JP6637285B2 - 放電を発生させるための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、放電を発生させるための装置及び方法に関する。特に、本発明は、プラズマ処理のための真空チャンバのようなチャンバ内における放電の生成に関する。

例えば、プラズマコーティングあるいはプラズマエッチングの形式で、電気的に生成されたプラズマを用いて真空チャンバ内でワークピースに処理を施す複数の装置及び方法が知られている。

例えば、ドイツ特許公開公報ＤＥ １０ ２００６ ０２１ ９９４ Ａ１では、マグネトロンスパッタリングによって物体をコーティング（被覆）するためのコーティング方法及び装置が記述されている。マグネトロンは、ＰＶＤマグネトロンコーティングチャンバ内において共通のアノード（陽極）に接続されている。基材（処理対象、基板）は、ターンテーブル上においてマグネトロンに沿って案内されている。マグネトロンは、パルスで又は２つの電源によって一定電力で、操作される。コーティングされる前に直接的に、基材はプラズマエッチング処理に曝され、そこでは負の電位が基材に適用され、基材は、その表面を洗浄しかつ活性化するためにアルゴンイオンで衝撃が与えられる。

ドイツ特許公開公報ＤＥ １０ ２００４ ０１５ ２３１ Ａ１では、電荷担体（チャージキャリヤー）を備えた衝撃（ｂｏｍｂａｒｄｉｎｇ）により、基材の表面を処理する方法及び装置が記述されている。表面処理のために、大電流ガス放電が、電子放出装置とアノードとして接続された電極との間に形成される。真空チャンバを真空引きした後に、チャンバの壁に設置された中空カソードが、加熱されたタングステンチューブ、冷却されたハウジング、アルゴンキャリヤガスのインレット装置、及びそのイグニッション及び中空カソードアーク放電の安定性を促進する正のバイアス電圧をもつ補助電極を用いて活性化される。

ドイツ特許公開公報ＤＥ １０ ２００４ ０１５ ２３０ Ａ１では、パルスマグネトロン放電を高めるための方法及び装置が記述されている。電極は、マグネトロン磁場内に配置され、対となる電極に対してカソードとして一時的に作動させられる。第１電極がカソードとして作動させられない時間間隔において、付加的な電子源からの付加的な電子流れが第１電極に導かれる。ホットカソード、並びにタングステンあるいはランタンヘキサボライド／タングステンのワイヤ又はボルトカソードを備えた中空カソードは、電子源として引き合いに出される。一つの実施形態においては、アルゴンガスが、管状のホットカソードを通して流れる。

ドイツ特許公開公報ＤＥ １００ ６０ ００２ Ａ１では、プラズマ生成電極が設けられたプラズマ生成チャンバ、及び基材の支持テーブルが設けられた基材処理チャンバを使用する表面処理のための装置が記述されている。プラズマノズルは、中空アノード放電のための生成エリアとして使用される。

Ａ．Ｓｈｅｒｍａｎ “Ｉｎ ｓｉｔｕ ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ ｎａｔｉｖｅ ｏｘｉｄｅ ｆｒｏｍ ｓｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒｓ”, Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ．８，１９９０，４，６５６，６５７の論文では、電子源としてモリブデンから成る水冷却中空カソードが、シリコン上でのＣＶＤデポジションのＤＣ放電のために使用される。

ドイツ特許公開公報ＤＥ １０ ２００６ ０２１ ９９４ Ａ１ ドイツ特許公開公報ＤＥ １０ ２００４ ０１５ ２３１ Ａ１ ドイツ特許公開公報ＤＥ １０ ２００４ ０１５ ２３０ Ａ１ ドイツ特許公開公報ＤＥ １００ ６０ ００２ Ａ１

本発明の目的は、チャンバ内において放電が容易に生成されて維持され得る装置及び方法を提供することにある。

本発明の目的は、請求項１に係る装置及び請求項１３に係る方法により達成される。従属する請求項は、本発明の有利な実施形態に関連するものである。

本発明によれば、少なくとも一つの第１電極及び一つの第２電極が、チャンバ好ましくは真空チャンバ内に設けられている。少なくとも一時的に、第１電極がカソードとして作動させられることができ、第２電極が電源によりアノードとして作動させられることができる。

ガスが、カソードとして作動させられる第１電極を通してチャンバ内に導かれる。本発明によれば、先ずガスが金属壁をもつ閉じた前チャンバ（アンティチャンバ）内に供給される。前チャンバから、そのガスがチューブ（管）を通してチャンバ内に進む。

本発明によれば、チューブは、チャンバの方向に向かいそれを通してガスがチャンバ内に流れ進むその前側部分が、前チャンバの壁に埋め込まれ、一方、ガスが前チャンバから流れ進むその後側部分が、前チャンバ内に自由に突出するように、前チャンバの壁に配置されている。

このように設計された電極と共に、壁に埋設されたチューブの前側部分は、前チャンバ内で発生する熱が、好ましくは銅のような有効な熱伝導金属から成る前チャンバの壁を通して導かれるように、前チャンバの壁に熱的に有効に結合されている。しかしながら、チューブの後側部分は、前チャンバ内に自由に突出しており、それ故に、前チャンバの壁に熱的に有効に結合されていない。したがって、チューブの材料は、この場所において加熱され得る。

ガスがチューブを通してチャンバ内に案内されるとき、中空カソード放電、特に中空カソードアーク放電がチューブ内で形成されることができる。前チャンバ内に突出しその中にガスが前チャンバから流れ込むチューブの自由端部を強力に加熱することにより、熱電子放出のため、その場所においてチューブ材料から電子が放出される、ことが示された。電子は、中空カソードアーク放電の形成を維持し、ガス流れと一緒に、チューブを通してチャンバ内に進む。これは、チャンバ内でのプラズマ処理に適した高イオン化をもたらす。

好ましい実施形態においては、チューブは、それが埋設される前チャンバの壁と異なる材料から成る。これにより、所望の機能に対応する互いに独立した壁とチューブのためのそれぞれの材料を選択することが可能になる。例えば、チューブは、壁とチューブの間で有効な接触を成し遂げるために、前チャンバの壁の材料に形成された開口部に適切に挿入されて押し込まれる。

チューブは、好ましくは、放電の発生に起因する温度に耐える材料から成るべきである。これにより、過度の消耗を防止することができる。種々の材料、特に金属及びセラミック材料が、チューブ材料のために使用され得る。高温耐熱材料が、好んで選ばれ、すなわち、１５００℃を超える、好ましくは２０００℃を超える高い融点をもつ材料が選択される。好ましい実施形態においては、例えば、チューブは、タンタル、タングステン、あるいは、ランタンヘキサボライド（ＬａＢ_６）から成ることができる。タンタルは、その材料として特に好ましい。これらの材料から形成されたチューブは、実証された耐性を有し、発生する放電から生じる高い温度にもかかわらず殆ど消耗を示さない。

前チャンバの壁の材料としては、その壁、特に固体壁を形成するために、容易に加工処理できかつ変形可能であることが有用である。壁の材料としては、放電中に発生する熱を放散するために、１００Ｗ／（ｍＫ）以上、好ましくは２００Ｗ／（ｍＫ）以上、特に好ましくは３００Ｗ／（ｍＫ）以上の有効な熱伝導率をもつことを望まれる。例えば、アルミニウムを使用することができるが、銅あるいは少なくとも最初に５０原子％以上の銅からなる合金が望まれる。特に高い融点をもつ材料は、前チャンバの材料として引き立っては要求されず、例えば、１２００℃以下の融点をもつ材料でも使用することができる。

チューブは、好ましくは、円形の断面をもつことができる。より好ましくは、それは細長い形状を有し、すなわち、その軸方向の長さがその外径よりも長く、好ましくは直径の二倍以上、より好ましくは直径の三倍以上である。例えば、チューブは、１０−４０ｍｍ、好ましくは２０−３０ｍｍの長さを有することができる。例えば、４−１５ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ又はそれよりも小さい寸法が、その外径として考えられる。その内径は、例えば、１０ｍｍよりも小さく、好ましくは６ｍｍ又はそれよりも小さい。

さらに、チューブの長さの少なくとも二分の一（半分）が、前チャンバ内に突出していることが望まれる。前側部分においては、チューブが少なくとも壁にて実質的に終端する、すなわち、伸びていない、あるいは、壁からチャンバ内に僅かに伸び出ているだけが好ましい。

フィードチューブ（供給管）が、前チャンバ内にガスを供給するために設けられることができる。フィードチューブは、それ自身放電に関係することなく、ガスを導入する役割をなすことができる。フィードチューブの前側自由端部は、前チャンバ内に伸び出ることができる。さらに、フィードチューブは、前チャンバとチャンバの間のチューブと同等のあるいは類似の特性をもつことができ、すなわち、タンタル、タングステン、あるいはランタンヘキサボライドの如く、高温耐熱材料が、その材料として好ましく選択される。フィードチューブは、円形の断面及び長尺な形状をもつことができ、又、その長さの二分の一（半分）以上が前チャンバ内に突出することができる。その後側部分において、フィードチューブは、好ましくは、高い熱伝導材料内に埋設される。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ述べる。

図１は、電極を備えた真空チャンバの模式図を示す。 図２は、図１におけるチャンバの第１電極の断面を示す。 図３は、図１における電極間の時間経過に対する電圧特性のグラフを示す。

図１は、基材（処理対象、基板）１２をコーティング（被覆）するためのＰＶＤスパッタリングシステム１０を概略的に描いたものである。スパッタされる材料から成るスパッタリングターゲット１８を備えたマグネトロンカソード１６は、真空チャンバ１４内に配置されている。回転可能な基材テーブル２０は、チャンバ１４内に位置付けられている。基材ホルダ２２は、処理されるべくその上に配置された基材１２と一緒に基材テーブル２０上で回転する。ここでは、一つの基材１２だけが図１において象徴的に示されている。

バイアス電源３１は、基材テーブル２０上に設けられており、それによって、基材１２は、チャンバ１４の導電壁と比べて、負の電位で受容体（レシピエント）として保持されている。

チャンバ１４は、ガスアウトレット（ガス出口）２４を有し、それを通して、ポンプシステム（不図示）により、チャンバ１４の内部に真空が生成される。作動ガス、好ましくはアルゴン、又、付加的に、所望の処理に応じて窒素の如き反応性ガスが、ガスインレット（ガス入口）２６を通して供給されることができる。

図１に示されるコーティングシステム１０では、ガスインレット２６は、特別な電極３０により、チャンバ１４の内部に連結され、ガスが電極３０を通してチャンバ内に流れ込む。電源３３は、電極３０とマグネトロンカソード１６の間に設けられている。

ＰＶＤコーティングシステム１０は、ここでは、その中に含まれる数個の要素と共に単に概略的に描かれている。ＰＶＤコーティングシステム及び特にマグネトロンスパッタリングのシステムは、本質的に知られている。基材１２は、チャンバ１４の内部でプラズマを点火（ｉｇｎｉｔｉｎｇ）することにより、コート（被覆）される。プラズマのイオンは、ターゲット１８をスパッタする。プラズマの成分は、基材１２の表面に堆積（付着）する。コーティングの間、電極３０は、マグネトロンカソード１６に対してアノードとして作動させられることができる。

図１に示される要素に加えて、スパッタシステムは、通常、付加的なスパッタカソード、特に非平衡タイプ（ＵＢＭ）のマグネトロンカソードのような付加的な要素を有する。当業者が周知の他の要素についての詳細な記述や説明は、ここでは記載されない。例えば、ＷＯ９８／４６８０７Ａ１では、ＰＶＤコーティングシステムが示されており、バイアス電源、数個のマグネトロンカソードのための別の電源、チャンバ１４の金属壁と別のアノードとの間の付加的な電源を備えた電気的構成が記述されている。ＷＯ２００９／１３２８２２では、ＰＶＤシステム及びそれで実行される方法が記述されており、少なくとも幾つかのスパッタカソードが、ＨＰＰＭＳモードにおいて高エネルギーパルスで使用される。これらの書類、これに記載されたシステム及び方法は、スパッタリングシステムの電位要素及びその電気回路構成に関して、参照により組み込まれる。

スパッタリングの処理（手順）において実際のコーティングを行う前に、基材１２の表面を洗浄して活性化するために、好ましくは、荷電粒子が基材１２の表面に作用するイオンエッチングが先ず行われる。図１に示された実施例において、このエッチングは、マグネトロンカソード１６とガスインレット２６の電極３０との間で生じる放電により発生する。第１電極としての電極３０は、カソードとして作動させられ、一方、第２電極としての電極１６は、アノードとして作動させられる（その後のコーティング処理においてカソードとしてそれが使用されるため、電極１６が“マグネトロンカソード”と称される）。

図示された実施例において、電極３０は、略中間においてチャンバ１４の壁上に配置されている。それは、導電性のチャンバ１４の壁から絶縁層１５により電気的に絶縁されている。電極３０及び対の電極として操作されるマグネトロンカソード１６は、チャンバ１４内において互いに対向するように配置され、基材がその間の領域に位置付けられる。

図２は、電極３０の構造の概略断面を示す。電極３０は、ベースプレート１７及びその上に配置される金属壁としてのドーム３４を含み、それらは導電材料により形成されている。好ましい実施形態においては、特に、ドーム３４は、前チャンバ３２を囲む肉厚の銅壁を有する。ドーム３４は、ベースプレート１７の上に直接配置されて、それらは互いに電気的に接触する。したがって、前チャンバ３２は、一貫して導電材料により形成された壁により取り囲まれており、その壁は、常に作動（運転）中において一定の電位を有する。好ましくは、電極３０のための液体クーラをベースプレート１７上に設けることができる。

前チャンバ３２は、チャンバ１４の内部から密閉されており、それとチューブ（管）、あるいは細管（ｔｕｂｕｌｅ）３６だけで連結されている。ベースプレート１７の壁内の通路３８を通して、ガス、この場合、好ましくは作動ガスとしてアルゴンが供給される。

供給されたガスは、ベースプレート１７内の通路３８及びフィードチューブ４０を通過して、前チャンバ３２の内部に導かれる。そして、ガスは、前チャンバ３２から細管３６を通過して、チャンバ１４の内部に導かれる。

図２に示されるように、細管３６は、前チャンバ３２の壁から切り離された一部を有し、そこからチャンバ１４の内部に向かい、細管３６の全長の略三分の一に対応する前側部分は、前チャンバ３２の金属壁としてのドーム３４に埋設されている。

細管３６の材料は、前チャンバ３２の壁の材料、特にドーム３４の材料と異なる。ドーム３４は、高い熱伝導材料であるが高温耐熱性ではない銅により形成されている。対照的に、細管は、高温耐熱性の材料、好ましくはタンタルから成る。

好ましい実施形態においては、タンタルから成る細管３６は、２５ｍｍの長さ、４ｍｍの内径、及び６ｍｍの外径を有する。相対的に厚い銅壁のドーム３４に埋設されることにより、細管３６の前側部分は、比較的大きな熱リザーバ（熱貯蔵器）に熱的に有効に結合され、熱は迅速にそこから取り去られる。

一方、細管３６の後側端部は、前チャンバ３２の内部に自由に突出する。前チャンバ３２内に自由に突出する細管３６の後側部分は、細管の全長の二分の一以上に相当する。その結果、細管３６の後側端部は、前チャンバ３２の金属壁としてのドーム３４に直接的に熱的に結合されず、ここで発生する熱は、ドーム３４を通して直接的に取り去られない。

図示された実施例において、フィードチューブ（供給管）４０は、前チャンバ３２内に突出している。また、フィードチューブ４０は、タンタルから成り、細管３６と略同等の寸法を有することができる。フィードチューブ４０の前側部分は、前チャンバ３２の内部に自由に突出している。それは、作動ガスを前チャンバ３２内に導くように機能し、又、それ故に、ノズルの機能を有するが、放電には関係しない。

システム１０が、図１の略図に従って、エッチングモードにあるとき、電源３３が、規定電流（セット電流）をもつ電流源として作動する。これは、最初は例えば４００−９００Ｖの電圧の適用に導く。アルゴンが、通路３８及びフィードチューブ４０を通して作動ガスとして同時に供給されるとき、中空カソード放電が最初に発生し、これにより、細管３６が加熱される。このプロセスにおいて、細管３６の全域に亘って温度分布が生じ、細管３６の後側端部は、前側端部の熱が金属壁としてのドーム３４を通して取り去られるため、前側端部よりもかなり高い温度になる。

加熱のため、細管３６の材料が、材料からのかなりの電子放出が熱電効果から生じる温度領域に入る場合、これらの電子は、最初に細管３６の後側端部を出て、中空カソードアーク放電の形成に至る。電子は、ガス流れと一緒に細管３６を通してチャンバ１４の内部に進む。チャンバ１４の内部の範囲内において、電子は、アノードとして作動させられるマグネトロンカソード１６により引き付けられ、その方向に加速させられる。加速された電子のため、チャンバ１４の内部での部品のイオン化が高められて、特にアルゴンイオンを形成し、それによって、基材１２の表面を処理することができる。

細管３６は、比較的に僅かな摩耗あるいは消耗を受けるだけであることが観察されている。その場所にて誘発された放電は、非常に安定しており、又、特に約２５００℃の加熱温度を達成した後に容易に再現できる。

図３は、電極３０，１６の間に適用される時間ｔの経過に対する電圧Ｖの特性曲線の実施例を示す。その場所において、例えば約７００Ｖのイグニッション電圧Ｖ_１が電源３３から生じる。しばらくすると、中空カソード放電が、ポイント４２において誘発され、電圧は、例えば５０Ｖのかなり低い値に低下する。

細管３６は、特にその後側端部において熱くなり、所定時間経過後、その後側端部における細管３６のタンタル材料からの熱電子放出の効果は、放電が中空カソードアーク放電に変化し、又、第３電圧Ｖ_３への僅かな上昇が生じる、時間４４にてかなり顕著である。第３電圧Ｖ_３は、例えば６５Ｖであることができ、それ故に、第２電圧Ｖ_２よりも僅かに高い。

電圧レベルＶ_３での連続する放電は、非常に安定していることが証明された。

図示された実施形態では、種々の変更や改良が可能である。電極３０に加えて、この種の一つ以上の追加的な電極が、特に図１に係るシステムにおいて設けられることができる。好ましくは、別個の追加的な電源が、各々の電極のために設けられることができ、又、より好ましくは、各々が別々の対の電極（カウンター電極）に接続されることができる。図１に示される電極１６，３０の配置において、基材１２に影響するプラズマを発生させるために、電極間に配置される基材１２のためのホルダは、さらに好ましい。

上記実施例において、図示されたシステム１はスパッタイングシステムであるものの、電極１６と３０の間の放電による処理は、他のチャンバにおいて、あるいはその他のタイプのプラズマ処理システムにおいて、それと独立して使用することができる。

１０ スパッタリングシステム
１２ 基材（処理対象、基板）
１４ チャンバ（真空チャンバ）
１５ 絶縁層
１６ マグネトロンカソード（第２電極）
１７ ベースプレート
１８ ターゲット
２０ 基材テーブル
２２ 基材ホルダ
２４ ガスアウトレット
２６ ガスインレット
３０ 電極（第１電極）
３１ バイアス電源
３２ 前チャンバ
３３ 電源
３４ ドーム
３６ 細管（チューブ）
３８ 通路（ガス供給手段）
４０ フィードチューブ（供給管、ガス供給手段）

Claims (13)

1. 放電を発生させるための装置であって、
   チャンバ（１４）内において、少なくとも一つの第１電極（３０）及び一つの第２電極（１６）を有し、前記第１電極（３０）をカソードとしてかつ前記第２電極（１６）をアノードとして作動させるために、電源（３３）が設けられ、
   前記第１電極（３０）は、金属壁（３４）を備えた閉ざされた前チャンバ（３２）及び前記前チャンバ（３２）内へのガス供給手段（３８，４０）を有し、
   前記前チャンバ（３２）の前記金属壁（３４）と異なる材料から成るチューブ（３６）が、ガスを前記前チャンバ（３２）から前記チャンバ（１４）内に導くために設けられ、前記チャンバ（１４）に向かう前記チューブ（３６）の前側部分は、前記前チャンバ（３２）の前記金属壁（３４）に埋設され、
   前記チューブ（３６）の後側部分は、前記前チャンバ（３２）内に自由に突出し、前記前チャンバ（３２）からガスが進入し得る端部を有し、
   前記チューブ（３６）の長さの二分の一以上は、前記前チャンバ（３２）内に自由に突出している、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記チューブ（３６）は、１５００℃を超える融点をもつ材料から成る、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記チューブ（３６）は、２０００℃を超える融点をもつ材料から成る、
   ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記チューブ（３６）は、タンタル、タングステン、あるいは、ランタンヘキサボライドから成る、
   ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一つに記載の装置。
5. 前記前チャンバ（３２）の前記金属壁（３４）は、１００Ｗ／（ｍＫ）よりも大きい熱伝導率をもつ材料から成る、
   ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一つに記載の装置。
6. 前記前チャンバ（３２）の前記金属壁（３４）は、１２００℃より低い融点をもつ材料から成る、
   ことを特徴とする請求項１ないし５いずれか一つに記載の装置。
7. 前記前チャンバ（３２）の前記金属壁（３４）は、銅又は５０原子％以上の銅から成る合金により形成されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし６いずれか一つに記載の装置。
8. 前記第１電極（３０）は、ベースプレート（１７）と、前記ベースプレート（１７）上に配置されたドーム（３４）を含み、
   前記第１電極（３０）のための液体クーラが、前記ベースプレート（１７）上に設けられている、
   ことを特徴とする請求項１ないし７いずれか一つに記載の装置。
9. 前記チューブ（３６）の長さは、その外径の二倍以上である、
   ことを特徴とする請求項１ないし８いずれか一つに記載の装置。
10. 前記チューブ（３６）の前側部分は、前記金属壁（３４）にて終端している、
    ことを特徴とする請求項１ないし９いずれか一つに記載の装置。
11. 前記前チャンバ（３２）内にガスを導くことのできるフィードチューブ（４０）が設けられている、
    ことを特徴とする請求項１ないし１０いずれか一つに記載の装置。
12. 前記前チャンバ（３２）内にガスが流れ込み得る前記フィードチューブ（４０）の前側端部は、前記前チャンバ（３２）内に突出している、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 放電を発生させる方法であって、
    チャンバ（１４）内において、第１電極（３０）が、第２電極（１６）に対してカソードとして作動させられ、
    ガスが、前記第１電極（３０）により前記チャンバ（１４）内に導入され、前記ガスは、金属壁（３４）を備えた前記第１電極（３０）の閉ざされた前チャンバ（３２）を通して導入され、
    前記前チャンバ（３２）からのガスは、前記チャンバ（１４）の前記金属壁（３４）と異なる材料から成るチューブ（３６）を通して前記チャンバ（１４）内に導入され、前記ガスが出て行く前記チューブ（３６）の前側部分は、前記前チャンバ（３２）の前記金属壁（３４）内に埋設され、前記前チャンバ（３２）からの前記ガスが入り込む前記チューブ（３６）の後側部分は、前記前チャンバ（３２）内に自由に突出する端部を有し、
    前記チューブ（３６）の長さの二分の一以上は、前記前チャンバ（３２）内に自由に突出している、
    ことを特徴とする方法。

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