JPH06220630A

JPH06220630A - 面状陰極放電装置

Info

Publication number: JPH06220630A
Application number: JP6276691A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Asamaki; 立男麻蒔
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-01-08
Filing date: 1991-01-08
Publication date: 1994-08-09
Anticipated expiration: 2016-04-16
Also published as: JP3155963B2

Abstract

(57)【要約】【目的】面状陰極を有し且つ従来の放電停止圧力以下
において放電を行い必要な処理を行うと共に真空度の測
定を行う。【構成】面状陰極３６の裏面に磁極４３１及び４４１
を配し，陰極の表面の放電空間３７で電界４２０と磁界
４２を直交させてマグネトロン放電を行わせる，その
際，従来の放電停止圧力以下においても負の空間電荷が
支配する放電を行わせる為に充分な磁界と電界を発生す
る手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は，面状陰極を持った放
電装置に関し，スパッタ装置，エッチング装置，表面改
質装置，真空計，その他一般の陰極が面状である方が便
利な放電を利用する装置に適用して特に効果がある。

【０００２】

【従来の技術】平板マグネトロン形スパッタ装置（以下
単にスパッタ装置）やエッチング装置に代表されるこの
種の装置は，比較的低い圧力で高速な処理を行うことが
出来て広い方面で利用されている（例えば，発明者著，
日刊工業新聞社刊，”薄膜作成の基礎”）。

【０００３】しかし，この種の装置は，特定の圧力（以
下放電停止圧力Ｐ_ｓ）以下では放電が停止してしまい使
用できないとされてきた。特に平面状陰極の場合，その
理由は不明ではあるが，Ｐ_ｓ＝１０^−３Ｔｏｒｒ近辺と
されて来た。

【０００４】

【この発明の課題と目的】この発明の課題は，この原因
を追求し，例えば１０^−４Ｔｏｒｒあるいはそれ以下の
圧力においても放電を可能にすることである。この発明
の目的は，こうすることにより従来の平板状あるいは面
状陰極の利点を生かした処理装置，真空計などの放電を
利用した装置を提供することにある。

【０００５】さらにこの発明の別の目的は，その放電電
流により正確に放電空間の圧力を測定し処理の精度と再
現性を向上せしめることであり，これは真空計でもあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段と作用】上記の目的を達成
するために，放電電圧，磁束密度を向上させ放電停止の
原因を追求した。従来よりも高い放電電圧，高い磁束密
度を放電空間に供給出来るようにしたところ更に低い圧
力においても放電を起こさせることに成功した。この放
電の性質をさらに調べたところ，放電電流は，圧力にほ
ぼ比例することがわかり真空計としても使えることがわ
かった。

【０００７】別の見方をすると従来の低電圧・大電流形
の放電から高電圧・低電流形の放電を利用すればよいこ
とがわかった。これは従来の放電空間がプラズマ状態に
あったのに反し，負の空間電荷による放電に移行したた
めと思われ，本格的なマグネトロン放電の利用が可能に
なったのである。

【０００８】

【実施例】次にこの発明を図面を用いて詳しく説明す
る。第１図から第５図に示す実施例において，１０は真
空容器，１１が反応室，１２及び１４が排気系，１３が
予備排気室，１５が反応室と予備排気室との仕切弁，１
６が予備室扉，１７が被処理体２１を搬入搬出する機構
である。１８はバリアブルリーク，１９はボンベで両者
でガス導入系を構成する。２０は被処理体系で，２２が
ホルダ，２３が導入管２４が絶縁石，２５が被処理体を
所定の電位に保つための電源（直流からマイクロ波迄何
でも必要により用いることが出来る），２６は冷媒の出
し入れあるいは加熱のための用力や被処理体の位置の変
更を意味する矢印である。３０は陰極機構で，３１はシ
ールド，３２は絶縁石，３３は２６と同じ意味の矢印，
３４は陰極容器，３５は陰極電源（電源２５と同様何で
も用いることが出来る），３６は面状陰極，３７は放電
空間，３９は導入管である。この陰極電源により，設定
された磁界と少なくとも直交する成分を持つ電界４２０
を発生する。４０は磁気機構で，継鉄４１は，中心磁石
４３（その陰極の放電にさらされない面（以下裏面）に
接する面４３１が磁極）と磁石４３の周りをとり囲んで
いる周囲磁石４４（その陰極に接する面４４１が磁極）
とつないで放電空間３７に磁力線４２を発生し，強力な
磁場を設定する。３８は陰極３６を前記両磁石間に陰極
を３６１のように変形して作った凹みである。この実施
例では，４３１と４４１は同心円状に配置してあるが，
第８図のように配置してもよい。

【０００９】この装置の動作は，通常の装置と同様に
（例えばスパタ装置として使用する場合マグネトロンス
パッタ装置と同様に）行うのでその詳細は省略する。第
３図には圧力を変化させて放電特性を調べた結果を示
す。図中，曲線１（放電電流Ｉ_ｄの変化）及び１’（放
電電圧Ｖ_ｄの変化）は，第２図（ａ）に示す従来形のマ
グネトロンスパッタ装置の例で，陰極の放電にさらされ
る面（以下表面）の表面平行成分の磁束密度は０．０２
５テスラであった。放電電圧は放電しないときは０．９
〜１ｋｖ，放電時３００ｖであった。放電状態（放電電
圧は２００〜３００ｖ）で圧力を３×１０^−３Ｔｏｒｒ
から下げていくと，１×１０^−３Ｔｏｒｒで急に放電は
停止し（これがＰ_ｓ），電圧は１ｋｖに上昇したが電流
計は指示しなくなった。電流計を代えて感度を上げて調
べたがわずかに１〜２ｍＡ程度の電流がある程度であっ
た。これが従来技術でこのためこの装置は使えなかっ
た。

【００１０】つぎに，この装置に放電しない時（放電電
流の少ないとき）は３ｋｖ，放電電流の増加と共に電圧
が低下（安全のため）する電源を用いたところ，放電電
流は２−２”のようにヒステレシス曲線を描いた。電圧
は表示してないが放電電流が急減後はおよそ３ｋｖ，放
電電流が１Ａに近い状態では３００〜４００ｖであっ
た。このようにヒステレシスのある場合装置としては使
いにくい場合が多い。

【００１１】ついで，この磁石の磁場を測定したところ
第４図を得た。この図において横軸は磁極面４４１−４
３１を０としてこれと直角方向についてそれより外を
（＋）中を（−）として測定したものである。縦軸は，
陰極面に並行な最大の磁束密度Ｍｍとの比で，各位値の
面と平行な磁束密度Ｍを示してある。Ｍｍは０．０５テ
スラであった。従来は第４図ｅより右の領域のみを利用
していたのである。そこでさらに改善をはかり陰極に凹
み３６１を設けた実施例が第２図（ｂ）に示した例であ
る。この実施例では第４図ｄより右の空間を利用し極め
て効果的に磁束を放電に利用している。この例の電流特
性は曲線３であり電圧は曲線３’である，この場合電圧
電流が急に変化するときやや不安定であったがヒステレ
シス曲線を示さず良好な結果を得た。従来の曲線１に比
し３倍以上の電流を得ることが出来大幅な改善が出来
た。

【００１２】さらに改善をはかるために第２図ｃのよう
に中心磁石４３を大きくし磁束密度４２５の増大をはか
った。磁石材料に希土類磁石を用いて０．２テスラを得
た。この場合の電流特性は，第３図曲線４，電圧特性は
第３図曲線４’である。従来の場合の曲線１に比して約
２０倍の改善である。

【００１３】第５図には，放電電圧と放電電流との関係
を示す。これより電圧が１ｋｖを越えれば急峻な立ち上
がりによる不安定さはなくなり良好な結果が得られる。
なお曲線５は，第２図（ｂ）の方式で第３図曲線３の１
×１０^−３Ｔｏｒｒにおける特性である。曲線６は第２
図（ｃ）の方式で第３図曲線４の５×１０^−４Ｔｏｒｒ
における特性である。

【００１４】以上は小形の放電電極の実施例である。例
えば第２図（ｂ）の凹みの外径は６４ｍｍ内径は３０ｍ
ｍ程度のものである。さらに大電力用に第２図（ｂ）の
形状で凹みの外径１１０ｍｍ内径３０ｍｍ，最大磁束密
度０．５テスラ，放電電圧７ｋｖで運転したところ約１
Ａの放電電流を得ることが出来，アルミニウムをスパッ
タしたところ約２０００Ａ／ｍｉｎの速度をもつことが
出来た。

【００１５】このように放電停止の原因を追求したとこ
ろ，従来に比し高電圧・高磁場を用いることにより平板
状マグネトロン電極においても低い圧力において放電を
持続させることが出来た。従来不可能とされたことが可
能となった。

【００１６】これは圧力が高く放電空間に正電荷（主と
してイオン）が停滞してプラズマ状態を形成している状
態から，圧力低下のためイオン等の正電荷の停滞が減少
し，負の空間電荷が直交電磁界空間にとらえられ放電を
支配する状態，即ち，負空間電荷放電へと急に移ったも
のと推定される。これはマグネトロン放電あるいは直交
電磁界放電そのものが実現したことによる。このことに
より第３図に示すように圧力Ｐと放電電流Ｉ_ｄが直線関
係にあるようになり圧力を正確に測定しながら処理を行
うことが出来るのである。放電電流の大きいプラズマ状
態（第３図の放電電流が大きく圧力変化に対して電流変
化の少ない状態）では圧力測定を行うことは出来ない。

【００１７】以上は主として放電現象について説明した
が，真空計としてそのまま用いることが出来るのは勿論
のこと，第１図に示すように被処理体２１を搬送系１７
により反応室に持ち込んでスパッタを行えばスパッタ装
置として，被処理体に所定の電圧を印加導入気体とし
て，導入気体として例えばｃｌやＦを含む気体を用いれ
ばエッチング装置として，あるいは導入気体として窒素
を用いて窒素イオンを被処理体に照射すれば表面改質装
置として，チタンやチタン系合金などの活性な金属をス
パッタすればスパッタイオンポンプとしてこの発明を用
いることが出来る。この他面状の陰極（第２図（ｂ）の
実施例を含めて）を利用すると便利な装置には何でも用
いることが出来る。このように従来の技術あるいは装置
にこの発明を適用することにより新しいシステムを作り
上げることが出来る。

【００１８】以下主としてスパッタ装置を中心に他の実
施例について説明する。しかしこれらは前述のように各
種の放電装置に適用できることは云う迄もない。第６図
の実施例はスパッタ装置として用いる場合のターゲット
の例で，３６１を真空容器の一部とし放電空間３７に近
い側にスパッタされるターゲット３６２を配するとよ
い。両者は熱電導のよい材料で接着されることが望まし
い。勿論３６２の所に被表面処理体や被エッチング処理
体を置いてそれぞれの処理を行ってもよい。その場合接
着は不要の場合が多いことも云う迄もない。

【００１９】第７図には，別の実施例を示してある。こ
の実施例では陰極３６を全くの平面にしておきたく，且
つ強力な磁界を得たい場合の実施例で，４３２及び４４
２は磁極４３１及び４４１に対応するボールピースであ
る。これらはターゲット材３６４，３６５，３６６でお
おわれている。ターゲット材３６６の表面では強力な磁
界を得て高速なスパッタを行うことが出来る。各ターゲ
ットは必要により各所をローずけあるいは接着するとよ
い。また消耗の激しいターゲット３６６は特に接着せ
ず，きつめのはめあいにしておけば電力投入と共に温度
が上昇し熱膨張により十分な熱接触を得ることもでき
る。この場合ターゲット３６６の交換に便利である。な
おポールピースは必ずしも磁性体でなくとも，第１３図
の実施例のように静電的電子雲を集束するので効果があ
る。

【００２０】第８図には他の実施例を示してある，この
実施例では全体を角形に作るために陰極の裏面に接する
磁極を角形に，しかも強力な磁場を得るために多重トラ
ック形に配した例である。この形状は必要な形に設計す
る第１歩で，どんな形にも設計できる。

【００２１】第９図及び第１０図には，別の実施例を示
してある。この実施例では，陰極３６の内側にポールピ
ース４３２，４４２を配した場合で，ターゲット３６６
は熱接触（第７図の実施例と同様）によっている。必要
により３６４，３６５も配するとよい。さらに被処理体
を帯電体，特に電子で衝撃しないよいようにしたい場
合，特別の陽極５０を設けた実施例である（他の実施例
では，陰極に対して正の電位にある部材，例えば真空容
器，シャッタ，シールド，被処理体ホルダなどが陽極と
して働作している）。５１，５２はそれぞれ陽極であ
る。陽極の位置は，第１０図に示すように，陰極からで
て被処理体に接する磁力線４２１を切る程度の位置にす
るとよい，そうすると放電で用済となった電子４２４は
殆ど陽極に流入し被処理体を衝撃しなくなる。放電は他
の磁力線４２２，４２３にそって運動する電子例えば４
２６によって維持される。

【００２２】第１１図には他の実施例を示してある。前
述の各実施例は，面がほぼ平面で，面と直角方向にスパ
ッタされた物質が飛行しほぼ平面状の被処理体に皮膜を
成長させるのに便利であったが，この実施例は，ターゲ
ット３６２を円錐あるいは他の面状をし，スパッタされ
た材料は矢印３６８の方向に飛行する。この場合スパッ
タされた材料は矢印３６８１の方向に飛行する成分もあ
る。一方特にターゲット３６２が酸化物である場合，そ
の表面で出来た酸素の負のイオンは矢印３６８の方向に
飛行する。したがって矢印３６８１の方向にある被処理
体を衝撃し，結晶にダメージを与えることが少ない。超
電導物質など結晶性を重要とする材料のスパッタによ
い。また酸化物だけでなく負イオンを生成しやすい材
料，例えば金など貴金属やその合金のスパッタにも秀れ
た性能を示す。このようなことは，面３６２を用いなく
とも例えば第２図（ｃ）の実施例を円錐面，逆円錐面，
そのほかの曲面状に並べても出来ることである。面と面
の角度θはあまり小さいと矢印３６８１の方向成分が少
なくなるので少なくとも鈍角であることが望ましい。タ
ーゲット材３６４の形は３６４１，３６４２のように変
更してもよい。

【００２３】第１２図には別の実施例を示してある。こ
の実施例ではターゲット面３６２が逆円錐面になり上下
２つ重ねてある点が異なり，且つ被処理体２１が側面に
あること，磁気装置４６で紙面上下方向の磁場を設定す
るようにしてある点が異なる。この場合も被処理体２１
が帯電体により衝撃されにくい点が特徴である。

【００２４】第１３図には他の実施例を示してある。こ
の実施例では，磁界により負の空間電荷を集束する上
に，静電的に集束する手段を追加してある点が異なる。
陰極３６の放電空間３７側には，突起３６９が磁極にす
ることが可能で３６９１〜３６９４までの一点鎖線で示
してあるように各種設計して用いることが出来る。

【００２５】第１４図には別の実施例を示してある。こ
の実施例では放電空間側に，ほぼ対称的に磁気装置４
３’及び４４’を設けてある。こうすることにより磁力
線４２は陰極３６側に４２６で示すように集められさら
に強力な磁界を得ることが出来る。

【００２６】第１５図にはさらに他の実施例を示してあ
る。この実施例ではごく小形の磁石に電圧を印加するだ
けで空開３７１に放電が起き，これに流入する電流によ
り真空度の測定を行うことが出来る。いわばヌード形真
空計で，真空計接続管の効果を除いて正確な測定を行う
ことが出来る。必要なら磁石をうすい皮にくるんでもよ
い。またスパッタされた物質が問題になるときは，シー
ルドをつけるとよい。

【００２７】以上は何ら限定的な意味をもつものではな
く多数の変形が可能である。各実施例は互いに組み合わ
せたりその一部を利用しあったりしてさらに秀れた製品
を生むことが出来る。特にこの放電装置は広範囲の装置
やシステム，部品に応用できる。例えば応用のほんの一
部が下記文献に述べられている。（１）実用真空技術総覧：塙輝雄編，産業技術サー
ビスセンター１９９０年１１月２６日発行（２）薄膜作成の基礎：発明者著，日刊工業新聞社刊また，放電の理論面では電極の構造が異なるが，電界と
磁界が直交するという意味で下記文献が大いに役立つ。（１）応用物理４１巻（１９７２）４５１〜４６０頁
の発明者著「直交電磁界空間の低圧における放電特性」これらをもとに必要とする形に必要な面状陰極放電装置
を設計できることは云う迄もない。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の面状陰極放
電装置によれば面状陰極を持っていながら低い圧力で放
電し，放電中に出来たイオン，電子，ラジカルを利用す
ることにより，成膜，エッチング，表面改質，真空計な
どいろいろな分野に広く応用し秀れた効果を上げること
が出来る，さらに放電電流により直接放電空間の圧力を
知ることが出来るので精度がよく且つ再現性のよい加工
を行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図，第３図，第４図及び第５図はこの発明
の実施例及び従来技術との比較を示す図，第６図，第７
図，第８図，第９図及び第１０図，第１１図，第１２
図，第１３図，第１４図，第１５図はそれぞれこの発明
の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１０真空容器１２排気系１８と１９ガス導入系３０陰極機構３５電力を供給する手段３６陰極３６２ターゲット３７放電空間３８凹み４０磁気機構４２磁力線４２０電界４３１，４４１磁極

【手続補正書】

【提出日】平成４年２月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項６

【補正方法】追加

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００９】１１行目，”これが”の前に”これは，その
後よく調べると冷却水を通しての電流で，放電電流は零
であることがわかった”を追加する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】３行目”３０ｍｍ”を”８０ｍｍ”に，４
行目”約１Ａ”を”約０．２Ａ”に変更する。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正内容】

【００１６】４行目”と推定される”を”である”と変
更し，５行目”実現したことによる。”の次に”これは
後述の

【００２７】放電の理論に関する発明者著で，応用物理
４１巻に掲載された文献「直交電磁界空間の低圧におけ
る放電特性」の５．１放電電流１の計算（４５５頁）の
項の最初の記述から明かである。即ち゛定常状態におい
て放電空間で生成した陽イオンは電子の空間滞在時間に
比して極めて短い時間内に陰極に到達する。その結果空
間には負の空間電荷が存在することになる。電子は放電
電離などでエネルギーを失うごとに少しずつ陽極に近づ
き最後には陽極へ流入する。定常状態における放電電流
は，放電空間において単位時間あたり生成する陽イオン
と電子（陰イオンも含む）の対の総和として与えられ
る。即ち，Ｆ１ｇ．１．３の微小容積ｄｖにおいて単位
時間当りに生成する陽イオンと電子の対の数をｒ_ｃから
ｒ_ａまで積分して求められる。゛このようなことが知ら
れていながら，平板マグネトロン放電では長い間実現出
来なかったのである。本願では，このように従来技術に
おいては，

【０００９】に述べるように放電が停止する圧力Ｐ_ｓよ
り低い圧力において主として負空間電荷により放電を維
持する放電を負空間電荷放電と定義する。この放電は，

【００１０】〜

【００１３】に詳しく述べたように電圧だけを上昇させ
ても実現出来ず（

【００１０】），電圧と磁界の両方を上昇させることに
より初めて実現出来たのである。”を追加する。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】４行目”印加導入気体として”を”印加し
て”に変更し，３行目”スパッタ装置として，”を”ス
パッタ装置としていろいろなスパッタを行うことが出来
る。従来技術の項や後述の

【００２７】項に述ベる如く，金属や単体のスパッタは
もちろん，新しい材料を得るためのリアクティブスパッ
タにも用いることが出来る。例えば文献「薄膜作成の基
礎」の「表８．２（１６０頁）種々のスパッタ方式」Ｎ
ｏ．５欄の「表８．１（１５６頁）５００ｅｖのイオン
エネルギーに対するスパッタ率」に示されたＨ_２，Ｈ
ｅ，Ｎｅ，・・など，更に「実用真空技術総覧（後述）
６３２頁の付録表リアクティブスパッタリングにおける
反応生成物」のガス欄に示されたガスなどを用いてリア
クティブスパッタを行い新しい材料の開発を行うことが
出来る。特に，この発明の面状陰極放電装置は，１Ｔに
近いかそれ以上の高磁場を用いるので質量の小さいＨ_２
あるいは，Ｈを含む気体例えばＣＨ_４やアルコール等の
有機ガス等）やＨｅなどを用いると，これらのイオンは
高磁場にとらえられる。空間にとらえられる電子は，こ
れらの空間にとらえられたイオンの数だけ増加する。特
にＦｉｇ．１４に示す実施例ではこの傾向は拡大され
る。電界と磁界のある空間でのイオンや電子の磁界内へ
のとらえられ方は，よく知られている。第１４図の実施
例では，主としてターゲット３６側の磁力線４２６の中
に電子が，その他の空間にイオンの多くの部分が，４２
６の中にも一部が，閉じ込められている。その結果放電
電流も大きく増加し，スパッタで云えばスパッタ速度
が，その他の処理装置においては処理速度が増加す
る。”と変更する。

【手続補正書】

【提出日】平成６年４月６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部を真空に出来る真空容器，前記真空
容器の内部に設けられた陰極機構，前記陰極機構内の陰
極の表面が面状をなし且つ陰極の放電にさらされる面
（表面）の反対側の面（裏側）に磁気機構を配し，前記
磁気機構により陰極の放電にさらされる面の一端から出
て他端に入る磁力線を発生せしめ陰極表面上にほぼこれ
と平行な成分をもつ磁界を設定する手段，前記陰極に電
力を供給して表面にある磁界と少なくとも直交する成分
を有する電界を発生する手段，放電空間の圧力をガス導
入系と排気系により調整することの出来る面状陰極放電
装置において，前記圧力，電力及び磁界を調整して前記
陰極の近くに負空間電荷放電を行わせることを特徴とす
る面状陰極放電装置。
【請求項２】陰極と陽極との間の電位差が１０００ｖ
以上あることを特徴とする請求項１記載の面状陰極放電
装置。
【請求項３】陰極面と平行な磁束密度の成分が，放電
空間の中央の少なくとも一部で，０．０５ステラを越え
ることを特徴とする請求項１記載の面状陰極放電装置。
【請求項４】磁気機構の磁極と磁極の間に凹みを設
け，磁束密度の最大の空間を利用したことを特徴とする
請求項１記載の面状陰極放電装置。
【請求項５】面間角度が鈍角をなすことを特徴とする
請求項１記載の面状陰極放電装置。