１２月）が存在する。
この従来技術では、導電性のイオン源にパルス電流を流すことにより、シャンティングアーク放電を発生させ、これにより、イオンを生成する。一方被処理物に負のパルス電圧を印加することで、イオン源で生成されたイオンを引き込み、被処理物の表面にイオンを注入する。
【０００３】
このようなイオン注入は、窒素、メタンなどの反応性ガス雰囲気下でシャンティングアークを起こし、プラズマを励起して反応性ガスをイオン化することによって行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、シャンティングアーク放電を利用してイオンを生成し、それを被処理物表面に注入することを主眼としたものである。
そして、上記従来技術では、イオン源は細い棒状の導体であるため、イオン生成には十分であるが、工業的に用いる場合、さらに、イオン注入だけでなく成膜にも利用する場合には、得られるイオン量及び蒸発量が少なく生産性に劣る。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、面積の広い電極によってシャンティングアーク放電を発生させ、電極材料を蒸発・イオン化することにより、蒸発量・イオン量を大幅に増やし、生産性を向上することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために次の技術的手段を採用した。すなわち、本発明の特徴は、処理容器（２）内にシャンティングアーク放電を発生する複数の電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）と、当該複数の電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）にシャンティングアークを起こすためのアーク電流を流す一つのアーク電源（４）を備えた薄膜形成装置において、
前記複数の電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の各々は、蒸発・イオン化物質からなる導電性電極本体（１２）に、シャンティングアーク放電を発生する導電性導入部（１６）を少なくとも１つ以上接続して構成され、
前記アーク電源（４）は、前記電極本体（１２）と前記導入部（１６）とにアーク電流を供給するように、切替器（１８）を介して前記複数の電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）に接続され、前記切替器（１８）によってアーク電源（４）からのパルスを順次切り替えて、各電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）にパルスを順番に供給している点にある。
【０００６】
かかる構成によれば、導入部においてシャンティングアーク放電が発生し、それが電極本体へと広がる。このように導入部においてシャンティングアークが発生するので電極本体ではシャンティングアークを発生させる必要がなく、したがって、蒸発・イオン化物質からなる電極本体の面積は広くすることができ、この結果、電極本体からの材料の蒸発量やイオン量を増加させることができる。さらに、１つのアーク電源で複数の電極を駆動できるので、装置コストを下げることができる。
【０００７】
また、前記電極（３）は、蒸発・イオン化物質からなる円柱状の導電性電極本体（１２）と、該導電性電極本体（１２）の周りを囲むように所定間隔をおいて同軸状に配置された導電性の円筒状の電極体（１４）又は該導電性電極本体（１２）の前面に所定間隔をおいて軸心が一致するように配置された導電性の円環状の電極体（１５）と、前記導電性電極本体（１２）と電極体（１４，１５）とを電気的に接続してシャンティングアーク放電を発生する前記電極本体（１２）より細い導電性材料からなる複数の導電性導入部（１６）とから構成されているのが好ましい。
【０００８】
さらに、本発明の他の特徴は、処理容器（２）内にシャンティングアーク放電を発生する少なくとも１つ以上の電極（３）と、当該電極（３）にシャンティングアークを起こすためのアーク電流を流すアーク電源（４）を備えた薄膜形成装置において、
前記電極（３）は、蒸発・イオン化物質からなる円柱状の導電性電極本体（１２）と、該導電性電極本体（１２）と所定間隔をおいて同軸状に配置された導電性の円筒状又は円環状の電極体（１４，１５）と、前記導電性電極本体（１２）と電極体（１４、１５）とを電気的に接続してシャンティングアーク放電を発生する前記電極本体（１２）より細い導電性材料からなる複数の導電性導入部（１６）とから構成され、
前記アーク電源（４）は、前記電極本体（１２）と前記導入部（１６）とにアーク電流を供給するように前記電極（３）に接続されている点にある。
【０００９】
また、本発明に係るシャンティングアーク放電電極装置は、蒸発・イオン化物質からなる円柱状の導電性電極本体（１２）と、該導電性電極本体（１２）と所定間隔をおいて同軸状に配置された導電性の円筒状又は円環状の電極体（１４、１５）と、前記導電性電極本体（１２）と電極体（１４、１５）とを電気的に接続してシャンティングアーク放電を発生する前記電極本体（１２）より細い導電性材料からなる複数の導電性導入部（１６）とから構成され、アーク電流が供給されることにより前記導入部（１６）からシャンティングアーク放電を発生することを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１〜図３は、本発明の第１の実施形態に係る薄膜形成装置１を示している。この薄膜形成装置１は、処理容器である真空容器２内に、該真空容器２と電気的に絶縁された状態で設けられた電極（電極装置）３を備えて主構成されている。なお、本発明でいう薄膜形成とは、被処理体である基板５（基板５は自公転治具でもよい）への薄膜の形成の他、基板５表層へのイオン注入を含む意である。
【００１１】
また、装置１は、前記電極３にパルスを印加するアーク電源４と、電極３と対向して設置される基板５に負のバイアス電圧又は負の高圧パルスバイアスを印加するバイアス電源６をも備えている。
なお、図示は省略したが、前記真空容器２には、真空容器内を真空状態にする真空ポンプと、真空容器２内に窒素又はメタン等の反応性ガスを供給するガス供給手段がそれぞれバルブを介して接続されている。
ここで、シャンティングアークの発生原理を説明する。低気圧あるいは真空中におかれた線や箔などの素材を電極間に固定して、パルス電流を流す。加熱により素材の温度が上昇し、素材の周囲には蒸発に伴う原子や電子からなる粒子雲が形成される。素材が金属などの場合には表面から熱電子放出などによる電子も多く存在すると考えられる。温度の増加により素材の抵抗は高くなり、電極間に加わる電圧は時間とともに増加する。電極間に生ずる電圧降下が周囲媒質（反応性ガス）の放電開始電圧に達すると、媒質中で放電が発生し、素材の構成因子を含むプラズマが生成され、アークとなる。この段階で電流は媒質中を流れ、基本的に元の素材中は流れない。発生したプラズマがシャンティングアークであり、プラズマ中には大量の素材の成分が存在する。
【００１２】
急激な電圧の増加と線状素材の加熱をもたらすには、コンデンサ放電などによるパルス放電が適する。シャンティング放電はイオン化したい材料や箔を加熱することによりそれらの周囲で発生するアークを指す。
ここで、実施形態の説明に戻る。図３にも示すように、前記アーク電源４は、その端子４ａ，４ｂ間に接続された電極３にパルス高電流を流すことにより、シャンティングアークを発生させるためのものである。このシャンティングアークの発生は、ガス供給手段によって真空容器３内に注入された反応性ガス雰囲気下で行われる。
【００１３】
シャンティングアークの発生は、コンデンサＣ（容量２０μＦ）に蓄積されたエネルギによって行われる（なお、図中の抵抗Ｒは３ｋΩ）。コンデンサの充電電圧は、１．０〜２．５ｋＶである。なお、アークの発生については充電電圧が５００Ｖにおいても容易に起こる。
また、パルスを発生させるためのスイッチ素子としては、トリガトロン１０が用いられている。トリガトロン１０は一種のクロージングスイッチ（閉スイッチ）であり、トリガピン付きのスパークギャップである。
【００１４】
このトリガトロンの動作は以下の通りである（図３参照）。信号発生器ＳＧからの信号によってトリガトロンドライバＴＤから高電圧パルス電圧（出力電圧１０ｋＶ、幅約２μｓ）をトリガピンに入力し、微少アークを発生させ、コンデンサＣの充電電圧によりスパークギャップの絶縁破壊をもたらす。コンデンサＣからの電荷の放出に続いて、電極素材の加熱、シャンティングアークの形成に至る。
図３には、基板５に負の高圧パルスバイアスを印加するためのバイアス電源６も示しており、この電源６は、信号発生器ＳＧからの信号を遅延パルス発生器ＤＰＧに入力し、出力電圧を所定の時間経過の後、パルスモジュレータＰＭに入力して、このパルスモジュレータＰＭの出力端子６ａから出力される高電圧をフィードスルーＦＴを通して真空容器２内の基板５に印加する。これによってプラズマからイオンが抽出される。
【００１５】
前記電極３は、図２にも示すように、円柱状に形成された導電性の電極本体１２を有している。この電極本体１２は、基板６の表面にイオン注入又は成膜する材料（蒸発・イオン化物質）、例えばＣ，Ｔｉなど、からなる。また、電極本体１２の周りを囲むように所定間隔をおいて導電性の円筒状電極体１４が配置されている。すなわち、電極本体１２と円筒状電極体１４は同軸状に配置されている。この円筒状電極体１４は、細い導電性材料からなる導入部１６，１６，１６，１６によって電極本体１２と電気的に接続されている。
【００１６】
なお、電極体１４と導入部１６は、電極本体１２と同じ材質であることが望ましいが、導電性であれば足りる。
この電極３は、電極本体１２と円筒状電極体１４とがアーク電源４の端子４ａ，４ｂにそれぞれ接続されており、導入部１６から電極本体１２にパルス電流が流れるように接続されている。すなわち、電極本体１２と導入部１６（と円筒状電極体１４）が電源４に対して直列接続されている。
なお、アーク電源４は、電極本体１２から導入部１６に電流が流れるように接続してもよい。また、図１のものでは、電極３は下向きに設置されているが、横向きでも上向きでもよい。
【００１７】
前記導入部１６は、電極本体１２よりも細く（断面積が小さく）形成されている。このように電極本体１２よりも細い導電性導入部１６を通じて電流を流すと、導入部１６においてシャンティングアーク放電が発生し、それが電極本体１２へと広がる。この放電により、電極本体２の材料が蒸発・イオン化し、基板５に堆積又は注入される。
ここで、導入部１６は、一本であってもよいが、図２に示すように、複数の導入部１６を設ければ、効率的に放電を起こすことができる。また、広い面積をもつ電極本体１２の全面に均一に放電を起こすことができる。
【００１８】
これによって、電極本体１２からの材料の蒸発量やイオン量が大幅に増加する。
また、導入部１６の長さも短いのが好適である。このように短ギャップで、本数を多くすれば、より多くのエネルギーが利用され、効率の観点から有利である。
また、放電をより均一に発生させるという観点から電極本体１２から放射状に延びるように導入部１６を配置するのが好適である。特に、このような放射状であれば、電極本体１２の前方にプラズマが出るので好適である。
【００１９】
なお、導入部１６の直径は２ｍｍ程度で、長さ（ギャップ長）Ｌは１０〜４０ｍｍ程度が好適である。また、電極本体１２（の前面）の直径Ｒは、２０〜７０ｍｍ程度が好適である。例えば、導入部１６の長さＬを１０ｍｍとし、電極の直径Ｒを７０ｍｍとすることができる。また、導入部１６の長さＬを４０ｍｍとし、電極本体１２の直径Ｒを７０ｍｍとすることができる。ただし、このような大きさに限定されるものではない。
なお、ここで、電極３の構成を言い換えれば、アーク電源４の一の端子側に接続されるとともに蒸発・イオン化物質からなる電極本体１２と、アーク電源４の他の端子側に接続される電極体１４とを所定の間隔（ギャップ）を置いて配置し、これら電極本体１２と電極体１４の間にシャンティングアークを発生させる導電性の導入部（ロッド）１６を接続したもの、ということもできる。
【００２０】
また、さらに電極３の構成を言い換えれば、シャンティングアークを発生させるロッド１６を保持するホルダー（電極本体）１２が蒸発・イオン化物質からなる、ということもできる。
図４は本発明の第２の実施形態を示している。ここでの電極３は、電極本体１２の前面１２ａに間隔をおいて軸心が一致するように円環状電極体１５を配置し、電極本体１２前面と環状電極１５との間に導入部１６を設けたものである。この場合、電極本体前面１２ａへのアーク移動がスムーズに行われ、効率がよい。
【００２１】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る薄膜形成装置１を示している。ここでは、真空容器２に電極３ａ，３ｂ，３ｃが複数設置されている。各電極３ａ，３ｂ，３ｃは、パルス切替器１８を介して一つのアーク電源４と接続されている。パルス切替器１８は、アーク電源４で発生したパルスを順次切り替えて、図６に示すように、各電極３ａ，３ｂ，３ｃに順番にパルスを供給するものである。このようにパルス切替器１８を設けることで１台の電源４で複数の電極を駆動でき、装置コストを下げることができる。
【００２２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。すなわち、例えば、導入部１６は線状ものを例示したが、導入部の形状を箔状としてもシャンティングアークを起こすことができる。すなわち、導入部としては、電流によって加熱されやすいように抵抗が大きくなる形状（例えば、細くしたり薄くしたりして断面積を小さくする）とすればよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、電極からの蒸発量やイオン量を大幅に増加させることができ、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る薄膜形成装置の概念図である。
【図２】図１のＡ矢視図であり、電極（電極装置）の平面図である。
【図３】アーク電源とバイアス電源の回路ブロック図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る電極の一部断面側面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る薄膜形成装置の概念図である。
【図６】各電極へのパルス供給タイミング図である。
【符号の説明】
１薄膜形成装置
２真空容器
３電極（電極装置）
４アーク電源
５基板（ワーク）
６バイアス電源
１２電極本体
１４円筒状電極体
１５円環状電極体
１６導入部
１８パルス切替器

Claims

処理容器（２）内にシャンティングアーク放電を発生する複数の電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）と、当該複数の電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）にシャンティングアークを起こすためのアーク電流を流す一つのアーク電源（４）を備えた薄膜形成装置において、
前記複数の電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）の各々は、蒸発・イオン化物質からなる導電性電極本体（１２）に、シャンティングアーク放電を発生する導電性導入部（１６）を少なくとも１つ以上接続して構成され、
前記アーク電源（４）は、前記電極本体（１２）と前記導入部（１６）とにアーク電流を供給するように、切替器（１８）を介して前記複数の電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）に接続され、前記切替器（１８）によってアーク電源（４）からのパルスを順次切り替えて、各電極（３ａ、３ｂ、３ｃ）にパルスを順番に供給していることを特徴とする薄膜形成装置。
前記電極（３）は、蒸発・イオン化物質からなる円柱状の導電性電極本体（１２）と、該導電性電極本体（１２）の周りを囲むように所定間隔をおいて同軸状に配置された導電性の円筒状の電極体（１４）又は該導電性電極本体（１２）の前面に所定間隔をおいて軸心が一致するように配置された導電性の円環状の電極体（１５）と、前記導電性電極本体（１２）と電極体（１４，１５）とを電気的に接続してシャンティングアーク放電を発生する前記電極本体（１２）より細い導電性材料からなる複数の導電性導入部（１６）とから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
処理容器（２）内にシャンティングアーク放電を発生する少なくとも１つ以上の電極（３）と、当該電極（３）にシャンティングアークを起こすためのアーク電流を流すアーク電源（４）を備えた薄膜形成装置において、
前記電極（３）は、蒸発・イオン化物質からなる円柱状の導電性電極本体（１２）と、該導電性電極本体（１２）と所定間隔をおいて同軸状に配置された導電性の円筒状又は円環状の電極体（１４，１５）と、前記導電性電極本体（１２）と電極体（１４、１５）とを電気的に接続してシャンティングアーク放電を発生する前記電極本体（１２）より細い導電性材料からなる複数の導電性導入部（１６）とから構成され、
前記アーク電源（４）は、前記電極本体（１２）と前記導入部（１６）とにアーク電流を供給するように前記電極（３）に接続されていることを特徴とする薄膜形成装置。
蒸発・イオン化物質からなる円柱状の導電性電極本体（１２）と、該導電性電極本体（１２）と所定間隔をおいて同軸状に配置された導電性の円筒状又は円環状の電極体（１４、１５）と、前記導電性電極本体（１２）と電極体（１４、１５）とを電気的に接続してシャンティングアーク放電を発生する前記電極本体（１２）より細い導電性材料からなる複数の導電性導入部（１６）とから構成され、アーク電流が供給されることにより前記導入部（１６）からシャンティングアーク放電を発生することを特徴とするシャンティングアーク放電電極装置。