(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に放電面を有し、この放電面にトンネル状の磁場を形成するためのマグネットが内部に設けられた電極本体と、
前記放電面は前記マグネットの外周を、間隔を置かずまたは間隔を置いて囲んでおり、
前記放電面の少なくとも一部と間隔を空けて対向し、前記電極本体を挟んで向かい合うアース部材と、
前記アース部材とこのアース部材に対向する前記放電面との間の放電空間へ、放電面と平行な方向からガスを導入するためのガスノズルと、
前記放電空間よりも前記ガスノズルから放出されるガスの流れ方向下流側で、前記電極本体から離れたところに設置された基材の支持機構と、
を有するプラズマ処理電極。
【請求項２】
前記電極本体が補助磁極を有し、この補助磁極の外側端部は電極本体の前記放電面より外側に出ている、請求項１のプラズマ処理電極。
【請求項３】
前記アース部材が前記電極本体を囲んでいる、請求項１または２のプラズマ処理電極。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかのプラズマ処理電極と、
前記電極本体近傍にＣＶＤ原料を導入するための原料ガスノズルと、を有するＣＶＤ電極。
【請求項５】
前記原料ガスノズルが、前記電極本体と前記支持機構に支持される基材が設置される位置との間の空間に設けられた、請求項４のＣＶＤ電極。
【請求項６】
前記電極本体と前記支持機構に支持される基材が設置される位置との間に、開口率５０％以上のアース接続されたメッシュが設けられた、請求項４または５のＣＶＤ電極。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれかのＣＶＤ電極を用い、前記プラズマ処理電極でプラズマを生成し、前記ガスノズルから導入されたガスをこのプラズマを通してラジカルに分解して基材上に供給すると共に、前記原料ガスノズルから導入されたＣＶＤ原料を前記基材上に供給することでこの基材に薄膜を形成する、薄膜付基材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本技術は、基材の表面処理や成膜に用いられるプラズマ電極、プラズマ処理電極およびＣＶＤ電極に関する。
【背景技術】
【０００２】  各種基材をプラズマによって表面改質することや、各種基材の表面にプラズマを用いた成膜手段により機能膜を成膜する技術は一般的によく知られている。この技術に用いられるプラズマ源として、さまざまなプラズマ電極の開発や実用化が進められている。そして効率化の観点から、１つの電極を用いて２つの面にプラズマを生成するような電極技術も開発されている。【０００３】  特許文献１には２つの磁気回路を背中合わせに配置し、電極両面にプラズマを生成させることにより２面同時にスパッタ成膜ができる電極が開示されている。この発明によれば、２つのカソードを背中合わせに配置することにより一体となったカソードの両面でスパッタ成膜することができ、各成膜ゾーンに基材を走らせることで効率的に成膜することができる。【０００４】  また特許文献２にはヨークを用いない構成にて磁気回路を構成することにより、電極両面にマグネトロン放電を行える磁場を生成する電極構造が開示されている。この電極を用いることで、カソード両面でスパッタ成膜ができる。この技術では、従来はヨークを用いて誘導していた放電面の反対側の磁束を、ヨークを使用しない構成にすることで放電面側と同様の磁束密度分布になるようにする。放電面側と同様に、放電面の反対側にもターゲット面を配置することにより両面でスパッタ成膜ができるため、電極１台で２パス分のスパッタ成膜ができる。【０００５】  また特許文献３には１つの磁石ユニットを用いて２つの面にマグネトロン放電を行える磁場を生成することにより、カソード両面でスパッタ成膜ができる電極構造が開示されている。この技術は特許文献２と同様にカソード両面でスパッタ成膜ができる電極であるが、磁気回路はヨークを用いて積極的に磁束を誘導する構成としており、磁束密度分布の最適化を図ったものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２７２７２
【特許文献２】特開２００６−２３３２４０
【特許文献３】特開２００９−１２７１０９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  スパッタ電極としては、特許文献１〜３の技術のようにカソード両面にプラズマを生成して効率よくスパッタ成膜できるような電極構造が提案されている。しかしながら、スパッタ成膜以外の用途、たとえばプラズマ処理やプラズマＣＶＤに好適に用いることができる効率のよいプラズマソースはいまだ提案されていない。特許文献１〜３に示されているようなスパッタ電極をプラズマ処理やプラズマＣＶＤに用いた場合、カソードの両面でそれぞれ強度の違うプラズマが生成されたり、片面しかプラズマが生成されなかったりして、安定して両面均等に放電させることが困難である。この問題は１つの放電面で１層の成膜を行うスパッタ装置においては大きな問題にならないが、２つのプラズマをあわせて１つの処理を行うプラズマ処理あるいはプラズマＣＶＤ電極としては、コントロール性が悪化するため問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明のプラズマ電極は、
外周面に放電面を有し、この放電面にトンネル状の磁場を形成するためのマグネットが内部に設けられた電極本体と、
前記放電面は前記マグネットの外周を、間隔を置かずまたは間隔を置いて囲んでおり、
前記放電面の少なくとも一部と間隔を空けて対向し、前記電極本体を挟んで向かい合うアース部材と、を有している。
【０００９】  また上記課題を解決する本発明のプラズマ処理電極は、本発明のプラズマ電極と、前記アース部材とこのアース部材に対向する前記放電面との間の放電空間へ、前記放電面と平行な方向からガスを導入するためのガスノズルと、を有している。【００１０】  また本発明のＣＶＤ電極は、本発明のプラズマ処理電極と、電極本体近傍にＣＶＤ原料を導入するための原料ガスノズルと、を有しており、前記ガスノズルから放出されるガスの流れ方向下流側で、電極本体から離れたところに設置される基材に成膜するための電極である。【００１１】  また本発明のプラズマＣＶＤ装置は、真空容器と、この真空容器内に基材の支持機構と本発明のＣＶＤ電極とを備えている。【００１２】  また上記課題を解決する本発明の薄膜付基材の製造方法は、本発明のＣＶＤ電極を用い、プラズマ電極でプラズマ生成し、ガスノズルから導入されたガスをこのプラズマを通してラジカルに分解して基材上に供給すると共に、原料ガスノズルから導入されたＣＶＤ原料を基材上に供給することでこの基材に薄膜を形成する。
【発明の効果】
【００１３】  本発明によれば、設置スペース的に、あるいは生産効率の観点から効率のよいプラズマソースが提供でき、これにより従来比高速でプラズマ処理あるいはプラズマＣＶＤ成膜ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のプラズマ電極の一例を示す概略断面図である（アース部材は図示せず）。
【図２】本発明のプラズマ電極の別の一例を示す概略断面図である（アース部材は図示せず）。
【図３】本発明のプラズマ電極の別の一例を示す概略断面図である（アース部材は図示せず）。
【図４ａ】本発明のプラズマ電極を用いたプラズマ処理電極の一例を示す概略断面図である。
【図４ｂ】本発明のプラズマ電極を用いたプラズマ処理電極の別の一例を示す概略断面図である。
【図５】図４ａに示すプラズマ処理電極のＩ−Ｉ矢視断面の模式図である。
【図６ａ】本発明のプラズマ処理電極を用いたプラズマＣＶＤ電極の一例を示す概略断面図である。
【図６ｂ】本発明のプラズマ処理電極を用いたプラズマＣＶＤ電極の別の一例を示す概略断面図である。
【図７】本発明のプラズマ電極に用いるカソード本体の磁場解析モデルの斜視図である。
【図８】図７の解析モデルを用いた磁場解析結果の側面断面図である。
【図９】図７の解析モデルを用いた磁場解析結果の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  以下、本発明の実施形態の例を、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明はこれら実施形態には限定されない。
【００１６】  図１は、本発明のプラズマ電極の一例を示す概略断面図である。本発明のプラズマ電極は、マグネット１０１、ヨーク１０２およびカソード１０３で電極本体を構成している。マグネット１０１で発生した磁束をヨーク１０２にて誘導し、カソード１０３上に放出することにより、カソード１０３表面が放電面となり、この放電面にマグネトロン用磁場を形成する。カソード１０３は、その表面が外側に向いた状態でマグネット１０１を囲むように配置されている。この際、（ｉ）１つのカソード１０３でマグネット１０１を囲んでもよく、（ii）複数のカソード１０３で、それぞれの間隔を置かずにマグネット１０１を囲んでもよく、または（iii）複数のカソード１０３で、それぞれの間隔を置いてマグネット１０１を囲んでもよい。（ｉ）の形態も、カソード１０３を、間隔を置かずにマグネット１０３の周りに配置した形態の１つとする。このようにカソード１０３がマグネット１０１を囲むように配置されているので、カソード１０３表面の放電面に形成されるマグネトロン用磁場は、電極本体を取り囲むようにつながる。
【００１７】  プラズマ電極は、カソード１０３と間隔を空けて対向するアース部材（図示せず）を備えている。カソード１０３とアース部材との間に電界を印加することにより、カソード１０３表面に高密度プラズマが生成される。上述したように、カソード１０３表面の放電面に形成されるマグネトロン用磁場は、電極本体を取り囲むようにつながるので、プラズマも電極本体を取り囲むように生成される。このようにプラズマは途切れなく連結して安定しているので、電極本体を挟んで両側に発生しているプラズマの強度に差が生じてバランスが崩れたり、一方のプラズマが点灯しないというトラブルを防止できる。アース部材はカソード１０３の全てと対向して設置する必要はなく、電極本体を挟んで向かい合う部分があれば、カソード１０３の一部分と対向して設置すればよい。ただし、アース部材が電極本体を取り囲むように設置されていた方が、電極本体を取り囲んで生成するプラズマがより安定するので好ましい。
【００１８】  プラズマ電極は、磁場生成手段１０１、ヨーク１０２およびカソード１０３で囲まれた空間を冷媒流路１０４としてもよい。プラズマ放電による熱でマグネット１０１やカソード１０３が損傷を受けないよう、冷媒流路１０４に冷媒を流して冷却することができる。
【００１９】  マグネット１０１は、カソード１０３表面にトンネル状の磁束が充分な強さで発現できるように、種類や形状などが適宜選定される。マグネット１０１の種類としてはフェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、ネオジウム磁石などが好適に用いられる。マグネット１０１の形状は電極形状にあわせて適宜決定すればよい。小型の円形電極であれば磁石形状も円形のものを好適に用いることができる。矩形電極では矩形の磁石が一般的に用いられている。広幅の電極に用いるには磁石自体が大型化するが、大きな磁石は磁力も強力なため組立作業等ハンドリングが困難になる。このような場合では複数の矩形磁石を一列に並べた磁石群を１つの磁石として取り扱うことが一般的に行われている。
【００２０】  またマグネット１０１およびヨーク１０２の配置は磁気回路の構成によって適宜決定できる。図１の概略断面図に示すように１つのマグネット１０１から放出される磁束を、ヨーク１０２を用いて両側の各カソード１０３表面に誘導するように磁気回路が構成されている場合は、図示するようにその中央部に１つマグネット１０１を配置する構成が好適に用いられる。図２および図３は、それぞれ本発明のプラズマ電極の別の一例を示す概略断面図である。図２の概略断面図に示すように１つのマグネット１０１から放出される磁束を、ヨーク１０２を用いて片側のカソード１０３表面に誘導するように２系統の磁気回路を構成する場合は、図示するように各系統の磁気回路に１つずつマグネット１０１を配置する構成が好適に用いられる。図３の概略断面図に示すように１対のマグネット１０１を用いて片側のカソード１０３表面に磁束を放出するように２系統の磁気回路を構成する場合は、図示するように各系統の磁気回路に１対ずつマグネット１０１を配置し、ヨーク１０２を用いて磁気回路を２系統構成する方法が好適に用いられる。
【００２１】  カソード１０３の材質は、電極の用途により適宜決定できる。例えば本発明のプラズマ電極をスパッタ装置として使用する場合、スパッタリングターゲットとして用いる材質を少なくとも放電面側最表層に有するようにカソード１０３を構成するのが好ましい。また本発明のプラズマ電極をイオンソース用途などのプラズマ発生源として用いる場合は、カソード１０３がプラズマによるエロージョンを受けにくくなるようにスパッタレートの低い材料、例えばアルミやチタン等の材料で構成するのが好ましい。いずれの場合においてもカソード１０３は何らかの冷却手段に冷却されているのが好ましく、カソード１０３自体が直接冷媒で冷却されるのがより好ましい。
【００２２】  図１および図２の概略断面図に示すように、ヨーク１０２の外側端部をカソード１０３表面、つまり電極本体の放電面より外側に突き出すことにより補助磁極とすることができる。このような補助磁極を用いることにより、カソード１０３上の磁場の制御性を向上させることができるのでより好ましい。例えば、磁極間の狭い範囲で急峻に立ち上がるような磁場を生成するように補助磁極を設計すれば、狭いエリアに集中した高密度プラズマが得られる。また、磁極間いっぱいに広い範囲で磁場強度の変動が少ない磁場を生成するように補助磁極を設計すれば、広範囲のプラズマを得ることができる。このように電極の使用目的に応じて適宜磁場設計することが好ましい。また補助磁極を用いる場合、図１中に示す極間距離Ａを冷媒流路幅Ｂよりも狭く設計するのが好ましい。これはヨークで誘導する磁束をできるだけ補助磁極から集中して放出させるためである。
【００２３】  図４ａは、本発明のプラズマ電極を用いたプラズマ処理電極の一例を示す概略断面図である。図５は、図４ａのプラズマ処理電極のＩ−Ｉ矢視断面の模式図である。このプラズマ処理電極は、図１の概略断面図で例示したプラズマ電極構成を用いてこれを電極２０１とし、電極２０１に対して一定の間隙を持って挟み込むようにアース部材２０２を配置している。さらに、カソード１０３表面の放電面とアース部材２０２との間に、放電面に平行な方向からガスを導入するガスノズル２０４を配置している。ガスノズル２０４により導入されるガスの導入方向の延長線上（ガスの流れ方向下流側）で、電極２０１から離れた位置に図示しない支持機構で支持された基材２０３が配置され、基材２０３の表面をプラズマ処理する。なお、基材の支持機構は固定されて動かない形態であっても、基材２０３を搬送するように動く円筒ドラム状の形態であってもよい。
【００２４】  ガスノズル２０４は、電極２０１によって生じる電離空間に直接ガスを導入できるように配置されるため、導入されるガスを効率良く電離することができる。またガスの導入に方向性を付与できるため、電離空間で生成されたイオンやラジカルなどを効率良く利用することができる。このような特徴から、イオンソースやラジカルソースなどのプラズマ処理装置として利用するのが好ましく、またプラズマＣＶＤ電極としてより好ましく用いることができる。
【００２５】  また図４ｂは、本発明のプラズマ電極を用いたプラズマ処理電極の別の一例を示す概略断面図である。このプラズマ電極ユニットは、図１の概略断面図で示したプラズマ電極構成の電極２０１を基本ユニットとし、２つの基本ユニットを、ガスノズル２０４から導入されるガス流れ方向に並べて配置している。このように２つの基本ユニットを並べて配置することにより、導入したガスがより長く強いプラズマに曝され分解が促進される。このためイオンやラジカルの生成量が多くなり、プラズマ処理装置の処理能力向上や、プラズマＣＶＤ装置の成膜速度向上に効果的である。なお、図４ｂのプラズマ処理電極は、基本ユニットを２つ並べて構成されているが、３つ以上を並べて構成してもよい。
【００２６】  図６ａは、本発明のプラズマ処理電極を用いたプラズマＣＶＤ電極の一例を示す概略断面図である。図４ａの概略断面図にて例示したプラズマ処理電極の構造を用いて、ガスノズル２０４に対して放電空間を挟んで反対側にＣＶＤ原料を導入するための原料ガスノズル２０５が設置されている。このプラズマ処理電極を用いて、プラズマ電極で放電空間にプラズマを生成する。そして、ガスノズル２０４から放電空間に向かってガスを導入し、このガスを電離させる。この電離したガスを基材２０３上に供給すると共に、原料ガスノズル２０５からＣＶＤ原料を基材２０３上に供給することで、ＣＶＤ原料ガスが分解され基材２０３に薄膜が形成される。
【００２７】  図６ｂは、本発明のプラズマ処理電極を用いたプラズマＣＶＤ電極の別の一例を示す概略断面図である。図４ａの概略断面図にて例示したプラズマ処理電極の構造を用いて、電極本体２０１と基材２０３の間の空間にＣＶＤ原料を導入するための原料ガスノズル２０５が設置されている。このプラズマ処理電極を用いて、プラズマ電極で放電空間にプラズマを生成する。そして、ガスノズル２０４から放電空間に向かってガスを導入し、このガスを電離させる。この電離したガスを電極本体２０１と基材２０３の間の空間に供給すると共に、原料ガスノズル２０５からＣＶＤ原料を同空間に供給することで、ＣＶＤ原料ガスが分解され基材２０３に薄膜が形成される。
【００２８】  図６ａと図６ｂのプラズマＣＶＤ電極はともに、原料ガスノズル２０５が基本的なガス流れに対して放電空間の下流側にあることから、成膜種が逆流しにくくなり、電極２０１が汚染されにくい特徴がある。また放電空間から基材２０３を遠ざけることができ、プラズマによる熱ダメージやイオン衝撃を抑制することで低いダメージで成膜ができる。放電空間の中心と基材２０３との間隙の最短距離は、原料ガスノズル２０５などの構造物のハンドリング容易性を考慮して３０ｍｍ以上とすることが好ましい。放電空間の中心と基材２０３との間隙を３００ｍｍより長く空けると、成膜レートが低下したり、占有空間が大きくなり効率が下がるため、間隙は３００ｍｍ以下とするのが好ましい。
【００２９】  また電極２０１と基材２０３が設置される位置との間に電気的にアース接続された導体メッシュを設置することにより、基材や成膜された膜にダメージを与える荷電粒子を取り除くことができるため好ましい。メッシュは開口率を５０％以上とすることで、荷電粒子以外の生成物の通過を妨げることによる成膜能力低下を防止できるのでより好ましい。
【実施例】
【００３０】  以上説明したプラズマ電極の磁気回路解析結果を説明する。電極本体は図１に示す構造とした。マグネット１０１には着磁方向（高さ方向）２０ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ４０ｍｍのネオジウム磁石を並べて用いる想定とし、磁石表面磁束密度を３００ｍＴとした。ヨーク１０２にはフェライト系ステンレスＳＵＳ４３０を用いることと想定し、比透磁率を５００（透磁率１．２６×１０−６×５００Ｈ／ｍ）と設定した。カソード１０３には純チタンを用い、冷媒流路１０４には冷却水を流す想定とした。以上の条件で図７に示す解析モデルを設定し、STAR-CCM+Ver.7.04.011を用いて解析を行った。解析の結果、カソードの周囲を取り囲むようにトンネル状の磁束が形成されることが分かった。参考までに、磁束密度分布の様子を図８の側面断面図および図９の正面図で示す。このカソードを用いれば、両直線部でのプラズマ強度が極端に違ったりしない、安定的なプラズマを生成することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００３１】  本発明は、プラズマＣＶＤ電極に限らず、プラズマ処理電極や、イオン源やラジカル源としてのプラズマ電極などにも応用することができるが、その応用範囲は、これらに限られるものではない。
【符号の説明】
【００３２】  １０１    マグネット  １０２    ヨーク  １０３    カソード  １０４    冷媒流路  １０５    ケーシング  ２０１    電極  ２０２    アース部材  ２０３    基材  ２０４    ガスノズル  ２０５    原料ガスノズル  Ａ        極間距離  Ｂ        冷媒流路幅
【図１】
0006511813.tif 000002
【図２】
0006511813.tif 000003
【図３】
0006511813.tif 000004
【図４ａ】
0006511813.tif 000005
【図４ｂ】
0006511813.tif 000006
【図５】
0006511813.tif 000007
【図６ａ】
0006511813.tif 000008
【図６ｂ】
0006511813.tif 000009
【図７】
0006511813.tif 000010
【図８】
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【図９】
0006511813.tif 000012