JP4571425B2 - Plasma generator and thin film forming apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、内部で発生させたプラズマから電子を外部に導くように成したプラズマ発生装置及びこの様なプラズマ発生装置を用いた薄膜形成装置に関する。 The present invention relates to a plasma generating apparatus configured to guide electrons to the outside from plasma generated inside, and a thin film forming apparatus using such a plasma generating apparatus.
イオンプレーティング装置やプラズマCVD装置等の薄膜形成装置にプラズマ発生装置が利用されている。 Plasma generators are used in thin film forming apparatuses such as ion plating apparatuses and plasma CVD apparatuses.
図1は、プラズマ発生装置を備えたイオンプレーティング装置の概略を示し、図2はプラズマ発生装置の詳細を示している。図中1はイオンプレーティング装置の真空容器で、この真空容器の底部には、被蒸発材料2を収容した坩堝3、該被蒸発材料に電子ビームを照射するための電子銃4が設けられている。一方、真空容器の上部には、基板電源5から負の電圧が印加されている基板6が取り付けられている。図中7は真空容器の底部に支持台8により支持されたプラズマ発生装置で、その詳細は後述するが、該プラズマ発生装置からの電子ビームが、前記基板6と坩堝3の間に照射されるように成している。図中9は真空ポンプ、10はバルブ、11は反応ガスボンベ、12はバルブ、13は放電ガスボンベ、14はバルブである。
FIG. 1 shows an outline of an ion plating apparatus provided with a plasma generator, and FIG. 2 shows details of the plasma generator. In the figure, reference numeral 1 denotes a vacuum vessel of an ion plating apparatus, and a
図2は前記プラズマ発生装置の概略を示しており、15は放電室を形成するケースである。該ケース内にはカソード16が配置されており、該カソードは加熱電源17に接続されていると共に、放電電源18にも接続されている。該ケースには放電ガス供給管19が設けられており、前記放電ガスボンベ13から該放電ガス供給管19を介してArガスの如き不活性ガスがケース内に導入される。該ケースの一方の端部には、ケース15に碍子20を介してリング状の第1アノード21Aが設けられている。この第1アノードは、例えばステンレスなどで形成され、且つ環状に形成されており、第1アノード21Aを含め放電室の他の部品の熱に依る損傷を防止する為に、該第1アノード内に設けられた水路WPに冷却水が流されている。又、この第1アノードの反カソード側には高融点材料(例えば、モリブデン)製でリング状の第2アノード21Bが接続されている。この第1カソード21Aと第2アノード21Bの接続は、互いの間の熱抵抗が大きくなるように、互いの一部分同士が繋がれることにより行われている。又、各アノードの内側には、前記カソード16からの電子が該各アノードに直接照射されないようにシールド電極22が配置されている。尚、このシールド電極22の先端部は電子ビームを通過させるオリフィスを成している。前記ケース15は抵抗R1を介して前記放電電源18に接続され、前記アノード21A,21Bは抵抗R2を介して放電電源18に接続されている。更に、前記真空容器1は抵抗R3を介して放電電源18接続されている。尚、これらの抵抗の抵抗値は、通常、R1≫R3>R2とされており、前記放電電源18に流れる電流の大部分は、アノード21A,21Bとカソード16との間の放電電流となる。図中23はケース内の放電電流を整形するための電磁石を構成するコイルで、ケースの外側に設けられている。
FIG. 2 shows an outline of the plasma generator, and 15 is a case for forming a discharge chamber. A
この様な構成のイオンプレーティング装置において、先ず、バルブ10を開き、真空容器1とケース15内を真空ポンプ9により所定の圧力になるまで排気する。そして、バルブ14を開き、ケース15内に放電ガス供給管19を介して放電ガスボンベ13から放電ガス(例えば、Arガス)を所定量導入し、ケース15内の圧力を高め、カソード16を加熱電源17により熱電子放出可能な温度にまで加熱する。
In the ion plating apparatus having such a configuration, first, the
次に、コイル23に所定の電流を流し、プラズマの点火と安定なプラズマを維持するのに必要な磁場を電子ビームの軸方向に発生させる。この状態において、カソード16と第1及び第2アノード21A,21Bに放電電源18から所定の電圧を印加すると、カソード16とケース15との間で初期放電が発生する。この初期放電がトリガとなってケース15内にプラズマが発生する。この放電プラズマ中の電子は、前記コイル23が形成する磁場の影響で、電子ビームの軸方向に集束を受け、シールド電極22の第2アノード21Bに近い側の先端近傍に発生する加速電界により真空容器1内へと引き出される。
Next, a predetermined current is passed through the
一方、真空容器1の内部においては、被蒸発材料2に向けて電子銃4からの電子ビームが照射され、該被蒸発材料は加熱されて蒸発させられる。又、真空容器1内には、バルブ12が開かれることにより、反応ガスボンベ11から反応ガス(例えば、酸素ガス)が導入される。前記プラズマ発生装置7から引き出された電子ビームは、前記真空容器1内に導入された反応ガスや蒸発粒子と衝突し、それらを励起、イオン化させて真空容器1内にプラズマPを形成する。該プラズマ中のイオン化された蒸発粒子と反応ガスは、基板6に引き寄せられて付着或いはイオン衝撃を行い、該基板上には蒸発粒子の成膜が成される。
On the other hand, in the inside of the vacuum vessel 1, the electron beam from the
尚、プラズマ発生装置7から真空容器1内に引き出された電子及びプラズマP中の電子は、真空容器1や第1及び第2アノード21A,21Bに流れ込み、安定な放電が維持される。又、プラズマPの強さは、放電ガスの流量やカソード16の加熱温度によって制御することが出来る。又、抵抗R2とR3について、これらの抵抗値の関係を、R3>R2としたが、この抵抗値の関係を、 R3=R2、R3>R2、R3<R2、R3≪R2と任意に変えることにより、アノード21A,21Bと真空容器1に流れる電流量を自由に選択することが出来る。
The electrons drawn from the plasma generator 7 into the vacuum vessel 1 and the electrons in the plasma P flow into the vacuum vessel 1 and the first and
さて、この様な構造のイオンプレーティング装置により、例えば、光学薄膜形成を行う場合、一般に酸化物雰囲気中で行う。その場合、抵抗値の関係を、R3>R2として、放電電流の殆どが第2アノード21Bに流れる様にしている。そして、前述した様に、第1アノード21Aと第2アノード21Bとの間の熱抵抗が大きく成るようにして、放電電流が第2アノード21Bに流れ込む時に発生する熱で第2アノード21Bが800℃程度から1200℃程度に加熱されるように成している。この様に第2アノード21Bは高温に加熱されると、その表面の導電性を維持する働きをするため、酸化物雰囲気中において安定に動作することが可能となる。
For example, when an optical thin film is formed by an ion plating apparatus having such a structure, it is generally performed in an oxide atmosphere. In that case, the relationship of the resistance values is such that R3> R2, so that most of the discharge current flows to the
所で、前記した様に、第1アノード21Aと第2アノード21Bの接続は、互いの間の熱抵抗が大きくなるように、互いの一部分同士が繋がれている。即ち、第1アノード21Aの中心軸に平行な側面S1に雌ねじが、第2アノード21Bの中心軸に平行な外側側面S2に雄ねじがそれぞれ形成されており、第1アノード21Aの雌ねじ部に、第2アノード21Bの雄ねじ部をねじ込むことにより第1アノード21Aと第2アノード21Bとが繋がれている。図2では第1アノード21Aの上面と第2アノード21Bの下面が繋がれているように見えるが、繋がってはおらず、第1アノード21Aの雌ねじ部に第2アノード21Bの雄ねじ部を完全にねじ込んだ時に、ごく僅かな隙間が出来る程度に離れている。
However, as described above, the
しかし、第2アノード21Bが高温に加熱されると、第1アノード21Aの第2アノード21Bとの接触部は高温となり熱膨張し、第2アノード21Bが冷めてくると、第1アノード21Aの第2アノード21Bとの接触部は収縮する。従って、第1アノード21Aの第2アノード21Bとの接触部は熱膨張と収縮を繰り返すことになり、その結果、第1アノード21Aの雌ねじ部に熱的変形が生じ、例えば、メンテナンス時に、第2アノード21Bが第1アノード21Aから取り外すことが困難となる。
However, when the
そこで、第1アノード21Aの雌ねじ部の状態を絶えず点検し、必要に応じてタップ処理を行っているが、タップ処理を繰り返すと、第1アノード21Aの雌ねじ部が消耗し、ネジとしての機能が劣化し、更には、部品としての寿命を短くしてしまう。
Therefore, the state of the internal thread portion of the
本発明は、この様な問題点を解決する為になされたもので、新規なプラズマ発生装置及び薄膜形成装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a novel plasma generating apparatus and thin film forming apparatus.
本発明のプラズマ発生装置は、放電室と、該放電室内に配置されたカソードと、該放電室の端部に配置された筒状形状の第1アノードと、二段構えの筒状形状を成し、その小径筒状部を前記第1アノードの孔部に挿入することにより該第1アノードと部分的に繋がれる様に成して、該第1アノードの外側に配置された第2アノードと、一部が前記第2アノードの小径筒状部の孔内に挿入され、前記カソードから見て少なくとも前記2つのアノードが隠れるように前記放電室内に取り付けられた筒状のシールド体と、前記カソードと前記何れかのアノードとの間に放電電圧を印加するための放電電源と、前記放電室内に放電用ガスを供給するための手段を備えており、前記放電室内で形成されたプラズマ中の電子を前記シールド体の一部を通して前記放電室外の真空容器中に照射させるように構成したプラズマ発生装置において、前記第1アノードの孔部を成す周面に、中心軸に平行に、間隔を置いて複数の溝を形成したことを特徴とする。 The plasma generator of the present invention comprises a discharge chamber, a cathode disposed in the discharge chamber, a cylindrical first anode disposed at an end of the discharge chamber, and a two-stage cylindrical shape. A second anode disposed outside the first anode so as to be partially connected to the first anode by inserting the small-diameter cylindrical portion into the hole of the first anode; A cylindrical shield body partially inserted into the hole of the small-diameter cylindrical portion of the second anode, and attached to the discharge chamber so that at least the two anodes are hidden when viewed from the cathode, and the cathode And a discharge power source for applying a discharge voltage between any of the anodes and means for supplying a discharge gas into the discharge chamber, and electrons in the plasma formed in the discharge chamber Through a part of the shield body In the plasma generating apparatus configured to irradiate the vacuum vessel of the discharge outside, the peripheral surface forming the first anode of the hole, parallel to the central axis, that it has a plurality of grooves at intervals Features.
又、本発明の薄膜形成装置は、放電室と、該放電室内に配置されたカソードと、該放電室の端部に配置された筒状形状の第1アノードと、二段構えの筒状形状を成し、その小径筒状部を前記第1アノードの孔部に挿入することにより該第1アノードと部分的に繋がれる様に成して、該第1アノードの外側に配置された第2アノードと、一部が前記第2アノードの小径筒状部の孔内に挿入され、前記カソードから見て少なくとも前記2つのアノードが隠れるように前記放電室内に取り付けられた筒状のシールド体と、前記カソードと前記何れかのアノードとの間に放電電圧を印加するための放電電源と、前記放電室内に放電用ガスを供給するための手段を備えており、前記放電室内で形成されたプラズマ中の電子を前記シールド体の一部を通して前記放電室外の真空容器中に照射させるように構成したプラズマ発生装置を備え、前記真空容器内で少なくとも気化状態の蒸着材料に前記プラズマ発生装置からの電子を照射してプラズマを発生させて基板の成膜を行うように成した薄膜形成装置において、前記第1アノードの孔部を成す周面に、中心軸に平行に、間隔を置いて複数の溝を形成したことを特徴とする。
The thin film forming apparatus of the present invention includes a discharge chamber, a cathode disposed in the discharge chamber, a cylindrical first anode disposed at an end of the discharge chamber, and a two-stage cylindrical shape. And a second cylindrical portion disposed outside the first anode so as to be partially connected to the first anode by inserting the small diameter cylindrical portion into the hole of the first anode. An anode, and a cylindrical shield body, part of which is inserted into the hole of the small-diameter cylindrical portion of the second anode, and attached to the discharge chamber so that at least the two anodes are hidden when viewed from the cathode; A discharge power source for applying a discharge voltage between the cathode and any one of the anodes, and a means for supplying a discharge gas into the discharge chamber, the plasma being formed in the discharge chamber Through a part of the shield body A plasma generator configured to irradiate the vacuum chamber outside the discharge chamber, and at least the vaporized material in the vacuum chamber is irradiated with electrons from the plasma generator to generate plasma to generate a plasma on the substrate; In the thin film forming apparatus configured to form a film, a plurality of grooves are formed on the peripheral surface forming the hole portion of the first anode at intervals in parallel to the central axis.
本発明によれば、プラズマ発生装置のメンテナンスがスムーズ(容易)に行われ、その結果、プラズマ発生装置のメンテナンス性が向上し、且つ、プラズマ発生装置の構成要素である第1アノードと第2アノードが長寿命化する。 According to the present invention, maintenance of the plasma generator is performed smoothly (easy). As a result, the maintainability of the plasma generator is improved, and the first anode and the second anode, which are components of the plasma generator, are provided. Will prolong the service life.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図3は本発明のプラズマ発生装置の一例を示している。尚、図中、前記図2にて使用した番号と同一番号の付されたものは同一構成要素である。 FIG. 3 shows an example of the plasma generator of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in FIG. 2 denote the same components.
図3に示された装置と、図2で示された装置の構成上の差異を、以下に説明する。 Differences in configuration between the apparatus shown in FIG. 3 and the apparatus shown in FIG. 2 will be described below.
図3で示された装置においては、第1アノード21A´と第2アノード21B´との互いの接続部が図2のものと異なっている。
In the apparatus shown in FIG. 3, the connection portion between the
即ち、図3で示された装置においては、第2アノード21B´を第1アノード21A´にねじ込む構造ではなく、差し込む構造に成っている。
That is, in the apparatus shown in FIG. 3, the
その為に、図4の斜視図に示す様に、二段構えの円筒体形状の第2アノード21B´の第1アノード21A´に差し込まれる小円筒部Qの外側面は、捻子が切られずに、曲面仕上げのままになっている。
Therefore, as shown in the perspective view of FIG. 4, the outer surface of the small cylindrical portion Q inserted into the
一方、円筒形状の第1アノード21A´の第2アノード21B´の小円筒部Qが差し込まれる孔部Pが、斜視図(図5)、上断面図(図6の(a))及び上断面図のA−A断面図(図6の(b))に示す様に、浅い孔部PAと、深い孔部PBからの二段構えに成っており、深い孔部PBの周面には、軸方向に、等間隔に、半円柱状の溝23A,23B,23C,23Dが形成されている。尚、各半円柱状の溝23A,23B,23C,23Dの両側エッジ部は、図6に示す様に、角張らないように(角張った箇所に熱が集中してしまう)、曲面に仕上げられている。
On the other hand, the hole P into which the small cylindrical portion Q of the
第1アノード21A´の孔部PBと第2アノード21B´の小円筒部Qは、第2アノード21B´の小円筒部Qが第1アノード21A´の孔部PBに差し込まれるために、第1アノード21A´が熱膨張していない時には、当然のことながら、孔部PBの径が小円筒部Qの径より大きくせねばならないが、第1アノード21A´が熱膨張した場合に、例えば、孔部PBの径と小円筒部Qの径の差が、0.15mm以上で0.5mm以下に成る様に、孔部PBの径と小円筒部Qが形成されている。
The hole portion PB of the
又、前記した様に、第1アノード21A´の深い孔部PBの周面には、軸方向に、等間隔に、半円柱状の溝が4個(23A,23B,23C,23D)が形成されているが、この溝は、4個に限定されず、それ以上設けらても良い。但し、第1アノード21A´が熱膨張して第1アノード21B´と接触する面積が、例えば、全体の55%から90%に成る様に、溝の数とその大きさが設定される。
Further, as described above, four semi-cylindrical grooves (23A, 23B, 23C, 23D) are formed at equal intervals in the axial direction on the peripheral surface of the deep hole PB of the
又、第1アノード21A´の熱膨張は前記各溝(23A,23B,23C,23D)で吸収されるが、吸収しきれない第1アノード21A´の熱膨張に基づく変形が第2アノード21B´が持ち上げてしまう。この様に溝(23A,23B,23C,23D)で吸収しきれない熱膨張を吸収するために、第1アノード21A´には浅い孔部PAが設けられている。この孔部PAの深さは、前記吸収しきれない熱膨張の最大飽和値より大きな寸法に設定されている(例えば、0.5mm)。
The thermal expansion of the
この様な構成のプラズマ発生装置を、例えば、図1に示す如きイオンプレーティング装置に応用した場合、次のように動作する。 When the plasma generator having such a configuration is applied to, for example, an ion plating apparatus as shown in FIG. 1, it operates as follows.
先ず、バルブ10を開き、真空容器1とケース15内を真空ポンプ9により所定の圧力になるまで排気する。そして、バルブ14を開き、ケース15内に放電ガス供給管19を介して放電ガスボンベ13から放電ガス(例えば、Arガス)を所定量導入し、ケース15内の圧力を高め、カソード16を加熱電源17により熱電子放出可能な温度にまで加熱する。
First, the
次に、コイル23に所定の電流を流し、プラズマの点火と安定なプラズマを維持するのに必要な磁場を電子ビームの軸方向に発生させる。この状態において、カソード16と第1,第2アノード21A´,21B´に放電電源18から所定の電圧を印加すると、カソード16とケース15との間で初期放電が発生する。この初期放電がトリガとなってケース15内にプラズマが発生する。この放電プラズマ中の電子は、前記コイル23が形成する磁場の影響で、電子ビームの軸方向に集束を受け、シールド電極22の第2アノード21B´に近い側の先端近傍に発生する加速電界により真空容器1内へと引き出される。尚、カソード16からの熱電子は、シールド電極22により、直接第1アノード21A´に照射されることはない。
Next, a predetermined current is passed through the
一方、真空容器1の内部においては、被蒸発材料2に向けて電子銃4からの電子ビームが照射され、該被蒸発材料は加熱されて蒸発させられる。又、真空容器1内には、バルブ12が開かれることにより、反応ガスボンベ11から反応ガス(例えば、酸素ガス)が導入される。前記プラズマ発生装置7から引き出された電子ビームは、前記真空容器1内に導入された反応ガスや蒸発粒子と衝突し、それらを励起、イオン化させて真空容器1内にプラズマPを形成する。該プラズマ中のイオン化された蒸発粒子と反応ガスは、基板6に引き寄せられて付着或いはイオン衝撃を行い、該基板上には蒸発粒子の成膜が成される。
On the other hand, in the inside of the vacuum vessel 1, the electron beam from the
さて、 さて、この様な構造のイオンプレーティング装置により、例えば、光学薄膜形成等を行う場合、前述した様に、抵抗値の関係を、R3>R2として、放電電流の殆どが第2アノード21B´に流れる様にしている。この時、放電電流が第2アノード21B´に流れ込む時に発生する熱で第2アノード21B´が800℃程度から1200℃程度に加熱される。
Now, for example, when an optical thin film is formed by the ion plating apparatus having such a structure, as described above, the relation of the resistance value is R3> R2, and most of the discharge current is the
第2アノード21B´がこの様に高温に加熱されると、第1アノード21A´の第2アノード21B´との接触部も高温となり熱膨張する。この際、第1アノード21A´内には冷却水が流されている水路WPが設けられているので、接触部の熱膨張は中心軸方向に発生する。
When the
この中心軸方向に向かう熱膨張の殆どは、第1アノード21A´の深い孔部PBの周面に、軸方向に、等間隔に形成された半円柱状の溝23A,23B,23C,23Dで吸収される。又、前記溝で吸収しきれない熱膨張は、第1アノード21A´の浅い孔部PAにて吸収される。
この結果、メンテナンス時に第2アノード21B´を第1アノード21A´から容易に取り外すことが出来、第2アノード21B´や第1アノード21A´の頻繁な点検が不要となり、メンテナンス性が向上する。
Most of the thermal expansion in the direction of the central axis is caused by the
As a result, the
又、第1アノード21A´等へのタップ処理等の必要性が無くなるので、第1アノード21A´及び第2アノード21B´のネジとしての機能の劣化が避けられ、部品としての寿命が伸びる。
Further, since there is no need for a tap process or the like on the
尚、本発明は、図3〜図6の例に限定されるものではない。例えば、第1アノード21A´の孔部PBの周面に形成される溝は、半円柱状に限定されず、他の曲面柱状若しくは角柱状でも良い。又、前記各溝の間隔は必ずしも等間隔でなくても良い。
In addition, this invention is not limited to the example of FIGS. For example, the groove formed in the peripheral surface of the hole PB of the
1…真空容器
2…被蒸発材料
3…坩堝
4…電子銃
5…基板電源
6…基板
7…プラズマ発生装置
8…支持台
9…真空ポンプ
10…バルブ
11…反応ガスボンベ
12…バルブ
13…放電ガスボンベ
14…バルブ
15…ケース
16…カソード
17…加熱電源
18…放電電源
19…放電ガス供給管
20…碍子
21A,21A′…第1アノード
21B,21B′…第2アノード
22…シールド電極
WP…水路
Q…小円筒部
23A,23B,23C,23D…溝
P…孔
PA…浅い孔部
PB…深い孔部
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