JP3832568B2

JP3832568B2 - 圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極構造

Info

Publication number: JP3832568B2
Application number: JP2001071320A
Authority: JP
Inventors: 奨中村; 吉田　　誠
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: JP2002270395A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は真空成膜装置に用いられる圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧力勾配型プラズマ発生装置を利用した真空成膜装置として、例えば図８に示すようなイオンプレーティング装置１０が知られている。このイオンプレーティング装置１０は、真空容器１１に圧力勾配型プラズマ発生装置２０が取り付けられており、その圧力勾配型プラズマ発生装置２０の外周には発生させたプラズマビームをガイドするためのコイル３０が配設されている。また、圧力勾配型プラズマ発生装置２０には、プラズマビームを収束するための第一の中間電極９１および第二の中間電極１０１が並設されていて、この第一の中間電極９１には環状の磁石９４が内蔵され、第二の中間電極１０１には収束コイル１０２がそれぞれ内蔵されている。
【０００３】
真空容器１１内は、基板６０が天井部に吊り下げられるように支持されて配置されていると共に、該基板６０には負バイアス用の直流電源が接続されている。そして、真空容器１１の底面には基板６０と対向するようにハース（陽極）５０が配置され、その外周には環状の補助陽極５１が配置されている。また、真空容器１１の側壁には、真空容器１１内にキャリアガスを導入するためのガス導入口１１ａと、真空容器１１内を排気するための排気口１１ｂとが形成されている。
【０００４】
圧力勾配型プラズマ発生装置２０は、一端に導体板２１を備えており、この導体板２１に形成されたキャリアガス導入口２２からキャリアガス（Ａｒ等の不活性ガス）が導入されるようになっている。また、この導体板２１には可変電源７０のマイナス端が接続され、プラス端はそれぞれ抵抗器Ｒ１およびＲ２を介して第一の中間電極９１および第二の中間電極１０１に接続されている。また、ハース５０は、可変電源７０ならびに抵抗器Ｒ１およびＲ２に接続されている。
【０００５】
こうして構成されたイオンプレーティング装置１０は、圧力勾配型プラズマ発生装置２０のキャリアガス導入口２２からキャリアガスが導入されると、圧力勾配型プラズマ発生装置２０内で放電が開始され、プラズマビーム４０が発生する。発生したプラズマビーム４０は、内部に環状の磁石９４およびコイル１０２が内蔵された第一の中間電極９１および第二の中間電極１０１の中心の通路（オリフィス）に収束させられ、コイル３０と補助陽極５１の磁石にガイドされて、陽極として用いられるハース５０および補助陽極５１に到達し、ハース５０に収容された蒸着材料５２がジュール加熱されて蒸発する。こうして蒸発された蒸着材料５２からの蒸着金属粒子はプラズマビーム４０によってイオン化・活性化され、このイオン粒子が負電圧の印加された基板６０の表面に付着し、基板６０上に膜が形成されるようになっている。
【０００６】
図９は、上記イオンプレーティング装置１０の圧力勾配型プラズマ発生装置２０の第一の中間電極９１をより詳細に示す説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図を示している。
【０００７】
以下図９を参照して第一の中間電極９１の構成を説明すると、第一の中間電極９１は、中心部にプラズマビームを収束し通過させる貫通口（オリフィス）９３を有するドーナッツ形状をしており、内部が中空構造となっているケース９２の該中空内に、プラズマビームを収束させてオリフィス９３の中を通過させるための磁石９４が支持固定され収納された構造となっている。このとき、ケース９２は、外形に沿った略円形の３つのシール部９２ａ、９２ｂ、９２ｃで溶接接合されることで、環状の磁石９４がケース９２の内部に収納されるようになっている。なお、上記シール部９２ａ、９２ｂ、９２ｃは、溶接接合のほか、Ｏリングやパッキンを挟んでネジ止めしたものでも良い。
【０００８】
また、ケース９２と磁石９４との隙間には冷却溶媒９５が流通されている。冷却溶媒９５は、放電電子もしくはイオン衝撃または陰極からの熱などによってケース９２が破壊されることを防ぐために中間電極９１全体を冷却するためのものであり、図１０（ａ）の垂直断面図および（ｂ）の水平断面図に示すように、中間電極９１内のケース９２と磁石９４との隙間を流通するようになっている。即ち、ケース９２の側面には配管用の穴９５ａ、９５ｂが開けられ、その穴９５ａ、９５ｂに配管を取り付け、ケース９２と磁石９４の隙間に冷却溶媒９５を流すことで、中間電極９１全体を冷却してプラズマ発生時の熱から保護する構造となっている。なお、図９（ｃ）に示す９６は中間電極９１のオリフィス９３近傍が直接プラズマビームに接することないように覆っているカバーであり、タングステンなどのスパッタ率の低い金属やカーボン等で成っている。
【０００９】
なお、第一の中間電極９１の構造を例に環状の磁石９４を用いた例で説明してきたが、第二の中間電極１０１のように収束コイル１０２を用いて収束磁場を作るようにした構造も同様である。ただし、コイルを用いた構造の場合には、ケースの外から水密を確保した状態で配線が行われる。また、上記イオンプレーティング装置１０はあくまでも一例であり、圧力勾配型プラズマ発生装置２０、ハース５０、基板６０の配置は装置の構成によって様々なものがある。また、イオンプレーティング装置を例に説明してきたが、そのほか圧力勾配型プラズマ発生装置を使ったプラズマＣＶＤ装置などの真空成膜装置に対しても同様である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした従来の圧力勾配型プラズマ発生装置２０の中間電極９１の構造は、ドーナッツ形状をしたケース９２の中空構造の中に環状の磁石９４もしくはコイルが配置された構成となっているので、オリフィス９３の近傍で冷却溶媒９５が滞りやすく、その付近の冷却効率が悪いといった問題があった。また、ケース９２の中空構造内に磁石９４もしくはコイルを収容保持した状態で磁石９４とオリフィス９３との間に冷却溶媒９５の流路となるスペースを形成するためには、ケース９２のシール部９２ａ、９２ｂを構造上このオリフィス９３の近傍に形成せざるを得ず、オリフィス９３近傍はプラズマビームの収束部分となるために放電電子もしくはイオン衝撃または陰極からの熱などによってシール部９２ａ、９２ｂが破壊されやすく、長期に亘って使用するにあたり耐久性に問題があった。特に上述したオリフィス９３近傍で冷却溶媒９５が滞りやすいといった問題と合わせると耐久性の面でさらに問題であった。また、ケース９２内の冷却溶媒９５中に磁石９４もしくはコイルが置かれていることになるため、冷却溶媒９５によって磁石９４が劣化して割れることで中心磁場の状態が経時変化してしまったり、コイルの配線が腐食断線してしまったりといった問題もあり、こうした問題の解決が課題とされるものとなっていた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した従来の課題を解決するための具体的手段として、中央部に貫通口を有し且つ内部に中空を有するケースと、該ケースに固定されプラズマビームを前記貫通口に収束させて通過させるための環状の磁石もしくはコイルと、前記ケースの中空内を流通して全体を冷却するための冷却溶媒と、から成る圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極構造において、前記ケースは側面が外周に沿って窪んでおり、その窪みに前記磁石もしくはコイルが嵌め込まれた構造となっていることを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極構造を提供することで課題を解決するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明を図に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明に係る圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極構造の第一実施形態を示す断面図であり、全体の真空成膜装置（例えばイオンプレーティング装置）や圧力勾配型プラズマ発生装置の構成は従来例（図８）と同様であるのでここでの説明は省略する。
【００１４】
本発明に係る圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極１は、中心部にプラズマビームを収束し通過させる貫通口（オリフィス）３を有するドーナッツ形状をし、内部が中空構造となっているケース２に、プラズマビームを収束させてオリフィス３の中を通過させるための磁石４が支持固定されている。このとき、ケース２は、外形に沿った略円形の３つのシール部２ａ、２ｂ、２ｃで溶接接合されることで、ケース２の内部を中空構造としている。なお、上記シール部２ａ、２ｂ、２ｃは溶接接合のほか、Ｏリングやパッキンを挟んでネジ止めしたものでも良い。
【００１５】
そして、このケース２の中空内を冷却溶媒５が流通するようになっている。この冷却溶媒５は、放電電子もしくはイオン衝撃または陰極からの熱などによってケース２が破壊されることを防ぐために中間電極１全体を冷却するためのものであり、後で説明するように中間電極１の中空内を流通するようになっている。
【００１６】
以上の点については従来例と同様であるが、本発明ではケース２の側面が外周面に沿って窪んだ形状をしており、その窪みに磁石４が嵌め込まれた構成となっている。即ち、図２（ａ）に示すように環状の磁石４を、（ｂ）に示すように４ａと４ｂの２分割にし、（ｃ）に示すようにケース２の側面から窪みに嵌め込んで固定している。なお、磁石４の代わりにコイルを用いた場合は、図３に示すようにケース２側面の窪みに薄い絶縁シート等を敷いてその上から絶縁皮膜付きの銅線を巻くことでコイル４ｃが設けられている。
【００１７】
上記構成とすることで、従来はケース２内に収容され冷却溶媒５中に置かれていた磁石４もしくはコイルをケース２の外（冷却溶媒５の流路の外）に取り出し、冷却溶媒５による磁石４の劣化やコイル配線の断線防止が図れる。
【００１８】
次に冷却溶媒５の流路について図４に沿って説明する。ケース２の側面の磁石４もしくはコイルが嵌め込まれる窪み以外の箇所にはケース２の中空内に通じる配管用の２つの穴が開けられ、その穴に配管５ａ、５ｂが取り付けられている。そして、まず、（ａ）に示すように配管５ａから冷却溶媒５が流入され、▲１▼の矢印の方向に流れる。そして、ケースの中空内に形成された仕切壁２ｄ、２ｅによってオリフィス３近傍に流れ込み、（ｂ）に示すようにオリフィス３に沿って▲２▼の方向に流れて、磁石４を挟んだ反対側に流れ込む。そして、（ｃ）に示すように仕切壁２ｆ、２ｇに沿って▲３▼の方向に流れ、（ｄ）に示すようにオリフィス３に沿って▲４▼の方向に流れて、（ａ）に示すように仕切壁２ｄ、２ｅに沿って▲５▼の方向に流れ、配管５ｂから流出されるようになっている。こうして、ケース２の中空内を冷却溶媒５がムラなく循環し、特に中間電極１の中で最も熱を持つオリフィス３の近傍に沿って冷却溶媒５の流路を形成し、中間電極１全体を均等に冷却してプラズマ発生時の熱から保護するようになっている。なお、図１において６は、中間電極１のオリフィス３近傍が直接プラズマビームに接することないように覆っているカバーであり、タングステンなどのスパッタ率の低い金属やカーボン等で成っている。
【００１９】
ここで、中間電極１のケース２のシール部２ａ、２ｂ、２ｃは、中間電極１内に冷却溶媒５の流路となる中空構造を形成するために外形に沿った略円形のものであるが、従来のようにケースの中空内に磁石やコイルを保持する構造を有する必要がないため、オリフィス３から離れた位置とすることが可能となる。つまり、プラズマビームの収束部分となり熱が集中してしまうオリフィス３近傍からシール部２ａ、２ｂ、２ｃを離すことで、シール部の破壊を防ぐことができる。
【００２０】
なお、シール部２ａ、２ｂ、２ｃは、図１に示す第一実施形態のほかに、例えば図５乃至図７に示す第二実施形態乃至第四実施形態であっても良い。特に、図６に示す第三実施形態では、シール部を中間電極１の陽極側の２ａ、２ｂの２箇所のみとし、中空構造を変更したものであり、陰極側にシール部を形成していないことで、陰極からの熱などの影響を防げる構造となっている。また、図７に示す第四実施形態も同じく、シール部２ａ、２ｂを２箇所のみとし、これらシール部２ａ、２ｂを中間電極１の側面に形成したものであり、シール部２ａ、２ｂがオリフィス３から最も離れた位置であるため、シール部の保護の点でより効果が発揮されるものである。また、これら図６および図７は、シール部が２箇所のみであるため製造コスト削減にも効果がある。
【００２１】
なお、上記実施形態で述べた配管５ａ、５ｂの位置および冷却溶媒５の流路はあくまでも一例であり、中間電極１内を冷却溶媒５が循環できる構造であれば良い。
【００２２】
また、上記実施形態はいずれも圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極構造に関するものであり、従来例と同様に本中間電極構造を有する圧力勾配型プラズマ発生装置を用いた様々な構成のイオンプレーティング装置やプラズマＣＶＤ装置などの真空成膜装置に適用可能であることは言うまでもない。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極のケース側面が外周に沿って窪んでおり、その窪みにプラズマビームを収束させて貫通口を通過させるための環状の磁石もしくはコイルが嵌め込まれた構造としたことで、従来はケース内に収容され冷却溶媒中に置かれていた磁石もしくはコイルをケースの外（冷却溶媒の流路の外）に取り出し、冷却溶媒による磁石の劣化やコイル配線の断線防止が図れるといった効果を奏するものである。また、ケースの中空内を冷却溶媒がムラなく循環し、特に中間電極の中で最も熱を持つオリフィス近傍に沿って冷却溶媒の流路を形成したため、従来のような冷却溶媒の滞りがなくなって、中間電極全体が均等に冷却されるといった効果を奏するものである。さらに、中間電極のケースのシール部は、中間電極内に冷却溶媒の流路となる中空構造をつくるために外形に沿った略円形のものであるが、従来のようにケースの中空内に磁石やコイルを保持する構造を有する必要がないため、オリフィスから離れた位置とすることが可能となり、プラズマビームの収束部分となって熱が集中してしまうオリフィス近傍からシール部を離すことで、シール部の破壊を防ぐことができるといった効果をも奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極構造の第一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極構造として磁石を用いた例を説明する説明図である。
【図３】本発明に係る圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極構造としてコイルを用いた例を示す断面図である。
【図４】本発明に係る中間電極内の冷却溶媒の流れを説明する説明図である。
【図５】本発明に係る圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極の第二実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極の第三実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明に係る圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極の第四実施形態を示す断面図である。
【図８】従来例におけるイオンプレーティング装置の一例を示す断面図である。
【図９】従来例における圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極構造を示す説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は縦断面図である。
【図１０】従来例における中間電極内の冷却溶媒の流れを説明する説明図であり、（ａ）は垂直断面図、（ｂ）は水平断面図である。
【符号の説明】
１……中間電極
２……ケース
２ａ，２ｂ，２ｃ……シール部
２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ……仕切壁
３……貫通口（オリフィス）
４……磁石
４ａ，４ｂ……分割磁石
４ｃ……コイル
５……冷却溶媒
５ａ，５ｂ……冷却溶媒用配管
６……カバー

Claims

中央部に貫通口を有し且つ内部に中空を有するケースと、該ケースに固定されプラズマビームを前記貫通口に収束させて通過させるための環状の磁石もしくはコイルと、前記ケースの中空内を流通して全体を冷却するための冷却溶媒と、から成る圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極構造において、
前記ケースは側面が外周に沿って窪んでおり、その窪みに前記磁石もしくはコイルが嵌め込まれた構造となっていて、
更に、前記ケースの内部に中空を形成するためのシール部を、前記ケース側面の外周に沿って形成したことを特徴とする圧力勾配型プラズマ発生装置の中間電極構造。