JPH0428862A

JPH0428862A - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JPH0428862A
Application number: JP2136295A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Terayama; 暢之寺山; Masami Nakasone; 中曾根　正美; Yasushi Kawashita; 安司川下
Original assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Current assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1992-01-31
Anticipated expiration: 2014-11-15
Also published as: JP2977862B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は真空槽内てプラズマを発生ずる装δにかかり
、特にイオンプレーティンク、プラズマＣＶＤ　（化学
的気相成長法）における被膜形成のための材料プラズマ
を発生する装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、例えば第２図に示すようなイオンプレーテインク
装置か知られている。ｌは真空槽て、排気管２を経由し
て排気ポンプに結合され、かつ接地されている。槽内の
下部には、ム発材料３を収容したるつぼ４及びガス供給
ノズル５か配おされ、るつぼ４は槽外の加熱電源６から
加熱電流の供給を受けるヒーター７によって加熱される
。槽内の上部には、下面に被処理物８を支持したホルタ
−９か設けられ、ホルタ−９には必要に応してこれを加
熱するためのヒーターＩＯか付設されており、ヒーター
１０は槽外の加熱電源１１から加熱電流の供給を受けて
いる。１２は被処理物８の前面（図における下面）を必
要に応して覆うシャッターである。

るつぼ４またはノズル５から被処理物８へ向う蒸気また
はガスの径路に沿い、るつぼ４及びノズル５に接近して
陽極１３か配置され、これからやや離れて熱電子放射陰
極１４か配置されている。陽極１３は槽外において０〜
＋１００　Ｖのバイアス電源１５に接続され、陰極１４
は槽外において加熱電源１６及び０〜−】００ｖのバイ
アス電源１７に接続されている。なお、ホルタ−９も槽
外において負の被処理物バイアス電源１８に接続されて
いる。

上述の装置において、熱電子放射陰極１４に通電してこ
れを加熱すると、陽極１３に向って０．５〜ｌ■Ａ程度
の熱電子流が流れる。ここて、ノズル３から材料ガスを
供給するか、或いはるつぼ４内の材料を加熱して蒸発さ
せると、これらガスまたは蒸気の構成粒子は高エネルギ
ーの熱電子か衝突することによってイオン化され、陰極
１４と陽極１３との間の空間にプラズマか発生する。

この電離によって生したプラズマ電子及び粒子と衝突せ
ずにエネルギーを失っていない熱電子は、数〜数１０Ｏ
Ａの放電電流となって陽極に流入する。この放電は、低
電圧大電流のアーク放電てあり、クロー放電てはない。

ここで、被処理物バイアス電源Ｉ８を適当な値に調節し
て、シャッター１２を開くと、材料ガス等及びそのイオ
ンか被加工物８に到達し、その表面に沈着してイオンブ
レーテインクか行なわれる。その際、るつぼ４て発生す
る材料３の蒸気のみを供給すれば、被加工物８上に同材
料の被膜か作られ、材料蒸気と共にノズル５から窒素、
酸素、アセチレン等の反応ガスを供給すれば、窒化物、
酸化物、炭化物等の被膜か作られる（ＰＶＤ法）。

また、材料３の蒸気の代りにシラン、四項化チタン等の
材料ガスと、窒素、メタン、水素等の反応ガスとを、ア
ルゴン、キセ、ノン等の放電ガスと共に供給すれば、化
学反応によって生成した物質の被膜か作られる（ＣＶＤ
法）。

〔発明か解決しようとする課題〕

上述の従来の装置において、陽極に流入する電子流と、
被処理物の前面て探極法によって測定した電子密度との
関係は、第３図に示すように比例関係になった。即ち、
陽極へ流入する電子流か多い程、プラズマ密度（電子密
度及びイオン密度）か高くなって、材料蒸気等のイオン
化率か高まり、多量のイオンか被加工物に入射すること
になる。

しかし、陽極へ流入する熱電子流か一定になるように熱
電子放射陰極の加熱電流を調節しなから陽極印加電圧を
変え、被加工物前面て電子密度を測定した結果は第４図
のように、一定値を示した。即ち、陽極印加電圧を上げ
ると熱電子のエネルギーか増大するが、プラズマ密度は
熱電子エネルギーの大小によって左右されないことにな
る。

また、陽極印加電圧を変えて槽壁（接地電位）に対する
プラズマの空間電位を測定した結果は。

第５図に示すようにほぼ比例的に変化し、空間電位は陽
極印加電圧にほぼ等しくなった。プラズマの空間電位が
高くなると、プラズマ電子はその電位によってプラズマ
空間から脱出することかてきなくなるか、プラズマ中の
イオンは槽壁に対して空間電位に相当するエネルギーて
加速される。

これらの測定結果から、Ａ、プラズマ密度は陽極へ流入する電子電流に比例し、
陽極印加電圧には全く依存しない。

Ｂ、プラズマイオンのエネルギーは、はぼ陽極印加電圧
に比例する。

ことの法則か見出された。

一方、被処理物上に能率良く被膜を形成するためには、
大量のイオンか必要であり、イオン衝撃による温度上昇
を抑制する観点から、イオンの持つエネルギーを極力低
く抑えなければならない。

ところか、上述の装置において大量のイオンを得ようと
する場合は、熱電子放射陰極の温度を高めるたけてなく
、陽極印加電圧を高めて陰極からより多くの熱電子を引
出さなければならない。その結果、イオンか高いエネル
ギーを持つようになり、被処理物の温度上昇を回避でき
なくなる。

また、被処理物に被膜を強く密着させるためには、被膜
形成の初期にイオンにかなり高いエネルギーを与える必
要かある。ところか、多くの粒子（気体、金属原子）の
電離断面積は、電子のエネルギーか第１電離電圧（気体
は１５〜２５ｅＶ、金属原子は７〜１０ｅＶ程度）の２
〜３倍のところて最大値を示し、それ以上ては漸減する
のて、上述の装置において陽極に印加する電圧は接地に
対して最大＋１００Ｖ程度てあり、実用的には＋５０Ｖ
前後か使用されている。しかし、これによって与えられ
る＋５０〜＋１００Ｖ程度の空間電位は、被膜の密着性
を高める目的には極めて低すぎ、従って密着性を高める
効果は殆ど得られない。

上述のように、従来の装置は、プラズマの密度と空間電
位とを別々に制御するのか困難てあり、そのために被膜
形成に与えるイオンの量とエネルギーとを適切に制御す
ることかてきなかった。

この発明は、プラズマの密度と空間電位とを別々に制御
てきるプラズマ源を実現しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明のプラズマ発生装置は、排気手段を具えかつ槽
壁か接地されている真空槽内に、加熱手段を具えた熱電
子放射陰極と、この陰極の放射熱電子流に対面配置され
ている陽極と、上記陰極から陽極へ向かう熱電子流の径
路中に材料ガスまたは材料蒸気及び必要に応じこれらに
加えて反応ガス及び放電ガスの一方または双方を供給す
る手段か配置されている。

なお、ここて言う材料ガスは、シラン、四塩化チタンな
ど、化学変化によって被膜形成物質を生ずるガスであり
、反応ガスは、窒素、メタン、水素など、材料ガスまた
は材料蒸気と化学反応して被膜形成物質を作るガスてあ
り、放電ガスは、アルゴン、キセノンなど、放電を助け
るためのガスである。

この発明の特徴は、熱電子放射陰極及び陽極を真空槽壁
から電気的に浮遊させた上て、陽極を陰極に対して正電
位に維持したこと、及び陽極の近傍に槽壁に対して０〜
正電位に維持されている空間電位制御電極を設けて、陰
極と陽極との間で生成されたプラズマからプラズマ電子
を奪うよう構成したことにある。

また、この発明においては、陰極と陽極との間の空間に
両者間の電界に平行する磁場を形成する手段を設けるこ
ともてきる。この磁場の大きさは数ｌＯ〜数１００ガウ
ス程度てよい。

〔作用〕

上述の装置において、熱電子放射陰極を適温に加熱し、
陽極に適正な電圧を印加すると、０．５〜１．０　ｍＡ
程度の熱電子流（空間電荷制限電流）か流れ、その熱電
子はイオン化しようとするガス、蒸気などの電離電圧以
上のエネルギーを陽極電圧によって与えられる。

そこて、上記熱電子流中にガス、蒸気などを導入すると
、これらの粒子に上述のエネルギーを持った熱電子か衝
突して、これを電離する。電離によって生したプラズマ
電子及び粒子と衝突せずにエネルギーを失っていない熱
電子は数〜１００Ａ程度の放電電流となって陽極に流入
する。この放電形式は、低電圧大電流のアーク放電であ
る。熱電子流空間中に導入されるカスの圧力、茶気の法
発量などが低く、その分布密度か低いときは、粒子か熱
電子と衝突する機会か乏しいために電離か起こりにくい
か　その空間に磁場を与えることによって、粒子と熱電
子の衝突の機会を増して、良好に電離させることかでき
る。

ここて、陽極印加電圧を変えると、その電圧か導入した
粒子の電離電圧近傍に達したとき放電電流か陽極に流れ
始め、２０〜３０Ｖまての間は放電電流か急増し、４０
〜５０Ｖ以トてほぼ飽和状態になる。そして、この放電
電流は、熱電子放射陰極の温度を変化させると変わって
くる。

熱電子放射陰極の温度をｙＪ！Ｈすることによって、陽
極に流入する放電電流を一定に維持しなから、陽極電圧
を変化させても、プラズマ密度は全く変化しない。従っ
て、熱電子放射陰極の温度を一定にして、陽極印加電圧
を変えると、プラズマ密度か変化する。

電気的に槽壁から遊離している熱電子放射陰極と陽極の
間で生成されたプラズマは、接地電位にある槽壁をバリ
アとして、プラズマ自身の体積を維持しており、槽壁に
対して約＋ＩＯＶ程度の空間電位を持っている。従って
、この空間電位は、陽極印加電圧を変えたり、陽極に流
入する電流を変えたりしても、殆ど変化しない。

しかし、このプラズマから電子を奪い取るとプラズマ電
位は顕著に増大する。即ち、空間電位制御電極に槽壁に
対して上述のプラズマか自然に有する空間電位（約＋Ｉ
ＯＶ　）を上回る電圧を印加すると、プラズマか持つ電
子の一部か空間電位制御電極に流入し、プラズマの空間
電位は空間電位制御電極の印加電圧に大略等しい値に高
まる。なお、このようにプラズマから電子を奪い取って
も、陽極へ流入する放電電流は変化せず、従ってプラズ
マ密度も殆ど変化しない。

よって、この発明によるプラズマ発生装置を用いて、被
加工物上に被膜を作成する場合には、被加工物に到着す
るイオンの密度とエネルギーとを、互に他方に左右され
ずに自由に変化させることかてきる。

〔実施例〕

第１図において、真空槽１は排気管２を経由して排気ポ
ンプに結合され、かつ接地されている。

槽内の下部には、法楽材料３を収容したるつぼ４及びガ
ス供給ノズル５か配置され、るつぼ４は槽外の加熱電源
６から加熱電流の供給を受け、自身か発熱体となって材
料３を加熱し、これを蒸発させる。

槽内の上部には、下面に被処理物８を支持したホルタ−
９か設けられ、ホルダー９には必要に応して被処理物８
を加熱するためのヒーター１０か付設され、ヒータ１０
は槽外の加熱電源１１から加熱電流の供給を受けている
。また、ホルダー９は槽外においてバイアス電源１８に
接続されている。１２は被処理物８の前面を必要に応じ
て覆うシャッターである。

るつぼ４またはノズル５から被処理物８へ向かう蒸気ま
たはガスの径路に沿い、るつぼ４及びノズル５に接近し
て陽極１３か配置され、これからやや離れて熱陰極１４
か配置されている。陽極１３及び陰極１４はいずれも槽
壁ｌから絶縁されており、両者の間には槽外において陽
極電源１５か接続されている。また、陰極１４には、槽
外において加熱電源１５か接続されている。

熱電子放射陰極１４と陽極１３との間の空間１９を囲ん
て円筒状の空間電位制御電極２０か存在し、電極２０は
槽外において接地に対して正の空間電位制御電源２１に
接続されている。また、槽外には、空間１９内に陰極１
４から陽極１３へ向かう電子流に平行した磁界を生ずる
ように、コイル２２か配置され、コイル２２は励磁電源
２３に接続されている。

なお、るつぼ４はタングステン、タンタル、モリフデン
等の高融点金属製て、その加熱電源６は５Ｖ４００Ａの
容量を有する。熱電子放射陰極１４はタングステン、モ
リフデン、タンタル等の高融点金属のフィラメントてあ
り、線径１．０璽１、長さ１００　ｍｍて、その加熱電
源１６はＩＯＶ　　１００Ａの容量を有する。陽極電源
１５は直流０〜＋　１００Ｖ　　１００Ａである。熱電
子放射陰極１４と陽極１３の距離はｌＯ〜１００　ｍｍ
、望ましくは５０■である。空間電位制御電極２０と陽
極１３との距離は５０〜３００■、望ましくは１００　
ｍｍであり、空間電位制御電極２１は直流０〜＋５００
Ｖである。また、コイル２１か発生する磁界φの強さは
数ＩＯ〜数１００カウスである。

上述の実施例において、槽ｌ内にアルゴンカスをｌ　ｘ
　１Ｏ−２Ｔｏｒｒて供給し、熱電子放射陰極１４に供
給する加熱電力をＡＣ９Ｖ６５Ａまたは８　Ｖ　６０Ａ
としたときの、陽極印加電圧と陽極へ流入する放電電流
の関係を第６図に示す。なお、空間電位制御電極２０の
電圧はＯｖて、磁束φは与えていない。

陽極印加電圧は増加してゆくと、アルゴンガスの第１の
電離電圧１５．７ｅＶ付近て放電か始まって次第に増加
し、＋４０〜＋６０Ｖ近傍で放電電流は飽和している。

そして、この飽和時の放電電流は、熱電子放射陰極の温
度によって変わってくる。即ち、陰極の温度を上げると
、熱電子の放射量か増え、アルゴンガス粒子と衝突して
これをイオン化させる頻度か増すために、放電電流か増
大する。

この放電は、低圧大電流のアーク放電てあり、磁界φを
与えない場合は１０−’Ｔｏｒｒ台の後半から１０Ｔｏ
ｒｒ台の圧力範囲てアーク放電を起こさせることかてき
る。そして、磁界φを師か０乞すれば、１Ｏ−５Ｔｏｒ
ｒ台てもアーク放電を起こさせることかできる。

第７図は、第６図と同し条件のもとて、陽極に流入する
放電電流か常にＩＯＡになるように熱電子放射陰極の温
度を調節しなから、陽極印加電圧を変えて、プラズマ電
子の密度の変化状況を捉えたものである。なお、プラズ
マ電子密度は、熱電子放射陰極から被処理物方向に１０
０　ａｍの位置において、探極法によって測定した。

これによると、第２図示の従来法では第４図に示すよう
に陽極印加電圧を変えてもプラズマ電子密度か不変てあ
ったのに対し、この発明においては、陽極印加電圧によ
ってプラズマ電子密度か変ることかわかる。即ち、この
発明においては、プラズマ電子密度は、陽極に印加する
電圧とこれに流入する放電電流の双方に依存している。

第８図は、第６図及び第７図の場合と同条件のもとて、
陽極印加電圧とプラズマの空間電位との関係を求めたも
のである。これによると、第２図示の従来法ては、第５
図に示すように陽極印加電圧を変えるとプラズマ空間電
位か大きく変っているのに対し、この発明においては、
プラズマ空間電位は陽極印加電圧に全く依存せず、約１
０Ｖにほぼ−・定している。即ち、プラズマ特性は熱電
子の加速エネルギーに全く依存しないことか判る。

第９図は、第６図乃至第８図の場合と同様に１×ｌ０−
２Ｔｏｒｒのアルゴンガスを用い、陽極へ流入する放電
電流を１００Ｖ　ＩＯＡに設定しておいて、空間電位制
御電極の電圧を変え、プラズマ密度の変化状況を調べた
ものである。プラズマ電子密度は熱電子放射陰極から被
処理物の方向に１００　ａｍの位置て、探極法によって
測定した。なあ、磁界は使用しなかった。

この測定の結果、空間電位制御電極に電極に印加する電
圧を変化させても、プラズマ電子密度は５〜７　Ｘ　１
０”ｃｍ−’の範囲内にあって、事実上プラズマ密度か
一定していることか判った。また、この間を通して、当
初に設定した陽極の放電電流１（）Ａは変化しなかった
。

第１０図は、第９図と回し条件で空間電位制御電極の電
圧を変化させた際の、空間電位の変化を測定したもので
ある。これによって、空間電位制御電極に与える槽壁（
接地）に対して正の電圧により、プラズマの空間電位は
上昇し、その値はほぼ空間電位制御電極に与える電圧に
等しいことか判る。

第１１図は、第９図及び第１０図と同し条件のもとて、
空間電位制御電極に与える電圧を変化させた際の、同電
極に流入する電子流の変化状況と、被処理物に流入する
イオン電流の変化状況を測定したものである。

これによると、空間電位制御電極の電圧を上げてゆくと
、これに伴ってプラズマから奪い取られて同電極に流入
する電子電流は増加するか、この電子電流か、第９図に
示したようにプラズマ密度に殆ど影響を与えず、かつ陽
極の放電電流にも影響を与えないことか判った。また、
被処理物へ流入するイオン電流も、第９図に示したよう
にプラズマ密度の変化かないにも拘らず、上記電子電流
によく似た形て変化していることは、上記電子流との関
連を示すものと考えられる。

第６図乃至第１１図によって明らかなように、この発明
においては、プラズマ密度を、熱電子放射陰極の温度及
び陽極の印加電圧の一方または双方を調節することによ
って、プラズマの空間電位とは無関係に設定することか
できる。そして、プラズマの空間電位は、プラズマ密度
とは無関係に自由に広い範囲で選択して設定することか
できる。

従って、この発明を実施した被膜形成装置においては、
被膜形成の初期にプラズマに高エネルギーを与えること
により、被処理物への被膜の密着性を高め、その後は低
エネルギーて大量のプラズマを供給することにより、温
度上昇を抑制しなから高能率て被膜を成長させることか
できる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によるプラズマ発生装置は、プ
ラズマの空間電位をプラズマ密度とは無関係に広い範囲
て選択して設定できるばかりてなく、プラズマの密度を
空間電位とは無関係に高め或いは調節することかできる
。従って、この発明を実施した被膜形成装置においては
、プラズマ密度と空間電位とを、状況に応して選択する
ことにより、密着性のよい被膜を高能率で形成させるこ
とか回部になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を実施した被膜形成装置の断面図、第
２図は従来の被膜形成装置の断面図、第３図は第２図示
の装置における陽極電流とプラズマ電子密度の関係を示
す線図、第４図は第２図示の装置における陽極印加電圧
とプラズマ電子密度の関係を示す線図、第５図は第２図
示の装置における陽極印加電圧と空間電位の関係を示す
線図、第６図は上記実施例における陽極の印加電圧と放
電電流の関係を示す線図、第７図は上記実施例の陽極印
加電圧とプラズマ電子密度の関係を示す線図、第８図は
上記実施例の陽極印加電圧と空間電位の関係を示す線図
、第９図は上記実施例の空間電位制御電圧とプラズマ電
子密度の関係を示す線図、第１Ｏ図は上記実施例の空間
電位制御電圧と空間電位の関係を示す線区、第１１図は
上記実施例の空間電位制御電位と空間電位制御電極の流
入電流及び被処理物流入イオン電流の関係を示す線図で
ある。ｌ・・・・真空槽、２・・・・排気口、３・・・・蒸発
材料、４・・・・るつぼ、５・・・・ガスノズル、６・
・・・るつぼ加熱電源、８・・・・被処理物、１３・・
・・陽極、１４・・・・熱電子放射陰極、１５・・・・
陽極電源、１６・・・・陰極加熱電源、２０・・・・空
間電位制御電極、２１・・・・空間電位制御電源、２２
・・・・磁界発生コイル。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）槽内の排気手段を具えかつ槽壁か接地されている
真空槽内に、加熱手段を具え上記槽壁より電気的に浮遊
した熱電子放射陰極と、この陰極の放射熱電子流に対面
配置され上記陰極に対して正電位に維持されている陽極
と、上記陰極から陽極へ向かう熱電子流の径路中に材料
ガスまたは材料蒸気及び必要に応じこれらに加えて反応
ガス及び放電ガスの少なくとも一方を供給する手段と、
上記陰極と陽極との間で生成されたプラズマからプラズ
マ電子を奪うために上記陽極の近傍に配置されかつ上記
槽壁に対して０〜正電位に維持されている空間電位制御
電極とを設けてなるプラズマ発生装置。
（２）上記陰極と陽極との間の空間に両者間の電界に平
行する磁場を形成する手段を設けたことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載のプラズマ発生装置。