(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードからアノードに向けてイオン化された不活性ガスを放出して放電させることにより、カソードとアノードとの間にプラズマを発生させるプラズマ発生装置において、
前記カソードは、熱電子を放出する材料からなり不活性ガスを通過させる複数の通過孔が貫通形成された中空円筒状体からなり、
前記カソードの外周面に沿って、この通過孔を構成する材料を誘導加熱して前記材料から熱電子を放出し通過孔に注入した不活性ガスをイオン化する誘導加熱体が設けられ、前記カソードのアノード側の端面からイオン化された不活性ガスを放出することを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記誘導加熱体は、１０〜１００ｋＨｚの誘導加熱電源に接続され、
前記誘導加熱体により全ての前記通過孔が均一に加熱されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
前記熱電子を放出する材料は、ＬａＢ6 またはＣｅＢ6 からなることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記カソードが、複数設けられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記誘導加熱体は、ＩＨコイルが前記カソードの外周面に巻かれてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
前記カソードとアノードとの間には、発生するプラズマのエネルギを制御するためのグリッドが設けられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
【請求項７】
前記イオン化された不活性ガスの放出方向と同一方向であって、かつ、前記カソードの外周面に沿って反応性ガスを放出するキャピラリーが設けられ、このキャピラリーのアスペクト比が１００以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、基板の膜形成面に薄膜を形成する場合、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法およびＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いたプラズマ発生装置が使用されている。
【０００３】
このプラズマ発生装置は、真空排気装置を接続した処理室に、中空円筒状体陰極とアノードとが設けられ、両者間にプラズマを発生させ、このプラズマを利用して基板の膜形成面に薄膜を形成するものである。
【０００４】
ここでいうプラズマとは、例えば、次のようにして発生する。図５に示すように、通過孔９１を設けた中空円筒状体陰極９２の後部端から通過孔９１に不活性ガス９３を注入し、注入した不活性ガス９３は通過孔９１の前部端まで通過する。この不活性ガス９３が通過孔９１を通過する時に、フィラメントなど抵抗加熱体により加熱されて放出された熱電子によりイオン化される。このイオン化された不活性ガスが通過孔９１の前部端からアノード（図示省略）に向けて放出されて放電することにより、プラズマ９４が発生する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この中空円筒状体陰極９２を抵抗加熱体により加熱させた場合、中空円筒状体陰極全体を均一に加熱することが難しく、通過孔の配置位置は、加熱される中空円筒状体陰極の位置に限定されてしまう。また、均一に加熱される場所が小規模であり、通過孔の孔径を小さくする必要がある。通過孔の孔径を小さくすると、通過孔の孔内周面の面積が小さくなり、孔内周面から放出される熱電子の量が少なくなる。そのため、イオン化される不活性ガスの量が少なくなってプラズマの発生量が少なくなり、大容量のプラズマを発生させることが難しい。そのため、基板への成膜効率の低下も招く。
【０００６】
また、プラズマ発生装置を、例えば、中空円筒状体陰極を抵抗体とし、導線を介して電源に接続した構成とした場合、導線が一部でも切断されると、中空円筒状体陰極を加熱することができない。
【０００７】
また、中空円筒状体陰極を抵抗加熱体により加熱させるとサーマルショックが起こり、中空円筒状体陰極の筐体にヒビがはいる場合がある。この時、抵抗加熱体は中空円筒状体陰極の一端から他端に電気を流して中空円筒状体陰極を加熱するので、中空円筒状体陰極にヒビがはいるとヒビがはいった場所でその電気の流れが遮断される。
【０００８】
そこで、上記課題を解決するために本発明は、高密度・大容量のプラズマを継続的に発生させることで、大面積の基板に良質の薄膜を形成させるとともに高速で薄膜を形成するプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明に係るプラズマ発生装置は、カソードからアノードに向けてイオン化された不活性ガスを放出して放電させることにより、カソードとアノードとの間にプラズマを発生させるプラズマ発生装置において、前記カソードは、熱電子を放出する材料からなり不活性ガスを通過させる複数の通過孔が貫通形成された中空円筒状体からなり、前記カソードの外周面に沿って、この通過孔を構成する材料を誘導加熱して前記材料から熱電子を放出し通過孔に注入した不活性ガスをイオン化する誘導加熱体が設けられ、前記アノード側の端面からイオン化された不活性ガスを放出することを特徴とする。また、具体的に、熱電子を放出する材料は、ＬａＢ6 またはＣｅＢ6 からなることが好ましい。
【００１０】
この発明によれば、カソードが熱電子を放出する材料からなり不活性ガスを通過させる複数の通過孔が貫通形成された中空円筒状体からなり、カソードの外周面に沿って、この通過孔を構成する材料を誘導加熱して材料から熱電子を放出し通過孔に注入した不活性ガスをイオン化する誘導加熱体が設けられ、アノード側の端面からイオン化された不活性ガスを放出するので、誘導加熱体により通過孔を誘導加熱し、通過孔内周面から熱電子が放出されて、熱電子を安定して放出することが可能となり、この熱電子が放電用作動ガスである不活性ガスをイオン化して、低電圧で高密度のプラズマを発生させることが可能となる。また、このプラズマを用いることで、基板の膜形成面に良質な薄膜を高速で形成することが可能となる。
【００１１】
上記した構成において、上記誘導加熱体は、１０〜１００ｋＨｚの誘導加熱電源に接続され、上記誘導加熱体により全ての上記通過孔が均一に加熱されてもよい。
【００１２】
この場合、誘導加熱体は、１０〜１００ｋＨｚの誘導加熱電源に接続され、上記誘導加熱体により全ての通過孔が均一に加熱され、全ての通過孔内周面から熱電子が放出されるので、熱電子が放出される面積が大きくなり、熱電子を大量にしかも安定して放出することが可能となる。
【００１３】
上記した構成において、上記カソードが、複数設けられてもよい。
【００１４】
この場合、大型の基板の膜形成に対応でき、膜形成面に短時間で、しかも良質な膜を形成することが可能となる。
【００１５】
上記した構成において、上記誘導加熱体は、ＩＨコイルが前記カソードの外周面に巻かれてなってもよい。
【００１６】
この場合、カソードがサーマルショックを起こしても、カソードの外周面からカソードを継続して加熱することが可能となる。
【００１７】
上記した構成において、上記カソードとアノードとの間には、発生するプラズマのエネルギーを制御するためのグリッドが設けられてもよい。
【００１８】
この場合、グリッドにより放電を制御して、安定したプラズマ状態を発生させることが可能となり、良質な膜を基板の膜形成面に形成することが可能となる。
【００１９】
上記構成において、上記イオン化された不活性ガスの放出方向と同一方向であって、かつ、上記カソードの外周面に沿って反応性ガスを放出するキャピラリーが設けられ、このキャピラリーのアスペクト比が１００以上であってもよい。
【００２０】
この場合、キャピラリーのアスペクト比が１００以上であるので、カソードを長時間使用することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施の形態では、プラズマ発生装置として、シートプラズマ発生装置に本発明を適用したマルチホロカソードシートプラズマ発生装置の場合を示す。ここでいうマルチホロカソードとは、ホロカソード機構を複数設けたホロカソードをいう。
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１にかかるマルチホロカソードシートプラズマ発生装置（以下、プラズマ発生装置１という）の概略構成図である。図２は、このプラズマ発生装置１に設けられたカソード２の概略斜視図である。図３（ａ）は、このプラズマ発生装置１の概略斜視図である。
【００２２】
図１に示すように、このプラズマ発生装置１は、カソード２とアノード３とが１ｍ以上離れて対向して設けられ、これらカソード２とアノード３とが、加速用電源Ａによって接続されてなる。
【００２３】
カソード２は、材質がＬａＢ６  である中空円筒状体（径４０ｍｍ）からなる。このカソード２の前端面２１（アノード３側端面）から、下記するイオン化された不活性ガスを放出する、断面が円形状からなる通過孔２２が、図２に示すように複数個設けられている。
【００２４】
このカソード２の後端面２３には、Ａｒ等の不活性ガスＣを複数の通過孔２２に注入するガス供給管４が接続されている。
【００２５】
また、このカソード２の外周面２４に沿って絶縁物５が設けられ、この絶縁物５を介して誘導加熱体が巻かれている。この誘導加熱体はＩＨコイル６からなり、誘導加熱電源Ｂ（１０〜１００ｋＨｚ）に接続されている。このＩＨコイル６によって、複数の通過孔２２を加熱して多くの熱電子を放出する。この熱電子により、通過孔２２に注入した不活性ガスをイオン化する。
【００２６】
このＩＨコイル６の前方の絶縁物５の外方位置に、酸化を促進させるためにＯ２  からなる反応ガスＤを注入するキャビティ７が設けられている。このキャビティ７には、図３（ｂ）に示すように、反応性ガスを放出する複数のキャピラリー７１（径ｄ；０．１〜０．３ｍｍ）が設けられている。これらキャピラリー７１の放出口７２は熱電子の放出方向と同一方向に向けられており、アスペクト比Ｌ／ｄ（Ｌはキャピラリーの全長を示す）は３００である。
【００２７】
アノード３は、高周波コイルからなる第１アノード３１と、板状体からなる第２アノード３２とから構成されている。第１アノード３１は、シートプラズマを発生させるものであり、プラズマの密度・容量を調整するために電流を制限する電流制限抵抗Ｒを介して加速用電源Ａと接続され、キャピラリー７１の放出口７２近傍のカソード２の前方に設けられている。
【００２８】
次に、この実施の形態１におけるプラズマの発生原理および基板の薄膜形成工程について以下に詳説する。
【００２９】
加速用電源Ａに加速用電圧を印加するとともに、誘導加熱電源Ｂにより誘導加熱電圧を印加する。誘導加熱電圧を印加することにより、複数の通過孔２２が全て均一に加熱される。この時、加熱された複数の通過孔２２の孔内周面から熱電子が放出される。
【００３０】
両電圧を印加した後、ガス供給管４より不活性ガスＣが複数の通過孔２２に供給される。通過孔２２に供給された不活性ガスＣは、熱電子によりイオン化され、通過孔２２の前端面２１から放出されて、第１アノード３１の電界により、カソード２と第２アノード３２との間にシートプラズマＥが発生する。
【００３１】
また、上記した状態で、キャビティ７より反応ガスＤが注入され、キャピラリー７１の放出口７２から放出される。放出された反応ガスＤは、プラズマＥにより活性化される。このような膜形成環境の下で、成膜材料（図示省略）のプラズマスパッタを行うことにより、基板の膜形成面に成膜材料が付着され、薄膜が形成される。
【００３２】
上記したようにこのプラズマ発生装置１によれば、ＩＨコイル６により通過孔２２を加熱することで、複数の通過孔が２２全て均一に加熱され、全ての通過孔２２内周面から熱電子が放出されるので、熱電子が放出される面積が大きくなり、熱電子は大量にしかも安定して放出される。この熱電子が放電用作動ガスである不活性ガスＣをイオン化し、このイオン化された不活性ガスに電流が流れて放電する。この放電の形成により、低電圧で高密度のプラズマＥを発生させることができる。このプラズマＥを用いることで、基板の膜形成面に良質な膜を形成することができ、さらに高速で薄膜を形成することができる。
【００３３】
また、カソード２がサーマルショックを起こしても、カソード２の外周面２４からカソード２を継続して加熱することができる。
【００３４】
また、キャピラリー７１のアスペクト比が３００であるので、カソード２を長時間使用することができる。なお、アスペクト比が３００であれば好ましいが、アスペクト比が１００以上であれば構わない。
【００３５】
なお、本実施の形態１では、カソード２に複数個の通過孔２２を設けてマルチホロカソードを構成しているが、これに限定されるものではなく、１個の通過孔を設けたカソードを複数個設けて構成してもよい。また、カソード２の材質にＬａＢ６  を用いたが、他の導電性材料として、ＣｅＢ６  、Ｗ、Ｔａを用いてもよく、また、カソード２の材質がカーボンからなり、通過孔２２の孔内にＬａＢ６  等の中空円筒状体からなる導電性物を挿入して構成されてもよい。また、カソード２は中空円筒状体からなることが好ましいが、通過孔２２が設けられていればその形状を限定しなくてもよい。また、通過孔２２の断面形状は円形に形成されていることが好ましいが、多角形であってもよい。また、通過孔２２は、前端面２１から後端面２３に貫通して形成され、ガス供給管４がカソード２の後端面２３に接続されているが、前端面２１から他の任意の面に貫通して形成され、ガス供給管４がその任意の面に接続されていてもよい。また、誘導加熱体はＩＨコイル６であることが好ましいが、複数の通過孔２２が全て均一に加熱することができれば他の形状の誘導加熱体であってもよい。また、反応性ガスＥにＯ２  を用いたが、これは酸化を促進させるために有効である。反応性ガスＥは、これに限定されることはなく、Ｎ２  、ＣＨ４  であってもよい。また、第２アノード３２は板状体からなっているが、これに限定されるものではなく、カソード２と加速用電源を介して接続されていれば任意の形状からなってもよい。また、不活性ガスＣにＡｒを用いたが、他にＨｅなどの不活性ガスを用いてもよい。
＜実施の形態２＞
図４は、本発明の実施の形態２にかかるプラズマ発生装置の概略構成図である。
【００３６】
図４に示すように、このプラズマ発生装置８は、上記した実施の形態１にかかるカソード２が複数設けられ、かつ、これらカソード２が直列に接続して設けられたものである。なお、実施の形態１にかかるプラズマ発生装置８と同一の部材には同一符号を付け、その説明を省略する。
【００３７】
このプラズマ発生装置８は、カソード２とアノード３とが対向して設けられ、これらカソード２とアノード３とが、加速用電源によって接続されてなる。
【００３８】
カソード２には複数の通過孔２２が設けられ、このカソード２の外周面２４に沿って絶縁物５が設けられ、この絶縁物５を介してカソード２の外周面にＩＨコイル６が巻かれている。このＩＨコイル６の前方であって絶縁物５の外方に複数のキャピラリー７１が設けられている。
【００３９】
アノード３は、高周波コイルからなる第１アノード３１と、板状体からなる第２アノード３２とから構成されている。
【００４０】
また、カソード２とアノード３との間には、発生するプラズマを制御する格子状のグリッド８ａが設けられている。
【００４１】
次に、この実施の形態２におけるプラズマの発生原理および基板の薄膜形成工程については、上記した実施の形態１に記載されたプラズマの発生原理および基板の薄膜形成工程と同様であり、その説明を省略する。
【００４２】
上記したようにこのプラズマ発生装置８を用いることで、実施の形態１に記載された作用効果のほかに、大型の基板の膜形成に対応でき、膜形成面に短時間で、しかも良質な膜を形成することができる。
【００４３】
また、グリッド８ａにより放電を制御して、安定したプラズマ状態を発生させることができ、良質な膜を基板の膜形成面に形成することができる。
【００４４】
なお、図４に示すように、本実施の形態２にかかる第２カソード３２は複数個設けられているが、これに限定されるものではなく、夫々のカソード２に対向していれば１枚の板状体からなっていてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明にかかるプラズマ発生装置によれば、高密度・大容量のプラズマを継続的に発生させることで、基板に良質の薄膜を形成させるとともに高速で薄膜を形成することができる。
【００４６】
すなわち、カソードが熱電子を放出する材料からなり不活性ガスを通過させる複数の通過孔が貫通形成された中空円筒状体からなり、カソードの外周面に沿って、この通過孔を構成する材料を誘導加熱して材料から熱電子を放出し通過孔に注入した不活性ガスをイオン化する誘導加熱体が設けられ、アノード側の端面からイオン化された不活性ガスを放出するので、誘導加熱体により通過孔を誘導加熱し、通過孔内周面から熱電子が放出されて、熱電子を安定して放出することができ、この熱電子が放電用作動ガスである不活性ガスをイオン化して、低電圧で高密度のプラズマを発生させることができる。また、このプラズマを用いることで、基板の膜形成面に良質な薄膜を高速で形成することができる。
【００４７】
また、誘導加熱体は、１０〜１００ｋＨｚの誘導加熱電源に接続され、上記誘導加熱体により全ての通過孔が均一に加熱され、全ての通過孔内周面から熱電子が放出されるので、熱電子が放出される面積が大きくなり、熱電子を大量にしかも安定して放出することができる。
【００４８】
さらに、カソードが複数設けられた場合、大型の基板の膜形成に対応でき、膜形成面に短時間で、しかも良質な膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるプラズマ発生装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかるプラズマ発生装置に設けたカソードの概略斜視図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施の形態１にかかるプラズマ発生装置の概略斜視図であり、（ｂ）は、このプラズマ発生装置に設けたキャピラリーの概略斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかるプラズマ発生装置の概略構成図である。
【図５】従来の中空円筒状体陰極の概略斜視図である。
【符号の説明】
１、８    プラズマ発生装置
２    カソード
２１    端面（前端面）
２２    通過孔
２４    外周面
３    アノード
６    誘導加熱体（ＩＨコイル）
７１    キャピラリー
８ａ    グリッド
Ｃ    不活性ガス
Ｄ    反応性ガス
Ｅ    プラズマ
【図１】
0003574118.tif 000002
【図２】
0003574118.tif 000003
【図３】
0003574118.tif 000004
【図４】
0003574118.tif 000005
【図５】
0003574118.tif 000006