(57)【要約】  電極組立品は、１つまたは複数の出口を有するシールドによって囲繞された電極材料のコイルと、前記シールドから出る前に前記コイルの軸Ｘ−Ｘに沿って誘導される遮蔽ガスの供給とを備える。【選択図】図１
2009536691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極材料と、
前記電極材料の外部表面の上に遮蔽ガスを誘導するためのガス入口と、
を備える堆積プロセス用の電極であって、
前記電極材料が、周りに複数巻きのフィラメントが巻かれている長手方向中心軸Ｘを有する金属コイルを備え、前記ガスの出口が、実質的に前記軸Ｘに沿って前記ガスを誘導するように位置付けされている、堆積プロセス用の電極。
【請求項２】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが、表面と、動作中に前記遮蔽ガスが通過することができる前記表面内の出口とを含む、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが表面および出口を含み、前記シールドが、側壁を有するチューブを備え、前記側壁が複数の出口を有する、請求項１に記載の電極。
【請求項４】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが表面および出口を含み、前記軸が円弧を備える、請求項１に記載の電極。
【請求項５】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが表面および出口を含み、前記軸が完全な円を通って延びている、請求項１に記載の電極。
【請求項６】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが表面および出口を含み、前記シールドが複数の前記出口を有し、さらに、前記ガス入口からの距離が増すにつれて前記出口間の距離が減少している、請求項１に記載の電極。
【請求項７】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが表面および複数の出口を含み、前記ガス入口からの距離が増すにつれて前記出口の直径が増している、請求項１に記載の電極。
【請求項８】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが表面および複数の出口を含み、前記出口が中心軸を含み、前記軸が一点で交わる、請求項１に記載の電極。
【請求項９】
前記電極材料が、耐熱金属を備える、請求項１に記載の電極。
【請求項１０】
前記電極材料が、タンタル、タングステンおよび／またはモリブデンを含むリストから選ばれる、請求項１に記載の電極。
【請求項１１】
さらに、前記電極材料を包むシールドを備え、かつ前記シールドの長さに沿って前記シールドの周囲に複数の出口を有する、請求項１に記載の電極。
【請求項１２】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、かつ前記ガス入口から遠く離れた点に出口を有し、それによって、ガスが、前記シールドから出る前に、前記電極材料に沿って進むように構成されている、請求項１に記載の電極。
【請求項１３】
前記電極材料を包む非金属シールドをさらに備える、請求項１に記載の電極。
【請求項１４】
透明材料のシールドをさらに備える、請求項１に記載の電極。
【請求項１５】
石英のシールドをさらに備える、請求項１に記載の電極。
【請求項１６】
ベース部分をさらに備える、請求項１に記載の電極。
【請求項１７】
ベース部分および前記電極材料の周りのシールドをさらに備え、さらに前記ベース部分と前記シールドの間に封止材を含む、請求項１に記載の電極。
【請求項１８】
ベース部分をさらに備え、前記ベース部分が絶縁部材を含む、請求項１に記載の電極。
【請求項１９】
ベースをさらに備え、前記ベースが、ガスを前記電極材料の方へ、さらに前記電極材料の周りに誘導するように位置付けされたガス入口および１つまたは複数のガス出口を含む、請求項１に記載の電極。
【請求項２０】
入口および１つまたは複数の出口を有するベースをさらに備え、
前記ベースが、前記入口と前記１つまたは複数の出口の間に設けられたプレナムチャンバを含む、請求項１に記載の電極。
【請求項２１】
ベースをさらに備え、前記ベースが、処理チャンバの壁の開口に結合するための外部カップリングを含む、請求項１に記載の電極。
【請求項２２】
前記コイルが、開いたコイルを備える、請求項１に記載の電極。
【請求項２３】
前記コイルが、取付け部分に電気接続するための端部を備える、請求項１に記載の電極。
【請求項２４】
ベース部分および電極取付け部分をさらに備え、前記取付け部分が、前記電極の前記ベース部分の中にあり、さらに外部電気供給に接続するための外部電気コネクタを有する、請求項１に記載の電極。
【請求項２５】
前記電極材料が、タングステンフィラメントを備える、請求項１に記載の電極。
【請求項２６】
前記フィラメントが、直径０．２ｍｍのタングステンフィラメントを備える、請求項２５に記載の電極。
【請求項２７】
前記電極にパルス電流を供給するためのパルス電気供給源をさらに備える、請求項１に記載の電極。
【請求項２８】
電極材料と、
前記電極材料の外部表面の上に遮蔽ガスを誘導するためのガス入口と、
前記電極材料を包むシールドであって、表面および前記表面内の出口を含むシールドと、を備える堆積プロセス用の電極であって、
前記電極材料が、長手方向の軸を有する金属コイルを備え、さらに前記ガス出口が、前記ガスを前記軸に沿って誘導するように位置付けされている、堆積プロセス用の電極。
【請求項２９】
電極材料と、
前記電極材料の外部表面の上に遮蔽ガスを誘導するためのガス入口と、
前記電極材料を包むシールドであって、表面および前記表面内の出口を含むシールドと、を備える堆積プロセス用の電極であって、
前記電極材料が、円をなして延びる長手方向の軸を有する金属コイルを備え、さらに前記ガス入口が、前記ガスを前記軸に沿って誘導するように位置付けされている、堆積プロセス用の電極。
【請求項３０】
長手方向の軸を有するフィラメントコイルの形で電極材料を設けるステップと、
プラズマ生成ガスを供給するステップと、
前記電極材料に電流を加え、実質的に前記軸に沿って前記電極材料の上に前記プラズマ生成ガスを通し、それよって、前記電極材料の周りにプラズマ領域を生成するステップと、を有するプラズマ場を生成する方法。
【請求項３１】
前記電極材料を囲繞するシールドを設けることによって前記電極材料を遮蔽し、さらに前記シールドと前記電極材料の間に前記プラズマ生成ガスを通すステップを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
側壁と、前記シールドの中から外へのプラズマガスの通過のために前記側壁内に設けられた複数の出口とを有するチューブの形で前記シールドを設けるステップをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
側壁および前記側壁内に設けられた複数の出口を有するチューブの形で前記電極材料を囲繞するシールドを設けることによって前記電極材料を遮蔽するステップと、前記シールドと前記フィラメントの間に、さらに前記シールド内の前記出口から外へ前記プラズマ生成ガスを通すステップとをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
らせん状に巻かれたフィラメントの環として前記電極材料を設けるステップと、側壁および前記側壁内に設けられた複数の出口を有する円形チューブの形で前記電極材料を囲繞するシールドを設けることによって前記電極材料を遮蔽するステップと、前記シールドと前記フィラメントの間に、さらに前記シールド内の前記出口から外へ前記プラズマ生成ガスを通すステップと、をさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
らせん状に巻かれたフィラメントの環として前記電極材料を設けるステップと、
中心、側壁および前記側壁内に設けられた複数の出口を有する円形チューブの形で前記電極材料を囲繞するシールドを設けることによって前記電極材料を遮蔽するステップと、
前記シールドと前記フィラメントの間に、さらに前記シールド内の前記出口から外へ前記プラズマ生成ガスを通すステップと、
前記円形シールドの中心を通って処理ガスを通すステップと、
をさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、堆積および材料改質プロセスおよびそれら用のシステムに関し、特に、プラズマ増速化学気相成長または材料改質プロセス、そのようなシステムで使用される電極、およびそのような電極を使用する方法に関するが、これらだけに限られない。
【背景技術】
【０００２】
「プラズマ増速化学気相成長」（または、ＰＥＣＶＤ）は、様々な基板の上に膜を形成するために使用される知られた技術である。例えば、Ｆｅｌｔｓ等の米国特許第５，２２４，４４１号は、高速プラズマ堆積用の装置を記載している。シリコン酸化物のプラズマ増速化学気相成長では、揮発有機珪素化合物、酸素、およびヘリウムまたはアルゴンのような不活性ガスのような成分を含むガス流が、減圧で密閉チャンバの中に送り込まれ、このガス流またはこれの成分からグロー放電プラズマが起こされる。基板がプラズマの近くに位置付けされたとき、シリコン酸化物層が基板上に堆積される。そのようなシステムにおいて、圧力は、一般に、真空ポンプシステムによって大気圧から下げられる。電極表面は、電気放電またはプラズマが形成されるようにシステム中に導入されたガスと電気的に連絡している。この放電の目的は、システム中の部分（ｍｏｉｅｔｙ）を励起し、この部分が、コーティングされるべき加工物または基板上へ堆積されるようにすることである。
【０００３】
「中空カソード効果」を使用することは、出願者自身の特許出願ＷＯ２００６／０１９５６５（Ｂｏａｒｄｍａｎ等）から知られており、この出願では、チューブおよびパイプの内部表面は、加工物自体が堆積チャンバを形成する処理プロセスによって改質される。加工物の中に処理ガスを通しながら、かつ加工物の内部を減圧に維持しながら、加工物の中のまたは加工物の直ぐ外の電極と加工物自体との間にバイアス電圧を加えることによって、処理が、加工物の中で行われる。処理ガスは、堆積または打ち込みされるべき所望の元素を含み、圧力は、「中空カソード効果」を起こしかつ維持することができるほど十分に低く、この「中空カソード効果」では、電子の平均自由行程は、加工物の直径よりも僅かに小さく、したがって、電子振動およびこの部品自体の表面の下または上への所望の元素の打ち込みまたは堆積を引き起こす。
【０００４】
そのようなシステムでの１つの問題は、部品のために意図された材料の絶縁層で電極が汚染されるようになることがあることである。電極上の堆積物の成長は、時間が経つにつれてシステムの電圧／電流特性のシフトをもたらし、電極の汚染が進むにつれて、所定の電流に対して必要な動作電圧が増加する。この変化は、基板上に生成される誘電体コーティングの品質のドリフトを引き起こし、電極の周期的な洗浄または交換を必要とする。
【０００５】
さらに、汚染された電極によってプラズマに示される高インピーダンスのために、電力が浪費され、過剰な熱が発生されるようになる。最小限の廃熱が生成されてドリフトの無いプロセスを得ることが望ましい。対電極が加工物電極の外部に配置されなければならないとき、同様な問題が生じる。このような配置は、コーティングされるチューブの直径が小さいとき、または、チューブに沿って一様なコーティングを行うためにプラズマの事前活性化が必要とされる場合に、しばしば行われなければならない。この場合、プラズマがカソードからアノードの方へ流れるときのプラズマの減衰のために、加工物中の高密度中空カソードプラズマ（後で説明されるように、通常カソードとしてバイアスされている）と対電極（通常アノードとしてバイアスされている）の間に抵抗がある。アノードが抵抗材料でコーティングされるようになると、この問題は、当然、いっそう悪くなるだけである。
【０００６】
電子を解放するために電極を熱イオン放出温度まで加熱しなければならないことに、更なる問題があり、いくつかの配列では、電極が非常に熱いので、電極からの熱が周囲の構造に悪影響を及ぼすのを防ぐためだけに別個の高価な水冷装置を利用する必要がある。そのような配列の例は、Ｃｏｕｎｔｒｙｗｏｏｄ等の米国特許第６，１１０，５４０号に示されており、この特許は、堆積プロセスで利用される対電極を論じている。例えば、図３および４では、実質的な電極は、電極を囲繞する材料を冷やす冷却システムで囲繞されている。この特許は、図４の電極の代替物として耐熱金属線のコイルを使用する可能性も開示しているが、これに関連してさらにコメントしていない。
【０００７】
Ｃｏｕｎｔｒｙｗｏｏｄ等は、生成されたプラズマをアノード構造の所望の領域内に閉じ込めるために、別個の磁界生成システムを追加することを必要とする。そのようなシステムは、そうでなくても既に複雑なシステムに追加のコストおよび複雑さを持ち込み、さらに追加の電気エネルギーを消費する。
【０００８】
Ｃｏｕｎｔｒｙｗｏｏｄ等は、また、対電極が交互にアノードと次にカソードとして作用するようにＡＣ信号を必要とする。Ｃｏｕｎｔｒｙｗｏｏｄ等に記載される中空チューブ電極構成では、強い低インピーダンスプラズマ（基本的に、中空カソードプラズマ）を発生させるために、対電極に対する負（カソード）バイアスが波形の一部に必要である。Ｃｏｕｎｔｒｙｗｏｏｄ等は、ＤＣアノードを記載しているが、ＤＣアノードは、別個の直流電力供給がアノードに電力を供給することを必要とする。本発明の有利点は、対電極に対する正バイアスが必要でなく、Ｃｏｕｎｔｒｙｗｏｏｄ等の場合のようにＤＣまたはＤＣパルスプロセスに必要な別個の電力供給も必要でないことである。
【０００９】
上述の特許は、また、電極が遮蔽ガスによって処理ガスから保護されるガス・パージ・システムの使用を開示し、この遮蔽ガスは、電極の上に通され、さらに電極が位置付けされたチャンバからチャンバに設けられた小さな穴を介して外へ進む。遮蔽ガスは、処理ガスよりも高い圧力で供給され、したがって、どんな処理ガスも電極チャンバに入りそこに堆積されないように作用する。電極に関連したガス供給は、電極の周りのガス圧力を排気されたチャンバの他の場所よりも高く保つことができる。このガスは、電極に関連した比較的高密度のプラズマを形成し、この高密度プラズマは、金属電極表面の延長として作用し電極のインピーダンスを下げる。この電極システムは、一般に、ガスパージ電極として知られている。ガスパージ電極を使用することの利益は、ガスパージ電極がプロセスプラズマと一定低インピーダンスの電気接触を実現することである。このインピーダンスは一定であるので、プロセスはドリフトしない。インピーダンスは小さいので、全プロセスはより低電圧で動作し、電力はほとんど浪費されない。ガスパージ電極の周りのより高いガス圧力はガス供給によって絶えず補給され、排気されたチャンバのガスパージ電極の周りの場所と他の場所との間のガス圧力差は、主ガス供給からの反応ガスまたは他の成分がガスパージ対電極に近づくのを妨げる。利用されるガスは、一般に、ヘリウム、ネオン、またはアルゴン、またはヘリウム／ネオンまたはネオン／アルゴンのような混合物などの不活性ガスである。反応性スパッタリングプロセスでは、ガスは、酸素、窒素または他の反応性ガスであることがある。これらのガスの各々は、本発明の装置および方法で使用されてもよい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電極材料が、複数巻きのコイルが周りに巻かれている長手方向軸を有する前記金属コイルの形で設けられ、さらにガスの出口が、前記コイルの長手方向軸に実質的に沿ってプラズマ生成ガスを供給するために位置付けされているガスパージ電極配列を提供する。理解されることであろうが、電極はアノードまたはカソードを形成することができる。コイルは、プラズマ場の閉じ込めおよび強化の助けとなる磁気閉じ込め場を生成するが、一方で、熱イオン放出電子を含む電子および電極材料から流れる電子は、この場の中にいっそう容易に閉じ込められ、そこから解放される前に高エネルギーレベルを得る。特に有利な配列では、電極材料は、電極材料を包みさらに主処理ガスから電極材料を遮蔽するように効果的に作用するシールドによって囲繞されることがあり、電極材料はこの主処理ガスの中で動作させられることがある。このシールドの壁は、動作中に遮蔽ガスが処理チャンバ中へ入るように通過する１つまたは複数の出口を備える。また分かったことであるが、電極材料を円弧または好ましくは完全な円形に形成することは、放出された電子のエネルギーを強めるのに役立ち、またいくつかの場合には、プラズマの強度の著しい増加につながることがある。カソードから遠く離れた電極材料の場合には、この円弧の形状寸法は、ガス量がカソードと電極材料の間を流れるときにそのガス量の全直径の完全プラズマ活性化を実現し、したがって、直線電極材料よりも低い抵抗を実現する。配列の各々において、分かったことであるが、出口がガス入口から遠く離れるほどガス出口の数または実際は大きさが増すように、ガス供給からの距離が増すにつれて出口の数を変えることによって、放出の一様性を高めることができる。出口から放出されるプラズマが円錐状に集中するように円形電極材料配列の周りの出口に角度を付けることによって、高められたプラズマ効果がもたらされることがあることが分かった。シールドの先端にある単一の出口、またはシールドに沿ってか実際はシールドの周囲かに設けられた複数の出口などの他の形の出口が利用されることがあり、そのような配列は、本明細書において後で詳細に述べられる。電極材料は、好ましくは、タンタル、タングステンまたはモリブデンのような耐熱材料から作られ、それは、そのような材料が、高温で動作することができ、それによって増された数の熱イオン放出電子の生成の助けとなるからである。
【００１１】
１つの好ましい配列では、本電極は、周りに複数巻きのコイルが巻かれている長手方向の軸を有する前記コイルとして形成された電極材料と、遮蔽ガスを、電極材料を囲繞するシールド配列によって閉じ込められている間に、全体的にこの軸に沿って誘導するためのガス入口とを備える。このシールドは、前記シールドの中から外へのプラズマガスの通過を可能にするようにその表面に出口を備える。そのような配列は、高められた電子生成と、前記電極配列の外のともすれば有害なコーティング雰囲気からの電極材料の遮蔽との両方を実現する。
【００１２】
代わりの配列では、本電極は、周りに複数巻きの円形コイルが巻かれている長手方向の軸を有する前記円形コイルとして形成された電極材料と、遮蔽ガスを、電極材料を囲繞するシールド配列によって閉じ込められている間に、全体的にこの軸に沿って誘導するためのガス入口とを備える。このシールドは、前記シールドの中から外へのプラズマガスの通過を可能にするようにその表面に出口を備えるが、一方で、この円形配列は、どんな生成された電子でも閉じ込めることの助けとなる。そのような配列は、また、高められた電子生成と、前記電極配列の外のともすれば有害なコーティング雰囲気からの電極材料の遮蔽とを実現する。このシールドは、いくつかの適切な材料のどれか１つから形成されてもよいが、好ましくは、石英のような非金属材料を備え、この石英は透明な形であることがある。非金属材料を使用することは、それの外部表面へのどんな堆積コーティングの蓄積も著しく減少させるが、一方で、透明材料を使用することは、プラズマ生成の観察を可能にし、このことは、最初に中空カソード効果を確立するとき重大な有利点であることがある。このシールドは、好都合なことに、電極のベース部分の上にぴったり合う部分を含み、さらに、これらの間に封止材を含んで、遮蔽ガスが所望の領域の中に確実に保たれるようにする。電極材料から電気供給への電気接続は、好ましくは、電力源に接続するために電極が通過しなければならないベース部分から電極を絶縁する絶縁コネクタによって実現される。また、電極材料に関連した単一または多数のガス入口に供給ガスを分配するように作用する随意のプレナムチャンバの中に遮蔽ガスを受け入れるためのガス入口が、このベース部分内に位置付けされている。十分な量の熱イオン放出の生成を確実にするために、タングステンか、タンタルまたはモリブデンのような任意の他の耐熱金属かの、開いたコイルを構成するフィラメントを使用することができる。タングステンフィラメントが利用されるとき、好ましい直径は０．２ｍｍである。電極材料は、好ましくは、パルス電流源に接続され、このパルス電流源は、動作中に、電極材料が最初に熱くなって熱イオン放出電子を生成し、次に、もう一度熱くなって更なる熱イオン放出を生成するようになる前に、過熱を防ぐために冷えるようにする。この線の太さおよび長さは、Ｒ＝ρＬ／Ａのように抵抗を制御する。ここで、ρ＝固有抵抗率、Ｌ＝長さ、Ａ＝断面積である。線加熱は抵抗に比例し、熱イオン電子放出は加熱に比例する。
【００１３】
本発明の更なる態様に従って、複数巻きのフィラメントコイルが周りに巻かれている長手方向の軸Ｘを有する前記フィラメントコイルの形の電極材料、並びに前記軸に沿って前記電極材料の上に実質的に誘導されるプラズマ生成ガスを設けるステップを有するプラズマ場を生成する方法が提供される。電極材料は接地に接続され、部品１０（図１）は、前記電極材料を囲繞するプラズマを生成するように正の電位源に接続される。また、前記電極材料を囲繞するシールドを設け、さらに前記シールドと前記電極材料の間に前記プラズマ生成ガスを通すことによって前記電極材料を遮蔽することができる。望ましいとき、側壁と、前記シールドの中から外へのプラズマガスの通過のために前記側壁内に設けられた複数の出口とを有するチューブの形でシールドを設けることができる。
【００１４】
特に有利な方法は、側壁を有するチューブの形で前記電極材料を囲繞するシールドを設けけることによって前記電極材料を遮蔽するステップと、前記側壁内に複数の出口を設ける更なるステップと、前記シールドと前記フィラメントの間に、さらに前記シールド内の前記出口から外へ前記プラズマ生成ガスを通す更なるステップと、を含む。好ましくは、本方法は、らせん状に巻かれたフィラメントの環として前記電極材料を設けるステップと、側壁および前記側壁内に設けられた複数の出口を有する円形チューブの形で前記電極材料を囲繞するシールドを設けることによって前記電極材料を遮蔽するステップと、前記シールドと前記フィラメントの間に、さらに前記シールド内の前記出口から外へ前記プラズマ生成ガスを通すステップと、を含む。本方法は、また、任意のガス流が全体的に集中的であるように、好ましくは、電極の近くにプラズマガスの円錐または環を形成するやり方で集中的であるように、出口から出るプラズマガスを誘導するステップを含むことができる。ガスが上記の方法に従って放出されるとき、前記円形チューブの中心を通って、放出されたプラズマガスの環または円錐の中に任意の処理ガスを通すことによって、コーティングまたは処理プロセスをさらに高めることができる。
【００１５】
ガスパージ対電極が、パルスＤＣ電力またはＡＣ電力供給を使用するプラズマ増速化学気相成長システムで使用されることがある。この電極は、処理されるべき部品によって少なくとも部分的に形成されることがある排気されたプロセスチャンバ中に放出される強いプラズマ噴射を生成するために、パージガスを使用する。比較的高密度プラズマであるこの噴射は、非常に導電性が高く、プロセスプラズマの対電極として作用する。プロセスプラズマは、ガスパージ対電極と他方の電極の間に供給される電流によって持続される。他方の電極は、第２のガスパージ電極であることがあり、または、簡単な金属の棒または板のような他の形を取ることがあり、または部品自体であることもある。小さな直径のパイプの内部表面をコーティングまたは処理するとき、または現場で部品を処理するとき、この後者の配列は、特に有利である。電子またはイオンは、プロセスプラズマで要求されるように、ガスパージ対電極に関連したプラズマから容易に引き出される。したがって、プラズマをベースにした電極の正味のインピーダンスは低い。
【００１６】
安定なプラズマを生成することは、一貫した品質の誘電体コーティングの生産のために必要である。交流電力を使用するプラズマ堆積システムの場合でも、電極上の誘電体堆積物のどんな成長も時間が経つにつれてシステムの電圧／電流特性のシフトをもたらす。必要な動作電圧は増加し、したがって所定の電力レベルに対して電流が減少する。これらの変化は、この方法が生成する誘電体コーティングの特性のドリフトを引き起こし、さらに電極の周期的な洗浄を必要とする。本発明は、プラズマ強度およびプラズマ自体を生成する容易さを高めながら、この効果を減少させること、またことによると無くすることを目指す。
【００１７】
本発明の先の、および他の特徴および態様は、添付の図面に関連して以下の詳細な説明を読むと、いっそう明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１を参照して、導電性配管または「加工物」１０は、ガス供給サブシステム１２およびプロセス制御サブシステム１４を含むシステムに接続されているものとして示されている。この加工物は、単一部品として示されているが、チューブまたはパイプの組立品であることもある。メタンまたはアセチレンなどの容易に利用可能な処理ガスが、第１のガス供給容器１６で供給される。このガスは、本明細書において後で説明される打ち込みまたはコーティングのステップで使用される。この目的にふさわしいアルゴンまたは任意の他の適切な不活性ガスは、第２のガス供給容器１８から供給されて、パイプ表面のプラズマ「前洗浄」およびアルゴン（Ａｒ）と処理ガスの混合を可能にする。
【００１９】
ＤＣパルス電力供給２０は、加工物１０に負バイアスを加えるために使用される。このバイアスは、（ａ）カソードと接地された電極材料の間にプラズマを生成し、（ｂ）イオン化反応性ガスを処理されるべき表面に引き寄せ、（ｃ）膜のイオンボンバードメントが、密度およびストレスのレベルのような膜特性を改善するようにし、さらに（ｄ）デューティサイクルの「オフ」部分の間に原料ガスの補給を可能にするようにデューティサイクルを調整して膜一様性の制御を可能にするために使用される。ここで、加工物はカソードとして機能し、加工物の反対の端部に接地されたアノード２２および２４がある。ターボポンプ２６および真空ポンプ２８は、加工物１０の内部から出口端を通してガスを引き出す。圧力制御装置３０は、光プローブ３２およびラングミュアプローブ３４から情報を受け取り、これらは、光プローブがプラズマの中に見通し線を有し、ラングミュアプローブがプラズマに接触するように配置されている。２つのプローブがプラズマ強度を感知し、強度レベルを示す情報を生成する。この情報は、調整可能な流れ部材３６の適切な設定を決定するように制御装置によって使用され、この流れ部材３６は弁であることがある。この設定は、電子の平均自由行程が加工物の内径よりも僅かに小さくて、「中空カソード」効果によって電子振動および増加されたイオン化衝突を引き起こす条件を加工物１０内部の圧力が確立するようなものでなければならない。したがって、より強いプラズマが加工物の中に生成される。電子の平均自由行程は、圧力が減少するにつれて増加するので、パイプ直径が増すにつれて圧力を下げる必要がある。例えば、直径６．３５ｍｍ（４分の１インチ）のガスラインは、ほぼ２００ミリトルの圧力で中空カソードプラズマを生成するが、一方で、直径１０１．６ミリメートル（４インチ）のポンプ排気ダクトは、ほぼ１２ミリトルの圧力でプラズマを生成する。これらの値は、より大きな直径でより低い圧力という全体的な傾向を示す近似値であるように意図されているが、この圧力範囲は、これらの値と相当に異なっても依然として中空カソードプラズマを維持することができる。
【００２０】
プラズマシースを横切って加工物中へ加速されるのはイオン化されたガスだけであるので、イオン化またはプラズマ強度の程度は、プラズマ浸入イオン打ち込みおよび堆積（ＰＩＩＩＤ）技術が有効であるために重要である。中空カソード効果は、そうでなくてＤＣまたはＲＦプラズマで利用可能であるものよりも強いプラズマを生成する。この強度の増加は、内部表面のために、特に「現場」用途の場合に実現するのが非常に困難である磁石またはマイクロ波プラズマ源などの強いプラズマを生成する他の手段の複雑さ無しに、利用可能である。このプロセスは、また、加熱がイオンボンバードメントによって引き起こされるので、加工物１０を別個に加熱する必要を無くする。光およびラングミュアプローブは、いつ強い中空カソードが適切に生成されるかを監視するようにアノード端接続部に位置付けされている。コンピュータソフトウェア制御３８は、ＤＣパルス電力供給２０および圧力制御装置３０に接続されるものとして示されている。さらに、コンピュータソフトウェア制御は、作業を管理する目的のために、制御信号を生成し、インタフェースケーブル４０を介してガス供給サブシステム１２に送ることができる。
【００２１】
先に簡単に言及された電極をより詳細に例示する図２および３をここで参照すると、これらの図はいくつかの異なる形状を含むことがあるが、各々が同じ基本動作原理を利用していることは理解されるであろう。図２を参照すると、理解されることであろうが、電極材料５０は、フィラメント線の複数のコイルから形成されたフィラメント線のコイルとして形成され、コイルの開いた環が前記の軸Ｘの周りに円を描き内部ゾーン５２を作るように前記の軸Ｘに沿って延びるように整えられており、この内部ゾーン５２の機能は本明細書において後で説明される。例えば透明石英から形成され、貫通して延びる１つまたは複数の穴５６ａを備えた側壁５６を有するシールド５４が、電極材料コイル５０を囲繞している。穴は単数で設けられることがあり、この場合に、この穴の位置はプラズマ生成の所望の方向に適切であるように選ばれ、または、穴は、流出するプラズマ生成ガスを所望の集合方向にまたは電極２２、２４を囲繞する全体的な領域の中へ誘導するように位置付けされた、側壁内に設けられた一連の穴として設けられることがある。図２は、電極の周りの領域Ｒの中に全体的にプラズマゾーンを生成するための一連の穴を示す。フィラメントは、いくつかの材料から作られることがあるが、好ましくは、タングステン、タンタルまたはモリブデンのような耐熱金属であり、タングステン素子として実現された場合には、０．１ｍｍから１．０ｍｍ、また好ましくは０．２ｍｍの直径であってもよく、この直径は、一般的な処理目的のために十分であることが分かっている。電極材料５０のそうでなければ自由な端部５６は、絶縁ブロック５８を通り抜けて、電極のベース部分６０に入り、そこで、端子６２に電気的に結合される。端子６２は、図１の電気供給２０への接続を可能にするように、ベース部分の外に位置付けされている。ガス供給パイプ６４は、容器１８からのガスを、コイル自体の長手方向の軸Ｘ−Ｘに沿って誘導される前に、ベース部分６０の中へ、さらにそこから電極材料５０とシールド５４の間の領域６６の中へ供給するように位置付けされている。ベース部分６０は、周りに一対の封止材６８が設けられた領域６６をさらに備え、この封止材６８は、さらにシールドをベース部分上に保持しながらシールド５４と部分６６の間のどんな隙間も封止するように作用する。
【００２２】
図３および４は好ましい代替電極配列を例示し、この電極配列では、電極材料フィラメントは、長手方向の軸Ｘの周りに複数巻きの前記フィラメントを備え、かつ円弧をなして、好ましくは内部穴７０を有する完全なまたは実質的に完全な円をなして延びる開いたコイルとして形成されている。シールド５４は、円弧または好ましくは完全な円として同様に形作られ、先に図１に関連して説明されたやり方で電極材料５０を囲繞している。出口５６ａが側壁５４内のいくつかの位置のどれか１つに設けられてもよいことは理解されるであろうが、側壁の一方の側に出口を設け、かつ穴から放出されるどんなプラズマガスも誘導されて関連した穴から放出されるガスと共に集中するようになるように穴の軸を位置付けして、電極自体の近くの領域Ｒに強められたプラズマゾーンを生成することができることが分かった。特に望ましい配列では、穴は、図示されるように、円錐状に集中するような円形電極配列からプラズマガスを誘導するように位置付けされる。そのような配列は、生成されるプラズマを強めるのに役立ち、円形配列が利用されたとき、プラズマの円錐を生成し、この円錐の中へどんな処理ガスＧでも誘導されることがある。電極からのプラズマガスの一様な放出を確実にするために、プラズマ生成ガスの源から遠く離れるほどより出口密度が高くなるように、大きさおよび／または出口間距離を変えることが望ましいと分かることがある。代わりに、ガス入口から遠いほど直径が大きくなる状態でただ穴の大きさを変えるだけでもよい。このことは、電極全体を通過するようにガスＧを強制することに加えて、電子が電極材料全体を通して流れて電極全体を通る磁界を生成するように強制する（電気入口接続から最も遠いところで入って）。いくつかの配列では、単一または比較的少数の出口をガス入力点から遠く離れた点に設け、それによって、プラズマガスが電極材料の近くに長い滞留時間を持つことを確実にすることが望ましいことがある。図３および４の更なる特徴には、遮蔽ガスが電極および７４で模式的に図示された取付け部分へ導入されるようにするガス／電極供給部分７２がある。
【００２３】
図２から４に示された電極の動作は、図５に関連して最適に例示され、図５は、５０で電極材料コイルを示し、さらに、コイル配列５０に電流を通すことの直接の結果として生成される複数の磁力線Ｆ１、Ｆ２およびＦ３を示す。不活性プラズマ生成ガスは７２から導入され、電極材料の長手方向の軸に実質的に沿って、好ましくはコイル自体の中に誘導される。
【００２４】
この電流は、電極材料５０を熱イオン温度まで加熱してその表面からの電子の解放を可能にするのに十分であるように選ばれる。電子がいったん解放されると、電子が高エネルギーレベルを得ることができるように、さらに電子がより多くの中性ガス原子と衝突することができるように、電子を磁界の範囲内にできるだけ長く保持することが望ましく、それによってより多くのイオン化を引き起こす。経路７６は、電子の飛行および磁界内への閉じ込めを例示する。電子は、式Ｆ＝ｑｖ×Ｂに従って磁力線に沿って旋回する。ここで、ｑ＝電子の電荷、ｖ＝電子の速度、およびＢ＝磁界である。電子が図２のコイルの長さに沿っていったん通り抜けると、電子は、磁界の範囲から解放され、電極から放出されるようになる。プラズマ生成ガスは、らせん状に巻かれた電極材料の軸に沿って誘導され、それによって、ガスが電極材料とできるだけ長く接触した状態で維持され、さらにどんな放出された電子もできるだけ長く閉じ込められてそれによって特定の制御された方向に解放される前に濃化されることを確実にする。図２の配列では、電子は、円形電極材料配列の周りを「競走用トラック」型のやり方で通るように強制され、それによって、磁界の範囲からの解放の前に電子をさらにいっそう濃化する。これは、磁力線が円になって集まり、特により低圧力で、電子は円形状の磁力線をたどる傾向があるからである。また、磁界強度は、コイルの巻き数を増すことによって、式Ｂ＝ρＮＩ／Ｌに従って強められることがある。ここで、ρ＝透磁率、Ｎ＝巻き数、Ｉ＝電流、およびＬ＝長さである。さらに、ＡＣまたはＤＣ両極性パルスを使用するとき、対電極は、波形のある限られた部分で、加工物に対して負バイアスを与えられることがある。このことは、また、プラズマと負バイアス電極の間に生じる、正バイアス電極に比べて高いバイアスのために（プラズマ電位が、大部分の正電極電位よりも数ｅＶ高くなる傾向があるので）、対電極の周りのプラズマ密度を高める効果を持つ。このより高いバイアスは、強められたイオンボンバードメントをもたらし、結果として、増加された加熱および電子熱イオン放出となる。次に、これらの電子は、磁界によって閉じ込められ、次にガス中性物と衝突してプラズマ密度を高める。この高められたプラズマ密度は、次に、減衰する前に、波形の正部分が対電極に加えられるとき利用可能である。理解されることであろうが、「競走用トラック」によって、コイルの周りを通るどんなガスでも、必要であれば、完全な２周以上を完成することができるように、コイルが完全な円であることを意味する。
【００２５】
上述の装置が置かれる可能性がある可能な用途を読者が理解するのに役立つために、ここで、様々な処理ステップが、ただ単に例として説明される。理解されることであろうが、図１から５の上述の装置および電極は、以下のステップのうちの任意の１つまたは複数で利用されることがあり、これらの使用は、以下のステップの全てを採用するプロセスでの使用に限られない。第１の例では、前洗浄ステップが、利用され、第１のガス供給容器１８からアルゴンなどのスパッタガスを導入することで容易にされることがある。前洗浄は、１×１０−３トル、好ましくは１×１０−４トルより下までポンプダウンした後で始められることがある。加工物の内部表面の汚染物は、負ＤＣパルスが電力供給２０を介して加えられるときスパッタ除去される。
【００２６】
窒化または炭素打ち込みのための随意の打ち込みステップが、いくつかの用途で使用されることがある。例えば、炭素打ち込みは、加工物材料中に部分表面炭素層を形成し、この加工物材料はステンレス鋼であってよい。この層は、任意の実質的堆積層および他の材料に対する付着力を改善する。炭素打ち込みは、コーティングプロセスの他のステップで経験されるものよりも大きなバイアスで行われる。適切なバイアスは、５ｋＶを超えるものである。小さな直径のチューブの場合にはこのステップに注意が払われなければならず、そのため、プラズマシースの大きさは加工物の半径よりも大きくならない。
【００２７】
１つの前駆体が加工物１０中に導入される前駆体堆積ステップが利用されることがある。許容できる前駆体には、メタン、アセチレンまたはトルエンがある。打ち込みではなく薄膜堆積を行うために、このプロセスステップでＤＣパルス電圧は減少される。強められたイオンボンバードメントを実現し、さらに／またはプラズマのインピーダンスを下げるために、コーティングステップ中に、アルゴンが炭素含有前駆体と混合されることがある。コーティングパラメータは、所望の組合せコーティングを生成するために、コーティングプロセス中に動的に調整されることがある。プローブは、様々なパラメータを許容範囲内に維持するためにコンピュータソフトウェア制御４２および圧力制御装置３４によって使用されることがある情報を提供する。したがって、加工物内の圧力を決定する要素は、必要に応じて調整されることができ、または、必要であれば、パルスバイアスの大きさおよびデューティサイクルが調整されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明を組み込む処理装置を示す概略図である。
【図２】本発明の一態様に従った第１の電極配列を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の態様に従った第２の電極配列を示す断面図である。
【図４】図３の矢印Ａ−Ａの方向での第２の電極を示す更なる断面図である。
【図５】上述の配列内の磁界および電子経路を示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年1月13日(2009.1.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極材料と、
前記電極材料の外部表面の上に遮蔽ガスを誘導するためのガス入口と、
を備える堆積プロセス用の電極であって、
前記電極材料が、周りに複数巻きのフィラメントが巻かれている長手方向中心軸を有する金属コイルを備え、前記ガスの出口が、実質的に前記軸に沿って前記ガスを誘導するように位置付けされている、堆積プロセス用の電極。
【請求項２】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが、表面と、動作中に前記遮蔽ガスが通過することができる前記表面内の出口とを含む、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが表面および出口を含み、前記シールドが、側壁を有するチューブを備え、前記側壁が複数の出口を有する、請求項１または２に記載の電極。
【請求項４】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが表面および出口を含み、前記軸が円弧を備える、請求項１または２に記載の電極。
【請求項５】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが表面および出口を含み、前記軸が完全な円を通って延びている、請求項１から４のいずれかに記載の電極。
【請求項６】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが表面および出口を含み、前記シールドが複数の前記出口を有し、さらに、前記ガス入口からの距離が増すにつれて前記出口間の距離が減少している、請求項１から５のいずれかに記載の電極。
【請求項７】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが表面および複数の出口を含み、前記ガス入口からの距離が増すにつれて前記出口の直径が増している、請求項１から６のいずれかに記載の電極。
【請求項８】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、前記シールドが表面および複数の出口を含み、前記出口が中心軸を含み、前記軸が一点で交わる、請求項１から７のいずれかに記載の電極。
【請求項９】
前記電極材料を包むシールドをさらに備え、かつ前記ガス入口から遠く離れた点に出口を有し、それによって、ガスが、前記シールドから出る前に、前記電極材料に沿って進むように構成されている、請求項１から８のいずれかに記載の電極。
【請求項１０】
ベースをさらに備え、前記ベースが、ガスを前記電極材料の方へ、さらに前記電極材料の周りに誘導するように位置付けされたガス入口および１つまたは複数のガス出口を含む、請求項１から９のいずれかに記載の電極。
【請求項１１】
入口および１つまたは複数の出口を有するベースをさらに備え、
前記ベースが、前記入口と前記１つまたは複数の出口の間に設けられたプレナムチャンバを含む、請求項１から１０のいずれかに記載の電極。
【請求項１２】
長手方向の軸を有するフィラメントコイルの形で電極材料を設けるステップと、
遮蔽プラズマ生成ガスを供給するステップと、
前記電極材料に電流を加え、実質的に前記軸に沿って前記電極材料の上に前記プラズマ生成ガスを通し、それよって、前記電極材料の周りにプラズマ領域を生成するステップと、を有するプラズマ場を生成する方法。
【請求項１３】
前記電極材料を囲繞するシールドを設けることによって前記電極材料を遮蔽し、さらに前記シールドと前記電極材料の間に前記プラズマ生成ガスを通すステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
らせん状に巻かれたフィラメントの環として前記電極材料を設けるステップと、
中心、側壁および前記側壁内に設けられた複数の出口を有する円形チューブの形で前記電極材料を囲繞するシールドを設けることによって前記電極材料を遮蔽するステップと、
前記シールドと前記フィラメントの間に、さらに前記シールド内の前記出口から外へ前記プラズマ生成ガスを通すステップと、
前記円形シールドの中心を通って処理ガスを通すステップと、
をさらに含む、請求項１２または１３に記載の方法。
【国際調査報告】
2009536691.tif 000008
2009536691.tif 000009
2009536691.tif 000010