JPH10509833A - プラズマ処理用線形アーク放電発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ５×10⁴Pa以下のガス圧に保持された反応装置の中に設置され、交流発電機及び／又はパルス電源（１０）によって駆動されるプラズマ処理、特に固体基板の表面処理用線形アーク放電発生装置及び0.4ｍｍを超える距離で互いに対向して置かれ、かつ対向電極（３）に接続された逆極性を有する発電機の同一極性に接続された少なくとも一対の第１の電極板（１）及び第２の電極板（２）と、電極板間のスリットの両端間に少なくとも10^-3テスラの成分を有する第１の電極板上の線形ホットゾーン（５）と第２の電極板上の線形ホットゾーン（６）の発生のための磁石（４）によって発生された磁界と、電極間との間に必要とされる作用ガス（８）を含み、かつアーク放電（９）が発生される電極板及び対向電極と電気的接触を有する電離環境（７）とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 プラズマ処理用線形アーク放電発生装置発明の分野 本発明は、プラズマ処理、特に固体基板の表面処理のための線形アーク放電発 生装置に関するものである。発明の背景 発生プラズマの高イオン密度のために、アーク放電はプラズマ処理技術におい て非常に強力な手段である。アーク発生源は、作用ガスにおける反応プラズマの 発生のために使用され、スパッタ電極及び／又は蒸着電極の粒子、あるいはこれ らの粒子と作用ガスとの化学化合物を含むプラズマを発生できる。アーク放電の 特性は、作用ガスの圧力によって影響を及ぼされる発生イオン及び電子のエネル ギー及び密度によって決まる。様々なガス・プラズマトロンが、真空ポンプのな い簡単な装置であるため、大気圧でのアーク放電を使用する。しかしながら、制 御可能なイオンエネルギーを有する非等温プラズマに基づくアークの発生は低い ガス圧力を必要とする。様々な種類のアーク放電がこの目的のために使用される 。これらの大部分は直流（ＤＣ）の高電力発電機によって発生される。プラズマ 処理のための典型的な低圧源は、作用ガスにおける作用プラズマの流れを発生す るカスケードアーク（ヨーロッパ特許 0297637号）である。プラズマにおける金 属イオンは、アーク放電によってスパッタ 及び／又は蒸着電極から通常発生される（デー・エム・サンダース(D.M.Sanders )他著の「IEEE トランザクション・プラズマサイエンス 18、第883ページ〜第8 94ページ(1990)」を参照）。腐食電極は、通常、電気的にアースされた陽極を有 する直流アーク回路におけるプレーナ陰極である。この陰極は水冷され、望まし くない微小滴、すなわち、蒸着陰極材料に存在する「巨大粒子」の量は陰極表面 上の陰極スポット移動を制御することによって減少される。最新の陰極アーク発 生源では、巨大粒子は、補助磁界フィルタによってろ過される（米国特許第5,27 9,723号）。消耗電極が溶融温度まで加熱されるまでは、巨大粒子の含有量は通 常より低い。陰極の代わりに消耗陽極を有するアーク装置を利用することもでき る（例えば、エム・マウスバッハ(M.Mausbach)他著の「Vacuum 41、第1393ペー ジ〜第1395ページ(1990)」を参照）。冷たい消耗陰極は、大きさが限られており 、これらの発生源をスケールアップする可能性を制限する磁気フィルタリングを 必要とする。液体金属るつぼを含有する消耗電極は限られた位置のみにしか設置 することができない。大部分のアーク発生源は放電を開始させる付加スイッチを 必要とする。 アーク放電の発生はホロー陰極で非常に有効である。直流で発生されるホロー 陰極ガス放電の原理は、エフ・パッシェン(F.Paschen)著の「Ann.Physik 50、第 901ページ〜第940ページ(1916)」によって報告されている。 その時から、この放電についての多数の調査が報告されている(例えば、ジェー −エル・デルクロワ(J-L.Delcroix)及びエー・アール・トリンダード(A.R.Trind ade)著の「Advances in Electonics and Electron Phys.35、第87ページ〜第190 ページ(1974)」、エム・イー・ピロー(M.E.Pillow)著の「Spectrochimica Acta 36B，no.8、第821ページ〜第843ページ(1981)、及びアール・マブロディニーニ ュ（R.Mavrodineanu）著の「J.Res.Nat.Bureau of Standards 89、no.2、第143 ページ〜第185ページ(1984)」のレビューを参照)。直流ホロー陰極では、アーク 放電を高直流電力で発生することができる。ホロー陰極の壁は、電子の熱放出を 強力に高める高温まで加熱されねばならない。さらに、イオンのかなりの部分は ホロー陰極表面の腐食によって発生される。これらの条件でアーク回路における 直流電流は急速に増すのに対して、陰極での電圧は、ガスあるいは金属蒸気の最 小電離電位あるいは最小励起電位の値まで下がる。アークは、それ自身負電極か らの電子放出の機構を備えることによって大きな電流を提供できる自続放電であ る（1990年にノイズ(Noyes)出版社で発行されたエス・ロスナーゲール(S.Rossna gel)他編の「プラズマ処理技術のハンドブック(Handbook of Plasma Processing Technology)、ディー・サンダース(D.Sanders)著の第18章」を参照）。この条 件が満たされなければ、ホロー陰極における放電をアークと考えることはできな い。たとえ陰極壁のある部分が、 特に薄い金属シートから製造される陰極において、高温であるとしても、それは むしろ正常あるいは変則的なグローである。 グロー状況においてさえ電子の高発生のために、ホロー陰極は、プラズマ支援 陽極蒸着のためのプラズマ処理装置における電子源及び作用ガス電離源の両方と して1971年以来使用されている（例えば、米国特許第3,562,141号を参照）。198 3年以来、交流（ＡＣ）発電機によって発生されたホロ−陰極グロー放電が開発 されている。この目的のための典型的な交流発電機の周波数は、100kHzと100MHz との間である。特に、無線周波数発生器（無線周波数‐13.56MHz及びその高調波 ）は、しばしばプラズマ処理に使用されている（例えば、シー・エム・ホーウィ ッツ(C.M.Horwitz)著の「Appl.Phys.Lett.,第43巻、1983年、第977ページ」及び 米国特許第4,521,286号を参照）。様々なホロー陰極装置がこの原理を使用して 開発されている。ホロー陰極方式は、主に、電極の配置、作用ガスの流入等で相 違している。ホロー陰極原理を陰極電位にある処理済プレーナ基板の平面平行配 置におけるプラズマ化学蒸着処理の向上のために使用することができる（ヨーロ ッパ特許第0 478 984 A1号）。円筒状無線周波数ホロー陰極は、プラズマ化学蒸 着処理（チェコ特許第246,982/PV4407‐85号）と陰極のスパッタリング及び中空 基板とチューブの内部へのフィルムの付着（チェコ特許出願第PV3925‐90号）の ために使用された。無線 周波数発生ホロー陰極では、陽極は、無線周波数発生器に接続された実際の対向 電極と接触している無線周波数プラズマそのものである（仮想陽極）（バルドー (Bardo)他著の「J.Non Cryst.Solids 97/98,第281ページ(1987)」）。複数の尖 頭磁界における閉じられた底部を有する複数の円筒状無線周波数ホロー陰極（全 部で19のチューブ）は、有効な175ｍｍの直径のイオンビーム発生器（シー・ル ジューン(C.Lejeune)他著の「Vacuum 36,第837ページ(1985)」及びフランス特許 出願第85 06 492号(1985)を参照）として使用されている。線形分散における複 数の無線周波数ホロー陰極（５ホール）は、エー・エム・バークランド(A.M.Bar klund)他著の「J.Vac.Sci.Technol.A9,第1055ページ(1991)」（チェコ特許第246 ,982号も参照）によって報告されている。約40ｃｍの長さの分散放電を提供する 軸方向の磁界での64の直流あるいは交流をもつ円筒状ホロー陰極の線形配列が、 エー・ベルカインド(A.Belkind)著の「ICMCTF'94,poster session,サンディエゴ 、1994」によって最近報告されている(「Proceedings in Surface Coat.Technol .(1994)」に発表予定)。この論文では、軸方向の0.025テスラの磁界はホロー陰 極の制限の及ばないプラズマを取り出すために使用された。異なる誘導磁界の効 果はホロー陰極においてしばしば報告されている（例えば、ケイ・エイチ・ショ ーエンバッハ(K.H.Schoenbach)著の1993年ボーフム市で開催されたICPIG 21の招 待論文「Proc.III、第287ペー ジ〜第296ページ」のレビューを参照)。磁気制限効果のために、磁界はホロー陰 極における低圧放電状況のためにしばしば使用されている。上記の方式の大部分 は円筒状ホロー陰極におけるグロー放電を使用する。アーク状況における十分な 高電力でのホロー陰極壁からの金属イオンの発生はいかなる他の作用ガスがなく ても自続放電に対して十分である(エル・バルドー(Bardo)他、スウェーデン特許 出願第9303426‐2号、国際特許出願第PCT/SE9/00959号)。反応成分を含むガスに おけるアークホロー陰極状況を、高められた陰極金属粒子の発生に基づいた非常 に高速のフィルムの反応付着のために使用することができる。この付着は純金属 フィルムの対応する非反応付着よりもさらに高速であり得る（1994年サンフラン シスコ市で開催された電気化学学会のプラズマ処理に関する第10回春季会議会報 のH.Barankova他著の「G.S.Mathad及びD.W.Hess編のProc.Vol.94-20，第580ペー ジ〜第591ページ」を参照)。ホロー陰極配置の大部分は、円筒状陰極の周りに円 筒状陽極を有する円筒状陰極あるいは小さい平面平行陰極ディスクを利用する。 一般に、ホロー陰極方式は寸法が非常に制限されている。これは、内部チューブ プラズマ処理において利点となり得る(エイチ・カワサキ他著の「材料科学エン ジニア.A140,第 682ページ(1991)」)。ろ過されたアーク放電と同様に、小型の ホロー陰極によって発生された個別アークはスケールアップの可能性が限られて いる。複数の陰極の線形配 列は、均一の線形放電を発生することができず、各特定の放電の機能に依存する 。発明の概要 したがって、本発明の目的は、上記の従来の技術の開示及び欠点を解決し、プ ラズマ処理用線形アーク放電発生装置を提供することにある。 本発明による第１の態様では、５×10⁴Pa以下のガス圧で反応装置の中に設置 され、交流発電機及び／又はパルス電源によって駆動されるプラズマ処理、特に 固体基板の表面処理用線形アーク放電発生装置は、0.4ｍｍを超える距離で互い に対向して置かれ、かつ対向電極に接続された逆極性を有する発電機の同極性に 接続された少なくとも一対の第１の電極板及び第２の電極板と、電極板間のスリ ットの両端間に少なくとも10^-3テスラの成分を有する第１の電極板上の線形ホッ トゾーンと第２の電極板上の線形ホットゾーンの発生のための磁石によって発生 された磁界と、電極板間で必要とされる作用ガスを含み、かつアーク放電が発生 される電極板及び対向電極と電気的接触を有する電離環境とからなる。 本発明による第２の態様では、電極板は、横調整素子による電極板間の距離の 調整及び角のある調整素子による電極板の傾斜の調整の両方を可能にする調整シ ステムと接続された主電極本体上に固定されている。 本発明による第３の態様では、外部カートリッジは、主電極本体の側面部及び 調整システムでの作用ガスの流 出を保護し、それによって作用ガスは電極板間のスリットにおける作用ガスの最 適な分配のためのガス流分配器を通って入れられる。 本発明による第４の態様では、対向電極は、反応装置チャンバ壁の一部及び／ 又はアーク放電によって処理される基板を有する基板保持器で示されている。 本発明による第５の態様では、磁石の位置は調整器によって電極板に対して調 整され、電極板に沿った及び電極の両端間の磁界の分配は、磁石及び／又は付加 磁石によって調整される。 本発明による第６の態様では、第１の電極板及び／又は第２の電極板は付加側 面部によって装備されている。 本発明による第７の態様では、第１の電極板及び第２の電極板が異なる材料か ら製造されている。図面の簡単な説明 前述されたような本発明の目的、特徴及び利点は下記の図面とともに示される 本発明の説明から明らかになる。 図１は、プラズマ処理、特に固体基板の表面処理用線形アーク放電発生装置の 主な例を示す本発明の第１の実施例の概略図である。 図２は、図１のようにプラズマ処理用線形アーク放電発生装置の例を示す本発 明による第２の実施例の概略図である。 図３は、本発明による複数の線形アーク放電発生のための複数のシステムの中 に互いに関連した幾つかの対の 電極板を含む図１に示されるような装置の３つの異なる配置例を示す本発明によ る第３の実施例の概略断面図である。詳細な説明 図１を参照するに、本発明によるプラズマ処理用線形アーク放電発生装置の第 １の実施例が示されている。まず第一に、電極板１及び第２の電極板２は、0.4 ｍｍを超える距離で互いに対向して配置されている。これはこの装置の動作中の 電極板の高温表面の望ましくない機械的接触を避けるために重要である。両方の 電極板は交流の発電機10及び／又は対向電極３に接続された逆極性を有するパル ス電源の同極に接続されている。非熱プラズマの発生のために、電極は５×10⁴P a以下のガス圧で反応装置の中に設置されている。電極板間のスリットの両端間 に少なくとも10^-3テスラの成分を有する磁界は、磁石４によって発生され、第１ の電極板上の線形ホットゾーン５及び第２の電極板上の線形ホットゾーン６の発 生のために使用される。これらのホットゾーンは、作用ガス８を含み、電極板、 特に互いに面するその表面及び対向電極と電気的接触を有する電離環境７におけ る電極板間に生じるホロー陰極放電でのイオンボンバードのために形成される。 この電離環境は、本発明による装置におけるアーク放電９の開始に必要な初期グ ロー放電を示している。両電極板上のホットゾーンは、電極板のサイズ、ガス圧 、電極板の材料等によって決まる電力レベルによ って発生される。ホットゾーンはイオン電流のかなりの部分が磁界によって集束 される選択領域で発生される。対向極板での反発電位間で振動する電子の消失は 、局部滴に高められた電離を生じることができる磁気制限によっても減少するこ とができる。ホットゾーンは電極板からの熱イオン電子放出も高め、線形アーク 放電の開始を可能にする。アークの開始は、初期ホロー陰極グローからの特定の しきい値電力で、外部の点火工具なしに始まる。アーク放電の線形均一性は、磁 界によってバランスをとることができる極板材料の熱伝導率によって決まる電極 板でのホットゾーンに沿っての均一温度によって決まる。実施例 図２を参照するに、本発明によるプラズマ処理用線形アーク放電の発生のため の図１に示されるような装置の好ましい実施例が概略図で示されている。電極板 は、横調整素子13による電極板との間の距離の調整及び角のある調整素子14によ る電極板の傾斜の調整の両方を可能にする調整システム12と接続された主電極本 体１１上に固定されている。極板間の距離の調整は、異なるパラメータ、例えば 、ガス圧、電力、電極板の材料、磁気誘導、基板の幾何学的形状等での線形アー ク放電９の最適化を可能にする。電極板の角度位置の調整はホットゾーンによる 電極板の最終的な熱変形を補償することができる。例えば、チタン電極板上のホ ットゾーンにおける典型的 な温度は1350℃を超える。ホットゾーンで高温を達成するために、電極板はいか なる意図的な冷却も装備されていない。主電極本体との機械的接触の熱伝導によ る電極板冷却は極板材料及びその線形寸法によって決まる。電極板の長さＬに関 連した寸法の例は、Ｌ/15≦幅（高さ）≦Ｌ及びＬ/200≦厚さ≪Ｌである。外部 カートリッジ15は主電極本体及び調整システムの両方の側面部での作用ガスの流 出を保護するために使用されている。使用される構造及び材料により外部冷却を 外部カートリッジ、主電極本体、調整システム、あるいは全てのこれらの部品に 加えることができる。永久磁石が使用される場合、その減磁を避けるために磁石 の冷却を装備することも必要である。作用ガスは、電極板間のスリットにおける ガスの最適の分配を実現できるガス流分配器16を通して入れられる。図２に示さ れた実例における対向電極３はアーク放電で処理される基板によって示されてい る。磁石の位置及び磁気誘導の両方は、電極板でのホットゾーンの位置及び温度 に影響を及ぼし、それによって線形アーク放電のための条件に影響を及ぼす。磁 石の位置は調整器１７によって電極板に対して調整され、磁界の分配は、磁石４ の誘導値の適正な選択及び付加磁石18によって調整されている。付加磁石は磁界 を“開放”することができ、それによって電極板間のスリットから基板の方への プラズマの抽出を高める。電極板の両端での線形アーク放電のパラメータの不均 等性を抑圧するために、第１の 電極板及び／又は第２の電極板は付加側面部（19）によって装備されている。こ の不均等性は、電極板の両端での磁界を適正に形作ることによっても減少するこ とができる。 図３を参照するに、プラズマ処理用線形アーク放電の発生のための図１に示さ れるような装置の本発明による実施例は、本発明による複数の線形アーク放電の 発生のための複数のシステムの中で一緒に組み立てられた幾つかの対の電極板の 配置例のうち３つの例で示されている。 図３（ａ）は、磁石４及び付加磁石１８によって発生された独自の磁界の中に 並んで配置された３対の第１の電極板１及び第２の電極板２の概略断面図を示し ている。電離環境５、例えば無線周波数プラズマは各対の電極板によって共有さ れる。対向電極３、例えば、処理済基板も、全ての３つのシステムに対して共通 であり、処理速度の増加を可能にする。作用ガス８は、全ての３つのシステムに 対して同一であることがあるが、しかしながら、異なるガスを各特定システムで 使用することができる。したがって、それぞれの電極板１及び２に対応する線形 ホットゾーン５及び６は、組み立てられたシステムのそれぞれの部品における異 なる形状及び異なる温度の両方を示すことができる。これはそれぞれのシステム で発生される線形アーク放電９の異なる特性を引き起こし、選択されたアプリケ ーションに対して望ましいことがある。さらに、互いに対して補助電気バイアス を供給する個別 対の電極板を駆動することができる。この場合、それぞれの線形アーク放電９の 幾何学的形状及びプラズマパラメータの両方に影響を及ぼすことができる。 図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるように並んで配置された３対の第１の電極 板１及び第２の電極板２の概略断面図を示すが、前述の対の電極板の第２の電極 板は下記の対の極板における第１の電極板と同一である。この配置では、磁石４ によって発生された磁界は全てのシステムによって共有される。隣接するシステ ムによって共有される個別電極板上のホットゾーン５及び６のパラメータはアセ ンブリの外側でのパラメータと異なる。有利なことは、内部極板における線形ホ ットゾーンの高められた温度は電極板の異なる材料を有するシステムにおける高 溶融温度を有する材料の場合に利用できることである。 図３（ｃ）は、主電極本体11で配置された２対の電極板の概略断面図を示して いる。この配置では、第１の電極板１及び第２の電極板２との間のスリットは、 最下部側で閉じられ、作用ガス８は電離環境７からスリットの中に導かれる。こ の場合、電極板は、例えば、円筒状形式あるいは競技場形式の中空ターゲットの 中に形成することができ、平らのマグネトロンと同様な幾何学的形状で設置する ことができる。作用ガスを主電極本体11に設置されたチャネルを使用して最下部 側からも導入することができる。 本発明による装置は、線形ホットゾーン及び対向電極の位置に対する電極板の 相対的位置の変化によってプラズマ処理用電極板から消費される材料の連続供給 を可能にする。 本発明による装置における線形アーク放電は交流電力の代わりに直流によって も発生することができる。しかしながら、直流生成は誘電体フィルムの付着の場 合に限られた使用のものであることがある。直流生成では、陰極の密集した周辺 における対応する陽極が配置されねばならない。交流生成では、陽極の役割は交 流プラズマそのものによって果たされる。 本発明による装置における線形アーク放電は、５×10⁴Paを超えるガス圧でも 発生することができる。しかしながら、高圧でプラズマ処理はイオン及び電子の 非常に短い平均自由経路によって制限され、均一線形放電の維持はより複雑であ る。 本発明による装置では、線形アーク放電の維持のために使用される電極板での 線形ホットゾーンの高表面温度は、付着フィルムにおける陰極材料からの小滴の 形成を減少させたアーク状況を可能にすることができる。 本発明による装置では、電極板は分割することができるか、あるいは異なる平 らでない輪郭に成形することができる。個別極板は異なる材料からも組み立てる ことができる。 本発明による装置は、線形アーク放電なしに通常のホ ロー陰極状況でプラズマ処理のためにも使用することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．５×１０⁴Pa以下のガス圧で反応装置に設置され、かつ交流の発電機及び／ 又はパルス電源（10）によって駆動されるプラズマ処理、特に固体基板の表面処 理用線形アーク放電発生装置であって、 0.4ｍｍを超える距離で互いに対向して配置され、かつ対向電極（３）に接続 された逆極性を有する前記発電機の同極性に接続された少なくとも一対の第１の 電極板（１）及び第２の電極板（２）と、 前記電極板間のスリットの両端間に少なくとも10^-3テスラの成分を有する前記 第１の電極板上の線形ホットゾーン（５）及び前記第２の電極板上の線形ホット ゾーン（６）の発生のための磁石（４）によって発生された磁界と、 前記電極板間に必要とされる作用ガス（８）を含み、かつアーク放電（９） が発生される前記電極板及び前記対向電極との電気的接触を有する電離環境（７ ）とを特徴とする線形アーク放電発生装置。 ２．前記電極板が、横調整素子（13）による前記電極板間の距離の調整及び角の ある調整素子（14）による前記電極板の傾斜の調整の両方を可能にする調整シス テム（12）と接続された主電極本体（11）上に固定されていることを特徴とする 請求項１に記載の装置。 ３．前記電極本体及び前記調整システムの側面部で前記作用ガスの流出を保護す る外部カートリッジ（15）であ って、それによって前記作用ガスが、前記電極板間のスリットにおける前記作用 ガスの最適分配のためのガス流分配器（16）によって入れられる外部カートリッ ジ（15）を特徴とする前述の請求項のいずれかに記載の装置。 ４．前記対向電極が、反応装置のチャンバ壁の一部及び／又は前記アーク放電に よって処理される基板を有する基板保持器に相当することを特徴とする前述の請 求項のいずれかに記載の装置。 ５．前記磁石の位置が調整器（17）によって前記電極板に対して調整され、かつ 前記電極板に沿って、及び前記電極板の両端間の磁界の分配が前記磁石及び／又 は付加磁石（18）によって調整されることを特徴とする前述の請求項のいずれか に記載の装置。 ６．前記第１の電極板及び／又は前記第２の電極板が付加側面部（19）によって 装備されていることを特徴とする前述の請求項のいずれかに記載の装置。 ７．前記第１の電極板及び第２の電極板が異なる材料から製造されていることを 特徴とする前述の請求項のいずれかに記載の装置。