JP7842757B2 - 抽出グリッド - Google Patents

Description

本発明は、包括的には、例えば真空コーティング法において使用されるプラズマジェット源に関し、具体的には、プラズマからイオン及び／又は電子を抽出するための抽出装置に関する。

表面を処理するための多くの方法、例えばコーティング、構造化又はエッチングでは、プラズマを使用して、特定の材料、具体的にはガスのイオンを生成し、これを用いて方法が実施される。したがって、例えば、真空コーティング法では、プラズマ源を使用することができ、プラズマ源から、荷電粒子が抽出され、荷電粒子は次いで、表面を除去するために、又は例えば酸化物層を塗布するために表面に蒸着するためにも使用することができる。この場合、プラズマは、例えば容量的に、すなわち交流電場において、誘導的に、又はマイクロ波によって発生させることができる。荷電粒子、すなわち、具体的にはイオン又は電子は、電極を用いてプラズマから抽出することができる。

プラズマからイオン又は電子を抽出するために、金属グリッド又は金属メッシュを使用することが知られている。

これに関連して、欧州特許第０３４９５５６（Ｂ１）号には、プラズマから粒子衝撃によって表面層を除去するための装置が記載されており、この装置では、電極の表面は、平行性が高い原子又は分子イオンビームによる表面の可能な限り広い面積にわたる一様な衝撃を達成するために、微細グリッドとして設計された１つの抽出電極において高周波電圧のほぼ全体が降下するように選択される。この電極は、平行に延びるワイヤの形態の適切に構成されたワイヤメッシュとして設計されている。

更に、独国特許第１０／２００４０１１１１８（Ａ１）号は、プラズマビーム源のための抽出電極を記載しており、抽出電極は、ピンホールパターンを有する円形キャリアプレートとして設計されている。

抽出されたイオン及び／又は電子のビームの均質性を維持するためには、抽出グリッドの形状が、プラズマから抽出されたイオン及び電子のビームに大きく影響するため、その形状を可能な限り長く一定に保つことが不可欠である。特に、先行技術で使用されるグリッドでは、電極の寿命が、照射中に引き起こされる様々な材料及びシステムの熱膨張によって損なわれるため、寿命、したがってプロセス安定性が問題である。熱膨張は、具体的にはグリッドの機械的変形を生じさせ、したがってイオン／電子の分布、したがってコーティング特性に非常に悪い影響を及ぼす。

したがって、本発明の目的は、長期間にわたって安定したイオン／電子の均一な分布を確実にすることができる抽出装置を提供することである。

この目的は、添付の特許請求の範囲に記載の抽出装置、プラズマ源、プラズマコーティング装置及び方法によって達成される。従属請求項は、本発明の実施形態を規定する。

本発明は、プラズマからイオン及び／又は電子を抽出するための抽出装置を提供する。この装置は、グリッドと、グリッドホルダと、を有し、グリッドホルダの周囲にグリッドが固定されている。本発明によれば、グリッドは、エキスパンドメタルグリッドとして設計されている。平面図において、装置は、好ましくは実質的に円形形状を有する。

グリッドホルダは、本体と、エキスパンドメタルグリッドを本体に固定するクランプリングと、を有することができる。更に、本体とクランプリングとの間にスペーサを配置することができる。

グリッドホルダに取り付けられたエキスパンドメタルグリッドは、概して円筒面を実質的に構成する三次元湾曲面を形成することが好ましい。曲率半径は、頂点の周りで対称であり得る。一実施形態によれば、２つの曲率半径は、頂点の周りでグリッドの非対称形状が形成されるように、頂点の両側で異なっていてもよい。

特に、非対称円筒面の場合、頂点は、具体的には、グリッドの中心からオフセット又は傾斜され得る。追加的に又は代替的に、主方向の曲率半径及び／又は主方向内の曲率半径は異なっていてもよい。

導電性金属、具体的にはその酸化物が光学的に透明であり、及び／又は堆積層に同様に使用される金属を、グリッドの材料として使用することができる。例としては、チタン、タンタル、ハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、ニオブ、それらの合金及びステンレス鋼が挙げられる。グリッドは更に、酸化物、具体的には酸化アルミニウムでコーティングすることができ、この酸化物は、光学的に透明であり、プラズマイオン衝撃によるグリッドの侵食速度を低下させるため、グリッドの寿命を著しく増加させる。

グリッドの例示的な寸法は、０．０５ｍｍ～３ｍｍの厚さ、約１０ｃｍ～５０ｃｍ、具体的には３０ｃｍの直径、０．５ｍｍ～１０ｍｍのメッシュ長さ、０．５ｍｍ～１０ｍｍのメッシュ幅、０．１ｍｍ～１０ｍｍのストランド幅、及び／又は０．１ｍｍ～１０ｍｍのストランド厚さである。

本発明は更に、プラズマチャンバと、プラズマチャンバ内にガスを供給するためのガス供給部と、プラズマチャンバ内でプラズマを生成するための装置と、プラズマからイオン及び／又は電子を抽出するための本発明による装置と、を備える、プラズマ源を提供する。抽出装置のホルダは、ソースＲＦ放射が漏れないように閉じるべきである。グリッドは、具体的には、電気的に接触し、同時に摺動可能に装着されるべきである。

プラズマ源は、具体的には電子ビーム蒸着、熱蒸着、スパッタリング又はプラズマ化学気相蒸着などの方法とともに、具体的にはコーティング装置において使用することができ、コーティングされる基板を保持するための基板ホルダが、プラズマ源に対向して配置されている。基板ホルダは、好ましくは、プラズマ源に対して実質的に凹状に湾曲した面を有するか、又は平坦でもある。基板ホルダは、平面又は凹状に湾曲した面を有する遊星配置を有することもでき、コーティングされる１以上の基板は、面上に配置される。

抽出のための装置のグリッドは、好ましくは、基板ホルダの面上のプラズマ分布が実質的に均一であるように成形されている。

基板ホルダは、プラズマ源からおよそ５０ｃｍ～２００ｃｍ、好ましくは８０ｃｍ離して配置することができる。基板ホルダの曲率半径は、およそ８０ｃｍ～１５０ｃｍ、好ましくは１３０ｃｍとすることができる。

本発明は更に、具体的にはプラズマからイオン及び／又は電子を抽出するための本発明による装置を使用して、干渉層又は干渉層システムを製造する方法を提供する。方法は、基板ホルダ全体にわたる層特性の非常に一様な分布を有する層の製造を可能にし、例えばＳｉＯ_２のエッチング速度として測定されるプラズマ分布の平均値からの偏差は、１０％以下である。

図面を参照して、本発明を以下で更に説明する。

グリッドホルダ及びそれに取り付けられたエキスパンドメタルグリッドを有する、本発明の一実施形態による装置の写真を示す。 本発明の一実施形態によるグリッドホルダの技術的な図を示す。 グリッドの曲率変形例を概略的に示す。 グリッドを有する先行技術の抽出電極の位置にわたるエッチング速度の図を示す。 １０７ｃｍの曲率半径を有する球冠（calotte）上の本発明の一実施形態による装置のエッチング速度の分布を示す。 曲率半径１３０ｃｍの球冠上の本発明の一実施形態による装置のエッチング速度について、グリッドを有する先行技術の抽出電極の位置にわたるエッチング速度の比較を示す。 本明細書に記載の本発明を用いて球冠上で達成することができるＴｉＯ_２の屈折率の分布を示す。 球冠半径に沿って位置決めされ、所望の均一の分布に対応する、基板上のＴｉＯ_２単一層の、本発明の実施形態による装置を用いて達成されたスペクトル曲線を示す。 球冠半径に沿って位置決めされ、所望の均一な分布に対応する、基板上で本発明の実施形態による装置を用いて達成された干渉層システムのスペクトル曲線を示す。 先行技術のメッシュホルダで達成されるような、ＴｉＯ_２単層に基づく望ましくない分布の例を示す。 コーティングされていない基板、ジルコニウムグリッド、チタンサイト及びチタンメッシュについての、ＵＶ範囲におけるＳｉＯ_２層の透過率を示す。 図９に示されるＳｉＯ_２層の反射及び透過率をまとめたものを示す。

抽出装置は、図１に示すように、抽出装置の形状を実質的に決定するグリッドホルダ２を有する。グリッドホルダ２には、円形又は楕円形のグリッド１が固定されている。具体的には、グリッドホルダ２は、その上に固定されたグリッド１が、平面図で円形形状を有し、好ましくは実質的に円筒面を表す三次元湾曲面を形成するように成形されている。円筒面は、頂点の周りに対称に湾曲させることができる。しかしながら、円筒面が頂点の周りに異なる曲率半径を有すること、すなわち非対称に湾曲していることも有利であり得る。図１に示す実施形態では、エキスパンドメタルグリッドとして設計されたグリッド１は、４つのねじ２１によってグリッドホルダに固定されている。一実施形態によれば、グリッドホルダは、本体及びクランプリング（図１には図示せず）を有することができる。任意選択的に、本体とクランプリングとの間にスペーサを配置することができる。スペーサは、エキスパンドメタルが本体のＲＦシール上に摺動可能に載置されることを確実にし、熱膨張は、グリッドの形状、したがってプラズマ分布が変形によって変化することなく相殺され得る。

グリッドホルダは、図２ａに概略的に再び示されている。ここでは、本体２０、ねじ２１及びクランプリング２２が示されている。グリッドホルダ２の形状は、その上に配置されたグリッドが、頂点線２５を中心として湾曲し、したがって本質的に円筒面を形成するようなものである。この頂点線２５、したがって頂点２４は、リングを形成するグリッドホルダの中心に置くことができるか、又は中心からオフセット若しくは傾斜させることができる。頂点２４の側部までの曲率半径は、図２ｂに示すように、同一であっても異なっていてもよい。ここでは、対称配置、頂点２４の左右に異なる曲率半径を有する非対称配置、及び頂点２４が中心からオフセットされて配置されている非対称かつ追加的に傾斜した配置が概略的に示されている。

本体２０とクランプリング２２との間に任意選択的に提供されるスペーサは、グリッドが本体２０にしっかりと締め付け可能であることを防止することができる。したがって、グリッドは、プラズマ分布に悪影響を及ぼすことなく、本体２０とクランプリング２２との間で平坦に拡張することが可能である。

エキスパンドメタルグリッドの形態のグリッドの形成は、プラズマ源に対向して配置された基板ホルダ上への長期間にわたって安定したイオンの均一な分布を確実にする。原則として、基板は、プラズマ源に対向して、例えばプラズマ源に対して凹状に湾曲した球冠の形態の基板ホルダ上に配置される。基板ホルダは、平面形状を有することもできる。最適な分布のために、グリッドの曲率は、基板ホルダとして機能する球冠の形状に適合されなければならない。

使用される球冠へのグリッドの適合は、例えば、図３及び図４に示されるように、球冠の面にわたるＳｉＯ_２のエッチング速度を有する図に反映されている。イオン電流の最適な、すなわち一様な分布は、これらの図において、球冠の全範囲にわたる水平な線として表される。

図３は、以前から知られているメッシュ、すなわち、先行技術によるワイヤグリッドを使用した場合の、動作時間として示される、異なる使用期間についての、球冠（曲率半径：１０７ｃｍ）の範囲にわたるエッチング速度を示す。分布は、最初は依然として許容可能であるように見えるが（参照符号３１、動作の３０分後）、分布は、数時間後であっても劇的に変化し、１５４．６時間の動作時間後にはかなり悪化する（参照符号３９）。具体的には、球冠の中心におけるエッチング速度は、球冠の縁部におけるよりも３～１０倍高く、これは、球冠上の基板の配置に依存して基板上の不均一な分布をもたらす。

比較のために、図４は、本発明の一実施形態によるグリッドホルダの耐用年数を示す。ここで、分布は、最初（参照符号４１、動作の３０分後）及び約２１０時間後（参照符号４２）において非常に類似していることが示されている。具体的には、球冠（曲率半径：１０７ｃｍ）の範囲にわたる分布は、非常に一様である。絶対エッチング速度のみが同一ではなく、これはシステムの洗浄状態の変化によって説明することができる。

図５は、１３０ｃｍの曲率半径、すなわち図３及び４で使用されたカロットよりも小さい曲率を有する基板ホルダの位置にわたるエッチング速度の分布を示す。ここで、従来のグリッドホルダ（参照符号５２）の使用と比較して、本発明によるエキスパンドメタルメッシュ（参照符号５１）を有する、本明細書に示されるグリッドホルダでは、更に良好な分布が明らかにされている。球冠上の位置にわたる５００ｎｍでの図５ｂに示される屈折率の分布は、エキスパンドメタルメッシュを用いるグリッドホルダを使用した図５ａに示されるエッチング速度から生じる。図５ａに示されるエッチング速度は、平均して２６．９ｎｍ／ｈであり、最小で２５．６ｎｍ／ｈ（－４．６％の偏差）及び最大で２９．３ｎｍ／ｈ（９．２％の偏差）である。概して、エッチング速度の分布は、±１０％の範囲内である。したがって、図５ｂに示されるＴｉＯ_２の屈折率の分布は、最小で２．４５７５及び最大で２．４６０９、すなわちおよそ±０．１％の偏差である２．４５９２の平均値で達成され得る。

図６は、例として、ガラス基板上のＴｉＯ_２の単一の干渉層についての１３０ｃｍの曲率半径を有する球冠にわたる分布を示す。ここでは、球冠半径に沿った基板位置についてのスペクトル曲線がほぼ重なり合っていることが示されている。すなわち、非常に良好で均一な分布を達成することができる。最小及び最大の透過率値の対応は、良好な屈折率分布を反映する。

図７は、１３０ｃｍの曲率半径を有する球冠にわたるＴｉＯ_２及びＳｉＯ_２の干渉層システムの分布を示す。ここで、非常に良好な分布は、曲線の重なりによって同様に示すことができる。

図８は、不十分な屈折率分布の例を示す。最小の透過率値が非常に異なる。この差は、先行技術のワイヤグリッドホルダ／メッシュホルダの使用の結果として、球冠上の不十分なプラズマ分布に起因する可能性がある。

したがって、本発明の一実施形態によるグリッドは、プラズマ支援処理システム、例えばコーティングシステムにおいて、抽出されたイオン／電子の均一な分布を達成するために使用することができる。均一な分布は、２００時間を超える動作にわたって維持されるが、先行技術によるグリッドホルダを使用した場合の分布は、一定に維持されない（図３参照）。

この寿命は、一方では、エキスパンドメタルグリッドが均一に膨張することを可能にするホルダ構造のためである。対照的に、先行技術の抽出グリッドで使用されるワイヤは、熱膨張によって張力を失い、最初に形成されたサドル形状を均一に維持することができない。これは、得られる層特性に対して、特に、凹状の湾曲形状のために基板の大部分が位置する球冠の外側位置に対して、深刻な悪い影響をもたらす。本発明によるグリッドホルダの寸法安定性は、グリッドホルダが、その上に固定されたグリッドが膨張することができるが、その形状を保持し、制御されない形で変形しないように設計される、という点で達成される。ここで、グリッドの形状、すなわち曲率半径は、プラズマの最適な分布に適合される。均一な分布は、本発明に従って使用されるグリッドホルダの形状によって影響され得る。この形状、したがってプラズマ分布は、多くの動作時間にわたって同じままであり、ＲＦ放射の包含が同時に確実となる。したがって、装置は、ソースＲＦ放射を密封する。

他方で、グリッドにエキスパンドメタルを使用することは、寸法安定性にとって重要な要因を表す。エキスパンドメタルは、概ね千鳥状の切り込みが設けられた金属板を延伸することにより製造される。本発明における使用では、エキスパンドメタルには、導電性金属、具体的にはチタン、タンタル、ハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、ニオブ、それらの合金及びステンレス鋼が好ましくは使用される。グリッドは更に、酸化物、具体的には酸化アルミニウムでコーティングすることができる。しかしながら、この場合、グリッドの縁部は、電気的接触を確実にするためにコーティングがない必要がある。

得られたエキスパンドメタルグリッドは、導電性及び寸法安定性、並びにホルダを通して誘導される均一な熱膨張を提供する。エキスパンドメタルの形状はまた、ホルダ上の支持面を最小限に抑え、したがってホルダへの熱放散を最小限に抑える。したがって、グリッドにわたる温度勾配が最小限に抑えられる。

使用されるグリッド源では、タングステン、モリブデン又はチタンで作られたグリッド又はメッシュが典型的に使用される。グリッド材料も除去され、コーティングに組み込まれるため、これらの材料及びそれらの酸化物は、３００ｎｍ未満の範囲の不純物を生じ、層特性における望ましくない吸収又は損失をもたらす。本発明者らは、この問題を、新規のグリッドホルダ上のジルコニウムで作られたエキスパンドメタルグリッドで解決することができた。図９は、ジルコニウムグリッド、標準的なチタングリッド、及びチタンメッシュの間の比較を示す。具体的には、図９は、コーティングされていない基板（実線としてのＳｕｐｒａｓｉｌ＿未コーティング）、ジルコニウムグリッド、チタングリッド及びチタンメッシュ（それぞれ異なるタイプの破線を有する）についての、ＵＶ範囲におけるＳｉＯ_２層の透過率を示す。ジルコニウムグリッドを用いて製造された層の透過率が最も高いことが明らかに分かる。堆積したＳｉＯ_２層の厚さは、約６００ｎｍ（５００ｎｍで７．１λ／４）であった。

図１０は、再び、図９に示されるＳｉＯ_２層の反射及び透過率をまとめたものを示す。ここでも、ジルコニウムグリッドを用いて製造された層は、２９０ｎｍ未満の波長において、チタングリッド又はチタンメッシュを用いた比較層よりも高い値を有することが示されている。

したがって、ジルコニウムグリッドを使用することによって、ＵＶ範囲における層の透明度の大幅な改善を達成することができる。

そのような抽出装置は、具体的にはＲＦ電圧を印加することによってプラズマが生成されるプラズマチャンバと、プラズマチャンバ内にガスを供給するためのガス供給部と、本発明による抽出装置とを有することが知られているプラズマ源において特に使用される。抽出装置のグリッドに電圧を印加することによって、荷電イオン又は電子がプラズマから抽出され、基板ホルダ上のプラズマ源に対向して配置された基板の方向に加速される。

本発明による抽出装置を製造するために、エキスパンドメタルグリッドが提供され、エキスパンドメタルグリッドは、グリッドホルダ上に適切に固定される。ここで、グリッドホルダの形状は、グリッドの形状を決定し、グリッドは、上述のように湾曲していることが好ましい。

本発明の抽出装置、したがってプラズマ源は、基板のコーティングにおいて、具体的には干渉層又は干渉層システムの製造において使用することができる。干渉層又は干渉層システムの作製のために、基板ホルダにわたって堆積された材料の屈折率の一様な分布が有利である。この一様な分布は、本発明によって提供される基板ホルダ全体にわたる均一なプラズマジェットを必要とする。

したがって、本発明は、具体的には、プラズマ源のためのグリッドホルダであって、抽出されたプラズマを回転する球冠上に分配するために、その形状が最適化されたグリッドホルダを提供し、それにより、球冠上のプラズマ衝撃が全ての基板に対して経時的に均一になる。これは、測定されたエッチング速度の分布及び示されたコーティング例に示されている。

グリッドホルダは、エキスパンドメタルである使用されるグリッドが、プラズマ分布に関連するその形状を失うことなく、プラズマによって加熱される場合に、相殺する動きを行うことができるように構成されている。この目的のために、グリッドは、グリッドの電気的に必要な接触も確実にする金属ＲＦシール上で摺動する。クランプリングが、グリルを成形して保持するために、画定されたスペーサにわたってホルダにねじ込まれている。スペーサは、グリッドがＲＦシール上で摺動することができることを確実にする。

Claims (11)

1. コーティング装置であって、
   プラズマ源と、
   前記プラズマ源に対向して配置され、コーティングされる基板を保持するための基板ホルダと、を有し、
   前記プラズマ源は、
   プラズマチャンバと、
   前記プラズマチャンバにガスを供給するためのガス供給部と、
   前記プラズマチャンバ内でプラズマを生成するための装置と、
   プラズマからイオン及び／又は電子を抽出するための装置とを有し、
   前記プラズマからイオン及び／又は電子を抽出するための装置は、
   グリッド（１）と、
   前記グリッド（１）がその周囲に固定されているグリッドホルダ（２）と、を有し、
   前記グリッド（１）が、エキスパンドメタルグリッドとして設計され、
   前記グリッドホルダ（２）上に取り付けられた前記エキスパンドメタルグリッドは、湾曲面を形成し、平面図で円形形状を有し、
   前記基板ホルダが、凹状の湾曲面若しくは平面を有し、コーティングされる１以上の基板が前記凹状の湾曲面若しくは平面上に配置され、
   前記グリッドの曲率は、前記基板ホルダの形状に適合され、
   前記グリッドの形状は、前記グリッドホルダの形状に適合され、
   コーティング装置。
2. 前記装置が、平面図において円形形状を有する、請求項１に記載のコーティング装置。
3. 前記グリッドホルダ（２）が、本体（２０）と、前記エキスパンドメタルグリッド（１）を前記本体（２０）に固定するクランプリング（２２）と、を有する、請求項２に記載のコーティング装置。
4. スペーサが、前記本体（２０）と前記クランプリング（２２）との間に配置されている、請求項３に記載のコーティング装置。
5. 前記エキスパンドメタルグリッド（１）は、頂点線に対して非対称であり、前記円筒状の３次元湾曲面の頂点（２４）が、前記グリッドの中心からオフセットしている、
   請求項１に記載のコーティング装置。
6. 前記グリッド（１）が、導電性金属を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載のコーティング装置。
7. 前記グリッド（１）が、酸化物によってコーティングされている、請求項１～６のいずれか一項に記載のコーティング装置。
8. 前記グリッド（１）が、０．０５ｍｍ～３ｍｍの厚さ、１０ｃｍ～５０ｃｍの直径、０．５ｍｍ～１０ｍｍのメッシュ長さ、０．５ｍｍ～１０ｍｍのメッシュ幅、０．１ｍｍ～１０ｍｍのストランド幅、及び／又は０．１ｍｍ～１０ｍｍのストランド厚さを有する、
   請求項１～７のいずれか一項に記載のコーティング装置。
9. 前記基板ホルダが、前記プラズマ源から５０～２００ｃｍ離れて配置されており、及び／又は８０～１５０ｃｍの曲率半径を有する、請求項１に記載のコーティング装置。
10. 請求項１に記載のコーティング装置を使用するコーティング方法。
11. 請求項１～９のいずれか一項に記載のコーティング装置を用いて、干渉層を製造するための方法であって、塗布された層が、一様な分布を有し、プラズマ分布の平均値からの偏差が、１０％以下である方法。