JP5006809B2 - プラズマガン - Google Patents

Description

本発明はプラズマガンに関する。

プラズマ成膜装置に用いられているプラズマガンには、複合陰極型のプラズマガン、圧力勾配型のプラズマガンおよびこれらを組み合わせたデュアルタイプのプラズマガンなどがある。

この中で、デュアルタイプのプラズマガンは、複合陰極型のプラズマガンの利点と圧力勾配型のプラズマガンの利点を併せ持つので、真空成膜技術の分野で多用されている。例えば、特許文献１には、従来のデュアルタイプのプラズマガンの一例が記載されている。

図２は、従来のプラズマ成膜装置用のプラズマガンの構成例を模式的に示した断面図である。図２では、プラズマガン２００が、真空槽２０９の側壁に取り付けられた状態が図示されている。なお、図２に示すように、プラズマガン２００の中間電極２０１、２０２は、適宜のボルト孔、ネジ孔およびボルトを用いて、真空槽２０９に取り付けることができるが、ここでは、これらの中間電極２０１、２０２の取り付け構成の詳細な説明は省略する。

ここで、従来のプラズマガン２００においては、図２に示すように、真空槽２０９と中間電極２０２との間の絶縁性および気密性を確保する目的で、真空槽２０９の壁と中間電極２０２との間の隙間に、円環状の一対のシール部材２５２Ａ（例えばＯリング）を有する絶縁リング２５２が配されている。同様に、中間電極２０２と中間電極２０１との間の絶縁性および気密性を確保する目的で、中間電極２０２と中間電極２０１との間の隙間にも、円環状の一対のシール部材２５１Ａ（例えばＯリング）を有する絶縁リング２５１が配されている。

ところで、このようなプラズマガンでは、中間電極用の絶縁リングのシール部材が、プラズマ損傷を受け易いことが従来から問題視されており、このようなシール部材のプラズマ損傷に対する対応策がすでに提案されている（例えば、特許文献２参照）。

この特許文献２では、中間電極用の絶縁リングの内面に接するように、耐熱性を有する環状の絶縁カラーが配されている。このような絶縁カラーを用いると、絶縁リングのシール部材がプラズマにより生じる放熱から適切に保護できるとされている。
特開平１１−３１５３７１号公報 特開２００１−１４３８９５号公報（図７、図８）

しかしながら、特許文献２に記載されたシール部材のプラズマ損傷防止策では、耐熱性の絶縁カラーと絶縁リングとの間が真空断熱構造となっていないので、絶縁カラーでのシール部材の遮熱の有効性に疑問が残る。例えば、プラズマガンの大電流放電時（アーク放電時）においては、プラズマの放熱による絶縁カラーを介したシール部材への伝熱を無視できないと考えられる。よって、特許文献２に記載のシール部材の遮熱技術には、未だ改善の余地がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電極絶縁用絶縁体のシール部材でのプラズマ損傷を適切に防止できるプラズマガンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、プラズマを形成可能なカソードユニットと、前記プラズマを引き出せる第１通孔が形成された板状の第１電極と、前記第１通孔の中心軸と軸を合わせた第２通孔が形成され、前記中心軸において前記第１電極と並んでいる板状の第２電極と、前記第１電極および前記第２電極間に配され、前記第１電極および前記第２電極間の空間領域を気密に保つように構成された環状の絶縁体と、前記第１通孔または前記第２通孔に配された導電性の筒体と、を備え、前記筒体が、前記空間領域を跨ぐように前記中心軸に沿って延在している、プラズマガンを提供する。
また、ここで、前記筒体は、前記第１通孔に配された第１筒体と、前記第２通孔に配された第２筒体と、を備え、前記第１筒体の先端部が、前記第２筒体の内側にまで延びていてもよい。

このような筒体を用いると、当該筒体においてプラズマの遮断効果が適切に発揮できるので、絶縁体のシール部材での様々なプラズマ損傷（荷電粒子の衝突による損傷やプラズマの放熱による熱的損傷など）を抑制できる。

また、本発明は、プラズマを形成可能なカソードユニットと、前記プラズマを引き出せる第１通孔が形成された板状の第１電極と、前記第１通孔の中心軸と軸を合わせた第２通孔が形成され、前記中心軸において前記第１電極と並んでいる板状の第２電極と、前記第１電極および前記第２電極間に配され、前記第１電極および前記第２電極間の空間領域を気密に保つように構成された環状の絶縁体と、前記絶縁体の内側の、前記第１電極または前記第２電極の主面に配された絶縁性のリングと、を備え、前記リングが、前記絶縁体との間で、前記空間領域からなるクリアランスを形成している、プラズマガンも提供する。

このようなクリアランスの形成により、絶縁体とリングとの間を真空断熱構造とすることができる。よって、このようなリングを用いると、当該リングにおいてプラズマ遮断効果が適切に発揮されるので、絶縁体のシール部材での様々なプラズマ損傷（荷電粒子の衝突による損傷やプラズマの放熱による熱的損傷など）を防止できる。

なお、前記リングを、前記第１電極および前記第２電極のうちの一方との間に隙間を開けて、前記第１電極および前記第２電極のうちの他方の主面に接触させてもよい。

このような隙間を形成すると、リングの表面に、プラズマによって生成された金属粒子が付着しても、第１電極および第２電極間を、当該金属粒子からなる堆積膜により短絡し難くできる。

本発明によれば、電極絶縁用絶縁体のシール部材でのプラズマ損傷を適切に防止できるプラズマガンが得られる。

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態によるプラズマガンの構成例を模式的に示した断面図である。

図１に示すように、プラズマガン１００は、スパッタリングなどの真空成膜に利用可能なプラズマが形成されるカソードユニット１と、このプラズマの真空槽４の内部への輸送を制御できる第１および第２中間電極２、３と、を備える。

なお、図１では、枠体１０、蓋部材１４、第１および第２中間電極２、３の中心軸２０１の矢印方向が、プラズマの輸送方向を表している。

まず、カソードユニット１の構成について説明する。

カソードユニット１は、耐熱ガラス製の円筒状の枠体１０と、円板状の蓋部材１４とを備えており、カソードユニット１の内部は、放電空間１１として機能している。この枠体１０は、適宜の固定手段（ボルトなど；図示せず）により、第１中間電極２および蓋部材１４との間で気密に配されている。このため、第１中間電極２の通孔４２（後述）を介して、放電空間１１で生成されたプラズマをカソードユニット１から外部に引き出すことができる。

上述の蓋部材１４には、蓋部材１４の中心部を気密的に貫通して、枠体１０の中心軸２０１の矢印方向に延びるタンタル（Ｔａ）製の円筒状の補助陰極１８が配されている。この補助陰極１８の基端部は、アルゴン（Ａｒ）ガス（放電ガス）用のタンク（図示せず）と適宜の配管（図示せず）により連通されており、補助陰極１８の先端からＡｒガスが放電空間１１内に供給される。

補助陰極１８の先端近傍の外周面には、６ホウ化ランタン（ＬａＢ₆）製の円環状の主陰極１９が設けられている。このような補助陰極１８と主陰極１９によって、カソード２０が構成されている。カソード２０は、適宜な配線により、直流電源からなる主電源（図示せず）の負極と抵抗体（図示せず）を介して電気的に接続されている。このようなカソード２０を用いたアルゴンガスの放電により、放電空間１１に適宜のプラズマが形成される。

また、蓋部材１４の内面には、蓋部材１４の中心軸２０１と同軸状に、この中心軸２０１の矢印方向に延びるモリブデン製またはタングステン製の保護部材２２が配されている。この保護部材２２は、補助陰極１８よりも径の大きい円筒状に構成されている。そして、保護部材２２の先端には、タングステン製の円環状の窓部材２３が設けられている。この保護部材２２と窓部材２３により、カソード２０がプラズマから保護されている。

次に、第１および第２中間電極２、３の取り付けの構造について説明する。

第１中間電極２と第２中間電極３との間を絶縁できるよう、第１中間電極２と第２中間電極３との間の空間領域１０１に、円環状の第１絶縁リング５１（絶縁体）が配されている。この第１絶縁リング５１は、第１中間電極２および第２中間電極３のそれぞれに当接する一対の円環状のシール部材５１Ａ（例えばＯリング）を有し、これらのシール部材５１Ａにより、第１中間電極２と第２中間電極３との間の空間領域１０１が適切に真空シールされている。

また、第１中間電極２および第２中間電極３間の空間領域１０１には、図１に示すように、絶縁性かつ耐熱性（例えばセラミック製）を有する保護リング５０が配されている。

この保護リング５０は、第１絶縁リング５１とは接触せずに、第１絶縁リング５１の内側において円環状に形成されている。つまり、保護リング５０の外径は、第１絶縁リング５１の内径よりも小さくなっている。これにより、第１絶縁リング５１と保護リング５０との間に空間領域１０１からなる適切なクリアランスを設けることができる。その結果、第１絶縁リング５１と保護リング５０との間を真空断熱構造とすることができる。よって、このような保護リング５０を用いると、当該保護リング５０においてプラズマ遮断効果（例えば、遮熱効果）が適切に発揮されるので、第１絶縁リング５１のシール部材５１Ａでの様々なプラズマ損傷（荷電粒子の衝突による損傷やプラズマの放熱による熱的損傷など）を防止できる。

また、本実施形態では、保護リング５０は、図１に示すように、第２中間電極３との間に所定の隙間５０Ａを開けて、第１中間電極２に埋設されている。具体的には、第１中間電極２の主面に形成された環状の凹部に、保護リング５０が圧入され、これにより、保護リング５０は、第１中間電極２に適切に支持されている。

このようにして、保護リング５０と第２中間電極３との間に隙間５０Ａを形成すると、保護リング５０の表面に、プラズマによって生成された金属粒子が付着しても、第１中間電極２および第２中間電極３間を、当該金属粒子からなる堆積膜により短絡し難くできて、都合がよい。

なお、保護リング５０の代わりにあるいは保護リング５０とともに、同種の保護リング（図示せず）を、第１絶縁リング５１の内側において、第１中間電極２との間に所定の隙間を開けて、第２中間電極３側に埋設してもよい。この構成により、同様の電極短絡防止効果が得られる。なお、保護リング５０とともに、上述の同種の保護リングを追加する場合には、両者の間に適宜のクリアランスを設けて、互い違いに配置するとよい。

また、本実施形態では、図１に示すように、第２中間電極３と真空槽４の間を絶縁できるよう、第２中間電極３および真空槽４間の空間領域１０２にも、円環状の第２絶縁リング５２（絶縁体）が配されている。そして、この第２絶縁リング５２は、第２中間電極３および真空槽４のそれぞれに当接する一対の円環状のシール部材５２Ａ（例えばＯリング）を有し、これらのシール部材５２Ａにより、第２中間電極３および真空槽４間の空間領域１０２が適切に真空シールされている。よって、当該空間領域１０２に、保護リング５０と同じ類の保護リング（図示せず）を設けてもよい。このような保護リングを用いると、当該保護リングにおいてプラズマの遮断効果が適切に発揮されるので、第２絶縁リング５２のシール部材５２Ａでの様々なプラズマ損傷（荷電粒子の衝突による損傷やプラズマの放熱による熱的損傷など）を防止できる。

なお、第１および第２中間電極２、３の主面の周縁部には、複数の貫通孔２９が設けられ、これらの貫通孔２９には、ボルト３０が適宜の絶縁カラーを介して挿通されている。そして、ボルト３０の先端部は、真空槽４の側壁に形成されたねじ孔３１に螺入されている。このようにして、第１および第２中間電極２、３を、絶縁性および気密性を保つようにして、真空槽４の側壁に取り付けることができる。

次に、第１および第２中間電極２、３のそれぞれの構成について説明する。

第１および第２中間電極２、３は、図１に示すように、中央部に円柱状の通孔４２、４３（開口部）を有する板状（ここでは、円板状）に形作られている。

これらの第１および第２中間電極２、３は、第１中間電極２の通孔４２（ここでは、ねじ孔）および第２中間電極３の通孔４３（ここでは、通し孔）の互いの中心軸２０１が一致するように、上述の空間領域１０１を隔てて中心軸２０１において並んで配置されている。

また、第１および第２中間電極２、３は共に、図１に示すように、中空構造となっており、第１中間電極２の内部には、永久磁石２７が配され、第２中間電極３の内部には、電磁コイル２８が配されている。これらの永久磁石２７や電磁コイル２８の作る磁界により、プラズマの輸送が適切に制御されているが、第１および第２中間電極２、３の中空内部構造は公知なので、これらの構造の詳細な説明は省略する。

第１および第２中間電極２、３の通孔４２、４３内には、導電性および耐熱性（例えば、タングステン、タンタル、モリブデンなどの高融点金属製）を有する保護パイプ２５、２６（筒体）がそれぞれ、図１に示すように嵌挿されている。これらの保護パイプ２５、２６により、第１および第２中間電極２、３の耐熱性を向上できる。

ここで、保護パイプ２５は、円筒状の本体部２５Ａと、外周面が先細りのテーパ状にカットされている略円筒状の先端部２５Ｂとを備える。そして、本体部２５Ａの外周面はねじ切りされており、これにより、保護パイプ２５を第１中間電極２の通孔４２（ねじ孔）に螺着できる。

図１に示すように、保護パイプ２５の本体部２５Ａの長さ（中心軸２０１における長さ）は、第１中間電極２の厚みと略同一となっているので、本体部２５Ａの全体を通孔４２に通すと、保護パイプ２５の先端部２５Ｂを、第１および第２中間電極２、３間の空間領域１０１に延在させることができる。このような保護パイプ２５（先端部２５Ｂ）を用いると、当該保護パイプ２５（先端部２５Ｂ）においてプラズマの遮断効果が適切に発揮できるので、第１絶縁リング５１のシール部材５１Ａでの様々なプラズマ損傷（荷電粒子の衝突による損傷やプラズマの放熱による熱的損傷など）を抑制できる。

本実施形態では、保護パイプ２５（先端部２５Ｂ）は、第２中間電極３の保護パイプ２６の端近傍にまで至るように（つまり、空間領域１０１を跨ぐように）、中心軸２０１の矢印方向に延びているが、当該先端部２５Ｂが保護パイプ２６の内側にまで更に延びて、両パイプ２５、２６が、両者間の絶縁性を保てる範囲において互いにラップするように構成してもよい。こうすると、第１絶縁リング５１の全体をプラズマに適切かつ充分に曝され難くできて、都合がよい。但し、保護パイプ２５（先端部２５Ｂ）を保護パイプ２６の内側奥深くまで延在させ過ぎると、第２中間電極３を用いたプラズマ制御機能領域が狭くなるので、当該延在距離には自ずと限界がある。

なお、図示を省略するが、保護パイプ２５を中心軸２０１の矢印方向に、空間領域１０１を跨ぐように延在させる代わりに、保護パイプ２６を中心軸２０１の矢印方向と逆向きに、空間領域１０１を跨ぐように延在させてもよい。同様に、図示を省略するが、保護パイプ２６を中心軸２０１の矢印方向に、第２中間電極３および真空槽４間の空間領域１０２を跨ぐように延在させ、空間領域１０２に配された第２絶縁リング５２のシール部材５２Ａをプラズマ損傷から保護するように構成してもよい。但し、以上の場合は、保護パイプ２５と同様に、保護パイプ２６を、第２中間電極３の通孔４３にねじ切り加工を施した上で、通孔４３に螺着させる方が好ましい。

また、本実施形態では、保護リング５０および保護パイプ２５（先端部２５Ｂ）の両方を併用して、シール部材５１Ａのプラズマ損傷防止効果を重畳的に発揮できる構成例を述べているが、これらの保護リング５０および保護パイプ２５（先端部２５Ｂ）を、それぞれ個別に用いてもよい。つまり、保護リング５０単独でもシール部材５１Ａのプラズマ損傷を防止でき、保護パイプ２５（先端部２５Ｂ）単独でもシール部材５１Ａのプラズマ損傷を防止できる。

本発明のプラズマガンは、電極絶縁用絶縁体のシール部材でのプラズマ損傷を適切に防止でき、例えば、スパッタリング装置などのプラズマ成膜装置用のプラズマ源として利用できる。

本発明の実施形態によるプラズマガンの構成例を模式的に示した断面図である。 従来のプラズマ成膜装置用のプラズマガンの構成例を模式的に示した断面図である。

符号の説明

１ カソードユニット
２ 第１中間電極
３ 第２中間電極
４ 真空槽
１０ 枠体
１１ 放電空間
１４ 蓋部材
１８ 補助陰極
１９ 主陰極
２０ カソード
２２ 保護部材
２３ 窓部材
２５、２６ 保護パイプ（筒体）
２７ 永久磁石
２８ 電磁コイル
２９ 貫通孔
３０ ボルト
３１ ねじ孔
４２、４３ 通孔
５０ 保護リング
５０Ａ 隙間
５１ 第１絶縁リング（絶縁体）
５１Ａ 第１絶縁リングのシール部材
５２ 第２絶縁リング（絶縁体）
５２Ａ 第２絶縁リングのシール部材
１００ プラズマガン

Claims (4)

1. プラズマを形成可能なカソードユニットと、
   前記プラズマを引き出せる第１通孔が形成された板状の第１電極と、
   前記第１通孔の中心軸と軸を合わせた第２通孔が形成され、前記中心軸において前記第１電極と並んでいる板状の第２電極と、
   前記第１電極および前記第２電極間に配され、前記第１電極および前記第２電極間の空間領域を気密に保つように構成された環状の絶縁体と、
   前記第１通孔または前記第２通孔に配された導電性の筒体と、を備え、
   前記筒体は、前記空間領域を跨ぐように前記中心軸に沿って延在している、プラズマガン。
2. 前記筒体は、前記第１通孔に配された第１筒体と、前記第２通孔に配された第２筒体と、を備え、
   前記第１筒体の先端部が、前記第２筒体の内側にまで延びている、請求項１に記載のプラズマガン。
3. 前記絶縁体の内側の、前記第１電極または前記第２電極の主面に配された絶縁性のリングと、を備え、
   前記リングは、前記絶縁体との間で、前記空間領域からなるクリアランスを形成している、請求項１または２に記載のプラズマガン。
4. 前記リングは、前記第１電極および前記第２電極のうちの一方との間に隙間を開けて、前記第１電極および前記第２電極のうちの他方の主面に接触している、請求項３に記載のプラズマガン。

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