JP5688996B2 - プラズマ源及びこのプラズマ源を備えた成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィルム、シート、板状または曲面のパーツなどさまざまな形状の成膜対象物に成膜する際に用いられるプラズマ源、及びこのプラズマ源を用いて成膜を行う成膜装置に関するものである。

従来、プラズマをフィルムなどの成膜対象物へ照射しつつ、ＨＭＤＳＯなどの原料ガスを供給してこれをプラズマによって分解し、成膜対象物上にＳｉＯｘＣｙなどの組成物を堆積させる成膜処理が知られている。この成膜処理で用いられるプラズマ源としては、特許文献１に開示されたものがある。またプラズマ源と類似した構造でプラズマ発生を伴うスパッタ電極として、特許文献２や３に開示されたものがある。

特許文献１に記載されたプラズマ発生源では、中空部内にマグネトロン放電領域を得るべく、カソードの外側面を全周にわたって磁石で囲み、さらにヨークによって磁石の外側面と、カソードの外側面及び背面とを覆っている。
特許文献２に記載されたスパッタ電極は、スパッタ装置にてプラズマを発生させるためのマグネトロンスパッタ電極である。この電極は、開口に向かって断面積が大きくなるように形成した中空部を備えたターゲット（陰極）と、このターゲットの背面に配置された磁石と、この磁石及びターゲットの外側面及び背面を覆うヨークとを有している。

このような構成によって、ターゲットの中空部における内側面全周でマグネトロン放電が発生し、中空部内に効率よく放出電子を閉じこめることが可能となって、プラズマ生成ガスのガス圧を下げることができ、プラズマ濃度が高くなる。
また、特許文献３に開示されたスパッタ装置は、中空部内でプラズマを発生させるものであり、中空部を有するターゲットの外側面の全周にわたって磁石が配備されており、この磁石は、極性の向きが成膜対象物に向かうように配置されている。

特表２００６−５００７４０号公報 特許第３０６９１８０号公報 特開２００１−８１５５０号公報

上述したように、成膜対象物に対する成膜処理に関して、種々のプラズマを発生させるプラズマ発生源が提案されているが、その一方で、これらのプラズマ発生源では、中空部から外部に延びる磁力線が少ない等の理由により、プラズマを成膜対象物に向かって遠方まで導くことができないという問題がある。
例えば、特許文献１のプラズマ発生源では、ヨークにより磁力線の大部分がプラズマ源内に閉じ込められているため、プラズマ源から離れた成膜対象物の近傍では十分な磁束密度を備えておらず、遠方の成膜対象物に対しては十分に成膜が行えない可能性がある。

また、特許文献２に記載されたスパッタ電極では、背面磁石のＮ極から出た磁力線は、中空部を通過したのちヨークを介して背面磁石のＳ極に戻る。このとき、Ｎ極から出た磁力線の一部は中空部を通過する前から広がって発散しており、成膜対象物での磁束密度は特許文献１同様に大きくならない。
さらに、特許文献３に記載されたスパッタ装置でも、磁力線が成膜対象物側に指向されるものではなく、遠方にまでプラズマを照射可能な装置と言えるものではない。

すなわち、特許文献１〜特許文献３のプラズマ発生源およびスパッタ電極は、いずれも大きな磁束密度を保ったまま成膜対象物に対して磁力線を照射できるものではなく、プラズマを遠方の成膜対象物まで導けるものではない。
さらに、特許文献２や３のスパッタ電極は、プラズマを衝突させてターゲット物質を積極的に飛ばすスパッタ装置用であるため、カソードのターゲット物質を外部へ流出させる構造（ターゲット物質が外部に飛び出やすい構造）となっている。

それゆえ、特許文献２、３のスパッタ電極には、遠方にまでプラズマを照射させにくいという問題に加えて、陰極（カソードやターゲット）を構成する物質がプラズマ発生源から外側へ流出しやすいために、陰極が消耗しやすく、かつ処理対象に陰極を構成する物質が混入しやすいという問題もあった。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、発生したプラズマをプラズマ源から遠方まで導くことができ、カソード物質をプラズマ源から流出しにくくして陰極の過度な消耗と処理対象への陰極構成物質の混入を抑えることができるプラズマ源及びこのプラズマ源を用いた成膜装置を提供するものである。

前記目的を達成するため、本発明は次の技術的手段を講じている。
すなわち、本発明のプラズマ源は、プラズマを前面側から照射するカソードと、該カソードの背面側に配置された背面磁石と、前記カソードの外周を取り囲むように配置された外周磁石とを有するプラズマ源において、前記カソードには、該カソードの前面側に開口した中空部が設けられ、前記背面磁石及び外周磁石は、カソード側に対面する磁極がすべて同極とされていることを特徴とする。

言い換えるならば、本発明の背面磁石及び外周磁石は、その磁極の向き（磁石内においてＳ極からＮ極へ向かう矢印Ｆ）がいずれもカソード側に向くかカソードに背を向けるようになっている。このように互いに同じ磁極がカソード側を向くように背面磁石や外周磁石を配備すれば、発生する磁力線は下記のようになる。
まず、カソードの近傍では発散が少なく、カソードの側面と平行に近い磁力線となり、磁束密度は高くなる。その結果、カソードの内面を周回する無限軌道を形成する高密度のマグネトロン放電において、カソードの底面付近の割合が減少し、カソード側面（上下左右の面）付近の割合が増加し、そのプラズマ密度も増加する。マグネトロン放電によりカソード物質がスパッタされるが、その飛行方向はカソード面の法線方向の比率が高くなることが知られている。つまり、カソード底面よりスパッタされるカソード物質は底面の法線方向であるカソード前面側への比率が高くなり、カソード側面よりスパッタされるカソード物質は側面の法線方向である対向する側面への比率が高くなる。つまり、カソード底面付近のマグネトロン放電の割合が減少し、カソード側面（上下左右の面）付近の割合が増加すれば、スパッタによりカソードの前面側へ飛行するカソード物質の量を減らすことができる。これにより、カソード物質をプラズマ源から流出しにくくして陰極の過度な消耗と処理対象への陰極構成物質の混入を抑えることができる。

また、プラズマ源から成膜対象物の間でも発散が少ない磁力線となり、磁束密度は高くなる。その結果、離れた位置にある成膜対象物にもプラズマが届くようになる。
当然、真空チャンバ内や成膜対象物でのプラズマ濃度を高くすることができるので、皮膜の成膜速度が大きくなり生産性が高くなるし、真空チャンバ内が比較的低圧な状態でもプラズマを発生させることが可能となり、このプラズマ源を成膜装置に利用した場合の生産効率や利便性も良くなる。

このようなプラズマ源としては、具体的に以下の構成を備えたものを採用することができる。
好ましくは、カソードの中空部は、プラズマの照射方向に沿った断面において対向する内側面が互いに略平行となるように形成してもよい。
また、カソードの中空部の内側面付近を通る磁力線が中空部の内側面と略平行となるように、背面磁石及び外周磁石を配置してもよい。

このように、カソードの中空部の内側面付近を通る磁力線をカソード中空部の内側面と略平行とすることで、カソードの内面を周回する無限軌道を形成する高密度のマグネトロン放電において、カソードの底面付近の割合がほぼなくなり、カソードの側面（上下左右の面）のみ、またはカソードの側面のみに近くなる。カソードの底面近傍でのマグネトロン放電が無くなれば、カソード底面からカソード前面側へスパッタされるカソード物質が無くなるので、カソード物質がプラズマ源の外部へ流出することや、流出したカソード物質が混入して成膜した皮膜の膜質を低下させることを防止することができる。

ここで、「略平行」とは、完全に平行な場合に加えて、多少平行度がずれている場合も含む。完全に平行であることが望ましいが、数度程度平行度がずれていても、本発明の作用効果を問題なく達成することができる。
好ましくは、前記カソードの中空部は、長尺の溝状であるとよい。
成膜対象物がシートやフィルムのように帯状に形成されている場合や板状または曲面のパーツなどを搬送しながら成膜する場合は、このようにプラズマを長尺状にすることで、幅のある成膜対象物に対する成膜を容易に行うことが可能になるからである。

さらに好ましくは、前記カソードの中空部の開口が、当該中空部の内側の幅より狭い幅となっているとよい。また、この開口した部分に、開口部分を絞る絞り部材を設けてもよい。
このように中空部の前方に中空部より小さな開口を有する部材（絞り部材）を設ければ、絞り部材によってカソード物質がプラズマ源から流出することや流出したカソード物質が混入して皮膜の膜質を低下させることを防止することも可能となる。また、絞り部材をカソードと別部材にすれば、絞り量を変更することが容易であり、さらにメンテナンスの際の交換作業も容易になる。

次に、本発明に係る成膜装置は、上述したプラズマ源を有していることを特徴とする。
好ましくは、前記プラズマ源と対向するように配置された対向磁石を有していて、この対向磁石とプラズマ源との間に成膜対象物が配置され、対向磁石は、極性の向きがプラズマ源の背面磁石における極性の向きと同じ向きとなるように配置されているとよい。
このように対向磁石を配置することで、プラズマを成膜対象物の表面に導くことができ、成膜効率を向上することができる。

本発明のプラズマ源及びこのプラズマ源を有する成膜装置によれば、プラズマをプラズマ源から遠方まで導くことができ、カソード物質をプラズマ源から流出しにくくして陰極の過度な消耗と処理対象への陰極構成物質の混入を抑えることができる。

（ａ）は本発明のプラズマ源の正面図であり、（ｂ）は側面図である。 図1のｘｙ平面（ｚ＝０）を通る断面図である。 比較例１のプラズマ源の磁力線分布図である。 比較例２のプラズマ源の磁力線分布図である。 実施例１のプラズマ源の磁力線分布図である。 実施例２のプラズマ源の磁力線分布図である。 比較例１、実施例１及び実施例２におけるＹ＝１０ｍｍ、Ｚ＝０ｍｍ地点での磁束密度を示すグラフである。 比較例１、実施例１及び実施例２におけるＹ＝０ｍｍ、Ｚ＝０ｍｍ地点での磁束密度を示すグラフである。 本発明のプラズマ源を備えた成膜装置の第一の実施形態の概要図である。 本発明のプラズマ源を備えた成膜装置の第二の実施形態の概要図である。 本発明のプラズマ源を備えた成膜装置の第三の実施形態の概要図である。 本発明のプラズマ源を備えた成膜装置の第四の実施形態の概要図である。 本発明のプラズマ源をケースで囲った場合の例を示す概要図である。 本発明のプラズマ源をケースで囲った場合の他の例を示す概要図である。

以下、本発明に係るプラズマ源及びこのプラズマ源を備えた成膜装置の実施形態を、図面を基に説明する。
なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
図１及び図２に示すように、成膜装置２に備えられたプラズマ源１は、例えばフィルムやシートなどの帯状基材（成膜対象物Ｗ）に対してＣＶＤ皮膜などを成膜するためのプラズマを発生させるものである。プラズマ源１は、成膜対象物Ｗに対応した幅に開口する中空部３でプラズマを発生させるカソード４と、このカソード４の背面に配置された背面磁石５と、カソード４の外周を囲むように配置された外周磁石６とを有している。

以降の説明において、図１（ｂ）において矢印ｘで示される方向を、プラズマ源１及び成膜装置２を説明する際の前方または前面側、矢印ｘの逆方向を後方または後面側（背面側）という。また、図１（ａ）において矢印ｙで示される方向を、プラズマ源１及び成膜装置２を説明する際の右側、矢印ｙの逆方向を左側という。さらに、図１（ａ）及び図１（ｂ）において矢印ｚで示される方向を、プラズマ源１及び成膜装置２を説明する際の上側、矢印ｚの逆方向を下側という。

図１及び図２に示すように、カソード４は、プラズマを発生させるのに必要なマグネトロン放電を表面近傍で起こすための電極（陰極）である。カソード４は、左右方向の幅に比べて上下方向の長さが長い有底筺状の電極であり、その前面は前方に向かって長方形状に開口している。そして、この開口したカソード４の内部にはマグネトロン放電を発生させることができる中空部３が形成されている。

中空部３は、上下方向、すなわちカソード４の長手方向に沿って、カソード４の前面側に凹状に形成された長尺の溝状の空間である。中空部３は、上下方向に延び且つ面が前方を向く底壁と、この底壁の周縁から前方に向かって伸びる上下及び左右各一対の壁面とで囲まれている。
この中空部３は前面に対して開放状態とされていて、酸素などのプラズマ生成用ガスが供給可能となっており、中空部３で発生したマグネトロン放電でプラズマ生成用ガスが電離状態となって、プラズマ生成用ガスのプラズマが生起される機構となっている。このマグネトロン放電は、後述する背面磁石５と外周磁石６とによって、カソード４の底壁や側壁の近辺で周回する無限軌道１４を形成する。

その上で、中空部３で生成した酸素プラズマを成膜対象物側に向かって照射し、図示しない供給部から供給されるＨＭＤＳＯなどの原料ガスのプラズマを発生させる機構となっている。
中空部３の開口は、成膜対象物Ｗに対応した幅を有するスリット状であり、成膜対象物Ｗに対してライン状にプラズマを照射できるようになっている。

また、図１（ｂ）及び図２において矢印ｘで示される方向、つまりプラズマ源１の前方方向であるプラズマの照射方向に沿った断面において、中空部３を形成する壁面のうち、上面と下面とは互いに平行な平面状に形成されており、また左側面と右側面も互いに平行な平面状に形成されている。そして、後述するように、本願発明の特徴である背面磁石５及び外周磁石６の取り付け方向と磁極の向きとによって、これら４つの壁面のいずれとも平行に照射可能なようにプラズマの軸線（照射方向）が設定されている。

中空部３の開口の形状は一辺が長い長方形であるので、カソード側面を周回する上述のマグネトロン放電の無限軌道は、図1に符号１４で示すように、一辺が特に長い長方形の環状となる。背面磁石５及び外周磁石６が形成する磁力線により、上記の長尺の環状の無限軌道１４で発生したプラズマがそのまま外部に引き出されるので、引き出されたプラズマはシート状となる。

なお、中空部３の開口は、プラズマの照射方向に沿った断面において、中空部３の内側の幅よりも狭い幅となるように形成されてより細く狭いスリット状となるように構成されてもよい。これによって、より細く均一なシート状（スリット状）のプラズマ源を実現することができる。
背面磁石５は、カソード４の背面側（後方）にカソード４から距離をあけて配置された永久磁石である。この背面磁石５は、上下方向に沿って伸びる角棒形状の磁石７を前後方向に５本重ね合わせたものであり、重ね合わせ状態での前後方向（ｘ方向）、左右方向（ｙ方向）、上下方向（ｚ方向）の寸法はいずれもカソード４の中空部３（の内寸）より狭い幅とされている。本実施形態の背面磁石５では、５本の棒状の磁石７を重ね合わせることにより、１本だけの場合に比べて磁束密度を高めることができるようになっている。

外周磁石６は、カソード４の外周を取り囲むように配置された複数の磁石から構成されており、本実施形態では４つの磁石から構成されている。
具体的には、外周磁石６は、カソード４本体の上側の外壁面から上方に離れた位置に設けられる上側の磁石６Ｕ、カソード４本体の下側の外壁面から下方に離れた位置に設けられる下側の磁石６Ｂ、カソード４本体の左側の外壁面から左方に離れた位置に設けられる左側の磁石６Ｌ、及びカソード４本体の右側の壁面から右方に離れた位置に設けられる右側の磁石６Ｒの４つからなる。これら４つの磁石は、その外形形状がいずれも直方体状または板状とされている。

上側の磁石６Ｕについては、左右方向（ｙ方向）の幅がカソード４と略同じかやや短くなっている。また、この磁石６Ｕの前後方向（ｘ方向）の奥行きは、カソード４と略同じ長さかやや短いものとなっている。さらに、この磁石６Ｕの上下方向（ｚ方向）の高さは、背面磁石５とほぼ同じかやや短くなっている。そして、下側の磁石６Ｂは、この上側の磁石６Ｕと全く同じ外形形状となっている。

一方、右側の磁石６Ｒについては、上下方向（ｚ方向）の高さがカソード４と略同じかやや短くなっている。また、この磁石６Ｒの前後方向（ｘ方向）の奥行きは、カソード４と略同じかやや短いものとなっている。さらに、この磁石６Ｒの左右方向（ｙ方向）の幅は、背面磁石５とほぼ同じかやや短くなっている。左側の磁石６Ｌは、この右側の磁石６Ｒと全く同じ外形形状となっている。

これら４つの磁石は、いずれもカソード４の外周の表面から磁石の厚みよりやや狭い間隔だけ距離を取って配備されている。
ところで、本発明のプラズマ源１は、上述した背面磁石５及び外周磁石６の取り付け方向と磁極の向きとに特徴を備えている。この特徴的な背面磁石５及び外周磁石６の取り付け方向と磁極の向きとによって、更に磁石の形状と磁束密度を適切に選択することによって、カソード４の中空部３の壁面付近を通る磁力線が中空部３の４つの壁面のいずれとも平行ないしほぼ平行となるようにされている。つまり、この特徴とは、カソード４側に対面する磁極（Ｎ極またはＳ極）がすべて同極であり、これらの磁石のそれぞれの磁極の向きがカソード４側を向くか、あるいはカソード４側に対して背向するように配置されているというものである。

ここで、「磁極の向き」とは、磁石内において「Ｓ極からＮ極へ向かう矢印Ｆ」のことを言い、磁力線が放出される方向を示している。さらに、この「磁極の向きＦ」がカソード４側を向く又は背向するという場合には、磁極の向きＦを延長した直線とカソード４の外側壁とが垂直乃至は略垂直に交わることを意味する。
具体的には、図１に示す如く、カソード４に対面する背面磁石５の極はＮ極であり、外周磁石６を構成する４つの磁石に関しても、カソード４に対面する磁極はＮ極となっている。言い換えるならば、背面磁石５の磁極の向きはカソード４を指向していて、４つの外周磁石６の磁極の向きもそれぞれがカソード４を指すようになっている。

なお、背面磁石５と外周磁石６との磁極の向きが全く反対方向を向く場合にも、上述した本発明の特徴を満足させることができる。例えば、背面磁石５のＳ極がカソード４に対面し、４つの外周磁石６のＳ極がすべてカソード４と面していれば、磁極の向きはカソード４側に対して背向することとなり、上述した本発明の特徴を満足するからである。
次に、これら背面磁石５及び外周磁石６の取り付け方向と磁極の向きとの関係を、詳しく説明する。

例えば、図３は背面磁石５のみを設けたプラズマ源（後述する比較例１）の磁力線分布図であるが、図３に示すように、この背面磁石５では、Ｎ極が前方、Ｓ極が後方を向いていて、磁極の向きはカソード４側を向くようになっている。しかしながら、図３の例には外周磁石６が設けられていないので、上述した本発明の特徴は満たされず、図３のプラズマ源では、カソード４の後面側のＮ極から出た磁力線は中空部３に達するまでに広がって拡散し、成膜対象物Ｗでの磁束密度はそれほど高くはなっていない。なお、図３は、Ｚ＝０ｍｍ平面における磁力線分布図を示している。

図４は、外周磁石６のみを設けたプラズマ源（後述する比較例２）の磁力線分布図であるが、図４に示すように、外周磁石６をいずれもＮ極を後方に向け且つＳ極を前方に向けて配備している。この場合、外周磁石６の磁極は、カソード４と対面しておらず、磁極の向きは後方を向いていてカソード４を指向していない。この場合カソード４の内部を通る磁力線は、カソード４の前面ではプラズマ源から前方に出て行くことはなく、カソード４が絞り部材８を貫通して外周磁石６に戻っており、カソード４の内部から直接成膜対象物Ｗに向かう磁力線は存在しない。

一方、図５は、背面磁石５と外周磁石６の両方を設けたプラズマ源（後述する実施例１）の磁力線分布図である。図５に示す本発明のプラズマ源１では、前述した如く、背面磁石５はＮ極が前方を向き、Ｓ極が後方を向くように配備される。また、外周磁石６の場合は、そのＮ極がカソード４に対面し、Ｓ極がカソード４の外側を向くように配備される。このように、全ての磁極の向きがいずれもカソード４側を向くように背面磁石５と外周磁石６とを配備すれば、カソード４の近傍では、発散が少なくカソード４の側面と平行に近い磁力線となり、磁束密度は高くなる。また、プラズマ源１から成膜対象物Ｗの間でも発散が少ない磁力線となり、成膜対象物Ｗの近傍での磁束密度も高くなる。

このように互いに同じ磁極同士がいずれもカソード４側を向くように背面磁石５と外周磁石６とを配備すれば、カソード４の近傍では発散が少なく、カソード４の側面と平行に近い磁力線となり、磁束密度が高くなる。また、プラズマ源１から成膜対象物Ｗの間でも発散が少ない磁力線となり、成膜対象物Ｗの近傍での磁束密度が更に高くなるので、プラズマを成膜対象物Ｗまで更に効率よく導くことが可能となる。さらに、磁力線がカソード４の側面と平行に近いため、カソード４の内面を周回する無限軌道１４を形成する高密度のマグネトロン放電におけるカソード４の底面付近の割合が減少し、カソード４の側面（上下左右の面）付近の割合が増加する。カソード４の底面付近でのマグネトロン放電が減少すれば、カソード４の底面からカソード４の前面側へスパッタされるカソード物質が少なくなる。このため、プラズマ源１の外部へカソード物質が流出することや、流出したカソード物質が混入して成膜した皮膜の膜質を低下させることを防止することができる。

次に、図６は、背面磁石５と外周磁石６の両方を設けた他のプラズマ源（後述する実施例２）の磁力線分布図である。図６に示される本発明のプラズマ源１は、外周磁石６の厚みを増やすなどして、図５に示した外周磁石６よりも磁力を強力にしたものである。
なお、上述したように中空部３の開口そのものを細く狭いスリット状となるように構成する代わりに、カソード４の中空部３の前方に、カソード４から距離をあけて、細く狭いスリット状の開口を有する絞り部材８を設けても良い。

図５及び図６に示すように、この絞り部材８は、前後方向に沿ってスリット状に貫通した開口部９を備えている。この絞り部材８の開口部９も、プラズマの照射方向に沿った断面において、中空部３の内側の幅よりも狭い幅となるように形成されており、中空部３の開口より小さい開口面積を備えている。絞り部材８は、カソード４とは電気的に接続されておらず、カソード４の電位（カソード電位）とは異なる電位にすることが可能である。

このような絞り部材８を設ければ、中空部３からカソード４を構成する物質（カソード物質）が放出された場合であっても、この物質がプラズマ源１のさらに外部に流出することや流出したカソード物質が混入して成膜した皮膜の膜質を低下させることを防止することも可能となる。また、絞り部材８をカソード４と別部材とすることで、この絞り部材８を取り替えることで、開口部９の形状を成膜対象物Ｗの形状に合わせて変更することが容易になる。

次に、本発明のプラズマ源１の作用効果を、シミュレーション計算の結果（実施例１，実施例２）を用いて、さらに詳しく説明する。
実施例１，２及び比較例１，２のシミュレーションは、高さ３５０ｍｍ×幅２５ｍｍ×奥行３０ｍｍの中空部３を内部に備えたプラズマ源１に関するものであり、図７，８はこのプラズマ源１からの水平距離に応じて磁束密度がどのように変化するかを計算したものである。

なお、プラズマ源１に用いられる背面磁石５は、残留磁束密度が１．３５［Ｔ］の板状の磁石（高さ３５０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚み１０ｍｍ）を５枚重ね合わせたものであり、カソード４の後面からさらに後方に５ｍｍの距離だけ離れた位置に配備されている。また、外周磁石６は、カソード４の上外側面、下外側面、左外側面、右外側面からいずれも１５ｍｍの距離だけ離れた位置に配備された板状の磁石であり、いずれも残留磁束密度が１．１９５［Ｔ］の磁力を備えたものである。

一方、図３に示す比較例１は、カソード４の後面側に背面磁石５だけが設けられていて、外周磁石６が設けられていないものであり、図４に示す比較例２は、カソード４の外周側に外周磁石６だけが設けられていて、背面磁石５が設けられていないものである。なお、比較例２では、外周磁石６の取り付け方向は、磁極を前後方向に向けて配備されていて、実施例のように磁極がカソード４に対向していない。

一方、実施例１は図５に示すような磁石配置を有し、背面磁石５と外周磁石６とを互いにＮ極がカソード４に対面するように配備したものであり、図６の実施例２は、外周磁石６の厚みを実施例１の３倍にしたものである。
なお、本明細書の説明において、前後方向（ｘ方向）、左右方向（ｙ方向）、上下方向（ｚ方向）を使用しているが、この座標系の原点は、背面磁石５を構成する５枚の板状の磁石のうち、最もカソード４側に配備された板状の磁石の中心位置を基準として定められている。

図３に示される比較例１を見ると、比較例１ではカソード４の後面側のＮ極から出た磁力線は中空部３およびプラズマ源１の前方で広がって拡散しているので、成膜対象物Ｗでの磁束密度は実施例のものほど高くはなっていない。また、中空部３内の磁力線はカソード４の底面と側面の境界付近で閉じているので、マグネトロン放電の周回位置は図３の１４に示すようにカソード底面と側面の境界付近となる。

また、図４に示される比較例２を見ても、カソード４の内部を通る磁力線が、カソード４の前面でプラズマ源１から前方に出て行くことはなく、カソード４が絞り部材８を貫通して外周磁石６に戻っており、カソード４の内部から成膜対象物Ｗに直接向かう磁力線は存在しない。しかしながら、図５に示される実施例１では、比較例１に対して外周磁石６を追加することにより、カソード４の側面付近の磁力線が、カソード４の側面と平行に近くなり、しかも磁束密度が急増するので、中空部３内ではより強力なマグネトロン放電が起こり、電子の閉じこめ効率が急増する。また、外周磁石６の追加によって、比較例１や比較例２と比較して、中空部３からカソード４の開口部及びプラズマ源１の外部まで通じる磁力線の発散が少なくなり、磁束密度も高くなる。これによって、多くのプラズマが磁力線に沿ってプラズマ源１から離れた遠方まで導かれる。また、中空部３内の磁力線がカソード４の側面と平行に近くなっているので、マグネトロン放電の周回位置は図５の１４に示すように、図３の比較例に比べてカソード４の側面付近の比率が増す。

次に、図６に示される実施例２では、図５に示される実施例１と比較して側面磁石（外周磁石６）により強い永久磁石を用いている。
この実施例２では中空部３内の磁力線がカソード４の側面とほぼ平行になっているので、実施例１よりも更に広く、カソード４の側面のほぼ全域で無限軌道１４を形成するマグネトロン放電を実現することができる（無限軌道の幅が更に広くなる）。また、カソード側面付近の磁束密度が更に増加する。その結果、電子の閉じ込め効率が更に良くなるので、更に低いガス圧でも動作することができ、プラズマ密度を更に高くすることもできる。

マグネトロン放電においては、カソード４の側面での放電割合が更に増えると共に、開口部９に相対しているカソード４の底面での放電割合はほとんど無くなるので、カソード４の開口から流出するスパッタ粒子が激減する。
また、実施例１と比較して、中空部３から開口部９及びプラズマ源１の外部まで通じている磁力線の割合が更に増え、磁力線の発散も更に低減しているので、より多くのプラズマが磁力線に沿ってプラズマ源１から離れた遠方まで導かれることとなる。

図７は、比較例１、実施例１、２のｘ方向の位置に対する磁束密度の変化を計測したものである。なお、この結果はｙ＝１０ｍｍの位置を示したものである。この位置はｙ＝１２．５ｍｍの位置にあるカソード側面から２．５ｍｍほど中空側であるので、この位置での磁束密度が高ければ電子の閉じ込め効率がより良くなり、より低いガス圧でも動作することができ、プラズマ密度をより高くすることもできる。また、カソード４の底部はｘ＝２０ｍｍの位置にあり、中空部はｘ＝２０〜５０ｍｍの範囲に存在する。カソード４の底部を除くほとんどの領域で比較例１＜実施例１＜実施例２の順に磁束密度が高くなっており、電子の閉じ込め効率がより良くなるのでより低ガス圧でも動作することができ、プラズマ密度をより高くすることもできることを示している。

図８も、比較例１、実施例１，２のｘ方向の位置に対する磁束密度の変化を計測したものである。なお、この結果はｙ＝０ｍｍの位置（すなわちカソード４の中心）を示したものである。カソード４の内部の中空部３からプラズマ源１の前方のすべての領域で比較例１＜実施例１＜実施例２と磁束密度が高くなっており、より多くのプラズマが磁力線に沿ってプラズマ源１から離れた遠方まで導かれることを示している。

上述したプラズマ源１はさまざまな成膜装置、例えば図９に示すようなフィルムやシート状の成膜対象物Ｗに連続的に成膜する成膜装置２（ロールコーター）のプラズマ源１としても利用することができる。
この成膜装置２は、内部が空洞とされた真空チャンバ１０を有している。この真空チャンバ１０の内部は気密構造となっていて、図示しない真空排気手段によって真空チャンバ１０内が減圧され真空状態となっている。この真空チャンバ１０内には、成膜対象であるシート状の成膜対象物Ｗが巻き掛けられる成膜ロール１３が、その軸心を水平方向（図９では紙面貫通方向）に向けるようにして配備されている。さらに、コイル状の成膜対象物Ｗを巻き出すアンコイラー１１と、成膜後の成膜対象物Ｗを巻き取るコイラー１２とが配備されている。また、成膜ロール１３の側方であって、真空チャンバ１０の内側壁には、複数のプラズマ源１が設けられている。このプラズマ源１は、向かって右側に一つ、向かって左側に２つの計３つのプラズマ源（１ａ、１ｂ、１ｃ）からなっており、中空部３の開口を成膜ロール１３の表面に対向するように配置されている。図９に示すようにプラズマ源１をプラズマ源１ａ、１ｂとして示すように真空チャンバ１０の内側壁に沿って２つ並べて設けておけば、一度に広範囲に対して成膜を行うことが可能となる。

この右方のプラズマ源１ｃは、プラズマ電源の一方の電極と接続されていると共に、プラズマ電源の他方の電極が真空チャンバ１０などに接続されている。また、左方のプラズマ源１ａ、１ｂは、単相交流の一つの交流電源１５の両端子に各々接続されている。
それゆえ、プラズマ電源からプラズマ源１に所定の電位差を印加すると、プラズマ源１の中空部３でグロー放電が発生し、電離された原料ガスのプラズマが成膜対象物Ｗの表面に照射されてＣＶＤ皮膜が成膜される。

なお、一方のプラズマ源１ａに備えられた磁石の磁極の向きと、他方のプラズマ源１ｂに備えられた磁石の磁極の向きを互いに反対向きとなるように構成してもよい。このようにすることで、両プラズマ源１ａ、１ｂの間で磁力線がつながり、磁力線の拡散を抑えることができ、プラズマを効率よく成膜対象物Ｗに導くことができ、成膜効率も向上する。
なお、このときに、カソード４の中空部３の内部にプラズマ生成用のガスが導入されていてもよい。このプラズマ生成用ガスの導入によって、ＣＶＤ皮膜の成膜をより効果的におこなうことができる。

なお、成膜対象であるシート状の成膜対象物Ｗを挟んでプラズマ源１とは反対側の成膜ロール１３の内部に、対向磁石（図示せず）を設けてもよい。対向磁石を、極性の向きがプラズマ源１の背面磁石５における極性の向きと同方向となるように設けると、プラズマ源１から出た磁力線の拡散を抑え、より直線的にプラズマを成膜対象である成膜対象物Ｗに導くことができる。

次に、図１０に示すように、２つのプラズマ源１ａ、１ｂを対向させて配置し、プラズマ源１ａ、１ｂの中間にシート状の成膜対象物Ｗを配置するように成膜装置２を構成してもよい。このとき、シート状の成膜対象物Ｗの表面と裏面をプラズマ源１ａ、１ｂに向けて配置すれば、成膜対象である成膜対象物Ｗの両面に対して、同時に成膜することができる。なお、この２つのプラズマ源１ａ、１ｂの間に単相交流の交流電源１５を接続してもよい。

これに加えて、図１０に示すように、一方のプラズマ源１ａに備えられた磁石の磁極の向きと、他方のプラズマ源１ｂに備えられた磁石の磁極の向きを互いに反対向きとなるように構成してもよい。このようにすることで、両プラズマ源１ａ、１ｂの間で磁力線がつながり、磁力線の拡散を抑えることができ、プラズマを効率よく成膜対象物Ｗに導くことができ、成膜効率も向上する。

なお、図１の他方のプラズマ源１ｂに代えて、極性の向きがプラズマ源１ａの背面磁石における極性の向きと同じ向きとなるように対向磁石を配置してもよい。
さらに、図１１に示すように、プラズマ源１ａ〜１ｃを真空チャンバ１０の側壁に沿って隣接状態で３つ並べて設けてもよい。そうすれば、一度に広範囲に対して成膜を行うことが可能となる。

なお、図１１に示す例では、プラズマ源１ａ〜１ｃに各々対向する対向磁石１９ａ〜１９ｃを、シート状の成膜対象物Ｗを挟んで設けている。この対向磁石１９ａ〜１９ｃは、極性の向きがプラズマ源１ａ〜１ｃの背面磁石における極性の向きと同じ向きとなるように配置されている。こうすることにより、プラズマを成膜対象物Ｗの表面に効率的に導くことができ、成膜効率を向上することができる。

また、図１２に示すように、３つのプラズマ源１ａ〜１ｃを成膜対象物Ｗの周囲を囲むように配置してもよい。このとき、プラズマ源１ａ〜１ｃを成膜対象物Ｗに向けて配置すれば、成膜対象物Ｗの外周面全面に同時に成膜することができる。
この図１１または図１２に示す３つのプラズマ源１ａ〜１ｃの各々に３相交流電源１６の出力端子を接続し、各プラズマ源１ａ〜１ｃに３相交流電位を印加することもできる。

なお、図９〜図１２では、プラズマ源の個数が２つの場合と３つの場合を説明したが、一つであってもよいし、４つ以上あってもよい。また、前記背面磁石，側面磁石および対向磁石のうち少なくとも１つが電磁石であってもよい。電磁石を使用する場合、その「極性の向き」とは、電磁石から磁力線が出て行く方向のことをいう。
さらに、図１３に示すように、本発明のプラズマ源１のカソード４を、このカソード４の前面が開口１７ａしたケース１７で囲ってもよい。この場合、背面磁石５または外周磁石６とカソード４との間にケース１７が配置されることになる。また、図１４に示すように、本発明のプラズマ源１のカソード４を、背面磁石５および外周磁石６とともに、カソード４の前面が開口１８ａしたケース１８で囲ってもよい。

このケース１７、１８は、通常アース電位に接続されるが、その他の電位に接続されていてもよい。また、開口部１７ａ、１８ａの周囲にノズル１７ｂ、１８ｂ（絞り部材）を別部材として設けてもよい。さらに、ケース１７、１８の材質は、通常金属であるが絶縁物としてもよい。
本発明の成膜対象の形状としては、フィルムやシートなどの長尺もの以外に、板状または曲面の各種パーツなどでもよい。また、本発明の成膜対象の材質としては、プラスチック以外に、金属その他の材料であってもよい。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材の形状、構造、材質、組み合わせなどを適宜変更可能である。

１ プラズマ源
１ａ プラズマ源
１ｂ プラズマ源
１ｃ プラズマ源
２ 成膜装置
３ 中空部
４ カソード
５ 背面磁石
６ 外周磁石
６Ｂ外周磁石（下側の磁石）
６Ｕ外周磁石（上側の磁石）
６Ｌ外周磁石（左側の磁石）
６Ｒ外周磁石（右側の磁石）
７ 棒状の磁石
８ 絞り部材
９ 開口部
１０ 真空チャンバ
１１ アンコイラー
１２ コイラー
１３ 成膜ロール
１４ カソード側面を周回するマグネトロン放電の無限軌道
１５ 単相交流電源
１６ ３相交流電源
１７ ケース
１７ａ ケースの開口部
１７ｂ ケースのノズル
１８ ケース
１８ａ ケースの開口部
１９ 対向磁石
Ｆ 磁極の向き
Ｗ 成膜対象物

Claims (8)

1. プラズマを前面側から照射するカソードと、該カソードの背面側に配置された背面磁石と、前記カソードの外周を取り囲むように配置された外周磁石とを有するプラズマ源において、
   前記カソードには、該カソードの前面側に開口した中空部が設けられ、
   前記背面磁石及び外周磁石は、カソード側に対面する磁極がすべて同極とされていることを特徴とするプラズマ源。
2. 前記カソードの中空部は、前記プラズマの照射方向に沿った断面において対向する内側面が互いに略平行となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ源。
3. 前記カソードの中空部内側面付近を通る磁力線が中空部の内側面と略平行となるように、前記背面磁石及び外周磁石を配置していることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ源。
4. 前記カソードの中空部は、長尺の溝状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ源。
5. 前記カソードの中空部の開口が、当該中空部の内側の幅より狭い幅となっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ源。
6. 前記カソードの開口した部分に、開口部分を絞る絞り部材が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ源。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載されたプラズマ源を有していることを特徴とする成膜装置。
8. 前記プラズマ源と対向するように配置された対向磁石を有していて、
   この対向磁石とプラズマ源との間に成膜対象物が配置され、
   前記対向磁石は、極性の向きがプラズマ源の背面磁石における極性の向きと同じ向きとなるように配置されていることを特徴とする請求項７に記載の成膜装置。