JPH0822802A

JPH0822802A - 二重圧力勾配型ｐｉｇ放電によるプラズマプロセシング装置

Info

Publication number: JPH0822802A
Application number: JP6187688A
Authority: JP
Inventors: Joshin Uramoto; 上進浦本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-07-05
Filing date: 1994-07-05
Publication date: 1996-01-23

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は高密度プラズマを、大面積、大体
積に渡って、低圧力、弱磁場領域にも電極の配置なしで
安定に供給して、プラズマプロセシング装置を発展させ
ることにある。【構成】（１）気体圧力勾配のある直流放電の陰
極、中間電極、陽極及び陽極リングを主（真空）容器の
端に配置し、その陽極リングの中心穴から、放電プラズ
マ流が主容器内に拡散して行く。（２）陽極領域には平行な強磁場がかかっており、ＰＩ
Ｇ放電となる。（３）主容器内に拡散するプラズマ流の方向と形は永久
磁石によって調節される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［産業上の利用分野］先ず、表面処理で一
般性のある大型高出力電子ビーム蒸着装置をイオンプレ
ーテング装置に発展させるとき、現在最高の大面積、大
体積の高密度プラズマを利用できる。また、絶縁膜の形
成のとき極めて便利である。他に、高密度、大面積のプ
ラズマＣＶＤ装置、プラズマエッチング装置として、特
長を発揮する。

【０００２】［従来の技術］（１）小型の電子ビーム蒸着装置をイオンプレーテング
装置に発展させる方法としては、ＲＦアンテナをハース
上に配置して、ＲＦ放電によって蒸気をプラズマ化（村
山式）するのが従来の最も一般性のある方式である。し
かし、商用のＲＦ周波数１３．５６ＭＨｚでは、原理的
にプラズマ密度１０^９／ｃｃ程度が限度である。また、
プラズマ面積の点でも２０〜３０ｃｍ四方が一様にでき
る限界である。他に、ＲＦアンテナがイオンでスパタさ
れて、不純物が形成膜中に混入する欠点もある。以上の
原因で、大型の高出力電子ビーム蒸着装置にはＲＦ併用
イオンプレーテング法は適しない。次に電子ビーム蒸着
のハース近くに放電陽極を配置し、ハースを陰極とし
て、アーク放電による蒸気のプラズマ化（バンシャ式）
の方式も、小型の電子ビーム蒸着装置には有効である。
しかし、そのアーク放電電力の大部分が陽極損失となる
ので、電子ビームの出力を上げて、それに伴って、アー
ク放電々力も上げるとき、陽極損失による電力効率の低
さが大問題となる。そして決定的な欠点は、ハース近く
でつくられたプラズマが大型容器内に拡散すれば、極め
て低いプラズマ密度になることである。以上の理由によ
り、このアーク放電併用方式も大型電子ビーム蒸着装置
を良質なイオンプレーテング装置に転化させることはで
きない。キャリヤガスを使用したマイクロ波プラズマ生
成源を大型電子ビーム蒸着装置に併用することも考えら
れるが、マイクロ波のカットオフ周波数によりプラズマ
密度の制限を受けて、プラズマ源で１０^１２／ｃｃが通
常の上限である。このプラズマを大型容器内に３０倍程
度の直径で拡散させれば、１０^９／ｃｃにプラズマ密度
が低下する。他に２０００ガウス程度の強磁場を使用す
るので、それを低下させることも障害のひとつである。（２）そこで考えられるのが、直流放電と電子ビーム蒸
着装置の併用である。これは、真空容器の中に長距離で
向かい合う陰極と陽極を配置して直流放電を行なうのが
一般的である。この時キャリアガスの圧力は、例えばア
ルゴンで５×１０^−４Ｔｏｒｒ以上の圧力でないと効果
的にプラズマ生成できない。即ち、圧力に可成の制約を
受ける。また、放電の電子流を導くために、数１０ガウ
ス程度の磁場も要求される。この磁場のために一様なプ
ラズマの直径は２０ｃｍ〜３０ｃｍ程度に限定される。
以上の問題の他に、本質的に障害となるのは、絶縁膜形
成の時の陽極表面の絶縁化による放電の不安定化−停止
である。絶縁膜形成は電子ビーム蒸着装置では可成一般
的なので、この障害は重大である。なお、電子ビーム蒸
着装置以外のプラズマＣＶＤ装置でも一般の直流放電の
陽極が絶縁化し大きな障害となっている。プラズマスパ
タリング装置でも同様であり、またプラズマエッチング
装置では負性イオンの発生のため、陰極−陽極間を長く
すると直流放電が困難になっている。（３）従来の直流放電形式としては、磁場に垂直に放電
させるＰＩＧ放電もあり、放電々極は全て真空容器の端
に配置できる。その放電プラズマ流は端にある円筒状の
陽極の中から主たる真空容器内に拡散するので、（２）
で述べた陽極の絶縁化は軽減される。しかし、従来のこ
の形式によるプラズマプロセシング装置では陰極と陽極
の間にガス圧力の差がほとんどなく、陰極は低い圧力の
範囲になるので、陽極領域からのイオンの逆流衝突によ
ってスパタされ物理的損傷を受ける。また、反応ガスを
主容器内に流すと、陰極は化学的損傷も受ける。かくて
陰極の寿命が著しく短くなる。更に大きな欠点は放電領
域のガス圧力が低いので高密度プラズマが生成されず、
主（真空）容器内に大直径で拡散すれば、もっと著しく
プラズマ密度が低下する。それ故密度としては先のＲＦ
放電プラズマ程度である。なお、主容器内に拡散するプ
ラズマ流の方向と形が変えられないのも、この従来型Ｐ
ＩＧ直流放電プラズマの欠点である。

【０００３】［発明が解決しようとする課題］先ず、大
型電子ビーム蒸着装置内のプラズマ生成に焦点を合わせ（１）アルゴンのキャリアガスの高密度（１０^１１／ｃ
ｃ以上）、高電子温度（電離能力のためには１０数ｅＶ
以上）のプラズマを大面積（５０ｃｍ巾以上で約１ｃｍ
長さ）で、且つある程度の厚み（効果的な蒸気の電離の
ためには１０数ｍ必要）を持って供給できること。（２）アルゴンの低圧力（２×１０^−４Ｔｏｒｒ程度に
まで）の中でもそのプラズマ領域を形成できること。
（３）直流放電の陽極を薄膜形成の主（真空）容器内に
おかないこと。（４）大直径の強磁場（２０ガウス程度
以上）コイルは使用しないこと。なお、（５）陰極が保
護され、長寿命、且つ、大電流で放電できることは基本
的要請である。プラズマＣＶＤ装置、プラズマスパタリ
ング装置、プラズマエッチング装置に関しては、プラズ
マの厚みはもっと薄くてもよいので相対的にプラズマ密
度を高くできる。また、電子ビーム蒸気源がないので
（４）の大直径コイルの条件も緩和される。

【０００４】［課題を解決するための手段］先ず、本質
的にプラズマ生成密度に限界の生じない直流熱陰極放電
形式とする。具体的構成は（１）陰極の保護による長寿
命と大電流放電のために、すでに発表されて実績のある
プラズマ生成用複合型ＬａＢ_６陰極（特許第１６３３７
号）による圧力勾配放電（真空２５、７８１頁、１９８
２年）を利用する。（２）図１に示したように放電陽極
を主容器内に配置せず、プラズマガンの第２中間電極の
近くに配置する。（３）陽極領域と主容器の間には内径
２．６ｃｍで長さ３．５ｃｍ程度の陽極リングが配置さ
れ、第２中間電極から数ｃｍ離してある。プラズマ流
は、この陽極リングを抜けて主容器内に入る。（４）陽
極領域にはそのプラズマ流に平行に強磁場（５００ガウ
ス以上）がかかっており、電子は多数回のマグネトロン
運動と中性粒子との多数回の衝突の後にのみ陽極（陽極
リングはその一部）に到達できる。この部分はＰＩＧ放
電（磁場に垂直な直流放電）である。（５）陽極リング
を抜けたプラズマ流は主容器内には強磁場がかかってい
ないので（最大１０ガウス程度）、ビーム的運動から熱
的運動に転換し、プラズマ電子流自身の空間電荷（負電
荷）で反射して陰極側に返され、中性粒子との多数回の
衝突の後陽極に入る。以上の（１）〜（５）で注目すべ
き点はキャリアガスの圧力勾配である。即ち、主容器の
実効排気速度を１０００Ｌ／ｓｅｃ程度に取り、２枚の
中間電極の穴の合成排気コンダクタンスを約１Ｌ／ｓｅ
ｃ、陽極リング穴のそれを約３０Ｌ／ｓｅｃに設定し
て、陰極側から０．３ＴｏｒｒＬ／ｓｅｃ（約２５ＳＣ
ＣＭ）のアルゴンガスを流す。この時、陰極領域は約
０．３Ｔｏｒｒ、中間電極−陽極間は１０^−２Ｔｏｒ
ｒ、主容器内は３×１０^−４Ｔｏｒｒとなる。かくし
て、中間電極−陽極間でその大電流放電により完全電離
のプラズマを生成したとすれば約３×１０^１４／ｃｃの
高密度のプラズマとなる。ここで直径２ｃｍ程度でその
プラズマ流が陽極リング（内径２．６ｃｍ）を抜けて直
径６０ｃｍ程度になって主容器内に拡散したとしても３
×１０^１１／ｃｃ程度のプラズマ密度が保てることにな
る。なお、プラズマをシート化してプラズマ流の拡散断
面積（数分の１以下にできる）を小さくすれば１０^１２
／ｃｃは簡単に実現できる。以上の手段を要約すれば、
圧力勾配大電流放電とＰＩＧ放電を組み合わせて陰極を
保護すると共に、高密度−高電子温度のプラズマを主容
器内に拡散させることである。他に注目すべき手段とし
ては、陽極リングを抜けたプラズマ流の拡散方向を一つ
の永久磁石によって、図２（偏向式）に示したように簡
単に変えられることである。この方法は薄膜形成の試料
面に直接高電子温度プラズマをあてることができるの
で、高電流密度のイオンアシスト的な効果も期待でき
る。また、主容器の下にある電子銃とのプラズマ的干渉
を防ぐこともできる。更に、注目すべき手段としては、
主容器内に拡散させるプラズマの形を大直径からシート
形（厚みは自由に調節）に変えることができる。即ち、
浦本の発明の技術（特許第１７５５０５５号）によって
簡単な一対の角形永久磁石を陽極リングの後に図３（シ
ート式）のように配置すればよい。この時、主容器に弱
磁場をかけて調節（数ガウスから２０ガウス程度まで）
すればシートプラズマの厚み（高電子温度で光っている
部分）を自由に変化（２０ｃｍ〜数ｃｍ）させることが
できる。

【０００５】［作用と実施例］本発明は先ず第一に大型
電子ビーム蒸着装置をイオンプレーテング装置に転換す
ることから出発しているので、その為のプラズマ生成の
実験例を挙げる。図１に示したような特許第１６３３３
７５号、特許第１６４９４６３号に素づく圧力勾配放電
プラズマ（真空２５、７８１頁、１９８２年）を転用す
る。（１）直径２．６ｃｍで長さ３．５ｃｍの穴のある
陽極リングを第２中間電極から数ｃｍ離して配置し、そ
の中に５００ガウス程度の強磁場をかける。（２）主容
器内に最大１０ガウスの弱磁場を大直径（６０ｃｍ）空
芯コイルによって発生させる。（３）陰極側からアルゴ
ンガス約２５ＳＣＣＭを流し、実効速度１０００Ｌ／ｓ
ｅｃ程度の真空ポンプで主容器内を排気する。この状態
で、陰極領域内は約０．３Ｔｏｒｒ、第２中間電極と陽
極リング間は、約１０^−２Ｔｏｒｒと推定され、主容器
内は３×１０^−４Ｔｏｒｒである。（４）主容器内に拡
散するプラズマ流をシート形に変える為に陽極リングか
ら数ｃｍ後に２枚のフェライト磁石を配置する。以上の
条件の下に放電が行なわれ、放電々流１００Ａ、放電々
圧７０Ｖのとき、シート変形を行い主容器内に長さ８０
ｃｍ、巾約６０ｃｍ、厚み１０数ｃｍのアルゴンプラズ
マが生成され、平均プラズマ密度約２×１０^１１／ｃ
ｃ、電子温度約１５ｅＶであった。

【０００６】［発明の効果］当初目標の大型電子ビーム
蒸着装置への適用に限って見ても、従来の全てのプラズ
マより２桁程度プラズマ密度が高く、面積的にもより大
きな範囲を確保できる。実際に電子ビーム（１０ＫＶ、
１Ａ）で蒸気を発生させ、イオンプレーテングを行なっ
た結果も従来のＲＦ併用方式では不可能な優れた薄膜が
形成されている。また絶縁膜でも陽極面の絶縁化による
放電の不安定は現われなかった。その他、強磁場の範囲
が陽極領域のみなので、電子銃への磁場的干渉も皆無で
あった。また、プラズマ的電子銃への干渉も、偏向式や
シート式の利用で全く問題はなかった。なお、すでに浦
本の開発した圧力勾配プラズマガン（真空２５、７８１
頁、１９８２年）は、アルゴンガス使用の時、放電々流
２５０Ａ程度まで、放電々圧１００Ｖ程度まで可能なの
で、プラズマ密度１０^１２／ｃｃシートプラズマの巾１
ｍ、長さ１ｍ以上も期待できる。以上本発明によって、
従来の方式では実現できなかった高密度で大面積、大体
積のプラズマが極めて簡単にプラズマプロセスに利用で
きるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的装置構成図

【図２】本発明のプラズマ流偏向対策図

【図３】本発明のプラズマ流シート化対策図

【符号の説明】

１は（放電）陰極、２は中間電極（２つの）、３は（放
電）陽極、４は陽極リング、５は磁場コイル、６は（キ
ャリヤ）ガス、７は主真空容器（排気ポンプに接続）、
８は（放電）プラズマ流、９は偏向用永久磁石、１０は
偏向プラズマ流、１１は（一対の）シート（化用）永久
磁石、１２は大直径磁場コイル、１３は厚い（大巾の）
シートプラズマ流。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁場に沿って、陰極−穴のある中間電極
（複数でもよい）−円筒陽極−穴のある陽極を配置し、
陰極側からガスを流して、圧力勾配のあるＰＩＧ放電を
行なう。かくしてこの陽極の穴を通って、真空容器の中
に拡散したプラズマを利用するプラズマプロセシング装
置。