JP4859523B2 - プラズマ源、成膜装置および膜の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アーク放電により高密度プラズマを生成するプラズマ源に関する。

非特許文献１には、アーク放電により高密度プラズマを生成することのできる直流高密度プラズマ源が開示されている。非特許文献１に記載のプラズマ源の構成および動作を図７および図８を用いて簡単に説明する。このプラズマ源は、図７に示すように、複合陰極１にアルゴンやヘリウムなどの放電ガス２を外部から導入し、電源３によって複合陰極１と陽極４との間に直流の電圧をかけ、放電させる。点火直後はグロー放電であるが、電離した放電ガスの逆流イオンが複合陰極１に衝突して複合陰極が加熱されると、熱電子を放出するようになり、これによりグロー放電の電離度が上昇して高密度放電すなわちアーク放電に移行する。複合陰極１と陽極４との間には、抵抗が接続され電位勾配をもたせた第１および第２中間電極５，６が配置され、プラズマを陰極１から陽極４にスムーズに導いている。また、第１中間電極５の内部には永久磁石７が配置され、第２中間電極６の内部には電磁石８が配置されている。これらの磁石７，８の形成する磁場により、プラズマをビーム状に収束し、第１および第２中間電極５，６の中央の穴を通過させている。

このとき、非特許文献１に記載の技術では、図８のように、永久磁石７の形成する磁場８１および電磁石８が形成する磁場８２の大きさを設定している。これにより、これらの合成磁場８３の強度分布が、永久磁石７の逆磁場により、陰極１と第１中間電極５との間の空間で磁場ゼロになる領域を生じる。磁場ゼロ領域においてプラズマが拡散されるため、陰極１のスパッタリング現象を抑制することができる。

なお、アーク放電により高密度プラズマを生成するプラズマ源は、例えば、特許文献１に記載されているようにイオンプレーティングや、プラズマＣＶＤ等の成膜や、プラズマによる表面処理等に利用することができる。
Research Report of Institute of Plasma Physics, Nagoya University, Nagoya, Japan, IPPJ-440,(1980) 特開平６−１２８７３０号公報

非特許文献１に記載の直流高密度プラズマ源は、上述のように複合陰極１と第１中間電極５との間でプラズマが拡散されるように設計されているため、陰極のスパッタリング現象が生じにくいという効果が得られるが、点火直後の加熱に時間を要するという問題を生じる。すなわち、直流高密度プラズマ源は、点火直後のグロー放電時において逆流イオンの衝突により複合陰極１を加熱し、グロー放電からアーク放電に移行させる構成であるため、グロー放電時に複合陰極１付近で磁場がゼロになっていると、グロー放電で生じた電離イオンが拡散し、複合陰極を効果的に加熱することができず、アーク放電に移行させるのに時間を要する。非特許文献１の直流高密度プラズマ源の一構成例で実験したところ、点火直後から３〜５分間がグロー放電であり、その後アーク放電に移行する。

本発明の目的は、短時間でアーク放電を生じさせることができるとともに、アーク放電移行後には陰極を保護することができるプラズマ源を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、軸方向に沿って順に配置された、陰極と、中間電極と、陽極とを有するプラズマ源を提供する。この中間電極の内部には、電磁石が配置され、陰極の外周側には永久磁石が配置され、永久磁石は軸方向に沿って可動であると共に、中間電極に近い第１の位置と、中間電極から離れた第２の位置とに少なくとも配置可能である。第１の位置に前記永久磁石を配置した場合、永久磁石の形成する磁場の軸方向成分と電磁石が形成する磁場の軸方向成分とが陰極と中間電極との間の所定位置で打ち消し合う。これにより、永久磁石を中間電極に近づけて配置することによって、陰極と中間電極との間の磁場をゼロにしてプラズマを拡散させることが可能になるため、陰極をスパッタ現象から保護することができる。また、永久磁石を中間電極から離して配置することにより、陰極と中間電極との間の磁場はゼロにならないため、グロー放電時の電離ガスを収束させ、陰極を効率よく加熱することができる。これにより、短時間でアーク放電に移行させることができる。

上記陰極の外側にはガイド部材を配置することができる。この場合、例えば永久磁石は環状にし、ガイド部材に沿って軸方向に移動する構成にすることが可能である。

上記中間電極は、例えば、軸方向に沿って配置された第１および第２中間電極からなる構成にすることができる。この場合、第１および第２中間電極の内部にはそれぞれ電磁石を配置する。

また、本発明の別の態様によれば、プラズマ導入口を備えた成膜室と、プラズマ源とを有する成膜装置を提供することができる。プラズマ源は、プラズマ導入口に取り付けられた陰極および中間電極と、成膜室の内部に配置された陽極とを有する構成とする。中間電極の内部には電磁石を配置し、陰極の外周側には永久磁石を配置し、永久磁石はプラズマ導入口の軸方向に沿って可動であると共に、中間電極に近い第１の位置と、中間電極から離れた第２の位置とに少なくとも配置可能である。第１の位置に前記永久磁石を配置した場合、永久磁石の形成する磁場の軸方向成分と電磁石が形成する磁場の軸方向成分とが陰極と中間電極との間の所定位置で打ち消し合う構成とするものである。

本発明の一実施の形態の直流高密度プラズマ源およびこのプラズマ源を備えた成膜装置について図面を用いて説明する。
本実施の形態の直流高密度プラズマ源は、図１に示したように、複合陰極１１と、陽極１２と、それらの間に配置された第１および第２中間電極１３、１４とを備えている。第１および第２中間電極１３、１４は、いずれも円形の開口を有する円環形状であり、これらの内部には、電磁石１５，１６がそれぞれ配置されている。また、本実施の形態では、複合陰極１１の外側にも、円環状の永久磁石１７が配置されている。永久磁石１７は、ガイド２０に搭載され、軸方向１９に移動可能である。永久磁石１７、第１および第２中間電極１３，１４が形成する磁場については、後で詳しく説明する。

複合陰極１１は、アルゴンやヘリウムなどの放電ガス３０の導入口３１を備えたプラズマ生成室１８内部に配置されている。プラズマ生成室１８は、例えば石英ガラス等の絶縁材料製のものを用いることができる。複合陰極１１の構造は、グロー放電からアーク放電に移行して、高密度プラズマを生成することのできる公知の複合陰極構造を用いる。例えば、グロー放電を生じ、逆流イオンの衝突によって加熱される補助陰極と、補助陰極の放射熱等により加熱されてアーク放電を生じる主陰極とを備える構成にすることができる。

この直流高密度プラズマ源を図２を用いてさらに説明する。図２の装置は、図１のプラズマ源を用いたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置の例である。

図２に示すように、陽極１２は、成膜室２１の内部に配置されている。プラズマ生成室１８、第１および第２中間電極１３，１４は、成膜室２１に設けられたプラズマ導入口２１ａに接続されている。第１および第２中間電極１３，１４の間、ならびに、第２中間電極１４と成膜室２１との間には、それぞれ石英ガラス等の絶縁リング２２およびＯリング（不図示）が挿入され、低圧を維持するとともに絶縁している。プラズマ生成室１８と第１中間電極１３との間にはＯリング２３が挿入され、低圧を維持している。

陽極１２とプラズマ導入口２１ａとの間には、基板２４を保持する基板ホルダー２５と、原料ガス２６を供給する原料ガス導入管２７が配置されている。

複合陰極１１と陽極１２との間には、電源２９により直流電圧が印加される。第１および第２中間電極１３，１４は、抵抗３２、３３を介して電源２９と接続され、複合陰極１１および陽極１２との間に電位勾配を生じさせている。これにより、陰極１１により生じたプラズマをスムーズに陽極１２に導いている。また、第１および第２中間電極１３，１４は、成膜室２１とプラズマ生成室１８との圧力差を維持するオリフィスとしての作用も兼用する。

第１および第２中間電極１３，１４に内蔵される電磁石１５，１６は、永久磁石１７とともに、プラズマ生成室１８から成膜室のプラズマ導入口２１ａまでの間の空間に所定の合成磁場を生じる。本実施の形態では、図３に示したように、永久磁石１７を図１に示す位置から図３に示す位置まで移動可能な構成としており、永久磁石１の位置によって生じる合成磁場強度分布を変更することができる。

すなわち、永久磁石１７の磁場３０３および電磁石１５、１６の磁場３０１，３０２の大きさは、図４に示すように設計されている。永久磁石１７を図３のように電磁石１５、１６に近づけて配置した場合には、電磁石１５および１６が生じる磁場３０１および３０２の合成磁場が、複合陰極１１と第１中間電極１３との間の中間位置において、永久磁石１７の生じる磁場３０３によってちょうど打ち消し合うように構成されている。これは、図５（ａ）、（ｂ）に示したように、電磁石１５，１６の生じる磁場（図５（ｂ）参照）が軸方向に沿って常に一定方向であるのに対し、円環状の永久磁石１７の生じる磁場（図５（ａ）参照）３０３は、同一軸上であっても永久磁石１７から離れると逆向きの磁場（逆磁場）となる性質を利用したものである。

一方、永久磁石１７を図１のように電磁石１５、１６から遠ざけた位置に配置した場合には、図６に示したように永久磁石１７の生じる逆向きの磁場３０３が、永久磁石１７から離れるにしたがって弱まる。このため、合成磁場３０４は、複合陰極１１と第１中間電極１３との間の中間位置において、永久磁石１７の生じる磁場３０３と打ち消し合わず、合成磁場３０４は図６のようになる。

よって、複合陰極１１の放電開始時グロー放電時には、図１のように永久磁石１７の位置を第１および第２中間電極１３，１４から遠ざけることにより、図６のように複合陰極１１と第１中間電極１３との間でも所定の磁場を印加することができるため、複合陰極１１の近傍の電離ガスを所定の範囲に収束させることができる。これにより、グロー放電により生じた電離ガスの逆流イオンによって複合陰極１１を効率よく加熱することができるため、短時間でアーク放電に移行させることができる。

アーク放電移行後には、図３のように永久磁石１７の位置を第１および第２中間電極１３，１４に近づけることにより、複合陰極１１と第１中間電極１３との中間で合成磁場３０４をゼロにすることができるため、この位置でプラズマを拡散させることができる。これにより、複合陰極１１がプラズマ中のイオンによってスパッタリングされる現象を防止することが可能になる。また、第１および第２中間電極１３、１４の中央穴の位置では、大きな磁場が印加されているため、第１および第２中間電極１５，１６の位置でプラズマを収束させることができ、第１および第２中間電極１３，１４の中央の穴をプラズマが通過することができる。これにより、成膜室２１内にプラズマを引き出すことができ、プラズマを利用して成膜を行うことができる。

ここで本実施の形態の直流高密度プラズマ源を備えた成膜装置で成膜を行う手順について説明する。プラズマ源に電圧印加する前に、オペレータが図１のように永久磁石１７を第１中間電極１３から離れた位置に配置する。この状態で電源２９から複合陰極１１と陽極１２間に電圧を印加し、複合陰極１１にグロー放電を開始させる。これにより、複合陰極１１の近傍には図６の合成磁場３０４が印加されているため、複合陰極１１の近傍に放電ガスの電離イオンが収束し、効率よく複合陰極１１に衝突して複合陰極１１を加熱する。この加熱により、複合陰極１１はアーク放電に移行し、高密度プラズマ２８が図２のように生成される。

アーク放電移行後には、オペレータが永久磁石１７を図３のように第１中間電極１３に近づけた位置に移動させる。これにより、永久磁石１７と第１および第２中間電極１３，１４の合成磁場は、図４のようになり、複合陰極１１と第１中間電極１３との中間で磁場がゼロになる。よって、この位置でプラズマが拡散されるため、電離イオンにより複合陰極１１がスパッタリングされる現象を抑制することができる。

成膜室２１に引き出されたプラズマ２８に対して、導入管２７により原料ガス２６を供給することにより、基板２４に反応生成物が堆積され、成膜が行われる。

本実施の形態の直流高密度プラズマ源を用いた場合には、電圧印加開始から３０秒程度でアーク放電に移行することができる。比較のために、従来の図７のプラズマ源を用いて同様の条件でプラズマを発生させたところ、電圧印加開始からアーク放電への移行までに３分を要した。これにより、本実施の形態のプラズマ源は大幅に時間を短縮することができることが確認できた。

また、本実施の形態の直流高密度プラズマ源は、第１および第２中間電極１３，１４のいずれにも電磁石１５，１６を内蔵する構成であるため、第１および第２中間電極１３，１４の間の磁場は、図７の従来例と比較すると、図６のように十分大きく、第１および第２中間電極１３，１４の間でプラズマが拡散しない。よって、第１および第２中間電極１３，１４間での異常放電を防止することができる。これにより、第１および第２中間電極１３，１４間に配置されている絶縁リング２２の加熱を防止でき、真空リークを防止できるという効果も得られる。

なお、上述の実施の形態では、永久磁石１７をオペレータが移動させる構成であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、永久磁石１７を移動させるモータ等の駆動手段を配置し、電源２９の制御等を行う制御部が駆動手段を制御することによって永久磁石１７を移動させる構成にすることも可能である。

また、本実施の形態では、成膜装置としてプラズマＣＶＤ装置について説明したが、本実施の形態のプラズマ源を用いて他の成膜装置や処理装置を構成することも可能である。例えば、イオンプレーティング装置やスパッタリング装置等の蒸着装置や、プラズマ処理装置を構成することができる。

なお、上記実施の形態では、第１および第２中間電極１３，１４とこれに内蔵する電磁石１５，１６、ならびに、永久磁石１７をいずれも円環状にした場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、中央に開口を有する四角形等の多角形や、分割された環状にすることも可能である。

本実施の形態の直流高密度プラズマ源の構成を示すブロック図。 図１のプラズマ源を用いた成膜装置の全体構成を示すブロック図。 図１のプラズマ源の永久磁石１７を移動させた状態を示すブロック図。 図３の位置の永久磁石１７および電磁石１５，１６によって形成される合成磁場の軸方向についての強度分布を示すグラフ。 （ａ）図１のプラズマ源の永久磁石１７によって生じる磁場の向きを示す説明図、（ｂ）図１のプラズマ源の電磁石１５，１６によって生じる磁場の向きを示す説明図。 図１の位置の永久磁石１７および電磁石１５，１６によって形成される合成磁場の軸方向についての強度分布を示すグラフ。 従来の直流高密度プラズマ源の構成を示すブロック図。 図７のプラズマ源の永久磁石７および電磁石８によって形成される合成磁場の軸方向についての強度分布を示すグラフ。

符号の説明

１…複合陰極、２…放電ガス、３…電源、４…陽極、５…第１中間電極、６…第２中間電極、５…永久磁石、６…電磁石、１１…複合陰極、１２…陽極、１３…第１中間電極、１４…第２中間電極、１５、１６…電磁石、１７…永久磁石、１８…プラズマ生成室、１９…軸方向、２０…ガイド、２２…絶縁リング、２３…Ｏリング、２４…基板、２５…ホルダー、２６…原料ガス、２７…原料ガス導入管、２８…プラズマ、２９…電源、３０…放電ガス、３１…導入口、３２、３３…抵抗、８１…永久磁石５の形成する磁場、８２…電磁石６の形成する磁場、８３…合成磁場、３０１…電磁石１５の形成する磁場、３０２…電磁石１６の形成する磁場、３０３…永久磁石１７の形成する磁場、３０４…合成磁場。

Claims (5)

1. 軸方向に沿って順に配置された、陰極と、中間電極と、陽極とを有するプラズマ源であって、
   前記中間電極の内部には、電磁石が配置され、
   前記陰極の外周側には永久磁石が配置され、該永久磁石は前記軸方向に沿って可動であると共に、前記中間電極に近い第１の位置と、前記中間電極から離れた第２の位置とに少なくとも配置可能であり、
   前記第１の位置に前記永久磁石を配置した場合、該永久磁石の形成する磁場の軸方向成分と前記電磁石が形成する磁場の軸方向成分とが前記陰極と前記中間電極との間の所定位置で打ち消し合うことを特徴とするプラズマ源。
2. 請求項１に記載のプラズマ源において、前記陰極の外側にはガイド部材が配置され、前記永久磁石は環状であり、前記ガイド部材に沿って前記軸方向に移動することを特徴とするプラズマ源。
3. 請求項１または２に記載のプラズマ源において、前記中間電極は、前記軸方向に沿って配置された第１および第２中間電極からなり、前記第１および第２中間電極の内部にはそれぞれ前記電磁石が配置されていることを特徴とするプラズマ源。
4. プラズマ導入口を備えた成膜室と、プラズマ源とを有する成膜装置であって、
   前記プラズマ源は、前記プラズマ導入口に取り付けられた陰極および中間電極と、前記成膜室の内部に配置された陽極とを有し、
   前記中間電極の内部には、電磁石が配置され、
   前記陰極の外周側には永久磁石が配置され、該永久磁石は前記プラズマ導入口の軸方向に沿って可動であると共に、前記中間電極に近い第１の位置と、前記中間電極から離れた第２の位置とに少なくとも配置可能であり、
   前記第１の位置に前記永久磁石を配置した場合、該永久磁石の形成する磁場の軸方向成分と前記電磁石が形成する磁場の軸方向成分とが前記陰極と前記中間電極との間の所定位置で打ち消し合うことを特徴とする成膜装置。
5. プラズマを用いて、膜を製造する方法であって、
   陰極と、電磁石を内蔵する中間電極と、陽極とを有するプラズマ源を用い、前記陰極の外周部の前記中間電極から離れた第１の位置に永久磁石を配置し、前記電磁石からの磁場を前記陰極と中間電極との間に生じさせた状態で前記陰極と前記陽極間にグロー放電を生じさせ、
   前記陰極の放電がアーク放電に移行した後、前記永久磁石を前記中間電極に近い第２の位置に移動させることにより、前記陰極と中間電極との間で、前記電磁石の磁場の軸方向成分を前記永久磁石の磁場の軸方向成分により打ち消し、その状態で前記陰極から引き出されたプラズマを用いて成膜を行うことを特徴とする膜の製造方法。

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